JP2006217772A - マトリックスコンバータ装置の故障診断方法および故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特別な装置を必要としない低コストな構成で簡単な故障検出手順により半導体ゲートの短絡状態およびオープン状態を検出できるマトリックスコンバータの故障診断方法を提供する。
【解決手段】 マトリクスコンバータにおいて故障診断時におけるゲート駆動の診断パターンとその際の入出力の電圧検出結果を比較するチェック・パターンを用いて、通常の回路に特別な故障診断回路を加えることなくパワー部（半導体素子）の故障を判断し、その故障箇所を特定するという手順で処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータを駆動するマトリックスコンバータ方式のドライブ装置の故障診断方法に関する。

従来のインバータ等のドライブ装置では、装置の入出力や各パワーモジュール単位に特別な故障診断用の回路を用意し故障診断している（例えば、特許文献１参照）。また、動作環境についてＰＷＭインバータとマトリックスコンバータは相似点が多いので、従来技術として多重型のマトリックス・コンバータの故障診断例が無いので、特許文献１の多重型のＰＷＭインバータを例に挙げる。
図６において、１１１は定電流源であり故障診断のために用意されている。１１２はゲート駆動電源、１１３は故障検出表示回路でありこれらも故障診断のためだけに通常以外の特別な故障診断用の回路構成を持つ。
このような構成で、故障判定表示回路１１３の指示を受けた制御回路の指令信号により各インバータユニットの各半導体素子Ｑ１〜Ｑ４に対するゲート信号を全てオフにして、各ゲート駆動電源１１２の出力するゲート駆動電力値が正常かを故障判定表示回路１１３で行う。異常時には各ゲート駆動電源１１２、各ゲート駆動回路、又は信号線の接触不良が発生しているとして故障箇所のインバータ・ユニットの特定を行う。同様にして、各半導体素子Ｑ１〜Ｑ４に対しゲート駆動信号を全てＯＮにした状態で、各ゲート駆動電源１１２の出力するゲート駆動電力値の適否を故障判定表示回路１１３で行い、短絡状態にある半導体素子を有するインバータユニットを特定する。
また、各半導体素子Ｑ１〜Ｑ４に対しそのゲート駆動信号を全てオフにして、各コンデンサに対して定電流源１１１より所定の充電を行い、充電所要時間の適否を故障判定表示回路１１３により判定し、充電不能でその所要時間が長い場合は当インバータユニットの同相上下アームの同時短絡と判定する等の故障診断を行う。
このように、従来のインバータ等のドライブ装置では、特別な回路を追加して故障診断する、という手順がとられていた。
特願平４−３１５４４５（図１）

