CN101529715B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

指出在驱动控制永磁同步电动机的功率转换装置中可能产生的具体的故障内容及与其内容相应的处理方法，是具有对于可能产生的故障可以进行适当处理的保护功能的可稳定运行的功率转换装置。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及驱动控制永磁同步电动机的功率转换装置。
背景技术
永磁同步电动机(以下仅记作电动机)与以往使用较多的感应电动机比较，已知由于其利用永磁体建立磁通，因此不需要励磁电流，在转子中没有电流流过，所以不产生二次铜损等，是一种高效率的电动机。以往，在电车上是使用感应电动机，但近年来，为提高效率，正在探讨将永磁同步电动机用于电车。
在驱动控制永磁同步电动机的电车的控制装置使用的功率转换装置中，为了实现电车的稳定运行，需要尽可能降低由于故障而停止或损坏的可能性，要求稳定工作。为了实现这样的要求，将永磁同步电动机用于电车上的最重要的问题是功率转换装置的保护方法。即明确有可能在功率转换装置产生的异常现象，排除装置因此而造成的过度停止，且需要采取适当的处理以使装置不会损坏。
功率转换装置由：传感器或微型计算机等电子元器件或开关元件等半导体元器件；连接这些元器件的电缆或母线等导电部件；以及绝缘材料等大量的电气、电子元器件构成。因此，构成功率转换装置的各元器件等构成元件有可能产生故障或不良，此时，会发生在电路中产生过电流或过电压等异常现象。另外，由于伴随着电气化铁路特有的电源电压变动、车辆的振动或来自轨道的振动的各种扰动，在电路中有时也会产生暂时性的过电压或过电流。
另外，永磁同步电动机与以往较多使用的感应电动机不同，即使没有来自外部的供电，也由于内置的永磁体的磁通的作用，在电动机旋转时始终会产生电压。
一般而言，电车是将多辆车辆连结而形成编组行驶的，多台功率转换装置和电动机分别分散安装在多辆车辆上。因此，例如在编组的多个功率转换装置中，即使在一台功率转换装置出现故障而停止时，电车也可以利用其他正常的电动机继续行驶。另一方面，与停止的功率转换装置连接的电动机会因车轮侧的作用而继续旋转，产生与转速相应的电压。
即，根据电车行驶中在功率转换装置产生的故障形态，有可能出现电动机产生的电压会继续给故障部位提供电流，使故障部位的损伤进一步扩大或发热。
在这样的情况下，由系统控制部监视来自设置在功率转换装置内的电压计测器、电流计测器等的信号，在检测值超过规定的值等情况下，判断为产生异常现象，需要以规定的逻辑将内置的接触器或开关元件断开、防止功率转换装置损坏的保护功能。
但是，对于在产生异常现象时将功率转换装置具有的所有的接触器或开关元件断开的结构，由于功率转换装置的再起动需要时间，阻碍电车的准时运行，或者接触器等的动作次数增加，超过必需的次数，加速可动部的磨损，所以不合适。另外，由于不适当的处理，还有可能扩大异常部位的损伤。即，为了避免功率转换装置的过度停止，防止损坏，功率转换装置需要具有可以实施与产生的异常现象、故障形态相应的处理的保护功能。
作为已有例，专利文献1披露了在电车行驶中，在驱动控制永磁同步电动机的逆变器出现故障时，设置将逆变器与永磁同步电动机之间断开的接触器，在检测到逆变器的故障时，利用该接触器将逆变器和永磁同步电动机断开，使电动机产生的发电功率不会扩大逆变器的损伤。
专利文献1：日本专利特开平8-182105
发明内容
根据专利文献1的方法，由于在检测到逆变器的故障时，可以利用接触器将逆变器和永磁同步电动机断开，所以可以防止如上所述的行驶中的电动机的发电电压导致故障部位的扩大。但是，在上述专利文献1中，虽然记载了在逆变器故障时将其与电动机之间的接触器断开的方法，但没有记载在包含逆变器的功率转换装置内的各部分有可能产生的具体异常现象及与其内容相应的处理方法。
如上所述，预先构成具有对于在功率转换装置可能产生的具体异常现象的适当的处理方法的保护功能，这对于稳定运用电车而言是极为重要的，但在专利文献1的内容中，不能采取与在功率转换装置可能产生的具体异常现象相应的处理。
本发明为解决上述的问题而作，其目的在于提供一种具有可以对于在功率转换装置可能产生的各种异常现象进行处理的保护功能的功率转换装置。
由于本发明所涉及的功率转换装置的特征是包括：将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；与该整流器的直流侧并联连接的电容器；与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；与上述电容器并联连接的放电电路；设置在上述交流电源与上述整流器的交流侧之间的电源侧开关；设置在上述逆变器的交流侧与上述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；计测上述电容器的电压的电容器电压计测器；计测上述整流器的交流电流的输入电流计测器；计测上述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及将来自上述电容器电压计测器、上述输入电流计测器及上述输出电流计测器的信号作为输入，控制上述电源侧开关、上述整流器、上述放电电路、上述逆变器及上述电动机侧开关的系统控制部，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将上述整流器的所有的上述开关元件和上述逆变器的所有的上述开关元件断开，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于小于上述第一规定值的第二规定值以下时，将上述电源侧开关断开，所以可以防止电源侧开关进行不需要的开关，并在发生短路时可以确实进行保护动作。
