JP2006087269A

JP2006087269A - 電力変換装置の冷却装置

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Publication number: JP2006087269A
Application number: JP2004271994A
Authority: JP
Inventors: Noriyoshi Ishii; 紀好石井
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP4525268B2

Abstract

【課題】盤内に収められた電力変換器を冷却効果を高めて電力変換器の出力容量を増大するするとともに過負荷耐量を高める。
【解決手段】盤内の区画室の上部に電力変換器を設置し、この電力変換器の背面側に電力変換器の冷却フィンを包み天井の排気口へ通じる風洞と天井の排気口へ連通した排気通風路とを設け、さらに前記区画室上面と前記電力変換器との間にそれぞれ前記区画室から吸引し前記風洞へ送風する電力変換器冷却用冷却ファンと前記排気通路へ送風するトランス冷却用冷却ファンとを並列して設けるとともに、このトランス冷却用冷却ファンの送風の一部が前記風洞へ送られるように風洞の下方の開口をトランス冷却用冷却ファンの一部に被るように拡げる。
【選択図】図４

Description

この発明は、無停電電源装置のように半導体素子で構成された電力変換器、電源の開閉および保護を行うブレーカ、電路の選択切換を行うコンタクタ、電圧の変換を行うトランスなどの各種電気機器を１つのキュービクル内に納めて構成した電力変換装置盤に関する。

無停電電源装置の一般的な回路構成を図６に示す。

図６において、商用電源１からの交流電力は、ブレーカ２７とコンタクタ２１１およびフィルタ２１５を経て電力変換器２４へ入力するのであるが、この電力変換器２４は交流電力を直流電力に変換するコンバータ２４１と、この直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換するインバータ２４２とで構成している。この電力変換器２４で得られた交流電力は、フィルタ２１６、コンタクタ２１３、ブレーカ２８、出力トランス１５を経て負荷２へ給電される。この商用電源１から電力変換器２４を経て負荷２へ交流電力を供給する回路を、以下ではライン１と称することにする。

負荷２がコンピュータのような、極めて短い時間の停電も避けなければならないような負荷である場合は、商用電源１が線路の故障（例えば地絡事故）などで停電した時、バッテリー２３に蓄えられた直流電力が、ブレーカ２１０とコンタクタ２１２を介してインバータ２４２へ与えられ、このインバータが直流電力を交流電力に変換して負荷へ給電することにより、負荷２へ停電なしに給電することができる。

しかし、例えば電力変換器２４のうちのインバータ２４２が故障すれば、商用電源１とバッテリー２３が健全であっても、負荷２へ交流電力を供給することができなくなる。そこでサイリスタを逆並列接続して構成された半導体交流スイッチ２５１とコンタクタ２５２との並列回路で構成した交流スイッチ回路２５を設け、商用電源１から必要な場合にだけ設置されるオプショントランス１４、この交流スイッチ回路２５およびブレーカ２９を介して出力トランス１５へ接続する保守バイパス回路を兼ねる直送給電回路を設ける。

常時はこの交流スイッチ回路２５はオフ状態（ブレーカ２９はオン状態）にあり、電力変換器２４から交流電力を負荷２へ供給している（ただし電力変換器２４の出力交流は商用電源１と同期状態にある）が、電力変換器２４に故障が生じると、直ちにその出力をオフにすると共に、交流スイッチ２５１をオンにすることで、商用電源１から負荷２へ交流電力を直送することにより、負荷２への停電を回避することができる。この直送給電回路を以下ではライン２と称することにする。

しかし電力変換器２４や交流スイッチ２５１が長時間故障すると、負荷２への給電を停止せざるを得なくなるから、これらの機器は定期的に点検したり、部品の交換をする必要がある。しかしながらライン１またはライン２の何れかを運転した状態では、負荷へ給電する導電線部分に電圧が加わっているから、そのまま交流スイッチ２５１または電力変換器２４の保守・点検作業を行うと感電などの危険が伴う。
そこで交流スイッチ２５１とコンタクタ２５２の並列回路とブレーカ２９とを一括して交流スイッチ台２５aに搭載してユニット化し、この交流スイッチ台２５aに電源側コネクタ１６と負荷側コネクタ１７を設け、商用電源１と負荷２との間のライン２にこの交流スイッチ台を挿脱自在に挿入することにより、ライン１より給電中であっても、交流スイッチ台２５aを引出してライン２から離脱させることができるので、交流スイッチ２５１を安全に保守点検することができる。

