JP2007336727A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予備ユニットがなくても故障や点検等による停止時間を短縮でき、短時間で運転継続できる電力変換装置を提供することである。
【解決手段】２対の上下アーム１６ａ、１６ｂを並列に接続して交直変換を行う単相変換器１７と単相交流回路１２との間の接続を切り替える切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２を有し、スイッチ切替制御回路１９は、単相変換器１７のいずれかの上下アーム１６ａ、１６ｂの故障または点検の際に切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２に指令を出力して、停止した上下アームを単相交流回路１２から切り離し、停止した上下アームに代えて直流電圧の中点Ｎを単相交流回路１２に接続し、健全な上下アームの単独接続として、運転の継続を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置はユニット単位で構成され、各々のユニットは複数個のスイッチング素子が直並列されて構成されている。このようなユニットのいずれかのスイッチング素子に故障等が発生すると、重故障であると判断し直ちに電力変換装置を停止させ、故障ユニットを健全なユニットと交換している。この交換作業には、健全なユニットへの現地取替作業や確認試験等が必要であり、通常、半日以上の時間が掛かるので、その間は電力変換装置は停止となっている。

電力用途の大容量の電力変換装置では、ユニットの点検を各アーム単位等で行うので数日間に亘ってシステム停止することもある。そのような長期間に亘って連続で電力変換装置を停止できない場合は、ユニットごとに時間をおいて順次点検を実施しているのが現状である。また、産業用の電力変換装置や分散型電源用の電力変換装置では、点検時は電力変換装置を停止したり、あるいは電力変換装置を停止した際にバイパス回路で給電するなどしているが、バイパス回路で給電する場合には商用電源から給電することとなり、電力変換装置本来のメリットを維持することができない。

そこで、故障や点検時の対策として、予備のユニット（例えば１相分）を用意しておき、スイッチング素子の故障や点検時に予備のユニットに切り替えることが考えられるが、そうすると、電力変換装置全体としてのシステム容量が約１．３３倍と大きくなり、設置スペース等の制約を受けることになる。

ここで、直流−交流電力変換回路の低出力運転においては、３相のいずれかのアームの半導体スイッチの動作を停止して半導体スイッチの結線をＶ結線として運転し、直流−交流電力変換回路の高出力運転においては、３相インバータとして使用することにより高周波電流を減少させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、３相インバータとして、１周期毎に低出力時にＶ結線、高出力時に３相インバータへと切り替えを行い、電圧利用率がより大きく高調波電圧がより少なくなるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３４１９７３号公報 特開２００５−２４５０７３号公報

しかし、電力用途の電力変換装置では、トラブル復旧を短時間で行いたいというニーズがあり、予備ユニットがない状態で、故障時や点検時における電力変換装置の停止を極力避けることが望まれている。特許文献１、２のものでは、低出力時には３相インバータを構成するアームをＶ結線として運転し、高出力時には３相インバータとして使用することが示されているが、ユニットの故障時や点検時についての考慮がなく、ユニットのいずれかに故障等が発生すると、システム停止をしなければならないものである。

本発明の目的は、予備ユニットがなくても故障や点検等による停止時間を短縮でき、短時間で運転継続できる電力変換装置を提供することである。

請求項１の発明に係わる電力変換装置は、２対の上下アームを並列に接続して構成され交直変換を行う単相変換器と、前記単相変換器の交流側に接続され２対の上下アームと単相交流回路との間の接続を切り替える切替スイッチと、前記単相変換器のいずれかの上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して停止した上下アームを単相交流回路から切り離し、停止した上下アームに代えて直流電圧の中点を単相交流回路に接続し健全な上下アームの単独接続とするスイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる電力変換装置は、直流側には直流回路が接続され交流側には３相交流回路が接続され交直変換を行う３相変換器と、前記３相交流側に接続され３相変換器の各相と３相交流回路の各相との間の結線接続を切り替える切替スイッチと、前記３相変換器のうちいずれか１対の上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して、停止した１対の上下アームを３相交流回路から切り離し、停止した１対の上下アームに代えて直流電圧の中点を３相交流回路に接続し、健全な２対の上下アームのＶ結線接続とするスイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする。

