JP2006350900A

JP2006350900A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2006350900A
Application number: JP2005179119A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Yamaguchi; 俊行山口; Masanori Miyazaki; 雅徳宮崎
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】電源投入時にトランスにラッシュ電流が流れることを防止し、安全に始動することのできる電動機駆動用の電力変換装置を提供する。
【解決手段】発電機１からの電力を、スイッチ２Ａを介してトランス６に供給し、ＰＷＭコンバータ７で直流電力に変換し、平滑コンデンサ５で平滑化し、ＰＷＭインバータ９で交流電力に変換して電動機１５を可変速駆動するように構成するとともに、スイッチ２Ｂ、初期充電回路用のトランス３および整流器４、位相監視制御回路８を設ける。位相監視制御回路８の制御の下に、平滑コンデンサ５に充電された電力によりＰＷＭコンバータ７を運転し、トランス６の２次側を励磁することにより、発電機１と同相の電圧をトランス６の１次側に発生させた後、スイッチ２Ａを閉路する。これにより、トランス６の２次側に１次側と位相差がない励磁を行えるため、電源投入時のラッシュ電流を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機駆動用の電力変換装置の改良に関する。

一般に電動機駆動用電力変換装置は電源との間に変圧器を有することが多く、電動機駆動用電力変換装置の運転と関わりなく変圧器を電源に投入する際に大きな突入電流が流れることがある。

従来からある電動機駆動用電力変換装置の一例を図８の回路に示す。図８において、１は電源となる発電機、２は電動機駆動用電力変換装置を電源から開閉するスイッチ、６は電源電圧を電動機駆動用電力変換装置に適した電圧に降圧するトランス、１３はコンデンサへの充電電流を制限する抵抗、１４Ａはコンデンサの充電を開始するスイッチ、１４Ｂは抵抗１３及びスイッチ１４Ａを短絡するスイッチ、７は交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ、５は直流電圧を平滑化するコンデンサ、９は電動機を可変速駆動するＰＷＭインバータ、１５は制御対象となる交流電動機である。

電動機駆動用電力変換装置を起動するには、スイッチ２を投入し、続いてスイッチ１４Ａを投入することにより抵抗１３とＰＷＭコンバータ７を介し、コンデンサ５に充電を開始する。初期充電が完了した時点でスイッチ１４Ｂを投入し、次にＰＷＭコンバータ７を始動してコンデンサ５の電圧を昇圧し、最後にＰＷＭインバータ９を始動し電動機１５の運転を開始する。

この従来の方法では、スイッチ２を投入した段階でトランス６にラッシュ電流が流れることがある。このラッシュ電流は電源容量がドライブ装置容量に対し充分大きな場合は、問題とならないが、電源容量が小さな場合、発生するラッシュ電流により発電機がトリップしたり、周辺の機器が電源電圧低下や電圧変動により影響を受けたりする可能性があった。

また、電源とトランスとの間に限流抵抗を設け、トランスへのラッシュ電流を防止することも知られている（例えば、特許文献１参照）が、この方法によっても、完全にラッシュ電流を防止することは困難である。
特開２００２−３５４８３０号公報

上述した電動機駆動用電力変換装置において、電源を投入するとトランスにラッシュ電流が流れ、発電機の周波数・電圧が変動し周辺機器に悪影響を及ぼす。小容量の発電機の場合、ラッシュ電流の影響が大きく、場合によっては発電機トリップも考えられるため、ラッシュ電流防止の方法が課題となっていた。

本発明は、上述した課題を解決するために為されたものであり、電源投入時にトランスにラッシュ電流が流れることを防止し、安全に始動することのできる電動機駆動用の電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、電力を供給する交流電源と、この交流電源からの電力を開閉する主回路スイッチと、この主回路スイッチに接続されたトランスと、このトランスからの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに事前に充電を行う初期充電回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータの出力に接続された電動機とを備え、平滑コンデンサに充電された電力によりＰＷＭコンバータを運転し、トランスの２次側を励磁することにより、交流電源と同相の電圧をトランスの１次側に発生させた後、主回路スイッチを閉路するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、電源投入時のトランスに流れるラッシュ電流を防止することのできる電動機駆動用の電力変換装置を提供することができる。

