JP2017139912A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図5の回路において、図示のVsは架線などの直流電源、B1はブレーカである。B2はブレーカ、CReは抵抗であり、これらを並列に接続した初期充電回路CHCがある。Lfはフィルタリアクトル、Cfはフィルタコンデンサ、VTはフィルタコンデンサCfの電圧を検出する電圧検出器である。
Q1〜Q6は、Qbと同じく半導体スイッチング素子であり例えばその代表例であるIGBT等であり、図5のように接続し、直流電源を3相の交流電力に変換するインバータINVとして構成する。このインバータINVはモータMと接続される。インバータINVは、制御装置CTRLの指令に従って動作する上記半導体スイッチング素子Q1〜Q6により運転され、モータMを自在に加速したり減速したり速度を一定に保つ。
モータの減速量に比例した慣性エネルギーが、モータMからインバータINVの方向(矢印(a)の方向)に流れる。このエネルギーは、インバータINVの任意の制御により、矢印(b)の方向に直流電力としてコンデンサCfに蓄えることができる。このとき、ブレーカB2、B1が閉じており、直流電源VsがこのコンデンサCfの電圧Vcfより低いと、フィルタリアクトルLf、ブレーカB2、B1を介して矢印(c)の方向に架線にエネルギーが流れる。このエネルギーは、同一架線上で走行している同様の鉄道車両用電力変換装置の駆動エネルギーとして利用されることから、回生エネルギーと一般に呼ばれる。
図6と同様に直流電力としてコンデンサCfに蓄えられたエネルギーは、チョッパ回路CHOPを構成する半導体スイッチQbを、オンオフすることで、矢印(c)´の方向に抵抗BReへ流されて熱として消費される。これは架線の直流電源電圧Vsがコンデンサ電圧Vcfより高い場合や、架線に回生したエネルギーを他の車両のエネルギーとして使用できない場合などに使用され、一般には発電ブレーキと呼ばれる。このような例は、特許文献1に示されるような形態で多く使用されている。
装置が停止した状態において、半導体スイッチQbをオンすることで、コンデンサCfに蓄えられた電荷を、図8に矢印(d)で示すようにチョッパ回路CHOPを介して放電することができる。尚、このとき、ブレーカB2、B1は図示の通り開いている。
τ=cf・Rd ・・・ (2)式
と表せるから、時刻τ経過時のコンデンサ電圧Vcf(τ)を計算すると、下記の(3)式となる。
ここで、電圧検出器VTで検出されたコンデンサ電圧Vcfのアナログ信号は、随時、制御装置CTRLに入力している。制御装置CTRLは、架線電圧の変動やノイズを除去するための不図示のフィルタ回路と、不図示のA/D変換器や不図示のCPU等を有している。上記電圧検出器VTで検出されたコンデンサ電圧Vcfのアナログ信号は、上記不図示のフィルタ回路を通過後に上記不図示のA/D変換器に入力されて、A/D変換器においてアナログ信号がディジタル信号に変換されて出力される。上記不図示のCPUが上記A/D変換器に対して所定の指令を出すと、A/D変換器はこの時のアナログ信号に応じたディジタル信号をCPUへ出力する。
・該電圧検出手段を用いて、前記コンデンサの放電開始前の電圧値を計測すると共に、その後に前記半導体スイッチをオン制御して放電開始させて所定時間経過した時点でオフ制御して該放電を中断させて、該中断状態で前記コンデンサの電圧値を計測することで、放電前後のコンデンサ電圧値を計測するコンデンサ電圧値取得手段;
・前記放電前後のコンデンサ電圧計測値に基づいて、該コンデンサの劣化診断を行う劣化診断手段。
図1は、本例の電力変換装置の回路構成図である。
但し、本発明は、回路構成自体は、従来と同じであってよいので、ここでは簡単に説明するものとする。従来と異なる点は、制御装置10による制御処理であり、これについては後に詳細に説明するものとする。
インバータINVは、従来で説明した通り、図示の6個のIGBT(Q1〜Q6)等を有し、これらが図示の通り接続されて、直流電源を3相の交流電力に変換する構成を成す。
尚、制御装置10は、図示の制御に伴って、電圧検出器VTによるコンデンサCfの電圧検出と、この検出値Vcfに基づくコンデンサCfの静電容量の正常/異常の判断処理を行うことになる。
図2(a)は、コンデンサCfの放電の為の半導体スイッチQbのON制御中に、1回だけ、一旦OFFにする制御を行った例(第1の実施例)である。
図2(a)、(b)は、どちらも、図上で上側には半導体スイッチQbのON/OFF切替制御例を示し、下側にコンデンサCfの電圧値Vcfの例を示す。尚、この電圧値Vcfは、例えば電圧検出器VTによって検出されるアナログ値である。上述したように、このアナログ値をCPUが入力するまでにはタイムラグ(遅れ)が生じることになる。
この様に放電開始から時間τ経過した時点で、半導体スイッチQbを一旦OFF状態にすることで、コンデンサCfの放電が停止するので、図2(a)に示すように、コンデンサCfの電圧はOFFしたときの電圧(時間τの時点の電圧)が保たれることになる。
第2の実施例では、半導体スイッチQbを一旦OFFさせる回数(以って、計測を行う回数)を、第1の実施例よりも増やしている。第1の実施例では上記の通り1回であるが、第2の実施例では複数回であり、図2(b)の例では2回であるが、この例に限らない。
制御装置10は、続いて、上記第1の実施例と同様に、半導体スイッチQbを一定期間ON制御してから一旦オフさせる。ここでも一定期間は上記時間τとする(図示の時間t0〜τ1の期間)。そして、半導体スイッチQbのOFF制御期間中(図示の時間τ1〜τ2の期間)の任意のときに、コンデンサCfの電圧測定を実施する。この時の測定値を、図示のようにVcf(τ1)とする。
