JPH07107750A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 保護ヒューズが溶断したときに制動抵抗を用
いないで電動機を協調停止させ、停止後のコンデンサの
残留電荷を小さくする。 【構成】 直流電圧を多相の交流電圧に変換して交流電
動機15を駆動する多レベルインバータ回路14を備えた電
力変換装置において、交流電源20から前記直流電圧を生
成する可逆コンバータ19を備え、前記多レベルインバー
タ回路を構成する各相のスイッチ素子と直列に保護ヒュ
ーズＦ₁ ，Ｆ₂ を挿入し、前記多レベルインバータ回路
に直流短絡が発生したとき、残りの健全相により前記交
流電動機の制動運転を行う。更に、前記交流電動機を停
止させるとき、前記直流電圧を所定値に低下するまで前
記可逆コンバータの運転を継続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は交流電力を直流電力に変
換し、インバータで直流電力を可変周波の交流電力に変
換し、交流電動機を可変速運転する電力変換装置に係
り、特に交流電動機への制動などシステム停止時の安全
性や省電力効果、経済性の向上を図った電力変換装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関する電力変換装置の従来技術
例として、多レベルインバータ（例えば特開昭55-43996
ブリッジ変換回路とその変換方法）がある。この多レベ
ルインバータ回路は種々の方式があるが、ここでは平成
４年電気学会産業部門全国大会論文 No.91、 No.92、 N
o.93などで３レベルインバータと呼称されるインバータ
を使用した電力変換装置を引用して従来技術の問題点に
ついて説明する。

【０００３】図５に公知の３レベルインバータを使用し
た電力変換装置の主回路構成を示す。この図において、
11は直流電源、12，13はコンデンサ、14は３レベルイン
バータ回路、15は交流電力機、16，17はしゃ断器、18は
制動抵抗器である。３レベルインバータ回路14は直流入
力端子Ｐ，Ｏ，Ｎ及び交流電力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを有し、
各相はＧＴＯやＩＧＢＴなどの半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ
₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ₄ 及びダイオードＤ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ ，Ｄ₄
などで構成され、保護用ヒューズＦ₁ ，Ｆ₂ が設けられ
ている。

【０００４】この３レベルインバータ回路14の詳細な動
作については既に前記引用文献などにより公知であるた
め、説明を省略するが、直流電源11の直流電圧を直列接
続されたコンデンサ12と13で分圧して３レベルインバー
タ回路14の直流入力端子Ｐ，Ｏ，Ｎに接続し、直流電源
11の直流電力を３レベルインバータ回路14で交流電力に
変換して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗより任意の周波数の交流電
力を出力する。この時出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには３レベル
の電圧を半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ₄ の選択
によって得るため、出力する交流電力に含まれる高調波
成分が少なく、また直流電圧がコンデンサ12と13で１／
２に分割されており、半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ
₃ ，Ｓ₄ にはコンデンサ12又は13の充電電圧が印加され
るため、半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ₄ は直接
２個の半導体スイッチを直列接続して使用する方式より
も電圧利用率が向上するなどの特徴がある。

【０００５】３レベルインバータ回路14内に設けられた
保護ヒューズＦ₁ ，Ｆ₂ は、半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ
₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ₄ の誤動作による導通や電気的劣化などに
より直流入力端子ＰとＯ、ＯとＮ、ＰとＮ間などの短絡
が発生した時、この直流短絡電流を限流して溶断し、直
流短絡回路を開放するために保護用として設けられてい
る。

【０００６】交流電動機15は定常運転中はしゃ断器16を
閉にして、電力変換装置の３レベルインバータ回路14よ
り可変周波数の交流電力を得て可変速運転されている。
しかし前記するような保護ヒューズＦ₁ ，Ｆ₂ が溶断す
るような事故時には、３レベルインバータ回路14よりの
電力供給は不可能なため、交流電動機15に制動をかける
手段として、しゃ断器17を閉、しゃ断器16を開にして交
流電動機15の入力端子に制動抵抗器18を接続する。

【０００７】交流電動機15が単独で可変速運転されてい
る場合には、事故時に交流電動機15が有していた回転エ
ネルギーは自然に減少するのを待てば良いが、種々の製
造プラント内では他の機械との協調が重要となってくる
ために、前記するような事故時には交流電動機15に制動
をかけることが重要となってくる。このため、しゃ断器
16や17、制動抵抗器18などが必要となっていた。

