JP4471155B2 - 電力変換装置及びこの保護方法 - Google Patents

Description

本発明は改良された電力変換装置及びこの保護方法に関する。

一般に、電磁石コイルや超伝導コイルを負荷にもつ電力変換装置においては、系統とコイル間で電力エネルギーの授受を行うが、系統や電力変換装置の開放故障等により、エネルギーを循環する流路が無くなると、過電圧を発生する場合がある。

このような過電圧の保護方法として、過電圧発生時にコイルの両端を短絡する短絡スイッチを設ける方法が知られている（例えば特許文献１参照。）。

特許文献１に示されている方法によれば、電力変換装置とコイル負荷の間にサイリスタと自己点弧回路で構成した短絡スイッチを接続する。系統側で遮断器の開放、あるいは電力変換装置のアームを構成するスイッチが点弧できず開放に至ったとき、コイル負荷に蓄えられたエネルギーを循環する流路がなくなるため過電圧を生じる。このとき、この過電圧を検出した自己点弧回路が点弧動作し、サイリスタを点弧し、サイリスタが導通する。従って、負荷コイルとサイリスタ間に環流路が形成されて過電圧を抑制することができる。

また、サイリスタによる短絡スイッチを設けずに、交流または直流の回路電圧を検出し、電力変換装置のＢＰＰ（バイパスペアの略で上下アームの対のことを言う。）のアームを点弧して環流路を作る手法も考えられる。
特許第２６１４２７８号公報（第３頁、第４図）

以上述べたように、コイル負荷を持つ電力変換装置においては、保護のため過電圧で動作する環流路を確保する必要がある。

近年、電力変換装置の変換器を構成する自己消弧型半導体素子のｄｖ／ｄｔ耐量の向上や高スイッチング周波数化が進み、特許文献１に示されているような電力変換装置の保護方法では、並列接続する短絡スイッチ用の素子のｄｖ／ｄｔ耐量が不足し、多直列化が必要となり、また電力変換装置の変換器が発生する電圧リプルにより自己点弧回路の過電圧検出器が誤動作する恐れが生じてきた。

一方、交流または直流の過電圧検出によってＢＰＰのアームを点弧する方法では、電力変換装置の変換器の素子が開放故障しているアームを検知することができず、保護できない場合がある。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、その目的は、過電圧時に環流路を確実に確保することが可能な、コイル負荷を持つ電力変換装置及びその保護方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、第１の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第１の逆導通防止用ダイオードと、前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第１のスナバダイオードとで形成される第１の直列体と、前記第１の直列体と並列に接続され、第２の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第２のスナバダイオードと、前記第２の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第２の逆導通防止用ダイオードとで形成される第２の直列体と、前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタと前記第２の自己消弧型半導体素子のエミッタ間に接続されたスナバ用のコンデンサとで構成された複数のアームをブリッジ接続した変換器と、前記各々のコンデンサの過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記過電圧検出信号を保持する保持手段と、前記自己消弧型半導体素子を点弧制御する制御手段とを備え、直流出力側にコイル負荷を持つ電力変換装置において、
前記過電圧検出手段が過電圧を検出したとき、過電圧を検出した当該アームの自己消弧型半導体素子を、前記保持手段及び前記制御手段を介して強制点弧するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、過電圧時に環流路を確実に確保することができるので、信頼性の高い電力変換装置及びその保護方法を提供することができる。

以下、本発明に係る電力変換装置及びその保護方法の実施例について、図面を参照して説明する。

以下、本発明に係る電力変換装置及びその保護方法の実施例１を、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。

交流電源１の系統電力を変圧器２で所望の電圧に変換し、変換器３に供給する。変換器３は交流を直流に変換し、コイル４に直流電力を供給する。変換器３はアーム３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ、３１Ｘ、３１Ｙ及び３１Ｚをブリッジ接続した構成となっている。

アーム３１Ｕの内部構成を図１（ｂ）に示す。自己消弧型半導体素子であるＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂは夫々エミッタ側にダイオード３３Ａ、３３Dが、またコレクタ側にダイオード３３Ｃ、３３Ｂが接続されて直列回路を構成し、これらの直列回路は並列に接続された構成となっている。また、ＩＧＢＴ３２Ａのコレクタ側とＩＧＢＴ３２Ｂのエミッタ側にスナバコンデンサ３４が接続されている。ダイオード３３Ａ及び３３Ｂは夫々ＩＧＢＴ３２Ａ及び３３Ｂに流れる電流が逆流するのを防止するためのダイオードであり、ダイオード３３Ｃ及び３３Ｄはスナバコンデンサ３４の充電ルートを形成するためのスナバ回路用ダイオードである。他のアーム３１Ｖ、３１Ｗ、３１Ｘ、３１Ｙ及び３１Ｚもアーム３１Ｕと同様の構成となっている。

