(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源の各相と、出力各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチ素子を相互に逆向きに接続し、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチ素子で直接接続し、入力側に交流フィルタを設け出力側に三相交流電動機を備える電力変換器のＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの故障を検出して故障検出信号を出力する故障検出手段と、
前記双方向半導体スイッチ素子の入力側三端子の電圧を三相入力電圧とし、前記三相入力電圧の大小関係が判断できる情報を入力電圧情報として検出する入力電圧情報検出手段と、
前記入力電圧情報に基づいて、前記出力各相から前記三相入力電圧の中の最大電圧となる入力相への前記片方向半導体スイッチ素子のみをオンし、または前記三相入力電圧の中の最小電圧となる入力相から前記出力各相への前記片方向半導体スイッチ素子のみをオンする回生スイッチング手段と、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力側の入力電圧値から電圧レベルを検出できる入力電圧値検出手段とを備え、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの運転中（モード１）に入力低電圧信号が発生した場合、前記回生スイチング手段（モード２）により入力側の前記交流フィルタのコンデンサ部へ電力回生し、前記電力回生中に入力電源電圧レベルがある一定の閾値を越えると前記交流フィルタの電力により簡易的に交流電動機を駆動する電動スイッチング（モード４）を行うことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータの保護装置。
【請求項２】
請求項１のＰＷＭサイクロコンバータの保護装置において、前記入力電圧値検出手段は、入力側の電圧を三相全波整流する整流器と、その整流された直流電圧と予め設定された基準となる閾値直流電圧とを比較する比較器から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータの保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば商用交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換するＰＷＭサイクロコンバータの保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭサイクロコンバータは、交流電源（例えば商用交流電圧）を任意の周波数の交流電圧に変換するために、インバータのように平滑コンンサを持たない。そのため、何らかの異常が発生した場合、ＰＷＭサイクロコンバータの電力用半導体素子を全てオフにし電流を遮断する。同時に全ての半導体スイッチ素子をオフすると出力側が開放となる。そのため、モータを駆動する場合には、運転中にＰＷＭサイクロコンバータの出力側が開放となると、出力側に大きなサージ電圧が発生する。従来例では、サージ抑制手段としてまず電源と負荷との中間にＰＷＭサイクロコンバータに並列的に接続されスナバ回路が見られる。このスナバ回路は、通常運転時の転流ミスにより発生したサージ電圧と、異常発生時に全てのスイッチをオフした場合に発生するサージ電圧とを抑制する効果を有する。
また、先行技術として特願平10-310843(出願日平成10年10月30日) がある。この先行例は、ＰＷＭサイクロコンバータの運転中に何らかの異常が発生した場合、入力電圧情報に基づいて、出力各相から三相入力電圧の中に最大電圧となる入力相への片方向半導体スイッチ素子と、三相入力電圧の中に最小電圧となる入力相から出力各相への片方向半導体スイッチ素子とを常にオンすることにより電源への回生スイッチングを行う保護手段等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来例のスナバ回路を用いたＰＷＭサイクロコンバータの保護回路では、運転中に全ての半導体スイッチング素子をオフした場合、瞬間的にスナバコンデンサに大きな電流が流れるためコンデンサ容量を大きくしなければならないという課題がある。同様に、先行例は入力電圧情報に基づいて、出力各相から三相入力電圧の中に最大電圧となる入力相への片方向半導体スイッチ素子と、三相入力電圧の中に最小電圧となる入力相から出力各相への片方向半導体スイッチ素子とを常にオンすることにより、電源への回生スイチングを行う保護手段であり、これでは入力三相電源が瞬時停電を起こした場合、ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタに電力を回生するだけであり、回生された電力は抵抗によって消費し、モータは出力を短絡させフリーラン状態にするしかなく、電力の再利用は図れないという課題を有している。ここにおいて本発明は、従来例並びに先行例における技術的隘路を全て払拭するために、瞬時停電が発生した場合入力フィルタ部へ電力を回生するモードと、入力電源情報を基にモータを駆動させるモードを入力電圧レベルにより切り替えることにより電力の有効利用を図るようにしたＰＷＭサイクロコンバータの保護装置を提供することを目的とする。さらにスナバ回路のコンデンサ容量を小さくする。
