電力変換装置の保護装置
【課題】保護回路の信頼性を向上させた電力変換装置の保護装置を提供する。
【解決手段】交流電源を入力とし、第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータ３と、直流コンデンサ４Ｐ、４Ｎと、内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段を備えた３レベルインバータ６とを有する電力変換装置の過電圧保護を行う。３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路８と、この直流出力に設けられ、第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧する第１のサイリスタ回路１０と、３レベルインバータ６の出力を整流する第２のダイオードブリッジ回路９と、この直流出力に設けられ、第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧する第２のサイリスタ回路１１とを具備し、前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して構成する。
【解決手段】交流電源を入力とし、第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータ３と、直流コンデンサ４Ｐ、４Ｎと、内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段を備えた３レベルインバータ６とを有する電力変換装置の過電圧保護を行う。３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路８と、この直流出力に設けられ、第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧する第１のサイリスタ回路１０と、３レベルインバータ６の出力を整流する第２のダイオードブリッジ回路９と、この直流出力に設けられ、第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧する第２のサイリスタ回路１１とを具備し、前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の保護装置に係り、特に電力変換装置の故障発生時に直流コンデンサが過電圧になることを抑制する電力変換装置の保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力変換装置では、直流側に直流コンデンサを備えた電力変換装置は広く使用されており、高電圧・大電流化に伴い、直流コンデンサの直列数・並列数が多くなり装置全体として直流コンデンサが占める割合も大きくなっている。このような電力変換装置において、通常に運転している場合は、電源系統側の交流電圧をコンバータによって直流に変換した直流電圧が直流コンデンサへ印加され、過充電されることはない。しかし、コンバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、電源系統側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまい、定格電圧を超える恐れがある。インバータ側についても同様であり、インバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、電動機側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまう。このとき、故障状態を継続し続けると、直流コンデンサの破裂およびスイッチング素子のアーク噴出などの事故に至る恐れがある。このような被害拡大を防ぐために、電源系統側および電動機側に保護回路を設ける必要があるので、上記短絡故障によるエネルギーを保護回路で消費させ、直流コンデンサの過充電を抑制する提案がなされている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１６１２号公報（第８−９頁、図９、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている従来の保護回路は、電源（系統）側から整流回路によって直流コンデンサへ給電する３レベルコンバータの入力側に３相整流ダイオードとサイリスタを設け、コンバータ側の故障時に電力変換装置のすべてのスイッチング素子にゲート消弧信号を与え、サイリスタを点弧することによって、電源（系統）側からのエネルギーを保護装置で消費させる。モータ側についても同様であり、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータによって構成される電力変換装置の出力側に３相整流ダイオードとサイリスタを設け、インバータ側の故障時に電力変換装置のすべてのスイッチング素子にゲート消弧信号を与え、サイリスタを点弧することによって、電動機側からのエネルギーを保護回路で消費させる。
【０００５】
しかしながら、従来例の保護回路では保護回路が破損した場合の影響については考慮されていない。このため、保護回路が破損した場合、電源（系統）側からのエネルギーによってコンバータの複数の相の素子を破損させるという問題があった。電動機側についても同様で、電動機側からのエネルギーによってインバータの複数の相の素子を破損させるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、保護回路の信頼性を向上させた電力変換装置の保護装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の電力変換装置の保護装置は、交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータと、この３レベルコンバータから給電される正側及び負側の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段とを有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、前記３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路と、前記第１のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第１のサイリスタ回路と、前記交流電動機の入力を整流する第２のダイオードブリッジ回路と、前記第２のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第２のサイリスタ回路とを具備し、前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、保護回路の信頼性を向上させた電力変換装置の保護装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図。
【図２】実施例１におけるサイリスタのゲート駆動装置の回路構成図。
【図３】実施例１におけるサイリスタゲート制御のタイミングチャート。
【図４】実施例１におけるサイリスタゲート制御のタイミングチャートであり、サイリスタ電流がゼロクロスした場合の動作を示した図。
【図５】実施例１におけるダイオードの故障検出回路の回路構成図。
【図６】本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置のダイオードの故障検出回路の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置を図１乃至図５を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図である。図１において、交流電源（系統）から与えられる３相交流電圧は、入力変圧器１及び入力開閉器２を介して３レベルコンバータ３に与えられる。