請求項３の発明に係わる電力変換装置は、直流側には直流回路が接続され交流側には３相交流回路が接続され交直変換を行う３相変換器と、前記３相交流側に接続され３相変換器の各相と３相交流回路の各相との間の結線接続を切り替える切替スイッチと、前記３相変換器のうちいずれか１対の上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して、停止した１対の上下アームを３相交流回路から切り離し、健全な２対の上下アームのスコット結線接続とする故障検出スイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明に係わる電力変換装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、前記健全な上下アームの単独接続、前記健全な２対の上下アームのＶ結線接続、または前記健全な２対の上下アームのスコット結線接続としたときに、通常時の変換電力が得られるように電圧補償を行うことを特徴とする。

請求項５の発明に係わる電力変換装置は、請求項４の発明において、前記電圧補償は、直流側の直流電圧を昇圧して行うことを特徴とする。

請求項６の発明に係わる電力変換装置は、請求項４の発明において、前記電圧補償は、交流側の交流電圧を昇圧して電圧補償を行うことを特徴とする。

請求項７の発明に係わる電力変換装置は、請求項４の発明において、前記電圧補償は、健全な上下アームのスイッチング素子の変調率を変えて行うことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置の故障時や点検時において、停止部分を切り離して運転するので、電力変換装置を長時間に渡って停止することなく連続運転が可能となり信頼性が向上する。特に、電力用途である直流送電や系統間連系等で用いる電力変換装置では、点検スケジュールが１年を通して可能となるとともに、電力変換装置の一部のスイッチング素子故障に迅速な対応が行える。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図である。この第１の実施の形態は、直流電源１１と単相交流回路１２との間に電力変換器１３を接続し、直流電源１１の直流電力を単相交流電力に変換し、単相交流回路１２の負荷１４に単相交流電力を供給する場合を示している。

電力変換器１３は、直流電源１１からの直流電力を調整するチョッパ回路１５と、チョッパ回路１５で得られた直流電圧を中点で分圧するコンデンサＣ１、Ｃ２と、２対の上下アーム１６ａ、１６ｂを並列に接続した単相変換器１７とから構成されている。チョッパ回路１５は、スイッチ素子Ｓ１と、リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１とから構成され、また、上下アーム１６ａはスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘを直列接続して構成され、同様に、上下アーム１６ｂはスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｙを直列接続して構成されている。

そして、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１、上下アーム１６ａのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、上下アーム１６ｂのスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｙには、ゲート制御回路１８からゲート信号が供給されオンオフ制御される。２対の上下アーム１６ａ、１６ｂと単相交流回路１２との間には、その接続を切り替える切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２が設けられている。この切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２はスイッチ切替制御回路１９からの指令に基づき、上下アーム１６ａ、１６ｂを単相交流回路１２に接続したり、上下アーム１６ａ、１６ｂを単相交流回路１２から切り離して、コンデンサＣ１、Ｃ２で分圧された直流電圧の中点Ｎに接続したりする切り替えを行う。

例えば、単相変換器１７のいずれかの上下アーム１６ａ、１６ｂの故障または点検等となったときに、故障または点検等となった上下アーム１６ａ、１６ｂを単相交流回路１２から切り離し、故障または点検等となった上下アーム１６ａ、１６ｂに代えて直流電圧の中点Ｎを単相交流回路１２に接続する。

電力変換装置の通常の運転状態では、図１に示すように、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２は上下アーム１６ａ、１６ｂに接続されている。この状態では、ゲート制御装置１８はチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１を所定のデューティ比でオンオフし、単相変換器１７に供給する直流電力を調整する。スイッチ素子Ｓ１のオン期間でリアクトルＬ１にエネルギーを蓄積し、スイッチ素子Ｓ１のオフ期間でダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１、Ｃ２にエネルギーを蓄積させる。

また、ゲート制御装置１８は、単相変換器１７のスイッチング素子Ｓｕとスイッチング素子Ｓｙ、スイッチング素子Ｓｖとスイッチング素子Ｓｘをそれぞれ組にして、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙがオンのときはスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｘをオフとし、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙがオフのときはスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｘをオンとする。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積されたエネルギーが単相交流回路１２に印加され、負荷１４に単相交流電力が供給される。

