JP5229880B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、直流側回路に直流コンデンサを備えた電力変換装置に係り、特に外部からのエネルギーで直流コンデンサが充電されて過電圧になることを抑制する保護機能を有する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including a DC capacitor in a DC side circuit, and more particularly to a power conversion device having a protection function that suppresses an overvoltage caused by charging of a DC capacitor with external energy.
直流側回路に直流コンデンサを備えた電力変換装置は電圧形の電力変換装置として広く用いられている。このような電力変換装置において、通常の運転時には直流コンデンサに印加される電圧は例えば直流電圧供給用のコンバータ回路の動作に従った電圧が供給され、過充電されることはない。しかしながら、電力変換装置内のスイッチング素子の故障或いは周辺回路の故障などによって直流コンデンサに印加される電圧が定格電圧を大きく超える場合がある。このための保護回路として直流コンデンサと並列に抵抗とターンオフサイリスタの直列回路を設け、上記故障が検出されたとき当該ターンオフサイリスタをターンオンさせることによって当該抵抗にエネルギーを消費させ、直流コンデンサが充電されて過電圧になることを抑制する提案が為されている(例えば特許文献1参照。)。
特許文献1に示されている従来の直流過電圧抑制回路は、抵抗器を使用して直流コンデンサに蓄えられたエネルギーを消費するため、大型の抵抗器となり、それに伴い装置も大型化、高価、低効率なものとなるという問題があった。
The conventional DC overvoltage suppression circuit disclosed in
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、直流過電圧抑制回路のような付属回路を取付けることなく直流コンデンサの過充電を抑制することができる電力変換装置を提供する事を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a power converter that can suppress overcharge of a DC capacitor without attaching an auxiliary circuit such as a DC overvoltage suppression circuit. With the goal.
上記目的を達成するために、本発明の第1の発明である電力変換装置は、3レベルの直流電源と、この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに印加される3レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、前記3レベルインバータを構成する3相の外側及び内側のスイッチング素子にゲートパルスを供給するインバータ制御手段と、前記3レベルインバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第1の素子破壊検出手段とを具備し、前記インバータ制御手段は、前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記外側のスイッチング素子にはゲート消弧信号を出力し、前記内側のスイッチング素子にはゲート点弧信号を出力するようにしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a power conversion device according to a first aspect of the present invention includes a three-level DC power source, positive and negative DC capacitors fed from the DC power source, and the DC capacitor. A three-level inverter that converts an applied three-level DC voltage into an AC voltage to drive an AC motor, and inverter control means that supplies gate pulses to the three-phase outer and inner switching elements constituting the three-level inverter And a first element breakdown detecting means for detecting that any one of the switching elements, flywheel diodes and clamp diodes constituting the three-level inverter has a short circuit failure, and the inverter control means comprises the first When the element destruction detecting means 1 detects a short circuit failure, a gate extinguishing signal is output to the outer switching element. And it is characterized in that so as to output the gate firing signals to said inner switching elements.
また、本発明の第2の発明である電力変換装置は、3レベルの直流電源と、この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに印加される3レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、前記3レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するインバータ制御手段と、前記交流電動機の入力を実質的に3相短絡する短絡手段と、前記3レベルインバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第1の素子破壊検出手段とを具備し、前記インバータ制御手段は、前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記スイッチング素子にはゲート消弧信号を出力し、前記短絡手段によって前記交流電動機の入力を3相短絡するようにしたことを特徴としている。 The power conversion device according to the second aspect of the present invention includes a three-level DC power source, positive and negative DC capacitors fed from the DC power source, and a three-level DC power applied to the DC capacitor. A three-level inverter that converts the DC voltage into an AC voltage to drive the AC motor, inverter control means that supplies a gate pulse to the switching element that constitutes the three-level inverter, and substantially three-phase input to the AC motor Short-circuiting means for short-circuiting, and first element breakdown detection means for detecting that any of the switching elements, flywheel diodes and clamp diodes constituting the three-level inverter has a short-circuit failure, and the inverter control means When the first element breakdown detecting means detects a short circuit failure, the switching element has a gate arc extinguishing Outputs No. is characterized in that so as to short-circuit three phases of an input of the AC motor by the short-circuiting means.
