交流交流電力変換器
【課題】専用の検出回路を用いずに電力変換器の入出力端子が逆接続されていることを正確に検出して異常時の原因究明を容易にし、スイッチング素子等の保護を図る。逆接続状態のままで支障なく運転可能とする。
【解決手段】マトリクスコンバータ３等の電力変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段１１と、正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段１２と、両検出手段１１，１２により検出した電圧情報を用いて、マトリクスコンバータ３の逆接続状態を検知する逆接続検知手段１３と、逆接続状態を検知した際に、正常接続時におけるスイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段１４とを備える。
【解決手段】マトリクスコンバータ３等の電力変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段１１と、正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段１２と、両検出手段１１，１２により検出した電圧情報を用いて、マトリクスコンバータ３の逆接続状態を検知する逆接続検知手段１３と、逆接続状態を検知した際に、正常接続時におけるスイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段１４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から任意の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する交流交流電力変換器において、変換器の入出力端子を誤って逆に接続した場合にこの逆接続状態を速やかに検知すると共に、逆接続状態のままで正常接続時と同様の運転を可能とした電力変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流交流電力変換器の一例として、図１２に示すようなマトリクスコンバータ３が知られている。
マトリクスコンバータは、交流電源電圧から大型のエネルギーバッファを介さずに、任意の大きさ及び周波数の交流電圧を直接得ることができる電力変換器であり、長寿命、省スペースであって入力電流が制御できるために電力回生可能であり、電源高調波を抑制できる等の特徴がある。なお、図１２において、１は三相交流電源、Ｓｍｎはマトリクスコンバータ３を構成するスイッチとして、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を備えた双方向スイッチ、Ｒ，Ｓ，Ｔは電源１側の入力端子、Ｕ，Ｖ，Ｗは負荷側の出力端子である。
【０００３】
一方、エネルギーバッファを有する電力変換器として、整流器とインバータとを有する交流交流電力変換器（以下、インバータ装置という）がある。この場合、整流器としては、ダイオードブリッジやＰＷＭ整流器が使用されている。
図１３は、エネルギーバッファとしての大型の電解コンデンサ２２、ダイオードブリッジからなる整流器２４及びインバータ２３を備えたインバータ装置を示している。このインバータ装置は、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに加えられた交流電源電圧を整流器２４により整流して電解コンデンサ２２に蓄積し、電解コンデンサ２２の直流電圧をインバータ２３により任意の大きさ、周波数の交流電圧に変換している。
【０００４】
ところで、マトリクスコンバータもインバータ装置も、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとを誤って逆に接続して運転すると、半導体素子が破壊され、装置の故障を引き起こす。以下、故障する原理について説明する。
【０００５】
図１３はインバータ装置における誤接続時の電流経路、図１４はマトリクスコンバータにおける誤接続時の電流経路を説明するための図である。
図１３において、交流電源を入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔではなく誤って出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続すると、インバータ装置では還流ダイオードを介して直流電圧が上昇する。通常、インバータ装置では直流電圧から制御装置の電源を供給することが多いため、この場合、制御装置は異常なく運転準備状態となり得る。
一方、マトリクスコンバータの場合には、別系統から制御装置の電源が供給されていれば、同様に運転準備状態となり得る。
【０００６】
このような状態で運転を開始すると、インバータ装置の場合、例えば図１３に矢印で示すようにＵ相及びＶ相の上アーム間に短絡経路が発生するようなスイッチングパターンが存在し、半導体スイッチング素子に大電流が流れて破壊を招く。これは、例えばＵ相の上下アームを同時にオンするようなスイッチングパターンは存在しないが、異なるアームのスイッチング素子相互間では任意のスイッチングパターンがあり得るため、短絡経路が形成される可能性があるからである。また、図１３に示す短絡経路以外にも、Ｕ相及びＷ相の上アーム間、Ｖ相及びＷ相の上アーム間、各相の下アーム間で短絡経路が形成されるスイッチングパターンが存在する。
マトリクスコンバータの場合もインバータ装置と同様に、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ同士を短絡するスイッチングパターンは存在しないが、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ同士を短絡するスイッチングパターンが存在するので、例えば図１４に矢印で示すような短絡経路が形成される。
この場合、電力変換器が過電流保護回路を有していたとしても、過電流保護回路は短絡が発生した後に動作するため、スイッチング素子の破壊を防ぐことはできない。
【０００７】
なお、特許文献１には、インバータ装置における入出力端子逆接続時の保護回路が開示されている。
この先行技術文献の請求項１に記載された従来技術は、交流電源が正常に印加されていることを検出する電源電圧検出回路を設け、その出力信号によりオンするインターロックスイッチと運転信号スイッチとのアンド条件によってインバータ部のスイッチング素子を駆動する駆動回路を動作させるものであり、インバータ装置の入出力端子逆接続時には、前記インターロックスイッチをオフさせることで駆動回路の動作を不能にし、インバータ部のスイッチング素子の遮断状態を維持して相間の短絡を防止するものである。
また、先行技術文献の請求項３〜６に記載された従来技術は、インバータ装置の直流電圧（平滑コンデンサの電圧）を所定値と比較する電圧比較回路を備え、入出力端子が逆接続されたことによって前記直流電圧が確立していない状態では制御装置の電源電圧が不足するため、この動作不能な制御装置によってスイッチング素子の遮断状態を維持することにより、相間の短絡を防止するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２６８７２２号公報（［００２１］，［００２２］，［００２５］〜［００２８］、図１，図３〜図６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１における請求項１の従来技術では、インバータ装置の入出力端子を逆接続した場合と電源電圧低下等による電源異常時との何れの場合にも、インターロックスイッチがオフして駆動回路の動作を不能にすることができるが、これによると逆接続状態を電源電圧異常と判別することができない。また、特許文献１における請求項３〜６の従来技術でも、制御装置の電源が別系統から供給されている場合には、同様に逆接続と電源電圧異常との判別が不可能である。
従って、人為的な誤接続か電源電圧異常かを判別するための原因究明に多くの時間や労力を要するという問題があり、逆接続を検出する専用の検出回路を別に設けるとすれば、装置のコスト上昇や大形化を招く原因となる。
【００１０】
一方、マトリクスコンバータ等の直接変換器やインバータ装置の主回路構成を考えれば、入出力端子が逆接続されていても、制御を正しく行えば装置の運転は可能である。しかるに上記従来技術では、そもそも逆接続と電源電圧異常との判別が不可能であるためインバータ装置の運転を停止せざるを得ないばかりか、装置の正常接続時における入力端電圧のみを検出し、出力端電圧（逆接続時の入力端電圧に相当する）を検出する構成を備えていないため、逆接続状態のままで電力変換器を運転することができない。
