(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量を検出するセンサと、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサによって検出された前記物理量に基づいた周波数スペクトルを生成する周波数スペクトル解析部と、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出する周波数成分抽出部と、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する診断処理部と
を備え、
前記電力変換ユニットは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御され、
前記周波数成分抽出部は、
前記生成された周波数スペクトルに基づいて、前記キャリア周波数の２以上の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の成分を、前記特定周波数帯の成分として抽出する、
キャパシタ診断装置。
【請求項２】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量を検出するセンサと、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサによって検出された前記物理量に基づいた周波数スペクトルを生成する周波数スペクトル解析部と、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出する周波数成分抽出部と、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する診断処理部と
を備え、
前記キャパシタは、第１キャパシタユニットと第２キャパシタユニットを含み、
前記センサは、前記第１キャパシタユニットに流れる電流を検出する第１電流センサを含み、
前記周波数スペクトル解析部は、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記第１電流センサの検出結果に基づいた第１周波数スペクトルを生成する第１周波数スペクトル解析部を含み、
前記周波数スペクトルには、前記第１周波数スペクトルが含まれ、
前記周波数成分抽出部は、
前記特定周波数帯の成分として、前記特定周波数帯の電流成分を、前記第１周波数スペクトルに基づいて抽出し、
前記診断処理部は、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、前記第１キャパシタユニットの状態を診断する
キャパシタ診断装置。
【請求項３】
前記電力変換ユニットは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御されることにより前記直流電力を前記交流電力に変換する際にスイッチングするスイッチング素子を備えていて、
前記周波数成分抽出部は、
前記生成された第１周波数スペクトルに基づいて、前記キャリア周波数の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の電流成分を、前記特定周波数帯の電流成分として抽出する、
請求項２に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項４】
前記周波数成分抽出部は、
前記キャリア周波数に基づいて決定された前記特定周波数帯の電流成分の大きさを抽出する、
請求項３に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項５】
前記診断処理部の判定基準は、
前記特定周波数帯の電流成分の大きさと前記キャパシタの劣化状況との関係に基づいて規定され、
前記診断処理部は、
前記抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさを前記判定基準に基づいて判定して、前記判定の結果に基づいて前記第１キャパシタユニットの状態を診断する、
請求項２に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項６】
前記直流リンクの第１極からの分岐路と、前記分岐路からさらに分岐された第１分岐路と第２分岐路とが形成されていて、
前記第１分岐路には前記第１キャパシタユニットの第１極端子が接続され、前記第１キャパシタユニットの第２極端子が前記直流リンクの第２極に接続され、
前記第２分岐路には前記第２キャパシタユニットの第１極端子が接続され、前記第２キャパシタユニットの第２極端子が前記直流リンクの第２極に接続され、
前記第１電流センサは、
前記第１分岐路に流れる電流を検出する
請求項２に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項７】
前記センサは、
前記第２分岐路に流れる電流を検出する第２電流センサを含み、
前記第１周波数スペクトル解析部は、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記第２電流センサの検出結果に基づいた第２周波数スペクトルを生成し、
前記周波数成分抽出部は、
前記特定周波数帯の電流成分を、前記第２周波数スペクトルに基づいて抽出し、
前記診断処理部は、
前記第２周波数スペクトルに基づいて抽出された前記特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、前記第２キャパシタユニットの状態を診断する
請求項６に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項８】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量を検出するセンサと、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサによって検出された前記物理量に基づいた周波数スペクトルを生成する周波数スペクトル解析部と、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出する周波数成分抽出部と、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する診断処理部と
を備え、
前記センサは、前記直流リンクの電圧を検出する第１電圧センサを含み、
前記周波数スペクトル解析部は、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記第１電圧センサの検出結果に基づいた第３周波数スペクトルを生成する第３周波数スペクトル解析部を含み、
前記周波数スペクトルには、前記第３周波数スペクトルが含まれ、
前記周波数成分抽出部は、
前記特定周波数帯の成分として、前記特定周波数帯の電圧成分を、前記第３周波数スペクトルに基づいて抽出し、
前記診断処理部は、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の電圧成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する
キャパシタ診断装置。
【請求項９】
前記電力変換ユニットは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御されることにより前記直流電力を前記交流電力に変換するスイッチング素子を備えていて、
前記周波数成分抽出部は、
前記生成された第３周波数スペクトルに基づいて、前記キャリア周波数の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の電流成分を、前記特定周波数帯の電流成分として抽出する、
請求項８に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項１０】
前記周波数成分抽出部は、
前記キャリア周波数に基づいて決定された前記特定周波数帯の電圧成分の大きさを抽出する、
請求項９に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項１１】
前記診断処理部の判定基準は、
前記特定周波数帯の電圧成分の大きさと前記キャパシタの劣化状況との関係に基づいて規定され、
前記診断処理部は、
前記抽出された特定周波数帯の電圧成分の大きさを前記判定基準に基づいて判定して、前記判定の結果に基づいて前記キャパシタの状態を診断する、
請求項８に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項１２】
前記電力変換ユニットから負荷に流れる交流電流を検出する第２電流センサ
を備え、
前記診断処理部は、
少なくとも前記抽出した特定周波数帯の成分の大きさと、前記交流電流の検出値とに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する、
請求項８に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項１３】
前記診断処理部の判定基準は、
