JP6058213B1 - コンバータおよび電力変換装置 - Google Patents

Abstract

１２相整流用トランス２のΔ結線とＹ結線との２系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部１１と、コンバータ回路部１１により出力された直流母線の電流を検出する電流検出器１２と、電流検出器１２により検出したΔ結線から出力される電流とＹ結線から出力される電流との間に不平衡が生じていることを検出する不平衡検出部１３とを備える。Δ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とに発生した不平衡を検出することができる。

Description

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータおよび電力変換装置に関する。

電力変換装置は、交流系統への高調波の流出を抑制するために、１２相整流用トランスにより構成される場合がある。１２相整流用トランスは、一次側をＹ結線とし、二次側をΔ結線とＹ結線とで構成する場合と、一次側をΔ結線とし、二次側をΔ結線とＹ結線とで構成する場合とがある。１２相整流用トランスは、二次側において、３０度の位相差の三相交流を生成して、全波整流することにより１２相整流を行う（特許文献１を参照）。

特開２００８−２９５１５５号公報

ところで、１２相整流用トランスの二次側において、Δ結線から出力された交流電圧とＹ結線から出力された交流電圧とに差異が生じ、Δ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とに不平衡が発生した場合、一方のダイオードブリッジに電流が集中してしまう。当該状態が長時間続くと、熱により一方のダイオードブリッジを損なう可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Δ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とに発生した不平衡を検出することができるコンバータおよび電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、１２相整流用トランスのΔ結線とＹ結線との２系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部により出力された直流母線の電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出したΔ結線から出力される電流とＹ結線から出力される電流との不平衡が生じていることを検出する不平衡検出部とを備え、前記不平衡検出部は、前記電流検出器により検出された検出値に基づいて直流電流を検出する直流電流検出部と、前記直流電流のピーク値を検出するピーク値検出部と、前記直流電流のボトム値を検出するボトム値検出部と、前記ピーク値と前記ボトム値の差分を検出する差分検出部と、前記直流電流のピーク値とボトム値の差分の閾値を設定する設定部と、前記設定部により設定された閾値と、前記差分検出部により検出した差分とを比較する比較部と、前記比較部により比較した結果、前記差分検出部により検出した差分が前記設定部により設定された閾値を超えている場合には、アラーム信号を出力する信号出力部とを備えることを特徴とする。

本発明にかかるコンバータは、Δ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジに流れる電流とに発生した不平衡を検出することができる。

実施の形態１にかかるコンバータの構成図 実施の形態１にかかるコンバータの動作の説明に供する図 実施の形態１にかかるダイオードモジュールの断面図 実施の形態２にかかるコンバータの構成図 実施の形態２にかかるコンバータの動作の説明に供する図

以下に、本発明の実施の形態にかかるコンバータおよび電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるコンバータ１の構成を示す図である。図２は、実施の形態１にかかるコンバータ１の動作の説明に供する図である。図３は、実施の形態１にかかるダイオードモジュール１００の断面図である。

コンバータ１は、１２相整流用トランス２から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータ３に供給する。インバータ３は、直流電圧を交流電圧に変換し、電動機４に供給する。実施の形態１では、１２相整流用トランス２の一次側をΔ結線で構成しているが、Ｙ結線で構成されてもよい。

コンバータ１は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部１１と、直流母線の電流を検出する電流検出器１２と、電流の不平衡を検出する不平衡検出部１３と、リップル成分を低減する直流リアクトル１４と、電圧を平滑する平滑コンデンサ１５とを備える。

コンバータ回路部１１は、１２相整流用トランス２のΔ結線とＹ結線との２系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ回路部１１は、Δ結線の出力電圧を全波整流するダイオードブリッジ２１と、Ｙ結線の出力電圧を全波整流するダイオードブリッジ２２とを備える。ダイオードブリッジ２１は、６つのダイオード素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆにより構成されている。ダイオードブリッジ２２は、６つのダイオード素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆにより構成されている。なお、以下では、ダイオード素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆおよび、ダイオード素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆをダイオード素子群と総称する。