【００１１】
そこで本発明の解決課題は、専用の検出回路を要することなく電力変換器の入出力端子が逆接続されていることを正確に検出して異常時の原因究明を容易にし、スイッチング素子等の保護を可能にすると共に、逆接続状態のままで支障なく運転できるようにした交流交流電力変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段と、
前記入力端電圧検出手段及び出力端電圧検出手段により検出した電圧情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子を流れる交流電流を検出する入力端電流検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子を流れる交流電流を検出する出力端電流検出手段と、
前記入力端電流検出手段及び出力端電流検出手段により検出した電流情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、を備えたものである。
【００１４】
なお、請求項３〜８に記載するように、前記電圧情報、電流情報としては、交流電圧または交流電流の大きさ、周波数、位相を用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、入力端及び出力端の電圧、または入力端及び出力端の電流を検出するという容易に実現可能な手段により、電力変換器の入出力端子の接続状態を正確に検知することができ、入出力端子を誤って逆接続した場合でも、半導体スイッチング素子の駆動信号を適宜入れ替えることで正常接続時と同様の運転を行うことができる。
特に、電圧転流方式の交流交流直接変換器では、変換器を制御するために電圧情報を検出しているが、請求項１記載の発明によれば、接続状態の検知に用いる電圧検出手段と制御に用いる電圧検出手段とを兼用することが可能である。また、接続状態検知用の電圧情報は電圧の大きさ、周波数、位相の何れか一つを検出できればよいので、ほとんどの電力変換器に対して、最小限の回路を追加するだけでよい。すなわち、請求項１に記載した発明は、電圧転流方式の交流交流直接変換器に対して非常に有効であると言える。
同様の理由により、請求項２に記載した発明は、変換器の制御に電流検出を行っている電流転流方式の交流交流直接変換器に対して特に有効である。
【００１６】
また、交流交流電力変換器としてのインバータ装置に対しては、請求項１または２の発明のどちらを適用しても逆接続状態の検知及び運転が可能であるから、システム構成に応じて実現が容易な方法を選択すればよい。
いずれにしても、請求項１または２に記載した発明によれば、入出力端子を誤って逆に接続した場合でも、装置を破壊せずに正常に運転できるという高い信頼性を有するばかりでなく、最小限の回路を追加するだけで利便性に優れた安価な電力変換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は第１の発明に係る第１実施形態を示す構成図であり、本発明をマトリクスコンバータ３に適用した場合のものである。
図１において、双方向スイッチＳｍｎ群からなるマトリクスコンバータ３と三相交流電源１との間には、リアクトル及びコンデンサ等からなる入力フィルタ２が接続され、マトリクスコンバータ３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには負荷４が接続されている。
【００１８】
マトリクスコンバータ３の双方向スイッチＳｍｎをオンオフ制御するための制御装置１０Ａは、正規の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電圧を検出する入力端電圧検出手段１１と、正規の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧を検出する出力端電圧検出手段１２と、両検出手段１２，１３の出力に基づいて入出力端子の逆接続を検知する逆接続検知手段１３と、制御指令と共に検知手段１３の出力が加えられてマトリクスコンバータ３のスイッチングパターンを生成するマトリクスコンバータ制御手段１４とから構成されている。
【００１９】
マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ及び出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが正常に接続されている場合、制御装置１０Ａでは、入力端電圧検出手段１１による電圧検出値と制御指令とを用いてマトリクスコンバータ制御手段１４がスイッチングパターンを作成し、ゲートドライブ回路を介して双方向スイッチＳｍｎのオンオフを切り替えることにより所望の出力電圧を発生させている。
【００２０】
次に、マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔが負荷４側に接続され、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが三相交流電源１側に接続される逆接続状態において、正常接続時と同様の運転を行うためには、まず逆接続状態であることを正確に検知する必要がある。
逆接続状態は、入出力電圧の大きさ、周波数、位相の何れか一つに着目すれば検出可能であるが、ここでは入出力電圧の大きさ（振幅）を用いた逆接続状態の検知方法について説明する。
【００２１】
電力変換器の制御に入力電圧を使用する場合は、入力端電圧検出手段１１により制御用の電圧検出と逆接続検知用の電圧検出という二つの機能を兼ね備えることが可能であり、新たに電圧検出手段を追加する必要はない。一方、この実施形態では逆接続状態を検出するために新たに出力端電圧検出手段１２が必要になるが、これは比較的簡単な構成によって容易に実現可能である。
【００２２】
以下、本実施形態における逆接続状態の検知方法について説明する。
入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧ｖｒ，ｖｓ，ｖｔを交流２軸成分ｖα，ｖβにより表すと、数式１となる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
数式１から、入力電圧ベクトルの大きさ｜Ｖｉ｜を求めると数式２となる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、図２に示すように、マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔが負荷４に接続され、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが入力フィルタ２を介して三相交流電源１に接続される逆接続状態を考える。この場合、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧情報はゼロとなり、逆接続検知手段１３に設定された所定のしきい値（第１の異常検知規定値）を下回るため、入力電圧の低下が検出される。
しかしながら、このような入力端電圧の低下だけでは、図２のような逆接続によるものか、あるいは正常接続時における系統電圧の異常であるのかを判別することができない。そこで、本実施形態では、出力端電圧検出手段１２による検出電圧から入力端電圧の低下原因を判別し、逆接続を正確に検知するようにした。
【００２７】
すなわち、入力端電圧検出手段１１により検出された入力端電圧が第１の異常検知規定値を下回った場合、出力端電圧検出手段１２による検出電圧と第２の異常検知規定値との大小関係によって正常接続時における系統電圧の異常と逆接続とを判別することができる。つまり、正常接続時には出力端電圧検出手段１２による電圧情報がゼロとなり、第２の異常検知規定値を下回るが、逆接続時には出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１が接続されているため、出力端電圧検出手段１２による検出電圧が第２の異常検知規定値を下回ることはない。
【００２８】
