CN101911462B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置包括：逆变器，该逆变器将直流电压转换为任意频率的交流电压来驱动交流电动机；交流断开用的开关部，该交流断开用的开关部连接在所述逆变器和所述交流电动机之间；电流检测器，该电流检测器检测所述逆变器的输出电流；以及控制部，该控制部至少基于所述电流检测器检测出的电流，对所述逆变器的所述多个开关元件进行导通或断开控制，并对所述开关部进行开关控制，其特征在于，所述控制部采用以下结构：即，在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，使所述故障电流成为出现电流零点的状态，从而可以断开所述故障电流。

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”)与以往广泛应用于各种领域的感应电动机相比较，已知其具有以下特征：即，由内藏于转子的永磁体建立磁通，因而不需要励磁电流，另外，由于不像感应电动机那样在转子中流过电流，因此不会产生二次铜损等，永磁同步电动机是高效的电动机。因此，即使电车中以往都使用感应电动机，但是近年来为了力图提高效率，对使用永磁同步电动机进行了探讨。 
一般，在将装载有功率转换装置和电动机的多个车厢连接形成编组而进行行驶的电车中，在行驶中即使一部分车辆的功率转换装置产生短路故障的情况下，电车也能够利用其他健全的功率转换装置及电动机而继续行驶。其结果是，由于与产生故障的功率转换装置相连接的电动机从车轮侧被继续驱动，因此在产生短路故障的功率转换装置的故障部位(短路部位)会持续流过因电动机的感应电压而引起的短路电流。 
因此，若放任该状态，则可能由短路电流引起的发热等会进一步扩大功率转换装置的故障部位的损伤，或者导致该故障部位或电动机的发热、烧毁，因此不希望产生该状态。 
作为对于这样的情况的处理方法，例如在专利文献1中揭示了以下方法：即，设置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内的逆变器发生故障时，不会因电动机的感应电压而扩大逆变器的损伤，在控制部检测到逆变器的故障的情况下，控制该接触器进行开路，将逆变 器与电动机在电路上进行切断。 
专利文献1：日本专利特开平8-182105号公报 
如众所周知的那样，由于正弦波形状的交流电流每隔电流波形的半个周期就产生电流零点，因此能够利用该电流零点来断开电流。上述专利文献1中所示的接触器是利用该电流零点来断开电流的交流断开用的接触器。一般作为交流断开用的接触器，可以列举出应用在电流零点来断开电流的结构的真空接触器等。 
发明内容
然而，本发明人发现，根据在功率转换装置中产生故障的模式，有时在流过功率转换装置内的逆变器和电动机之间的故障电流中包含连续的不生成电流零点的直流分量。在这种情况下，由于在如上述那样的利用在电流零点来断开电流的结构的交流断开用真空接触器等中，不能断开电流，因此不能断开故障电流，故障电流继续流过，导致由发热等引起功率转换装置的故障部位扩大的问题。 
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置与功率转换装置中产生的故障的模式无关，即使在流过逆变器和电动机之间的故障电流中包含连续的不生成电流零点的直流分量的情况下，也能断开故障电流，防止功率转换装置内的故障部位的扩大。 
为了达成上述目的，本发明的功率转换装置包括：逆变器，该逆变器具有被控制进行导通或断开的多个开关元件，将直流电压转换为任意频率的交流电压来驱动交流电动机；交流断开用的开关部，该交流断开用的开关部连接在上述逆变器和上述交流电动机之间；电流检测器，该电流检测器检测上述逆变器的输出电流；以及控制部，该控制部至少基于上述电流检测器检测出的电流，对上述逆变器的上述多个开关元件进行导通或断开控制，并对上述开关部进行开关控制，其特征在于，上述控制部采用以下结构：即，在上述逆变器和上述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，使上述故障电流成为出现电流零点的状态，从而可以断开故障电流。 
根据本发明，由于与功率转换装置中产生的故障的模式无关，即使在流过逆变器和电动机之间的故障电流中包含连续的不生成电流零点的直流分量的情况下，也能够断开上述故障电流，因此可以获得能够防止功率转换装置内的故障部位的扩大的效果。 
