JP5875214B2

JP5875214B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP5875214B2
Application number: JP2010061028A
Authority: JP
Inventors: 哲雄飛田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: EP2416487A2; US20110248564A1; US8896149B2; EP2416487B1; JP2011199940A; EP2416487A3; CN102195493A; CN102195493B

Description

この発明は、共通の直流電源から給電され、互いに独立運転可能な複数組のインバータによって構成される電力変換システムに関する。

図４は、この種の電力変換装置の従来例を示す回路構成図である。

この図において、１は商用電源などの交流電源、２〜５は電力変換システム１０から給電される負荷としての交流電動機である。

図４に示した電力変換システム１０は、この電力変換システム１０全体の運転シーケンスを司る運転シーケンス回路１１と、主幹断路器１２と、電磁接触器１３と、ダイオードをブリッジ接続してなるコンバータ１４と、コンバータ１４の出力電圧を平滑する直流リアクトル１５と、複数組のインバータとしてのインバータユニット２０，３０，４０，５０とから構成されている。

このインバータユニット２０，３０，４０，５０それぞれは、コンバータ１４の出力電圧を平滑するための電解コンデンサなどからなるコンデンサ２３，３３，４３，５３と、このコンデンサ２３，３３，４３，５３それぞれへの突入電流を抑制する充電電流抑制抵抗２１，３１，４１，５１と、この充電電流抑制抵抗２１，３１，４１，５１にそれぞれ並列接続される電磁接触器２２，３２，４２，５２と、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）とダイオードの逆並列回路をブリッジ接続構成にして、所望の振幅・周波数の交流電圧を出力するインバータ回路２４，３４，４４，５４とから構成されている。

図４に示した電力変換システム１０により給電される交流電動機２〜５は、製鉄機械，
製紙機械における搬送ライン機器の駆動源などに供される。

特開２００７−１８１３３１号公報

図４に示した電力変換システム１０など、共通の直流電源から給電され、互いに独立運転可能な複数組のインバータによって構成される電力変換システムにおいては、例えば前記特許文献１に開示されているように、前記複数組のインバータの内の何れかが故障したときに、この故障に起因する不具合が他の健全なインバータに波及しないように、種々の対策が行われている。

また、前記複数組のインバータの内の何れかに故障が発生し、このインバータの動作が停止している状態になったときには、速やかに、正常動作が行えるインバータに交換できることが望まれる。

しかしながら、図４に示した従来の電力変換システム１０において、運転中のインバータユニット２０，３０，４０，５０の内の何れかに故障が発生し、このインバータユニットの動作が停止している状態になったときに、正常動作が行えるインバータユニットに交換する際には、次のように交換作業が行われる。先ず、運転シーケンス回路１１からの指令により、電磁接触器１３を開路すると共に、電力変換システム１０全体の動作を停止させ、その後、主幹断路器１２を開路した状態にして、故障したインバータユニットを切り離した後に正常なインバータユニットを接続する。

すなわち、従来の電力変換システム１０では、電力変換システム全体の動作を停止させるという問題点があり、特に対象機械が鉄鋼や製紙等のライン制御装置の場合には大変なロスが生じることになる。また、健全なインバータユニットを形成するコンデンサそれぞれに残っている電荷が十分に放電する時間が経過するのを待つ必要があるため、上述の交換作業に時間を要するという問題点もあった。

この発明の目的は、上記問題点を解消した電力変換システムを提供することにある。

この発明は、共通の直流電源から給電され、互いに独立運転可能な複数組のインバータユニットによって構成される電力変換システムにおいて、前記インバータユニットそれぞれを、前記直流電源からの出力電圧を平滑する主回路コンデンサと、この主回路コンデンサの突入電流を抑制する充電電流抑制用抵抗と、この充電電流抑制用抵抗に並列に接続されて充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチと、交流電圧を出力するインバータ回路とから構成し、前記直流電源と前記各インバータ回路とを、それぞれ第１スイッチ回路およびこの第１スイッチ回路に直列接続される前記充電電流抑制用抵抗を介して接続し、前記主回路コンデンサの前記充電電流抑制用抵抗と接続された端子と反対側の端子と前記充電電流抑制用抵抗の前記主回路コンデンサと接続された端子と反対側の端子との間に第２スイッチ回路を接続して構成し、前記インバータユニットを前記直流電源から切り離す際に、前記第１スイッチ回路と前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチとを開路したうえで、前記第２スイッチ回路を閉路して前記主回路コンデンサの電荷を放電し、この主回路コンデンサの電圧が第１所定電圧Ｖ _L以下であれば前記インバータユニットが取り外せる状態であることを報知する運転シーケンス回路を設けたことを特徴とする。

