JP5079363B2

JP5079363B2 - 半導体電力変換システム

Info

Publication number: JP5079363B2
Application number: JP2007077238A
Authority: JP
Inventors: 和則松本; 昌樹柳川
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: JP2008236993A

Description

本発明は、多重化された半導体電力変換装置のうち予備用の半導体電力変換装置のインバータ回路の健全性を確認可能な半導体電力変換システムに関する。

特許文献１には、複数台の無停電電源装置を並列接続して共通の負荷に給電する並列冗長化された無停電電源装置において、無停電電源装置のうちの点検を実施する無停電電源装置の出力開閉器を開放して、商用電源を出力する保守バイパス回路と点検する無停電電源装置を接続して運転を行い、その電圧差又は両者を流れる横流電流を測定することで動的健全性を確認することができる、と言う発明が開示されている。
特許第３７１２０６８号

前述の特許文献１にあっては、動的健全性を確認することができると言う効果が得られるものの、商用電源を出力する保守バイパス回路と点検する無停電電源装置を接続する必要がある。
そこで、本発明は、特別に点検を行うための装置を接続する必要がなく、全体の信頼性を向上させることができる半導体電力変換システムを提供することを目的とする。

請求項１に対応する発明は、複数台の半導体電力変換装置により冗長化し、前記各半導体電力変換装置のうち交流負荷の容量にあった台数を常用の半導体電力変換装置として前記交流負荷を駆動して、前記各半導体電力変換装置のうち残りの台数を予備用の半導体電力変換装置とし、前記各半導体電力変換装置は、いずれも同一構成であって、交流電源からの交流電力を入力遮断機構を介して直流電力に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路からの直流電力を交流電力に変換すると共に、この変換した交流電力を出力遮断機構を介して前記交流負荷に供給するインバータ回路と、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間の直流回路に接続され、かつ初期充電回路の動作により充電可能な直流コンデンサと、前記インバータ回路の出力交流電圧波形を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路で検出した電圧波形の１周期中の最大値及び最小値の差から電圧リプルを検出するリプル検出回路と、前記リプル検出回路で検出した検出出力が電圧異常検出レベル以上のとき異常と判定する比較器と、前記比較器から異常判定信号が生じたとき前記コンバータ回路及び前記インバータ回路に対して運転停止指令を与える制御回路と、
を備えたものであり、前記常用及び前記予備用の半導体電力変換装置をいずれかに切替える切替回路とを具備した半導体電力変換システムであって、前記常用の半導体電力変換装置が正常なとき前記予備用の半導体電力変換装置の入力遮断機構及び出力遮断機構を開路状態とし、前記予備用の半導体電力変換装置の直流コンデンサを前記予備用の半導体電力変換装置の初期充電回路で充電し待機状態とし、かつ前記待機状態の直流コンデンサの放電電圧をインバータ回路に供給して交流電力に変換すると共に、前記予備用の半導体電力変換装置の電圧検出回路によって検出された電圧波形を、前記リプル検出回路で検出し、かつこのリプル検出値が前記電圧異常検出レベル以上かどうかを比較器で判定し、前記リプル検出値が前記電圧異常検出レベル以上となったとき前記予備用の半導体電力変換装置が異常と判定することを特徴とする半導体電力変換システムである。

請求項２に対応する発明は、複数台の半導体電力変換装置により冗長化し、前記各半導体電力変換装置のうち交流負荷の容量にあった台数を常用の半導体電力変換装置として前記交流負荷を駆動して、前記各半導体電力変換装置のうち残りの台数を予備用の半導体電力変換装置とし、前記各半導体電力変換装置は、いずれも同一構成であって、交流電源からの交流電力を入力遮断機構を介して直流電力に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路からの直流電力を交流電力に変換すると共に、この変換した交流電力を出力遮断機構を介して前記交流負荷に供給するインバータ回路と、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間の直流回路に接続され、かつ初期充電回路の動作により充電可能な直流コンデンサと、前記インバータ回路の入力直流電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路で検出した直流電流が電流異常検出レベル以上のとき異常と判定する比較器と、
前記比較器から異常判定信号が生じたとき前記コンバータ回路及び前記インバータ回路に対して運転停止指令を与える制御回路と、を備えたものであり、前記常用及び前記予備用の半導体電力変換装置をいずれかに切替える切替回路とを具備した半導体電力変換システムであって、前記常用の半導体電力変換装置が正常なとき前記予備用の半導体電力変換装置の入力遮断機構及び出力遮断機構を開路状態とし、前記予備用の半導体電力変換装置の直流コンデンサを前記予備用の半導体電力変換装置の初期充電回路で充電し待機状態とし、かつ前記待機状態の直流コンデンサの放電電圧をインバータ回路に供給して交流電力に変換すると共に、前記予備用の半導体電力変換装置の電流検出回路によって検出された直流電流が、前記電流異常検出レベル以上かどうかを比較器で判定し、前記直流電流検出値が前記電流異常検出レベル以上となったとき前記予備用の半導体電力変換装置が異常と判定することを特徴とする半導体電力変換システムである。

