JPWO2019097712A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
<1.1 全体構成>
まず、ドライブ装置1の電気的な全体構成について説明する。図1は、ドライブ装置1の一例を示す図である。図1では、電気回路系統を単線で示すとともに、開閉器などの図示を省略している。ドライブ装置1は、例えば、入力変圧器5と、複数の単相セルユニット6と、制御装置7とを備えている。
<1.2.1 単相セルユニットの全体構成>
次に、単相セルユニット6について説明する。ここで、第1セルユニット6A、第2セルユニット6B、および第3セルユニット6Cは、交流電力の相が異なることを除き互いに略同じである。このため以下では、これらを代表して第1セルユニット6Aについて説明する。
第1電力変換ユニットPUAは、入力変圧器5から入力された交流電力の第1相(例えばR相)を変換し、変換後の交流電力の第1相(例えばU相)を出力する。第1電力変換ユニットPUAは、例えば、第1端子11、コンバータ12、インバータ13、および第2端子14を含む。第1電力変換ユニットPUAのコンバータ12は、「第1電力変換モジュール」の一例である。第1電力変換ユニットPUAのインバータ13は、「第2電力変換モジュール」の一例である。
コンデンサユニットCUは、複数のコンデンサCを含む。図2では、2つのコンデンサCのみを代表として示す。本実施形態では、コンデンサユニットCUは、例えば24個のコンデンサCを有する。ただし、コンデンサCの数は、上記例に限定されない。コンデンサCは、例えばフィルムコンデンサであるが、電解コンデンサなどでもよい。
<2.1 全体構成>
次に、ドライブ装置1の物理的構成について説明する。図3は、ドライブ装置1の一例を示す斜視図である。ここで、+X方向、−X方向、+Y方向、−Y方向、+Z方向、および−Z方向について定義する。+X方向、−X方向、+Y方向、および−Y方向は、略水平面に沿う方向である。+X方向は、ドライブ装置1の前面から後面に向かう方向である。−X方向は、+X方向とは反対方向である。+X方向と−X方向とを区別しない場合は、単に「X方向」と称する。+Y方向および−Y方向は、X方向とは異なる(例えば略直交する)方向である。+Y方向は、ドライブ装置1の前面を正面視した視点から見て、右側に進む方向である。−Y方向は、+Y方向とは反対方向である。+Y方向と−Y方向とを区別しない場合は、単に「Y方向」と称する。+Z方向および−Z方向は、X方向およびY方向とは異なる(例えば略直交する)方向であり、略鉛直方向である。+Z方向は、上方に進む方向である。−Z方向は、+Z方向とは反対方向である。+Z方向と−Z方向とを区別しない場合は、単に「Z方向」と称する。+X方向は、「第1方向」の一例である。+Y方向は、「第2方向」の一例である。−Y方向は、「第3方向」の一例である。
<2.2.1 単相セルユニットの全体構成>
次に、単相セルユニット6の物理的構成について説明する。上述したように、第1セルユニット6A、第2セルユニット6B、および第3セルユニット6Cは、交流電力の相が異なることを除き互いに略同じである。このため以下では、これらを代表して第1セルユニット6Aについて説明する。
図6は、素子ユニットEUを示す斜視図である。素子ユニットEUは、例えば、第1外枠部材30、第1電力変換ユニットPUA、第2電力変換ユニットPUB、第1連結板41(図12参照)、第2連結板42(図12参照)、制御基板44(図12参照)、ガイド部材45(図12参照)、前面カバー51、第1連結ブス52、第2連結ブス53、ヒューズ54、およびHCT55を含む。また、素子ユニットEUは、第1端部EUaと、第2端部EUbとを有する。第1端部EUaは、−X方向側の端部である。第2端部EUbは、+X方向側の端部であり、第1端部EUaとは反対側に位置する。第2端部EUbは、コンデンサユニットCUに向かい合う。
次に、コンデンサユニットCUについて説明する。図14は、コンデンサユニットCUを示す斜視図である。なお実際には、後述する第2外枠部材100は、素子ユニットEUのヒートシンク80A,80Bのフィン82の間を流れた空気がコンデンサユニットCUの内部を通過するための開口部を有する。この開口部の図示は、図14および後述する図において省略している。
図17は、素子ユニットEU、コンデンサユニットCU、およびこれらを連結する締結部材121,122,123,124,125を示す斜視図である。図17は、素子ユニットEUの前面カバー51が第1外枠部材30から取り外された状態を示す。締結部材121,122,123,124,125は、X方向に沿って設けられている。締結部材121,122,123,124,125は、例えばねじまたはボルトであるが、これらに限定されない。これら締結部材121,122,123,124,125は、例えば長尺のソケットレンチなどによってアクセス空間S1に挿入される。
