JP6539354B2

JP6539354B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6539354B2
Application number: JP2017551431A
Authority: JP
Inventors: 啓輔田邉; 和茂堀田; 高田　直樹; 直樹高田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN107925359B; EP3379712A4; EP3379712B1; EP3379712A1; WO2017085798A1; CN107925359A; JPWO2017085798A1

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００６―３４０５３２号公報（特許文献１）がある。この公報には、「安価な回路構成でリレーの異常状態を判別することができる突入電流防止回路とそれを備えた電力変換装置を提供する。」の課題に対し、「交流電源１に接続された半導体整流素子郡２と、前記半導体整流素子郡の正出力端子に一端が接続された突入電流防止抵抗３と、前記突入電流防止抵抗３と並列接続されたリレー４と、前記突入電流防止抵抗３の他端に接続された平滑コンデンサ５と、平滑コンデンサ５の端子間電圧を検出する直流母線電圧検出部６と、負荷に流れる電流を検出する負荷電流検出部８と、前記直流母線電圧検出部６と前記負荷電流検出部８の信号を受信する演算部８を備える突入電流防止回路において、前記交流電源の電圧値と交流電源方式、電源周波数、平滑コンデンサ容量、および、直流母線電圧検出部出力信号と負荷電流検出部出力信号より演算した直流母線電圧値と直流母線電圧検出部の出力信号値との比較よりリレーの動作不良を検出する。」の解決手段が記載されている（要約参照）。

特開２００６―３４０５３２号公報

前記特許文献１は、安価な回路構成でリレーの異常状態を判別することができる突入電流防止回路とそれを備えた電力変換装置を提供するという課題に対して、平滑コンデンサの端子間電圧に基づいてリレー回路が正常に動作しているかの判定を行うものである。

ここで、従来から、平滑コンデンサ８の充電完了後にリレーを接触動作させるための接触電圧と、接触動作後に保持するための保持電圧が同じレベルであるリレーが使用されてきた。しかし、近年リレーの小型・大容量化から、接触させるときには大きな電圧を印加し、その後自己発熱を低減させるために電圧を落として必要分の保持力を確保するリレーが提供されている。このリレーは安価で小型というメリットがある一方で、接触させる電圧から保持電圧への遷移が必要となるデメリットがある。これは、電源の異常が発生し、復旧した際にはそれを認識してリレーを動作させないと接触不良を招いてしまうという欠点がある。

従来から使用されてきた突入防止回路は、例えば図５に示す通り、受電対象となる直流電圧が充電レベルに到達した後、リレーに接触電圧を供給するＯＮ指令が実行される。接触電圧と保持電圧のレベルが同じであるため、ＯＮ指令が実行された後リレー電源が喪失し復帰した際、リレーにはＯＮの指令を継続すればよく、リレー電源を監視してリレーの指令をコントロールする必要はなかった。一方、この動作を接触電圧から保持電圧への遷移を必要とするリレーに適用すると、例えば図６に示す通り、リレー電源が復帰した際に保持電圧の指令のままリレーを接触させようとするため、接触不良を招く可能性がある。

そこで、本発明では、突入防止回路において、接触不良を招くことなく、接触時の電圧と保持時の電圧を切り替えるリレーを安全に使用することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、交流電圧を直流電圧に変換する直流変換部と、前記直流変換部に一端が接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続されるリレーと、を備える突入防止回路と、前記抵抗の他端に接続される平滑コンデンサを備える直流平滑部と、前記突入防止回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記リレーを動作させる電源の電圧情報と前記平滑コンデンサ間の電圧情報とに基づいて、前記リレーに接触電圧を印加するか、又は、前記接触電圧よりも小さい保持電圧を印加するか、を決定することを特徴とする電力変換装置である。

