JP5638199B2

JP5638199B2 - 可変速駆動装置の過電流保護装置

Info

Publication number: JP5638199B2
Application number: JP2009039209A
Authority: JP
Inventors: フィリップ、ボドソン; オシヌ、ブルアル
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: FR2928056A1; US7965484B2; ATE531118T1; ES2372137T3; EP2093871A1; US20090212726A1; CN101515758B; FR2928056B1; EP2093871B1; CN101515758A; JP2009213345A

Description

本発明は、配電網での過電圧または不足電圧によって生じる過電流に対する保護装置を設けた可変速駆動装置に関する。

周知のように、可変速駆動装置は配電網に接続され、電気負荷を制御するものである。可変速駆動装置は、入力側において配電網から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電圧整流モジュールを設け、下流側でプラス線とマイナス線を有する電力バスに給電する。一般にバスコンデンサと呼ばれるフィルタコンデンサは、電力バスのプラス端子とマイナス端子間に設けられる。出力側では、可変速駆動装置が電力バスを電源とするインバータモジュールを設けることによって、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）で制御されるＩＧＢＴトランジスタ形式の電子スイッチを利用して、周波数と振幅が可変の交流電圧を直流電圧から生じさせる。

配電網は、過電圧または不足電圧など、様々な種類の擾乱を受けることがある。この擾乱には、振幅が大きく継続時間が短い低エネルギーもの、または振幅が小さく継続時間が長い高エネルギーのものがある。擾乱が非常に高エネルギーである場合は、整流器モジュールのダイオード、バスコンデンサ、インバータモジュールのトランジスタなどの可変速駆動装置のコンポーネントが損傷を受けることもある。

従って、本発明の目的は、損傷を伴わずに、配電網の擾乱を吸収できる可変速駆動装置を提供することにある。

この目的は、
−入力側において、配電網から得られる交流電圧から、直流電圧を電力バスで発生させるための整流モジュールと、
−前記電力バスのプラス線とマイナス線との間に接続されたバスコンデンサと、
−前記電力バスによって電力が供給され、電気負荷に交流電圧を供給するように制御されるインバータモジュールと、を備えた可変速駆動装置であって、
−前記可変速駆動装置は、可変速駆動装置を配電網での電圧変動による過電流から保護するための保護装置を備え、
前記保護装置は、
−前記電力バス上で、整流モジュールとバスコンデンサとの間に直列に接続された第一電子スイッチと、
−前記第一電子スイッチと並列に設けられた第一抵抗と、
−前記第一電子スイッチおよび前記第一抵抗と並列に設けられたユニットであって、直列に設けられた第二電子スイッチおよび第二抵抗から構成されたユニットと、
−前記第一電子スイッチおよび第二電子スイッチを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする可変速駆動装置。

一態様によれば、保護装置は電力バスのプラス線に設けられる。

好ましくは、第一電子スイッチは例えば炭化ケイ素などのバンドギャップの大きい材料からなるノーマリオンのＪＦＥＴトランジスタである。

一態様によれば、ＪＦＥＴトランジスタの制御手段は電力バスのプラス線とマイナス線間に接続される。この制御手段は例えば、ＪＦＥＴトランジスタに制御電圧を印加できるチャージポンプ回路を含む。

好ましくは、第二電子スイッチはノーマリオフタイプである。第二電子スイッチを制御するための制御手段は、第二電子スイッチに制御電圧を印加できるチャージポンプ回路を含む。

本発明によれば、制御手段は、ＪＦＥＴトランジスタの端子で測定される電圧の閾値を記憶する記憶手段を有し、その閾値を超えると制御手段はＪＦＥＴトランジスタをオフに制御する。また、記憶手段は所定の時間も記憶し、その所定時間経過後もＪＦＥＴトランジスタの端子で測定される電圧が閾値を越えていると、第二電子スイッチ電子をオンに制御する。記憶手段は、電力バスのプラス線とマイナス線との間で測定される電圧の閾値を記憶でき、その閾値を越えると第二電子スイッチ電子をオンに制御する。

好ましくは、可変速駆動装置はさらに、整流モジュールを過電圧から保護するための装置を備える。整流モジュールを過電圧から保護するためのこの装置は、例えばノーマリオンのＪＦＥＴタイプ制限トランジスタおよびツェナーダイオードを備え、両者ともに電力バスのプラス線とマイナス線との間に並列に接続されている。変形例として、前記整流モジュールを過電圧から保護するための装置は、電力バスのプラス線とマイナス線間に接続されたＧＭＯＶタイプのバリスタを備える。