この状態で、いま、図２に示すように、単相変換器１７のスイッチング素子Ｓｖに故障が発生したとする。そうすると、スイッチ切替制御回路１９は上下アーム１６ｂを単相交流回路１２から切り離し、切替スイッチＳＬ２を直流電圧の中点Ｎに接続する。すなわち、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との中間に接続する。

この場合、切替スイッチＳＬ２により、故障の上下アーム１６ｂは単相交流回路１２から切り離されているので、健全な上下アーム１６ａのみの単独接続となり、ゲート制御装置１８は、スイッチング素子Ｓｕがオンのときはスイッチング素子Ｓｘをオフとし、スイッチング素子Ｓｕがオフのときはスイッチング素子Ｓｘをオンとする制御が行われる。

スイッチング素子Ｓｕがオンでスイッチング素子Ｓｘがオフのときは、コンデンサＣ１から、スイッチング素子Ｓｕ、切替スイッチＳＬ１、交流回路１２の負荷１４、切替スイッチＳＬ２、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との中点Ｎに至る回路が形成されて、負荷１４に電力が供給される。一方、スイッチング素子Ｓｕがオフでスイッチング素子Ｓｘがオンのときは、コンデンサＣ２から、切替スイッチＳＬ２、単相交流回路１２の負荷１４、切替スイッチＳＬ１、スイッチング素子Ｓｘ、コンデンサＣ２に至る回路が形成されて、負荷１４に電力が供給される。

この場合、負荷１４に供給される単相交流電圧は、停止前の約１／２の値となるが、単相変換器１７の一方の上下アーム１６ｂの故障が発生しても他方の健全な上下アーム１６ａで運転を継続できる。ここで、健全な上下アーム１６ａでの運転においても、停止前と同様な単相交流電圧を確保するには、例えば、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１のオンデューティ比を大きくすることにより、単相交流電圧の昇圧が可能となる。

図３は本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図である。図３に示した他の一例は、図１に示した一例に対し、チョッパ回路１５に双方向機能を持たせたものである。すなわち、図１のチョッパ回路１５では直流電源１１から単相交流回路１２に電力を供給する一方向であるが、図３に示した一例では、直流電源１１から単相交流回路１２に電力を供給するだけでなく、単相交流回路１２から直流電源１１にも電力を供給できるようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

チョッパ回路１５は、リアクトルＬ２と、スイッチ素子Ｓ２、Ｓ３と、ダイオードＤ２、Ｄ３とから構成されている。通常の運転状態のときは、切替スイッチＳＬ１は上下アーム１６ａ側に接続されており、切替スイッチＳＬ２は上下アーム１６ｂ側に接続されている。この状態で、直流電源１１から単相交流回路１２に電力を供給する場合には、まず、ゲート制御装置１８はチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ３をオンしリアクトルＬ２にエネルギーを蓄積する。その後に、スイッチ素子Ｓ３をオフしてリアクトルＬ２に蓄積されたエネルギーをダイオードＤ２を通してコンデンサＣ１、Ｃ２に移動させる。

次に、ゲート制御装置１８は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙをオン、スイッチング素子Ｓｖ、Ｓｘをオフとし、単相交流回路１２の負荷１４に対して上下アーム１６ａから上下アーム１６ｂに向けて電圧を印加するとともに、所定の時間経過後に、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙをオフ、スイッチング素子Ｓｖ、Ｓｘをオンとし、単相交流回路１２の負荷１４に対して逆方向の上下アーム１６ｂから上下アーム１６ａに向けて電圧を印加する。これにより、単相交流回路の負荷１４には単相交流電力が供給されることになる。

一方、単相交流回路１２から直流電源１１に電力を供給する場合には、単相交流回路１２の単相交流電力を単相変換器１７で直流電力に変換してコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積し、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積されたエネルギーをチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ２をオンオフ制御することにより、直流電源１１に供給する。このように、チョッパ回路１５は、直流電源１１から単相交流回路１２に電力を供給する機能と、単相交流回路１２から直流電源１１に電力を供給する機能との双方向機能を有している。

このような双方向機能を有しているチョッパ回路１５を用いた場合においても、単相変換器１７のいずれかのスイッチング素子が故障した場合には、図１の場合と同様に、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２により故障した上下アームを切り離し、健全な上下アームで運転が継続される。この場合、前述したように、負荷１４に供給される単相交流電圧は、停止前の約１／２の値となる。１対の上下アームでの運転においても、停止前と同様な単相交流電圧を確保するには、例えば、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ３のオンデューティ比を大きくすることにより、直流電圧を昇圧し単相交流電圧を約２倍の電圧に昇圧することになる。