なお、オプショントランス１４は、必要な場合にのみ使用する。すなわち商用電源１が電力変換器２４の電源であると同時に直送給電・保守回路の電源となる場合は、このオプショントランス１４は省略できる。
前記のような無停電電源回路を構成する機器は、一般に１つのキュービクルに収容され、図７に示すようなの電力変換装置盤を構成する（特許文献１参照）。

図７において、直方体のキュービクル状盤本体５の正面開口部に、開閉可能に正面扉５０が取り付けられる。ベース５１が盤本体５の床面設置のために設けられる。盤本体５の内部をほぼ垂直な隔壁５３により前、後二つの室５４ａ、５４ｂに区分する。前室５４ａの底部に上げ底板５５を設けて、これと盤本体５の底板の間に形成される連通路５６を後室５４ｂとを連通させる。前、後の各室の上部に排気用ファン５７，５８をそれぞれ設ける。また、正面扉５０には図しない適当数の通風口が設けられ、それぞれ前室５４ａまたは、連通路５６を介して後室５４ｂと連通される。

前室５４ａの下部に図６におけるブレーカ２７，２８、コンタクタ２１１，２１３等の開閉機器で構成された入出力部６０が、同じく交流スイッチ２５１、コンタクタ２５２からなる交流スイッチ回路２５とブレーカ２９を一体的に組込んで、電源側コネクタ１６および負荷側コネクタ１７を組み込んでユニット化した交流スイッチ台２５ａおよびコンバータ２４１、インバータ２４２等で構成された電力変換部７０がその上に配設され、また後室５４ｂの下部にトランス１４、１５および負荷へ給電する導電線１５aの設けられたトランス部９０が配設される。入出力部６０は、主にブレーカやマグネットコンタクタ等から構成される操作部であるから、操作に便利なように装置の前側に配設される。電力変換部７０は、ＩＧＢＴ（絶縁形バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子や、図示しないコンデンサなどの電力変換回路を構成する電子素子を冷却フィン付き取付板８１に集中的に取り付けて、ユニット化されている。電子素子は、多量の発熱があるから上部に配設される。また、トランス部９０も発熱ユニットであるが、重量物であるのと比較的保守の必要がない理由で後室５４ｂの下部に配設される。

主に、電力変換部７０と、トランス部９０とから発生する熱を放散するために、正面扉５０の図示しない通風口から取り入れられた冷却空気は、前室５４ａの下部から矢印のように対流により上方に流れて、前記の入出力部６０と電力変換部７０と接触してその熱を奪いながら上昇し、天井部の排気口から外部に放出される。そのとき、天井部に設けられた排気用ファン５７が、この冷却空気の流通を強制、促進する。また、正面扉５０の図示しない通風口から取り入れられた冷却空気は、矢印のように連通路５６を介して後室５４ｂの下部に入った後に上方に流れ、トランス１５，１４と接触してその熱を奪いながら上昇し、天井部の排気口から外部に放出される。そのとき、天井部に設けられた排気用ファン５８が、冷却空気の上昇を強制、促進する。

このように電力変換装置盤を構成することにより、電力変換器２４を介するライン１または交流スイッチ回路２５を介するライン２から負荷２へ給電するための導電線１５aがトランス１４，１５とともに前室５４aと隔壁５３によって仕切られた後室に５４ｂに収容され、前室５４aからは後室５４ｂ内の給電線１５a等は触れることができないので、直送給電中であっても、図６における電力変換部のブレーカ２７，２８をオフすることにより電力変換器２４の保守点検を安全に行うことができる。
特開平９−２１３５３２号公報

このように従来の電力変換装置盤においては、停電の発生を未然に防止するためにライン１または２の何れか一方のラインから給電している時でも給電を停止している側のラインの電力変換器または交流スイッチ回路などの機器の保守点検を安全に行うことができる。

しかし、この従来装置では、区画された２室に各別に排気ファンを設けて、各機器の冷却を行っているので、各室ごとに各機器の容量の増加とともに、冷却ファンの容量を増加する必要がある。それ伴って冷却ファンが大形となり、制限された設置スペース内には設置が不能となるため、装置の容量増加も制限される。このため、特に、電力変換装器は、発熱量が大きいため冷却不足により容量の制限が生じる不都合がある。

