JP6924164B2 - 制動回路および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、制動回路および電力変換装置に関し、スイッチング素子の異常検出をすることができる制動回路および電力変換装置に関する。

電力変換装置では、回生動作時に、モータからのエネルギーを消費するために制動抵抗器を備えている。この制動抵抗器へ電流を流す制動回路のスイッチング素子が、短絡故障をした場合には、制動抵抗器に異常な発熱を生じさせる。最悪の場合には制動抵抗器が焼損してしまうとともに、周辺の部品にも損傷を引き起こす恐れがある。従来、特許文献１のように制動回路のスイッチング素子の故障を検出する回路が提案されている。

特許文献１には、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、高耐圧ダイオードのアノード側を、低電圧電源のプラス側に接続し、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、制動回路のスイッチング素子の故障を判断している。

特開２００２−１９１１７８号公報

特許文献１における制動回路では、異常検出をするために、高耐圧ダイオードやフォトカプラが必要となる。そのため、異常検出回路のコストアップや実装面積が増大する。

本発明の目的は、コストや実装面積を節約して、制動回路におけるスイッチング素子の異常検出が可能な制動回路および電力変換装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例は、整流器と、前記整流器と直列に接続されたスイッチング素子と、前記整流器と並列に接続された制動抵抗器と、前記制動抵抗器の側であり前記スイッチング素子の端子側の電圧信号と、前記スイッチング素子の制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子が異常であるかどうかを検出する異常検出部とを有する制動回路である。

本発明の好ましい他の例は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記平滑コンデンサと接続した正極側母線および負極側母線と、
前記正極側母線および負極側母線と接続する制動回路とを有する電力変換装置であって、前記制動回路は、整流器と、前記整流器と直列に接続されたスイッチング素子と、
前記整流器と並列に接続された制動抵抗器と、前記制動抵抗器の側であり前記スイッチング素子の端子側の電圧信号と、前記スイッチング素子の制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子が異常であるかどうかを検出する異常検出部とを有する電力変換装置である。

本発明によれば、コストや実装面積を節約して、制動回路におけるスイッチング素子の異常検出が可能となる。

実施例１における、スイッチング素子の異常検出部を備えた制動回路を、電力変換装置の外部に設けたシステムの構成例である。 実施例１における、制動回路のスイッチング素子が正常な状態のときの制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例１における、スイッチング素子が、開放状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例１における、スイッチング素子が、短絡状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例２における、スイッチング素子の異常検出機能、および制動抵抗器の断線検出機能を備えた制動回路を、電力変換装置の外部に設けたシステムの構成例である。 実施例２における、制動抵抗器を含む線路に断線が発生し、制動回路のスイッチング素子が正常な状態のときの制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例２における、制動抵抗器を含む線路に断線が発生し、制動回路のスイッチング素子が開放状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例２における、制動回路のスイッチング素子が短絡状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。 実施例２における、スイッチング素子の状態および制動抵抗器を含む線路の状態に係る異常検出部の出力との関係を表に示した図である。

以下、実施例について、図を用いて説明する。

本実施例では、スイッチング素子の異常検出部を備えた制動回路を、電力変換装置の外部に設けた構成例について説明する。

図1は、交流電源１００と、電力変換装置１１０と、スイッチング素子の異常検出部１２５を搭載し、制動抵抗器１３０を有する制動回路１２０と、誘導電動機１４０から成るモータ駆動システムの概略の構成図である。交流電源１００は、通常、電力会社などから供給される商用三相交流電源などであり、コンバータ回路１１１へ接続されている。

コンバータ回路１１１は、例えば、ダイオードを用いた三相ブリッジ型の整流回路で構成されており、交流電源１００より供給された交流電力を直流に変換する働きをしている。その直流に変換した電力を、平滑コンデンサ１１２を通すことにより平滑化し、インバータ回路１１３へ入力する。

インバータ回路１１３は、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚの６つのスイッチング素子を備えており、供給されてくる直流の電力を、三相交流電力へ変換し、誘導電動機140へ出力する。また、平滑コンデンサ１１２の正極側接続点Pと負極側接続点Nの間には制動回路１２０が接続されている。

制動回路１２０は、整流器である還流ダイオード１２１と、そのアノード側に、直列に接続された制動回路スイッチング素子１２２と、還流ダイオード１２１に並列に接続した制動抵抗器１３０と、制動回路スイッチング素子１２２に、並列に接続された分圧抵抗１２３、分圧抵抗１２４と、異常検出部１２５とから成る。また、平滑コンデンサ１１２と接続し、平滑された電圧のプラス側である正極側母線１１４と、平滑コンデンサ１１２と接続し、平滑された電圧のマイナス側である負極側母線１１５との間に、制動回路１２０が設けられている。

