JP3730137B2

JP3730137B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3730137B2
Application number: JP2001154021A
Authority: JP
Inventors: 和弘佐藤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: JP2002354840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＰＣ（Neutral Point Clamping) 電力変換装置のアース電流による誤動作を防止した電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチング素子としてＩＥＧＴ(Injection Enhanced Transistor) 素子を用いた３レベルのＮＰＣ電力変換装置を図８、図９及び図１０を参照して説明する。
【０００３】
図８の回路図に示すように、ＮＰＣ電力変換装置の主回路は、直流電源１と、その直流電流のリップル成分を平滑にする平滑コンデンサ２Ｐ及び平滑コンデンサ２Ｎと、直流電源を交流に変換するＩＥＧＴ素子３Ｓ等の半導体素子と他の電気品（半導体素子のスイッチング時のサージを吸収するコンデンサ、抵抗器等）で構成したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗからなるインバタ３と、負荷であるモータ４とから構成されている。
【０００４】
図９は、図８の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎとインバータ３を搭載する筐体５の側面図であり、正面側にはＩＥＧＴ素子を搭載したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを上から順番に搭載しており、その後方には複数個の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを搭載している。スタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ及び主回路導体等は図示しない負荷に接続されている。平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎとスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ間の接続は、スタック内のＩＥＧＴ素子３Ｓのスイッチングサージを最小限に抑制すべき低インダクタンス化のために、最短、最小ループ化を図って幅広導体等で接続している。
【０００５】
また、図１０に示すように平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎ自身のインピーダンスも最少に抑えるために、電極端子２Ｔも複数本で構成されている。そして、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースは筐体５のフレーム５Ａに取り付けられている。またケースの側面にはケースアースのアース電極２Ｅが設けられており、そのアース配線は、図９に示すように、筐体５の筐体フレームアースＥ１である筐体アース母線５Ｅ１に接続されている。
【０００６】
ＮＰＣ電力変換装置は、インバータ盤の他にインバータ盤と同様に各種器具のアース接続のためのアース母線を備えたコンバータ盤、制御盤、複数面が列盤されることになり、筐体フレームアースＥ１は、筐体アース母線５Ｅ１で全て接続され、筐体５のアース電位として繋っている。その筐体アース母線５Ｅ１には、コンバータ盤、インバータ盤の制御及び駆動するプリント基板、上位のコンピュータシステムと伝送を行うプリント基板、他電気品のアース線が接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、３レベルの動作モードにおいて、ＩＥＧＴ素子３Ｓは所定の周波数で負荷であるモータ４を駆動及び制御する。平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎは、コンデンサ内部の素子とコンデンサケース間に浮遊容量が存在し、その浮遊容量を通してアース電流として筐体アース母線５Ｅ１に流れる。
【０００８】
一方、上記スイッチング周波数が高くなるに従って、その漏れ電流は増加する。例えば、５００Ｈｚ程度のスイッチング周波数では正負の片側の平滑コンデンサでも数アンペアピークのアース電流が筐体アース母線５Ｅ１に流れる。
【０００９】
このように大きな電流が筐体５に流れると、列盤されている他の盤に対してノイズ源にもなる。特に、ＩＥＧＴ素子３Ｓを駆動及び制御する制御盤には、多くのプリント基板が搭載されており、インバータのスイッチング動作により、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎからアース電流が、筐体アース母線５Ｅ１を通して制御基板に侵入して誤動作の原因になることが少なくない。
【００１０】
このような制御盤の誤動作を回避する方法としては、ノイズフィルターの追加、信号回路ヘのフェライトコアの追加等を余儀なくされるケースがしばしばである。特に、納入後の環境条件でもその事象が大きく異なる場合が多く、対策に莫大な時間と費用が掛かることもある。また、システムの操業に多大な影響を与えることにもなる。
