JP2020089121A

JP2020089121A - 電力変換装置

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Publication number: JP2020089121A
Application number: JP2018222142A
Authority: JP
Inventors: 航平柏木; Kohei Kashiwagi; 飛鳥大竹; Asuka Otake; 将樹佐藤; Masaki Sato
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: JP6957120B2

Abstract

【課題】部分放電試験時に試験端子間のインピーダンスを高く設定することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、直流電圧を印加するコンデンサを含む主回路を備える。前記コンデンサは、第１コンデンサと、前記第１コンデンサの一方の電極が接続された第１主端子と、前記第１コンデンサの他方の電極が接続された第２主端子と、前記第１コンデンサよりも小さい静電容量値を有する第２コンデンサと、前記第２コンデンサの一方の電極が接続された第１補助端子と、前記第２コンデンサの他方の電極が接続された第２補助端子と、前記第１主端子および前記第１補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第１短絡バーと、前記第２主端子および前記第２補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第２短絡バーと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置には、高い安全性が求められる。電力変換装置の安全性を確保するために、部分放電試験が行われる場合がある。部分放電試験は、たとえば、装置の種類等に応じて、電気学会電気規格調査会標準規格（ＪＥＣ）や国際電気標準会議（ＩＥＣ）規格等が制定されている。

装置や部品等の部分放電（コロナ放電）を測定する測定装置では、測定時に被測定物のインピーダンスよりも十分小さなインピーダンスを有するカップリングコンデンサを設ける必要がある。一方で、電力変換装置の出力容量等によっては、主回路に用いられているコンデンサの静電容量は、大きな値に設定されている場合がある。そのため、測定端子間のインピーダンスが、カップリングコンデンサのインピーダンスよりも低くなることがあり、正確に部分放電試験を行えない場合が生じ得る。

特開平７−２６０８６９号公報

実施形態は、部分放電試験時に試験端子間のインピーダンスを高く設定することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、出力しまたは入力する直流電圧を電力変換する。この電力変換装置は、前記直流電圧を印加するコンデンサを含む主回路を備える。前記コンデンサは、第１静電容量値を有する第１コンデンサと、前記第１コンデンサの一方の電極が接続された第１主端子と、前記第１コンデンサの他方の電極が接続された第２主端子と、前記第１静電容量値よりも小さい第２静電容量値を有する第２コンデンサと、前記第２コンデンサの一方の電極が接続された第１補助端子と、前記第２コンデンサの他方の電極が接続された第２補助端子と、前記第１主端子および前記第１補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第１短絡バーと、前記第２主端子および前記第２補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第２短絡バーと、を含む。

本実施形態では、部分放電試験時に試験端子間のインピーダンスを高く設定することができる電力変換装置が実現される。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図２（ａ）は、電力変換装置に用いられるコンデンサの外観を例示する模式的な斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のコンデンサの等価回路の例である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する簡略化された回路図である。図４（ａ）は、部分放電試験の方法を模式的に例示するブロック図である。図４（ｂ）は、図２（ｂ）のコンデンサの部分放電試験時の等価回路の例である。図５（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置に用いられるコンデンサの外観の例を示す斜視図およびその等価回路である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のコンデンサの部分放電試験時の外観を示す斜視図およびその等価回路である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、交流回路１と直流回路２との間に接続される。電力変換装置１０は、端子（図示せず）を介して交流回路１に接続される。電力変換装置１０は、端子（図示せず）を介して直流回路２に接続される。交流回路１は、たとえば交流電源である。交流回路１は、交流電源を含む電力系統等であってもよい。交流回路１は、電動機等の交流負荷であってもよい。直流回路２は、たとえば直流電源である。直流回路２は、直流電源を含む直流系統等であってもよい。

電力変換装置１０は、交流回路１の交流電圧を直流電圧に変換して直流回路２に供給し、直流回路２の直流電圧を交流電圧に変換して交流回路１に供給する。電力変換装置１０は、交流−直流間で双方向にあるいは単一方向に電力変換する。

