(57)【要約】【課題】電源電圧の歪みや切れ込みに左右されない高信頼性の電力変換素子の故障検出装置を提供する。【解決手段】直列に接続された複数個の電力変換素子を用いて電力を制御する自家発電システムや電動機駆動システムに用いられ、前記各電力変換素子に対し抵抗と動作検出回路を接続して電力変換素子の故障を検出する故障検出装置において、前記各電力変換素子の電圧波形からその素子の動作状態を電源電圧の大きさと周波数に応じて補正する電圧補正回路と周波数補正回路を設け、前記電力変換素子の故障を検出するので、電圧の歪み波形や切れ込みによって誤動作することもなく、電源電圧の変化や周波数の変化に対しても電力変換素子の故障状況が確実に把握できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数個の電力変換素子を用いて電力を制御する自家発電システムや電動機駆動システムに用いられ、前記各電力変換素子に対し抵抗と動作検出回路を接続して電力変換素子の故障を検出する故障検出装置において、前記各電力変換素子の電圧波形からその素子の動作状態を電源電圧の大きさと周波数に応じて補正する電圧補正回路と周波数補正回路を設け、前記電力変換素子の故障を検出することを特徴とする電力変換素子の故障検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換素子の故障検出装置において、直列に接続された複数個の電力変換素子の全ての動作を常に監視し、その中に動作の異なる電力変換素子が検出されれば、さらにその検出された動作を電源電圧の大きさと周波数に応じて補正してから故障と決定することを特徴とする電力変換素子の故障検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電力変換素子の故障検出装置において、自家発電システムや電動機駆動システムの代わりに船舶の主機軸駆動発電システムを使用し、発電機から電力を発生するコンバータ側の電圧波形と、負荷である電動機等への電力を供級するインバータ側の電圧波形との２種類の波形に対し、電圧の大きさと周波数に応じて補正する電圧・周波数選択回路を設け、前記電力変換素子の故障を検出することを特徴とする電力変換素子の故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自家発電システムや電動機駆動システムに用いられる電力を制御する電力変換素子の故障検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電システムや電動機駆動システム等においては、定格電圧の低い電力変換素子を多段に直列接続することによって必要な定格電圧を確保して使用している。このように電力変換素子を多段に直列接続した場合の従来の故障検出装置（特公昭５９−４９４２号公報参照）を図５を参照して説明する。
【０００３】
図５において、電力変換素子としてサイリスタ素子１１，１２…を多段に接続しており、各サイリスタ素子１１，１２…の動作状態は、各サイリスタ素子１１，１２…の両端に抵抗２１と発光素子３１，抵抗２２と発光素子３２，…をそれぞれ並列接続しており、各発光素子３１，３２…で発光した光はそれぞれ光ファイバー４１，４２…を経由して、受光素子５１，５２…へ伝えられ、その信号により故障判定回路６にてサイリスタ素子の故障を判定するように構成されている。
【０００４】
このように、サイリスタ素子を多段に直列接続して使用する場合、それらの直列素子が全素子とも同じ動作をしないと、各素子で分担している電圧がくずれる。例えば、ある素子が短絡故障することによって、他の素子が過電圧となり事故が拡大する恐れがあるため、常に各素子の動作状況の比較監視をしておく必要がある。
【０００５】
以下、従来のサイリスタ素子の故障検出方法を図５の故障検出装置を参照して説明する。
サイリスタ素子１１がＯＮの場合には、サイリスタ素子の両端に分圧電圧が発生しないが、サイリスタ素子１１がＯＦＦの場合には、電源電圧に対しサイリスタ段数分に分圧された電圧が印加される。つまり、サイリスタ素子１１がＯＮの場合には発光素子３１に電流が流れず、その信号は伝達されないが、サイリスタ素子１１がＯＦＦの状態ではサイリスタ素子の両端に分圧した電圧が現われるので、発光素子３１に電流が流れ、その信号が光ファイバー４１を経由して次段の受光素子５１に伝わる。同じように多段の各サイリスタ素子１２…においても同様の動作によって各サイリスタ素子の動作検出を行う。
【０００６】
このように全てのサイリスタ素子のＯＮ／ＯＦＦの信号が故障判定回路６に集められ、この故障判定回路６では、全素子が同じタイミングで動作しておればサイリスタ素子は正常であり、逆に動作の異なるサイリスタ素子があれば当該サイリスタは異常な状態であり、サイリスタ素子の故障と判定するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の故障検出装置では、単に電力変換素子のＯＮ／ＯＦＦの状態を光により伝送し、それにより電力変換素子の異常の判別を行う回路構成であったが、現実的には電源電圧の歪みや切れ込みが発生することにより、電力変換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態の検出部が不安定になるので、誤動作が多く信頼性に問題があった。また、多段のうち一部の電力変換素子が短絡して故障したのに、検出精度が悪いため気付かないと、他の電力変換素子の分担電圧が増加し、電力変換素子が過電圧となり、他の電力変換素子までもが故障し、被害が拡大してしまうことが危惧されていた。
【０００８】
