CN109247050B - 电力转换装置和对地短路位置判断方法 - Google Patents

电力转换装置和对地短路位置判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供判断电动机和电缆上的对地短路位置并将判断结果通知使用者、外部装置或系统的电力转换装置。本发明的电力转换装置具有由半导体形成的多个开关元件，通过对上述多个开关元件进行开关控制来驱动用三相的电缆连接的三相电动机，在检查上述电缆或上述电动机中发生了对地短路的位置时，使上述三个半桥电路的上臂或下臂中的任一方的臂的多个上述开关元件同时导通来在所连接的多条上述电缆中产生电流，测量上述开关元件同时导通的期间或紧接其后的期间内的多个相的输出电流值，基于上述多个相的输出电流值的最大值与最小值的电流比例来判断对地短路位置，并对外部通知上述判断结果。

Description

电力转换装置和对地短路位置判断方法
技术领域
本发明涉及驱动电动机的电力转换装置和使用其的电缆或电动机 的对地短路位置判断方法。
背景技术
图41中表示以往的电力转换装置和电动机及连接它们的电缆的一 个例子。以往的电力转换装置10具有输入交流电力用于向电动机供应 电力的整流器电路12、平滑用电容器13、逆变器电路14。整流器电路 12由6个二极管构成，将从输入端子R、S、T输入的交流电力转换成 直流电力。平滑用电容器13连接到转换装置内部的直流电压线路，将 线路间的电压平滑化。逆变器电路14将直流电力转换成用于驱动电动 机的交流电力，向输出端子U、V、W输出。逆变器电路14具有由半 导体形成的开关元件15a～15f，两个开关元件成对地构成半桥电路，6 个开关元件构成U、V、W三相桥式电路。使每相的开关元件不上下 同时导通而是交替导通，来进行开关动作。各相的输出U、V、W利 用三根电缆MC与电动机MT连接。以往的电力转换装置10基于电流 传感器18u和18w或者电流传感器19n观测到的电流信息，通过改变 各开关元件导通时间的PWM控制来控制对电动机供应的电力。
因绝缘覆盖层的劣化或物理的损伤等某些原因，在电动机MT内 部或电缆MC中发生短路或对地短路的情况下，通过电流传感器19n 或安装在各开关元件的发射极-集电极之间的监视集电极电压来检测过 流的过流检测电路(未图示)来检测过流。在检测到过流的情况下， 通过将所有的开关元件关断来停止转换动作，阻止因大电流产生的热 量等破坏开关元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-23795号公报
发明内容
发明要解决的课题
在电力转换装置的动作因线路间的短路或对地短路而停止的情况 下，可通过将该情况报告使用者，来通知发生对地短路的消息。然而， 在电力转换装置的动作因短路或对地短路而停止的情况下，存在如下 问题，即使用者无法确定位置是在电缆上发生短路或对地短路，还是 在电动机内部发生，或是在电缆上的哪里发生的。
作为获知异常发生位置的信息的方法，专利文献1中介绍了如下 方法，在短路发生后，令上臂和下臂的总计两个开关元件短时间导通， 通过观察电流的斜率来推测。这种情况下，电流的斜率由于由短路通 路的电感L决定，可进行基于电感L的短路位置推测。然而，专利文 献1的构成无法应对对地短路位置的确定。其主要理由有两个。第一， 为产生电流的原因存在不同。在专利文献1的结构中，产生电流的电 动势为转换器内部的直流电压，与此相对，产生对地短路电流的电动 势为转换器或输入侧电源线路的对地电压。由于这些电压因输入侧电 源线路的长度或输入交流电压而时刻变化，受其影响，电流值也大幅 度变化，无法从电流的斜率求出电感。第二，电流通路中增加了其它 因素。在相间短路中，电流通路仅在电缆或电动机上，而在对地短路 中，电流通路中包含大地、电源侧线路、变压器等具有未知电感值的 构成物，所以从电流斜率求出的电感值也包含这些全部的电感值，因此难以推测应求出的电缆和电动机的电感值。
本发明的目的为提供判断电动机和电缆上的对地短路位置并将判 断结果通知使用者、外部装置或系统的电力转换装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述问题，举出本发明的“电力转换装置”的一个例子 为，一种电力转换装置，具有由半导体形成的多个开关元件，通过对 所述多个开关元件进行开关控制来驱动用三相的电缆连接的三相电动 机，所述电力转换装置包括：将来自电源的交流电力转换成直流电力 的整流器电路；由三个半桥电路构成的逆变器电路，其控制提供给所 述电动机的电流；用于驱动构成所述半桥电路的多个开关元件的多个 驱动电路；用于控制所述驱动电路的控制电路；测量所述逆变器电路 的多个相的输出电流值的电流测量单元；和对外部通知装置内部的状 况的信息输出单元，在检查所述电缆或所述电动机中发生了对地短路的对地短路位置时，所述逆变器电路使所述三个半桥电路的上臂和下 臂中的任一方的臂的多个所述开关元件同时导通来在所连接的多条所 述电缆中产生电流，所述电流测量单元测量所述开关元件同时导通的 期间或紧接其后的期间内的多个相的输出电流值，所述控制电路基于 所述多个相的输出电流值的最大值与最小值的电流比例来判断对地短 路位置，所述信息输出单元对外部通知所述判断结果。
此外，举出本发明的“对地短路位置判断方法”的一个例子为， 一种连接到驱动三相电动机的电力转换装置的电缆或电动机的对地短 路位置的对地短路位置判断方法，所述电力转换装置包括：将来自电 源的交流电力转换成直流电力的整流器电路；由三个半桥电路构成的 逆变器电路，其控制提供给所述电动机的电流；用于驱动构成所述半 桥电路的多个开关元件的多个驱动电路；用于控制所述驱动电路的控 制电路；和测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单 元，所述对地短路位置判断方法包括：使所述三个半桥电路的上臂和 下臂中的任一方的臂的多个所述开关元件同时导通来在所连接的多条 所述电缆中产生电流的步骤；测量所述开关元件同时导通的期间或紧 接其后的期间内的多个相的输出电流值的步骤；基于所述多个相的输 出电流值的最大值与最小值的电流比例来判断对地短路位置的步骤。
发明效果
通过本发明，针对电动机和电缆上发生的对地短路事故，能够确 定和判断对地短路位置，进一步地，通过将对地短路位置判断结果显 示在显示器上，或者通过无线发送，能够向使用者、外部装置、外部 系统通知对地短路位置。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的结构图。
图2是本发明的第一实施例中的对地短路发生位置判断的流程图。
图3是对地短路检查的流程图。
图4是表示电流比例计算S112及其前后的开关的状态和输出电流 波形的例子的图。
图5是表示电流比例计算S115及其前后的开关的状态和输出电流 波形的例子的图。
图6是图4的时刻t1至t2之间的电流通路的例子。
图7是图5的时刻t3至t4之间的电流通路的例子。
图8是图6所示的电流通路的等价电路。
图9是三相输出端子中一个接地后的变压器的等价电路。
图10是表示图9中输出为开路状态下变压器的次级侧三相输出R、 S、T相的对地电压的图。
图11是中性点接地后的变压器的等价电路。
图12是表示图11中输出为开路状态下变压器的次级侧三相输出 R、S、T相的对地电压的图。
图13是表示对地短路位置推测部123中所用的判断方法的图。
图14是显示器108的结构图的一个例子。
图15是LED数码管上显示的显示样式与对地短路位置的对应表。
图16是发送器109的结构图。
图17是开关驱动电路的结构图的一个例子。
图18是电流比例计算S112和S115的流程图。
图19是表示电流增加速度不同的短路电流波形的例子的图。
图20是本发明的第二实施例的结构图。
图21是本发明的第二实施例中所用的电流比例计算流程图。
图22是本发明的第二实施例中的对地短路发生位置判断的其它流 程图。
图23是图22中执行的对地短路电流检查的流程图。
图24是表示电流比例计算S313u及其前后的开关的状态和输出电 流波形的例子的图。
图25是表示电流比例计算S316u及其前后的开关的状态和输出电 流波形的例子的图。
图26是图24的时刻t1至t2之间的电流通路的例子。
图27是图25的时刻t3至t4之间的电流通路的例子。
图28是图26所示的电流通路的等价电路。
图29是对地短路推测部223中所用的判断方法的图。
图30是图23中记载的U-W间电流比例计算S313u和S316u的流 程图。
图31是图23中记载的V-W间电流比例计算S313v和S316v的流 程图。
图32是本发明的第三实施例的结构图。
图33是单相输出端子中一个接地后的变压器的等价电路。
图34是图33中输出为开路状态下变压器的次级侧三相输出R、S 相的对地电压的图。
图35是中性点接地后的变压器的等价电路。
图36是表示图35中输出为开路状态下变压器的次级侧三相输出 R、S相的对地电压的图。
图37是表示将本发明应用于工业用逆变器的例子的图。
图38是表示将本发明应用于铁道车辆的例子的图。
图39是表示将本发明应用于带电动机的汽车的例子的图。
图40是表示显示本发明的对地短路位置判断结果的平板(tablet) 型终端的例子。
图41是表示以往的电力转换装置、电动机及连接它们的电缆的一 个例子的图。
具体实施方式
以下利用附图针对实施例进行说明，但以下说明的各实施例并不 限定于图示例。
实施例1
