(57)【要約】【課題】電源異常時やの半導体スイッチに故障が発生した時にも運転の継続を可能にした、安価かつ小形のバックアップ装置を提供する。【解決手段】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７０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側に供給するための切替スイッチ８０，直流電源８３と、前記直流電圧がマトリクスコンバータ３０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手段４０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記仮想整流器の制御パルスと前記仮想インバータの制御パルスとを合成して前記マトリクスコンバータに与える交流−交流電力変換器において、
前記仮想整流器に供給される多相交流電圧の異常を検出する異常検出手段と、この異常検出手段により異常が検出された時に、前記仮想整流器に供給される多相交流電圧に代えて、直流電圧を前記仮想整流器の入力側に供給する手段と、前記直流電圧が前記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前記マトリクスコンバータ内の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手段と、を備えたことを特徴とする交流−交流電力変換器のバックアップ装置。
【請求項２】
多相交流電圧を相交流電圧に変換するマトリクスコンバータにおいて、
前記マトリ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故障相として検出する故障スイッチ検出手段と、
この故障スイッチ検出手段により故障が検出された時に、前記マトリクスコンバータに供給される多相交流電圧に代えて、前記故障相以外の入力相の線間に直流電圧を供給する手段と、
この手段により直流電圧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させると共に前記故障相に接続されている全ての半導体スイッチをオフさせる手段と、を備えたことを特徴とする交流−交流電力変換器のバックアップ装置。
【請求項３】
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、前記仮想整流器の制御パルスと前記仮想インバータの制御パルスとを合成して前記マトリクスコンバータに与える交流−交流電力変換器において、
前記マトリ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故障相として検出する故障スイッチ検出手段と、
この故障スイッチ検出手段により故障が検出された時に、前記仮想整流器に供給される多相交流電圧に代えて、前記故障相以外の入力相の線間に直流電圧を供給する手段と、
この手段により直流電圧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させると共に前記故障相に接続されている全ての半導体スイッチをオフさせる手段と、を備えたことを特徴とする交流−交流電力変換器のバックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マトリクスコンバータを用いて多相の交流電圧を多相の交流電圧に直接変換する交流−交流電力変換器において、電源異常時やマトリクスコンバータを構成する半導体スイッチが故障した場合にも支障なく運転を継続させるためのバックアップ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、マトリクスコンバータを用いた従来の交流−交流電力変換器の構成を示している。ここでは、マトリクスコンバータの入力側、出力側の多相の例として最も一般的な三相を例示しており、入力側（電源側）の各相及び交流入力端子をＲ，Ｓ，Ｔ、出力側（負荷側）の各相及び交流出力端子をＵ，Ｖ，Ｗとする。
【０００３】
図４において、１０は三相交流電源、２０は三相交流電源１０に接続された三相無停電電源、３０は交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に接続された双方向性の半導体スイッチ３１〜３９からなるマトリクスコンバータである。
ここで、半導体スイッチ３１〜３９は、例えばＩＧＢＴ等の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共に、各スイッチング素子に環流ダイオードをそれぞれ逆並列に接続して構成されている。
【０００４】
上記マトリクスコンバータ３０の制御に当たっては、マトリクスコンバータ３０内に仮想整流器３０Ａ及び仮想インバータ３０Ｂを想定し（図５参照）、これらに対するＰＷＭパルス（スイッチング関数）を図４の整流器制御手段４０及びインバータ制御手段５０によりそれぞれ作成すると共に、両ＰＷＭパルスをＰＷＭパルス合成手段６０により合成してマトリクスコンバータ３０に与える方法が知られている（例えば、「マトリクスコンバータにおける入出力無効電力の非干渉制御法」，伊藤里絵・高橋勲，電気学会半導体電力変換研究会ＳＰＣ−０１−１２１，ＩＥＡ−０１−６４を参照）。