電流検出器１２は、コンバータ回路部１１により出力された直流母線の電流を検出し、検出した検出値を不平衡検出部１３に出力する。実施の形態１では、電流検出器１２が直流リアクトル１４の前段に配置されているが、直流リアクトル１４の後段に電流検出器１２が配置されてもよい。また、１２相整流用トランス２の一次側をΔ結線で構成しているが、Ｙ結線で構成してもよい。

不平衡検出部１３は、電流検出器１２により検出されたΔ結線から出力される電流とＹ結線から出力される電流との間に不平衡が生じていることを検出する。不平衡検出部１３の詳細な構成については後述する。

直流リアクトル１４は、コンバータ回路部１１により整流された直流電流を平滑してリップル成分を低減する。

平滑コンデンサ１５は、コンバータ回路部１１により変換された直流電圧のリップル成分を取り除くことにより直流電圧を平滑する。

ここで、不平衡検出部１３の具体的な構成について説明する。不平衡検出部１３は、直流電流Ｓ３を検出する直流電流検出部３１と、ピーク値を検出するピーク値検出部３２と、ボトム値を検出するボトム値検出部３３と、ピーク値とボトム値の差分Ｓ５を検出する差分検出部３４と、閾値Ｓ４を設定する設定部３５と、差分検出部３４の出力と設定部３５の出力とを比較する比較部３６と、アラーム信号Ｓ６を出力する信号出力部３７とを備える。

直流電流検出部３１は、電流検出器１２により検出された検出値に基づいて直流電流Ｓ３を検出する。

ピーク値検出部３２は、直流電流検出部３１により検出した直流電流Ｓ３のピーク値を検出する。ピーク値検出部３２は、検出したピーク値に基づいてピークホールド信号Ｓ１を生成する。

ボトム値検出部３３は、直流電流検出部３１により検出した直流電流Ｓ３のボトム値を検出する。ボトム値検出部３３は、検出したボトム値に基づいてボトムホールド信号Ｓ２を生成する。

差分検出部３４は、ピークホールド信号Ｓ１とボトムホールド信号Ｓ２とに基づいて、ピーク値とボトム値との差分Ｓ５を検出する。

設定部３５は、直流電流のピーク値とボトム値との差分の閾値Ｓ４を設定し、閾値Ｓ４を比較部３６に出力する。

比較部３６は、設定部３５により設定された閾値Ｓ４と、差分検出部３４により検出された差分Ｓ５とを比較する。

信号出力部３７は、比較部３６により比較した結果、差分検出部３４により検出した差分Ｓ５が設定部３５により設定された閾値Ｓ４を超えている場合には、アラーム信号Ｓ６をインバータ３に出力する。インバータ３は、アラーム信号Ｓ６の入力に基づいて電動機４の動作を停止する。

ここで、時刻ｔ１において、１２相整流用トランス２の二次側を構成するΔ結線から出力された交流電圧とＹ結線から出力された交流電圧とに差異が生じ、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生した場合について説明する。なお、以下では、ダイオードブリッジ２１に電流が集中した場合を想定する。

時刻ｔ１において、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生すると、図２（ａ）に示すように、電流が平衡しているときに比べて、ダイオードブリッジ２１に流れる電流Ｉ１は小さくなり、また、ダイオードブリッジ２２に流れる電流Ｉ２は大きくなる。これは、図２（ｂ）に示すように、コンバータ回路部１１から出力された直流母線の電流のリップル成分が増加することによって、直流電流検出部３１から出力される直流電流Ｓ３のリップル成分も増加するためである。

また、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生した場合、ピーク値検出部３２から出力されるピークホールド信号Ｓ１が増加し、ボトム値検出部３３から出力されるボトムホールド信号Ｓ２が減少するため、図２（ｂ）に示すように、ピークホールド信号Ｓ１とボトムホールド信号Ｓ２との差分Ｓ５が大きくなる。

