WO2009087775A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2009087775A1 PCT/JP2008/050210 JP2008050210W WO2009087775A1 WO 2009087775 A1 WO2009087775 A1 WO 2009087775A1 JP 2008050210 W JP2008050210 W JP 2008050210W WO 2009087775 A1 WO2009087775 A1 WO 2009087775A1
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inverter
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power conversion
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PCT/JP2008/050210
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Hidetoshi Kitanaka
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corporation
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    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device suitable for driving a permanent magnet synchronous motor mounted on an electric vehicle.
  • Permanent magnet synchronous motors are compared to induction motors that have been widely used in various fields in the past. Is known as a high-efficiency motor, with features such as no excitation current required and no secondary copper loss due to no current flowing through the rotor as in induction motors. It has been. Thus, induction motors have conventionally been used in electric vehicles, but in recent years, application of permanent magnet synchronous motors has been studied in order to improve efficiency.
  • Patent Document 1 when an inverter in a power conversion device that drives and controls a permanent magnet synchronous motor fails during traveling of an electric vehicle, the inverter is damaged by an induced voltage of the motor.
  • a contactor that is an open / close unit that electrically disconnects the connection between the inverter and the electric motor is provided, and when the control unit detects a failure of the inverter, the contactor is controlled to open and A method for electrically disconnecting an electric motor is disclosed.
  • a sinusoidal alternating current has a current zero point every half cycle of the current waveform, and the current zero point can be used to cut off the current.
  • the contactor disclosed in Patent Document 1 is an AC interrupting contactor that interrupts current using this current zero point.
  • a contactor for interrupting AC includes a vacuum contactor applying a mechanism for interrupting current at a current zero point.
  • the present inventor depending on the type of failure that has occurred in the power converter, includes a DC component that does not cause a continuous current zero point in the fault current flowing between the inverter and the electric motor in the power converter. I found out that there is. In such a case, the current cannot be interrupted by a vacuum contactor for interrupting AC using a mechanism that interrupts the current at the current zero point as described above. There is a problem in that current continues to flow, causing an expansion of a faulty part of the power converter due to heat generation or the like.
  • the present invention has been made in view of the above, and a DC component that does not cause a continuous current zero point in a fault current flowing between an inverter and an electric motor, regardless of the type of fault that has occurred in the power converter. Even if it is included, it is an object to obtain a power conversion device capable of interrupting a fault current and preventing the expansion of a faulty part in the power conversion device.
  • the present invention includes an inverter that has a plurality of switching elements that are on / off controlled, converts a DC voltage to an AC voltage of an arbitrary frequency, and drives an AC motor, and the inverter and the AC motor.
  • a control unit that performs control and open / close control on the open / close unit, wherein the control unit has a fault current including a DC component between the inverter and the AC motor.
  • the fault current is configured to be able to be cut off in a state where a current zero point appears.
  • the fault current flowing between the inverter and the motor includes a DC component that does not cause a continuous current zero point, regardless of the type of fault that has occurred in the power converter, the fault current is Since it can interrupt
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a power conversion device for driving a permanent magnet synchronous motor mounted on an electric vehicle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the inverter shown in FIG.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing an example of a failure in which a continuous current zero point does not occur in the failure current and the current waveform at that time.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the control unit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the failure determination unit illustrated in FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a power converter for driving a permanent magnet synchronous motor mounted on an electric vehicle according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a power conversion device for driving a permanent magnet synchronous motor mounted on an electric vehicle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a power conversion device 1a according to Embodiment 1 shown in FIG. 1 has, as a basic configuration related to the present invention, an inverter 10, current detectors 11, 12, 13, a contactor 14a that is an open / close unit, and a control unit. 15a.
  • the positive input terminal is connected to the current collector 2 via the positive conductor P
  • the negative input terminal is connected to the rail 3 via the negative conductor N. It is connected to the rolling wheel 4.
  • DC power collected from the current collector 2 and the rail 3 is input to the inverter 10 via the wheels 4.
  • the wheel 4 is mechanically coupled to the rotating shaft of the AC motor 5.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the inverter shown in FIG.
  • FIG. 2 shows an example of an inverter circuit which is a main part of the voltage-type PWM inverter.
