JP3926618B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２レベルインバータ装置または３レベルインバータ装置等の電圧型電力変換装置に関し、特にその短絡故障時の保護ヒューズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電圧型電力変換装置において、図７は２レベルインバータ装置の構成図であり、２レベルインバータ装置の場合は、図７に示すように、例えばＵ相については、保護ヒューズ１１が、平滑コンデンサ１６と正側スイッチング素子１２の間に挿入される形で設置されていた。なお、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【０００３】
また、図８は３レベルインバータ装置の概略構成図であり、図９は３レベルインバータ装置のＵ相単位ブロック４４の内部構成図であり、３レベルインバータ装置の場合も、図８および図９に示すように、例えばＵ相単位ブロック４４については、保護ヒューズ１１、保護ヒューズ１９が、それぞれ平滑コンデンサとスイッチング素子の間に挿入される形で設置されていた。なお、Ｖ相単位ブロック４５、Ｗ相単位ブロック４６についても同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、短絡故障が発生した場合に、故障発生相の平滑コンデンサから流れる短絡電流でヒューズが溶断できるという利点がある反面、平滑コンデンサとスイッチング素子の間にヒューズがあるために、その分、回路インダクタンスが増加し、スイッチング素子が電流を遮断するときに発生するサージ電圧が高くなるという欠点をもっていた。
【０００５】
本発明では、短絡故障が発生した場合に、故障発生相の平滑コンデンサから流れる短絡電流ではヒューズを溶断できないが、他の相の平滑コンデンサなどからの短絡電流でヒューズを溶断でき、かつ、平滑コンデンサとスイッチング素子で構成される回路のインダクタンスを小さくできるため、サージ電圧を小さくできるという特徴をもつ電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、直流電力を三相交流電力に変換する電圧型の電力変換装置において、
各相毎に平滑コンデンサを設置し、
平滑コンデンサの正極と正側スイッチング素子の正側直流母線側の電極および正側逆導通ダイオードの正側直流母線側の電極とを接続するとともに、平滑コンデンサの負極と負側スイッチング素子の負側直流母線側の電極および負側逆導通ダイオードの負側直流母線側の電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備え、
各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間のどちらか一方または両方にヒューズを設け、ヒューズの各々を、他相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相の平滑コンデンサから他相のスイッチング素子に流れる電流では溶断しないが、自相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相のスイッチング素子に流れる他相の平滑コンデンサからの電流を含む電流で溶断する特性のものとしたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、短絡故障発生時に他相平滑コンデンサから流れる短絡電流によってヒューズを溶断でき、かつ、平滑コンデンサとスイッチング素子とから成る回路インダクタンスの極小化が可能な電力変換装置を提供できる。
【０００８】
また、本発明は、直流電力を三相交流電力に変換する電圧型３レベルの電力変換装置において、
各相毎に正側平滑コンデンサおよび負側平滑コンデンサを設置し、
スイッチング素子を４個直列に接続し、スイッチング素子の各々に逆並列にダイオードを接続し、正側クランプダイオードの一方の極を正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極をスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続し、負側クランプダイオードの一方の極を正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極をスイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続し、正側平滑コンデンサの正極とスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子の正側直流母線側の電極とを接続し、負側平滑コンデンサの負極とスイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子の負側直流母線側の電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備え、
