JP2022126987A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to power converters.
発電機や電動機といった回転機と、回転機を駆動する電力変換装置と、を備えた回転機駆動システムが知られている。電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して回転機に供給することにより、回転機を駆動する変換器と、変換器の動作を制御する制御部と、を備える。こうした回転機駆動システムにおいて、何らかの事故が生じ、電力変換装置が保護停止すると、回転機からのエネルギーの流入により、過電圧となり、回転機及び電力変換装置の故障につながってしまう可能性がある。 A rotating machine drive system is known that includes a rotating machine such as a generator or an electric motor, and a power conversion device that drives the rotating machine. The power conversion device includes a converter that drives the rotating machine by converting DC power into AC power and supplying the AC power to the rotating machine, and a control unit that controls the operation of the converter. In such a rotary machine drive system, if an accident occurs and the power conversion device is stopped for protection, the inflow of energy from the rotary machine may cause overvoltage, leading to failure of the rotary machine and the power conversion device.
例えば、回転体は、慣性(イナーシャ)があるので、ダイオード整流などを介して電力変換装置へとエネルギーが流入する。また、巻線型の誘導機の一次回路で地絡や短絡事故が発生すると、二次回路に過大な電圧が発生する。 For example, since the rotating body has inertia, energy flows into the power converter via diode rectification or the like. Also, if a ground fault or short-circuit occurs in the primary circuit of a wound-rotor induction machine, an excessive voltage is generated in the secondary circuit.
このように、何らかの事故が生じ、電力変換装置が保護停止すると、上記の要因などにより、回転機及び電力変換装置において、過電圧による故障が発生する可能性がある。また、この過電圧に耐えるように回転機及び電力変換装置を設計すると、回転機及び電力変換装置が大きくなってしまう。 In this way, if an accident occurs and the power conversion device is stopped for protection, there is a possibility that failure due to overvoltage will occur in the rotating machine and the power conversion device due to the factors described above. Moreover, if the rotating machine and the power converter are designed to withstand this overvoltage, the rotating machine and the power converter become large.
こうした過電圧の対策として、電力変換装置において、変換器と並列に過電圧保護回路を接続することが提案されている。過電圧保護回路は、回転機と変換器との間の交流電力線に接続され、過電圧の検出に応じて交流電力線の線間を短絡させることにより、過電圧を抑制し、回転機及び電力変換装置を過電圧から保護する。これにより、回転機及び電力変換装置の絶縁設計を最適化し、回転機及び電力変換装置の大型化を抑制することができる。 As a countermeasure against such overvoltage, it has been proposed to connect an overvoltage protection circuit in parallel with the converter in a power converter. The overvoltage protection circuit is connected to the AC power line between the rotating machine and the converter, and short-circuits the lines of the AC power line in response to detection of overvoltage to suppress the overvoltage and prevent the rotating machine and the power converter from overvoltage. protect from As a result, it is possible to optimize the insulation design of the rotating machine and the power converter, and to suppress the enlargement of the rotating machine and the power converter.
しかしながら、過電圧保護回路は、回転機の短絡電流に耐える必要があるため、大きな電流容量が必要である。このため、過電圧保護回路を設ける構成では、過電圧保護回路による電力変換装置全体の大型化や製造コストの増加を招いてしまう可能性がある。 However, since the overvoltage protection circuit must withstand the short-circuit current of the rotating machine, it requires a large current capacity. Therefore, in a configuration in which an overvoltage protection circuit is provided, there is a possibility that the overvoltage protection circuit will increase the overall size of the power converter and increase the manufacturing cost.
さらに、電力変換装置の寿命内に過電圧保護回路が動作することは、稀であり、使用頻度の低い回路のために装置全体の大型化やコスト増を招いてしまうことは、費用対効果の面において効率が悪い。このため、電力変換装置では、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できるようにすることが望まれる。 Furthermore, it is rare for the overvoltage protection circuit to operate within the life of the power conversion device, and the increase in the size and cost of the entire device due to the infrequently used circuit is cost-effective. inefficient in For this reason, it is desired that the power conversion device be able to suppress failures due to overvoltage with a simpler configuration.
本発明の実施形態は、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できる電力変換装置を提供する。 An embodiment of the present invention provides a power converter that can suppress failures due to overvoltage with a simpler configuration.
