JP2009050063A - セット並列の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力変換器の直流電圧および零相電流に対して異常が発生した場合に高速に遮断動作が可能であり、かつ、電磁障害等の影響が極めて少なく安定した動作を行う。
【解決手段】
ＰＷＭ整流器３とインバータ４とを備えたる電力変換器を並列接続し、ＰＷＭ整流器３の制御演算を実施するＰＷＭ整流器側演算処理装置とインバータ４の制御演算を実施するインバータ側演算処理装置とを有したセット並列の電力変換装置において、ＰＷＭ整流器３とインバータ４は個別の制御基板６，７に搭載された制御演算装置により駆動され、一方の制御演算装置が電力変換装置の異常を検知した場合、他方の制御演算装置に異常検知信号を継電器１１あるいはフォトカプラを介して伝送する。
【選択図】図１

Description

本発明は大容量化を目的に２台の電力変換器を並列接続したセット並列構成の電力変換装置に関する。

従来、エレベーターの速度制御装置では、並列化して大容量化を図った電力変換装置においてマイクロコンピュータにより電流検出器の出力和により零相電流を求め、零相電流を低減するようにインバータの出力を制御することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

また、特許文献２に記載された電力変換装置では、並列化して大容量化を図った電力変換装置において平滑回路を独立して構成し、複数組の電力変換回路を構成するコンバータ回路およびインバータ回路のうち少なくとも１つの制御回路は零相電流を抑制するための制御手段を設ける方式が記載されている。さらに、電圧検出器により検出された電圧はコンバータの制御回路に伝達され、直流電圧の制御に使用されている。

特開平５−２６０７９３号公報 特開２００３−１３４８３３号公報

上記従来技術では、電力変換装置が正常に駆動している状態において、零相電流を抑制することができるが、異常状態の観点から電力変換装置を安全に遮断させることができるものではない。すなわち、例えば電力変換器を構成する半導体デバイスのいずれかが短絡故障した場合は、該当の電力変換器の制御が良好に実施できず過大な零相電流が流れる。２次被害防止のために他の電力変換器においてもできるだけ早急に遮断する必要がある。

複数の制御基板で電力変換装置の制御を実施するシステムでは、上記のように電流あるいは電圧に異常が発生し、いずれかの制御基板において異常を検出した場合に、他の制御基板にその情報を伝送する必要がある。ここで、制御基板に搭載されたマイコン等の演算処理装置同士を直接接続した場合には、高速に伝送ができるが、電磁障害等の影響で演算処理装置自体の誤動作を誘発する恐れがある。また、電磁障害の悪影響を防止しようとすると、遮断動作に時間を要してしまい別の悪影響をもたらす恐れがある。

本発明の目的は、電力変換器の直流電圧および零相電流に対して異常が発生した場合に高速に遮断動作が可能であり、かつ、電磁障害等の影響が極めて少なく安定した動作が可能なセット並列構成の電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、ＰＷＭ整流器とインバータとを備えた電力変換器を並列接続し、前記ＰＷＭ整流器の制御演算を実施するＰＷＭ整流器側演算処理装置と前記インバータの制御演算を実施するインバータ側演算処理装置とを有したセット並列の電力変換装置において、
前記ＰＷＭ整流器と前記インバータは個別の制御基板に搭載された制御演算装置により駆動され、一方の制御演算装置が電力変換装置の異常を検知した場合、他方の制御演算装置に異常検知信号を継電器あるいはフォトカプラを介して伝送するものである。

本発明によれば、過大な零相電流が流れるセット並列構成の電力変換装置であっても、複数の制御基板の間を継電器やフォトカプラを介して異常検知信号を伝送するので、誤動作の発生を抑制でき、かつ、異常が発生した場合に高速に各電力変換装置を遮断できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は電力変換装置であり、商用電源１，電動機２，１系ＰＷＭ整流器３Ａ，２系ＰＷＭ整流器３Ｂ，１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂ，１系平滑コンデンサ５Ａ，２系平滑コンデンサ５Ｂ，ＰＷＭ整流器側制御基板６，インバータ側制御基板７，出力側リアクトル８，１系インバータ側電流検出器９Ａ，２系インバータ側電流検出器９Ｂ，１系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ａ，２系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ｂ，ＰＷＭ整流器側制御基板６からインバータ側制御基板７への信号伝送用に使用する継電器１１，インバータ側制御基板７からＰＷＭ整流器側制御基板６への信号伝送用に使用する継電器１２，平滑コンデンサの電圧を検出して制御基板に電圧情報を伝える電圧検出器（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ）より構成している。電力変換装置では大容量化を図るために、２組のＰＷＭ整流器とインバータからなる電力変換器を並列接続し、出力側リアクトル８を介して電動機２に接続している。

