JP2010200545A

JP2010200545A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2010200545A
Application number: JP2009044613A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takabayashi; 泰弘高林; Koji Otani; 幸二大谷; Mamoru Furuta; 守古田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP5326655B2

Abstract

【課題】電力変換装置の一部に故障が生じた場合、故障した電力変換ユニットをスタックから完全に分離しないで運転を継続することができるようにすることにより、復旧時間を短縮することができかつ故障した電力変換ユニットを本体から分離して特別な保管スペースに移す必要のない電力変換装置を提供する。
【解決手段】各電力変換ユニットが前記スタック内に挿入されて断路部が接続状態となる接続位置および各電力変換ユニットが前記スタックから引き出されて断路部が断路状態となる断路位置のそれぞれにおいて前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する固定手段を設け、故障した電力変換ユニットを一時的に外部回路から切り離してスタックで保持して運転を継続する。
【選択図】図５

Description

この発明は、電動機等の駆動制御用電源として使用される電力変換装置に関する。

電動機等を駆動制御するための電力変換装置の一般的な構造として、部品等の点検および交換等を容易にするために、変換回路を複数に区分してユニット化した電力変換ユニットを複数組み合わせてスタックに収納するようにした、いわゆるユニット構造が従来から採用されている（特許文献１および特許文献２参照）。

このようなユニット構造を採用した電力変換装置の従来例を図７および図８に示す。

この図７の従来例回路において、商用電源１からの交流電力はコンバータ回路２で直流電力に変換される。直流中間回路に接続している平滑コンデンサ３はこの直流電力に含まれている脈動分を吸収・除去して平滑にする。平滑された直流電力は３つの保護ヒューズ１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔを経てそれぞれのインバータ回路４Ｒ，４Ｓ，４Ｔへ入力する。インバータ回路４Ｒは半導体スイッチ素子としてのトランジスタをブリッジ接続した構成のトランジスタブリッジ回路６Ｒと、このトランジスタブリッジ回路６Ｒをオン・オフ動作させるためのベース駆動回路５Ｒとで構成しているが、インバータ回路４Ｓとインバータ回路４Ｔもこれと同じ構成である。これら３つのインバータ回路４Ｒ，４Ｓ，４Ｔから三相交流電力が得られ、誘導電動機９を所望の回転速度で運転する。

直流中間回路から電力の供給を受ける電源回路１３がベース駆動用電源回路１４と制御回路８へ電力を供給し、ベース駆動用電源回路１４は、各相ベース駆動回路５Ｒ，５Ｓ，５Ｔへ電力を供給している。ここで例えばトランジスタブリッジ回路６Ｒにアーム短絡事故を生じたとすると、このアーム短絡事故によりトランジスタブリッジ回路６Ｒには過大な電流が流れるので、保護ヒューズ１０Ｒが溶断してトランジスタブリッジ回路６Ｒが過電流破壊するのを防止しようとするのであるが、最近では保護ヒューズでトランジスタを過電流破壊から保護することは困難な場合が多くなってきている。しかしながらトランジスタブリッジ回路６Ｒの過電流破壊を防止できない場合でも、保護ヒューズ１０Ｒが溶断することで、図示を省略している残余のトランジスタブリッジ回路６Ｓ，６Ｔへの事故の波及は防止できる。各保護ヒューズ１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔにはそれぞれ断線検出回路１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔが別個に付属していて、保護ヒューズが溶断すればその情報は制御回路８へ与えられ、故障表示回路１２はどの保護ヒューズが溶断したかを表示する。

図７に図示のインバータ装置は、図８に示すようにスタック１５に収納される。図８におけるコンバータ回路トレイ１６には図７に示したコンバータ回路２がユニット化して搭載されている。また図８のインバータトレイ１７Ｒには図７のインバータ回路４Ｒがユニット化して搭載され、同様に図８のインバータトレイ１７Ｓとインバータトレイ１７Ｔにはそれぞれ図７のインバータ回路４Ｓとインバータ回路４Ｔがユニット化して搭載されている。これらの各トレイはスタック１５に収納されていて簡単に引き出すことができるので、例えば前述したようにトランジスタブリッジ回路６Ｒが破壊したことが分かれば、故障表示回路１２の指示に従ってインバータトレイ１７Ｒを引き出して点検し、破損部品を交換すればよい。なお、図７に図示しているがこれらのトレイに搭載されない部品は、スタック１５の下部の空間１８に収納される。

