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JP5145124B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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JP5145124B2 JP2008150916A JP2008150916A JP5145124B2 JP 5145124 B2 JP5145124 B2 JP 5145124B2 JP 2008150916 A JP2008150916 A JP 2008150916A JP 2008150916 A JP2008150916 A JP 2008150916A JP 5145124 B2 JP5145124 B2 JP 5145124B2
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Description

本発明は、多重型の電力変換装置に関する。
例えば、大容量のファン、ポンプ、ブロワ等を駆動する大電力電動機を可変速で駆動する場合、複数のスイッチング素子によりブリッジ回路を形成してなるインバータ回路からなる1つのセルユニットを複数個直列に接続して、高電圧化する多重型の電力変換装置が用いられている。しかし、装置の動作中にセルユニット内のスイッチング素子の1つが故障すると、故障したスイッチング素子を有するセルユニットは開放となり、セルユニットが直列接続されている装置の運転を継続することができなくなる。
このような問題を解決するものとして、例えば、特許文献1に記載される制御方法が知られている。これによれば、セルユニットのインバータ回路を構成するスイッチング素子の1つが開放故障した場合、開放故障したスイッチング素子に対応させて、他のスイッチング素子を強制的にオン又はオフさせて、電流をバイパスする経路を確保するようにしている。これにより、故障したセルユニットが開放となるのを防ぎ、装置の運転を継続することができる。
特開2004−357427号公報
しかし、特許文献1によれば、電流の向きやどのスイッチング素子が故障したかによって、強制的にオン又はオフさせるスイッチング素子が異なる。そのため、強制的にオン又はオフさせるスイッチング素子を特定するための制御回路が複雑になるので、装置の構成が煩雑になって、その分信頼性が低下することが懸念される。
本発明が解決しようとする課題は、セルユニットが故障しても、より簡便な構成の制御回路により運転を継続することにある。
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、入力交流を任意の電圧及び周波数に変換する複数のセルユニットの出力を直列接続してなり、各セルユニットは、入力交流を整流する整流回路と、単相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子とその各スイッチング素子に並列接続された還流ダイオードを有するインバータ回路を備えてなり、各セルユニットの各スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路を備えてなる電力変換装置において、各セルユニットは、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する開閉器と、当該セルユニットの故障を検出する故障検出回路とを備え、スイッチング制御回路は、故障検出回路の故障検出信号に従って当該セルユニットのスイッチング素子を全てオンにする指令を出力することを特徴とする。
すなわち、例えば、スイッチング素子が短絡故障したとき、短絡故障したインバータ回路のスイッチング素子が全てオンされるから、スイッチング素子と還流ダイオードを通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子が短絡故障しても形成される。一方、スイッチング素子が開放故障したときも同様に、開放故障したインバータ回路の、開放故障したスイッチング素子を除くスイッチング素子が全てオンされるから、オン状態のスイッチング素子と還流ダイオードを通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子が開放故障しても形成される。これにより、セルユニット内のインバータ回路のスイッチング素子が短絡又は開放故障しても電力変換装置の運転を継続することができる。なお、いずれの故障の場合でも、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子を全てオンにすることによる過電流により開閉器は開放され、入力交流は遮断される。このような電流パスが形成されるので、セルユニットをバイパスするための回路を設けることなく、また、故障したスイッチング素子を特定することなく、故障したセルユニット以外のセルユニットで電力変換装置の運転を継続することができる。
この場合において、入力交流は三相交流であり、直列接続されたセルユニット群を三相分備え、セルユニット群がスター結線されてなる電力変換システムを構成することもできる。
また、故障検出回路を、セルユニットの出力電圧を検出し、その出力電圧とセルユニットに予め設定された電圧(設定電圧)との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して故障検出信号を生成するように構成することもできる。セルユニットの故障には、上述したインバータ回路のスイッチング素子の故障に加え、整流回路及び還流ダイオードの故障があるが、これにより、いずれの故障でも検出することができる。いずれの故障が発生した場合でも、本発明により正負両方向の電流パスを形成することができる。
本発明によれば、セルユニットが故障しても、より簡便な構成の制御回路により運転を継続することができる。
以下、本発明の電力変換システム1の実施例を説明する。以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。