１系ＰＷＭ整流器３Ａおよび２系ＰＷＭ整流器３Ｂは、商用電源１より得られる交流電力を直流に変換する。１系ＰＷＭ整流器３Ａおよび２系ＰＷＭ整流器３Ｂの制御演算は、それぞれ、１系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ａ，２系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ｂより検出される入力電流や電圧検出器１３Ａ，１３Ｃにより検出される各系の平各コンデンサ部分の直流電圧などを基にＰＷＭ整流器側制御基板６に搭載した側演算処理装置によって行われる。１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂは、それぞれ１系平滑コンデンサ５Ａ，２系平滑コンデンサ５Ｂを介して得られる直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機２を駆動する。１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂの制御演算は、それぞれ、１系インバータ側電流検出器９Ａ，２系インバータ側電流検出器９Ｂより検出される出力電流や電動機２の磁極位置情報を基にインバータ側制御基板７に搭載した演算処理装置によって行われる。図１の第一実施例のように制御基板をＰＷＭ整流器側とインバータ側で個別に扱うことにより、例えば各系インバータ同士の出力信号の同期を取りやすくなり、各系の電力変換器間を循環する横流を抑制できる上、電磁騒音を低減できる効果がある。ここでの演算処理装置はマイコン，ＤＳＰあるいはＡＳＩＣなどの演算装置を意味しており、例えば１マイコンで２系統の電力変換器駆動が可能な形態の演算装置を使用することで横流抑制の効果は高くなる。

図１のＰＷＭ整流器側制御基板６およびインバータ側制御基板７では、電流検出器（９Ａ，９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ）および電圧検出器（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ）により各系のＰＷＭ整流器およびインバータに流入出する電流や直流部分の電圧を検出するほか、図示していない電動機２の磁極位置等を検出する。また、例えば第一実施例がエレベーター用の電力変換装置である場合、かご位置情報なども検出する。いずれかの制御基板で電力変換装置の異常を検知した場合には、安全に電力変換装置を停止させるべく、該制御基板で制御している電力変換装置を停止させ、かつ、他方の制御基板に異常検知信号を送信して他方の制御基板で制御している電力変換装置も停止させる。異常検知信号はＯＮ／ＯＦＦ信号のような信号でよく、例えば、共にＯＮ信号を伝送した場合に運転準備が確立できたものとして電力変換装置の駆動を実施し、異常を検知した場合にはＯＮ信号をＯＦＦして異常状態を伝送する形態であっても良い。

図２は、従来技術における異常検出信号の伝送例であり、ＰＷＭ整流器側制御基板６に搭載されたＰＷＭ整流器側演算処理装置１４とインバータ側制御基板７に搭載されたインバータ側演算処理装置１５を電気的に直接接続した構成である。この場合は伝送速度の高速化は図れるが、一方の制御基板から他方の制御基板へノイズ電流等が流れ、誤動作の要因になる。例えば、図２の伝送例のようにＰＷＭ整流器側制御基板６に電磁障害等の外乱が混入した場合、そのノイズが異常検知信号に重畳してインバータ側制御基板７で誤認識してしまう場合がある。特に、電力変換器自体が、高電圧を高速にＯＮ／ＯＦＦさせる駆動をしているため、装置環境としては外乱を受けやすい状態にある。

第一実施例では継電器（リレー）１１，１２を使用した構成にしている。

図３は、第一実施例における異常検出信号の伝送例であり、ＰＷＭ整流器側制御基板６からインバータ側制御基板７に信号を伝達する場合の例である。ＰＷＭ整流器側演算処理装置１４は入出力インターフェース１７Ａを介して継電器１１の接点をＯＮ／ＯＦＦさせる信号を送信する。継電器１１は一端を電圧源１６に接続しており、接点のＯＮ／ＯＦＦに伴ってインバータ側制御基板７に電圧信号を送信する。インバータ側制御基板７では、インバータ側演算処理装置１５が入出力インターフェース１７Ｂを介して信号を受信する。この構成によると、ＰＷＭ整流器側演算処理装置１４とインバータ側演算処理装置１５は直接電気的に接続されないため、電磁障害等の影響を受けにくい効果がある。図３では継電器を使用した例を示しているが、フォトカプラなどを使用して、光を介在することで電気的に絶縁できる部品を使用しても良い。

