JP7410632B2

JP7410632B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7410632B2
Application number: JP2021024886A
Authority: JP
Inventors: 歩夢常盤; 航平柏木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2024-01-10
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: JP2022126987A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

発電機や電動機といった回転機と、回転機を駆動する電力変換装置と、を備えた回転機駆動システムが知られている。電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して回転機に供給することにより、回転機を駆動する変換器と、変換器の動作を制御する制御部と、を備える。こうした回転機駆動システムにおいて、何らかの事故が生じ、電力変換装置が保護停止すると、回転機からのエネルギーの流入により、過電圧となり、回転機及び電力変換装置の故障につながってしまう可能性がある。

例えば、回転体は、慣性（イナーシャ）があるので、ダイオード整流などを介して電力変換装置へとエネルギーが流入する。また、巻線型の誘導機の一次回路で地絡や短絡事故が発生すると、二次回路に過大な電圧が発生する。

このように、何らかの事故が生じ、電力変換装置が保護停止すると、上記の要因などにより、回転機及び電力変換装置において、過電圧による故障が発生する可能性がある。また、この過電圧に耐えるように回転機及び電力変換装置を設計すると、回転機及び電力変換装置が大きくなってしまう。

こうした過電圧の対策として、電力変換装置において、変換器と並列に過電圧保護回路を接続することが提案されている。過電圧保護回路は、回転機と変換器との間の交流電力線に接続され、過電圧の検出に応じて交流電力線の線間を短絡させることにより、過電圧を抑制し、回転機及び電力変換装置を過電圧から保護する。これにより、回転機及び電力変換装置の絶縁設計を最適化し、回転機及び電力変換装置の大型化を抑制することができる。

しかしながら、過電圧保護回路は、回転機の短絡電流に耐える必要があるため、大きな電流容量が必要である。このため、過電圧保護回路を設ける構成では、過電圧保護回路による電力変換装置全体の大型化や製造コストの増加を招いてしまう可能性がある。

さらに、電力変換装置の寿命内に過電圧保護回路が動作することは、稀であり、使用頻度の低い回路のために装置全体の大型化やコスト増を招いてしまうことは、費用対効果の面において効率が悪い。このため、電力変換装置では、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できるようにすることが望まれる。

特開平７－１１１７３０号公報

本発明の実施形態は、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、回転機に交流電力を供給する電力変換装置であって、電荷蓄積素子に接続されるとともに、交流電力線を介して前記回転機と接続され、前記電荷蓄積素子から供給された直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記回転機に供給する変換器と、前記変換器による電力変換の動作を制御する制御部と、前記変換器の過電圧を検出し、検出結果を前記制御部に入力する過電圧検出回路と、前記交流電力線に接続され、前記交流電力線の線間を短絡させた保護状態と、前記交流電力線の線間の短絡を解消した通常状態と、を切り替える過電圧保護回路と、を備え、前記変換器は、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電力の変換を行い、前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子を有し、前記一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、前記一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替え、前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御することにより、前記変換器による電力変換の動作を制御するとともに、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御し、前記制御部は、前記過電圧保護回路の前記保護状態と前記通常状態との切り替えを制御し、通常動作においては、前記過電圧保護回路を前記通常状態とし、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御するとともに、前記過電圧保護回路を前記通常状態から前記保護状態に切り替え、前記過電圧保護回路の電流容量は、事故時の最大電流に耐える電流容量よりも小さい電力変換装置が提供される。

より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制できる電力変換装置が提供される。

実施形態に係る回転機駆動システムを模式的に表すブロック図である。実施形態に係る変換器の一例を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る回転機駆動システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、回転機駆動システム２は、回転機４と、電力変換装置１０と、を備える。

回転機４は、電力変換装置１０からの交流電力の供給によって回転子を回転させる。回転機４は、例えば、同期電動機や誘導機などである。回転機４は、これらに限ることなく、交流電力の供給によって回転子を回転させることができる任意の電動機や発電機などでよい。

