JP2017123706A - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間の不平衡事故が発生した場合にも、運転を継続できる電力変換装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１及び第２変換器と制御ユニットとを備えた電力変換装置が提供される。第１変換器は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列に接続された複数の整流素子と、を有し、各スイッチング素子のスイッチングにより、入力された第１三相交流電圧を直流電圧に変換する。第２変換器は、直流電圧を第２三相交流電圧に変換する。制御ユニットは、第１三相交流電圧の位相を検出し、その位相を基に変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式で各スイッチング素子を制御し、第１三相交流電圧の角速度を検出し、その角速度と基準値との偏差が一定値以上である場合に各スイッチング素子をオフ状態にする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置及びその制御方法に関する。

交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、直流電力を所望の周波数及び電圧の交流電力に変換して電動機などの負荷に供給するインバータと、を備えた電力変換装置がある。こうした電力変換装置は、例えば、圧延プラントなどに用いられている。

圧延プラントにおいては、圧延機用の電力変換装置の負荷電流が大きい。このため、短時間の１線地絡や２線短絡などの不平衡事故が発生した場合にコンバータの制御を継続していると、電源の位相情報にずれが生じ、コンバータが短時間で直流過電流の故障に至ってしまうことがある。

一方、短時間の交流電源の異常が発生した時に、コンバータの制御を停止して同時にインバータの負荷である電動機の出力を抑制すると、圧延機が失速し、圧延を継続できなくなってしまう。圧延を継続するためには、短時間のコンバータの制御停止中でもインバータの出力に制約のない電力変換装置が必要となる。

例えば、特許文献１では、コンバータから出力される直流電圧が下限値以下になった場合に、コンバータのスイッチング素子をゲートオフにし、ダイオード整流に切り替えるようにしている。そして、コンバータが力行運転中の場合には、直流電圧が下がらないように、負荷の電動機の出力パワーをゼロにする。電動機の負荷が圧延機の場合、電動機の出力の低減は、圧延機の失速につながる。従って、操業を継続することができなくなってしまう。

このため、電力変換装置では、短時間の１線地絡や２線短絡などの不平衡事故が発生した場合にも、運転を継続できるようにすることが望まれる。

特許第３１５８２１２号明細書

本発明の実施形態は、短時間の１線地絡や２線短絡などの不平衡事故が発生した場合にも、運転を継続できる電力変換装置及びその制御方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、第１変換器と、複数の平滑コンデンサと、第２変換器と、電圧計と、制御ユニットと、を備えた電力変換装置が提供される。前記第１変換器は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、３つの交流端子と、少なくとも３つの直流端子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記３つの交流端子から入力された第１三相交流電圧を、正電位、負電位及び中性点電位の少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換し、前記直流電圧を前記少なくとも３つの直流端子から出力する。前記複数の平滑コンデンサは、前記少なくとも３つの直流端子のそれぞれの間に設けられる。前記第２変換器は、前記少なくとも３つの直流端子に接続されるとともに、交流負荷に接続され、前記直流電圧を前記交流負荷に応じた第２三相交流電圧に変換し、前記第２三相交流電圧を前記交流負荷に供給する。前記電圧計は、前記第１三相交流電圧の各相の電圧値を検出する。前記制御ユニットは、前記電圧計の検出結果を基に前記第１三相交流電圧の各相の位相を検出し、検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の線間電圧と前記直流電圧との変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式により、前記第１変換器の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の各相の角速度を検出し、検出された前記角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上である場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする。

短時間の１線地絡や２線短絡などの不平衡事故が発生した場合にも、運転を継続できる電力変換装置及びその制御方法が提供される。

第１の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係るパルスパターンの一例を表すグラフ図である。 第１の実施形態に係る電力変換装置の動作を模式的に表すフローチャートである。 第２の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置の動作を模式的に表すフローチャートである。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、第１変換器１１と、第２変換器１２と、一対の平滑コンデンサ１３、１４と、制御ユニット１５と、電圧計１６と、電流計１７と、を備える。

