CN102959847B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率转换装置，能检测平滑电容器电路(4)中串联连接的电容器的短路故障。将开关单元(7SW)、励磁电阻(8R)，触点电阻(9R)及二极管(10D)组合而构成电容器异常检测电路。开关单元(7SW)包括励磁电路和触点电路，且当励磁电路中流过规定的电流时，触点电路闭合。将开关单元(7SW)的励磁电路和励磁电阻(8R)、触点电路和触点电阻(9R)按照电容器的串联数进行交替串联连接，并使该串联电路与电容器并联连接。将励磁电阻(8R)与下一个开关单元的连接点及触点电阻(9R)与下一个开关单元的连接点进行连接，在该点和电容器的对应连接点之间连接二极管(10D)。当电位最低的开关电路(7SW)的励磁关断时，判断为串联连接的电容器中至少1个电容器产生了短路故障。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及功率转换装置，尤其涉及具有对平滑电容器电路的短路故障进行检测的功能的功率转换装置。
背景技术
伴随着近来功率转换装置的高电压化、大型化，出现了需要高电压和大容量电容器的装置。在这种装置中，将多个电容器串联、并联连接来使用。当电容器的串联数、并联数较多时，即使一部分电容器产生短路故障(下面简称为故障)，也无法作为装置整体的异常而检测出来，若继续使用下去，则有时电容器会相继产生故障，直到产生较大损坏时才被注意到。为了防止这种损坏的扩大，通常会设置电容器的故障检测电路。
该故障检测电路通常采用监控直流电压的方法，但若如上所述、电容器的串联、并联数增加，则如果不设置监控各个电容器的电压的电路就无法解决上述问题。因此，故障检测电路会变得很复杂。
对此，提出了以下方案(例如参照专利文献1)，即，利用二极管桥式电路将串联、并联连接的电容器的中间点连接起来，该方案包括对二极管桥式电路的直流电压端子间的电压进行检测的电平检测器，通过对该电平检测器的输出进行监控来对各个电容器的故障进行检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平8－62270号公报(第3-4页、图1)
发明内容
发明所要解决的问题
专利文献1所示的方法中，利用二极管桥式电路对电容器的中间点进行整流，利用电平检测器对二极管桥式电路的直流端子间的电压进行检测，根据该检测电平来检测是否有某个电容器产生故障。根据该方法，即使是多个串联、并联连接的电容器电路也可以进行应对，检测电路有1处即可，并可以由廉价的器件构成。但是具有以下问题，即如果电容器的串联连接数不是2的倍数，则无法得到中间点。此外，还具有以下问题，即，如果电容器的串联、并联数变多，则即使电容器的串联连接数是2的倍数，但当1个电容器产生故障时，由于电压的变动水平变少，因此很难进行检测，缺乏可靠性。此外，还具有以下问题，即，当把电容器的串联、并联连接的1个点接地或作为中性点时，将很难进行检测。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置包括即使多个电容器串联、并联连接，也能利用比较简单的电路来可靠地检测出1个电容器的故障的故障检测电路。
解决技术问题所采用的技术方案
为达成上述目的，本发明的功率转换装置具备：整流器，该整流器将交流电源的交流电压转换成直流电压；N(N为大于等于2的整数)个电容器，该N个电容器串联连接以对该直流电压进行平滑，且从高电位侧起依次设定为第1电容器、第2电容器、…、第N电容器；以及电容器异常检测电路，该电容器异常检测电路对所述N个电容器中的任意一个电容器产生了短路故障的情况进行检测，
