JP2011193589A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を伴うことなく、異常発生時の運転継続を実現することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】Ｕ，Ｖ，Ｗ相で共通の予備単位インバータＹ１を設ける。通常運転時は、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の出力を３段直列接続した電力変換装置として運転する。一方、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の何れか１台に異常が発生したときは、異常が発生した単位インバータの出力端を短絡状態とし、異常が発生した単位インバータが属する接続回路に予備単位インバータＹ１を直列に追加接続することで、異常が発生した単位インバータに代えて予備単位インバータＹ１を用いて装置運転を再開する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数台の単位インバータを直列多段接続した電力変換装置に関し、特に単位インバータの異常発生時における対策に関するものである。

従来、複数台の単位インバータの出力をそれぞれ直列接続して三相高圧出力を得る電力変換装置がある。このような電力変換装置として、各相の出力端にそれぞれ１台の予備単位インバータの出力端を直列接続するものがある（例えば、特許文献１参照）。
ここでは、通常運転時は予備単位インバータの出力端を短絡状態にして、各相の各単位インバータを運転する。そして、少なくとも１つの相で１台の単位インバータに異常が発生したときは、異常が発生した単位インバータの出力端を短絡状態とすると共に、異常発生した相の予備単位インバータの出力端を開放状態とする。これにより、異常発生した相の予備単位インバータの運転で装置運転を再開することができる。

特開２００９−３３９４３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、各相の出力端にそれぞれ１台の予備単位インバータを接続するように構成されている。そのため、Ｎ相交流出力する電力変換装置の場合、Ｎ台の予備単位インバータが必要となる。したがって、装置の外形が大きくなってしまう。
そこで、本発明は、装置の大型化を伴うことなく、異常発生時の運転継続を実現することができる電力変換装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係る電力変換装置は、任意の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータの出力端を直列多段接続した接続回路Ｎ組により形成され、各接続回路のそれぞれの一端を中性点に接続し、それぞれの他端を出力端子としてＮ相交流出力を得るＮ相インバータと、前記Ｎ相インバータを所望の動作状態に制御する制御手段と、を備えるものである。このような電力変換装置であって、前記単位インバータと同一構成を有する１台の予備単位インバータと、前記単位インバータの出力端及び予備単位インバータの出力端を個別に短絡可能な短絡手段と、を備える。そして、前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記短絡手段を制御して異常が発生した単位インバータの出力端を短絡し、異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路に前記予備単位インバータを直列に追加接続することを特徴としている。

このように、各相で共通の予備単位インバータを１台のみ設け、複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したときには、当該予備単位インバータを異常発生相の接続回路に追加接続するので、予備単位インバータをＮ台準備する必要がない。そのため、装置の大型化を伴うことなく、異常発生時の運転継続を実現することができる。

また、請求項２に係る電力変換装置は、請求項１に係る発明において、前記各接続回路の中性点側端部と中性点との間にそれぞれ介挿された切替手段を備える。また、前記予備単位インバータの一方の出力端は中性点に接続されている。そして、前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記切替手段を制御して異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路の中性点側端部と中性点との接続を、当該中性点側端部と前記予備単位インバータの他方の出力端との接続に切り替えることを特徴としている。

これにより、単位インバータの異常発生時には、予備単位インバータを異常発生した相の接続回路の中性点側に追加接続することができる。このとき、単位インバータの交換を行うことなく、短絡手段や切替手段の操作のみで簡易に装置の運転再開を行うことができる。また、予備単位インバータを中性点側に追加接続するので、切替手段の構成を簡略化することができ、回路規模の増大をより抑制することができる。

さらに、請求項３に係る電力変換装置は、請求項１に係る発明において、前記各接続回路の出力端子側端部と出力端子との間にそれぞれ介挿された切替手段を備える。そして、前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記切替手段を制御して異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路の出力端子側端部と出力端子との接続を、当該出力端子側端部と前記予備単位インバータの一方の出力端との接続及び前記出力端子と前記予備単位インバータの他方の出力端との接続に切り替えることを特徴としている。
これにより、単位インバータの異常発生時には、予備単位インバータを異常発生した相の接続回路の出力端子側に追加接続することができる。このとき、単位インバータの交換を行うことなく、短絡手段や切替手段の操作のみで簡易に装置の運転再開を行うことができる。

