JPH0834696B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エレベータの駆動等に用いる電力変換器の
制御装置に係り、特に電力変換器の異常時に電力変換器
に用いられるスイツチング素子の保護を行うのに好的な
電力変換器の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

交流電力を直流に変換する順変換器（以下コンバータ
という）、直流を交流に変換する逆変換器（以下インバ
ータという）等の電力変換器には各種の方式のものが提
案されている。この電力変換器のある種の方式は、交流
電源をコンバータによつて直流に変換し、コンバータの
出力直流電流をリアクトルにより平滑・連続化し、この
直流電力をインバータにより任意の周波数の交流電力に
変換して負荷に分配し、負荷を制御するように構成され
る。この様な電力変換器を電流形電力変換器と称呼する
が、この電流形電力変換器は、平滑用のリアクトルを有
しているため、直流電流の異常や出力周波数の異常等の
動作異常時に、急速に運転を停止する場合、その電流経
路を遮断すると、リアクトルに蓄積されていた磁気エネ
ルギーにより高電圧が発生し、コンバータやインバータ
を構成するスイツチング素子を永久破壊するという問題
点があつた。

従来、この種の問題を解決する方法として、特開昭57
−195082号公報に開示された方法が知られている。この
従来技術による電流形電力変換器は、該電力変換器の動
作異常時に、コンバータを構成するスイツチング素子に
オフ信号を与え、コンバータの出力を遮断すると同時
に、コンバータの出力側に接続したサイリスタ等をオン
状態とさせて、それ以前にコンバータに流れていた直流
電流をこのサイリスタ等に環流させることにより、直流
電流が断状態となるのを防止し、直流電動機の蓄積エネ
ルギーを徐々に減衰させ、高電圧の発生を防止してい
る。したがつて、この従来技術においても、コンバータ
やインバータを構成するスイツチング素子の永久破壊を
防止するという点で一応の効果を有するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述の従来技術は、さらに次のような
解決すべき問題点を含んでいる。すなわち、．インバ
ータの故障、例えばインバータのスイツチング素子に与
えるべきオン信号がなくなるような故障による電流形電
力変換器の動作異常が生じた場合、直流電流は断状態と
なりインバータのスイツチング素子に高電圧が印加され
る。．コンバータの故障により、電流形電力変換器の
動作異常が発生した場合、交流電源の遮断が不能になる
ため、電流形電力変換器の運転停止ができなくなる。

本発明の目的は、前述したような従来技術による問題
点を解決し、簡単な回路構成で電流形電力変換器の異常
動作時に確実に運転を停止することができ、かつスイツ
チング素子に高電圧が印加されることのない電流形電力
変換器の制御装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、前記目的は、電流形電力変換器の異
常動作発生時に、交流電源を遮断し、コンバータとイン
バータのスイツチング素子にオン信号を与えて、スイッ
チング素子をオン状態にし、さらに、コンバータとイン
バータとの間の直流通流経路内に接触器と抵抗素子を並
列に設け、交流電源の遮断と同時に、前記接触器を開路
するように構成することにより達成される。

〔作用〕

電流形電力変換器に設けた異常検出器は、直流電流の
過大や出力周波数の異常を検出して制御装置に対して運
転停止信号を出力する。制御装置は、これにより、交流
電源とコンバータとの間に設けられている遮断器をオフ
として交流電源を遮断するとともに、コンバータとイン
バータを構成する全てのスイツチング素子に対してオン
信号を与え、スイツチング素子を全てオン状態とする。
この結果、リアクトルの磁気蓄積エネルギーによる直流
電流は、コンバータおよびインバータのスイツチング素
子を介して環流するようになるので直流電流が断状態に
なることはなくなり、リアクトルの磁気蓄積エネルギー
による高電圧は発生しない。インバータを構成するスイ
ツチング素子は、一般に複数の相を有するように構成さ
れているので、例えば一相分のスイツチング素子が故障
してオフ状態になつたままであつても、他の正常な相の
スイツチング素子を介して直流電流が環流するため、高
電圧は発生しない。また、交流電源の遮断は、コンバー
タのスイツチング素子を用いることなく、交流電源とコ
ンバータとの間に設けられる遮断器により行われるの
で、コンバータの故障による異常が発生した場合であつ
ても、電流形電力変換装置の運転を確実に停止すること
ができる。