また別の特徴と利点については、例として付属の図面に示す実施形態を参照する詳細な説明で明らかになる。

本発明によれば、損傷を伴わずに、配電網の擾乱を吸収できる可変速駆動装置を提供することができる。

本発明の保護装置を設けた可変速駆動装置の略図を示す。

図１を参照すると、可変速駆動装置１は、電力バスに直流電圧Ｖｄｃ（例えば、使用条件により約２００〜８００Ｖｃｃ以上）を給電する直流電源を設ける。電力バスは、プラス線１０とマイナス線１１から構成される。電力バスの直流電圧Ｖｄｃを一定に維持するためには、一般にバスコンデンサＣｂを使用する。このバスコンデンサＣｂは電力バスのプラス端子とマイナス端子間に接続され、一般に電解タイプである。

図１において、可変速駆動装置１は入力側において、外部配電網Ａ（例えば３８０Ｖａｃの三相配電網）からの三相交流電圧を整流するための整流モジュール１２を設ける。好ましくは、この整流モジュール１２には、サイリスタよりも低価格且つ信頼性が高いダイオード１２０を使用する。

次に、可変速駆動装置１は、出力側において、インバータモジュール１３を設け、これにより電力バスからの周波数と振幅が可変する交流電圧で電気負荷２を制御可能とする。このため、インバータモジュール１３はパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を利用して、各相ごとに備えられた電子電力スイッチ１３０を制御する。これらのスイッチは例えばＩＧＢＴタイプの電力トランジスタであって、図示しない制御モジュールによって制御される。図１においては、電気負荷２に三相交流電圧を供給するために、インバータモジュール１３は３つのアームを有し、各アームは電力バスのプラス端子とマイナス端子間に直列に接続された電力トランジスタ２つを有するため、合計で６つの電力トランジスタを有する。

本発明は、配電網Ａでの電圧変動による過電流から可変速駆動装置を保護するために、可変速駆動装置に保護装置１４を備えることにより構成される。

かかる過電力は、２つの異なる現象によって生じることがある。
−過電圧の際は、バスコンデンサＣｂに大きなサージ電流が生じることで整流モジュール１２のダイオードブリッジが劣化し、また、電力バスに大きな過電圧が生じることでインバータモジュール１３およびバスコンデンサＣｂの損傷を招くことがあり、
−不足電圧解消後に正常レベルに復帰すると、同様にバスコンデンサＣｂに大きなサージ電流が生じ、整流モジュール１２のダイオードブリッジの損傷を招くことがある。

したがって、配電網Ａにおける過電圧時または不足電圧発生後に整流モジュール１２を保護するためには、整流モジュール１２のサージ電流を抑制する必要がある。

このため、本発明の装置１４は、例えばノーマリオフかノーマリオンのＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴタイプなどの第一電子スイッチを備える。

好ましくは、第一電子スイッチは、例えば炭化ケイ素または窒化ガリウム（ＧａＮ）などのバンドギャップの大きい材料（wide-band-gap material）、すなわち通電状態で低い抵抗Ｒ_dsonを有し、高電圧（１０００Ｖ以上）に耐えられる材料からなる。

好ましくは、この第一電子スイッチはＪＦＥＴタイプである。ＪＦＥＴトランジスタは周知の電力用電子スイッチであって、ドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間の電流の通過の許可・不許可を決定する制御ゲート（Ｇ）を備える。かかるトランジスタのうち、ゲートとソース間の電圧Ｖ_GSがほぼゼロであるものは、ノーマリオン（normally ON）タイプと呼ばれる。つまり、制御電圧Ｖ_GSがない場合でもドレイン・ソース間のルートは通電しており、すなわち導電性である。逆に、ＪＦＥＴトランジスタのうち、ゲートとソースとの間に電圧Ｖ_GSがない場合にドレイン・ソース間のルートが導電性にならないものは、ノーマリオフ（normally OFF）タイプと呼ばれる。

さらに、ノーマリオンタイプのＪＦＥＴ電子スイッチの性能は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの電圧で制御されるその他の種類の電力用電子スイッチと比較して、またノーマリオフタイプのＪＦＥＴと比較しても、優れている。具体的には、かかるスイッチはスイッチング速度がより速く、通電状態における導電損失もより少なく（通電状態で抵抗Ｒ_DSonが低い）、温度安定性も良く、サイズもより小さい。