各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間の両方にヒューズを設け、ヒューズの各々を、他相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相の平滑コンデンサから他相のスイッチング素子に流れる電流では溶断しないが、自相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相のスイッチング素子に流れる他相の平滑コンデンサからの電流を含む電流で溶断する特性のものとしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、短絡故障発生時に他相平滑コンデンサから流れる短絡電流によってヒューズを溶断でき、かつ、平滑コンデンサとスイッチング素子とから成る回路インダクタンスの極小化が可能な３レベル電力変換装置を提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、従来例の図を含めて、同符号は同一部分または対応部分を示す。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１を参照して、本発明による電力変換装置の第１の実施形態を説明する。
【００１２】
電圧型２レベル電力変換装置を構成するこの第１の実施形態において、図１に示すように、直流電源１から供給される直流電力が正側直流母線、負側直流母線を通じて、Ｕ相単位ブロック４１、Ｖ相単位ブロック４２、Ｗ相単位ブロック４３に、それぞれＵ相ヒューズ１１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｗ相ヒューズ３１を介して供給される。ここでは、ヒューズを正側直流母線と各相単位ブロックとの間に挿入しているが、負側直流母線と各相単位ブロックとの間に挿入しても良い。また、上記の両方に入れても構わない。
【００１３】
各相単位ブロック４１、４２、４３の内部構成は、図１に示すように、例えばＵ相単位ブロック４１については、平滑コンデンサ１６、正側スイッチング素子１２、負側スイッチング素子１３、および正側逆導通ダイオード１４、負側逆導通ダイオード１５から成る。そして、平滑コンデンサ１６の正極と正側スイッチング素子１２の正側直流母線側の電極であるコレクタおよび正側逆導通ダイオード１４の正側直流母線側の電極であるカソードとを接続し、平滑コンデンサ１６の負極と負側スイッチング素子１３の負側直流母線側の電極であるエミッタおよび負側逆導通ダイオード１５の負側直流母線側の電極であるアノードとを接続した構成となっている。Ｖ相単位ブロック４２、Ｗ相単位ブロック４３についても同様である。
【００１４】
図２に、Ｖ相のスイッチング素子２２、および２３において短絡故障が発生した場合の動作を示す。まず、Ｖ相平滑コンデンサ２６から短絡電流ＡがＶ相スイッチング素子２２、２３を介して流れる。この電流はＶ相ヒューズ２１を通過しないので、ヒューズ２１は溶断されない。
【００１５】
次に、Ｕ相平滑コンデンサ１６から短絡電流Ｂが、Ｕ相ヒューズ１１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｖ相スイッチング素子２２、２３を介して流れる。同時にＷ相平滑コンデンサ３６から短絡電流ＣがＷ相ヒューズ３１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｖ相スイッチング素子２２、２３を介して流れる。
【００１６】
以上のことから、故障発生相であるＶ相のヒューズ２１には、Ｕ相ヒューズ１１、Ｗ相ヒューズ３１に流れる電流の２倍の電流が流れることになり、２倍程度の電流で溶断する特性のヒューズを選定しておくことで、Ｖ相ヒューズ２１だけを溶断することが可能となる。
【００１７】
また、この回路構成においては、平滑コンデンサとスイッチング素子から成る回路に余分な用品が存在しないため（例えばＵ相については、Ｕ相ヒューズ１１がＵ相平滑コンデンサ１６とスイッチング素子１４との間に存在する従来例のような構成となっていないため）、回路インダクタンスを極小にできる。これにより、電流遮断時に発生するサージ電圧を小さくできるため、最大遮断電流を大きくできたり、直流電圧を増加させたりすることが可能となり、装置容量の拡大が可能な電力変換装置を提供できる。
【００１８】
（第２の実施形態）
次に図３を参照して、本発明による電力変換装置の第２の実施形態を説明する。
【００１９】
この実施形態は、図３に示すように、上記第１の実施形態の構成に加えて、正側直流母線と負側直流母線との間に一括平滑コンデンサ３を設けたものである。このような構成とすることにより、例えばＶ相のスイッチング素子２２、および２３において短絡故障が発生した場合、Ｖ相ヒューズ２１に流れる短絡電流として、一括平滑コンデンサ３からの短絡電流Ｄが加算されることになるため、Ｖ相ヒューズ２１をより高速に、より容易に溶断することが可能となる。
【００２０】
（第３の実施形態）
次に図４および図５を参照して、本発明による電力変換装置の第３の実施形態を説明する。なお、図４は、次の第４の実施形態の説明にも用いるため、一括正側平滑コンデンサ４、および一括負側平滑コンデンサ５が表示されているが、この第３の実施形態においては、これらの部分はないものとする。
