特許 7275397 バスバーモジュール及び電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-09

(45)【発行日】2023-05-17

(54)【発明の名称】バスバーモジュール及び電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230510BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022540831

(86)(22)【出願日】2021-07-29

(86)【国際出願番号】 JP2021028019

【審査請求日】2022-07-01

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100135301

【弁理士】

【氏名又は名称】梶井 良訓

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100207192

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 健一

(72)【発明者】

【氏名】相川 恭汰

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２０４４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－６９８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－２２２６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の筐体に亘って配置され、平滑コンデンサと電力変換ユニットとに直流電力を配分するためのバスバーモジュールであって、
直流の第１極と第２極の何れかの極に適用される第１導体と、
前記第１導体に並列に接続される第２導体と
を備え、
前記第１導体は、延伸方向と垂直な断面において第１厚さで形成された第１平板部を含み、
前記第２導体は、前記延伸方向と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、前記第１厚さよりも薄い第２厚さで形成された第２平板部を含む、
バスバーモジュール。

【請求項2】

前記第２平板部の断面は、Ｌ字状に屈曲している、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項3】

前記第２導体の厚さが、前記電力変換ユニットのＰＷＭ制御のキャリア周波数よりも周波数が高い基準周波数の表皮深さの２倍以上である、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項4】

前記第２導体の厚さが、前記電力変換ユニットが生成する交流の基本周波数の表皮深さよりも薄い、
請求項３に記載のバスバーモジュール。

【請求項5】

前記基準周波数は、前記キャリア周波数により生成される周波数成分に対応付けられている、
請求項３に記載のバスバーモジュール。

【請求項6】

前記屈曲してフランジを成す前記第２平板部の第１端部側が、前記第１導体の面に接していて、
前記第１端部から繋がっている前記第２平板部の第２端部が、前記第１導体から離れる方向に延伸している、
請求項２に記載のバスバーモジュール。

【請求項7】

前記平滑コンデンサが、前記第２導体を介して前記第１導体に接続されている、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項8】

前記第１導体に並列に接続される第３導体
をさらに備え、
前記第３導体は、前記延伸方向と垂直な断面において所定の角度で屈曲した断面を有し、前記第１厚さよりも薄い第３厚さで形成された第３平板部を含む、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項9】

前記第３平板部の断面は、Ｌ字状に屈曲していて、
前記第２平板部と前記第３平板部は、前記第１導体から離れる方向に延伸している、
請求項８に記載のバスバーモジュール。

【請求項10】

直流成分の大きさと交流成分の大きさとに基づいて、前記第１導体の断面の形状と面積と、前記第２導体の断面の形状と面積とが決定されている
請求項８に記載のバスバーモジュール。

【請求項11】

前記第２平板部には、通風可能な貫通穴が設けられている、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項12】

前記第２平板部の第１端部側にフランジが形成され、
前記フランジの前記延伸方向の長さは、前記第２導体の延伸方向の長さの一部又は全部になっている、
請求項１に記載のバスバーモジュール。

【請求項13】

請求項１から請求項１２の何れか１項に記載のバスバーモジュール
を備え、
前記複数の筐体のうちの第１筐体に平滑コンデンサが配置され、
前記複数の筐体のうちの第２筐体に電力変換装置が配置される、
電力変換システム。

【請求項14】

前記第１筐体に配置された第１平滑コンデンサと第１電力変換ユニットと、
前記第２筐体に配置された第２平滑コンデンサと第２電力変換ユニットと、
を含む請求項１３に記載の電力変換システム。

【請求項15】

前記平滑コンデンサと前記電力変換装置に直流電力を供給する順変換装置
を備える請求項１３に記載の電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バスバーモジュール及び電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

複数の電力変換ユニットを複数の筐体に分けて配置して、これらを共通の直流母線で接続した電力変換システムが知られている。直流母線の断面積Ｓは、電力変換システムの出力容量などにより下限値が決定される。直流母線の断面積Ｓを減らしたり、亘長を長くしたりすると配線インダクタンスＬが増加して、回路に共振が発生することがあった。そのため直流母線の導体総量を減らすことが容易ではなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本国特表平１０－５０６７８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、直流母線の導体総量を減らすことができるバスバーモジュール及び電力変換システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の一態様のバスバーモジュールは、複数の筐体に亘って配置され、平滑コンデンサと電力変換ユニットとに直流電力を配分する。前記バスバーモジュールは、第１導体と、第２導体とを備える。前記第１導体は、直流の第１極と第２極の何れかの極に適用される。前記第２導体は、前記第１導体に並列に接続される。前記第１導体は、延伸方向と垂直な断面において第１厚さで形成された第１平板部を含む。前記第２導体は、前記延伸方向と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、前記第１厚さよりも薄い第２厚さで形成された第２平板部を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態の電力変換システムの概略構成図。

【図2】第１の実施形態の電力変換システムの構成図。

【図3】比較例の電力変換システムの動作を不安定にする要因を説明するための図。

【図4A】第１の実施形態の直流母線について説明するための図。

【図4B】第１の実施形態の直流母線について説明するための図。

【図5】第１の実施形態の直流母線の配置図。

【図6A】第１の実施形態の直流母線部分の俯瞰図。

【図6B】第１の実施形態の直流母線部分の俯瞰図。

【図7】第１の実施形態の直流母線の断面図。

【図8】第１の実施形態の直流母線に流れる電流の分布と生成される磁束φを説明するための図。

【図9A】比較例の直流母線について説明するための図。

【図9B】比較例の直流母線について説明するための図。

【図9C】実施形態の直流母線について説明するための図。

【図9D】実施形態の直流母線について説明するための図。

【図10】第１の実施形態の変形例の直流母線について説明するための図。

【図11】第１の実施形態の変形例の直流母線部分の俯瞰図。

【図12】第２の実施形態の直流母線からキャパシタへの分岐回路を示す図。

【図13】第２の実施形態の直流母線部分の俯瞰図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態のバスバーモジュール及び電力変換システムについて、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部の機能の配分などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。

