JP2016116329A

JP2016116329A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2016116329A
Application number: JP2014253037A
Authority: JP
Inventors: 智和吉川; Tomokazu Yoshikawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: CN105703605B; CN105703605A; JP6330642B2

Abstract

【課題】装置の価格を抑え、装置全体を小形に構成することのできる高電圧使用に適した電力変換装置を提供することを課題とする。【解決手段】単位電力変換セルの箱体内の背面側に構成機器の収納されない所要の空所を設けるとともに、前記箱体の背面板に、前記空所に連通する開閉可能な開口を設け、さらに、前記箱体の開口から箱体内に出し入れ可能な構成としたユニットフレームに、電路の開閉を行う開閉器およびその制御回路を一体的に取付けてユニット化したバイパス回路ユニットを設け、バイパス回路を必要とする前記単位電力変換セルの箱体の背面板の開口から前記バイパス回路ユニットを挿入し、前記空所において、前記単位電力変換セルの出力端子に並列に前記開閉器を接続するとともに、前記フレームユニットを前記箱体の背面板に取付け固定し、前記開口を閉塞する。【選択図】図４

Description

この発明は、複数の単位電力変換セルを直列接続して構成した高電圧での使用に適した電力変換装置に関する。

高電圧、例えば、３ｋＶ以上の電圧で駆動される交流電動機を、高電圧のインバータで構成された電力変換装置で直接駆動することは既に行われている。このような高電圧電力変換装置としては、特許文献１に示されるように複数の単位電力変換セルの出力を直列に接続して構成することが行われている。

このような従来の電力変換装置は、図８の（ａ）に示すように、交流電力を直流電力に変換する電力変換器（コンバータ）５４、直流電力を交流電力に変換する電力変換器（インバータ）５５およびコンデンサ５６で構成した単位電力変換セル５７を複数（５７ａ〜５７ｃ）備える。この単位電力変換セル５７の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔを、それぞれ絶縁変圧器５２を介して交流電源５１に接続する。また、出力端子ＡＣ１、ＡＣ２をそれぞれ直列に接続し、その直列接続端子間に負荷５９を接続する。さらに、各単位電力変換セルの交流力出端子ＡＣ１、ＡＣ２間に、通常は開路状態にある開閉器で構成されたバイパス回路５８（ａ〜ｃ）を備える。

前記の各単位電力変換セル５７は、図８（ｂ）に示すように、整流回路５４、インバータ回路５５および平滑用コンデンサ５６で構成されている。整流回路５４は半導体整流素子をブリッジ接続して構成した回路である。インバータ回路５５は半導体スイッチ素子をブリッジ接続して構成した回路である。平滑用コンデンサ５６は、整流回路５４とインバータ回路５５との間に接続されている。

このように構成された電力変換装置において、いずれかの単位電力変換セルが故障した場合、故障した単位電力変換セル５７の出力端子間を、バイパス回路５８の開閉器を閉路することにより短絡する。故障した単位電力変換セル５７をバイパスすれば容量が低減されるが、電力変換装置は運転を継続することができる。

また、バイパス回路は、単位電力変換セルのそれぞれに収納することができる。あるいは、図９に示すように変圧器５２を収納する変圧器盤６１と複数の単位電力変換セル５７ａ〜５７ｃを収納する電力変換盤６２とは別に、バイパス回路盤６３を設け、ここにバイパス回路５８ａ〜５８ｂを収納する場合もある。

特開平０２−２０２３２４号公報

装置の故障に対する備えは、装置に接続される負荷の用途により決定される。一般に、装置を停止している間の損失と、予備品コストとのバランスを考慮して決められる。また、単位電力変換セルは、コンバータ回路、インバータ回路、平滑コンデンサなど多くの電気部品を実装しているので、予備部品も高価となる。このため、運転中断がほとんど許されないような装置の場合を除き、停止時間は短く、予備品コストは低くすることが求められている。しかし、前記従来の装置は、以下のような問題がある。

