JP4609634B2

JP4609634B2 - 交流−交流直接変換器の保護装置

Info

Publication number: JP4609634B2
Application number: JP2004255103A
Authority: JP
Inventors: 英樹大口; 以久也佐藤
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2006074904A

Description

本発明は、多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧に変換する交流−交流直接変換器の保護装置に関し、特に電源電圧の異常を検出して前記直接変換器の半導体スイッチング素子等を保護するための保護装置に関する。

図３は、交流−交流直接変換器及びその制御装置を、保護装置と共に示した構成図であり、多相交流として一般的な三相の場合を表している。
図３において、１は交流電源、４はリアクトル４１及びコンデンサ４２からなる入力フィルタ、３はマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換器、２は交流電動機等の負荷、１００は直接変換器３の半導体スイッチング素子に対するＰＷＭ信号（駆動パルス）を作成するＰＷＭ信号作成手段、１０２は電圧指令等の制御信号を作成する制御信号作成手段、１０１は電源電圧の低下や停電を検出してＰＷＭ信号作成手段１００に異常検出信号を送出する電源異常検出手段である。

また、交流−交流直接変換器３を保護する保護装置は、直接変換器３の入出力側相互間に接続される保護回路１０と、電圧検出手段１２及びゲート信号作成手段１３から構成されている。
保護回路１０は、ダイオードブリッジ２０ａ，２０ｂと、直流中間回路に接続されたコンデンサ１４と、その両端に接続された抵抗１５及び半導体スイッチング素子１６の直列回路とからなっており、前記コンデンサ１４の電圧は電圧検出手段１２に入力され、ゲート信号作成手段１３から出力されるゲート信号によってスイッチング素子１６を駆動するように構成されている。

次に、この従来技術の動作を説明する。
交流電源１が正常時の通常動作では、交流−交流直接変換器３の各半導体スイッチング素子はＰＷＭ信号作成手段１００によってそのオン・オフが制御され、三相交流電圧を任意の大きさ及び周波数の三相交流電圧に変換して電源１から負荷２に電力を供給し、あるいは、負荷２から電源１へ電力を回生する。

交流電源１の異常時における保護動作は以下の通りである。
電源異常検出手段１０１が電源電圧の低下を検出すると、ＰＷＭ信号作成手段１００に異常検出信号が送出される。ＰＷＭ信号作成手段１００からは、電源１と負荷２とを電気的に切り離すためにオフ信号が出力され、交流−交流直接変換器３の半導体スイッチング素子は全てオフ（以下、全ゲート遮断という）する。

その際、入力フィルタ４のリアクトル４１や負荷２の内部のインダクタンス等に蓄積されたエネルギーは、交流−交流直接変換器３の入出力側に接続されたダイオードブリッジ２０ａや２０ｂを介してコンデンサ１４へ放出されるため、コンデンサ１４の電圧が上昇する。
電圧検出手段１２は、コンデンサ１４の電圧がある一定値にまで上昇したことを検出してゲート信号作成手段１３へ異常電圧発生信号を出力し、ゲート信号作成手段１３から出力されるゲート信号によりスイッチング素子１６は導通状態となる。
スイッチング素子１６が導通すると、コンデンサ１４に蓄積されたエネルギーは抵抗１５により消費されるため、前述したインダクタンス等の蓄積エネルギーによる異常電圧が交流−交流直接変換器３のスイッチング素子に印加されるのを防ぎ、これらの破損を防止する。

また、交流電源１の停電時における動作も上記と同様であり、停電を検出した電源異常検出手段１０１からの異常検出信号がＰＷＭ信号作成手段１００へ出力され、全ゲート遮断を行うと共に、上述した保護回路１０による保護動作が実行される。

