JP2014230334A

JP2014230334A - 半導体電力変換装置および直流中間コンデンサの急速放電方法

Info

Publication number: JP2014230334A
Application number: JP2013106501A
Authority: JP
Inventors: 剛士木谷; Takeshi Kitani
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】ハードウエアを追加すること無しにソフトウエア処理のみで、直流中間コンデンサに蓄積された電荷を急速放電させることが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置（インバータ）１において誘導電動機５を駆動する場合には、磁束確立のため、励磁通流（予備励磁）を行うが、その励磁通流の際には幾らかの電力を消費している。本発明の実施形態では、電力変換装置（インバータ）１の点検等のため強制放電モードとなる操作を受け付けた際には急速放電処理ソフトウエア１０を起動させて励磁通流を開始し、直流中間コンデンサ３の両端間における電圧が規定の電圧になるまで故障トリップせず励磁通流を継続することで励磁通流による電力消費を行わせて直流中間コンデンサ３の両端間における電圧を下げるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機をベクトル制御にて駆動する一般的な電力変換装置(インバータ)における直流中間コンデンサの急速放電技術に関する。

メンテナンス、不具合、点検等のために誘導電動機をベクトル制御する一般的な電力変換装置(インバータ)の主電源を落とすことが通用されている。しかしながら、上記電力変換装置(インバータ)には、大容量の直流中間コンデンサが内蔵されているため、主電源を落とした後すぐに半導体インバータへの点検作業に取り掛かかると感電の恐れがあるため迂闊に作業を開始することはできない。

そこで従来は、上記直流中間コンデンサに蓄えられた電荷を放電させるための特別なハードウエア（回路）を半導体インバータに追加して急速放電する方法が採られている。
例えば、下記特許文献１では、電源遮断時において、放電制御回路がフォトモスリレーの一次側の電源供給を遮断してフォトモスリレーの二次側をオンすることにより、フォトモスリレーの二次側と放電抵抗とが直流中間コンデンサ(主回路コンデンサ)に接続されるようにして、直流中間コンデンサ(主回路コンデンサ)の主端子間（主電源線Ｎ１およびＮ２間）の蓄積電荷を放電させるようにしている。

特開２０１３-００９４８６号公報（段落００４４，図１参照）

上記した特許文献１は、放電制御回路の制御によって直流中間コンデンサ(主回路コンデンサ)の電荷を急速放電させるための回路を動作させているため、直流中間コンデンサ(主回路コンデンサ)の電荷を急速放電させる回路を有さない一般的なインバータにおけるメンテナンスや点検に利用するには新たにハードウエアを追加する必要があり、費用が嵩むという問題がある。

そこで本発明の課題は、ハードウエアを追加すること無しにソフトウエア処理のみで、直流中間コンデンサに蓄積された電荷を急速放電させることが可能な半導体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に本発明の半導体電力変換装置は、主電源を整流した後に平滑することで直流電力を得る直流中間コンデンサと、該直流中間コンデンサに蓄積された直流電力を半導体スイッチング装置に供給し、該半導体スイッチング装置の半導体スイッチを動作させることで三相の交流を発生させる半導体インバータと、前記スイッチング装置の半導体スイッチのゲートをＰＷＭ制御するゲートパルスＰＷＭ制御回路と、前記半導体インバータをベクトル制御するベクトル制御手段とを有する半導体電力変換装置において、メンテナンスのため主電源を落とした直後に急速放電指令を前記ベクトル制御手段に印加する急速放電制御手段を備え、該急速放電制御手段は、急速放電動作中に前記半導体インバータの励磁通流を行うとともに前記直流中間コンデンサの両端電圧を検知し、該直流中間コンデンサの両端電圧が規定値以下になるまで前記励磁通流を継続し、前記直流中間コンデンサの両端電圧が規定値以下になったら前記ベクトル制御手段に印加している前記急速放電指令を解除して前記ゲートパルスＰＷＭ制御回路からの前記半導体スイッチへのゲートパルス印加をオフする、ことを特徴とする。

上記において、前記急速放電制御手段は、前記急速放電動作モード中には、前記半導体インバータの励磁通流を行うとともに前記直流中間コンデンサの両端電圧が低下しても故障トリップしないように直流電圧低下故障マスクすることを特徴とする。

また上記において、前記急速放電制御手段は、前記急速放電動作モード中には、前記ベクトル制御手段に前記励磁電流が定格励磁電流以上に流れるよう指示して前記直流中間コンデンサに蓄積された電荷の放電を促すことを特徴とする。

さらに上記において、前記急速放電動作モード中に検出される前記直流中間コンデンサの両端電圧における規定値は、感電の恐れなしに機材に触ることができる値であることが望ましい。

