JP2006054943A - 電力変換装置及びその故障診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイオードのオープン故障を比較的簡単な構成で確実に検出することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】 変換アームをブリッジ構成し、誘導性の負荷２に電力を供給する電力変換回路１と、電流検出器３と、ゲート出力制御手段６とを備えた電力変換装置において、測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子と、異相で同極性の変換アームのスイッチング素子をオンする第１のゲートオン手段と、一方の測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子をオフし、他方のスイッチング素子のオンを継続する第２のゲートオン手段と、第１のゲートオン手段が動作して所定時間後の出力電流が所定値より大きいとき、第２のゲートオン手段へ移行し、第２のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記出力電流が所定値より小さいとき、前記測定対象ダイオードはオープン故障していると判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機のような誘導性の負荷に必要な電力を供給する電力変換装置及びその故障診断方法に関する。

一般に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置として、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを主回路のひとつの変換アームとし、これをブリッジ接続した逆変換回路で構成される電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、スイッチング素子を所定のパターンでオン・オフさせることにより、所定の交流電力を得ることができる。

このような電力変換装置の逆変換回路を構成するスイッチング素子が、オープンモードで故障を起こしている場合、該当するスイッチング素子は通電することができないため、結果として所定の交流電力を出力することができない。このオープン故障を事前に検出することのできる電力変換装置として多くの提案が為されているが、スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードのオープン故障を検出することが可能な電力変換装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１６３１５５号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、運転中の出力電流波形を検出し、この波形の変化を所定の判定基準により抽出することにより正側または負側のスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードがオープン故障を起こしているかどうかを判定するようにしている。

しかしながら、この電流波形に着目してダイオードのオープン故障を検出する手法は、検出対象変換アーム毎に設ける検出回路が複雑になるばかりでなく、負荷の力率が比較的良い状態での検出が困難になるなどその検出信頼性が問題となる場合があった。また、特許文献１に示された手法は電力変換装置を実運転して故障デバイスの検出を行っているが、故障デバイス発見のニーズはむしろ運転前であることが多いのが実情であった。

従って、本発明は上記問題を鑑み、ダイオードのオープン故障を比較的簡単な構成で且つ運転前に確実に検出することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置及びその故障診断方法は、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとから成る変換アーム複数個をブリッジ構成し、誘導性の負荷に電力を供給する電力変換回路と、前記電力変換回路の出力電流を検出する電流検出器と、前記スイッチング素子のゲートにオンまたはオフパルスを供給するゲート出力制御手段とを備えた電力変換装置において、測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子と、前記測定対象ダイオードと異なる相で同極性の変換アームのスイッチング素子をオンする第１のゲートオン手段と、この第１のゲートオン手段でオンしたスイッチング素子のうち一方の前記測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子をオフし、他方のスイッチング素子のオンを継続する第２のゲートオン手段と、前記第１のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記力電流が所定値より大きいとき、前記第１のゲートオン手段から前記第２のゲートオン手段へ移行する移行手段とを有し、前記第２のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記出力電流が所定値より小さいとき、前記測定対象ダイオードはオープン故障していると判定するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、電力変換装の変換アームを構成するスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードのオープン故障を、比較的簡単な構成で且つ運転前に確実に検出することが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図１及び図２を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明に係る電力変換装置のブロック構成図である。図示しないコンバータ部からの直流入力を受け、電力変換回路１はこれを交流に変換して電動機２を駆動している。

電力変換回路１は、入力側に設けられた平滑コンデンサ１１と、ブリッジ接続された変換アームＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２により構成されており、夫々の変換アームは自己消弧型のスイッチング素子にダイオードを逆並列接続して構成している。

電力変換回路１の出力電流は電流検出器３で検出されており、電流検出器３の出力は詳細を後述する故障診断用ゲート指令回路４と故障判定回路５に与えられている。尚、電流検出器３はＵ相電流とＷ相電流を検出するように図示してあるが、２つの相の電流を検出していれば相は何れであっても良い。