本発明の実施形態によれば、回転機に交流電力を供給する電力変換装置であって、電荷蓄積素子に接続されるとともに、交流電力線を介して前記回転機と接続され、前記電荷蓄積素子から供給された直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記回転機に供給する変換器と、前記変換器による電力変換の動作を制御する制御部と、前記変換器の過電圧を検出し、検出結果を前記制御部に入力する過電圧検出回路と、を備え、前記変換器は、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電力の変換を行い、前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子を有し、前記一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、前記一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替え、前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御することにより、前記変換器による電力変換の動作を制御するとともに、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御する電力変換装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a power conversion device that supplies AC power to a rotating machine, is connected to a charge storage element, is connected to the rotating machine via an AC power line, and is connected to the rotating machine via an AC power line. a converter that converts the supplied DC power into AC power and supplies the AC power to the rotating machine; a control unit that controls the operation of power conversion by the converter; an overvoltage of the converter; and an overvoltage detection circuit for inputting a detection result to the control unit, wherein the converter includes a plurality of switching elements and a plurality of rectifying elements connected in anti-parallel to each of the plurality of switching elements. an ON state in which electric power is converted by switching the plurality of switching elements, the plurality of switching elements having a pair of main terminals and allowing current to flow between the pair of main terminals; and an off state that cuts off current flow between a pair of main terminals, and the control unit controls switching of the plurality of switching elements between the on state and the off state, thereby causing the converter to In addition to controlling the operation of power conversion, after turning off the plurality of switching elements, when an overvoltage is detected by the overvoltage detection circuit, the lines of the AC power line are short-circuited. A power conversion device is provided that controls switching between the ON state and the OFF state of a switching element.
より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できる電力変換装置が提供される。 A power conversion device is provided that can suppress failures due to overvoltage with a simpler configuration.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each portion, the size ratio between portions, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Also, even when the same parts are shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawing.
In addition, in the present specification and each figure, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with respect to the already-appearing figures, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る回転機駆動システムを模式的に表すブロック図である。
図1に表したように、回転機駆動システム2は、回転機4と、電力変換装置10と、を備える。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a rotating machine drive system according to an embodiment.
As shown in FIG. 1 , the rotating
回転機4は、電力変換装置10からの交流電力の供給によって回転子を回転させる。回転機4は、例えば、同期電動機や誘導機などである。回転機4は、これらに限ることなく、交流電力の供給によって回転子を回転させることができる任意の電動機や発電機などでよい。
The
電力変換装置10は、変換器12と、電荷蓄積素子14と、制御部16と、過電圧検出回路18と、を備える。電力変換装置10は、回転機4に交流電力を供給する。
The
変換器12は、回転機4及び電荷蓄積素子14と接続されている。電荷蓄積素子14は、変換器12に直流電力を供給する。電荷蓄積素子14は、例えば、コンデンサである。但し、電荷蓄積素子14は、変換器12に直流電力を供給可能な任意の素子でよい。
The
変換器12は、交流電力線21~23を介して回転機4と接続されている。なお、図1では、便宜的に、交流電力線21~23のインダクタンス成分をインダクタンス成分21L~23Lとして図示している。また、事故時電流を抑制するために、交流電力線21~23の経路上に交流リアクトルを設けてもよい。事故時に変換器12に流入する電流は、交流電力線21~23の相電流をI、相電圧をV、交流電力線21~23のインダクタンスをLとする時、I=V/(ωL)の式により、導出することができる。交流リアクトルを設けた場合、交流電力線21~23のインダクタンスLは、電力線の寄生インダクタンスと交流リアクトルのインダクタンスとの合計のインダクタンスである。交流電力線21~23のインダクタンスL(交流リアクトルのインダクタンス)を大きくすると事故時の電流を抑制することができるが、定常運転時のインダクタンスLでの電圧降下も大きくなり、変換器容量が増加してしまう。このため、交流リアクトルを設ける場合には、事故時電流の大きさや定常運転時の状態などを考慮し、インダクタンスを適切に設定する必要がある。
