JP2010098865A - 電力変換装置盤 - Google Patents

Abstract

【課題】外線接続用端子の実装位置を含めて、各機器の実装位置の選択の自由度の高い電力変換装置盤を提供することを課題とする。
【解決手段】キュービクル状の盤本体の扉およびこれと対向する背面板にそれぞれ冷却風を吸排するための通風口設け、かつ前記盤本体内に上下方向に多段に積層して挿入配設する複数のユニットケースを設け、前記キ盤本体に収容される電力変換装置を構成する機器を機能別に複数のグループに区分し、この各グループの機器をグループごとに前記ユニットケースに収納して複数の機能ユニットを構成し、前記複数の機能ユニットのうち冷却を必要とする機器を有する機能ユニットは、ユニットケース内に前面から背面へ冷却風が通風されるようにユニットケースの前面に冷却ファンを設け、前記キュービクル内の前記通風口と対向する位置に挿入配設し、その他の機能ユニットは任意の位置に挿入配設する。
【選択図】図１

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コンバータやインバータのような電力変換器、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、フィルタ用のリアクトルなどの各種電気機器を１つのキュービクル状の盤本体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１５に示す。

図１５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。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の交流出力は商用電源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、部品の交換をしたりする必要がある。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、特許文献１に示されるように、１つのキュービクル状の盤本体に収容され、図１０なしし図１４に示すような電力変換装置盤を構成する。

図１０ないし図１２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。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。

この盤には、図１５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１３は、図１０のXIII−XIII線の側面断面図であり、図１４は図１３のXIV−XIV線の正面断面図である。これらの図に盤内の機器の実装構成が示される。

図１３および図１４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１５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、それぞれ冷却ファン３７および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１５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１３に矢印で示すように、盤本体３０の正面扉３２ａ，３２ｂ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。
特開２００６−０８７２６９号公報

このような従来の電力変換装置盤は、排気スペースを含めた盤の設置スペースを極力小さくするために内部の電力変換器を冷却するための冷却風の吸気口を盤本体の正面側に、そして排気口を盤本体の天井側に設けている。このため、盤内に冷却風を上下方向に流通させるスペースが必要となり、構成機器の実装位置が制約され、実装位置の自由度が制限される問題がある。また、従来の電力変換装置盤においては、天井板に設けられた冷却風の排気口は簡単には変更することができないので、外部との接続を上部で行う場合には、配線のためにだけ、盤の上部に外部接続端子を配置した別の盤を設置しなければならないという問題が生じる。

この発明は、このような問題を解決するために、外線接続用端子の実装位置を含めて、各構成機器の実装位置の選択の自由度を高めることのできる電力変換装置盤を提供す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に、この発明は、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および直接給電する直送給電回路を構成する機器等の構成機器を、前面を開閉可能な扉により閉じられたキュービクル状の盤本体内に収容してなる電力変換装置盤において、前記盤本体の扉およびこれと対向する背面板にそれぞれ冷却風を吸排するための通風口設け、かつ前記盤本体内に上下方向に多段に積層して挿入配設する複数のユニットケースを設け、前記盤本体に収容される電力変換装置を構成する機器を機能別に複数のグループに区分し、この各グループの機器をグループごとに前記ユニットケースに収納して複数の機能ユニットを構成し、前記複数の機能ユニットのうち冷却を必要とする機器を有する機能ユニットは、ユニットケース内に前面から背面へ冷却風が通風されるようにユニットケースの前面に冷却ファンを設けるとともに、前記盤本体内の前記通風口とほぼ対向する位置に挿入配設し、その他の機能ユニットは任意の位置に挿入配設するものである。

この請求項１の発明においては、前記盤本体内の機能ユニットと盤本体の少なくとも左右のいずれか一方の側面板との間に電力線および制御線を通す配線スペースを形成するのがよく、また、この配線スペースは、前記盤本体の骨組みを構成する垂直の支柱内に設けることができる。

