JP5454993B2 - マトリクスコンバータの保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、マトリクスコンバータの保護装置に関する。

図３は、マトリクスコンバータと保護装置の構成図である。多相の例として一般的な三相を例示し、入力側（電源側）をＲ、Ｓ、Ｔ相、出力側（負荷側）をＵ、Ｖ、Ｗ相とする。図３において、１は三相交流電源、２は入力フィルタ用リアクトル、３は入力フィルタ用コンデンサ、４はマトリクスコンバータ、５は誘導性負荷、６は電源側全波整流電源、７は負荷側全波整流電源、８はコンデンサ、９は放電用片方向半導体スイッチ、１０は放電用抵抗である。マトリクスコンバータ４は、入力側の３相と出力側の３相とをそれぞれ双方向半導体スイッチで接続した電力変換器であり、双方向半導体スイッチは、たとえば、ＩＧＢＴとダイオートの直列接続体を逆並列に接続したもので構成される。

周知のように、マトリクスコンバータ４は、電源電圧の最大電圧相と最小電圧相とに接続されるように双方向スイッチを選択し、ＰＷＭ制御により入力の交流電圧を所望の大きさ、周波数を有する交流電圧に変換して出力するものである。マトリクスコンバータ４はコンデンサやリアクトル等のエネルギーバッファを有しないため、過電流や過電圧等の異常発生時には、双方向スイッチを全てオフして運転を停止しなくてはならない。しかし、誘導性負荷６の電動機等が接続されている場合には、過電流等の異常信号が発生した場合は双方向スイッチを一斉にオフすると、誘導性負荷６に蓄積された誘導性エネルギーの還流経路がなくなり短時間で電流を０にするので半導体スイッチ端にＬ（ｄｉ／ｄｔ）のサージ電圧が発生し、半導体スイッチを破壊してしまう。サージ電圧の発生を防止するため、従来では図３に示すように整流スナバ部として、マトリクスコンバータ４の出力側に全波整流部７をマトリクスコンバータ５の入力側に全波整流部６を接続すると共に、それら全波整流部６、７の出力側にコンデンサ８を接続する。これにより、異常発生時に双方向スイッチを一斉にオフしたとしても、誘導性負荷６に蓄積されたエネルギーは全波整流部７を介してコンデンサ８に吸収される。誘導性負荷６に蓄積されたエネルギーが大きい場合は、コンデンサ８が過電圧になるため、コンデンサ８に並列に放電用片方向半導体スイッチ９と放電用抵抗１０を接続する。コンデンサ８の電圧が第１設定電圧を超えた場合には、片方向半導体スイッチ９をオンして、コンデンサ９のエネルギーを放電用抵抗１０により放電して電圧を下げる。電圧が下がり第２設定値以下になれば半導体スイッチをオフする。通常は過電圧値＞第１設定電圧＞第２設定電圧＞電源整流電圧定常値に設定されヒステリシス特性を持たせる。
特許第３８６４３２７号（図５）

マトリクスコンバータは、図３に示されるように、入力用フィルタとして、入力用フィルタリアクトル２と入力用フィルタコンデンサ３を有する。ハードＣＬＡ動作は電流制限動作時ＰＷＭ周期の中に零ベクトル期間を挿入する動作で、マトリクスコンバータでは、負荷をすべて短絡し電源をすべて開放して零ベクトルを発生する。ハードＣＬＡ動作の場合、入力フィルタ用リアクトル２に流れていた電流がすべて入力フィルタ用コンデンサ３へ流れる。入力フィルタ用コンデンサ３に大きな電荷が蓄えられ電圧が上昇する。図４（３）に示されるように、入力フィルタ用コンデンサ電圧がコンデンサ８より電圧が大きい場合は、電流が入力フィルタ用コンデンサから全波整流部６を通りコンデンサ９へ流れる。ハードＣＬＢ動作は回生中の電流制限動作時にＰＷＭ周期の中にすべての半導体スイッチをオフさせるゲートブロック期間を挿入する動作である。ハードＣＬＡ動作、ハードＣＬＢ動作は、ＰＷＭ周期ごとに連続的に何度もその状態を繰り返す。

