JP7043097B2

JP7043097B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7043097B2
Application number: JP2020515357A
Authority: JP
Inventors: 健志織田; 健一郎表; 亮中嶋
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2038-04-25
Also published as: US11778792B2; CN112042091B; CN112042091A; US20210190552A1; JPWO2019207666A1; WO2019207666A1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

大容量の電力を変換する電力変換器は、例えば、交流３，８００Ｖｒｍｓ程度の高電圧や大電流を取り扱う場合があり、盤構造が採用されることが多い。さらに電力変換装置内ではサージ電圧抑制のためにインダクタンスを低減する必要があり、入力側の交流ブスバー及び出力ブスバー、直流ブスバーをそれぞれ絶縁コーティングして密着構造をとる必要があり、電力変換装置内は複雑なブスバー構造となる。

こうした、電力変換装置では一般に強制風冷が使用されることがある。強制風冷の電力変換装置は一般的に屋内設置であり、定められた周囲の環境の元で使用されることになるが、予期しない周囲の環境の悪化により、盤内でアークフラッシュが発生する可能性を否定できない。ここでは、空気を通じてのアーク放電による短絡現象のことをアークフラッシュと称する。

アークフラッシュに対応する防爆用機器として、防爆用機器の主用な構成要素を防爆仕様に応じて第1ケースと第２ケースに分類し、防爆対応した防爆対応機器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１０３６５０号公報

しかしながら、近年、上記電力変換装置を構成するインバータにおいても、電力変換装置内で予期しがたいアークフラッシュが発生しても、これに伴う高温ガスや圧力波を、操作面などに放出させない構造が求められるようになってきた。この点、特許文献１記載の機器は、防爆が発生した場合に装置内圧力を適切に放出する方法の開示が記載されておらず、防爆仕様にない想定外の防爆又は機器の劣化等による防爆の際には、装置内圧力の適切な放出ができないため安全上の課題が残るものと解される。

また、電力変換装置のユーザーからは設置面積が小さい装置の要求があり、小型高密度実装で対応することになるが、アークフラッシュが発生する事故が起こると、小型化することで、アークフラッシュによるエネルギー密度が高くなり、装置内の部品等に損傷を与える可能性があるという課題があった。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の大容量の電力を変換する電力変換装置は、少なくとも、第１の導体部と、第２の導体部と、開閉可能な盤扉と、前記盤扉に配置された通気口と、天井部にフラッパー部を備え、アークフラッシュの発生が望ましくない場所に配置される前記第１の導体部には、前記第２の導体部に比較し導体の表面電界を緩和する第１の加工を施し、前記通気口は、シャッター部を備え、前記シャッター部は、複数の金属板で構成された支点となる固定分と可動部からなる複数のルーバーで構成さ
れ、前記複数のルーバーは、一つのルーバーの可動部が前記電力変換装置の外側方向に回動した場合、他のルーバーの固定部に重なり合うように配置されて構成され、前記複数のルーバーの可動部が前記電力変換装置の内側方向に回動した場合は、前記複数のルーバー部分において、前記電力変換装置の外側から内側への通気性が確保されるように構成され、前記フラッパー部は、前記電力変換装置の内側と外側との間の窓部と、前記窓部の周囲に配置された枠体と、前記枠体の両端に窓部の中央部分で前記変換装置の外側に向かって観音開き状に開閉可能に固定された２枚の扉と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、電力変換装置内では、アークフラッシュが発生するような条件であっても、発生させたくない部分のアークフラッシュの発生を抑制できる。また、装置内圧力を天井に配置したフラッパー部によって外部に放出すこと等により、安全性を向上し、装置内の損傷を低減可能な電力変換装置を提供することができる。

実施例１に係る電力変換装置を構成する複数の盤ユニットで構成された盤の外形図である。図１に示す盤ユニット内でアークフラッシュが発生した場合の様子を示す図。図１又は図２に示す盤ユニットの正面扉に使用された防爆シャッター部の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図。図１に示す盤ユニットの天井に使用されたフラッパー部の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図。図２に示す盤ユニットの天井に使用されるファンカバー部の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図。図１に示す盤ユニット内の導体と正面扉との間に絶縁板を配置した場合の図。本発明の構成による電力変換装置の実施例に於いて、電力変換装置内でのアークフラッシュ発生を行った場合の盤内圧力の変化の試験結果の一例。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る電力変換装置を構成する複数の盤ユニットを列盤とした電力変換装置１００の外形図である。図１（１）は電力変換装置１００の平面図で、図１（２）は電力変換装置１００の正面図である。以下、本実施例に係るアークフラッシュ対応に関連した構成要素を主に説明する。