さらに、直流通流経路内に設けられた接触器が交流電
源の遮断と同時に開路されるので、直流電流は、接触器
に並列に接続された抵抗素子を介して還流することにな
り、これにより、直流リアクトルの蓄積エネルギーをす
ばやく減衰させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明による電力変換器の制御装置について、
図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は、本発明の基本的な構成例を示す電力変換器
の制御装置であり、第１図において、１は三相交流電
源、２は交流電源遮断用の接触器、３はコンバータ、31
〜36はコンバータ３を構成するスイツチング素子として
の６個のトランジスタ、41〜46はトランジスタの逆耐電
圧確保用のダイオード、４は直流リアクトル、５はイン
バータ、51〜56はインバータ５を構成するスイツチング
素子としての６個のトランジスタ、61〜66はトランジス
タの逆耐圧確保用のダイオード、７は負荷の一例として
示した誘導電動機、８は直流電流検出器、９は一次電流
指令i^* ₁とコンバータ３の出力直流電流値を比較する比
較器、10,11はパルスパターンを12個のトランジスタに
供給するインバータおよびコンバータ制御用のワンチツ
プマイコンである（なお、これらのワンチツプマイコン
10と10は同一のハード構成となつているので、その詳細
な説明は主としてワンチツプマイコン10について行
う）。12はコンバータ制御用ワンチツプマイコンに与え
られる一次電流指令i^* ₁を加える入力端子、13,14はイン
バータ制御用ワンチツプマイコンに与えられる周波数指
令ω^＊ _１と位相指令θ^＊を加える入力端子、15はコンバ
ータ制御用ワンチツプマイコンに与えられる電源同期信
号の入力線、16は直流電流異常検出器である。

ワンチツプマイコン10は、入力ポート101、内部バス1
02、プログラムやパルス幅データテーブル等を格納する
ROM103、一時記憶やレジスタとして用いられるRAM104、
演算等を実行するALU105、出力ポート106、出力ポート1
06に所定のパルスパターン（事象）から成る制御信号を
出力するために必要な事象の設定を行う事象設定レジス
タ107、この事象をいつイネーブルにするかの時刻設定
を行う時刻設定レジスタ108、これら両設定レジスタ10
7,108の内容を連結し保持する保持レジスタ109、この保
持レジスタ109に設定されたいく組かの設定データが順
次サイクリツクに格納される連想メモリ110、実際の時
刻を出力するタイマ111、このタイマ111による時刻と連
想メモリ110内の設定時刻内容とを比較し、これらの時
刻が一致したときに出力を発生する比較部112、比較部1
12からのトリガを受け設定された事象を出力ポート106
に出力制御する実行コントローラ113、ALU105の演算結
果を出力する外部出力ポート114等で構成される。

次に、この構成例の正常時の動作について説明する。
ただしここでは、まずインバータ制御の場合を例にとつ
て説明する。

第２図は、出力ポート106に発生させる事象、つまり
パルスパターンを求める事象算出処理プログラムF1000
の概略フローチヤートである。まず、処理F1100で周波
数指令ω^＊ _１、位相指令θ^＊を入力指令を入力ポート10
1から読み取る。この周波数指令ω^＊ _１、位相指令θ^＊
は、負荷である誘導電動機７に設けられたエンコーダか
らの情報及び図示しない速度指令発生装置からの指令情
報から求められるものである。したがつて、この周波数
指令ω^＊ _１および位相指令θ^＊をワンチツプマイコン10
内で計算する場合には、処理F1100での入力ポート101の
読み取りは不要となる。次にこの周波数指令ω^＊ _１を一
定時間、後述する割込インターバルΔt₁ごとに積分し、
位相指令θ^＊と加算して総合位相θ_Ｔを処理F1200で求
める。次に電気各360°を60°ごとに分けた６つのモー
ドのうち、今回求めた総合位相θ_Ｔではどのモードのパ
ルスパターンを出力すればよいか、つまり総合位相θ_Ｔ
に応じて決定される出力事象を処理F1300で求める。さ
らに最後に、割込インターバルΔt₁の間にパルスパター
ンを変化させるが、変化させるまでの時間t_Enを総合位
相θ_Ｔによるデータテーブルの参照によつて求めておく
処理を処理F1400で行う。この処理によつて、２つのレ
ジスタ107と108に設定する事象内容と事象変化時刻の２
つの項目が求まつたことになる。

