JP2004180390A

JP2004180390A - 交流／交流直接変換形電力変換装置

Info

Publication number: JP2004180390A
Application number: JP2002342021A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ito; 淳一伊東; Ikuya Sato; 以久也佐藤
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP4029282B2

Abstract

【課題】過電流発生の前段階において危険状態を速やかに検出し、負荷電流を減少させるスイッチングパターンを選択して直接変換器の継続的な運転を可能にする。
【解決手段】直接変換器３０の負荷電流を検出する電流検出器１４と、この電流検出器４０により検出した負荷電流のうち少なくとも一つの相電流レベルと、過電流レベルより小さい電流制限レベルと、を比較する比較手段１８と、この比較手段１８により前記一つの相電流レベルが電流制限レベルを超えたことを検出した際に、当該相電流を減少させるような出力電圧レベルを選択し、この出力電圧レベルに対応するスイッチングパターンにより直接変換器３０を駆動させる負荷電流制限手段１７と、を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型のエネルギーバッファなしに、交流電力を交流電力に直接変換して所望の出力電圧または出力周波数、もしくは両方を得る交流／交流直接変換形電力変換装置（以下、必要に応じて単に直接変換形電力変換装置という）に関し、特に、負荷電流が過電流となるような異常事態を回避する機能を備えた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、この種の異常事態が発生した場合の処理機能を備えた従来の直接変換形電力変換装置の制御ブロック図である。
図６において、１０は所定の振幅及び周波数の電圧指令を発生する電圧指令発生手段、１１は、上記電圧指令に基づき、電圧検出器１３により検出した電源電圧及び電流検出器１４により検出した負荷電流に応じたスイッチングパターン（ＰＷＭパターン）を発生するＰＷＭ発生手段、１６は切換スイッチ、２０は三相交流電源等の電源、３０は交流−交流直接変換を行う直接変換器、４０は交流電動機等の負荷である。
なお、直接変換器３０では、スイッチングする電圧が交流であるためスイッチングパターンは電源電圧に依存する。従って、電圧検出器１３により電源電圧を検出し、前記電圧指令に応じたスイッチングパターンを発生させている。
【０００３】
また、１５は電流検出器１４により出力過電流等の異常を検出して前記切換スイッチ１６を異常処理側へ切り換えるための異常検出手段、１２は、出力過電流を始めとして、負荷温度過熱、冷却ファン過熱等の異常発生時に、直接変換器３０を全ゲートオフするスイッチングパターンを切換スイッチ１６側へ出力する異常処理手段である。
【０００４】
ここで、直接変換器３０の代表的な例としては、図７に示す３相のマトリックスコンバータがある。すなわち、図７において、電源側の入力端子Ｒには双方向スイッチＳ１，Ｓ４，Ｓ７の各一端が接続され、入力端子Ｓには双方向スイッチＳ２，Ｓ５，Ｓ８の各一端が接続され、入力端子Ｔには双方向スイッチＳ３，Ｓ６，Ｓ９の各一端が接続されており、双方向スイッチＳ１〜Ｓ３の各他端は一括して負荷側の出力端子Ｕに、双方向スイッチＳ４〜Ｓ６の各他端は一括して出力端子Ｖに、双方向スイッチＳ７〜Ｓ９の各他端は一括して出力端子Ｗにそれぞれ接続されている。
【０００５】
上記双方向スイッチＳ１〜Ｓ９は、図７の括弧内に示すように、例えばダイオードＤａ，Ｄｂが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂを逆直列に接続したり、逆耐圧能力がある場合には半導体スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂだけを逆並列に接続して構成されている。
【０００６】
この種の直接変換器３０では、負荷４０が誘導性負荷の場合、負荷端が開放されると、負荷４０のリアクトルに蓄積されたエネルギーにより変換器内部の半導体スイッチング素子の両端にサージ電圧が発生し、スイッチング素子を破壊する。
このような負荷端開放や電源短絡による素子の破壊を防止するため、図６の直接変換形電力変換装置では、図７に示す如く２個の単方向スイッチング素子を用いて１個の双方向スイッチを構成すると共に、電源電圧や負荷電流の極性に応じてＰＷＭ発生手段１１が９個のスイッチングパターンを生成し、直接変換器３０内で１８個のゲートパターンに変換して運転している。