このようにユニット構造の電力変換装置において故障が発生した場合は、故障した電力変換ユニットだけをスタックから取り出して、修理したり、あるいは予備の電力変換ユニットと交換したりすることにより、故障を復旧することができる。

この場合、修理したり、交換したりする電力変換ユニットはユニット化されていることにより小形になっているため、取り外して運搬するときの取扱いが容易となるが、修理および、予備品との交換をする間は、電力変換装置の運転を休止する必要があったので、復旧に長時間を要する問題がある。

また、例えば、電気車両、電気推進船などの推進装置の駆動に使用する電力変換装置のように狭隘なスペースに設置する電力変換装置の場合は、故障に伴う復旧作業自体がやりにくいだけでなく、予備品の保管スペースおよび故障品の保管スペースの確保が容易でない問題もある。

従来の電力変換装置においては、このような問題への対応が十分とられていないため、電力変換装置の一部に故障が発生しても運転を続行する必要なのある装置、または短時間で故障の復旧を必要とする装置には使用することができなかった。

特開平０８‐１２６３２９号公報特開平１１‐０６９８４１号公報

この発明は、前記の従来装置の不都合を除くために、電力変換装置の一部の電力変換ユニットに故障が生じた場合、故障した電力変換ユニットをスタックから完全に分離しないで運転を継続することができるようにすることにより、復旧時間を短縮することができかつ故障した電力変換ユニットを本体から分離して特別な保管スペースに移す必要のない電力変換装置を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、電力変換回路を複数のユニットに区分し、この区分したユニットをそれぞれ引き出し形のトレイに組み込んで複数の電力変換ユニットを構成し、各電力変換ユニットをスタックに出し入れ可能に収納し、かつ各電力変換ユニットと前記スタックの間に前記電力変換ユニットの出し入れに応じてユニットの内部回路と外部回路との接続を断続する断路部を設けてなる電力変換装置において、前記各電力変換ユニットが前記スタック内に挿入されて前記断路部が接続状態となる接続位置および前記各電力変換ユニットが前記スタックから引き出され前記断路部が断路状態となる断路位置のそれぞれにおいて前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する固定手段を設けたことを特徴とするものである。

この固定手段は、前記接続位置において前記各電力変換ユニットを前記スタックに締め付け固定する長さの短い固定ボルトと、前記断路位置において前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する長さの長い固定ボルトとにより構成することができる。

また、この発明の電力変換装置は、前記断路部に接続状態を確認する断路確認手段を設けるようにするのが良い。

この発明は、電力変換回路を複数のユニットに区分し、この区分したユニットをそれぞれ引き出し形のトレイに組み込んで複数の電力変換ユニットを構成し、各電力変換ユニットをスタックに出し入れ可能に収納し、かつ各電力変換ユニットと前記スタックの間に前記電力変換ユニットの出し入れに応じてユニットの内部回路と外部回路との接続を断続する断路部を設けてなる電力変換装置において、前記各電力変換ユニットが前記スタック内に挿入され前記断路部が接続状態となる接続位置および前記各電力変換ユニットが前記スタックから引き出され前記断路部が断路状態となる断路位置のそれぞれにおいて前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する固定手段を設けているので、何れかの電力変換ユニットに故障が生じた際に、この故障した電力変換ユニットの運転を停止するとともにこのユニットをスタックから前記断路部が断路状態となる断路位置まで引き出した状態においてスタックに固定することにより、この故障したユニットをスタックにより一時的に保持することができる。

これにより、故障した電力変換ユニットを装置から切り離ししてスタックに保持した状態で、残りの正常な電力変換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ので、電力変換装置の故障発生から運転可能な状態に復旧するまでの時間を著しく短縮することができるとともに、故障した電力変換ユニットをスタックに断路状態で固定し保持することができるので故障スタックの特別な保管スペースが不要となる等の効果が得られる。