従って、逆接続検知手段１３は、両検出手段１１，１２の出力に基づいて、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧が第１の異常検知規定値以下であり、かつ出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ側の電圧が第２の異常検知規定値以上である場合に、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとが誤って逆に接続されていることを検知可能であり、入力電圧が低下した原因を特定することができる。
なお、出力端電圧検出手段１２としては厳密な精度は必要ではなく、計器用変圧器及びコンパレータ等により構成できるため、複雑な追加回路は不要である。
【００２９】
図３は、逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートであり、入出力電圧の振幅から逆接続状態を検知する場合のものである。
各検出手段１１，１２により入力端及び出力端電圧を検出し（ステップＳ１，Ｓ２）、入力端電圧に関する数式２の電圧ベクトルの大きさが第１の異常検知規定値以上である場合（Ｓ３ ＮＯ）には、入出力端子が正常に接続されていると判断してマトリクスコンバータ３に運転許可を与え（Ｓ６）、運転待機状態へと移行する。
なお、ステップＳ１，Ｓ２における入力端及び出力端電流の検出処理は、後述する第３，第４実施形態に関するものである。
【００３０】
また、入力端電圧が第１の異常検知規定値未満であり（Ｓ３ ＹＥＳ）、かつ出力端電圧が第２の異常検知規定値未満である場合（Ｓ４ ＮＯ）は、系統電圧の低下による電源系統の異常と判断し（Ｓ７）、運転を停止させる。このように系統電圧の低下による電源異常の場合は、電圧が復帰すれば自動的に再起動を行うなどの処理が可能である。
【００３１】
一方、数式２の電圧ベクトルの大きさが第１の異常検知規定値未満であって出力端電圧が第２の異常検知規定値以上である場合（Ｓ４ ＹＥＳ）には、前述の如く逆接続と判断して逆接続フラグをオンし（Ｓ５）、図２のマトリクスコンバータ制御手段１４へ逆接続状態であることを示す信号を出力した上で、運転を許可する。なお、この逆接続時における運転方法については後述する。
【００３２】
次に、本実施形態において、入出力電圧の周波数または位相を検出することにより、逆接続状態を検知することも可能である。図４は、入出力電圧の周波数から逆接続状態を検知する場合の逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートである。
入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに電源１が正しく接続されている場合、入力端電圧検出手段１１により電源周波数が検出されるが、電圧低下などの電源異常が発生すると電源周波数と異なる周波数が検出される。
一方、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１を接続すると、入力端電圧検出手段１１により検出される電圧の周波数はゼロとなる。
【００３３】
そこで、図４のステップＳ１１において検出した入力端電圧の周波数が規定範囲内（例えば、電源周波数±１０％の範囲）であれば（Ｓ１３ ＮＯ）、正常に接続されていると判断し、運転許可を与える（Ｓ１６）。
また、入力端電圧周波数が規定値範囲外の場合（Ｓ１３ ＹＥＳ）には、正常接続時であって電源異常、または、逆接続状態の何れかであることが推定されるため、ステップＳ１２において検出した出力端電圧の周波数を参照する。この出力端周波数が規定範囲外であれば（Ｓ１４ ＮＯ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは電源１に接続されておらず、接続状態は正常であると考えられるので、電源系統の異常と判断し（Ｓ１７）、運転を停止させる。
更に、出力端電圧の周波数が規定範囲内であれば（Ｓ１４ ＹＥＳ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは電源１に接続されていると見なせるので、逆接続フラグをオンし（Ｓ１５）、後述する逆接続時の運転に移行する。
【００３４】
次に、図５は、入出力電圧の位相から逆接続状態を検知する場合の逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートである。
すなわち、電源１が接続されていない端子では電圧の位相変化がないことを利用し、入力端電圧の位相に変化がある場合は正常接続時と判断して運転を許可する（Ｓ２３ ＮＯ，Ｓ２６）。入力端電圧の位相変化がない場合であって出力端電圧の位相変化がない場合には（Ｓ２３ ＹＥＳ，Ｓ２４ ＮＯ）、正常接続時における電源系統の異常と判断して運転を停止させ（Ｓ２７）、出力端電圧の位相変化がある場合には（Ｓ２４ ＹＥＳ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１が接続されていると判断して逆接続フラグをオンし（Ｓ２５）、下記の逆接続時の運転に移行する。
【００３５】
次いで、マトリクスコンバータ３の逆接続状態における運転方法について説明する。
図６は、マトリクスコンバータ３の正常接続時の双方向スイッチの接続構成を示し、図７は逆接続時の双方向スイッチの接続構成を示している。これらの図において、入力端子Ｒと出力端子Ｕとを接続する双方向スイッチをＳｒｕと表記し、以下、同様に各スイッチを定義することとする。
【００３６】
図２におけるマトリクスコンバータ制御手段１４は、逆接続検知手段１３からの逆接続フラグによって逆接続を検出すると、マトリクスコンバータ３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを電源側端子としてＰＷＭパターン信号を演算し、得られたＰＷＭパターン信号を表１に従って入れ替える。例えば、正常接続時の双方向スイッチＳｒｕに与えるＰＷＭパターン信号１はそのまま逆接続時の双方向スイッチＳｒｕのＰＷＭパターン信号とし、正常接続時のＳｒｖに与えるＰＷＭパターン信号２は逆接続時のＳｓｕのＰＷＭパターン信号とし、以下同様に正常接続時のＳｒｗに与えるＰＷＭパターン信号３を逆接続時のＳｔｕに、正常接続時のＳｓｕに与えるＰＷＭパターン信号４を逆接続時のＳｒｖに、……というように入れ替える。
【００３７】
【表１】
【００３８】
これにより、図７の如く逆接続された状態でも、逆接続時の双方向スイッチＳｒｕには正常接続時の同ＳｒｕのＰＷＭパターン信号１がそのまま与えられ、逆接続時の双方向スイッチＳｓｕには正常接続時の同ＳｒｖのＰＷＭパターン信号２がそのまま与えられ、逆接続時の双方向スイッチＳｔｕには正常接続時の同ＳｒｗのＰＷＭパターン信号３がそのまま与えられ、……というように、実質的に図６の正常接続時と同様の接続状態を得ることができる。
従って、マトリクスコンバータ３が逆接続されているにもかかわらず、相間の短絡を防止しながら運転を行うことが可能になる。なお、この実施形態では、逆接続により電源１に接続される側の出力端電圧検出手段１２により電圧位相を検出して入力電流指令を作成することも可能である。
また、双方向スイッチの接続構成は種々存在するが、同様にＰＷＭパターン信号を入れ替えれば逆接続状態での運転を実現できることはいうまでもない。
【００３９】
次に、図８は第１の発明に係る第２実施形態を示す構成図であり、交流交流電力変換器として、ＰＷＭ整流器２１とインバータ２３とエネルギーバッファとしての電解コンデンサ２２とからなるインバータ装置２０を用いた場合のものである。
また、図９はＰＷＭ整流器２１及びインバータ２３の構成図であり、Ｓ１ｒ〜Ｓ６ｒ，Ｓ１〜Ｓ６は還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を示す。
【００４０】
この実施形態においても、第１実施形態と同様に逆接続状態を検知可能であり、ＰＷＭパターン信号を入れ替えることで逆接続時にインバータ装置２０を運転することができる。
すなわち、第１実施形態と同様に、図８の制御装置１０Ｂは、入力端電圧検出手段１１、出力端電圧検出手段１２及び逆接続検知手段１３によりインバータ装置２０の逆接続状態を検知する。逆接続状態の検出には、前記同様に入出力端電圧の大きさ、周波数、位相の何れを用いてもよい。
【００４１】
インバータ装置制御手段１５では、逆接続検知手段１３からの逆接続フラグを検知すると、インバータ２３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを電源側端子としてＰＷＭパターン信号を演算し、得られたＰＷＭパターン信号を表２に従って入れ替えることにより、逆接続状態においても正常接続時と同様の運転が可能になる。
【００４２】
【表２】
