JP4942143B2 - インバータ装置及びその過電圧保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイオードコンバータからの直流電力を入力するインバータ装置及びその過電圧保護方法に関する。

交流電動機を駆動するインバータ装置の入力となる直流電源は、直流電圧を制御する方式と制御しない方式に大別される。後者の代表例がダイオードコンバータである。

ダイオードコンバータは直流電圧を制御できないため、直流電圧は交流入力電圧に応じて変化する。入力変圧器のインピーダンスを無視する場合、３相交流を全波整流するダイオードコンバータの直流出力電圧Ｅｄは次式で表される。ここで、Ｖは交流入力電圧実効値である。

Ｅｄ＝３×√２／π×Ｖ ［ボルト］ ・・・（１）
従って、例えば交流入力電圧Ｖが定格電圧に対して±１０％変動するとき、直流出力電圧Ｅｄも同様に±１０％変動する。尚、交流入力電圧の変動は比較的長い周期で生じる場合が多く、その単位は分オーダー以上になる。分オーダーを越える時間はインバータ装置にとってほぼ定常状態として扱われるレベルである。

ここで、例えば定格直流電圧が２４００ボルトのインバータの場合、定格交流入力電圧は（１）式によってＶ＝１７７７ボルトと決まる。そして、交流入力電圧の仕様が±１０％であれば、直流電圧は２１６０ボルトから２６４０ボルトの範囲で変化することになる。従って、インバータ装置の構成部品は、２６４０ボルトという直流過電圧が定常的に印加されることを想定して設計する必要がある。

ところで、近年、半導体スイッチング素子が、宇宙線の突入によって偶発的に破壊する現象が見つかった。そのため、半導体スイッチング素子の電圧利用を定格の６０％以下に制限して使用すべき等の提言が為されている（例えば特許文献１参照。）。

また、特に高耐圧の半導体スイッチング素子に対して、宇宙線による故障率の電圧依存性のデータに基づく特別の対策方法が提案されている（例えば非特許文献１参照。）。
特開２００４−５１３５９６号公報（第５頁） "三菱大電力半導体／スタック編「ＧＴＯサイリスタの特長とその応用」"、［平成１７年１１月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mitsubishichips.com/Japan/files/manuals/kc0109a1.pdf＞

宇宙線の突入による半導体スイッチング素子の偶発的な破壊の確率を低減する方策として、非特許文献１に示されたように、この破壊現象への耐性を高めた半導体スイッチング素子のインバータ装置への適用が考えられる。上記の例で言えば、定常的に印加される可能性のある２６４０Ｖに対して、十分な耐性を有する素子を適用すれば良い。

しかしながら、当該対策品は耐性の低い標準仕様の素子に比べて高価であるため、これを適用した場合にはインバータ装置の経済性の問題が生ずる。

また、特許文献１に記載されているように、標準仕様の素子を適用する場合でも、定格直流電圧を低めに設定することによって破壊の確率は低減される。例えば定格直流電圧を２４００ボルトから２２５０Ｖに下げれば、１０％過電圧時の直流電圧が２４７５Ｖとなり、破壊の確率は低くなる。しかし、定格直流電圧を低減するとインバータの定格出力電圧が低下するため、場合によってはモータの定格電圧までも見直す必要が生じる恐れがあり、実質的にインバータの性能が低下したものと見做される。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ダイオードコンバータから直流電力を得るインバータ装置を、高コスト化及び性能低下させることなく高信頼性化することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明であるインバータ装置及びその過電圧保護方法は、交流電源から負荷時タップ切換変圧器を介して供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータと、前記インバータの入力となる直流電圧を監視する直流電圧監視器を備えたインバータ装置において、前記直流電圧監視器は、前記直流電圧が予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、警報信号を出力すると共に、前記負荷時タップ切換変圧器のタップを低電圧側に切換えるようにしたことを特徴としている。
また、本発明の第２の発明であるインバータ装置及びその過電圧保護方法は、交流電源から供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータと、前記インバータの入力となる直流電圧を監視する直流電圧監視器と、前記インバータの出力電流の実効値を検出する電流検出手段から成るインバータ装置において、前記直流電圧が予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、警報信号を出力すると共に、前記電流検出手段の検出値に応じて前記しきい値電圧を補正するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、ダイオードコンバータから直流電力を得るインバータ装置を、高コスト化及び性能低下させることなく高信頼性化することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係るインバータ装置及びその過電圧保護方法を図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係るインバータ装置の回路構成図である。