請求項３に対応する発明は、前記予備用の半導体電力変換装置の健全性点検を実施中に、前記常用の半導体電力変換装置が故障した場合に、健全性点検終了まで、前記切替回路により前記予備用の半導体電力変換装置に切替えることを禁止し、健全性点検で前記予備半導体電力変換装置が健全であることが確認できたことで、前記切替回路により前記予備半導体電力変換装置に切替えて運転することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体電力変換システムである。

本発明によれば、特別に点検を行うための装置を接続する必要がなく、全体の信頼性を向上させることができる半導体電力変換システムを提供できる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の半導体電力変換システムに係る第１の実施形態を説明するための構成図である。

第１の実施形態の前提として、常用の半導体電力変換装置８ａと、予備用の半導体電力変換装置８ｂが多重化され、これにより得られる電力を同一負荷例えば電動機７に供給可能に構成されている。

半導体電力変換装置８ａは、コンバータ回路１ａ、インバータ回路２ａ、直流コンデンサ３ａ、初期充電回路４ａ、入力遮断機構５ａ、出力遮断機構６ａを備えている。

半導体電力変換装置８ｂも半導体電力変換装置８ａと同様に、コンバータ回路１ｂ、インバータ回路２ｂ、直流コンデンサ３ｂ、初期充電回路４ｂ、入力遮断機構５ｂ、出力遮断機構６ｂを備えている。

さらに、半導体電力変換装置８ｂと半導体電力変換装置８ａとは別に、電力変換装置８ａ及び８ｂの状態に応じてこれらの運転状態を切替える切替回路１７を備えている。

コンバータ回路１ａには交流電源例えば商用電源９からの交流電力が入力遮断機構５ａを介して供給され、ここで直流電力に変換される。インバータ回路２ａには、コンバータ回路１ａより得られる直流電力を入力し、ここで任意の周波数の交流電力に変換され、出力遮断機構６ａを介して電動機７に可変周波数の交流電力が供給される。

コンバータ回路１ａとインバータ回路２ａの間には、平滑用の直流コンデンサ３ａが接続される。常用半導体電力変換装置８ａの直流コンデンサ３ａは、初期充電回路４ａにより、常用半導体電力変換装置８ａの運転まで初期充電される。

半導体電力変換装置８ｂの直流コンデンサ３ｂは、初期充電回路４ｂにより初期充電され、常用半導体電力変換装置８ａに異常があり半導体電力変換装置８ｂの運転を開始するまで初期充電を継続する。

通常時は、入力遮断機構５ａ及び出力遮断機構６ａが投入され、入力遮断機構５ｂ及び出力遮断機構６ｂは遮断状態にあり、半導体電力変換装置８ａからの交流電力により電動機７は駆動されている。

しかしながら、半導体電力変換装置８ａに異常があった場合は、切替回路１７は入力遮断機構５ａ及び出力遮断機構６ａを遮断し、かつ入力遮断機構５ｂ及び出力遮断機構６ｂを投入し、これにより半導体電力変換装置８ａから半導体電力変換装置８ｂに接続を切替て、半導体電力変換装置８ｂからの交流電力により電動機７は駆動される。

以上述べたことは、第１の実施形態の前提であるが、これ以外に電力変換装置８ａには、電圧検出回路１０ａ、リプル検出回路１１ａ、電圧異常検出レベル設定器１３ａ、制御回路１８ａを備えている。

