JP3245728B2

JP3245728B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3245728B2
Application number: JP15356093A
Authority: JP
Inventors: 和宏今家; 茂太上田; 康之杉浦; 博康佐藤; 庄一郎古関
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 2002-01-15
Anticipated expiration: 2017-01-15
Also published as: JPH0715977A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体電力変換装置の
信頼性向上に係り、特に制御系を多重化した電力変換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般産業用、電力用を問わず、電力変換
器をまったく停止することなく動作させることが望まれ
てきており、そのために制御系を多重化することが多く
なってきた。その場合、多重化された制御系の出力部に
は、信頼性、安全性の確保のために保護回路が設けられ
ていた。この保護回路は、制御系の出力部が如何なる状
態でも切換指令により制御系を切換るので、電力変換器
の短絡防止、素子故障防止を実行する制御信号等は、そ
の間は効果を失う。それを避けるために更に、前記保護
回路とは別に、もう１つ保護回路を必要とすことにな
る。このような構成では、全く同じ動作を行う保護回路
数が増えるばかりでなく、制御の応答性にも影響し、保
護回路数が増えることで全体の素子数が増え、故障発生
率が増加してしまうことになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、特開平
３−７０６８号公報は、多重化された制御回路を備え、
各制御回路の故障を検出し、故障が検出された場合は自
動的に故障リセットを実行して健全な制御回路を選択す
ることにより、直ちに運転制御が再開できるというもの
である。

【０００４】しかし、この方法では、制御対象が常に動
作可能ではなく、故障した制御装置の出力から正常な制
御装置の出力へ切換る間に、制御対象の出力状態が変化
する場合、任意の時刻に切換動作を行うと、出力状態の
差により制御対象が異常動作または故障を起こす恐れが
ある。例えば、ゲートターンオフサイリスタ（以降、Ｇ
ＴＯと略記する。）のスイッチング周波数は数１００Ｈ
ｚ程度が限界であり、上述した切換動作により、その周
波数を越えるスイッチングパルスが出力されると、ＧＴ
Ｏが故障する恐れがある。

【０００５】また、インシュレイテッドゲートバイポー
ラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの高速スイッチングが
可能なトランジスタ素子においても、前記理由による故
障は減るものの、切換時の電力変換器の出力電流の値の
急変を防ぐ必要がある。

【０００６】そこで適切なスイッチング信号を確保する
ため、切換装置の出力部に保護回路を設置するか、その
切換実行の時刻を適切な時刻に設定する手段が必要とな
る。本発明の目的は、多重制御系を備えた電力変換装置
において、制御系を切換るとき、スイッチング素子へ異
常なスイッチング信号が出力することを防止した電力変
換装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、自己消弧スイッチング素子をブリッジ接続してなる
電力変換器と、検出された前記電力変換器の動作量を制
御する複数の制御装置とを備え、常時は前記制御装置の
一つの制御信号を出力する電力変換装置において、前記
複数の制御装置のうち前記電力変換器を制御している制
御装置の故障を検出したときに切換信号を出力する故障
検出手段と、前記切換信号に応答して、故障の検出され
た制御装置の出力による制御信号を他の制御装置の出力
による制御信号に切換て出力する切換手段と、該切換手
段の出力切換時、該切換手段の出力の前記スイッチング
素子をオンに保持する時間を算出し、該時間が前記ブリ
ッジのアーム短絡防止時間より短いときはオン制御信号
を出力せず、該時間が長いときは前記アーム短絡防止時
間経過後オン制御信号を出力し、設定された時間が経過
するまではオン制御信号を保持する保護手段とを備えて
なることを特徴とする電力変換装置としたものである。

