JP2008118728A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの故障や負荷故障時にコンデンサと直列に限流器を用いて電流を制限する方式が提案されているが、高耐圧・大電流の部品が必要となり、装置が大型で、高価格になる。
【解決手段】複数個直列接続された半導体素子と、半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、抵抗に流れる電流に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子で構成された電力変換装置に関し、特に負荷インピーダンスや電力変換装置の故障検出方法に関する。

図１０に、一般的な電力変換装置の回路構成を示す。三相交流電源Ｖｓはダイオードで構成された整流器Ｒｅｃ１の交流入力に、整流器Ｒｅｃ１の直流出力はコンデンサＣｄとＩＧＢＴＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗ、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚで構成されたインバータの直流入力に、インバータの交流出力はモータＭに、各々接続される。
このような構成において、三相交流電源Ｖｓの交流電圧は、整流器Ｒｅｃで直流に変換され、コンデンサＣｄで平滑された後、インバータに直流電力が供給される。インバータでは、この直流電力を交流に変換して、モータＭに交流電力を供給する。
ここで、ＩＧＢＴの耐圧に比べ直流電圧Ｖｄが大きい時には、ＩＧＢＴを複数個直列接続して用いることがある。図１１（ａ）は、図１０のＱｘ部を直列接続した例を示している。ＩＧＢＴを直列接続にした時には、同図（ａ）のように、各ＩＧＢＴＱｘ１〜Ｑｘｎの各々と並列に抵抗Ｒｄ１〜Ｒｄｎを接続する手段とスイッチングタイミングを調整する回路Ｔｓｅｔを設けるのが一般的である。

ＩＧＢＴオフ期間中の等価回路は、図１１（ｂ）に示すように、各ＩＧＢＴはコンデンサＣｃｅ１〜Ｃｃｅｎと抵抗Ｒｃｅ１〜Ｒｃｅｎの並列回路と考えることができる。しかし、これらのコンデンサ容量と抵抗値にはばらつきがあり、各ＩＧＢＴに印加される電圧分担がアンバランスとなる。これを避けるため、ＩＧＢＴオフ期間中の漏れ電流値（抵抗Ｒｃｅ１〜Ｒｃｅｎを流れる電流値）に対し、数倍〜十数倍流すような抵抗値を設定し、電圧をバランスさせる方式をとるのが一般的である。この抵抗はその働きから、分圧抵抗あるいはバランス抵抗と呼ぶこともある。
また、スイッチングタイミング調整回路Ｔｓｅｔは、各ＩＧＢＴがオンオフする時に、タイミングにずれが生じて電圧分担がアンバランスし素子耐圧を超えないようにするタイミング調整手段である。これらの手段としては、図１２（ａ）に示すように直列接続された各ＩＧＢＴのゲート線に磁気結合を持たせる回路等を設けることにより、同図（ｂ）のような電圧アンバランスを同図（ｃ）のようにバランスさせることができる。これらの手法については特許文献１や特許文献２などが提案されている。

図１３に、各アームにバランス抵抗を並列接続したＩＧＢＴを２個直列接続したインバータ回路の交流出力Ｕ−Ｖ間に短絡故障が生じた場合の短絡電流の経路図例を示す。三相交流電源Ｖｓはダイオードを直列接続して構成された整流器Ｒｅｃの交流入力に、整流器Ｒｅｃの直流出力はコンデンサＣｄとＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｕ２、Ｑｖ１、Ｑｖ２、Ｑｗ１、Ｑｗ２、Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｚ１、Ｑｚ２で構成されたインバータの直流入力に、各々接続され、インバータの交流出力Ｕ−Ｖ間は短絡されている。
負荷の接続ミスや故障等で短絡していた場合、図１３に示すように運転開始した直後に破線で示すような経路で大電流が流れてしまう。図１３は、コンデンサＣｄ→ＩＧＢＴＱｕ１→ＩＧＢＴＱｕ２→交流出力Ｕ→交流出力Ｖ→ＩＧＢＴＱｙ１→ＩＧＢＴＱｙ２→コンデンサＣｄの経路で短絡電流が流れる例であるが、インバータ起動時の信号のタイミングにより、他の短絡経路も考えられる。 この短絡電流は、直流電圧Ｖｄが高く直列接続数が増加した場合、大きな事故につながる恐れがある。
これらの対策として図１４に示す構成の保護方式が提案されている。図１４（ａ）は特許文献３で提案されている構成である。整流器１の直流出力に接続されたコンデンサ３と直列に限流器４が接続された構成で、インバータ回路２内や負荷で短絡故障が発生した場合にはコンデンサ３からの放出電流を限流器４で制限する方式である。図１４（ｂ）は図１４（ａ）の限流器の代わりにＩＧＢＴ５を用いた例である。同様にインバータ回路２内や負荷で短絡故障が発生した場合にはコンデンサ３からの放出電流をＩＧＢＴ５で制限した後に遮断させる方式である。
特開２０００−３２４７９９号公報 特開２００２−２０４５７８号公報 特開２００２−０３４２６７号公報 特開２００４−０８８８５８号公報

