JP2018190981A - Ａｃキャパシタとその接続及び動作の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタの冷却手段を提供する。【解決手段】ＡＣキャパシタ２００が、自身のの表面から突出する導電性ロッド２０８を含む第１電極２０４と、開口２２０を含む第２電極２１６と、第１電極と第２電極との間に配置され、中空中心セクション２２８を含むボビン又は巻き付け体２２４とを含む。第１電極の表面から突出する導電性ロッドの軸は、中空ボビンの軸と同軸とされる。導電性ロッドは、ボビンの中空中心セクションと第２電極における開口とを貫通して電流の流れを許容する。【選択図】図２Ａ

Description

本キャパシタは、ＡＣ電力キャパシタに関し、詳しくは、高電圧下の高周波数において高電流を導通させるＡＣ電力キャパシタに関する。

高電圧交流（ＡＣ）電力キャパシタは、高電圧かつ高周波数のＡＣ電気回路の機械的、電気的及び性能的要件を満たすように設計される。このようなキャパシタは一般に、例えば１４００Ｖ_ｐｅａｋのようなピーク電圧及び３０００Ａ_ｒｍｓの電流を搬送する電気回路に使用されるが、３つの主要なメカニズムによって加熱を引き起こす傾向がある。

キャパシタの第１の加熱原因は、キャパシタの絶縁体に使用される誘電材料の物理的及び化学的特性に由来する誘電損失である。

第２の熱源はオーム損失である。これらの損失は、キャパシタの異なる抵抗（通常はＥＳＲ、ＥＳＬと称される）を流れる電流によってもたらされる。例えば、一般的な高及び中周波数（例えば１ｋＨｚから１ＭＨｚ）の電力キャパシタにおいてそれぞれ、５００ｋＶＡｒの無効電力が、誘電損失及びオーム損失による５００から１０００ワットの損失を熱の形態で生じさせ得る。

第３の熱源は、誘導損失である。取り付け法に応じてキャパシタは、誘導加熱を生じさせる傾向がある。キャパシタからコレクタ又は消費者及び／若しくはインダクタへと流れる高電流は、誘導によってキャパシタを加熱し得る磁場を生成する。

上述した３つのメカニズムによるキャパシタの加熱により、高電圧交流（ＡＣ）回路において使用可能なキャパシタの数、及び当該キャパシタを配列可能な構成が制限される。例えば、一を超えるキャパシタを、例えば並列のようなバスに取り付ける一定の構成により、例えば当該列の最初及び最後のキャパシタのような一以上のキャパシタが過熱され得る。キャパシタをディレーティングすることにより多数のキャパシタを使用することが、キャパシタの過熱に起因するシステムにおいて必要とされ得る。

キャパシタを冷却するべく現在実施されている解決法には、個々のキャパシタを通るように液体冷却材を流すか、又はキャパシタを、伝導により熱を拡散させる冷却バスに取り付けることが含まれる。

上述した対策のすべてにもかかわらず、搬送しなければならない莫大なＡＣ電流と当該電流によりもたらされる磁場とにより、誘導加熱するキャパシタは依然として、著しい電力拡散を示す。したがって、その設計における重要な因子は、キャパシタ自体の誘導による加熱のような迷走効果が最小限となるように電流を方向付け、キャパシタ内からの熱除去効果を許容することによりキャパシタの寿命を延ばすこととなる。

以下の米国特許及び特許出願公開には、異なる電力キャパシタ及びかかるキャパシタを使用する方法が記載される（特許文献１〜１５）。

定義

現行の開示において使用されるように、用語「無効電流」は、交流電流のフェーザ、すなわち電力に寄与しない電圧に垂直な電流成分である。オームインピーダンス又は誘電材料が存在すると、無効電流の一部が当該材料と相互作用をすることにより、電源からのアクティブな電流により補償される損失が発生する。実際には、電圧と電流との角度は、９０度未満となる。無効電力は、ＡＣ回路において電流と電圧とが同相でない場合に存在する。無効電力は単位ｋＶＡｒにより測定される。

