(57)【要約】      （修正有）【課題】短絡箇所の判定を簡素な構成で実現する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、複数のスイッチング素子を制御し、モータ７０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部４と、ケーブルに流れる電流の電流値を計測するための第１の電流センサ１２ｕと、第２の電流センサ１２ｗと、第１の遅延部１３ｕの出力値と第１の電流しきい値１５とを比較する第１の比較部１４ｕと、第２の遅延部１３ｕの出力値と第２の電流しきい値１５とを比較する第２の比較部１４ｗと、短絡個所を判定する制御部３２とを有する。制御部は、短絡箇所を判定する際には、第１の電流センサと第２の電流センサは同じ電流経路の電流を計測するようにし、第１の比較部と第２の比較部の出力に基づいて、短絡箇所を判定する。【選択図】図１
2020137303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を制御し、ケーブルに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部と、
前記ケーブルに流れる電流の電流値を計測するための第１の電流センサと第２の電流センサと、
前記第１の電流センサの出力を遅延させる第１の遅延部と、前記第２の電流センサの出力を遅延させる第２の遅延部と、
前記第１の遅延部の出力値と第１の電流しきい値とを比較する第１の比較部と、
前記第２の遅延部の出力値と第２の電流しきい値とを比較する第２の比較部と、
短絡個所を判定する制御部とを有し、
前記制御部は、
短絡箇所を判定する際には、前記第１の電流センサと前記第２の電流センサは同じ電流経路の電流を計測するようにし、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力に基づいて、短絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記制御部は、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力のいずれが先に過電流検知信号を出力したかに基づいて、短絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記モータの制御のための第１の電流計測系統と、短絡時のスイッチング素子の保護のための第２の電流計測系統とを有し、
前記第１の電流計測系統は、前記第１の電流センサと前記第１の遅延部と前記第１の比較部を有し、
前記第２の電流計測系統は、前記第２の電流センサと前記第２の遅延部と前記第２の比較部を有し、
前記第１の遅延部の遅延時間は、前記第２の遅延部の遅延時間より長く、
前記第１の電流しきい値は、前記第２の電流しきい値より小さいことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記逆変換部に供給する電圧を安定化するためのコンデンサを有し、
前記ケーブル上の前記短絡箇所までの往復インダクタンスが、
前記第１の遅延部における遅れ時間と前記第２の遅延部における遅れ時間の差を、前記第２の電流しきい値と前記第１の電流しきい値の差で除算し、前記コンデンサの電圧を乗算した値に等しいときにおける前記短絡箇所を、基準の短絡箇所とし、
前記制御部が、
前記短絡箇所が前記基準の短絡箇所より近いか遠いかを判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記スイッチング素子を制御するゲートドライバ回路を有し、
前記第２の遅延部の出力値が前記第２の電流しきい値を超えた場合に、
前記第２の比較部が、過電流検知信号を前記ゲートドライバ回路に出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記スイッチング素子を制御するゲートドライバ回路を有し、
前記逆変換部は、
３相電流を制御するための前記上アームの複数の前記スイッチング素子と前記下アームの複数の前記スイッチング素子を有する３相の逆変換回路であり、
前記制御部は、
順次、２相間に電流を流すように前記ゲートドライバ回路を制御し、短絡した相と前記短絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記制御部は、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力を入力し、
短絡が生じているかどうかを示す第１出力と、短絡箇所が前記電力変換装置から離れているかどうかを示す第２出力を備えた短絡箇所判定回路を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記第１の遅延部および前記第２の遅延部は、