【００１１】
本発明は上記状況に対処するためになされたもので、その課題は、ノイズによる誤動作防止を図り、信頼性、省スペース性、経済性、組立性にも優れた電力変換装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの出力である直流を平滑する複数の平滑コンデンサと、前記平滑された直流を交流に変換するインバータとからなる電力変換装置において、前記複数の平滑コンデンサのアース電位である各ケースアースを相互に接続してから、電力変換装置を構成する筐体に収納された各電気部品及び構造用品のアース接続のための筐体アース母線とは別系統のアース母線に接続し、該アース母線を前記筐体アース母線を接地する筐体フレームアースと異なるフレームアースで接地したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、平滑コンデンサの各ケースアースを接地したフレームアースに、ＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点を、ヒューズを介して接続し、接地したことを特徴とする。
【００１４】
請求項１及び請求項２記載の発明によると、ＩＥＧＴ素子のスイッチング動作による平滑コンデンサの浮遊容量を通して流れるアース電流により、他の盤に搭載されているプリント基板への影響、つまり誤動作を回避可能になる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを、電気的に絶縁された絶縁体に載せて筐体に搭載すると共に、前記平滑コンデンサの取り付け脚を鋼鉄製の軸の外表面がエポキシコーチィングまたはＦＲＰ等の絶縁被膜で覆われた取り付けボルトを貫通させて固定することにより、前記筐体に取り付けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを、表面に導電性の材料が備えられた絶縁体に、該導電性の材料に前記平滑コンデンサの各ケースが導通するよう載せると共に、フレームアースに前記導電性の材料を接続することで、筐体アース電位から浮かして取り付けたことを特徴とする。
請求項３及び請求項４記載の発明によると、平滑コンデンサのケース電位は、完全に筐体のアース電位から絶縁される。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項１、請求項３及び請求項４のいずれかに記載の電力変換装置において、平滑コンデンサのケースアースをＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点に接続し、電気的に固定したことを特徴とする。
【００１８】
請求項５によると、平滑コンデンサのケース自身の電位が、直流電源の中間電位に固定されることになり、平滑コンデンサケースの電位が浮くことなく安定する。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の電力変換装置において、平滑コンデンサの２極端子のうち、一方を正極端子または負極端子とし、他方を中間電位電極とし、前記中間電位電極はケース自身で構成し、ＮＰＣ主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点ブスバーに直接取り付けることによりＮＰＣ電力変換装置の中間電位に電気的に固定して接続したことを特徴とする。
請求項６によると、平滑コンデンサのケース自身の電位が直流電源の中間電位に固定されることになり、平滑コンデンサケースの電位が浮くことなく安定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置は図８の従来例と同じ主回路構成である。すなわち、ＮＰＣ電力変換装置の主回路は、直流電源１と、その直流電流のリップル成分を平滑にする平滑コンデンサ２Ｐ，平滑コンデンサ２Ｎと、その平滑された直流を交流に変換するＩＥＧＴ素子３Ｓ等の半導体素子と他の電気品（半導体素子のスイッチング時のサージを吸収するコンデンサ、抵抗器等）で構成したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗからなるインバタ３と、負荷であるモータ４とから構成されている。
【００２１】
図１は本発明の第１実施形態（請求項１及び請求項２対応）であるＩＥＧＴ素子を用いた３レベルのＮＰＣ電力変換装置の直流電源１とインバタ３の間に配置される平滑コンデンサの回路図である。
【００２２】
図において、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの一端は直流電源に接続されており、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの他端は、平滑コンデンサ２Ｐと平滑コンデンサ２Ｎの中間電位である中性点Ｃから抵抗６Ａ，６Ｂ及びヒューズ７を介してフレームアースＥ２に接続されている。また、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケース側面にはケースアースのアース電極２Ｅが設けられており、そのケースアースであるアース電極２Ｅを相互に接続してからフレームアースＥ２に接続される構造となっている。
【００２３】