【００４３】
また、図９から明らかなように、ＰＷＭ整流器２１はすべての半導体スイッチング素子Ｓ１ｒ〜Ｓ６ｒをオフすると、ダイオードブリッジとして動作する。よって、表３に示すように、逆接続時にはインバータ２３側の６個の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をすべてオフすることにより、運転を行うことも可能である。
【００４４】
【表３】
【００４５】
次いで、第２の発明に係る第３実施形態を説明する。
この第３実施形態は、入力端電流及び出力端電流に基づいて電力変換器の逆接続状態を検出し、逆接続状態のままで変換器の運転を可能としたものである。
【００４６】
エネルギーバッファを持たないマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換器は、入力電圧を検出して制御を行う電圧転流方式のものと、出力電流を検出して制御を行う電流転流方式のものがある。電流転流方式の直接変換器は電圧検出手段を持たないため、前述した第１実施形態を適用すると、逆接続状態を検出するために新たに電圧検出手段を入出力端双方に追加する必要が生じる。また、逆接続状態において運転を行うには、直接変換器の入力端（正常接続時の出力端）に電流検出手段を設ける必要がある。これらの検出手段を追加して逆接続時における運転が可能になったとしても、入出力端に電圧検出手段と電流検出手段とを設けることにより装置のコストが上昇するという問題がある。
【００４７】
そこで第３実施形態では、電流転流方式の交流交流電力変換器、特にマトリクスコンバータ等の直接変換器において、逆接続状態を検知するために入出力端の電流を利用することとした。電流転流方式の直接変換器では、制御に用いる電流検出手段と逆接続検知に用いる電流検出手段とを兼用できるため、入力端（正常接続時の出力端）に電流検出手段を追加するだけでよく、追加する回路を必要最小限に抑えることができる。
よって、第１の発明に係る第１実施形態は電圧転流方式の電力変換器に、第２の発明に係る第３実施形態は電流転流方式の電力変換器に対してより有効であると言える。
【００４８】
なお、前述した第２実施形態や後述する第４実施形態のインバータ装置２０では、直流電圧を検出すれば運転が可能である。よって、入出力電圧、入出力電流は逆接続状態を検知するために必要なだけであり、どちらを検出しても機能に差異は生じないため、適用するシステムに応じてより適した検出手段を選択することが可能である。
ここで、表４は、マトリクスコンバータ等の直接変換器及びインバータ装置に対する第１、第２の発明の適性をまとめたものである。
【００４９】
【表４】
【００５０】
なお、第１の発明と第２の発明とを併用すれば、電圧・電流いずれの転流方式の変換器においても逆接続状態での運転が可能となるが、入出力端子に電圧検出手段及び電流検出手段を設ける必要があるため、コストを考えると必ずしも適切とは言えない。
【００５１】
図１０は第２の発明に係る第３実施形態の構成図であり、電流転流方式のマトリクスコンバータ３を対象としている。
制御装置１０Ｃ内の入力端電流検出手段１６は入力端の電流情報を、出力端電流検出手段１７は出力端の電流情報を検出する。逆接続検知手段１３は、検出した入出力電流により逆接続状態、電源系統異常を検知するが、この検知手段１３は、入出力端電圧情報を用いる第１，第２実施形態と全く同一の構成によって実現可能であり、入出力端電流の大きさ、周波数、位相の何れか一つを用いて逆接続状態、電源系統異常を検出すればよい。
マトリクスコンバータ制御手段１４ではＰＷＭパターンを演算し、検知したマトリクスコンバータ３の接続状態を示す信号に応じて、演算したＰＷＭパターンを前述の表１のように双方向スイッチへ割り当てることにより、逆接続状態での運転を可能とする。
【００５２】
図１１は第２の発明に係る第４実施形態の構成図であり、インバータ装置２０を対象としている。
図１１における制御装置１０Ｄの構成は、インバータ装置制御手段１５以外は実質的に図１０の制御装置１０Ｃと同一である。
インバータ装置２０の接続状態はマトリクスコンバータ３の場合と同一の方法で検知することができ、インバータ装置制御手段１５により演算したＰＷＭパターンを、接続状態に応じて前述の表２または表３のように各スイッチング素子に割り当てるだけで逆接続状態での運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態における逆接続時の構成図である。
【図３】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態における正常接続時の構成図である。
【図７】本発明の第１実施形態における逆接続時の構成図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図９】第２実施形態におけるインバータ装置の構成図である。
【図１０】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図１１】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図１２】マトリクスコンバータの構成図である。
【図１３】インバータ装置の構成図である。
【図１４】マトリクスコンバータにおける短絡電流経路の説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：三相交流電源
２：入力フィルタ
３：マトリクスコンバータ
４：負荷
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ：制御装置
１１：入力端電圧検出手段
１２：出力端電圧検出手段
１３：逆接続検知手段
１４：マトリクスコンバータ制御手段
１５：インバータ装置制御手段
１６：入力端電流検出手段
１７：出力端電圧検出手段
２０：インバータ装置
２１：ＰＷＭ整流器
２２：電解コンデンサ
２３：インバータ
Ｓｍｎ：双方向スイッチ
Ｒ，Ｓ，Ｔ：入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：出力端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から任意の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する交流交流電力変換器において、変換器の入出力端子を誤って逆に接続した場合にこの逆接続状態を速やかに検知すると共に、逆接続状態のままで正常接続時と同様の運転を可能とした電力変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流交流電力変換器の一例として、図１２に示すようなマトリクスコンバータ３が知られている。
マトリクスコンバータは、交流電源電圧から大型のエネルギーバッファを介さずに、任意の大きさ及び周波数の交流電圧を直接得ることができる電力変換器であり、長寿命、省スペースであって入力電流が制御できるために電力回生可能であり、電源高調波を抑制できる等の特徴がある。なお、図１２において、１は三相交流電源、Ｓｍｎはマトリクスコンバータ３を構成するスイッチとして、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を備えた双方向スイッチ、Ｒ，Ｓ，Ｔは電源１側の入力端子、Ｕ，Ｖ，Ｗは負荷側の出力端子である。
【０００３】
一方、エネルギーバッファを有する電力変換器として、整流器とインバータとを有する交流交流電力変換器（以下、インバータ装置という）がある。この場合、整流器としては、ダイオードブリッジやＰＷＭ整流器が使用されている。
図１３は、エネルギーバッファとしての大型の電解コンデンサ２２、ダイオードブリッジからなる整流器２４及びインバータ２３を備えたインバータ装置を示している。このインバータ装置は、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに加えられた交流電源電圧を整流器２４により整流して電解コンデンサ２２に蓄積し、電解コンデンサ２２の直流電圧をインバータ２３により任意の大きさ、周波数の交流電圧に変換している。
【０００４】
ところで、マトリクスコンバータもインバータ装置も、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとを誤って逆に接続して運転すると、半導体素子が破壊され、装置の故障を引き起こす。以下、故障する原理について説明する。