それぞれ遅れ時間τ１、τ２のローパスフィルタ回路であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記判定した結果を、外部に送信することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記ケーブルは、各相に対応した複数本から構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
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し、ケーブルに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、
前記ケーブルに流れる電流の電流値を計測するための電流センサと、
前記電流センサの出力を遅延させる第１の遅延部および第２の遅延部と、
前記第１の遅延部の出力値と第１の電流しきい値とを比較する第１の比較部と、
前記第２の遅延部の出力値と第２の電流しきい値とを比較する第２の比較部と、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力に基づいて、短絡個所を判定する制御部とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電力変換装置おいて、
前記第１の遅延部の遅延時間は、前記第２の遅延部の遅延時間より長く、
前記第１の電流しきい値は、前記第２の電流しきい値より小さく、
前記制御部は、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力のいずれが先に過電流検知信号を出力したかに基づいて、短絡箇所を判定す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】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に、短絡箇所を判定する従来の技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、モータもしくはケーブルで発生した相間の短絡箇所を調査する際に、異なる相の上アーム、下アーム１つずつ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、短絡箇所を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２２６２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、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、短絡箇所を判定する方法が示されている。
【０００５】
このような従来の方法では、短絡箇所の判定のために必要なタイマ機能を実現するため、高速な処理回路やマイコンが必要になる。しかし、低速なマイコンを使った簡素な構成の電力変換装置が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、短絡箇所の判定を簡素な構成で実現する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい一例は、複数のスイッチング素子を制御し、ケーブルに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部と、
前記ケーブルに流れる電流の電流値を計測するための第１の電流センサと第２の電流センサと、
前記第１の電流センサの出力を遅延させる第１の遅延部と、前記第２の電流センサの出力を遅延させる第２の遅延部と、
前記第１の遅延部の出力値と第１の電流しきい値とを比較する第１の比較部と、
前記第２の遅延部の出力値と第２の電流しきい値とを比較する第２の比較部と、
短絡個所を判定する制御部とを有し、
前記制御部は、
短絡箇所を判定する際には、前記第１の電流センサと前記第２の電流センサは同じ電流経路の電流を計測するようにし、
前記第１の比較部と前記第２の比較部の出力に基づいて、短絡箇所を判定する電力変換装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、短絡箇所の判定を簡素な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の電力変換装置の構成図である。
【図２】短絡箇所を判定する際に発生させる電流の電流経路を示した図である。
【図３】電流Ｉｓｃの電流値、計測した電流値、過電流検知信号の時間変化グラフである。
【図４】フィルタ回路の構成例を示した図である。
【図５】図２に記載の電流経路で電流を発生させた場合の回路シミュレーション結果を示す図である。