また、上記において、前記直流電源に接続した前記インバータユニットを起動する際に、前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチを開路した状態で前記第１スイッチ回路を閉路し、前記主回路コンデンサの回路を充電し、この主回路コンデンサの電圧が第２所定電圧Ｖ _H以上に上昇したところで、前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチを閉路して前記各インバータユニットの起動信号をオンにする運転シーケンス回路を設けたことを特徴とする。

さらに、上記において、前記運転シーケンス回路が、検出された前記主回路コンデンサの電圧を予め設定した前記第１所定電圧Ｖ _Lと比較することにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第１所定電圧Ｖ _Lに達したことを検知する手段、又は前記第２スイッチ回路を閉路してからの時間が第１所定時間に達したことにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第１所定電圧Ｖ _L に達したことを検知する手段のいずれか一方を備えることを特徴とする。
また、上記において、前記運転シーケンス回路が、検出された前記主回路コンデンサの電圧を予め設定した前記第２所定電圧Ｖ _H と比較することにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第２所定電圧Ｖ _H に達したことを検知する手段、又は前記第１スイッチ回路を閉路してからの時間が第２所定時間に達したことにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第２所定電圧Ｖ _Hに達したことを検知する手段のいずれか一方を備えることを特徴とする。

この発明によれば、この種の電力変換システムにおいて、前記複数組のインバータの内の何れかが故障したときに、この電力変換システム全体を停止すること無く、安全かつ速やかに、正常動作が行えるインバータに交換することができる。

この発明の実施例を示す電力変換システムの回路構成図図１の動作を説明するフローチャート図１の動作を説明するフローチャート従来例を示す電力変換システムの回路構成図

図１は、この発明の実施例を示す電力変換システムの回路構成図であり、この図において、図４に示した従来例構成と同一機能を有するものには、同一符号を付している。

すなわち、図１に示した電力変換システム６０には従来の運転シーケンス回路１１に代えて、運転シーケンス回路６１が備えられ、また、前記第１スイッチ回路を形成する断路器２５、３５，４５，５５および電磁接触器２６，３６，４６，５６と、後述の如く前記第２スイッチ回路の一部を形成する電磁接触器２７，３７，４７，５７とが追加装備されている。なお、インバータユニット２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａは、コンデンサ２３，３３，４３，５３それぞれの負電位側に端子を備えており、この負電位側端子に接続された接続線の他端が外部に引き出され、電磁接触器２７，３７，４７，５７にそれぞれ接続されている。

図１に示したこの発明の電力変換システム６０において、正常運転中は、主幹断路器１２、電磁接触器１３、断路器２５、３５，４５，５５、電磁接触器２６，３６，４６，５６、電磁接触器２２，３２，４２，５２は、それぞれ閉路状態となっている。

ただし、電源投入直後等のようにインバータユニット２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａのコンデンサ２３，３３，４３，５３に電荷が充電されていないときには、大きな突入電流が流れることになるので、インバータユニット２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａは次のように起動される。先ず、電磁接触器２２，３２，４２，５２を開路状態として、充電電流抑制抵抗２１，３１，４１，５１を介してコンデンサ２３，３３，４３，５３を充電することにより突入電流が流れるのを抑制する。その後、コンデンサ２３，３３，４３，５３の両端電圧が許容最低入力電圧Ｖ_H （第２所定電圧Ｖ _H ）以上になれば、電磁接触器２２，３２，４２，５２を閉路することにより充電電流抑制抵抗２１，３１，４１，５１を短絡して通常運転を行う。