また、電力変換装置８ｂには、電圧検出回路１０ｂ、リプル検出回路１１ｂ、電圧異常検出レベル設定器１３ｂ、制御回路１８ｂを備えている。

電圧検出回路１０ａは、インバータ回路２の出力交流電圧波形を検出する。リプル検出回路１１ａは、電圧検出回路１０ａで検出した電圧波形からリプルを検出するもので、具体的には
運転周波数の１周期中の出力電圧の最大値と最小値の差から電圧リプルを検出する。

比較器１３ａは、リプル検出回路１１ａの検出出力と、電圧異常検出レベル設定器１２ａで設定された電圧異常検出レベルとを比較する。制御回路１８ａは、比較器１３ａからの比較出力、すなわちリプル検出回路１１ａの出力が前記電圧異常検出レベル以上ならば、半導体電力変換装置８ａは異常と判断し、コンバータ回路１ａ及びインバータ回路２ａに対して指令を与える。

比較器１３ｂは、リプル検出回路１１ｂの検出出力と、電圧異常検出レベル設定器１２ｂで設定された電圧異常検出レベルとを比較する。制御回路１８ｂは、比較器１３ｂからの比較出力、すなわちリプル検出回路１１ｂの出力が前記電圧異常検出レベル以上ならば、半導体電力変換装置８ｂは異常と判断し、コンバータ回路１ｂ及びインバータ回路２ｂに対して指令を与える。

このような構成のものにおいて、商用電源９からの交流電力が入力遮断機構５ａを介してコンバータ回路１ａにより直流電力に変換され、この直流電力はインバータ回路２ａにより任意の周波数の交流電力に変換され、出力遮断機構６ａを介して電動機７に可変周波数の交流電力が供給される。

半導体電力変換装置８ａが運転中、半導体電力変換装置８ｂは初期充電回路４ｂで直流コンデンサ３ｂを充電して待機している。

入力遮断機構５ｂ及び出力遮断機構６ｂを開放した状態で、半導体電力変換装置８ｂを運転すると、インバータ回路２ｂの出力端に電圧が発生する。インバータ回路２ｂが正常ならば、出力電圧検出回路１０で出力される出力電圧は３相とも同じ波形となる。

ところが、インバータ回路２ｂを構成している半導体素子がオフ固着又はオン固着で損傷している場合には、異常な相の電圧波形が歪みリプルは大きくなる。そのため、リプル検出回路１１ｂで運転周波数の１周期中の出力電圧の最大値と最小値の差から電圧リプルを検出して、比較器１３ｂでリプル検出回路１１ｂの出力と電圧異常検出レベル１２ｂと比較して、リプル検出回路１１ｂの出力が電圧異常検出レベル以上ならば、半導体電力変換装置８ｂは異常と判断する。

以上述べた第１の実施形態によれば、特許文献１のように特別に点検を行うための装置を接続する必要がなく、全体の信頼性を向上させることができる半導体電力変換システムを提供できる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の半導体電力変換システムに係る第２の実施形態を説明するための構成図である。図２において、予備用の半導体電力変換装置８ｂの入出力遮断機構５は開放した状態で、運転を行い、半導体電力変換装置８ｂのインバータ回路２ｂの直流電流を検出する電流検出手段例えば電流検出回路１４ｂと、電流検出回路１４ｂによって検出された電流の大きさに基づいて、半導体電力変換装置８ｂの健全性点検を行うように構成したものである。

具体的には、図２に示すように常用の半導体電力変換装置８ａのインバータ回路２ａの直流電流を検出する電流検出回路１４ａと、電流検出回路１４ａで検出した電流の大きさと電流異常検出レベル設定器１５ａの電流異常検出レベルを比較器１３ａで比較するようにする。比較器１３ａで比較した結果、直流電流検出値が電流異常検出レベル以上ならば、半導体電力変換装置８ａは異常と判断する。

また、予備用の半導体電力変換装置８ｂのインバータ回路２ｂの直流電流を検出する電流検出回路１４ｂと、電流検出回路１４ｂで検出した電流の大きさと電流異常検出レベル設定器１５ｂの電流異常検出レベルを比較器１３ｂで比較するようにする。比較器１３ｂで比較した結果、直流電流検出値が電流異常検出レベル以上ならば、半導体電力変換装置８ｂは異常と判断する。