图1表示本发明的电力转换装置的第一实施例的结构图。电力转 换装置100具有输入交流电力并向电动机供应电力的整流器电路102、 平滑用电容器103、逆变器电路104。此外，电力转换装置100具有用 于控制逆变器电路104的控制电路105、用于向控制电路105手动输入 信息的输入器106、用于从外部系统接收信息的接收机107、用于显示 来自控制电路105的输出信息的显示器108、用于向外部系统发送信息 的发送机109。
整流器电路102由6个二极管构成，将从输入端子R、S、T输入 的交流电力转换成直流电力并输出到平滑用电容器103的两个电极。 通过整流器电路102的二极管的整流作用，产生节点P侧的直流电压 线路为正电压、节点N侧的直流电压线路为负电压的直流电压Vdc。 平滑用电容器103在节点P和N上连接到直流电压线路，对线路间的 电压进行平滑化。逆变器电路104将直流电力转换成用于驱动电动机 的交流电力并输入到输出端子U、V、W。
逆变器电路104由U相、V相、W相三个半桥电路构成。U相的 半桥电路由开关SWu与二极管DIu反并联而成的上臂和开关SWx与 二极管DIx反并联而成的下臂构成。同样地，V相的半桥电路由开关 SWv与二极管DIv、开关SWy与二极管DIy构成，W相的半桥电路由 开关SWw与二极管DIw、开关SWz与二极管DIz构成。图1中作为 开关元件使用IGBT，但也可由MOSFET构成。此外，半导体器件一 般使用硅，但为了低损耗，也可使用作为宽禁带半导体的SiC(碳化硅) 或GaN(氮化镓)。开关驱动电路SDu、SDv、SDw、SDx、SDy、SDz 分别连接到所有的开关SWu、SWv、SWw、SWx、SWy、SWz，各开 关驱动电路连接在各开关的发射极、栅极、集电极各电极上。发射极、 栅极、集电极为IGBT的电极名称，在MOSFET的情况下，相当于源 极、栅极、漏极。所有的开关驱动电路中内置了通过控制开关的栅极 电压来切换开关的导通和关断的栅极驱动电路、检测开关中流过过电 流并高速切断开关(令其关断)的过流保护电路。各开关驱动电路具 有与控制电路105进行通信的通信单元，通信单元用于从控制电路105向开关驱动电路发送开关的导通/关断控制信号以及从开关驱动电路向 控制电路105发送过流检测信号。
电力转换装置100中，在逆变器电路104与输出端子U、V、W之 间具有测量各相输出电流值的三个电流传感器110u、110v、110w以及 用于计测这些测量值的电流测量电路111。电流传感器110u、110v、110w 测量从输出端子U、V、W输出的电流值Iu、Iv、Iw，作为模拟电压或 电流发送至电流测量电路111。电流测量电路111对该模拟信息进行采 样，数字化并发送至控制电路105。电流测量电路111一般可由采样电 路和A/D转换电路构成。此外，在输出电流值的说明中电流值的符号一般表示电流方向(流出/流入)，但在本发明的实施例的说明中，由于电流方向为流出或流入的其中之一，因此电流值Iu、Iv、Iw相对于流出、流入两个方向都记为正值，即绝对值。
控制电路105具有电流比例计算部121、电感值存储部122、对地 短路位置判断部123。电流比例计算部121基于从电流测量电路111发 送来的电流值数据和来自各开关驱动电路的短路检测信号，将最大电 流相的相编号SP及最大电流相的电流Imax与最小电流相的电流Imin 的电流比例Imin/Imax发送至对地短路位置判断部123。对地短路位置 判断部123基于从电流比例计算部发送来的信息SP和Imin/Imax以及 电感值存储部122保存的电动机电缆MC的电感值Lc和电动机内部绕 组的电感值Lm，推测对地短路位置，将判断结果发送至显示器108和 发送机109。
此外，控制电路105具有用于电动机的PWM驱动的一般的功能， 但由于与本发明的动作无关，因此省略对其的说明。此外，对于控制 电路105内的电流比例计算部121、电感值存储部122、对地短路位置 判断部123等仅由逻辑电路构成的要素，也可利用计算机或可编程逻 辑电路以软件实现。
电力转换器100的输出端子U、V、W上连接了三条电动机电缆 MCu、MCv、MCw，其前端连接了三相电动机MT。另一方面，电力 转换器100的输入端子R、S、T上连接了三条电源电缆TC，其前端连 接到变压器TRN的次级侧。变压器TRN内部或电缆TC的其中之一连 接到大地ET或接地的线路上。
本发明的第一实施例的电力转换装置在虚线包围的电动机电缆 MCu、MCv、MCw或三相电动机MT与大地ET之间发生对地短路的 情况下能够推测对地短路发生位置。
图2是表示本发明的第一实施例的对地短路发生位置判断的流程图。图2的流程通过对地短路发生导致的过流检测信号和来自输入器 106或接收机107的触发而开始。开始后，控制电路105执行电动机停止措施(S101)。具体地，通过使逆变器电路104的所有开关关断，停止对电动机的电力供应，等待直到电流测量电路111测得的所有相的电流值为0。电动机停止后，控制电路105执行对地短路电流的检查，电流比例计算部121输出电流比例Imin/Imax与最大电流相的相编号 SP(S102)。在此，执行后述图3所示的对地短路电流检查的流程。之 后，基于这些信息以及电感值存储部123保存的电动机电缆的电感值 Lc和电动机内部绕组的电感值Lm，判断对地短路位置(S103)，并将 判断结果发送至显示器108和发送机109(S104)。
图3表示对地短路电流检查的流程。首先，控制电路105使所有 相的上臂开关SWu、SWv、SWw导通(S111)。之后，控制电路105 基于测得的电流值，确定最大电流的相，计算电流比例Imin/Imax (S112)。计算中可测得足够大的电流、电流比例的计算成功的情况下， 结束流程(S113)。电流比例计算S112中无法测得足够大的电流的情 况下，在先将所有开关关断后，再令下臂的开关SWx、SWy、SWz导 通(S114)。之后，基于控制电路105测得的电流值，确定最大电流的 相，计算电流比例Imin/Imax(S115)。计算中可测得足够大的电流、 电流比例的计算成功的情况下，结束流程(S116)。电流比例计算S112 中无法测得足够大的电流的情况下，等待一定时间(S117)。之后从头 重新开始流程。
图4表示电流比例计算S112及其前后开关的状态和输出电流波形 的例子。时刻t1中使上臂开关SWu、SWv、SWw导通后，在各相的 输出产生流出电流。电流随着时间增加，而发生对地短路的相的电流 相比未发生的相的电流增加得更快，结果是持续为发生对地短路的相 的电流相比未发生的相的电流更大的状态。该状态持续至时刻t2中所 有开关关断为止。
图5表示电流比例计算S115及其前后开关的状态和输出电流波形 的例子。时刻t3中使下臂开关SWx、SWy、SWz导通后，在各相的输 出产生流入电流。电流随着时间增加，而发生对地短路的相的电流相 比未发生的相的电流增加得更快，结果是持续为发生对地短路的相的 电流相比未发生的相的电流更大的状态。该状态持续至时刻t4中所有 开关关断为止。
图6表示图4所示的时刻t1至t2之间电流的电流通路的例子。图 6中，作为例子展示了W相的电动机电缆上(对地短路点SH)发生对 地短路的状况。产生电流的电动势为变压器的输出(次级侧)的对地 电压Vtrn。变压器的输出为三相，但由于整流器电路102的二极管， 电流从对地电压Vtrn为正的相流入。在存在多个对地电压Vtrn为正的 相的情况下，电流从多个相流入，但图6为了说明的简化，仅记载一 相的变压器TRN、电源电缆TC和整流器电路102的二极管。从变压 器TRN供应并经整流器电路102的二极管流入的电流经节点P，通过 导通状态的逆变器电路104内的三个上臂开关SWu、SWv、SWw被分 流为三股电流。分流后的电流经输出端子U、V、W在对地短路点SH 汇流。汇流后的电流流过大地ET，返回变压器TRN。
此外，虽然未图示，在时刻t2将所有开关关断后，电流通路的一 部分发生变化，变为从节点P经平滑电容器103并流过节点N、从该 处经下臂的二极管DIx、DIy、DIz分流成三股的通路。由于平滑电容 器被直流电压Vdc充电，因此电流因该电压而减少。
图7中表示图5的时刻t3至t4之间的电流的电流通路的例子。图 7中，作为例子展示了W相的电动机电缆上(对地短路点SH)发生对 地短路的状况。产生电流的电动势为变压器的输出(次级侧)的对地 电压Vtrn。变压器的输出为三相，但由于整流器电路102的二极管， 电流从整流器电路102流入到变压器TRN的对地电压为负的相。在存 在多个对地电压Vtrn为负的相的情况下，电流流入到多个相，但图7 为了说明的简化，仅记载一相的变压器TRN、电源电缆TC和整流器 电路102的二极管。从变压器TRN流出的电流流过大地ET，到达对地短路点SH，之后分流成三股，流入输出端子U、V、W。分流后的 电流流过导通状态的逆变器电路104内的三个下臂开关SWx、SWy、 SWz，在节点N汇流，并返回整流器电路102。
此外，虽然未图示，在时刻t4将所有开关关断后，电流通路的一 部分发生变化，变为分流成三股的电流经上臂的二极管DIu、DIv、DIw 后汇流、从电流节点P经平滑电容器103并流过节点N的通路。由于 平滑电容器被直流电压Vdc充电，因此电流因该电压而减少。
图8中表示图6所示的电流通路的等价电路。Vtrn为变压器TRN 的输出的对地电位，Lp为大地ET、变压器TRN、电源电缆TC的各电 感的串联电感(各电感的合计)。如图6所示，Lc和Lm分别为电动机 电缆的电感和电动机内绕组的电感。进一步地，如图6所示，Ls为输 出端子W与接地位置SH的电感。
