JP4530499B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を短絡電流から保護するための電流検出センサを搭載した電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電動機等の負荷に可変電圧可変周波数の電源を供給するものとしてＰＷＭインバータを備えた電力変換装置が使用される。そして、電動機の容量が大きな場合は、その回生時の回生エネルギーを抵抗で消費することが困難となるため、ＰＷＭコンバータも搭載して、電源回生を可能とする構成としている。このようなＰＷＭインバータ及びＰＷＭコンバータは、Ｐ側母線及びＮ側母線にアーム構成されたＩＧＢＴ等の各スイッチング素子が直結された構成となっているため、ゲート信号の誤動作や異常制御等による同時点弧が発生し、直流短絡を起こす場合がある。このような直流短絡が起きた場合は、瞬時に遮断を行わないと短絡電流によってスイッチング素子が破壊されることになる。そのため、電力変換装置には従来からホールＣＴ等の電流検出センサが搭載され、速やかに短絡電流を検出して保護動作を行う機能が備えられている。
【０００３】
図１０は、いわゆるコンバータ１パラ・インバータ１パラ構成の電力変換装置の回路構成図であり、図１１はその外観構成図である。コンバータ部１は、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）ＲP，ＲNにより構成されるＲ相アーム、スイッチング素子ＳP，ＳNにより構成されるＳ相アーム、スイッチング素子ＴP，ＴNにより構成されるＴ相アームを有している。インバータ部２は、スイッチング素子ＵP，ＵNにより構成されるＵ相アーム、スイッチング素子ＶP，ＶNにより構成されるＶ相アーム、スイッチング素子ＷP，ＷNにより構成されるＷ相アームを有している。Ｒ，Ｓ，Ｔ相の各アームを構成するスイッチング素子同士の共通接続点には３相の交流電源３が接続されており、一方、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各アームを構成するスイッチング素子同士の共通接続点には負荷である交流モータ４が接続されている。また、これら各相のアームは、図１１に示されているように、取付ベース部材１２の両面に取り付けられている。
【０００４】
スイッチング素子ＲP，ＳP，ＴPのコレクタ側はＰ側主回路ブス部材５Pにより連結されると共に、スイッチング素子ＲN，ＳN，ＴNのエミッタ側はＮ側主回路ブス部材５Nにより連結されている。そして、Ｐ側主回路ブス部材５PとＮ側主回路ブス部材５Nとの間に平滑コンデンサ６ａ，６ｂが接続されており、これらのコンデンサから流れる電流が電流検出センサとしてのホールＣＴ７ａにより検出されるようになっている。
【０００５】
同様に、スイッチング素子ＵP，ＶP，ＷPのコレクタ側はＰ側主回路ブス部材８Pにより連結されると共に、スイッチング素子ＵN，ＶN，ＷNのエミッタ側はＮ側主回路ブス部材８Nにより連結されている。そして、Ｐ側主回路ブス部材８PとＮ側主回路ブス部材８Nとの間に平滑コンデンサ９ａ，９ｂが接続されており、これらのコンデンサから流れる電流が電流検出センサとしてのホールＣＴ７ｂにより検出されるようになっている。なお、図１０及び図１１の例では、ホールＣＴ７ａ，７ｂとして高速動作が可能なピアソンＣＴが用いられている。
【０００６】
Ｐ側主回路ブス部材５P，８P間にはＰ側主回路接続線１０Pが接続されると共に、Ｎ側主回路ブス部材５N，８N間にはＮ側主回路接続線１０Nが接続されている。これらの主回路接続線１０P，１０Nにはインダクタンスの高いハイパロン線が用いられており、スイッチング素子が高速スイッチング動作を行ったときのコンバータ部１とインバータ部２との間の相互干渉が防止されるようになっている。
【０００７】
ホールＣＴ７ａ，７ｂからの電圧検出信号は制御部１１に入力されるようになっており、制御部１１はこの電圧検出信号のレベルが設定値を超えた場合に、直ちにスイッチング素子に流れる電流が遮断されるよう保護動作を行うようになっている。例えば、図１０において、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNが同時にオンしてしまった場合には主回路ブス部材５P，５N間すなわちＰ側母線及びＮ側母線間が短絡した状態となる。したがって、図１０の一点鎖線で示したように、平滑コンデンサ６ａ，６ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ1が流れることになる。ホールＣＴ７ａは、この時の短絡電流Ｉ1を検出してその電流レベルを表す電圧検出信号を制御部１１に出力しており、制御部１１はこの入力した電圧検出信号のレベルが設定値を超えた時点で短絡事故が発生したと判別して直ちに運転動作を停止させる。これにより、スイッチング素子ＲP，ＲNの短絡電流による破壊が防止されることになる。
【０００８】
図１２は、Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有する電力変換装置１３の概略外観構成図である。すなわち、コンバータ側のスイッチング素子ＲP，ＲN及びインバータ側のスイッチング素子ＵP，ＵNはＲ／Ｕ相ユニット１４に、コンバータ側のスイッチング素子ＳP，ＳN及びインバータ側のスイッチング素子ＶP，ＶNはＳ／Ｖ相ユニット１５に、コンバータ側のスイッチング素子ＴP，ＴN及びインバータ側のスイッチング素子ＴP，ＴNはＴ／Ｗ相ユニット１６に、それぞれ配設されている。そして、各ユニットはそれぞれに図示を省略してある冷却器を有しており、この冷却器によって各ユニット内のスイッチング素子に対する冷却が行われるようになっている。
【０００９】
この図１２の構成では、中央のＳ／Ｖ相ユニット１５のみがホールＣＴ７ａ，７ｂを有している。ホールＣＴ７ａは、スイッチング素子ＳPに接続されたＰ側ブス部材に取り付けられており、同様に、ホールＣＴ７ｂは、スイッチング素子ＶPに接続されたＰ側ブス部材に取り付けられている。そして、各ユニット間のＰ側ブス部材同士及びＮ側ブス部材同士は図示を省略してある連結ブス部材により連結されており、スイッチング素子ＲP，ＲN間、スイッチング素子ＳP，ＳN間、スイッチング素子ＴP，ＴN間の各短絡はホールＣＴ７ａが検出し、また、スイッチング素子ＵP，ＵN間、スイッチング素子ＶP，ＶN間、スイッチング素子ＷP，ＷN間の各短絡はホールＣＴ７ｂが検出するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の電力変換装置は次のような課題を有するものであった。まず、第一に、いずれの電力変換装置も２つのホールＣＴを用いているが、このホールＣＴは優れた高速性を有するものである反面、価格的には非常に高価なものである。従来の電力変換装置は、このような高価なホールＣＴを２つも使用した構成であるため、装置全体のコストを引き上げてしまい、充分ななコストダウンを図ることができなかった。
【００１１】
第二に、短絡事故が発生する一対のスイッチング素子の個所が異なると、短絡電流が流れる閉ループ回路のインピーダンスが異なるものとなるために、ホールＣＴから常に一定のレベルの短絡電流検出信号を得ることができなくなるという問題があった。この場合、図１０及び図１１に示したような１つのユニット内に全てのスイッチング素子が収納されている構成の場合は、どの部位で短絡が発生しようとインピーダンスに大きな相違はないために殆ど問題は生じない。例えば、スイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生した場合も、スイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合もインピーダンスに大きな相違はないために、ホールＣＴ７ａから制御部１１に出力される短絡電流検出信号は常に均一なものとなる。
【００１２】
しかし、図１２に示したような全てのスイッチング素子が複数のユニット内に分割されて収納されている構成の場合は、短絡の発生する部位によってインピーダンスに大きな相違が生じることになる。例えば、スイッチング素子ＳP，ＳNはホールＣＴ７ａに近い個所に配設されているために短絡時のインピーダンスは比較的小さなものとなるが、スイッチング素子ＲP，ＲN又はスイッチング素子ＴP，ＴNはホールＣＴ７ａから遠く離れた個所に配設されているために短絡時のインピーダンスは大きなものとなる。したがって、スイッチング素子ＲP，ＲN又はスイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合、ホールＣＴ７ａからの短絡電流検出信号が設定値のレベルに到達するまでに長い時間を要し、制御部１１の保護動作が遅れてしまうことがあった。このような保護動作の遅れを解消するためには、Ｒ／Ｕ相ユニット１４及びＴ／Ｗ相ユニット１６にもホールＣＴ７ａ，７ｂを設け、Ｓ／Ｖ相ユニット１５と同様の構成にすればよいが、それでは高価なホールＣＴを合計６個も搭載することになり、コスト的には極めて不利なものとなる。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、使用する電流検出センサの個数を１個のみに削減すると共に、この削減にもかかわらず迅速な短絡保護動作を確保することが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を備え、これらコンバータ部及びインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子の一端側及び他端側はそれぞれＰ側主回路ブス部材及びＮ側主回路ブス部材により連結されていると共に、これらコンバータ部並びにインバータ部の各Ｐ側主回路ブス部材同士の間及び各Ｎ側主回路ブス部材同士の間は干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、更に、前記各一対のスイッチング素子に発生する短絡電流を検出するための電流検出センサを有する電力変換装置において、前記電流検出センサを１個のみ含んで構成される短絡検出回路を備え、この短絡検出回路の接続個所を、前記コンバータ部又はインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子のうちのいずれに短絡が発生したとしても、この短絡検出回路と、その短絡が発生した前記各一対のスイッチング素子とに短絡電流が流れるときのインピーダンスが、いずれの場合にもほぼ同様の値になる個所とし、これによりこの短絡検出回路がいずれの場合にも均一レベルの短絡電流検出信号を出力するようにした、ことを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、高価な電流検出センサを１個しか用いていないのでコストダウンを図ることができる。そして、いずれの一対のスイッチング素子に短絡が発生しても常に均一レベルの電圧検出信号を出力することができるので、スイッチング素子に対する短絡保護動作を確実に行うことができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路に短絡検出用電流を供給する短絡検出用コンデンサと、前記一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記短絡検出用コンデンサから供給される短絡検出用電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、いずれか一対のスイッチング素子に短絡が発生した場合に、短絡検出用コンデンサから短絡検出を行うための電流を電流検出センサに向けて流すことができる。このような短絡検出用コンデンサ及び電流検出センサにより構成される短絡検出回路の接続を所定の個所で行うことにより、短絡の発生個所如何にかかわらず、常に均一レベルの電圧検出信号を出力することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士はそれぞれＰ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材により連結されており、前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線による接続は、前記Ｐ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材を介して行われている、ことを特徴とする。
