JP4252109B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置に発生した故障の形態によらず、インバータと電動機との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分を含む場合においても、故障電流を遮断して電力変換装置内の故障部位の拡大を防ぐことのできる電力変換装置を得ることを目的として、直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された交流遮断用の開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記開閉部に対する開閉制御とを行う制御部とを備える電力変換装置であって、前記制御部は、前記制御部は、前記インバータと前記交流電動機の間に直流成分が含まれる故障電流が生じた場合に、前記故障電流を電流ゼロ点が現れる状態にして遮断可能にする構成を備えている。
【選択図】図1

Description

この発明は、電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する上で好適な電力変換装置に関する。
永久磁石同期電動機(以下、特に区別を要するとき以外は単に「電動機」と記す)は、従来から各種の分野で広く使用されている誘導電動機と比較して、ロータに内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、誘導電動機のようにロータに電流が流れないので二次銅損が発生しないことなどの特徴を有し、高効率な電動機であるとして知られている。そこで、電気車でも、従来は、誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上を図るために永久磁石同期電動機の適用が検討されている。
一般に、電力変換装置と電動機が搭載された複数の車両を連結して編成を成して走行する電気車においては、走行中に一部の車両の電力変換装置に短絡故障が生じた場合においても他の健全な電力変換装置および電動機によって電気車は走行を続けることができる。この結果、故障した電力変換装置に接続された電動機は車輪側から駆動され続けるので、短絡故障を生じた電力変換装置の故障部位(短絡箇所)には電動機の誘起電圧による短絡電流が流れ続けることになる。
そのため、この状態を放置すると、短絡電流による発熱等によって電力変換装置の故障部位の損傷をさらに拡大したり、当該故障部位あるいは電動機の発熱や焼損を招来したりする虞があり好ましくない。
このようなケースへの対処として、例えば特許文献1では、電気車の走行中に永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置内のインバータが故障した場合において、電動機の誘起電圧によってインバータの損傷を拡大しないように、インバータと電動機との間の接続を電気的に切り離す開閉部である接触器を設け、制御部が、インバータの故障を検出した場合に、この接触器を開路制御してインバータと電動機とを電気的に切り離す方法が開示されている。
特開平8−182105号公報
一般に知られているように、正弦波状の交流電流は電流波形の半周期毎に電流ゼロ点が生じるので、この電流ゼロ点を利用して電流を遮断することができる。上記の特許文献1に示される接触器は、この電流ゼロ点を利用して電流を遮断する交流遮断用の接触器である。一般に交流遮断用の接触器としては、電流ゼロ点で電流を遮断する仕組みを応用した真空接触器等が挙げられる。
ところが、本発明者は、電力変換装置に発生した故障の形態によっては、電力変換装置内のインバータと電動機との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分が含まれる場合があることを知見した。このような場合には、上述したような電流ゼロ点で電流を遮断する仕組みを利用した交流遮断用の真空接触器等では電流の遮断が不可能となるので、故障電流を遮断できず、故障電流が継続して流れて、発熱等により電力変換装置の故障部位の拡大を招くという問題がある。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電力変換装置に発生した故障の形態によらず、インバータと電動機との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分を含む場合においても、故障電流の遮断を可能とし、電力変換装置内の故障部位の拡大を防ぐことのできる電力変換装置を得ることを目的とする。