交流電源１から入力変圧器２を介してダイオードコンバータ３に交流が給電される。ダイオードコンバータ３は交流を直流に変換し、平滑コンデンサ４を介してインバータ５に直流を供給する。インバータ５は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子をブリッジ接続して構成され、交流電動機６に交流電力を供給する。平滑コンデンサ４に印加される直流電圧は、電圧検出器７で検出され、また、インバータ５の出力電流は電流検出器８によって検出されている。

図１（ａ）におけるダイオードコンバータ３は６パルス整流方式であるが、この整流方式に限ったものではなく、例えば１２パルス整流方式であっても良い。また、インバータ５は２レベル３相方式としているが、これもこの方式に限ったものではなく、例えば３レベル３相方式であっても良い。

インバータ５を構成する半導体スイッチング素子は、制御ブロック９から与えられるゲートパルスによってオンオフ制御されている。この制御ブロック９にはフィードバック制御用に電圧検出器７で検出された直流電圧及び電流検出器８によって検出された出力電流が与えられている。尚、制御ブロック９の内部構成は、本発明の主題との関係が薄いのでその説明を省略する。

電圧検出器７で検出された直流電圧及び電流検出器８によって検出された出力電流は、保護ブロック１０にも与えられる。保護ブロック１０は、これ等の信号の異常値をチェックする過電圧検出器、過電流検出器を有するほか、直流電圧のゆっくりした電圧上昇を監視するための直流電圧監視器１１を備えている。ここで、過電圧検出器は、直流電圧が予め設定された過電圧値Ｅｏｖを越えたとき、インバータ５のトリップ信号を出力する機能を有する。また、過電流検出器は、出力電流が予め設定された過電流値Ｉｏｃを越えたとき、インバータ５のトリップ信号を出力する機能を有する。

図１（ｂ）は直流電圧監視器１１の内部構成図である。過電圧しきい値設定器１０１には上記過電圧値Ｅｏｖより低い過電圧しきい値Ｅｔｈが設定され、比較器１０２によって電圧検出器７で検出された直流電圧と比較される。そして、直流電圧が過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となる時間をタイマ１０３で計時し、所定時間以上経過したとき、警報を出力する。

以下、上記直流電圧監視器１１の動作を図２の動作タイムチャートを用いて説明する。

直流電圧Ｅｄが電圧上昇し、時刻ｔ＝ｔｏで過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となる。タイマ１０３の設定時間を時間幅Ｔｗ１としたとき、上記の直流電圧Ｅｄが過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となった状態が時間幅Ｔｗ１以上継続したときに警報が出力される。尚、警報を発生した後もインバータ５の運転は継続させる。これは、想定している素子破壊が偶発現象であり、高めの直流電圧が印加されたことによって直ちに問題が生じる恐れは少ないためである。

ここで、設定値の例を示す。まず、定格直流電圧を２４００ボルトとする。これに対して過電圧値Ｅｏｖは、インバータ側の制御過渡状態も考慮して定格直流電圧の１２０％とする。したがって、Ｅｏｖ＝２４００ボルト×１．２＝２８８０ボルトとなる。一方、過電圧しきい値Ｅｔｈは、半導体スイッチング素子の故障率が１００ＦＩＴとなるような直流電圧値とする。Ｅｄ（１００ＦＩＴ）＝２５００ボルトであれば、過電圧しきい値Ｅｔｈ＝２５００ボルトとする。

上記において、１ＦＩＴとは、デバイスが故障する確率が稼働１０＾９時間中に１個という単位であり、例えば１００ＦＩＴは１０＾７時間（＝１１４２年＝１０＾７時間／２４時間／３６５日）中に１個となる。信頼性を要求されるインバータ装置の設計においては、半導体スイッチング素子の故障率が１０ＦＩＴから１００ＦＩＴとなるように選定するのが通常である。

ここで、図１（ａ）に示すインバータ装置の直流電圧の上昇要因としては、交流入力電圧上昇の他に、モータの負荷変動に起因するものが考えられる。後者の例が、負荷の急変によって過渡的に回生状態になる場合であり、負荷側からのエネルギー流入によって平滑コンデンサが充電され、直流電圧が上昇する。ただし、上記負荷変動に起因する直流電圧上昇は制御によって抑えられるため、直流電圧が一旦過電圧しきい値Ｅｔｈ以上になったとしても、高々秒オーダー以下で定格直流電圧に復帰する。

