JP2004248479A

JP2004248479A - Three-level converter

Info

Publication number: JP2004248479A
Application number: JP2003038876A
Authority: JP
Inventors: Sei Miyazaki; 聖宮崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-level converter capable of isolating DC smoothing capacitors from a short-circuit portion when a short-circuit failure occurs, and even capable of isolating an abnormal charging loop from an AC power source. <P>SOLUTION: When a short-circuit failure occurs, protective fuses 28, arranged in the paths connecting AC input points to the middle point of the DC smoothing capacitors 25, 26, are fused by a short-circuit current that flows from the DC smoothing capacitors 25, 26. This structure prevents a subsequent abnormal charging of the DC smoothing capacitors 25, 26 by the AC power source 11 and thereby prevents the expansion of failure damage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-level converter that has three potential outputs of a positive potential, a neutral potential, and a negative potential, and converts an alternating current into a direct current and then into an alternating current having a predetermined frequency.
[0002]
[Prior art]
For example, in a converter / inverter device which once converts AC power into DC power and converts it into AC power of a predetermined frequency, a three-level inverter or a three-level converter of a three-level converter is used in order to reduce the withstand voltage and the harmonics of the main circuit element. A conversion device is used. These three-level converters are converters having three potential outputs of a positive potential, a neutral potential, and a negative potential. In such a three-level converter, a disconnecting circuit or fuse for protection is inserted between the positive DC bus and the first switching element and between the negative DC bus and the fourth switching element. (See Patent Document 1)
FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional three-level converter. AC power supply 11 is input to three-level converter 13 via reactor 12. The three-level converter 13 has a positive DC bus 14, a neutral wire 15, and a negative DC bus 16, and each of the U-phase, V-phase, and W-phase has four switching elements 17, 18, 19, 20. Is provided.
[0003]
For example, in the U phase, four switching elements 17U, 18U, 19U, and 20U are connected in series, and a U-phase positive arm fuse 21U is inserted between the positive DC bus 14 and the first switching element 17U. A U-phase negative arm fuse 22U is inserted between the negative DC bus 16 and the fourth switching element 20U. A U-phase positive side clamp diode 23U and a U-phase negative side clamp diode 24U are connected to the second switching element 18U and the third switching element 19U, respectively, so that the neutral wire and the positive DC bus 14 are connected to each other. The positive DC smoothing capacitor 25 is connected between the neutral line and the negative DC bus 16, and the negative DC smoothing capacitor 26 is connected between the neutral line and the negative DC bus 16. .
[0004]
Such a short-circuit fault in the three-level converter 13 mainly has two patterns. The first pattern is, as shown by the solid bold line in FIG. 4, the U-phase first switching element 17U, second switching element 18U, third switching element 19U, and U-phase negative from the positive-side DC smoothing capacitor 25. A short-circuit loop of the positive DC smoothing capacitor 25 is formed through the side clamp diode 24U. At this time, the short-circuit current flowing from the positive DC smoothing capacitor 25 blows the U-phase positive-side arm fuse 21U to disconnect the short-circuit portion. Protect.
[0005]
The second pattern is referred to as a positive-side DC smoothing capacitor 25 from the positive-side DC smoothing capacitor 25 through the W-phase first switching element 17W and the W-phase positive-side clamp diode 23W, as indicated by the thick line in FIG. A short-circuit loop is formed. At this time, the short-circuit current flowing from the positive-side DC smoothing capacitor 25 causes the W-phase positive-side arm fuse 21W to blow and cut off the short-circuited portion for protection.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-57782 A (FIG. 8)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even after the U-phase positive-side arm fuse 21U has blown, the U-phase third switching element 19U and the U-phase negative-side clamp diode 24U are short-circuited, so that the U-phase third side switching element 19U has a short-circuit failure as shown by a two-dot chain line in FIG. From the AC power supply 1, the U-phase third switching element 19U, the U-phase negative clamp diode 24U, the negative DC smoothing capacitor 26, the anti-parallel diode of the V-phase fourth switching element 20V, and the V-phase third switching A charging loop is formed that returns to the AC power supply 11 through the anti-parallel diode of the element 19V. As a result, the negative DC smoothing capacitor 26 is charged up to √2 times the AC power supply voltage.