【図６】短絡箇所判定回路３２の回路構成を示した図である。
【図７】マイコン３１が実施する短絡箇所の判定処理のフローチャートである。
【図８】実施例２の電力変換装置の構成図である。
【図９】産業用インバータとして応用した例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、実施例１の電力変換装置の構成図を示す。電力変換装置１は、交流電力を入力してモータ７０に電力を供給するための順変換器回路２と、コンデンサ３と、逆変換器回路４とを備えている。
【００１２】
また、電力変換装置１は、電力変換装置１を制御するための制御回路５（制御部）と、逆変換器回路４を制御するためのゲートドライバ回路６と、制御回路５からの出力情報を表示するための表示器７と、外部のシステムと情報を送受信するための通信器８と、ユーザが直接操作情報を入力するための入力器９とを備えている。
【００１３】
順変換器回路２は、６つのダイオードで構成され、電源配線ＴＣを通して送られ入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電力を直流電力に変換し、ノードＰ、Ｎで示した直流電源配線に出力する。順変換器回路２のダイオードの整流作用によりノードＰ側の直流電圧配線に正電圧、ノードＮ側の直流電圧配線に負電圧とした直流電圧を発生する。
【００１４】
コンデンサ３は、ノードＰとＮにおいて直流電圧配線に接続し、急激な電流変化が起きても配線間の電圧を一定に保つ（平滑化する）働きをする。
【００１５】
逆変換器回路４は、直流電力を、モータ７０を駆動するための交流電力に変換し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力する。
【００１６】
逆変換器回路４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのハーフブリッジ回路から構成され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相という３相を制御する３相の逆変換回路である。Ｕ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子ＳＷｕとダイオードＤＩｕが逆並列に接続された上アームと、スイッチング素子ＳＷｘとダイオードＤＩｘが逆並列に接続された下アームで構成されている。
【００１７】
Ｖ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子ＳＷｖとダイオードＤＩｖ、スイッチング素子ＳＷｙとダイオードＤＩｙで、Ｗ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子ＳＷｗとダイオードＤＩｗ、スイッチング素子ＳＷｚとダイオードＤＩｚ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。
【００１８】
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。全てのスイッチング素子ＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚは、ゲートドライバ回路６に接続されており、ゲートドライバ回路６からのゲート制御信号によって、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御される。
【００１９】
電力変換装置１は、２つの電流計測系統を備えている。１つはモータ７０の制御のための電流計測系、もう１つは短絡時のスイッチング素子の保護のための電流計測系である。
【００２０】
モータ制御のための電流計測系は、電流計測回路１１ｕ、１１ｗとＡＤ変換回路１７とで構成されている。
【００２１】
電流計測回路１１ｕと電流計測回路１１ｗは、それぞれＵ相とＷ相の電流を計測し、計測した電流値ｉ１ｕ、ｉ１ｗを出力する。ＡＤ変換回路１７は電流値ｉ１ｕ、ｉ１ｗをデジタル値に変換して制御回路５に送信する。
【００２２】
電流計測回路１１ｕと電流計測回路１１ｗは、それぞれ電流センサ１２ｕ、１２ｗとフィルタ回路１３ｕ、１３ｗとで構成される。電流センサ１２ｕ、１２ｗは電流を計測し、電流値に比例した電圧信号に変換して出力する。
【００２３】
フィルタ回路１３ｕ、１３ｗは、遅れ時間τ１を持ったローパスフィルタ回路であり、ＡＤ変換回路１７のサンプリング周期よりも十分に低い周波数帯域の信号を通過させるようにしている。
【００２４】
また、電力変換装置１は、比較器１４ｕ、１４ｗ、電流しきい値記憶回路１５、論理和ゲート１６を備えており、これらで構成する回路は、電流値ｉ１ｕ、ｉ１ｗのいずれかが、電流しきい値記憶回路１５が記憶している電流しきい値ｉｔｈ１を上回ると、論理信号である過電流検知信号ＯＣ１を１にする機能を有している。過電流検知信号ＯＣ１は、制御回路５へ入力され、Ｕ相およびＷ相出力の過電流検知に用いられる。