第１変換器１１は、３つの交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔと、少なくとも３つの直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃと、を有する。各交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔは、変圧器４を介して交流電源２に接続される。交流電源２は、三相交流電源である。各交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔは、交流電源２の三相交流電圧の各相に接続される。これにより、第１変換器１１には、各交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔを介して三相交流電圧が入力される。変圧器４は、電力変換装置１０に設けてもよいし、電力変換装置１０とは別に設けてもよい。

第１変換器１１は、入力された三相交流電圧（第１三相交流電圧）を正電位Ｐ、負電位Ｎ及び中性点電位Ｃの少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換にする。この例では、三相交流電圧を上記の３レベルに変換する場合について説明する。以下では、各直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃを、それぞれ正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、中性点端子１１ｃと称す。第１変換器１１は、３レベルに限ることなく、三相交流電圧をより多数のレベルを有する直流電圧に変換してもよい。この場合、直流端子の数は、４つ以上でもよい。

第１変換器１１は、正電位端子１１ｐを正電位Ｐに設定し、負電位端子１１ｎを負電位Ｎに設定し、中性点端子１１ｃを中性点電位Ｃに設定する。中性点電位Ｃは、正電位Ｐと負電位Ｎとの中間の電位である。これにより、第１変換器１１は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間、及び、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間のそれぞれに、直流電圧Ｖｄを発生させる。従って、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間の電圧は、２Ｖｄである。

平滑コンデンサ１３は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間に設けられる。平滑コンデンサ１３は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間に電気的に接続される。平滑コンデンサ１４は、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間に設けられる。平滑コンデンサ１４は、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間に電気的に接続される。平滑コンデンサ１３、１４は、直流電圧Ｖｄを平滑化する。第１変換器１１に４つ以上の直流端子が設けられる場合、平滑コンデンサは、各直流端子のそれぞれの間に設けられる。平滑コンデンサは、直流端子の数に応じて複数設けられる。

第２変換器１２は、各直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃに接続されるとともに、誘導電動機６に接続される。誘導電動機６は、三相誘導電動機である。第２変換器１２は、第１変換器１１から入力された直流電圧を、誘導電動機６に応じた所望の周波数及び電圧値の三相交流電圧（第２三相交流電圧）に変換し、その三相交流電圧を誘導電動機６に供給する。これにより、第２変換器１２は、誘導電動機６を駆動する。

このように、電力変換装置１０は、誘導電動機６の力行運転を行う。第１変換器１１は、３レベル式の電圧形コンバータである。第２変換器１２は、電圧形のインバータである。また、電力変換装置１０は、誘導電動機６で発生した三相交流電圧を交流電源２に応じた三相交流電圧に変換し、変換後の三相交流電圧を電源系統に供給する。すなわち、電力変換装置１０は、誘導電動機６の回生運転を行うこともできる。この場合には、第１変換器１１がインバータとして機能し、第２変換器１２がコンバータとして機能する。第２変換器１２が三相交流電圧を供給する交流負荷は、誘導電動機６に限ることなく、他の交流負荷でもよい。電力変換装置１０は、誘導電動機６の運転を行う他に、例えば、同期電動機の運転も行う。

電圧計１６は、交流電源２の三相交流の各相の電圧値を検出する。電圧計１６は、検出した各相の電圧値を制御ユニット１５に入力する。電流計１７は、交流電源２の三相交流の各相の電流値を検出する。電流計１７は、検出した各相の電流値を制御ユニット１５に入力する。

制御ユニット１５は、電圧計１６及び電流計１７の各検出結果を基に、第１変換器１１及び第２変換器１２の動作を制御する。制御ユニット１５は、第１変換器１１による三相交流電圧から直流電圧への変換を制御する。制御ユニット１５は、第２変換器１２による直流電圧から三相交流電圧への変換を制御する。第２変換器１２の動作は、制御ユニット１５とは別の制御ユニットによって制御してもよい。

