JP7335445B1

JP7335445B1 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP7335445B1
Application number: JP2022532606A
Authority: JP
Inventors: 秀貴石飛; 翼佐々木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: JPWO2023105576A1; KR20230129041A; WO2023105576A1; CN116868476A

Abstract

無停電電源装置（１００）は、直方体形状を有する筐体（１１０）と、複数の電力変換ユニット（２０）と、複数の電力変換ユニット（２０）を互いに並列に接続するための母線ユニット（１３０）とを備える。複数の電力変換ユニット（２０）は、筐体（１１０）内に上下方向に積層して収容される。母線ユニット（１３０）は、筐体（１１０）内において筐体（１１０）の背面に対向して配置される。母線ユニット（１３０）は、上下方向に延在する複数の母線と、複数の母線を水平方向に互いに離間して支持する少なくとも１つの支持部材と、各支持部材を筐体（１１０）に対して取り外し可能に固定する少なくとも１つの固定部材とを含む。

Description

本開示は、無停電電源装置に関する。

特開平８－１２６３２９号公報（特許文献１）には、負荷に対して並列接続された複数の多機能ユニットを有する無停電電源装置が開示されている。各多機能ユニットは、装置容量の複数分の１の容量を有する部品で構成された、コンバータ、インバータおよび直流コンデンサからなる変換部を有している。複数の多機能ユニットは、筐体内に上下方向に積層して収容される。

特開平８－１２６３２９号公報

特許文献１に記載される無停電電源装置は、負荷の容量が増えた場合には多機能ユニットを追加することにより、負荷の容量の増加に対応することができる。しかしながら、その一方で、負荷の容量が増えたことによって複数の多機能ユニットを電気的に並列に接続する母線に流れる電流が増大するため、母線の断面積を増大させるなどの母線の大型化が必要となる。その結果、筐体内に収容されている複数の母線を交換するための作業に多くの手間がかかってしまうという課題がある。

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、無停電電源装置の容量の変更を簡素かつ容易に実現することができる無停電電源装置を提供することである。

本開示の一態様に係る無停電電源装置は、直方体形状を有する筐体と、複数の電力変換ユニットと、母線ユニットとを備える。複数の電力変換ユニットは、筐体内に上下方向に積層して収容される。母線ユニットは、複数の電力変換ユニットを互いに並列に接続する。母線ユニットは、筐体内において筐体の背面に対向して配置される。母線ユニットは、上下方向に延在する複数の母線と、複数の母線を水平方向に互いに離間して支持する少なくとも１つの支持部材と、各支持部材を筐体に対して取り外し可能に固定する少なくとも１つの固定部材とを含む。

本開示によれば、無停電電源装置の容量の変更を簡素かつ容易に実現することができる無停電電源装置を提供することができる。

実施の形態に係る無停電電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。電力変換ユニットおよびバイパスユニットの構成例を示す回路ブロック図である。無停電電源装置の構成例を示す概略的な外観図である。電力変換ユニットの構成例を示す概略的な外観図である。図３に示す無停電電源装置を背面から見た斜視背面図である。ファンユニットの構成例を概略的に示す外観図である。母線ユニットの構成例を概略的に示す外観図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、実施の形態に係る無停電電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。本実施の形態に係る無停電電源装置１００は、通常時は、商用交流電源などの交流電源１から供給される交流電力により、負荷３に電力を供給する。交流電源１が停電した場合には、バッテリ２から供給される直流電力により、負荷３に電力を供給する。

図１を参照して、無停電電源装置１００は、入力端子Ｔ１１、バッテリ端子Ｔ１２、出力端子Ｔ１３、複数の電力変換ユニット２０、およびバイパスユニット３０を備える。

入力端子Ｔ１１は交流電源１に接続され、商用交流周波数の交流電力を受ける。出力端子Ｔ１３は負荷３に接続される。バッテリ端子Ｔ１２はバッテリ２に接続される。バッテリ２は直流電力を蓄える。バッテリ２は「電力貯蔵装置」の一実施例に対応する。バッテリ２に代えてコンデンサが接続されていても構わない。