【００２５】
一方、短絡時のスイッチング素子の保護のための電流計測系統は、電流計測回路２１、比較器２４、電流しきい値記憶回路２５で構成される。電流計測回路２１はノードＮへ流れ込む電流を計測し、計測した電流値ｉ２を出力する。
【００２６】
比較器２４は、電流値ｉ２と、電流しきい値記憶回路２５が保持している電流しきい値ｉｔｈ２とを比較し、電流値ｉ２が電流しきい値ｉｔｈ２を超えるときに論理信号である過電流検知信号ＯＣ２を１にする。
【００２７】
過電流検知信号ＯＣ２は、ゲートドライバ回路６に入力され、過電流検知信号ＯＣ２が１になると、ゲートドライバ回路６は直後に全てのスイッチング素子をＯＦＦにし、スイッチング素子が短絡などによる過電流で破壊されるのを防止する。
【００２８】
電流計測回路２１は、電流センサ２２とフィルタ回路２３で構成される。電流センサ２２は電流を計測し、電流値に比例した電圧信号に変換して出力する。フィルタ回路２３は遅れ時間τ２を持ったローパスフィルタ回路であり、高周波パルス等のノイズによって過電流検知動作において誤検知が発生するのを防止する働きをする。
【００２９】
電力変換装置１は、コンデンサ３に印加される直流電圧Ｖｄｃを計測し、計測した電圧値を出力する電圧計測回路２６と、計測した電圧値をデジタル値に変換して制御回路５に送信するＡＤ変換回路２７を備えている。
【００３０】
電圧計測回路２６とＡＤ変換回路２７によって、ノードＰ−Ｎ間の直流電圧を監視することができる。なお、図示していないが、電圧計測回路２６は、電圧センサとローパスフィルタ回路によって構成される。
【００３１】
制御回路５は、電力変換装置１の制御を行うためのマイコン（ＭＰＵ）３１と、出力側（ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ対応したモータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗ、およびモータ７０の側）の短絡発生箇所の判定を行う短絡箇所判定回路３２を備えている。
【００３２】
短絡箇所の判定の処理において、短絡箇所判定回路３２は、過電流検知信号ＯＣ１とＯＣ２を入力し、それらの情報により短絡箇所を判定して、判定結果をマイコン３１に送信する。マイコン３１は、短絡箇所の判定結果を表示器７および通信器８に送信する。
【００３３】
なお、制御回路５は、モータ７０のＰＷＭ駆動のための一般的な機能を備えているが、本実施例の動作とは関わらないので、その説明については省略する。また、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。
【００３４】
図２は、実施例１の電力変換装置が短絡箇所を判定する際に、発生させる電流の電流経路の一例を示す。制御回路５からの指令により、短絡箇所を判定する際には、異なる相の上アームのスイッチング素子１つと、下アームのスイッチング素子１つをＯＮにする。
【００３５】
図２では一例として、Ｕ相の上アームのスイッチング素子ＳＷｕとＶ相の下アームのスイッチング素子ＳＷｙをＯＮにしている。これら２つのスイッチング素子をＯＮにすることにより、コンデンサ３の両端の電圧Ｖｄｃを起電力として、破線で示した経路に電流が発生する。
【００３６】
ケーブル上に短絡箇所が存在する場合、モータ７０内部の巻き線インダクタンスＬｍが電流増加を阻害するために、電流はモータ７０には回らずに、ほぼ全て短絡箇所でショートカットした電流経路を流れる。
【００３７】
図２に示した例は、ケーブル上のＵ−Ｖ相間に短絡箇所が存在する場合である。すると、破線で示す電流経路に電流Ｉｓｃが流れる。その電流量は、電力変換装置１から短絡箇所までのケーブルの往復インダクタンスであるＬｓｃで決まり、Ｉｓｃ＝Ｖｄｃ／Ｌｓｃ・ｔとなる電流が流れる。ここで、ｔは前記のスイッチング素子２つがＯＮになってからの時間である。
【００３８】
このとき、電流Ｉｓｃは電流計測回路１１ｕと電流計測回路２１を流れるため、電流計測回路１１ｕと電流計測回路２１の両方で電流Ｉｓｃが計測可能である。
【００３９】
図２に示した以外の例として、Ｖ相の上アームのスイッチング素子ＳＷｖとＷ相の下アームのスイッチング素子ＳＷｚをＯＮにした場合、ケーブル上のＶ−Ｗ相間に短絡箇所が存在すると、電流Ｉｓｃは、電流計測回路１１ｗと電流計測回路２１を流れる。そのため、電流計測回路１１ｗと電流計測回路２１の両方で電流Ｉｓｃが計測可能である。
【００４０】
また、図２に示した以外の例として、Ｗ相の上アームのスイッチング素子ＳＷｗとＵ相の下アームのスイッチング素子ＳＷｘをＯＮにした場合、ケーブル上のＷ−Ｕ相間に短絡箇所が存在すると、電流Ｉｓｃは、電流計測回路１１ｕ、１１ｗと電流計測回路２１を流れる。そのため、電流計測回路１１ｕと電流計測回路２１の両方、あるいは、電流計測回路１１ｗと電流計測回路２１の両方で電流Ｉｓｃが計測可能である。
