CN102577069B - 电动车的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电力变换装置，具备：具有开关元件(Gu～Gz)并对同步机(1)进行驱动的电力变换器(2)、开闭部(4)、电流检测部(3a～3c)、以及根据电流检测器(3a～3c)检测出的电流进行开关元件(Gu～Gz)的导通截止控制和针对开闭部(4)的开闭控制的控制部(6)，其中，控制部(6)具有：故障检测部(9)，检测开关元件(Gu～Gz)中的哪一个为短路故障，输出表示检测结果的信号；ON/OFF控制部(7)，使构成短路故障的第1相(例如，U相)以外的相(V相或者W相)的开关元件之一成为导通动作状态，并且输出用于打开开闭部(4)的信号；以及开闭控制部(8)，打开与第1相以及通过ON/OFF控制部(7)而开关元件之一成为导通动作状态的第2相(例如，W相)以外的第3相(例如，V相)连接的V相开闭部(4b)。

Description

电动车的电力变换装置
技术领域
本发明涉及包括铁路车辆或者电动汽车的电动车等中使用的以同步机驱动为对象的电力变换装置，特别涉及在同步机与电力变换器之间具备开闭部的电力变换装置。
背景技术
同步机相比于以往以来在各种领域中广泛使用的感应电机，具有如下优点，即，由于由转子中内置的磁铁产生的磁通被确立，所以不需要励磁电流，由于不像感应电机那样在转子中流过电流，所以不会产生二次铜损。因此，在电动车中也为了提高效率而研究应用同步机。
电动车是将搭载了电力变换器和同步机的多个车辆连结而形成编组来行驶，所以即使在行驶过程中在一部分车辆的构成电力变换装置的开关元件中产生了短路故障的情况下，电动车也能够通过其他健全的电力变换器和同步机而继续行驶。由此，在故障了的电力变换器的故障部位(短路部分)会继续流过由同步机的感应电压产生的短路电流。因此，如果置之不理该状态，则会流过大的短路电流，所以存在电力变换器的故障部位扩大的可能性，或者由于在同步机中也流过短路电流，所以存在同步机发热或者烧坏的可能性。
作为针对这样的故障的处置，例如在下述专利文献1中，公开了一种电力变换装置，具备：电力变换器，具有被进行导通截止控制的多个开关元件，将直流电压变换为任意频率的交流电压而驱动交流电动机；交流切断用的开闭部，连接于电力变换器与同步机之间；电流检测器，检测电力变换器的输出电流；以及控制部，至少根据电流检测器检测出的电流，进行电力变换器中的多个开关元件的导通截止控制和针对开闭部的开闭控制，其中，控制部具备：故障判定部，根据电流检测器检测出的电流值，判别多个开关元件中的哪一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态，输出表示判别结果的信号；以及选通信号生成部，根据来自上述故障判定部的信号，对电力变换器输出控制信号，其中，选通信号生成部在来自故障判定部的信号表示属于与正极侧连接的上支路的开关元件中的某一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态、并且属于与负极侧连接的下支路的开关元件中的某一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态的情况下，对电力变换器输出使所有开关元件成为导通动作状态的导通控制信号，从而不论在电力变换装置中产生的故障的形态如何，都能够在电力变换器与电动机之间流过的故障电流中包含不产生连续性的电流零点的直流分量的情况下切断故障电流，所以能够防止电力变换器中的故障部位扩大。
另外，在下述专利文献2中，记载了如下对策：与上述同样地，在产生了开关元件的短路故障时，以包含短路故障了的相的方式，使高电位P侧支路或者低电位N侧支路的电动机端子短路，以成为三相短路状态的方式，使开关元件成为ON动作状态，使作为同步机的电流的平均值的直流分量返回零。
专利文献1：日本专利第4252109号公报(权利要求1)
专利文献2：日本专利第3927584号公报(段落[0093])
发明内容
但是，在上述以往的电力变换装置中，在产生了短路故障时，需要使产生了短路故障的开关元件和2个以上的开关元件成为ON动作状态。因此，在流过大的短路电流时，如果使健全的开关元件成为ON动作状态，则对开关元件造成过大的压力，所以设为ON动作状态的健全的开关元件也有可能产生故障，故障有可能扩大。
另外，在开闭部打开时产生过渡性的电压(一般称为浪涌电压)，但该过渡性的电压有可能会超过电力变换器、同步机的绝缘耐压的电压电平。因此，需要考虑尽可能减小该过渡性的电压，来选择打开开闭部的相顺序。但是，在以往技术中，没有考虑上述情况，所以存在无法抑制产生上述过渡性的电压这样的课题。
本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于得到一种电动车的电力变换装置，能够抑制在开闭部打开时产生的过渡性的电压，并且能够减轻对没有故障的开关元件的负担。