次に、素子ユニットEUの前面カバー51について説明する。図18は、素子ユニットEUを一部分解して示す斜視図である。前面カバー51は、締結部材121,122,123,124,125によって素子ユニットEUとコンデンサユニットCUとが連結された後に、第1外枠部材30に取り付けられる。前面カバー51は、不図示の締結部材によって第1外枠部材30に着脱可能に取り付けられる。前面カバー51は、第1外枠部材30の前面の略全域を覆う大きさを有する。前面カバー51は、遮風部(カバー部)130、第1開口部131、第2開口部132、第3開口部133、および第4開口部134を有する。
次に、棚板23に対する単相セルユニット6の固定構造について説明する。図19は、棚板23を示す斜視図である。ドライブ装置1は、棚板23に対する単相セルユニット6の固定構造として、複数の第1ガイド141、複数の第2ガイド142、複数の第3ガイド143(図20参照)、複数の第4ガイド144(図20参照)、後部固定部材145、中間固定部材146、および前部固定部材147を有する。前部固定部材147は、ボルトまたはねじのような締結部材によって素子ユニットEUの第1端部EUaに固定される。また、前部固定部材147は、ボルトまたはねじのような締結部材によって棚板23に固定される。これにより、前部固定部材147は、素子ユニットEUの第1端部EUaを棚板23に固定する。
<2.2.6 第1端子ブスおよび第2端子ブス>
まず、第1端子ブス72および第2端子ブス80について説明する。図24は、図8でF24線で囲まれた領域を拡大して示す斜視図である。第1端子ブス72は、複数の薄い板材151がY方向に積層されることで形成されている。
次に、導電性スペーサ(導体部品)161について説明する。図26は、図8に示されたコンバータ12のF26−F26線に沿う断面図である。中性点ブス77は、正極ブス75および負極ブス76との干渉を避け、且つ、正極ブス75および負極ブス76に対する絶縁距離を確保するために、クランプダイオードモジュールDCMaの表面から+Y方向に所定距離だけ離れた位置に配置されている。このため、中性点ブス77の中性点本体部77aとクランプダイオードモジュールDCMaのパッケージ65の表面との間には、Y方向の隙間が存在する。本実施形態では、中性点ブス77の中性点本体部77aとクランプダイオードモジュールDCMaの端子65cとの間に導電性スペーサ161が介在されている。導電性スペーサ161は、例えば、直方体状の金属ブロックである。導電性スペーサ161は、中性点ブス77とクランプダイオードモジュールDCMaの端子65cとを固定する締結部材162が通される挿通穴hを有する。中性点ブス77は、導電性スペーサ161を介してクランプダイオードモジュールDCMaの端子65cに電気的に接続されている。なお、導電性スペーサ161には、中性点ブス77がX−Z平面で回転することを抑制する2点止め用の締結部材163が取り付けられてもよい。締結部材163は、例えばX方向において締結部材162とは異なる位置で、中性点ブス77と導電性スペーサ161とを固定している。
次に、コンデンサ保護用の遮蔽板171,172について説明する。図27は、素子ユニットEUの後面を示す斜視図である。素子ユニットEUは、第1遮蔽板171と、第2遮蔽板172とを含む。第1遮蔽板171および第2遮蔽板172は、それぞれY方向およびZ方向に沿う板状に形成されている。第1遮蔽板171は、第1モジュールセット70Aのスイッチング素子SW1a〜SW4aおよびSW1b〜SW4bと、コンデンサユニットCUとの間に配置され、第1モジュールセット70Aのスイッチング素子SW1a〜SW4aおよびSW1b〜SW4bを+X方向側から覆っている。第2遮蔽板172は、第2モジュールセット70Bのスイッチング素子SW1a〜SW4aおよびSW1b〜SW4bと、コンデンサユニットCUとの間に配置され、第2モジュールセット70Bのスイッチング素子SW1a〜SW4aおよびSW1b〜SW4bを+X方向側から覆っている。
次に、素子モジュールQ1a,Q2a,Q3a,Q4a,DCMaの配置レイアウトについて説明する。図28は、第1モジュールセット70Aに含まれる素子モジュールQ1a〜Q4a,DCMa、Q1b〜Q4b,DCMb、および第1ヒートシンク80Aを示す平面図である。第1ヒートシンク80Aは、風上側に位置した第1端部80aと、風下側に位置した第2端部80bとを有する。
(第1変形例)
図29は、第1変形例の単相セルユニット6を示す斜視図である。本変形例は、締結部材121,122,123,124,125がコンデンサユニットCUに設けられており、ナットのような固定部101c,102c,103c,100c,100dが+X方向から取り付けられることで素子ユニットEUとコンデンサユニットCUとの締結が行われる点で上述の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、上述の実施形態と同様である。