電力変換装置１０は、変換器１２と、電荷蓄積素子１４と、制御部１６と、過電圧検出回路１８と、を備える。電力変換装置１０は、回転機４に交流電力を供給する。

変換器１２は、回転機４及び電荷蓄積素子１４と接続されている。電荷蓄積素子１４は、変換器１２に直流電力を供給する。電荷蓄積素子１４は、例えば、コンデンサである。但し、電荷蓄積素子１４は、変換器１２に直流電力を供給可能な任意の素子でよい。

変換器１２は、交流電力線２１～２３を介して回転機４と接続されている。なお、図１では、便宜的に、交流電力線２１～２３のインダクタンス成分をインダクタンス成分２１Ｌ～２３Ｌとして図示している。また、事故時電流を抑制するために、交流電力線２１～２３の経路上に交流リアクトルを設けてもよい。事故時に変換器１２に流入する電流は、交流電力線２１～２３の相電流をＩ、相電圧をＶ、交流電力線２１～２３のインダクタンスをＬとする時、Ｉ＝Ｖ／（ωＬ）の式により、導出することができる。交流リアクトルを設けた場合、交流電力線２１～２３のインダクタンスＬは、電力線の寄生インダクタンスと交流リアクトルのインダクタンスとの合計のインダクタンスである。交流電力線２１～２３のインダクタンスＬ（交流リアクトルのインダクタンス）を大きくすると事故時の電流を抑制することができるが、定常運転時のインダクタンスＬでの電圧降下も大きくなり、変換器容量が増加してしまう。このため、交流リアクトルを設ける場合には、事故時電流の大きさや定常運転時の状態などを考慮し、インダクタンスを適切に設定する必要がある。

変換器１２は、電荷蓄積素子１４から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を交流電力線２１～２３を介して回転機４に供給することにより、回転機４の回転子を回転駆動する。変換器１２は、例えば、電荷蓄積素子１４から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を回転機４に供給する。但し、変換器１２から回転機４に供給する交流電力は、三相交流電力に限ることなく、単相交流電力などでもよい。この場合、交流電力線の数は、２本でよい。

また、変換器１２は、例えば、回転機４側から流入する交流電力を直流電力に変換し、直流電力を電荷蓄積素子１４に供給することにより、電荷蓄積素子１４を充電する。但し、変換器１２は、少なくとも回転機４に交流電力を供給可能に構成されていればよい。電荷蓄積素子１４は、例えば、充電回路や別の直流回路などからの直流電力の供給によって充電してもよい。

制御部１６は、変換器１２と接続されている。制御部１６は、変換器１２による電力変換の動作を制御する。制御部１６は、例えば、ネットワークなどを介して上位のコントローラと接続され、通常動作においては、上位のコントローラから入力される制御信号に基づいて変換器１２の動作を制御する。これにより、制御部１６は、例えば、制御信号に応じた回転数で、回転機４の回転子を回転させる。制御部１６の構成は、これに限ることなく、例えば、内部に予め設定された情報に基づいて変換器１２の動作及び回転機４の回転子の回転を制御する構成でもよいし、制御部１６に接続された操作部などから入力される指令に基づいて変換器１２の動作及び回転機４の回転子の回転を制御する構成などでもよい。制御部１６の構成は、変換器１２による電力変換の動作を制御可能な任意の構成でよい。

過電圧検出回路１８は、変換器１２の過電圧を検出する。過電圧検出回路１８は、例えば、変換器１２と回転機４との間の交流電力線２１～２３に接続され、交流電力線２１～２３の線間電圧を検出する。換言すれば、過電圧検出回路１８は、変換器１２から回転機４に供給される交流電力の線間電圧を検出する。過電圧検出回路１８は、検出した線間電圧が所定の閾値以上である場合に、変換器１２の過電圧を検出する。過電圧検出回路１８は、変換器１２から回転機４に供給される交流電力が三相交流電力である場合には、各相のそれぞれに対応する３つの線間電圧を検出し、３つの線間電圧のいずれか１つでも閾値以上となった場合に、変換器１２の過電圧を検出する。過電圧検出回路１８は、制御部１６と接続されている。過電圧検出回路１８は、過電圧の検出結果を制御部１６に入力する。

