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公開番号2020171157
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019071795
出願日20190404
発明の名称フィルタコンデンサの短絡装置、短絡・ユニット装置、短絡方法
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人第一国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】1つの部材を状況に応じて使用することができ、フィルタコンデンサ内蔵ユニット交換の前後いずれの状態でも高圧インバータ装置が正常に動作し、交換時に作業者が感電する危険を避けることを可能とするフィルタコンデンサの短絡装置を提供する。
【解決手段】短絡装置104は、フィルタコンデンサ101内蔵ユニットを高圧インバータ装置に組み込むことで装置内蔵コンデンサ容量が増えた際に、仕様上取り外し不可能なフィルタコンデンサ101の端子部(P・N端子間)を絶縁すると同時に、P端子とN端子を短絡し、かつ、仕様上取り外し可能なユニットに内蔵されている増設用フィルタコンデンサの保管時において、P端子とN端子を導体で短絡する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡装置において、
前記フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡し、前記P端子とN端子を保持する端子短絡保持部と、前記P端子、N端子に接続されていた主回路配線P、又は主回路N配線を絶縁し、前記主回路P配線又は主回路N配線を保持する配線絶縁保持部を有する
ことを特徴とする短絡装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
請求項1に記載された短絡装置において、
前記短絡保持部は、
仕様上装置本体から取り出し不可能なフィルタコンデンサ及び仕様上装置本体から取り出し可能なユニットに設けられた増設用フィルタコンデンサのP端子とN端子を短絡する短絡部材を有し、
前記配線絶縁保持部は、
前記取り出し不可能なフィルタコンデンサを前記主回路P配線、又は主回路N配線から絶縁する絶縁部材を有する、
ことを特徴とする短絡装置。
【請求項3】
請求項2に記載された短絡装置において、
前記短絡部材は、前記フィルタコンデンサのP端子、N端子を挿入する端子挿入孔、を含む板状の導体からなり、
前記絶縁部材は、碍子からなる、
ことを特徴とする短絡装置。
【請求項4】
増設用フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡・ユニット装置において、
前記増設用フィルタコンデンサを内蔵し、装置本体から取り外し可能なユニットと前記増設用フィルタコンデンサを短絡する短絡装置との組み合わせからなり、
前記ユニットは、前記増設用フィルタコンデンサのP端子、N端子に接続されたユニットP端子、ユニットN端子を有し、
前記短絡装置は、前記ユニットを装置本体から取り出したとき、前記ユニットP端子、前記ユニットN端子に取り付けられ、前記増設用フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡部材を有し、
前記フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡した状態で長期保管可能とする
ことを特徴とする短絡・ユニット装置。
【請求項5】
請求項4に記載された短絡・ユニット装置において、
前記ユニットP端子及び前記ユニットN端子は、前記ユニットから露出するように取り付け、
前記短絡部材は、前記ユニットを装置本体より取り外したとき、前記ユニットP端子と前記ユニットN端子に取り付けられ、前記増設用フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する板状の導体からなる、
ことを特徴とする短絡・ユニット装置。
【請求項6】
請求項4に記載された短絡・ユニット装置において、
前記フィルタコンデンサのP端子、N端子と前記短絡装置を対応付する場所を当該フィルタコンデンサ又は当該フィルタコンデンサの取扱説明書に明示する
ことを特徴とする短絡・ユニット装置。
【請求項7】
フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡し、前記P端子、N端子を保持する端子短絡保持部と、前記P端子、前記N端子に接続されていた主回路配線P配線、又は主回路N配線と前記フィルタコンデンサを絶縁し、前記主回路N配線、又は主回路P配線を保持する配線絶縁保持部を有する短絡装置にて前記フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡方法であって、
