JP6716314B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
作業機械や産業機械(以下、作業機械と総称する)に、インバータやコンバータなどの電力変換装置が使用される。図1は、電力変換装置1rのブロック図である。電力変換装置1rは、DCバス(電源配線、DCリンクとも称する)10と、DCバスの電圧(DCリンク電圧)VDCを安定化するための平滑コンデンサ12を備える。パワーモジュール16は、たとえばインバータはコンバータを構成しており、DCバス10に生ずる直流電圧VDCを受け、図示しない負荷に、直流あるいは交流の電力信号を供給する。
電磁接触器(単にリレーともいう)14は、平滑コンデンサ12を充電する主経路上に設けられ、無負荷時あるいは故障時には電磁接触器14をオフすることにより、電源経路が遮断可能となっている。
電源投入時に、平滑コンデンサ12の電荷がゼロの状態で電磁接触器14をオンすると、平滑コンデンサ12に突入電流が流れる。この突入電流を防止するために、突入電流防止回路20が設けられる。突入電流防止回路20は、電磁接触器14の主経路と並列な経路上に設けられた充電抵抗22を備える。スイッチ 24は、突入電流防止回路20のオン、オフを制御するために設けられる。
電源投入時においては、電磁接触器14をオンする前に、スイッチ24をオンして、充電抵抗22を介して平滑コンデンサ12を緩やかに充電し、平滑コンデンサ12が十分に充電された後に、電磁接触器14をオンし、負荷を動作させる。これをソフトスタートとも称する。
図2は、電力変換装置1rの断面図である。電力変換装置1は、筐体30に収容されている。筐体30は、カバー32と底板34に分離構成されてもよい。電力変換装置1rは、パワーモジュール16を冷却するためのヒートシンク36を備える。ヒートシンク36の上には、電磁接触器14が実装される場合もある。ヒートシンク36および平滑コンデンサ12を効果的に冷却するために、これらは、冷却ファン38が発生する風の経路上(強制空冷経路)に設けられる。
電磁接触器14やパワーモジュール16を制御するためのCPU、ドライバ回路、制御基板などは、カードプレート40上に機能毎に分散してレイアウトされる。
充電抵抗22は、余っているスペースに配置される場合が多い。たとえば充電抵抗22は、カバー32に配置されたり(22a、22b)、あるいはカードプレート40に配置されたり(22c)する。
特開平11−69774号公報 特許第3566505号公報
本発明者は、図2の電力変換装置1rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
電力変換装置1rの構成部品は、過酷な状況下で使用や、寿命により、故障や異常が生ずる場合もある。ここで図2の電力変換装置1rでは、充電抵抗22がそのほかの回路部品と同じ空間に配置されているため、充電抵抗22に異常が生ずると、その周辺回路にも悪影響を及ぼすおそれがある。たとえば充電抵抗22がカバー32から落下すると、他の回路部品とショートし、二次的被害を引き起こす。あるいは充電抵抗22が破裂したり溶融すると、その破片が周囲に飛び散り、二次的被害を引き起こす。
また電力変換装置1rは、メンテナンスのためにカバー32が取り外される場合がある。このときに充電抵抗22が、簡単に作業者の手に触れる場所に配置されていると、感電したり、あるいは充電抵抗22の熱により作業者がやけどするおそれがある。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、信頼性あるいは安全性を向上した電力変換装置の提供にある。
本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、DCバスと、DCバスと接続される平滑コンデンサと、パワーモジュールと、平滑コンデンサへの充電経路上に設けられる充電抵抗を含む突入電流防止回路と、を備える。充電抵抗は、少なくともパワーモジュールおよび平滑コンデンサを含む主空間と区画された副空間に配置されている。
この態様によると、充電抵抗が故障した際に、主空間に配置される周辺回路に2次被害が及ぶのを防止でき、信頼性を高めることができる。あるいはメンテナンス時に、充電抵抗に作業者が直接接触するのを防止できる。
主空間と副空間は、板金によって区画されていてもよい。板金により区画することで主空間と副空間とを、確実に区画することができ、信頼性、安全性を一層高めることができる。
ある態様の電力変換装置は、冷却ファンをさらに備えてもよい。板金は、冷却ファンにより形成される強制空冷経路上に設けられてもよい。これにより、板金ひいては充電抵抗を効果的に冷却できる。
ある態様の電力変換装置は、パワーモジュールを搭載するヒートシンクと、冷却ファンと、をさらに備えてもよい。板金は、冷却ファンが発生する風の向きを変化させる整流板であってもよい。
これにより、板金および充電抵抗を効果的に冷却しつつも、風をヒートシンクに向けることができる。また区画用と整流用の板金を別々に設ける場合に比べて、コストを下げることができる。
電力変換装置の断面を見たときに、パワーモジュール、ヒートシンク、板金、充電抵抗が、この順で配置されていてもよい。
