JPH04308455A - 電力変換装置の保護方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直流電源に対する電
力変換装置の保護に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、例えば電気車研究会『電気車の
科学』１９９０年２月号（ｖｏｌ．４３Ｎｏ．２）Ｐ１
５〜Ｐ１９に示された従来の電力変換装置の回路を示し
たものである。図に於て、１は直流電源、２は直流電源
から以降の回路を開放するスイッチ、３、４は第１及び
第２の制御整流素子（３、４では、ＧＴＯサイリスタの
回路記号で表しているが、スイッチング状態が制御でき
る素子であれば何でも良い。）５、６は第１及び第２の
制御整流素子３、４にそれぞれ逆並列に接続された第１
及び第２のダイオード、７は第１の制御整流素子３と第
２の制御整流素子４の接続点に接続されたリアクトル、
８はリアクトル７の他端と直流電源１の負極側に接続さ
れたフィルコンデンサ、９は主電動機１０に電力を供給
する電力制御手段、１１は第１及び第２の制御整流素子
３、４のスイッチング状態を制御する信号Ｇ１、Ｇ２を
出力する制御装置である。

【０００３】次に動作について説明する。通常、電力変
換装置の動作時には、スイッチ２は、閉じており、スイ
ッチ２を通して直流電源１は、第１の制御整流素子３の
陽極と第２の制御整流素子４の陰極に接続される。電力
制御手段９は、小形化、低価格化を主な目的として、電
圧定格の低い部品を使用している。そのため、フィルタ
コンデンサ８の定常電圧は、直流電源１と比較して低く
設定されている。その電圧制御を行うのが第１の制御整
流素子３と第１のダイオード６からなる降圧チョッパと
、第２の制御整流素子４と第２のダイオード５からなる
昇圧チョッパである。

【０００４】まず、降圧チョッパの動作について説明す
る。降圧チョッパは、直流電源１から主電動機１０に対
して、電力を供給する力行動作時に作用し、第１の制御
整流素子３の開閉時間比、すなわち通流率α

【数１】 によって、直流電源１の電圧Ｅ　Ｓにたいしフィルタコ
ンデンサ８の電圧Ｅ　ＦＣ　を調整している。このＥ　
ＦＣ　は、電力制御手段９に使用されている部品の電圧
定格よりきまる値である。第１の制御整流素子３が、オ
ンのときには第２のダイオード６の両端には、直流電源
１の電圧Ｅ　Ｓがあらわれ、第２のダイオード６はオフ
しており、負荷電流は、次第に増加する。第１の制御整
流素子３がオフになると負荷電流は、第２のダイオード
６を通して流れ、次第に減少する。負荷と直列に挿入さ
れたリアクトル７は、負加電流のリップルを小さくする
役割を果たしている。

【０００５】次に昇圧チョッパの動作について説明する
。昇圧チョッパは、主電動機１０が、発電機として動作
する回生時に作用する。第２の制御整流素子４がオンの
ときには、主電動機１０から発生したエネルギは、電力
制御手段９をへてリアクトル７に蓄積される。第２の制
御整流素子４がオフのときには、リアクトル７に蓄積さ
れたエネルギ、及び電力制御手段９をへた主電動機１０
から発生したエネルギは、第１のダイオード５を通して
、直流電源１に回生される。ただし、これらの回生モー
ドは、直流電源１側に回生エネルギを吸収する負荷があ
ることを前提としているのは言うまでもない。昇圧チョ
ッパを構成する第２の制御整流素子４がオンの時間をｔ
　ＯＮ　、オフしている時間をｔ　ＯＦＦとすれば、リ
アクトル７が充分大きく、リアクトル７を流れる電流は
、一定値Ｉ　１であると考えると、第２の制御整流素子
４がオンの時リアクトル７に蓄積されたエネルギは、Ｅ
　ＦＣ　・Ｉ　１・ｔ　ＯＮ　となる。

【０００６】次に、第２の制御整流素子４がオフになる
と直流電源１に回生されるエネルギは、（Ｅ　Ｓ−Ｅ　
ＦＣ　）・Ｉ　１・ｔ　ＯＦＦとなる。定常状態では、
この両者が等しいので、 　　　　　　　　　　Ｅ　ＦＣ　・Ｉ　１・ｔ　ＯＮ　
＝（Ｅ　Ｓ−Ｅ　ＦＣ　）・Ｉ　１・ｔ　ＯＦＦとなる
から、