図２は、実施形態に係る変換器の一例を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、変換器１２は、複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６と、複数の整流素子Ｄ１～Ｄ６と、を有する。

変換器１２は、例えば、三相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６を有する。変換器１２は、例えば、２レベル変換器である。変換器１２は、複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のスイッチングにより、電力の変換を行う。

スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子（自己消弧素子）が用いられる。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６は、例えば、一対の主端子と、制御端子と、を有する。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６は、制御端子の電圧により、一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替える。

スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６の制御端子は、制御部１６に接続されている。これにより、制御部１６の制御によってスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のスイッチングが制御される。制御部１６は、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のオン状態とオフ状態との切り替えを制御することにより、変換器１２による電力変換の動作を制御する。

複数の整流素子Ｄ１～Ｄ６のそれぞれは、複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれに逆並列に接続されている。整流素子Ｄ１～Ｄ６は、より詳しくは、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子Ｄ１～Ｄ６の順方向は、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。整流素子Ｄ１～Ｄ６は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子Ｄ１～Ｄ６は、ダイオードに限ることなく、一方向のみに電流を流すことが可能な任意の素子でよい。

このように、整流素子Ｄ１～Ｄ６が、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６に対して逆並列に接続されている場合には、変換器１２を保護停止し、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６をオフ状態とした際に、回転機４から整流素子Ｄ１～Ｄ６を介して電荷蓄積素子１４にエネルギーが流入し、電荷蓄積素子１４の電圧、及び交流電力線２１～２３の線間電圧が過電圧となってしまう可能性がある。こうした過電圧は、回転機４や変換器１２の故障の要因となってしまう。

このため、制御部１６は、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６をオフ状態とした後、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線２１～２３の線間を短絡させるように、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。

例えば、図２に表した２レベル変換器の構成の場合には、制御部１６は、上アームのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５をオン状態とし、下アームのスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６をオフ状態とする。これにより、交流電力線２１～２３の各線間を短絡させることができる。

図２では、一例として、交流電力線２１から変換器１２に流入した電流Ｃ１が、整流素子Ｄ１及びオン状態のスイッチング素子ＳＷ５を介して交流電力線２３に流れる状態を表している。換言すれば、整流素子Ｄ１及びオン状態のスイッチング素子ＳＷ５によって、交流電力線２１と交流電力線２３とが短絡した状態を表している。

なお、図２に表した２レベル変換器の構成の場合には、上記と反対に、上アームのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５をオフ状態とし、下アームのスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６をオン状態とすることによっても、交流電力線２１～２３の各線間を短絡させることができる。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、制御部１６が、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６をオフ状態とした後、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線２１～２３の線間を短絡させるように、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。これにより、回転機４から電荷蓄積素子１４へのエネルギーの流入を抑制し、電荷蓄積素子１４の電圧や交流電力線２１～２３の線間電圧の過電圧に起因する回転機４や変換器１２の故障を抑制することができる。

そして、電力変換装置１０の構成では、回転機４の短絡電流に耐える過電圧保護回路などを変換器１２と別に設ける必要がない。換言すれば、電力変換装置１０では、変換器１２が、過電圧保護動作を兼ねて回転機４の短絡電流を負担する。これにより、電力変換装置１０では、過電圧保護回路などを別途設ける構成と比べて、装置の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。従って、本実施形態に係る電力変換装置１０では、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制することができる。

図３は、実施形態に係る変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、この例では、変換器１２が、複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２と、複数の整流素子Ｄ１１～Ｄ２２と、複数の整流素子Ｄ３１～Ｄ３６と、を有する。なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。

変換器１２は、３つの交流端子Ａ１～Ａ３を有し、交流端子Ａ１～Ａ３を介して交流電力線２１～２３及び回転機４と接続される。例えば、変換器１２から回転機４に供給する交流電力が単相交流電力である場合には、変換器１２は、２つの交流端子を有する。このように、変換器１２は、出力する交流電力に応じた複数の交流端子を有する。

複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２は、三相ブリッジ接続されている。複数の整流素子Ｄ１１～Ｄ２２のそれぞれは、複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２のそれぞれに逆並列に接続されている。