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的驱动装载于电车的永磁同步电动机的功率转换装置的结构的框图。 
图2是表示图1所示的逆变器的结构例的电路图。 
图3是表示故障电流中连续的不生成电流零点的故障的一个例子和此时的电流波形的波形图。 
图4是表示图1所示的控制部的结构例的框图。 
图5是表示图4所示的故障判定部的结构例的框图。 
图6是表示本发明的实施方式2的驱动装载于电车的永磁同步电动机的功率转换装置的结构的框图。 
标号说明 
1a、1b    功率变换装置 
2         集电装置 
3         轨道 
4         车轮 
5         包含永磁同步电动机的交流电动机 
10        逆变器 
11、12、13电流检测器 
14a       交流断开用的接触器 
14b       可断开直流电流的接触器 
15a、15b  控制部 
16        旋转检测器 
20        故障判定部 
21  电流零点检测部 
22  振荡器 
23  计数器 
24  比较器 
25  平均处理部 
26  极性判别部 
27  比较器 
28  判断部 
29a、29b、29c  处理电路 
30  栅极信号生成部 
40  接触器控制部 
P   正极侧导体 
N   负极侧导体 
U   U相导体 
V   V相导体 
W   W相导体 
UP  U相上桥臂元件 
VP  V相上桥臂元件 
WP  W相上桥臂元件 
UN  U相下桥臂元件 
VN  V相下桥臂元件 
WN  W相下桥臂元件 
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明的功率转换装置的理想的实施方式。 
实施方式1. 
图1是表示本发明的实施方式1的驱动装载于电车的永磁同步电动机的功率转换装置的结构的框图。图1所示的实施方式1的功率转换装置1a，作为本发明的基本的结构包括：逆变器10；电流检测器11、12、13；开关部 即接触器14a；及控制部15。 
在图1中，逆变器10的两个输入端中，其正极侧输入端通过正极侧导体P与集电装置2相连接，其负极侧输入端通过负极侧导体N与在轨道3上转动的车轮4相连接。利用该结构，将通过车轮4从集电装置2及轨道3集电后的直流电输入到逆变器10。车轮4与交流电动机5的旋转轴通过机械连结。 
作为逆变器10，使用电压式PWM逆变器较为合适。图2是表示图1所示的逆变器的结构例的电路图。在图2中，示出了该电压式PWM逆变器的主要部分即逆变器电路的一个例子。 
如图2所示，逆变器10是例如所谓的三相双电平逆变器电路。即，逆变器10采用桥式电路的结构，上述桥式电路包括与正极侧导体P相连接的正侧桥臂的三个开关元件(U相上桥臂元件UP、V相上桥臂VP、以及W相上桥臂元件WP)、及与负极侧导体N相连接的负侧桥臂的三个开关元件(U相下桥臂元件UN、V相下桥臂VN、以及W相下桥臂元件WN)。这些开关元件分别与反并联二级管相连接。而且，各相的上桥臂元件和下桥臂元件的连接点构成三相的输出端，各输出端分别与U相导体U、V相导体V、及W相导体W相连接。对于各开关元件，在图2中示出了众所周知的IGBT，但也可以使用除IGBT之外的开关元件。另外，在图2中，示出了三相双电平逆变器电路，但也可以使用三电平逆变器电路等多电平逆变器电路。 
在图2中，尽管省略了图示，但在逆变器10中，存在接收图1中从控制部15a向逆变器10输出的栅极信号GS的驱动电路。该驱动电路包括：根据栅极信号GS分别控制各开关元件进行导通或断开的结构；及将示出各开关元件的动作状态的栅极反馈信号GF输出到控制部15a的结构。 
与逆变器10的三相输出端相连接的U相导通U、V相导体V、及W相导体W，通过接触器14a与交流电动机5相连接。利用该结构，逆变器10根据控制部15a输入的栅极信号GS，使逆变器电路的各开关元件进行导通或断开动作，从而将所输入的直流电压转换为任意频率的三相交流电压，通过接触器14a来驱动交流电动机5。交流电动机5采用使通过机械结合的车轮4旋转来驱动电车行驶的结构。 
此外，从控制部15a输出到逆变器10的栅极信号GS，是在控制部15a中 基于由未图示的外部的控制装置输入的基本栅极信号GC和该功率转换装置1a的健全性生成的，后文将对此进行说明。 
