JP2006254673A - High-voltage inverter device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a high voltage inverter device that obtains a high voltage output of several kV.
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。
In a high voltage inverter device which is a semiconductor application device, a high voltage transformer is used as an input. FIG. 11A is a connection diagram of a conventional transformer-coupled high-voltage inverter device. Between the
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。 Further, the high-voltage transformer has a primary side of, for example, 3 kV, 6 kV and a secondary side of a multi-phase such as 9-phase and 18-phase, and the low-pressure side of this multi-phase is connected to a semiconductor conversion unit. For example, in the case of 18 phases, six single-phase inverter cells are connected in series in the U phase. In such a high-voltage inverter device, effective insulation is important due to the large number of single-phase inverter cells and the sharing voltage, and the insulation method determines the size of the device. Insulation is not only a problem between structures but also between wires and between wires and structures.
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。
FIG. 12 is a connection diagram of a conventional high voltage inverter device for 3.3 kV output. The
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。
FIG. 14 is a connection diagram of a conventional high voltage inverter device for 3.3 kV output, and the
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。
FIG. 16 is a connection diagram of a conventional high voltage inverter device for 3.3 kV output, and the
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。
FIG. 18 is a connection diagram of a conventional high voltage inverter device for 3.3 kV output. The
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。
FIG. 20 shows a circuit configuration of a conventional three-level single-phase inverter cell, in which AC power from each
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。 Conventionally, as described above, AC variable speed devices are realized using various high-voltage inverter devices, but the structure of the board frame is made of sheet metal, and the high-voltage applied voltage circuit section and the ground are Insulation is mainly performed by insulators. The electric wire is not a CV cable but a single-core unshielded insulated electric wire.
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。
FIG. 22 is a connection diagram of a conventional high voltage inverter device of 3 kV output. A 3.3 kV, 50/60 Hz
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。
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。 In the above-described conventional high-voltage inverter device, the panel frame and the surrounding constituent members are formed of a steel plate material or a shape steel. Some of the constituent members use synthetic resin materials, but only a part of the members. In general, a high-pressure board is considered to have such a structure because it is insulated by an insulator and a space. However, a portion insulated by providing a distance by an insulator is a dead base, which is a concern for downsizing the apparatus. In addition, if there is a metal structure in such a space, it is necessary to insulate or provide an insulation distance, and the panel size tends to increase. In particular, regarding the electric wires, if the phases of the 6 kV class electric wires are different, the electric wires cannot be bundled, and it is necessary to insulate them from the ground potential. For example, as shown in FIG. 12 and FIG. 13, the high-voltage inverter device has many main circuit wires, and the wiring course becomes a problem. If there is a metal structure in the space, the wiring space becomes large.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a high-voltage inverter device that can provide a small and sufficient insulating structure.
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。
A high-voltage inverter device according to
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。
The high-voltage inverter device according to
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。 As described above, according to the first aspect of the present invention, each single-phase inverter cell is supported by an insulation support frame with an insulation distance, and is not insulated by an existing insulator or the like. Thus, the insulation distance can be easily determined, and the apparatus can be miniaturized. In addition, it is possible to support and fix the wiring from the input transformer to each single-phase inverter cell and the wiring between each single-phase inverter cell to the insulating support frame that supports each single-phase inverter cell with a latch band made of nylon, etc. A support mechanism for wiring is not required, and the size can be reduced. Further, since the optical cable is supported and fixed to the controller by the insulating support frame, it is possible to reduce the size and provide a distance for making the bending R required by the optical cable.
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。 Further, since each single-phase inverter cell is supported by the insulating support frame, each single-phase inverter cell itself may be an inexpensive metal jacket, and each single-phase inverter cell can be manufactured at low cost. In addition, the high-voltage inverter device is often operated at all times and needs to be restarted promptly when a failure occurs. However, since each single-phase inverter cell has a drawer structure, maintenance and replacement are easy. In addition, if each single-phase inverter cell is pulled out, a large space appears and maintenance inside the panel becomes easy, so the high-voltage inverter device can be installed along the wall surface, and can be a front service device. . Furthermore, wiring to each single-phase inverter cell and wiring between each single-phase inverter cell are performed on the front side in the panel and not between each single-phase inverter cell, so the necessary distance between wiring is also processed on the front side. Less space is required and miniaturization is possible.
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。 Further, since the single-phase inverter cells are grouped for each phase, the insulation distance can be easily determined.
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。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows the arrangement and wiring of each single-phase inverter cell of the high-voltage inverter device according to the best mode of the present invention, and FIG. 3 shows the circuit configuration. In the figure,
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。
Each single-phase inverter cell is arranged in the
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。 Each single-phase inverter cell is grouped for each phase of U, V, W, and each single-phase inverter cell is stored in two rows and nine stages, with a gap between phases every three stages, and a gap between rows is required. However, the voltage for providing a gap for every three stages is an interphase voltage, and the gap between columns is determined by the voltage shared by the single-phase inverter cell, so it may be 6 kV or less. Further, since the insulation is not performed with an existing insulator, the insulation distance can be easily determined by the voltage to be insulated.
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。
4A to 4E show a front view, a side view, a rear view, a plan view, and a plan view of the
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。
In addition, wind
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。
FIGS. 1A and 1B are a side view and a front view showing a state in which each single-phase inverter cell, wiring 32 and
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。
10A to 10D are a front view, a side view, a rear view, and a plan view of a single-phase inverter cell. 54 is an input terminal, 55 is an output terminal, 8 is a smoothing capacitor, 20 is a fuse, 57 is An
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。
In the above-described best embodiment, each single-phase inverter cell is supported by an
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。
Further, since each single-phase inverter cell is supported by the insulating
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。 Moreover, since the single-phase inverter cells are arranged in groups for each phase, the insulation distance can be easily determined.
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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
2. The high-voltage inverter device according to claim 1, wherein the single-phase inverter cells are arranged in groups for each phase.
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