JP5192181B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置に係り、特に３レベル電力変換装置の主回路配線の配置を改良した電力変換装置に関する。

近年、大電力用の電力変換装置として、低耐圧のスイッチング素子を用いて比較的高調波の少ない高電圧を出力することのできる３レベル以上の多レベルの電力変換装置が用いられるようになってきている。例えば３レベルインバータ装置の内部構成は、直流電源供給用のコンバータ部、直流コンデンサ部、インバータ部及び制御回路部の組み合わせとなるが、インバータ部での損失が大きいので、装置が必然的に大型となる。

このインバータ部の損失を低減するため、インバータ部を構成する各相の正側及び負側のインバータユニットのサージ電圧抑制用に設けられたスナバ回路に蓄えられたエネルギーを直流コンデンサ部に回生するような効果的な配線構造が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平８−１９６０８１号公報（全体）

特許文献１による手法はインバータ部の損失を低減することによって装置の小型化を図ったものであるが、主回路の配線による損失にも着目する必要がある。主回路の配線が長くなると、その損失が増大することは周知であるが、主回路の配線が発生する磁束が磁性体である筐体に作用し、誘導加熱によって筐体を発熱させてしまう問題にも十分注意を払う必要がある。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、筐体の発熱を抑制する主回路の配線配置を有する電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、３レベルの直流端子と１相分の交流出力端子を有する３組の電力変換ユニットによって３レベルの直流と３相交流間を電力変換するように構成した電力変換装置において、３レベルの共通の直流母線から各々分岐点を介して前記３レベルの直流端子に配線し、前記分岐点に近接して直流コンデンサを接続し、前記電力変換ユニット及び前記直流コンデンサを相毎に筐体に収納すると共に、前記交流出力端子に接続される交流出力配線のうち、前記筐体の分割面を横切る２相分の盤間渡り配線の各相の一部を前記直流母線と近接して配置して互いの磁束を相殺するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、筐体の発熱を抑制する主回路の配線配置を有する電力変換装置を提供することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図３を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置の装置構成図である。この図１（ａ）において、筐体１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは３相３レベル電力変換装置の各相の電力変換ユニット２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗを夫々収納する筐体であり筐体１Ａと筐体１Ｂ、筐体１Ｂと筐体１Ｃが夫々列盤となるように構成されている。ここで、電力変換ユニット２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗは、交流電源の交流を３レベルの直流に変換するコンバータ部の１相分のユニットであっても良いが、ここでは交流電動機を駆動するための３相インバータ用の１相分のユニットであるものとする。

電力変換ユニット２Ｕの内部構成を図１（ｂ）に示す。尚、電力変換ユニット２Ｖ、２Ｗは電力変換ユニット２Ｕと同一の内部構成となっているので図示及び説明を省略する。図１（ｂ）に示すように、直流正極端子Ｐから直流負極端子Ｎに向けて逆並列にフライホイルダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を夫々接続したスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４が直列接続されている。そして直流中性点端子ＣからクランプダイオードＤＰを介してスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の中点がゼロ電位にクランプされるように接続され、同様にスイッチング素子Ｑ３及びＱ４の中点から直流中性点端子Ｃに向けてクランプダイオードＤＮが接続されている。更にスイッチング素子Ｑ２及びＱ２の中点が交流出力端子ＡＣに接続されている。

図１（ａ）において、電力変換装置の３相の交流出力配線３Ｕ、３Ｖ及び３Ｗは夫々電力変換ユニット２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗの交流出力端子ＡＣから装置出力部Ｏを介して筐体の外部に配線されている。尚、図においては筐体１Ｂに装置出力部Ｏを設けているが他の筐体に設ける構成としても良い。

また、電力変換装置への入力配線である直流母線４Ｐ、４Ｃ及び４Ｎは筐体１Ａ、１Ｂ及び１Ｃ内を貫通して敷設され、分岐点５Ｕ、５Ｖ及び５Ｗから夫々分岐配線によって分岐して各々の電力変換ユニット２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗの直流正端子Ｐ、中性点端子Ｃ及び直流負端子Ｎに夫々配線接続されている。そして分岐点５Ｕ、５Ｖ及び５Ｗの近傍には直流コンデンサ６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗが接続され、各々の電力変換ユニットの近傍の直流母線４Ｐと４Ｃ間並びに直流母４Ｎと４Ｃ間の直流電圧を平滑している。尚、図１（ａ）において直流コンデンサ６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗは直流母線側に接続されているが、各電力変換ユニットへの分岐配線側に接続するように構成しても良い。

