JP4139951B2

JP4139951B2 - 電力変換装置および電力変換方法

Info

Publication number: JP4139951B2
Application number: JP2002219516A
Authority: JP
Inventors: 隆昭寺田; 佐田夫石井; 博士桐野; 和彦平松
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004064879A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの可変速駆動や系統連系を行うインバータ等の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機であるモータを可変速駆動したりするために電力変換装置が用いられている。この電力変換装置の一般的な構成を図３に示す。
【０００３】
この電力変換装置は、図３に示されるように、入力３相交流電源を整流して直流電圧に変換するためのコンバータ部１０と、コンバータ部１０により変換された直流電圧を平滑するための平滑コンデンサＣ１と、コンバータ部１０により生成された直流電圧をＰＷＭ制御してモータ３０に出力するインバータ部２０とから構成されている。
【０００４】
コンバータ部１０は、６個の整流素子Ｄ１〜Ｄ６により構成される３相整流回路と、この整流素子Ｄ１〜Ｄ６と並列に接続された回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６と、このスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の逆電圧防止用整流素子Ｄ７〜Ｄ１２とから構成されている。整流素子Ｄ１〜Ｄ６は、３相交流電源の各相電圧と正電圧母線および負電圧母線との間にそれぞれ設けられている。そして、コンバータ部１０の出力である正電圧母線及び負電圧母線間には平滑用コンデンサＣ１が接続され、両直流電圧母線はインバータ部２０に入力され、インバータ部２０の出力にはモータ３０が接続されている。
【０００５】
また、コンバータ部１０には、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを制御するためのスイッチ素子駆動信号が入力されている。
【０００６】
図３には示されていないが、コンバータ部１０に入力されるスイッチ素子駆動信号を生成するための回路およびインバータ部２０内のスイッチ素子のオン／オフを制御するための信号を生成するための回路からなる制御部により、コンバータ部１０、インバータ部２０の動作は制御されている。
【０００７】
このような電力変換装置では、モータ３０の力行運転時には、入力３相交流電源は整流素子Ｄ１〜Ｄ６により整流されることにより直流電圧に変換され、平滑用コンデンサＣ１により平滑されて正電圧母線、負電圧母線を介してインバータ部２０に供給される。インバータ部２０では、この直流電圧をＰＷＭ制御してモータ３０に出力する。
【０００８】
モータ３０の回生運転時には、モータ３０において発生した回生電力はインバータ部２０で直流電圧に変換されてコンバータ部１０に印加される。そして、コンバータ部１０の回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６により交流電圧に変換され交流電源に帰還されるようになっている。
【０００９】
ここで回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６および整流素子Ｄ１〜Ｄ１２には最大許容電流が存在し、この最大許容電流を越える電流が流れると素子が破壊されてしまう。そのため、このような電力変換装置では、過電流保護を設け素子の破壊が発生しないような構成とする必要がある。
【００１０】
図３に示したような電力変換装置では、コンバータ部１０の電流は、回生時は回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を流れ、力行時はスイッチ素子と並列に接続された整流素子Ｄ１〜Ｄ１２を流れる。そのため、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６と整流素子Ｄ１〜Ｄ１２の最大許容電流が異なる場合、力行時と回生時における素子が破壊に至る電流のレベルが異なることになる。
【００１１】
一般的に整流素子Ｄ１〜Ｄ１２の最大許容電流よりも回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ１３の最大許容電流のほうが低いため、従来の電力変換装置では、低い方のレベル、つまり回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の通電能力を超えないようなレベルで過電流保護を行っていた。そのため、整流素子Ｄ１〜Ｄ１２にしか電流が流れない力行時においても回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の通電能力に合わせた過電流保護を行うことになるため、整流素子Ｄ１〜Ｄ１２にはまだまだ余裕がある場合でも電力変換装置の運転を停止することになり、素子の有効利用が図られていなかった。
【００１２】
