JP4887739B2

JP4887739B2 - 高圧インバータ装置

Info

Publication number: JP4887739B2
Application number: JP2005321699A
Authority: JP
Inventors: 秀明志津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2025-11-07
Also published as: JP2007129861A

Description

この発明は、数ｋＶの高電圧出力を得る高圧インバータ装置に関するものである。

半導体応用装置である高圧インバータ装置では、入力に高圧トランスを用いる。高圧トランスは一次側が例えば３ｋＶ、６ｋＶで２次側が９相、１８相などの多相となり、この多相の低圧側が半導体の変換部に接続されている。半導体の変換部は多相分あり、例えば１８相の場合にはＵ相は６台の単相インバータセルが直列に接続される。図８は従来の６．６ｋＶ出力用高圧インバータ装置の接続図であり、交流電源１は入力トランス２，３を介して各単相インバータセルＵ１〜Ｕ６、Ｖ１〜Ｖ６、Ｗ１〜Ｗ６に接続され、各相の単相インバータセルはそれぞれ直列接続されて多重構成とされ、交流電動機４に接続される。各単相インバータセルは、入力トランス２，３を介して入力された三相の電力を全波整流する順変換部と、全波整流された電力を平滑する平滑コンデンサと、平滑された電力を単相交流に変換する逆変換部とから構成されて電力変換を行い、各単相インバータセルでは半導体スイッチング素子として例えば耐圧１．７ｋＶのＩＧＢＴが使用される。高圧インバータ装置は盤枠内に収納され、図９に示すように、入力トランス２，３を筐体に収納したトランス盤５と、各単相インバータセルを筐体に収納したインバータ盤６と、各単相インバータセルを制御する制御回路を筐体に収納した制御盤７の列盤構成にされる。

従来では、上記したように、高圧インバータ装置は単相インバータセルの数が多く、またその分担電圧が異なることなどにより効果的な絶縁が重要となり、その絶縁方法が装置の大きさを左右する。なお、絶縁は単に構造物間のみならず、電線間、電線と構造物間についても問題となる。なお、この出願の発明に関連する先行技術文献として、次のものがある。
特開２００４−３５７４３６号公報

現在の高圧インバータ装置を見ると、盤枠及びその周辺の構成部材が鋼板材又は形鋼により形成され、構成部材の一部に合成樹脂材を用いたものもある。一般に、高圧盤というと碍子と空間で絶縁を行っているので、このような構造になっていると考えられる。しかし、碍子で距離を持たせて絶縁した部分はデッドスペースとなっており、装置の小形化に対しては懸案事項となっている。

又、空間に金属構造物があれば、絶縁したり、絶縁距離を設けたりする必要が生じ、盤寸法が大きくなる方向となる。特に、６ｋＶクラスの電線では、位相が異なると、電線同士を束にすることができず、アース電位より絶縁することが必要になる。又、高圧インバータ装置は、図８に示したように主回路電線が多く、配線コースが問題になり、空間に金属構造物があると、配線スペースが大きくなる。

又、本出願人は、各単相インバータセルの周囲の構造部材を絶縁物で構成した構造を提案したが、収納セルの容量が大きくなると、セル外形と共に質量も大きくなる。また、セルを収納するためのセル周りの構成部材をすべて絶縁部材にすると、強度不足となり、補強を要することとなり、コストアップになった。また、セルを段積みしているので、メンテナンス時には、セルを引き出すことが容易でなかった。

また、特許文献１では、縦枠を絶縁枠とし、縦枠間には金属製の棚板を渡し、棚板上に各単相インバータセルを載置している。この場合には、セルを棚板上に滑らせて引き出すことができ、保守が容易となる。又、絶縁枠は破断することはないが、曲がりやすく、左右の絶縁枠の間隔を保つためには棚枠が有効である。また、棚板の場合には、セルの前後左右の絶縁枠と同時に固定されるので、強度的にも良い。しかし、実際の作業は盤枠内が棚板により細かく仕切られるので、空間が小さく、棚板自身の奥側の固定（セル後側の絶縁枠との固定）が容易でなかった。又、棚板を装備した後に配線を行うが。細かく仕切られた空間を配線するのは容易ではない。さらに、空間が細かく仕切られているので、装置が稼働してからの盤内保守時も大変であるし、棚板は一枚板であるので、重くも有るし、棚板に色々な機能を持たせるための加工も棚板が大きいために容易ではない等の実際上の問題が多かった。