【数２】 が得られる。上式に於て、

【数３】 であるから、昇圧チョッパの出力電圧Ｅ　Ｓは、昇圧チ
ョッパの入力電圧Ｅ　ＦＣ　よりも大きくなる。このと
き、昇圧チョッパの通流率βに対して、

【数４】 以上述べたように、直流電源１に対して、降圧チョッパ
と昇圧チョッパを用いることにより、後段の電力制御手
段９の入力電圧を低くおさえることが出来る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置は
以上のように構成されているので、第１の制御整流素子
の導通故障時には、主電動機に電力を供給する電力制御
手段の入力側にあるフィルタコンデンサが、リアクトル
を介して、直流電源と接続されることとなり、前記電力
制御手段の電圧定格をこえたものとなってしまうため、
部品の電圧破壊の可能性が非常に高いという問題点があ
った。

【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、第１の制御整流素子の導通故障
時にも、電圧定格の低い電力制御手段の構成部品を破壊
せしめることなく、速やかに保護することが出来る電力
変換装置の保護方式を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電力変換
装置の保護方式は、直流電源の正極と負極との間に直列
接続された第１、第２のスイッチング素子と、これらス
イッチング素子に対しオン・オフ制御信号を出力する制
御装置と、上記第１と第２のスイッチング素子の接続点
に接続されたリアクトルと、上記リアクトルの他端と上
記直流電源の負極側の間に接続されたフィルタコンデン
サと、上記フィルタコンデンサと並列に接続され、主電
動機に電力を供給する電力制御手段とを備えた電力変換
装置において、第１のスイッチング素子の導通故障検出
時に、上記制御装置へ第２のスイッチング素子へのオン
制御信号出力を指令する導通故障検出手段とを備え、且
つ上記導通故障検出手段には第１のスイッチング素子の
両端電圧より導通故障を検出する方式、フィルタコンデ
ンサの両端電圧より導通故障を検出する方式、或はリア
クトルに流れる電流値より導通故障を検出する方式を用
いたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】この発明は、導通故障検出手段が上記何れかの
方式を用いて第１のスイッチング素子の故障を検出した
時に、制御装置に対してオン制御信号出力を第１のスイ
ッチング素子より第２のスイッチング素子へ切り換え出
力するように指令を出し、第２のスイッチング素子を導
通させることで第２のスイッチング素子に並列持続され
るフィルタコンデンサを短格し電圧上昇を防ぐと共に電
力変換装置の回路電圧を速やかに零とする。

【００１１】

【実施例】実施例１ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、第４図と同一符号のものは第４図の場合と
同様である。２１は第１の制御整流素子３の陽極と陰極
間の電圧を検出する電圧検出器、２２は電圧検出器２１
の出力と、第１の制御整流素子３のスイッチング状態を
制御する制御装置１１の出力信号Ｇ１から第１の制御整
流素子３の導通故障を検出し、制御装置１１に対して、
導通故障信号を出力する導通故障検出器である。

【００１２】次に動作について説明する。上記のように
構成された電力変換装置においては、第１の制御整流素
子３が、導通故障を起した場合、第１の制御整流素子３
の陽極と陰極間の電圧は０となり、電圧検出器２１の出
力も０となる。また、正常時においては、制御装置１１
の出力信号Ｇ１が、オン指令をだしている時のみ、第１
の制御整流素子３は導通し、電圧検出器２１の出力は０
となる。

【００１３】よって、電圧検出器２１の出力と、制御装
置１１の出力信号Ｇ１を比較し、Ｇ１がオフ指令を出し
ているときに電圧検出器２１の出力が０であれば、第１
の制御整流素子３の導通故障とし、導通故障検出器２２
は、制御装置１１に対して、導通故障検出信号を出力す
る。

【００１４】導通故障検出信号をうけた制御装置１１は
、まず、電源より、以降の回路を切り放すべく、スイッ
チ２の開放指令を出力し、スイッチ２が開放される。 しかし、スイッチ２を開放しただけでは、リアクトル７
に蓄えられたエネルギがフィルタコンデンサ８に移行す
るため、フィルタコンデンサ８以降の電力制御手段９を
含めた回路の過電圧は防ぐことは出来ない。

【００１５】よって、さらに、第２の制御整流素子４に
対してオン指令Ｇ２を出力し、それにより第２の制御整
流素子４を導通させる。スイッチ２が開放状態で、第１
及び第２両方の制御整流素子３、４が、導通することに
より、フィルタコンデンサ８をリアクトル７を通して短
絡することになり、フィルタコンデンサ８以降の電力制
御手段９を含めた回路に対して、電圧定格以上の電圧が
印加するのを防ぐことが出来ると共に、速やかに回路電
圧を０とし、電力変換装置全体の保護も、可能となる。

