JP3658238B2

JP3658238B2 - 中性点クランプ型電力変換装置

Info

Publication number: JP3658238B2
Application number: JP11137799A
Authority: JP
Inventors: 清隆小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2019-04-19
Also published as: JP2000308361A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は初充電装置を備え３レベルの電圧を出力する中性点クランプ型電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中性点クランプ型電力変換装置は、３レベルの電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。中性点クランプ型電力変換装置は直流側に、直流電圧を２つに分圧するために直列接続された平滑コンデンサが設けられている。
【０００３】
中性点クランプ型電力変換装置を起動する際には平滑コンデンサを予め充電する必要がある。このことは、初充電あるいは初期充電と称されている。平滑コンデンサの電圧が初充電により確立する前に電力変換装置を起動すると、平滑コンデンサに突入電流が流れ焼損することになる。
【０００４】
平滑コンデンサの初充電は、トランス、ダイオード整流回路、ヒユーズ等で構成される初充電装置によって行なわれる。初充電装置を構成する部品の異常や中性点クランプ型電力変換装置を構成するダイオードの短絡故障により、平滑コンデンサの初充電ができなくなる。
【０００５】
このため、中性点クランプ型電力変換装置を起動する際には、平滑コンデンサの初充電に異常がないかを検出することを必要とする。
【０００６】
従来、平滑コンデンサの初充電に異常がないかを検出するには、平滑コンデンサに流れる直流電流を直流電流検出器で検出し、電流検出器の出力に基づき異常を判断する方法が知られている。このことは、例えば特開平８−９６４７号公報に記載されている。
【０００７】
なお、中性点クランプ型電力変換装置における２個の平滑コンデンサの電圧を検出して比較することは、例えば、特開平１０ー４６２６号公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術においては、異常検出に平滑コンデンサに流れる直流電流検出器が必要になり、電力変換装置の小形化および低価格化の点で問題を有する。特に、中性点クランプ型（３レベル）電力変換装置に従来技術を適用した場合には、直流電流検出器が２個必要になり、上述の問題が顕著になる。
【０００９】
本発明の目的は、平滑コンデンサの初充電異常を電力変換装置の小形化と低価格化して実現出来る中性点クランプ型電力変換装置
を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、初充電開始時から設定時間後における２個の平滑コンデンサのそれぞれの電圧を検出し、両コンデンサ電圧の電圧偏差が第１規定値以上であるときに初充電異常と判断するようにしたことにある。
【００１１】
本発明の他の特徴とするところは、初充電開始時から設定時間後における２個の平滑コンデンサのそれぞれの電圧を検出し、両コンデンサ電圧の電圧偏差が第１規定値以上あるいは両コンデンサ電圧の電圧和が第２規定値以下であるときに初充電異常と判断するようにしたことにある。
【００１２】
