JP2010074928A

JP2010074928A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2010074928A
Application number: JP2008238913A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Matsumoto; 吉弘松本
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】インバータ部の負荷側端子に誤って交流電源を接続した場合でも過大な電流が流れることを防止するだけでなく、平滑コンデンサが何らかの原因で短絡破損した場合でも、平滑コンデンサの爆発や発火を防止するとともに周辺部品にダメージを与えることを防止することのできるインバータ装置を提供する。
【解決手段】平滑コンデンサ２と直流母線４，５との間に直列に接続した半導体スイッチ１１と、半導体スイッチ１１に流れる電流を検出するＣＴ１３と、ＣＴ１３で検出した検出電流が予め設定した過電流設定値を超えると半導体スイッチ１１を遮断する過電流保護回路１４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを備えたインバータ装置に関する。

図６に従来のインバータ装置の回路図を示す。
この図において、１は交流電源からの交流電圧を整流するダイオードよりなる三相ブリッジ構成のコンバータ部、２は直流母線４，５の間に接続されてコンバータ部１の出力を平滑する平滑コンデンサ、３は平滑コンデンサ２両端の平滑された直流電圧を入力として所望の周波数と電圧とをもつ交流電圧に変換するインバータ部であり、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子と還流用ダイオードとの逆並列回路を三相ブリッジ接続したものである。６は電流制限抵抗、７は電流制限抵抗６を短絡するスイッチである。

図６において、電源側端子Ｒ，Ｓ，Ｔに遮断器（不図示）を介して商用交流電源が接続されるとともに、負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗにモータ等の負荷が接続される。交流電源の交流電圧はコンバータ部１により整流されて平滑コンデンサ２を充電するが、電源投入直後は平滑コンデンサ２に電荷が充電されていないので大きな突入電流が流れる。これを防ぐために電流制限抵抗６およびスイッチ７からなる初期充電回路を設けている。インバータ装置を起動させるときは、まずスイッチ７をオフすることにより平滑コンデンサ２には電流制限抵抗６を介して抑制された充電電流が流れ、この充電電流により平滑コンデンサ２の両端電圧が所定の電圧に達すると、スイッチ７をオンして電流制限抵抗６を短絡するようにして大きな突入電流が流れるのを抑制している。

一方、誤って交流電源に繋がる遮断器（不図示）を負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続すると、遮断器（不図示）をオンしたときにインバータ部３の還流用ダイオードが整流回路として作用し、平滑コンデンサ２に充電電流が流れる。このとき負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗから平滑コンデンサ２への充電経路には電流制限抵抗６が存在しないため、過大な電流が流れてインバータ部３の電子部品が破損し、最悪の場合、インバータ装置が発火して火災するという不具合があった。

このような不具合を解決するために、特許文献１には、直流母線間に電流制限抵抗と平滑コンデンサとを直列に接続するとともに、電流制限抵抗に並列にスイッチを接続することによって、負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗに誤って交流電源を接続した場合でも過大な突入電流が流れることを防止することのできるインバータ装置が記載されている。
特開平２-３６７７０号公報

特許文献１に記載されたインバータ装置によれば、誤って交流電源を負荷側端子に接続した場合の保護は可能であるが、平滑コンデンサが何らかの原因で短絡破損した場合には直流母線に流れる過電流を検出することができないので、平滑コンデンサや周辺部品を保護することはできない。

すなわち、交流電源が正しく電源側端子に接続されている状態で、平滑コンデンサが何らかの原因で短絡破損すると直流母線に過大な電流が流れ、このような状態が続くとコンデンサが異常に発熱し、コンデンサ自身の故障を拡大させる可能性があるのに加えて、コンバータ部等の周辺部品が破損して発火する可能性がある。

また、一般に、インバータ装置では平滑コンデンサとして２個以上の電解コンデンサを直列接続しているが、直列接続された電解コンデンサのいずれかが短絡破損した場合、残った電解コンデンサに高電圧が印加されると、内圧の上昇により電解液が外部に漏れ出る恐れがあり、最悪の場合には爆発や発火を招く可能性があるのに加えて、コンバータ部等の周辺部品にダメージを与える可能性もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ部の負荷側端子に誤って交流電源を接続した場合でも過大な電流が流れることを防止するだけでなく、平滑コンデンサが何らかの原因で短絡破損した場合でも、平滑コンデンサの爆発や発火を防止するとともに周辺部品にダメージを与えることを防止することのできるインバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを備えたインバータ装置において、前記平滑コンデンサと直流母線との間に直列に接続した半導体スイッチと、前記半導体スイッチに流れる電流相当量を検出する検出手段と、前記検出手段が過電流を検出したときに前記半導体スイッチを遮断する過電流保護回路とを備えるものとする。