  • the inverter 10 is, for example, a so-called three-phase two-level inverter circuit. That is, the inverter 10 includes three switching elements (a U-phase upper arm element UP, a V-phase upper arm element VP, and a W-phase upper arm element WP) connected to the positive-side conductor P and a negative-side conductor N. Is constituted by a bridge circuit with three switching elements (U-phase lower arm element UN, V-phase lower arm element VN, and W-phase lower arm element WN) connected to the negative arm. An antiparallel diode is connected to each switching element.
  • a connection point between the upper arm element and the lower arm element of each phase constitutes a three-phase output end, and a U-phase conductor U, a V-phase conductor V, and a W-phase conductor W are connected to each output end.
  • Each switching element is a well-known IGBT in FIG. 2, but may be other than the IGBT. 2 shows a three-phase two-level inverter circuit, a multi-level inverter circuit such as a three-level inverter circuit may be used.
  • the inverter 10 includes a drive circuit that receives the gate signal GS output from the control unit 15a to the inverter 10 in FIG.
  • This drive circuit has a configuration in which each switching element is individually controlled to be turned on and off in accordance with the gate signal GS, and a configuration in which a gate feedback signal GF indicating an operation state of each switching element is output to the control unit 15a.
  • the U-phase conductor U, V-phase conductor V, and W-phase conductor W connected to the three-phase output terminal of the inverter 10 are connected to the AC motor 5 through the contactor 14a.
  • the inverter 10 converts the input DC voltage into a three-phase AC voltage of an arbitrary frequency by turning on and off each switching element of the inverter circuit according to the gate signal GS input from the control unit 15a.
  • the AC motor 5 is driven via 14a.
  • the AC motor 5 is configured to drive the electric vehicle by rotating the mechanically coupled wheels 4.
  • the gate signal GS output from the control unit 15a to the inverter 10 is generated in the control unit 15a based on the basic gate signal GC input from an external control device (not shown) and the soundness of the power conversion device 1a. This will be described later.
  • Current detectors 11, 12, and 13 are provided on the U-phase conductor U, the V-phase conductor V, and the W-phase conductor W between the three-phase output terminal of the inverter 10 and the contactor 14 a, respectively.
  • the U-phase current IU detected by the current detector 11, the V-phase current IV detected by the current detector 12, and the W-phase current IW detected by the current detector 13 are respectively input to the control unit 15a.
  • the current detector is configured to detect the three-phase output current of the inverter 10, but may be configured to detect any two-phase current. The other one-phase current not provided with the current detector can be calculated.
  • the contactor 14a provided between the three-phase output terminal of the inverter 10 and the AC motor 5 is a contactor for AC interruption in the first embodiment, and the input signal MKC from the control unit 15a is in the ON state. Then, the closing coil is excited and the main contacts provided in the three phases are turned on to close the circuit. Further, when the closing signal MKC is turned off, the closing coil is not excited and the main contact is released to open the circuit.
  • this contactor 14a it is preferable to use a vacuum contactor to which a mechanism for interrupting current at the zero crossing point of alternating current is applied. Since the vacuum contactor has a built-in contact in the vacuum valve that opens and closes the main circuit, there is no dust adhering to the contact and the contact is stable. Since there is no discharge, it is not necessary to provide an arc space around the contactor, and since there is no arc chute, the contactor can be reduced in size and weight, so the power converter can be reduced in size and weight. .
  • the closing signal MKC output from the control unit 15a to the contactor 14a includes three-phase phase currents IU, IV, IW detected by the three current detectors in the control unit 15a, and an external control (not shown). This is generated based on the basic contactor operation command MKC0 input from the apparatus, which will be described later.
  • the rotation state of the AC motor 5 is detected by the rotation detector 16 and input to the control unit 15a.
  • a so-called sensorless control method for controlling the AC motor 5 without using the rotation detector 16 has been put into practical use.
  • the rotation detector 16 is not necessary. And it is good also as a structure which provides a voltage detector in the input stage or output stage of the contactor 14a, detects the output voltage of the inverter 10, or the terminal voltage of the alternating current motor 5, and inputs it into the control part 15a.
  • a permanent magnet synchronous motor is assumed as described above.
  • a motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor of an induction motor there is a motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor of an induction motor.
  • the present invention can be applied to any motor other than the permanent magnet synchronous motor as long as the motor has a built-in permanent magnet.
