JPH0678561A - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直流短絡時に確実に自己消弧素子を保護する
ことができる電力変換装置及びその制御方法を提供する
こと。 【構成】 直流短絡が生じた場合に、直流短絡が発生し
た電力変換器（例えばコンバータ６）の直流回路に流れ
る短絡電流が電流検出器８Ａにより検出される。この電
流検出器８Ａの検出出力に基づいて図示してない制御手
段によりコンバータ６の全自己消弧素子（３Ａ〜３Ｆ）
が一斉に点弧され、平滑コンデンサ５の充電電荷が全ア
ームに分担して放電される。また平滑コンデンサ５の放
電終了後、制御手段により全自己消弧素子が一斉に消弧
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自己消弧素子を用いた電
力変換装置の直流側短絡時の自己消弧素子の保護に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の電力変換装置としては、
例えばＩＰＥＣ−Ｔｏｋｙｏ（１９８３年）第８８２頁
から第８９３頁の PROTECTION OF VOLTAGE SOURCE INVE
RTERSに紹介されており、この中のFig2に示されている
ように直流回路に還流ダイオードつきのリアクトルを挿
入し、変換器を構成する自己消弧素子の誤点弧等に起因
する直流側短絡時に短絡電流の立上りを抑制する方式と
していた。この場合に部品点数の増加、ひいてはコスト
アップを招くという問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】直流部のリップル抑制
の為に平滑コンデンサを接続したコンバ−タおよびイン
バ−タにおいて、変換器内の自己消弧素子が誤動作また
は一部破損し、直流短絡が生じた場合に平滑コンデンサ
の放電電流が直流短絡を起こした相の素子のみに流れ、
当該相の素子を全て破損させてしまうという問題があっ
た。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、直流短絡時に平滑コンデンサから電力変換
器を通して放電される短絡電流から確実に自己消弧素子
を保護することができる電力変換装置及びその制御方法
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の電力変換装置
は、交流電力を直流電力に変換する自己消弧素子を用い
た第１の電力変換器と、該第１の電力変換器直流回路に
接続された平滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変
換する自己消弧素子を用いた第２の電力変換器とを有す
る電力変換装置において、自己消弧素子およびゲ−ト回
路の異常により直流短絡が起こった場合に、直流短絡が
発生した電力変換器の直流回路に流れる短絡電流を検出
する電流検出手段と、該電流検出手段の検出出力に基づ
いて直流短絡が発生した電力変換器の全自己消弧素子を
一斉に点弧させて前記平滑コンデンサの充電電荷を全ア
−ムに分担して放電させ、かつ前記平滑コンデンサの放
電終了後、前記電力変換器の全自己消弧素子を消弧させ
る制御手段とを有することを特徴とする。

【０００６】また本発明の電力変換装置は、前記制御手
段は、電流検出手段の検出出力と直流短絡状態を判定す
るための基準レベルとを大小比較して電力変換器に直流
短絡状態が発生したか否かを判定すると共に、直流短絡
状態が発生した際に該当する電力変換器の自己消弧素子
を一斉に点弧させるための点弧信号を前記該当する電力
変換器に出力する比較器と、該比較器から前記点弧信号
が出力された時点から前記平滑コンデンサの放電が終了
した時点で一斉に点弧させられた前記電力変換器の全自
己消弧素子を一斉に消弧させるための消弧信号を該電力
変換器に出力するタイマとを有することを特徴とする。

【０００７】更に本発明の電力変換装置は、交流電力を
直流電力に変換する自己消弧素子を用いた第１の電力変
換器と、該第１の電力変換器の直流回路に接続された平
滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変換する自己消
弧素子を用いた第２の電力変換器とを有する電力変換装
置において、自己消弧素子およびゲート回路の異常によ
り直流短絡が起こった場合に、直流短絡が発生した電力
変換器の直流回路に流れる短絡電流を検出する電流検出
手段と、該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡
が発生した電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧さ
せて前記平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担し
て放電させ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、前
記電力変換器の全自己消弧素子を消弧させる制御手段
と、前記平滑コンデンサに直列に挿入されるヒューズと
を有することを特徴とする。

【０００８】また本発明の電力変換装置は、交流電力を
直流電力に変換する自己消弧素子を用いた第１の電力変
換器と、該第１の電力変換器の直流回路に接続された平
滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変換する自己消
弧素子を用いた第２の電力変換器とを有する電力変換装
置において、自己消弧素子およびゲート回路の異常によ
り直流短絡が起こった場合に、直流短絡が発生した電力
変換器の直流回路に流れる短絡電流を検出する電流検出
手段と、該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡
が発生した電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧さ
せて前記平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担し
て放電させ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、前
記電力変換器の全自己消弧素子を消弧させる制御手段
と、前記第１、第２の電力変換器の交流側の各相に挿入
されるヒューズとを有することを特徴とする。