この発明によれば、直流過電圧抑制回路のような付属回路を取り付けることなく直流コンデンサの過充電を抑制することができる電力変換装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a power converter that can suppress overcharging of a DC capacitor without attaching an attached circuit such as a DC overvoltage suppressing circuit.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
以下、本発明の実施例1に係る電力変換装置を図1乃至図5を参照して説明する。
Hereinafter, the power converter concerning Example 1 of the present invention is explained with reference to Drawing 1 thru / or
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。図1において、図示しない電力系統から遮断器11及び変圧器12を介して3レベルコンバータ回路13に交流電圧が供給されている。ここで遮断器11は事故時に電力系統からのエネルギー供給を切り離すための遮断器である。3レベルコンバータ回路13で交流電圧を3レベルの直流電圧に変換して3レベルインバータ回路14に供給する。そして3レベルインバータ回路14は3相の交流電圧を出力し、交流電動機15を駆動する。尚、ここで直流電圧を平滑するコンデンサを3レベルコンバータ回路13内及び3レベルインバータ回路14内に分散して配置しているが、直流リンク部に集中して配置しても良い。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power conversion apparatus according to
以下、3レベルコンバータ回路13及び3レベルインバータ回路14の内部構成を説明する。
Hereinafter, the internal configuration of the three-
3レベルコンバータ回路13はR相、S相及びT相の3相を各々を構成するスイッチングレグの並列回路から成っている。各々のスイッチングレグの構成は同一であるので、R相のスイッチングレグの構成について以下説明する。
The three-
R相スイッチングレグの基本となる回路はスイッチング素子1R1、1R2、1R3及び1R4で構成される直列回路である。各々のスイッチング素子1R1、1R2、1R3及び1R4には夫々逆並列にフライホイールダイオード2R1、2R2、2R3及び2R4が接続されている。スイッチング素子1R1、1R2は正側アームを構成し、スイッチング素子1R3、1R4は負側アームを構成している。そして2つのアームの中間点即ちスイッチング素子1R2と1R3の接続点に変圧器12のR相の2次出力が接続されている。また、上記直列回路の両端を構成する2つのスイッチング素子1R1、1R4を外側のスイッチング素子、内側を構成する2つのスイッチング素子1R2、1R3を内側のスイッチング素子と呼称する。
The basic circuit of the R-phase switching leg is a series circuit composed of switching elements 1R1, 1R2, 1R3, and 1R4. Flywheel diodes 2R1, 2R2, 2R3, and 2R4 are connected in antiparallel to each switching element 1R1, 1R2, 1R3, and 1R4, respectively. Switching elements 1R1, 1R2 constitute a positive arm, and switching elements 1R3, 1R4 constitute a negative arm. The R-phase secondary output of the
スイッチング素子1R1の正極はヒューズ4R1を介して直流コンデンサ5R1の正極に接続されている。スイッチング素子1R4の負極はヒューズ4R2を介して直流コンデンサ5R2の負極に接続されている。直流コンデンサ5R1と直流コンデンサ5R2は直列接続され、互いの接続点は中性点を形成している。そしてこの中性点から正側アームの中点即ちスイッチング素子1R1と1R2の接続点に向けて、正側のクランプダイオード3R1が接続されている。同様に負側アームの中点即ちスイッチング素子1R3と1R4の接続点から中性点に向けて、負側のクランプダイオード3R2が接続されている。 The positive electrode of the switching element 1R1 is connected to the positive electrode of the DC capacitor 5R1 through the fuse 4R1. The negative electrode of the switching element 1R4 is connected to the negative electrode of the DC capacitor 5R2 via the fuse 4R2. The direct current capacitor 5R1 and the direct current capacitor 5R2 are connected in series, and the connection point between them forms a neutral point. The positive clamp diode 3R1 is connected from the neutral point to the midpoint of the positive arm, that is, the connection point of the switching elements 1R1 and 1R2. Similarly, a negative clamp diode 3R2 is connected from the midpoint of the negative arm, that is, from the connection point of the switching elements 1R3 and 1R4 to the neutral point.
