JP2007151235A - マトリクスコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】電源側で欠相が発生した場合等にマトリクスコンバータユニットを停止させても、異常解決後には復帰が可能となるマトリクスコンバータを提供する。
【解決手段】交流電源１の各相に接続されるリアクトル２１とリアクトル２１間に接続されるコンデンサ２２とから成るＬＣフィルタ２と、ＬＣフィルタ２の出力側に接続されるマトリクスコンバータ用スイッチング素子４と、マトリクスコンバータ用スイッチング素子４に接続されたスナバモジュール５２のエネルギで駆動されるスイッチング素子用制御コントローラ５０とを備えて成るマトリクスコンバータ５において、コンデンサ２２と直列にパワーリレー３を接続し、交流電源１側で欠相が発生した場合、電源電圧異常検出による信号にてパワーリレー３を遮断させて、コンデンサ２２を交流電源１と切り離すようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マトリクスコンバータ（ＰＷＭサイクロコンバータ）に関するもので、特にその電源側での欠相時にＬＣ入力側フィルタの遮断に関するものである。

従来より、マトリクスコンバータ（ＰＷＭサイクロコンバータ）は知られている。マトリクスコンバータは、ヒューズとＬＣフィルタと双方向スイッチング素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を２個対向直列に接続して成る。）と双方向スイッチング素子に並列に接続されるスナバ回路とから構成され、交流電源と負荷となる交流電動機との間に間挿されて使用され、交流電源からの電力を所望の電力に変換して交流電動機に供給している。各ＩＧＢＴは外部信号により独立に開閉制御可能となっており、スナバ回路は、ＩＧＢＴが自身に流れている電流を遮断する際に発生するサージ電圧を吸収する役割をしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２６２２６４号公報

そして、このようなマトリクスコンバータにおいて、電源側で欠相が発生した場合や電源電圧の異常を検出した場合にマトリクスコンバータを停止させる保護機能を持っていたが、同一系統に接続された機器（例えば、単相トランス）によって、マトリクスコンバータが停止している状態でも共振を起こす可能性について認識していなくて、その対応がなされていなかった。
前記のとおり、同一系統に接続された機器（例えば、単相トランス）によってマトリクスコンバータと共振を起こす可能性があるので、本出願人は、その解決方法の１つとして電源電圧異常時の信号でマトリクスコンバータを停止させた時に電源側と切り離す方法を考えて見た。
図３は電源電圧異常時の信号でマトリクスコンバータを停止させた時に電源側と切り離す具体的な１つの回路である。
図において、１は三相交流電源、２はＬＣフィルタで、リアクトル２１とコンデンサ２２とから成る。４はスイッチング素子ＩＧＢＴ、５はマトリクスコンバータ（ユニット）、５０は制御コントローラ（ゲートドライバ）、５２はサージエネルギーを吸収するスナバモジュール、５３は放電回路、５４は突入抑制回路、５５は平滑コンデンサ、５６は突入抑制用駆動電源、５７は制御電源、６は三相交流電源１とマトリクスコンバータ５との間に間挿されている電源コンタクタである。
マトリクスコンバータ５は、電源コンタクタ６を介して三相交流電源１に接続され、三相交流電源１の電力（電圧、電流、周波数）を変換して所望の電力をモータに供給している。
制御コントローラ５０は、マトリクスコンバータ５のスイッチング素子ＩＧＢＴ４がスイッチングした際に、高調波を電源系統へ漏らさぬためのＬＣフィルタ２とスイッチングしたサージエネルギーを吸収するスナバモジュール５２及びそのエネルギーを吸収する平滑コンデンサ５５とのエネルギーを電力源とし、制御電源５７より与えられている。
三相交流電源の各相にはリアクトル２１が接続され、この各相のリアクトル２１間にコンデンサ２２が挿入されて、ＬＣフィルタ２を構成してる。
三相交流電源１に電源電圧異常が発生すると、その電源電圧異常時の信号で電源コンタクタ６をＯＦＦにして、マトリクスコンバータ５を三相交流電源１側と切り離すようにしている。