ここで、下記の特許文献１には、瞬時停電により電源電圧が低下した場合のＰＷＭサイクロコンバータの保護装置及び保護方法が開示されている。
すなわち、この従来技術では、電源電圧を監視して瞬時停電を検出すると、電源電圧の大小関係等に応じてフィルタのエネルギーを負荷へ供給したり、負荷のエネルギーをフィルタへ回生する。その後、負荷電流がゼロになると、全ゲート遮断を行ってサイクロコンバータの動作を停止している。

図４は、特許文献１の図２に記載されているものと実質的に同一の電源電圧低下検出回路である。図４において、３３は三相の電源電圧を全波整流する全波整流回路、３０はその直流出力側に接続された平滑用のコンデンサ、３１，３２は分圧用の抵抗、３００は抵抗３１，３２による分圧値と停電検出基準電圧とを比較する電圧比較手段である。
この電源電圧低下検出回路では、電源電圧を整流平滑してから分圧し、その分圧値が停電検出基準電圧より低下したことを電圧検出手段３００により検出して停電検出信号を出力する。
前述した図３の電源異常検出手段１０１は、図４に示したような電源電圧低下検出回路により構成することができる。

特開２００１−８６７５１号公報（段落［０００７］〜［００１５］、図１、図２、図６、図７等）

しかしながら、停電検出のために図４に示したような電源電圧低下検出回路を別個設けることは、コスト高の原因になる。
また、図４において、全波整流回路３３により整流された電圧はコンデンサ３０により平滑されるが、電源電圧が低下してからコンデンサ３０の電圧が低下するまでにある程度の時間がかかる。このため、交流−交流直接変換器のように主回路に大きなエネルギーバッファを持たない回路では、実際に停電が発生してからこれを検出するまでに時間を要するという問題があった。

更に、負荷２から電源１に電力が回生される過程で停電が発生すると、電源１側には電圧が発生しているため、電源電圧の低下によって停電を検出する方法では異常検出を行うことができない。従って、図４の電源電圧低下検出回路を図３の電源異常検出手段１０１に用いた場合には、ＰＷＭ信号作成手段１００が通常動作を行って交流−交流直接変換器３は回生動作を継続する。
これに伴い、停電中の電源１に回生できないエネルギーは入力フィルタ４内のコンデンサ４２や保護回路１０内のコンデンサ１４に蓄積され、電圧検出手段１２及びゲート信号作成手段１００の動作によってスイッチング素子１６が導通することにより、コンデンサ１４の蓄積エネルギーは抵抗１５により消費される。

この場合、コンデンサ１４に蓄積されて放出される負荷２からの回生エネルギーは、前述した全ゲート遮断時に放出されるリアクトル４１や負荷２からのエネルギーに比べて極めて大きいため、その全エネルギーを抵抗１５により消費しようとすると抵抗１５は破損する。抵抗１５の破損により、コンデンサ１４の電圧は上昇し続け、結果的にダイオードブリッジ２０ａ，２０ｂや交流−交流直接変換器３内の半導体スイッチング素子の破損を招くという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、図４に示したような電源電圧低下検出回路を用いることなく停電等の電源異常を検出でき、しかも回生動作中に停電が発生した場合にも保護動作を確実に実行可能とした交流−交流直接変換器の保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧に変換する交流−交流直接変換器において、
電源電圧の瞬時値を検出する電源電圧検出手段と、この電源電圧検出手段の出力から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、前記交流−交流直接変換器による負荷の駆動運転または制動運転を判別する駆動／制動判別手段と、前記演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさと前記駆動／制動判別手段による判別結果とに基づいて電源の異常を検出する電源異常検出手段と、この電源異常検出手段から出力される異常検出信号に従って前記交流−交流直接変換器の動作を停止させる手段と、を備え、
前記交流−交流直接変換器の動作を停止させた原因として、前記駆動／制動判別手段及び電源異常検出手段により電源電圧の低下または制動中の交流過電圧を検出した場合であったときは前記交流−交流直接変換器を再始動すると共に、前記駆動／制動判別手段及び電源異常検出手段により駆動中の交流過電圧を検出した場合であったときは前記交流−交流直接変換器を再始動しないことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した交流−交流直接変換器の保護装置において、前記電源異常検出手段は、電源電圧ベクトルの大きさが電圧低下基準値より減少した時に交流不足電圧を検出し、電圧上昇基準値より増加したときに交流過電圧を検出することを特徴とする。