Voは、負極側接続点Nを基準とした分圧抵抗１２４に印加される電圧である。マイコンなどで構成される異常検出部１２５の耐電圧があるため、異常検出部１２５の入力電圧であるVoは、制動抵抗器１３０側の制動回路スイッチング素子１２２の端子と、負極側母線１１５との間の電圧を、抵抗で分圧された電圧として入力される。耐圧の高い異常検出部であれば、電圧信号Voは、制動抵抗器１３０側の制動回路スイッチング素子１２２の端子（例では、コレクタ端子）の電圧を、入力するようにすることができる。異常検出部１２５の入力電圧は、電圧信号Voのように、分圧された電圧でもよいし、異常検出部１２５の耐電圧が高ければ、制動抵抗器１３０側の制動回路スイッチング素子１２２の端子でもよい。つまり、それらをまとめて、異常検出部１２５の一方の入力電圧は、制動抵抗器１３０側であり制動回路スイッチング素子１２２の端子側の電圧信号と呼ぶことにする。

V_GEは、制動回路スイッチング素子駆動用の制御信号であり、還流ダイオード１２１に並列に接続されている制動抵抗器１３０への電力の供給を制御する信号であり、制動抵抗器１３０に流す電流を制御する図示しない制御部で制御される。制動抵抗器１３０は、誘導電動機１４０の回生制動時や、発電動作時に電力変換装置１１０へ返流される電力を消費する為のものであり、例えば、２０Ω程度の抵抗値となる。

これに対し、分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４は、負極側接続点Nを基準とした正極側接続点Pに印加される電圧、例えば、８００V程度の電圧を、二つの抵抗の接続点Aにおいて数V程度に分圧する為の抵抗である。例えば、分圧抵抗１２３は、１００kΩ、分圧抵抗１２４は、１kΩといったものを使用する。これにより負極側接続点Nを基準とした接続点Aの電圧信号Voが得られる。

制動回路スイッチング素子１２２の異常検出部１２５は、入力される二つの制御信号V_GE及び電圧信号Voを比較する装置、例えば、マイコンや論理回路等であり、この二つの信号の比較から制動回路スイッチング素子１２２の状態を示す出力信号V_ARを出力する。分圧抵抗が２個の場合を説明したが、例えば、分圧抵抗１２３を複数の抵抗に分割させるなど、２個以上の抵抗で構成するようにしてもよい。

次に、制動回路スイッチング素子１２２の制御端子の電圧である制御信号V_GE、電圧信号Voの状態から得られる異常検出部１２５の出力電圧である出力信号V_ARについて、図２、図３、および図４を用いて説明する。
図２は、制動回路スイッチング素子１２２が、正常な状態のときの制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。制御信号V_GEが、OFF動作のとき電圧信号Voの電圧は、負極側接続点Nを基準とし正極側接続点Pに印加された電圧が、直列に接続された制動抵抗器１３０と、分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４の３つの抵抗器で分圧された値となる。

この電圧値を、Highとする。一方、制御信号V_GEが、ON動作のとき電圧信号Voの電圧は、制動回路スイッチング素子１２２の出力側、例えば、コレクタからエミッタへ流れる電流によって発生する電圧降下を、分圧抵抗１２３および分圧抵抗１２４で分圧した値となる為、電圧値Highに対して極めて低い値となる。この電圧値をLowとする。図２に示すように制動回路スイッチング素子１２２が、正常な状態の場合、制御信号V_GEが、OFF動作のとき電圧信号VoはHighを示し、制御信号V_GEが、ON動作のとき電圧信号VoはLowを示すパターンとなる。この状態のとき異常検出部１２５は、制動回路スイッチング素子１２２を、正常と判断し、出力信号V_ARは、「正常」であることを示す。

次に、図３は、制動回路スイッチング素子１２２が、開放状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。図３に示すように制御信号V_GEがON動作、OFF動作にかかわらず、電圧信号Voの電圧は、負極側接続点Nを基準とし正極側接続点Pに印加された電圧が、直列に接続された制動抵抗器１３０と、分圧抵抗１２３および分圧抵抗１２４の３つの抵抗器で分圧された値、すなわちHighとなる。この状態のとき異常検出部１２５は、制動回路スイッチング素子１２２を、開放故障状態と判断し出力信号V_ARは、「開放故障」であることを示す。