この発明の実施例による電力変換装置の回路構成図である。この発明の電力変換装置に使用する電力変換ユニットの回路構成図である。この発明の電力変換装置における電力変換ユニットを取付けたスタックの構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面断面図である。この発明の電力変換装置における電力変換ユニットの接続位置での取付け状態を示す部分的な平面断面図である。この発明の電力変換装置における電力変換ユニットの断路位置での取付け状態を示す部分的な平面断面図である。この発明に使用する固定ボルトを示す平面図である。従来の電力変換装置の回路構成図である。従来の電力変換装置の構成を示す斜視図である。

この発明の実施の形態を図１ないし図６に示す実施例について説明する。

図１は、交流電動機Ｍを可変速駆動するためのインバータにより構成されたこの発明の電力変換装置の実施例を示すものである。電力変換装置は、直流電力母線Ｐ，Ｎから供給される直流電力を交流電力に変換する単相のインバータユニットＵ１，Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２により２組の３相インバータを構成する。各相の単相インバータユニットが３相交流電動機Ｍの各相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続され、この交流電動機Ｍに３相交流電力を供給する。３相インバータにより交流電動機Ｍへ供給する電力を制御して交流電動機Ｍの速度を制御する。

各単相インバータユニットは、図２に示すように半導体素子Ｑ１ないしＱ４により構成した単相インバータ回路ＩＮＶとその制御回路ＣＴＲを備え、１つのユニットトレイＵＴに組み込まれてユニット化される。このユニット内には、その他に平滑コンデンサＣ，直流入力電流を検出する入力電流検出器ＣＴＤ、交流出力電流を検出する出力電流検出器ＣＴＡ、インバータ回路ＩＮＶを直流入力電流の過電流から保護するヒューズＦＰ、交流出力電流の過電流から保護するヒューズＦＵが設けられる。そして、ヒューズＦＰおよびＦＵはそれぞれヒューズが溶断したとき接点をオンして警報出力を発生する溶断警報接点ＦＰＡおよびＦＵＡを備える。

各ユニットトレイＵＴは、図３に示すようにスタックＳＴに挿入、引き出し可能に構成された引き出し形トレイからなり、トレイ内部の回路と外部の回路とを接続するためにトレイの背面にトレイの挿入、引き出し操作により断続される主回路断路部ＭＤＳおよび補助回路断路部ＳＤＳを備える。主回路断路部ＭＤＳは、インバータ回路ＩＮＶと直流入力母Ｐ，Ｎおよび交流出力母線Ｕ，Ｖとを接続する主回路の断続を行うものである。補助回路断路部ＳＤＳは、接地回路および断路部の断路状態を確認するための断路確認回路ＤＳＣ等の補助回路の断続を行うものである。断路確認回路ＤＳＣは、２つの断路端子間を導体により接続し、この２つの断路端子間の導通状態をユニット側の制御回路ＣＴＲで確認するものである。さらにユニットトレイＵＴの前面には、制御回路ＣＴＲと外部の監視制御装置とを接続する制御ケーブルを接続するための制御回路コネクタＣＮＴおよび挿入、引き出し操作する際にトレイを把持するためのハンドルＨＤが設けられている。

このようなインバータユニット回路は引き出し形のユニットトレイＵＴに組み込まれてインバータユニットＵ１，Ｕ２〜Ｗ１，Ｗ２を構成し、図３に示すようにスタックＳＴに引き出し可能に挿入され、断路部ＭＤＳ,ＳＤＳが接続状態となる接続位置において長さの短い通常の固定ボルトＡ（図６参照）により固定される（図３参照）。

この状態において正常に運転を行う場合は、複数のインバータユニットにより構成された２組の３相インバータが直流入力母線Ｐ，Ｎから供給される直流電力を３相の交流電力に変換して交流出力母線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続された交流電動機Ｍに供給し、これを駆動することができる。

インバータユニット（Ｕ１）を収容したユニットトレイＵＴのスタックＳＴへの取付け状態の詳細を図４および図５に示す。

ユニットトレイＵＴの背面には主回路断路部ＭＤＳの可動断路端子ＭＤＡ、補助回路断路部ＳＤＳの可動の断路確認端子ＳＤＡ、および、接地断路端子ＥＡを配置し、また、前面には制御回路コネクタＣＮＴおよびハンドルＨＤを配置している。