上記の直流電圧は、例えば図示しないコンバータ部を有する他の筐体から供給されている。そして、正側電位の直流母線４Ｐ、中性点電位の直流母線４Ｃ及び負側電位の直流母線４Ｎは互いに近接して配置されている。

直流母線４Ｐ、４Ｃ及び４Ｎは筐体１Ａと筐体１Ｂの間並びに筐体１Ｂと筐体１Ｃの間の筐体分割面を横切るが、この部分を夫々盤間接続部７ＵＶ、７ＶＷと呼称する。交流出力配線３Ｕ及び３Ｗも同様に夫々筐体分割面の盤間接続部７ＵＶ、７ＶＷを介して筐体１Ａと筐体１Ｂの間並びに筐体１Ｂと筐体１Ｃの間を配線されている。そして交流出力配線３Ｕ及び３Ｗのうち、盤間渡り配線部８ＵＶ及び８ＶＷは上記直流母線と略平行に且つ近接して敷設されている。

図１（ａ）において、電力変換ユニット２Ｕの交流出力端子ＡＣから流れ出す電流をＩＵ、電力変換ユニット２Ｖ、２Ｗの交流出力端子ＡＣに流れ込む電流を夫々ＩＶ、ＩＷとする。また、盤間接続部７ＵＶにおいて直流母線４Ｐ、４Ｃ及び４Ｎ内を筐体１Ｂから筐体１Ａ方向に流れる電流を夫々ＩＵＰ、ＩＵＣ及びＩＵＮ、同様に盤間接続部７ＶＷにおいて直流母線４Ｐ、４Ｃ及び４Ｎ内を筐体１Ｃから筐体１Ｂ方向に流れる電流を夫々ＩＷＰ、ＩＷＣ及びＩＷＮとする。

図２は図１（ａ）の構成における各配線に流れる電流を理論的に演算解析した解析図である。

この図２は、電力変換装置の通電モードが、Ｕ相から他の２相に向かって流れる場合について各部の電流を解析している。この場合の通電ルートは、「直流母線４Ｐ→Ｕ相電力変換ユニットの直流正端子Ｐ→同交流出力端子ＡＣ→モータのＵ相→モータの他の２相（ここから分流）→他の２相の電力変換ユニットの交流出力端子ＡＣ→他の２相の電力変換ユニットの直流負端子Ｎ→直流母線４Ｎ→直流母線４Ｐ」のルートとなる。この通電モードはＵ相電力変換ユニット２ＵのＱ１及びＱ２がオンしＱ３及びＱ４はオフ、他の２相は逆にＱ３及びＱ４がオンしＱ１及びＱ２がオフしているモードである。従ってこの場合中性点には電流が流れない。

ここでＵ相の出力電流ＩＵの電流値をＩとすると、Ｖ相及びＷ相から負側直流配線４Ｎに戻ってくる電流ＩＶ及びＩＷは夫々Ｉ×１／２となる。この２つのＩ×１／２の電流が夫々３個の直流コンデンサ６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗの並列回路を経て正側直流配線４Ｐに戻ることになるから、直流コンデンサ６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗの負側から正側に流れる電流は、（Ｉ×１／２×１／３）×２＝Ｉ×２／６となる。

以上によって、盤間接続部７ＵＶにおける直流母線の電流ＩＵＰ、ＩＵＮが以下のように解析可能となる。まず、電力変換ユニット２Ｕ（筐体１Ａ）から交流出力配線３Ｕ内を筐体１Ｂ側に流れ込む電流ＩＵはＩとなる。そして直流母線４Ｐ内を筐体１Ｂから筐体１Ａに流れ込む電流ＩＵＰは、Ｉ×２／６の２倍となり、同様に直流母線４Ｎ内を筐体１Ｂから筐体１Ａに流れ込む電流は、Ｉ×２／６となる。上述したように直流母線４Ｃ内の電流はゼロであるから結局盤間渡り配線部８ＵＶと、この配線８ＵＶと近接して配置されている直流母線の電流は打ち消しあっていることが分かる。

