JP5617306B2

JP5617306B2 - 過電圧保護装置

Info

Publication number: JP5617306B2
Application number: JP2010074949A
Authority: JP
Inventors: 中村　和幸; 和幸中村; 潤澤木; 河野　雅樹; 雅樹河野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011211783A

Description

本発明は、回生時に同期機で発生する無負荷誘起電圧による過電圧から、同期機を駆動する駆動装置内のコンデンサや電力変換器を保護する過電圧保護装置に関する。

誘導機の運転中に、誘導機に地絡や短絡が発生して、保護のために電力変換器（インバータ）が停止した場合、直流母線電圧よりも誘導機の無負荷誘起電圧が大きくなることで、誘導機で生じた回生エネルギーが電力変換器側に流れ込み、電力変換器や直流側のコンデンサに、これらの破壊電圧を超えた電圧がかかると、電力変換器やコンデンサが破壊されてしまう。
そのため、従来の過電圧保護装置では、地絡や短絡により２次回路に生じる過電圧があらかじめ設定されたレベルを超えると、これを過電圧検出回路が検出してサイリスタに点弧パルスを与え、サイリスタは点弧パルスにより点弧して誘導機の線間を短絡し、過電圧を抑制していた。（特許文献１参照）

特開平９−１４９５４５号公報（［０００２］〜［０００８］、図９）

従来の過電圧保護装置では、誘導機に地絡や短絡が発生した時に効果があるが、負荷が誘導機ではなく永久磁石界磁式同期モータ（ＰＭモータ）などの同期機の場合において、停電や保護のため等の、誘導機の地絡若しくは短絡以外の原因で電力変換器が停止し、直流母線電圧よりも同期機の無負荷誘起電圧が大きくなることで、同期機で生じた回生エネルギーが電力変換器に流れ込んだ場合、直流母線電圧が上昇して電力変換器やコンデンサの破壊電圧を超えると、電力変換器やコンデンサが破壊される可能性があるという問題があった。

例えば、同期機が、回転子に取り付けられた永久磁石により界磁を作る永久磁石同期機である場合、永久磁石による磁束が一定であるため、磁束密度と同期機の回転速度との積に比例した無負荷誘起電圧が発生する。この無負荷誘起電圧は、同期機の回転周波数に比例した特性を持つことになる。
これに対して、電力変換器は入力の直流電源の直流電圧以上の電圧を発生することはできないことから、無負荷誘起電圧が電力変換器の最大出力電圧を越える領域では、永久磁石による磁束を打ち消すような磁束を電機子巻線で発生させるように、電力変換器でいわゆる弱め界磁制御を行なって、高速回転領域までの運転を行なっている。
しかし、電力変換器の動作が停止した場合は、同期機を制御することができなくなるので、無負荷誘起電圧は、直流電源の電圧より大きくなると、同期機からコンデンサに電流が流れ、コンデンサや電力変換器に無負荷誘起電圧と同等の電圧値が印加されることになり、印加電圧がコンデンサと電力変換器の破壊電圧を超えることになれば、コンデンサと電力変換器は破壊されることになる。

また、従来の過電圧保護装置では、回生エネルギーの流入により直流側のコンデンサの電圧が上昇するため、この状態のままだと、電力変換器を停止状態から速やかに復帰（再起動）させることができないという問題があった。
更に、従来の過電圧保護装置では、過電圧防止のために誘導機の線間を短絡するスイッチング素子（先行例では、サイリスタを用いている。）が、３相分必要であり部品点数が多く、コスト高になるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変換器が停止した場合同期機で生じる無負荷誘起電圧による電力変換器や回生エネルギーが蓄積されるコンデンサの損傷を防止して、電力変換器を停止状態から速やかに復帰（再起動）させることができるとともに、低コストの過電圧保護装置を得るものである。

この発明に係る過電圧保護装置は、同期機を駆動するための電源である直流電源と、前記直流電源から出力された直流電流を交流電流に変換して前記同期機に出力する電力変換器と、前記直流電源と前記電力変換器とに対してそれぞれ並列に接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーを蓄積する回生エネルギー蓄積手段と、を備えた同期機駆動装置に対する過電圧保護装置であって、前記同期機と前記電力変換器とに接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーによる無負荷誘起電圧を検出し、前記無負荷誘起電圧に基づき、前記回生エネルギーを抑制させる回生電力抑制器と、前記回生エネルギー蓄積手段に対して並列に接続され、前記回生電力抑制器からの前記無負荷誘起電圧に基づく指示に従い、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させる放電手段と、を備え、前記回生電力抑制器は、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー蓄積手段の破壊電圧値未満である回生エネルギー抑制開始電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を開始し、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値より小さい回生エネルギー抑制終了電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を終了するとともに、前記放電手段に前記無負荷誘起電圧に基づく指示を出し、前記回生電力抑制器の回生エネルギー抑制動作開始以後に前記放電手段を動作させ、前記同期機の線間を短絡させることで前記回生エネルギーを抑制させ、前記放電手段は、前記直流電源と並列に接続され、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値から前記電力変換器が動作可能となる電力変換器動作可能電圧値まで推移し、かつ前記短絡手段が動作可能となる温度に至るまでの間、前記直流電源からの電力供給を遮断するとともに、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制終了電圧値から前記電力変換器動作可能電圧値まで推移する間、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させるものである。