正常な状態では、ユニットトレイＵＴは、その可動断路端子ＭＤＡ，ＳＤＡ，ＥＡがそれぞれスタックＳＴ側に設けた断路部の固定断路端子ＭＤＢ，ＳＤＢ，ＥＢに挿入接続されるまでスタックＳＴ内に挿入された接続位置において、図６に示す長さの短い通常の固定ボルトＡで図４に示すようにスタックＳＴの固定フレームに固定される。

そして、故障が発生した場合は、故障ユニットのトレイを図５に示すように、主回路断路部ＭＤＳおよび補助回路断路部ＳＤＳが断路され、かつ電気的に十分安全となる距離Ｌだけ離間された断路位置まで引き出す。これにより、故障したインバータユニットが外部の回路から切り離されるので、この断路位置で図６に示す、長さの長い断路用固定ボルトＢを長さＬのスリーブ状のスペーサＳを介してスタックＳＴの固定フレームに固定すれば、背面に配置した主回路断路部ＭＤＳおよび補助回路断路部ＳＤＳが断路した状態でインバータユニットＵ１をスタックＳＴに固定支持することができる。

この状態では、図示しない監視装置が、制御回路ＣＴＲを介して断路確認回路ＤＳＣの断路を検知することにより故障したユニットを確認することができるので、故障ユニットへの運転指令を停止する。

なお、インバータユニットＵ１は、接続位置まで挿入された状態では、アース回路も同時に接続されるので（図４参照）、電気的安全性が確保され、かつ、コモンモードノイズ対策も確保される。

次にこのようなこの発明の電力変換装置における故障または異常発生時の復旧操作について説明する。
（１）直流入力回路のヒューズＦＰの溶断
制御信号の異常、または、インバータ回路ＩＮＶ（図２参照）の半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の異常動作によって、Ｑ１とＱ２、または、Ｑ３とＱ４が同時にオンした場合には、Ｑ１とＱ２、または、Ｑ３とＱ４が直流回路Ｐ―Ｎを短絡するため直流入力回路に短絡電流が流れて、この回路のヒューズＦＰが溶断する。

ヒューズＦＰが溶断すると溶断警報接点ＦＰＡがオンし、オン信号を制御回路ＣＴＲから制御回路ケーブルを介して、別に設けた図示しない監視装置に伝達する。

この場合、故障したインバータ回路はヒューズＦＰによって直流母線Ｐ，Ｎから切り離されているので、監視装置はヒューズＦＰの溶断警報接点ＦＰＡのオン検出信号を判別して、故障したインバータユニットに停止指令を与え、健全な他のインバータユニットへは運転指令を与えて運転を継続させることにより、電力変換装置は停止することなく運転を継続することができる。

しかる後、運転を停止した故障インバータユニットを、通常の固定ボルトＡを外して断路部ＭＤＳ，ＳＤＳが断路し、電気的に安全となる所定の距離Ｌだけ離間した断路位置までスタックＳＴから引き出し、その位置で図６に示す断路用の固定ボルトＢによりスペーサＳを介してスタックＳＴに固定し、一時的に保持しておく。
（２）直流入力回路の過電流
正常動作では電流検出器ＣＴＤにより検出される直流入力回路電流が所定の設定電流を超過しないよう制御されるので、この電流が設定電流を超過した場合は異常動作であるから、ユニット内制御回路がこれを検知して半導体素子Ｑ１〜Ｑ４を停止させると共に、別途設けた監視装置が当該ユニットへ停止指令を与える。

半導体素子Ｑ１〜Ｑ４を停止させて異常電流が消滅すれば、異常が発生したインバータユニットを停止させて、健全な他のインバータユニットへの運転指令を与えて運転を継続させる。

その後、運転を停止した故障インバータユニットをスタックの断路位置まで引き出し、この位置で、断路用固定ボルトＢで固定し、電源および負荷の接続された外部回路から当該インバータユニットが電気的に完全に分離されるので、装置の一層の安全が確保される。

また、半導体素子Ｑ１〜Ｑ４を停止させても異常電流が継続する場合は制御不能の異常状態であるから、直ちに直流母線Ｐ，Ｎに接続された直流電源を遮断した後に故障したインバータユニットをスタックの断路位置まで引き出して固定し、一時的に保持した後、再度電源を投入して残りの健全なインバータユニットだけで運転を再開する。
（３）交流出力回路のヒューズＦＵの溶断
交流負荷回路に短絡などの異常が発生した場合には、交流出力回路のヒューズＦＵが溶断する。ヒューズＦＵの溶断によりその溶断警報接点ＦＵＡがオンして、オン信号が制御回路ＣＴＲから制御回路ケーブルを介して、別途設けた監視装置に伝達される。

