JP2006325327A

JP2006325327A - マトリクスコンバータの保護装置

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Publication number: JP2006325327A
Application number: JP2005146163A
Authority: JP
Inventors: Geiho Chin; 芸峰陳
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP4640794B2

Abstract

【課題】マトリクスコンバータの転流ミス等で発生する電圧サージを抑制するために、小型、ローコスト、長寿命な保護装置を提供する。
【解決手段】多相交流電源より直接多相交流負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置において、マトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタコンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、バリスタで接続して構成する。マトリックスコンバータの電圧サージ保護装置を少ない部品数で効果的に構成しているため、システムの小型軽量化、ローコスト化に寄与できる。また、電解コンデンサなどの寿命の短い部品を使用しないため、システムの長寿命化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用電力変換装置に係り、特に三相交流電源から直接三相負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置に関するするものである。

図２は、主変換器としてマトリクスコンバータを用いたこの種の直接変換形電力変換器を示す構成図である。ここでは、多相の例として最も一般的な三相を示しており、入力側（電源側）をＲ，Ｓ，Ｔ相、出力側（負荷側）をＵ，Ｖ，Ｗ相と呼ぶものとする。

図２において、１は三相交流電源、３はフィルタ用リアクトル３１及びフィルタ用コンデンサ３２からなる交流フィルタ、２は双方向スイッチ２１〜２９からなるマトリクスコンバータ、４は電動機等の誘導性負荷、７は双方向スイッチ２１〜２９に過大な電圧が印加されないように付けられるクランプまたは保護回路である従来のマトリクスコンバータ保護装置を示す。マトリクスコンバータ２は制御器より双方向スイッチ２１〜２９のゲートにオンオフ（導通阻止）信号を与えることにより電力変換の目的を果たすものである。
ここで、双方向スイッチ２１〜２９は、例えば逆阻止機能を有するＩＧＢＴ等の２個の半導体スイッチング素子を逆並列に接続して構成されている。

周知のように、マトリクスコンバータ２の変換動作については、任意の時刻において、各出力相に接続される三つのスイッチ（例えば、Ｕ相に接続されているスイッチ２１，２２，２３）の何れかの1つはオン状態でなければならない。そうでないと、誘導性負荷４に蓄積された誘導性エネルギーの還流経路がなくなるため、スイッチ両端に大きなサージ電圧が発生し、素子を破壊する。

一方、スイッチング制御におけるスイッチ間の導通切換え（転流）動作は一意ではなく、負荷電流の極性などにより複雑に変わるため、電流センサ信号にノイズなどの不確定要素が混入された場合、意に反して転流失敗を起こし、大きなサージ電圧を発生させることがあり得る。また、システムに何らかの故障が発生したとき、マトリクスコンバータを構成する双方向スイッチ２１〜２９を一斉にオフさせることが一般的ではあるが、この場合も、前記と転流失敗と同じ理由で素子を破壊させる恐れがある。

上記サージ電圧の発生を防止するため、従来では図２に示す如く、入出力の全波整流器7１、７２と電解コンデンサ７３から整流スナバ回路を構成して、転流失敗または強制停止時の誘導エネルギーをこの電解コンデンサ７３で吸収させる（例えば、特許文献１参照）。双方向スイッチ両端の電圧が電解コンデンサ７３の電圧以下にクランプされるため、過電圧保護の目的は果たされる。

この種の保護回路は、サージ電圧を効果的に防止することができるが、図２の従来のマトリックスコンバータ保護装置７に示すように、その構成に、少なくとも容量が主回路素子と同じ程度の高速ダイオード１２個、大容量の電解コンデンサ１個が必要とするため、コストの面でまた変換器全体のサイズの面で犠牲を払わなければならない。さらに、電解コンデンサ７３に寿命が短い欠点があるので、定期的にメンテナンスを行わなければならない欠点もある。

特開２０００−１３９０７６（第５図，第７図等）

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題点に対して、簡単で、部品点数が少なくて、ローコストで、サージ電圧を確実に抑えられる保護回路を提供することにある。

つまり、その目的を達成するために、多相交流電源より直接多相交流負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置において、
請求項１に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、バリスタで接続して構成したものである。
請求項２に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、双方向ツェナーダイオードで接続して構成したものである。
請求項３に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、互いに逆方向に直列接続されたツェナーダイオードで接続して構成したものである。

本発明の請求項によれば、マトリクスコンバータの電圧サージ保護装置を少ない部品数で効果的に構成しているため、システムの小型軽量化、ローコスト化に寄与できる。また、電解コンデンサなどの寿命の短い部品を使用しないため、システムの長寿命化を図ることができる。