上述のように、インバータ回路内の故障や負荷故障時にコンデンサと直列に限流器を用いて電流を制限する方式やＩＧＢＴを用いて電流を制限した後に遮断する方式が提案されているが、これらの方式では、高耐圧・大電流の部品が必要となり、装置が大型で、高価格になる問題がある。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、前記抵抗に流れる電流に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する。
第２の発明においては、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する。

第３の発明においては、第２の発明における前記いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する動作は電力変換装置の運転前または負荷に電流が流れていない時に行うようにする。
第４の発明においては、第２の発明における前記半導体素子をオンさせる方法として、アームを順次切り替えて、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出するようにする。
第５の発明においては、第２〜第４の発明における前記電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する手段は、オン信号の立上り時点から所定時間後の電流値に基づいて故障を判定するようにする。

本発明では、負荷のインピーダンスや電力変換装置の故障を検出する方法として、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出するようにしているため、低耐圧で小さな電流容量の電流検出手段の適用が可能となる。
この結果、電力変換装置の小型化と低価格化が可能となる。

本発明の要点は、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出することである。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。本実施例はＩＧＢＴや負荷に異常がない場合の構成である。三相交流電源Ｖｓはダイオードを直列接続して構成された整流器Ｒｅｃの交流入力に、整流器Ｒｅｃの直流出力はコンデンサＣｄとＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｕ２、Ｑｖ１、Ｑｖ２、Ｑｗ１、Ｑｗ２、Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｚ１、Ｑｚ２で構成されたインバータの直流入力に、各々接続される。ここで、従来との違いは、抵抗Ｒｄｕ２、Ｒｄｖ２、Ｒｄｗ２、Ｒｄｘ１、Ｒｄｙ１、Ｒｄｚ１に、電流を検出するための電流検出器ＣＴｕ、ＣＴｖ、ＣＴｗ、ＣＴｘ、ＣＴｙ、ＣＴｗが挿入されている点である。
図１について図２以降を用いて作用を説明する。図２（ａ）は、インバータの交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗに誘導負荷Ｌが接続されている場合を示している。ここでＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｕ２をオンさせると、図２（ａ）中の交流出力端子Ｕの電位がコンデンサＣｄの電圧Ｖｄとなることで、各抵抗に流れる電流が変化する。

図２（ｂ）に各抵抗に流れる電流波形例と電流算出式を示す。ここではＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｕ２がオンしたと同時に交流出力端子Ｕの電圧がコンデンサＣｄの電圧Ｖｄに変化するため、電流検出器ＣＴｘの電流はステップ応答波形となる。一方、交流出力端子Ｖの電圧およびＷの電圧は負荷Ｌを経由するため、電流検出器ＣＴｙ、ＣＴｚの検出電流は一次遅れ応答波形で増加した後一定となる。
この動作は、３相インバータで対称動作であるから、他相、例えばＩＧＢＴＱｖ１、Ｑｖ２をオンした場合は、図２（ｃ）に示すように電流検出器ＣＴｙの電流がステップ応答波形で変化し、電流検出器ＣＴｘ、ＣＴｚの電流が一次遅れ応答波形となる。ＩＧＢＴＱｗ１、Ｑｗ２をオンした場合は、電流検出器ＣＴｚの電流がステップ応答波形、電流検出器ＣＴｘとＣＴｙの電流が一次遅れ応答波形となる。また、上下対称に位置する、ＩＧＢＴＱｘ１とＱｘ２、Ｑｙ１とＱｙ２、Ｑｚ１とＱｚ２で動作させてもそれぞれの動作が対称となるだけである。この場合、オンさせたアームと、対向に位置するアームがステップ応答波形となり、その他のアームは、一次遅れ応答波形となる。
また、三相が平衡している場合には、一次遅れ応答波形となる電流波形の時定数は等しい。以上のように電流検出器に流れる電流波形はステップ応答または一次遅れ応答の波形となるので、ＩＧＢＴにオン信号を入力し、所定時間後の電流値のレベルを判定するなどにより、負荷の異常を判断することができる。

