JP5036343B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に係り、特に複数個のスイッチング素子を含む分岐主回路を並列接続した変換アームを有する電力変換装置に関する。

大電流を出力するための電力変換装置においては、スイッチング素子を複数個並列接続して使用することがある。そして、スイッチング素子が短絡故障を起こしたとき、電力変換装置としての保護を行なう目的で、各々のスイッチング素子に直列にヒューズを挿入することも行なわれている。このような電力変換装置において、例えばヒューズが劣化して非導通状態になると、並列接続されたスイッチング素子のうち、正常なヒューズとスイッチング素子の直列回路（以下分岐主回路と称する。）に電流が集中してしまうという問題がある。しかるに、大電流を扱う電力変換装置においては、各々の分岐主回路の電流を検出して上記非導通異常を検出するのは構造的に困難な場合が多い。これに対して、各々の分岐主回路のヒューズの温度を検出することによって確実な電力変換装置の保護を行なおうとする提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００４−２４８３９０号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１に示された手法は、各々のスイッチング素子に直列にヒューズが設けられている分岐主回路においてはスイッチング素子の非導通異常も検出可能となるが、並列接続されたスイッチング素子で形成される変換アームに対して直列に１個のヒューズしか設けられていない場合、またアームにヒューズが設けられていない場合のスイッチング素子の非導通異常を検出することは困難であるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的はヒューズの有無に拘らずスイッチング素子を含む分岐主回路の異常を検出することが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、所望の出力電流を負荷に供給する電力変換装置において、複数個のスイッチング素子を含む分岐主回路を並列接続してなる少なくとも１つの変換アームと、各々の前記スイッチング素子の温度を直接または間接的に検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による各々のスイッチング素子の検出温度を入力として前記分岐主回路の異常を検出する主回路異常判定手段とを具備し、前記主回路異常判定手段は、前記各々のスイッチング素子の検出温度と比較基準とを夫々比較する複数個の比較回路と、
この各々の比較回路の比較結果が異常レベルかどうかを夫々判断する複数個の回路異常検出回路と、前記各々の回路異常検出回路の検出結果により装置の保護動作を行なうことができる制御処理回路とを備えると共に、前記比較基準を出力電流基準に応じて変化させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、ヒューズの有無に拘らずスイッチング素子を含む分岐主回路の異常を検出することが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１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。この図１においてはスイッチング素子としてサイリスタ素子を用い、これを３並列接続して３相サイリスタ整流回路を形成した例を示している。

３相交流電源１から与えられた交流電圧は３相ブリッジを構成する正側の変換アーム２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗ、並びに負側の変換アーム２Ｘ、２Ｙ及び２Ｚに与えられる。この３相ブリッジは３相サイリスタ整流回路であり、その直流出力は直流負荷設備３に給電される。

各々の変換アームはスイッチング素子としてサイリスタ素子を用い、これを３並列接続して構成されているが、全て同一の回路構成となっているので、変換アーム２Ｘのみについてその内部構成を図示している。尚、各々のサイリスタ素子には図示しない制御回路からゲートパルスが供給されて出力電流を調整するようになっている。

変換アーム２Ｘはサイリスタ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２及びＴｈ３の並列回路から構成されている。そしてサイリスタ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２及びＴｈ３の各々に直列にヒューズＦ１、Ｆ２及びＦ３が接続され、３つの分岐主回路を形成している。尚、ヒューズＦ１、Ｆ２及びＦ３はまとめて一つの変換アーム用ヒューズとしても良く、また取り付けを省略しても良い。

各々のサイリスタ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２及びＴｈ３には温度検出器Ｔ１、Ｔ２及びＴ３が夫々取り付けられ、これらの温度検出信号は主回路異常判定回路４に与えられる。

図２は変換アーム２Ｘのサイリスタ素子Ｔｈ１の実装状態を示す構造図である。サイリスタ素子Ｔｈ１は冷却フィンＦｉｎに密着して実装され、入水用配管Ｐ１から流入した冷却水が冷却フィンＦｉｎの内部を通過して熱交換を行ない、熱交換後の冷却水は出水用配管Ｐ２から流出するように構成されている。そして、サイリスタ素子Ｔｈ１と冷却フィンＦｉｎとが接合する部分に温度検出器Ｔ１が埋め込まれている。尚、内部の接合部近辺に温度検出器Ｔ１が埋め込まれたサイリスタ素子Ｔｈ１を用いれば、更に精度の良い温度検出が可能となる。

