(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３レベルの直流電源と、
この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、
前記直流コンデンサを初期充電するための第１の初期充電手段と、
前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段と
を有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、
前記交流電動機の入力を整流する第１のブリッジ回路と、
前記第１のブリッジ回路の直流出力に並列に設けられた第１のサイリスタと、
前記第１のサイリスタのアノードカソード間に接続された第１の点弧補助用コンデンサと、
前記第１の点弧補助用コンデンサを初期充電するための第２の初期充電手段と
を具備し、
前記第１の短絡故障検出手段が短絡故障を検出したときに前記第１のサイリスタを点弧させると共に、前記第１のサイリスタが点弧したときの前記第１の点弧補助用コンデンサの放電電流によって前記第１のサイリスタの不完全な点弧を防止するようにしたことを特徴とする電力変換装置の保護装置。
【請求項２】
前記直流電源は、交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータから構成され、
前記３レベルコンバータの入力を整流する第２のブリッジ回路と、
前記第２のブリッジ回路の直流出力に並列に設けられた第２のサイリスタと、
前記第２のサイリスタのアノードカソード間に接続された第２の点弧補助用コンデンサと、
前記第２の点弧補助用コンデンサを初期充電するための第３の初期充電手段と
を具備し、
前記第２の短絡故障検出手段が短絡故障を検出したときに前記第２のサイリスタを点弧させると共に、前記第２のサイリスタが点弧したときの前記第２の点弧補助用コンデンサの放電電流によって前記第２のサイリスタの不完全な点弧を防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項３】
前記直流電源は、交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータから構成され、
前記３レベルコンバータの入力を整流し、その直流出力を前記第１のブリッジ回路の直流出力と互いに接続した第２のブリッジ回路を具備し、
前記第２の短絡故障検出手段が短絡故障を検出したときに前記第１のサイリスタを点弧させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項４】
前記第２の初期充電手段は、
前記３レベルの直流電源と前記第１のブリッジ回路の直流出力の互いの正電位間及び互いの負電位間を、抵抗を介して接続して成ることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項５】
前記第３の初期充電手段は、
前記３レベルの直流電源と前記第２のブリッジ回路の直流出力の互いの正電位間及び互いの負電位間を、抵抗を介して接続して成ることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の保護装置に係り、特に電力変換装置の故障発生時に直流コンデンサが過電圧になることを抑制する電力変換装置の保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力変換装置では、直流側に直流コンデンサを備えた電力変換装置は広く使用されており、高電圧・大電流化に伴い、直流コンデンサの直列数・並列数が多くなり装置全体として直流コンデンサが占める割合も大きくなっている。このような電力変換装置において、通常に運転している場合は、電源系統側の交流電圧をコンバータによって直流に変換した直流電圧が直流コンデンサへ印加され、過充電されることはない。しかし、コンバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、電源系統側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまい、定格電圧を超える恐れがある。インバータ側についても同様であり、インバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、モータ側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまう。このとき、故障状態を継続し続けると、直流コンデンサの破裂およびスイッチング素子のアーク噴出などの事故に至る恐れがある。