次に3レベルインバータ回路14の主回路構成を説明する。3レベルインバータ回路14もU相、V相及びW相の3相を各々を構成するスイッチングレグの並列回路から成っている。各々のスイッチングレグの構成は同一であるので、U相のスイッチングレグの構成について以下説明する。
Next, the main circuit configuration of the three-
U相スイッチングレグの基本となる回路はスイッチング素子1U1、1U2、1U3及び1U4で構成される直列回路である。各々のスイッチング素子1U1、1U2、1U3及び1U4には夫々逆並列にフライホイールダイオード2U1、2U2、2U3及び2U4が接続されている。スイッチング素子1U1、1U2は正側アームを構成し、スイッチング素子1U3、1U4は負側アームを構成している。そして2つのアームの中間点即ちスイッチング素子1U2と1U3の接続点からU相の交流出力が得られ交流電動機15のU相端子に接続されている。ここでも、上記直列回路の両端を構成する2つのスイッチング素子1U1、1U4を外側のスイッチング素子、内側を構成する2つのスイッチング素子1U2、1U3を内側のスイッチング素子と呼称する。
The basic circuit of the U-phase switching leg is a series circuit composed of switching elements 1U1, 1U2, 1U3 and 1U4. Flywheel diodes 2U1, 2U2, 2U3, and 2U4 are connected in antiparallel to the switching elements 1U1, 1U2, 1U3, and 1U4, respectively. The switching elements 1U1, 1U2 constitute a positive arm, and the switching elements 1U3, 1U4 constitute a negative arm. A U-phase AC output is obtained from an intermediate point between the two arms, that is, a connection point between the switching elements 1U2 and 1U3, and is connected to the U-phase terminal of the
スイッチング素子1U1の正極はヒューズ4U1を介して直流コンデンサ5U1の正極に接続されている。スイッチング素子1U4の負極はヒューズ4U2を介して直流コンデンサ5U2の負極に接続されている。直流コンデンサ5U1と直流コンデンサ5U2は直列接続され、互いの接続点は中性点を形成している。直流コンデンサ5U1には3レベルコンバータ回路13からの正側直流出力が、また直流コンデンサ5U2には3レベルコンバータ回路13からの負側直流出力が供給される。そしてこの中性点から正側アームの中点即ちスイッチング素子1U1と1U2の接続点に向けて、正側のクランプダイオード3U1が接続されている。同様に負側アームの中点即ちスイッチング素子1U3と1U4の接続点から中性点に向けて、負側のクランプダイオード3U2が接続されている。
The positive electrode of the switching element 1U1 is connected to the positive electrode of the DC capacitor 5U1 through the fuse 4U1. The negative electrode of the switching element 1U4 is connected to the negative electrode of the DC capacitor 5U2 via the fuse 4U2. The direct current capacitor 5U1 and the direct current capacitor 5U2 are connected in series, and the connection point between them forms a neutral point. The DC capacitor 5U1 is supplied with a positive DC output from the three-
以上説明した3レベルコンバータ回路13及び3レベルインバータ回路14のスイッチング素子には夫々コンバータ制御回路30及びインバータ制御回路40から適切なゲートパルスが供給され、通常の運転モードにおいては3レベルコンバータ回路13は所望の3レベルの直流出力を得るように制御され、また3レベルインバータ回路14は所望の3レベルの3相交流出力で交流電動機15を駆動するように制御される。
Appropriate gate pulses are supplied to the switching elements of the three-
そしてコンバータ制御回路30及びインバータ制御回路40には図示しない3レベルコンバータ回路13及び3レベルインバータ回路14の各部から得られる素子破壊検出信号が与えられている。この素子破壊検出信号は、例えば3レベルインバータ回路14の場合、ヒューズ4U1、4U2、4V1、4V2、4W1及び4W2の補助接点信号を用いることができる。尚、回路構成は複雑となるが、ゲートタイミングに基づく素子電圧を検出するなどによって個々の素子の短絡故障を検出する監視回路を設け、上記素子破壊検出信号を得る構成としても良い。
The
3レベルインバータ回路14及び3レベルコンバータ回路13は、上記の素子破壊検出信号が与えられたとき、その素子破壊検出信号が3レベルインバータ回路14から得られた第1の素子破壊検出信号であるのか、または3レベルコンバータ回路13から得られた第2の素子破壊検出信号であるのかによって異なる動作を行なう。素子破壊検出信号が3レベルインバータ回路14から得られた第1の素子破壊検出信号である場合には、図1に示したようにインバータ制御回路40は3レベルインバータ回路14の外側のスイッチング素子1U1、1V1、1W1、1U4、1V4及び1W4にはゲート消弧信号(オフ信号)を与え、内側のスイッチング素子2U1、2V1、2W1、3U4、3V4及び3W4にはゲート点弧信号(オン信号)を与える。また、コンバータ制御回路30は全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与える。
Whether the three-
これに対し、素子破壊検出信号が3レベルコンバータ回路13から得られた第2の素子破壊検出信号である場合には、図2に示したようにコンバータ制御回路30は3レベルコンバータ回路13の外側のスイッチング素子1R1、1S1、1T1、1R4、1S4及び1T4にはゲート消弧信号を与え、内側のスイッチング素子2R1、2S1、2T1、3R4、3S4及び3T4にはゲート点弧信号を与える。また、インバータ制御回路40は全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与える。
On the other hand, when the element breakdown detection signal is the second element breakdown detection signal obtained from the three-
以上の図1及び図2に示した保護動作によって直流コンデンサが過充電されなくなる作用効果について図3乃至図8を参照して以下に説明する。 With reference to FIGS. 3 to 8, the following description will be made on the function and effect of preventing the DC capacitor from being overcharged by the protection operation shown in FIGS.