変換器12は、電荷蓄積素子14から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を交流電力線21~23を介して回転機4に供給することにより、回転機4の回転子を回転駆動する。変換器12は、例えば、電荷蓄積素子14から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を回転機4に供給する。但し、変換器12から回転機4に供給する交流電力は、三相交流電力に限ることなく、単相交流電力などでもよい。この場合、交流電力線の数は、2本でよい。
The
また、変換器12は、例えば、回転機4側から流入する交流電力を直流電力に変換し、直流電力を電荷蓄積素子14に供給することにより、電荷蓄積素子14を充電する。但し、変換器12は、少なくとも回転機4に交流電力を供給可能に構成されていればよい。電荷蓄積素子14は、例えば、充電回路や別の直流回路などからの直流電力の供給によって充電してもよい。
Further, the
制御部16は、変換器12と接続されている。制御部16は、変換器12による電力変換の動作を制御する。制御部16は、例えば、ネットワークなどを介して上位のコントローラと接続され、通常動作においては、上位のコントローラから入力される制御信号に基づいて変換器12の動作を制御する。これにより、制御部16は、例えば、制御信号に応じた回転数で、回転機4の回転子を回転させる。制御部16の構成は、これに限ることなく、例えば、内部に予め設定された情報に基づいて変換器12の動作及び回転機4の回転子の回転を制御する構成でもよいし、制御部16に接続された操作部などから入力される指令に基づいて変換器12の動作及び回転機4の回転子の回転を制御する構成などでもよい。制御部16の構成は、変換器12による電力変換の動作を制御可能な任意の構成でよい。
The
過電圧検出回路18は、変換器12の過電圧を検出する。過電圧検出回路18は、例えば、変換器12と回転機4との間の交流電力線21~23に接続され、交流電力線21~23の線間電圧を検出する。換言すれば、過電圧検出回路18は、変換器12から回転機4に供給される交流電力の線間電圧を検出する。過電圧検出回路18は、検出した線間電圧が所定の閾値以上である場合に、変換器12の過電圧を検出する。過電圧検出回路18は、変換器12から回転機4に供給される交流電力が三相交流電力である場合には、各相のそれぞれに対応する3つの線間電圧を検出し、3つの線間電圧のいずれか1つでも閾値以上となった場合に、変換器12の過電圧を検出する。過電圧検出回路18は、制御部16と接続されている。過電圧検出回路18は、過電圧の検出結果を制御部16に入力する。
図2は、実施形態に係る変換器の一例を模式的に表すブロック図である。
図2に表したように、変換器12は、複数のスイッチング素子SW1~SW6と、複数の整流素子D1~D6と、を有する。
FIG. 2 is a block diagram schematically showing an example of a converter according to the embodiment;
As shown in FIG. 2, the
変換器12は、例えば、三相ブリッジ接続された6つのスイッチング素子SW1~SW6を有する。変換器12は、例えば、2レベル変換器である。変換器12は、複数のスイッチング素子SW1~SW6のスイッチングにより、電力の変換を行う。
The
スイッチング素子SW1~SW6には、例えば、GTO(Gate Turn Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子(自己消弧素子)が用いられる。スイッチング素子SW1~SW6は、例えば、一対の主端子と、制御端子と、を有する。スイッチング素子SW1~SW6は、制御端子の電圧により、一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替える。 Semiconductor switching elements (self-extinguishing elements) such as GTOs (Gate Turn Off thyristors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used for the switching elements SW1 to SW6. The switching elements SW1 to SW6 have, for example, a pair of main terminals and a control terminal. The switching elements SW1 to SW6 switch between an ON state in which current flow between the pair of main terminals is allowed and an OFF state in which current flow between the pair of main terminals is cut off, depending on the voltage of the control terminal.
スイッチング素子SW1~SW6の制御端子は、制御部16に接続されている。これにより、制御部16の制御によってスイッチング素子SW1~SW6のスイッチングが制御される。制御部16は、スイッチング素子SW1~SW6のオン状態とオフ状態との切り替えを制御することにより、変換器12による電力変換の動作を制御する。
Control terminals of the switching elements SW1 to SW6 are connected to the
複数の整流素子D1~D6のそれぞれは、複数のスイッチング素子SW1~SW6のそれぞれに逆並列に接続されている。整流素子D1~D6は、より詳しくは、スイッチング素子SW1~SW6の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子D1~D6の順方向は、スイッチング素子SW1~SW6の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。整流素子D1~D6は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子D1~D6は、ダイオードに限ることなく、一方向のみに電流を流すことが可能な任意の素子でよい。 Each of the plurality of rectifying elements D1-D6 is connected in anti-parallel to each of the plurality of switching elements SW1-SW6. More specifically, the rectifying elements D1-D6 are connected in anti-parallel to a pair of main terminals of the switching elements SW1-SW6. The forward direction of the rectifying elements D1-D6 is opposite to the direction of the current flowing between the pair of main terminals of the switching elements SW1-SW6. The rectifying elements D1 to D6 are so-called freewheeling diodes. The rectifying elements D1 to D6 are not limited to diodes, and may be any element that allows current to flow in only one direction.