【０００９】更に本発明の電力変換装置は、交流電力直
流電力に変換する自己消弧素子を用いた第１の電力変換
器と、該第１の電力変換器の直流回路に接続された平滑
コンデンサと、直流電流を交流電力に変換する自己消弧
素子を用いた第２の電力変換器とを有する電力変換装置
において、自己消弧素子およびゲート回路の異常により
直流短絡が起こった場合に、直流短絡が発生した電力変
換器の直流回路に流れる短絡電流を検出する電流検出手
段と、該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡が
発生した電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧させ
て前記平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担して
放電させる制御手段と、前記第１、第２の電力変換器の
自己消弧素子で構成されるブリッジの各相の正側及び負
側にそれぞれ、挿入されるヒューズとを有することを特
徴とする。

【００１０】また本発明の電力変換装置の制御方法は、
交流電力を直流電力に変換する自己消弧素子を用いた第
１の電力変換器と、該第１の電力変換器の直流回路に接
続された平滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変換
する自己消弧素子を用いた第２の電力変換器とを有する
電力変換装置の制御方法において、自己消弧素子及びゲ
ート回路の異常により直流短絡が生じた場合に、直流短
絡が発生した電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧
し、平滑コンデンサの充電電荷を全アームで分担して放
電させ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、直流短
絡の発生した前記電力変換器の全自己消弧素子を消弧す
ることを特徴とする。

【００１１】

【作用】変換器の直流出力側に電流検出器を設置し、こ
の検出器により直流短絡を検出する。

【００１２】直流短絡が検出されると、制御部から全自
己消弧素子に対し点弧信号が送出され、短絡発生時には
事故相１相のみに流れていた平滑コンデンサからの放電
電流が変換器の相数分に分流されるため、自己消弧素子
１ヶに流れる電流は数分の１になる。このため、事故相
のみで平滑コンデンサのエネルギーを放電すると耐量が
もたず自己消弧素子が破壊されるような場合でも、自己
消弧素子を点弧し放電電流を分流することにより、自己
消弧素子に流れる放電電流を素子の耐量内に抑制するこ
とができる。

【００１３】しかし、この状態は自己消弧素子と他相の
還流ダイオードにより交流側も短絡した状態にある。こ
のため交流側からの短絡電流が流れるが、この交流短絡
電流は交流側に接続された交流リアクトルの影響によ
り、直流側の平滑コンデンサの放電電流に比べて立ち上
がりが格段に緩やかである。

【００１４】本発明ではこの立ち上がりの差を利用して
いる。つまり、直流短絡を検出すると、制御部から変換
器に対し全点弧信号を創出するが、同時に制御部に設置
されたタイマにより一定時間カウントし、一定時間経過
後今度は自己消弧素子に対し消弧信号を送出する。この
時間設定は、平滑コンデンサの放電時間に合わせて設定
される。したがって、平滑コンデンサの放電中は全自己
消弧素子を点弧して放電電流を分流させ、平滑コンデン
サ放電後に全自己消弧素子を消弧して交流短絡電流を抑
制する。ここで問題となるのが、全自己消弧素子消弧時
に交流短絡電流がどれだけ立上がっているかであるが、
前述の通り交流短絡電流は交流リアクトルの作用により
立上がりが遅くなっているため、自己消弧素子の可制御
範囲内で消弧することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。本発明の各実施例では自己消弧素子としてＧＴＯ
サイリスタを使用した場合について示してある。図１に
は本発明に係る電力変換装置の一実施例の構成が示され
ている。図１において、１は交流リアクトルでこれを介
して３相交流電力が供給される。入力された交流電力は
ＧＴＯサイリスタ３Ａ〜３Ｆ、還流ダイオ−ド２Ａ〜２
Ｆ、およびアノ−ドリアクトル４Ａ〜４Ｃにて構成され
るコンバ−タ６において直流に変換され、平滑コンデン
サ５を介してインバ−タ７に入力される。