次に、図３（ａ）に示すように、１相の負荷が事故などで短絡（ここではＵ相の負荷が短絡）した場合を考える。図２と同様にＩＧＢＴＱｕ１とＱｕ２をオンさせると、図３（ｂ）に電流検出器の波形例と電流算出式を示す。電流検出器ＣＴｘの電流はステップ応答波形に、電流検出器ＣＴｙ、ＣＴｚの電流は一次遅れ応答の波形となる。ここでＵ相の負荷に誘導成分がないため、電流検出器ＣＴｙとＣＴｚの電流波形は図２の波形に比べて時定数が短くなる。また、他相を動作させた場合、例えばＩＧＢＴＱｖ１とＱｖ２をオンさせると、電流検出器ＣＴｙの電流がステップ応答波形となり、電流検出器ＣＴｘ、ＣＴｚの電流が一次遅れ応答波形となるが、電流検出器ＣＴｘとＣＴｚの一次遅れの時定数が異なり、電流検出器ＣＴｚの電流波形に比べ電流検出器ＣＴｘの電流波形の時定数が短くなる。これはＵ相が短絡しているため、負荷の誘導成分がないことにより、図３（ａ）に示すＯ点がそれぞれコンデンサＣｄの電圧Ｖｄとなるためである。

以上の説明のように、オンさせるＩＧＢＴと電流検出器の波形および負荷異常との関係は予め把握できているため、ＩＧＢＴにオン信号を入力し、所定時間後の各電流検出器の電流レベルを判定することにより、負荷異常を判断することができる。
次に、図４（ａ）に示すように、負荷の２相が事故などで短絡（ここではＵ−Ｖ間が短絡）した場合を考える。図３と同様にＩＧＢＴＱｕ１とＱｕ２をオンさせると、図４（ｂ）に示すように電流検出器ＣＴｘとＣＴｙの電流がステップ応答波形に、電流検出器ＣＴｚの電流が一次遅れ応答波形になる。これはＵ−Ｖ間が短絡しているため、ＩＧＢＴＱｕ１とＱｕ２のオンにより、交流出力端子ＵおよびＶ点が同時にコンデンサＣｄの電圧Ｖｄとなるためである。
次に、図５（ａ）に示すように、３相が事故などで短絡した場合を考える。この場合は、ＩＧＢＴＱｕ１とＱｕ２をオンしたと同時に交流出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ点がすべてコンデンサＣｄの電圧Ｖｄとなるため、電流検出器ＣＴｘ、ＣＴｙ、ＣＴｚすべての電流波形がステップ応答波形となる。同様にＩＧＢＴＱｖ１とＱｖ２をオンさせると、図４（ｃ）に示すように電流検出器ＣＴｘとＣＴｙの電流がステップ応答波形に、電流検出器ＱＴｚの電流が一次遅れ応答波形になる。この組合せによりＵ−Ｖ間が短絡されていることを判定できる。

図６（ａ）は、ＩＧＢＴＱｕ１とＱｕ２が短絡破壊している場合を示す。この場合、ＩＧＢＴにオン信号を与える必要はなく、交流入力電源をオンさせても電流検出器ＣＴｕには電流が流れないため、装置故障の検出が可能である。
図６（ｂ）は、ＩＧＢＴＱｕ２のみ短絡破壊している場合を示す。ＩＧＢＴＱｕ１のオンオフにかかわらず電流検出器ＣＴｕの電流変化がないため、同様に装置の故障検出が可能である。
また、ＩＧＢＴＱｕ１のみ破壊している場合についても、抵抗に印加される電圧が異なるため、電流検出器ＣＴｕの電流値が他の電流検出器の電流値と異なり、故障検出が可能である。
以上のように、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の状態によって抵抗に流れる電流が変化する。これらの電流の変化を、例えば交流電源投入時の電流値の判定やＩＧＢＴにオン信号を入力し所定時間後の電流値のレベル判定などにより、負荷の異常または装置の異常を判別することができる。