次に、図４は、制動回路スイッチング素子１２２が短絡状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。図４に示すように制御信号V_GEがON動作、OFF動作にかかわらず、電圧信号Voの電圧は、制動回路スイッチング素子１２２の出力側、例えばコレクタからエミッタへ流れる電流によって発生する電圧降下を分圧抵抗１２３および分圧抵抗１２４で分圧した値となる。その為、電圧信号Voの電圧は、電圧値Highに対して極めて低い値、すなわちLowとなる。この状態のとき異常検出部１２５は、制動回路スイッチング素子１２２を短絡故障状態と判断し、出力信号V_ARは、「短絡故障」であることを示す。

以上に示したように、制御信号V_GEおよび電圧信号Voのパターンを、異常検出部１２５で比較することによって、制動回路スイッチング素子１２２が、「正常」、「開放故障」、「短絡故障」のいずれの状態であるかを検出することができる。

この出力信号V_ARの出力先は、本実施例における構成例の周辺に配置されるシステムにより様々であるが、例えば、本構成例における電力変換装置の状態の監視をし、指令を与える為の上位装置、例えば、プログラマブルコントローラ等へ出力する。プログラマブルコントローラは出力信号V_ARが、「正常」と判断した場合には、運転を継続させる。「開放故障」、「短絡故障」と判断した場合には、ただちに、交流電源１００と、電力変換装置１１０との間の線路を遮断する指令を出す。そのような指令を出すことによって電力変換装置１１０への電力供給を断つこととする。これによって、制動回路スイッチング素子１２２が異常状態にあるときの制動抵抗器１３０の異常加熱等を防ぐことが可能である。

実施例１によれば、フォトカプラのような寿命が比較的短いデバイスや、高耐圧のダイオードといったデバイスを使わないで、制動回路スイッチング素子１２２の異常を検出できる。そのため、コストや実装面積を節約することができる。

実施例２では、制動回路スイッチング素子１２２の異常検出機能、および制動抵抗器１３０の断線検出機能を備えた制動回路を、電力変換装置の外部に設けた構成例について説明する。

図５は、交流電源１００と、電力変換装置１１０と、制動回路スイッチング素子１２２の異常検出機能および断線検出機能を備えた制動回路１２０と、制動抵抗器１３０と、誘導電動機１４０から成るモータ駆動システムの概略の構成図である。実施例２においては、図１との相違点は、制動回路１２０のみであり、そのほかの部分は同一の構成となっている。また、制動回路１２０においても、図１と相違する部分は、還流ダイオード１２１に対して並列に制動抵抗器断線検出抵抗５２６が接続されている点、および、異常検出部１２５の内部処理から得られる出力信号V_ARの結果のみであり、その他の部分は、図１と同一である。

ここで、分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４は、負極側接続点Nを基準とした正極側接続点Pに印加される電圧、例えば、８００V程度の電圧を、二つの抵抗の接続点Aにおいて、数V程度に分圧する為の抵抗である。そのため、例えば、分圧抵抗１２３は、１００kΩ、分圧抵抗１２４は、１kΩといったものを使用することは実施例1でも述べたとおりである。制動抵抗器断線検出抵抗５２６についても、分圧抵抗１２３と略同程度の抵抗値、例えば、１００kΩといったものを選定する。

次に、制御信号V_GE、電圧信号Voの状態から得られる異常検出部１２５の出力信号V_ARについて、図６、図７、および図８を用いて説明する。

図６は、制動抵抗器１３０を含む線路に断線が発生していて、かつ制動回路スイッチング素子１２２が、正常な状態のときの制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。制御信号V_GEが、OFF動作のとき、電圧信号Voの電圧は、負極側接続点Nを基準とし正極側接続点Pに印加された電圧が、直列に接続された制動抵抗器断線検出抵抗５２６と、分圧抵抗１２３および分圧抵抗１２４の３つの抵抗器で分圧された値となる。このとき、電圧信号Voの電圧値は、制動抵抗器断線検出抵抗５２６および分圧抵抗１２３を、同程度の抵抗値で、かつ分圧抵抗１２４よりも十分に大きな値で選定しているため、実施例１で述べたHighのおよそ1/2の電圧値となる。これを1/2Highとする。