このように、整流素子D1~D6が、スイッチング素子SW1~SW6に対して逆並列に接続されている場合には、変換器12を保護停止し、スイッチング素子SW1~SW6をオフ状態とした際に、回転機4から整流素子D1~D6を介して電荷蓄積素子14にエネルギーが流入し、電荷蓄積素子14の電圧、及び交流電力線21~23の線間電圧が過電圧となってしまう可能性がある。こうした過電圧は、回転機4や変換器12の故障の要因となってしまう。
Thus, when the rectifying elements D1 to D6 are connected in anti-parallel to the switching elements SW1 to SW6, when the
このため、制御部16は、スイッチング素子SW1~SW6をオフ状態とした後、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線21~23の線間を短絡させるように、スイッチング素子SW1~SW6のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。
Therefore, after turning off the switching elements SW1 to SW6, the
例えば、図2に表した2レベル変換器の構成の場合には、制御部16は、上アームのスイッチング素子SW1、SW3、SW5をオン状態とし、下アームのスイッチング素子SW2、SW4、SW6をオフ状態とする。これにより、交流電力線21~23の各線間を短絡させることができる。
For example, in the case of the configuration of the two-level converter shown in FIG. 2, the
図2では、一例として、交流電力線21から変換器12に流入した電流C1が、整流素子D1及びオン状態のスイッチング素子SW5を介して交流電力線23に流れる状態を表している。換言すれば、整流素子D1及びオン状態のスイッチング素子SW5によって、交流電力線21と交流電力線23とが短絡した状態を表している。
FIG. 2 shows, as an example, a state in which the current C1 flowing from the
なお、図2に表した2レベル変換器の構成の場合には、上記と反対に、上アームのスイッチング素子SW1、SW3、SW5をオフ状態とし、下アームのスイッチング素子SW2、SW4、SW6をオン状態とすることによっても、交流電力線21~23の各線間を短絡させることができる。
In the case of the configuration of the two-level converter shown in FIG. 2, contrary to the above, the switching elements SW1, SW3, and SW5 in the upper arm are turned off, and the switching elements SW2, SW4, and SW6 in the lower arm are turned on. The
このように、本実施形態に係る電力変換装置10では、制御部16が、スイッチング素子SW1~SW6をオフ状態とした後、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線21~23の線間を短絡させるように、スイッチング素子SW1~SW6のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。これにより、回転機4から電荷蓄積素子14へのエネルギーの流入を抑制し、電荷蓄積素子14の電圧や交流電力線21~23の線間電圧の過電圧に起因する回転機4や変換器12の故障を抑制することができる。
As described above, in the
そして、電力変換装置10の構成では、回転機4の短絡電流に耐える過電圧保護回路などを変換器12と別に設ける必要がない。換言すれば、電力変換装置10では、変換器12が、過電圧保護動作を兼ねて回転機4の短絡電流を負担する。これにより、電力変換装置10では、過電圧保護回路などを別途設ける構成と比べて、装置の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。従って、本実施形態に係る電力変換装置10では、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制することができる。
In addition, in the configuration of the
図3は、実施形態に係る変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図3に表したように、この例では、変換器12が、複数のスイッチング素子SW11~SW22と、複数の整流素子D11~D22と、複数の整流素子D31~D36と、を有する。なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a modification of the converter according to the embodiment;
As shown in FIG. 3, in this example, the
変換器12は、3つの交流端子A1~A3を有し、交流端子A1~A3を介して交流電力線21~23及び回転機4と接続される。例えば、変換器12から回転機4に供給する交流電力が単相交流電力である場合には、変換器12は、2つの交流端子を有する。このように、変換器12は、出力する交流電力に応じた複数の交流端子を有する。
The
複数のスイッチング素子SW11~SW22は、三相ブリッジ接続されている。複数の整流素子D11~D22のそれぞれは、複数のスイッチング素子SW11~SW22のそれぞれに逆並列に接続されている。 A plurality of switching elements SW11 to SW22 are connected in a three-phase bridge. Each of the plurality of rectifying elements D11-D22 is connected in anti-parallel to each of the plurality of switching elements SW11-SW22.
また、この例では、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子SW11~SW22の各レグの両端が、直流接続点となる。この電力変換装置10では、変換器12の直流接続点の間に直列に接続された2つの電荷蓄積素子14が設けられ、2つの電荷蓄積素子14の接続点が、中性点NPとなる。
In this example, both ends of each leg of a plurality of switching elements SW11 to SW22 connected in a three-phase bridge form DC connection points. In this
変換器12は、ブリッジ型であり、6つのアームを有する。各交流端子A1~A3に接続される各相のアームのそれぞれの構成は、実質的に同じである。従って、ここでは、例示として交流端子A1に接続される上アーム及び下アームの2つのアームについて説明する。
The
上アームは、直列に接続された2つのスイッチング素子SW11、SW12と、これらのスイッチング素子SW11、SW12のそれぞれに逆並列に接続された整流素子D11、D12と、各スイッチング素子SW11、SW12の直列接続点と中性点NPとの間に接続された整流素子D31と、を有する。 The upper arm includes two switching elements SW11 and SW12 connected in series, rectifying elements D11 and D12 connected in antiparallel to the switching elements SW11 and SW12, respectively, and the switching elements SW11 and SW12 connected in series. and a rectifying element D31 connected between the point and the neutral point NP.
