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公開番号2021052477
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019173208
出願日20190924
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210305BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】
一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定する電力変換装置を提供することである。
【解決手段】
電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する順変換部と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、スイッチ素子を駆動するドライバ部と、逆変換部の電流を計測する電流センサと、逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、ドライバ部を制御する制御部とを有し、地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、
電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、
電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、
制御部は、
計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
交流電力を直流電力に変換する順変換部と、
外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、
前記スイッチ素子を駆動するドライバ部と、
前記逆変換部の電流を計測する電流センサと、
前記逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、
前記電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、前記ドライバ部を制御する制御部とを有し、
地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、
前記電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、
前記電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、
前記制御部は、
計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 2,100 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記地絡箇所の判定結果を外部に報知する送信部を有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において、
前記逆変換部は、
3つのハーフブリッジ回路で構成され、
前記制御部は、
前記地絡箇所を調査する際、
地絡が発生している相のハーフブリッジ回路の下アームの前記スイッチ素子をオンにして、前記ケーブルに前記地絡電流を発生させ、
前記電流センサは、前記地絡電流の前記電流値を計測し、
前記電圧センサは、地絡が発生している相と地絡が発生していない相の間の相間電圧を計測し、
前記制御部は、
計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、前記地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4】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
インダクタンス値計算部と地絡箇所判定部を備え、
前記インダクタンス値計算部は、
計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、
交流電力の出力端子からと地絡箇所までの間のインダクタンス値を計算し、
前記地絡箇所判定部は、
前記インダクタンス値に基づいて地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5】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記ケーブルの前記インダクタンス値を記憶した記憶部を備え、
前記地絡箇所判定部は、
前記記憶部が記憶している前記インダクタンス値と前記インダクタンス値計算部で計算された前記インダクタンス値とを比較することで、地絡箇所がケーブル上かモータ上かを判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項6】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記ケーブルの前記インダクタンス値を記憶した記憶部を備え、
前記地絡箇所判定部は、
前記記憶部が記憶している前記インダクタンス値に対する前記インダクタンス値計算部の計算された前記インダクタンス値の割合から、ケーブル上の地絡位置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において、
前記制御部は、
前記ケーブルもしくは前記外部装置で発生した前記地絡箇所の調査の前に、
地絡電流を発生させ、前記地絡電流を調査することで地絡が発生している相を特定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項8】
請求項7に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記ケーブルで発生した前記地絡箇所の調査の前に、
前記逆変換部の下アームの3つの前記スイッチ素子をオンにして、前記ケーブルに前記地絡電流を発生させ、
前記電流センサで計測した前記地絡電流を比較して、電流増加速度が最大である相を地絡相として特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に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記地絡電流の電流量が計測に不十分だった場合には、
外部電源の交流電圧周期の半分の時間待機した後、前記地絡電流の計測を行うように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において、