この発明による過電圧保護装置によれば、電力変換器の停止状態を検知し、同期機が発生する無負荷誘起電圧の電圧値に応じて回生エネルギーを抑制するので、同期機が発生する無負荷誘電電圧による過電圧から電力変換器やコンデンサ等の回生エネルギー蓄積手段を保護することができる。
また、同期機の線間を短絡して回生エネルギーを抑制した後、無負荷誘電電圧が降下すると短絡を停止して回生エネルギーが蓄えられた回生エネルギー蓄積手段を放電させるので、電力変換器を停止状態から速やかに復帰（再起動）させることができる。
さらに、同期機の線間を１つのスイッチング素子で短絡させるとともに、コンデンサ等の回生エネルギー蓄積手段の電圧を検出するための手段を用いることなく回生エネルギー蓄積手段を放電させることができるので、装置構成が簡単になり、かつ、低コスト化できる。

本発明の実施の形態１に係る過電圧保護装置を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る短絡制御手段を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る過電圧保護装置の動作を示すタイミングチャート図である。本発明の実施の形態１に係る過電圧保護装置の動作のシミュレーション結果である。本発明の実施の形態２に係る過電圧保護装置を示す構成図である。本発明の実施の形態２に係る短絡制御手段を示す構成図である。本発明の実施の形態２に係る過電圧保護装置の動作を示すタイミングチャート図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における過電圧保護装置を示す構成図である。図１において、本実施の形態の過電圧保護装置が接続される同期機駆動システムは、直流電源４から出力された直流電流を、直流電源４と並列に接続された電力変換器２によって交流電流に変換し、その交流電流によって同期機１を駆動する。電力変換器２は、ダイオードを含む複数のスイッチング素子で構成される。直流電源４と電力変換器２の間には、これらに対し並列に接続され、回生エネルギーが蓄積されるコンデンサ等の回生エネルギー蓄積手段３を設けている。過電圧保護装置１０は、電力変換器２と同期機１の間に接続され、同期機１で発生する回生エネルギーを抑制する回生電力抑制器５と、直流電源４と回生エネルギー蓄積手段３との間にこれらと並列に接続され回生エネルギー蓄積手段３に蓄えられた電荷を放電するための放電手段９と、で構成される。ここで、同期機１の無負荷誘起電圧の最大値は、直流電源４の直流電圧よりも大きいものとする。

回生電力抑制器５について説明する。図１において、回生電力抑制器５は、後述する電圧検出手段６と短絡手段７と短絡制御手段８とを有するとともに、同期機１と電力変換器２の間の３相線（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）と、電力変換器２のＮ側とにそれぞれ接続される。電圧検出手段６は、同期機１のＵ、Ｖ、Ｗ相の３相線のそれぞれに接続された３個のダイオードで構成される。３個のダイオードの出力側はそれぞれ接続される。電圧検出手段６は、上述の構成による３つのダイオードにより同期機１の３相線について半波整流を行うことで、同期機１の無負荷誘起電圧の値を検出する。短絡手段７は、１つのスイッチング素子で構成され、スイッチング素子の一方が電力変換器２のＮ側に接続されるとともに、他方が電圧検出手段６の３つのダイオードの出力側に接続される。このスイッチング素子が動作することで同期機１の線間を短絡する。短絡制御手段８は短絡手段７と並列に接続される。すなわち、一方が電圧検出手段６の３つのダイオードの出力側に接続され、もう一方が電力変換器２のＮ側に接続される。従って、短絡制御手段８には電圧検出手段６によって検出される無負荷誘起電圧が入力される。短絡制御手段８は、電圧検出手段６によって検出された無負荷誘起電圧値が回生エネルギー蓄積手段３の破壊電圧未満における所定の範囲内を降下する時に、同期機１の線間を短絡するように短絡手段７の動作を制御する。

