JP2005229771A

JP2005229771A - インバータ回生抵抗保護装置

Info

Publication number: JP2005229771A
Application number: JP2004038183A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Izumi; 進一泉
Original assignee: Reliance Electric Ltd
Current assignee: Reliance Electric Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】インバータ装置におけるインバータ回生抵抗の保護装置を提供する。
【解決手段】回生抵抗５への通電開始をゲート信号によって制御する電力用半導体スイッチ２０と、溶断したときに回生抵抗５への通電を遮断するヒューズ７と、回生抵抗５を迂回して導通するサイリスタスイッチ８と、電力用半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間の電圧値を検出する電圧検出器２１と、回生抵抗の過熱および電力用半導体スイッチの故障を判定し、回生抵抗の過熱を示す第１の異常信号と、電力用半導体スイッチの故障を示す第２の異常信号とを発生する判定部２２と、判定部からの第１または第２の異常信号に基づいて、サイリスタスイッチ８をオン動作させて、ヒューズ７を溶断するゲート駆動回路２３と、判定部２２からの第１または第２の異常信号に基づいて、インバータ回路の運転を停止する運転停止指令部２４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流を交流に変換するインバータ装置の運転において、過回生および電力用半導体スイッチの異常モードでの回生抵抗の焼損を防ぐ回生抵抗の保護装置に関する。

インバータ装置に発生する回生電力を吸収する回生抵抗の焼損を防ぐ保護装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この保護装置は、回生抵抗に流れる電流を検出する電流検出器を有し、電力用半導体スイッチへのゲート信号と電流検出器による通電信号とを比較して、サイリスタスイッチの通電開始を制御する故障判定回路を備えている。

図４は、特許文献１に記載の従来のインバータ回生抵抗保護装置（以下、「保護装置」と称す）の回路構成を示す図である。直流電源または交流を直流に変換するコンバータ回路４からの直流は、インバータ回路２により交流に変換されて、３相交流電動機１に供給される。回生回路は、回生抵抗５および電力用半導体スイッチ６により構成される。回生抵抗の保護装置は、回生抵抗５を遮断するヒューズ７、ヒューズ７に溶断電流を流すサイリスタスイッチ８、回生抵抗５への通電を検出する電流検出器９、電力用半導体スイッチ故障判定回路１０から構成される。なお、３はコンデンサである。

回生抵抗５は、インバータ回路２に発生する回生電力を吸収する。電力用半導体スイッチ６は、直列に接続され回生抵抗５への通電開始をゲート信号によって制御する。電流検出器９は、電力用半導体スイッチ６および回生抵抗５と直列に接続されて、回生抵抗に流れる電流を検出する。ヒューズ７は、電流検出器９および回生抵抗５および電力用半導体スイッチ６と直列に接続され、溶断したときに回路の導通を遮断する。サイリスタスイッチ８は、電流検出器９および回生抵抗および電力用半導体スイッチからなる直列回路に並列に接続され、回生抵抗５を迂回して導通する。故障判定回路１０は、電力用半導体スイッチ６へのゲート信号と電流検出器９による通電信号とを比較して、サイリスタスイッチ８の通電開始を制御する。電力用半導体スイッチ６へのゲート信号がオフとなっているにもかかわらず、回生回路に電流が流れていることを検出すれば、電力用半導体スイッチ６が故障していると判断して、回生抵抗５をバイパスする回路のサイリスタスイッチ８をオンして、ヒューズ７に溶断電流を流すことにより回生回路を遮断する。
特開平５−３３６７５８号公報

従来技術は、電流検出器により検出された回生抵抗に流れる電流と電力用半導体スイッチへのゲート信号と故障判定回路で比較し、電力用半導体スイッチへゲート信号が出ているにもかかわらず、電流検出器で電流を検出すれば、故障判定回路で電力用半導体スイッチは短絡故障であると判定する。

