JP2013176240A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、中性点スイッチ式の３レベル主回路を用いた電力変換装置において、中性点に接続したスイッチ素子の故障を検出することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明は、第１および第２のコンデンサＣ１，Ｃ２と、第１および第２のスイッチ素子（メイン素子Ｑ１，Ｑ４）と、第３のスイッチ素子（ＡＣスイッチ素子Ｑ２）と、第４のスイッチ素子（ＡＣスイッチ素子Ｑ３）と、第１から第４のダイオードＤ１〜Ｄ４と、電流センサ７と、制御回路９とを備える電力変換装置１００である。制御回路９は、電流センサ７で検出した電流を利用して、第３または第４のスイッチ素子の故障を検出する故障検出回路１３を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関するものであり、特に、インバータを備える電力変換装置に関する。

従来、インバータを備える電力変換装置では、スイッチ素子やバッテリの故障を検出したりや、破損を防止したりするために、特許文献１〜特許文献３に開示してある構成を備えている。

特許文献１に開示してある電力変換装置では、電流指令値と電流帰還値との偏差出力が設定値以上になったときに、“Ｈ”レベルを出力する比較器を備えることで、スイッチ素子の故障を検出する。

特許文献２に開示してある電力変換装置では、３レベル主回路において、使用頻度の高いスイッチ素子を並列接続した２つのスイッチ素子で構成することにより、スイッチ素子の発熱による破損を防止する。

特許文献３に開示してある電力変換装置では、バッテリを定期的にわずかに放電させ、このときのバッテリの出力電流と、端子間電圧の脈動振幅値とを診断手段に取込むことで、バッテリの劣化状態を短時間で高精度に診断している。

特開平０７−２２７０８６号公報 特開２００３−７０２６２号公報 特開２００５−２９１８０３号公報

中性点スイッチ式の３レベル主回路を用いた電力変換装置では、中性点に接続したスイッチ素子が故障すると、３レベル主回路の動作が２レベル動作となる。電力変換装置は、３レベル主回路が２レベル動作になると、正常時の３レベル動作に比べて大きなサージ電圧が生じる。３レベル主回路に大きなサージ電圧が生じると、３レベル主回路を構成するメイン素子が破損する可能性があった。

しかし、特許文献１〜特許文献３を含め、従来の電力変換装置には、中性点スイッチ式の３レベル主回路において、中性点に接続したスイッチ素子の故障を検出したりや、破損を防止したりするための構成を設けていなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、中性点スイッチ式の３レベル主回路を用いた電力変換装置において、中性点に接続したスイッチ素子の故障を検出することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、直流の正相と負相との間に直列接続してある第１および第２のコンデンサと、正相と負相との間に直列接続してある第１および第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子との第１の接続点に一端を接続してある第３のスイッチ素子と、第３のスイッチ素子の他端に一端を接続し、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの第２の接続点に他端を接続してある第４のスイッチ素子と、第１から第４のスイッチ素子のそれぞれに逆並列接続してある第１から第４のダイオードと、第１の接続点に一端を接続し、負荷に他端を接続してあるリアクトルと、第１の接続点とリアクトルとの間に流れる電流を検出する第１の電流センサと、第１から第４のスイッチ素子それぞれのオン／オフを制御する制御回路とを備え、制御回路は、第１の電流センサで検出した電流を利用して、第３または第４のスイッチ素子の故障を検出する故障検出回路を含む。

本発明によれば、３レベル主回路を用いた電力変換装置の中性点に接続したスイッチ素子の故障を検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 Ｕ相ユニットの回路構成を示す回路図である。 図２に示す制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。 図２に示すコンデンサの電圧をセンシングする電圧センサと、コンデンサの電圧から異常を検出する異常検出回路を追加したＵ相ユニットの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 図５に示すＵ相ユニットの回路構成を示す回路図である。 図６に示す制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。 負荷の急変などの理由で瞬間的に偏差が大きくなる場合の、偏差、カウンタ、タイマのそれぞれのタイムチャートを示した図である。 ＡＣスイッチ素子の故障によって周期的に偏差が大きくなる場合の、偏差、カウンタ、タイマのそれぞれのタイムチャートを示した図である。 本発明の実施の形態４に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 図１２に示すＵ相ユニットの回路構成を示す回路図である。 図１３に示す制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。図１を参照して、電力変換装置１００は、直流電源１からの直流電力を三相交流に変換して負荷２に与える。電力変換装置１００は、コンデンサＣ１，Ｃ２と、インバータ３とを備える。インバータ３は、Ｕ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗで構成してある。