【０００８】また、自己消弧スイッチング素子をブリッ
ジ接続してなる電力変換器と、検出された前記電力変換
器の動作量を制御する複数の制御装置とを備え、常時は
前記制御装置の一つの制御信号を出力する電力変換装置
において、前記複数の制御装置のうち前記電力変換器を
制御している制御装置の故障を検出したときに切換信号
を出力する故障検出手段と、前記故障検出手段の出力に
よる切換信号を保持し、故障検出後設定された時間が経
過したのち故障が検出された制御装置の出力信号と前記
切換られた制御装置の出力信号が同一信号になるときに
前記保持した切換信号を出力する切換時刻設定手段と、
前記切換時刻設定手段の出力による切換信号に応答し
て、故障の検出された制御装置の出力による制御信号を
他の制御装置の出力による制御信号に切換て前記電力変
換器に出力する切換手段とを備えてなることを特徴とす
る電力変換装置とすることもできる。

【０００９】前記設定された時間が、前記自己消弧スイ
ッチング素子のオン及びオフ切換時特性で決まる最小限
保持すべき時間であることが望ましい。

【００１０】

【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば次の作用により上記の目的が達成される。

【００１１】複数の制御装置を備えた自己消弧スイッチ
ング素子をブリッジ接続してなる電力変換装置では、装
置を運転中に、制御装置は１台だけ運転して、他の制御
装置を停止している方法も、常時適当数を運転し、その
中の１つの信号を用いる方法でもよい。運転中の制御装
置に故障が発生し、故障検出手段により検出された場
合、他の正常な停止している制御装置、または運転して
いる他の制御装置に切換信号を送り、直ちに切換手段で
切換て出力させることは従来も行われている。

【００１２】しかし、このとき故障発生時に出力されて
いた制御信号と切換られた信号とが完全に同期していな
いことが十分予測される。そのため、切換手段から出力
される信号は、正常のパターンでない異常信号である場
合が多いと考えてよい。従って、この切換時の制御信号
のままにスイッチング回路を制御するとスイッチング回
路及びスイッチング素子自体の限界を超える動作を要求
することがある。これは次の手段で回避できる。

【００１３】切換時に発生する信号のパターンは、切換
時までの故障信号と選択された信号の時間経過から容易
に算出できる。問題になる動作は、ブリッジ接続のアー
ム短絡と、スイッチング素子に過酷なオンオフ動作をさ
せることである。前者は回路を含み決定されるものであ
り、後者は自己消弧スイッチング素子のオン及びオフ切
換時特性で決まる最小限保持すべき時間である。

【００１４】信号のオン動作パターンに基づき、前記ブ
リッジ接続のアーム短絡を生じるタイミングでのオン動
作信号に対しては、アーム短絡防止時間の間はオン制御
信号を保護手段により出力しないことで避ける。また、
後者についても、前記自己消弧スイッチング素子の最小
限保持すべき時間が経過するまでは、オン信号を保持す
る制御を保護手段により出力することで安全に運転され
る。

【００１５】また、故障が検出された後、直ちに信号を
切換ると上述した異常信号が出力することがあるので、
前記した自己消弧スイッチング素子のオン及びオフ切換
時特性で決まる最小限保持すべき時間が経過するまで故
障が検出された制御装置の出力信号をそのまま出力し、
そのあと、前記切換られた制御装置の出力信号が、同一
信号になるのを待って、切換手段の出力に切換時刻設定
手段により切換てもよい。この場合は、切換後に信号の
急変はないのでスイッチング動作も正常の範囲になる。

【００１６】このようにして、多重制御系を備えた電力
変換装置において、制御系を切換るとき、スイッチング
素子へ異常なスイッチング信号が出力することを防止し
た電力変換装置を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【００１８】直流電源１は、半導体スイッチング素子を
用いたブリッジ接続の直流／交流変換器２により交流に
変換されて負荷３へ電力を供給する。スイッチング素子
は、多重制御系より選択された制御信号に基づきスイッ
チング動作を行う。負荷３の動作量の一つである電流が
電流検出器４ａ、４ｂで検出され、それぞれ制御装置５
ａ、５ｂへ入力され、それら制御装置５ａ、５ｂから故
障検出手段６へ情報が出力されている。各制御装置５
ａ．５ｂは１つの電流検出信号を共通に受け取るか、ま
たは、それぞれに対応した検出器４ａ、４ｂより受け取
り、制御に関する演算処理を行う。各制御装置５ａ．５
ｂでは、制御指令（図示していない。）により負荷電流
値を一定にする等の演算を行いその制御量をパルス幅変
調（以降、ＰＷＭと略記する。）制御に基づき変調し、
スイッチングパルスとしてスイッチング素子へ出力す
る。