図５は本発明の動作を従来装置と比較したタイムチャートである。
図５（ａ）は従来技術の動作を示すタイムチャートである。ハードＣＬＡ信号が有効な状態が連続して発生するとコンデンサ８の電圧Ｖｐｎが上昇する。しかし、放電用片方向半導体スイッチがオンしてもハードＣＬＡ信号が有効な動作でスナバ部に流れるエネルギーが放電用片方向半導体スイッチがオンしたときの放電能力よりも大きい場合は、コンデンサ８の電圧Ｖｐｎは上昇し続ける。過電圧レベルを超えたときに過電圧アラームを発生してマトリクスコンバータの双方向スイッチを全てオフして動作を停止する（図５（ａ）の矢印部分参照）。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、スナバ電圧が過電圧になりにくいマトリクスコンバータの保護装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、三相交流電源の各相とＭ（Ｍは２以上の整数）相出力の各相と片方向半導体スイッチを２個互いに電流を流す向きが逆向きとなるように接続した構成でかつ片方向ずつ独立にオンオフできる双方向半導体スイッチで接続したマトリクスコンバータの保護装置であって、前記三相交流電源を整流し直流電源を生成する第１全波整流部と、前記Ｍ相出力を整流して前記直流電源に並列接続する第２全波整流部と、前記直流電源に並列に接続されたコンデンサと、前記直流電源に並列に接続した抵抗と放電用半導体スイッチの直列接続体と、を備えるマトリクスコンバータの保護装置において、前記放電用半導体スイッチは、過電圧レベル＞第１設定電圧＞第３設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第３設定電圧＞第４設定電圧＞定常電圧とするか、もしくは過電圧レベル＞第１設定電圧＞第５設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第５設定電圧＞第６設定電圧＞定常電圧として、前記直流電源電圧が第１設定電圧以上でオンし、第２設定電圧以下でオフするとともに、電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号または電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第３設定電圧以上でオンし第４設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号、及び電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号または電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第５設定電圧以上でオンし第６設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号に同期してオンオフすることを特徴とするものである。
本発明の第１の観点において、前記第１設定電圧および前記第２設定電圧は、前記電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号と前記電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号が有効なときと電流制限のかかっていない通常状態時とで別々に設定できることができる。
また、本発明の第１の観点において、前記電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号および前記電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号のオンオフ動作を個別に禁止する信号を備えることができる。

本発明によると、スナバ電圧が過電圧になりにくいマトリクスコンバータの保護装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のマトリクスコンバータの保護装置の放電用片方向スイッチ（９）用の回路図である。図１において、保護装置への入力信号は、ハードＣＬＡ信号、ハードＣＬＢ信号、禁止信号１、禁止信号２、禁止信号３、禁止信号４、設定値１、設定値２、設定値３、スナバ電圧であり、出力信号は、放電トランジスタ動作信号である。

禁止信号１、２はハードＬＣＡ信号をブロックする信号、禁止信号３、４はハードＣＬＢ信号をブロックする信号である。設定値１〜３はスナバ電圧を過電圧から防止するために設けられた信号である。

１パターン目は、力行運転の電流制限でＰＷＭ周期中に零ベクトルを挿入するハードＣＬＡ信号とハードＣＬＡ信号をブロックする禁止信号１はＡＮＤ回路に入力され、ハードＣＬＡ同期放電トランジスタオン信号となる。ハードＣＬＡ同期放電トランジスタオン信号は、最終段のＯＲ回路へ入力され放電トランジスタ動作信号として出力され放電用片方向半導体スイッチをオンさせる。これにより、ハードＣＬＡ信号が有効な時に放電用片方向スイッチがオンし、図３のコンデンサ８の過電圧を軽減させる。