【0008】

なお、本願明細書と各図において、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。
実施形態において「接続されている」とは、電気的に接続されていることを含む。「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含み得る。「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含み得る。「ＸＸ又はＹＹ」とは、ＸＸとＹＹのうち何れか一方の場合に限定されず、ＸＸとＹＹの両方の場合も含み得る。これは選択的要素が３つ以上の場合も同様である。「ＸＸ」及び「ＹＹ」は、任意の要素（例えば任意の情報）である。

【0009】

また先に、＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、－Ｙ方向、＋Ｚ方向、及び－Ｚ方向について定義する。＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、及び－Ｙ方向は、電力変換システムが配置される床面に沿う方向である。＋Ｘ方向は、例えば、電力変換システムに係る各装置が配列される方向に沿った方向である。－Ｘ方向は、＋Ｘ方向とは反対方向である。＋Ｘ方向と－Ｘ方向とを区別しない場合は、単に「Ｘ方向」と称する。＋Ｙ方向及び－Ｙ方向は、Ｘ方向とは交差する（例えば略直交する）方向であり、電力変換システムに係る各装置の奥行方向と称されることがある。＋Ｙ方向と－Ｙ方向は互いに反対方向である。＋Ｙ方向と－Ｙ方向とを区別しない場合は、単に「Ｙ方向」と称する。電力変換システムに係る各装置を＋Ｙ方向に見込むとき、これを正面と呼び、－Ｙ方向に見込むとき、これを背面と呼ぶ。＋Ｚ方向及び－Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向とは交差する（例えば略直交する）方向であり、例えば鉛直方向である。＋Ｚ方向は、上方に進む方向である。－Ｚ方向は、＋Ｚ方向とは反対方向である。＋Ｚ方向と－Ｚ方向とを区別しない場合は、単に「Ｚ方向」と称する。

【0010】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換システム１の概略構成図である。
電力変換システム１は、例えば、変圧器群２（図２）、順変換装置群３、逆変換装置群５、制御装置４０とを備える。電力変換システム１は、交流電源ＰＳ（図２）から供給される三相交流電力を降圧し、降圧した交流電力を順変換して直流電力を作り、直流電力を逆変換して三相交流電力を作り、三相交流電力を電動機８（図２）に供給する。

【0011】

電力変換システム１は、電動機８に供給するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電力をそれぞれ別の、変圧器群２の変圧器と、順変換装置群３の順変換装置と、逆変換装置群５の逆変換装置とを用いて生成する。

【0012】

例えば、順変換装置群３は、順変換装置３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを備える。
逆変換装置群５は、逆変換装置５Ｕと５Ｘの組と、逆変換装置５Ｖと５Ｙの組と、逆変換装置５Ｗと５Ｚの組とを備える。

【0013】

電力変換システム１は、電動機８に供給するＵ相の交流電力を、変圧器群２の変圧器２０Ｕと、順変換装置３Ｕと、逆変換装置５Ｕと５Ｘの組とを用いて生成する。同様に、電力変換システム１は、電動機８に供給するＶ相の交流電力を、変圧器群２の変圧器２０Ｖと、順変換装置３Ｖと、逆変換装置５Ｖと５Ｙの組とを用いて生成する。電力変換システム１は、電動機８に供給するＷ相の交流電力を、変圧器群２の変圧器２０Ｗと、順変換装置３Ｗと、逆変換装置５Ｗと５Ｚの組とを用いて生成する。

【0014】

図１に示す交流入力盤３ＵＩ、３ＶＩ、３ＷＩに、変圧器２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗが夫々配置されていてよい。

【0015】

例えば、交流入力盤３ＵＩと、順変換装置３Ｕと、逆変換装置５Ｘと、逆変換装置５Ｕとが、記載の順に連ねて、＋Ｘ方向に沿って配列されている。交流入力盤３ＶＩと、順変換装置３Ｖと、逆変換装置５Ｙと、逆変換装置５Ｖとが、記載の順に連ねて、＋Ｘ方向に沿って配列されている。交流入力盤３ＷＩと、順変換装置３Ｗと、逆変換装置５Ｚと、逆変換装置５Ｗとが、記載の順に連ねて、＋Ｘ方向に沿って配列されている。交流入力盤３ＵＩよりも－Ｘ方向に制御装置４０が配置され、逆変換装置５Ｗよりも＋Ｘ方向に出力盤５ＯＵＴが配置されている。出力盤５ＯＵＴには、負荷電力線５８Ｕ、５８Ｖ、５８Ｗ（図２）が接続されていて、負荷電力線５８Ｕ、５８Ｖ、５８Ｗ（図２）を介して電動機８が接続されている。

【0016】

交流入力盤３ＵＩから逆変換装置５Ｕまでの間、交流入力盤３ＶＩから逆変換装置５Ｖまでの間、交流入力盤３ＷＩから逆変換装置５Ｗまでの間に、直流母線が夫々設けられている。後述する中性線６５Ｕ、６５Ｖ、６５Ｗは、直流母線の一例である。不図示の正極母線６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗと、負極母線７０Ｕ、７０Ｖ、７０Ｗも、直流母線の一例である。なお、以下の説明において、中性線６５Ｕと、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとを纏めて直流母線と呼ぶことがある。