好ましくは、本発明の保護装置１４には、炭化ケイ素または窒化ガリウムなどのバンドギャップの大きい材料からなるノーマリオンのＪＦＥＴトランジスタＴ１を備える。トランジスタＴ１は電力バスのプラス線１０上の、整流モジュール１２とバスコンデンサＣｂ間に設ける。装置１４はさらにトランジスタＴ１と並列に設けられた第一抵抗Ｒ１および直列に設けられた第二抵抗Ｒ２と第二電子スイッチと有するユニットを備え、このユニットはトランジスタＴ１および第一抵抗Ｒ１と並列に設けられる。第二電子スイッチは例えばノーマリオフＩＧＢＴタイプのトランジスタＴ２である。

第一抵抗は数十オーム程度、例えば７０オーム（４ｋＷの可変速駆動装置の場合は１００オーム〜１０オーム）の高い抵抗値を有し、第二抵抗は数オーム程度、例えば３オーム（４ｋＷの可変速駆動装置の場合は５オーム〜０．５オーム）の低い抵抗値を有する。

本発明の装置はさらに、トランジスタＴ１およびトランジスタＴ２を制御する制御手段１４０も備える。この制御手段１４０はトランジスタＴ１およびＴ２のスイッチングを決定するための処理手段、各閾値を記憶する手段、トランジスタＴ１の制御用電源およびトランジスタＴ２の制御用電源などを備える。使用される電源は例えばチャージポンプ回路（charge pump circuit）であって、これは例えば回路のプレチャージの時に電力バスからチャージされるコンデンサおよびコンデンサと並列に設けられたツェナーダイオードから構成される。トランジスタＴ２の電子制御のためのチャージポンプ回路はトランジスタＴ１のドレインを電源とし、トランジスタＴ１のチャージポンプ回路はトランジスタＴ１のソースを電源とする。また、トランジスタＴ１およびＴ２を制御するために絶縁した外部電源を使用することもできるが、この場合、制御手段１４０は電力バスから直接給電されなくなり、自律回路ではなくなる。こうした場合は、ノーマリオフタイプのトランジスタＴ１を使用し、本発明の保護装置１４を電力バスのマイナス線１１上の、整流モジュール１２とバスコンデンサＣｂ間に設けることが考えられる。

可変速駆動装置１はさらに、整流モジュール１２の下流側と保護装置１４の上流側に、電力バスのプラス線１０とマイナス線１１間に接続された減結合コンデンサＣｄも備える。この減結合コンデンサＣｄは、配電網Ａにおいて生じる大きな過電圧を短時間でクリップするものである。

可変速駆動装置１が起動時でのプレチャージ中か、配電網での過電圧状態か、配電網での不足電圧状態かの各状態に応じて、可変速駆動装置１の保護装置１４は下記のように機能する。

−起動時：
トランジスタＴ１が最初に通電する。通電状態でのその抵抗（Ｒ_dson）は非常に低い。したがって、トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖも非常に低い。トランジスタＴ２が最初にオフになる。

トランジスタＴ１は、流れる電流が制限電流よりも大きくなると制限する。制限電流はトランジスタＴ１およびＴ２のチャージポンプ回路の二つのコンデンサをチャージするのに十分な値である。トランジスタＴ１のチャージポンプ回路のコンデンサがチャージされると、第一抵抗Ｒ１を介してバスコンデンサＣｂをチャージするために、制御手段１４０は電圧を印加してＴ１をオフに制御する。第一抵抗Ｒ１の値は高いため、バスコンデンサＣｂを徐々にチャージすることでプレチャージ回路の役割が担える。バスコンデンサの端子の電圧Ｖｄｃは記憶された第一閾値Ｓ１、例えば２５０Ｖを超えると、トランジスタＴ２をオンに制御でき、Ｔ２に直列に接続された第二抵抗Ｒ２の抵抗値は第一抵抗Ｒ１の値よりも低いため、バスコンデンサＣｂのチャージを加速できる。この機能は、本発明の装置において任意に使用できるものである。バスコンデンサＣｂの容量が大きい場合、この機能は有用である。

トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖが再びゼロになった時が、起動が終了した時である。すなわち、トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖがゼロであれば、第一抵抗Ｒ１および第二抵抗Ｒ２には電流が流れなくなるため、バスコンデンサＣｂは完全にチャージされたということになる。この際、「バスコンデンサの急速チャージ」機能を使用する場合、制御手段はトランジスタＴ１の電源を遮断してオンにし、Ｔ２をオフにできる。