従来のインバータ等のドライブ装置の故障診断方法では、定電流源、故障判定表示回路、ゲート駆動電源等の特別な回路構成を持ち故障診断を行うという手順をとって、半導体ゲートの短絡状態を判定して故障検出しているので、必要以上にコストが掛かってコストダウンが難しく、コンパクト化できないという問題があった。
また、故障検出方法としては、半導体ゲートの故障検出では短絡状態のみを検出して故障素子の特定を行っているので、その他の、例えば、半導体ゲートのオープン状態等の故障検出はできないという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、通常以外の回路構成を持たせることなく故障診断することによりコストダウンを行い、コンパクト化することが可能で、故障診断方法も半導体ゲートの短絡状態だけではなくオープン状態による故障も検出できる方法により単位マトリックスコンバータ単位に順にリレー式に診断することによって安全で迅速な診断が可能になるマトリックスコンバータの故障診断方法および故障診断装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、マトリックスコンバータの主回路を構成する複数の半導体素子と、その関連部の故障診断の為の検出器とを備えた三相／単相マトリックスコンバータ装置の故障診断方法において、故障診断時に前記半導体素子を診断パターンに基きゲート駆動し、その駆動した半導体素子に対する入力電圧値とマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果が一致すれば問題なく、過大又は過少となる場合は異常と判定し、診断パターン毎における各合否判定の結果より故障した半導体素子及びその関連部の故障を特定する、という手順で処理することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のマトリックスコンバータを単位に、複数直列接続で構成する多重マトリックスコンバータにおいて、順番に全ての単位マトリックスコンバータに対して故障診断を実施することにより故障の単位マトリックスコンバータとその故障箇所を特定することを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の多重マトリックスコンバータの故障診断方法において、各単位マトリックスコンバータを順番に故障診断する故障診断時に診断パターンと前記入力電圧検出器の検出値の代わりに所定の入力電圧の位相情報とを組み合わせてタイミング良く前記半導体素子をゲート駆動し、その駆動した半導体素子に対する出力電圧の判定値と実際のマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果により各診断パターンでの正常・異常を判定し、診断パターン毎における各合否判定の結果を基に故障した半導体素子及びその関連部の故障を特定する、という手順で処理することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、前記故障診断の際に、診断パターンに基づくＰ側ゲートまたはＮ側ゲートの中の１つのゲートを駆動することにより特定の相が短絡モードとなる故障判定を、前記Ｐ側ゲートおよびＮ側ゲートの両方を駆動することにより特定の相がオープンモードとなる故障判定を行うことを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、マトリックスコンバータの主回路を構成する複数の半導体素子と、その関連部の故障診断の為の検出器とを備えた三相／単相マトリックスコンバータ装置において、入力トランスの１次側に接続して入力３相交流の位相、振幅を検出してコントローラへ送信する入力電圧検出器と、各単位マトリックスコンバータへ送出されるゲート信号により前記半導体素子をＯＮさせて出力される電圧を検出してコントローラへ送信する出力電圧検出器と、故障診断時に前記半導体素子を診断パターンに基づきゲート駆動し、該駆動した半導体素子に対する入力電圧値とマトリックスコンバータの出力電圧値を比較して比較一致すれば正常、過大または過少となる場合は異常と判定し、診断パターン毎の各合否判定の結果より故障した半導体素子およびその関連部の故障を特定するコントローラと、を備えたことを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載のマトリックスコンバータを単位に複数直列接続で構成する多重マトリックスコンバータ装置において、順番に全ての単位マトリックスコンバータに対して故障診断を実施して故障のある単位マトリックスコンバータとその故障箇所を特定するコントローラを備えたことを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項２記載の多重マトリックスコンバータ装置において、各単位マトリックスコンバータを順番に故障診断する故障診断時に診断パターンと前記入力電圧検出器の検出値の代わりに所定の入力電圧の位相情報とを組合わせてタイミング良く前記半導体素子をゲート駆動し、該駆動した半導体素子に対する出力電圧の判定値と実際のマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果により各診断パターンでの正常・異常を判定し、診断パターン毎の各合否判定の結果を基に故障した半導体素子およびその関連部の故障を検出するコントローラを備えたことを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、前記故障診断の際に、診断パターンに基づくＰ側ゲートまたはＮ側ゲートの中の１つのゲートを駆動して特定の相が短絡モードとなる故障判定を、前記Ｐ側ゲートおよびＮ側ゲートの両方を駆動して特定の相がオープンモードとなる故障判定を行うコントローラを備えたことを特徴としている。

請求項１および請求項５記載の発明によると、通常の回路に対して特別な故障診断回路を追加することなく半導体素子の故障を診断することができ、合わせて低コストと省スペース化を実現することが可能となり、半導体ゲートの短絡状態だけでなくオープン状態の故障診断もできる安全で迅速な診断が可能になる。
また、請求項２および請求項６記載の発明によると、多重マトリックスコンバータにおいても同様に通常の回路に対して特別な故障診断回路を追加することなく半導体素子の短絡状態以外に、オープン状態の故障も検出できるので、安全で迅速な故障診断が可能となり、合わせて低コストと省スペース化を実現することができる。
さらに、請求項３および請求項７記載の発明によると、多重マトリックスコンバータにおいて各単位マトリックスコンバータの入力電圧検出が不要となり、さらなる低コストと省スペース化を実現することができ、安全で迅速な故障診断が可能となる。
さらに、請求項４および請求項８記載の発明によると、簡単な手順で特定の相の半導体ゲートの短絡モードと、オープンモードの故障判定が可能になる。

