(57)【要約】【課題】小型で組み立て性の容易な電力変換装置を提供する。【解決手段】複数個の２次巻線を有する入力変圧器１と、この入力変圧器１を収納する変圧器盤１０と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータ２を複数台直列接続した各相をＹ接続して構成した３相インバータと、前記３相インバータを構成する単位インバータ２を収納する変換器盤２０とを備え、前記変換器盤２０は、絶縁物からなる複数本の支柱２２と、この複数本の支柱２２の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板２３を有し、前記棚板２３上に前記単位インバータ２を夫々載置固定するように構成する。【選択図】  図１
2004357436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の２次巻線を有する入力変圧器と、
この入力変圧器を収納する変圧器盤と、
前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータを複数台直列接続した各相をＹ接続して構成した３相インバータと、
前記３相インバータを構成する複数台の単位インバータを収納する変換器盤とを備え、
前記変換器盤は、絶縁物からなる複数本の支柱と、この複数本の支柱の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板を有し、
前記棚板上に前記単位インバータを夫々載置固定するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記支柱は、前記変換器盤の正面から見て横方向には、前記単位インバータの直列数＋１本、前記変換器盤の奥行き方向には複数本を行列状に互いに平行して配置したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記単位インバータを収納するユニットシャーシの正面に、前記単位インバータの入力端子および出力端子を設け、前記棚板には、前記入力端子に接続され前記単位インバータに電源を供給するための導体を機械的に支持するための固定部材を取付け、前記単位インバータは、上下方向および左右方向に夫々所定の間隔を持って棚板上に配置し、夫々の単位インバータの入力端子と、前記固定部材との相対的位置関係を全ての単位インバータに対して同一したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記単位インバータのユニットシャーシと、この単位インバータを載置する前記棚板を同電位とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記単位インバータを構成する単位インバータ回路の直流電圧を互いに直列接続したインピーダンス回路で等分圧し、前記インピーダンス回路の接続点である直流中点を前記単位インバータのユニットシャーシに接続して成ることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記入力変圧器を収納する変圧器盤における変換器盤側に、前記入力変圧器の巻線を上下に挟んで固定するフレームに電気的絶縁性と機械的強度を有する中継端子取付用支柱を設け、この中継端子取付用支柱に前記入力変圧器の２次側電線の中継端子台を取付けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項７】
偶数個の直列数で構成される前記単位インバータを中性点側と出力側の２群に等分し、この２群のそれぞれに給電するように前記入力変圧器を２分割して夫々変圧器盤に収納し、前記変換器盤の両側に前記変圧器盤を夫々列盤配置するようにした請求項１記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係わり、特に単位インバータを複数個使用して高電圧出力を得るようにした電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高電圧の電動機を可変速運転することにより省エネルギー化を図るニーズは多く、低電圧出力のインバータ装置に変圧器を接続して高電圧出力する方法や、高耐圧のスイッチング素子を用いた３レベルインバータを用いた方法が用いられていた。しかしこれらの装置は、入力及び出力に含まれる高調波が比較的多く、例えば高圧電動機に高調波対策を施すことなどが必要であった。
【０００３】
このため最近では、高調波対策を避ける方法として、複数の２次巻線を持つ入力変圧器の出力に夫々単相インバータを接続し、この複数の単相インバータを３グループに分け、グループ毎に直列接続したものの一方を中性点として接続し、他方から直接高電圧を出力するようにした直列多重インバータ装置が開発され、市場に供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
このように単相インバータを複数直列接続して高電圧を得る構成によれば、単相インバータの直列接続数と入力変圧器の２次巻線数の組み合わせのみで容易に多くの種類の出力電圧を得られる利点があり、先の高調波対策の問題と相まって、既存設備の省エネルギー化用途などに有効である。
【０００５】
図５は、従来の電力変換装置の主回路構成図である。