【０００５】
なお、仮想整流器３０Ａ側では、整流器制御手段４０が入力電流指令とキャリア波形とを比較し、その大小関係により整流器３０Ａ側のＰＷＭパルスを生成すると共に、仮想インバータ３０Ｂ側では、インバータ制御手段５０が出力電圧指令とキャリア波形とを比較し、その大小関係によりインバータ３０Ｂ側のＰＷＭパルスを生成する。これらのＰＷＭパルスを合成してマトリクスコンバータ３０の半導体スイッチ３１〜３９を駆動することにより、入力電流及び出力電圧を各指令どおりに制御している。
ここで、仮想整流器３０Ａの動作は、電源短絡を許容しないため電流形のＰＷＭ整流器と等価な動作となる。
【０００６】
上記マトリクスコンバータ３０は平滑コンデンサやリアクトルからなる大形のエネルギーバッファを備えていないため、停電や電圧低下、大幅な電圧不平衡等の電源異常が発生した場合には運転を停止しなくてはならない。しかし、エレベータや産業用プラントのように、用途によっては装置を極力停止させずに電源異常時にも継続的な運転を求められる場合がある。
そこで、電源異常時に対応するため、図４の従来技術では、三相交流電源１０とマトリクスコンバータ３０との間に三相無停電電源２０を備えている。この結果、三相交流電源１０に異常が発生した場合でも、三相無停電電源２０により交流電源が確保され、マトリクスコンバータ３０の運転は継続可能となる。
【０００７】
ここで、マトリクスコンバータの構成及び動作は、下記の非特許文献１に記載されている。また、無停電電源システムについては、非特許文献２に記載されている。
【０００８】
【非特許文献１】
電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編，「パワーエレクトロニクス回路」，第１版，株式会社オーム社発行，平成１２年１１月３０日，ｐ．２１９〜ｐ．２２３
【非特許文献２】
電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編，「パワーエレクトロニクス回路」，第１版，株式会社オーム社発行，平成１２年１１月３０日，ｐ．２３２〜ｐ．２３５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、電源異常時の対策として三相無停電電源２０を設置することは、システムを高価にするだけでなく、システム全体を大形化させる。また、電源異常以外の要因、例えば半導体スイッチ３１〜３９に開放故障等の異常事態が発生した場合には運転を停止せざるを得ず、運転を継続することが不可能である。
【００１０】
そこで本発明は、電源異常時やマトリクスコンバータの半導体スイッチに故障が発生した場合にも運転の継続を可能にした、安価かつ小形のバックアップ装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、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、前記仮想整流器の制御パルスと前記仮想インバータの制御パルスとを合成して前記マトリクスコンバータに与える交流−交流電力変換器において、
前記仮想整流器に供給される多相交流電圧の異常を検出する異常検出手段と、この異常検出手段により異常が検出された時に、前記仮想整流器に供給される多相交流電圧に代えて、直流電圧を前記仮想整流器の入力側に供給する手段と、前記直流電圧が前記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前記マトリクスコンバータ内の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手段と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、多相交流電圧を相交流電圧に変換するマトリクスコンバータにおいて、
前記マトリ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故障相として検出する故障スイッチ検出手段と、この故障スイッチ検出手段により故障が検出された時に、前記マトリクスコンバータに供給される多相交流電圧に代えて、前記故障相以外の入力相の線間に直流電圧を供給する手段と、この手段により直流電圧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させると共に前記故障相に接続されている全ての半導体スイッチをオフさせる手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、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、前記仮想整流器の制御パルスと前記仮想インバータの制御パルスとを合成して前記マトリクスコンバータに与える交流−交流電力変換器において、