図３のように継電器等を使用した場合には、伝送遅れの恐れがある。図４は、継電器を使用して電力変換器が遮断した場合の直流電位の推移を説明する図であり、図１の一実施例において片側の系統に着目し、ＰＷＭ整流器側制御基板６で異常を検知した場合の１系平滑コンデンサ５Ａの電圧変化を示した例である。図４（ａ）は電動機２が力行運転をしている場合の例であり、ＰＷＭ整流器側制御基板６で異常を検知すると、１系ＰＷＭ整流器３Ａを停止させ、インバータ側制御基板７に異常検知信号を送信する。しかし、継電器による伝送では数十ミリ秒程度の伝送遅れが生じるため、その期間では１系インバータ４Ａは動作を継続する。この伝送遅れ期間では商用電源１からの電力供給がない状態で力行運転を継続するため１系平滑コンデンサ５Ａの電圧は低下する。この結果、例えばエレベーターなどでは、トルク不足による振動などの乗り心地劣化などの悪影響をもたらす恐れがある。

図４（ｂ）は電動機２が回生運転をしている場合の例であり、ＰＷＭ整流器側制御基板６で異常を検知すると、１系ＰＷＭ整流器３Ａを停止させ、インバータ側制御基板７に異常検知信号を送信する。しかし、伝送遅れ期間では１系インバータ４Ａは動作を継続するため、回生電力を商用電源１に戻されない状態になり、１系平滑コンデンサ５Ａの電圧は上昇する。この結果、電力変換器を構成する半導体デバイスの耐圧を越えることによる破損などの悪影響をもたらす恐れがある。

そこで、図１の一実施例では、１系平滑コンデンサ５Ａの電圧を検出してＰＷＭ整流器側制御基板６に電圧情報を伝える電圧検出器１３Ａおよびインバータ側制御基板７に電圧情報を伝える電圧検出器１３Ｂ，２系平滑コンデンサ５Ｂの電圧を検出してＰＷＭ整流器側制御基板６に電圧情報を伝える電圧検出器１３Ｃおよびインバータ側制御基板７に電圧情報を伝える電圧検出器１３Ｄの計４個の電圧検出器を接続して各制御基板は個別に電圧情報を取得させる。従来はＰＷＭ整流器の電圧制御用に取り付けていた電圧検出器を図１のようにインバータ側にも取り付けることにより、極めて高速な異常検知が可能になり、乗り心地劣化の低減や半導体デバイス破損の防止に効果がある。

図５は一実施例における電圧検出部の例であり、１系平滑コンデンサ５Ａの電圧を検出して異常時にＰＷＭ整流器側制御基板６に情報を伝達する例である。電圧比較部１８は比較器と基準電圧を示す電源で構成されており、平滑コンデンサの電圧値が基準電圧１を超えた場合には比較器はＨｉ状態になる。一方、電圧比較部１９は比較器と基準電圧を示す電源で構成されており、平滑コンデンサの電圧値が基準電圧２を下回った場合には比較器はＨｉ状態になる。電圧比較部１８あるいは電圧比較部１９のいずれかがＨｉ状態になった場合にはその情報をＰＷＭ整流器側制御基板６に伝送してＰＷＭ整流器を停止させる。図５の例では１系ＰＷＭ整流器側の電圧検出器１３Ａを対象としているが、その他の電圧検出器についても同様な構成で実施してよい。この構成により、極めて簡単に異常電圧の検出が可能になる。また、図５では異常電圧の検出信号を制御基板に送信しているが、電力変換器の半導体デバイスに直接駆動信号を与えるドライブ回路に送信しても良いことは言うまでもない。この場合には、電力変換器の停止処理をより高速に実施できる効果がある。

次に、異常電流検出として、零相電流を検出する方式について説明する。図６は一実施例における零相電流検出を説明する図である。零相電流は、例えば１系インバータ４Ａの各相の出力電流をそれぞれｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１とした場合、
零相電流＝ｉｕ１＋ｉｖ１＋ｉｗ１ …（１）
で定義される電流であり、セット並列構成の電力変換装置では図６のように各系の変換器間を循環する。通常、この零相電流は、ＰＷＭ整流器側制御基板６に搭載されたＰＷＭ整流器側演算処理装置１４あるいはインバータ側制御基板７に搭載されたインバータ側演算処理装置１５において零になるように制御されている。