电流检测器11、12、13分别设置于逆变器10的三相输出端和接触器14a之间的U相导体U、V相导体V、及W相导体W。将电流检测器11检测出的U相电流IU、电流检测器12检测出的V相电流IV、及电流检测器13检测出的W相电流IW，分别输入到控制部15a。此外，在图1中，示出了采用电流检测器分别检测出逆变器10的三相输出电流的结构，但也可以采用由电流检测器检测出任意的二相电流的结构。能够通过运算来计算出未设置电流检测器的另一相的电流。 
设置于逆变器10的三相输出端和交流电动机5之间的接触器14a，在本实施方式1中是交流断开用的接触器，采用以下结构：即，若来自控制部15a的合闸信号MKC成为导通状态，则合闸线圈被励磁，设置于三相的主触点合闸而成为闭合状态。另外，若合闸信号MKC成为断开状态，则合闸线圈的励磁消失，主触点被释放而成为开路。 
较为理想的是，对该接触器14a使用应用了在交流电流的过零点断开电流的结构的真空接触器。由于真空接触器的对主电路进行开关的触点内藏于真空管中，因而尘埃不会附着于触点，接触稳定，因此可以省去维修的劳力和时间，另外，由于电弧不会向外部放电，因此不需要在接触器的周围设置弧隙，而且，由于无电弧隔板，因此可以使接触器小型化、轻量化等，所以可以使功率转换装置小型化、轻量化。 
此外，由控制部15a向接触器14a输出的合闸信号MKC，是在控制部15a中基于利用三个电流检测器检测出的三相的相电流IU、IV、IW、和从未图示的外部的控制装置输入的基本接触器动作指令MKC0而生成的，后文将对此进行说明。 
交流电动机5的旋转状态由旋转检测器16进行检测，将其输入到控制部15a。此外，不使用旋转检测器16来控制交流电动机5的所谓的无传感器控制方式也已实用化。在采用该无传感器控制方式的情况下，不需要旋转检测器16。而且，也可以采用以下结构：即，在接触器14a的输入级或输出级设置电压检测器，对逆变器10的输出电压或交流电动机5的端子电压进行检 测并输入到控制部15a。 
作为交流电动机5，在本实施方式中如上述那样设想为永磁同步电动机，但是由于存在例如在感应电动机的转子中埋入永磁体的形态的电动机，因此若是这样的在转子中内藏有永磁体的电动机，则除了永磁同步电动机之外，也能应用本发明。 
然后，如上所述，本发明人发现，根据在功率转换装置1a中产生故障的模式，有时在流过功率转换装置1a内的逆变器10和电动机5之间的故障电流中包含连续的不生成电流零点的直流分量。控制部15a采用以下结构：即，基于由电流检测器11、12、13检测出的三相电流IU、IV、IW、向逆变器10输出的栅极信号GS、来自逆变器10的栅极反馈信号GF、来自未图示的外部的控制装置的基本栅极信号GC、以及基本接触器动作指令MKC0，即使是对于上述那样的不生成电流零点的故障电流，仍然使交流断开用的接触器14a进行开路动作。 
此处，为了方便理解，首先具体说明连续的不生成电流零点的故障电流的产生形态，之后，详细说明控制部15a的结构和动作。 
作为连续的不生成电流零点的故障电流的产生形态，可以列举出以下情况：即，由于与正极侧导体P相连接的三个正侧桥臂元件(U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、及W相上桥臂元件WP)和与负极侧导体N相连接的三个负侧桥臂元件(U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、及W相下桥臂元件WN)这六个开关元件中的任意一个由于短路故障或者开关元件、其驱动电路(未图示)的故障而保持导通动作状态不变。 
例如，对以下情况为例进行说明：即，在功率转换装置1a运转中，交流电动机5旋转的状态下，U相上桥臂元件UP发生短路故障，剩下的开关元件(VP、WP、UN、VN、WN)由于未图示的故障检测功能作用而全部处于断开动作状态。在这种情况下，故障电流通过发生短路故障而维持导通动作状态的U相上桥臂元件UP和与剩下的开关元件(VP、WP、UN、VN、WN)相连接的反并联二级管，流过交流电动机5和逆变器10之间。此时的各相的故障电流的波形例如为图3所示。 
图3是表示故障时的电流波形的一个例子的波形图。在图3中，时间50ms 之前表示逆变器10的所有的开关元件都是健全状态、交流电动机5为正常运转中的电流波形。时间50ms之后表示故障运转中的电流波形，该故障是在时间50ms的时刻、交流电动机5在旋转状态下，U相上桥臂元件UP发生短路故障，剩下的开关元件(VP、WP、UN、VN、WN)全部为断开动作状态。 
