JPS6132900B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は過電流保護回路に関し、負荷として電
動機負荷を有する静止形インバータ電源装置に適
用できるものである。

オンラインコンピユータシステムや、通信機器
などのように高信頼度の電源を必要とする設備の
電源として、バツテリと静止形インバータとを組
合せた無停電電源装置が広く使用されている。こ
のように静止形インバータを用いる場合、インバ
ータの出力電流についての絶対的限度として転流
限界があり、出力電流がこの転流限界を超えると
転流失敗によつて内部短絡が生じ、これにより運
転停止という事態になる欠点がある。

この欠点を改善する１つの方法として、静止形
インバータの制御応答が速いことに着目して、負
荷側において例えば短絡などの過電流が生じたと
きインバータの出力電圧を瞬間的に（過電流検出
後100マイクロ秒以内程度の速さで）、絞り込むこ
とによつて過電流が流れるようにする方法が実用
化されている。

すなわち第１図に示す如く、静止形インバータ
１の出力がブレーカ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄを
それぞれ介して負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃ及び３Ｄに
供給されると共に、インバータ１の出力回路に過
電流検出器４に設ける。しかるに出力電流がイン
バータ１の許容電流（例えば定格電流の200％の
値でなる）より大きくなつたとき、過電流検出器
４の検出出力に基づいて過電流検出回路５によつ
てインバータ１をパルス幅制御することにより、
過電流を流さないようにインバータ１を絞り込
む。

このようにすることにより、負荷側の過電流事
故（例えば短絡事故）が解除されない場合にはイ
ンバータ１の出力電流が半サイクルごとに許容値
を越えるので、半サイクルごとに絞り込み信号が
インバータ１に与えられることになり、結局イン
バータ１の出力電流が許容電流が抑制されること
になる。

この過電流は短絡点を通じて流れるので、この
分岐のブレーカがその動作時間経過後（数十ミリ
セカンドから数百ミリセカンド程度）にトリツプ
することによりこの分岐がインバータ１から切り
離され、かくしてインバータ１の出力電圧はもと
の電圧に復帰する。従つて第１図の方法によれ
ば、通常の場合にはインバータ１の負荷側の短絡
が生じたり、又はインラツシユ電流の大きな負荷
が投入されたりすれば、その過電流をインバータ
１を絞り込み制御することにより抑制し得、かく
してインバータ１を転流失敗から効果的に保護す
ることができる。

しかし第１図の方法によれば、負荷の一部に容
量が比較的大きな電動機を含む場合には、上述の
保護機能を果すことができない。すなわち第４の
負荷３Ｄが電動機である場合、例えば第１の負荷
３Ａの分岐に短絡が生じたとする。このときイン
バータ１は上述のようにして出力電圧の絞り込み
動作をするが、電動機負荷３Ｄには残留起電力が
あるので、電動機負荷３Ｄからインバータ１及び
短絡点Ｐへ逆流電流が生じる。この場合の故障時
等価回路を示す第６図を参照して詳述する。同図
においてＬ，Ｃはインバータ１を形成するフイル
タ回路、eiはインバータ１の内部起電力を示し、
このインバータ１は絞り込み動作中において内部
起電力eiを零にすることにより短絡点Ｐへの短絡
電流の流入を抑制している。

また同図中においてＺ_Mは電動機負荷３Ｄの内
部インピーダンス、ｅ_Mは電動機負荷３Ｄの残留
起動力である。なお、Ｚ_Sは短絡故障にて生じる
短絡インピーダンスである。

上記第６図中の短絡点Ｐにおいて短絡故障が生
じた場合には、インバータ１の内部起電力eiを零
としても電動機負荷３Ｄの残留起電力ｅ_Mが90％
程度残存するため、内部起電力eiを零とした後は
残留起電力ｅ_Mが電源として作用し、電動機負荷
３Ｄの内部インピーダンスＺ_Mを通して短絡イン
ピーダンスＺ_S、負荷３Ｂ，３Ｃのインピーダン
スＺ_3B，Ｚ_3C及びインバータ１のフイルタＬ，Ｃ
にて形成される並列回路へ電流を供給することと
なる。この並列回路中のインピーダンスＺ_3B，Ｚ
_3C及びフイルタのコンデンサＣは、高インピーダ
ンスであることから残留起電力ｅ_Mより供給され
る電流の大部分がフイルタのコイルＬを通つてイ
ンバータ１へ流入すると共に、短絡故障のＰ点へ
流れることとなる。

上記の場合において短絡インピーダンスＺ_Sが
低いときには、 例えば短絡インピーダンスＺ_S＝0.01PU 内部インピーダンスＺ_M＝0.2PU フイルタのコイルＬ＝0.15PU において、残留起電力ｅ_M＝0.9の場合を考える
と、 短絡電流is＝0.9／（0.2＋０．１５×０．０１／０．
１５＋０．０１） 〓0.9／（0.2＋0.009） ＝4.3PU この短絡電流isは、0.15と0.01の比率で分流
し、大部分が短絡点Ｐへ流入することとなり、イ
ンバータ１は被害を受けない。

