JPH03256564A - 電力変換装置の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電力変換装置の保護回路に係り、特に、その
出力電流の方向が一方向でない電力変換装置の保護回路
に関する。

〔従来の技術〕

電力変換装置の保護に関する従来技術は、例えば、特開
平］−７４０６８号公報、及び９日立評論Ｖｏ１．７０
　Ｎｎ１Ｏ（１９８８−１０）ｐ９９３〜ｐ９９８等に
記載された技術が知られている。この従来技術は、電流
形インバータの保護装置に関するものであり、インバー
タが何らかの原因で停止した場合、回路インダクタンス
により発生した高電圧を吸収するコンデンサを備え、こ
れにより、過電圧を抑制すると共に、コンデンサに吸収
された電荷量が所定値を越えた場合、回路インダクタン
スのエネルギを放出する回路を備えたものである。

また、他の従来技術として、特願昭６３−１７２７３５
号明細書の技術が知られている。この従来技術は、トラ
ンジスタレオナード装置の保護回路に関するものであり
、電力変換器の交流端に第一エネルギ吸収素子と整流器
とを備え、整流器の出力端に第二エネルギ吸収素子と過
電圧検出器とを備え、かつ、整流器の出力端と電力変換
器の出力との間をダイオードを介して接続し、過電圧検
出器の信号で電力変換器の駆動信号を遮断し、電力変換
器の出力端を短絡する短絡素子を備え、これにより、電
力変換器のスイッチング素子の保護を行うものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来技術は、いずれも、電力変換器の直流側の主回
路電流の方向が一方向の場合にのみ、例えば、直流リア
クトルを流れる電流の方向が一方向の場合にのみ、何ら
かの原因で電力変換器の動作が停止したときに、直流リ
アクトルの蓄積エネルギにより生じる過電圧から電力変
換器を保護できるものであり、回生専用のコンバータを
備える静止レオナード方式のような、高力電流の方向が
一定でない電力変換装置に適用することができず、従っ
て、このような電力変換装置の保護を行うことができな
いという問題がある。

本発明の目的は、出力直流電流の方向が一定でない電力
変換装置に対しても適用可能な電力変換装置の保護回路
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば前記目的は、交流電力を整流する従来の
第一の整流ブリッジに加えて、電力変換装置の直流出力
をさらに整流する第二の整流回路を備え、第二の整流回
路の出力をダイオードを介してサージ吸収用クランプコ
ンデンサに接続し。

さらに、ＤＣＬを含む直流側のインダクタンス分による
エネルギを吸収するため、第二の整流回路の出力を抵抗
を介して短絡する負荷短絡回路を備えることにより達成
される。

〔作用〕

第二の整流回路は、第二の整流回路に入力される直流電
流の方向が変化した場合にも、一定の方向に出力するの
で、この出力にサージ吸収用クランプコンデンサを接続
することにより、直流電流の方向が変化する場合にも、
電力変換装置の保護を行うことができる。

ただし、実際には、後述するように、負荷短終回路から
の制約上、出力とクランプコンデンサとの間にはダイオ
ードを挿入する。

また、負荷短絡回路は、電力変換装置の停止時に直流リ
アクトルに蓄積されているエネルギを、直流電流の方向
に関係なく吸収することができ、これにより、電力変換
装置の停止時に生じる高電圧から、電力変換装置の保護
を行うことができる。

ここに、第二の整流回路の出力とサージ吸収用クランプ
コンデンサの間に挿入しているダイオードは、負荷短絡
回路を動作した時、交流電源を整流している第一の整流
回路から負荷短絡回路に流れ込む電流を阻止するための
ものである。

〔実施例〕

以下、本発明による電力変換装置の保護回路の実施例を
図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図。

第３図は保護動作の説明図、第４図は負荷短絡回路の動
作説明図である。第１図ないし第４図において、１，２
はコンバータ、３は三相全波ブリッジ、４はクランプコ
ンデンサ、５は整流ブリッジ、６は直流リアクトル、７
ａは負荷短絡回路、７ｂは整流ダイオード、８は直流モ
ータ、９は初期充電回路、１０は過電圧検出回路、１１
はリップル平滑コンデンサ、１２は交流リアクトル、１
３はメインコンタクタ、１４は三相交流電源である。