前記順変換部はダイオードブリッジ整流回路で構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項11】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電流センサは、
前記逆変換部の出力の3つの相に1つずつ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項12】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電流センサは、
前記逆変換部を構成する3つのハーフブリッジ回路の下アームに各1つずつ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項13】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電流センサは、
前記逆変換部の出力の2つの相に1つずつ、前記順変換部と前記逆変換部を接続する直流電圧配線に1つ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項14】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電圧センサは、
前記逆変換部の出力の3つの相間のうち2つ相間の電圧を計測するように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項15】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電圧センサは、
前記順変換部と前記逆変換部を接続する直流電圧配線を基準として、前記逆変換部の出力の3つの相との間に1つずつに配置されてい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。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
配線間の地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地絡が発生したことを知らせることできる。しかしながら、地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地絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で発生したのか、またケーブル上のどこで発生したか場所を特定することができない。
【0003】
地絡箇所の情報を知る方法として、特許文献1に地絡箇所を判定する発明が記載されている。この方法では、特許文献1の図13に示されているように、地絡が発生している相(以下、「地絡相」と略す)の出力電流値と、地絡が発生していない相(以下、「非地絡相」と略す)の出力電流の電流比率に基づいて、ケーブル上の地絡箇所の判定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−229172
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1は、地絡箇所を判定する技術を開示している。しかしながら、一般的に、モータ巻き線のインダクタンス値Lmは、ケーブルのインダクタンスLcよりも2〜3桁大きいことが多く、その場合、モータ巻き線を経由して流れる非地絡相の出力電流は、モータ巻き線を経由しない地絡相の出力電流よりも、2〜3桁小さくなる。
【0006】
そのため、ケーブル上の地絡箇所の判定箇所の分解能を高くするためには、電流センサに地絡相と非地絡相の両方の電流を十分な精度で計測できる高い分解能を持った電流センサが必要となる。
【0007】
本発明の目的は、一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定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】
本発明の好ましい一例としては、交流電力を直流電力に変換する順変換部と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、前記スイッチ素子を駆動するドライバ部と、前記逆変換部の電流を計測する電流センサと、前記逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、前記電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、前記ドライバ部を制御する制御部とを有し、
地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、前記電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、前記電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、前記制御部は、計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定する電力変換装置である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定する電力変換装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
実施例1における電力変換装置の構成図である。
実施例1における地絡発生箇所判定のフローチャートである。
実施例における地絡相を特定するフローチャートである。
地絡相の特定動作とその前後におけるスイッチの状態と、出力電流波形の例を示した図である。
図4の時刻t1からt2の間における電流経路の例である。
実施例における出力電流および相間電圧計測のフローチャートである。
図6のフローチャートの補足表である。
出力電流および相間電圧計測動作とその前後におけるスイッチの状態、出力電流と相間電圧波形の例を示した図である。
図8の時刻t3からt6の間における電流経路の例である。
3相出力端子のうちS相接地されたトランスの等価回路である。
図10において出力が開放状態におけるトランスの2次側3相出力R、S、T相の対地電圧を表した図である。
電力変換装置の出力端子から地絡点Fまでのケーブルに存在するインダクタンスを計算するフローチャートである。
地絡箇所の判定方法を示した図である。
表示器108の構成図である。
送信機109の構成図である。
逆変換器回路104の第一の変形例を示した図である。
逆変換器回路104の第二の変形例を示した図である。
産業用インバータに応用した例を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を用いて、実施例を説明する。
【実施例】
【0012】
図1は、実施例1の電力変換装置100の構成図を示す。電力変換装置100は、交流電力を入力して直流電力に変換する順変換器回路102、平滑コンデンサ103、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換器回路104を備えている。
