JP7043097B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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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の導体に比較し導体の表面電界を緩和する第の加工を施し、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 (7)

  1. 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の導体に比較し導体の表面電界を緩和する第の加工を施し、
    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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 前記第1の加工は、
    前記第1の導体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。
  5. 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。
  6. 前記第2の導体は他の部分に比較し導体の表面電界を強める第2の加工を施しことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
  7. 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、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。
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