【００１９】
比較的容量の大きな電力変換装置の場合、上記のように、同一冷却器にコンバータ部及びインバータ部が複数組取り付けられ、したがって、主回路ブス部材の他に連結用ブス部材を用いた構成が採用される。そのため、短絡の発生部位によって短絡電流が流れるときのインピーダンスが大きく異なるため、常に均一レベルの電圧検出信号を得るのは難しいが、上記のような短絡検出回路により常に均一レベルの電圧検出信号を得ることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記Ｎ側連結用ブス部材と前記短絡検出回路の負側との間に、各組毎の前記コンバータ部又はインバータ部における短絡発生部位の相違に応じた前記閉ループ回路のインピーダンスがほぼ同様の値になるまでに、これらのインピーダンスの差異を小さくするための補助接続線を接続した、ことを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、より一層均一なレベルの電圧検出信号を得ることができる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士は前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、前記Ｐ側主回路ブス部材同士又はＮ側主回路ブス部材同士のいずれか一方のみがＰ側連結用ブス部材又はＮ側連結用ブス部材により連結されている、ことを特徴とする。
【００２３】
上記構成によれば、Ｐ側連結用ブス部材又はＮ側連結用ブス部材のいずれか一方を省略することができるので、装置の構成をより簡単化することができる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第１の短絡検出用導体、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第２の短絡検出用導体と、前記第１の短絡検出用導体又は前記第２の短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、短絡検出用コンデンサが不要となり、短絡検出回路の構成をより簡単にすることができる。この場合、短絡電流はコンバータ部に搭載されている平滑コンデンサ、又はインバータ部に搭載されている平滑コンデンサから流れることになる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流の双方の通過を許容する短絡検出用導体と、前記短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、１本の短絡検出用導体に対して、コンバータ部からインバータ部へ向かう短絡電流と、インバータ部からコンバータ部へ向かう短絡電流との双方の電流を流すことができるので、短絡検出回路の構成をより簡単にすることができる。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記電流検出センサが前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第１のコンパレータと、前記電流検出センサが前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第２のコンパレータと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２９】
請求項７の発明の構成では、１本の短絡検出用導体に対して、コンバータ部からインバータ部へ向かう短絡電流と、インバータ部からコンバータ部へ向かう短絡電流との双方の電流を流すために、これらの電流の極性は反対になる。したがって、これらの電流が所定レベルを超えたか否かの判別を行うコンパレータについても２種類のものが必要となる。
【００３０】
請求項９記載の発明は、請求項６乃至８のいずれかに記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を１組だけ有するものである、ことを特徴とする。
【００３１】
請求項６乃至８の発明の構成では、短絡検出用コンデンサを用いておらず、コンバータ部又はインバータ部の平滑コンデンサから流れる短絡電流を検出することになる。したがって、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部が複数組の場合には、短絡の発生部位によってインピーダンスが大きく異なることになる。それ故、請求項６乃至８の発明における短絡検出回路の構成は、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部が１組だけの場合に適用されることになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。但し、図１０乃至図１２において説明したのと同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図であり、図２はその外観構成図である。図１及び図２が図１０及び図１１と異なる点は、ホールＣＴ７ａ，７ｂが削除され、代わりに１個のホールＣＴ７を含んで構成される短絡検出回路１７が設けられている点である。
【００３３】
すなわち、短絡検出回路１７は、電流検出センサとしての１個のホールＣＴ７（従来のホールＣＴ７ａ，７ｂと同様のものである。）と、直列接続された２個の短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとから構成されている。また、短絡検出回路１７の正側は、短絡検出用ブス部材１９によりＰ側主回路接続線１０PとＰ側主回路ブス部材８Pとの接続点に接続され、短絡検出回路１７の負側は、短絡検出用ブス部材１９によりＮ側主回路接続線１０NとＮ側主回路ブス部材５Nとの共通接続点に接続されている。そして、ホールＣＴ７からの電圧検出信号が制御部１１に出力されるようになっている。なお、上記のように、直列接続された２つのコンデンサ１８ａ，１８ｂを用いているのは、本実施形態では所定の電圧レベルを得るのに偶々２個のコンデンサを必要としたからに過ぎない。したがって、所定の電圧レベルを得られるのであれば勿論１個のコンデンサのみでもよい。
【００３４】
次に、図１の動作につき説明する。例えば、スイッチング素子ＲP，ＲNに短絡事故が発生した場合、平滑コンデンサ６ａ，６ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ1が流れると共に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る別の閉ループ回路に短絡電流Ｉ2が流れることになる。ホールＣＴ７は、この短絡電流Ｉ2を検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。
【００３５】
同様にして、例えば、スイッチング素子ＷP，ＷNに短絡事故が発生した場合、平滑コンデンサ９ａ，９ｂとスイッチング素子ＷP，ＷNを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ3が流れると共に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとスイッチング素子ＷP，ＷNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ4が流れることになる。ホールＣＴ７は、この短絡電流Ｉ2を検出し、その検出信号を制御部１１に出力することになる。
【００３６】
上記の場合、スイッチング素子ＲP，ＲNの短絡時に短絡電流Ｉ2が流れるときのインピーダンスと、スイッチング素子ＷP，ＷNの短絡時に短絡電流Ｉ4が流れるときのインピーダンスとはほぼ同様の値である。したがって、ホールＣＴ７から出力される短絡電流検出信号のレベルもほぼ均一レベルのものとなる。このように、図１の構成によれば、高価なホールＣＴ７を１個しか用いていないためにコストを大幅に削減することができ、また、コンバータ部１及びインバータ部２のいずれのスイッチング素子に短絡事故が発生してもほぼ均一なレベルの短絡電流検出信号を得ることができるので、常に迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【００３７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、図１２の構成と同様に、Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有するものである。すなわち、この電力変換装置は、それぞれ個別の冷却器により冷却されるＲ／Ｕ相ユニット２０、Ｓ／Ｖ相ユニット２１、及びＴ／Ｗ相ユニット２２を備えている。
【００３８】
Ｒ／Ｕ相ユニット２０は、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNと、一対のスイッチング素子ＵP，ＵNと、Ｒ相平滑コンデンサ２３と、Ｕ相平滑コンデンサ２４とを有している。Ｓ／Ｖ相ユニット２１は、一対のスイッチング素子ＳP，ＳNと、一対のスイッチング素子ＶP，ＶNと、Ｓ相平滑コンデンサ２５と、Ｖ相平滑コンデンサ２６とを有している。Ｔ／Ｗ相ユニット２２は、一対のスイッチング素子ＴP，ＴNと、一対のスイッチング素子ＷP，ＷNと、Ｔ相平滑コンデンサ２７と、Ｗ相平滑コンデンサ２８とを有している。
【００３９】
Ｒ／Ｕ相ユニット２０において、スイッチング素子ＲP，ＲNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材２９P及びＮ側主回路ブス部材２９Nが接続され、更に、Ｒ相平滑コンデンサ２３の一端側及び他端側がこれらのブス部材２９P，２９Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＵP，ＵNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３０P及びＮ側主回路ブス部材３０Nが接続され、更に、Ｕ相平滑コンデンサ２４の一端側及び他端側がこれらのブス部材３０P，３０Nに接続されている。