本発明によれば、予備単位インバータをＮ台準備することなく、１台の予備単位インバータのみで、電力変換装置の異常発生時における短時間での運転再開を実現することができる。したがって、Ｎ相交流出力する電力変換装置においても、装置の大型化を抑制することができる。

第１の実施形態における電力変換装置の回路構成図である。 単位インバータユニット内部の構成図である。 第２の実施形態における電力変換装置の回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る電力変換装置を示す回路構成図である。
図中、符号１０は、１個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路である。また、符号Ｕ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３は単位インバータ、符号Ｙ１は予備単位インバータである。単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３と予備単位インバータＹ１とは、同一の内部構成を有する。

この電力変換装置では、単位インバータＵ１〜Ｕ３のそれぞれの出力端を直列多段接続して、三相インバータのＵ相を形成している。また、単位インバータＶ１〜Ｖ３のそれぞれの出力端を直列多段接続して、三相インバータのＶ相を形成している。さらに、単位インバータＷ１〜Ｗ３のそれぞれの出力端を直列多段接続して、三相インバータのＷ相を形成している。
単位インバータＵ１の出力１は単位インバータＵ２の出力２に接続し、単位インバータＵ２の出力１は単位インバータＵ３の出力２に接続する。そして、単位インバータＵ３の出力１は出力端子Ｖｕに接続する。

同様に、単位インバータＶ１の出力１は単位インバータＶ２の出力２に接続し、単位インバータＶ２の出力１は単位インバータＶ３の出力２に接続する。そして、単位インバータＶ３の出力１は出力端子Ｖｖに接続する。また、単位インバータＷ１の出力１は単位インバータＷ２の出力２に接続し、単位インバータＷ２の出力１は単位インバータＷ３の出力２に接続する。そして、単位インバータＷ３の出力１は出力端子Ｖｗに接続する。

また、単位インバータＵ１，Ｖ１，Ｗ１の出力２は、それぞれ切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗの端子ｃに接続する。また、切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗの各端子ａは、予備単位インバータＹ１の出力２に接続し、切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗの各端子ｂは、予備単位インバータＹ１の出力１に接続する。
制御装置２０は、電力変換装置全体を制御するものであって、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３及び予備単位インバータＹ１のそれぞれを所望の状態に制御するための指令信号（電圧指令、ＰＷＭパルス指令等）や、切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗを切り替えるための制御信号を出力するように構成されている。

次に、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３及び予備単位インバータＹ１の内部構成について説明する。
図２は、単位インバータユニット内部の構成図である。
この単位インバータユニットの主回路は、ダイオードを三相ブリッジ接続した整流回路ＲＣと、整流回路ＲＣの出力電圧を平滑するコンデンサＣと、ＩＧＢＴからなる半導体スイッチＴ１〜Ｔ４及びダイオードＤ１〜Ｄ４の逆並列回路を単相ブリッジ接続してなるインバータ回路ＩＮＶと、短絡スイッチＳＷｓとから構成されている。

半導体スイッチＴ１〜Ｔ４は、制御装置２０からの電圧指令やＰＷＭパルス指令に基づいて、オン・オフ制御されるようになっている。すなわち、この単位インバータユニットは、短絡スイッチＳＷｓの開放状態で、上記オン・オフ制御によるインバータ回路ＩＮＶのスイッチング動作により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧を出力する。
制御装置２０は、通常運転時は、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の短絡スイッチＳＷｓを開放状態、予備単位インバータＹ１の短絡スイッチＳＷｓを短絡状態とすると共に、切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗをａ−ｃ接続状態とする制御信号を出力する。これにより、９台の単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の出力を３段直列接続した電力変換装置となる。