図１は本発明の一実施形態を示す構成図で、マトリクスコンバータ保護装置の構成を示す図である。同図において、１は三相交流電源、３はフィルタ用リアクトル３１及びフィルタ用コンデンサ３２からなる交流フィルタ、２は双方向スイッチ２１〜２９からなるマトリクスコンバータ、４は電動機等の誘導性負荷である。５は本発明請求項１のマトリクスコンバータ保護装置の回路構成であり、３個のバリスタ５１のみで構成されている。バリスタの一端は星型結線されているフィルタ用コンデンサ３２の中性点に接続され、他端はそれぞれマトリクスコンバータ２の出力側の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に接続される。本発明は５の本発明請求項１のマトリックスコンバータ保護装置を設けることで、転流ミスなどで発生するサージ電圧をのバリスタ５１でクランプすることにより保護の目的を達成させている。

以下、本発明の実施例である図1に示した本発明請求項１のマトリクスコンバータの保護装置５の原理を詳述する。
周知のように、バリスタはそれにかかる電圧がバリスタ電圧（Vz）以下の場合、電流はほとんど流れず、ほぼオフの状態となる。逆に、バリスタ電圧Vz以上の電圧がかかろうとすると、インピーダンスが急減し、電流のバイパスを許容し、それ以上の電圧上昇を防ごうとする。この特性を利用して、従来から双方向電圧クランプまたサージアブソーバとして活用されている。
一方、マトリクスコンバータについては、降圧タイプの半導体変換器であり、正常動作している場合、出力各相の電圧は、電源側３相入力電圧の最大相電圧と最小相電圧の間になる。入力相電圧実効値をEp（ピーク値√２Ep）、出力電圧値をVoと表す場合、（１）式が成り立つことが明らかである。

逆に、出力電圧がこの範囲を超えた場合、むしろ正常動作としては認めず、何らかの対策を取らなければならない。
図１において、出力電圧が正常範囲内にある場合、バリスタ５１が動作せず、等価的にオフ状態になるので、星型結線されているフィルタ用コンデンサ３２の中性点の電位がほぼゼロである。従って、各相に接続されているバリスタ５１の両端にかかる電圧がその相の出力電圧と等しくなる。バリスタ５１は出力電圧が異常な場合のみ作動するから、バリスタ電圧Vzは（２）式を満たすように選定される。

次に、本発明請求項１のマトリックスコンバータ保護装置５がクランプ状態にある場合、双方向スイッチ２１〜２９両端に印加されている電圧を概算してみる。一般性を失わず、R相電源とU相出力の間の双方向スイッチ２１を例として、その両端電圧を計算してみる。いま図１において、U相の双方向スイッチ（２１，２２，２３）が全てオープンしたとしよう。誘導性負荷４のU相誘導エネルギーの正常流れルートが無くなったので、勢いでU相に接続されているバリスタ５１を導通させ、U相電圧がVzでクランプされる。よって、双方向スイッチ２１両端の電圧はVur=Vz-Vrとなり、その最大値が（３）式を満たしているのは明らかである。

バリスタ電圧Vzを（２）式の右辺と等しく選択した場合、双方向スイッチ２１〜２９両端電圧が２√２Ep以下に抑えられることが分かる。
以上は本発明請求項１に請求した内容であり、少ない部品数で双方向スイッチ２１〜２９両端電圧を効果的に抑えられることが明らかである。なお、本発明の請求項２では、本発明請求項１のマトリックスコンバータ保護装置５の構成部品であるバリスタ５１を同等な機能をもつ双方向ツェナーダイオードで置換えたもので、同等な効果を果たせることが明らかである。また、本発明の請求項３も本発明請求項１のバリスタ５１を同等機能の逆直列接続のツェナーダイオードで置換えたのみなので、同じような機能を果たせる。

なお、本発明は、三相マトリクスコンバータを例として説明しているが、三相以外の多相交流電圧を直接変換する電力変換器にも適用可能である。

以上詳述したように、本発明請求項１のマトリクスコンバータの保護装置５を利用すれば、小型で、ローコストなマトリクスコンバータを構成することができるので、産業用マトリクスコンバータに利用可能である。

本発明の一実施形態を示す構成図である。従来の技術を示す構成図である。

符号の説明

１三相交流電源
２マトリクスコンバータ
３交流フィルタ
４誘導性負荷
５本発明請求項１のマトリクスコンバータ保護装置
７従来のマトリクスコンバータ保護装置
２１〜２９双方向スイッチ
３１フィルタ用リアクトル
３２フィルタ用コンデンサ
５１バリスタ
７１、７２全波整流回路
７３電解コンデンサ
R,S,T マトリックスコンバータ入力のR,S,T相
U,V,W マトリックスコンバータ出力のU,V,W相
Vo 出力電圧値
Ep 入力相電圧実効値
Vz バリスタ電圧値
Vur U、R相間の双方向スイッチ両端の電圧

Claims

多相交流電源より直接多相交流負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置において、
前記マトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点と前記マトリクスコンバータ出力側の各相の間に、バリスタで接続して構成したことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
請求項１に記載したマトリクスコンバータの保護装置において、
請求項１に記載したバリスタを双方向ツェナーダイオードで置換えたことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
請求項１に記載したマトリクスコンバータの保護装置において、
請求項１に記載したバリスタを互いに逆方向に直列接続されたツェナーダイオードで置換えたことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。