(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルを介して入力される交流を整流するコンバータと、前記コンバータの直流出力を平滑する平滑手段と、前記コンバータの入力電流を検出する交流電流検出手段と、前記交流電流検出手段の検出電流と前記コンバータの入力電流指令との偏差を低減すべく前記コンバータの入力電圧指令に対応する制御信号を生成する電流制御手段と、該制御信号と前記交流電源の検出電圧との差を前記コンバータの入力電圧指令として前記コンバータを制御するコンバータ制御手段を備えてなる電力変換装置において、
前記電流制御手段は、前記制御信号として前記リアクトルの両端電圧に相当する電圧指令値を生成するものとし、
前記電流制御手段により生成された前記リアクトルの両端電圧に相当する前記電圧指令値と前記リアクトルのインピーダンスの関係に基づいて前記コンバータの入力電流を算出し、該入力電流の算出値と前記交流電流検出手段の検出電流との差が許容範囲を逸脱したときに前記コンバータに対する保護動作を行う保護動作手段を設けてなる電力変換装置。
【請求項２】
請求項1において、前記保護動作手段は、前記差が予め定めた許容範囲から逸脱したときに、前記コンバータによる整流動作を停止させることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を用いた電力変換装置に係り、特に、電流検出手段の誤動作、故障によって電流検出が不可能になったときの保護動作を行なうに好適な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電源を整流して直流電圧を得る電力変換装置として、例えば、特開平６−１９７４０２号公報に記載されているものがある。従来のこの種の電力変換装置においては、交流電源の電圧及びコンバータの入力電流を検出し、検出した交流電圧及びコンバータの入力電流に基づいて、コンバータ出力電圧指令を算出し、算出したコンバータ出力電圧指令にしたがって、コンバータをスイッチング動作させることで、コンバータ入力電流をコンバータ入力電流指令に一致させる構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術においては、交流電源の電圧及びコンバータの入力電流を基にコンバータ入力電圧指令を算出し、この算出値にしたがってコンバータをスイッチング動作させているため、コンバータ入力電流をコンバータ入力電流指令に一致させる電流制御を行なうことはできるが、電流検出手段が誤動作したり、故障したりして、誤った値を出力した場合、誤った電流検出値を基にコンバータ出力電圧指令が算出されるため、コンバータに過大電流が流れる。コンバータに過大電流が流れた状態で電力変換制御が継続されると、コンバータの電流が許容値よりも大きくなり、コンバータを構成する半導体素子の破壊に至る。
【０００４】
本発明の目的は、コンバータの入力電流検出手段の誤動作、故障によって電流検出が不可能になったときの保護動作を行なうことができる電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、交流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルを介して入力される交流を整流するコンバータと、前記コンバータの直流出力を平滑する平滑手段と、前記コンバータの入力電流を検出する交流電流検出手段と、前記交流電流検出手段の検出電流と前記コンバータの入力電流指令との偏差を低減すべく前記コンバータの入力電圧指令に対応する制御信号を生成する電流制御手段と、該制御信号と前記交流電源の検出電圧との差を前記コンバータの入力電圧指令として前記コンバータを制御するコンバータ制御手段を備えてなる電力変換装置において、前記電流制御手段は、前記制御信号として前記リアクトルの両端電圧に相当する電圧指令値を生成するものとし、前記電流制御手段により生成された前記リアクトルの両端電圧に相当する前記電圧指令値と前記リアクトルのインピーダンスの関係に基づいて前記コンバータの入力電流を算出し、該入力電流の算出値と前記交流電流検出手段の検出電流との差が許容範囲を逸脱したときに前記コンバータに対する保護動作を行う保護動作手段を設けて電力変換装置を構成したものである。