【００１３】
３レベルコンバータ３の１相分の回路構成が図１に示されている。すなわち、直流出力の正電位側から負電位側にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を直列接続する。各々のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４には夫々フリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４が逆並列接続されている。スイッチング素子Ｑ１とＱ２の接続点と直流出力の中性点間、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の接続点と直流出力の中性点間に夫々クランプダイオードＤＣ２、ＤＣ３を接続する。これにより上記の接続点の電位を零電位にクランプしている。そして１相分の交流入力をスイッチング素子Ｑ２とＱ３接続点に与える。以上と同様の回路をあと２相分設けることによって３レベルの直流出力が得られる構成となっている。
【００１４】
３レベルコンバータ３で直流変換された正及び負の直流電圧が夫々直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎに印加される。直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎには保護用のヒューズ５Ｐ、５Ｎが夫々直列に接続されている。
【００１５】
直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎによって平滑された３レベルの直流電圧は、３レベルインバータ６に与えられる。図１には３レベルインバータ６の１相分の回路構成が示されているが、この構成は基本的に３レベルコンバータ３と対称的な回路構成となっている。すなわち、内部構成は同一であり、３レベルコンバータ３が交流入力で３レベルの直流を出力しているのに対し、３レベルインバータ６は３レベルの直流を入力として３相交流を出力する。そして３レベルインバータ６の交流出力で交流電動機７を駆動する。
【００１６】
３レベルコンバータ３の入力側に３相交流を整流するダイオードブリッジ回路８と、ダイオードブリッジ回路８の出力を短絡することが可能なサイリスタ回路１０が接続されている。同様に、３レベルインバータ６の出力側に３相交流を整流するダイオードブリッジ回路９と、ダイオードブリッジ回路８の出力を短絡することが可能なサイリスタ回路１１が接続されている。ダイオードブリッジ回路８、９を構成する各々のアームは、１素子が破損した場合であっても整流を継続できるだけの耐圧を確保したダイオードを直列に接続する。サイリスタ回路１０、１１も同様に１素子が破損した場合であってもオンオフ動作を継続できるだけの耐圧を確保したサイリスタ１０ａ、１０ｂ及び１１ａ、１１ｂを夫々直列に接続する。ここで、図２においてはダイオードブリッジ回路８、９のダイオード及びサイリスタ回路１０、１１のサイリスタは２直列で示してあるが、３直列以上であっても良い。
【００１７】
サイリスタ回路１０の正電位側は直流回路の正電位側と抵抗１１を介して接続され、負電位側は直流回路の負電位側と抵抗１３を介して接続されている。同様にサイリスタ回路１１の正電位側は直流回路の正電位側と抵抗１２を介して接続され、負電位側は直流回路の負電位側と抵抗１４を介して接続されている。これらの抵抗は、サイリスタ回路１０、１１に夫々設けられた図示しない点弧補助用コンデンサを初期充電するために使用される。
【００１８】
このような回路構成において、３レベルコンバータ３のスイッチング素子が破損または誤点弧したときに、これを図示しない第１の短絡故障検出手段が検出し、３レベルコンバータ３及び３レベルインバータ６の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ１０ａ、１０ｂを点弧する信号を与える。同様に、３レベルインバータ６のスイッチング素子が破損または誤点弧したときに、これを図示しない第２の短絡故障検出手段が検出し、３レベルコンバータ３及びレベルインバータ６の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ１１１、１１２を点弧する信号を与える。
【００１９】
図２に、図１のサイリスタ１０ａ、１０ｂを駆動するゲート駆動回路２０の回路構成を示す。サイリスタ１０ａのアノードとカソード間には、抵抗２１１と、この抵抗２１１に直列に接続された抵抗２１２、ＬＥＤ２１３から成る並列接続体とで構成される電圧検出手段２１が設けられている。サイリスタ１０ｂ側も同様の回路構成の電圧検出手段２１が設けられている。これらの電圧検出手段は、サイリスタ１０ａ、１０ｂの漏れ電流による電圧アンバランスを解消する分圧抵抗を兼ねることが可能である。保護装置が動作しない状態、つまり、電力変換装置の正常運転状態では、サイリスタ１０ａ、１０ｂの両端にはダイオードブリッジ８で整流された直流電圧が印加されている。電圧検出手段２１、２２は、前述のとおり正常状態では直流電圧を分圧した状態となっている。電圧検出手段２１はこの正常状態を、抵抗２１２と並列に接続したＬＥＤ２１３でフィードバックさせる。もし、サイリスタ１０ａが破損した場合は、ＬＥＤ２１３が消灯する（信号ＦＢＫ１）。電圧検出手段２２も同一の回路構成であるので、サイリスタ１０ｂが破損した場合は、電圧検出手段２２のＬＥＤが消灯する（信号ＦＢＫ２）。
【００２０】
図２におけるコンバータ短絡信号は第１の短絡故障検出手段から与えられる異常信号である。このコンバータ短絡信号と上記ＬＥＤの出力信号ＦＢＫ１、ＦＢＫ２が再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３に与えられる。再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３はゲート論理信号とサイリスタ故障検知信号を出力する。ゲート論理信号はドライブ段２４で増幅され、絶縁トランス２５に与えられる。絶縁トランス２５の一方の２次出力は、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してサイリスタ１０ａのゲートに与えられる。絶縁トランス２５の他方の２次出力は、ダイオード２６２、抵抗２７２を介してサイリスタ１０ｂのゲートに与えられる。
【００２１】
以下に再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３の内部構成とその動作を説明する。
【００２２】
まず、保護装置が動作しない状態、つまり、コンバータ３の正常運転状態では、コンバータ短絡信号はＬｏｗレベルとする。ワンショット回路２３１は立ち上がりエッジで動作するワンショット回路であるため、保護装置が動作しない状態ではＬｏｗレベルである。ラッチ回路２３２は入力がＨｉｇｈレベルになれば、Ｈｉｇｈレベルをラッチする動作を行うが、ラッチ回路２３２入力がＬｏｗレベルであれば、ラッチ回路２３２の出力はＬｏｗレベルのままである。
【００２３】
ＦＢＫ１、ＦＢＫ２の光信号は夫々受信器２３３、２３４に与えられて電気信号に変換される。これらの電気信号が、ＬＥＤ発光ありの場合Ｈｉｇｈレベルとすると、保護装置が動作しない状態、つまり、３レベルコンバータ３が正常運転状態で、サイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂが健全でＬＥＤ２１３とＬＥＤ２２３が共に発光していれば、受信器２３３、２３４は共にＨｉｇｈレベルとなり、これらを入力とするＡＮＤ回路２３５の出力はＨｉｇｈレベルとなる。この結果ＯＲ回路２３６の出力はＨｉｇｈレベルとなる。このＯＲ回路２３６の出力がＨｉｇｈレベルとなった状態を正常状態として図示しない制御回路へ出力することができる。
【００２４】