前記電力変換ユニットから前記負荷に流れる電流の大きさと、前記特定周波数帯の電圧成分の大きさと前記キャパシタの劣化状況との関係に基づいて規定され、
前記診断処理部は、
前記判定基準に基づいて、前記抽出された特定周波数帯の電圧成分の大きさを判定して、前記判定の結果に基づいて前記キャパシタの状態を診断する、
請求項１２に記載のキャパシタ診断装置。
【請求項１４】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量をセンサによって検出し、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサによって検出された前記物理量に基づいた周波数スペクトルを生成し、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出し、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断するステップ
を含み、
前記電力変換ユニットは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御され、
前記生成された周波数スペクトルに基づいて、前記キャリア周波数の２以上の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の成分を、前記特定周波数帯の成分として抽出する、
キャパシタ診断方法。
【請求項１５】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタであって、第１キャパシタユニットと第２キャパシタユニットを含むキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記第１キャパシタユニットに流れる電流を第１電流センサによって検出し、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記第１電流センサによって検出された前記電流に基づいた第１周波数スペクトルを生成し、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記第１周波数スペクトルに基づいて抽出し、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記第１キャパシタユニットの状態を診断するステップ
を含むキャパシタ診断方法。
【請求項１６】
直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する前記直流リンクの電圧を検出する第１電圧センサによって検出し、
前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記第１電圧センサによって検出された前記直流リンクの電圧に基づいた第３周波数スペクトルを生成し、
前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記第３周波数スペクトルに基づいて抽出し、
少なくとも前記抽出された特定周波数帯の電圧成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断するステップ
を含むキャパシタ診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、キャパシタ診断装置及びキャパシタ診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力に関わる電圧を平滑化するキャパシタ（コンデンサ）を備え、その直流電力に基づいて交流電力に生成する電力変換装置が知られている。キャパシタは、有寿命部品の一つであるが、キャパシタの劣化を容易に検出することができない場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１９１４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、キャパシタの劣化を容易に検出することが可能なキャパシタ診断装置及びキャパシタ診断方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のキャパシタ診断装置は、センサと、周波数スペクトル解析部と、周波数成分抽出部と、診断処理部とを備える。センサは、直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量を検出する。周波数スペクトル解析部は、前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサの検出結果に基づいた周波数スペクトルを生成する。周波数成分抽出部は、前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出する。診断処理部は、少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する。前記電力変換ユニットは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御される。前記周波数成分抽出部は、前記生成された周波数スペクトルに基づいて、前記キャリア周波数の２以上の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の成分を、前記特定周波数帯の成分として抽出する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態の電力変換システムの構成図。
【図２】第１の実施形態のキャパシタ診断装置の構成図。
【図３】第１の実施形態のＦＦＴ処理に係る信号のタイミングチャート。
【図４】第１の実施形態の各キャパシタユニットの判定基準を説明するための図。
【図５】第１の実施形態の各キャパシタユニットの状態を診断する処理のフローチャート。
【図６】第２の実施形態の電力変換システムの構成図。
【図７】第２の実施形態のキャパシタ診断装置の構成図。
【図８】第２の実施形態のキャパシタの第２の判定基準を説明するための図。
【図９】第２の実施形態のキャパシタの状態を診断する処理のフローチャート。
【図１０】第２の実施形態の変形例におけるキャパシタの第３の判定基準を説明するための図。
【図１１】第３の実施形態の電力変換システムの構成図。
【図１２】第３の実施形態のキャパシタ診断装置の構成図。
【図１３】第３の実施形態のキャパシタの状態を診断する処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態のキャパシタ診断装置及びキャパシタ診断方法を、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。
【０００８】
明細書で言う「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されず、電気的に接続される場合も含む。本明細書では、交流の基本波の周波数を基本周波数と呼ぶ。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、実施形態のキャパシタ診断装置を含む電力変換システム２について説明する。
図１は、第１の実施形態の電力変換システム２を示す構成図である。図１には、交流電源１、電力変換システム２、及び電動機３が示される。
【００１０】
交流電源１は、商用電源系統（ＰＳ）や発電機などであり、例えば、３相交流電力を電力変換システム２に供給する。
【００１１】
電動機３は、例えば、誘導電動機などの交流可変速電動機（Ｍ）である。電動機３は、電力変換システム２から供給された交流電力によって駆動し、回転駆動力を図示しない出力軸に出力し、その回転駆動力により出力軸に連結される負荷を駆動する。
【００１２】
電力変換システム２は、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換して、直流電力を交流電力に逆変換して、逆変換によって得られた単相交流電力を電動機３に供給する。これに制限されることなく、電動機３が３相交流型であれば、電力変換システム２は、３相交流電力を電動機３に供給してもよい。以下の説明では、電動機３が単相交流型の場合を例示して説明する。
【００１３】
電力変換システム２は、例えば、順変換装置２０、キャパシタ３０、キャパシタ診断装置４０、逆変換装置５０、制御部６０、及び負荷電流検出器７０を備える。
【００１４】
順変換装置２０は、交流電源１に接続される交流側端子の他に、正極出力端子２０Ｐと、直流側出力負極端子２０Ｎとを備える。正極出力端子２０Ｐは、正極線８０Ｐの第１の端部に接続される。正極線８０Ｐの第２の端部は、逆変換装置５０の正極入力端子５０Ｐに接続される。直流側出力負極端子２０Ｎは、負極線８０Ｎの第１の端部に接続される。負極線８０Ｎの第２の端部は、逆変換装置５０の負極入力端子５０Ｎに接続される。
【００１５】
例えば、順変換装置２０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの１又は複数のスイッチング素子２０Ｓを含む。スイッチング素子２０Ｓは、順変換装置２０の出力側の直流電圧が所望の電圧になるように、制御部６０によって制御される。順変換装置２０は、変換した直流電力を、正極出力端子２０Ｐと直流側出力負極端子２０Ｎとから、正極線８０Ｐと負極線８０Ｎとに出力する。