【００４０】
Ｓ／Ｖ相ユニット２１において、スイッチング素子ＳP，ＳNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３１P及びＮ側主回路ブス部材３１Nが接続され、更に、Ｓ相平滑コンデンサ２５の一端側及び他端側がこれらのブス部材３１P，３１Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＶP，ＶNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３２P及びＮ側主回路ブス部材３２Nが接続され、更に、Ｖ相平滑コンデンサ２６の一端側及び他端側がこれらのブス部材３２P，３２Nに接続されている。
【００４１】
Ｔ／Ｗ相ユニット２２において、スイッチング素子ＴP，ＴNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３３P及びＮ側主回路ブス部材３３Nが接続され、更に、Ｔ相平滑コンデンサ２７の一端側及び他端側がこれらのブス部材３３P，３３Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＷP，ＷNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３４P及びＮ側主回路ブス部材３４Nが接続され、更に、Ｗ相平滑コンデンサ２８の一端側及び他端側がこれらのブス部材３４P，３４Nに接続されている。
【００４２】
そして、コンバータ側のＰ側主回路ブス部材２９P，３１P，３３PはＰ側連結用ブス部材３５Pにより連結されており、Ｎ側主回路ブス部材２９N，３１N，３３NはＮ側連結用ブス部材３５Nにより連結されている。同様に、インバータ側のＰ側主回路ブス部材３０P，３２P，３４PはＰ側連結用ブス部材３６Pにより連結されており、Ｎ側主回路ブス部材３０N，３２N，３４NはＮ側連結用ブス部材３６Nにより連結されている。なお、Ｎ側連結用ブス部材３６Nには延長部分３６N1が形成されている。
【００４３】
更に、Ｐ側連結用ブス部材３５Pと３６Pとは、ハイパロン線により形成されたＰ側主回路接続線３７P，３８Pにより２個所で接続されており、また、Ｎ側連結用ブス部材３５Nと３６Nとは、同じくハイパロン線により形成されたＮ側主回路接続線３７N，３８Nにより２個所で接続されている。そして、短絡検出回路１７の正側が短絡検出用ブス部材１９を介してＰ側連結用ブス部材３５P（又はＰ側主回路ブス部材２９P）に接続されると共に、延長部分３６N1の端部が短絡検出用ブス部材１９を介して短絡検出回路１７の負側に接続されている。
【００４４】
次に、上記のように構成される図３の電力変換装置において、短絡発生時に短絡検出用電流が辿る経路について説明する。いま、例えば、コンバータ側の一対のスイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生したとすると、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流は、短絡検出用コンデンサ１８ａの正側端子→短絡検出用ブス部材１９→Ｐ側主回路ブス部材２９P→スイッチング素子ＲP→スイッチング素子ＲN→Ｎ側主回路ブス部材２９N→Ｎ側連結用ブス部材３５N→Ｎ側主回路接続線３７N及び３８N→Ｎ側連結用ブス部材３６N→延長部分３６N1→延長部分３６N1→短絡検出用ブス部材１９→コンデンサ１８ｂの負側端子、という閉ループ回路を流れることになる。
【００４５】
また、インバータ側の一対のスイッチング素子ＵP，ＵNに短絡が発生したとすると、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流は、短絡検出用コンデンサ１８ａの正側端子→Ｐ側連結用ブス部材３５P→Ｐ側主回路接続線３７P及び３８P→Ｐ側連結用ブス部材３６P→Ｐ側主回路ブス部材３０P→スイッチング素子ＵP→スイッチング素子ＵN→Ｎ側主回路ブス部材３０N→Ｎ側連結用ブス部材３６N→延長部分３６N1→短絡検出用ブス部材１９→コンデンサ１８ｂの負側端子、という閉ループ回路を流れることになる。
【００４６】
コンバータ側のその他の一対のスイッチング素子ＳP，ＳN及びＴP，ＴN並びにインバータ側のその他の一対のスイッチング素子ＶP，ＶN及びＷP，ＷNに短絡が発生した場合の経路も上述した経路から容易に類推できるため、その説明については省略することとする。
【００４７】
上記のような各経路を短絡検出用電流が通過する場合の各インピーダンスを検討してみると、それぞれに差異はあるものの、ホールＣＴ７が制御部１１に出力する短絡電流検出信号のレベルは、制御部１１がいずれの場合にも同程度の保護動作を行うためには充分な程度に均一なレベルとなる。したがって、図３の構成においても、図１の構成の場合と同様に、コストを大幅に削減することができ、且つ、常に迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、第２の実施形態における各閉ループ回路のインピーダンスの差異をより小さくした構成を示すものである。図４が図３と異なる点は、Ｎ側連結用ブス部材３５Nの端部と延長部分３６N1との間に補助接続線３９（ハイパロン線）が接続されている点である。
【００４９】
図３において、既述したように、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流が各閉ループ回路を通過する場合の各インピーダンスには若干の差異がある。そこで、この各インピーダンスの差異を図５の等価回路に基づき具体的に求めてみる。
【００５０】
図５は、コンバータ側のスイッチング素子ＲP，ＲN、スイッチング素子ＳP，ＳN、スイッチング素子ＴP，ＴNのそれぞれに短絡が発生した場合に、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流が通過する各閉ループ回路のインピーダンスを求めるためのものである（図中の破線は素子ＲP，ＲNに短絡が発生した場合の短絡検出用電流の通過経路を示している。）。この図において、Ｒ1は、ブス部材３１Pで等分されるＰ側連結用ブス部材３５Pの各部分の抵抗値を示しており、Ｒ2は、ブス部材３７N，３８Nにより４等分されるＮ側連結用ブス部材３５Nの各部分の抵抗値を示している（但し、Ｒ1＝Ｒ2）。また、Ｒ3は、Ｎ側主回路接続線３７N，３８Nの抵抗値を示している。
【００５１】
いま、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生したとすると、スイッチング素子ＲP，ＲNを通過した電流は、抵抗Ｒ1，Ｒ3（３７N側）の経路を辿って短絡検出回路１７の負側に到達すると共に、抵抗Ｒ2，Ｒ2，Ｒ2，Ｒ3（３８N側）の経路を辿って短絡検出回路１７の負側に到達する。この場合のトータルインピーダンスをＺRとすると、このＺRは下式（１）により表すことができる（途中の演算過程については説明を省略する）。同様にして、一対のスイッチング素子ＳP，ＳNに短絡が発生した場合のトータルインピーダンスＺS、及び一対のスイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合のトータルインピーダンスＺTは、それぞれ下式（２），（３）により表すことができる。
【００５２】
【数１】
上記の各式を比較すると、ＺR＜ＺS＜ＺT となり、Ｒ2，Ｒ3の値如何によっては各トータルインピーダンス間の差異が大きくなることがある。そこで、図４に示すように、補助接続線３９を追設することにより、これら各トータルインピーダンス間の差異を小さくすることができる。すなわち、図４において、スイッチング素子ＲP，ＲNを通過しＮ側連結用ブス部材３５Nに到達した電流は、Ｎ側主回路接続線３７N，３８N及びＮ側連結用ブス部材３６Nを経由して短絡検出回路１７の負側に到達するものの他に、より距離の短い補助接続線３９を通って短絡検出回路１７の負側に到達するものがあるため、図３の場合に比べてトータルインピーダンスＺRを小さくすることができる。したがって、図３の構成に比べてより確実且つ安定した短絡保護動作を行うことが可能になる。
【００５３】
図６は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、第２及び第３の実施形態におけるブス部材の数を削減することでより簡単化した構成を実現したものである。図６が図３又は図４と異なる主な点は、Ｐ側連結用ブス部材３６P、Ｎ側連結用ブス部材３６N及び延長部分３６N1が削除されている点である。
【００５４】
すなわち、Ｒ／Ｕ相ユニット２０内のインバータ側構成要素であるスイッチング素子ＵP，ＵN及びＵ相平滑コンデンサ２４には主回路ブス部材３０P，３０Nが接続されているが、これらの主回路ブス部材３０P，３０Nは、ハイパロン線により形成されたＰ側主回路接続線４０P及びＮ側主回路接続線４０Nにより、それぞれコンバータ側のブス部材２９P，２９Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。同様に、Ｓ／Ｖ相ユニット２１内のブス部材３２P，３２Nは、Ｐ側主回路接続線４１P及びＮ側主回路接続線４１Nによりそれぞれコンバータ側のブス部材３１P，３１Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。また、Ｔ／Ｗ相ユニット２２内のブス部材３４P，３４Nも、Ｐ側主回路接続線４２P及びＮ側主回路接続線４２Nによりそれぞれコンバータ側のブス部材３３P，３３Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。
【００５５】
結局、各ユニット内のＰ側主回路ブス部材３０P，３２P，３４PはＰ側連結用ブス部材３５Pを介して互いに連結され、また、Ｎ側主回路ブス部材３０N，３２N，３４NもＮ側連結用ブス部材３５Nを介して互いに連結されていることになる。つまり、図６の構成は回路的には図３又は図４と同様の構成となるが、Ｐ側連結用ブス部材３６P及びＮ側連結用ブス部材３６Nが省略されているので、より簡単化された構成となっている。
【００５６】
図７は、本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図である。図１の構成における短絡検出回路１７では短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂが用いられていたが、この実施形態はこれらのコンデンサを省略して短絡検出回路を構成したものである。
【００５７】
すなわち、コンバータ部１側のＰ側主回路ブス部材５Pにはダイオード４５のアノード側が取り付けられており、インバータ部２側のＰ側主回路ブス部材８Pにはダイオード４６のアノード側が取り付けられている。そして、ダイオード４５のカソード側には第１の短絡検出用導体４７の一端側が接続されており、この第１の短絡検出用導体４７の他端側はホールＣＴ７を通過してＰ側主回路ブス部材８Pに接続されている。同様に、ダイオード４６のカソード側には第２の短絡検出用導体４８の一端側が接続されており、この第２の短絡検出用導体４８の他端側はホールＣＴ７を通過してＰ側主回路ブス部材５Pに接続されている。本実施形態では、上記のホールＣＴ７、ダイオード４５，４６、第１及び第２の短絡検出用導体４７，４８により短絡検出回路が構成されている。なお、本実施形態では、コスト低減のために、コンバータ部１及びインバータ部２の冷却器として、冷却ファン４３，４４（ブレージングファン）を採用している。
