WO2019187402A1 - 制動回路および電力変換装置 - Google Patents

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braking
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braking circuit
voltage
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Inventor
剛 竹田
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a braking circuit and a power conversion device, and more particularly to a braking circuit and a power conversion device capable of detecting an abnormality of a switching element.
  • the power converter is equipped with a braking resistor to consume energy from the motor during regenerative operation.
  • a braking resistor to consume energy from the motor during regenerative operation.
  • the switching element of the braking circuit that supplies current to the braking resistor has a short circuit failure
  • the braking resistor generates abnormal heat.
  • the braking resistor may be burned out and the surrounding parts may be damaged.
  • Patent Document 1 a circuit for detecting a failure of a switching element of a braking circuit has been proposed as in Patent Document 1.
  • the cathode side of a high breakdown voltage diode is connected to a connection point between a switching element and a braking resistor of a braking circuit, and the anode side of the high breakdown voltage diode is connected to the plus side of a low voltage power source.
  • a photocoupler is provided for detecting the presence or absence of a current flowing through the brake circuit, and a failure of the switching element of the braking circuit is determined by a logical configuration of the output signal and the gate signal of the switching element of the braking circuit.
  • An object of the present invention is to provide a braking circuit and a power conversion device capable of detecting an abnormality of a switching element in a braking circuit while saving cost and mounting area.
  • a preferred example of the present invention is a rectifier, a switching element connected in series with the rectifier, a braking resistor connected in parallel with the rectifier, a side of the braking resistor and a terminal side of the switching element.
  • the brake circuit includes an abnormality detection unit that detects whether the switching element is abnormal based on a voltage signal and a control signal of the switching element.
  • Another preferable example of the present invention includes a converter circuit that converts AC power from an AC power source into DC power, a smoothing capacitor that smoothes the DC power, an inverter circuit that converts the DC power into AC power, and the smoothing
  • a power converter having a positive side bus and a negative side bus connected to a capacitor, and a braking circuit connected to the positive side bus and negative side bus, wherein the braking circuit is connected in series with a rectifier and the rectifier Based on the switching element, the braking resistor connected in parallel with the rectifier, the voltage signal on the terminal side of the switching element on the braking resistor side, and the control signal of the switching element, It is a power converter device which has an abnormality detection part which detects whether a switching element is abnormal.
  • the present invention it is possible to detect an abnormality of the switching element in the braking circuit while saving cost and mounting area.
  • FIG. 3 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when the switching element of the braking circuit is in a normal state in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when the switching element in the first embodiment is in an open state and has failed.
  • FIG. 3 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when the switching element in the first embodiment is in a short circuit state and has failed.
  • FIG. 10 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when a disconnection occurs in a line including a braking resistor in Example 2 and a switching element of the braking circuit is in a normal state.
  • FIG. 10 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when a disconnection occurs in a line including a braking resistor in Example 2 and a switching element of the braking circuit is broken in an open state.
  • FIG. 10 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when a disconnection occurs in a line including a braking resistor in Example 2 and a switching element of the braking circuit is broken in an open state.
  • Example 9 is a pattern diagram of a control signal V GE and a voltage signal Vo when a switching element of a braking circuit in the second embodiment is in a short circuit state and has failed.
  • Example 2 it is the figure which showed the relationship with the output of the abnormality detection part which concerns on the state of the switching element and the state of the track
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a motor drive system including an AC power source 100, a power converter 110, a switching element abnormality detection unit 125, a braking circuit 120 having a braking resistor 130, and an induction motor 140. It is.
  • the AC power supply 100 is a commercial three-phase AC power supply or the like normally supplied from an electric power company or the like, and is connected to the converter circuit 111.
  • the converter circuit 111 is composed of, for example, a three-phase bridge type rectifier circuit using a diode, and functions to convert AC power supplied from the AC power supply 100 into DC.
  • the electric power converted into the direct current is smoothed by passing through the smoothing capacitor 112 and input to the inverter circuit 113.
  • the inverter circuit 113 includes six switching elements U, V, W, X, Y, and Z, converts the supplied DC power into three-phase AC power, and outputs it to the induction motor 140.
  • a braking circuit 120 is connected between the positive electrode side connection point P and the negative electrode side connection point N of the smoothing capacitor 112.
  • the braking circuit 120 includes a freewheeling diode 121 as a rectifier, a braking circuit switching element 122 connected in series on the anode side, a braking resistor 130 connected in parallel to the freewheeling diode 121, and a braking circuit switching element 122.
  • the voltage dividing resistor 123, the voltage dividing resistor 124, and the abnormality detecting unit 125 are connected in parallel. Further, braking is performed between the positive side bus 114 that is connected to the smoothing capacitor 112 and is the positive side of the smoothed voltage, and the negative side bus 115 that is connected to the smoothing capacitor 112 and is the negative side of the smoothed voltage.
