JP4798541B2

JP4798541B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4798541B2
Application number: JP2005328266A
Authority: JP
Inventors: 勝志寺園
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: JP2007135363A

Description

本発明は、ダイオードと直列接続された単数のスイッチング素子からなる制動回路を備えた電力変換装置に関し、特に制動回路の故障および、制動抵抗の異常過熱を検出する故障検出回路を備えた電力変換装置に関する。

一般に電力変換装置では、発電制動および回生制動時にモータより返流されるエネルギーを吸収するために制動抵抗を備えている。この制動抵抗へ電流を流す制動回路のスイッチング素子が、何らかの理由で短絡故障した場合には、制動抵抗に異常な発熱を招く。最悪の場合、制動抵抗が焼損してしまうと同時に、周辺の部品へも二次的な損傷をおよぼす恐れがあった。そのため、制動回路のスイッチング素子故障を検出する回路が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来技術を示す故障検出回路を備えた電力変換装置のブロック図である。
図４において、１は交流電源、２は交流電源１を整流して直流に変換する整流回路、３は整流された直流電圧を平滑する平滑回路、４はスイッチング素子からなる制動回路、５は制動抵抗、６はそれぞれ帰還ダイオードが並列接続された複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる直流を任意の周波数に変換する逆変換回路、７は逆変換回路６の故障検出または制御に利用している平滑回路３と逆変換回路６間に接続して直流電流を検出する直流電流検出回路、８は制動回路４のスイッチング素子と制動抵抗５との接続点に高耐圧ダイオード(不図示)のカソード側を接続しかつそのアノード側を低電圧電源プラス側に接続し前記高耐圧ダイオードに流れる電流の有無を利用して制動回路４のスイッチング素子の故障を検出しその故障検出をフォトカプラ(不図示)で絶縁した検出信号を出力する検出回路、９は制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４の有無と検出回路８の検出信号の有無との論理組み合わせにより制動回路４のスイッチング素子の故障を判断する故障判断論理回路、１０は電力変換装置、１１はモータである。また、Ｓ４は制動回路４のスイッチング素子を駆動する制御信号、Ｓ８は故障判断論理回路９の出力信号である。
以下、図４を用いて従来技術の電力変換装置における故障検出回路の動作を説明する。
制動回路４のスイッチング素子と制動抵抗５との接続点に高耐圧ダイオードのカソード側を接続しかつそのアノード側を低電圧電源プラス側に接続し、前記高耐圧ダイオードに流れる電流の有無を利用して制動回路４のスイッチング素子の故障を検出し、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４の有無と故障検出回路８の検出信号の有無との論理組み合わせにより、制動回路４のスイッチング素子の故障を判断している。

このように、従来の電力変換装置の制動回路の故障検出回路は、制動回路のスイッチング素子と制動抵抗との接続点に高耐圧ダイオードのカソード側を接続し、かつアノード側をプラス側電源に接続し、高耐圧ダイオードに流れる電流の有無を検出するフォトカプラを設け、その出力信号と制動回路のスイッチング素子のゲート信号との論理構成で故障と判定している。
特開２００２−１９１１７８号公報（第１−３図）

しかしながら、従来の電力変換装置における制動回路の故障検出回路は、検出信号を得るための高耐圧ダイオードやフォトカプラなどを別途必要とするため、検出回路のコストアップ及び実装面積が増大するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制動回路の故障および、制動抵抗の異常過熱を検出する故障検出回路を、コストアップすることなく、また実装面積を増大することなく備えることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、交流電源を整流して直流に変換する整流回路と、前記整流回路により整流された直流電圧を平滑する平滑回路と、ダイオードと直列接続された単数のスイッチング素子からなる制動回路と、前記ダイオードの両端に並列接続された制動抵抗と、それぞれ帰還ダイオードが並列接続された複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる直流を任意の周波数に変換する逆変換回路と、前記平滑回路と前記逆変換回路間に接続して直流電流を検出して信号を出力する直流電流検出回路と、を備えた電力変換装置において、前記制動回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、前記逆変換回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、前記直流電流検出回路の前記出力信号の有無に基づいて前記制動回路の故障を検出する故障検出回路を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記制動回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、前記逆変換回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、前記直流電流検出回路の前記出力信号の有無に基づいて前記制動抵抗の異常過熱を検出する故障検出回路を備えたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、故障検出回路は、制動回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、逆変換回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、直流電流検出回路の出力信号の有無に基づいて、すなわち既存の信号の論理構成に基づいて制動回路の故障検出をおこなうようにしているので、新規に検出部を設ける必要が無い。従って、コストアップすることなく、また実装面積を増大することなく制動回路の故障検出をおこなう故障検出回路を電力変換装置に備えることができる。