コンデンサＣ１，Ｃ２は、直流電源１の正極ライン４と負極ライン５との間に直列接続する。コンデンサＣ１は、直流の正相と中性相との間に接続し、コンデンサＣ２は直流の中性相と負相との間に接続する。Ｕ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗはそれぞれ正極ライン４と負極ライン５に接続し、さらに中性相（コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点）に接続する。Ｕ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗはそれぞれ、ライン６Ｕ，６Ｖ，６Ｗへ三相交流を出力する。負荷２は、ライン６Ｕ，６Ｖ，６ＷによってＵ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗにそれぞれ接続してある。

Ｕ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗの構成は共通である。以下では代表的にＵ相ユニット３Ｕの構成について詳細に説明し、Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗの構成については、詳細な説明を繰返さないものとする。

図２は、Ｕ相ユニット３Ｕの回路構成を示す回路図である。図２を参照して、Ｕ相ユニット３Ｕは、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３（第３および第４のスイッチ素子）と、メイン素子Ｑ１，Ｑ４（第１および第２のスイッチ素子）と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、電流センサ７（第１の電流センサ）と、リアクトルと８を備える。電力変換装置１００は、Ｕ相ユニット３Ｕ（Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗも同様）を制御するための制御回路９をさらに備えている。

メイン素子Ｑ１，Ｑ４およびＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３は、制御回路９からの制御信号Ｓに応じてオン／オフするスイッチ素子である。これらのスイッチ素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチ素子を用いる。

ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３は、中性点に接続したスイッチ素子であり、そのコレクタ同士を接続してある。ＡＣスイッチ素子Ｑ３のエミッタは、中性点である端子Ｃ（コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点（第２の接続点））に接続してある。ＡＣスイッチ素子Ｑ２のエミッタは、端子ＡＣ（メイン素子Ｑ１とメイン素子Ｑ４との接続点（第１の接続点））に接続してある。ダイオードＤ２、Ｄ３はＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３にそれぞれ逆並列接続してある。メイン素子Ｑ１，Ｑ４は、正極ライン４と負極ライン５との間に直列に接続してある。ダイオードＤ１、Ｄ４はメイン素子Ｑ１，Ｑ４にそれぞれ逆並列接続してある。

メイン素子Ｑ１のコレクタは、端子Ｐを介して正極ライン４に接続してある。一方、メイン素子Ｑ４のエミッタは、端子Ｎを介して負極ライン５に接続してある。メイン素子Ｑ１のエミッタおよびメイン素子Ｑ４のコレクタは、端子ＡＣで接続してある。すなわち端子ＡＣはメイン素子Ｑ１，Ｑ４の接続点に相当する。

電流センサ７は、Ｕ相ユニット３Ｕから出力されてライン６Ｕに流れる電流Ｉａｕ（インバータＵ相出力電流）を検出する。電流センサ７によって検出した電流Ｉａｕの値は、制御回路９に送られる。リアクトル８の一方端はライン１０Ｕに接続し、他方端はライン６Ｕに接続する。なお、ライン１０Ｕは、電流センサ７とリアクトル８との間を接続するラインである。

制御回路９は、電流センサ７の出力に基づいてＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３およびメイン素子Ｑ１，Ｑ４をオン／オフするための制御信号Ｓを生成し、その制御信号Ｓをそれらのスイッチ素子に供給する。さらに制御回路９は、電流センサ７の出力に基づいてＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障（たとえば開放故障）を検出する。開放故障とは、スイッチ素子がオンしない（オフしたままとなる）故障である。なお、図示していないが、制御回路９には、インバータ出力電流指令値も入力される。

図３は、図２に示す制御回路９の構成を説明するための機能ブロック図である。図３を参照して、制御回路９は、出力電流制御回路１１と、ゲート制御回路１２と、故障検出回路１３とを備える。故障検出回路１３は、加算器１４と、絶対値回路１５と、偏差基準１６と、比較器１７とを備える。

出力電流制御回路１１は、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊（Ｕ相電流指令値、Ｖ相電流指令値、Ｗ相電流指令値をまとめて示す）とインバータ出力電流Ｉａ（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流をまとめて示す）とに基づいて出力電圧指令値Ｖｏ＊（Ｕ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値、Ｗ相電圧指令値をまとめて示す）を生成し、その出力電圧指令値Ｖｏ＊をゲート制御回路１２へ出力する。ゲート制御回路１２は、搬送波（例えば三角波）と出力電圧指令値Ｖｏ＊の比較に基づいて、メイン素子Ｑ１，Ｑ４およびＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３のオン／オフを制御するための制御信号Ｓを生成し、その生成した制御信号Ｓを各ユニットのメイン素子Ｑ１，Ｑ４およびＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３へ出力する。故障検出回路１３は、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊とインバータ出力電流Ｉａとに基づいてＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する。