本発明によれば、突入防止回路において、接触時の電圧と保持時の電圧を切り替えるリレーを安全に使用することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電力変換装置の構成図の例である。突入防止回路の状態遷移図の例である。実施例１におけるリレー電源の異常状態から正常状態への遷移を検知して初期動作を実行する突入防止回路のタイムチャートの例である。実施例２における平滑コンデンサに印加される直流電圧の異常状態から正常状態への遷移を検知して初期動作を実行する突入防止回路のタイムチャートの例である。従来の突入防止回路動作の例である。接触電圧と保持電圧の遷移が必要なリレーを従来の突入防止回路に適用した際の動作の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、電力変換装置１００に組み込まれたシステムの動作例を説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置１００と交流電動機１０６の構成図の例である。

本実施例では、三相交流電源１０１、直流変換部１０２、直流平滑部１０３、突入防止回路１０４、交流変換部１０５、交流電動機１０６、電圧検出部１０７、平滑コンデンサ電圧状態判断部１０８、電源１０９、電源部１１０、リレー電源状態判断部１１１、リレー励磁制御部１１２、駆動部１１３を有する。

三相交流電源１０１は、例えば電力会社から供給される三相交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、直流変換部１０２に出力する。三相交流電源は単相でも構わない。

直流変換部１０２は、例えばダイオードで構成された直流変換回路やＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた直流変換回路で構成され、三相交流電源１０１から入力された交流電圧を、直流電圧に変換し、直流平滑部１０３に出力する。図１では、ダイオードで構成された直流変換部を示している。

直流平滑部１０３は、平滑コンデンサを備え、直流変換部１０２から入力された直流電圧を平滑化し、交流変換部１０５に直流電圧を出力する。例えば発電機の出力が直流電圧の場合、平滑コンデンサは、直流変換部１０２を介さず、直接発電機から直流電圧を入力されても構わない。

平滑用コンデンサを充電する際、定常通電時の数倍の初期充電電流が流れる。突入防止回路１０４は、その初期充電電流を抑制するための回路であり、抵抗ＲＢと抵抗ＲＢに並列に接続されたリレーＲＹで構成されている。

交流変換部１０５は、例えばＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路で構成され、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換し、交流電動機１０６に出力する。

電圧検出部１０７は、平滑コンデンサ間の電圧情報を検出し、検出された電圧情報を平滑コンデンサ電圧状態判断部１０８へ出力する。

平滑コンデンサ電圧状態判断部１０８は、入力を電圧検出部１０７とし、平滑コンデンサへの充電状態をリレー励磁制御部１１２へ出力する。具体的には、平滑コンデンサ電圧状態判断部１０８は、平滑コンデンサ間の電圧が所定のレベルに達して安定したか否かを判断することで、平滑コンデンサが充電完了状態か否かを判断し、その判断結果をリレー励磁制御部１１２へ出力する。

電源１０９は、例えば電力会社から供給される単相または三相交流電圧や発電機から供給される交流電圧、またはバッテリーや電源装置から供給される直流電圧であり、電源部１１０に出力する。

電源部１１０は、入力を電源１０９とし、リレーＲＹを駆動するための電源を駆動部１１３に出力し、駆動部１１３に出力する電源情報をリレー電源状態判断部１１１に出力する。

リレー電源状態判断部１１１は、入力を電源部１１０とし、リレーＲＹ駆動用電源が正常か異常かをリレー励磁制御部１１２に出力する。具体的には、リレー電源状態判断部１１１は、電源の電圧が所定値以上の場合には正常と判断し、所定値未満の場合には異常と判断し、その判断結果をリレー励磁制御部１１２へ出力する。

リレー励磁制御部１１２は、平滑コンデンサ電圧状態判断部１０８からの平滑コンデンサへの充電状態情報とリレー電源状態判断部１１１からの電源状態情報を入力とし、駆動部１１３へリレーＲＹの制御指令を出力する。リレー励磁制御部１１２は、リレーＲＹの制御指令として、リレーを初期動作させるための接触電圧を印加するか、又は、接触電圧よりも小さい保持電圧を印加するか、を決定する。