【００５８】
次に、図７の動作につき説明する。いま、インバータ部２側の一対のスイッチング素子ＵP，ＵN（又はＶP，ＶN若しくはＷP，ＷN）に短絡が発生したとすると、平滑コンデンサ６ａ，６ｂからの電流が短絡検出用電流Ｉaとなって第１の短絡検出用導体４７を流れる。ホールＣＴ７は、この短絡検出用電流Ｉaを検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。一方、コンバータ部１側の一対のスイッチング素子ＲP，ＲN（又はＳP，ＳN若しくはＴP，ＴN）に短絡が発生したとすると、平滑コンデンサ９ａ，９ｂからの電流が短絡検出用電流Ｉbとなって第２の短絡検出用導体４８を流れる。ホールＣＴ７は、この短絡検出用電流Ｉbを検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。
【００５９】
上記の構成によれば、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂを省略することができるので、短絡検出回路を簡単化することができ、よりコストダウンを図ることができる。更に、上記実施形態では、ホールＣＴ７により検出される短絡検出用電流Ｉa，Ｉbの向きは常に同一方向となり同一極性となっているので、制御部１１では短絡判別のために１種類のコンパレータのみを用いれば足りる。
【００６０】
図８は、本発明の第６の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図であり、図７の第５の実施形態と同様に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂを省略して短絡検出回路を簡単化したものである。図８が図７と異なる点は、ダイオード４５，４６が削除され、ホールＣＴ７を通過する導体が１本の短絡検出用導体４９だけとなるようにした点である。
【００６１】
この図８の動作は図７の場合と同様であり、インバータ部２側のスイッチング素子に短絡が発生した場合には平滑コンデンサ６ａ，６ｂからの短絡検出用電流ＩaがＰ側主回路ブス部材５PからＰ側主回路ブス部材８Pに向かって流れ、一方、コンバータ部１側のスイッチング素子に短絡が発生した場合には平滑コンデンサ９ａ，９ｂからの短絡検出用電流ＩbがＰ側主回路ブス部材８PからＰ側主回路ブス部材５Pに向かって流れることになる。しかし、この実施形態では、１本の短絡検出用導体４９上を、互いに向きが異なり逆極性となる短絡検出用電流Ｉa，Ｉbが流れる構成となっているので、制御部１１における短絡判別回路では２種類のコンパレータを用いる必要がある。
【００６２】
図９は、この第６の実施形態において用いられる制御部１１内の短絡判別回路５０の構成を示す回路図である。この図において、短絡検出回路１７からの検出信号は抵抗５１ａを介して第１のコンパレータ５２ａの反転側入力端子に入力されるようになっており、この反転側入力端子には抵抗５３ａを介してレベル設定器５４ａからのレベル設定信号も入力されるようになっている。そして、第１のコンパレータ５２ａの非反転側入力端子には所定レベルに設定された閾値信号が入力されるようになっている。したがって、第１のコンパレータ５２ａは、レベル設定された検出信号が閾値信号よりも大きくなった場合にＨ信号を出力する。
【００６３】
短絡検出回路１７からの検出信号は、また、抵抗５１ｂを介して第２のコンパレータ５２ｂの非反転側入力端子に入力されるようになっており、この非反転側入力端子には抵抗５３ｂを介してレベル設定器５４ｂからのレベル設定信号も入力されるようになっている。そして、第２のコンパレータ５２ｂの反転側入力端子には所定レベルに設定された閾値信号が入力されるようになっている。したがって、第２のコンパレータ５２ｂも、第１のコンパレータ５２ａと同様に、レベル設定された検出信号が閾値信号よりも大きくなった場合にＨ信号を出力する。
【００６４】
ＮＯＲ回路５５は、第１のコンパレータ５２ａ又は第２のコンパレータ５２ｂいずれかから上記のＨ信号を入力した場合に、図示を省略してある運転制御回路に短絡判別信号を出力し、電力変換装置の運転を直ちに停止させるようにする。
【００６５】
なお、上述した図７の第５の実施形態及び図８の第６の実施形態は、図１の構成の電力変換装置すなわち同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を１組だけ有するものに適用するのが好ましく、図３、図４、及び図６のような同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組有するものに適用するのは好ましくない。これは、図７及び図８の構成は平滑コンデンサからの電流を短絡検出用電流として用いる構成であるため、もしこの図７及び図８の構成を図３、図４、及び図６の構成に適用すると、短絡発生部位によっては閉ループ回路のインピーダンスの差異が大きくなってしまい、前述した第２の課題が解消されないことになり、更に、多くの本数の短絡検出用導体がホールＣＴ７内を挿通するという好ましくない構成になるからである。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電流検出センサを１個のみ含んで構成される短絡検出回路を、コンバータ部又はインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子のうちのいずれに短絡事故が発生したとしても均一レベルの短絡電流検出信号を出力し得る個所に接続するようにしたので、電流検出センサの個数を１個のみに削減したにもかかわらず迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】図１の装置の外観構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図５】図３又は図４において短絡検出用電流が閉ループ回路を通過するときの各インピーダンスの差異を求めるための等価回路図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図。
【図９】上記第６の実施形態において用いられる制御部１１内の短絡判別回路５０の構成を示す回路図。
【図１０】コンバータ１パラ・インバータ１パラ構成の従来の電力変換装置の回路構成図。
【図１１】図１０の装置の外観構成図。
【図１２】Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有する電力変換装置１３の概略外観構成図。
【符号の説明】
１ コンバータ部
２ インバータ部
３ 三相交流電源
４ 交流モータ
５P Ｐ側主回路ブス部材
５N Ｎ側主回路ブス部材
６ａ，６ｂ 平滑コンデンサ
７，７ａ，７ｂ ホールＣＴ（電流検出センサ）
８P Ｐ側主回路ブス部材
８N Ｎ側主回路ブス部材
９ａ，９ｂ 平滑コンデンサ
１０P Ｐ側主回路接続線
１０N Ｎ側主回路接続線
１１ 制御部
１２ 取付ベース部材
１３ 電力変換装置
１４ Ｒ／Ｕ相ユニット
１５ Ｓ／Ｖ相ユニット
１６ Ｔ／Ｗ相ユニット
１７ 短絡検出回路
１８ａ，１８ｂ 短絡検出用コンデンサ
１９ 短絡検出用ブス部材
２０ Ｒ／Ｕ相ユニット
２１ Ｓ／Ｖ相ユニット
２２ Ｔ／Ｗ相ユニット
２３ Ｒ相平滑コンデンサ
２４ Ｕ相平滑コンデンサ
２５ Ｓ相平滑コンデンサ
２６ Ｖ相平滑コンデンサ
２７ Ｔ相平滑コンデンサ
２８ Ｗ相平滑コンデンサ
２９P Ｐ側主回路ブス部材
２９N Ｎ側主回路ブス部材
３０P Ｐ側主回路ブス部材
３１P Ｐ側主回路ブス部材
３１N Ｎ側主回路ブス部材
３２P Ｐ側主回路ブス部材
３２N Ｎ側主回路ブス部材
３３P Ｐ側主回路ブス部材
３３N Ｎ側主回路ブス部材
３４P Ｐ側主回路ブス部材
３４N Ｎ側主回路ブス部材
３５P Ｐ側連結用ブス部材
３５N Ｎ側連結用ブス部材
３６P Ｐ側連結用ブス部材
３６N Ｎ側連結用ブス部材
３７P Ｐ側主回路接続線
３７N Ｎ側主回路接続線
３８P Ｐ側主回路接続線
３８N Ｎ側主回路接続線
３９ 補助接続線
４０P Ｐ側主回路接続線
４０N Ｎ側主回路接続線
４１P Ｐ側主回路接続線
４１N Ｎ側主回路接続線
４２P Ｐ側主回路接続線
４２N Ｎ側主回路接続線
４３，４４ 冷却ファン
４５，４６ ダイオード
４７ 第１の短絡検出用導体
４８ 第２の短絡検出用導体
４９ 短絡検出用導体
５０ 短絡判別回路
５１ａ，５１ｂ 抵抗
５２ａ 第１のコンパレータ
５２ｂ 第２のコンパレータ
５３ａ，５３ｂ 抵抗
５４ａ，５４ｂ レベル設定器
５５ ＮＯＲ回路
Ｉa，Ｉb 短絡検出用電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を短絡電流から保護するための電流検出センサを搭載した電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電動機等の負荷に可変電圧可変周波数の電源を供給するものとしてＰＷＭインバータを備えた電力変換装置が使用される。そして、電動機の容量が大きな場合は、その回生時の回生エネルギーを抵抗で消費することが困難となるため、ＰＷＭコンバータも搭載して、電源回生を可能とする構成としている。このようなＰＷＭインバータ及びＰＷＭコンバータは、Ｐ側母線及びＮ側母線にアーム構成されたＩＧＢＴ等の各スイッチング素子が直結された構成となっているため、ゲート信号の誤動作や異常制御等による同時点弧が発生し、直流短絡を起こす場合がある。このような直流短絡が起きた場合は、瞬時に遮断を行わないと短絡電流によってスイッチング素子が破壊されることになる。そのため、電力変換装置には従来からホールＣＴ等の電流検出センサが搭載され、速やかに短絡電流を検出して保護動作を行う機能が備えられている。
【０００３】
図１０は、いわゆるコンバータ１パラ・インバータ１パラ構成の電力変換装置の回路構成図であり、図１１はその外観構成図である。コンバータ部１は、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）ＲP，ＲNにより構成されるＲ相アーム、スイッチング素子ＳP，ＳNにより構成されるＳ相アーム、スイッチング素子ＴP，ＴNにより構成されるＴ相アームを有している。インバータ部２は、スイッチング素子ＵP，ＵNにより構成されるＵ相アーム、スイッチング素子ＶP，ＶNにより構成されるＶ相アーム、スイッチング素子ＷP，ＷNにより構成されるＷ相アームを有している。Ｒ，Ｓ，Ｔ相の各アームを構成するスイッチング素子同士の共通接続点には３相の交流電源３が接続されており、一方、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各アームを構成するスイッチング素子同士の共通接続点には負荷である交流モータ４が接続されている。また、これら各相のアームは、図１１に示されているように、取付ベース部材１２の両面に取り付けられている。
【０００４】