しかしながら、電力用半導体スイッチが短絡しなくとも、回生抵抗に過剰な回生電力が加わる、すなわち過回生になると回生抵抗が焼損する危険性がある。

この発明の目的は、回生抵抗を保護するために電流検出器を用いないで、回生抵抗の過熱を検出し、および電力用半導体スイッチの故障を検出して、ヒューズを溶断および／またはインバータ装置を停止するインバータ回生抵抗の保護装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、直流を交流に変換するインバータ回路に発生する回生電力を吸収する回生抵抗の保護装置であって、回生抵抗と直列に接続され、回生抵抗への通電開始をゲート信号によって制御する電力用半導体スイッチと、回生抵抗および電力用半導体スイッチと直列に接続され、溶断したときに回生抵抗への通電を遮断するヒューズと、回生抵抗および電力用半導体スイッチからなる直列回路に並列に接続され、回生抵抗を迂回して導通するサイリスタスイッチと、電力用半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間の電圧値を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された電圧値に基づいて、回生抵抗の過熱および電力用半導体スイッチの故障を判定し、回生抵抗の過熱を示す第１の異常信号と、電力用半導体スイッチの故障を示す第２の異常信号とを発生する判定手段と、判定手段からの第１または第２の異常信号に基づいて、サイリスタスイッチをオン動作させて、ヒューズを溶断するゲート駆動手段と、判定手段からの第１または第２の異常信号に基づいて、インバータ回路の運転を停止する運転停止指令手段とを備えている。

さらに、判定手段は、電圧検出手段により検出された電圧値のＬＯＷおよびＨＩＧＨの時間を検出し、電力用半導体スイッチのオンおよびオフ時間を計測するオン／オフ時間計測手段と、オン／オフ時間計測手段で計測されたオンおよびオフ時間にもとづいて、回生抵抗の推定温度上昇分を演算する温度上昇演算手段と、温度上昇演算手段で演算された推定温度上昇分と、回生抵抗の許容温度上昇分とを比較し、推定温度上昇分が許容温度上昇分を超えたとき、第１の異常検出信号を出力する抵抗過熱判定手段と、電圧検出手段により検出された電圧値の有無により第２の異常信号を出力する電力用半導体スイッチ故障判定手段とを有している。

さらに、温度上昇演算手段は、電圧検出手段により検出された電圧値と、電力用半導体スイッチのオン時間およびオフ時間と、回生抵抗の電力容量および抵抗値と、電力用半導体スイッチのスイッチングサイクル数と、回生抵抗の加熱および放熱時の特性から定まる定数とから、回生抵抗の推定温度上昇分を演算する。

さらに、電力用半導体スイッチ故障判定手段は、電圧検出手段により検出された電圧値が一定時間以上ゼロのとき、電力用半導体スイッチが異常と判定し第２の異常検出信号を出力する。

以上説明したように、本発明によれば、電力用半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間電圧を使用し電力用半導体スイッチの異常を検出し、かつ、回生抵抗の異常過熱を検出して、ヒューズを溶断するおよび／またはインバータ装置の運転を停止することにより回生抵抗を保護することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例におけるインバータ回生抵抗の保護装置のブロック図である。図１において、図５と機能が同一の構成要素については同一の符号を付す。すなわち、回生抵抗の保護装置１９は、ヒューズ７、サイリスタスイッチ８、電力用半導体スイッチ２０、Ｖ_CE検出器２１、抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部２２、ゲート駆動回路２３、運転停止指令部２４から構成される。

電力用半導体スイッチ２０は、電力用スイッチング素子であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。このスイッチは、ゲート電圧を閾値以上にするとスイッチがオン状態になり、ゲート電圧を閾値電圧以下にするとスイッチがオフ状態になる。

Ｖ_CE検出器２０は、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEを検出する回路である。図中、Ａは検出回路からの出力を示している。

抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部２２は、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEにもとづき演算した回生抵抗の異常過熱および電力用半導体スイッチの異常を判定し、異常のとき異常信号Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを出力する。

ゲート駆動回路２３は、異常信号ＢまたはＣの指令によりサイリスタスイッチ８がオン動作するように、ターンオンに必要なゲート電圧，ゲート電流およびタイミングを決める回路である。

運転停止指令部２４は、異常信号ＤまたはＥの指令により、インバータ回路２の運転を停止する命令を出力する。

図２は、抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部２２の構成を示す図である。抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部２２は、オン／オフ時間計測器２５、抵抗／電力容量設定器２６、推定温度上昇分演算器２７、抵抗過熱判定器２８、ＩＧＢＴ故障判定器２９から構成される。

オン／オフ時間計測器２５は、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEのパルスの立上がり，立下り、すなわちＬＯＷおよびＨＩＧＨを検出して、例えばタイマーカウンタによって、そのときの時刻を読み取り、オン時間ｔ_onおよびオフ時間ｔ_offを計測し出力する。

