JP6965461B1

JP6965461B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP6965461B1
Application number: JP2020557363A
Authority: JP
Inventors: 重幸中林; 育篤宇田川
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: US20220376630A1; WO2021214951A1; US12003187B2; JPWO2021214951A1

Abstract

電力変換装置は、各々が電力変換モジュール（１１）を含み、上下方向に直交する横方向に間隔をあけて配置された複数の電力変換ユニット（１０）と、横方向における複数の電力変換ユニット（１０）の一方側から他方側に向けて延在し、複数の電力変換ユニット（１０）が上方側から載置された少なくとも１つの支持体（２１）と、を備える。支持体（２１）は、絶縁部材によって構成されている。

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置においては、特開２０１９−１６０８２０号公報（特許文献１）、および実公昭６３−０３０２３１号公報（特許文献２）等に開示されているように、碍子等の絶縁支柱を介して複数の電力変換ユニットが積み上げられている。

特開２０１９−１６０８２０号公報実公昭６３−０３０２３１号公報

一方で、複数の電力変換ユニットを横方向に複数配置する場合には、これら複数の電力変換ユニットをまとめて支持するための支持構造が必要となる。また、複数の電力変換ユニットは相当程度の重量があるため、より強固な構造が要求される。

しかしながら、支持構造を金属材料で構成することにより、支持構造の強度を確保することができるが、この場合には、支持構造と電力変換ユニットとの間の絶縁耐圧を確保するために、複数の電力変換ユニットと支持構造との間に、碍子等の絶縁部材を配置する必要が生じる。

この場合には、絶縁部材の高さが加算されて電力変換装置の高さが高くなってしまう。さらに、電力変換装置の組み立て時においても、複数の電力変換ユニットと支持構造との間に絶縁部材を取り付ける手間がかかってしまう。

本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、低背化、および組立性の改善が可能な電力変換装置を提供することにある。

本開示に基づく電力変換装置は、各々が電力変換モジュールを含み、上下方向に直交する横方向に距離をあけて配置された複数の電力変換ユニットと、上記横方向における複数の電力変換ユニットの一方側から他方側に向けて延在し、上記複数の電力変換ユニットが上方側から載置された少なくとも１つの支持体と、を備える。上記支持体は、絶縁部材によって構成されている。

上記本開示に基づく電力変換装置にあっては、上記支持体は、上記複数の電力変換ユニットに対向する上面を含む。この場合にあっては、上記上面のうち互いに隣り合う上記電力変換ユニットの間に位置する部分に、凹凸部が設けられていてもよい。

上記本開示に基づく電力変換装置にあっては、上記支持体は、上記複数の電力変換ユニットに対向する上面を含む。この場合にあっては、上記上面は、上記複数の電力変換ユニットが載置される第１領域と、上記上面のうち互いに隣り合う上記電力変換ユニットの間に位置する第２領域とを含んでいてもよく、上記第１領域と上記第２領域との間に段差が形成されていてもよい。

上記本開示に基づく電力変換装置にあっては、上記少なくとも１つの支持体は、複数の支持体を含んでいてもよい。この場合には、上記複数の支持体は、上記上下方向および上記横方向に直交する前後方向に並んで配置されることが好ましい。さらに、上記上下方向における上記支持体の長さは、上記前後方向における上記支持体の長さよりも長いことが好ましい。

上記本開示に基づく電力変換装置にあっては、上記複数の電力変換ユニットの各々は、上記上下方向および上記横方向に直交する前後方向に上記電力変換モジュールをスライド移動可能に保持するスライドガイドを含んでいてもよい。この場合には、上記スライドガイドは、上記電力変換ユニットを支持する台座部と、上記台座部を下方側から支持するとともに上記支持体に当接する脚部とを有していてもよい。さらに、この場合には、上記脚部は、上記前後方向から見た場合に、上記横方向において上記電力変換モジュールの両端よりも内側に位置することが好ましい。