比較部３６は、設定部３５により設定された閾値Ｓ４と、差分検出部３４により検出した差分Ｓ５とを比較し、比較した結果を信号出力部３７に出力する。実施の形態１では、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ２において、差分Ｓ５が閾値Ｓ４を超えた場合を想定している。

信号出力部３７は、比較部３６の比較結果に基づいて、差分Ｓ５が閾値Ｓ４を超えたことを検出した場合には、図２（ｃ）に示すように、アラーム信号Ｓ６をインバータ３に出力する。

インバータ３は、アラーム信号Ｓ６に基づいて、電動機４の運転を停止する。インバータ３による電動機４の運転の停止によって、コンバータ１のダイオードブリッジ２１およびダイオードブリッジ２２に印加される電流が零になる。

よって、コンバータ１は、Δ結線側のダイオードブリッジ２１に流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生した場合、短時間で不平衡検出部１３により電流の不平衡を検出することができる。また、コンバータ１は、不平衡検出部１３により電流の不平衡を検出した場合、アラーム信号Ｓ６をインバータ３に出力し、電動機４の運転を停止させるので、一方のダイオードブリッジに長時間電流が集中することを避けることができ、熱により一方のダイオードブリッジが損なわれることを防止することができる。

ここで、ダイオードブリッジ２１およびダイオードブリッジ２２を構成するダイオードモジュール１００について説明する。図３は、ダイオードモジュール１００の断面図である。ダイオードモジュール１００は、基板１０１に形成されている銅配線１０２とダイオード素子群とを半田１０３で固定している。ダイオードモジュール１００は、放熱用のグリス１０４によって冷却フィン１０５に固定されている。また、冷却フィン１０５は、周囲の温度を検出する温度センサ１０６が取り付けられている。

コンバータ１は、温度センサ１０６により検出された温度が設定値を超えた場合、ダイオードブリッジ２１またはダイオードブリッジ２２に異常な発熱が生じていると判断し、電流の不平衡を検出するような構成も考えられる。しかし、当該構成では、ダイオードブリッジ２１およびダイオードブリッジ２２がダイオードモジュール１００に一体的に形成されている場合、一方のダイオードブリッジに発熱が生じても、熱干渉により温度が平均化されたり、熱容量の大きい冷却フィン１０５に熱が奪われたりして、発熱を検出できないまたは、検出に時間がかかる可能性がある。

そこで、実施の形態１にかかるコンバータ１は、ダイオードブリッジ２１とダイオードブリッジ２２との間の熱干渉および冷却フィン１０５の熱容量による影響を受けずに、短時間で電流の不平衡を検出し、電動機４の運転を停止させるので、熱によりダイオードブリッジが損なわれることを防止することができる。

また、ダイオード素子群は、上限値を超える温度上昇と、下限値を超える温度下降を繰り返すことによって、疲労破壊を招くことが知られている。実施の形態１にかかるコンバータ１は、短時間で電流の不平衡を検出し、電動機４の運転を停止させるので、上限値を超えずに温度上昇を抑制できるので、ダイオード素子群の疲労破損を防止することができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２にかかるコンバータ５の構成を示す図である。図５は、実施の形態２にかかるコンバータの動作の説明に供する図である。コンバータ５は、１２相整流用トランス２から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータ３に供給する。インバータ３は、直流電圧を交流電圧に変換し、電動機４に供給する。実施の形態２では、１２相整流用トランス２の一次側をΔ結線で構成しているが、Ｙ結線で構成されてもよい。

コンバータ５は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部１１と、直流母線の電流を検出する電流検出器１２と、電流の不平衡を検出する不平衡検出部４１と、リップル成分を低減する直流リアクトル１４と、電圧を平滑する平滑コンデンサ１５とを備える。

