JP4581761B2

JP4581761B2 - 高圧インバータ装置

Info

Publication number: JP4581761B2
Application number: JP2005071583A
Authority: JP
Inventors: 秀明志津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP2006254673A

Description

この発明は、数ｋＶの高電圧出力を得る高圧インバータ装置に関するものである。

半導体応用装置である高圧インバータ装置では、入力に高圧トランスを用いる。図１１（ａ）は従来のトランス結合方式の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１と交流電動機２との間に正弦波入力ＰＷＭコンバータからなるコンバータ部３と電圧形ＰＷＭインバータからなるインバータ部４とを備えた高圧インバータ装置を設けており、コンバータ部３は入力トランス５、入力フィルタ６、順変換部７及び平滑コンデンサ８とから構成され、インバータ部４は逆変換部９、出力フィルタ１０及び出力トランス１１から構成されている。順変換部７及び逆変換部９は図１１（ｂ）に示すように同一の構成となっており、自己消弧形半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｔ１〜Ｔ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とを逆並列に接続したブリッジ回路により構成されている。

又、高圧トランスは一次側が例えば３ｋＶ，６ｋＶで二次側が９相、１８相などの多相となり、この多相の低圧側が半導体の変換部に接続されている。半導体の変換部は多相分あり、例えば１８相の場合にはＵ相は６台の単相インバータセルが直列に接続される。このような高圧インバータ装置は単相インバータセルの数が多く、またその分担電圧が異なることなどにより効果的な絶縁が重要となり、その絶縁方法が装置の大きさを左右する。なお、絶縁は単に構造物間のみならず、電線間、電線と構造物間についても問題となる。

図１２は従来の３．３ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１２を介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各単相インバータセルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２に接続され、各相の単相インバータセルはそれぞれ直列接続して多重構成され、交流電動機２に接続される。各単相インバータセルは、順変換部と平滑コンデンサと逆変換部とから構成され、各単相インバータセルで使用される半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴは耐圧１．４ｋＶ用のものが使用される。図１３は従来の６．６ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、入力トランス１３，１４は２分割し、交流電源１はこの入力トランス１３，１４を介して各相の単相インバータセルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４に接続され、各相の単相インバータセルは直列接続されて交流電動機２に接続される。ＩＧＢＴには１．４ｋＶ耐圧用のものが用いられる。

図１４は従来の３．３ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１２を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４に接続され、各相の単相インバータセルは直列接続されて交流電動機２に接続される。図１５は従来の６．６ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１３，１４を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ８，Ｖ１〜Ｖ８，Ｗ１〜Ｗ８に接続され、これらは各相毎に直列接続され、交流電動機２に接続される。図１４，図１５ではＩＧＢＴは１．２ｋＶ耐圧用である。

図１６は従来の３．３ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１５を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。図１７は従来の６．６ｋＶ出力用高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１６，１７を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ６，Ｖ１〜Ｖ６，Ｗ１〜Ｗ６に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。図１６，図１７ではＩＧＢＴは１．７ｋＶ耐圧用のものが用いられる。

図１８は従来の３．３ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１８を介して各単相インバータセルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。図１９は従来の６．６ｋＶ出力用の高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス１９を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。図１８及び図１９では、ＩＧＢＴは３．３ｋＶ耐圧用のものを用いる。

図２０は従来の３レベルの単相インバータセルの回路構成を示し、各交流電源１からの交流電力をヒューズ２０を介して順変換部２１により直流に変換し、コンデンサ２２により平滑後、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）とダイオードからなる３レベル逆変換部２３で得られた交流出力を交流電動機２に供給する。又、図２１は従来の２レベルの単相インバータセルの回路構成を示し、順変換部２１と、コンデンサ２２と、２レベル逆変換部２４により同様に構成されている。

従来では、上記のように、種々の高圧インバータ装置を用いて交流可変速装置を実現しているが、その盤枠の構造物を板金で制作しており、高圧印加電圧回路部と対地間の絶縁は主に碍子によって行なっている。又、電線はＣＶケーブルではなく、単芯無遮蔽絶縁電線を用いている。