米国特許第１，５９９，８５３号明細書 米国特許第４，３１５，２９９号明細書 米国特許第４，３１７，１５９号明細書 米国特許第４，４５４，６５３号明細書 米国特許第４，７１９，５３９号明細書 米国特許第５，９５３，２０１号明細書 米国特許第６，８９４，８８６号明細書 米国特許第８，４１６，５５６号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２４２４１３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２７３９１６号明細書 欧州特許第０２１４７８８号明細書 欧州特許第１２６３００７号明細書 国際公開第２００８／０９２０７３号 国際公開第２００９／１１６０４６号 国際公開第２０１６／０００７８６号

記載されるのは、ＡＣ電流供給バスとともに使用されるように構成されたＡＣキャパシタである。ＡＣキャパシタがＡＣ電流供給バスに接続される場合、ＡＣキャパシタの構造により、ＡＣキャパシタに発生する磁場の有害な影響の防止が容易になる。ＡＣキャパシタは、自身によりもたらされる磁場を使用して当該キャパシタの性能を向上させる。ＡＣキャパシタは、第１電極、開口を含む第２電極、及び第１電極と第２電極との間に配置されたボビンを含み、第１電極表面の表面からロッドが突出する。ボビンの対向両端が両電極に接触する。ボビンは、当該ボビンの長さを延ばす中空中心セクションを含む。第１電極の表面から突出するロッドの軸は、中空ボビンの軸と同軸であり、当該ロッドは、当該ボビンの中空中心セクションと第２電極の開口とを貫通する。

ＡＣキャパシタはさらに、要求に応じてバスバーとの接触をもたらすべく構成されたロック配列体を含む。ＡＣキャパシタがＡＣ電流供給バスに接続されると、ＡＣ電流は、ボビンを通るように流れる。ボビンを通るように流れるＡＣ電流により磁場が発生し、当該磁場はその後、当該磁場をもたらしたボビンにおける電流に対向する方向のＡＣ電流をロッドに誘導する。ロッドに電流が流れることにより、さらに磁場が誘導される。ボビンを通るように流れるＡＣ電流により発生した磁場と、ロッドにおいて流れる電流により発生した磁場とが、事実上互いに中和し合い、ＡＣキャパシタの加熱を防止し、キャパシタにおける電流分散を平滑化する同軸システムを作る。

本方法及びシステムは、同じ参照番号が同じ部品を示す図面と併せて考慮される以下の詳細な説明により十分に理解かつ評価される。

図１Ａは、既存の電力ＡＣキャパシタの概略図である。 図１Ａの電力ＡＣキャパシタの上面図である。 電力ＡＣキャパシタの一例の概略図である。 電力ＡＣキャパシタの他例の概略図である。 電源バスに接続された本電力ＡＣキャパシタの一例の概略図である。 本電力ＡＣキャパシタが電源バスに取り付けられたときに電源バスの要素間で誘導された磁場の概略図である。 従来の電源バスに取り付けられた既存の電力ＡＣキャパシタの一例の概略図である。 従来の電源バスに取り付けられた既存の電力ＡＣキャパシタにより、電源バスの要素間で誘導された磁場の概略図である。 本電力ＡＣキャパシタが装備された誘導加熱装置の一例の概略図である。

キャパシタは当該キャパシタの最弱ポイントである最高温ポイントにより制限されるので、本キャパシタは、当該キャパシタよりも良好かつ効率的な使用を許容する。本キャパシタにより電流は当該キャパシタの均一な加熱をもたらす態様で流れるので、高温ポイントがなくなる。キャパシタは、一定数のキャパシタの電源バスへの高速かつ単純な取り付けをサポートし、当該電源バスに取り付けられた構成要素すべてに対する熱負荷を同時に低減する。これらのキャパシタは、キャパシタそれぞれ及びすべてからの熱拡散を効率的にすることにより、キャパシタ電源バス取り付け構成の制限を取り除く。さらに、労働力が削減されるので、電力及びキャパシタの効率的な使用が許容される。

先行技術の電力ＡＣキャパシタの概略図である図１Ａを参照する。高電力キャパシタ１００は典型的に、交互に配置された誘電体（例えばポリプロピレン）膜と金属又は金属めっき膜電極とからなる。誘電体及び電極は通常、巻き付けられて多層ボビン１０４を形成する。ボビンはまた、巻き付け体とも称される。ボビン１０４は典型的に、２つの電極１０８及び１１２間に配置される。電極１０８及び１１２は、金属又は金属めっき膜の対向両端に、図１Ａ及び１Ｂに示されるようにはんだ付けにより、又は当該電極に圧力を及ぼすべく構成された一以上のボルト１１６若しくは他の配列体により展開された圧力により、電気的に接続される。異なるタッピング構成が、異なる負荷への電力キャパシタ１００の接続をサポートする。かかる負荷は、変圧器、電気モータ又は誘導加熱コイルとしてよい。電極１０８及び１１２は、接続管１２０を通して供給される冷却流体の流れにより、又はキャパシタを被冷却バスバーに取り付けている間の伝導により、冷却される。