【００２１】
電圧型３レベル電力変換装置を構成するこの第３の実施形態において、図４に示すように、直流電源１から供給される直流電力が正側直流母線、中性点、負側直流母線を通じて、Ｕ相単位ブロック４４、Ｖ相単位ブロック４５、Ｗ相単位ブロック４６に、それぞれＵ相ヒューズ１１、１９、およびＶ相ヒューズ２１、２９、およびＷ相ヒューズ３１、３９を介して供給される。
【００２２】
各相単位ブロックの内部構成は、図５に示すように、正側平滑コンデンサ、負側平滑コンデンサ、４個直列に接続したスイッチング素子および個々のスイッチング素子に逆並列に接続されるダイオード、正側クランプダイオードおよび負側クランプダイオードから成る。そして、正側クランプダイオードの一方の極であるアノードを正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極であるカソードをスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続し、負側クランプダイオードの一方の極であるカソードを正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極であるアノードをスイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続する。また、正側平滑コンデンサの正極とスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子の正側直流母線側の電極であるコレクタとを接続し、負側平滑コンデンサの負極とスイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子の負側直流母線側の電極であるエミッタとを接続した構成となっている。
【００２３】
次に、この第３の実施形態の動作を、図６を参照して説明する。図６も、次の第４の実施形態の動作の説明にも用いるため、一括正側平滑コンデンサ４、および一括負側平滑コンデンサ５が存在し、短絡電流Ｄが表示されているが、この第３の実施形態の動作においては、これらの部分はないものとする。
【００２４】
図６に示すように、Ｖ相のスイッチング素子の正側直流母線から１、２、３番目の素子において短絡故障が発生した場合、まず、Ｖ相正側平滑コンデンサから短絡電流ＡがＶ相スイッチング素子の３個、およびＶ相負側クランプダイオードを介して流れる。この電流はＶ相正側ヒューズ２１を通過しないのでヒューズ２１は溶断されない。
【００２５】
次に、Ｕ相正側平滑コンデンサから短絡電流ＢがＵ相正側ヒューズ１１、Ｖ相正側ヒューズ２１、Ｖ相スイッチング素子３個、およびＶ相負側クランプダイオードを介して流れる。同時にＷ相正側平滑コンデンサからも同様にして短絡電流Ｃが流れる。
【００２６】
以上のことから、故障発生相であるＶ相正側のヒューズ２１には、Ｕ相正側ヒューズ１１、Ｗ相正側ヒューズ３１に流れる電流の２倍の電流が流れることになり、２倍程度の電流で溶断する特性のヒューズを選定しておくことで、Ｖ相正側ヒューズ２１だけを溶断することが可能となる。
【００２７】
また、この回路構成においては、平滑コンデンサとスイッチング素子から成る回路に余分な用品が存在しないため、回路インダクタンスを極小にできる。これにより、電流遮断時に発生するサージ電圧を小さくできるため、最大遮断電流を大きくできたり、直流電圧を増加させたりすることが可能となり、装置容量の拡大が可能な電力変換装置を提供できる。
【００２８】
（第４の実施形態）
次に図６を参照して、本発明による電力変換装置の第４の実施形態を説明する。
【００２９】
この実施形態は、図６に示すように、上記第３の実施形態の構成に加えて、正側直流母線と中性点との間に一括正側平滑コンデンサ４を、そして負側直流母線と中性点との間に一括負側平滑コンデンサ５を設けたものである。このような構成とすることにより、Ｖ相のスイッチング素子の正側直流母線から１、２、３番目の素子において短絡故障が発生した場合、Ｖ相正側ヒューズ２１に流れる短絡電流として、一括正側平滑コンデンサ４からの短絡電流Ｄが加算されることになる。このため、Ｖ相正側ヒューズ２１をより高速に、より容易に溶断することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回路インダクタンスを極小にでき、かつ、短絡故障発生時もヒューズにより保護可能な電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電力変換装置の第１の実施形態を説明するための構成図。
【図２】 本発明による電力変換装置の第１の実施形態の動作を説明するための図。
【図３】 本発明による電力変換装置の第２の実施形態を説明するための構成図。
【図４】 本発明による電力変換装置の第３および第４の実施形態を説明するための構成図。
【図５】 図４における各単位ブロックの内部構成図。
【図６】 本発明による電力変換装置の第３および第４の実施形態の動作を説明するための図。
【図７】 従来の電力変換装置の構成図。
【図８】 従来の３レベル電力変換装置の構成図。
【図９】 図８におけるＵ相単位ブロックの内部構成図。