各々のアームのスナバコンデンサ３４の両端の電圧は、過電圧検出回路２０に入力され、過電圧を検出するとその出力は保持回路２１でホールドされ、過電圧信号としてＯＲ回路２２の一方の入力となる。通常運転時はＯＲ回路２２の他方の入力となっているゲート信号がゲート制御回路２３を介してＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂをオンオフ制御している。ＯＲ回路２２が上記の過電圧信号を受けたとき、ＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂは、上記の通常運転時のゲート信号の状態にかかわらず、共にオンするように動作する。

以下、上記構成における動作及び作用について説明する。

正常動作時に通電していたＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂがオフすると、ＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂに流れていた電流はスナバ回路用ダイオード３３Ｃ及び３３Ｄに移行し、スナバコンデンサ３４を充電する。スナバコンデンサ３４は、ＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂがオフするときの順電圧上昇率ｄＶ／ｄｔを抑制するように動作する。次のゲート制御サイクルでＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂがオンすると、充電されていたスナバコンデンサ３４の電荷はＩＧＢＴ３２Ａ及び３２Ｂを介して直流回路に放電される。このときの放電回路に抵抗分はないので、スナバコンデンサ３４に蓄えられたエネルギーは回生される。

以上の動作におけるスナバコンデンサ３４の充電電圧は、直流回路及び交流入力の電圧に比例するので、スナバコンデンサ３４の両端電圧により直流回路または交流入力の過電圧を検出することが可能となる。また、スナバコンデンサ３４の両端電圧は、一方向の極性となるため、交流電圧を検出する手法と比較して検出が容易で、且つ過電圧検出回路２０における電圧レベル比較も容易に行うことが可能になる。更に、通常の場合はスナバコンデンサの容量は数μＦ程度であるのに対し、上記のようにスナバエネルギーを回生する電力変換方式では、スナバコンデンサ３４の容量を数百μＦオーダにまで大きくすることができるため、ｄＶ／ｄｔの変化が少なく、検出が容易となるメリットがある。

このようにしてスナバコンデンサ３４の両端電圧によって検出された過電圧信号は、過電圧を発生したアームのＩＧＢＴを点弧する。ＩＧＢＴが導通し、過電圧が発生したアームを短絡することによって環流路が確保される。この環流路は変換器内のアーム毎に確保されるので、冗長性があり信頼性の高い電力変換装置及びこの保護方法を提供することが可能となる。

また、電力変換装置の構成要素の中で、比較的耐電圧責務の厳しいＩＧＢＴの直近で過電圧を検出して保護動作を行うようにしているので、電力変換装置の信頼性を高めることが可能となる。

図２は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、保持回路２１の出力である過電圧信号を入力とするＢＰＰ保護回路２４により対となるアームのＩＧＢＴを点弧する信号をつくり、ゲート制御器２３Ａを介して対となるアームのＩＧＢＴを強制的にオンするようにした点である。

このように過電圧を検出したアームに対して、同時に対となるＢＰＰアームのＩＧＢＴを点弧するようにしたので、上下アームを含む環流路が確実に確保され、更に信頼性の高い電力変換装置及びその保護方法を提供することが可能となる。

図３は、本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、変換器３と負荷４の間に低域通過型フィルタ５と短絡スイッチ６を設けた点である。

低域通過型フィルタ５は、変換器３が発生する電圧リプル分を低減するために設けられる。低域通過型フィルタ５には、一般にリアクトル要素が含まれ、このエネルギー分を環流するために前述した過電圧検出で強制点弧を行う保護手段を使用する。

短絡スイッチ６はスイッチ素子６ａと自己点弧回路６ｂで構成され、コイル負荷４に過電圧が発生したとき、コイル負荷４との間で還流路を形成するように動作する。この短絡スイッチ６は低域通過型フィルタ５の後段に配置されているため、高ｄＶ／ｄｔ耐量をもつ必要がない。また、リプルの少ない安定な電圧で過電圧検出が可能となるため、誤検出が低減され、信頼性の高い電力変換装置及びその保護方法を提供することが可能となる。

図４は、本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図３の実施例３に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、保持回路２１の出力である過電圧信号を、短絡スイッチ点弧回路２５及びパルストランス６Ｃを介し、自己点弧回路６ｂと並列に接続するようにした点である。