【００４１】
図３は、電流Ｉｓｃの電流値と計測した電流値と、過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２の時間変化グラフである。電流値ｉ１ｕとｉ１ｗは、計測した電流測定回路が違うだけで同義（同じ性質）の信号であるため、以降、電流値はｉ１ｕとｉ１ｕは電流値ｉ１として記載する。時刻ｔ０において、前記説明の２つのスイッチング素子をＯＮにすると、電流Ｉｓｃは時刻ｔ０より流れ始め、Ｖｄｃ／Ｌｓｃの傾きを持って増加する。
【００４２】
計測した電流値ｉ１、ｉ２は、フィルタ回路１３ｕ、２３での信号遅延により、電流Ｉｓｃの電流値を、それぞれτ１、τ２だけ遅れて追従する。一方、過電流検知信号ＯＣ１は計測した電流値ｉ１が電流しきい値ｉｔｈ１を超過したとき（ｔ１）、過電流検知信号ＯＣ２は計測した電流値ｉ２が電流しきい値ｉｔｈ２をそれぞれ超過したとき（ｔ２）に、それぞれ１に変化する。
【００４３】
図３（a）は、短絡箇所までのケーブルの往復インダクタンスＬｓｃが十分に小さい場合を示す図である。図３（a）においては、Ｌｓｃが十分に小さいために電流増加の傾きＶｄｃ／Ｌｓｃが大きく、過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２が１になるタイミングは遅延時間τ１、τ２が支配的となり、その結果、過電流検知信号ＯＣ２が１になる時間はＯＣ１が１になる時間より早くなる（ｔ２＜ｔ１）。
【００４４】
Ｌｓｃがより大きくなると、過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２が１になるタイミングに対する遅延時間τ１、τ２の影響は弱くなり、代わって電流しきい値ｉｔｈ１、ｉｔｈ２の影響が強くなる。
【００４５】
図３（ｂ）は、過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２が１になるタイミングｔ１、ｔ２が等しい場合を示す図である。図３（ｂ）の横方向矢印の加算表現で示すように、ｔ１＝ｔ２となる条件では、次式が成立している。
Ｌｓｃ／Ｖｄｃ・Ｉｔｈ１＋τ１＝Ｌｓｃ／Ｖｄｃ・Ｉｔｈ２…（式１）
【００４６】
これをＬｓｃについて整理すると次式が得られる。
Ｌｓｃ＝Ｖｄｃ・（τ１−τ２）／（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）  …（式２）
【００４７】
（式２）は、第１の電流計測回路１１ｕにおける遅れ時間τ１と第２の電流計測回路２１における遅れ時間τ２の差を、第２の電流しきい値Ｉｔｈ２と第１の電流しきい値Ｉｔｈ１の差で除算し、コンデンサの電圧Ｖｄｃを乗算した値と、電力変換装置１からケーブル上の短絡箇所までの往復インダクタンスＬｓｃとが同じであることを示す。
【００４８】
（式２）より、Ｌｓｃが（式２）の右辺より小さい場合は、ＯＣ２が先に１になり、（式２）を満たす場合における短絡箇所より、電力変換装置１から近い位置で短絡が発生していることを意味する。
【００４９】
Ｌｓｃが（式２）の右辺より大きい場合は、ＯＣ１が先に１になる逆転が起き、（式２）を満たす場合における短絡箇所より、電力変換装置１から遠い位置で短絡が発生していることを意味することが示される。つまり、（式２）を満たす場合における短絡箇所を基準に、短絡箇所が電力変換装置１側に近いか、遠いかを、Ｌｓｃと（式２）の右辺との大小関係から推定できる。
【００５０】
さらに、Ｌｓｃは正であることから、この逆転が起きるための条件は、τ１＞τ２とＩｔｈ１＜Ｉｔｈ２か、τ１＜τ２とＩｔｈ１＞Ｉｔｈ２のいずれかの組合せである必要があること、つまり、２つの電流検出系統における遅延時間と電流しきい値の大小の組合せが逆であることが必要であることが示されている。
【００５１】
図３（ｃ）は、短絡箇所までのケーブルの往復インダクタンスＬｓｃが十分に大きい場合を示す図である。図３（ｃ）においては、Ｌｓｃが十分に大きいために電流増加の傾きＶｄｃ／Ｌｓｃが小さく、過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２が１になるタイミングは電流しきい値Ｉｔｈ１、Ｉｔｈ２が支配的となる。過電流検知信号ＯＣ１が１になる時間はＯＣ２が１になる時間より早くなる（ｔ１＜ｔ２）。
【００５２】
図４は、フィルタ回路１３ｕ、１３ｗ、２３の構成例を示す。図４（ａ）は、フィルタ回路１３ｕ、１３ｗの構成例を示した図であり、図４（ｂ）は、フィルタ回路２３の構成例を示した図である。
【００５３】