図1は、本実施例の電力変換システム1の構成図である。図1に示すように、電力変換システム1は、三相引込み線2と、多重変圧器4と、三相交流を任意の目標とする電圧及び周波数(本実施例では単相交流)に変換する複数(本実施例では15個)のセルユニット6と、負荷8とを備える。多重変圧器4は、複数(本実施例では15個)の2次巻線を有しており、1次巻線は三相引込み線2と接続され、2次巻線は各セルユニット6に接続されている。セルユニット6は、複数(本実施例では5個)の出力が直列接続されてセルユニット群10を構成する。セルユニット群10はU相、V相、W相の各相としてスター結線され、一端に負荷8を備える。
図2は、セルユニット6の構成図である。セルユニット6は、複数のダイオードをブリッジ接続してなる整流回路12と、整流回路12の出力に並列接続され、複数の平滑コンデンサを直列接続してなる平滑回路13と、単相ブリッジ接続されたスイッチング素子14a,14b,14c,14dと、各スイッチング素子14に並列接続された還流ダイオード18a,18b,18c,18dとを有し、平滑回路13の出力に並列接続されたインバータ回路19を備える。また、電力変換システム1は、スイッチング制御回路20を有しており、スイッチング制御回路20は、各セルユニット6のスイッチング素子14をオンオフ制御するようになっている。
ここで、セルユニット6における本実施例の特徴に係る構成について説明する。セルユニット6は、各相に接続され、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する複数(本実施例では3個)のヒューズ21と、セルユニット6の故障を検出する故障検出回路22とを備えている。ヒューズ21は、過電流が流れると開放するようになっている。故障検出回路22は、セルユニット6の出力電圧を検出し、その出力電圧とセルユニット6に予め設定された電圧との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して故障検出信号を生成し、スイッチング制御回路20に送信するようになっている。
このように構成される本実施例の動作について、図1,2を参照して説明する。三相引込み線2で引き込まれた三相交流は、多重変圧器4で所望の大きさの電圧にされ、各セルユニット6に供給される。供給された三相交流は、ヒューズ21を介して整流回路12に入力されて整流され、平滑回路13で平滑されて直流となり、インバータ回路19に流れる。インバータ回路19を制御するスイッチング制御回路20は、PWM制御により各スイッチング素子14をオンオフ制御して、インバータ回路19に流れた直流を単相交流に変換して出力する。出力された単相交流は負荷8に供給される。上述した動作が、スイッチング制御回路20の指令に基づいて各セルユニット6について行われる。このように、1つのセルユニット6から出力できる電圧の5倍の電圧をU,V,Wの各相から負荷8に供給できるようになっている。なお、本実施例では、要求される電力はセルユニット6の12個分であり、各相では4つのセルユニット6で定格出力できるが、通常は5つのセルユニット6で定格出力を維持している。スイッチング制御回路20は、1つのセルユニット6が故障すると、同相のその他の4つの正常なセルユニット6で定格出力できるように制御を切り換えるようになっている。
ここで、本実施例の特徴に係る動作について、図2乃至図4を参照して説明する。なお、図3は、スイッチング素子14aが短絡故障を起こした場合の電流パスの一例を示す回路図であり、図4は、スイッチング素子14aが開放故障を起こした場合の電流パスの一例を示す回路図である。
1つのセルユニット6が故障した場合、そのセルユニット6に備えられた故障検出回路22が故障を検出し、スイッチング制御回路20に故障検出信号を出力する。スイッチング制御回路20は、故障検出信号に従って、故障したセルユニット6のスイッチング素子14を全てオンにする指令を出力し続ける。これによって電流パスが形成され、インバータ回路19の出力が開放にならない。なお、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子を全てオンにすることによる過電流によりヒューズ21は開放されているので、故障したセルユニット6に多重変圧器4の電力は供給されない。
ここで、形成される電流パスの一例について、短絡故障と開放故障とに分けて説明する。なお、説明を簡略化するため電流パスを一例のみ示すが、電流パスは1つに限定されるものではない。スイッチング素子14aが短絡故障した場合、図3に示す電流パスが形成される。電流パスAは、端子24bから還流ダイオード18b、短絡しているスイッチング素子14aを経て端子24aに向かう流れである。また、電流パスBは、端子24aから還流ダイオード18a、オン状態のスイッチング素子14bを経て端子24bに向かう流れである。このように、端子24bから端子24a、端子24aから端子24bの正負両方向の電流に対応できる。また、いずれのスイッチング素子14が短絡故障を起こしても、複数のスイッチング素子14が短絡故障を起こしても、電流パスが形成される。
次に、スイッチング素子14aが開放故障した場合、図4に示す電流パスが形成される。電流パスCは、端子24bからオン状態のスイッチング素子14d、還流ダイオード18cを経て端子24aに向かう流れである。また、電流パスDは、端子24aからオン状態のスイッチング素子14c、還流ダイオード18dを経て端子24bに向かう流れである。このように、端子24bから端子24a、端子24aから端子24bの正負両方向の電流に対応できる。また、いずれのスイッチング素子14が開放故障を起こしても、電流パスが形成される。さらに、スイッチング素子14aとスイッチング素子14c又はスイッチング素子14bとスイッチング素子14dが開放故障を起こしても、電流パスが形成される。
さらに、整流回路12が故障した場合についても同様で、スイッチング素子14を全てオンにすることにより、正負両方向の電流パスが形成される。