スイッチング素子ＲP，ＳP，ＴPのコレクタ側はＰ側主回路ブス部材５Pにより連結されると共に、スイッチング素子ＲN，ＳN，ＴNのエミッタ側はＮ側主回路ブス部材５Nにより連結されている。そして、Ｐ側主回路ブス部材５PとＮ側主回路ブス部材５Nとの間に平滑コンデンサ６ａ，６ｂが接続されており、これらのコンデンサから流れる電流が電流検出センサとしてのホールＣＴ７ａにより検出されるようになっている。
【０００５】
同様に、スイッチング素子ＵP，ＶP，ＷPのコレクタ側はＰ側主回路ブス部材８Pにより連結されると共に、スイッチング素子ＵN，ＶN，ＷNのエミッタ側はＮ側主回路ブス部材８Nにより連結されている。そして、Ｐ側主回路ブス部材８PとＮ側主回路ブス部材８Nとの間に平滑コンデンサ９ａ，９ｂが接続されており、これらのコンデンサから流れる電流が電流検出センサとしてのホールＣＴ７ｂにより検出されるようになっている。なお、図１０及び図１１の例では、ホールＣＴ７ａ，７ｂとして高速動作が可能なピアソンＣＴが用いられている。
【０００６】
Ｐ側主回路ブス部材５P，８P間にはＰ側主回路接続線１０Pが接続されると共に、Ｎ側主回路ブス部材５N，８N間にはＮ側主回路接続線１０Nが接続されている。これらの主回路接続線１０P，１０Nにはインダクタンスの高いハイパロン線が用いられており、スイッチング素子が高速スイッチング動作を行ったときのコンバータ部１とインバータ部２との間の相互干渉が防止されるようになっている。
【０００７】
ホールＣＴ７ａ，７ｂからの電圧検出信号は制御部１１に入力されるようになっており、制御部１１はこの電圧検出信号のレベルが設定値を超えた場合に、直ちにスイッチング素子に流れる電流が遮断されるよう保護動作を行うようになっている。例えば、図１０において、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNが同時にオンしてしまった場合には主回路ブス部材５P，５N間すなわちＰ側母線及びＮ側母線間が短絡した状態となる。したがって、図１０の一点鎖線で示したように、平滑コンデンサ６ａ，６ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ1が流れることになる。ホールＣＴ７ａは、この時の短絡電流Ｉ1を検出してその電流レベルを表す電圧検出信号を制御部１１に出力しており、制御部１１はこの入力した電圧検出信号のレベルが設定値を超えた時点で短絡事故が発生したと判別して直ちに運転動作を停止させる。これにより、スイッチング素子ＲP，ＲNの短絡電流による破壊が防止されることになる。
【０００８】
図１２は、Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有する電力変換装置１３の概略外観構成図である。すなわち、コンバータ側のスイッチング素子ＲP，ＲN及びインバータ側のスイッチング素子ＵP，ＵNはＲ／Ｕ相ユニット１４に、コンバータ側のスイッチング素子ＳP，ＳN及びインバータ側のスイッチング素子ＶP，ＶNはＳ／Ｖ相ユニット１５に、コンバータ側のスイッチング素子ＴP，ＴN及びインバータ側のスイッチング素子ＴP，ＴNはＴ／Ｗ相ユニット１６に、それぞれ配設されている。そして、各ユニットはそれぞれに図示を省略してある冷却器を有しており、この冷却器によって各ユニット内のスイッチング素子に対する冷却が行われるようになっている。
【０００９】
この図１２の構成では、中央のＳ／Ｖ相ユニット１５のみがホールＣＴ７ａ，７ｂを有している。ホールＣＴ７ａは、スイッチング素子ＳPに接続されたＰ側ブス部材に取り付けられており、同様に、ホールＣＴ７ｂは、スイッチング素子ＶPに接続されたＰ側ブス部材に取り付けられている。そして、各ユニット間のＰ側ブス部材同士及びＮ側ブス部材同士は図示を省略してある連結ブス部材により連結されており、スイッチング素子ＲP，ＲN間、スイッチング素子ＳP，ＳN間、スイッチング素子ＴP，ＴN間の各短絡はホールＣＴ７ａが検出し、また、スイッチング素子ＵP，ＵN間、スイッチング素子ＶP，ＶN間、スイッチング素子ＷP，ＷN間の各短絡はホールＣＴ７ｂが検出するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の電力変換装置は次のような課題を有するものであった。まず、第一に、いずれの電力変換装置も２つのホールＣＴを用いているが、このホールＣＴは優れた高速性を有するものである反面、価格的には非常に高価なものである。従来の電力変換装置は、このような高価なホールＣＴを２つも使用した構成であるため、装置全体のコストを引き上げてしまい、充分ななコストダウンを図ることができなかった。
【００１１】
第二に、短絡事故が発生する一対のスイッチング素子の個所が異なると、短絡電流が流れる閉ループ回路のインピーダンスが異なるものとなるために、ホールＣＴから常に一定のレベルの短絡電流検出信号を得ることができなくなるという問題があった。この場合、図１０及び図１１に示したような１つのユニット内に全てのスイッチング素子が収納されている構成の場合は、どの部位で短絡が発生しようとインピーダンスに大きな相違はないために殆ど問題は生じない。例えば、スイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生した場合も、スイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合もインピーダンスに大きな相違はないために、ホールＣＴ７ａから制御部１１に出力される短絡電流検出信号は常に均一なものとなる。
【００１２】
しかし、図１２に示したような全てのスイッチング素子が複数のユニット内に分割されて収納されている構成の場合は、短絡の発生する部位によってインピーダンスに大きな相違が生じることになる。例えば、スイッチング素子ＳP，ＳNはホールＣＴ７ａに近い個所に配設されているために短絡時のインピーダンスは比較的小さなものとなるが、スイッチング素子ＲP，ＲN又はスイッチング素子ＴP，ＴNはホールＣＴ７ａから遠く離れた個所に配設されているために短絡時のインピーダンスは大きなものとなる。したがって、スイッチング素子ＲP，ＲN又はスイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合、ホールＣＴ７ａからの短絡電流検出信号が設定値のレベルに到達するまでに長い時間を要し、制御部１１の保護動作が遅れてしまうことがあった。このような保護動作の遅れを解消するためには、Ｒ／Ｕ相ユニット１４及びＴ／Ｗ相ユニット１６にもホールＣＴ７ａ，７ｂを設け、Ｓ／Ｖ相ユニット１５と同様の構成にすればよいが、それでは高価なホールＣＴを合計６個も搭載することになり、コスト的には極めて不利なものとなる。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、使用する電流検出センサの個数を１個のみに削減すると共に、この削減にもかかわらず迅速な短絡保護動作を確保することが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を備え、これらコンバータ部及びインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子の一端側及び他端側はそれぞれＰ側主回路ブス部材及びＮ側主回路ブス部材により連結されていると共に、これらコンバータ部並びにインバータ部の各Ｐ側主回路ブス部材同士の間及び各Ｎ側主回路ブス部材同士の間は干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、更に、前記各一対のスイッチング素子に発生する短絡電流を検出するための電流検出センサを有する電力変換装置において、前記電流検出センサを１個のみ含んで構成される短絡検出回路を備え、この短絡検出回路の接続個所を、前記コンバータ部又はインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子のうちのいずれに短絡が発生したとしても、この短絡検出回路と、その短絡が発生した前記各一対のスイッチング素子とに短絡電流が流れるときのインピーダンスが、いずれの場合にもほぼ同様の値になる個所とし、これによりこの短絡検出回路がいずれの場合にも均一レベルの短絡電流検出信号を出力するようにした、ことを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、高価な電流検出センサを１個しか用いていないのでコストダウンを図ることができる。そして、いずれの一対のスイッチング素子に短絡が発生しても常に均一レベルの電圧検出信号を出力することができるので、スイッチング素子に対する短絡保護動作を確実に行うことができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路に短絡検出用電流を供給する短絡検出用コンデンサと、前記一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記短絡検出用コンデンサから供給される短絡検出用電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、いずれか一対のスイッチング素子に短絡が発生した場合に、短絡検出用コンデンサから短絡検出を行うための電流を電流検出センサに向けて流すことができる。このような短絡検出用コンデンサ及び電流検出センサにより構成される短絡検出回路の接続を所定の個所で行うことにより、短絡の発生個所如何にかかわらず、常に均一レベルの電圧検出信号を出力することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士はそれぞれＰ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材により連結されており、前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線による接続は、前記Ｐ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材を介して行われている、ことを特徴とする。
【００１９】
比較的容量の大きな電力変換装置の場合、上記のように、同一冷却器にコンバータ部及びインバータ部が複数組取り付けられ、したがって、主回路ブス部材の他に連結用ブス部材を用いた構成が採用される。そのため、短絡の発生部位によって短絡電流が流れるときのインピーダンスが大きく異なるため、常に均一レベルの電圧検出信号を得るのは難しいが、上記のような短絡検出回路により常に均一レベルの電圧検出信号を得ることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記Ｎ側連結用ブス部材と前記短絡検出回路の負側との間に、各組毎の前記コンバータ部又はインバータ部における短絡発生部位の相違に応じた前記閉ループ回路のインピーダンスがほぼ同様の値になるまでに、これらのインピーダンスの差異を小さくするための補助接続線を接続した、ことを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、より一層均一なレベルの電圧検出信号を得ることができる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士は前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、前記Ｐ側主回路ブス部材同士又はＮ側主回路ブス部材同士のいずれか一方のみがＰ側連結用ブス部材又はＮ側連結用ブス部材により連結されている、ことを特徴とする。