上述した目的を達成するために、この発明は、オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された交流遮断用の開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、を備える電力変換装置であって、前記制御部は、前記電流検出器が検出した電流値に基づき、前記複数のスイッチング素子のいずれが短絡故障しているか、あるいは、オン動作状態のままとなっているかを判別し、判別結果を示す信号を出力する故障判定部と、前記故障判定部からの信号に応じて、前記インバータに対して制御信号を出力するゲート信号生成部とを備え、前記ート信号生成部は、前記故障判定部からの信号が、正極側に接続された上アームに属するスイッチング素子のうちのいずれかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっており、かつ、負極側に接続される下アームに属するスイッチング素子のうちのいずれかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっていることを示す場合は、全てのスイッチング素子をオン動作状態とするオン制御信号を前記インバータに対して出力することを特徴とする。
この発明によれば、電力変換装置に発生した故障の形態によらず、インバータと電動機との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分を含む場合において、前記故障電流を遮断できるので、電力変換装置内の故障部位の拡大を防ぐことができるという効果を奏する。
以下に図面を参照して、この発明にかかる電力変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する電力変換装置の構成を示すブロック図である。図1に示す実施の形態1による電力変換装置1aは、この発明に関わる基本的な構成として、インバータ10と、電流検出器11,12,13と、開閉部である接触器14aと、制御部15aとを備えている。
図1において、インバータ10の2入力端のうち、正極側入力端が正極側導体Pを介して集電装置2に接続され、負極側入力端が負極側導体Nを介して、レール3上を転動する車輪4に接続されている。この構成によって、インバータ10には、車輪4を介して集電装置2およびレール3から集電した直流電力が入力される。車輪4は、交流電動機5の回転軸と機械的に結合されている。
インバータ10としては、電圧形PWMインバータを用いるのが好適である。図2は、図1に示すインバータの構成例を示す回路図である。図2では、その電圧形PWMインバータの要部であるインバータ回路の一例が示されている。
図2に示すように、インバータ10は、例えば、所謂三相2レベルインバータ回路である。すなわち、インバータ10は、正極側導体Pに接続された正側アームの3つのスイッチング素子(U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VPおよびW相上アーム素子WP)と、負極側導体Nに接続された負側アームの3つのスイッチング素子(U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VNおよびW相下アーム素子WN)とのブリッジ回路で構成される。それぞれのスイッチング素子には、逆並列ダイオードが接続されている。そして、それぞれの相の上アーム素子と下アーム素子との接続点が三相の出力端を構成し、それぞれの出力端にU相導体U、V相導体V、W相導体Wが接続される。それぞれのスイッチング素子は、図2では、良く知られているIGBTを示してあるが、IGBT以外でも構わない。また、図2では、三相2レベルインバータ回路を示してあるが、3レベルインバータ回路等のマルチレベルインバータ回路であっても構わない。
図2では、図示を省略したが、インバータ10には、図1において制御部15aからインバータ10に出力されるゲート信号GSを受け取る駆動回路が存在する。この駆動回路は、ゲート信号GSに従ってそれぞれのスイッチング素子を個別にオンオフ制御する構成と、各スイッチング素子の動作状態を示すゲートフィードバック信号GFを制御部15aに出力する構成とを備えている。
インバータ10の三相出力端に接続されるU相導体U、V相導体V、W相導体Wは、接触器14aを介して交流電動機5に接続される。この構成によってインバータ10は、制御部15aから入力されるゲート信号GSに従ってインバータ回路の各スイッチング素子がオンオフ動作することで、入力される直流電圧を任意周波数の三相交流電圧に変換し、接触器14aを介して交流電動機5を駆動する。交流電動機5は、機械的に結合された車輪4を回転させて電気車を走行駆動する構成である。
なお、制御部15aからインバータ10に出力されるゲート信号GSは、制御部15aにおいて、図示しない外部の制御装置から入力される基本ゲート信号GCと当該電力変換装置1aの健全性とに基づき生成されるが、これについては、後述する。
電流検出器11,12,13は、インバータ10の三相出力端と接触器14aとの間におけるU相導体U、V相導体V、W相導体Wにそれぞれ設けてある。電流検出器11が検出するU相電流IUと、電流検出器12が検出するV相電流IVと、電流検出器13が検出するW相電流IWとは、それぞれ、制御部15aに入力される。なお、図1では、電流検出器は、インバータ10の三相出力電流をそれぞれ検出する構成を示してあるが、任意の二相の電流を検出する構成でもよい。電流検出器を設けてない他の一相の電流は演算で算出することができる。