如图3所示，三相的故障电流IU、IV、IW中的U相电流IU向正侧偏移，电流零点不再存在。该故障电流如上所述，由于即使在使故障部位以外的开关元件为断开动作状态的情况下，只要交流电动机5进行旋转就仍然继续产生，因此该故障电流会损伤功率转换装置1a。因此，尽管必须利用接触器14a来断开故障电流，但是由于U相电流IU中不存在电流零点，因此即使向交流断开用的接触器14a输出开路动作指示，接触器14a也无法断开U相的电流IU，在接触器14a的主触点间连续产生电弧。由于该电弧会引起发热、和主触点间的耐压特性降低，从而可能会导致接触器14a的损坏，因此无法避免功率转换装置1a产生损伤。这是本发明所要解决的问题。 
在图3中，示出了以下波形：即，在U相上桥臂元件UP发生短路故障、其他的元件(VP、WP、UN、VN、WN)全部都为断开动作状态的情况下，U相电流IU向正侧偏移，电流零点不再存在，然而，在相反一侧的U相下桥臂元件UN发生短路故障、其他的元件全部为断开动作状态的情况下，成为U相电流IU相反地向负侧偏移、电流零点不再存在的波形。在其他相的桥臂发生短路故障的情况下，也可以同样考虑有这种情况。 
即，本发明人所发现的内容是发生以下现象：即，在有发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件存在的相的电流向故障桥臂一侧的极性偏移，电流零点不再存在。控制部15a是基于该发现构成的。 
接下来，说明控制部15a的结构和动作。图4是表示图1所示的控制部15a的结构例的框图。如图4所示，控制部15a包括故障判定部20、栅极信号生成部30、及接触器控制部40。 
向故障判定部20输入所检测出的三相电流IU、IV、IW、由逆变器10内的未图示的驱动电路生成的示出各开关元件的动作状态的栅极反馈信号GF、以及栅极信号生成部30向逆变器10内的未图示的驱动电路输出的栅极信号GS。 
故障判定部20利用例如图5所示的结构，从上述输入来对U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、W相上桥臂元件WP、U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、及W相下桥臂元件WN这六个开关元件中的、发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件进行判别，将该判别结果FD输出到栅极信号生成部30。 
向栅极信号生成部30除了输入来自故障判定部20的判别结果FD，还输入来自未图示的外部的控制装置的基本栅极信号GC。该基本栅极信号GC是指定逆变器10的六个开关元件的导通或断开状态的信号。未图示的外部的控制装置为了获得电车加速时或减速时所需的交流电动机5的转矩或转速，利用矢量控制等方法生成该基本栅极信号GC。 
栅极信号生成部30在未从故障判定部20输入判别结果FD的情况下，即在判定逆变器10为正常的情况下，输出与基本栅极信号GC相同的信号作为栅极信号GS。另一方面，栅极信号生成部30在从故障判定部20输入判别结果FD的情况下，如上所述，应用三个逻辑(逻辑1～逻辑3)，生成分别控制逆变器10的六个开关元件进行导通或断开的栅极信号GS并进行输出。 
向接触器控制部40输入检测出的三相电流IU、IV、IW、及来自未图示的外部的控制装置的基本接触器动作指令MKC0。基本接触器动作指令MKC0是两个值的电平信号，在交流电动机5的运转中，成为导通状态，指示接触器14a进行闭合动作，在停止交流电动机5的运转或逆变器10中产生故障的情况下等，成为断开状态，指示接触器14a进行开路动作。 
接触器控制部40采用以下结构：即，在逆变器10正常的通常状态下，与基本接触器动作指令MKC0的导通或断开同步地使合闸信号MKC导通或断开，但是在逆变器10故障时，即使基本接触器动作指令MKC0断开，如下所述，在结束了生成各相的电流零点的条件下，使合闸信号MKC断开。 
接下来，具体说明各部分的动作。首先，参照图5，说明故障判定部20对发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件进行判别的方法。此外，图5是表示图4所示的故障判定部的结构例的框图。 
