JP2015146658A - 電力変換装置及び故障予兆検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態の電力変換装置は、車両に搭載され、供給される直流または交流の電力を、半導体スイッチング素子によるスイッチング制御に基づいて交流または直流の電力に変換する。電力変換装置は、取得指示部と、電流値取得部と、故障予兆検出部と、を備える。取得指示部は、前記車両の制御状態を示す制御状態情報を取得するとともに、当該制御状態情報に基づいて特定の動作状態に至ったと判断した場合に、電流値の取得を指示する。電流値取得部は、前記取得指示部から前記取得の指示を受け付けたときに、前記半導体スイッチング素子を有する回路に設けられた電流センサを介して当該半導体スイッチング素子に流れる電流値を取得する。
【選択図】図1
Description
以下、第1の実施形態に係る電力変換装置を、図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の機能構成を示す図である。図1に示す電力変換装置1は、鉄道などの路線を走行する車両に搭載される。
図1に示すように、電力変換装置1は、架線40、パンタグラフ41及び遮断器42を介して直流電力を入力するとともに、半導体スイッチング素子によるスイッチング制御に基づいて、当該直流電力を交流電力に変換して電動機43に供給する。電力変換装置1から出力された交流電力は電動機43に供給され、車両の推進力に変換される。なお、電力変換装置1が搭載される車両としては、鉄道車両の他、電気自動車や電気バス等の車両であってもよい。
また、電力変換装置1は、半導体スイッチング素子Q2の接地側に直列に接続された電流センサ10を備えている。電流センサ10は、設置された回路の配線における電流値に応じた信号を出力する。
また、図1に示すように、電力変換装置1は、上述した半導体スイッチング素子Q1、Q2並びに電流センサ10の組を並列に3つ備えている。この場合、各組はU相、V相、W相に対応付けられ、互いに120°の位相差を有する交流電力を生成し、生成された交流電力は電動機43に供給される。
以下、本実施形態に係る電力変換装置制御部20の機能構成について説明する。
取得指示手段200は、車両の制御状態を取得して、当該制御状態が所定の条件を満たしたときに、電流値取得手段201に電流値の取得を指示する。
具体的には、取得指示手段200は、電力変換装置制御部20がマスターコントローラ50を介して入力される制御指令に基づいて車両の制御状態を認識する。
なお、取得指示手段200の詳細な処理内容については後述する。
その一方で、半導体スイッチング素子Q1、Q2におけるリーク電流値を取得するためには、半導体スイッチング素子Q1、Q2がオフ状態(ゲート端子Gが0V)のときに電流値を取得する必要がある。例えば力行中は、電動機43へ交流電力を電力供給するために頻繁にスイッチングが行われている状態にある。同様に、回生中においても、回生電力の送電のためにスイッチングが行われる。したがって、電流値取得手段201は、半導体スイッチング素子Q1、Q2のスイッチング制御が実施される力行中、回生中にはオフ電流を取得することができない。
故障予兆検出手段202は、電流センサ10を介して電流値取得手段201が取得する電流値I(半導体スイッチング素子Q1、Q2のリーク電流値)と、その取得時刻と、を関連付けて蓄積し、当該蓄積した電流値Iに基づいて半導体スイッチング素子Q1、Q2の故障予兆を検出する。
ここで、図2に示すグラフは、故障予兆検出手段202が図示しないメモリに蓄積する電流値Iとその取得時刻tとの関係を示している。
なお、故障予兆検出手段202は、傾きsに対する判定閾値sth、または、電流値Iに対する判定閾値Ithのいずれか一方に基づいて故障予兆を検出してもよい。また、故障予兆検出手段202は、蓄積したリーク電流値に基づいて故障予兆を検出可能であれば、上記以外の他の検出方法に基づいて故障予兆を検出するものであってもよい。
図3は、第1の実施形態の変形例に係る電力変換装置の機能構成を示す図である。
図3に示すように、この変形例では、図1の構成に加えて電動機43に車両速度センサ43aが取り付けられており、電力変換装置1の取得指示手段200は、車両速度センサ43aからの速度検知信号を入力することで、車両の制御状態を認識することを特徴としている。ここで、車両速度センサ43aは、例えば、PG(Pulse Generator)を用いた速度センサである。
図4に示すグラフは、車両速度センサ43aを介して取得される車両の走行速度の時間変化の例を表している。図4に示すように、一般に、鉄道車両は、その制御状態として力行、惰行、回生(制動)、停止の状態に移行しながら加減速して走行する。
具体的には、取得指示手段200は、力行状態から惰行状態に推移した時点(t1)の直後(tm後)、または、回生状態から停止状態に推移した時点(t1)の直後(tm後)に、電流値取得手段201に向けて取得指示信号を出力する。時間tmは、状態の推移が発生してからのマージン時間であり、例えば、1秒などと設定する。