本発明によれば、電源電圧低下検出回路を用いずに電源電圧ベクトルの大きさに基づいて電源異常を検出するので、電圧低下や上昇の何れの場合においても交流−交流直接変換器の動作を停止させることができる。また、電源電圧の過電圧を検出した場合には、交流−交流直接変換器を再始動するか否かを選択することも可能である。
従って、電源異常時における交流−交流直接変換器の半導体スイッチング素子の破壊を防止でき、再始動時の運転方法を選択可能な保護装置を実現することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の参考形態の構成図であり、図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、２００は三相交流電源１の各相電圧ｖ_Ｒ，ｖ_Ｓ，ｖ_Ｔの瞬時値を検出する電源電圧検出手段である。この手段２００により検出された電圧ｖ_Ｒ，ｖ_Ｓ，ｖ_Ｔは電源電圧のベクトル大きさ演算手段２０１に入力されている。
演算手段２０１は、電源電圧検出値に基づいて三相電圧を二相量に変換し、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉを演算する。電源異常検出手段２０２は、Ｖ_ｉを予め設定された電圧低下基準値、電圧上昇基準値と比較して電源異常を検出し、その検出信号をＰＷＭ信号作成手段１００に出力する。
なお、図１における放電手段１１は、図３に示した電圧検出手段１２、ゲート信号作成手段１３、コンデンサ１４、抵抗１５及びスイッチング素子１６を纏めて示したものである。

電源電圧のベクトル大きさ演算手段２０１が実行する三相／二相変換の演算、及び、演算される電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉは、それぞれ数式１，２によって表すことができる。

電源１から負荷２へ電力を供給している場合、すなわち駆動時に停電が発生すると、電源電圧の低下に伴って電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉも減少する。電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉが電圧低下基準値を下回ると、電源異常検出手段２０２は停電と判断し、ＰＷＭ信号作成手段１００へ異常検出信号を出力してＰＷＭ信号作成手段１００を介し全ゲート遮断を行う。

一方、負荷２から電源１へ電力を回生している場合、すなわち制動時に停電が発生すると、前述したように回生エネルギーによって入力フィルタ４のコンデンサ４２の電圧や保護回路１０内の直流電圧を上昇させる。
これと同時に、演算手段２０１によって検出される電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉも増加し、その大きさが電源異常検出手段２０２における電圧上昇基準値を上回ると、電源異常検出手段２０２は交流過電圧と判断し、ＰＷＭ信号作成手段１００へ異常検出信号を出力する。
これにより、ＰＷＭ信号作成手段１００では駆動時と同様に全ゲート遮断を行って交流−交流直接変換器３が回生動作を停止するので、保護回路１０内の直流電圧の上昇が抑制され、ダイオードブリッジ２０ａ，２０ｂや直接変換器３内のスイッチング素子が保護される。

なお、駆動運転中に電源系統の異常等により交流過電圧が発生した場合にも、電源異常検出手段２０２は異常検出信号を出力可能であり、全ゲート遮断を行って直接変換器３を保護することができる。

この参考形態においては、電源異常検出後、電源電圧ベクトルの大きさＶ_iが電圧低下基準値以上かつ電圧上昇基準値以下になったことで電源異常に起因する全ゲート遮断を解除し、交流−交流直接変換器３を再始動することも可能である。
なお、図１における電源電圧検出手段２００は、入力フィルタ４の二次側に接続してもよい。