【０００６】
前記電力変換装置を構成するに際しては、前記保護動作手段の代わりに、入力電流演算手段により算出された入力電流と交流電流検出手段により検出された検出電流との差が予め定めた許容範囲から逸脱したときに、前記コンバータによる整流動作を停止させる保護動作手段を設けることもできる。
【００１０】
前記した手段によれば、交流電源電圧とコンバータの入力電圧指令との差であるリアクトルの両端電圧を実質的に求め、その両端電圧とリアクトルのインピーダンスの関係に基づいて、コンバータの入力電流を算出するようにしたから、コンバータの入力電流検出手段の誤動作、故障によって電流検出が不可能になっても入力電流を求めることができる。そして、算出した入力電流と交流電流検出手段により検出された検出電流との差が許容範囲を逸脱したときに、入力電流検出手段の誤動作等であると判断し、コンバータに対する保護動作あるいはコンバータによる整流動作を停止させることにより、コンバータに対する保護動作を行なうことができる。例えば、電流検出手段が誤動作したり、故障したりして、誤った電流検出値が出力された場合でも、リアクトルの両端電圧からコンバータの入力電流を求めて電流検出手段の検出電流との差が許容範囲を越えれば、コンバータに対する保護動作あるいはコンバータによる整流動作を停止させることで、コンバータに過大電流が流れるのを防止することができ、コンバータを保護することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す全体構成図である。図１において、電力変換装置は、交流電源１０からの交流電流を整流して負荷に直流を供給するために、リアクトル１４、ＰＷＭ（パルス幅変調）コンバータ１８、平滑コンデンサ２０を備えており、ＰＷＭコンバータ１８の交流入力側がリアクトル１４を介して交流電源１０に接続され、ＰＷＭコンバータ１８の直流出力側が平滑コンデンサ２０に接続され、コンデンサ２０の両端には、平滑コンデンサ２０を電圧源とする直流負荷が接続されるようになっている。交流電源１０の両端には交流電源１０の交流電圧を検出する交流電圧検出手段としての電圧検出器１２が接続され、ＰＷＭコンバータ１８の交流入力側にはＰＷＭコンバータ１８に入力される交流電流を検出する交流電流検出手段としての電流検出器１６が挿入されている。そして電圧検出器１２の検出による交流電圧ｅｓと電流検出器１６の検出による交流電流（コンバータ入力電流）ｉｓに基づいてＰＷＭコンバータ１８のスイッチング動作を制御するための制御手段として、本実施形態においては、交流入力電流指令発生器２２、減算器２４、電流制御器２６、減算器２８、ＰＷＭパルス発生器３０、コンバータ制御器３２を備えている。さらに、ＰＷＭコンバータ１８に入力される交流入力電流を演算する入力電流演算手段としての入力電流演算器３４、入力電流演算器３４の演算値と交流電流ｉｓとの偏差を求め、この偏差と電流許容値とを比較する比較器３６が設けられている。
【００１２】
交流入力電流指令発生器２２は、ＰＷＭコンバータ１８の交流入力電流の指令値となる交流入力電流指令ｉｓｒを出力する交流入力電流指令発生手段として構成されており、交流入力電流指令ｉｓｒが減算器２４に入力されている。減算器２４は、交流入力電流指令ｉｓｒから電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓを減算し、この減算値を電流制御器２６に出力するようになっている。電流制御器２６は、減算器２４の算出による減算値を基に、交流入力電流指令ｉｓｒとコンバータ入力電流とを一致させるための指令値として、リアクトル１４両端の電圧に相当する電圧指令値ｖｚｒを算出し、算出した電圧指令値ｖｚｒを減算器２８と入力電流演算器３４に出力するようになっている。減算器２８は、電圧検出器１２の検出による交流電圧ｅｓから電圧指令値ｖｚｒを減算し、この減算値を基にＰＷＭコンバータ１８の入力電圧に対する指令値として、入力電圧指令ｅｃｒを生成し、入力電圧指令ｅｃｒをＰＷＭパルス発生器３０に出力するようになっている。ＰＷＭパルス発生器３０は、入力電圧指令ｅｃｒにしたがってＰＷＭ（パルス幅変調）パルスを生成し、生成したＰＷＭパルスをコンバータ制御器３２に出力するようになっている。コンバータ制御器３２は、ＰＷＭパルス発生器３０からのＰＷＭパルスを制御信号としてＰＷＭコンバータ１８のスイッチング素子（半導体素子）群に出力し、各スイッチング素子のスイッチング動作、すなわち、ＰＷＭコンバータ１８による整流動作を制御するようになっている。
