JP2007202299A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】単位インバータのヒューズ溶断を確実に検出し、他の健全な単位インバータで運転を継続することが可能な単位インバータ並列駆動の電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路1と、直流電圧を平滑する直流コンデンサ2と、平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路3と、このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズ4とから成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機9を駆動する電力変換装置において、何れかの単位インバータの運転中の直流電圧が低下して所定値以下となったとき、全ての前記単位インバータをゲートブロックし、所定時間後、直流電圧が低下した当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動する。
【選択図】図1

Description

本発明は、単位インバータを複数台並列駆動して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置に関する。
複数台の単位インバータを用いる電力変換装置において、1台の単位インバータが何らかの原因で故障したとき、この故障した単位インバータを切り離して、他の健全な単位インバータを用いて電力変換装置の運転継続を図るニーズは多い(例えば特許文献1参照。)。
通常、単位インバータが直流短絡を起こした時の保護としては、直流回路に設けられたヒューズを利用する。即ち、直流短絡が発生した単位インバータは短絡電流によりヒューズが溶断して装置から切離され、被害の拡大を防止する。
このとき電力変換装置として運転継続を行なうためには、このヒューズ溶断を検出する必要があるが、ヒューズにマイクロスイッチを設け、ヒューズが溶断したとき、マイクロスイッチが動作するように構成してヒューズの溶断を検出するのが通常であった。
特開2003−333862号公報(第3−4頁、図1)
特許文献1に示された電力変換装置は、単位インバータの出力を出力側に共通に設けられた変圧器の2次巻線で合成して高電圧を出力する所謂直列多重方式である。然るに、単位インバータを並列に接続して共通の負荷である交流電動機を駆動する方式であっても、前述した電力変換装置としての運転継続のニーズは多い。
また、前述したマイクロスイッチを用いたヒューズ溶断の検出方式は、マイクロスイッチが誤動作する恐れがあるばかりでなく、単位インバータの電圧が高い場合には絶縁の問題も生じ、単位インバータが大型になってしまう問題があった。
本発明は上記に鑑みて為されたもので、単位インバータのヒューズ溶断を確実に検出し、他の健全な単位インバータで運転を継続することが可能な単位インバータ並列駆動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、本発明の第1の発明である電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズとから成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、何れかの前記単位インバータの運転中の直流電圧が低下して所定値以下となったとき、全ての前記単位インバータをゲートブロックし、所定時間後、直流電圧が低下した当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の第2の発明である電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズとから成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、何れかの前記単位インバータの運転中の出力電流が増大して所定値以上となったとき、全ての前記単位インバータを一旦ゲートブロックし、このゲートブロックを解除して再起動したとき、前記出力電流が増大した当該単位インバータの出力電流の運転周波数の2倍成分のリップルが所定値以上であれば、全ての前記単位インバータを再びゲートブロックし、所定時間後、当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の第3の発明である電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズとから成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、前記各々の単位インバータのゲートパルスを供給する制御部を2重化構成とし、何れかの前記単位インバータの運転中の直流電圧が低下して所定値以下となったとき、全ての前記単位インバータをゲートブロックし、所定時間後、前記直流電圧が低下した当該単位インバータの入力電流及び出力電流の少なくともひとつが所定レベルに到達したときには、当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにし、前記所定時間後、前記直流電圧が低下した当該単位インバータの入力電流及び出力電流の少なくともひとつが所定レベルに到達しないときには、前記2重化構成された制御部を一方から他方に切替え、全ての単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴としている。
本発明によれば、単位インバータのヒューズ溶断を確実に検出し、他の健全な単位インバータで運転を継続することが可能な単位インバータ並列駆動の電力変換装置を提供することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図である。図1において、整流回路1a、1bは交流電源から夫々入力開閉器7a、7bを介して与えられる交流電圧を直流電圧に変換する。この直流電圧は夫々直流コンデンサ2a、2bにより平滑され、インバータ回路3a、3bによって任意の周波数の交流電圧に変換される。直流コンデンサ2a、2bとインバータ回路3a、3bの直流リンク部には夫々ヒューズ4a、4bが設けられている。インバータ回路3a、3bは、夫々結合リアクトル5a、5b並びに出力開閉器6a、6bを介して共通の交流電動機9に可変周波数の交流電力を供給して可変速駆動する。尚、上記において、結合リアクトル5a、5bは出力電圧を昇圧または降圧する変圧器であっても良い。また、例えば共通の交流電動機9が多巻線の電動機であり、各々の単位インバータが各々の巻線に給電するような構成の場合は、結合リアクトル5a、5bを省略することも可能である。
上記構成において、整流回路1a、直流コンデンサ2a、インバータ回路3a及びヒューズ4aは単位インバータaを構成している。同様に、整流回路1b、直流コンデンサ2b、インバータ回路3b及びヒューズ4bは単位インバータbを構成している。
インバータ回路3a、3bは、各々ブリッジ接続された複数の変換アームから構成され、各々の変換アームは1個または複数個のスイッチング素子を備えている。そしてこれ等のスイッチング素子には後述する制御部30からゲートパルスが与えられている。
直流コンデンサ2a、2bの両端電圧は夫々電圧検出器8a、8bによって検出され、直流電圧a、直流電圧bとして比較器21a、21bの一方の入力に夫々与えられる。そして、比較器21a、21bの他方の入力には直流電圧低下検出レベル信号が与えられ、単位インバータa、bを運転中に直流電圧a、直流電圧bがこの直流電圧低下検出レベルを下回ったとき1を出力し、夫々ラッチ回路22a、22bに入力する。ラッチ回路22a、22bの出力はタイムディレイ回路23a、23bに夫々与えられ、このタイムディレイ回路23a、23bの出力により夫々入力開閉器7a及び出力開閉器6a、並びに入力開閉器7b及び出力開閉器6bを開放する構成となっている。
尚、入力開閉器7a及び出力開閉器6aは回路のしゃ断を確実にするために両方設けているが、ヒューズ4aの機能を考慮して何れか一方を省略することも可能である。
以下制御部30の構成について説明する。尚、図1において制御部30は単位インバータa及び単位インバータbを制御する共通の制御部としているが、各々の単位インバータに別個に制御部を設ける構成としても良い。
外部から与えられる速度指令は速度制御回路31に与えられる。速度制御回路31は速度指令に見合う電圧基準を出力し、この電圧基準をゲート生成回路32に与える。ゲート生成回路32は電圧基準に見合う電圧がインバータ回路3a、3bから出力されるようにインバータ回路3a、3bの各変換アームのスイッチング素子へゲートパルスを供給する。ここで速度制御回路31は、交流電動機9の速度帰還制御を行う場合もあるが、ここでは図示していない。マイナーループとしての電流制御部も同様に図示していない。
ラッチ回路22a、22bから得られる電圧低下a信号と電圧低下b信号は保護回路33に与えられる。そして、何れかの電圧低下信号が与えられたとき、保護回路33は全ての単位インバータに与えるゲートを停止させるゲートブロック信号を出力する。そして保護回路33には、出力開閉器6a、6bの補助接点24a、24bの信号が夫々出力開閉信号a、出力開閉信号bとして与えられており、何れかの出力開閉器が開になったとき、開となった当該インバータ回路を除く全てのインバータ回路のゲートブロックを解除し、単位インバータを再起動させる。
以上の回路構成によれば、何れかの単位インバータの直流短絡を直流電圧の低下によって検出し、この電圧低下信号によって全てのインバータをゲートブロックすると共に所定時間後に直流短絡した当該単位インバータの入出力開閉器を開放し、この出力開閉器の開放を確認して当該単位インバータ以外の全ての単位インバータのゲートブロックを解除して再起動を行なうことが可能となる。
尚、直流短絡時は、短絡点に直流コンデンサの電荷が放電することによって直流電圧は急激に低下するが、ヒューズが溶断した後は整流回路から直流コンデンサは充電され、直流電圧は再び回復する。ヒューズが溶断するのは短絡電流が流れることによるものであるから、この直流電圧の低下を検出すれば、原理的にはヒューズが溶断するより早く直流短絡を確実に検出することが可能となる。
上記において、単位インバータは単位インバータaと単位インバータbの2台の構成として説明したが、3台以上の構成であっても良いことは明らかである。
