JP2012147613A - 直列多重電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置寸法の増大を抑制しつつ、単位電力変換器が故障しても運転を継続することが可能な直列多重電力変換装置を提供する。
【解決手段】直列多重電力変換装置１０は、出力側をそれぞれ直列接続構成とした複数の単位電力変換器で構成し、一端を相出力として負荷に、他端を中性点にそれぞれ接続した複数の電力変換器直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷ、一方の出力端を中性点に接続した単数の予備単位電力変換器ＳＰ、単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に故障した単位電力変換器の出力をバイパスするように構成した第１の切替装置、及び単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に故障した単位電力変換器の代わりに予備単位電力変換器を直列接続構成に接続するように構成した第２の切替装置を有した電力変換部２０と、第１及び第２の切替装置にそれぞれ開閉信号を出力して切替える制御部２２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、直列多重電力変換装置に関する。

特許文献１、２には、１つの単相インバータが故障した場合であっても規定の出力電圧で運転を継続することが可能な直列多重インバータがそれぞれ記載されている。

特許文献１に記載の直列多重インバータは、複数台の単相インバータの出力端をそれぞれ直列接続したＵ、Ｖ、Ｗ相構成により、三相高圧出力を得る直接高圧インバータ装置である。
この直接高圧インバータ装置は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の出力端に、それぞれ１台の予備単相インバータの出力端を直列接続し、Ｕ、Ｖ、Ｗ相を構成する各単相インバータの出力端及び予備単相インバータの出力端を個別に短絡できる開閉器を設けている。
通常運転時は、予備単相インバータの出力端を開閉器によって短絡状態にしてＵ、Ｖ、Ｗ相の各単相インバータを運転する。Ｕ、Ｖ、Ｗ相の少なくとも１つの相で１台の単相インバータが故障発生した時は、この故障発生した単相インバータの出力端を開閉器で短絡状態にし、故障発生した相と同一相の予備単相インバータの開閉器を開放及びその予備単相インバータの運転で装置運転を再開する。

特許文献２に記載の直列多重インバータは、３相の多重インバータのセルインバータの交流入力側に入力変圧器の２次側電圧を出力し、３相の各相アームの出力を交流電動機に供給する高圧ダイレクトインバータ装置である。
この高圧ダイレクトインバータ装置は、３相の各相アームと交流電動機の端子間に第１のスイッチを接続すると共に、３相各相のセルインバータと同数のセルインバータを直列接続した事故時交代用の相アームを設け、この相アームの一端を３相アームの共通点に接続し、相アームの他端をそれぞれ第２のスイッチを介して交流電動機の各相端子に接続している。セルインバータのいずれか１台が故障した場合、故障したセルインバータが含まれる相アームに代わって事故時交代用の相アームを運転することで、装置運転を再開する。

特開２００９−３３９４３号公報 特開２００９−１３６０９８号公報

特許文献１に記載の直列多重インバータは、各相につき、予備単相インバータ及びこの予備単相インバータ用の入力トランスの巻線を準備する必要があるので、装置寸法が増大する。
また、特許文献２に記載の直列多重インバータは、３相各相のセルインバータと同数のセルインバータを直列接続した事故時交代用の相アームを設けるので、直列多重インバータの出力定格電圧が大きくなり、セルインバータの個数が多くなると、事故時交代用の相アームを構成するセルインバータの個数及びこのセルインバータ用の入力トランスの巻線が多く必要となり、装置寸法が増大する。