図２は、第１の実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、第１変換器１１は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子２１と、各スイッチング素子２１のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子２２と、を有する。この例において、第１変換器１１は、複数の整流素子２３をさらに有する。

スイッチング素子２１は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、各主端子間に電流が流れるオン状態と、各主端子間に実質的に電流が流れないオフ状態と、の切り替えに用いられる。スイッチング素子２１には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧素子が用いられる。制御端子は、例えば、ゲート端子である。

第１変換器１１は、三相ブリッジ型であり、６つのアームＡＲ、ＡＳ、ＡＴ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺを有する。各交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔに接続される各相アームＡＲ、ＡＳ、ＡＴ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺのそれぞれの構成は、実質的に同じである。従って、ここでは例示として交流端子１１ｒ（Ｒ相）に接続される２つのアームＡＲ、ＡＸについて説明する。

正側のアームＡＲは、直列接続の２つのスイッチング素子ＳＲ１、ＳＲ２と、これらのスイッチング素子ＳＲ１、ＳＲ２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＲ１、ＤＲ２と、各スイッチング素子ＳＲ１、ＳＲ２の直列接続点と中性点端子１１ｃとの間に接続された整流素子ＤＲ３と、を有する。

同様に、負側のアームＡＸは、直列接続の２つのスイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２と、これらのスイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＸ１、ＤＸ２と、各スイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２の直列接続点と中性点端子１１ｃとの間に接続された整流素子ＤＸ３と、を有する。

両アームＡＲ、ＡＸは、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間に直列に接続され、両アームＡＲ、ＡＸの直列接続点がＲ相の交流端子１１ｒに接続される。スイッチング素子ＳＲ１、ＳＲ２の直列接続点の電位は、整流素子ＤＲ３を介して中性点電位Ｃにクランプされる。同様に、スイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２の直列接続点の電位は、整流素子ＤＸ３を介して中性点電位Ｃにクランプされる。整流素子ＤＲ１、ＤＲ２、ＤＸ１、ＤＸ２（各整流素子２２）は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子ＤＲ３、ＤＸ３（各整流素子２３）は、いわゆるクランプダイオードである。

アームＡＳ、ＡＴの構成は、アームＡＲの構成と実質的に同じである。アームＡＹ、ＡＺの構成は、アームＡＸの構成と実質的に同じである。これにより、各スイッチング素子２１のスイッチングに応じて、交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔの電位が、正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、及び中性点端子１１ｃの３レベルのいずれかの電位にクランプされる。

第２変換器１２の構成は、第１変換器１１の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。第２変換器１２においては、各平滑コンデンサ１３、１４と接続された側が直流側（正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、中性点端子１１ｃに相当）となり、誘導電動機６と接続された側が交流側（交流端子１１ｒ、１１ｓ、１１ｔに相当）となる。制御ユニット１５は、第２変換器１２の各スイッチング素子のスイッチングを制御することにより、第２変換器１２による直流電圧から三相交流電圧への変換を制御する。

制御ユニット１５は、位相検出器３０と、有効分・無効分電流検出器３２と、ゲート制御部３４と、を有する。位相検出器３０には、電圧計１６の検出結果が入力される。位相検出器３０は、電圧計１６の検出結果を基に、交流電源２の三相交流電圧の各相の位相を検出する。

また、位相検出器３０は、検出した位相の単位時間当たりの変化量を基に、交流電源２の三相交流電圧の各相の角速度を検出する。換言すれば、位相検出器３０は、交流電源２の三相交流電圧の各相の周波数を検出する。位相検出器３０は、検出した各相の位相情報及び角速度情報をゲート制御部３４に入力する。

