(57)【要約】【課題】２つの入力相に亘って、交流電源相間に直列回路を構成する２素子の故障でも、バックアップ運転可能なマトリックスコンバータのバックアップ運転装置を提供する。【解決手段】マトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、バックアップ用直流電源（２１）と、入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群（２３）と、マトリックスコンバータ内の故障した半導体スイッチが接続されている入力相を検出する故障スイッチ検出手段（１０）と、故障スイッチ検出手段により故障が検出されたときに、故障が検出された入力相以外のいずれか１相の入力相とバックアップ用半導体スイッチ群の入力との間に上記バックアップ用直流電源を接続する接続相切換選択手段（２２）と、接続相切換選択手段により直流が供給された入力相に接続されている半導体スイッチをオンオフするとともに、その他のすべての半導体スイッチをオフする制御手段（７）と、を備える。【選択図】図１
2008172925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電源が平常時は閉成され停電時またはバックアップ運転時は開放される接点を介して入力相および多相交流電動機が出力相に接続されるとともに半導体スイッチにより構成され該半導体スイッチをスイッチングして上記多相交流電動機を制御するマトリックスコンバータをバックアップ運転するマトリックスコンバータのバックアップ運転装置において、
バックアップ用直流電源と、
入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群と、
上記マトリックスコンバータ内の故障した半導体スイッチが接続されている入力相を検出する故障スイッチ検出手段と、
上記故障スイッチ検出手段により故障が検出されたときに、上記故障が検出された入力相以外のいずれか１相の入力相と上記バックアップ用半導体スイッチ群の入力との間に上記バックアップ用直流電源を接続する接続相切換選択手段と、
上記接続相切換選択手段により直流が供給された入力相に接続されている半導体スイッチをオンオフするとともに、その他のすべての半導体スイッチをオフする制御手段と、
を備えることを特徴とするマトリックスコンバータのバックアップ運転装置。
【請求項２】
上記入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群は、３個の双方向逆耐圧半導体スイッチにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置。
【請求項３】
上記入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群は、ダイオードが逆並列接続された逆耐圧を有さない３個の一方向半導体スイッチング素子により構成されることを特徴とする請求項１に記載のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置。
【請求項４】
上記マトリックスコンバータの入力相と出力相との間に接続されるとともに２つの全波整流回路およびコンデンサを有するスナバ回路を備え、
上記入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群は、上記出力相に接続された上記スナバ回路の全波整流回路の上側３個の整流素子にそれぞれ逆並列接続される逆耐圧を有さない一方向半導体スイッチング素子により構成されることを特徴とする請求項１に記載のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マトリックスコンバータの半導体スイッチが故障したときバックアップ運転するマトリックスコンバータのバックアップ運転装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、多相交流電圧を仮想整流器及び仮想インバータにより多相交流電圧に変換するマトリクスコンバータを備え、仮想整流器及び仮想インバータに対する制御パルスを合成してマトリクスコンバータに与える交流−交流電力変換器に関する。電源側の多相交流電圧の異常を検出する電源異常検出手段と、電源異常が検出された時に、仮想整流器に供給される多相交流電圧に代えて、直流電圧を仮想整流器の入力相に供給するための切替スイッチ、直流電源と、直流電圧がマトリクスコンバータの仮想直流リンク部に現れるように、スイッチオン指令に従って所定の半導体スイッチをオンさせると共に他の半導体スイッチをオフさせる整流器制御手段とを備える（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このマトリックスコンバータのバックアップ運転装置によれば、マトリクスコンバータのように大容量のエネルギーバッファを持たない交流−交流電力変換器において、電源異常時や半導体スイッチの故障発生時にも、入力相に直流電圧を供給して所定の半導体スイッチをオンオフ制御することにより、継続的な運転が可能になる。
また、無停電電源を備える従来技術に比べて比較的簡単な回路構成により安価に提供できるため、信頼性や経済性の向上も期待することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５４３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この従来のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置によれば、１つの入力相に接続される半導体スイッチが故障した場合、バックアップ運転することができる。