図２２は従来の３ｋＶ出力の高圧インバータ装置の接続図であり、３．３ｋＶ、５０／６０Ｈｚの交流電源１は入力サージフィルタ２５及び入力トランス１５を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。２６は２００／２２０Ｖ，５０／６０Ｈｚの電源に接続され、各単相インバータセルの半導体スイッチング素子を制御するコントローラであり、モニタパネル２７に接続される。２８は電流検出器、２９は出力サージフィルタである。又、Ｒは中性点を接地電位から浮かすための抵抗である。図２３は従来の６ｋＶ出力の高圧インバータ装置の接続図であり、６．６ｋＶ、５０／６０Ｈｚの交流電源１は入力サージフィルタ２５及び入力トランス１６，１７を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ６，Ｖ１〜Ｖ６，Ｗ１〜Ｗ６に接続され、それぞれ直列接続されて交流電動機２に接続される。

又、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。
特開平１１−１２２９４３号公報特開２０００−５０６３６号公報

上記した従来の高圧インバータ装置においては、盤枠及びその周辺の構成部材が鋼板材または形鋼により形成されている。構成部材に合成樹脂材を用いたものもあるが、部材の一部でしかない。一般に、高圧盤というと、碍子と空間により絶縁を行なっているので、このような構造になっていると考えられる。しかし、碍子により距離を持たせて絶縁した部分はデッドベースとなっており、装置の小型化に対しては懸案事項となっている。又、このような空間に金属構造物があれば、絶縁したり、絶縁距離を設けたりする必要が生じ、盤寸法が大きくなる傾向となる。特に、電線に関しては、６ｋＶクラスの電線では位相が異なると、電線同士を束にすることができず、アース電位から絶縁することが必要になる。高圧インバータ装置は、例えば図１２、図１３に示すように主回路電線が多く、配線コースが問題になり、空間に金属構造物があると、配線スペースが大きくなる。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、小形で十分な絶縁構造が得られる高圧インバータ装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る高圧インバータ装置は、順変換部及び逆変換部を有する単相インバータセルを複数直列に接続し、各単相インバータセルの順変換部に入力トランスを介してそれぞれ交流電力を入力され、かつ盤内に収納された高圧インバータ装置において、各単相インバータセルを盤内に設けた絶縁支持枠により絶縁距離を取って引き出し自在に支持し、入力トランスから各単相インバータセルへの配線及び各単相インバータセル間の配線を盤内の前面側で行うとともに、これらの配線を絶縁支持枠で支持固定し、かつ各単相インバータセルを構成する半導体スイッチング素子を制御するコントローラへの信号線である光ケーブルを絶縁支持枠により支持固定するようにしたものである。

請求項２に係る高圧インバータ装置は、各単相インバータセルを各相毎にグループ分けして配置したものである。

以上のようにこの発明の請求項１によれば、各単相インバータセルを絶縁支持枠により絶縁距離を取って支持しており、既成の碍子等により絶縁するのではないので、絶縁電圧に対応して容易に絶縁距離を決定することができ、装置を小形化することができる。又、各単相インバータセルを支持する絶縁支持枠に入力トランスから各単相インバータセルへの配線及び各単相インバータセル間の配線をナイロン製のラッチバンド等により支持固定することができるので、配線のための支持機構が不要となり、小形化が可能となる。また、コントローラへの光ケーブルの支持固定も絶縁支持枠により行なうので、これによっても小形化が可能であるとともに、光ケーブルが必要とする曲げＲを作るための距離を持たせることができる。

又、各単相インバータセルを絶縁支持枠により支持したので、各単相インバータセル自身は安価な金属外被でよく、各単相インバータセルを安価に製作することができる。また、高圧インバータ装置は常時運転されることが多く、不具合発生時には速やかに再運転する必要があるが、各単相インバータセルは引き出し構造になっているので、メンテナンスや交換が容易である。また、各単相インバータセルを引き出せば、大きな空間が出現し、盤内のメンテナンスも容易となるので、高圧インバータ装置を壁面に沿わせて設置することができ、フロントサービス装置とすることができる。さらに、各単相インバータセルへの配線及び各単相インバータセル間の配線を盤内の前面側で行ない、各単相インバータセル間では行なわないので、配線間の必要距離も前面側で処理され、不要な空間は少なく、小形化が可能となる。