まず、それぞれの単位電力変換セルにバイパス回路を収納する場合は、単位電力変換セルの価格が上昇する。

また、バイパス回路を独立した盤に収納する場合は、装置の価格が上昇するだけでなく、装置全体が大形になる。

従って、この発明は、以上の問題を解決するために、装置の価格を抑え、装置全体を小形に構成することのできる高電圧使用に適した電力変換装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決するため、この発明は、電力変換回路を構成する構成機器を１つの箱体に収納して構成され、相互に直列接続して使用することが可能な単位電力変換セルにおいて、前記箱体内の背面側に前記構成機器の収納されない所要の空所を設けるとともに、前記箱体の背面板に、前記空所に連通する開閉可能な開口を設ける。さらに、前記箱体の開口から箱体内に出し入れ可能な構成としたユニットフレームに、電路の開閉を行う開閉器およびその制御回路を一体的に取付けてユニット化したバイパス回路ユニットを設ける。そして、バイパス回路を必要とする前記単位電力変換セルの箱体の背面板の開口から前記バイパス回路ユニットを挿入し、前記空所において、前記単位電力変換セルの出力端子に並列に前記開閉器を接続するとともに、前記フレームユニットを前記箱体の背面板に取付け固定し、前記開口を閉塞することを特徴とする。

この発明においては、前記バイパス回路ユニットのユニットフレームに、その外周縁に前記単位電力変換セルの箱体の一部と接触して挿入時の案内体となるフランジ部を設けることができる。

また、前記単位電力変換セルの箱体の内部に冷却空気の貫流が可能な区画と不能な区画を設け、前記冷却空気の貫流の不能な区画に前記構成機器の収納されない空所を設けるのがよい。

さらに、前記単位電力変換セルの出力端子と前記バイパス回路ユニットの開閉器との接続部を、一方の端子の受け部へ他方の端子を挿入して接続を行う挿入接触構造とすることができる。

この発明によれば、単位電力変換セルは、標準的には、内部に何も収納されない空所を設けるだけで、バイパス回路ユニットを備えないので、その分、安価に製造することができる。また、バイパス回路を必要とする、単位電力変換セルは、前記の空所にバイパス回路ユニットを収納することにより内蔵することができるので、別置きのバイパス回路盤を必要としないので、装置全体を小形に構成することができる。

この発明の実施例によるバイパス回路ユニットを備えない単位電力変換セルの背面側から見た外観を示す斜視図であり、（ａ）は、背面板の開口を閉塞した状態を示し、（ｂ）はこの開口を開放した状態を示す。この発明の実施例によるバイパス回路ユニットを備えない単位電力変換セルの側面板および一部の支持フレームを外して示す側面図である。この発明の実施例によるバイパス回路ユニットを備えた単位電力変換セルの分解斜視図である。この発明の実施例によるバイパス回路ユニットを備えた単位電力変換セルの側面板および一部の支持フレームを外して示す側面図である。この発明における単位電力変換セルへのバイパス回路ユニットの組み込み作業工程を示す図である。この発明におけるバイパス回路ユニットの単位電力変換セルへの組み込み作業を説明するための要部を拡大して示す部分側面図である。この発明に用いる挿入接触子を示す平面図である。従来の単位電力変換セルを用いた電力変換装置の構成を示すブロック回路図（ａ）、および単位電力変換セルの回路構成図（ｂ）である。従来の単位電力変換セルを用いた電力変換装置の模式的構成図である。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１〜図４にこの発明の単位電力変換セルの実施例を示す。図１、図２は、バイパス回路を備えない標準の単位電力変換セルを示す。図３、図４は、バイパス回路を備える単位電力変換セルを示す。

標準の単位電力変換セル１は、本体を構成する箱体１０を備える。この箱体の背面板１１には蓋板１１ａにより開閉可能にされた開口１１ｂが設けられている（図１（ａ））。この蓋板１１ａは固定ねじを外して取り外すことにより、図１（ｂ）に示すように開口１１ｂを開放することができる。

この実施例では、図２に示すように、箱体１０は、内部を仕切り壁１２、１３により仕切って、３段に区画される。上段の区画室１４と下段の区画室１５は、それぞれ前面と背面に冷却空気の吸排気のための排気口１４ａ、１５ａ（前面側の吸気口は図示されていない）が設けられている。したがって、区画室１４と下段の区画室１５の冷却空気は、前面の吸気口から吸引され背面の排気口から排出されるように貫流する。