ここでサイリスタ１０ａまたはサイリスタ１０ｂの何れか、例えばサイリスタ１０ａが破損し、ＬＥＤ２１３が消灯し、ＦＢＫ１が光なしとなると、受信器２３３の出力はＬｏｗレベル、受信器２３４の出力はＨｉｇｈレベルとなり、ＡＮＤ回路２３５の出力はＬｏｗレベルとなる。この結果、ラッチ回路２３２の出力がＬｏｗレベルの正常運転状態では、ＯＲ回路２３６の出力はＬｏｗレベルとなってサイリスタ故障検知信号を出力する。
【００２５】
次に、図２のコンバータ短絡信号によって保護装置が動作するときの図２の各部のタイミングチャートを図３に示す。
【００２６】
コンバータ短絡信号はＨｉｇｈレベルが入力され、ワンショット回路２３１はこの立ち上がりエッジでワンショットＨｉｇｈレベル信号を出力する。ラッチ回路２３２はＨｉｇｈレベルをラッチ出力する。ＯＲ回路２３６の一方の入力は受信器２３３、２３４のＡＮＤ条件である。後述するように、サイリスタ１０ａ、１０ｂがオンとなるため、これらのサイリスタ両端電圧は共にオン電圧レベル（数Ｖ）に下がりＬＥＤ２１３、２２３は消灯し、ＦＢＫ１、ＦＢＫ２が共にＬｏｗレベルとなるため、ＡＮＤ回路２３５の出力はＬｏｗレベルとなるが、上記ラッチ回路２３２の出力に従い、ＯＲ回路２３６は故障を検出することなく正常状態（＝Ｈｉｇｈレベル）を図示しない制御回路に返信することができる。
【００２７】
また、コンバータ短絡信号はＯＲ回路２３９、ワンショット回路２４０、ドライブ段２４を経由して、絶縁トランス２５に与えられ、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してゲート電流となり、サイリスタ１０ａをオンさせることができる。またサイリスタ１０ｂも同様に、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してゲート電流が与えられるのでオンさせることができる。
【００２８】
上記説明において、ラッチ回路２３２はサイリスタ点弧時サイリスタの電圧が下降し、ＬＥＤが光らなくなり、故障と判断することをマスクさせる動作を行っている。
【００２９】
次に、保護回路動作時にサイリスタ電流がゼロ付近まで下がった場合を想定した再点弧動作について、図４を用いて説明する。時刻ｔ１でコンバータ短絡信号がゲート論理回路２３に与えられると前述の通り、サイリスタ１０ａ、１０ｂがオンとなる。そして時刻ｔ２までの動作は前述の説明のとおりである。時刻ｔ２で、サイリスタ電流はゼロとなり、サイリスタ１０ａ、１０ｂがターンオフしてしまうと、電源（系統）側のパワーは保護回路のダイオードブリッジ１０を介して、サイリスタ１０ａ、１０ｂの両端電圧を上昇させる。その結果、サイリスタ１０ａ、１０ｂの夫々の電圧検出手段２１、２２はサイリスタＡ−Ｋ間電圧を検出して、ＬＥＤ２１３、ＬＥＤ２２３を夫々点灯させる。この結果受信器２３３、２３４は、その入力が共にＨｉｇｈレベルとなるので共にＨｉｇｈレベル信号を出力する。この信号は、ＯＲ回路２３７を介して、ＡＮＤ回路２３８の一方の入力端に入力され、ワンショット回路２３１の出力がＨｉｇｈレベルの期間であれば、ＡＮＤ回路２３８の出力はＨｉｇｈレベルとなり、ＯＲ回路２３９を介してワンショット回路２４０を動作させる。この結果、サイリスタ１０ａ、１０ｂを再点弧させることができる。
【００３０】
ワンショット回路２３１のワンショット動作は、前述のようにサイリスタ故障をマスクすることに使用されるが、ワンショット期間は再点弧を許可する時間に使用される。ゼロ電流を横切る期間が長い場合には、図３または図４よりはるかに長いワンショット期間としても差し支えない。また、ワンショット回路２４０はサイリスタ１０ａ、１０ｂのゲート電流を流す時間を決定しており、その期間は、図４に示したようにサイリスタ電流がゼロクロスするよりも短い時間とすることが望ましい。すなわち、電源周波数の半周期より短い時間が好ましい。この理由は、ゼロ電流になる際にサイリスタのＡ−Ｋ間に逆圧が印加された状態でサイリスタにゲート電流を流し続けると、サイリスタのトランジスタ効果により素子発生ロスが急激に上昇することを防止するためである。
【００３１】
図５は図１のダイオードブリッジ回路８のダイオード故障検出回路を示す回路構成図である。図５において、抵抗８１の一端は２つのダイオード８ａ、８ｂの中間接続点に、同様に抵抗８２の一端はダイオード８ｃ、８ｄの中間接続点に、抵抗８３の一端はダイオード８ｅ、８ｆの中間接続点に、抵抗８４の一端は２つのダイオード８ｇ、８ｆの中間接続点に、抵抗８５の一端はダイオード８ｉ、８ｊの中間接続点に、同様に抵抗８６の一端はダイオード８ｋ、８ｌの中間接続点に接続され、これらの抵抗８１、８２、８３、８４、８５、８６の他端は抵抗８７の一端に接続され、抵抗８７の他端は接地されている。ここで、抵抗８１、８２、８３、８４、８５及び８６の抵抗値は互いに等しい。
【００３２】
以上の構成において、電力変換装置が正常動作している場合、つまり保護回路が動作せず待機している場合において、ダイオード整流時の抵抗８７の両端の電圧は通常０Ｖを示す。これは、各々直列接続されたダイオードの中点より抵抗で集約された回路構成となっているためである。
【００３３】
ここで何れかのダイオードが破損した場合を考える。この場合の抵抗８７の両端の電圧は、中性点が狂うような動作となり、１相分の電圧が現れる。よっての抵抗８７の両端の電圧を制御レベルで扱える程度に分圧し（この部分の図示は省略した。）、平均値回路８８を通過させた電圧をレベル判定回路８９に与える。この電圧が所定のレベルを超えたときダイオードの何れかが故障したと見做すことが可能となる。
【００３４】
図５の平均値回路８８はレベル判定を容易にすることと、ノイズ誤動作を防止するために設けられている。実使用上はダイオードを直列接続して冗長性が図られているため、平均値回路８８は十分に長いフィルタ時間を持つようにしても良い。
【００３５】
尚、図２及び図５に対応する電動機側の保護装置は、電源（系統）側の保護装置と同一であるためこれらの説明は省略する。
【実施例２】
【００３６】
以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置を図６を参照して説明する。
【００３７】
図６は図５に示した実施例１のダイオードブリッジの故障検出回路を変形させた例である。
【００３８】
図６において、個々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出する電圧判定手段８０１をダイオードの数だけ設ける。電圧判定手段８０１は、対応するダイオードが正常であれば、電源電圧周期でダイオードの両端に電圧が発生していることを確認する。電圧判定手段８０１は、例えば図２の電圧検出手段２１、２２のように抵抗でＬＥＤを駆動する回路とすれば良い。本例では、電圧判定手段８０１の出力を、ダイオードのアノード−カソード間に所定の電圧があれば、Ｈｉｇｈレベル（光あり）、電圧がなければＬｏｗレベル（光なし）として説明する。電源電圧周期で電圧判定手段はＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルの出力を繰り返すが、ダイオードが破損してしまい、ダイオードの両端に電圧が発生しなくなると、電圧判定手段はＬｏｗレベルを出力し続けることになる。
【００３９】
電圧判定手段８０１の出力はアップカウンタ８０２に与えられる。アップカウンタ８０２はＬｏｗレベルで自ら所定の周期でカウントを開始し、Ｈｉｇｈレベルが入力されるとカウント値をリセットする。電圧判定手段８０１がＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルを繰り返していれば、設定された上限カウント値以内でのカウントとそのリセットが繰り返される動作となる。ダイオードが破損してしまえば、Ｌｏｗ入力しか入力されず、アップカウントのリセットが行われないので、アップカウンタは所定の上限カウント値に達してしまい、このときＨｉｇｈレベルを出力する。
【００４０】
個々のアップカウンタ８０２の出力は、対応して設けられたＡＮＤ回路８０３によって判定開始指令の条件との論理積がとられ、ＯＲ回路８０４に与えられる。従って、何れかのアップカウンタ８０２の出力がＨｉｇｈレベルで且つ判定開始指令がＨｉｇｈレベルであれば、ＯＲ回路８０４はＨｉｇｈレベルを出力する。これがダイオード故障信号となる。