また、請求項２に記載の発明によると、故障検出回路は、制動回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、逆変換回路のスイッチング素子を駆動する制御信号の有無、直流電流検出回路の出力信号の有無に基づいて、すなわち既存の信号の論理構成に基づいて、制動抵抗の異常過熱を検出するようにしているので、新規に検出部を設ける必要が無い。従って、コストアップすることなく、また実装面積を増大することなく制動抵抗の異常過熱を検出する故障検出回路を電力変換装置に備えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明を示す故障検出回路を備えた電力変換装置のブロック図である。
図１において、１は交流電源、２は交流電源を整流して直流に変換する整流回路、３は整流された直流電圧を平滑する平滑回路、４はスイッチング素子からなる制動回路、５は制動抵抗、６はそれぞれ帰還ダイオードが並列接続された複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる直流を任意の周波数に変換する逆変換回路、７は逆変換回路の故障検出または制御に利用している平滑回路と逆変換回路間に接続して直流電流を検出する直流電流検出回路、１２は前記制動回路のスイッチング素子の有無と前記逆変換回路のスイッチング素子の制御信号の有無と前記直流電流検出回路の検出信号より前記制動回路のスイッチング素子の故障を検出する故障検出回路、１０は電力変換装置、１１はモータである。また、Ｓ２は直流電流検出回路７の検出信号、Ｓ４は制動回路４のスイッチング素子を駆動する制御信号（以降、制動回路４のスイッチング素子の制御信号と略す）、Ｓ５は逆変換回路６のスイッチング素子のいずれかを駆動する制御信号（以降、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号と略す）、Ｓ７は故障検出回路１２の出力信号である。
本発明が、従来技術である図４の電力変換装置と相違する点は以下のとおりである。
すなわち、本発明の電力変換装置における故障検出回路１２は、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４の有無、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５の有無、および直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２の有無に基づいて故障を検出するようにしている点である。

図２は、本発明の電力変換装置における故障検出回路を示すブロック図である。
図２において、１３はゼロ電流基準レベル生成回路、１６はゼロ電流基準信号と直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２との比較器、２０は制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５が入力されたＯＲ回路、２２は比較器１６と制御信号Ｓ４と制御信号Ｓ５のＯＲ信号が入力された排他的論理和回路である。また、Ｓ１はゼロ電流基準信号、Ｓ３は比較器１６の出力信号、Ｓ６は制御信号Ｓ４と制御信号Ｓ５のＯＲ信号である。なお、図１と同じ説明符号のものは図１と同じ構成要素または信号を示しているものとし、その説明は省略する。
以下、本発明の電力変換装置における故障検出回路１２の構成について図２を用いて説明する。
直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２とゼロ電流基準レベル生成回路１３が生成したゼロ電流基準信号Ｓ１とを比較器１６に入力し、直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２の有無を検出する。また、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５と制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４とをＯＲ回路２０に入力し、制御信号Ｓ４、Ｓ５の有無を検出する。比較器１６の出力信号Ｓ３と制御信号Ｓ４、Ｓ５のＯＲ信号Ｓ６とを排他的論理和回路２２に入力し、故障検出回路の有無を検出し、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７として出力する。

