JP2012060025A

JP2012060025A - 乾式コンデンサ及び電力変換装置

Info

Publication number: JP2012060025A
Application number: JP2010203493A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Miura; 和敏三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】安全性に優れた乾式コンデンサ及び電力変換装置を提供する。
【解決手段】乾式コンデンサは、それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子１１と、複数のコンデンサ素子の上記一端面側を覆ったモールド材１５と、上記モールド材に対して上記複数のコンデンサ素子の反対側で、上記モールド材に隣接し、地絡される導体ＤＴ１と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、乾式コンデンサ及び電力変換装置に関する。

一般に、鉄道車両には、電動機電力を供給する電力変換装置が搭載され、この電力変換装置は接地されている。電力変換装置は、通常、鉄道車両の床下に設置され、鉄道架線から電力が供給される。電力変換装置は、変圧器、コンデンサ及び電力変換回路を備えている。電力変換回路は、複数個の半導体モジュールで形成されたインバータ回路を有している。

コンデンサは、フィルタコンデンサであり、鉄道架線から変圧器等を介して入力される直流電力を平滑化し、平滑化した直流電力をインバータ回路に与える。インバータ回路は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動機に供給する。

特開平８−３１６９０号公報

近年、上記電力変換装置の小形・軽量化が進み、特に軽量化のために、上記コンデンサには、従来使用したオイル（油入式）コンデンサに替えた乾式コンデンサの適用が目覚しい。乾式コンデンサを構成する各コンデンサ素子の誘電体には、保安機構として自己回復機能を持たせている。このような乾式コンデンサは、一般にＳＨ（Self-Healing）コンデンサと呼ばれている。上記コンデン素子は、（１）ヒーリング動作、（２）ヒューズパターン動作するように構成されている。上記（１）、（２）の動作は次に示す通りである。

（１）ヒーリング動作：誘電体が何らかの原因で絶縁破壊すると、その部分の電極が瞬時に蒸発気化し、コンデンサ素子の機能を回復させる。

（２）ヒューズパターン動作：上記（１）において、自己回復機能を超えた誘電体破壊が生じたとき、絶縁破壊時の発生する過電流により、小区分単位にヒューズパターンにより、コンデンサ素子の故障部分が回路から切り離される。

ところで、誘電体の絶縁破壊箇所の面積が大きい場合、バックパワーにより供給される電気エネルギが破壊箇所に集中し、熱暴走にいたる場合がある。この場合、コンデンサ素子は自己回復機能を失い、コンデンサ素子内部に多量の分解ガスが発生し、発煙、発火に至る恐れがある。上記事象は、鉄道車両用の電力変換装置として絶対にあってはならないものである。

また、上記事象は、過負荷での長時間運転による、コンデンサ素子の内部の温度上昇や、乾式コンデンサの周囲の温度上昇等に左右される。なお、最悪なケースは、中途半端な絶縁破壊が続き、長時間に亘ってガスが発生し、そのガスが装置内部に蓄積され、爆発破壊に繋がることである。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、安全性に優れた乾式コンデンサ及び電力変換装置を提供することにある。

一実施形態に係る乾式コンデンサは、
それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子と、
前記複数のコンデンサ素子の前記一端面側を覆ったモールド材と、
前記モールド材に対して前記複数のコンデンサ素子の反対側で、前記モールド材に隣接し、地絡される導体と、を備える。

また、一実施形態に係る電力変換装置は、
それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子と、前記複数のコンデンサ素子の前記一端面側を覆ったモールド材と、前記モールド材に対して前記複数のコンデンサ素子の反対側で、前記モールド材に隣接し、地絡される導体と、を備え、入力される電力を平滑化する乾式コンデンサと、
前記乾式コンデンサにて平滑化された電力が与えられる電力変換回路と、を具備する。

第１の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。図１の乾式コンデンサの外観を示す概略斜視図である。図２の乾式コンデンサを線Ａ−Ａに沿って示す断面図である。上記乾式コンデンサの配線されている複数のコンデンサ素子を示す概略斜視図である。第２の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。第３の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。図６の乾式コンデンサの外観を示す概略斜視図である。上記乾式コンデンサの変形例のフレームを示す概略斜視図である。