図3は3レベルインバータ回路14の内側スイッチング素子が破損したときの過充電ルートの説明図である。図3に示したように、交流電動機15を運転中に例えばU相のスイッチング素子1U2が短絡故障し、全てのスイッチング素子に保護用のゲート消弧信号が与えられた場合を考える。このとき、図3の破線で示したように破損したスイッチング素子1U2を通る充電電流が正側の直流コンデンサ5R1、5S1、5T1、5U1、5V1及び5W1に流れ、直流コンデンサ5R1、5S1、5T1、5U1、5V1及び5W1は交流電動機15の線間電圧Vmのピーク値まで充電される。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an overcharge route when the inner switching element of the three-
図3から明らかなように、フライホイールダイオード2U2が短絡故障した場合であっても同様の現象となる。また、短絡故障を生じた内側スイッチング素子が負側アームである場合には、3レベルインバータ回路14の回路構成が正負対称となっているので、負側の直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2が充電されることになる。
As apparent from FIG. 3, the same phenomenon occurs even when the flywheel diode 2U2 is short-circuited. Further, when the inner switching element that has caused the short-circuit failure is the negative arm, the circuit configuration of the three-
図4は3レベルインバータ回路14のクランプダイオードが破損したときの過充電ルートの説明図である。図4に示したように、交流電動機15を運転中に正側のクランプダイオード3U1が短絡故障し、全てのスイッチング素子にゲート消弧信号が与えられた場合を考える。このとき、図の破線で示したように破損したクランプダイオード3U1を通る充電電流が負側の直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2に流れ、直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2は交流電動機15の線間電圧Vmのピーク値で充電される。これに対して負側のクランプダイオードが短絡故障した場合には、回路が正負対称であることから正側の直流コンデンサが充電されることになる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an overcharge route when the clamp diode of the three-
ところで、線間電圧Vmと直流電圧(正側または負側)Eの関係は、PWM変調における変調度をkとしたとき、E=√2×Vm/(√3×k)と表せる。従って、正側及び負側の直流コンデンサの電圧設計はこのEの値で行なわれる。これに対して図3の内側素子の破損時、また図4のクランプダイオード破損時にはE=√2×Vmとなるので、設計時の直流電圧の(√3×k)倍の電圧が印加される。この場合、直流コンデンサは過電圧破壊する恐れがある。また、過電圧破壊しないようにするには、(√3×k)倍の電圧マージンを考慮する必要があるので、直流コンデンサの大型化が懸念される。 By the way, the relationship between the line voltage Vm and the DC voltage (positive side or negative side) E can be expressed as E = √2 × Vm / (√3 × k), where k is the degree of modulation in PWM modulation. Therefore, the voltage design of the DC capacitors on the positive side and the negative side is performed with this value of E. On the other hand, E = √2 × Vm when the inner element of FIG. 3 is broken or when the clamp diode of FIG. 4 is broken, so that a voltage (√3 × k) times the DC voltage at the time of design is applied. . In this case, the DC capacitor may be destroyed by overvoltage. Moreover, in order to prevent overvoltage breakdown, it is necessary to consider a voltage margin of (√3 × k) times, so there is a concern about an increase in the size of the DC capacitor.