上記本開示に基づく電力変換装置にあっては、上記複数の電力変換ユニットと上記少なくとも１つの支持体とを含む単位ユニットが、上記上下方向に複数並んで配置されることが好ましい。

本開示によれば、低背化、および組立性の改善が可能な電力変換装置を提供することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。比較例に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略斜視図である。実施の形態２に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。実施の形態３に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。実施の形態４に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略斜視図である。図１を参照して、実施の形態１に係る電力変換装置１００について説明する。

図１に示すように、電力変換装置１００は、複数の単位ユニット１と、ベース部３０と、複数のステージ支柱４１と、および複数のベース支柱４２とを備える。電力変換装置１００は、複数の単位ユニット１が、上下方向（図１中ＤＲ１方向）に並んで配置されることで構成されている。

複数の単位ユニット１の各々は、複数の電力変換ユニット１０と、当該複数の電力変換ユニット１０を下方側から支持するステージユニット２０とを含む。複数の電力変換ユニット１０は、上下方向と直交する横方向（図１中ＤＲ２方向）に並んで配置されている。

ステージユニット２０は、横方向において、複数の電力変換ユニット１０の外側に突出する部分を有しており、当該突出する部分が複数のステージ支柱４１によって支持されている。

複数のステージ支柱４１は、上下方向において互いに隣り合う単位ユニット１の間に配置されている。複数のステージ支柱４１は、上下方向に延在するように設けられている。複数のステージ支柱４１は、外周部に碍子を含む。

複数のベース支柱４２は、最も下方に位置する単位ユニット１と設置面に設置されたベース部３０との間に配置されている。複数のベース支柱４２は、上下方向に延在するように設けられている。複数のベース支柱４２は、外周部に碍子を含む。

図１においては、単位ユニット１内において、４つの電力変換ユニット１０が横方向に並んで配置される場合を例示しているが、電力変換ユニット１０の個数は適宜変更することができる。

また、単位ユニット１は、上下方向に直交する面内に１つ配置される場合を例示しているが、これに限定されず、上記面内に複数並んで配置されていてもよい。たとえば、単位ユニット１は、ＤＲ２方向に複数並んで配置されていてもよいし、ＤＲ１方向およびＤＲ２方向に直交するＤＲ３方向（前後方向）に並んで配置されていてもよい。また、単位ユニット１は、ＤＲ２方向およびＤＲ３方向に行列状に配置されてもよい。

さらに、図１においては、電力変換装置１００は上下方向に５段で並んで配置された単位ユニット１によって構成される場合を例示しているが、これに限定されない。電力交換装置１００は、１段のみの単位ユニット１で構成されていてもよいし、２から４段の単位ユニット１で構成されていてもよい。また、電力交換装置１００は、６段以上の単位ユニット１で構成されていてもよい。

図２および図３は、実施の形態１に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略斜視図および概略平面図である。図２および図３を参照して、単位ユニット１の詳細について説明する。

図２に示すように、単位ユニット１は、上述のように複数の電力変換ユニット１０と、ステージユニット２０とを備える。複数の電力変換ユニット１０の各々は、電力変換モジュール１１と、スライドガイド１２とを含む。

電力変換モジュール１１は、例えばサイリスタスタックである。当該電力変換モジュール１１の外郭を形成する筐体と、当該筐体に収容された発熱機器と、発熱機器とは異なる電気部品とが収容されている。発熱機器は、たとえば、半導体素子である。電気部品は、たとえば、半導体素子を形成する制御基板である。半導体素子は、たとえばパワー半導体であり、冷却水が循環可能な水冷フィンに接触するように配置されている。

スライドガイド１２は、ＤＲ３方向にスライド移動可能に電力変換モジュール１１を保持する。このようなスライドガイド１２によって電力変換モジュール１１を引き出すことにより、電力変換モジュール１１の交換等、メンテナンス性を向上させることができる。

