JP2021052477A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定する電力変換装置を提供することである。
【解決手段】
電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する順変換部と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、スイッチ素子を駆動するドライバ部と、逆変換部の電流を計測する電流センサと、逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、ドライバ部を制御する制御部とを有し、地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、
電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、
電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、
制御部は、
計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

配線間の地絡によって電力変換装置の動作が停止した場合、その情報を使用者に報知することで地絡が発生したことを知らせることできる。しかしながら、地絡事故発生によって電力変換装置の動作が停止した場合、使用者はケーブル上で地絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で発生したのか、またケーブル上のどこで発生したか場所を特定することができない。

地絡箇所の情報を知る方法として、特許文献１に地絡箇所を判定する発明が記載されている。この方法では、特許文献１の図１３に示されているように、地絡が発生している相（以下、「地絡相」と略す）の出力電流値と、地絡が発生していない相（以下、「非地絡相」と略す）の出力電流の電流比率に基づいて、ケーブル上の地絡箇所の判定を行っている。

特開２０１７−２２９１７２

特許文献１は、地絡箇所を判定する技術を開示している。しかしながら、一般的に、モータ巻き線のインダクタンス値Ｌｍは、ケーブルのインダクタンスＬｃよりも２〜３桁大きいことが多く、その場合、モータ巻き線を経由して流れる非地絡相の出力電流は、モータ巻き線を経由しない地絡相の出力電流よりも、２〜３桁小さくなる。

そのため、ケーブル上の地絡箇所の判定箇所の分解能を高くするためには、電流センサに地絡相と非地絡相の両方の電流を十分な精度で計測できる高い分解能を持った電流センサが必要となる。

本発明の目的は、一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定する電力変換装置を提供することである。

本発明の好ましい一例としては、交流電力を直流電力に変換する順変換部と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、前記スイッチ素子を駆動するドライバ部と、前記逆変換部の電流を計測する電流センサと、前記逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、前記電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、前記ドライバ部を制御する制御部とを有し、
地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、前記電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、前記電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、前記制御部は、計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定する電力変換装置である。

本発明によれば、一般的な分解能の電流センサを用いて地絡箇所を判定する電力変換装置を実現できる。

実施例１における電力変換装置の構成図である。 実施例１における地絡発生箇所判定のフローチャートである。 実施例における地絡相を特定するフローチャートである。 地絡相の特定動作とその前後におけるスイッチの状態と、出力電流波形の例を示した図である。 図４の時刻ｔ１からｔ２の間における電流経路の例である。 実施例における出力電流および相間電圧計測のフローチャートである。 図６のフローチャートの補足表である。 出力電流および相間電圧計測動作とその前後におけるスイッチの状態、出力電流と相間電圧波形の例を示した図である。 図８の時刻ｔ３からｔ６の間における電流経路の例である。 ３相出力端子のうちＳ相接地されたトランスの等価回路である。 図１０において出力が開放状態におけるトランスの２次側３相出力Ｒ、Ｓ、Ｔ相の対地電圧を表した図である。 電力変換装置の出力端子から地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスを計算するフローチャートである。 地絡箇所の判定方法を示した図である。 表示器１０８の構成図である。 送信機１０９の構成図である。 逆変換器回路１０４の第一の変形例を示した図である。 逆変換器回路１０４の第二の変形例を示した図である。 産業用インバータに応用した例を表した図である。

以下、図面を用いて、実施例を説明する。

図１は、実施例１の電力変換装置１００の構成図を示す。電力変換装置１００は、交流電力を入力して直流電力に変換する順変換器回路１０２、平滑コンデンサ１０３、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換器回路１０４を備えている。

また、電力変換装置１００は、逆変換器回路１０４を制御するための制御回路１０５と、制御回路１０５へ手動で情報入力するための入力器１０６、外部システムから受信するための受信機１０７と、制御回路１０５からの出力情報を表示するための表示器１０８、外部のシステムへ送信するための送信機１０９を備えている。制御回路は、ＣＰＵ、もしくはマイコンを含む構成である。また、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）で構成してもよい。

また、電力変換装置１００は、電力変換装置１００の内部に流れる電流値を計測するための電流計測回路１１１と電力変換装置１００の内部で発生する電圧値を計測するための電圧計測回路１１２とを備えている。

順変換器回路１０２は６つのダイオードで構成され、入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電力を直流電力に変換し、平滑コンデンサ１０３の両電極に出力する。順変換器回路１０２のダイオードの整流作用によりノードＰ側の直流電圧配線に正電圧、ノードＮ側の直流電圧配線に負電圧とした直流電圧Ｖｄｃが発生する。