抵抗／電力容量設定器２６は、回生抵抗５の抵抗値Ｒおよび電力容量Ｗを設定する。

推定温度上昇分演算器２７は、回生抵抗５の抵抗値Ｒおよび電力容量Ｗ、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEのオン時間ｔ_onおよびオフ時間ｔ_off、コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEの電圧値Ｖ、ＩＧＢＴ２０のスイッチングサイクル数Ｎ（１以上の整数）、回生抵抗５の特性から定まる過熱時の定数Ｋ₁，回生抵抗５の特性から定まる放熱時の定数Ｋ₂にもとづいて、回生抵抗５の温度上昇分Ｒ_tempを演算する。

演算式の一例を以下に示す。

ここで、εはおよそ２．７２なる数値、Ｔ₁は回生抵抗５の温度上昇時の時定数、Ｔ₂は回生抵抗５の温度放熱時の時定数である。

抵抗過熱判定器２８は、回生抵抗５の温度上昇分Ｒ_tempと回生抵抗５の許容温度上昇分Ｔ_aを比較し、回生抵抗５の推定温度上昇分Ｒ_tempが許容温度上昇分Ｔ_aより大きいとき、回生抵抗５が過熱状態であると判断し、異常信号Ｂ，Ｄを出力する。異常信号Ｂはゲート駆動回路２３へ、異常信号Ｄは運転停止指令部へ送られる。

ＩＧＢＴ故障判定器２９は、インバータ装置の電源が入力時、すなわち、コンバータ出力電圧または直流電圧Ｖ_DCが出力されているときに、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEがゼロになった後の経過時間tが、一定時間ｔ_c以上、例えば、１０秒以上続くか否かを判定し、コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEが、一定時間ｔ_c以上ゼロであるときには、ＩＧＢＴ２０が異常状態にあると判断し、異常信号Ｃ，Ｅを出力する。またはコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEが、一定時間ｔ_c以上ゼロでないときには、再度コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEを検出するように指令信号（図示せず）を出力する。

異常信号Ｃはゲート駆動回路２３へ、異常信号Ｅは運転停止指令部２４へ送られる。

図３は、本発明の保護装置１９の動作を説明するフローチャートを示す図である。フローチャートを参照しながら、保護装置の動作を説明する。

回生抵抗５の抵抗値Ｒおよび電力容量Ｗを、抵抗／電力容量設定器２６に設定する（Ｓ１０）。Ｖ_CE検出器２１は、ＩＧＢＴ２０のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEの電圧値を検出する（Ｓ１１）。オン／オフ時間計測器２５は、コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEを与える電圧パルスの立上がり，立下りを検出して、例えばタイマーカウンタにて、そのときの時刻を読み取り、オン時間ｔ_onおよびオフ時間ｔ_offを計測する（Ｓ１２）。回生抵抗５の推定温度上昇分Ｒ_tempを、温度上昇分演算器２７で演算する（Ｓ１３）。抵抗過熱判定器２８では、推定温度上昇分Ｒ_tempと設定された許容温度上昇分Ｔ_aを比較する（Ｓ１４）。比較した結果、推定温度上昇分Ｒ_tempが許容温度上昇分Ｔ_aより大きいときは、異常信号Ｂ，Ｄを出力し（Ｓ１５）、推定温度上昇分Ｒ_tempが許容温度上昇分Ｔ_aに等しいまたは小さいとき、再度コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEを検出するように指令信号（図示せず）を出力する（Ｓ１４）。

運転停止指令部２４は、異常信号Ｄを受信すると、インバータ回路２を運転停止するように指令し（Ｓ１６）、インバータ回路を停止する（Ｓ１７）。

ゲート駆動回路２３は、異常信号Ｂを受信すると、サイリスタスイッチ８をオンし（Ｓ１８）、ヒューズ７を溶断する（Ｓ１９）。

一方、ＩＧＢＴ故障判定器２９は、Ｖ_CE検出器２１からＶ_CEが入力されると、コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEがゼロになった後の経過時間ｔが、一定時間ｔ_c以上、続くか否か比較する（Ｓ２０）。コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEが、一定時間ｔ_c以上ゼロであるときには、異常信号Ｃ，Ｅを出力する（Ｓ２１）。コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEがゼロになった後の経過時間ｔがｔ_cより小さいとき、再度コレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEを検出するように指令信号（図示せず）を出力する（Ｓ２０）。

