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公開番号2021097444
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210624
出願番号2019225593
出願日20191213
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210528BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】突入防止回路と平滑回路とインバータ回路を効率的に冷却する電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置100は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路500と、インバータ回路500を冷却するヒートシンク909と、突入電流を抑制する突入防止回路と、電圧を平滑化する平滑回路と、インバータ回路500が配置された第1基板906と、平滑回路と突入防止回路とが配置された第2基板と、ヒートシンク909と突入防止回路と平滑回路を収納する本体ケース908と、本体ケース908の内部で、突入防止回路と平滑回路からヒートシンク909に向かって冷却風を送るファン904と、を備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路を冷却するヒートシンクと、
突入電流を抑制する突入防止回路と、
電圧を平滑化する平滑回路と、
前記インバータ回路が配置された第1基板と、
前記平滑回路と前記突入防止回路とが配置された第2基板と、
前記ヒートシンクと前記突入防止回路と前記平滑回路を収納する本体ケースと、
前記本体ケースの内部で、前記突入防止回路と前記平滑回路から前記ヒートシンクに向かって冷却風を送るファンと有する電力変換装置。
続きを表示(約 970 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第1基板には、制御回路が配置され、
前記ヒートシンクの下方に、前記平滑回路と前記突入防止回路が配置された電力変換装置。
【請求項3】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第1基板には、複数段の集合端子台が配置された電力変換装置。
【請求項4】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第2基板には、
前記インバータ回路の正極と接続する第1の端子台と、
前記インバータ回路の負極と接続する第2の端子台とが配置された電力変換装置。
【請求項5】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記第1の端子台は、
前記平滑回路の正極と前記インバータ回路の正極とを接続し、
前記第2の端子台は、
前記平滑回路の負極と前記インバータ回路の負極とを接続する電力変換装置。
【請求項6】
請求項3に記載の電力変換装置において、
前記集合端子台は、
リアクトルと接続可能である電力変換装置。
【請求項7】
請求項3に記載の電力変換装置において、
前記集合端子台は、
直流電源と接続可能である電力変換装置。
【請求項8】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記第1基板には、
交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路が配置され、
前記第2基板には、
前記突入防止回路と接続する第3の端子台を有する電力変換装置。
【請求項9】
請求項8に記載の電力変換装置において、
前記第2基板の正面側には、前記第1基板が配置され、
前記コンバータ回路の正極と接続する配線と接続され、前記第1基板に配置された集合端子台を有し、
前記集合端子台と前記第3の端子台とが接続された電力変換装置。
【請求項10】
請求項1に記載の電力変換装置において、
外部電源もしくは負荷と接続する集合端子台が、前記第1基板に配置され、
前記第1基板は、前記第2基板より正面側に配置された電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 4,400 文字)【背景技術】
【0002】
電力変換装置は、電動機の速度制御装置として産業界に多く採用されている。
【0003】
特許文献1には、整流器、変圧部、平滑コンデンサ、インバータ回路を備えた電力変換装置であって、インバータ回路を内蔵するパワーモジュールを実装した第1基板と、平滑コンデンサおよびリレーを実装した第2基板とを、放熱と導電の機能を兼用する2個の銅バーで接続する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
WO2014/106894
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
電力変換装置には、電解コンデンサへの大きな充電電流から順変換器を構成する整流ダイオードを充電電流から保護する目的で突入防止回路が設けられている。この突入防止回路には、電流を抑制する抵抗とその抵抗に並列にリレーやサイリスタ等のスイッチング素子が接続される。電源の投入時には、電解コンデンサへの充電電流を抵抗で抑制し、電解コンデンサの容量が最大に充電される近傍でリレーをオンさせる。
【0006】
リレーがオンされた後は、ほぼすべての電流がリレーに流れることになる。リレーの内部に抵抗成分が寄生するため、通流時に発熱を生じる。順変換器および逆変換器を構成する整流ダイオードやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)は抵抗成分を持ち、かつ電力変換装置の主電流が流れることから装置全体で大きな割合を占めるジュール損失が生じる。このジュール損失は、適切な手段で放熱しなければ、所望の電力変換機能を維持できない。
【0007】
特許文献1では、第1基板と第2基板の熱干渉を2個の銅バーで緩和する構造が開示されているが、突入防止回路と、コンデンサを備える平滑回路と、インバータ回路を効率的に冷却することについては配慮が十分ではないと思われる。
【0008】
本発明の目的は、突入防止回路と平滑回路とインバータ回路を効率的に冷却する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の好ましい一例としては、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を冷却するヒートシンクと、突入電流を抑制する突入防止回路と、電圧を平滑化する平滑回路と、前記インバータ回路が配置された第1基板と、前記平滑回路と前記突入防止回路とが配置された第2基板と、前記ヒートシンクと前記突入防止回路と前記平滑回路を収納する本体ケースと、前記本体ケースの内部で、前記突入防止回路と前記平滑回路から前記ヒートシンクに向かって冷却風を送るファンと有する電力変換装置である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、突入防止回路と平滑回路とインバータ回路を効率的に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