所与サイズのキャパシタユニットの高い無効電力（ｋＶａｒ）容量を利用するには、誘電体に発生した熱を除去するべく当該ユニットを冷却する手段を設ける必要がある。当該ユニットに与えられ得る無効電力（ｋＶａｒ）の評価は、当該熱を除去して誘電体の温度を安全限度内に維持する場合の冷却手段の有効性に依存する。

図２Ａは、本電力ＡＣキャパシタの一例の概略図である。電力ＡＣキャパシタ２００は、第１電極２０４の表面２１２から突出する導電性ロッド２０８を含む第１電極２０４と、開口２２０を含む第２電極２１６と、第１電極２０４と第２電極２１６との間に配置されたボビン２２４とを含み、当該ボビンは、当該ボビンの長さを延ばす中空中心セクション２２８を含む。第１電極２０４の表面２１２から突出する導電性ロッド２０８の軸２３２は、中空ボビン２２４の軸２３６と同軸であり、ロッド２０８は、ボビン２２４の長さを延ばす中空中心セクション２２８を貫通し、及び第２電極２１６の開口２２０を貫通する。

第１電極２０４の表面２１２から突出する導電性ロッド２０８は、要求に応じてロック要素２４０に係合してバスバー（図示せず）との接触をもたらすロック配列体により終端される。バスバーは、冷却バス若しくは電気バス又はその双方としてよい。ロッド２０８のロック要素２４０及びロック配列体は、ねじ又は他の締結手段としてよい。導電性ロッド２０８及びロック要素２４０は、例えば真ちゅう又は銅のような任意の導電性材料から作られてよく、当該ロッドは、第１電極２０４に付着され又は第１電極に統合（一体化）されてよい。ロッド２０８の断面は典型的に、中実又は管状の丸い断面とされる。ただし、リッツ線、楕円形、正方形、三角形及び多角形の断面のような他の断面も使用してよい。

ＡＣキャパシタ２００はさらに、導電性ロッド２０８及びロック要素２４０を第２電極２１６から電気的に絶縁する要素２４４を含む。ロック要素２４０がバスバー（３００、図３）との接触を形成しない場合、第１電極２０４と当該バスバーとの間に接続が存在しないので、電流がキャパシタを流れることはない。

図２Ｂは、電力ＡＣキャパシタの他例の概略図である。キャパシタ２５４の電流伝導ロッド２５０は、２要素のロッドとして実装される。電流伝導ロッド２５０の第１要素２５０−１は、第１電極２０４に付着され又は第１電極に統合（一体化）されてよい。第２要素２５０−２は、固定又はロック要素である。ロッド２５０の要素２５０−１及び２５２−２は、任意の導電性材料から作られてよく、中実の断面を有する。ただし、管状の断面を使用してもよい。導電性ロッド２５０の要素２５０−１及び２５０−２の軸は、ボビン又は巻き付け体２２４の中空中心セクション２２８の軸２３６と同軸である。伝導性ロッドの要素２５０−２は、少なくとも一部がボビン２２４の中空中心セクション２２８に配置され、第２電極２１６における開口２２０を貫通する。電極２１２及び２１６は、ボビンの導電層との電気的接触を改善するように処理されてよい。

図３Ａは、電力又は電流伝導バスに接続された電力ＡＣキャパシタの一例の概略図である。電流伝導バス３００は、２つの電極３０４及び３０８と、電極３０４を電極３０８から絶縁する電気的絶縁材料３１２の層とを含む。電流伝導バス３００は、４、１０、又は任意数のＡＣキャパシタを受容するのに十分な、相対的に大きなサイズとしてよい。矢印３１６により示されてキャパシタ巻き付け体又はボビン２２４を通る第１方向に流れる交流が、電力拡散及びエネルギー損失を引き起こす電磁場を発生させる。導電性ロッド２０８又は（２５０）がボビン２２４の中空中心セクション２２８の中に配置されてロッド２０８の軸２３２が中空中心セクション２２８の軸２３６と同軸となる場合、ボビン２２４において流れる電流３１６により発生する磁場は、ロッド２０８における電流３２０により発生する磁場を中和させる。ロッド２０８において矢印３２０により示される電流は、ボビン２２４において流れる電流３１６に対向する対向方向に存在する。