しかし、通常、発生する可能性の高いのは１素子故障ではなく、半導体素子の１つが故障した場合には、連鎖的に交流電源相間に直列回路を構成する他相の半導体素子も故障してしまうので、２素子故障の可能性が高いが、従来のマトリックスコンバータのバックアップ運転装置ではバックアップ運転することができないという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、２つの入力相に亘って、交流電源相間に直列回路を構成する２素子の故障でも、バックアップ運転可能なマトリックスコンバータのバックアップ運転装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、多相交流電源が平常時は閉成され停電時またはバックアップ運転時は開放される接点を介して入力相および多相交流電動機が出力相に接続されるとともに半導体スイッチにより構成され該半導体スイッチをスイッチングして上記多相交流電動機を制御するマトリックスコンバータをバックアップ運転するマトリックスコンバータのバックアップ運転装置において、バックアップ用直流電源と、入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群と、上記マトリックスコンバータ内の故障した半導体スイッチが接続されている入力相を検出する故障スイッチ検出手段と、上記故障スイッチ検出手段により故障が検出されたときに、上記故障が検出された入力相以外のいずれか１相の入力相と上記バックアップ用半導体スイッチ群の入力との間に上記バックアップ用直流電源を接続する接続相切換選択手段と、上記接続相切換選択手段により直流が供給された入力相に接続されている半導体スイッチをオンオフするとともに、その他のすべての半導体スイッチをオフする制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の効果は、故障相に接続されているすべての半導体スイッチをオフ状態で固定し、他の健全相の１つと、バックアップ用半導体スイッチ群の線間に直流電源を接続してバックアップ回路を構成し、このバックアップ回路を構成する半導体スイッチをオンオフ制御するので、バックアップ回路をインバータ動作することができ、所望の振幅と周波数の交流電力を発生することができる。そして、入力相２相に亘って半導体スイッチが故障した場合でも、制御性能を低下することなく、運転を継続することが可能になるということである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の構成を表す構成図である。
この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータ３は、入力相、出力相の相数を最も一般的な３相として説明するが、これに限るものではない。そして、入力相の各相および交流入力端子をＲ、Ｓ、Ｔとし、出力相の各相および交流出力端子をＵ、Ｖ、Ｗとする。
この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータ３は、３相交流電源１から入力される交流電力を所望の交流電力に変換して電動機２に供給して制御する。そして、３相交流電源１から交流入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔに３相交流電力が入力され、変換された交流電力が交流出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力され、電動機２に供給される。
【００１０】
この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、マトリックスコンバータ３、３相交流電源１とマトリックスコンバータ３との接続を開閉する入力開閉手段５、マトリックスコンバータ３内の半導体スイッチ３１〜３９の故障を検出する故障スイッチ検出手段１０、半導体スイッチ３１〜３９の故障が検出されたときバックアップ回路の一部を構成するバックアップ手段４、マトリックスコンバータ３およびバックアップ手段４を制御する制御手段としてのマトリックスコンバータ制御手段７を備える。
【００１１】
マトリックスコンバータ３は、双方向性の半導体スイッチ３１〜３９から構成される。この半導体スイッチ３１〜３９は、ＩＧＢＴなどの２個の半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続するとともに、各半導体スイッチング素子に環流ダイオードが逆並列に接続されている。なお、逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列接続して構成しても良い。
この双方向性の半導体スイッチ３１〜３９をスイッチング制御することにより、交流出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される３相電動機２を制御する。
【００１２】
故障スイッチ検出手段１０は、図示は省略するが、入力相に接続して入力３相交流の位相、振幅を検出してコントローラへ送信する入力電圧検出器、マトリックスコンバータ３へ送出されるゲート信号により半導体スイッチ３１〜３９をＯＮさせて出力される電圧を検出する出力電圧検出器、および故障診断時に半導体スイッチ３１〜３９を診断パターンに基づきゲート駆動し、駆動した半導体スイッチ３１〜３９に対する入力電圧値とマトリックスコンバータ３の出力電圧値を比較して一致すれば正常、過大または過少となる場合は異常と判定し、診断パターン毎の各合否判定の結果より故障した半導体スイッチ３１〜３９の故障を特定するコントローラを備える。