一方、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の何れかに異常が発生した異常発生時は、制御装置２０は、通常運転時に対し、異常が発生した単位インバータの短絡スイッチＳＷｓを短絡状態、予備単位インバータＹ１の短絡スイッチＳＷｓを開放状態に切り替えると共に、異常が発生した相に対応する切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗの何れかをｂ−ｃ接続状態に切り替える制御信号を出力する。これにより、この電力変換装置は、異常が発生した単位インバータに代えて予備単位インバータＹ１を用いて運転を行う。
なお、図１の制御装置２０が制御手段に対応し、切替スイッチＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗが切替手段に対応し、図２の短絡スイッチＳＷｓが短絡手段に対応している。

（動作）
次に、本実施形態の動作について説明する。
ここでは、単位インバータＵ２に異常が発生した場合について説明する。この場合、制御装置２０は、切替スイッチＳＷｖ及びＳＷｗを通常運転時のａ−ｃ接続状態のままとし、切替スイッチＳＷｕをｂ−ｃ接続状態に切り替える。また、制御装置２０は、単位インバータＵ２の短絡スイッチＳＷｓを短絡状態に切り替えると共に、予備単位インバータの短絡スイッチＳＷｓを開放状態に切り替える。このとき、正常動作をしている単位インバータＵ１，Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の短絡スイッチＳＷｓは、それぞれ開放状態のままとする。この状態で装置運転を行う。
すなわち、この場合、Ｕ相は単位インバータＵ１，Ｕ３及び予備単位インバータＹ１の３段直列接続で運転され、Ｖ相及びＷ相は通常運転時と同様に、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の３段直列接続で運転される。

このように、制御装置２０は、単位インバータＵ２に異常が発生したとき、異常が発生した単位インバータＵ２の出力端を短絡すると共に、単位インバータＵ２が属するＵ相の接続回路に予備単位インバータＹ１を直列に追加接続する。このとき、切替スイッチＳＷｕを制御して、Ｕ相の接続回路の中性点側端部（切替スイッチＳＷｕの端子ｃ）と中性点（切替スイッチＳＷｕの端子ａ）との接続を、当該中性点側端部と予備単位インバータＹ１の出力１（切替スイッチＳＷｕの端子ｂ）との接続に切り替えることで、予備単位インバータＹ１の追加接続を行う。

また、本実施形態では、予備単位インバータＹ１を、異常発生した相の接続回路の中性点側に追加接続する構成とするので、予備単位インバータＹ１の出力２を常に中性点に接続しておくことができる。したがって、異常発生した相の接続回路の中性点側端部と予備単位インバータＹ１の出力１との接続を行う切替スイッチのみで切替手段を構成することができる。
また、同様に、Ｕ相の他の単位インバータＵ１又はＵ３に異常が発生した場合や、Ｖ相、Ｗ相の何れかの単位インバータに異常が発生した場合にも、予備単位インバータＹ１への切り替えによって装置運転を継続する。

（効果）
このように、上記第１の実施形態では、異常発生した相の接続回路に追加接続可能な予備単位インバータを備えるので、異常発生時には、異常発生した単位インバータを交換することなく装置運転の再開が可能となる。また、予備単位インバータは１台のみ用意し各相で共通とするので、予備単位インバータを相毎に設ける必要がなく、回路規模の増大を抑制することができる。
また、異常発生時には、切替スイッチや短絡スイッチの制御のみで、異常が発生した単位インバータから予備単位インバータへの切り替えが可能である。このように、異常が発生した単位インバータの交換を行う必要がないため、異常発生から短時間で装置運転を再開することができる。
さらに、予備単位インバータを中性点側に追加接続可能に構成するので、切替手段を簡易な構成で実現することができ、回路規模の増大をより抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態において、予備単位インバータＹ１を、異常発生した相の接続回路の中性点側に追加接続しているのに対し、出力端子側に追加接続するようにしたものである。