如图5所示，故障判定部20包括分别与检测出的三相电流IU、IV、IW相对应的处理电路29a、29b、29c、输入有栅极反馈信号GF和栅极信号GS 的比较器27、及判断部8。处理电路29a、29b、29c分别具有相同的结构，如处理电路29a所示的那样，包括电流零点检测部21、振荡器22、计数器23、比较器24、平均处理器25、及极性判别部26。 
在与检测出的U相电流IU对应的处理电路29a中，进行下述动作。将检测出的U相电流IU输入到电流零点检测部21和平均处理部25。 
在电流零点检测部21中，比较检测出的U相电流IU和零线，在检测出U相电流IU过零点的情况下，对计数器23输出计数器复位信号RST。计数器23采用以下结构：即，输出对来自振荡器22的一定周期的振荡信号进行加法计数所得的计数值CNT，但若输入来自电流零点检测部21的计数器复位信号RST，则计数值CNT被复位至零等初始值。 
即，在检测出的U相电流IU中不生成零点的期间，不输出计数器复位信号RST，计数器23的计数值CNT一直增加下去。比较器比较该计数值CNT、和由外部设定的置位值SET，在CNT＞SET的情况下，识别为在比设定时间要长的期间中未生成电流的零点，向判断部28输出电流零点未检测信号NZU。 
此外，若减少交流电动机5的转速，则由于电流的基波频率随之减少，周期变长，因此电流的每个过零点的时间间隔变长。当然使置位值SET根据交流电动机5的旋转频率或交流电动机5的驱动电流的基波频率变化，或者在交流电动机5以极低速运转的情况下，最好设法对判断部28输出的判别结果FB进行屏蔽等，从而避免将判别结果FD错误地输出到栅极信号生成部30。 
另外，在平均处理部25中，对所检测出的U相电流IU的每几个周期进行平均处理，将该处理结果值作为输出信号AVE输出到极性判别部26。通常，由于U相电流IU是正负对称的过零点的交流电流，因此平均处理部25的输出信号AVE是零。另一方面，在U相电流IU不具有电流零点的情况下，其平均值向正值侧或负值侧偏移。在极性判别部26中，判别所输入的信号AVE的正负极性，将其结果作为极性信号PLU输出到判断部28。 
对检测出的V相电流IV、W相电流IW也在对应的处理电路29b、29c中进行相同的处理。因而，向判断部28输入各相的电流零点未检测信号NZU、 NZV、NZW、及极性信号PLU、PLV、PLW。 
判断部28采用以下结构：即，基于上述信号，对U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、W相上桥臂元件WP、U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、及W相下桥臂元件WN这六个开关元件中的、发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件进行如下判别，将其作为判别结果FD输出到栅极信号生成部30。 
如上所述，由于在有发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件存在的相的电流中，发生向故障桥臂一侧的极性偏移、电流零点不再存在的现象，因此判断部28利用该现象来判别故障元件。 
即，判断部28使用各相的电流零点未检测信号NZU、NZV、NZW，来判别监测出的相电流IU、IV、IW中发生了偏移而不生成电流零点的相。同时，使用极性信号PLU、PLV、PLW，判别该相的偏移方向(极性)是正侧还是负侧。例如，在电流零点未检测信号NZU有效、且极性信号PLU为正的情况下，判断U相上桥臂元件UP是发生了短路故障或维持导通动作状态不变的元件，将该信息作为判别结果FD输出。 
然后，如图5所示，对栅极信号GS和栅极反馈信号GF是否一致进行检测的比较器27在栅极信号GS和栅极反馈信号GF不一致的情况下，向判断部28输入不一致检测信号FO。该处理虽然不一定是必须的，但为了防备在无法使用上述检测出的相电流IU、IV、IW来进行故障判别处理等的难以预料的事情发生的情况下而设置。在设置比较器27的情况下，在判断部28中，读取逻辑和，输出判别结果FD。 