本発明は、本発明の構成を有しない場合よりも装置寸法の増大を抑制しつつ、単位電力変換器が故障しても運転を継続することが可能な直列多重電力変換装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る直列多重電力変換装置は、出力側をそれぞれ直列接続構成とした複数の単位電力変換器で構成すると共に、一端Ａを相出力として負荷に、他端Ｂを中性点Ｎにそれぞれ接続した複数の電力変換器直列接続体と、一方の出力端Ｔ１を前記中性点Ｎに接続し、前記単位電力変換器の代替となる単数の予備単位電力変換器と、前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に故障した単位電力変換器の出力をバイパスするように構成した第１の切替装置と、前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に前記故障した単位電力変換器の代わりに前記予備単位電力変換器を前記直列接続構成に接続するように構成した第２の切替装置と、を有した電力変換部と、
前記第１の切替装置及び前記第２の切替装置にそれぞれ開閉信号を出力して切替える制御部と、を備える。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記第１の切替装置は、前記単位電力変換器のそれぞれの出力を個別にバイパスするように配置した第１の開閉器群を有し、
前記第２の切替装置は、前記電力変換器直列接続体の他端Ｂと前記中性点Ｎとを接続するように配置した第２の開閉器群と、前記予備単位電力変換器の他方の出力端Ｔ２を前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続するように配置した第３の開閉器群とを有することができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記制御部が、前記単位電力変換器がいずれも故障していない場合、前記第１の開閉器群及び前記第３の開閉器群に対して開信号を、前記第２の開閉器群に対して閉信号を出力し、
前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合、前記第１の開閉器群を構成する開閉器のうち、故障した単位電力変換器の出力をバイパスする開閉器のみに対して閉信号を、前記第２の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器が存在する前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続された開閉器のみに対して開信号を、前記第３の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器が存在する前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続された開閉器のみに対して閉信号を出力することができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記第１の切替装置は、前記各単位電力変換器の出力を前記相出力から切り離すことが可能な第４の開閉器群を更に備えることができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記制御部が、前記単位電力変換器がいずれも故障していない場合、前記第４の開閉器群に対して閉信号を出力し、
前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合、前記第４の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器の出力に接続された開閉器のみに対して開信号を出力することができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記制御部は、前記予備単位電力変換器を運転する際、前記予備単位電力変換器に診断信号を送出し、前記予備単位電力変換器から内部状態信号を受信し、前記予備単位電力変換器が運転可能であることを確認してから、前記予備単位電力変換器を運転することができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記単位電力変換器を、複数の片方向スイッチング素子を有した単位インバータとすることができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置において、前記単位電力変換器が、複数の双方向スイッチング素子を有した単位マトリクスコンバータとすることができる。

本発明に係る直列多重電力変換装置においては、予備の単位電力変換器を１台とすることにより、本発明の構成を有しない場合よりも装置寸法の増大を抑制しつつ、単位電力変換器が故障しても運転を継続することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る直列多重電力変換装置の構成図である。 同直列多重電力変換装置が有する電力変換部の構成図である。 同直列多重電力変換装置が有する電力変換部に設けられた単位インバータの主回路の説明図である。 同直列多重電力変換装置の電力変換部が故障した際の構成図である。 同直列多重電力変換装置の電力変換部が故障した際の構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る直列多重電力変換装置が有する電力変換部の構成図である。 同直列多重電力変換装置が有する電力変換部に設けられた単位マトリクスコンバータの主回路の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。

図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る直列多重電力変換装置１０は、例えば、直列多重インバータ装置であり、商用電源１２から供給される電力を予め決められた周波数及び電圧の電力に変換することができる。
直列多重電力変換装置１０は、入力トランス１４、電力変換部２０、及び制御部２２を備えている。
入力トランス１４には、１次側に１次巻線３２が設けられている。１次巻線３２には、商用電源（三相交流電源）１２が接続される。入力トランス１４の２次側には、１次巻線３２とは絶縁された、例えば、第１〜第１０の２次巻線３４が設けられている。

電力変換部２０は、例えば、線間電圧が３．３ｋＶや６.６ｋＶの３相高圧電源を、誘導電動機等の交流負荷３６に供給することができる。電力変換部２０は、図２に示すように、第１〜第３の単位インバータ直列接続体（電力変換器直列接続体の一例）ＳＵ、ＳＶ、ＳＷをそれぞれ構成する複数の単位インバータ（単位電力変換器の一例）Ｕ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３、電磁接触器（開閉器の一例）ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ、及び電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳを有している。電力変換部２０については、後に詳述する。

各単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３は、図３に示すように、入力トランス１４の２次巻線３４から入力端Ｒ、Ｓ、Ｔに供給された３相交流電力をダイオード整流回路４０及び直流平滑コンデンサ４２によって、一旦直流電力に変換し、この直流電力を単相インバータ回路４４によって予め決められた周波数及び電圧の単相交流電力に変換して出力端Ｔ１、Ｔ２に出力することができる。なお、この単相インバータ回路４４は各々４つの片方向スイッチング素子４６をブリッジ接続して構成される。
第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷは、それぞれ、出力側がそれぞれ直列に接続された（直列接続構成とした）単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３によって構成されている。