この発明によれば、電力変換装置を収めたキュービクルの前面の開閉可能な扉およびこれと対向する背面板に部分的に冷却風の通風のための通風口を設け、この盤本体内に構成機器を機能別にユニットケースに収納して複数の機能ユニットを構成し、これらの機能ユニットのうち、冷却を要する機器を収納して機能ユニットは、そのユニットケースの前面にこのユニットケース内に前面から背面側へ冷却風を通風する冷却ファンを設け、かつ前記キュービクル内の吸気口および排気口とほぼ対向する位置に挿入配設し、その他の機能ユニットは任意の位置に挿入配設するので、多くの構成機器の実装位置を自由に選択できる度合いが大きくなる。

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３にこの発明による電力変換装置盤の実施例の構成を示す。

図１は盤の外観を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は側面図である。図２は、盤の扉を開いた状態を示す正面図である。図３は盤本体の構成を示す斜視図である。

これらの図において、５０は、キュービクル状の盤本体、５１は、正面開口に開閉可能に設けられた正面扉である。正面扉５１のほぼ下半部には、グリル状に開口された通風口５２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（ａ）参照）。盤の背面板５３には、扉５１の通風口５２と対向する位置にグリル状に開口された排気用の通風口５４が設けられている（図１（ｂ）参照）。

盤本体５０は、４隅に配置される垂直な支柱５８等により骨組みを形成し、この骨組みに前面を除いた外周に鋼板を貼り付けて構成される。支柱５８は、図４にその一部を拡大して示すように水平断面がほぼC字形をしたチャンネル鋼材で形成され、その内側に、同様にC字形断面のチャンネル鋼材で形成された補助支柱５９を配設することにより、支柱５８の内部に上下に延びた複数の溝状空所５８a,５８b,５９aを形成している。これらの空所内の断面積の大きい空所５８aおよび５８bは、盤内の電力線を配線するための電力線配線スペースとし、断面積の小さい空所５９aは、細い電線で済む制御線を配線するための制御線配線スペースとする。

盤本体５０内には、さらに、図３に示すように、奥行き方向に延びた複数対の支持レール５７が各支柱５８の内側に溶接またはねじ止め等の適宜の固着手段により所望の間隔で多段に取付けられている。この支持レール５７は、電力変換装置を構成する機器を機能別に複数のグループに区分し、各グループ毎に図６および図７に示すようなユニットケース５０Ａまたは５０Ｂに収容して構成した機能ユニット５１１〜５１６（図２参照）を盤本体内５０に挿入配設するとき、これらのユニットを案内支持するものである。また、盤本体５０の天井板５５には、外部への接続線（電力線、制御線）を引き出すための電力線引出口５５aおよび制御線引出口５５bが開口形成されている。これらの引出口は図１（ｃ）に示すように閉塞板５６Ａ，５６ｂにより閉塞される。

図６に示したユニットケース５０Ａは、冷却の必要な構成機器を収容するケースであり、その前面に冷却ファンＦを備え、ケース前面から後面の通気孔Ｈへ向けて冷却風を送風して、内部の構成機器を冷却するように構成される。図７に示したユニットケース５０Ｂは、自然放熱で機能し、強制冷却の不要なスイッチのような構成機器を収容するケースである。

図８にこの発明の電力変換装置盤に収容する電力変換装置の回路構成図を示す。

図８において、ＣＯＮは、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、ＩＮＶは、直流電力を交流電力変換するインバータである。コンバータＣＯＮの交流入力は、外部の交流電源に接続される交流入力端子Ｕ，Ｖ．ＷにスイッチＳ１、フィルタ用リアクトルＬ１，Ｌ２を介して接続され、直流出力は、インバータＩＮＶの直流入力に接続される。インバータＩＮＶの交流出力はフィルタ用リアクトルＬ３，Ｌ４およびスイッチＳ２を負荷接続端子ｕ，ｖ，ｗに接続されるとともに、フィルタ用リアクトルＬ６を介して中性負荷接続端子ｎに接続される。

また、図示しない蓄電池電源に接続される直流入力端子Ｐ，ＮがスイッチＳ３、フィルタ用リアクトルＬ５を介して、コンバータＣＯＮの直流出力に接続され。外部の商用交流電源の接続される非常用交流入力端子Ｕｃ、Ｖｃ，Ｗｃをフィルタ用リアクトルＬ７およびスイッチＳ４を介して負荷接続端子ｕ．ｖ，ｗに接続する回路は、コンバータＣＯＮおよびインバータＩＮＶが故障したときに、これらをバイパスして外部商用交流電源から負荷に電力を供給するバイパス回路を構成する。