本発明は平滑コンデンサの電圧を検出して初充電開始時から設定時間後における２個の平滑コンデンサの電圧偏差の大きさによって異常判断している。２個の平滑コンデンサの電圧検出器は電圧制御に用いられているものであり、簡単な構成の異常検出回路を付加するだけで異常を検出できる。したがって、平滑コンデンサの初充電異常を、電力変換装置を小型化かつ低価格化して検出できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施例を示す。
【００１５】
図１において、コンバータ１の交流側は電源開閉器７を介して交流電源８（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に接続される。コンバータ１の入力電流は電流検出器１６により検出される。コンバータ１の直流側にはコンデンサ４ａ、４ｂが接続され、コンデンサ４ａと４ｂの直列接続点（以下、中性点と称する）とコンデンサ４ａの正側端子およびコンデンサ４ｂの負側端子がインバータ２に接続される。
【００１６】
インバータ２の交流出力が交流電動機３に供給される。交流電動機３には速度検出器２７が機械的に連結されている。交流電動機３の電動機電流は電流検出器２６により検出される。
【００１７】
初充電開閉器９を介して初充電電源１０(ｕ，ｖ，ｗ）に一次巻線を接続された初充電トランス７１は２個の二次巻線を有する。初充電トランス７１の２個の二次巻線にはそれぞれダイオード整流回路７２ａ、７２ｂが接続される。ダイオード整流回路７２ａ、７２ｂの出力端子にそれぞれヒューズ７３ａ，７３ｂが接続される。ヒューズ７３ａ，７３ｂとダイオード整流回路２ａ、７２ｂの中性点がコンデンサ４ａ、４ｂに接続される。
【００１８】
初充電装置７０は初充電開閉器９、初充電トランス７１、２個のダイオード整流回路７２ａ、７２ｂおよびヒューズ７３ａ，７３ｂとで構成される。
【００１９】
平滑コンデンサ４ａ，４ｂの電圧は直流電圧検出器６ａ、６ｂで検出され、加減算器１５ｃに図示の極性で加えられる。加減算器１５ｃは電圧検出器６ａ、６ｂで検出したコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧を加算し、コンバータ１の出力電圧検出値とする。加減算器１５ａはコンバータ１の出力電圧を設定する電圧指令設定器１１の電圧指令値と加減算器１５ｃの電圧検出値との電圧偏差を求める。
【００２０】
電圧制御器（ＡＶＲ）１２は、加減算器１５ａの電圧偏差に基づいた電流指令値を電流制御器１３に加える。加減算器１５ｂは電圧制御器１２の電流指令値と電流検出器１６の電流検出値との電流偏差を求める。電流制御器（ＡＣＲーＣ）１３は加減算器１５ｂの電流偏差に基づいたパルス幅変調信号をパルス幅変調器（ＰＷＭーＣ）１４に加える。パルス幅変調器１４は電流制御器１３の電流指令値に基づきコンバータ１を制御する。
【００２１】
速度指令設定器２１の速度指令値と速度検出器２７により検出される速度検出値とを図示の極性で加減算器２５ａに加え速度偏差を求める。速度制御器（ＡＳＲ）２２は加減算器２５ａの速度偏差に基づいた電流指令値を電流制御器（ＡＣＲーＩ）２３に加える。加減算器２５ｂは速度制御器２２の電流指令値と電流検出器２６の電流検出値との電流偏差を求める。
【００２２】
電流制御器２３は加減算器２５ｂの電流偏差に基づいたパルス幅変調信号をパルス幅変調器（ＰＷＭーＩ）２４に加える。パルス幅変調器２４は電流制御器２３の電流指令値に基づきインバータ２を制御する。
【００２３】
図２に異常検出回路５の一例を示す。
【００２４】
図２において、電圧検出器６ａ、６ｂにより検出された平滑コンデンサ４ａ、４ｂのコンデンサ電圧Ｅa、Ｅbは加減算器５１に入力される。加減算器５１はコンデンサ電圧ＥaとＥbの電圧偏差ΔＶを出力する。比較器５２ａ、５２ｂは、偏差電圧ΔＶを入力し規定値＋Ｖｓ１、−Ｖｓ１と比較し規定値＋Ｖｓ１以上の場合、あるいは、規定値−Ｖｓ１以下の場合に出力を生じる。
【００２５】