【０００８】他方電力変換装置内では、保護ヒューズＦ
₁ やＦ₂ が溶断した時点で装置の運転は停止するが、コ
ンデンサ12や13など装置内部には直流電源11の定格電圧
に近い電圧が充電されたままで、非常に大きな電荷が電
力変換装置内に残ったままとなっており、これらの電荷
を処理しなければ、電力変換装置を補修できず、安全上
も問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これらの電
力変換装置を使用した交流電動機の可変速運転システム
では、システムを構成する各装置や用品の小形軽量化や
効率の向上、保護性、安全性の向上や他の機械との運転
の協調などが重要な技術課題となっている。

【００１０】しかし従来技術を使用した電力変換装置で
は、次のような点でこれらの技術課題を充分に解決する
ことができなかった。 （１）電力変換装置の故障時に、交流電動機に制動をか
けるには、しゃ断器16、しゃ断器17、制動抵抗器18が必
要であった。この結果として、 （ａ）しゃ断器16，17、制動抵抗器18を設置するために
経済性も低下し、これらの機器の設置場所も必要であっ
たため、交流電動の可変速運転システムの初期建設コス
トが大幅に上昇した。

【００１１】（ｂ）交流電動機15に制動抵抗器18を接続
するのみでは、制動力を他の機械と協調させて調整する
ことが難かしく、制動中に充分な制御ができなかった。 （２）電力変換装置は、通常停止時も同じであるが、故
障停止した時直流電圧が定格電圧に近い状態で停止して
しまうため、電力変換装置内に充電されている電荷を抵
抗器などを使用して放電させなければならなかった。こ
の結果として、 （ａ）放電させるための、放電回路を電力変換装置内に
常設しておけば、電力変換装置内の部品数の問題があっ
た。

【００１２】（ｂ）別置の抵抗器で放電させようとする
と、一般に直流電圧が高い電圧のため、安全上の問題が
あった。 （ｃ）電力変換装置内の充電電荷を放電させるため、一
般に数分以上の時間が必要であり、通常停止や故障停止
に電力変換装置の盤内点検は停止してから数十分後にし
かできず、保守性の面でも問題があった。

【００１３】本発明は前述する従来技術の欠点を除去す
るためになされたもので、電力変換装置の保護ヒューズ
が溶断する故障時にも交流電動機に電力変換装置で制動
をかけることができ、電力変換装置の故障停止や通常停
止時に直流電源で電力変換装置内部の充電電荷を交流入
力電源側へ回生することによって、初期建設コストの低
減や他の機械との協調運転による制動を行なうことがで
き、保守点検が容易で安全性にも優れ、省電力的にも優
れた電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成する。請求項１に対応する
発明として、直流電圧を多相の交流電圧に変換して交流
電動機を駆動する多レベルインバータ回路を備えた電力
変換装置において、交流電源から前記直流電圧を生成す
る可逆コンバータを備え、前記多レベルインバータ回路
を構成する各相のスイッチ素子と直列に保護ヒューズを
挿入し、前記多レベルインバータ回路に直流短絡が発生
したとき、残りの健全相により前記交流電動機の制動運
転を行う。

【００１５】請求項２に対応する発明として、コンデン
サが並列接続された直流電圧を交流電圧に変換して交流
電動機を駆動する多レベルインバータ回路を備えた電力
変換装置において、交流電源から前記直流電圧を生成す
る可逆コンバータを備え、前記多レベルインバータ回路
により前記交流電動機を制動停止させるとき、前記直流
電圧を所定値に低下するまで前記可逆コンバータの運転
を継続して前記コンデンサの残留電荷を減少させる。

【００１６】請求項３に対応する発明として、コンデン
サが並列接続された共通の直流電圧をそれぞれ交流電圧
に変換して複数の交流電動機をそれぞれ駆動する複数の
多レベルインバータ回路を備えた電力変換装置におい
て、交流電源から前記直流電圧を生成する可逆コンバー
タを備え、いずれかの多レベルインバータ回路により交
流電動機を停止させるとき、他のすべての多レベルイン
バータ回路の運転を停止させ、前記直流電圧を所定値に
低下するまで前記可逆コンバータの運転を継続して前記
コンデンサの残留電荷を減少させる。

【００１７】請求項４に対応する発明として、交流電源
を入力としコンデンサが並列接続された負荷回路に直流
電圧を出力する可逆コンバータを備えた電力変換装置に
おいて、装置の運転を停止するとき、前記直流電圧が所
定値に低下するまで前記可逆コンバータの運転を継続
し、停止後の前記コンデンサの残留電荷を減少させる。