【００１６】
キャパシタ３０は、正極線８０Ｐと負極線８０Ｎとに並列に接続され、順変換装置２０が出力する直流電力を平滑化する。キャパシタ３０は、直流的に互いに並列に接続される複数のキャパシタユニットを含む。キャパシタユニット３１（第１キャパシタユニット）、キャパシタユニット３２（第２キャパシタユニット）、及びキャパシタユニット３３は、複数のキャパシタユニットの一例である。キャパシタ３０は、正極線８０Ｐに接続される正極分岐端子３０Ｐと、負極線８０Ｎに接続される負極分岐端子３０Ｎとを備える。
【００１７】
例えば、キャパシタユニット３１、３２、３３の正極側は、正極分岐端子３０Ｐを介して正極線８０Ｐに接続される。同様に、キャパシタユニット３１、３２、３３の負極側は、負極分岐端子３０Ｎを介して負極線８０Ｎに接続される。上記の接続形態は、直流的に互いに並列に接続される形態の一例である。
【００１８】
なお、キャパシタ３０の種類は、例えば電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどであってよい。キャパシタユニット３１、３２、３３の種類と容量は、互いに同じ種類であって、かつ互いに同じ容量のものに揃えるとよい。キャパシタユニット３１、３２、３３を各キャパシタユニットと呼ぶ。
【００１９】
キャパシタ診断装置４０は、電力変換システム２の力行運転中に各キャパシタユニットに流れる電流を検出し、検出された電流値に基づいた周波数スペクトルから特定周波数帯の電流成分を抽出し、抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、各キャパシタユニットの状態を診断する。例えば、上記の特定周波数帯は、後述する逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る周波数帯を含む。これについて後述する。
【００２０】
逆変換装置５０は、例えば、ＩＧＢＴなどの１又は複数のスイッチング素子５０Ｓを含む単相インバータである。スイッチング素子５０Ｓの種類は、ＩＧＢＴに制限されることなく、他の種類のものに変更してよい。逆変換装置５０のスイッチング素子５０Ｓは、制御部６０によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。逆変換装置５０は、例えば、順変換装置２０から正極線８０Ｐと負極線８０Ｎを介して供給される直流電力を単相交流電力に変換する。逆変換装置５０は、変換した単相交流電力を、負荷電力線５８を介して電動機３に供給する。
【００２１】
負荷電流検出器７０は、逆変換装置５０から電動機３に電力を供給するための負荷電力線５８に流れる電流を検出する。
【００２２】
制御部６０は、負荷電力線５８を流れる負荷電流を検出する負荷電流検出器７０の検出値などに基づいたフィードバック制御によって、力行運転時に逆変換装置５０のスイッチング素子５０ＳにＰＷＭ制御に基づいたゲートパルス信号を出力する。これにより、制御部６０は、スイッチング素子５０ＳをＰＷＭ制御する。例えば、制御部６０は、ＰＷＭ制御に、特定の周波数に固定されたキャリア周波数のキャリア信号を用いる。
【００２３】
制御部６０は、キャパシタ診断装置４０と通信することにより、例えば、逆変換装置５０の運転状態を示す情報、負荷電流検出器７０の検出値などをキャパシタ診断装置４０に供給してもよい。逆変換装置５０の運転状態を示す情報は、例え逆変換装置５０が力行運転状態にあることを示す情報、有効電力が流れる方向を示す情報であってよい。
【００２４】
図２は、第１の実施形態のキャパシタ診断装置４０の構成図である。
キャパシタ診断装置４０は、例えば、通信インタフェースユニット４１（図２中の記載は通信ＩＦユニット。)と、電流検出器４２と、電圧検出器４４（第１電圧センサ）と、表示器４５と、解析処理ユニット４６とを備える。
【００２５】
通信インタフェースユニット４１は、後述する解析処理ユニット４６の制御によりキャパシタ診断装置４０の外部の装置と通信する。例えば、通信インタフェースユニット４１は、制御部６０に通信可能に接続され、後述する解析処理ユニット４６の制御により制御部６０と通信する。
【００２６】
電流検出器４２は、複数の電流センサユニットを含む。電流センサユニット４２１（第１電流センサ）、電流センサユニット４２２（第２電流センサ）、及び電流センサユニット４２３は、複数の電流センサユニットの一例である。電流センサユニット４２１、電流センサユニット４２２、及び電流センサユニット４２３を纏めて説明する場合には、電流センサユニット４２０と呼ぶ。
【００２７】
電流センサユニット４２０は、キャパシタ３０の各キャパシタユニットにそれぞれに流れる電流をそれぞれ検出し、それぞれ検出した電流を表す電流検出値を解析処理ユニット４６にそれぞれ出力する。
【００２８】
例えば、キャパシタユニット３１の正極側（第１極端子）は、分岐線３１ＢＰ（第１分岐路）を介して正極分岐端子３０Ｐに接続される。キャパシタユニット３２の正極側は、分岐線３２ＢＰ（第２分岐路）を介して正極分岐端子３０Ｐに接続される。キャパシタユニット３３の正極側は、分岐線３３ＢＰを介して正極分岐端子３０Ｐに接続される。同様に、キャパシタユニット３１の負極側（第２極端子）は、分岐線３１ＢＮを介して負極分岐端子３０Ｎに接続される。キャパシタユニット３２の負極側は、分岐線３２ＢＮを介して負極分岐端子３０Ｎに接続される。キャパシタユニット３３の負極側は、分岐線３３ＢＮを介して負極分岐端子３０Ｎに接続される。正極線８０Ｐ（第１極）から正極分岐端子３０Ｐまでの接続線路と、負極線８０Ｎ（第２極）から負極分岐端子３０Ｎまでの接続線路は、分岐路の一例である。換言すれば、キャパシタユニット３１の正極側に、正極線８０Ｐ（第１極）から正極分岐端子３０Ｐまでの接続線路と、その接続線路からさらに分岐された分岐線３１ＢＰと分岐線３２ＢＰと分岐線３３ＢＰとが形成されている。
【００２９】
上記の場合、電流センサユニット４２１は、分岐線３１ＢＰに設けられ、分岐線３１ＢＰに流れる電流を検出する。分岐線３１ＢＰに流れる電流は、キャパシタユニット３１に流れる電流になる。同様に、電流センサユニット４２２は、分岐線３２ＢＰに設けられ、分岐線３２ＢＰに流れる電流を検出する。分岐線３２ＢＰに流れる電流は、キャパシタユニット３２に流れる電流になる。電流センサユニット４２３は、分岐線３３ＢＰに設けられ、分岐線３３ＢＰに流れる電流を検出する。分岐線３３ＢＰに流れる電流は、キャパシタユニット３３に流れる電流になる。なお、上記の例は各キャパシタユニットの正極側で上記の電流を検出する場合を例示したものであるが、これに代えて各キャパシタユニットの負極側で上記の電流を検出するように、電流センサユニット４２０を負極側の分岐線に設けてもよい。
【００３０】
電流センサユニット４２０は、例えば、図示しないホール素子を含み、ホール素子によって検出された信号を図示しないＡＤ（Analog to Digital）コンバータによって量子化して、電流値を表す電流検出値として出力するものでよい。
【００３１】
電圧検出器４４は、正極分岐端子３０Ｐと負極分岐端子３０Ｎの間に掛かる電圧を検出し、この電圧を表す電圧検出値を解析処理ユニット４６に出力する。正極分岐端子３０Ｐと負極分岐端子３０Ｎの間に掛かる電圧は、直流リンクを成す正極線８０Ｐと負極線８０Ｎの間に掛かる電圧に等しい。以下、この電圧を直流リンクの電圧という。
【００３２】
電圧検出器４４は、例えば、入出力が絶縁される直流電圧変換器などを介して、直流リンクの電圧を検出し、図示しないＡＤコンバータによって直流リンクの電圧を量子化して電圧検出値として出力する。
【００３３】
なお、制御部６０は、直流リンクの電圧を安定化させたり、過電圧にならないように保護したりするために、電圧検出器４４による検出結果を利用してもよい。例えば、制御部６０は、電圧検出器４４から直流リンクの電圧の検出値を取得して、順変換装置２０を制御することによって、直流リンクの電圧を調整してもよい。
【００３４】
表示器４５は、液晶表示器などの表示デバイスを含み、後述する解析処理ユニット４６の制御により所望の情報を表示デバイスに表示させる。
【００３５】
解析処理ユニット４６は、電流検出器４２が検出した電流を表す電流検出値と、電圧検出器４４が検出した電圧を表す電圧検出値との少なくとも一方を用いて、キャパシタ３０の状態を診断する。
【００３６】
例えば、解析処理ユニット４６は、記憶部４６１、電流値取得部４６２、電圧値取得部４６４、高速フーリエ変換部４６５、抽出部４６６、判定部４６７、表示処理部４６８及び通信処理部４６９を備える。
【００３７】
記憶部４６１は、例えば、電流値取得部４６２によって取得された各キャパシタユニットに流れる電流を表す電流検出値データ、制御部６０を介して取得した逆変換装置５０と電動機３との間に流れる電流を表す電流値データ、電圧値取得部４６４によって取得された直流リンクの電圧を表す電圧検出値データ、逆変換装置５０の稼働状態データ、高速フーリエ変換部４６５によって生成された周波数スペクトラムデータ、抽出周波数成分データ、判定基準データテーブル、キャパシタ診断処理のプログラムなどを格納する。上記の電流検出値データ、電流値データ、電圧検出値データ、及び稼働状態データは、時系列データである。上記の各情報の詳細は後述する。
