JP4640794B2 - Matrix converter protection device - Google Patents
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本発明は、産業用電力変換装置に係り、特に三相交流電源から直接三相負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置に関するするものである。 The present invention relates to an industrial power conversion device, and more particularly to a protection device for a matrix converter that performs power conversion directly from a three-phase AC power source to a three-phase load.
図2は、主変換器としてマトリクスコンバータを用いたこの種の直接変換形電力変換器を示す構成図である。ここでは、多相の例として最も一般的な三相を示しており、入力側(電源側)をR,S,T相、出力側(負荷側)をU,V,W相と呼ぶものとする。 FIG. 2 is a block diagram showing this type of direct conversion type power converter using a matrix converter as the main converter. Here, the most common three phases are shown as examples of polyphases, and the input side (power supply side) is called R, S, T phase, and the output side (load side) is called U, V, W phase. To do.
図2において、1は三相交流電源、3はフィルタ用リアクトル31及びフィルタ用コンデンサ32からなる交流フィルタ、2は双方向スイッチ21〜29からなるマトリクスコンバータ、4は電動機等の誘導性負荷、7は双方向スイッチ21〜29に過大な電圧が印加されないように付けられるクランプまたは保護回路である従来のマトリクスコンバータ保護装置を示す。マトリクスコンバータ2は制御器より双方向スイッチ21〜29のゲートにオンオフ(導通阻止)信号を与えることにより電力変換の目的を果たすものである。
ここで、双方向スイッチ21〜29は、例えば逆阻止機能を有するIGBT等の2個の半導体スイッチング素子を逆並列に接続して構成されている。
In FIG. 2, 1 is a three-phase AC power source, 3 is an AC filter comprising a
Here, the
周知のように、マトリクスコンバータ2の変換動作については、任意の時刻において、各出力相に接続される三つのスイッチ(例えば、U相に接続されているスイッチ21,22,23)の何れかの1つはオン状態でなければならない。そうでないと、誘導性負荷4に蓄積された誘導性エネルギーの還流経路がなくなるため、スイッチ両端に大きなサージ電圧が発生し、素子を破壊する。
As is well known, regarding the conversion operation of the
一方、スイッチング制御におけるスイッチ間の導通切換え(転流)動作は一意ではなく、負荷電流の極性などにより複雑に変わるため、電流センサ信号にノイズなどの不確定要素が混入された場合、意に反して転流失敗を起こし、大きなサージ電圧を発生させることがあり得る。また、システムに何らかの故障が発生したとき、マトリクスコンバータを構成する双方向スイッチ21〜29を一斉にオフさせることが一般的ではあるが、この場合も、前記と転流失敗と同じ理由で素子を破壊させる恐れがある。
On the other hand, the switching (commutation) operation between switches in switching control is not unique, and changes complicatedly depending on the polarity of the load current, etc. Therefore, if an uncertain element such as noise is mixed in the current sensor signal, it is unexpected. May cause a commutation failure and a large surge voltage. In addition, when some failure occurs in the system, it is common to turn off the
上記サージ電圧の発生を防止するため、従来では図2に示す如く、入出力の全波整流器71、72と電解コンデンサ73から整流スナバ回路を構成して、転流失敗または強制停止時の誘導エネルギーをこの電解コンデンサ73で吸収させる(例えば、特許文献1参照)。双方向スイッチ両端の電圧が電解コンデンサ73の電圧以下にクランプされるため、過電圧保護の目的は果たされる。
In order to prevent the occurrence of the surge voltage, conventionally, as shown in FIG. 2, a rectification snubber circuit is constituted by the input / output full-
この種の保護回路は、サージ電圧を効果的に防止することができるが、図2の従来のマトリックスコンバータ保護装置7に示すように、その構成に、少なくとも容量が主回路素子と同じ程度の高速ダイオード12個、大容量の電解コンデンサ1個が必要とするため、コストの面でまた変換器全体のサイズの面で犠牲を払わなければならない。さらに、電解コンデンサ73に寿命が短い欠点があるので、定期的にメンテナンスを行わなければならない欠点もある。
This type of protection circuit can effectively prevent surge voltage, but, as shown in the conventional matrix converter protection device 7 of FIG. 2, the configuration has a high speed at least as high as that of the main circuit element. Since twelve diodes and one large-capacitance electrolytic capacitor are required, sacrifices must be made in terms of cost and size of the entire converter. Furthermore, since the
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題点に対して、簡単で、部品点数が少なくて、ローコストで、サージ電圧を確実に抑えられる保護回路を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described points, and the object of the present invention is to provide a protection circuit that can easily suppress the surge voltage with a low number of parts, low cost, and low cost. Is to provide.