装置本体から取り出し可能な不可能なフィルタコンデンサのP端子、N端子から前記主回路P配線、前記主回路N配線を取り外し、
前記主回路P回線、主回路N配線を取り外した前記フィルタコンデンサのP端子、N端子に前記短絡装置を取り付け、前記短絡装置の端子短絡保持部における短絡部材により前記フィルタコンデンサのP端子・N端子間を短絡し、
装置本体から取り出し可能なユニットを取り出したとき、前記端子短絡保持部における短絡部材により前記ユニットに形成されたユニットP端子、ユニットN端子を介して前記ユニットに内蔵されたフィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する
ことを特徴とする短絡方法。
【請求項8】
請求項7に記載された短絡方法において、
さらに、前記フィルタコンデンサのP端子、N端子から外した前記主回路P配線、N配線の一方を前記配線絶縁保持部の絶縁部材に接続し、
前記主回路P配線、N配線の他方を前記フィルタコンデンサのP端子又はN端子に接続し、
前記フィルタコンデンサを前記主回路P、又はN配線から絶縁し、かつ、前記フィルタコンデンサのP端子とN端子を短絡することを特徴とする
ことを特徴とする短絡方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、フィルタコンデンサの短絡装置、短絡・ユニット装置、短絡方法に関する。
例えば、高圧インバータ装置において、電圧印加中、仕様上装置本体から取り外し不可能なフィルタコンデンサのコンデンサ端子部(正極のP端子、負極のN端子)を、高圧インバータ装置の主回路配線(P、N)から絶縁し、かつ、仕様上高圧インバータ装置から取り外し可能なユニットに内蔵されているフィルタコンデンサを安全に保管する場合に好適な短絡装置、短絡・ユニット装置、短絡方法に関するものである。
続きを表示(約 7,900 文字)【背景技術】
【0002】
直流電力を交流電力に変換する高圧インバータ装置では、平滑化回路として直流回路側にフィルタコンデンサが実装されている。また、高圧インバータ装置によっては、メンテナンスなどを理由としてフィルタコンデンサを取り出し、交換可能に構成にしているものがある。
このような場合における課題は、フィルタコンデンサに帯電した高電圧による感電である。
つまり、高圧インバータ装置への通電時にはフィルタコンデンサが加圧され、フィルタコンデンサの正極のP端子、負極のN端子間に高電圧が発生する。そして、この高電圧は、通電停止後もフィルタコンデンサ内に電荷が残留する。このことにより、P・N端子間は高い電圧のまま残留電荷として残り、メンテナンスの際に作業者が感電する危険性がある。
そこで、安全性確保のために、メンテナンスの作業前にコンデンサの残留電荷をコンデンサの内部抵抗成分、もしくは並列接続された放電抵抗などにより自然放電させる方法や、メンテナンス作業の初めにP・N端子間を放電抵抗につながれた導体で短絡する機構を用いて強制放電させる方法がとられている。例えば、強制放電させる方法として、特表2012−090720号公報(特許文献1)に記載された技術がある。
この公報には、「高圧インバータ装置の残留電荷を放電させる放電機構であって、高圧インバータ装置のインバータ回路に具備されたコンデンサの正極側及び負極側に接続される一対の放電端子と、放電抵抗と導通させた状態で前記一対の放電端子を短絡させることで前記コンデンサの残留電荷を放電させる短絡手段とを備えたことを特徴とする高圧インバータ装置の放電機構。」という記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特表2012−090720号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
高圧インバータ装置をメンテナンスする場合、例えば、フィルタコンデンサ非内蔵ユニット(図9のフィルタコンデンサを内蔵していないユニット108参照)をフィルタコンデンサ内蔵ユニット(図8のフィルタコンデンサを内蔵したユニット106参照)に交換する場合がある。
このような場合には、余剰容量となるフィルタコンデンサを取り除く方法が挙げられる。しかし、フィルタコンデンサを既存システムに戻せるようにしておくために、あるいは構造的な理由により、高圧インバータ装置のフィルタコンデンサを仕様上取り外し不可能な場合がある。
従って、余剰容量となるフィルタコンデンサを装置内に取り付けたままとし、フィルタコンデンサを高圧インバータ装置の主回路(主回路配線P、N)から電気的に絶縁する必要がある。また、絶縁されたフィルタコンデンサは、交換部品として保管するコンデンサと同様に、自然帯電により感電の危険性が高まる。このため、P・N端子間を短絡する必要がある。
しかし、特許文献1では、上述した場合における課題ついては想定されていない。