（構成）
図３は、第２の実施形態における電力変換装置の回路構成図である。
本実施形態では、図３に示すように、単位インバータＵ１，Ｖ１，Ｗ１の出力２を互いに接続する。また、単位インバータＵ１の出力１は単位インバータＵ２の出力２に接続し、単位インバータＵ２の出力１は単位インバータＵ３の出力２に接続する。同様に、単位インバータＶ１の出力１は単位インバータＶ２の出力２に接続し、単位インバータＶ２の出力１は単位インバータＶ３の出力２に接続する。さらに、単位インバータＷ１の出力１は単位インバータＷ２の出力２に接続し、単位インバータＷ２の出力１は単位インバータＷ３の出力２に接続する。

そして、単位インバータＵ３，Ｖ３，Ｗ３の出力１を、それぞれ切替スイッチＳＷｕ２，ＳＷｖ２，ＳＷｗ２の端子ｃに接続する。出力端子Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、それぞれ切替スイッチＳＷｕ１，ＳＷｖ１，ＳＷｗ１の端子ｃに接続する。また、切替スイッチＳＷｕ１，ＳＷｖ１，ＳＷｗ１の端子ａと、切替スイッチＳＷｕ２，ＳＷｖ２，ＳＷｗ２の端子ａとをそれぞれ接続する。

さらに、予備単位インバータＹ１の出力１を、切替スイッチＳＷｕ１，ＳＷｖ１，ＳＷｗ１の各端子ｂに接続し、予備単位インバータＹ１の出力２を、切替スイッチＳＷｕ２，ＳＷｖ２，ＳＷｗ２の各端子ｂに接続する。
切替スイッチＳＷｕ１と切替スイッチＳＷｕ２とは、接続状態を同時に切り替えるようになっている。すなわち、切替スイッチＳＷｕ１と切替スイッチＳＷｕ２とは、共にａ−ｃ間接続状態となるか、共にｂ−ｃ間接続状態となる。切替スイッチＳＷｖ１と切替スイッチＳＷｖ２、切替スイッチＳＷｗ１と切替スイッチＳＷｗ２についても同様である。

そして、制御装置２０は、通常運転時は、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の短絡スイッチＳＷｓを開放状態、予備単位インバータＹ１の短絡スイッチＳＷｓを短絡状態とすると共に、切替スイッチＳＷｕ１，ＳＷｕ２，ＳＷｖ１，ＳＷｖ２，ＳＷｗ１，ＳＷｗ２をａ−ｃ接続状態とする制御信号を出力する。これにより、９台の単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の出力を３段直列接続した電力変換装置となる。

一方、単位インバータＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の何れかに異常が発生した異常発生時は、制御装置２０は、通常運転時に対し、異常が発生した単位インバータの短絡スイッチＳＷｓを短絡状態、予備単位インバータＹ１の短絡スイッチＳＷｓを開放状態に切り替えると共に、異常が発生した相に対応する切替スイッチＳＷｕ１及びＳＷｕ２，ＳＷｖ１及びＳＷｖ２，ＳＷｗ１及びＳＷｗ２の何れかをｂ−ｃ接続状態に切り替える制御信号を出力する。これにより、この電力変換装置は、異常が発生した単位インバータに代えて予備単位インバータＹ１を用いて運転を行う。
なお、図３において、切替スイッチＳＷｕ１，ＳＷｕ２，ＳＷｖ１，ＳＷｖ２，ＳＷｗ１，ＳＷｗ２が切替手段に対応している。

（動作）
次に、本実施形態の動作について説明する。
ここでは、単位インバータＵ２に異常が発生した場合について説明する。この場合、制御装置２０は、切替スイッチＳＷｖ１，Ｓｗｖ２，ＳＷｗ１及びＳＷｗ２を通常運転時のａ−ｃ接続状態のままとし、切替スイッチＳＷｕ１及びＳＷｕ２をｂ−ｃ接続状態に切り替える。また、制御装置２０は、単位インバータＵ２の短絡スイッチＳＷｓを短絡状態に切り替えると共に、予備単位インバータの短絡スイッチＳＷｓを開放状態に切り替える。このとき、正常動作をしている単位インバータＵ１，Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の短絡スイッチＳＷｓは、それぞれ開放状態のままとする。この状態で装置運転を行う。
すなわち、この場合、Ｕ相は予備単位インバータＹ１及び単位インバータＵ１，Ｕ３の３段直列接続で運転され、Ｖ相及びＷ相は通常運転時と同様に、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の３段直列接続で運転される。