【符号の説明】
１…直流電源
２…電動機
３…一括平滑コンデンサ
４…一括正側平滑コンデンサ（３レベル用）
５…一括負側平滑コンデンサ（３レベル用）
１１…Ｕ相ヒューズ、またはＵ相正側ヒューズ（３レベル用）
１２…Ｕ相正側スイッチング素子
１３…Ｕ相負側スイッチング素子
１４…Ｕ相正側ダイオード
１５…Ｕ相負側ダイオード
１６…Ｕ相平滑コンデンサ
１９…Ｕ相負側ヒューズ（３レベル用）
２１…Ｖ相ヒューズ、またはＶ相正側ヒューズ（３レベル用）
２２…Ｖ相正側スイッチング素子
２３…Ｖ相負側スイッチング素子
２４…Ｖ相正側ダイオード
２５…Ｖ相負側ダイオード
２６…Ｖ相平滑コンデンサ
２９…Ｖ相負側ヒューズ（３レベル用）
３１…Ｗ相ヒューズ、またはＷ相正側ヒューズ（３レベル用）
３２…Ｗ相正側スイッチング素子
３３…Ｗ相負側スイッチング素子
３４…Ｗ相正側ダイオード
３５…Ｗ相負側ダイオード
３６…Ｗ相平滑コンデンサ
３９…Ｗ相負側ヒューズ（３レベル用）
４１…Ｕ相単位ブロック
４２…Ｖ相単位ブロック
４３…Ｗ相単位ブロック
４４…３レベルＵ相単位ブロック
４５…３レベルＶ相単位ブロック
４６…３レベルＷ相単位ブロック

Claims (4)

1. 直流電力を三相交流電力に変換する電圧型の電力変換装置において、
   各相毎に平滑コンデンサを設置し、
   前記平滑コンデンサの正極と正側スイッチング素子の正側直流母線側の電極および正側逆導通ダイオードの正側直流母線側の電極とを接続するとともに、前記平滑コンデンサの負極と負側スイッチング素子の負側直流母線側の電極および負側逆導通ダイオードの負側直流母線側の電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備え、
   各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間のどちらか一方または両方にヒューズを設け、前記ヒューズの各々を、他相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相の平滑コンデンサから他相のスイッチング素子に流れる電流では溶断しないが、自相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相のスイッチング素子に流れる他相の平滑コンデンサからの電流を含む電流で溶断する特性のものとしたことを特徴とした電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、各相毎に設置した前記平滑コンデンサとは別の一括平滑コンデンサを設けたことを特徴とした電力変換装置。
3. 直流電力を三相交流電力に変換する電圧型３レベルの電力変換装置において、
   各相毎に正側平滑コンデンサおよび負側平滑コンデンサを設置し、
   スイッチング素子を４個直列に接続し、前記スイッチング素子の各々に逆並列にダイオードを接続し、正側クランプダイオードの一方の極を前記正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極を前記スイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続し、負側クランプダイオードの一方の極を前記正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極を前記スイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続し、前記正側平滑コンデンサの正極と前記スイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子の正側直流母線側の電極とを接続し、前記負側平滑コンデンサの負極と前記スイッチング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子の負側直流母線側の電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備え、
   各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間の両方にヒューズを設け、前記ヒューズの各々を、他相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相の平滑コンデンサから他相のスイッチング素子に流れる電流では溶断しないが、自相のスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、当該ヒューズを介して自相のスイッチング素子に流れる他相の平滑コンデンサからの電流を含む電流で溶断する特性のものとしたことを特徴とした電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、各相毎に設置した前記正側平滑コンデンサおよび負側平滑コンデンサとは別の一括正側平滑コンデンサおよび一括負側平滑コンデンサを設けたことを特徴とした電力変換装置。

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