本发明所涉及的功率转换装置的特征是包括：将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；与该整流器的直流侧并联连接的电容器；与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；与上述电容器并联连接的放电电路；设置在上述交流电源与上述整流器的交流侧之间的电源侧开关；设置在上述逆变器的交流侧与上述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；计测上述交流电源的电压的电源电压计测器；计测上述电容器的电压的电容器电压计测器；计测上述整流器的交流电流的输入电流计测器；计测上述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及将来自上述电源电压计测器、上述电容器电压计测器、上述输入电流计测器及上述输出电流计测器的信号作为输入，控制上述电源侧开关、上述整流器、上述放电电路、上述逆变器及上述电动机侧开关的系统控制部，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将上述整流器的所有的上述开关元件和上述逆变器的所有的上述开关元件断开，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于小于上述第一规定值的第二规定值以下时，将上述电源侧开关断开，上述第二规定值由上述电源电压计测器计测的电压来决定。
另外，其特征是包括：将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；与该整流器的直流侧并联连接的电容器；与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；与上述电容器并联连接的放电电路；设置在上述交流电源与上述整流器的交流侧之间的电源侧开关；设置在上述逆变器的交流侧与上述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；计测上述电容器的电压的电容器电压计测器；计测上述整流器的交流电流的输入电流计测器；计测上述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及将来自上述电容器电压计测器、上述输入电流计测器及上述输出电流计测器的信号作为输入，控制上述电源侧开关、上述整流器、上述放电电路、上述逆变器及上述电动机侧开关的系统控制部，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将上述整流器的所有的上述开关元件和上述逆变器的所有的上述开关元件断开，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于小于上述第一规定值的第二规定值以下时，将上述电动机侧开关断开。
另外，由于其特征是包括：将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；与该整流器的直流侧并联连接的电容器；与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；与上述电容器并联连接的放电电路；设置在上述交流电源与上述整流器的交流侧之间的电源侧开关；设置在上述逆变器的交流侧与上述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；计测上述电容器的电压的电容器电压计测器；计测上述整流器的交流电流的输入电流计测器；计测上述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及将来自上述电容器电压计测器、上述输入电流计测器及上述输出电流计测器的信号作为输入，控制上述电源侧开关、上述整流器、上述放电电路、上述逆变器及上述电动机侧开关的系统控制部，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将上述整流器的所有的上述开关元件和上述逆变器的所有的上述开关元件断开，上述系统控制部在由上述电容器电压计测器计测的电压位于小于上述第一规定值的第二规定值以下时，将上述电动机侧开关断开，上述系统控制部基于上述电动机的旋转速度来决定上述第二规定值，所以可以防止电源侧开关进行不需要的开关，并在发生短路时可以确实进行保护动作。
附图说明
图1是表示将本发明的实施方式1的功率转换装置应用于电车的控制装置时的结构例的图。
图2是表示本发明的实施方式1的电源侧接触器和电动机侧接触器的结构例的图。
图3是说明本发明的实施方式1的正常时的功率转换装置的接地系统的图。
图4是说明本发明的实施方式1的主电路接地时的功率转换装置的接地系统的图。
标号说明
1：架线2：集电装置3：车轮4：轨道5：断路器6：变压器10、10u、10v：电源侧接触器11：主触点12：电磁线圈13：辅助触点20：整流器21～24：开关元件30：电容器40：接地电路41、42、43：阻抗元件44：接地检测器50：放电电路51：电阻52：开关部60：逆变器61～66：开关元件70、70u、70v、70w：电动机侧接触器80：永磁同步电动机(电动机)90：电压计测器91：电流计测器92：电压计测器93～95：电流计测器96：旋转检测器100：系统控制部200：功率转换装置的壳体或者车体
具体实施方式
实施方式1
图1是表示将本发明的实施方式1的功率转换装置应用于电车的控制装置时的结构例的图。如图1所示，功率转换装置的主电路从架线1(一般为交流20KV～25KV)通过集电装置2引入功率，通过断路器5向变压器6的一次侧引入功率。变压器6的另一端通过车轮3与地电位即轨道4连接。另外，断路器5具有断开在短路时产生的事故电流的能力，后述的电源侧接触器10和电动机侧接触器70没有这样的断开事故电流的能力。
变压器6将输入至一次绕组的电压降压，输出至二次绕组和三次绕组，二次绕组的电压通过电源侧开关即电源侧接触器10与计测输入电流的电流计测器91输入至整流器20。另一方面，三次绕组的电压由电压计测器90进行计测作为交流电源电压VS，输入至系统控制部100。
另外，电压计测器90的目的是计测架线1的电压。电压计测器90的配置位置较为理想的是图1所示的变压器6的三次侧，除了可以减轻来自整流器20的高次谐波的影响之外，还易于绝缘，但也可以配置在二次绕组的电源侧接触器10的交流电源侧，也可以配置在变压器6的一次侧。
电源侧接触器10配置在变压器6的二次绕组和整流器20之间，可以根据来自系统控制部100的信号K进行接通断开的控制。另外，其动作状态利用信号KF输出至系统控制部100。在图1中图示了用电源侧接触器10u、10v将具有两条交流输入线的两者断开的结构，但也可以将接触器配置在任意一条交流输入线。随后详细说明该接触器的详细结构。
用电流计测器91，检测输入至整流器20的输入电流IS，将检测值输入至系统控制部100。整流器20由以开关元件21、22、23、24构成的桥式电路组成，根据来自系统控制部100的信号CG对各开关元件进行PWM控制，从而将输入的交流电压转换为直流电压进行输出。各开关元件的状态利用信号CGF反馈至系统控制部100。在开关元件中产生过电流时；在开关元件的驱动电压下降时；检测到开关元件的温度过高时；以及在开关元件的接通断开动作与信号CG不一致时，信号CGF将这些信息输入至系统控制部100。