短路相Iw由式1表示。
Iw＝∫Vs(t)dt/Ls (式1)
在此，Vs(t)为端子U、V、W与对地短路点SH之间的电压。 另一方面，非短路相Iu和Iv由式2表示。
Iu＝Iv＝∫Vs(t)dt/(3Lc+3Lm－2Ls) (式2)
若求短路相与非短路相的电流比例，则如式3所示，为不随时间t 变化的定值。
Iu/Iw＝Iv/Iw＝Ls/(3Lc+3Lm－2Ls) (式3)
在此，在电缆上存在对地短路的情况下，由于Ls＜Lc，因此Iu/Iw ＝Iv/Iw＜1，即Iu＝Iv＜Iw，对地短路相的电流必然比非对地短路相的 电流大。由此可知，只要找出三相中电流最大的相，可知其为对地短 路相。
在对地短路点SH在电动机电缆的终端的情况下，Ls＝Lc。此时的 电流比例为式4所示。
Iu/Iw＝Iv/Iw＝Ic/(Lc+3Lm) (式4)
这种情况下也是Iu/Iw＝Iv/Iw＜1，即Iu＝Iv＜Iw，对地短路相的 电流必然比非对地短路相的电流大。
此外，在图6中对地短路点SH在电缆上，而在电动机内部绕组也 可以说是同样的。对地短路点SH在电动机内部绕组的情况下，有Lc ＜Ls＜Lc+Lm。在该Lc的条件下也是Iu/Iw＝Iv/Iw＜1，即Iu＝Iv＜Iw， 对地短路相的电流必然比非对地短路相的电流大。
此外，图7所示的电流通路的等价电路也与图8相同。电流Iu、 Iv、Iw的流向虽然相反，但结果上可以说与上述说明相同。
而在电流比例计算S112中，为了测得足以用于计算的电流，成功 进行电流比例的计算，变压器TRN的三相输出的对地电压至少有一个 必须为正。此外，在电流比例计算S115中，为了测得足以用于计算的 电流，成功进行电流比例的计算，变压器TRN的三相输出的对地电压 至少有一个必须为负。
图9是三相输出端子中一个接地后作为相电压Vac的变压器的等 价电路。此时，输出为开路状态的变压器TRN的次级侧三相输出R、S、T相的对地电压如图10所示。f0为交流电源的基本频率，通常为 数10Hz左右。交流电源电压的一个周期(＝1/f0)中，存在三相中有一个以上对地电压为正的相的期间Ta和三相中有一个以上对地电压为 负的相的期间Tb。在期间Ta中使上臂开关导通并执行电流比例计算 S112的情况下，可测得足够大的电流，使电流比例计算成功。此外， 在期间Tb中使下臂开关导通并执行电流比例计算S115的情况下，可 测得足够大的电流，使电流比例计算成功。期间Ta与期间Tb在交流 电源的一个周期中为互补的关系，因此如图3所示的流程那样，通过 连续地使上臂开关导通进行电流比例计算S112和使下臂开关导通进行 电流比例计算S115，在任意时刻都能够使电流比例计算成功。
图11是中性点接地后的作为相电压Vac的变压器的等价电路。此 时，输出为开路状态的变压器TRN的次级侧三相输出R、S、T相的对 地电压如图12所示。在任意时刻，三相中有一个以上对地电压为正的 相和为负的相，因此使上臂开关导通进行电流比例计算S112和使下臂 开关导通进行电流比例计算S115的任一个中都能够测得足够大的电 流，能够使电流比例计算成功。因此，如图11所示，在变压器TRN 的中性点接地的情况下，也能够按照图3所示的流程计算电流比例， 省略处理S111～S113或处理S114～S116即可。
图13表示控制电路105内的对地短路位置判断部123中所用的判 断方法。对地短路位置判断部123输入来自电流比例计算部121的电 流比例Imin/Imax、对地短路相编号SP以及来自电感值存储部122的 电动机电缆电感Lc和电动机内绕组电感值Lm。对地短路位置判断部 123基于上述式4，在电流比例Imin/Imax比Lc/(Lc+3Lm)小时判断 为电缆上的对地短路，在比Lc/(Lc+3Lm)大时判断为电动机中的对 地短路。进一步地，通过Imin/Imax的值来详细地判断，在接近0时判 断为逆变器附近的电缆对地短路，在为比Lc/(Lc+3Lm)小且与其接 近的值时判断为电动机附近的电缆对地短路，在为比Lc/(Lc+3Lm) 大且与其接近的值时判断为电动机内的端子部附近的内部绕组对地短 路，在接近1时判断为电动机内的中性点附近的内部绕组对地短路。 进一步地，根据电缆上对地短路位置Len_s/Len_c＝Imin/Imax÷(Lc/ (Lc+3Lm))*100的值，判断对地短路位置在从转换器向电动机前进 多少百分比的点上。对地短路位置判断部123将以上的判断结果和对 地短路相编号SP发送至显示器108和发送机109。
电感值存储部保存的Lc和Lm通过输入器106或接收机107事先 输入。作为输入电动机电缆的电感值Lc的替代，可为如下方法：输入 所使用的电动机电缆的电缆长度Len和电缆种类，使用与电缆种类对 应的比例系数，从电缆长度Len计算出电感值Lm。此外，作为输入电 动机内部绕组的电感值Lm的替代，还有如下方法：通过电动机正常 驱动时的自动调整(auto tuning)动作，获取电感值Lm+Lc，根据从 其减去Lc后的值求出。
图14表示显示器108的结构图。显示器108由解码器131、LED 驱动器132、两位显示的LED数码管(LED segment)133构成。从控 制电路105送来的对地短路位置判断结果和对地短路相编号由解码器 131解码为LED数码管的数字和文字的显示样式。LED驱动器132通过电流信号将解码所得的显示样式显示在LED数码管133上。
图15表示LED数码管133上显示的显示样式和对地短路位置的 对应表。(B)显示样式是将(A)代码通过七段数码管LED显示。代 码A1～A3意味着对地短路位置在电动机电缆的逆变器附近，代码 b1～b3意味着对地短路位置在电动机电缆的电动机附近，代码C1～C3意味着对地短路位置在电动机绕组上的端子附近，代码d1～d3意味着 对地短路位置在电动机绕组的中性点附近。此外，数字00～99意味着 电动机电缆上对地短路位置距离逆变器的距离。通过将图15的对应表 公布在电力转换装置的说明书或电力转换装置的侧面上，使用者可容 易地掌握代码与对地短路位置信息的对应。
图16表示发送器109的结构图。发送器109由调制器141、放大 器142、天线143构成。从控制器105发送来的对地短路位置判断结果 和短路相编号由调制器141调制，由放大器142进行电力放大，通过 天线143无线发送至外部。虽然未图示，其它设备和系统可通过接收 无线发送来的信号并解调，来获得对地短路位置判断结果和对地短路 相编号的信息。此外，可利用平板型终端，通过在平板型终端中安装 内置有图15的对应表的应用软件，能够将对地短路位置显示在平板型 终端的画面上。
图17表示开关驱动电路SDu、SDv、SDw、SDx、SDy、SDz的结 构图。开关驱动电路由逻辑电路151、栅极驱动放大器152、栅极电阻 153、比较器154、电容器155、电容器充电用电阻156、电容器放电 用开关157、二极管158、恒压源159、160构成。栅极驱动放大器152 和栅极电阻153用于所连接的开关SW的导通/关断控制。在来自控制 电路105的栅极信号GT为1的情况下，栅极驱动放大器152输出栅极 导通电压，开关SW导通，在栅极信号GT为0的情况下，栅极驱动放 大器152输出栅极关断电压，开关SW关断。栅极电阻153控制开关 速度。另一方面，比较器154、电容器155、电容器充电用电阻156、 电容器放电用开关157、二极管158、恒压源159、160构成过流检测 电路。该过流检测电流为非饱和电压检测(desaturationdetection)方式 的电路。恒压源158为过流阈值电压VT的电压源，恒流源159为比 VT高的电压Vcc的电压源。过流阈值VT为根据流过开关的电流达到 过流阈值ITH时的集电极电压决定的值。在开关SW为关断的状态下， 由于电容器放电用开关157为导通，因此比较器的输出为0。此外，在 开关SW为导通的状态下，在不产生过流的情况下，开关SW(IGBT) 的集电极的电压足够低，电容器155经二极管158放电，因此比较器 的输出为0。但在开关SW为导通的状态下，在发生过流的情况下，开 关SW(IGBT)的集电极的电压比阈值电压VT高，电容器155不放 电。电容器155通过电容器充电用电阻156的充电电流被充电，当电 容器电位超过阈值电压VT时，比较器154输出1，通过逻辑电路151 强制地切断开关。此外，短路检测作为短路检测信号DET发送给控制 电路155。如上所述，图17所示的开关驱动电路起到带过流保护功能 的栅极驱动电路的功能，在短路发生后通知控制电路105。此外，逆变 器电路104具有的6个开关、二极管、开关控制电路为同样的结构， 因此省略记号SW、DI、SD后的u、v、w、x、y、z字符进行记述。
图18中表示电流比例计算S112和S115的流程。控制电路105在 处理S121～S125中，基于电流传感器的电流值和过流检测信号来检查 电流量，分支到分支(A)、(B)、(C)、(D)。在接收到来自任一开关 驱动电路SD的过流检测信号的情况下，分支到分支(A)(S121)，在 电流测量电路111中进行各相的电流测量后(S122)，在脱离测量范围 并溢出的情况下，分支到分支(B)(S123)。测得的三相的电流中最大 的电流值达到适合于电流传感器的量程的合适电流值Ipref的情况下， 分支到分支(C)(S124)。在经过规定时间也没有达到合适电流值Ipref 的情况下，分支到分支(D)(S125)。
