CN101682289A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

在驱动装载在电车上的永磁同步电动机的功率转换装置中，可以防止功率转换装置或永磁同步电动机的损伤的扩大。在逆变器INV与永磁同步电动机即交流电动机(6)之间连接开关MMK，并且在开关MMK与交流电动机(6)之间设置电压检测器(5)。控制逆变器INV的控制部(10)在由电压检测器(5)检测的交流电动机的各相电压的各有效值之差超过规定值时，生成并输出包含用于使电车减速的控制信号、用于断开电车的动力运行的控制信号、或者用于使电车的制动器动作的控制信号的各种控制信号。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及适合驱动装载在电车上的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(以下除需要特别区别时以外仅记为电动机)与以往使用较多的感应电动机比较，具有如下的特征。
(1)由于利用内置在转子中的永磁体建立磁通，因此不需要励磁电流。
(2)由于如感应电动机那样在转子中没有电流流过，因此不会产生二次铜损。
(3)由于具有(1)、(2)项的特征，因此作为高效率的电动机广为人知。
以往在电车中使用感应电动机，但近年来，为进一步提高效率，正在探讨采用具有上述特征的永磁同步电动机。
一般而言，电车是将多辆车辆连结形成编组行驶的，多台功率转换装置和电动机分别分散搭载在多辆车辆。因此，例如在编组中的多个功率转换装置中，即使一部分的功率转换装置发生故障而导致一部分电动机无法运转时，电车也可以利用其他健全的功率转换装置及电动机继续行驶。
然而，永磁同步电动机与以往使用较多的感应电动机不同，即使没有来自外部的供电，即功率转换装置停止，也能利用内置在电动机的转子中的永磁体的磁通的作用，当转子旋转中始终在电动机的端子产生感应电压。因此，在电车行驶中功率转换装置发生故障时，即使该功率转换装置停止运转，但在电车继续行驶的期间，电动机的转子仍因直接连接的车轮侧的作用而继续旋转，电动机会继续产生与转速成比例的感应电压。
业内人员都知道这样的现象，因此将功率转换装置设计成可以经受该感应电压。
然而，在功率转换装置内部产生短路故障时，考虑到会构成将来自电动机的感应电压短路的电路，有可能因电动机的感应电压而流过短路电流。
实际上，本发明申请人确认了在面向某种电车设计的电动机中，在其最高转速的状态下将电动机的端子间短路时，会产生最大几百安的短路电流。
在电动汽车等用一台电动机驱动的系统的情况下，在功率转换装置产生如上所述的短路故障时，车辆立即不能行驶，电动机将停止旋转。因此，快速消除短路电流。
然而，在本发明的对象即电车中，在行驶中即使一部分的功率转换装置产生短路故障时，电车也能利用其他健全的功率转换装置和电动机而继续行驶。其结果是，在产生短路故障的功率转换装置的故障部位(短路部位)，会继续流过因电动机的感应电压而导致的短路电流。若放任该状态，则带来的问题是功率转换装置的故障部位的损伤会进一步扩大，或者导致该故障部位或者电动机的发热或烧毁的可能性增大。
另外，不必赘言的是在以往的感应电动机的情况下，由于即使旋转中的感应电动机的端子间短路也不会流过短路电流，因此不会产生这种问题。
作为对于这样的情况的处理方法，是设置用于将逆变器与电动机之间的连接在电路上进行切断的开关部即接触器，使得在电车行驶中对永磁同步电动机进行驱动控制的功率转换装置即逆变器发生故障时，该逆变器的损伤不会因电动机的感应电压而扩大，在控制部检测到逆变器的故障时，控制部将该接触器断开，将逆变器与电动机切断，该方法如下述专利文献1所示。
专利文献1：日本专利特开平8-182105号公报
发明内容
然而，即使在逆变器发生故障而控制部将接触器断开时，考虑到由于接触器的故障而使接触器内置的触点不能断开、或短路电流的大小超过接触器的断开能力等情况下，即使断开接触器，但电弧电流也会继续等，从而不能断开短路电流。
另外，在接触器与电动机之间、或电动机内部的绕组间产生短路时，由于即使断开位于逆变器与电动机之间的上述接触器也无法消除短路电路，因此当然无法断开伴随着电动机内部的感应电压而产生的短路电流。对于这些现象的处理，用专利文献1所披露的方法是不可能解决的。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置即使在断开接触器但电流不能断开时、或在接触器与电动机之间或者电动机内部的绕组间产生短路时等情况下，也能防止功率转换装置或电动机的损伤的扩大。