【００２３】
上記構成によれば、Ｐ側連結用ブス部材又はＮ側連結用ブス部材のいずれか一方を省略することができるので、装置の構成をより簡単化することができる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第１の短絡検出用導体、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第２の短絡検出用導体と、前記第１の短絡検出用導体又は前記第２の短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、短絡検出用コンデンサが不要となり、短絡検出回路の構成をより簡単にすることができる。この場合、短絡電流はコンバータ部に搭載されている平滑コンデンサ、又はインバータ部に搭載されている平滑コンデンサから流れることになる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流の双方の通過を許容する短絡検出用導体と、前記短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、１本の短絡検出用導体に対して、コンバータ部からインバータ部へ向かう短絡電流と、インバータ部からコンバータ部へ向かう短絡電流との双方の電流を流すことができるので、短絡検出回路の構成をより簡単にすることができる。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記短絡検出回路は、前記電流検出センサが前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第１のコンパレータと、前記電流検出センサが前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第２のコンパレータと、を有するものである、ことを特徴とする。
【００２９】
請求項７の発明の構成では、１本の短絡検出用導体に対して、コンバータ部からインバータ部へ向かう短絡電流と、インバータ部からコンバータ部へ向かう短絡電流との双方の電流を流すために、これらの電流の極性は反対になる。したがって、これらの電流が所定レベルを超えたか否かの判別を行うコンパレータについても２種類のものが必要となる。
【００３０】
請求項９記載の発明は、請求項６乃至８のいずれかに記載の発明において、前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を１組だけ有するものである、ことを特徴とする。
【００３１】
請求項６乃至８の発明の構成では、短絡検出用コンデンサを用いておらず、コンバータ部又はインバータ部の平滑コンデンサから流れる短絡電流を検出することになる。したがって、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部が複数組の場合には、短絡の発生部位によってインピーダンスが大きく異なることになる。それ故、請求項６乃至８の発明における短絡検出回路の構成は、同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部が１組だけの場合に適用されることになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。但し、図１０乃至図１２において説明したのと同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図であり、図２はその外観構成図である。図１及び図２が図１０及び図１１と異なる点は、ホールＣＴ７ａ，７ｂが削除され、代わりに１個のホールＣＴ７を含んで構成される短絡検出回路１７が設けられている点である。
【００３３】
すなわち、短絡検出回路１７は、電流検出センサとしての１個のホールＣＴ７（従来のホールＣＴ７ａ，７ｂと同様のものである。）と、直列接続された２個の短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとから構成されている。また、短絡検出回路１７の正側は、短絡検出用ブス部材１９によりＰ側主回路接続線１０PとＰ側主回路ブス部材８Pとの接続点に接続され、短絡検出回路１７の負側は、短絡検出用ブス部材１９によりＮ側主回路接続線１０NとＮ側主回路ブス部材５Nとの共通接続点に接続されている。そして、ホールＣＴ７からの電圧検出信号が制御部１１に出力されるようになっている。なお、上記のように、直列接続された２つのコンデンサ１８ａ，１８ｂを用いているのは、本実施形態では所定の電圧レベルを得るのに偶々２個のコンデンサを必要としたからに過ぎない。したがって、所定の電圧レベルを得られるのであれば勿論１個のコンデンサのみでもよい。
【００３４】
次に、図１の動作につき説明する。例えば、スイッチング素子ＲP，ＲNに短絡事故が発生した場合、平滑コンデンサ６ａ，６ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ1が流れると共に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとスイッチング素子ＲP，ＲNとを通る別の閉ループ回路に短絡電流Ｉ2が流れることになる。ホールＣＴ７は、この短絡電流Ｉ2を検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。
【００３５】
同様にして、例えば、スイッチング素子ＷP，ＷNに短絡事故が発生した場合、平滑コンデンサ９ａ，９ｂとスイッチング素子ＷP，ＷNを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ3が流れると共に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂとスイッチング素子ＷP，ＷNとを通る閉ループ回路に短絡電流Ｉ4が流れることになる。ホールＣＴ７は、この短絡電流Ｉ2を検出し、その検出信号を制御部１１に出力することになる。
【００３６】
上記の場合、スイッチング素子ＲP，ＲNの短絡時に短絡電流Ｉ2が流れるときのインピーダンスと、スイッチング素子ＷP，ＷNの短絡時に短絡電流Ｉ4が流れるときのインピーダンスとはほぼ同様の値である。したがって、ホールＣＴ７から出力される短絡電流検出信号のレベルもほぼ均一レベルのものとなる。このように、図１の構成によれば、高価なホールＣＴ７を１個しか用いていないためにコストを大幅に削減することができ、また、コンバータ部１及びインバータ部２のいずれのスイッチング素子に短絡事故が発生してもほぼ均一なレベルの短絡電流検出信号を得ることができるので、常に迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【００３７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、図１２の構成と同様に、Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有するものである。すなわち、この電力変換装置は、それぞれ個別の冷却器により冷却されるＲ／Ｕ相ユニット２０、Ｓ／Ｖ相ユニット２１、及びＴ／Ｗ相ユニット２２を備えている。
【００３８】
Ｒ／Ｕ相ユニット２０は、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNと、一対のスイッチング素子ＵP，ＵNと、Ｒ相平滑コンデンサ２３と、Ｕ相平滑コンデンサ２４とを有している。Ｓ／Ｖ相ユニット２１は、一対のスイッチング素子ＳP，ＳNと、一対のスイッチング素子ＶP，ＶNと、Ｓ相平滑コンデンサ２５と、Ｖ相平滑コンデンサ２６とを有している。Ｔ／Ｗ相ユニット２２は、一対のスイッチング素子ＴP，ＴNと、一対のスイッチング素子ＷP，ＷNと、Ｔ相平滑コンデンサ２７と、Ｗ相平滑コンデンサ２８とを有している。
【００３９】
Ｒ／Ｕ相ユニット２０において、スイッチング素子ＲP，ＲNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材２９P及びＮ側主回路ブス部材２９Nが接続され、更に、Ｒ相平滑コンデンサ２３の一端側及び他端側がこれらのブス部材２９P，２９Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＵP，ＵNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３０P及びＮ側主回路ブス部材３０Nが接続され、更に、Ｕ相平滑コンデンサ２４の一端側及び他端側がこれらのブス部材３０P，３０Nに接続されている。
【００４０】
Ｓ／Ｖ相ユニット２１において、スイッチング素子ＳP，ＳNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３１P及びＮ側主回路ブス部材３１Nが接続され、更に、Ｓ相平滑コンデンサ２５の一端側及び他端側がこれらのブス部材３１P，３１Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＶP，ＶNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３２P及びＮ側主回路ブス部材３２Nが接続され、更に、Ｖ相平滑コンデンサ２６の一端側及び他端側がこれらのブス部材３２P，３２Nに接続されている。
【００４１】
Ｔ／Ｗ相ユニット２２において、スイッチング素子ＴP，ＴNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３３P及びＮ側主回路ブス部材３３Nが接続され、更に、Ｔ相平滑コンデンサ２７の一端側及び他端側がこれらのブス部材３３P，３３Nに接続されている。同様に、スイッチング素子ＷP，ＷNにはそれぞれＰ側主回路ブス部材３４P及びＮ側主回路ブス部材３４Nが接続され、更に、Ｗ相平滑コンデンサ２８の一端側及び他端側がこれらのブス部材３４P，３４Nに接続されている。
【００４２】
そして、コンバータ側のＰ側主回路ブス部材２９P，３１P，３３PはＰ側連結用ブス部材３５Pにより連結されており、Ｎ側主回路ブス部材２９N，３１N，３３NはＮ側連結用ブス部材３５Nにより連結されている。同様に、インバータ側のＰ側主回路ブス部材３０P，３２P，３４PはＰ側連結用ブス部材３６Pにより連結されており、Ｎ側主回路ブス部材３０N，３２N，３４NはＮ側連結用ブス部材３６Nにより連結されている。なお、Ｎ側連結用ブス部材３６Nには延長部分３６N1が形成されている。
【００４３】
更に、Ｐ側連結用ブス部材３５Pと３６Pとは、ハイパロン線により形成されたＰ側主回路接続線３７P，３８Pにより２個所で接続されており、また、Ｎ側連結用ブス部材３５Nと３６Nとは、同じくハイパロン線により形成されたＮ側主回路接続線３７N，３８Nにより２個所で接続されている。そして、短絡検出回路１７の正側が短絡検出用ブス部材１９を介してＰ側連結用ブス部材３５P（又はＰ側主回路ブス部材２９P）に接続されると共に、延長部分３６N1の端部が短絡検出用ブス部材１９を介して短絡検出回路１７の負側に接続されている。