さらに、故障検出の誤動作を確認するには、わざわざ電力変換装置の運転を停止し、各素子の特性を個々に確認しなければならないので、非効率であった。また、電力変換装置を停止すること自体が、システム上許されない場合もあり、問題であった。
【０００９】
本発明は（請求項１乃至請求項３対応）は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的は電源電圧の歪みや切れ込みに左右されない高信頼性の電力変換素子の故障検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の電力変換素子の故障検出装置は、直列に接続された複数個の電力変換素子を用いて電力を制御する自家発電システムや電動機駆動システムに用いられ、前記各電力変換素子に対し抵抗と動作検出回路を接続して電力変換素子の故障を検出する故障検出装置において、前記各電力変換素子の電圧波形からその素子の動作状態を電源電圧の大きさと周波数に応じて補正する電圧補正回路と周波数補正回路を設け、前記電力変換素子の故障を検出することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２は、請求項１記載の電力変換素子の故障検出装置において、直列に接続された複数個の電力変換素子の全ての動作を常に監視し、その中に動作の異なる電力変換素子が検出されれば、さらにその検出された動作を電源電圧の大きさと周波数に応じて補正してから故障と決定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３は、請求項１または請求項２記載の電力変換素子の故障検出装置において、自家発電システムや電動機駆動システムの代わりに船舶の主機軸駆動発電システムを使用し、発電機から電力を発生するコンバータ側の電圧波形と、負荷である電動機等への電力を供級するインバータ側の電圧波形との２種類の波形に対し、電圧の大きさと周波数に応じて補正する電圧・周波数選択回路を設け、前記電力変換素子の故障を検出することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態（請求項１及び請求項２対応）の故障検出装置の構成図であり、既に説明した図５の従来の故障検出装置と異なる構成は、電圧補正回路７と周波数補正回路８を設けた後に発光素子３を接続した点と、故障判定回路６の次段にさらに電圧・周波数補正回路９を設けた点と、電源電圧検出回路１０と電源周波数検出回路１１を設けた点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成要素には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００１４】
本実施形態は上記のように構成されているので、サイリスタ素子１の動作状態は、抵抗２及び電圧補正回路７を経由し、さらに周波数補正回路８を経由して発光素子３に伝達される。電源電圧検出回路１０では電源の電圧値を検出し、その信号を電圧補正回路７に伝え、サイリスタの動作状態をＯＮ／ＯＦＦ信号に変換するしきい値を電源電圧に応じて変化させている。この動作を図２に示す。
【００１５】
図２は、図１の故障検出装置において、電源電圧による補正を説明するための図であり、サイリスタ素子１の両端に発生する電圧から素子のＯＮ／ＯＦＦ状態に変換するにあたり、電源電圧による補正方法を示している。
【００１６】
図に示すように、サイリスタ素子の両端に発生する電圧を用いて素子のＯＮ／ＯＦＦ信号に変換するためには、一定電圧のしきい値Ｖ１を決めて変換を行う。電源電圧が大きい場合、実際の波形よりもｔ１時間遅れて素子の状態が検出できるが、逆に電源電圧が低い場合、同じしきい値Ｖ１で変換すると実際の波形よりも大きな時間遅れｔ２で素子の状態が検出される。電源電圧が低い場合、しきい値Ｖ１と交差する電源電圧の波形の傾きがゆるくなるので、時間遅れｔ２は非常に不安定になりやすく、結果的に故障検出の誤動作を引き起こすことになる。また、最初からしきい値を下げてしまうとノイズを検出してしまい、誤動作の原因となるので問題であった。
【００１７】
そこで、本実施形態では、電源電圧が低い場合は、同じようにしきい値Ｖ２も下げて、しきい値と交差する波形の傾きを大きくすることにより素子のＯＮ／ＯＦＦの状態検出の安定性を高めるようにしたものである。
【００１８】
また、電圧補正回路７において、しきい値を補正されたサイリスタのＯＮ／ＯＦＦ信号は、周波数補正回路８に伝わるが、電源周波数検出回路１１では電源の周波数を検出し、その信号を周波数補正回路８に伝え、サイリスタのＯＮ／ＯＦＦ信号の確認時限を周波数に応じて変化させる。この動作を図３に示す。
【００１９】
図３は、図１の故障検出装置において、電源周波数による補正を説明するための図であり、サイリスタ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態をさらに精度を高めるために、電源周波数による補正方法を示している。
【００２０】
図に示すように、波形に切れ込みｔ４がある場合、前述のしきい値に関係なく素子のＯＮ／ＯＦＦ状態が誤った読み込みを行ってしまうことになる。このような切れ込みが発生すると、次段の故障判定回路６が誤動作してしまうので、電源の周波数から逆算して、半サイクル時間内の切れ込み確認時限を持つことにより、故障検出の精度を高めることができる。
この確認時間を取りすぎると、各素子にかえってダメージを与えることになり、周波数に応じて最適な確認時限を定めることが重要となる。
【００２１】