この場合は、故障したインバータユニットが交流出力回路から切り離されているので、監視装置は故障したユニットへ停止指令を与え、健全な他のユニットへは運転指令を与えて運転を継続させる。

その後、運転を停止された故障ユニットをスタックの断路位置まで引き出して断路用固定ボルトＢにスペーサＳを挿通してスタックに固定し、一時的に保持する。これにより補助回路も分離されるので一層の安全が確保される。
（４）交流出力回路の過電流
正常動作では電流検出器ＣＴＡにより検出される交流出力回路の電流が所定の設定電流を超過しないよう制御されているので、この電流が制御されるべき設定値を超過した場合は異常動作であるから、ユニット内制御回路ＣＴＲおよび、別途設けた外部の監視装置がこれを検知して異常のある故障インバータユニットへ停止指令を与える。

これによりユニット内のインバータ回路ＩＮＶの半導体素子Ｑ１〜Ｑ４が停止されて異常電流が消滅すれば、監視装置は故障ユニットへの停止指令を与えたまま、健全な他の電力変換装置へは運転指令を与えて運転を継続させる。

その後、運転を停止させた故障インバータユニットをスタックの断路位置まで引き出し、この位置で、断路用固定ボルトＢにスペーサＳを挿通してスタックに固定し、一時的に保持する。これにより、ユニットが電源および負荷の接続された外部回路から完全に分離されるので一層の安全が確保される。

また、半導体素子Ｑ１〜Ｑ４を停止させても異常電流が継続する場合は制御不能の異常状態であるから、直ちに直流電源を遮断した後に故障ユニットを断路位置まで引き出して断路用固定ボルトＢでスタックに固定し、一時的に保持した後に電源を投入し運転を再開する。

この発明によれば、スタックに挿入された各電力変換ユニットをスタック内の断路部が接続される接続位置だけでなく断路部が断路される断路位置においてもスタックに固定可能にしているため、電力変換ユニットの１つが故障した場合、この故障したユニットを完全にスタックから引き出すことなく断路位置でスタックに固定して一時的に保持したまま残りの健全な電力変換ユニットで運転を継続することができるので、短時間で故障を復旧することができるとともに、故障ユニットの保管のために特別なスペースを必要としなくなる。

なお、外部回路から分離してスタックに一時的に保持された故障した電力変換ユニットは、電力変換装置の運転が停止して修理可能な状態になったところで、修理または予備品との交換を行うようにする。

この発明は、設置スペースの限られた船舶や車両に搭載される電力変換装置に最適である。

ＳＴ：スタック、Ｕ１，Ｕ２〜Ｗ１，Ｗ２：インバータユニット（電力変換ユニット）、ＭＤＳ：主回路断路部、ＳＤＳ：補助回路断路部、Ａ：通常の固定ボルト、Ｂ：断路用固定ボルト、Ｓ：スペーサ。

Claims

電力変換回路を複数のユニットに区分し、この区分したユニットをそれぞれ引き出し形のトレイに組み込んで複数の電力変換ユニットを構成し、各電力変換ユニットをスタックに出し入れ可能に収納し、かつ各電力変換ユニットと前記スタックの間に前記電力変換ユニットの出し入れに応じてユニットの内部回路と外部回路との接続を断続する断路部を設けてなる電力変換装置において、前記各電力変換ユニットが前記スタック内に挿入されて前記断路部が接続状態となる接続位置および前記各電力変換ユニットが前記スタックから引き出され前記断路部が断路状態となる断路位置のそれぞれにおいて前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する固定手段を設けたことを特徴とする電力変換装置。
前記固定手段は、前記接続位置において前記各電力変換ユニットを前記スタックに締め付け固定する長さの短い固定ボルトと、前記断路位置において前記各電力変換ユニットを前記スタックに固定する長さの長い固定ボルトとにより構成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記断路部に接続状態を確認する断路確認手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。