在通常的运转状态下，在逆变器10中内置的各开关元件都健全的情况下，由于各开关元件与栅极信号GS同步地进行导通或断开动作，因此该导通或断开动作的反馈信号即栅极反馈信号GF与栅极信号GS一致。因此，比较器27不输出不一致检侧信号FO。然而，在设置于各开关元件附近的驱动电路等中发生故障等、因而特定的开关元件与栅极信号GS无关而保持导通动作状态不变的情况下，由于来自该元件的栅极反馈信号GF与栅极信号GS无关而一直为导通，因此比较器27输出不一致检测信号FO。通过采用图5的结构，能够判别这样的现象，并包含于判别结果FD。 
接下来，对栅极信号生成部30在输入了判别结果FD的情况下、应用三个逻辑(逻辑1～逻辑3)来生成分别控制逆变器10的六个开关元件进行导通或断开的栅极信号GS并输出的动作进行说明。 
<逻辑1> 
在判别结果FD示出U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、W相上桥臂元件WP中的任一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，栅极信号生成部30输出使得上桥臂元件即U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、及W相上桥臂元件WP全部为导通动作状态、剩下的下桥臂元件全部为断开动作状态的栅极信号GS。 
<逻辑2> 
在判别结果FD示出U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、W相下桥臂元件WN中的任一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，栅极信号生成部30输出使得下桥臂元件即U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、及W相下桥臂元件WN全部为导通动作状态、剩下的上桥臂元件全部为断开动作状态的栅极信号GS。 
<逻辑3> 
在判别结果FD示出U相上桥臂元件UP、V相上桥臂元件VP、W相上桥臂元件WP中的任一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变、且U相下桥臂元件UN、V相下桥臂元件VN、W相下桥臂元件WN中的任一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，栅极信号生成部30输出使所有的开关元件成为导通动作状态的栅极信号GS。 
此外，在逻辑3的情况下，若所有开关元件都进行导通动作，则使连接在逆变器10的正极侧导体P和负极侧导体N之间的未图示的电容器的端子间短路，从而累积在电容器中的电荷经由开关元件急速放电。由此伴随的放电的过大电流可能会损坏开关元件。因此，需要利用放电电路(未图示)来使与逆变器10的直流输入侧并联连接的电容器(未图示)进行放电，使设置于集电装置2和逆变器10之间的断路器(未图示)成为开路状态。此外，来自交流电动机5的短路电流如上所述，等于或小于通常使用时的电流，因此不会损坏开关元件。 
栅极信号生成部30如上所述，基于判别结果FD生成栅极信号，因此可以使之后流过的三相的故障电流对称，能够在故障电流中生成电流零点。 
接触器控制部40在逆变器10中发生故障时，虽然从未图示的外部的控制装置输入成为断开的基本接触器动作指令MKC0，但在该时刻，由于检测出的三相的电流IU、IV、IW不具有电流零点，因此不使合闸信号MKC断开，栅极信号生成部30在如上所述根据逻辑1至3生成了栅极信号GS后接收检测出的三相电流IU、IV、IW，在确认了这些电流生成了电流零点后，使合闸信号MKC断开。 
由此，在接触器14a中，通过解除合闸线圈的励磁来释放主触点，从而照常根据电流零点来断开流过逆变器10和交流电动机5之间的故障电流。此外，可以将该接触器控制部40的功能设置于接触器14a一侧。在这种情况下，控制部15a采用直接将从未图示的外部的控制装置输入的基本接触器动作指令MKC0输出到接触器14a的结构。 
由此，根据实施方式1，在流过逆变器和交流电动机之间的故障电流包含连续的不生成电流零点的直流分量的情况下，由于也能够使该连续的不生成电流零点的故障电流对称来生成电流零点，因此能够使用交流断开用的接触器来断开故障电流。因而，即使发生流过连续的不生成电流零点的故障电流那样的故障，也能防止故障部位的扩大。 
而且，由于能够使用交流断开用的接触器即真空接触器，因此能够构成小型、轻量的功率转换装置，能够提高维修性能。 
实施方式2. 
