JP5286413B2 - 低周波遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば風力発電システムに適用され、１０〜２０Ｈｚ程度の周波数の電流を遮断するための低周波遮断器（低周波電流遮断器）に関する。

従来、風力発電システムの一例として、永久磁石式風力発電設備で発電した三相交流電力を半導体素子例えばＩＧＢＴ素子をブリッジ接続したコンバータにより直流電力に変換し、これを半導体素子例えばＩＧＢＴ素子をブリッジ接続したインバータにより交流電力に変換し、交流負荷に供給するようにしたものがある。

このような構成のものにおいて、何らかの理由によりコンバータを構成しているＩＧＢＴ素子の一つに短絡事故が発生することが考えられるが、ＩＧＢＴ素子が短絡すると、ＩＧＢＴ素子に逆並列に接続されたダイオードを介して、短絡電流が継続し続けることがある。

しかし現在この短絡事故等の故障電流を遮断できる汎用の遮断器はないので、汎用の遮断器の開発が望まれている。

永久磁石式風力発電設備は、界磁電流が制御できず、固定子間線に流れる電流を遮断する必要がある。該故障電流を遮断しないと、コンバータの主回路を構成している健全なＩＧＢＴ等の半導体素子が破壊されることになる。

前述の永久磁石式風力発電設備に使用される同期発電機の場合、内部インピーダンスが高く、ＩＧＢＴ素子短絡が発生した場合でも、短絡電流は通常電流の高々２倍程度しか流れず、ヒューズなどの限流手段が使えないという現状もある。

従来、風力発電設備で発電され、交流電路に流れる交流電流は、例えば１０〜２０Ｈｚ程度の低周波電流であり、この低周波電流を遮断できる簡易な構成で、コスト面でも有利な遮断器の開発が望まれている。

現在、風力発電システムには直流用遮断器が使用されている。この直流用遮断器の一例として、特許文献１に示すように、バイパススイッチ例えばガス遮断器に並列にサイリスタバルブを接続したものがある。

特開平７−１０５７８９

しかしながら特許文献１の直流遮断器にあっては、これを構成しているサイリスタバルブ、ガス遮断器いずれも装置が大形で、コスト面でも不利である。

また、サイリスタスイッチのみで構成したものでは、当然通電による通電損失が発生する。

そこで本発明は、構成が簡素で全体が小形で、コスト面でも有利でかつ低損失の低周波遮断器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ前記機械スイッチを開路することにより、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフすることにより前記交流電路の通電電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、 第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、
前記交流電路に流れる電流の異常を検出する異常検出器を設け、
常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、前記異常検出器により電流異常を検出したとき、前記機械スイッチに対して開路指令を与えて、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフする遮断器制御回路を設け、前記交流電路に流れる異常電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、 交流電力を交流回路を構成する交流電路を介して電力変換器により電力変換し、この変換した電力を負荷に供給するシステムにおいて、
前記電力変換器を構成する半導体素子の短絡を検出する異常検出器を設け、
第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを前記交流電路に直列に接続し、
常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、前記異常検出器により前記電力変換器を構成する半導体素子の短絡を検出したとき、前記機械スイッチに対して開路指令を与えて、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフする遮断器制御回路を設け、前記交流電路に流れる異常電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、 永久磁石式風力発電設備で発電した交流電力を交流回路を構成する交流電路を介してＩＧＢＴ素子からなる電力変換器により電力変換し、この変換した電力を負荷に供給する風力発電システムにおいて、
前記交流電路に流れる電流の異常を検出するか又は前記ＩＧＢＴ素子の短絡を検出する異常検出器を設け、
第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを前記交流電路に直列に接続し、
常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、前記異常検出器により電流異常を検出するか又は前記ＩＧＢＴ素子の短絡を検出したとき、前記機械スイッチに対して開路指令を与えて、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフする遮断器制御回路を設け、前記交流電路に流れる異常電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

