(57)【要約】【課題】永久磁石同期電動機のコイルもしくは配線が地絡した際に過大な電流や電圧が発生することを防ぐ。【解決手段】一端が接地された直流電圧を出力する直流電圧源と、前記直流電圧源の出力間にスイッチング素子及びフリーホイールダイオードが逆並列接続されたものを複数直列接続したものが3組あり、前記3組の直列接続の間に三相の永久磁石形同期電動機が接続されるインバータ装置において、前記永久磁石形同期電動機を接続する配線もしくは前記永久磁石形同期電動機のコイルが地絡した際に前記地絡を検知し、前記永久磁石形同期電動機が接続されている箇所と前記直流電圧源の接地されている一端との間のスイッチング素子は全て導通状態とし他のスイッチング素子は全て遮断状態とすることを特徴とするインバータ装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が接地された直流電圧を出力する直流電圧源と、該直流電圧源の出力間にスイッチング素子及びフリーホイールダイオードが逆並列接続されたものを複数直列接続したものが3組あり、該3組の直列接続の間に三相の永久磁石形同期電動機が接続されるインバータ装置において、該永久磁石形同期電動機を接続する配線もしくは前記永久磁石形同期電動機のコイルが地絡した際に該地絡を検知し、前記永久磁石形同期電動機が接続されている箇所と前記直流電圧源の接地されている一端との間のスイッチング素子は全て導通状態とし他のスイッチング素子は全て遮断状態とすることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１のインバータ装置において、前記地絡の検知は３相の電流の和が零でないことにより検知することを特徴としたインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石形同期電動機を駆動するためのインバータ装置に関するもので、特に地絡時の過大な電流やトルクを防止するものである。
【背景技術】
【０００２】
一例として図３にインバータ装置の構成図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。
【０００３】
直流電圧源１は、一方が接地されている直流の電圧源であり、電圧の高い方をP側、電圧の低いほうをN側とし、N側が接地されている。インバータ回路２は、直流電圧源１の直流の電圧が入力され、３相の交流電圧が出力される。U相スイッチング回路２１は、U相出力電圧vU を出力し、V相スイッチング回路２２はV相出力電圧vVを出力し、W相スイッチング回路２３はW相出力電圧vWを出力する。
【０００４】
U相スイッチング回路２１、V相スイッチング回路２２、W相スイッチング回路２３は、それぞれ図４に示す構成となっている。P側スイッチング素子２０１及びP側フリーホイールダイオード２０２を逆並列に接続したものと、N側スイッチング素子２０３及びN側フリーホイールダイオード２０４を逆並列に接続したものが、直流電圧源の間に直列に接続され、直列に接続した間がそれぞれの相の出力電圧となる。
【０００５】
インバータ回路２の３相の出力電圧vU 、vV 、vWには、永久磁石形同期電動機３が接続される。電流検出器４は、インバータ回路２から永久磁石形同期電動機３に流れるU相電流iU、V相電流iV、W相電流iｗを検出する。
【０００６】
図５は制御回路５の一構成例である。電流制御器５１は、電流検出器４で検出した３相の電流iU、iV、iWを入力し、永久磁石形同期電動機３の回転速度及び回転角度を演算し、制御指令に追従するような電圧指令を出力する。PWM制御器５２は、電流制御器５１の出力である電圧指令を入力し、電圧指令と基本波成分が一致するようなスイッチング指令を、各相のP側スイッチング素子２０１及びN側スイッチング素子２０３に出力する。なお制御指令とは、永久磁石形同期電動機３のトルクや回転速度の指令である。（例えば特許文献１）
【０００７】
ここでインバータ回路２の詳細な動作をU相スイッチング回路２１を用いて説明するが、V相スイッチング回路２２及びW相スイッチング回路２３においても同様な動作である。なお、スイッチング素子は導通状態をオン、遮断状態をオフとする。
【０００８】
P側スイッチング素子２０１がオンし、N側スイッチング素子２０３がオフした場合、U相電流iUが正のときはP側スイッチング素子２０１経由でU相電流iUが流れる。一方でU相電流iUが負のときはP側フリーホイールダイオード２０２経由でU相電流iUが流れる。どちらの場合も、U相電圧vUは直流電圧源１のP側と一致する。