开关元件21～24是内置有反并联二极管的IGBT元件或IPM元件时较为理想。整流器20的详细结构和控制方法有各种已知例，省略详细的说明。另外，在图1中整流器20表示作为二电平整流器电路，但也可以是三电平以上的整流器电路。
在整流器20的输出并联连接为了将直流电压滤波的电容器30。电容器30的电压VDC由电压计测器92进行检测，输入至系统控制部100。
在整流器20的输出进一步连接接地电路40。接地电路40利用阻抗元件41、42将整流器20的直流电压VDC进行分压，阻抗元件41、42的连接点通过阻抗元件43在功率转换装置的壳体或者车体200接地。阻抗元件43的电压或者电流由接地检测器44进行监视，将其监视状态利用信号IGS输入至系统控制部100。阻抗元件41、42分别由电容器、电阻、或者电容器和电阻的组合构成。阻抗元件43由电阻构成时较为理想。
为了将电容器30放电而设置放电单元即放电电路50。放电电路50由电阻51和开关部52构成，根据来自系统控制部100的信号OVG，开关部52接通断开，将其动作状态通过信号OVF输入至系统控制部100。另外，开关部52由晶闸管或IGBT、IPM等开关元件构成时较为理想。
配置逆变器60，该逆变器60将电容器30的直流电压作为输入，将其转换为任意电压、频率的交流电压进行输出。逆变器60由以开关元件61、62、63、64、65、66构成的桥式电路组成，基于来自系统控制部100的信号IG，对各开关元件进行PWM控制。各开关元件的状态利用信号IGF反馈至系统控制部100。在开关元件中产生过电流时；在开关元件的驱动电压下降时；检测到开关元件的温度过高时；以及在开关元件的接通断开动作与指令IG不一致时，信号IGF将这些信息输入至系统控制部100。
开关元件61～66是内置有反并联二极管的IGBT元件或IPM元件时较为理想。逆变器60的详细结构和控制方法有各种已知例，省略详细的说明。在图1中逆变器60表示作为二电平逆变器电路，但也可以是三电平以上的逆变器电路。
在逆变器60的输出侧设置计测输出电流的电流计测器93、94、95。将由各电流计测器检测到的值的U相电流作为IU，V相电流作为IV，W相电流作为IW，输入至系统控制部100。
在电流计测器93、94、95的输出侧配置电动机侧开关即电动机侧接触器70。电动机侧接触器70由U相用接触器70u、V相用接触器70v、W相用接触器70w构成，分别被来自系统控制部100的信号MMK进行接通断开控制。另外，其动作状态作为信号MMKF输入至系统控制部100。随后说明该接触器的详细结构。
在电动机侧接触器70的输出侧连接驱动电车的永磁同步电动机(电动机)80。其转子位置由旋转检测器96检测，作为位置信号θ输入至系统控制部100。另外，也可以不设置旋转检测器96，而作为根据电动机80的电压、电流算出位置信号θ的无位置传感器控制。
下面进行上述的电源侧接触器10u、10v；电动机侧接触器70u、70v、70w的详细的说明。图2是表示本发明的实施方式1的电源侧接触器10u、10v；电动机侧接触器70u、70v、70w的结构例的图。如图2所示，由：将主电路通断的主触点11；驱动主触点11的电磁线圈12；以及辅助触点13构成，该辅助触点13通过机械方式与主触点11连接，在主触点11闭合时联动闭合，主触点11打开时联动打开。
电磁线圈12根据从系统控制部100输入的信号K或者信号MMK接通断开，利用该电磁线圈的驱动力将主触点11接通或者断开。可以设置两个电磁线圈，分别用不同的电磁线圈实施主触点11的接通和断开，也可以设置一个电磁线圈，利用由线圈励磁产生的力将主触点11接通，若由于线圈的消磁而不产生力，则利用由弹簧等构成的主触点打开部将主触点11断开。
关于电动机侧接触器70u、70v、70w，较为理想的结构是，在电磁线圈12的电源为断开时，不管电磁线圈12的驱动力如何，主触点11由弹簧力等断开。这是因为如下说明的那样，即使在系统控制部100的控制电源消失时，也能将电动机80从逆变器60断开。由辅助触点13检测的表示主触点11的动作的信号KF或者信号MMKF输入至系统控制部100。
在以上的说明中说明了电源侧接触器10u、10v；电动机侧接触器70u、70v、70w是作为机械式的接触器，但只要能进行电路的通断(接通断开)及其动作确认，其结构就不限于此，例如也可以是半导体式的无触点式接触器。另外，是采用辅助触点13在主触点11接通时联动闭合、断开时联动打开的结构，但反之，也可以采用在主触点11接通时联动打开、断开时联动闭合的结构。这样，通过将与主触点11联动的辅助触点13的状态输入至系统控制部100，如下面说明所示，由系统控制部100可以确实掌握电源侧接触器10u、10v；电动机侧接触器70u、70v、70w的动作，可以检测出接触器的异常。
下面进行系统控制部100的说明。系统控制部100虽然未图示，但接收包含来自外部的例如电车的驾驶室等的前进、后退、动力、再生的各种驾驶模式指令；动力运行档；以及制动力指令的信号，控制以上说明的功率转换装置的各部分。另外，如已经说明的那样，来自各部分的表示动作状态的信号输入至系统控制部100。通过这样构成，利用系统控制部100，可以根据来自驾驶室等的信号最佳控制功率转换装置的各部分。
在图1中，表示了对于变压器6的二次绕组是以单回路连接整流器20、在整流器20的输出侧是以单回路连接逆变器60的形态，但对于变压器6的二次绕组也可以以多回路连接整流器20，在整流器20的输出侧以多回路并联连接逆变器60。另外，也可以将变压器6的二次绕组分割为多个，分别与整流器20和逆变器60连接。
下面说明在这样构成的功率转换装置中，假设会产生的异常现象的内容、以及产生异常现象时实施的适当的处理。
此处，根据异常的重要性和是否是一时性的，将异常现象区分为以下的三种类别，以便在产生异常时将开关元件或电源侧接触器10、电动机侧接触器70等断开而使装置停止之后的处理方法不同。
分类A：是判断为异常的条件消除、以经过规定时间(数秒左右)为条件装置会自动再起动的异常。
分类B：是判断为异常的条件消除、以通过操作复位按钮等人为的操作为条件使装置再起动的异常。
分类C：是不能进行再起动本身的异常。
说明分类A、分类B、分类C的分类原因。分类A是假设由于架线1的电压变动或其他电车的运行状态、车轮的空转等扰动临时地产生的异常，由于是不会立即导致装置损坏的异常，所以通过实施自动再起动，避免由于装置停止而使电车的行驶性能下降。