ステージユニット２０は、少なくとも１つの支持体２１と、少なくとも１つの支持体２１を保持する一対のフレーム２２とを含む。

少なくとも１つの支持体２１は、複数の支持体２１を有し、より具体的には、５つの支持体２１を有する。複数の支持体２１は、ＤＲ３方向に距離をあけて並んで配置されている。このように、複数の支持体２１を距離をあけて並べて配置することにより、ステージユニット２０を軽量化することができる。

複数の支持体２１は、絶縁部材によって形成されている。絶縁部材は、耐荷重を有するものであれば適宜採用することができる。絶縁部材として、たとえば、合成樹脂等の樹脂部材を採用することができる。より特定的には、ガラスエポキシ樹脂を採用できる。

複数の支持体２１の各々は、ＤＲ２方向における複数の電力変換ユニット１０の一方側から他方側に向けて延在する。より特定的には、複数の支持体２１の各々は、ＤＲ２方向に平行な方向に延在する。複数の支持体２１には、複数の電力変換ユニット１０が載置されている。

一対のフレーム２２は、ＤＲ２方向における複数の支持体２１の両端側に配置されており、複数の支持体２１を保持している。一対のフレーム２２は、金属材料によって構成されており、支持体２１を強固に保持している。これにより、ステージユニット２０の全体的な剛性を高めることができる。

一対のフレーム２２の各々は、複数の支持体２１が固定される壁部２２１と、上述したステージ支柱４１またはベース支柱４２に支持されるフランジ部２２２とを含む。

壁部２２１は、ＤＲ３方向に沿って延在する。フランジ部２２２は、壁部２２１の下端から、複数の電力変換ユニット１０が位置する側とは反対側に延在する。フランジ部２２２は、ＤＲ２方向およびＤＲ３方向に略平行である。

一対のフレーム２２のうち一方側のフレーム２２が有する壁部２２１には、ＤＲ２方向における複数の支持体２１の各々の一端側が固定される。一対のフレーム２２のうち他方側のフレーム２２が有する壁部２２１には、ＤＲ２方向における複数の支持体２１の各々の他端側が固定される。複数の支持体２１の各々は、ネジ等の締結部材によって壁部２２１に固定される。

図２および図３に示すように、複数の支持体２１の各々は、板状形状を有する。ＤＲ１方向における支持体２１の長さは、ＤＲ２方向における支持体２１の長さよりも長くなっている。これにより、上下方向における支持体２１の強度および剛性を高めることができる。このため、複数の支持体２１に複数の電力変換ユニット１０が載置された場合であっても、支持体２１が上下方向に撓むことを抑制することができる。この結果、上下方向における耐震性を向上させることができる。

支持体２１は、複数の電力変換ユニット１０に対向する上面２１ａを有する。実施の形態１においては、当該上面２１ａは、ＤＲ２方向における一端側から他端側にかけて平坦に形成されている。

図３に示すように、上述のスライドガイド１２は、より詳細には、電力変換モジュール１１を支持する台座部１２１と、台座部１２１を支持する脚部１２２とを有する。台座部１２１および脚部１２２は、導電性を有する金属材料で構成されている。

台座部１２１は、電力変換モジュールの筐体に設けられた摺動部の移動を案内するレール部を含む。レール部は、ＤＲ３方向に沿って延在するように設けられている。脚部１２２は、台座部１２１から下方側から支持するものである。脚部１２２は、ＤＲ３方向に沿って延在する。脚部１２２は、複数の支持体２１に跨るように設けられている。脚部１２２は、台座部１２１と支持体２１との間に配置されており、支持体２１に当接している。

脚部１２２は、ＤＲ３方向から見た場合に、ＤＲ２方向において電力変換モジュール１１の両端よりも内側に位置する。

ＤＲ２方向に互いに隣り合う電力変換ユニット１０は、両者に発生する最大電位差に応じて、所望の沿面距離を確保されている。上記のように、脚部１２２がＤＲ２方向において電力変換モジュール１１の内側に位置することにより、互いに隣り合う電力変換ユニット１０において最も近い脚部１２２間の距離Ｌ１を、ＤＲ２方向における電力変換モジュール１１間の距離Ｄ１よりも大きくすることができる。これにより、支持体２１を伝う沿面距離を長くすることができる。

