JP5089975B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体電力変換装置に係り、特に改良された初期充電回路を有する半導体電力変換装置に関する。

複数台の単位半導体電力変換装置を用いて構成する半導体電力変換装置としては、単位半導体電力変換装置を複数台用いて多重構成とすることにより、容量の増大を図り、あるいは出力波形を改善して交流電動機などを駆動する例がある。他の適用例として、複数台の単位半導体電力変換装置を常用と予備用とに分け、常時は常用の単位半導体電力変換装置によって負荷に電力を供給し、常用の単位半導体電力変換装置が異常となったとき、あるいは保守が必要となったときに予備用の単位半導体電力変換装置に切換える常用予備切換え方式などがある。

単位半導体電力変換装置の主変換器が電圧形インバータである場合には、通常各々の電圧形インバータの直流入力に直流コンデンサが設置されている。そして単位半導体電力変換装置の入力コンバータとしては、経済性あるいは信頼性を考慮してダイオードコンバータが採用されることも多い。このようにダイオードコンバータを用いた単位半導体電力変換装置においては、運転開始時の直流コンデンサへの突入電流が過大となる問題があり、運転開始前に予め直流コンデンサの充電を行うための初期充電回路が必要であった。

通常上記の初期充電回路は、各々の単位半導体電力変換装置に設けるように構成するが、これらの単位半導体電力変換装置が共通の入力変圧器から給電されている場合、入力変圧器に一括初期充電を行なうための第３の巻線を設け、この第３の巻線に限流抵抗を直列に接続し、全ての単位半導体電力変換装置の直流コンデンサの初期充電時の突入電流を抑制する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００２−３４５２５８号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、多数の単位半導体電力変換装置に対して１台の初期充電回路を使用するだけで初期充電が可能となるが、この手法は、同一の入力変圧器に多数の単位半導体電力変換装置が接続されていないとその効果が少なくなり、また、入力変圧器の２次側に半導体電力変換装置以外の負荷が接続されている場合には実質的にその適用が困難となる。特に上述した常用予備切換え方式においては上記条件が満たされていない場合が多く、その適用は困難である。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、その目的は常用予備切換え方式に適した合理的な初期充電手段を有する半導体電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置は、常用の単位半導体電力変換装置と、この常用の単位半導体電力変換装置が故障または保守状態のとき、負荷に給電するための予備用の単位半導体電力変換装置とから成り、前記常用の単位半導体電力変換装置は、交流を直流に変換するダイオードコンバータと、このダイオードコンバータの出力を平滑する直流コンデンサと、この直流コンデンサに印加される電圧を交流に変換して前記負荷に給電するインバータと、前記直流コンデンサを、切換手段を介して初期充電する初期充電回路とを具備し、前記初期充電回路は、前記切換手段を切換えることによって前記予備用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサを、前記初期充電回路の出力で直接初期充電すると共に、前記常用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサの初期充電が完了したと同時に前記予備用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサを初期充電するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、常用予備切換え方式に適した合理的な初期充電手段を有する半導体電力変換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。

図１は本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図である。

入力用遮断器１Ａを介して交流電圧が常用の単位半導体電力変換装置２Ａに与えられ、この常用の単位半導体電力変換装置２Ａは出力用遮断器３Ａを介して負荷である交流電動機４を駆動している。

単位半導体電力変換装置２Ａの主回路は、交流を直流に変換するダイオードコンバータ５Ａ、ダイオードコンバータ５Ａの出力電圧を平滑する直流コンデンサ６Ａ、及び直流コンデンサ６Ａに印加される直流電圧を所望の周波数の交流電圧に変換するインバータ７Ａによって構成されている。そして単位半導体電力変換装置２Ａは、コンデンサ６Ａを初期充電するための初期充電回路８及び切換回路９を有している。ここで、ダイオードコンバータ５Ａは通常、複数個のダイオードをブリッジ接続して構成し、インバータ７Ａは複数個のスイッチング素子をブリッジ接続して構成する。尚、インバータ７Ａは制御回路からの信号によって動作するが、この制御回路の図示は省略している。

交流電動機４は単位半導体電力変換装置２Ａが故障または保守のため停止したとき、予備用の単位半導体電力変換装置２Ｂから駆動される構成となっている。予備用の単位半導体電力変換装置２Ｂは入力用遮断器１Ｂを介して交流電源が与えられ、出力用遮断器３Ｂを介して交流電動機４を駆動する構成となっている。

