JP2002354840A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ノイズによる誤動作防止を図り、信頼性、省ス
ペース性、経済性、組立性にも優れた電力変換装置を提
供する。 【解決手段】交流を直流に変換するコンバータと、この
コンバータの出力である直流を平滑する平滑コンデンサ
と、直流を交流に変換するインバータとからなる電力変
換装置において、平滑コンデンサのアース電位であるケ
ースを電力変換装置を構成する各電気部品及び構造用品
を収納する筐体から電気的に絶縁して搭載しているの
で、ＩＥＧＴ素子のスイッチング動作による平滑コンデ
ンサの浮遊容量を通して流れるアース電流により、他の
盤に搭載されているプリント基板への誤動作を回避可能
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＮＰＣ（Neutral Po
int Clamping) 電力変換装置のアース電流による誤動作
を防止した電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスイッチング素子としてＩＥＧＴ
(Injection Enhanced Transistor) 素子を用いた３レベ
ルのＮＰＣ電力変換装置を図８、図９及び図１０を参照
して説明する。

【０００３】図８の回路図に示すように、ＮＰＣ電力変
換装置の主回路は、直流電源１と、その直流電流のリッ
プル成分を平滑にする平滑コンデンサ２Ｐ及び平滑コン
デンサ２Ｎと、直流電源を交流に変換するＩＥＧＴ素子
３Ｓ等の半導体素子と他の電気品（半導体素子のスイッ
チング時のサージを吸収するコンデンサ、抵抗器等）で
構成したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗからなるインバタ３
と、負荷であるモータ４とから構成されている。

【０００４】図９は、図８の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎ
とインバータ３を搭載する筐体５の側面図であり、正面
側にはＩＥＧＴ素子を搭載したスタック３Ｕ、３Ｖ、３
Ｗを上から順番に搭載しており、その後方には複数個の
平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを搭載している。スタック３
Ｕ、３Ｖ、３Ｗ及び主回路導体等は図示しない負荷に接
続されている。平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎとスタック３
Ｕ、３Ｖ、３Ｗ間の接続は、スタック内のＩＥＧＴ素子
３Ｓのスイッチングサージを最小限に抑制すべき低イン
ダクタンス化のために、最短、最小ループ化を図って幅
広導体等で接続している。

【０００５】また、図１０に示すように平滑コンデンサ
２Ｐ，２Ｎ自身のインピーダンスも最小に抑えるため
に、電極端子２Ｔも複数本で構成されている。そして、
平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースは筐体５のフレーム
５Ａに取り付けられている。またケースの側面にはアー
ス電極２Ｅが設けられており、そのアース配線は、図９
に示すように、筐体５のフレームアースＥ１であるアー
ス母線５Ｅ１に接続されている。

【０００６】ＮＰＣ電力変換装置は、インバータ盤の他
にインバータ盤と同様に各種器具のアース接続のための
アース母線を備えたコンバータ盤、制御盤、複数面が列
盤されることになり、フレームアースＥ１は、アース母
線５Ｅ１で全て接続され、筐体５のアース電位として繋
っている。そのアース母線５Ｅ１には、コンバータ盤、
インバータ盤の制御及び駆動するプリント基板、上位の
コンピータシステムと伝送を行うプリント基板、他電気
品のアース線が接続されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、３レベルの
動作モードにおいて、ＩＥＧＴ素子３Ｓは所定の周波数
で負荷であるモータ４を駆動及び制御する。平滑コンデ
ンサ２Ｐ，２Ｎは、コンデンサ内部の素子とコンデンサ
ケース間に浮遊容量が存在し、その浮遊容量を通してア
ース電流として筐体アース母線５Ｅ１に流れる。

【０００８】一方、上記スイッチング周波数が高くなる
に従って、その漏れ電流は増加する。例えば、５００Ｈ
ｚ程度のスイッチング周波数では正負の片側の平滑コン
デンサでも数アンペアピークのアース電流が筐体アース
母線５Ｅ１に流れる。

【０００９】このように大きな電流が筐体に流れると、
列盤されている他の盤に対してノイズ源にもなる。特
に、ＩＥＧＴ素子を駆動及び制御する制御盤には、多く
のプリント基板が搭載されており、インバータのスイッ
チング動作により、平滑コンデンサからアース電流が、
筐体アース母線を通して制御基板に侵入して誤動作の原
因にもなることが少なくない。