【００１６】インバ−タ７はＧＴＯサイリスタ３Ｇ〜３
Ｍ、還流ダイオ−ド２Ｇ〜２Ｍ及びアノードリアクトル
４Ｄ〜４Ｆから構成されている。

【００１７】インバータ７ではコンバータ６で得られた
直流電力を必要な交流電力に変換し負荷に供給してい
る。

【００１８】上記構成において、例えばコンバ−タ６側
の１組（１相）の直列接続されたＧＴＯサイリスタ３Ａ
および３Ｄが同時に導通状態になると直流回路が短絡さ
れたと同等の状態が起きる。この時、平滑コンデンサ５
に蓄えられていた充電電荷はこの導通状態となったＧＴ
Ｏサイリスタ３Ａおよび３Ｄを通して放電される。

【００１９】一般にＧＴＯサイリスタは通常のサイリス
タに比べ耐量が小さいので、この短絡電流により破壊さ
れてしまう。

【００２０】そこで本実施例では、図４に示すような故
障検出回路を設け、直流短絡の制御を行っている。すな
わち、故障検出回路は、電流検出回路８と、比較器１０
と、タイマ１１とを有している。電力変換器の直流回路
に設置された電流検出器８により直流電流をモニタし、
比較器１０で直流短絡を判別する。例えばコンバータ６
で直流短絡が検出されると、コンバータ６に対し全ての
ＧＴＯサイリスタを点弧させるための点弧信号を送出す
る。

【００２１】これと同時にタイマ１１を動作させ平滑コ
ンデンサ５の充電電荷の放電が終了するまでの一定時間
後にコンバ−タ６に対し全てのＧＴＯサイリスタを消弧
させるための消弧信号が送出される。

【００２２】直流短絡検出と同時にコンバータ６の全Ｇ
ＴＯサイリスタ（３Ａ〜３Ｆ）を点弧すると、ＧＴＯサ
イリスタ３Ａおよび３Ｄのみに流れていたを短絡電流が
ＧＴＯサイリスタ３Ａ〜３Ｆにて分流され、１相分のＧ
ＴＯサイリスタに流れる電流が小さくなる。これにより
ＧＴＯサイリスタの直流短絡電流による破壊が防止され
る。

【００２３】しかし、全ＧＴＯサイリスタ（３Ａ〜３
Ｆ）を点弧したままにしておくと、還流ダイオードとＧ
ＴＯサイリスタによる交流短絡のパス（例えば３Ｄと２
Ｅ）が形成されてしまい、交流側から短絡電流が流入
し、還流ダイオ−ドおよびＧＴＯサイリスタを破壊して
しまう。

【００２４】平滑コンデンサの放電電流と交流短絡電流
の関係を図２に示す。図２から明らかなように平滑コン
デンサの放電電流に比べ交流短絡電流は電流の立上りが
遅い。これは図１に示されている交流リアクトル１があ
るためである。

【００２５】本発明ではこの電流立上りの差を利用して
いる。すなわち、図４に示すタイマ１１は平滑コンデン
サ５の放電時間（放電開始時点から放電が終了するまで
の時間）に合わせて設定されており、全ＧＴＯサイリス
タを消弧させるための消弧信号はコンバータ６に図２の
Ａの時点で送出される。この時点では交流短絡電流はま
だ過大になっておらず、ＧＴＯサイリスタの可制御電流
範囲内であり、消弧可能であるため交流短絡電流の流入
を阻止することができる。

【００２６】図１のインバータ側７が直流短絡を起こし
た場合もコンバータ６側と同様に全てのＧＴＯサイリス
タを点弧することにより平滑コンデンサ５の放電電流を
分流し、負荷側からの交流短絡電流は平滑コンデンサ５
の放電終了後、全てのＧＴＯサイリスタを消弧すること
により防止し、ＧＴＯサイリスタの保護が図れる。

【００２７】本実施例によれば、直流短絡発生時にＧＴ
Ｏサイリスタを確実に保護することができる。

【００２８】図３は、図１において平滑コンデンサ５に
直列にヒューズ９を接続した場合である。この場合も直
流短絡検出方式及び検出時の保護動作は既述したの図１
の実施例の場合と同様であるが、この場合は直流短絡が
発生すると平滑コンデンサ５の放電電流によりヒュ−ズ
が溶断するため、インバ−タまたはコンバ−タに流入す
る電流はヒュ−ズの溶断エネルギ−分だけになる。更に
上述のように全ＧＴＯサイリスタを点弧することにより
この電流を各相にて分流するために、短絡発生時にサイ
リスタブリッジの１相分のＧＴＯサイリスタに流れる電
流は図１の実施例の場合に比べ格段に小さくなり、平滑
コンデンサの放電電流に対してＧＴＯサイリスタの耐量
が非常に小さい場合でも確実にＧＴＯサイリスタを保護
することが可能となる。

