(57)【要約】【課題】本発明の目的は、正確に欠相を検出することの出来る電力変換装置を提供することである。【解決手段】直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータ装置を制御するＰＷＭゲート制御回路と、前記インバータから供給された三相交流電力を変換する変圧器と、この変圧器から出力された三相電力の電圧を測定する測定器と、この測定器により測定された電圧の大きさの指標である電圧指標値を演算する電圧指標演算部と、この電圧指標演算部より入力された電圧指標値が設定値外である際に欠相が生じたと判断する欠相検出部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
このインバータ装置を制御するＰＷＭゲート制御回路と、
前記インバータから供給された三相交流電力を変換する変圧器と、
この変圧器から出力された三相電力の電圧を測定する測定器と、
この測定器により測定された電圧から電圧指標値を演算する電圧指標演算部と、この電圧指標演算部より入力された電圧指標値が設定値外である際に欠相が生じたと判断する欠相検出部と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
このインバータ装置を制御するＰＷＭゲート制御回路と、
前記インバータから供給された三相交流電力を変換する変圧器と
この変圧器から出力された三相電力の電圧を測定する測定器とを有し、
前記測定器により検出された電圧から電圧指標値を算出する機能と、
この電圧指標値から欠相検出を行なう機能と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記請求項１記載の電力変換装置において、
前記電圧指標値から運転状態を判別する手段を有し、
この運転状態が、通常運転時以外は前記欠相検出部による欠相検出を行なわないことを、
特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記請求項１記載の電力変換装置において、
前記測定器は、前記変圧器により変換された三相交流電力のうちの二相の出力電圧のみを測定することを、
特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記請求項１記載の電力変換装置において、
前記欠相検出部により欠相が検出された際には、前記インバータの駆動を停止するとともに、前記インバータの入力直流電力を遮断することを、
特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置は、特許第２９８０６９８号公報に記載されているように、インバータ三相分の実効電流値を求め、その実効電流値の変化量が閾値を上回る場合に、インバータの出力電力に欠相が生じたとみなしてインバータを停止させていた。
このように構成された従来の電力変換装置は、実効電流が閾値を上回った場合に、インバータの出力電力の欠相を検出することが出来るため、電気車に搭載された機器の故障や事故を事前に防ぐことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電力変換装置では、三相交流電力の相毎の電流の不平衡をもって欠相と判断するため、電流の大きさ、歪、位相ずれなどが大きい場合や予め想定している負荷がはじめから不平衡な場合などには、三相の電流も不平衡となって誤って欠相と判断してしまうことがある。そのため、負荷の変動や不平衡なども考慮して閾値を設定しなければならず、この閾値を適切な値に設定をすることが、非常に困難であり、正確に欠相を検出することの出来なかった。
そこで本発明の目的は、正確に欠相を検出することの出来る電力変換装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータ装置を制御するＰＷＭゲート制御回路と、前記インバータから供給された三相交流電力を変換する変圧器と、この変圧器から出力された三相電力の電圧を測定する測定器と、この測定器により測定された電圧の大きさの指標である電圧指標値を演算する電圧指標演算部と、この電圧指標演算部より入力された電圧指標値が設定値外である際に欠相が生じたと判断する欠相検出部とを備えたことを特徴とする。
本発明に基づく電力変換装置において、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータ装置を制御するＰＷＭゲート制御回路と、前記インバータから供給された三相交流電力を変換する変圧器と、この変圧器から出力された三相電力の電圧を測定する測定器とを有し、前記測定器により検出された電圧から電圧指標値を算出する機能と、この電圧指標値から欠相検出を行なう機能とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【０００５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置の概略図である。図２は、変圧器の構成図である。図３は、本発明に基づく第１の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。図４は、Ｕ相アームの概略図である。図５は、図４に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。図６は、Ｕ相アームの概略図である。図７は、図６に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。図８は、Ｕ相アームの概略図である。図９は、図８に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。図１０は、Ｕ相アームの概略図である。図１１は、図１０に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置は、直流電源１，インバータ２，ＰＷＭパルス制御部３，Ｙ型変圧器４，電圧測定器６，電圧指標演算部７，欠相検出部８から構成されている。なお、通常は電力変換装置は、負荷５（誘導電動機など）と接続されるのが一般的である。