本発明の一実施例の電力変換装置の保護回路は、第１図
に示すように構成され、各構成回路または猜成素子は１
次のような機能を備える。

コンバータ１，２は、交流電源１４の電力を直流に変換
するものであり、コンバータ１が、カ行を制御している
とき、コンバータ２が、回生を制御し、逆に、コンバー
タ２がカ行を制御しているとき、コンバータ１が、回生
を制御する。三相余波ブリッジ３は、交流電源１４の電
力を整流するダイオードブリッジである。また、クラン
プコンデンサ４は、異常時のサージ電圧を吸収するコン
デンサである。

整流ブリッジ５は、直流出力電圧を整流し、電流方向を
整えて、直流側のサージ電圧をクランプコンデンサ４に
導き、直流リアクトル６は、直流出力電流のリップルを
平滑化し、直流電力を直流モータ８に供給する。負荷短
絡回路７ａは、直流リアクトル６及び直流モータ８に蓄
積されたインダクタンスエネルギを消費する回路であり
、整流ダイオード７ｂは負荷短絡回路７ａが動作した時
、交流電源１４を整流する三相全波ブリッジ３の出力も
同時に負荷短絡回路７ａの抵抗を介して短絡され、負荷
短絡回路が過負荷となるのを防ぐ。初期充電回路９は、
クランプコンデンサ４を初期充電するための回路である
。

過電圧検出回路１０は、クランプコンデンサ４の両端電
圧を検出し、この電圧が所定の値以上となったときに、
コンデンサ１，２による電力変換動作を停止させ、負荷
短絡回路７を動作させる信号を出力する。また、リップ
ル平滑コンデンサ１］−及び交流リアクトル１２は、コ
ンバータ１゜２の動作により生じる電圧リップルを平滑
化し、交流電源１４側にこのリップルが漏れないように
している。

次に、本発明の詳細な説明する。

まず、初期充電回路９により、クランプコンデンサ４を
回路電圧の約１．２倍程度に初期充電する。これは、メ
インコンタクタ１３が投入されたときの、突入電流の防
止、及び、直流出力電流が不用意にクランプコンデンサ
４に流入しないようにするためである。

前述のクランプコンデンサ４の初期充電が完了した時点
で、メインコンタクタ１３が投入され、コンバータ１，
２が動作を開始し、図示電力変換装置の負荷である直流
モータ８が駆動される。

このように、直流モータ８が駆動されている状態で、い
ま、三相交流電源１４の停電等により、突然、コンバー
タ１，２の動作が停止し、コンバータ１，２を構成して
いるスイッチング素子のトランジスタがオフになったと
する。

この場合、それまで、直流リアクトル６、直流モータ８
．交流リアクトル１２に流れていた電流エネルギにより
、直流側のみならず、交流側にも高い電圧が発生する。

本発明による保護回路は、前述のような条件で発生する
、回路インダクタンスによる過電圧を抑制し、電流エネ
ルギを速やかに吸収し、消費することにより、過電圧に
よるコンバータのスイッチング素子の破壊を防ぐ。

従来技術による保護回路は、電力変換装置であるコンバ
ータが一組しかなく、出力電流の方向が一方向である場
合にのみ有効な保護回路であったため、吸収できる電流
の方向も一方向のみであった。従って、従来の保護回路
は、第１図に示すような二組のコンバータにより、カ行
、回生を制御する電力変換装置に適用することができな
いものであった。

第１図に示す本発明の一実施例は、双方向の電流を吸収
できるようにして、二組のコンバータを備える電力変換
装置の保護を可能とするため、直流側出力を整流して、
サージ電流をクランプコンデンサに導く余波ブリッジ５
と、全波ブリッジ５を流用し双方向の電流を流すことの
できる負荷短終回路７ａと電源側の全波ブリッジ３から
の電流の流入を防止する整流ダイオード７ｂとにより保
護回路が達成されている。

次に、本発明の保護回路による保護動作を、第２図、第
３図を参照して説明する。

第２図は、コンバータ１が電流制御を行っており、電流
が時計方向に流れているモードで、Ｕ＋相、Ｗ−相のト
ランジスタがオン状態のときに異常が発生した場合を示
している。

