JP6080714B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置内部の平滑コンデンサの放電時間を短縮できる電力変換装置に適用する。

通常、インバータ装置又はコンバータ装置などの電力変換装置には、装置内部の平滑コンデンサに残留した電荷を放電させるための放電回路が備えられている。この放電回路は、保守などで装置内部を点検・修理する際の人体への感電を防止するためのものである。

この放電回路は、平滑コンデンサの残留電荷を放電し、平滑コンデンサの残留電圧を規定時間（例えば、１０[ｍｉｎ]）内に人体に悪影響を及ぼさない程度の規定の安全電圧（例えば５０[Ｖ]）まで低下させている。上記平滑コンデンサの残留電圧を低下させる方法として外部に設けた放電回路を用いて放電する方法あるいは、残留電圧に応じて放電電流を制限する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−１１２１５６号公報

上述した外部に放電回路を設ける方法は、電力変換装置により制御される電力容量が大容量になるに従い放電電流も大電流になるため、放電回路も大型になるという課題がある。また、特許文献１記載の放電電流制限方法は、定電力放電を行うことにより運転時の電力損失を抑える方法に関するもので、放電時間の短縮を目的としていない。

上述したように、電力変換装置によって制御される電動機の電力容量が大容量の場合には、電力変換装置への直流電源が遮断された場合の平滑コンデンサの残留電荷量も大きな値になり、上述した例の場合のように１０[ｍｉｎ]と長いため、短時間で簡易に放電させる方法が望まれる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、従来から用いられているインバータ回路のスイッチング素子をオン・オフ制御することにより、放電時間を短縮する電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の電力変換装置は、直流電源の供給をオン・オフするスイッチを介して供給された直流電源を平滑する平滑部と、この平滑部を介して供給された直流電源を交流電源に変換する３レベルインバータ部と、を備えた電力変換装置であって、前記平滑部は、前記スイッチを介して供給された直流電源の＋側入力部と基準電位との間に接続された第１の平滑コンデンサ及び前記直流電源の-側入力部と基準電位との間に接続された第２の平滑コンデンサと、前記第１及び第２の平滑コンデンサに並列に接続された第１及び第２の抵抗と、を備え、前記３レベルインバータ部は、前記平滑コンデンサによって平滑された直流電源の＋側入力部から-側入力部に直列に接続された第１、第２、第３及び第４のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続され、かつ、抵抗値が等しい第３及び第４の抵抗と、前記第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子の接続点に接続され、外部に接続された負荷に対して交流電源を供給するためのインバータ出力と、
前記第１乃至第４のスイッチング素子のそれぞれのゲート端子に接続され、当該４個のスイッチング素子のオン・オフを個々に制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記スイッチがオフし、直流電源の供給が遮断されたとき、前記第１及び第４のスイッチング素子をオンし、前記第２及び第３のスイッチング素子をオフすることにより、前記インバータ出力に前記負荷が接続されているか否かに関わらず、前記第１及び第２の平滑コンデンサに充電された電荷を前記第３及び第４の抵抗を介して放電することを特徴とする。

実施例１に係る電力変換装置の回路図。 インバータ部の動作を説明するタイミングチャート。 実施例１に係る放電特性を示す図。 実施例２に係る電力変換装置の回路図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置１００の回路図である。電力変換装置１００は、平滑部１・２、スナバ部３・４、Ｕ相インバータ部１０・Ｖ相インバータ部２０、Ｗ相インバータ部３０及び制御部５０などを有して構成される。

なお、この図１には、当該電力変換装置１００電力を供給するための直流電源Ｐ、当該直流電源Ｐから電力変換装置１００に供給される直流電源をオン・オフするスイッチＳＷ１・ＳＷ２及び電力変換装置の負荷として電動機４０が接続されているものとして説明する。

平滑部1は、平滑コンデンサＣ１（第１の平滑コンデンサ）及このコンデンサＣ１に並列接続されたブリーダ抵抗Ｒ１（第１の抵抗）を有して構成される。スイッチＳＷ１・ＳＷ２がオン時、直流電源Ｐから電力変換装置１００に対して電圧±Ｅ[Ｖ]が供給される。この直流電源Ｐは、整流直後の電源が使用されるため、脈流含んでおり、当該平滑コンデンサＣ１でこの脈流を吸収して平滑にすると共に、負荷変動があった場合に当該コンデンサＣ１から変動電力を負荷に供給することにより電圧を一定に保持する効果がある。

ブリーダ抵抗Ｒ１は、平滑コンデンサＣ１に並列に接続することにより、常時所定の電流を流し、平滑部１の出力が無負荷時あるいは軽負荷時の出力電圧を安定にする効果がある。