−配電網での過電圧：
配電網Ａにおいて過電圧が生じると、バスコンデンサＣｂでは大きなサージ電流が生じる。そのため、トランジスタＴ１に流れる電流は、トランジスタＴ１が電流を制限するまで急速に増加する。このとき、トランジスタＴ１の抵抗が上昇して電流を制限するため、トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖは上昇することになる。トランジスタＴ１の端子の電圧Ｖは、設定された第二記憶閾値Ｓ２、例えば３Ｖを超えると、制御手段が制御電圧を印加してトランジスタＴ１をオフにする。この状態において、第一抵抗Ｒ１には電流が流れているため、第一抵抗Ｒ１は過電圧の影響を受ける。過電圧が解消すると、トランジスタＴ１の端子で測定される電圧は第二閾値Ｓ２以下まで減少し、その際、制御手段は電源を遮断してトランジスタＴ１をオンに制御する。最高制限電流は、第二閾値Ｓ２を下げることによって減少させられる。この場合、端子の電圧はその通電時抵抗と流れる電流の積に比例するため、トランジスタＴ１は電流を制限する前にオフに制御される。

−配電網での不足電圧：
可変速駆動装置の配電網が不足電圧状態となっている間、トランジスタＴ１はオンになり、インバータに電気負荷２がある場合はバスコンデンサＣｂは放電し、インバータに電気負荷２がない場合は放電しない。不足電圧状態が解消し、正常電圧に復帰する際、バスコンデンサＣｂが放電されていなければ電流サージは生じない。しかし、不足電圧中、電気負荷２に給電するためにバスコンデンサＣｂが放電している場合、正常電圧に復帰する際にバスコンデンサＣｂは再充電されなければならないため、大きな電流サージが生じる。可変速駆動装置のコンポーネントを保護するためには、トランジスタＴ１は電流を制限するため、トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖは上昇することになる。トランジスタＴ１の端子の電圧Ｖが、上記の第二閾値Ｓ２、例えば３Ｖを超えると、制御手段がトランジスタＴ１をオフに制御する。その際、第一抵抗Ｒ１には電流が流れる。インバータに電気負荷２がある場合、電気負荷２の電力供給およびバスコンデンサＣｂの再充電に必要な電流は、まず、第一抵抗Ｒ１を通るため、第一抵抗Ｒ１が次第に加熱される。トランジスタＴ１の端子で測定される電圧Ｖの値が第二閾値Ｓ２を、所定の記憶された時間Ｔ、例えば２ミリ秒〜３ミリ秒以上、超えている状態であると、制御手段１４０は、トランジスタＴ２をオンに制御し、第二抵抗Ｒ２に電流を流すようにしてバスコンデンサＣｂのチャージを加速させる。すなわち、トランジスタＴ１の端子の電圧Ｖが所定時間にわたり第二閾値Ｓ２を超える値であれば、可変速駆動装置は通常の一時的な過電圧を受けているのではなく、不足電圧解消後に正常に復帰しているということになる。トランジスタＴ１の端子で測定される電圧が第二閾値Ｓ２以下に戻ると、制御手段１４０はトランジスタＴ１をオンに制御する。

上記の各制御シーケンスでは、ノーマリオンのトランジスタＴ１を備えた保護装置に基づいて説明した。しかしながら、ノーマリオフのトランジスタＴ１を使用した場合でも同様の方法が可能である。ただしその場合、ノーマリオフのトランジスタＴ１を制御するためには、制御手段として特定の絶縁電源が必要になる。

本発明によれば、この装置は、可変速駆動装置１が電力バスにフィルタインダクタンス（ＤＣチョーク）を有していない場合、およびバスコンデンサが高容量である（例えば１ｋＷ当たり８０μＦ以上）場合に特に有利である。

しかしながら、これだけでは、過電圧時にトランジスタＴ１をオフに制御する際、整流モジュール１２において電流変化が大きくなる（極端なｄｉ／ｄｔ）という欠点がまだある。この場合、可変速駆動装置１の入力インダクタンスまたはラインインダクタンス（図１に図示せず）は一時的に大きな過電圧を受けて、整流モジュール１２のダイオードブリッジを破壊することもある。

このようにして生じたエネルギーを分散させるためには、トランジスタＴ１のアバランシェ特性が利用できる。この場合、端子の電圧Ｖがアバランシェ閾値を越えると、トランジスタＴ１は自動的に通電する。バスコンデンサの端子の電圧が７００Ｖに達し、整流モジュールのダイオードが１６００Ｖの電圧に耐えるように設計されている場合は、トランジスタＴ１のアバランシェ閾値は例えば８００Ｖに設定しなければならない。ただし、トランジスタＴ１はさらに、配電網Ａからの高いエネルギーを吸収できるように設計する必要がある。

変形例として、発生したエネルギーを分散させるために、好ましくは減結合コンデンサＣｄと並列に、（点線で示す）ＧＭｏｖＭ１タイプのバリスタまたはツェナーダイオードＺ１と並列に設けたノーマリオフのＪＦＥＴトランジスタＴ３を付加できる。トランジスタＴ３は、例えばそのアバランシェ特性を利用するか、特定の制御を使用してオンに制御する。