  • the control unit 15a includes three-phase currents IU, IV, and IW detected by the current detectors 11, 12, and 13, a gate signal GS to the inverter 10, a gate feedback signal GF from the inverter 10, and an external not shown.
  • the U-phase upper arm element UP causes a short circuit failure, and the remaining switching elements (VP, WP, UN, VN, WN)
  • a failure detection function (not shown) is activated and all of them are turned off.
  • the U-phase upper arm element UP that remains in the on-operation state due to a short-circuit failure, and the anti-parallel diode connected to the remaining switching elements (VP, WP, UN, VN, WN)
  • a fault current flows between the AC motor 5 and the inverter 10.
  • the waveform of the fault current of each phase at that time is as shown in FIG. 3, for example.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing an example of a current waveform at the time of failure.
  • the AC motor 5 shows a current waveform during normal operation.
  • the U-phase upper arm element UP causes a short circuit failure, and the remaining switching elements (VP, WP, UN, VN, WN) Shows current waveforms during faulty operation in which all are in the OFF operation state.
  • the U-phase current IU is offset to the positive side, and there is no current zero point.
  • the fault current continues to be generated as long as the AC motor 5 is rotating even when the switching element other than the fault location is in the OFF operation state, and thus the power conversion device 1a is damaged by the fault current. It will be. For this reason, the contactor 14a must be cut off.
  • the contactor 14a since there is no current zero point in the U-phase current IU, the contactor 14a is not connected to the contactor 14a for AC interruption.
  • the U-phase current IU cannot be interrupted, and an arc is continuously generated between the main contacts of the contactor 14a. Since there is a possibility that the contactor 14a may be damaged due to heat generated by the arc and a decrease in withstand voltage characteristics between the main contacts, damage to the power conversion device 1a cannot be avoided. This is a problem to be solved by the present invention.
  • the U-phase current IU is offset to the positive side when the U-phase upper arm element UP is short-circuited and the other elements (VP, WP, UN, VN, WN) are all in the OFF operation state.
  • the U-phase lower arm element UN on the opposite side is short-circuited and all other elements are in the OFF operation state, the U-phase current IU is reversed.
  • the waveform is offset to the negative side so that there is no current zero point. This can be considered in the same way even when the arm of the other phase is short-circuited.
  • the inventor has found that the current of the phase where there is a short-circuit fault or an element that remains in the ON operation state is offset to the polarity on the fault arm side, so that there is no current zero point. The phenomenon is happening.
  • the control unit 15a is configured based on this knowledge.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the control unit 15a illustrated in FIG.
  • the control unit 15 a includes a failure determination unit 20, a gate signal generation unit 30, and a contactor control unit 40.
  • the failure determination unit 20 includes the detected three-phase currents IU, IV, IW, a gate feedback signal GF indicating the operating state of each switching element generated by a drive circuit (not shown) in the inverter 10, and a gate signal generation
  • the gate signal GS output by the unit 30 to a drive circuit (not shown) in the inverter 10 is input.
  • the failure determination unit 20 receives the U-phase upper arm element UP, the V-phase upper arm element VP, the W-phase upper arm element WP, the U-phase lower arm element UN, and the V-phase lower element from these inputs.
  • the failure determination unit 20 receives the U-phase upper arm element UP, the V-phase upper arm element VP, the W-phase upper arm element WP, the U-phase lower arm element UN, and the V-phase lower element from these inputs.
  • the six switching elements of the arm element VN and the W-phase lower arm element WN an element that is in a short-circuit fault or in an ON operation state is determined, and the determination result FD is output to the gate signal generation unit 30.
  • a basic gate signal GC is input to the gate signal generation unit 30 from an external control device (not shown).
  • the basic gate signal GC is a signal that designates the on / off states of the six switching elements of the inverter 10.
  • An external control device (not shown) generates the basic gate signal GC by a method such as vector control in order to obtain the torque or the rotational speed of the AC motor 5 required when the electric vehicle is accelerated or decelerated.
  • the gate signal generation unit 30 When the determination result FD is not input from the failure determination unit 20, that is, when it is determined that the inverter 10 is normal, the gate signal generation unit 30 outputs the same signal as the basic gate signal GC as the gate signal GS. . On the other hand, when the determination result FD is input from the failure determination unit 20, the gate signal generation unit 30 applies the three logics (logic 1 to logic 3) and applies the six switching operations of the inverter 10 as described later. A gate signal GS for controlling on / off of each element is generated and output.