故障診断用ゲート指令回路４で選択されたゲート指令はゲート出力回路６を介して変換アームＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２のスイッチング素子のゲートに供給される。尚、通常運転時には、図示しない制御部からのゲート信号がゲート出力回路６を介して変換アームＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２のスイッチング素子のゲートに供給される。尚、変換アームＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２のスイッチング素子が並列構成されている場合には上記ゲート指令は並列構成されたスイッチング素子に同時に供給する。

以下、故障診断用ゲート指令回路４の内部構成とその動作について説明する。

故障診断には、第１ステージと第２ステージがある。測定対象のダイオードが選択されると、まず第１ステージ用オン素子選択テーブル４１により、測定対象ダイオードに関連付けられた２つのスイッチング素子が選択され、切換器４２を介してゲート出力制御回路６にオン指令が出力される。この選択されたスイッチング素子のオンにより電力変換回路１から電動機２へ電流が流れ、電流検出器３からのフィードバック電流を受けたステージ切換回路４３が所定値以上の電流を検出すると、切換器４２は第２ステージ用オン素子選択テーブル４４を選択する。尚ステージ切換回路４３はＵ相電流とＷ相電流の何れかが所定値以上になったかどうかを検出するようにしている。これは故障判定回路５の場合も同様である。

この第２ステージ用オン素子選択テーブル４４によって、第１ステージでオンしていたスイッチング素子の組合せのうち、１つをオフするように切換器４２を介してゲート出力制御回路６に指令を出力する。１つのスイッチング素子がオフすることにより、通電電流を遮断するが、電動機２のインダクタンス成分により、通電を継続しようとするため、オフしたスイッチング素子の変換アームと同相逆極性の変換アームのダイオードを通って、還流電流が流れる。

従って、測定対象のダイオードが健全な場合、第２ステージに移行したときにこの還流電流を電流検出器３で検出し、故障判定回路５で判定することが可能となる。

以上概略説明した故障診断の方法について図２を参照して更に詳しく説明する。図２は本発明に係る電力変換装置の故障診断方法のフローチャートである。

先ず、測定対象のダイオードをＤ（１）とする（ステップＳＴ１）。図１に示した変換アーム構成の場合、例えばダイオードＤ（１）は変換アームＵ１を構成するダイオードとする。

次に前述の第１ステージ用オン素子選択テーブル４１により、ダイオードＤ（１）と同相逆極性の変換アームのスイッチング素子とダイオードＤ（１）と異なる相の同極性の変換アームのスイッチング素子を選択し。ゲートをオンする（ステップＳＴ２）。即ち、ダイオードＤ（１）が変換アームＵ１を構成するダイオードであれば、変換アームＵ２及びＶ１のスイッチング素子が選択されてオンすることになる。尚、変換アームＶ１に代えて変換アームＷ１を選択しても良い。

この状態で出力電流を図１に示した電流検出器３で検出し（ステップＳＴ３）、図１に示したステージ切換回路４３によりこの電流が所定値以上流れたかどうかチェックする（ステップＳＴ４）。

ステップＳＴ４において出力電流が所定値以下であれば、所定の時間か経過したかどうかチェックし（ステップＳＴ５）、所定時間が経過していなければ、再度ステップＳＴ３、ＳＴ４で電流検出を行い、この電流が所定値以上かどうかの判定を行う。所定時間が経過し、測定タイムアウトとなった場合には、電流検出器異常と判断し（ステップＳＴ６）、故障診断を終了する。

ステップＳＴ４において出力電流が所定値以上であれば、第２ステージ用オン素子選択テーブル４４によりダイオードＤ（１）と同相逆極性の変換アームのスイッチング素子をオフする（ステップＳＴ７）。更に所定時間後の出力電流を図１に示した電流検出器３で検出し（ステップＳＴ８）、図１に示した故障判定回路５によりこの電流が所定値以上流れたかどうかチェックする（ステップＳＴ９）。

ダイオードＤ（１）が正常であれば、電動機２のインダクタンス成分により、ダイオードＤ（１）と異なる相の同極性の変換アームのスイッチング素子とダイオードＤ（１）とで還流回路が形成され、電流は流れ続ける。従って、ステップＳＴ９による判定結果がＹＥＳであれば、ダイオードＤ（１）は正常と判断できる。逆にダイオードＤ（１）がオープン故障していれば、上記の還流回路は形成されないので、ステップＳＴ９による判定結果はＮＯとなり、ダイオードＤ（１）はオープン故障と判断できる（ステップＳＴ１１）。