【００１９】故障検出手段６では、各制御装置の回路状
態、演算数値、動作電源、出力状態などを検出、点検す
ることで各制御装置の故障または動作停止状態を検出
し、故障信号として出力する。電力変換器２に出力して
いない制御装置、または停止中の制御装置に故障が生じ
た場合、故障検出手段６はそれに対応した表示をし、電
力変換器２を運転したままその制御装置を取り出し、修
理後復帰することができる。

【００２０】電力変換器２を制御中の制御装置に故障が
発生した場合、切換手段７は故障検出手段６の出力を取
り込み、その信号の状態に基づき、制御装置から正常な
制御出力を選択し、電力変換器２へ出力する。このとき
切換手段７は、故障発生時出力される切換信号に基づき
切換を行うので、故障状態の制御装置の出力から正常の
制御装置の出力へと移行する段階で、電力変換器２に出
力される制御信号に急峻な変化が含まれる場合がある。
その結果、その制御信号を受けた電力変換器２のスイッ
チング素子はその変化に対応しきれず、異常動作または
故障を起こすことがある。そこで切換手段７の後段に、
前記の異常から電力変換器２を保護する保護手段８を備
えている。

【００２１】図３に切換信号入力時に発生する制御信号
急変の例を示す。電力変換器２を大容量自励式変換装置
とし、自己消弧素子としてＧＴＯを用いフライホイーリ
ングダイオードと逆並列に接続された、ブリッジ接続構
成のものとする。図３において、（１）は制御装置５ａ
出力パルス、（２）は制御装置５ｂ出力パルス、（３）
は切換手段出力パルス及び（４）は切換時刻の部分のパ
ルスを拡大して示したものである。

【００２２】いま故障検出手段の出力信号により、切換
手段７の出力パルスが、制御装置５ａの出力パルスから
制御装置５ｂの出力パルスに変化したとすると、切換時
刻の拡大部分パルスに示すように、制御装置５ａおよび
制御装置５ｂに見られなかった極めて時間幅の狭いＴ時
間以下のパルスが出力されている。このパルスの１によ
り、スイッチング素子のオン、０によりオフを実行させ
ると、大容量のＧＴＯは、素子故障を起こす恐れがある
ので保護手段８を挿入してこのような時間幅の狭いパル
スを取り除くのである。図からも明らかなように、時間
Ｔの検出は、切換時刻と切換られる制御装置５ｂの出力
パルスの、切換時刻以降の変化するまでの時間を算出す
ることから容易にできる。

【００２３】図４は、大容量ＧＴＯに用いられる代表的
な保護手段８の動作例を示す。図中Ｘは保護手段８への
切換手段７からの入力パルス、ＸＰは図１に示す電力変
換器２のＰアームに、ＸＮはＮアームに出力されるスイ
ッチング信号、Ｔは前記した切換時保護手段８へ入力す
るパルスの時間幅、ＴｄはＰアームのスイッチング素子
とＮアームのスイッチング素子が同時にオン状態になら
ないように設けた短絡防止時間、ＴｍｉｎはＧＴＯのオ
ンオフ切換時、特性で決まる最小限保持しなければなら
ない時間幅、１はＧＴＯオン、０はＧＴＯオフ信号であ
る。

【００２４】図４において、（１）は、保護手段８の入
力パルスが、Ｔｄより短い時間幅Ｔのオンパルスである
場合の動作である。このとき出力ＸＰには０、ＸＮには
１を出力する。次に（２）は、Ｔｄより大きくＴｍｉｎ
とＴｄの和より短い時間幅Ｔのオンパルスが入力された
場合の動作である。このときＸＰにはＸパルスよりもＴ
ｄ遅れてＴｍｉｎ幅の１パルスを出力し、ＸＮにはＸパ
ルス入力時刻に０になり、その時刻からＴｍｉｎ＋２Ｔ
ｄの間０を出力し再び１に戻る出力をする。さらに
（３）は、Ｔｍｉｎ＋Ｔｄより大きい１パルスが入力さ
れた場合である。このときＸＰには、Ｔｄ遅れてＴ−Ｔ
ｄ間の１パルス、ＸＮには、Ｘが１になった時刻に０に
なりＴ＋Ｔｄの間０を出力し、再び１に戻る出力をす
る。