【００１３】
入力開閉手段５は、入力相毎に３相交流電源１と交流入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔとの間を開閉する接点５１〜５３を備え、故障スイッチ検出手段１０から送られてくる故障検出信号に従って全ての接点を開放する。
バックアップ手段４は、バックアップ用直流電源２１、故障スイッチ検出手段１０の出力を受けて、故障相以外のいずれか１相の入力端子とバックアップ用直流電源２１を接続する接続相切換選択手段２２、入力相１相分のバックアップ用半導体スイッチ群２３を備える。
バックアップ用半導体スイッチ群２３は、双方向性の半導体スイッチ４１〜４３で構成される。
【００１４】
マトリックスコンバータ制御手段７は、平常時、マトリックスコンバータ３を制御する。また、マトリックスコンバータ制御手段７は、マトリックスコンバータ３内の半導体スイッチが故障したときには、故障スイッチ検出手段１０からの故障相検出信号と、接続相切換選択手段２２からの接続相情報を受けて、接続相以外の入力端子に接続されているマトリックスコンバータ３内部のすべての半導体スイッチをオフするとともに、バックアップ用直流電源２１が接続されるマトリックスコンバータ３内の健全な入力相１相分と、バックアップ用半導体スイッチ群２３をオンオフ制御して、バックアップ運転を実施する。
【００１５】
次に、この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の動作を図１乃至図３を参照して説明する。図２は、半導体スイッチが故障したマトリックスコンバータの例を表す回路図である。図３は、バックアップ運転時のバックアップ回路として構成されるインバータ回路の回路図である。
【００１６】
図２に表すマトリックスコンバータ３では、入力端子Ｒと入力端子Ｓにそれぞれ接続する半導体スイッチ３３、３６（図２に黒丸で表されている半導体スイッチ）が故障しているので、故障スイッチ検出手段１０は、故障相検出信号として故障した半導体スイッチ３３、３６と同一の入力相（以下、「故障相」と称す）がＲ相とＳ相であることを接続相切換選択手段２２と、入力開閉手段５に送信する。
接続相切換選択手段２２は、故障相がＲ相とＳ相であることから他の入力相（以下、「健全相」と称す）の１つであるＴ相を接続相に選択し、入力端子Ｔをバックアップ用直流電源２１に接続する。また、接続相情報として接続相がＴ相であることをマトリックスコンバータ制御手段７に送信する。なお、入力の相数が３相であるので健全相はＴ相に限られるが、相数が４相以上の場合は健全相は２相以上あるので、健全相のいずれか１相を接続相と選択する。
入力開閉手段５は、全ての接点５１〜５３を開放する。
【００１７】
このように入力開閉手段５と接続相切換選択手段２２が動作すると、図３に表すバックアップ回路が構成される。このバックアップ回路は、インバータ回路であり、上アームがバックアップ用半導体スイッチ群２３により構成され、下アームがＴ相に接続した半導体スイッチ３７〜３９により構成される。そして、バックアップ用直流電源２１の直流電力をインバータ回路により交流電力に変換することができる。
マトリックスコンバータ制御手段７は、インバータ回路を構成する半導体スイッチ３７〜３９、４１〜４３をオンオフ制御することにより、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに３相電動機２を駆動する交流電力が出力される。
【００１８】
この実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、故障相に接続されているすべての半導体スイッチ３１、３２、３４、３５をオフ状態で固定し、他の健全相の１つと、バックアップ用半導体スイッチ群２３の線間にバックアップ用直流電源２１を接続してバックアップ回路を構成し、このバックアップ回路を構成する半導体スイッチ３７〜３９、４１〜４３をオンオフ制御するので、マトリックスコンバータ３と等価的なバックアップ回路をインバータ動作することができ、所望の振幅と周波数の交流電力を発生することができる。
【００１９】
そして、この実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、入力相２相に亘って半導体スイッチが故障した場合でも、制御性能を低下することなく、運転を継続することが可能になる。
なお、上述の実施の形態１に関する説明では開放故障の例として説明したが、故障が各相１個であれば、短絡故障においてもバックアップ運転が可能である。また、停電時のバックアップ運転も可能である。
【００２０】
また、上述の実施の形態１では、インバータ回路の上アームがバックアップ用半導体スイッチ群２３により構成され、下アームがＴ相に接続した半導体スイッチ３７〜３９により構成されているが、バックアップ用直流電源２１Ｂの極性を逆転し、下アームがバックアップ用半導体スイッチ群２３Ｂにより構成され、上アームが健全相に接続した半導体スイッチにより構成されるように、図４に示すバックアップ手段４Ｂであっても同様にバックアップ運転を行うことができる。
【００２１】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係わるバックアップ手段の回路図である。
この発明の実施の形態２に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置とバックアップ手段４Ｃが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係わるバックアップ手段４Ｃは、実施の形態１に係わるバックアップ手段４とバックアップ用半導体スイッチ群２３Ｃが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００２２】