インバータ10の三相出力端と交流電動機5との間に設けてある接触器14aは、この実施の形態1では、交流遮断用の接触器であり、制御部15aからの投入信号MKCがオン状態になると、投入コイルが励磁され、三相に設けられた主接点が投入されて閉路する構成である。また、投入信号MKCがオフ状態になると、投入コイルの励磁がなくなり、主接点が解放されて開路する構成である。
この接触器14aには、交流電流のゼロクロス点で電流を遮断する仕組みを応用した真空接触器を用いるのが好適である。真空接触器は、主回路の開閉を行う接点が真空バルブ中に内蔵されているので、接点への塵埃の付着がなく接触が安定しているためにメンテナンスの手間が省けること、外部へのアーク放出がないために接触器の周囲にアークスペースを設ける必要がないこと、アークシュートがないために接触器の小型軽量化が可能であることなどから、電力変換装置の小型軽量化が可能となる。
なお、制御部15aから接触器14aに出力される投入信号MKCは、制御部15aにおいて、3つの電流検出器にて検出された三相の相電流IU,IV,IWと、図示しない外部の制御装置から入力される基本接触器動作指令MKC0との基づき生成されるが、これについては、後述する。
交流電動機5の回転状態は回転検出器16にて検出され、制御部15aへ入力される。なお、回転検出器16を用いずに交流電動機5を制御する所謂センサレス制御方式も実用化されている。このセンサレス制御方式を採用する場合には、回転検出器16は不要となる。そして、接触器14aの入力段あるいは出力段に電圧検出器を設けて、インバータ10の出力電圧あるいは交流電動機5の端子電圧を検出して制御部15aに入力する構成としてもよい。
交流電動機5としては、この実施の形態では、上述したように永久磁石同期電動機を想定するが、例えば、誘導電動機のロータに永久磁石を埋め込んだ形態の電動機が存在するので、そのようなロータに永久磁石を内蔵する電動機であれば永久磁石同期電動機以外でもこの発明は適用できる。
さて、前述したように、本発明者は、電力変換装置1aに発生した故障の形態によっては、電力変換装置1a内のインバータ10と電動機5との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分が含まれる場合のあることを知見した。制御部15aは、電流検出器11,12,13で検出された三相電流IU,IV,IWと、インバータ10へのゲート信号GSと、インバータ10からのゲートフィードバック信号GFと、図示しない外部の制御装置からの基本ゲート信号GCおよび基本接触器動作指令MKC0とに基づき、そのような電流ゼロ点を生じない故障電流でも交流遮断用の接触器14aが開路動作を行えるようにする構成を備えている。
ここでは、理解を容易にするため、まず、継続的な電流ゼロ点が生じない故障電流の発生態様を具体的に説明し、その後、制御部15aの構成と動作を詳細に説明する。
継続的な電流ゼロ点が生じない故障電流の発生態様としては、正極側導体Pに接続された3つの正側アーム素子(U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VPおよびW相上アーム素子WP)と、負極側導体Nに接続された3つの負側アーム素子(U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VNおよびW相下アーム素子WN)との6つのスイッチング素子のうちの任意の1つが、短絡故障、あるいは、スイッチング素子やその駆動回路(図示せず)の故障によって、オン動作状態のままとなった場合が挙げられる。
例えば、電力変換装置1aが運転中で、交流電動機5が回転している状態において、U相上アーム素子UPが短絡故障を起こし、残りのスイッチング素子(VP,WP,UN,VN,WN)は図示しない故障検出機能が働いて、全てオフ動作状態となった場合を例として説明する。この場合には、短絡故障してオン動作状態のままとなっているU相上アーム素子UPと、残りのスイッチング素子(VP,WP,UN,VN,WN)に接続されている逆並列ダイオードとを通して、交流電動機5とインバータ10との間で故障電流が流れる。そのときの各相の故障電流の波形は、例えば図3に示すようになる。
図3は、故障時の電流波形の一例を示す波形図である。図3において、時間50ms以前は、インバータ10の全てのスイッチング素子が健全状態にあり、交流電動機5が正常運転中の電流波形を示している。時間50ms以降は、時間50msの時点にて、交流電動機5が回転している状態において、U相上アーム素子UPが短絡故障を起こし、残りのスイッチング素子(VP,WP,UN,VN,WN)が全てオフ動作状態にある故障運転中の電流波形を示している。