また、電力変換装置を運転する前に電力変換装置の故障を判定できるため、短絡事故を未然に防ぐことができる。さらに運転中においても負荷電流が流れていない場合は、同様に検出することができる。
ここで、検出電流はＩＧＢＴと並列に接続される抵抗を介して流れるため、その電流量は小さく、小型の検出器でよい。また、電流検出器として貫通型を用い、貫通電線に電流容量に小さな高圧用電線を用いることが可能となり、高耐圧構造の部品が不要となる。図７に示すようにＩＧＢＴに流れるコレクタ電流をＩｃ、コレクタ・エミッタ間電圧をＶＣＥとした時、コレクタ電流Ｉｃに対するコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥのターンオフ時の波形を図８に示す。図８（ｂ）に示すように大きな電流を遮断した場合にはターンオフ時の跳ね上り電圧が大きくＩＧＢＴを過電圧破壊させる可能性が高いが、図８（ａ）のようにコレクタ電流Ｉｃが小さい場合はターンオフ時にＩＧＢＴに印加される電圧も極小のため、電流を遮断しても本発明による素子破壊はない。

また、負荷のインピーダンスが変化することで時定数が変化することから、モータなどを駆動する場合の一次抵抗やインピーダンスを測定することもでき、モータのオートチューニングなどの手段にも活用できる。
さらに、同一アームでタイミングを揃える必要はなく、例えば、図９に示すように１素子だけ動作させた場合についても同様の効果を得ることができる。複数個直列接続した場合などＩＧＢＴ毎にオン信号を与えて、複数のオン信号パターンで電流を測定できるため、より正確な状態を検出することができることはいうまでもない。
以上、２レベルインバータを例に説明してきたが、３レベルインバータなどの多レベルインバータにおいて、各アームをＩＧＢＴの直列接続回路で構成した場合にも同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明は、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出するものであり、高圧大容量電動機駆動装置や高圧大容量の系統連系装置などへの適用が可能である。

本発明の実施例を示す回路構成図 本発明の動作原理を説明する第1の説明図 本発明の動作原理を説明する第2の説明図 本発明の動作原理を説明する第３の説明図 本発明の動作原理を説明する第４の説明図 本発明の動作原理を説明する第５の説明図 ＩＧＢＴのコレクタ電流Ｉｃとコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥ ＩＧＢＴの電流遮断時のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥ波形例 本発明の動作原理を説明する第６の説明図 従来の実施例を説明するための変換装置の構成例 ＩＧＢＴを直列接続する時の回路構成例 ＩＧＢＴを直列接続する時のタイミング調整回路例 従来の電力変換装置での負荷短絡時の電流経路例 従来の短絡電流抑制回路例

符号の説明

１・・・整流器 ２・・・インバータ ３、Ｃｄ・・・コンデンサ
４・・・限流器
５、Ｑｕ１、Ｑｕ２、Ｑｖ１、Ｑｖ２、Ｑｗ１、Ｑｗ２・・・ＩＧＢＴ
Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｚ１、Ｑｚ２・・・ＩＧＢＴ
Ｒｅｃ、Ｒｅｃ１・・・整流器
Ｒｄｕ１、Ｒｄｕ２、Ｒｄｖ１、Ｒｄｖ２、Ｒｄｗ１、Ｒｄｗ２・・・抵抗
Ｒｄｘ１、Ｒｄｘ２、Ｒｄｙ１、Ｒｄｙ２、Ｒｄｚ１、Ｒｄｚ２・・・抵抗
ＣＴｕ、ＣＴｖ、ＣＴｗ、ＣＴｘ、ＣＴｙ、ＣＴｚ・・・電流検出器
Ｖｓ・・・交流電源 Ｌ・・・負荷 Ｍ・・・モータ
Ｒｃｅ１〜Ｒｃｅｎ・・・ＩＧＢＴオフ状態の抵抗成分
Ｃｃｅ１〜Ｃｃｅｎ・・・ＩＧＢＴオフ状態の容量成分
Ｒｄ１〜Ｒｄｎ・・・抵抗

Claims (5)

1. 複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、この電流検出値に基づいて負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出することを特徴とする電力変換装置。
2. 複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子と、前記半導体素子と並列に接続された抵抗とでアームを構成した電力変換装置において、前記半導体素子と並列に接続される抵抗の電流を検出する電流検出手段を設け、いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出することを特徴とする電力変換装置。
3. 前記いずれかのアームの半導体素子をオンさせ、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する動作は電力変換装置の運転前または負荷に電流が流れていない時に行うことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記半導体素子をオンさせるアームを順次切り替えて、前記抵抗に流れる電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記電流の変化に基づいて、負荷のインピーダンスまたは電力変換装置の故障を検出する手段は、オン信号の立上り時点から所定時間後の電流値に基づいて故障を判定することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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