図30は、第2変形例の素子ユニットEUを示す正面図である。本変形例は、締結部材125に対応したガイド部材45に加え、締結部材121,122,123,124のそれぞれに対応したガイド部材45A,45B,45C,45Dが設けられた点で、上述の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、上述の実施形態と同様である。
Claims (18)
- 互いに電気的に直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子に対してそれぞれ電気的に逆並列に接続された複数のダイオードと、前記複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における第1端に位置したスイッチング素子に電気的に接続された第1正極ブスと、前記複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における前記第1端とは反対側の第2端に位置したスイッチング素子に電気的に接続された第1負極ブスと、前記複数のスイッチング素子、前記複数のダイオード、前記第1正極ブス、および前記第1負極ブスを収容した第1外枠部材とを含む素子ユニットと、
複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに含まれる少なくとも1つのコンデンサに電気的に接続された第2正極ブスと、前記複数のコンデンサに含まれる少なくとも1つのコンデンサに電気的に接続された第2負極ブスと、前記複数のコンデンサ、前記第2正極ブス、および前記第2負極ブスを収容した第2外枠部材とを含むコンデンサユニットと、
を備え、
前記第1外枠部材と前記第2外枠部材とが互いに分離可能であり、
前記第1正極ブスと前記第2正極ブスとが取り外し可能に連結され、
前記第1負極ブスと前記第2負極ブスとが取り外し可能に連結されている、
電力変換装置。 - 前記素子ユニットおよび前記コンデンサユニットを収容した筐体をさらに備え、
前記筐体は、前記素子ユニットおよび前記コンデンサユニットが前記筐体の外部から前記筐体内に挿入可能な開口部を有し、
前記素子ユニットは、前記コンデンサユニットに比べて、前記開口部の近くに配置されている、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 第1締結要素および第2締結要素をさらに備え、
前記第1正極ブスは、前記素子ユニットから前記コンデンサユニットに向かう第1方向に沿う第1正極本体部と、前記第1正極本体部から前記第1方向とは略直交する第2方向に折り曲げられた第1正極連結部とを有し、前記第2正極ブスは、前記第1方向に沿う第2正極本体部と、前記第2正極本体部から前記第1正極連結部と略平行に折り曲げられた第2正極連結部とを有し、前記第1正極連結部と前記第2正極連結部とは前記第1締結要素が用いられて取り外し可能に連結され、
前記第1負極ブスは、前記第1方向に沿う第1負極本体部と、前記第1負極本体部から前記第2方向に折り曲げられた第1負極連結部とを有し、前記第2負極ブスは、前記第1方向に沿う第2負極本体部と、前記第2負極本体部から前記第1負極連結部と略平行に折り曲げられた第2負極連結部とを有し、前記第1負極連結部と前記第2負極連結部とは前記第2締結要素が用いられて取り外し可能に連結されている、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、第1端部と、前記第1端部とは反対側に位置して前記コンデンサユニットに面した第2端部とを有し、
前記第1正極連結部および前記第1負極連結部は、前記素子ユニットの前記第2端部に配置されている、
請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、
第1支持面と、前記第1支持面とは反対側に配置された複数のフィンとを有した第1ヒートシンクと、
第2支持面と、前記第2支持面とは反対側に配置された複数のフィンとを有した第2ヒートシンクと、
前記複数のスイッチング素子、前記複数のダイオード、前記第1正極ブス、および前記第1負極ブスを含み、前記第1支持面に取り付けられた第1モジュールセットと、
前記第2支持面に取り付けられた第2モジュールセットと、
をさらに有し、
前記第1ヒートシンクおよび前記第2ヒートシンクは、前記第1支持面と前記第2支持面とを向かい合わせにするとともに、互いの間に空間を空けて配置され、
前記第1正極連結部および前記第1負極連結部は、前記第1ヒートシンクと前記第2ヒートシンクとの間の前記空間に露出している、
請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記第1締結要素は、ねじまたはボルトである第1締結部材であり、
前記第2締結要素は、ねじまたはボルトである第2締結部材であり、