図３にコンバータ１あるいはインバータ２の一相分の主回路構成を示す。コンバータ１とインバータ２の主回路は同一構成で、三相（Ｕ、Ｖ，Ｗ）とも同じ構成である。図３はコンバータ１のＵ相のみを示している。
【００２６】
図３において、自己消弧可能な４個のスイッチング素子（例えば、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、トランジスタ等）Ｇｐ、Ｇｐｃ、Ｇｎｃ、Ｇｎが直列接続され、これらスイッチング素子Ｇｐ、Ｇｐｃ、Ｇｎｃ、Ｇｎと逆並列にフリーホイールダイオードＤｆｐ、Ｄｆｐｃ、Ｄｆｎｃ、Ｄｆｎが接続されている。
【００２７】
正側の外側素子Ｇｐと内側素子Ｇｐｃの接続点と、負側の外側素子Ｇｎと内側素子Ｇｎｃの接続点との間にクランプダイオードＤｃｐ、Ｄｃｎが接続されている。また、正側母線Ｐと外側素子Ｇｐの間および負側母線Ｎと外側素子Ｇｎの間にアノードリアクトルＬｐあるいはＬｎが設けられている。
【００２８】
次に動作を説明する。
【００２９】
まず、中性点クランプ型電力変換装置の動作を図４を用いて説明する。
【００３０】
図４に、通常のスイッチング動作とコンバータ入力電圧の関係を示す。
【００３１】
図４（ａ）のように、スイッチング素子ＧｐとＧｐｃがオンするとコンバータ入力端子の電位は＋Ｅとなる。また、図４（ｂ）のように、スイッチング素子ＧｐｃとＧｎｃがオンすると入力端子の電位は、クランプダイオードＤｃｐ、Ｄｃｎを介し中性点に接続されるため０電位となる。さらに、図４（ｂ）のように、スイッチング素子ＧｎｃとＧｎがオンすると入力端子の電位は−Ｅとなる。
【００３２】
Ｕ相の直列接続されたスイッチング素子Ｇｐ、Ｇｐｃ、Ｇｎｃ、Ｇｎは図５に示すようにオン、オフ制御される。なお、図５においてスイッチング素子ＧｐとＧｎｃのオンとオフの間の時間ｔはオンデレイタイムである。また、Ｕ相のスイッチング素子Ｇｐ、Ｇｐｃ、Ｇｎｃ、Ｇｎのオン、オフとコンバータ入力端子電圧の関係を纏めると図６のようになる。
【００３３】
コンバータ１のＶ相とＷ相におけるスイッチング素子も１２０度の位相差をもって同様に制御され、コンバータ１は交流電圧を直流電圧に変換する。
【００３４】
インバータ２が交流電動機３の回生運転を行う場合にも全く同じ動作となる。
【００３５】
一方、コンバータ１の回生運転時とインバータ２の電動運転時には、同様な動作によって直流電圧を＋Ｅ，０，−Ｅの３レベルの交流電圧に変換する。
【００３６】
以上のようにして中性点クランプ型電力変換装置は交流電圧を直流電圧に、あるいは直流電圧を交流電圧に変換するのであるが、本発明の理解を容易にするために初充電の必要性を図７を用いて説明する。
【００３７】
平滑コンデンサ４ａ，４ｂを充電しない状態で電源開閉器７をオンして交流電源８を投入すると、スイッチング素子に逆並列された各相のフリーホイールダイオードＤｆｐ、Ｄｆｐｃ、Ｄｆｎｃ、Ｄｆｎがダイオード整流回路となり、平滑コンデンサ４ａ，４ｂの充電が開始される。
【００３８】
交流電源８の投入時は、平滑コンデンサ４ａ，４ｂが短絡状態のため交流電源８からコンバータ１を介して平滑コンデンサ４ａ，４ｂへ突入電流Ｉrが流れる。このため、交流電源８を投入する前に初充電装置で平滑コンデンサ４ａ，４ｂを予め突入電流Ｉrが流れない電圧レベルに充電する必要がある。
【００３９】
さて、図１、図２に戻り、本発明の一実施例における初充電時の動作を図８のタイムチャートを参照して説明する。
【００４０】
コンバータ１を起動する場合には、まず、図８（ａ）に示すように初充電開閉器９をオンにする。開閉器９をオンすることにより初充電電源１０の交流電圧は初充電トランス７１で昇圧され、トランス７１の２個の二次巻線からそれぞれ昇圧された交流電圧が得られる。初充電電源１０の交流電圧が４００ボルトの場合には２Ｋボルト程度まで昇圧される。
【００４１】
