JP4726624B2 - インバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、共通の直流母線に接続された複数台のインバータから成るインバータシステムに関する。

複数台の独立運転可能なインバータによって構成され、１台または複数台の電動機を駆動するように構成されたインバータシステムにおいて、１台のインバータが故障したとき、この故障したインバータをインバータシステムから切り離し、他の健全なインバータによって限られた容量または台数によってインバータシステムを継続運転（以下これを縮退運転という。）するようなニーズは従来から多くあった。このため、各々のインバータの入力側及び出力側に開閉器を設け、個々のインバータの故障信号により当該インバータの入出力部の開閉器を開路し、故障前の負荷状態に応じてインバータシステムの運転継続を図る提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平９−２７５６９９号公報（第３頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、複数台のインバータのうち故障したインバータを全体のインバータシステムから切り離し、残りのインバータの容量に応じて例えば電動機の運転速度を低下させて縮退運転による運転継続を図っているので、インバータシステムの稼働率は大きく改善される。

しかしながら、例えば共通の直流電源に複数台のインバータが接続されたインバータシステムにおいて、１台のインバータが直流短絡で故障した場合を考えると、短絡点に他の健全なインバータから過大な電流が流入し、他の健全なインバータも過電流となって運転停止してしまい、システムとして運転継続することができなくなる恐れがある。

本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、直流電源に複数台のインバータが接続されたインバータシステムにおいて、１台のインバータが直流短絡故障しても、他の健全なインバータによって運転継続可能なインバータシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のインバータシステムは、以下の特徴を有している。

本発明のインバータシステムは、複数台の直流電源の各々から給電される複数台のインバータ装置から成るインバータグループを複数組有し、その複数組のインバータグループの少なくとも１組が運転停止しても負荷を縮退運転することが可能なインバータシステムにおいて、前記複数台の直流電源の出力同士を夫々直流リアクトルを介して互いに接続したことを特徴としている。

本発明によれば、１台のインバータが直流短絡故障しても、他の健全なインバータによって運転継続可能なインバータシステムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２を参照して本発明の実施例１に係るインバータシステムについて説明する。図１は本発明の実施例１に係るインバータシステムの回路構成図である。

直流電源１の出力は、共通に設けられた直流母線２に接続されている。共通母線２から複数の母線が分岐し、夫々直流リアクトル３ａ、３ｂ及び３ｃを介して、インバータグループ４ａ、４ｂ及び４ｃに給電されている。

インバータグループ４ａは複数台のインバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃから構成されている。同様に、インバータグループ４ｂは複数台のインバータ装置５ｄ、５ｅ及び５ｆから構成され、またインバータグループ４ｃは複数台のインバータ装置５ｇ、５ｈ及び５ｉから構成されている。インバータ装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ及び５ｉの交流出力は夫々交流電動機６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ及び６ｉに給電されている。

インバータ装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ及び５ｉは、夫々入力に設けられた入力スイッチ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ及び７ｉ、入力電流を検出する電流検出器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ及び８ｉ、電圧を平滑するためのコンデンサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ及び９ｉ、並びに平滑された直流電圧を交流に変換するインバータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ及び１０ｉから構成されている。

また、交流電動機６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ及び６ｉは共通の負荷機械１１を機械的に駆動している。ここで共通の負荷機械１１は、例えば鉄鋼圧延プロセスに使用されるテーブルローラーに相当する。

ここで各々の入力スイッチ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ及び７ｉは、ヒューズまたはスイッチング素子あるいはこれらの組合せによって構成され、過電流遮断機能を有している。

以下、図１及び図２を参照し、インバータ装置５ａのＳ点において直流短絡事故が発生した場合の動作について説明する。尚、インバータ装置５ａ以外の他のインバータ装置において直流短絡事故が発生した場合も同一動作となるため説明を省略する。

インバータ装置５ａのＳ点で短絡事故が発生したとき、まず同一インバータグループ４ａ内の他のインバータ装置５ｂ及び５ｃの構成要素であるコンデンサ９ｂ及び９ｃから短絡点Ｓに向けて電流が流れ出す。このとき電流検出器８ｂ、及び８ｃはインバータ装置５ｂ及び５ｃの直流主回路に流れる直流電流を検出し、あらかじめ設定した直流過電流レベルを超えた場合には保護動作により自身のインバータ動作を停止し、自身の入力スイッチ７ｂ及び７ｃを遮断する。