図４（ａ）に示すように、フィルタ回路１３ｕ、１３ｗは、抵抗値Ｒ１を持った抵抗器４１ａ、容量値Ｃ１を持ったキャパシタ４２ａ、電圧増幅率が１のアンプ回路４３ａで構成されている。図４（ａ）に示すフィルタ回路は、入力Ｉｎから入力される電圧信号に対して、出力Ｏｕｔから出力される電圧信号が、時定数τ１＝Ｒ１・Ｃ１の遅延特性を持つローパスフィルタ回路を構成している。
【００５４】
図４（ｂ）に示すように、フィルタ回路２３は、抵抗値Ｒ２を持った抵抗器４１ｂ、容量値Ｃ２を持ったキャパシタ４２ｂ、電圧増幅率が１のアンプ回路４３ａで構成されている。図４（ｂ）に示すフィルタ回路は、入力Ｉｎから入力される電圧信号に対して、出力Ｏｕｔから出力される電圧信号が、時定数τ２＝Ｒ２・Ｃ２の遅延特性を持つローパスフィルタ回路を構成している。なお、接地ＧＮＤは入力Ｉｎ、出力Ｏｕｔに対するシグナルグラウンドである。
【００５５】
図５は、図２に記載の電流経路で電流を発生させた場合の回路シミュレーション結果を示す図である。シミュレーションの条件は、Ｖｄｃ＝１００Ｖ、Ｒ１＝５ｋΩ、Ｒ２＝１ｋΩ、Ｃ１＝Ｃ２＝１ｎＦ、Ｉｔｈ１＝１６０Ｖ、Ｉｔｈ２＝２００Ｖである。これらの数値条件を、前述の（式２）に代入すると、過電流検知信号ＯＣ１とＯＣ２が１になるタイミングｔ１とｔ２が等しくなるときのＬｓｃの値は１０μＨが得られる。
【００５６】
そこで、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においては、Ｌｓｃの値を１０μＨとその前後の値に設定した。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、Ｌｓｃの値をそれぞれ８μＨ、１０μＨ、１２μＨとしてシミュレーションした結果を示している。
【００５７】
図５（ａ）〜（ｃ）の全てにおいて、上アームのスイッチング素子ＳＷｕと下アームのスイッチング素子ＳＷｙを両方ＯＮにするタイミングは、横軸の時間ｔ＝１ｕｓであり、電流センサ１２ｕ、２２の計測電流に対する出力電圧Ｖｏの変換比率は１Ｖ／Ａとしている。
【００５８】
図５（ａ）〜（ｃ）が示すシミュレーション結果より、短絡箇所までのケーブルの往復インダクタンスＬｓｃが小さいほど、つまり、短絡箇所までのケーブルの往復長さが短いほど、電流Ｉｓｃと計測された電流値ｉ１、ｉ２の電流増加の傾きが急峻になることが示されている。
【００５９】
また、Ｌｓｃが１０μＨより小さい図５（ａ）の場合ではＯＣ２が先行して１になり、Ｌｓｃが１０μＨである図５（ｂ）の場合ではＯＣ１とＯＣ２はほぼ同時に１になり、Ｌｓｃが１０μＨより大きい図５（ｃ）の場合ではＯＣ１が先行して１になることが示されている。
【００６０】
なお、電圧信号は１００Ｖオーダーになっているが、電流Ｉｓｃと計測された電流値ｉ１、ｉ２を比較しやすくするために、便宜的に変換比率を１Ｖ／Ａとしたためである。電圧信号を５Ｖ以下の実用的な電圧にするために、例えば変換比率を０．０１Ｖ／Ａと小さくすることで、計測された電流値ｉ１、ｉ２は１／１００の電圧となり、汎用のロジック回路デバイスで扱うことができる。
【００６１】
図６は、短絡箇所判定回路３２の回路構成を示す。短絡箇所判定回路３２は、論理積ゲート５１、５２と、ＮＯＴゲート５３、５４と、論理和ゲート５５と、ＳＲ−ＦＦ回路５６、５７とで構成される。短絡箇所判定回路３２は、入力Ｔｒｇ１とＴｒｇ２のどちらが先に１になったかを判定する。
【００６２】
入力Ｒｅｓは、ＳＲ−ＦＦ回路のリセット入力であり、前記判定に先立ってパルスを入力することで、出力ＳＣとＮ／Ｆを０にする初期化が行われる。
【００６３】
初期化後にＴｒｇ１が先に１になった場合、出力ＳＣのみが１に変わる。一方、初期化後にＴｒｇ２が先に１になった場合、出力ＳＣと出力Ｎ／Ｆの両方が１に変わる。出力ＳＣと出力Ｎ／Ｆからの信号は、マイコン３１に入力される。
【００６４】
出力ＳＣが１である場合は、短絡が生じていることを示し、０である場合は、短絡は生じていないことを示すので、ＳＣは短絡が生じているかどうかを示す出力である。
【００６５】
また、出力Ｎ／Ｆが１である場合は、Ｔｒｇ２が先に１になる場合であり、短絡が電力変換装置１の近傍で発生していることを示し、０である場合は、短絡が生じているなら電力変換装置１から遠方で短絡が発生していることを示すので、Ｎ／Ｆは短絡箇所が電力変換装置１から離れているかどうかを示す出力である。
【００６６】
図７は、マイコン３１が実施する短絡箇所を判定する処理のフローチャートを示す。図７のフローは、短絡発生に伴う保護回路による過電流検知信号、および、入力器９や通信器８からのトリガがマイコン３１に入力されることにより開始される。
【００６７】
短絡箇所の判定の前処理として、制御回路５はモータ７０の停止措置を実施する（Ｓ９１）。具体的には、逆変換器回路４の全スイッチング素子をＯＦＦにすることで、モータ７０への電力供給を停止させる。
【００６８】
また、短絡箇所判定回路３２のＲｅｓ入力にパルスを送信して初期化させる（Ｓ９２）。
【００６９】