以下、本発明の故障判定の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明を実施するマトリックスコンバータ装置の構成を示す全体の回路図である。
図１において、３相交流電源１よりトランス２を介して多重化した各相６を構成する単位マトリックスコンバータ５が接続されている。コントローラ３は入力電圧検出器４から取り込まれるトランス２の１次側の入力電圧からトランス２の２次側の位相を割り出しそれによって単位マトリックスコンバータ５へゲート信号を送る仕組みとなっている。ここで、多重化された単位マトリックスコンバータ５は単独でゲートをＯＮし出力を出しても他の単位マトリックスコンバータ５がＯＮしない限り電流を流すことはできないため、故障診断時には同時に隣り合う単位マトリックスコンバータ５に対して出力をさせないことで安全で自由な診断が可能となる。故障診断はこのことを考慮し単位マトリックスコンバータ５を順番に全数を診断していくこととする。
また、故障診断時は単位マトリックスコンバータ５よりコントローラ３へデータを送信し故障のある単位マトリックスコンバータとその故障した半導体素子を判定可能としている。

図２は図１に示した単位マトリックスコンバータの詳細回路図である。
図２において、半導体素子１０はゲート信号によりＯＮし矢印の向きにのみ電流を流すことが出来る物であり、１つの単位マトリックスコンバータ５あたり１２個のゲート信号が独立した半導体素子１０を持つ構成となっている。半導体素子１０をＯＮさせる事により出力された電圧を出力電圧検出器１１より取り込む。また、ＲＰ〜ＮＴは各ゲートを表すゲート記号である。

図３は各単位マトリックスコンバータでの故障診断のフローであり、コントローラはこのフローに基づき各単位マトリックスコンバータにおける故障診断としてゲート駆動と出力電圧の検出および故障判定を行う。

図４はトランス２の２次側から単位マトリックスコンバータ５への入力電圧に対する診断パターンのタイミングを示す図である。各半導体素子１０がＯＮする領域を1周期当り（１）〜（６）まで６分割しそれぞれのパターンに合わせゲート駆動し、その時の入力電圧が出力電圧となる。また、図４のα、−αの電圧レベルは入力側の電圧検出を省くため一定値として故障判定の基準とする基準値であり、この電圧レベルに対し出力電圧のレベルが大となるか小となるかで故障の判定を行う。ここで、各区間（１）〜（６）に対応するＲＰ／ＮＳ、ＰＴ／ＲＮ…等の記号は、図２に示す各ゲート記号であって、ＲＰ／ＮＳの、ＲＰはＰ側のスイッチ番号、ＮＳは対応するｎ側のスイッチ番号である。又、実線正弦波は入力３相交流の、ｒ、ｓ、ｔ相の電圧を示し、点線の正弦波はｒ、ｓ、ｔ相を１８０度ずらした電圧である。

図５は図４に示した診断パターンにおいて駆動するゲートとその状態により故障と判断される半導体素子とを対応させた表であり、このパターンを基にコントローラ３はどの半導体素子がどのような故障をしているかの判定を行うチェック・パターンである。ゲートの駆動方法で故障モードの判定が異なるため、ここでは図５のように３つの「Ｐ側ゲート信号ＯＮ時の故障チェックパターン」、「Ｎ側ゲート信号ＯＮ時の故障チェックパターン」、「両側ゲート信号ＯＮ時の故障チェックパターン」に分けて表している。