【００４４】
次に、上記のように構成される図３の電力変換装置において、短絡発生時に短絡検出用電流が辿る経路について説明する。いま、例えば、コンバータ側の一対のスイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生したとすると、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流は、短絡検出用コンデンサ１８ａの正側端子→短絡検出用ブス部材１９→Ｐ側主回路ブス部材２９P→スイッチング素子ＲP→スイッチング素子ＲN→Ｎ側主回路ブス部材２９N→Ｎ側連結用ブス部材３５N→Ｎ側主回路接続線３７N及び３８N→Ｎ側連結用ブス部材３６N→延長部分３６N1→延長部分３６N1→短絡検出用ブス部材１９→コンデンサ１８ｂの負側端子、という閉ループ回路を流れることになる。
【００４５】
また、インバータ側の一対のスイッチング素子ＵP，ＵNに短絡が発生したとすると、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流は、短絡検出用コンデンサ１８ａの正側端子→Ｐ側連結用ブス部材３５P→Ｐ側主回路接続線３７P及び３８P→Ｐ側連結用ブス部材３６P→Ｐ側主回路ブス部材３０P→スイッチング素子ＵP→スイッチング素子ＵN→Ｎ側主回路ブス部材３０N→Ｎ側連結用ブス部材３６N→延長部分３６N1→短絡検出用ブス部材１９→コンデンサ１８ｂの負側端子、という閉ループ回路を流れることになる。
【００４６】
コンバータ側のその他の一対のスイッチング素子ＳP，ＳN及びＴP，ＴN並びにインバータ側のその他の一対のスイッチング素子ＶP，ＶN及びＷP，ＷNに短絡が発生した場合の経路も上述した経路から容易に類推できるため、その説明については省略することとする。
【００４７】
上記のような各経路を短絡検出用電流が通過する場合の各インピーダンスを検討してみると、それぞれに差異はあるものの、ホールＣＴ７が制御部１１に出力する短絡電流検出信号のレベルは、制御部１１がいずれの場合にも同程度の保護動作を行うためには充分な程度に均一なレベルとなる。したがって、図３の構成においても、図１の構成の場合と同様に、コストを大幅に削減することができ、且つ、常に迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、第２の実施形態における各閉ループ回路のインピーダンスの差異をより小さくした構成を示すものである。図４が図３と異なる点は、Ｎ側連結用ブス部材３５Nの端部と延長部分３６N1との間に補助接続線３９（ハイパロン線）が接続されている点である。
【００４９】
図３において、既述したように、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流が各閉ループ回路を通過する場合の各インピーダンスには若干の差異がある。そこで、この各インピーダンスの差異を図５の等価回路に基づき具体的に求めてみる。
【００５０】
図５は、コンバータ側のスイッチング素子ＲP，ＲN、スイッチング素子ＳP，ＳN、スイッチング素子ＴP，ＴNのそれぞれに短絡が発生した場合に、短絡検出回路１７からの短絡検出用電流が通過する各閉ループ回路のインピーダンスを求めるためのものである（図中の破線は素子ＲP，ＲNに短絡が発生した場合の短絡検出用電流の通過経路を示している。）。この図において、Ｒ1は、ブス部材３１Pで等分されるＰ側連結用ブス部材３５Pの各部分の抵抗値を示しており、Ｒ2は、ブス部材３７N，３８Nにより４等分されるＮ側連結用ブス部材３５Nの各部分の抵抗値を示している（但し、Ｒ1＝Ｒ2）。また、Ｒ3は、Ｎ側主回路接続線３７N，３８Nの抵抗値を示している。
【００５１】
いま、一対のスイッチング素子ＲP，ＲNに短絡が発生したとすると、スイッチング素子ＲP，ＲNを通過した電流は、抵抗Ｒ1，Ｒ3（３７N側）の経路を辿って短絡検出回路１７の負側に到達すると共に、抵抗Ｒ2，Ｒ2，Ｒ2，Ｒ3（３８N側）の経路を辿って短絡検出回路１７の負側に到達する。この場合のトータルインピーダンスをＺRとすると、このＺRは下式（１）により表すことができる（途中の演算過程については説明を省略する）。同様にして、一対のスイッチング素子ＳP，ＳNに短絡が発生した場合のトータルインピーダンスＺS、及び一対のスイッチング素子ＴP，ＴNに短絡が発生した場合のトータルインピーダンスＺTは、それぞれ下式（２），（３）により表すことができる。
【００５２】
【数１】
【００５３】
図６は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図であり、第２及び第３の実施形態におけるブス部材の数を削減することでより簡単化した構成を実現したものである。図６が図３又は図４と異なる主な点は、Ｐ側連結用ブス部材３６P、Ｎ側連結用ブス部材３６N及び延長部分３６N1が削除されている点である。
【００５４】
すなわち、Ｒ／Ｕ相ユニット２０内のインバータ側構成要素であるスイッチング素子ＵP，ＵN及びＵ相平滑コンデンサ２４には主回路ブス部材３０P，３０Nが接続されているが、これらの主回路ブス部材３０P，３０Nは、ハイパロン線により形成されたＰ側主回路接続線４０P及びＮ側主回路接続線４０Nにより、それぞれコンバータ側のブス部材２９P，２９Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。同様に、Ｓ／Ｖ相ユニット２１内のブス部材３２P，３２Nは、Ｐ側主回路接続線４１P及びＮ側主回路接続線４１Nによりそれぞれコンバータ側のブス部材３１P，３１Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。また、Ｔ／Ｗ相ユニット２２内のブス部材３４P，３４Nも、Ｐ側主回路接続線４２P及びＮ側主回路接続線４２Nによりそれぞれコンバータ側のブス部材３３P，３３Nに接続されており、したがって連結用ブス部材３５P，３５Nに接続されている。
【００５５】
結局、各ユニット内のＰ側主回路ブス部材３０P，３２P，３４PはＰ側連結用ブス部材３５Pを介して互いに連結され、また、Ｎ側主回路ブス部材３０N，３２N，３４NもＮ側連結用ブス部材３５Nを介して互いに連結されていることになる。つまり、図６の構成は回路的には図３又は図４と同様の構成となるが、Ｐ側連結用ブス部材３６P及びＮ側連結用ブス部材３６Nが省略されているので、より簡単化された構成となっている。
【００５６】
図７は、本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図である。図１の構成における短絡検出回路１７では短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂが用いられていたが、この実施形態はこれらのコンデンサを省略して短絡検出回路を構成したものである。
【００５７】
すなわち、コンバータ部１側のＰ側主回路ブス部材５Pにはダイオード４５のアノード側が取り付けられており、インバータ部２側のＰ側主回路ブス部材８Pにはダイオード４６のアノード側が取り付けられている。そして、ダイオード４５のカソード側には第１の短絡検出用導体４７の一端側が接続されており、この第１の短絡検出用導体４７の他端側はホールＣＴ７を通過してＰ側主回路ブス部材８Pに接続されている。同様に、ダイオード４６のカソード側には第２の短絡検出用導体４８の一端側が接続されており、この第２の短絡検出用導体４８の他端側はホールＣＴ７を通過してＰ側主回路ブス部材５Pに接続されている。本実施形態では、上記のホールＣＴ７、ダイオード４５，４６、第１及び第２の短絡検出用導体４７，４８により短絡検出回路が構成されている。なお、本実施形態では、コスト低減のために、コンバータ部１及びインバータ部２の冷却器として、冷却ファン４３，４４（ブレージングファン）を採用している。
【００５８】
次に、図７の動作につき説明する。いま、インバータ部２側の一対のスイッチング素子ＵP，ＵN（又はＶP，ＶN若しくはＷP，ＷN）に短絡が発生したとすると、平滑コンデンサ６ａ，６ｂからの電流が短絡検出用電流Ｉaとなって第１の短絡検出用導体４７を流れる。ホールＣＴ７は、この短絡検出用電流Ｉaを検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。一方、コンバータ部１側の一対のスイッチング素子ＲP，ＲN（又はＳP，ＳN若しくはＴP，ＴN）に短絡が発生したとすると、平滑コンデンサ９ａ，９ｂからの電流が短絡検出用電流Ｉbとなって第２の短絡検出用導体４８を流れる。ホールＣＴ７は、この短絡検出用電流Ｉbを検出し、その検出信号を制御部１１に出力する。
【００５９】
上記の構成によれば、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂを省略することができるので、短絡検出回路を簡単化することができ、よりコストダウンを図ることができる。更に、上記実施形態では、ホールＣＴ７により検出される短絡検出用電流Ｉa，Ｉbの向きは常に同一方向となり同一極性となっているので、制御部１１では短絡判別のために１種類のコンパレータのみを用いれば足りる。
【００６０】
図８は、本発明の第６の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図であり、図７の第５の実施形態と同様に、短絡検出用コンデンサ１８ａ，１８ｂを省略して短絡検出回路を簡単化したものである。図８が図７と異なる点は、ダイオード４５，４６が削除され、ホールＣＴ７を通過する導体が１本の短絡検出用導体４９だけとなるようにした点である。
【００６１】
この図８の動作は図７の場合と同様であり、インバータ部２側のスイッチング素子に短絡が発生した場合には平滑コンデンサ６ａ，６ｂからの短絡検出用電流ＩaがＰ側主回路ブス部材５PからＰ側主回路ブス部材８Pに向かって流れ、一方、コンバータ部１側のスイッチング素子に短絡が発生した場合には平滑コンデンサ９ａ，９ｂからの短絡検出用電流ＩbがＰ側主回路ブス部材８PからＰ側主回路ブス部材５Pに向かって流れることになる。しかし、この実施形態では、１本の短絡検出用導体４９上を、互いに向きが異なり逆極性となる短絡検出用電流Ｉa，Ｉbが流れる構成となっているので、制御部１１における短絡判別回路では２種類のコンパレータを用いる必要がある。
【００６２】
図９は、この第６の実施形態において用いられる制御部１１内の短絡判別回路５０の構成を示す回路図である。この図において、短絡検出回路１７からの検出信号は抵抗５１ａを介して第１のコンパレータ５２ａの反転側入力端子に入力されるようになっており、この反転側入力端子には抵抗５３ａを介してレベル設定器５４ａからのレベル設定信号も入力されるようになっている。そして、第１のコンパレータ５２ａの非反転側入力端子には所定レベルに設定された閾値信号が入力されるようになっている。したがって、第１のコンパレータ５２ａは、レベル設定された検出信号が閾値信号よりも大きくなった場合にＨ信号を出力する。
【００６３】