図示した電力変換装置１００は、４個の盤ユニット１０、２０、３０、４０（以下、盤ユニットを区別しない場合は、盤ユニット１０～４０と記す。）で構成された場合の一例である。各盤ユニット１０～４０は、直方体の形状を有し、各盤ユニット１０～４０の正面側には、操作員が各盤ユニット１０～４０の内部にアクセスするために開閉可能な正面扉が配置されている。また、正面扉の下部には、通気口を形成する防爆シャッター部１２、２２、３２、４２が配置されている。

また、盤ユニット２０、３０、４０の天井部分にはそれぞれフラッパー部２１、３１、４１が配置されている。

また、盤ユニット３０、４０の天井部分には、さらにファンカバー部３３、４３が配置されている。

図２は、図１に示す盤内でアークフラッシュ３７が発生した場合の様子を示す図である。ここでは、盤ユニット３０の内部でアークフラッシュが発生した場合を主に説明する。

盤ユニット３０の前面には正面扉３６がある。操作面である正面扉３６と盤内の正面側の導体３４ａと間には絶縁板３５が配置されている。フラッパー部３１の近傍には上部導体３４ｂが配置されている。ファンカバー部３３の下部には上部導体３４ｃが配置されている。さらに盤内には半導体ユニット３８等が収納されている。

図２（１）は、盤ユニット３０の内部でアークフラッシュ３７が発生した直後の状態である。

図２（２）は、盤ユニット３０の内部でアークフラッシュ３７が発生し、盤内圧力により、防爆シャッター部３２を構成するルーバー３２ａ、３２ｂが閉じた状態（図３（４）参照）を示す。ルーバー３２ａ、３２ｂが閉じることにより、アークフラッシュ３７が防爆シャッター部３２から正面扉３６に向かって放出されるのを防止する。

図２（３）は、図２（２）で防爆シャッター部３２が閉じたことにより、盤内圧力により、フラッパー部３１及びファンカバー部３３が開いた状態を示す。

図３は、図１又は図２に示す盤の扉に使用された防爆シャッター部３２の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図である。

図３（１）は、防爆シャッター部３２を盤ユニットの外側から見たときの外観図である。

図３（２）は、防爆シャッター部３２を盤ユニットの内側から見たときの外観図である。

図３（３）は、防爆シャッター部３２の構造を説明するための略側面図で、アークフラッシュが発生する前の状態を示す図である。

防爆シャッター部３２は、金属で構成された枠体３２ｃに、複数の可動ルーバー３２ａ及び複数の可動ルーバー３２ｂで構成されている。本実施例では可動ルーバー３２ａ及び可動ルーバー３２ｂは各５枚の金属製の可動ルーバーで構成されている。

可動ルーバー３２ａは、略長方形の薄い板状の金属を折り曲げて、固定部３２ａ１と可動部３２ａ２で構成され、固定部３２ａ１より可動部３２ａ２が大きくなるように折り曲げられている。ここで薄い板状の金属とは例えば厚さ略１ｍｍの金属板である。

可動ルーバー３２ａは、可動部３２ａ２が固定部３２ａ１より上部になるように枠体３２ｃに固定部３２ａ１で固定され取り付けられている。可動ルーバー３２ａは、可動部３２ａ２が盤ユニット側に折り曲げられ取り付けられており、折り曲げられた部分で固定部３２ａ１と単一平面になる方向、即ち盤外方向に可動できる。

可動ルーバー３２ａは、可動部３２ａ２が盤ユニット側に折り曲げられ取り付けられている。折り曲げられた部分で可動部３２ａ２は固定部３２ａ１と単一平面になる方向、即ち盤外方向に可動する。防爆シャッター部３２において、一方のルーバー３２ａの固定部３２ａ１の下端の一部が、当該ルーバー３２ａの下方に配置された他方のルーバー３２ａの可動部３２ａ２が盤外方向に可動した場合その上端の一部と重なり合うように配置されて構成されている。

可動ルーバー３２ｂは、略長方形の板状の金属を折り曲げて、固定部３２ｂ１と可動部３２ｂ２で構成され、固定部３２ｂ１より可動部３２ｂ２が大きくなるように折り曲げられている。