【０００９】
P側スイッチング素子２０１がオフし、N側スイッチング素子２０３がオンした場合は、U相電流iUが正のときはN側フリーホイールダイオード２０４経由でU相電流iUが流れ、U相電流iUが負のときはN側スイッチング素子２０３経由でU相電流iUが流れる。どらの場合も、U相電圧vUは直流電圧源１のN側と一致する。
【００１０】
P側スイッチング素子２０１及びN側スイッチング素子２０３の両方がオフしている場合は、U相電流iUが正のときはN側フリーホイールダイオード２０４経由でU相電流iUが流れU相電圧vUは直流電圧源１のP側と一致する。U相電流iUが負のときは、P側フリーホイールダイオード２０２経由でU相電流iUが流れU相電圧vUは直流電圧源１のN側と一致する。
【００１１】
P側スイッチング素子２０１及びN側スイッチング素子２０３の両方がオンの場合は、直流電圧源１が短絡された状態となり、P側スイッチング素子２０１及びN側スイッチング素子２０３に過大な電流が流れ素子破壊を招くため、PWM制御器５２はそのようなスイッチング指令を出すことは禁止している。
【特許文献１】特許公開２００１−６９７８５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
永久磁石形同期電動機３のコイルの１相もしくは、インバータ回路２と永久磁石形同期電動機３の間の配線のうちの１相が地絡すると過大な電流・トルクが発生する。
【００１３】
地絡の一例として、W相の配線が地絡した場合を図６を用いて詳しく説明する。地絡が発生すると、電流制御器５１は制御不能に陥りPWM制御器５２はスイッチング指令の出力を停止するため、U相スイッチング回路２１及びV相スイッチング回路２２及びW相スイッチング回路２３のP側スイッチング素子２０１及びN側スイッチング素子２０３は全てオフとなった状態となる。
【００１４】
直流電圧源１のN側は接地されているため、地絡したW相の配線と、U相スイッチング回路２１及びV相スイッチング回路２２のN側フリーホイールダイオード２０４経由で回路が形成されることとなる。
【００１５】
図７はU相電圧vUとW相電圧vWの差もしくはV相電圧vVとW相電圧vWの差が直流電圧源１の電圧を超えない場合の、W相の配線が地絡した際の等価回路である。永久磁石形同期電動機３は、永久磁石による交流誘起電圧が発生するために、交流電流を流そうとする。しかしながら、U相電流iU及びV相電流iVは、フリーホイールダイオード２０４によって、一方向にしか流れない。そのため、流れる電流は一方向に増大するため、想定された電流に比べ過大な電流が発生する場合がある。過大な電流が発生すると、同時に過大なトルクが発生することとなる。
【００１６】
永久磁石形同期電動機３の永久磁石による交流誘起電圧により、U相電圧vUとW相電圧vWの差もしくはV相電圧vVとW相電圧vWの差が直流電圧源１の電圧を超える場合、U相電流iUもしくはV相電流iVがそれぞれの相のP側フリーホイールダイオード２０２経由で直流電圧源１へ電流が流れることとなるが、永久磁石形同期電動機３の永久磁石による交流誘起電圧は、直流電圧源１の電圧以下もしくは同程度に設計されるため、直流電圧源１へ電流が流れたとしても僅かである。
【００１７】
過大な電流及びトルクが発生すると、様々な問題が想定される。例として、通常運転での想定以上の電流が流れることにより、永久磁石形同期電動機３のコイルや永久磁石形同期電動機３とインバータ回路２の間の配線が過熱し、火災を生じる可能性がある。また、N側フリーホイールダイオード２０４に過大な電流が流れるため、N側フリーホイールダイオード２０４の破損を招く可能性もある。また、この時に発生する電流は、永久磁石形同期電動機３に内蔵されている永久磁石の作用を抑制するように働くため、永久磁石形同期電動機３の永久磁石を減磁させる恐れがある。永久磁石形同期電動機３の永久磁石が減磁すると、永久磁石を交換するために永久磁石形同期電動機３を分解・修理するか、永久磁石形同期電動機３自体を新しいものに交換する必要があり、きわめて非効率である。
【００１８】
また、過大なトルクが発生することにより、永久磁石形同期電動機３が機械的破損を生じたり、永久磁石形同期電動機３に接続されている機械装置の破損の恐れもある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