また、上記において、前記半導体スイッチに並列に前記平滑コンデンサの突入電流を抑制する抵抗を設けるものとする。

この発明によれば、平滑コンデンサと直流母線との間に直列に接続した半導体スイッチと、前記半導体スイッチに流れる電流相当量を検出する検出手段と、前記検出手段が過電流を検出したときに前記半導体スイッチを遮断する過電流保護回路とを備えることにより、インバータ部の負荷側端子に誤って交流電源を接続した場合でも過大な電流が流れることを防止することができるとともに、平滑コンデンサが短絡破損した場合にも平滑コンデンサの爆発や発火を防止するとともに周辺部品にダメージを与えることを防止することができる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示すインバータ装置の回路図であり、この図において図６と同一部材については同一の符号を付してその説明を省略する。
１１は直流母線４，５の間に平滑コンデンサ２と直列に接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチ、１２は半導体スイッチ１１に逆並列に接続されたダイオード、１３は半導体スイッチ１１に流れる電流を検出するカレントトランス（ＣＴ）、１４はＣＴ１３で検出した検出電流が予め設定した過電流設定値を超えると半導体スイッチ１１を遮断する信号を出力する過電流保護回路、１５は半導体スイッチ１１の駆動回路である。

このような構成において、電源側端子Ｒ，Ｓ，Ｔに遮断器（不図示）を介して商用交流電源が接続されている正常接続時において、インバータ装置を起動する場合は、スイッチ７をオフした状態で遮断器（不図示）をオンして電源を投入すると、コンバータ部１は直流母線４，５間に整流した電圧を出力する。このとき半導体スイッチ１１はオン状態としており、インバータ装置の起動時には、コンバータ部１から直流母線４、電流制限抵抗６、平滑コンデンサ２、半導体スイッチ１１、直流母線５の経路で充電電流が流れる。この充電経路には電流制限抵抗６が介在しているので過大な電流が流れることはない。そして、平滑コンデンサ２の両端電圧が所定の電圧に達すると、スイッチ７をオンして電流制限抵抗６を短絡する。なお、その後のインバータ装置の通常運転状態では半導体スイッチ１１をオン状態で使用する。

一方、誤って交流電源に繋がる遮断器が負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている誤接続時には、インバータ部３の還流用ダイオードが整流回路として作用して平滑コンデンサ２に過大な充電電流が流れることになるが、ＣＴ１３で検出した検出電流が予め設定された過電流設定値を超えると過電流保護回路１４から遮断信号を駆動回路１５に出力して半導体スイッチ１１を強制遮断する。これによりインバータ部３の負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗに誤って交流電源を接続した場合でも過大な電流が流れることを防止することができる。

また、インバータ装置の通常運転中に何らかの原因で平滑コンデンサ２が短絡破損した場合にも過大な電流が流れることになるが、ＣＴ１３で検出した検出電流が予め設定した過電流設定値を超えると過電流保護回路１４から遮断信号を駆動回路１５に出力して半導体スイッチ１１を強制遮断する。これによりコンバータ部１等の周辺部品にダメージを与える前に安全に停止させることができ、また、平滑コンデンサ２として複数の電解コンデンサを直列接続している場合に直列接続された電解コンデンサのうちのいずれかが短絡破損しても、残された正常な電解コンデンサに高圧が加わって爆発・発火する前に安全に停止させることができる。

図２，３はこの発明の第２の実施の形態を示すインバータ装置の回路図であり、この図において図１と同一部材については同一の符号を付してその説明を省略する。
第２の実施の形態において、図１との違いは、電流制限抵抗６およびスイッチ７からなる初期充電回路に代えて、スイッチング素子１１と並列に第２の電流制限抵抗２１を設けた点である。

このような構成において、電源側端子Ｒ，Ｓ，Ｔに遮断器（不図示）を介して商用交流電源が接続されている正常接続時において、図３に示すように、インバータ装置の起動時に遮断器（不図示）をオンして電源を投入すると、コンバータ部１は直流母線４，５間に整流した電圧を出力する。このとき半導体スイッチ１１はオフ状態としており、コンバータ部１から直流母線４、平滑コンデンサ２、第２の電流制限抵抗２１、直流母線５の経路で充電電流が流れる。この充電経路には第２の電流制限抵抗２１が介在しているので過大な電流が流れることはない。そして、平滑コンデンサ２の両端電圧（直流中間電圧）が所定の電圧Ｖ_dc0に達すると、半導体スイッチ１１をオン状態にして第２の電流制限抵抗２１を短絡し、その後のインバータ装置の通常運転状態では半導体スイッチ１１をオン状態で使用する。この第２の実施の形態によれば、半導体スイッチ１１を図１の初期充電回路のスイッチ７と兼用することができる。

一方、誤って交流電源に繋がる遮断器を負荷側端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている誤接続時には、インバータ部３の還流用ダイオードが整流回路として作用してインバータ部３から直流母線４、平滑コンデンサ２、第２の電流制限抵抗２１、直流母線５の経路で充電電流が流れるが、第２の電流制限抵抗２１により突入電流が抑制されるからインバータ部３を構成する主回路素子を突入電流から保護することができる。