図３Ｂは、同心円線３２４により磁場を示す。ボビンの中心に集中するとともに周縁に向かって減少する複数の点線は、導電性ロッド２０８において電流により誘導される、ロッド２０８の近くで最大強度となりボビンの周縁に向かって減少する磁場を表す。図３Ｄは、同心円線３４８により磁場を示す。ボビンの中心において低密度であり周縁に向かって高密度となる同心円の点線は、（ロッド２０８における電流の方向に対向する）ボビン２２４における電流により誘導される磁場を表す。導電性ロッド２０８の軸とボビン２２４の軸との同軸関係に起因して、導電性ロッド２０８における電流によりもたらされる磁場は、ボビン２２４における電流によりもたらされる磁場とは対向方向となる。線３２４及び３４８により示される２つの磁場の重ね合わせが、再分散された均衡する磁場となり、これが、ボビンにおける電流を、ボビン２２４全体にわたり均一に分散されるようにする。

ロッド２０８を備えたＡＣキャパシタ２００は、市販の同様のキャパシタよりも２倍以上高い電流を安全に取り扱うことができる。

材料の誘導加熱は、高電力ＡＣキャパシタのアプリケーションの一つである。誘導加熱装置は、交流をワークコイルに送達する誘導電源を含む。これにより、当該コイル内に電磁場がもたらされる。ワークピースがコイルに配置され、この磁場が、当該ワークピースに電流を誘導し、当該ワークピースに熱が発生する。

高電力誘導加熱に使用されるキャパシタに対する要件は、いずれのタイプのキャパシタよりも極めて厳しい。高い動作周波数及び莫大な電流が、キャパシタにおいて及びキャパシタの近くにおいて展開される誘電体加熱、オーム損失及び磁場ゆえに著しい損失を引き起こす。

したがって、その設計における重要な因子は、キャパシタ自体の誘導による加熱を最小限となるように電流を方向付け、キャパシタ内からの熱除去効果を許容することによりキャパシタの寿命を延ばすこととなる。本キャパシタは、これらの要件すべてを、市販の同様のいずれのキャパシタよりも良好に満たす。

図４は、本電力ＡＣキャパシタが装備された誘導加熱装置の一例の概略図である。誘導加熱装置４００は電流伝導バスを含む。電流伝導バスは、２つの電極４０４及び４０８と、電極４０４を電極４０８から絶縁する電気的絶縁材料４１２の層とを含む。２つの電力ＡＣキャパシタ２００が電流伝導バスに取り付けられるが、電流伝導バスのサイズは、４、１０又は任意数のＡＣキャパシタを受容するほど十分に大きい。取り付け孔４１６により概略的に示される４つの締結具が、ＡＣキャパシタ電極２１６を、誘導加熱装置４００に、特に電極４０４に、付着させる。明らかなことだが、キャパシタ２００の機械的取り付けをサポートする任意の他の数の締結具を使用してもよい。キャパシタ２００の電極４０４への取り付けはまた、キャパシタ２００の電極２１６と装置４００の電極４０４との電気的接触も容易にする。

上述したように、ロッド２０８の軸とボビン２２４の軸との同軸関係ゆえに（図２及び３）、正味の磁場が再分散され、キャパシタの全体的な温度が低減されて高温スポットがなくなる。したがって、装置４００は、本キャパシタ２００なしの同様のキャパシタを備えた装置よりも数倍高い電流を安全に取り扱うことができる。

当業者にはわかることだが、本キャパシタは特に図示されて上述されたものに限られない。むしろ、キャパシタ及びその使用の範囲は、上述された様々な特徴、並びにその修正例及び変形例であって、上述の記載を読むときに当業者に想起されるが先行技術には存在しないもの、のコンビネーション及びサブコンビネーションの双方を含む。

Claims (17)

