JP2009239995A - 電力変換装置 - Google Patents

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Takaaki Harada
高明 原田
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Abstract

【課題】電力変換部分をユニット化して挿脱可能とし、平滑用電解コンデンサの数を低減でき、スナバ回路を簡素化でき、また電解コンデンサの長寿命化と電力変換部分の十分な冷却が行えるようにした電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】電解コンデンサ4と直流導体5を備え、キャビネット2の収納空間中央部に左右方向に配置された平滑コンデンサ回路1fの下方側位置に、IGBT7を冷却フィン6上に載置してコンバータ回路1cを形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニット3を、上方側位置に同構成のインバータ回路1iを形成する各電力変換ユニット3をそれぞれ前後方向に挿脱可能に収納し、各電力変換ユニット3の接続導体8を直流導体5に接続し、収納空間の前後方向に冷却風を流通させて電解コンデンサ4、各電力変換ユニット3の冷却を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、強制風冷式の電力変換部分を備える、例えば無停電電源装置や変換装置、ドライブ装置などの電力変換装置に関する。
周知の通り、電力変換装置には、その核となる電力変換部分を半導体素子による交流を直流に変換するコンバータ回路と、変換した直流を再び交流へと変換するインバータ回路とで構成したものがある。これら回路においては、半導体素子の高速スイッチングによりサージ電圧が発生するので、それを制御するためのスナバ回路や平滑コンデンサ回路を必要としたり、あるいはサージ電圧が発生する直流部分を低インダクタンス化してサージ電圧そのものを低減させたりする必要がある。また、半導体素子そのものからも多大な熱損失が発生するため、例えば冷却フィンを用いて放熱するようにして半導体素子を冷却する必要がある。
一方、電力変換装置をキャビネット内に電力変換部分を収納して構成する場合、装置の組立性や半導体素子に破損等が生じた際の交換の作業性を考慮して、通常ユニット化することが多い。また、その場合においても、上記の各必要とされる機能を満たしつつ、ユニット化した電力変換部分をキャビネット内にどのように収納、配置するかが重要な事項となる。
こうしたなか、従来の電力変換装置の構成について、図面を参照して説明する。
先ず第1の従来技術を図6乃至図9を参照して説明する。図6は電力変換装置の要部の正面図であり、図7は電力変換装置の要部の側面図であり、図8は電力変換ユニットの正面図であり、図9は電力変換ユニットの側面図である。
図において、電力変換装置101は、キャビネット102の収納空間内に、横並びにコンバータ回路103cとインバータ回路103iを配置して構成されたU相、V相、W相の電力変換ユニット103が、それぞれ実線矢印Xで示す正面方向(図6における紙面直交方向)に挿脱可能となるように横並びに収納、配置されている。さらに、キャビネット102の収納空間内には、各電力変換ユニット103の図6における紙面に平行な方向の下方側位置に、U相、V相、W相の各電力変換ユニット103に対して共通の円柱状をなす5個の平滑コンデンサ回路の電解コンデンサ104が、柱軸方向を正面方向とするようにして横並びに立設されており、また各電解コンデンサ104の頂部に設けられた電極端子を接続するように直流導体105が横架され、この直流導体105に各電力変換ユニット103の接続端子が接続されている。
また、コンバータ回路103cとインバータ回路103iを備える各電力変換ユニット103は、冷却フィン106上に8個の制御極付きの半導体素子であるIGBT107を格子状に載置して構成されている。さらに、各IGBT107の端子上にはスナバ回路のスナバコンデンサ108が配置され、隣り合う2個のスナバコンデンサ108の上方位置にスナバ抵抗109が配置された構成となっている。
またさらに、電力変換装置101は、キャビネット102の収納空間内の下方側位置から上方に向け、破線矢印Yで示すように、冷却風を各電解コンデンサ104の間を通して各電力変換ユニット103の冷却フィン106に流通させ、電解コンデンサ104を冷却すると共に、IGBT107での発生熱を放熱させるよう構成されている。
このように構成されたものでは、コンバータ回路103cとインバータ回路103iを備えるU相、V相、W相の各電力変換ユニット103に対し、電解コンデンサ104を共用化することで設ける数を少なくできる。しかし、IGBT107が格子状に配置されているので、横並びの電解コンデンサ104に対する距離に遠近が生じ、直流部分のインダクタンスを低くすることができないため、スナバ回路のスナバコンデンサ108とスナバ抵抗109が必要となる。また、冷却風の流通方向に対し、上流に電解コンデンサ104が位置し、下流にIGBT107が2段に配列されているため、電解コンデンサ104は十分に冷却されて使用寿命を長くすることができるが、IGBT107は下段のものよりも、さらに上段のものの方が冷却され難くなる。