放電手段９について説明する。図１において、放電手段９は、後述する放電用スイッチング手段９ａと放電用抵抗９ｂと開放手段９ｃとを有し、これらは直列に接続されている。放電用スイッチング手段９ａは、一方が回生エネルギー蓄積手段３の片側に接続され、もう一方は放電用抵抗９ｂに接続される。放電用スイッチング手段９ａは、電圧検出手段６によって検出された無負荷誘起電圧値が回生エネルギー蓄積手段３の破壊電圧未満における所定の範囲内を降下する時に、短絡制御手段８の指示を受け、オン（接続）の動作をする。放電用抵抗９ｂは、放電用スイッチング手段９ａと回生エネルギー蓄積手段３との間にこれらと直列に接続され、放電用スイッチング手段９ａが閉じることで、回生エネルギー蓄積手段３と放電用抵抗９ｂと放電用スイッチング手段９ａとが閉回路になり、放電用抵抗９ｂで回生エネルギー蓄積手段３が放電したエネルギーを熱に変換して消費する。開放手段９ｃは、一方が直流電源４の片側（本実施の形態では＋側）と接続され、もう一方は放電用抵抗９ｂと接続される。開放手段９ｃは、電圧検出手段６によって検出された無負荷誘起電圧値が回生エネルギー蓄積手段３の破壊電圧未満における所定の範囲内を降下する時に、短絡制御手段８の指示を受け、オン（開放）の動作をし、直流電源４からの電力供給を遮断する。

短絡制御手段８について説明する。図２は短絡制御手段８の構成を示したものである。図２において、比較手段８ａ、比較手段８ｂ及び比較手段８ｃには、電圧検出手段６によって検出された同期機１の無負荷誘起電圧値Ｖｍがそれぞれ入力される。比較手段８ａ、比較手段８ｂ及び比較手段８ｃには、それぞれ回生エネルギーの抑制動作を開始するための回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１、回生エネルギーの抑制動作を終了するための回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２及び電力変換器が動作可能となるための電力変換器動作可能電圧値Ｖ３が予め設定されており、これらの予め設定された電圧値と無負荷誘起電圧値Ｖｍとの比較演算を行う。ここで、回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１、回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２及び電力変換器動作可能電圧値Ｖ３は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３の関係があるとともに、いずれも回生エネルギー蓄積手段３の破壊電圧未満である。回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１は直流電源電圧値以上であるが、回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２、電力変換器動作可能電圧値Ｖ３は直流電源電圧値以下でも問題ない。比較手段８ａは、無負荷誘起電圧値Ｖｍが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１以上であるときにオン信号を出力する。比較手段８ｂは、無負荷誘起電圧値Ｖｍが回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２以上であるときにオン信号を出力する。比較手段８ｃは、無負荷誘起電圧値Ｖｍが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３より大きいときにオン信号を出力する。比較手段８ａの出力側にはラッチ手段８ｇが設けられ、比較手段８ａのオン信号をラッチ（保持）する。また、比較手段８ｃの出力側には比較手段８ｃの出力信号を反転させる反転手段８ｆが設けられ、反転手段８ｆのオン出力によりラッチ手段８ｇのラッチを解除する。さらに、比較手段８ａの出力と比較手段８ｂの出力の論理積を演算する論理積手段８ｄと、比較手段８ａの出力と比較手段８ｂの出力の反転と比較手段８ｃの出力の論理積を演算する論理積手段８ｅが設けられている。短絡制御手段８は、比較手段８ａの出力信号を開放制御信号ＯＳとして開放手段９ｃへ、論理積手段８ｄの出力信号を短絡制御信号ＳＣＳとして短絡手段７へ、論理積手段８ｅの出力信号を放電制御信号ＧＳとして放電スイッチング手段９ａへ、それぞれ出力する。

次に、本発明の実施の形態１における過電圧保護装置の動作について説明する。図３は、本実施の形態に係る過電圧保護装置の動作を示すタイミングチャートである。図３において、電流変換器２の出力によって同期機１が駆動されている状態において何らかの理由で電流変換器２が動作状態から停止すると、同期機１への電流供給は断たれるが、同期機１は惰性で回転を続けるため同期機１に回生エネルギーが生じる。この回生により同期機１に生じる無負荷誘起電圧の最大値が直流電源４の電圧値よりも大きい場合には、この回生エネルギーが同期機１から電力変換器２へ流入する。電力変換器２に流入した回生エネルギーは、各スイッチング素子に含まれるダイオードを介して回生エネルギー蓄積手段３に流れ込む。回生エネルギー蓄積手段３は回生エネルギーを蓄えるため、回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃが上昇する。
また、同期機１で生じた回生エネルギーは同期機１の３相線と接続された電圧検出手段６へも流入するため、電圧検出手段６の出力電圧も回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃと同じ値で上昇する。ここで、電圧検出回路６は上述の通り同期機１の３相の半波整流を行うため、電圧検出回路６の出力電圧は、同期機１の無負荷誘起電圧の値Ｖｍと一致することになる。
電圧検出回路６の出力は短絡手段７の片側を介して短絡制御手段８に入力され、図２に示すように、電圧検出回路６の出力電圧すなわち無負荷誘起電圧の値Ｖｍが比較手段８ａ、８ｂ、８ｃにそれぞれ入力される。