また、この例では、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２の各レグの両端が、直流接続点となる。この電力変換装置１０では、変換器１２の直流接続点の間に直列に接続された２つの電荷蓄積素子１４が設けられ、２つの電荷蓄積素子１４の接続点が、中性点ＮＰとなる。

変換器１２は、ブリッジ型であり、６つのアームを有する。各交流端子Ａ１～Ａ３に接続される各相のアームのそれぞれの構成は、実質的に同じである。従って、ここでは、例示として交流端子Ａ１に接続される上アーム及び下アームの２つのアームについて説明する。

上アームは、直列に接続された２つのスイッチング素子ＳＷ１１、ＳＷ１２と、これらのスイッチング素子ＳＷ１１、ＳＷ１２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子Ｄ１１、Ｄ１２と、各スイッチング素子ＳＷ１１、ＳＷ１２の直列接続点と中性点ＮＰとの間に接続された整流素子Ｄ３１と、を有する。

同様に、下アームは、直列に接続された２つのスイッチング素子ＳＷ１３、ＳＷ１４と、これらのスイッチング素子ＳＷ１３、ＳＷ１４のそれぞれに逆並列に接続された整流素子Ｄ１３、Ｄ１４と、各スイッチング素子ＳＷ１３、ＳＷ１４の直列接続点と中性点ＮＰとの間に接続された整流素子Ｄ３２と、を有する。

上アーム及び下アームは、一対の直流接続点の間に直列に接続され、上アーム及び下アームの直列接続点（交流端子Ａ１）が交流電力線２１に接続される。上アームの２つのスイッチング素子ＳＷ１１、ＳＷ１２の直列接続点の電位は、整流素子Ｄ３１を介して中性点ＮＰの電位にクランプされる。同様に、下アームの２つのスイッチング素子ＳＷ１３、ＳＷ１４の直列接続点の電位は、整流素子Ｄ３２を介して中性点ＮＰの電位にクランプされる。各整流素子Ｄ１１～Ｄ１４は、いわゆる還流ダイオードである。各整流素子Ｄ３１、Ｄ３２は、いわゆるクランプダイオードである。

この変換器１２では、各スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２のスイッチングに応じて、交流端子Ａ１～Ａ３の電位が、正電位、負電位、及び中性点電位の３レベルのいずれかの電位にクランプされる。この変換器１２は、いわゆる中性点クランプ（ＮＰＣ：Neutral-Point-Clamped）型の変換器である。

図３に表した３レベルＮＰＣ変換器の構成の場合には、制御部１６は、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ２２をオフ状態とした後、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、内側のスイッチング素子ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１７、ＳＷ２０、ＳＷ２１をオン状態とし、外側のスイッチング素子ＳＷ１１、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１８、ＳＷ１９、ＳＷ２２をオフ状態とする。これにより、交流電力線２１～２３の各線間を短絡させることができる。

図３では、一例として、交流電力線２１から変換器１２に流入した電流Ｃ２が、スイッチング素子ＳＷ１３、整流素子Ｄ３２、Ｄ３３、及びスイッチング素子ＳＷ１６を介して交流電力線２２に流れる状態を表している。換言すれば、スイッチング素子ＳＷ１３、整流素子Ｄ３２、Ｄ３３、及びスイッチング素子ＳＷ１６によって、交流電力線２１と交流電力線２２とが短絡した状態を表している。

このように、変換器１２の構成は、２レベル変換器の構成でもよいし、３レベルＮＰＣ変換器の構成などでもよい。変換器１２の構成は、複数のスイッチング素子と、逆並列に接続された複数の整流素子と、を少なくとも有し、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電力の変換が可能であるとともに、複数のスイッチング素子のスイッチングによって交流電力線２１～２３の各線間を短絡させることが可能な任意の構成でよい。

図４は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図４に表したように、電力変換装置１０ａは、過電圧保護回路３０をさらに備える。過電圧保護回路３０は、配線３１～３３を介して交流電力線２１～２３と接続されている。配線３１は、交流電力線２１と接続されている。配線３２は、交流電力線２２と接続されている。配線３３は、交流電力線２３と接続されている。過電圧保護回路３０は、換言すれば、変換器１２と並列に接続されている。