また、各単相インバータセルを各相毎にグループ分けしたので、絶縁距離の決定が容易となる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図２はこの発明の実施最良形態による高圧インバータ装置の各単相インバータセルの配置と配線を示し、図３は回路構成を示す。図において、１６，１７は交流電源１に接続された入力トランスであり、電源の降圧と絶縁の作用をする。配線３２は単芯無遮蔽絶縁電線を用い、配線３２間には絶縁距離を持たせ、配線３２の長さはなるべく短くなるようにする。配線３２の保持は絶縁物により行なう。入力トランス１６，１７の二次側には計１８台のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の単相インバータセルＵ１〜Ｕ６，Ｖ１〜Ｖ６，Ｗ１〜Ｗ６を接続し、これらは各相毎に直列に接続し、交流電動機２に接続する。単相インバータセルは、順変換部と、平滑コンデンサと、逆変換部とから構成され、入力トランス１６，１７を介して入力された三相の電力は順変換部により全波整流され、平滑コンデンサにより平滑された後、単相の逆変換部により単相交流に変換され、これらは各相毎に直列に接続され、交流電動機２に供給される。

各単相インバータセルは盤枠３０内に配置し、中性点を接地電位から浮かすための抵抗Ｒも盤枠３０内に設置する。各単相インバータセルを構成する半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を制御するコントローラ２６も盤枠３０内に設置し、コントローラ２６と各半導体スイッチング素子及び外部との信号線接続は光ケーブル３１により行なう。入力トランス１６，１７は盤枠３０の横に並べられたトランス盤枠内に設置され、盤枠３０の下部にはベース部３３が設けられる。

各単相インバータセルはＵ，Ｖ，Ｗの各相毎にグループ分けし、各単相インバータセルの収納場所は２列９段で３段毎に相間のギャップを持たせ、列間においてもギャップが必要である。しかし、３段毎のギャップを設けるための電圧は相間電圧であり、また列間のギャップは単相インバータセルが分担する電圧によって決まるので、６ｋＶ以下でよい。又、既成の碍子などで絶縁する訳ではないので、絶縁する電圧によって容易に絶縁距離を決定することができる。

図４（ａ）〜(ｅ）は各単相インバータセル等を絶縁支持する絶縁支持枠３４の正面図、側面図、背面図、平面図及びベース部３３の平面図を示し、絶縁支持枠３４は絶縁材料により構成されている。盤枠３０内には絶縁枠３５〜３８が立設され、絶縁枠３５〜３８の前面には４本の断面コ字状の横枠３９〜４２が補強のために上下方向に取り付けられる。図５（ａ）〜（ｄ）は絶縁枠３５の正面図、左側面図、右側面図及び平面図であり、絶縁枠３５はＬ形断面の縦枠３５ａ，３５ｂにＬ形断面の棚材３５ｃを取り付けて構成され、同様に図６〜図８には絶縁枠３６〜３８を示し、これらの絶縁枠３６〜３８も縦枠３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂと棚材３６ｃ，３７ｃ，３８ｃにより構成され、各単相インバータセルは各絶縁枠３５〜３８に棚材３５ｃ〜３８ｃをガイドとして引き出し自在に挿入され、保守点検を容易にする。又、各単相インバータセルと入力トランス１６，１７間及び各単相インバータセル間の配線３２も絶縁枠３５〜３８に支持固定される。また、図８に示すように、各横材３９〜４２の前面には上下方向の絶縁棒４６が取り付けられ、絶縁棒４６を芯材として複数本の光ケーブル３１が例えばナイロン製のラッチバンド４７により束ねられて支持される。

又、盤枠３０の後部側には風洞絶縁枠４４，４５が設けられ、その後部に風洞４８が形成される。又、絶縁枠３８の右側には絶縁枠４９が設けられ、絶縁枠４９の右側には制御機器及び入出力部のスペース５０が形成され、また盤枠３０の上部にはファンダクト５１が形成される。

図１（ａ），（ｂ）は絶縁枠３５〜３８及び横枠３９〜４２に各単相インバータセル、配線３２及び光ケーブル３１を支持固定した状態を示す側面図及び正面図であり、盤枠３０に隣接してトランス盤４３を列盤構成としており、トランス盤４３に収納された入力トランス１６，１７から各単相インバータセルへの配線３２は盤枠３０に設けた孔を通過させて行なわれ、各単相インバータセルへの配線３２及び各単相インバータセル間の配線３２は各単相インバータセルの前面側で行なう。５２は盤枠３０の上部に支持部５３を介して設けられたファンモータである。