又、インバータ盤６の筐体は、それ自身が電気品の取付板となるが、セルと棚板との滑動面にそれらの電気品の取付ねじを出すことができない。または、取付ねじを出す場合には、別途取付ねじより高い滑動足を設けなければならず、実質的にセルの高さを高くすることになった。また、棚板は左右の絶縁枠が広くなると、自重により撓むため、補強を必要とした。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、各単相インバータセルを絶縁性良く、強固に支持するとともに、かつ小形な高圧インバータ装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る高圧インバータ装置は、順変換部及び逆変換部を有する単相インバータセルを複数直列に接続して電力変換を行うとともに、盤枠内に収納された高圧インバータ装置において、
各単相インバータセルの前後左右に立設された角パイプからなる複数の絶縁縦枠と前後の絶縁縦枠間に取り付けられた鋼板製の複数の棚枠とから構成され、盤枠内に設けられて、前記棚枠上に各単相インバータセルを引き出し可能に固定した絶縁支持枠と、
前側左右の絶縁縦枠間に取り付けられ、絶縁縦枠間の間隔を保証するとともに、主回路線の支持及び棚枠の支持を行う絶縁材からなる間隔補強材と、
絶縁材からなり、前記棚枠の下端側において前後の絶縁縦枠に取り付けられ、この絶縁縦枠間部分により主回路線の支持を行うとともに、前側の絶縁縦枠より前方に突出した部分により各単相インバータセルを制御する制御部との接続線である光ケーブルを支持する電線押さえ板と、
を備えたものである。

以上のようにこの発明の請求項１によれば、各単相インバータセルをその前後左右に設けられた絶縁縦枠に前後の絶縁縦枠間に取り付けられた鋼板製の棚枠を介して固定されており、既成の碍子等により絶縁していないので、絶縁する電圧によって容易に絶縁距離を決定することができ、高圧インバータ装置を小形化することができる。又、前側左右の絶縁縦枠間に絶縁材からなる間隔補強材を設けており、絶縁縦枠間の間隔を保証するとともに、主回路線の支持を行い、かつ棚枠の支持も行う。また、各単相インバータセルを基本的には絶縁縦枠により支持しているので、各単相インバータセルは安価な金属外被でよく、安価にすることができる。棚枠は鋼板製であるが、各単相インバータセルと直接接触しているので、絶縁上の支障はない。

又、各単相インバータセルは棚枠上に引き出し可能に支持されており、滑動面が金属同士で摩耗は少なく、また棚枠は板状ではなく、枠状になっているので、各単相インバータセルの引き出しは容易であり、そのメンテナンスや交換は容易である。又、各単相インバータセルを引き出せば、その後に大きな空間ができるので、盤枠内のメンテナンスが容易となる。又、棚枠は板状でないので、空間を細かく仕切ることがなく、配線作業が容易となる。又、絶縁縦枠は角パイプにより形成されるので、剛性が高く、かつ一方の面に金属ボルトを取り付けても、対面が塞がっているので、絶縁性も良い。さらに、前後の絶縁縦枠間に絶縁材からなる電線押さえ板を取り付けており、主回路配線は間隔補強材及び電線押さえ板の前後の絶縁縦枠間部分により支持され、また電線押さえ板の前側の絶縁縦枠より前方に突出した部分により制御部との接続線である光ケーブルが支持されるので、配線が容易となる。

