CN106411107A

CN106411107A - 电力转换装置

Info

Publication number: CN106411107A
Application number: CN201610568978.7A
Authority: CN
Inventors: 樱井直树; 吉成清美
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: CN106411107B; JP2017034879A; EP3128665A1; EP3128665B1; JP6568422B2

Abstract

提供一种电力转换装置，能够可靠地抑制框体因涡电流而导致温度上升。电力转换装置具有包括金属板的框体(1)、容纳在框体内的电力转换电路(20)和配置在框体内并且与电力转换电路连接、流动有作为主电流的交流电流的多个布线导体(2a、2b、2c)，多个布线导体以其长度方向与框体的一个面平行的方式与该一个面邻接，在框体的一个面中的与多个布线导体相对置的位置，沿着多个布线导体的长度方向设置多个狭缝(10)。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及具有容纳电力转换电路的框体的电力转换装置。

背景技术

近年来，在被引进的太阳能发电或风力发电等自然能电源中，使用将直流转换为交流的功率调节器(power conditioner)、防止频率变动的频率转换装置。另外，在对互联网、便携式电话的数据进行管理的数据中心使用不间断电源。这样，电力转换装置的利用领域还包括以往的电动机驱动领域地正在扩大。

自然能电源的引入、互联网、便携式电话的普及在大多数的国家和地区发展，电力转换装置的需求急速且全球化地增长。伴随需求的增长，要求降低成本，因此，电力转换装置的小型化正在发展。

但是，随着小型化的发展而产生了如下问题：因与电力转换装置的框体接近配置的布线导体中流动的电流所产生的磁通，而导致在框体表面产生涡电流，并且因框体材料的电阻而导致产生焦耳损失，因此框体温度变高。

对此，作为抑制因涡电流而导致的发热的现有技术，公知有专利文献1以及专利文献2中记载的技术。

在专利文献1记载的技术中，在容纳母线导体的框架上，设置在母线导体的轴向上延伸的狭缝，利用非磁性体堵塞该狭缝。由于该狭缝的磁阻大，所以围绕框架的磁通减少，在框架上产生的涡电流减少，而抑制框架发热。

在专利文献2记载的技术中，在包围高频变压器的非磁性金属板上设置狭缝，来防止产生涡电流，从而防止非磁性金属板温度上升。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-300630号公报(图1)

专利文献2：日本特开平11-345724号公报(图9)

发明内容

发明要解决的问题

在上述现有技术中，产生磁通的布线导体、电器设备与狭缝之间的配置关系，影响到涡电流的大小、分布。因此，在框体大的用于大功率的电力转换装置中存在这样的问题：即使设置狭缝也不能够充分地减少框体温度上升、或框体局部地变为高温。

因此，本发明提供一种能够可靠地抑制因涡电流而导致框体温度上升的电力转换装置。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的电力转换装置具有：框体，包括金属板；电力转换电路，容纳在框体内；以及多个布线导体，配置在框体内并且与电力转换电路连接，在多个布线导体中流动有作为主电流的交流电流，多个布线导体以使多个布线导体的长度方向与框体的一个面平行的方式与框体的一个面邻接，在框体的一个面中的与多个布线导体相对置的位置，沿着多个布线导体的长度方向设置有多个狭缝。

发明效果

根据本发明，通过在框体中沿着多个布线导体的长度方向设置的多个狭缝，能够降低多个布线导体与框体之间的互感，因此能够减少因在布线导体中流动的交流电流所产生的磁通而导致在框体产生的涡电流。由此，能够可靠地抑制因涡电流而导致的框体温度上升。

通过下面的实施方式的说明，明确上述以外的问题、结构以及效果。

附图说明

图1a是用于说明涡电流产生的示意图。

图1b表示在框体中产生涡电流时的等效电路。

图2a是作为实施例1的电力转换装置的内部结构立体图。

图2b表示在实施例1中与布线相对置的框体的平面图。

图3表示包括电力转换单元的电力转换电路的一个例子。

图4表示狭缝宽度与布线宽度的比和互感之间的关系。

图5a是作为实施例2的电力转换装置的内部结构立体图。

图5b表示在实施例2中从排列设置布线导体的方向观察到的框体的侧视图。

图6是表示作为实施例3的电力转换装置的概略结构的外观立体图。

附图标记说明

1、1a 框体

2、2a、2b、2c 布线导体

5 空心变压器

7 电阻

10 狭缝

11 檐

12 罩

20 电力转换单元

101、102、103、104、105、106 半导体开关元件

201、202、203、204、205、206 二极管

具体实施方式

下面，利用附图说明本发明的实施方式。在各图中，相同的附图标记表示同一结构要件或具有类似功能的结构要件。

首先，说明电力转换装置的框体的表面温度上升的机理。

图1a是用于说明涡电流产生的示意图。若在与框体1邻接的布线导体2中有交流电流i(例如，AC50Hz或60Hz)流动，则产生磁通φ，由于该磁通而在框体1的表面产生涡电流。