1. ＡＣキャパシタであって、
   第１電極であって、前記第１電極の表面から突出する導電性ロッドを含む第１電極と、
   開口を含む第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたボビンであって、中空中心セクションを含むボビンと
   を含み、
   前記第１電極の表面から突出する導電性ロッドの軸は前記中空ボビンの軸と同軸とされ、
   前記導電性ロッドは、前記ボビンの中空中心セクションと前記第２電極の開口とを貫通して電流の流れを許容する、ＡＣキャパシタ。
2. 前記導電性ロッドは、前記第１電極に付着され又は前記第１電極に統合（一体化）されたロッドからなる一群の導電性ロッドの一つである、請求項１のＡＣキャパシタ。
3. 前記第１電極の表面から突出する導電性ロッドの端は、要求に応じて前記バスバーとの接触をもたらすべく構成されたロック配列体により終端される、請求項１のＡＣキャパシタ。
4. 前記導電性ロッドの断面は、中実又は中空の円形、楕円形、マルチストランド（リッツ線）、及び多角形の断面からなる一群の断面の一つである、請求項１のＡＣキャパシタ。
5. 前記導電性ロッドのロック配列体に係合するべく構成されたロック要素をさらに含む、請求項１のＡＣキャパシタ。
6. 前記導電性ロッドのロック要素及びロック配列体はねじである、請求項５のＡＣキャパシタ。
7. 前記導電性ロッド及びロック要素の長さが、前記電極とロック要素との間に付加的要素を導入することをサポートし、
   前記付加的要素は電源バスである、請求項１のＡＣキャパシタ。
8. 前記中空中心セクションは前記ボビンの長さを延ばす、請求項１のＡＣキャパシタ。
9. ＡＣキャパシタであって、
   第１電極であって、前記第１電極から突出するロッドの第１要素を含み、前記ロッドの第１要素は第１ロック配列体を含む第１電極と、
   前記第１電極に対向して配置されて開口を含む第２電極と、
   中空中心セクションを備えた巻き付け体であって、前記第１電極と前記第２電極との間に延びる巻き付け体と、
   前記ロック配列体に係合して前記ロッドを終端させるべく構成された第２ロック配列体を含む固定要素と
   を含み、
   前記第１電極の表面から突出するロッドの軸と、前記固定要素の軸と、前記巻き付け体の軸とは同軸とされ、
   前記固定要素は、少なくとも一部が前記巻き付け体の中空中心セクションに配置される、ＡＣキャパシタ。
10. 前記第１電極の表面から突出する第１ロッド要素は、前記第２ロッド要素のロック配列体を受容するべく構成されたロック配列体を含む、請求項９のＡＣキャパシタ。
11. 前記ロッドの第１要素及び第２要素のロック配列体はねじである、請求項９のＡＣキャパシタ。
12. 前記少なくとも前記第２ロッド要素は、要求に応じて前記バスバーとの接触をもたらすように構成される、請求項９のＡＣキャパシタ。
13. 前記ロッドの断面は、中実の円形、マルチストランド（リッツ線）、楕円及び多角形の断面からなる一群の断面の一つである、請求項９のＡＣキャパシタ。
14. 前記ロッド要素及び前記固定要素を少なくとも一つの電極から電気的に絶縁する要素をさらに含む、請求項９のＡＣキャパシタ。
15. ＡＣキャパシタの接続及び動作の方法であって、
    第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたボビンとを含むＡＣキャパシタを設けることと、
    前記第１電極及び第２電極にＡＣ電圧を供給することと
    を含み、
    前記ボビンは、前記ボビンの長さを延ばす中空チャネルと、前記ボビンの中空チャネルを貫通する電流伝導ロッドとを含み、
    少なくとも前記電流伝導ロッドと前記ボビンとは同軸であり、
    前記ＡＣ電圧が、前記ボビンにおいて第１方向に流れて磁場を誘導する電流を発生させる一方、前記ロッドにおいて発生するＡＣ電流が反対方向の第２方向に流れて対向する磁場をもたらす、方法。
16. 前記ＡＣキャパシタの正味の磁場が均一な態様で分散されることにより、前記キャパシタにおける電流分散が均一化される、請求項１５の方法。
17. 発生する熱を、前記磁場が影響し合うことにより最小限にする、請求項１５の方法。
    

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