しかし、図３のようなマトリクスコンバータ５では、その回路構成上、異常解決後の復帰が出来なくなってしまうという問題があった。すなわち、制御コントローラ５０が、スナバモジュール５２及びそのエネルギーを吸収する平滑コンデンサ５５のエネルギーを電力としているので、三相交流電源１とマトリクスコンバータ５とを切り離してしまうと、制御コントローラ用電源５７の供給も絶たれてしまうため、制御コントローラ用電源５７が落ち、その結果、制御コントローラ５０の不動作による異常解決後の復帰が出来なくなってしまうからである。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、電源側で欠相が発生した場合や電源電圧の異常時にマトリクスコンバータユニットを停止させても、異常解決後の復帰が可能となるマトリクスコンバータを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、マトリクスコンバータに係り、交流電源に接続されて前記交流電源電力を所望の電力に変換してモータに供給するためのマトリクスコンバータであって、前記交流電源の各相に接続されるリアクトルと該各相のリアクトル間に接続されるコンデンサとから成るＬＣフィルタと、該ＬＣフィルタの出力側に接続されるマトリクスコンバータ用スイッチング素子と、該マトリクスコンバータ用スイッチング素子に接続されたスナバモジュールのエネルギで駆動される前記スイッチング素子用制御コントローラとを備えて成るマトリクスコンバータにおいて、前記ＬＣフィルタの前記コンデンサと直列にパワーリレーを接続し、前記交流電源側で欠相が発生した場合、電源電圧異常検出による信号にて前記パワーリレーを遮断させて、前記ＬＣフィルタの前記コンデンサを前記電源と切り離すようにしたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、マトリクスコンバータに係り、交流電源に接続されて前記交流電源電力を所望の電力に変換してモータに供給するためのマトリクスコンバータであって、前記交流電源の各相に接続されるリアクトルと該各相のリアクトル間に接続されるコンデンサとから成るＬＣフィルタと、該ＬＣフィルタの出力側に接続されるマトリクスコンバータ用スイッチング素子と、該マトリクスコンバータ用スイッチング素子に接続されたスナバモジュールのエネルギで駆動される前記スイッチング素子用制御コントローラとを備えて成るマトリクスコンバータにおいて、前記制御コントローラ用電源を本来の供給源とは別に外部電源供給用の端子側に設け、かつ該端子に前記マトリクスコンバータユニットの入力側各相に電源コンタクタを接続し、前記交流電源側で欠相が発生した場合、電源電圧異常検出による信号にて前記電源コンタクタを遮断させて、前記ＬＣフィルタを前記電源と切り離すことを特徴としている。

以上述べたように、請求項１記載の発明によれば、電源電圧異常時にマトリクスコンバータを停止させた際に共振する可能性の元となるＬＣフィルタのＡＣコンデンサを遮断するものであり、これにより、三相交流電源とマトリクスコンバータとが切り離されることはなくなるので、制御コントローラ用電源の供給が絶たれることがなくなり、異常解決後の復帰が可能となる。
また、請求項２記載の発明によれば、電源電圧異常時にマトリクスコンバータを停止させた際に共振する可能性の元となるＬＣフィルタを遮断しかつ制御コントローラ用電源として外部電源から供給するので、制御コントローラ用電源の供給が絶たれることがなくなり、異常解決後の復帰が可能となる。
尚、本発明の目的とは別に、製品用途的に電源側にコンタクタを設置した場合を考慮して、制御コントローラ用電源を本来の供給先とは別に外部電源供給用の端子を設け、かつ、電源電圧検出信号用も兼用にすることも合わせて解決することができる。
このように、電源電圧異常時及び異常後の対応がユニット内で全て完結することが出来ることと、それによってシステム設計が容易になり、マトリクスコンバータとしての利用（応用）範囲が拡大するメリットがある。