[0008]
In a normal state in which no short-circuit fault has occurred, the positive-side DC smoothing capacitor 25 and the negative-side DC smoothing capacitor 26 connected in series are charged up to √2 times the AC power supply voltage. The voltage that is twice the time will be charged. Since this voltage is also applied to the healthy fourth U-phase switching element 20U, when the AC power supply voltage is high, the fourth U-phase switching element 20U may be damaged by overvoltage.
[0009]
That is, when a short-circuit fault occurs, the DC smoothing capacitors 25 and 26 can be separated from the short-circuited portion, but the abnormal charging loop from the AC power supply 11 cannot be separated, so that the damage may be increased. Was.
[0010]
An object of the present invention is to provide a three-level converter capable of disconnecting a DC smoothing capacitor from a short-circuit point and disconnecting an abnormal charging loop from an AC power supply when a short-circuit fault occurs.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the three-level converter according to the first aspect of the present invention, a first switching element and a second switching element are connected in series for each of three phases between a positive DC bus and a negative DC bus. Forming a positive side arm, connecting a third switching element and a fourth switching element in series to form a negative side arm, connecting a freewheeling diode to each switching element in anti-parallel, A positive clamp diode is connected between a connection point between the first switching element and the second switching element and a neutral point of the DC smoothing capacitor, and the fourth switching element and the third switching element are connected to each other. A negative clamp diode is connected between the connection point of the switching element and the neutral point of the DC smoothing capacitor, and the three-phase AC power supplied from the AC power supply is supplied to the DC power supply. In a three-level converter for converting into, for each phase, on the line connecting the neutral point of the AC input point of the AC power supply, the second switching element, the positive clamp diode, the DC smoothing capacitor, Further, a protection fuse is provided on a line connecting the neutral point of the AC input point of the AC power supply, the third switching element, the negative clamp diode, and the DC smoothing capacitor.
[0012]
In the three-level converter according to the first aspect of the present invention, when a short circuit occurs, the protection fuse installed in the path connecting the AC input point and the middle point of the DC smoothing capacitor is blown by the short-circuit current flowing from the DC smoothing capacitor. . For this reason, abnormal charging of the DC smoothing capacitor from the AC power supply thereafter is prevented, and failure damage is not increased.
[0013]
In a three-level converter according to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the protection fuse includes, for each phase, a connection point between the positive clamp diode and the negative clamp diode; Characterized by being provided on a line connecting the neutral point.
[0014]
In the three-level converter according to the second aspect of the invention, when a short circuit occurs, the protection fuse provided between the positive and negative clamp diodes and the midpoint of the DC smoothing capacitor is blown by the short-circuit current flowing from the DC smoothing capacitor. For this reason, abnormal charging from the AC power supply thereafter is prevented, and damage to failure is not increased.
[0015]
In the three-level converter according to the third aspect of the present invention, a first switching element and a second switching element are connected in series for each of three phases between a positive DC bus and a negative DC bus. To form a negative arm by connecting a third switching element and a fourth switching element in series to form a negative arm, and connect a freewheeling diode to each switching element in anti-parallel. An arm fuse is connected between the positive side DC bus and the first switching element for each phase, and an arm fuse is connected between a connection point between the arm fuse and the first switching element and the negative side DC bus. The DC smoothing capacitor is connected to the first switching element and the second switching element. A negative clamp diode between a connection point of the fourth switching element and the third switching element and a neutral point of the DC smoothing capacitor; Connecting a protection fuse on a line connecting a connection point of the negative side clamp diode and a neutral point of the DC smoothing capacitor, and converting three-phase AC power supplied from an AC power supply into DC power. I do.
[0016]
In the three-level converter according to the third aspect of the present invention, when a short circuit occurs, the protection fuse provided between the positive and negative clamp diodes and the midpoint of the DC smoothing capacitor is blown by the short-circuit current flowing from the DC smoothing capacitor. Thereafter, abnormal charging from the AC power supply 11 is prevented, and damage to failure is not increased. Furthermore, if the fourth switching element is also short-circuited and a short circuit between the positive side and the negative side (PN short circuit) occurs, a short circuit from the DC smoothing capacitor of another arm connected to the same DC bus. By blowing the arm fuse with the electric current, it is possible to prevent the damage from failure from spreading to other healthy phases.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a circuit diagram of a three-level converter according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, three-phase AC power is supplied from an AC power supply 11 to a three-level converter 13 via a reactor 12. The three-level converter 13 has a positive DC bus 14, a neutral wire 15, and a negative DC bus 16, and each of the U-phase, V-phase, and W-phase has four switching elements 17, 18, 19, 20. Is provided. The first switching element 17 and the second switching element 18 are connected in series to form a positive arm, and the third switching element 19 and the fourth switching element 20 are connected in series to form a negative arm. Forming a side arm. A freewheeling diode 27 is connected in anti-parallel to each switching element 17, 18, 19, 20 of each phase.
