JP2010263692A

JP2010263692A - 電力変換器の過熱保護装置

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Publication number: JP2010263692A
Application number: JP2009112410A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sodeyama; 正袖山; Shinichi Ogawa; 真一小川; Akihiro Maoka; 明洋真岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: JP5220682B2

Abstract

【課題】多数の半導体スイッチング素子（サイリスタ等）を並列接続して３相の各アームを構成する大電力の電力変換器において、多数の半導体スイッチング素子あるいは周辺回路部品の局部的な過熱を、経済的でかつ比較的小さな設置スペースで検出し、大事故を未然に防止する。
【解決手段】電力変換器の３相の正負側の各アームをＵｐ−Ｗｎを構成するように並列接続され、強制風冷盤内に、上下方向に積層して収納された複数のサイリスタと、盤内で、正負極側のサイリスタアーム２０１と２０２を分離するように立設された絶縁板２０８と、上下方向に積層された複数のサイリスタの１つ置きの近傍に絶縁板２０８に取り付けて配置された複数の温度センサ２１０とを備え、複数の温度センサの出力の最大値と最小値の差が所定値を超えたとき電力変換器の動作を停止させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、強制風冷盤内に収納された電力変換器の過熱保護装置に関する。

各種電源装置において、内部部品の温度を監視し、装置の異常を早急に発見することは、装置故障を未然に防止することにつながる。しかし、強制風冷盤内においては、一般的な煙検知器および熱検知器では、冷却風で煙および熱が拡散してしまい、正確な検出ができない恐れがある。

特許文献１には、気中断路器の接触部の過熱診断において、３相それぞれの温度を検出し、最大値と最小値の差から過熱の有無を判断する技術が開示されている。

また、特許文献２にも、遮断器の上下段の断路部の上方に、絶縁距離が離れた位置で空気温度を常時検出し、上下段の温度差が大きい場合に異常過熱と判断する技術が開示されている。

一方、特許文献３には、半導体スイッチング素子で構成される電力変換器の各相上アームの素子（ＦＥＴ）に温度センサを配置し、検出温度が上限値を超えた場合に、過熱保護動作を行う技術が開示されている。

特開平８−８３５４４号公報特開平１１−２９９０２１号公報特開２００７−２２８７７５号公報

半導体電力変換器を構成する多数の半導体スイッチング素子及びその周辺回路部品を収納した強制風冷盤において、過熱保護を行う場合、一般的な煙検知器および熱検知器では、冷却風で煙および熱が拡散してしまい、正確な検出ができない恐れがある。一方、このために、全ての半導体スイッチング素子及び構成部品に温度センサを取り付けたのでは、経済的でなく、また、設置スペースが過大となるという問題点がある。

さらに、大容量の電力変換器においては、半導体スイッチング素子及び周辺回路部品が高電位にあることが多く、主回路と制御回路間の絶縁上、半導体スイッチング素子及び周辺回路部品に直接的に温度センサを取り付けることは難しい。

本発明の目的は、多数の半導体スイッチング素子によって構成される電力変換器の過熱保護装置を、経済的でかつ比較的小さな設置スペースで実現することである。

また、本発明の他の目的は、多数の半導体スイッチング素子を並列接続して３相の各アームを構成する大電力の電力変換器において、多数の半導体スイッチング素子あるいは周辺回路部品中の局部的な過熱を、経済的でかつ比較的小さな設置スペースで検出し、大事故を未然に防止することである。

本発明の主特徴とするところは、複数の半導体スイッチング素子を含み、多相の正負側各アームを構成する電力変換器と、冷却ファンを持ち、前記半導体スイッチング素子を収納した強制風冷盤を備えた電力変換器の過熱保護装置において、前記電力変換器の多相の正負側の各アームを構成するように並列接続され、強制風冷盤内に、上下方向に積層して収納された複数の前記半導体スイッチング素子と、上下方向に積層された複数の前記半導体スイッチング素子の近傍に上下方向に間隔を置いて配置され、前記半導体スイッチング素子の数よりも少ない複数の温度センサと、複数の前記温度センサの出力の最大値と最小値の差が所定値を超えたとき前記電力変換器の動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記強制風冷盤内で、正極側と負極側の前記半導体スイッチング素子を分離するように立設された絶縁板を備え、複数の前記温度センサを、前記絶縁板に沿って上下方向に間隔を置いて取り付ける。

また、本発明の望ましい実施態様においては、複数の前記温度センサは、上下方向に積層された前記半導体スイッチング素子の１つ置きに隣接して配置する。

さらに、本発明の望ましい実施態様においては、各相毎でかつ正極側と負極側アームとに分けて、それぞれ過熱を検出する手段を構成する。

本発明の望ましい実施態様によれば、電力変換器を構成する強制風冷盤内の半導体スイッチング素子あるいは周辺回路部品の局部過熱を、強制風冷による冷却風に影響を受けず、経済的な装置で、スペース効率よく、正確に検知することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の説明の中で明らかにする。