複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０は、入力端子Ｔ１１および出力端子Ｔ１３間に互いに並列に接続される。入力端子Ｔ１１、出力端子Ｔ１３およびバッテリ端子Ｔ１２は、図示しない端子ユニットに収容される。

図２は、電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０の構成例を示す回路ブロック図である。

図２を参照して、電力変換ユニット２０は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ３、バッテリ端子Ｔ２、スイッチＳ１～Ｓ４、コンデンサＣ１～Ｃ４、リアクトルＬ１～Ｌ３、コンバータ５、インバータ６、双方向チョッパ７、およびファン２３を含む。

端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、母線５０によって端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３にそれぞれ電気的に接続される。スイッチＳ１およびリアクトルＬ１は、入力端子Ｔ１とコンバータ５の入力ノード５ａとの間に直列接続される。コンデンサＣ１は、スイッチＳ１およびリアクトルＬ１間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。スイッチＳ１は、交流電源１から交流電力が供給されている通常時はオンされ、例えば電力変換ユニット２０のメンテナンス時にオフされる。コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１は、交流電源１からの交流電力をコンバータ５に通過させ、コンバータ５で発生するキャリア周波数の信号が交流電源１側に漏れるのを抑制する交流入力フィルタ（低域通過フィルタ）を構成する。

コンバータ５は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する。コンデンサＣ４は、コンバータ５の出力ノード５ｂと基準電圧のラインとの間に接続され、コンバータ５の出力電圧を平滑化させる。コンバータ５の出力ノード５ｂとインバータ６の入力ノード６ａと双方向チョッパ７の第１ノード７ａとは互いに接続される。インバータ６は、コンバータ５または双方向チョッパ７からの直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

リアクトルＬ２およびスイッチＳ２は、インバータ６の出力ノード６ｂと出力端子Ｔ３との間に直列接続される。コンデンサＣ２は、リアクトルＬ２およびスイッチＳ２間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。リアクトルＬ２およびコンデンサＣ２は、インバータ６からの交流電力を負荷３に通過させ、インバータ６で発生するキャリア周波数の信号が負荷３側に漏れるのを抑制する交流出力フィルタ（低域通過フィルタ）を構成する。

スイッチＳ２は、インバータ６で生成された交流電力を負荷３に供給するインバータ給電モード時はオンされ、交流電源１からの交流電力をバイパスユニット３０を介して負荷３に供給するバイパス給電モード時はオフされる。また、スイッチＳ２は、電力変換ユニット２０のメンテナンス時または故障時にオフされる。

スイッチＳ３およびリアクトルＬ３は、バッテリ端子Ｔ２と双方向チョッパ７の第２ノード７ｂとの間に直列接続される。コンデンサＣ３は、スイッチＳ３およびリアクトルＬ３間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。スイッチＳ３は、通常時はオンされ、例えば電力変換ユニット２０またはバッテリ２のメンテナンス時にオフされる。コンデンサＣ３およびリアクトルＬ３は、直流電力を通過させ、双方向チョッパ７で発生するキャリア周波数の信号がバッテリ２側に漏れるのを抑制する低域通過フィルタを構成する。

双方向チョッパ７は、通常時は、コンバータ５で生成された直流電力をバッテリ２に供給し、交流電源１の停電時は、バッテリ２の直流電力をインバータ６に供給する。

スイッチＳ４は、出力端子Ｔ３およびファン２３の間に接続される。スイッチＳ４は、通常時はオンされ、例えば電力変換ユニット２０のメンテナンス時にオフされる。

ここで、電力変換ユニット２０の動作について簡単に説明する。交流電源１から交流電力が供給されている通常時は、交流電力はコンバータ５によって直流電力に変換される。直流電力は、インバータ６によって交流電力に変換されて負荷３に供給されるとともに、双方向チョッパ７によってバッテリ２に蓄えられる。