第２図（ａ）は、コンバータ１の上アームのＵ＋相のト
ランジスタが不正規にオフとなった場合の、異常時の電
流経路を示している。

この場合、Ｕ＋　相のトランジスタがオフとなっても、
他相のトランジスタは、オンとなることがないので、こ
のＵ＋相の１−ランジスタの両端電圧が急激に上昇する
。しかし、この両端電圧が、クランプコンデンサ４の充
電電圧Ｖｃを越えると、破線で示すような経路の電流の
バイパス回路が形成され、クランプコンデンサ４に電流
が流れ、クランプコンデンサ４が充電され始める。

クランプコンデンサ４の静電容量が充分に大きければ、
充電によるクランプコンデンサ４の両端電圧Ｖｃの上昇
は僅かであり、この電圧がＵ＋相のトランジスタの両端
電圧そのものとなるので、異常状態の発生によるサージ
電圧は抑制され、コンバータを構成するスイッチング素
子であるトランジスタの保護を行うことができる。

クランプコンデンサ４の静電容量は、むやみに大きくす
ることができないので、クランプコンデンサ４の両端の
電圧Ｖｃは次第に増加する。このため、過電圧検出回路
１０は、この電圧Ｖｃが、ある所定値を越えたことを検
出して異常と判断し、その時点で、コンバータを構成し
ている全トランジスタをオフとし、さらに、負荷短絡回
路７ａを動作させる。

これにより、第２図（ａ）に示した破線のバイパス回路
は消滅し、クランプコンデンサ４への充電が停止される
ので、クランプコンデンサ４の静電容量を実用的な範囲
に抑えることができる。

負荷短絡回路７ａの動作は、後述するが、回路７ａも、
直流側の電流方向に関係なく動作する必要がある。

第２図（ｂ）は、下アームのＷ−相のトランジスタが突
然オフ状態になる異常を生じた場合の電流経路を示して
いる。

この場合も、クランプコンデンサ４を介して、破線に示
すようなバイパス回路が形成される。また、Ｗ−相のト
ランジスタの両端電圧も、前述と同様に、クランプコン
デンサ４の充電電圧ＶＣ以下に抑えられ、トランジスタ
の保護を行うことができる。

第３図は、コンバータ２が電流制御を行っており、電流
が反時計方向に流れているモードで、かつ、Ｕ＋相及び
Ｗ−相のトランジスタがオンとなっている状態で、異常
が発生した場合を示している。

第３図（ａ）は、上アームのＵ＋相のトランジスタが、
第３図（ｂ）は、下アームのＷ−相のトランジスタが不
正規にオフとなった場合の電流経路を、それぞれ、示し
ており、いずれの場合も、破線で示すように、クランプ
コンデンサ４を介してバイパス回路が形成される。

従って、この場合にも、前述と同様に、コンバータを構
成するトランジスタには、クランプコンデンサの充電電
圧Ｖｃ以下の電圧しか印加されず、トランジスタをサー
ジ電圧から保護することができる。また、電圧Ｖｃの過
電圧を検出し、全トランジスタをオフとした後の、直流
側回路のインダクタンスに残留するエネルギも、前述と
同様に。

負荷短絡回路７ａにより、吸収、消費させることがでる
。

ここで、後述の整流ダイオード７ｂが、クランプ・コン
デンサのサージ吸収を何ら阻害しないことも第１図、第
２図及び前記説明より明らかとなった。

次に、負荷短絡回路７ａ及び７ｂの動作を第４図を参照
して説明する。

負荷短絡回路７ａは、第１図の実施例では、抵抗とサイ
リスタにより構成されており、直流電力を整流する余波
ブリッジ５の出力側に直列に接続されている。又、全波
ブリッジ５の出力とクランプコンデンサとの間に短絡防
止用整流ダイオード７ｂが接続されている。

過電圧検出回路１０が、クランプコンデンサ４の過電圧
を検出して、負荷短絡回路７のサイリスタを駆動し、直
流側回路のインダクタンスに残留するエネルギを消費さ
せる場合の、カ行時の電流経路が第４図（ａ）に、また
、回生時の電流経路が第４図（ｂ）に、それぞれ示され
ている。