スナバ部３は、Ｕ相インバータ部１０のスイッチング素子Ｑ１（第１のスイッチング素子）〜Ｑ４（第４のスイッチング素子）のオン・オフ時のスパイク電圧を吸収する。スパイク電圧は、高周波成分を有しているため、コンデンサＣ１１を通過した後、ダイオードＤ１１及び抵抗Ｒ１１で吸収される。

インバータ部はＵ相インバータ部１０、Ｖ相インバータ部２０及びＷ相インバータ部３０を有して構成される。これらのインバータ部の構成は共通であるため、Ｕ相インバータ１０の構成を説明する。

Ｕ相インバータ部１０は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が、供給される直流電源＋Ｅ、−Ｅの両端に対して直列に接続される。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが使用される。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にはそれぞれ逆並列にダイオードＤ３〜Ｄ６（還流ダイオード）が接続される。また、本実施例に示す３レベルインバータには、各相の出力電圧（この場合Ｕ相）を中性点にクランプするためのクランプダイオードＤ１及びＤ２が接続される。図に示す場合は、スイッチング素子Ｑ２（第２のスイッチング素子）及びＱ３（第３のスイッチング素子）をオンすることによりＵ相の出力電圧（以下、Ｕ相電圧と称する。）Ｖｕを中性点にクランプすることができる。詳細は後述する。

本実施例ではスイッチング素子Ｑ２及びＱ３と並列にそれぞれ抵抗Ｒ３（第３の抵抗）及び抵抗Ｒ４（第４の抵抗）が接続されている。これは、Ｕ相電圧Ｖｕと中性点の間にクランプダイオードＤ１及びＤ２を介して抵抗Ｒ３及びＲ４が接続されたことになり、スイッチング素子故障時などの際のＵ相インバータ出力電圧を安定にしている。

Ｖ相インバータ部２０及びＷ相インバータ部３０もＵ相インバータ部１０と同様であるため、その説明を省略する。

制御部５０は、Ｕ相インバータ部１０、Ｖ相インバータ部２０及びＷ相インバータ部３０を構成する上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート端子と接続され、当該スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフ制御を行う。

図２は、インバータ部（Ｕ相インバータ部１０、Ｖ相インバータ部２０及びＷ相インバータ部３０の総称）の動作を説明するタイミングチャートである。横軸は各相の位相角[ｒａｄ]を示す。Ｑ１〜Ｑ４は、Ｕ相インバータ部１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）状態を示す。スイッチング素子はオン時コレクタ端子とエミッタ端子が導通し、オフ時遮断される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を、図示したタイミングでオン・オフ制御することにより、Ｕ相電圧Ｖｕが得られる。その動作の一例を簡単に説明する。

スイッチング素子Ｑ１オン・Ｑ２オン、Ｑ３オフ、Ｑ４オフの時（例えば、図２のＴ１の時）、Ｕ相電圧Ｖｕは＋Ｅ[Ｖ]が出力される。

スイッチング素子Ｑ１オフ、Ｑ２オン、Ｑ３オン、Ｑ４オフの時（例えば、図２のＴ２の時）Ｕ相電圧Ｖｕは０[Ｖ]が出力される。

スイッチング素子Ｑ１オフ、Ｑ２オフ、Ｑ３オン、Ｑ４オフの時（例えば、図２のＴ３の時）Ｕ相電圧Ｖｕは−Ｅ[Ｖ]が出力される。

スイッチング素子Ｑ１オフ、Ｑ２オン、Ｑ３オン、Ｑ４オフの時（例えば、図２のＴ４の時）Ｕ相電圧Ｖｕは０[Ｖ]が出力される。

スイッチング素子Ｑ１オン・Ｑ２オン、Ｑ３オフ、Ｑ４オフの時（例えば、図２のＴ５の時）Ｕ相電圧Ｖｕは＋Ｅ[Ｖ]が出力される。Ｔ５は1周期後のＴ１と同様であり、以下同様に繰り返して出力される。

以上の説明で明らかなように、３レベルインバータは＋Ｅ[Ｖ]、０[Ｖ]、−Ｅ[Ｖ]の３レベルの電圧を出力する。

制御部５０は、Ｕ相電圧Ｖｕから２π／３遅れたＶ相電圧Ｖｖが出力されるように制御する。

同様に、制御部５０は、Ｖ相電圧Ｖｖからさらに２π／３遅れたＷ相電圧Ｖｗが出力されるように制御する。

また、各相の線間電圧は下式で示される。

Ｕ−Ｖ間の線間電圧Ｖｕｖ： Ｖｕｖ＝Ｖｕ−Ｖｖ・・・・・・（１）
Ｖ−Ｗ間の線間電圧Ｖｖｗ： Ｖｖｗ＝Ｖｖ−Ｖｗ・・・・・・（２）
Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕ： Ｖｗｕ＝Ｖｗ−Ｖｕ・・・・・・（３）
図２から明らかなように、各線間電圧は、最大電圧±２Ｅ[Ｖ]を有する交流電圧が出力される。