請求項１の発明によれば、一端が接地された直流電圧を出力する直流電圧源と、前記直流電圧源の出力間にスイッチング素子及びフリーホイールダイオードが逆並列接続されたものを複数直列接続したものが3組あり、前記3組の直列接続の間に三相の永久磁石形同期電動機が接続されるインバータ装置において、前記永久磁石形同期電動機を接続する配線もしくは前記永久磁石形同期電動機のコイルが地絡した際に前記地絡を検知し、前記永久磁石形同期電動機が接続されている箇所と前記直流電圧源の接地されている一端との間のスイッチング素子は全て導通状態とし他のスイッチング素子は全て遮断状態とすることを特徴とするインバータ装置。
【００２０】
請求項２の発明によれば、請求項１のインバータ装置において、前記地絡の検知は３相の電流の和が零でないことにより検知することを特長としたインバータ装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、地絡が発生しても過大な電流やトルクが発生することを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
一端が接地された直流電圧を出力する直流電圧源と、前記直流電圧源の出力間にスイッチング素子及びフリーホイールダイオードが逆並列接続されたものを複数直列接続したものが3組あり、前記3組の直列接続の間に三相の永久磁石形同期電動機が接続されるインバータ装置において、前記永久磁石形同期電動機を接続する配線もしくは前記永久磁石形同期電動機のコイルが地絡した際に前記地絡を検知し、前記永久磁石形同期電動機が接続されている箇所と前記直流電圧源の接地されている一端との間のスイッチング素子は全て導通状態とし他のスイッチング素子は全て遮断状態とすることを特徴とするインバータ装置。
【実施例１】
【００２３】
図１を用いて請求項１及び請求項２の発明について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。
【００２４】
加算器５３は、U相電流iU及びV相電流iV及びW相電流iWの和を出力する。地絡判定器５４は、加算器５３の出力が零でない場合、異常信号を出力する。
【００２５】
通常運転時はU相電流iU，V相電流iV，W相電流iWの電流和がゼロとなるのに対し、地絡が発生すると３相の電流和がゼロとならないため、上記構成により地絡が発生すると異常信号を出力することが可能となる。
【００２６】
切替器５５は、加算器５３が異常信号を出力していない場合は、PWM制御器５２の出力をそのまま出力し、加算器５３が異常信号を出力した場合、U相スイッチング回路２１及びV相スイッチング回路２２及びW相スイッチング回路２３のP側スイッチング素子２０１を全てオフに，N側スイッチング素子２０３を全てオンとするような信号を出力する。
【００２７】
図２は、本発明を実施した場合の従来例の図７に相当する等価回路である。例のようにW相の配線が地絡した場合でも、全ての相の電流は両方向に流れることができるようになるため、一方向に電流が増大する恐れがなく、過大な電流やトルクの発生を防ぐことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
直流電気鉄道は架線と線路の間の電圧を利用するため、インバータの直流電圧の一端が接地されており、永久磁石形同期電動機を駆動する際に地絡が発生すると過大な電流及びトルクが発生するが、本発明により解決されるため極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例の制御回路構成図である。
【図２】本発明の一実施例の地絡時の等価回路である。
【図３】インバータ装置の構成例である。
【図４】インバータ回路のスイッチング回路一相分の一例である。
【図５】従来技術の制御回路構成図の一例である。
【図６】地絡時の一例である。
【図７】従来技術における地絡時の一例の等価回路である。
【符号の説明】
【００３０】
１      直流電圧源
２      インバータ回路
２１    U相スイッチング回路
２２    V相スイッチング回路
２３    W相スイッチング回路
２０１  P側スイッチング素子
２０２  P側フリーホイールダイオード
２０３  N側スイッチング素子
２０４  P側フリーホイールダイオード
３      永久磁石形同期電動機
４      電流検出器
５      制御回路
５１    電流制御器
５２    PWM制御器
５３    加算器
５４    地絡判定器
５５    切替器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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