以下、図１における主回路異常判定回路４の内部構成について説明する。

温度検出器Ｔ１、Ｔ２及びＴ３から得られた温度信号は比較回路ＣＰ１、ＣＰ２及びＣＰ３に夫々入力され、共通に設けられた比較基準ＲＥＦと夫々比較される。そして比較回路ＣＰ１、ＣＰ２及びＣＰ３の出力は異常判定回路Ｆａ１、Ｆａ２及びＦａ３に夫々入力される。異常判定回路Ｆａ１、Ｆａ２及びＦａ３は比較回路ＣＰ１、ＣＰ２及びＣＰ３の出力によってサイリスタ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２及びＴｈ３の異常判定を夫々行ない、その判定結果を制御処理回路Ｃｔに与える。

次に動作について説明する。図１に示す３相サイリスタ整流回路を運転中に変換アーム２ＸのヒューズＦ１の断線またはサイリスタ素子Ｔｈ１の点弧回路に異常が発生した場合を想定する。何れの故障によってもサイリスタ素子Ｔｈ１に電流が通流しなくなり、サイリスタ素子Ｔｈ１の温度は低下する。サイリスタ素子Ｔｈ１を含む直列回路の異常（以下Ｔｈ１分岐主回路の異常と言う。）により、健全なサイリスタ素子Ｔｈ２及びＴｈ３の電流は１．５倍に増大する。半導体素子の発生熱量は、ほぼ電流の２乗に比例するため、サイリスタ素子Ｔｈ２及びＴｈ３の発生熱量は約２倍となる。このようにして、サイリスタ素子Ｔｈ１の温度が比較基準ＲＥＦよりも所定値以上低下し、且つサイリスタ素子Ｔｈ２及びＴｈ３の温度が比較基準ＲＥＦよりも所定値以上上昇したことを異常判定回路Ｆａ１、Ｆａ２及びＦａ３によって夫々判定し、その判定結果を制御処理回路Ｃｔで演算解析することによってサイリスタ素子Ｔｈ１回路の異常を検出することができる。

同様に、Ｔｈ１回路とＴｈ２回路の両方に異常が発生した場合はサイリスタ素子Ｔｈ１及びＴｈ２の温度は比較基準ＲＥＦよりも低く、サイリスタ素子Ｔｈ３の温度は比較基準ＲＥＦよりも高くなるためＴｈ１回路とＴｈ２回路の両方の異常の検出が可能となる。以上をまとめると異常判定回路Ｆａ１、Ｆａ２及びＦａ３の判定結果に対応して以下のような分岐主回路異常の検出が可能となる。

Ｔ１＜ＲＥＦ、Ｔ２＜ＲＥＦ、Ｔ３＜ＲＥＦ---Ｔｈ１〜Ｔｈ３分岐主回路正常
Ｔ１＜ＲＥＦ、Ｔ２＞ＲＥＦ、Ｔ３＞ＲＥＦ---Ｔｈ１分岐主回路異常
Ｔ１＞ＲＥＦ、Ｔ２＜ＲＥＦ、Ｔ３＞ＲＥＦ---Ｔｈ２分岐主回路異常
Ｔ１＞ＲＥＦ、Ｔ２＞ＲＥＦ、Ｔ３＜ＲＥＦ---Ｔｈ３分岐主回路異常
Ｔ１＜ＲＥＦ、Ｔ２＜ＲＥＦ、Ｔ３＞ＲＥＦ---Ｔｈ１＆Ｔｈ２分岐主回路異常
Ｔ１＞ＲＥＦ、Ｔ２＜ＲＥＦ、Ｔ３＜ＲＥＦ---Ｔｈ２＆Ｔｈ３分岐主回路異常
Ｔ１＜ＲＥＦ、Ｔ２＞ＲＥＦ、Ｔ３＜ＲＥＦ---Ｔｈ３＆Ｔｈ１分岐主回路異常
尚、上記検出において、検出の遅れと検出精度のトレードオフが問題となるが、例えば、異常判定回路Ｆａ１、Ｆａ２及びＦａ３の異常判定の時定数をサイリスタ素子の保護協調曲線などから適切に選定することによりこの問題を解決することが可能となる。また、制御処理回路Ｃｔの出力信号による保護動作としては、適用システムのニーズに合わせて、警報のみを出力、装置停止、あるいは出力低減による運転継続などが考えられる。