以上の状況に対し、図1に示すように何らかの方法によって素子の短絡故障を検出し、3レベルインバータ回路14の内側スイッチング素子を点弧すれば、図1の破線で示したように交流電動機15の3相端子を短絡するような短絡電流が流れ、直流コンデンサが過充電されることはない。尚、交流電動機15の短絡電流が流れる時間(例えば交流電動機15の誘起電圧がなくなるまでの数sec間)だけ3レベルインバータ回路14の内側スイッチング素子とクランプダイオードには短絡耐量が必要である。
In the above situation, if a short circuit failure of the element is detected by some method as shown in FIG. 1 and the inner switching element of the three-
また、図5に示すように素子破損に伴う直流短絡が発生した場合、例えば、スイッチング素子1U1、1U2及び1U3が破損し、正側直流コンデンサ5R1、5S1、5T1,5U1、5V1及び5W1のコンデンサエネルギーが破損相U相に流れ込み、ヒューズ4U1が作動(溶断)して、故障相を切り離した場合でも、破損したスイッチング素子2U1とクランプダイオード3U1を通して、図3の場合と同様に正側直流コンデンサ5R1、5S1、5T1、5U1、5V1及び5W1は線間電圧Vmのピーク値まで過充電される。また、この場合、負側の内側スイッチング素子1U3も短絡故障しているので、図6に示すように、破損したスイッチング素子1U3とクランプダイオード3U2を通して、図4の場合と同様に負側直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2も線間電圧Vmのピーク値まで過充電される。 Also, as shown in FIG. 5, when a DC short circuit occurs due to element breakage, for example, the switching elements 1U1, 1U2 and 1U3 are broken, and the capacitor energy of the positive side DC capacitors 5R1, 5S1, 5T1, 5U1, 5V1 and 5W1 Flows into the damaged phase U phase, and even if the fuse 4U1 is activated (blown) and disconnects the failed phase, the positive DC capacitor 5R1, through the damaged switching element 2U1 and the clamp diode 3U1, as in FIG. 5S1, 5T1, 5U1, 5V1, and 5W1 are overcharged to the peak value of the line voltage Vm. In this case, since the negative inner switching element 1U3 is also short-circuited, as shown in FIG. 6, the negative DC capacitor 5R2 is passed through the damaged switching element 1U3 and the clamp diode 3U2 as in FIG. 5S2, 5T2, 5U2, 5V2, and 5W2 are also overcharged to the peak value of the line voltage Vm.
このような図5及び図6に示す過充電モードであっても図1に示すように、インバータ制御回路40が3レベルインバータ回路14の外側のスイッチング素子1U1、1V1、1W1、1U4、1V4及び1W4にゲート消弧信号を与え、内側のスイッチング素子2U1、2V1、2W1、3U4、3V4及び3W4にはゲート点弧信号を与えるようにすれば上述したように実質的に交流電動機15の3相端子を短絡した状態となるので過充電は発生しない。
Even in the overcharge mode shown in FIGS. 5 and 6, as shown in FIG. 1, the
図7は3レベルコンバータ回路13の内側スイッチング素子が破損したときの過充電ルートの説明図である。図7に示したように、3レベルコンバータ回路13を運転中にスイッチング素子1R2が短絡故障し、全てのスイッチング素子に保護用のゲート消弧信号が与えられた場合を考える。このとき、図の破線で示したように破損したスイッチング素子1R2を通る充電電流が正側の直流コンデンサ5R1、5S1、5T1、5U1、5V1及び5W1に流れ、直流コンデンサ5R1、5S1、5T1、5U1、5V1及び5W1は変圧器12の出力線間電圧Vtrのピーク値で充電される。
FIG. 7 is an explanatory diagram of an overcharge route when the inner switching element of the three-
図7から明らかなように、フライホイールダイオード2R2が短絡故障した場合であっても同様の現象となる。また、短絡故障を生じた内側スイッチング素子が負側アームである場合には、3レベルコンバータ回路13の回路構成が正負対称となっているので、負側の直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2が充電されることになる。
As is apparent from FIG. 7, the same phenomenon occurs even when the flywheel diode 2R2 is short-circuited. When the inner switching element that has caused the short-circuit failure is a negative arm, the circuit configuration of the three-
図8は3レベルコンバータ回路13のクランプダイオードが破損したときの過充電ルートの説明図である。図8に示したように、3レベルコンバータ回路13を運転中に正側のクランプダイオード3R1が短絡故障し、全てのスイッチング素子にゲート消弧信号が与えられた場合を考える。このとき、図の破線で示したように破損したクランプダイオード3R1を通る充電電流が負側の直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2に流れ、直流コンデンサ5R2、5S2、5T2、5U2、5V2及び5W2は変圧器12の出力線間電圧Vmのピーク値で充電される。これに対して負側のクランプダイオードが短絡故障した場合には、回路が正負対称であることから正側の直流コンデンサが充電されることになる。
FIG. 8 is an explanatory diagram of an overcharge route when the clamp diode of the three-
上記図7、図8の状況に対し、図2に示すように何らかの方法によって素子の短絡故障を検出し、3レベルコンバータ回路13の内側スイッチング素子を点弧すれば、図2の破線で示したように変圧器12の2次出力端子を短絡するような短絡電流が流れ、直流コンデンサが過充電されることはない。尚、変圧器12の2次短絡電流が流れる時間(例えば入力開閉器11を遮断するまでの数サイクル間)だけ3レベルコンバータ回路13の内側スイッチング素子とクランプダイオードには短絡耐量が必要である。