有効分・無効分電流検出器３２には、電圧計１６の検出結果、及び、電流計１７の検出結果が入力される。有効分・無効分電流検出器３２は、入力された電圧計１６及び電流計１７の各検出結果を基に、交流電源２側から第１変換器１１に供給される電流の有効電流Ｉｐ及び無効電流Ｉｑを演算する。有効分・無効分電流検出器３２は、演算した有効電流Ｉｐ及び無効電流Ｉｑをゲート制御部３４に入力する。

ゲート制御部３４は、固定パルスパターン方式により、第１変換器１１の各スイッチング素子２１のスイッチングを制御するための制御信号（例えばゲート信号）を生成する。ゲート制御部３４は、生成した各制御信号を各スイッチング素子２１の制御端子に入力する。これにより、ゲート制御部３４は、各スイッチング素子２１のオン・オフを切り替え、第１変換器１１の動作を制御する。

固定パルスパターン方式とは、毎周期同一のパルスパターンを発生し続ける方式である。パルスパターンの基本周波数は、交流電源２の周波数と同期する。ゲート制御部３４は、位相検出器３０で検出された位相情報を基に、パルスパターンの基本周波数を交流電源２の周波数に同期させる。なお、固定パルスパターン方式については、例えば、特許第３６３０６２１号、特許第４０１５７９５号、及び、特許第５４１１０３１号などにより詳しく説明されている。

また、ゲート制御部３４は、例えば、有効分・無効分電流検出器３２で検出された有効電流Ｉｐ及び無効電流Ｉｑを基に、有効電流Ｉｐ及び無効電流Ｉｑの基準値との偏差をゼロにするための位相の補正量を算出する。そして、ゲート制御部３４は、交流電源２の位相から補正量の分だけ位相をシフトさせたパルスパターンを生成する。なお、パルスパターンの位相は、位相検出器３０の位相情報のみで決定してもよい。

図３は、第１の実施形態に係るパルスパターンの一例を表すグラフ図である。
図３は、Ｒ相の各スイッチング素子ＳＲ１、ＳＲ２、ＳＸ１、ＳＸ２に入力する制御信号ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＸ１、ＧＸ２、及び、Ｒ相の電圧波形Ｖｓｒの一例である。図３に表したように、パルスパターンの１／４周期の波形は、９０°を挟んで左右対称である。また、３レベル変換器のための正側のパルスと負側のパルスは、上下対称である。さらに、三相各相のパルスパターンは、互いに１２０°ずれた同一のパルスパターンである。従って、１／４周期のパルスパターンが決定されれば、全てのパルスパターンが決まる。図３では、交流電源半周期あたり３パルスの場合を例示しているが、パルス数は、任意でよい。

ゲート制御部３４は、上記の固定パルスパターン方式の制御において、交流電源２の線間電圧と正側または負側の直流電圧Ｖｄとの変調率を１．２以上にする。変調率をｍ、交流電源２の線間電圧をＶａとした時、変調率ｍは、以下の（１）式によって求めることができる。
ｍ＝（√２／√３）Ｖａ／Ｖｄ （１）
すなわち、線間電圧Ｖａに対して直流電圧Ｖｄを小さくする。これにより、変調率ｍを１．２以上にすることができる。

すなわち、線間電圧Ｖａに対して、直流電圧Ｖｄを以下の（１Ａ）式の値より小さくする。これにより、変調率ｍを１．２以上にすることができる。
Ｖｄ＝（√２／√３／１．２）Ｖａ （１Ａ）

変調率ｍは、例えば、図３のパルスＰ１のタイミングを調整することによって変化させることができる。パルスＰ１のタイミングを遅らせると、中央のパルス幅が減少し、これにともなって変調率ｍが減少する。反対に、パルスＰ１のタイミングを早めると、中央のパルス幅が増大し、変調率ｍも増大する。これにより、変調率ｍを任意に設定することができる。また、ゲート制御部３４は、例えば、変調率ｍを１．５以下にする。