同様に、下アームは、直列に接続された2つのスイッチング素子SW13、SW14と、これらのスイッチング素子SW13、SW14のそれぞれに逆並列に接続された整流素子D13、D14と、各スイッチング素子SW13、SW14の直列接続点と中性点NPとの間に接続された整流素子D32と、を有する。 Similarly, the lower arm includes two switching elements SW13 and SW14 connected in series, rectifying elements D13 and D14 connected in anti-parallel to these switching elements SW13 and SW14, and switching elements SW13 and SW14. and a rectifying element D32 connected between the series connection point of and the neutral point NP.
上アーム及び下アームは、一対の直流接続点の間に直列に接続され、上アーム及び下アームの直列接続点(交流端子A1)が交流電力線21に接続される。上アームの2つのスイッチング素子SW11、SW12の直列接続点の電位は、整流素子D31を介して中性点NPの電位にクランプされる。同様に、下アームの2つのスイッチング素子SW13、SW14の直列接続点の電位は、整流素子D32を介して中性点NPの電位にクランプされる。各整流素子D11~D14は、いわゆる還流ダイオードである。各整流素子D31、D32は、いわゆるクランプダイオードである。
The upper arm and lower arm are connected in series between a pair of DC connection points, and the series connection point (AC terminal A1) of the upper arm and lower arm is connected to
この変換器12では、各スイッチング素子SW11~SW22のスイッチングに応じて、交流端子A1~A3の電位が、正電位、負電位、及び中性点電位の3レベルのいずれかの電位にクランプされる。この変換器12は、いわゆる中性点クランプ(NPC:Neutral-Point-Clamped)型の変換器である。
In this
図3に表した3レベルNPC変換器の構成の場合には、制御部16は、スイッチング素子SW11~SW22をオフ状態とした後、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、内側のスイッチング素子SW12、SW13、SW16、SW17、SW20、SW21をオン状態とし、外側のスイッチング素子SW11、SW14、SW15、SW18、SW19、SW22をオフ状態とする。これにより、交流電力線21~23の各線間を短絡させることができる。
In the case of the configuration of the 3-level NPC converter shown in FIG. The elements SW12, SW13, SW16, SW17, SW20 and SW21 are turned on, and the outer switching elements SW11, SW14, SW15, SW18, SW19 and SW22 are turned off. As a result, the lines of the
図3では、一例として、交流電力線21から変換器12に流入した電流C2が、スイッチング素子SW13、整流素子D32、D33、及びスイッチング素子SW16を介して交流電力線22に流れる状態を表している。換言すれば、スイッチング素子SW13、整流素子D32、D33、及びスイッチング素子SW16によって、交流電力線21と交流電力線22とが短絡した状態を表している。
As an example, FIG. 3 shows a state in which the current C2 flowing from the
このように、変換器12の構成は、2レベル変換器の構成でもよいし、3レベルNPC変換器の構成などでもよい。変換器12の構成は、複数のスイッチング素子と、逆並列に接続された複数の整流素子と、を少なくとも有し、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電力の変換が可能であるとともに、複数のスイッチング素子のスイッチングによって交流電力線21~23の各線間を短絡させることが可能な任意の構成でよい。
Thus, the configuration of the
図4は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図4に表したように、電力変換装置10aは、過電圧保護回路30をさらに備える。過電圧保護回路30は、配線31~33を介して交流電力線21~23と接続されている。配線31は、交流電力線21と接続されている。配線32は、交流電力線22と接続されている。配線33は、交流電力線23と接続されている。過電圧保護回路30は、換言すれば、変換器12と並列に接続されている。
FIG. 4 is a block diagram schematically showing a modification of the power converter.