さらに、第2の従来技術を図10乃至図12を参照して説明する。図10は電力変換装置の要部の正面図であり、図11は電力変換ユニットの斜視図であり、図12は電力変換ユニットの上面図である。
図において、電力変換装置111は、キャビネット112の収納空間内に、コンバータ回路を備えたU相、V相、W相の各交直変換用電力変換ユニット113と、インバータ回路を備えたU相、V相、W相の各直交変換用電力変換ユニット114とが、直流導体115を間に設けるようにして図10における左右両側に、それぞれ破線矢印Zで示す正面方向(図10における紙面直交方向)に挿脱可能となるように収納、配置されている。
また、U相、V相、W相の各交直変換用電力変換ユニット113及び各直交変換用電力変換ユニット114は、ユニット基台116上の引出方向後側部分に、4個の制御極付きの半導体素子であるIGBT107が冷却フィン117上に載置されるようにして横方向に一列に配置されている。そして、各IGBT107の端子上にはスナバ回路のスナバコンデンサ118が設けられている。
さらに、ユニット基台116の各IGBT107の引出方向前側部分には、8個の円柱状をなす平滑コンデンサ回路の電解コンデンサ104が、各IGBT107に対応する2個ずつが前後となるように立設されている。また電解コンデンサ104の上方側には、各電解コンデンサ104の電極端子同士を接続すると共に、各IGBT107とも接続するように接続導体119が設けられており、各電力変換ユニット113,114をキャビネット112内に挿入したときに、接続導体119を直流導体115に接続できるようになっている。
またさらに、電力変換装置111は、キャビネット112の正面側から破線矢印Zで示す方向(図12における紙面の下側から上側方向)に、冷却風を各平滑用の電解コンデンサ104の間を通して各電力変換ユニット113,114が載置されている冷却フィン117に流通させ、電解コンデンサ104を冷却すると共に、IGBT107での発生熱を放熱させるよう構成されている。なお、120は各電力変換ユニット113,114を挿脱するための把手である。
そして、このように構成されたものでは、IGBT107と電解コンデンサ104との間の距離が近く、直流部分のインダクタンスを低くすることができるので、スナバ回路はスナバコンデンサ118を小さくすることができ、スナバ抵抗が不要となる。しかし、ユニット化して挿脱可能のものとしているので、U相、V相、W相の各交直変換用電力変換ユニット113と各直交変換用電力変換ユニット114にそれぞれ電解コンデンサ104が設けることになり、電力変換ユニット113,114間で電解コンデンサ104を共用化してその数を少なくするということができない。
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところはコンバータ回路とインバータ回路を形成する電力変換部分がユニット化されて挿脱可能であると共に、サージ電圧を吸収する平滑用の電解コンデンサの数を低減することができ、かつスナバ回路を簡素化でき、さらに電解コンデンサの長寿命化を図ることと電力変換部分を十分に冷却することができる電力変換装置を提供することにある。
本発明の電力変換装置は、コンバータ回路、インバータ回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットと、柱状の電解コンデンサを備える平滑コンデンサ回路をキャビネットの収納空間内に設け、該収納空間の前後方向に冷却風を流通させて前記各電力変換ユニット及び前記電解コンデンサを冷却するように構成した電力変換装置であって、前記平滑コンデンサ回路は、軸方向を前後方向として前記電解コンデンサを左右方向に複数配列し、かつ該電解コンデンサの電極端子同士を左右方向に延在する直流導体で接続するようにして前記収納空間内中央部に配置されていると共に、前記収納空間内の前記平滑コンデンサ回路の上方側位置に、コンバータ回路とインバータ回路のいずれか一方の回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットが前後方向に挿脱可能にして左右方向に配列、収納され、また前記平滑コンデンサ回路の下方側位置に、他方の回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットが前後方向に挿脱可能にして左右方向に配列、収納され、前記各電力変換ユニットのコンバータ回路又はインバータ回路の接続導体と前記直流導体とが、ユニット挿脱によって接離するように形成されていることを特徴とするものである。
さらに、前記直流導体は、P極導体とN極導体を有する挿脱方向の断面形状が略コ形状のもので、前記各電力変換ユニットの挿着後に前記接続導体との結合がおこなわれるものであることを特徴とするものであり、
さらに、前記コンバータ回路又は前記インバータ回路を形成するU相、V相、W相の前記各電力変換ユニットは、全てが冷却フィン上に半導体素子を載置し、該半導体素子上に挿脱方向の断面形状が略コ形状のP極導体、N極導体を有する前記接続導体を固着した同一構成のものであることを特徴とするものであり、
