JP2014054089A

JP2014054089A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014054089A
Application number: JP2012197258A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Matsumoto; 和則松本; Junji Ozawa; 順二小澤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP5828818B2

Abstract

【課題】単位インバータ内の直流電圧検出回路が故障しても、運転を継続することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源１に接続された入力変圧器２と、この各々の２次巻線に接続され、３相直列多重電力変換器を構成するようにした３Ｎ台の単位インバータ３と、単位インバータ３の直流電圧を検出する直流電圧検出器３４と、各々の単相インバータ３の出力電圧を制御する電圧制御手段５とで構成する。電圧制御手段５は、３Ｎ台の直流電圧検出器の出力をフィードバックして３相直列多重電力変換器を運転制御すると共に、３Ｎ台の直流電圧検出器３４のうち、１台が異常となったとき、この異常となった直流電圧検出器３４の出力を、当該異常直流電圧検出器を有する単位インバータ３が接続されている入力変圧器２の２次巻線と等価なインピーダンスを持つ対応２次巻線に接続された単位インバータ３内の直流電圧検出器３４の出力に切替える。
【選択図】図１

Description

この発明は、各々直流電圧検出器を有する単相インバータを複数個直列に接続して各相を構成した電力変換装置に関する。

交流電圧を直流電圧に変換し、任意の周波数の交流電圧に変換する直列多重方式の電力変換装置において、各単位インバータの直流電源は交流電源から整流して得ているが、接続する変圧器の２次側のインピーダンスのばらつきにより電力変換装置を構成する単位インバータの直流電圧には差が生じて、その影響により装置出力側の各相の出力電圧電流にアンバランスが生じる。そのアンバランスの問題を解消するために各単位インバータの直流電圧を検出して、検出した直流電圧をアンバランス補正のフィードバック制御に応用することが考えられる（例えば特許文献１参照。）。

特開２００６−２７１０４５号公報（図１）

直列多重の電力変換装置では、直流電圧検出回路は各単位インバータ毎に設ける必要があるため、検出回路の数が多く検出回路が故障する可能性が高くなり、故障の場合アンバランスを補正できなくなる等、運転継続できなくなるという問題があった。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、単位インバータ内の直流電圧検出回路が故障しても、運転を継続することが可能な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に、本発明の電力変換装置は、１次側が交流電源に接続され、３Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器と、前記各々の２次巻線に接続され、３相整流回路と直流平滑コンデンサと、直流を単相交流に変換する単相インバータ回路とから成り、Ｎ台の単相交流出力を直列接続して１相を得て３相直列多重電力変換器を構成するようにした３Ｎ台の単位インバータと、前記各々の直流平滑コンデンサに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出器と、前記各々の単相インバータ回路の出力電圧を制御する共通の電圧制御手段とを具備し、前記電圧制御手段は、前記３Ｎ台の直流電圧検出器の出力をフィードバックして前記３相直列多重電力変換器を運転制御すると共に、前記３Ｎ台の直流電圧検出器のうち、１台が異常となったとき、この異常となった直流電圧検出器の出力を、当該異常直流電圧検出器を有する単位インバータが接続されている前記入力変圧器の２次巻線と等価なインピーダンスを持つ対応２次巻線に接続された単位インバータ内の直流電圧検出器の出力に切替えることを特徴としている。

この発明によれば、単位インバータの直流電圧検出回路が故障しても運転を継続することが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。電力変換装置を構成する単位インバータの内部構成図。データ切換え回路の周辺を詳細に示す回路構成図。直流電圧検出器異常検出回路の内部構成図。本発明の実施例１に係る相バランス補正回路の内部構成図。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２に係る過電圧防止制御回路の内部構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を、図１を参照して説明する。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。

３相電源１から２次側に３Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の巻線を持った入力変圧器２に３相交流電力を供給する。図１はＮ＝３の場合を示している。入力変圧器２の各々の２次巻線からの３相交流電力を夫々単位インバータ３（３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３）へ供給する。単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３の単相出力、単位インバータ３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３の単相出力、並びに単位インバータ３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３の単相出力は夫々直列に接続されてＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電圧を形成し、これらの直列接続体の一方を中性点として互いに接続し、他方を３相の交流電動機４の３相入力端子に接続することにより、複数台の単位インバータから成る多重電力変換器が交流電動機４に３相交流電力を供給する。