所述电容器异常检测电路包括：N个开关电路，该N个开关电路具有励磁电路和根据其励磁电流而使触点闭合的触点电路，且从高电位侧起依次设定为第1开关电路、第2开关电路、…、第N开关电路；N个励磁电阻，该N个励磁电阻与所述N个开关电路的各励磁电路交替串联连接；以及N个触点电阻，该N个触点电阻与所述N个开关电路的各触点电路交替串联连接，将所述第1开关电路的励磁电路及触点电路的一端连接至所述第1电容器的高电位侧，将连接至所述第1开关电路的第1励磁电阻和所述第2开关电路的励磁电路的连接点作为第1连接点，将连接至所述第1开关电路的第1触点电阻和所述第2开关电路的触点电路的连接点与该第1连接点进行连接，并且在使电流从该第1连接点流向所述第2电容器的高电位侧的方向上连接第1二极管，同样地，以下依次将连接至所述第K{(K=2、3、…(N-1)}开关电路的第K触点电阻和所述第(K+1)开关电路的触点电路的连接点与第K连接点进行连接，并且在使电流从该第K连接点流向所述第(K+1)电容器的高电位侧的方向上连接第K二极管，将连接至第N开关电路的第N励磁电阻的另一端和连接至第N开关电路的第N触点电阻的另一端连接至所述第N电容器的低电位侧，当在所述整流器工作期间、所述第N开关电路的励磁关断时，判断为所述N个电容器中至少1个电容器产生了短路故障。
发明效果
根据本发明，可以提供一种功率转换装置，该功率转换装置包括即使多个电容器串联、并联连接，也能利用比较简单的电路来可靠地检测出1个电容器的故障的故障检测电路。
附图说明
图1是本发明实施例1所涉及的功率转换装置的电路结构图。
图2是本发明实施例1所涉及的功率转换装置的开关电路的内部结构图。
图3是说明本发明实施例1所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
图4是本发明实施例2所涉及的功率转换装置的电路结构图。
图5是本发明实施例3所涉及的功率变化装置中所使用的电容器故障检测电路用标准化单元的电路结构图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1
下面，参照图1至图3对本发明实施例1所涉及的功率转换装置进行说明。
图1是本发明实施例1所涉及的功率转换装置的电路结构图。由三相交流电源1经由开关2向整流器3提供交流电压。整流器3例如包括桥式连接的二极管，并将交流电压转换为直流电压。另外，整流器3也可以是使用开关元件的自激式整流器。该直流电压由平滑电容器电路4进行平滑后，被提供给逆变器5。逆变器5将直流电压再度转换为交流电压并对交流电动机6进行驱动。
平滑电容器电路4将电容器4C1、4C2及4C3串联连接而构成。电容器故障检测电路20对电容器4C1、4C2及4C3中任意一个电容器产生了故障的情况进行检测。下面，对电容器故障检测电路20的内部结构进行说明。
电容器故障检测电路20包括与平滑电容器4的串联数相同数量的开关电路7SW1、7SW2及7SW3。图2表示了与这些开关电路结构相同的开关电路7SW的内部结构。如图2所示，开关电路7SW包括：由励磁线圈7EX和与其串联设置的电阻7SR所形成的串联电路(下文称为励磁电路)；以及在励磁线圈7EX中有大于等于规定值的电流流过时闭合的触点7MS的电路(下文称为触点电路。)。
开关电路7SW1的励磁电路的一端及触点电路的一端连接至电容器4C1的高电位端(整流器3的正电位端)。然后，7SW1的励磁电路的另一端经由励磁电流调整用的励磁电阻8R1连接至开关电路7SW2的励磁电路的一端，SW1的触点电路的另一端经由电压分担用的触点电阻9R1连接至开关电路7SW2的触点电路的一端。然后，开关电路7SW2的励磁电路的一端和开关电路7SW2的触点电路的一端相互连接，并在使电流从该连接点流向电容器4C2的高电位端的方向上连接二极管10D1。
同样地，7SW2的励磁电路的另一端经由励磁电阻8R2连接至开关电路7SW3的励磁电路的一端，7SW2的触点电路的另一端经由触点电阻9R2连接至开关电路7SW3的触点电路的一端。开关电路7SW3的励磁电路的一端和开关电路7SW3的触点电路的一端相互连接，并在使电流从该连接点流向电容器4C3的高电位端的方向上连接二极管10D2。然后，电位最低的开关电路7SW3的励磁电路的另一端及触点电路的另一端分别经由励磁电阻8R3及触点电阻9R3连接至电容器4C3的低电位端(整流器3的负电位端)。
当在整流器3工作期间、触点电阻9R3两端的电压小于等于规定值时，电容器异常检测器11判断为电容器4C1、4C2及4C3中的某一个发生故障。