一方、交流入力電圧上昇は、他の負荷需要が軽減された場合や進相コンデンサが投入された場合などに発生する。また、上記事象は一般に日負荷変動と関連していることから、時間オーダーの比較的長時間に亘って継続する。秒オーダー程度継続する直流電圧上昇を異常と見做すことは、インバータ装置の運用に支障を来す恐れがあるが、半導体スイッチング素子の信頼性確保の観点で、分オーダーから時間オーダー程度継続する直流電圧上昇を異常とすることは合理的である。このため、時間幅Ｔｗ１は、分オーダーから時間オーダーを設定するのが好ましい。

以上のように、本発明によれば、インバータを構成する半導体スイッチング素子が、宇宙線によって偶発破壊する確率が高まったことを知ることができ、その確率を低減するための対処、例えば系統のコンデンサ開放などの手動操作による電圧低減措置を施すことができる。このため、上記破壊要因に対する耐性を高めた高価な素子を使用することなく、また定格直流電圧を見直すこともなく、インバータ装置を高信頼性化することができる。

以下、本発明の実施例２に係るインバータ装置及びその過電圧保護方法を図３及び図４を参照して説明する。

図３は本発明の実施例２に係るインバータ装置の直流電圧監視器１１Ａのブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係るインバータ装置の直流電圧監視器のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、タイマ１０３と並列にタイマ／カウンタ１０４を設け、タイマ／カウンタ１０４の出力でインバータ５をトリップするように構成した点である。

上記直流電圧監視器１１Ａの動作を図４の動作タイムチャートを用いて説明する。

直流電圧Ｅｄが電圧上昇し、時刻ｔ＝ｔｏで過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となる。前述のようにタイマ１０３の設定時間を時間幅Ｔｗ１とすれば、直流電圧Ｅｄが過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となった状態が時間幅Ｔｗ１以上継続したときに警報が出力される。そして、タイマ／カウンタ１０４の設定時間を時間幅Ｔｗ２（Ｔｗ２＞Ｔｗ１）とすると、直流電圧Ｅｄが過電圧しきい値Ｅｔｈ以上となった状態が時間幅Ｔｗ２以上継続したときにトリップ信号が発生し、インバータ５はトリップ停止する。

インバータ装置がトリップした後、例えば前述した直流電圧の低減策を施し、インバータ装置を再起動させる。尚、時間幅Ｔｗ２は、例えば時間幅Ｔｗ１の１０倍程度に設定するのが好ましい。

以上のような機能を追加することによって、直流電圧低減策の確実な実施が可能となり、インバータ装置を高信頼性化することができる。

尚、上記においては、過電圧しきい値Ｅｔｈ以上の直流電圧の継続時間を監視しているが、積算時間を監視することによっても同様の効果が得られる。積算時間の監視は、交流電源の電圧が時間幅Ｔｗ２より短い周期で変動するような場合に特に有効である。具体的には、例えば時間幅Ｔｗ１を越える過電圧の継続が積算値で時間幅Ｔｗ２を越えたとき、インバータ装置のトリップ信号を出力するようにする。

図５（ａ）は本発明の実施例３に係るインバータ装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１（ａ）の実施例１に係るインバータ装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、入力変圧器を負荷時タップ切換器付き変圧器２Ａとし、直流電圧監視器１１Ｂの出力によってタップ切換制御用に設けたタップ切換制御器１２を介してこのタップを切換えるように構成した点である。

図５（ｂ）は直流電圧監視器１１Ｂの内部構成図である。直流電圧監視器１１Ｂの内部構成は、実施例１で示した直流電圧監視器１１の内部構成と基本的に同一であるが、タイマ１０３の出力を警報とせず、減電圧指令としている。そして、この減電圧指令を図５（ａ）のタップ切換制御器１２に与え、負荷時タップ切換器付き変圧器２Ａのタップを低電圧側に切換える。

以上の構成を採用することによって、インバータ装置を自動的に高信頼性化することが可能となる。

図６は本発明の実施例４に係るインバータ装置の直流電圧監視器１１Ｃのブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係るインバータ装置の直流電圧監視器のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、出力電流を入力とするＲＭＳ電流検出器１０５を設け、このＲＭＳ電流検出器１０５で検出された出力電流の実効値に応じて過電圧しきい値設定器１０１で設定される過電圧しきい値Ｅｔｈを補正するように構成した点である。