【０００５】
図１３はインバータ装置における誤接続時の電流経路、図１４はマトリクスコンバータにおける誤接続時の電流経路を説明するための図である。
図１３において、交流電源を入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔではなく誤って出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続すると、インバータ装置では還流ダイオードを介して直流電圧が上昇する。通常、インバータ装置では直流電圧から制御装置の電源を供給することが多いため、この場合、制御装置は異常なく運転準備状態となり得る。
一方、マトリクスコンバータの場合には、別系統から制御装置の電源が供給されていれば、同様に運転準備状態となり得る。
【０００６】
このような状態で運転を開始すると、インバータ装置の場合、例えば図１３に矢印で示すようにＵ相及びＶ相の上アーム間に短絡経路が発生するようなスイッチングパターンが存在し、半導体スイッチング素子に大電流が流れて破壊を招く。これは、例えばＵ相の上下アームを同時にオンするようなスイッチングパターンは存在しないが、異なるアームのスイッチング素子相互間では任意のスイッチングパターンがあり得るため、短絡経路が形成される可能性があるからである。また、図１３に示す短絡経路以外にも、Ｕ相及びＷ相の上アーム間、Ｖ相及びＷ相の上アーム間、各相の下アーム間で短絡経路が形成されるスイッチングパターンが存在する。
マトリクスコンバータの場合もインバータ装置と同様に、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ同士を短絡するスイッチングパターンは存在しないが、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ同士を短絡するスイッチングパターンが存在するので、例えば図１４に矢印で示すような短絡経路が形成される。
この場合、電力変換器が過電流保護回路を有していたとしても、過電流保護回路は短絡が発生した後に動作するため、スイッチング素子の破壊を防ぐことはできない。
【０００７】
なお、特許文献１には、インバータ装置における入出力端子逆接続時の保護回路が開示されている。
この先行技術文献の請求項１に記載された従来技術は、交流電源が正常に印加されていることを検出する電源電圧検出回路を設け、その出力信号によりオンするインターロックスイッチと運転信号スイッチとのアンド条件によってインバータ部のスイッチング素子を駆動する駆動回路を動作させるものであり、インバータ装置の入出力端子逆接続時には、前記インターロックスイッチをオフさせることで駆動回路の動作を不能にし、インバータ部のスイッチング素子の遮断状態を維持して相間の短絡を防止するものである。
また、先行技術文献の請求項３〜６に記載された従来技術は、インバータ装置の直流電圧（平滑コンデンサの電圧）を所定値と比較する電圧比較回路を備え、入出力端子が逆接続されたことによって前記直流電圧が確立していない状態では制御装置の電源電圧が不足するため、この動作不能な制御装置によってスイッチング素子の遮断状態を維持することにより、相間の短絡を防止するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２６８７２２号公報（［００２１］，［００２２］，［００２５］〜［００２８］、図１，図３〜図６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１における請求項１の従来技術では、インバータ装置の入出力端子を逆接続した場合と電源電圧低下等による電源異常時との何れの場合にも、インターロックスイッチがオフして駆動回路の動作を不能にすることができるが、これによると逆接続状態を電源電圧異常と判別することができない。また、特許文献１における請求項３〜６の従来技術でも、制御装置の電源が別系統から供給されている場合には、同様に逆接続と電源電圧異常との判別が不可能である。
従って、人為的な誤接続か電源電圧異常かを判別するための原因究明に多くの時間や労力を要するという問題があり、逆接続を検出する専用の検出回路を別に設けるとすれば、装置のコスト上昇や大形化を招く原因となる。
【００１０】
一方、マトリクスコンバータ等の直接変換器やインバータ装置の主回路構成を考えれば、入出力端子が逆接続されていても、制御を正しく行えば装置の運転は可能である。しかるに上記従来技術では、そもそも逆接続と電源電圧異常との判別が不可能であるためインバータ装置の運転を停止せざるを得ないばかりか、装置の正常接続時における入力端電圧のみを検出し、出力端電圧（逆接続時の入力端電圧に相当する）を検出する構成を備えていないため、逆接続状態のままで電力変換器を運転することができない。
【００１１】
そこで本発明の解決課題は、専用の検出回路を要することなく電力変換器の入出力端子が逆接続されていることを正確に検出して異常時の原因究明を容易にし、スイッチング素子等の保護を可能にすると共に、逆接続状態のままで支障なく運転できるようにした交流交流電力変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段と、
前記入力端電圧検出手段及び出力端電圧検出手段により検出した電圧情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子を流れる交流電流を検出する入力端電流検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子を流れる交流電流を検出する出力端電流検出手段と、
前記入力端電流検出手段及び出力端電流検出手段により検出した電流情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、を備えたものである。
【００１４】
なお、請求項３〜８に記載するように、前記電圧情報、電流情報としては、交流電圧または交流電流の大きさ、周波数、位相を用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、入力端及び出力端の電圧、または入力端及び出力端の電流を検出するという容易に実現可能な手段により、電力変換器の入出力端子の接続状態を正確に検知することができ、入出力端子を誤って逆接続した場合でも、半導体スイッチング素子の駆動信号を適宜入れ替えることで正常接続時と同様の運転を行うことができる。
特に、電圧転流方式の交流交流直接変換器では、変換器を制御するために電圧情報を検出しているが、請求項１記載の発明によれば、接続状態の検知に用いる電圧検出手段と制御に用いる電圧検出手段とを兼用することが可能である。また、接続状態検知用の電圧情報は電圧の大きさ、周波数、位相の何れか一つを検出できればよいので、ほとんどの電力変換器に対して、最小限の回路を追加するだけでよい。すなわち、請求項１に記載した発明は、電圧転流方式の交流交流直接変換器に対して非常に有効であると言える。
同様の理由により、請求項２に記載した発明は、変換器の制御に電流検出を行っている電流転流方式の交流交流直接変換器に対して特に有効である。
【００１６】
また、交流交流電力変換器としてのインバータ装置に対しては、請求項１または２の発明のどちらを適用しても逆接続状態の検知及び運転が可能であるから、システム構成に応じて実現が容易な方法を選択すればよい。
いずれにしても、請求項１または２に記載した発明によれば、入出力端子を誤って逆に接続した場合でも、装置を破壊せずに正常に運転できるという高い信頼性を有するばかりでなく、最小限の回路を追加するだけで利便性に優れた安価な電力変換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は第１の発明に係る第１実施形態を示す構成図であり、本発明をマトリクスコンバータ３に適用した場合のものである。
図１において、双方向スイッチＳｍｎ群からなるマトリクスコンバータ３と三相交流電源１との間には、リアクトル及びコンデンサ等からなる入力フィルタ２が接続され、マトリクスコンバータ３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには負荷４が接続されている。
【００１８】