なお、本明細書では、上述のように交流−直流間の電力変換を行う電力変換装置について説明するが、直流−直流間の変換や交流−交流間の電力変換をする変換回路を有する電力変換装置にも同様に適用することができる。

電力変換装置１０は、主回路２０を備える。主回路２０は、スイッチング素子２２とコンデンサ３０とを含む。スイッチング素子２２は、供給された交流電圧または直流電圧を所望の時比率でスイッチングする。スイッチング素子２２は、たとえばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型の半導体素子である。スイッチング素子２２は、図示しない制御回路や駆動回路等によって駆動され、電力変換装置１０が供給する直流電圧や交流電圧等を制御する。

コンデンサ３０は、スイッチング素子２２によってスイッチングされた電圧を平滑し、あるいはスイッチング素子２２によってスイッチングする直流電圧を保持する。コンデンサ３０は、フィルムコンデンサやアルミ電解コンデンサ等である。コンデンサ３０の静電容量値は、電力変換装置１０の出力容量に応じて、設定されている。

図２（ａ）は、電力変換装置に用いられるコンデンサの外観を例示する模式的な斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のコンデンサの等価回路の例である。
図２（ａ）に示すように、コンデンサ３０は、ケース３１と、主コンデンサ端子（第１主端子、第２主端子）３２ａ，３２ｂと、試験用端子（第１補助端子、第２補助端子）３３ａ，３３ｂと、短絡バー３４，３５と、を含む。

ケース３１は、この例では、直方体状の形状を有する。ケースの形状は、直方体に限らず、円筒形状等任意の形状とすることができるが、以下では直方体形状のケース３１であるものとする。なお、ケース３１の材質には、特に限定はなく、導電性の材料でもよいし、樹脂等の絶縁性の材料でもよい。

ケース３１の１つの面に主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂおよび試験用端子３３ａ，３３ｂが設けられている。主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂは、たとえばコンデンサ３０の耐圧に応じて設定された沿面距離を確保できる距離だけ離れて設けられている。この例では、主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂは、ケース３１の方形の面を構成する１つの辺に近接し、その辺に沿って設けられている。

試験用端子３３ａ，３３ｂは、この例では、主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂが配置されている辺に対向する辺に近接し、その辺に沿って設けられている。また、試験用端子３３ａ，３３ｂは、主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂの離間距離とほぼ同じ距離だけ離れて設けられている。

短絡バー３４，３５は、長方形状の導電性（たとえば銅を含む合金）の板材である。短絡バー３４，３５は、ほぼ同一の形状を有する。

短絡バー３４は、主コンデンサ端子３２ａと試験用端子３３ａとを電気的に短絡するように設けられている。短絡バー３５は、主コンデンサ端子３２ｂと試験用端子３３ｂとを電気的に短絡するように設けられている。短絡バー３４，３５は、主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂおよび試験用端子３３ａ，３３ｂにたとえばねじ止め等により着脱可能とされている。

後に詳述するように、短絡バー３４，３５は、電力変換装置１０が通常運転時には、主コンデンサ端子３２ａと試験用端子３３ａとを短絡し、主コンデンサ端子３２ｂと試験用端子３３ｂとを短絡して用いられる。また、部分放電試験時には、短絡バー３４，３５の少なくとも一方は、主コンデンサ端子３２ａ（３２ｂ）または試験用端子３３ａ（３３ｂ）のうちの少なくとも一方から取り外される。

図２（ｂ）に示すように、コンデンサ３０は、複数の単位コンデンサ４０を含む。この例では、コンデンサ３０は、Ｎ個の単位コンデンサ４０を含んでいる。単位コンデンサ４０は、同一の静電容量値を有する。（Ｎ−１）個の単位コンデンサ４０は、ケース３１の内部で並列に接続されており、一方の電極が主コンデンサ端子３２ａに電気的に接続され、他方の電極が主コンデンサ端子３２ｂに電気的に接続されている。