過電圧保護回路３０は、交流電力線２１～２３の各線間を短絡させた保護状態と、交流電力線２１～２３の各線間の短絡を解消した通常状態と、を切り替える。過電圧保護回路３０は、例えば、内部にスイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより、保護状態と通常状態とを切り替える。

過電圧保護回路３０は、制御部１６と接続されている。過電圧保護回路３０は、制御部１６の制御に基づいて、保護状態と通常状態とを切り替える。

制御部１６は、通常動作においては、過電圧保護回路３０を通常状態とし、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、過電圧保護回路３０を保護状態する。制御部１６は、変換器１２の複数のスイッチング素子をオフ状態とした後、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線２１～２３の線間を短絡させるように、変換器１２の複数のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御するとともに、過電圧保護回路３０を通常状態から保護状態に切り替える。

このように、過電圧保護回路３０をさらに設けることにより、変換器１２及び過電圧保護回路３０で過電圧保護動作を行い、回転機４の短絡電流を変換器１２と過電圧保護回路３０とで分担するようにしてもよい。

この場合には、過電圧保護回路３０のみで過電圧保護動作を行う場合と比べて、過電圧保護回路３０の電流容量を小さくすることができ、過電圧保護回路３０の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。従って、電力変換装置１０ａの構成においても、より簡単な構成で、過電圧による故障を抑制することができる。

例えば、変換器１２の電流容量を通常動作において必要な電流容量に設定した状態で、過電圧保護回路３０のみで過電圧保護動作を行う場合には、過電圧保護回路３０の電流容量を事故時の最大電流に耐えられるように設定する必要がある。これに対し、上記のように、変換器１２の電流容量を通常動作において必要な電流容量に設定し、事故時電流のうちの変換器１２で足りない分のみを過電圧保護回路３０に負担させるようにした場合には、過電圧保護回路３０の電流容量を変換器１２の電流容量の分だけ小さくすることができる。すなわち、過電圧保護回路３０の電流容量を事故時の最大電流に耐える電流容量よりも小さくすることができる。これにより、過電圧保護回路３０を設けた場合にも、装置全体の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。

図４では、便宜的に、配線３１～３３のインダクタンス成分をインダクタンス成分３１Ｌ～３３Ｌとして図示している。過電圧検出回路１８によって過電圧が検出され、変換器１２及び過電圧保護回路３０に交流電力線２１～２３の線間を短絡させた際に、変換器１２に流入する電流及び過電圧保護回路３０に流入する電流の比率は、交流電力線２１～２３のインダクタンス成分２１Ｌ～２３Ｌと配線３１～３３のインダクタンス成分３１Ｌ～３３Ｌとの比率によって求めることができる。

例えば、想定される最大の事故時電流のうち、通常動作時の最大電流と同程度の電流が変換器１２に流入し、残りの電流が過電圧保護回路３０に流入するように、交流電力線２１～２３のインダクタンス成分２１Ｌ～２３Ｌと配線３１～３３のインダクタンス成分３１Ｌ～３３Ｌとの比率を設定する。これにより、上記のように、過電圧保護回路３０の電流容量を変換器１２の電流容量よりも小さくすることができる。なお、交流電力線２１～２３のインダクタンス成分２１Ｌ～２３Ｌと配線３１～３３のインダクタンス成分３１Ｌ～３３Ｌとの比率は、例えば、交流リアクトルなどを用いて設定してもよい。

図５は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図５に表したように、電力変換装置１０ｂは、２つの変換器１２ａ、１２ｂと２つの電荷蓄積素子１４ａ、１４ｂとを備える。電力変換装置１０ｂでは、２つの変換器１２ａ、１２ｂのそれぞれが、回転機４に接続されている。電力変換装置１０ｂでは、２つの変換器１２ａ、１２ｂが、回転機４に対して並列的に接続されている。電荷蓄積素子１４ａは、変換器１２ａに直流電力を供給する。電荷蓄積素子１４ｂは、変換器１２ｂに直流電力を供給する。変換器１２ａ、１２ｂの構成は、図２や図３などに関して説明した任意の構成でよい。

