JP2003189633A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2003189633A JP2001382508A JP2001382508A JP2003189633A JP 2003189633 A JP2003189633 A JP 2003189633A JP 2001382508 A JP2001382508 A JP 2001382508A JP 2001382508 A JP2001382508 A JP 2001382508A JP 2003189633 A JP2003189633 A JP 2003189633A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 平滑コンデンサとスイッチング素子で構成さ
れる回路のインダクタンスを小さくできる電力変換装置
を提供する。 【解決手段】 各相ヒューズ１１、２１、３１を、それ
ぞれ正側直流母線と各相単位ブロック４１、４２、４３
との間に挿入する。Ｖ相のスイッチング素子２２、２３
に短絡故障が発生した場合、他相の平滑コンデンサ１
６、３６からの短絡電流Ｂ、Ｃが、Ｖ相ヒューズ２１に
流れ、この電流は、他相ヒューズ１１、３１に流れる電
流の２倍である。従って、２倍程度の電流で溶断するヒ
ューズを選定すれば、Ｖ相ヒューズ２１だけを溶断でき
る。この構成により、平滑コンデンサとスイッチング素
子から成る回路に余分な用品が存在せず、回路インダク
タンスを極小にできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２レベルインバー
タ装置または３レベルインバータ装置等の電圧型電力変
換装置に関し、特にその短絡故障時の保護ヒューズに関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の電圧型電力変換装置において、図
７は２レベルインバータ装置の構成図であり、２レベル
インバータ装置の場合は、図７に示すように、例えばＵ
相については、保護ヒューズ１１が、平滑コンデンサ１
６と正側スイッチング素子１２の間に挿入される形で設
置されていた。なお、Ｖ相、Ｗ相についても同様であ
る。
【０００３】また、図８は３レベルインバータ装置の概
略構成図であり、図９は３レベルインバータ装置のＵ相
単位ブロック４４の内部構成図であり、３レベルインバ
ータ装置の場合も、図８および図９に示すように、例え
ばＵ相単位ブロック４４については、保護ヒューズ１
１、保護ヒューズ１９が、それぞれ平滑コンデンサとス
イッチング素子の間に挿入される形で設置されていた。
なお、Ｖ相単位ブロック４５、Ｗ相単位ブロック４６に
ついても同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、短絡
故障が発生した場合に、故障発生相の平滑コンデンサか
ら流れる短絡電流でヒューズが溶断できるという利点が
ある反面、平滑コンデンサとスイッチング素子の間にヒ
ューズがあるために、その分、回路インダクタンスが増
加し、スイッチング素子が電流を遮断するときに発生す
るサージ電圧が高くなるという欠点をもっていた。
【０００５】本発明では、短絡故障が発生した場合に、
故障発生相の平滑コンデンサから流れる短絡電流ではヒ
ューズを溶断できないが、他の相の平滑コンデンサなど
からの短絡電流でヒューズを溶断でき、かつ、平滑コン
デンサとスイッチング素子で構成される回路のインダク
タンスを小さくできるため、サージ電圧を小さくできる
という特徴をもつ電力変換装置を提供することを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、直流電力を三相交流電力に変換する電圧
型の電力変換装置において、各相毎に平滑コンデンサを
設置し、平滑コンデンサの正極と正側スイッチング素子
の正側直流母線側の電極および正側逆導通ダイオードの
正側直流母線側の電極とを接続するとともに、平滑コン
デンサの負極と負側スイッチング素子の負側直流母線側
の電極および負側逆導通ダイオードの負側直流母線側の
電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備
え、各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との
間のどちらか一方または両方にヒューズを設けたことを
特徴とする。
【０００７】本発明によれば、短絡故障発生時に他相平
滑コンデンサから流れる短絡電流によってヒューズを溶
断でき、かつ、平滑コンデンサとスイッチング素子とか
ら成る回路インダクタンスの極小化が可能な電力変換装
置を提供できる。
【０００８】また、本発明は、直流電力を三相交流電力
に変換する電圧型３レベルの電力変換装置において、各
相毎に正側平滑コンデンサおよび負側平滑コンデンサを
設置し、スイッチング素子を４個直列に接続し、スイッ
チング素子の各々に逆並列にダイオードを接続し、正側