短絡検出回路１７からの検出信号は、また、抵抗５１ｂを介して第２のコンパレータ５２ｂの非反転側入力端子に入力されるようになっており、この非反転側入力端子には抵抗５３ｂを介してレベル設定器５４ｂからのレベル設定信号も入力されるようになっている。そして、第２のコンパレータ５２ｂの反転側入力端子には所定レベルに設定された閾値信号が入力されるようになっている。したがって、第２のコンパレータ５２ｂも、第１のコンパレータ５２ａと同様に、レベル設定された検出信号が閾値信号よりも大きくなった場合にＨ信号を出力する。
【００６４】
ＮＯＲ回路５５は、第１のコンパレータ５２ａ又は第２のコンパレータ５２ｂいずれかから上記のＨ信号を入力した場合に、図示を省略してある運転制御回路に短絡判別信号を出力し、電力変換装置の運転を直ちに停止させるようにする。
【００６５】
なお、上述した図７の第５の実施形態及び図８の第６の実施形態は、図１の構成の電力変換装置すなわち同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を１組だけ有するものに適用するのが好ましく、図３、図４、及び図６のような同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組有するものに適用するのは好ましくない。これは、図７及び図８の構成は平滑コンデンサからの電流を短絡検出用電流として用いる構成であるため、もしこの図７及び図８の構成を図３、図４、及び図６の構成に適用すると、短絡発生部位によっては閉ループ回路のインピーダンスの差異が大きくなってしまい、前述した第２の課題が解消されないことになり、更に、多くの本数の短絡検出用導体がホールＣＴ７内を挿通するという好ましくない構成になるからである。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電流検出センサを１個のみ含んで構成される短絡検出回路を、コンバータ部又はインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子のうちのいずれに短絡事故が発生したとしても均一レベルの短絡電流検出信号を出力し得る個所に接続するようにしたので、電流検出センサの個数を１個のみに削減したにもかかわらず迅速な短絡保護動作を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】図１の装置の外観構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図５】図３又は図４において短絡検出用電流が閉ループ回路を通過するときの各インピーダンスの差異を求めるための等価回路図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の外観構成図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す外観構成図。
【図９】上記第６の実施形態において用いられる制御部１１内の短絡判別回路５０の構成を示す回路図。
【図１０】コンバータ１パラ・インバータ１パラ構成の従来の電力変換装置の回路構成図。
【図１１】図１０の装置の外観構成図。
【図１２】Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗの各相が各ユニット毎に分割されて配置されたコンバータ３パラ・インバータ３パラ構成を有する電力変換装置１３の概略外観構成図。
【符号の説明】
１ コンバータ部
２ インバータ部
３ 三相交流電源
４ 交流モータ
５P Ｐ側主回路ブス部材
５N Ｎ側主回路ブス部材
６ａ，６ｂ 平滑コンデンサ
７，７ａ，７ｂ ホールＣＴ（電流検出センサ）
８P Ｐ側主回路ブス部材
８N Ｎ側主回路ブス部材
９ａ，９ｂ 平滑コンデンサ
１０P Ｐ側主回路接続線
１０N Ｎ側主回路接続線
１１ 制御部
１２ 取付ベース部材
１３ 電力変換装置
１４ Ｒ／Ｕ相ユニット
１５ Ｓ／Ｖ相ユニット
１６ Ｔ／Ｗ相ユニット
１７ 短絡検出回路
１８ａ，１８ｂ 短絡検出用コンデンサ
１９ 短絡検出用ブス部材
２０ Ｒ／Ｕ相ユニット
２１ Ｓ／Ｖ相ユニット
２２ Ｔ／Ｗ相ユニット
２３ Ｒ相平滑コンデンサ
２４ Ｕ相平滑コンデンサ
２５ Ｓ相平滑コンデンサ
２６ Ｖ相平滑コンデンサ
２７ Ｔ相平滑コンデンサ
２８ Ｗ相平滑コンデンサ
２９P Ｐ側主回路ブス部材
２９N Ｎ側主回路ブス部材
３０P Ｐ側主回路ブス部材
３１P Ｐ側主回路ブス部材
３１N Ｎ側主回路ブス部材
３２P Ｐ側主回路ブス部材
３２N Ｎ側主回路ブス部材
３３P Ｐ側主回路ブス部材
３３N Ｎ側主回路ブス部材
３４P Ｐ側主回路ブス部材
３４N Ｎ側主回路ブス部材
３５P Ｐ側連結用ブス部材
３５N Ｎ側連結用ブス部材
３６P Ｐ側連結用ブス部材
３６N Ｎ側連結用ブス部材
３７P Ｐ側主回路接続線
３７N Ｎ側主回路接続線
３８P Ｐ側主回路接続線
３８N Ｎ側主回路接続線
３９ 補助接続線
４０P Ｐ側主回路接続線
４０N Ｎ側主回路接続線
４１P Ｐ側主回路接続線
４１N Ｎ側主回路接続線
４２P Ｐ側主回路接続線
４２N Ｎ側主回路接続線
４３，４４ 冷却ファン
４５，４６ ダイオード
４７ 第１の短絡検出用導体
４８ 第２の短絡検出用導体
４９ 短絡検出用導体
５０ 短絡判別回路
５１ａ，５１ｂ 抵抗
５２ａ 第１のコンパレータ
５２ｂ 第２のコンパレータ
５３ａ，５３ｂ 抵抗
５４ａ，５４ｂ レベル設定器
５５ ＮＯＲ回路
Ｉa，Ｉb 短絡検出用電流
Claims (9)
- 同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を備え、これらコンバータ部及びインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子の一端側及び他端側はそれぞれＰ側主回路ブス部材及びＮ側主回路ブス部材により連結されていると共に、これらコンバータ部並びにインバータ部の各Ｐ側主回路ブス部材同士の間及び各Ｎ側主回路ブス部材同士の間は干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、更に、前記各一対のスイッチング素子に発生する短絡電流を検出するための電流検出センサを有する電力変換装置において、
前記電流検出センサを１個のみ含んで構成される短絡検出回路を備え、
この短絡検出回路の接続個所を、前記コンバータ部又はインバータ部の各相アームを形成する各一対のスイッチング素子のうちのいずれに短絡が発生したとしても、この短絡検出回路と、その短絡が発生した前記各一対のスイッチング素子とに短絡電流が流れるときのインピーダンスが、いずれの場合にもほぼ同様の値になる個所とし、これによりこの短絡検出回路がいずれの場合にも均一レベルの短絡電流検出信号を出力するようにした、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記短絡検出回路は、
前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路に短絡検出用電流を供給する短絡検出用コンデンサと、
前記一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記短絡検出用コンデンサから供給される短絡検出用電流を検出する前記１個の電流検出センサと、
を有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。 - 前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士はそれぞれＰ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材により連結されており、
前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線による接続は、前記Ｐ側連結用ブス部材及びＮ側連結用ブス部材を介して行われている、
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。 - 前記Ｎ側連結用ブス部材と前記短絡検出回路の負側との間に、各組毎の前記コンバータ部又はインバータ部における短絡発生部位の相違に応じた前記閉ループ回路のインピーダンスがほぼ同様の値になるまでに、これらのインピーダンスの差異を小さくするための補助接続線を接続した、
ことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。 - 前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を複数組備え、各組のコンバータ部並びにインバータ部のＰ側主回路ブス部材同士及びＮ側主回路ブス部材同士は前記干渉防止用導体で形成された主回路接続線により接続されており、
前記Ｐ側主回路ブス部材同士又はＮ側主回路ブス部材同士のいずれか一方のみがＰ側連結用ブス部材又はＮ側連結用ブス部材により連結されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。 - 前記短絡検出回路は、
前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第１の短絡検出用導体、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流のみを流す第２の短絡検出用導体と、
前記第１の短絡検出用導体又は前記第２の短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、
を有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。 - 前記短絡検出回路は、
前記各一対のスイッチング素子のいずれかに短絡が発生した場合に、この一対のスイッチング素子を通る閉ループ回路の途中に配設され、前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流、及び前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流の双方の通過を許容する短絡検出用導体と、
前記短絡検出用導体を流れる短絡電流を検出する前記１個の電流検出センサと、
を有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。 - 前記短絡検出回路は、
前記電流検出センサが前記コンバータ部から前記インバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第１のコンパレータと、
前記電流検出センサが前記インバータ部から前記コンバータ部へ向かう短絡電流を検出したときの検出信号を入力し、この検出信号が閾値を超えた場合に短絡検出信号を出力する第２のコンパレータと、
を有するものである、
ことを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。 - 前記同一冷却器に取り付けられたコンバータ部及びインバータ部を１組だけ有するものである、
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の電力変換装置。
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