CN109463034A - 具有放电功能的功率转换装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明，在具有电容器容量和放电电阻值不同的各种放电功能的功率转换装置中，不按各个装置设定异常判断值，而按相同的程序进行放电异常的检测。具有放电功能的功率转换装置包括：将所输入的交流转换为直流的变流器部；使该直流平滑的平滑电容器；将该直流转换为交流而向电动机输出的逆变器部；和在装置停止时将充电至上述平滑电容器的电荷放电的放电电路，该功率转换装置包括检测上述平滑电容器的电压的电压检测器和基于由上述电压检测器检测出的检测电压检测放电异常的放电异常检测部，上述放电异常检测部包括电压变化率检测部和异常判断部，该电压变化率监测部求取作为规定时间前后的检测电压的比率的电压变化率，该异常判断部对所求得的电压变化率与基准值进行比较来进行异常判断。

Description

具有放电功能的功率转换装置

技术领域

本发明涉及具有放电功能的功率转换装置，特别涉及其放电异常检测技术。

背景技术

在大容量的逆变器、伺服驱动器等功率转换装置中，在运转停止后，为了安全起见需要即刻将所充的电力放电。因此，设置有放电电路，不过在放电电路等出现异常的情况下等需要进行保护动作。

作为解决该问题的背景技术，在专利文献1中记载有“一种检测具备放电电路和电压传感器的系统的放电电路的故障的、放电电路故障检测装置，其中，该放电电路包括将电容器输出的直流电压转换为不同的电平的直流电压的变流器、将从变流器输出的直流电压转换为交流电压而施加于负载的逆变器、与变流器和逆变器并联设置的平滑电容器、流动来自平滑电容器的放电电流的电阻和开闭流动放电电流的电流路径的开关元件，该电压传感器检测平滑电容器的两端电压，该放电电路故障检测装置通过2个不同占空比的PWM控制分阶段进行开关元件的电流路径的开闭动作，根据低占空比的PWM控制的阶段得到的两端电压的变化率和高占空比的PWM控制的阶段得到的两端电压的变化率，检测放电电路的故障的有无。”(参照摘要)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-116097号公报

发明内容

发明要解决的课题

近年来，在大容量的逆变器和伺服驱动器中，为了进行运转循环中的削峰而在DC总线中追加大容量的电容器，或者为了节能而采用常用变流器方式，针对1个变流器部设置多个逆变器部等，DC总线上的电容器容量根据设备的不同而成为各种各样的值。此外，由于放电电阻也与电容器容量一致地选定，所以放电的情形根据设备的不同而不同，放电动作和放电电路的异常检测难以进行。

在专利文献1中记载的方法中，将为预先决定的放电电路且为预先决定的2个不同的放电动作时的平滑电容器两端电压的电压变化率与正常值进行比较而判断放电电路异常，所以在如上述那样根据设备的不同而电容器容量、放电电阻值多种多样不能统一决定的情况下，不能按每个系统分别决定正常值。而且，认为还存在由于电容器的容量发生变化而使得成为保护动作的基准的电压按预先决定的值对于装置不适合的情况。

本发明的目的在于，在具有电容器容量和放电电阻值不同的各种放电功能的功率转换装置中，不按每个装置设定异常判断值，而按相同的程序进行放电异常的检测。

用于解决课题的方法

为了解决上述问题，在本发明中，求取放电动作中的某个固定时间的DC总线的电压变化率，制作与电路时间常数相当的值，根据该值的变动检测电路的异常。

列举本发明的功率转换装置的一个例子，为一种具有放电功能的功率转换装置，其包括将所输入的交流转换为直流的变流器部、对该直流进行平滑的平滑电容器、将该直流转换为交流并将其输出到电动机的逆变器部、和在装置停止时将充电至上述平滑电容器的电荷放电的放电电路，上述功率转换装置包括：检测上述平滑电容器的电压的电压检测器；和放电异常检测部，其基于由上述电压检测器检测出的检测电压来检测放电异常，上述放电异常检测部包括：电压变化率检测部，其求取作为规定时间前后的检测电压的比率的电压变化率；和异常判断部，其将所求得的电压变化率与基准值进行比较来进行异常判断。

发明效果

根据本发明，在具有电容器容量和放电电阻值不同的各种放电功能的功率转换装置中，能够不按每个装置设定异常判断值，而按相同的程序进行放电异常的检测。此外，由于不求取电路时间常数本身，能够削减计算的成本。