次に、図２は請求項１及び請求項２に相当する本発明の実施形態の構成図である。
図２において、駆動／制動判別手段１０３は、制御信号作成手段１０２の出力に基づき、電源１から負荷２へ電力が供給されている状態、または、負荷２から電源１へ電力が回生されている状態を判別して駆動運転、制動運転を判別する。これは、負荷２が例えば電動機の場合、トルク指令やトルク軸電圧指令に基づいて判別することができる。
駆動／制動判別手段１０３からの判別信号は電源異常検出手段２０２に入力されている。
この実施形態において、停電等による電源電圧低下時の保護動作については、参考形態と同様であるため説明を省略する。

駆動／制動判別手段１０３が制動運転（すなわち回生運転）であることを判別した場合には、その判別信号を電源異常検出手段２０２へ出力すると共に、停電等により、電源電圧ベクトルの大きさ演算手段２０１によって演算された大きさＶ_ｉが電圧上昇基準値を上回ると、電源異常検出手段２０２は制動中の交流過電圧による異常を検出する。これにより、電源異常検出手段２０２から異常検出信号がＰＷＭ信号作成手段１００へ出力され、全ゲート遮断を行って交流−交流直接変換器３の制動運転を停止する。
このため、保護回路１０内の直流電圧の上昇を抑制することができ、ダイオードブリッジ２０ａ，２０ｂや直接変換器３内のスイッチング素子を保護することができる。

また、駆動時に交流過電圧が発生した場合にも、これらの状態を電源異常検出手段２０２が検出可能であるから、電源系統に異常が発生したことを判別して制動時と同様に全ゲート遮断を行う。

本実施形態によれば、電源異常検出手段２０２が電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉと駆動／制動とを判別して全ゲート遮断を行うか否かを決定できるため、例えば、電源電圧の低下または制動中の交流過電圧では再始動するが、駆動中の交流過電圧、すなわち電源系統の異常の場合は再始動しないといった運転方法をとることが可能である。
なお、この実施形態においても、電源電圧検出手段２００を入力フィルタ４の二次側に接続してもよい。

本発明の参考形態の構成図である。本発明の実施形態の構成図である。従来の交流−交流直接変換器及びその制御装置を保護装置と共に示した構成図である。従来の電源電圧低下検出回路の構成図である。

符号の説明

１：交流電源
２：負荷
３：交流−交流直接変換器
４：入力フィルタ
４１：リアクトル
４２：コンデンサ
１０：保護回路
１１：放電手段
１２：電圧検出手段
１３：ゲート信号作成手段
１４：コンデンサ
１５：抵抗
１６：半導体スイッチング素子
２０ａ，２０ｂ：ダイオードブリッジ
１００：ＰＷＭ信号作成手段
１０２：制御信号作成手段
１０３：駆動／制動判別手段
２００：電源電圧検出手段
２０１：電源電圧ベクトルの大きさ演算手段
２０２：電源異常検出手段

Claims

多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧に変換する交流−交流直接変換器において、
電源電圧の瞬時値を検出する電源電圧検出手段と、
この電源電圧検出手段の出力から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、
前記交流−交流直接変換器による負荷の駆動運転または制動運転を判別する駆動／制動判別手段と、
前記演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさと前記駆動／制動判別手段による判別結果とに基づいて電源の異常を検出する電源異常検出手段と、
この電源異常検出手段から出力される異常検出信号に従って前記交流−交流直接変換器の動作を停止させる手段と、
を備え、
前記交流−交流直接変換器の動作を停止させた原因として、前記駆動／制動判別手段及び電源異常検出手段により電源電圧の低下または制動中の交流過電圧を検出した場合であったときは前記交流−交流直接変換器を再始動すると共に、前記駆動／制動判別手段及び電源異常検出手段により駆動中の交流過電圧を検出した場合であったときは前記交流−交流直接変換器を再始動しないことを特徴とする交流−交流直接変換器の保護装置。
請求項１に記載した交流−交流直接変換器の保護装置において、
前記電源異常検出手段は、電源電圧ベクトルの大きさが電圧低下基準値より減少した時に交流不足電圧を検出し、電圧上昇基準値より増加したときに交流過電圧を検出することを特徴とする交流−交流直接変換器の保護装置。