分类B是上述的扰动的可能性较低而装置本身产生异常的可能性较高、由于自动再起动而装置的损伤有可能被进一步扩大的异常。因此，通过人为的操作的介入，只在人明示地选择进行再起动时实施再起动。
分类C是通过进行再起动显然会使装置的损伤扩大的异常，需要禁止再起动本身。
并且，在规定时间内产生规定次数的分类A的异常时，作为分类B进行处理较为理想。例如，在3分钟连续产生两次分类A的异常时，认为因扰动产生的可能性较低，在电路产生异常的可能性较高。若在这样的情况下重复自动再起动，则由于有使装置损伤的可能，所以作为分类B进行处理，即接收到产生异常，将开关元件或电源侧接触器10、电动机侧接触器70等断开，使装置停止后，通过操作设置在驾驶室等的复位按钮(未图示)等介入人为的操作为条件，使装置再起动时较为理想。
下面表示各异常项目的分类。
(分类A)
(1)输入过电压(简称VSOV)
(2)输入低电压(简称VSLV)
(3)整流器输入过电流(简称ISOC)
(4)电容器过电压(简称FCOV)
(5)电容器低电压(简称FCLV)
(6)电动机过电流(简称MMOC)
(分类B)
(7)放电电路异常(简称OVCRFF)
(8)充电异常(简称CHGF)
(9)微机异常(简称WDT)
(10)控制电源异常(简称PSLV)
(11)电动机电流不平衡(简称PUD)
(12)旋转检测器异常(简称RSD)
(13)主电路接地(简称GD)
(14)接触器异常(简称KD)
(分类C)
(15)整流器开关元件异常(简称IPMFDC)
(16)逆变器开关元件异常(简称IPMFDI)
下面，说明每个异常项目的判断方法和处理方法。
(1)输入过电压(简称VSOV)
系统控制部100在由电压计测器90检测到的电压VS位于规定的值以上时，判断为输入过电压(以下简称VSOV)。认为该现象是因电源侧的扰动而导致产生的临时性的电压上升。
系统控制部100判断为VSOV时，为了防止整流器20的开关元件21～24的损坏，利用信号CG将整流器20的开关元件21～24断开，停止开关动作。另外，由于通过将开关元件21～24断开，无法维持电容器30的电压VDC，所以利用信号IG将逆变器60的开关元件61～66也断开。
在整流器20的停止状态持续时，会产生电容器30的电压VDC下降、低于电动机80的发电电压的最大值的情况。此时，利用电动机80的发电电压，通过开关元件61～66的二极管部分对电容器30充电，电压VDC与发电电压的最大值相等。通常将电车最高速度时的电动机80的发电电压的最大值设计为根据开关元件21～24、61～66的耐电压量决定的电容器30的电压VDC的最大容许值以下，由于不会损坏装置，所以电动机侧接触器70可以保持接通。
毋庸置疑的是，此时虽然也可以将电动机侧接触器70断开，但由于电动机侧接触器70若随着机械的动作而频繁地接通断开，则触点或驱动机构会磨损，会缩短寿命，所以并不理想。另外，由于在再起动时需要将电动机侧接触器70接通的步骤，因此装置的再起动时间变长，因而不理想。
电车最高速度的电动机80的发电电压的最大值大于根据开关元件21～24、61～66的耐电压量决定的电容器30的电压VDC的最大容许值时，将电动机侧接触器70断开。
(2)输入低电压(简称VSLV)
系统控制部100在由电压计测器90检测到的电压VS位于规定的值以下时，判断为架线1停电，判断为输入低电压(以下简称为VSLV)。认为该现象是由于架线1的停电、异常的电压下降产生的。
系统控制部100判断为VSLV时，为了防止从整流器20对架线1反向加压，进行与VSOV同样的处理。电动机侧接触器70可以处于接通的状态，这也一样。
(3)整流器输入过电流(简称ISOC)
系统控制部100在由电流计测器91检测到的电流IS位于规定的值以上时，判断为整流器20的输入电流过大，判断为整流器二次过电流(以下简称为ISOC)。认为该现象是由于架线1的电压急剧变动等的扰动、整流器20的控制的异常、开关元件21～24的异常、整流器20的输入输出部周边的主电路的短路故障而产生的。
系统控制部100判断为ISOC时，利用信号CG将整流器20的开关元件21～24断开，停止开关动作，使其不会因过电流而损坏。由于通过将开关元件21～24断开，无法维持电容器30的电压VDC，所以利用信号IG将逆变器60的开关元件61～66也断开。另外，在产生过电流的原因是开关元件21～24的动作故障(无法根据指令CG进行接通/断开)或短路、整流器20的输入输出部的主电路的短路故障时，由于只将开关元件21～24断开，难以确实防止过电流，所以利用信号K将电源侧接触器10也断开。
另外，认为产生ISOC的几乎所有情况都是因架线1的电压急剧变动等的扰动所引起的。除了整流器20的上臂和下臂的开关元件同时短路时和整流器20的输出侧出现短路故障时，电容器30的两端不会被短路，由于不会从电动机80一侧流入电流，所以不将电动机侧接触器70断开。
另外，万一整流器20的上臂和下臂的开关元件同时短路时和整流器20的输出侧出现短路故障时，如后所述，由于电容器30的电压VDC急速下降，所以据此将电动机侧接触器70断开，因此在这样的情况下也可以进行装置的保护。
整流器20停止的状态持续，虽然电容器30的电压VDC下降，会产生低于电动机80的发电电压的最大值的情况，但也可以如上所述将电动机侧接触器70保持接通。
(4)电容器过电压(简称FCOV)
系统控制部100在由电压计测器92检测到的电压VDC位于规定的值以上时，判断为电容器30的电压过大，判断为电容器过电压(以下简称为FCOV)。认为该现象是由于整流器20的控制异常、电容器30的电压VDC不能正常控制时、或者由于来自电源侧的临时的扰动而产生的。
系统控制部100判断为FCOV时，在利用信号CG和信号IG将开关元件21～24和开关元件61～66断开而停止开关动作的同时，利用信号OVG将放电电路50接通，通过开关部52与电阻51将电容器30放电，以不会使得因电容器电压VDC超过整流器20的开关元件21～24、逆变器60的开关元件61～66的耐压量而使开关元件损坏。
此时，若电容器30的电压VDC低于整流器20的电源侧的电压，则由于通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向电容器30以及接通的放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，所以利用信号K将电源侧接触器10断开。