クランプダイオードの一方の極を正側平滑コンデンサと
負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の
極をスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目
の素子と２番目の素子との間に接続し、負側クランプダ
イオードの一方の極を正側平滑コンデンサと負側平滑コ
ンデンサの中点に接続するとともに、他方の極をスイッ
チング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子と２
番目の素子との間に接続し、正側平滑コンデンサの正極
とスイッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の
素子の正側直流母線側の電極とを接続し、負側平滑コン
デンサの負極とスイッチング素子の負側直流母線から数
えて１番目の素子の負側直流母線側の電極とを接続した
構成の相単位ブロックを各相毎に備え、各相単位ブロッ
クの正側または負側と直流母線との間の両方にヒューズ
を設けたことを特徴とする。
【０００９】本発明によれば、短絡故障発生時に他相平
滑コンデンサから流れる短絡電流によってヒューズを溶
断でき、かつ、平滑コンデンサとスイッチング素子とか
ら成る回路インダクタンスの極小化が可能な３レベル電
力変換装置を提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。なお、以下の図におい
て、従来例の図を含めて、同符号は同一部分または対応
部分を示す。
【００１１】（第１の実施形態）図１を参照して、本発
明による電力変換装置の第１の実施形態を説明する。
【００１２】電圧型２レベル電力変換装置を構成するこ
の第１の実施形態において、図１に示すように、直流電
源１から供給される直流電力が正側直流母線、負側直流
母線を通じて、Ｕ相単位ブロック４１、Ｖ相単位ブロッ
ク４２、Ｗ相単位ブロック４３に、それぞれＵ相ヒュー
ズ１１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｗ相ヒューズ３１を介して
供給される。ここでは、ヒューズを正側直流母線と各相
単位ブロックとの間に挿入しているが、負側直流母線と
各相単位ブロックとの間に挿入しても良い。また、上記
の両方に入れても構わない。
【００１３】各相単位ブロック４１、４２、４３の内部
構成は、図１に示すように、例えばＵ相単位ブロック４
１については、平滑コンデンサ１６、正側スイッチング
素子１２、負側スイッチング素子１３、および正側逆導
通ダイオード１４、負側逆導通ダイオード１５から成
る。そして、平滑コンデンサ１６の正極と正側スイッチ
ング素子１２の正側直流母線側の電極であるコレクタお
よび正側逆導通ダイオード１４の正側直流母線側の電極
であるカソードとを接続し、平滑コンデンサ１６の負極
と負側スイッチング素子１３の負側直流母線側の電極で
あるエミッタおよび負側逆導通ダイオード１５の負側直
流母線側の電極であるアノードとを接続した構成となっ
ている。Ｖ相単位ブロック４２、Ｗ相単位ブロック４３
についても同様である。
【００１４】図２に、Ｖ相のスイッチング素子２２、お
よび２３において短絡故障が発生した場合の動作を示
す。まず、Ｖ相平滑コンデンサ２６から短絡電流ＡがＶ
相スイッチング素子２２、２３を介して流れる。この電
流はＶ相ヒューズ２１を通過しないので、ヒューズ２１
は溶断されない。
【００１５】次に、Ｕ相平滑コンデンサ１６から短絡電
流Ｂが、Ｕ相ヒューズ１１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｖ相ス
イッチング素子２２、２３を介して流れる。同時にＷ相
平滑コンデンサ３６から短絡電流ＣがＷ相ヒューズ３
１、Ｖ相ヒューズ２１、Ｖ相スイッチング素子２２、２
３を介して流れる。
【００１６】以上のことから、故障発生相であるＶ相の
ヒューズ２１には、Ｕ相ヒューズ１１、Ｗ相ヒューズ３
１に流れる電流の２倍の電流が流れることになり、２倍
程度の電流で溶断する特性のヒューズを選定しておくこ
とで、Ｖ相ヒューズ２１だけを溶断することが可能とな
る。
【００１７】また、この回路構成においては、平滑コン
デンサとスイッチング素子から成る回路に余分な用品が
存在しないため（例えばＵ相については、Ｕ相ヒューズ
１１がＵ相平滑コンデンサ１６とスイッチング素子１４
との間に存在する従来例のような構成となっていないた
め）、回路インダクタンスを極小にできる。これによ
り、電流遮断時に発生するサージ電圧を小さくできるた
め、最大遮断電流を大きくできたり、直流電圧を増加さ
せたりすることが可能となり、装置容量の拡大が可能な
電力変換装置を提供できる。
【００１８】（第２の実施形態）次に図３を参照して、
本発明による電力変換装置の第２の実施形態を説明す
る。
【００１９】この実施形態は、図３に示すように、上記
第１の実施形態の構成に加えて、正側直流母線と負側直
流母線との間に一括平滑コンデンサ３を設けたものであ