为了解决上述问题，达到目的，本发明所涉及的功率转换装置包括：逆变器，该逆变器将直流电压或者交流电压转换为任意频率的交流电压并驱动交流电动机；开关部，该开关部连接在上述逆变器与上述交流电动机之间；以及控制上述逆变器的控制部，其中，在上述开关部与上述交流电动机之间设置电压检测器，上述控制部在由上述电压检测器检测的电压不满足规定的条件时进行规定的处理。
根据本发明所涉及的功率转换装置，由于开关部连接在逆变器与交流电动机之间，并且在开关部与交流电动机之间设置电压检测器，这时，控制逆变器的控制部在由电压检测器检测的电压不满足规定的条件时进行规定的处理，因此具有的效果是：即使在断开接触器也无法断开电流时、或在接触器与电动机之间或者电动机内部的绕组间产生短路时等情况下，也能防止功率转换装置或电动机的损伤的扩大。
附图说明
图1是表示本发明的理想的实施方式的功率转换装置的结构例的图。
图2是表示本发明的理想的实施方式的控制部的结构例的图。
标号说明
1集电装置
2轨道
3车轮
5电压检测器
6交流电动机
10控制部
20电流有无判定部
30波形判定部
100功率转换装置
INV逆变器
CTU、CTV、CTW电流检测器
MMK接触器
RZ旋转检测器
51、54逻辑反相电路
52、55与门电路
53或门电路
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明的理想实施的功率转换装置。另外，本发明不限于以下的实施方式。
实施方式
(功率转换装置的结构)
图1是表示本发明的理想的实施方式的功率转换装置的结构例的图。该图所示的功率转换装置100至少包括逆变器INV、电流检测器CTU、CTV、CTW、接触器MMK、电压检测器5、以及控制部10而构成。
图1中，在功率转换装置100的输入端、即逆变器INV的输入端，与集电装置1及通过车轮3与轨道2连接，通过车轮3从集电装置1及轨道2集电的直流电输入至逆变器INV。逆变器INV将输入的直流电压转换为任意频率的交流电压并驱动交流电动机。另外，作为逆变器INV，使用电压式PWM逆变器时较为理想。另外，由于电压式PWM逆变器的结构是已知的，因此此处省略详细的说明。
在逆变器INV的输出端侧，对各相设置电流检测器CTU、CTV、CTW，检测到的电流IU、IV、IW输入至控制部10。另外，在电流检测器CTU、CTV、CTW的后级设置开关部即接触器MMK。电流检测器可以如图1所示对三相都设置，也可以对任意的两相设置。另外，在对任意的两相设置电流检测器时，未设置电流检测器的另一相的电流可以基于流过该任意的两相的电流而算出。
接触器MMK的结构为，在来自控制部10的闭合信号MKC接通时，闭合线圈被励磁，设置在三相的主触点闭合；另一方面，在闭合信号MKC断开时，对闭合线圈的励磁消失，主触点打开。接触器MMK的主触点的状态作为触点状态信号MKF输入至控制部10。另外，输入至控制部10的触点状态信号MKF例如也可以根据来自与主触点机械连结的辅助触点的信号得到。
在接触器MMK的后级设置电压检测器5，检测到的三相电压VU、VV、VW输入至控制部10。另外，在位于接触器MMK的后级侧的功率转换装置100的输出端连接交流电动机6。交流电动机6的旋转状态由旋转检测器RZ进行检测，输入至控制部10。另外，不使用旋转检测器RZ来控制交流电动机6的所谓无传感器控制方式也被付诸实际应用，在采用无传感器控制方式时，不需要旋转检测器RZ。
这样，图1所示的本实施方式所涉及的功率转换装置构成电车的驱动装置，该电车的驱动装置通过交流电动机6，使得与交流电动机6机械连结的车轮3旋转，来驱动电车。另外，在图1中，作为功率转换装置的理想的实施方式，表示了直流电的电车的一个例子，但也可以同样适用于长距离的电车等较多使用的交流电的电车。适用于交流输入的电车时，将变压器及整流器部设置在逆变器INV的输入侧而构成即可。
另外，图1的交流电动机6是假定如上所述的永磁同步电动机，但只要是在转子内置永磁体的电动机，也可以是同步电动机以外的电动机。例如，存在对感应电动机的转子埋入永磁体的形态的电动机，只要是这种电动机，就可以适用基于本发明的技术思想的结构及控制方法。
(控制部10的结构)