【００４１】
ここで判定開始指令の条件を与えるようにしているのは、電動機側の３レベルインバータ６の出力電圧が低い場合（出力周波数が低いなどによる。）、ダイオードに発生する電圧が小さくなり、電圧判定手段８０１による判定が困難となるので、一定周波数以上に３レベルインバータ６の制御が達したとき、ダイオードの故障判別を開始するようにする為である。尚、３レベルコンバータ３の場合はこの現象は起こらないので、判定開始指令の条件を省略することができる。
【００４２】
また、アップカウンタ８０１のカウント周期は、ダイオードを直列にして冗長を持たせているので、電源周期の１０倍以上でも問題はなく、ゆっくりとした周期で故障検出しても良い。
【００４３】
図３の実施例１の回路では、２直列の場合は容易なダイオード故障検出が可能であるが、直列数が増加すると、ダイオードの故障を検出することが困難になる。直列数によらず、ダイオードの故障検出を的確に行うためには本実施例の図６の回路が適している。
【００４４】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４５】
例えば、実施例１においてダイオードブリッジ８とダイオードブリッジ９の直流出力同士を接続してサイリスタ回路１１を省略するように構成しても良い。
【００４６】
また、実施例１において、サイリスタとダイオードの故障確率を考慮し、サイリスタ回路１０、１１のみサイリスタを直列構成とし、ダイオードブリッジ回路８、９はダイオードを直列構成しない構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 入力変圧器
２ 入力開閉器
３ コンバータ
４Ｐ、４Ｎ 直流コンデンサ
５Ｐ、５Ｎ ヒューズ
６ インバータ
７ 交流電動機
８、９ ダイオードブリッジ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ ダイオード
１０，１１ サイリスタ回路
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ サイリスタ
１２、１３、１４、１５ 抵抗器
２０ ゲート回路
２１、２２ 電圧検出回路
２３ 再点弧・サイリスタ故障検知論理回路
２４ ドライブ段
２５ パルストランス
２１１、２１２、２２１、２２２、２７１、２７２ 抵抗
２１３、２２３ ＬＥＤ
２６１、２６２ ダイオード
２３１、２４０ ワンショット回路
２３２ ラッチ回路
２３３、２３４ 受信回路
２３５、２３８ ＡＮＤ回路
２３６、２３７、２３９ ＯＲ回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の保護装置に係り、特に電力変換装置の故障発生時に直流コンデンサが過電圧になることを抑制する電力変換装置の保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力変換装置では、直流側に直流コンデンサを備えた電力変換装置は広く使用されており、高電圧・大電流化に伴い、直流コンデンサの直列数・並列数が多くなり装置全体として直流コンデンサが占める割合も大きくなっている。このような電力変換装置において、通常に運転している場合は、電源系統側の交流電圧をコンバータによって直流に変換した直流電圧が直流コンデンサへ印加され、過充電されることはない。しかし、コンバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、電源系統側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまい、定格電圧を超える恐れがある。インバータ側についても同様であり、インバータ側のスイッチング素子の破損或いは誤点弧などによる直流短絡故障によって、電動機側のエネルギーで直流コンデンサが過充電されてしまう。このとき、故障状態を継続し続けると、直流コンデンサの破裂およびスイッチング素子のアーク噴出などの事故に至る恐れがある。このような被害拡大を防ぐために、電源系統側および電動機側に保護回路を設ける必要があるので、上記短絡故障によるエネルギーを保護回路で消費させ、直流コンデンサの過充電を抑制する提案がなされている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１６１２号公報（第８−９頁、図９、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている従来の保護回路は、電源（系統）側から整流回路によって直流コンデンサへ給電する３レベルコンバータの入力側に３相整流ダイオードとサイリスタを設け、コンバータ側の故障時に電力変換装置のすべてのスイッチング素子にゲート消弧信号を与え、サイリスタを点弧することによって、電源（系統）側からのエネルギーを保護装置で消費させる。モータ側についても同様であり、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータによって構成される電力変換装置の出力側に３相整流ダイオードとサイリスタを設け、インバータ側の故障時に電力変換装置のすべてのスイッチング素子にゲート消弧信号を与え、サイリスタを点弧することによって、電動機側からのエネルギーを保護回路で消費させる。
【０００５】
しかしながら、従来例の保護回路では保護回路が破損した場合の影響については考慮されていない。このため、保護回路が破損した場合、電源（系統）側からのエネルギーによってコンバータの複数の相の素子を破損させるという問題があった。電動機側についても同様で、電動機側からのエネルギーによってインバータの複数の相の素子を破損させるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、保護回路の信頼性を向上させた電力変換装置の保護装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の電力変換装置の保護装置は、交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータと、この３レベルコンバータから給電される正側及び負側の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段とを有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、前記３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路と、前記第１のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第１のサイリスタ回路と、前記交流電動機の入力を整流する第２のダイオードブリッジ回路と、前記第２のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第２のサイリスタ回路とを具備し、前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、保護回路の信頼性を向上させた電力変換装置の保護装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図。
【図２】実施例１におけるサイリスタのゲート駆動装置の回路構成図。
【図３】実施例１におけるサイリスタゲート制御のタイミングチャート。
【図４】実施例１におけるサイリスタゲート制御のタイミングチャートであり、サイリスタ電流がゼロクロスした場合の動作を示した図。
【図５】実施例１におけるダイオードの故障検出回路の回路構成図。