実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。各単相インバータセルを規則的に配置することは保守上必要であり、高圧インバータ装置の単相インバータセルの数は３ｋＶ出力用では９台、６ｋＶ出力用では１８台であり、ここでは１８台の例を示す。また、各単相インバータセルを収納する盤枠の高さは２３００ｍｍが一般的であるので、まず段積み数を３段、６段、９段のうちの何れかを選択して、各単相インバータセルの大きさを決めることになる（ここでは、２列９段）。各単相インバータセルは盤枠の縦方向に段積みし、それを複数列の横並びにして盤枠内に収納する。各単相インバータセルを縦方向に段積みする場合に、各単相インバータセルを支持する縦枠を絶縁枠により形成する（絶縁縦枠という。）。これにより、各単相インバータセルが複数列の横並びになっても、各単相インバータセルは横並びの間隔で絶縁距離を確保すれば良いことになる（縦枠が金属製であれば、盤枠は電気的機能を確保するために単相インバータセルのＮ電位となっているので、縦枠から碍子などで縦枠左右の各単相インバータセルを絶縁する必要があり、各単相インバータセル間の距離が大きくなる。）。また、横方向に同相の単相インバータセルを配設した場合、横方向の絶縁距離を接地または異相間の絶縁距離より小さくすることができる。

図１（ａ）〜（ｃ）は各単相インバータセルＵ１〜Ｕ６，Ｖ１〜Ｖ６、Ｗ１〜Ｗ６の収納前における高圧インバータ装置の正面図、側面図及び平面図を示し、図２（ａ）〜（ｃ）は各単相インバータセルの収納前の高圧インバータ装置の上部の拡大平面図、拡大正面図及び拡大側面図を示し、図３（ａ）〜（ｃ）は各単相インバータセルの収納前の高圧インバータ装置の中間部の拡大横断平面図、拡大正面図及び拡大側面図を示し、図４（ａ）〜（ｃ）は各単相インバータセルの収納前の下部の拡大横断平面図、拡大正面図及び拡大側面図を示し、各単相インバータセルは２列９段で１８台設置し、同相のものは３段ずつ２列に並べ、３段毎に相間のギャップを持たせ、列間においてもギャップを持たせる。各単相インバータセルは盤枠８内において絶縁支持枠９により支持されるが、絶縁支持枠９の絶縁縦枠１０としては角パイプ形状のものを使用する。角パイプ形状のものは、Ｌ形形状のもののように左右に配置しても勝手違いにならず、また剛性も高く、その他のメリットもあり、材料の市場性もＬ形形状と同様にある。収納する各単相インバータセルの前後左右には絶縁縦枠１０が配置される。なお、各単相インバータセルが横方向に並べられているので、各単相インバータセルの間にある絶縁縦枠１０は各単相インバータセル毎に独立して配置するか、あるいは共用とする。前後の絶縁縦枠１０間には、各単相インバータセルを引き出し可能に支持する鋼板製の棚枠（セル引き出しレール）１１を前後方向にねじにより取り付ける。実際には、図５及び図６に示すように、クリップナット１２により取り付ける。又、実際には、棚枠１１の前部には各単相インバータセルを固定するための雌ねじ部が設けられ、棚枠１１の後部には各単相インバータセルの輸送時等の振動を規制するストッパが設けられている。
盤枠８の上部においては、各絶縁縦枠１０の上端の中央部には横方向に上部絶縁幅枠１３を設けるとともに、各絶縁縦枠１０の前部の上端には上部幅枠１４を勝手違いの取付金具１５を介して取り付け、また上部絶縁幅枠１３の左右両端には絶縁補強板１６を取り付ける。さらに、盤枠８の上部の後部側には風洞１９及び板金風洞２０を設けるとともに、盤枠８の上部の後部側の風洞１９，２０の上部にはファンダクト１７及び絶縁ファンダクト１８を設ける。