請求項２、請求項５、請求項８、請求項１１のいずれか一つに対応する発明は、概略請求項１、請求項４、請求項７、請求項１０の半導体スイッチ及び機械スイッチを次のようにしたものである。すなわち、第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記機械スイッチを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、
前記交流電路のうち異なる交流電路間に前記半導体スイッチを接続し、
常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ前記機械スイッチを開路することにより、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフすることにより前記交流電路の通電電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

さらに、請求項３、請求項６、請求項９、請求項１２のいずれか一つに対応する発明は、概略請求項１、請求項４、請求項７、請求項１０の半導体スイッチ及び機械スイッチを次のようにしたものである。すなわち、第１及び第２のサイリスタ並びに半導体素子で構成した第１及び第２の全波整流器からなる半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、
前記半導体スイッチは、前記第１の整流器の負極と前記第１のサイリスタのアノードを接続し、前記第１のサイリスタのカソードを前記第２の整流器の正極とを接続し、前記第１の整流器の正極と前記第２のサイリスタのカソードを接続し、前記第２のサイリスタのアノードと前記第２の整流器の負極を接続したものであり、
常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ前記機械スイッチを開路することにより、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフすることにより電流を遮断することを特徴とする低周波遮断器である。

本発明によれば、構成が簡素で全体が小形で、コスト面でも有利であり、かつ通常時は機械スイッチに電流が流れているため損失を低減することができる低周波遮断器を提供することができる。

図１は、本発明の低周波遮断器に係る第１の実施形態を示す概略構成図である。 図２は図１の動作を説明するためのタイムチャートである。 図３は本発明の低周波遮断器に係る第２の実施形態を示す概略構成図である。 図４は本発明の低周波遮断器に係る第３の実施形態を示す概略構成図である。

以下本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。始めに図１の概略構成図及び図２のタイムチャートを参照して第１の実施形態について説明する。

図１は、風力発電設備１で発電した交流電力を、三相交流回路を構成する三相交流電路２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ（総称して２）を介して電力変換器例えばコンバータ３により直流電力に変換し、この変換した直流電力をインバータ７により交流電力に変換し、この交流電力を交流負荷８に供給する風力発電システムを示している。なお、図中４は平滑コンデンサである。

各相の交流電路２にはそれぞれ本発明の低周波遮断器５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ（総称して５）が直列に接続され、さらに各相の交流電路２にそれぞれ異常検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ（総称して６）を直列に設け、各異常検出器６により各相の交流電路２に流れる電流の異常をそれぞれ検出し、図２（ａ）に示すように異常検出信号が遮断器制御回路１０に入力され、遮断器制御回路１０に異常検出信号が入力されると、後述するように低周波遮断器５が遮断動作を行うようになっている。

低周波遮断器５Ｕは、半導体スイッチ５３Ｕと機械スイッチ５４Ｕを並列に接続し、半導体スイッチ５３Ｕは第１のサイリスタ５１Ｕ及び第２のサイリスタ５２Ｕを互いに逆並列接続したものからなり、これらは後述する遮断器制御回路１０により制御されるようになっている。低周波遮断器５Ｖ、５Ｗは、低周波遮断器５Ｕと同様に、半導体スイッチ５３Ｖ―機械スイッチ５４Ｖ、半導体スイッチ５３Ｗ―機械スイッチ５４Ｗを並列に接続し、半導体スイッチ５３Ｖ、５３Ｗは第１のサイリスタ５１Ｖ―及び第２のサイリスタ５２Ｖを互いに逆並列接続したものと、第１のサイリスタ５１Ｗ―及び第２のサイリスタ５２Ｗを互いに逆並列接続したものからなり、これらは後述する遮断器制御回路１０により制御されるようになっている。

遮断器制御回路１０には、異常検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗからの異常検出信号が、少なくとも一つ入力されるようになっており、この異常検出信号が入力されると、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように遮断器制御回路１０からサイリスタ５１、５２のゲート信号が与えられ、図２（ｆ）に示すようにサイリスタ５１、５２はオン（導通）可能状態になる。サイリスタ５１、５２はオン状態になると、遮断器制御回路１０から機械スイッチ５４に対して開放指令が与えられる。