【０００４】
上記目的を達成するために本発明の請求項１の発明は、三相交流電源の各相と、出力各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチ素子を相互に逆向きに接続し、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチ素子で直接接続し、入力側に交流フィルタを設け出力側に三相交流電動機を備える電力変換器のＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記ＰＷＭサイクロコンバータの故障を検出して故障検出信号を出力する故障検出手段と、前記双方向半導体スイッチ素子の入力側三端子の電圧を三相入力電圧とし、前記三相入力電圧の大小関係が判断できる情報を入力電圧情報として検出する入力電圧情報検出手段と、
前記入力電圧情報に基づいて、前記出力各相から前記三相入力電圧の中の最大電圧となる入力相への前記片方向半導体スイッチ素子のみをオンし、または前記三相入力電圧の中の最小電圧となる入力相から前記出力各相への前記片方向半導体スイッチ素子のみをオンする回生スイッチング手段と、前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力側の入力電圧値から電圧レベルを検出できる入力電圧値検出手段とを備え、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの運転中（モード１）に入力低電圧信号が発生した場合、前記回生スイチング手段（モード２）により入力側の前記交流フィルタのコンデンサ部へ電力回生し、前記電力回生中に入力電源電圧レベルがある一定の閾値を越えると前記交流フィルタの電力により簡易的に交流電動機を駆動する電動スイッチング（モード４）を行うことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータの保護装置である。
この請求項１の発明によれば、入力電源の瞬時停電の場合に回生スイッチングを適用して交流フィルタに回生された電力を負荷交流電動機の駆動に使い、電力の有効利用が図れるという特段の効果を奏する。
【０００５】
本発明の請求項２の発明は、請求項１のＰＷＭサイクロコンバータの保護装置において、前記入力電圧値検出手段は、入力側の電圧を三相全波整流する整流器と、その整流された直流電圧と予め設定された基準となる閾値直流電圧とを比較する比較器から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータの保護装置である。
この請求項２の発明により、入力側の電圧値（電圧レベル）に対応した適切な電力の処理が可能となる有効性を備えられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータの回路構成を示すブロック図である。図１において、１は三相交流（商用）電源、２は交流ラインフィルタで、61,62,63はそのリアクタ、64,65,66はそのコンデンサである。
３はＰＷＭサイクロコンバータであり、電流が一方向だけ流せて自己消弧能力を持つ片方向半導体スイッチ素子［例えばInsulated Gate Bipolar Transistor ］とそれに直列に接続されたダイオードから成り、それぞれ片方向半導体スイッチ素子をＳur, Ｓsu, Ｓus, Ｓtu, Ｓut, Ｓrv, Ｓvr, Ｓsv, Ｓtv, Ｓvt, Ｓrw, Ｓwr, Ｓsw, Ｓws, Ｓtw, Ｓwtで示し、ダイオードはd1〜d18 で表す。
ここに、片方向半導体スイッチ素子におけるＳxyに付したサフイックスは入力のｘ相から出力ｙ相へ、Ｓyxは出力のｙ相から入力ｘ相への片方向半導体スイッチ素子( ｘ＝ｒ，ｓ，ｔ；ｙ＝ｕ，ｖ，ｗ）である。
21は三相交流電動機、22は電源電圧検出部、23はコントローラ、24はゲート信号合成部、25はゲートドライバ、30は入力電圧情報検出部、40は入力電圧値（電圧レベル）検出部、50は保護ゲート信号発生部である。
【０００８】
そして、電源電圧検出部22は三相交流電源１の各相の電源電圧瞬時値22a とその電源電圧位相22b をＰＷＭサイクロコンバータ３の動作を制御するコントローラ3 ヘ与え、さらに三相交流電動機21の各相を流れる電動機電流値は変流器71〜73によって検出され、それらの電動機電流値もコントローラ3 ヘ与えられて通常のＰＷＭサイクロコンバータ３の動作の制御が、出力電圧指令23a に従って行われている。