【００３８】
電流値取得部４６２、電圧値取得部４６４、高速フーリエ変換部４６５、抽出部４６６、判定部４６７、表示処理部４６８、及び通信処理部４６９のそれぞれは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部又は全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。記憶部４６１は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、又はＲＡＭ（Random Access Memory）等により実現される。
【００３９】
電流値取得部４６２は、電流センサユニット４２０によって検出された電流を表す電流検出値を取得し、記憶部４６１の電流検出値データに追加する。また、記憶部４６１に格納されている電流検出値データから所定の数の電流検出値を表す検出値を取得して高速フーリエ変換部４６５に出力する。例えば、電流値取得部４６２は、稼働状態データを参照し、電流検出値データから取得した電流検出値のうち、逆変換装置５０が稼働状態にある期間に対応する期間の所定の数の電流検出値を表す検出値を高速フーリエ変換部４６５に供給する。なお、電流値取得部４６２は、電流センサユニット４２０からの電流検出値の取得と、記憶部４６１からの電流検出値の読み出しとを並列に行ってもよい。
【００４０】
電圧値取得部４６４は、電圧検出器４４によって検出される直流リンクの電圧を表す検出値（電圧検出値）を取得し、記憶部４６１の電圧検出値データに追加する。また、記憶部４６１の電圧検出値データに格納されている所定の数の電圧検出値を表す検出値を取得し高速フーリエ変換部４６５に出力する。例えば、電圧値取得部４６４は、稼働状態データを参照し、電圧検出値データから取得した電圧検出値のうち、逆変換装置５０が稼働状態にある期間に対応する期間の所定の数の電圧検出値を表す検出値を高速フーリエ変換部４６５に供給する。なお、電圧値取得部４６４は、電圧検出器４４からの電圧検出値の取得と、記憶部４６１の電圧検出値データからの電圧検出値の読み出しとを並列に行ってもよい。
【００４１】
高速フーリエ変換部４６５は、例えば、電流値取得部４６２から受け取った所定の数の電流検出値に対するＦＦＴ処理（高速フーリエ変換処理）を行うことにより周波数スペクトラムＦＳｉを生成し、生成した周波数スペクトラムＦＳｉを記憶部４６１の周波数スペクトラムデータに追加する。ＦＦＴ処理により得られた周波数スペクトラムＦＳｉは、電流値取得部４６２から受け取った所定の数の電流検出値に基づいた周波数成分を示す。高速フーリエ変換部４６５がＦＦＴ処理のために電流値取得部４６２から受け取る電流検出値の数は、ＦＦＴ処理により得られる周波数スペクトラムＦＳｉにおいて、所望の周波数の成分が含まれるように設定するとよい。
【００４２】
なお、高速フーリエ変換部４６５は、電圧値取得部４６４から受け取った所定の数の電圧検出値にＦＦＴ処理を行ってもよい。これについては後述する。
【００４３】
抽出部４６６は、高速フーリエ変換部４６５が生成して記憶部４６１の周波数スペクトラムデータに記憶させた周波数スペクトラムＦＳｉから、逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を抽出し、抽出した成分を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１として記憶部４６１の抽出周波数成分データに追加する。例えば、ＰＷＭ制御のキャリア周波数ｆの２倍の周波数である周波数２ｆの成分は、逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の電流成分又は電圧成分の一例である。なお、逆変換装置５０が生成する交流の基本波周波数とその高調波が、ＰＷＭ制御のキャリア周波数ｆと、キャリア周波数ｆの偶数倍の周波数（例えば、上記の周波数２ｆ。）に干渉しないように、逆変換装置５０の基本波周波数と、キャリア周波数ｆを規定するとよい。
【００４４】
判定部４６７は、抽出部４６６が抽出し記憶部４６１の抽出周波数成分データに記憶させた抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１の大きさを、予め規定された第１の判定基準に基づいて判定する。第１の判定基準について後述する。判定部４６７による判定の結果には、各キャパシタユニットの劣化が進行した状態か否かの判定の結果が含まれる。
【００４５】
表示処理部４６８は、判定部４６７による判定の結果を表示器４５に表示させる。表示処理部４６８は、判定部４６７による判定の結果に、キャパシタ３０内に劣化が進行したキャパシタユニットがあると判定された場合には、劣化が進行したキャパシタユニットを含むキャパシタ３０について、劣化が進行していることを併せて表示器４５に表示させてもよい。
【００４６】
通信処理部４６９は、制御部６０と通信することで、制御部６０から、力行運転時にあることを示す情報、負荷電流検出器７０の検出値などの情報を取得する。通信処理部４６９は、力行運転時にあることを示す情報を記憶部４６１の稼働状態データに追加する。通信処理部４６９は、負荷電流検出器７０の検出値を記憶部４６１の電流値データに追加する。
【００４７】
次に、図３を参照して、ＦＦＴ処理の対象のデータについて説明する。図３は、第１の実施形態のＦＦＴ処理に係る信号のタイミングチャートである。
【００４８】
図３に示されるタイミングチャートは、上段側から、（ａ）逆変換装置５０の稼働状態、（ｂ）電流センサユニット４２０によって検出された電流値、（ｃ）電流値取得部４６２が所得した電流値（標本化されたデータ）、（ｄ）電流値取得部４６２が高速フーリエ変換部４６５に供給するデータをそれぞれ示す。
【００４９】
この図３に示す初期状態は、図３中の（ａ）に示されるように逆変換装置５０の稼働状態が回生運転状態にある。このとき、回生された電力によってキャパシタ３０は充電される。例えば、電流センサユニット４２１は、キャパシタユニット３１を充電する電流を検出する。キャパシタユニット３１が放電する電流を正の値で示すとすれば、図３中の（ｂ）に示すように、キャパシタユニット３１を充電する電流が負の値になる。逆変換装置５０が回生運転状態にあると、電動機３の回生量により、キャパシタユニット３１を充電する電流の大きさが変化する。図３中の（ｃ）に、電流値取得部４６２が所得した電流値として標本化されたデータをモデル化して示しているが、図３中の（ｂ）と同様に負の値になる。
【００５０】
時刻ｔ１になると、制御部６０は、逆変換装置５０の稼働状態を力行運転状態に遷移させて、逆変換装置５０をＰＷＭ制御によって制御する。例えば、制御部６０は、逆変換装置５０が力行運転状態にあるときには、電動機３を指令値に従い駆動させるように逆変換装置５０を制御する。
【００５１】
これにより、上記の力行運転状態になると、キャパシタ３０に放電電流が流れる。例えば、電流センサユニット４２１は、キャパシタユニット３１からの放電電流を検出する。この図３中の（ｂ）に、キャパシタユニット３１の放電電流を正の値で示す。同様に、図３中の（ｃ）に示す、電流値取得部４６２が所得した電流値のデータも、正の値になる。なお、データを標本化する間隔は、ＰＷＭ制御による電流値の変動を検出できる程度に十分に短く規定されている。
【００５２】
この逆変換装置５０の力行運転状態は時刻ｔ４まで継続し、その後、逆変換装置５０の稼働状態が回生運転状態に遷移する。
【００５３】
電圧値取得部４６４は、逆変換装置５０の稼働状態の情報に基づいて、逆変換装置５０が力行運転状態にある時刻ｔ１から時刻ｔ４までの期間の中から、予め定められた所定の長さの期間Ｔを選択する。選択された期間Ｔの始点を時刻ｔ２で示し、終点を時刻ｔ３で示す。期間Ｔが、ＦＦＴ処理の対象期間になる。
【００５４】
図３中の（ｄ）に示すように、電圧値取得部４６４が時刻ｔ２から時刻ｔ３までのデータを高速フーリエ変換部４６５に供給することで、高速フーリエ変換部４６５は、逆変換装置５０の稼働状態の期間に対応する電流検出値についてＦＦＴ処理を実施することができる。
【００５５】
なお、指令値に従って制御される逆変換装置５０が電動機３に供給する電流の変化量は、電動機３の負荷変動が小さければ比較的少なくなる。その結果、キャパシタユニット３１からの放電電流に、電動機３の負荷変動による影響が生じにくい。そこで、電圧値取得部４６４は、所望の電流量が検出されている範囲のデータを選択してもよい。
【００５６】
なお、上記のタイミングチャートでは、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの間に、ＦＦＴ処理の対象期間を１つ設ける場合を例示したが、これに制限されることなくＦＦＴ処理の対象期間を複数設けてもよい。この場合、判定部４６７は、各期間のＦＦＴ処理の結果をそれぞれ判定に用いてもよく、判定の前に平均化処理などの統計的処理を行って、偶発的な成分を抑圧してもよい。
【００５７】