加算器１４は、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊とインバータ出力電流Ｉａとの偏差ΔＩａを計算する。絶対値回路１５は、加算器１４で計算した偏差ΔＩａの絶対値を計算する。比較器１７は、絶対値回路１５で計算した偏差ΔＩａの絶対値と偏差基準１６とを比較する。

電力変換装置１００は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が正常時、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊に対して追従するインバータ出力電流Ｉａを出力することができる。したがって、加算器１４で計算した偏差ΔＩａは小さくなり、比較器１７は、偏差基準１６に対して偏差ΔＩａが上回らないので、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“０”を出力する。しかし、電力変換装置１００は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障時、本来オンすべき期間にＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオンしないため、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊に対して追従するインバータ出力電流Ｉａを出力することができない。したがって、加算器１４で計算した偏差ΔＩａは大きくなり、比較器１７は、偏差基準１６に対して偏差ΔＩａが上回るので、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力する。つまり、故障検出回路１３は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力した場合、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障していることを検出することができる。

偏差基準１６が小さいと、インバータ出力電流Ｉａのリプル成分などの誤差を、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障による偏差ΔＩａであると誤って検出する可能性がある。逆に、偏差基準１６が大きいと、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障による偏差ΔＩａを検出することができずに漏らす可能性がある。そこで、偏差基準１６は、インバータ出力電流Ｉａのリプル成分などの誤差を誤って検出しない程度の大きさの値に設定する必要がる。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１００では、制御回路９に、故障検出回路１３を備えることで、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊とインバータ出力電流Ｉａとに基づいて中性点に接続したＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出することができる。

なお、電力変換装置１００は、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊とインバータ出力電流Ｉａとに基づいてスイッチ素子の故障を検出する構成を示したが、これに限定されるものではない。

図４は、図２に示すコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧をセンシングする電圧センサ４１と、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧から異常を検出する異常検出回路４２を追加したＵ相ユニット３Ｕの回路構成を示す回路図である。

図４に示す電圧センサ４１は、コンデンサＣ１，Ｃ２の正極および負極に接続し、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧をセンシングする。異常検出回路４２は、電圧センサ４１がセンシングしたコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧から異常を検出して、スイッチ素子の故障を検出する。

メイン素子Ｑ１が短絡故障した場合、ＡＣスイッチ素子Ｑ３がオンすると、コンデンサＣ１が短絡して、コンデンサＣ１の電圧が急激に低下する。また、メイン素子Ｑ１が短絡故障した場合、メイン素子Ｑ４がオンすると、コンデンサＣ１，Ｃ２が短絡して、コンデンサＣ１＋コンデンサＣ２の電圧が急激に低下する。そのため、異常検出回路４２は、電圧センサ４１でコンデンサＣ１の電圧、またはコンデンサＣ１＋コンデンサＣ２の電圧が急激に低下する異常を検出することで、メイン素子Ｑ１が短絡故障であることを検出することができる。

メイン素子Ｑ１が開放故障した場合、コンデンサＣ１からメイン素子Ｑ１へ放電する経路がなくなるため、コンデンサＣ１の電圧と、コンデンサＣ２の電圧とのバランスが崩れる。そのため、異常検出回路４２は、コンデンサＣ１の電圧と、コンデンサＣ２の電圧とのバランスを検出することで、メイン素子Ｑ１が開放故障であることを検出することができる。

ＡＣスイッチ素子Ｑ２が短絡故障の場合、メイン素子Ｑ１またはメイン素子Ｑ４がオンのタイミングで、コンデンサＣ１またはコンデンサＣ２が短絡して、コンデンサＣ１の電圧またはコンデンサＣ２の電圧が急激に低下する。そのため、異常検出回路４２は、電圧センサ４１でコンデンサＣ１の電圧、またはコンデンサＣ２の電圧が急激に低下する異常を検出することで、ＡＣスイッチ素子Ｑ２が短絡故障であることを検出することができる。ただし、メイン素子Ｑ１が短絡故障した場合でも、コンデンサＣ１の電圧、またはコンデンサＣ１＋コンデンサＣ２の電圧が急激に低下するので、故障検出回路１３での検出結果も考慮する必要がある。なお、ＡＣスイッチ素子Ｑ３が短絡故障の場合も、ＡＣスイッチ素子Ｑ２が短絡故障の場合と同様である。