第１の実施の形態によれば、直流電源１１の直流電力を単相変換器１７で単相交流電力に変換し、単相交流回路１２の負荷１４に単相交流電力を供給する場合に、単相変換器１７を構成する２対の上下アームのいずれかが故障または点検等となったときに切替スイッチにより切り替えを行い、残りの上下アームで運転するので、切替スイッチにより切り替えを行う期間を除いて所定のエネルギー供給が可能となり、電力変換装置を長時間に亘って停止することがない。また、上下アームでの運転では、電圧は停止前の約１／２の電圧となるが、必要に応じて直流電圧を昇圧できるので、停止前と同様な単相交流電圧を確保できる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図である。この第２の実施の形態は、図１及び図３に示した第１の実施の形態に対し、チョッパ回路１５に代えて、単相交流回路１２側に変圧器２０を設け、１対の上下アームでの運転においても停止前と同様な単相交流電圧を確保するようにしたものである。図１及び図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

変圧器２０の一次巻線２１は３分割されており、３分割された一次巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、切替スイッチＳＬ１〜ＳＬ４を介して電力変換器１３に接続されている。３分割された一次巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ同じ巻き数である。また、変圧器２０の二次巻線２２には単相交流回路１２の負荷１４が接続されている。通常の運転状態においては、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２はオン、切替スイッチＳＬ３、ＳＬ４はオフしている。従って、変圧器２０の一次巻線２１ａに対して電力変換器１３の単相変換器１７から電圧が印加される。

一方、単相変換器１７の２対の上下アーム１６ａ、１６ｂのいずれかが故障または点検等となったとする。いま、上下アーム１６ｂが故障したとすると、健全な上下アーム１６ａの切替スイッチＳＬ１はオンのままで、故障した上下アーム１６ｂの切替スイッチＳＬ２をオフし、さらに、切替スイッチＳＬ３はオフのままで切替スイッチＳＬ４をオンとする。これにより、変圧器２０の２個の一次巻線２１ａ、２１ｃに対して、電力変換器１３のコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎの電圧が上下アーム１６ａを介して印加される。従って、電力変換器１３からの約１／２の電圧を昇圧して停止前の単相交流電圧とすることができる。

同様に、上下アーム１６ａが故障したときは、健全な上下アーム１６ｂの切替スイッチＳＬ２はオンのままで、故障した上下アーム１６ａの切替スイッチＳＬ１をオフし、さらに、切替スイッチＳＬ４はオフのままで切替スイッチＳＬ３をオンとする。これにより、変圧器２０の２個の一次巻線２１ａ、２１ｂに対して、電力変換器１３のコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎの電圧が上下アーム１６ｂを介して印加されることになり、電力変換器１３からの約１／２の電圧を昇圧して故障前の単相交流電圧とすることができる。

図５は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図である。図５に示した一例は、図４に示したものに対し、変圧器２０の一次巻線２１を分割することに代えて、変圧器２０の二次巻線２２を２分割したものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

変圧器２０の二次巻線２２は２分割されており、２分割された二次巻線２２ａ、２２ｂは同じ巻き数である。そして、二次巻線２２ａには、切替スイッチＳＬ５を有したバイパス回路が接続されている。バイパス回路の切替スイッチＳＬ５がオンのときは、二次巻線２２ａが短絡される。変圧器２０の一次巻線２１は、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２に接続されている。切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２は、上下アーム１６ａ、１６ｂと、コンデンサＣ１、Ｃ２で分圧された直流電圧の中点Ｎとの接続の切り替えを行うものである。

通常の運転状態では、図５に示すように、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２は上下アーム１６ａ、１６ｂ側に接続されている。また、切替スイッチＳＬ５は通常の運転状態ではオンであり、変圧器２０の一次巻線２１から変圧器２０の二次巻線２２ｂに電圧が印加される。

