JP6392181B2 - 電力変換装置の入力保護装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に供給される直流電圧及び直流電流を監視し、当該直流電圧が急変した場合に、電力変換装置に流入する過電流や過電圧から当該電力変換装置を保護する電力変換装置の入力保護装置に関する。

直流を入力する電力変換装置の場合、当該電力変換装置の入力部にはコンデンサ及びチョッパ回路が存在する。

この回路において、直流電圧（入力電圧）の急変など、異常時の場合、電力変換装置へ過電流が流れ、平滑コンデンサに過電圧が発生するため、異常時は、過電流を防止する回路を設けている。

例えば、過電圧又は過電流を検出した場合には、当該過電圧又は過電流に対応する前段インバータのスイッチング素子をオフし、後段に配置した電力変換装置（インバータなど）を保護している（特許文献１参照。）。

特開２０００−３７０８１号公報

しかしながら、上述した特許文献１記載の方法は、過電流が流れた後に過電流が検出されるため、当該過電流によって、インバータ入力に設けられたコンデンサが充電され過電圧を発生し、直流電源に接続された電力変換装置に障害が発生する場合があるという課題があった。

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、直流電源から電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電圧又は直流電流を監視し、当該電力変換装置が過電圧又は過電流を検知する前に直流電源からの電流を制限、又は電力変換装置に供給する直流電流をオフすることにより、当該電力変換装置を過電圧又は過電流から保護することができる電力変換装置の入力保護装置を提供する。

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、直流電源と、この直流電源から供給される直流電力を所定の交流電力に変換する電力変換装置との間に配置され、前記直流電源から前記電力変換装置に供給される直流電圧及び直流電流から前記電力変換装置を保護する入力保護装置であって、前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電圧を監視する電圧監視手段と、前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電流を監視する電流監視手段と、前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路間に配置され、当該電路間の電流をオン／オフ制御又は当該電路間の電流を制御するスイッチング手段と、前記電圧監視手段、前記電流監視手段及び前記スイッチング手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電圧を監視する前記電圧監視手段が、当該監視する直流電圧の上昇の変化量が、許容範囲を超えたのを検知した場合、前記スイッチング手段を制御して前記電力変換装置に供給する電流を絞ることを特徴とする。

この発明によれば、電圧又は電流の急変など異常が発生した場合であっても、電力変換装置へ供給する直流電源の過電圧又は過電流を防止することができるのみならず、電力変換装置で当該直流電源の過電圧又は過電流を検出する前に本発明に係る電力変換装置の保護装置が事前に検出し、適切な処理を行うことにより、電力変換装置の継続稼働を可能にする電力変換装置の入力保護装置を提供することができる。

実施例１に係る直流電源部、入力保護装置を備えた電力変換装置、電動機及び制御部の構成図。 図１に係る電力変換装置の入力保護装置の構成図。

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、実施例１に係る直流電源部１０、入力保護装置１２０を備えた電力変換装置１００、電動機５０及び制御部６０の構成図である。

直流電源部１０は、直流電源Ｅ１、直流電源Ｅ２及びスイッチＳＷ１などを有して構成される。

直流電源には、Ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ：正）相、及び接地相Ｃが設けられており、各相間に所定の電圧が出力される。図示した例では、Ｃ相―Ｐ相間（以下、Ｃ―Ｐ間と称する。）にそれぞれ直流電圧＋Ｅ（Ｖ）が供給された場合を示す。

電力変換装置１００は、入力ＢＵＳ部１１０、入力保護装置１２０、インバータ部１３０などを有して構成される。電力変換装置１００が複数用いられる場合は、これらを一体に構成したユニットが盤（ラック）に組み込み又は取り外し可能な形態にして用いられる。上記電力変換装置１００をユニットにして盤に組み込んだ状態をスタックユニットと称する場合がある。

入力ＢＵＳ部１１０は、入力側断路ＢＵＳ１５ａ・１５ｂ・１５ｃ及びヒューズ１６ａ・１６ｂ・１６ｃを有して構成される。本実施例ではこの構成を用いているが、必ずしもこの構成に特定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で、変形された構成も実施例として採用される場合がある。

インバータ部１３０の出力電圧Ｖは、出力端子１３３に出力される。出力端子１３３は、出力ＢＵＳ（出力側断路ＢＵＳ）１８に接続される。

出力ＢＵＳ１８は、負荷としての電動機５０の電源供給端子に接続され、電動機５０を起動するのに必要な電力が供給される。

制御部６０は、ゲート制御端子６１を備えている。

制御部６０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調方式に基づくゲートパターンを生成し、当該ゲートパターンをゲート制御端子６１に出力する。