予備単位インバータＳＰは、図３に示した単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３と同様の構成となっており、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に代替することができる。予備単位インバータＳＰは、例えば入力トランス１４の第１０の２次巻線３４から得られた３相交流電力を単相交流電力に変換することができる。図２に示すように、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ１は、相出力の中性点Ｎに接続される。

制御部２２は、通信手段により電力変換部２０と接続されている。この通信手段は、制御部２２と電力変換部２０との間で信号の絶縁ができるものであれば良く、例えば光通信を適用することができる。光通信は、図１に示す構成例においては、例えば入力トランス１４の２次巻線の３４と等しい数の第１〜第１０の光通信線３７を介して行われている。

具体的には、第１の光通信線３７を介して、単位インバータＵ１、電磁接触器ＣＵＢ１、ＣＵＣ１と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第２の光通信線３７を介して、単位インバータＵ２、電磁接触器ＣＵＢ２、ＣＵＣ２と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第３の光通信線３７を介して、単位インバータＵ３、電磁接触器ＣＵＢ３、ＣＵＣ３と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。

また、第４の光通信線３７を介して、単位インバータＶ１、電磁接触器ＣＶＢ１、ＣＶＣ１と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第５の光通信線３７を介して、単位インバータＶ２、電磁接触器ＣＶＢ２、ＣＶＣ２と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第６の光通信線３７を介して、単位インバータＶ３、電磁接触器ＣＶＢ３、ＣＶＣ３と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。

また、第７の光通信線３７を介して、単位インバータＷ１、電磁接触器ＣＷＢ１、ＣＷＣ１と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第８の光通信線３７を介して、単位インバータＷ２、電磁接触器ＣＷＢ２、ＣＷＣ２と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。第９の光通信線３７を介して、単位インバータＷ３、電磁接触器ＣＷＢ３、ＣＷＣ３と、制御部２０との間の信号がそれぞれ授受される。

また、第１０の光通信線３７を介して、予備単位インバータＳＰ、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ、ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳと、制御部２０との間の信号が授受される。

光通信線３７による電力変換部２０と制御部２２との間の接続形態は、前述の接続形態に限定されるものではない。例えば、電力変換部２０と制御部２２との間を１本の光通信線で接続するように構成してもよい。また、単位インバータや電磁接触器毎に１本ずつ光通信線が接続されても良い。

制御部２２は、前述の光通信を介して、予め決められた周期で、図３に示す片方向スイッチング素子４６をオンオフする信号を各単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に送ることにより、電力変換部２０に電力変換動作を行なわせることができる。

制御部２２は、光通信を介して、予め決められた周期で、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の故障を検出するのに必要な、各単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に関する複数の情報（例えば、各単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の内部の予め決められた箇所の電圧、電流、及び温度）を監視することができる。以下、これら情報を「監視情報」という。

更に制御部２２は、光通信を介して電磁接触器を開閉する信号を出力し、電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ、及び電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳを開閉する。

次に、電力変換部２０について詳細に説明する。
図２に示す電力変換部２０は、前述のように、第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷ、予備単位インバータ（予備単位電力変換器の一例）ＳＰ、並びに電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ、及び電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳを有している。予備単位インバータＳＰは、１台のみ設けられている。なお、図２においては、電力変換部２０と入力トランス１４との接続は省略して描かれている。また、同図においては、電力変換部２０と制御部２２との接続は省略して描かれている。

第１の単位インバータ直列接続体ＳＵは、それぞれ入力トランス１４の第１〜第３の２次巻線３４から得られた３相交流電力を単相交流電力に変換する単位インバータＵ１〜Ｕ３の出力端が、それぞれ電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３を介して、直列に３段接続されて少なくとも構成されている。

第２の単位インバータ直列接続体ＳＶは、それぞれ入力トランス１４の第４〜第６の２次巻線３４から得られた３相交流電力を単相交流電力に変換する単位インバータＶ１〜Ｖ３の出力端が、それぞれ電磁接触器ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３を介して、直列に３段接続されて少なくとも構成されている。

第３の単位インバータ直列接続体ＳＷは、それぞれ入力トランス１４の第７〜第９の２次巻線３４から得られた３相交流電力を単相交流電力に変換する単位インバータＷ１〜Ｗ３の出力端が、それぞれ電磁接触器ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３を介して、直列に３段接続されて少なくとも構成されている。

第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの一端Ａは、それぞれＵ、Ｖ、Ｗ相出力として交流負荷３６（図１参照）に接続される。