  • a circuit 120 is provided.
  • VO is a voltage applied to the voltage dividing resistor 124 with the negative electrode side connection point N as a reference. Since there is a withstand voltage of the abnormality detection unit 125 composed of a microcomputer or the like, the input voltage Vo of the abnormality detection unit 125 is between the terminal of the braking circuit switching element 122 on the braking resistor 130 side and the negative side bus 115. The voltage between them is input as a voltage divided by a resistor. If the abnormality detection unit has a high withstand voltage, the voltage signal Vo can be inputted with the voltage of the terminal (in the example, the collector terminal) of the braking circuit switching element 122 on the braking resistor 130 side.
  • the input voltage of the abnormality detection unit 125 may be a divided voltage like the voltage signal Vo, or if the withstand voltage of the abnormality detection unit 125 is high, it may also be a terminal of the braking circuit switching element 122 on the braking resistor 130 side. Good. That is, collectively, one input voltage of the abnormality detection unit 125 is referred to as a voltage signal on the braking resistor 130 side and on the terminal side of the braking circuit switching element 122.
  • V GE is a control signal for driving the braking circuit switching element, is a signal for controlling the supply of electric power to the braking resistor 130 connected in parallel to the freewheeling diode 121, and the current flowing through the braking resistor 130 is It is controlled by a control unit (not shown) that controls.
  • the braking resistor 130 is for consuming electric power returned to the power converter 110 during regenerative braking of the induction motor 140 or during a power generation operation, and has a resistance value of about 20 ⁇ , for example.
  • the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing resistor 124 are configured to apply a voltage applied to the positive electrode side connection point P with the negative electrode side connection point N as a reference, for example, a voltage of about 800 V, to the connection point of the two resistors. This is the resistance to divide the voltage at A to about several volts.
  • the voltage dividing resistor 123 is 100 k ⁇
  • the voltage dividing resistor 124 is 1 k ⁇ .
  • the abnormality detection unit 125 of the braking circuit switching element 122 is a device that compares two input control signals VGE and a voltage signal Vo, for example, a microcomputer, a logic circuit, and the like. An output signal VAR indicating the state of the element 122 is output.
  • VGE input control signals
  • Vo voltage signal
  • An output signal VAR indicating the state of the element 122 is output.
  • the voltage dividing resistor 123 may be divided into a plurality of resistors, or may be configured by two or more resistors.
  • FIG. 2 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the braking circuit switching element 122 is in a normal state.
  • the control signal V GE is OFF, the voltage of the voltage signal Vo is divided between the voltage applied to the positive connection point P with the negative connection point N as a reference, and the braking resistor 130 connected in series, The voltage is divided by the three resistors of the resistor 123 and the voltage dividing resistor 124.
  • This voltage value is set to High.
  • the control signal V GE when the control signal V GE is ON, the voltage of the voltage signal Vo is a voltage drop caused by a current flowing from the output side of the braking circuit switching element 122, for example, from the collector to the emitter. Since the voltage is divided by the resistor 124, the value is extremely low with respect to the voltage value High. This voltage value is set to Low.
  • the control signal V GE when the braking circuit switching element 122 is in a normal state, the control signal V GE indicates a high level when the control signal V GE is OFF, and the voltage signal Vo when the control signal V GE is an ON operation. Is a pattern indicating Low. In this state, the abnormality detection unit 125 determines that the braking circuit switching element 122 is normal, and indicates that the output signal VAR is “normal”.
  • FIG. 3 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the braking circuit switching element 122 fails in an open state.
  • the voltage of the voltage signal Vo is connected in series with the voltage applied to the positive connection point P with the negative connection point N as a reference.
  • the value divided by the braking resistor 130 and the three resistors of the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing resistor 124, that is, High is obtained.
  • the abnormality detection unit 125 determines that the braking circuit switching element 122 is in the open failure state, and the output signal VAR indicates “open failure”.
  • FIG. 4 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the braking circuit switching element 122 fails in a short circuit state.
  • the voltage of the voltage signal Vo is a voltage drop generated by a current flowing from the output side of the braking circuit switching element 122, for example, from the collector to the emitter.
  • a value obtained by voltage division by the voltage resistor 123 and the voltage divider resistor 124 is obtained. Therefore, the voltage of the voltage signal Vo becomes a very low value with respect to the voltage value High, that is, Low.
  • the abnormality detection unit 125 determines that the braking circuit switching element 122 is in a short-circuit failure state, and the output signal VAR indicates “short-circuit failure”.
  • the braking circuit switching element 122 has “normal”, “open failure”, and “short circuit failure”. It is possible to detect which state.