ところで、常時ＰＷＭサイクロコンバータ３の動作の異常の有無は、電源１側の電源電圧の監視と、電源１側と電動機21側の各相毎にそれぞれ過電流リレーを設置し、それらのトリップに基づく信号によってＰＷＭサイクロコンバータ３の動作の異常を検出している［図示省略］。
【０００９】
図２は、主として入力電圧値（電圧レベル）検出部のとその周辺の回路構成を示すブロック図である。断路器2aから交流ラインフィルタ２を経て、ＰＷＭサイクロコンバータ３に印加される入力電圧の値は入力電圧値検出部40において検出される。全波整流器401 で全波整流された後、平滑回路( コンデンサ402)・負荷抵抗( 分圧抵抗403,404)等を介して得られた検出直流電圧が、比較器406 の一方の入力となり他方の直流基準( 閾値) 電圧と比較されて、検出直流電圧値が閾値を越えた時に入力電圧値検出信号V1をコントローラ3 ヘ送出する。
【００１０】
図３は、入力電圧情報検出部の回路構成を示すブロック図である。
31〜36はそれぞれ同一構成の電流検出回路であり、37は抵抗である。例えば電流検出回路31について言えば、41,42 はダイオード、43はフォトカプラ、44は抵抗、45は出力端子、Ｖccは直流基準電圧の正極である。
ダイオード41に電流が流れると、出力端子45の電圧はＬow( ロー) になる。逆にダイオード41に電流が流れない場合は、出力端子４５の電圧はＨigh(ハイ) である。例えばｒ相の電圧が最大の時出力電圧／Ｍax＝０となり、最小の時出力電圧／Ｍin＝０となる。ｓ相，ｔ相についても同様である。
【００１１】
図４は保護ゲート信号発生部の前後の回路構成を示すブロック図である。
入力電圧情報検出部30からの最大電圧・中間電圧・最小電圧の入力電圧情報は保護ゲート信号発生部40へ与えられ、こでインバータ（位相反転回路）51〜56を経て作成された保護ゲート信号Ｇ2 が、次段のゲート信号合成部24へ与えられる( Ｇ2yx あるいはＧ2xy におけるyxあるいはxyは電流が流れる方向の片方向半導体スイチング素子へ与える保護ゲート信号を示す）。
【００１２】
このようにして、図１の電源電圧検出部22は電源電圧を入力として電源電圧の位相22b と電源電圧の瞬時値22a を出力し、コントローラ23は出力電圧指令23a と電源電圧の位相22b と電源電圧の瞬時値22a と負荷電流方向に基づき、ＰＷＭサイクロコンバータ３が備える１８個の片方向半導体スイッチ素子をオン・オフさせる通常のゲート信号（『Ｇ１』と略す）を作成して出力する。
かくして本発明は、コントローラ23からの通常のゲート信号Ｇ1 と保護ゲート信号発生部40からの保護ゲート信号Ｇ2 との論理和をゲート信号合成部24でとり、合成されたゲート信号Ｇ3 により各素子を制御している。つまり、図１における入力電圧情報検出部30は各片方向半導体スイッチ素子の電圧を入力して、三相入力電圧の大小関係の情報を作成して出力し、これにより得られた情報から、異常が発生した場合、三相入力電圧の中に最小電圧となる入力相から出力各相への片方向半導体スイッチ素子のみオンすることにより交流電動機電流を流し続け、サージ電圧の発生を抑制する。
【００１３】
図５は、運転異常の時にＰＷＭサイクロコンバータ遮断する場合に通常のゲート信号（Ｇ１）を全部オフにし、ゲート保護信号Ｇ2 によってＰＷＭサイクロコンバータの特定の素子のみをオンしたままになる時の等価回路図である。
すなわち、その特定の素子とはＳup, Ｓvp, Ｓwp, Ｓnu, Ｓnv, Ｓnwであり、ここでのp またはn はr,s,t の中のいずれかであり、Ｓvp, Ｓwp, Ｓnuは出力側から入力側への電流方向を表し、Ｓnu, Ｓnv, Ｓnwは入力側から出力側への電流方向を示している。
【００１４】
さらにまた、図１の入力電圧値検出部40は入力の三相電圧を三相全波整流し、その電圧レベルがある一定の値・閾値以上になった場合、出力Ｖ1 ＝１となる信号を作成し、この入力電源電圧レベルの検出信号Ｖ1 をコントローラ23へ出力する。
検出信号Ｖ1 を受けたコントローラ23は、ＡＣラインフィルタ２ヘ回生された電荷を使用して、交流電動機21を簡易的に駆動させることで、その回生電力の有効な適用を図った後に、ＰＷＭサイクロコンバータの片方向半導体スイッチ素子のベースブロックを行い、運転を停止する。
一方、ＰＷＭサイクロコンバータの故障をを検出してＡＣラインフィルタ２ヘ電力を回生しても、検出信号Ｖ1 が得られない場合は従来どうりに、ＰＷＭサイクロコンバータの片方向半導体スイッチ素子のベースブロックを行い、運転停止をする。
【００１５】
以上の本発明の操作方法の手順を、図６のフローチャートに示す。
すなわち、ステップ601 〜608 の手順に従って操作される。
また、図７は入力情報による従来のモード（ＭＯＤＥ）切り替え手段と、本発明で提案するモード切り替え手段とを対比して示すタイムチャートである。
(a) に示すように時点t1で故障発生した時を見る。