以下、図面を参照しながら第１の実施形態に係る電力変換装置について詳細に説明する。ここでは、鉄道車両に電力を供給する電力変換装置について説明する。
図１に示すように、電力変換装置は、高速遮断器ＨＢと、直流リアクトルＤＣＬと、電流検出器ＧＣＴと、乾式コンデンサＦＣと、電力変換部としての２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶとを備えている。

なお、全てを図示しないが、鉄道車両は、それぞれ車輪ＳＳが設けられた一対の台車フレームと、台車フレームに空気ばねを介して支持された車体と、パンタグラフＰＰとを備えている。車輪ＳＳは、レールＲＲに接触するため、地絡されている。

電力変換装置は、車体の床下に設置されている。詳しくは、高速遮断器ＨＢ及び直流リアクトルＤＣＬは、車体の床下に設けられた筐体Ｂ１内に収容されている。電流検出器ＧＣＴ、乾式コンデンサＦＣ及び２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶは、車体の床下に設けられた筐体Ｂ２内に収容されている。筐体Ｂ２のアース端子Ｅは、負電位側の車輪ＳＳに電気的に接続され、感電等を防止している。

高速遮断器ＨＢは、パンタグラフＰＰを介して鉄道架線Ｏに電気的に接続されている。直流リアクトルＤＣＬは、高速遮断器ＨＢに接続されている。乾式コンデンサＦＣは、一方が直流リアクトルＤＣＬに接続され、他方が車輪ＳＳに接続されている。乾式コンデンサＦＣは、乾式フィルタコンデンサであり、入力される電力を平滑化するものである。電流検出器ＧＣＴは、貫通タイプの電流検出器であり、正側電流＋Ｉｄと、負側電流−Ｉｄとの差電流ΔＩｄを測定するものである。

２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶは、乾式コンデンサＦＣ及び電動機Ｍ１間に接続されている。２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶは、３個の半導体モジュール群２１、２２、２３で形成されている。半導体モジュール群２１、２２、２３は互いに並列に接続されている。２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶは、相対的に、負電位側の端子Ｎ及び正電位側の端子Ｐを有している。２レベルＰＷＭインバータ回路ＩＮＶは、端子Ｎ及び端子Ｐから入力される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動機Ｍ１に供給するものである。

半導体モジュール群２１は、端子Ｎ及び端子Ｐ間に直列に接続された第１半導体モジュールＱＵ及び第２半導体モジュールＱＸを含んでいる。半導体モジュール群２２は、端子Ｎ及び端子Ｐ間に直列に接続された第１半導体モジュールＱＶ及び第２半導体モジュールＱＹを含んでいる。半導体モジュール群２３は、端子Ｎ及び端子Ｐ間に直列に接続された第１半導体モジュールＱＷ及び第２半導体モジュールＱＺを含んでいる。

第１半導体モジュールＱＵ、ＱＶ、ＱＷ及び第２半導体モジュールＱＸ、ＱＹ、ＱＺは、それぞれスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート型トランジスタ）及びダイオードを有している。各半導体モジュール群２１、２２、２３の第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールのＩＧＢＴは、これらの各ゲートに、図示しないゲート駆動回路からゲート信号が与えられ、導通状態又は非導通状態に切替える。
上記のように電力変換装置が構成されている。

次に、上記乾式コンデンサＦＣについて詳細に説明する。
図１、図２、図３及び図４に示すように、乾式コンデンサＦＣは、複数のコンデンサ素子１１、モールド材１５、導体ＤＴ１及びケースＣＡを備えている。

コンデンサ素子１１は、一対の帯状の電極を誘電体を挟んで捲回することにより円柱状に形成されている。コンデンサ素子１１の外周は、絶縁シートで覆われている。複数のコンデンサ素子１１は、隣接して並んでいる。ここでは、複数のコンデンサ素子１１は、縦方向に５個、長さ方向に７個並べられ、計３５個並べられている。

