JP4942169B2 - ３レベルインバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、正、負及び中性点の３レベルの電位を有する直流を交流に変換する３レベルインバータ装置に関する。

例えば、交流電力を一旦直流電力に変換し、再び交流電力に変換して負荷に給電するコンバータ／インバータ装置においては、主回路のスイッチング素子の耐圧低減や出力高調波の低減を目的として３レベルの半導体電力変換装置が用いられる。

３レベルの半導体電力変換装置は、３相交流と３レベルの電位を有する直流間の電力変換を行う装置であり、通常のブリッジ構成のコンバータ／インバータ装置における各相の変換アームのスイッチング素子を２直列構成とし、各変換アームのスイッチング素子間の電位はクランプダイオードを介してゼロ電位にクランプされる構成となっている。そして、各変換アームに直列にヒューズを設け、各スイッチング素子が故障あるいはゲート回路異常によって、オフすべきときにオフせずに短絡電流が流れたとき、事故波及を防止する構成としている。

例えば、３レベルコンバータにおいて、Ｕ相正側変換アームの外側のスイッチング素子が短絡故障した場合を考える。このとき、Ｕ相変換アームには短絡電流が流れ、Ｕ相正側のヒューズが溶断する。

ところが、Ｕ相正側ヒューズが溶断したあとも、交流電源からＵ相負側変換アームの内側の素子、Ｕ相負側クランプダイオード、負側直流コンデンサ、Ｖ相負側変換アームの逆並列ダイオードを経由して交流電源に戻る充電経路が形成される。これによって。負側直流コンデンサに短絡電流が流れ、負側直流コンデンサは交流電源電圧の√２倍まで充電される。この負側直流コンデンサは、正常運転時には、交流電圧の√２倍まで充電されているので、上記短絡事故発生時には、交流電圧の約２倍まで充電される恐れがある。

これに対し、上記が生じたとき、正側または負側のコンデンサを交流電源で充電しないように、考えられる充電ループにヒューズを挿入する提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平２００４−２４８４７９号公報（第５頁、図１）

特許文献１に示されている方法は、電力変換装置が３レベルコンバータの場合の例である。３レベルコンバータの場合は、上述の充電モードにおいて必ず短絡電流が流れるため、ヒューズが溶断する。しかしながら電力変換装置が３レベルインバータで、負荷が電動機である場合にはその運転条件によって上記の充電電流の値は異なる。

短絡電流が流れてヒューズが溶断すると、その復旧作業においてヒューズの交換を行う必要があるため、装置の稼働率を悪化させる。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、短絡故障が生じたとき、直流コンデンサが過電圧となるのを防止し、且つ装置の稼働率を悪化させないようにした３レベルインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る３レベルインバータ装置は、出力側に正及び負の直流分圧コンデンサを備え、３レベルの電位を有する直流電源と、前記直流電源に並列接続された３組のスイッチングレグと、前記直流電源の中点と前記各組のスイッチングレグの中点間に設けられた遮断器とから構成され、前記各々のスイッチングレグは、一端が前記直流電源の正側に接続された正側ヒュ−ズと、正極が前記正側ヒューズの他端に接続され、第１のダイオードを逆並列接続した第１のスイッチング素子と、正極が前記第１のスイッチング素子の負極に接続され、第２のダイオードを逆並列接続した第２のスイッチング素子と、
正極が前記第２のスイッチング素子の負極に接続され、第３のダイオードを逆並列接続した第３のスイッチング素子と、正極が前記第３のスイッチング素子の負極に接続され、第４のダイオードを逆並列接続した第４のスイッチング素子と、
一端が前記第４のスイッチング素子の負極に接続され、他端が前記直流電源の負側に接続された負側ヒュ−ズと、前記スイッチングレグの中点にアノードが、前記第１のスイッチング素子の負極にカソードが接続された正側クランプダイオードと、前記スイッチングレグの中点にアノードが、前記第３のスイッチング素子の負極にカソードが接続された負側クランプダイオードとから成り、前記第２のスイッチング素子の負極から交流出力を得て交流電動機に給電すると共に、前記正側ヒューズ及び前記負側ヒュ−ズの何れかがトリップし、且つ前記交流電動機の端子電圧が第１の所定値を超えたとき、前記遮断器をトリップさせるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、短絡故障が生じたとき、直流コンデンサが過電圧となるのを防止し、且つ装置の稼働率を悪化させないようにした３レベルインバータ装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１に係る３レベルインバータ装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る３レベルインバータ装置の回路構成図である。

直流電源部１は、直流電源１から得られる直流電圧を、直流分圧コンデンサ１Ｐ及び１Ｎで構成される直列回路に供給して成る。直流電源部１は２Ｅの電圧を有している。従って、直流分圧コンデンサ１Ｐの正側電位を＋Ｅとすると、直流分圧コンデンサ１Ｐ及び１Ｎの中点の電位は０、直流分圧コンデンサ１Ｎの負側の電位は−Ｅとなる。

