JP2010130766A - 半導体ユニット及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台のインバータユニットの運転中に、任意のインバータユニットを引き抜き後、再度の押入れ時には一段階の押入れで済むようにする。
【解決手段】インバータユニット２００は共通電源母線１０１ａ，１０１ｂと接離可能な接触子２０１ａ，２０１ｂと、接触子２０１ａ、２０１ｂで得られる電源を平滑化する平滑コンデンサ２０３と、平滑コンデンサ２０３で平滑化された電源を変換するインバータ部２０２、接触子２０１ａ、２０１ｂで得られる電源の平滑コンデンサ２０３への突入電流を抑制する限流素子２０４と、限流素子２０４に並列に接続された初期充電用スイッチ２０８と、コンデンサ２０３の充電電圧を検出する電圧検出回路２０６と、電圧検出回路２０６で検出された電圧によって初期充電用スイッチ２０８を操作する初期充電用スイッチ操作回路２０７とで構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、収納盤に収納される半導体ユニット及びその半導体ユニットと収納盤とで構成される電力変換装置に関し、特に収納盤から電源が供給された状態のままで半導体ユニットが収納盤から活線挿抜が可能なものに関する。

収納盤に収納される半導体ユニットと、その収納盤とで構成される半導体電力変換装置として、従来、図４に示す構成のものが開発されている。この図４に示したものは、複数個のインバータユニットを、収納盤に収納させて、その収納されたそれぞれのインバータユニット内のインバータ部で、直流電源を交流電源に変換する電力変換を行って、必要な機器に供給するものである。この図４の例の場合、インバータユニットの収納盤からの挿抜は電源が供給されたままで行う構成である。この電源が供給されたままで挿抜を行うために、インバータユニット内に平滑コンデンサの初期充電回路が必要となっている。

図４の構成について説明すると、１０は収納盤で、この収納盤１０には複数台のインバータユニット２０がスライドレールを介して引出しや押入れが自在となるように収納される。図４の例では、６個のインバータユニット２０を縦に並べてある。収納盤１０の内部には、主回路用の共通電源母線１１ａ，１１ｂと初期充電専用の共通電源母線１１ｃが設けられている。主回路用の共通電源母線１１ａ，１１ｂには、図示しない電源系を介して直流電源が供給される。

ここで、共通電源母線１１ａ，１１ｂと初期充電専用の共通電源母線１１ｃは、真上からの平面で見たとき図５に示すように配置される。すなわち、共通電源母線１１ｂは、共通電源母線１１ａに対し距離Ｌだけ後退させ、初期充電専用の共通電源母線１１ｃは、共通電源母線１１ａと同じ位置となるようにする。なお。初期充電専用の共通電源母線１１ｃと共通電源母線１１ｂと同極となるように接続する。

図４のインバータユニット２０の構成は、図５に示した構成である。即ち、インバータユニット２０は共通電源母線１１ａ，１１ｂ，１１ｃと接離可能な接触子２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える。接触子２１ａ，２１ｂで得られる電源は、平滑コンデンサ２３で平滑化する。その平滑コンデンサ２３で平滑化された電源は、半導体回路を備えたインバータ部２２に供給して、所定の交流電源に変換する。また、接触子２１ｃで得られる電源の平滑コンデンサ２３への突入電流を抑制する限流素子２４を備える。なお、図示しないがインバータ部２２の負荷側は、従来と同様に接触子型の接続部を介して収納盤１０に設けた端子部と接続し、インバータユニットの押入れや引出しをするときに自動的に接続や断路するようにしてある。

このように構成されるインバータユニット２０を、収納盤１０に収納させる際の動作について、図６を参照して説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、インバータユニット２０の正面側の外部に突出した取っ手２５を持ち、収納盤１０内のスライドレールに沿って押し入れる。このように押し入れると、図６（ｂ）に示したように、インバータユニット２０が初期充電ポジションに至り、共通電源母線１１ａに接触子２１ａ、初期充電専用の共通電源母線１１ｃに接触子２１ｃがそれぞれ接続し、限流素子２４を介してインバータユニット２０の平滑コンデンサ２３へ充電が行われる。さらに、インバータユニット２０は押し入れると、図６（ｃ）に示したように、共通電源母線１１ｂと接触子２１ｂとが接続し、押入れを完了する。この押し入れが完了した状態では、共通電源母線１１ｂから接触子２１ｂを介して直接インバータ部２２に電源が供給される状態である。この供給される直流電源を、インバータ部２２で交流電源に変換する処理が実行され、図示しない負荷に変換された交流電源が供給される。