【０００６】
すなわち、商用電源を３相電源から２次側に複数の巻線を持った入力変圧器を介して３相交流電力を複数台の単位インバータへ供給する。単位インバータは３グループに分割され、各グループの単位インバータの出力は夫々直列に接続され、そのグループ同志の一方を中性点として接続し、その他方を夫々３相の交流電動機の各相に接続することにより、交流電動機３相交流電力を供給している。
【０００７】
図６は図５に示した単位インバータの主回路構成図である。単位インバータは、変圧器の２次巻線からの電力を整流回路及び直流平滑コンデンサで直流電力に変換し、パワーデバイスＵ、Ｖ、Ｘ及びＹをブリッジ接続した単相インバータ回路で任意の周波数、電圧を持った電力に変換するよう構成されている。尚、本図には示していないが、主回路を制御するための制御回路を併せ持っている。
【０００８】
また従来の電力変換装置の実装方法は、入力変圧器、単位インバータ群及び制御回路を別々の筐体に収納し、夫々変圧器盤、変換器盤及び制御盤としてこれらを列盤構成していた。
【０００９】
この変換器盤での単位インバータの実装方法は、金属材料によるユニット分割用縦フレームと、機械的強度と電気的絶縁性を併せ持つＦＲＰ引き抜き材から成る横フレームを用い、単位インバータをこの横フレームに搭載、固定することによっていた。この実装方法によれば単位インバータはＦＲＰ引き抜き材によって電気的に絶縁された状態で変換器盤に収納される。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１２２９４３号公報（第１４−１５頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
通常、図５に示す回路構成における個々の単位インバータの実装にあたっては、単位インバータ相互間と、単位インバータと筐体電位間には、回路電圧に応じた所定の絶縁距離が必要となる。例えば、定格出力３ｋＶ乃至６ｋＶの場合に必要な絶縁距離は５０乃至１００ｍｍ程度となる。
【００１２】
しかるに、上述した従来の単位インバータの実装方法では、単位インバータを収納したユニット分割用縦フレームが筐体電位となるため、ユニット分割用縦フレームの両側に実装される単位ユニットは夫々前記縦フレームに対し対地絶縁距離を確保することが必要となり、これが装置小型化の妨げとなっていた。
【００１３】
更に、ＦＲＰ引き抜き材からなる横フレームは、重量の大きい単位インバータを輸送振動条件も考慮して支えなければならない為、曲げ強度を大きくするなどの対策を施す必要があり、小型・低コストという市場ニーズに反していた。
【００１４】
また、変換器盤に例えば３段３列で９個の単位インバータが収納される場合を考えると、１つの単位インバータ毎に３本の変圧器２次電線が接続されることから、合計で２７本もの変圧器の２次側電線を、絶縁を考慮しながら配線する必要がある。これらの配線を、組み立て性なども考慮して合理的に実装し、装置全体を小型化することも大きな課題となっていた。
【００１５】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、小型で組み立て性の容易な電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、複数個の２次巻線を有する入力変圧器と、この入力変圧器を収納する変圧器盤と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータを複数台直列接続した各相をＹ接続して構成した３相インバータと、前記３相インバータを構成する複数台の単位インバータを収納する変換器盤とを備え、前記変換器盤は、絶縁物からなる複数本の支柱と、この複数本の支柱の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板を有し、前記棚板上に前記単位インバータを夫々載置固定するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、単位インバータ回路とフレーム間の絶縁距離の重複を排除しているので、小型で組み立て性の容易な電力変換装置を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の電力変換装置の内部構成図である。
【００１９】
電力変換装置は、変圧器盤１０、変換器盤２０、制御出力盤３０が列盤された形で構成されている。
【００２０】
変圧器盤１０には、入力変圧器１が収納されており、商用電源からの高電圧ケーブルが、３相分３個の１次端子１１に接続されている。入力変圧器１の２次端子１２は入力変圧器１の巻線を上下から挟むようにして支える上側及び下側の上下フレーム１５の間に空間的に分布して配置されている。図１は、入力変圧器１の２次巻線が９個、すなわち２次端子１２が９個×３相分＝２７個ある場合を示している。これらの２次端子１２から夫々２次側電線１３が配線されている。２次側電線１３は、中継端子１４を介して変換器盤２０に収納された単位インバータ２の入力端子に配線接続されている。夫々の中継端子１４は、入力変圧器１の上側及び下側の上下フレーム１５に機械的に固定されたＬ型金物１６により支持された絶縁物性の支柱１７上に取り付けられ、これにより対地との絶縁電圧を確保するとともに、相間耐電圧、各回路間耐電圧を満たすように配置されている。このために、支柱１７は複数個必要となる場合がある。図１は支柱１７を２個用いている例を示している。