ゲート制御端子６１は、インバータ部１３０のゲート入力端子１３４に接続されており、上記ゲートパターンは、ゲート信号６２としてインバータ部１３０を構成するスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４、スイッチング手段）のゲート端子に入力される。

インバータ部１３０は、当該インバータ部１３０を構成するスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）のゲート端子に入力されたゲートパターンに基づいて、当該インバータ部１３０に供給された直流電圧をオン／オフ制御し、所望の出力電圧Ｖを生成する。

電動機５０は、上記インバータ部１３０から出力された出力電圧Ｖの供給を受け、起動する。

図２は、本実施例に係る入力保護装置１２０の構成図である。本実施例では、２個の直流電源Ｅ１及びＥ２に対し、２個の入力保護部１２０ａ・１２０ｂ、電流検出器１２７、ＧＡＴＥ制御部１２８及び直流電源出力端子１２９ａ〜１２９ｃ等が設けられている。

入力保護部１２０ａは、スイッチＳＷ２、電圧検出器１２１、スイッチング素子（スイッチング手段）Ｑ１０及びダイオードＤ１０、リアクトル１２３、ダイオードＤ１１、並びにＧＡＴＥ１（１２２）などで構成されている。

直流電源Ｅ１の＋端子（Ｐ相）は、スイッチＳＷ２の一端に接続されており、直流電源Ｅ１から出力された直流電圧＋Ｅ（Ｖ）は、スイッチＳＷ２の一端に供給される。

スイッチＳＷ２の他端は、スイッチング素子Ｑ１０のコレクタに接続され、スイッチング素子Ｑ１０のエミッタは、リアクトル１２３の一端に接続される。

リアクトル１２３の他端は、ダイオードＤ１１のアノードに接続され、ダイオードＤ１１のカソードは、電力変換装置１３０に直流電力を供給する電路上の直流電源出力端子１２９ａに接続され、ダイオードＤ１１は、電力変換装置１３０に直流電力を供給する電路に対して順方向に配置される。なお、スイッチＳＷ２は、遮断器又は電磁継電器などで構成される。

後述するダイオードＤ１３のカソードも同様に電力変換装置１３０に直流電力を供給する電路上の直流電源出力端子１２９ａに接続され、ダイオードＤ１３は、電力変換装置１３０に直流電圧を供給する電路に対して順方向に接続される。このダイオードＤ１３によって順方向に直流電力が供給される。

ダイオードＤ１１及びＤ１３は、当該電路に対してＯＲ回路（論理和算出手段）を形成しており、何れか一方に供給された直流電圧は当該電路を経て電力変換装置１３０に供給される。

従って、スイッチＳＷ２が閉、かつ、スイッチング素子Ｑ１０がオン状態の場合、直流電源Ｅ１から出力された直流電圧は、上記電路に出力される。また、スイッチＳＷ３が閉、かつ、スイッチング素子Ｑ１１がオン状態の場合、直流電源Ｅ２から出力された直流電圧は、同様に上記電路に出力される。

上記スイッチング素子Ｑ１０は、直流電源Ｅ１から電力変換装置１３０に直流電力を供給する電路の電流をオン／オフ制御する。なお、スイッチング素子Ｑ１０は、さらに、当該電路間の電流を制御する。

直流電源出力端子１２９ａには、入力保護部１２０ａで保護された直流電源が出力される。直流電源出力端子１２９ａは、直流電源出力端子１２９ｂに接続される。直流出力端子１２９ｂは、電力変換装置１３０の直流電源入力端子１３１に接続される。

スイッチング素子（スイッチング手段）Ｑ１０は、オン時、一方の直流電源Ｅ１を直流電源出力端子１２９ａに出力し、オフ時、当該直流電源Ｅ１が直流電源出力端子１２９ａに出力されるのを遮断する。

スイッチング素子Ｑ１０には、逆並列にダイオード（還流ダイオード）Ｄ１０が接続されている。これは、スイッチング素子Ｑ１０のエミッタ端子には、リアクトル１２３が接続されており、スイッチング素子Ｑ１０オフ時に、逆起電力によるサージ電流が流れて負荷（電力変換装置１３０）に供給する直流電圧に影響するのを防止するために当該サージ電流を電源側に還流する。