そのため、特許文献1では、高圧インバータ装置の残留電荷の放電時に、セルインバータのコンデンサの正極側及び負極側に接続された一対の放電端子が放電抵抗と導通した状態で短絡され、高圧インバータ装置にてコンデンサの残留電荷を放電することができる、という効果に留まる。
【0005】
そこで、本発明では、高圧インバータ装置の状況に応じて使い分け可能な技術、例えば、1つの短絡装置を、状況に応じて、短絡機能を有する装置及び絶縁、短絡の両機能を有する装置として利用でき、フィルタコンデンサ内蔵ユニットを交換する前後いずれの状態でも高圧インバータ装置が正常に動作し、交換時に作業者が感電する危険を避けることを可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、代表的な本発明の短絡装置、短絡・ユニット装置、短絡方法の一つは、フィルタコンデンサのP・N端子間を短絡する短絡装置において、フィルタコンデンサのP・N端子に取り付けられ、P・N端子間を短絡し、前記P・N端子を保持する端子短絡保持部と、前記P・N端子に接続されていた主回路配線P、及び/又は主回路N配線を絶縁し、前記主回路P配線及び/又は主回路N配線を保持する配線絶縁保持部を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本実施例に係る高圧インバータ装置の概略図。
本実施例に係る高圧インバータ装置の主回路を構成する主回路配線とフィルタコンデンサと短絡装置の取り付け状態を示す外観斜視図。
本実施例に係る短絡装置とフィルタコンデンサと主回路配線との接続関係を説明する図。
本実施例に係る短絡装置を示す外観斜視図。
本実施例に係る、フィルタコンデンサを内蔵し、仕様上装置本体から取り外し可能なユニットを装置本体から取り外した状態において、短絡装置との関係を示す概略図。
仕様上取り外せないフィルタコンデンサを短絡できないようにして通電した状態にあるフィルタ回路を示す図。
仕様上取り外せないフィルタコンデンサを絶縁、短絡した状態を示すフィルタコンデンサ回路図。
仕様上取り外せないフィルタコンデンサを内蔵したユニットを使用した場合におけるフィルタ回路を示す図。
フィルタコンデンサを内蔵していないユニットを使用したフィルタ回路を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本実施例について、図面を参照して説明する。
【0009】
まず、本実施例の短絡装置を鉄道車両向け高圧インバータ装置に適用することを前提として説明する。
この場合、高圧インバータ装置を含む鉄道車両に車載される製品は、常に振動に曝される。このことから、高い耐振動性が要求される。また、コンデンサ等の車載用電子部品は、極めて矮小な空間に配置する必要があり、周囲に空間的自由度が少ないという制限がある。加えて、常に質量の低減が要求されていることから、なるべく軽量な構造が好まれる。
【0010】
例えば、鉄道車両向けの高圧インバータの構成ユニットの中でも、コア部品となるパワー半導体素子が内蔵されているパワーユニットについては、近年パワー半導体素子をシリコン(Si)IGBTからシリコンカーバイド(SiC)MOSFETへ変更し、より高速にスイッチング動作させるような構成が見受けられる。
シリコンカーバイド(SiC)MOSFETをパワー半導体に採用する場合には、半導体素子からフィルタコンデンサ間のインダクタンスを最小化してインバータ動作時のノイズを抑制し安定化を図る必要がある。
このためには、フィルタコンデンサをパワーユニットに内蔵する構成が望ましい。よって、同一の高圧インバータ装置に対して、コンデンサを内蔵したパワーユニット(図8のフィルタコンデンサ内蔵ユニット106参照)を装着する場合と、コンデンサを内蔵していないパワーユニット(図9のフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108参照)を装着する場合の2種類のケースが想定される。
ここで、例えば、フィルタコンデンサ非内蔵ユニットをフィルタコンデンサ内蔵ユニットに交換する場合、高圧インバータ装置全体としての合成容量が増えてしまう問題がある。そのため、フィルタコンデンサを内蔵したパワーユニットを使用する場合は、高圧インバータ装置に内蔵されるフィルタコンデンサを絶縁する必要が生じる。
【0011】
つまり、フィルタコンデンサ内蔵パワーユニットを装置本体に装着するときだけ、高圧インバータ装置内部のコンデンサを短絡することができればよい。その手段として、例えば、上述した特許文献1で示されるように、あらかじめ高圧インバータ装置内部のフィルタコンデンサ端子部に、主回路絶縁・コンデンサ短絡/コンデンサ通電状態を切り替え可能な構造を有する放電機構を用意し、コンデンサを短絡することが考えられる。
【0012】
すなわち、主回路絶縁・コンデンサ短絡/コンデンサ通電状態を切り替えるために、コンデンサの端子部のP・N端子に接触するような短絡導体を、放電抵抗を内蔵した回転軸を中心に回動させ、短絡導体にてコンデンサのP・N端子の端子部間を、放電抵抗を介して短絡できるような構造を有する放電機構により、コンデンサを短絡する方法である。
