(57)【要約】【課題】短絡故障が発生した場合に、直流平滑コンデンサを短絡箇所から切り離し、交流電源からの異常充電ループの切り離しもできる３レベルコンバータを提供することである。【解決手段】短絡事故発生時には、直流平滑コンデンサ２５、２６から流れる短絡電流で、交流入力点と直流平滑コンデンサ２５、２６の中点とを結ぶ経路に設置された保護ヒューズ２８が溶断する。このため、その後の交流電源１１からの直流平滑コンデンサ２５、２６への異常充電を防止し故障被害を拡大させない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側直流母線と負側直流母線との間に三相の各相毎に、第１番目のスイッチング素子および第２番目のスイッチング素子を直列接続して正側アームを形成し、第３番目のスイッチング素子および第４番目のスイッチング素子を直列接続して負側アームを形成し、各スイッチング素子には逆並列にフリーホイーリングダイオードを接続し、前記第１番目のスイッチング素子と前記第２番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に正側クランプダイオードを接続し、前記第４番目のスイッチング素子と前記第３番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に負側クランプダイオードを接続し、交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータにおいて、各相毎に、前記交流電源の交流入力点、前記第２番目のスイッチング素子、前記正側クランプダイオード、前記直流平滑コンデンサの中性点を結ぶ線上であって、かつ、前記交流電源の交流入力点、前記第３番目のスイッチング素子、前記負側クランプダイオード、前記直流平滑コンデンサの中性点を結ぶ線上に保護ヒューズを設けたことを特徴とする３レベルコンバータ。
【請求項２】
前記保護ヒューズは、各相毎に、前記正側クランプダイオードと前記負側クランプダイオードとの接続点と、前記直流平滑コンデンサの中性点とを結ぶ線上に設けられたことを特徴とする請求項１記載の３レベルコンバータ。
【請求項３】
正側直流母線と負側直流母線との間に三相の各相毎に、第１番目のスイッチング素子および第２番目のスイッチング素子を直列接続して正側アームを形成し、第３番目のスイッチング素子および第４番目のスイッチング素子を直列接続して負側アームを形成し、各スイッチング素子には逆並列にフリーホイーリングダイオードを接続し、各相毎に前記正側直流母線と前記第１番目のスイッチング素子との間にアームヒューズを接続し、前記アームヒューズと前記第１番目のスイッチング素子との接続点と前記負側直流母線との間に前記直流平滑コンデンサを接続し、前記第１番目のスイッチング素子と前記第２番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に正側クランプダイオードを接続し、前記第４番目のスイッチング素子と前記第３番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に負側クランプダイオードを接続し、前記正側クランプダイオードと前記負側クランプダイオードとの接続点と前記直流平滑コンデンサの中性点とを結ぶ線上に保護ヒューズを接続し、交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする３レベルコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正電位、中性電位、負電位の３電位出力を持ち交流を一旦直流に変換し所定の周波数の交流に変換する３レベルコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、交流電力を一旦直流電力に変換し、所定の周波数の交流電力に変換するコンバータ／インバータ装置では、主回路素子の耐圧や高調波低減を図るために３レベルインバータまたは３レベルコンバータの３レベル変換装置が用いられる。これら３レベル変換装置は、正電位、中性電位、負電位の３電位出力を持つ変換装置である。このような３レベル変換装置では、保護用の断路回路やヒューズが正側直流母線と第１番目のスイッチング素子との間、負側直流母線と第４番目のスイッチング素子との間に挿入される構成となる（特許文献１参照）
図３は従来の３レベルコンバータの回路図である。交流電源１１はリアクトル１２を介して３レベルコンバータ１３に入力される。３レベルコンバータ１３は、正側直流母線１４、中性線１５、負側直流母線１６を有し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相には、それぞれ４個のスイッチング素子１７、１８、１９、２０が設けられている。
【０００３】
例えば、Ｕ相には４個のスイッチング素子１７Ｕ、１８Ｕ、１９Ｕ、２０Ｕが直列接続され、正側直流母線１４と第１番目のスイッチング素子１７Ｕとの間にＵ相正側アームヒューズ２１Ｕが挿入され、負側直流母線１６と第４番目のスイッチング素子２０Ｕとの間にＵ相負側アームヒューズ２２Ｕが挿入されている。また、第２番目のスイッチング素子１８Ｕ、第３番目のスイッチング素子１９Ｕには、それぞれＵ相正側クランプダイオード２３Ｕ、Ｕ相負側クランプダイオード２４Ｕが接続され、中性線と正側直流母線１４との間には正側三相一括で正側直流平滑コンデンサ２５が、中性線と負側直流母線１６との間には負側三相一括で負側直流平滑コンデンサ２６がそれぞれ接続されている。