このように構成された電力変換装置において、直流電源１とインバータ２は接続される。インバータ２は、ＰＷＭパルス制御部３とΔＹ型変圧器４と接続される。Ｙ型変圧器４は、電圧測定器６と接続される。電圧測定器６は電圧指標演算部７と接続される。電圧指標演算部７は欠相検出部８と接続される。欠相検出部８は、ＰＷＭパルス制御部３と接続される。なお、電力変換装置内のＹ型変圧器４は、負荷５などに通常は接続される。
【０００６】
インバータ２は、直流電源１から直流電力を供給される。インバータ２は、直流電源１から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、Ｙ型変圧器４に供給する。Ｙ型変圧器４は、インバータ２から供給された三相交流電力を降圧し、負荷５に出力する。電圧測定器６は、Ｙ型変圧器の出力した三相交流電力の電圧値を測定し、電圧指標演算部７へ出力する。電圧指標演算部７は、電圧測定器６から入力された電圧値から電圧指標を演算し、欠相検出部８へ出力する。欠相検出部８は、欠相が生じた場合には、インバータ停止指令をＰＷＭパルス制御部３へ出力し、欠相が生じていない場合には、継続運転指令をＰＷＭパルス制御部３へと出力する。ＰＷＭパルス制御部３は、欠相検出部８からの出力に基づいて、インバータ２を制御する。
このように構成された電力変換装置において、電圧指標演算部７は、絶対値演算部９とローパスフィルター１０から構成されている（図３参照）。絶対値演算部９は、電圧測定器６により測定された三相交流電力の電圧値から、その絶対値を算出し、ローパスフィルター１０へ出力する。ローパスフィルター１０は、絶対値演算部９より入力された電圧の絶対値から交流電圧の大きさを示す指標となる電圧指標を演算する。
【０００７】
このように構成された電力変換装置において、欠相検出部８は、比較器１１，論理和演算部１２から構成されている（図３参照）。比較器１１は、予め入力されている閾値と、電圧指標演算部７から入力された電圧指標との大きさを比べて、電圧指標の大きさのほうが閾値よりも大きい場合には０を論理和演算部１２へ出力し、閾値のほうが電圧指標よりも大きい場合には１を論理和演算部１２へ出力する。論理和演算部１２は、比較器１１から入力された値が、全て０の場合には、欠相が生じていないと判断し継続運転指令をＰＷＭパルス制御部３へ出力するが、それ以外の場合には、欠相が生じていると判断し、インバータ停止指令をＰＷＭパルス制御部３へ出力する。
このように構成された電力変換装置において、図４に示すようにインバータ２のＵ相アームは、スイッチング素子１３，　スイッチング素子１４，　スイッチング素子１５，　スイッチング素子１６，ダイオード１７，ダイオード１８，ダイオード１９，ダイオード２０，ダイオード２１，ダイオード２２から構成されている。このＵ相アームにおいて、スイッチング素子１３乃至スイッチグ素子１６を入り切りさせることにより直流電力を交流電力に変換する。
【０００８】
このように構成された電力変換装置において、図４に示すようにインバータ２出力側のＵ相が断線した場合には、図５に示すような電圧指標を示すと考えられる。３００ｍｓにインバータ出力側のＵ相が断線した場合、３００ｍｓ後は、変圧器４（図１及び図２参照）の一次側のＵ相電圧が０になる。そのため、２次側のＷ相とＵ相が同電位となるため、二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕが零となる。二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕが零となる時には、ＶｕｖとＶｗｕとは、位相が１８０度ずれ、単相交流波形となる（図５参照）。よって、インバータ出力側のＵ相が断線した場合には、二次側Ｗ−Ｕ間のＶｗｕの電圧指標から欠相を検出することができる。
このように構成された電力変換装置において、図６に示すようにインバータ２のＵ相アームに設けられたスイッチング素子１３とスイッチング素子１４が３００ｍｓの時点で故障した場合には、図７に示すような電圧指標を示すと考えられる。スイッチング素子１３及びスイッチング素子１４が故障すると、二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕが他相（Ｖｖｗ，Ｖｕｖ）に比べて略半分に小さくなる。そのため、スイッチング素子１３及び１４が故障した場合にも、二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕの電圧指標から欠相を検出することができる。
【０００９】
このように構成された電力変換装置において、図８に示すようにスイッチング素子１４が３００ｍｓの時点で故障し、このスイッチング素子において回路が開放された場合を模擬した場合には、図９示すような電圧指標を示すと考えられる。スイッチング素子１４が故障し、このスイッチング素子において回路が開放された場合、二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕ（Ｖｖｗ，Ｖｕｖ）が他相に比べて略半分に小さくなる。そのため、この場合には二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕの電圧指標から欠相を検出することができる。
このように構成された電力変換装置において、図１０に示すようにスイッチング素子１３が３００ｍｓの時点で故障し、このスイッチング素子において回路が開放された場合を模擬した場合には、図１１示すような電圧指標を示すと考えられる。スイッチング素子１３が故障し、このスイッチング素子において回路が開放された場合、二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕ（Ｖｖｗ，Ｖｕｖ）が他相に比べて略半分に小さくなる。そのため、この場合には二次側Ｗ−Ｕ間の線間電圧Ｖｗｕの電圧指標から欠相を検出することができる。
このように構成された電力変換装置は、インバータ２の出力欠相を検出しインバータ健全相、変圧器及び負荷装置を防ぐことができる。また、欠相の起きた相を特定し、修理時の情報として用いることができるため、修復作業の効率化をはかることができる。
【００１０】
（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図１２は、本発明に基づく第２の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。なお、図１乃至図３記載の物と構造上同一の物については、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第２の実施の形態の電力変換装置は、直流電源１，インバータ２，ＰＷＭパルス制御部３，Ｙ型変圧器４，電圧測定器５，電圧指標演算部７，欠相検出部８から構成されている。
