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。
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。
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