また上記課題を解決するために本発明の直流中間コンデンサの急速放電方法は、メンテナンスのため主電源を落とした後に、急速放電を指令することで急速放電ソフトウエアを起動し、該ソフトウエアの起動により誘導電動機に励磁通流を開始させ、該誘導電動機のコイル巻線及び該誘導電動機間配線の抵抗及び半導体スイッチング素子のスイッチング損失にて電力を消費させて直流中間コンデンサの両端間の電圧を下げさせ、該直流中間コンデンサの両端間の電圧が所定値になるまで前記励磁通流を継続し、前記直流中間コンデンサの両端間の電圧が所定値になったら前記急速放電の指令を解除することを特徴とする。

本発明によれば、半導体インバータの点検のために主電源を落とした後に直流中間コンデンサの両端の電荷を急速放電させるハードウエアを追加すること無しに、主電源を落とした後に急速放電モードとなる操作を受け付けた際にソフトウエア処理を起動し、該ソフトウェアにて半導体電力変換装置における直流中間コンデンサに貯まった電荷を素早く放電することができる。

本発明の実施形態に係る半導体電力変換装置（インバータ）の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る半導体電力変換装置の直流中間コンデンサにおける急速放電の動作フローを示す図である。本発明の実施形態に係る半導体電力変換装置の直流中間コンデンサにおける急速放電のタイムチャートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体電力変換装置（インバータ）の構成を示すブロック図である。図１において、１は誘導電動機(５)をベクトル制御にて駆動する一般的な半導体インバータ、２はダイオードにより構成され三相交流からなる主電源の電流を整流して直流を得るダイオード整流回路、３は整流して直流化された電源の正極と負極間に接続された直流中間コンデンサ、４は例えばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）から成る半導体スイッチング装置、５は誘導電動機、６は直流中間コンデンサ(３)の両端における電圧を検出する直流中間電圧検出部、７は半導体スイッチング装置(４)のゲートに所定の電圧を印加して半導体スイッチを駆動するためのゲート駆動回路、８はゲート駆動回路(７)にＰＷＭ(パルス幅変調)制御するためのパルスを印加するゲートパルスＰＷＭ制御回路、９は半導体インバータをベクトル制御するためのベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）、１０は急速放電モードの操作にて半導体インバータの励磁通流を行い、直流中間コンデンサ(３)の両端電圧が安全な電圧に低下するまで励磁通流を継続し、規定の電圧に低下した後、急速放電モードを開放してパルスオフ（半導体スイッチング装置(４)の半導体スイッチの全てをオフ）を行う急速放電制御ソフトウエア（急速放電制御手段）、１１は急速放電開始スイッチ、１２は電流検出器、である。

なお、急速放電操作とは、電力変換装置１のメンテナンス、点検、部品交換等を行う際に直流中間コンデンサ(３)に貯まった電荷を急速放電するために採られる操作のことを指しており、また１３は急速放電モード中に誘導電動機（５）に流す励磁電流を示す。

図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の直流中間コンデンサにおける急速放電の動作フローを示す図である。図２ではステップを“S”と略記する。図２の説明のために図１を適宜参照するものとする。

図２のステップS1において、電力変換装置１の点検等のために主電源を解放する操作を開始する。そのため、急速放電スイッチ１１を“入”にする。これにより電力変換装置１の直流中間コンデンサに蓄積された電荷は急速放電モードに入る。

上記における操作により急速放電処理ソフトウエア（急速放電制御手段）１０が処理を開始して、ステップS2においてベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９に対して直流電圧検出部６を介する直流電圧低下故障処理をマスクするよう指令する。その一方で、ベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９に予備励磁制御を開始して、ゲートパルスＰＷＭ制御回路８およびゲート駆動回路７を介して半導体スイッチング装置４を動作させて、誘導電動機５の巻線及び該誘導電動機間配線の抵抗及び半導体スイッチング素子（IGBT）のスイッチング損失により電力を消費することで直流中間コンデンサ３に蓄積された電荷を急速放電させて直流中間電圧を下げるようにする。

次いで、ステップS3では、直流中間コンデンサ３の両端間の電圧を直流中間電圧検出部６で検出しその結果をベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９に通知して、直流中間コンデンサ３の両端間の電圧が所定値（感電の恐れなしに機材に触ることができる値）以下であるかをベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９に検出させる。

ステップS4では、ベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９が直流中間電圧検出部６で検出した電圧が所定値以下になったことを検出したところで予備励磁制御を停止する。それに伴い、ゲートパルスＰＷＭ制御回路８およびゲート駆動回路７を介する半導体スイッチング装置４のゲートへのパルス送出を停止する。それにより急速放電モードが終了し、電力変換装置１の点検等を安全に行うことが可能となる。