図２の実施形態では、このように構成すると共に、図１の実施形態で設けた電圧検出回路１０ａ、１０ｂ、リプル検出回路１１ａ、１１ｂ、電圧異常検出レベル設定器１２ａ、１２ｂを省略したものである。
このような構成のものにおいて、常用の半導体電力変換装置８ａが運転中、予備用の半導体電力変換装置８ｂは初期充電回路４ｂで直流コンデンサ３ｂを充電して待機している。入力遮断機構５ｂ及び出力遮断機構６ｂを開放した状態で、半導体電力変換装置８ｂを運転すると、インバータ回路２ｂの出力端に電圧が発生する。インバータ回路２ｂが正常ならば、直流電流検出回路１４ｂの電流値は０であるが、ゲートがオン固着又は、インバータ回路２ａ、２ｂを構成している半導体素子が短絡している場合には、直流電流が流れる。そのため、比較器１３ｂで、直流電流検出回路１４ｂの出力と電流異常検出レベル設定器１５ｂの電流異常検出レベルを比較して、直流電流検出回路１４の出力が電流異常検出レベル以上ならば、予備半導体電力変換装置８ｂは異常と判断する。

この結果、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。

（第３の実施形態）
図３は本発明の半導体電力変換システムに係る第３の実施形態を説明するための構成図である。図３の実施形態は、概略次のようにしたものである。すなわち、予備用の半導体電力変換装置８ｂの健全性点検を実施中に、常用の半導体電力変換装置８ａが故障した場合に、健全性点検終了まで、制御回路１８ｂが切替回路１７ａにより半導体電力変換装置８ｂに切替えることを禁止し、健全性点検で半導体電力変換装置８ｂが健全であることが確認できたことで、制御回路１８ｂが切替回路１７ａにより半導体電力変換装置８ｂに切替えて運転するように構成したものである。

具体的には、図２の実施形態に制御回路１８ａ、１８ｂを追加し、制御回路１８ａには比較器１３ａの出力を取り込み、制御回路１８ａの出力を切替回路１７ａに与え、また制御回路１８ｂには比較器１３ｂの出力を取り込み、制御回路１８ｂの出力を切替回路１７ａに与えるようにしたものである。これ以外の構成は、図２と同一である。

このような構成において、健全性点検中は、予備半導体電力変換装置８ｂの制御回路１８ｂが切替回路１７ａに点検中信号１６ｂをセットして、常用半導体電力変換装置８ａが故障しても、予備半導体電力変換装置８ｂに切替えることを禁止する。健全性点検が終了すると、予備半導体電力変換装置８ｂの制御回路１８ｂが切替回路１７ａに点検中信号１６ｂをリセットして、予備半導体電力変換装置８ｂに切替える。そして、常用半導体電力変換装置８ａの制御回路１８ａが点検中信号１６ａをセットして、故障が復旧するまで切替を禁止する。
この結果、図２の実施形態と同様な作用効果が得られる。

図３の実施形態の考え方を、図１の実施形態に組合わせることができる。

本発明の半導体電力変換システムの第１の実施形態を説明するための構成図。本発明の半導体電力変換システムの第２の実施形態を説明するための構成図。本発明の半導体電力変換システムの第３の実施形態を説明するための構成図。

符号の説明

１ａ、１ｂ…コンバータ回路、２ａ、２ｂ…インバータ回路、３ａ、３ｂ…コンデンサ、４ａ、４ｂ…初期充電回路、５ａ、５ｂ…入力遮断機構、６ａ、６ｂ…出力遮断機構、７…電動機、８ａ…常用の半導体電力変換装置、８ｂ…予備用の半導体電力変換装置、１０ａ、１０ｂ…出力電圧検出回路、１１ａ、１１ｂ…リプル検出回路、１２ａ、１２ｂ…電圧異常検出レベル設定器、１３ａ、１３ｂ…比較器、１４ａ、１４ｂ…直流電流検出回路、１５ａ、１５ｂ…電流異常検出レベル設定器、１７、１７ａ…切替回路、１８ａ、１８ｂ…制御回路。

