JP5145124B2

JP5145124B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5145124B2
Application number: JP2008150916A
Authority: JP
Inventors: 彰田辺; 弘久里見; 大輔丹
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: JP2009296858A

Description

本発明は、多重型の電力変換装置に関する。

例えば、大容量のファン、ポンプ、ブロワ等を駆動する大電力電動機を可変速で駆動する場合、複数のスイッチング素子によりブリッジ回路を形成してなるインバータ回路からなる１つのセルユニットを複数個直列に接続して、高電圧化する多重型の電力変換装置が用いられている。しかし、装置の動作中にセルユニット内のスイッチング素子の１つが故障すると、故障したスイッチング素子を有するセルユニットは開放となり、セルユニットが直列接続されている装置の運転を継続することができなくなる。

このような問題を解決するものとして、例えば、特許文献１に記載される制御方法が知られている。これによれば、セルユニットのインバータ回路を構成するスイッチング素子の１つが開放故障した場合、開放故障したスイッチング素子に対応させて、他のスイッチング素子を強制的にオン又はオフさせて、電流をバイパスする経路を確保するようにしている。これにより、故障したセルユニットが開放となるのを防ぎ、装置の運転を継続することができる。

特開２００４−３５７４２７号公報

しかし、特許文献１によれば、電流の向きやどのスイッチング素子が故障したかによって、強制的にオン又はオフさせるスイッチング素子が異なる。そのため、強制的にオン又はオフさせるスイッチング素子を特定するための制御回路が複雑になるので、装置の構成が煩雑になって、その分信頼性が低下することが懸念される。

本発明が解決しようとする課題は、セルユニットが故障しても、より簡便な構成の制御回路により運転を継続することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、入力交流を任意の電圧及び周波数に変換する複数のセルユニットの出力を直列接続してなり、各セルユニットは、入力交流を整流する整流回路と、単相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子とその各スイッチング素子に並列接続された還流ダイオードを有するインバータ回路を備えてなり、各セルユニットの各スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路を備えてなる電力変換装置において、各セルユニットは、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する開閉器と、当該セルユニットの故障を検出する故障検出回路とを備え、スイッチング制御回路は、故障検出回路の故障検出信号に従って当該セルユニットのスイッチング素子を全てオンにする指令を出力することを特徴とする。

すなわち、例えば、スイッチング素子が短絡故障したとき、短絡故障したインバータ回路のスイッチング素子が全てオンされるから、スイッチング素子と還流ダイオードを通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子が短絡故障しても形成される。一方、スイッチング素子が開放故障したときも同様に、開放故障したインバータ回路の、開放故障したスイッチング素子を除くスイッチング素子が全てオンされるから、オン状態のスイッチング素子と還流ダイオードを通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子が開放故障しても形成される。これにより、セルユニット内のインバータ回路のスイッチング素子が短絡又は開放故障しても電力変換装置の運転を継続することができる。なお、いずれの故障の場合でも、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子を全てオンにすることによる過電流により開閉器は開放され、入力交流は遮断される。このような電流パスが形成されるので、セルユニットをバイパスするための回路を設けることなく、また、故障したスイッチング素子を特定することなく、故障したセルユニット以外のセルユニットで電力変換装置の運転を継続することができる。

この場合において、入力交流は三相交流であり、直列接続されたセルユニット群を三相分備え、セルユニット群がスター結線されてなる電力変換システムを構成することもできる。

また、故障検出回路を、セルユニットの出力電圧を検出し、その出力電圧とセルユニットに予め設定された電圧（設定電圧）との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して故障検出信号を生成するように構成することもできる。セルユニットの故障には、上述したインバータ回路のスイッチング素子の故障に加え、整流回路及び還流ダイオードの故障があるが、これにより、いずれの故障でも検出することができる。いずれの故障が発生した場合でも、本発明により正負両方向の電流パスを形成することができる。

本発明によれば、セルユニットが故障しても、より簡便な構成の制御回路により運転を継続することができる。

以下、本発明の電力変換システム１の実施例を説明する。以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本実施例の電力変換システム１の構成図である。図１に示すように、電力変換システム１は、三相引込み線２と、多重変圧器４と、三相交流を任意の目標とする電圧及び周波数（本実施例では単相交流）に変換する複数（本実施例では１５個）のセルユニット６と、負荷８とを備える。多重変圧器４は、複数（本実施例では１５個）の２次巻線を有しており、１次巻線は三相引込み線２と接続され、２次巻線は各セルユニット６に接続されている。セルユニット６は、複数（本実施例では５個）の出力が直列接続されてセルユニット群１０を構成する。セルユニット群１０はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相としてスター結線され、一端に負荷８を備える。