このような問題を解決するため、特公平６−８１４１６号公報（特開平１−３４１３２号公報）には、電流検出器によって検出されたコンバータ部１０の入力電流が、コンバータ部１０の回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の通電能力を超えた場合、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６へのベース電流を遮断し、整流素子Ｄ１〜の通電能力を超えた場合、モータ３０を非常停止するようにした交流電動機駆動装置が開示されている。
【００１３】
しかし、このような従来の電力変換装置では、モータ３０が回生運転を行っているのか力行運転を行っているのかを判断していないため、コンバータ部１０の入力電流がコンバータ部１０の回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の通電能力を超えた場合、回生運転の最中であっても回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６へのベース電流を遮断してしまうことになる。本来コンバータ部１０が電源回生状態であるにもかかわらず、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６へのベース電流を遮断してしまうということは異常事態であるため、異常検出信号等により上位側装置へ異常の発生を知らせる必要がある。しかし、この従来の電力変換装置では、入力電流が一定値異常である場合には一律に回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６へのベース電流を遮断するだけで異常状態であることを認識することができないため、異常の発生を上位装置等に通知することはできない。
【００１４】
また、過電流状態が解消されればまた通常運転を再開して運転を継続してしまうため、異常状態が解消されないまま、このような状態を繰り返すこととなり、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を破壊してしまうことになり確実な保護を行うことはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電力変換装置では、入力電流が回生用スイッチ素子の通電能力を超えると一律に回生用スイッチ素子のベース電流を遮断してしまうため、異常状態を確実に検出することができず回生用スイッチの確実な保護を行うことができないという問題点があった。
【００１６】
本発明の目的は、コンバータ部の整流素子の通電能力と回生用スイッチ素子の通電能力とに差がある場合、力行時と回生時にそれぞれ異なった過電流レベルを設けることにより回生用スイッチ素子と整流素子の有効利用を図るとともに、回生用スイッチ素子と整流素子の確実な保護動作を行うことができる電力変換装置および方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、６個の整流素子が３相交流電源の各相電圧と正電圧母線および負電圧母線との間にそれぞれ設けられた３相整流回路と、前記６つの整流素子にそれぞれ並列に接続された６個のスイッチ素子とを有するコンバータ部を備えたる電力変換装置であって、前記３相交流電源の各相の電流値を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された電流値から入力相電流を検出する入力相電流検出部と、正電圧母線と負電圧母線間の電圧である母線電圧の増減を検出する母線電圧検出部と、前記母線電圧検出部からの母線電圧の増減結果に基づいて回生状態であるか力行状態であるかの判別を行なう運転状態判別部と、を備えた電力変換装置において、
前記入力相電流と予め設定された前記スイッチ素子の最大許容電流を超えない電流レベルとを比較し、前記入力相電流が前記電流レベルを超えた場合、前記スイッチ素子の駆動を一定期間だけ強制停止させる過電流保護制御部を備え、
前記運転状態判別部が、前記スイッチ素子の強制停止中、運転状態を判別し、
前記過電流保護制御部が、前記運転状態判別部における運転状態の判別がカ行状態の場合、前記スイッチ素子の強制停止を解除して通常運転に復帰させ、
一方、前記運転状態判別部における運転状態の判別が回生状態の場合、前記コンバータ部の運転を非常停止させると共に、異常の発生を示す異常検出信号を出力することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、整流素子の停止期間中の母線電圧の増減により回生状態か力行状態の判定を行っているため、力行時と回生時にそれぞれ異なった過電流レベルを設けることにより、スイッチ素子と整流素子の有効利用を図ることができコスト削減も図ることができる。また、現在の運転状態が回生状態であるのか力行状態であるのかを判別してから保護動作を行うことにより、異常状態であることを検出して保護動作を行うようにしているため、整流素子および回生用スイッチ素子の確実な保護を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態の電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１において、図３中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００２１】