図１および図２を用いて本発明の実施形態に係る電力変換装置の直流中間コンデンサにおける急速放電の動作をさらに詳しく説明する。
電力変換装置１に入力された主電源（三相交流電源）の電圧は、ダイオード整流回路２によって、直流電圧に整流される。ダイオード整流回路２で整流された電圧は、直流中間コンデンサ３によって平滑される。直流中間コンデンサ３で平滑された直流電圧が、半導体スイッチング装置４に入力される。半導体スイッチング装置４は、入力された直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）されたパルス列の三相交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換し、誘導電動機５を駆動する。

ＰＷＭ制御は、ベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）９によって行われる。ベクトル手段９は、誘導電動機５を駆動するためのトルク電流指令と励磁電流指令および電流検出器１２で検出される誘導電動機５の入力電流とに基づいて、ベクトル制御演算を行う。ベクトル制御演算の結果は、半導体スイッチング装置４の出力電圧指令となる変調信号として出力される。ゲートパルスＰＷＭ制御回路８は、変調信号と基準となる三角波キャリア信号との大小を比較して、ＰＷＭ信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号は、ゲート駆動回路７で、半導体スイッチング装置４を構成する半導体スイッチ(例．IGBT)のゲート駆動信号に変換される。半導体スイッチング装置４を構成する各半導体スイッチ(例．IGBT)は、このゲート駆動信号に基づいてオンオフ動作をする。その結果、半導体スイッチング装置４から、パルス幅変調（ＰＷＭ）されたパルス列の三相交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが出力されて誘導電動機５に入力される。

電力変換装置１は、誘導電動機５を停止状態からスムーズに起動させるため、誘導電動機５の磁束を確立するための励磁通流（予備励磁）を行う。予備励磁は、電流検出器１２で検出される誘導電動機５の入力電流において、トルク電流がゼロ、励磁電流が所定値になるように半導体スイッチング装置４の出力電圧を制御する技術として当業者に公知である（必要なら、特開2007-215260号公報、特開平11-285300号公報等を参照）。

この予備励磁制御を行うと、誘導電動機５は回転しないで、磁束のみが所定値に立上る。その後、トルク電流を所定の時間特性で立ち上げると、誘導電動機５をスムーズに起動させることができる。この予備励磁制御の際、半導体スイッチング装置４では、半導体スイッチ(例．IGBT)に電流が流れることによる通電損失と、半導体スイッチ（例．IGBT）がオンオフ動作をすることによるスイッチング損失が発生する。また、誘導電動機５に電流が流れることにより、誘導電動機５の巻線等でも通電損失が発生する。

本発明では、電力変換装置１が、メンテナンスや点検等のために、主電源が開放され且つ急速放電操作を受け付けた際、急速放電処理ソフトウエア処理(急速放電制御手段)１０により誘導電動機５の予備励磁を行って直流中間コンデンサ３の電圧を所定値まで低下させるようにしている。すなわち、急速放電操作がなされたとき（スイッチ１１が投入されたとき）、急速放電処理ソフトウエア（急速放電制御手段）１０は、ベクトル制御ソフトウエア(ベクトル制御手段)９に対して、急速放電指令を出力する。

図１では、急速放電処理ソフトウエア処理(急速放電制御手段)１０は、電力変換装置１の外部機能として記載しているが、電力変換装置１が内部に備える機能であってもよい。急速放電指令を受けたベクトル制御ソフトウエア(ベクトル制御手段)９は、起動時と同様に、トルク電流をゼロ、励磁電流を所定値として、励磁電流(予備励磁)のための電流指令を出力する。この電流指令に基づいて半導体スイッチング装置４が動作することにより、直流中間コンデンサ３から半導体スイッチング装置４を介して、誘導電動機５に三相の交流電流Ｕ，Ｖ，Ｗが流れる。このとき半導体スイッチング装置４から出力されるパルス幅変調された電圧は、所定の励磁電流を流すために必要なパルス幅となっている。なお、直流中間コンデンサ３の電荷を急速に放電させるためには、急速放電モード時における半導体インバータへの励磁電流（予備励磁）を定格励磁電流以上流すことが望ましい。

直流中間コンデンサ３に電力を給電するための主電源は電力変換装置１から開放されているため、直流中間コンデンサ３に蓄えられている電荷（エネルギー）が、半導体スイッチング装置４および誘導電動機５で消費される。その結果、直流中間コンデンサ３の電圧を所定値まで低下させることができる。