为了解决上述课题并达成目的，本发明提供一种电动车的电力变换装置，具备：电力变换器，具有被进行导通截止控制的多个开关元件，将直流电压变换为任意频率的交流电压而对交流旋转机进行驱动；交流切断用的开闭部，连接于所述电力变换器与所述交流旋转机之间；电流检测部，检测在所述电力变换器与所述交流旋转机之间流过的电流；以及控制部，至少根据所述电流检测器检测出的电流，进行所述多个开关元件的导通截止控制和针对所述开闭部的开闭控制，其特征在于，所述控制部具有：故障检测部，根据所述电流检测器检测出的电流值，检测所述多个开关元件中的哪一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态，输出表示检测结果的信号；ON/OFF控制部，根据来自所述故障检测部的信号以及所述电流值，使构成短路故障或者仍保持导通动作状态的第1相以外的相的开关元件之一成为导通动作状态，并且输出用于打开所述开闭部的信号；以及开闭控制部，根据来自所述ON/OFF控制部的信号，打开与除所述第1相以及通过所述ON/OFF控制部而开关元件之一成为导通动作状态的第2相以外的第3相连接的开闭部。
根据本发明，使构成短路故障或者仍保持导通动作状态的第1相以外的相的开关元件之一成为导通动作状态，并且打开与除第1相以及开关元件之一成为导通动作状态的第2相以外的第3相连接的开闭部，所以起到如下效果：能够抑制在开闭部打开时产生的过渡性的电压，并且能够减轻对没有故障的开关元件的负担。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的电动车的电力变换装置的结构例的图。
图2是示出同步机的马达电压与无负载感应电压的关系的图。
图3是示出图1所示的故障检测部的结构例的图。
图4是示出图1所示的ON/OFF控制部的结构例的图。
图5是用于说明在图1所示的电力变换器中产生异常之后至打开开闭部为止的一连串的动作的流程图。
图6是用于说明属于U相的上支路的开关元件发生了短路故障时的动作的图。
图7是用于说明通过本发明的实施方式1的电动车的电力变换装置得到的效果的图。
图8是示出本发明的实施方式2的电动车的电力变换装置的一个结构的图。
图9是示出本发明的实施方式2的电动车的电力变换装置的另一结构的图。
图10是用于说明在图8以及图9所示的电力变换器中产生异常之后至打开开闭部为止的一连串的动作的流程图。
(符号说明)
1、25：同步机；2：电力变换器；3a：U相电流检测器；3b：V相电流检测器；3c：W相电流检测器；4：开闭部；4a：U相开闭部；4b：V相开闭部；4c：W相开闭部；5：直流电源；6：控制部；7、27：ON/OFF控制部；8、24：开闭控制部；9：故障检测部；10a：U相短路故障检测部；10b：V相短路故障检测部；10c：W相短路故障检测部；11a：U相电流符号判别部；11b：V相电流符号判别部；11c：W相电流符号判别部；12a：U相故障部位检测部；12b：V相故障部位检测部；12c：W相故障部位检测部；13a、13b、13c：绝对值运算部；14a、14b、14c、14d、14e、14f、19a、19b、19c、19d、19e、19f：比大比较器(greater-than comparator)；15a、15b、15c、15d、15e、15f、15g、15h、15i、23a、23b、23c：ON时间元件(on time element)；16a、16b、16c、20a、20b、20c、20d、20e、20f：比小比较器(less-thancomparator)；17a：U相故障检测部；17b：V相故障检测部；17c：W相故障检测部；18a、18b、18c、18d、18e、18f、21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h、21i、21j、21k、21l：逻辑积部；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h、22i：逻辑和部；26：同步机的中性点；FOU：U相上支路故障检测信号；FOX：U相下支路故障检测信号；FOV：V相上支路故障检测信号；FOY：V相下支路故障检测信号；FOW：W相上支路故障检测信号；FOZ：W相下支路故障检测信号；Gu、Gv、Gw、Gx、Gy、Gz：开关元件；Iset：规定的设定值；Iu：U相电流；Iv：V相电流；Iw：W相电流；MUOFF：U相开闭部打开指令；MVOFF：V相开闭部打开指令；MWOFF：W相开闭部打开指令。
具体实施方式