另外，若电压VDC低于电动机80的发电电压的最大值，则由于从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管，向电容器30、放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，所以利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(5)电容器低电压(简称FCLV)
系统控制部100在由电压计测器92检测到的电压VDC位于第一规定值以下时，判断为电容器30的电压VDC过小，判断为电容器低电压(以下简称为FCLV)。认为该现象主要是向架线1提供功率的变电站与电车的距离较远，另外，与从同一架线接收功率的其他电车的动力运转赶在一起，由于架线1的阻抗而使电压降增大。
系统控制部100判断为FCLV时，为防止电容器电压VDC进一步下降，利用信号CG和信号IG将开关元件21～24和开关元件61～66断开，停止开关动作，通过将电动机80的耗电功率减小，抑制电容器30的电压VDC的下降。
在电容器30的电压VDC下降的原因是如上所述架线1的阻抗压降时，可以通过以上的动作来抑制电容器电压VDC的下降。但是，在因电容器30的两端或其附近短路、而将电荷放电使电容器30的电压VDC下降时，即使进行以上的动作也无法避免电容器电压VDC的下降。此时，电压VDC与上述第一规定值相比进一步下降，若电容器电压VDC低于整流器20的电源侧的电压，则通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向电容器30流入电流，向短路部位提供电流，有可能烧毁装置。因此，在电容器电压VDC位于小于第一规定值的第二规定值以下时，利用信号K进一步将电源侧接触器10断开。
另外，若电容器30的电压VDC低于电动机80的发电电压的最大值，则从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管向电容器30流入电流，向短路部位提供电流，有可能烧毁装置。因此，在电容器电压VDC位于第二规定值以下时，进一步利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
另外，将上述电源侧接触器10断开的第二规定值、与将上述电动机侧接触器70断开的第二规定值可以分别是不同的值，也可以进一步基于电源侧的电压VS或者电动机80的旋转速度，改变将电源侧接触器10、电动机侧接触器70断开的条件。例如，由于电动机80的旋转速度较低时，电动机80的发电电压也较低，所以需要将电动机侧接触器70的断开的电容器电压VDC是与旋转速度相应的较低的值即可，因此将第二规定值设定得较低。若这样设计，由于减少电源侧接触器10、电动机侧接触器70的动作机会，因此可以减少接通断开次数，可以抑制接触器的可动部的磨损，延长寿命。
(6)电动机过电流(简称MMOC)
系统控制部100在由电流计测器93～95检测到的电流IU、IV、IW的任意一个位于规定的值以上时，判断为电动机电流过大，判断为电动机过电流(以下简称为MMOC)。认为该现象是由于逆变器60的输出线的短路、电动机80的绕组的短路、逆变器60的控制故障、或者电源电压的急剧变动等临时的扰动而产生的。
系统控制部100判断为MMOC时，特别在原因是逆变器60的输出线的短路时，由于来自电动机80的发电电压导致的电流流入至短路部位，有可能扩大损伤，所以利用信号IG将逆变器60的开关元件61～66断开，停止开关动作，进一步利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
另外，也可以利用信号CG将整流器20的开关元件21～24断开，利用信号K进一步将电源侧接触器10断开，停止开关动作。
(7)放电电路异常(简称OVCRFF)
系统控制部100在从放电电路50的开关部52输入的反馈信号OVF表示开关部52的异常时，判断为放电电路异常(以下简称为OVCRFF)。开关部52的异常是指在开关部52中内置的开关元件(未图示)产生过电流；开关元件的驱动电压下降；检测到开关元件的温度过高；以及检测到与开关元件的接通断开动作的指令不一致的任意一种情况。
系统控制部100判断为OVCRFF时，认为由于是假设开关部52无法接通、或者在接通的状态下无法断开的形态，所以电容器电压VDC不能进行放电、或者不能停止放电动作的情况。
由于在开关部52无法接通、电容器电压VDC不能放电时，若电容器电压VDC超过整流器20的开关元件21～24、逆变器60的开关元件61～66的耐电压量，则开关元件有可能损坏，所以系统控制部利用信号CG和信号IG将开关元件21～24和开关元件61～66断开，停止开关动作。另外，同时系统控制部利用信号K和信号MMK将电源侧接触器10与电动机侧接触器70断开，从而将电源侧和电动机侧从放电电路50断开，排除由于流入电流而导致电容器30的电压上升的可能性。
另外，在开关部52处于接通状态但无法断开、而不能停止放电动作时，电容器30的电压VDC下降至零，通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管，从电源侧向放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁。为了避免这样的现象，将电源侧接触器10断开。
进一步从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管向放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁。为了避免这样的现象，将电动机侧接触器70断开。
(8)充电异常(简称CHGF)
系统控制部100在进行电容器30的充电时，在电容器30的充电在规定时间以内未完成时，判断为充电异常(以下简称为CHGF)。电容器30的充电是在起动或再起动功率转换装置时，由变压器6的三次绕组或辅助电源装置(未图示)的输出，通过由变压器和整流器构成的充电装置(未图示)进行充电的，但以充电开始后即使经过规定时间电容器30的电压VDC也未到达规定的值为条件判断为CHGF。
系统控制部100判断为CHGF时，由于电容器30或者其周边电路有可能接地或者短路，所以利用信号CG和信号IG将开关元件21～24和开关元件61～66断开，停止开关动作。同时，利用信号K和信号MMK将电源侧接触器10与电动机侧接触器70处于断开状态，从而将电源侧和电动机侧从电容器30断开，防止从电源侧或者电动机80一侧向短路部位流入电流。
(9)微机异常(简称WDT)