【００２１】
２次側電線１３により変圧器盤１０から変換器盤２０内の各単位インバータ２に給電された電力は夫々単相出力に変換され、各相は直列に接続され、出力端子を介してその一端は中性点として共通に接続され、他端は制御出力盤３０を介して制御出力盤３０の下部から交流電動機の駆動用として配線される。変換器盤２０に収納される単位インバータ２は絶縁物からなる複数本の縦フレーム２２間を連絡するように横方向に固定された棚板２３上に搭載されている。以下変換器盤の詳細構造について図２を参照して説明する。
【００２２】
図２は変換器盤２０の内部詳細を示す図であり、図２（ａ）が内部構成を示す正面図、図２（ｂ）はその側面図である。変換器盤２０は、接地された矩形の金属から成る変換器フレーム２１の内部に、夫々金属性ユニットシャーシ２Ｓに収納される単位インバータ２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｕ３、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｖ３、２Ｗ１、２Ｗ２及び２Ｗ３を収納載置している。尚、ユニットシャーシ２Ｓには入力端子及び出力端子が設けてある。これら９個の単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３は横方向に並んだ単位インバータを直列接続して１相分を構成し、縦３段で３相分が構成される。
【００２３】
単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３の両側面には断面コ字状の形状をもつ絶縁物、例えばＦＲＰ製の縦フレーム２２が平行に配置され、全体として縦フレーム２２は横方向に等間隔に４本、奥行き方向に２本配列している。これらの縦フレーム２２は、その上下部でボルト等を用いて変換器フレーム２１に支持固定されている。尚、奥行き方向の並びの本数は、単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３の重量に応じてさらに増やしてもよい。
【００２４】
縦フレーム２２の横方向に対する取り付けピッチは、単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３の横幅に所定の絶縁距離を加えた寸法とし、単位インバータ２の変換器盤２０の前面からの出し入れに支障がない程度の余裕を持たせている。詳細は後述するが、縦フレーム２２間には、金属製の棚板２３が３段に取り付けられ、この棚板上に前記単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３を載置している。この棚板２３は単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３の重量を支えるために４方向に折曲部を備え、また棚板２３の奥側すなわち変換器盤２０の背面側には、単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｗ３を支持するストッパーパネル２４を備え、更に前側すなわち変換器盤２０の正面側には、単位インバータ２を収納するユニットシャーシ２Ｓと棚板２３を機械的に固定し、また等電位にするための金属製の固定パネル２５がネジ締結されている。尚、前述したように固定パネル２５は、ユニットシャーシ２Ｓと棚板２３を機械的に固定し、且つ等電位とすることが目的であるので、固定パネル２５を設けず、ユニットシャーシ２Ｓと棚板２３を直接ネジ締結しても良い。
【００２５】
３段に配置された棚板２３の内、最下段の棚板２３は変換器フレーム２１の床側の接地電位と回路電圧で決まる絶縁距離を確保して配置される。また中段の棚板２３はＷ相の単位インバータ２Ｗ１乃至２Ｗ３と、同様に上段の棚板２３ＵはＶ相の単位インバータ２Ｗ１乃至２Ｗ３と、更に最上部に配置される単位インバータ２Ｕ１乃至２Ｕ３を収納するユニットシャーシ２Ｓの上部は、変換器フレーム２１の天井側の接地電位と、夫々の回路電圧によって決まる絶縁距離を確保して配置されている。
【００２６】
以下、棚板２３と縦フレーム２２の取り付け及び２次側電線１３のサポートの詳細について図３を参照して説明する。図３は棚板と縦フレームの組み立て斜視図である。
【００２７】
棚板２３は、正面手前側のコ字状の縦フレーム２２ａ及び正面奥側の縦フレーム２２ｂの側面に、棚板２３の図示左側の折曲部を夫々締結ボルト２７ａ及び２７ｂにより締結固定されている。同様に棚板２３の図示右側の折曲部も右側の２本の縦フレーム２２に締結されるが、図３では右側の縦フレーム２２は図示せず、棚板２３の折曲部に設けられた締結ボルト用穴２８ａ、２８ｂのみを図示した。
【００２８】
棚板２３の正面側における下方への折曲部の自由端はさらに折曲させ、この折曲部に絶縁性のよい材料から成る電線サポート２６ａがネジ等により取り付けられている。また、棚板２３の図示左側面下部にも、絶縁性のよい材料から成る電線サポート２６ｂが取り付けられている。変圧器盤１０から各々の単位インバータ２に配線される２次側電線１３は、棚板２３の側面下部に備えられた電線サポート２６ｂにより一旦支持され、更に正面下部の電線サポート２６ａにより支持固定されたあと、上方向に立ちあがり単位インバータ２のユニットシャーシ２Ｓに備えられた入力端子に接続される。