次に、図４を参照して、キャパシタユニットの第１の判定基準について説明する。図４は、第１の実施形態の各キャパシタユニットの第１の判定基準を説明するための図である。図４に示すグラフは、キャパシタユニットの容量（横軸）に対するキャパシタ３０の各キャパシタユニットに流れる特定の周波数成分の電流（縦軸）の関係を示す。
【００５８】
図４に示すグラフには、各キャパシタユニットの容量が約１０％から１００％までの範囲で、右肩上がりの直線ＧＩ１が描かれている。この直線ＧＩ１は、キャパシタの容量が１００％よりも少ないときに検出され得る各キャパシタユニットに流れる電流成分の大きさを示している。このグラフに示された直線ＧＩ１を用いて、各キャパシタユニットの判定基準を、下記のように規定する。
【００５９】
・各キャパシタユニットの劣化が進行していない初期状態時の電流検出値に基づいて、特定周波数成分の大きさ（最大値）を規定する。例えば、その大きさを１００％で示す。各キャパシタユニットの状態を判定するための第１の判定基準の基準値は、各キャパシタユニットの容量が定格容量のときの値を基準に規定される。なお、各キャパシタユニットの容量が定格容量のときとは、各キャパシタユニットの劣化が進行していない初期状態にあるときのことである。各キャパシタユニット実際の容量が定格容量とみなせる状態であれば、各キャパシタユニットの容量は必ずしも１００％でなくてもよい。
【００６０】
・上記の第１の判定基準の値は、キャパシタユニットの劣化状態に対応させて、上記の第１の判定基準の基準値（１００％）よりも小さな値に決定される。例えば、各キャパシタユニットの劣化が進行するほど、各キャパシタユニットの容量が大きく減少した状態になる。これにつれて電流検出器４２によって検出される電流検出値の大きさが小さくなる。
【００６１】
このような事象が生じる要因として下記の要因が挙げられる。例えば、キャパシタユニット３１の劣化が進行して容量が期待値よりも少なくなった仮定し、これを劣化キャパシタユニットと呼ぶ。これに対し、キャパシタユニット３２は、健全な状態が保たれていて容量が期待値を満たしていると仮定し、これを健全キャパシタユニットと呼ぶ。劣化キャパシタユニットと健全キャパシタユニットとが並列に接続されている状態になっても、並列に接続された各キャパシタユニットの端子電圧が等しくなるから、劣化キャパシタユニットに蓄えることができる電力量は、健全キャパシタユニットに蓄えることができる電力量よりも少なくなる。
【００６２】
上記の劣化キャパシタユニットと健全キャパシタユニットとが、並列に接続されている状態で並行してそれぞれ放電して、直流リンクの電圧が放電前の電圧Ｖ１から電圧Ｖ２まで低下したとすると、劣化キャパシタユニットが失った電荷量は、健全キャパシタユニットが失った電荷量よりも少ない。そのため、劣化キャパシタユニットから流れる電流は、健全キャパシタユニットから流れる電流よりも少なくなる。実施形態の第１の判断基準は、この傾向に基づいて規定されている。
【００６３】
判定部４６７が用いる第１の判定基準は、上記の特定周波数帯の電流成分の大きさとキャパシタユニットの劣化状況との関係に基づいて規定され、記憶部４６１の判定基準データテーブルに格納されている。例えば、判定部４６７は、抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさを、判定基準データテーブルに格納された第１の判定基準（判定基準情報）に基づいて判定して、判定の結果に基づいてキャパシタユニット３１の状態を診断する場合について説明する。
【００６４】
例えば、劣化していない初期状態のキャパシタユニット３１の容量を１００％としたときに、キャリア周波数ｆの２倍の周波数帯域（周波数２ｆ帯域という。）の電流成分がキャパシタユニット３１に流れていて、その電流成分の大きさを１００％とする。さらに、劣化によって容量が低下したときのその容量の下限許容値を閾値電流ＩＴＨと規定する。ここでは、閾値電流ＩＴＨの具体的な値を４０％と規定する。キャパシタユニット３１の劣化が進行して、周波数２ｆ帯域の電流成分が５０％であると仮定すると、劣化が進行しているものの周波数２ｆ帯域の電流成分の下限許容値の４０％を満たしているから、キャパシタユニット３１の交換をすぐに実施する必要がないと診断してもよい。図４に示す例であれば、周波数２ｆ帯域の電流成分が５０％であるときのキャパシタユニット３１の容量は、約５０％であるから、上記の診断は妥当である。
【００６５】
さらに、キャパシタユニット３１の劣化が進行して、周波数２ｆ帯域の電流成分が３０％になっていると仮定すると、周波数２ｆ帯域の電流成分の限界許容値の４０％を満たさない状態まで劣化が進行しているため、キャパシタユニット３１の交換をすぐに実施することが必要と診断してもよい。図４に示す例であれば、周波数２ｆ帯域の電流成分が３０％であるときのキャパシタユニット３１の容量は、約３０％であるから、上記の診断は妥当である。
【００６６】
これにより、判定部４６７は、特定周波数帯の電流成分の大きさとキャパシタユニット３１の劣化状況との関係に基づいて規定された第１の判定基準として閾値電流ＩＴＨを利用することで、キャパシタユニット３１の状況を判定することができる。
【００６７】
次に、キャパシタ３０の第１の診断処理における解析対象の周波数帯の定め方について説明する。本実施形態では、力行状態にある逆変換装置５０から電動機３に供給される電力量が、ＰＷＭ制御のキャリア周波数ｆに同期して変化することに着目する。例えば、フルブリッジ型の単相インバータを、所望の変調率でＰＷＭ制御する場合には、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア周波数ｆの２倍の周波数（周波数２ｆという。）を中心周波数とする所定の周波数範囲に、ＰＷＭ制御の被変調信号に基づいたサブバンド成分が生じる。そのため、解析対象の周波数帯に上記のサブバンド成分が含まれるように、周波数２ｆを中心周波数とする所定の周波数範囲を、解析対象の周波数帯として決定するとよい。この周波数範囲に含まれる信号成分のことを、単に周波数２ｆ成分と呼ぶ。周波数２ｆ成分は、キャリア周波数ｆの２倍の周波数成分に相当する。
【００６８】
キャパシタ診断装置４０は、フルブリッジ型の単相インバータの逆変換装置５０に適用されるキャパシタ３０の状態を診断することができる。
【００６９】
次に、図５を参照して、キャパシタユニットの状態の診断手順について説明する。図５は、第１の実施形態の各キャパシタユニットの状態を診断する処理のフローチャートである。
【００７０】
なお、上記フローチャートには示されないものの、図５に示す処理と並列に、電圧検出器４４が直流リンクの電圧を表す検出値を検出して取得部４０４が検出値を取得し記憶部４６１に記憶させる電圧取得処理が行われるものとする。
【００７１】
電力変換システム２は、システム稼働中常時、又は特定のイベントが発生した場合に、キャパシタユニットの状態を診断するための処理（診断処理という。）を実行する。システム稼働中常時とは、継続的に診断処理を行うものであり、例えば、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の対象期間が連続する場合、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の対象期間が重複する場合、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の切替に係る時間を除いて対象期間が連続する場合、などが含まれる。特定のイベントが発生した場合には、所定時間間隔ごとのタイミング、特定の条件が満たされたときなどが含まれる。特定の条件が満たされた場合とは、例えば、制御部６０から診断要求を受信したときであってよい。その際に、制御部６０は、逆変換装置５０が力行状態にあるときに、上記の診断要求を通知してもよい。
【００７２】
診断処理について以下説明する。まず、取得部４０４は、記憶部４６１に記憶された電流検出値のデータの中から、逆変換装置５０が力行状態にあるときの所定の数の電流検出値のデータを取得し高速フーリエ変換部４６５に出力する（ステップＳ１００）。次に、高速フーリエ変換部４６５は、取得部４０４から受け取った所定の数の電流検出値のデータにＦＦＴ処理を行い、周波数スペクトラムＦＳｉを生成し、生成した周波数スペクトラムＦＳｉを記憶部４６１に記憶させる（ステップＳ１１０）。次に、抽出部４６６は、記憶部４６１に記憶させた周波数スペクトラムＦＳｉから、特定の周波数成分、例えば、周波数２ｆの成分を抽出し、抽出した成分を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１として記憶部４６１に記憶させる（ステップＳ１２０）。
【００７３】
次に、判定部４６７は、記憶部４６１に記憶させた抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１の電流ＩＦｅｘｔが、予め定められた閾値電流ＩＴＨよりも大きいか否か判定する（ステップＳ１３０）。電流ＩＦｅｘｔが閾値電流ＩＴＨよりも大きい場合は、判定部４６７は、当該キャパシタユニットの劣化は許容範囲にあると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１の電流ＩＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ１４０）。