続いて、マイコン３１はＵ−Ｖ相間の短絡状況を調査する。マイコン３１は、始めに電流消滅待ちを行う（Ｓ１０１）。具体的には、電流計測回路１１ｕ、１１ｗで計測される電流値ｉ１ｕ、ｉ１ｗが０になるまで待機する。
【００７０】
次に、マイコン３１はゲートドライバ回路６を制御し、２つのスイッチング素子ＳＷｕとＳＷｙをＯＮにして、電流計測回路１１ｕもしくは１１ｗと電流計測回路２１とが計測する電流が同じ電流経路となるようにして、電流Ｉｓｃを発生させる（Ｓ１０２）。
【００７１】
一定時間待機後させ（Ｓ１０３）、その後、マイコン３１はゲートドライバ回路６を制御し、２つのスイッチング素子ＳＷｕとＳＷｙをＯＦＦにする（Ｓ１０４）。
【００７２】
次に、短絡箇所判定回路の出力ＳＣから信号を受信し、もし出力ＳＣが１になっていた場合、Ｕ−Ｖ相間が短絡していたと判定する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。
【００７３】
もし出力ＳＣが１にならなかった場合、マイコン３１は、ＳＷｖとＳＷｚをＯＮにすることでＳ１０１〜Ｓ１０６と同様に、次の２相間としてＶ−Ｗ相間の短絡状況を調査する（Ｓ１１１〜Ｓ１１６）。
【００７４】
さらに、もしＳ１１５で出力ＳＣが１にならなかった場合、マイコン３１は、ＳＷｗとＳＷｘをＯＮにすることでＳ１１１〜Ｓ１１６と同様に、次の２相間としてＷ−Ｕ相間の短絡状況を調査する（Ｓ１２１〜Ｓ１２６）。
【００７５】
さらに、もしＳ１２５で出力ＳＣが１にならなかった場合、マイコン３１は短絡相が不明と判定して、短絡箇所の判定処理を終了する（Ｓ１４０）。
【００７６】
マイコン３１は、出力ＳＣが１になり短絡している相が判定できた場合、次に、短絡箇所判定回路３２の出力Ｎ／Ｆからの信号を受信し、出力Ｎ／Ｆからの信号が１か否かを判定する（Ｓ１３１）。
【００７７】
もし出力Ｎ／Ｆが１の場合には、短絡が電力変換装置１の近傍で発生しているとマイコン３１は判定し（Ｓ１３２）、
もし出力Ｎ／Ｆが１でなかった場合には、短絡が電力変換装置１から遠方で発生しているとマイコン３１は判定する（Ｓ１３３）。
【００７８】
その後、短絡している相（Ｕ−Ｖ／Ｖ−Ｗ／Ｗ−Ｕ）と、短絡箇所（近傍／遠方）の判定結果を表示器７と通信器８に送信し（Ｓ１３４）、判定処理を終了する。
【００７９】
本実施例では、通信器８から外部にシステムに、判定結果を送信するようにしているが、判定結果を、判定ごとに送信するのではなく、定期的に、まとめて判定結果を送信するようにしてもよい。また、判定結果は表示器７には表示するが、外部のシステムには送信しないようにしてもよい。
【００８０】
上記の実施例では、ＯＣ１、ＯＣ２、ＳＣ、Ｎ／Ｆの信号が０から１に変化した場合の例を使って説明したが、１から０に変化する信号に基づいて短絡が生じたこと、もしくは短絡箇所を判定するようにしてもよい。
【００８１】
以上の短絡箇所の判定処理の動作には、時間の制約がある処理がないため、マイコン３１には高速処理性能が不要とすることができる。したがって、実施例１によれば、低速なマイコン用いても、電力変換装置に接続されたケーブル上の短絡箇所が、電力変換装置から近傍か遠方かを判別することができる。
【実施例２】
【００８２】
図８は、実施例２の電力変換装置の構成図を示す。電力変換装置１は、第一の実施例と同じく、交流電力を入力してモータ７０に電力を供給するための順変換器回路２、コンデンサ３、逆変換器回路４を備えている。
【００８３】
また、電力変換装置１は、電力変換装置１を制御するための制御回路５、逆変換器回路４を制御するためのゲートドライバ回路６、制御回路５からの出力情報を表示するための表示器７、外部のシステムと情報を送受信するための通信器８、ユーザが直接操作情報を入力するための入力器９を備えている。
【００８４】
さらに、コンデンサ３に印加される直流電圧Ｖｄｃを計測し、計測した電圧値を出力する電圧計測回路２６と、計測した電圧値をデジタル値に変換して制御回路５に送信するＡＤ変換回路２７を備えている。
【００８５】
さらに、制御回路５は、電力変換装置１の制御を行うためのマイコン（ＭＰＵ）３１と、出力側（モータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗおよびモータ７０の側）の短絡発生箇所の判定を行う短絡箇所判定回路３２を備えている。
【００８６】
電力変換装置１は、短絡時のスイッチング素子の保護のための電流計測系統に、１つの電流センサを共有した２つの電流計測系統を備えている。短絡時のスイッチング素子の保護のための電流計測系統は、フィルタ回路７３、比較器７４、電流しきい値記憶回路７５で構成される1つ目の電流計測系統と、フィルタ回路８３、比較器８４、電流しきい値記憶回路８５で構成される２つ目の電流計測系統と、両電流系統で共通して使用される電流センサ６２で構成されている。
【００８７】