このような被害拡大を防ぐために、電源系統側および電動機側に保護回路を設ける必要があり、上記短絡故障によるエネルギーを保護回路で消費させ、直流コンデンサの過充電を抑制する提案がなされている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１６１２号公報（第８−９頁、図９、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている従来の保護回路は、過電圧保護を行うときに点弧するサイリスタを確実に且つ迅速に点弧する機能については触れておらず、場合によってはサイリスタの負担が増大し、また点弧動作が遅れるという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためのものであり、過電圧保護を確実に且つ迅速に行うことが可能な電力変換装置の保護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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の電力変換装置の保護装置は、３レベルの直流電源と、この直流電源から給電される正側及び負側の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、前記直流コンデンサを初期充電するための第１の初期充電手段と、前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段とを有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、前記交流電動機の入力を整流する第１のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路の直流出力に並列に設けられた第１のサイリスタと、前記第１のサイリスタのアノードカソード間に接続された第１の点弧補助用コンデンサと、前記第１の点弧補助用コンデンサを初期充電するための第２の初期充電手段とを具備し、前記第１の短絡故障検出手段が短絡故障を検出したときに前記第１のサイリスタを点弧させると共に、前記第１のサイリスタが点弧したときの前記第１の点弧補助用コンデンサの放電電流によって前記第１のサイリスタの不完全な点弧を防止するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、過電圧保護を確実に且つ迅速に行うことが可能な電力変換装置の保護装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図。
【図３】本発明の実施例３に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１に本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図を示す。
【００１１】
図１において、直流電源１は、正電位、負電位及び零電位の３レベルを出力する。そして正電位と零電位間に正側コンデンサ５Ａが、零電位と負電位間には負側コンデンサ５Ｂが接続されている。
【００１２】
正側コンデンサ５Ａ及び負側コンデンサ５Ｂによって平滑された３レベルの直流電圧は３レベルインバータ６によって３レベルの交流電圧に変換され、交流電動機６を駆動している。
【００１３】
３レベルインバータ６の１相分の回路構成が図１に示されている。すなわち、正電位側から負電位側にスイッチング素子６１、６２、６３及び６４を直列接続する。各々のスイッチング素子６１、６２、６３及び６４には夫々フリーホイールダイオード６５、６６、６７及び６８が逆並列接続され、スイッチング素子６１と６２の接続点と中性点間、スイッチング素子６３と６４の接続点と中性点間に夫々クランプダイオード６９、７０を接続することによってこれらの接続点の電位を零電位にクランプしている。そしてスイッチング素子６３と６２の接続点から１相分の交流出力を得る構成となっており、同様の回路をあと２相分設けることによって３レベルの３相交流出力が得られる構成となっている。
【００１４】
装置の運転開始時に正側コンデンサ５Ａ及び負側コンデンサ５Ｂに過大な突入電流が流れるのを防止するために初期充電回路８が設けられている。この初期充電回路８は、低圧の交流電圧を、開閉器８１を介して昇圧する変圧器８２と、その出力を整流して正側コンデンサ５Ａと負側コンデンサ５Ｂの直列回路に直流電圧を供給する整流器８３から構成されている。この初期充電回路８によって正側コンデンサ５Ａ及び負側コンデンサ５Ｂを適切な値に充電したあと、直流電源１から直流を給電する。初期充電時の充電電流を抑制するために整流器８３の出力側に直列に抵抗器を設けても良いが、変圧器８２の抵抗分で充電電流が抑制される場合はその必要はない。
【００１５】
交流電動機７の入力電圧は、３相ダイオードブリッジ９によって整流され、その直流出力と並列にサイリスタ１０が接続されている。サイリスタ１０を点弧すると３相ダイオードブリッジ９の出力は短絡される。
【００１６】
サイリスタ１０のアノードカソード間には、点弧補助用コンデンサ１１が接続されている。この点弧補助用コンデンサ１１は、サイリスタ１０を点弧したとき、その放電によって主回路電流を急速に立上げ、サイリスタ１０の接合部平面に流れる電流を瞬時に均一化する。これにより不完全な点弧が防止され、サイリスタ１０は安全に素早くオン状態となる。
【００１７】