ゲート制御部３４は、誘導電動機６の力行運転を行う場合に、位相検出器３０から入力された角速度情報を基に、検出された角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上であるか否かを判定する。ゲート制御部３４は、三相交流電圧の各相のそれぞれについて、上記の判定を行う。角速度基準値は、例えば、交流電源２の周波数に応じて決定される。例えば、交流電源２の周波数が５０（Ｈｚ）である場合、角速度基準値は、１００π（ｒａｄ／ｓ）である。ゲート制御部３４は、例えば、角速度基準値の±１０％を一定値として判定を行う。例えば、交流電源２の周波数が５０（Ｈｚ）である場合、ゲート制御部３４は、検出された角速度と角速度基準値との偏差が±１０π（ｒａｄ／ｓ）以上の時に、一定値以上であると判定する。

ゲート制御部３４は、各相のそれぞれについて一定値未満であると判定した場合、上記のように、変調率１．２以上の固定パルスパターン方式で第１変換器１１の各スイッチング素子２１のスイッチングを制御する。

一方、ゲート制御部３４は、各相の少なくとも１つについて一定値以上であると判定した場合、第１変換器１１の各スイッチング素子２１をオフ状態にする。ゲート制御部３４は、各スイッチング素子２１をオフ状態にする制御信号を生成し、その制御信号を各スイッチング素子２１の制御端子に入力することにより、各スイッチング素子２１のそれぞれをオフ状態にする。これにより、ゲート制御部３４は、第１変換器１１を各整流素子２２によるダイオードコンバータとして第１変換器１１を動作させる。

このように、ゲート制御部３４は、変調率１．２以上の固定パルスパターン方式により電圧形コンバータとして第１変換器１１を動作させるコンバータモードと、ダイオードコンバータとして第１変換器１１を動作させるダイオード整流モードと、を有する。

ゲート制御部３４は、偏差が一定値以上であると判定した後、一定値未満の状態に復帰した場合、第１変換器１１の動作をダイオード整流モードからコンバータモードに戻す。すなわち、ゲート制御部３４は、複数のスイッチング素子２１をオフ状態にした後、偏差が一定値未満の状態に復帰した場合に、固定パルスパターン方式による複数のスイッチング素子２１の制御を再開する。

図４は、第１の実施形態に係る電力変換装置の動作を模式的に表すフローチャートである。
図４は、誘導電動機６を力行運転する場合の動作を模式的に表す。
図４に表したように、電力変換装置１０では、誘導電動機６の力行運転を行う場合、制御ユニット１５のゲート制御部３４が、変調率１．２以上の固定パルスパターン方式で第１変換器１１の各スイッチング素子２１のスイッチングを制御し、第１変換器１１をコンバータモードで動作させる。これにより、ゲート制御部３４は、交流電源２の三相交流電圧を直流電圧に変換する。また、制御ユニット１５は、第２変換器１２の動作を制御し、第１変換器１１から出力された直流電圧を誘導電動機６に対応した三相交流電圧に変換する。第２変換器１２は、変換した三相交流電圧を誘導電動機６に供給する。これにより、誘導電動機６が力行運転される。

ゲート制御部３４は、誘導電動機６を力行運転する場合、第１変換器１１の動作を制御するとともに、三相交流電圧の各相のそれぞれについて、検出された角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上であるか否かを判定する。

ゲート制御部３４は、各相のそれぞれについて一定値未満であると判定した場合、コンバータモードによる第１変換器１１の動作を継続させる。

一方、ゲート制御部３４は、各相の少なくとも１つについて一定値以上であると判定した場合、各スイッチング素子２１をオフ状態にし、第１変換器１１の動作をコンバータモードからダイオード整流モードに切り替える。

交流電源２の三相交流電圧のうちの１相又は２相において、検出された角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上であると判定された場合、交流電源２に不平衡事故が発生していると考えられる。交流電源２に不平衡事故が発生すると、位相検出器３０での位相検出にずれが生じる可能性がある。このため、不平衡事故時に第１変換器１１をコンバータモードで動作させ続けると、場合によっては、直流過電流などにより、第１変換器１１や第２変換器１２が故障してしまう。