時刻ｔ１のときに、短絡制御手段８において、電圧Ｖｍが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３（本実施の形態では、電力変換器動作可能電圧値Ｖ３は直流電源４の直流電圧Ｖdcと等しいとする。）を超えると、比較手段８ｃからオン信号が出力される。このとき、電圧Ｖｍは、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖｍ＞Ｖ３であるため、比較手段８ａ、８ｂの出力はともにオフである。

次に、時刻ｔ２において、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２以上になると、比較手段８ｂからオン信号が出力される。このとき、電圧Ｖｍは、Ｖ１＞Ｖｍ≧Ｖ２＞Ｖ３であるため、比較手段８ｃの出力はオンのままであり、比較手段８ａの出力はオフである。

次に、時刻ｔ３において、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１以上になると、比較手段８ａからオン信号が出力される。このとき、電圧Ｖｍは、Ｖｍ≧Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３であるため、比較手段８ｃと比較手段８ｂの出力はオンのままである。
比較手段８ａからオンの信号が出力されると、比較手段８ａの出力側に設けられたラッチ手段８ｇで比較手段８ａのオン信号がラッチ（保持）される。また、比較手段８ａがオンとなることで短絡制御手段８の開放制御信号ＯＳがオンとなる。さらに、比較手段８ａと比較手段８ｂからオン信号が論理積手段８ｄに入力されるため、論理積手段８ｄはこれらの論理積を演算し、オン信号を短絡制御手段８の短絡制御信号ＳＣＳとして出力する。

時刻ｔ３で、開放制御信号ＯＳがオンとなることにより、放電手段９の開放手段９ｃが動作して、放電手段９と直流電源４との接続経路を開放し、直流電源４からの電力供給を遮断する。また、短絡制御信号ＳＣＳがオンとなることにより、回生電力抑制器５の短絡手段７が動作し、短絡手段７を構成する１つのスイッチング素子（例えばサイリスタ素子）がオンされて同期機１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の線間が短絡される。３つのダイオードで構成される電圧検出回路６によって検出される同期機１の無負荷誘起電圧Ｖｍに基づき同期機１の３相線間を短絡手段７の１つのスイッチング素子で短絡させるので、短絡手段７のスイッチング素子がオンオフを繰り返すことなく安定に短絡動作をすることができる。この同期機１の３相線間の短絡により、ブレーキトルクが発生し同期機１の回転は減速するため、回生エネルギーの発生が抑制され、回転速度に比例する同期機１の無負荷誘起電圧の値Ｖｍは低下する。これに伴い電圧検出回路６の出力電圧も低下する。

次に、時刻ｔ４において、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２より小さくなると、比較手段８ｂの出力信号がオフとなるため、論理積手段８ｄの出力信号である短絡制御信号ＳＣＳがオフとなり、短絡手段７は短絡状態を解除する。従って、時刻ｔ４で、短絡手段７が動作して同期機１の３相線間の短絡状態により回生エネルギーの発生を抑制する期間（回生エネルギー抑制期間）が終了する。すなわち、回生エネルギー抑制期間は、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１を超えたとき（ｔ３）から、回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２より小さくなるとき（ｔ４）までとなる。

また、時刻ｔ４において、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２より小さくなると、比較手段８ｂの出力がオフになるため放電制御信号ＧＳがオンとなり、放電手段９の放電用スイッチング手段９ａがオンされる。比較手段８ａはオン信号がラッチ手段８ｇによって保持されたままであるため、比較手段８ａの出力信号である開放制御信号ＯＳは依然としてオンのままである。よって、開放手段９ｃは動作したままで放電手段９と直流電源４との接続経路は開放されている状態である。
従って、回生エネルギー蓄積手段３と放電抵抗９ｂと放電用スイッチング素子９ａとが閉回路となるため、回生エネルギー蓄積手段３が放電し、回生エネルギー蓄積手段３に蓄えられたエネルギーが放電抵抗９ｂによって熱に変換され消費される。この放電により回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃが低下する。

次に、時刻ｔ５において、電圧Ｖｍが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下になると、比較手段８ｃの出力信号がオフとなるため、論理積手段８ｅの出力信号である放電制御信号ＧＳがオフとなり、放電手段９の放電用スイッチング手段９ａがオフされ、回生エネルギー蓄積手段３の放電が終了する。従って、時刻ｔ５で、放電用スイッチング手段９ａがオフされることで回生エネルギー蓄積手段３が放電し蓄えられたエネルギーを放出する期間（放電期間）が終了する。すなわち、放電期間は、電圧Ｖｍが放電開始電圧値となる回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２より小さくなったとき（ｔ４）から、放電終了電圧値である電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下になるとき（ｔ５）までとなる。