ＡＣスイッチ素子Ｑ２が開放故障の場合、電力変換装置１００の動作が２レベル動作となるため、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧に異常は現れない。そのため、異常検出回路４２では、ＡＣスイッチ素子Ｑ２の開放故障を検出することができないが、故障検出回路１３では、検出することができる。

このように、故障検出回路１３または異常検出回路４２でスイッチ素子の故障部位を限定することで、復旧費用の低減、復旧作業時間の短縮、故障原因追及などを容易に行なうことができるメリットがある。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。図５を参照して、実施の形態２に係る電力変換装置の構成では、商用電源１８とスイッチ２０がライン１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗによって接続してある点、スイッチ２０と負荷２がライン２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗによって接続してある点、電力変換装置１００に代えて電力変換装置１００Ａを備えている点、電力変換装置１００Ａがライン６Ｕ，６Ｖ，６Ｗによってそれぞれ２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに接続してある点において、実施の形態１に係る電力変換装置１００と異なる。なお、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａの他の部分の構成は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

商用電源１８が正常時、スイッチ２０はオンになっているので、商用電源１８は、ライン１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ、スイッチ２０、ライン２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを介して負荷２に三相交流を供給する。そのため、インバータ３にはメイン電流が流れておらず、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊が小さい場合、インバータ３に流れる電流は小さくなる。したがって、電力変換装置１００Ａは、故障検出回路１３において加算器１４で計算した偏差ΔＩａが偏差基準１６よりも小さくなり、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出できない可能性がある。

商用電源１８から負荷２へ三相交流を供給中に商用電源１８が異常になった時、スイッチ２０はオフになるので、電力変換装置１００Ａは、直流電源１の直流電力を変換し、ライン６Ｕ，６Ｖ，６Ｗを介して負荷２に三相交流を供給する。しかし、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障していると電力変換装置１００Ａの動作が２レベル動作となり、サージ電圧によってメイン素子Ｑ１，Ｑ４を破損する可能性がある。よって、電力変換装置１００Ａは、商用電源１８が正常時に、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出しておき、商用電源１８が異常になった時に、２レベル動作となるのを回避する。

図６は、図５に示すＵ相ユニット３Ｕの回路構成を示す回路図である。図２および図５を参照して、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａは、制御回路９に代えて制御回路９Ａを備える点が実施の形態１に係る電力変換装置１００と異なる。なお、実施の形態２に係るＵ相ユニットの他の部分の構成は、実施の形態１に係るＵ相ユニットの対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

図７は、図６に示す制御回路９Ａの構成を説明するための機能ブロック図である。図３および図７を参照して、制御回路９Ａは、指令値加算回路２２を備える点が制御回路９と異なる。指令値加算回路２２は、電流指令値２３と、加算器２４と、フラグ２５と、積算器２６と、加算器２７とを備える。制御回路９Ａの他の部分の構成は、制御回路９の対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

指令値加算回路２２は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために必要となるインバータ出力電流指令値Ｉａ＊を故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａとする場合、入力されたインバータ出力電流指令値Ｉａ＊が故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａに対して偏差があるとき、一定期間だけその偏差を加算する。

電流指令値２３は、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを生成する。Ｕ相故障検出電流指令値Ｉａｕ＊Ａ、Ｖ相故障検出電流指令値Ｉａｖ＊Ａ、Ｗ相故障検出電流指令値Ｉａｗ＊Ａは、互いに１２０°だけ位相の異なる電流指令値となる。加算器２４は、電流指令値２３とインバータ出力電流指令値Ｉａ＊の偏差を計算して、その計算結果を積算器２６に出力する。フラグ２５は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する際に、パルス幅Ｔ１の期間（第２の期間）だけ“１”を出力する。積算器２６は、加算器２４で計算した偏差とフラグ２５とを積算する。加算器２７は、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊と積算器２６の計算結果と加算する。

以上のように、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａは、指令値加算回路２２が、パルス幅Ｔ１の期間だけ、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊に対して電流指令値２３との偏差を加算して、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力する。よって、電力変換装置１００Ａは、商用電源１８が正常時でも、故障検出回路１３において加算器１４で計算した偏差ΔＩａが偏差基準１６よりも大きくなり、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出することが可能となる。ただし、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａの与え方は、実施の形態２で説明した方法に限定せず、その方法は問わない。

（実施の形態３）
実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａでは、インバータ出力電流Ｉａとインバータ出力電流指令値Ｉａ＊との偏差が偏差基準１６を上回れば、故障検出回路１３がＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出していた。しかし、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障以外に、負荷２の急変などの理由で瞬間的に、当該偏差が大きくなる可能性がある。そこで、実施の形態３に係る電力変換装置では、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障している場合、当該偏差が周期的に大きさ変化することを利用して、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する。