【００２５】ここで（１）、（２）及び（３）のいずれ
の場合も、Ｔｄの間は、通常の動作においても、スイッ
チング素子の切換を実行しないのは当然である。

【００２６】図５に、上述した機能を達成するためのア
ルゴリズムを示す。まず保護手段８への入力パルス信号
Ｘを入力し、ＴとＴｄとを比較し、Ｔｄより小さければ
図４（１）の動作、大きければ、Ｔｍｉｎ＋Ｔｄと比較
し、小さければ図４（２）の動作、大きければ、図４
（３）の動作を行うようにする。これら３つの動作で、
入力信号として同様の０パルスが入力された場合、上記
ＸＰ，ＸＮの動作は、図４の（１）、（２）、（３）の
ＸＰ、ＸＮの関係と逆になり、各動作が確保されるもの
とする。このようにすれば故障検出を行った時間に故障
信号を出力し、切換手段７はその切換信号が入力された
任意時刻に切換動作を行っても制御装置の制御出力には
異常スイッチング信号が出力されないので電力変換装置
２の出力電流の急変がなくなり、出力電流波形の改善を
行うこともできる。

【００２７】制御装置を切換た後、電力変換器２を運転
したままその切換られた制御装置を取り出し、修理後復
帰するなどの保守点検を可能にすることができるので、
稼働率、信頼性、安全性を向上させることができる。

【００２８】尚、従来各制御装置の出力部に設けられて
いた保護手段８は、この切換手段７の後の保護手段８に
一括され、多重制御系を構成しない場合と同様の安全性
および制御の応答性が同時に保たれている。図１では、
制御装置を２重系として示しているが、さらに多重系と
しても同様の構成で実現することができる。この場合
は、故障が発生しても当該制御装置を取り出し修理して
いる間でも、多重制御系を保持することができるので、
さらに稼働率、信頼性、安全性を向上させることができ
る。

【００２９】図２は本発明の他の実施例を示す図であ
る。上述の実施例の保護手段８の代わりに故障検出手段
６と切換手段７との間に切換時刻設定手段９を設けてい
る。該切換時刻設定手段９は、いずれかの制御装置に故
障が発生した場合、上述したスイッチング素子に許容す
る時間まで、切換時間を遅延させるものである。

【００３０】図６に切換時刻設定手段９の動作例を示
す。図中、図４と同一のものは同一の記号で表してい
る。各制御装置５ａ，５ｂは電力変換器２のスイッチン
グに必要な短絡防止時間Ｔｄ、最小パルス幅Ｔｍｉｎの
確保を行いながらＰアーム、Ｎアームのスイッチングパ
ルスを出力している。制御装置５ａの出力を電力変換器
２に出力していたときに、制御装置５ａに故障が発生
し、制御装置５ｂの出力に切換る場合である。

【００３１】（１）は故障検出後、Ｔｍｉｎ経過したと
き、故障が発生した制御装置５ａと切換られる制御装置
５ｂの出力が同一の場合である。この場合、故障が発生
した後ＸＰの出力が１であるので、前記保護の理由によ
り、出力にＴｍｉｎの間１の信号を保持し、さらにその
後、制御装置５ｂの信号が制御装置５ａの出力と同じな
ので切換を行う。