(b) の従来のモード切り替えでは、ＰＷＭサイクロコンバータの運転中（モード１：43）に入力低電圧信号41が発生した場合、先に述べた回生スイッチング（モード２：44）を行い、暫くしてモータ電流が収束した後全てのスイッチをオフにするベースブロック（モード３：45）を行う。
(c) 及び(d) で示す本発明では、ＰＷＭサイクロコンバータの運転中（モード１：43）に入力低電圧信号41が発生した場合、まず先に述べた回生スイッチング（モード２：44）により入力側の交流フィルタ２のコンデンサ部64〜66に電力が回生される。この回生された電力により、入力電源電圧レベルがある一定の値［閾値］を越えた場合、入力電圧値検出部40からの出力421 が信号Ｖ1 ＝" １" となる。
コントローラ23はこの出力信号Ｖ1 を検出すると( 時点t3) 、入力電圧情報検出部30から得られた情報を基に、簡易的に交流電動機21を駆動する電動スイッチング（モード４：46）を行う。そして従来と同様にモータ電流が収束した後( 時点t6) 、全てのスイッチングをオフにするベースブロック（モード３：45）を行う。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、ＰＷＭサイクロコンバータの保護のために、本発明によって、入力電源の瞬時停電の場合、従来の回生スイッチングを用いてＰＷＭサイクロコンバータに回生された電力によりモータを駆動させ、電力の有効利用を図るという特段の効果を発揮することが可能である。さらにスナバ回路のコンデンサ容量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータとその周辺を含む全体の回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態における主として入力電圧値検出部の回路構成を示すブロック図
【図３】本発明の実施の形態での入力電圧情報部の回路構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態における主として保護ゲート信号発生部の回路構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態における電力回生時の等価回路図
【図６】本発明の実施の形態での操作の手順を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態におけるモード切り替えと従来のモード切り替えを対比させたタイムチャート
【符号の説明】
１  三相交流電源
２  交流ラインフィルタ
３  ＰＷＭサイクロコンバータ（主回路部が片方向半導体スイッチ素子から成る）
21  三相交流電動機
22  電源電圧検出部
22a   電源電圧瞬時値
22b   電源電圧の位相
23  コントローラ
24  ゲート信号合成部
30  入力電圧情報検出部
31〜36  電流検出回路
37,304,403,404  抵抗
301,302,d1〜d18   ダイオード
303   フォトカプラ
305   出力端子
40  入力電圧値（電圧レベル）検出部
401   全波整流器
402,64〜66, Ｃ  コンデンサ
405   直流基準電圧（Ｖcc）
406   比較器
43  通常運転モード( モード１）
44  回生スイッチング・モード( モード２）
45  ベースブロック・モード( モード３）
46  簡易的運転モード( モード４）
50  保護ゲート信号発生部
51〜56  インバータ( 位相反転器)
61〜63, Ｌ  リアクトル
Ｓru〜Ｓwt  入力側のｒ相から出力側ｕ相への方向性の片方向半導体スイッチ素子から出力側のｗ相から入力側ｔ相への方向性の片方向半導体スイッチ素子までの１８個の各素子（ｐ＝ｒ，ｓ，ｔ）
Ｓup, Ｓvp, Ｓwp  出力側ｕ相ないしｗ相から入力側ｒ相ないしｔ相への方向性を持つ片方向半導体スイッチ素子（ｎ＝ｒ，ｓ，ｔ）
Ｓnu, Ｓnv, Ｓnw  入力側ｒ相ないしｔ相から出力側ｕ相ないしｗ相への方向性を持つ片方向半導体スイッチ素子
Ｖp   最大電圧
Ｖm   中間電圧
Ｖn   最小電圧
Ｇ1   コントローラから出力した通常のゲート信号
Ｇ2   保護ゲート信号発生部から出力した保護ゲート信号
Ｇ2ur 〜Ｇ2tw   ｕ相からｒ相への方向性を持つ片方向半導体スイッチ素子
Ｓurへの保護ゲート信号ないしｔ相からｗ相への方向性を持つ片方向半導体スイッチ素子Ｓtwへの保護ゲート信号
Ｇ3   通常のゲート信号に保護ゲート信号が合成（論理和）された合成ゲート信号
Ｖ1   入力低電圧が起こった場合における電圧レベル（閾値）検出信号
【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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【図７】
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