以下，根据附图，详细说明本发明的电动车的电力变换装置的实施方式。另外，本发明不限于该实施方式。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的电动车的电力变换装置的结构例的图，图2是示出同步机1的马达电压与无负载感应电压的关系的图。图1所示的电动车的电力变换装置具有：电力变换器2，与直流电源5连接并对同步机1进行驱动；交流切断用的开闭部4，连接于电力变换器2与交流旋转机1之间；以及控制部6，进行电力变换器2的动作控制以及开闭部4的打开控制。
电力变换器2由正侧支路的3个开关(以下简称为“SW”)元件(U相上支路元件Gu、V相上支路元件Gv、以及W相上支路元件Gw)、和负侧支路的3个SW元件(U相下支路元件Gx、V相下支路元件Gy、以及W相下支路元件Gz)的桥电路构成。对各个SW元件，连接了逆并联二极管。并且，各个相的上支路元件与下支路元件的连接点构成三相的输出端，对各个输出端连接有U相接线、V相接线、W相接线。U相接线、V相接线、以及W相接线经由开闭部4而与同步机1连接。通过该结构，电力变换器2通过按照来自控制部6的选通信号而各SW元件进行导通截止动作，从而将所输入的直流电压变换为任意频率的三相交流电压而驱动同步机1。
控制部6的主要结构具有：ON/OFF控制部7、控制开闭部4的开闭控制部8、以及检测构成电力变换器2的SW元件Gu、Gv、Gw、Gx、Gy、Gz的短路故障的故障检测部9。
在本实施方式中，图1所示的同步机1为永久磁铁同步机，该永久磁铁同步机通过安装于转子的永久磁铁来产生磁场。在永久磁铁同步机的情况下，由永久磁铁产生的磁通是恒定的，所以作为同步机单体的特性，产生和磁通密度与同步机的转速之积成比例的感应电压。将其称为无负载感应电压，具有图2中的虚线所示那样的特性。相对于此，电力变换器2无法产生输入的直流电源5的直流电压以上的电压，所以在无负载感应电压超过电力变换器2的最大输出电压的区域中，通过电力变换器2进行所谓弱磁场控制来进行高速运转，以使通过电枢绕组产生如抵消由永久磁铁产生的磁通那样的磁通。
另外，在汽车、电车等电动车中，其特征在于，存在如下运转模式：电力变换器2停止而以既不是动力运行也不是再生的惯性行驶的“惯性运转”。在这样的惯性运转时，在使用永久磁铁同步机的情况下，在电力变换装置2中，产生上述无负载感应电压。在该无负载感应电压大于电力变换器2的直流电压(相当于直流电源5的两端电压)的区域中，经由构成电力变换器2的SW元件Gu～Gz的二极管对无负载感应电压进行全波整流。在直流电源5侧再生被全波整流的电力，其结果，作为系统整体，产生制动力，并进行制动动作。
如一般已知，在正弦波状的交流电流中，在电流波形的每半周期产生电流零点，所以能够利用该电流零点来切断电流。图1所示的开闭部4是利用电流零点来切断电流的交流切断用的接触器。一般，作为交流切断用的接触器，可以举出应用了在电流零点处切断电流的构造的真空接触器等。但是，根据电力变换器2中产生的故障的形态，如上述以往技术中也说明那样，有时在故障电流中包含不产生连续性的电流零点的直流分量。在这样的情况下，在利用了在电流零点处切断电流的构造的交流切断用的真空接触器等中，无法切断故障电流，所以无法切断故障电流，故障电流继续流过，从而由于发热等而有可能导致电力变换器2的故障部位扩大。本实施方式的电力变换装置用于解决这样的问题，以下说明其具体的方式。
图1所示的各相的电流检测器3a、3b、3c分别设置于电力变换器2的三相输出端与开闭部4之间的U相接线、V相接线、W相接线，检测同步机1中产生的各相电流(也可以称为“马达电流”)Iu、Iv、Iw。由各电流检测器3a、3b、3c检测出的各相电流Iu、Iv、Iw分别被输入到故障检测部9以及ON/OFF控制部7。
另外，在图1所示的电力变换装置中，作为检测电力变换器2的三相输出端与开闭部4之间的U相～W相接线的电流的单元，使用了CT等，但不限于此，也可以使用其他公知的手法，例如利用电力变换器2的内部中流过的母线电流来检测各相电流Iu、Iv、Iw。另外，图1所示的电力变换装置是分别检测电力变换器2的三相输出电流的方式，但也可以是检测任意的二相的电流的方式。即，由于Iu+Iv+Iw＝0的关系成立，所以例如还可以根据U、V这2相量的检测电流来求出W相的电流，所以例如也可以省略W相的电流检测器3c。当然，也可以根据U、W这2相量的检测电流来求出V相的电流。
图3是示出图1所示的故障检测部9的结构例的图，图4是示出图1所示的ON/OFF控制部7的结构例的图，图5是用于说明在图1所示的电力变换器2中产生异常之后至打开开闭部4为止的一连串的动作的流程图，图6是用于说明属于U相的上支路的SW元件Gu产生了短路故障时的动作的图。
(故障检测部)
在图3中，由各电流检测器3a、3b、3c检测出的各相电流Iu、Iv、Iw输入到控制部6的故障检测部9。图3所示的故障检测部9的主要结构具有：U相故障检测部17a，被输入U相电流Iu；V相故障检测部17b，被输入V相电流Iv；以及W相故障检测部17c，被输入W相电流Iw。