【０００７】
なお、先行技術文献として、マトリックスコンバータを用いて同期電動機を駆動する駆動制御装置が、例えば後述の特許文献１に記載されている。
また、双方向スイッチング手段を備えたＰＷＭサイクロコンバータにより、交流電源電圧を周波数及び振幅の異なる交流電圧に直接変換して交流電動機を駆動する電力変換装置が後述の特許文献２に記載されており、この文献には、スナバコンデンサの充電動作における過電流に起因したスイッチング素子の破壊を防止するための技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１８４８９号公報（図１）
【特許文献２】
特開平１１−２６２２６４号公報（図１、図６〜図８、［００１０］、［００１５］〜［００１７］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した従来技術では、過電流発生時に異常処理手段１２によって直接変換器３０の運転を停止している。
しかし、用途によっては、直接変換器３０を極力停止させることなく継続運転することを求められる場合がある。また、単にフィードバック制御により、出力電圧指令を得て直接変換器の出力電流を制御している場合でも、フィードバック制御に用いる電流指令の制限だけでは、制御の遅れや過渡的なオーバシュートを生じて結局過電流となり、直接変換器が停止する場合もある。
このように直接変換器がその運転を停止すると、負荷に急激な変化をもたらすため、直接変換器により駆動される電動機に機械装置が接続されている場合には、機械装置を破損する恐れがある。
【００１０】
そこで本発明は、過電流発生の前段階において危険状態を速やかに検出し、負荷電流を減少させるようなスイッチングパターンを選択することによって直接変換器の継続的な運転を可能にした直接変換形電力変換装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、半導体スイッチング素子を用いて交流電力を交流電力に直接変換する直接変換器を備えた交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記直接変換器の負荷電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段により検出した負荷電流のうち少なくとも一つの相電流レベルと、過電流レベルより小さい電流制限レベルと、を比較する比較手段と、
この比較手段により前記一つの相電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、当該相電流を減少させるような出力電圧レベルを選択し、この出力電圧レベルに対応するスイッチングパターンにより前記直接変換器を駆動させる負荷電流制限手段と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の交流／交流直接変換形電力変換装置において、
前記負荷電流制限手段は、
負荷電流ベクトルの方向に対してほぼ反対方向の出力電圧ベクトルを選択するものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の交流／交流直接変換形電力変換装置において、
前記負荷電流制限手段は、
前記電流制限レベルを超えた相電流ベクトルの方向に対してほぼ反対方向の出力電圧ベクトルを選択するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す制御ブロック図であり、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１５】
図１において、１７は、電流検出器１４により検出した各相の負荷電流と電圧検出器１３により検出した各相の電源電圧が入力され、負荷電流を制限するための所定のパルスパターンを出力する負荷電流制限手段、１８は各相の負荷電流と電流制限レベルとが入力されて負荷電流制限手段１７と下記の第２の切換スイッチ１９に対する制御信号を出力する比較手段、１９は比較手段１８からの制御信号により切り換えられて負荷電流制限手段１７からのスイッチングパターンまたはＰＷＭ発生手段１１からのスイッチングパターンを第１の切換スイッチ１６側に出力する第２の切換スイッチである。
なお、第１の切換スイッチ１６は実質的に図６の切換スイッチ１６に相当しており、第２の切換スイッチ１９を介して入力されるスイッチングパターンと異常処理手段１２からのスイッチングパターンとを切り換えて直接変換器３０に与えるものである。