このようにして得られた３レベルの電位を有する直流電圧はスイッチングレグ２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗに供給される。図１においてはスイッチングレグ２Ｕの内部構成が符号を付して図示してある。他のスイッチングレグ２Ｖ及び２Ｗの内部構成は、基本的にスイッチングレグ２Ｕと同一であるので、それらの符号図示及び説明は省略する。

スイッチングレグ２Ｕは、一端が直流電源部１の正側に接続された正側ヒューズＦ１と、正極が正側ヒューズＦ１の他端に接続され、フライホイルダイオードＤ１を逆並列接続したスイッチング素子Ｑ１と、正極がスイッチング素子Ｑ１の負極に接続され、フライホイルダイオードＤ２を逆並列接続したスイッチング素子Ｑ２と、正極がスイッチング素子Ｑ２の負極に接続され、フライホイルダイオードＤ３を逆並列接続したスイッチング素子Ｑ３と、正極がスイッチング素子Ｑ３の負極に接続され、フライホイルダイオードＤ４を逆並列接続したスイッチング素子Ｑ４と、一端がスイッチング素子Ｑ４の負極に接続され、他端が直流電源部１の負側に接続された負側ヒューズＦ２と、スイッチングレグ２Ｕの中点にアノードが、スイッチング素子Ｑ１の負極にカソードが接続された正側クランプダイオードＤＰと、スイッチングレグ２Ｕの中点にアノードが、スイッチング素子Ｑ３の負極にカソードが接続された負側クランプダイオードＤＮとから構成されている。そして、スイッチングレグ２Ｕの中点と直流電源部１の中点間には遮断器５が設けられている。

スイッチングレグ２Ｕを構成するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の制御極には、図示しない制御部からゲートパルスが与えられる。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は例えばＰＷＭ制御によって所望のＵ相出力電圧をスイッチング素子Ｑ２及びＱ３の中点に出力する。このＵ相出力電圧は、開閉器３を介して負荷である交流電動機４の１次巻線に供給される。同様にして、スイッチングレグ２Ｖ及び２Ｗから交流電動機４の１次巻線にＶ相出力電圧及びＷ相出力電圧が夫々供給される。

この回路構成により、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２をオンしたとき直流電源部１の正極から＋Ｅの電圧が、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４をオンしたとき直流電源部１の負極から−Ｅの電圧が、そしてスイッチング素子Ｑ２及びＱ３またはスイッチング素子Ｑ３及びＱ４をオンしたとき直流電源部１の中点からゼロ電圧が供給される。

ここで、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を同時にオンすると、直流電源部１の中点からクランプダイオードＤＰ、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を通って直流電源部１の負極に至る短絡電流が流れてしまう。このようなゲートパルスは禁止ゲートと呼ばれるが、何らかの原因によってスイッチング素子Ｑ４が短絡状態になっているところに、ゼロ電圧を出力するためにスイッチング素子Ｑ２及びＱ３をオンすると上記と同様の直流短絡が発生する。この短絡が発生すると、ヒューズＦ２に短絡電流が流れるので、ヒューズＦ２は溶断する。

上記状態において、スイッチング素子Ｑ２も短絡故障した場合を考える。このときの動作を図２を参照して以下に説明する。

図２においては遮断器５がオン状態で且つ開閉器３もオン状態の回路構成が示されている。開閉器３は通常応答の遅い電磁接触器が用いられるため以下の説明においてはオン状態を保持していると考えて良い。

交流電動機４の１次巻線端子間は、上記のヒューズＦ２の溶断により電流が供給されなくなっても、残留誘起電圧によって運転時より若干低い電圧が保持されている。図２においてＷ相の電圧がＵ相の電圧より高ければ、破線で示したように、Ｗ相１次巻線端子からスイッチングレグ２Ｗの正側アーム、直流分圧コンデンサ１Ｐ、クランプダイオードＤＰ、スイッチング素子Ｑ２を経てＵ相１次巻線端子に一巡する短絡電流が流れ、直流分圧コンデンサ１Ｐに印加される電圧は交流電動機４のＷ−Ｕ間の残留誘起電圧分上昇する。

同様に、図２においては電流ルートを図示していないが、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧より高ければ、Ｖ相１次巻線端子からスイッチングレグ２Ｖの正側アーム、直流分圧コンデンサ１Ｐ、クランプダイオードＤＰ、スイッチング素子Ｑ２を経てＵ相１次巻線端子に一巡する短絡電流が流れ、直流分圧コンデンサ１Ｐに印加される電圧は交流電動機４のＵ−Ｖ間の残留誘起電圧分上昇する。このような電圧の上昇は直流分圧コンデンサ１Ｐのみならず、各相のスイッチングレグの正側アームのスイッチング素子の耐圧を脅かす。