駆動部１１３は、電源部１１０からの電源とリレー励磁制御部１１２からのリレーＲＹ制御指令を入力とし、リレーＲＹを動作させる。

図２は、本実施例における突入防止回路の状態遷移図を示す。図３は、突入防止回路を動作させたのちにリレー電源に異常状態が発生し、その後正常状態に移行した場合に、図２の状態遷移図に従い初期動作を行う場合のタイムチャートの例である。図２と図３を用いて、リレー電源の異常状態から正常状態への遷移を検知して初期動作を実行する突入防止回路の例を説明する。

電源供給がなされていない状態（Ｓ３０１）から、直流電圧への電源が供給され、充電動作を開始する。それと並行してＲＹ電源にも電源が供給される。充電完了かつＲＹ電源の正常状態が成立したことにより、ＲＹに接触電圧を供給する指令が実行される（Ｓ３０２）。充電完了またはリレーの正常状態が成立していない状態であればリレーＯＦＦにとどまる（Ｓ３０１）。接触電圧の指令時間ｔ１はリレーごとにバウンスまで考慮した時間を与える必要があるため、指令時間ｔ１が経過したのちリレー指令を保持電圧に遷移させる（Ｓ３０３）。充電完了かつリレー電源の正常状態が成立していれば保持電圧にとどまる（Ｓ３０３）。リレー電源に異常があった際には、例えばリレー指令をＯＦＦする（Ｓ３０１）。なお、電源が復帰した際に、電源電圧と直流電圧の電位差と経路のインピーダンスによって流れる突入電流がその経路において耐えうる場合は、リレーをＯＦＦさせなくてもよい。また、リレーのＯＦＦに関しては、電流が流れている際にリレーをＯＦＦするとサージ電圧が発生し、素子破壊に至ることもあるため、例えば同時に負荷への電力供給を遮断する必要がある。その後、リレー電源が正常状態に移行することにより、充電完了かつリレー電源の正常状態が成立することで接触電圧指令を行い（Ｓ３０２）、正常状態が指令時間ｔ１継続することで保持電圧の指令に遷移する（Ｓ３０３）。

このように本実施例では、リレー指令を保持電圧に遷移させた後、リレー電源が異常状態を経て正常状態に復帰したとき、保持電圧ではなく接触電圧をリレーに印加するようリレー励磁制御部は駆動部を制御する。これにより、接触不良を招くことなく、リレーを安全に使用することが可能となる。

実施例１では、リレー電源の異常状態から正常状態への遷移を検知して初期動作を実行する突入防止回路の例を説明した。本実施例では、リレー電源は正常状態を保ち、平滑コンデンサに印加される直流電圧の異常状態から正常状態への遷移を検知して初期動作を実行する突入防止回路の例を、図２と図４を用いて説明する。

電源供給がなされていない状態（Ｓ３０１）から、直流電圧への電源が供給され、充電動作を開始する。それと並行してＲＹ電源にも電源が供給される。充電完了かつＲＹ電源の正常状態が成立したことにより、ＲＹに接触電圧を供給する指令が実行される（Ｓ３０２）。充電完了またはリレーの正常状態が成立していない状態であればリレーＯＦＦにとどまる（Ｓ３０１）。接触電圧の指令時間ｔ１はリレーごとにバウンスまで考慮した時間を与える必要があるため、指令時間ｔ１が経過したのちリレー指令を保持電圧に遷移させる（Ｓ３０３）。充電完了かつリレー電源の正常状態が成立していれば保持電圧にとどまる（Ｓ３０３）。直流電圧が電源喪失により低下した際、つまり平滑コンデンサが充電完了状態でない状態に遷移した際には、例えばリレー指令をＯＦＦする（Ｓ３０１）。なお、電源が復帰した際に、電源電圧と直流電圧の電位差と経路のインピーダンスによって流れる突入電流がその経路において耐えうる場合は、リレーをＯＦＦさせなくてもよい。また、リレーのＯＦＦに関しては、電流が流れている際にリレーをＯＦＦするとサージ電圧が発生し、素子破壊に至ることもあるため、例えば同時に負荷への電力供給を遮断する必要がある。その後、直流電圧が所定のレベルに達して充電完了状態に移行することにより、充電完了かつリレー電源の正常状態が成立することで接触電圧指令を行い（Ｓ３０２）、正常状態が指令時間ｔ１継続することで保持電圧の指令に遷移する（Ｓ３０３）。