前記マトリ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故障相として検出する故障スイッチ検出手段と、この故障スイッチ検出手段により故障が検出された時に、前記仮想整流器に供給される多相交流電圧に代えて、前記故障相以外の入力相の線間に直流電圧を供給する手段と、この手段により直流電圧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させると共に前記故障相に接続されている全ての半導体スイッチをオフさせる手段と、を備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１の発明に相当するものである。図１において、図４と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では図４と異なる部分を中心に説明する。
【００１５】
図１において、８０は三相交流電源１０とマトリクスコンバータ３０との間に接続された切替スイッチであり、Ｒ相に設けられたスイッチ８１と、Ｔ相に設けられたスイッチ８２とを備えている。
スイッチ８１は、マトリクスコンバータ３０のＲ相側の端子ｅと、電源１０のＲ相、Ｓ相側の端子ａ，ｂとを有し、端子ｂと電源１０のＳ相との間には直流電源８３が接続されている。また、スイッチ８２は、マトリクスコンバータ３０のＴ相側の端子ｆと、電源１０のＳ相、Ｔ相側の端子ｃ，ｄとを備えている。これらのスイッチ８１，８２は、後述する電源異常検出手段７０からの異常検出信号により連動して切り替わるものであり、三相交流電源１０の正常時には、図示するように端子ａ，ｅ及び端子ｄ，ｆが互いに接続され、電源１０からの三相交流電圧がマトリクスコンバータ３０に入力されている。
【００１６】
また、電源１０の三相出力端子には電源異常検出手段７０が接続されており、電源異常時に前記切替スイッチ８０を切り替えるための異常検出信号を出力すると共に、マトリクスコンバータ３０の仮想整流器内の特定の半導体スイッチをオンするべく、整流器制御手段４０に向けてスイッチオン指令を出力するように構成されている。
【００１７】
次に、この実施形態の動作を説明する。
三相交流電源１０の停電や電圧低下、大幅な電圧不平衡等が発生し、マトリクスコンバータ３０に供給される三相交流電圧に異常が発生した場合、電源異常検出手段７０がこれらの異常を検出し、異常検出信号を切替スイッチ８０に出力する。これにより、スイッチ８１，８２が切り替わり、端子ｂ，ｅ及び端子ｃ，ｆが互いに接続される。
【００１８】
上記のスイッチ動作によってマトリクスコンバータ３０の入力電源が三相交流電源１０から直流電源８３に切り替わることになり、マトリクスコンバータ３０には直流電圧が入力される。このため、三相交流を直流に変換する仮想整流器動作は不要となり、仮想整流器側では直流電源８３が接続されている半導体スイッチのみをオンさせることによって仮想の直流リンク部に直流電源８３の電圧が現れるようにする。
図１の例では、電源異常時に直流電源８３がＲ相とＳ相との線間に接続されるので、図５における上アームの仮想スイッチＳＲＰと下アームの仮想スイッチＳＳＮをオンさせて他のスイッチをオフさせれば、仮想の直流リンク部の電圧が直流電源８３の電圧に等しくなるため、図１の電源異常検出手段７０は、仮想スイッチＳＲＰ，ＳＳＮをオンさせるためのスイッチオン指令を整流器制御手段４０に出力する。
【００１９】
このとき、マトリクスコンバータ３０内の仮想インバータは、仮想整流器が動作している場合と同様に通常の直流−交流変換動作を行えばよい。
この結果、三相交流電源１０（三相交流電圧）に異常が発生しても、マトリクスコンバータ３０の出力電圧の大きさや位相を変化させることなく電力変換器の運転を継続することができる。特に、本実施形態では、図４の従来技術のように三相無停電電源２０を用いる必要もなく、電源異常検出手段７０、切替スイッチ８０、直流電源８３等は比較的安価かつ小型であるから、装置の低コスト化、小型化が可能である。
【００２０】
なお、この実施形態では、電源異常検出時に、切替スイッチ８０によって直流電源８３をＲ，Ｓ相の線間に接続しているが、直流電源８３を接続する相は他の線間でも良い。また、直流電源を１つとせず、Ｒ，Ｓ相及びＳ，Ｔ相の線間にそれぞれ接続しても良い。
【００２１】
次いで、本発明の第２実施形態を図２、図３を参照しつつ説明する。この第２実施形態は、請求項２，３の発明に相当するものである。
本実施形態は、図２に示す如くマトリクスコンバータ３０に接続された故障スイッチ検出手段１００により、マトリクスコンバータ３０を構成する半導体スイッチが故障した旨の故障検出信号と、故障した半導体スイッチが接続されている入力相情報である故障相情報とを出力させ、故障検出時には三相交流電源１０をマトリクスコンバータ３０の入力側から切り離すと共に、接続相切替選択手段９４により故障相以外の入力相の線間に直流電源９５を接続し、これらの入力相に接続されている半導体スイッチのみをオンオフ制御するように構成したものである。
【００２２】