この半導体電力変換装置は、収納盤１０への装着時には、図６（ｂ）に示すように、最初に共通電源母線１１ａ、１１ｃと接触子２１ａ、２１ｃが接触し、次に共通電源母線１１ｂと接触子２１ｂが接触する。このため、平滑コンデンサ２３への充電電流として、最初は限流素子２４により制限された状態で供給される。その後、完全に装着された状態では、限流素子２４を介さずに電源が供給され、インバータ部２２の運転時には限流素子２４による制限が働かない。

この図４〜図６に示した構成のインバータユニット２０を備えた電力変換装置によると、収納盤１０への装着時に、平滑コンデンサ２３に流れる電流が制限されることになり、活線挿抜時を行っても、平滑コンデンサ２３が破壊されることがない効果を有する。

特許文献１には、図４〜図６に示した構成のインバータユニットの構成例についての記載がある。

実開平６−７４０９２号公報

このように構成されたインバータユニット２０では、初期充電用の外部回路である、接触子２１ｃ、共通電源母線１１ｃを設ける必要があるため、インバータユニット２０とそのインバータユニット２０を収納する収納盤１０の外形と重量が増え、収納盤の設置面積が増える。また、位置決めの為に機械的機構部が増えることによるコスト増が見込まれる。

さらに、断路位置、初期充電位置及び運転位置にインバータユニット２０を移動するために、人の力でインバータユニット２０を挿入する必要があるため、保守に時間が掛かってしまう。また、万一、インバータユニット２０の挿入時に、図６（ｂ）に示した状態に一旦止めないで、いきなり図６（ｃ）に示した状態に挿入されてしまった場合には、限流素子２４が有効に機能せず、平滑コンデンサ２３が破壊されてしまう問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、初期充電用の外部回路の簡素化と、人の力が介在する運転状態にする一連の作業を自動化できるようにすることを目的とする。

本発明は、半導体電力変換装置における収納盤に収納される半導体ユニットに適用される。

本発明の半導体ユニットは、従来の半導体ユニットに備えてある共通電源母線と接離可能な接触子と、接触子で得られる電源を平滑化する平滑コンデンサと、平滑コンデンサで平滑化された電源を変換するインバータ部に加えて、さらに、限流素子に並列に接続された初期充電用スイッチと、コンデンサの充電電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路で検出された電圧によって初期充電用スイッチを操作する初期充電用スイッチ操作回路を有している。

このようにしたことで、初期充電用スイッチは、半導体ユニットの挿抜により変化する平滑コンデンサの両端電圧を電圧検出回路で検出した電圧が、ある閾値を境に、初期充電用スイッチ操作回路を通して開閉制御が行われる。そこで、初期充電用スイッチは、ある閾値より高い電圧を検出した場合を閉回路、低い電圧を検出した場合を開回路となる。ただし、このときの閾値は、半導体ユニットの挿入により発生する突入電流から平滑コンデンサが破壊されないような値とする。

本発明によると、平滑コンデンサの両端電圧によって開閉する初期充電用スイッチを設けて、その初期充電用スイッチで限流素子の接続を制御する構成としたことで、装着操作を行う際には、従来のような２段階の操作が必要なく、簡単かつ確実に活線状態のままで装着させることができる。また、人手に頼った操作ではなく、初期充電状態から通電状態までの一連の動作を自動化することができる。

また、装置の形状についても、接続初期時に使用する母線や接触子が必要なく、それだけ、装置を小型で低コストに構成させることができる。このため、従来と比較して低コスト化、保守の簡易化、保守時間の短縮をすることができる。

以下、本発明の一実施の形態の例を、図１〜３を参照して説明する。
本実施の形態の例の半導体電力変換装置の全体構成を、図１に示す。図１において、半導体電力変換装置を構成する収納盤１００の内には、インバータユニット２００が等間隔に６段に配置され、前後に引き出し自在となっている。さらに、インバータユニット背面側と収納盤間に縦に並列に２本の共通電源母線１０１ａ、１０１ｂが配置されている。２本の共通電源母線１０１ａ、１０１ｂには、直流電源が供給されている。

収納盤１００には、平行に配置された天板および底板の両面側に側板を取り付け、背面を背板で塞いで構成されており、その正面側が外部に開放されている。そして、天板、底板、側板及び背面板で仕切られた収納盤１００の内部空闘が収納室を構成している。