各故障检测部17a、17b、17c根据各相的马达电流(各相电流)，检测各相的上支路和各相的下支路中的哪一个产生了故障，并输出表示其故障部位的错误信号。错误信号是图3所示的U相上支路故障检测信号FOU等。如此，各故障检测部17a、17b、17c用于检测各相的上支路和各相的下支路中的哪一个产生了故障，虽然输入信号和输出信号不同，但作为功能分别相同。因此，在以下的说明中，仅说明U相故障检测部17a，而省略V相故障检测部17b以及W相故障检测部17c的说明。
图3所示的U相故障检测部17a的主要结构具有：U相短路故障检测部10a，根据U相电流Iu的大小来检测U相是否产生了故障(特别是短路故障)；U相电流符号判别部11a，判别U相电流Iu流动的方向；以及U相故障部位检测部12a，根据来自U相短路故障检测部10a以及U相电流符号判别部11a的输出来检测并确定U相的故障部位。
U相短路故障检测部10a的主要结构具有：运算所输入的U相电流Iu的绝对值的绝对值运算部13a、比大比较器14a、以及ON时间元件15a。
比大比较器14a比较来自绝对值运算部13a的绝对值和规定的设定值Iset。这是基于如下原理：SW元件短路的相中流过的电流并不是零、而是对交流分量加上了偏置量的值。以下，具体说明其内容。图6示出属于U相的上支路的SW元件Gu产生了短路故障时的电流波形。能够确认U相电流以外的相电流跨过零，但U相电流不跨过零而成为承载了偏置的波形。U相短路故障检测部10a利用该现象来检测短路故障。即，在U相电流的波形中存在比规定的设定值Iset大的偏置的情况下，比大比较器14a输出表示在U相中产生了短路故障的“1”。另外，规定的设定值Iset是根据同步机1的特性来决定，但优选设定为额定电流值的1.5～2倍的值。即，如果额定电流有效值是200A，则优选将规定的设定值Iset设定为300～400A左右。
ON时间元件15a是用于防止误探测的功能，例如，在比大比较器14a输出的1持续了ON时间元件15a中设定的时间以上的情况下，输出1。假设ON时间元件15a中设定的时间例如为5msec。另外，在该情况下，ON时间元件15b、15c、15d、15e、15f中设定的时间也为5msec。ON时间元件15a的输出输入到逻辑积部18a以及逻辑积部18b。
接下来，说明U相电流符号判别部11a的结构。U相电流Iu输入到U相电流符号判别部11a，U相电流符号判别部11a判别该U相电流Iu流动的方向。U相电流符号判别部11a的主要结构具有比大比较器14b、比小比较器16a、ON时间元件15b、以及ON时间元件15c。
比大比较器14b以及比小比较器16a比较U相电流Iu的值和零，判别U相电流Iu流向正侧还是流向负侧。ON时间元件15b以及ON时间元件15c与ON时间元件15a同样地，是用于防止误探测的功能。ON时间元件15b的输出输入到逻辑积部18a，ON时间元件15c的输出输入到逻辑积部18b。
U相故障部位检测部12a主要结构具有逻辑积部18a以及逻辑积部18b。逻辑积部18a在U相短路故障检测部10a的输出和ON时间元件15b的输出都是1的情况下，输出U相上支路故障检测信号FOU。即，在U相短路故障检测部10a检测到短路故障、并且U相电流Iu在正方向上流动的情况下，U相故障部位检测部12a检测为作为U相的上支路的SW元件Gu产生了短路故障。
另外，逻辑积部18b在U相短路故障检测部10a的输出和ON时间元件15c的输出都是1的情况下，输出U相下支路故障检测信号FOX。即，在U相短路故障检测部10a检测到短路故障、并且U相电流Iu在负方向上流动的情况下，U相故障部位检测部12检测为作为U相的下支路的SW元件Gx产生了短路故障。
这样，图1所示的故障检测部9根据相电流Iu、Iv、Iw，限定并检测短路故障部位，对ON/OFF控制部7，输出表示短路故障部位的检测结果的U相上支路故障检测信号FOU或者U相下支路故障检测信号FOX。
(ON/OFF控制部)
ON/OFF控制部7根据来自故障检测部9的故障检测信号和由各电流检测器3a、3b、3c检测出的相电流Iu、Iv、Iw，为了防止故障扩大，而选择没有故障的SW元件，并使所选择出的SW元件成为ON动作状态。另外，ON/OFF控制部7生成用于控制U相开闭部4a、V相开闭部4b、以及W相开闭部4c的打开顺序的打开指令MUOFF、MVOFF、以及MWOFF，并输出到开闭控制部8。由此，能够抑制在开闭部4打开时产生的过渡性的电压超过电力变换器2、同步机1的绝缘耐压的电压电平。
图5示出构成控制部6的各要素的动作。例如，在电力变换器2中产生了异常的情况下，图5的上段所示的故障检测部9限定并检测短路故障部位。图5的中段所示的ON/OFF控制部7根据来自故障检测部9的故障检测信号，选择要设为ON动作状态的SW元件，使所选择出的SW元件成为ON动作状态。图5的下段所示的开闭控制部8根据从ON/OFF控制部7输出的打开指令MUOFF、MVOFF、MWOFF，使各开闭部4a、4b、4c打开。