【００２９】また前述した図１の実施例の場合、平滑コ
ンデンサ５の放電開始後、還流ダイオードを通して交流
側から平滑コンデンサ５に充電電流が流入するが、本実
施例の場合、直流短絡発生時の平滑コンデンサ５の放電
電流によりヒューズが溶断し、平滑コンデンサ５が直流
回路から切り離されてしまうため、上記充電電流が流入
することはない。

【００３０】したがって、本実施例によれば、ＧＴＯサ
イリスタおよび還流ダイオードを確実に保護することが
できる。

【００３１】図５に本発明が適用される電力変換装置の
他の実施例を示す。本実施例は電力変換装置を構成する
各電力変喚器の交流側の各相にヒューズ９を挿入したこ
とを特徴としている。本実施例では電流検出器により短
絡電流を検出して、コンバータ６側の短絡故障であれば
コンバータ６側の、インバータ７側の短絡故障であれば
インバータ７側の全てのＧＴＯサイリスタを点弧させ、
短絡電流を各相のＧＴＯサイリスタに分流する。ここま
では前述の実施例と同様であり、この状態では交流短絡
状態となっており、また平滑コンデンサ５は放電して０
Ｖとなっているので、交流側から平滑コンデンサ５へ充
電電流が流れ込む状態となっている。この交流短絡電流
およびコンデンサ５の充電電流を交流側に挿入したヒュ
ーズ９により遮断し、ＧＴＯサイリスタおよび還流ダイ
オードの保護を図っている。

【００３２】本実施例によれば、ＧＴＯサイリスタの消
弧失敗を招く恐れが無く、確実にＧＴＯサイリスタ及び
還流ダイオードを保護することができる。

【００３３】図６に本発明が適用される電力変換装置の
更に他の実施例を示す。本実施例はサイリスタブリッジ
の各相の正側及び負側にヒューズを挿入したことを特徴
としている。

【００３４】本実施例では電流検出器により直流短絡電
流を検出して、コンバータ６側の短絡故障であればコン
バータ６側の、インバータ７側の短絡故障であればイン
バータ７側の全てのサイリスタを点弧し、短絡電流を分
流する。ここまでは前述の実施例と同様であるが、本実
施例の場合、直流短絡事故が発生した電力変換器の全て
のＧＴＯサイリスタを点弧して平滑コンデンサ５の充電
電荷を放電する際に、サイリスタブリッジの各相の正側
および負側に挿入したヒューズ９Ａ〜９Ｆが溶断するよ
うな特性のヒューズを選択してある。このため、直流短
絡事故が発生した電力変換器内の全てのＧＴＯサイリス
タを導通状態にしておいても交流短絡状態は起こらず、
また電力変換器の直流部（平滑コンデンサ）と交流部が
完全に分離された状態となっているために、交流側から
平滑コンデンサ５に流れ込む充電電流も存在しない。

【００３５】本実施例によれば、直流短絡事故が発生し
た電力変換器の全てのＧＴＯサイリスタを点弧すること
によりサイリスタブリッジの各相に挿入したヒューズが
溶断されるために、電力変換器の直流部と交流部及びサ
イリスタブリッジの各相間を完全に分離して電流が流れ
なくなるようにしてしまうため、ＧＴＯサイリスタ及び
還流ダイオードを確実に保護することができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、電力変換器の主回路に
特別の回路を設けることなく、直流短絡故障発生時に素
子の保護を確実に行なうことできる電力変換装置を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電力変換装置の一実施例の構成を
示す回路図である。