附图说明

图1是本发明的实施例1的功率转换装置的概略图。

图2是表示实施例1的放电电路的等价电路的图。

图3是表示图2的放电电路的放电时的电压变化的图。

图4是表示实施例1的放电电路异常时的电压变化的图。

图5是表示实施例1的电压变化率检测部的图。

图6是表示实施例1的异常判断部的图。

图7是表示本发明的实施例2的放电电路异常时的电压变化的图。

图8是表示本发明的实施例3的异常判断部的图。

图9是本发明的实施例4的功率转换装置的概略图。

图10是表示实施例4的异常判断部的图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。此外，在用于说明实施例的各图中，相同的构件尽量使用相同的名称和符号，并省略其重复性的说明。

(实施例1)

图1是本发明的实施例1的功率转换装置的概略图。功率转换装置1内置有平滑电容器4、放电电路5、电压检测电路6、变流器部7、逆变器部8、电路控制部10，连接有外部电容器2、外部放电电阻3。图1的结构是为了削峰的而连接有外部电容器2与外部放电电阻3的结构。在上述的常用变流器方式中，也仅从逆变器部8至电动机9地多个并联连接，所以基本结构相同。此外，在图1中，在放电电路5、逆变器部8和变流器部7使用二极管或晶体管的标记，不过这只是一个例子，只要能够提供同样的功能，对种类没有要求。另外，电路控制部10控制逆变器部8的开关元件和放电电路5的开关元件13等。

首先，使用图2和图3，说明本发明的原理。

一般而言，放电时的电路在电源遮断后使动作进行，所以以图2那样的串联连接有电容器21、放电电阻22、开关23的等价电路表示。该电路的、开关23导通而充电至电容器21的电荷通过放电电阻22放电。图2的电容器21为将图1的内部电容器14与外部电容器2合并在一起而得到的电容器，放电电阻22相当于外部放电电阻3，开关23相当于放电电路5的开关元件13。

此时，在电路能够正常放电的情况下，当以t为时间时，电容器21的两端电压V(t)以V(t)＝V0·exp(-t/τ)[V]表示。

此处，

V0：t＝0时的电压

exp：自然指数函数

τ：电路时间常数，在图2的等价电路中τ＝CR

C：电容器21的静电电容

R：放电电阻22的电阻值。

接着，某个时刻t1与dt时间后的t2＝t1+dt的电容器的两端电压为

V(t1)＝V0·exp(-t1/τ)

V(t2)＝V0·exp(-t2/τ)＝V0·exp(-(t1+dt)/τ)，

dt之间的电压变化率A为A＝V(t2)/V(t1)＝exp(-dt/τ)。τ为电路时间常数，所以固定，在令dt固定时，变化率A不依赖于时刻t而固定。

因而，如图3所示那样，在放电时间中，无论dt取哪个时刻，按变化率A的比例电压均减少。

接着，考虑在电路上产生异常的情况。图4表示在放电期间中、在电路产生异常的情况下的DC电压变化的曲线图。例如在并联连接的放电电阻3中若干个放电电阻烧坏等而电阻值变大的情况下，即，在上述的计算中R变大而时间常数τ变大的情况下，当求取电压变化率B1时，相对于正常时的电压变化率A，B1＞A。在图4中为虚线(异常时(时间常数大))那样的情况。特别是在电阻器全部为开放状态故障的情况下和在电路上发生断线的情况下，DC电压成为固定的值。

相反，在放电电阻内部短路或电阻值变小的情况下，即在上述的计算中R变小而时间常数τ变小的情况下，当求取电压变化率B2时，B2＜A。在图4中为一点划线(异常时(时间常数小))那样的情况。

此外，在图2的等价电路上未表示的要素、例如设置在图1中的电源12与变流器部7之间的断路器11的动作不充分的情况下，以及尽管在功率转换装置1的动作停止后电动机9也被外力驱动而成为发电状态的情况下等，平滑电容器4也被追加充电，所以电压的变化在图4上成为从正常放电时的曲线靠近虚线(异常时(时间常数大))的曲线。利用上述的计算方法求得的电压变化率与正常时的电压变化率A相比成为不同的值。

如上所述，正常时的电压变化率A与异常时的电压变化率B1、B2成为不同的值，所以能够通过分别进行比较而进行放电电路的异常检测。

此处，取得dt的大小和电压的时刻、频度等依赖于功率转换装置或包含功率转换装置的系统的设计，所以此处并不特别限定。

此外，在上述的说明中，电压变化率A成为异常判断的基准值，不过因为电路设计上的电压检测误差和设计上的余量，即使具有一定幅度也没有问题。

基于使用图2～4说明的原理，对检测电路的放电异常的结构进行说明。在图1中，功率转换装置包括：放电异常检测部15，放电异常检测部15包括电压变化率检测部16、异常判断部17、输出部18、存储基准值的存储部19。