いま、上下アーム１６ｂが故障したとする。そうすると、健全な上下アーム１６ａの切替スイッチＳＬ１は上下アーム１６ａに接続されたままであるが、故障した上下アーム１６ｂの切替スイッチＳＬ２はコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎに接続の切り替えを行う。さらに、切替スイッチＳＬ５はオフとし、変圧器２０の一次巻線２１から変圧器２０の二次巻線２１ａ、２１ｂの双方に電圧を印加する。

これにより、電力変換器１３のコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎの電圧が上下アーム１６ａを介して変圧器２０の一次巻線２１から印加され、約１／２に低下した電圧を変圧器２０で昇圧して停止前の単相交流電圧とすることができる。上下アーム１６ａが故障したときも同様である。

図６は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の別の他の一例を示す構成図である。図６に示した一例は、図５に示したものに対し、変圧器２０の二次巻線２２を２分割することに代えて、変圧器２０の一次巻線２１を２分割したものである。図５と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

変圧器２０の一次巻線２１は２分割されており、２分割された一次巻線２１ａ、２１ｂは同じ巻き数であり、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ６を介して電力変換器１３に接続されている。また、変圧器２０の二次巻線２２には単相交流回路１２の負荷１４が接続されている。

通常の運転状態では、図６に示すように、切替スイッチＳＬ１、ＳＬ２は上下アーム１６ａ、１６ｂ側に接続されている。また、切替スイッチＳＬ６は通常の運転状態ではオフである。従って、変圧器２０の一次巻線２１ａから変圧器２０の二次巻線２２に電圧が印加される。

いま、上下アーム１６ｂが故障したとする。そうすると、健全な上下アーム１６ａの切替スイッチＳＬ１は上下アーム１６ａに接続されたままであるが、故障した上下アーム１６ｂの切替スイッチＳＬ２は上下アーム１６ａに接続され、さらに切替スイッチＳＬ６がオンしてコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎに変圧器２０の一次巻線２１ｂが接続される。

これにより、電力変換器１３のコンデンサＣ１、Ｃ２の中点Ｎの電圧が上下アーム１６ａを介して変圧器２０の２個の一次巻線２１ａ、２１ｂから印加され、約１／２に低下した電圧を変圧器２０で昇圧して停止前の単相交流電圧とすることができる。上下アーム１６ａが故障したときも同様である。

第２の実施の形態によれば、チョッパ回路に代えて、単相交流回路１２側に変圧器２０を設けて出力電圧を昇圧するので、単相変換器１７の運転から上下アームによる運転になったとしても停止前と同様な単相交流電圧を確保できる。

（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、直流電力を単相交流電力に変換して単相交流回路の負荷に単相交流電力を供給することに代えて、直流電力を３相交流電力に変換して３相交流回路２３の３相負荷２４に３相交流電力を供給するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

電力変換器１３は、直流電源１１からの直流電力を調整するチョッパ回路１５と、チョッパ回路１５で得られた直流電圧を中点で分圧するコンデンサＣ１、Ｃ２と、３個の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗを並列に接続した３相変換器２６とから構成されている。

チョッパ回路１５は、スイッチ素子Ｓ１と、リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１とから構成され、また、上下アーム２５ｕはスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘを直列接続して構成され、以下同様に、上下アーム２５ｖはスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｙを直列接続して構成され、上下アーム２５ｗはスイッチング素子Ｓｗ、Ｓｚを直列接続して構成されている。そして、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１、上下アーム２５ｕのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、上下アーム２５ｖのスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｙ、上下アーム２５ｗのスイッチング素子Ｓｗ、Ｓｚには、ゲート制御回路１８からゲート信号が供給されオンオフ制御される。

３個の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗと３相交流回路２３との間には、その接続を切り替える切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗが設けられている。この切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗはスイッチ切替制御回路１９からの指令に基づき、上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗを３相交流回路２３に接続したり、上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗを３相交流回路２３から切り離して、コンデンサＣ１、Ｃ２で分圧された直流電圧の中点Ｎに接続したりする切り替えを行う。

例えば、３個の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗのうちのいずれかの上下アームの故障または点検等となったときに、故障または点検等となった上下アームを三相交流回路２３から切り離し、故障または点検等となった上下アームに代えて直流電圧の中点Ｎを３相交流回路２３に接続する。

