JP2003230275A - Ｐｗｍサイクロコンバータの保護方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＰＷＭサイクロコンバータを遮断する時に発生
するサージ電圧を抑制し、サージ吸収スナバ用キャパシ
タの静電容量を低減し、遮断された双方向スイッチ両端
の印加電圧を低減するＰＷＭサイクロコンバータの保護
方法を提供する。 【解決手段】異常が発生すると、双方向スイッチング群
４により、３相交流電源１の任意の１の相にモータ５の
全出力端子を接続してモータ５を出力短絡状態とし、Ｐ
ＷＭサイクロコンバータの入力部と出力部を切り離す。
この為、モータ５の誘起電圧により各出力相ごとに短絡
電流が流れる。この各短絡電流ゼロクロスで当該相の双
方向スイッチを遮断することで、スナバ用キャパシタ６
の端子間電圧上昇を迎えて、安全にＰＷＭサイクコンバ
ータを停止できる。さらにモータ５の全出力端子を接続
する３相交流電源１の任意の１の相を中間電圧相とし
て、遮断された双方向スイッチの両端印加電圧を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、ＰＷＭサイクロ
コンバータ駆動時に異常状態が発生した場合、モータ誘
起電圧以上のサージ電圧の発生を防ぎ、ＰＷＭサイクロ
コンバータを安全に停止させることを目的とした保護方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 モータ駆動用インバータにおいては、
過電流、過電圧、瞬時停電、あるいは外部からの緊急停
止指令等、インバータ動作を緊急停止する必要のある何
らかの異常状態が発生した場合、半導体スイッチを同時
にＯＦＦにしても、半導体スイッチと並列に接続された
ダイオードにより、モータに流れている電流が三相全波
整流され、平滑コンデンサ等、ＤＣリンクキャパシタに
流れ込む。これによりモータのインダクタンス部に存在
するエネルギーはＤＣリンクキャパシタに貯蔵され、モ
ータ誘起電圧以上の電圧は発生しない。しかしながらＰ
ＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源電圧を直接任
意の電圧・周波数に変換するＡＣ−ＡＣ直接電力変換装
置であるため、その回路構成においてＤＣリンクキャパ
シタを有さない。これによりエネルギー貯蔵部がなく、
モータのインダクタンス部に存在するエネルギーにより
サージ電圧を発生し、場合によっては過電圧破壊を起こ
してしまう。この過電圧抑制方法として、図１に示すＤ
Ｃクランプ型スナバ回路を用いる場合は、スナバ用キャ
パシタに静電容量の大きなものを用いることで過電圧を
抑制することができる。また、他の保護方式として、特
開２０００−１３９０７６のような方式も考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、前述
のスナバ用キャパシタを用いた場合、モータのインダク
タンス値が大きくなると、それに比例して静電容量を大
きくする必要がある。これを実現するためには電解コン
デンサなどの短寿命部品を使う必要があり、ＰＷＭサイ
クロコンバータの大きな利点が損なわれてしまう。また
一般に、使用するモータのインダクタンス値は通電する
まで不明の場合が多い。そのため、スナバ用キャパシタ
の静電容量を決定する場合、想定しうる最大のインダク
タンスを考慮して決定する必要があり、これにより更な
る静電容量の増加を検討しなくてはならない。特開２０
００−１３９０７６のような方式を用いる場合、入力電
源が確立していることが条件であり、瞬時停電や、電源
遮断が発生した場合、サージ電圧を抑制することができ
ない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】 本発明は、ＰＷＭサイ
クロコンバータの駆動時に過電流などの異常状態が発生
した場合、まず、ＰＷＭサイクロコンバータの出力全相
を交流電源の１の入力相に全て接続させ、出力を短絡状
態にする。その場合、モータの誘起電圧により電流が流
れるが、この電流はモータの誘起電圧とモータ内部イン
ピータンスのみで決定される。しかし、この電流により
モータは制動トルクを発生してしまう。そこで、まず短
絡した際、各相ごと出力電流がゼロになった瞬間、いい
かえればゼロクロスの際に、その出力相に接続されてい
る双方向半導体スイッチをすべて遮断する。これによ
り、モータのインダクタンスエネルギーが無い状態で双
方向半導体スイッチの遮断を行い、モータ誘起電圧以上
の電圧は発生しない。また、短絡電流が三相交流電流で
あるため、電流のゼロクロスが最初に来た出力相に接続
された双方向半導体スイッチから順次遮断していくと、
遮断された相のスイッチの両端に、最悪、３相交流電源
の線間電圧とモータ線間誘起電圧の和の最大値が印加さ
れる恐れがある。これを回避するため、出力短絡のため
に接続する３相交流電源の１の入力相を、遮断された双
方向半導体スイッチの両端子間に印加される電圧を最も
小さくできる入力相に順次切り替えていけば、１相遮断
した場合でも先の最大電圧印加を防止できる。