在分支到分支(A)的情况下，根据检测到过流的相为U、V、W 将处理分支成三个(S132)。在U相检测到过流的情况下，由于U相 为最大电流相亦即对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入 “U”，在变量Imin中输入非对地短路相的电流测量值Iw(S133u、S134u)。在V相检测到过流的情况下，由于V相为最大电流相亦即对 地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“V”，在变量Imin中 输入非对地短路相的电流测量值Iu(S133v、S134v)。在W相检测到 过流的情况下，由于W相为最大电流相亦即对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“W”，在变量Imin中输入非对地短路相的电 流测量值Iv(S133w、S134w)。在所有的情况下，变量Imax都输入过 流保护电路的阈值ITH(S135)。
在分支到分支(B)的情况下，等待直到检测出过流(S141、S142)。 在检测出过流的时刻，进入与分支(A)相同的处理S131～S135。
在分支到分支(C)的情况下，比较处理S122中的电流测量值Iu、 Iv、Iw，将处理分支成三个(S152)。在Iu为最大的情况下，由于U 相为对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“U”，在变量 Imax中输入Iu，在变量Imin中输入Iw(S153u)。在Iv为最大的情况下，由于V相为对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“V”， 在变量Imax中输入Iv，在变量Imin中输入Iu(S153v)。在Iw为最大 的情况下，由于W相为对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中 输入“W”，在变量Imax中输入Iw，在变量Imin中输入Iv(S153w)。
在分支(A)、(B)、(C)中的处理正常结束后，最后计算电流比 例Imin/Imax，使成功标志为ON并结束(S161、S162)。在分支到分 支(D)的情况下，不使成功标志为ON而结束。
此外，在所有的分支(A)、(B)、(C)、(D)中，在流程结束前令 所有的开关关断(S131、S151、S171)。
图19中表示电流增加速度不同的短路电流波形的例子。电流的增 加速度在对地电压Vtrn高的情况下和电流通路的电感小的情况下变 大，相反地在对地电压Vtrn低的情况下和电流通路的电感大的情况下 变小。
横轴为时间，数字是电流传感器的测量次数。一般地，电流传感 器中测量周期已经确定，难以比其更快地反复测量。另一方面，过流 保护电路由比较器构成，因此可进行μs级的高速过流检测。纵轴为电 流值，从上到下为过流保护电路的电流阈值ITH、电流传感器的测量 上限ILIM、合适电流值Ipref。
电流波形(A)表示在比电流传感器的测量周期更短的时间内到达 过流保护电路的阈值ITH的情况下的电流波形。由于过流保护电路在 第一次电流测量到来之前已经检测到过电流，因此图18所示的流程的 处理中通过进入分支(A)可使电流测量成功。
电流波形(B)表示在第一次电流测量中溢出的情况下的电流波形。 由于已经溢出，因此电流传感器无法进行电流测量。这种情况下，图 18所示的流程的处理中通过进入分支(B)可使电流测量成功。
电流波形(C)表示可由电流传感器测量电流的情况下的电流波形。 这种情况下，图18所示的流程的处理中通过进入分支(C)可使电流 测量成功。
电流波形(D)表示虽然可由电流传感器测量电流、但电流增加慢、 规定时间内未到达适合电流传感器量程的合适电流值Ipref的情况下的 电流波形。这种情况下，图18所示的流程的处理中通过进入分支(D)， 不进行电流测量而结束。
如上，通过在比电流传感器的测量周期更早的电流增加时使用过 流检测电路的检测信号，能够测量电流值。
【实施例2】
图20表示本发明的电力转换装置的第二实施例的结构图。与实施 例1相同的构成要素赋以相同的记号，省略其说明。电力转换装置200 在逆变器电路104与输出端子U、W之间具有测量两相的输出电流值 的两个电流传感器110u、110w以及用于计测它们的测量值的电流测量 电路211。电流传感器110u、110w测量从输出端子U、W输出的电流 值Iu、Iw，作为模拟电压或电流发送至电流测量电路211。电流测量电 路211对该模拟信息采样，数字化后发送至控制电路205。
控制电路205具有电流比例计算部221、电感值存储部222、对地 短路位置判断部223。电流比例计算部221就从电流测量电路211发送 来的电流值数据和来自各开关驱动电路的短路检测信号，向对地短路 位置判断部223发送最大电流相的相编号SP以及最大电流相的电流 Imax与最小电流相的电流Imin的电流比例Imin/Imax。对地短路位置 判断部基于从电流比例计算部发送来的信息SP、Imin/Imax以及电感值 存储部222保存的电动机电缆MC的电感值Lc和电动机内部绕组的电 感值Lm，推测对地短路位置，将判断结果发送至显示器108和发送机 109。
本发明的第二实施例的电力转换装置与第一实施例的电力转换装 置同样地通过图2所示的对地短路发生位置判断流程和图3所示的对 地短路电流检查流程来判断对地短路位置。然而，第二实施例的电流 波形由于仅有两个电流传感器110u和110w，所以电流比例计算流程 不同。
图21中表示本发明的第二实施例中所用的电流比例计算流程。控 制电路205在处理S221～S225中基于电流传感器的电流值和过流检测 信号来检查电流量，分支到分支(A)、(B)、(C)、(D)。在接收到来 自任一开关驱动电路SD的过流检测信号的情况下，分支到分支(A) (S221)，电流测量电路211中测量U相和W相的电流Iu、Iw后(S222)， 在脱离测量范围并溢出的情况下，分支到分支(B)(S223)。在测得的 两相的电流中最大电流值到达适合电流传感器量程的合适电流值Ipref 的情况下，分支到分支(C)(S224)。在经过规定时间未到达合适电流 值Ipref的情况下，分支到分支(D)(S225)。
在分支到分支(A)的情况下，根据检测到过流的相为U、V、W 将处理分支成三个(S232)。在U相检测到过流的情况下，由于U相 为最大电流相亦即对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入 “U”，在变量Imin中输入非对地短路相的电流测量值Iw(S233u、S234u)。在V相检测到过流的情况下，由于V相为最大电流相亦即对 地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“V”，在变量Imin中 输入非对地短路相的电流测量值Iu(S233v、S234v)。在W相检测到 过流的情况下，由于W相为最大电流相亦即对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“W”，在变量Imin中输入非对地短路相的电 流测量值Iu(S233w、S234w)。在所有的情况下，变量Imax都输入过 流保护电路的阈值ITH(S135)。
在分支到分支(B)的情况下，等待直到检测出过流(S241、S242)。 在检测出过流的时刻，进入与分支(A)相同的处理S231～S235。
在分支到分支(C)的情况下，比较处理S222中的电流测量值Iu 和Iw，将处理分支成三个(S252)。在Iu比Iw明显大的情况下，由于 U相为对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中输入“U”，在变量 Imax中输入Iu，在变量Imin中输入Iw(S253u)。在Iw比Iu明显大 的情况下，由于W相为对地短路相，在表示对地短路相的变量SP中 输入“W”，在变量Imax中输入Iw，在变量Imin中输入Iu(S253w)。 在Iu与Iw为相同程度的情况下，V相为对地短路相。但由于V相没 有电流传感器，等待直到V相电流被过流检测电路进行过流检测，通 过对V相电流达到阈值ITH时的Iu、Iw重新进行采集，能够获取电流 比例。因此，在Iu与Iw为相同程度的情况下，合并到从分支(B)开 始的分支，转移到等待至检测到过流的处理(S241、S242)。在检测出 过流的时刻，进入与分支(A)相同的处理S231～S235。
在分支(A)、(B)、(C)中的处理正常结束后，最后计算电流比 例Imin/Imax，使成功标志为ON并结束(S261、S262)。在分支到分 支(D)的情况下，不使成功标志为ON而结束。
此外，在所有的分支(A)、(B)、(C)、(D)中，在流程结束前令 所有的开关关断(S231、S254、S271)。
通过如上所述的电流比例计算流程，不使用V相的电流值Iv，仅 用电流传感器110u和110w测得的电流值Iu和Iw的值可求出电流比 例Imax/Imin。
【其它对地短路位置判断流程】
本发明的第二实施例的电力转换装置可通过与图2所示的对地短 路发生位置判断流程不同的对地短路发生位置判断流程来判断对地短 路位置。
图22中表示本发明的第二实施例的对地短路方式位置判断的其它 流程。图22的流程通过伴随对地短路发生的保护电路获得的过流检测 信号而开始。控制电路205将发出检测信号的保护电路所在的相判断 为对地短路相，在电流比例计算部221中，在变量SP中保存对地短路 相编号信息“U”、“V”、“W”的其中之一。之后，控制电路205执行 电动机停止措施(S301)。具体地，通过使逆变器电路104的所有开关 关断，停止对电动机的电力供应，等待直到电流测量电路211中测得 的所有相的电流值为0。