【0017】

図２は、第１の実施形態の電力変換システム１の構成図である。
図２には、電力変換システム１の他に交流電源ＰＳと、電動機８とが示される。
例えば、交流電源ＰＳは、商用電源の電力網や発電機などであり、三相交流電力を電力変換システム１に供給する。電動機８は、例えば、誘導電動機などの交流可変速電動機である。電動機８は、電力変換システム１から供給された交流電力によって駆動し、回転駆動力を図示しない出力軸に出力する。

【0018】

次に、電力変換システム１の各部について順に説明する。
変圧器群２は、例えば、変圧器２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗと備える。変圧器２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗのそれぞれは、２次側の結線方式の異なった三巻線トランスである。変圧器２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗのそれぞれは、同様の構成を有するため、以下では代表として変圧器２０Ｕについて説明する。

【0019】

変圧器２０Ｕは、例えば、一次巻線２２Ｕと、二次巻線２４ＵＰと、三次巻線２４ＵＮとを備える。変圧器２０Ｕは、交流電源ＰＳからの三相交流電力の供給を一次巻線２２Ｕで受け、受けた三相交流電力を変圧し、二次巻線２４ＵＰ、三次巻線２４ＵＮから変圧した三相交流電力を出力する。二次巻線２４ＵＰ、三次巻線２４ＵＮから出力される三相交流電力は、変圧器出力線２５ＵＰＲＳＴ、２５ＵＮＲＳＴを介して順変換装置３Ｕに供給される。変圧器出力線２５ＵＰＲＳＴ、２５ＵＮＲＳＴを単線結線図で示す。変圧器出力線２５ＵＰＲＳＴには、それぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相の相電流が線電流として流れる。変圧器２０Ｖ、変圧器２０Ｗも、変圧器２０Ｕと同様に構成される。変圧器２０Ｖ、変圧器２０Ｗについては、変圧器２０Ｕについての説明における構成要素の参照符号におけるＵを、それぞれ、Ｖ、Ｗと読み替えることにより、その説明をここに援用する。

【0020】

順変換装置群３の順変換装置３Ｕ、３Ｖ、及び３Ｗとのそれぞれは、同様の構成を有するため、以下では代表として順変換装置３Ｕについて説明する。

【0021】

順変換装置３Ｕは、例えば、整流器３２ＵＰと、整流器３２ＵＮとを備える。
整流器３２ＵＰ、３２ＵＮのそれぞれは、三相フルブリッジ型のダイオード整流回路を含む。整流器３２ＵＰの交流側は、変圧器出力線２５ＵＰＲＳＴを介して二次巻線２４ＵＰに接続されている。整流器３２ＵＮの交流側は、変圧器出力線２５ＵＮＲＳＴを介して三次巻線２４ＵＮに接続されている。整流器３２ＵＰ、３２ＵＮの負荷側は互いに直列に接続される。互いに直列に接続された整流器３２ＵＰ、３２ＵＮによって整流された直流電力は、整流器正極端子３３ＵＰと整流器負極端子３３ＵＮとから出力される。

【0022】

整流器正極端子３３ＵＰには、正極母線６０Ｕの一端が接続される。正極母線６０Ｕの延伸先には、逆変換装置５Ｕの正極入力端子５２Ｕと、逆変換装置５Ｘの正極入力端子５２Ｘとが接続される。正極母線６０Ｕの一端とは、必ずしも正極母線６０Ｕの構造的な端部でなくてもよい。

【0023】

整流器負極端子３３ＵＮには、負極母線７０Ｕの一端が接続される。負極母線７０Ｕの延伸先には、逆変換装置５Ｕの負極入力端子５４Ｕと、逆変換装置５Ｘの負極入力端子５４Ｘとが接続される。負極母線７０Ｕの一端とは、必ずしも負極母線７０Ｕの構造的な端部でなくてもよい。

【0024】

整流器３２ＵＰ、３２ＵＮのそれぞれは、変圧器２０Ｕの二次巻線２４ＵＰ、三次巻線２４ＵＮから電位の異なる交流電力の供給を受けているため、整流器３２ＵＰ、３２ＵＮのそれぞれの出力を直列接続することにより、整流器３２ＵＰの出力電圧と整流器３２ＵＮの出力電圧との合計値（合計電圧という。）を、整流器正極端子３３ＵＰと整流器負極端子３３ＵＮとから出力する。その合計電圧は、後段に設けられているキャパシタによって平滑化される。

【0025】

これにより、順変換装置３Ｕは、後段に設けられているキャパシタと逆変換装置（電力変換装置）に直流電力を供給する。

【0026】

逆変換装置群５の逆変換装置５Ｕ、５Ｖ、及び５Ｗと、逆変換装置５Ｘ、５Ｙ、及び５Ｚとのそれぞれは、同様の構成を有するため、以下では代表として逆変換装置５Ｕと５Ｘとの組について説明する。

【0027】

逆変換装置５Ｕと５Ｘの組は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）などの電力用のスイッチング素子を含むレグの組み合わせにより、フルブリッジＮＰＣ型５レベルインバータ（Neutral-Point-Clamped Five-Level Inverter）として動作可能に形成されている。

【0028】

例えば、逆変換装置５Ｕは、レグ５０Ｕと、キャパシタ５５ＵＰと、キャパシタ５５ＵＮを備える。逆変換装置５Ｘは、レグ５０Ｘと、キャパシタ５５ＸＰと、キャパシタ５５ＸＮを備える。