本実施形態の電力変換装置は、図１に示すように、主回路部と、この主回路部の制御を行う制御部とから構成されている。
【００２２】
主回路部は、コンバータ部１０、インバータ部２０と、平滑用コンデンサＣ１とから構成され、モータ３０の動作の制御を行っている。
【００２３】
また、制御部は、回生指令生成部４０と、スイッチ素子駆動信号生成部５０と、入力相電流検出部６０と、母線電圧検出部７０と、過電流保護制御部８０と、運転状態判別部９０と、電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３とから構成されていて、コンバータ部１０の制御を行っている。尚、通常はインバータ部２０を制御するための回路構成も制御部内に設けられるが、本発明とは直接関係ないため以下の説明では省略する。
【００２４】
回生指令生成部４０は、回生指令を生成して出力している。スイッチ素子駆動信号生成部５０は、回生指令生成部４０により生成された回生指令を受け、コンバータ部１０の回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を駆動するためのスイッチ素子駆動信号を生成して出力している。
【００２５】
入力相電流検出部６０は、電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３により検出された電流値から入力相電流を検出している。母線電圧検出部７０は、正電圧母線と負電圧母線間の電圧である母線電圧の増減を検出している。
【００２６】
過電流保護制御部８０は、入力相電流検出部６０により検出された入力相電流が過電流レベルに達した場合、一定期間だけ回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を強制的に停止させ、その停止期間中の運転状態判別部９０からの判別結果に基づいて、コンバータ部１０の運転を非常停止させるか、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の強制停止を解除して通常運転に復帰させるかの判定を行っている。ここで過電流レベルは、コンバータ部１０の回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の最大許容電流を超えない電流レベルが設定される。
【００２７】
運転状態判別部９０は、過電流保護制御部８０が過電流状態を検出してスイッチ素子駆動信号生成部５０に対して回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を停止させる指示を行った場合、その停止期間中の母線電圧検出部７０からの母線電圧の増減結果に基づいて、モータ３０が回生状態であるか力行状態であるかの判別を行っている。
【００２８】
回生運転中は、インバータ部２０から電力が供給されてくるため、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を停止すると母線電圧は上昇する。また、力行運転中は回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を停止しても母線電圧には影響がない。本実施形態の電力変換装置では、この特性を利用して入力相電流検出部６０が入力相電流が過電流レベルに達したことを検出した場合、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を一定期間停止して、その期間内における母線電圧の増減により回生運転／力行運転の判定を行い、回生運転中の場合のみ過電流保護を有効にするようにしたものである。
【００２９】
次に、本実施形態の電力変換装置の動作について図２のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００３０】
先ず、電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３及び入力相電流検出部６０により、コンバータ部１０の入力相電流が検出される（ステップ１０１）。そして、この入力相電流と予めスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の通電能力に合わせて設定された過電流レベルとの比較が行われる（ステップ１０２）。
【００３１】
ステップ１０２において入力相電流が過電流レベル以上となると、任意の期間スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を強制的に停止させる（ステップ１０３）。そして、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６が強制的に停止されている間の母線電圧の増減が、母線電圧検出部７０により検出される（ステップ１０４）。
【００３２】
そして、運転状態判別部９０は、母線電圧検出部７０により母線電圧が増加していることが検出された場合、モータ３０は回生運転中であると判定し、母線電圧が減少していることが検出された場合、モータ３０は力行運転中であると判定する（ステップ１０５）。
【００３３】