上述图1所示的结构中，电容器的串联数为3，但即使在该串联数增加的情况下，也进行与上述那样相同的连接即可。即，电位最高的开关电路7SW所涉及的连接和上述开关电路7SW1的连接相同，电位最低的开关电路7SW所涉及的连接和上述开关电路7SW3的连接相同，所有其它的开关电路7SW所涉及的连接和上述开关电路7SW2的连接相同即可。
下面，对电容器故障检测电路20的动作进行说明。首先，在整流器3工作期间，若平滑电容器电路4内的电容器4C1、4C2及4C3均为正常状态，则开关电路7SW1、7SW2及7SW3的各励磁电路中均有励磁电流流过，各触点电路均闭合。例如，开关电路7SW1的励磁电路中流过的电流的值由施加在电容器4C1上的电压除以电阻8R1与电阻7SR之和来得到。
下面参照图3对该状态下电容器4C1产生故障而变为短路状态时的状态转变进行说明。如图所示，假设在t=T0的时刻，电容器4C1产生故障。该故障导致施加在电容器4C1上的电压瞬间变为零。因此，开关电路7SW1的励磁电路中没有电流流过，故触点7MS断开，开关电路7SW1的触点电路变为开路状态。施加在故障电容器4C1以外的电容器4C2及4C3上的电压大约为原来的1.5倍，但如图所示，由于二极管10D1及10D2的正方向电压瞬间变为零，因此开关电路7SW2的励磁电路及开关电路7SW3的励磁电路中没有电流流过，且开关电路7SW2及开关电路7SW3的触点电路也变为开路状态。因此，在整流器3工作期间、电容器4C1产生故障而从触点电阻9R3两端的电压超过规定值的正常状态变为短路状态时，触点电阻9R3两端的电压会变为零，因此可以检测到电容器4C1的故障。通过将该故障信号读取到功率转换装置的保护流程中并使图1的开关2断开，可以防止故障扩大到已成为过电压状态的电容器4C2及4C3等。另外，对于整流器3为自激式的情况，也可以对整流器3进行控制级阻断(gateblock)来代替断开开关2。
当电容器4C2产生故障而成为短路状态时，该故障将导致施加在电容器4C2上的电压瞬间变为零。因此，开关电路7SW2的励磁电路中没有电流流过，故开关电路7SW2的触点电路变为开路状态。在这种情况下，也由于二极管10D1及10D2的作用，使开关电路7SW3的励磁电路中也没有电流流过，且开关电路7SW3的触点电路也变为开路状态。
而且，当电容器4C3产生故障而成为短路状态时，该故障将导致施加在电容器4C3上的电压瞬间变为零，因此，开关电路7SW3的励磁电路中没有电流流过，故开关电路7SW3的触点电路变为开路状态。
如上所述，无论哪个电容器产生故障，电位最低的开关电路7SW3的励磁电路中都没有电流流过。由此，只要通过电容器异常检测器11对安装在电位最低的部位的开关电路7SW3的状态进行检测，就可以检测出任意一个电容器的短路故障。
如上所述，根据本实施例，能可靠地检测出串联连接的电容器中任意一个电容器产生的短路故障，且可以进行健全的电容器保护。
这里，开关电路7SW中可以使用市面上出售的廉价继电器。继电器的线圈7EX为励磁状态，继电器触点7MS为接通状态(a触点)。即使继电器触点处于b触点，也可以进行同样的检测。当利用与图1相同的电路对此进行检测时，动作与其相反，触点电阻9R3两端的电压在正常时为零，当该电压大于等于规定值时，判断为某一个电容器产生故障。
此外，并不一定要利用电容器异常检测器11对触点电阻9R3两端的电压进行检测，也可以通过某些方法对上述安装在电位最低的部位的开关电路7SW3励磁状态的变化进行检测。例如，也可以对励磁电阻8R3的电压进行检测，此外，也可以在开关电路7SW3中进一步设置触点电路，并对其接通断开状态进行检测。而且，也可以在触点电路或励磁电路中使用光电转换元件，进行利用光的绝缘检测。
一般，对于将电容器串联连接的情况，由于各个电容器的电容具有偏差，因此以和电容器并联的方式连接电阻，来达到电容器之间的电压平衡，而对于该实施例1，励磁电阻8R1、8R2及8R3可以兼用作上述平衡电阻。此外，也可以将触点电阻9R1、9R2及9R3兼用作上述平衡电阻。