マトリクスコンバータ３の双方向スイッチＳｍｎをオンオフ制御するための制御装置１０Ａは、正規の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電圧を検出する入力端電圧検出手段１１と、正規の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧を検出する出力端電圧検出手段１２と、両検出手段１２，１３の出力に基づいて入出力端子の逆接続を検知する逆接続検知手段１３と、制御指令と共に検知手段１３の出力が加えられてマトリクスコンバータ３のスイッチングパターンを生成するマトリクスコンバータ制御手段１４とから構成されている。
【００１９】
マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ及び出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが正常に接続されている場合、制御装置１０Ａでは、入力端電圧検出手段１１による電圧検出値と制御指令とを用いてマトリクスコンバータ制御手段１４がスイッチングパターンを作成し、ゲートドライブ回路を介して双方向スイッチＳｍｎのオンオフを切り替えることにより所望の出力電圧を発生させている。
【００２０】
次に、マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔが負荷４側に接続され、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが三相交流電源１側に接続される逆接続状態において、正常接続時と同様の運転を行うためには、まず逆接続状態であることを正確に検知する必要がある。
逆接続状態は、入出力電圧の大きさ、周波数、位相の何れか一つに着目すれば検出可能であるが、ここでは入出力電圧の大きさ（振幅）を用いた逆接続状態の検知方法について説明する。
【００２１】
電力変換器の制御に入力電圧を使用する場合は、入力端電圧検出手段１１により制御用の電圧検出と逆接続検知用の電圧検出という二つの機能を兼ね備えることが可能であり、新たに電圧検出手段を追加する必要はない。一方、この実施形態では逆接続状態を検出するために新たに出力端電圧検出手段１２が必要になるが、これは比較的簡単な構成によって容易に実現可能である。
【００２２】
以下、本実施形態における逆接続状態の検知方法について説明する。
入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧ｖｒ，ｖｓ，ｖｔを交流２軸成分ｖα，ｖβにより表すと、数式１となる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
数式１から、入力電圧ベクトルの大きさ｜Ｖｉ｜を求めると数式２となる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、図２に示すように、マトリクスコンバータ３の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔが負荷４に接続され、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが入力フィルタ２を介して三相交流電源１に接続される逆接続状態を考える。この場合、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧情報はゼロとなり、逆接続検知手段１３に設定された所定のしきい値（第１の異常検知規定値）を下回るため、入力電圧の低下が検出される。
しかしながら、このような入力端電圧の低下だけでは、図２のような逆接続によるものか、あるいは正常接続時における系統電圧の異常であるのかを判別することができない。そこで、本実施形態では、出力端電圧検出手段１２による検出電圧から入力端電圧の低下原因を判別し、逆接続を正確に検知するようにした。
【００２７】
すなわち、入力端電圧検出手段１１により検出された入力端電圧が第１の異常検知規定値を下回った場合、出力端電圧検出手段１２による検出電圧と第２の異常検知規定値との大小関係によって正常接続時における系統電圧の異常と逆接続とを判別することができる。つまり、正常接続時には出力端電圧検出手段１２による電圧情報がゼロとなり、第２の異常検知規定値を下回るが、逆接続時には出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１が接続されているため、出力端電圧検出手段１２による検出電圧が第２の異常検知規定値を下回ることはない。
【００２８】
従って、逆接続検知手段１３は、両検出手段１１，１２の出力に基づいて、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の電圧が第１の異常検知規定値以下であり、かつ出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ側の電圧が第２の異常検知規定値以上である場合に、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとが誤って逆に接続されていることを検知可能であり、入力電圧が低下した原因を特定することができる。
なお、出力端電圧検出手段１２としては厳密な精度は必要ではなく、計器用変圧器及びコンパレータ等により構成できるため、複雑な追加回路は不要である。
【００２９】
図３は、逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートであり、入出力電圧の振幅から逆接続状態を検知する場合のものである。
各検出手段１１，１２により入力端及び出力端電圧を検出し（ステップＳ１，Ｓ２）、入力端電圧に関する数式２の電圧ベクトルの大きさが第１の異常検知規定値以上である場合（Ｓ３ ＮＯ）には、入出力端子が正常に接続されていると判断してマトリクスコンバータ３に運転許可を与え（Ｓ６）、運転待機状態へと移行する。
なお、ステップＳ１，Ｓ２における入力端及び出力端電流の検出処理は、後述する第３，第４実施形態に関するものである。
【００３０】
また、入力端電圧が第１の異常検知規定値未満であり（Ｓ３ ＹＥＳ）、かつ出力端電圧が第２の異常検知規定値未満である場合（Ｓ４ ＮＯ）は、系統電圧の低下による電源系統の異常と判断し（Ｓ７）、運転を停止させる。このように系統電圧の低下による電源異常の場合は、電圧が復帰すれば自動的に再起動を行うなどの処理が可能である。
【００３１】
一方、数式２の電圧ベクトルの大きさが第１の異常検知規定値未満であって出力端電圧が第２の異常検知規定値以上である場合（Ｓ４ ＹＥＳ）には、前述の如く逆接続と判断して逆接続フラグをオンし（Ｓ５）、図２のマトリクスコンバータ制御手段１４へ逆接続状態であることを示す信号を出力した上で、運転を許可する。なお、この逆接続時における運転方法については後述する。
【００３２】
次に、本実施形態において、入出力電圧の周波数または位相を検出することにより、逆接続状態を検知することも可能である。図４は、入出力電圧の周波数から逆接続状態を検知する場合の逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートである。
入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに電源１が正しく接続されている場合、入力端電圧検出手段１１により電源周波数が検出されるが、電圧低下などの電源異常が発生すると電源周波数と異なる周波数が検出される。
一方、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１を接続すると、入力端電圧検出手段１１により検出される電圧の周波数はゼロとなる。
【００３３】
そこで、図４のステップＳ１１において検出した入力端電圧の周波数が規定範囲内（例えば、電源周波数±１０％の範囲）であれば（Ｓ１３ ＮＯ）、正常に接続されていると判断し、運転許可を与える（Ｓ１６）。
また、入力端電圧周波数が規定値範囲外の場合（Ｓ１３ ＹＥＳ）には、正常接続時であって電源異常、または、逆接続状態の何れかであることが推定されるため、ステップＳ１２において検出した出力端電圧の周波数を参照する。この出力端周波数が規定範囲外であれば（Ｓ１４ ＮＯ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは電源１に接続されておらず、接続状態は正常であると考えられるので、電源系統の異常と判断し（Ｓ１７）、運転を停止させる。
更に、出力端電圧の周波数が規定範囲内であれば（Ｓ１４ ＹＥＳ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは電源１に接続されていると見なせるので、逆接続フラグをオンし（Ｓ１５）、後述する逆接続時の運転に移行する。