図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。図７および図８を参照して、実施の形態３に係る制御回路では、故障検出回路１３に代えて故障検出回路１３Ａを備える点が、実施の形態２と異なる。故障検出回路１３Ａは、カウンタ２８と、タイマ２９と、比較器３０と、カウント基準３１とをさらに備える点が故障検出回路１３と異なる。なお、実施の形態３に係る電力変換装置の他の部分の構成は、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａの対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

カウンタ２８は、比較器１７の出力が“０”から“１”に変化する回数をカウントして、そのカウントした結果を出力する。また、カウンタ２８は、リセット端子Ｒに“１”が入力するとカウントした結果がゼロに戻る。タイマ２９は、カウンタ２８が“１”をカウントした結果を出力した時に起動し、時間Ｔ２（第１の期間）後に“１”の信号をリセット端子Ｒに出力する。比較器３０は、カウンタ２８の出力とカウント基準３１とを比較し、カウンタ２８の出力がカウント基準３１以上になると、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力する。

図９は、負荷の急変などの理由で瞬間的に偏差ΔＩａが大きくなる場合の、偏差ΔＩａ、カウンタ２８、タイマ２９のそれぞれのタイムチャートを示した図である。図９を参照して、偏差ΔＩａが偏差基準１６を上回り、比較器１７の出力が“０”から“１”に１回変化すると、カウンタ２８は、当該変化をカウントして“１”を出力する。タイマ２９は、カウンタ２８が“１”をカウントした結果を出力した時に起動し、時間Ｔ２後に“１”の信号をリセット端子Ｒに出力する。瞬間的に偏差ΔＩａが大きくなる場合、偏差ΔＩａは、偏差基準１６を１回上回った後、偏差基準１６を上回ることがなく、カウンタ２８でカウントした結果は、時間Ｔ２の間、増加することがない。よって、時間Ｔ２後にタイマ２９が“１”の信号を出力してカウントした結果をリセットするまで、カウンタ２８の出力は、カウント基準３１を上回ることがなく、比較器３０はＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力することはない。

図１０は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障によって周期的に偏差ΔＩａが大きくなる場合の、偏差ΔＩａ、カウンタ２８、タイマ２９のそれぞれのタイムチャートを示した図である。図１０を参照して、偏差ΔＩａが偏差基準１６を上回り、比較器１７の出力が“０”から“１”に１回変化すると、カウンタ２８は、当該変化をカウントして“１”を出力する。タイマ２９は、カウンタ２８が“１”をカウントした結果を出力した時に起動し、時間Ｔ２後に“１”の信号をリセット端子Ｒに出力する。ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障によって周期的に偏差ΔＩａが大きくなる場合、偏差ΔＩａは、偏差基準１６を１回上回った後も、周期的に偏差基準１６を上回り、カウンタ２８でカウントした結果は、時間Ｔ２の間、増加する。よって、時間Ｔ２後にタイマ２９が“１”の信号を出力してカウントした結果をリセットするまでの間に、カウンタ２８の出力は、カウント基準３１を上回り、比較器３０はＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力する。

以上のように、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、故障検出回路１３Ａが、時間Ｔ２の間、偏差ΔＩａが偏差基準１６を上回る回数をカウントするので、負荷２の急変などの理由で瞬間的に偏差ΔＩａが大きくなる場合、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を誤って検出することを回避することができる。つまり、故障検出回路１３Ａは、負荷２の急変などの理由で瞬間的に偏差ΔＩａが大きくなる場合、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力せず、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障している場合、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の状態を示す値として“１”を出力する。そのため、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する精度を向上することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る電力変換装置では、直流電源の充放電を行なうインバータ出力電流指令値を一定の期間だけインバータ３に出力し、インバータ出力電流指令値のｄ軸成分を用いて、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する。インバータ出力電流指令値のｄ軸成分を用いることでＵ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータ出力電流指令値を一括して扱えるようになり、各相で異なるインバータ出力電流指令値を与える必要がない。また、インバータ出力電流指令値Ｉａ＊のｄ軸成分の符号を変化させることで、用途やデバイスによって充電と放電との切換が可能となる。

図１１は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。図８および図１１を参照して、実施の形態４に係る制御回路では、指令値加算回路２２に代えて指令値加算回路２２Ａを備える点が、実施の形態３に係る制御回路と異なる。指令値加算回路２２Ａは、電流指令値２３に代えて電流指令値２３Ａと、ｄｑ変換回路３２と、逆ｄｑ変換回路３３とをさらに備える点が指令値加算回路２２Ａと異なる。なお、実施の形態４に係る電力変換装置の他の部分の構成は、実施の形態３に係る電力変換装置の対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