また、インバータ装置５ａ自身についても、入力スイッチ７ａの過電流保護機能によって短絡電流保護を行なう。

次に、Ｓ点で短絡が生じたとき、直流電源１及び他のインバータグループ４ｂ及び４ｃからの流入電流について考える。

インバータ装置５ａのＳ点で直流短絡が発生すると、直流電源１及び他のインバータグループ４ｂ及び４ｃからの電流がＳ点に流入しようとするが、その立ち上がりは直流リアクトル３ａによって制限される。尚、インバータグループ４ｂ及び４ｃからの流入電流は夫々直流リアクトル３ｂ及び３ｃによってもその立ち上がりが制限される。

従って、直流リアクトル３ａ、３ｂ及び３ｃのインダクタンス値を適切に選定すれば、直流電源１並びにインバータグループ４ｂ及び４ｃ内のインバータ装置５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ及び５ｉが過電流レベルに到達する前に入力スイッチ７ａを遮断して、直流電源１、インバータグループ４ｂ及び４ｃ内のインバータ装置５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ及び５ｉを運転継続することが可能となる。

尚、上記において重要な点は、短絡故障がインバータグループ４ａ内のインバータ装置で発生したとき、インバータグループ４ａ内のインバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃが停止し、交流電動機６ａ、６ｂ及び６ｃが停止しても、負荷機械１１は例えば運転速度を低下させればニーズに即した運転継続が可能となるようにインバータ装置及び交流電動機のグループ分けが為されていることである。このことはインバータグループ４ｂ及び４ｃについても同様である。

上記において、直流リアクトル３ａ、３ｂ及び３ｃのインダクタンス値を適切に選定すると述べたが、同一インバータグループ内のインバータ装置の台数及び容量が各インバータグループ間でバランスしているようなシステム構成であっても、直流リアクトル３ａ、３ｂ及び３ｃのインダクタンス値を同一に選定する必要はない。例えば、直流リアクトル３ｂと直流リアクトル３ｃを連絡する母線のインダクタンスが、他の母線のインダクタンスに比べ大きいような場合には、その分だけ直流リアクトル３ｃのインダクタンス値を低く選定することが可能となる。

図２は本発明の実施例２に係るインバータシステム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に係るインバータシステムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、インバータグループ４ｃを省きインバータグループ４ａ及び４ｂの２グループとした点、負荷となる交流電動機１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを多相電動機とし、夫々の交流電動機の所定の相の１次巻線にはインバータグループ４ａ内のインバータ装置から給電し、残りの相の１次巻線にはインバータグループ４ｂ内のインバータ装置から給電するように構成した点である。

ここでもインバータ装置５ａのＳ点において直流短絡事故が発生した場合について考える。実施例１で説明した通り、短絡事故が発生したインバータ装置と同じインバータグループ４ａに属するインバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃは過電流によって入力スイッチ７ａ、７ｂ及び７ｃが開路されて運転停止するが、インバータ装置５ｄ、５ｅ及び５ｆは過電流レベルに到達する前に上記入力スイッチ７ａの開路によって電流が減少するので運転停止することはない。従って、多相電動機１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの入力相の内、インバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃに対応する相は給電が停止するが、他の相は健全であるため、電動機の出力を例えば半分に低減すれば多相電動機１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは縮退運転による運転継続が可能となる。

図３は本発明の実施例３に係るインバータシステムの回路構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例２に係るインバータシステムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、インバータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ及び１０ｆの出力を単相とし、出力変圧器１３ａ、１３ｂ及び１３ｃによってインバータグループ４ａとインバータグループ４ｂの上記単相出力を合成して３相の交流電動機６を駆動する構成とした点である。

上記構成は、３相の交流電動機６の１次巻線の各相がインバータグループ４ａ内のインバータの単相出力と、インバータグループ４ｂ内のインバータ単相出力が直列に合成される所謂直列多重方式である。

ここでもインバータ装置５ａのＳ点において直流短絡事故が発生した場合について考える。実施例１及び実施例２で説明した通り、短絡事故が発生したインバータ装置と同じインバータグループ４ａに属するインバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃは過電流によって入力スイッチ７ａ、７ｂ及び７ｃが開路されて運転停止するが、インバータ装置５ｄ、５ｅ及び５ｆは運転停止することはない。従って、例えば駆動電圧を半減して交流電動機６を縮退運転によって運転継続することが可能となる。

