(57)【要約】  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。
2009087775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
【特許文献１】特開平８−１８２１０５号公報
【０００７】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図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２】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】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】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】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】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】
【００１３】
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
＜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。【００５８】
＜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。【００５９】
＜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。【００６０】
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。【００６１】
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。【００６２】
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。【００６３】
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。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。【００６９】
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。【００７０】
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。【００７１】
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。【００７２】
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。【００７３】
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。【００７４】
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。【００７５】
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。【００７６】
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。【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
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。【００８１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
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。
【図１】
2009087775.tif 000003
【図２】
2009087775.tif 000004
【図３】
2009087775.tif 000005
【図４】
2009087775.tif 000006
【図５】
2009087775.tif 000007
【図６】
2009087775.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月23日(2008.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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し、判別結果を示す信号を出力する故障判定部と、前記故障判定部からの信号に応じて、前記インバータに対して制御信号を出力するゲート信号生成部とを備え、
前記ゲート信号生成部は、前記故障判定部からの信号が、正極側に接続された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、負極側に接続される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
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
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、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電力変換装置。
【請求項３】
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、
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電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記インバータと前記交流電動機との間に直流成分が含まれる故障電流が生じた場合、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１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１８２１０５号公報
【０００７】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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し、判別結果を示す信号を出力する故障判定部と、前記故障判定部からの信号に応じて、前記インバータに対して制御信号を出力するゲート信号生成部とを備え、前記ート信号生成部は、前記故障判定部からの信号が、正極側に接続された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、負極側に接続される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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
＜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。
【００５６】
＜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。
【００５７】
＜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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図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２】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】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】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】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】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】
【００８２】
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
【国際調査報告】
2009087775.tif 000009
2009087775.tif 000010
2009087775.tif 000011
2009087775.tif 000012