制御装置10は、その後、再び、半導体スイッチQbを一定期間(図示の時間τ2〜τ3の期間)ON制御してから一旦オフさせる。そして、再び、この半導体スイッチQbのOFF制御期間中の任意のときに、コンデンサCfの電圧測定を実施する。この時の測定値を、図示のようにVcf(τ2)とする。
・Vcf(τ1)≒0.368・Vcf(0) ・・・ (4)
・Vcf(τ2)≒0.368・Vcf(τ1) ・・・ (5)
勿論、これは計算上の話であり、上記実測値Vcf(τ1)、Vcf(τ2)が、この様な関係になるとは限らない。これより、例えば、上記計算上の値(計算値)を上記基準値として図11のステップS13の処理を行うことで、コンデンサCfの静電容量の正常/異常の判断を行う。これは、例えば、上記1回目の計測、2回目の計測それぞれについて、正常/異常の判断を行う。これより、例えば1回目に関しては測定不能、2回目に関しては異常などと判定されるケースも起こり得る。
図3の回路構成は、図1の回路構成とほぼ同じであるが、異なる点は、図1の回路においてはチョッパ回路CHOPに使用した半導体スイッチQbを、図3ではSiCなどのワイドバンドギャップ半導体Sbに置き換えている点である。
上記劣化診断部は、例えば、「予め設定されている前記コンデンサの放電前後の2つの電圧値の関係を示す関係式」(上記具体例では、上記(1)式や(3)式)と、上記コンデンサ電圧計測値とに基づいて、上記コンデンサCfの劣化診断を行う。
また、例えば、上記コンデンサ電圧値取得部は、上記放電前後のコンデンサ電圧計測値を得る制御を、複数回実行し、上記劣化診断部は、該複数回のコンデンサ電圧計測結果に基づいて、前記コンデンサの劣化診断を行うようにしてもよい。これの一例が上記第2の実施例である。
尚、上記制御装置10は、例えば、不図示のCPU/MPU等の演算プロセッサやメモリ等の記憶装置を有している。そして、上記記憶装置に予め記憶されているアプリケーションプログラムを、上記演算プロセッサが実行することで、例えば上記の各機能部の処理が実現される。
10 制御装置
Claims (9)
- チョッパ回路を構成する半導体スイッチと抵抗と、コンデンサを有し、前記チョッパ回路を放電回路に利用する場合に前記半導体スイッチがオンすると前記コンデンサに蓄積された電荷が放電される構成の電力変換装置であって、
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段を用いて、前記コンデンサの放電開始前の電圧値を計測すると共に、その後に前記半導体スイッチをオン制御して放電開始させて所定時間経過した時点でオフ制御して該放電を中断させて、該中断状態で前記コンデンサの電圧値を計測することで、放電前後のコンデンサ電圧値を計測するコンデンサ電圧値取得手段と、
前記放電前後のコンデンサ電圧計測値に基づいて、該コンデンサの劣化診断を行う劣化診断手段と、
を有することを特徴とする電力変換装置。 - 前記劣化診断手段は、予め設定されている放電前後のコンデンサ電圧値の関係を示す関係式と、前記放電前後のコンデンサ電圧計測値とに基づいて、前記コンデンサの劣化診断を行うことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記関係式は、前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの静電容量値とによる時定数を用いた式であることを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサ電圧値取得手段は、前記放電前後のコンデンサ電圧計測値を得る制御を、複数回実行し、
前記劣化診断手段は、該複数回のコンデンサ電圧計測結果に基づいて、前記コンデンサの劣化診断を行うことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の電力変換装置。 - 前記複数回が2回である場合、
前記コンデンサ電圧値取得手段は、前記中断状態でコンデンサ電圧値を取得後、再び前記半導体スイッチをオン制御して、該オン制御時点から前記所定時間経過した時点で該半導体スイッチをオフ制御して前記放電を再び中断させて、該2回目の中断状態で前記コンデンサ電圧値を計測する2回目の計測を実行し、
前記劣化診断手段は、該2回のコンデンサ電圧計測結果に基づいて、前記コンデンサの劣化診断を行うことを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。 - 前記所定時間は、前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの静電容量値とによる時定数に相当するものであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記半導体スイッチは、ワイドバンドギャップ素子であることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの静電容量値とで決まる時定数で前記コンデンサの電荷の放電が行われることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置は、直流電源が供給され、リアクトルと前記コンデンサとで構成されるフィルタ回路を介して、半導体スイッチング素子で構成されたインバータによって該直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動する鉄道車両用電力変換装置上に備えられ、
前記チョッパ回路は、前記電動機の減速時の慣性エネルギーを該チョッパ回路の前記抵抗で消費するために設けられた構成であり、
該チョッパ回路を、前記フィルタ回路の前記コンデンサの電荷の放電に利用することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の電力変換装置。
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