第３図は、前述した事象算出処理プログラムF1000で
求めておいた２つの項目を出力ポート制御用の連想メモ
リ110に設定する事象設定処理プログラムF2000の概略フ
ローチヤートであり、次にこの事象設定処理について説
明する。まず、処理F2100で６個のトランジスタに必要
な事象設定と時間設定が完了したか否かを判断し、この
結果がNOであれば、処理F2200で該当する事象設定を行
い、処理F2300で事象変化までの時間設定を行い処理を
終了する。

これらの処理プログラムF1000、F2000は割込インター
バルΔt₁の間に起動されるが、第４図は、どのような時
間経過でこれらの処理プログラムが起動されるのかを示
す図である。事象設定処理プログラムF2000は、割込イ
ンターバルΔt₁毎に生じる第１のタイマ割込2000に同期
して起動される。一方、事象算出処理プログラムF1000
は、第１のタイマ割込2000に先立つて生じる第２のタイ
マ割込1000によつて起動され、事象設定処理プログラム
F2000の起動前に事象算出処理を完了させる。事象算出
処理プログラムF1000の処理を事象設定処理プログラムF
2000の起動直前で完了させるようにしたのは最新データ
を事象設定処理プログラムF2000で使えるようにしたた
めである。割込インターバル時間間隔分のむだ時間要素
が入つてもよい場合には、事象設定処理プログラムF200
0に引続いて事象算出処理プログラムF1000を実行すれば
よい。その場合には割込み判定に要する時間が短くなる
ので、割込インターバル間隔Δt₁を短かく設定できイン
バータ５の高周波化が可能となる。

したがつて、前述したインバータ制御の実施例では、
処理プログラムF2000によつて、所定事象の設定と時刻
の設定が終了すれば、ワンチツプマイコン10内の連想メ
モリ110、実行コントローラ113が出力制御を引き受ける
こととなつて、ALU105を含む主プロセツサ部は、出力処
理から解放され、他の処理の実行が可能となる。実行コ
ントローラ113は、連想メモリ110に設定された事象と時
刻とにより、出力ポート106を介してインバータ５を構
成するトランジスタ51〜56を制御する。第５図は、トラ
ンジスタ51〜56に与えられる出力ポート106からのポー
ト信号S51〜S56を示すもので、このポート信号によりト
ランジスタ51〜56はオンオフ制御され、この結果、イン
バータ５は、負荷の誘導電動機７に所定の周波数を持つ
三相交流電力を供給する。

次に、コンバータ３の正常時の動作について、フロー
チヤートとタイミングチヤートを用いて説明する。

第６図は、位相、通流率指令作成処理プログラムF300
0の概略フローチヤートである。第１図に示す電力変換
器が正常動作中、比較器９は、入力端子12からの一次電
流指令i^* ₁と電力変換器８からのコンバータ３の出力直
流電流値とを比較し電流偏差値Δi₁を発生し、コンバー
タ制御用ワンチツプマイコン11の入力ポートに与えてい
る。したがつて、まず、処理F3100では、この電流偏差
値Δi₁をワンチツプマイコン11内に設けられたA/D変換
器から取り込む、次に、処理F3200、F3300では、この電
流偏差値Δi₁に対して第７図に示すような特性になるよ
うに、位相指令テーブルおよび通流率指令テーブルを参
照して、位相指令Ph^*及び通流率指令γ^＊を求める処理
を実行する。