次に、図３のフローチャートを参照して動作について説明する。
先ず、入力電圧検出器４により３相交流入力ｒ、ｓ、ｔの位相、振幅（瞬時値）を検出する（Ｓ１００）。
次に、図３に示すように１周期３６０°を６０°（分割単位は３０°）毎に６分割した区間番号の、番号（１）のゲートＲＰをチェックするとすれば、図３に示すように、ゲートＲＰはタイミング的には区間番号（１）にあり、振幅は入力の最大瞬時値なので、該当ゲートへ区間（１）のタイミングでゲート信号ＯＮとしてゲートＲＰに信号を印加する（Ｓ１０１）。
出力電圧検出器１１により電圧値を検出する（Ｓ１０２）。
出力電圧を測定したらゲートＲＰへの信号印加をＯＦＦする。コントローラ３に対して検出値が送信される（Ｓ１０３）。
コントローラ３はゲートＲＰに印加した入力値と、出力電圧検出器１１の検出値による位相、電圧レベルを比較して、図５に示す故障箇チェックパターンを基に判定を行う。この場合は、図５の「Ｐ側ゲート信号ＯＮ時の故障チェックパターン」の最初の表の第１項を参照して、位相は（１）区間、ゲートＰ側ＯＮゲートはＲＰ、故障箇所ゲートＮＳ、より、出力電圧値が基準値αより大きい、「α＜出力電圧」、の場合は短絡モードとして、ゲートＮＳの故障と判定する（Ｓ１０４）。
同様に、ゲートＮＳをＯＮして出力電圧値による故障チェックを行う場合は、図５の次の、「Ｎ側ゲート信号のＯＮ時の故障チェックパターン」、を参照し、測定した出力電圧値が、「α＜出力電圧値」、の場合は短絡モードのゲートＲＰの故障と判定する。

次に、オープンモードの故障検出手順は、図５に示す故障チェック・パターンの一番下段の表に示すように、ＰＮ両側のゲート、例えば、ＲＰ／ＮＳ両方のゲートをＯＮして、同様な手順で出力電圧検出器１１により出力を検出して、結果が、「出力電圧＜α」、の場合はオープンモードでゲートＲＰ又はＮＳの故障と判定する。
以上の故障判定では、入力電圧を入力電圧検出器４を用いて検出して使用する例を示したが、元来、コントローラ３には入力情報テーブル等の形式で入力電圧値、位相の情報を保持しているので、これを利用することによって故障検出装置の入力電圧検出器４を省略することができる。（請求項３、６参照）

特許文献１の場合は、短絡モードの検査には全ゲートをＯＮした後、出力値をチェックして短絡ゲートの特定を行い。全ゲートをＯＦＦした後、定電流源よりコンデンサを充電して充電時間によりゲートの短絡故障を検出しているが、本発明の場合は、通常の動作状態で半導体ゲートの短絡故障だけでなくオープン状態の故障も安全に自由な方法で識別できる。
このように、本来マトリックスコンバータに備えているコントローラの制御によるゲート駆動と検出回路を使用し故障の診断を行うという手順をとるため、追加回路のコストを省き、追加回路のスペースを必要とせず故障した半導体素子及びその関連部の故障を特定することができる実戦的なシステムを構成できる。

マトリックスコンバータにおいてコントローラの制御のみで対応でき追加回路を必要とせず故障診断を行うという手順をとるため、モータ制御に限らず全てのマトリックスコンバータ適用設備の故障診断用途にも適用できる。

本発明の方法を適用する多重マトリックスコンバータ装置の構成を示す全体の回路図である。 図１に示す多重マトリックスコンバータ装置を構成する単位マトリックスコンバータの詳細回路図である。 図１に示す単位マトリックスコンバータ当りの故障診断方法の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示すマトリックスコンバータの入力電圧・位相とゲート駆動との診断パターンを示す図である。 図１に示すマトリックスコンバータのゲート駆動に対する故障チェックパターンの表を示す図である。 従来のインバータの故障診断装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ ３相交流電源
２ トランス
３ コントローラ
４ 入力電圧検出器
５ 単位マトリックスコンバータ
６ 多重化した各相
７ モータ
８ 送受信データ
９ トランス２次側
１０ 半導体素子
１１ 出力電圧検出器

Claims (8)