【０００５】

【発明の実施の形態】 以下、本発明を具体的実施例に
基づいて説明する。図１は本発明を実施するための、Ｐ
ＷＭサイクロコンバータのシステム構成を示す。図２は
本発明を実施するための、電流方向検出回路を示す。図
３は本発明を実施するための、電流波形と、スイッチン
グパターンを示す。図４は本発明を実施するための、電
圧波形とスイッチングパターンを示す。まず、図１につ
いてＰＷＭサイクロコンバータは三相交流電源１とモー
タ５への入力となる三相出力との間を計９個の双方向ス
イッチ群４を用いて直接接続し、交流電源電圧を直流に
変換することなく、任意の周波数・電圧を出力すること
ができる。しかし、双方向スイッチ群４の入力段には、
各双方向スイッチのオン・オフ動作に伴いパルス状の電
流が流れる。そのために三相交流リアクトル２と三相交
流キャパシタ３を用いてフィルタを構成している。ま
た、双方向スイッチ群の保護回路として、スナバダイオ
ード群７とスナバダイオード群８によりＤＣクランプ型
スナバ回路１３を構成し、直流化された電流をスナバ用
キャパシタ６に吸収することで、双方向スイッチの保護
を行う。

【０００６】このような回路構成において、ＰＷＭサイ
クロコンバータを動作させるが、その動作中、過電流、
過電圧、瞬時停電、あるいは外部からの緊急停止指令
等、インバータ動作を緊急停止する必要のある何らかの
異常状態が発生した場合、装置を安全に停止させるため
の保護動作が必要になる。まず、考えられるのが双方向
スイッチ群４を全遮断する方法（以下ベースブロックと
する）である。この時、モータ５に電流が流れている
と、モータ５のインダクタンス部には電流の２乗に比例
したエネルギーが蓄えられていることになる。このエネ
ルギーは、双方向スイッチの遮断、いいかえればベース
ブロックを行うと、スナバダイオード群７を介し、スナ
バ用キャパシタ６に吸収される。この時、モータ５のイ
ンダクタンスが大きい場合、または、流れている電流が
大きい場合は、スナバ用キャパシタ６の端子間電圧が著
しく上昇し、最悪過電圧破壊を招く可能性がある。この
対処方法としては、スナバ用キャパシタ６の静電容量を
大きくすることが考えられる。しかし、静電容量の大き
なＤＣコンデンサを採用するには、電解コンデンサを用
いなくてはならない。これは少スペース、長寿命という
ＰＷＭサイクロコンバータの大きな利点を損なうことに
なる。

【０００７】また、特開２０００−１３９０７６のよう
な方法を用いて、交流電源に電流を回生する方法も考え
られる。しかし、その方法は交流電源側が正常であるこ
とが前提であり、交流電源遮断や瞬時停電が起こった場
合、電流を流す経路が無くなり、結果、上記と同じよう
にＤＣクランプ型スナバ回路１３に電流が流れ込み、過
電圧破壊を起こしてしまう。

【０００８】このような問題を解決する手段として、本
発明では、通常電流制御に用いる出力電流検出器１０
Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗから得られる出力電流信号９Ｕ，９
Ｖ，９Ｗを図２のようなコンパレータ回路を用い、電流
の正負をデジタル信号に変換した出力電流方向信号１２
Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを作成する。この信号の立ち上が
り、もしくは立下りのエッジでは、出力電流はほとんど
ゼロである。そのため、双方向スイッチを遮断する場
合、この出力電流方向信号のエッジにより、その相に接
続されている双方向スイッチを全て遮断（例えば双方向
スイッチ群４のうち、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を全て遮断す
る）すれば、モータのインダクタンス部に蓄えられたエ
ネルギーが小さい時に遮断することになるので、スナバ
用キャパシタ６へ充電がごくわずかですむ。