前記第1正極連結部は、前記第1締結部材が通される第1挿通穴を有し、前記第1挿通穴は、前記第1締結部材が前記第1正極連結部から取り外された状態で前記空間に露出し、
前記第1負極連結部は、前記第2締結部材が通される第2挿通穴を有し、前記第2挿通穴は、前記第2締結部材が前記第1負極連結部から取り外された状態で前記空間に露出する、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記第1締結要素は、ねじまたはボルトである第1締結部材が係合するナットであり、
前記第2締結要素は、ねじまたはボルトである第2締結部材が係合するナットであり、
前記第1正極連結部は、前記第1締結部材が通される第1挿通穴を有し、前記第1締結部材は、前記第1締結要素が前記第1締結部材から取り外された状態で前記空間に露出し、
前記第1負極連結部は、前記第2締結部材が通される第2挿通穴を有し、前記第2締結部材は、前記第2締結要素が前記第2締結部材から取り外された状態で前記空間に露出する、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットの内部に配置され、前記第1方向に延びたガイド面を有し、前記第1締結要素および前記第1締結要素を保持した工具のうち少なくとも一方を前記コンデンサユニットに向けて案内可能なガイド部材をさらに備えた、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 第3締結要素および第4締結要素をさらに備え、
前記複数のスイッチング素子は、第1レグのスイッチング素子であり、
前記第2モジュールセットは、第2レグの複数のスイッチング素子と、前記第2レグの複数のスイッチング素子に対してそれぞれ電気的に逆並列に接続された複数のダイオードと、前記第2レグの複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における第1端に位置したスイッチング素子に電気的に接続された第3正極ブスと、前記第2レグの複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における前記第1端とは反対側の第2端に位置したスイッチング素子に電気的に接続された第3負極ブスとを含み、
前記コンデンサユニットは、前記複数のコンデンサに含まれる少なくとも1つのコンデンサに電気的に接続された第4正極ブスと、前記複数のコンデンサに含まれる少なくとも1つのコンデンサに電気的に接続された第4負極ブスとを含み、
前記第3正極ブスは、前記第1方向に沿う第3正極本体部と、前記第2方向とは反対の第3方向に折り曲げられた第3正極連結部とを有し、前記第4正極ブスは、前記第1方向に沿う第4正極本体部と、前記第4正極本体部から前記第3正極連結部と略平行に折り曲げられた第4正極連結部とを有し、前記第3正極連結部と前記第4正極連結部とは前記第3締結要素が用いられて取り外し可能に連結され、
前記第3負極ブスは、前記第1方向に沿う第3負極本体部と、前記第3負極本体部から前記第3方向に折り曲げられた第3負極連結部とを有し、前記第4負極ブスは、前記第1方向に沿う第4負極本体部と、前記第4負極本体部から前記第3負極連結部と略平行に折り曲げられた第4負極連結部とを有し、前記第3負極連結部と前記第4負極連結部とは前記第4締結要素が用いられて取り外し可能に連結されており、
前記第3正極連結部および前記第3負極連結部は、前記第1ヒートシンクと前記第2ヒートシンクとの間の前記空間に露出している、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記第1モジュールセットは、第1電力変換モジュールと、前記第1電力変換モジュールが交流電力を直流電力に変換する場合に、前記第1電力変換モジュールによって変換された直流電力を交流電力に変換する第2電力変換モジュールとを含み、
前記第1電力変換モジュールは、前記複数のスイッチング素子と、前記複数のダイオードとを含み、前記複数のスイッチング素子は、第1レグのスイッチング素子であり、
前記第2電力変換モジュールは、第3レグの複数のスイッチング素子と、前記第3レグの複数のスイッチング素子に対してそれぞれ電気的に逆並列に接続された複数のダイオードとを含み、
前記第1正極ブスは、前記第1レグの複数のスイッチング素子のなかで前記第1端に位置した前記スイッチング素子に加えて、前記第3レグの複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における第1端に位置したスイッチング素子に電気的に接続され、