  • the output destination of this output signal VAR varies depending on the system arranged around the configuration example in this embodiment. For example, the status of the power converter in this configuration example is monitored and a command is given. The data is output to a host device such as a programmable controller. The programmable controller continues the operation when the output signal VAR is determined to be “normal”. If it is determined as “open failure” or “short-circuit failure”, a command to immediately shut off the line between the AC power supply 100 and the power converter 110 is issued. By issuing such a command, the power supply to the power converter 110 is cut off. This can prevent abnormal heating of the braking resistor 130 when the braking circuit switching element 122 is in an abnormal state.
  • the first embodiment it is possible to detect an abnormality of the braking circuit switching element 122 without using a device having a relatively short life such as a photocoupler or a device such as a high breakdown voltage diode. Therefore, cost and mounting area can be saved.
  • Example 2 describes a configuration example in which a braking circuit having an abnormality detection function of the braking circuit switching element 122 and a disconnection detection function of the braking resistor 130 is provided outside the power converter.
  • FIG. 5 shows a motor drive system including an AC power source 100, a power converter 110, a braking circuit 120 having a function for detecting abnormality and disconnection of the braking circuit switching element 122, a braking resistor 130, and an induction motor 140.
  • FIG. 1 the only difference from FIG. 1 is the braking circuit 120, and the other parts have the same configuration. Further, also in the braking circuit 120, portions different from FIG. 1 are obtained from the point that the braking resistor disconnection detection resistor 526 is connected in parallel to the free wheel diode 121 and the internal processing of the abnormality detection unit 125. This is only the result of the output signal VAR , and the other parts are the same as in FIG.
  • the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing resistor 124 are a voltage applied to the positive electrode side connection point P with the negative electrode side connection point N as a reference, for example, a voltage of about 800 V, and a connection point A between the two resistors.
  • the resistance is for dividing the voltage to about several volts. Therefore, as described in the first embodiment, for example, the voltage dividing resistor 123 is 100 k ⁇ and the voltage dividing resistor 124 is 1 k ⁇ .
  • the braking resistor disconnection detection resistor 526 a resistance value substantially the same as that of the voltage dividing resistor 123, for example, 100 k ⁇ is selected.
  • control signal V GE the output signal V AR fault detection unit 125 obtained from the state of the voltage signal Vo, FIG. 6, will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 6 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the line including the braking resistor 130 is broken and the braking circuit switching element 122 is in a normal state.
  • the control signal V GE is OFF
  • the voltage of the voltage signal Vo is the braking resistor disconnection detection resistor 526 in which the voltage applied to the positive connection point P with the negative connection point N as a reference is connected in series.
  • the voltage is divided by the three resistors of the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing resistor 124.
  • the braking resistor disconnection detection resistor 526 and the voltage dividing resistor 123 are selected to have the same resistance value and sufficiently larger than the voltage dividing resistor 124.
  • the voltage value is about 1 ⁇ 2 of High described in the first embodiment. This is 1/2 High.
  • the voltage of the voltage signal Vo is the voltage drop generated by the current flowing from the output side of the braking circuit switching element 122, for example, from the collector to the emitter, and the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing voltage. Since the voltage is divided by the resistor 124, the voltage is extremely low with respect to the voltage values High and 1 / 2High. This voltage value is set to Low.
  • the output signal VAR output from the abnormality detection unit 125 indicates that “the line including the braking resistor 130 is disconnected and the braking circuit switching element is normal”.
  • FIG. 7 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the line including the braking resistor 130 is broken and the braking circuit switching element 122 is broken in an open state. is there.
  • the voltage signal Vo does not change regardless of whether the control signal V GE is an ON operation or an OFF operation.
  • the voltage of the voltage signal Vo is the voltage applied to the positive electrode side connection point P with the negative electrode side connection point N as a reference, the braking resistor disconnection detection resistor 526 connected in series, the voltage dividing resistor 123, and the voltage dividing resistor 123.
  • the output signal VAR output from the abnormality detection unit 125 in this state indicates that “the line including the braking resistor 130 is disconnected and the braking circuit switching element is in an open failure”.
  • FIG. 8 is a pattern diagram of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the braking circuit switching element 122 fails in a short circuit state.
  • the voltage of the voltage signal Vo is generated by the current flowing from the output side of the braking circuit switching element 122, for example, from the collector to the emitter.
  • a value obtained by dividing the voltage drop by the voltage dividing resistor 123 and the voltage dividing resistor 124 is obtained.
  • the voltage of the voltage signal Vo is extremely low with respect to the voltage values High and 1 / 2High, that is, Low.
  • the abnormality detection unit 125 determines that the braking circuit switching element 122 is in a short circuit failure state, and the output signal VAR indicates that “the braking circuit switching element 122 is in a short circuit failure”.