トランス７１の２個の二次巻線から得られた交流電圧はダイオード整流回路７２ａ，７２ｂで整流され直流電圧に変換される。ダイオード整流回路７２ａの直流電圧はコンデンサ４ａに印加され、ダイオード整流回路７２ｂの直流電圧はコンデンサ４ｂに印加される。
【００４２】
平滑コンデンサ４ａ、４ｂは充電を開始される。この際、初充電装置７０は、初充電電流をインピーダンスによって制限して供給する。平滑コンデンサ４ａ、４ｂはこのようにして充電され、その充電電圧が図８（ｂ）に示すように次第に高くなる。平滑コンデンサ４ａ、４ｂは初充電によって、定格電圧の８０〜９０％まで充電される。平滑コンデンサ４ａ、４ｂのコンデンサ電圧Ｅa、Ｅbは電圧検出器６ａ、６ｂにより検出され、異常検出回路５に入力される。
【００４３】
電圧検出器６ａ、６ｂにより検出された平滑コンデンサ４ａ、４ｂのコンデンサ電圧Ｅa、Ｅbは異常検出回路５の加減算器５１に入力される。加減算器５１はコンデンサ電圧ＥaとＥbの電圧偏差ΔＶを出力する。比較器５２ａ、５２ｂは、偏差電圧ΔＶを入力し規定値＋Ｖｓ１、−Ｖｓ１と比較し規定値＋Ｖｓ１以上の場合、あるいは、規定値−Ｖｓ１以下の場合に出力を生じる。
【００４４】
スイッチ５３ａ、５３ｂは図８（ｃ）に示すように初充電開閉器９をオンした後、所定時間（１０〜１５秒）Ｔｓ後にオンされる。スイッチ５３ａ、５３ｂのオン時に比較器５２ａ、５２ｂが出力を生じていなければ、初充電が正常に行われたことになる。
【００４５】
初充電が正常に行われたことを確認してから図８（ｄ）に示すように電源開閉器７をオンしてコンバータ１とインバータ２を起動する。その後、コンバータ１は平滑コンデンサ４ａ、４ｂの電圧が電圧指令設定器１１で設定する電圧指令値となるように制御され、インバータ２は交流電動機３の速度が速度指令設定器２１で設定する速度指令値となるように制御される。コンバータ１とインバータ２の制御については良く知られており、それに本発明の要旨に直接関係ないので詳細説明を省略する。
【００４６】
一方、スイッチ５３ａ、５３ｂをオンした時に比較器５２ａあるいは５２ｂが出力を生じていた場合には、初充電が異常であったと判断する。異常検出回路５は異常信号を出力する。
【００４７】
このようにして平滑コンデンサ４ａ、４ｂの初充電の異常を検出するのであるが、初充電開始時から設定時間後における２個の平滑コンデンサ４ａ、４ｂの電圧偏差の大きさによって異常を判断している。２個の平滑コンデンサ４ａ、４ｂの電圧検出器６ａ、６ｂはコンバータ１の電圧制御に用いられているものであり、簡単な構成の異常検出回路５を付加するだけで異常を検出できる。したがって、平滑コンデンサの初充電異常を、電力変換装置を小型化かつ低価格化して検出できる。
【００４８】
図９に異常検出回路５の他の一例を示す。
【００４９】
図９において図２と異なるところは、平滑コンデンサ４ａと４ｂの電圧ＥａとＥｂを加算器５４で加算して、比較器５５の規定値Ｖｓ２と比較するようにしたことにある。比較器５５は電圧ＥａとＥｂを加算値が規定値Ｖｓ２より大きい場合に出力を生じる。また、スイッチ５３ｃはスイッチ５３ａ，５３ｂと同様に、図８（ｃ）に示すように初充電開閉器９をオンした後、所定時間（１０〜１５秒）Ｔｓ後にオンされる。
【００５０】
図９の異常検出回路５では平滑コンデンサ４ａと４ｂの一方が初充電されない場合と、平滑コンデンサ４ａと４ｂの両方が充電されないことを検出できる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は平滑コンデンサの電圧を検出して初充電開始時から設定時間後における２個の平滑コンデンサの電圧偏差の大きさによって異常判断している。２個の平滑コンデンサの電圧検出器は電圧制御に用いられているものであり、簡単な構成の異常検出回路を付加するだけで異常を検出できる。したがって、平滑コンデンサの初充電異常を、電力変換装置を小型化かつ低価格化して検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】異常検出回路の一例を示す構成図である。