図3に示すように、三相の故障電流IU、IV、IWのうち、U相電流IUが正側にオフセットし、電流ゼロ点が存在しなくなる。この故障電流は、上記したように、故障箇所以外のスイッチング素子をオフ動作状態にした場合においても、交流電動機5が回転している限り発生し続けるので、故障電流によって電力変換装置1aを損傷することになる。そのため、接触器14aにて遮断しなければならないが、U相電流IUには電流ゼロ点が存在しないので、交流遮断用の接触器14aに開路動作指示を出力しても、接触器14aは、U相の電流IUの遮断ができず、接触器14aの主接点間には、アークが継続して発生する。そのアークによる発熱、主接点間の耐電圧特性の低下によって接触器14aを破損させる可能性があるので、電力変換装置1aの損傷を回避することができない。これがこの発明が解決しようとする課題である。
図3では、U相上アーム素子UPが短絡故障を起こし、他の素子(VP,WP,UN,VN,WN)が全てオフ動作状態にある場合に、U相電流IUが正側にオフセットして電流ゼロ点が存在しなくなる波形を示してあるが、反対側のU相下アーム素子UNが短絡故障を起こし、他の素子が全てオフ動作状態にある場合は、逆にU相電流IUが負側にオフセットして電流ゼロ点が存在しなくなる波形となる。このことは、他の相のアームが短絡故障した場合においても同様に考えることができる。
つまり、本発明者が知見した内容は、短絡故障あるいはオン動作状態のままになっている素子が存在している相の電流が、故障アーム側の極性にオフセットして電流ゼロ点が存在しなくなる現象が起こることである。制御部15aは、この知見に基づきに構成してある。
次に、制御部15aの構成と動作について説明する。図4は、図1に示す制御部15aの構成例を示すブロック図である。図4に示すように、制御部15aは、故障判定部20と、ゲート信号生成部30と、接触器制御部40とを備えている。
故障判定部20には、検出された三相電流IU、IV、IWと、インバータ10内の図示しない駆動回路で生成されたそれぞれのスイッチング素子の動作状態を示すゲートフィードバック信号GFと、ゲート信号生成部30がインバータ10内の図示しない駆動回路へ出力するゲート信号GSとが入力される。
故障判定部20は、例えば図5に示す構成によって、これらの入力から、U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VP、W相上アーム素子WP、U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VNおよびW相下アーム素子WNの6つのスイッチング素子のうち、短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっている素子を判別し、その判別結果FDをゲート信号生成部30へ出力する。
ゲート信号生成部30には、故障判定部20からの判別結果FDの他に、図示しない外部の制御装置から基本ゲート信号GCが入力される。この基本ゲート信号GCは、インバータ10の6つのスイッチング素子のオンオフ状態を指定する信号である。図示しない外部の制御装置は、電気車の加速時や減速時に必要な交流電動機5のトルクあるいは回転数を得るために、この基本ゲート信号GCをベクトル制御等の手法によって生成する。
ゲート信号生成部30は、故障判定部20から判別結果FDが入力されない場合、つまりインバータ10が正常であるとの判定である場合は、基本ゲート信号GCと同一の信号をゲート信号GSとして出力する。一方、ゲート信号生成部30は、故障判定部20から判別結果FDが入力された場合は、後述するように、3つの論理(論理1〜論理3)を適用して、インバータ10の6つのスイッチング素子のそれぞれをオンオフ制御するゲート信号GSを生成して出力する。
接触器制御部40には、検出された三相電流IU、IV、IWと、図示しない外部の制御装置からの基本接触器動作指令MKC0とが入力される。基本接触器動作指令MKC0は、交流電動機5の運転中ではオン状態になって接触器14aに閉路動作を指示し、交流電動機5の運転を停止する場合やインバータ10に故障が生じた場合等においてオフ状態になって接触器14aに開路動作を指示する2値のレベル信号である。
接触器制御部40は、インバータ10が正常である通常状態では、基本接触器動作指令MKC0のオンオフと同期して投入指令MKCをオンオフするが、インバータ10の故障時では、基本接触器動作指令MKC0がオフになっても、後述するように、各相の電流ゼロ点の生成が完了した条件で投入指令MKCをオフする構成を有する。
以下、各部の動作を具体的に説明する。まず、図5を参照して、故障判定部20が行う短絡故障あるいはオン動作状態のままになっている素子の判別方法を説明する。なお、図5は、図4に示す故障判定部20の構成例を示すブロック図である。
図5に示すように、故障判定部20は、検出された三相電流IU、IV、IWのそれぞれに対する処理回路29a,29b,29cと、ゲートフィードバック信号GFとゲート信号GSとが入力される比較器27と、判断部28とを備えている。処理回路29a,29b,29cは、それぞれ同様の構成であって、処理回路29aに示すように、電流ゼロ点検出部21、発振器22、カウンタ23、比較器24、平均処理部25及び極性判別部26を備えている。
検出されたU相電流IUに対する処理回路29aでは、次のような動作が行われる。検出されたU相電流IUは、電流ゼロ点検出部21と平均処理部25とに入力される。