実施の形態２にかかるコンバータ５と、実施の形態１にかかるコンバータ１とは、不平衡検出部４１と不平衡検出部１３との構成が異なる。不平衡検出部４１以外の構成は、実施の形態１で説明したものと同一であるため、同一の符号を付し、説明を省略する。以下では、不平衡検出部４１の構成について説明する。

不平衡検出部４１は、電流検出器１２により検出された検出値に基づく電流に不平衡が生じていることを検出する。不平衡検出部４１は、直流電流Ｓ１１を検出する直流電流検出部５１と、直流電流Ｓ１１のリップル周波数Ｓ１２を算出するリップル周波数算出部５２と、直流電流Ｓ１１の平均値Ｓ１３を算出する平均値算出部５３と、閾値Ｓ１４を設定する設定部５４と、電流に不平衡が生じていることを検出する電流不平衡検出部５５と、アラーム信号Ｓ１５を出力する信号出力部５６とを備える。

直流電流検出部５１は、電流検出器１２により検出された検出値に基づいて直流電流Ｓ１１を検出する。

リップル周波数算出部５２は、直流電流検出部５１により検出された直流電流Ｓ１１のリップル周波数Ｓ１２を算出する。ここで、リップル周波数算出部５２により算出される直流電流のリップル周波数Ｓ１２について説明する。コンバータ５は、１２相整流用トランス２から交流電圧が供給されている。よって、リップル周波数算出部５２により算出されるリップル周波数Ｓ１２は、平衡状態において、電源電圧周波数の１２倍になる。しかし、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生した場合、リップル周波数算出部５２により算出されるリップル周波数Ｓ１２は、電源電圧周波数の６倍に減少する。なお、リップル周波数は、測定精度によって誤差が生じるが、電源電圧周波数の１２倍または６倍になる。

平均値算出部５３は、直流電流検出部５１により検出された直流電流Ｓ１１の平均値Ｓ１３を算出する。設定部５４は、閾値Ｓ１４を設定する。

電流不平衡検出部５５は、リップル周波数算出部５２により算出された直流電流のリップル周波数Ｓ１２が電源電圧周波数の１２倍になっておらず、かつ、平均値算出部５３により算出された直流電流の平均値Ｓ１３が設定部５４により設定されている閾値Ｓ１４を超えていることを検出した場合には、電流検出器１２により検出された検出値に基づく電流に不平衡が生じていることを検出する。

信号出力部５６は、電流不平衡検出部５５により電流の不平衡が検出された場合には、アラーム信号Ｓ１５をインバータ３に出力する。インバータ３は、アラーム信号Ｓ１５の入力に基づいて電動機４の動作を停止する。

ここで、時刻ｔ１において、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生し、かつ、時刻ｔ２において、ダイオードブリッジ２１またはダイオードブリッジ２２に大きな発熱が生じた場合を想定して説明する。

時刻ｔ１において、ダイオードブリッジ２１に流れる電流とダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生すると、図５（ａ）に示すように、不平衡が生じていないときに比べて、直流電流検出部５１により検出される直流電流Ｓ１１のリップル成分が大きくなる。

また、電動機４の負荷が軽く、軸出力が小さい場合には、ダイオードブリッジ２１またはダイオードブリッジ２２の一方に集中する電流は小さいため、熱によってダイオード素子群を損なう可能性は低いと考えられる。

しかし、電動機４の負荷が重く、軸出力が大きい場合には、コンバータ回路部１１で整流する電流が大きくなるため、ダイオードブリッジ２１またはダイオードブリッジ２２の一方に集中する電流が大きくなり、熱によってダイオード素子群を損なう可能性が高くなると考えられる。