中段の区画室１６は、背面板１１に設けた開口１１ｂと連通するが、蓋板１１ａで閉塞される。したがって、外部からの冷却空気は、区画室１６の内部を貫流することができない。この冷却空気が貫流不能となった中段の区画室１６の背面側に何も収容されない所要の大きさの空所１６ｓが形成される。

標準となる単位電力変換セル１は、空所１６ｓが、何も収められないで空けられている。

上段の区画室１４には、冷却フィン付の冷却体２２が収められている。冷却体２２は、中段の区画室１６に収められた半導体整流素子や半導体スイッチ素子をモジュール化して構成する半導体モジュール素子２１に結合されている。また、下段の区画室１５には、電力変換装置の直流中間回路の直流電圧を平滑するコンデンサ２３が収納される。このコンデンサの接続端子２３ａは，絶縁材で構成された仕切り壁１３を貫通して、隣接した区画室１６内に突出する。半導体モジュール素子２１の接続端子、コンデンサ２３の接続端子２３ａや箱体１０の前面に設けられた入力端子２５および出力端子２６の相互間の接続は、すべて、バー状の接続導体２７により冷却空気の貫流が不能となった区画室１６内において行われる。

前面の出力端子２６に接続された導体から分岐した導体が区画室１６の空所１６ｓ内まで延長され、分岐出力端子２８を形成する。

このように構成された標準の単位電力変換セルは、所要数を共通の盤に収めて電力変換装置を構成する。このような電力変換装置を運転するときは、外部に設けた冷却ファンにより盤内に冷却空気を強制貫流させて各単位電力変換セルを冷却する。この冷却空気は、単位電力変換セルにおいては、冷却空気の貫流可能な構成の上段の区画室１４と下段の区画室１５を貫流し、それぞれに収納された構成機器を冷却する。しかし、接続導体の収容された中段の区画室１６は冷却空気の貫流が不能に構成されているため、冷却空気は貫流しない。このように、区画室１６内には、冷却空気が貫流しないので、冷却空気に含まれる外気中の微細粉塵の付着、堆積がほとんど生じない。したがって、接続導体が裸導体であっても絶縁障害の発生が抑制される。

次に、電力変換装置の運転の信頼性を高めるために、標準の単位電力変換セルにバイパス回路を設けた電力変換装置の実施例を図３〜図７に示す。

この実施例においては、単位電力変換セル１としては、図１および図２に示した標準の単位電力変換セル１を用い、その他に、バイパス回路ユニット３０を用意する。

このバイパス回路ユニット３０は、ユニットフレーム３１上に電路の開閉を行う電磁開閉器等で構成された開閉器３２とこの開閉器３２の開閉を制御する制御回路を構成する変圧器３４、および開閉器３２から引き出した引出端子３３を一体的に取付けユニット化したものである。

このバイパス回路ユニット３０を取付けるために、単位電力変換セル１から背面板１１の蓋板１１ａが取り外され、背面板１１の開口１１ｂが開放されている。開放された開口１１ｂから箱体１０内にバイパス回路ユニット３０を挿入し、単位電力変換セルの箱体１０内に予め設けられている空所１６ｓ内に収納する。その上で、バイパス回路ユニットのユニットフレーム３１を箱体１１の背面板１１にねじ止めして固定することにより、背面板１１の開口１１ｂを閉塞する。

これにより、図４に示すように、単位電力変換セル１の箱体１０内の中段の区画室１６の背面側が閉塞される。この区画室１６には外部から供給される冷却空気は貫流することができないので、区画室１６の冷却空気の貫流が不能な構成は維持される。

空所１６ｓに収納されたバイパス回路ユニット３０の開閉器３２の引出端子３３を、単位電力変換セルの出力端子２６から分岐して区画室１６内の空所１６ｓに設けられた分岐出力端子２８に接続する。このバイパス回路ユニット３０の開閉器３２を閉路すれば、単位電力変換セル１の出力端子２６間を短絡し、このセル１をバイパスすることが可能となる。