電流ゼロ点検出部21では、検出されたU相電流IUをゼロラインと比較し、U相電流IUがゼロクロスしたのを検出した場合に、カウンタ23に対してカウンタリセット信号RSTを出力する。カウンタ23は、発振器22からの一定周期の発振信号をカウントアップしたカウント値CNTを出力するが、電流ゼロ点検出部21からカウンタリセット信号RSTが入力されると、カウント値CNTはゼロなどの初期値にリセットされる構成である。
つまり、検出されたU相電流IUにゼロ点が生じない期間は、カウンタリセット信号RSTが出力されず、カウンタ23のカウント値CNTが増加してゆくことになる。比較器24は、このカウント値CNTと、外部から設定されたセット値SETとを比較して、CNT>SETの場合、設定時間よりも長い間電流のゼロ点が生じていないものと認識し、判断部28に電流ゼロ点不検出信号NZUを出力する。
なお、交流電動機5の回転数が減少すると、それに伴って電流の基本波周波数が減少して周期が長くなるので、電流のゼロクロス毎の時間間隔が長くなる。セット値SETは当然ながら、交流電動機5の回転周波数あるいは交流電動機5の駆動電流の基本波周波数に応じて変化させるか、交流電動機5がごく低速で運転している場合は判断部28が出力する判別結果FDをマスクする等の工夫を施して、判別結果FDがゲート信号生成部30へ誤出力されるのを回避するのが好ましい。
また、平均処理部25では、検出されたU相電流IUの数サイクル毎の平均処理をし、その処理結果値を出力信号AVEとして極性判別部26に出力する。通常では、U相電流IUは正負対称でゼロクロスする交流電流であるため、平均処理部25の出力信号AVEはゼロである。一方、U相電流IUが電流ゼロ点を有しない場合は、その平均値は正値側あるいは負値側にシフトしている。極性判別部26では、入力された信号AVEの正負極性を判別し、その結果を極性信号PLUとして判断部28に出力する。
検出されたV相電流IV、W相電流IWについても、対応する処理回路29b,29cにおいて同様の処理が行われる。したがって、判断部28には、各相の電流ゼロ点不検出信号NZU、NZV、NZWと、極性信号PLU、PLV、PLWとが入力される。
判断部28は、これらの信号に基づいて、U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VP、W相上アーム素子WP、U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VNおよびW相下アーム素子WNの6つのスイッチング素子のうち、短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっている素子を次のようにして判別し、それを判別結果FDとしてゲート信号生成部30に出力する構成である。
前記したように、短絡故障あるいはオン動作状態のままになっている素子が存在している相の電流には、故障アーム側の極性にオフセットして電流ゼロ点が存在しなくなる現象が起こるので、判断部28は、この現象を利用して故障素子の判別を行う。
すなわち、判断部28は、検出された相電流IU、IV、IWのうち、オフセットして電流ゼロ点が生じていない相を、各相の電流ゼロ点不検出信号NZU、NZV、NZWを用いて判別する。同時に極性信号PLU、PLV、PLWを用いて、当該相のオフセット方向(極性)が正側であるか、負側であるかを判別する。例えば、電流ゼロ点不検出信号NZUがアクティブであり、かつ極性信号PLUが正の場合は、U相上アーム素子UPが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっている素子であると判断して、その情報を判別結果FDとして出力する。
そして、図5に示してあるように、判断部28には、ゲート信号GSとゲートフィードバック信号GFとの一致不一致を検出する比較器27から、不一致である場合に不一致検出信号FOが入力される。この処理は、必ずしも必要ではないが、上記した検出された相電流IU、IV、IWを用いた故障判別処理ができない等の不測事由が発生する場合に備えて設けてある。比較器27を設ける場合は、判断部28では、論理和を取って判別結果FDを出力することになる。
通常の運転状態で、インバータ10に内蔵された各スイッチング素子が健全である場合には、各スイッチング素子はゲート信号GSに同期してオンオフ動作するので、そのオンオフ動作のフィードバック信号であるゲートフィードバック信号GFはゲート信号GSと一致する。このため、比較器27から不一致検出信号FOは出力されない。しかし、各スイッチング素子近傍に設置された駆動回路等に故障が発生した場合などで、特定のスイッチング素子がゲート信号GSによらずにオン動作状態のままとなった場合、当該素子からのゲートフィードバック信号GFはゲート信号GSによらずにオンのままとなるので、比較器27から不一致検出信号FOが出力される。図5の構成とすることで、このような事象を判別して、判別結果FDに含めることが可能となる。
次に、ゲート信号生成部30が、判別結果FDが入力された場合に、3つの論理(論理1〜論理3)を適用して、インバータ10の6つのスイッチング素子のそれぞれをオンオフ制御するゲート信号GSを生成して出力する動作について説明する。