電力変換装置の通常の運転状態では、図７に示すように、切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗは上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗに接続されている。この状態では、ゲート制御装置１８はチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１を所定のデューティ比でオンオフし、３相変換器２６に供給する直流電力を調整する。スイッチ素子Ｓ１のオン期間でリアクトルＬ１にエネルギーを蓄積し、スイッチ素子Ｓ１のオフ期間でダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１、Ｃ２にエネルギーを移動させる。

また、ゲート制御装置１８は、３相変換器２６のスイッチング素子Ｓｕ〜Ｓｗ、Ｓｘ〜Ｓｚに対して相順にオンオフ指令を出力し直流を交流に変換する。例えば、スイッチング素子Ｓｕ〜Ｓｗ、Ｓｘ〜Ｓｚがすべてオフの状態から、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙをオンとし、次にスイッチング素子Ｓｕはオンのままでスイッチング素子Ｓｚをオンにしスイッチング素子Ｓｙをオフにする。そして、スイッチング素子Ｓｚをオンのままでスイッチング素子Ｓｖをオンにしてスイッチング素子Ｓｕをオフにする。以下同様に、新たにオンとしたスイッチング素子があるときは、前回オンとしたスイッチング素子はオン状態を保持し２回前にオンとしたスイッチング素子をオフとするオンオフ制御を行う。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積されたエネルギーが３相交流回路２３に印加され、３相負荷２４に３相交流電力が供給される。

この状態で、いま、３相変換器２６のスイッチング素子Ｓｗに故障が発生したとする。そうすると、スイッチ切替制御回路１９は上下アーム２５ｗを３相交流回路２３から切り離し、切替スイッチＳＬｗを直流電圧の中点Ｎに接続する。すなわち、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との中間に接続する。この場合、切替スイッチＳＬｗにより、故障の上下アーム２５ｗは３相交流回路２３から切り離されているので、健全な２対の上下アーム２５ｕ及び上下アーム２５ｖによるＶ結線接続となる。

Ｖ結線接続の場合の３相負荷２４に供給される三相交流電圧は、周知のように、停止前の３相接続の場合の電圧の約１／√３となるが、いずれかの上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗが故障または点検等となったとき、切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗにより接続を切り替えてＶ結線接続とすることで、電力変換装置を停止することなく運転が可能である。ここで、Ｖ結線接続での運転においても、停止前と同様な３相交流電圧を確保するには、例えば、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１のオンデューティ比を大きくすることにより、所定の３相交流電圧出力が可能となる。

図８は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図である。図８に示した他の一例は、図７に示した一例に対し、チョッパ回路１５に双方向機能を持たせたものである。すなわち、図７のチョッパ回路１５では直流電源１１から３相交流回路２３に電力を供給する一方向であるが、図８に示した一例では、直流電源１１から３相交流回路２３に電力を供給するだけでなく、３相交流回路２３から直流電源１１にも電力を供給できるようにしたものである。図７と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

チョッパ回路１５は、リアクトルＬ２と、スイッチ素子Ｓ２、Ｓ３と、ダイオードＤ２、Ｄ３とから構成されている。通常の運転状態のときは、切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗは３相変換器２６の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗ側に接続されている。この状態で、直流電源１１から３相交流回路２３に電力を供給する場合には、まず、ゲート制御装置１８はチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ３をオンしリアクトルＬ２にエネルギーを蓄積する。その後に、スイッチ素子Ｓ３をオフしてリアクトルＬ２に蓄積されたエネルギーをダイオードＤ２を通してコンデンサＣ１、Ｃ２に移動させる。

次に、ゲート制御装置１８は、スイッチング素子Ｓｕ〜Ｓｗ、Ｓｘ〜Ｓｚがすべてオフの状態から、例えば、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙをオンして、順次、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｚ、スイッチング素子Ｓｖ、Ｓｚ、スイッチング素子Ｓｖ、Ｓｘ、スイッチング素子Ｓｗ、Ｓｘ、スイッチング素子Ｓｗ、Ｓｙ、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙをオンとした制御を行う。つまり、新たにオンとしたスイッチング素子があるときは、前回オンとしたスイッチング素子はオン状態を保持し２回前にオンとしたスイッチング素子をオフとするオンオフ制御を行う。これにより、３相交流回路の３相負荷２４には３相交流電力が供給される。