残りの１個の単位コンデンサ４０は、ケース３１の内部では、他の（Ｎ−１）個の単位コンデンサ４０に電気的に接続されておらず、一方の電極が試験用端子３３ａに電気的に接続され、他方の電極が試験用端子３３ｂに電気的に接続されている。つまり、並列に接続された（Ｎ−１）個の単位コンデンサ４０と残りの１個の単位コンデンサ４０とは、ケース３１の外部で、短絡バー３４，３５によって電気的に接続される。したがって、コンデンサ３０の静電容量値は、単位コンデンサ４０の静電容量値×Ｎとなる。

上述では、すべての単位コンデンサ４０の静電容量値が等しいものとしたが、これに限るものではない。試験用端子間の静電容量値が主コンデンサ端子間の静電容量値に比べて十分小さければ、単位コンデンサの静電容量値は、一部または全部が異なる値であってもよい。また、試験用端子間に接続される単位コンデンサは１つに限らず、２つまたはそれ以上であってもよい。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する簡略化された回路図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、電力変換装置１０の主回路２０ａ，２０ｂ（２０）の例である。
図３（ａ）に示すように、主回路２０ａは、ハーフブリッジ形式の電力変換回路である。主回路２０ａでは、２つのスイッチング素子２２が直列に接続され、コンデンサ３０がスイッチング素子２２の直列回路に並列に接続されている。端子２１ｐ，２１ｎは、低電位側に接続されたスイッチング素子２２の両端にそれぞれ接続されている。主回路２０ａは、交流の相ごとに設けられて変換回路を構成する。あるいは主回路２０ａは、複数設けられ、端子２１ｐ，２１ｎによってカスケード接続されてもよい。

図３（ｂ）に示すように、主回路２０ｂは、フルブリッジ形式の電力変換回路である。主回路２０ｂは、２つのスイッチング素子２２の直列回路が並列に接続され、コンデンサ３０がさらに並列に接続されている。端子２１Ｐ，２１Ｎは、直列回路の接続ノードにそれぞれ接続されている。主回路２０ｂは、端子２１Ｐ，２１Ｎを介して、単相交流の入出力を行ってもよいし、交流の相ごとに主回路２０ｂを設けてもよい。また、端子２１Ｐ，２１Ｎによって、主回路２０ｂをカスケード接続してもよい。

主回路は、上述の回路形式に限らず、直流端にコンデンサ３０が接続される回路形式であれば、他の形式であってもよい。たとえば、主回路は、中性点クランプ回路等であってもよい。

電力変換装置１０の出力容量によっては、コンデンサ３０の静電容量は、大きな値を有する。そのような主回路を有する電力変換装置１０で部分放電試験を行う場合には、部分放電試験を行う端子間のインピーダンスがコンデンサ３０の静電容量値によって低下してしまい、正確な測定ができないおそれがある。

そこで、実施形態の電力変換装置１０では、主回路２０のコンデンサ３０の静電容量値を、通常の運転用と部分放電試験用との間で切り換える。
図４（ａ）は、部分放電試験の方法を模式的に例示するブロック図である。図４（ｂ）は、図２（ｂ）のコンデンサの部分放電試験時の等価回路の例である。

図４（ａ）に示すように、部分放電試験システム１００は、試験用電源１０１とコロナ測定器１０２と、カップリングコンデンサ１０３と、を含む。試験用電源１０１は、被試験対象装置１０５の部分放電試験用の端子に電気的に接続される。コロナ測定器１０２は、カップリングコンデンサ１０３を介して被試験対象装置１０５の部分放電試験用の端子に電気的に接続される。

被試験測定対象装置１０５は、この場合には、電力変換装置１０である。接続する端子は、要求試験項目に応じて任意に設定される。たとえば、交流回路１が接続される端子、直流回路２が接続される端子のすべての組合せについて部分放電試験が行われる。試験用電源１０１、コロナ測定器１０２およびカップリングコンデンサ１０３は、部分放電試験の要求仕様等に応じて適切な機器や装置等が選定される。たとえば、試験用電源１０１は、任意の周波数の交流電源であったり、直流電源であったり、交流電源と直流電源とを組み合わせたり、部分放電試験の要求仕様に応じて選定される。