電圧補正回路７と周波数補正回路８にて補正された信号は、発光素子３から光ファイバー４を経由して、次段の受光素子５に信号が伝わり、故障判定回路６において動作が異なるサイリスタ素子があれば故障と判定するが、さらに精度を高めるため、電圧・周波数補正回路９において補正を行い最終的に故障と決定するものである。
【００２２】
ところで、多段構成の各サイリスタ素子のＯＮ／ＯＦＦ信号は、電圧や周波数によっても各々微妙にずれてくるので、故障判定回路６が誤判定することがあった。そこで、電圧・周波数補正回路９は電源電圧検出回路１０及び電源周波数検出回路１１で検出された電源電圧及び電源周波数を取り込み、上記ばらつきによる判定を補正する目的で設けられており、上述のように電圧や周波数に応じた最適な時限確認を行うことによって誤動作を防止することができる。
【００２３】
このように本実施形態によれば、電源電圧の大きさと周波数に応じて補正を行うことにより、電源電圧の歪みや切れ込み波形に対しても正確に対応できるので、従来のような誤検出が起こることはなく、素子の故障を最適な時限にて精度高く決定することができる。
【００２４】
以上の説明はサイリスタ素子の例で説明したが、本実施形態はサイリスタ素子に限らずあらゆる電力変換素子において適用することができ、同様の効果が得られる。
【００２５】
図４は本発明の第２実施形態（請求項３対応）である船舶用の主機軸駆動発電システムの構成図である。
図に示すように、本実施形態では自家発電システムや電動機駆動システム以外の船舶用の主機軸駆動発電システムに適用した場合であり、メインエンジン２０により軸発電機２１とプロペラ２２を回転する。軸発電機２１の回転により発電した電力は、コンバータ用素子２３，インバータ用素子２４を経て船内母線２５へ供給される。
【００２６】
また、コンバータ・インバータにはそれぞれコンバータ用素子の故障検出装置２６とインバータ用素子の故障検出装置２７が接続され、さらに電圧・周波数選択回路２８は、コンバータ用素子の故障検出装置２６とインバータ用素子の故障検出装置２７に指示を与えている。また、これらのコンバータ用素子の故障検出装置２６とインバータ用素子の故障検出装置２７は、図１の第１実施形態の故障検出装置と同一であるので、その説明は省略する。
【００２７】
電圧・周波数選択回路２８は、次の機能を備えている。すなわち、サイリスタの分圧電圧はコンバータとインバータとの両方から影響を受けるので、各故障検出装置はこの両方の影響を受けた波形に対応できなければならない。つまり、コンバータ側の軸発電機２１の電圧と周波数、さらにインバータ側の船内母線２５の電圧と周波数の影響を受けるので、電圧の歪みや切れ込みに対応して故障検出装置の精度を高めるためには、コンバータ・インバータどちらの電源電圧や周波数により故障検出に補正をかければよいかを選択する回路が電圧・周波数選択回路２８である。コンバータ・インバータのどちら側を選択するかは、電圧においては電圧が低い側を、周波数においても周波数が低い側を補正の基準にすれば、故障検出の精度を高めることができる。つまり、電圧においては、図２に示すように電圧が低くなるに従って、しきい値を下げていけばよい。また、周波数においては、図３に示すように周波数が低くなるに従って、確認時限を大きくしていけば誤動作を防止することが可能である。
【００２８】
本実施形態の電力変換素子の故障検出装置は、コンバータとインバータとの複数回の電力変換を行う船舶用の主機軸駆動発電システムに適用しても図１の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
なお、本発明の電力変換装置の故障検出装置は、自家発電システムや電動機駆動システムや船の主機軸駆動発電システムにおいて、電源電圧の変化や周波数の変化に対しても正確な故障監視ができるので、電力変換装置の高信頼化とコスト削減に大きな効果を発揮するものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明（請求項１乃至請求項３対応）によると、電力変換装置の故障検出は、電圧の歪み波形や切れ込みによって誤動作することもなく、電源電圧の変化や周波数の変化に対しても電力変換素子の故障状況が確実に把握できるので、故障拡大による大きな事故になる前に、異常な電力変換素子を正確に見付け出すことが可能である。また、電力変換素子の故障検出装置の誤動作に対応する目的で、電力変換装置を停止して行うメンテナンスも不要になるので、メンテナンス費用を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の故障検出装置の構成図。
【図２】図１の電源電圧による補正動作を説明するための図。
【図３】図１の電源周波数による補正動作を説明するための図。
【図４】本発明の第２実施形態の故障検出装置の構成図。
【図５】従来の故障検出装置の構成図。
【符号の説明】
１，１１，１２…サイリスタ素子、２，２１，２２…抵抗、３，３１，３２…発光素子、４，４１，４２…光ファイバー、５，５１，５２…受光素子、６…故障判定回路、７…電圧補正回路、８…周波数補正回路、９…電圧・周波数補正回路、１０…電源電圧検出回路、１１…電源周波数検出回路、２０…メインエンジン、２１…軸発電機、２２…プロペラ、２３…コンバータ用素子、２４…インバータ用素子、２５…船内母線、２６…コンバータ用素子の故障検出装置、２７…インバータ用素子の故障検出装置、２８…電圧・周波数選択回路。
【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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