As shown in FIG. 4, the
過電圧保護回路30は、交流電力線21~23の各線間を短絡させた保護状態と、交流電力線21~23の各線間の短絡を解消した通常状態と、を切り替える。過電圧保護回路30は、例えば、内部にスイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより、保護状態と通常状態とを切り替える。
The
過電圧保護回路30は、制御部16と接続されている。過電圧保護回路30は、制御部16の制御に基づいて、保護状態と通常状態とを切り替える。
The
制御部16は、通常動作においては、過電圧保護回路30を通常状態とし、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、過電圧保護回路30を保護状態する。制御部16は、変換器12の複数のスイッチング素子をオフ状態とした後、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線21~23の線間を短絡させるように、変換器12の複数のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御するとともに、過電圧保護回路30を通常状態から保護状態に切り替える。
In normal operation, the
このように、過電圧保護回路30をさらに設けることにより、変換器12及び過電圧保護回路30で過電圧保護動作を行い、回転機4の短絡電流を変換器12と過電圧保護回路30とで分担するようにしてもよい。
Thus, by further providing the
この場合には、過電圧保護回路30のみで過電圧保護動作を行う場合と比べて、過電圧保護回路30の電流容量を小さくすることができ、過電圧保護回路30の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。従って、電力変換装置10aの構成においても、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制することができる。
In this case, the current capacity of the
例えば、変換器12の電流容量を通常動作において必要な電流容量に設定した状態で、過電圧保護回路30のみで過電圧保護動作を行う場合には、過電圧保護回路30の電流容量を事故時の最大電流に耐えられるように設定する必要がある。これに対し、上記のように、変換器12の電流容量を通常動作において必要な電流容量に設定し、事故時電流のうちの変換器12で足りない分のみを過電圧保護回路30に負担させるようにした場合には、過電圧保護回路30の電流容量を変換器12の電流容量の分だけ小さくすることができる。すなわち、過電圧保護回路30の電流容量を事故時の最大電流に耐える電流容量よりも小さくすることができる。これにより、過電圧保護回路30を設けた場合にも、装置全体の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。
For example, when the current capacity of the
図4では、便宜的に、配線31~33のインダクタンス成分をインダクタンス成分31L~33Lとして図示している。過電圧検出回路18によって過電圧が検出され、変換器12及び過電圧保護回路30に交流電力線21~23の線間を短絡させた際に、変換器12に流入する電流及び過電圧保護回路30に流入する電流の比率は、交流電力線21~23のインダクタンス成分21L~23Lと配線31~33のインダクタンス成分31L~33Lとの比率によって求めることができる。
In FIG. 4, the inductance components of the
例えば、想定される最大の事故時電流のうち、通常動作時の最大電流と同程度の電流が変換器12に流入し、残りの電流が過電圧保護回路30に流入するように、交流電力線21~23のインダクタンス成分21L~23Lと配線31~33のインダクタンス成分31L~33Lとの比率を設定する。これにより、上記のように、過電圧保護回路30の電流容量を変換器12の電流容量よりも小さくすることができる。なお、交流電力線21~23のインダクタンス成分21L~23Lと配線31~33のインダクタンス成分31L~33Lとの比率は、例えば、交流リアクトルなどを用いて設定してもよい。
For example, the
図5は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図5に表したように、電力変換装置10bは、2つの変換器12a、12bと2つの電荷蓄積素子14a、14bとを備える。電力変換装置10bでは、2つの変換器12a、12bのそれぞれが、回転機4に接続されている。電力変換装置10bでは、2つの変換器12a、12bが、回転機4に対して並列的に接続されている。電荷蓄積素子14aは、変換器12aに直流電力を供給する。電荷蓄積素子14bは、変換器12bに直流電力を供給する。変換器12a、12bの構成は、図2や図3などに関して説明した任意の構成でよい。
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a modification of the power converter.
As shown in FIG. 5, the
変換器12aは、交流電力線21aを介して回転機4と接続される。変換器12bは、交流電力線21bを介して回転機4と接続される。交流電力線21bは、例えば、交流電力線21aに接続される。換言すれば、交流電力線21bは、交流電力線21aから分岐して回転機4と変換器12bとを接続する。
制御部16は、2つの変換器12a、12bのそれぞれの動作を制御することにより、2つの変換器12a、12bのそれぞれから回転機4に交流電力を供給する。そして、制御部16は、各変換器12a、12bのスイッチング素子をオフ状態とした後、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線21a、21bの線間を短絡させるように、各変換器12a、12bのスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。
The
このように、電力変換装置10bは、2つの変換器12a、12bを備えてもよい。これにより、1台当たりの変換器12a、12bの電流責務を低減することができる。換言すれば、各変換器12a、12bの電流容量を低減させることができる。
Thus,
変換器12a、12bを並列に接続する場合、交流電力線21aは、交流リアクトル41を有し、交流電力線21bは、交流リアクトル42を有する。交流リアクトル41、42は、変換器12a、12bの電流分担を調整する。
When connecting the
交流リアクトル41、42は、例えば、変換器12a、12bの電流アンバランスを抑制し、変換器12aから回転機4に供給される電流と変換器12bから回転機4に供給される電流とを実質的に同じにする。また、このように、交流リアクトル41、42を設けることにより、過電圧が検出され、交流電力線21a、21bの線間を短絡させた際に、変換器12a、12bに流れる電流のバランスも確保することができる。例えば、過電圧が検出され、交流電力線21a、21bの線間を短絡させた際に、変換器12a、12bに実質的に同じ大きさの電流を流すことができる。
The
但し、変換器12a、12bの電流分担は、必ずしも同じでなくてもよい。例えば、変換器12a、12bの電流容量が異なる場合には、過電圧が検出され、交流電力線21a、21bの線間を短絡させた際に、変換器12a、12bのそれぞれの電流容量を超えないように、交流リアクトル41、42のインダクタンスの比率を調整してもよい。
However, the current sharing of the
なお、電力変換装置10bに設けられる変換器の数は、2つに限ることなく、3つ以上でもよい。すなわち、電力変換装置10bは、複数の変換器を備えてもよい。制御部16は、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線の線間を短絡させるように、複数の変換器のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御してもよい。
Note that the number of converters provided in the
電力変換装置10bでは、2つの変換器12a、12bのそれぞれに対応する2つの電荷蓄積素子14a、14bが設けられている。これに限ることなく、例えば、1つの電荷蓄積素子を複数の変換器に共通に用いるようにしてもよい。電荷蓄積素子は、複数の変換器に直流電力を供給してもよい。