【図６】本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置のダイオードの故障検出回路の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置を図１乃至図５を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の保護装置の回路構成図である。図１において、交流電源（系統）から与えられる３相交流電圧は、入力変圧器１及び入力開閉器２を介して３レベルコンバータ３に与えられる。
【００１３】
３レベルコンバータ３の１相分の回路構成が図１に示されている。すなわち、直流出力の正電位側から負電位側にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を直列接続する。各々のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４には夫々フリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４が逆並列接続されている。スイッチング素子Ｑ１とＱ２の接続点と直流出力の中性点間、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の接続点と直流出力の中性点間に夫々クランプダイオードＤＣ２、ＤＣ３を接続する。これにより上記の接続点の電位を零電位にクランプしている。そして１相分の交流入力をスイッチング素子Ｑ２とＱ３接続点に与える。以上と同様の回路をあと２相分設けることによって３レベルの直流出力が得られる構成となっている。
【００１４】
３レベルコンバータ３で直流変換された正及び負の直流電圧が夫々直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎに印加される。直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎには保護用のヒューズ５Ｐ、５Ｎが夫々直列に接続されている。
【００１５】
直流コンデンサ４Ｐ及び４Ｎによって平滑された３レベルの直流電圧は、３レベルインバータ６に与えられる。図１には３レベルインバータ６の１相分の回路構成が示されているが、この構成は基本的に３レベルコンバータ３と対称的な回路構成となっている。すなわち、内部構成は同一であり、３レベルコンバータ３が交流入力で３レベルの直流を出力しているのに対し、３レベルインバータ６は３レベルの直流を入力として３相交流を出力する。そして３レベルインバータ６の交流出力で交流電動機７を駆動する。
【００１６】
３レベルコンバータ３の入力側に３相交流を整流するダイオードブリッジ回路８と、ダイオードブリッジ回路８の出力を短絡することが可能なサイリスタ回路１０が接続されている。同様に、３レベルインバータ６の出力側に３相交流を整流するダイオードブリッジ回路９と、ダイオードブリッジ回路８の出力を短絡することが可能なサイリスタ回路１１が接続されている。ダイオードブリッジ回路８、９を構成する各々のアームは、１素子が破損した場合であっても整流を継続できるだけの耐圧を確保したダイオードを直列に接続する。サイリスタ回路１０、１１も同様に１素子が破損した場合であってもオンオフ動作を継続できるだけの耐圧を確保したサイリスタ１０ａ、１０ｂ及び１１ａ、１１ｂを夫々直列に接続する。ここで、図２においてはダイオードブリッジ回路８、９のダイオード及びサイリスタ回路１０、１１のサイリスタは２直列で示してあるが、３直列以上であっても良い。
【００１７】
サイリスタ回路１０の正電位側は直流回路の正電位側と抵抗１１を介して接続され、負電位側は直流回路の負電位側と抵抗１３を介して接続されている。同様にサイリスタ回路１１の正電位側は直流回路の正電位側と抵抗１２を介して接続され、負電位側は直流回路の負電位側と抵抗１４を介して接続されている。これらの抵抗は、サイリスタ回路１０、１１に夫々設けられた図示しない点弧補助用コンデンサを初期充電するために使用される。
【００１８】
このような回路構成において、３レベルコンバータ３のスイッチング素子が破損または誤点弧したときに、これを図示しない第１の短絡故障検出手段が検出し、３レベルコンバータ３及び３レベルインバータ６の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ１０ａ、１０ｂを点弧する信号を与える。同様に、３レベルインバータ６のスイッチング素子が破損または誤点弧したときに、これを図示しない第２の短絡故障検出手段が検出し、３レベルコンバータ３及びレベルインバータ６の全てのスイッチング素子にゲート消弧信号を与えると共に、サイリスタ１１１、１１２を点弧する信号を与える。
【００１９】
図２に、図１のサイリスタ１０ａ、１０ｂを駆動するゲート駆動回路２０の回路構成を示す。サイリスタ１０ａのアノードとカソード間には、抵抗２１１と、この抵抗２１１に直列に接続された抵抗２１２、ＬＥＤ２１３から成る並列接続体とで構成される電圧検出手段２１が設けられている。サイリスタ１０ｂ側も同様の回路構成の電圧検出手段２１が設けられている。これらの電圧検出手段は、サイリスタ１０ａ、１０ｂの漏れ電流による電圧アンバランスを解消する分圧抵抗を兼ねることが可能である。保護装置が動作しない状態、つまり、電力変換装置の正常運転状態では、サイリスタ１０ａ、１０ｂの両端にはダイオードブリッジ８で整流された直流電圧が印加されている。電圧検出手段２１、２２は、前述のとおり正常状態では直流電圧を分圧した状態となっている。電圧検出手段２１はこの正常状態を、抵抗２１２と並列に接続したＬＥＤ２１３でフィードバックさせる。もし、サイリスタ１０ａが破損した場合は、ＬＥＤ２１３が消灯する（信号ＦＢＫ１）。電圧検出手段２２も同一の回路構成であるので、サイリスタ１０ｂが破損した場合は、電圧検出手段２２のＬＥＤが消灯する（信号ＦＢＫ２）。
【００２０】
図２におけるコンバータ短絡信号は第１の短絡故障検出手段から与えられる異常信号である。このコンバータ短絡信号と上記ＬＥＤの出力信号ＦＢＫ１、ＦＢＫ２が再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３に与えられる。再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３はゲート論理信号とサイリスタ故障検知信号を出力する。ゲート論理信号はドライブ段２４で増幅され、絶縁トランス２５に与えられる。絶縁トランス２５の一方の２次出力は、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してサイリスタ１０ａのゲートに与えられる。絶縁トランス２５の他方の２次出力は、ダイオード２６２、抵抗２７２を介してサイリスタ１０ｂのゲートに与えられる。
【００２１】
以下に再点弧・サイリスタ故障検知論理回路２３の内部構成とその動作を説明する。
【００２２】
まず、保護装置が動作しない状態、つまり、コンバータ３の正常運転状態では、コンバータ短絡信号はＬｏｗレベルとする。ワンショット回路２３１は立ち上がりエッジで動作するワンショット回路であるため、保護装置が動作しない状態ではＬｏｗレベルである。ラッチ回路２３２は入力がＨｉｇｈレベルになれば、Ｈｉｇｈレベルをラッチする動作を行うが、ラッチ回路２３２入力がＬｏｗレベルであれば、ラッチ回路２３２の出力はＬｏｗレベルのままである。
【００２３】
ＦＢＫ１、ＦＢＫ２の光信号は夫々受信器２３３、２３４に与えられて電気信号に変換される。これらの電気信号が、ＬＥＤ発光ありの場合Ｈｉｇｈレベルとすると、保護装置が動作しない状態、つまり、３レベルコンバータ３が正常運転状態で、サイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂが健全でＬＥＤ２１３とＬＥＤ２２３が共に発光していれば、受信器２３３、２３４は共にＨｉｇｈレベルとなり、これらを入力とするＡＮＤ回路２３５の出力はＨｉｇｈレベルとなる。この結果ＯＲ回路２３６の出力はＨｉｇｈレベルとなる。このＯＲ回路２３６の出力がＨｉｇｈレベルとなった状態を正常状態として図示しない制御回路へ出力することができる。