このように構成された電力変換装置は、構成する機器が機能ごとに複数のグループに区分される。図８に１点鎖線で示すブロック５１１ないし５１６が区分されたグループを示す。グループ５１１には外部との接続を行う接続端子類（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃ，Ｐ，Ｎ，ｕ，ｖ，ｗ，ｎ）が集められている。グループ５１２には、スイッチ類（Ｓ１〜Ｓ４）が集められている。グループ５１３および５１５には、それぞれフィルタ用リアクトル類（Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５）および（Ｌ３．Ｌ６，Ｌ７）が集められている。グループ５１４および５１６には、それぞれコンバータＣＯＮおよびインバータＩＮＶの構成機器が集められている。

このようにグループ５１１〜５１６に区分された電力変換装置の構成機器は、それぞれ、図６および図７に示すユニットケース５０Ａまたは５０Ｂの何れかに収められて機能ユニット５１１Ｕ〜５１６Ｕを形成し、図に示すように、盤本体５０内に多段に積み重ねて挿入配置される。

この場合、外部接続端子類を集めたグループ５１１およびスイッチ類を集めたグループ５１２は、強制冷却を必要としないので、図７に示す、冷却ファンを備えていないユニットケース５０Ｂに収納して機能ユニット５１１Ｕおよび５１２Ｕを形成する。その他のグループ５１３〜５１６は、強制冷却を必要とする半導体素子等の発熱する構成機器を備えるので、図６に示す、冷却ファンＦを備えたユニットケース５０Ａに収納して、機能ユニット５１３Ｕ〜５１６Ｕを形成する。

このように構成された機能ユニット５１１Ｕ〜５１６Ｕは、図２に示すように盤本体５０内に、多段に積層して挿入配設される。盤本体５０内に挿入された各ユニットは、ユニットケースが図３および図４に示す支持レール５７により案内支持され、各ユニットケースの前面板を盤本体の前面側の骨組み支柱５８等にねじ止めにより固定される。

図５は、盤本体５０の最上段に挿入配置された、外部接続端子を集めた機能ユニット５１１Ｕの構成例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）は正面図である。

この機能ユニット５１１Ｕには、外部との接続を行うための電力線用の接続端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃ，Ｐ，Ｎ、ｕ，ｖ，ｗ，ｎ、および制御線用の接続コネクタＣないし電流検出用の変流器ＣＴ等が収納されている。

このように盤本体５０に挿入配設された各機能ユニット間の電力線の配線は、図９の配線接続図に示すように行われる。

図９における５８ａは電力線配線スペースであり、図３および図４に示した、盤本体５０の骨組みを構成する支柱５８内に形成した電力線配線スペース５８ａを模式的に示したものである。この電力線配線スペース５８ａ内に各機能ユニット間に渡る電力線の配線を通してユニット相互の接続を行う。ここには、図示しないが、各機能ユニット間を接続する制御線も、電力線と同様に盤本体の骨組み用の支柱５８に設けられた制御線配線スペース５９ａに制御線を通して行われる。

このように、盤本体５０内に挿入配置され各機能ユニット間を接続する電力線および制御線の配線は、盤本体５０の側面板と各機能ユニットとの側面との間に形成されえる盤の骨組みを構成する支柱５８内に設けられた電力線配線スペース５８ａおよび制御線配線スペース５９ａ（図３、図４参照）を通して行われる。

電力変換装置盤は、図２に示すように盤本体５０内に電力変換装置の構成機器を複数のグループに分けて構成した機能ユニット５１１Ｕ〜５１６Ｕを挿入配設して構成され、盤の正面の扉５１を閉じて運転される。冷却の必要な構成機器の収容された機能ユニット５１３Ｕ〜５１６Ｕは、ほぼ正面扉５１の通気口５２および背面板５３の通気口５４の設けられた位置に置かれるため、扉５１が閉じられても各ユニットの冷却ファンＦ３〜Ｆ６を運転することにより、扉５１の通風口５２から外気を吸い込んで、そのまま水平に各機能ユニット内を貫流させて背面板５３の通気口５４から排気することにより、ユニットケース内の構成機器を良好に強制冷却することができる。