実施例1の電力変換装置を示す回路図である。
実施例1の電力変換装置の分解図である。
電力変換装置を側面から見た内部構成図である。
電力変換装置の第1PCB基板と第2PCB基板との接続関係を示す図である。
外部の付加回路としてリアクトルを集合端子台に接続した場合を示す回路図である。
外部の直流電源を集合端子台に接続した場合を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に、図面を参照しながら、実施例を説明する。
【実施例】
【0013】
図1は、実施例1の電力変換装置を示す回路図であり、図1を参照して電力変換装置100について説明する。図1の電力変換装置100は、コンバータ回路200、突入防止回路300、平滑回路400、インバータ回路500を備える。コンバータ回路200は6個のダイオード201〜206による三相全波整流回路を構成する。
【0014】
コンバータ回路は三相交流電源701の交流電圧を線間電圧の1.35倍程度の直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、三相交流電源701の周波数の6倍の脈動が重畳されている。コンデンサ401で構成される平滑回路400は、その電圧の脈動の振幅を小さくして平滑にする。
【0015】
コンバータ回路200の受電開始時、突入防止回路300のリレー301はオフ状態のため、リレー301に並列に接続した限流抵抗302を介してコンデンサ401に充電する。コンデンサ401の充電に伴い、直流電圧が上昇する。
【0016】
制御回路800は電圧センサ801で直流電圧を監視しており、直流電圧が所定の値を超過したら、制御回路800はリレー駆動回路303に駆動信号を送出し、リレー301をオンする。
【0017】
リレー301の寄生抵抗は限流抵抗302に比べて小さいため、ほぼ全ての電流がリレー301を通流する。リレー301に電流が通流するまでの過程を初充電と呼ぶ。
【0018】
インバータ回路500はコンデンサ401に蓄えられた直流電力を交流電力に変換する回路である。一つのスイッチング素子501と一つの整流素子511は反並列に接続され回路を構成し、この回路をアームと呼ぶ。他の5個のスイッチング素子502〜506、および5個の整流素子512〜516で5個のアームを構成する。
【0019】
インバータ回路500は6個のアームをブリッジして構成する。インバータ回路500にはモータ等の負荷702が接続される。制御回路800は所望の出力周波数に応じた制御信号を演算し、インバータ駆動回路520へ制御信号を送出し、インバータ駆動回路520駆動信号に基づきインバータ回路500におけるスイッチング素子501〜506のスイッチングは制御される。
【0020】
以上の動作により、コンデンサ401に蓄えられた直流電力が動力に変換される。インバータ500の動作に伴いコンデンサ401から電力が放電される一方、三相交流電源701、コンバータ回路200、リレー301を経由してコンデンサ401に電力が供給され続ける。
【0021】
このように、電力変換装置100が稼働状態にあるとき、コンバータ回路200、リレー301、インバータ回路500には電流が流れ、寄生抵抗成分によるジュール損失が発生する。コンバータ回路200およびインバータ回路500の整流素子201〜206、511〜516、スイッチング素子501〜506は所定の温度を超過すると、その整流特性、スイッチング特性が失われ、所望の電力変換を行えなくなる故障が生じる。このような故障が生じないまでも、高温での繰り返し使用により寿命が劣化するため、電力変換装置100に期待される寿命に応じた温度上昇抑制の処置が必要になる。
【0022】
コンデンサ401では充放電が繰り返され、コンデンサ401内部の寄生抵抗成分によるジュール損失が発生する。ジュール損失によるコンデンサ401内部の温度上昇が過剰な場合、コンデンサ401の内圧が上昇し破裂する等の故障や、コンデンサ401を構成する有機材料の寿命劣化が促進される。そのため、電力変換装置100に期待される寿命に応じたコンデンサ401の温度上昇抑制の処置が必要になる。
【0023】
リレー301は所定の温度を超過すると、内蔵するコイルの開閉力が弱まり、スイッチング特性が劣化するため、より健全な動作を担保するためには温度上昇抑制の処置が必要である。リレー301を複数個並列に構成し、電力変換装置の出力容量を大きくしたい場合がある。
【0024】
しかし、リレー301を複数個並列に接続した構成では、それぞれのリレーの自己発熱が、互いに干渉するため、周囲温度が単独で利用する場合よりも大きくなる。その結果、リレー1個あたりに通流可能な電流が制限され、尤度をもったリレーを選択することになり、自由度が限られる課題がある。
【0025】
制御回路800、リレー駆動回路303、インバータ駆動回路520、電源回路600は自己発熱が小さく、自冷可能なことが一般的である。しかし、上記自己発熱が大きい部品が近傍に配置されることによる熱干渉により、不具合を生じる場合がある。そのため、熱干渉を抑制する処置が必要である。
【0026】
以上に説明した自己発熱や熱干渉に対する処置は、送風やヒートシンクの設置、および各部品の配置により行う。一方、ヒートシンク自体が大型であり、部品を電気的に接続するための配線が要することから、十分な熱的処置を行いつつ、コンパクトに部品を配置することに課題がある。本実施例はこのような事情に鑑みなされたもので、以下にその詳細を説明する。
【0027】
図2は、実施例1の電力変換装置の分解図である。図3は、電力変換装置を側面から見た内部構成図である。図4は、電力変換装置の第1PCB基板と第2PCB基板との接続関係を示す図である。
【0028】
図2〜図4を参照して電力変換装置100について説明する。図2の電力変換装置100は、図1で示した回路、部品に加え、ファン904、第1プリント配線基板906(以下プリント配線基板はPCB基板(Printed Circuit Board)という)、第2PCB基板907、本体ケース908、ヒートシンク909を備える。
【0029】
第1PCB基板906に、制御回路800、電源回路600、電圧センサ801、インバータ駆動回路520が配置される。第2PCB基板907に、コンデンサ401、リレー301、限流抵抗302、3個の端子台901〜903が配置される。
【0030】
本体ケース908は上部にファン904を、正面にパワーモジュール910の配置孔913、コンデンサ401、リレー301、限流抵抗302の配置孔912を、下部に冷却風吸入口を備える。背面の四角に備える据え付け穴にボルト等の固定具を通し、壁面に電力変換装置100を設置する。設置状態では電力変換装置100の背面が設置面と接し密閉される。ヒートシンク909のベースプレート四角の固定穴と、本体ケース908の固定穴にボルトを通し固定し、配置孔913を閉塞する。
(【0031】以降は省略されています)

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