図４は、比較例に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略斜視図である。図４を参照して、比較例に係る電力変換装置について説明する。

図４に示すように、比較例に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力変換装置１００と比較して、単位ユニット１Ｘの構成が相違する。具体的には、単位ユニット１Ｘにおいては、支持体２１Ｘが導電性を有する金属材料で構成されており、複数の電力変換ユニット１０の各々と支持体２１Ｘとの間に碍子５０が介在している。

このような場合には、碍子５０によって高さ方向（ＤＲ１方向）に、沿面距離を確保する必要が生じる。このため、碍子５０の高さｈ１が加算されて単位ユニット１Ｘの高さが高くなってしまう。単位ユニット１ＸをＤＲ１方向に複数並べて配置する場合には、上下方向に並んで配置される複数個の碍子５０の高さｈ１がそれぞれ加算されるため、電力変換装置の高さはさらに高くなってしまう。

これに対して、実施の形態１においては、上述のように、支持体２１に沿って所望の沿面距離を確保しつつ、絶縁部材によって構成された支持体２１に複数の電力変換ユニット１０が直接載置されている。これにより、比較例と比較して碍子５０を省略することができる。

このため、実施の形態１においては、単位ユニット１の低背化を図ることができる。また、低背化された単位ユニット１を上下方向に並べて配置することにより、電力変換装置１００においては、より効果的に低背化することができる。

加えて、比較例と比較して碍子を省略することができるため、碍子の取付に必要であった作業時間も削減できる。また、部品点数を削減することができ、製造コストも低減することができる。このため、単位ユニット１ひいては電力変換装置１００の組立性を大きく改善することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。図５を参照して、実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。

図５に示すように、実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力変換装置１００と比較して、電力変換ユニット１０Ａの構成が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

具体的には、電力変換ユニット１０Ａは、実施の形態１に係る電力変換ユニット１０と比較して、スライドガイド１２を含んでいない点において相違する。すなわち、電力変換モジュール１１が、支持体２１に直接載置されている。

このため、実施の形態２に係る電力変換装置にあっては、実施の形態１に係る電力変換装置１００と比較して、さらに低背化が可能になる。また、スライドガイド１２の設置が不要となることで、組立作業時間を短縮し、製造コストも低減することができる。

一方で、電力変換ユニット１０Ａが支持体２１に接触する部分は、実施の形態１におけるスライドガイド１２の脚部１２２とは異なり、電力変換ユニット１０Ａの外郭を構成する筐体となる。このため、電力変換ユニット１０Ａの筐体間で沿面距離を確保する必要が生じる。これにより、互いに隣り合う電力変換モジュール１１間の距離Ｄ２は、実施の形態１における電力変換モジュール間の距離Ｄ１よりも大きくなる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。図６を参照して、実施の形態３に係る電力変換装置について説明する。

図６に示すように、実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力変換装置１００と比較して、単位ユニット１Ｂにおける支持体２１の上面２１ａの形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

具体的には、実施の形態３においては、上面２１ａのうち互いに隣り合う電力変換ユニットの間に位置する部分Ｒ３に、凹凸部２１ｃが設けられている。なお、上面２１ａのうち互いに隣り合う電力変換ユニット１０の間に位置する部分Ｒ３とは、支持体２１に接触する電力変換ユニット１０の下端Ｐ１同士の間に位置する部分である。