一方、３相交流回路２３から直流電源１１に電力を供給する場合には、３相交流回路２３の３相交流電力を３相変換器２６で直流電力に変換してコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積し、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積されたエネルギーをチョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ２をオンオフ制御することにより、直流電源１１に供給する。このように、チョッパ回路１５は、直流電源１１から３相交流回路２３に電力を供給する機能と、３相交流回路２３から直流電源１１に電力を供給する機能との双方向機能を有している。

このような双方向機能を有しているチョッパ回路１５を用いた場合においても、３相変換器２６のいずれかのスイッチング素子が故障した場合には、図７の場合と同様に、切替スイッチＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗにより故障した上下アームを切り離し、健全な２対の上下アームでＶ結線接続による運転が継続される。この場合、前述したように、３相負荷２４に供給される３相交流電圧は、停止前の約１／√３の値となる。Ｖ結線接続での運転においても、停止前と同様の３相交流電圧を確保するには、例えば、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ３のオンデューティ比を大きくすることにより、直流電圧を昇圧し３相交流電圧を約√３倍の電圧に昇圧することになる。

以上の説明では、Ｖ結線接続での運転において停止前と同様な３相交流電圧を確保するための電圧補償として、直流電圧をチョッパ回路１５で昇圧するようにしたが、第２の実施の形態に示すように変圧器を用いて昇圧するようにしてもよい。

第３の実施の形態によれば、３相変換器を点検する場合や３相のうち１相が故障した場合等において、切替スイッチにより対象となる相を３相交流回路２３から切り離し、Ｖ結線接続の電力変換装置として運転を行うので、切替スイッチによる切り替えを行う間を除いて電力変換装置の運転が可能となる。また、Ｖ結線接続した場合の電圧低下に対して必要に応じて電圧補償を行うので、停止前と同様の運転状態を継続できる。また、切替スイッチを設けるだけでよいため、電力変換装置が大形化することもない。

（第４の実施の形態）
図９は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図である。この第４の実施の形態は、図７及び図８に示した第３の実施の形態に対し、Ｖ結線接続に代えてスコット結線接続とするようにしたものである。すなわち、３相変換器の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗのうちいずれかの上下アームの故障または点検等となったときに、故障または点検対象の上下アームを３相交流回路から切り離し、健全な２対の上下アームでスコット結線接続とする。図９では、チョッパ回路１５、コンデンサＣ１、Ｃ２、３相交流回路２３、３相負荷２４等の図示を省略しており、３相交流回路２３に接続される変圧器２０の巻線の結線を示している。図７及び図８と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図９に示すように、変圧器２０の一次巻線には３相変換器の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗが接続され、変圧器２０の二次巻線はΔ結線で接続されている。そして、Δ結線の各相には切替スイッチＳｕ１、Ｓｖ１、Ｓｗ１が設けられ、さらに、各相の中点Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗから相順に隣接する相の巻線の端部に接続するための接続回路が設けられ、その接続回路には切替スイッチＳｕ２、Ｓｖ２、Ｓｗ２が設けられている。

通常の運転状態では、Δ結線の各相の切替スイッチＳｕ１、Ｓｖ１、Ｓｗ１はオンであり、各々の接続回路の切替スイッチＳｕ２、Ｓｖ２、Ｓｗ２はオフである。従って、３相変換器の上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗから変圧器２０の一次巻線を介して二次巻線に３相交流電圧が印加される。

この状態で、いま、上下アーム２５ｖが故障したとする。そうすると、スイッチ切替制御回路１９は、Δ結線の各相の切替スイッチＳｕ１、Ｓｖ１、Ｓｗ１をオフし、中点Ｍｗに接続される接続回路の切替スイッチＳｗ２をオンとする。これにより、変圧器２０は健全な上下アーム２５ｕ、２５ｗの２相を交流電源とするスコット結線接続となる。

通常、スコット結線接続は、３相交流電源から２相交流電源を得るために用いられるものであり、このスコット結線の変圧器利用率は√３／２（８６．６％）であり、得られる交流電圧は√３／２となる。本発明では、３相交流電源から２相交流電源を得るのではなく、逆に２相交流電源から３相交流電源を得るためにスコット結線接続とすることに特徴がある。

