WO2016194399A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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current
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power conversion
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景山　寛
敏 井堀
佐々木　康
清隆 冨山
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
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    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. DC/AC converters
    • H02H7/1227—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. DC/AC converters responsive to abnormalities in the output circuit, e.g. short circuit
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/027—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032—Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device and a control method.
  • FIG. 15 shows a conventional power converter, a motor, and a cable connecting them.
  • the power conversion device 91 includes an inverter circuit 92 that converts a direct current for driving the motor into an alternating current, current sensors 93a and 93b, and a smoothing capacitor 94.
  • the inverter circuit 92 includes switching elements 95a to 95f formed of a semiconductor, and two switching elements are paired to form a three-phase bridge of U, V, and W. The switching elements for one phase are switched on alternately so as not to be turned on simultaneously.
  • the outputs U, V, W of each phase are connected to a motor 97 using three cables 96, and supply AC power to the motor.
  • the current sensor 93a or 93b in the power converter detects an overcurrent.
  • the conversion operation is stopped by turning off all the switching elements, and the switching elements are prevented from being destroyed by thermal energy generated by a large current.
  • Patent Document 1 JP-A-10-23795.
  • This publication states that “when the slope of the detected current waveform is“ 0 ”or smaller than the reference, it can be diagnosed that there is an abnormality in the current detection circuit, the switching element, and the motor winding, and the switching element to be turned on can be changed. Similarly, the slope of the waveform of the current detection circuit is obtained to identify an abnormal location. If the detected current waveform has a slope that is much larger than the reference, it can be diagnosed that a short circuit has occurred in the cable or the motor winding. Is described.
  • Patent Document 1 introduces a method of estimating an abnormality by turning on two switching elements for a short time after a short circuit occurs and observing the current gradient.
  • the slope of the current is determined by the inductance L of the short circuit path, the short circuit location can be estimated based on the inductance L.
  • an object of the present invention is to provide a power conversion device that determines a short-circuit portion in a motor and on a cable and notifies a user or an external device or system of the determination result.
  • a power conversion device of the present invention is a power conversion device that includes a plurality of switching elements and drives a motor connected by a cable by their on / off control, and controls the current of the motor.
  • An inverter circuit composed of a plurality of switching elements for the upper arm and a plurality of switching elements for the lower arm, and an information output means for notifying the outside of the apparatus inside, and generated by the motor and the cable.
  • the power conversion device of the present invention generates a short-circuit current by simultaneously turning on specific switching elements for a short-circuit accident between phases generated by the motor and the cable, and the current increase speed at the time of the short-circuit and the current after the short-circuit Based on the decreasing speed, it is possible to identify and determine the short-circuit location. Furthermore, the short-circuit location determination result can be displayed on the display or transmitted wirelessly to the user, external device, or external system. There is an effect that it can be notified.
  • FIG. 6 It is a figure showing the relationship between the state of the switching element of U and W phase, and a short circuit current path at the time of U-W phase short circuit occurrence. Simulation result of current waveform when switching element operates as shown in Fig. 6 when short circuit occurs It is the figure which showed the flowchart of the subroutine process which the short circuit location determination S32 calls. It is a block diagram of the indicators 6 and 56. FIG. It is a manual explaining the numbers displayed on the display devices 6 and 56. It is a block diagram of the transmitters 7 and 57. FIG. It is a block diagram of the 2nd Example of the power converter device of this invention. It is a block diagram of a voltage rise detection circuit.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a first embodiment of the power converter of the present invention.
  • the power converter 1 includes a forward converter circuit 2, a smoothing capacitor 3, and an inverse converter circuit 4 for inputting AC power and supplying power to the motor.
  • the power converter 1 also includes a control circuit 5 for controlling the inverse converter circuit 4, a display 6 for displaying output information of the control circuit, and a transmitter 7 for wirelessly transmitting the output information of the control circuit.
  • the relay output 14 for outputting as an abnormal signal is disclosed, but the present invention is not limited to the relay.
  • the forward converter circuit 2 converts AC power input from the R, S, and T terminals into DC power.
  • the smoothing capacitor 3 is provided in the DC voltage wiring shown as N and P nodes.
  • the inverse converter circuit 4 converts DC power into AC power for driving the motor.
  • the inverse converter circuit 4 is composed of a semiconductor element composed of a switching element and a diode connected in antiparallel to the switching element. In FIG. 1, an IGBT is used as a switching element, but it may be constituted by a MOSFET.
  • the inverse converter circuit 4 has six switching elements Ua, Ub, Va, Vb, Wa, Wb.
  • Ua, Va, and Wa are referred to as an upper arm
  • Ub, Vb, and Wb are referred to as a lower arm.
  • the switching element of the upper arm and the lower arm for example, Ua and Ub are alternately turned on to control the current output from the output terminal U.
  • a three-phase motor 10 is connected to output terminals U, V, and W of the power conversion device 1 via a cable 9, and the motor is driven by currents output from the output terminals U, V, and W.
  • the phase to be omitted may be U or V instead of W.
  • the current sensor 13 is also provided in the wiring connected to the DC-side node N of the inverse converter circuit 4. Arranging the current sensor 13 at the position shown in the figure is suitable for quickly detecting overcurrent detection or the like because any current flowing from any of the output terminals U, V, and W to the node N can be observed. Yes.
  • the power converter 1 includes a forward converter circuit 2 for inputting AC power. However, when DC power is input, the forward converter circuit 2 is omitted and the DC power is supplied to the nodes P and N. You may enter directly into.
  • the control circuit 5 includes a control unit 21 that controls the control circuit 5 using a built-in program incorporated in advance, and a driver circuit 22 that drives the six transistors of the inverse converter circuit 4. In normal motor driving, the control unit 21 feeds back the current values measured by the current sensors 11 and 12 while the driver circuit 22 causes the inverse converter circuit 4 to perform PWM control.
  • the control circuit 5 includes a comparator 23 that outputs a trigger signal OC when the current threshold value ith0 is exceeded, and a comparator 24 that outputs a trigger signal DT when the current threshold value ith1 is exceeded.
  • the current measurement circuits 26 and 27 that sample the measurement values of the timer 25 and the current sensors 11 and 12 that start the operation in response to the trigger signal DT of the comparator 24 and digitize the absolute value of the current amount, and the current measurement circuits 26 and 27.
  • the selection circuit 28 for selecting the larger one of the values of the value and the determination unit 29 for determining the short-circuit position are provided.
  • elements that can be configured with only a logic circuit such as the control unit 21, timer 25, selection circuit 28, and determination unit 29 in the control circuit 5 may be realized by software using a microcomputer or programmable logic. Is possible.
  • the comparators 23 and 24 since the comparators 23 and 24 have the same function, they may be constituted by one comparator by a time sharing operation.
  • the comparator 23 transmits a trigger signal OC to the control unit 21 when the current value iN measured by the current sensor 13 exceeds the threshold value ith0.
  • the threshold value isth0 is set to be several times the maximum current value during normal operation, thereby preventing malfunction due to noise.
  • the control unit 21 causes the driver circuit 22 to turn off the switching elements Ub, Vb, Wb to suppress an increase in the short circuit current, and then turn off the switching elements Ua, Va, Wa to stop the short circuit current.
  • the threshold value isth1 supplied to the comparator 24 is a threshold value used for determination of a short-circuited phase, which will be described later. From the viewpoint of device protection, it is desirable that the threshold value isth1 is equal to or less than the threshold value isth0 and that the current value is large enough to determine the short-circuited phase.
  • FIG. 2 shows operation waveforms after the occurrence of a short circuit in the first embodiment of the power converter of the present invention.
  • the vertical axis represents the ON / OFF state of the switching elements Ua, Va, Wa, Ub, Vb, Wb, the absolute value
  • the horizontal axis indicates time.
  • FIG. 2 shows an example in which a short circuit occurs between W and U at time ts1. When a short circuit occurs at time ts1, the current measurement value iN of the current sensor 13 increases rapidly.
  • the control unit 21 detects a short circuit.
  • the control unit 21 turns off Ub, Vb, and Wb, the increase in short-circuit current stops, and when Ua, Va, and Wa are turned off at time ts3, the short-circuit current stops soon.
  • the current iU is a negative current (direction flowing into the inverse converter circuit).
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the control circuit 5 for determining the short-circuit position. The flowchart of FIG. 3 is started after the control circuit 5 detects a short circuit, but may be started by an external instruction from the input unit 8 of FIG.