次に他の例として不完全短絡でやや短絡インピ
ーダンスＺ_Sが高い場合として、 例えば短絡インピーダンスＺ_S＝0.3PUの場合
について考えると、 短絡電流is＝0.9／（0.2＋０．１５×０．３／０．１
５＋０．３） 〓0.9／（0.2＋0.1） ＝3PU この短絡電流isは0.15と0.3との比率で分流し、
インバータ１に2PUとして流れる。一般にインバ
ータの転流限界（瞬時許容電流）は定格電流の
1.5〜2.0倍であるため、電動機から逆流する上記
短絡電流isが2PUとして流れ、これがインバータ
１の転流限界を越える値となり、インバータ１の
転流失敗をもたらす可能性が大きいこととなる。

なお、前記短絡インピーダンスＺ_Sが0.01PUの
場合においても、短絡点Ｐがヒユーズやブレーカ
で選択遮断された瞬間に電動機負荷３Ｄの残留起
電力ｅ_Mによる逆流電流が総てインバータ１へ流
入するため、インバータ１の転流失敗が生じるこ
ととなる。

この電動機負荷３Ｄからインバータ１への逆流
電流は電動機負荷３Ｄの残留電圧（これは定格電
圧の90％程度であり、0.3〜3.0秒程度の電動機の
磁気回路の時定数で減衰する）と、電動機負荷３
Ｄのインピーダンスによつて決まり、電動機負荷
３Ｄが大形であるとインバータ１の定格電流の数
倍程度になる。しかもこの逆流電流はインバータ
１が絞り込み動作をして過電流を抑制すると、こ
れに応じて大きくなるので、逆にインバータ１を
過電流により転流失敗させる原因にもなる。なお
負荷に含まれる電動機負荷３Ｄが小形の場合に
は、電動機負荷３Ｄからの逆流電流も小さいの
で、このような不都合が生じない。

そこで本発明は、負荷に大形の電動機が含まれ
ている場合に、負荷の過電流を抑制することによ
り静止形インバータ１の転流失敗を防ぐことがで
きる過電流保護回路を提案しようとするものであ
る。

以下図面について本発明の一例を詳述するに、
本発明に依る過電流保護回路は第１図との対応部
分に同一符号を附して第２図に示す如く、電動機
でなる第４の負荷３Ｄに対する分岐用スイツチと
して、強制転流による瞬時しや断ができる静止形
スイツチ７を用い、過電流検出回路５の検出出力
によつてトリツプ動作をするようになされてい
る。

静止形スイツチ７としては、外部信号によつて
ほぼ数十マイクロ秒以内程度の動作時間で開閉動
できるものとして、第３図の構成のものを適用し
得る。すなわち静止形スイツチ７は３相入力端子
Ｕ１，Ｖ１及びＷ１と、３相出力端子Ｕ２，Ｖ２
及びＷ２間に、それぞれ主サイリスタMT及び主
ダイオードＤの並列回路からなる負荷電流ｉ_u，
ｉ_v及びｉ_wの通路を構成している。

主サイリスタMTには並列に、転流コンデンサ
Ｃ、転流リアクトルＬ及び補助サイリスタATの
直列回路が接続され、常時は充電回路（図示せ
ず）によつて転流コンデンサＣを図示の極性に充
電しておく。しかるに静止形スイツチ７を開路し
たいときは主サイリスタMTのゲート信号をオフ
状態にすると共に補助サイリスタATをターンオ
ンする。かくすれば転流コンデンサＣの充電電圧
が転流リアクトルＬ及び補助サイリスタATを通
じて主サイリスタMTの両端に逆方向に放電さ
れ、これにより主サイリスタMTは数十マイクロ
秒の動作時間でターンオフし、かくして静止形ス
イツチ７を極く短時間の間に開路させることがで
きる。

第２図の構成において、電動機負荷３Ｄの分岐
以外の分岐例えば第１の負荷３ＡのＰ点において
第４図Ａに示す如き時点t₁で短絡が生じ、これに
よりインバータ１の出力電流が過電流になると、
過電流検出回路５の検出出力によつて静止形スイ
ツチ７がトリツプされる（第４図Ｂ）と共に、静
止形インバータ１が絞り込み制御されてその出力
電圧E₀が第４図Ｃに示す如く急速に立下る。

そこで電動機負荷３Ｄの回転数は第４図Ｄに示
す如く定常回転数n₁から低下して行くが、第４図
Ｅに示す如く時点t₁以後も残留電圧Ｅ_Xが残る。
しかし電動機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xは徐々に低
下して行く。

やがて第４図の時点t₂においてＰ点の短絡が解
除されると、過電流検出回路５に検出出力が得ら
れなくなることにより、インバータ１はソフトに
絞り込み解除制御され、これによりインバータ１
の出力電圧E₀がゆつくりと回復して行く。