変換器１２ａは、交流電力線２１ａを介して回転機４と接続される。変換器１２ｂは、交流電力線２１ｂを介して回転機４と接続される。交流電力線２１ｂは、例えば、交流電力線２１ａに接続される。換言すれば、交流電力線２１ｂは、交流電力線２１ａから分岐して回転機４と変換器１２ｂとを接続する。

制御部１６は、２つの変換器１２ａ、１２ｂのそれぞれの動作を制御することにより、２つの変換器１２ａ、１２ｂのそれぞれから回転機４に交流電力を供給する。そして、制御部１６は、各変換器１２ａ、１２ｂのスイッチング素子をオフ状態とした後、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線２１ａ、２１ｂの線間を短絡させるように、各変換器１２ａ、１２ｂのスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。

このように、電力変換装置１０ｂは、２つの変換器１２ａ、１２ｂを備えてもよい。これにより、1台当たりの変換器１２ａ、１２ｂの電流責務を低減することができる。換言すれば、各変換器１２ａ、１２ｂの電流容量を低減させることができる。

変換器１２ａ、１２ｂを並列に接続する場合、交流電力線２１ａは、交流リアクトル４１を有し、交流電力線２１ｂは、交流リアクトル４２を有する。交流リアクトル４１、４２は、変換器１２ａ、１２ｂの電流分担を調整する。

交流リアクトル４１、４２は、例えば、変換器１２ａ、１２ｂの電流アンバランスを抑制し、変換器１２ａから回転機４に供給される電流と変換器１２ｂから回転機４に供給される電流とを実質的に同じにする。また、このように、交流リアクトル４１、４２を設けることにより、過電圧が検出され、交流電力線２１ａ、２１ｂの線間を短絡させた際に、変換器１２ａ、１２ｂに流れる電流のバランスも確保することができる。例えば、過電圧が検出され、交流電力線２１ａ、２１ｂの線間を短絡させた際に、変換器１２ａ、１２ｂに実質的に同じ大きさの電流を流すことができる。

但し、変換器１２ａ、１２ｂの電流分担は、必ずしも同じでなくてもよい。例えば、変換器１２ａ、１２ｂの電流容量が異なる場合には、過電圧が検出され、交流電力線２１ａ、２１ｂの線間を短絡させた際に、変換器１２ａ、１２ｂのそれぞれの電流容量を超えないように、交流リアクトル４１、４２のインダクタンスの比率を調整してもよい。

なお、電力変換装置１０ｂに設けられる変換器の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。すなわち、電力変換装置１０ｂは、複数の変換器を備えてもよい。制御部１６は、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線の線間を短絡させるように、複数の変換器のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御してもよい。

電力変換装置１０ｂでは、２つの変換器１２ａ、１２ｂのそれぞれに対応する２つの電荷蓄積素子１４ａ、１４ｂが設けられている。これに限ることなく、例えば、１つの電荷蓄積素子を複数の変換器に共通に用いるようにしてもよい。電荷蓄積素子は、複数の変換器に直流電力を供給してもよい。

また、複数の変換器を並列に接続する場合には、図５に表したように、交流電力線を分岐させるように接続し、過電圧検出回路１８は、回転機４と交流電力線の分岐点との間の位置において、交流電力線の線間電圧を検出することが好ましい。これにより、複数の変換器を並列に接続した場合にも、過電圧検出回路１８の構成を複雑にすることなく、複数の変換器の過電圧を適切に検出し、複数の変換器及び回転機４の過電圧による故障を適切に抑制することができる。

また、電力変換装置１０ｂにおいて、複数の変換器を設けるとともに、過電圧保護回路３０をさらに設けてもよい。制御部１６は、過電圧検出回路１８によって過電圧が検出された際に、交流電力線の線間を短絡させるように、複数の変換器のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えを制御するとともに、過電圧保護回路３０を通常状態から保護状態に切り替えてもよい。