在电动机停止后，控制电路205执行对地短路电流的检查，电流 比例计算部221输出电流比例Imin/Imax和最大电流相(S302)。在此， 执行后述图23所示的对地短路电流检查的流程。之后，基于这些信息 以及电感值存储部223保存的电动机电缆MC的电感值Lc和电动机内 部绕组的电感值Lm，推测对地短路位置，将判断结果发送至显示器 108和发送机109(S304)。
图23表示图22中执行的对地短路电流检查的流程。控制电路205 的处理开始时根据变量SP的相编号而分支成三个(S311)。
在处理S311的分支中变量SP的相编号为“U”的情况下，控制电 路205使所有相的上臂的开关SWu、SWw导通(S312u)。之后，基于 电流测量电路211中测得的电流值和过流保护电路的检测信号来计算 电流比例Imin/Imax。在测得足以用于计算的电流、电流比例的计算成 功的情况下结束流程(S313u、S314u)。在U-W间电流比例计算S313u 中无法测得足够大的电流的情况下，在先使所有开关关断后，再令下 臂的开关SWx、SWz导通(S315u)。之后，基于电流测量电路211测 得的电流值和过流保护电路的检测信号，计算电流比例Imin/Imax。计 算中可测得足够大的电流、电流比例的计算成功的情况下，结束流程 (S316u、S317u)。
在处理S311的分支中变量SP的相编号为“V”的情况下，控制电 路205使所有相的上臂的开关SWv、SWw导通(S312v)。之后，基于 电流测量电路211中测得的电流值和过流保护电路的检测信号来计算 电流比例Imin/Imax。在测得足以用于计算的电流、电流比例的计算成 功的情况下结束流程(S313v、S314v)。在V-W间电流比例计算S313v 中无法测得足够大的电流的情况下，在先使所有开关关断后，再令下 臂的开关SWy、SWz导通(S315v)。之后，基于电流测量电路211测 得的电流值和过流保护电路的检测信号，计算电流比例Imin/Imax。计 算中可测得足够大的电流、电流比例的计算成功的情况下，结束流程 (S316v、S317v)。
在处理S311的分支中变量SP的相编号为“W”的情况下，控制 电路205使所有相的上臂的开关SWu、SWw导通(S312w)。之后， 基于电流测量电路211中测得的电流值和过流保护电路的检测信号来 计算电流比例Imin/Imax。在测得足以用于计算的电流、电流比例的计 算成功的情况下结束流程(S313w、S314w)。在W-U间电流比例计算 S313w中无法测得足够大的电流的情况下，在先使所有开关关断后， 再令下臂的开关SWx、SWz导通(S315w)。之后，基于电流测量电路 211测得的电流值和过流保护电路的检测信号，计算电流比例Imin/Imax。计算中可测得足够大的电流、电流比例的计算成功的情况 下，结束流程(S316w、S317w)。
在U-W间电流比例计算S316u、V-W间电流比例计算S316v、W-U 间电流比例计算S316w中无法测得足够大的电流时，等待一定时间 (S318)。之后从最初重新开始流程。
图24表示电流比例计算S313u及其前后开关的状态和输出电流波 形的例子。时刻t1中使上臂开关SWu、SWw导通后，在U相和W相 的输出产生流出电流。电流随着时间增加，而发生对地短路的U相的 电流相比未发生的W相的电流增加得更快，结果是持续为发生对地短 路的U相的电流相比未发生的W相的电流更大的状态。该状态持续至 时刻t2中所有开关关断为止。
图25表示电流比例计算S316u及其前后开关的状态和输出电流波 形的例子。时刻t3中使下臂开关SWx、SWz导通后，在U相和W相 的输出产生流入电流。电流随着时间增加，而发生对地短路的U相的 电流相比未发生的W相的电流增加得更快，结果是持续为发生对地短 路的U相的电流相比未发生的W相的电流更大的状态。该状态持续至 时刻t4中所有开关关断为止。
图26表示图24所示的时刻t1至t2之间电流的电流通路的例子。 图26中，作为例子展示了W相的电动机电缆上(对地短路点SH)发 生对地短路的状况。产生电流的电动势为变压器的输出(次级侧)的 对地电压Vtrn。变压器的输出为三相，但由于整流器电路102的二极 管，电流从对地电压Vtrn为正的相流入。在存在多个对地电压Vtrn为 正的相的情况下，电流从多个相流入，但图26为了说明的简化，仅记 载一相的变压器TRN、电源电缆TC和整流器电路102的二极管。从 变压器TRN供应并经整流器102的二极管流入的电流经节点P，通过导通状态的逆变器电路104内的两个上臂开关SWu、SWw被分流为两 股电流。分流后的电流经输出端子U、W在对地短路点SH汇流。汇 流后的电流流过大地ET，返回变压器TRN。
图27中表示图25的时刻t3至t4之间的电流的电流通路的例子。 图27中，作为例子展示了W相的电动机电缆上(对地短路点SH)发 生对地短路的状况。产生电流的电动势为变压器的输出(次级侧)的 对地电压Vtrn。变压器的输出为三相，但由于整流器电路102的二极 管，电流从整流器电路102流入到变压器TRN的对地电压为负的相。 在存在多个对地电压Vtrn为负的相的情况下，电流流入到多个相，但 图27为了说明的简化，仅记载一相的变压器TRN、电源电缆TC和整 流器电路102的二极管。从变压器TRN流出的电流流过大地ET，到达对地短路点SH，之后分流成两股，流入输出端子U、W。分流后的 电流流过导通状态的逆变器电路104内的两个下臂开关SWx、SWz， 在节点N汇流，并返回整流器电路102。
图28中表示图26所示的电流通路的等价电路。Vtrn为变压器TRN 的输出的对地电位，Lp为大地ET、变压器TRN、电源电缆TC的各电 感的串联电感(各电感的合计)。如图26所示，Lc和Lm分别为电动 机电缆的电感和电动机内绕组的电感。进一步地，如图26所示，Ls为输出端子W与接地位置SH的电感。
短路相Iw由式5表示。
Iw＝∫Vs(t)dt/Ls (式5)
在此，Vs(t)为端子U、W与对地短路点SH之间的电压。另一 方面，非短路相Iu和Iv由式6表示。
Iu＝∫Vs(t)dt/(2Lc+2Lm－Ls) (式6)
若求短路相与非短路相的电流比例，则如式7所示，为不随时间t 变化的定值。
Iu/Iw＝Ls/(2Lc+2Lm－Ls) (式7)
在此，在电缆上存在对地短路的情况下，由于有Ls＜Lc，因此Iu/Iw ＜1，即Iu＜Iw，对地短路相的电流必然比非对地短路相的电流大。由 此可知，只要找出三相中电流最大的相，可知其为对地短路相。
在对地短路点SH在电动机电缆的终端的情况下，Ls＝Lc。此时的 电流比例为式8所示。
Iu/Iw＝Iv/Iw＝Ic/(Lc+2Lm) (式8)
这种情况下也是Iu/Iw＜1，即Iu＜Iw，对地短路相的电流必然比 非对地短路相的电流大。
此外，在图26中对地短路点SH在电缆上，而在电动机内部绕组 也可以说是同样的。对地短路点SH在电动机内部绕组的情况下，有 Lc＜Ls＜Lc+Lm。在该Lc的条件下也是Iu/Iw＜1，即Iu＜Iw，对地 短路相的电流必然比非对地短路相的电流大。
此外，图27所示的电流通路的等价电路也与图28相同。电流Iu、 Iw的流向虽然相反，但结果上可以说与上述说明相同。
以上的图26～图28相关的说明是针对电流比例计算S313u、S316u 的说明，但针对电流比例计算S313v、316v、S313w、S316w，仅是使 开关导通的相和电流流过的相不同，动作原理相同，结果上可以说与 上述说明相同。
图29表示控制电路205内的对地短路位置判断部223中使用的判 断方法。对地短路位置判断部223输入来自电流比例计算部221的电 流比例Imin/Imax、对地短路相编号SP以及来自电感值存储部222的 电动机电缆电感Lc和电动机内绕组电感值Lm。对地短路位置判断部 223基于上述式8，在电流比例Imin/Imax比Lc/(Lc+2Lm)小时判断 为电缆上的对地短路，在比Lc/(Lc+2Lm)大时判断为电动机中的对 地短路。进一步地，通过Imin/Imax的值来详细地判断，在接近0时判 断为逆变器附近的电缆对地短路，在为比Lc/(Lc+2Lm)小且与其接 近的值时判断为电动机附近的电缆对地短路，在为比Lc/(Lc+2Lm) 大且与其接近的值时判断为电动机内的端子部附近的内部绕组对地短 路，在接近1时判断为电动机内的中性点附近的内部绕组对地短路。 进一步地，根据电缆上对地短路位置Len_s/Len_c＝Imin/Imax÷(Lc/ (Lc+2Lm))*100的值，判断对地短路位置在从转换器向电动机前进 多少百分比的点上。对地短路位置判断部223将以上的判断结果和对 地短路相编号SP发送至显示器108和发送机109。
图30表示图23中记载的U-W间电流比例计算S313u和S316u的 流程。控制电路205在处理S321～S325中，基于电流传感器的电流值 和过流检测信号来检查电流量，分支到分支(A)、(B)、(C)、(D)。 在接收到来自U相的驱动电路SD的过流检测信号的情况下，分支到分支(A)(S321)，在电流测量电路211中测量U相和W相的电流Iu、 Iw后(S322)，在脱离测量范围并溢出的情况下，分支到分支(B) (S323)。在测得的电流值Iu到达适合电流传感器量程的合适电流值 Ipref的情况下，分支到分支(C)(S324)。在经过规定时间未到达合 适电流值Ipref的情况下，分支到分支(D)(S325)。