【００７４】
電流ＩＦｅｘｔが閾値電流ＩＴＨ以下である場合は、判定部４６７は、当該キャパシタユニットの劣化は許容範囲から逸脱していると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ１の電流ＩＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ１５０）。
【００７５】
次に、ステップＳ１４０又はステップＳ１５０の処理を終えると、表示処理部４６８は、キャパシタユニットごとの判定結果を、表示器４５に表示させて（ステップＳ１６０）、一連の処理を終了させる。
【００７６】
以上の処理により、キャパシタ診断装置４０はキャパシタユニットごとの状態を判定することができる。
【００７７】
第１の実施形態によれば、キャパシタ診断装置４０は、直流リンクに対して互いに並列に接続されるキャパシタユニット３１（第１キャパシタユニット）と、キャパシタユニット３２（第２キャパシタユニット）とによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する逆変換装置５０について診断する。キャパシタ診断装置４０は、電流センサユニット４２１と、高速フーリエ変換部４６５（第１周波数スペクトル解析部）と、抽出部４６６と、判定部４６７とを備える。電流センサユニット４２１は、キャパシタユニット３１に流れる電流を検出する。高速フーリエ変換部４６５は、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電流センサユニット４２１の検出結果に基づいた周波数スペクトルＦＳｉ（第１周波数スペクトル）を生成する。抽出部４６６は、逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の電流成分を、周波数スペクトルＦＳｉに基づいて抽出する。判定部４６７は、少なくとも抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、キャパシタユニット３１の状態を診断することにより、キャパシタユニット３１の劣化を容易に検出することができる。なお、キャパシタユニット３１、３２、３３は、キャパシタの一例である。電流センサユニット４２０は、センサの一例である。電流センサユニット４２０によって検出される電流値は、物理量の一例である。
【００７８】
キャパシタユニット３２とキャパシタユニット３３についても同様である。例えば、キャパシタユニット３２の場合には、電流センサユニット４２２は、キャパシタユニット３２に流れる電流を検出する。高速フーリエ変換部４６５は、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電流センサユニット４２２の検出結果に基づいた周波数スペクトルＦＳｉ２（第２周波数スペクトル）を生成する。抽出部４６６は、上記と同様に特定周波数帯の電流成分を、周波数スペクトルＦＳｉ２に基づいて抽出する。判定部４６７は、少なくとも抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、キャパシタユニット３２の状態を診断するとよい。
【００７９】
第１の実施形態によれば、電力変換システム２は、少なくともキャパシタ３０、キャパシタ診断装置４０、逆変換装置５０、及び制御部６０を備える。逆変換装置５０は、スイッチング素子５０Ｓを備え、スイッチング素子５０Ｓをスイッチングさせる力行運転によって、キャパシタユニット３１、３２、３３等を含むキャパシタ３０によって平滑化された直流電力を交流電力に変換する。その際に、キャパシタ診断装置４０は、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電流センサユニット４２１の検出結果に基づいて生成した第１周波数スペクトルを、キャパシタユニット３１、３２、３３等の劣化の診断に用いる。これにより電力変換システム２は、キャパシタユニット３１、３２、３３等の劣化を容易に検出することができる。
【００８０】
第１の実施形態によれば、逆変換装置５０のスイッチング素子５０Ｓは、固定のキャリア周波数のキャリア信号を用いたＰＷＭ制御によって制御される。抽出部４６６は、生成された第１周波数スペクトルに基づいて、キャリア周波数の整数倍の周波数を基準に規定される周波数帯の電流成分を、特定周波数帯の電流成分として抽出してもよい。これによれば、キャリア周波数に基づいて規定される周波数帯の電流成分を、特定周波数帯の電流成分として抽出することができる。例えば、上記の周波数帯を規定するキャリア周波数に対する倍率は、逆変換装置５０の構成（仕様）に基づいて規定する。上記の倍率は、逆変換装置５０が単相フルブリッジインバータであれば２倍に規定され、３相フルブリッジインバータであれば６倍に規定されるとよい。なお、上記のように逆変換装置５０がフルブリッジインバータの場合、上記の倍率は、逆変換装置５０の相数によらずに偶数になる。
【００８１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電力変換システム２Ａについて説明する。
第１の実施形態の電力変換システム２は、各キャパシタユニットに流れる電流の特定周波数成分の大きさに基づいて、個々のキャパシタユニットの状態を診断する。これに代わり、電力変換システム２Ａは、複数のキャパシタユニットを含むキャパシタ３０の状態を診断する。以下これについて説明する。
【００８２】
図６は、第２の実施形態の電力変換システム２Ａの構成図である。
図６に示された電力変換システム２Ａは、前述の電力変換システム２におけるキャパシタ診断装置４０に代えてキャパシタ診断装置４０Ａを備える。
【００８３】
図７は、第２の実施形態のキャパシタ診断装置４０Ａの構成図である。
図７に示されたキャパシタ診断装置４０Ａは、キャパシタ診断装置４０の電流検出器４２を備えず、かつ解析処理ユニット４６に代えて解析処理ユニット４６Ａを備える。
解析処理ユニット４６Ａは、電流値取得部４６２を備えず、解析処理ユニット４６の高速フーリエ変換部４６５、抽出部４６６、判定部４６７に代えて、高速フーリエ変換部４６５Ａ、抽出部４６６Ａ、判定部４６７Ａを備える。解析処理ユニット４６Ａは、電流値取得部４６２から受け取った所定の数の電流検出値に対するＦＦＴ処理を行う代わりに、電圧値取得部４６４から受け取った所定の数の電圧検出値に対するＦＦＴ処理を行う。以下、これについて説明する。
【００８４】
高速フーリエ変換部４６５Ａ（第３周波数スペクトル解析部）は、電圧値取得部４６４から受け取った所定の数の電圧検出値にＦＦＴ処理を行うことにより周波数スペクトラムＦＳｖを生成し、生成した周波数スペクトラムＦＳｖを記憶部４６１に記憶させる。これの他、前述の高速フーリエ変換部４６５に関する説明中の電流検出値を、電圧検出値に読み替える。
【００８５】
抽出部４６６Ａは、高速フーリエ変換部４６５が生成して記憶部４６１に記憶させた周波数スペクトラムＦＳｖから、逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の電圧成分を抽出し、抽出した成分を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２として記憶部４６１の抽出周波数成分データに追加する。
【００８６】
判定部４６７Ａは、抽出部４６６が抽出し記憶部４６１に記憶させた抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の大きさを、予め規定された第２の判定基準に基づいて判定する。
【００８７】
次に、図８を参照して、キャパシタ３０の第２の判定基準について説明する。図８は、第２の実施形態のキャパシタ３０の第２の判定基準を説明するための図である。図８に示すグラフは、キャパシタ３０の容量（横軸）に対する直流リンクの特定の周波数成分の電圧（縦軸）の関係を示す。
【００８８】
図８に示すグラフには、キャパシタ３０の容量が約１０％から１００％までの範囲で、右肩下がりの直線ＧＶ１が描かれている。この直線ＧＶ１は、キャパシタ３０の容量が１００％よりも少ないときに検出され得る直流リンクの電圧成分（リプル電圧成分）の大きさを示している。このグラフに示されたＧＶ１を用いて、キャパシタ３０の第２の判定基準を、下記のように規定する。
【００８９】
・キャパシタ３０の劣化が進行していない初期状態時の電圧検出値に基づいて、特定周波数成分の大きさ（最小値）を規定する。例えば、その大きさを１００％で示す。
【００９０】
・上記の判定基準の値は、キャパシタ３０の劣化状態に対応させて、上記の判定基準の基準値（１００％）よりも大きな値に決定される。例えば、キャパシタ３０の劣化が進行するほど、キャパシタ３０の容量がより少なくなり、これにつれて電圧検出器４４によって検出される電圧検出値が大きくなる。第２の判定基準は、これを識別できるように規定されたものであるとよい。
【００９１】