可動ルーバー３２ｂは、可動部３２ａ２が固定部３２ｂ１より下部になるように枠体３２ｃに固定部３２ａ１で固定され取り付けられている。可動ルーバー３２ｂは、可動部３２ｂ２が盤ユニット側に折り曲げられ取り付けられており、折り曲げられた部分で固定部３２ｂ１と単一平面になる方向、即ち盤外方向に可動できる。

防爆シャッター部３２において、一方のルーバー３２ｂの固定部３２ｂ１の下端の一部が、当該ルーバー３２ｂの下方に配置された他方のルーバー３２ｂの可動部３２ｂ２が盤外方向に可動した場合、その上端の一部と重なり合うように配置されて構成されている。

本実施例では可動ルーバー３２ａと可動ルーバー３２ｂが２重構造になるように構成され、可動ルーバー３２ａが盤の外側方向に配置され、可動ルーバー３２ｂが盤の内側方向に配置されている。

アークフラッシュが発生する前は、図示されていない盤ユニット天井部の排気ファンの動作により、盤内の空気が天井側から排出されるため、可動ルーバー３２ａの可動部３２ａ２及び可動ルーバー３２ｂの可動部３２ｂ２は盤内側に折れ曲がった状態が保持される。よって、重なり有っていた可動ルーバー３２ａどうし及び３２ｂどうしに隙間ができている。その結果、防爆シャッター部３２の内部と防爆シャッター部３２の外部との間の通気性が確保される。図示した例では、防爆シャッター部の外部から内部に向かって矢印で示す方向に風が流れる様子を示す。

図３（４）は、防爆シャッター部３２の構造を説明するための略側面図で、アークフラッシュが発生し、盤内圧力で、ルーバー３２ａ、３２ｂが閉じた状態を示す図である。アークフラッシュが発生し盤内圧力が外部の圧力より高くなると、可動ルーバー３２ａの可動部３２ａ２及び可動ルーバー３２ｂの可動部３２ｂ２は固定部３２ａ１及び３２ｂ１を中心に盤外側に曲げられる。その結果、防爆シャッター部３２において、一方のルーバー３２ａの固定部３２ａ１下端の一部が、当該ルーバー３２ａの下方に配置された他方のルーバー３２ａの可動部３２ａ２の上端の一部と重なり合う。同様に防爆シャッター部３２において、一方のルーバー３２ｂの可動部３２ｂ２下端の一部が、当該ルーバー３２ｂの下方に配置された他方のルーバー３２ｂの固定部３２ｂ１の上端の一部と重なり合う。

その結果、図示したように２枚のルーバー３２ａ、３２ｂは、平行状態に配置され、盤内で発生したアークフラッシュによるアークや圧力をルーバー３２ａ、３２ｂの内側から外部に放出されるのを防止する。他の盤ユニット１０、２０、４０に配置された防爆シャッター部１２、２２、４２のルーバーの動作も同様である。

このような構造により、電力変換装置内で発生したアークフラッシュによるアーク、高温ガス、圧力波などが電力変換装置の正面から吹き出すことが困難になる。

尚、図３に示す実施例では防爆シャッター部３２はルーバー３２ａとルーバー３２ｂの２重のシャッターで構成されているが、ルーバー３２ａまたはルーバー３２ｂの片方だけでもよい。また、実施例では１枚の金属板を曲げてルーバー３２ａ及び３２ｂを構成しているが、固定部３２ａ１、３２ｂ１を丸棒状の軸にて構成し、これに板状の可動部３２ａ２、３２ｂ２を取り付けて、軸を中心に回動するように構成してもよい。

図４は、図１に示す盤ユニットの天井に設置されたフラッパー部３１の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図である。ここでは、盤ユニット３０の天井に配置されたフラッパー部３１を主に説明するが、他の盤ユニットの天井に配置されたフラッパー部も形状、配置位置などが異なる場合があっても、基本的な機能及び動作は同様である。

図４（１）は、盤ユニット３０の天井に配置されたフラッパー部３１が閉じているときの外観図である。通常の状態は図４（１）に示す状態である。図４（２）は、盤ユニット３０の天井に配置されたフラッパー部３１が開いているときの外観図である。

フラッパー部３１は、窓部３１ｃを有し、当該窓部３１ｃの周囲に配置される枠体３１ｄと当該枠体３１ｄの両端に開閉可能に各々ヒンジ３１e、３１ｆにて固定された２枚の扉３１ａ、３１ｂを有して構成される。