第８図は、電源割込み処理プログラムF4000の概略フ
ローチヤートである。第１図におけるコンバータ３の制
御用ワンチツプマイコン11は、信号線15を介して、例え
ば三相電源１のＵ相が与えられ、このＵ相の立上りゼロ
クロス点を検出して自ら外部割込みをかける。この外部
割込みは、電気角360°ごとに発生する。この外部割込
みがかかると、処理F4100では、次にワンチツプマイコ
ン11自身にソフトウエアタイマ割込みをかける事象を事
象設定レジスタにセツトする。そして、処理F4200で、
事象発生の時刻として処理F3200で求めた位相指令Ph^*に
相当する時間を時刻設定レジスタにセツトする。インバ
ータ制御では、ほぼ一定時間ごとに発生するタイマ割込
みでパルス切換え処理が起動されていたのに対して、コ
ンバータ制御では、この電源割込み処理に続く位相指令
Ph^*に基づく位相時間後に一連のパルス切換え処理が起
動されることになる。

第９図は、位相完了割込み処理プログラムF5000の概
略フローチヤートである。この処理プログラムは、電源
割込み処理プログラムF4000でセツトした位相時間にな
つたとき起動される。まず、処理F5100ですぐに点弧す
べきトランジスタ33,35へのポートに事象として“1"を
書込み、時刻t₀に小さなダミー時間t_dを加えて連想メモ
リに動作登録を行う。次に、処理F5200で次に消点弧を
行うべきトランジスタ33,32にそれぞれ“0",“1"の事象
設定を行うとともに、消点弧タイミングT_Wの時刻設定を
行う。消点弧タイミングT_Wは、処理F3300で求めた通流
率指令γ^＊とパルス幅指令ω^＊よりテーブルを参照して
求める。さらに、処理F5300で、前述で設定したパルス
切換え時に自己割込みをかけて次のパルス切換えを行う
準備として、前記時刻T_Wに自己割込みをかける事象設定
を行う。最後に、処理F5400では次のパルス切換え処理
のプログラム上の飛び先を事前に求める処理を実行す
る。

第10図は、パルス切換処理プログラムF6000の先頭部
分の概略フローチヤートである。この処理プログラム
は、位相完了割込み処理プログラムF5000に続いて実行
される部分である。まず、処理F6010で次に消点弧を行
うべきトランジスタ31,32の事象“0",“1"の設定と時刻
設定がスケジユールされる。次に、処理F6010でスケジ
ユールされた時刻で自分自身に対して可変ソフトウエア
タイマ割込みの事象と時刻が処理F6020で設定される。
次の処理F6030では、次にパルス切換処理プログラムF60
00が起動されたときの飛び先を求める。すなわち、次に
この処理プログラムF6000が起動されたときには、処理F
6030の次の行の処理から実行されるように、処理F6030
でジヤンプ先の設定をしておく。パルス切換処理プログ
ラムF6000は、シーケンス処理により実行されるように
構成したが、シーケンス処理としたことにより、飛先判
定に要する時間を短くすることができ、最小パルス幅を
狭く設定することが可能となる。

第11図は、コンバータ制御に関してこれまで説明した
処理プログラムがどのような時間経過で起動されるのか
を示す図である。電気角360°ごとに発生する電源割込
み信号によつて電源割込み処理プログラムF4000が起動
され、該プログラムF4000内でスケジユールされた位相
完了割込み処理プログラムF5000が位相指令Ph^*に対応し
た時間後に起動され、さらに該プログラムF5000内でス
ケジユールされた消点弧時にパルス切換え処理プログラ
ムF6000が起動される。

以上説明したように、第１図に示す本発明の基本的構
成例の電流形電力変換器では、コンバータ３およびイン
バータ５を構成するトランジスタ31〜36及び51〜56が正
常であれば、コンバータで制御される直流電流は、断続
することなくインバータ５に供給され、インバータ５に
より任意の周波数の交流電力に変換されて負荷である誘
導電動機に供給されるので、異常な高電圧発生しない。