【0029】

レグ５０Ｕとレグ５０Ｘは、同じ構成を有している。レグ５０Ｕとレグ５０Ｘは、夫々ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されることにより、順変換装置３Ｕから正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕを介して供給される直流電力を、可変周波数及び可変電圧の三相交流電力に変換する。

【0030】

キャパシタ５５ＵＰとキャパシタ５５ＵＮは、互いに直列に接続され、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとに夫々接続されている。キャパシタ５５ＵＰとキャパシタ５５ＵＮは、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとの間に接続されることにより、順変換装置３Ｕが出力する直流電力を平滑化する。

【0031】

キャパシタ５５ＵＰとキャパシタ５５ＵＮとの接続点６５ＵＡは、中性線６５Ｕに接続される。接続点６５ＵＡの電位が正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとの中間の電位となるように、キャパシタ５５ＵＰとキャパシタ５５ＵＮとは、略同一のキャパシタンスを持つ。

【0032】

キャパシタ５５ＸＰとキャパシタ５５ＸＮは、互いに直列に接続され、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとに夫々接続されている。キャパシタ５５ＸＰとキャパシタ５５ＸＮとは、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとの間に接続されることにより、順変換装置３Ｕが出力する直流電力を平滑化する。

【0033】

キャパシタ５５ＸＰとキャパシタ５５ＸＮとの接続点６５ＸＡは、中性線６５Ｕに接続される。接続点６５ＸＡの電位が正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕとの中間の電位となるように、キャパシタ５５ＸＰとキャパシタ５５ＸＮとは、略同一のキャパシタンスを持つ。

【0034】

上記の通り、キャパシタ５５ＵＰと５５ＵＮの組と、キャパシタ５５ＸＰと５５ＸＮの組は、順変換装置３Ｕの整流器３２ＵＰ、３２ＵＮから出力された脈流を平滑化する。平滑化された直流電力が逆変換装置５Ｕ、５Ｘに供給される。

【0035】

逆変換装置５Ｕは、レグ５０Ｕによって変換されたＵ相の交流電力を、負荷電力線５８Ｕを介して電動機８に供給する。逆変換装置５Ｘの出力は、交流側の中性点Ｎに接続されている。逆変換装置５Ｘは、レグ５０Ｘによって変換されたＸ相の交流電力を用いて、Ｕ相に係る直流レベルを中性点Ｎの電位を基準にシフトさせる。

【0036】

順変換装置３Ｖ、３Ｗも、順変換装置３Ｕと同様に構成される。順変換装置３Ｖ、３Ｗについては、順変換装置３Ｕについての説明における構成要素の参照符号におけるＵを、それぞれ、Ｖ、Ｗと読み替えることによりその説明をここに援用する。

【0037】

逆変換装置５Ｖと５Ｙの組と、逆変換装置５Ｗと５Ｚの組も、逆変換装置５Ｕと５Ｘの組と同様に構成される。逆変換装置５Ｖと５Ｙの組と、逆変換装置５Ｗと５Ｚの組については、逆変換装置５Ｕと５Ｘの組についての説明における構成要素の参照符号におけるＵとＸを、それぞれ、ＶとＹ、ＷとＺに読み替えることによりその説明をここに援用する。

【0038】

また、以下の説明において、キャパシタ５５ＵＰ、５５ＵＮ、５５ＶＰ、５５ＶＮ、５５ＷＰ、５５ＷＮのそれぞれを特に区別しない場合は、キャパシタ５５と呼ぶ。以下の説明において、レグ５０Ｕ、５０Ｖ、５０Ｗ、５０Ｘ、５０Ｙ、５０Ｚのそれぞれを特に区別しない場合は、レグ５０と呼ぶ。レグ５０は、電力変換ユニットの一例である。

【0039】

制御装置４０は、負荷電力線５８Ｕ、５８Ｖ、５８Ｗのうちの２つ以上の負荷電力線に流れる負荷電流を検出する図示しない電流検出器の検出値などに基づいたフィードバック制御によって、レグ５０のスイッチング素子にゲートパルス信号を出力することにより、スイッチング素子をＰＷＭ制御する。

【0040】

上記のように電力変換システム１は、レグ５０のスイッチングによる直流電圧の変動を抑制するようにキャパシタ５５を設けている。ただし、電動機８に流れる電流の大きさ、バランスによって、逆変換装置群５内の直流電圧が変動することがある。

【0041】

例えば、逆変換装置５Ｕが、５レベルの最高位の電圧を出力する場合には、順変換装置３Ｕから逆変換装置５Ｕに向かう方向に、正極母線６０Ｕに電流が流れる。このとき、逆変換装置５Ｘの正極入力端子５２Ｘの電位も高い電位になる。
また、別のタイミングに、逆変換装置５Ｕが、５レベルの最低位の電圧を出力する場合には、逆変換装置５Ｕから順変換装置３Ｕに向かう方向に、負極母線７０Ｕに電流が流れる。このときに逆変換装置５Ｘの正極入力端子５２Ｘの電位は、中性点Ｎの電位に近い電位になる。

【0042】

このように、電力変換システム１が作動しているときには、正極母線６０Ｕと、負極母線７０Ｕと、中性線６５Ｕの夫々の電位が中性点Ｎの電位に対して変動する。

【0043】

ところで、電力変換システムの容量（規模）が大きくなると、このことが直流母線の許容範囲を超える電位の変動を招き、電力変換システムの動作を不安定にする要因になることがある。図３は、比較例の電力変換システムの動作を不安定にする要因を説明するための図である。