正常運転中の電力変換システム６０において、運転中のインバータユニット２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａの内、例えば、インバータユニット２０ａに故障が発生し、このインバータユニットの動作が停止している状態になったときに、正常動作が行えるインバータユニットに交換する際の動作について、図２と図３に示すフローチャートを参照しつつ、以下に説明をする。

図２は、故障したインバータユニット２０ａを取り外す際の前処理動作を示すフローチャートである。

すなわち図２において、先ず、正常なインバータユニット３０ａ，４０ａ，５０ａにより運転中の電力変換システム６０は、通常は閉路状態になっている断路器２５を開路させて（ステップＳ１１）、コンバータ１４の出力電圧がインバータユニット２０ａに印加されない状態にする。

次に運転シーケンス回路６１からの指令により、電磁接触器２６を開路状態にする（ステップＳ１２）と共に、電磁接触器２２を開路状態にする（ステップＳ１３）。

次に運転シーケンス回路６１からの指令により、通常は開路状態になっている電磁接触器２７を閉路させることにより（ステップＳ１４）、コンデンサ２３の正電位→充電電流抑制抵抗２１→電磁接触器２７の接点→コンデンサ２３の負電位の経路で、前記第２スイッチ回路（コンデンサ２３の放電回路）を形成させる。

次に運転シーケンス回路６１からの指令により、上述の経路によって、コンデンサ２３に残っている電荷が徐々に放電しているときのコンデンサ２３の両端電圧を計測し（ステップＳ１５）、この計測した両端電圧が、予め設定され、安全に交換作業が行える電圧Ｖ_L （第１所定電圧Ｖ _L ）以下に低下したかを監視し（ステップＳ１６）、この電圧Ｖ_Lを超えていれば、ステップＳ１５に戻る。また、前記電圧Ｖ_L以下であれば、コンデンサ２３の両端電圧が十分に減衰したとして、ステップＳ１７に移り、外部にインバータユニット２０ａが取り外せる状態になっていることを知らせる。

以上のフローチャートにより、正常なインバータユニット３０ａ，４０ａ，５０ａにより運転中の電力変換システム６０を停止させることなく、安全に、故障したインバータユニット２０ａを取り外すことができる。その際、インバータユニット２０ａが通常有している充電電流抑制抵抗２１を利用してコンデンサ２３の電荷を強制放電させることにより、放電時間を短縮して交換作業に要する時間を短縮することができる。

なお、図２に示したステップＳ１５とステップＳ１６の機能は、コンデンサ２３の両端電圧が前記電圧Ｖ_L以下になる迄を時限（第１所定時間）とするタイマ動作に置き換えることが可能であり、このときには、比較的高価な直流電圧検出器の設置を省略することができる。

図３は、故障したインバータユニット２０ａを取り外した後、健全なインバータユニットを再接続し、このインバータユニットが運転動作を開始する際の前処理を示すフローチャートである。

すなわち図３において、正常動作をするインバータユニット２０ａが再接続された後、運転シーケンス回路６１からの指令により、電磁接触器２２，２６，２７それぞれを開路状態にして（ステップＳ２１）、いきなり、コンバータ１４の出力電圧がインバータユニット２０ａに印加されない状態にする。

次に、断路器２５を閉路状態にし（ステップＳ２２）、運転シーケンス回路６１からの指令により、電磁接触器２６を閉路することにより（ステップＳ２３）、充電電流抑制抵抗２１を介してコンデンサ２３にコンバータ１４の出力電圧が印加される。

次に運転シーケンス回路６１からの指令により、上述の電圧印加動作によって、コンデンサ２３が徐々に充電されているときのコンデンサ２３の両端電圧を計測し（ステップＳ２４）、計測した両端電圧が、予め設定され、インバータユニット２０ａの許容最低入力電圧Ｖ_H以上になっているかを監視し（ステップＳ２５）、この電圧Ｖ_H未満であれば、ステップＳ２４に戻る。また、前記電圧Ｖ_H以上であれば、コンデンサ２３の両端電圧が十分に上昇したとして、ステップＳ２６に移り、電磁接触器２２を閉路することにより充電電流抑制抵抗２１を短絡して、インバータユニット２０ａに正常な直流電圧を印加される状態にする。