【００１８】請求項５に対応する発明として、可逆コン
バータで成る直流電源部を備えた電力変換装置におい
て、前記直流電源部のみを単独に運転できるようにし
て、電力変換装置の残留電荷を交流入力電源に回生す
る。

【００１９】

【作用】請求項１に対応する発明は、電力変換装置に直
流短絡が発生しても故障発生相のみを保護ヒューズで切
離し、多レベルインバータ回路の健全相を運転すると交
流電動機に交流電力を供給することができ、供給する交
流電力を調整することによって交流電動機に発生する制
動力を調整することができる。

【００２０】請求項２に対応する発明は、交流電動機に
制動をかけ停止する時に可逆コンバータから出力する直
流電圧を可変制御することによって、制動エネルギーが
交流電源に回生され、電力変換装置が制動中の電力の有
効利用ができ、制動停止時のコンデンサの充電電荷も大
幅に減少し、残った電荷の放電も容易であり、保守の安
全性も向上する。

【００２１】請求項３に対応する発明は、可変コンバー
タの直流出力に多数台のインバータ回路が接続され、こ
れらのインバータ回路が同一の製造ラインの交流電動機
を可変速運転している場合、少なくとも１台のインバー
タ回路に制動をかけ停止するときに、他のインバータ回
路も停止させ、可逆コンバータの直流出力電圧を低下さ
せながら制動エネルギーを交流電源に回生する。これに
よりコンデンサの充電電荷が減少し、前記と同様に放電
も容易であり、各インバータ回路ごとの放電なども不要
となるため、保守性、安全性も大幅に向上させる。

【００２２】請求項４に対応する発明は、電力変換装置
の通常停止や事故停止時に、直流電圧が所定値に下るま
で可逆コンバータにより電力回生し、直流電圧が所定値
に下ったら可逆コンバータの運転が停止する。これによ
って、コンデンサの充電電荷が減少し、前記と同様に保
守性、安全性も大幅に向上させる。

【００２３】請求項５に対応する発明は、電力変換装置
内部に大きな充電電荷が残っている時、この充電電荷を
可逆コンバータのみを運転して入力交流電源に回生し、
電力変換装置の保守性、安全性を大幅に向上させること
ができる。

【００２４】

【実施例】本発明の請求項１及び請求項２に対応する実
施例を図１に示す。なお図５と同一機能を有する回路要
素に同一符号を付して示す。この図１で、19は可逆コン
バータで構成された直流電源、20は交流入力電源、Ｆ₁
とＦ₂ は保護ヒューズである。３レベルインバータ回路
14の各相には保護ヒューズＦ₁ ，Ｆ₂ がそれぞれ挿入さ
れ、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは直流交流電動機15に接続
して、３レベルインバータ回路14より可変周波数の交流
電力を交流電動機15に供給して、交流電動機15を可変速
運転する。３レベルインバータ回路14内部で、半導体ス
イッチなどの誤動作で、直流入力端子間の短絡事故があ
っても、一般にこれらの事故は全部の相で発生するので
はなく、特定の相のみに発生するため、直流短絡事故を
発生した相の保護ヒューズＦ₁ とＦ₂ が溶断する。従っ
て直流短絡事故を発生した相以外は交流出力電圧を健全
に出力することができる。

【００２５】図２は、図１の電力変換装置で交流出力Ｕ
相の保護ヒューズが溶断し、Ｖ相とＷ相が健全とした時
の交流出力電圧波形例を示す。事故を発生したＵ相は直
流入力端子Ｏの電位に固定でき、Ｖ相とＷ相は直流入力
端子Ｐ，Ｏ，Ｎの３レベルの電位を取れる。従って、こ
の状態でＵ相電圧をｅ_u 、Ｖ相電圧をｅ_v 、Ｗ相電圧を
ｅ_w 、３相線間電圧をそれぞれｅ_u-v ，ｅ_v-w ，ｅ_w-u
として図２に示す。交流電動機15には、３レベルインバ
ータ回路14によって図２に示すように多レベルインバー
タ回路の特徴から、交流電力を供給することができるか
ら、交流電動機15に所望の制動トルクを発生させること
ができる。

【００２６】このように、３レベルインバータ回路14の
健全相によって交流電動機15に制動トルクを発生させる
ことができ、その制動トルクを調整できるから、図５の
従来技術の如くしゃ断器16や17、制御抵抗器18を設ける
ことなく、他の機械との制動の協調をとることができ
る。