電力変換装置に異常が発生した場合、例えば電力変換器を構成する半導体デバイスのいずれかが短絡故障した場合は、該当の電力変換器の制御が良好に実施できず過大な零相電流が流れる。この場合には、周辺機器の破損など２次被害防止のために他の電力変換器においてもできるだけ早急に遮断する必要がある。そこで、一実施例では演算処理装置毎に零相電流を少なくとも１箇所以上で検出し、所定値よりも大きい零相電流が流れた場合には、演算処理装置が駆動している電力変換装置を直ちに停止する。これにより、周辺機器の破損など２次被害を防止できる。

図７は一実施例における零相電流検出後の処理を説明する図であり、１系インバータ４Ａの各相の出力電流を１系インバータ側電流検出器９Ａで検出する場合の例である。インバータ側制御基板７では、１系インバータ側電流検出器９Ａで検出した電流に対して零相電流演算部２０により（１）式の演算を実施し、零相電流絶対値を導出する。さらに、比較器により予め定めた基準値と比較する。検出した零相電流値が基準値よりも大きい場合、比較器はＨｉ出力になり、インバータ側演算処理装置１５により１系インバータ４Ａおよび２系インバータ４Ｂを停止させる処理を実施する。図７では、零相演算の処理および基準値との比較処理をインバータ側演算処理装置１５の外部で実施しているが、インバータ側演算処理装置１５の内部で実施しても良い。この場合はインバータ側制御基板７の実装を簡素化できる。また、図７において比較器がＨｉ出力になった場合にはインバータ側演算処理装置１５を介さず、ハード構成として出力を抑制できる構成にしても良い。この場合は、電力変換装置の遮断をより高速に実施できる。

本発明による一実施の形態を示すブロック図。 従来技術における異常検出信号の伝送を示すブロック図。 一実施の形態における異常検出信号の伝送を示すブロック図。 一実施の形態における電力変換器が遮断した場合の直流電位の推移を説明する図。 一実施の形態における電圧検出部を示すブロック図。 一実施の形態における零相電流検出を説明する図。 一実施の形態における零相電流検出後の処理を説明するブロック図。

符号の説明

１ 電源
２ 電動機
３Ａ １系ＰＷＭ整流器
３Ｂ ２系ＰＷＭ整流器
４Ａ １系インバータ
４Ｂ ２系インバータ
５Ａ １系平滑コンデンサ
５Ｂ ２系平滑コンデンサ
６ ＰＷＭ整流器側制御基板
７ インバータ側制御基板
８ 出力側リアクトル
９Ａ １系インバータ側電流検出器
９Ｂ ２系インバータ側電流検出器
１０Ａ １系ＰＷＭ整流器側電流検出器
１０Ｂ ２系ＰＷＭ整流器側電流検出器
１１，１２ 継電器
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ 電圧検出器
１４ ＰＷＭ整流器側演算処理装置
１５ インバータ側演算処理装置
１６ 電圧源
１７Ａ，１７Ｂ 入出力インターフェース
１８，１９ 電圧比較部
２０ 零相電流演算部

Claims (5)

1. ＰＷＭ整流器とインバータを備えた電力変換器を並列接続し、前記ＰＷＭ整流器の制御演算を実施するＰＷＭ整流器側演算処理装置と前記インバータの制御演算を実施するインバータ側演算処理装置とを有したセット並列の電力変換装置において、
   前記ＰＷＭ整流器と前記インバータは個別の制御基板に搭載された制御演算装置により駆動され、一方の制御演算装置が電力変換装置の異常を検知した場合、他方の制御演算装置に異常検知信号を継電器あるいはフォトカプラを介して伝送することを特徴とするセット並列の電力変換装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、各電力変換器の直流部分の各電圧はそれぞれの制御基板毎に検出されることを特徴とするセット並列の電力変換装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、各電力変換器の直流部分の各電圧はそれぞれの制御基板毎に検出され、検出された電圧が予め定めた第一の基準値よりも大きい場合、検出電圧を取り込んでいる前記制御基板が制御している前記電力変換器の駆動を停止させることを特徴とするセット並列の電力変換装置。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記ＰＷＭ整流器の電源側に取り付けられた電流検出器により得られる零相電流値が、予め定めた基準値よりも大きい場合、前記ＰＷＭ整流器の駆動を停止させ、かつ、前記インバータの負荷側に取り付けた電流検出器により得られる零相電流値が予め定めた基準値よりも大きい場合、前記インバータの駆動を停止させることを特徴とするセット並列の電力変換装置。
5. 請求項１に記載のものにおいて、異常検知信号はＯＮ／ＯＦＦ信号であり、前記電力変換装置が駆動可能である状態では共にＯＮ信号を伝送し、異常を検知した場合にはＯＮ信号をＯＦＦすることを特徴とするセット並列の電力変換装置。

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