単位半導体電力変換装置２Ｂの主回路は、交流を直流に変換するダイオードコンバータ５Ｂ、ダイオードコンバータ５Ｂの出力電圧を平滑する直流コンデンサ６Ｂ、及び直流コンデンサ６Ｂに印加される直流電圧を所望の周波数の交流電圧に変換するインバータ７Ｂによって構成されている。この主回路部分は単位半導体電力変換装置２Ａと同一の構成である。そして単位半導体電力変換装置２Ｂは初期充電回路を持たず、直流コンデンサ６Ｂは、常用の単位半導体電力変換装置２Ａ内の切換回路９を介して初期充電される構成となっている。

初期充電回路８の内部構成の一例を図２に示す。初期充電回路８は入力開閉器８１、限流抵抗８２、入力変圧器８３及びダイオードコンバータ８４で構成されている。入力変圧器８３は、直流コンデンサ６A、６Ｂの電圧仕様に伴うダイオードコンバータ８４の入力電圧と交流電源の電圧の整合を図るために設けてある。また入力開閉器８１は省略することも可能である。

初期充電回路８は図２に示した構成のほか、ダイオードコンバータ８４を可変出力のコンバータに置き換えても良い。この場合は可変出力のコンバータを定電流制御して初期充電を行うので、限流抵抗８２は不要となる。

上記構成における実施例１の動作について以下説明する。

運転開始時に切換回路９を常用側に切換えて常用の単位半導体電力変換装置２Ａの直流コンデンサ６Aを初期充電する。この初期充電が完了したあと、入力遮断器１A及び出力遮断器３Aを投入し、インバータ７Aを運転して常用の単位半導体電力変換装置２Ａによって交流電動機４を駆動する。

また上記のコンデンサ６Aの初期充電が完了したと同時に切換回路９を予備側に切換えて予備の単位半導体電力変換装置２Ｂの直流コンデンサ６Ｂを初期充電する。この予備側の初期充電が完了したとき、予備の単位半導体電力変換装置２Ｂは予備機としての運転準備が完了する。

以上説明したようにこの実施例１によれば、予備の単位半導体電力変換装置２Ｂ内には初期充電回路が不要となる。単位半導体電力変換装置２Ｂの予備機の運転準備時間が常用単位半導体電力変換装置２Ａ用の直流コンデンサ６Ａの充電時間分だけ遅れるが、この充電時間は、全体の常用予備切換方式の半導体電力変換装置にとっては無視できる程度の時間であるため基本的に問題はない。

図３は本発明の実施例２に係る半導体電力変換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の本発明の実施例１に係る半導体電力変換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、単位半導体電力変換装置２Ａと内部構成が同一である第２の常用の単位半導体電力変換装置２Ｃを設け、第２の負荷である交流電動機４Ａを入力遮断器１Ｃ及び出力遮断器３Ｃを介して駆動する構成とした点、予備用の単位半導体電力変換装置２Ｂの出力開閉器３Ｂの出力は分岐開閉器３Ｄ、３Ｅを介して交流電動機４及び交流電動機４Ａを駆動可能な構成とした点、また予備機初期充電用の選択回路１０を設け、半導体電力変換装置全体の運転状況に応じて単位半導体電力変換装置２Ａの切換回路９及び単位半導体電力変換装置２Ｃの切換回路９Ａを制御する構成とした点である。

上記回路構成によって、予備用の単位半導体電力変換装置２Ｂが２台の常用の単位半導体電力変換装置２Ａ、２Ｃの何れのバックアップ用としても機能する構成となる。尚、この図３においては常用の単位半導体電力変換装置を２台で構成しているが、これが３台以上であっても基本的に同様の回路構成となる。また、１台目の常用の単位半導体電力変換装置の負荷と２台目の常用の単位半導体電力変換装置の負荷とは別々のものとしているが、同一の負荷であっても良い。

以下、予備機初期充電用の選択回路１０の選択動作について図４のフローチャートに従って説明する。

まず、実施例１の場合と同様、１台目の単位半導体電力変換装置である常用機が運転したかどうか確認する（ＳＴ１）。そして１台目の常用機が運転状態にあれば、その初期充電回路が正常がどうか確認する（ＳＴ２）。これが正常であれば、選択回路１０は１台目の常用機の切換回路を予備機側に切換えて予備機の直流コンデンサ６Ｂを１台目の初期充電回路によって充電する（ＳＴ３）。更に初期充電中に異常が発生したかどうかをチェックし（ＳＴ４）、異常がなければ予備機の初期充電を完了する。もし、ステップＳＴ４において異常が発生したときには１台目の単位半導体電力変換装置の切換回路を切り離し（ＳＴ５）、この初期充電動作を中止する。