また、還流ダイオード18が短絡故障した場合について、例えば、還流ダイオード18aが短絡故障したとすると、スイッチング素子14aが短絡故障した場合の図3と同様の電流パスが形成される。還流ダイオード18が開放故障した場合について、例えば、還流ダイオード18aが開放故障したとすると、スイッチング素子14aが開放故障した場合の図4と同様の電流パスが形成される。
スイッチング素子14aと還流ダイオード18aがともに短絡故障した場合、図3と同様の電流パスが形成される。また、スイッチング素子14aと還流ダイオード18aがともに開放故障した場合、図4と同様の電流パスが形成される。スイッチング素子14aが短絡故障、還流ダイオード18aが開放故障した場合、図3を参照すると電流パスは、端子24bから還流ダイオード18b、短絡しているスイッチング素子14aを経て端子24aに向かう流れである。一方の電流パスは、端子24aからオン状態のスイッチング素子14c,還流ダイオード18dを経て端子24bに向かう流れである。スイッチング素子14aが開放故障、還流ダイオード18aが短絡故障した場合は、図4と同様の電流パスが形成される。
以上説明したように、スイッチング素子14が短絡故障したとき、短絡故障したインバータ回路19のスイッチング素子14が全てオンされるから、スイッチング素子14と還流ダイオード18を通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子14が短絡故障しても形成され、また、複数のスイッチング素子14が短絡故障しても形成される。一方、スイッチング素子14が開放故障したときも同様に、開放故障したインバータ回路19の開放故障したスイッチング素子を除くスイッチング素子14が全てオンされるから、オン状態のスイッチング素子14と還流ダイオード18を通る正負両方向の電流パスが形成される。電流パスは、いずれのスイッチング素子14が開放故障しても形成され、また、複数のスイッチング素子14が開放故障しても形成される。これにより、セルユニット6内のインバータ回路19のスイッチング素子14が短絡又は開放故障しても電力変換システム1の運転を継続することができる。なお、いずれの故障の場合でも、故障による過電流か、あるいは、スイッチング素子14を全てオンにすることによる過電流によりヒューズ21は開放され、入力交流は遮断される。このような電流パスが形成されるので、セルユニット6をバイパスするための回路を設けることなく、また、故障したスイッチング素子を特定することなく、故障したセルユニット以外のセルユニットで電力変換システムの運転を継続することができる。
また、整流回路12及び還流ダイオード18の故障が発生した場合でも、本発明により正負両方向の電流パスを形成することができる。
以上、本実施例の電力変換システム1について説明したが、本発明は、この実施例に限らず適宜構成を変更して適用することができる。例えば、本実施例では、セルユニット6が故障した場合に備えて、各相5つのセルユニット6で定格出力を維持しているが、4個のセルユニット6により定格出力を行い、1個のセルユニット6を待機系としてもよい。この場合、待機系のセルユニット6は通常は稼動しておらず、その他のセルユニット6から出力された任意の電圧及び周波数を通すのみとなる。
また、本実施例において、同相のセルユニット6が2個故障すると、その相の出力はセルユニット6の3個分となる。この場合、その他の相の出力をセルユニット6の3個分にする制御を行うようにスイッチング制御回路20を構成し、各相の出力を均衡にして運転を継続させるようにすることもできる。
さらに、本実施例では、セルユニット6の出力から故障を検出しているが、整流回路12やインバータ回路19の出力の変化により、それぞれの回路の故障を検出するように構成してもよい。また、スイッチング素子14や還流ダイオード18の電圧の変化により、それぞれの素子の故障を検出するように構成してもよい。
本実施例の電力変換システムの構成図である。 セルユニットの構成図である。 スイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流パスを示す回路図の一例である。 スイッチング素子が開放故障を起こした場合の電流パスを示す回路図の一例である。
符号の説明
1 電力変換システム
2 三相引込み線
4 多重変圧器
6 セルユニット
8 負荷
10 セルユニット群
12 整流回路
13 平滑回路
14a,14b,14c,14d スイッチング素子
18a,18b,18c,18d 還流ダイオード
19 インバータ回路
20 スイッチング制御回路
21 ヒューズ
22 故障検出回路
24a,24b 端子

Claims (3)

  1. 入力交流を任意の電圧及び周波数に変換する複数のセルユニットの出力を直列接続してなり、前記各セルユニットは、前記入力交流を整流する整流回路と、単相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と該各スイッチング素子に並列接続された還流ダイオードを有するインバータ回路を備えてなり、前記各セルユニットの前記各スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路を備えてなる電力変換装置において、
    前記各セルユニットは、入力交流の過電流を検出して入力交流を遮断する開閉器と、当該セルユニットの故障を検出する故障検出回路とを備え、前記スイッチング制御回路は、前記故障検出回路の故障検出信号に従って当該セルユニットの前記スイッチング素子を全てオンにする指令を出力することを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1において、
    前記入力交流は三相交流であり、前記直列接続されたセルユニット群を三相分備え、前記セルユニット群は、スター結線されてなる電力変換システム。
  3. 請求項1において、
    前記故障検出回路は、前記セルユニットの出力電圧を検出し、該出力電圧と前記セルユニットに予め設定された電圧との偏差が設定値を超えたときに故障と判断して前記故障検出信号を生成してなる電力変換装置又は電力変換システム。
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