図４は本発明の実施例４に係るインバータシステムの回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係るインバータシステムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、直流電源を直流電源１ａ及び直流電源１ｂの２台設け、直流電源１ａと直流電源１ｂを接続する共通母線２の間に１台の直流リアクトル３を設けるようにした点、また、インバータグループ４ｃを省きインバータグループ４ａ及び４ｂの２グループ構成とした点である。尚、図４において負荷機械１１の図示は省略している。

本実施例４は、直流電源が複数台ある場合に適用可能である。複数台の直流電源を用いるのは、１台の直流電源では電流容量が足りない場合にその電流容量を補うため、または、１台の直流電源が故障によって停止したとき、他の直流電源でインバータシステムの運転を継続させるようにするためである。

図４に示したように、インバータグループ４ａとインバータグループ４ｂを接続する共通母線２に直流リアクトル３を挿入する。

ここでもインバータ装置５ａのＳ点において直流短絡事故が発生した場合について考える。実施例１乃至実施例３で説明した通り、短絡事故が発生したインバータ装置と同じインバータグループ４ａに属するインバータ装置５ａ、５ｂ及び５ｃは過電流によって入力スイッチ７ａ、７ｂ及び７ｃが開路されて運転停止する。一方、インバータ装置５ｄ、５ｅ及び５ｆは過電流レベルに到達する前に上記入力スイッチ７ａの開路によって電流が減少するので運転停止することはない。

ここで、直流電源１ａから短絡点Ｓへの短絡電流を制限する直流リアクトルが設けられていないことが問題と考えられるが、通常直流電源１ａの過電流耐量は大きく、またこの短絡電流の立ち上がりは、同一グループ内の他のインバータ装置からの流入電流の立ち上がりに比べて遥かに遅いため、問題とはならない。

以上延べたように、複数台の直流電源を有するインバータシステムにおいて、各々の直流電源にインバータグループを接続し、各々の直流電源間を接続する直流母線に適切なリアクタンスを有する直流リアクトルを接続すれば、直流短絡を発生したインバータグループに属するインバータ装置は停止するが、他のインバータグループに属するインバータ装置は継続して運転することが可能となる。

また、負荷の割合が各インバータグループ間で均等であれば、各々の直流電源から当該直流電源に接続されたインバータグループに電流が供給され、中間に設けられた直流リアクトルには定常時はほとんど電流が流れないため、電流容量の小さい直流リアクトルを適用することが可能となる。

以上説明した実施例１乃至実施例４において、インバータグループの数及び各インバータグループに属するインバータ装置の数を２乃至３に限定して説明したが、これらは２以上の任意の数で良いことは明らかである。

本発明の実施例１に係るインバータシステムの回路構成図。 本発明の実施例２に係るインバータシステムの回路構成図。 本発明の実施例３に係るインバータシステムの回路構成図。 本発明の実施例４に係るインバータシステムの回路構成図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 直流電源
２ 直流母線
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 直流リアクトル
４ａ、４ｂ、４ｃ インバータグループ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ インバータ装置
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ 交流電動機
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ、７ｉ 入力スイッチ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ 電流検出器
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ コンデンサ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ インバータ
１１ 負荷機械
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 多相電動機
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 出力変圧器

Claims (5)

1. 複数台の直流電源の各々から給電される複数台のインバータ装置から成るインバータグループを複数組有し、
   その複数組のインバータグループの少なくとも１組が運転停止しても負荷を縮退運転することが可能なインバータシステムであって、
   前記複数台の直流電源の出力同士を夫々直流リアクトルを介して互いに接続したことを特徴とするインバータシステム。
2. 前記直流リアクトルは、
   １台の前記インバータ装置が直流短絡したとき、
   当該インバータ装置が属するインバータグループの全てのインバータ装置の入力スイッチをオフするまでの時間に、
   その他の全てのインバータグループに属するインバータ装置が過電流とならないようにそのインダクタンス値を選定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のインバータシステム。
3. 前記直流リアクトルは、
   前記直流電源から前記各インバータグループに給電するための母線のインダクタンス値も
   考慮してそのインダクタンス値を選定するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のインバータシステム。
4. 前記負荷は多相電動機であり、
   前記多相電動機の各相の１次巻線は、少なくとも異なる２組の前記インバータグループの前記インバータ装置から給電されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のインバータシステム。
5. 前記負荷は、直列多重用の出力変圧器を介した交流電動機であり、
   前記出力変圧器の各相の入力は、少なくとも異なる２組の前記インバータグループの前記インバータ装置から給電されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のインバータシステム。

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