  • the control circuit 5 stands by until the current flowing through the motor or the like attenuates and disappears (S01, S02). After the current becomes 0, the switching elements Ua and Vb are turned on to start the operation of the timer 25 (S03, S04, time t1 in FIG. 2). The control circuit 5 then waits for a certain time, and waits for the trigger signal DT from the comparator 24 during that time (S05, S06). If there is a short circuit between U and V, the current increases in a short time, so the control circuit 5 detects the trigger signal DT within the time and there is a short circuit between U and V. Is substituted into the variable B (S07). If the trigger signal DT is not received within a predetermined time, the control circuit 5 determines that there is no short circuit between U and V, and turns off the switching elements Ua and Vb to reset the counter 25 (S08, S09, time t2 in FIG.
  • the control circuit 5 turns on the switching elements Va and Wb and starts the operation of the timer 25 (S10, S11, time t3 in FIG. 2). After that, it waits for a certain time, and waits for the trigger signal DT from the comparator 24 during that time (S12, S13). If there is a short circuit between V and W, the current increases in a short time. Therefore, the control circuit 5 detects the trigger signal DT in time, and there is a short circuit between V and W. Is substituted into the variable B (S14). If the trigger signal DT is not received within a certain time, the control circuit 5 determines that there is no short circuit between V and W, turns off the switching elements Ua and Vb, and resets the counter 25 (S15, S16, time t4 in FIG.
  • the control circuit 5 turns on the switching elements Wa and Ub and starts the operation of the timer 25 (S17, S18, time t5 in FIG. 2). After that, it waits for a certain time, and waits for the trigger signal DT from the comparator 24 during that time (S19, S20). If there is a short circuit between W and U, the current increases in a short time. Therefore, the control circuit 5 detects the trigger signal DT in time, and there is a short circuit between W and U. Is substituted for the variable B (S21).
  • the control circuit 5 substitutes a numerical value 0 indicating that there is no short-circuit between any wires or the short-circuit phase is unknown in the variable B, and performs switching.
  • the elements Wa and Ub are turned off (S22, S23).
  • the control circuit 5 immediately turns off the lower-arm switching elements Ub, Vb, Wb, and sets the count value of the timer 25 at the same timing. It substitutes for variable tw1 (S24, S25, time t6 in FIG. 2). Further, the current measurement circuits 26 and 27 are caused to sample the current values iU and iV of the current sensors 11 and 12 at the same timing. Then, the selection circuit 28 outputs a large value among the absolute values of the sampled current values (in the case of FIG. 2, the absolute value
  • control circuit 5 waits for a predetermined time tW2 (S27), causes the current measurement circuits 26 and 27 to sample again, and substitutes the output of the selection circuit 28 into the variable i2 (S28). Thereafter, when the switching elements Ua, Va, Wa of the upper arm are turned off, the current is quickly settled (S29, time t7 in FIG. 2).
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a short-circuit portion generated on the cable and inside the motor.
  • a to C represent examples of locations where a short circuit occurs.
  • A is a short-circuit portion that occurs near the power converter on the cable
  • B is a short-circuit portion that occurs near the motor on the cable
  • C is a short-circuit portion that occurs inside the motor.
  • FIG. 5 is a table showing the magnitude relationship between the inductance L and the resistance R of the short-circuit path for the short-circuit locations A to C shown in FIG.
  • the short-circuit location is A
  • L and R are the smallest.
  • the short-circuit portion is B
  • the reciprocal inductance Lcable of the cable is included in the path, so that the inductance L becomes relatively large.
  • the short-circuit portion is C
  • the winding resistance R_motor and the inductance L_motor of the motor internal wiring are included in the path, R and R are relatively large. Accordingly, the short-circuit locations A to C can be determined on the basis of the magnitude relationship between L and R.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the state of the switching elements of the U and W phases and the short-circuit current path when a short circuit between the U and W phases occurs.
  • an inductance L and a resistance R indicate the inductance and resistance of the short-circuit path.
  • FIG. 6A shows a state in which the switching element Ub of the U-phase lower arm and the switching element Wa of the W-phase upper arm are ON, and shows the state from time t5 to t6 in FIG.
  • the current i1 flowing through the short-circuit path increases at a current increase rate indicated by ⁇ i1 in the equation (1).
  • Vdc the DC voltage of the smoothing capacitor
  • L the inductance of the short circuit path
  • R the resistance of the short circuit path.
  • the resistance R in the short-circuit path is a resistance of a cable or a winding, so the value thereof is very small, and the exp ( ⁇ R ⁇ t / L) portion is almost equal to 1. Therefore, the current increase rate ⁇ i1 is expressed by Equation 2, and the current increase rate is determined by the inductance L.
  • FIG. 6B shows a state in which the switching element Ub of the lower arm of the U phase is turned off after FIG. 6A, and shows a state from time t6 to t7 in FIG.
  • the current i2 flows through the loop in which the free wheel diode and L and R are connected in series, and the current i2 decreases at the current decrease rate ⁇ i2 expressed by Equation 3. (Expression 3)
  • ⁇ i2 ⁇ (i0 ⁇ R + Vf) / L ⁇ exp ( ⁇ R ⁇ t / L)
  • i0 is the initial value of the current
  • Vf is the forward voltage Vf of the freewheeling diode.
  • Equation 5 Equation 5 is obtained.
  • FIG. 7 shows a simulation result of the current waveform when the switching element operates as shown in FIG. 6 when a short circuit occurs.
  • the DC voltage Vdc is 500 V
  • the short-circuit path inductance L is 10 ⁇ H
  • the short-circuit path resistance R is changed from 0 ⁇ to 1.0 ⁇ .
  • the switching element is set in the state of FIG. 6A to increase the current flowing in the short-circuit path, and in period 2 thereafter, the switching element is set in the state of FIG. Reduced the current flowing through.
  • the waveform of FIG. 7 shows that the current increase rate ⁇ i1 in period A is substantially constant without depending on the resistance R, and the current decrease rate in period B varies depending on the resistance R smaller than 1 ⁇ . This indicates that the resistance value of the short-circuit path can be estimated with high accuracy by obtaining the current decrease rate ⁇ i2.
  • FIG. 8 shows a flowchart of subroutine processing called by the short-circuit location determination S32 shown in the flowchart of FIG.
  • a return value 3 that means that it is determined that L is small is returned (S55).
  • a return value 2 which means that it is determined that L is large and R is small. Return (S54).
  • the predetermined threshold values ⁇ and ⁇ are numerical values determined experimentally from the inductance value and resistance value of the cable and the motor, numerical values obtained by design using Formulas 2 and 4, or normal motor It is a numerical value obtained from an inductance value and a resistance value obtained by auto-tuning operation during driving.
  • Fig. 9 shows the configuration of the display 6.
  • the display 6 includes a decoder 41, an LED driver 42, and a 2-digit LED segment 43.
  • the values of the variables A and B sent from the control circuit 5 are decoded by the decoder 41 into a display pattern of numbers of LED segments, and the display pattern is converted into current by the LED driver 42.
  • the LED driver 42 displays the value of the variable A in the first digit of the LED segment 43 and the value of the variable B in the second digit.
  • FIG. 10 is a diagram showing a manual for explaining the numbers displayed on the display 6. If the numerical value displayed in the first digit is 1, it indicates that the short-circuit portion is inside the motor, 2 is on the cable near the motor, and 3 is on the cable near the inverter. If the numerical value displayed in the second digit is 1, it indicates that the short circuit phase is between U and V, 2 is between V and W, and 3 is between W and U. Note that 0 indicates unknown or no short circuit.
  • the LED driver 42 constituting the display 6 shown in FIG. 9 may be a liquid crystal display driver, and the LED segment 43 may be a matrix display type liquid crystal display.
  • the information to be displayed can be the corresponding short-circuit location shown in FIG.
  • FIG. 11 shows a configuration diagram of the transmitter 7.
  • the transmitter 7 includes a modulator 44, an amplifier 45, and an antenna 46.
  • the values of variables A and B sent from the control circuit 5 are modulated by the modulator 44, power amplified by the amplifier 45, and externally transmitted from the antenna 46. Is transmitted wirelessly.
  • another device or system can obtain the values of the variables A and B and obtain the information on the short circuit location by receiving and demodulating the wirelessly transmitted signal.
  • FIG. 12 shows a configuration diagram of a second embodiment of the power converter of the present invention.
  • the power conversion device 51 includes a forward converter circuit 52, a smoothing capacitor 53, and an inverse converter circuit 54 for inputting AC power and supplying power to the motor.