ＧＡＴＥ１（１２２）の出力信号は、スイッチング素子Ｑ１０のゲート端子に接続され、当該スイッチング素子Ｑ１０をオン／オフ制御する。

電圧検出回路１２１は、直流電源Ｅ１の電圧を監視する。直流電源Ｅ１の電圧が許容値を超えて変化した場合には、電圧の急変信号が、ＧＡＴＥ制御部１２８に送信される。

入力保護部１２０ｂは、入力保護部１２０ａ同様に構成されている。

直流電源Ｅ２の＋端子は、スイッチＳＷ３の一端に接続されており、直流電源Ｅ２から出力された直流電圧＋Ｅ（Ｖ）は、スイッチＳＷ３の一端に供給される。

スイッチＳＷ３の他端は、スイッチング素子Ｑ１１のコレクタに接続され、スイッチング素子Ｑ１１のエミッタはリアクトル１２６の一端に接続され、当該リアクトル１２６の他端は、ダイオードＤ１３のアノードに接続される。なお、スイッチＳＷ３は、遮断器又は電磁継電器などで構成される。

当該ダイオードＤ１３のカソードは、直流電源出力端子１２９ａに接続される。

スイッチング素子Ｑ１１は、オン時、一方の直流電源Ｅ２を直流電源出力端子１２９ａに出力し、オフ時、一方の直流電源Ｅ２が直流電源出力端子１２９ａに出力されるのを遮断する。

スイッチング素子Ｑ１１には、逆並列にダイオード（還流ダイオード）Ｄ１２が接続されている。これは、スイッチング素子Ｑ１１のエミッタ端子には、リアクトル１２６が接続されており、スイッチング素子Ｑ１１オフ時に、逆起電力によるサージ電流が流れて負荷（電力変換装置１３０）に供給する直流電圧に影響するのを防止するために当該サージ電流を電源側に還流する。

ＧＡＴＥ２（１２５）の出力信号は、スイッチング素子Ｑ１１のゲート端子に接続され、当該スイッチング素子Ｑ１１をオン／オフ制御する。

電圧検出回路（電圧監視手段）１２４は、直流電源Ｅ２の電圧を監視する。直流電源Ｅ２の電圧が許容値を超えて変化した場合には、電圧の急変信号が、ＧＡＴＥ制御部１２８に送信される。

電流検出器（電流監視手段）１２７は、直流電源Ｅ１又はＥ２からの電流を監視する。

ＧＡＴＥ制御部１２８は、電圧検出回路（直流電圧監視手段）１２１からの電圧急変信号による過電流検出信号を受信した場合には、上記スイッチＳＷ２又はＧＡＴＥ１（１２２）を制御することができる。

また、ＧＡＴＥ制御部１２８は、電圧検出回路１２４からの電圧急変信号による過電流検出信号を受信した場合には、上記スイッチＳＷ３又はＧＡＴＥ２（１２５）を制御することができる。

さらに、ＧＡＴＥ制御部１２８は、電流検出器１２７が過電流を検出した場合には、上記スイッチＳＷ３又はＧＡＴＥ２（１２５）を制御することができる。

次に、上述した構成部品・装置を用いた本実施例に係る入力保護装置の動作を説明する。

（１）電圧急変時
電圧検出回路（電圧監視手段）１２１は、直流電源Ｅ１の電圧を監視する。この監視の結果、電圧の上昇を検知した場合、電圧上昇の変化量が許容範囲を超えた場合、
ａ．当該電圧の変化量の大きさによってＧＡＴＥ１（１２２）を制御し、電流を絞る。

ｂ．当該電圧の変化量の大きさによってＧＡＴＥ１（１２２）にオフ信号を送信し、ＧＡＴＥ２（１２５）にオン信号を送信する。この結果、スイッチング素子Ｑ１０はオンからオフに変更され、同時に、スイッチング素子Ｑ１１はオフからオンに変更され、電力変換装置１３０に供給する直流電源は直流電源Ｅ１から直流電源Ｅ２に変更される。

（２）電流急変時
電流検出器（電流監視手段）１２７は、電流を監視する。この監視の結果、過電流を検知した場合、
ａ．ＧＡＴＥ制御部１２８は、使用されている直流電源（例えば直流電源Ｅ１）のＧＡＴＥ１（１２２）を制御し、電流を絞る。

ｂ．過電流の変化が速い場合は、電流の変化を抑えるためにリアクトル１２３、１２６を設け、電流変化を抑えると共に、当該電流検出器１２７で検出した過電流に基づき、電力変換装置１３０が過電流を検出する前に直流電源Ｅ１から直流電源Ｅ２に切り替える。

（３）初期充電回路
電力変換装置を投入する際、ＧＡＴＥ制御部１２８は、使用されている直流電源（直流電源Ｅ１）のＧＡＴＥ１（１２２）を制御し、所定の時間、電流を絞った（電流を制限した）状態で電力変換装置１３０に電力を供給する。このようにすることにより、電力変換装置１３０の入力部に設けられた平滑コンデンサ（図示しない）に対する初期充電電流を制限した状態で電力変換装置１３０に電力を供給することができる。