【0044】

順変換装置群３と逆変換装置群５との間を、比較例の直流母線でつなぎ、ここに平滑コンデンサを設けた構成をモデル化して示す。

【0045】

例えば、電力変換システムのサイズを大きくしたことに伴って、直流母線の断面積を変更することなく延伸方向に単に延長すると、それぞれを延長した分の配線インダクタンスＬが増加する。さらに、平滑コンデンサＣの静電容量は、電力変換システム１の出力容量（逆変換装置群５の容量）見合いで増加させる必要がある。図３に示すように配線インダクタンスＬと平滑コンデンサＣとを含む閉回路が形成される。電力変換システムの大容量化に伴って、この閉回路の共振周波数が低下することがある。
このような比較例の場合、電力変換システムを作動させたときのスイッチングノイズによって、この閉回路が加振されて共振すると、定格電流よりも大きな電流が直流母線に生じることがあった。

【0046】

また、別の比較例として、このような共振の発生を抑制するために、閉回路内に集中定数型の回路要素であるリアクトルを設けて閉回路のインダクタンスを調整して、閉回路の共振周波数を移動させることで共振を抑制させることがある。ただし、比較的大きな電流を流すことができるリアクトルは、そのサイズが大きくなるため、実装が困難な場合があった。これに対して、リアクトルのような集中定数型の回路要素を利用しない対処方法が必要とされることがあった。

【0047】

図４Ａと図４Ｂは、第１の実施形態の直流母線について説明するための図である。図５は、第１の実施形態の直流母線の配置図である。図６Ａと図６Ｂは、第１の実施形態の直流母線部分の俯瞰図である。図７は、第１の実施形態の直流母線の断面図である。
なお、図４Ａから図７に示す直流母線の説明は、正極母線６０Ｕと負極母線７０Ｕと中性線６５Ｕに適用できる。以下、直流母線の一例として中性線６５Ｕを挙げて説明する。

【0048】

中性線６５Ｕは、第１導体６５ＵＢと、第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤとを備える。

【0049】

図４Ａに中性線６５Ｕの第１導体６５ＵＢの一例を示す。
図４Ａ中の（ａ）に第１導体６５ＵＢの正面図を示し、図４Ａ中の（ｂ）に第１導体６５ＵＢの上面図を示し、図４Ａ中の（ｃ）に第１導体６５ＵＢの側面図を示す。

【0050】

第１導体６５ＵＢは、例えば、長さｘ、幅ａ、厚さｂの板状の金属で形成されている。第１導体６５ＵＢは、Ｘ方向に延伸して、Ｙ方向に面の法線が向くように配置されている。その面の幅方向が、Ｚ方向になる。第１導体６５ＵＢは、所定の位置に配置される複数の碍子（図６Ｂ）によって筐体のフレーム（不図示）に支持されていて、各碍子によって筐体のフレームから絶縁された状態で固定されている。第１導体６５ＵＢの長さｘは、電力変換システムに係る各装置の筐体の幅よりも長い。例えば、幅ａは、厚さｂに対して十分に長い。

【0051】

例えば、第１導体６５ＵＢのＹ方向に法線が向く面には、延伸方向（Ｘ方向）に沿った所定の位置に複数の貫通穴（不図示）が設けられている。例えば、各貫通穴には所定のネジ径のナット（図６Ｂ）が圧入されていてもよい。この複数の貫通穴は、第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤとを各々固定することに利用される。

【0052】

図４Ｂに中性線６５Ｕの第２導体６５ＵＵの一例を示す。
第２導体６５ＵＵは、板状に成形されていて、Ｘ方向に延伸して、Ｚ方向に面の法線が向くように配置されている。面の幅方向が、Ｙ方向になっている。第２導体６５ＵＵの＋Ｙ方向の端部には、第１導体６５ＵＢに固定するためのフランジが設けられている。このフランジは、第２導体６５ＵＵの延伸方向の全長に亘って設けられていてもよく、延伸方向の全長よりも短い所定の長さ（曲げ幅）で形成されて延伸方向の全長のなかで複数個所に配置されていてもよい。図４Ｂに示すフランジは、後者の一例である。フランジには、延伸方向に沿って所定の間隔で複数の貫通穴ＦＨが設けられている。この複数の貫通穴ＦＨは、第２導体６５ＵＵを第１導体６５ＵＢに固定することに利用されている。第２導体６５ＵＵの面に、通風可能にするための複数の貫通穴ＷＣが設けられていてもよい。

【0053】

第３導体６５ＵＤは、第２導体６５ＵＵと同様の形状に形成されていてよい。

【0054】

図５の配置図は、電力変換システム１の各筐体内における直流母線の概略位置を示す平面図である。図５中の複数の長方形の枠は、順変換装置３Ｕ、逆変換装置５Ｘ、逆変換装置５Ｕの各装置の筐体を示す。図５の配置図に示すように、中性線６５Ｕは、順変換装置３Ｕ、逆変換装置５Ｘ、逆変換装置５Ｕの各筐体を跨って配置されている。

【0055】

図６Ａの俯瞰図は、逆変換装置５Ｕの筐体内を正面寄りの位置から見たものである。図６Ｂの俯瞰図は、逆変換装置５Ｕの筐体内を背面寄りの位置から見たものである。図６Ａに示すように中性線６５Ｕは、キャパシタ５５ＵＰよりも低い位置に配置されている。中性線６５Ｕは、第１導体６５ＵＢの幅よりも大きくはみ出すことなく、高さ方向に制限された範囲内に実装されている。図６Ａと図６Ｂに示すように中性線６５Ｕの取り付けは、逆変換装置５Ｕの筐体の正面側から行うことができる。例えば、第１導体６５ＵＢは、正面側からのボルトによって、図示されないフレームのナットに締結されている。第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤは、正面側からのボルトによって第１導体６５ＵＢのナットに締結されている。