ここで、図１を用いて実施例１に係る放電時間を短縮する方法を説明する。

電力変換装置１００が運転時は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２がオン状態になっており、上述したとおり、平滑コンデンサＣ１が充電される。

この状態で、電力変換装置１００のスイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフすると、平滑コンデンサＣ１の電荷は、ブリーダ抵抗Ｒ１を介して図示矢印Ａ１方向に放電する。放電の時定数τ１は下式（４）で示される。

τ１＝Ｃ１・Ｒ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
本実施例では、上記抵抗Ｒ１を介した放電と共に、抵抗Ｒ３及びＲ４を介した放電を行わせるために、制御部５０によってスイッチング素子Ｑ１オン、Ｑ２オフ、Ｑ３オフ、Ｑ４オンにすることにより、平滑コンデンサＣ１に充電された電荷は、コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→抵抗Ｒ３→抵抗Ｒ４→スイッチング素子Ｑ４→コンデンサＣ２の経路を経て放電する。この結果、平滑コンデンサＣ１の電荷を抵抗Ｒ３及びＲ４を介して図示矢印Ａ２方法に放電させることができる。

この時の放電の時定数τ２は、Ｃ１、Ｃ２が直列接続され、かつ、このコンデンサＣ１、Ｃ２に対して抵抗Ｒ３、Ｒ４が直列接続されているので下式（５）及び（６）で示される。

τ２＝（Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２））・（Ｒ３＋Ｒ４）・・（５）
Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ３＝Ｒ４の場合
τ２＝Ｃ１・Ｒ３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
上記（４）式及び（６）式より、コンデンサＣ１に対しては、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ３が並列接続されたものと等価に扱うことができるため、時定数τは、下式（７）で示される。

τ＝Ｃ１・（（Ｒ１・Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ３））・・・・・・（７）
図３は、実施例１に係る放電特性を示す図である。放電電圧Ｖは充電電圧をＶ₀とすると下式（８）で示される。

感電時の安全電圧Ｖ＝５０[ｖ]
充電電圧Ｖ_０＝２４３０[ｖ]
安全電圧に到達するまでの時間（従来時間）ｔａ＝５４３[ｓ]
このときの時定数τａは、上式（８）に数値を代入することにより下式（９）で示される。

本実施例では、上述した抵抗Ｒ３、Ｒ４を介した放電を行うことにより、安全電圧に到達するまでの時間ｔａを２９６[ｓ]にするこができた。このときの時定数τｂは、（９）式のｔｂ＝２９６[ｓ]とすることにより下式（１０）で示される。

τｂ＝２９６/３．８８＝７６．３・・・・・・・・・・（１０）
時定数τでの放電電圧Ｖτは、上記（８）式のｔ＝τのときの放電電圧であるから、下式（１１）で示される。

図３には、上述した各値をプロットしており、従来の放電特性Ａの時定数τａ（=１３９．９）から、上述した抵抗Ｒ３、Ｒ４を介した放電を行うことにより実施例の放電特性Ｂの時定数τｂ（７６．３）にすることができ、結果として、放電時間を安全電圧に到達するまでの時間５４３[ｓ]から２９６[ｓ]に約４５%短縮することができる。

実施例１による放電方法は、インバータ回路に内蔵されている抵抗を使用するため、外部に放電するための設備を必要としないだけでなく、放電時間が短縮されることにより、装置内部の点検・修理の際の感電防止の効果が得られる。

図４は実施例２に係る電力変換装置の回路図である。実施例２は、制御部５０に比較手段５１及び通知手段５２が備えられている。

比較手段５１には、直流電源の＋側入力部Ｎ１、中性点Ｇ及び直流電源の-側入力部Ｎ２が接続される。スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオン状態で直流電源Ｐから電力変換装置１００に直流供給されているときは、当該＋側入力部Ｎ１及び−側入力部Ｎ２には直流電源Ｐの電圧が出力される。この状態で、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフすると直流電源Ｐからの電源供給が遮断されるため、上記＋側入力部Ｎ１には平滑コンデンサＣ１の充電電圧＋Ｅ[ｖ]が出力され、同様に、−側入力部Ｎ２には平滑コンデンサＣ２の充電電圧−Ｅ[ｖ]が出力される。この電圧が制御部５０の比較手段５１に入力される。