【００２４】
ここでサイリスタ１０ａまたはサイリスタ１０ｂの何れか、例えばサイリスタ１０ａが破損し、ＬＥＤ２１３が消灯し、ＦＢＫ１が光なしとなると、受信器２３３の出力はＬｏｗレベル、受信器２３４の出力はＨｉｇｈレベルとなり、ＡＮＤ回路２３５の出力はＬｏｗレベルとなる。この結果、ラッチ回路２３２の出力がＬｏｗレベルの正常運転状態では、ＯＲ回路２３６の出力はＬｏｗレベルとなってサイリスタ故障検知信号を出力する。
【００２５】
次に、図２のコンバータ短絡信号によって保護装置が動作するときの図２の各部のタイミングチャートを図３に示す。
【００２６】
コンバータ短絡信号はＨｉｇｈレベルが入力され、ワンショット回路２３１はこの立ち上がりエッジでワンショットＨｉｇｈレベル信号を出力する。ラッチ回路２３２はＨｉｇｈレベルをラッチ出力する。ＯＲ回路２３６の一方の入力は受信器２３３、２３４のＡＮＤ条件である。後述するように、サイリスタ１０ａ、１０ｂがオンとなるため、これらのサイリスタ両端電圧は共にオン電圧レベル（数Ｖ）に下がりＬＥＤ２１３、２２３は消灯し、ＦＢＫ１、ＦＢＫ２が共にＬｏｗレベルとなるため、ＡＮＤ回路２３５の出力はＬｏｗレベルとなるが、上記ラッチ回路２３２の出力に従い、ＯＲ回路２３６は故障を検出することなく正常状態（＝Ｈｉｇｈレベル）を図示しない制御回路に返信することができる。
【００２７】
また、コンバータ短絡信号はＯＲ回路２３９、ワンショット回路２４０、ドライブ段２４を経由して、絶縁トランス２５に与えられ、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してゲート電流となり、サイリスタ１０ａをオンさせることができる。またサイリスタ１０ｂも同様に、ダイオード２６１、抵抗２７１を介してゲート電流が与えられるのでオンさせることができる。
【００２８】
上記説明において、ラッチ回路２３２はサイリスタ点弧時サイリスタの電圧が下降し、ＬＥＤが光らなくなり、故障と判断することをマスクさせる動作を行っている。
【００２９】
次に、保護回路動作時にサイリスタ電流がゼロ付近まで下がった場合を想定した再点弧動作について、図４を用いて説明する。時刻ｔ１でコンバータ短絡信号がゲート論理回路２３に与えられると前述の通り、サイリスタ１０ａ、１０ｂがオンとなる。そして時刻ｔ２までの動作は前述の説明のとおりである。時刻ｔ２で、サイリスタ電流はゼロとなり、サイリスタ１０ａ、１０ｂがターンオフしてしまうと、電源（系統）側のパワーは保護回路のダイオードブリッジ１０を介して、サイリスタ１０ａ、１０ｂの両端電圧を上昇させる。その結果、サイリスタ１０ａ、１０ｂの夫々の電圧検出手段２１、２２はサイリスタＡ−Ｋ間電圧を検出して、ＬＥＤ２１３、ＬＥＤ２２３を夫々点灯させる。この結果受信器２３３、２３４は、その入力が共にＨｉｇｈレベルとなるので共にＨｉｇｈレベル信号を出力する。この信号は、ＯＲ回路２３７を介して、ＡＮＤ回路２３８の一方の入力端に入力され、ワンショット回路２３１の出力がＨｉｇｈレベルの期間であれば、ＡＮＤ回路２３８の出力はＨｉｇｈレベルとなり、ＯＲ回路２３９を介してワンショット回路２４０を動作させる。この結果、サイリスタ１０ａ、１０ｂを再点弧させることができる。
【００３０】
ワンショット回路２３１のワンショット動作は、前述のようにサイリスタ故障をマスクすることに使用されるが、ワンショット期間は再点弧を許可する時間に使用される。ゼロ電流を横切る期間が長い場合には、図３または図４よりはるかに長いワンショット期間としても差し支えない。また、ワンショット回路２４０はサイリスタ１０ａ、１０ｂのゲート電流を流す時間を決定しており、その期間は、図４に示したようにサイリスタ電流がゼロクロスするよりも短い時間とすることが望ましい。すなわち、電源周波数の半周期より短い時間が好ましい。この理由は、ゼロ電流になる際にサイリスタのＡ−Ｋ間に逆圧が印加された状態でサイリスタにゲート電流を流し続けると、サイリスタのトランジスタ効果により素子発生ロスが急激に上昇することを防止するためである。
【００３１】
図５は図１のダイオードブリッジ回路８のダイオード故障検出回路を示す回路構成図である。図５において、抵抗８１の一端は２つのダイオード８ａ、８ｂの中間接続点に、同様に抵抗８２の一端はダイオード８ｃ、８ｄの中間接続点に、抵抗８３の一端はダイオード８ｅ、８ｆの中間接続点に、抵抗８４の一端は２つのダイオード８ｇ、８ｆの中間接続点に、抵抗８５の一端はダイオード８ｉ、８ｊの中間接続点に、同様に抵抗８６の一端はダイオード８ｋ、８ｌの中間接続点に接続され、これらの抵抗８１、８２、８３、８４、８５、８６の他端は抵抗８７の一端に接続され、抵抗８７の他端は接地されている。ここで、抵抗８１、８２、８３、８４、８５及び８６の抵抗値は互いに等しい。
【００３２】
以上の構成において、電力変換装置が正常動作している場合、つまり保護回路が動作せず待機している場合において、ダイオード整流時の抵抗８７の両端の電圧は通常０Ｖを示す。これは、各々直列接続されたダイオードの中点より抵抗で集約された回路構成となっているためである。
【００３３】
ここで何れかのダイオードが破損した場合を考える。この場合の抵抗８７の両端の電圧は、中性点が狂うような動作となり、１相分の電圧が現れる。よっての抵抗８７の両端の電圧を制御レベルで扱える程度に分圧し（この部分の図示は省略した。）、平均値回路８８を通過させた電圧をレベル判定回路８９に与える。この電圧が所定のレベルを超えたときダイオードの何れかが故障したと見做すことが可能となる。
【００３４】
図５の平均値回路８８はレベル判定を容易にすることと、ノイズ誤動作を防止するために設けられている。実使用上はダイオードを直列接続して冗長性が図られているため、平均値回路８８は十分に長いフィルタ時間を持つようにしても良い。
【００３５】
尚、図２及び図５に対応する電動機側の保護装置は、電源（系統）側の保護装置と同一であるためこれらの説明は省略する。
【実施例２】
【００３６】
以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置の保護装置を図６を参照して説明する。
【００３７】
図６は図５に示した実施例１のダイオードブリッジの故障検出回路を変形させた例である。
【００３８】
図６において、個々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出する電圧判定手段８０１をダイオードの数だけ設ける。電圧判定手段８０１は、対応するダイオードが正常であれば、電源電圧周期でダイオードの両端に電圧が発生していることを確認する。電圧判定手段８０１は、例えば図２の電圧検出手段２１、２２のように抵抗でＬＥＤを駆動する回路とすれば良い。本例では、電圧判定手段８０１の出力を、ダイオードのアノード−カソード間に所定の電圧があれば、Ｈｉｇｈレベル（光あり）、電圧がなければＬｏｗレベル（光なし）として説明する。電源電圧周期で電圧判定手段はＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルの出力を繰り返すが、ダイオードが破損してしまい、ダイオードの両端に電圧が発生しなくなると、電圧判定手段はＬｏｗレベルを出力し続けることになる。
【００３９】
電圧判定手段８０１の出力はアップカウンタ８０２に与えられる。アップカウンタ８０２はＬｏｗレベルで自ら所定の周期でカウントを開始し、Ｈｉｇｈレベルが入力されるとカウント値をリセットする。電圧判定手段８０１がＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルを繰り返していれば、設定された上限カウント値以内でのカウントとそのリセットが繰り返される動作となる。ダイオードが破損してしまえば、Ｌｏｗ入力しか入力されず、アップカウントのリセットが行われないので、アップカウンタは所定の上限カウント値に達してしまい、このときＨｉｇｈレベルを出力する。
【００４０】