平滑コンデンサ１０３はノードＰとＮにおいて直流電圧配線に接続し、配線間の電圧を平滑化する。逆変換器回路１０４は、直流電力を、モータを駆動するための交流電力に変換し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力する。

逆変換器回路１０４はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのハーフブリッジ回路と、ドライバ部としてのスイッチ駆動回路１１０から構成されている。Ｕ相のハーフブリッジ回路はスイッチＳＷｕとダイオードＤＩｕが逆並列に接続された上アームと、スイッチＳＷｘとダイオードＤＩｘが逆並列に接続された下アームで構成されている。

同様にして、Ｖ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｖとダイオードＤＩｖ、スイッチＳＷｙとダイオードＤＩｙで、Ｗ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｗとダイオードＤＩｗ、スイッチＳＷｚとダイオードＤＩｚで構成されている。

図１ではスイッチ素子としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。また、半導体デバイスはシリコンを使うのが一般的だが、低損失化のためにワイドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）を用いてもよい。

全てのスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚは、ドライバ部であるスイッチ駆動回路１１０と接続している。スイッチ駆動回路１１０は制御回路１０５からの指令に基づいてスイッチに電気信号を供給し、スイッチのＯＮとＯＦＦの切り替え制御を行うことでスイッチ素子を駆動する。また、スイッチ駆動回路１１０は各スイッチでの電圧降下を監視して過電流発生を検出する機能を備えている。

また、逆変換器回路１０４は、各相の出力電流値を測定する３つの電流センサ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗと、出力相間電圧を計測するための電圧センサ２２ｕｖ、２２ｗｖを備えている。電流センサ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗは、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力される電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを計測し、アナログ電圧または電流として電流計測回路１１１に伝える。

電圧センサ２２ｕｖと電圧センサ２２ｗｖは、出力端子Ｖを基準とした出力端子Ｕの電圧を、電圧センサ２２ｗｖは出力端子Ｖを基準とした出力端子Ｗの電圧を計測し、アナログ電圧または電流として電圧計測回路１１２に伝える。つまり、電圧センサは逆変換器回路１０４の出力の３つの相間のうち２つの相間の電圧を計測するように配置されている。

実施例では、電流センサ、電圧センサ、電流計測回路１１１、および電圧計測回路１１２は、逆変換器回路１０４内に配置している。しかし、各相のケーブルを流れる電流値を計測もしくは出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗのうち２相間の相間電圧を計測できるのであれば、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗの付近の逆変換器回路１０４の外部に、電流センサ、電圧センサ、電流計測回路１１１、および電圧計測回路１１２を配置してもよい。

電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２は、入力されたアナログ情報をサンプリングし、デジタルデータ化してそれぞれ制御回路１０５へ送信する。制御回路１０５は、電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、ドライバ部１１０を制御する制御部である。

制御回路１０５は、インダクタンス値計算部１２１、インダクタンス値記憶部１２２および地絡箇所判定部１２３を備えている。インダクタンス値計算部１２１は、電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２から送られてきた電流値データと電圧値データを基に、電力変換装置１００から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値Ｌｓを計算する。

地絡箇所判定部１２３は、ケーブル上もしくはモータ巻き線上の地絡が発生している地絡相を特定する。さらに、地絡箇所判定部１２３は、インダクタンス値計算部１２１から送られてきたインダクタンス値Ｌｓとインダクタンス値記憶部１２２が保持しているモータケーブルＭＣのインダクタンス値Ｌｃを基に、モータケーブルＭＣとモータＭＴに発生した地絡箇所を判定し、表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する。

なお、制御回路１０５は、モータのＰＷＭ駆動のための一般的な機能を備えているが、本実施例の動作とは関わらないので、その説明については省略する。また、制御回路１０５内のインダクタンス値記憶部１２２、地絡箇所判定部１２３などの、ロジック回路のみで構成することが可能な要素については、マイコンやプログラマブルロジックでソフトウェア的に実現することも可能である。

電力変換装置１００の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗには３本のモータケーブルＭＣが接続され、その先に３相モータＭＴが接続されている。一方、電力変換装置１００の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔには３本の電源ケーブルＴＣが接続され、その先がトランスＴＲＮの２次側に接続されている。トランスＴＲＮの内部あるいはケーブルＴＣのいずれかにおいて、大地ＥＴあるいは接地されている配線に接続されている。