図２は、図１の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのインバータ３を搭載する盤の側面図であり、正面側にはＩＥＧＴ素子３Ｓを搭載したスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを上から順番に搭載しており、その後方には平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを搭載している。
【００２４】
平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎとスタック３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ間の接続は、スタック内のＩＥＧＴ素子３Ｓのスイッチングサージを最小限に抑制すべき低インダクタンス化のために、最短、最小ループ化を図って幅広導体等で接続している。また、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎ自身のインダクタンスも最小に抑えるために、複数本の電極端子で構成されている。そして、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースにはアース電極２Ｅが設けられており、そのアース配線は、図２に示すように筐体５のフレームアースＥ２が接続されているアース母線５Ｅ２に接続されている。
【００２５】
また、ＮＰＣ電力変換装置は、インバータ盤の他にインバータ盤と同様に各種器具のアース接続のためのアース母線を備えたコンバータ盤、制御盤、複数面が列盤されることから、筐体フレームアースＥ１は筐体アース母線５Ｅ１で全て接続されている。従ってアース母線５Ｅ２とは別の系統のアース極となり、電位的には繋っていない。
【００２６】
このように平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースアースのアース電極２Ｅは、図２に示すように、筐体５の下部に設けたフレームアースＥ２のアース母線５Ｅ２に接続されている。したがって、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのアース電位は、完全に筐体のアース電位（筐体フレームアースＥ１）から絶縁されることになる。
【００２７】
本実施形態は上記のように構成されているので、ＩＥＧＴ素子３Ｓのスイッチング動作による平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの浮遊容量を通して流れるアース電流により、他の盤に搭載されているプリント基板への影響、つまり誤動作を回避可能になる。
【００２８】
図３は本発明の第２実施形態（請求項３及び請求項４対応）の側面図であり、図４は図３のＸ部分の拡大図である。
図３に示すように、本実施形態では、筐体５のフレーム５Ａに電気的絶縁物８を載せ、その上に平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを収納しているケースを載せている。この平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付は、図４に示すように、平滑コンデンサ取付脚部２Ｂを鉄鋼製のボルト９の外表面をエポキシコーチィングまたはＦＲＰ等の絶縁被膜９Ａで覆った絶縁ボルト９、絶縁ワッシャー９Ｂでフレーム５Ａに締付け固定されている。
【００２９】
図５は本発明の第３実施形態（請求項４対応）の側面図である。
図に示すように、本実施形態では、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付脚部２Ｂ底辺の塗装をなくし、その平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎを載せる絶縁体１０は、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの取付脚部２Ｂに接触する面に導電性の材料１０Ａを塗布し、段毎に電線１１またはブスバー等で筐体５の下部に設けたアース電位（フレームアースＥ２）としてのアース母線５Ｅ２に接続されている。つまり、複数個の平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースアースが取付脚部２Ｂを導電性の材料１０Ａに接触させて絶縁体１０に取り付けられることにより、アース電位（フレームアースＥ２）に接地される。なお、絶縁体１０と平滑コンデンサ取付脚部２Ｂ間に塗布した導電性の塗料の代わりに導電性材料の鋼材、銅、アルミニゥームを用いても良い。
本実施形態は、上記のように構成されているので、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのアース電位は、完全に筐体のアース電位（筐体フレームアースＥ１）から絶縁されることになる。
【００３０】
図６は本発明の第４実施形態（請求項５対応）の回路図である。
図に示すように、本実施形態では、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケースアースのアース電極２ＥがＮＰＣの主回路の平滑コンデンサ２Ｐと平滑コンデンサ２Ｎの中間電位である中性点Ｃに接続されており、さらに抵抗６Ａ，６Ｂ及びヒューズ７を介してフレームアースＥ２に接続されている。この取付方法は図２の第１実施形態と同様である。
【００３１】
本実施形態は、上記のように構成されているので、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎのケース自身の電位が、直流電源の中間電位に固定されることになり、平滑コンデンサケースの電位が浮くことなく安定する。