  • the power conversion device 51 includes a control circuit 55 for controlling the reverse converter circuit 54, a display 56 for displaying output information of the control circuit, a relay output 64 for outputting as an abnormal signal, A transmitter 57 for wirelessly transmitting output information and an input unit 58 for inputting information to the control circuit are provided.
  • the relay output 64 for outputting as an abnormal signal is disclosed, but it is not limited to the relay.
  • the forward converter circuit 52 converts AC power input from the R, S, and T terminals into DC power.
  • the smoothing capacitor 53 is provided in the DC voltage wiring shown as N and P nodes.
  • the inverse converter circuit 54 converts DC power into AC power for driving the motor.
  • the inverse converter circuit 54 is composed of a semiconductor element including a switching element and a diode connected in antiparallel to the switching element.
  • the inverse converter circuit 54 has six switching elements Ua, Ub, Va, Vb, Wa, Wb.
  • Ua, Va, and Wa are referred to as an upper arm
  • Ub, Vb, and Wb are referred to as a lower arm.
  • the switching element of the upper arm and the lower arm, for example, Ua and Ub are alternately turned on to control the current output from the output terminal U.
  • a three-phase motor 60 is connected to the output terminals U, V, and W of the power conversion device 51 via a cable 59, and the motor is driven by the current output from the output terminals U, V, and W.
  • the phase to be omitted may be U or V instead of W.
  • the power converter 51 includes a forward converter circuit 52 for inputting AC power. However, when DC power is input, the forward converter circuit 52 is omitted and the DC power is supplied to the nodes P and N. You may enter directly into.
  • the control circuit 55 includes a control unit 71 that controls the control circuit 55 by a built-in program incorporated in advance, and a driver circuit 72 that drives the six transistors of the inverse converter circuit 54.
  • the controller 71 feeds back the current values measured by the current sensors 61 and 62 while the driver circuit 72 causes the inverse converter circuit 54 to perform PWM control.
  • control circuit 55 is provided with a voltage increase detection circuit 73 for detecting an AC side output of the inverse converter 54, that is, a voltage increase of the output terminals U, V, W.
  • a voltage increase detection circuit 73 for detecting an AC side output of the inverse converter 54, that is, a voltage increase of the output terminals U, V, W.
  • Two voltage thresholds are set in the voltage rise detection circuit, and when the voltages VU, VV, VW of the output terminals U, V, W are exceeded, trigger signals OC and DT are output.
  • the control circuit 55 also samples current measurement circuits 76 and 77 that sample the measurement values of the timer 75 and the current sensors 61 and 62 that start the operation in response to the trigger signal DT and digitize the absolute value of the current amount, and the current measurement circuit 76. , 77, a selection circuit 78 for selecting the larger one, and a determination unit 79 for determining a short-circuit position. Note that elements that can be configured by only a logic circuit, such as the control unit 71, the timers 73 and 24, the selection circuit 28, and the determination unit 29 in the control circuit 55, are realized by software using a microcomputer or programmable logic. It is also possible.
  • FIG. 13 shows a configuration diagram of the voltage rise detection circuit.
  • the voltage rise detection circuit 73 includes overvoltage protection circuits 81u, 81v, 81w, comparators 82u, 82v, 82w, 85u, 85v, 85w, AND gates 83u, 83v, 83w, for cutting a voltage outside the input rating of the comparator.
  • Vth0 is a threshold value for short circuit protection
  • Vth1 is a threshold value for short circuit phase determination.
  • the comparator detects a voltage increase when the voltages VU, VV, and VW at the output terminals exceed the threshold value, and outputs a High signal. However, since the voltage at the output terminal rises even when the switching elements Ub, Vb, Wb of the lower arm of the inverter 54 are OFF, it is necessary to mask the voltage rise detection caused thereby.
  • the AND gate is a signal sent from the control unit 71 for ON / OFF control of the switching elements Ub, Vb, Wb of the lower arm, and masks the output signal of the comparator.
  • trigger signals OC and DT are output from the OR gates 84 and 87, respectively.
  • the comparators 82u and 85u may be configured by one comparator by a time sharing operation. The same applies to the comparators 82v and 85v and the comparators 82w and 85w.
  • the voltage rise detection circuit 73 transmits a trigger signal OC to the control unit 71 when the voltage rise exceeds the threshold value Vth0.
  • the control unit 71 causes the driver circuit 72 to turn off the switching elements Ub, Vb, Wb to suppress an increase in the short circuit current, and then turn off the switching elements Ua, Va, Wa to stop the short circuit current.
  • the threshold value Vth1 is a threshold value used for determination of a short-circuited phase, which will be described later. From the viewpoint of element protection, it is desirable that the threshold value Vth1 is equal to or less than the threshold value Vth0 and is a voltage value that is large enough to determine a short-circuited phase.
  • FIG. 14 shows operation waveforms after occurrence of a short circuit in the second embodiment of the power conversion device of the present invention.
  • the vertical axis indicates the ON / OFF state of the switching elements Ua, Va, Wa, Ub, Vb, Wb, the absolute value
  • the horizontal axis indicates time.
  • FIG. 14 shows an example in which a short circuit occurs between WU at time ts1. When a short circuit occurs at time ts1, the voltage VW at the output terminal W increases rapidly. When the threshold value Vth0 is exceeded at time ts2, the control unit 71 detects a short circuit.
  • FIG. 16 shows an example in which the above embodiment is applied as an industrial inverter.
  • the power converter 101 and the driving motor 102 are connected by a cable 103.
  • the power converter device 101 is supplied with electric power from the outside through the AC power supply wiring 104.
  • the motor 102 is used to drive various industrial equipment such as an air conditioner, a compressor, a conveyor, and an elevator.
  • FIG. 17 shows an example in which the above embodiment is applied to a railway vehicle.
  • the power converters 112 and 113 of the present embodiment are installed under the floor of the railway vehicle 111.
  • the carriages 114 and 115 of the railway vehicle 111 are provided with driving motors 116 and 117.
  • the motor and the power converter are connected by cables 118 and 119.
  • a short circuit occurs in the motors 116, 117 or on the cables 118, 119
  • information on the short circuit location is displayed on the display provided in the power converters 112, 113, and short-circuited to an external system by wireless transmission. The location is notified.
  • FIG. 18 shows an example in which the above embodiment is applied to a motor vehicle.
  • the power converters 122 and 123 of the present embodiment are installed inside the automobile 121.
  • motors 126 and 127 for driving the wheels 124 and 125 are installed, and are connected to the power converter by cables 128 and 129.
  • a short circuit occurs in the motors 126, 127 or on the cables 128, 129, information on the short circuit location is displayed on the display provided in the power converters 122, 123, and short circuit to an external system by wireless transmission. The location is notified.
  • FIG. 19 shows an example in which the above embodiment is applied to an air conditioner.
  • the air conditioner includes a main body part 132 attached to a building wall 131, a pipe 133 for reciprocating a refrigerant, and a compressor part 134.
  • the main body 132 of the air conditioner is equipped with the power conversion device 135 of this embodiment.
  • the compressor unit 134 is provided with a motor 136 for driving the compressor, and a cable 137 is connected between the motor and the power converter.
  • a short circuit occurs in the motor 136 or on the cable 137, information on the short circuit location is displayed on the display provided in the power conversion device 135, and the short circuit location is notified to an external system by wireless transmission.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power converter device, 2 ... Forward converter circuit, 3 ... Smoothing capacitor, 4 ... Reverse converter circuit, 5 ... Control circuit, 6 ... Display, 7 ... Transmitter, 8 ... Input part, 9 ... Cable, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Three-phase motor, 11-13 ... Current sensor, 14 ... Relay output, 21 ... Control part, 22 ... Driver circuit, 23, 24 ... Comparator, 25 ... Timer, 26, 27 ... Current measurement circuit, 28 ... Selection circuit , 29 ... determination unit, 41 ... decoder, 42 ... LED driver, 43 ... LED segment, 44 ... modulator, 45 ... amplifier, 51 ... power converter, 52 ...
  • forward converter circuit 53 ... smoothing capacitor, 54 ... Inverter circuit, 55 ... control circuit, 56 ... display, 57 ... transmitter, 58 ... input unit, 59 ... cable, 60 ... three-phase motor, 61, 62 ... current sensor, 64 ... relay output, 71 ... control unit, 72 ... Dry Circuit, 73 ... Voltage rise detection circuit, 75 ... Timer, 76, 77 ... Current measurement circuit, 78 ... Selection circuit, 79 ... Determination unit, 81u-w ... Overvoltage protection circuit, 82u-w ... Comparator, 83u-w ... Logic Product gate, 84 ... logical sum gate, 85u-w ... comparator, 86u-w ...