各電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３は、一方の端子ＴＣ１が電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３の端子ＴＣ２に接続され、他方の端子ＴＣ２が単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力端Ｔ２に接続される。各電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３は、制御部２２が光通信を介して出力する開閉信号によって開閉され、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力をパイパスすることができる。

なお、電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３は、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力をバイパスするように配置された第１の開閉器群の一例である。この第１の開閉器群は、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３のいずれか１つが故障した場合に故障した単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力をバイパスする第１の切替装置を少なくとも構成する。

各電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３は、一方の端子ＴＣ１が単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力端Ｔ１に接続される。各電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３は、制御部２２が光通信を介して出力する開閉信号によって開閉され、故障が発生した単位インバータの出力端Ｔ１を出力相から切り離すことができる。

なお、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３は、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の出力を相出力から切り離すことが可能な第４の開閉器群の一例であり、第１の開閉器群と共に、前述の第１の切替装置を構成する。

各電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮは、一方の端子ＴＣ１が中性点Ｎに接続され、他方の端子ＴＣ２が電磁接触器ＣＵＣ１、ＣＶＣ１、ＣＷＣ１の他方の端子ＴＣ２（電磁接触器ＣＵＢ１、ＣＶＢ１、ＣＷＢ１の端子ＴＣ１）に接続される。即ち、各電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮは、制御部２２が光通信を介して出力する開閉信号によって開閉され、第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの他端Ｂをそれぞれ中性点Ｎに接続したり、中性点Ｎから切り離したりすることができる。
なお、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮは、第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの他端Ｂと中性点Ｎとを接続するように配置された第２の開閉器群の一例である。

各電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳは、一方の端子ＴＣ１が予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２に接続され、他方の端子ＴＣ２が電磁接触器ＣＵＣ１、ＣＶＣ１、ＣＷＣ１の他方の端子ＴＣ２（電磁接触器ＣＵＢ１、ＣＶＢ１、ＣＷＢ１の端子ＴＣ１）に接続される。即ち、各電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳは、制御部２２が光通信を介して出力する開閉信号によって開閉され、第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの他端Ｂをそれぞれ予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２に接続したり、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２から切り離したりすることができる。

なお、電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳは、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２を第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの他端Ｂに接続するように配置された第３の開閉器群の一例である。
また、前述の第２の開閉器群及び第３の開閉器群は、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３のいずれか１つが故障した場合に、故障した単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の代わりに予備単位インバータＳＰを直列接続構成された単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に接続する第２の切替装置を少なくとも構成する。

次に、直列多重電力変換装置１０の動作について説明する。
いずれの単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３にも故障が発生していない場合、制御部２２は、図２に示すように、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３をそれぞれ開く。また、制御部２２は、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３をそれぞれ閉じる。
更に、制御部２２は、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮをそれぞれ閉じる。また、制御部２２は、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳをそれぞれ開く。
従って、第１〜第３の単位インバータ直列接続体ＳＵ、ＳＶ、ＳＷの他端Ｂは、それぞれ中性点Ｎに接続され、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２から切り離されている。

ここで、第１の例として単位インバータＵ２に故障が発生した場合には、制御部２２は、単位インバータＵ２に故障が発生したことを検出する。故障の検出は、例えば光通信を介して受信された前述の監視情報に対して閾値を設けることにより行われる。具体的には、故障の検出は、各監視情報が示す値がとりうる範囲に応じて、その監視情報が示す値が閾値以上、閾値以下、又は上限と下限とをそれぞれ規定する２つの閾値の範囲外であるか否かを判定することにより行なわれる。

単位インバータＵ２の故障を検出すると、制御部２２は、図４Ａに示すように、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＵＢ２を閉じ、単位インバータＵ２の出力をバイパスする。また、制御部２２は、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＵＣ２を開いて故障した単位インバータＵ２をＵ相出力から切り離す。単位インバータＵ２を切り離すことにより、単位インバータＵ２内部での故障拡大を防止し、更に単位インバータＵ２の故障が他の部分に与える影響が抑制される。

更に、制御部２２は、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＵＮを開き、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＵＳを閉じる。第１の単位インバータ直列接続体ＳＵの他端Ｂは、中性点Ｎから切り離され、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２に接続される。
従って、電力変換部２０には、予備単位インバータＳＰを１段目、単位インバータＵ１を２段目、単位インバータＵ３を３段目とする新たな単位インバータ直列接続体（単位インバータ直列接続体ＳＵに代わる単位インバータ直列接続体）が形成される。