つまり、その目的を達成するために、多相交流電源より直接多相交流負荷に電力変換を行うマトリクスコンバータの保護装置において、
請求項1に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、バリスタで接続して構成したものである。
請求項2に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、双方向ツェナーダイオードで接続して構成したものである。
請求項3に記載した発明はマトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点とマトリクスコンバータ出力側の各相の間に、互いに逆方向に直列接続されたツェナーダイオードで接続して構成したものである。
In other words, in order to achieve the purpose, in the protection device of the matrix converter that performs power conversion directly from the multiphase AC power source to the multiphase AC load,
According to the first aspect of the present invention, a varistor is connected between the neutral point of the filter capacitor that is star-connected on the input side of the matrix converter and each phase on the matrix converter output side.
The invention described in
According to the third aspect of the present invention, a zener diode connected in series in the opposite direction is connected between the neutral point of the filter capacitor that is star-connected on the input side of the matrix converter and each phase on the output side of the matrix converter. It is configured as follows.
本発明の請求項によれば、マトリクスコンバータの電圧サージ保護装置を少ない部品数で効果的に構成しているため、システムの小型軽量化、ローコスト化に寄与できる。また、電解コンデンサなどの寿命の短い部品を使用しないため、システムの長寿命化を図ることができる。 According to the claims of the present invention, since the voltage surge protection device of the matrix converter is effectively configured with a small number of parts, it can contribute to a reduction in size and weight of the system and a reduction in cost. In addition, since a short-life component such as an electrolytic capacitor is not used, the life of the system can be extended.
図1は本発明の一実施形態を示す構成図で、マトリクスコンバータ保護装置の構成を示す図である。同図において、1は三相交流電源、3はフィルタ用リアクトル31及びフィルタ用コンデンサ32からなる交流フィルタ、2は双方向スイッチ21〜29からなるマトリクスコンバータ、4は電動機等の誘導性負荷である。5は本発明請求項1のマトリクスコンバータ保護装置の回路構成であり、3個のバリスタ51のみで構成されている。バリスタの一端は星型結線されているフィルタ用コンデンサ32の中性点に接続され、他端はそれぞれマトリクスコンバータ2の出力側の各相(U相、V相、W相)に接続される。本発明は5の本発明請求項1のマトリックスコンバータ保護装置を設けることで、転流ミスなどで発生するサージ電圧をのバリスタ51でクランプすることにより保護の目的を達成させている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a configuration of a matrix converter protection device. In the figure, 1 is a three-phase AC power source, 3 is an AC filter comprising a
以下、本発明の実施例である図1に示した本発明請求項1のマトリクスコンバータの保護装置5の原理を詳述する。
周知のように、バリスタはそれにかかる電圧がバリスタ電圧(Vz)以下の場合、電流はほとんど流れず、ほぼオフの状態となる。逆に、バリスタ電圧Vz以上の電圧がかかろうとすると、インピーダンスが急減し、電流のバイパスを許容し、それ以上の電圧上昇を防ごうとする。この特性を利用して、従来から双方向電圧クランプまたサージアブソーバとして活用されている。
一方、マトリクスコンバータについては、降圧タイプの半導体変換器であり、正常動作している場合、出力各相の電圧は、電源側3相入力電圧の最大相電圧と最小相電圧の間になる。入力相電圧実効値をEp(ピーク値√2Ep)、出力電圧値をVoと表す場合、(1)式が成り立つことが明らかである。
Hereinafter, the principle of the protection device 5 for the matrix converter according to claim 1 of the present invention shown in FIG. 1 as an embodiment of the present invention will be described in detail.
As is well known, when the voltage applied to the varistor is lower than the varistor voltage (Vz), almost no current flows and the varistor is almost turned off. On the other hand, when a voltage higher than the varistor voltage Vz is applied, the impedance is suddenly reduced, current bypass is allowed, and further voltage rise is prevented. By utilizing this characteristic, it has been conventionally used as a bidirectional voltage clamp or a surge absorber.