一方、制御信号V_GEが、ON動作のとき電圧信号Voの電圧は、制動回路スイッチング素子１２２の出力側、例えば、コレクタからエミッタへ流れる電流によって発生する電圧降下を分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４で分圧した値となる為、電圧値Highおよび1/2Highに対して極めて低い値となる。この電圧値をLowとする。

図６に示すように、制御信号V_GEがOFF動作のとき電圧信号Voは1/2Highを示し、制御信号V_GEが、ON動作のとき電圧信号VoはLowを示すパターンとなる。このような状態のときには、異常検出部１２５が出力する出力信号V_ARは、「制動抵抗器１３０を含む線路は断線し、かつ制動回路スイッチング素子は正常」であることを示す。

次に、図７は、制動抵抗器１３０を含む線路に断線が発生していて、かつ制動回路スイッチング素子１２２が開放状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。図７に示すように制御信号V_GEが、ON動作であるか、OFF動作であるかにかかわらず、電圧信号Voは変わらない。つまり、電圧信号Voの電圧は、負極側接続点Nを基準とし正極側接続点Pに印加された電圧が、直列に接続された制動抵抗器断線検出抵抗５２６と、分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４の３つの抵抗器で分圧された値、すなわち1/2Highとなる。この状態のとき異常検出部１２５が出力する出力信号V_ARは、「制動抵抗器１３０を含む線路は、断線し、かつ制動回路スイッチング素子は開放故障」であることを示す。

次に、図８は、制動回路スイッチング素子１２２が、短絡状態で故障している場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図である。図８に示すように、制御信号V_GEが、ON動作、およびOFF動作にかかわらず、電圧信号Voの電圧は、制動回路スイッチング素子１２２の出力側、例えば、コレクタからエミッタへ流れる電流によって発生する電圧降下を分圧抵抗１２３、および分圧抵抗１２４で分圧した値となる。その為、電圧信号Voの電圧は、電圧値Highおよび1/2Highに対して極めて低い値、すなわちLowとなる。この状態のとき異常検出部１２５は、制動回路スイッチング素子１２２を短絡故障状態と判断し、出力信号V_ARは、「制動回路スイッチング素子１２２は短絡故障」であることを示す。

また、制動抵抗器１３０を含む線路に断線が発生していない、つまり、線路が正常場合の制御信号V_GE、電圧信号Voのパターン図については、図２や、図３と同じであり、その場合の異常検出部１２５から得られる出力信号V_ARに関しては、実施例１と同一の為、割愛する。

以上に示したように、制御信号V_GEおよび電圧信号Voのパターンを異常検出部１２５で比較することによって、制動抵抗器１３０を含む線路における断線発生の有無および制動回路スイッチング素子１２２が、「正常」、「開放故障」、「短絡故障」のいずれの状態であるかを検出することができる。これにより、コストや実装面積を節約して、制動回路スイッチング素子１２２の異常検出、および制動抵抗器１３０を含む線路における断線検出を行うことが可能となる。

図９は、実施例２における、制動回路スイッチング素子１２２の制御信号V_GEの状態９０、電圧信号Voの状態９１、異常検出部の出力信号V_ARの状態９２との関係を表に示した図である。

制動回路スイッチング素子１２２の制御信号V_GEが、OFF動作のとき、電圧信号VoはHighを示し、制御信号V_GEが、ON動作のとき、電圧信号Voは、Lowを示すパターンの場合は、図２のようなパターンである。よって、出力信号V_ARは、制動抵抗器１３０を含む線路は、正常であり、制動回路スイッチング素子１２２は、正常であることを出力する。

制御信号V_GEが、OFF動作のとき電圧信号Voは、1/2Highを示し、制御信号V_GEが、ON動作のとき、電圧信号Voは。Lowを示すパターンの場合は、図６のようなパターンであり、出力信号V_ARは、制動抵抗器１３０を含む線路は断線しており、制動回路スイッチング素子１２２は正常であることを出力する。

制御信号V_GEがON動作、OFF動作にかかわらず、電圧信号Voの電圧は、Highとなるパターンの場合は、図３のパターンであり、出力信号V_ARは、制動抵抗器１３０を含む線路は正常であり、制動回路スイッチング素子１２２は開放故障であることを出力する。

制御信号V_GEが、ON動作であるか、OFF動作であるかにかかわらず、電圧信号Voの電圧は、1/2Highとなるパターンの場合は、図７に示したパターンであり、出力信号V_ARは、制動抵抗器１３０を含む線路は、断線しており、制動回路スイッチング素子１２２は、開放故障であることを出力する。