【図２】直流短絡時の電力変換器におけるＧＴＯサイリ
スタ電流の短絡発生後の経過時間に対する特性を示す説
明図である。

【図３】本発明に係る電力変換装置の他の実施例の構成
を示す回路図である。

【図４】図１に示す実施例の制御部の具体的構成を示す
ブロック図である。

【図５】本発明に係る電力変換装置の更に他の実施例の
構成を示す回路図である。

【図６】本発明に係る電力変換装置の更に他の実施例の
要部の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 交流リアクトル ２ 還流ダイオ−ド ３ ＧＴＯサイリスタ ４ アノ−ドリアクトル ５ 平滑コンデンサ ６ コンバ−タ ７ インバ−タ ８ 電流検出器 ９ ヒュ−ズ １０ 比較器 １１ タイマー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電力を直流電力に変換する自己消弧
   素子を用いた第１の電力変換器と、該第１の電力変換器
   の直流回路に接続された平滑コンデンサと、直流電力を
   交流電力に変換する自己消弧素子を用いた第２の電力変
   換器とを有する電力変換装置において、 自己消弧素子およびゲ−ト回路の異常により直流短絡が
   起こった場合に、直流短絡が発生した電力変換器の直流
   回路に流れる短絡電流を検出する電流検出手段と、 該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡が発生し
   た電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧させて前記
   平滑コンデンサの充電電荷を全ア−ムに分担して放電さ
   せ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、前記電力変
   換器の全自己消弧素子を消弧させる制御手段とを有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、電流検出手段の検出出
   力と直流短絡状態を判定するための基準レベルとを大小
   比較して電力変換器に直流短絡状態が発生したか否かを
   判定すると共に、直流短絡状態が発生した際に該当する
   電力変換器の自己消弧素子を一斉に点弧させるための点
   弧信号を前記該当する電力変換器に出力する比較器と、 該比較器から前記点弧信号が出力された時点から前記平
   滑コンデンサの放電が終了した時点で一斉に点弧させら
   れた前記電力変換器の全自己消弧素子を一斉に消弧させ
   るための消弧信号を該電力変換器に出力するタイマとを
   有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装
   置。
3. 【請求項３】 交流電力を直流電力に変換する自己消弧
   素子を用いた第１の電力変換器と、該第１の電力変換器
   の直流回路に接続された平滑コンデンサと、直流電力を
   交流電力に変換する自己消弧素子を用いた第２の電力変
   換器とを有する電力変換装置において、 自己消弧素子およびゲート回路の異常により直流短絡が
   起こった場合に、直流短絡が発生した電力変換器の直流
   回路に流れる短絡電流を検出する電流検出手段と、 該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡が発生し
   た電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧させて前期
   平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担して放電さ
   せ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、前記電力変
   換器の全自己消弧素子を消弧させる制御手段と、 前記平滑コンデンサに直列に挿入されるヒューズとを有
   することを特徴とする電力変換器。
4. 【請求項４】 交流電力を直流電力に変換する自己消弧
   素子を用いた第１の電力変換器と、該第１の電力変換器
   の直流回路に接続された平滑コンデンサと、直流電力を
   交流電力に変換する自己消弧素子を用いた第２の電力変
   換器とを有する電力変換装置において、 自己消弧素子およびゲート回路の異常により直流短絡が
   起こった場合に、直流短絡が発生した電力変換器の直流
   回路に流れる短絡電流を検出する電流検出手段と、 該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡が発生し
   た電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧させて前記
   平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担して放電さ
   せ、かつ前記平滑コンデンサの放電終了後、前記電力変
   換器の全自己消弧素子を消弧させる制御手段と、 前記第１、第２の電力変換器の交流側の各相に挿入され
   るヒューズとを有することを特徴とする電力変換器。
5. 【請求項５】 交流電力を直流電力に変換する自己消弧
   素子を用いた第１の電力変換器と、該第１の電力変換器
   の直流回路に接続された平滑コンデンサと、直流電流を
   交流電力に変換する自己消弧素子を用いた第２の電力変
   換器とを有する電力変換装置において、 自己消弧素子およびゲート回路の異常により直流短絡が
   起こった場合に、直流短絡が発生した電力変換器の直流
   回路に流れる短絡電流を検出する電流検出手段と、 該電流検出手段の検出出力に基づいて直流短絡が発生し
   た電力変換器の全自己消弧素子を一斉に点弧させて前記
   平滑コンデンサの充電電荷を全アームに分担して放電さ
   せる制御手段と、 前記第１、第２の電力変換器の自己消弧素子で構成され
   るブリッジの各相の正側及び負側にそれぞれ、挿入され
   るヒューズとを有することを特徴とする電力変換装置。
6. 【請求項６】 交流電力を直流電力に変換する自己消弧
   素子を用いた第１の電力変換器と、該第１の電力変換器
   の直流回路に接続された平滑コンデンサと、直流電力を
   交流電力に変換する自己消弧素子を用いた第２の電力変
   換器とを有する電力変換装置の制御方法において、 自己消弧素子及びゲート回路の異常により直流短絡が生
   じた場合に、直流短絡が発生した電力変換器の全自己消
   弧素子を一斉に点弧し、前記平滑コンデンサの充電電荷
   を全アームで分担して放電させ、かつ前記平滑コンデン
   サの放電終了後、直流短絡の発生した前記電力変換器の
   全自己消弧素子を消弧することを特徴とする電力変換装
   置の制御方法。