【０００４】
このような３レベルコンバータ１３での短絡故障は、主に２つのパターンがある。第１のパターンは、図４の実太線で示すように、正側直流平滑コンデンサ２５からＵ相の第１番目スイッチング素子１７Ｕ、第２番目スイッチング素子１８Ｕ、第３番目スイッチング素子１９Ｕ、Ｕ相負側クランプダイオード２４Ｕを通って正側直流平滑コンデンサ２５という短絡ループを形成し、このときに正側直流平滑コンデンサ２５から流れる短絡電流でＵ相正側アームヒューズ２１Ｕが溶断して短絡部を切り離すことで保護する。
【０００５】
第２のパターンは、図５の破太線で示すように、正側直流平滑コンデンサ２５からＷ相の第１番目スイッチング素子１７Ｗ、Ｗ相正側クランプダイオード２３Ｗを通って正側直流平滑コンデンサ２５という短絡ループを形成し、このときに正側直流平滑コンデンサ２５から流れる短絡電流でＷ相正側アームヒューズ２１Ｗが溶断して短絡部を切り離すことで保護する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５７７８２号公報（図８）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ｕ相正側アームヒューズ２１Ｕが溶断した後もＵ相の第３番目スイッチング素子１９ＵとＵ相負側クランプダイオード２４Ｕとは短絡故障しているため、図６の２点鎖線で示すような交流電源１からＵ相第の３番目スイッチング素子１９Ｕ、Ｕ相負側クランプダイオード２４Ｕ、負側直流平滑コンデンサ２６、Ｖ相の第４番目スイッチング素子２０Ｖの逆並列ダイオード、Ｖ相の第３番目スイッチング素子１９Ｖの逆並列ダイオードを通って交流電源１１に戻る充電ループが形成される。これによって負側直流平滑コンデンサ２６が交流電源電圧の√２倍まで充電されることになる。
【０００８】
短絡故障が発生していない正常時には、直列接続された正側直流平滑コンデンサ２５と負側直流平滑コンデンサ２６とが交流電源電圧の√２倍の電圧まで充電されるので、短絡事故発生後には正常時の２倍の電圧が充電されることになる。この電圧は健全なＵ相の第４番目スイッチング素子２０Ｕにも印加されるため、交流電源電圧が高い場合には、Ｕ相の第４番目スイッチング素子２０Ｕが過電圧破壊に至る可能性がある。
【０００９】
すなわち、短絡故障が発生した場合に、直流平滑コンデンサ２５、２６と短絡箇所の切り離しはできていたが、交流電源１１からの異常充電ループの切り離しができていなかったため、被害が拡大するおそれがあった。
【００１０】
本発明の目的は、短絡故障が発生した場合に、直流平滑コンデンサを短絡箇所から切り離し、交流電源からの異常充電ループの切り離しもできる３レベルコンバータを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る３レベルコンバータは、正側直流母線と負側直流母線との間に三相の各相毎に、第１番目のスイッチング素子および第２番目のスイッチング素子を直列接続して正側アームを形成し、第３番目のスイッチング素子および第４番目のスイッチング素子を直列接続して負側アームを形成し、各スイッチング素子には逆並列にフリーホイーリングダイオードを接続し、前記第１番目のスイッチング素子と前記第２番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に正側クランプダイオードを接続し、前記第４番目のスイッチング素子と前記第３番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に負側クランプダイオードを接続し、交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータにおいて、各相毎に、前記交流電源の交流入力点、前記第２番目のスイッチング素子、前記正側クランプダイオード、前記直流平滑コンデンサの中性点を結ぶ線上であって、かつ、前記交流電源の交流入力点、前記第３番目のスイッチング素子、前記負側クランプダイオード、前記直流平滑コンデンサの中性点を結ぶ線上に保護ヒューズを設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明に係る３レベルコンバータにおいては、短絡事故発生時には、直流平滑コンデンサから流れる短絡電流で、交流入力点と直流平滑コンデンサの中点とを結ぶ経路に設置された保護ヒューズが溶断する。このため、その後の交流電源からの直流平滑コンデンサへの異常充電を防止し故障被害を拡大させない。
【００１３】
請求項２の発明に係る３レベルコンバータは、請求項１の発明において、前記保護ヒューズは、各相毎に、前記正側クランプダイオードと前記負側クランプダイオードとの接続点と、前記直流平滑コンデンサの中性点とを結ぶ線上に設けられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明に係る３レベルコンバータにおいては、短絡事故発生時には、直流平滑コンデンサから流れる短絡電流で、正負クランプダイオードと直流平滑コンデンサの中点との間に設置された保護ヒューズが溶断する。このため、その後の交流電源からの異常充電を防止し故障被害を拡大させない。