比較手段５１は、入力された充電電圧の絶対値が安全電圧として設定された５０[ｖ]を超えるか否か比較する。この比較の結果を通知手段５２に通知する。安全電圧５０[ｖ]を超える場合は、平滑コンデンサは充電された状態であり、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフしている状態であっても、当該平滑コンデンサには電荷が残留しており、人体が直接接触すると危険なことから操作員に対して注意を喚起するのである。

比較手段５１は、コンパレータを用いて入力電圧と設定電圧を比較すればよく、周知の技術で構成することができる。また、通知手段５２は、比較手段５１の結果を受け、操作員に対して表示又は警報などにより通知する。

なお、実施例１で説明した制御部５０によって放電時間を短縮した場合は、上記通知手段による表示時間または警報時間は短縮される。

以上、説明したように実施例２によれば、放電電圧が安全電圧以下に到達したかどうかを目視などで確認できるため、装置内部の点検・修理の際の感電防止の効果が改善される。

Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗
Ｖｕ Ｕ相電圧
Ｖｖ Ｖ相電圧
Ｖｗ Ｗ相電圧
Ｖｕｖ Ｕ−Ｖ間線間電圧
Ｖｖｗ Ｖ−Ｗ間線間電圧
Ｖｗｕ Ｗ−Ｕ間線間電圧
１、２ 平滑部
３、４ スナバ部
１０ Ｕ相インバータ部
２０ Ｖ相インバータ部
３０ Ｗ相インバータ部
４０ 電動機（負荷）
５０ 制御部
１００ 電力変換装置

Claims (2)

1. 直流電源の供給をオン・オフするスイッチを介して供給された直流電源を平滑する平滑部と、この平滑部を介して供給された直流電源を交流電源に変換する３レベルインバータ部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記平滑部は、
   前記スイッチを介して供給された直流電源の＋側入力部と基準電位との間に接続された第１の平滑コンデンサ及び前記直流電源の-側入力部と基準電位との間に接続された第２の平滑コンデンサと、
   前記第１及び第２の平滑コンデンサに並列に接続された第１及び第２の抵抗と、を備え、
   前記３レベルインバータ部は、
   前記平滑コンデンサによって平滑された直流電源の＋側入力部から-側入力部に直列に接続された第１、第２、第３及び第４のスイッチング素子と、
   前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続され、かつ、抵抗値が等しい第３及び第４の抵抗と、
   前記第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子の接続点に接続され、外部に接続された負荷に対して交流電源を供給するためのインバータ出力と、
   前記第１乃至第４のスイッチング素子のそれぞれのゲート端子に接続され、当該４個のスイッチング素子のオン・オフを個々に制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記スイッチがオフし、直流電源の供給が遮断されたとき、前記第１及び第４のスイッチング素子をオンし、前記第２及び第３のスイッチング素子をオフすることにより、前記インバータ出力に前記負荷が接続されているか否かに関わらず、前記第１及び第２の平滑コンデンサに充電された電荷を前記第３及び第４の抵抗を介して放電することを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電源の供給をオン・オフするスイッチを介して供給された直流電源を平滑する平滑部と、この平滑部を介して供給された直流電源を三相交流電源に変換するＵ相３レベルインバータ部、Ｖ相３レベルインバータ部及びＷ相３レベルインバータ部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記平滑部は、
   前記スイッチを介して供給された直流電源の＋側入力部と基準電位との間に接続された第１の平滑コンデンサ及び前記直流電源の-側入力部と基準電位との間に接続された第２の平滑コンデンサと、
   前記第１及び第２の平滑コンデンサに並列に接続された第１及び第２の抵抗と、を備え、
   前記Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各３レベルインバータ部は、
   前記平滑コンデンサによって平滑された直流電源の＋側入力部から-側入力部に直列に接続された第１、第２、第３及び第４のスイッチング素子と、
   前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続され、かつ、抵抗値が等しい第３及び第４の抵抗と、
   前記第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子の接続点に接続され、外部に接続された負荷に対して交流電源を供給するための３レベルインバータ出力と、
   前記第１乃至第４のスイッチング素子のそれぞれのゲート端子に接続され、当該４個のスイッチング素子のオン・オフを個々に制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記スイッチがオフし、直流電源の供給が遮断されたとき、前記各相の前記第１及び第４のスイッチング素子をオンし、前記第２及び第３のスイッチング素子をオフすることにより、前記インバータ出力に前記負荷が接続されているか否かに関わらず、前記第１及び第２の平滑コンデンサに充電された電荷を前記各相の第３及び第４の抵抗を介して放電することを特徴とする電力変換装置。

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