停電が発生して交流電源１からの交流電力の供給が停止されると、コンバータ５の運転が停止され、バッテリ２の直流電力が双方向チョッパ７によってインバータ６に供給され、インバータ６によって交流電力に変換されて負荷３に供給される。したがって、停電が発生した場合でも、バッテリ２に直流電力が蓄えられている期間は、負荷３の運転を継続することができる。

バイパスユニット３０は、入力端子Ｔ４、出力端子Ｔ５、スイッチＳ５，Ｓ６、およびファン３３を含む。

端子Ｔ４，Ｔ５は、母線５０によって端子Ｔ１１，Ｔ１３にそれぞれ電気的に接続される。スイッチＳ５は端子Ｔ４，Ｔ５間に接続される。スイッチＳ５は、バイパス給電モード時はオンされ、インバータ給電モード時はオフされる。

スイッチＳ６は、出力端子Ｔ５およびファン３３の間に接続される。スイッチＳ６は、バイパス給電モード時はオンされ、インバータ給電モード時はオフされる。

以上説明したように、無停電電源装置１００は、交流電源１および負荷３の間に並列接続された、複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０を備える。したがって、負荷３の大きさに応じて、並列接続する電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０の数を調整することができ、結果的に様々な負荷に容易に対応することができる。

図３は、無停電電源装置１００の構成例を示す概略的な外観図である。
図３を参照して、無停電電源装置１００は、盤形状（直方体形状）の筐体１１０と、複数のユニット１０，２０，３０とを備える。図３では、筐体１１０のフレームが抽出されて示されている。以下の説明では、筐体１１０を正面側から見たときの左右方向（水平方向）をＸ軸方向とし、前後方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とする。なお、＋Ｘ方向はＸ軸方向を右側に進む方向であり、－Ｘ方向は＋Ｘ方向とは反対方向である。＋Ｙ方向は無停電電源装置１００の正面から背面に向かう方向であり、－Ｙ方向は＋Ｙ方向とは反対方向である。＋Ｚ方向はＺ軸方向を上方に進む方向であり、－Ｚ方向は＋Ｚ方向とは反対方向である。

筐体１１０は、上面１１０Ａおよび下面１１０Ｂを有する。筐体１１０の下面１１０Ｂは、図示しない脚部によって支持されていてもよい。筐体１１０は、複数のユニット１０，２０，３０を収容する。筐体１１０は、－Ｙ方向に開口する開口部１１１と、開口部１１１を覆う前面カバー（図示せず）とを有する。前面カバーは、開口部１１１を開閉可能に設けられている。前面カバーには、筐体１１０の外部の空気を筐体１１０内に導入するための通風孔が形成されている。

複数のユニット１０，２０，３０は、略直方体の形状を有しており、Ｚ軸方向に互いに間隔をあけて積み重ねられている。複数のユニット１０，２０，３０は、開口部１１１を通じて筐体１１０の外部から筐体１１０の内部に挿入される。複数のユニット１０，２０，３０の各々は、保守点検および新品への交換が容易となるように、Ｙ軸方向に挿脱可能に設けられている。

複数のユニット１０，２０，３０は、端子ユニット１０と、複数の電力変換ユニット２０と、バイパスユニット３０とを含む。端子ユニット１０は、複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０を、交流電源１に対して並列接続するための入力端子Ｔ１１と、複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０を負荷３に対して並列接続するための出力端子Ｔ１３と、複数の電力変換ユニット２０をバッテリ２に接続するためのバッテリ端子Ｔ１２とを収容する。図３の例では、端子ユニット１０は、複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０の下方に配置されているが、端子ユニット１０を複数の電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０の上方に配置してもよい。電力変換ユニット２０の数は５に限定されない。バイパスユニット３０の数は１に限定されない。