その後電動機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが十分に
低下した時点t₃で、静止形スイツチ７をオン動作
させる。このとき電動機負荷３Ｄは回復しつつあ
るインバータ１の出力電圧によつて駆動され、か
くして回転数n₂に低下した状態から回転数n₁に加
速回復して行く。

第３図の構成に依れば、電動機負荷３Ｄ以外の
負荷の分岐に短絡事故が生じたとき電動機負荷３
Ｄを直ちに静止形スイツチ７によつて切り離すよ
うにしたので、インバータ１に転流失敗を生じさ
せることなくその本来の絞り込み動作を行わせる
ことができる。また一旦静止形スイツチ７をトリ
ツプさせた後短絡事故が復旧した場合には、電動
機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが十分低下してから静
止形スイツチ７のトリツプを解除させるようにし
たことにより、インバータ１の転流失敗を生じさ
せずに済む。

因みに、電動機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが未だ
高いときに静止形スイツチ７をオン動作させる
と、電動機負荷３Ｄとインバータ１との間で過大
な電流の授受が生じるため、インバータ１の転流
失敗を生じさせる原因になる。そこで電動機負荷
３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが長い間残るような場合には
これに応じて静止形スイツチ７のオン動作時点t₃
を遅らせると共に、インバータ１のソフトスター
ト時点t₂をも遅らさることが必要となる。

第５図は本発明の他の実施例を示すもので、上
述のように電動機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが長い
間低下しないためインバータ１のソフトスタート
時点t₂を遅らせるとそれだけ他の負荷への給電が
遅れることになるので、かかる不都合を解決しよ
うとしたものである。

すなわち第５図の場合電動機負荷３Ｄは第２図
の場合と同様に静止形スイツチ７を介してインバ
ータ１に接続されると共に、機械的接点１１を介
して商用電源１２に接続される。なおその他の構
成は第２図と同様である。

第５図の構成において、過電流検出器５が過電
流を検出すれば直ちに、静止形スイツチ７をトリ
ツプすると同時に接点１１を閉じて電動機負荷３
Ｄを引き続き商用電源１２によつて運転する。し
かるにこのように商用電源１２に切換える際に電
動機負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xが高かつたとしても
商用電源１２に対する支障はない。かくしてイン
バータ１は短絡事故が復旧すると直ちに、電動機
負荷３Ｄの残留電圧Ｅ_Xの低下状態とは無関係に
ソフトスタート動作に入つて良く、よつて他の負
荷への供電の中断を起させないで済む。

なおこの場合、電動機負荷３Ｄへの給電を商用
電源１２からインバータ１へ切換えるには、イン
バータ１がもとの運転状態に戻つたとき接点１１
を開くと共に、静止形スイツチ７のトリツプを解
除するようにすれば良い。

上述のように本発明に依れば、静止形インバー
タの負荷として電動機負荷がある場合、過電流が
流れたとき静止形スイツチによつて直ちに電動機
負荷を切り離すようにしたことにより、電動機負
荷により発生される残留電圧からのインバータの
保護を実現でき、かくして広い範囲にわたつて信
頼度の高い電源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用し得る電源供給系を示す
ブロツク図、第２図は本発明に依る過電流保護回
路の一例を示すブロツク図、第３図は静止形スイ
ツチの詳細構成を示す接続図、第４図は第２図の
動作の説明に供する波形図、第５図は本発明の他
の例を示すブロツク図、第６図は故障時等価回路
図である。 １：静止形インバータ、２Ａ〜２Ｄ：ブレー
カ、３Ａ〜３Ｄ：負荷、５：過電流検瞬回路、
７：静止形スイツチ、１１：機械的接点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 定電圧定周波静止形インバータの出力側に負
   荷の一部として電動機負荷を接続してなる電源装
   置において、上記電動機負荷の分岐に静止形スイ
   ツチを介挿し、上記静止形インバータの負荷側に
   過電流が流れたとき直ちに上記静止形スイツチを
   オフ動作させて上記電動機負荷を上記静止形イン
   バータから切り離すと共に、当該静止形インバー
   タの出力電圧を絞ることにより過電流による上記
   静止形インバータの転流失敗を防止することを特
   徴とする過電流保護回路。 ２ 過電流事故が復旧したとき、上記電動機負荷
   の残留電圧が十分低下した後に、上記静止形スイ
   ツチをオン状態に復帰させることにより、過電流
   による上記静止形インバータの転流失敗を防止す
   るようにしてなる特許請求の範囲第１項記載の過
   電流保護回路。 ３ 上記静止形スイツチがオフ動作したときこれ
   と同時に上記電動機負荷を商用電源による運転状
   態に切換え、過電流事故が復旧したとき上記静止
   形スイツチをオン状態に復帰させて上記静止形イ
   ンバータによる運転状態に戻すようにしてなる特
   許請求の範囲第１項記載の過電流保護回路。