運転停止指令部２４は、異常信号Ｅを受信すると、インバータ回路を運転停止するように指令し（Ｓ１６）インバータ回路を停止する（Ｓ１７）。

ゲート駆動回路２３は、異常信号Ｃを受信すると、サイリスタスイッチ８をオンし（Ｓ１８）、ヒューズ７を溶断する（Ｓ１９）。

以上の実施例では、回生電圧をスイッチングする電力用半導体スイッチとしてＩＧＢＴについて説明したが、ＩＧＢＴの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いても良い。

本発明の一実施例におけるインバータ回生抵抗の保護装置に係る制御ブロック図である。本発明の抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部の構成を示す図である。本発明の保護装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。従来におけるインバータ回生抵抗保護装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１３相電動機
２インバータ回路
３コンデンサ
４直流電源またはコンバータ回路
５回生抵抗
６電力用半導体スイッチ
７ヒューズ
８サイリスタスイッチ
９電流検出器
１０故障判定回路
１９保護装置
２０ＩＧＢＴ
２１Ｖ_CE検出器
２２抵抗過熱／ＩＧＢＴ故障判定部
２３ゲート駆動回路
２４運転停止指令部
２５オン／オフ時間計測器
２６抵抗／電力容量設定器
２７温度上昇分演算器
２８抵抗過熱判定器
２９ＩＧＢＴ故障判定器

Claims

直流を交流に変換するインバータ回路に発生する回生電力を吸収する回生抵抗の保護装置であって、
前記回生抵抗と直列に接続され、前記回生抵抗への通電開始をゲート信号によって制御する電力用半導体スイッチと、
前記回生抵抗および前記電力用半導体スイッチと直列に接続され、溶断したときに前記回生抵抗への通電を遮断するヒューズと、
前記回生抵抗および前記電力用半導体スイッチからなる直列回路に並列に接続され、前記回生抵抗を迂回して導通するサイリスタスイッチと、
前記電力用半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間の電圧値を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値に基づいて、前記回生抵抗の過熱および前記電力用半導体スイッチの故障を判定し、回生抵抗の過熱を示す第１の異常信号と、電力用半導体スイッチの故障を示す第２の異常信号とを発生する判定手段と、
前記判定手段からの第１または第２の異常信号に基づいて、前記サイリスタスイッチをオン動作させて、前記ヒューズを溶断するゲート駆動手段と、
前記判定手段からの第１または第２の異常信号に基づいて、前記インバータ回路の運転を停止する運転停止指令手段と、
を備えるインバータ回生抵抗保護装置。
前記判定手段は、
前記電圧検出手段により検出された前記電圧値のＬＯＷおよびＨＩＧＨの時間を検出し、前記電力用半導体スイッチのオンおよびオフ時間を計測するオン／オフ時間計測手段と、
前記オン／オフ時間計測手段で計測されたオンおよびオフ時間にもとづいて、前記回生抵抗の推定温度上昇分を演算する温度上昇演算手段と、
前記温度上昇演算手段で演算された推定温度上昇分と、前記回生抵抗の許容温度上昇分とを比較し、前記推定温度上昇分が前記許容温度上昇分を超えたとき、前記第１の異常検出信号を出力する抵抗過熱判定手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値の有無により前記第２の異常信号を出力する電力用半導体スイッチ故障判定手段とを有する、請求項１に記載のインバータ回生抵抗保護装置。
前記温度上昇演算手段は、前記電圧値と、前記電力用半導体スイッチのオン時間およびオフ時間と、前記回生抵抗の電力容量および抵抗値と、前記電力用半導体スイッチのスイッチングサイクル数と、前記回生抵抗の加熱および放熱時の特性から定まる定数とから、前記回生抵抗の推定温度上昇分を演算する、請求項２に記載のインバータ回生抵抗保護装置。
前記電力用半導体スイッチ故障判定手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧値が一定時間以上ゼロのとき、前記電力用半導体スイッチが異常と判定し前記第２の異常検出信号を出力する、請求項２または３に記載のインバータ回生抵抗保護装置。