在分支到分支(A)的情况下，在变量Imin中输入非对地短路相 的电流测量值Iw，在变量Imax中输入过流保护电路的阈值ITH(S332、 S333)。
在分支到分支(B)的情况下，等待直到检测出过流(S341、S342)。 在检测出过流的时刻，进入与分支(A)相同的处理S331～S333。
在分支到分支(C)的情况下，将处理S322中测得的电流值Iw代 入变量Imin中，将电流值Iu代入变量Imax中(S351)。
在分支(A)、(B)、(C)中的处理正常结束后，最后计算电流比 例Imin/Imax，使成功标志为ON并结束(S361、S362)。在分支到分 支(D)的情况下，不使成功标志为ON而结束。
此外，在所有的分支(A)、(B)、(C)、(D)中，令所有的开关关 断直到流程结束(S331、S352、S371)。
图23中记载的W-U间电流比例计算S313w和S316w的流程为图 30的流程的U相与W相交换后的流程，即Iu与Iw交换后的流程。
图31表示图23记载的V-W间电流比例计算S313v和S316v的流 程。由于V相没有电流传感器，图31的流程中等待直到V相电流被 过流检测电路进行过流检测，通过测量V相电流达到阈值ITH时的Iv， 能够获取电流比例。
控制电路205在通过V相过流检测电路检测到过流的情况下，马 上测量电流值Iw，代入变量Imin。在变量Imax中代入过流保护电路 的阈值ITH(S392、S393)，之后计算电流比例Imin/Imax，使成功标 志为ON并结束(S394、S395)。此外，在经过规定时间也未检测到过流的情况下结束。此外，令所有的开关关断直到流程结束(S383、S391)。
通过上述图30、图31所示的电流比例计算流程，不使用V相的 电流值Iv，仅用电流传感器110u和110w测得的电流值Iu和Iw的值 可求出电流比例Imax/Imin。
【实施例3】
图32表示本发明的电力转换装置的第三实施例的结构图。与实施 例1相同的构成要素附以相同记号并省略其说明。本实施例中输入单 相电力。用于输入交流电力并向电动机供应电力的整流器电路302由 四个二极管构成，将从输入端子R、S输入的单相交流电力转换成直流 电力并输出到平滑用电容器103的两个电极。通过整流器电路302的 二极管的整流作用，产生节点P侧的直流电压线路为正电压、节点N 侧的直流电压线路为负电压的直流电压Vdc。平滑用电容器103在节 点P和N上连接到直流电压线路，对线路间的电压进行平滑化。逆变 器电路104将直流电力转换成由于驱动电动机的交流电力并输出到输 出端子U、V、W。
电力转换装置300的输出端子U、V、W上连接了三条电动机电 缆MCu、MCv、MCw，其前端连接了三相电动机MT。另一方面，电 力转换装置300的输入端子R、S上连接了两条电源电缆TC，其前端 连接到变压器TRN的次级侧。变压器TRN内部或电缆TC的其中之一 连接到大地ET或接地的线路上。
本发明的第三实施例的电力转换装置与第一实施例的电力转换装 置同样地通过图2所示的对地短路发生位置判断流程和图3所示的对 地短路电流检查流程来判断对地短路位置。但第三实施例的电力转换 装置输入的不是三相交流电力而是单相交流电力。因此，在图3的电 流比例计算S112和S115中，可测得足以计算的电流以使电流比例计 算成功的条件不同。
电流比例计算S112中，为了测得足以计算的电流、使电流比例计 算成功，变压器TRN的单相输出的对地电压中需要至少有一个为正。 此外，在电流比例计算S115中，为了能够测得足以计算的电流、使电 流比例计算成功，变压器TRN的单相输出的对地电压中需要至少有一 个为负。
图33是单相输出端子中一个接地后的作为相电压Vac的变压器的 等价电路。此时，输出为开路状态的变压器TRN的次级侧三相输出R、 S相的对地电压如图34所示。f0为交流电源的基本频率，通常为数十 Hz左右。在交流电源电压的一个周期(＝1/f0)中，存在三相中一个 以上对地电压为正的相的期间Ta和三相中一个以上对地电压为负的相 的期间Tb。如果在期间Ta中使上臂开关导通执行电流比例计算S112， 则能够测得足以计算的电流、使电流比例计算成功。如果在期间Tb中 使下臂开关导通执行电流比例计算S115，则能够测得足以计算的电流、 使电流比例计算成功。而在时刻tc0～tc3的电压过零点附近，由于R相 和S相的电压基本为0，在tc0～tc3时刻附近，存在电流比例计算S112 和S115两个都不成功的情况。因此，在图3的对地短路电流检查流程 的处理中，通过一定时间等待S117，在避开tc0～tc3的时刻再次实施电 流比例计算S112和S115。进一步地，通过使等待时间为1/(4·f0)， 由于在第二次电压过零后1/(4·f0)后的时刻电压最大，因此可成为适 合再次的电流比例计算的条件。
图35是中性点接地后的作为相电压Vac的变压器的等价电路。此 时，输出为开路状态的变压器TRN的次级侧三相输出R、S相的对地 电压如图34所示。
除了时刻tc0～tc3的电压过零点附近，存在一个以上的对地电压为 正的相和为负的相，因此在使上臂开关导通的电流比例计算S112和使 下臂开关导通的电流比例计算S115中都能够测得足够大的电流、使电 流比例计算成功。而在时刻tc0～tc3的电压过零点附近，由于R相和S 相的电压基本为0，在tc0～tc3时刻附近，存在电流比例计算S112和S115两个都不成功的情况。因此，在图3的对地短路电流检查流程的 处理中，通过一定时间等待S117，在避开tc0～tc3的时刻再次实施电流 比例计算S112和S115。进一步地，通过使等待时间为1/(4·f0)，由 于在第二次电压过零后1/(4·f0)后的时刻电压最大，因此可成为适合 再次的电流比例计算的条件。
【本发明的应用例】
图37是表示将本发明应用于工业用逆变器的例子的图。本发明的 电力转换装置501和驱动用电动机MT之间连接了电动机电缆MC。电 力转换装置501通过交流电源电缆TC从外部供应电力。电动机MT用 于驱动空调机、压缩机、传送机、电梯等各种工业用设备。在电动机 MT内部或电缆MC上发生对地短路的情况下，电力转换装置501所具 有的显示器502上显示对地短路位置的信息，并且通过无线传输向外 部系统通知对地短路位置。
图38是表示将本发明应用于铁道车辆的例子的图。在铁道车辆511 的地板下设置了本发明的电力转换装置512、513。铁道车辆511的台 车514、515上具有有驱动用的电动机MT。电动机与电力转换装置通 过电动机电缆MC相连接。在电动机MT内部或电缆MC上发生对地 短路的情况下，电力转换装置512、513所具有的显示器上显示对地短 路位置的信息，并且通过无线传输向外部系统通知对地短路位置。
图39是表示将本发明应用于带电动机的汽车的例子的图。在汽车 521内部设置了本发明的电力转换装置522、523。此外，设有用于驱 动车轮524、525的电动机MT，与电力转换装置通过电动机电缆MC 相连接。在电动机MT内部或电缆MC上发生对地短路的情况下，电力转换装置522、523所具有的显示器上显示对地短路位置的信息，并 且通过无线传输向外部系统通知对地短路位置。
图40是表示显示本发明的对地短路位置判断结果的平板型终端的 例子。平板型终端551上有液晶显示画面552，通过安装的应用根据接 收到的代码在液晶显示画面552上显示对地短路发生位置信息。
【附注】
以下将本发明的实施方式作为附注进行记载。并且本发明并不限 定于以下附注。
(附注1)
一种具有由半导体形成的多个开关元件并通过它们的开关控制来 驱动由三相的电缆连接的三相电动机的电力转换装置，其具有将来自 电源的交流电力转换成直流电力的整流器电路、控制提供给上述电动 机的电流的由三个半桥电路构成的逆变器电路、用于驱动构成上述半 桥电路的多个开关元件的多个驱动电路、用于控制上述驱动电路的控 制电路、测量上述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元、 和将装置内部的状况向外部通知的信息输出单元，在检查上述电缆或 上述电动机中发生对地短路的对地短路位置时，通过使上述三个半桥 电路的上臂和下臂中的任一方的臂的多个上述开关元件同时导通来在 所连接的多条上述电缆中产生电流，测量上述开关元件同时导通的期 间或紧接其后的期间内的多个相的输出电流值，基于上述多个相的输 出电流值的最大值与最大值的电流比例来判断对地短路位置，并将上 述判断结果通知给外部。
(附注2)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：通过使上述三个半 桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个上述开关元件同时导通来 在所连接的三条上述电缆中产生电流。
(附注3)
如附注2所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个电缆的 电流测量失败的情况下，使相反侧的臂同时导通，在所连接的三条上 述电缆中产生电流。
(附注4)
如附注3所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个电缆的 电流测量失败的情况下，等待一定时间后，通过使上述三个半桥电路 的上臂和下臂中的任一方的臂的三个上述开关元件同时导通来在所连 接的三条上述电缆中产生电流。