电压变化率检测部16例如如图5所示那样由取样部51和除法部52构成。由电压检测电路6检测出的DC总线的直流电压由取样部51按每规定时间dt取样。然后，在除法部52除以dt时间前后的直流电压的比、即dt时间后的直流电压值，由此求取电压变化率B。

异常判断部17例如如图6所示那样由上限比较部61和下限比较部62构成。由电压变化率检测部16求得的电压变化率信号B施加至上限比较部61和下限比较部62。在上限比较部61将电压变化率信号B与基准值进行比较，在电压变化率信号B超过基准值的情况下，输出异常判断信号。通过使用作为电压变化率的正常值A的α倍(此处，α＞1)的αA作为基准值，能够检测出图4的时间常数变大的异常。相反，在下限比较部62中，将电压变化率信号B与基准值进行比较，在电压变化率信号B低于基准值的情况下，输出异常判断信号。通过使用作为电压变化率的正常值A的β倍(此处，β＜1)的βA作为基准值，能够检测出图4的时间常数变小的异常。

存储部19存储基准值，供给至异常判断部17。此外，也可以随时存储由电压变化率检测部求得的电压变化率B。

输出部18基于由异常判断部17得到的异常判断信号，显示或警示异常状态。此外，也可以具备通信手段，向外部的平板终端等发送信息。

如图4所示，当在放电期间中在电路发生异常时，电压变化率在放电途中发生变化。求取放电开始时的电压变化率A，基于该值设定异常判断部17的基准值αA、βA。然后，在异常判断部17，与之后求得的电压变化率信号B依次进行比较，由此能够检测出放电期间中的电路的异常。

另外，基准值也可以根据预先求得的之前的正常的放电时的电压变化率制作。

根据本实施例，通过将正常的放电时的电压变化率作为基准值，在具有电容器容量和放电电阻值不同的各种放电功能的功率转换装置中，能够不按每个装置设定异常判断值，而按相同的程序进行放电异常的检测。此外，由于不求取电路时间常数本身，能够削减计算的成本。进一步，通过基于在放电开始时求得的电压变化率设定基准值，还能够可靠地检测一个放电期间中的异常。

(实施例2)

图7表示从放电开始前至在电路发生异常的情况下的DC电压变化的曲线图。在图1所示的功率转换装置中，例如在放电动作开始前放电电阻3的电阻值变大、或者变小的情况下，自放电动作开始时电压变化率B1、B2成为异常判断电平。实施例2是检测该电路的异常的例子。

在本实施例，在图1和图6所示的异常判断部17，作为基准值αA、βA中使用的电压变化率A使用上次放电时的正常的电压变化率。上次放电时的正常的电压变化率A存储在存储部19，发送至异常判断部17。通过使用上次放电时的正常的电压变化率A进行异常判断，能够从放电开始时进行异常判断。

(实施例3)

在图1的功率转换装置中，例如内部电容器14和外部电容器2的周围温度高于设想的情况下，如果按频繁发生加速、减速那样严苛的运转模式使用则存在上述电容器的容量由于随时间老化而逐渐下降的情况。实施例3是检测这样的故障的预兆的例子。

图8(a)表示将本实施例的异常判断部中使用的基准值，此外，图8(b)表示异常判断部中使用的基准值。在上限比较部61，使用α1A和α2A(此处，α1、α2＞1，α1＞α2)作为比较用的基准值。而且，在电压变化率信号B超过基准值α2A而在基准值α1A以下的情况下，输出故障预兆信号。此外，在电压变化率信号B超过基准值α1A的情况下，输出异常判断信号。同样，在下限比较部62，使用β1A和β2A(此处，β1、β2＜1，β1＜β2)作为比较用的基准值。而且，在电压变化率信号B低于基准值β2A而在基准值β1A以上的情况下，输出故障预兆信号。此外，在电压变化率信号B低于基准值β1A的情况下，输出异常判断信号。

因为如果电容器的容量下降则放电的时间常数变小，所以能够通过检测出电压变化率小于规定的基准值来检测出故障的预兆。此外，通过在上限比较部设置基准值α2A，能够检测出时间常数变大的故障的预兆。

根据本实施例，能够通过设置小于异常判断的判断值的判断值进行故障的预兆判断，基于故障预兆信号通知维护时期。

(实施例4)

在图1的功率转换装置中，在放电动作时电动机9被外部动力强制旋转的情况下，电动机9成为发电机，使用再生能量向平滑电容器4和外部电容器2进行充电。因此，在图4和图7的表示放电电压的图中，DC电压的变化成为异常时(时间常数大)的电压变化率B1的曲线那样。实施例4是使得能够检测出异常判断是由于外部动力而电动机成为发电机所引起的异常判断还是这以外的异常判断的例子。