  • the contactor control unit 40 receives the detected three-phase currents IU, IV, IW and a basic contactor operation command MKC0 from an external control device (not shown).
  • the basic contactor operation command MKC0 is turned on during the operation of the AC motor 5, instructs the contactor 14a to perform a closing operation, and stops the operation of the AC motor 5 or when the inverter 10 is broken down. It is a binary level signal instructing the opening operation to the contactor 14a in the off state.
  • the contactor control unit 40 turns on / off the input command MKC in synchronization with the on / off of the basic contactor operation command MKC0 in a normal state where the inverter 10 is normal. However, when the inverter 10 fails, the contactor control command MKC0 As will be described later, the charging command MKC is turned off under the condition that the generation of the current zero point of each phase is completed.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the failure determination unit 20 illustrated in FIG.
  • the failure determination unit 20 compares the processing circuits 29a, 29b, and 29c with respect to each of the detected three-phase currents IU, IV, and IW, and the comparison in which the gate feedback signal GF and the gate signal GS are input. And a determination unit 28.
  • the processing circuits 29a, 29b, and 29c have the same configuration, and as shown in the processing circuit 29a, the current zero point detection unit 21, the oscillator 22, the counter 23, the comparator 24, the average processing unit 25, and the polarity determination unit. 26.
  • the processing circuit 29a for the detected U-phase current IU the following operation is performed.
  • the detected U-phase current IU is input to the current zero point detection unit 21 and the average processing unit 25.
  • the current zero point detection unit 21 compares the detected U-phase current IU with a zero line, and outputs a counter reset signal RST to the counter 23 when it detects that the U-phase current IU has crossed zero.
  • the counter 23 outputs a count value CNT obtained by counting up an oscillation signal having a fixed period from the oscillator 22.
  • the count value CNT is initialized to zero or the like. The configuration is reset to a value.
  • the counter reset signal RST is not output and the count value CNT of the counter 23 increases while the zero point does not occur in the detected U-phase current IU.
  • the comparator 24 compares the count value CNT with the set value SET set from the outside. When CNT> SET, the comparator 24 recognizes that the zero point of the current has not occurred for a longer time than the set time.
  • the current zero point non-detection signal NZU is output to the determination unit 28.
  • the determination unit 28 outputs the set value SET. It is preferable to prevent the discrimination result FD from being erroneously output to the gate signal generation unit 30 by taking measures such as masking the discrimination result FD.
  • the average processing unit 25 averages the detected U-phase current IU every several cycles, and outputs the processing result value to the polarity determination unit 26 as the output signal AVE. Normally, since the U-phase current IU is an alternating current that is zero-crossing with positive / negative symmetry, the output signal AVE of the average processing unit 25 is zero. On the other hand, when the U-phase current IU does not have a current zero point, the average value is shifted to the positive value side or the negative value side.
  • the polarity discriminating unit 26 discriminates the positive / negative polarity of the input signal AVE and outputs the result to the determining unit 28 as the polarity signal PLU.
  • the determination unit 28 receives the current zero point undetected signals NZU, NZV, and NZW of each phase and the polarity signals PLU, PLV, and PLW.
  • determination unit 28 determines U-phase upper arm element UP, V-phase upper arm element VP, W-phase upper arm element WP, U-phase lower arm element UN, V-phase lower arm element VN, and W-phase lower arm element VN.
  • an element that is in a short-circuit failure state or an on-operation state is determined as follows, and this is output to the gate signal generation unit 30 as a determination result FD. .
  • the determination unit 28 uses this phenomenon to determine a faulty element.
  • the determination unit 28 uses the current zero point non-detection signals NZU, NZV, and NZW for the phases that are offset to generate a phase in which no current zero point is generated among the detected phase currents IU, IV, and IW. Determine.
  • the polarity signals PLU, PLV, and PLW are used to determine whether the offset direction (polarity) of the phase is positive or negative. For example, when the current zero point non-detection signal NZU is active and the polarity signal PLU is positive, it is determined that the U-phase upper arm element UP is an element that is short-circuited or remains in an ON operation state. The information is output as a discrimination result FD.
  • the mismatch detection signal FO is input to the determination unit 28 from the comparator 27 that detects the mismatch between the gate signal GS and the gate feedback signal GF when there is a mismatch.