以上の分岐主回路異常の判定を、他の変換アームにおいても同様に行なうことによって、電力変換装置としての主回路異常の判定とこれに基づく保護動作を行なうことが可能となる。

図３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の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図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、主回路異常判定回路４Ａ内の比較基準ＲＥＦを電流指令ＩＲＥＦの値に応じて変化させるように構成した点である。

サイリスタ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２及びＴｈ３は、電流指令ＩＲＥＦに応じてそのゲート点弧角が制御されている。従って電流指令ＩＲＥＦが小さくなると通電期間が短くなりサイリスタ素子の温度が低下する。このため電流指令ＩＲＥＦが小さくなったとき、電流基準ＩＲＥＦの２乗に略比例して比較基準ＲＥＦを低下させるようにすれば、電力変換装置の出力が定格出力よりも小さな領域においてもサイリスタ回路の異常を検出することが可能となり、主回路異常判定回路４Ａの検出精度が向上する。

図４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の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図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１と異なる点は、主回路異常判定回路４Ｂにおいて、電流基準ＩＲＥＦに代えて平均値演算回路ＭＥを設け、平均値演算回路ＭＥは温度検出器Ｔ１、Ｔ２及びＴ３から得られた温度信号の平均値を演算するように構成した点である。

この実施例３のように、平均値演算回路ＭＥを用いて温度検出器出力の平均値を演算して比較基準とすることによりオフセット誤差を小さくすることか可能となる。従って、この実施例３は、特に並列接続されるサイリスタ素子数が多くなり、１回路異常時の健全回路の電流増加分が小さい場合において有効な異常検出が可能となる。

図５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１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図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、主回路異常判定回路４Ｃにおいて、比較回路ＣＰ１Ａは温度検出器Ｔ１の検出温度と温度検出器Ｔ２の検出温度並びに温度検出器Ｔ１の検出温度と温度検出器Ｔ３の検出温度を比較するようにし、異常判定回路Ｆａ１Ａはこの２つの比較結果に基づいてＴｈ１回路異常を出力するように構成した点である。比較回路ＣＰ２Ａ、ＣＰ３Ａについても同様に夫々温度検出器Ｔ２、Ｔ３の検出温度を他の二つの検出温度と比較し、異常判定回路Ｆａ２Ａ、Ｆａ３Ａはこれらの比較結果を受けてＴｈ２回路異常、Ｔｈ３回路異常を夫々制御処理回路Ｃｔに出力する。

この実施例４のように、他の並列回路の検出器出力との相対比較を行うことにより、精度の高い異常検出が可能となる。

この場合は、分岐主回路におけるヒューズＦ１の断線やサイリスタＴｈ１の点弧回路異常により回路電流が全く流れなくなる場合のみならず、サイリスタＴｈ１の経年特性変化による並列回路間の通流特性に差異が生じることに起因する分流の不平衡検出にも適用可能となる。

図６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１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図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５が実施例１と異なる点は、主回路異常判定回路４Ｄにおいて、比較回路ＣＰ１は温度検出器Ｔ１の検出温度と温度検出器Ｔ２の検出温度を比較するようにし、異常判定回路Ｆａ１Ｂはこの比較結果に基づいてＴｈ１またはＴｈ２回路異常を出力するように構成した点である。比較回路ＣＰ２、ＣＰ３についても同様に夫々温度検出器Ｔ２、Ｔ３の検出温度を温度検出器Ｔ３、Ｔ１Ｂ検出温度と比較し、異常判定回路Ｆａ２Ｂ、Ｆａ３Ｂはこれらの比較結果を受けてＴｈ２回路異常またはＴｈ３回路異常、Ｔｈ３回路異常またはＴｈ１回路異常を制御処理回路Ｃｔに夫々出力する。