The
また、複数の変換器を並列に接続する場合には、図5に表したように、交流電力線を分岐させるように接続し、過電圧検出回路18は、回転機4と交流電力線の分岐点との間の位置において、交流電力線の線間電圧を検出することが好ましい。これにより、複数の変換器を並列に接続した場合にも、過電圧検出回路18の構成を複雑にすることなく、複数の変換器の過電圧を適切に検出し、複数の変換器及び回転機4の過電圧による故障を適切に抑制することができる。
Further, when connecting a plurality of converters in parallel, as shown in FIG. Preferably, the line voltage of the AC power line is sensed at an intermediate location. As a result, even when a plurality of converters are connected in parallel, the overvoltage of the plurality of converters can be appropriately detected without complicating the configuration of the
また、電力変換装置10bにおいて、複数の変換器を設けるとともに、過電圧保護回路30をさらに設けてもよい。制御部16は、過電圧検出回路18によって過電圧が検出された際に、交流電力線の線間を短絡させるように、複数の変換器のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御するとともに、過電圧保護回路30を通常状態から保護状態に切り替えてもよい。
Moreover, in the
図6は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図6に表したように、電力変換装置10cでは、過電圧検出回路18aが、電荷蓄積素子14に接続され、電荷蓄積素子14の直流電圧を検出する。換言すれば、過電圧検出回路18aは、変換器12に供給される直流電力の直流電圧を検出する。過電圧検出回路18aは、検出した直流電圧が所定の閾値以上である場合に、変換器12の過電圧を検出する。過電圧検出回路18aは、制御部16と接続され、過電圧の検出結果を制御部16に入力する。
FIG. 6 is a block diagram schematically showing a modification of the power converter.
As shown in FIG. 6, in the
このように、過電圧検出回路は、交流電力線の線間電圧に限ることなく、変換器12の直流側の直流電圧を検出してもよい。この場合にも、上記各実施形態と同様に、より簡単な構成で、回転機4及び変換器12の過電圧による故障を抑制することができる。
Thus, the overvoltage detection circuit may detect the DC voltage on the DC side of the
但し、例えば、交流電力線に交流リアクトルが設けられている場合などには、変換器12の直流側の電圧の上昇が遅れ、直流電圧で過電圧が検出されるよりも前に、線間電圧が過電圧となってしまっている可能性がある。従って、交流電力線に交流リアクトルが設けられている場合(交流電力線のインダクタンス成分が大きい場合)などには、図1などで説明したように、過電圧検出回路は、交流電力線の線間電圧を検出することがより好ましい。これにより、例えば、回転機4の過電圧による故障をより確実に抑制することができる。
However, for example, when an AC reactor is provided on the AC power line, the rise of the voltage on the DC side of the
また、過電圧検出回路は、例えば、交流電力線の線間電圧と変換器12の直流側の直流電圧との双方を検出し、線間電圧及び直流電圧のいずれか一方が所定の閾値を超えた際に、過電圧を検出する構成としてもよい。より詳しくは、過電圧検出回路は、線間電圧が第1閾値を超えた場合、又は直流電圧が第2閾値を超えた場合に、過電圧を検出する構成としてもよい。
Further, the overvoltage detection circuit, for example, detects both the line voltage of the AC power line and the DC voltage on the DC side of the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
2…回転機駆動システム、 4…回転機、 10、10a~10c…電力変換装置、 12、12a、12b…変換器、 14、14a、14b…電荷蓄積素子、 16…制御部、 18、18a…過電圧検出回路、 21~23…交流電力線、 21a、21b…交流電力線、 30…過電圧保護回路、 31~33…配線、 41、42…交流リアクトル、 D1~D6、D11~D22、D31~D36…整流素子、 SW1~SW6、SW11~SW22…スイッチング素子
2 Rotating
Claims (7)
電荷蓄積素子に接続されるとともに、交流電力線を介して前記回転機と接続され、前記電荷蓄積素子から供給された直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記回転機に供給する変換器と、
前記変換器による電力変換の動作を制御する制御部と、
前記変換器の過電圧を検出し、検出結果を前記制御部に入力する過電圧検出回路と、
を備え、
前記変換器は、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電力の変換を行い、
前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子を有し、前記一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、前記一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替え、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御することにより、前記変換器による電力変換の動作を制御するとともに、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御する電力変換装置。 A power conversion device that supplies AC power to a rotating machine,
A converter connected to a charge storage element and connected to the rotating machine via an AC power line, converts DC power supplied from the charge storage element into AC power, and supplies the AC power to the rotating machine. When,
a control unit that controls the operation of power conversion by the converter;
an overvoltage detection circuit that detects overvoltage of the converter and inputs a detection result to the control unit;
with
The converter has a plurality of switching elements and a plurality of rectifying elements connected in inverse parallel to each of the plurality of switching elements, and performs power conversion by switching the plurality of switching elements,
Each of the plurality of switching elements has a pair of main terminals, and has an ON state that allows current flow between the pair of main terminals and an OFF state that blocks current flow between the pair of main terminals. switching,