バイパス回路ユニット３０の単位電力変換セル１への組み込み作業の工程を図５（ａ）〜（ｄ）に示すので、これを参照して作業工程をもう少し詳しく説明する。

図５（ａ）は、単位電力変換セル１の箱体１０の背面板１１の蓋板１１ａを取り外して単位電力変換セル１へバイパス回路ユニット３０を組み込むために、背面板１１の開口１１ｂを開放した状態である。

ここで、図５（ｂ）に示すように、用意されたバイパス回路ユニット３０を矢印方向へ移動して、開放された箱体１０の背面板１１の開口１１ｂから箱体１０の空所１６ｓに挿入する。そして、バイパス回路ユニット３０の引出端子３３を、空所１６ｓ内に引き出した分岐出力端子２８に接触させる。

この挿入作業を円滑にするため、図６に示すように、バイパス回路ユニット３０のユニットフレーム３１の上端には、断面がコ字型に形成されて固定フランジ３１ａを設けている。挿入時、この固定フランジ３１ａに指をかけて、その上面を箱体１０の上段区画室１４を形成する仕切り板１２の下面に当てて、固定フランジ３１ａが背面板１１に当たるまで押し込む。このようにすると、バイパス回路ユニット３０の上端の位置が固定されるため、挿入作業が安定し、円滑に行われる。

この後、図５（ｃ）に示すように単位電力変換セル１の箱体１０の両側の側面板２９、２９を取り外して、バイパス回路ユニット３０の引出端子３３と空所１６ｓ内の分岐出力端子２８との接触状態が見えるようにする。子状態で、バイパス回路ユニット３０の両端子をねじ３３ａで締め付け結合する。併せて、バイパス回路ユニット３０のユニットフレーム３１を箱体１の背面板１１にねじ止めして固定する。

これにより、図５（ｄ）に示すように、単位電力変換セル１へのバイパス回路ユニット３０の組み込みが完了する。この後、箱体１０の側面を側面板２９で閉じることによりバイパス回路を内蔵した単位電力変換セル１が完成する。

前記においては、単位電力変換セルの出力端子２６から分岐して設けた分岐出力端子２８とバイパス回路ユニット３０の引出端子３３との接続をねじ結合により行っている。この接続作業を簡単にするため、図７に示すように、分岐出力端子２８に、挿入形端子２８ａを形成し、これに、平板形のバイパス回路ユニット３０の引出端子３３を挿入するようにした、挿入形端子構造を採用することができる。

１：単位電力変換セル
１０：箱体
１１：背面板
１１ａ：蓋板
１１ｂ：開口
１６ｓ：空所
２１：半導体モジュール素子
２３：コンデンサ
２５：入力端子
２６：出力端子
２８：分岐出力端子
３０：バイパス回路ユニット
３１：ユニットフレーム
３２：開閉器
３３：引出端子
３４：変圧器

Claims

電力変換回路を構成する構成機器を１つの箱体に収納して構成され、相互に直列接続して使用することが可能な単位電力変換セルにおいて、前記箱体内の背面側に前記構成機器の収納されない所要の空所を設けるとともに、前記箱体の背面板に、前記空所に連通する開閉可能な開口を設け、さらに、前記箱体の開口から箱体内に出し入れ可能な構成としたユニットフレームに、電路の開閉を行う開閉器およびその制御回路を一体的に取付けてユニット化したバイパス回路ユニットを設け、バイパス回路を必要とする前記単位電力変換セルの箱体の背面板の開口から前記バイパス回路ユニットを挿入し、前記空所において、前記単位電力変換セルの出力端子に並列に前記開閉器を接続するとともに、前記フレームユニットを前記箱体の背面板に取付け固定し、前記開口を閉塞することを特徴とする電力変換装置。
前記バイパス回路ユニットのユニットフレームに、その外周縁に前記単位電力変換セルの箱体の一部と接触して挿入時の案内体となるフランジ部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記単位電力変換セルの箱体の内部に冷却空気の貫流が可能な区画と不能な区画を設け、前記冷却空気の貫流が不能な区画に前記構成機器の収納されない空所を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記単位電力変換セルの出力端子と前記バイパス回路ユニットの開閉器との接続部を、一方の端子の受け部へ他方の端子を挿入して接続を行う挿入接触構造としたことを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電力変換装置。