図６は、電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図６に表したように、電力変換装置１０ｃでは、過電圧検出回路１８ａが、電荷蓄積素子１４に接続され、電荷蓄積素子１４の直流電圧を検出する。換言すれば、過電圧検出回路１８ａは、変換器１２に供給される直流電力の直流電圧を検出する。過電圧検出回路１８ａは、検出した直流電圧が所定の閾値以上である場合に、変換器１２の過電圧を検出する。過電圧検出回路１８ａは、制御部１６と接続され、過電圧の検出結果を制御部１６に入力する。

このように、過電圧検出回路は、交流電力線の線間電圧に限ることなく、変換器１２の直流側の直流電圧を検出してもよい。この場合にも、上記各実施形態と同様に、より簡単な構成で、回転機４及び変換器１２の過電圧による故障を抑制することができる。

但し、例えば、交流電力線に交流リアクトルが設けられている場合などには、変換器１２の直流側の電圧の上昇が遅れ、直流電圧で過電圧が検出されるよりも前に、線間電圧が過電圧となってしまっている可能性がある。従って、交流電力線に交流リアクトルが設けられている場合（交流電力線のインダクタンス成分が大きい場合）などには、図１などで説明したように、過電圧検出回路は、交流電力線の線間電圧を検出することがより好ましい。これにより、例えば、回転機４の過電圧による故障をより確実に抑制することができる。

また、過電圧検出回路は、例えば、交流電力線の線間電圧と変換器１２の直流側の直流電圧との双方を検出し、線間電圧及び直流電圧のいずれか一方が所定の閾値を超えた際に、過電圧を検出する構成としてもよい。より詳しくは、過電圧検出回路は、線間電圧が第１閾値を超えた場合、又は直流電圧が第２閾値を超えた場合に、過電圧を検出する構成としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…回転機駆動システム、４…回転機、１０、１０ａ～１０ｃ…電力変換装置、１２、１２ａ、１２ｂ…変換器、１４、１４ａ、１４ｂ…電荷蓄積素子、１６…制御部、１８、１８ａ…過電圧検出回路、２１～２３…交流電力線、２１ａ、２１ｂ…交流電力線、３０…過電圧保護回路、３１～３３…配線、４１、４２…交流リアクトル、Ｄ１～Ｄ６、Ｄ１１～Ｄ２２、Ｄ３１～Ｄ３６…整流素子、ＳＷ１～ＳＷ６、ＳＷ１１～ＳＷ２２…スイッチング素子

Claims

回転機に交流電力を供給する電力変換装置であって、
電荷蓄積素子に接続されるとともに、交流電力線を介して前記回転機と接続され、前記電荷蓄積素子から供給された直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記回転機に供給する変換器と、
前記変換器による電力変換の動作を制御する制御部と、
前記変換器の過電圧を検出し、検出結果を前記制御部に入力する過電圧検出回路と、
前記交流電力線に接続され、前記交流電力線の線間を短絡させた保護状態と、前記交流電力線の線間の短絡を解消した通常状態と、を切り替える過電圧保護回路と、
を備え、
前記変換器は、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電力の変換を行い、
前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子を有し、前記一対の主端子間の電流の流れを許容するオン状態と、前記一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を切り替え、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御することにより、前記変換器による電力変換の動作を制御するとともに、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御し、
前記制御部は、前記過電圧保護回路の前記保護状態と前記通常状態との切り替えを制御し、通常動作においては、前記過電圧保護回路を前記通常状態とし、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御するとともに、前記過電圧保護回路を前記通常状態から前記保護状態に切り替え、
前記過電圧保護回路の電流容量は、事故時の最大電流に耐える電流容量よりも小さい電力変換装置。
並列に接続された複数の前記変換器を備え、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子を前記オフ状態とした後、前記過電圧検出回路によって過電圧が検出された際に、前記交流電力線の線間を短絡させるように、複数の前記変換器の前記複数のスイッチング素子の前記オン状態と前記オフ状態との切り替えを制御する請求項１記載の電力変換装置。
前記過電圧検出回路は、前記交流電力線の線間電圧を検出し、検出した前記線間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記変換器の過電圧を検出する請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記過電圧検出回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧を検出し、検出した前記直流電圧が所定の閾値以上である場合に、前記変換器の過電圧を検出する請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。