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Abstract

短絡事故発生によって電力変換装置の動作が停止した場合、ケーブル上で短絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で短絡事故が発生したのか、短絡が発生した場所を使用者が特定できない。　複数のスイッチング素子を具備してそれらのオンオフ制御によってケーブルで接続されたモータを駆動する電力変換装置であって、モータの電流を制御するための上アームの複数のスイッチング素子と下アームの複数のスイッチング素子から構成された逆変換器回路と、短絡個所を判定する判定部と、を具備し、判定部は、前記モータおよびケーブルで発生した相間の短絡個所を調査する際には、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチング素子を同時にオンさせることで短絡電流を発生させ、短絡時の電流増加速度と、短絡後の電流減少速度に基づいて、短絡個所を判定する。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置および制御方法に関する。
　図１５は、従来の電力変換装置と、モータおよびそれらを接続するケーブルを示している。電力変換装置９１は、モータ駆動のための直流電流を交流電流に変換するインバータ回路９２と電流センサ９３ａ、９３ｂと、平滑用コンデンサ９４を備えている。インバータ回路９２は、半導体で形成されたスイッチング素子９５ａ～９５ｆを備えており、２つのスイッチング素子が対になってＵ、Ｖ、Ｗの三相ブリッジを構成している。一相分のスイッチング素子は上下同時にＯＮしないように交互にＯＮさせてスイッチングを行う。各相の出力Ｕ、Ｖ、Ｗは３本のケーブル９６を用いてモータ９７と接続され、モータに交流電力を供給する。絶縁被覆の劣化や物理的損傷など、何らかの原因により、モータ９７の内部やケーブル９６で相間の短絡が起きた場合、電力変換装置内にある電流センサ９３ａあるいは９３ｂが過電流を検知する。過電流を検知した場合は、全てのスイッチング素子をＯＦＦにすることで変換動作を停止し、スイッチング素子が大電流により発生する熱エネルギなどで破壊されることを阻止する。
　また、短絡発生個所の情報を知る方法として、特開平１０－２３７９５号公報（特許文献１）がある。本公報には「検出電流波形の傾きが「０」もしくは基準より小さい場合には、電流検出回路、スイッチング素子、モータの巻線に異常があるものと診断でき、オンにするスイッチング素子を変えて同様に電流検出回路の波形の傾きを求めて異常箇所を特定する。また、検出した電流波形の傾きが基準より非常に大きい場合には、ケーブルもしくはモータの巻線に短絡が生じているものとして診断できる。」と記載されている。
特開平１０－２３７９５
　短絡によって電力変換装置の動作が停止した場合、その情報を使用者に報知することで短絡が発生したことを知らせることできる。しかしながら、短絡事故発生によって電力変換装置の動作が停止した場合、使用者はケーブル上で短絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で短絡事故が発生したのか、短絡が発生した場所を特定することが課題であった。
　短絡発生個所の情報を知る方法として、特許文献１に、短絡発生後に、２つのスイッチング素子を短時間ＯＮにして、電流の傾きを見ることで異常を推定する方法が紹介されている。この場合、電流の傾きは短絡経路のインダクタンスＬで決まるため、インダクタンスＬに基づいた短絡個所の推定は可能である。しかしながら、インダクタンスＬの情報のみでは、ケーブル上とモータ内での短絡の区別をすることが困難であった。
　そこで、本発明の目的は、モータ内部およびケーブル上の短絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに判定結果を報知する電力変換装置を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、複数のスイッチング素子を具備してそれらのオンオフ制御によってケーブルで接続されたモータを駆動する電力変換装置であって、モータの電流を制御するための上アームの複数のスイッチング素子と下アームの複数のスイッチング素子から構成されたインバータ回路と、装置内部の状況を外部に報知する情報出力手段を具備しており、前記モータおよび前記ケーブルで発生した相間の短絡個所を調査する際には、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチング素子を同時にオンさせることで短絡電流を発生させ、短絡時の電流増加速度と、短絡後の電流減少速度に基づいて、短絡個所を判定するものである。
　本発明の電力変換装置は、モータおよび前記ケーブルで発生した相間の短絡事故に対し、特定のスイッチング素子を同時にオンさせることで短絡電流を発生させ、短絡時の電流増加速度と、短絡後の電流減少速度に基づいて、短絡個所を特定判定することができ、さらには、短絡個所判定結果を表示器に表示する、あるいは、無線で送信することによって使用者、外部装置、外部システムへ短絡個所を報知することができるという効果がある。
本発明の電力変換装置の第一の実施例の構成図である。 本発明の電力変換装置の第一の実施例の短絡発生以降の動作波形を示した図である。 短絡位置判定のための制御回路動作のフローチャートを示した図である。 ケーブル上とモータ内部に発生した短絡個所の例を表した図である。 図４で示した短絡個所Ａ～Ｃに対する短絡経路のインダクタンスＬと抵抗Ｒの大小関係を表した表である。 Ｕ－Ｗ相間短絡発生時における、Ｕ、Ｗ相のスイッチング素子の状態と短絡電流経路の関係を表した図である。 短絡発生時に図６に示すようにスイッチング素子が動作した場合の電流波形のシミュレーション結果 短絡個所判定Ｓ３２が呼び出すサブルーチン処理のフローチャートを示した図である。 表示器６および５６の構成図である。 表示器６および５６が表示する数字を説明する説明書である。 送信器７および５７の構成図である。 本発明の電力変換装置の第二の実施例の構成図である。 電圧上昇検知回路の構成図である。 本発明の電力変換装置の第二の実施例の短絡発生以降の動作波形を示した図である。 従来の電力変換装置を示した図である。 実施例を産業用インバータとして応用した例を示した図である。 実施例を鉄道車両に応用した例を示した図である。 実施例を電動機付き自動車に応用した例を示した図である。 実施例を空調機に応用した例を示した図である。
　以下では図面を用いて実施例について説明するが、以下に説明する各実施例は図示例に限定されるものではない。
　図１に本発明の電力変換装置の第一の実施例の構成図を示す。電力変換装置１は、交流電力を入力してモータに電力を供給するための順変換器回路２、平滑用コンデンサ３、逆変換器回路４を備えている。また、電力変換装置１は、逆変換器回路４を制御するための制御回路５、制御回路の出力情報を表示するための表示器６、制御回路の出力情報を無線送信するための送信器７、異常信号として出力するためのリレー出力１４、制御回路に情報を入力するための入力部８を備えている。本実施例では、異常信号として出力するためのリレー出力１４を開示しているが、リレーに限定するものではない。
　順変換器回路２は、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子から入力された交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ３はＮ、Ｐのノードとして図示された直流電圧配線に備えられている。逆変換器回路４は、直流電力をモータを駆動するための交流電力に変換する。逆変換器回路４は、スイッチング素子と該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードからなる半導体素子で構成されている。図１ではスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。
　また、半導体デバイスはシリコンを使うのが一般的だが、低損失化のためにワイドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）を用いてもよい。逆変換器回路４は６つのスイッチング素子Ｕａ、Ｕｂ、Ｖａ、Ｖｂ、Ｗａ、Ｗｂを有している。Ｕａ、Ｖａ、Ｗａは上アーム、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂは下アームと称される。上アームと下アームのスイッチング素子、例えばＵａとＵｂが交互にＯＮになることで、出力端子Ｕから出力される電流を制御する。電力変換装置１の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗにはケーブル９を経由して３相モータ１０が接続されており、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力される電流によりモータは駆動される。