図２において、三相交流電源１０とマトリクスコンバータ３０との間の各相には接点９１，９２，９３が接続され、これらの接点９１，９２，９３は故障スイッチ検出手段１００からの故障検出信号により連動して開放されるようになっている。また、切替スイッチ９０内には、直流電源９５が接続された接続相切替選択手段９４が設けられており、選択手段９４内部の動作によって、前記直流電源９５がマトリクスコンバータ３０の入力側の各相のうち二つの相の線間に選択的に接続可能となっている。なお、接続相切替選択手段９４には、故障スイッチ検出手段１００からの故障検出信号及び故障相情報が入力されている。
接続相切替選択手段９４は、直流電源９５が接続される入力相（接続相）を接続相情報として整流器制御手段４０に出力するものである。
【００２３】
なお、この実施形態では、半導体スイッチ３１〜３０の故障として開放故障を想定している。一般に、半導体スイッチは短絡故障する場合もあるが、短絡故障は大電流による場合が多いので、短絡故障を防止するためにスイッチと直列に速断ヒューズを接続するなどして結果的に開放故障を発生させることができる。このような手段を講じることにより、ほとんどの故障を開放故障として処理することが可能である。
また、故障スイッチ検出手段１００による故障検出は、例えば、スイッチのオンオフ指令とスイッチの両端電圧とを比較し、スイッチにオン指令が与えられているにも関わらずスイッチの両端電圧が異常に高い場合を故障と判断することで実現可能である。
【００２４】
図３は、図２の実施形態におけるスイッチ故障発生時の動作を示している。
マトリクスコンバータは１つの出力相に３つの入力相の半導体スイッチが接続されているため、３つの入力相のうちの１つのスイッチが故障したとしても他の２つの入力相のスイッチによりチョッピング動作が可能である。従って、接続相切替選択手段９４は、故障相以外の２つの入力相の線間に直流電源９５が接続されるように制御を行うと共に、接続相情報として、直流電源９５が接続された入力相に接続されているスイッチをオンオフ制御する旨の情報を整流器制御手段４０に送出する。
【００２５】
例えば、図３において、入力相のＲ相に接続されているスイッチ３３が開放故障した場合には、故障スイッチ検出手段１００からの故障検出信号により図２の接点９１，９２，９３を開放し三相交流電源１０を遮断した状態で、図３の右側に示す如く入力相のＳ相、Ｔ相の線間に直流電源９５を接続する。また、Ｒ相に接続されている他のスイッチ３１，３２もオフ状態で固定すれば、入力相のＳ相、Ｔ相にそれぞれ接続されているスイッチ３４〜３９をオンオフ制御することにより、三相交流電圧を出力させることができる。
すなわち、開放故障したスイッチと同一の入力相（故障相）に接続されている全てのスイッチをオフ状態で固定し、他の２つの入力相（健全相）の線間に直流電源９５を接続してこれらの２つの入力相に接続されたスイッチをオンオフ制御すれば、マトリクスコンバータ３０を等価的にインバータ動作させることができ、任意の大きさ、周波数を有する交流電圧を発生することができる。
【００２６】
マトリクスコンバータは、欠相時やスイッチの故障時には単相交流の変換動作しか行うことができない。単相交流の瞬時電力は電源周波数の２倍の脈動があるため、大形のエネルギーバッファを持たないマトリクスコンバータは、一定の瞬時電力を出力することができない。しかし、この実施形態のように入力側に直流電源９５を接続して所定のスイッチをオンオフさせることにより、入力側の一定の瞬時電力を取り出すことができ、かつ、一定の瞬時電力を出力することができる。この結果、ある相のスイッチが故障した場合でも制御性能を低下させることなく、運転を継続することが可能になる。
【００２７】
なお、本発明は、各実施形態で説明した三相以外の多相交流の相互変換にも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、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、入力側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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】図２において、ある半導体スイッチが故障した場合に構成される等価回路図である。
【図４】従来技術を示す構成図である。
【図５】図４における主回路の等価的な構成図である。
【符号の説明】
１０：三相交流電源
３０：マトリクスコンバータ
３１〜３９：半導体スイッチ
４０：整流器制御手段
５０：インバータ制御手段
６０：ＰＷＭパルス合成手段
７０：電源異常検出手段
８０，９０：切替スイッチ
８１，８２：スイッチ
８３，９５：直流電源
９１，９２，９３：接点
９４：接続相切替選択手段
１００：故障スイッチ検出手段
ａ〜ｆ：端子
Ｒ，Ｓ，Ｔ：交流入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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