さらに、前記冷却フィンは、挿脱方向に冷却風が流通する流路を有するものであることを特徴とするものである。
本発明によれば、各電力変換部分がユニット化され挿脱可能であり、平滑用の電解コンデンサの数が低減でき、かつスナバ回路を必要とせず、また電力変換部分と電解コンデンサを十分に冷却することができ、電解コンデンサの長寿命化を図ることができる等の効果を奏する。
以下本発明の一実施形態を、図1乃至図5を参照して説明する。図1は電力変換装置の要部の正面図であり、図2は電力変換装置の要部の側面図であり、図3は電力変換装置の要部の斜視図であり、図4は電力変換ユニットの斜視図であり、図5は電力変換部の回路図である。
図1において、電力変換装置1は、前面側に開口を有するキャビネット2の収納空間内に後面側に後面に沿って取付基板2aを設け、収納空間内に図5に示す交直変換、直交変換を行う電力変換回路1aのコンバータ回路1c、インバータ回路1iを形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニット3を、破線両矢印Aで示す前後方向(図1における紙面直交方向)のガイド(図示せず)に沿い前面の開口を介してそれぞれ前後方向に挿脱可能に収納、配置できるよう構成されている。また取付基板2aには、電力変換回路1aの平滑コンデンサ回路1fを形成する円柱状の8個の電解コンデンサ4が、その軸方向をキャビネット2の前後方向として取付基板2aを貫通し、左右方向に一列に配列されるように取り付けられている。
また、キャビネット2の収納空間内の中央部には、各電解コンデンサ4の前方側となる端面部に設けられているP、N極のそれぞれの電極端子同士を接続する直流導体5が、左右方向に位置するように設けられている。この直流導体5は、P極導体5pとN極導体5nとの間に絶縁部分を設けて形成されており、さらに電極端子に接続する中間部分の上下両側部分が折り曲げられ、各電力変換ユニット3の挿脱方向の断面形状が略コ形状をなすように形成されている。
一方、コンバータ回路1c、インバータ回路1iを形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニット3は、いずれも同一構成のもので、図2、図3、図4に示すように構成されている。すなわち、電力変換ユニット3は、挿脱方向に冷却風が流通する流路を有する冷却フィン6の上に2個の制御極付きの半導体素子であるIGBT7が載置されている。
さらに2個のIGBT7の上には、各IGBT7の対応する端子同士を接続するように、P極導体8pとN極導体8nとの間に絶縁部分を設けた接続導体8が取り付けられている。接続導体8は、電力変換ユニット3の挿脱方向の断面形状が略コ形状をなすように形成され、片方側部分において各IGBT7の端子同士を接続するようになっている。なお、9は冷却フィン6の挿脱方向前部左右に設けられたユニット挿脱用の把手である。
このように構成された電力変換ユニット3は、キャビネット2の収納空間内の中央部に配列された平滑コンデンサ回路1fの8個の電解コンデンサ4より下方側の空間内に、コンバータ回路1cのU相、V相、W相を構成するよう3個の電力変換ユニット3が、それぞれの接続導体8を直流導体5に当接するよう上側にして所定の位置にガイドにしたがって挿入される。
挿入によって、接続導体8の端子に接続されていない他方側部分のP極導体8p、N極導体8nと、直流導体5の下側部分のP極導体5p、N極導体5nとが当接し、さらに固定部10でボルト等の固定具により固定され、例えば図1に示すように、図の左側から順にU相、V相、W相の各電力変換ユニット3が収納空間内に収納、配置される。
また、キャビネット2の収納空間内の配列された平滑コンデンサ回路1fの電解コンデンサ4より上方側の空間内には、インバータ回路1iのU相、V相、W相を構成するように3個の電力変換ユニット3が、それぞれ下方側空間に収納されたコンバータ回路1cの3個の電力変換ユニット3とは逆に、接続導体8が直流導体5に当接するよう下側にし、そして同相の電力変換ユニット3同士が直上方、直下方に位置するよう対象位置に、ガイドにしたがって挿入される。
挿入によって、同様に、接続導体8の端子に接続されていない他方側部分のP極導体8p、N極導体8nと、直流導体5の上側部分のP極導体5p、N極導体5nとが当接し、固定部10においてボルト等の固定具により固定され、コンバータ回路1c側と同様に、収納空間内に収納、配置される。
さらに、キャビネット2の収納空間内には、図示しない送風源によって、キャビネット2の正面側である前面側から後面側の破線矢印Zで示す方向(図2における紙面の左から右方向)に冷却風を、配列されている電解コンデンサ4の間や冷却フィン6の流路内を流通させ、電解コンデンサ4を直接冷却すると共に、冷却フィン6を冷却することでIGBT7の発生熱を放熱させ、冷却するようになっている。
そして、電力変換装置1は、交直変換、直交変換を行う電力変換部1aが上記の通り構成されているので、コンバータ回路1c、インバータ回路1iを形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニット3を、キャビネット2の収納空間の所定位置に挿脱することで、簡単に収納、配置したり、交換したりすることができ、組立性や交換時の作業性がよい。また、各電力変換ユニット3の全てを、1種類のユニットを準備するだけでまかなうことができ、部品の調達や管理、装置の保守管理がやり易いものとなる。