このようにスイッチ素子６ａの自己点弧と、スナバコンデンサ３４の過電圧検出によるスイッチ素子６ａのゲート点弧の２つのＯＲ条件で短絡スイッチ６を動作させることにより、より速く且つ安全な動作が可能となり、更に信頼性の高い電力変換装置及びその保護方法を提供することが可能となる。

図５は、本発明の実施例５に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例５の各部について、図４の実施例４に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例５が実施例４と異なる点は、保持回路２１の出力を時限回路２６で受け、この出力をＯＲ回路２２の一方の入力とするようにした点である。

過電圧検出によりアームを短絡すべき時間は、低域通過型フィルタ５のリアクトルに蓄えられたエネルギーが放電するだけの時間で良い。これ以上の時間継続して強制短絡しているとき、万一停電が発生すると、制御用電圧が失われるためゲート点弧パルスが乱れ、場合によってはＩＧＢＴを破損してしまう恐れがある。このため、時限回路２６で強制点弧すべき時間を適切に選定しておけば、更に信頼性の高い電力変換装置及びこの保護方法を提供することが可能となる。

以上の説明において自己消弧型半導体素子としてはＩＧＢＴ、短絡スイッチのスイッチ素子にはサイリスタを適用した例を説明したが、本発明がＩＧＢＴやサイリスタだけに限定されるものでないのは勿論である。また、単独の自己消弧型半導体素子でなく、自己消弧型半導体素子を多直列や多並列して組合せても同様な効果が得られる。

また実施例３乃至実施例５で説明した電力変換装置及びこの保護方法に実施例２で説明したＢＰＰ保護回路を追加することにより、更に信頼性の高い電力変換装置及びこの保護方法を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例５に係る電力変換装置の回路構成図。

符号の説明

１ 交流電源
２ 変圧器
３ 変換器
４ コイル負荷
５ 低域通過型フィルタ
６ 短絡スイッチ
６ａ スイッチ素子
６ｂ 自己点弧回路
６ｃ パルストランス
２０ 過電圧検出回路
２１ 信号保持回路
２２ ＯＲ回路
２３、２３Ａ ゲート制御回路
２４ ＢＰＰ保護回路
２５ 短絡スイッチ点弧回路
３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ、３１Ｘ、３１Ｙ、３１Ｚ アーム
３２Ａ、３２Ｂ ＩＧＢＴ
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ ダイオード
３４ スナバコンデンサ

Claims (2)

1. 第１の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第１の逆導通防止用ダイオードと、前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第１のスナバダイオードとで形成される第１の直列体と、
   前記第１の直列体と並列に接続され、第２の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第２のスナバダイオードと、前記第２の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第２の逆導通防止用ダイオードとで形成される第２の直列体と、
   前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタと前記第２の自己消弧型半導体素子のエミッタ間に接続されたスナバ用のコンデンサと
   で構成された複数のアームをブリッジ接続した変換器と、
   前記各々のコンデンサの過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記過電圧検出信号を保持する保持手段と、
   前記自己消弧型半導体素子を点弧制御する制御手段と
   を備え、直流出力側にコイル負荷を持つ電力変換装置において、
   前記過電圧検出手段が過電圧を検出したとき、
   過電圧を検出した当該アームの自己消弧型半導体素子を、前記保持手段及び前記制御手段を介して強制点弧するようにしたことを特徴とする電力変換装置の保護方法。
2. 第１の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第１の逆導通防止用ダイオードと、前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第１のスナバダイオードとで形成される第１の直列体と、
   前記第１の直列体と並列に接続され、第２の自己消弧型半導体素子と、このエミッタに直列に接続された第２のスナバダイオードと、前記第２の自己消弧型半導体素子のコレクタに直列に接続された第２の逆導通防止用ダイオードとで形成される第２の直列体と、
   前記第１の自己消弧型半導体素子のコレクタと前記第２の自己消弧型半導体素子のエミッタ間に接続されたスナバ用のコンデンサと
   で構成された複数のアームをブリッジ接続し、直流出力をコイル負荷に給電する変換器と、
   前記各々のコンデンサの過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記過電圧検出信号を保持する保持手段と、
   前記自己消弧型半導体素子を点弧制御する制御手段と
   を備え、
   前記過電圧検出手段が過電圧を検出したとき、
   過電圧を検出した当該アームの自己消弧型半導体素子を、前記保持手段及び前記制御手段を介して強制点弧するようにしたことを特徴とする電力変換装置。

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