(57)【特許請求の範囲】
【請求項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て短絡回路を形成することで短絡電流を発生させ、該短絡電流を発生時の電流増加速度と、前記形成された短絡回路の上アームと下アームの少なくとも一方のスイッチング素子をオフにしたとき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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１０】
請求項８の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記コンパレータ回路が所定のしきい値を超過した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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２３７９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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て短絡回路を形成することで短絡電流を発生させ、該短絡電流を発生時の電流増加速度と、前記形成された短絡回路の上アームと下アームの少なくとも一方のスイッチング素子をオフにしたときの電流減少速度に基づいて、短絡個所を判定する。
あるいは、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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電力変換装置の第一の実施例の構成図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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５】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。
【図６】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７】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
【図８】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。
【図９】表示器６および５６の構成図である。
【図１０】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。
【図１１】送信器７および５７の構成図である。
【図１２】本発明の電力変換装置の第二の実施例の構成図である。
【図１３】電圧上昇検知回路の構成図である。
【図１４】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。
【図１５】従来の電力変換装置を示した図である。
【図１６】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。
【図１７】実施例を鉄道車両に応用した例を示した図である。
【図１８】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。
【図１９】実施例を空調機に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】
【００１１】
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。
【実施例１】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。
【００２５】
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）。
【００２６】
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）。
【００２７】
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）。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【実施例２】
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【符号の説明】
【００６２】
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。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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