る。このような構成とすることにより、例えばＶ相のス
イッチング素子２２、および２３において短絡故障が発
生した場合、Ｖ相ヒューズ２１に流れる短絡電流とし
て、一括平滑コンデンサ３からの短絡電流Ｄが加算され
ることになるため、Ｖ相ヒューズ２１をより高速に、よ
り容易に溶断することが可能となる。
【００２０】（第３の実施形態）次に図４および図５を
参照して、本発明による電力変換装置の第３の実施形態
を説明する。なお、図４は、次の第４の実施形態の説明
にも用いるため、一括正側平滑コンデンサ４、および一
括負側平滑コンデンサ５が表示されているが、この第３
の実施形態においては、これらの部分はないものとす
る。
【００２１】電圧型３レベル電力変換装置を構成するこ
の第３の実施形態において、図４に示すように、直流電
源１から供給される直流電力が正側直流母線、中性点、
負側直流母線を通じて、Ｕ相単位ブロック４４、Ｖ相単
位ブロック４５、Ｗ相単位ブロック４６に、それぞれＵ
相ヒューズ１１、１９、およびＶ相ヒューズ２１、２
９、およびＷ相ヒューズ３１、３９を介して供給され
る。
【００２２】各相単位ブロックの内部構成は、図５に示
すように、正側平滑コンデンサ、負側平滑コンデンサ、
４個直列に接続したスイッチング素子および個々のスイ
ッチング素子に逆並列に接続されるダイオード、正側ク
ランプダイオードおよび負側クランプダイオードから成
る。そして、正側クランプダイオードの一方の極である
アノードを正側平滑コンデンサと負側平滑コンデンサの
中点に接続するとともに、他方の極であるカソードをス
イッチング素子の正側直流母線から数えて１番目の素子
と２番目の素子との間に接続し、負側クランプダイオー
ドの一方の極であるカソードを正側平滑コンデンサと負
側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極
であるアノードをスイッチング素子の負側直流母線から
数えて１番目の素子と２番目の素子との間に接続する。
また、正側平滑コンデンサの正極とスイッチング素子の
正側直流母線から数えて１番目の素子の正側直流母線側
の電極であるコレクタとを接続し、負側平滑コンデンサ
の負極とスイッチング素子の負側直流母線から数えて１
番目の素子の負側直流母線側の電極であるエミッタとを
接続した構成となっている。
【００２３】次に、この第３の実施形態の動作を、図６
を参照して説明する。図６も、次の第４の実施形態の動
作の説明にも用いるため、一括正側平滑コンデンサ４、
および一括負側平滑コンデンサ５が存在し、短絡電流Ｄ
が表示されているが、この第３の実施形態の動作におい
ては、これらの部分はないものとする。
【００２４】図６に示すように、Ｖ相のスイッチング素
子の正側直流母線から１、２、３番目の素子において短
絡故障が発生した場合、まず、Ｖ相正側平滑コンデンサ
から短絡電流ＡがＶ相スイッチング素子の３個、および
Ｖ相負側クランプダイオードを介して流れる。この電流
はＶ相正側ヒューズ２１を通過しないのでヒューズ２１
は溶断されない。
【００２５】次に、Ｕ相正側平滑コンデンサから短絡電
流ＢがＵ相正側ヒューズ１１、Ｖ相正側ヒューズ２１、
Ｖ相スイッチング素子３個、およびＶ相負側クランプダ
イオードを介して流れる。同時にＷ相正側平滑コンデン
サからも同様にして短絡電流Ｃが流れる。
【００２６】以上のことから、故障発生相であるＶ相正
側のヒューズ２１には、Ｕ相正側ヒューズ１１、Ｗ相正
側ヒューズ３１に流れる電流の２倍の電流が流れること
になり、２倍程度の電流で溶断する特性のヒューズを選
定しておくことで、Ｖ相正側ヒューズ２１だけを溶断す
ることが可能となる。
【００２７】また、この回路構成においては、平滑コン
デンサとスイッチング素子から成る回路に余分な用品が
存在しないため、回路インダクタンスを極小にできる。
これにより、電流遮断時に発生するサージ電圧を小さく
できるため、最大遮断電流を大きくできたり、直流電圧
を増加させたりすることが可能となり、装置容量の拡大
が可能な電力変換装置を提供できる。
【００２８】（第４の実施形態）次に図６を参照して、
本発明による電力変換装置の第４の実施形態を説明す
る。
【００２９】この実施形態は、図６に示すように、上記
第３の実施形態の構成に加えて、正側直流母線と中性点
との間に一括正側平滑コンデンサ４を、そして負側直流
母線と中性点との間に一括負側平滑コンデンサ５を設け
たものである。このような構成とすることにより、Ｖ相
のスイッチング素子の正側直流母線から１、２、３番目
の素子において短絡故障が発生した場合、Ｖ相正側ヒュ
ーズ２１に流れる短絡電流として、一括正側平滑コンデ
ンサ４からの短絡電流Ｄが加算されることになる。この
ため、Ｖ相正側ヒューズ２１をより高速に、より容易に
溶断することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
路インダクタンスを極小にでき、かつ、短絡故障発生時