【００１３】
一方、入力電流演算器３４は、次の（１）式にしたがって、電圧指令値ｖｚｒと既知であるリアクトル１４のインピーダンスＺｌとから入力電流ｉｓｅを演算する入力電流演算手段として構成されている。
【００１４】
入力電流ｉｓｅ＝ｖｚｒ／Ｚｌ……（１）
比較器３６は、入力電流演算器３０の演算による入力電流ｉｓｅと電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓとを比較し、コンバータ入力電流ｉｓが電流許容値の範囲から逸脱したときにＰＷＭパルス停止指令をコンバータ制御器３２に出力するようになっている。
【００１５】
この場合、理想的には、（１）式により算出した入力電流ｉｓｅは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、コンバータ入力電流ｉｓ及びリアクトル１４を流れる交流電流ｉｓと一致するので、比較器３６において電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓと入力電流演算器３４の演算による演算値ｉｓｅとを比較することで電流検出器１２の異常を検出することができる。しかし、実際には、図２（ｃ）に示すように、電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓにはＰＷＭコンバータ１８のスイッチング動作に伴う脈動成分が含まれているため、演算値ｉｓｅとコンバータ入力電流ｉｓとが完全に一致することはない。
【００１６】
そこで、本実施形態においては、ＰＷＭコンバータ１８のスイッチング動作に伴う脈動成分を考慮し、比較器３６においては、ｉｓｅ−ｉｓが所定値（電流許容値）、例えば、＋１００Ａ〜−１００Ａの範囲では電流検出器１２が正常状態にあると判定し、この範囲を逸脱した場合に電流検出器１２に異常があると判定してＰＷＭパルス停止指令を出力することとしている。
【００１７】
コンバータ制御器３２は、比較器３６からＰＷＭパルス停止指令が出力されないときには、ＰＷＭパルス発生器３０からのＰＷＭパルスを制御信号としてＰＷＭコンバータ１８のスイッチング素子に出力し、比較器３６からＰＷＭパルス停止指令が出力されたときには、ＰＷＭパルスの出力を停止し、ＰＷＭコンバータ１８の動作を停止させて、ＰＷＭコンバータ１８を過電流から保護するようになっている。すなわち、コンバータ制御器３２と比較器３６はＰＷＭコンバータ１８に対する保護動作を行なう保護動作手段あるいはＰＷＭコンバータ１８による整流動作を停止させる動作停止手段として構成されている。
【００１８】
上記構成において、交流入力電流指令ｉｓｒが出力されると、交流入力電流指令ｉｓｒとコンバータ入力電流ｉｓとの偏差に応じた電圧指令値ｖｚｒが電流制御器２６で生成され、この電圧指令値ｖｚｒと交流電圧ｅｓとの偏差に応じた入力電圧指令ｅｃｒが減算器２８で生成され、この入力電圧指令ｅｃｒにしたがったＰＷＭパルスがＰＷＭパルス発生器３０で生成され、比較器３６からＰＷＭパルス停止指令が出力されてないときには、ＰＷＭパルスにしたがってＰＷＭコンバータ１８のスイッチング素子に対するスイッチング動作が行なわれ、交流電源１０からの交流信号が整流され、整流された直流電流が平滑コンデンサ２０で平滑されて安定化された直流電流が負荷に供給される。
【００１９】
ここで、ＰＷＭコンバータ１８に対する電流制御を行なうに際しては、以下のことが考慮されている。コンバータ入力電流ｉｓはリアクトル１４に加わる電圧ｖｚとリアクトル１４のインピーダンスＺｌによって決定される。すなわち、リアクトル１４に加わる電圧を制御すれば、コンバータ入力電流ｉｓを制御できる。またリアクトル１４の両端に印加されるリアクトル電圧ｖｚは交流入力電圧ｅｓからコンバータ入力電圧ｅｃを減じたものであり、ｖｚ＝ｅｓ−ｅｃが成り立つ。