1. マトリックスコンバータの主回路を構成する複数の半導体素子と、その関連部の故障診断の為の検出器とを備えた三相／単相マトリックスコンバータ装置の故障診断方法において、故障診断時に前記半導体素子を診断パターンに基きゲート駆動し、その駆動した半導体素子に対する入力電圧値とマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果が一致すれば問題なく、過大又は過少となる場合は異常と判定し、診断パターン毎における各合否判定の結果より故障した半導体素子及びその関連部の故障を特定するという手順で処理することを特徴とするマトリックスコンバータ装置の故障診断方法。
2. 請求項１記載のマトリックスコンバータを単位に、複数直列接続で構成する多重マトリックスコンバータであって、全ての単位マトリックスコンバータに対して順番に故障診断を実施することにより故障の単位マトリックスコンバータとその故障箇所を特定することを特徴とする多重マトリックスコンバータ装置の故障診断方法。
3. 各単位マトリックスコンバータを順番に故障診断する故障診断時に診断パターンと前記入力電圧検出器の検出値に代えて所定の入力電圧の位相情報とを組み合わせてタイミング良く前記半導体素子をゲート駆動し、その駆動した半導体素子に対する出力電圧の判定値と実際のマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果により各診断パターンでの正常・異常を判定し、診断パターン毎における各合否判定の結果を基に故障した半導体素子及びその関連部の故障を特定するという手順で処理することを特徴とする請求項２記載の多重マトリックスコンバータの故障診断方法。
4. 前記故障診断の際に、診断パターンに基づくＰ側ゲートまたはＮ側ゲートの中の１つのゲートを駆動することにより特定の相が短絡モードとなる故障判定を、前記Ｐ側ゲートおよびＮ側ゲートの両方を同時に駆動することにより特定の相がオープンモードとなる故障判定を行うことを特徴とする請求項１記載のマトリックスコンバータ装置の故障診断方法。
5. マトリックスコンバータの主回路を構成する複数の半導体素子と、その関連部の故障診断のための検出器とを備えた三相／単相マトリックスコンバータ装置において、入力トランスの１次側に接続して入力３相交流の位相、振幅を検出してコントローラへ送信する入力電圧検出器と、各単位マトリックスコンバータへ送出されるゲート信号により前記半導体素子をＯＮさせて出力される電圧を検出する出力電圧検出器と、故障診断時に前記半導体素子を診断パターンに基づきゲート駆動し、該駆動した半導体素子に対する入力電圧値とマトリックスコンバータの出力電圧値を比較して比較一致すれば正常、過大または過少となる場合は異常と判定し、診断パターン毎の各合否判定の結果より故障した半導体素子およびその関連部の故障を特定するコントローラとを備えたことを特徴とするマトリックスコンバータ装置の故障診断装置。
6. 請求項５記載の前記マトリックスコンバータを単位に複数直列接続で構成する多重マトリックスコンバータ装置であって、順番に全ての単位マトリックスコンバータに対して故障診断を実施して故障のある単位マトリックスコンバータとその故障箇所を特定するコントローラを備えたことを特徴とするマトリックスコンバータ装置の故障診断装置。
7. 各単位マトリックスコンバータを順番に故障診断する故障診断時に診断パターンと前記入力電圧検出器の検出値の代わりに所定の入力電圧の位相情報とを組合わせてタイミング良く前記半導体素子をゲート駆動し、該駆動した半導体素子に対する出力電圧の判定値と実際のマトリックスコンバータの出力電圧値を比較し、その比較結果により各診断パターンでの正常・異常を判定し、診断パターン毎の各合否判定の結果を基に故障した半導体素子およびその関連部の故障を検出するコントローラを備えたことを特徴とする請求項６記載の多重マトリックスコンバータ装置。
8. 前記故障診断の際に、診断パターンに基づくＰ側ゲートまたはＮ側ゲートの中の１つのゲートを駆動することにより特定の相の短絡モードとなる故障判定を、前記Ｐ側ゲートおよびＮ側ゲートの両方を同時に駆動することにより特定の相のオープンモードとなる故障判定を行うコントローラを備えたことを特徴とする請求項５記載のマトリックスコンバータの故障診断装置。

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