图6是表示本发明的实施方式2的驱动装载于电车的永磁同步电动机的功率转换装置的结构的框图。此外，在图6中，对与图1(实施方式1)所示的结构要素相同或相等的结构要素附加了相同的标号。此处，以与本实施方式2相关的部分为中心进行说明。 
如图6所示，实施方式2的功率转换装置1b在图1(实施方式1)所示的结构中，设置接触器14b来代替接触器14a，设置控制部15b来代替控制部15a。 
在实施方式1中，假设逆变器10中内置的六个开关元件中的一个开关元 件发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况，但是在本实施方式2中，假设多个开关元件中发生了故障的情况。 
例如，是在U相上桥臂元件UP发生了短路故障或维持导通动作状态不变的状态下、V相上桥臂元件VP和W相上桥臂元件WP由于损坏等无法进行导通动作的情况。 
在这种情况下，即使输出基于实施方式1示出的<逻辑1>的栅极信号GS，V相上桥臂元件VP和W相上桥臂元件WP也无法进行导通动作。因此，无法生成电流零点，用交流断开用的接触器14a无法断开故障电流。 
因此，在本实施方式2中，设置可以断开直流分量的接触器14b，代替交流断开用的接触器14a。可以断开直流分量的接触器14b不具有在电流零点断开电流的结构，而采用以下结构：即，在电流存在的状态下打开触点，拉长生成于触点间的电弧来增加电弧电压，从而减小故障电流来断开故障电流。 
可断开直流分量的接触器14b在原理上由于存在用于将电弧向外部放电的电弧隔板，因此较为大型化，同时，需要在接触器14b的周围设置考虑到电弧飞散的余量空间。另外，由于触点设置于开放部分，因此有尘埃进入，需要定期的维修。因此，尽管具有无法实现功率转换装置的小型化、轻量化、和维修性较差的负面，但是能够根据从未图示的外部的控制装置输入的基本接触器动作指令MKC0来断开故障电流。 
因而，对于代替控制部15a的控制部15b，虽然与实施方式1相同地输入来自未图示的外部的控制装置的基本栅极信号GC和基本接触器动作指令MKC0，但是控制部15b能够采用以下的简单结构：即，仅具有将该输入的基本栅极信号GC作为栅极信号GS输出到逆变器10的功能、和将该输入的基本接触器动作指令MKC0作为合闸信号MKC输出到接触器14b的功能。 
由此，根据实施方式2，在防备多个元件发生故障而设置能够断开直流分量的接触器来防止功率转换装置的故障部位的扩大的情况下，力图实现控制部的小型化、低成本、和高可靠性。 
此外，作为切断交流电动机5和逆变器10的方法，虽然可以考虑设置保险丝来代替接触器14a、14b，但是在作为本发明的对象的电车的功率转换 装置中，由于存在以下理由，因而无法用保险丝代替接触器14a、14b的功能。 
首先，保险丝如众所周知的那样，正常时无法断开电路，且一旦熔断就无法再合闸。在作为本发明的对象的电车的功率转换装置中，即使是在实施方式1或2中说明的逆变器10的故障时之外的通常状态下，也需要切断交流电动机5和逆变器10，还需要再连接。 
例如，在作为本发明的对象的电车的功率转换装置的情况下，在产生架空线电压为过电压等的干扰、从集电装置2接收到的电压为过电压的情况下，作为保护动作，有时使存在于逆变器10的输入侧的未图示的电容器经由放电电阻进行放电。 
在这种情况下，由于交流电动机5的感应电压高于逆变器10的输入电压，因此，从交流电动机5向逆变器10的输入侧的电容器或放电电阻流过电流，可能产生使交流电动机5生成制动转矩的不良情况，或烧坏放电电阻。为了避免该现象，需要切断交流电动机5和逆变器10。而且，在上述过电压状态消除后，需要再次连接交流电动机5和逆变器10来驱动交流电动机5。因而，不能用保险丝代替接触器14a、14b的功能。 
另外，由于在逆变器10的故障时产生的短路电流等于或小于通常时的电流，因而也不存在在通常时不熔断、仅在短路时熔断的保险丝，因此无法使用保险丝来代替接触器14a、14b的功能。 
以上的实施方式1、2所示的结构表示本发明内容的一个例子，当然也可以与其他已知的技术组合，或者在不脱离本发明要点的范围内，也可以省略一部分等加以变更而构成。 
另外，在本说明书中，是在考虑用于装载于电车的功率转换装置而对发明内容进行了说明，但是应用领域并不限于电车，当然也可以应用于电动汽车等相关领域。 
工业上的实用性 
如上所述，本发明的功率转换装置与功率转换装置中发生的故障的模式无关，即使在流过逆变器和电动机之间的故障电流中包含连续的不生成 电流零点的直流分量的情况下，也能够用于断开故障电流，防止功率转换装置内的故障部位的扩大，特别适用于装载于电车的电动机是永磁同步电动机的情况。 

Claims (6)

1.一种功率转换装置，
包括：逆变器，该逆变器具有被控制进行导通或断开的多个开关元件，将直流电压转换为任意频率的交流电压来驱动交流电动机；交流断开用的开关部，该交流断开用的开关部连接在所述逆变器和所述交流电动机之间；电流检测器，该电流检测器检测所述逆变器的输出电流；以及控制部，该控制部至少基于所述电流检测器检测出的电流，控制所述逆变器的所述多个开关元件进行导通或断开，并对所述开关部进行开关控制，其特征在于，