複数のコンデンサ素子１１は、それぞれ、正電位側の端子１２及び負電位側の端子１３を有している。ここでは、複数のコンデンサ素子１１のうち、複数の端子１２は共通の一端面側に位置し、複数の端子１３は共通の他端面側に位置している。なお、端子１２は、上記の一方の電極に接続されたリードで形成されている。端子１３は、上記の他方の電極に接続されたリードで形成されている。

複数の端子１２は配線５により互いに接続され、また、複数の端子１３も配線６により互いに接続されている。そして、複数の端子１２は配線５により端子１に接続されている。複数の端子１３は配線６により端子２に接続されている。

モールド材１５は、複数のコンデンサ素子１１の一端面側（端子１２と対向した側）を覆っている。モールド材１６は、複数のコンデンサ素子１１の他端面側（端子１３と対向した側）を覆っている。

導体ＤＴ１は、モールド材１５に対して複数のコンデンサ素子１１の反対側で、モールド材１５に隣接して設けられている。導体ＤＴ１は、電線ＤＳ１により筐体Ｂ２の接続点ＦＥ１に接続されている。このため、導体ＤＴ１は地絡される。導体ＤＴ１は、複数のコンデンサ素子１１の中、中央に位置した複数のコンデンサ素子１１に対向するようなサイズに形成されている。

ケースＣＡは、複数のコンデンサ素子１１及びモールド材１５、１６を収容している。ケースＣＡは、プラスチックで矩形箱状に形成されている。導体ＤＴ１は、ケースＣＡに取り付けられている。導体ＤＴ１はケースＣＡの一部を形成している。このため、ケースＣＡは、モールド材１５を導体ＤＴ１に隣接するよう収容している。また、ケースＣＡは、上記端子１、２も取り付けられている。端子１は端子Ｐに接続され、端子２は端子Ｎに接続されている。ケースＣＡには、複数の孔部ｈが形成されている。このため、ケースＣＡは、孔部ｈを使用して筐体Ｂ２内の所定個所に取り付けられている。

次に、上記電力変換装置において、乾式コンデンサＦＣが正常に機能する場合について説明する。
正電位側（端子Ｐ側）の電流値の大きさ｜＋Ｉｄ｜と、負電位側（端子Ｎ側）の電流値の大きさ｜−Ｉｄ｜とは同等となる。このため、電流検出器ＧＣＴで検出した差電流ΔＩｄはほぼ０となり、この差電流ΔＩｄは図示しない制御回路に入力される。これにより、制御回路は、電力変換装置（乾式コンデンサＦＣ）が正常に機能していると判断することができる。

次に、上記電力変換装置において、乾式コンデンサＦＣが正常に機能しない場合として、コンデンサ素子１１の正電位側（端子１２側）が導体ＤＴ１に短絡し、地絡した場合について説明する。
正電位側（端子Ｐ側）の電流値＋Ｉｄは増加するのに対し、負電位側（端子Ｎ側）の電流値−Ｉｄは減少する。このため、電流検出器ＧＣＴで検出した差電流ΔＩｄ＝｜＋Ｉｄ｜−｜−Ｉｄ｜は、正側に増加する。その結果、制御回路は、乾式コンデンサＦＣが地絡したものと判断することができる。これにより、電力変換装置の動作を停止するよう、システムの保護装置を働かせることができる。

上記のように構成された第１の実施形態に係る電力変換装置によれば、乾式コンデンサＦＣの内部の正電位側に不具合が発生し、異常な温度上昇が生じると、モールド材１５が溶解し、コンデンサ素子１１の正電位側の導体（電極、端子１２又は配線５等）と、導体ＤＴ１との間に電気アーク又は短絡を発生させ、正電位側の主回路を地絡させることができる。

この場合、電力変換装置の動作を停止するよう、システムの保護装置を働かせることができる。乾式コンデンサＦＣ及びその周辺回路の温度上昇を抑えられるため、乾式コンデンサＦＣに起因した被害の拡大を抑制することができる。このため、例えば、乾式コンデンサＦＣの爆発破壊の発生を防止することができる。
上記のことから、安全性に優れた乾式コンデンサ及び電力変換装置を得ることができる。