另外，在图1中，设电容器4C1、4C2及4C3均没有以并联方式连接其它电容器而进行了说明，但即使各个电容器以并联方式连接了其它电容器，电容器故障检测电路20的动作也和上文所述相同，故可以检测出任意一个电容器的短路故障。
实施例2
图3是本发明实施例2所涉及的功率转换装置的电路结构图。对于该实施例2的各部分，使用相同标号表示与图1的本发明实施例1所涉及的功率转换装置的各部分相同的部分，并省略其说明。该实施例2与实施例1的不同点在于：电容器电路4A包括串联连接的电容器4C1、4C2、4C4及4C4，将其中点作为中性点接地；电容器故障检测电路20A构成为以该中性点为基准设置有正侧和负侧的两个电路，当正侧的电容器4C1或4C2产生故障时，正侧的电容器异常检测器11A检测出异常，当负侧的电容器4C3或4C4产生故障时，负侧的电容器异常检测器11B检测出异常。因此，对于正侧的电容器4C1及4C2，电容器故障检测电路20A的结构与实施例1的电容器故障检测电路20为相同结构，对于负侧的电容器4C3及4C4，电容器故障检测电路20A的结构与实施例1的电容器故障检测电路20为电压方向相反的相同结构。
在这种情况下，当例如负侧的电容器4C4产生故障而成为短路状态时，该故障将导致施加在电容器4C4上的电压瞬间变为零。因此，开关电路7SW4的励磁电路中没有电流流过，故开关电路7SW4的触点电路变为开路状态。然后，由于二极管10D2的作用，使开关电路7SW3的励磁电路中也没有电流流过，且开关7电路7SW3的触点电路也变为开路状态。因此，触点电阻9R3的电压变为零，可以通过电容器异常检测器11B来检测到异常。由于其它电容器产生故障时的动作也基本和实施例1的情况相同，因此省略其说明。
此外，以下内容也和实施例1的情况相同，即，通过将电容器异常检测器11A或11B的故障信号读取到功率转换装置的保护流程中并使图4的开关2断开，可以防止故障扩大到已成为过电压状态的平滑电容器等。
实施例3
图5是本发明实施例3所涉及的功率变化装置中所使用的电容器故障检测电路用标准化单元的电路结构图。若如图所示准备装有开关电路7SW、电阻8R、电阻9R及二极管10D的标准化单元30，则通过对该标准化单元30进行组合，可以容易地组装成实施例1及实施例2所示的电容器故障检测电路20、20A。
标准化单元30的端子结构中，使开关电路7SW的励磁电路和触点电路的一端相互连接，将连接得到的点设为端子P；将触点电阻9R的两端设为端子D1及D2；将二极管10D的阴极侧设为端子N；将二极管10D的两端设为端子S1、S2。如图所示，端子D2和端子S2为相同的连接点，且端子N和端子S1为相同的连接点。端子D1、D2是作为电压检测用的端子而设置的；对于端子S1、S2，若利用图1进行说明，则是为了用于将电位最低的部位的开关电路7SW3包含在内的标准化单元而设置的，是用于使二极管10D短路的端子。
上述内容中，由于在装有图1的开关电路7SW1或7SW2的标准化单元中没有使用端子D1、S1及S2，因此作为标准化单元，可以利用只有端子P、端子D2及端子N这3个端子的标准化单元来构成电容器故障检测电路，对于电位最低的部位，也可以应用不带有二极管10D的单元。
若如上所述使用图5的标准化单元30，则不仅量产性提高，而且由于器件可以均由低压器件构成，因此经济性也非常好。
标号说明
1交流电源
2开关
3整流器
4平滑电容器
4C1、4C2、4C3电容器
5逆变器
6交流电动机
7SW、7SW1、7SW2、7SW3、7SW4开关电路
8R、8R1、8R2、8R3、8R4励磁电阻
9R、9R1、9R2、9R3、9R4触点电阻
10D、10D1、10D2、10D3、10D4二极管
11、11A、11B电容器异常检测器
20、20A电容器故障检测电路
30标准化单元

Claims (8)

1.一种功率转换装置，其特征在于，具备：
整流器，该整流器将交流电源的交流电压转换成直流电压；
N个电容器，该N个电容器串联连接以对该直流电压进行平滑，且从高电位侧起依次设定为第1电容器、第2电容器、…、第N电容器；以及
电容器异常检测电路，该电容器异常检测电路对所述N个电容器中的任意一个电容器产生了短路故障的情况进行检测，