(附注5)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：通过使上述三个半 桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个上述开关元件同时导通来 在所连接的两条上述电缆中产生电流。
(附注6)
如附注5所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个电缆的 电流测量失败的情况下，使相反侧的臂同时导通，在所连接的两条上 述电缆中产生电流。
(附注7)
如附注6所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个电缆的 电流测量失败的情况下，等待一定时间后，通过使上述三个半桥电路 的上臂和下臂中的任一方的臂的两个上述开关元件同时导通来在所连 接的两条上述电缆中产生电流。
(附注8)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：将输出电流值最大 的相判断为发生对地短路的相。
(附注9)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：上述驱动电路具有 通过上述输出电流值超过过流阈值的情况来检测过流的过流检测电 路，具有在检测到过流时自动地切断开关元件的过流保护功能。
(附注10)
如附注9所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个开关元 件导通期间的输出电流的增加速度快的情况下，将上述多个过流保护 电路中最早检测到过流的过流保护电路所在的相判断为最大电流相。
(附注11)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：具有测量三相的输 出电流量的电流传感器和读取该电流值并将各相的测量电流值发送给 上述控制电路的电流测量电路。
(附注12)
如附注11所述的电力转换装置，其特征在于：比较上述测量电流 值，从其最大值和最小值计算上述电流比例。
(附注13)
如附注11所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个开关元 件导通期间的输出电流的增加速度快的情况下，在过流检测的时刻进 行与检测出过流的相不同的相的电流测量，计算过流阈值与测量电流 值的比例作为上述电流比例。
(附注14)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：具有测量两相的输 出电流量的电流传感器和读取该电流值并将各相的测量电流值发送给 上述控制电路的电流测量电路。
(附注15)
如附注14所述的电力转换装置，其特征在于：比较上述测量电流 值，在值差异较大的情况下，从其最大值和最小值计算上述电流比例， 在值为同等程度的情况下，再次在过流检测的时刻进行与检测到过流 的相不同的相中的电流测量，计算过流阈值与测量电流值的比例作为 上述电流比例。
(附注16)
如附注14所述的电力转换装置，其特征在于：在上述多个开关元 件导通期间的输出电流的增加速度快的情况下，在过流检测的时刻进 行与检测出过流的相不同的相的电流测量，计算过流阈值与测量电流 值的比例作为上述电流比例。
(附注17)
如附注2所述的电力转换装置，其特征在于：具有保存上述电缆 的电感值信息和上述电动机的电感值信息的存储部，基于该存储信息 和上述电流比例来判断对地短路位置是在电缆上还是在电动机上。
(附注18)
如附注17所述的电力转换装置，其特征在于：上述电流比例为最 小电流值除以最大电流值所得的值，在比从上述多个电感值信息求出 的阈值小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在大的情况下判断 为在电动机上。
(附注19)
如附注18所述的电力转换装置，其特征在于：令一条电缆的电感 值为Lc、电动机一相的绕组的电感为Lc时，上述阈值为Lc+3Lm。
(附注20)
如附注19所述的电力转换装置，其特征在于：基于上述电流比例 相对于上述阈值的比例来确定电缆上和电动机上的对地短路位置。
(附注21)
如附注5所述的电力转换装置，其特征在于：具有保存上述电缆 的电感值信息和上述电动机的电感值信息的存储部，比较该存储信息 与电流比例来判断对地短路位置是在电缆上还是在电动机上。
(附注22)
如附注21所述的电力转换装置，其特征在于：上述电流比例为最 小电流值除以最大电流值所得的值，在比从上述多个电感值信息求出 的阈值小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在大的情况下判断 为在电动机上。
(附注23)
如附注22所述的电力转换装置，其特征在于：令一条电缆的电感 值为Lc、电动机一相的绕组的电感为Lc时，上述阈值为Lc+2Lm。
(附注24)
如附注23所述的电力转换装置，其特征在于：基于上述电流比例 相对于上述阈值的比例来确定电缆上和电动机上的对地短路位置。
(附注25)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：上述信息输出装置 由显示器构成，用于显示判断结果。
(附注26)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：上述信息输出单元 为发送机，将判断结果发送至装置外部。
(附注27)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：具有用于输入上述 电缆和上述电动机绕组的电感值的输入器。
(附注28)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：具有用于输入上述 电缆和上述电动机绕组的电感值的接收机。
(附注29)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：所述开关为IGBT。
(附注30)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：所述开关为MOSFET。
(附注31)
如附注1所述的电力转换装置，其特征在于：所述开关为由SiC 或GaN等宽禁带半导体形成的开关。
附图记号说明
SW、SWu、SWv、SWw、SWx、SWy、SWz……开关；DI、DIu、 DIv、DIw、DIx、DIy、DIz……二极管；SD、SDu、SDv、SDw、SDx、 SDy、SDz……开关驱动电路(驱动电路)；MC、MCu、MCv、MCw……电动机线缆；MT……电动机；TC……电源电缆；TRN……变压器； ET……大地和中性线；100……电力转换装置；102……整流器电路； 103……平滑电容器；104……逆变器电路；105……控制电路；106…… 输入器；107……接收机；108……显示器；109……发送机；110u、110v、 110w……电流传感器；111……电流测量电路；121……电流比例计算 部；123……电感值存储部；123……对地短路位置判断部；131……解 码器；132……LED驱动器；133……LED数码管；141……调制器； 142……放大器；143……天线；151……逻辑电路；152……栅极驱动 电路；153……栅极电阻；154……比较器；155……电容器；156…… 电容器充电用电阻；157……电容器放电用开关；158……二极管；159、 160……恒压源。

Claims (12)

1.一种电力转换装置，具有由半导体形成的多个开关元件，通过对所述多个开关元件进行开关控制来驱动用三相的电缆连接的三相电动机，所述电力转换装置的特征在于，包括：
将来自电源的交流电力转换成直流电力的整流器电路；
由三个半桥电路构成的逆变器电路，其控制提供给所述电动机的电流；
用于驱动构成所述半桥电路的多个开关元件的多个驱动电路；
用于控制所述驱动电路的控制电路；
测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元；和
对外部通知装置内部的状况的信息输出单元，
各个所述半桥电路的上臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，各个所述半桥电路的下臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，
在检查所述电缆或所述电动机中发生了对地短路的对地短路位置时，
所述逆变器电路使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个或两个所述开关元件同时导通来在所连接的多条所述电缆中产生电流，
所述电流测量单元测量所述开关元件同时导通的期间或紧接其后所述开关元件同时断开的期间内的多个相的输出电流值，
所述控制电路基于所述多个相中的最大电流相的电流与最小电流相的电流的电流比例来判断对地短路位置，
所述信息输出单元对外部通知所述判断结果，
所述控制电路具有保存所述电缆的电感值信息和所述电动机的电感值信息的存储部，基于其存储信息和所述电流比例来判断对地短路位置是在电缆上还是在电动机上，
所述电流比例为最小电流相的电流值除以最大电流相的电流值所得的值，令所述电缆的电感值为Lc，所述电动机的电感值为Lm，