図2は本発明の実施例2に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例2の各部について、図1の本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、直流リンク部に設けたヒューズ4a、4bに代え、インバータ回路3a、3b内の各変換アームにアームヒューズ10a、10bを夫々設けた点である。
実施例1の場合と同様、例えばインバータ回路3aにおいて直流短絡が発生した場合、直流電圧が低下すると共に当該インバータ回路内の何れかのアームヒューズ10aが溶断する。
従って、ヒューズ4aに代え、各々の変換アームにアームヒューズを設けた場合においても実施例1の場合と全く同様の方法により、健全な単位インバータを用いて再起動することによって運転継続を図ることが可能となる。
図3は本発明の実施例3に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例3の各部について、図2の本発明の実施例2に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例3が実施例2と異なる点は、電圧検出器8a、8bに代え、出力電流検出器11a、11bを設けた点、制御部30A内に設けた比較器34a、34bにより出力電流検出器11a、11bより得られる出力電流a、出力電流bの各信号を夫々出力過電流検出レベルと比較し、出力過電流の信号を保護回路33に与える構成とした点、出力電流a、出力電流bをリプル検出回路25a、25bに夫々入力し、電流リプルが所定値以上あったとき1を出力してラッチ回路22a、22bに与え、ラッチ回路の出力を夫々リプル大a、リプル大bの信号として保護回路33に与えるように構成した点である。
実施例2の場合と同様、例えば、インバータ回路3aの内部で短絡が発生すると、直流コンデンサ2aから短絡電流が流れて直流電圧が低下する。ここで直流電圧が低下したとき、交流電動機9から直流コンデンサ2aに充電電流が流れる。これは、アームヒューズ10aが溶断するまで継続すると考えて良い。
このとき、出力電流検出器11aの出力である出力電流aと出力過電流検出レベルとを比較器34aで比較し、出力過電流を検出する。出力過電流を検出すると保護回路33がインバータ回路3a、3bをゲートブロックする。そしてゲートブロック実施後、一度、再起動する。このとき、アームヒューズ10aが溶断しているため、出力電流29aは運転周波数の2倍のリプルを有する。この運転周波数の2倍のリプル電流をリプル検出回路30aで検出して、保護回路33に出力して、インバータ回路3a、3bをゲートブロックする。また、タイムディレイ回路23aによりゲートブロック後所定時間遅れたタイミングで入力開閉器7aと出力開閉器6aを開放する。出力開閉器6aを開放後、補助接点27aからの出力開閉信号aを保護回路33に入力し、出力開閉器6aが開放したことを確認して再起動して運転を継続する。
本実施例によれば、アームヒューズの溶断を運転周波数の2倍のリプル電流の検出により再確認しているので、更に確実にアームヒューズの溶断を検出することが可能となる。
図4は本発明の実施例3に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例4の各部について、図3の本発明の実施例3に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例4が実施例3と異なる点は、制御部30B内に出力電流a、bを入力とする負荷状態判定回路35及びこの負荷状態判定回路35の出力を入力とする再起動許可回路36を設け、再起動許可回路36の出力を保護回路33に与えてゲートブロック解除のインタロック条件とするように構成した点である。
実施例1乃至実施例3において、直流短絡を発生した単位インバータを切り離して、他の健全な単位インバータを用いて再起動する例を説明したが、共通の交流電動機9の負負荷状態を確認してこれを行なわないと、再起動時に過負荷となってしまう恐れがある。従って、この実施例4においては、再起動時に過負荷とならないことを負荷状態判定回路35及び再起動許可回路36によって自動的に検出している。
負荷状態判定回路35は、1台の単位インバータに直流短絡が生じる前の交流電動機9の負荷状態を検出する必要があるので、内部に遅れ要素を設けておくと良い。また、再起動許可回路36は、例えば予め1台の単位インバータが切り離されたときの全体のインバータ容量を設定しておき、この設定値と上記負荷状態の検出値とを比較すれば良い。
尚、本実施例では、単位インバータの出力電流の合計値によって交流電動機9の負荷状態を検出するように構成したが、他の情報、例えば入力電流、入力または出力電力、電動機速度などから交流電動機9の負荷状態を検出するようにしても良い。
また、本実施例はアームヒューズを使用した単位インバータとしたが、実施例1に示したように直流リンクにヒューズを用いた単位インバータであっても良いことは明らかである。