　出力端子ＵとＶの近くの配線には電流センサ１１、１２が備え付けられており、出力端子ＵとＶから流れ出る電流量ｉｕとｉｖをそれぞれ計測する。なお、出力端子Ｗにも出力端子Ｗから流れ出る電流量ｉＷを測定するための電流センサを備え付けてもよいが、交流条件ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０から、ｉｗ＝－（ｉｕ＋ｉｖ）として求められるので省略可能である。また省略する相はＷの代わりにＵ、Ｖでもかまわない。
　また、逆変換器回路４の直流側のノードＮに接続する配線にも、電流センサ１３が備え付けられている。電流センサ１３を図の位置に配置することは、出力端子Ｕ、Ｖ、ＷのいずれからノードＮへ流れ込む電流のいずれも観測することができるため、過電流検知などをいち早く検知するのに適している。なお、電力変換装置１は交流電力を入力するために順変換器回路２を具備しているが、直流電力を入力する場合は、順変換器回路２を省略し、直流電力をノードＰ、Ｎに直接入力してもよい。
　制御回路５は、あらかじめ組み込まれた内蔵プログラムにより制御回路５を制御する制御部２１、逆変換器回路４の６つのトランジスタを駆動するためのドライバ回路２２を備えている。通常のモータ駆動においては、制御部２１は電流センサ１１、１２が測定した電流値をフィードバックしながら、ドライバ回路２２は逆変換器回路４にＰＷＭ制御をさせている。また、制御回路５には電流しきい値ｉｔｈ０を超過するとトリガ信号ＯＣを出力するコンパレータ２３と電流しきい値ｉｔｈ１を超過するとトリガ信号ＤＴを出力するコンパレータ２４を備えている。
　また、コンパレータ２４のトリガ信号ＤＴで動作開始するタイマ２５、電流センサ１１、１２の測定値をサンプリングして電流量の絶対値を数値化する電流計測回路２６、２７、該電流計測回路２６、２７の値から大きい方を選択する選択回路２８、短絡位置を判定する判定部２９を備えている。なお、制御回路５内の、制御部２１、タイマ２５、選択回路２８、判定部２９など、ロジック回路のみで構成することが可能な要素については、マイコンやプログラマブルロジックでソフトウェア的に実現することも可能である。また、コンパレータ２３と２４は同じ機能であるのでタイムシェアリング動作によって１つのコンパレータで構成してもよい。
　絶縁被覆の劣化や物理的損傷など、何らかの原因により、モータ内やケーブル上でＵ－Ｖ間、Ｖ－Ｗ間、あるいはＷ－Ｕ間で相間短絡が発生した場合、通常のモータ駆動時よりも大きな過電流が発生する。過電流は短絡した相に関わらず電流センサ１３を必ず流れる。コンパレータ２３は、電流センサ１３が計測した電流値ｉＮがしきい値ｉｔｈ０を超えた時点で制御部２１にトリガ信号ＯＣを送信する。なお、しきい値ｉｔｈ０は正常動作時の最大電流値の数倍程度としておくことでノイズによる誤動作を防止できる。
　制御部２１は短絡を検知すると直後にドライバ回路２２にスイッチング素子Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂをＯＦＦにさせ、短絡電流の増加を抑制し、その後スイッチング素子Ｕａ、Ｖａ、ＷａをＯＦＦにさせ短絡電流を停止する。なお、コンパレータ２４へ供給されるしきい値ｉｔｈ１は後述の短絡相の判定のために用いられるしきい値である。素子保護の観点から、しきい値ｉｔｈ１はしきい値ｉｔｈ０と同等以下で、かつ、短絡している相を判別するために十分となるほど大きな電流値であることが望ましい。
　図２に本発明の電力変換装置の第一の実施例の短絡発生以降の動作波形を示す。縦軸は、スイッチング素子Ｕａ、Ｖａ、Ｗａ、Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂのＯＮ／ＯＦＦ状態、電流センサ１１の電流測定値ｉＵの絶対値｜ｉＵ｜、電流センサ１２の電流測定値ｉＶの絶対値｜ｉＶ｜、電流センサ１３の電流測定値iＮを示している。横軸は、時間を示している。また図２は、時刻ｔｓ１においてＷ－Ｕ間に短絡が発生した場合を例としている。時刻ｔｓ１において短絡が発生すると、電流センサ１３の電流計測値ｉＮが急激に増加する。
　時刻ｔｓ２においてしきい値ｉｔｈ０を超えると制御部２１が短絡を検知する。制御部２１がＵｂ、Ｖｂ、ＷｂをＯＦＦにすると短絡電流の増加は停止し、さらに、時刻ｔｓ３においてＵａ、Ｖａ、ＷａをＯＦＦにすると短絡電流はほどなく停止する。なお、Ｗ－Ｕ間短絡の場合、電流ｉＵは負方向の電流（逆変換器回路に流れ込む方向）である。
　図３は短絡位置判定のための制御回路５の動作のフローチャートを示した図である。図３のフローチャートは制御回路５が短絡を検知した後に開始されるが、図１の入力部８からの外部指示によって開始してもよい。
　まず、制御回路５はモータなどに流れる電流が減衰して消滅するまで待機する（Ｓ０１、Ｓ０２）。電流が０になった後、スイッチング素子ＵａとＶｂをＯＮにして、タイマ２５の動作を開始する（Ｓ０３、Ｓ０４、図２の時刻ｔ１）。制御回路５は、その後一定時間待機し、その間にコンパレータ２４からのトリガ信号ＤＴを待つ（Ｓ０５、Ｓ０６）。
もし、Ｕ－Ｖ間に短絡が有った場合は、短時間で電流が増加するため、制御回路５は、トリガ信号ＤＴを時間内に検知し、Ｕ－Ｖ間に短絡が有ったことを示す数値１を変数Ｂに代入する（Ｓ０７）。一定時間以内にトリガ信号ＤＴを受信しなかった場合には、制御回路５は、Ｕ－Ｖ間に短絡は無しと判断し、スイッチング素子Ｕａ、ＶｂをＯＦＦにしてカウンタ２５をリセットする（Ｓ０８、Ｓ０９、図２の時刻ｔ２）。
　続いて、制御回路５はスイッチング素子ＶａとＷｂをＯＮにして、タイマ２５の動作を開始する（Ｓ１０、Ｓ１１、図２の時刻ｔ３）。その後一定時間待機し、その間にコンパレータ２４からのトリガ信号ＤＴを待つ（Ｓ１２、Ｓ１３）。もし、Ｖ－Ｗ間に短絡が有った場合は、短時間で電流が増加するため、制御回路５は、トリガ信号ＤＴを時間内に検知し、Ｖ－Ｗ間に短絡が有ったことを示す数値２を変数Ｂに代入する（Ｓ１４）。一定時間以内にトリガ信号ＤＴを受信しなかった場合には、制御回路５は、Ｖ－Ｗ間に短絡は無しと判断し、スイッチング素子Ｕａ、ＶｂをＯＦＦにしてカウンタ２５をリセットする（Ｓ１５、Ｓ１６、図２の時刻ｔ４）。
　続いて、制御回路５は、スイッチング素子ＷａとＵｂをＯＮにして、タイマ２５の動作を開始する（Ｓ１７、Ｓ１８、図２の時刻ｔ５）。その後一定時間待機し、その間にコンパレータ２４からのトリガ信号ＤＴを待つ（Ｓ１９、Ｓ２０）。もし、Ｗ－Ｕ間に短絡が有った場合は、短時間で電流が増加するため、制御回路５は、トリガ信号ＤＴを時間内に検知し、Ｗ－Ｕ間に短絡が有ったことを示す数値３を変数Ｂに代入する（Ｓ２１）。一定時間以内にトリガ信号ＤＴを受信しなかった場合には、制御回路５は、いずれの配線間にも短絡無し、あるいは短絡相が不明であることを示す数値０を変数Ｂに代入し、スイッチング素子Ｗａ、ＵｂをＯＦＦにする（Ｓ２２、Ｓ２３）。
　いずれかの相間で短絡が判明した場合（Ｓ０７、Ｓ１４、Ｓ２１）は、制御回路５は、直後に下アームのスイッチング素子Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂをＯＦＦし、同タイミングでのタイマ２５のカウント値を変数ｔｗ１に代入する（Ｓ２４、Ｓ２５、図２の時刻ｔ６）。また同タイミングでの電流センサ１１、１２の電流値ｉＵとｉＶを電流計測回路２６、２７にサンプリングさせる。すると、選択回路２８はサンプリングされた電流値の絶対値のうち大きな値を出力する（図２の場合では短絡経路を流れているＵ相の電流値ｉＵの絶対値｜ｉＵ｜を出力する）。制御回路５は、選択回路２８の出力を変数ｉ１に代入する（Ｓ２６）。
　その後、制御回路５は一定時間ｔＷ２の時間待機し（Ｓ２７）、再び、電流計測回路２６、２７にサンプリングさせて、選択回路２８の出力を変数ｉ２に代入する（Ｓ２８）。その後、上アームのスイッチング素子Ｕａ、Ｖａ、ＷａをＯＦＦにすると電流は速やかに静定する（Ｓ２９、図２の時刻ｔ７）。
　以上の処理で得られた電流値ｉ１、ｉ２と時間ｔｗ１、ｔｗ２を用いて、制御回路５の判定部２９は、電流増加速度Δｉ１＝ｉ１÷ｔｗ１と、電流減少速度Δｉ２＝Δｉ２÷ｔｗ２を計算する（Ｓ３０、Ｓ３１）。そして、電流増加速度Δｉ１と電流減少速度Δｉ２に基づいて、短絡個所判定処理Ｓ３２を行う。短絡個所判定処理Ｓ３２に戻り値は、変数Ａに代入される（Ｓ３３）。制御回路５は変数Ａと変数Ｂの値を表示部６と送信器７に送信し（Ｓ３４、Ｓ３５）、短絡位置判定のための処理を終了する。