なお、電力変換装置１が安定に動作するためには、直流中間コンデンサ３の電圧が所定値以上である必要がある。そのため、電力変換装置１は、直流中間コンデンサ３の電圧が所定値以下に低下したときにその動作を停止するための保護機能として、図示しない直流電圧低下検出手段をベクトル制御ソフトウエア(ベクトル制御手段)９内に備えるようにしている。直流電圧低下検出手段の出力は、ＰＷＭ制御回路８に入力され、半導体スイッチング装置４のすべての半導体スイッチ(例．IGBT)のゲート信号を、強制的にオフにする。すなわち、直流電圧低下検出手段が直流中間コンデンサ３の電圧低下を検出すると、半導体スイッチング装置４は動作することができない。そこで、急速放電操作がされたときは、直流中間コンデンサ３の電圧低下を検出しないように、急速放電処理ソフトウエア処理(急速放電制御手段)１０はベクトル制御ソフトウエア(ベクトル制御手段)９に対して直流電圧検出部６を介する直流電圧低下故障処理をマスクするよう指令する。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の直流中間コンデンサにおける急速放電のタイムチャートを示す図である。
図３において、（イ）は、急速放電開始スイッチにおける“スイッチ入”のタイミングを示している。（ロ）は、上記急速放電開始スイッチの“スイッチ入”に応じて、急速放電開始モード入りになるタイミングを示している。

（ハ）は、上記（ロ）の急速放電開始モード入りに応じて、直流電圧低下故障マスクにおけるマスクが開始されるタイミングを示している。（ニ）は、上記（ハ）の直流電圧低下故障マスクの開始に応じて、励磁電流が流れる様子を示している。そして（ホ）は、上記（ニ）の励磁電流が流れることに応じて、直流中間コンデンサの両端間の直流電圧が急速に減少してやがて規定値に到達する様子を示している。

このようにして規定値に到達した後であれば、インバータの点検作業を始めても直流電圧の値が安全で感電の恐れなしに作業を進めることが可能となる。

１半導体電力変換装置（インバータ）
２ダイオード整流回路
３直流中間コンデンサ
４半導体スイッチング装置（例．IGBT）
５誘導電動機
６直流中間電圧検出部
７ゲート駆動回路
８ゲートパルスＰＷＭ制御回路
９ベクトル制御ソフトウエア（ベクトル制御手段）
１０急速放電制御ソフトウエア（急速放電制御手段）
１１急速放電開始スイッチ
１２電流検出器
１３励磁電流

Claims

主電源を整流した後に平滑することで直流電力を得る直流中間コンデンサと、該直流中間コンデンサに蓄積された直流電力を半導体スイッチング装置に供給し、該半導体スイッチング装置の半導体スイッチを動作させることで三相の交流を発生させる半導体インバータと、前記スイッチング装置の半導体スイッチのゲートをＰＷＭ制御するゲートパルスＰＷＭ制御回路と、前記半導体インバータをベクトル制御するベクトル制御手段とを有する半導体電力変換装置において、
メンテナンスのため主電源を落とした直後に急速放電指令を前記ベクトル制御手段に印加する急速放電制御手段を備え、
該急速放電制御手段は、急速放電動作中に前記半導体インバータの励磁通流を行うとともに前記直流中間コンデンサの両端電圧を検知し、該直流中間コンデンサの両端電圧が規定値以下になるまで前記励磁通流を継続し、前記直流中間コンデンサの両端電圧が規定値以下になったら前記ベクトル制御手段に印加している前記急速放電指令を解除して前記ゲートパルスＰＷＭ制御回路からの前記半導体スイッチへのゲートパルス印加をオフする、
ことを特徴とする半導体電力変換装置。
前記急速放電制御手段は、前記急速放電動作モード中には、前記半導体インバータの励磁通流を行うとともに前記直流中間コンデンサの両端電圧が低下しても故障トリップしないように直流電圧低下故障マスクすることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
前記急速放電制御手段は、前記急速放電動作モード中には、前記ベクトル制御手段に前記励磁電流が定格励磁電流以上に流れるよう指示して前記直流中間コンデンサに蓄積された電荷の放電を促すことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
前記急速放電動作モード中に検出される前記直流中間コンデンサの両端電圧における規定値は、感電の恐れなしに機材に触ることができる値であることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
メンテナンスや点検の為に主電源を落とした後に、急速放電を指令することで急速放電ソフトウエアを起動し、該ソフトウエアの起動により誘導電動機に励磁通流を開始させ、該誘導電動機のコイル巻線及び該誘導電動機間配線の抵抗及び半導体スイッチング素子のスイッチング損失にて電力を消費させて直流中間コンデンサの両端間の電圧を下げさせ、該直流中間コンデンサの両端間の電圧が所定値になるまで前記励磁通流を継続し、前記直流中間コンデンサの両端間の電圧が所定値になったら前記急速放電の指令を解除することを特徴とする直流中間コンデンサの急速放電方法。