The control unit controls the switching of the plurality of switching elements between the on state and the off state to control the operation of power conversion by the converter, and switches the plurality of switching elements between the off state and the off state. After that, when an overvoltage is detected by the overvoltage detection circuit, the power conversion device controls switching between the on state and the off state of the plurality of switching elements so as to short-circuit the lines of the AC power line. .
前記制御部は、前記過電圧保護回路の前記保護状態と前記通常状態との切り替えを制御し、通常動作においては、前記過電圧保護回路を前記通常状態とし、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御するとともに、前記過電圧保護回路を前記通常状態から前記保護状態に切り替える請求項1記載の電力変換装置。 An overvoltage protection circuit connected to the AC power line and switching between a protection state in which the lines of the AC power line are short-circuited and a normal state in which the line-to-line short circuit of the AC power line is eliminated,
The control unit controls switching of the overvoltage protection circuit between the protection state and the normal state, and in normal operation, the overvoltage protection circuit is in the normal state, and the plurality of switching elements are in the off state. After that, when an overvoltage is detected by the overvoltage detection circuit, switching between the ON state and the OFF state of the plurality of switching elements is controlled so as to short-circuit the lines of the AC power line, and the overvoltage is detected. 2. The power converter according to claim 1, wherein the protection circuit is switched from the normal state to the protection state.
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、複数の前記変換器の前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御する請求項1記載の電力変換装置。 comprising a plurality of said converters connected in parallel;
After turning off the plurality of switching elements, the control unit causes the plurality of converters to short-circuit the AC power lines when an overvoltage is detected by the overvoltage detection circuit. 2. The power converter according to claim 1, wherein switching between said ON state and said OFF state of a plurality of switching elements is controlled.
前記制御部は、前記過電圧保護回路の前記保護状態と前記通常状態との切り替えを制御し、通常動作においては、前記過電圧保護回路を前記通常状態とし、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、複数の前記変換器の前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御するとともに、前記過電圧保護回路を前記通常状態から前記保護状態に切り替える請求項4記載の電力変換装置。 An overvoltage protection circuit connected to the AC power line and switching between a protection state in which the lines of the AC power line are short-circuited and a normal state in which the line-to-line short circuit of the AC power line is eliminated,
The control unit controls switching of the overvoltage protection circuit between the protection state and the normal state, and in normal operation, the overvoltage protection circuit is in the normal state, and the plurality of switching elements are in the off state. After that, when the overvoltage detection circuit detects an overvoltage, the plurality of switching elements of the plurality of converters are switched between the on state and the off state so as to short-circuit the lines of the AC power lines. 5. The power converter according to claim 4, which controls and switches the overvoltage protection circuit from the normal state to the protection state.
7. The overvoltage detection circuit according to any one of claims 1 to 6, wherein the overvoltage detection circuit detects the DC voltage of the charge storage element, and detects the overvoltage of the converter when the detected DC voltage is equal to or higher than a predetermined threshold. The power conversion device according to .
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