　以下に、本実施例の電力変換装置が短絡個所を判定する原理を説明する。図４は、ケーブル上とモータ内部に発生した短絡個所の例を表した図である。Ａ～Ｃは短絡発生個所の例を表している。Ａはケーブル上の電力変換装置付近で発生した短絡個所、Ｂはケーブル上のモータ付近で発生した短絡個所、Ｃはモータの内部で発生した短絡個所である。短絡が発生している相の端子間（図４の場合はＵ－Ｗ間）のインピーダンスを測定した場合、端子Ｕ－短絡個所―端子Ｗの経路の往復のインダクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路のインピーダンスが観測される。
　図５は図４で示した短絡個所Ａ～Ｃに対する短絡経路のインダクタンスＬと抵抗Ｒの大小関係を表した表である。短絡個所がＡの場合は、最短経路での短絡となるため、ＬもＲは最も小さくなる。短絡個所がＢの場合は、ケーブルの往復のインダクタンスＬｃａｂｌｅが経路に含まれるため、インダクタンスＬが相対的に大きくなる。短絡個所がＣの場合には、さらにモータ内配線のインダクタンスＬ＿ｍｏｔｏｒと共に巻線抵抗Ｒ＿ｍｏｔｏｒが経路に含まれるため、Ｌと共にＲも相対的に大きくなる。したがって、このＬ、Ｒの大小関係を基準に短絡個所Ａ～Ｃを判定することができる。
　図６は、Ｕ－Ｗ相間短絡発生時における、Ｕ、Ｗ相のスイッチング素子の状態と短絡電流経路の関係を表した図である。図中のインダクタンスＬと抵抗Ｒは、短絡経路のインダクタンスと抵抗を示している。図６（Ａ）はＵ相の下アームのスイッチング素子ＵｂとＷ相の上アームのスイッチング素子ＷａがＯＮしている状態であり、図２の時刻ｔ５～ｔ６の状態を表している。図６（Ａ）の状態において短絡経路を流れる電流ｉ１は、数１の式のΔｉ１で示す電流増加速度で電流が増加する。
（数１）　Δｉ１＝Ｖｄｃ／Ｌ・ｅｘｐ（－Ｒ・ｔ／Ｌ）
ここで、Ｖｄｃは平滑コンデンサの直流電圧、Ｌは短絡経路のインダクタンス、Ｒは短絡経路の抵抗である。通常、短絡経路における抵抗Ｒはケーブルや巻線の抵抗であるため値が非常に小さく、ｅｘｐ（－Ｒ・ｔ／Ｌ）の部分はほぼ１に等しくなる。したがって、電流増加速度Δｉ１は、数２の式となり、電流増加速度はインダクタンスＬによって決まる。
（数２）　Δｉ１＝Ｖｄｃ／Ｌ
　図６（Ｂ）は図６（Ａ）の後に、Ｕ相の下アームのスイッチング素子ＵｂをＯＦＦした状態であり、図２の時刻ｔ６～ｔ７の状態を表している。図６（Ｂ）の状態においては、還流ダイオードとＬとＲが直列となったループを電流ｉ２が流れており、電流ｉ２は数３で示す電流減少速度Δｉ２で減少する。
（数３）　Δｉ２＝－（ｉ０・Ｒ＋Ｖｆ）／Ｌ・ｅｘｐ（－Ｒ・ｔ／Ｌ）
ここで、ｉ０は電流の初期値、Ｖｆは還流ダイオードの順方向電圧Ｖｆである。
　電流増加速度の場合と同様に、ｅｘｐ（－Ｒ・ｔ／Ｌ）の部分はほぼ１に等しいとみなすことができるので、電流減少速度は数４の式で表わすことができる。
（数４）　Δｉ２＝－（ｉ０・Ｒ＋Ｖｆ）／Ｌ
ここで、電流減少速度Δｉ２と電流増加速度Δｉ１の比であるΔｉ２／Δｉ１を求めると、数５が得られる。
（数５）　Δｉ２／Δｉ１＝－（ｉ０・Ｒ＋Ｖｆ）／Ｖｄｃ
したがって、Δｉ２／Δｉ１の大きさはＲで決まるため、Δｉ２／Δｉ１の値から短絡経路の抵抗Ｒを推定することができる。
　図７に、短絡発生時に図６に示すようにスイッチング素子が動作した場合の電流波形のシミュレーション結果を示す。直流電圧Ｖｄｃは５００Ｖ、短絡経路のインダクタンスＬは１０μＨで、短絡経路の抵抗Ｒを０Ωから１．０Ωまで変化させている。期間１で示す０．６μｓの期間、スイッチング素子を図６（ａ）の状態として短絡経路に流れる電流を増加させ、それ以降の期間２では、スイッチング素子を図６（ａ）の状態として短絡経路に流れる電流を減少させた。図７の波形は、期間Ａの電流増加速度Δｉ１は抵抗Ｒに依存せずほぼ一定であり、期間Ｂの電流減少速度は、１Ωより小さい抵抗Ｒに依存して変化することが示されており、電流減少速度Δｉ２を取得することにより、短絡経路の抵抗値が精度よく推定できることを示している。
　図８に、図３のフローチャート内に示した短絡個所判定Ｓ３２が呼び出すサブルーチン処理のフローチャートを示す。電流変化速度Δｉ１が所定のしきい値αよりも大きかった場合、Ｌが小さいと判定したことを意味する戻り値３を返す（Ｓ５５）。電流変化速度Δｉ１が所定のしきい値αより小さく、かつΔｉ２／Δｉ１が所定のしきい値βより大きかった場合には、Ｌが大きくかつＲが小さいと判定したことを意味する戻り値２を返す（Ｓ５４）。電流変化速度Δｉ１が所定のしきい値αより小さく、かつΔｉ２／Δｉ１が所定のしきい値βより大きかった場合には、Ｌが大きくＲが大きいと判定したことを意味する戻り値１を返す（Ｓ５３）。
　所定のしきい値αおよびβは、ケーブルとモータのインダクタンス値および抵抗値より実験的に決められた数値か、数２、数４を用いて設計的に求められた数値か、あるいは、モータ正常駆動時のオートチューニング動作によって得られたインダクタンス値および抵抗値から求められた数値である。
　図９に表示器６の構成図を示す。表示器６はデコーダ４１、ＬＥＤドライバ４２、２桁のＬＥＤセグメント４３で構成される。制御回路５から送られてきた変数Ａ、Ｂの値は、デコーダ４１によりＬＥＤセグメントの数字の表示パターンにデコードされ、表示パターンはＬＥＤドライバ４２で電流に変換される。ＬＥＤドライバ４２は、ＬＥＤセグメント４３の１桁目に変数Ａの値を、２桁目に変数Ｂの値を表示する。
　図１０は表示器６が表示する数字を説明する説明書を表した図である。１桁目に表示された数値が１ならば、短絡個所がモータ内部、２ならばモータ付近のケーブル上、３ならばインバータ付近のケーブル上であることを示している。また、２桁目に表示された数値が１ならば、短絡相はＵ－Ｖ間、２ならばＶ－Ｗ間、３ならばＷ－Ｕ間であることを示している。なお、０の場合は不明もしくは短絡なしを示している。
　また、図９に示した表示器６を構成するＬＥＤドライバ４２は液晶表示器用ドライバ、ＬＥＤセグメント４３はマトリクス表示型の液晶表示器であってもよい。その場合、表示する情報は変数Ａ、Ｂの代わりに、図１０で示した対応する短絡個所にすることも可能である。
　図１１に送信器７の構成図を示す。送信器７は変調器４４、増幅器４５、アンテナ４６で構成され、制御回路５から送られてきた変数Ａ、Ｂの値は変調器４４で変調され、増幅器４５で電力増幅され、アンテナ４６より外部へ無線送信される。図示していないが、別の機器やシステムは、無線送信された信号を受信し、復調することで、変数Ａ、Ｂの値を取得し、短絡個所の情報を得ることが可能である。
　図１２に本発明の電力変換装置の第二の実施例の構成図を示す。電力変換装置５１は、交流電力を入力してモータに電力を供給するための順変換器回路５２、平滑用コンデンサ５３、逆変換器回路５４を備えている。また、電力変換装置５１は、逆変換器回路５４を制御するための制御回路５５、制御回路の出力情報を表示するための表示器５６、異常信号として出力するためのリレー出力６４、制御回路の出力情報を無線送信するための送信器５７、制御回路に情報を入力するための入力部５８を備えている。
　本実施例においても、異常信号として出力するためのリレー出力６４を開示しているが、リレーに限定するものではない。
　順変換器回路５２は、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子から入力された交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ５３はＮ、Ｐのノードとして図示された直流電圧配線に備えられている。逆変換器回路５４は、直流電力をモータを駆動するための交流電力に変換する。逆変換器回路５４は、スイッチング素子と該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードからなる半導体素子で構成されている。
　逆変換器回路５４は６つのスイッチング素子Ｕａ、Ｕｂ、Ｖａ、Ｖｂ、Ｗａ、Ｗｂを有している。Ｕａ、Ｖａ、Ｗａは上アーム、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂは下アームと称される。上アームと下アームのスイッチング素子、例えばＵａとＵｂが交互にＯＮになることで、出力端子Ｕから出力される電流を制御する。電力変換装置５１の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗにはケーブル５９を経由して３相モータ６０が接続されており、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力される電流によりモータは駆動される。