以下に、本発明の実施例１について、図１に基づいて説明する。
〈実施例１〉
図において、１は三相交流電源、２はＬＣフィルタで、リアクトル２１とコンデンサ２２とから成る。３は本発明によって設けられたパワーリレー、４はスイッチング素子ＩＧＢＴ、５はマトリクスコンバータ、５０は制御コントローラ（ゲートドライバ）、５１は降圧用整流回路、５２はサージエネルギーを吸収するスナバモジュール、５３は放電回路、５４は突入抑制回路、５５は平滑コンデンサ、５６は突入抑制用駆動電源、５７は制御電源である。
マトリクスコンバータ５は、三相交流電源１に接続され、三相交流電源１の電力（電圧、電流、周波数）を変換して所望の電力をモータに供給している。
制御コントローラ５０は、マトリクスコンバータ５のスイッチング素子ＩＧＢＴ４がスイッチングした際に、高調波を電源系統へ漏らさぬためのＬＣフィルタ２とスイッチングしたサージエネルギーを吸収するスナバモジュール５２及びそのエネルギーを吸収する平滑コンデンサ５５とのエネルギーを電力源とし、制御電源５７より与えられている。
三相交流電源の各相にはリアクトル２１が接続され、この各相のリアクトル２１間にコンデンサ２２が挿入されて、ＬＣフィルタ２を構成してる。
パワーリレー３を駆動するための接点信号（ＤＯ：ＭＣＯＮ）によって、パワーリレー３を駆動させ、その動作したというアンサー信号（ＤＩ：ＭＣＡＮＳ）を制御コントローラ側に返す回路構成を採っている。
なお、図１では、パワーリレー３にアンサー信号が無いため、アンサー信号（ＤＩ：ＭＣＡＮＳ）をコモンさせ対応している。
また、電源電圧検出信号、つまり、入力電圧の電位、位相、及び周期を演算・電源監視するための元となる信号を制御コントローラに取り込み、交流電源側の異常（欠相）を検出している。
そして、本発明により、そのコンデンサ２２と直列にパワーリレー３を接続し、三相交流電源１側に欠相が発生した場合、降圧用整流回路５１を電源として、ＤＯ：ＭＣＯＮからの接点信号がパワーリレー３に送られ、その接点を開いて、パワーリレー３を遮断させて、コンデンサ２２を三相交流電源１と切り離すようにしている。

以上のように、実施例１によれば、上記マトリクスコンバータユニットにおいて、三相交流電源側で欠相が発生した場合や電源電圧の異常時にマトリクスコンバータユニットを停止させ、マトリクスコンバータユニット内のＬＣフィルタのコンデンサをパワーリレーによって遮断して電源系統と切り離すことで同一系統に接続された機器（例えば、単相トランス）によってマトリクスコンバータが停止している状態でも共振を起こす可能性を除去すると共に、スナバモジュールや平滑コンデンサには三相交流電源が接続された状態にあるので異常解決後の復帰が可能となる。
なお、放電回路５３と突入抑制回路５４との間にある３相整流ブリッジ５８は、本実施例の目的とは別に、外部電源供給用として設けた端子（Ｒｓ、Ｓｓ、Ｔｓ）から入力される３相交流電源を整流し、直流として制御コントローラ用電源の供給源になっているものである。
これにより、例えばシステムとして、同一電源系統に可変速電力変換装置（インバータなど）を接続する際、装置異常時の電源系統への保護の観点から系統からの分離可能な構成を取るため、各々の装置の頭にコンタクタ或いは配線用遮断機を設置し、本装置が持つ保護機能動作による外部出力故障信号（ＩＯ）を使用した場合を考慮して、制御コントローラ用電源を上記本実施例による本来の供給先とは別に外部電源供給用の端子を設け、かつ、電源電圧検出信号用も兼用にすることによって、制御コントローラ用電源が落ちることがなく、かつ、異常解決後の復帰も行うことができるようにすることができる。

次に、本発明の実施例２について、図２に基づいて説明する。
〈実施例２〉
図において、１は三相交流電源、２はＬＣフィルタで、リアクトル２１とコンデンサ２２とから成る。３は本発明によって設けられたパワーリレー、４はスイッチング素子ＩＧＢＴ、５はマトリクスコンバータ、５０は制御コントローラ（ゲートドライバ）、５２はサージエネルギーを吸収するスナバモジュール、５３は放電回路、５４は突入抑制回路、５５は平滑コンデンサ、５６は突入抑制用駆動電源、５７は制御電源、６は三相交流電源１とマトリクスコンバータ５との間に間挿されている電源コンタクタである。
本実施例により、整流ブリッジ５８を放電回路５３と突入抑制回路５４との間に設け、整流ブリッジ５８に三相交流電源１を外部電源供給用端子を介して接続し、常時、平滑コンデンサ５５に充電をしている。
マトリクスコンバータ５は、電源コンタクタ６を介して三相交流電源１に接続され、三相交流電源１の電力（電圧、電流、周波数）を変換して所望の電力をモータに供給している。
制御コントローラ５０は、マトリクスコンバータ５のスイッチング素子ＩＧＢＴ４がスイッチングした際に、高調波を電源系統へ漏らさぬためのＬＣフィルタ２とスイッチングしたサージエネルギーを吸収するスナバモジュール５２及びそのエネルギーを吸収する平滑コンデンサ５５とのエネルギーを電力源とし、制御電源５７より与えられていると共に、上記の如く三相交流電源１からも外部電源供給用端子を介して平滑コンデンサ５５を充電し、制御電源５７より与えられている。
三相交流電源の各相にはリアクトル２１が接続され、この各相のリアクトル２１間にコンデンサ２２が挿入されて、ＬＣフィルタ２を構成してる。
三相交流電源１に電源電圧異常が発生すると、その電源電圧異常時の信号で電源コンタクタ６をＯＦＦにして、マトリクスコンバータ５のＬＣフィルタ２を三相交流電源１側と切り離すようにして、同一系統に接続された機器（例えば、単相トランス）によってマトリクスコンバータと共振を起こす可能性を除去している。
また、マトリクスコンバータ５を三相交流電源１側と切り離しても、三相交流電源１から整流ブリッジ５８に外部電源供給用端子を介してエネルギを与えられているので、異常解決後のマトリクスコンバータユニット５の復帰が可能となる。