【００１０】このような制御盤の誤動作を回避する方法
としては、ノイズフィルターの追加、信号回路ヘのフェ
ライトコアの追加等を余儀なくされるケースがしばしば
である。特に、納入後の環境条件でもその事象が大きく
異なる場合が多く、対策に莫大な時間と費用が掛かるこ
ともある。また、システムの操業に多大な影響を与える
ことにもなる。

【００１１】本発明は上記状況に対処するためになされ
たもので、その課題は、ノイズによる誤動作防止を図
り、信頼性、省スペース性、経済性、組立性にも優れた
電力変換装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、交流を直流に変換するコン
バータと、このコンバータの出力である直流を平滑する
平滑コンデンサと、前記直流を交流に変換するインバー
タとからなる電力変換装置において、前記平滑コンデン
サのアース電位であるケースを電力変換装置を構成する
各電気部品及び構造用品を収納する筐体から電気的に絶
縁して搭載したことを特徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電
力変換装置において、平滑コンデンサのケースアースを
ＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデ
ンサの中間電位である中性点からヒューズを介しての接
地点に接続したことを特徴とする。

【００１４】請求項１及び請求項２記載の発明による
と、ＩＥＧＴ素子のスイッチング動作による平滑コンデ
ンサの浮遊容量を通して流れるアース電流により、他の
盤に搭載されているプリント基板への影響、つまり誤動
作を回避可能になる。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または請
求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを
電気的に絶縁された絶縁体に搭載し、前記平滑コンデン
サの取り付け脚を貫通する取り付けボルトの軸を鋼鉄製
にし、その外表面をエポキシコーチィングまたはＦＲＰ
等の絶縁被膜で覆ったことを特徴とする。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１または請
求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを
筐体アース電位から浮かして取り付ける絶縁体に導電性
の材料を備え、複数個の平滑コンデンサのケースアース
が、前記絶縁ベースに取り付けることにより、ＮＰＣ電
力変換装置のアース電位に接続されたことを特徴とす
る。請求項３及び請求項４記載の発明によると、平滑コ
ンデンサのケース電位は、完全に筐体のアース電位から
絶縁される。

【００１７】請求項５記載の発明は、請求項１、請求項
３及び請求項４のいずれかに記載の電力変換装置におい
て、平滑コンデンサのケースアースをＮＰＣの主回路の
正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位で
ある中性点に接続し、電気的に固定したことを特徴とす
る。

【００１８】請求項５によると、平滑コンデンサのケー
ス自身の電位が、直流電源の中間電位に固定されること
になり、平滑コンデンサケースの電位が浮くことなく安
定する。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項５記載の電
力変換装置において、平滑コンデンサの２極端子のう
ち、一方を正極端子または負極端子とし、他方を中間電
位電極とし、前記中間電位電極はケース自身で構成し、
ＮＰＣ主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデン
サの中間電位である中性点ブスバーに直接取り付けるこ
とによりＮＰＣ電力変換装置の中間電位に電気的に固定
して接続したことを特徴とする。請求項６によると、平
滑コンデンサのケース自身の電位が直流電源の中間電位
に固定されることになり、平滑コンデンサケースの電位
が浮くことなく安定する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。本実施形態の電力変換装置は図８の
従来例と同じ主回路構成である。すなわち、ＮＰＣ電力
変換装置の主回路は、直流電源１と、その直流電流のリ
ップル成分を平滑にする平滑コンデンサ２Ｐ，平滑コン
デンサ２Ｎと、その平滑された直流を交流に変換するＩ
ＥＧＴ素子３Ｓ等の半導体素子と他の電気品（半導体素
子のスイッチング時のサージを吸収するコンデンサ、抵
抗器等）で構成したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗからなる
インバタ３と、負荷であるモータ４とから構成されてい
る。

【００２１】図１は本発明の第１実施形態（請求項１及
び請求項２対応）であるＩＥＧＴ素子を用いた３レベル
のＮＰＣ電力変換装置の直流電源１とインバタ３の間に
配置される平滑コンデンサの回路図である。

【００２２】図において、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの
一端は直流電源に接続されており、平滑コンデンサ２
Ｐ，２Ｎの他端は、平滑コンデンサ２Ｐと２Ｎの中間電
位である中性点Ｃから抵抗６Ａ，６Ｂ及びヒューズ７を
介してフレームアースＥ２に接続されている。また、平
滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースの側面にはアース電極
２Ｅが設けられており、そのアース電極２Ｅを相互に接
続してからフレームアースＥ２に接続される構造となっ
ている。