【0056】

図７の断面図に、中性線６５Ｕの第１導体６５ＵＢと、第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤとを組み合わせた場合の互いの位置関係を示す。なお、直流の正極と負極と中性点の極の何れかの極に適用する場合も同様でよい。直流の正極と負極と中性点の極のうちの任意の２極は、直流の第１極と第２極の一例である。

【0057】

第１導体６５ＵＢは、Ｕ相の直流の基準電位（直流の中点電位）になる極の母線に適用されている。
第１導体６５ＵＢは、Ｘ方向（延伸方向）と垂直な断面において、幅ａ、厚さｂ（第１厚さ）で形成された第１平板部を含む。

【0058】

第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤは、第１導体６５ＵＢと電気的に等電位になるように、第１導体６５ＵＢに夫々並列に接続されている。第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤの断面は、Ｌ字状に屈曲している。第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤは、第１導体６５ＵＢから離れる方向（例えば－ｙ方向）に延伸している。なお、第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤの延伸方向は、実装上の背減などがなければＺ方向であってもよい。

【0059】

図８から図９Ｄを参照して、第１の実施形態の直流母線について説明する。
図８は、第１の実施形態の直流母線に流れる電流の分布と生成される磁束φを説明するための図である。

【0060】

導体（金属）の表皮効果により、周波数が高い成分は導体の表面近くに流れ、周波数が低い成分と直流成分は導体の断面全体に均一の電流密度で流れる。そのため、金属の表面から比較的深い部分には、直流成分だけが流れることから、導体を有効に利用しきれていない場合がある。

【0061】

本実施形態では、周波数がより低い成分と直流成分を第１導体６５ＵＢと第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤとに流し、周波数がより高い成分を第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤと、第１導体６５ＵＢの表面近くに流す。周波数がより高い成分が流れる範囲を、図８中の断面図にハッチングを付けて示す。この場合、中性線６５Ｕの延伸方向に流れる電流ｉによって中性線６５Ｕに生じる磁束は、第１導体６５ＵＢと第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤの断面の外周に沿った磁路が形成される。これを破線で示す。

【0062】

このように第１導体６５ＵＢには、第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤとが設けられている。これにより、第１導体６５ＵＢに形成される磁路は、第１導体６５ＵＢだけで形成された比較例に比べて長くなることが明らかである。本実施形態では、第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤを、磁路の長さを長くすることに利用する。

【0063】

以下、図９Ａから図９Ｄを参照して、中性線６５Ｕについてより詳しく説明する。図９Ａと図９Ｂは、比較例の直流母線について説明するための図である。図９Ｃと図９Ｄは、実施形態の直流母線について説明するための図である。

【0064】

図９Ｃに、中性線６５Ｕの俯瞰図を示す。
図９Ｄに、第２導体６５ＵＵのＸ方向に直交する面における断面図を示す。第２導体６５ＵＵは、Ｘ方向（延伸方向）と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、厚さｂ（第１厚さ）よりも薄い厚さ２ｄ（第２厚さ）で形成された第２平板部を含む。例えば、第２平板部の断面は、Ｌ字状に屈曲している。上記の所定の角度は、略直角の一例である。なお、フランジの長さｅは、適宜決定してよい。

【0065】

第２導体６５ＵＵの第２平板部の厚さ２ｄは、電力変換ユニットのＰＷＭ制御のキャリア周波数（以下、単にキャリア周波数という。）よりも高い基準周波数ＨＦrefにおける表皮深さδ１の２倍以上である。基準周波数ＨＦrefは、キャリア周波数の高調波周波数に基づいて決定してもよい。例えば、基準周波数ＨＦrefは、キャリア周波数の整数倍であってよく、特定の次数の高調波周波数にそろえてもよい。

【0066】

第２導体６５ＵＵの第２平板部の厚さ２ｄが、電力変換ユニットが生成する交流の基本周波数の表皮深さδ２よりも薄い。第２平板部の厚さ２ｄを、このような厚さまで薄くすることで、交流の基本周波数成分におけるインピーダンスが増加して、第２平板部に流れにくくなる。また、上記の基準周波数ＨＦrefは、キャリア周波数により生成される周波数成分（キャリア周波数とその高調波周波数）に対応付けられている。

【0067】

なお、上記の説明では、第２導体６５ＵＵを例示して説明するが、第３導体６５ＵＤについても同様である。例えば、第３導体６５ＵＤは、Ｘ方向（延伸方向）と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、厚さｂ（第１厚さ）よりも薄い厚さ２ｄ（第３厚さ）で形成された第３平板部を含む。例えば、第３平板部の断面は、Ｌ字状に屈曲している。
第３導体６５ＵＤの第３平板部の厚さ（第３厚さ）は、第２導体６５ＵＵの第２平板部の厚さ（第２厚さ）と同じであってよく、条件によって異なる厚さにしてもよい。

【0068】

図９Ｃに示すように、第２導体６５ＵＵの第２平板部に形成されたフランジ部（第２平板部の第１端部側）の＋Ｙ方向側の面が、第１導体６５ＵＢの－Ｙ方向側の面に接している。上記のフランジ部から繋がっている第２導体６５ＵＵの第２平板部（第２端部）が、第１導体６５ＵＢから離れる方向（－Ｙ方向）に延伸している。

【0069】

第１導体６５ＵＢと、第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤは、その延伸方向であるＸ方向に電流ｉを流して、電力変換システム１の盤間を跨いで直流電力を供給可能に構成されている。直流母線には、電流ｉの直流成分の他に、交流成分も流れる。電流ｉの直流成分の大きさと交流成分の大きさとに基づいて、第１導体６５ＵＢの断面の形状と面積と、第２導体６５ＵＵと第３導体６５ＵＤとの断面の形状と面積とを決定するとよい。