【００２０】
以上の関係を利用し、電流制御器２６により入力電流ｉｓが入力電流指令ｉｓｒと一致するような電流指令値ｖｚｒを演算し、交流入力電圧ｅｓから電圧指令値ｖｚｒを減算することでコンバータ入力電圧指令ｅｃｒを生成し、入力電圧指令ｅｃｒに基づいてＰＷＭコンバータ１８を動作させることにより、ＰＷＭコンバータ１８に対する入力電流を所望の値に制御することができる。
【００２１】
次に、電流検出器１６が誤動作したり、あるいは故障したりして誤った検出値が出力された場合について説明する。
【００２２】
上記構成においては、電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓに基づいてＰＷＭコンバータ１８の入力電圧ｅｃを調整しているため、電流検出器１６が正しく電流を検出することができなくなったときには交流入力電流ｉｓを制御することができなくなる。この状態が継続されると、ＰＷＭコンバータ１８に過大電流が流れ、ＰＷＭコンバータ１８を構成する半導体素子の破壊に至ることになる。
【００２３】
しかし、本実施形態においては、入力電流演算器３４により電圧指令値ｖｚｒとリアクトル１４のインピーダンスＺｌとから入力電流ｉｓｅを演算し、演算により得られた入力電流ｉｓｅと電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓとを比較器３６において比較し、ｉｓとｉｓｅとの差分（偏差）が許容値の範囲から逸脱したときには、比較器３６からＰＷＭパルス停止指令が出力され、コンバータ制御器３２によりＰＷＭコンバータ１８の動作が停止され、過電流からＰＷＭコンバータ１８を保護することができる。すなわち、電流検出器１６に異常が生じ、電流検出器１６によって正しい電流が検出することができなくなっても、ＰＷＭコンバータ１８に過電流が流れる前にＰＷＭコンバータ１８を停止することで、ＰＷＭコンバータ１８を過電流から保護することができる。
【００２４】
前記実施形態においては、比較器３６において入力電流演算器３４の演算による入力電流ｉｓｅと電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓとを比較し、両者の偏差が許容値の範囲を超えるか否かを判定するものについて述べたが、比較器３６において、電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓとコンバータ入力電流ｉｓとして許容される許容電流値の範囲を予め設定し、設定された電流許容値と電流検出器１６の検出によるコンバータ入力電流ｉｓとを比較し、検出電流が許容電流値の範囲を逸脱したときにＰＷＭパルス停止信号を出力する構成を採用することもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、交流電流検出手段の検出出力を監視し、交流電流検出手段の検出電流と電流許容値とを比較し、この比較結果に基づいてコンバータに対する保護動作あるいはコンバータによる整流動作を停止させるようにしているため、コンバータの入力電流に基づいてコンバータに対する保護動作を行なうことができ、コンバータの信頼性の向上に寄与することがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す全体構成図である。
【図２】図１に示す装置の各部の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１０  交流電源
１２  電圧検出器
１４  リアクトル
１６  電流検出器
１８  ＰＷＭコンバータ
２０  平滑コンデンサ
２２  交流入力電流指令発生器
２４  減算器
２６  電流制御器
２８  減算器
３０  ＰＷＭパルス発生器
３２  コンバータ制御器
３４  入力電流演算器
３６  比較器
【図１】
0003743818.tif 000002
【図２】
0003743818.tif 000003