図３は、本発明の電力変換装置における故障検出回路に係る真理値表であり、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５と故障検出回路１２の出力信号Ｓ７との真理値表である。図３において、０は「無」を、１は「有」を示しているものとする。
以下、図３の真理値表を元に、図２に示した故障検出回路１２の動作について説明する。
制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「無」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「無」の場合、直流電流は流れないので比較器１６の出力信号Ｓ３「無」となり、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７は「無」となる。すなわち、正常である。
また、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「有」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「無」の場合、制動回路４に直流電流が流れるので比較器１６の出力信号Ｓ３「有」となり、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７は「無」となる。すなわち、正常である。
また、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「無」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「有」の場合、逆変換回路６に直流電流が流れるので比較器１６の出力信号Ｓ３「有」となり、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７は「無」となる。すなわち、正常である。
また、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「有」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「有」の場合、制動回路４と逆変換回路６とに直流電流が流れるので比較器１６の出力信号Ｓ３「有」となり、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７は「無」となる。すなわち、正常である。
もし、制動回路４のスイッチング素子がショート、すなわち短絡故障を起こしたとすると、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「無」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「無」の場合、制動抵抗５が異常過熱する直流電流が常時流れて比較器１６の出力信号「有」となり、故障検出回路１２の出力信号はＳ７「有」となり異常を検出することが出来る。
また、もし、制動回路４のスイッチング素子がオープン、すなわち開放故障を起こしたとすると、制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４「有」と逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５「無」の場合、直流電流が流れないので比較器１６の出力信号Ｓ３「無」となり、故障検出回路１２の出力信号Ｓ７は「有」となり異常を検出することが出来る。

以上述べたように、本発明の電力変換装置における故障検出回路１２は、既存の信号である制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４の有無、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５の有無、直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２の有無に基づいた論理構成、すなわち、
１．制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４が「無」、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５が「無」、直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２「有」のとき、
２．制動回路４のスイッチング素子の制御信号Ｓ４が「有」、逆変換回路６のスイッチング素子の制御信号Ｓ５が「無」、直流電流検出回路７の検出信号Ｓ２「無」のとき、
に制動回路４のスイッチング素子の故障を検出するようにしているので、新規の検出部を必要とせず、制動回路４の故障および制動抵抗５の異常過熱を検出する故障検出回路１２をコストアップすることなく、また実装面積を増大することなく備えることができるのである。

本発明は、ダイオードと直列接続された単数のスイッチング素子からなる制動回路を備えたインバータ装置やサーボ装置などに広く適用が可能である。

本発明を示す故障検出回路を備えた電力変換装置のブロック図本発明の電力変換装置における故障検出回路を示すブロック図本発明の電力変換装置における故障検出回路に係る真理値表従来技術を示す故障検出回路を備えた電力変換装置のブロック図

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３平滑回路
４制動回路
５制動抵抗
６逆変換回路
７直流電流検出回路
８、１２故障検出回路
９故障判断論理回路
１０電力変換装置
１１モータ
１３ゼロ電流基準レベル生成回路
１６比較器
２０ＯＲ回路
２２排他的論理和回路
Ｓ１ゼロ電流基準信号
Ｓ２直流電流検出回路の検出信号
Ｓ３比較器の出力信号
Ｓ４制動回路のスイッチング素子を駆動する制御信号
Ｓ５逆変換回路のスイッチング素子のいずれかを駆動する制御信号
Ｓ６制御信号のＯＲ信号
Ｓ７故障検出回路の出力信号
Ｓ８故障判断論理回路の出力信号

Claims

交流電源（１）を整流して直流に変換する整流回路（２）と、
前記整流回路（２）により整流された直流電圧を平滑する平滑回路（３）と、
ダイオードと直列接続された単数のスイッチング素子からなる制動回路（４）と、
前記ダイオードの両端に並列接続された制動抵抗（５）と、
それぞれ帰還ダイオードが並列接続された複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる直流を任意の周波数に変換する逆変換回路（６）と、
前記平滑回路（３）と前記逆変換回路（６）間に接続して直流電流を検出して信号（Ｓ２）を出力する直流電流検出回路（７）と、
を備えた電力変換装置において、
前記制動回路（４）のスイッチング素子を駆動する制御信号（Ｓ４）の有無、前記逆変換回路（６）のスイッチング素子を駆動する制御信号（Ｓ５）の有無、前記直流電流検出回路（７）の前記出力信号（Ｓ２）の有無に基づいて前記制動回路（４）の故障を検出する故障検出回路（１２）を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記制動回路（４）のスイッチング素子を駆動する制御信号（Ｓ４）の有無、前記逆変換回路（６）のスイッチング素子を駆動する制御信号（Ｓ５）の有無、前記直流電流検出回路（７）の前記出力信号（Ｓ２）の有無に基づいて前記制動抵抗（５）の異常過熱を検出する故障検出回路（１２）を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。