(57)【要約】【課題】直流コンデンサが過電圧となる要因が継続しても、交直変換器を構成するパワーデバイスに影響を与えることない過電圧保護機能を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】交流と直流間の電力変換を行なう交直変換器３と、直流リンク部に設けられた直流コンデンサ４と、直流コンデンサ４に蓄えられた電荷を放電するために設けられ、第１のスイッチ５Aを介して接続された第１の抵抗器５Bと、第１の抵抗器５Aより抵抗値が低く、第２のスイッチ６Aを介して直流コンデンサ４に蓄えられた電荷を放電するように接続された第２の抵抗器６Bと、第１のスイッチ５A及び第２のスイッチ６Aのオンオフを制御するための保護シーケンス回路１０とで構成する。保護シーケンス回路１０は、直流コンデン４サの過電圧保護用のトリガ信号が与えられたとき、第１のスイッチを５Aオンし、第１のスイッチ５Aがオンして所定時間経過後第２のスイッチ６Aをオンする。【選択図】図１
2010178540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流と直流間の電力変換を行なう交直変換器と、
前記交直変換器の直流リンク部に設けられた平滑用の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに蓄えられた電荷を放電するために設けられ、第１のスイッチを介して接続された第１の抵抗器と、
前記第１の抵抗器より抵抗値が低く、第２のスイッチを介して前記直流コンデンサに蓄えられた電荷を放電するように接続された第２の抵抗器と、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチのオンオフを制御するための保護シーケンス回路と
を具備し、
前記保護シーケンス回路は、
前記直流コンデンサの過電圧保護用のトリガ信号が与えられたとき、前記第１のスイッチをオンし、
前記第１のスイッチがオンして所定時間経過後前記第２のスイッチをオンするようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記交直変換器はN（Nは３以上の自然数）レベル変換器であり、
前記直流コンデンサはNレベルの直流電位を得るために（Ｎ−１）個が直列接続され、
その各々の前記直流コンデンサに対して前記第１のスイッチ及び前記第１の抵抗器並びに前記第２のスイッチ及び前記第２の抵抗器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
交流電源と前記交直変換器の間に設けられた遮断器を備え、
前記保護シーケンス回路は、
前記トリガ信号が与えられたとき、前記遮断器にオフ指令を出力し、
前記遮断器がオフした後、前記第２のスイッチをオンするようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記トリガ信号は、
少なくとも直流電圧及び交流電圧の何れか一方が所定の閾値以上になったとき発するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記交直変換器を構成するスイッチング素子の短絡故障を検出する故障検出手段を有し、
前記トリガ信号は、
前記故障検出手段が故障を検出したとき発するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に係り、過電圧保護機能を有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流リンク部に平滑用の直流コンデンサを有する所謂電圧形の交直変換器を用いた電力変換装置においては、交流側に過電圧が発生すると直流コンデンサが過充電され、場合によっては直流コンデンサが破損する等の問題が生じる場合があった。また、特に交直変換器が多レベル変換器の場合、変換器を構成するスイッチング素子やダイオードが破損して短絡状態になったとき、この影響で直流コンデンサが交流側の線間電圧のピーク値で充電されて過電圧となる場合もあった。
【０００３】
上記のような直流コンデンサの過電圧異常を保護する手法として従来から用いられているのは、直流コンデンサと並列にスイッチを介した放電用抵抗器を設け、過電圧が生じたときこのスイッチを投入して直流コンデンサの電荷を放電用抵抗器に吸収させる手法である。（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５８３８４号公報（全体）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された手法は、例えば交流電源の過電圧が短時間のサージ電圧のような一過性のものである場合には有効であるが、交流電源の過電圧がある程度継続する場合、また交直変換器を構成するスイッチング素子やダイオードが破損して短絡状態となっている場合には、放電用抵抗器への充電電流が直流コンデンサからのみではなく交流電源からダイオード或いはスイッチング素子を介して流入するため、交直変換器を構成するダイオードなどのパワーデバイスが過電流となって破損する恐れがあった。