そこで、電流不平衡検出部５５は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、リップル周波数算出部５２により算出した直流電流のリップル周波数Ｓ１２が電源電圧周波数の１２倍になっていない、すなわち６倍になっていることを検出し、平均値算出部５３により算出された直流電流Ｓ１１の平均値Ｓ１３が設定部５４により設定されている閾値Ｓ１４を超えていることを検出した場合には、電流検出器１２により検出された検出値に基づく電流に不平衡が生じていることを検出する。なお、実施の形態２では、時刻ｔ３において、電流の不平衡を検出したものとする。

信号出力部５６は、電流不平衡検出部５５により電流の不平衡が検出された場合には、図５（ｄ）に示すように、アラーム信号Ｓ１５をインバータ３に出力する。

インバータ３は、アラーム信号Ｓ１５に基づいて、電動機４の運転を停止する。インバータ３による電動機４の運転の停止によって、コンバータ５のダイオードブリッジ２１およびダイオードブリッジ２２に印加される電流が零になる。

よって、コンバータ５は、Δ結線側のダイオードブリッジ２１に流れる電流とＹ結線側のダイオードブリッジ２２に流れる電流とに不平衡が発生した場合、短時間で不平衡検出部４１により電流の不平衡を検出することができる。また、コンバータ５は、不平衡検出部４１により電流の不平衡を検出した場合、アラーム信号Ｓ１５をインバータ３に出力し、電動機４の運転を停止させるので、一方のダイオードブリッジに長時間電流が集中することを避けることができ、熱により一方のダイオードブリッジが損なわれることを防止することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ コンバータ、２ １２相整流用トランス、３ インバータ、４ 電動機、１１ コンバータ回路部、１２ 電流検出器、１３，４１ 不平衡検出部、１４ 直流リアクトル、１５ 平滑コンデンサ、２１，２２ ダイオードブリッジ、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ ダイオード素子、３１，５１ 直流電流検出部、３２ ピーク値検出部、３３ ボトム値検出部、３４ 差分検出部、３５，５４ 設定部、３６ 比較部、３７，５６ 信号出力部、５２ リップル周波数算出部、５３ 平均値算出部、５５ 電流不平衡検出部。

Claims (3)

1. １２相整流用トランスのΔ結線とＹ結線との２系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部と、
   前記コンバータ回路部により出力された直流母線の電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器により検出したΔ結線から出力される電流とＹ結線から出力される電流との間に不平衡が生じていることを検出する不平衡検出部とを備え、
   前記不平衡検出部は、
   前記電流検出器により検出された検出値に基づいて直流電流を検出する直流電流検出部と、
   前記直流電流のピーク値を検出するピーク値検出部と、
   前記直流電流のボトム値を検出するボトム値検出部と、
   前記ピーク値と前記ボトム値の差分を検出する差分検出部と、
   前記直流電流のピーク値とボトム値の差分の閾値を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された閾値と、前記差分検出部により検出した差分とを比較する比較部と、
   前記比較部により比較した結果、前記差分検出部により検出した差分が前記設定部により設定された閾値を超えている場合には、アラーム信号を出力する信号出力部とを備えることを特徴とするコンバータ。
2. 前記不平衡検出部は、
   前記電流検出器により検出された検出値に基づいて直流電流を検出する直流電流検出部と、
   前記直流電流検出部により検出した直流電流のリップル周波数を算出するリップル周波数算出部と、
   前記直流電流検出部により検出した直流電流の平均値を算出する平均値算出部と、
   閾値を設定する設定部と、
   リップル周波数算出部により算出した直流電流のリップル周波数が電源電圧周波数の１２倍になっておらず、前記平均値算出部により算出された直流電流の平均値が前記設定部により設定されている閾値を超えている場合には、前記電流検出器により検出された検出値に基づく電流に不平衡が生じていることを検出する電流不平衡検出部と、
   前記電流不平衡検出部により電流の不平衡が検出された場合には、アラーム信号を出力する信号出力部とを備える請求項１記載のコンバータ。
3. 請求項１記載のコンバータと、
   前記コンバータから出力されたアラーム信号が入力されるインバータとを備えることを特徴とする電力変換装置。

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