以上のように変換アーム内の隣り合う２つのサイリスタ素子の温度を比較する構成によれば、２つ以上の回路が同時に異常とならない条件で、簡略化した異常検出を可能とする。従って１回路故障時に装置停止とするようなシステム構成の場合には、主回路異常判定回路の簡略化が可能となる。尚、上記で隣り合うという意味は、Ｎ（Ｎは整数）個のサイリスタ素子に対し、１番目のサイリスタ素子は２番目、２番目のサイリスタ素子は３番目と比較していき、Ｎ番目のサイリスタ素子は１番目と比較することを意味している。

図７は本発明の実施例６に係る電力変換装置の変換アーム２Ｘのサイリスタ素子Ｔｈ１の実装状態を示す構造図である。この実施例６の各部について、図２の本発明の実施例１に係る電力変換装置の変換アーム２Ｘのサイリスタ素子Ｔｈ１の実装状態を示す構造図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６が実施例１と異なる点は、温度検出器Ｔ１の取り付け位置をサイリスタ素子Ｔｈ１に密接した位置とは異なる半導体素子冷却フィンＦｉｎの出口側直近とした点である。

この実施例６で示すように、温度検出器Ｔ１によって半導体素子冷却フィンＦｉｎの出口側直近の冷却水温度を検出することによってサイリスタ素子Ｔｈ１の温度を間接的に検出することが可能となる。

図８は本発明の実施例７に係る電力変換装置の変換アーム２Ｘのサイリスタ素子Ｔｈ１の実装状態を示す構造図である。この実施例７の各部について、図２の本発明の実施例１に係る電力変換装置の変換アーム２Ｘのサイリスタ素子Ｔｈ１の実装状態を示す構造図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７が実施例１と異なる点は、冷却方式を風冷とし、温度検出器Ｔ１の取り付け位置をサイリスタ素子Ｔｈ１に密接した位置とは異なる半導体素子風冷フィンＦｉｎ１の出口側直近とした点である。

この実施例７で示すように、温度検出器Ｔ１によって半導体素子風冷フィンＦｉｎ１の出口側直近の冷却風温度を検出することによってサイリスタ素子Ｔｈ１の温度を間接的に検出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１におけるサイリスタ素子の実装状態を示す構造図。 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 本発明の実施例６におけるサイリスタ素子の実装状態を示す構造図。 本発明の実施例７におけるサイリスタ素子の実装状態を示す構造図。

符号の説明

１ ３相交流電源
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ、２Ｘ、２Ｙ、２Ｚ 変換アーム
３ 直流負荷設備
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 主回路異常判定回路
Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３ サイリスタ素子
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ ヒューズ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度検出器
ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、ＣＰ１Ａ、ＣＰ２Ａ、ＣＰ３Ａ 比較回路
Ｆａ１、Ｆａ２，Ｆａ３、Ｆａ１Ａ、Ｆａ２Ａ、Ｆａ３Ａ、Ｆａ１Ｂ、Ｆａ２Ｂ、Ｆａ２Ｃ 故障判定回路
Ｃｔ 制御処理回路

Claims (6)

1. 所望の出力電流を負荷に供給する電力変換装置であって、
   複数個のスイッチング素子を含む分岐主回路を並列接続してなる少なくとも１つの変換アームと、
   各々の前記スイッチング素子の温度を直接または間接的に検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段による各々のスイッチング素子の検出温度を入力として前記分岐主回路の異常を判定する主回路異常判定手段と
   を具備し、
   前記主回路異常判定手段は、
   前記各々のスイッチング素子の検出温度と比較基準とを夫々比較する複数個の比較回路と、
   この各々の比較回路の比較結果が異常レベルかどうかを夫々判断する複数個の回路異常検出回路と、
   前記各々の回路異常検出回路の検出結果により装置の保護動作を行なうことができる制御処理回路と
   を備えると共に、
   前記比較基準を出力電流基準に応じて変化させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記分岐主回路は、
   前記各々のスイッチング素子にヒューズを夫々直列接続してなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御処理回路は、
   前記回路異常検出回路の検出結果に基づき、異常が生じた分岐主回路を特定することのできる演算手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記温度検出手段は、
   前記スイッチング素子の内部または前記スイッチング素子に密接して設けられた温度検出器によることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記温度検出手段は、
   前記スイッチング素子の水冷冷却フィン出口部近傍の水冷配管に設けられた温度検出器によることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記温度検出手段は、
   前記スイッチング素子の風冷冷却フィンの出口部近傍に設けられた温度検出器によることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。

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