【００３２】
図７は本発明の第５実施形態（請求項６対応）の側面図である。
図に示すように、本実施形態では、平滑コンデンサ２Ｐ，２Ｎの２極端子の内、一方の電極端子２Ｔは正極端子または負極端子とし、他方は中間電位電極とし、中間電位電極は、ケース自身をそのケースアースであるアース電極２Ｅにして、ＮＰＣ主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点ブスバーＣ１に直接取り付けることにより、ＮＰＣ電力変換装置の中間電位に電気的に固定されることになる。また、中性点ブスバーＣ１は絶縁ボルト９で碍子１２に支持されるように取り付けられている。
【００３３】
本実施形態は、上記のように構成されているので、平滑コンデンサのケース自身の電位が、直流電源の中間電位に固定されることになり、平滑コンデンサケースの電位が浮くことなく安定する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平滑コンデンサのアース電流を筐体と分離し、電流の流れるルートを変えることにより、平滑コンデンサを搭載した変換器盤と列盤になっている他の盤、特にＩＥＧＴ素子を駆動、制御する制御盤の制御基板へのアース電流の影響をなくすことが可能となる。また、ノイズフィルター、信号回路へのフェライトコア等のノイズ防止策電気用品の削除が可能になるので、ノイズ誤動作防止の信頼性、省スペース性、経済性、組立性に優れ、また部品点数も少ない低価格で高信頼性の電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である３レベルＮＰＣ電力変換装置の平滑コンデンサの接地回路図。
【図２】図１の電力変換装置の各種用品を搭載する導体の側面図。
【図３】本発明の第２実施形態の側面図。
【図４】図３のＸ部分の拡大図。
【図５】本発明の第３実施形態の側面図。
【図６】本発明の第４実施形態の回路図。
【図７】本発明の第５実施形態の平滑コンデンサ実装の側面図。
【図８】従来のＮＰＣ電力変換装置主回路と平滑コンデンサの接地回路図。
【図９】従来の電力変換装置の各種用品を搭載する導体の側面図。
【図１０】従来の電力変換装置の平滑コンデンサ実装の側面図。
【符号の説明】
１…直流電源、２Ｂ…平滑コンデンサの取付脚、２Ｅ…アース電極（ケースアース）、２Ｎ，２Ｐ…平滑コンデンサ、２Ｔ…電極端子、３…インバータ、３Ｓ…ＩＥＧＴ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ…スタック、４…モータ、５…筐体、５Ａ…フレーム、５Ｅ１…筐体アース母線、５Ｅ２…アース母線、６Ａ，６Ｂ…抵抗、７…ヒューズ、８…絶縁体、９…絶縁ボルト、９Ａ…絶縁被覆、９Ｂ…絶縁ワッシャー、１０…絶縁体、１１…アース線、１２…碍子、Ｅ１…筐体フレームアース、Ｅ２…フレームアース。

Claims

交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの出力である直流を平滑する複数の平滑コンデンサと、前記平滑された直流を交流に変換するインバータとからなる電力変換装置において、前記複数の平滑コンデンサのアース電位である各ケースアースを相互に接続してから、電力変換装置を構成する筐体に収納された各電気部品及び構造用品のアース接続のための筐体アース母線とは別系統のアース母線に接続し、該アース母線を前記筐体アース母線を接地する筐体フレームアースと異なるフレームアースで接地したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置において、平滑コンデンサの各ケースアースを接地したフレームアースに、ＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点を、ヒューズを介して接続し、接地したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを、電気的に絶縁された絶縁体に載せて筐体に搭載すると共に、前記平滑コンデンサの取り付け脚を鋼鉄製の軸の外表面がエポキシコーチィングまたはＦＲＰ等の絶縁被膜で覆われた取り付けボルトを貫通させて固定することにより、前記筐体に取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２記載の電力変換装置において、平滑コンデンサを、表面に導電性の材料が備えられた絶縁体に、該導電性の材料に前記平滑コンデンサの各ケースが導通するよう載せると共に、フレームアースに前記導電性の材料を接続することで、筐体アース電位から浮かして取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１、請求項３及び請求項４のいずれかに記載の電力変換装置において、平滑コンデンサのケースアースをＮＰＣの主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点にに接続し、電気的に固定したことを特徴とする電力変換装置。
請求項５記載の電力変換装置において、平滑コンデンサの２極端子のうち、一方を正極または負極端子とし、他方を中間電位電極とし、前記中間電位電極はケース自身で構成し、ＮＰＣ主回路の正極平滑コンデンサと負極平滑コンデンサの中間電位である中性点ブスバーに直接取り付けることによりＮＰＣ電力変換装置の中間電位に電気的に固定、接続したことを特徴とする電力変換装置。