実施例１の電力変換装置１００は、破線で囲われた３本のモータケーブルＭＣあるいは３相モータＭＴと、大地ＥＴとの間で地絡が発生した場合、地絡発生箇所を判定することができる。

図２は、実施例１における地絡発生箇所判定のフローチャートである。図２のフローは、地絡発生に伴うスイッチ駆動回路（ドライバ部）１１０における過電流検知、および、入力器１０６や受信機１０７からのトリガによって開始される。開始後、制御回路１０５はモータ停止措置を実行する制御をする（ステップＳ１０１）。

具体的には、制御回路１０５は逆変換器回路１０４の全スイッチをＯＦＦにするように制御することで、モータへの電力供給を停止し、電流計測回路１１１で計測される全ての相の電流値が０になるまで待機する。モータ停止後、制御回路１０５は地絡電流の調査を実行し、地絡相を特定する（ステップＳ１０２）。

その後、地絡相に再度電流を流したときの地絡相の出力電流および地絡相−非地絡相の間の電圧を計測した結果である電流値や電圧値を、制御回路１０５が取得する（ステップＳ１０３）、それらの情報に基づいて電力変換装置１００から地絡箇所までのインダクタンスの計算を行う（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の計算結果とインダクタンス値記憶部が保持しているモータケーブルＭＣのインダクタンス値とを比較することで、地絡箇所を判定する（ステップＳ１０５）。

判定結果は表示器１０８に表示され、また送信機１０９より電力変換装置の外部に送信され（ステップＳ１０６）、地絡発生箇所判定のフローは終了する。

なお、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４においては、後述の地絡相の特定フロー、出力電流および相間電圧計測フロー、インダクタンス計算フローがそれぞれ実行される。

図３は、実施例１における地絡相を特定するフローチャートである。制御回路１０５は、初めに全相の下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚをＯＮにする（ステップＳ１１１）。続いて、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流計測値を電流計測回路１１１から制御回路１０５が取得する（ステップＳ１１２）。

そして、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが電流しきい値Ｉｔｈ１より大きいかどうかを、制御回路１０５が判定する（ステップＳ１１３）。

そして、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが電流しきい値Ｉｔｈ１以下の場合（ステップＳ１１３のＮ）には一定時間経過したかどうかを、制御回路１０５は判定する（ステップＳ１１４）。

このようなステップＳ１１２〜ステップＳ１１４といった電流監視のためのループ処理を行う。ステップＳ１１４で一定時間経過しない場合（ステップＳ１１４のＮ）には、複数の電流センサ２１と電流計測回路１１１から電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流計測値を取得（ステップＳ１１２）することを繰り返す。

電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが所定の電流しきい値Ｉｔｈ１を超えた場合（ステップＳ１１３でＹ）、ループ処理を抜けて、制御回路１０５は、全相の下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳｗｚをＯＦＦにするように制御する（ステップＳ１１５）。そして、最初にしきい値を超えた電流が発生した相を、制御回路１０５は地絡相として判定し（ステップＳ１１６）、終了する。

一方、先のループ処理において一定時間経過してもいずれの電流値も、しきい値Ｉｔｈ１を超過しなかった場合（ステップＳ１１４のＹ）は、ループ処理を抜けて、制御回路１０５は全相の下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳｗｚをＯＦＦにするように制御し（ステップＳ１１７）、ステップＳ１１１から時間１／（２・ｆ０）経過するまで待機する（ステップＳ１１８）。

ここでｆ０は端子Ｒ、Ｓ、Ｔから順変換器回路１０２に入力される交流電圧の基本周波数である。その後、ステップＳ１１８の待機後にステップＳ１１１に戻り、制御回路１０５は地絡相の特定動作をリトライする。

図４は、地絡相の特定動作とその前後におけるスイッチの状態と、出力電流波形の例を示す。時刻ｔ１で下アームスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚをＯＮにすると、各相の出力に吸い込み電流が発生する。

各相の電流は時間と共に増加するが、地絡が発生している相（地絡相）の電流は、発生していない相（非地絡相）の電流より速く増加する。結果として、地絡相の電流が非地絡相の電流より多い状態が、時刻ｔ２において全スイッチをＯＦＦにするまで継続する。