本実施の形態の場合、回生エネルギーの抑制動作が終了する電圧値と放電を開始する電圧値はともにＶ２で等しいが、それぞれ異なる値としても良い。

電力変換器動作可能電圧値Ｖ３を電力変換器２が起動できる定常的な電圧値にしているので、放電により、回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃを電力変換器２が起動できる定常的な電圧値まで降下させることが可能になる。

また、時刻ｔ５において、比較手段８ｃの出力信号がオフとなるため、反転手段８ｆの出力がオンとなり、その出力によりラッチ手段８ｇのラッチが解除され、比較手段８ａの出力がオフとなる。よって、比較手段８ａの出力信号である開放制御信号ＯＳがオフとなり、これにより開放手段９ｃが閉じ、直流電源４と電力変換器２との経路を、放電手段９を介して接続し、直流電源４からの電力供給を復帰させる。

時刻ｔ５以降においては、同期機１の無負荷誘起電圧の値Ｖｍも回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃも電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下となっているため、電力変換器２を復帰（再起動）させることが可能である。

図４に、本実施の形態に係る過電圧保護装置の動作を、シミュレーションにより確認した結果を示す。図４では、同期機の定格出力は１１ｋＷであり、図３における時刻ｔ１〜ｔ３と回生エネルギー抑制期間の一部における回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃを示している。この結果から、回生エネルギーにより同期機１に無負荷誘起電圧Ｖｍが上昇している状態で、短絡手段７により同期機１の３相線間を短絡することにより、回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１（ここでは、Ｖ１＝８００Ｖとしている。）より上昇しないことが確認できる。

本実施の形態に係る過電圧保護装置によれば、何らかの理由で電流変換器２が動作状態から停止し、同期機１の回生動作のため、同期機１の無負荷誘起電圧Ｖｍや回生エネルギー蓄積手段電圧Ｖｃが上昇した場合において、無負荷誘起電圧Ｖｍが回生エネルギー蓄積手段３の破壊電圧未満の回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１以上になると、同期機１の３相線間を短絡して回生エネルギーを抑制して無負荷誘起電圧Ｖｍを降下させることで、過電圧から電力変換器や直流側のコンデンサ等の回生エネルギー蓄積手段を保護することができる。
また、同期機１の３相線間の短絡により無負荷誘起電圧Ｖｍが降下して回生エネルギー抑制終了電圧値Ｖ２より小さくなるときから、回生エネルギー蓄積手段３の電圧が通常動作をする電圧範囲である電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下になるまで、回生エネルギー蓄積手段３を放電させることができるので、電力変換器２を停止から素早く復帰（再起動）させることができる。
また、同期機１の３相線間を短絡するスイッチング素子を１つのみで構成することができ、低コスト化ができる。
さらに、同期機の線間を１つのスイッチング素子で短絡させるとともに、コンデンサ等の回生エネルギー蓄積手段の電圧を検出するための手段を用いることなく回生エネルギー蓄積手段を放電させることができるので、装置構成が簡単になり、かつ、低コスト化できる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る過電圧保護装置を示す構成図である。なお、実施の形態１で説明した構成と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
図５に示すように、実施の形態２に係る過電圧保護装置では、実施の形態１に係る過電圧保護装置に対し、短絡制御手段が異なり、特に、比較手段８ａのラッチを解除する方法が異なる。実施の形態１に係る過電圧保護装置の短絡制御手段８は、比較手段８ｃの出力信号を反転する反転手段８ｆのオン信号によりラッチを解除するが、実施の形態２に係る過電圧保護装置の短絡制御手段１２は、比較手段８ａがオンしてから時間をカウントし始め、所定時間経過後にラッチを解除する。

短絡制御手段１２について説明する。図６は短絡制御手段１２の構成を示したものである。図６において、短絡制御手段８と異なるところは、ラッチ手段８ｇのラッチを解除するための反転手段８ｆが無く、代わりに、比較手段８ａの出力側に比較手段８ａのオン出力により時間のカウントを開始するタイマ１１ａと、予め設置された停止設定時間ＳＴとタイマ１１ａでカウントされた時間とを比較し、タイマ１１ａでカウントされた時間が停止設定時間ＳＴ以上になったときにラッチを解除するための信号をラッチ手段８ｇに出力する時間比較手段１１ｂとを設けている。