図４は、電力変換ユニット２０の構成例を示す概略的な外観図である。
図４を参照して、電力変換ユニット２０は、直方体形状の筐体４０と、一対の鍔部材４２と、一対の把持部材４４と、複数の端子部材４６とを含む。

筐体４０の前面４０Ａには通気孔２１が形成され、背面４０Ｂには図示しない通気孔が形成されている。筐体４０は、前面４０Ａから空気を吸気して背面４０Ｂから排気するためのファン２３（図２参照）を収容する。筐体４０は、図２に示したスイッチＳ１～Ｓ４、コンデンサＣ１～Ｃ４、リアクトルＬ１～Ｌ３、コンバータ５、インバータ６、および双方向チョッパ７をさらに収容する。

筐体４０の前面４０Ａの水平方向（Ｘ軸方向）における両端部には一対の把持部材４４が取り付けられている。一対の把持部材４４を把持して＋Ｙ方向に移動させることにより、電力変換ユニット２０を筐体１１０の内部に挿入することができる。

一対の鍔部材４２は、筐体４０の前面４０Ａの水平方向における両端部に接続される。各鍔部材４２には貫通孔４８が形成されている。電力変換ユニット２０を筐体１１０に挿入した状態で、貫通孔４８にボルトを挿通し、当該ボルトを筐体１１０に締結することにより、電力変換ユニット２０を筐体１１０に固定することができる。

複数の端子部材４６は、筐体４０の背面４０Ｂに設けられる。複数の端子部材４６は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ３およびバッテリ端子Ｔ２（図２参照）を構成する。各端子部材４６は、母線５０（図７参照）に接続される。母線５０は、複数の電力変換ユニット２０の端子部材４６およびバイパスユニット３０の端子部材を電気的に接続する。さらに、母線５０は、これらの端子部材４６と端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３とを電気的に接続する。

図３に戻って、バイパスユニット３０の前面には通気孔が形成され、背面には通気孔が形成されている。バイパスユニット３０は、前面から空気を吸気して背面から排気するためのファン３３（図２参照）を収容する。バイパスユニット３０は、図２に示したスイッチＳ５，Ｓ６をさらに収容する。なお、電力変換ユニット２０およびバイパスユニット３０の各々に内蔵されるファンの数は限定されない。

図５は、図３に示す無停電電源装置１００を背面から見た斜視背面図である。図５には、背面カバーを取り外した状態の無停電電源装置１００の内部構成が示されている。

無停電電源装置１００は、ファンユニット１２０と、母線ユニット１３０とをさらに備える。ファンユニット１２０は、筐体１１０の上面１１０Ａに配置されている。ファンユニット１２０は、筐体１１０内部の空気を吸い込み、吸い込んだ空気を筐体１１０の外部に排気する。これにより、筐体１１０の前面カバーの通気口を通じて筐体１１０内部に空気が導入され、この導入された空気が複数のユニット２０，３０を通過することによって、複数のユニット２０，３０の放熱が促進される。複数のユニット２０，３０を通過することによって暖められた空気は、筐体１１０の外部に排気される。

図６は、ファンユニット１２０の構成例を概略的に示す外観図である。図６を参照して、ファンユニット１２０は、直方体形状の筐体６０と、鍔部材６２と、一対の把持部材６４とを含む。

筐体６０は、複数のファン７０を内蔵する。複数のファン７０は、筐体１１０の上面１１０Ａに並べて配置される。図６の例では、ファンユニット１２０は、２個のファン７０を有するが、ファン７０の数は２に限定されない。ファン７０は単数であってもよい。

鍔部材６２は、筐体６０の開口部の外縁を囲むように設けられている。一対の把持部材６４は鍔部材６２に取り付けられている。鍔部材６２には図示しない貫通孔が形成されている。筐体６０を筐体１１０の上面１１０Ａに配置した状態で、当該貫通孔にボルトを挿通し、当該ボルトを上面１１０Ａに締結することにより、ファンユニット１２０を筐体１１０に固定することができる。