  • This process is not necessarily required, but is provided in case an unexpected event occurs, such as the failure determination process using the detected phase currents IU, IV, IW cannot be performed.
  • the determination unit 28 calculates the logical sum and outputs the determination result FD.
  • each switching element incorporated in the inverter 10 When each switching element incorporated in the inverter 10 is healthy in a normal operation state, each switching element performs an on / off operation in synchronization with the gate signal GS. Therefore, a gate feedback signal that is a feedback signal of the on / off operation. GF coincides with the gate signal GS. For this reason, the mismatch detection signal FO is not output from the comparator 27.
  • the comparator 27 when a failure occurs in a drive circuit or the like installed in the vicinity of each switching element, etc., when a specific switching element remains in the ON operation state regardless of the gate signal GS, the gate feedback from the element Since the signal GF remains on regardless of the gate signal GS, the comparator 27 outputs the mismatch detection signal FO. With the configuration of FIG. 5, such an event can be determined and included in the determination result FD.
  • the gate signal generation unit 30 applies three logics (logic 1 to logic 3) to control on / off of each of the six switching elements of the inverter 10. An operation of generating and outputting GS will be described.
  • the gate signal generation unit 30 turns on all the U-phase upper arm elements UP, V-phase upper arm elements VP, and W-phase upper arm elements WP, which are upper arm elements, and turns off the remaining lower arm elements.
  • the gate signal GS is output.
  • the gate signal generation unit 30 turns on all the lower-phase U-phase lower arm elements UN, V-phase lower arm elements VN, and W-phase lower arm elements WN, and turns off the remaining upper arm elements.
  • the gate signal GS is output.
  • the determination result FD indicates that any one of the U-phase upper arm element UP, the V-phase upper arm element VP, and the W-phase upper arm element WP is in a short-circuit fault or in an ON operation state, and the U-phase lower arm element If any of UN, V-phase lower arm element VN, and W-phase lower arm element WN indicates a short circuit failure or remains ON, the gate signal generation unit 30 selects all switching elements. A gate signal GS to be turned on is output.
  • the gate signal generation unit 30 can symmetrize the three-phase fault current that flows thereafter, and generate a zero current point in the fault current. Can do.
  • the contactor controller 40 When a failure occurs in the inverter 10, the contactor controller 40 receives a basic contactor operation command MKC 0 that is turned off from an external control device (not shown). At that time, the detected three-phase current IU, Since IV and IW have no current zero point, the three-phase signals detected after the gate signal generator 30 generates the gate signal GS according to the logics 1 to 3 as described above without turning off the input signal MKC. After receiving the currents IU, IV and IW and confirming that a current zero point has occurred in them, the input signal MKC is turned off.
  • the function of this contactor control part 40 can be provided in the contactor 14a side.
  • the control unit 15a outputs a basic contactor operation command MKC0 input from an external control device (not shown) to the contactor 14a as it is.
  • the continuous current zero point is set. Since the fault current that has not occurred can be symmetrized to generate a zero current point, the fault current can be interrupted using a contactor for interrupting AC. Therefore, even if a failure occurs in which a failure current that does not generate a continuous current zero point flows, it is possible to prevent the failure site from being expanded.
  • the power converter can be configured in a small size and light weight, and the maintainability can be improved.
  • FIG. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a power conversion device for driving a permanent magnet synchronous motor mounted on an electric vehicle according to Embodiment 2 of the present invention.
  • components that are the same as or equivalent to the components shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals.
  • the description will be focused on the portion related to the second embodiment.
  • the power conversion device 1b includes a contactor 14b instead of the contactor 14a in the configuration shown in FIG. 1 (first embodiment), and replaces the control unit 15a.
  • a control unit 15b is provided.
  • the first embodiment it is assumed that one of the six switching elements built in the inverter 10 remains short-circuited or remains in an on-operation state.
  • a plurality of switching elements are used. Assume that a failure occurs in an element.
  • this is a case where the V-phase upper arm element VP and the W-phase upper arm element WP cannot be turned on due to damage or the like in a state where the U-phase upper arm element UP remains in a short-circuit failure state or an on-operation state.
  • V-phase upper arm element VP and the W-phase upper arm element WP cannot be turned on even if the gate signal GS according to ⁇ Logic 1> shown in the first embodiment is output. For this reason, a zero current point cannot be generated, and the fault current cannot be interrupted by the contactor 14a for interrupting AC.