そこで、この発明は、電力変換器への冷却空気量を増加して電力変換器の容量を増加あるいは過負荷耐量を高めることのできる直送給電回路備えた電力変換装置盤を得ることを課題とするものである。

前記課題を解決するため、請求項１の発明は、商用電源から負荷へ電力変換器を介して給電する回路を構成する機器と、直接給電する直送給電回路を構成する機器とを前面を開閉扉により閉じられたキュービクル内に収容してなる電力変換装置盤において、盤内の後部下部に隔壁により区画された区画室を設け、この区画室に少なくとも出力トランスおよび外部への導電線を収容し、この区画室の上部に電力変換器を設置し、この電力変換器の背面側に電力変換器の冷却フィンを包み天井の排気口へ通じる風洞と天井の排気口へ連通した排気通風路とを設け、さらに前記区画室と前記電力変換器との間にそれぞれ前記区画室から吸引し前記風洞へ送風する電力変換器冷却用冷却ファンと前記排気通風路へ送風するトランス冷却用冷却ファンとを並列して設けるとともに、このトランス冷却用冷却ファンの送風の一部が前記風洞へ送られるように風洞の入口の開口をトランス冷却用冷却ファンの上までこれに部分的に被るように拡げたことを特徴とするものである。

請求項１の発明においては、電力変換器の冷却フィンを包む風洞の垂直壁の一部を下部へ向かって風洞の通風路断面積が拡大するように傾斜させるのがよい。

この発明によれば、電力変換器を冷却するための冷却フィン包む風洞へ、電力変換器用冷却ファンだけでなく、トランスを冷却するためのトランス用冷却ファンから冷却空気の一部を送るようにしているので、電力変換器の冷却効果が高まり、電力変換器の容量の増加または過負荷耐量を高めることができる。そして、風洞の垂直壁を下部へ向かって風洞の通風路断面積が拡大されるように傾斜させることにより、電力変換器の上部に置かれた電子素子類の位置するところで冷却空気の流速が増大するので、この部分での冷却効果がより高くなる。

この発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１ないし図５にこの発明による電力変換装置盤の実施例を示す。

図１ないし図３は盤の外観を示すもので、図１は正面図、図２は側面図、図３は平面図である。これらの図において、３０は、キュービクル状の盤本体、３１aおよび３１ｂは、正面開口に開閉可能に設けられた２枚構成の正面扉である。正面扉３１a,３１bの下方には、グリル状に開口された通風口３２a、３２bが設けられており、ここから外気が冷却空気として盤内に吸い込まれる（図１参照）。盤の天井板には金網で塞がれた排気口３３が設けられている（図３参照）。
この盤には、図６に示した無停電電源装置を構成する点線枠Ａ内の電力変換部および直送給電回路部を組込んでいる。図４は、図１のIV−IV線の側面断面図であり、図５は図４のV−V線の正面断面図である。これらの図によって盤内の機器の実装構成が示される。

図４および図５にける各機器には、図６の対応する機器と同一の符号を付している。

図４および図５から明らかなように、盤本体３０内の下部には、隔壁３４で区画され、その内部には、図６の点線枠Ｂ内のトランス１４，１５およびここには図示しない外部負荷へ給電する導電線等を収容する区画室３４ａが設けられている。区画室３４ａを構成する隔壁３４にはこの区画室３４aと盤内とを連通させて空気が流通できるように部分的に開口（図示せず）を設け、この開口を、ここから人の手や、機器の取付けねじ等の部品が侵入できないようにするため比較的目の細かい金網等で塞ぎ、区画室内の導電線等の荷電部分に人の手や異物が接触することがないようにしている。区画室３４ａの周囲の空所に回路の開閉を制御するブレーカ２７やコンタクタ２１１等を設置にする。区画室３４ａの上部前面の隔壁３４に着脱可能なコネクタ１６、１７を介して交流スイッチ回路２５とブレーカ２９を一体的に組込んでユニット化した交流スイッチ台２５ａが取り付けられている。

盤本体３０の上部には電力変換器２４のコンバータ２４１、インバータ２４２を一体的に組込んで構成した電力変換部ユニット２４ａを後部に冷却空気の排気通路３６を残して設置する。電力変換部ユニット２４aの排気通路３６に臨む後面には電力変換器を構成する半導体素子の取り付けられた冷却基板に結合された冷却フィン２４ｂを取り囲んで、冷却空気を案内する風洞３５を設ける。