その詳細を後述する電圧制御回路５においては、電力変換装置の出力電圧が所定の電圧指令５８となるように補正電圧指令Ｖu*、Ｖv*、Ｖw*を決定し、これをＰＷＭ制御回路６０に出力する。ＰＷＭ制御回路６０は出力電圧指令に対応した出力電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwを発生するように各単位インバータを構成するスイッチング素子に与えるゲート信号を出力し、これらのスイッチング素子をオン・オフ制御する。また、３相電源１の電圧は、計器用変圧器６によって検出され、電圧制御回路５に与えられている。

図２は図１に示した単位インバータ３の内部構成図である。入力変圧器２の２次巻線からの交流電力をダイオード整流回路３１及び直流平滑コンデンサ３３によって直流電力に変換し、さらに単相インバータ回路３２で任意の周波数、電圧を持った単相交流に変換する。単相インバータ回路３２は各々スイッチング素子を有する２つの正側アームと２つの負側アームをブリッジ接続して構成する。直流平滑コンデンサ３３の両端の電圧は電圧検出器３４によって検出され図１の電圧制御回路５に供給される。

以下、図１の電圧制御回路５の内部構成について説明する。

各々の単位インバータ３の電圧検出器３４で検出された直流電圧検出値VdcfU1〜VdcfU3、VdcfV1〜VdcfV3、VdcfW1〜VdcfW3は、直流電圧検出バッファ５１に保存されると同時に置換データバッファ５２にも保存される。その詳細を後述する直流電圧検出器異常検出回路５４で故障が検出されてない場合には、直流電圧検出バッファ５１の値がデータ切換回路５３を介して直流電圧バッファ５５に送られるが、直流電圧検出器異常検出回路５４で故障が検出された場合には、故障ユニット番号がデータ切換え回路５３に送られ、このユニット番号に従い、当該ユニット番号に対応する他のユニット番号の置換データバッファ５２における保存値が選択され直流電圧バッファ５５に送られる。

直流電圧バッファ５５の出力から各々の相を構成する単位インバータの直流電圧の和を各相毎に電圧加算回路５６で求めて各相直流電圧として相バランス補正回路５７に与える。相バランス補正回路５７は、電圧指令５８の指令を電圧指令３相変換回路を介して得られた３相の電圧指令を、各相直流電圧のアンバランス分に基づいて補正する。すなわち、結果として各相の単位インバータの出力電圧がバランスするようなアンバランスな補正電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を相バランス補正回路５７が出力し、これをＰＷＭ制御回路６０に送信して単位インバータのゲートパルス幅を得る。