図２は、セルユニット６の構成図である。セルユニット６は、複数のダイオードをブリッジ接続してなる整流回路１２と、整流回路１２の出力に並列接続され、複数の平滑コンデンサを直列接続してなる平滑回路１３と、単相ブリッジ接続されたスイッチング素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、各スイッチング素子１４に並列接続された還流ダイオード１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとを有し、平滑回路１３の出力に並列接続されたインバータ回路１９を備える。また、電力変換システム１は、スイッチング制御回路２０を有しており、スイッチング制御回路２０は、各セルユニット６のスイッチング素子１４をオンオフ制御するようになっている。

ここで、セルユニット６における本実施例の特徴に係る構成について説明する。セルユニット６は、各相に接続され、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する複数（本実施例では３個）のヒューズ２１と、セルユニット６の故障を検出する故障検出回路２２とを備えている。ヒューズ２１は、過電流が流れると開放するようになっている。故障検出回路２２は、セルユニット６の出力電圧を検出し、その出力電圧とセルユニット６に予め設定された電圧との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して故障検出信号を生成し、スイッチング制御回路２０に送信するようになっている。

このように構成される本実施例の動作について、図１，２を参照して説明する。三相引込み線２で引き込まれた三相交流は、多重変圧器４で所望の大きさの電圧にされ、各セルユニット６に供給される。供給された三相交流は、ヒューズ２１を介して整流回路１２に入力されて整流され、平滑回路１３で平滑されて直流となり、インバータ回路１９に流れる。インバータ回路１９を制御するスイッチング制御回路２０は、ＰＷＭ制御により各スイッチング素子１４をオンオフ制御して、インバータ回路１９に流れた直流を単相交流に変換して出力する。出力された単相交流は負荷８に供給される。上述した動作が、スイッチング制御回路２０の指令に基づいて各セルユニット６について行われる。このように、１つのセルユニット６から出力できる電圧の５倍の電圧をＵ，Ｖ，Ｗの各相から負荷８に供給できるようになっている。なお、本実施例では、要求される電力はセルユニット６の１２個分であり、各相では４つのセルユニット６で定格出力できるが、通常は５つのセルユニット６で定格出力を維持している。スイッチング制御回路２０は、１つのセルユニット６が故障すると、同相のその他の４つの正常なセルユニット６で定格出力できるように制御を切り換えるようになっている。

ここで、本実施例の特徴に係る動作について、図２乃至図４を参照して説明する。なお、図３は、スイッチング素子１４ａが短絡故障を起こした場合の電流パスの一例を示す回路図であり、図４は、スイッチング素子１４ａが開放故障を起こした場合の電流パスの一例を示す回路図である。

１つのセルユニット６が故障した場合、そのセルユニット６に備えられた故障検出回路２２が故障を検出し、スイッチング制御回路２０に故障検出信号を出力する。スイッチング制御回路２０は、故障検出信号に従って、故障したセルユニット６のスイッチング素子１４を全てオンにする指令を出力し続ける。これによって電流パスが形成され、インバータ回路１９の出力が開放にならない。なお、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子を全てオンにすることによる過電流によりヒューズ２１は開放されているので、故障したセルユニット６に多重変圧器４の電力は供給されない。

ここで、形成される電流パスの一例について、短絡故障と開放故障とに分けて説明する。なお、説明を簡略化するため電流パスを一例のみ示すが、電流パスは１つに限定されるものではない。スイッチング素子１４ａが短絡故障した場合、図３に示す電流パスが形成される。電流パスＡは、端子２４ｂから還流ダイオード１８ｂ、短絡しているスイッチング素子１４ａを経て端子２４ａに向かう流れである。また、電流パスＢは、端子２４ａから還流ダイオード１８ａ、オン状態のスイッチング素子１４ｂを経て端子２４ｂに向かう流れである。このように、端子２４ｂから端子２４ａ、端子２４ａから端子２４ｂの正負両方向の電流に対応できる。また、いずれのスイッチング素子１４が短絡故障を起こしても、複数のスイッチング素子１４が短絡故障を起こしても、電流パスが形成される。

次に、スイッチング素子１４ａが開放故障した場合、図４に示す電流パスが形成される。電流パスＣは、端子２４ｂからオン状態のスイッチング素子１４ｄ、還流ダイオード１８ｃを経て端子２４ａに向かう流れである。また、電流パスＤは、端子２４ａからオン状態のスイッチング素子１４ｃ、還流ダイオード１８ｄを経て端子２４ｂに向かう流れである。このように、端子２４ｂから端子２４ａ、端子２４ａから端子２４ｂの正負両方向の電流に対応できる。また、いずれのスイッチング素子１４が開放故障を起こしても、電流パスが形成される。さらに、スイッチング素子１４ａとスイッチング素子１４ｃ又はスイッチング素子１４ｂとスイッチング素子１４ｄが開放故障を起こしても、電流パスが形成される。

さらに、整流回路１２が故障した場合についても同様で、スイッチング素子１４を全てオンにすることにより、正負両方向の電流パスが形成される。

また、還流ダイオード１８が短絡故障した場合について、例えば、還流ダイオード１８ａが短絡故障したとすると、スイッチング素子１４ａが短絡故障した場合の図３と同様の電流パスが形成される。還流ダイオード１８が開放故障した場合について、例えば、還流ダイオード１８ａが開放故障したとすると、スイッチング素子１４ａが開放故障した場合の図４と同様の電流パスが形成される。