ここで、各電流センサが計測可能な範囲の電流値である電流しきい値Ｉｔｈ１をあらかじめ設定し、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが最初にＩｔｈ１を超えるかを検出し、この相を地絡相、その他の相を非地絡相として特定することができる。つまり、制御回路１０５は、電流センサで計測した各相の地絡電流を比較して、電流増加速度が最大である相を地絡相として特定する。

また、電流しきい値Ｉｔｈ１は低くするほど地絡相調査の動作が短時間で終えることができるので、電流しきい値Ｉｔｈ１は電流計測回路１１１で計測可能な計測範囲のうちなるべく低い値に設定することが好ましい。

図５は、図４の時刻ｔ１からｔ２の間における電流の電流経路の例を示す。図５では例としてＷ相のモータケーブル上（地絡点Ｆ）に地絡が発生している状況を示している。電流を発生させる起電力はトランスの出力（２次側）の負の対地電圧Ｖｔｒｎである。

トランスの出力は３相あるが、順変換器回路１０２のダイオードによって順変換器回路１０２からトランスＴＲＮの対地電圧が負である相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のいずれか）へ電流が流れ込む。

対地電圧が負である相が複数有る場合は、複数の相へ電流が流れ込むが、図５では説明の簡略化のため、トランスＴＲＮと電源ケーブルＴＣと、順変換器回路１０２のダイオードを１相分のみ記載している。

トランスＴＲＮから出た電流は大地ＥＴを流れて地絡点Ｆへ到達し、その後３つに分流して出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに流れ込み、電流センサ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗでその電流値は計測される。分流された電流は、ＯＮ状態にある逆変換器回路１０４内の３つの下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚを流れてノードＮで合流し、順変換器回路１０２に戻る。

なお、図示していないが、時刻ｔ２で全スイッチをＯＦＦにした後は、電流経路は一部変化し、３つに分流された電流が上アームのダイオードＤＩｕ、ＤＩｖ、ＤＩｗを通った後に合流し、電流ノードＰから平滑コンデンサ１０３を通りノードＮに抜けるルートに変化する。平滑コンデンサには入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電圧を整流および平滑化して得られる直流電圧Ｖｄｃがあらかじめ充電されているので、その電圧によって電流は減少する。

図６は、出力電流および相間電圧計測のフローチャートである。また、図７は、図６のフローチャートを補足する補足表を示す。制御回路１０５は、初めに全てのスイッチがＯＦＦの状態を保つように制御しながら、全相の出力電流が０に静定するまで待機（ステップＳ１２１）する。

図３のフローにて説明した地絡相の特定をしておくことで、静定後にその特定された地絡相の下アームスイッチをＯＮにする制御をする（ステップＳ１２２）。

具体的には地絡相に対応して図７の列（１）に示されたスイッチをＯＮにするように制御回路１０５は、制御をする。続いて、図７の列（２）に示されたＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗのうち地絡相に対応した相の計測した電流値を制御回路１０５は、電流計測回路１１１から取得する（ステップＳ１２３）。

制御回路１０５は、計測した電流値がしきい値Ｉｔｈ２を超えたかどうかを判定（ステップＳ１２４）し、計測した電流値がしきい値Ｉｔｈ２以下の場合（ステップＳ１２４のＮ）は一定時間経過したかを判定する（ステップＳ１２５）。

このようなステップＳ１２３〜ステップＳ１２５といった電流監視のためのループ処理を行う。そして、一定時間経過していない場合（ステップＳ１２５のＮ）には、図７の表の列（２）に示された計測された電流値を、制御回路１０５は電流計測回路１１１から取得する処理（ステップＳ１２３）を繰り返す。

計測した電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが所定の電流しきい値Ｉｔｈ２を超えた場合（ステップＳ１２４のＹ）、ループ処理を抜けて、図７の表の列（２）および（３）に示された計測電流値と計測電圧値を、電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２から制御回路１０５は取得し、電流値Ｉｓ１および電圧値Ｖｓ１として記憶する（ステップＳ１２６）。

その後、時間Ｔだけ待機し（ステップＳ１２７）、その後、再度図７の表の列（２）および（３）に示された計測電流値と計測電圧値を、電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２から制御回路１０５が取得し、電流値Ｉｓ２および電圧値Ｖｓ２として記憶する（ステップＳ１２８）。

その後、制御回路１０５は全てのスイッチをＯＦＦにするように制御し（ステップＳ１２９）、処理を終了する。一方、先のループ処理において一定時間経過してもいずれの電流値も、しきい値Ｉｔｈ２を超過しなかった場合（ステップＳ１２５のＹ）は、ループ処理を抜けて、制御回路１０５は全てのスイッチをＯＦＦにするように制御する（ステップＳ１３０）。