なお、風力発電設備１は風車１２に直結された永久磁石回転子と、固定子巻線からなる永久磁石式同期発電機１１を備えている。コンバータ３は、電力変換素子３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ、３Ｚをブリッジ接続し、各電力変換素子はいずれも例えばＩＧＢＴ等の自己消弧形素子とダイオードを逆並列接続したものであり、各電力変換素子は変換器制御回路９によりオンオフ可能になっている。

このような構成の低周波遮断器５の動作について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は交流電路２の一相のみ２Ｕの電流波形で、コンバータ３の例えば一つの電力変換素子３Ｕが短絡したとき、交流電路２Ｕに流れる電流波形を示している。図２（ａ）のように電流波形が基準値より大きくなると、異常検出器６Ｕは異常検出を行い、この異常検出結果が遮断器制御回路１０に入力される。すると、遮断器制御回路１０は、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように遮断器制御回路１０からサイリスタ５１、５２のゲート信号が与えられ、図２（ｆ）に示すようにサイリスタ５１、５２はオン（導通）可能状態になる。サイリスタ５１、５２はオン状態になると、遮断器制御回路１０から機械スイッチ５４に対して開放指令が与えられ、これにより機械スイッチ５４は図２（ｃ）に示すタイミングで、開路状態となる。

機械スイッチ５４は開路状態となると、いままで機械スイッチ５４側に流れていた通電電流がサイリスタ５１、５２側に転流し、この転流後、遮断器制御回路１０から与えられていたサイリスタ５１、５２のゲート信号をオフにすることで、図２（ａ）の交流電流が零クロスまで電流が流れ、サイリスタ５１、５２は同時にターンオフとなる。この結果、交流電路に流れていた例えば周波数が１０〜２０Ｈｚの異常電流が遮断される。

以上述べた本発明の第１実施形態によれば、第１及び第２のサイリスタを逆並列接続した半導体スイッチ５３に、単純な構成の機械スイッチ５４を並列接続した交流遮断器を、
交流電路２に直列接続し、交流電路に流れる電流が異常となるのを検出する異常検出器を設け、異常検出器で異常が検出されたとき、交流遮断器を遮断させる遮断制御回路を組み合わせた簡易な構成で、低周波異常電流を遮断できることから、コストダウンを図る上でも有利である。また、本発明の実施形態によれば、常時は機械スイッチに電流が流れており、ほとんど損失が発生しない。これに対して、サイリスタスイッチのみの構成ものでは、当然通電による損失が発生する。

なお、図１及び図２において、サイリスタ５１、５２は、通電電流を遮断しない通常状態では、常時オン状態とせずに、少なくとも電流遮断直前のときのみサイリスタ５１、５２を導通可能な状態であればよいので、これを満足するように構成しておくことは、望ましい。

前述した第１の実施形態は、交流電路が三相交流回路を構成する場合について説明したが、三相交流回路に限らず、これ以外の交流回路であってもよい。

また、前述した第１の実施形態は、風力発電システムに適用した例について説明したが、これに限らず他のシステムで低周波電流が流れる交流電路にも適用できることは言うまでもない。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す概略構成図であり、これを参照して説明する。図３の実施形態は、前述の第１の実施形態の低周波遮断器５Ｕ、５Ｖ、５Ｗのみを次のようにしたものである。各低周波遮断器５は、いずれも同一構成で、第１及び第２のサイリスタ５１、５２を互いに逆並列接続した半導体スイッチ５３並びに機械スイッチ５４からなり、機械スイッチ５４を交流回路を構成する交流電路２に直列に接続し、交流電路２のうち異なる交流電路間に半導体スイッチ５３を接続し、常時は機械スイッチ５４を導通状態として交流電路２に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、第１及び第２のサイリスタ５１、５２にゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ機械スイッチ５４を開路することにより、交流電路２の通電電流をサイリスタ５１、５２へ転流させ、この転流後サイリスタ５１、５２のゲート信号をオフすることにより交流電路２の通電電流を遮断するようにしたものである。これ以外の構成は、図１の実施形態と同一である。