充電抵抗は、板金に取り付けられていてもよい。これにより、充電抵抗の熱を、熱容量の大きい板金に逃がすことができる。
板金は、充電抵抗が取り付けられた状態で、電力変換装置から取り外し可能であってもよい。これによりメンテナンス性を高めることができる。
ある態様の電力変換装置は、板金と電力変換装置の筐体との隙間を狭める充填部材をさらに備えてもよい。これにより、強制空冷性能の低下を抑制できる。
板金は、電力変換装置の使用状態において充電抵抗の下方に受け皿を有してもよい。これにより充電抵抗やその一部が落下したときに、受け皿に止めることができる。
副空間は、主空間に対して実質的に密閉されていてもよい。これにより安全性、信頼性を高めることができる。
副空間は、主空間に対して半密閉され、充電抵抗は、自然空冷経路上に配置されてもよい。これにより安全性、信頼性を高めつつも、充電抵抗を冷却できる。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、電力変換装置の信頼性あるいは安全性を向上できる。
電力変換装置のブロック図である。 電力変換装置の断面図である。 第1の実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 第2の実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 第3の実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 第4の実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
(第1の実施の形態)
図3は、第1の実施の形態に係る電力変換装置1aの断面図である。電力変換装置1aの等価回路については、図1を参照して説明した通りである。以下では、電力変換装置1aの構造について、図2の電力変換装置1rとの相違点を中心に説明する。
本実施の形態では、筐体30の内部が、主空間50と副空間52に区画されている。主空間50は、少なくともパワーモジュール16、平滑コンデンサ12を含んでおり、図3では、そのほかに、ヒートシンク36、カードプレート40なども主空間50に配置されている。一方、副空間52には、充電抵抗22が配置されている。
この構造によって、充電抵抗22が故障した際に、主空間50に配置される周辺回路に2次被害が及ぶのを防止でき、信頼性を高めることができる。あるいはメンテナンス時に、カバー32を外した際に、充電抵抗22に作業者が直接接触するのを防止できる。
好ましくは、主空間50と副空間52は、板金54によって区画されている。充電抵抗22は、板金54に取り付けられてもよい。これにより充電抵抗22の熱を、熱容量の大きい板金54に逃がすことができる。
冷却ファン38は、主として平滑コンデンサ12やヒートシンク36を冷却するために、強制空冷経路60を形成する。なお冷却ファン38は給気ファンであってもよいし、排気ファンであってもよい。
好ましくは板金54は、冷却ファン38により形成される強制空冷経路60上に設けられる。これにより、板金54ひいては充電抵抗22を効果的に冷却できる。
板金54は、冷却ファン38が発生する風の向きを変化させる整流板であってもよい。すなわち整流板である板金54によって、ヒートシンク36を効果的に冷却できるように、縒り好ましい強制空冷経路60が形成される。これにより、板金54および充電抵抗22を効果的に冷却しつつも、風をヒートシンクに向けることができる。また区画用の板金と整流用の板金を別々に設ける場合に比べて、コストを下げることができる。
この構成では、電力変換装置1aの断面を見たときに、パワーモジュール16、ヒートシンク36、板金54、充電抵抗22が、この順で配置されることとなる。つまりパワーモジュール16が設けられる主空間は、板金54に加えて、ヒートシンク36よっても部分的に区画されていることとなり、さらに安全性を高めることができる。
(第2の実施の形態)
図4は、第2の実施の形態に係る電力変換装置1bの断面図である。電力変換装置1bの構造について、図3の電力変換装置1aとの相違点を中心に説明する。
図3では副空間52は、主空間50に対しても、筐体30の外部に対しても、実質的に密閉されている。これに対して図4の電力変換装置1bでは、副空間52は、主空間50に対する密閉を維持しつつも、筐体30の外部に対しては密閉されておらず、したがって副空間52は半密閉状態といえる。これにより副空間52の内部には、自然空冷経路62が形成され、充電抵抗22を自然冷却することができる。
(第3の実施の形態)
図5は、第3の実施の形態に係る電力変換装置1cの断面図である。電力変換装置1cの構造について、図3の電力変換装置1aとの相違点を中心に説明する。電力変換装置1cでは、板金54は、充電抵抗22が取り付けられた状態で、電力変換装置1から取り外し可能である。たとえば板金54は、筐体30の底板34に対してねじ56などの固定手段によって着脱可能に固定される。これによりメンテナンス性を高めることができる。板金54は、カバー32を取り外した状態で、平滑コンデンサ12やヒートシンク36等を取り外すことなく、底板34から取り外し可能とされる。