宇宙線によって半導体スイッチング素子が偶発破壊する確率は、印加電圧だけでなく、インバータ装置が設置されるサイトの標高や動作温度にも依存する。標高については、特別の高地に設置する場合にはその条件を考慮して過電圧しきい値Ｅｔｈを設定すれば良いが、温度については運転状態によって変化する。

実際の温度を測定して過電圧しきい値Ｅｔｈを補正するのは装置が複雑化するので、本実施例に示したように、電流の比較的長時間の実効値をＲＭＳ電流検出器１０５で検出し、この値が小さくなったとき、温度が低下したと見做して設定された過電圧しきい値Ｅｔｈを低減するように補正する。上記における比較的長時間とは、半導体スイッチング素子の冷却時定数に比べて長い時間という意味である。

以上のように構成すれば、更に合理的にインバータ装置を高信頼性化することが可能となる。

本発明の実施例１に係るインバータ装置の回路構成図及び直流電圧監視器の内部構成図。 実施例１における直流電圧監視器の動作タイムチャート。 本発明の実施例１に係るインバータ装置に用いられる直流電圧監視器の内部構成図。 実施例２における直流電圧監視器の動作タイムチャート。 本発明の実施例３に係るインバータ装置の回路構成図及び直流電圧監視器の内部構成図。 本発明の実施例４に係るインバータ装置に用いられる直流電圧監視器の内部構成図。

符号の説明

１ 交流電源
２ 入力変圧器
２Ａ 負荷時タップ切換器付き変圧器
３ ダイオードコンバータ
４ 平滑コンデンサ
５ インバータ
６ 交流電動機
７ 電圧検出器
８ 電流検出器
９ 制御ブロック
１０ 保護ブロック
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 直流電圧監視器
１２ タップ切換制御器
１０１ 過電圧しきい値設定器
１０２ 比較器
１０３ タイマ
１０４ タイマ／カウンタ
１０５ ＲＭＳ電流検出器

Claims (7)

1. 交流電源から負荷時タップ切換変圧器を介して供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、
   このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータと、
   前記インバータの入力となる直流電圧を監視する直流電圧監視器
   を備え、
   前記直流電圧監視器は、
   前記直流電圧が予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、
   警報信号を出力すると共に、前記負荷時タップ切換変圧器のタップを低電圧側に切換えるようにしたことを特徴とするインバータ装置。
2. 交流電源から供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、
   このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータと、
   前記インバータの入力となる直流電圧を監視する直流電圧監視器と、
   前記インバータの出力電流の実効値を検出する電流検出手段と
   を備え、
   前記直流電圧監視器は、
   前記直流電圧が予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、
   警報信号を出力すると共に、前記電流検出手段の検出値に応じて前記しきい値電圧を補正するようにしたことを特徴とするインバータ装置。
3. 前記第１の時間幅より長い第２の時間幅を予め設定し、
   前記継続時間が前記第２の時間幅を超えたとき、
   前記インバータをトリップ停止させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記第１の時間幅より長い第２の時間幅を予め設定し、
   前記継続時間が前記第１の時間幅を超える時間を積算し、その積算値が前記第２の時間幅を超えたとき、
   前記インバータをトリップ停止させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
5. 前記しきい値電圧を、
   前記インバータを構成する半導体スイッチング素子の故障率が１０ＦＩＴ以上１００ＦＩＴ以下となるように選定したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のインバータ装置。
6. 交流電源から負荷時タップ切換変圧器を介して供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、
   このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータ
   から成るインバータ装置において、
   前記インバータの入力となる直流電圧が、予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、
   警報信号を出力すると共に、前記負荷時タップ切換変圧器のタップを低電圧側に切換えるようにしたことを特徴とするインバータ装置の過電圧保護方法。
7. 交流電源から供給される交流を直流に変換するダイオードコンバータと、
   このダイオードコンバータの直流出力を交流に変換するインバータと、
   前記インバータの入力となる直流電圧を監視する直流電圧監視器と、
   前記インバータの出力電流の実効値を検出する電流検出手段
   から成るインバータ装置において、
   前記直流電圧が予め設定したしきい値電圧以上で、且つその継続時間が予め設定した第１の時間幅を超えたとき、
   警報信号を出力すると共に、前記電流検出手段の検出値に応じて前記しきい値電圧を補正するようにしたことを特徴とするインバータ装置の過電圧保護方法。

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