また、第２の例として単位インバータＷ３に故障が発生した場合には、制御部２２は、光通信を介して、前述の第１の例と同様の方法で単位インバータＷ３に故障が発生したことを検出する。制御部２２は、図４Ｂに示すように、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＷＢ３を閉じ、単位インバータＷ３の出力をバイパスする。また、制御部２２は、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＷＣ３を開いて故障した単位インバータＷ３をＷ相出力から切り離す。単位インバータＷ３を切り離すことにより、単位インバータＷ３内部での故障拡大を防止し、更に単位インバータＷ３の故障が他の部分に影響を与えることを抑制することができる。

更に、制御部２２は、光通信を介して開信号を出力し、電磁接触器ＣＷＮを開き、光通信を介して閉信号を出力し、電磁接触器ＣＷＳを閉じる。第３の単位インバータ直列接続体ＳＷの他端Ｂは、中性点Ｎから切り離され、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２に接続される。
従って、電力変換部２０には、予備単位インバータＳＰを１段目、単位インバータＷ１を２段目、単位インバータＷ２を３段目とする新たな単位インバータ直列接続体（単位インバータ直列接続体ＳＷに代わる単位インバータ直列接続体）が形成される。

このように、制御部２２は、故障した単位インバータの出力をバイパスするように各電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３を開閉する。また、制御部２２は、故障した単位インバータを含む単位インバータ直列接続体の他端Ｂを、予備単位インバータＳＰの出力端Ｔ２に接続するように各電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ及び各電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳを開閉する。

以上により、故障した単位インバータを含む単位インバータ直列接続体に代わり、予備単位インバータＳＰを含む新たな単位インバータ直列接続体が形成されるので、直列多重電力変換装置１０を、故障した単位インバータの復旧を待たずに運転することが可能となる。

その際、制御部２２は、予備単位インバータＳＰが運転可能か否かの確認（診断動作）をしてから、電力変換部２０の運転（電力変換動作）を開始する。運転可能か否かの確認のため、制御部２２は、図３に示す単位インバータのスイッチング素子４６の一つに、光通信を介してそのスイッチング素子４６をオフする信号を送信し、続いてオンする信号を送信する。
ここで、予備単位インバータＳＰは、各スイッチング素子４６の診断回路（不図示）を備えている。この診断回路は、各々のスイッチング素子４６両端の電圧を、例えば抵抗により分圧し、降圧した電圧をフォトカプラに入力し、そのフォトカプラの出力をＤＣ５Ｖ等の電圧でプルアップすることにより、そのスイッチング素子４６がオンの場合にＬＯＷ、オフの場合にＨＩＧＨとなるスイッチング状態信号を作り出すことができる。

制御部２２は、オフする信号とオンする信号を送った一つのスイッチング素子４６の診断回路からスイッチング状態信号を光通信を介して受け取り、（ｉ）制御部２２がスイッチング素子をオフする信号を送信した場合に、スイッチング状態信号がＨｉｇｈであること、（ｉｉ）制御部２２がスイッチング素子をオンする信号を送信した場合に、スイッチング状態信号がＬｏｗであること、の２つの条件が成り立つかを確認する。制御部２２は、この２つの条件がともに成り立つ場合に、そのスイッチング素子４６は正常であると判定する。

更に、制御部２２は、予備単位インバータＳＰの残りの３つのスイッチング素子４６に対しても、同じ方法で正常かどうかを一つずつ判定する。４つのスイッチング素子４６がすべて正常であると判定された場合、制御部２２は、予備単位インバータＳＰは運転可能であると判定する。予備単位インバータＳＰにより、直列多重電力変換装置の運転を継続しようとする場合、制御部２２は、予備単位インバータＳＰが運転可能であるときにのみ運転を継続する。

制御部２２は、単位インバータに故障が発生した後、予備単位インバータＳＰを含む新たな単位インバータ直列接続体を形成して電力変換部２０の電力変換を開始する前に前述の診断動作を実行することができる。ただし、制御部２２は、単位インバータに故障が発生した後、予備単位インバータＳＰを含む新たな単位インバータ直列接続体を形成する前に診断動作を実行することが好ましい。
なお、運転可能かどうかの確認のため、制御部２２が光通信を介して送信する１つのスイッチング素子４６をオンまたはオフする信号は、診断信号の一例である。また、スイッチング状態信号は、内部状態信号の一例である。