ステップＳＴ２において１台目の常用機の初期充電回路が異常と判断されたとき、またはステップＳＴ５で１台目の切換回路が切り離されたときには、２台目の常用機が運転されているかどうか確認する（ＳＴ６）。これが運転されていれば、この２台目の初期充電回路が正常がどうか確認する（ＳＴ８）。そしてこれが正常であれば、選択回路１０は２台目の常用機の切換回路を予備機側に切換えて予備機の直流コンデンサ６Ｂを２台目の初期充電回路によって充電する（ＳＴ９）。

ステップＳＴ４において２台目の常用機が運転していなければ、この運転を待つべきかどうかチェックする（ＳＴ７）。２台目の常用機の運転を待つべきモードであれば、この運転を待ち、例えば２台目は暫く運転しないような運転モードであれば、そのままステップＳＴ８に行き、２台目の初期充電回路が正常かどうか確認する。

ステップＳＴ８において２台目の初期充電回路が異常であるときは、３台目の常用機について２台目と同一のフローに従う。もし３台目の常用機が存在しなければ１台目または２台目の常用機の初期充電回路が正常に復帰するまで待つ（ＳＴ１０）。

尚、ステップＳＴ９の後にステップＳＴ４と同様の充電中の異常チェックを入れても良い。この異常チェックのステップを入れて異常が検出されたときは、２台目の切換回路を切り離したあとステップ１０に進むようにする。

以上説明したように、常用機が複数台あり、夫々が初期充電回路を有している場合は、常用機の選択を行なう選択回路によって切換制御することによって予備機の初期充電
を合理的に行なうことが可能となる。

本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図。 初期充電回路の一例を示す回路構成図。 本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の選択回路の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 入力遮断器
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 単位半導体電力変換装置
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 出力遮断器
３Ｄ、３Ｅ 分岐開閉器
４、４Ａ 交流電動機
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ ダイオードコンバータ
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 直流コンデンサ
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ インバータ
８、８Ａ 初期充電回路
９、９Ａ 切換回路
１０ 選択回路

８１ 入力開閉器
８２ 限流抵抗
８３ 入力変圧器
８４ ダイオードコンバータ

Claims (5)

1. 常用の単位半導体電力変換装置と、
   この常用の単位半導体電力変換装置が故障または保守状態のとき、負荷に給電するための予備用の単位半導体電力変換装置と
   から成り、
   前記常用の単位半導体電力変換装置は、
   交流を直流に変換するダイオードコンバータと、
   このダイオードコンバータの出力を平滑する直流コンデンサと、
   この直流コンデンサに印加される電圧を交流に変換して前記負荷に給電するインバータと、
   前記直流コンデンサを、切換手段を介して初期充電する初期充電回路と
   を具備し、
   前記初期充電回路は、
   前記切換手段を切換えることによって前記予備用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサを、前記初期充電回路の出力で直接初期充電すると共に、
   前記常用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサの初期充電が完了したと同時に前記予備用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサを初期充電するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 前記常用の単位半導体電力変換装置は複数台から成り、
   前記複数台の常用の単位半導体電力変換装置の何れかの１台から前記予備用の単位半導体電力変換装置の直流コンデンサを初期充電するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
3. 運転状態に応じて前記複数台の常用の単位半導体電力変換装置のうちの何れかを選択する予備機初期充電選択手段を有し、
   前記予備機初期充電選択手段は、
   前記複数台の常用の単位半導体電力変換装置のうち、任意に選択された常用の単位半導体電力変換装置の前記初期充電回路が正常であれば、この初期充電回路用の切換手段を選択し、
   前記複数台の常用の単位半導体電力変換装置のうち、任意に選択された当該常用の単位半導体電力変換装置の前記初期充電回路が異常であれば、他の任意の常用の単位半導体電力変換装置の前記初期充電回路の切換手段を選択するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換装置。
4. 前記予備機初期充電選択手段は、
   前記任意に選択された常用の単位半導体電力変換装置の初期充電回路用の切換手段を選択して初期充電中に当該初期充電回路が異常となったとき、当該切換手段を切り離して他の任意の常用の単位半導体電力変換装置の前記初期充電回路の切換手段を選択するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の半導体電力変換装置。
5. 前記初期充電回路は、
   交流電源を入力とする限流抵抗と、
   この限流抵抗の出力に設けられた初期充電用整流器コンバータと
   を具備してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。

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