６段に配置された各インバータユニット２００は、全て同じ構成であり、同一形状の筐体に構成させてある。

インバータユニット２００の背面には、接触子２０１ａ、２０１ｂが設けられている。接触子２０１ａ、２０１ｂは共通電源母線１０１ａ、１０１ｂと接続するための電気接点である。インバータユニット２００の幅方向の両端には、スライドレール１０４が配置してある。このスライドレール１０４に沿って、インバータユニット２００を収納盤１００の収納室へ収納することで、接触子２０１ａ、２０１ｂと共通電源母線１０１ａ、１０１ｂとが接続される。

図２に、上から見たインバータユニット２００の内部構成を示す。
本実施の形態の例において、インバータユニット２００は共通電源母線１０１ａ、１０１ｂと接離可能な接触子２０１ａ、２０１ｂと、接触子２０１ａ、２０１ｂで得られる電源を平滑化する平滑コンデンサ２０３とを備える。そして、平滑コンデンサ２０３で平滑化された電源を変換するインバータ部２０２を備える。

また、接触子２０１ａ、２０１ｂで得られる電源の平滑コンデンサ２０３への突入電流を抑制する限流素子２０４と、その限流素子２０４に並列に接続された初期充電用スイッチ２０８とを備え、並列回路が、接触子２０１ｂと平滑コンデンサ２０３の一端との間に接続してある。

平滑コンデンサ２０３の充電電圧は、電圧検出回路２０６で検出する構成としてある。この電圧検出回路２０６で検出された電圧は、初期充電用スイッチ操作回路２０７で判断され、その判断された電圧値に応じて初期充電用スイッチ２０８の開閉を操作（制御）する構成としてある。

初期充電用スイッチ２０８の開閉制御としては、インバータユニット２００の挿抜により変化する平滑コンデンサ２０３の両端電圧を電圧検出回路２０６で検出した電圧が、ある閾値を境に、初期充電用スイッチ操作回路２０７を通して初期充電用スイッチ２０８の開閉制御が行われる。そこで、初期充電用スイッチ２０８は、ある閾値より高い電圧を検出した場合を閉制御、低い電圧を検出した場合を開制御とする。

通常、共通電源母線１０１ａ、１０１ｂにはインバータユニット２００と同様の構成となっているコンバータ部１０２の直流端子が接続されており、一定の直流電圧（数百〜数千Ｖ)を保つように制御されている。このため、断路状態では接触子２０１ａ、２０１ｂと共通電源母線１０１ａ、１０１ｂとは十分な絶縁距離を保つ必要がある。

断路状態では、接触子２０１ａ、２０１ｂと共通電源母線１０１ａ、１０１ｂとの間で、十分に絶縁距離を保った位置にインバータユニット２００は停止し、インバータユニット２００には通電されていない状態とする。

次に、図３を参照して、本実施形態の例のインバータユニット２００を、収納盤１００に装着する際の動作について説明する。

インバータユニット２００の正面側の外部に突出した取っ手２０５を持ち、スライドレール１０４に沿って移動させて、インバータユニット２００を収納盤１００の収納室へ収納させる。このように収納させることで、図３（ａ）に示すように、共通電源母線１０１ａ、１０１ｂと接触子２０１ａ、２０１ｂは接続される。このとき、平滑コンデンサ２０３には充電されていないから、平滑コンデンサ２０３の両端電圧は電圧検出回路２０６によって十分に低い電圧が検出され、初期充電用スイッチ操作回路２０７によって初期充電用スイッチ２０８は開路とし、接触子２０１ｂに接続された限流素子２０４を介して平滑コンデンサ２０３に電流が流れ、平滑コンデンサ２０３は充電される。平滑コンデンサ２０３が充電されるに伴って、平滑コンデンサ２０３の両端電圧は上昇する。この電圧は電圧検出回路２０６によって検出され、ある閾値以上になったところで初期充電用スイッチ操作回路２０７によって自動的に初期充電用スイッチ２０８は閉路となり、図３（ｂ）に示すように初期充電用スイッチ２０８を介して平滑コンデンサ２０３に電流が流れる。

インバータユニット２００を挿入したとき、平滑コンデンサ２０３には、共通電源母線１０１ａ、１０１ｂにかかる電圧と、平滑コンデンサ２０３の両端電圧との差に比例した振幅の突入電流が流れるから、平滑コンデンサ２０３が破壊されないような閾値を選択する必要がある。この閾値にはヒステリシスを持たせることによって、初期充電用スイッチ２０８のチャタリングを防止することが可能である。

また、初期充電時に、限流素子２０４は限流素子２０４の抵抗値と平滑コンデンサ２０３の容量によって導出される時定数で、パルス状の電流が短時間のみ流れることとなる。さらに通電回数はインバータユニット２００の挿抜回数と同じになるから、通電は保守時のみ、コールドスタートとなる。