本発明を適用して好適な電力変換器の主回路構成の一例図である。本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における強制風例盤の概略構造を示す正面配置図である。本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における強制風例盤の概略構造を示す左側面配置図である。本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における強制風例盤の概略構造を示す右側面配置図である。本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における過熱検知方法の動作を説明する処理フロー図である。本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における局部過熱の検知回路図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

図１は、本発明を適用して好適な電力変換器の主回路構成の一例図である。

この例は、３相交流を入力して可逆・可変電圧の直流に変換し、大容量の直流電動機を駆動する大電力の順・逆両方向の電力変換器を示している。図１において、３相交流電源１０１から、交流遮断器１０２および変圧器１０３を介して、順変換・逆変換を行う大容量のサイリスタ電力変換器１０４に給電している。この電力変換器１０４の直流側には、大容量の直流電動機１０５が、開閉器１０６を介して接続されている。

電力変換器１０４の左半分が順変換部、右半分が逆変換部である。順変換部と逆変換部ともに、各相のサイリスタアームＵｐ−Ｗｐ，Ｕｎ-Ｗｎを備えている。この電力変換器１０４の順−逆変換部の両極端子間には、それぞれ直流リアクトル１０７と直流遮断器１０８が接続されている。

大容量の直流電動機１０５に給電するために、逆変換部Ｕｎアームのみの詳細を図示するように、この例では、例えば、Ａ−Ｇの７つのサイリスタアームを並列接続して主回路各相アーム１０９が構成されている。もちろん、並列数はいくつであっても構わない。１１０はサイリスタスタック、１１１はサイリスタ、１１２はリアクトル、１１３はヒューズである。

以上の電力変換器１０４の各相主回路アームが、強制風冷盤に収納される。

図２−４は、本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における強制風冷盤の順変換部の概略構造を示す正面配置図，左側面配置図，および右側面配置図である。

図に示すように、７つ並列接続されたサイリスタアームＡ−Ｇの７つが、盤の高さ方向に並べられ、図２の左からＵｐ，Ｖｐ，およびＷｐアームの順で順変換部の正極ｐ側のサイリスタスタック（Ｕｐ−Ｗｐ）２０１が配置される。また、図３および４から明らかなように、盤背面には、同様に順変換部の負極ｎ側のサイリスタスタック（Ｕｎ−Ｗｎ）２０２が配置される。２０３（図２，３）は順変換部の正極ｐ側ブスバーであり、２０４（図３）は順変換部の負極ｎ側ブスバーである。また、２０５−２０７（図２，４）は、交流Ｕ−Ｗ相ブスバーであり、これらのブスバーは、垂直に立設され、図１の主回路を構成するようにサイリスタ群と接続されている。

ここで、風冷ユニットおよび温度検出ユニットと発熱体の位置関係を説明する。

強制風冷盤には、その内部を前後の正極側と負極側に仕切る絶縁板２０８が立設されている。強制風冷盤の頂部には、冷却ファン２０９が配置され、風冷盤の下方から入気風を吸い込み、天井へ排気風として排出する強制風冷構造を採用している。

サイリスタスタックの過熱を検出するために、サイリスタスタック近傍の温度を電気信号に変換する温度センサ２１０群が、絶縁板２０８の両面に取り付けられている。これらの温度センサ２１０は、各相の正負極側のサイリスタスタックＵｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，及びＷｎのそれぞれ７つの並列サイリスタ当たり４個が配置されている。すなわち、図から明らかなように、上下方向に列設された奇数１，３，５，および７番目のサイリスタスタックに隣接して配置されている。各温度センサ２１０の出力信号は、配線２１１を介して天井部に配置された温度検出ユニット２１２に伝達される。

サイリスタスタック（発熱体）２０１が高い電位にあり、直接に温度センサを取り付けることができない場合であっても、サイリスタスタックから所定の間隔を置いて、絶縁板２０８に固定設置することができ、素子の温度を測定可能である。この温度センサ２１０群で電気信号に変換し、温度検出ユニット２１２にそれぞれ温度信号を伝達する。

図５は、本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における過熱検知方法の動作を説明する処理フロー図である。

先ず、ステップ５０１では、温度センサ２１０群により、各部の温度を電気信号に変換する。温度センサ２１０の特性が、温度に対し非線形特性であるため、ステップ５０２において、線形に変換する回路を用いて、線形特性に変換する。線形に変換した値から、ステップ５０３と５０４で、最大値と最小値をそれぞれ検出し、ステップ５０５で最大値と最小値の差分を判定し、ステップ５０６で差分が設定値を超過したと判定すると、ステップ５０７で操作回路を用いて装置を停止させる。

図６は、本発明の一実施例による電力変換器の加熱保護装置における局部過熱の検知回路図である。

図において、６０１は電源正極、６０２はコモン（アース）、６０３は電源負極であり、図示するように、４個の演算増幅器で、図１の任意相片アームのサイリスタスタック、例えばＷｎ当たりの過熱検知回路を構成している。