このように本実施例では、リレー指令を保持電圧に遷移させた後、平滑コンデンサが直流電圧の低下を経て充電完了状態に復帰したとき、保持電圧ではなく接触電圧をリレーに印加するようリレー励磁制御部は駆動部を制御する。これにより、接触不良を招くことなく、リレーを安全に使用することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００・・・電力変換装置、１０１・・・三相交流電源、１０２・・・直流変換部、１０３・・・直流平滑部、１０４・・・突入防止回路、１０５・・・交流変換部、１０６・・・交流電動機、１０７・・・電圧検出部、１０８・・・平滑コンデンサ電圧状態判断部、１０９・・・電源、１１０・・・電源部、１１１・・・リレー電源状態判断部、１１２・・・リレー励磁制御部、１１３・・・駆動部

Claims

交流電圧を直流電圧に変換する直流変換部と、
前記直流変換部に一端が接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続されるリレーと、を備える突入防止回路と、
前記抵抗の他端に接続される平滑コンデンサを備える直流平滑部と、
前記突入防止回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記リレーを動作させる電源の電圧情報から、前記電源の状態が正常状態か異常状態かを判断するリレー電源状態判断部と、
前記平滑コンデンサ間の電圧情報から、前記平滑コンデンサが充電完了状態か否かを判断する平滑コンデンサ電圧状態判断部と、
前記リレー電源状態判断部の判断結果、及び、前記平滑コンデンサ電圧状態判断部の判断結果に基づいて、前記リレーをオフにするか、前記リレーに接触電圧を印加するか、又は、保持電圧を印加するか、を決定するリレー励磁制御部と、を有し、
前記リレー励磁制御部は、前記電源の状態が前記正常状態であると判断され、かつ、前記平滑コンデンサが充電完了状態であると判断された場合、前記リレーに前記接触電圧を印加した後、前記保持電圧に遷移させ、
その後、前記電源の状態が前記異常状態であると判断された場合、前記リレーをオフにし、
前記正常状態に移行したとき、前記リレーに前記接触電圧を印加することを特徴とする電力変換装置。
交流電圧を直流電圧に変換する直流変換部と、
前記直流変換部に一端が接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続されるリレーと、を備える突入防止回路と、
前記抵抗の他端に接続される平滑コンデンサを備える直流平滑部と、
前記突入防止回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記リレーを動作させる電源の電圧情報から、前記電源の状態が正常状態か異常状態かを判断するリレー電源状態判断部と、
前記平滑コンデンサ間の電圧情報から、前記平滑コンデンサが充電完了状態か否かを判断する平滑コンデンサ電圧状態判断部と、
前記リレー電源状態判断部の判断結果、及び、前記平滑コンデンサ電圧状態判断部の判断結果に基づいて、前記リレーをオフにするか、前記リレーに接触電圧を印加するか、又は、保持電圧を印加するか、を決定するリレー励磁制御部と、を有し、
前記リレー励磁制御部は、前記電源の状態が前記正常状態であると判断され、かつ、前記平滑コンデンサが充電完了状態であると判断された場合、前記リレーに前記接触電圧を印加した後、前記保持電圧に遷移させ、
その後、前記平滑コンデンサが充電完了状態でないと判断された場合、前記リレーをオフにし、
その後、前記充電完了状態に移行したとき、前記リレーに前記接触電圧を印加することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２において、
前記リレーをオフにすると同時に負荷への電力供給を遮断することを特徴とする電力変換装置。