そのため、通常の数百〜数千Ｖで常時電流が流れているような条件で使用する抵抗よりも、抵抗値の小さいものを使用することができ、平滑コンデンサ２０３の充電時聞短縮に繋がるという効果が得られる。

さらに、インバータユニット２００内に平滑コンデンサ２０３の両端電圧によって開閉する初期充電用スイッチ２０８を設けて、その初期充電用スイッチ２０８で限流素子２０４の接続を制御する構成としたことで、インバータユニット２００を収納盤１００に挿入する際には、従来のように２段階の挿入操作が必要なく、簡単かつ確実に活線状態のままで装着させることができ、人手に頼った操作ではなく、初期充電状態から通電状態までの一連の動作を自動化することができるという効果も得られる。

また、装置の形状についても、接続初期時に使用する母線や接触子が必要なく、それだけ、装置を小型で低コストに構成させることができる。このため、従来と比較して低コスト化、保守の簡易化をすることができるという効果をも得られる。

なお、上述した実施の形態の例では、共通電源母線１０１ａ、１０１ｂとして直方体の形をもつ導電体を使用した例で説明したが、通電電流容量が確保できればケーブル付コネクタでも構わない。この場合、コネクタを使用することで、接続位置の自由度が高くなる効果が得られる。

また、上述した実施の形態では、半導体電力変換装置として、インバータ部を備えたインバータユニットが活線挿抜される構成に適用したが、同様に活線挿抜される半導体ユニットであれば、インバータ以外にも適用可能である。さらに、図１などに示した外形形状は一例を示したものであり、本発明は図示のものに限定されるものではない。

本発明の一実施の形態の例に係る電力変換装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体インバータユニットの断路位置まで引き出した構成図である。 本発明の実施の形態に係るインバータユニットの初期充電状態と運転状態の電流経路を説明する構成図である。 従来の電力変換装置の一例を示す斜視図である。 図４の例の電力変換装置のインバータユニットの構成図である。 図４の例の電力変換装置の動作を示す説明図である。

符号の説明

１０…収納盤、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…共通電源母線、１２…コンバータ部、１３…平滑コンデンサ、１４…取って、２０…インバータユニット、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…接触子、２２…インバータ部、２３…平滑コンデンサ、２４…限流素子、２５…取って、１００…収納盤、１０１ａ，１０１ｂ…共通電源母線、１０２…コンバータ部、１０３…平滑コンデンサ、１０４…スライドレール、２００…インバータユニット、２０１ａ，２０１ｂ…接触子、２０２…インバータ部、２０３…平滑コンデンサ、２０４…限流素子、２０５…取って、２０６…電圧検出回路、２０７…初期充電操作回路、２０８…初期充電用スイッチ

Claims (6)

1. 収納盤に収納される筐体で構成された半導体ユニットにおいて、
   前記収納盤側の共通電源母線と接続される第１及び第２の接触子と、
   前記第１及び第２の接触子に得られる電源を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサで平滑化された電源を変換するインバータ部と、
   前記第１又は第２の接触子に得られる電源の前記平滑コンデンサへの突入電流を抑制する限流素子と、
   前記限流素子に並列に接続された開閉手段と、
   前記平滑コンデンサの充電電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された電圧によって前記開閉手段を操作する制御手段とを備えることを特徴とする半導体ユニット。
2. 前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した電圧が予め設定された閾値以上になった場合に前記開閉手段を閉状態とし、前記閾値未満の場合に前記開閉手段を開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体ユニット。
3. 前記閾値にヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項２に記載の半導体ユニット。
4. 収納盤と、該収納盤に収納される複数の半導体ユニットで構成される電力変換装置において、
   前記収納盤は、前記それぞれの半導体ユニットに電源を供給する２つの共通電源母線を備え、
   前記それぞれの半導体ユニットは、
   前記２つの共通電源母線と接続される第１及び第２の接触子と、
   前記第１及び第２の接触子に得られる電源を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサで平滑化された電源を変換するインバータ部と、
   前記第１又は第２の接触子に得られる電源の前記平滑コンデンサへの突入電流を抑制する限流素子と、
   前記限流素子に並列に接続された開閉手段と、
   前記平滑コンデンサの充電電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された電圧によって前記開閉手段を操作する制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した電圧が予め設定された閾値以上になった場合に前記開閉手段を閉状態とし、前記閾値未満の場合に前記開閉手段を開状態とすることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記閾値にヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

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