【００３４】
次に、図５は、入出力電圧の位相から逆接続状態を検知する場合の逆接続検知手段１３の動作を示すフローチャートである。
すなわち、電源１が接続されていない端子では電圧の位相変化がないことを利用し、入力端電圧の位相に変化がある場合は正常接続時と判断して運転を許可する（Ｓ２３ ＮＯ，Ｓ２６）。入力端電圧の位相変化がない場合であって出力端電圧の位相変化がない場合には（Ｓ２３ ＹＥＳ，Ｓ２４ ＮＯ）、正常接続時における電源系統の異常と判断して運転を停止させ（Ｓ２７）、出力端電圧の位相変化がある場合には（Ｓ２４ ＹＥＳ）、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電源１が接続されていると判断して逆接続フラグをオンし（Ｓ２５）、下記の逆接続時の運転に移行する。
【００３５】
次いで、マトリクスコンバータ３の逆接続状態における運転方法について説明する。
図６は、マトリクスコンバータ３の正常接続時の双方向スイッチの接続構成を示し、図７は逆接続時の双方向スイッチの接続構成を示している。これらの図において、入力端子Ｒと出力端子Ｕとを接続する双方向スイッチをＳｒｕと表記し、以下、同様に各スイッチを定義することとする。
【００３６】
図２におけるマトリクスコンバータ制御手段１４は、逆接続検知手段１３からの逆接続フラグによって逆接続を検出すると、マトリクスコンバータ３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを電源側端子としてＰＷＭパターン信号を演算し、得られたＰＷＭパターン信号を表１に従って入れ替える。例えば、正常接続時の双方向スイッチＳｒｕに与えるＰＷＭパターン信号１はそのまま逆接続時の双方向スイッチＳｒｕのＰＷＭパターン信号とし、正常接続時のＳｒｖに与えるＰＷＭパターン信号２は逆接続時のＳｓｕのＰＷＭパターン信号とし、以下同様に正常接続時のＳｒｗに与えるＰＷＭパターン信号３を逆接続時のＳｔｕに、正常接続時のＳｓｕに与えるＰＷＭパターン信号４を逆接続時のＳｒｖに、……というように入れ替える。
【００３７】
【表１】
【００３８】
これにより、図７の如く逆接続された状態でも、逆接続時の双方向スイッチＳｒｕには正常接続時の同ＳｒｕのＰＷＭパターン信号１がそのまま与えられ、逆接続時の双方向スイッチＳｓｕには正常接続時の同ＳｒｖのＰＷＭパターン信号２がそのまま与えられ、逆接続時の双方向スイッチＳｔｕには正常接続時の同ＳｒｗのＰＷＭパターン信号３がそのまま与えられ、……というように、実質的に図６の正常接続時と同様の接続状態を得ることができる。
従って、マトリクスコンバータ３が逆接続されているにもかかわらず、相間の短絡を防止しながら運転を行うことが可能になる。なお、この実施形態では、逆接続により電源１に接続される側の出力端電圧検出手段１２により電圧位相を検出して入力電流指令を作成することも可能である。
また、双方向スイッチの接続構成は種々存在するが、同様にＰＷＭパターン信号を入れ替えれば逆接続状態での運転を実現できることはいうまでもない。
【００３９】
次に、図８は第１の発明に係る第２実施形態を示す構成図であり、交流交流電力変換器として、ＰＷＭ整流器２１とインバータ２３とエネルギーバッファとしての電解コンデンサ２２とからなるインバータ装置２０を用いた場合のものである。
また、図９はＰＷＭ整流器２１及びインバータ２３の構成図であり、Ｓ１ｒ〜Ｓ６ｒ，Ｓ１〜Ｓ６は還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を示す。
【００４０】
この実施形態においても、第１実施形態と同様に逆接続状態を検知可能であり、ＰＷＭパターン信号を入れ替えることで逆接続時にインバータ装置２０を運転することができる。
すなわち、第１実施形態と同様に、図８の制御装置１０Ｂは、入力端電圧検出手段１１、出力端電圧検出手段１２及び逆接続検知手段１３によりインバータ装置２０の逆接続状態を検知する。逆接続状態の検出には、前記同様に入出力端電圧の大きさ、周波数、位相の何れを用いてもよい。
【００４１】
インバータ装置制御手段１５では、逆接続検知手段１３からの逆接続フラグを検知すると、インバータ２３の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを電源側端子としてＰＷＭパターン信号を演算し、得られたＰＷＭパターン信号を表２に従って入れ替えることにより、逆接続状態においても正常接続時と同様の運転が可能になる。
【００４２】
【表２】
【００４３】
また、図９から明らかなように、ＰＷＭ整流器２１はすべての半導体スイッチング素子Ｓ１ｒ〜Ｓ６ｒをオフすると、ダイオードブリッジとして動作する。よって、表３に示すように、逆接続時にはインバータ２３側の６個の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をすべてオフすることにより、運転を行うことも可能である。
【００４４】
【表３】
【００４５】
次いで、第２の発明に係る第３実施形態を説明する。
この第３実施形態は、入力端電流及び出力端電流に基づいて電力変換器の逆接続状態を検出し、逆接続状態のままで変換器の運転を可能としたものである。
【００４６】
エネルギーバッファを持たないマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換器は、入力電圧を検出して制御を行う電圧転流方式のものと、出力電流を検出して制御を行う電流転流方式のものがある。電流転流方式の直接変換器は電圧検出手段を持たないため、前述した第１実施形態を適用すると、逆接続状態を検出するために新たに電圧検出手段を入出力端双方に追加する必要が生じる。また、逆接続状態において運転を行うには、直接変換器の入力端（正常接続時の出力端）に電流検出手段を設ける必要がある。これらの検出手段を追加して逆接続時における運転が可能になったとしても、入出力端に電圧検出手段と電流検出手段とを設けることにより装置のコストが上昇するという問題がある。
【００４７】
そこで第３実施形態では、電流転流方式の交流交流電力変換器、特にマトリクスコンバータ等の直接変換器において、逆接続状態を検知するために入出力端の電流を利用することとした。電流転流方式の直接変換器では、制御に用いる電流検出手段と逆接続検知に用いる電流検出手段とを兼用できるため、入力端（正常接続時の出力端）に電流検出手段を追加するだけでよく、追加する回路を必要最小限に抑えることができる。
よって、第１の発明に係る第１実施形態は電圧転流方式の電力変換器に、第２の発明に係る第３実施形態は電流転流方式の電力変換器に対してより有効であると言える。
【００４８】
なお、前述した第２実施形態や後述する第４実施形態のインバータ装置２０では、直流電圧を検出すれば運転が可能である。よって、入出力電圧、入出力電流は逆接続状態を検知するために必要なだけであり、どちらを検出しても機能に差異は生じないため、適用するシステムに応じてより適した検出手段を選択することが可能である。
ここで、表４は、マトリクスコンバータ等の直接変換器及びインバータ装置に対する第１、第２の発明の適性をまとめたものである。
【００４９】
【表４】
【００５０】
なお、第１の発明と第２の発明とを併用すれば、電圧・電流いずれの転流方式の変換器においても逆接続状態での運転が可能となるが、入出力端子に電圧検出手段及び電流検出手段を設ける必要があるため、コストを考えると必ずしも適切とは言えない。
【００５１】
図１０は第２の発明に係る第３実施形態の構成図であり、電流転流方式のマトリクスコンバータ３を対象としている。
制御装置１０Ｃ内の入力端電流検出手段１６は入力端の電流情報を、出力端電流検出手段１７は出力端の電流情報を検出する。逆接続検知手段１３は、検出した入出力電流により逆接続状態、電源系統異常を検知するが、この検知手段１３は、入出力端電圧情報を用いる第１，第２実施形態と全く同一の構成によって実現可能であり、入出力端電流の大きさ、周波数、位相の何れか一つを用いて逆接続状態、電源系統異常を検出すればよい。
マトリクスコンバータ制御手段１４ではＰＷＭパターンを演算し、検知したマトリクスコンバータ３の接続状態を示す信号に応じて、演算したＰＷＭパターンを前述の表１のように双方向スイッチへ割り当てることにより、逆接続状態での運転を可能とする。
【００５２】
図１１は第２の発明に係る第４実施形態の構成図であり、インバータ装置２０を対象としている。