本実施の形態によれば、直列多重電力変換装置１０は、１つの単位インバータが故障しても運転を継続することが可能である。また、予備単位インバータＳＰの数は１台のみであるので、装置寸法の増大は抑えられる。

続いて、本発明の第２の実施の形態に係る直列多重電力変換装置について説明する。第１の実施の形態に係る直列多重電力変換装置１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施の形態に係る直列多重電力変換装置は、直列多重マトリクスコンバータ装置であり、第１の実施の形態に係る直列多重インバータ装置とは、主として電力変換部が相違する。

具体的には、図５に示すように、電力変換部５０に設けられた電力変換器直列接続体が、図６に示す単位マトリクスコンバータ（単位電力変換装置の一例）Ｕ１ａ〜Ｕ３ａ、Ｖ１ａ〜Ｖ３ａ、Ｗ１ａ〜Ｗ３ａにより少なくとも構成された単位マトリクスコンバータ直列接続体ＳＵａ、ＳＶａ、ＳＷａとなっている。また予備単位電力変換器が、単位マトリクスコンバータＵ１ａ〜Ｕ３ａ、Ｖ１ａ〜Ｖ３ａ、Ｗ１ａ〜Ｗ３ａと同様の構成の予備単位マトリクスコンバータＳＰａとなっている。

ここで、単位マトリクスコンバータＵ１ａ〜Ｕ３ａ、Ｖ１ａ〜Ｖ３ａ、Ｗ１ａ〜Ｗ３ａ及び予備単位マトリクスコンバータＳＰａは、図６に示す双方向スイッチング素子５２を制御することにより、入力トランス１４の２次巻線３４から入力端Ｒ、Ｓ、Ｔに供給された３相交流電力を直接、予め決められた周波数及び電圧の単相交流電力に変換して出力端Ｔ１、Ｔ２に出力することができる。

電力変換部５０における単位マトリクスコンバータＵ１ａ〜Ｕ３ａ、Ｖ１ａ〜Ｖ３ａ、Ｗ１ａ〜Ｗ３ａ、予備単位マトリクスコンバータＳＰａ、並びに電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３、電磁接触器ＣＵＣ１〜ＣＵＣ３、ＣＶＣ１〜ＣＶＣ３、ＣＷＣ１〜ＣＷＣ３、電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ、及び電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳの接続関係は、第１の実施の形態に係る直列多重電力変換装置１０が有する電力変換部２０における接続関係と同様であるので、その説明は省略する。

制御部（不図示）は、故障した単位マトリクスコンバータの出力をバイパスするように電磁接触器ＣＵＢ１〜ＣＵＢ３、ＣＶＢ１〜ＣＶＢ３、ＣＷＢ１〜ＣＷＢ３を開閉する。また、制御部は、故障した単位マトリクスコンバータを含む単位マトリクスコンバータ直列接続体の他端Ｂを、予備単位マトリクスコンバータＳＰａの出力端Ｔ２に接続するように各電磁接触器ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ及び各電磁接触器ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳを開閉する。

ここで、本実施の形態に係る直列多重電力変換装置についても、前述の第１の実施の形態に係る直列多重電力変換装置１０同様、制御部は、予備単位マトリクスコンバータＳＰａが運転可能か否かを確認してから、電力変換部５０の運転（電力変換動作）を開始することができる。

本実施の形態によれば、故障した単位マトリクスコンバータ直列接続体に代わる新たな単位マトリクスコンバータ直列接続体が形成されるので、直列多重電力変換装置は、１つの単位マトリクスコンバータが故障しても運転を継続することが可能である。また、予備単位マトリクスコンバータＳＰａの数は１台のみであるので、装置寸法の増大は抑えられる。

なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述の実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。

開閉器は、電磁接触器のような開閉器に限定されない。開閉器の他の一例として、半導体スイッチが挙げられる。

第２の切替装置の他の例として、電力変換器直列接続体の他端を、それぞれ中性点Ｎ又は予備単位電力変換器の出力端の他端のいずれか一方に接続する切替スイッチとすることができる。

予備単位インバータＳＰは、単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に代替することができればよく、予備単位インバータＳＰの構造は単位インバータＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の構成と完全同一でなくてもよい。