【0070】

例えば、第１導体６５ＵＢのＸ方向に直交する面で、幅ａと厚さｂの断面を有する。この断面の面積Ｓは、幅ａと厚さｂの積になる。第１導体６５ＵＢに電流ｉが流れたときに、第１導体６５ＵＢの断面の周に沿った磁路が形成される。次の式（１）から式（４）に、電気的関係を示す。

【0071】

磁束φ＝インダクタンスＬ×電流ｉ （１）
磁束φ＝磁束密度Ｂ×面積Ｓ （２）
磁界Ｈ＝電流ｉ／磁路ｌ （３）
磁束密度Ｂ＝透磁率μ×磁界Ｈ （４）

【0072】

なお、上記の式（３）における「磁路ｌ」は、磁路の長さである。
上記の式（１）から（４）を整理すると、インダクタンスＬは、次の式を使って算出できる。

【0073】

インダクタンスＬ＝透磁率μ×面積Ｓ／磁路ｌ （５）

【0074】

上記の式（５）によれば、面積Ｓが不変であれば、磁路ｌの長さとインダクタンスＬが反比例の関係にあることを示している。換言すれば、面積Ｓが不変であれば、磁路ｌを長くすれば、インダクタンスＬを小さくすることができる。逆に、磁路ｌが不変であれば、面積Ｓを狭くすれば、インダクタンスＬも小さくなる。

【0075】

ここで、図９Ａと図９Ｂの比較例の導体総量について検討する。ここで示す比較例は、図９Ｃに示した中性線６５Ｕの断面の周の長さと、略等しい長さの周を有する長方形の断面を有するものである。ここでは、中性線６５Ｕの断面の周の長さを、磁路ｌの長さとみなす。

【0076】

図９Ａに示す第１比較例は、第１導体６５ＵＢを幅方向（Ｚ方向）に広げたものである。この導体は、Ｘ方向（延伸方向）と垂直な断面において幅（ａ＋２ｃ＋２ｄ）、厚さｂ（第１厚さ）で形成された平板部を含む。この断面の面積は、（ａｂ＋２ｂｃ＋２ｂｄ）になる。

【0077】

図９Ｂに示す第２比較例は、第１導体６５ＵＢを厚さ方向（Ｙ方向）に広げたものである。この導体は、Ｘ方向（延伸方向）と垂直な断面において幅ａ、厚さ（ｂ＋２ｃ＋２ｄ）で形成された平板部を含む。この断面の面積は、（ａｂ＋２ａｃ＋２ａｄ）になる。

【0078】

第１導体６５ＵＢの断面形状が、幅ａに比べて厚さｂが十分に薄く形成されていれば（例えば、ａ＞＞ｂ）、上記の第１比較例と第２比較例の面積を比べると、第１比較例の方がその面積が狭くなる。第１比較例は、等量の磁路ｌに対して、直流母線の導体総量をより少なく構成できる一例である。

【0079】

そこで、実施形態の中性線６５Ｕの断面の面積Ｓを解析するに当たり、第２導体６５ＵＵの第１平板部の部分に着目して、第２導体６５ＵＵの断面の面積を、（２ｃｄ）に近似する。これにより、中性線６５Ｕの断面の面積Ｓは、第３導体６５ＵＤ分も合わせて、（ａｂ＋４ｃｄ）と近似できる。

【0080】

また、上記の条件によれば、第２導体６５ＵＵの厚さ２ｄは、第１導体６５ＵＢの厚さｂよりも薄い（２ｄ＜ｂ）。
中性線６５Ｕの断面の面積Ｓとしての（ａｂ＋４ｃｄ）と、第１比較例の面積の（ａｂ＋２ｂｃ＋２ｂｄ）とを比べると、中性線６５Ｕの断面の面積Ｓの方が狭いので、中性線６５Ｕは、等量の磁路ｌに対して、第１比較例（及び第２比較例）よりも直流母線の導体総量をより少なく構成できる。これに伴い、中性線６５ＵのインダクタンスＬも小さくなるため、中性線６５Ｕは、第１比較例（及び第２比較例）よりも共振が生じにくくなっている。

【0081】

上記の実施形態によれば、直流母線に適用されるバスバーモジュールは、複数の筐体に亘って配置され、接続されている平滑コンデンサと電力変換ユニットとに直流電力を配分する。直流母線は、直流の第１極と第２極の何れかの極に適用される第１導体と、第１導体に並列に接続される第２導体とを備える。第１導体は、Ｘ方向に沿う延伸方向に垂直な断面において厚さｂ（第１厚さ）で形成された第１平板部を含む。第２導体は、Ｘ方向に沿う延伸方向と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、厚さｂ（第１厚さ）よりも薄い厚さ２ｄ（第２厚さ）で形成された第２平板部を含む。これにより、直流母線の導体総量を減らすことができる。

【0082】

電力変換システム１は、直流母線と、複数の筐体のうちの第１筐体に配置される第１平滑コンデンサと、複数の筐体のうちの第２筐体に配置される第２電力変換装置と、を備えるように形成されていてもよい。

【0083】

電力変換システム１は、逆変換装置５Ｕの筐体（第１筐体）に配置されたキャパシタ５５ＵＰ（第１平滑コンデンサ）と、レグ５０Ｕ（第１電力変換ユニット）と、逆変換装置５Ｘの筐体（第２筐体）に配置されたキャパシタ５５ＸＰ（第２平滑コンデンサ）とレグ５０Ｘ（第２電力変換ユニット）とを備えていてもよい。