このように構成された電力変換装置において、欠相検出部８は、欠相検出部８は、比較器１１，論理和演算部１２，最大値演算部２３，比較器２４，論理積演算部２５から構成されている（図１２参照）。
このように構成された電力変換装置において、最大値演算部２３は、電圧指標演算部７から入力された電圧指標の最大値（以後運転状態指標）を記録し、比較器２４へ出力する。比較器２４は、閾値と運転状態指標とを比べ、所定の範囲外である場合には、欠相ではなくインバータ２の入力電源に異常が起こったかインバータ２自体の運転状態が起動直後や停止指令後の過渡状態にあるとして、運転状態を論理積２５へ出力する。論理積２５では、比較器２４から入力された運転状態が、閾値の範囲内であるときのみ欠相検知をする。そのため、本実施形態の電力変換装置は、第１の実施の形態の電力変換装置と比べ信頼性が高い。
【００１１】
（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図１３は、本発明に基づく第３の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。なお、図１乃至図３及び図１２記載の物と構造上同一の物については、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第３の実施の形態の電力変換装置は、直流電源１，インバータ２，ＰＷＭパルス制御部３，Ｙ型変圧器４，電圧測定器５，電圧指標演算部７，欠相検出部８から構成されている。
このように構成された電力変換装置において、電圧指標演算部７には、変圧器の３相のうち２相の出力電圧しか入力されず、残る１相は三相平衡の性質を利用しは相電圧演算部２６により求められる。
このように構成された電力変換装置において、変圧器の３相の出力電圧のうち、２相を測ることにより、残り１相の電力値を求めることとができるので、機器が小形化するといったメリットや重量を軽くすることができる。
（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図１４は、本発明に基づく第４の実施の形態の電力変換装置の構成図である。なお、図１乃至図３記載の物と構造上同一の物については、同符号を付して説明を省略する。
【００１２】
本発明に基づく第４の実施の形態の電力変換装置は、直流電源１，インバータ２，ＰＷＭパルス制御部３，Ｙ型変圧器４，電圧測定器５，電圧指標演算部７，欠相検出部８，電源スイッチ２７から構成されている。
このように構成された電力変換装置において、欠相検知部８により検出された欠相検知の信号がＰＷＭパルス制御部３のほかに、インバータ入力の電源スイッチ２７へも送信される。欠相検知時には、インバータゲート停止と入力電源遮断を平行して行なうため、出力電力遮断の信頼性が高まる。
本発明に基づく第１乃至第４の実施形態の電力変換装置は、３レベルインバータを使用しているが、２レベルインバータでも同様の効果を得られるため３レベルインバータに限定はしない。
本発明に基づく第１乃至第４の実施の形態の電力変換装置において、比較器１１は大きさを比較できれば良いので、出力については本発明に基づく第１乃至第４の実施の形態の電力変換装置に記載された内容に限定はしない。
本発明に基づく第１乃至第４の実施の形態の電力変換装置において、電圧指標演算部７は、絶対値演算部９及びローパスフィルター１０により電圧指標を演算しているが、電圧絶対値の変わりに電圧２乗値を用いる手法、ローパスフィルターではなく半周期の移動平均値を用いる手法等によっても同質の電圧指標を演算できるため、絶対値演算部９及びローパスフィルター１０のみには限定はしない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明により、正確に欠相を検出することの出来る電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置の概略図である。
【図２】変圧器の構成図である。
【図３】本発明に基づく第１の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。
【図４】Ｕ相アームの概略図である。
【図５】図４に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。
【図６】Ｕ相アームの概略図である。
【図７】図６に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。
【図８】Ｕ相アームの概略図である。
【図９】図８に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。
【図１０】Ｕ相アームの概略図である。
【図１１】図１０に示された回路の電圧指標のシュミレーション結果である。
【図１２】本発明に基づく第２の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。
【図１３】本発明に基づく第３の実施の形態の電圧指標演算部と欠相検出部のブロック図である。
【図１４】本発明に基づく第４の実施の形態の電力変換装置の構成図である。
【符号の説明】
１・・・直流電源
２・・・インバータ
３・・・ＰＷＭパルス制御部
４・・・Ｙ型変圧器
５・・・負荷
６・・・電圧測定器
７・・・電圧指標演算部
８・・・欠相検出部
９・・・絶対値演算部
１０・・・ローパスフィルター
１１・・・比較器
１２・・・論理和演算部
１３・・・スイッチング素子
１４・・・スイッチング素子
１５・・・スイッチング素子
１６・・・　スイッチング素子
１７・・・ダイオード
１８・・・ダイオード
１９・・・ダイオード
２０・・・ダイオード
２１・・・ダイオード
２２・・・ダイオード
２３・・・最大値演算部
２４・・・比較器
２５・・・論理積演算部
２６・・・相電圧演算部
２７・・・電源スイッチ
【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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