過電流保護制御部８０は、ステップ１０５において運転状態判別部９０により回生運転中であると判定された場合、コンバータ部１０の運転を非常停止させ（ステップ１０６）、力行運転中であると判定された場合、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の強制停止を解除して通常運転に復帰させる（ステップ１０７）。
【００３４】
力行運転中であれば、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を停止してもコンバータ部１０の運転には全く支障は無い。本実施形態の電力変換装置によれば、回生運転中であっても、過電流保護制御部８０が過電流を検出した場合、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を停止させるので、力行／回生の判定を行う一定期間に電流が流れることはなく、過電流レベルを超える電流が回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６に流れることを防ぐことができる。
【００３５】
尚、力行運転中の過電流については、入力電流は整流素子Ｄ１〜Ｄ１２を流れるため、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を制御しても過電流を抑制することはできない。そのため、インバータ部２０において別途過電流保護機能を設けることとする。
【００３６】
本実施形態の電力変換装置によれば、上記のような構成とすることにより、力行運転中と回生運転中において、過電流保護のレベルを別個に設けることが可能となる。そのため、各素子の有効利用を図ることができリーズナブルなシステム設計が可能となり、コスト削減を図ることができる。
【００３７】
さらに本実施形態の電力変換装置によれば、過電流保護制御部８０は現在の運転状態が回生状態であるのか力行状態であるのかを判別してから保護動作を行っているため、図１には示されていない異常検出信号等を用いることにより上位装置等に異常の発生を通知することも可能である。そして、この通知を受けた上位装置側において適切な保護動作を行うことにより、回生用スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６と整流素子Ｄ１〜Ｄ１２の確実な保護動作を行うことが可能となる。
【００３８】
尚、図３に示したコンバータ部１０には、整流素子Ｄ１〜Ｄ６と、逆電圧防止用整流素子Ｄ７〜Ｄ１２とが回路上同じ場所に設けられているが、回路的には同じ動作を行うものであり、入力３相交流電源を直流電圧に変換するための整流素子はいずれか一方あればよい。ただし、実使用上は、逆電圧防止用整流素子Ｄ７〜Ｄ１２と整流素子Ｄ１〜Ｄ６はそれぞれ特性が異なるダイオードが使用される。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得ることができる。
（１）整流素子の停止期間中の母線電圧の増減により回生状態か力行状態の判定を行っているため、力行運転中と回生運転中の過電流保護のレベルをそれぞれ別個に設定することができ、スイッチ素子および整流素子の各素子の有効利用を図ることができる。
（２）現在の運転状態が回生状態であるのか力行状態であるのかを判別してから保護動作を行っているため、スイッチ素子および整流素子の確実な保護動作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の電力変換装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０コンバータ部
２０インバータ部
３０モータ
４０回生指令生成部
５０スイッチ素子駆動信号生成部
６０入力相電流検出部
７０母線電圧検出部
８０過電流保護制御部
９０運転状態判別部
Ｃ１平滑用コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ６整流素子
Ｄ７〜Ｄ１２逆電圧防止用整流素子
ＣＴ１〜ＣＴ３電流検出器
ＳＷ１〜ＳＷ６回生用スイッチ素子

Claims

６個の整流素子が３相交流電源の各相電圧と正電圧母線および負電圧母線との間にそれぞれ設けられた３相整流回路と、前記６つの整流素子にそれぞれ並列に接続された６個のスイッチ素子とを有するコンバータ部を備えたる電力変換装置であって、前記３相交流電源の各相の電流値を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された電流値から入力相電流を検出する入力相電流検出部と、正電圧母線と負電圧母線間の電圧である母線電圧の増減を検出する母線電圧検出部と、前記母線電圧検出部からの母線電圧の増減結果に基づいて回生状態であるか力行状態であるかの判別を行なう運転状態判別部と、を備えた電力変換装置において、
前記入力相電流と予め設定された前記スイッチ素子の最大許容電流を超えない電流レベルとを比較し、前記入力相電流が前記電流レベルを超えた場合、前記スイッチ素子の駆動を一定期間だけ強制停止させる過電流保護制御部を備え、
前記運転状態判別部が、前記スイッチ素子の強制停止中、運転状態を判別し、
前記過電流保護制御部が、前記運転状態判別部における運転状態の判別がカ行状態の場合、前記スイッチ素子の強制停止を解除して通常運転に復帰させ、
一方、前記運転状態判別部における運転状態の判別が回生状態の場合、前記コンバータ部の運転を非常停止させると共に、異常の発生を示す異常検出信号を出力することを特徴とする電力変換装置。