【0084】

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の変形例について説明する。
第１の実施形態における第２導体６５ＵＵと、第３導体６５ＵＤのフランジは、所定の長さ（曲げ幅）に分割されているものであった。これに対し、本変形例における第２導体６５ＵＵａと、第３導体６５ＵＤａのフランジは、第２導体６５ＵＵの延伸方向（Ｘ方向）の長さに亘って連続しているものである。以下、これについて説明する。

【0085】

図１０は、第１の実施形態の変形例の直流母線について説明するための図である。図１１は、第１の実施形態の変形例の直流母線部分の俯瞰図である。図１０と図１１は、前述の図４Ｂと図６Ｂに代わるものである。

【0086】

図１０と図１１に示す第２導体６５ＵＵａのフランジは、第２導体６５ＵＵの延伸方向（Ｘ方向）の全長に亘って連続している。このようにフランジの延伸方向の長さを長くすると、フランジの曲げ加工が困難になることがあるが、第２導体６５ＵＵａと第１導体６５ＵＢの接触部分の面積を広くすることができることから、第２導体６５ＵＵａと第１導体６５ＵＢとの間の接触抵抗を減らすことができる。

【0087】

第１の実施形態の変形例の場合も、フランジ部分の導体量が幾らか増加するものの、第１の実施形態と同様に、直流母線の導体総量を減らすことができる。

【0088】

（第２の実施形態）
図１２と図１３を参照して、第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、直流母線の導体総量とインダクタンスを低減させる構成例について説明した。本実施形態では、直流母線を分岐回路として利用する。この適用について説明する。

【0089】

図１２は、第２の実施形態の直流母線からキャパシタ５５への分岐回路を示す図である。図１３は、第２の実施形態の直流母線部分の俯瞰図である。図１２と図１３は、前述の図５と図６Ａとに代わるものである。

【0090】

図１２と図１３とに示すように、各キャパシタ５５と、第２導体６５ＵＵとの間に、接続導体５５ＵＰＮが設けられている。接続導体５５ＵＰＮは、各キャパシタ５５の電極と第２導体６５ＵＵとを接続する。換言すれば、各キャパシタ５５の電極は、接続導体５５ＵＰＮを介して第２導体６５ＵＵに接続されている。これにより、各キャパシタ５５は、接続導体５５ＵＰＮと第２導体６５ＵＵとを介して、第１導体６５ＵＢに接続される。

【0091】

この図１２と図１３に、各キャパシタ５５の一方の電極への接続例を示したが、他方の電極についても同様の方法で直流母線に接続するように構成してよい。

【0092】

第２の実施形態によれば、直流母線からの分岐回路の一部に第２導体６５ＵＵを利用することができる。これにより、接続導体５５ＵＰＮと第２導体６５ＵＵとを分離して構成するよりも、併用する構成にしたことで、第１の実施形態と同様に、直流母線の導体総量を減らすことに加えて、接続導体５５ＵＰＮと第２導体６５ＵＵとを合わせた範囲の導体総量を減らすことができる。

【0093】

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、バスバーモジュールは、複数の筐体に配置される平滑コンデンサと電力変換ユニットとに直流電力を配分する。前記バスバーモジュールは、第１導体と、第２導体とを備える。前記第１導体は、直流の第１極と第２極の何れかの極に適用される。前記第２導体は、前記第１導体に並列に接続される。前記第１導体は、延伸方向と垂直な断面において第１厚さで形成された第１平板部を含む。前記第２導体は、前記延伸方向と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、前記第１厚さよりも薄い第２厚さで形成された第２平板部を含む。これにより、直流母線の導体総量を減らすことができる。

【0094】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0095】

なお、逆変換装置群５のレグ５０は、フルブリッジＮＰＣ型５レベルインバータに代えて、フルブリッジ３レベルインバータであってもよい。

【符号の説明】

【0096】

１、１Ａ…電力変換システム、２…変圧器群、２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ…変圧器、３…順変換装置群、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ…順変換装置、３２ＵＰ、３２ＵＮ、３２ＶＰ、３２ＶＮ、３２ＷＰ、３２ＷＮ…整流器、４０…制御装置、５…逆変換装置群、５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、５Ｘ。５Ｙ、５Ｚ…逆変換装置、５５、５５ＵＰ、５５ＵＮ、５５ＶＰ、５５ＶＮ、５５ＷＰ、５５ＷＮ、５５ＸＰ、５５ＸＮ、５５ＹＰ、５５ＹＮ、５５ＺＰ、５５ＺＮ…キャパシタ、６５Ｕ、６５Ｖ、６５Ｗ…中性線（バスバーモジュール）、６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗ…正極母線（バスバーモジュール）、負極母線７０Ｕ、７０Ｖ、７０Ｗ…負極母線（バスバーモジュール）、６５ＵＢ…第１導体、６５ＵＵ…第２導体、６５ＵＤ…第３導体、８…電動機、ＰＳ…交流電源

【要約】

バスバーモジュールは、複数の筐体に亘って配置され、平滑コンデンサと電力変換ユニットとに直流電力を配分する。前記バスバーモジュールは、第１導体と、第２導体とを備える。前記第１導体は、直流の第１極と第２極の何れかの極に適用される。前記第２導体は、前記第１導体に並列に接続される。前記第１導体は、延伸方向と垂直な断面において第１厚さで形成された第１平板部を含む。前記第２導体は、前記延伸方向と垂直な断面において所定の角度を成して屈曲した断面を有し、前記第１厚さよりも薄い第２厚さで形成された第２平板部を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】