图1b表示在框体1中产生涡电流时的等效电路。布线导体2和框体1由空心变压器5等效地表示。在布线导体2中流动交流电流i时，在框体1的表面产生算式(1)所示的电压V_e。

V_e＝M×(di/dt)……(1)

其中，M为空心变压器5的互感，di/dt为电流的时间变化率。

另外，在将涡电流路径的电阻7设定为R_s时，因涡电流而产生的焦耳损失J由算式(2)表示。

J＝V_e ²/R_s＝(M×di/dt)²/R_s……(2)

由于框体1的温度上升与焦耳损失J成正比，所以根据算式(2)，框体1的温度上升与空心变压器5的互感(M)的平方成正比，与涡电流路径的电阻(R_s)成反比。此外，di/dt依赖于电力转换装置的电路特性。因此，为了利用框体1以及布线导体2的结构来抑制温度上升，降低布线导体2与框体1之间的互感(M)、或者增大框体1中的涡电流路径的电阻(R_s)。

接着，说明考虑了上述涡电流的产生机理后的本发明的实施例。

实施例1

图2a以及图2b表示作为本发明的实施例1的电力转换装置的概略结构。图2a是内部结构立体图，图2b表示与布线相对置的框体的平面图。

在本实施例1中，处理3相交流电力的电力转换单元20容纳在框体1内。在框体1内，U相用布线导体2a、V相用布线导体2b以及W相用布线导体2c与电力转换单元20连接。因此，在布线导体2a、2b、2c中流动电力转换单元20的输出电流、即作为主电流的3相交流电流。框体1包括作为金属板材料的比较廉价的钢板。电力转换单元20对大功率(例如，数MVA以上)进行处理。另外，电力转换单元20的输出电流的频率为比较低的频率(例如，最大为数十～数百赫兹左右)。此外，图3表示构成电力转换单元20的电力转换电路的一个例子。

图3的电力转换电路通过对半导体开关元件101～106(在图3中为绝缘栅双极型晶体管(IGBT))进行接通断开(ON/OFF)控制，来将直流电力转换为三相交流电力、或将三相交流电力转换为直流电力。本电力转换电路具有半导体开关元件101与二极管201反向并联连接的上臂，和半导体开关元件102与二极管202反向并联连接的下臂。上臂与下臂的串联连接电路的两端与直流端子P、N(P：高电位侧，N：低电位侧)连接，上臂和下臂之间的连接点与U相的交流端子U连接。另外，包括半导体开关元件103和二极管203的上臂与包括半导体开关元件104和二极管204的下臂的串联连接电路的两端以及连接点分别与直流端子P、N以及V相的交流端子V连接。另外，包括半导体开关元件105和二极管205的上臂与包括半导体开关元件106和二极管206的下臂的串联连接电路的两端以及连接点分别与直流端子P、N以及W相的交流端子W连接。即，本电力转换电路对应于交流的相数而具有3个上臂和下臂的串联连接电路。此外，就一个臂而言，例如示出了具有一个半导体开关元件和一个二极管的例子，但也能够根据功率容量(power capacity)，并联连接多个半导体开关元件，并且并联连接多个二极管。另外，就一个臂而言，例如包括半导体开关元件101和二极管201的U相的上臂能够由功率半导体模块PM构成。

图2a、2b所示的布线导体2a、2b、2c分别与图3中的交流端子U、V、W连接。

为了增大流动的电流，这些布线导体2a、2b、2c包括由铜材料等金属导体构成的平板状的汇流条(bus bar)。布线导体2a、2b、2c在框体1内以使长度方向与框体1的一个面平行的方式，与框体1的一个面相邻。另外，在本实施例1中，布线导体2a、2b、2c以沿着框体1的高度方向的方式配置，并且以平板形状的厚度方向的面与框体1的一个面相对置且相邻的方式配置。另外，在框体1内，布线导体2a、2b、2c以使平板形状的平面部相互平行地对置的方式，实质上等间隔地并排配置。另外，布线导体2a、2b、2c的上端部为了与框体1内的位于上部的电力转换单元20连接，而位于实质上相同的高度。另外，布线导体2a、2b、2c的下端部，为了向垂直方向弯曲延伸而与其他电路部分连接，按照布线导体2a、2b、2c的顺序位置依次变低。在这样的布线导体2a、2b、2c的配置中，布线导体2a、2b、2c的高度方向的平板平面部相互重叠。因此，与后述的涡电流降低结构相互作用，能够减小框体1内的布线导体2a、2b、2c的设置空间，能够减小框体1的大小(尺寸)，即减小电力转换装置的大小(尺寸)。