<論理1>
判別結果FDが、U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VP、W相上アーム素子WPのうち何れかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっていることを示している場合は、ゲート信号生成部30は、上アーム素子であるU相上アーム素子UP、V相上アーム素子VP、W相上アーム素子WPを全てオン動作状態にし、残りの下アーム素子をオフ動作状態にするゲート信号GSを出力する。
<論理2>
判別結果FDが、U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VN、W相下アーム素子WNのうち何れかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっていることを示している場合は、ゲート信号生成部30は、下アーム素子であるU相下アーム素子UN、V相下アーム素子VN、W相下アーム素子WNを全てオン動作状態にし、残りの上アーム素子をオフ動作状態にするゲート信号GSを出力する。
<論理3>
判別結果FDが、U相上アーム素子UP、V相上アーム素子VP、W相上アーム素子WPのうち何れかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっていて、かつ、U相下アーム素子UN、V相下アーム素子VN、W相下アーム素子WNのうち何れかが短絡故障あるいはオンのままとなっていることを示している場合は、ゲート信号生成部30は、全てのスイッチング素子をオン動作状態にするゲート信号GSを出力する。
なお、論理3のケースでは、全スイッチング素子がオン動作すると、インバータ10の正極側導体Pと負極側導体Nの間に接続されている図示しないコンデンサの端子間を短絡することになり、コンデンサに蓄積された電荷がスイッチング素子を経由して急速に放電される。これによって放電に伴う過大電流でスイッチング素子を破損する可能性がある。そのため、インバータ10の直流入力側に並列に接続されたコンデンサ(図示せず)を放電回路(図示せず)によって放電し、集電装置2とインバータ10との間に設けた遮断器(図示せず)を開路状態にしておくことが必要である。なお、交流電動機5からの短絡電流は、上述したように、通常使用時の電流と同等かそれ以下であるため、スイッチング素子を破損することはない。
ゲート信号生成部30が以上のように判別結果FDに基づきゲート信号を生成することで、その後に流れる三相の故障電流を対称化することが可能となり、故障電流に電流ゼロ点を生じさせることができる。
接触器制御部40は、インバータ10に故障が発生すると、図示しない外部の制御装置からオフになった基本接触器動作指令MKC0が入力するが、その時点では、検出された三相の電流IU,IV,IWは電流ゼロ点を有しないので、投入信号MKCをオフにせずに、ゲート信号生成部30が、上記のように論理1〜3に従ってゲート信号GSを生成した後に検出された三相の電流IU,IV,IWを受けて、それらに電流ゼロ点が生じたことを確認した後に、投入信号MKCをオフにする。
これによって、接触器14aでは、投入コイルの励磁を解除し主接点を解放することで通常通り電流ゼロ点を頼りに、インバータ10と交流電動機5との間を流れる故障電流が遮断される。なお、この接触器制御部40の機能は、接触器14a側に設けることが可能である。この場合には、制御部15aは、図示しない外部の制御装置から入力される基本接触器動作指令MKC0をそのまま接触器14aに出力する構成となる。
このように、実施の形態1によれば、インバータと交流電動機との間を流れる故障電流が継続的な電流ゼロ点を生じておらず直流成分を含む場合でも、その継続的な電流ゼロ点を生じていない故障電流を対称化して電流ゼロ点を生じさせることができるので、交流遮断用の接触器を用いての故障電流の遮断が可能となる。したがって、継続的な電流ゼロ点を生じていない故障電流が流れるような故障が発生しても、故障部位の拡大を防ぐことができる。
そして、交流遮断用の接触器である真空接触器の使用が可能になるので、電力変換装置を小型軽量で構成することが可能となり、メンテナンス性を向上させることができる。
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2による電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する電力変換装置の構成を示すブロック図である。なお、図6では、図1(実施の形態1)に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態2に関わる部分を中心に説明する。
図6に示すように、実施の形態2による電力変換装置1bは、図1(実施の形態1)に示した構成において、接触器14aに代えて接触器14bが設けられ、制御部15aに代えて制御部15bが設けられている。