また、インバータ装置を通常運転状態のときに何らかの原因で平滑コンデンサ２が短絡破損した場合にも過大な電流が流れることになるが、ＣＴ１３で検出した検出電流が予め設定した過電流設定値を超えると過電流保護回路１４から遮断信号を駆動回路１５に出力して半導体スイッチ１１の強制遮断を実行するとともに、アラーム出力を行ってインバータ装置の運転を停止する。これによりコンバータ部１等の周辺部品にダメージを与える前に安全に停止させることができ、また、平滑コンデンサ２として複数の電解コンデンサを直列接続している場合に直列接続された電解コンデンサのうちのいずれかが短絡破損しても、残された正常な電解コンデンサに高圧が加わって爆発・発火する前に安全に停止させることができる。

なお、第１，２の実施の形態では、半導体スイッチ１１の電流相当量の検出手段としてカレントトランス（ＣＴ）１３を用いているが、この方法以外にも図４に示す方法でも実現可能である。

図４（ａ）は、半導体スイッチ１１に代えてセンス機能付きのＩＧＢＴ４０としたものであり、主電流を流すエミッタと、この主電流に比例したセンス電流が流れるセンスエミッタ４１とを備え、センスエミッタ４１に直列に接続された抵抗４２の両端の電圧を検出し、この抵抗４２の両端電圧が過電流保護回路１４（図１，２参照）に入力される。過電流保護回路１４では抵抗４２の両端電圧と予め定めた基準電圧との比較を行い、抵抗４２の両端電圧が基準電圧以上になるとＩＧＢＴ４０に過電流が流れていると判断して半導体ＩＧＢＴ４０の強制遮断を行う。

また、図４（ｂ）は、半導体スイッチ１１のエミッタと直流母線５との間にシャント抵抗４５を介挿し、このシャント抵抗４５の両端電圧が過電流保護回路１４（図１，２参照）に入力される。シャント抵抗４５の両端電圧が予め定めた基準電圧以上になると半導体スイッチ１１に過電流が流れていると判断して半導体スイッチ１１の強制遮断を行う。

また、半導体スイッチ１１に流れている電流の検出手段としては、上記以外にも図５に示すようにコレクタ−エミッタ間電圧（Ｖ_CE）を検出することでも実現可能である。
図５は、半導体スイッチ１１の駆動回路の一例を示す回路図であり、Ｅは本回路駆動用電源、５３，５４は半導体スイッチ１１をそれぞれターンオン，ターンオフさせるためのスイッチ素子、５５，５６はターンオン，ターンオフ用のゲート抵抗であり、制御信号Ｓによって動作する。また、半導体スイッチ１１のコレクタに接続されたダイオード５１は、半導体スイッチ１１の過電流検出を目的としたコレクタ−エミッタ間電圧（Ｖ_CE）検出用で、半導体スイッチ１１のオン電圧相当の電位Ｖ₀と過電流設定値Ｖ_CE0とを比較回路５２により比較し、電位Ｖ₀が過電流設定値Ｖ_CE0以上の場合は、比較回路５２の出力がＨになり論理回路５７の出力もＨとなるため、スイッチ素子５３がオフし、スイッチ素子５４がオンする結果、半導体スイッチ１１が強制遮断される。

この発明の第１の実施の形態を示す回路図この発明の第２の実施の形態を示す回路図第２の実施の形態の動作説明図電流検出方式の例を示す回路図半導体スイッチの駆動回路の一例を示す回路図従来のインバータ装置の回路図

符号の説明

１・・・コンバータ部
２・・・平滑コンデンサ
３・・・インバータ部
１１・・・半導体スイッチ
１３・・・ＣＴ
１４・・・過電流保護回路
１５・・・駆動回路

Claims

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを備えたインバータ装置において、
前記平滑コンデンサと直流母線との間に直列に接続した半導体スイッチと、
前記半導体スイッチに流れる電流相当量を検出する検出手段と、
前記検出手段が過電流を検出したときに前記半導体スイッチを遮断する過電流保護回路とを備えることを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、
前記半導体スイッチに並列に前記平滑コンデンサの突入電流を抑制する抵抗を設けることを特徴とするインバータ装置。
請求項１または２に記載のインバータ装置において、前記検出手段はカレントトランスであることを特徴とするインバータ装置。
請求項１または２に記載のインバータ装置において、前記半導体スイッチは主電流を流すエミッタと該主電流に比例したセンス電流が流れるセンスエミッタとを有し、前記検出手段は前記センスエミッタに流れる電流を検出することを特徴とするインバータ装置。
請求項１または２に記載のインバータ装置において、前記検出手段は前記半導体スイッチに接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出することを特徴とするインバータ装置。
請求項１または２に記載のインバータ装置において、前記検出手段は前記半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間電圧を検出することを特徴とするインバータ装置。