如图2a所示，在本实施例1中，在框体1的一个面上，在布线导体2a、2b、2c的平板形状的厚度方向的面相对置的位置，设置在框体1的一个面中的成为开口部的细长狭缝10。与布线导体2a、2b、2c相对置的各狭缝10的长度与布线导体2a、2b、2c的高度方向即长度方向的长度大致相等，至少具有与除去与电力转换单元20连接的连接部以外的部分的长度相等的尺寸。另外，如图2b所示，在框体1的一个面的外观中，布线2a、2b、2c的厚度方向的宽度(相当于图4中的W)比狭缝10的与长度方向垂直的方向的宽度(相当于图4中的Ws)小。因此，布线2a、2b、2c在高度方向上大致整体位于狭缝10内。

利用这样的狭缝10，降低因在布线导体2a、2b、2c中流动的三相交流电流而产生的与布线导体所对置的框体1的一个面交链的磁通。因此，能够降低布线导体2a、2b、2c与框体1之间的互感M。因此，通过上述的布线导体在框体内的配置结构，即使在框体1内的狭小空间中配置布线导体、并且减小框体1与布线2之间的间隔，也能够抑制框体1表面因涡电流而导致的温度上升。而且，由于狭缝10能够降低布线导体2a、2b、2c与框体1之间的互感M，所以如本实施例1那样，即使框体1包括作为磁性体的钢板，也能够减少框体1表面的涡电流。

此外，根据本发明人的研究，如本实施例1那样，当在框体内布线导体的长度方向沿着框体的高度方向配置的情况下，由于因布线导体中流动的交流电流而导致在框体表面产生的涡电流所产生的热被空气向框体的上方搬送，所以布线导体2的上端附近的温度变高。考虑到这样的现象，在本实施例1中，在布线导体2a、2b、2c的高度方向以及其它方向中，以仅沿着高度方向方式设置狭缝10。由此，降低了用于在框体1形成狭缝10的工作量，所以能够抑制电力转换装置的制造成本。另外，为了更加有效地降低互感，如图2b所示，且如后所述那样，虽然使狭缝10的宽度比布线导体的厚度方向的宽度大，但是在本实施例中，由于在布线导体2a、2b、2c的平板形状的厚度方向的面所对置的框体1的一个面上，设置有细长狭缝10，所以能够抑制因狭缝10导致的开口面积的增加。由此，能够防止灰尘从开口部向框体内侵入。

图4表示基于本发明人的研究而得出的、狭缝宽度Ws与布线导体的厚度方向的宽度即布线宽度W的比(Ws/W)、和布线导体2与框体1之间的互感之间的关系。此外，互感的值是将布线宽度W＝0时的互感设为1时的相对值。

就互感的降低效果而言，在(Ws/W)处于1以下的范围、即狭缝宽度Ws在布线宽度W以下的情况下极其微小，小到无法在图4中明确示出，在(Ws/W)处于比1大的范围、即狭缝宽度Ws比布线宽度W大时，互感大幅度降低。根据本发明人研究，其原因在于，在因布线导体中流动的电流而产生的磁通中，与框体交链的主要的磁通是在布线导体的周围即布线导体的宽度的范围外的空间中产生的。即，如果在与布线导体相邻且相对置的框体的一个面上，从布线导体的宽度W的范围内至范围外设置开口部，即，如果设置比布线宽度W更大的宽度Ws(＞W)的狭缝，则能够可靠地降低交链的磁通。因此，在本实施例1中，为了抑制因涡电流而导致的框体温度上升，如图2b所示，优选使狭缝宽度Ws大于布线宽度W。

实施例2

图5a以及图5b表示作为本发明的实施例2的电力转换装置的概略结构。图5a为内部结构的立体图，图5b表示从并排设置布线导体2a、2b、2c的方向观察到的框体1的侧视图。下面，说明与实施例1的不同点。