以下，使用图5以及图6，将控制部6的动作和图5的流程图关联起来说明。另外，在以下的说明中，有时适当地将U相称为第1相、将V相称为第3相、将W相称为第2相而进行说明。
如图6所示，在时刻t1属于U相上支路的SW元件Gu产生了故障的情况下(步骤S10、“是”)，U相电流Iu在正方向上流动。因此，图3所示的比大比较器14b的输出在时刻t2成为导通(或者1)，ON时间元件15b的输出延迟ON时间元件15b中设定的时间而在时刻t4成为导通。
另外，比大比较器14a的输出在U相电流Iu超过规定的设定值Iset的时间点、即时刻t3成为导通。来自比较器14a的输出输入到ON时间元件15a，ON时间元件15a的输出延迟ON时间元件15a中设定的时间而在时刻t5成为导通。
逻辑积部18a中输入来自上述ON时间元件15a的输出和来自ON时间元件15b的输出。在每个输出都是导通的情况下，逻辑积部18a的输出成为导通。即，逻辑积部18a对ON/OFF控制部7送出U相上支路故障检测信号FOU。
接下来，在图4所示的ON/OFF控制部7中，比大比较器19a以及比小比较器20a比较马达电流Iv和Iw(步骤S11)。在马达电流Iv大于Iw的情况下(步骤S11、“是”)，比大比较器19a的输出成为导通。
输入到逻辑积部21a的信号、即来自比大比较器19a的输出和U相上支路故障检测信号FOU都是导通。因此，逻辑积部21a的输出成为导通，以使W相上支路的SW元件Gw成为ON动作状态。逻辑积部21a的输出被送出到逻辑和部22a。
逻辑和部22a根据来自逻辑积部21a的输出，生成Gw导通信号，输出到电力变换器2。SW元件Gw依照该Gw导通信号而成为导通(步骤S12)。
另外，逻辑积部21a的输出还被送出到逻辑和部22h，逻辑和部22h根据来自逻辑积部21a的输出，生成V相开闭部打开指令MVOFF，输出到ON时间元件23b。
另外，实际上，在SW元件Gw成为ON动作状态之前，有若干的时间延迟，所以ON时间元件23b的输出(V相开闭部打开信号输出)会延迟ON时间元件23b中设定的时间而在时刻t6成为截止。其结果，在时刻t6，V相开闭部4b打开(步骤S13)。
另外，从V相开闭部4b打开之后等待规定时间，在时刻t7，U相开闭部4a打开(步骤S14)。根据仿真结果等可知，通过使某SW元件(在上述说明中是Gw)成为导通，从而相比于以往的方法，能够大幅缩短从该V相开闭部4b打开之后等待规定时间的时间。
在步骤S11中，在马达电流Iv小于Iw的情况下(步骤S11、“否”)，图4所示的比小比较器20a的输出成为导通。输入到逻辑积部21b的来自比小比较器20a的输出和U相上支路故障检测信号FOU都是导通。因此，逻辑积部21b的输出成为导通，以使SW元件Gv成为ON动作状态。逻辑和部22b根据来自逻辑积部21b的输出，生成Gv导通信号。SW元件Gv根据该Gv导通信号而成为导通(步骤S15)。
逻辑积部21b的输出还被送出到逻辑和部22i，逻辑和部22i根据来自逻辑积部21b的输出，生成W相开闭部打开指令MWOFF，输出到ON时间元件23c。
ON时间元件23c的输出延迟ON时间元件23c中设定的时间而在时刻t6成为截止。其结果，在时刻t6，W相开闭部4c打开(步骤S16)。另外，从W相开闭部4c打开之后等待规定时间，在时刻t7，U相开闭部4a打开(步骤S17)。
在步骤S10中，在属于U相上支路的SW元件Gu没有故障的情况下(步骤S10、“否”)，故障检测部9判断属于U相下支路的SW元件Gx是否产生了故障(步骤S20)。
如此，故障检测部9依次判断各SW元件有无故障，在属于W相上支路的SW元件Gz没有故障的情况下(步骤S60、“否”)，反复步骤S10以后的判断。ON/OFF控制部7根据故障检测信号FOX～FOZ和相电流Iu、Iv、Iw，进行各SW元件的导通控制和生成针对开闭控制部8的开闭部打开指令。另外，开闭控制部8根据开闭部打开指令，进行各开闭部4a、4b、4c的开路动作。以下，与步骤S20～步骤S67相关的说明与上述相同，所以省略。
图7是用于说明通过本发明的实施方式1的电动车的电力变换装置得到的效果的图。图7(a)示出基于以往方式的仿真结果，图7(b)示出基于本实施方式的仿真结果。使用电力铁道用的300kW且额定电压3KV的马达，在属于U相上支路的SW元件Gu产生了短路故障时，得到图7(a)以及(b)所示的各波形。
此处，为了使得易于理解图7所示的波形，说明不产生连续性的电流零点的故障电流的产生方式，之后，说明本实施方式的控制部6的动作。作为不产生连续性的电流零点的故障电流的产生方式，可以举出图1所示的6个SW元件Gu～Gz中的任意一个成为短路故障的情况、或者由于SW元件或其驱动电路(未图示)的故障而仍保持导通动作状态的情况。例如，在电力变换装置处于运转过程中、同步机1旋转着的状态下，SW元件Gu引起短路故障，剩余的SW元件Gv～Gz在未图示的故障检测功能工作而全部成为截止动作状态的情况下，通过SW元件Gu和与SW元件Gv～Gz连接的逆并联二极管，在同步机1与电力变换器2之间流过故障电流。图7(a)以及(b)的上段所示的三相电流波形表示了此时的各相的故障电流的波形。