点弧補助用コンデンサ１１は、上記のような放電電流を供給するだけの容量があれば良いが、３レベルインバータ６を運転したとき、この点弧補助用コンデンサ１１への突入電流が過大となる恐れがある。このため、点弧補助用コンデンサ１１の正極と正側コンデンサ５Ａの正極とを抵抗１２を介して接続し、また点弧補助用コンデンサ１１の負極と負側コンデンサ５Ｂの負極とを抵抗１３を介して接続する。このような回路構成によって、初期充電回路８によって正側コンデンサ５Ａ及び負側コンデンサ５Ｂを初期充電すると同時に点弧補助用コンデンサ１１の初期充電を行うことができる。尚、抵抗１２と抵抗１３の何れかを省略する構成としても良い。
【００１８】
以上の構成において、３レベルインバータ６を構成するスイッチング素子、フリーホイールダイオード、またはクランプダイオードの何れかが短絡故障すると、コンデンサ５Ａまたは５Ｂを交流電動機７の線間電圧で充電するルートが形成されて過充電となり、場合によってはコンデンサ５Ａまたは５Ｂが破損する事象が生ずる。このとき、図１には図示しない上記短絡故障を検出する手段を設け、この検出信号によって各スイッチング素子のゲートブロックを瞬時に行うようにするが、素子の短絡故障によって上記充電ルートは残ったままとなるのでゲートブロックだけでは過充電は解消されない。このため、上記短絡故障検出手段の検出信号によってサイリスタ１０を点弧させる。サイリスタ１０の点弧によって、交流電動機７の線間電圧は実質的に短絡されて急速に低下するのでコンデンサ５Ａまたは５Ｂの過電圧は防止可能となる。尚、サイリスタ１０にはこのときの短絡耐量が必要となるので接合部の面積の大きい素子が必要となる。そのため点弧補助用コンデンサ１１の役割は重要になる。
【００１９】
尚、上記実施例１において、３レベルインバータ６を構成するスイッチング素子が多直列構成になる場合であっても、基本的に同一の保護装置を適用することが可能となる。これは、以下に述べる実施例２及び実施例３についても同様である。
【実施例２】
【００２０】
図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図である。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保護装置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、直流電源１を、変圧器２、開閉器３及び３レベルコンバータ４に置き換えた点、また、３レベルコンバータ４の入力側（電源系統側）にも３相ダイオードブリッジ１４、その直流出力を短絡するサイリスタ１５、点弧補助用コンデンサ１６及び初期充電用の抵抗１７、１８を設ける構成とした点である。
【００２１】
３レベルコンバータ４は３レベルインバータ６と同一の構成であり、また電源系統側の３相ダイオードブリッジ１４、サイリスタ１５、点弧補助用コンデンサ１６及び抵抗１７、１８は、夫々電動機側の３相ダイオードブリッジ９、サイリスタ１０、点弧補助用コンデンサ１１及び抵抗１２、１３と同一構成であるのでこれらの説明は省略する。
【００２２】
このような図２に示した構成を採用することによって、３レベルインバータ６の内部で短絡故障が生じた場合に加え、３レベルコンバータ４の内部で短絡故障が生じた場合であっても、サイリスタ１５を点弧することによってコンデンサ５Ａまたはコンデンサ５Ｂの過電圧を防止することが可能となる。
【実施例３】
【００２３】
図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図である。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保護装置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、３相ダイオードブリッジ９と３相ダイオードブリッジ１４の直流出力を互いに接続し、サイリスタ１５、点弧補助用コンデンサ１６及び抵抗１７、１８を省略する構成とした点である。
【００２４】
この実施例３のように、サイリスタ１０、点弧補助用コンデンサ１１及び抵抗１２、１３を電動機側だけでなく、電源系統側の過電圧防止回路として動作させるようにすれば、実施例２に比べて部品点数が大幅に削減可能となる。ここで、サイリスタ１０の短絡耐量は、３レベルコンバータ４と３レベルインバータ６が同時に短絡故障を起こすことを考慮しなければ、基本的には実施例２の場合と同一で良い。また、同時短絡故障も考慮して短絡耐量を略２倍としても良い。
【符号の説明】
【００２５】
１  直流電源
２  変圧器
３  開閉器
４  ３レベルコンバータ
５Ａ  正側コンデンサ
５Ｂ  負側コンデンサ
６  ３レベルインバータ
７  交流電動機
８  初期充電回路
９、１４  ３相ダイオードブリッジ
１０、１５  サイリスタ
１１、１６  点弧補助用コンデンサ
１２、１３、１７、１８  抵抗
６１、６２、６３、６４  スイッチング素子
６５，６６、６７、６８  フリーホイールダイオード
６９、７０  クランプダイオード
８１  開閉器
８２  変圧器
８３  整流器
【図１】
0005588774.tif 000002
【図２】
0005588774.tif 000003
【図３】
0005588774.tif 000004