次に、本発明の実施の形態２に係る過電圧保護装置の動作について説明する。
図７は、本実施の形態に係る過電圧保護装置の動作を示すタイミングチャートである。
図７において、電流変換器２が動作状態から停止してからｔ５までの動作は、タイマ１１ａと時間比較手段１１ｂの動作以外、実施の形態１に係る過電圧保護装置と同様であるため、タイマ１１ａと時間比較手段１１ｂの動作について説明する。

時刻ｔ３において、電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１以上になると、比較手段８ａからオン信号が出力される。このとき、電圧Ｖｍは、Ｖｍ≧Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３であるため、比較手段８ｃと比較手段８ｂの出力はオンのままである。
比較手段８ａからオンの信号が出力されると、比較手段８ａの出力側に設けられたラッチ手段８ｇで比較手段８ａのオン信号がラッチ（保持）される。また、比較手段８ａのオン出力がタイマ１１ａに入力され、タイマ１１ａは時間のカウントを開始する。タイマ１１ａは、カウントした時間を時間比較手段１１ｂに継続して出力する。時間比較手段１１ｂでは、タイマ１１ａでカウントされた時間と予め設定された停止設定時間ＳＴとを比較する。タイマ１１ａでカウントされた時間が予め設定された停止設定時間ＳＴ以下である場合は、オフ信号をラッチ手段８ｇへ出力する。

次に、時刻ｔ５において、電圧検出回路６の出力電圧Ｖｍが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下に低下して、回生エネルギー蓄積手段３の放電が終了しても、すぐに比較手段８ａのラッチ（保持）は解除されない。開放制御信号ＯＳのオン出力を継続させることで、開放手段９ｃの開放動作を継続し直流電源４との経路を開放状態にし、直流電源４からの電力供給を遮断しておく。これにより、実施の形態１のように、同期機１の無負荷誘起電圧の値Ｖｍと回生エネルギー蓄積手段３の電圧Ｖｃが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下となった後、すぐに電力変換器２を復帰（再起動）させることはできない。本実施の形態では、比較手段８ａのオン信号が出力されてから、すなわち電圧Ｖｍが回生エネルギー抑制開始電圧値Ｖ１以上となったときから、停止設定時間ＳＴが経過するまでは、電力変換器２は停止したままになり、再起動を行うことができない。

時刻ｔ５が経過（すなわち回生エネルギー抑制期間と放電期間とが経過）し、時刻ｔ６で、タイマ１１ａでカウントした時間が所定の停止設定時間ＳＴを越えると（すなわち、ＳＴ＝ｔ６−ｔ３である。）、時間比較手段１１ｂからオン信号がラッチ手段８ｇに出力されて、比較手段８ａのラッチ（保持）が解除される。比較手段８ａのラッチ（保持）が解除されることにより、開放制御信号ＯＳがオフして開放手段９ｃが閉じ、直流電源４との経路を接続し、直流電源４からの電力供給を復帰させる。以上より電力変換器２が起動できる状態となる。

実施の形態１に係る過電圧保護装置では、回生エネルギー蓄積手段３の電圧Ｖｃが電力変換器動作可能電圧値Ｖ３以下に低下した直後に電力変換器２が動作再開するので、電力変換器２の動作再開後間もなく何らかの理由で電力変換器２が停止して短絡手段７が動作し、スイッチング素子に通電されることも考えられる。この場合、短絡手段７のスイッチング素子の温度が十分下がらないうちに通電により温度が上昇する。このようなことを想定すると、実施の形態１に係る過電圧保護装置では、短絡手段７のスイッチング素子を耐熱温度が高い大容量のものを使用する必要がある。
しかし、本実施の形態に係る同期機の過電圧保護装置によれば、停止設定時間ＳＴを回生エネルギー放電期間と放電期間とを足した時間より長い時間であるとともに、短絡手段７のスイッチング素子の温度が十分下がるのに必要な時間以上に設定することができるので、短絡手段７のスイッチング素子が連続動作してもスイッチング素子の温度は必要以上に上昇することが無く、故障を回避することができるとともに、より耐熱温度が低く小容量のものを選択できるためコストを抑えることができる。

本実施の形態に係る過電圧保護装置によれば、実施の形態１に係る過電圧保護装置によって得られる効果を奏するとともに、短絡手段７のスイッチング素子が短絡による通電で温度上昇しても、短絡状態終了による温度降下に十分な時間を確保できるように停止設定時間ＳＴを設定しておけば、短絡手段７のスイッチング素子の短絡・開放の動作が頻繁に繰り返されても、このスイッチング素子の温度が過度に上昇することが無く、故障を回避することができる。また、短絡手段７のスイッチング素子に、より耐熱温度が低く小容量のものを選択できるため、過電圧保護装置のコストを抑えることができる。