制御信号V_GEがON動作、OFF動作にかかわらず、電圧信号Voの電圧は、Lowとなるパターンの場合は、図４や図８のパターンであり、出力信号V_ARは、制動回路スイッチング素子１２２は短絡故障であることを出力する。

上述した実施例では、制動回路１２０を、電力変換装置の外部に設けた構成例を示したが、制動回路を、電力変換装置の内部に設けた場合においても、上述の実施例は適用できる。

制動回路スイッチング素子１２２としては、ＩＧＢＴでもよいし、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング機能を有するデバイスであってもよい。

１００…交流電源、１１０…電力変換装置、１１１…コンバータ回路、１１３…インバータ回路、１２０…制動回路、１２１…還流ダイオード、１２２…制動回路スイッチング素子、１２３、１２４…分圧抵抗、１２５…異常検出部、１３０…制動抵抗器、５２６…制動抵抗器断線検出抵抗

Claims (10)

1. 整流器と、
   前記整流器と直列に接続されたスイッチング素子と、
   前記整流器と並列に接続された制動抵抗器と、
   異常検出部とを有し、
   前記スイッチング素子に並列に抵抗を接続し、
   前記抵抗は、第１の抵抗と、第２の抵抗を有し、
   前記第１の抵抗は、前記第２の抵抗より抵抗値が大きく、
   前記整流器と並列接続された、前記第１の抵抗と略同じ抵抗値の第３の抵抗を有し、
   前記異常検出部は、
   前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間の電圧信号と、前記スイッチング素子の制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子および前記制動抵抗器を含む線路が異常であるかどうかを検出することを特徴とする制動回路。
2. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＦＦの際に、前記電圧信号がＨｉｇｈとなり、前記制御信号がＯＮの際に、前記電圧信号がＬｏｗの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、正常であることを出力することを特徴とする制動回路。
3. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＮおよびＯＦＦの際に、前記電圧信号がＨｉｇｈの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、開放故障であることを出力することを特徴とする制動回路。
4. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＮおよびＯＦＦの際に、前記電圧信号がＬｏｗの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、短絡故障であることを出力することを特徴とする制動回路。
5. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＦＦの際に、前記電圧信号がＨｉｇｈとなり、前記制御信号がＯＮの際に、前記電圧信号がＬｏｗの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記制動抵抗器を含む線路が正常であるとともに、前記スイッチング素子は、正常であることを出力することを特徴とする制動回路。
6. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＦＦの際に、前記電圧信号がＨｉｇｈとなり、前記制御信号がＯＮの際に、前記電圧信号がＨｉｇｈの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、開放故障であるとともに、前記制動抵抗器を含む線路は、正常であることを出力することを特徴とする制動回路。
7. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＦＦの際に、前記電圧信号が１／２Ｈｉｇｈとなり、前記制御信号がＯＮの際に、前記電圧信号がＬｏｗの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、正常であり、前記制動抵抗器を含む線路は断線であることを出力することを特徴とする制動回路。
8. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＦＦおよびＯＮの際に、前記電圧信号が１／２Ｈｉｇｈの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、開放故障であり、前記制動抵抗器を含む線路は断線であることを出力することを特徴とする制動回路。
9. 請求項１に記載の制動回路において、
   前記制御信号がＯＮおよびＯＦＦの際に、前記電圧信号がＬｏｗの場合には、
   前記異常検出部は、
   前記スイッチング素子は、短絡故障であることを出力することを特徴とする制動回路。
10. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、
    前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
    前記直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
    前記平滑コンデンサと接続した正極側母線および負極側母線と、
    前記正極側母線および負極側母線と接続する制動回路とを有する電力変換装置であって、
    前記制動回路は、
    整流器と、
    前記整流器と直列に接続されたスイッチング素子と、
    前記整流器と並列に接続された制動抵抗器と、
    異常検出部とを有し、
    前記スイッチング素子に並列に抵抗を接続し、
    前記抵抗は、第１の抵抗と、第２の抵抗を有し、
    前記第１の抵抗は、前記第２の抵抗より抵抗値が大きく、
    前記整流器と並列接続された、前記第１の抵抗と略同じ抵抗値の第３の抵抗を有し、
    前記異常検出部は、
    前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間の電圧信号と、前記スイッチング素子の制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子および前記制動抵抗器を含む線路が異常であるかどうかを検出することを特徴とする電力変換装置。

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