Claims

複数台の半導体電力変換装置により冗長化し、前記各半導体電力変換装置のうち交流負荷の容量にあった台数を常用の半導体電力変換装置として前記交流負荷を駆動して、前記各半導体電力変換装置のうち残りの台数を予備用の半導体電力変換装置とし、
前記各半導体電力変換装置は、いずれも同一構成であって、
交流電源からの交流電力を入力遮断機構を介して直流電力に変換するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路からの直流電力を交流電力に変換すると共に、この変換した交流電力を出力遮断機構を介して前記交流負荷に供給するインバータ回路と、
前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間の直流回路に接続され、かつ初期充電回路の動作により充電可能な直流コンデンサと、
前記インバータ回路の出力交流電圧波形を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路で検出した電圧波形の１周期中の最大値及び最小値の差から電圧リプルを検出するリプル検出回路と、
前記リプル検出回路で検出した検出出力が電圧異常検出レベル以上のとき異常と判定する比較器と、
前記比較器から異常判定信号が生じたとき前記コンバータ回路及び前記インバータ回路に対して運転停止指令を与える制御回路と、
を備えたものであり、
前記常用及び前記予備用の半導体電力変換装置をいずれかに切替える切替回路とを具備した半導体電力変換システムであって、
前記常用の半導体電力変換装置が正常なとき前記予備用の半導体電力変換装置の入力遮断機構及び出力遮断機構を開路状態とし、前記予備用の半導体電力変換装置の直流コンデンサを前記予備用の半導体電力変換装置の初期充電回路で充電し待機状態とし、かつ前記待機状態の直流コンデンサの放電電圧をインバータ回路に供給して交流電力に変換すると共に、前記予備用の半導体電力変換装置の電圧検出回路によって検出された電圧波形を、前記リプル検出回路で検出し、かつこのリプル検出値が前記電圧異常検出レベル以上かどうかを比較器で判定し、前記リプル検出値が前記電圧異常検出レベル以上となったとき前記予備用の半導体電力変換装置が異常と判定することを特徴とする半導体電力変換システム。
複数台の半導体電力変換装置により冗長化し、前記各半導体電力変換装置のうち交流負荷の容量にあった台数を常用の半導体電力変換装置として前記交流負荷を駆動して、前記各半導体電力変換装置のうち残りの台数を予備用の半導体電力変換装置とし、
前記各半導体電力変換装置は、いずれも同一構成であって、
交流電源からの交流電力を入力遮断機構を介して直流電力に変換するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路からの直流電力を交流電力に変換すると共に、この変換した交流電力を出力遮断機構を介して前記交流負荷に供給するインバータ回路と、
前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間の直流回路に接続され、かつ初期充電回路の動作により充電可能な直流コンデンサと、
前記インバータ回路の入力直流電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路で検出した直流電流が電流異常検出レベル以上のとき異常と判定する比較器と、
前記比較器から異常判定信号が生じたとき前記コンバータ回路及び前記インバータ回路に対して運転停止指令を与える制御回路と、
を備えたものであり、
前記常用及び前記予備用の半導体電力変換装置をいずれかに切替える切替回路とを具備した半導体電力変換システムであって、
前記常用の半導体電力変換装置が正常なとき前記予備用の半導体電力変換装置の入力遮断機構及び出力遮断機構を開路状態とし、前記予備用の半導体電力変換装置の直流コンデンサを前記予備用の半導体電力変換装置の初期充電回路で充電し待機状態とし、かつ前記待機状態の直流コンデンサの放電電圧をインバータ回路に供給して交流電力に変換すると共に、前記予備用の半導体電力変換装置の電流検出回路によって検出された直流電流が、前記電流異常検出レベル以上かどうかを比較器で判定し、前記直流電流検出値が前記電流異常検出レベル以上となったとき前記予備用の半導体電力変換装置が異常と判定することを特徴とする半導体電力変換システム。
前記予備用の半導体電力変換装置の健全性点検を実施中に、前記常用の半導体電力変換装置が故障した場合に、健全性点検終了まで、前記切替回路により前記予備用の半導体電力変換装置に切替えることを禁止し、健全性点検で前記予備半導体電力変換装置が健全であることが確認できたことで、前記切替回路により前記予備半導体電力変換装置に切替えて運転することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体電力変換システム。