図１１における制御装置１０Ｄの構成は、インバータ装置制御手段１５以外は実質的に図１０の制御装置１０Ｃと同一である。
インバータ装置２０の接続状態はマトリクスコンバータ３の場合と同一の方法で検知することができ、インバータ装置制御手段１５により演算したＰＷＭパターンを、接続状態に応じて前述の表２または表３のように各スイッチング素子に割り当てるだけで逆接続状態での運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態における逆接続時の構成図である。
【図３】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の各実施形態における逆接続検知動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態における正常接続時の構成図である。
【図７】本発明の第１実施形態における逆接続時の構成図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図９】第２実施形態におけるインバータ装置の構成図である。
【図１０】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図１１】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図１２】マトリクスコンバータの構成図である。
【図１３】インバータ装置の構成図である。
【図１４】マトリクスコンバータにおける短絡電流経路の説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：三相交流電源
２：入力フィルタ
３：マトリクスコンバータ
４：負荷
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ：制御装置
１１：入力端電圧検出手段
１２：出力端電圧検出手段
１３：逆接続検知手段
１４：マトリクスコンバータ制御手段
１５：インバータ装置制御手段
１６：入力端電流検出手段
１７：出力端電圧検出手段
２０：インバータ装置
２１：ＰＷＭ整流器
２２：電解コンデンサ
２３：インバータ
Ｓｍｎ：双方向スイッチ
Ｒ，Ｓ，Ｔ：入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：出力端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段と、
前記入力端電圧検出手段及び出力端電圧検出手段により検出した電圧情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項２】
半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子を流れる交流電流を検出する入力端電流検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子を流れる交流電流を検出する出力端電流検出手段と、
前記入力端電流検出手段及び出力端電流検出手段により検出した電流情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項３】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の大きさであることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項４】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の周波数であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項５】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の位相であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項６】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の大きさであることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項７】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の周波数であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項８】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の位相であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項１】
半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子に印加されている交流電圧を検出する入力端電圧検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子に印加されている交流電圧を検出する出力端電圧検出手段と、
前記入力端電圧検出手段及び出力端電圧検出手段により検出した電圧情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項２】
半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電源電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する交流交流電力変換器において、
前記変換器の正規の入力端子を流れる交流電流を検出する入力端電流検出手段と、
前記変換器の正規の出力端子を流れる交流電流を検出する出力端電流検出手段と、
前記入力端電流検出手段及び出力端電流検出手段により検出した電流情報を用いて、前記変換器の正規の出力端子が交流電源側に接続され、かつ、正規の入力端子が負荷側に接続された逆接続状態を検知する逆接続検知手段と、
この検知手段により逆接続状態を検知した際に、正常接続時における前記半導体スイッチング素子の駆動信号を逆接続時の駆動信号に入れ替えてなるスイッチングパターンを生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項３】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の大きさであることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項４】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の周波数であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項５】
請求項１に記載した交流交流電力変換器において、
前記電圧情報が交流電圧の位相であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項６】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の大きさであることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項７】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の周波数であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【請求項８】
請求項２に記載した交流交流電力変換器において、
前記電流情報が交流電流の位相であることを特徴とする交流交流電力変換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−２０２７５（Ｐ２００７−２０２７５Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９７６８３（Ｐ２００５−１９７６８３）
【出願日】平成１７年７月６日（２００５．７．６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月６日（２００５．７．６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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