上記所定の時間が経過した場合には、当該所定の時間経過後、ＧＡＴＥ１（１２２）の制御による電流制限は解除し、当該電力変換装置１３０に電力を供給する。

（４）スイッチＳＷ２、ＳＷ３
ＧＡＴＥ制御部１２８は、上記（１）電圧急変時及び（２）電流急変時には、スイッチＳＷ２又はスイッチＳＷ３をオン／オフ制御し、電圧急変時又は電流急変時に異常状態を示す直流電源Ｅ１又はＥ２の電圧を電力変換装置１３０に供給しないようにする。

以上説明したように、本発明によれば、電圧又は電流の急変など異常が発生した場合であっても、電力変換装置へ供給する長躯流電源の過電圧又は過電流を防止することができる。また、電力変換装置で当該直流電源の過電圧又は過電流を検出する前に本発明に係る電力変換装置の保護装置が当該過電圧又は過電流を事前に検出し、適切な処理を行うことにより、電力変換装置の継続稼働を可能にする電力変換装置の保護装置を提供することができる。

Ｅ１、Ｅ２ 直流電源
Ｄ１０〜Ｄ１３ ダイオード
ＤＦ１〜ＤＦ４ 還流ダイオード
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｑ１０〜Ｑ１１ スイッチング素子
ＳＷ２、ＳＷ３ スイッチ
１０ 直流電源部
１８ 出力ＢＵＳ
５０ 電動機
６０ 制御部
６１ ゲート制御端子
６２ ゲート信号
１００ 電力変換装置
１１０ 入力ＢＵＳ部
１２０ 入力保護装置
１２０ａ、１２０ｂ 入力保護部
１２１、１２４ 電圧検出器
１２２ ＧＡＴＥ１
１２３、１２６ リアクトル
１２５ ＧＡＴＥ２
１２７ 電流検出器
１２８ ＧＡＴＥ制御部
１２０ａ 直流電源出力端子
１３０ インバータ部
１３３ 出力端子
１３４ ゲート入力端子

Claims (3)

1. 直流電源と、この直流電源から供給される直流電力を所定の交流電力に変換する電力変換装置との間に配置され、前記直流電源から前記電力変換装置に供給される直流電圧及び直流電流から前記電力変換装置を保護する入力保護装置であって、
   前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電圧を監視する電圧監視手段と、
   前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電流を監視する電流監視手段と、
   前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路間に配置され、当該電路間の電流をオン／オフ制御又は当該電路間の電流を制御するスイッチング手段と、
   前記電圧監視手段、前記電流監視手段及び前記スイッチング手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路の直流電圧を監視する前記電圧監視手段が、当該監視する直流電圧の上昇の変化量が、許容範囲を超えたのを検知した場合、前記スイッチング手段を制御して前記電力変換装置に供給する電流を絞ることを特徴とする電力変換装置の入力保護装置。
2. 複数の直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路に対して、前記複数の直流電源から出力される直流電圧の論理和を算出する論理和算出手段と、
   前記複数の直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する複数の電路間に配置され、当該電路間の電力供給をオン／オフ制御又は当該電路間の電流を制御する複数のスイッチング手段と、前記複数の電路の直流電圧を監視する複数の電圧監視手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記複数の電圧監視手段の何れかの電圧監視手段が、当該監視する直流電圧の上昇の変化量が、許容範囲を超えたのを検知した場合、当該許容範囲を超えた電路間に配置された前記スイッチング手段を制御して当該電力変換装置に電力供給する電路をオフし、他の直流電源から電力供給する電路の１つをオンすることにより、
   前記論理和算出手段で算出された直流電圧を前記電力変換装置に供給することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の入力保護装置。
3. 複数の直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する電路に対して、前記複数の直流電源から出力される直流電圧の論理和を算出する論理和算出手段と、
   前記複数の直流電源から前記電力変換装置に直流電力を供給する複数の電路間に配置され、当該電路の電力供給をオン／オフ制御又は当該電路の電流を制御する複数のスイッチング手段と、
   前記論理和算出手段によって算出された直流電力を当該電力変換装置に供給する電路の直流電流を監視する電流監視手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記電流監視手段が過電流を検知した際、当該使用されている直流電源から直流電力を供給する電路間に配置された前記スイッチング手段を制御して当該電力変換装置に供給する電路をオフし、他の直流電源から直流電力を供給する電路の１つをオンすることにより、
   前記論理和算出手段で算出された直流電圧を前記電力変換装置に供給することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の入力保護装置。