【００２７】図３は、本発明の請求項２、請求項３、請
求項４、請求項５の動作を説明するための図で、直流電
源19の直流電圧Ｅ_d と時間ｔの関係を示している。請求
項２に対応する実施例を図１と図３より説明する。図１
の電力変換装置で３レベルインバータ回路14で１相分の
保護ヒューズＦ₁ ，Ｆ₂ が溶断した時点を、図３の時刻
ｔ₁ とすると、３レベルインバータ回路14で交流電動機
15に制動をかけながら、直流電源19の直流電圧を定格の
Ｅ_d1から可変制御してＥ_d2の如く減少させ、交流電動機
15の回転エネルギーとコンデンサの充電電荷を併せて交
流入力電源20に回生し、制動が完了し直流電源19の直流
電圧が所定値となった時刻ｔ₂ で電力変換装置を停止さ
せる。このように制動エネルギーと充電電荷を回生する
と、省電力化でき、電力変換装置が停止した時のコンデ
ンサ12や13などの充電電荷が大幅に減少するから、放電
作業での安全性や保守性も大幅に向上する。

【００２８】図４は本発明の請求項３、請求項４、請求
項５に対応した他の実施例である。この図で図１と同一
機能を有する回路要素に同一符号を付して示す。21は共
通直流母線、22はコンデンサ、23，24，25はインバータ
回路、26，27，28は交流電動機である。

【００２９】図４の構成で本発明の請求項３に対応する
実施例として、交流入力電源20より可逆コンバータで構
成された直流電源19を介して共通直流母線21に電力を供
給し、各インバータ回路23，24，25より交流電動機26，
27，28をそれぞれ可変速運転する。この時コンデンサ22
は共通直流母線21の電圧を平滑化している。このように
構成された電力変換装置では、各インバータ回路23，2
4，25は同一製造ラインの交流電動機26，27，28を可変
速運転する場合であり、１台の交流電動機26に制動をか
けるときには、他の交流電動機27，28にも制動をかける
ことが多い。従って制動をかける時、前記と同様に直流
電源19の直流電圧を減少させ、直流電源19の運転を直流
電圧が所定値になる時刻ｔ₂ で停止するようにする。図
４の如く多数台のインバータ回路が設けられた電力変換
装置では、各部のコンデンサ22などに充電電荷が残り、
これらの電荷の処理が保守の場合に大変であったが、こ
のように直流電源19を直流電圧が所定値になるまで運転
継続すると放電作業での安全性や保守性も大幅に向上す
る本発明の請求項４に対応する実施例として、従来は図
１の３レベルインバータ回路14や、図４のインバータ回
路23，24，25が停止する時には、直流電源19も運転停止
していたが、前記する制動操作時だけではなく、直流電
源19は図３の時刻ｔ₂ に示すように、その出力直流電圧
が所定値に減少するまで運転継続する機能を設ける。こ
のように電力変換装置内部の充電電荷を減少させてから
直流電源19が停止すると、電力変換装置の停止直後の安
全性が大幅に向上し、電力変換装置内部の放電抵抗も減
少させることができる。

【００３０】本発明の請求項５に対応する実施例とし
て、図１や図４の電力変換装置において、可逆コンバー
タで構成された直流電源19をインバータ回路側とは無関
係に運転できる機能を設け、直流電源19の直流電圧を図
３のＥ_d2の如く、所定値まで減少する間、直流電源19を
単独に運転して電力変換装置内部の充電電荷を交流入力
電源20側に回生することにより保守が容易となり、取扱
いの安全性も大幅に向上する。

【００３１】図３で時刻ｔ₁ は前記説明で制動開始点と
して説明したが、制動中の任意の時間であってもよく、
前記する効果は同一である。その他本発明の要旨を変更
しない範囲において、種々設計変更を行なって実施でき
るものである。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明の電力変換
装置によれば、次のような効果が得られる。 （１）請求項１の発明によれば、３レベルインバータ回
路を使用した電力変換装置で、保護ヒューズを各相に設
け、可逆コンバータで直流電源を構成したことによっ
て、次の効果が得られる。