同様に、盤間接続部７ＶＷにおいて電力変換ユニット２Ｖ（筐体１Ｂ）から交流出力配線３Ｖ内を筐体１Ｃ側に流れ込む電流ＩＷはＩ×１／２となる。そして直流母線４Ｐ内を筐体１Ｃから筐体１Ｂに流れ込む電流は、Ｉ×２／６、直流母線４Ｎ内を筐体１Ｃから筐体１Ｂに流れ込む電流ＩＷＰは、Ｉ×１／６となる。直流母線４Ｃ内の電流はゼロであるから結局盤間渡り配線部８ＶＷと、この配線８ＶＷと近接して配置されている直流母線の電流も打ち消しあっていることが分かる。

以上については、３レベル電力変換装置の全ての通電モードに対して解析可能である。この解析をシミュレーションした結果を図３に示す。図３の上段に示すように、盤間接続部７ＵＶにおける主回路電流の総和（ＩＵ＋ＩＵＰ＋ＩＵＣ＋ＩＵＮ）はあらゆる通電モードにおいてゼロとなっている。同様に図３の下段に示すように盤間接続部７ＶＷにおける主回路電流の総和（ＩＷ＋ＩＷＰ＋ＩＷＣ＋ＩＷＮ）もあらゆる通電モードにおいてゼロである。

以上説明したように、盤間渡り配線部を直流母線と近接させるようにすれば互いが磁束を打ち消しあい、最も発熱が懸念される部分の筐体の発熱を抑制することができる。尚、上記の近接配線部分が装置分割面を横切らない場合においても例えば近傍に筐体の側面があればその発熱を抑制可能であるので本実施例は有効である。また、各々の相の直流母線の分岐点から３レベルの直流端子への分岐配線と交流出力配線の一部を近接して配置し、互いの磁束を相殺するようにすれば、上記と同様の効果が得られることは明らかである。

図４は本発明の実施例２に係る電力変換装置の装置構成図である。この実施例２の各部について、図１（ａ）の本発明の実施例１に係る電力変換装置の装置構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、交流出力配線３Ｕ、３Ｖ及び３Ｗを互いに近接させたまま直流母線の近傍のＢ点まで配線し、Ｂ点で配線を折り曲げ、直流母線に沿って各電力変換ユニットの交流出力端子に配線するように構成した点である。

この実施例２のように主回路配線ルートを変更することによって、盤間の配線部分だけでなく交流出力配線側の磁束による筐体の過熱も防止することが可能となる。

尚、図において交流出力配線を折り曲げるＢ点は必ずしも図示した位置である必要はなく、直流母線に近接した部位であれば良い。またＢ点は筐体１Ｂでなく筐体１Ａまたは筐体１Ｃ内であっても良い。

以上実施例１及び実施例２で説明した交流出力配線及び直流母線は通常ブスバーを用いるが、電線であっても良い。また、盤間渡り配線部には直流母線と一体となった４導体構造のブスバーを用いることも可能である。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の装置構成図。 本発明の電力変換装置の各配線に流れる電流の解析図。 本発明の電力変換装置の各配線に流れる電流のシミュレーション結果。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の装置構成図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 筐体
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ 電力変換ユニット
３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ 交流出力配線
４Ｐ、４Ｃ、４Ｎ 直流母線
５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ 直流分岐点
６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ 直流コンデンサ
７ＵＶ、７ＶＷ 盤間接続部
８ＵＶ、８ＶＷ 盤間渡り配線部

Claims (4)

1. ３レベルの直流端子と１相分の交流出力端子を有する３組の電力変換ユニットによって３レベルの直流と３相交流間を電力変換するように構成した電力変換装置において、
   ３レベルの共通の直流母線から各々分岐点を介して前記３レベルの直流端子に配線し、
   前記分岐点に近接して直流コンデンサを接続し、
   前記電力変換ユニット及び前記直流コンデンサを相毎に筐体に収納すると共に、前記交流出力端子に接続される交流出力配線のうち、前記筐体の分割面を横切る２相分の盤間渡り配線の各相の一部を前記直流母線と近接して配置して互いの磁束を相殺するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 各々の相の前記分岐点から前記３レベルの直流端子への分岐配線と前記交流出力配線の一部を近接して配置して互いの磁束を相殺するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記交流出力配線の装置出力部から前記直流母線の近傍までの配線を３相分近接して配置して互いの磁束を相殺するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記交流出力配線及び前記直流母線の少なくとも一方はブスバーであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。

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