【０００６】
本発明は上記に鑑みて為されたもので、直流コンデンサが過電圧となる要因がある程度継続しても、交直変換器を構成するパワーデバイスに影響を与えることない過電圧保護機能を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、交流と直流間の電力変換を行なう交直変換器と、前記交直変換器の直流リンク部に設けられた平滑用の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに蓄えられた電荷を放電するために設けられ、第１のスイッチを介して接続された第１の抵抗器と、前記第１の抵抗器より抵抗値が低く、第２のスイッチを介して前記直流コンデンサに蓄えられた電荷を放電するように接続された第２の抵抗器と、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチのオンオフを制御するための保護シーケンス回路とを具備し、前記保護シーケンス回路は、前記直流コンデンサの過電圧保護用のトリガ信号が与えられたとき、前記第１のスイッチをオンし、前記第１のスイッチがオンして所定時間経過後前記第２のスイッチをオンするようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、直流コンデンサが過電圧となる要因がある程度継続しても、交直変換器を構成するパワーデバイスに影響を与えることない過電圧保護機能を備えた電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る電力変換装置の回路構成図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の第４の実施例に係る電力変換装置の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。交流電源から入力用の遮断器１及び入力用の変圧器２を介して交直変換器３に交流電力が給電されている。交直変換器３はパワーデバイスをブリッジ接続して構成されている。図１においては自己消弧型のスイッチング素子及びこれと逆並列に接続されたダイオードによってパワーデバイスが構成されている。従って図１の交直変換器３の場合、回生動作が可能となる。
【００１２】
交直変換器３の直流リンク部には電圧平滑用の直流コンデンサ４が接続されている。また、直流コンデンサ４に印加される電圧を電圧検出器７で検出している。そして、直流コンデンサ４の電荷を放電するためにスイッチ５Ａを介して放電用の抵抗器５Ｂが、またスイッチ６Ａを介して放電用の抵抗器６Ｂが接続されている。ここで抵抗器６Ｂの抵抗値は抵抗器６Ａの抵抗値より低く選定している。
【００１３】
電圧検出器７で検出された電圧は保護シーケンス回路１０の内部の過電圧検出回路１１に与えられる。過電圧検出回路１１はこの検出電圧が所定の閾値以上であったとき直流コンデンサ４の過電圧保護用のトリガ信号を発し、このトリガ信号によってスイッチ５Ａを投入すると同時に遮断器１を開放する信号を出力する。そして保護シーケンス回路１０は遮断器１が開放されたことを開放検出回路１２によって検出した後、スイッチ６Ａを投入する。
【００１４】
以上の構成における動作について以下説明する。
【００１５】
過電圧検出回路１１が過電圧を検出すると、瞬時にスイッチ５Ａを投入する。スイッチ５Ａを所謂半導体スイッチとしておけば投入遅れは実質的にゼロである。ところが、遮断器１は通常機械式の遮断器であるのでその投入には数１０ｍｓ以上の時間を要する。そして抵抗器５Ｂの抵抗値を、遮断器１が開放されるまでの期間の交流電源側からの突入電流がパワーデバイスを破損しないように且つ直流コンデンサ４の過電圧が大きく上昇しないように選定しておく。そして遮断器１が開放されたことを検出した後、スイッチ６Ａを投入すれば、コンデンサ４の電荷は低抵抗の抵抗器６Ｂによって急速に放電されるので、保守作業などに対してもすぐに安全状態とすることができる。
【００１６】
尚、上記においてスイッチ６Ａが投入されたあと、スイッチ５Ａを開放するようにしても良い。また、スイッチ６Ａの正極をスイッチ５Ａの負極に接続する構成としても良い。この場合はスイッチ５Ａが投入されている条件でスイッチ６Ａの投入によって抵抗器６Ｂに放電電流が流れることになる。
【００１７】
また、電圧検出器７は直流リンクの電圧を検出するようにしたが、交流側の電圧を検出して過電圧検出回路に与えるようにしても良い。この場合、３相のうち何れかの線間電圧を検出する手法の他、検出遅れを防止するため３相全ての電圧を検出する手法などが考えられる。
【実施例２】
【００１８】
図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００１９】