図４は、本発明の第３の実施形態を示す概略構成図であり、これを参照して説明する。図４の実施形態は、前述の第１の実施形態の低周波遮断器５Ｕ、５Ｖ、５Ｗのみを次のようにしたものである。各低周波遮断器５は、いずれも同一構成で、第１及び第２のサイリスタ５１、５２並びに半導体素子で構成した第１及び第２の全波整流器５５、５６からなる半導体スイッチ５並びに機械スイッチ５４からなり、半導体スイッチ５と機械スイッチ５４を並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路２に直列に接続し、半導体スイッチ５は、第１の整流器５５の負極と第１のサイリスタ５１のアノードを接続し、第１のサイリスタ５１のカソードを第２の整流器５６の正極とを接続し、第１の整流器５５の正極と第２のサイリスタ５２のカソードを接続し、第２のサイリスタ５２のアノードと第２の整流器５６の負極を接続したものである。

このような構成のものにおいて、常時は機械スイッチ５４を導通状態として交流電路２に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、第１及び第２のサイリスタ５１、５２にゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ機械スイッチ５４を開路することにより、交流電路２の通電電流をサイリスタ５１、５２へ転流させ、この転流後サイリスタ５１、５２のゲート信号をオフすることにより電流を遮断するようにしたものである。

前述の実施形態では、交流電路２Ｕ、２Ｖ、２Ｗにそれぞれ異常検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを設けた例について説明したが、これに限らず少なくとも回路の短絡状態を検出し異常信号を生成するようにしてもよい。例えば、素子短絡状態を直に検出する方法であってもよい。この場合、素子短絡状態を検出した信号で、機械スイッチ５４の開放、サイリスタ５１、５２の点弧を始めてもよい。

前述の実施形態では、交流電力をコンバータ３で直流に変換し、さらに直流電力をインバータ７で交流電力に変換して交流負荷８に供給するようにしたが、インバータ７が無くてコンバータ３の出力である直流電力を図示しない直流負荷に供給するようにしてもよい。

１…風力発電設備、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ…三相交流電路、２…三相交流電路、３…コンバータ、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ…電力変換素子、４…平滑コンデンサ、５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ…低周波遮断器、５…低周波遮断器、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ…異常検出器、６…異常検出器、７…インバータ、８…交流負荷、９…変換器制御回路、１０…遮断器制御回路、１１…永久磁石式同期発電機、１２…風車、５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ…第１のサイリスタ、５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗ…第２のサイリスタ、５２…第２のサイリスタ、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ…半導体スイッチ、５３…半導体スイッチ、５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗ…機械スイッチ、５４…機械スイッチ、５５…第１の全波整流器、５６…第２の全波整流器。

Claims (2)

1. 第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
   前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、かつ前記機械スイッチを開路することにより、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフすることにより前記交流電路の通電電流を遮断するものであって、風力発電システムに適用されることを特徴とする低周波遮断器。
2. 第１及び第２のサイリスタを互いに逆並列接続した半導体スイッチ並びに機械スイッチからなり、
   前記半導体スイッチと前記機械スイッチを並列接続し、これを交流回路を構成する交流電路に直列に接続し、
   常時は前記機械スイッチを導通状態として前記交流電路に通電電流を流し、少なくとも電流遮断直前において、前記第１及び第２のサイリスタにゲート信号を与え導通可能状態とし、前記交流電路に流れる電流の異常を検出する異常検出信号を検出したとき、前記機械スイッチに対して開路指令を与えて、前記交流電路の通電電流を前記サイリスタへ転流させ、この転流後前記サイリスタのゲート信号をオフする遮断器制御回路を設け、前記交流電路に流れる異常電流を遮断するものであって、風力発電システムに適用されることを特徴とする低周波遮断器。

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