また、盤枠８の中間部においては、前側左右の絶縁縦枠１０間の一部又は全部の棚枠１１の下側には、絶縁部材からなる間隔補強材２１を取り付ける。間隔補強材２１は、絶縁縦枠１０の幅方向の間隔を規制するとともに、各単相インバータセルへの入力配線の固定部材となる。又、前後の絶縁棚枠１０間には、一部の棚枠１１又はすべての棚枠１１の下部側に、絶縁部材からなる電線押さえ板２２ａ，２２ｂをプラスチック製プッシュリベット２３により取り付ける。電線押さえ板２２ａ，２２ｂには２種類あり、前側の絶縁縦枠１０より前側に伸びるもの２２ａと前後の絶縁縦枠１０間のみに設けられるもの２２ｂとがある。電線押さえ板２２ａ，２２ｂの絶縁縦枠１０間部分では主回路電線の固定を行い、前側の絶縁縦枠１０より突出した部分では各単相インバータセルを制御する制御部との接続線である光ケーブルの固定を行う。主回路電線の入力線は隣接するトランス盤から各相単位でインバータ盤に接続され、また別途に隣接する制御盤へ出力線は接続される。光ケーブルは隣接のトランス盤からインバータ盤の上部に渡され、前面側の一方の絶縁縦枠１０に沿うように上部から下部へと配線されて各単相インバータセルに接続される。又、盤枠８の中間部においては、後部に風洞１９及び板金風洞２０が設けられ、また盤枠８の四隅には支柱２４が設けられる。

又、盤枠８の下部の前中部においては、下部幅枠２５を下部幅枠金具２６を介して盤枠８に取り付け、盤枠８の下部の後部においては、風洞１９，２０が風洞取付金具２７を介して盤枠８に取り付けられ、また風洞底板２８が底板取付金具２９を介して盤枠８に取り付けられる。なお、絶縁物同士、絶縁物と鋼板との締付は、荷重が作用するところ以外では、プラスチック製プッシュリベット２３を用いる。

以上のように、各単相インバータセルの支持構造を構成する。各単相インバータセルの背部には各単相インバータセルに共通の風洞１９，２０が設けられ、風洞１９，２０の上部のファンダクト１７，１８を介して排気ファンにより各単相インバータセルの前面から吸気した冷却風を排気する。

上記した実施最良形態１においては、各単相インバータセルは盤枠８内において絶縁支持枠９により支持されるが、絶縁支持枠９は各単相インバータセルの前後左右に設けられた角パイプ形状の絶縁縦枠１０と前後の絶縁縦枠１０間に取り付けられた鋼板製の棚枠１１により構成され、各単相インバータセルは棚枠１１上に引き出し可能に支持される。従って、既成の碍子等で絶縁する訳ではないので、絶縁する電圧によって容易に絶縁距離を決定することができ、高圧インバータ装置を小形化することができる。又、絶縁縦枠１０は絶縁枠であるので、穴を設ければ、電線を直接ナイロン製のラッチバンドにより固定することができる。また、前側左右の絶縁縦枠１０間の一部の棚枠１１の下側には絶縁材からなる間隔補強材２１を設けており、間隔補強材２１は、絶縁縦枠１０間の間隔を保証するとともに、主回路電線の固定を可能にし、かつ棚枠１１の支持も行う。又、各単相インバータセルを基本的には絶縁縦枠１０により支持しているので、各単相インバータセル自体は小形化に関しては安価な金属外被でよく、各単相インバータセルを安価に製作することができる。棚枠１１は鋼板製であるが、各単相インバータセルと直接接触するので、絶縁上は支障にならず、また滑動面が金属同士であるので、互いに削られることが少ない（重い単相インバータセルの場合には車輪付きにする。）。

又、各単相インバータセルは棚枠１１上を引き出し可能な構造となっており、棚枠１１は棚板ではなく、引き出しレール状の棚枠となっているので、各単相インバータセルのメンテナンスや交換は容易である（高圧インバータ装置は常時運転されることが多く、不具合の発生時には速やかに再運転する必要がある。）。また、各単相インバータセルを引き出せば、その後に大きな空間が出現し、盤枠８内のメンテナンスが可能となるので、高圧インバータ装置を壁面に沿わせて設置することができ、前面でメンテナンスが可能なフロントサービス装置とすることができる。又、組立時の配線作業等においても、棚枠１１が棚板でないために、配線作業を細かく仕切られた空間で行う必要がなく、配線作業が容易である。