　出力端子ＵとＶの近くの配線には電流センサ６１、６２が備え付けられており、出力端子ＵとＶから流れ出る電流量ｉｕとｉｖをそれぞれ計測する。なお、出力端子Ｗにも出力端子Ｗから流れ出る電流量ｉＷを測定するための電流センサを備え付けてもよいが、交流条件ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０から、ｉｗ＝－（ｉｕ＋ｉｖ）として求められるので省略可能である。また省略する相はＷの代わりにＵ、Ｖでもかまわない。
　なお、電力変換装置５１は交流電力を入力するために順変換器回路５２を具備しているが、直流電力を入力する場合は、順変換器回路５２を省略し、直流電力をノードＰ、Ｎに直接入力してもよい。
　制御回路５５は、あらかじめ組み込まれた内蔵プログラムにより制御回路５５を制御する制御部７１、逆変換器回路５４の６つのトランジスタを駆動するためのドライバ回路７２を備えている。通常のモータ駆動においては、制御部７１は電流センサ６１、６２が測定した電流値をフィードバックしながら、ドライバ回路７２は逆変換器回路５４にＰＷＭ制御をさせている。
　また、制御回路５５には、逆変換器５４の交流側出力、つまり出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗの電圧上昇を検知するための電圧上昇検知回路７３を備えている。電圧上昇検知回路内には２つの電圧しきい値が設定されており、それらを出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗの電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが超過するとトリガ信号ＯＣおよびＤＴを出力する。
　また、制御回路５５は、トリガ信号ＤＴで動作開始するタイマ７５、電流センサ６１、６２の測定値をサンプリングして電流量の絶対値を数値化する電流計測回路７６、７７、該電流計測回路７６、７７の値から大きい方を選択する選択回路７８、短絡位置を判定する判定部７９を備えている。なお、制御回路５５内の、制御部７１、タイマ７３、２４、選択回路２８、判定部２９など、ロジック回路のみで構成することが可能な要素については、マイコンやプログラマブルロジックでソフトウェア的に実現することも可能である。
　図１３に、電圧上昇検知回路の構成図を示す。電圧上昇検知回路７３は、コンパレータの入力定格外の電圧をカットするための過電圧保護回路８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ、コンパレータ８２ｕ、８２ｖ、８２ｗ、８５ｕ、８５ｖ、８５ｗ、論理積ゲート８３ｕ、８３ｖ、８３ｗ、８６ｕ、８６ｖ、８６ｗ、論理和ゲート８４、８７で構成されている。
　Ｖｔｈ０は短絡保護のためのしきい値、Ｖｔｈ１は短絡相判定のためのしきい値である。コンパレータは出力端子の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷがしきい値を超えることで電圧上昇を検知し、Ｈｉｇｈ信号を出力する。ただし、インバータ５４の下アームのスイッチング素子Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂがＯＦＦの場合にも出力端子の電圧は上昇するので、それによる電圧上昇検知をマスクする必要がある。論理積ゲートは、制御部７１から送られる下アームのスイッチング素子Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂのＯＮ／ＯＦＦ制御する信号で、コンパレータの出力信号にマスクをかけている。出力端子の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷいずれかの端子で電圧上昇を検知した場合、論理和ゲート８４、８７からトリガ信号ＯＣおよびＤＴが出力される。
　なお、コンパレータ８２ｕと８５ｕは同じ機能であるので、タイムシェアリング動作によって１つのコンパレータで構成してもよい。また、コンパレータ８２ｖと８５ｖ、コンパレータ８２ｗと８５ｗについても同様である。
　絶縁被覆の劣化や物理的損傷など、何らかの原因により、モータ内やケーブル上でＵ－Ｖ間、Ｖ－Ｗ間、あるいはＷ－Ｕ間で相間短絡が発生した場合、通常のモータ駆動時よりも大きな過電流が発生する。ＯＮ状態にある下アームのスイッチング素子に過電流が流れた場合、スイッチング素子の動作点が飽和領域に入るために端子電圧は急激に上昇する。
　電圧上昇検知回路７３はその電圧上昇が、しきい値Ｖｔｈ０を超えた時点で制御部７１にトリガ信号ＯＣを送信する。制御部７１は短絡を検知すると直後にドライバ回路７２にスイッチング素子Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂをＯＦＦにさせ、短絡電流の増加を抑制し、その後スイッチング素子Ｕａ、Ｖａ、ＷａをＯＦＦにさせ短絡電流を停止する。なお、しきい値Ｖｔｈ１は後述の短絡相の判定のために用いられるしきい値である。素子保護の観点から、しきい値Ｖｔｈ１はしきい値Ｖｔｈ０と同等以下で、かつ、短絡している相を判別するために十分となるほど大きな電圧値であることが望ましい。
　図１４に本発明の電力変換装置の第二の実施例の短絡発生以降の動作波形を示す。縦軸は、スイッチング素子Ｕａ、Ｖａ、Ｗａ、Ｕｂ、Ｖｂ、ＷｂのＯＮ／ＯＦＦ状態、電流センサ６１の電流測定値ｉＵの絶対値｜ｉＵ｜、電流センサ６２の電流測定値ｉＶの絶対値｜ｉＶ｜、出力端子Ｗの電圧ＶＷを示している。横軸は、時間を示している。また図１４は、時刻ｔｓ１においてＷ－Ｕ間に短絡が発生した場合を例としている。時刻ｔｓ１において短絡が発生すると、出力端子Ｗの電圧ＶＷが急激に増加する。時刻ｔｓ２においてしきい値Ｖｔｈ０を超えると制御部７１が短絡を検知する。
　制御部７１がＵｂ、Ｖｂ、ＷｂをＯＦＦにすると短絡電流の増加は停止し、さらに、時刻ｔｓ３においてＵａ、Ｖａ、ＷａをＯＦＦにすると短絡電流はほどなく停止する。なお、Ｗ－Ｕ間短絡の場合、電流iＵは負方向の電流（逆変換器回路に流れ込む方向）である。
　以降、短絡個所判定のための動作は本発明の第一の実施例と同様であるため省略する。制御回路５５は、図３および図８に示したフローチャートに従い動作することで、第一の実施例と同じ機能を実現できる。また、表示器５６は図９と同じ構成であり、送信器５７は図１１と同じ構成である。
[発明の応用例]
　図１６に上記実施例を産業用インバータとして応用した例を示す。電力変換装置１０１と駆動用モータ１０２の間をケーブル１０３で接続されている。電力変換器装置１０１は、交流電源配線１０４を通して外部から電力を供給されている。モータ１０２は空調機、圧縮機、コンベア、エレベータなど様々な産業用機器を駆動することに使用される。
　モータ１０２内部やケーブル１０３上で短絡が発生した場合、電力変換装置１０１が備えている表示器１０５に短絡個所の情報が表示されるともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。また、電力変換装置１０１の表面には表示器１０５に表示される数字と短絡箇所の対応表１０６が貼り付けられている。
　図１７に上記実施例を鉄道車両に応用した例を示す。鉄道車両１１１の床下に本実施例の電力変換装置１１２、１１３が設置されている。鉄道車両１１１の台車１１４、１１５には駆動用のモータ１１６、１１７が備え付けられている。モータと電力変換装置はケーブル１１８、１１９で接続されている。モータ１１６、１１７の内部やケーブル１１８、１１９上で短絡が発生した場合、電力変換装置１１２、１１３が備えている表示器に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。
　図１８に上記実施例を電動機付き自動車に応用した例を示す。自動車１２１の内部に本実施例の電力変換装置１２２、１２３が設置されている。また、車輪１２４、１２５を駆動するためのモータ１２６、１２７が設置されており、電力変換装置とケーブル１２８、１２９で接続されている。モータ１２６、１２７の内部やケーブル１２８、１２９上で短絡が発生した場合、電力変換装置１２２、１２３が備えている表示器に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。