扉３１ａ、３１ｂは、窓部３１ｃを開閉することから、窓部３１ｃの開閉に必要な大きさの扉が必要とされ、本実施例では、窓部３１ｃの中央部分で観音開き状に開閉可能であるように各々ヒンジ３１e、３１ｆにて枠体３１ｄに固定される。また、本実施例の扉３１ａ、３１ｂの材質は、１．６ｍｍ厚さの板金で構成され、２枚の扉３１ａ、３１ｂを閉じた状態では、当該２枚の扉の先端部分が窓部の中央部分で重なるように配置される。また、当該扉の両サイド部分は内側にＬ字状に折り曲げられ、窓部３１ｃの枠体３１ｄと当接するように構成されており、扉３１ａ、３１ｂを閉じた状態で、所定の気密性が確保されるように構成される。所定の気密性とは図示されない盤ユニットの排気ファンが動作している時に、防爆シャッター部１２，２２，３２，４２からの必要な空気の吸気量を妨げないレベルの気密性である。図４（３）は、図４（１）のＡ１－Ａ２から見たときのフラッパー部３１の扉の側面図である。本実施例の扉３１ａの先端部分は、扉３１ｂの先端部分の上に重なるように配置される。

フラッパー部３１はアークフラッシュ発生時に、盤内の圧力上昇により図４（２）に示す様に扉３１ａ、３１ｂが解放され、盤ユニット内の膨張した空気を放出することができる。

図５は、図２に示す盤ユニットの天井に配置されるファンカバー部３３の外観図及びアークフラッシュ発生時の動作を説明する図である。ここでは、盤ユニット３０の天井に配置されたファンカバー部３３について主に説明する。

ファンカバー部３３は、枠体３３ａ及び扉３３ｂを有して構成される。

本実施例に係る枠体３３ａは、箱状に構成されており、当該枠体３３ａの内部に図示しない排気ファンが収納される。枠体３３ａと扉３３ｂの間には空間がある。

扉３３ｂは、枠体３３ａの一端に、ヒンジ３３ｃにより回動可能に固定される。扉３３ｂは、常時は図５に示す状態であり、枠体３３ａと扉３３ｂの間の空間がから排気ファンの排気が盤ユニットの外に排出される。

扉３３ｂは、アークフラッシュ発生時に、盤内の圧力上昇により図示矢印Ｂ方向に回動することができる。扉３３ｂが回動することにより、排気ファン部の開口部の面積が増大し、盤内の圧力上昇を抑制できる。

図６は、図２に示す盤正面近傍の導体３４ａと盤ユニット３０の金属製の正面扉３６の間に絶縁板３５を配置した場合の詳細の説明図である。アークフラッシュでは大電流が流れる。そのため、人が電力変換装置の稼働中に近接する可能性のある部位の様にアークフラッシュを発生させたくない場所、例えば盤内の正面扉近傍では、絶縁破壊を発生
しにくくするため、導体部端部の尖った部分を取り除き丸みを施して、電界を他の部位に比較し相対的に弱める加工（第１の加工）を行う。

一方、アークフラッシュが意図しないところで発生することを防ぐため、アークフラッシュが発生しても比較的安全な場所を設定し、例えば、過電圧発生時に、盤上部の放圧用の開口部近傍において絶縁破壊しやすくするように導体の電界を他の部位に比較し相対的に強めるため、盤上部の一部の形状を尖った状態に加工（第２の加工）する。

本実施例では、盤正面部の導体３４a（第１の導体部）から正面扉３６に対して絶縁破壊を防止するため、あるいは導体間の絶縁破壊を防止するため導体３４ａの端部の尖った部分を取り除く丸みを施す第1の端部加工を施すと共に、さらなる絶縁性を確保するため、当該導体３４ａと正面扉３６との間には絶縁板３５を配置している。また、盤上部のフラッパー３１の近傍にある導体３４ｂ（第２の導体部）及びファンカバー部３３の近傍にある導体３４ｃ（第２の導体部）は一部に尖った状態に加工する第２の加工を実施する。

このような加工を施すことにより、導体３４ａ，３４ｂ、３４ｃが同電位の場合、導体３４ａの表面電界は、導体３４ｂ及び導体３４ｃに対し弱くなる。したがって、導体３４ａの部位における絶縁破壊の確率が、導体３４ｂ及び３４ｃの部位における確率より低下するので、導体３４ａの部位におけるアークフラッシュの発生確率も低減できる。