部分放電試験を行う場合には、試験用電源１０１によって試験電圧を印加し、コロナ測定器１０２によって、コロナ放電が発生した際にカップリングコンデンサ１０３に流れる電流を検出する。コロナ測定器１０２は、検出された電流値によって、コロナ放電量を測定し、要求仕様に適合するか否かが判定される。

ここで、被試験対象装置１０５の測定端子間のインピーダンスが、カップリングコンデンサ１０３の静電容量値によるインピーダンスよりも小さい場合には、電流値が大きく検出されてしまい、正確なコロナ放電量を測定することができない。

図４（ｂ）に示すように、電力変換装置１０（被試験対象装置１０５）のコンデンサ３０は、部分放電試験を行う場合には、短絡バー３４，３５のうち少なくとも一方、好ましくは両方について、主コンデンサ端子３２ａ，３２ｂ、試験用端子３３ａ，３３ｂから取り外される。

ケース３１の内部で（Ｎ−１）個並列接続された単位コンデンサ４０は、残りの１個の単位コンデンサ４０と電気的に分離され、残り１個の単位コンデンサ４０が、試験用端子３３ａ，３３ｂを介して、主回路２０（図１、図３）に接続される。したがって、コンデンサ３０の静電容量値は、短絡バー３４，３５除去前の１／Ｎとなる。このときに被試験対象装置１０５の部分放電試験端子間のインピーダンスが、カップリングコンデンサ１０３の静電容量によるインピーダンスよりも十分大きい場合には、コロナ測定器１０２によって正確にコロナ放電量を測定することができ、適切な部分放電試験を行うことができる。

コロナ放電に対する耐量は電圧が印加される対象物の形状に左右されることが知られている。部分放電試験の規格によっては、同じ形状で異なる静電容量値を有するコンデンサを用意して、代替のコンデンサを部分放電試験用に使用することが認められている場合がある。

本実施形態の電力変換装置１０では、上述のようなコンデンサ３０を用いることによって、コンデンサ３０の外形や端子配置等を変えることなく、小さな静電容量値に切り換えることができる。そのため、部分放電試験用の端子間のインピーダンスをカップリングコンデンサ１０３の静電容量値によるインピーダンスよりも十分大きくすることができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、部分放電試験のために、同一形状で静電容量値の小さい部分放電試験用のコンデンサをあらかじめ準備したり、あらためて手配したりすることなく、短絡バー３４，３５の接続を変更するだけで部分放電試験を行うことができる。また、電力変換装置１０では、通常運転をする場合には、短絡バー３４，３５の接続を元に戻すことによって、十分な静電容量値を有するコンデンサ３０を備えた主回路２０とすることができる。

（第２の実施形態）
電力変換装置に用いるコンデンサは、上述のような単一のケースに収納された複数の単位コンデンサをケース外部の短絡バーの接続と非接続との選択によって切り替える場合に限らず、複数のコンデンサを用いてもよい。

図５（ａ）は、本実施形態の電力変換装置に用いられるコンデンサの外観の例を示す斜視図およびその等価回路である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のコンデンサの部分放電試験時の外観を示す斜視図およびその等価回路である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態の電力変換装置の主回路には、コンデンサ３３０が設けられ、コンデンサ３３０は、２つのコンデンサ１３０，２３０を含んでいる。２つのコンデンサ１３０，２３０は、並列に接続されている。

２つのコンデンサ１３０，２３０のケース１３１，２３１は、好ましくは同一寸法の直方体形状で、同一材料により形成されている。コンデンサ１３０，２３０は、向きをそろえて、それぞれの１つの面が対向するように並べられている。

コンデンサ１３０は、ケース１３１の対向面とは異なる面に端子１３２，１３３が設けられている。コンデンサ２３０は、ケース２３１の対向面とは異なる面であって、コンデンサ１３０の端子１３２，１３３が設けられている面に対応する面に、端子２３２，２３３が設けられている。