【００１６】この発明の他の実施例について説明する。 第２図において、３１はフィルタコンデンサ８の電圧を
検出する電圧検出器、３２は、電圧検出器３１の出力を
あらかじめ決められたしきい値（フィルタコンデンサ及
び電圧変換手段の電圧定格より決定される。）と比較し
、その大小により第１の制御整流素子の導通故障を検出
して制御装置１１に導通故障信号を出力する導通故障検
出器である。

【００１７】次に動作について説明する。第１の制御整
流素子３が、導通故障すると、フィルタコンデンサ８は
、リアクトル７を通して、直流電源１と接続されること
になり、リアクトル７のインダクタンスとフィルタコン
デンサ８の容量によって決る時定数で、直流電源１より
充電されることとなる。

【００１８】このフィルタコンデンサ８の電圧上昇を導
通故障検出器３２で、電圧検出器３１の出力とあらかじ
め決められたしきい値（フィルタコンデンサ及び電圧変
換手段の電圧定格より決定される。）とを比較し、電圧
検出器３１の出力が、しきい値をこえたことで、導通故
障信号を制御装置１１に対して出力する。以下の動作は
、実施例１と同様である。

【００１９】実施例３ この発明の他の実施例について説明する。第３図におい
て、４１は、リアクトル７の電流を検出する電流検出器
、４２は電流検出器４１の出力をあらかじめ決められた
しきい値（フィルタコンデンサ及び電圧変換手段の電圧
定格より決定される。）と比較し、その大小により第１
の制御整流素子の導通故障を検出して制御装置１１に導
通故障信号を出力する導通故障検出器である。

【００２０】次に動作について説明する。第１の制御整
流素子が導通故障すると、フィルタコンデンサ８は、リ
アクトル７を通して直流電源１と接続されることになり
、リアクトル７のインダクタンスとフィルタコンデンサ
８の容量によって決る振幅を持った電流が、リアクトル
７に流れることになる。このリアクトルの電流を、電流
検出器４１で検出し、導通故障検出器４２で電流検出器
４１の出力とあらかじめ決められたしきい値（フィルタ
コンデンサ及び電圧変換手段の電圧定格より決定される
。）とを比較し、電流検出器４１の出力がしきい値をこ
えたことで、導通故障信号を制御装置１１に対して出力
する。以下の動作は、実施例１と同様である。

【００２１】なお、上記実施例では、第１及び第２の制
御整流素子をＧＴＯで表したが、スイッチング状態を制
御できる素子なら何でも良い。また、主電動機を、誘導
電動機として表したが、当然直流電動機でも同様の効果
を得ることが出来る。

【００２２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、第１の
スイッチング素子の導通故障時に、第２のスイッチング
素子を導通させるようにしたので、簡易な構成でフィル
タコンデンサ以降の電力制御手段を含めた回路の電圧を
定格電圧以下に抑え、回路を電圧破壊から保護すること
が出来る信頼性の高い装置を安値に提供することが出来
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による電力変換装置を示す
回路図である。

【図２】この発明の他の実施例による電力変換装置を示
す回路図である。

【図３】この発明の他の実施例による電力変換装置を示
す回路図である。

【図４】従来の電力変換装置を示す回路図である。

【符号の説明】

１　　　　直流電源 ３　　　　第１の制御整流素子 ４　　　　第２の制御整流素子 ７　　　　リアクトル ８　　　　フィルタコンデンサ ９　　　　電力制御手段 １０　　主電動機 １１　　制御装置 ２２　　導通故障検出器 ３２　　導通故障検出器 ４２　　導通故障検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直流電源の正極と負極との間に直列接
   続された第１、第２のスイッチング素子と、これらスイ
   ッチング素子に対しオン・オフ制御信号を出力する制御
   装置と、上記第１と第２のスイッチング素子の接続点に
   接続されたリアクトルと、上記リアクトルの他端と上記
   直流電源の負極側の間に接続されたフィルタコンデンサ
   と、上記フィルタコンデンサと並列に接続され、主電動
   機に電力を供給する電力制御手段とを備えた電力変換装
   置において、第１のスイッチング素子の導通故障検出時
   に、上記制御装置へ第２のスイッチング素子へのオン制
   御信号出力を指令する導通故障検出手段を備えたことを
   特徴とする電力変換装置の保護方式。
2. 【請求項２】　　上記導通故障検出手段は、第１のスイ
   ッチング素子の陽極と陰極間の電圧を検出することを特
   徴とする請求項１に記載の電力変換装置の保護方式。
3. 【請求項３】　　上記導通故障検出手段は、フィルタコ
   ンデンサの電圧を検出す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方式。
4. 【請求項４】　　上記導通故障検出手段は、リアクトル
   の電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の電
   力変換装置の保護方式。