本実施の形態では、筐体１１０内部の空気を排出するための複数のファン７０をユニット化することによって、複数のファン７０を筐体１１０の上面１１０Ａに個別に配置する構成に比較して、ファン７０の数を容易に変更することができる。すなわち、収容するファン７０の数が互いに異なる複数種類のファンユニット１２０を予め用意しておくことができる。そして、無停電電源装置１００の容量の変更に応じてファンユニット１２０を交換することにより、ファン７０の数を容易に変更することが可能となる。

図５に戻って、母線ユニット１３０は、筐体１１０内部に収容されており、筐体１１０の背面カバーに対向して配置される。母線ユニット１３０は、複数のユニット２０，３０を電気的に接続するための複数の母線５０を有する。

図７は、母線ユニット１３０の構成例を概略的に示す外観図である。図７を参照して、母線ユニット１３０は、複数の母線５０と、複数の支持部材５４と、複数の固定部材５６とを含む。

各母線５０は、筐体１１０の上下方向（Ｚ軸方向）に延在する。各母線５０は、帯状の導電部材により形成されている。この導電部材の一部分には穴あけ加工が施されており、各電力変換ユニット２０の端子部材４６およびバイパスユニット３０の端子部材を結合することが可能となっている。

一般的に、各母線５０に流すことができる定格電流は、母線５０の断面積と、予め定められる母線５０の電流密度の上限値とによって決まる。母線５０の定格電流が大きくなるに従って母線５０の必要断面積が大きくなる。

各支持部材５４は、複数の母線５０を水平方向（Ｘ軸方向）に互いに離間して支持するように構成される。支持部材５４は、絶縁材料により形成されている。図７のように、母線ユニット１３０が複数の支持部材５４を有する場合には、複数（例えば２つ）の支持部材５４を水平方向に並べて配置するとともに、当該複数の支持部材５４を１組として、複数組の支持部材５４を上下方向に互いに離間して配置することができる。支持部材５４の数および配置位置は、母線ユニット１３０に含まれる母線５０の本数および各母線５０の上下方向における長さなどに応じて適宜選択され得る。

固定部材５６は、支持部材５４に対応して設けられる。固定部材５６は、支持部材５４を筐体１１０に対して取り外し可能に固定する。図７の例では、固定部材５６は、筐体１１０の水平方向（Ｘ軸方向）に延在する板状部材である。板状部材は平板状の形状を有している。固定部材５６には、水平方向に並べて配置された２つの支持部材５４が結合されている。固定部材５６は、複数組の支持部材５４にそれぞれ対応して複数設けられる。複数の固定部材５６は、上下方向に離間して配置されている。

各固定部材５６の水平方向における両端部には、少なくとも１つの貫通孔５８が形成されている。図５に示すように、母線ユニット１３０を筐体１１０の背面に対向するように配置した状態で、貫通孔５８にボルトを挿通し、当該ボルトを筐体１１０のフレームに締結することにより、母線ユニット１３０を筐体１１０に固定することができる。

上述したように、本実施の形態に係る無停電電源装置１００においては、負荷３に対して並列接続される電力変換ユニット２０の数を調整することによって、負荷３の大きさに応じて無停電電源装置１００の容量を変更することができる。しかしながら、その一方で、筐体１１０内に収容することができる電力変換ユニット２０の数には限界があるため、無停電電源装置１００の容量の増大にも限界が生じる。このような場合、無停電電源装置１００の容量の増大に対応して、筐体１１０の構造の変更が求められる。

既存の筐体１１０を利用して無停電電源装置１００の容量を増大させるためには、電力変換ユニット２０単体の容量を増加させる手法を採ることができる。具体的には、図４に示した電力変換ユニット２０において、筐体４０内部に収容されるコンバータ５などの電力変換器、および、リアクトルＬ１～Ｌ３などの電気部品の各々を許容電流が大きいものに置き換えることによって、電力変換ユニット２０単体の容量を増やすことができる。