[0018]
For example, the U phase is configured as follows. A first switching element 17U, a second switching element 18U, a third switching element 19U, and a fourth switching element 20U are connected in series between the positive DC bus 14 and the negative DC bus 16. Connected. A series connection of a U-phase positive clamp diode 23U and a U-phase negative clamp diode 24U is connected in parallel with the series connection of the second switching element 18U and the third switching element 19U. Further, a connection point between the positive DC smoothing capacitor 25 and the negative DC smoothing capacitor 26 is connected to a connection point between the positive negative clamp diodes 23U and 24U via a protection fuse 28U. The V phase and the W phase have the same configuration as the U phase.
[0019]
In this configuration, when a short-circuit fault occurs in the switching elements 17, 18, 19, and 20, an accident generally occurs through one of the short-circuit paths according to the short-circuit fault pattern shown in FIG. 4 or FIG. . What should be noted in this case is that the common part of the short-circuit path is a line connecting the midpoint of the positive and negative clamp diodes 23 and 24 and the midpoint of the positive and negative smoothing capacitors 25 and 26. Therefore, the protection fuses 28U, 28V, 28W are connected to this position for each phase, so that the damage caused by overcharging after the failure of the switching elements 17, 18, 19, 20 can be prevented.
[0020]
Here, in the above description, the protection fuse 28 is provided for each phase on a line connecting the connection point between the positive clamp diode 23 and the negative clamp diode 24 and the neutral point of the DC smoothing capacitors 25 and 26. However, in each phase of the short-circuit path formed at the time of occurrence of the short-circuit accident, any position on the line connecting the AC input point to the middle point of the DC smoothing capacitors 25 and 26 may be used. , 28V, 28W. In this case, except for the protective fuses 28U, 28V, and 28W inserted between the midpoints of the positive and negative clamp diodes 23 and 24 and the midpoints of the positive and negative DC smoothing capacitors 25 and 26, a DC short circuit on the positive and negative sides. Therefore, it is necessary to connect one protection fuse effective for each of the positive short-circuit and the negative short-circuit with the neutral wire 15 interposed therebetween.
[0021]
Thus, for each phase, on the line connecting the AC input point of the AC power supply 11, the second switching element 18, the positive clamp diode 23, and the neutral point of the DC smoothing capacitors 25 and 26, and When the protection fuse 28 is provided on the line connecting the neutral point of the AC input point of the AC power supply 11, the third switching element 19, the negative clamp diode 24, and the DC smoothing capacitors 25 and 26, a DC short circuit occurs. The connection between the failed phase and the midpoint of the DC smoothing capacitors 25 and 26 can be immediately cut off, and the connection between the DC bus and the failed phase can also be cut off.
[0022]
According to the first embodiment, a protection fuse installed in an arbitrary path connecting an AC input point and a middle point of the DC smoothing capacitors 25 and 26 with a short-circuit current flowing from the DC smoothing capacitors 25 and 26 when a short-circuit accident occurs. Since the fuse 28 is blown, the subsequent abnormal charging from the AC power supply 11 can be prevented, and the damage due to the failure is not increased.
[0023]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a circuit diagram of a three-level converter according to a second embodiment of the present invention. This second embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that DC smoothing capacitors 25 and 26 are provided for each phase, and the positive DC bus 14 and the first switching are connected. The configuration is such that arm fuses 29U, 29V, and 29W are added between the device and the element 17.
[0024]
In this configuration, when a short-circuit fault occurs in the switching elements 17, 18, 19, 20 as in the first embodiment, the middle point of the positive and negative clamp diodes 23, 24 and the positive and negative DC smoothing capacitors 25, 26 When the protective fuses 28U, 28V, 28W installed on the line connecting the midpoint are blown, the connection between the failed phase and the midpoint of the DC smoothing capacitors 25, 26 can be immediately cut off. Further, the connection between the DC buses 14 and 16 and the failed phase can be cut off.