１可変速駆動装置
２電気負荷
１０プラス線
１１マイナス線
１２整流モジュール
１３インバータモジュール
１４保護装置
１２０ダイオード
１３０電子電力スイッチ
１４０制御手段

Claims

入力側において、配電網（Ａ）から得られる交流電圧から、直流電圧を電力バス（１０、１１）で発生させるための整流モジュール（１２）と、
前記電力バスのプラス線とマイナス線との間に接続されたバスコンデンサ（Ｃｂ）と、
前記電力バスから電力を供給され、電気負荷（２）に交流電圧を供給するように制御されるインバータモジュール（１３）と、を備えた可変速駆動装置であって、
前記可変速駆動装置（１）は、
前記可変速駆動装置を配電網（Ａ）での電圧変動による過電流から保護するための保護装置（１４）を備え、
前記保護装置は、
前記電力バス上で、前記整流モジュール（１２）と前記バスコンデンサ（Ｃｂ）との間に直列に接続されたノーマリオンタイプの第一電子スイッチと、
前記第一電子スイッチと並列に設けられた第一抵抗（Ｒ１）と、
前記第一電子スイッチおよび前記第一抵抗（Ｒ１）と並列に設けられたユニットであって、直列に設けられた第二電子スイッチ（Ｔ２）および前記第一抵抗（Ｒ１）の抵抗値より低い抵抗値を有する第二抵抗（Ｒ２）を有するユニットと、
前記第一電子スイッチ（Ｔ１）および前記第二電子スイッチ（Ｔ２）を制御するための制御手段（１４０）と、
を備え、
前記制御手段は、前記第一電子スイッチ（Ｔ１）、前記第一抵抗（Ｒ１）および前記ユニットのいずれかに電流が流れるように前記第一電子スイッチ（Ｔ１）および前記ユニットの前記第二電子スイッチ（Ｔ２）を制御し、
前記制御手段（１４０）は、前記第一電子スイッチ（Ｔ１）の端子で測定される電圧（Ｖ）の閾値（Ｓ２）を記憶する記憶手段を有し、その閾値を超えると前記制御手段（１４０）は前記第一電子スイッチ（Ｔ１）をオフに制御し、
前記記憶手段は所定の時間を記憶し、その所定時間経過後も前記第一電子スイッチ（Ｔ１）の端子で測定される電圧（Ｖ）が閾値（Ｓ２）を超えていると、前記第二電子スイッチ（Ｔ２）をオンに制御することを特徴とする可変速駆動装置。
保護装置（１４）は前記電力バスの前記プラス線（１０）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の可変速駆動装置。
前記第一電子スイッチはＪＦＥＴタイプのトランジスタ（Ｔ１）であることを特徴とする請求項１または２に記載の可変速駆動装置。
前記ＪＦＥＴトランジスタ（Ｔ１）は炭化ケイ素からなることを特徴とする請求項３に記載の可変速駆動装置。
前記ＪＦＥＴトランジスタ（Ｔ１）を制御する前記制御手段（１４０）は前記電力バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の可変速駆動装置。
前記制御手段（１４０）は前記ＪＦＥＴトランジスタに制御電圧を印加できるチャージポンプ回路を含むことを特徴とする請求項５に記載の可変速駆動装置。
前記第二電子スイッチはノーマリオフタイプであることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の可変速駆動装置。
前記第二電子スイッチを制御する前記制御手段は前記第二電子スイッチ（Ｔ２）に制御電圧を印加できるチャージポンプ回路を含むことを特徴とする請求項７に記載の可変速駆動装置。
前記制御手段（１４０）は、前記電力バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間にて測定される電圧の閾値（Ｓ１）を記憶する記憶手段を有し、その閾値を超えると前記第二電子スイッチ（Ｔ２）をオンに制御することを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載の可変速駆動装置。
前記整流モジュール（１２）を過電圧から保護するための装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の可変速駆動装置。
前記整流モジュール（１２）を過電圧から保護するための装置は、ノーマリオンのＪＦＥＴタイプ制限トランジスタ（Ｔ３）およびツェナーダイオード（Ｚ１）を備え、両者ともに前記電力バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間に並列に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の可変速駆動装置。
前記整流モジュールを過電圧から保護するための装置は、前記電力バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間に接続されたＧＭＯＶタイプのバリスタ（Ｍ１）を備えることを特徴とする請求項１０に記載の可変速駆動装置。