ただし、各電力変換ユニット２０の容量を増加させた場合には、複数の電力変換ユニット２０を電気的に接続する母線５０に流れる電流も増加する。そのため、この電流の増大に応じて母線５０の断面積を増大させるなどの母線５０の大型化が必要となる。

本実施の形態では、複数の電力変換ユニット２０を電気的に接続するための複数の母線５０をユニット化する。これにより、複数の母線５０を筐体１１０内部に個別に配置する構成に比較して、複数の母線５０を容易に大型化することが可能となる。すなわち、母線５０の断面積が互いに異なる複数種類の母線ユニット１３０を予め用意しておくことができる。そして、無停電電源装置１００の容量の増加に応じて、筐体１１０内に収容されている母線ユニット１３０を、各母線５０の定格電流がより大きい母線ユニット１３０に交換することにより、複数の母線５０を容易に大型化することができる。母線ユニット１３０は、図７に示したように、締結部材を用いて筐体１１０に締結されているため、母線ユニット１３０を容易に交換することができる。その結果、既存の筐体１１０を利用して、無停電電源装置１００の容量を簡素かつ容易に増大させることが可能となる。

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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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ことが意図される。

１交流電源、２バッテリ、３負荷、５コンバータ、６インバータ、７双方向チョッパ、１０端子ユニット、２０電力変換ユニット、２１通気孔、２３，３３，７０ファン、３０バイパスユニット、４０，６０，１１０筐体、４２，６２鍔部材、４４，６４把持部材、４６端子部材、４８，５８貫通孔、５０母線、５４支持部材、５６固定部材、１００無停電電源装置、１１０Ａ上面、１１０Ｂ下面、１１１開口部、１１２脚部、１２０ファンユニット、１３０母線ユニット、Ｌ１～Ｌ３リアクトル、Ｃ１～Ｃ４コンデンサ、Ｓ１～Ｓ６スイッチ、Ｔ１～Ｔ５，Ｔ１１～Ｔ１３端子。

Claims

直方体形状を有する筐体と、
前記筐体内に上下方向に積層して収容される複数の電力変換ユニットと、
前記複数の電力変換ユニットを互いに並列に接続するための母線ユニットとを備え、
前記母線ユニットは、前記筐体内において前記筐体の背面に対向して配置され、
前記母線ユニットは、
前記上下方向に延在する複数の母線と、
前記複数の母線を水平方向に互いに離間して支持する少なくとも１つの支持部材と、
各支持部材を前記筐体に対して取り外し可能に固定する少なくとも１つの固定部材とを含み、
各固定部材は、前記水平方向に延在し、前記支持部材が接続される板状部材を含み、
前記板状部材の前記水平方向における両端部は前記筐体に固定される、無停電電源装置。
前記板状部材の前記水平方向における両端部には貫通孔が形成されており、
前記各固定部材は、前記貫通孔に挿通される締結部材によって前記筐体に固定される、請求項１に記載の無停電電源装置。
前記少なくとも１つの支持部材は、前記上下方向に離間して配置される複数の支持部材を含み、
前記少なくとも１つの固定部材は、前記複数の支持部材を前記筐体にそれぞれ固定する複数の固定部材を含む、請求項１または２に記載の無停電電源装置。
前記筐体の上面に着脱可能に取り付けられたファンユニットをさらに備え、
前記ファンユニットは、前記上面に並べて配置された複数のファンを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
前記複数の電力変換ユニットは、前記母線ユニットによって交流電源と負荷との間に互いに並列に接続され、
前記複数の電力変換ユニットの各々は、
前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記交流電源から交流電力が供給されている通常時は前記コンバータによって生成された直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給し、前記交流電源からの交流電力の供給が停止した停電時は蓄電装置に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータとを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の無停電電源装置。