短絡バー３３４は、端子１３２，２３２を電気的に短絡するように設けられている。短絡バー３３５は、端子１３３，２３３を電気的に短絡するように設けられている。短絡バー３３４，３３５は、端子１３２，１３３，２３２，２３３と着脱可能に接続されている。

コンデンサ１３０の静電容量値は、コンデンサ２３０の静電容量値に比べて十分大きい。コンデンサ２３０の静電容量値は、部分放電試験時の部分放電試験用の端子間のインピーダンスが、部分放電試験システム１００（図４）のカップリングコンデンサ１０３によるインピーダンスに比べて十分大きくなるように設定されている。

電力変換装置が通常の運転をする場合には、コンデンサ１３０，２３０は、図５（ａ）のように、２つの短絡バー３３４，３３５で並列に接続されて用いられる。コンデンサ１３０，２３０は、並列に接続されているので、静電容量値は、これらの和となる。

図５（ｂ）に示すように、部分放電試験を行う場合には、短絡バー３３４，３３５のうち、少なくとも一方の短絡バー（この例では、短絡バー３３５）の接続がいずれかの端子から取り外されている。そのため、主回路２０からコンデンサ１３０の接続が切断される。そして、主回路２０に接続されるのは、コンデンサ２３０となる。したがって、主回路２０に接続されたコンデンサの静電容量値は、一方のコンデンサ１３０の静電容量値よりも十分小さく、カップリングコンデンサ１０３によるインピーダンスに比べて十分大きくなる。

コンデンサ１３０，２３０は、十分密着して配置されているので、一体のコンデンサ３３０とすることができ、別途部分放電試験用のコンデンサに交換して試験を実施し、試験終了後、主回路用のコンデンサに再度交換することなく、通常使用と部分放電試験用とを適宜切り替えて使用することができる。

以上説明した実施形態によれば、確実に過電流保護が可能な電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１交流回路、２直流回路、１０電力変換装置、２０，２０ａ，２０ｂ主回路、２２スイッチング素子、３０コンデンサ、３１ケース、３２ａ，３２ｂ主コンデンサ端子、３２ｂ，３３ｂ試験用端子、３４，３５短絡バー、４０単位コンデンサ、１００部分放電試験システム、１０１試験用電源、１０２コロナ測定器、１０３カップリングコンデンサ、１０５被試験対象装置、１３０，２３０，３３０コンデンサ、１３２，１３３，２３２，２３３端子、３３４，３３５短絡バー

Claims

出力しまたは入力する直流電圧を電力変換する電力変換装置であって、
前記直流電圧を印加するコンデンサを含む主回路を備え、
前記コンデンサは、
第１静電容量値を有する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの一方の電極が接続された第１主端子と、
前記第１コンデンサの他方の電極が接続された第２主端子と、
前記第１静電容量値よりも小さい第２静電容量値を有する第２コンデンサと、
前記第２コンデンサの一方の電極が接続された第１補助端子と、
前記第２コンデンサの他方の電極が接続された第２補助端子と、
前記第１主端子および前記第１補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第１短絡バーと、
前記第２主端子および前記第２補助端子間を電気的に接続し、着脱可能に設けられた第２短絡バーと、
を含む電力変換装置。
前記第１コンデンサ、前記第１主端子、前記第２主端子、前記第２コンデンサ、前記第１補助端子、および前記第２補助端子を含むケースをさらに備え、
前記第１コンデンサは、並列接続された複数の単位コンデンサを含み、
前記第１静電容量値は、前記複数の単位コンデンサの静電容量値の合成値である請求項１記載の電力変換装置。
前記複数の単位コンデンサのそれぞれの静電容量値は、前記第２静電容量値である請求項２記載の電力変換装置。
前記第１コンデンサ、前記第１主端子、および前記第２主端子を含む第１ケースと、
前記第２コンデンサ、前記第１補助端子、および前記第２補助端子を含む第２ケースと、
をさらに備えた請求項１記載の電力変換装置。
前記第１ケースは、
少なくとも１つの第１平面を含む直方体形状をなし、
前記第２ケースは、前記第１平面に対向して配置された第２平面を含む直方体形状をなす請求項４記載の電力変換装置。