图2是表示本发明的实施方式的控制部10的结构例的图。控制部10至少如图2所示，具有：以电流IU、IV、IW为输入来判定有无电流的电流有无判定部20；以电压VU、VV、VW为输入来判定电压波形的异常的波形判定部30；以及其他电路(逻辑电路)即逻辑反相电路(以下记为“NOT”)51、54、与门电路(以下记为“AND”)52、55、或门电路(以下记为“OR”)53。
另外，控制部10至少如图2所示，输入有表示接触器MMK的主触点状态的信号MKF，向外部的设备管理装置、制动器控制装置、动力运行指令电路等(都省略图示)输出异常检测信号STD，向接触器MMK输出闭合信号MKC。
另外，控制部10具有上述以外的逆变器INV的控制功能，例如包含对功率转换装置100内部的过电流或过电压的保护功能、与功率转换装置100的外部的设备管理装置(省略图示)的通信功能、以及来自驾驶室等外部装置(省略图示)的指令接收功能(例如接收电车的动力运行、制动器指令)等电车的功率转换装置所需要的功能。
(控制部10的动作)
接下来，说明控制部10的动作。
图2中，电流有无判定部20在逆变器INV存在输出电流时，例如电流IU、IV、IW中的任意一个在规定值以上时，判断为有电流，输出信号ION。
此时，控制部10在接触器MMK的触点状态信号MKF断开(即接触器MMK处于断开的状态)、且来自电流有无判定部20的信号ION接通时，输出异常检测信号STD。另外，也可以不使用触点状态信号MKF，在断开接触器MMK的闭合信号MKC的状态下，且来自电流有无判定部20的信号ION接通时，将异常检测信号STD作为接通。这样的情况可认为是下述的情况，即，例如尽管在功率转换装置100或者电动机6产生异常且接触器MMK断开，但假定电流IU、IV、IW继续流动的状态，例如接触器MMK产生异常，或者电流太大而不能用接触器MMK断开电流。
另一方面，波形判定部30在电压VU、VV、VW表示异常值时，输出信号VAB。例如，可考虑在各相的电压VU、VV、VW的各有效值之差处于规定值以上时，判断为异常，将信号VAB接通。
此处，以电车以某一速度惯性行驶时为例，说明信号VAB被接通的动作。在逆变器INV断开的状态下，交流电动机6由于车轮3的作用而处于旋转的状态，转子在旋转。因此，在电压VU、VV、VW中出现由交流电动机6产生的感应电压。此处，交流电动机6的定子线圈的结构如已知那样，匝数相等的各相线圈均等放置在定子铁心内的槽中。因此，交流电动机6的感应电压VU、VV、VW在通常时为对称形状的三相交流电压。
然而，若在交流电动机6内部的定子线圈的一部分产生相间短路或接地，则由于等效于各相线圈的匝数不同，因此感应电压不再是对称形状的三相交流电压，为不平衡的三相交流电压。即，观测逆变器INV断开的状态下的感应电压，并与正常时可能产生的感应电压比较，从而可以检测交流电动机6的异常。
控制部10在信号VAB接通时，即使在由控制部10的其他功能有MMK接通请求时，也将接触器MMK的闭合信号MKC作为断开。即，在信号VAB接通时，禁止接触器MMK的闭合。
通过构成如上所述的控制部10，在交流电动机6产生异常时，禁止接触器MMK的闭合。其结果是，可以防止在逆变器INV产生过电流而损坏逆变器INV等的损害的扩大。另外，也可以在生成信号VAB时，如图2所示，将异常检测信号STD作为接通。
(产生异常时的动作流程)
接下来，说明产生异常时的控制部10的整体的动作流程。
首先，考虑电车运行中交流电动机6被逆变器INV驱动的状态下、定子线圈发生短路故障的情况。此时，由于电流IU、IV、IW过大，逆变器INV利用逆变器INV所具有的过电流保护功能(省略图示)而停止，接触器MMK为断开。但是，在电流IU、IV、IW与接触器MMK的断开容量相比为过大时，或者在接触器MMK有异常而尽管断开了接触器MMK但无法断开电流时，有可能因感应电压而异常电流继续流动。此时，控制部10的电流有无判定部20将例如来自电流检测器CTU、CTV、CTW的值与规定的阈值进行比较等，从而来判定有无电流，在电流存在时，将信号ION接通，从而输出异常检测信号STD。
另一方面，即使在利用断开接触器MMK而能断开电流的情况下，但在交流电动机6的感应电压为异常时，在交流电动机6的内部也有可能产生短路。为了防止这样的情况，控制部10的波形判定部30例如通过将各相的电压VU、VV、VW的各有效值之差与规定的阈值进行比较，来判定交流电动机6的感应电压的异常，在判定为感应电压有异常时，将信号VAB作为接通并禁止接触器MMK的闭合(将对于接触器MMK的闭合信号MKC断开)，并且输出异常检测信号STD。