7 and FIG. 8, if a short circuit failure of the element is detected by some method as shown in FIG. 2 and the inner switching element of the three-
3レベルコンバータ回路13において直流短絡によって複数の素子が短絡故障した場合の動作は3レベルインバータ回路14の動作と同様になるので説明を省略する。また、変圧器12の2次電圧Vtrと直流電圧Eの関係についても交流電動機15の線間電圧Vmと直流電圧Eの関係と同様となるので説明を省略する。
In the three-
以上説明したように、スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイードの短絡故障が発生したとき、短絡故障の生じた3レベルコンバータ回路または3レベルインバータ回路の内側のスイッチング素子を点弧して実質的に短絡ループを形成するようにすれば、直流コンデンサの過充電を防止することが可能となる。尚、直流コンデンサへの給電を3レベルコンバータ回路を用いずにダイオード整流器によって行なう場合には、3レベルインバータ回路のみで上記保護動作を行なうようにすれば良いことは明らかである。 As described above, when a short-circuit fault occurs in the switching element, flywheel diode, and clamp diode, the switching element inside the three-level converter circuit or the three-level inverter circuit in which the short-circuit fault has occurred is substantially fired. If a short-circuit loop is formed, it is possible to prevent overcharging of the DC capacitor. When the power supply to the DC capacitor is performed by a diode rectifier without using the three-level converter circuit, it is obvious that the protection operation should be performed only by the three-level inverter circuit.
図9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、交流電動機15の3相端子をダイオードブリッジを介してサイリスタ16Tによって短絡することが可能な短絡回路16を設けた点、そして3レベルインバータ回路14の主回路素子が素子破壊したとき、インバータ制御回路40は3レベルインバータ回路14の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ16Tを点弧する信号を与える構成とした点である。
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the same parts as those in the circuit configuration diagram of the power conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in that a
この実施例2においては、3レベルインバータ回路14内の素子に短絡故障が発生したとき、短絡回路16のサイリスタ16Tを点弧して交流電動機15の3相端子を実質的に短絡するので、直列コンデンサを過充電することを未然に防止することが可能となる。
In the second embodiment, when a short circuit failure occurs in the elements in the three-
図10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2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、変圧器12の3相出力端子をダイオードブリッジを介してサイリスタ17Tによって短絡することが可能な短絡回路17を設けた点、そして3レベルコンバータ回路13の主回路素子が素子破壊したとき、コンバータ制御回路30は3レベルコンバータ回路13の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ17Tを点弧する信号を与える構成とした点である。
FIG. 10 is a circuit configuration diagram of the power conversion device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the same parts as those in the circuit configuration diagram of the power conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. The third embodiment is different from the first embodiment in that a short circuit 17 capable of short-circuiting the three-phase output terminals of the
この実施例3においては、3レベルコンバータ回路13内の素子に短絡故障が発生したとき、短絡回路17のサイリスタ17Tを点弧して変圧器12の3相出力端子を実質的に短絡するので、直列コンデンサを過充電することを未然に防止することが可能となる。またこの短絡回路17の動作において、変圧器12のインピーダンスで決まる短絡電流が流れるが、1次側の遮断器11においてこの短絡電流をゼロ点通過させて、確実に遮断器11を開放させることが重要となる。これは図2に示した実施例1の場合についても同様である。
In the third embodiment, when a short circuit failure occurs in the element in the three-
尚、実施例1の構成において、スイッチング素子としてGCTのような所謂電流駆動型素子でなく、IGBTのような所謂電圧駆動型の素子を使用した場合、過充電を防止するため内側のスイッチング素子を点弧して交流電動機15の3相端子或いは変圧器12の3相出力端子を実質的に短絡すると、スイッチング素子の短絡耐量が不足して素子破損を招く恐れがある。これに対して、この実施例2或いは実施例3に示すように、短絡用のサイリスタ16T或いは17Tとして充分短絡耐量を有する所謂電流駆動型素子を使用すれば素子破損を防ぐことが可能となる。
In the configuration of the first embodiment, when a so-called voltage-driven element such as IGBT is used as a switching element instead of a so-called current-driven element such as GCT, an inner switching element is used to prevent overcharging. If the three-phase terminal of the
11 遮断器
12 変圧器
13 3レベルコンバータ回路
1R1、1R2、1R3、1R4、1S1、1S2、1S3、1S4、1T1、1T2、1T3、1T4 スイッチング素子