この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、交直変換器３Ａを３レベル変換器とした点、これに伴い直流コンデンサを正側の直流コンデンサ４Ａと負側の直流コンデンサ４Ｂとに分割し、両者を直列接続してその中点にゼロ電位母線を接続するようにした点、正側の直流コンデンサ４Ａの電荷を放電するためにスイッチ５Ａを介して放電用の抵抗器５Ｂを、またスイッチ６Ａを介して放電用の抵抗器６Ｂを接続したことに加え、負側の直流コンデンサ４Ｂの電荷を放電するためにスイッチ５Ｃを介して放電用の抵抗器５Ｄを、またスイッチ６Ｃを介して放電用の抵抗器６Ｄを接続した点である。ここで抵抗器５Ｄは基本的に抵抗器５Ｂと同一の定格とし、抵抗器６Ｄは基本的に抵抗器６Ｂと同一の定格とする。
【００２０】
このように交直変換器がＮレベル（Ｎは３以上の自然数）の構成となっても、Ｎレベルの直流電位を得るために（Ｎ−１）個の直流コンデンサを直列接続し、その各々の直流コンデンサに対して第１のスイッチ及び第１の抵抗器による放電回路並びに第２のスイッチ及び第１の抵抗器より抵抗値の低い第２の抵抗器による放電回路を設け、実施例１で説明したような過電圧保護を各々の直流コンデンサに対して行えば、実施例１と同様の保護機能を達成することが可能となる。
【００２１】
尚、図２において電圧検出器７は３レベルの最大の電位差を検出するよう図示してあるが、これを正側及び負側検出用の２台に分割し、その各々の過電圧検出に従って対応する
第１のスイッチ及び第１の抵抗器による放電回路並びに第２のスイッチ及び第２の抵抗器による放電回路を動作させる構成としても良い。
【実施例３】
【００２２】
図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００２３】
この実施例３の各部について、図２の本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、交直変換器３Ａ内に図示しない素子異常検出回路を設け、素子故障検出回路１３によって交直変換器３Ａを構成するパワーデバイスのうち少なくとも１個のパワーデバイスが短絡故障したことを検出し、この出力信号と過電圧検出回路１１の出力信号をＯＲ回路１４に与え、このＯＲ回路１４の出力を直流コンデンサ４Ａ、４Ｂの過電圧保護用のトリガ信号とした点である。
【００２４】
前述したように、交直変換器３Ａを構成するパワーデバイスのうち少なくとも１個のパワーデバイスが短絡故障すると、全てのスイッチング素子をゲートブロックしても交流電源から直流コンデンサを充電する電流ルートが形成され、正、負何れかの直流コンデンサが交流入力の線間電圧のピーク値で充電される恐れがある。
【００２５】
このような場合、上記のパワーデバイスの短絡故障信号を用いれば、電圧検出器７による直流電圧の過電圧検出より素早い応答で直流コンデンサの過電圧保護動作を行なうことが可能となる。
【実施例４】
【００２６】
図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００２７】
この実施例４の各部について、図３の本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、交直変換器３Ｂを３レベルのインバータとし、その交流出力で交流電動機８を駆動する構成とした点、開放検出回路１２に代えてタイマ１５を設け、ＯＲ回路１４の出力をタイマ１５に与え、タイマ１５の出力で第２のスイッチ６Ａ、６Ｂを投入する構成とした点である。尚、図４においては直流電圧を与えるための電源7の図示を省略している。
【００２８】
交直変換器３Ｂによって交流電動機８を駆動する場合、出力側に開閉器を設けないのが通常である。従って、図４の場合、第２のスイッチ６Ａ、６Ｃを投入するタイミングが問題となる。交直変換器３Ｂ内のパワーデバイスの故障を素子故障検出回路１３が検出して第１のスイッチ５Ａ、５Ｃが投入されたあとの回路動作を予めシミュレーション等によって解析しておけば、第１のスイッチ５Ａ、５Ｃが投入されてから所定の時間後第２のスイッチ６Ａ、６Ｃを投入しても過電流による素子ダメージが生じないことを予め推定することが可能であるので、この時間をタイマ１５の設定値とする。
【００２９】
また、タイマ１５を使用せずに、電圧検出器７の検出電圧が所定の値以下になったことを過電圧検出回路１１によって検出し、このタイミングで第２のスイッチ６Ａ、６Ｃを投入するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１  遮断器
２  変圧器
３、３Ａ、３Ｂ  交直変換器
４、４Ａ、４Ｂ  直流コンデンサ
５Ａ、５Ｃ  スイッチ
５Ｂ、５Ｄ  抵抗器
６Ａ、６Ｃ  スイッチ
６Ｂ、６Ｄ  抵抗器
７  電圧検出器
８  交流電動機
１０  保護シーケンス回路
１１  過電圧検出器
１２  開放検出器
１３  素子故障検出回路
１４  ＯＲ回路
【図１】
2010178540.tif 000003
【図２】
2010178540.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010178540.tif 000006