そして、ステップＳ１２１から時間１／（２・ｆ０）経過するまで制御回路１０５は待機する（ステップＳ１３１）。ここでｆ０は端子Ｒ、Ｓ、Ｔから順変換器回路１０２に入力される外部電源の交流電圧の基本周波数である。その後、ステップＳ１３１の待機後、ステップＳ１２１に戻り、出力電流および相間電圧計測フローを制御回路１０５がリトライする。

図８は、出力電流および相間電圧計測動作とその前後におけるスイッチの状態、出力電流と相間電圧波形の例を示す図である。図８の例では、地絡がＷ相に発生している場合である。時刻ｔ３で地絡相の下アームスイッチＳＷｚをＯＮにすると、Ｗ相の出力に吸い込み電流が発生し、電流Ｉｗは時間と共に電流が増加する。

あらかじめ設定された、各電流センサが計測可能な範囲の電流値である電流しきい値Ｉｔｈ２を超えた後の時刻ｔ４で、電流値Ｉｗと相間電圧Ｖｗｖを計測し、それらの値は、電流値Ｉｓ１、電圧値Ｖｓ１として記憶される。その後、時間Ｔが経過した時刻ｔ５で再度電流値Ｉｗと相間電圧Ｖｗｖを計測し、それらの値は、電流値Ｉｓ２、電圧値Ｖｓ２として記憶される。

ここで、電流値Ｉｓ１、Ｉｓ２は後述のインダクタンス計算処理で用いられるため、その分解能を高くするために、電流しきい値Ｉｔｈ２は電流計測回路１１１で計測可能な計測範囲のうちなるべく高い値に設定することが好ましい。

また、同様の理由により、待機時間Ｔは長いほうが好ましいが、一方で電圧値の計測精度とのトレードオフとなるので、待機時間ＴはステップＳ１２２からしきい値Ｉｔｈ２を検出するまで時間の１０％〜３０％程度に設定することが好ましい。

図９は、図８に示した時刻ｔ３からｔ６の間における電流の電流経路の例を示す図である。図５では例としてＷ相のモータケーブル上（地絡点Ｆ）に地絡が発生している状況を示している。電流を発生させる起電力はトランスの出力（２次側）の負の対地電圧Ｖｔｒｎである。

トランスの出力は３相あるが、順変換器回路１０２のダイオードによって順変換器回路１０２からトランスＴＲＮの対地電圧が負である相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のいずれか）へ電流が流れ込む。対地電圧が負である相が複数有る場合は、複数の相へ電流が流れ込むが、図９では説明の簡略化のため、トランスＴＲＮと電源ケーブルＴＣと、順変換器回路１０２のダイオードを１相分のみ記載している。トランスＴＲＮから出た電流は大地ＥＴを流れて地絡点Ｆへ到達し、出力端子ＷとスイッチＳＷｚを経由して順変換器回路１０２に戻る。

このとき、電力変換装置１００の出力端子Ｗから地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスＬｓが存在するので、このケーブル部分に地絡電流Ｉｓが流れると（数１）に基づく起電力Ｖｓ発生する。

Ｖｓ＝Ｌｓ・（ｄＩｓ／ｄｔ） （数１）
上記ケーブル部分以外のケーブル部分とモータの巻き線には電流が流れていないため、出力端子ＶおよびＵの電圧は、地絡点Ｆの電圧と等しくなる。そこで、電圧センサ２２ｗｖで出力端子Ｗ−Ｖ間の相間電圧を計測すると、出力端子Ｗ−地絡点Ｆ間の電圧Ｖｓを計測し、電流センサ２１ｗで地絡電流Ｉｓを計測することで、上記（数１）より電力変換装置１００の出力端子Ｗから地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスＬｓを計算することができる。

ところで、図９および図５に記載の地絡電流を発生させるためには、トランスＴＲＮの３相の出力の対地電圧うち少なくとも１つが負である必要がある。

図１０は、３相出力端子のうちＳ相接地された、相電圧Ｖａｃであるトランスの等価回路である。このとき、出力が開放状態におけるトランスＴＲＮの２次側３相出力Ｒ、Ｓ、Ｔ相の対地電圧は図１１のようになる。ｆ０は交流電源の基本周波数であって、通常は数１０Ｈｚ程度である。