以下、本発明に係る電力変換装置の実施例について、図面を参照して説明する。

本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置を、図１乃至図４を参照して説明する。

図１は本実施例の電動機駆動用電力変換装置を示す回路構成図である。図１において、１は電源を供給する発電機、２Ａは発電機の交流出力を電動機駆動用電力変換装置から開閉するスイッチ（主回路スイッチ）、２Ｂは初期充電回路から開閉するスイッチ、３は初期充電回路用の降圧トランス、４はダイオードブリッジによる整流器、５は直流電圧を平滑化するコンデンサ、６は電源電圧を電動機駆動用電力変換装置に適した電圧に降圧するトランス、７は交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ、８はトランス６に励磁を行う運転指令を前記ＰＷＭコンバータ７に対して与える位相監視制御回路、９は電動機を可変速駆動するＰＷＭインバータ、１５は制御対象となる交流電動機である。

ＰＷＭコンバータ７は制御部を有し、出力の電圧及び周波数が制御されているが図１ではこの制御部の図示を省略している。位相監視制御回路８は、発電機の出力電圧の位相を監視し、ＰＷＭコンバータ７に運転指令を与える。

図２に位相監視制御回路８の詳細を示す。図２において、８Ａは位相制御回路と絶縁するトランス、８Ｂは発電機の位相を検出しその位相の運転指令を与える位相検出回路、８Ｃは運転指令を切り替えるスイッチ、８Ｄは位相基準としてパターン化した周波数指令を出力する出力周波数パターン発生回路、８Ｅは８Ｂで検出された位相情報と８Ｇにて出力される位相情報を比較する回路、８Ｆはスイッチ２Ａの投入タイミングを出力するタイミング回路、８Ｇは周波数信号より電圧位相基準を作成する位相基準回路である。

位相監視制御回路８は、トランス３の２次側に接続し、位相の監視を行うためトランス８Ａで絶縁し、位相検出回路８Ｂにて発電機１の出力電圧位相情報を検出する。ＰＷＭコンバータ７の周波数出力を制御する出力周波数パターン発生回路８Ｄにて、高周波から低周波に出力するように周波数信号ｆを設定する。この周波数信号ｆをもとにＰＷＭコンバータの出力電圧位相基準を決定する回路が位相基準回路８Ｇである。発電機１の周波数と、位相基準回路８Ｇの位相を比較する回路８Ｅにより、位相を比較し出力をスイッチ８Ｃにて切り替え、発電機１と同位相の信号を出力する。位相が一致した時点で、主回路の投入のタイミングを知らせる信号をタイミング回路８Ｆにて出力しスイッチ２Ａを投入する。

まず、スイッチ２Ｂをオンにして初期充電を開始する。コンデンサ５が初期充電完了した時点で、コンデンサ５にチャージされた電圧を利用してＰＷＭコンバータ７の運転を開始する。運転方法は次の図３による。ｔ_ａからｔ_ｂの期間にて、ＰＷＭコンバータ７を高周波から低周波に周波数を下げていき、トランス６の２次側の電圧を徐々に上昇させる。ｔ_ｂからｔ_ｃの期間にて、発電機の位相を調整する目的で、発電機１の運転周波数（５０/６０Ｈｚ）付近にて周波数の変化を緩やかに設定し、位相を調整する期間を設けている。ＰＷＭコンバータ７の出力と発電機１の位相が一致した段階ｔ_ｃで、スイッチ８Ｃで位相の切り替えを行い、主回路のスイッチ２Ａを投入する。トランス３を介したトランス８Ａの２次側位相とトランス６の２次側の位相が同一となるようにトランスの位相選定が必要である。

図４により、本実施例の動作を時系列に説明する。まずスイッチ２Ｂの投入で、初期充電が開始され、コンデンサ５が充電される。初期充電完了となった（１）のタイミングにて、ＰＷＭコンバータ７の運転を開始する。運転の指令は位相監視制御回路８により行われる。位相監視制御回路８は、トランス３の２次側に接続し、位相の監視を行うため８Ａにてトランスで絶縁し、位相検出回路８Ｂの位相検出にて発電機１の位相情報を検出する。ＰＷＭコンバータ７の周波数出力を制御する出力周波数パターン発生回路８Ｄにて、高周波から低周波に出力するようにパターンを設定する。発電機１の出力電圧位相と、位相基準回路８Ｇの位相を比較する位相比較回路８Ｅにより位相を比較し、位相調整（２）を行った後、位相が一致した時点で出力をスイッチ８Ｃにて切り替え（３）、発電機と同位相の信号を出力する。また、位相が一致した時点で、主回路の投入のタイミングを知らせる信号をタイミング回路８Ｆにて出力し、スイッチ２Ａの投入信号を出力できるようにする。