系统控制部100在利用微型计算机异常检测部(未图示)检测到内置的微型计算机(以下简称为微机)的异常时，判断为微机异常(以下简称为WDT)。
微机的异常的检测方法，由于存在作为已知例的各种方法，因此关于其详细说明省略，但微机异常检测部由与微机执行的软件不同的硬件构成，具有可以不通过微机而将电源侧接触器10、电动机侧接触器70、整流器20、逆变器60断开；以及将放电电路50接通的结构。认为该现象是在临时性的噪声导致微机执行的软件处理结果产生异常时；以及安装有微机的电子基板上的元器件等故障导致微机停止、软件停止处理时，由微机执行的软件的隐错(bug)等而产生的。
系统控制部100判断为WDT时，由于软件有可能无法正常执行，所以有可能向整流器20、逆变器60、放电电路50、电源侧接触器10、电动机侧接触器70输出异常的信号，开关元件21～24、开关元件61～66有可能损坏。因此，由微机异常检测部、而不通过微机，利用信号CG、信号OVG、信号IG将开关元件21～24、开关元件61～66断开，停止开关动作，同时将放电电路50接通，将电容器30放电，从而防止对开关元件施加电压。由于随着电容器30的放电，电容器30的电压VDC下降，所以通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，因此利用信号K将电源侧接触器10断开，同样从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管向放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，因此利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(10)控制电源异常(简称PSLV)
系统控制部100在利用控制电源异常检测部(未图示)检测到控制电源(未图示)(通常为15V、5V等微机、电子电路用低电压电源)的电压没有位于规定的范围内等异常时，判断为控制电源异常(以下简称为PSLV)。另外，电源侧接触器10、电动机侧接触器70的电磁线圈12的电源、整流器20、逆变器60的开关元件驱动用电源的电压产生下降至规定值以下等情况时，也判断为PSLV。
判断为PSLV时，微机有可能无法正常动作，另外，整流器20、逆变器60的开关元件驱动用电源的电压下降时，由于因电压不足而开关元件21～24、61～66有可能损坏，所以系统控制部100快速将开关元件21～24、开关元件61～66断开，停止开关动作，同时将放电电路50接通，将电容器30放电，从而防止对开关元件施加电压。由于随着电容器30的放电，电容器30的电压VDC下降，所以通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，因此利用信号K将电源侧接触器10断开，同样从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管从电动机侧向放电电路50流入电流，有可能烧毁电阻51，因此利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
另外，由于在完全断绝控制电源时也需要将放电电路50确实接通，所以系统控制部100与放电电路50具有在控制电源的供电消失后仍保持控制电源电压，在到放电完成为止的期间(通常3秒左右)，为了保持将开关部52接通的状态，具有使用电解电容器等功率储存元件的电源备用电路(未图示)。通过以上的结构，由于功率转换装置即使在动作中控制电源突然断绝时，也能确实将电容器30放电，且可以将电源侧接触器10、电动机侧接触器70断开，所以可以避免以开关元件21～24、61～66为代表的功率转换装置的损坏。
(11)电动机电流不平衡(简称PUD)
系统控制部100在由电流计测器93～95检测到的电动机电流IU、IV、IW的不平衡量位于规定的值以上时，判断为电动机电流不平衡(以下简称为PUD)。
系统控制部100判断为PUD时，电动机80的绕组有可能断线或开关元件有可能缺相(无法接通的故障)，判断为难以继续运转，将开关元件21～24、开关元件61～66断开，停止开关动作，利用信号K将电源侧接触器10断开，利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(12)旋转检测器异常(简称RSD)
系统控制部100在由旋转检测器96检测到的位置信号θ异常时，判断为旋转检测器异常(以下简称为RSD)。由于位置信号θ的异常检测方法存在已有例，所以其说明省略。
判断为RSD时，电动机80的电流控制不能正常，预想会产生因控制故障而导致电动机过电流或与其相应的开关元件的损伤、或者电动机80的发电功率流入电容器30而使电容器电压VDC位于过电压等现象。因此，系统控制部判断为装置难以继续运转，将开关元件21～24、开关元件61～66断开，停止开关动作，利用信号K将电源侧接触器10断开，利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(13)主电路接地(简称GD)
系统控制部100在由设置在接地电路40的接地检测器44输入的信号IGS表示主电路接地时，判断为主电路接地(以下简称为GD)。
此处，进行本发明的功率转换装置的接地系统和主电路接地现象的说明。图3是说明本发明的实施方式1的正常时的接地系统的图。如图3所示，功率转换装置的接地系统利用接地电路40具有的阻抗元件41与42将电容器30的电压VDC进行分压，通过阻抗元件43将处于电容器30的电压VDC的中间的电位与功率转换装置的壳体或者车体200接地。由于这样构成，所以正常时在阻抗元件43中除了伴随着开关元件21～24、61～66的动作的高频电流，不会流过较大的电流，因此接地检测器44输入至系统控制部100的信号IGS不表示主电路接地。
图4是说明本发明的实施方式1的主电路接地时的功率转换装置的接地系统的图。在图4中作为一个例子，表示电动机80的三相线中的一条线与功率转换装置的壳体或者车辆200接地的情况。此时，如图4的虚线所示，由于通过功率转换装置的壳体或者车辆200在阻抗元件43中流过接地电流，所以基于此，接地检测器44利用输入至系统控制部100的信号IGS表示主电路接地。
此时，在电车行驶中时，由于电动机80旋转而产生发电电压，所以即使将逆变器60的开关元件61～66断开，也通过开关元件61～66中内置的二极管会继续流有接地电流，从而损伤装置。所以，需要将电动机侧接触器70断开。