なお、故障予兆検出手段については、第1の実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
次に、第2の実施形態に係る電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。
図5は、第2の実施形態に係る電力変換装置の機能構成を示す図である。図5に示す電力変換装置1Aは、第1の実施形態およびその変形例の場合と同様、鉄道などの路線を走行する電動車両に搭載される。なお、図5に示す各種機能構成のうち、第1の実施形態(図1)及びその変形例(図3)と同一の機能構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。つまり、第2の実施形態においても、マスターコントローラ50からの制御指令、または車両速度センサ43aからの速度検知信号により認識した車両の制御状態に基づき、取得指示手段200から電流値取得手段201に対して電流値の取得指示が行われる。
本実施形態に係る電力変換装置制御部20Aは、半導体スイッチング素子Q1、Q2に設置されている温度センサ11の各々から温度検知信号を受け付けて、半導体スイッチング素子Q1、Q2の温度を取得する温度取得手段203を有している。
また、電力変換装置制御部20Aは、温度取得手段203が取得する半導体スイッチング素子Q1、Q2の温度に基づいて、電流値取得手段201が取得する電流値Iを補正する補正手段204を備えている。
図6(a)は、補正係数αと、温度センサ11を介して温度取得手段203が取得した温度Tとの相関性Xを示す図である。
本実施形態に係る補正手段204は、図6(a)に示すような、補正係数αと温度Tとの相関性X(温度特性)を予め記憶している。補正手段204が記憶する補正係数αと温度Tとの相関性Xは、半導体スイッチング素子Q1、Q2におけるリーク電流の温度依存性を排除するように定められている。具体的には、通常、半導体スイッチング素子におけるリーク電流値は、温度Tの上昇に応じて増大する。したがって、補正係数αは、その温度依存性が排除されるように、温度Tが上昇するにしたがって減少するような傾向を有する。この相関性Xは、例えば、作業者等が予め使用する半導体スイッチング素子のリーク電流値の温度特性を計測することで、その計測された温度特性に基づいて、温度Tごとの補正係数αを定めることができる。また、半導体スイッチング素子Q1、Q2を構成する半導体デバイスの一般的な温度依存性を示す理論式によって求めてもよい。
補正手段204は、相関性Xを参照して、温度取得手段203から取得した温度Tに応じた補正係数αを特定する。例えば、あるタイミングで電流値取得手段201が取得した電流値IがIiであった場合、補正手段204は、同じくそのタイミングで温度取得手段203が取得した温度Tiに基づいて補正係数αiを取得する。
そして、補正手段204は、電流値取得手段201が取得した電流値Iに、特定した補正係数αを乗算することで、補正電流値Icを算出する。
本実施形態に係る故障予兆検出手段202は、図6(b)に示すように、補正手段204が算出した補正電流値Icを蓄積し、その傾向に基づいて故障予兆を検知する。例えば、故障予兆検出手段202は、電流値取得手段201が取得した電流値I1、I2、・・・それぞれに対して補正手段204が算出した補正電流値Ic1(=I1×α1)、Ic2(=I2×α2)、・・・を蓄積して記憶する。そして、故障予兆検出手段202は、Δtの期間中に取得された補正電流値Icの傾きs(=dIc/dt)や、補正電流値Icについての判定閾値Ic_thに基づいて故障予兆の検出を行う。
このようにすることで、故障予兆検出手段202は、温度によるばらつきを除外した補正電流値Icに基づいて、一層精度よく故障予兆の検出を行うことができる。
また、第2の実施形態に係る電力変換装置1は、以下のようにも変形可能である。
例えば、当該変形例に係る取得指示手段200は、温度取得手段203から常時、温度情報を取得する。そして、取得指示手段200は、取得する温度情報に基づく温度が、予め定められた所定の温度範囲に属することとなった場合に、電流値取得手段201に取得指示信号を出力するようにしてもよい。このようにすることで、電流値取得手段201が電流値Iを取得する際における半導体スイッチング素子Q1、Q2の温度のばらつきを一定範囲内に低減することができる。
また、この場合、取得指示手段200は、上記温度に基づく電流値Iの取得条件、制御状態の推移に基づく取得条件、経過時間に基づく取得条件、の各々を組み合わせてもよい。具体的には、例えば、力行状態から惰行状態に推移した後、その惰行中において、半導体スイッチング素子Q1、Q2の温度が所定範囲内に属した場合に、電流値Iの取得指示信号を出力するようにしてもよい。