以下、図３を用いて前記直流電圧検出器異常時のデータ切換え処理の一例を説明する。図３はデータ切換え回路５３の周辺を詳細に示す回路構成図である。

単位インバータ３の直流電圧は、入力側に接続された多巻線の入力変圧器２の２次巻線のインピーダンス（％ＩＺ）により電圧降下して直流平滑コンデンサ３３に充電されるが、このインピーダンスは、入力変圧器２の１次−２次巻線間の位置関係で決まる磁気的な結合の強弱によってその大小が決まる。すなわち、結合が弱いほど％ＩＺは大きく、強いほど％ＩＺは小さくなる。そのため多巻線の入力変圧器２の２次巻線においては、鉄心の長手方向の両側の端部に配設された（１次−２次の磁気的結合が弱い）巻線では％ＩＺが大きく、鉄心の長手方向の中央部に配置された磁気的結合の強い巻線ほど％ＩＺは小さくなる。すなわち、鉄心の中央部に対し、長手方向両側の巻線の％ＩＺの大きさは、中心に対して線対称の関係にあるため、１a、2a、…Na、 1b、2b、…Nb、1c、2c、…Ncの３×Ｎ巻線変圧器の場合、各巻線の２次側インピーダンスIzは、1a≒Nc、 2a≒(N-1)c，3a≒(N-2)c…１b≒Nb、2b≒(N-1)bとなる対称性があり、従って各巻線から充電される単位インバータの直流電圧も基本的にこの対称性を持っている。この対称性を利用するため、直流電圧検出バッファ５１には単位インバータが接続されている入力変圧器２の鉄心の長手方向の一方の端部から他方の端部に向かって１a、2a、…Na、 1b、2b、…Nb、1c、2c、…Ncの順に直流電圧を保存し、置換データバッファには逆方向にNc、(N-1)c、…1c、Nb、(N-1)b…1b、Na、(N-1)a、…、1aの順に保存する。正常時には直流電圧検出バッファ５１の値はそのまま直流電圧バッファ５５に送られるが、直流電圧検出器故障検出回路５４において直流電圧検出値に異常を検知した場合、直流電圧検出器故障検出回路５４は検出器異常単位インバータ番号をデータ切換え回路５３に出力し、置換データバッファ５２の値の中から検出器異常単位インバータ番号に該当する順に保存されているデータを選択して直流電圧バッファ５５に送って制御用に使用する。すなわち、直流電圧検出バッファ５１に入力された故障信号を、当該故障単位インバータと等価なインピーダンスを有する２次巻線に接続された単位インバータの正常な直流電圧信号に切替える。また、図３に示すように２次巻線数が奇数の場合、中央の巻線に接続された単位インバータは対称相手を持たないため、前後に隣接する２個の２次巻線に接続された２台の単位インバータの直流電圧検出値の平均値を平均演算回路６１で演算して置き換える。尚、この場合、対と成る単位インバータの何れかの検出回路が異常となった場合、置換えることはできないため、上記の置き換えは行わない。

次に、図４を用いて直流電圧検出器異常検出回路５４の内部構成の一例を説明する。計器用変圧器６によって検出された交流電圧は、直流電圧演算回路５４１に与えられる。直流電圧演算回路５４１は、電圧検出器３４が検出するであろう直流電圧を演算によって求める。すなわち、計器用変圧器６の入力線間電圧×√２により直流電圧演算値を求める。直流電圧入力切換回路５４２により順に単位インバータの直流電圧検出値と前述の直流電圧演算値との差をとり、これを絶対値回路５３４によって絶対値に変換し、比較器５４４に与える。比較器５４４においてはこれらの絶対値を次々と直流電圧検出器故障判定基準５４５の値と比較し、差の絶対値が所定値を超えたとき、警報表示回路５４６に表示すると共に、直流電圧検出器故障ユニット番号メモリ５４７に保存してこの値を前記データ切換え回路５３に送信する。

次に図５を参照して相アンバランス制御回路５７の内部構成の一例を説明する。直流電圧演算回路５４１の出力である直流電圧演算値は直流電圧の平均値を示していると考えられ、この値と各相の直流電圧検出値の比を相毎に除算器５７１で除算し、得られた比を相毎に各相の電圧指令と乗算器５７２で乗算する。これにより各相の補正電圧指令Ｖu*、Ｖv*、Ｖw*を得てＰＷＭ制御回路６０に与える。上記の直流電圧演算値に代えて、直流電圧バッファ５５の各出力の平均を求めるようにしても良いことは明らかである。

図６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、相バランス補正回路５７を省くと共に、電圧加算回路５６の各相出力を平均値回路６２に与え、この出力を過電圧防止制御回路６３に与え、過電圧防止制御回路６３の出力を電圧指令５８の出力に加算するようにした点である。

図７に過電圧防止制御回路６３の内部構成図の一例を示す。交流電動機４が回生運転となった場合、回生エネルギーが単位インバータ３の直流平滑コンデンサ３３を充電するため直流電圧が上昇する。このとき、過電圧防止制御回路６３において、平均値回路６２で検出された直流電圧検出値と直流電圧目標値とを比較器６３２で比較し、この差が正の値を取る場合、すなわち直流電圧検出値が直流電圧目標値より大きくなった場合、ＰＩ制御回路６３１の制御動作を開始して電圧指令補正値を電圧指令５８の電圧指令出力に加える。これによって、交流電動機４の端子電圧と単位インバータ３の合成出力電圧の差が小さくなるので、回生エネルギーによる直流平滑コンデンサ３３への充電が抑えられ、直流電圧が過電圧となることを防止することが可能となる。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