区画室３４ａと電力変換部ユニット２４ａとの間に、風洞３５および排気通路３６に臨んで、冷却ファン３７、３８を設置する。冷却ファン３７は区画室３４ａから空気を吸い込み風洞３５へ送風して電力変換器２４を冷却する。冷却ファン３８は区画室３４ａから空気を吸い込み排気通路３６へ送風して主としてトランス１４，１５を冷却する。

電力変換器２４を冷却する冷却フィン２４ａを包囲する風洞３５の垂直な前面壁３５ａは中間から下端側に向かって通風路断面積が拡大するように傾斜している。これにより、風洞３５の下端の冷却空気入口開口３５ｂがトランス用冷却ファン３７の上部に部分的に被る位置まで拡がる。

このように構成することにより、電力変換器２４を介するライン１または交流スイッチ回路２５を介するライン２から負荷２へ給電するためのトランス１４，１５とともに隔壁３４によって仕切られた区画室３４aに収容された図示しない導電線等には外部から触れることができないので、直送給電中であっても、図６における電力変換部のブレーカ２７，２８をオフすることにより電力変換器２４の保守点検を安全に行うことができる。

また、冷却ファン３７，３８を運転すると、図４に矢印で示すように、盤本体３０の正面扉３１ａ，３１ｂの通風口から盤内に外気を吸引し、区画室３４ａから、冷却ファン３７，３８を介して、電力変換器２４を冷却する風洞３５および排気通路３６へ冷却空気として送り、盤の天井板の排気口３３から排気することにより、盤内の各種機器、区画室３４ａ内のトランスおよび盤上部の電力変換器２４を冷却する。このとき、風洞の前面壁３５ａが傾斜して風洞の下端の冷却空気入口開口が拡大されているため、風洞３５内には、電力変換器用冷却ファン３７からだけでなく、トランス用冷却ファン３８から送られる冷却空気の一部が送られるため、風洞３５内への送られる冷却空気の量が増大する。したがって、電力変換器の２４の冷却効果が高まり、電力変換器２４の温度上昇が抑えられるため、その出力容量を増大することができるとともに過負荷耐量を高めることができる。

風洞３５の前面壁の中間より下の部分を傾斜させることにより、風洞３５の上部の通風路断面積が狭くなるので、この通風路断面積が狭くなる部分において冷却空気の流速が速くなり、これによっても電力変換器２４の冷却効果を高めることができるので、電力変換器２４の冷却を良好に行なうことができる。

この発明の実施例の外観を示す正面図。この発明の実施例の外観を示す側面図。この発明の実施例の外観を示す平面図。図1のIV−IV線の側面断面図。図２のV−V線の正面断面図。一般的な無停電電源装置を構成する電力変換器のブロック構成図回路。従来の電力変換装置盤を示す側面断面図。

符号の説明

１４、１５：トランス
２４：電力変換器
２４ｂ：冷却フィン
３０：盤本体
３４ａ：区画室
３５：風洞
３６：排気通風路
３７、３８：冷却ファン

Claims

商用電源から負荷へ電力変換器を介して給電する回路を構成する機器と、直接給電する直送給電回路を構成する機器とを前面を開閉扉により閉じられたキュービクル内に収容してなる電力変換装置盤において、盤内の後部下部に隔壁により区画された区画室を設け、この区画室に少なくとも出力トランスおよび外部への導電線を収容し、この区画室の上部に電力変換器を設置し、この電力変換器の背面側に電力変換器の冷却フィンを包み天井の排気口へ通じる風洞と天井の排気口へ連通した排気通風路とを設け、さらに前記区画室と前記電力変換器との間にそれぞれ前記区画室から吸引し前記風洞へ送風する電力変換器冷却用冷却ファンと前記排気通風路へ送風するトランス冷却用冷却ファンとを並列して設けるとともに、このトランス冷却用冷却ファンの送風の一部が前記風洞へ送られるように風洞の入口の開口をトランス冷却用冷却ファンの上までこれに部分的に被るように拡げたことを特徴とする電力変換装置盤。
請求項１記載の電力変換装置盤において、電力変換器の冷却フィンを包む風洞の垂直壁の一部を下部へ向かって風洞の通風路断面積が拡大するように傾斜させたことを特徴とする電力変換装置盤。