【００１５】
請求項３の発明に係る３レベルコンバータは、正側直流母線と負側直流母線との間に三相の各相毎に、第１番目のスイッチング素子および第２番目のスイッチング素子を直列接続して正側アームを形成し、第３番目のスイッチング素子および第４番目のスイッチング素子を直列接続して負側アームを形成し、各スイッチング素子には逆並列にフリーホイーリングダイオードを接続し、各相毎に前記正側直流母線と前記第１番目のスイッチング素子との間にアームヒューズを接続し、前記アームヒューズと前記第１番目のスイッチング素子との接続点と前記負側直流母線との間に前記直流平滑コンデンサを接続し、前記第１番目のスイッチング素子と前記第２番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に正側クランプダイオードを接続し、前記第４番目のスイッチング素子と前記第３番目のスイッチング素子との接続点と直流平滑コンデンサの中性点との間に負側クランプダイオードを接続し、前記正側クランプダイオードと前記負側クランプダイオードとの接続点と前記直流平滑コンデンサの中性点とを結ぶ線上に保護ヒューズを接続し、交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明に係る３レベルコンバータにおいては、短絡事故発生時には直流平滑コンデンサから流れる短絡電流で、正負クランプダイオードと直流平滑コンデンサの中点との間に設置された保護ヒューズが溶断するため、その後の交流電源１１からの異常充電を防止し故障被害を拡大させない。さらに、万一、第４番目スイッチング素子も短絡して正側と負側との短絡（ＰＮ短絡）が発生した場合は、同一直流母線に接続されている他のアームの直流平滑コンデンサからの短絡電流によってアームヒューズを溶断することにより、故障被害が健全な他相へ及ぶことを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る３レベルコンバータの回路図である。図１に示すように、交流電源１１から三相交流電力がリアクトル１２を介して３レベルコンバータ１３に供給される。３レベルコンバータ１３は、正側直流母線１４、中性線１５、負側直流母線１６を有し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相には、それぞれ４個のスイッチング素子１７、１８、１９、２０が設けられている。そして、第１番目のスイッチング素子１７および第２番目のスイッチング素子１８の直列接続にて正側アームを形成し、第３番目のスイッチング素子１９および第４番目のスイッチング素子２０の直列接続して負側アームを形成している。各相の各スイッチング素子１７、１８、１９、２０には逆並列にフリーホイーリングダイオード２７がそれぞれ接続されている。
【００１８】
例えば、Ｕ相は下記のように構成される。正側直流母線１４と負側直流母線１６との間に、第１番目のスイッチング素子１７Ｕ、第２番目のスイッチング素子１８Ｕ、第３番目のスイッチング素子１９Ｕ、第４番目のスイッチング素子２０Ｕが直列に接続される。第２番目のスイッチング素子１８Ｕと第３番目のスイッチング素子１９Ｕとの直列接続に並列に、Ｕ相正側クランプダイオード２３ＵとＵ相負側クランプダイオード２４Ｕとの直列接続が接続される。さらに正側直流平滑コンデンサ２５と負側直流平滑コンデンサ２６との接続点が正側負側クランプダイオード２３Ｕ、２４Ｕの接続点と保護ヒューズ２８Ｕを介して接続されている。Ｖ相およびＷ相においてもＵ相と同様に構成されている。
【００１９】
この構成で、スイッチング素子１７、１８、１９、２０の短絡故障が発生した場合は、図４または図５で示した短絡故障のパターンで何れかの短絡経路によって事故が起こることが一般的である。この場合に注目すべき点は、短絡経路における共通部分が正負クランプダイオード２３、２４の中点と正負平滑コンデンサ２５、２６の中点とを結ぶ線となっている点である。よって、この位置に各相ごとに保護ヒューズ２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗを接続することとし、スイッチング素子１７、１８、１９、２０の故障後の過充電による被害拡大を防止できるようにしている。
【００２０】
ここで、以上の説明では、保護ヒューズ２８を各相毎に、正側クランプダイオード２３と負側クランプダイオード２４との接続点と、直流平滑コンデンサ２５、２６の中性点とを結ぶ線上に設けた場合について説明したが、短絡事故発生時に形成される短絡経路の各々の各相において、交流入力点から直流平滑コンデンサ２５、２６の中点までを結ぶ線上であれば、どの位置に保護ヒューズ２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗを接続しても良い。この場合、正負クランプダイオード２３、２４の中点と正負直流平滑コンデンサ２５、２６の中点との間に挿入する保護ヒューズ２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗを除いては、正側・負側での直流短絡に対しては、中性線１５を挟んで正側短絡と負側短絡に対して有効となる保護ヒューズを１個ずつ接続することが必要となる。