すなわち、トランス６の２次側の励磁を高周波から、低周波に変化させることにより、励磁電流が徐々に上がっていき、ＰＷＭコンバータ７の出力の周波数と電圧位相が発電機１と一致するよう調整する。同一の位相となった段階でスイッチ２Ａの投入を行う。その結果、トランス６の１次側電圧と発電機１の電圧との間に位相差がない状態で投入を行えるため、ラッシュ電流を防止することが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、トランスを介さずにコンデンサを充電した後、ＰＷＭコンバータによりトランスの２次側から励磁電流を供給し、トランスの１次側の電圧が電源電圧と同一電圧同一位相となった時点でトランス１次側に電源を供給する。このように起動を行うことにより、電源投入時のラッシュ電流を防止することのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施例２に係る電動機駆動用電力変換装置を、図５を参照して説明する。

図５は本実施例の電動機駆動用電力変換装置を示す回路構成図である。図５において、１は電源を供給する発電機、２Ａは発電機の交流出力を電動機駆動用電力変換装置から開閉するスイッチ、２Ｂは初期充電回路から開閉するスイッチ、３は初期充電回路用の降圧トランス、４はダイオードブリッジによる整流器、５は直流電圧を平滑化するコンデンサ、６は電源電圧を電動機駆動用電力変換装置に適した電圧に降圧するトランス、７は交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ、８はトランス６に励磁を行う運転指令をＰＷＭコンバータ７に対して与える位相監視制御回路、９Ａ、９Ｂ、９Ｃは電動機を可変速駆動するＰＷＭインバータ、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは制御対象となる交流電動機である。

この実施例２の各部について、図１、図２の実施例に係るドライブ装置の始動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、１台のＰＷＭコンバータにＰＷＭインバータ９Ａ、９Ｂ、９Ｃを複数接続して電動機１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを個別に制御するコモンコンバータ方式に適用した点である。

このような構成において、基本構成は同一のため実施例１の場合と同様の始動方法を行うことが可能となり、電源投入時のラッシュ電流を防止することができる。

本発明の実施例３に係る電動機駆動用電力変換装置を、図６を参照して説明する。

図６は本実施例の電動機駆動用電力変換装置を示す回路構成図である。図６において、１は電源を供給する発電機、２Ａは発電機の交流出力を電動機駆動用電力変換装置から開閉するスイッチ、２Ｂは初期充電回路から開閉するスイッチ、３は初期充電回路用の降圧トランス、４はダイオードブリッジによる整流器、５、５Ａ〜５Ｉは直流電圧を平滑化するコンデンサ、６は電源電圧を電動機駆動用電力変換装置に適した電圧に降圧し複数の出力を持つトランス、７はＰＷＭコンバータ、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｉは交流電力を直流電力に変換するダイオードコンバータ、８はトランス６に励磁を行う運転指令をＰＷＭコンバータ７に対して与える位相監視制御回路、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、９Ｆ、９Ｇ、９Ｈ、９Ｉは電動機を可変速駆動するＰＷＭインバータ、１５は制御対象となる交流電動機である。

この実施例３の各部について、図１、図２の実施例に係るドライブ装置の始動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、トランス６の２次側に実施例１と同様に励磁を行うが、２次多巻線のトランスに対し、１巻線を励磁するようにした点である。

本実施例においても、電源投入時のラッシュ電流を防止することができる。

本発明の実施例４に係る電動機駆動用電力変換装置を、図７を参照して説明する。

図７は本実施例の電動機駆動用電力変換装置を示す回路構成図である。図７において、１は電源を供給する発電機、２Ａは発電機の交流出力を電動機駆動用電力変換装置から開閉するスイッチ、２Ｂは初期充電回路を開閉するスイッチ、３は初期充電回路用の降圧トランス、４はダイオードブリッジによる整流器、５は直流電圧を平滑化するコンデンサ、６は電源電圧を電動機駆動用電力変換装置に適した電圧にするトランス、１０は交流電力を直流電力に変換するダイオードコンバータ、７Ａは回生用ＰＷＭ変換装置、８はトランス６に励磁を行う運転指令を回生用ＰＷＭ変換装置７Ａに対して与える位相監視制御回路、９は電動機を可変速駆動するＰＷＭインバータ、１５は制御対象となる交流電動機である。