このような事象が生じる要因として下記の要因が挙げられる。例えば、並列に接続されているキャパシタ３０の中に劣化キャパシタユニットが発生すると、並列に接続されたキャパシタユニットの容量の総和が少なくなるから、平滑化しきれない成分がリプル電圧として生じることによる。
【００９２】
判定部４６７Ａが用いる第２の判定基準は、上記の特定周波数帯の電圧成分の大きさとキャパシタ３０の劣化状況との関係に基づいて規定され、記憶部４６１の判定基準データテーブルに格納されている。判定部４６７Ａは、抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさを、判定基準データテーブルに格納された第２の判定基準に基づいて判定して、判定の結果に基づいてキャパシタ３０の状態を診断する。
【００９３】
例えば、劣化していない初期状態のキャパシタ３０の容量を１００％としたときに、周波数２ｆ帯域の電流成分がキャパシタ３０に流れていて、その場合の直流リンクの電圧成分（リプル電圧成分）の大きさを１００％とする。さらに、劣化によって容量が低下したときのその容量の上限許容値を閾値電圧ＶＴＨと規定する。ここでは、閾値電圧ＶＴＨの具体的な値を１６０％と規定する。キャパシタ３０の劣化が進行して、周波数２ｆ帯域の電圧成分が１５０％であれば、劣化が進行しているものの上限許容値の１６０％を超えるものではないから、キャパシタ３０の交換をすぐに実施する必要がないと診断してもよい。図８に示す例であれば、周波数２ｆ帯域の電流成分が１５０％であるときのキャパシタ３０の容量は、約５０％であるから、上記の診断は妥当である。
【００９４】
さらに、周波数２ｆ帯域の電流成分が１７０％であれば、限界許容値の１６０％を超える状態まで劣化が進行しているため、キャパシタ３０の交換をすぐに実施することが必要と診断してもよい。図８に示す例であれば、周波数２ｆ帯域の電流成分が１７０％であるときのキャパシタ３０の容量は、約３０％であるから、上記の診断は妥当である。
【００９５】
上記のように、第２の判断基準は、キャパシタ３０における各キャパシタユニットの容量の総和を判定の対象にするものであり、第２の判断基準を用いた判定の判定結果だけで劣化キャパシタユニットを特定することはできないが、並列接続されたキャパシタユニットを纏めて診断することにより、劣化キャパシタユニットが発生している可能性があるキャパシタ３０を特定することができる。上記の方法であれば、キャパシタユニットを個別に診断する方法よりも容易に劣化キャパシタユニットが発生している可能性があるキャパシタ３０を特定することができる。
【００９６】
特に、キャパシタ３０単位で新たなキャパシタ３０に交換する保守方法をとる場合には、本実施形態による判定の単位と一致するため、本実施形態の診断方法は、解析処理の負荷軽減に有効である。
【００９７】
これにより、判定部４６７Ａは、特定周波数帯の電流成分の大きさとキャパシタ３０の劣化状況との関係に基づいて規定された第２の判定基準を利用することができ、さらには、劣化キャパシタユニットの有無を上記の第２の判定基準を利用して診断することができる。
【００９８】
次に、図９を参照して、キャパシタ３０の状態の診断手順について説明する。図９は、第２の実施形態のキャパシタ３０の状態を診断する処理のフローチャートである。
【００９９】
なお、上記フローチャートには示されないものの、図９に示す処理と並列に、電圧検出器４４が直流リンクの電圧を表す検出値を検出して電圧値取得部４６４が検出値を取得し記憶部４６１に記憶させる電圧取得処理が行われるものとする。
【０１００】
電力変換システム２Ａは、システム稼働中常時、又は特定のイベントが発生した場合に、キャパシタ３０の状態を診断するための処理（診断処理という。）を実行する。システム稼働中常時とは、継続的に診断処理を行うものであり、例えば、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の対象期間が連続する場合、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の対象期間が重複する場合、順に実施される第１と第２のＦＦＴ処理の切替に係る時間を除いて対象期間が連続する場合、などが含まれる。特定のイベントが発生した場合には、所定時間間隔ごとのタイミング、特定の条件が満たされたときなどが含まれる。特定の条件が満たされた場合とは、例えば、制御部６０から診断要求を受信したときであってよい。その際に、制御部６０は、逆変換装置５０が力行状態にあるときに、上記の診断要求を通知してもよい。
【０１０１】
診断処理について以下説明する。まず、電圧値取得部４６４は、記憶部４６１に記憶された電圧検出値のデータの中から、逆変換装置５０が力行状態にあるときの所定の数の電圧検出値のデータを取得し高速フーリエ変換部４６５Ａに出力する（ステップＳ２００）。次に、高速フーリエ変換部４６５Ａは、電圧値取得部４６４から受け取った所定の数の電圧検出値のデータにＦＦＴ処理を行い、周波数スペクトラムＦＳｖを生成し、生成した周波数スペクトラムＦＳｖを記憶部４６１に記憶させる（ステップＳ２１０）。次に、抽出部４６６Ａは、記憶部４６１に記憶させた周波数スペクトラムＦＳｖから、例えば、周波数２ｆの成分を抽出し、抽出した成分を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２として記憶部４６１に記憶させる（ステップＳ２２０）。
【０１０２】
次に、判定部４６７Ａは、記憶部４６１に記憶させた抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔが、予め定められた閾値電圧ＶＴＨより小さいか否か判定する（ステップＳ２３０）。電圧ＶＦｅｘｔが閾値電圧ＶＴＨより小さい場合は、判定部４６７Ａは、当該キャパシタ３０の劣化は許容範囲にあると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ２４０）。
【０１０３】
電圧ＶＦｅｘｔが閾値電圧ＶＴＨ以上である場合は、判定部４６７Ａは、当該キャパシタ３０の劣化は許容範囲から逸脱していると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ２５０）。
【０１０４】
次に、ステップＳ２４０又はステップＳ２５０の処理を終えると、表示処理部４６８は、キャパシタ３０の判定結果を、表示器４５に表示させて（ステップＳ２６０）、一連の処理を終了させる。
【０１０５】
以上の処理により、キャパシタ診断装置４０Ａはキャパシタ３０の状態を判定することができる。
【０１０６】
第２の実施形態によれば、直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタユニット３１と、キャパシタユニット３２とによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する逆変換装置５０について診断する。キャパシタ診断装置４０Ａは、電圧検出器４４と、高速フーリエ変換部４６５Ａと、抽出部４６６Ａと、判定部４６７Ａとを備える。電圧検出器４４は、直流リンクの電圧を検出する。高速フーリエ変換部４６５Ａは、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電圧検出器４４の検出結果に基づいた周波数スペクトルＦＳｖ（第３周波数スペクトル）を生成する。抽出部４６６Ａは、逆変換装置５０の構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の電圧成分を、周波数スペクトルＦＳｖに基づいて抽出する。判定部４６７Ａは、少なくとも抽出された特定周波数帯の電流成分の大きさに基づいて、キャパシタ３０の状態を診断することにより、キャパシタ３０の劣化を容易に検出することができる。電圧検出器４４は、センサの一例である。電圧検出器４４によって検出される電圧値は、物理量の一例である。
【０１０７】
（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態の変形例について説明する。
第２の実施形態において、図８に示す１つの判定基準を有する第２の判定基準を用いて判定する事例について説明した。本変形例では、図１０を参照して、複数の判定基準を含む第３の判定基準を用いて判定する事例について説明する。図１０は、第２の実施形態の変形例におけるキャパシタ３０の第３の判定基準を説明するための図である。図１０に示すグラフには、図８に示したグラフと同様に各キャパシタユニットの容量が約１０％から１００％までの範囲で、右肩下がりの直線ＧＶ１と直線ＧＶ２とが描かれている。直線ＧＶ２は、直線ＧＶ１に比べて傾きが緩やかである。
【０１０８】
電動機３の消費電力が変動すると、電動機３に流れる電流が変化する。また、これに伴い、直流リンクのリプル電圧の大きさも変化する。そこで、本変形例における第３の判定基準は、負荷電流検出器７０によって検出された電動機３に流れる交流電流（交流負荷電流）の検出値の大きさに対応付けられた交流負荷電流依存の判定基準にする。その場合、電動機３に流れる交流電流の検出値が大きいほど、閾値電圧ＶＴＨを大きくするとよい。例えば、電動機３に流れる電流が比較的多いときに直線ＧＶ１を利用して、電動機３に流れる電流が比較的少ないときに直線ＧＶ２を利用する。