以上のように、実施例２によれば、上記マトリクスコンバータユニットにおいて、三相交流電源側で欠相が発生した場合や電源電圧の異常時にマトリクスコンバータユニットを停止させ、マトリクスコンバータユニット内のＬＣフィルタを電源コンタクタによって三相交流電源から遮断して電源系統と切り離すことで同一系統に接続された機器（例えば、単相トランス）によってマトリクスコンバータが停止している状態でも共振を起こす可能性を除去すると共に、平滑コンデンサには外部電源供給用端子を介して三相交流電源が接続された状態にあるので異常解決後の復帰が可能となる。

電源電圧異常時に保護する本発明の実施例１に係るマトリクスコンバータの回路図である。 本発明の実施例２に係るマトリクスコンバータの回路図である。 本発明の先行技術に係る回路で、電源電圧異常時の信号でマトリクスコンバータを停止させた時に電源側と切り離す具体的な１つの回路である。

符号の説明

１ 三相交流電源
２ ＬＣフィルタ
２１ リアクトル
２２ コンデンサ
３ パワーリレー
４ スイッチング素子ＩＧＢＴ
５ マトリクスコンバータ
５０ 制御コントローラ（ゲートドライバ）
５１ 降圧用整流回路
５２ スナバモジュール
５３ 放電回路
５４ 突入抑制回路
５５ 平滑コンデンサ
５６ 突入抑制用駆動電源
５７ 制御電源
５８ 整流ブリッジ
６ 電源コンタクタ

Claims (2)

1. 交流電源に接続されて前記交流電源電力を所望の電力に変換してモータに供給するためのマトリクスコンバータであって、前記交流電源の各相に接続されるリアクトルと該各相のリアクトル間に接続されるコンデンサとから成るＬＣフィルタと、該ＬＣフィルタの出力側に接続されるマトリクスコンバータ用スイッチング素子と、該マトリクスコンバータ用スイッチング素子に接続されたスナバモジュールのエネルギで駆動される前記スイッチング素子用制御コントローラとを備えて成るマトリクスコンバータにおいて、
   前記ＬＣフィルタの前記コンデンサと直列にパワーリレーを接続し、
   前記交流電源側で欠相が発生した場合、電源電圧異常検出による信号にて前記パワーリレーを遮断させて、前記ＬＣフィルタの前記コンデンサを前記電源と切り離すことを特徴とするマトリクスコンバータ。
2. 交流電源に接続されて前記交流電源電力を所望の電力に変換してモータに供給するためのマトリクスコンバータであって、前記交流電源の各相に接続されるリアクトルと該各相のリアクトル間に接続されるコンデンサとから成るＬＣフィルタと、該ＬＣフィルタの出力側に接続されるマトリクスコンバータ用スイッチング素子と、該マトリクスコンバータ用スイッチング素子に接続されたスナバモジュールのエネルギで駆動される前記スイッチング素子用制御コントローラとを備えて成るマトリクスコンバータにおいて、
   前記制御コントローラ用電源を本来の供給源とは別に外部電源供給用の端子側に設け、かつ該端子に前記マトリクスコンバータユニットの入力側各相に電源コンタクタを接続し、
   前記交流電源側で欠相が発生した場合、電源電圧異常検出による信号にて前記電源コンタクタを遮断させて、前記ＬＣフィルタを前記電源と切り離すことを特徴とするマトリクスコンバータ。

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