[0025]
Here, even if all four switching elements 17, 18, 19, and 20 arranged in series between the positive DC bus 14 and the negative DC bus 16 are short-circuited, the positive DC bus Since the arm fuse 29 provided between the first switching element 17 and the first switching element 17 is blown by the inflow current from the other two-phase DC smoothing capacitors 25 and 26, the connection between the DC buses 14 and 16 and the short-circuit phase is prevented. Connection can be interrupted.
[0026]
In the above description, the case where the arm fuse 29 is connected between the positive side DC bus 14 and the first switching element 17 has been described, but the case where the arm fuse 29 is connected between the negative side DC bus 16 and the fourth switching element 20 is described. May be connected to the arm fuse 29.
[0027]
According to the second embodiment, a short-circuit current flowing from the DC smoothing capacitors 25 and 26 at the time of occurrence of a short-circuit accident is provided between the positive and negative clamp diodes 23 and 24 and the center point of the positive and negative DC smoothing capacitors 25 and 26. Since the protective fuse 28 is blown, abnormal charging from the AC power supply 11 can be prevented. Also, even if the fourth switching element 20 is short-circuited and a short-circuit on the positive and negative sides (PN short-circuit) occurs, the DC smoothing capacitors 25 and 26 of the other phases connected to the same DC bus do not. Since the arm fuse 29 is blown by the short-circuit current, it is possible to prevent the damage from damage to other healthy phases.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if a short-circuit fault occurs in any one of the switching elements of the three-level converter, the DC smoothing capacitor on one of the positive and negative sides is charged with the full AC rectified voltage. This can prevent the spread of accidents such as voltage destruction of sound switching elements.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a three-level converter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a three-level converter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional three-level converter.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an example of a fault short-circuit pattern in a conventional three-level converter.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another example of a fault short-circuit pattern in a conventional three-level converter.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a malfunction operation when a fault short circuit occurs in a conventional three-level converter.
[Explanation of symbols]
11 AC power supply, 12 reactor, 13 level converter, 14 positive DC bus, 15 neutral wire, 16 negative DC bus, 17 first switching element, 18 second power Switching element, 19: Third switching element, 20: Fourth switching element, 21: Positive arm fuse, 22: Negative arm fuse, 23: Positive clamp diode, 24: Negative clamp diode, 25 … Positive DC smoothing capacitor, 26… Negative DC smoothing capacitor, 27… Freewheeling diode, 28… Protective fuse, 29… Arm fuse

Claims

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。The first switching element and the second switching element are connected in series between the positive DC bus and the negative DC bus for each of the three phases to form a positive arm, A switching element and a fourth switching element are connected in series to form a negative arm, and a freewheeling diode is connected in anti-parallel to each switching element, and the first switching element and the second switching element are connected to each other. A positive clamp diode is connected between a connection point with the switching element and a neutral point of the DC smoothing capacitor, and a connection point between the fourth switching element and the third switching element and a DC smoothing capacitor. In a three-level converter that connects a negative clamp diode between a neutral point and converts three-phase AC power supplied from an AC power source into DC power, For each, on the line connecting the neutral point of the AC input point of the AC power supply, the second switching element, the positive clamp diode, and the DC smoothing capacitor, and the AC input point of the AC power supply, 3. A three-level converter, wherein a protection fuse is provided on a line connecting a neutral point of the third switching element, the negative clamp diode, and the DC smoothing capacitor.

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。The protection fuse is provided on a line connecting a connection point between the positive side clamp diode and the negative side clamp diode and a neutral point of the DC smoothing capacitor for each phase. 3. The three-level converter according to 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、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。The first switching element and the second switching element are connected in series between the positive DC bus and the negative DC bus for each of the three phases to form a positive arm, A switching element and a fourth switching element are connected in series to form a negative arm, a freewheeling diode is connected to each switching element in anti-parallel, and the positive DC bus and the first switching element are connected for each phase. An arm fuse connected between the first switching element and the connection point between the arm fuse and the first switching element, and the DC smoothing capacitor connected between the negative DC bus; A positive clamp diode is connected between a connection point of the second switching element and the second switching element and a neutral point of the DC smoothing capacitor, and the fourth switch is connected to the fourth switching element. A negative clamp diode is connected between a connection point between the switching element and the third switching element and a neutral point of the DC smoothing capacitor, and a connection point between the positive clamp diode and the negative clamp diode is provided. A three-level converter comprising a protection fuse connected to a line connecting a neutral point of the DC smoothing capacitor and converting three-phase AC power supplied from an AC power supply into DC power.