また、第１変換器１１をダイオード整流モードで動作させた場合の変調率ｍは、例えば、約１．２１である。このため、コンバータモード時の変調率ｍとダイオード整流モード時の変調率ｍとの差が大きい場合には、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた時に、直流電圧が過度に大きくなったり、小さくなったりしてしまう。

例えば、コンバータモード時の変調率ｍを１．２よりも小さくすると、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた時に、直流電圧Ｖｄが小さくなり、誘導電動機６の力行運転を継続することができなくなってしまう。例えば、第１変換器１１をＰＷＭ制御で動作させる場合、三相のうちの一相を１２０°の期間オンを継続する、いわゆる二相変調の時に、変調率ｍが最大になると考えられる。この時の変調率ｍは１．１５であり、１．２よりも小さい。

反対に、コンバータモード時の変調率ｍを１．５よりも大きくすると、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた時に、直流電圧Ｖｄが大きくなり、第１変換器１１や第２変換器１２の故障が懸念される。

本実施形態に係る電力変換装置１０では、コンバータモードにおいて、変調率１．２以上の固定パルスパターン方式により、第１変換器１１を動作させる。これにより、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた時の直流電圧Ｖｄの変動を抑制することができる。従って、電力変換装置１０では、短時間の不平衡事故が発生した場合でも、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えることにより、誘導電動機６の力行運転を継続することができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置１０では、コンバータモード時の変調率ｍを１．５以下にする。これにより、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた時の直流電圧Ｖｄの変動をより適切に抑制することができる。コンバータモード時の直流電圧Ｖｄをダイオード整流モード時の直流電圧Ｖｄよりも大きくする場合、変調率ｍは、例えば、１．２以上１．３５未満である。

ゲート制御部３４は、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた後、検出された角速度と角速度基準値との偏差が一定値未満の状態に復帰したか否かを判定する。ゲート制御部３４は、一定値未満の状態に復帰したと反対した場合、第１変換器１１の動作をダイオード整流モードからコンバータモードに戻す。

また、制御ユニット１５は、第１変換器１１をダイオード整流モードに切り替えた後、ダイオード整流モードへの切り替えのタイミングから所定時間経過したか否かを判定する。不平衡事故が所定時間以上継続された場合には、交流電源２に異常が発生していると考えられる。従って、制御ユニット１５は、所定時間経過したと判定した場合、すなわち、偏差が一定値以上の状態が所定時間継続された場合、第２変換器１２の動作を停止させ、誘導電動機６の力行運転を停止する。これにより、例えば、交流電源２の異常から電力変換装置１０や誘導電動機６などを保護することができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図５に表したように、電力変換装置１１０の制御ユニット１５は、電圧検出器３６をさらに有する。なお、上記第１の実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。

電圧検出器３６には、電圧計１６の検出結果が入力される。電圧検出器３６は、電圧計１６の検出結果を基に、交流電源２の三相交流電圧の一定値以上の低下を検出する。電圧検出器３６の検出する電圧は、三相交流電圧の各相の相電圧でもよいし、三相交流電圧の各相の線間電圧でもよい。電圧の閾値は、例えば、交流電源２の三相交流電圧の定格電圧の２０％〜３０％である。電圧検出器３６は、例えば、交流電源２の三相交流電圧の各相のいずれかが、定格電圧の２０％以下になった場合に、一定値以上の低下を検出する。電圧検出器３６は、三相交流電圧の一定値以上の低下を検出した場合、電圧低下の検出を表す電圧低下検出信号をゲート制御部３４に入力する。