電流センサ６２は、電流を計測し、電流値に比例した電圧信号に変換して出力する。フィルタ回路８３は遅れ時間τ２を持ったローパスフィルタ回路であり、高周波パルス等のノイズによって過電流検知動作において誤検知が発生するのを防止する働きをする。ここで、フィルタ回路７３は遅れ時間τ１を持ったローパスフィルタ回路であり、遅れ時間τ１は遅れ時間τ２よりも大きい値に設定されている。
【００８８】
比較器８４は、電流値ｉ２と、電流しきい値記憶回路８５が保持している電流しきい値ｉｔｈ２とを比較し、電流値ｉ２が電流しきい値ｉｔｈ２を超えるときに論理信号である過電流検知信号ＯＣ２を１にする。
【００８９】
ＯＣ２は、ゲートドライバ回路６に入力され、ＯＣ２が１になるとゲートドライバ回路６は直後に全てのスイッチング素子をＯＦＦにし、スイッチング素子が短絡などによる過電流で破壊されるのを防止する。
【００９０】
比較器７４は、電流値ｉ１と、電流しきい値記憶回路７５が保持している電流しきい値ｉｔｈ１とを比較し、電流値ｉ１が電流しきい値ｉｔｈ１を超えるときに論理信号である過電流検知信号ＯＣ１を１にする。ここで、電流しきい値記憶回路７５が保持している電流しきい値ｉｔｈ１は、電流しきい値ｉｔｈ２よりも小さな値に設定されている。
【００９１】
電力変換装置１は、モータ７０の制御のための電流計測系を備えている。モータ制御のための電流計測系は、電流計測回路９１ｕ、９１ｗとＡＤ変換回路１７で構成されている。電流計測回路９１ｕと電流計測回路９１ｗはそれぞれＵ相とＷ相の電流を計測し、計測した電流値をそれぞれ出力する。
【００９２】
ＡＤ変換回路１７は、それらの計測した電流値をデジタル値に変換して制御回路５に送信する。電流計測回路９１ｕと電流計測回路９１ｗは、それぞれ電流センサ９２ｕ、９２ｗとフィルタ回路９３ｕ、９３ｗで構成される。
【００９３】
電流センサ９２ｕ、９２ｗは電流を計測し、電流値に比例した電圧信号に変換して出力する。フィルタ回路９３ｕ、９３ｗはローパスフィルタ回路であり、ＡＤ変換回路１７のサンプリング周期よりも十分に低い周波数帯域の信号を通過させるようにしている。
【００９４】
実施例２においても、マイコン３１が図７に示す短絡箇所の判定処理のフローチャートを実行することにより、ケーブルの短絡箇所の判定を行うことができる。
【００９５】
短絡箇所の判定処理において、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子をそれぞれＯＮにすることで、図３で示した電流Ｉｓｃが発生し、短絡箇所までのケーブルの往復インダクタンスＬｓｃに依存して、図３（ａ）〜（ｃ）で示した計測した電流値ｉ１、ｉ２と過電流検知信号ＯＣ１、ＯＣ２が得られる。
【００９６】
（式２）より、Ｌｓｃが（式２）の右辺より小さい場合は、ＯＣ２が先に１になり、Ｌｓｃが（式２）の右辺より大きい場合は、ＯＣ１が先に１になる逆転が起きることが示されている。
【００９７】
さらに、Ｌｓｃは正であることから、この逆転が起きるための条件は、τ１＞τ２とＩｔｈ１＜Ｉｔｈ２か、τ１＜τ２とＩｔｈ１＞Ｉｔｈ２のいずれかの組合せである必要があること、つまり、２つの電流検出系統における遅延時間と電流しきい値の大小の組合せが逆であることが必要であることが示されている。
【００９８】
実施例２によれば、モータ７０の制御のための電流計測系は変更することなく、短絡時のスイッチング素子の保護のための電流計測系統を利用し、低速なマイコンを用いた場合であっても、電力変換装置１に接続されたケーブル上の短絡箇所が、電力変換装置１の近傍か遠方かを判別することができる。
【００９９】
図９は、上記の実施例１もしくは実施例２を産業用インバータに応用した例を示す。実施例で説明した電力変換装置１とモータ７０の間は、モータケーブル１０３で接続されている。
【０１００】
電力変換装置１は、交流電源ケーブル１０４を通して外部から電力を供給されている。モータ７０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。モータケーブル１０３上で相間短絡が発生した場合、電力変換装置１が備えている表示器７に、短絡している相（Ｕ−Ｖ／Ｖ−Ｗ／Ｗ−Ｕ）と、短絡箇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箇所が報知される。
【符号の説明】
【０１０１】
１…電力変換装置、４…逆変換器回路、５…制御回路、１１ｕ、１１ｗ、２１…電流計測回路、１２ｕ、１２ｗ、２２…電流センサ、１４ｕ、１４ｗ、２４…比較器、１５、２５…電流しきい値記憶回路、３１…マイコン、３２…短絡箇所判定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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