前記したように盤本体５０内の各機能ユニット間を接続する配線は、電力線、制御線ともに、盤本体の骨組みを構成する垂直の支柱内５８内に形成された配線スペース５８ａおよび５９ａを通して配線されるので、各機能ユニットの冷却風の通流がこれらの配線によって阻害されることがない。このため、この発明によれば、機能別にユニット化された機能ユニットは、盤の正面と背面の通気口とを考慮すれば、ほとんど自由に盤本体内に配置することが可能となり、盤の設計の自由度が増し、設計、製作を容易にすることができる。

図に示す実施例においては、盤の天井側で配線を行うために外部との接続を行うための接続端子類を収容した機能ユニット５１１Ｕを、盤本体５０の最上段に挿入配設しているが、底板側で配線を行う要求が出た場合には、この機能ユニット５１１Ｕを盤本体５０の最下段に挿入配設することで対応することが可能となる。

この発明の実施例の構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は側面図である。 この発明の実施例の正面扉を開いた状態の構成を示す正面図である。 この発明の実施例における盤本体の構成を示す斜視図である。 この発明の盤本体の骨組みとなる垂直の支柱を部分的に拡大して示す斜視図である。 この発明の実施例における１つの機能ユニットの例を示もので、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図である。 この発明に使用する冷却ファン付ユニットケースの構成を示す斜視図である。 この発明に使用する冷却ファンなしユニットケースの構成を示す斜視図である。 この発明の実施例の電力変換装置盤に組込まれる電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施例の電力変換装置盤に組込まれた電力変換装置の回路構成図である。 従来の電力変換装置盤の構成を示す正面図である。 従来の電力変換装置盤の構成を示す側面図である。 従来の電力変換装置盤の構成を示す平面図である。 従来の電力変換装置盤の構成を示す図１０のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線の側面断面である。 従来の電力変換装置盤の構成を示す図１１のＸＩＶ−ＸＩＶ線の正面断面図である。 従来の電力変換装置盤に組込まれる電力変換装置の回路構成図である。

符号の説明

５０：盤本体
５０Ａ：冷却ファン付ユニットケース
５０Ｂ：冷却ファンなしユニットケース
５１：正面扉
５２：通気口
５３：背面板
５４：通気口
５８：支柱
５９：補助支柱
５８ａ、５９ａ：配線スペース
５１１〜５１６：機能グループ
５１１Ｕ〜５１６Ｕ：機能ユニット

Claims (3)

1. 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および直接給電する直送給電回路を構成する機器等の構成機器を、前面を開閉可能な扉により閉じられたキュービクル状の盤本体内に収容してなる電力変換装置盤において、前記盤本体の扉およびこれと対向する背面板にそれぞれ冷却風を吸排するための通風口設け、かつ前記盤本体内に上下方向に多段に積層して挿入配設する複数のユニットケースを設け、前記盤本体に収容される電力変換装置を構成する機器を機能別に複数のグループに区分し、この各グループの機器をグループごとに前記ユニットケースに収納して複数の機能ユニットを構成し、前記複数の機能ユニットのうち冷却を必要とする機器を有する機能ユニットは、ユニットケース内に前面から背面へ冷却風が通風されるようにユニットケースの前面に冷却ファンを設けるとともに、前記盤本体内の前記通風口とほぼ対向する位置に挿入配設し、その他の機能ユニットは任意の位置に挿入配設することを特徴とする電力変換装置盤。
2. 請求項1に記載の電力変換装置盤において、前記盤本体内の機能ユニットと盤本体の少なくとも左右のいずれか一方の側面板との間に電力線および制御線を通す配線スペースを形成したことを特徴とする電力変換装置盤。
3. 請求項２に記載の電力変換装置盤において、前記配線スペースは、前記盤本体の骨組みを構成する垂直の支柱内に設けることを特徴とする電力変換装置盤。

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