このバックアップ用半導体スイッチ群２３Ｃは、逆耐圧を有さない一方向半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴにそれぞれダイオードが逆並列接続されている半導体スイッチ４１Ｃ〜４３Ｃから構成される。
この実施の形態２に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、バックアップ用半導体スイッチ群２３ＣがＩＧＢＴのような一方向半導体スイッチング素子とダイオードで構成されているので、安価なマトリックスコンバータのバックアップ運転装置を提供することができる。
【００２３】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態３に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、実施の形態２に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置とバックアップ手段４Ｄが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００２４】
この発明の実施の形態３に係わるバックアップ手段４Ｄは、マトリックスコンバータ３の入力相に入力され３相交流電力を全波整流する第１全波整流回路６１、マトリックスコンバータ３の出力相に入力され３相交流電力を全波整流する第２全波整流回路６２、第１全波整流回路６１の直流側に並列接続されるコンデンサ６３および放電回路６４を備える。
また、バックアップ手段４Ｄは、第１全波整流回路６１の直流側のプラス端子Ｐにプラス極が接続されるバックアップ用直流電源２１、故障スイッチ検出手段１０の出力を受けて、故障相以外のいずれか１相の入力端子とバックアップ用直流電源２１を接続する接続相切換選択手段２２、第２全波整流回路６２の上アームのダイオードのそれぞれに逆並列接続される半導体スイッチング素子からなる半導体スイッチ４１Ｃ〜４３Ｃから構成されるバックアップ用半導体スイッチ群２３Ｃを備える。
【００２５】
そして、第１全波整流回路６１、第２全波整流回路６２、コンデンサ６３、放電回路６４によりスナバ回路が構成される。また、バックアップ用直流電源２１、接続相切換選択手段２２およびバックアップ用半導体スイッチ群２３Ｃにより、マトリックスコンバータ３の半導体スイッチの故障が検出されたとき、バックアップ回路の構成に用いられる。このバックアップ回路の構成については、実施の形態２と同様であるので、説明は省略する。
【００２６】
この実施の形態３に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置は、マトリックスコンバータ３の正常動作において必要なスナバ回路に、逆耐圧を有さない一方向半導体スイイチング素子を３個追加することによりバックアップ回路を構成できるので、さらに安価なマトリックスコンバータのバックアップ運転装置を提供することができる。
【００２７】
なお、上述の実施の形態３では、第２全波整流回路６２の上アームのダイオードにバックアップ用半導体スイッチ群２３の半導体スイッチング素子が逆並列接続されているが、図７に示すように、第２全波整流回路６２の下アームのダイオードにバックアップ用半導体スイッチ群２３の半導体スイッチング素子が逆並列接続されていても、同様にバックアップ運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の構成を表す構成図である。
【図２】半導体スイッチが故障したマトリックスコンバータの例を表す回路図である。
【図３】バックアップ運転時のバックアップ回路として構成されるインバータ回路の回路図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係わる別のバックアップ手段の構成を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係わるバックアップ手段の構成を表す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係わるマトリックスコンバータのバックアップ運転装置の構成を表す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係わる別のバックアップ手段の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ３相交流電源、２  ３相電動機、３  マトリックスコンバータ、４、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ  バックアップ手段、５  入力開閉手段、７  マトリックスコンバータ制御手段、１０  故障スイッチ検出手段、２１、２１Ｂ  バックアップ用直流電源、２２  接続相切換選択手段、２３、２３Ｂ、２３Ｃ  バックアップ用半導体スイッチ群、３１〜３９、４１〜４３  半導体スイッチ、５１、５２  接点、６１、６２  全波整流回路、６３  コンデンサ、６４  放電回路。
【図１】
2008172925.tif 000003
【図２】
2008172925.tif 000004
【図３】
2008172925.tif 000005
【図４】
2008172925.tif 000006
【図５】
2008172925.tif 000007
【図６】
2008172925.tif 000008
【図７】
2008172925.tif 000009