しかし、すでに顧客先に納入し、顧客先にて運用中の高圧インバータ装置に対して、引用文献1に記載されたような放電機構を追加することは現実的に難しい。
【0013】
また、鉄道車両においては、上述したように、耐振動・スペースの制約・質量低減の要求があることから、高圧インバータ装置の停止時には、あらかじめ高圧インバータ装置内部に存在している永久放電抵抗を使用して、停止後指定した時間だけ装置に触れずに待ち、コンデンサを自然放電させるシステムが一般的である。このことから、P端子とN端子を短絡させる回路にわざわざ放電抵抗を介させる必要はない。
故に、コンデンサのPとN端子を短絡する部材(短絡部材)は、一般的な導体部材で問題なく、単に主回路導体のPもしくはN配線が着地できるような絶縁体(絶縁部材)を、上述の導体部材に追加した構造に形成された絶縁・短絡機能を有する装置であれば、必要とする機能を十分に果たすことができる。つまり、特許文献1に記載された放電機構に比して簡単な構成の絶縁・短絡機能を有する装置であれば足りる。
【0014】
また、絶縁・短絡機能を有する装置の構造としては、容易にフィルタコンデンサの端子部に挿入することができるように構成するとよい。これにより、絶縁・短絡機能を有する装置を既存の高圧インバータ装置に対して容易、かつ、簡単に追加取り付けることができる。
つまり、この絶縁・短絡機能を有する装置をフィルタコンデンサと主回路配線との間に取り付ける/取り外すことで、コンデンサを主回路から主回路絶縁・コンデンサ短絡/コンデンサ通電を容易に切り替えることができる。
【0015】
一方、交換部品として、高圧インバータ装置に取り付けずに単体でフィルタコンデンサを保管する際に、P端子とN端子(コンデンサ端子部)間を回路的にオープンな状態としておくと自然に帯電し、内部電荷が溜まっていき、やがてP・N端子間に高電圧が発生する。このため、メンテナンスの際に作業者が感電する危険性がある。そこで、安全性確保のために、従来は、P端子とN端子を針金などの導体にて短絡する方法がとられている。
高圧インバータ装置において、仕様上取り外し可能なユニットを交換することにより、既存システムを流用しつつ高性能化を図ることができる。例えば、コア部品となるパワー半導体素子が内蔵されているパワーユニットにおいて、パワー半導体素子をシリコン(Si)IGBTからシリコンカーバイド(SiC)MOSFETとしたユニットに交換することで、より高速にスイッチングできるようになる。このとき、半導体素子からフィルタコンデンサ間のインダクタンスを最小化して、インバータ動作時のノイズを抑制し安定化を図るために、フィルタコンデンサをパワーユニットに内蔵する構成が望ましい。
このように、仕様上取り外し可能なユニットに内蔵されているフィルタコンデンサがある場合も同様に、保管時にはP端子とN端子間を針金などの導体にて短絡する必要がある。
一方、フィルタコンデンサ非内蔵ユニットをフィルタコンデンサ内蔵ユニットに交換すると、高圧インバータ装置に内蔵されるフィルタコンデンサの合成容量が増えてしまう問題がある。その解決策として、余剰容量となるフィルタコンデンサを取り除く方法が挙げられる。しかし、既存システムに戻せるようにしておくために、あるいは構造的に簡単にフィルタコンデンサが外せないといった理由で仕様上取り外し不可能な場合がある。
この場合には、余剰容量となるフィルタコンデンサを装置内に取り付けたままとし、主回路から電気的に絶縁することが必要となる。さらに、絶縁されたフィルタコンデンサは、交換部品として保管されるコンデンサと同様に、自然帯電により感電の危険性が高まるため、P端子とN端子間を短絡する必要がある。
【0016】
要するに、上述した点に鑑み、フィルタコンデンサ内蔵ユニットを高圧インバータ装置に組み込むことにより、高圧インバータ装置に内蔵されたコンデンサ容量が増えた場合、本実施例では、仕様上取り外し不可能なフィルタコンデンサのP端子とN端子を絶縁すると同時に、フィルタコンデンサのP端子とN端子を短絡する構造を簡易に実現することである。
具体的には、図9に示すように、フィルタコンデンサを内蔵しないフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108と、仕様上取り外し不可能なフィルタコンデンサ(Fc)を内蔵したフィルタコンデンサ内蔵ユニット107で構成されるような回路に対して、図9のフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108を図8のフィルタコンデンサ(Fc)を内蔵したフィルタコンデンサ内蔵ユニット106に交換する場合、回路全体としての合成容量が規定値を上回る程度に増加する。故に、回路上のいずれかのコンデンサの絶縁が必要となる。このような場合に、安全にフィルタコンデンサの絶縁を行う。