２パターン目は、回生運転の電流制限でＰＷＭ周期中にゲートブロック信号を挿入するハードＣＬＢ信号とハードＣＬＢ信号をブロックする禁止信号３はＡＮＤ回路に入力され、ハードＣＬＢ同期放電トランジスタオン信号となる。ハードＣＬＡ同期トランジスタオン信号とハードＣＬＢ同期放電トランジスタオン信号は、最終段のＯＲ回路へ入力され放電トランジスタ動作信号として出力され、図３の放電用片方向半導体スイッチング素子をオンさせる信号となる。ハードＣＬＢ動作時に放電用片方向スイッチがオンし、図３のコンデンサ８の過電圧を軽減させる。

３パターン目は、ハードＣＬＡ信号とハードＣＬＡ信号をブロックする禁止信号２がＡＮＤ回路に入力されハードＣＬＡ同期信号となる。ハードＣＬＡ同期信号は、スナバ電圧と比較値３がコンパレータにて比較された比較信号３とＡＮＤ回路に入力され、放電トランジスタオン信号３となる。放電トランジスタオン信号３は、最終段のＯＲ回路に入力され図３の放電用片方向半導体スイッチング素子をオンさせる。ハードＣＬＡ動作時かつ設定値３よりスナバ電圧が大きい場合に放電トランジスタがオンすることで図３のコンデンサ８の過電圧を軽減させる。

４パターン目は、ハードＣＬＢ信号とハードＣＬＢ信号をブロックする禁止信号４がＡＮＤ回路に入力されることでハードＣＬＢ同期信号となる。次にこのハードＣＬＢ同期信号は、スナバ電圧と比較値２がコンパレータにて比較された比較信号２とＡＮＤ回路に入力され、放電トランジスタオン信号２となる。放電トランジスタオン信号２は、最終段のＯＲ回路に入力され図３の放電用片方向半導体スイッチング素子をオンさせる。ハードＣＬＡ動作時かつ設定値３よりスナバ電圧が大きい場合に放電トランジスタがオンすることで図３のコンデンサ９の過電圧を軽減させる。

５パターン目は、従来技術と同じで、スナバ電圧と比較信号１がコンパレータにて比較され放電トランジスタオン信号１として出力されることで、図３のコンデンサ８の過電圧を軽減する。

以上、説明した５パターンの内１〜４パターンの放電トランジスタオン信号は、禁止信号１、禁止信号２、禁止信号３、禁止信号４を入力することで、放電トランジスタオンのための信号を禁止することも可能である。

図５（ｂ）は、本発明を適用したときのタイムチャートである。図５（ａ）の従来技術ではハードＣＬＡ信号が有効になったときでもスナバ電圧が第１設定電圧まで達しない限り放電トランジスタがオンすることができないが、図５（ｂ）に示されるように、本発明を適用した場合は、ＣＬＡ同期放電トランジスタ動作レベルが従来技術の放電トランジスタ動作レベルに比べて低く設定されるため、ハードＣＬＡ信号が有効になった後における放電トランジスタの放電動作を従来技術に比べて早く行うことが可能となり、スナバ電圧が過電圧になりにくくなり動作継続を従来技術に比べて継続しやすくなる（図５（ｂ）の矢印部参照）。

本発明のマトリクスコンバータの保護装置の放電用片方向スイッチ制御回路図 従来のマトリクスコンバータの保護装置の放電用片方向スイッチ制御回路図 マトリクスコンバータ主回路構成図 ＣＬＡ動作時のマトリクスコンバータのスナバコンデンサ電圧状態遷移図 従来と本発明のハードＣＬＡ時のスナバ電圧Ｖｐｎ波形例

符号の説明

１ 三相交流電源
２ 入力フィルタ用リアクトル
３ 入力フィルタ用コンデンサ
４ マトリクスコンバータ
５ 誘導性負荷
６ 第１全波整流回路
７ 第２全波整流部
８ コンデンサ
９ 放電用片方向半導体スイッチ
１０ 放電用抵抗
１１ 直列接続体