又、絶縁縦枠１０は角パイプ形状であるので、一方の面に部材を金属ボルトで固定しても、対面が塞がっているので、絶縁性を高めることが可能であり、特に側面での接地筐体の場合に有効である。さらに、前後の絶縁縦枠１０間に絶縁材からなる電線押さえ板２２ａ，２２ｂを取り付けており、主回路配線は間隔補強材２１及び電線押さえ板２２ａ，２２ｂの前後の絶縁縦枠１０間部分により支持され、また電線押さえ板２２ｂの前側の絶縁縦枠１０より前方に突出した部分により制御部との接続線である光ケーブルが支持されるので、配線が容易となる。また、棚枠１１は鋼板製であるために、各単相インバータセルを固定するための前部の雌ねじ部と各単相インバータセルの輸送時の振動を規制するための背面ストッパとを容易に設けることができ、樹脂製のものや大形となる棚板状のものより安価に製作することができる。又、前部の雌ねじ部と背面ストッパとを一体に形成することができるので、組立誤差が少なく、精度が向上する。さらに、棚枠１１上においては各単相インバータセルの底面からねじが突出しても支障がなく、各単相インバータセルの構造が簡単になる。なお、各単相インバータセルの入出力端子は、光ケーブルを含め、盤枠８の前面側にある。

実施最良形態２
容量が大きくなると、３段、６段で各単相インバータセルの高さを決めて、盤枠内に効率的に収納する各単相インバータセルの幅寸法を決定する（各単相インバータセルの奥行き寸法は系列で固定値である。）。図７（ａ），（ｂ）は実施最良形態２による高圧インバータ装置の正面図及び側面図を示し、実施最良形態２では、実施最良形態１より容量が大きいので、各単相インバータセルを６列３段に配置する。３０は盤枠８の上部に設けられた排気ファン、３１、３２は電線押さえ板２２ａ，２２ｂに支持された主回路線及び光ケーブルである。その他の構成は実施最良形態１と同様であり、効果も同様である。

この発明の実施最良形態１による各単相インバータセルの収納前における高圧インバータ装置の正面図、側面図及び平面図である。実施最良形態１による各単相インバータセルの収納前における高圧インバータ装置の上部の拡大平面図、拡大正面図及び拡大側面図である。実施最良形態１による各単相インバータセルの収納前における高圧インバータ装置の中間部の拡大横断平面図、拡大正面図及び拡大側面図である。実施最良形態１による各単相インバータセルの収納前における高圧インバータ装置の下部の拡大横断平面図、各代正面図及び拡大側面図である。図３（ａ）の一部拡大図である。図３（ｂ），（ｃ）の一部拡大図である。実施最良形態２による高圧インバータ装置の正面図及び側面図である。従来の高圧インバータ装置の接続図である。従来の高圧インバータ装置の盤構成図である。

符号の説明

８…盤枠
９…絶縁支持枠
１０…絶縁縦枠
１１…棚枠
２１…間隔補強材
２２ａ，２２ｂ…電線押さえ板
３１…主回路線
３２…光ケーブル
Ｕ１〜Ｕ６，Ｖ１〜Ｖ６，Ｗ１〜Ｗ６…単相インバータセル

Claims

順変換部及び逆変換部を有する単相インバータセルを複数直列に接続して電力変換を行うとともに、盤枠内に収納された高圧インバータ装置において、
各単相インバータセルの前後左右に立設された角パイプからなる複数の絶縁縦枠と前後の絶縁縦枠間に取り付けられた鋼板製の複数の棚枠とから構成され、盤枠内に設けられて、前記棚枠上に各単相インバータセルを引き出し可能に固定した絶縁支持枠と、
前側左右の絶縁縦枠間に取り付けられ、絶縁縦枠間の間隔を保証するとともに、主回路線の支持及び棚枠の支持を行う絶縁材からなる間隔補強材と、
絶縁材からなり、前記棚枠の下端側において前後の絶縁縦枠に取り付けられ、この絶縁縦枠間部分により主回路線の支持を行うとともに、前側の絶縁縦枠より前方に突出した部分により各単相インバータセルを制御する制御部との接続線である光ケーブルを支持する電線押さえ板と、
を備えたことを特徴とする高圧インバータ装置。