【００３２】（２）は、Ｔｍｉｎ経過したとき、前記制
御装置５ｂの信号と制御装置５ａの信号が異なる場合で
ある。この場合、同じ状態になるまでその出力状態を保
持する。即ちＴｈｌｔの間、切換手段７の出力を保持す
る。同じになった時刻で、切換る。これら２つの動作で
入力信号として同様のオフパルスが入力された場合、上
記ＸＰ、ＸＮの動作は、図４の（１）、（２）、（３）
のＸＰ、ＸＮの関係と逆になる。これにより、切換手段
７の出力には、電力変換器２に異常動作または故障をも
たらす信号を出力することを防ぐことができ、電力変換
器装置の出力電流の急変がなくなり、出力電流波形の改
善を行うことができる。この構成とすることで、前記し
た実施例と同様の効果を得ることができる。

【００３３】図７に切換手段７の一例を示した。簡単な
論理回路で構成することができる。以上の実施例では、
電力逆変換器の例について述べているが、電力順変換器
の場合は勿論のこと、電力順変換器と電力逆変換器を用
いた無停電電源装置など半導体スイッチング素子を用い
た電力変換器に対しても適用できることは明らかであ
る。

【００３４】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、多重
制御系を有する電力変換器において、制御系の間の切換
を行なう信号時間の長さにより切替えるタイミングを決
めるので、信号の急変に伴う異常スイッチング信号が出
力されるのを防止できる。従って、電力変換器の運転を
継続したまま、故障した制御装置の保守点検ができる。
この結果、電力変換装置の稼働率、安全性、信頼性を向
上させる効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す図である。

【図３】制御装置の切換時に発生する障害パルスを説明
する図である。

【図４】保護手段の動作例を示す図である。

【図５】保護手段のアルゴリズムの一例を示す。

【図６】切換時刻設定手段の動作例を示す図である。

【図７】切換手段の一例を示す。

【符号の説明】

１直流電源２電力変換器３負荷４ａ、４ｂ電流検出器５多重化制御装置５ａ、５ｂ制御装置６故障検出手段７切換手段８保護手段９切換時刻設定手段

フロントページの続き (72)発明者佐藤博康茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者古関庄一郎茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開平４−372522（ＪＰ，Ａ) 特開平３−7068（ＪＰ，Ａ) 特開平５−137244（ＪＰ，Ａ) 特開平５−30683（ＪＰ，Ａ) 特開平５−114473（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/537 H02M 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】自己消弧スイッチング素子をブリッジ接
続してなる電力変換器と、検出された前記電力変換器の
動作量を制御する複数の制御装置とを備え、常時は前記
制御装置の一つの制御信号を出力する電力変換装置にお
いて、前記複数の制御装置のうち前記電力変換器を制御
している制御装置の故障を検出したときに切換信号を出
力する故障検出手段と、前記切換信号に応答して、故障
の検出された制御装置の出力による制御信号を他の制御
装置の出力による制御信号に切換て出力する切換手段
と、該切換手段の出力切換時、該切換手段の出力の前記
スイッチング素子をオンに保持する時間を算出し、該時
間が前記ブリッジのアーム短絡防止時間より短いときは
オン制御信号を出力せず、該時間が長いときは前記アー
ム短絡防止時間経過後オン制御信号を出力し、設定され
た時間が経過するまではオン制御信号を保持する保護手
段とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】自己消弧スイッチング素子をブリッジ接
続してなる電力変換器と、検出された前記電力変換器の
動作量を制御する複数の制御装置とを備え、常時は前記
制御装置の一つの制御信号を出力する電力変換装置にお
いて、前記複数の制御装置のうち前記電力変換器を制御
している制御装置の故障を検出したときに切換信号を出
力する故障検出手段と、前記故障検出手段の出力による
切換信号を保持し、故障検出後設定された時間が経過し
たのち故障が検出された制御装置の出力信号と前記切換
られた制御装置の出力信号が同一信号になるときに前記
保持した切換信号を出力する切換時刻設定手段と、前記
切換時刻設定手段の出力による切換信号に応答して、故
障の検出された制御装置の出力による制御信号を他の制
御装置の出力による制御信号に切換て前記電力変換器に
出力する切換手段とを備えてなることを特徴とする電力
変換装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記設定さ
れた時間が、前記自己消弧スイッチング素子のオン及び
オフ切換時特性で決まる最小限保持すべき時間であるこ
とを特徴とする電力変換装置。