2R1、2R2、2R3、2R4、2S1、2S2、2S3、2S4、2T1、2T2、2T3、2T4 フライホイールダイオード
3R1、3R2、3S1、3S2、3T1、3T2 クランプダイオード
4R1、4R2、4S1、4S2、4T1、4T2 ヒューズ
5R1、5R2、5S1、5S2、5T1、5T2 直流コンデンサ
14 3レベルインバータ回路
1U1、1U2、1U3、1U4、1V1、1V2、1V3、1V4、1W1、1W2、1W3、1W4 スイッチング素子
2U1、2U2、2U3、2U4、2V1、2V2、2V3、2V4、2W1、2W2、2W3、2W4 フライホイールダイオード
3U1、3U2、3V1、3V2、3W1、3W2 クランプダイオード
4U1、4U2、4V1、4V2、4W1、4W2 ヒューズ
5U1、5U2、5V1、5V2、5W1、5W2 直流コンデンサ
15 交流電動機
16、17 短絡回路
16T、17T サイリスタ
30 コンバータ制御回路
40 インバータ制御回路
11
Claims (9)
この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに印加される3レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、
前記3レベルインバータを構成する3相の外側及び内側のスイッチング素子にゲートパルスを供給するインバータ制御手段と、
前記3レベルインバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第1の素子破壊検出手段と
を具備し、
前記インバータ制御手段は、
前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記外側のスイッチング素子にはゲート消弧信号を出力し、前記内側のスイッチング素子にはゲート点弧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。 3 level DC power supply,
Positive and negative DC capacitors fed from this DC power supply,
A three-level inverter that converts the three-level DC voltage applied to the DC capacitor into an AC voltage to drive the AC motor;
Inverter control means for supplying gate pulses to the three-phase outer and inner switching elements constituting the three-level inverter;
A first element breakdown detecting means for detecting that any one of the switching element, flywheel diode and clamp diode constituting the three-level inverter has a short circuit failure;
The inverter control means includes
When the first element breakdown detecting means detects a short circuit failure, a gate extinguishing signal is output to the outer switching element, and a gate firing signal is output to the inner switching element. A power conversion device.
この3レベルコンバータを構成する3相の外側及び内側のスイッチング素子にゲートパルスを供給するコンバータ制御手段と、
前記3レベルコンバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第2の素子破壊検出手段と
を具備し、
前記インバータ制御手段は、
前記第2の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルインバータのスイッチング素子にゲート消弧信号を出力し、
前記コンバータ制御手段は、
前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルコンバータのスイッチング素子にゲート消弧信号を出力し、
前記第2の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルコンバータの前記外側のスイッチング素子にはゲート消弧信号を出力し、前記3レベルコンバータの前記内側のスイッチング素子にはゲート点弧信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The three-level DC power supply is a three-level converter that receives a commercial power supply via a transformer,
Converter control means for supplying gate pulses to the three-phase outer and inner switching elements constituting the three-level converter;
A second element breakdown detecting means for detecting that any one of the switching element, flywheel diode and clamp diode constituting the three-level converter has a short circuit failure;
The inverter control means includes
When the second element breakdown detecting means detects a short-circuit fault, a gate extinguishing signal is output to the switching element of the three-level inverter ,
The converter control means includes
When the first element breakdown detecting means detects a short circuit failure, a gate extinguishing signal is output to the switching element of the three-level converter;
When the second element breakdown detecting means detects a short-circuit fault, a gate arc extinguishing signal is output to the outer switching element of the three-level converter, and a gate point is applied to the inner switching element of the three-level converter. The power converter according to claim 1, wherein an arc signal is output.