この実施例４の各部について、図１、図２の実施例に係るドライブ装置の始動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、力行と回生とで必要となる容量の異なる場合に力行用ダイオードコンバータ１０、回生用ＰＷＭ変換装置７Ａを最適な容量で構成する。そして、初期充電のコンデンサに充電された電圧を利用して回生用ＰＷＭ変換装置７Ａを運転し、トランス６に励磁を行う方法を適用した点である。

本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成を示す回路図。実施例１における位相監視制御回路の詳細な回路構成を示す回路図。実施例１における位相監視制御回路の出力周波数およびトランス２次側電圧を示す波形図。実施例１における電動機駆動用電力変換装置の各部の動作波形を示す波形図。本発明の実施例２に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成を示す回路図。本発明の実施例３に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成を示す回路図。本発明の実施例４に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成を示す回路図。従来における電動機駆動用電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図。

符号の説明

１発電機
２、２Ａ、２Ｂスイッチ
３トランス
４整流器
５、５Ａ〜５Ｉ平滑コンデンサ
６トランス
７ＰＷＭコンバータ
７ＡＰＷＭ変換装置
８位相監視制御回路
９、９Ａ〜９ＩＰＷＭインバータ
１０、１０Ａ〜１０Ｉダイオードコンバータ
１３抵抗
１４Ａ、１４Ｂスイッチ
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ電動機

Claims

電力を供給する交流電源と、この交流電源からの電力を開閉する主回路スイッチと、この主回路スイッチに接続されたトランスと、このトランスからの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに事前に充電を行う初期充電回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータの出力に接続された電動機とを備え、前記平滑コンデンサに充電された電力により前記ＰＷＭコンバータを運転し、前記トランスの２次側を励磁することにより、前記交流電源と同相の電圧を前記トランスの１次側に発生させた後、前記主回路スイッチを閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
電力を供給する交流電源と、この交流電源からの電力を開閉する主回路スイッチと、この主回路スイッチに接続されたトランスと、このトランスからの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに事前に充電を行う初期充電回路と、直流電力を交流電力に変換する複数のインバータと、これらの複数のインバータの出力にそれぞれ接続された電動機とを備え、前記平滑コンデンサに充電された電力により前記ＰＷＭコンバータを運転し、前記トランスの２次側を励磁することにより、前記交流電源と同相の電圧を前記トランスの１次側に発生させた後、前記主回路スイッチを閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
電力を供給する交流電源と、この交流電源からの電力を開閉する主回路スイッチと、この主回路スイッチに接続され、複数の出力を有するトランスと、このトランスからの交流電力を直流電力に変換するための、少なくとも１つはＰＷＭコンバータからなる複数のコンバータと、これらの複数のコンバータのそれぞれの直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに事前に充電を行う初期充電回路と、直流電力を交流電力に変換する複数のインバータと、このインバータの出力に接続された電動機とを備え、前記平滑コンデンサに充電された電力により１つの前記ＰＷＭコンバータを運転し、前記トランスの２次側を励磁することにより、前記交流電源と同相の電圧を前記トランスの１次側に発生させた後、前記主回路スイッチを閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
電力を供給する交流電源と、この交流電源からの電力を開閉する主回路スイッチと、この主回路スイッチに接続されたトランスと、このトランスからの交流電力を直流電力に変換する力行時に使用するコンバータおよび回生時に使用するＰＷＭ変換装置と、前記コンバータおよび前記ＰＷＭ変換装置の直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに事前に充電を行う初期充電回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータの出力に接続された電動機とを備え、前記平滑コンデンサに充電された電力により前記ＰＷＭ変換装置を運転し、前記トランスの２次側を励磁することにより、前記交流電源と同相の電圧を前記トランスの１次側に発生させた後、前記主回路スイッチを閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。