【図３】中性点クランプ型電力変換装置の一相分の主回路構成図である。
【図４】中性点クランプ型電力変換装置のスイッチング動作説明図である。
【図５】中性点クランプ型電力変換装置のスイッチング動作タイムチャートである。
【図６】スイッチング動作とコンバータ入力端子電圧の説明図である。
【図７】初充電装置の説明図である。
【図８】本発明の動作説明用のタイムチャートである。
【図９】異常検出回路の他の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…コンバータ、２…インバータ、３…交流電動機、４ａ，４ｂ…は、平滑コンデンサ
５…異常検出回路、６ａ、６ｂ…電圧検出器、７…電源開閉器、９…初充電開閉器、７０…初期充電装置、７１…初充電トランス、７２ａ，７２ｂ…ダイオード整流回路

Claims

電源開閉器を介して交流電源に接続され、パルス幅変調制御されて交流電圧を直流電圧に変換する中性点クランプ型コンバータと、前記中性点クランプ型コンバータの直流出力電圧を２つに分圧する直列接続された２個の平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの電圧をそれぞれ検出する２つの電圧検出手段と、初充電開閉器を介して初充電電源に接続され、交流電圧を整流した直流電圧で前記２個の平滑コンデンサを初充電する初充電装置とを具備し、
前記初充電装置は、一次巻線が前記初充電開閉器を介して初充電電源に接続され、２個の二次巻線からそれぞれ昇圧した交流電圧を得る初充電トランスと、前記２個の二次巻線にそれぞれ接続され、交流電圧を直流電圧に変換して前記２個の平滑コンデンサにそれぞれ印加する２個のダイオード整流回路とを備え、初充電電流をインピーダンスによって制限して供給するものであり、
前記初充電開閉器をオンして初充電開始時から設定時間後における前記２個の平滑コンデンサの電圧偏差が第１規定値以上であるときに初充電異常を検出する異常検出手段を設けたことを特徴とする中性点クランプ型電力変換装置。
ダイオードを逆並列接続された４個のスイッチイング素子を含み一相分を構成し、３レベルの電圧を出力して交流電圧を直流電圧に変換する中性点クランプ型コンバータと、前記中性点クランプ型コンバータの直流出力電圧を２つに分圧する直列接続された２個の平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの電圧をそれぞれ検出する２つの電圧検出手段と、初充電開閉器を介して初充電電源に接続され、交流電圧を整流した直流電圧で前記２個の平滑コンデンサを初充電する初充電装置と、前記初充電開閉器をオンして初充電開始時から設定時間後における前記２個の平滑コンデンサの電圧偏差が第１規定値以上であるときに初充電異常を検出する異常検出手段を備えた中前記中性点クランプ型コンバータの起動前に前記２個の平滑コンデンサを初充電する初充電装置とを備え、
前記初充電装置は、一次巻線が前記初充電開閉器を介して初充電電源に接続され、２個の二次巻線からそれぞれ昇圧した交流電圧を得る初充電トランスと、前記２個の二次巻線にそれぞれ接続され、交流電圧を直流電圧に変換して前記２個の平滑コンデンサにそれぞれ印加する２個のダイオード整流回路とを備え、初充電電流をインピーダンスによって制限して供給するものであり、
前記初充電開閉器をオンして初充電開始時から設定時間後における前記２個の平滑コンデンサの電圧偏差が第１規定値以上であることを判定、あるいは前記２個の平滑コンデンサの電圧和が第２規定値以下であることを判定し初充電異常を検出する異常検出手段を設けたことを特徴とする中性点クランプ型電力変換装置。