１０：直列多重電力変換装置、１２：商用電源、１４：入力トランス、２０：電力変換部、２２：制御部、３２：１次巻線、３４：２次巻線、３６：交流負荷、３７：光通信線、４０：ダイオード整流回路、４２：直流平滑コンデンサ、４４：単相インバータ回路、４６：片方向スイッチング素子、５０：電力変換部、５２：双方向スイッチング素子、ＳＰ：予備単位インバータ、ＳＵ、ＳＶ、ＳＷ：単位インバータ直列接続体、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３：単位インバータ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３：単位インバータ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３：単位インバータ、ＣＵＢ１、ＣＵＢ２、ＣＵＢ３：電磁接触器、ＣＶＢ１、ＣＶＢ２、ＣＶＢ３：電磁接触器、ＣＷＢ１、ＣＷＢ２、ＣＷＢ３：電磁接触器、ＣＵＣ１、ＣＵＣ２、ＣＵＣ３：電磁接触器、ＣＶＣ１、ＣＶＣ２、ＣＶＣ３：電磁接触器、ＣＷＣ１、ＣＷＣ２、ＣＷＣ３：電磁接触器、ＣＵＮ、ＣＶＮ、ＣＷＮ：電磁接触器、ＣＵＳ、ＣＶＳ、ＣＷＳ：電磁接触器、Ｕ１ａ、Ｕ２ａ、Ｕ３ａ：単位マトリクスコンバータ、Ｖ１ａ、Ｖ２ａ、Ｖ３ａ：単位マトリクスコンバータ、Ｗ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ａ：単位マトリクスコンバータ、ＳＰａ：予備単位マトリクスコンバータ、ＳＵａ、ＳＶａ、ＳＷａ：単位マトリクスコンバータ直列接続体

Claims (8)

1. 出力側をそれぞれ直列接続構成とした複数の単位電力変換器で構成すると共に、一端Ａを相出力として負荷に、他端Ｂを中性点Ｎにそれぞれ接続した複数の電力変換器直列接続体と、一方の出力端Ｔ１を前記中性点Ｎに接続し、前記単位電力変換器の代替となる単数の予備単位電力変換器と、前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に故障した単位電力変換器の出力をバイパスするように構成した第１の切替装置と、前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合に前記故障した単位電力変換器の代わりに前記予備単位電力変換器を前記直列接続構成に接続するように構成した第２の切替装置と、を有した電力変換部と、
   前記第１の切替装置及び前記第２の切替装置にそれぞれ開閉信号を出力して切替える制御部と、を備えたことを特徴とする直列多重電力変換装置。
2. 前記第１の切替装置は、前記単位電力変換器のそれぞれの出力を個別にバイパスするように配置した第１の開閉器群を有し、
   前記第２の切替装置は、前記電力変換器直列接続体の他端Ｂと前記中性点Ｎとを接続するように配置した第２の開閉器群と、前記予備単位電力変換器の他方の出力端Ｔ２を前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続するように配置した第３の開閉器群とを有することを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
3. 前記制御部が、前記単位電力変換器がいずれも故障していない場合、前記第１の開閉器群及び前記第３の開閉器群に対して開信号を、前記第２の開閉器群に対して閉信号を出力し、
   前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合、前記第１の開閉器群を構成する開閉器のうち、故障した単位電力変換器の出力をバイパスする開閉器のみに対して閉信号を、前記第２の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器が存在する前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続された開閉器のみに対して開信号を、前記第３の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器が存在する前記電力変換器直列接続体の他端Ｂに接続された開閉器のみに対して閉信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の直列多重電力変換装置。
4. 前記第１の切替装置は、前記各単位電力変換器の出力を前記相出力から切り離すことが可能な第４の開閉器群を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の直列多重電力変換装置。
5. 前記制御部が、前記単位電力変換器がいずれも故障していない場合、前記第４の開閉器群に対して閉信号を出力し、
   前記単位電力変換器のいずれか１つが故障した場合、前記第４の開閉器群を構成する開閉器のうち、前記故障した単位電力変換器の出力に接続された開閉器のみに対して開信号を出力することを特徴とする請求項４に記載の直列多重電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記予備単位電力変換器を運転する際、前記予備単位電力変換器に診断信号を送出し、前記予備単位電力変換器から内部状態信号を受信し、前記予備単位電力変換器が運転可能であることを確認してから、前記予備単位電力変換器を運転することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の直列多重電力変換装置。
7. 前記単位電力変換器が、複数の片方向スイッチング素子を有した単位インバータであることを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
8. 前記単位電力変換器が、複数の双方向スイッチング素子を有した単位マトリクスコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。

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