所述电容器异常检测电路包括：
N个开关电路，该N个开关电路具有励磁电路和根据其励磁电流而使触点闭合的触点电路，且从高电位侧起依次设定为第1开关电路、第2开关电路、…、第N开关电路；
N个励磁电阻，该N个励磁电阻与所述N个开关电路的各励磁电路交替串联连接；以及
N个触点电阻，该N个触点电阻与所述N个开关电路的各触点电路交替串联连接，
将所述第1开关电路的励磁电路及触点电路的一端连接至所述第1电容器的高电位侧，
将连接至所述第1开关电路的第1励磁电阻和所述第2开关电路的励磁电路的连接点作为第1连接点，将连接至所述第1开关电路的第1触点电阻和所述第2开关电路的触点电路的连接点与该第1连接点进行连接，并且在使电流从该第1连接点流向所述第2电容器的高电位侧的方向上连接第1二极管，
同样地，以下依次将连接至第K{(K＝2、3、…(N-1)}开关电路的第K触点电阻和第(K+1)开关电路的触点电路的连接点与第K连接点进行连接，并且在使电流从该第K连接点流向第(K+1)电容器的高电位侧的方向上连接第K二极管，
将连接至第N开关电路的第N励磁电阻的另一端和连接至第N开关电路的第N触点电阻的另一端连接至所述第N电容器的低电位侧，
当在所述整流器工作期间、所述第N开关电路的励磁关断时，
判断为所述N个电容器中至少1个电容器产生了短路故障，
N为大于等于2的整数。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，当所述第N触点电阻两端的电压小于等于规定值时，判断为所述N个电容器中至少1个电容器产生了短路故障。
3.一种功率转换装置，其特征在于，具备：
整流器，该整流器将交流电源的交流电压转换成直流电压；
2N个电容器，该2N个电容器串联连接以对该直流电压进行平滑，且从高电位侧起依次定义为第1电容器、第2电容器、…、第2N电容器，且将其中性点接地；以及
电容器异常检测电路，该电容器异常检测电路对所述2N个电容器中的任意一个电容器产生了短路故障的情况进行检测，
所述电容器异常检测电路包括所述2N个电容器中、正侧的N个电容器的异常检测电路和负侧的N个电容器的异常检测电路，
所述正侧的N个电容器的异常检测电路与权利要求1所述的电容器异常检测电路为相同结构，
所述负侧的N个电容器的异常检测电路与权利要求1所述的电容器异常检测电路为电压极性相反的相同结构，
N为大于等于2的整数。
4.如权利要求1或3所述的功率转换装置，其特征在于，各所述电容器中，多个电容器为并联连接。
5.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，所述正侧的N个电容器的异常检测电路中，当第N触点电阻两端的电压小于等于规定值时，判断为所述正侧的N个电容器中至少1个电容器产生了短路故障，
所述负侧的N个电容器的异常检测电路中，当第N触点电阻两端的电压小于等于规定值时，判断为所述负侧的N个电容器中至少1个电容器产生了短路故障。
6.如权利要求1或3所述的功率转换装置，其特征在于，当所述电容器异常检测电路检测到异常时，使设置在所述整流器的输入侧的开关断开，或者对所述整流器进行控制级阻断。
7.如权利要求1或3所述的功率转换装置，其特征在于，所述电容器异常检测电路将标准化单元进行组合而构成，该标准化单元使用各1个所述开关电路、所述励磁电阻、所述触点电阻及所述二极管，将该开关电路的励磁电路及触点电路的一端进行连接并作为第1端子，将励磁电阻连接至所述励磁电路的另一端并将该励磁电阻的另一端作为第2端子，将触点电阻连接在所述触点电路的另一端和所述第2端子之间，在电流从所述第2端子流出的方向上连接二极管，并将其另一端作为第3端子。
8.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，在所述标准化单元的所述触点电路和所述触点电阻的连接点上设置有第4端子，在所述二极管的两端设置有第5及第6端子。
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