【００２１】
このように、各相毎に、交流電源１１の交流入力点、第２番目のスイッチング素子１８、正側クランプダイオード２３、直流平滑コンデンサ２５、２６の中性点を結ぶ線上であって、かつ、交流電源１１の交流入力点、第３番目のスイッチング素子１９、負側クランプダイオード２４、直流平滑コンデンサ２５、２６の中性点を結ぶ線上に保護ヒューズ２８を設けたので、直流短絡が発生した場合には直ちに故障相と直流平滑コンデンサ２５、２６の中点との接続を遮断でき、かつ直流母線と故障相との接続も遮断できる。
【００２２】
第１の実施の形態によれば、短絡事故発生時に直流平滑コンデンサ２５、２６から流れる短絡電流で、交流入力点と直流平滑コンデンサ２５、２６の中点を結ぶ任意の経路に設置された保護ヒューズ２８が溶断するので、その後の交流電源１１からの異常充電を防止でき、故障被害を拡大させることがない。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係る３レベルコンバータの回路図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、直流平滑コンデンサ２５、２６を各相ごとに設置し、かつ、正側直流母線１４と第１番目のスイッチング素子１７との間にアームヒューズ２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗを追加した構成となっている。
【００２４】
この構成で、スイッチング素子１７、１８、１９、２０の短絡故障が発生した場合は、第１の実施の形態と同様に、正負クランプダイオード２３、２４の中点と正負直流平滑コンデンサ２５、２６の中点とを結ぶ線上に設置された保護ヒューズ２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗが溶断することにより、直ちに故障相と直流平滑コンデンサ２５、２６の中点との接続を遮断できる。また、直流母線１４、１６と故障相との接続も遮断できる。
【００２５】
ここで、万一、正側直流母線１４と負側直流母線１６との間に直列配置された４個のスイッチング素子１７、１８、１９、２０のすべてが短絡した場合においても、正側直流母線１４と第１番目のスイッチング素子１７との間に設置されたアームヒューズ２９が他の２相の直流平滑コンデンサ２５、２６からの流入電流によって溶断するので、直流母線１４、１６と短絡相との接続を遮断することができる。
【００２６】
以上の説明では、正側直流母線１４と第１番目のスイッチング素子１７との間にアームヒューズ２９を接続した場合について説明したが、負側直流母線１６と第４番目のスイッチング素子２０との間にアームヒューズ２９を接続しても良い。
【００２７】
第２の実施の形態によれば、短絡事故発生時に直流平滑コンデンサ２５、２６から流れる短絡電流で、正負クランプダイオード２３、２４と正負直流平滑コンデンサ２５、２６の中点との間に設置された保護ヒューズ２８が溶断するので、その後の交流電源１１からの異常充電を防止できる。また、万一、第４番目スイッチング素子２０も短絡して正側負側の短絡（ＰＮ短絡）が発生したとしても、同一直流母線に接続されている他相の直流平滑コンデンサ２５、２６からの短絡電流によってアームヒューズ２９を溶断するので、故障被害が健全な他相へ及ぶことを防止できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、３レベルコンバータのスイッチング素子のいずれかに短絡故障が発生した場合であっても、正負の片側の直流平滑コンデンサに全交流整流電圧が充電されることによる健全なスイッチング素子の電圧破壊という事故拡大が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３レベルコンバータの回路図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る３レベルコンバータの回路図。
【図３】従来の３レベルコンバータの回路図。
【図４】従来の３レベルコンバータでの故障短絡パターンの一例の説明図。
【図５】従来の３レベルコンバータでの故障短絡パターンの他の一例の説明図。
【図６】従来の３レベルコンバータで故障短絡が発生した場合の不具合動作の説明図。
【符号の説明】
１１…交流電源、１２…リアクトル、１３…３レベルコンバータ、１４…正側直流母線、１５…中性線、１６…負側直流母線、１７…第１番目のスイッチング素子、１８…第２番目のスイッチング素子、１９…第３番目のスイッチング素子、２０…第４番目のスイッチング素子、２１…正側アームヒューズ、２２…負側アームヒューズ、２３…正側クランプダイオード、２４…負側クランプダイオード、２５…正側直流平滑コンデンサ、２６…負側直流平滑コンデンサ、２７…フリーホイーリングダイオード、２８…保護ヒューズ、２９…アームヒューズ
【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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【図６】
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