【００１６】
この直接変換形電力変換装置では、平常時は第２の切換スイッチ１９がＰＷＭ発生手段１１側に接続され、かつ、第１の切換スイッチ１６が第２の切換スイッチ１９側に接続されている。そして、電圧指令発生手段１０から出力される電圧指令に基づき、その時の電源電圧、負荷電流に応じたスイッチングパターンをＰＷＭ発生手段１１が出力し、このスイッチングパターンを第２の切換スイッチ１９及び第１の切換スイッチ１６を介して直接変換器３０に与えることにより、半導体スイッチング素子をスイッチングして所定の交流電力を負荷４０に供給している。
【００１７】
いま、負荷電流の大きさとして、異常事態に相当する過電流レベルより低い電流制限レベルを比較手段１８に設定しておき、この電流制限レベルと負荷電流の大きさとを比較手段１８によって各相ごとに比較するものとする。
仮にある相の負荷電流が電流制限レベルより大きくなった場合、比較手段１８から負荷電流制限手段１７に制限電流相情報（どの相の負荷電流が電流制限レベルを超えたかという情報）を送って当該相に対する負荷電流制限時のパルスパターンを出力させると共に、比較手段１８からの制御信号によって第２の切換スイッチ１９を負荷電流制限手段１７側に切り換える。
このとき、負荷電流のレベルは過電流レベルより小さいため、過電流を検出して第１の切換スイッチ１６を異常処理手段１２側に切り換える異常検出手段１５は動作しておらず、第１の切換スイッチ１６は第２の切換スイッチ１９側に接続されている。
【００１８】
従って、ある相の負荷電流を電流制限レベル以下に減少させるようなパルスパターンを負荷電流制限手段１７から出力して第２，第１の切換スイッチ１９，１６を介し直接変換器２に与え、これを駆動することにより、ある相の負荷電流が過電流に達していない段階でその大きさを所望のレベル以下に制限することができる。
【００１９】
次に、図２は前記負荷電流制限手段１７の第１実施例を示すブロック図である。この負荷電流制限手段１７は、各相の負荷電流ベクトルが入力されてその角度を検出する負荷電流ベクトル検出手段１７１と、電源電圧ベクトルから出力電圧ベクトルパターンを検出する出力電圧ベクトルパターン演算手段１７２と、各相の負荷電流ベクトルに対し反対方向の出力電圧ベクトルを制限電圧ベクトルとして選択し、この電圧ベクトルに相当するスイッチングパターンを発生させる制限電圧ベクトル選択手段１７３とから構成されている。
【００２０】
ここで、図３は直接変換器３０としての３相のマトリックスコンバータの出力電圧ベクトルの分布を示しており、スイッチングパターンに応じて２４種類の電圧ベクトルが存在する。図３における○印が電圧ベクトルの先端である。
例えば、ある相の電流が電流制限レベルを超えたときの負荷電流ベクトルがｉ_ｏｕｔであるとすると、前記制限電圧ベクトル選択手段１７３は、負荷電流ベクトルｉ_ｏｕｔに対してほぼ反対方向で大きさが最大の電圧ベクトルｖ_ｏｕｔ（この電圧ベクトルの先端を●で示す）を選択し、対応するスイッチングパターンを出力する。この結果、負荷電流ベクトルｉ_ｏｕｔは減少するので、負荷電流を電流制限レベル以下に制限しながら運転を継続することができる。
【００２１】
また、直接変換器３０の場合、各出力電圧ベクトルは、電源電圧ベクトルの動きに伴って変化する。従って、更に効果的に電流を減少させるためには、電源電圧に応じて使用する出力電圧ベクトル（制限電圧ベクトル）を切り替え、絶えず、電流ベクトルの方向と反対の電圧ベクトルを選択して対応するスイッチングパターンを出力させるようにしてもよい。
【００２２】
次いで、図４は前記負荷電流制限手段の第２実施例を示すブロック図であり、ここでは負荷電流制限手段を符号１７’で示してある。
負荷電流制限手段を符号１７’は、電流ベクトル検出手段１７１、出力電圧ベクトルパターン演算手段１７２及び制限電圧ベクトル選択手段１７４により構成され、制限電圧ベクトル選択手段１７４には、図１の比較手段１８から出力された制限電流相情報が入力されている。
この第２実施例において、制限電圧ベクトル選択手段１７４は、負荷電流ベクトルのうち電流制限レベルを超えた相の電流ベクトルに対してほぼ反対方向で大きさが最大である電圧ベクトルｖ_ｏｕｔを選択し、対応するスイッチングパターンを出力する。
【００２３】
この実施例の動作を図５を用いて説明すると、例えば負荷電流ベクトルｉ_ｏｕｔの成分であるＵ相電流ｉ_ｕが電流制限レベルを超えた場合、制限電圧ベクトル選択手段１７４には、制限電流相情報として「Ｕ相」という情報が入力される。これにより、制限電圧ベクトル選択手段１７４では、Ｕ相電流ｉ_ｕとは反対方向で大きさが最大の電圧ベクトルｖ_ｏｕｔ（この電圧ベクトルの先端を●で示す）を制限電圧ベクトルとして選択し、対応するパルスパターンを出力する。