【0017】
また、高圧インバータの主回路は、高電圧が印加されている。よって、フィルタコンデンサの絶縁のためには、適切な絶縁距離を保つか、絶縁体を間に挟むなどの対応をとることで、主回路とフィルタコンデンサ(Fc)のP端子とN端子を遠ざける必要がある。さらに、絶縁したフィルタコンデンサ(Fc)のP端子とN端子を短絡部材(導体)で短絡し、同電位にする必要がある。これを回路図で示したものが図7である。
【0018】
図7は、フィルタコンデンサ(Fc)のP端子側を絶縁し(×印)、フィルタコンデンサ(Fc)のP端子とN端子側を短絡(両端子を接続)した状態を示す図である。
フィルタコンデンサ(Fc)を絶縁しないときには、あらかじめ図6で示されるような回路としておき、P端子とN端子を短絡するような回路を接続させないようにすればよいことがわかる。
図6は、仕様上取り外せないフィルタコンデンサ(図8の105/Fc)を通電した状態を示す図である。
【0019】
また、本実施例では、仕様上取り外し可能なユニットに内蔵されている増設用フィルタコンデンサの保管時において、P端子とN端子を短絡部材(導体)で短絡することである。
【0020】
以下、本実施例の詳細について図1〜図9を参照して説明する。
最初に、フィルタコンデンサ101を高圧インバータ装置の主回路(図示せず)から絶縁する場合について考える。
図1は、本実施例に係る高圧インバータ装置の概略図である。
高圧インバータ装置の装置本体100には、仕様上装置本体100から取り外し不可能なフィルタコンデンサ101、仕様上装置本体100から取り出し可能なフィルタコンデンサ103が存在している。
【0021】
まず、フィルタコンデンサ101のP端子とN端子に接続されている主回路P端子1031とN配線1032を一旦取り外す。
【0022】
次に、主回路P配線1031、N配線1032を取り外したフィルタコンデンサ101のコンデンサ端子部、つまり、P端子1011、N端子1012に短絡装置104を取り付ける。
そして、短絡装置104の短絡部材(導体)1041にて、フィルタコンデンサ101のP端子1011とN端子1012を短絡する。短絡装置104の構成については後述する。
このとき、前提として、上記主回路P配線1031と主回路N配線1032は、可撓性のある電線などの部材で構成する必要がある。
【0023】
次に、フィルタコンデンサ101から取り外した主回路P配線1031、主回路N配線1032のいずれか一方、例えば、主回路P配線1031を短絡部材(導体)1041上に設けられた絶縁部材(碍子)1042に取り付ける。絶縁部材(碍子)1042への取り付けは、例えば、端子(導体バー)10511を介して行う。
これにより、主回路P配線1031とフィルタコンデンサ101のP端子1011を絶縁することができる。
また、他方の主回路N配線1032をフィルタコンデンサ101のN端子1021と接続する端子(導体バー)10512に接続する。
なお、本実施例では、主回路P配線1031を絶縁することを前提としているが、主回路N配線1032を絶縁するようにしてもよい。
【0024】
以上により、主回路とフィルタコンデンサ101を絶縁し、かつ、フィルタコンデンサ101のP端子1011とN端子1012を短絡した状態(図2、図3参照)とすることができる。以下、その詳細について図2、図3を参照して説明する。
【0025】
図2は、高圧インバータ装置の主回路を構成する主回路P配線1031、主回路N配線1032とフィルタコンデンサ101のP端子1011、N端子1012と短絡装置104の短絡部材1041、絶縁部材1042の取り付け状態を示す外観斜視図、図3は、短絡装置104とフィルタコンデンサ101と主回路P配線1031、主回路N配線1032との接続関係を説明する図である。
【0026】
同図において、主回路P配線1031は、端子10511を介して短絡装置104の絶縁部材(碍子)1042にボルト、ナットなどの固定具1052により固定される。
【0027】
主回路N配線1032は、端子10512を介して短絡装置104の短絡部材(導体)1041にボルト、ナットなどの固定具1052により固定される。
【0028】
短絡装置104の短絡部材(導体)1041は、端子挿入孔1043に挿入されたフィルタコンデンサ101のP端子1011、N端子1012に接触するようにボルト、ナットなどの固定具1052により固定される。
【0029】
短絡部材(導体)1041は、主回路P配線1032の端子部を保持する端子短絡保持部分を構成し、絶縁部材(碍子)1042は、主回路P配線1031を保持する配線絶縁保持部材を構成する。
【0030】
図4は、本実施例に係る短絡装置104の一例を示す外観斜視図である。
短絡装置104は、1つの短絡部材1041、複数の絶縁部材1042を有する。
(【0031】以降は省略されています)

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