この実施例１によれば、上記の短絡電流は図１に示した遮断器５を流れるため、この遮断器５の過電流遮断の作用によって素早く遮断することが可能となる。

尚、遮断器５は通常の接点式の遮断器に限ることはなく、例えば半導体素子を用いた無接点式の遮断器を適用しても良い。

図３は本発明の実施例２に係る３レベルインバータ装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る３レベルインバータ装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、直流分圧コンデンサ１Ｐ及び１Ｎの夫々の電圧を検出する電圧検出器１Ｂ及び１Ｃを夫々設けた点、電圧検出器１Ｂ及び１Ｃから与えられる検出電圧を入力とし、遮断器５にトリップ信号を与える判定回路６を設けた点である。

判定回路６は電圧検出器１Ｂ及び１Ｃの何れかの検出電圧が所定値を超えたとき、遮断器５にトリップ信号を与えるように構成する。そして、遮断器５の過電流トリップレベルは実施例１における過電流トリップレベルに比べて高く設定しておく。

この実施例２によれば、直接直流分圧コンデンサ１Ｐ及び１Ｎの夫々の電圧が問題となる電圧に到達したとき、遮断器５をトリップするようにしたので、不要な遮断器５のトリップを防止し、装置の稼働率をより向上させることが可能となる。

図４は本発明の実施例３に係る３レベルインバータ装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る３レベルインバータ装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、交流電動機４の端子電圧を検出する電圧検出器７を設けた点、この電圧検出器７の検出電圧が所定値を超えた信号と各スイッチングレグの何れかのヒューズが溶断した信号のＡＮＤ条件で遮断器５にトリップ信号を与える機能を有する判定回路６Ａを設けた点である。

上記のヒューズ溶断信号は、例えば各々のヒューズに付属している補助接点のＯＲ条件から得るようにする。そして、この実施例３の場合も遮断器５の過電流トリップレベルは実施例１における過電流トリップレベルに比べて高く設定しておく。

交流電動機４の運転速度が低速であれば、その残留誘起電圧は低い。従って短絡故障によってヒューズが溶断して図２に示したような短絡回路が形成されても直流分圧コンデンサの電圧上昇は僅かとなり問題とはならない。従ってこの実施例３によれば、実施例２と同様、不要な遮断器５のトリップを防止し、装置の稼働率をより向上させることが可能となる。

本発明の実施例１に係る３レベルインバータ装置の回路構成図。 実施例１の動作説明図。 本発明の実施例２に係る３レベルインバータ装置の回路構成図。 本発明の実施例３に係る３レベルインバータ装置の回路構成図。

符号の説明

１ 直流電源部
１Ａ 直流電源
１Ｐ、１Ｎ 直流分圧コンデンサ
１Ｂ、１Ｃ 電圧検出器
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ スイッチングレグ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４ スイッチング素子
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ フライホイルダイオード
ＤＰ、ＤＮ クランプダオード
Ｆ１、Ｆ２ ヒューズ
３ 開閉器
４ 交流電動機
５ 遮断器
６、６Ａ 判定回路
７ 電圧検出器

Claims (2)

1. 出力側に正及び負の直流分圧コンデンサを備え、３レベルの電位を有する直流電源と、
   前記直流電源に並列接続された３組のスイッチングレグと、
   前記直流電源の中点と前記各組のスイッチングレグの中点間に設けられた遮断器
   とから構成され、
   前記各々のスイッチングレグは、
   一端が前記直流電源の正側に接続された正側ヒュ−ズと、
   正極が前記正側ヒューズの他端に接続され、第１のダイオードを逆並列接続した第１のスイッチング素子と、
   正極が前記第１のスイッチング素子の負極に接続され、第２のダイオードを逆並列接続した第２のスイッチング素子と、
   正極が前記第２のスイッチング素子の負極に接続され、第３のダイオードを逆並列接続した第３のスイッチング素子と、
   正極が前記第３のスイッチング素子の負極に接続され、第４のダイオードを逆並列接続した第４のスイッチング素子と、
   一端が前記第４のスイッチング素子の負極に接続され、他端が前記直流電源の負側に接続された負側ヒュ−ズと、
   前記スイッチングレグの中点にアノードが、前記第１のスイッチング素子の負極にカソードが接続された正側クランプダイオードと、
   前記スイッチングレグの中点にアノードが、前記第３のスイッチング素子の負極にカソードが接続された負側クランプダイオードと
   から成り、
   前記第２のスイッチング素子の負極から交流出力を得て交流電動機に給電すると共に、前記正側ヒューズ及び前記負側ヒュ−ズの何れかがトリップし、且つ前記交流電動機の端子電圧が第１の所定値を超えたとき、前記遮断器をトリップさせるようにしたことを特徴とする３レベルインバータ装置。
2. 前記正及び負の直流分圧コンデンサの何れかの電圧が第２の所定値を超えたとき、前記遮断器をトリップさせるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３レベルインバータ装置。

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