次に、第２の実施形態に係る電力変換装置について詳細に説明する。この実施形態において、他の構成は上述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図２、図３及び図５に示すように、乾式コンデンサＦＣは、導体ＤＴ１の替わりに他の導体ＤＴ２を備えている。導体ＤＴ２は、モールド材１６に対して複数のコンデンサ素子１１の反対側で、モールド材１６に隣接して設けられている。導体ＤＴ２は、電線ＤＳ２により筐体Ｂ２の接続点ＦＥ２に接続されている。このため、導体ＤＴ２は地絡される。導体ＤＴ２は、複数のコンデンサ素子１１の中、中央に位置した複数のコンデンサ素子１１に対向するようなサイズに形成されている。

導体ＤＴ２は、ケースＣＡに取り付けられている。導体ＤＴ２はケースＣＡの一部を形成している。このため、ケースＣＡは、モールド材１６を導体ＤＴ２に隣接するよう収容している。

次に、上記電力変換装置において、乾式コンデンサＦＣが正常に機能しない場合として、コンデンサ素子１１の負電位側（端子１３側）が導体ＤＴ２に短絡し、地絡した場合について説明する。
負電位側（端子Ｎ側）の電流値−Ｉｄは減少するのに対し、正電位側（端子Ｐ側）の電流値＋Ｉｄは変化しない。このため、電流検出器ＧＣＴで検出した差電流ΔＩｄ＝｜＋Ｉｄ｜−｜−Ｉｄ｜は、正側に増加する。その結果、制御回路は、乾式コンデンサＦＣが地絡したものと判断することができる。これにより、電力変換装置の動作を停止するよう、システムの保護装置を働かせることができる。

上記のように構成された第２の実施形態に係る電力変換装置によれば、乾式コンデンサＦＣの内部の負電位側に不具合が発生し、異常な温度上昇が生じると、モールド材１６が溶解し、コンデンサ素子１１の負電位側の導体（電極、端子１３又は配線６等）と、導体ＤＴ２との間に電気アーク又は短絡を発生させ、負電位側の主回路を地絡させることができる。

次に、第３の実施形態に係る電力変換装置について詳細に説明する。この実施形態において、他の構成は上述した第１及び第２の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図６及び図７に示すように、乾式コンデンサＦＣは、導体ＤＴ１及び導体ＤＴ２の両方を備えている。導体ＤＴ１はモールド材１５に隣接して設けられ、導体ＤＴ２はモールド材１６に隣接して設けられている。導体ＤＴ１は、電線ＤＳ１により筐体Ｂ２の接続点ＦＥ１に接続されている。導体ＤＴ２は、電線ＤＳ２により筐体Ｂ２の接続点ＦＥ２に接続されている。このため、導体ＤＴ１、ＤＴ２は地絡される。

上記のように構成された第３の実施形態に係る電力変換装置によれば、乾式コンデンサＦＣの内部に不具合が発生し、異常な温度上昇が生じると、モールド材１５又はモールド材１６が溶解し、コンデンサ素子１１の正電位側の導体（電極、端子１２又は配線５等）と、導体ＤＴ１との間、又はコンデンサ素子１１の負電位側の導体（電極、端子１３又は配線６等）と、導体ＤＴ２との間に電気アーク又は短絡を発生させ、正電位側の主回路、又は負電位側の主回路を地絡させることができる。

この場合、電力変換装置の動作を停止するよう、上述した第１及び第２の実施形態の何れかのシステムの保護装置を働かせることができる。乾式コンデンサＦＣ及びその周辺回路の温度上昇を抑えられるため、乾式コンデンサＦＣに起因した被害の拡大を抑制することができる。このため、例えば、乾式コンデンサＦＣの爆発破壊の発生を防止することができる。
上記のことから、安全性に優れた乾式コンデンサ及び電力変換装置を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

例えば、図８に示すように、乾式コンデンサＦＣは、ケースＣＡの替わりにフレームＦＬを備えていてもよい。フレームＦＬは、複数のコンデンサ素子１１及びモールド材１５、１６を支持し、覆っている。フレームＦＬは、導体材料で矩形箱状に形成されている。フレームＦＬは、両側壁に矩形状の開口部３１、３２を有している。