【００３３】（ａ）電気的に交流電動機に制動をかける
ことができるから、しゃ断機や制動抵抗器が不要とな
り、初期建設コストを大幅に低減できる。 （ｂ）制動エネルギーを交流入力電源に回生するから省
電力効果が大である。 （２）請求項２及び請求項３の発明によれば、可逆コン
バータで構成された直流電源を採用した電力変換装置に
おいて、制動時に直流電源の出力電圧が所定値に下るま
で直流電源が運転を継続するため、電力変換装置が停止
した時の電力変換装置内部の残留電荷が大幅に減少し、
残留電荷の放電が容易となり、保守の安全性も大幅に向
上する。 （３）請求項４の発明によれば、可逆コンバータで構成
された直流電源を採用した電力変換装置で、事故停止時
だけではなく、定常の装置停止時にも直流電圧が所定値
に減少するまで直流電源を運転継続する機能を設けたた
め、電力変換装置が停止した時には、常時、残留電荷が
大幅に減少し、装置の取扱い操作や安全性が大幅に向上
する。 （４）請求項５の発明によれば、可逆コンバータで構成
された直流電源を採用した電力変換装置で、直流電源の
みを単独運転して、直流電源電圧を所定値まで交流入力
電源に回生しながら放電させるから、同様に操作性や安
全性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力変換装置の請求項１及び請求項２
に対応する実施例の構成図。

【図２】前記実施例の交流出力電圧例を示す波形図。

【図３】本発明の電力変換装置の請求項２、請求項３、
請求項４、請求項５を説明するための直流電圧Ｅ_d の図
面。

【図４】本発明の電力変換装置の請求項３、請求項４、
請求項５に対応する実施例の構成図。

【図５】従来の電力変換装置の構成を示す主回路構成
図。

【符号の説明】

11…直流電源、12，13…コンデンサ、14…３レベルイン
バータ回路、15…交流電動機、16，17…しゃ断器、18…
制動抵抗器、19…可逆コンバータで構成した直流電源、
20…交流入力電源、21…共通直流母線、22…コンデン
サ、23，24，25…インバータ回路、26，27，28…交流電
動機、Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ₄ …半導体スイッチ、Ｄ
₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ ，Ｄ₄ …ダイオード、Ｆ₁ ，Ｆ₂ …保護
ヒューズ、Ｐ，Ｏ，Ｎ…直流入力端子、Ｕ，Ｖ，Ｗ…交
流出力端子、ｅ_u ，ｅ_v ，ｅ_w …交流相電圧、ｅ_u-v ，
ｅ_v-w ，ｅ_w-u …交流線間電圧、Ｅ_d ，Ｅ_d1，Ｅ_d2…直
流電圧、ｔ₁ ，ｔ₂ …時刻。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電圧を多相の交流電圧に変換して交
   流電動機を駆動する多レベルインバータ回路を備えた電
   力変換装置において、交流電源から前記直流電圧を生成
   する可逆コンバータを備え、前記多レベルインバータ回
   路を構成する各相のスイッチ素子と直列に保護ヒューズ
   を挿入し、前記多レベルインバータ回路に直流短絡が発
   生したとき、残りの健全相により前記交流電動機の制動
   運転を行うことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 コンデンサが並列接続された直流電圧を
   交流電圧に変換して交流電動機を駆動する多レベルイン
   バータ回路を備えた電力変換装置において、交流電源か
   ら前記直流電圧を生成する可逆コンバータを備え、前記
   多レベルインバータ回路により前記交流電動機を制動停
   止させるとき、前記直流電圧を所定値に低下するまで前
   記可逆コンバータの運転を継続して前記コンデンサの残
   留電荷を減少させることを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 コンデンサが並列接続された共通の直流
   電圧をそれぞれ交流電圧に変換して複数の交流電動機を
   それぞれ駆動する複数の多レベルインバータ回路を備え
   た電力変換装置において、交流電源から前記直流電圧を
   生成する可逆コンバータを備え、いずれかの多レベルイ
   ンバータ回路により交流電動機を停止させるとき、他の
   すべての多レベルインバータ回路の運転を停止させ、前
   記直流電圧を所定値に低下するまで前記可逆コンバータ
   の運転を継続して前記コンデンサの残留電荷を減少させ
   ることを特徴とする電力変換装置。
4. 【請求項４】 交流電源を入力としコンデンサが並列接
   続された負荷回路に直流電圧を出力する可逆コンバータ
   を備えた電力変換装置において、装置の運転を停止する
   とき、前記直流電圧が所定値に低下するまで前記可逆コ
   ンバータの運転を継続し、停止後の前記コンデンサの残
   留電荷を減少させることを特徴とする電力変換装置。
5. 【請求項５】 可逆コンバータで成る直流電源部を備え
   た電力変換装置において、前記直流電源部のみを単独に
   運転できるようにして、電力変換装置の残留電荷を交流
   入力電源に回生することを特徴とする電力変換装置。