另外，在图4所示的接地部位之外，在整流器20的输入输出部周边产生接地时，为了切断来自电源侧的接地电流路径，需要将电源侧接触器10断开。并且，为了将成为接地电流的提供源的电容器30的电荷放电，需要将放电电路50接通。
如上所述，系统控制部100判断为GD时，通过将开关元件21～24、开关元件61～66断开，利用信号OVG将放电电路50接通，对电容器30进行放电，利用信号K将电源侧接触器10断开，利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(14)接触器异常(简称KD)
系统控制部100尽管将向电源侧接触器10的信号K或者向电动机侧接触器70的信号MMK接通，但不将主触点11接通，不将联动的辅助触点13接通，结果为反馈信号KF或者信号MMKF未接通的状态持续规定时间时；或者尽管将信号K或者信号MMK断开，但不将主触点11断开，不将联动的辅助触点13断开，结果为反馈信号KF或者信号MMKF未断开的状态持续规定时间时，判断为电源侧接触器10或者电动机侧接触器70的动作故障，判断为接触器异常(以下简称为KD)。这是由于在接触器有异常时，会产生动作时间比规定值要长的现象，所以通过检测该现象来判断接触器的异常。据此，在异常进一步进展，接触器对于指令不进行动作之前，可以检测到异常并采取对策。
另外，本异常检测可以以电源侧接触器10或者电动机侧接触器70为单位进行，也可以以电源侧接触器10u、10v或者电动机侧接触器70u、70v、70w分别进行。
判断为KD时，不仅主电路不能正常构成，而且在产生已经说明的各种异常现象时，需要从逆变器60断开电动机80、或者从电源侧断开整流器20时，由于不能进行断开，因此有可能导致装置处于进一步损伤的状态。
因此，系统控制部100利用信号CG、信号IG将开关元件21～24、开关元件61～66断开，停止开关动作，利用信号OVG将放电电路50接通，从而将电容器30放电，利用信号K将电源侧接触器10断开，利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
另外，此处，由于假设接触器可以接通断开但动作时间变慢的情况，所以可以将电源侧接触器10和电动机侧接触器70断开。在判断为电源侧接触器10异常时，考虑到电源侧接触器10也无法断开，也可以将断路器5断开。
(15)整流器开关元件异常(简称IPMFDC)
系统控制部100监视从整流器20输入的信号CGF，信号CGF是包含在开关元件中产生过电流；开关元件的驱动电压下降；检测到开关元件的温度过高；以及检测到与开关元件接通断开动作的指令不一致的任意一个信号时，判断为整流器开关元件异常(以下简称为IPMFDC)。这些现象都有可能导致开关元件的毁坏。
系统控制部100判断为IPMFDC时，利用信号CG将开关元件21～24断开，停止开关动作，同时利用信号OVG将放电电路50接通，通过开关部52与电阻51将电容器30放电，使整流器20的开关元件21～24不会损坏。另外，同时利用信号IG将逆变器60的开关元件61～66断开，停止开关动作。
此时，若电容器30的电压VDC低于整流器20的电源侧的电压，则由于通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向电容器30、放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁，所以利用信号K将电源侧接触器10断开。另外，若电压VDC低于电动机80的发电电压的最大值，则由于从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管向电容器30、放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁，所以利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
(16)逆变器开关元件异常(简称IPMFDI)
系统控制部100监视从逆变器60输入的信号IGF，信号IGF是包含在开关元件中产生过电流；开关元件的驱动电压下降；检测到开关元件的温度过高；以及检测到与开关元件接通断开动作的指令不一致的任意一个信号时，判断为逆变器开关元件异常(以下简称为IPMFDI)。这些现象都有可能导致开关元件的毁坏。
系统控制部100判断为IPMFDI时，利用信号IG将开关元件61～66断开，停止开关动作，同时利用信号OVG将放电电路50接通，通过开关部52与电阻51将电容器30放电，使逆变器60的开关元件61～66不会损坏。另外，同时利用信号CG将整流器20的开关元件21～24也断开，停止开关动作。
此时，若电容器30的电压VDC低于整流器20的电源侧的电压，则由于通过整流器20的开关元件21～24中内置的反并联二极管从电源侧向电容器30、放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁，所以利用信号K将电源侧接触器10断开。另外，若电压VDC低于电动机80的发电电压的最大值，则由于从电动机80一侧通过逆变器60的开关元件61～66中内置的反并联二极管向电容器30、放电电路50流入电流，电阻51有可能烧毁，所以利用信号MMK将电动机侧接触器70断开。
至此，结束各异常现象的检测方法、处理方法的说明。另外，在产生以上说明的异常现象时，系统控制部100将该异常内容存储在内部，同时向设置在驾驶室等的外部装置通知该异常。通过这样构成，可以迅速查明异常现象的原因。
另外，在产生以下的异常项目时，主电路短路或者接地的可能性较高，由于有可能产生较大的事故电流，所以进一步将断路器5断开。
(8)充电异常(简称CHGF)
(13)主电路接地(简称GD)
(15)整流器开关元件异常(简称IPMFDC)
(16)逆变器开关元件异常(简称IPMFDI)
并且，由于(11)电动机电流不平衡(简称PUD)、(12)旋转检测器异常(简称RSD)是不可能在电车的惯性行驶中产生的、或者即使产生也无妨的项目，所以在电车的惯性行驶中(即整流器20、逆变器60停止中)也可以不进行异常检测而停止检测处理。
如以上的说明那样，指出了在驱动控制永磁同步电动机的功率转换装置中可能产生的具体异常现象、故障内容及与其内容相应的处理方法，通过构成具有对于可能产生的故障能够进行适当的处理的保护功能的系统控制部，可以避免例如由于异常产生时的过度的保护动作而增加接触器的接通断开次数、缩短接触器的寿命；或者接触器的再接通或电容器的充电需要时间而使装置的再起动花费时间；或者由于功率转换装置的频繁停止给电车的运行带来故障。另外，由于可以防止因为不适当的处理而将异常部位的损伤扩大，所以能够得到可稳定运行的功率转换装置。