さらに、平滑コンデンサ回路1fの電解コンデンサ4を収納空間の中央部分に配し、その上方側、下方側位置にそれぞれコンバータ回路1c、インバータ回路1iを形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニット3とを略等距離となるように分けて配置したので、各電力変換ユニット3で電解コンデンサ4を共用することができ、その数を減ずることができる。また、電解コンデンサ4とIGBT7とは、両者の距離が近くなり、低インダクタンス化された略コ形状の直流導体5及び接続導体8とで接続しているので、サージ電圧が低減され、スナバ回路が不要となる。
またさらに、電解コンデンサ4と各電力変換ユニット3のIGBT7が載置された冷却フィン6は、直接冷却風によって冷却することができるため、電解コンデンサ4の温度上昇を抑制でき、電解コンデンサ4を長寿命化することができる。
なお、上記の実施形態においては、平滑コンデンサ回路1fの電解コンデンサ4を収納空間の中央部分に配し、その下方側の空間にコンバータ回路1cの各電力変換ユニット3を配し、上方側の空間にインバータ回路1iの各電力変換ユニット3を配する構成としたが、逆に、下方側の空間にインバータ回路1iの各電力変換ユニット3を配し、上方側の空間にコンバータ回路1cの各電力変換ユニット3を配するようにしてもよい。また、冷却風の流通方向も後面側から前面側の方向でもよい。
本発明の一実施形態である電力変換装置の要部の正面図である。 本発明の一実施形態である電力変換装置の要部の側面図である。 本発明の一実施形態である電力変換装置の要部の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換ユニットの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換部の回路図である。 第1の従来技術である電力変換装置の要部の正面図である。 第1の従来技術である電力変換装置の要部の側面図である。 第1の従来技術の電力変換装置に係る電力変換ユニットの正面図である。 第1の従来技術の電力変換装置に係る電力変換ユニットの側面図である。 第2の従来技術である電力変換装置の要部の正面図である。 第2の従来技術の電力変換装置に係る電力変換ユニットの斜視図である。 第2の従来技術の電力変換装置に係る電力変換ユニットの上面図である。
符号の説明
1…電力変換装置
1c…コンバータ回路
1i…インバータ回路
1f…平滑コンデンサ回路
2…キャビネット
3…電力変換ユニット
4…電解コンデンサ
5…直流導体
6…冷却フィン
7…IGBT
8…接続導体

Claims (4)

  1. コンバータ回路、インバータ回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットと、柱状の電解コンデンサを備える平滑コンデンサ回路をキャビネットの収納空間内に設け、該収納空間の前後方向に冷却風を流通させて前記各電力変換ユニット及び前記電解コンデンサを冷却するように構成した電力変換装置であって、
    前記平滑コンデンサ回路は、軸方向を前後方向として前記電解コンデンサを左右方向に複数配列し、かつ該電解コンデンサの電極端子同士を左右方向に延在する直流導体で接続するようにして前記収納空間内中央部に配置されていると共に、前記収納空間内の前記平滑コンデンサ回路の上方側位置に、コンバータ回路とインバータ回路のいずれか一方の回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットが前後方向に挿脱可能にして左右方向に配列、収納され、また前記平滑コンデンサ回路の下方側位置に、他方の回路を形成するU相、V相、W相の各電力変換ユニットが前後方向に挿脱可能にして左右方向に配列、収納され、前記各電力変換ユニットのコンバータ回路又はインバータ回路の接続導体と前記直流導体とが、ユニット挿脱によって接離するように形成されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記直流導体は、P極導体とN極導体を有する挿脱方向の断面形状が略コ形状のもので、前記各電力変換ユニットの挿着後に前記接続導体との結合がおこなわれるものであることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  3. 前記コンバータ回路又は前記インバータ回路を形成するU相、V相、W相の前記各電力変換ユニットは、全てが冷却フィン上に半導体素子を載置し、該半導体素子上に挿脱方向の断面形状が略コ形状のP極導体、N極導体を有する前記接続導体を固着した同一構成のものであることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  4. 前記冷却フィンは、挿脱方向に冷却風が流通する流路を有するものであることを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。
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