图7(a)的上段所示的波形是在SW元件Gu产生了短路故障时，不使SW元件Gu以外的SW元件成为ON动作状态，而打开了开闭部4时的三相电流波形，图7(a)的下段所示的波形是此时的线间电压波形。
图7(b)的上段所示的波形是在SW元件Gu产生了短路故障时，例如使SW元件Gv成为ON动作状态，并且打开了W相开闭部4c时的三相电流波形，图7(b)的下段所示的波形是此时的线间电压波形。
在图7(a)的仿真结果中，例如，在SW元件Gu产生了短路故障时，U相电流Iu向正侧偏置而电流零点消失。能够确认在从产生短路故障起约0.03sec之后打开了W相开闭部4c的情况下，WU相间的线间电压波形的最大值成为约11kV。由于额定电压是3000V，所以该马达的绝缘耐压是6000V左右，但被施加绝缘耐压的约2倍的电压。
与其相比，本实施方式的ON/OFF控制部7如图7(b)所示，例如，在从SW元件Gu产生短路故障起约0.02sec之后，根据图5的控制算法，使V相上支路的SW元件Gv成为ON动作状态。进而，开闭控制部8在从产生短路故障起约0.03sec之后，打开W相开闭部4c。
此时，VW相以及WU相的各线间电压波形的最大值如图7(b)的下段所示为约4kV。即，能够确认过渡电压被抑制为比马达的绝缘耐压低的值。另外，如图7(b)的上段所示，能够确认由于即使在打开了W相开闭部4c之后电流也稳定并处于零附近，所以其他相也能够立即打开。
另外，在图7中，示出了在SW元件Gu引起短路故障、且没有故障的SW元件Gv～Gz全部处于截止动作状态的情况下，U相电流Iu向正侧偏置而电流零点消失的波形，但在相反侧的U相下支路的SW元件Gx引起短路故障、且没有故障的其他元件全部处于截止动作状态的情况下，成为U相电流Iu向负侧偏置而电流零点消失的波形。在其他SW元件产生了短路故障的情况下，也同样地认为。
如以上说明，在本实施方式的电力变换装置中，在构成电力变换器2的开关元件中的某一个成为短路故障或者导通动作状态时，使构成短路故障或者仍保持导通动作状态的第1相(例如，U相)以外的相的SW元件之一成为ON动作状态，所以能够利用电流零点来打开开闭部，能够可靠地切断故障电流。另外，在第1次打开动作中打开了与除第1相(例如，U相)以及SW元件之一成为导通动作状态的第2相(例如，W相)以外的第3相(例如，V相)连接的开闭部，所以能够抑制在打开(切断)开闭部时产生过渡性的电压。另外，例如在SW元件Gu产生了故障时，使没有故障的SW元件的动作仅限定于一个相(例如，W相)，所以能够减轻对没有故障的其他SW元件(例如，V相的Gv、Gy)的压力、负担，能够防止故障扩大。其结果，相比于以往技术，故障频度被大幅减轻，所以电力变换装置的可靠性提高，并且能够长期使用，另外能够实现维护成本的低廉化。
另外，在上述说明中，说明了开闭控制部8控制3个开闭部4a、4b、4c的动作的方式，但不限于此，例如，也可以是限定于2个开闭部并仅控制其开闭部的动作的方式。例如，通过使开路动作限定于W相开闭部4c以及U相开闭部4a，从而能够减少开闭部4的动作次数，所以能够抑制开闭部4的劣化，能够延长寿命。
实施方式2.
图8是示出本发明的实施方式2的电动车的电力变换装置的一个结构的图，图9是示出本发明的实施方式2的电动车的电力变换装置的另一结构的图，图10是用于说明在图8以及图9所示的电力变换器2中产生异常之后至打开开闭部4为止的一连串的动作的流程图。另外，对与第1实施方式相同的部分附加相同符号而省略其说明，并仅叙述不同的部分。
与实施方式1的区别点在于：仅对2相(例如，U相以及V相)安装了开闭部。因此，开闭控制部24如图8所示，构成为仅输出2相的控制信号即可。另外，ON/OFF控制部27也同样地，构成为仅输出2相的开闭部打开指令即可。
另外，本实施方式的电力变换装置也可以是图9所示那样的方式。即，在图9所示的电力变换装置中，并非如图8那样在电力变换器2与同步机1之间连接开闭部4，而是采用可在外部连接同步机25的中性点26的结构。即，采用在同步机25的中性点26侧连接开闭部4的结构。另外，在图8以及图9所示的电力变换装置中，对U、V相连接了开闭部，但也可以是U、V相以外的组合。
在图10中，与实施方式1大不同的点在于，在连接了开闭部的相的SW元件(例如，Gu)产生了短路故障的情况下(步骤S100、“是”)，使没有连接开闭部的相的SW元件(例如，Gw)优先地成为ON动作状态。具体说明其详细内容，本实施方式的ON/OFF控制部27在选择要设为ON动作状态的SW元件时，考虑开闭部的打开动作，使没有连接开闭部(例如，U相开闭部4a或者V相开闭部4b)的相的SW元件(例如，Gw)优先地成为ON动作状态(步骤S101)。