指令値加算回路２２Ａは、直流電源の充放電を行なう際に、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために必要となるインバータ出力電流指令値Ｉａ＊を故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａとする場合、入力されたインバータ出力電流指令値Ｉａ＊が故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａに対して偏差があるとき、一定期間だけその偏差を加算する。

電流指令値２３Ａは、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａのｄ軸成分である故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａを生成する。故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａは、ｄ軸成分であるため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータ出力電流指令値は一括で与えられる。ｄｑ変換回路３２は、入力されたインバータ出力電流指令値Ｉａ＊をｄｑ変換して、インバータ出力電流指令値のｄ軸成分Ｉａｄ＊、およびｑ軸成分Ｉａｑ＊を出力する。逆ｄｑ変換回路３３は、入力されたｄ軸成分の故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａとインバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊とを逆ｄｑ変換して、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力する。

以上のように、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置は、指令値加算回路２２Ａが、ｄ軸成分に関して、実施の形態２に係る指令値加算回路２２と同様に、パルス幅Ｔ１の期間だけ、インバータ出力電流指令値のｄ軸成分Ｉａｄ＊に対して電流指令値２３Ａとの偏差を加算して、ｄ軸成分の故障検出電流指令値Ｉａｄ＊Ａを出力する。よって、逆ｄｑ変換回路３３は、パルス幅Ｔ１の期間だけ、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するための故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力することができる。したがって、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置は、直流電源の充放電を行なうインバータ出力電流指令値をインバータ３に出力する一定の期間、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出することが可能となる。

（実施の形態５）
実施の形態４に係る電力変換装置では、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために、直流電源の充放電を行なうインバータ出力電流指令値を一定の期間だけインバータ３に出力する。本発明の実施の形態５に係る電力変換装置では、負荷電流に含まれる無効電流を供給するインバータ出力電流指令値を一定の期間だけインバータ３に出力し、インバータ出力電流指令値のｑ軸成分を用いて、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する。インバータ出力電流指令値のｑ軸成分を用いているので、インバータ出力電流指令値のｄ軸成分と同様にＵ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータ出力電流指令値を一括して扱える。

図１２は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。図５および図１２を参照して、実施の形態５に係る電力変換装置の構成では、電流センサ３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗ（第２の電流センサ）と、電力変換装置１００Ａに代えて電力変換装置１００Ｂとを備える点が、実施の形態２に係る電力変換装置と異なる。なお、実施の形態５に係る電力変換装置の他の部分の構成は、実施の形態２に係る電力変換装置の対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

電流センサ３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは、それぞれ負荷電流のＵ相成分ＩＬｕ，Ｖ相成分ＩＬｖ，Ｗ相成分ＩＬｗを検出する。電流センサ３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗによって、検出した負荷電流のＵ相成分ＩＬｕ，Ｖ相成分ＩＬｖおよびＷ相成分ＩＬｗの値は、それぞれＵ相ユニット３Ｕ，Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗに送られる。

図１３は、図１２に示すＵ相ユニット３Ｕの回路構成を示す回路図である。図６および図１３を参照して、実施の形態５に係る電力変換装置は、制御回路９Ａに代えて制御回路９Ｂを備える点が実施の形態２に係る電力変換装置と異なる。なお、実施の形態５に係るＵ相ユニットの他の部分の構成は、実施の形態２に係るＵ相ユニットの対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

図１４は、図１３に示す制御回路９Ｂの構成を説明するための機能ブロック図である。図１１および図１４を参照して、制御回路９Ｂでは、指令値加算回路２２Ａに代えて指令値加算回路２２Ｂを備える点が、制御回路９Ａと異なる。指令値加算回路２２Ｂは、電流指令値２３Ａと加算器２４に代えてｄｑ変換回路３５を備える点、インバータ出力電流指令値のｄ軸成分Ｉａｄ＊に代えてインバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊を加算器２７に入力する点が指令値加算回路２２Ａと異なる。なお、制御回路９Ｂの他の部分の構成は、制御回路９Ａの対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

指令値加算回路２２Ｂは、入力された負荷電流ＩＬ（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流をまとめて示す）から、負荷電流に含まれる無効電流を供給するための指令値を計算する。そして、一定期間だけその値をインバータ出力電流指令値Ｉａ＊のｑ軸成分Ｉａｑ＊に加算し、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力する。