　図１９に上記実施例を空調機に応用した例を示す。空調機は、建造物の壁１３１に取り付けられた本体部１３２、冷媒を往復させる配管１３３、コンプレッサ部１３４で構成されている。また、空調機の本体部１３２には、本実施例の電力変換装置１３５が備え付けられている。一方で、コンプレッサ部１３４にはコンプレッサを駆動するためのモータ１３６が備え付けられており、モータと電力変換装置の間はケーブル１３７で接続されている。モータ１３６の内部やケーブル１３７上で短絡が発生した場合、電力変換装置１３５が備えている表示器に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。
１…電力変換装置、２…順変換器回路、３…平滑用コンデンサ、４…逆変換器回路、５…制御回路、６…表示器、７…送信器、８…入力部、９…ケーブル、１０…３相モータ、１１～１３…電流センサ、１４…リレー出力、２１…制御部、２２…ドライバ回路、２３、２４…コンパレータ、２５…タイマ、２６、２７…電流計測回路、２８…選択回路、２９…判定部、４１…デコーダ、４２…ＬＥＤドライバ、４３…ＬＥＤセグメント、４４…変調器、４５…増幅器、５１…電力変換装置、５２…順変換器回路、５３…平滑用コンデンサ、５４…インバータ回路、５５…制御回路、５６…表示器、５７…送信器、５８…入力部、５９…ケーブル、６０…３相モータ、６１、６２…電流センサ、６４…リレー出力、７１…制御部、７２…ドライバ回路、７３…電圧上昇検知回路、７５…タイマ、７６、７７…電流計測回路、７８…選択回路、７９…判定部、８１ｕ～ｗ…過電圧保護回路、８２ｕ～ｗ…コンパレータ、８３ｕ～ｗ…論理積ゲート、８４…論理和ゲート、８５ｕ～ｗ…コンパレータ、８６ｕ～ｗ…論理積ゲート、８７…論理和ゲート、９１…電力変換装置、９２…インバータ回路、９３ａ、ｂ…電流センサ、９４…平滑用コンデンサ、９５ａ～ｆ…スイッチング素子、９６…ケーブル、９７…モータ、１０１…電力変換装置、１０２…駆動用モータ、１０３…ケーブル、１０４…交流電源配線、１０５…表示器、１０６…対応表、１１１…鉄道車両、１１２、１１３…電力変換装置、１１４、１１５…台車、１１６、１１７…モータ、１１８、１１９…ケーブル、１２１…自動車、１２２、１２３…電力変換装置、１２４、１２５…車輪、１２６、１２７…モータ、１２８、１２９…ケーブル、１３１…壁、１３２…空調機の本体部、１３３…配管、１３４…コンプレッサ部、１３５…電力変換装置、１３６…モータ、１３７…ケーブル、Ｕａ、Ｖａ、Ｗａ…上アームのスイッチング素子、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂ…下アームのスイッチング素子。

Claims (11)

  1. 　複数のスイッチング素子を具備してそれらのオンオフ制御によってケーブルで接続されたモータを駆動する電力変換装置であって、
    　モータの電流を制御するための上アームの複数のスイッチング素子と下アームの複数のスイッチング素子から構成された逆変換器回路と、
    　短絡個所を判定する判定部と、を具備し、
    　前記判定部は、前記モータおよび前記ケーブルで発生した相間の短絡個所を調査する際には、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチング素子を同時にオンさせることで短絡電流を発生させ、短絡時の電流増加速度と、短絡後の電流減少速度に基づいて、短絡個所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  2. 　複数の電力用半導体スイッチング素子を具備してそれらのオンオフ制御によってケーブルで接続されたモータを駆動する電力変換装置であって、
    　モータの三相電流を制御するための上アームの３つのスイッチング素子と下アームの３つのスイッチング素子から構成される３相の逆変換器回路と、
    　短絡個所を判定する判定部と、を具備し、
    　前記判定部は、
    　第一の期間において、上アームのうちいずれか１つのスイッチング素子と、該スイッチング素子と異なる相の下アームのいずれか１つのスイッチング素子をオンにし、直後の第二の期間において、上アームか下アームのオンにしてあるスイッチング素子の一方をオフにし、前記第一の期間において測定した前記逆変換器回路の出力電流の電流増加速度と、
    　前記第二の期間において測定した前記逆変換器回路の出力電流の電流減少速度に基づいて、短絡個所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１あるいは２の電力変換装置であって、
    　装置内部の状況を外部に報知する情報出力手段を具備し、
    　前記判定部は、前記電流増加速度から、短絡経路におけるインダクタンス値を推定し、
    前記電流減少速度と前記電流増加速度の比率から、短絡経路における抵抗値を推定し、該推定された前記インダクタンス値と前記抵抗値の大小関係から、短絡発生個所を判定し、
    　前記判定結果を前記情報出力手段が外部に報知することを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項３の電力変換装置であって、
    　前記情報出力手段は無線送信器であって、
    　前記情報出力手段は、前記判定結果に対応する数値、記号を外部に無線送信することを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項３の電力変換装置であって、
    　前記情報出力手段は発光素子あるいは液晶素子を使った表示器であって、
    　前記情報出力手段は、前記判定結果に対応する数値、記号あるいは文章を表示することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項４の電力変換装置であって、
    　前記数値あるいは記号に対応する短絡個所との対応を示した表を具備することを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項１あるいは２の電力変換装置であって、
    　交流電力から直流電力へ変換する順変換器回路を備え、
    　外部から入力された交流電力を前記順変換器回路へ入力し、直流電力に変換して出力することを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項１あるいは２の電力変換装置であって、
    　前記逆変換器回路から出入りする電流を測定するための複数の電流センサと、
    　電力変換装置の動作を制御するための制御回路と、を具備し、
    　前記制御回路は、
    　前記逆変換器のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのドライバ回路と、
    　前記複数の電流センサの電流計測値をサンプリングするための複数の電流計測回路と、
    前記複数の電流センサの電流計測値が所定のしきい値を超過したか検出するためのコンパレータ回路と、を具備し、
    　前記判定部は、前記コンパレータ回路の検出時間と前記電流計測値に基づいて前記電流増加速度と電流減少速度を計算して、短絡個所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項１あるいは２の電力変換装置であって、
    　前記逆変換器回路から出入りする電流を測定するための複数の電流センサと、
    　電力変換装置の動作を制御するための制御回路と、を具備し、
    　前記制御回路は、前記逆変換器回路のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのドライバ回路と、
    　前記複数の電流センサの電流計測値をサンプリングするための複数の電流計測回路と、前記逆変換器回路の交流側の出力電圧が所定のしきい値を超過したか検出するためのコンパレータ回路と、
    　前記判定部は、前記コンパレータ回路の検出時間と前記電流計測値に基づいて前記電流増加速度と電流減少速度を計算して、短絡個所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  10. 　請求項８あるいは９の電力変換装置であって、
    　前記制御回路は、通常のモータ駆動電流を上回る過電流を検出するための過電流検出回路を具備し、前記過電流検出回路が過電流を検出した直後に前記スイッチング素子を全てオフにし、所定時間待機することで出力電流が流れない状態に静定させた後に、短絡個所の判定のための動作を開始することを特徴とする電力変換装置。
  11. 　請求項８あるいは９の電力変換装置であって、
    　外部からの情報を入力するための入力部を備え、
    　前記制御回路は、入力部からのトリガによって、短絡個所判定のための動作を開始することを特徴とする電力変換装置。
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