【０００９】しかし、実際の動作においては、異常が発
生した場合、すぐに保護動作を起こす必要がある。よっ
て本発明では、異常が発生した場合、まず双方向スイッ
チ群４を用いてモータ５の全出力端子を短絡状態とし、
ＰＷＭサイクロコンバータの入力部（３相交流電源１
側）と出力部（モータ５側）を切り離す。するとモータ
５の誘起電圧により各出力相ごとに各々短絡電流が流
れ、この各相出力電流のゼロクロスで各相の双方向スイ
ッチを遮断することで、スナバ用キャパシタ６の端子間
電圧上昇を抑えながら、安全に運転停止することができ
る。この動作を図３を用いて説明する。通常のスイッチ
ングを行うことでモータ５を駆動している状態から、異
常信号が発生した場合を想定する。図３中の異常信号が
Ｈｉｇｈになると、まず、双方向スイッチ群４のうちＲ
相に接続されている双方向スイッチＳ１、Ｓ４、Ｓ７を
常にＯＮとし、それ以外の双方向スイッチをＯＦＦとす
る。これによりモータ５の全出力端子を短絡させる。こ
の実施例では、モータ５の全出力端子の短絡を双方向ス
イッチを構成する２つの片方向半導体スイッチをともに
オンすることで実現しているが、出力電流方向信号１２
Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにより検出した出力電流の方向に対
応する片方向半導体スイッチングのみをオンすることで
も同様な効果は実現できる。

【００１０】次に出力短絡したことにより、モータ誘起
電圧により各出力相ごとに各々短絡電流が流れる。この
電流のゼロクロスを検出するが、図３ではまずＵ相の電
流がＬｏｗからＨｉｇｈになり、ゼロクロスが検出され
る。この瞬間に双方向スイッチＳ１をＯＦＦとする。す
るとＶ相とＷ相の電流は、その瞬間から単相交流電流と
なる。よって、残りの２相の電流がゼロになった瞬間で
同時にＳ４とＳ７をＯＦＦにする。これによりスナバ用
キャパシタ６に過充電することなく、安全にＰＷＭサイ
クロコンバータを運転停止とすることができる。

【００１１】この遮断方法を用いた場合、懸念される問
題点も存在する。それは最初のゼロクロスで１相のみ遮
断した場合、遮断された双方向スイッチの両端に３相交
流電源１の線間電圧とモータ５の線間誘起電圧の和が印
加され、これにより過電圧となる可能性がある。そこ
で、初期状態の出力短絡状態の時に、３相交流電源１の
うち、遮断された双方向スイッチの両端に印加される電
圧を小さくできる入力相で短絡状態を作ることで、１相
遮断となった場合でも、当該相に係る双方向スイッチの
両端に印加される電圧を小さく抑えることができる。上
記第１の方法として、異常状態が発生した場合、３相交
流電源１のうち相電圧の中間電圧相に接続することで出
力短絡状態を作る。この場合、短絡接続する３相交流電
源１の入力相を中間電圧相とすることで、遮断された双
方向スイッチの両端に印加される電圧、すなわち３相交
流電源の線間電圧とモータ線間誘起電圧の和に関し、３
相交流電源の線間電圧を小さくして、前記印加電圧を小
さく抑えることが可能となる。この動作を、さらに図４
で説明する。図４中のスイッチング例（２）において
は、中間電圧相がＳ→Ｒ→Ｔ→Ｓ→Ｒ→Ｔと移り変わっ
ている。その場合、短絡させる双方向スイッチも、Ｓ２
・Ｓ５・Ｓ８→Ｓ１・Ｓ４・Ｓ７→Ｓ３・Ｓ６・Ｓ９→
Ｓ２・Ｓ５・Ｓ８→Ｓ１・Ｓ４・Ｓ７→Ｓ３・Ｓ６・Ｓ
９と変化する。これにより、常に出力短絡が行われる入
力相は入力電圧の中間電圧相となるため、Ｕ相電流のゼ
ロクロスでＳ２をＯＦＦし、Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３が全てＯ
ＦＦとなってもＳ１・Ｓ２・Ｓ３それぞれの双方向スイ
ッチの両端に印加される電圧を小さい状態に保つことが
できる。また第２の方法として、まず１相遮断する瞬間
に、ＰＷＭサイクロコンバータの出力端子間電圧を測定
し、遮断した相の出力端子電圧が他の相に比べて大きい
場合には３相交流電源の入力相電圧の小さい相で出力短
絡状態を作り、また、遮断した相の出力端子電圧が他の
相に比べて小さい場合には入力相電圧の大きい相で出力
短絡状態を作り、これによって遮断された双方向スイッ
チの両端に印加される電圧を小さく抑えることが可能と
なる。さらに、１相遮断したのちもＰＷＭサイクロコン
バータの出力端子間電圧を継続的に測定し、短絡状態を
作る３相交流電源の入力相を上記による最適な入力相に
順次切り替えていくことで、遮断された双方向スイッチ
の両端に印加される電圧を小さく保持することが可能と
なる。