図６は、第２の実施形態に係る電力変換装置の動作を模式的に表すフローチャートである。
図６に表したように、ゲート制御部３４は、第１変換器１１をコンバータモードで動作させ、誘導電動機６を力行運転させている状態において、電圧検出器３６によって電圧の低下が検出された場合、各スイッチング素子２１をオフ状態にし、第１変換器１１をコンバータモードからダイオード整流モードに切り替える。すなわち、この例において、ゲート制御部３４は、交流電源２の三相交流電圧の各相のいずれかが一定値以上低下した場合に、交流電源２に不平衡事故が発生したと判断する。

ゲート制御部３４は、電圧検出器３６によって三相交流電圧の低下が検出された後、三相交流電圧が一定値よりも大きい状態に復帰した場合、第１変換器１１の動作をダイオード整流モードからコンバータモードに戻す。すなわち、ゲート制御部３４は、複数のスイッチング素子２１をオフ状態にした後、交流電源２の三相交流電圧が一定値よりも大きい状態に復帰した場合に、固定パルスパターン方式による複数のスイッチング素子２１の制御を再開する。また、制御ユニット１５は、ダイオード整流モードへの切り替えから所定時間経過した場合、第２変換器１２の動作を停止させ、誘導電動機６の力行運転を停止する。

交流電源２の不平衡事故の具合によっては、位相検出器３０による異常の検出よりも先に、電圧検出器３６によって異常が検出される場合がある。従って、本実施形態に係る電力変換装置１１０では、力行運転中に電圧低下が検出された場合に、第１変換器１１をコンバータモードからダイオード整流モードに切り替える。これにより、例えば、交流電源２の不平衡事故をより適切に検出することができる。例えば、交流電源２の不平衡事故にともなう第１変換器１１や第２変換器１２などの故障をより適切に抑制することができる。

このように、この例では、誘導電動機６の力行運転中において、位相検出器３０の検出結果に基づく角速度、及び、電圧検出器３６の検出結果に基づく電圧の少なくとも一方によって、交流電源２の不平衡事故を検出する。交流電源２の不平衡事故の検出は、上記第１の実施形態に示したように角速度のみで行ってもよいし、図６に表したように電圧のみで行ってもよい。

なお、以上では変調率を１．２以上としたが、第１変換器１１の電流定格に余裕が有る場合には、直流電圧Ｖｄの低下に対し、電流を増加させることで必要な電力量を第２変換器１２に供給することが可能である。つまり、変調率が１．２を下回る場合でも、第１変換器１１がダイオード整流モードになった場合の直流電圧Ｖｄの低下の程度の逆数の余裕を第１変換器１１の電流定格に持たせれば、本発明の実施が可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。

２…交流電源、 ４…変圧器、 ６…誘導電動機、 １０、１１０…電力変換装置、 １１…第１変換器、 １２…第２変換器、 １３、１４…平滑コンデンサ、 １５…制御ユニット、 １６…電圧計、 １７…電流計、 ２１…スイッチング素子、 ２２…整流素子、 ２３…整流素子、 ３０…位相検出器、 ３２…有効分・無効分電流検出器、 ３４…ゲート制御部、 ３６…電圧検出器

Claims (7)

1. ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、３つの交流端子と、少なくとも３つの直流端子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記３つの交流端子から入力された第１三相交流電圧を、正電位、負電位及び中性点電位の少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換し、前記直流電圧を前記少なくとも３つの直流端子から出力する第１変換器と、
   前記少なくとも３つの直流端子のそれぞれの間に設けられた複数の平滑コンデンサと、
   前記少なくとも３つの直流端子に接続されるとともに、交流負荷に接続され、前記直流電圧を前記交流負荷に応じた第２三相交流電圧に変換し、前記第２三相交流電圧を前記交流負荷に供給する第２変換器と、
   前記第１三相交流電圧の各相の電圧値を検出する電圧計と、
   前記電圧計の検出結果を基に前記第１三相交流電圧の各相の位相を検出し、検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の線間電圧と前記直流電圧との変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式により、前記第１変換器の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の各相の角速度を検出し、検出された前記角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上である場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする制御ユニットと、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記制御ユニットは、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にした後、前記偏差が前記一定値未満の状態に復帰した場合に、前記固定パルスパターン方式による前記複数のスイッチング素子の制御を再開する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御ユニットは、前記電圧計によって検出された前記第１三相交流電圧が一定値以上低下した場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御ユニットは、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にした後、前記第１三相交流電圧が前記一定値よりも大きい状態に復帰した場合に、前記固定パルスパターン方式による前記複数のスイッチング素子の制御を再開する請求項３記載の電力変換装置。
5. ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、３つの交流端子と、少なくとも３つの直流端子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記３つの交流端子から入力された第１三相交流電圧を、正電位、負電位及び中性点電位の少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換し、前記直流電圧を前記少なくとも３つの直流端子から出力する第１変換器と、
   前記少なくとも３つの直流端子のそれぞれの間に設けられた複数の平滑コンデンサと、
   前記少なくとも３つの直流端子に接続されるとともに、交流負荷に接続され、前記直流電圧を前記交流負荷に応じた第２三相交流電圧に変換し、前記第２三相交流電圧を前記交流負荷に供給する第２変換器と、
   前記第１三相交流電圧の各相の電圧値を検出する電圧計と、
   前記電圧計の検出結果を基に前記第１三相交流電圧の各相の位相を検出し、検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の線間電圧と前記直流電圧との変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式により、前記第１変換器の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、前記電圧計によって検出された前記第１三相交流電圧が一定値以上低下した場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする制御ユニットと、
   を備えた電力変換装置。
6. ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、３つの交流端子と、少なくとも３つの直流端子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記３つの交流端子から入力された第１三相交流電圧を、正電位、負電位及び中性点電位の少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換し、前記直流電圧を前記少なくとも３つの直流端子から出力する第１変換器と、
   前記少なくとも３つの直流端子のそれぞれの間に設けられた複数の平滑コンデンサと、
   前記少なくとも３つの直流端子に接続されるとともに、交流負荷に接続され、前記直流電圧を前記交流負荷に応じた第２三相交流電圧に変換し、前記第２三相交流電圧を前記交流負荷に供給する第２変換器と、
   前記第１三相交流電圧の各相の電圧値を検出する電圧計と、
   を備えた電力変換装置の制御方法であって、
   前記電圧計の検出結果を基に前記第１三相交流電圧の各相の位相を検出する工程と、
   検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の線間電圧と前記直流電圧との変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式により、前記第１変換器の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する工程と、
   検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の各相の角速度を検出する工程と、
   検出された前記角速度と角速度基準値との偏差が一定値以上である場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする工程と、
   を有する電力変換装置の制御方法。
7. ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、３つの交流端子と、少なくとも３つの直流端子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記３つの交流端子から入力された第１三相交流電圧を、正電位、負電位及び中性点電位の少なくとも３レベルを有する直流電圧に変換し、前記直流電圧を前記少なくとも３つの直流端子から出力する第１変換器と、
   前記少なくとも３つの直流端子のそれぞれの間に設けられた複数の平滑コンデンサと、
   前記少なくとも３つの直流端子に接続されるとともに、交流負荷に接続され、前記直流電圧を前記交流負荷に応じた第２三相交流電圧に変換し、前記第２三相交流電圧を前記交流負荷に供給する第２変換器と、
   前記第１三相交流電圧の各相の電圧値を検出する電圧計と、
   を備えた電力変換装置の制御方法であって、
   前記電圧計の検出結果を基に前記第１三相交流電圧の各相の位相を検出する工程と、
   検出された前記位相を基に、前記第１三相交流電圧の線間電圧と前記直流電圧との変調率を１．２以上とした固定パルスパターン方式により、前記第１変換器の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する工程と、
   前記電圧計によって検出された前記第１三相交流電圧が一定値以上低下した場合に、前記複数のスイッチング素子をオフ状態にする工程と、
   を有する電力変換装置の制御方法。

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