次に運転シーケンス回路６１からの指令により、インバータユニット２０ａを形成するインバータ回路２４に起動信号を与えることにより（ステップＳ２７）、この電力変換システム６０は、通常運転状態に復旧する。

なお、図３に示したステップＳ２４とステップＳ２５の機能は、コンデンサ２３の両端電圧が前記電圧Ｖ_H以上になる迄を時限（第２所定時間）とするタイマ動作に置き換えることが可能であり、このときには、比較的高価な直流電圧検出器の設置を省略することができる。

１…交流電源、２〜５…交流電動機、１０…電力変換システム、１１…運転シーケンス回路、１２…主幹断路器、１３…電磁接触器、１４…コンバータ、１５…直流リアクトル、２０，３０，４０，５０…インバータユニット、２１，３１，４１，５１…充電電流制限抵抗、２２，３２，４２，５２…電磁接触器、２３，３３，４３，５３…コンデンサ、２４，３４，４４，５４…インバータ回路、２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ…インバータユニット、２５，３５，４５，５５…断路器、２６，２７，３６，３７，４６，４７，５６，５７…電磁接触器、６０…電力変換システム、６１…運転シーケンス回路。

Claims

共通の直流電源から給電され、互いに独立運転可能な複数組のインバータユニットによって構成される電力変換システムにおいて、
前記インバータユニットそれぞれを、前記直流電源からの出力電圧を平滑する主回路コンデンサと、この主回路コンデンサの突入電流を抑制する充電電流抑制用抵抗と、この充電電流抑制用抵抗に並列に接続されて充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチと、交流電圧を出力するインバータ回路とから構成し、前記直流電源と前記各インバータ回路とを、それぞれ第１スイッチ回路およびこの第１スイッチ回路に直列接続される前記充電電流抑制用抵抗を介して接続し、前記主回路コンデンサの前記充電電流抑制用抵抗と接続された端子と反対側の端子と前記充電電流抑制用抵抗の前記主回路コンデンサと接続された端子と反対側の端子との間に第２スイッチ回路を接続して構成し、前記インバータユニットを前記直流電源から切り離す際に、前記第１スイッチ回路と前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチとを開路したうえで、前記第２スイッチ回路を閉路して前記主回路コンデンサの電荷を放電し、この主回路コンデンサの電圧が第１所定電圧Ｖ _L以下であれば前記インバータユニットが取り外せる状態であることを報知する運転シーケンス回路を設けたことを特徴とする電力変換システム。
請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
前記直流電源に接続した前記インバータユニットを起動する際に、前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチを開路した状態で前記第１スイッチ回路を閉路し、前記主回路コンデンサの回路を充電し、この主回路コンデンサの電圧が第２所定電圧Ｖ _H以上に上昇したところで、前記充電電流抑制用抵抗を短絡するスイッチを閉路して前記各インバータユニットの起動信号をオンにする運転シーケンス回路を設けたことを特徴とする電力変換システム。
請求項１又は２に記載の電力変換システムにおいて、
前記運転シーケンス回路が、検出された前記主回路コンデンサの電圧を予め設定した前記第１所定電圧Ｖ _Lと比較することにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第１所定電圧Ｖ _Lに達したことを検知する手段、又は前記第２スイッチ回路を閉路してからの時間が第１所定時間に達したことにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第１所定電圧Ｖ _L に達したことを検知する手段のいずれか一方を備えることを特徴とする電力変換システム。
請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
前記運転シーケンス回路が、検出された前記主回路コンデンサの電圧を予め設定した前記第２所定電圧Ｖ _H と比較することにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第２所定電圧Ｖ _H に達したことを検知する手段、又は前記第１スイッチ回路を閉路してからの時間が第２所定時間に達したことにより前記主回路コンデンサの電圧が前記第２所定電圧Ｖ _Hに達したことを検知する手段のいずれか一方を備えることを特徴とする電力変換システム。