そこで、電力変換装置制御部20は、半導体スイッチング素子Q1または半導体スイッチング素子Q2のいずれか一方のみをオフ(他方の半導体スイッチング素子はオン)にしながら、電流値Iの取得をするようにしてもよい。具体的には、電力変換装置制御部20は、取得指示手段200の取得指示信号に応じて、半導体スイッチング素子Q1又は半導体スイッチング素子Q2の何れか片方のみをオフ状態とするように制御するリーク電流計測制御部を備えていてもよい。このようにすることで、電力変換装置制御部20は、オフ状態となっている何れか一方の半導体スイッチング素子のみのリーク電流を計測することができる。
図7は、第1、第2の実施形態の他の変形例に係る電力変換装置の機能構成を示す図である。
第1、第2の実施形態に係る電力変換装置1は、架線40(図1)から直流電力を入力し、当該直流電力を交流電力に変換して電動機43に供給するインバータとして機能している。一方、図7に示す電力変換装置1Bは、架線40Bからパンタグラフ41、主トランス44及び遮断器42を介して交流電力を入力し、当該交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する。図7に示すように、当該変形例においても、第1、第2の実施形態と同様に、半導体スイッチング素子Q1、Q2と直列に電流センサ10が備えられる。
このように、直流電力を交流電力に変換するインバータのみならず、交流電力を直流電力に変換するコンバータに対しても、第1、第2の実施形態及びその変形例で説明した電力変換装置制御部20(20A)を適用可能である。
また、電力変換装置1Bは、架線40Bから交流電力を入力する態様ではなく、供給される動力に基づいて交流電力を生成する発電機から交流電力を入力する態様であってもよい。
10・・・電流センサ
20、20A・・・電力変換装置制御部
200・・・取得指示手段
201・・・電流値取得手段
202・・・故障予兆検出手段
203・・・温度取得手段
204・・・補正手段
40、40B・・・架線
41・・・パンタグラフ
42・・・遮断器
43・・・電動機
43a・・・車両速度センサ
44・・・主トランス
Claims (7)
- 車両に搭載され、供給される直流または交流の電力を、半導体スイッチング素子によるスイッチング制御に基づいて交流または直流の電力に変換する電力変換装置であって、
前記車両の制御状態を示す制御状態情報を取得するとともに、当該制御状態情報に基づいて特定の動作状態に至ったと判断した場合に、電流値の取得を指示する取得指示部と、
前記取得指示部から前記取得の指示を受け付けたときに、前記半導体スイッチング素子を有する回路に設けられた電流センサを介して当該半導体スイッチング素子に流れる電流値を取得する電流値取得部と、
前記電流値取得部が取得する電流値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の故障予兆を検出する故障予兆検出部と、
を備える電力変換装置。 - 前記取得指示部は、少なくとも前記車両の力行状態から惰行状態への推移、または、回生状態から停止状態への推移の検知に応じて前記電流値の取得を指示する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記取得指示部は、前記車両に設けられた速度センサを介して当該車両の速度を取得し、当該速度の推移に基づいて前記電流値の取得を指示する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記半導体スイッチング素子の近傍に設けられた温度センサを介して温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部が取得する温度に基づいて、前記電流値取得部が取得する電流値を補正する補正部と、
を備える請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記取得指示部は、前記温度取得部が取得する温度が所定の温度範囲に属する場合に、前記電流値の取得を指示する
ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記電流センサは、前記直流又は交流の供給源と接地点との間において、前記半導体スイッチング素子に対し直列に接続されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 車両に搭載され、供給される直流または交流の電力を、半導体スイッチング素子によるスイッチング制御に基づいて交流または直流の電力に変換する電力変換装置の故障予兆検出方法であって、
取得指示部が、前記車両の制御状態を示す制御状態情報を取得するとともに、当該制御状態情報に基づいて特定の動作状態に至ったと判断した場合に、電流値の取得を指示し、
電流値取得部が、前記取得指示部から前記取得の指示を受け付けたときに、前記半導体スイッチング素子を有する回路に設けられた電流センサを介して当該半導体スイッチング素子に流れる電流値を取得し、
故障予兆検出部が、前記電流値取得部が取得する電流値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の故障予兆を検出する
ことを特徴とする故障予兆検出方法。
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