这样，根据本发明，可以提供一种功率转换装置，该功率转换装置具有与在驱动控制永磁同步电动机的功率转换装置中可能产生的具体异常现象相应的处理方法，具有对于可能产生的各种异常现象能够进行适当的处理的保护功能。
以上的实施方式所示的结构是本发明的内容的一个例子，也可以与其他已知的技术组合，在不脱离本发明的要点的范围内，也可以省略一部分等、进行变更而构成。
并且，在本说明书中，说明了将功率转换装置应用在电车的控制装置的情况下的发明内容，但应用领域不限于此，可以应用于电动汽车、电梯等各种相关领域。

Claims (4)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；
与该整流器的直流侧并联连接的电容器；
与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；
与所述电容器并联连接的放电电路；
设置在所述交流电源与所述整流器的交流侧之间的电源侧开关；
设置在所述逆变器的交流侧与所述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；
计测所述电容器的电压的电容器电压计测器；
计测所述整流器的交流电流的输入电流计测器；
计测所述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及
将来自所述电容器电压计测器、所述输入电流计测器及所述输出电流计测器的信号作为输入，控制所述电源侧开关、所述整流器、所述放电电路、所述逆变器及所述电动机侧开关的系统控制部，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将所述整流器的所有的所述开关元件和所述逆变器的所有的所述开关元件断开，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于小于所述第一规定值的第二规定值以下时，将所述电源侧开关断开。
2.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；
与该整流器的直流侧并联连接的电容器；
与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；
与所述电容器并联连接的放电电路；
设置在所述交流电源与所述整流器的交流侧之间的电源侧开关；
设置在所述逆变器的交流侧与所述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；
计测所述交流电源的电压的电源电压计测器；
计测所述电容器的电压的电容器电压计测器；
计测所述整流器的交流电流的输入电流计测器；
计测所述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及
将来自所述电源电压计测器、所述电容器电压计测器、所述输入电流计测器及所述输出电流计测器的信号作为输入，控制所述电源侧开关、所述整流器、所述放电电路、所述逆变器及所述电动机侧开关的系统控制部，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将所述整流器的所有的所述开关元件和所述逆变器的所有的所述开关元件断开，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于小于所述第一规定值的第二规定值以下时，将所述电源侧开关断开，
所述第二规定值由所述电源电压计测器计测的电压来决定。
3.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；
与该整流器的直流侧并联连接的电容器；
与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；
与所述电容器并联连接的放电电路；
设置在所述交流电源与所述整流器的交流侧之间的电源侧开关；
设置在所述逆变器的交流侧与所述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；
计测所述电容器的电压的电容器电压计测器；
计测所述整流器的交流电流的输入电流计测器；
计测所述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及
将来自所述电容器电压计测器、所述输入电流计测器及所述输出电流计测器的信号作为输入，控制所述电源侧开关、所述整流器、所述放电电路、所述逆变器及所述电动机侧开关的系统控制部，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将所述整流器的所有的所述开关元件和所述逆变器的所有的所述开关元件断开，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于小于所述第一规定值的第二规定值以下时，将所述电动机侧开关断开。
4.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
将来自交流电源的交流电转换为直流电、具有开关元件的整流器；
与该整流器的直流侧并联连接的电容器；
与该电容器并联连接并驱动控制永磁同步电动机、具有开关元件的逆变器；
与所述电容器并联连接的放电电路；
设置在所述交流电源与所述整流器的交流侧之间的电源侧开关；
设置在所述逆变器的交流侧与所述永磁同步电动机之间的电动机侧开关；
计测所述电容器的电压的电容器电压计测器；
计测所述整流器的交流电流的输入电流计测器；
计测所述逆变器的交流电流的输出电流计测器；以及
将来自所述电容器电压计测器、所述输入电流计测器及所述输出电流计测器的信号作为输入，控制所述电源侧开关、所述整流器、所述放电电路、所述逆变器及所述电动机侧开关的系统控制部，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于第一规定值以下时，将所述整流器的所有的所述开关元件和所述逆变器的所有的所述开关元件断开，
所述系统控制部在由所述电容器电压计测器计测的电压位于小于所述第一规定值的第二规定值以下时，将所述电动机侧开关断开，
所述系统控制部基于所述电动机的旋转速度来决定所述第二规定值。
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