该异常检测信号STD输入至外部的设备管理装置或制动器控制装置、动力运行指令电路等(都省略图示)，在异常检测信号STD接通时，中断电车的动力运行，并且可以使制动器作用等，用作为使电车的速度、即与车轮3连接的交流电动机6的转速充分下降(包含为0)的控制信号。
如上所述，根据本实施方式所涉及的功率转换装置，由于在接触器MMK损坏时，电流IU、IV、IW与接触器MMK的断开容量相比为过大时，不能用接触器MMK断开电流时，或者在交流电动机6内部的定子线圈的一部分产生相间短路或接地时，输出控制禁止接触器MMK闭合的闭合信号MKC、或者表示有无异常的异常检测信号STD，因此可以使电车的速度充分下降，可以使交流电动机6的感应电压降至充分小的值，另外，可以充分减小异常电流的大小(包含为0)，并且可以防止功率转换装置100或交流电动机6的损害进一步扩大。
另外，上述实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，也可以与其他已知的技术组合，并且在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、来进行变更或者变形而构成。
并且，在本说明书中，以适用于电车上装载的功率转换装置为主说明了发明内容，但适用用途当然不限于电车，也可以适用于电动汽车等相关领域。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的功率转换装置，即使在断开接触器也无法断开电流时、或在接触器与电动机之间或者电动机内部的绕组间产生短路时等情况下，也能防止功率转换装置或电动机的损伤的扩大，作为这样的发明是有用的。

Claims (12)

1.一种功率转换装置，包括：逆变器，所述逆变器将直流电压或者交流电压转换为任意频率的交流电压并驱动交流电动机；开关部，所述开关部连接在所述逆变器与所述交流电动机之间；以及控制所述逆变器的控制部，其特征在于，
在所述开关部与所述交流电动机之间设置电压检测器，
所述控制部在由所述电压检测器检测的电压不满足规定的条件时进行规定的处理。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，不满足所述规定的条件时，是指由所述电压检测器检测的所述交流电动机的电压的不平衡状态超过规定值时。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，使用由所述电压检测器检测的所述交流电动机的各相电压的各有效值之差的信息，作为所述不平衡状态的判定指标。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含禁止所述开关部的闭合。
5.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于使所述电车减速的控制信号。
6.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于使所述电车的制动器动作的控制信号。
7.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于断开所述电车的动力运行的控制信号。
8.一种功率转换装置，包括：逆变器，所述逆变器将直流电压转换为任意频率的交流电压并驱动交流电动机；开关部，所述开关部连接在所述逆变器与所述交流电动机之间；以及控制所述逆变器的控制部，其特征在于，
在所述逆变器与所述交流电动机之间设置电流检测器，
所述控制部在所述开关部断开时由所述电流检测器检测的电流不满足规定的条件时，进行使所述交流电动机的旋转速度下降的规定处理。
9.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，不满足所述规定的条件时，是指由所述电流检测器检测的电流超过规定值时。
10.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于使所述电车减速的控制信号。
11.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于使所述电车的制动器动作的控制信号。
12.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，所述规定的处理中，包含发送用于断开所述电车的动力运行的控制信号。
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