所述控制部包括故障判定部和栅极信号生成部，所述故障判定部基于所述电流检测器检测出的电流值，来判别所述多个开关元件中哪一个发生了短路故障或保持导通动作状态不变，并输出示出判别结果的信号，所述栅极信号生成部根据来自所述故障判定部的信号，对所述逆变器输出控制信号，
所述开关部构成为使得能够基于所述电流值，在电流零点断开电流，
所述栅极信号生成部在来自所述故障判定部的信号示出属于与正极侧相连接的上桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变、且属于与负极侧相连接的下桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使所有的开关元件成为导通动作状态的导通控制信号输出到所述逆变器。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，控制所述逆变器的多个开关元件进行导通或断开，使得在所述故障电流中生成所述电流零点。
3.一种功率转换装置，
包括：逆变器，该逆变器具有被控制进行导通或断开的多个开关元件，将直流电压转换为任意频率的交流电压来驱动交流电动机；交流断开用的开关部，该交流断开用的开关部连接在所述逆变器和所述交流电动机之间；电流检测器，该电流检测器检测所述逆变器的输出电流；以及控制部，该控制部至少基于所述电流检测器检测出的电流，控制所述逆变器的所述多个开关元件进行导通或断开，并对所述开关部进行开关控制，其特征在于，
所述控制部采用以下结构：即，在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，使所述故障电流成为出现电流零点的状态，从而可以断开故障电流，在基于所述电流检测器检测出的电流值能够确认了所述故障电流中生成了电流零点的状态后，对所述开关部输出开路指示，
所述控制部进行以下动作：
在属于与正极侧相连接的上桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使属于所述上桥臂的所有开关元件成为导通动作状态、且使属于与负极侧相连接的下桥臂的所有开关元件成为断开动作状态的控制信号输出到所述逆变器，
在属于所述下桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使属于所述下桥臂的所有开关元件成为导通动作状态、且使属于所述上桥臂的所有开关元件成为断开动作状态的控制信号输出到所述逆变器，
在属于所述上桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变、且属于所述下桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使所有开关元件成为导通动作状态的控制信号输出到所述逆变器。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，控制所述逆变器的多个开关元件进行导通或断开，使得在所述故障电流中生成电流零点。
5.一种功率转换装置，
包括：逆变器，该逆变器具有被控制进行导通或断开的多个开关元件，将直流电压转换为任意频率的交流电压来驱动交流电动机；交流断开用的开关部，该交流断开用的开关部连接在所述逆变器和所述交流电动机之间；电流检测器，该电流检测器检测所述逆变器的输出电流；以及控制部，该控制部至少基于所述电流检测器检测出的电流，控制所述逆变器的所述多个开关元件进行导通或断开，并对所述开关部进行开关控制，其特征在于，
所述控制部采用以下结构：即，在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，使所述故障电流成为出现电流零点的状态，从而可以断开故障电流，
所述开关部在基于所述电流检测器检测出的电流值能够确认了所述故障电流中生成了电流零点的状态后，进行开路动作，
所述控制部进行以下动作：
在属于与正极侧相连接的上桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使属于所述上桥臂的所有开关元件成为导通动作状态、且使属于与负极侧相连接的下桥臂的所有开关元件成为断开动作状态的控制信号输出到所述逆变器，
在属于所述下桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使属于所述下桥臂的所有开关元件成为导通动作状态、且使属于所述上桥臂的所有开关元件成为断开动作状态的控制信号输出到所述逆变器，
在属于所述上桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变、且属于所述下桥臂的开关元件中的某一个发生了短路故障或维持导通动作状态不变的情况下，将使所有开关元件成为导通动作状态的控制信号输出到所述逆变器。
6.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述逆变器和所述交流电动机之间生成了包含直流分量的故障电流的情况下，控制所述逆变器的多个开关元件进行导通或断开，使得在所述故障电流中生成电流零点。
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