このように構成される場合であっても、実施の形態１に係る電力変換装置１００とほぼ同様の効果が得られる。

加えて、実施の形態３においては、凹凸部２１ｃが設けられることにより、支持体２１に沿った沿面距離を大きくすることができる。このため、ＤＲ２方向における互いに隣り合う電力変換モジュール１１間の距離Ｄ３は、実施の形態１における電力変換モジュール１１間の距離Ｄ１よりも小さくすることができる。すなわち、実施の形態３に係る電力変換装置においては、ＤＲ２方向の幅を小さくすることが可能となる。なお、上記距離Ｄ３は、上記距離Ｄ１と同程度であってもよい。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係る電力変換装置に具備される単位ユニットにおいて、複数の電力変換ユニットが、ステージユニットに載置されている状態を示す概略平面図である。図７を参照して、実施の形態４に係る電力変換装置について説明する。

図７に示すように、実施の形態４に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力変換装置１００と比較して、単位ユニット１Ｃにおける支持体２１の上面２１ａの形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

具体的には、上面２１ａは、複数の電力変換ユニット１０が載置される第１領域Ｒ１と、互いに隣り合う電力変換ユニット１０の間に位置する第２領域Ｒ２とを含んでおり、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に段差が形成されている。図７においては、第１領域Ｒ１が、第２領域Ｒ２よりも厚さ方向に凹んでいる場合を例示して図示しているが、第２領域Ｒ２が第１領域Ｒ１よりも厚さ方向に凹んでいてもよい。

加えて、実施の形態４においては、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に段差が形成されていることにより、支持体２１に沿った沿面距離を大きくすることができる。このため、ＤＲ２方向における互いに隣り合う電力変換モジュール１１間の距離Ｄ４は、実施の形態１における電力変換モジュール１１間の距離Ｄ１よりも小さくすることができる。すなわち、実施の形態４に係る電力変換装置においては、ＤＲ２方向の幅を小さくすることが可能となる。なお、上記距離Ｄ４は、上記距離Ｄ１と同程度であってもよい。

以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１，１Ｂ，１Ｘ単位ユニット、１０，１０Ａ電力変換ユニット、１１電力変換モジュール、１２スライドガイド、２０ステージユニット、２１，２１Ｘ支持体、２１ａ上面、２１ｃ凹凸部、２２フレーム、３０ベース部、４１ステージ支柱、４２ベース支柱、５０碍子、１００電力変換装置、１２１台座部、１２２脚部、２２１壁部、２２２フランジ部。

Claims

各々が電力変換モジュールを含み、上下方向に直交する横方向に間隔をあけて配置された複数の電力変換ユニットと、
前記横方向における前記複数の電力変換ユニットの一方側から他方側に向けて延在し、前記複数の電力変換ユニットが上方側から載置された少なくとも１つの支持体と、を備え、
前記支持体は、絶縁部材によって構成されており、
前記複数の電力変換ユニットの各々は、前記上下方向および前記横方向に直交する前後方向に前記電力変換モジュールをスライド移動可能に保持するスライドガイドを含み、
前記スライドガイドは、前記電力変換ユニットを支持する台座部と、前記台座部を下方側から支持するとともに前記支持体に当接する脚部とを有し、
前記脚部は、前記前後方向から見た場合に、前記横方向において前記電力変換モジュールの両端よりも内側に位置する、電力変換装置。
前記支持体は、前記複数の電力変換ユニットに対向する上面を含み、
前記上面のうち互いに隣り合う前記電力変換ユニットの間に位置する部分に、凹凸部が設けられている、請求項１に記載の電力変換装置。
前記支持体は、前記複数の電力変換ユニットに対向する上面を含み、
前記上面は、前記複数の電力変換ユニットが載置される第１領域と、互いに隣り合う前記電力変換ユニットの間に位置する第２領域とを含み、
前記第１領域と前記第２領域との間に段差が形成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
前記支持体は複数であり、
複数の前記支持体は、前記上下方向および前記横方向に直交する前後方向に並んで配置されており、
前記上下方向における前記支持体の長さは、前記前後方向における前記支持体の長さよりも長い、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記複数の電力変換ユニットと前記少なくとも１つの支持体とを含む単位ユニットが、前記上下方向に複数並んで配置された、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。