実施の形態1では、インバータ10が内蔵する6つのスイッチング素子のうちの一つのスイッチング素子が短絡故障あるいはオン動作状態のままとなったケースを想定したが、この実施の形態2では、複数のスイッチング素子で故障が発生した場合を想定する。
例えば、U相上アーム素子UPが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなった状態で、V相上アーム素子VPとW相上アーム素子WPが破損等によってオン動作できない場合である。
この場合は、実施の形態1にて示した<論理1>によるゲート信号GSを出力しても、V相上アーム素子VPとW相上アーム素子WPがオン動作できない。このため、電流ゼロ点を生成することができず、交流遮断用の接触器14aでは故障電流の遮断が不可能となる。
そこで、この実施の形態2では、交流遮断用の接触器14aに代えて、直流成分を遮断可能な接触器14bを設けてある。直流成分を遮断可能な接触器14bは、電流ゼロ点で電流を遮断する仕組みではなく、電流が存在する状態で接点を開き、接点間に生じるアークを引き伸ばしてアーク電圧を増加することで故障電流を減流して故障電流の遮断を行う構成である。
直流成分を遮断可能な接触器14bは、その原理上、アークを外部へ放出するためのアークシュートが存在するので、比較的大型化すると同時に、接触器14bの周囲にアーク飛散を考慮した余裕スペースを設ける必要がある。また、接点は、開放部分に設けられているために塵埃の進入があり、定期的なメンテナンスが必要となる。このため、電力変換装置の小型軽量化が図れない、メンテナンス性が良くないといったマイナス面はあるが、図示しない外部の制御装置から入力される基本接触器動作指令MKC0によって、故障電流を遮断することができる。
したがって、制御部15aに代えた制御部15bには、図示しない外部の制御装置から基本ゲート信号GCと基本接触器動作指令MKC0とが実施の形態1と同様に入力されるが、制御部15bは、その入力される、基本ゲート信号GCをゲート信号GSとしてインバータ10に出力する機能と、基本接触器動作指令MKCを投入信号MKCとして接触器14bに出力する機能とを有するだけでのシンプルな構成とすることができる。
このように、実施の形態2によれば、複数素子の故障に備えて直流成分を遮断できる接触器を設けて電力変換装置の故障部位の拡大を防ぐ場合は、制御部の小型・低コスト化、高信頼化が図れる。
なお、交流電動機5とインバータ10とを切り離す手段としては、接触器14a,14bの代わりにヒューズを設けることが考えられるが、この発明が対象としている電気車の電力変換装置では、次のような理由から、接触器14a,14bの機能をヒューズでは代用できない。
まず、ヒューズはよく知られているように、通常時においては回路を遮断することはできず、かつ一度溶断すると再投入が不可能となる。この発明が対象としている電気車の電力変換装置では、実施の形態1あるいは2で述べたインバータ10の故障時以外の通常状態においても交流電動機5とインバータ10とを切り離す必要があり、また再接続する必要がある。
例えば、この発明が対象としている電気車の電力変換装置の場合、架線電圧の過電圧等の外乱が生じて集電装置2から受電する電圧が過電圧となった場合に、保護動作としてインバータ10の入力側に存在する図示しないコンデンサを放電抵抗経由で放電させる場合がある。
この場合には、インバータ10の入力電圧よりも交流電動機5の誘起電圧の方が高くなることから、交流電動機5からインバータ10の入力側のコンデンサ、あるいは放電抵抗に電流が流れて交流電動機5にブレーキトルクを生じさせる不都合が生じたり、放電抵抗を焼損したりする可能性がある。この現象を回避するために交流電動機5とインバータ10とを切り離す必要がある。そして、上記過電圧状態が解消した後は、交流電動機5とインバータ10とを再び接続して交流電動機5を駆動する必要がある。したがって、接触器14a,14bの機能をヒューズでは代用できない。
また、インバータ10の故障時に発生する短絡電流は、通常時の電流と同等かそれ以下であるので、通常時に溶断せずに、短絡時にのみ溶断するヒューズは存在しないことからも、接触器14a,14bの機能をヒューズでは代用できない。
以上の実施の形態1,2に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
加えて、本明細書では、電気車に搭載の電力変換装置への適用を考慮して発明内容を説明しているが、適用分野は電気車に限られるものではなく、電気自動車等の関連分野への応用が可能であることも言うまでもない。
以上のように、この発明にかかる電力変換装置は、電力変換装置に発生した故障の形態によらず、インバータと電動機との間を流れる故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない直流成分を含む場合においても、故障電流を遮断して電力変換装置内の故障部位の拡大を防ぐのに有用であり、特に、電気車に搭載した電動機が永久磁石同期電動機である場合に適している。