另外，开闭控制部24在从SW元件Gw成为导通起经过规定时间之后打开V相开闭部4b(步骤S102)，U相开闭部4a也打开(步骤S103)。
如果与图7(b)的波形对比而说明，则如下所述。ON/OFF控制部27例如在从SW元件Gu产生短路故障起约0.02sec之后，使SW元件Gw优先地成为ON动作状态(步骤S101)。开闭控制部24在从产生短路故障起约0.03sec之后打开V相开闭部4b(步骤S102)。其结果，过渡电压被抑制为比马达的绝缘耐压低的值。另外，如图7(b)的上段所示，由于即使在打开了V相开闭部4b之后电流也稳定并处于零附近，所以U相开闭部4a也能够立即打开(步骤S103)。
但是，在没有连接开闭部的相的SW元件产生了短路故障的情况下，与实施方式1同样地，选择要设为ON动作状态的SW元件，选择要打开的开闭部。但是，最后打开的开闭部与实施方式1不同，是连接了开闭部的相。
如果使用图10来说明其详细内容，则如下所述。在没有连接开闭部的相的SW元件(例如，Gw)产生了短路故障的情况下(步骤S140、“是”)，故障检测部9输出W相上支路故障检测信号FOW。ON/OFF控制部27根据故障检测信号FOW和相电流Iu、Iv、Iw，选择要设为ON动作状态的SW元件(步骤S141)。在马达电流Iu大于Iv的情况下(步骤S141、“是”)，SW元件Gv成为导通(步骤S142)。开闭控制部24打开U相开闭部4a(步骤S143)，从U相开闭部4a打开之后等待规定时间，而打开V相开闭部4b(步骤S144)。
在步骤S141中，在马达电流Iu小于Iv的情况下(步骤S141、“否”)，SW元件Gu成为导通(步骤S145)。开闭控制部24打开V相开闭部4b(步骤S146)，从V相开闭部4b打开之后等待规定时间，而打开U相开闭部4a(步骤S147)。另外，没有连接开闭部的相的SW元件(例如，Gz)产生了短路故障时的动作(步骤S150～步骤S157)与上述步骤S140～步骤S147相同。
在步骤S100中，在连接了开闭部的相的SW元件(例如，Gu)没有产生短路故障的情况下(步骤S100、“否”)，故障检测部9判断U相下支路(SW元件Gx)是否产生了故障(步骤S110)。
如此，故障检测部9依次判断各SW元件有无故障，在W相上支路(SW元件Gz)没有产生故障的情况下(步骤S150、“否”)，反复步骤S100以后的判断。ON/OFF控制部27根据故障检测信号FOX～FOZ和相电流Iu、Iv、Iw，进行各SW元件的导通控制和生成针对开闭控制部24的开闭部打开指令。另外，开闭控制部24根据开闭部打开指令进行各开闭部4a、4b、4c的开路动作。另外，在图10中，仅说明了步骤S100～103和步骤S140～147的动作，但其他步骤的动作与这些步骤相同，所以省略其说明。
如以上说明，本实施方式的电力变换装置与实施方式1同样地，使构成短路故障或者仍保持导通动作状态的第1相(例如，U相)以外的相的SW元件之一成为ON动作状态，所以能够利用电流零点来打开开闭部，能够可靠地切断故障电流。另外，打开了与除第1相(例如，U相)以及SW元件之一成为导通动作状态的第2相(例如，W相)以外的第3相(例如，V相)连接的开闭部，所以能够抑制在打开开闭部时产生过渡性的电压。另外，例如在SW元件Gu产生了故障时，使没有故障的SW元件的动作仅限定于一个相(例如，W相)，所以能够减轻对没有故障的其他SW元件(例如，V相的Gv、Gy)的压力、负担，能够防止故障扩大。其结果，相比于以往技术，故障频度被大幅减轻，所以能够提高电力变换装置的可靠性，并且能够长期使用，另外能够实现维护成本的低廉化。进而，在本实施方式的电力变换装置中，仅对2个相连接了开闭部，所以相比于实施方式1，不需要1个相的开闭部，能够实现电力变换装置的小型化、轻量化、以及低成本化。
另外，在实施方式1以及2的开闭控制部8以及24中，如图5以及图10所示，在与各相连接的开闭部的第2次打开动作中，打开与故障的SW元件所属的相相关的开闭部，所以能够防止故障扩大。如果用具体例来说明其详细内容，则例如，在图5的步骤S13和S14中，在第1次，打开没有故障的开关元件所属的相(V相)的开闭部(S13)，在第2次，打开产生了故障的开关元件所属的相(U相)的开闭部(S14)。此处，在S14之后，打开产生了故障的SW元件所属的相(W相)的开闭部、即相比于W相开闭部优先地打开U相开闭部。
另外，在上述说明中，将U相设为第1相、将W相设为第2相、将V相设为第3相而说明了电力变换装置的动作，但例如还可以将W相设为第3相、将V相设为第2相。另外，在将V相设为第1相的情况下，还可以将W相设为第2相、将U相设为第3相。
另外，实施方式2所示的结构即在图9中在中性点26侧连接开闭部4的结构还能够应用于实施方式1。在实施方式1的开闭控制部8中应用了该结构的情况下，虽然开闭部的结构没有变化，但能够减轻ON/OFF控制部7中的开闭部打开指令的运算处理、开闭控制部8中的开闭控制处理。