Claims (5)

1. 三相交流電源の各相とＭ（Ｍは２以上の整数）相出力の各相と片方向半導体スイッチを２個互いに電流を流す向きが逆向きとなるように接続した構成でかつ片方向ずつ独立にオンオフできる双方向半導体スイッチで接続したマトリクスコンバータの保護装置であって、前記三相交流電源を整流し直流電源を生成する第１全波整流部と、前記Ｍ相出力を整流して前記直流電源に並列接続する第２全波整流部と、前記直流電源に並列に接続されたコンデンサと、前記直流電源に並列に接続した抵抗と放電用半導体スイッチの直列接続体と、を備えるマトリクスコンバータの保護装置において、
   前記放電用半導体スイッチは、過電圧レベル＞第１設定電圧＞第３設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第３設定電圧＞第４設定電圧＞定常電圧として、前記直流電源電圧が第１設定電圧以上でオンし、第２設定電圧以下でオフするとともに、電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号または電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第３設定電圧以上でオンし第４設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号と同期してオンオフすることを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
2. 三相交流電源の各相とＭ（Ｍは２以上の整数）相出力の各相と片方向半導体スイッチを２個互いに電流を流す向きが逆向きとなるように接続した構成でかつ片方向ずつ独立にオンオフできる双方向半導体スイッチで接続したマトリクスコンバータの保護装置であって、前記三相交流電源を整流し直流電源を生成する第１全波整流部と、前記Ｍ相出力を整流して前記直流電源に並列接続する第２全波整流部と、前記直流電源に並列に接続されたコンデンサと、前記直流電源に並列に接続した抵抗と放電用半導体スイッチの直列接続体と、を備えるマトリクスコンバータの保護装置において、
   前記放電用半導体スイッチは、過電圧レベル＞第１設定電圧＞第５設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第５設定電圧＞第６設定電圧＞定常電圧として、前記直流電源電圧が第１設定電圧以上でオンし、第２設定電圧以下でオフするとともに、電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号または電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第５設定電圧以上でオンし第６設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号と同期してオンオフすることを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
3. 三相交流電源の各相とＭ（Ｍは２以上の整数）相出力の各相と片方向半導体スイッチを２個互いに電流を流す向きが逆向きとなるように接続した構成でかつ片方向ずつ独立にオンオフできる双方向半導体スイッチで接続したマトリクスコンバータの保護装置であって、前記三相交流電源を整流し直流電源を生成する第１全波整流部と、前記Ｍ相出力を整流して前記直流電源に並列接続する第２全波整流部と、前記直流電源に並列に接続されたコンデンサと、前記直流電源に並列に接続した抵抗と放電用半導体スイッチの直列接続体と、を備えるマトリクスコンバータの保護装置において、
   前記放電用半導体スイッチは、過電圧レベル＞第１設定電圧＞第３設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第３設定電圧＞第４設定電圧＞定常電圧とするか、もしくは過電圧レベル＞第１設定電圧＞第５設定電圧、且つ、第１設定電圧＞第２設定電圧、且つ、第５設定電圧＞第６設定電圧＞定常電圧として、前記直流電源電圧が第１設定電圧以上でオンし、第２設定電圧以下でオフするとともに、電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号または電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第３設定電圧以上でオンし第４設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号、及び電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号または電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号と前記直流電源電圧が第５設定電圧以上でオンし第６設定電圧以下でオフする信号との論理積で生成される信号に同期してオンオフすることを特徴とするマトリクスコンバータの保護装置。
4. 前記第１設定電圧および前記第２設定電圧は、前記電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号と前記電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号が有効なときと電流制限のかかっていない通常状態時とで別々に設定できることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマトリクスコンバータの保護装置。
5. 前記電流制限中に零ベクトル期間を挿入する信号および前記電流制限中にゲートブロック期間を挿入する信号のオンオフ動作を個別に禁止する信号を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマトリクスコンバータの保護装置。
   

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