なお、上述の２つの実施の形態では、回生エネルギー抑制期間の後に放電期間を設けるようにしている。しかし、必ずしも回生エネルギー抑制期間終了後に放電期間を開始しなくても良い。例えば、回生エネルギー抑制期間の終了前から放電期間を開始してもよく、回生エネルギー抑制期間と放電期間を同時に開始しても良い。また、放電期間を回生エネルギー抑制期間より先に開始しても良い。このように、回生エネルギー抑制期間と放電期間の前後関係にかかわらず本発明と同様の効果を得ることができるのは言うまでも無い。
回生エネルギー抑制期間と放電期間とを一部または全部を重ねて設けることで、電力変換器２の復帰をより短時間で実現できる。

本発明は、同期機で発生する無負荷誘起電圧による過電圧から、同期機を駆動する駆動装置内のコンデンサや電力変換器を保護する過電圧保護装置に適する。

１同期機、２電力変換器、３回生エネルギー蓄積手段、４直流電源、
５、１３回生電力抑制器、６電圧検出手段、７短絡手段、
８、１２短絡制御手段、８ａ、８ｂ、８ｃ比較手段、
８ｄ、８ｅ論理積手段、８ｆ反転手段、８ｇラッチ手段、
９放電手段、９ａ放電用スイッチング手段、９ｂ放電用抵抗、９ｃ開放手段、
１０、２０過電圧保護装置、１１ａタイマ、１１ｂ時間比較手段。