図1は、この発明の実施の形態1による電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図2は、図1に示すインバータの構成例を示す回路図である。 図3は、故障電流に継続的な電流ゼロ点が生じない故障の一例とその時の電流波形を示す波形図である。 図4は、図1に示す制御部の構成例を示すブロック図である。 図5は、図4に示す故障判定部の構成例を示すブロック図である。 図6は、この発明の実施の形態2による電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する電力変換装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
1a,1b 電力変換装置
2 集電装置
3 レール
4 車輪
5 永久磁石同期電動機を含む交流電動機
10 インバータ
11,12,13 電流検出器
14a 交流遮断用の接触器
14b 直流電流を遮断可能な接触器
15a,15b 制御部
16 回転検出器
20 故障判定部
21 電流ゼロ点検出部
22 発振器
23 カウンタ
24 比較器
25 平均処理部
26 極性判別部
27 比較器
28 判断部
29a,29b,29c 処理回路
30 ゲート信号生成部
40 接触器制御部
P 正極側導体
N 負極側導体
U U相導体
V V相導体
W W相導体
UP U相上アーム素子
VP V相上アーム素子
WP W相上アーム素子
UN U相下アーム素子
VN V相下アーム素子
WN W相下アーム素子

Claims (4)

  1. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された交流遮断用の開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、を備える電力変換装置であって、
    前記制御部は、
    前記電流検出器が検出した電流値に基づき、前記複数のスイッチング素子のいずれが短絡故障しているか、あるいは、オン動作状態のままとなっているかを判別し、判別結果を示す信号を出力する故障判定部と、前記故障判定部からの信号に応じて、前記インバータに対して制御信号を出力するゲート信号生成部とを備え、
    前記ゲート信号生成部は、前記故障判定部からの信号が、正極側に接続された上アームに属するスイッチング素子のうちのいずれかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっており、かつ、負極側に接続される下アームに属するスイッチング素子のうちのいずれかが短絡故障あるいはオン動作状態のままとなっていることを示す場合は、全てのスイッチング素子をオン動作状態とするオン制御信号を前記インバータに対して出力する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された交流遮断用の開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、を備える電力変換装置であって、
    前記制御部は、
    前記インバータと前記交流電動機の間に直流成分が含まれる故障電流が生じた場合に、前記故障電流を、電流ゼロ点が現れる状態にして遮断可能にする構成を備え、前記電流検出器が検出した電流値に基づいて前記故障電流に電流ゼロ点が生じた状態を確認できた後に、前記開閉部に対して開路指示を出力することを特徴とする電力変換装置。
  3. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された交流遮断用の開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、を備える電力変換装置であって、
    前記制御部は、前記インバータと前記交流電動機の間に直流成分が含まれる故障電流が生じた場合に、前記故障電流を、電流ゼロ点が現れる状態にして遮断可能にする構成を備え、
    前記開閉部は、前記電流検出器が検出した電流値に基づいて前記故障電流に電流ゼロ点が生じた状態を確認できた後に、開路動作を行うことを特徴とする電力変換装置。
  4. 前記制御部は、
    前記インバータと前記交流電動機との間に直流成分が含まれる故障電流が生じた場合、前記故障電流に電流ゼロ点が生じるように前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子をオンオフ制御する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の電力変換装置。
JP2008532530A 2008-01-10 電力変換装置 Active JP4252109B1 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8779706B2 (en) 2010-09-17 2014-07-15 Denso Corporation Control apparatus for rotary electric machines

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