【００１２】

【発明の効果】 以上述べたように、本発明を用いるこ
とで、ＰＷＭサイクロコンバータ駆動時に過電流などの
異常状態が発生しても、ＤＣクランプ型スナバ回路とし
て静電容量の小さなスナバ用キャパシタを用いることが
でき、双方向半導体スイッチの遮断時におけるサージ電
圧の発生を抑えることができ、遮断中に双方向半導体ス
イッチ両端に印加される電圧を低減でき、従って、過電
圧等により装置を破損することなく安全に運転停止でき
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコン
バータのシステム構成を示したもの

【図２】本発明を実施するための、電流方向検出回路を
示したもの

【図３】本発明を実施するための、電流波形と、スイッ
チングパターンを示したもの

【図４】本発明を実施するための、電圧波形とスイッチ
ングパターンを示したもの

【符号の説明】

１ 三相交流電源 ２ 三相交流リアクトル ３ 三相交流キャパシタ ４ 双方向スイッチ群 ５ モータ ６ スナバ用キャパシタ ７ スナバダイオード群１ ８ スナバダイオード群２ ９Ｕ 出力電流信号１ ９Ｖ 出力電流信号２ ９Ｗ 出力電流信号３ １０Ｕ,１０Ｖ,１０Ｗ 出力電流検出器 １１Ｕ コンパレータ１ １１Ｖ コンパレータ２ １１Ｗ コンパレータ３ １２Ｕ 出力電流方向信号１ １２Ｖ 出力電流方向信号２ １２Ｗ 出力電流方向信号３ １３ ＤＣクランプ型スナバ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園田 敬介 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 5H750 AA10 BA01 BA06 BB04 BB12 CC01 CC02 CC14 DD05 DD14 DD18 EE04 FF02 FF05 GG02 GG04 GG14 GG17

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源の各相とＭ（Ｍは２以上）相出
   力の電力変換器の各相出力とが、１方向のみ通電できる
   片方向半導体スイッチが双方向通電の可能となる方向に
   ２個並列接続され、かつ各々の前記片方向半導体スイッ
   チが独立にオンオフできるよう構成された双方向半導体
   スイッチで直接接続され、出力電圧指令に応じて前記各
   双方向半導体スイッチをオンオフ制御し、任意の交流及
   び直流電圧を出力する前記電力変換器であるＰＷＭサイ
   クロコンバータにおいて、異常状態が発生した場合、前
   記双方向半導体スイッチを用いて、前記ＰＷＭサイクロ
   コンバータの出力全相を前記交流電源の任意の１の相に
   接続し短絡状態にすることを特徴とするＰＷＭサイクロ
   コンバータの保護方法。
2. 【請求項２】 異常状態が発生した場合、前記双方向半
   導体スイッチを用いて、前記ＰＷＭサイクロコンバータ
   の出力全相を前記交流電源の相電圧値が中間となる相に
   接続して短絡状態にすることを特徴とする請求項１記載
   のＰＷＭサイクロコンバータの保護方法。
3. 【請求項３】 前記短絡状態において、前記交流電源の
   相電圧値の中間となる相が順次切り替わるのに同期し、
   前記短絡状態を当該相での短絡状態に切り替えていくこ
   とを特徴とする請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバー
   タの保護方法。
4. 【請求項４】 前記短絡状態の時に、前記ＰＷＭサイ
   クロコンバータの出力各相ごとに出力電流のゼロクロス
   を検出し、ゼロクロスを検出した出力相に接続された前
   記双方向半導体スイッチを遮断することを特徴とする請
   求項１ないし請求項３記載のＰＷＭサイクロコンバータ
   の保護方法。
5. 【請求項５】 前記短絡状態の時に、前記ＰＷＭサイク
   ロコンバータの出力各相ごとに出力電流のゼロクロスを
   検出し、ゼロクロスを検出した出力相に接続された前記
   双方向半導体スイッチを遮断し、かつ前記ＰＷＭサイク
   ロコンバータのはじめに遮断された出力相に係る出力端
   子と他の出力端子との間に発生する端子間電圧を検出
   し、遮断されていない出力相を前記双方向半導体スイッ
   チにより短絡接続する前記交流電源の１の相として、前
   記遮断された双方向半導体スイッチの両端子間に印加さ
   れる電圧を小さくできる前記交流電源の１の相を選択し
   接続することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭサイク
   ロコンバータの保護方法。
6. 【請求項６】 前記遮断された双方向半導体スイッチの
   両端子間に印加される電圧を小さくできる相が切り替わ
   るのに同期し、遮断されていない出力相を前記双方向半
   導体スイッチにより短絡接続する前記交流電源の１の相
   として、前記遮断された双方向半導体スイッチの両端子
   間に印加される電圧を小さくできる相に接続を切り替え
   ていくことを特徴とする請求項５記載のＰＷＭサイクロ
   コンバータの保護方法。