On the other hand, the matrix converter is a step-down type semiconductor converter, and when operating normally, the voltage of each output phase is between the maximum phase voltage and the minimum phase voltage of the power supply side three-phase input voltage. When the effective value of the input phase voltage is expressed as Ep (peak value √2Ep) and the output voltage value is expressed as Vo, it is clear that the expression (1) holds.
図1において、出力電圧が正常範囲内にある場合、バリスタ51が動作せず、等価的にオフ状態になるので、星型結線されているフィルタ用コンデンサ32の中性点の電位がほぼゼロである。従って、各相に接続されているバリスタ51の両端にかかる電圧がその相の出力電圧と等しくなる。バリスタ51は出力電圧が異常な場合のみ作動するから、バリスタ電圧Vzは(2)式を満たすように選定される。
In FIG. 1, when the output voltage is in the normal range, the
以上は本発明請求項1に請求した内容であり、少ない部品数で双方向スイッチ21〜29両端電圧を効果的に抑えられることが明らかである。なお、本発明の請求項2では、本発明請求項1のマトリックスコンバータ保護装置5の構成部品であるバリスタ51を同等な機能をもつ双方向ツェナーダイオードで置換えたもので、同等な効果を果たせることが明らかである。また、本発明の請求項3も本発明請求項1のバリスタ51を同等機能の逆直列接続のツェナーダイオードで置換えたのみなので、同じような機能を果たせる。
The above is what is claimed in claim 1 of the present invention, and it is clear that the voltages across the
なお、本発明は、三相マトリクスコンバータを例として説明しているが、三相以外の多相交流電圧を直接変換する電力変換器にも適用可能である。 Although the present invention has been described by taking a three-phase matrix converter as an example, the present invention can also be applied to a power converter that directly converts multiphase AC voltages other than three-phase.
以上詳述したように、本発明請求項1のマトリクスコンバータの保護装置5を利用すれば、小型で、ローコストなマトリクスコンバータを構成することができるので、産業用マトリクスコンバータに利用可能である。 As described in detail above, if the matrix converter protection device 5 according to the first aspect of the present invention is used, a small-sized and low-cost matrix converter can be configured, and therefore, it can be used for an industrial matrix converter.
1 三相交流電源
2 マトリクスコンバータ
3 交流フィルタ
4 誘導性負荷
5 本発明請求項1のマトリクスコンバータ保護装置
7 従来のマトリクスコンバータ保護装置
21〜29 双方向スイッチ
31 フィルタ用リアクトル
32 フィルタ用コンデンサ
51 バリスタ
71、72 全波整流回路
73 電解コンデンサ
R,S,T マトリックスコンバータ入力のR,S,T相
U,V,W マトリックスコンバータ出力のU,V,W相
Vo 出力電圧値
Ep 入力相電圧実効値
Vz バリスタ電圧値
Vur U、R相間の双方向スイッチ両端の電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Three-phase alternating
R, S, T R, S, T phase of matrix converter input
U, V, W Matrix converter output U, V, W phase
Vo output voltage value
Ep Input phase voltage effective value
Vz Varistor voltage value
Voltage across the bidirectional switch between Vur U and R phases
Claims (3)
前記マトリクスコンバータの入力側で星形結線されるフィルタ用コンデンサの中性点と前記マトリクスコンバータ出力側の各相の間に、バリスタで接続して構成したことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。 In a matrix converter protection device that converts power directly from a polyphase AC power source to a polyphase AC load,
A protection device for a matrix converter, comprising a varistor connected between a neutral point of a filter capacitor that is star-connected on the input side of the matrix converter and each phase on the output side of the matrix converter.
請求項1に記載したバリスタを双方向ツェナーダイオードで置換えたことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。 The protection device for a matrix converter according to claim 1,
A protection device for a matrix converter, wherein the varistor according to claim 1 is replaced with a bidirectional Zener diode.
請求項1に記載したバリスタを互いに逆方向に直列接続されたツェナーダイオードで置換えたことを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
The protection device for a matrix converter according to claim 1,
A protective device for a matrix converter, wherein the varistor according to claim 1 is replaced with a Zener diode connected in series in opposite directions.
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