最後に全ダイオードＤ（ｎ）についての診断が終了したかどうかチェックし（ステップＳＴ１２）、未だ診断すべきダイオードが残っていれば、ダイオードＤ（２）、ダイオードＤ（３）と次々に上記のステップＳＴ１からステップＳＴ１１を繰り返す。そして全てのダイオードについての故障が終了したとき故障診断が完了する。図１の電力変換回路１の例では変換アームはＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２の６個であるのでダイオードＤ（６）で全ダイオードの診断が終了する。

尚、ステップＳＴ６で、スイッチング素子をオンしても、電流検出器３からの電流フィードバックを検出することができない場合は、電力変換回路１の出力がオープンとなっている場合もあり得るが、これは常識的には考えにくいので電流検出器３の異常としている。

また、図１の例では３相の電力変換回路１の出力に電動機２を接続しているが、この電動機２が任意のインダクタンス負荷に置き換わっても良く、電力変換回路１は単相であっても良い。

更に、変換アームが多直列の電力変換回路を有する電力変換装置であっても、また３レベル以上の多レベル電力変換装置であっても本発明は有効である。これらの場合、多直列乃至多レベルを構成する複数の変換アームをひとつの変換アームと見做し、この変換アームの複数のスイッチング素子に同時にゲートパルスを与えるようにすれば良い。ただし、これらの場合の故障診断では、多直列乃至多レベルを構成する複数の変換アームの何れかのダイオードがオープン故障しているかどうかが判定可能となる。

本発明に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明に係る電力変換装置の故障診断方法のフローチャート。

符号の説明

１ 電力変換回路
２ 電動機
３ 電流検出器
４ 故障診断用ゲート指令回路
５ 故障判定回路
６ ゲート出力制御回路
４１ 第１ステージ用オン素子選択テーブル
４２ 第２ステージ用オン素子選択テーブル
４３ ステージ移行回路
４４ 切換器

Claims (3)

1. スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとから成る変換アーム複数個をブリッジ構成し、誘導性の負荷に電力を供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の出力電流を検出する電流検出器と、
   前記スイッチング素子のゲートにオンまたはオフパルスを供給するゲート出力制御手段と、
   測定対象ダイオードに応じて、特定のスイッチング素子を選択し、前記ゲート出力制御手段にオン指令を出力する故障診断用ゲート指令手段と、
   前記電流検出器によって検出された出力電流が所定値以上か否かにより測定対象ダイオードの故障診断を行う故障判定手段を備え、
   前記故障診断用ゲート指令手段は、
   前記測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子と、前記測定対象ダイオードと異なる相で同極性の変換アームのスイッチング素子をオンする第１のゲートオン手段と、
   この第１のゲートオン手段でオンしたスイッチング素子のうち一方の前記測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子をオフし、他方のスイッチング素子のオンを継続する第２のゲートオン手段と、
   前記第１のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記出力電流が所定値より大きいとき、前記第１のゲートオン手段から前記第２のゲートオン手段へ移行する移行手段と
   を有し、
   前記故障判定手段は、前記第２のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記出力電流が所定値より小さいとき、前記測定対象ダイオードはオープン故障していると判定するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとから成る変換アーム複数個をブリッジ構成し、誘導性の負荷に電力を供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の出力電流を検出する電流検出器と、
   前記スイッチング素子のゲートにオンまたはオフパルスを供給するゲート出力制御手段と、
   を備えた電力変換装置において、
   測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子と、前記測定対象ダイオードと異なる相で同極性の変換アームのスイッチング素子をオンし、所定時間後の前記出力電流が所定値より大きいとき、前記測定対象ダイオードと同相で逆極性の変換アームのスイッチング素子をオフし、更に所定時間後の前記出力電流が所定値より小さいとき、前記測定対象ダイオードはオープン故障していると判定するようにしたことを特徴とする電力変換装置の故障診断方法。
3. 前記第１のゲートオン手段が動作して所定時間後の前記出力電流が所定値より小さいとき、前記電流検出器が異常であると判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
   
   

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