スコット結線接続の場合に得られる三相交流電圧は、前述のように、通常運転時である３相接続の場合の電圧の約√３／２となるが、いずれかの上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗが故障または点検等となったとき、Δ結線の各相の切替スイッチＳｕ１、Ｓｖ１、Ｓｗ１及び各相の中点Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗからの接続回路の切替スイッチＳｕ２、Ｓｖ２、Ｓｗ２により、接続を切り替えてスコット結線接続とするので、電力変換装置を停止することなく運転が可能である。

ここで、スコット結線接続での運転においても、停止前と同様な３相交流電圧を確保するには、例えば、第１の実施の形態で述べたように、チョッパ回路１５のスイッチ素子Ｓ１のオンデューティ比を大きくすることにより、３相交流電圧の昇圧が可能となる。また、例えば、変圧器２０の巻数比をタップ切替で切り替えて停止前と同様な３相交流電圧を確保することができる。

第４の実施の形態によれば、いずれかの上下アーム２５ｕ、２５ｖ、２５ｗが故障または点検等となったときは、故障または点検等となった上下アームを切り離してスコット結線接続とするので、切り替えに要する時間を除いて電力変換装置の運転が可能となる。また、スコット結線接続での運転では、電圧は停止前の約√３／２の電圧となるが、必要に応じて電圧を昇圧できるので、停止前と同様な３相交流電圧を確保できる。

以上の各実施の形態においては、停止前と同様な電圧を確保するために、チョッパ回路で直流電圧を昇圧したり、変圧器で交流電圧を昇圧するようにしたが、チョッパ回路や変圧器を設けずに、ゲート制御回路１８での変調率を変化させて電圧を調整するようにしてもよい。例えば、通常運転での変調率を予め下げておき、電圧調整のための変調率幅に余裕を持たせておき、電圧調整が必要となったときは変調率を高めた運転とする。

また、以上の各実施の形態においては、直流電圧の中点を得るためにコンデンサを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、同出力の直流電源を直列接続し、この接続点を中点としてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図。 本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の一例でスイッチング素子に故障が発生した状態を示す構成図。 本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の別の他の一例を示す構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例を示す構成図。 本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置の一例を示す構成図。

符号の説明

１１…直流電源、１２…単相交流回路、１３…電力変換器、１４…負荷、１５…チョッパ回路、１６…上下アーム、１７…単相変換器、１８…ゲート制御回路、１９…スイッチ切替制御回路、２０…変圧器、２１…一次巻線、２２…二次巻線、２３…３相交流回路、２４…３相負荷、２５…上下アーム、２６…３相変換器

Claims (7)

1. ２対の上下アームを並列に接続して構成され交直変換を行う単相変換器と、
   前記単相変換器の交流側に接続され２対の上下アームと単相交流回路との間の接続を切り替える切替スイッチと、
   前記単相変換器のいずれかの上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して停止した上下アームを単相交流回路から切り離し、停止した上下アームに代えて直流電圧の中点を単相交流回路に接続し健全な上下アームの単独接続とするスイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流側には直流回路が接続され交流側には３相交流回路が接続され交直変換を行う３相変換器と、
   前記３相交流側に接続され３相変換器の各相と３相交流回路の各相との間の結線接続を切り替える切替スイッチと、
   前記３相変換器のうちいずれか１対の上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して、停止した１対の上下アームを３相交流回路から切り離し、停止した１対の上下アームに代えて直流電圧の中点を３相交流回路に接続し、健全な２対の上下アームのＶ結線接続とするスイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 直流側には直流回路が接続され交流側には３相交流回路が接続され交直変換を行う３相変換器と、
   前記３相交流側に接続され３相変換器の各相と３相交流回路の各相との間の結線接続を切り替える切替スイッチと、
   前記３相変換器のうちいずれか１対の上下アームの停止時に前記切替スイッチに指令を出力して、停止した１対の上下アームを３相交流回路から切り離し、健全な２対の上下アームのスコット結線接続とする故障検出スイッチ切替制御回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記健全な上下アームの単独接続、前記健全な２対の上下アームのＶ結線接続、または前記健全な２対の上下アームのスコット結線接続としたときに、所望の変換電力が得られるように電圧補償を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換装置。
5. 前記電圧補償は、直流側の直流電圧を昇圧して行うことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記電圧補償は、交流側の交流電圧を昇圧して電圧補償を行うことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
7. 前記電圧補償は、健全な上下アームのスイッチング素子の変調率を変えて行うことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
   

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