  • a contactor 14b capable of interrupting a DC component is provided instead of the contactor 14a for interrupting AC.
  • the contactor 14b that can cut off the direct current component is not a mechanism that cuts off the current at the zero current point, but opens the contact in the presence of the current, and stretches the arc generated between the contacts to increase the arc voltage, thereby causing a fault current. Is configured to cut off the fault current.
  • the contactor 14b capable of interrupting the DC component has an arc chute for discharging the arc to the outside. Therefore, the contactor 14b is relatively large, and at the same time, a marginal space in consideration of arc scattering around the contactor 14b. It is necessary to provide. Moreover, since the contact is provided in the open part, dust enters, and regular maintenance is required. For this reason, there is a negative aspect that the power conversion device cannot be reduced in size and weight and maintenance is not good, but the fault current is cut off by the basic contactor operation command MKC0 input from an external control device (not shown). Can do.
  • the control unit 15b A simple configuration having only the function of outputting the input basic gate signal GC as the gate signal GS to the inverter 10 and the function of outputting the basic contactor operation command MKC0 as the closing signal MKC to the contactor 14b. It can be.
  • the control unit when a contactor capable of interrupting a direct current component is provided in preparation for failure of a plurality of elements to prevent the failure part of the power converter from expanding, the control unit can be reduced in size and cost. High reliability can be achieved.
  • the fuse cannot be cut off during normal operation, and once it is blown, it cannot be turned on again.
  • the AC motor 5 and the inverter 10 need to be disconnected and reconnected even in a normal state other than the time when the inverter 10 fails in the first or second embodiment. There is a need to.
  • the input of the inverter 10 is performed as a protective operation.
  • a capacitor (not shown) existing on the side may be discharged via a discharge resistor.
  • the configurations shown in the first and second embodiments above show an example of the contents of the present invention, and can be combined with other known techniques, as long as they do not depart from the gist of the present invention. Needless to say, the configuration may be modified by omitting a part of the configuration.
  • the contents of the invention are described in consideration of application to a power conversion device mounted on an electric vehicle, but the application field is not limited to an electric vehicle, and related fields such as an electric vehicle. Needless to say, it can be applied to the above.
  • the power converter according to the present invention has a DC component that does not cause a continuous current zero point in the fault current flowing between the inverter and the electric motor, regardless of the form of the fault that has occurred in the power converter. Even when it is included, it is useful for interrupting the fault current and preventing the expansion of the fault site in the power converter, and is particularly suitable when the motor mounted on the electric vehicle is a permanent magnet synchronous motor.

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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。

Description

電力変換装置
　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たことを特徴とする。
　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。
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
　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ＭＫＣ０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。

Claims (9)

  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、
    　を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記制御部は、
    　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に記載の電力変換装置。
  3. 　前記制御部は、
    　少なくとも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する故障判定部からの信号に応じて、前記複数のスイッチング素子の中で正側アームに属するスイッチング素子を全てオン動作状態とするか、負側アームに属するスイッチング素子を全てオン動作状態とするか、前記複数のスイッチング素子の全てをオン動作状態とするか、のうちいずれかのオン制御信号を前記インバータに対して出力するゲート信号生成部を備えた、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　前記ゲート信号生成部は、
    　前記故障判定部からの信号が、上アームに属するスイッチング素子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す場合は、前記上アームに属するスイッチング素子の全てをオン動作状態とし、残りの下アームに属するスイッチング素子をオフ動作状態とするオンオフ制御信号を前記インバータに対して出力する、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記ゲート信号生成部は、
    　前記故障判定部からの信号が、下アームに属するスイッチング素子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す場合は、前記下アームに属するスイッチング素子の全てをオン動作状態とし、残りの上アームに属するスイッチング素子をオフ動作状態とするオンオフ制御信号を前記インバータに対して出力する、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  6. 　前記ゲート信号生成部は、
    　前記故障判定部からの信号が、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、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、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  7. 　前記制御部は、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、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請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 　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請求項１に記載の電力変換装置。
  9. 　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を行う制御部と、を備える電力変換装置であって、
    　前記インバータと前記交流電動機との間に、直流電流の遮断が可能な開閉部を備えている、
    　ことを特徴とする電力変換装置。
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