在为了进行对地短路位置的判断而使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个开关元件导通时，在所述电流比例与Lc/(Lc+3Lm)相比较小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在较大的情况下判断为在电动机上，
在为了进行对地短路位置的判断而使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个开关元件导通时，在所述电流比例与Lc/(Lc+2Lm)相比较小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在较大的情况下判断为在电动机上。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述逆变器电路使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个所述开关元件同时导通来在所连接的三条所述电缆中产生电流。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述逆变器电路使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个所述开关元件同时导通来在所连接的两条所述电缆中产生电流。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述控制电路将输出电流值最大的相判断为发生了对地短路的相。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述多个驱动电路具有根据发生所述输出电流值超过过流阈值的情况来检测过流的多个过流检测电路，具有在检测到过流时自动地关断开关元件的过流保护功能。
6.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于：
在所述多个开关元件同时导通的期间内输出电流的增加速度快的情况下，所述控制电路将所述多个过流检测电路中最早检测到过流的过流检测电路所在的相判断为最大电流相。
7.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述电流测量单元具有测量三相的输出电流值的电流传感器和将测量得到的三相的输出电流值发送至所述控制电路的电流测量电路。
8.如权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于：
所述控制电路比较所述输出电流值，基于其最大值和最小值计算所述电流比例。
9.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
在为了进行对地短路位置的判断而使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个开关元件导通时，基于所述电流比例与Lc/(Lc+3Lm)的比值来确定电缆上和电动机上的对地短路位置，
在为了进行对地短路位置的判断而使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个开关元件导通时，基于所述电流比例与Lc/(Lc+2Lm)的比值来确定电缆上和电动机上的对地短路位置。
10.一种电力转换装置，具有由半导体形成的多个开关元件，通过对所述多个开关元件进行开关控制来驱动用三相的电缆连接的三相电动机，所述电力转换装置的特征在于，包括：
将来自电源的交流电力转换成直流电力的整流器电路；
由三个半桥电路构成的逆变器电路，其控制提供给所述电动机的电流；
用于驱动构成所述半桥电路的多个开关元件的多个驱动电路；
用于控制所述驱动电路的控制电路；
测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元；和
对外部通知装置内部的状况的信息输出单元，
各个所述半桥电路的上臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，各个所述半桥电路的下臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，
在检查所述电缆或所述电动机中发生了对地短路的对地短路位置时，
所述逆变器电路使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个或两个所述开关元件同时导通来在所连接的多条所述电缆中产生电流，
所述电流测量单元测量所述开关元件同时导通的期间或紧接其后所述开关元件同时断开的期间内的多个相的输出电流值，
所述控制电路基于所述多个相中的最大电流相的电流与最小电流相的电流的电流比例来判断对地短路位置，
所述信息输出单元对外部通知所述判断结果，
所述电流测量单元具有测量两相的输出电流值的电流传感器和将测量得到的两相的输出电流值发送至所述控制电路的电流测量电路，
所述控制电路比较所述输出电流值，在电流值的差较大的情况下，基于其最大值和最小值计算所述电流比例，在电流值为相同程度的情况下，再次在检测到过流的相被进行过流检测的时机进行与检测到过流的相不同的相中的电流测量，计算过流阈值与所述不同的相的输出电流值的比例作为所述电流比例。
11.一种连接到驱动三相电动机的电力转换装置的电缆或电动机的对地短路位置的对地短路位置判断方法，其特征在于：
所述电力转换装置包括：
将来自电源的交流电力转换成直流电力的整流器电路；
由三个半桥电路构成的逆变器电路，其控制提供给所述电动机的电流；
用于驱动构成所述半桥电路的多个开关元件的多个驱动电路；
用于控制所述驱动电路的控制电路；和
测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元，
各个所述半桥电路的上臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，各个所述半桥电路的下臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，
所述对地短路位置判断方法包括：
使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个或两个所述开关元件同时导通来在所连接的多条所述电缆中产生电流的步骤；
测量所述开关元件同时导通的期间或紧接其后所述开关元件同时断开的期间内的多个相的输出电流值的步骤；
基于所述多个相中的最大电流相的电流与最小电流相的电流的电流比例来判断对地短路位置的步骤，
所述控制电路具有保存所述电缆的电感值信息和所述电动机的电感值信息的存储部，在所述判断对地短路位置的步骤中，基于所述存储部的存储信息和所述电流比例来判断对地短路位置是在电缆上还是在电动机上，
所述电流比例为最小电流相的电流值除以最大电流相的电流值所得的值，令所述电缆的电感值为Lc，所述电动机的电感值为Lm，
在所述判断对地短路位置的步骤中，使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个开关元件导通时，在所述电流比例与Lc/(Lc+3Lm)相比较小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在较大的情况下判断为在电动机上，使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个开关元件导通时，在所述电流比例与Lc/(Lc+2Lm)相比较小的情况下判断为对地短路位置在电缆上，在较大的情况下判断为在电动机上。
12.一种连接到驱动三相电动机的电力转换装置的电缆或电动机的对地短路位置的对地短路位置判断方法，其特征在于：
所述电力转换装置包括：
将来自电源的交流电力转换成直流电力的整流器电路；
由三个半桥电路构成的逆变器电路，其控制提供给所述电动机的电流；
用于驱动构成所述半桥电路的多个开关元件的多个驱动电路；
用于控制所述驱动电路的控制电路；和
测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元，
各个所述半桥电路的上臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，各个所述半桥电路的下臂均由一个开关元件和一个二极管反并联构成，
所述对地短路位置判断方法包括：
使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个或两个所述开关元件同时导通来在所连接的多条所述电缆中产生电流的步骤；
测量所述开关元件同时导通的期间或紧接其后所述开关元件同时断开的期间内的多个相的输出电流值的步骤；和
基于所述多个相中的最大电流相的电流与最小电流相的电流的电流比例来判断对地短路位置的步骤，
令所述电缆的电感值为Lc，所述电动机的电感值为Lm，
在所述判断对地短路位置的步骤中，使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的三个开关元件导通时，比较Lc/(Lc+3Lm)与所述多个相的输出电流值的最小值和最大值的电流比例，来判断对地短路位置，使所述三个半桥电路的上臂和下臂中的任一方的臂的两个开关元件导通时，比较Lc/(Lc+2Lm)与所述多个相的输出电流值的最小值和最大值的电流比例，来判断对地短路位置。
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