交流電源電圧の１周期（＝１／ｆ０）の間に、３相の中に対地電圧が負である相が１つも存在しない期間Ｔｘが存在する。この場合、対地電圧Ｖｔｒｎが０Ｖとなり、下アームスイッチをＯＮにしても地絡電流を発生させることができない。しかしながら期間Ｔｘを交流電源電圧の半周期（＝１／（２・ｆ０））シフトさせた期間Ｔａでは、必ず３相の中に対地電圧が負である相が１つ以上存在する。

そこで、図３と図６のフローにおいて、計測電流がしきい値まで到達しない場合には、交流電源電圧の半周期の間待機して、再度フローを実行することで、トランスＴＲＮの３相の中に対地電圧が負である相が１つ以上存在し、対地電圧Ｖｔｒｎが負になり、地絡電流を発生させることができるようになる。

なお、トランスＴＲＮの中性点が設置されている場合は、常に、トランスＴＲＮの３相の出力の対地電圧うち少なくとも１つが負であるため、上記の半周期シフトさせた計測動作は必要としない。

図１２は、電力変換装置１００の出力端子から地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスＬｓを計算するフローチャートである。制御回路１０５におけるインダクタンス値計算部１２１は、記憶されている電流値Ｉｓ１とＩｓ２および時刻ｔ４から時刻ｔ５までの待機時間Ｔから電流変化率ｄＩｓ／ｄｔを計算する（ステップＳ１４１）。

続いて、インダクタンス値計算部１２１は、記憶されている電圧値Ｖｓ１と電圧値Ｖｓ２からそれらの平均より電圧値Ｖｓを計算する（ステップＳ１４２）。

そして、電力変換装置１００の出力端子Ｗから地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスＬｓを（数１）を変形した式である（数２）によりインダクタンス値計算部１２１が計算し（ステップＳ１４３）て、終了する。
Ｌｓ＝Ｖｓ／（ｄＩｓ／ｄｔ） （数２）

図１３は、図２のステップＳ１０５で行われる地絡箇所の判定方法を示す図である。地絡箇所判定部１２３は、インダクタンス値計算部１２１からの、インダクタンス値Ｌｓと、インダクタンス値記憶部１２２からのモータケーブルのインダクタンスＬｃを入力する。

地絡箇所判定部１２３は、インダクタンス値ＬｓがＬｃよりも小さいときはモータケーブルＭＣでの地絡と判定し、インダクタンス値ＬｓがＬｃより大きいときはモータＭＴでの地絡と判定する。さらに、Ｌｅｎ＿ｓ／Ｌｅｎ＿ｃ＝Ｌｓ／Ｌｃ・１００の値を以って、変換器からモータへ向けて何パーセント進んだ点に地絡箇所があるかを判定する。

ここで、電力変換装置１００の出力端子からケーブル上の地絡箇所までのケーブル長をＬｅｎ＿ｓとし、ケーブル全長をＬｅｎ＿ｃとし、出力端子から地絡点Ｆまでのケーブルに存在するインダクタンスをＬｓ、モータケーブルの全長のインダクタンスをＬｃとした。

インダクタンス値記憶部１２２が保持しているＬｃは、入力器１０６あるいは受信機１０７より事前に入力されている。モータケーブルのインダクタンス値Ｌｃを入力する代わりに、使用しているモータケーブルのケーブル長Ｌｅｎとケーブル種類を入力し、ケーブル種類に応じた比例係数を使ってケーブル長Ｌｅｎからインダクタンス値Ｌｃを計算する手段も可能である。

図１４は、表示器１０８の構成図である。表示器１０８はデコーダ１３１、ＬＥＤドライバ１３２、ＬＥＤセグメント１３３で構成される。

制御回路１０５から送られてきた地絡箇所判定結果と地絡相番号は、デコーダ１３１でＬＥＤセグメントの数字および文字の表示パターンにデコードされる。ＬＥＤ１３２ドライバは電流信号によって、デコードされた表示パターンをＬＥＤセグメント１３３に表示させる。例として、地絡箇所に対応したアルファベット文字・数字や、地絡箇所までの距離を表すメートル数を表示させることができる。

図１５は、送信機１０９の構成図である。送信機１０９は変調器１４１、増幅器１４２、アンテナ１４３で構成され、制御回路１０５から送られてきた地絡箇所判定結果と地絡相番号は変調器１４１で変調され、増幅器１４２で電力増幅され、アンテナ１４３より外部へ無線送信される。図示していないが、別の機器やシステムは、無線送信された信号を受信し、復調することで、地絡箇所判定結果と地絡相番号の情報を得ることが可能である。