【００２３】図２は、図１の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎ
のインバータ３を搭載する盤の側面図であり、正面側に
はＩＥＧＴ素子３Ｓを搭載したスタック３Ｕ、３Ｖ、３
Ｗを上から順番に搭載しており、その後方には平滑コン
デンサ２Ｐ，２Ｎを搭載している。

【００２４】平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎとスタック３
Ｕ、３Ｖ、３Ｗ間の接続は、スタック内のＩＥＧＴ素子
３Ｓのスイッチングサージを最小限に抑制すべき低イン
ダクタンス化のために、最短、最小ループ化を図って幅
広導体等で接続している。また、平滑コンデンサ２Ｐ，
２Ｎ自身のインダクタンスも最小に抑えるために、複数
本の電極端子で構成されている。そして、平滑コンデン
サ２Ｐ，２Ｎのケースにはアース電極２Ｅが設けられて
おり、そのアース配線は、図２に示すように筐体５のフ
レームアースＥ２が接続されているアース母線５Ｅ２に
接続されている。

【００２５】また、ＮＰＣ電力変換装置は、インバータ
盤の他にインバータ盤と同様に各種器具のアース接続の
ためのアース母線を備えたコンバータ盤、制御盤、複数
面が列盤されることから、筐体フレームアースＥ１はア
ース母線５Ｅ１で全て接続されている。従ってアース母
線５Ｅ２とは別の系統のアース極となり、電位的には繋
っていない。

【００２６】このように平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのア
ース電極２Ｅは、図２に示すように、筐体５の下部に設
けたアースＥ２のアース母線５Ｅ２に接続されている。
したがって、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのアース電位
は、完全に筐体のアース電位Ｅ１から絶縁されることに
なる。

【００２７】本実施形態は上記のように構成されている
ので、ＩＥＧＴ素子３Ｓのスイッチング動作による平滑
コンデンサ２Ｐ，２Ｎの浮遊容量を通して流れるアース
電流により、他の盤に搭載されているプリント基板への
影響、つまり誤動作を回避可能になる。

【００２８】図３は本発明の第２実施形態（請求項３及
び請求項４対応）の側面図であり、図４は図３のＸ部分
の拡大図である。図３に示すように、本実施形態では、
筐体５のフレーム５Ａに電気的絶縁物８を載せ、その上
に平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを収納しているケースを載
せている。この平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付は、図
４に示すように、平滑コンデンサ取付脚部２Ｂを鉄鋼製
のボルト９の外表面をエポキシコーチィングまたはＦＲ
Ｐ等の絶縁被膜９Ａで覆った絶縁ボルト９、絶縁ワッシ
ャー９Ｂでフレーム５Ａに締付け固定されている。

【００２９】図５は本発明の第３実施形態（請求項４対
応）の側面図である。図に示すように、本実施形態で
は、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付脚部２Ｂ底辺の塗
装をなくし、その平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを載せる絶
縁体１０は、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付脚部２Ｂ
に接触する面に導電性の材料１０Ａを塗布し、段毎に電
線１１またはブスバー等で筐体５の下部に設けたアース
電位Ｅ２としてのアース母線５Ｅ２に接続されている。
つまり、複数個の平滑コンデンサのケースアースが絶縁
体１０に取り付けられることにより、アース電位Ｅ２に
接地される。なお、絶縁体１０と平滑コンデンサ取付脚
部２Ｂ間に塗布した導電性の塗料の代わりに導電性材料
の鋼材、銅、アルミニゥームを用いても良い。本実施形
態は、上記のように構成されているので、平滑コンデン
サ２Ｐ，２Ｎのケース電位は、完全に筐体のアース電位
Ｅ１から絶縁されることになる。

【００３０】図６は本発明の第４実施形態（請求項５対
応）の回路図である。図に示すように、本実施形態で
は、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースアース２ＥをＮ
ＰＣの主回路の平滑コンデンサ２Ｐと平滑コンデンサ２
Ｎの中間電位である中性点Ｃに接続されており、さらに
抵抗６Ａ、６Ｂ及びフューズ７を介してフレームアース
Ｅ２に接続されている。この取付方法は図２の第１実施
形態と同様である。

【００３１】本実施形態は、上記のように構成されてい
るので、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケース自身の電位
が、直流電源の中間電位に固定されることになり、平滑
コンデンサケースの電位が浮くことなく安定する。