温度センサ２１０の出力は、変換回路６０４によって、温度センサの出力特性を線形に変換する。これらの変換回路６０４が、各相片アーム毎に、それぞれ４個づつ設けられている。これら４つの変換回路６０４の出力は、それぞれ、最大値検出回路６０５と最小値検出回路６０６に入力され、得られた最大値と最小値を比較回路６０７で比較し、最大値と最小値の差分が規定値を超過したら、操作回路６０８を操作して装置を停止させる。

このようにして、各相片アーム毎に、異常過熱の有無を検出し、保護動作を行うとともに、異常と判断された任意の相の片アーム毎に補修が行われる。

以上の本発明の一実施例によれば、強制風冷盤内の半導体電力変換器の局部過熱を安価でスペース効率良く、正確に検知し、重大事故に至る機会を軽減することができる。

１０１：３相交流電源、１０４：電力変換器、１０５：大容量直流電動機、１０９：主回路各相片アーム、１１０：サイリスタスタック、１１１：サイリスタ、１１２:リアクトル、１１３：ヒューズ、２０１：正極側サイリスタスタック（Ｕｐ−Ｗｐ）、２０２：負極側サイリスタスタック（Ｕｎ−Ｗｎ）、２０３：順変換部の正極ｐ側ブスバー、２０４：順変換部の負極ｎ側ブスバー、２０５−２０７：交流Ｕ−Ｗ相ブスバー、２０８：絶縁板、２０９：冷却ファン、２１０：温度センサ、２１１：配線、２１２：温度検出ユニット、６０１：電源正極、６０２：コモン（アース）、６０３：電源負極、６０４：変換回路、６０５：最大値検出回路、６０６：最小値検出回路、６０７：比較回路、６０８：操作回路。

Claims

複数の半導体スイッチング素子を含み、多相の正負側各アームを構成する電力変換器と、冷却ファンを持ち、前記半導体スイッチング素子を収納した強制風冷盤を備えた電力変換器の過熱保護装置において、前記電力変換器の多相の正負側の各アームを構成するように並列接続され、強制風冷盤内に、上下方向に積層して収納された複数の前記半導体スイッチング素子と、上下方向に積層された複数の前記半導体スイッチング素子の近傍に上下方向に間隔を置いて配置され、前記半導体スイッチング素子の数よりも少ない複数の温度センサと、複数の前記温度センサの出力の最大値を検出する最大値検出手段と、複数の前記温度センサの出力の最小値を検出する最小値検出手段と、前記最大値検出手段の出力と前記最小値検出手段の出力を比較しその差が所定値を超えたとき前記電力変換器の動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴とする電力変換器の保護装置。
請求項１において、前記強制風冷盤内で、正極側と負極側の前記半導体スイッチング素子を分離するように立設された絶縁板を備え、複数の前記温度センサを、前記絶縁板に沿って上下方向に間隔を置いて取り付けたことを特徴とする電力変換器の保護装置。
請求項１または２において、複数の前記温度センサは、上下方向に積層された前記半導体スイッチング素子の１つ置きに隣接して配置されたことを特徴とする電力変換器の保護装置。
請求項３において、上下方向に積層された７つの前記半導体スイッチング素子の１つ置きに隣接して４個の温度センサを配置したことを特徴とする電力変換器の保護装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、複数の前記温度センサの出力を入力し、前記最大値を検出する最大値検出手段と、複数の前記温度センサの出力の最小値を検出する前記最小値検出手段と、前記最大値検出手段の出力と前記最小値検出手段の出力を比較しその差が所定値を超えたとき前記電力変換器の動作を停止させる温度検出ユニットを、前記強制風冷盤の天井部に配置したことを特徴とする電力変換器の保護装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、各相毎でかつ正極側と負極側アームとに分けて、それぞれ過熱を検出する手段を構成したことを特徴とする電力変換器の保護装置。
複数のサイリスタを含み、３相の正負側各アームを構成する電力変換器と、冷却ファンを持ち、前記サイリスタを収納した強制風冷盤を備えた電力変換器の過熱保護装置において、前記電力変換器の３相の正負側の各アームを構成するように並列接続され、前記強制風冷盤内に、上下方向に積層して収納された複数の前記サイリスタと、前記強制風冷盤内で、正極側と負極側の前記サイリスタを分離するように立設された絶縁板と、上下方向に積層された複数の前記サイリスタの１つ置きの近傍に前記絶縁板に取り付けて配置された複数の温度センサと、複数の前記温度センサの出力の最大値を検出する最大値検出手段と、複数の前記温度センサの出力の最小値を検出する最小値検出手段と、前記最大値検出手段の出力と前記最小値検出手段の出力を比較しその差が所定値を超えたとき前記電力変換器の動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴とする電力変換器の保護装置。