例えば、判定部４６７Ａは、電動機３に流れる電流の大きさに基づいて、選択可能な特性値の中から適した特性値を選択して、これを判定基準に定める。例えば、第３の判定基準は、閾値電圧ＶＴＨ１と、閾値電圧ＶＴＨ２とを閾値として用いる。なお、閾値電圧ＶＴＨ１は、閾値電圧ＶＴＨと同じである。
【０１０９】
上記のように規定された閾値電圧ＶＴＨ１と閾値電圧ＶＴＨ２とを利用することで、判定部４６７Ａは、少なくとも抽出した特定周波数帯の成分の大きさと、電動機３に流れる交流電流の検出値とに基づいて、キャパシタ３０の状態を診断することができる。
【０１１０】
これにより、電動機３の消費電力の変動に伴って直流リンクのリプル電圧の大きさが変動する場合であっても、電動機３の消費電力の変動に影響されずに、キャパシタ３０の状態を診断できる。
【０１１１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の電力変換システム２Ｂについて説明する。
第３の実施形態の電力変換システム２Ｂは、劣化状態にあるキャパシタ３０を特定して、その後、キャパシタ３０内の各キャパシタユニットの状態を診断する。以下、これについて説明する。
【０１１２】
図１１は、第３の実施形態の電力変換システム２Ｂの構成図である。
図１１に示された電力変換システム２Ｂは、前述の電力変換システム２におけるキャパシタ診断装置４０に代えてキャパシタ診断装置４０Ｂを備える。
【０１１３】
図１２は、第３の実施形態のキャパシタ診断装置４０Ｂの構成図である。
図１２に示されたキャパシタ診断装置４０Ｂは、キャパシタ診断装置４０の解析処理ユニット４６に代えて解析処理ユニット４６Ｂを備える。
【０１１４】
解析処理ユニット４６Ｂは、解析処理ユニット４６の高速フーリエ変換部４６５、抽出部４６６、判定部４６７に代えて、高速フーリエ変換部４６５Ｂ、抽出部４６６Ｂ、判定部４６７Ｂを備える。
【０１１５】
高速フーリエ変換部４６５Ｂは、前述の高速フーリエ変換部４６５と高速フーリエ変換部４６５Ａの処理を実施する。前述した高速フーリエ変換部４６５と高速フーリエ変換部４６５Ａの説明中の高速フーリエ変換部４６５と高速フーリエ変換部４６５Ａの表記を高速フーリエ変換部４６５Ｂと読み替える。
【０１１６】
抽出部４６６Ｂは、前述の抽出部４６６と抽出部４６６Ａの処理を実施する。前述した抽出部４６６と抽出部４６６Ａの説明中の抽出部４６６と抽出部４６６Ａの表記を抽出部４６６Ｂと読み替える。
【０１１７】
判定部４６７Ｂは、前述の判定部４６７と判定部４６７Ａの処理を実施する。前述した判定部４６７と判定部４６７Ａの説明中の判定部４６７と判定部４６７Ａの表記を判定部４６７Ｂと読み替える。
【０１１８】
解析処理ユニット４６Ｂは、上記の構成を有することにより、電圧値取得部４６４から受け取った所定の数の電圧検出値に対するＦＦＴ処理を行い、所定の条件を満たす場合に、電流値取得部４６２から受け取った所定の数の電流検出値に対するＦＦＴ処理を行う。
【０１１９】
図１３は、第３の実施形態のキャパシタの状態を診断する処理のフローチャートである。
【０１２０】
すでに、第１の実施形態において、各キャパシタユニットに流れる電流の特定周波数成分の大きさに基づいて、各キャパシタユニットの状態を診断する電力変換システム２について説明した。また、第２の実施形態において、複数のキャパシタユニットを含むキャパシタ３０の状態を診断する電力変換システム２Ａについて説明した。本実施形態では、第１の実施形態と第２の実施形態との相違点を中心に説明する。
【０１２１】
まず、キャパシタ診断装置４０Ｂの解析処理ユニット４６Ｂは、ステップＳ２００からＳ２２０までの処理を実施する。
【０１２２】
次に、判定部４６７Ｂは、記憶部４６１に記憶させた抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔが、予め定められた閾値電圧ＶＴＨよりも小さいか否か判定する（ステップＳ２３０）。電圧ＶＦｅｘｔが閾値電圧ＶＴＨよりも小さい場合は、判定部４６７Ｂは、当該キャパシタ３０の劣化は許容範囲にあると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ２４０）。
一方、電圧ＶＦｅｘｔが閾値電圧ＶＴＨ以上である場合は、判定部４６７Ｂは、当該キャパシタ３０の劣化は許容範囲から逸脱していると判定し、判定結果を抽出周波数成分Ｆｅｘｔ２の電圧ＶＦｅｘｔに対応付けて記憶部４６１に格納する（ステップＳ２５０）。
【０１２３】
次に、解析処理ユニット４６Ｂは、当該キャパシタ３０内のキャパシタユニットごとの判定処理を実施する（ステップＳ２７０）。このキャパシタユニットごとの判定処理は、当該キャパシタ３０内のキャパシタユニットごとに、前述の図５のステップＳ１００からＳ１５０までの処理を実施するものである。この判定処理により、当該キャパシタ３０内の劣化キャパシタユニットと健全キャパシタユニットが識別される。
【０１２４】
次に、ステップＳ２４０又はステップＳ２７０の処理を終えると、表示処理部４６８は、キャパシタ３０ごとの判定結果と、キャパシタユニットごとの判定結果とを、表示器４５に表示させて（ステップＳ２６０Ａ）、一連の処理を終了させる。
【０１２５】
上記の実施形態によれば、解析処理ユニット４６Ｂは、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電圧検出器４４の検出結果に基づいた周波数スペクトルＦＳｖ（第３周波数スペクトル）を生成して、キャパシタ３０の劣化の状態を判定する。さらに、周波数スペクトルＦＳｖに基づいた判定の結果においてキャパシタ３０の劣化が検出された場合には、逆変換装置５０の力行運転中に検出された電流検出器４２の検出結果に基づいた周波数スペクトルＦＳｉ（第１周波数スペクトルと第２周波数スペクトル）を生成し、各キャパシタユニットの状態を判定する。これにより、キャパシタ３０レベルの判定と、各キャパシタユニットレベルの判定を分けて実施することができることから、判定に係る処理を簡素化することが可能になる。
【０１２６】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、キャパシタ診断装置は、センサと、周波数スペクトル解析部と、周波数成分抽出部と、診断処理部とを備える。センサは、直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流を検出する。周波数スペクトル解析部は、電力変換ユニットの力行運転中に検出されたセンサの検出結果に基づいた周波数スペクトルを生成する。周波数成分抽出部は、前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記第１周波数スペクトルに基づいて抽出する。診断処理部は、少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する。これにより、キャパシタ診断装置は、キャパシタの劣化を容易に検出することができる。
【０１２７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【０１２８】
上記に説明した実施形態においては、逆変換装置５０の交流出力の基本周波数は、所定の値に固定されていてもよく、電動機３を加減速するなどのために逆変換装置５０の交流出力の基本周波数がリアルタイムに変更されてもよい。この場合、キャパシタ診断装置４０は、逆変換装置５０の交流出力の基本周波数が、キャパシタ診断装置４０が検出する周波数帯に干渉しないときに、所定の診断処理を実施するとよい。
【符号の説明】
【０１２９】
１…交流電源、２、２Ａ、２Ｂ…電力変換システム、３…電動機、２０…順変換装置、３０…キャパシタ、３１、３２、３３…キャパシタユニット、４０、４０Ａ、４０Ｂ…キャパシタ診断装置、５０…逆変換装置、６０…制御部、７０…負荷電流検出器、４２…電流検出器、４２０、４２３…電流センサユニット、４２１…電流センサユニット（第１電流センサ）、４２２…電流センサユニット（第２電流センサ）、４４…電圧検出器、４６、４６Ａ、４６Ｂ…解析処理ユニット、４６５、４６５Ａ、４６５Ｂ…高速フーリエ変換部、４６６、４６６Ａ，４６６Ｂ…抽出部、４６７、４６７Ａ，４６７Ｂ…判定部
【要約】
実施形態のキャパシタ診断装置は、センサと、周波数スペクトル解析部と、周波数成分抽出部と、診断処理部とを備える。センサは、直流リンクに対して並列に接続されるキャパシタによって平滑化された直流電力を力行運転によって交流電力に変換する電力変換ユニットにおける前記キャパシタに流れる電流によって変化する物理量を検出する。周波数スペクトル解析部は、前記電力変換ユニットの前記力行運転中に検出された前記センサの検出結果に基づいた周波数スペクトルを生成する。周波数成分抽出部は、前記電力変換ユニットの構成に依存する周波数に係る特定周波数帯の成分を、前記周波数スペクトルに基づいて抽出する。診断処理部は、少なくとも前記抽出された特定周波数帯の成分の大きさに基づいて、前記キャパシタの状態を診断する。【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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