個々のアップカウンタ８０２の出力は、対応して設けられたＡＮＤ回路８０３によって判定開始指令の条件との論理積がとられ、ＯＲ回路８０４に与えられる。従って、何れかのアップカウンタ８０２の出力がＨｉｇｈレベルで且つ判定開始指令がＨｉｇｈレベルであれば、ＯＲ回路８０４はＨｉｇｈレベルを出力する。これがダイオード故障信号となる。
【００４１】
ここで判定開始指令の条件を与えるようにしているのは、電動機側の３レベルインバータ６の出力電圧が低い場合（出力周波数が低いなどによる。）、ダイオードに発生する電圧が小さくなり、電圧判定手段８０１による判定が困難となるので、一定周波数以上に３レベルインバータ６の制御が達したとき、ダイオードの故障判別を開始するようにする為である。尚、３レベルコンバータ３の場合はこの現象は起こらないので、判定開始指令の条件を省略することができる。
【００４２】
また、アップカウンタ８０１のカウント周期は、ダイオードを直列にして冗長を持たせているので、電源周期の１０倍以上でも問題はなく、ゆっくりとした周期で故障検出しても良い。
【００４３】
図３の実施例１の回路では、２直列の場合は容易なダイオード故障検出が可能であるが、直列数が増加すると、ダイオードの故障を検出することが困難になる。直列数によらず、ダイオードの故障検出を的確に行うためには本実施例の図６の回路が適している。
【００４４】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４５】
例えば、実施例１においてダイオードブリッジ８とダイオードブリッジ９の直流出力同士を接続してサイリスタ回路１１を省略するように構成しても良い。
【００４６】
また、実施例１において、サイリスタとダイオードの故障確率を考慮し、サイリスタ回路１０、１１のみサイリスタを直列構成とし、ダイオードブリッジ回路８、９はダイオードを直列構成しない構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 入力変圧器
２ 入力開閉器
３ コンバータ
４Ｐ、４Ｎ 直流コンデンサ
５Ｐ、５Ｎ ヒューズ
６ インバータ
７ 交流電動機
８、９ ダイオードブリッジ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ ダイオード
１０，１１ サイリスタ回路
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ サイリスタ
１２、１３、１４、１５ 抵抗器
２０ ゲート回路
２１、２２ 電圧検出回路
２３ 再点弧・サイリスタ故障検知論理回路
２４ ドライブ段
２５ パルストランス
２１１、２１２、２２１、２２２、２７１、２７２ 抵抗
２１３、２２３ ＬＥＤ
２６１、２６２ ダイオード
２３１、２４０ ワンショット回路
２３２ ラッチ回路
２３３、２３４ 受信回路
２３５、２３８ ＡＮＤ回路
２３６、２３７、２３９ ＯＲ回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータと、
この３レベルコンバータから給電される正側及び負側の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、
前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段と
を有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、
前記３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路と、
前記第１のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第１のサイリスタ回路と、
前記交流電動機の入力を整流する第２のダイオードブリッジ回路と、
前記第２のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第２のサイリスタ回路と
を具備し、
前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して成ることを特徴とする電力変換装置の保護装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のダイオードブリッジ回路は、共に複数個のダイオードを直列接続したアームから成ることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項３】
前記第１のサイリスタ回路の個々のサイリスタのアノード−カソード間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記第１の短絡故障検出手段が作動しないとき、前記電圧検出手段の検出電圧が所定値以上であれば前記第１のサイリスタ回路のサイリスタは正常と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項４】
前記第２のサイリスタ回路の個々のサイリスタのアノード−カソード間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記第２の短絡故障検出手段が作動しないとき、前記電圧検出手段の検出電圧が所定値以上であれば前記第２のサイリスタ回路のサイリスタは正常と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項５】
前記第１のダイオードブリッジ回路は、ダイオードを２直列接続したアームから成り、
各々の前記アームの２直列ダイオードの中点を、夫々第１の抵抗器を介して、共通して設けられ、他の一端が接地された第２の抵抗器の一端に接続し、
前記第２の抵抗器の両端の電圧が所定値以上のとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項６】
前記第２のダイオードブリッジ回路は、ダイオードを２直列接続したアームから成り、
各々の前記アームの２直列ダイオードの中点を、夫々第１の抵抗器を介して、共通して設けられ、他の一端が接地された第２の抵抗器の一端に接続し、
前記第２の抵抗器の両端の電圧が所定値以上のとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項７】
前記第１のサイリスタ回路の直列接続されたサイリスタの各々のアノード・カソード間電圧を監視する電圧検出手段を設け、
前記第１の短絡故障検出手段が作動して前記サイリスタを点弧した後、所定時間以内に前記電圧検出手段の何れかが所定値以上の電圧を検出したとき、再度前記サイリスタをターンオンさせる再点弧手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項８】
前記第２のサイリスタ回路の直列接続されたサイリスタの各々のアノード・カソード間電圧を監視する電圧検出手段を設け、
前記第２の短絡故障検出手段が作動して前記サイリスタを点弧した後、所定時間以内に前記電圧検出手段の何れかが所定値以上の電圧を検出したとき、再度前記サイリスタをターンオンさせる再点弧手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のサイリスタ回路の各々のサイリスタのゲート信号を電源周波数の半周期より短いワンショットパルスとして出力することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１０】
前記第１のダイオードブリッジ回路の各々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出してレベル判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段の夫々の出力を受け、Ｌｏｗレベル入力で所定の周期でカウントを開始しＨｉｇｈレベル入力でカウント値をリセットするカウンタと
を備え、