板金54と底板34との密着性あるいは密閉性を高めるために、充填部材58が設けられる。たとえば充填部材58は、ゴムやスポンジなどであって、板金54を底板34に対して押しつける。この例では、充填部材58は、冷却ファン38の底面と板金54の間に設けられる。これにより、メンテナンスの容易性と引き替えに、副空間52の密閉性が低下するのを防止できる。
(第4の実施の形態)
図6は、第4の実施の形態に係る電力変換装置1dの断面図である。電力変換装置1dでは、板金54には、受け皿64が設けられている。受け皿64は、板金54の一部であってもよいし、板金54に取り付けられていてもよい。受け皿64は、電力変換装置1の使用状態において充電抵抗22の下方に設けられる。たとえば図6の電力変換装置1dは、冷却ファン38が上側、平滑コンデンサ12が下側となる向き(つまり、紙面右側が上、紙面左側が下)で、底板34が垂直面に取り付けられた態様で使用される。
この場合に、充電抵抗22が破裂したり、溶融すると、その一部が落下するおそれがある。そこで受け皿64を設けることにより、充電抵抗22の破片や溶液を受け皿64に留めておくことができ、安全性をさらに高めることができる。
(変形例)
主空間50と副空間52の仕切りは、板金54には限定されず、樹脂などであってもよい。また、ヒートシンクなどの形状を工夫することで、仕切りとして利用してもよい。
副空間52は、主空間50に対して半密閉状態であってもよい。たとえば副空間52は、その端部において主空間50と連通していてもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
1…電力変換装置、10…DCバス、12…平滑コンデンサ、14…電磁接触器、16…パワーモジュール、20…突入電流防止回路、22…充電抵抗、24…スイッチ、30…筐体、32…カバー、34…底板、36…ヒートシンク、38…冷却ファン、40…カードプレート、50…主空間、52…副空間、54…板金、56…ねじ、58…充填部材、60…強制空冷経路、62…自然空冷経路、64…受け皿。

Claims (9)

  1. 電力変換装置であって、
    DCバスと、
    前記DCバスと接続される平滑コンデンサと、
    パワーモジュールと、
    前記平滑コンデンサへの充電経路上に設けられる充電抵抗を含む突入電流防止回路と、
    冷却ファンと、
    を備え、
    前記電力変換装置の筐体内は、板金によって、少なくとも前記パワーモジュールおよび前記平滑コンデンサを含む主空間と、前記充電抵抗のみを含む副空間とに区画されており、
    前記充電抵抗は前記板金に取り付けられており、前記板金は、前記冷却ファンにより形成される強制空冷経路上に設けられることを特徴とする電力変換装置。
  2. 電力変換装置であって、
    DCバスと、
    前記DCバスと接続される平滑コンデンサと、
    パワーモジュールと、
    前記平滑コンデンサへの充電経路上に設けられる充電抵抗を含む突入電流防止回路と、
    冷却ファンと、
    を備え、
    前記電力変換装置の筐体内は、板金によって、少なくとも前記パワーモジュールおよび前記平滑コンデンサを含む主空間と、前記充電抵抗のみを含む副空間とに区画されており、
    前記充電抵抗は前記板金に取り付けられており、前記板金は、前記冷却ファンが発生する風の向きを変化させる整流板であることを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記電力変換装置の断面を見たときに、前記パワーモジュール、前記パワーモジュールを搭載するヒートシンク、前記板金、前記充電抵抗が、この順で配置されていることを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記充電抵抗は、前記板金に取り付けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電力変換装置。
  5. 前記板金は、前記充電抵抗が取り付けられた状態で、前記電力変換装置から取り外し可能であることを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  6. 前記板金と前記電力変換装置の筐体との隙間を狭める充填部材をさらに備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電力変換装置。
  7. 前記板金は、前記電力変換装置の使用状態において前記充電抵抗の下方に受け皿を有することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電力変換装置。
  8. 前記副空間は、前記主空間に対して実質的に密閉されていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 前記副空間は、前記電力変換装置の筐体の外部に対して半密閉状態であり、
    前記充電抵抗は、自然空冷経路上に配置されることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の電力変換装置。
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