図5は本発明の実施例5に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例5の各部について、図1の本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例5が実施例1と異なる点は、出力電流検出器11a、11bを設け、これによりインバータ回路3a、3bの出力電流を夫々検出して制御部30C内に設けられた比較器37a、37bの一方の入力とするようにした点、比較器37a、37bの他方の入力に出力過電流検出レベルを与え、比較器37a、37bの出力を切替回路38に与えるようにした点、制御部30C内の速度制御回路、保護回路及びゲート生成回路を速度制御回路31a、31b、保護回路33a、33b、ゲート生成回路32a、32bと2重化構成とし、ゲート生成回路32a、32bの出力を切替器39に与え、上述の切替回路38の出力によって切替え可能な構成とした点、タイムディレイ回路23a、23bの出力をAND回路26a、26bの一方の入力に夫々与え、AND回路26a、26bの他方には上述の切替回路38の出力を与えて、このAND回路26a、26bの出力によって出力開閉器6a、6b及び入力開閉器7a、7bを夫々開放するように構成した点である。
前述したように、例えばインバータ回路3a内の直流短絡によってヒューズ4aが溶断したとき、電圧検出器8aが電圧低下を検出するが、インバータ回路3aの出力側から電流が逆流する。従ってこの電流の逆流が検出されない場合は、実際には直流短絡は発生しておらず、何らかの制御部の異常が生じているためと考えられる。
本実施例によれば、比較器37aまたは37bにおいて、単位インバータaまたは単位インバータbの出力電流が出過電流検出レベル以上であったとき1を出力し、切替回路38はAND回路26a、26bに1を出力する。この場合の動作は実施例1の場合と全く同様になる。若し単位インバータaまたは単位インバータbの出力電流が出過電流検出レベル以下であったときは、上述した制御部異常と判断し、切替回路38は0を出力して切替器39を反転させて制御部の切替えを行なう。この場合は出力開閉器6a、6b及び入力開閉器7a、7bは開放されずにそのまま全ての単位インバータのゲートブロックを解除して再起動する。
以上説明したように、本実施例によれば、制御部の異常による電圧低下が発生したとき、制御部を待機系に切替えることによって運転継続を図ることが可能となる。
図6は本発明の実施例6に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例6の各部について、図5の本発明の実施例5に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例6が実施例5と異なる点は、出力電流検出器11a、11bに代えて入力電流検出器12a、12bを設け、この検出値である入力電流a、入力電流bを夫々比較器37a、37bの一方の入力とし、これらの他方の入力である入力過電流検出レベルと比較するように構成した点である。
前述したように直流短絡が生じたとき、直流電圧は低下する。このとき、実際に直流短絡が発生していれば、単位インバータの入力側から電流が流入する。従って、実施例5の場合と同様に制御部の異常による電圧低下が発生したとき、制御部を待機系に切替えることによって運転継続を図ることが可能となる。
尚、実施例5及び実施例6において、電圧検出回路8aまたは電圧検出回路8bの誤動作によって直流電圧低下を検出する場合がある。この場合は、制御部にこの電圧検出回路を含めて2重化し、入力または出力の過電流が生じないとき、この電圧検出回路を含めた制御部を切替えるように構成すれば良い。
また、実施例5と実施例6を併用し、出力電流と入力電流の両方の過電流検出を行なって更に確実に直流リンクのヒューズまたはアームヒューズの溶断を確認するようにしても良い。
本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例2に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例3に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例4に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例5に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例6に係る電力変換装置の回路構成図。
符号の説明
1a、1b 整流回路
2a、2b 直流コンデンサ
3a、3b インバータ回路
4a、4b ヒューズ
5a、5b 結合リアクトル
6a、6b 出力開閉器
7a、7b 入力開閉器
8a、8b 直流電圧検出回路
9 3相交流電動機
10a、10b アームヒューズ
11a、11b 出力電流検出回路
12a、12b 入力電流検出回路
21a、21b 比較器
22a、22b ラッチ回路
23a、23b タイムディレイ回路
24a、24b 補助接点
25a、25b リプル検出回路
26a、26b AND回路
30、30A、30B、30C 制御部
31、31a、31b 速度制御回路
32、32a、32b ゲート生成回路
33、33a、33b 保護回路
35 負荷状態判定回路
36 再起動許可回路
37a、37b 比較器
38 切替回路
39 切替器

Claims (9)

  1. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
    前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、
    前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズと
    から成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、
    何れかの前記単位インバータの運転中の直流電圧が低下して所定値以下となったとき、
    全ての前記単位インバータをゲートブロックし、
    所定時間後、直流電圧が低下した当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、
    当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
    前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、
    前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズと
    から成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、
    何れかの前記単位インバータの運転中の出力電流が増大して所定値以上となったとき、
    全ての前記単位インバータを一旦ゲートブロックし、
    このゲートブロックを解除して再起動したとき、前記出力電流が増大した当該単位インバータの出力電流の運転周波数の2倍成分のリップルが所定値以上であれば、
    全ての前記単位インバータを再びゲートブロックし、
    所定時間後、当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、
    当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
  3. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
    前記直流電圧を平滑する直流コンデンサと、
    前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    このインバータ回路の短絡故障を保護するために設けられたヒューズと
    から成る単位インバータを複数台並列接続して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置であって、
    前記各々の単位インバータのゲートパルスを供給する制御部を2重化構成とし、
    何れかの前記単位インバータの運転中の直流電圧が低下して所定値以下となったとき、
    全ての前記単位インバータをゲートブロックし、
    所定時間後、前記直流電圧が低下した当該単位インバータの入力電流及び出力電流の少なくともひとつが所定レベルに到達したときには、
    当該単位インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、
    当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにし、
    前記所定時間後、前記直流電圧が低下した当該単位インバータの入力電流及び出力電流の少なくともひとつが所定レベルに到達しないときには、
    前記2重化構成された制御部を一方から他方に切替え、全ての単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
  4. 前記ヒューズは、前記単位インバータのインバータ回路の各々の変換アームに設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電力変換装置。
  5. 前記ヒューズは、前記単位インバータのインバータ回路の入力部に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の電力変換装置。
  6. 前記共通の交流電動機の運転時の負荷状態を検出する手段を有し、
    前記単位インバータのうち1台を切り離したとき残りの単位インバータの容量の合計が前記負荷状態を上回ることを前記再起動のインタロック条件としたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
  7. 前記共通の交流電動機の運転時の負荷状態を検出する手段を有し、
    前記単位インバータのうち1台を切り離したとき残りの単位インバータの容量の合計が前記負荷状態を上回ることを、前記当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動するインタロック条件としたことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  8. 前記切り離し手段は、前記単位インバータの入力側に設けられた開閉器及び出力側に設けられた開閉器の少なくともひとつによることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の電力変換装置。
  9. 各々の前記単位インバータの出力側に結合リアクトルまたは変圧器を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の電力変換装置。
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