前記何れかのカウンタのカウント値が所定の上限値に到達したとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断するようにした請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１１】
前記第２のダイオードブリッジ回路の各々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出してレベル判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段の夫々の出力を受け、Ｌｏｗレベル入力で所定の周期でカウントを開始しＨｉｇｈレベル入力でカウント値をリセットするカウンタと
を備え、
前記何れかのカウンタのカウント値が所定の上限値に到達したとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１２】
前記３レベルインバータの運転周波数が所定値を超えたとき、前記ダイオードの故障判断を開始するようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１】
交流電源を入力とし、その内部短絡故障を検出する第１の短絡故障検出手段を備えた３レベルコンバータと、
この３レベルコンバータから給電される正側及び負側の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに印加される３レベルの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する３レベルインバータと、
前記３レベルインバータの内部短絡故障を検出する第２の短絡故障検出手段と
を有する電力変換装置の過電圧保護を行う保護装置であって、
前記３レベルコンバータの入力を整流する第１のダイオードブリッジ回路と、
前記第１のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第１の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第１のサイリスタ回路と、
前記交流電動機の入力を整流する第２のダイオードブリッジ回路と、
前記第２のダイオードブリッジ回路の直流出力に並列に設けられ、前記第２の短絡故障検出手段が作動したときサイリスタを点弧するようにした第２のサイリスタ回路と
を具備し、
前記第１及び第２のサイリスタ回路は、共に複数個のサイリスタを直列接続して成ることを特徴とする電力変換装置の保護装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のダイオードブリッジ回路は、共に複数個のダイオードを直列接続したアームから成ることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項３】
前記第１のサイリスタ回路の個々のサイリスタのアノード−カソード間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記第１の短絡故障検出手段が作動しないとき、前記電圧検出手段の検出電圧が所定値以上であれば前記第１のサイリスタ回路のサイリスタは正常と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項４】
前記第２のサイリスタ回路の個々のサイリスタのアノード−カソード間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記第２の短絡故障検出手段が作動しないとき、前記電圧検出手段の検出電圧が所定値以上であれば前記第２のサイリスタ回路のサイリスタは正常と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項５】
前記第１のダイオードブリッジ回路は、ダイオードを２直列接続したアームから成り、
各々の前記アームの２直列ダイオードの中点を、夫々第１の抵抗器を介して、共通して設けられ、他の一端が接地された第２の抵抗器の一端に接続し、
前記第２の抵抗器の両端の電圧が所定値以上のとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項６】
前記第２のダイオードブリッジ回路は、ダイオードを２直列接続したアームから成り、
各々の前記アームの２直列ダイオードの中点を、夫々第１の抵抗器を介して、共通して設けられ、他の一端が接地された第２の抵抗器の一端に接続し、
前記第２の抵抗器の両端の電圧が所定値以上のとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項７】
前記第１のサイリスタ回路の直列接続されたサイリスタの各々のアノード・カソード間電圧を監視する電圧検出手段を設け、
前記第１の短絡故障検出手段が作動して前記サイリスタを点弧した後、所定時間以内に前記電圧検出手段の何れかが所定値以上の電圧を検出したとき、再度前記サイリスタをターンオンさせる再点弧手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項８】
前記第２のサイリスタ回路の直列接続されたサイリスタの各々のアノード・カソード間電圧を監視する電圧検出手段を設け、
前記第２の短絡故障検出手段が作動して前記サイリスタを点弧した後、所定時間以内に前記電圧検出手段の何れかが所定値以上の電圧を検出したとき、再度前記サイリスタをターンオンさせる再点弧手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のサイリスタ回路の各々のサイリスタのゲート信号を電源周波数の半周期より短いワンショットパルスとして出力することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１０】
前記第１のダイオードブリッジ回路の各々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出してレベル判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段の夫々の出力を受け、Ｌｏｗレベル入力で所定の周期でカウントを開始しＨｉｇｈレベル入力でカウント値をリセットするカウンタと
を備え、
前記何れかのカウンタのカウント値が所定の上限値に到達したとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断するようにした請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１１】
前記第２のダイオードブリッジ回路の各々のダイオードのアノード−カソード間電圧を検出してレベル判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段の夫々の出力を受け、Ｌｏｗレベル入力で所定の周期でカウントを開始しＨｉｇｈレベル入力でカウント値をリセットするカウンタと
を備え、
前記何れかのカウンタのカウント値が所定の上限値に到達したとき、前記ダイオードの何れかが故障したと判断するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の保護装置。
【請求項１２】
前記３レベルインバータの運転周波数が所定値を超えたとき、前記ダイオードの故障判断を開始するようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置の保護装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５７１５６（Ｐ２０１２−１５７１５６Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８７３（Ｐ２０１１−１３８７３）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
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