【００２９】
このような構成によれば、単位インバータ４Ｕ１乃至４Ｗ３の相互間および単位インバータ４Ｕ１乃至４Ｗ３と接地電位である変換器フレーム２１との間の絶縁距離を確保しつつ、変換器盤２０の外形を小型化し、低コスト化することが可能となる。また、縦フレーム２２の相互間を棚板２３で連結固定することにより全体の機械的強度を得ることができる。更に、各単位インバータ２のユニットシャーシ２Ｓと対応する棚板２２を電気的に固定して等電位とすることによって、各々の単位インバータ２に接続される変圧器の２次側電線１３と棚板２３の相対的な電位差を低減することが可能となる。尚、単位インバータ回路の直流部の中点を抵抗器を分圧するなどして取り出し、この中点とユニットシャーシ２とを接続するようにすれば、棚板２３も電気的に接続され、同相中の隣り合ったユニットシャーシ２Ｓおよび棚板２３との電位差を、最大で単位インバータ２の直流電圧の１．５倍とすることが可能となる。このようにすれば更に絶縁距離を低減して装置の小型化を計ることができる。
【００３０】
また、夫々の単位インバータ２の入力端子と電線サポート２６ａ及び２６ｂの相対位置関係を全てのインバータに対して同一となるようにすれば、予め同一の折曲部を持つような２次側電線１３を準備すれば良いので２次側電線１３の配線が容易になる。尚、ここでいう同一とは、上記配線作業を考慮した実質的に同一という意味である。
【００３１】
更に、本実施の形態によれば、中継端子１４に接続された変圧器１の２次側電線１３は中継端子１４で切り離すことができるので、入力変圧器１の別送輸送と現地での復元組み立て配線を考慮すれば、入力変圧器１と２次側電線１３の干渉を排除し、設置・据付の容易化を計ることができる。また、変圧器容量の変更による２次端子１２の位置移動にかかわらず、中継端子１４の物理的位置を固定することが可能となり、２次側電線１３の長さおよび配置の標準化が可能となる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の内部構成図である。
【００３３】
この図４に示す実施の形態では、図１に示した装置の構成のうち、単位インバータ２の数を倍に増加して、例えば出力電圧を倍にするような回路構成に対応している。このような場合は図４に示すように、入力変圧器を入力変圧器１ａ及び１ｂとに２分割構成し、夫々を収納する変圧器盤１０ａ及び１０ｂを、同じく２分割されて列盤構成された変換器盤２０ａ、２０ｂを挟むように列盤構成する。すなわち、直列に配線される変換器盤２０ａ及び２０ｂを２面列盤構成とし、その両側に変圧器盤１０ａ、１０ｂを夫々列盤構成する。尚、通常は右側の変圧器盤１０ｂの右側に制御出力盤を備えるが、本図では図示を省略している。
【００３４】
図４においては、入力変圧器１ａと変換器盤２０ａに収納された単位インバータ２の接続と、入力変圧器１ｂと変換器盤２０ｂに収納された単位インバータ２の接続は左右対称であり、入力変圧器１ａ及び１ｂに備えられた中継端子１３の物理的配置も左右対称となっている。
【００３５】
本実施の形態によれば、入力変圧器１と単位インバータ２を接続する２次側電線１３の集中やお互いの干渉が緩和されるので組み立て性が向上する。更に入力変圧器単体の重量を軽減して、移動・設置・設置後の復元を容易にするとともに、入力変圧器を収納する変圧器盤の生産性を向上させることができる。更に、勝手違い構造によって盤構成や電線の物理的長さを共通化できるので生産性が向上する。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で組み立て性の容易な電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力変換装置の内部構成を示す正面図。
【図２】変換器盤の内部構成の詳細図。
【図３】棚板と縦フレームの組み立て斜視図。
【図４】本発明による電力変換装置の他の実施例の内部構成を示す正面図。
【図５】直列多重インバータの回路構成図。
【図６】単位インバータの回路図。
【符号の説明】
１  入力変圧器
２、２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｕ３、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｖ３、２Ｗ１、２Ｗ２、２Ｗ３  単位インバータ
２Ｓ  ユニットシャーシ
１０、１０ａ、１０ｂ  変圧器盤
１１  変圧器の１次端子
１２  変圧器の２次端子
１３  変圧器の２次側電線
１４  変圧器の中継端子
１５  変圧器の上下フレーム
１６  Ｌ型金物
１７  中継端子用支柱
２０、２０ａ、２０ｂ  変換器盤
２１  変換器フレーム
２２  縦フレーム
２３  棚板
２４  ストッパー
２５  固定パネル
２６ａ  正面側電線サポート
２６ｂ  側面側電線サポート
２７  締結ボルト
２８  締結ボルト用穴
３０  制御出力盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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