【００３２】図７は本発明の第５実施形態（請求項６対
応）の側面図である。図に示すように、本実施形態で
は、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの２極端子の内、一方の
電極端子２Ｔは正極端子または負極端子とし、他方は中
間電位電極とし、中間電位電極は、ケース自身をそのア
ース電極２Ｅにして、ＮＰＣ主回路の正極平滑コンデン
サと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点ブスバ
ーＣ１に直接取り付けることにより、ＮＰＣ電力変換装
置の中間電位に電気的に固定されることになる。また、
中性点ブスバーＣ１は絶縁ボルト９で碍子１２に支持さ
れるように取り付けられている。

【００３３】本実施形態は、上記のように構成されてい
るので、平滑コンデンサのケース自身の電位が、直流電
源の中間電位に固定されることになり、平滑コンデンサ
ケースの電位が浮くことなく安定する。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平滑コンデンサのアース電流を筐体と分離し、電流の流
れるルートを変えることにより、平滑コンデンサを搭載
した変換器盤と列盤になっている他の盤、特にＩＥＧＴ
素子を駆動、制御する制御盤の制御基板へのアース電流
の影響をなくすことが可能となる。また、ノイズフィル
ター、信号回路へのフェライトコア等のノイズ防止策電
気用品の削除が可能になるので、ノイズ誤動作防止の信
頼性、省スペース性、経済性、組立性に優れ、また部品
点数も少ない低価格で高信頼性の電力変換装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である３レベルＮＰＣ電
力変換装置の平滑コンデンサの接地回路図。

【図２】図１の電力変換装置の各種用品を搭載する導体
の側面図。

【図３】本発明の第２実施形態の側面図。

【図４】図３のＸ部分の拡大図。

【図５】本発明の第３実施形態の側面図。

【図６】本発明の第４実施形態の回路図。

【図７】本発明の第５実施形態の平滑コンデンサ実装の
側面図。

【図８】従来のＮＰＣ電力変換装置主回路と平滑コンデ
ンサの接地回路図。

【図９】従来の電力変換装置の各種用品を搭載する導体
の側面図。

【図１０】従来の電力変換装置の平滑コンデンサ実装の
側面図。

【符号の説明】

１…直流電源、２Ｂ…平滑コンデンサの取付脚、２Ｅ…
アース電極、２Ｎ，２Ｐ…平滑コンデンサ，２Ｔ…電極
端子，３…インバータ、３Ｓ…ＩＥＧＴ、３Ｕ，３Ｖ，
３Ｗ…スタック、４…モータ、５…筐体、５Ａ…フレー
ム、５Ｅ１，５Ｅ２…アース母線、６Ａ，６Ｂ…抵抗、
７…ヒューズ、８…絶縁体、９…絶縁ボルト、９Ａ…絶
縁被覆、９Ｂ…絶縁ワッシャー、１０…絶縁体、１１…
アース線、１２…碍子、Ｅ１…アレームアース、Ｅ２…
アース電位。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流を直流に変換するコンバータと、こ
   のコンバータの出力である直流を平滑する平滑コンデン
   サと、前記直流を交流に変換するインバータとからなる
   電力変換装置において、前記平滑コンデンサのアース電
   位であるケースを電力変換装置を構成する各電気部品及
   び構造用品を収納する筐体から電気的に絶縁して搭載し
   たことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電力変換装置において、
   平滑コンデンサのケースアースをＮＰＣの主回路の正極
   平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である
   中性点からヒューズを介して接地点に接続したことを特
   徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の電力変換
   装置において、平滑コンデンサを電気的に絶縁された絶
   縁体に搭載し、前記平滑コンデンサの取り付け脚を貫通
   する取り付けボルトの軸を鋼鉄製にし、その外表面をエ
   ポキシコーチィングまたはＦＲＰ等の絶縁被膜で覆った
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２記載の電力変換
   装置において、平滑コンデンサを筐体アース電位から浮
   かして取り付ける絶縁体に導電性の材料を備え、複数個
   の平滑コンデンサのケースアースが、前記絶縁ベースに
   取り付けることにより、ＮＰＣ電力変換装置のアース電
   位に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
5. 【請求項５】 請求項１、請求項３及び請求項４のいず
   れかに記載の電力変換装置において、平滑コンデンサの
   ケースアースをＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと
   負極平滑コンデンサの中間電位である中性点に接続し、
   電気的に固定したことを特徴とする電力変換装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の電力変換装置において、
   平滑コンデンサの２極端子のうち、一方を正極または負
   極端子とし、他方を中間電位電極とし、前記中間電位電
   極はケース自身で構成し、ＮＰＣ主回路の正極平滑コン
   デンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点ブ
   スバーに直接取り付けることによりＮＰＣ電力変換装置
   の中間電位に電気的に固定、接続したことを特徴とする
   電力変換装置。