【0013】
また、電力変換装置100は、逆変換器回路104を制御するための制御回路105と、制御回路105へ手動で情報入力するための入力器106、外部システムから受信するための受信機107と、制御回路105からの出力情報を表示するための表示器108、外部のシステムへ送信するための送信機109を備えている。制御回路は、CPU、もしくはマイコンを含む構成である。また、FPGA(field-programmable gate array)で構成してもよい。
【0014】
また、電力変換装置100は、電力変換装置100の内部に流れる電流値を計測するための電流計測回路111と電力変換装置100の内部で発生する電圧値を計測するための電圧計測回路112とを備えている。
【0015】
順変換器回路102は6つのダイオードで構成され、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、平滑コンデンサ103の両電極に出力する。順変換器回路102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Vdcが発生する。
【0016】
平滑コンデンサ103はノードPとNにおいて直流電圧配線に接続し、配線間の電圧を平滑化する。逆変換器回路104は、直流電力を、モータ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。
【0017】
逆変換器回路104はU相、V相、W相の3つのハーフブリッジ回路と、ドライバ部としてのスイッチ駆動回路110から構成されている。U相のハーフブリッジ回路はスイッチ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。
【0018】
同様にして、V相のハーフブリッジ回路は、スイッチSWvとダイオードDIv、スイッチ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SWwとダイオードDIw、スイッチSWzとダイオードDIzで構成されている。
【0019】
図1ではスイッチ素子としてIGBTを用いているが、MOSFETで構成してもよい。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。
【0020】
全てのスイッチSWu、SWv、SWw、SWx、SWy、SWzは、ドライバ部であるスイッチ駆動回路110と接続している。スイッチ駆動回路110は制御回路105からの指令に基づいてスイッチに電気信号を供給し、スイッチのONとOFFの切り替え制御を行うことでスイッチ素子を駆動する。また、スイッチ駆動回路110は各スイッチでの電圧降下を監視して過電流発生を検出する機能を備えている。
【0021】
また、逆変換器回路104は、各相の出力電流値を測定する3つの電流センサ21u、21v、21wと、出力相間電圧を計測するための電圧センサ22uv、22wvを備えている。電流センサ21u、21v、21wは、出力端子U、V、Wから出力される電流値Iu、Iv、Iwを計測し、アナログ電圧または電流として電流計測回路111に伝える。
【0022】
電圧センサ22uvと電圧センサ22wvは、出力端子Vを基準とした出力端子Uの電圧を、電圧センサ22wvは出力端子Vを基準とした出力端子Wの電圧を計測し、アナログ電圧または電流として電圧計測回路112に伝える。つまり、電圧センサは逆変換器回路104の出力の3つの相間のうち2つの相間の電圧を計測するように配置されている。
【0023】
実施例では、電流センサ、電圧センサ、電流計測回路111、および電圧計測回路112は、逆変換器回路104内に配置している。しかし、各相のケーブルを流れる電流値を計測もしくは出力端子U、V、Wのうち2相間の相間電圧を計測できるのであれば、出力端子U、V、Wの付近の逆変換器回路104の外部に、電流センサ、電圧センサ、電流計測回路111、および電圧計測回路112を配置してもよい。
【0024】
電流計測回路111および電圧計測回路112は、入力されたアナログ情報をサンプリングし、デジタルデータ化してそれぞれ制御回路105へ送信する。制御回路105は、電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、ドライバ部110を制御する制御部である。
【0025】
制御回路105は、インダクタンス値計算部121、インダクタンス値記憶部122および地絡箇所判定部123を備えている。インダクタンス値計算部121は、電流計測回路111および電圧計測回路112から送られてきた電流値データと電圧値データを基に、電力変換装置100から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値Lsを計算する。
【0026】
地絡箇所判定部123は、ケーブル上もしくはモータ巻き線上の地絡が発生している地絡相を特定する。さらに、地絡箇所判定部123は、インダクタンス値計算部121から送られてきたインダクタンス値Lsとインダクタンス値記憶部122が保持しているモータケーブルMCのインダクタンス値Lcを基に、モータケーブルMCとモータMTに発生した地絡箇所を判定し、表示器108および送信機109に判定結果を送信する。
【0027】
なお、制御回路105は、モータの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、制御回路105内のインダクタンス値記憶部122、地絡箇所判定部123などの、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。
【0028】
電力変換装置100の出力端子U、V、Wには3本のモータケーブルMCが接続され、その先に3相モータMTが接続されている。一方、電力変換装置100の入力端子R、S、Tには3本の電源ケーブルTCが接続され、その先がトランスTRNの2次側に接続されている。トランスTRNの内部あるいはケーブルTCのいずれかにおいて、大地ETあるいは接地されている配線に接続されている。
【0029】
実施例1の電力変換装置100は、破線で囲われた3本のモータケーブルMCあるいは3相モータMTと、大地ETとの間で地絡が発生した場合、地絡発生箇所を判定することができる。
【0030】
図2は、実施例1における地絡発生箇所判定のフローチャートである。図2のフローは、地絡発生に伴うスイッチ駆動回路(ドライバ部)110における過電流検知、および、入力器106や受信機107からのトリガによって開始される。開始後、制御回路105はモータ停止措置を実行する制御をする(ステップS101)。
(【0031】以降は省略されています)

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