ｄｑ変換回路３５は、入力された負荷電流ＩＬをｄｑ変換して、負荷電流のｑ軸成分ＩＬｑを計算する。計算した負荷電流のｑ軸成分ＩＬｑは、積算器２６に入力される。ｄｑ変換回路３２から出力されたインバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊は、加算器２７に入力される。加算器２７は、積算器２６でフラグ２５を積算した負荷電流のｑ軸成分ＩＬｑと、インバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊とを加算して、故障検出電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊Ａを出力する。逆ｄｑ変換回路３３は、加算器２７から出力した故障検出電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊Ａとインバータ出力電流指令値のｄ軸成分Ｉａｄ＊とを逆ｄｑ変換して、故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力する。

以上のように、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置は、指令値加算回路２２Ｂが、ｑ軸成分に関して、パルス幅Ｔ１の期間だけ、インバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊に対して負荷電流のｑ軸成分ＩＬｑを加算して、ｑ軸成分の故障検出電流指令値Ｉａｑ＊Ａを出力する。よって、逆ｄｑ変換回路３３は、パルス幅Ｔ１の期間だけ、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するための故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力することができる。したがって、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置は、負荷電流に含まれる無効電流を供給するインバータ出力電流指令値をインバータ３に出力する一定の期間、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出することが可能となる。

図１２において、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が故障していない場合、パルス幅Ｔ１の期間、インバータ３から無効電流が供給され、商用電源１８から有効電流のみが供給される。すなわち、商用電源１８における力率を“１”にすることができる。

（実施の形態６）
実施の形態５に係る電力変換装置では、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために、負荷電流に含まれる無効電流を一定の期間だけインバータ３から供給する。しかし、実施の形態５に係る電力変換装置は、負荷の力率が“１”に近い場合、負荷電流に含まれる無効電流が小さくなるので、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために必要となるインバータ出力電流を供給することができない可能性がある。

また、負荷の力率が遅れ力率で“１”に近い場合、さらにＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために、負荷電流に含まれる無効電流を供給するインバータ出力電流指令値をインバータ３に出力すると、商用電源の力率が進み力率となる。進み力率になると受電端の電圧が上昇して、接続している他の機器に対しての悪影響を与える懸念がある。そこで、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置では、一定の期間だけインバータ３が無効電流を受取ることでＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出する。

図１５は、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置が備える制御回路の構成を説明するための機能ブロック図である。図１４および図１５を参照して、実施の形態６に係る制御回路では、指令値加算回路２２Ｂに代えて指令値加算回路２２Ｃを備える点が実施の形態５に係る制御回路と異なる。指令値加算回路２２Ｃは、絶対値回路３６と、無効電流基準３７と、比較器３８と、切換スイッチ３９と、遅れ無効電流指令値４０をさらに備える点が実施の形態５に係る指令値加算回路２２Ｂと異なる。なお、実施の形態６に係る電力変換装置の他の部分の構成は、実施の形態５に係る電力変換装置の対応する部分と同様であるので以後の説明は繰返さない。

指令値加算回路２２Ｃは、入力された負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑと基準値とを比較して、負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑが基準値よりも小さい場合は、インバータ３が受取る無効電流の電流指令値を一定の期間だけインバータ出力電流指令値Ｉａ＊のｑ軸成分Ｉａｑ＊に加算する。

絶対値回路３６は、ｄｑ変換回路３５が出力した負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値を計算する。比較器３８は、絶対値回路３６で計算した負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値と無効電流基準３７とを比較し、その比較結果を切換スイッチ３９に出力する。切換スイッチ３９は、比較器３８の比較結果が“０”の場合はａ側に、“１”の場合はｂ側に切換わる。遅れ無効電流指令値４０は、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するために、インバータ３が受取る無効電流の電流指令値である。

比較器３８の比較結果が“０”の場合、つまり負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値が無効電流基準３７に対して大きい場合、切換スイッチ３９がａ側に切換わり、加算器２７は、負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑをインバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊に加算し、故障検出電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊Ａを出力する。比較器３８の比較結果が“１”の場合、つまり負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値が無効電流基準３７に対して小さい場合、切換スイッチ３９がｂ側に切換わり、加算器２７は、遅れ無効電流指令値４０をインバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊に加算し、故障検出電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊Ａを出力する。

以上のように、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置は、指令値加算回路２２Ｃが、負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値が無効電流基準３７に対して小さい場合、インバータ出力電流指令値のｑ軸成分Ｉａｑ＊に対して遅れ無効電流指令値４０を加算して、ｑ軸成分の故障検出電流指令値Ｉａｑ＊Ａを出力する。よって、逆ｄｑ変換回路３３は、負荷電流ＩＬのｑ軸成分ＩＬｑの絶対値が無効電流基準３７に対して小さくても、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出するための故障検出電流指令値Ｉａ＊Ａを出力することができる。したがって、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置は、インバータ３が無効電流を受取る一定の期間、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出することが可能となる。