図１０（ａ）〜（ｄ）は単相インバータセルの正面図、側面図、背面図及び平面図を示し、５４は入力端子、５５は出力端子、８は平滑コンデンサ、２０はヒューズ、５７は光ケーブルコネクタ、５８は通電開始時のサージ吸収時にオンするマグネットスイッチ、５９は通電開始時のサージ吸収時に作用する抵抗である。

上記した実施最良形態においては、各単相インバータセルを絶縁枠３５〜３８により絶縁距離を取って支持しており、既成の碍子等により絶縁するのではないので、絶縁電圧に対応して容易に絶縁距離を決定することができ、装置を小形化することができる。又、各単相インバータセルを支持する絶縁枠３５〜３８に入力トランス１６，１７から各単相インバータセルへの配線３２及び各単相インバータセル間の配線３２をナイロン製のラッチバンド等により支持固定することができるので、配線３２のための支持機構が不要となり、小形化が可能となる。また、横枠３９〜４２は絶縁枠３５〜３８の補強となるとともに、コントローラ２６への光ケーブル３１の支持固定も行なうので、これによっても小形化が可能であるとともに、光ケーブル３１が必要とする曲げＲを作るための距離を持たせることができる。

又、各単相インバータセルを絶縁枠３５〜３８により支持したので、各単相インバータセル自身は安価な金属外被でよく、各単相インバータセルを安価に製作することができる。また、高圧インバータ装置は常時運転されることが多く、不具合発生時には速やかに再運転する必要があるが、各単相インバータセルは引き出し構造になっているので、メンテナンスや交換が容易である。また、各単相インバータセルを引き出せば、大きな空間が出現し、盤内のメンテナンスも容易となるので、高圧インバータ装置を壁面に沿わせて設置することができ、フロントサービス装置とすることができる。さらに、各単相インバータセルへの配線３２及び各単相インバータセル間の配線３２を盤内の前面側で行ない、各単相インバータセル間では行なわないので、配線３２間の必要距離も前面側で処理され、不要な空間は少なく、小形化が可能となる。

また、各単相インバータセルを各相毎にグループ分けして配置したので、絶縁距離の決定が容易となる。

この発明の実施最良形態による高圧インバータ装置において絶縁枠等に各単相インバータセル等を支持固定した状態を示す側面図及び正面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の各単相インバータセルの配置と配線を示す図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の回路構成図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の絶縁支持枠等の正面図、側面図、背面図、平面図及びベース部の平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の絶縁枠の正面図、側面図及び平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の絶縁枠の正面図、側面図及び平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の絶縁枠の正面図、側面図及び平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の絶縁枠の正面図、側面図及び平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の横枠に光ケーブルを取り付けた状態の平面図である。実施最良形態による高圧インバータ装置の単相インバータセルの正面図、側面図、背面図及び平面図である。従来のトランス結合方式の高圧インバータ装置の接続図及びその順変換部及び逆変換部の回路構成図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の３レベルのインバータセルの回路構成図である。従来の高圧インバータ装置の２レベルのインバータセルの回路構成図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。

符号の説明

１…交流電源
２…交流電動機
１６，１７…入力トランス
２６…コントローラ
３０…盤枠
３１…光ケーブル
３２…配線
３４…絶縁支持枠
３５〜３８…絶縁枠
３９〜４２…横枠
Ｕ１〜Ｕ８，Ｖ１〜Ｖ６，Ｗ１〜Ｗ６…単相インバータセル

Claims

順変換部及び逆変換部を有する単相インバータセルを複数直列に接続し、各単相インバータセルの順変換部に入力トランスを介してそれぞれ交流電力を入力され、かつ盤内に収納された高圧インバータ装置において、各単相インバータセルを盤内に設けた絶縁支持枠により絶縁距離を取って引き出し自在に支持し、入力トランスから各単相インバータセルへの配線及び各単相インバータセル間の配線を盤内の前面側で行うとともに、これらの配線を絶縁支持枠で支持固定し、かつ各単相インバータセルを構成する半導体スイッチング素子を制御するコントローラへの信号線である光ケーブルを絶縁支持枠により支持固定するようにしたことを特徴とする高圧インバータ装置。
各単相インバータセルを各相毎にグループ分けして配置したことを特徴とする請求項１記載の高圧インバータ装置。