  • the line including the braking resistor 130 is not broken, that is, the pattern diagrams of the control signal V GE and the voltage signal Vo when the line is normal are the same as those in FIG. 2 and FIG. Since the output signal VAR obtained from the abnormality detection unit 125 in this case is the same as that in the first embodiment, it is omitted.
  • the presence / absence of occurrence of disconnection in the line including the braking resistor 130 and the braking circuit switching element 122 are “normal”. ”,“ Open fault ”, or“ short circuit fault ”can be detected. Thereby, it becomes possible to save the cost and the mounting area, and to detect the abnormality of the braking circuit switching element 122 and to detect the disconnection in the line including the braking resistor 130.
  • FIG. 9 is a table showing the relationship between the state 90 of the control signal V GE of the braking circuit switching element 122, the state 91 of the voltage signal Vo, and the state 92 of the output signal VAR of the abnormality detection unit in the second embodiment. It is.
  • the voltage signal Vo When the control signal V GE of the braking circuit switching element 122 is in the OFF operation, the voltage signal Vo indicates High, and when the control signal V GE is in the ON operation, the voltage signal Vo has a pattern indicating Low. 2 is a pattern. Therefore, the output signal VAR outputs that the line including the braking resistor 130 is normal and the braking circuit switching element 122 is normal.
  • the voltage signal Vo indicates 1/2 High, and when the control signal V GE is in the ON operation, the voltage signal Vo is. In the case of the pattern indicating Low, the pattern is as shown in FIG. 6, and the output signal VAR outputs that the line including the braking resistor 130 is disconnected and the braking circuit switching element 122 is normal.
  • the voltage of the voltage signal Vo is the pattern shown in FIG. 3 in the case of a high pattern, and the output signal VAR is a line including the braking resistor 130. It is normal and the braking circuit switching element 122 outputs an open failure.
  • the voltage of the voltage signal Vo is the pattern shown in FIG. In AR , the line including the braking resistor 130 is disconnected, and the braking circuit switching element 122 outputs an open failure.
  • the voltage of the voltage signal Vo is the pattern shown in FIGS. 4 and 8 when the pattern is low, and the output signal VAR is the braking circuit switching element 122. Outputs a short circuit fault.
  • the configuration example in which the braking circuit 120 is provided outside the power conversion device is shown.
  • the above-described embodiment can be applied even when the braking circuit is provided inside the power conversion device.
  • the braking circuit switching element 122 may be an IGBT or a device having a switching function such as a bipolar transistor or a MOSFET.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 AC power supply, 110 ... Power converter, 111 ... Converter circuit, 113 ... Inverter circuit, 120 ... Braking circuit, 121 ... Freewheeling diode, 122 ... Braking circuit switching element, 123, 124 ... Voltage dividing resistor, 125 ... Abnormality detection , 130 ... braking resistor, 526 ... braking resistor disconnection detection resistance

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Abstract

制動回路は、整流器と、整流器と直列に接続されたスイッチング素子と、整流器と並列に接続された制動抵抗器と、制動抵抗器の側でありスイッチング素子の端子側の電圧信号と、スイッチング素子の制御信号とに基づいて、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。

Description

制動回路および電力変換装置
　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VGE、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VGE、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VGE、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VGE、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VGE、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VGE、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。
　VGE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VGE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VAR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VGE、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VAR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VGE、電圧信号Voのパターン図である。制御信号VGE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VGE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VGEが、OFF動作のとき電圧信号VoはHighを示し、制御信号VGE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VAR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VGE、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VGE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VAR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VGE、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VGE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VAR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VGE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VAR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VAR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VAR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VGE、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VAR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VGE、電圧信号Voのパターン図である。制御信号VGE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VGE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VGEがOFF動作のとき電圧信号Voは1/2Highを示し、制御信号VGE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VAR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VGE、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VGE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VAR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VGE、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VGE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VAR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VGE、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VAR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VGE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VGEの状態９０、電圧信号Voの状態９１、異常検出部の出力信号VAR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VGEが、OFF動作のとき、電圧信号VoはHighを示し、制御信号VGE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VAR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VGEが、OFF動作のとき電圧信号Voは、1/2Highを示し、制御信号VGE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VAR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VGE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VAR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VGE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VAR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VGE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VAR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 (13)

  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、
    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、前記スイッチング素子に並列に抵抗を接続したことを特徴とする制動回路。
  3. 請求項２に記載の制動回路において、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ことを特徴とする制動回路。
  4. 請求項３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。
  5. 請求項３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。
  6. 請求項３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。
  7. 請求項３に記載の制動回路において、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。
  8. 請求項７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。
  9. 請求項７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。
  10. 請求項７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。
  11. 請求項７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。
  12. 請求項７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。
  13. 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ことを特徴とする電力変換装置。
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