在本实施例2中，与布线导体2a、2b、2c相对置的各狭缝10沿着高度方向而被分割为多个，对分割后的各狭缝设置檐11。通过设置檐11，能够防止灰尘等异物从外部向框体内侵入。

如图5a所示，框体的一部分1a介于被分割后的狭缝间。如图5b所示，在该框体的一部分1a的外侧表面固定有构成檐11的薄板材料的一端，薄板材料向框体外侧即向与布线导体分离方向弯折倾斜。因此，即使檐11由与框体相同的钢板材料构成，也几乎不在檐11中流动涡电流，不会有损狭缝10的效果。

此外，檐11的材质可以为金属或树脂等任意的材质。另外，在形成狭缝时，可以不冲裁掉形成狭缝10的部分的框体面地进行加工，而是同时形成狭缝10和檐11，使框体面和檐构成为一体。

实施例3

图6表示作为本发明的实施例3的电力转换装置的概略结构。本图6是从外侧观察了设置有狭缝10的框体面时的外观立体图。以下，说明与实施例1的不同点。

在本实施例3中，在设置有狭缝10的框体1的一个面的外侧，以堵塞狭缝10的方式，设置有薄平板状的罩12，该罩12包括非磁性金属(例如，铝或不锈钢)。

在布线导体2a、2b、2c中流动的3相交流电流所产生的磁通还与罩12交链，但是由于非磁性金属的导磁率比构成框体1的钢板材料的导磁率低，所以在本实施例3的罩12中几乎不产生涡电流。因此，能够抑制框体1表面的温度上升。另外，由于成为框体面的开口部的狭缝10被罩12堵塞，所以能够防止灰尘等异物从外部向框体内侵入。

此外，罩12的形状不限于平板状，也可以为箔状或片状。如本实施例那样，若在框体面设置平板状(厚度为1毫米～数毫米左右)的罩，则能够提高设置有狭缝10的框体面的强度。另外，若形成箔状或片状的罩12，则能够使设置有狭缝10的框体面平坦化，并且即使安装罩12也不会增加电力转换装置的重量。

此外，本发明不限于上述的实施例，还包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了以易于理解的方式说明本发明而详细说明的实施例未必限于具有说明的所有结构的情况。另外，对于各实施例的一部分结构，能够追加或置换其它结构，或者进行删除。

例如，框体的材料不限于钢板，也可以为其它金属材料。例如，即使是非磁性金属，只要电流的频率变高，也能够产生无法忽视的大小的涡电流，因此，框体面的狭缝能够抑制涡电流的产生。

另外，在图6中覆盖狭缝10的罩12可以使用网眼状或格子状的构件。

另外，电力转换装置处理的交流电力的相数不限于3相，可以为多相。此时，布线导体的个数为与交流的相数相等的多个。

另外，作为电力转换电路，不限于图3所示的电路，还能够应用3电平以上的多电平变换器电路、串行多路变换电路(serial multiple inverter circuit)等。另外，作为半导体开关元件，不限于IGBT，还能够应用可关断晶闸管(GTO晶闸管)等。

Claims

1.一种电力转换装置，具有：

框体，包括金属板；

电力转换电路，容纳在所述框体内；以及

多个布线导体，配置在所述框体内且与所述电力转换电路连接，在所述多个布线导体中流动作为主电流的交流电流，

所述电力转换装置的特征在于，

所述多个布线导体以使所述多个布线导体的长度方向与所述框体的一个面平行的方式与所述一个面邻接，

在所述框体的所述一个面中的与所述多个布线导体相对置的位置，沿着所述多个布线导体的长度方向设置有多个狭缝。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个狭缝的宽度比所述多个布线导体的宽度宽。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个布线导体的长度方向为所述框体的高度方向。

4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个狭缝仅沿着所述框体的所述高度方向设置。

5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个狭缝的长度与所述多个布线导体的长度方向的长度相同。

6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

对所述多个狭缝设置有多个檐。

7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个檐向所述框体的外侧倾斜。

8.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个狭缝被非磁性体堵塞。

9.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述金属板为钢板。

10.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述电力转换电路通过半导体开关元件的接通断开控制来进行电力转换，所述多个布线导体与所述电力转换电路的交流端子连接。

11.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个布线导体具有平板形状，所述平板形状的厚度方向的面与所述框体的所述一个面相对置，所述厚度方向为所述多个布线导体的宽度方向。

12.根据权利要求11所述的电力转换装置，其特征在于，

所述多个布线导体被并排设置成所述平板形状的平面部相对置。