導体ＤＴ１は、矩形状の形状を有し、開口部３１に取り付けられている。導体ＤＴ２は、矩形状の形状を有し、開口部３２に取り付けられている。すなわち、フレームＦＬは、導体ＤＴ１、ＤＴ２と対向した個所が開口している。ここでは、導体ＤＴ１、ＤＴ２は、フレームＦＬと同一材料で一体に形成されている。導体ＤＴ１、ＤＴ２は、複数のコンデンサ素子１１の中、中央に位置した複数のコンデンサ素子１１に対向している。

フレームＦＬは、底壁から突出した複数の突出部３３を有している。各突出部３３には孔部３３ｈが形成されている。このため、フレームＦＬは、孔部３３ｈを使用して筐体Ｂ２内の所定個所に取り付けることができる。このため、導体ＤＴ１、ＤＴ２は、フレームＦＬを介して地絡される。

乾式コンデンサは、それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子１１と、複数のコンデンサ素子１１の一端面側を覆ったモールド材と、モールド材に対して複数のコンデンサ素子の反対側で、モールド材に隣接し、地絡される導体と、を備えていればよい。この際、上記端子は、複数のコンデンサ素子１１毎に、正電位側の端子及び負電位側の端子の何れか一方であればよい。

導体ＤＴ１、ＤＴ２は、中央に位置した複数のコンデンサ素子１１に対向するよう形成されているが、これに限らず、全てのコンデンサ素子１１に対向するよう形成されていてもよい。導体ＤＴ１、ＤＴ２は、モールド材１５、１６に接着されていてもよい。

モールド材１５及びモールド材１６は、分断されているが、これに限らず、一体に形成されていてもよい。この際、コンデンサ素子１１全体を一体に形成されたモールド材で覆ってもよい。

５，６…配線、１１…コンデンサ素子、１２，１３…端子、１５，１６…モールド材、３１，３２…開口部、Ｂ１，Ｂ２…筐体、ＣＡ…ケース、ＤＴ１，ＤＴ２…導体、ＤＳ１，ＤＳ２…電線、ＦＣ…乾式コンデンサ、ＦＬ…フレーム、ＧＣＴ…電流検出器。

Claims

それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子と、
前記複数のコンデンサ素子の前記一端面側を覆ったモールド材と、
前記モールド材に対して前記複数のコンデンサ素子の反対側で、前記モールド材に隣接し、地絡される導体と、を備える乾式コンデンサ。
前記複数のコンデンサ素子毎に、前記端子は、正電位側の端子及び負電位側の端子の何れか一方である請求項１に記載の乾式コンデンサ。
前記複数のコンデンサ素子の前記端子は、それぞれ前記正電位側の端子である請求項２に記載の乾式コンデンサ。
前記複数のコンデンサ素子の前記端子は、それぞれ前記負電位側の端子である請求項２に記載の乾式コンデンサ。
他のモールド材と、他の導体と、をさらに備え、
前記複数のコンデンサ素子は、それぞれ、前記一端面側に位置した端子である前記正電位側の端子及び共通の他端面側に位置した前記負電位側の端子を有し、
前記他のモールド材は、前記複数のコンデンサ素子の前記他端面側を覆い、
前記他の導体は、前記他のモールド材に対して前記前記複数のコンデンサ素子の反対側で、前記他のモールド材に隣接し、地絡される請求項２に記載の乾式コンデンサ。
前記複数のコンデンサ素子及びモールド材を収容したケースをさらに備え、
前記導体は、前記ケースに取り付けられている請求項１に記載の乾式コンデンサ。
前記複数のコンデンサ素子及びモールド材を支持し、前記導体と対向した個所が開口したフレームをさらに備え、
前記導体は、前記フレームに取り付けられ、前記フレームを介して地絡される請求項１に記載の乾式コンデンサ。
それぞれ共通の一端面側に位置した端子を有した複数のコンデンサ素子と、前記複数のコンデンサ素子の前記一端面側を覆ったモールド材と、前記モールド材に対して前記複数のコンデンサ素子の反対側で、前記モールド材に隣接し、地絡される導体と、を備え、入力される電力を平滑化する乾式コンデンサと、
前記乾式コンデンサにて平滑化された電力が与えられる電力変換回路と、を具備する電力変換装置。