第１実施例と同様に、一層効果的に電流を減少させるためには、電源電圧に応じて制限電圧ベクトルを切り替え、絶えず、制限電流相の電流と反対方向の電圧ベクトルを選択して対応するスイッチングパターンを出力させてもよい。
【００２４】
なお、上記の説明では制限電圧ベクトル選択手段１７３，１７４により大きさが最大の出力電圧ベクトルを選択しているが、本発明では負荷電流が電流制限レベルより減少すれば良いので、必ずしも大きさが最大の出力電圧ベクトルを選択する必要はない。
また、直接変換器３０の相数も３相に限定されるものではない。
【００２５】
本発明によれば、直接変換形電力変換装置において過電流が発生しそうな状況でも、過電流を発生させることなく、直接変換形電力変換装置の運転を継続することができる。
なお、本発明における電流制限手段は、ソフトウェアによって実現されるばかりでなく、ハードウェアでも簡単に実現できることは言うまでもない。但し、ソフトウェアによって実現する場合には、ＣＰＵのサンプリング速度が遅いと電流が電流制限レベルを超過したか否かの判定が遅れるため、電流の即時回避がしにくくなる。加えて、電流が電流制限レベルを超過したことを判定した後も、ＣＰＵのサンプリング時間でしか電流を制限するための電圧ベクトルが制御されないので、応答が遅れることになり、やはり過電流の即時回避が難しくなる。
つまり、電流制限動作がＣＰＵのサンプリング速度に依存してしまうので、電流制限を高速に行うためにはハードウェアによって実現した方が良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直接変換形電力変換装置において、負荷電流が過電流レベルに達しなくてもそれ未満の電流制限レベルに達した時点で電流制限を行うことができるため、常に過電流の発生を回避して直接変換形電力変換装置を継続的に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】図１における負荷電流制限手段の第１実施例を示すブロック図である。
【図３】図２における制限電圧ベクトルの選択方法を説明する図である。
【図４】図１における負荷電流制限手段の第２実施例を示すブロック図である。
【図５】図４における制限電圧ベクトルの選択方法を説明する図である。
【図６】従来技術を示す制御ブロック図である。
【図７】マトリックスコンバータの構成図である。
【符号の説明】
１０：電圧指令発生手段
１１：ＰＷＭ発生手段
１２：異常処理手段
１３：電圧検出器
１４：電流検出器
１５：異常検出手段
１６：第１の切換スイッチ
１７，１７’：負荷電流制限手段
１７１：電流ベクトル検出手段
１７２：出力電圧ベクトルパターン演算手段
１７３，１７４：制限電圧ベクトル選択手段
１８：比較手段
１９：第２の切換スイッチ
２０：電源
３０：直接変換器
４０：負荷
Ｓ１〜Ｓ９：双方向スイッチ

Claims

半導体スイッチング素子を用いて交流電力を交流電力に直接変換する直接変換器を備えた交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記直接変換器の負荷電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段により検出した負荷電流のうち少なくとも一つの相電流レベルと、過電流レベルより小さい電流制限レベルと、を比較する比較手段と、
この比較手段により前記一つの相電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、当該相電流を減少させるような出力電圧レベルを選択し、この出力電圧レベルに対応するスイッチングパターンにより前記直接変換器を駆動させる負荷電流制限手段と、
を備えたことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置。
請求項１記載の交流／交流直接変換形電力変換装置において、
前記負荷電流制限手段は、
負荷電流ベクトルの方向に対してほぼ反対方向の出力電圧ベクトルを選択することを特徴とする交流／交流直接変換形電力変換装置。
請求項１記載の交流／交流直接変換形電力変換装置において、
前記負荷電流制限手段は、
前記電流制限レベルを超えた相電流ベクトルの方向に対してほぼ反対方向の出力電圧ベクトルを選択することを特徴とする交流／交流直接変換形電力変換装置。