もヒューズにより保護可能な電力変換装置を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電力変換装置の第１の実施形態
を説明するための構成図。
【図２】 本発明による電力変換装置の第１の実施形態
の動作を説明するための図。
【図３】 本発明による電力変換装置の第２の実施形態
を説明するための構成図。
【図４】 本発明による電力変換装置の第３および第４
の実施形態を説明するための構成図。
【図５】 図４における各単位ブロックの内部構成図。
【図６】 本発明による電力変換装置の第３および第４
の実施形態の動作を説明するための図。
【図７】 従来の電力変換装置の構成図。
【図８】 従来の３レベル電力変換装置の構成図。
【図９】 図８におけるＵ相単位ブロックの内部構成
図。
【符号の説明】 １…直流電源 ２…電動機 ３…一括平滑コンデンサ ４…一括正側平滑コンデンサ（３レベル用） ５…一括負側平滑コンデンサ（３レベル用） １１…Ｕ相ヒューズ、またはＵ相正側ヒューズ（３レベ
ル用） １２…Ｕ相正側スイッチング素子 １３…Ｕ相負側スイッチング素子 １４…Ｕ相正側ダイオード １５…Ｕ相負側ダイオード １６…Ｕ相平滑コンデンサ １９…Ｕ相負側ヒューズ（３レベル用） ２１…Ｖ相ヒューズ、またはＶ相正側ヒューズ（３レベ
ル用） ２２…Ｖ相正側スイッチング素子 ２３…Ｖ相負側スイッチング素子 ２４…Ｖ相正側ダイオード ２５…Ｖ相負側ダイオード ２６…Ｖ相平滑コンデンサ ２９…Ｖ相負側ヒューズ（３レベル用） ３１…Ｗ相ヒューズ、またはＷ相正側ヒューズ（３レベ
ル用） ３２…Ｗ相正側スイッチング素子 ３３…Ｗ相負側スイッチング素子 ３４…Ｗ相正側ダイオード ３５…Ｗ相負側ダイオード ３６…Ｗ相平滑コンデンサ ３９…Ｗ相負側ヒューズ（３レベル用） ４１…Ｕ相単位ブロック ４２…Ｖ相単位ブロック ４３…Ｗ相単位ブロック ４４…３レベルＵ相単位ブロック ４５…３レベルＶ相単位ブロック ４６…３レベルＷ相単位ブロック

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直流電力を三相交流電力に変換する電圧型
    の電力変換装置において、 各相毎に平滑コンデンサを設置し、 前記平滑コンデンサの正極と正側スイッチング素子の正
    側直流母線側の電極および正側逆導通ダイオードの正側
    直流母線側の電極とを接続するとともに、前記平滑コン
    デンサの負極と負側スイッチング素子の負側直流母線側
    の電極および負側逆導通ダイオードの負側直流母線側の
    電極とを接続した構成の相単位ブロックを各相毎に備
    え、 各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間の
    どちらか一方または両方にヒューズを設けたことを特徴
    とした電力変換装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の電力変換装置において、
    各相毎に設置した前記平滑コンデンサとは別の一括平滑
    コンデンサを設けたことを特徴とした電力変換装置。
  3. 【請求項３】直流電力を三相交流電力に変換する電圧型
    ３レベルの電力変換装置において、 各相毎に正側平滑コンデンサおよび負側平滑コンデンサ
    を設置し、 スイッチング素子を４個直列に接続し、前記スイッチン
    グ素子の各々に逆並列にダイオードを接続し、正側クラ
    ンプダイオードの一方の極を前記正側平滑コンデンサと
    負側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の
    極を前記スイッチング素子の正側直流母線から数えて１
    番目の素子と２番目の素子との間に接続し、負側クラン
    プダイオードの一方の極を前記正側平滑コンデンサと負
    側平滑コンデンサの中点に接続するとともに、他方の極
    を前記スイッチング素子の負側直流母線から数えて１番
    目の素子と２番目の素子との間に接続し、前記正側平滑
    コンデンサの正極と前記スイッチング素子の正側直流母
    線から数えて１番目の素子の正側直流母線側の電極とを
    接続し、前記負側平滑コンデンサの負極と前記スイッチ
    ング素子の負側直流母線から数えて１番目の素子の負側
    直流母線側の電極とを接続した構成の相単位ブロックを
    各相毎に備え、 各相単位ブロックの正側または負側と直流母線との間の
    両方にヒューズを設けたことを特徴とした電力変換装
    置。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の電力変換装置において、
    各相毎に設置した前記正側平滑コンデンサおよび負側平
    滑コンデンサとは別の一括正側平滑コンデンサおよび一
    括負側平滑コンデンサを設けたことを特徴とした電力変
    換装置。
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