次に、異常現象発生時の本発明の基本的構成例の動作
について説明する。第１図に示す本発明の基本的構成例
には、コンバータ用トランジスタ31〜36の故障でコンバ
ータ３の出力である直流電流が急変するという異常現象
が発生した場合に、運転を停止するための構成が示され
ている。

第１図において、直流電流異常検出器16は、コンバー
タ３の出力直流電流を監視する直流電流検出器８からの
出力電流検出値を受け、この直流電流の変化が所定の変
化率を超えた場合、ワンチツプマイコン10,11に直流電
流異常割込み信号を出力する。ワンチツプマイコン10,1
1は、この直流電流異常割込み信号により、電流形電力
変換器の非常運転停止処理を行う。第12図は、この非常
運転停止処理を行う処理プログラムF7000の概略フロー
チヤートを示す。直流電流異常検出器16から直流電流異
常割込み信号が発せられ、この処理プログラムF7000が
起動されると、まず、処理F7100で出力ポート114から交
流電源遮断用の接触器２に対してオフ信号を出力し、接
触器２を開路してコンバータ３と三相交流電源１の経路
を遮断する。この状態では、いままでコンバータ３の所
定のトランジスタを介して三相交流電源に流れていた直
流電流の一部が接触器２の開路に伴い遮断状態となるの
で、直流リアクトル４に蓄積された磁気エネルギーは、
高電圧となつてコンバータ３のオフ状態のトランジスタ
に印加され、トランジスタを永久破壊する場合がある。
そこで、ワンチツプマイコン11からコンバータ３を構成
する全トランジスタ31〜36にオン信号を出力し、全ての
トランジスタ31〜36をオン状態とする処理が実行され
る。まず、処理F7200で６個のトランジスタ全部をオン
とする為の設定処理が完了したか否かを判断し、この結
果がNOであれば、処理F7300で事象設定レジスタ107に事
象として“1"を設定し、処理F7400で時刻設定レジスタ1
08に最も短い時間を設定する。以上の処理が終了すれ
ば、実行コントローラ113は、連想メモリ110からのこれ
らの事象を出力ポート106に送り、直ちにコンバータ３
内の全てのトランジスタ31〜36をオン状態とする。

これにより接触器２の開路後の直流電流は、直流リア
クトル４→インバータ５のトランジスタ→誘導電動機７
→インバータ５のトランジスタ→コンバータ３のトラン
ジスタ→直流リアクトル４の経路で環流されることにな
り、直流電流の断状態による高電圧の発生が防止され
る。このとき、仮に、トランジスタ31がオン不能の故障
になつていたとしても、トランジスタ32−35,33−36の
いずれかで直流電流の環流経路が形成されるので、直流
電流は断状態にならず高電圧も発生しない。

前述した異常現象発生時の動作では、コンバータ３を
構成するトランジスタに故障が発生した場合について説
明したが、インバータ５を構成するトランジスタに故障
が発生した場合も同様に直流電流の遮断状態が問題とな
る。しかし、本発明によれば、この場合もワンチツプマ
イコン10からトランジスタ51〜56にオン信号を出力し、
直流電流を直流リアクトル４→インバータ５のトランジ
スタ→コンバータ３のトランジスタ→直流リアクトル４
の経路で環流させることができるので高電圧は発生しな
い。

以上説明した本発明による電流形電力変換器の制御装
置の基本的構成例において、電力変換器の異常検出をコ
ンバータ３の出力直流電流の変化率を監視することによ
り行うこととしたが、異常検出をコンバータ３の出力直
流電流の値を監視することにより行つてもよい。直流電
流の値を監視する方式は、フイードバツク用の直流電流
検出器８を流用することができるので経済的に有利であ
るという利点がある。また、電力変換器の異常を検出す
るために、直流リアクトル４の両端電圧、トランジスタ
31〜36,51〜56に印加される電圧を監視してもよい。こ
の場合は、トランジスタの破壊の原因となる高電圧の発
生を直接監視するので、異常の発生をより確実に検出で
きるという利点がある。また、電力変換器の異常を検出
するために、交流電源１の電流値を検出してもよい。こ
のようにすると、直流リアクトル４で平滑された直流電
流を監視するより短時間で異常を検出できるという利点
がある。また、交流電源１の停電を検出することによつ
ても前記と同様な効果がある。さらに、負荷として接続
される誘導電動機７の速度等、負荷の運転状態から電力
変換器の異常を検出するようにしてもよい。この場合、
負荷に設けられている速度検出器等のハードを流用して
使用できるので経済的に有利であるという利点がある。