このように、制御装置２０は、単位インバータＵ２に異常が発生したとき、異常が発生した単位インバータＵ２の出力端を短絡すると共に、単位インバータＵ２が属するＵ相の接続回路に予備単位インバータＹ１を直列に追加接続する。このとき、切替スイッチＳＷｕ１及びＳＷｕ２を制御して、Ｕ相の接続回路の出力端子側端部と出力端子との接続（切替スイッチＳＷｕ２の端子ｃと切替スイッチＳＷｕ２の端子ａとの接続、及び切替スイッチＳＷｕ１の端子ｃと切替スイッチＳＷｕ１の端子ａとの接続）を、出力端子側端部（切替スイッチＳＷｕ２の端子ｃ）と予備単位インバータＹ１の出力２（切替スイッチＳＷｕ２の端子ｂ）との接続及び出力端子（切替スイッチＳＷｕ１の端子ｃ）と予備単位インバータＹ１の出力１（切替スイッチＳＷｕ１の端子ｂ）との接続に切り替えることで、予備単位インバータＹ１の追加接続を行う。
また、同様に、Ｕ相の他の単位インバータＵ１又はＵ３に異常が発生した場合や、Ｖ相、Ｗ相の何れかの単位インバータに異常が発生した場合にも、予備単位インバータＹ１への切り替えによって装置運転が継続される。

（効果）
このように、上記第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、異常発生時に、異常発生した相の接続回路に予備単位インバータを追加接続可能とするので、異常発生した単位インバータを交換することなく装置運転の再開が可能となる。
（変形例）
なお、上記第２の実施形態においては、予備単位インバータＹ１を出力端子側に追加接続する場合について説明したが、単位インバータ間（例えば、単位インバータＵ２とＵ３との間）に接続するようにしてもよい。この場合にも、上述した第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第２の実施形態においては、予備単位インバータＹ１ユニットの主回路が短絡スイッチＳＷｓを含む構成とする場合について説明したが、予備単位インバータＹ１ユニットの短絡スイッチＳＷｓを削除し、予備単位インバータＹ１の出力端を常に開放状態とするようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態においては、三相交流出力する電力変換装置に本発明を適用する場合について説明したが、四相以上のＮ相交流出力する電力変換装置に本発明を適用することもできる。

１０…変圧器回路、２０…制御装置、Ｕ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３…単位インバータ、Ｙ１…予備単位インバータ

Claims (3)

1. 任意の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータの出力端を直列多段接続した接続回路Ｎ組（Ｎ≧２）により形成され、各接続回路のそれぞれの一端を中性点に接続し、それぞれの他端を出力端子としてＮ相交流出力を得るＮ相インバータと、前記Ｎ相インバータを所望の動作状態に制御する制御手段と、を備える電力変換装置であって、
   前記単位インバータと同一構成を有する１台の予備単位インバータと、
   前記単位インバータの出力端及び予備単位インバータの出力端を個別に短絡可能な短絡手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記短絡手段を制御して異常が発生した単位インバータの出力端を短絡し、異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路に前記予備単位インバータを直列に追加接続することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記各接続回路の中性点側端部と中性点との間にそれぞれ介挿された切替手段を備え、
   前記予備単位インバータの一方の出力端は中性点に接続されており、
   前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記切替手段を制御して異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路の中性点側端部と中性点との接続を、当該中性点側端部と前記予備単位インバータの他方の出力端との接続に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記各接続回路の出力端子側端部と出力端子との間にそれぞれ介挿された切替手段を備え、
   前記制御手段は、前記複数台の単位インバータのうち何れかに異常が発生したとき、前記切替手段を制御して異常が発生した単位インバータが属する前記接続回路の出力端子側端部と出力端子との接続を、当該出力端子側端部と前記予備単位インバータの一方の出力端との接続及び前記出力端子と前記予備単位インバータの他方の出力端との接続に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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