スイッチング素子１４ａと還流ダイオード１８ａがともに短絡故障した場合、図３と同様の電流パスが形成される。また、スイッチング素子１４ａと還流ダイオード１８ａがともに開放故障した場合、図４と同様の電流パスが形成される。スイッチング素子１４ａが短絡故障、還流ダイオード１８ａが開放故障した場合、図３を参照すると電流パスは、端子２４ｂから還流ダイオード１８ｂ、短絡しているスイッチング素子１４ａを経て端子２４ａに向かう流れである。一方の電流パスは、端子２４ａからオン状態のスイッチング素子１４ｃ，還流ダイオード１８ｄを経て端子２４ｂに向かう流れである。スイッチング素子１４ａが開放故障、還流ダイオード１８ａが短絡故障した場合は、図４と同様の電流パスが形成される。

以上説明したように、スイッチング素子１４が短絡故障したとき、短絡故障したインバータ回路１９のスイッチング素子１４が全てオンされるから、スイッチング素子１４と還流ダイオード１８を通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子１４が短絡故障しても形成され、また、複数のスイッチング素子１４が短絡故障しても形成される。一方、スイッチング素子１４が開放故障したときも同様に、開放故障したインバータ回路１９の開放故障したスイッチング素子を除くスイッチング素子１４が全てオンされるから、オン状態のスイッチング素子１４と還流ダイオード１８を通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子１４が開放故障しても形成され、また、複数のスイッチング素子１４が開放故障しても形成される。これにより、セルユニット６内のインバータ回路１９のスイッチング素子１４が短絡又は開放故障しても電力変換システム１の運転を継続することができる。なお、いずれの故障の場合でも、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子１４を全てオンにすることによる過電流によりヒューズ２１は開放され、入力交流は遮断される。このような電流パスが形成されるので、セルユニット６をバイパスするための回路を設けることなく、また、故障したスイッチング素子を特定することなく、故障したセルユニット以外のセルユニットで電力変換システムの運転を継続することができる。

また、整流回路１２及び還流ダイオード１８の故障が発生した場合でも、本発明により正負両方向の電流パスを形成することができる。

以上、本実施例の電力変換システム１について説明したが、本発明は、この実施例に限らず適宜構成を変更して適用することができる。例えば、本実施例では、セルユニット６が故障した場合に備えて、各相５つのセルユニット６で定格出力を維持しているが、４個のセルユニット６により定格出力を行い、１個のセルユニット６を待機系としてもよい。この場合、待機系のセルユニット６は通常は稼動しておらず、その他のセルユニット６から出力された任意の電圧及び周波数を通すのみとなる。

また、本実施例において、同相のセルユニット６が２個故障すると、その相の出力はセルユニット６の３個分となる。この場合、その他の相の出力をセルユニット６の３個分にする制御を行うようにスイッチング制御回路２０を構成し、各相の出力を均衡にして運転を継続させるようにすることもできる。

さらに、本実施例では、セルユニット６の出力から故障を検出しているが、整流回路１２やインバータ回路１９の出力の変化により、それぞれの回路の故障を検出するように構成してもよい。また、スイッチング素子１４や還流ダイオード１８の電圧の変化により、それぞれの素子の故障を検出するように構成してもよい。

本実施例の電力変換システムの構成図である。セルユニットの構成図である。スイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流パスを示す回路図の一例である。スイッチング素子が開放故障を起こした場合の電流パスを示す回路図の一例である。

符号の説明

１電力変換システム
２三相引込み線
４多重変圧器
６セルユニット
８負荷
１０セルユニット群
１２整流回路
１３平滑回路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄスイッチング素子
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ還流ダイオード
１９インバータ回路
２０スイッチング制御回路
２１ヒューズ
２２故障検出回路
２４ａ，２４ｂ端子

Claims

入力交流を任意の電圧及び周波数に変換する複数のセルユニットの出力を直列接続してなり、前記各セルユニットは、前記入力交流を整流する整流回路と、単相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と該各スイッチング素子に並列接続された還流ダイオードを有するインバータ回路を備えてなり、前記各セルユニットの前記各スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路を備えてなる電力変換装置において、
前記各セルユニットは、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する開閉器と、当該セルユニットの故障を検出する故障検出回路とを備え、前記スイッチング制御回路は、前記故障検出回路の故障検出信号に従って当該セルユニットの前記スイッチング素子を全てオンにする指令を出力することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記入力交流は三相交流であり、前記直列接続されたセルユニット群を三相分備え、前記セルユニット群は、スター結線されてなる電力変換システム。
請求項１において、
前記故障検出回路は、前記セルユニットの出力電圧を検出し、該出力電圧と前記セルユニットに予め設定された電圧との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して前記故障検出信号を生成してなる電力変換装置又は電力変換システム。