図１６は、逆変換器回路１０４の第一の変形例を示す図である。図１に示した逆変換器回路１０４との違いは、各相の出力電流値を測定する３つの電流センサ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗの取り付け位置が、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから、下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚのエミッタ側のノードに変更になっていること。

および、電圧センサがＵ−Ｖ相、Ｗ−Ｖ相間の２つが無くなり、Ｕ相−ノードＮ、Ｖ相−ノードＮ、Ｗ相−ノードＮ間の３つの電圧センサ２２ｕｎ、２２ｖｎ、２２ｗｎが代わりに取り付けられていることである。つまり、順変換器回路１０２（図示省略）と逆変換器回路１０４を接続する直流電圧配線を基準にとして、逆変換器回路１０４の出力の３つの相との間に、電圧センサ２２ｕｎ、２２ｖｎ、２２ｗｎが１つずつ配置された構成である。

図１６に示す位置に電流センサ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗを取り付けた場合、下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚをＯＮしている間は、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗと同じ電流が流れるため、第一の変形例を用いても、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗの出力電流を測定することができる。

また、出力端子間の相間電圧は、電圧センサ２２ｕｎ、２２ｖｎ、２２ｗｎの計測値Ｖｕｎ、Ｖｖｎ、Ｖｗｎのうち２つの組合せで減算を電圧計測回路１１２が行うことで計算することができる（例えば、Ｖｕｖ＝Ｖｕｎ−Ｖｖｎ、Ｖｗｖ＝Ｖｗｎ−ｖｖｎ）。したがって、第一の変形例を用いても、各相の出力電流と、相間電圧を計測できるので、実施例１と同様な動作を実現することができる。

図１７は、逆変換器回路１０４の第二の変形例を示す図である。図１に示した逆変換器回路１０４との違いは、出力端子Ｖに取り付けられた電流センサ２１ｖが無く、代わりにノードＮへの接続部（順変換器回路１０２（図示省略）と逆変換器回路１０４を接続する直流電圧配線）に電流センサ２１ｎが１つ取り付けられていることである。図１７に示した電流センサを取り付けた場合、図３に示した地絡相特定フローにおいて、下アームのスイッチＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚをＯＮしている間は、電流センサ２１ｎではＵ、Ｖ、Ｗ相の合計出力電流Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗが計測される。

そこで、電流センサ２１ｎの計測値から電流センサ２１ｕと電流センサ２１ｗの計測値を電流計測回路１１１が引き算することで、Ｖ相の出力電流Ｉｖを求めることができる。また、図６に示した出力電流および相間電圧計測フローにおいて、下アームのスイッチＳＷｙをＯＮしている間は、電流センサ２１ｎはＶ相の出力電流Ｉｖを計測する。したがって、第二の変形例を用いても、電流センサが無いＶ相出力端子の電流を計測できるので、実施例１と同様な動作を実現することができる。

実施例に示した電力変換装置１００の地絡相を特定する動作においては、地絡相と非地絡相の両方の電流を測定するが、電流量が相対的に大きい地絡相の電流値を参照する。

また、インダクタンス値計算のための動作においては、本実施例においては電流量が相対的に小さくなる非地絡相の電流を用いないで、地絡相の電流を用いる。したがって、本実施例に示した電力変換装置１００は一般的な分解能の電流センサを用いても接続ケーブルやモータでの地絡箇所を判定することができる。

実施例１では、３相のケーブルを用いた場合について説明したが、外部装置が単相モータであってもよい。その場合、電気を送るケーブルと電気を受け取るケーブルの２本のケーブルとなり、電力変換装置内に配置した電圧センサで、片方のケーブルと、もう一方のケーブルの間の電圧を測ることで、地絡電流を流した場合の起電力Vsを求めること、および地絡電流を求めることなどにより、３相の場合と同様に、地絡箇所を判定することができる。

また、単相モータに適用する場合には、図２の地絡相特定のステップＳ１０２は不要となる。

また、実施例１では、モータを例にしているが、ケーブルに接続する外部装置は、モータに限られず、電流を流さないときに、入力端子間の電圧が０Ｖとなる外部装置には適用できる。

[応用例]
図１８は、前記した実施例を産業用インバータに応用した例を示す図である。本例における電力変換装置２０１と駆動用モータＭＴの間は、モータケーブルＭＣで接続されている。