いま、何らかの原因により、クランプコンデンサ４が充
電され、過電圧検出回路１０が動作すると、過電圧検出
回路１０の出力により、コンデンサ１，２を構成するト
ランジスタは全て遮断され、同時に、負荷短絡回路７ａ
のサイリスタが点弧される。

この結果、それまで、直流リアクトル６、直流モータ８
に流れていた直流電流ｉ、は、トランジスタの遮断によ
り強制的にオフとされ、第４図（ａ）、（ｂ）に実線の
矢印で示すような経路で還流されることになる。これに
より、直流リアクトル６及び直流モータ８のインダクタ
ンスに蓄積されていたエネルギは、過電圧を発生させる
ことなく、抵抗に消費される。

ここで、余波ブリッジ５とクランプコンデンサ４の間に
挿入している整流ダイオードは、クランプコンデンサ、
あるいは、交流電源を整流している三相全波ブリッジ３
の出力から負荷短絡回路に流れ込む電流、すなわち、第
４図の一点鎖線で示す電流を阻止する。これにより、負
荷短絡回路の負荷が軽減され、サイリスタ及び抵抗の熱
容量を小さくすることができる。

この抵抗の値は、その制動性を良くするためには、大き
な値が必要であるが、抵抗値が大きすぎると、過電圧を
発生させる。従って、この抵抗値は、クランプコンデン
サ４の過電圧検出レベルをＶ　ｃ　’　　とした場合、
次のように定めるとよい。

ｉ　ｄ　Ｘ　Ｒ≧Ｖｃ’ 、°、Ｒ≧Ｖｃ’　／　ｉ　ａ なお、負荷短絡回路７ａの制御素子として、サイリスタ
を使用したが、この制御素子は、サイリスタに限らず、
ＦＬＳ、　トランジスタ等の、所定電圧以上で電流を流
せる機能を持つ制御素子であれば、どのような素子であ
ってもよい。

また、制御素子が、双方向的に電流を流すことのできる
、例えば、トライアック等である場合、直流側ＰＮ間を
直流短絡できるので整流ダイオード７ｂが不要となる。

また、全波ブリッジ５とクランプコンデンサ４の間に挿
入している整流ダイオード７ｂは、全波ブリッジ５のＰ
側に挿入しているが、まったく同じ理由からＮ側にも挿
入でき、この例を第５図で示す。ダイオード７ｂをこの
ようにＮ側に挿入しても機能に何ら変わるところはない
。

本発明の実施例は、電力変換装置の負荷として、直流モ
ータが接続されているものとして説明したが、本発明は
、負荷として、インバータが接続されてもよく、この場
合にも、同様な効果を達成することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電力変換装置の直流側出力電流の方向
に関係なく、回路のインダクタンスに保持されるエネル
ギを吸収することができるので、回生専用のコンバータ
を備え、出力電流の方向が変化する電力変換装置に対し
ても、過電圧保護を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図。 第３図は保護動作の説明図、第４図、第５図は負荷短絡
回路の動作説明図である。 １．２・・・コンバータ、３・・・三相全波ブリッジ、
４・・・クランプコンデンサ、５・・・整流ブリッジ、
６・・・直流リアクトル、７ａ・・・負荷短絡回路、７
ｂ・・・整流ダイオード、８・・・直流モータ、９・・
・初期充電回路、１０・・・過電圧検出回路、１１・・
・リップル平滑コンデンサ、１２・・・交流リアクトル
、１３・・・メインコンタクタ、１４・・・三相交流電
源。 第１図 第 ２ 図 （（１） Ｖノー （１）） ’ｙｒ− 第 図 （Ｑ’） （シ） ′騙− 第４図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置におい
   て、 前記交流電力を整流する第一の整流ブリッジと、前記直
   流電力を整流する第二の整流ブリッジとを備え、前記第
   一の整流ブリッジの出力をコンデンサに接続すると同時
   に、前記第二の整流ブリッジの出力をダイオードを介し
   て前記コンデンサに接続することを特徴とする電力変換
   装置の保護回路。 ２、請求項１において、前記第二の整流ブリッジの出力
   に負荷短絡回路を接続し、前記コンデンサの電圧が所定
   値を越えたとき、負荷短絡動作を行う電力変換装置の保
   護回路。