图9，表示实施例4的功率转换装置的概略图，图10，表示实施例4的异常判断部17。

在本实施例中，如图9所示那样，在电动机轴连接位置检测器20，求取电动机轴角度信号D，并发送至异常判断部17。如图10(a)所示，在异常判断部17设置有转速运算部63和转速异常判断部64。由转速运算部63根据电动机轴角度信号D计算电动机转速，并发送至转速异常判断部64。在转速异常判断部64，通过对电动机转速与基准值γC和δC(此处，γ＞1，δ＜-1)进行比较，检测出电动机的旋转、即放电动作时的电动机旋转异常。图10(b)表示转速异常判断部64中使用的基准值。

在判断部65中，将由上限比较部61和下限比较部62得到的异常判断信号与于由旋转异常判断部64得到的电动机的旋转异常信号一并进行判断，由此，能够区分该异常判断是由于外部放电电阻3、平滑电容器4、外部电容器2等引起的时间常数的变化而进行的异常判断，还是电动机由于外部动力而成为发电机所引起的异常判断。

另外，在上述说明中，利用转速运算部63根据位置检测器20的电动机轴角度信号运算电动机转速，不过也可以电动机轴在连接速度检测器(测速发电机)进行测定。

根据本实施例，能够通过对放电动作时的电动机的旋转异常一并进行异常判断，区分异常判断是电动机由于外部动力而成为发电机所引起的异常判断还是由于外部放电电阻3、平滑电容器4等引起的时间常数的变化而进行的异常判断。

本发明并不限定于上述的实施例，而包括各种各样的变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须包括说明的所有结构。此外，能够将一个实施例的结构的一部分替换到另一个实施例的结构，此外，还能够在一个实施例的结构中加入另一个实施例的结构。此外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、替换。

另外，上述的各结构、功能、处理部、处理单元等的一部分或全部例如可以通过集成电路设计等而用硬件实现。另外，上述的各结构、功能等也可以通过处理器解释并执行实现各功能的程序而用软件实现。实现各功能的程序(program)、表(table)、文件等信息，可存储在存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive，固态硬盘)等记录装置中，或者IC卡、SD卡、DVD等记录介质中。

另外，控制线、信息线表示的是说明所需的部分，并没有一定表示产品上所有必须的控制线和信息线。实际上可以认为所有的结构都相互连接。

附图标记说明

1 功率转换装置

2 外部电容器

3 外部放电电阻

4 平滑电容器

5 放电电路

6 电压检测电路

7 变流器部

8 逆变器部

9 电动机

10 电路控制部

11 断路器

12 交流电源

13 开关元件

14 内部电容器

15 放电异常检测部

16 电压变化率检测部

17 异常判断部

18 输出部

19 存储部(基准值)

20 位置检测器

21 电容器

22 放电电阻

23 开关

51 取样部

52 除法部

61 上限比较部

62 下限比较部

63 转速运算部

64 转速异常判断部

65 判断部。

Claims (5)

1.一种具有放电功能的功率转换装置，其包括将所输入的交流转换为直流的变流器部、对该直流进行平滑的平滑电容器、将该直流转换为交流并将其输出到电动机的逆变器部、和在装置停止时将充电至所述平滑电容器的电荷放电的放电电路，所述功率转换装置的特征在于，包括：

检测所述平滑电容器的电压的电压检测器；和

放电异常检测部，其基于由所述电压检测器检测出的检测电压来检测放电异常，

所述放电异常检测部包括：

电压变化率检测部，其求取作为规定时间前后的检测电压的比率的电压变化率；和

异常判断部，其将所求得的电压变化率与基准值进行比较来进行异常判断。

2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于：

所述异常判断部，将在放电期间中的一定期间求得的电压变化率作为比较用的基准值，与同一放电期间中再次求得的电压变化率进行比较来进行异常判断。

3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于：

所述异常判断部，将预先求得的正常时的电压变化率作为比较用的基准值，与在放电期间中求得的电压变化率进行比较来进行异常判断。

4.如权利要求2或3所述的功率转换装置，其特征在于：

所述异常判断部还将与进行异常判断的比较用的基准值相比更接近正常值的电压变化率作为预兆判断的比较用的基准值，与在放电期间中求得的电压变化率进行比较来进行异常的预兆判断。

5.如权利要求2或3所述的功率转换装置，其特征在于：

还包括电动机的旋转检测机构，

所述异常判断部检测电动机的旋转异常，并对根据电压变化率的变化求得的异常区分其由电路的异常引起的还是由电动机的旋转引起的。