产业上的可利用性
如以上说明，本发明能够应用于用于电动车的推进控制的电力变换装置，特别是作为能够抑制在开闭部打开时产生的过渡性的电压并且能够减轻对没有故障的SW元件的负担的发明是有用的。

Claims (6)

1.一种电动车的电力变换装置，其特征在于，具备：
电力变换器，具有被进行导通截止控制的多个开关元件，将直流电压变换为任意频率的交流电压而对交流旋转机进行驱动；
交流切断用的3个开闭部，连接于所述电力变换器与所述交流旋转机之间；
电流检测部，检测在所述电力变换器与所述交流旋转机之间流过的电流；以及
控制部，至少根据所述电流检测部检测出的电流，进行所述多个开关元件的导通截止控制和针对所述开闭部的开闭控制，
所述控制部具有：
故障检测部，根据所述电流检测部检测出的电流值，检测所述多个开关元件中的哪一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态，并输出表示检测结果的信号；
ON/OFF控制部，根据来自所述故障检测部的信号以及所述电流值，在设短路故障或者仍保持导通动作状态的相为第1相时，使构成除该第1相以外的第2相的开关元件之一成为导通动作状态，并且输出用于打开与所述第1相连接的开闭部和与除所述第1相以及所述第2相以外的第3相连接的开闭部的信号；以及
开闭控制部，根据来自所述ON/OFF控制部的信号，在第1次打开动作中，打开与所述第3相连接的开闭部，在所述第1次打开动作之后的第2次打开动作中，打开与所述第1相连接的开闭部。
2.根据权利要求1所述的电动车的电力变换装置，其特征在于，
所述ON/OFF控制部根据所述电流值的大小，选择构成除所述第1相以外的第2相的开关元件之一。
3.根据权利要求1或者2所述的电动车的电力变换装置，其特征在于，
所述开闭控制部控制所述开闭部之中的、与所述第1相连接的开闭部、与所述第2相连接的开闭部、以及与所述第3相连接的开闭部中的某2个开闭部的动作。
4.一种电动车的电力变换装置，其特征在于，具备：
电力变换器，具有被进行导通截止控制的多个开关元件，将直流电压变换为任意频率的交流电压而对交流旋转机进行驱动；
交流切断用的2个开闭部，连接于所述电力变换器与所述交流旋转机之间；
电流检测部，检测在所述电力变换器与所述交流旋转机之间流过的电流；以及
控制部，至少根据所述电流检测部检测出的电流，进行所述多个开关元件的导通截止控制和针对所述开闭部的开闭控制，
所述控制部具有：
故障检测部，根据所述电流检测部检测出的电流值，检测所述多个开关元件中的哪一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态，并输出表示检测结果的信号；
ON/OFF控制部，根据来自所述故障检测部的信号以及所述电流值，在设短路故障或者仍保持导通动作状态的相为连接有开闭部的第1相时，使构成除该第1相以外的没有连接开闭部的第2相的开关元件之一成为导通动作状态，并且输出用于打开与所述第1相连接的开闭部和与除所述第1相以及所述第2相以外的第3相连接的开闭部的信号；以及
开闭控制部，根据来自所述ON/OFF控制部的信号，在第1次打开动作中，打开与所述第3相连接的开闭部，在所述第1次打开动作之后的第2次打开动作中，打开与所述第1相连接的开闭部。
5.一种电动车的电力变换装置，其特征在于，具备：
电力变换器，具有被进行导通截止控制的多个开关元件，将直流电压变换为任意频率的交流电压而对交流旋转机进行驱动；
交流切断用的2个开闭部，连接于所述电力变换器与所述交流旋转机之间；
电流检测部，检测在所述电力变换器与所述交流旋转机之间流过的电流；以及
控制部，至少根据所述电流检测部检测出的电流，进行所述多个开关元件的导通截止控制和针对所述开闭部的开闭控制，
所述控制部具有：
故障检测部，根据所述电流检测部检测出的电流值，检测所述多个开关元件中的哪一个产生了短路故障或者仍保持导通动作状态，并输出表示检测结果的信号；
ON/OFF控制部，根据来自所述故障检测部的信号以及所述电流值，在设短路故障或者仍保持导通动作状态的相为没有连接开闭部的第1相时，使构成除该第1相以外的第2相的开关元件之一成为导通动作状态，并且输出用于打开与所述第2相连接的开闭部和与除所述第1相以及所述第2相以外的第3相连接的开闭部的信号；以及
开闭控制部，根据来自所述ON/OFF控制部的信号，在第1次打开动作中，打开与所述第3相连接的开闭部，在所述第1次打开动作之后的第2次打开动作中，打开与所述第2相连接的开闭部。
6.根据权利要求5所述的电动车的电力变换装置，其特征在于，
所述ON/OFF控制部根据所述电流值的大小，选择构成除所述第1相以外的第2相的开关元件之一。
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