切換スイッチ３９がｂ側に切換わり、インバータ３が無効電流を受取る場合、商用電源１８の力率が低下することになる。よって、遅れ無効電流指令値４０の値は、商用電源１８の力率の低下を抑えるために、ＡＣスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の故障を検出す必要最低限の値に設定する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 直流電源、２ 負荷、３ インバータ、４ 正極ライン、５ 負極ライン、６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ，１０Ｕ，１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ ライン、７ 電流センサ、８ リアクトル、９，９Ａ，９Ｂ 制御回路、１１ 出力電流制御回路、１２ ゲート制御回路、１３，１３Ａ 故障検出回路、１４，２４，２７ 加算器、１５，３６ 絶対値回路、１６ 偏差基準、１７，３０，３８ 比較器、１８ 商用電源、２０ スイッチ、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ 指令値加算回路、２３，２３Ａ 電流指令値、２５ フラグ、２６ 積算器、２８ カウンタ、２９ タイマ、３１ カウント基準、３２，３５ ｄｑ変換回路、３３ 逆ｄｑ変換回路、３７ 無効電流基準、３９ 切換スイッチ、４０ 遅れ無効電流指令値、４１ 電圧センサ、４２ 異常検出回路、１００，１００Ａ，１００Ｂ 電力変換装置。

Claims (8)

1. 直流の正相と負相との間に直列接続してある第１および第２のコンデンサと、
   前記正相と前記負相との間に直列接続してある第１および第２のスイッチ素子と、
   前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子との第１の接続点に一端を接続してある第３のスイッチ素子と、
   前記第３のスイッチ素子の他端に一端を接続し、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの第２の接続点に他端を接続してある第４のスイッチ素子と、
   前記第１から前記第４のスイッチ素子のそれぞれに逆並列接続してある第１から第４のダイオードと、
   前記第１の接続点に一端を接続し、負荷に他端を接続してあるリアクトルと、
   前記第１の接続点と前記リアクトルとの間に流れる電流を検出する第１の電流センサと、
   前記第１から前記第４のスイッチ素子それぞれのオン／オフを制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、前記第１の電流センサで検出した電流を利用して、前記第３または前記第４のスイッチ素子の故障を検出する故障検出回路を含む電力変換装置。
2. 前記リアクトルと前記負荷との間に一端を接続し、商用電源に他端を接続してあるスイッチをさらに備え、
   前記スイッチは、前記商用電源から前記負荷へ電力を供給する場合と、前記電力変換装置から前記負荷へ電力を供給する場合とを切換える、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記故障検出回路は、
   前記第１の電流センサで検出した電流と、前記制御回路に入力された電流指令値との偏差を計算し、当該偏差と予め定めてある偏差基準とを比較することで、前記第３または前記第４のスイッチ素子の故障を検出する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記故障検出回路は、
   予め定めてある第１の期間内に、前記偏差が前記偏差基準を複数回上回る場合、前記第３または前記第４のスイッチ素子の故障が発生したと検出する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記制御回路は、
   予め定めてある第２の期間、入力された前記電流指令値を増加する指令値加算回路をさらに含む、請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記指令値加算回路は、前記電流指令値のｄ軸成分を正方向または負方向に増加する、請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記リアクトルと前記スイッチとの接続点と、前記負荷との間に流れる負荷電流を検出する第２の電流センサをさらに備え、
   前記指令値加算回路は、
   前記第２の電流センサで検出した前記負荷電流に含まれる無効電流を計算し、前記第２の期間、前記電流指令値のｑ軸成分に前記無効電流を加算する、請求項５に記載の電力変換装置。
8. 前記リアクトルと前記スイッチとの接続点と、前記負荷との間に流れる負荷電流を検出する第２の電流センサをさらに備え、
   前記指令値加算回路は、
   前記第２の電流センサで検出した前記負荷電流に含まれる無効電流を計算する変換回路と、
   前記変換回路で計算した前記無効電流の絶対値と、予め定めてある無効電流基準とを比較する比較器と、
   前記無効電流の絶対値が前記無効電流基準よりも大きい場合、前記第２の期間、前記電流指令値のｑ軸成分に前記無効電流を加算し、前記無効電流の絶対値が前記無効電流基準よりも小さい場合、前記第２の期間、前記電流指令値のｑ軸成分に、前記電力変換装置が受取る無効電流の電流指令値を加算するように切換える切換スイッチと
   をさらに有する請求項５に記載の電力変換装置。

Images