電力変換装置２０１は、交流電源ケーブルＴＣを通して外部から電力を供給されている。モータＭＴは空調機、圧縮機、コンベア、エレベータなど様々な産業用機器を駆動することに使用される。

モータＭＴ内部やモータケーブルＭＣ上で地絡が発生した場合、電力変換装置２０１が備えている表示器２０２に地絡箇所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ地絡箇所が報知される。

ＭＣ…モータケーブル、ＭＴ…モータ、２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ、２１ｎ…電流センサ、２２ｕｖ、２２ｗｖ、２２ｕｎ、２２ｖｎ、２２ｗｎ…電圧センサ、１００…電力変換装置、１０２…順変換器回路、１０３…平滑コンデンサ、１０４…逆変換器回路、１０５…制御回路、１１１…電流計測回路、１１２…電圧計測回路、１２１…インダクタンス値計算部、１２２…インダクタンス値記憶部、１２３…地絡箇所判定部

Claims (15)

1. 交流電力を直流電力に変換する順変換部と、
   外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御するスイッチ素子を備えた逆変換部と、
   前記スイッチ素子を駆動するドライバ部と、
   前記逆変換部の電流を計測する電流センサと、
   前記逆変換部の電圧を計測する電圧センサと、
   前記電圧センサおよび電流センサの計測信号を入力し、前記ドライバ部を制御する制御部とを有し、
   地絡箇所を調査する際、前記ケーブルに地絡電流を発生させ、
   前記電流センサは、地絡電流の電流値を計測し、
   前記電圧センサは、地絡電流が流れることにより発生する電圧値を計測し、
   前記制御部は、
   計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記地絡箇所の判定結果を外部に報知する送信部を有することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記逆変換部は、
   ３つのハーフブリッジ回路で構成され、
   前記制御部は、
   前記地絡箇所を調査する際、
   地絡が発生している相のハーフブリッジ回路の下アームの前記スイッチ素子をオンにして、前記ケーブルに前記地絡電流を発生させ、
   前記電流センサは、前記地絡電流の前記電流値を計測し、
   前記電圧センサは、地絡が発生している相と地絡が発生していない相の間の相間電圧を計測し、
   前記制御部は、
   計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、前記地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   インダクタンス値計算部と地絡箇所判定部を備え、
   前記インダクタンス値計算部は、
   計測された前記電流値と前記電圧値に基づいて、
   交流電力の出力端子からと地絡箇所までの間のインダクタンス値を計算し、
   前記地絡箇所判定部は、
   前記インダクタンス値に基づいて地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記ケーブルの前記インダクタンス値を記憶した記憶部を備え、
   前記地絡箇所判定部は、
   前記記憶部が記憶している前記インダクタンス値と前記インダクタンス値計算部で計算された前記インダクタンス値とを比較することで、地絡箇所がケーブル上かモータ上かを判定することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記ケーブルの前記インダクタンス値を記憶した記憶部を備え、
   前記地絡箇所判定部は、
   前記記憶部が記憶している前記インダクタンス値に対する前記インダクタンス値計算部の計算された前記インダクタンス値の割合から、ケーブル上の地絡位置を判定することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記ケーブルもしくは前記外部装置で発生した前記地絡箇所の調査の前に、
   地絡電流を発生させ、前記地絡電流を調査することで地絡が発生している相を特定することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記ケーブルで発生した前記地絡箇所の調査の前に、
   前記逆変換部の下アームの３つの前記スイッチ素子をオンにして、前記ケーブルに前記地絡電流を発生させ、
   前記電流センサで計測した前記地絡電流を比較して、電流増加速度が最大である相を地絡相として特定することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記地絡電流の電流量が計測に不十分だった場合には、
   外部電源の交流電圧周期の半分の時間待機した後、前記地絡電流の計測を行うようにすることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記順変換部はダイオードブリッジ整流回路で構成されていることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電流センサは、
    前記逆変換部の出力の３つの相に１つずつ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電流センサは、
    前記逆変換部を構成する３つのハーフブリッジ回路の下アームに各１つずつ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電流センサは、
    前記逆変換部の出力の２つの相に１つずつ、前記順変換部と前記逆変換部を接続する直流電圧配線に１つ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電圧センサは、
    前記逆変換部の出力の３つの相間のうち２つ相間の電圧を計測するように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
15. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電圧センサは、
    前記順変換部と前記逆変換部を接続する直流電圧配線を基準として、前記逆変換部の出力の３つの相との間に１つずつに配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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