なお、導体３４ａと正面扉３６の間に配置される絶縁板３５は、導体３４ａ側に接近した位置に配置される（図２参照）。

この様な、構成にすることで、電力変換装置１００内で何らかの原因で過電圧が発生した場合、アークフラッシュは導体３４ａで発生する確率は、導体３４ｂあるいは導体３４ｃで発生する確率より低下する。さらに、導体３４ｂ及び導体３４ｃの近傍にはフラッパー部３１及びファンカバー部３３が存在するので、アークフラッシュが発生した場合、扉３１ａ、３１ｂ及びファンカバー部３３が開放することにより発生した圧力波を盤ユニット３０の上部から外部に排出するので、盤ユニット３０の正面扉３６近傍の人に対する影響を低減できる。

図７は本発明の構成による電力変換装置の実施例に於いて、電力変換装置内でのアークフラシュ発生を行った場合の盤内圧力の変化の試験結果の一例である。縦軸が盤外と盤内の圧力差であり、横軸が時間軸である。

図７に示す様に、盤上部の放圧可能なフラッパー部やファンカバー部により、盤内の圧力の上昇が抑制されていることが示されている。

以上説明したように、本発明によれば盤内で発生したアークフラッシュによる高温ガスや圧力波を、操作面に放出しないようにすると共に、装置内の部品の損傷を低減可能な電力変換装置を提供することができる。

１００盤
１０、２０、３０、４０盤ユニット
１２、２２、３２、４２防爆シャッター部
３１、４１フラッパー部
３１ａ、３１ｂ扉
３１ｃ窓部
３１ｄ枠体
３２ａ、３２ｂ可動ルーバー
３３、４３ファンカバー部
３３ａ枠体
３３ｂ扉
３３ｃヒンジ
３４導体
３５絶縁板
３６筐体
３７アークフラッシュ

Claims

大容量の電力を変換する電力変換装置に於いて、
前記電力変換装置は、少なくとも、第１の導体部と、第２の導体部と、開閉可能な盤扉と、前記盤扉に配置された通気口と、天井部にフラッパー部を備え、
アークフラッシュの発生が望ましくない場所に配置される前記第１の導体部には、前記第２の導体部に比較し導体の表面電界を緩和する第１の加工を施し、
前記通気口は、シャッター部を備え、
前記シャッター部は、
複数の金属板で構成された支点となる固定分と可動部からなる複数のルーバーで構成され、
前記複数のルーバーは、
一つのルーバーの可動部が前記電力変換装置の外側方向に回動した場合、他のルーバーの固定部に重なり合うように配置されて構成され、前記複数のルーバーの可動部が前記電力変換装置の内側方向に回動した場合は、前記複数のルーバー部分において、前記電力変換装置の外側から内側への通気性が確保されるように構成され、
前記フラッパー部は、
前記電力変換装置の内側と外側との間の窓部と、
前記窓部の周囲に配置された枠体と、
前記枠体の両端に窓部の中央部分で前記変換装置の外側に向かって観音開き状に開閉可能に固定された２枚の扉と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記フラッパー部の枠体の両端に開閉可能に固定された２枚の扉は、
閉じた状態では、当該扉の先端部分が窓部の中央部分で重なるように配置され、
当該扉の両サイド部分は内側にＬ字状に折り曲げられ、前記枠体と当接することにより、所定の気密性が確保されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記電力変換装置は、前記電力変換装置の天井部にファンカバーを備え、前記、ファンカバーは前記電力変換装置の外側に開放される様に構成されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第１の加工は、
前記第１の導体部端部の形状の尖った部分を取り除き丸みを施す加工のことであることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記アークフラッシュの発生が望ましくない場所は、前記盤扉とその近傍に配置された前記第１の導体部間であり、
前記盤扉と前記第１の導体部間に絶縁板を取り付け、
前記第２の導体部は前記フラッパー部近傍に配置されたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第２の導体部は他の部分に比較し導体の表面電界を強める第２の加工を施したことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
アークフラッシュが発生し、前記電力変換装置の内部圧力が外部圧力より増加すると、
前記シャッター部の前記複数のルーバーの可動部が、前記電力変換装置の外側に回動し、前記シャッター部を閉じ、
前記フラッパー部が前記電力変換装置の外側に開放するように構成したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。