前記第1負極ブスは、前記第1レグの複数のスイッチング素子のなかで前記第2端に位置した前記スイッチング素子に加えて、前記第3レグの複数のスイッチング素子のなかで電気接続関係における前記第1端とは反対側の第2端に位置したスイッチング素子に電気的に接続されている、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記第1モジュールセットは、前記複数のスイッチング素子に含まれる2つのスイッチング素子を電気的に接続した接続ブスと、前記接続ブスに取り付けられ、前記第1ヒートシンクと前記第2ヒートシンクとの間の前記空間においてゲート配線を支持した支持体とを有した、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記第1ヒートシンクの複数のフィンの間の隙間、および前記第2ヒートシンクの複数のフィンの間の隙間に風の流れを生じさせる送風部をさらに備え、
前記素子ユニットは、前記第1外枠部材に着脱可能に取り付けられ、前記第1ヒートシンクの複数のフィンに面する第1開口部と、前記第2ヒートシンクの複数のフィンに面する第2開口部と、前記第1ヒートシンクと前記第2ヒートシンクとの間の前記空間の少なくとも一部を覆う遮風部とを含むカバーを有した、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、前記カバーの外面に取り付けられた連結ブスと、前記連結ブスに取り付けられたヒューズと前記連結ブスが貫通した電流検出器とのうち少なくとも一方とを有し、前記電流検出器と前記ヒューズとの少なくとも一方は、前記カバーが前記第1外枠部材に取り付けられた状態で前記第1外枠部材の外部に配置されている、
請求項12に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、前記複数のスイッチング素子と前記コンデンサユニットとの間に配置されて前記複数のスイッチング素子を覆う遮蔽板をさらに有した、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットおよび前記コンデンサユニットが載置される棚板を含む筐体と、
前記素子ユニットと前記コンデンサユニットとの間に位置して前記コンデンサユニットに固定された第1部分と、前記棚板に固定された第2部分とを含む固定部材と、
をさらに備え、
前記固定部材の前記第2部分の少なくとも一部は、前記素子ユニットの下方に配置されている、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、
前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも1つのスイッチング素子を含むとともに表面に端子が設けられたパッケージと、
前記パッケージに対して隙間を空けて配置されたブスと、
前記パッケージの端子と前記ブスとの間に介在されて前記パッケージの端子と前記ブスとを電気的に接続した導電性スペーサと、
をさらに有した、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットは、前記複数のスイッチング素子および前記複数のダイオードを含む中性点クランプ型の電力変換モジュールを含み、
前記複数のスイッチング素子は、この順で電気的に直列に接続された第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子、および第4スイッチング素子を含み、
前記素子ユニットは、
前記第1スイッチング素子を収容した第1パッケージと、
前記第2スイッチング素子を収容した第2パッケージと、
前記第3スイッチング素子を収容した第3パッケージと、
前記第4スイッチング素子を収容した第4パッケージと、
前記第1パッケージ、前記第2パッケージ、前記第3パッケージ、および前記第4パッケージが取り付けられた支持面と、前記支持面とは反対側に配置された複数のフィンとを含むヒートシンクと、
をさらに有し、
前記ヒートシンクは、風上側に位置した第1端部と、風下側に位置した第2端部とを有し、
前記第2パッケージおよび前記第3パッケージは、前記第1パッケージおよび前記第4パッケージと比べて、前記第1端部の近くに配置され、
前記第1スイッチング素子および前記第4スイッチング素子は、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子に対して前記第1端部から前記第2端部に向かう方向とは略直交する方向にずれた位置にそれぞれ配置されている、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記素子ユニットと前記コンデンサユニットとの連結に用いられる締結要素と、
前記素子ユニットの内部に配置され、前記素子ユニットから前記コンデンサユニットに向かう方向に延びたガイド面を有し、前記締結要素および前記締結要素を保持した工具のうち少なくとも一方を前記素子ユニットの内部で前記コンデンサユニットに向けて案内可能なガイド部材をさらに備えた、
請求項1に記載の電力変換装置。
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