実施例１及び実施例２は直流電圧フィードバックを制御に使用する例としてとりあげたものであり、バランス補正制御、過電圧防止制御に限らず、個別に直流電圧を検出して電力変換装置の運転制御に用いているものであれば本発明は有効である。

また、２次巻線のインピーダンス（％ＩＺ）を入力変圧器２の鉄心の長手方向の位置関係で決めるように記述したが、入力変圧器２の各々の２次巻線のインピーダンスを予め実測して求めるようにしても良い。

１交流電源
２入力変圧器
３単位インバータ
４交流電動機
５電圧制御回路
６計器用変圧器
５置換データバッファ
３１ダイオード整流回路
３２単相インバータ回路
３３直流平滑コンデンサ
３４直流電圧検出回路
５２置換データバッファ
５３データ切換回路
５４直流電圧検出器異常検出回路
５５直流電圧バッファ
５６電圧加算回路
５７相バランス補正回路
５８電圧指令
５９電圧指令３相変換回路
６０ＰＷＭ制御回路
６１平均回路
６２平均値回路
６３過電圧防止制御回路
５４１直流電圧演算回路
５４２直流電圧入力切換回路
５４３絶対値回路
５４４比較器
５４５直流電圧検出器故障判定基準
５４６警報表示回路
５４７検出器故障ユニット番号メモリ
５７１除算回路
５７２乗算回路
６３１ＰＩ制御回路
６３２比較器

Claims

１次側が交流電源に接続され、３Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器と、
前記各々の２次巻線に接続され、３相整流回路と直流平滑コンデンサと、直流を単相交流に変換する単相インバータ回路とから成り、Ｎ台の単相交流出力を直列接続して１相を得て３相直列多重電力変換器を構成するようにした３Ｎ台の単位インバータと、
前記各々の直流平滑コンデンサに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出器と、
前記各々の単相インバータ回路の出力電圧を制御する共通の電圧制御手段と
を具備し、
前記電圧制御手段は、
前記３Ｎ台の直流電圧検出器の出力をフィードバックして前記３相直列多重電力変換器を運転制御すると共に、前記３Ｎ台の直流電圧検出器のうち、１台が異常となったとき、この異常となった直流電圧検出器の出力を、当該異常直流電圧検出器を有する単位インバータが接続されている前記入力変圧器の２次巻線と等価なインピーダンスを持つ対応２次巻線に接続された単位インバータ内の直流電圧検出器の出力に切替えることを特徴とする電力変換装置。
前記対応２次巻線は、
前記異常直流電圧検出器を有する単位インバータが接続されている前記入力変圧器の２次巻線の巻装位置に対し、前記入力変圧器の鉄心の長手方向の中心に対して線対称の位置に巻装された２次巻線であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
Ｎが奇数で且つ、前記異常直流電圧検出器を有する単位インバータが接続されている前記入力変圧器の２次巻線が前記入力変圧器の鉄心の長手方向の中心位置にあるとき、前記対応２次巻線は、当該２次巻線に隣接した位置にある２つの２次巻線とし、前記異常直流電圧検出器の出力を、これら２つの２次巻線の各々の直流電圧検出器の平均値に切替えることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記単位インバータの直流電圧の平均値を求める手段を有し、
前記直流電圧の平均値と各々の前記直流電圧検出器の検出値を順次比較し、その差が所定値を超えたとき当該直流電圧検出器を異常と判断するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記単位インバータの直流電圧の平均値を求める手段を有し、
この直流電圧の平均値と、前記３相直列多重電力変換器の各相毎の前記直流電圧検出器の加算値の各々の比を前記３相直列多重電力変換器の各相の電圧指定に夫々乗算して補正する相バランス補正手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記直流電圧検出器の加算値が所定の閾値を越えたとき、前記３相直列多重電力変換器の電圧指令に対して補正値を加算する過電圧防止制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力変換装置。