Claims

同期機を駆動するための電源である直流電源、前記直流電源から出力された直流電流を交流電流に変換して前記同期機に出力する電力変換器、及び前記直流電源と前記電力変換器とに対してそれぞれ並列に接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーを蓄積する回生エネルギー蓄積手段を有する同期機駆動装置に対する過電圧保護装置であって、
前記同期機と前記電力変換器とに接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーによる無負荷誘起電圧を検出し、前記無負荷誘起電圧に基づき、前記回生エネルギーを抑制させる回生電力抑制器と、前記回生エネルギー蓄積手段に対して並列に接続され、前記回生電力抑制器からの前記無負荷誘起電圧に基づく指示に従い、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させる放電手段と、を備え、
前記回生電力抑制器は、
前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー蓄積手段の破壊電圧値未満である回生エネルギー抑制開始電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を開始し、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値より小さい回生エネルギー抑制終了電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を終了するとともに、前記放電手段に前記無負荷誘起電圧に基づく指示を出し、前記回生電力抑制器の回生エネルギー抑制動作開始以後に前記放電手段を動作させ、前記同期機の線間を短絡させることで前記回生エネルギーを抑制させ、
前記放電手段は、
前記直流電源と並列に接続され、
前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値から前記電力変換器が動作可能となる電力変換器動作可能電圧値まで推移し、かつ前記短絡手段が動作可能となる温度に至るまでの間、前記直流電源からの電力供給を遮断するとともに、
前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制終了電圧値から前記電力変換器動作可能電圧値まで推移する間、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させること、
を特徴とする過電圧保護装置。
前記回生電力抑制器は、
前記同期機の３相線にそれぞれ直列に接続され、出力側がともに接続される整流手段を備え、前記無負荷誘起電圧の値を検出する電圧検出手段と、
両端の一方が前記整流手段の出力側に、他方が前記電力変換器に接続され、両端を短絡させることで前記同期機の線間を短絡させる短絡手段と、
前記短絡手段と並列に接続され、前記電圧検出手段で検出した前記無負荷誘起電圧を入力し、前記無負荷誘起電圧の値に基づき、前記短絡手段の動作を制御する短絡制御手段と、
を備え、
前記放電手段は、
前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値から前記電力変換器動作可能電圧値まで推移し、かつ前記短絡手段が動作可能となる温度に至るまでの間、前記直流電源からの電力供給を遮断する開放手段と、
前記回生エネルギー蓄積手段に蓄えられた前記回生エネルギーを消費させるための放電用抵抗と、
前記無負荷誘起電圧の値に基づき、前記放電用抵抗と前記回生エネルギー蓄積手段とを接続する回路の開閉を行う放電用スイッチング手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護装置。
前記短絡制御手段は、
前記無負荷誘起電圧値を入力し、前記無負荷誘起電圧値と前記回生エネルギー抑制開始電圧値とを比較する第一の比較手段と、前記無負荷誘起電圧値と前記回生エネルギー抑制終了電圧値とを比較する第二の比較手段と、前記無負荷誘起電圧値と前記電力変換器動作可能電圧値とを比較する第三の比較手段と、前記第一の比較手段のオン出力を保持するラッチ手段と、前記第一の比較手段の出力がオンになったときから時間をカウント開始するタイマと、前記タイマの出力とラッチを解除する時間としての停止設定時間とを比較する時間比較手段と、前記第一の比較手段の出力と前記第二の比較手段の出力との論理積を演算する第一の論理積演算手段と、前記第一の比較手段の出力と前記第二の比較手段の出力の反転と前記第三の比較手段の出力との論理積を演算する第二の論理積演算手段と、を備え、
前記開放手段の動作を制御するために、前記第一の比較手段の出力を前記開放手段へ出力し、前記短絡手段の動作を制御するために、前記第一の論理積演算手段の出力を前記短絡手段へ出力し、前記放電用スイッチング手段の動作を制御するために、前記第二の論理積演算手段の出力を前記放電用スイッチング手段へ出力するとともに、
前記時間比較手段の出力に基づき前記ラッチ手段の保持を解除すること、
を特徴とする請求項２に記載の過電圧保護装置。
同期機を駆動するための電源である直流電源、前記直流電源から出力された直流電流を交流電流に変換して前記同期機に出力する電力変換器、及び前記直流電源と前記電力変換器とに対してそれぞれ並列に接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーを蓄積する回生エネルギー蓄積手段を有する同期機駆動装置に対する過電圧保護装置であって、
前記同期機と前記電力変換器とに接続され、前記同期機で発生する回生エネルギーによる無負荷誘起電圧を検出し、前記無負荷誘起電圧に基づき、前記回生エネルギーを抑制させる回生電力抑制器と、前記回生エネルギー蓄積手段に対して並列に接続され、前記回生電力抑制器からの前記無負荷誘起電圧に基づく指示に従い、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させる放電手段と、を備え、
前記回生電力抑制器は、
前記同期機の３相線にそれぞれ直列に接続され、出力側がともに接続される整流手段を備え、前記無負荷誘起電圧の値を検出する電圧検出手段と、両端の一方が前記整流手段の出力側に、他方が前記電力変換器に接続され、両端を短絡させることで前記同期機の線間を短絡させる短絡手段と、前記短絡手段と並列に接続され、前記電圧検出手段で検出した前記無負荷誘起電圧を入力し、前記無負荷誘起電圧の値に基づき、前記短絡手段の動作を制御する短絡制御手段と、を備え、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー蓄積手段の破壊電圧値未満である回生エネルギー抑制開始電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を開始し、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制開始電圧値より小さい回生エネルギー抑制終了電圧値になったときに前記回生エネルギーを抑制させる動作を終了するとともに、前記放電手段に前記無負荷誘起電圧に基づく指示を出し、前記回生電力抑制器の回生エネルギー抑制動作開始以後に前記放電手段を動作させ、
前記放電手段は、
前記無負荷誘起電圧の値に基づき、前記直流電源からの電力供給を遮断する開放手段と、前記回生エネルギー蓄積手段に蓄えられた前記回生エネルギーを消費させるための放電用抵抗と、前記無負荷誘起電圧の値に基づき、前記放電用抵抗と前記回生エネルギー蓄積手段とを接続する回路の開閉を行う放電用スイッチング手段と、を備え、前記直流電源と並列に接続され、前記無負荷誘起電圧が、前記回生エネルギー抑制開始電圧値から前記電力変換器が動作可能となる電力変換器動作可能電圧値まで推移する間、前記直流電源からの電力供給を遮断するとともに、前記無負荷誘起電圧が前記回生エネルギー抑制終了電圧値から前記電力変換器動作可能電圧値まで推移する間、前記回生エネルギー蓄積手段を放電させ、
かつ、前記短絡制御手段は、
前記無負荷誘起電圧値を入力し、前記無負荷誘起電圧値と前記回生エネルギー抑制開始電圧値とを比較する第一の比較手段と、前記無負荷誘起電圧値と前記回生エネルギー抑制終了電圧値とを比較する第二の比較手段と、前記無負荷誘起電圧値と前記電力変換器動作可能電圧値とを比較する第三の比較手段と、前記第一の比較手段のオン出力を保持するラッチ手段と、前記第一の比較手段の出力と前記第二の比較手段の出力との論理積を演算する第一の論理積演算手段と、前記第一の比較手段の出力と前記第二の比較手段の出力の反転と前記第三の比較手段の出力との論理積を演算する第二の論理積演算手段と、を備え、前記開放手段の動作を制御するために、前記第一の比較手段の出力を前記開放手段へ出力し、前記短絡手段の動作を制御するために、前記第一の論理積演算手段の出力を前記短絡手段へ出力し、前記放電用スイッチング手段の動作を制御するために、前記第二の論理積演算手段の出力を前記放電用スイッチング手段へ出力するとともに、前記第三の比較手段の出力に基づき前記ラッチ手段の保持を解除すること、
を特徴とする過電圧保護装置。