第13図は、本発明の実施例を示す電流形電力変換器の
制御装置の構成図であり、第13図において、２′は接触
器、17は抵抗器であり、他は第１図の場合と同じであ
る。

この実施例が第１図に示す本発明の基本的構成例と異
なる点は、直流通流経路内に接触器２′と抵抗素子17を
並列に設けた点である。この実施例では、正常動作時に
接触器２′は閉じられており、直流電流は、接触器２′
の接点、直流リアクトル４を介して通流するので、正常
時の動作は全く第１図の実施例の場合と同様である。異
常現象発生時、この実施例では、接触器２の開路と同期
して接触器２′を開路するように制御される。このため
直流電流は、抵抗素子17を介して環流することとなる。
このようにすると、直流リアクトル４の蓄積エネルギー
の減衰を早くすることができるという効果がある。ま
た、第13図の実施例で、抵抗素子17をバリスタ等の非線
形抵抗素子としても同様な効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、電流形電力変
換器の非常停止時において、直流電流を遮断状態にする
ことがないので、直流リアクトルの磁気蓄積エネルギー
による高電圧の発生を防止でき、過電圧印加によるコン
バータあるいはインバータを構成するスイツチング素子
の破壊を確実に防止できる。また、本発明においては、
コンバータあるいはインバータを構成するスイツチング
素子のオンオフ制御をワンチツプマイコンで行うように
しているので、回路構成が簡単で信頼性の高い電流形電
力変換器の制御装置を提供することができる。さらに、
本発明によれば、交流電源の遮断を交流電源とコンバー
タとの間に設けた遮断器により行うようにしているの
で、コンバータの故障による異常が発生した場合であつ
ても、電流形電力変換器の運転を確実に停止することが
できる。

さらに、本発明によれば、コンバータとインバータと
の間の直流通流経路内に設けられた接触器が交流電源の
遮断と同時に開路されるので、直流電流は、接触器に並
列に接続された抵抗素子を介して環流することになり、
これにより、直流リアクトルの蓄積エネルギーをすばや
く減衰させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成例を示す構成図、第２図〜
第12図は第１図に示す実施例の動作を説明するための
図、第13図は本発明の実施例を示す構成図である。 １……三相交流電源、2,2′……接触器、３……コンバ
ータ、４……直流リアクトル、５……インバータ、７…
…誘導電動機、８……直流電流検出器、９……比較器、
10,11……ワンチツプマイコン、16……直流電流異常検
出器、17……抵抗素子

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−244276（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−140117（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭53−5408（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源に接続される順変換器と、該順変
   換器の出力側に接続される電流平滑用リアクトルと、該
   電流平滑用リアクトルを介して前記順変換器に接続され
   負荷に電力を供給する逆変換器と、前記順変換器と逆変
   換器を構成するスイッチング素子と、該スイッチング素
   子へオンオフ信号を出力する制御装置とからなる電力変
   換器の制御装置において、前記交流電源と前記順変換器
   の間に設けられた電源遮断手段と、前記順変換器と前記
   逆変換器の直流端子間をそれぞれ短絡するように前記両
   変換器内のスイッチング素子にオン信号を与える手段
   と、前記順変換器、前記電流平滑用リアクトル及び前記
   逆変換器を通る還流経路内に設けた抵抗素子と接触器の
   並列回路と、前記電源遮断手段と前記オン信号を与える
   手段の動作時に前記接触器を解放する手段とを備えたこ
   とを特徴とする電力変換器の制御装置。