この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに印加される3レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、
前記3レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するインバータ制御手段と、
前記交流電動機の入力を実質的に3相短絡する短絡手段と、
前記3レベルインバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第1の素子破壊検出手段と
を具備し、
前記インバータ制御手段は、
前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記スイッチング素子にはゲート消弧信号を出力し、前記短絡手段によって前記交流電動機の入力を3相短絡するようにしたことを特徴とする電力変換装置。 3 level DC power supply,
Positive and negative DC capacitors fed from this DC power supply,
A three-level inverter that converts the three-level DC voltage applied to the DC capacitor into an AC voltage to drive the AC motor;
Inverter control means for supplying a gate pulse to the switching elements constituting the three-level inverter;
Short-circuit means for substantially short-circuiting the input of the AC motor by three phases;
A first element breakdown detecting means for detecting that any one of the switching element, flywheel diode and clamp diode constituting the three-level inverter has a short circuit failure;
The inverter control means includes
When the first element breakdown detecting means detects a short-circuit failure, a gate arc extinguishing signal is output to the switching element, and the input of the AC motor is short-circuited by the short-circuit means. Power converter.
この3レベルコンバータを構成する3相のスイッチング素子にゲートパルスを供給するコンバータ制御手段と、
前記変圧器の出力を実質的に3相短絡する短絡手段と、
前記3レベルコンバータを構成する前記スイッチング素子、フライホイールダイオード及びクランプダイオードの何れかが短絡故障したことを検出する第2の素子破壊検出手段と
を具備し、
前記インバータ制御手段は、
前記第2の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルインバータのスイッチング素子にゲート消弧信号を出力し、
前記コンバータ制御手段は、
前記第1の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルコンバータのスイッチング素子にゲート消弧信号を出力し、
前記第2の素子破壊検出手段が短絡故障を検出したとき、前記3レベルコンバータの前記スイッチング素子にゲート消弧信号を出力し、前記短絡手段によって前記交流電動機の入力を3相短絡するようにしたことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The three-level DC power supply is a three-level converter that receives a commercial power supply via a transformer,
Converter control means for supplying gate pulses to the three-phase switching elements constituting the three-level converter;
Short-circuit means for substantially three-phase short-circuiting the output of the transformer;
A second element breakdown detecting means for detecting that any one of the switching element, flywheel diode and clamp diode constituting the three-level converter has a short circuit failure;
The inverter control means includes
When the second element breakdown detecting means detects a short-circuit fault, a gate extinguishing signal is output to the switching element of the three-level inverter ,
The converter control means includes
When the first element breakdown detecting means detects a short circuit failure, a gate extinguishing signal is output to the switching element of the three-level converter;
When the second element breakdown detecting means detects a short-circuit fault, a gate extinguishing signal is output to the switching element of the three-level converter, and the input of the AC motor is short-circuited by the short-circuit means. The power conversion device according to claim 3.
前記第2の素子破壊検出手段が短絡故障を検出して、前記遮断器に実質的な短絡電流が流れたとき、この短絡電流をゼロ点通過させて確実に遮断するようにしたことを特徴とする請求項2または請求項4に記載の電力変換装置。 Providing a breaker on the primary side of the transformer;
When the second element breakdown detecting means detects a short-circuit failure and a substantial short-circuit current flows through the circuit breaker, the short-circuit current is passed through a zero point to reliably cut off. The power conversion device according to claim 2 or 4.
前記第2の素子破壊検出手段は何れかの前記ヒューズが作動したことを検出するようにしたことを特徴とする請求項2または請求項4に記載の電力変換装置。 A fuse is provided in each of the positive and negative arms constituting the three-level converter,
5. The power conversion device according to claim 2, wherein the second element breakdown detection unit detects that any one of the fuses is activated. 6.
前記第1の素子破壊検出手段は何れかの前記ヒューズが作動したことを検出するようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の電力変換装置。 A fuse is provided in each of the positive and negative arms constituting the three-level inverter,
9. The power conversion device according to claim 1, wherein the first element breakdown detection unit detects that any one of the fuses has been activated. 10.
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