JP2022112783A - 電力変換装置および地絡検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部装置および接続するケーブルに発生する地絡を診断する際に、寄生容量によって誤検知が発生する容量条件の範囲を縮小し、誤検知を抑制する。【解決手段】三相交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ回路と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御する複数のスイッチ素子を備えたインバータ回路と、ダイオードブリッジ回路と前記インバータ回路を接続する２つの直流電圧配線を有する電力変換装置であって、ケーブルと直流電圧配線のうちの１つとの間の電圧を分圧した第一の電圧情報信号から、先行する第一のピークと後行する第二のピークの２つのピークを持った周期的に発生する山状の波形を抽出し、第二のピーク値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、第一のピーク値と第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合、外部装置および接続するケーブルに地絡が発生していると判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動する電力変換装置およびそれを用いたケーブルあるいはモータの地絡検出方法に関する。

電力変換装置に接続するモータおよび、電力変換装置とモータ間を接続するケーブルに地絡が発生した場合、モータに正常な電流が流せずモータの制御に悪影響が出るため、使用者に報知する必要がある。また、モータの制御に影響が出ない高抵抗な地絡であっても、今後絶縁劣化が進行することによって制御に影響が出る可能性があるので、高抵抗な地絡であっても使用者に報知することは有益である。

本技術分野における背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、抵抗を介した地絡を検知する方法として、インバータの停止時に、インバータ出力端子の少なくとも一つの相と前記直流母線の一方の極との間の電位差と基準電圧とを比較することにより、インバータ出力端の地絡を検出している。また、検出するための回路構成として、分圧抵抗器と比較器を用いている。地絡が発生すると、出力端子と大地間のインピーダンスが低くなり、インバータ出力端子の電圧が上昇する。前述の比較器は、この電圧上昇を基準電圧と比較し、基準電圧を超過した場合に地絡発生と判断している。

特開２００１－２１８４７４号公報

ケーブルおよびモータと、大地の間には、寄生的な静電容量成分が存在する（以降、この静電容量成分を寄生容量Ｃｐと記載する）。寄生容量Ｃｐのインピーダンスの絶対値を式で表すとＺＣｐ＝１／（２πｆＣｐ）であるから、寄生容量Ｃｐが大きくなると、それに反比例してインバータの出力端子と大地間のインピーダンスが低下する。そのため、特許文献１で示した電圧上昇を検知することで地絡と判定する方法では、寄生容量Ｃｐが大きい場合に、地絡が発生していなくても地絡発生と誤判定してしまう問題がある。地絡の誤検知が発生すると、装置の使用開始ができないなど使用者にとって不利益をもたらすので極力避けねばならない。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、寄生容量Ｃｐによって誤検知が発生する容量条件の範囲を縮小し、誤検知を抑制することができる電力変換装置および地絡検出方法を提供することである。

本発明は、その一例を挙げるならば、三相交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ回路と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御する複数のスイッチ素子を備えたインバータ回路と、ダイオードブリッジ回路と前記インバータ回路を接続する２つの直流電圧配線を有する電力変換装置であって、ケーブルと直流電圧配線のうちの１つとの間の電圧を分圧した第一の電圧情報信号から、先行する第一のピークと後行する第二のピークの２つのピークを持った周期的に発生する山状の波形を抽出し、第二のピーク値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、第一のピーク値と第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合、外部装置および接続するケーブルに地絡が発生していると判定する。

本発明によれば、寄生容量Ｃｐによって誤検知が発生する容量条件の範囲を縮小し、誤検知を抑制することができる。

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における直流電圧バスＮに対するＵ相出力電圧ＶＵＮに関連する回路部分を抽出した回路図である。 実施例１における電圧ＶＮ、ＶＵおよびＶＵＮの電圧波形のシミュレーション計算結果例である。 実施例１における地絡診断のための全体処理フローチャートである。 実施例１における地絡診断の処理フローチャートである。 実施例１における電源ケーブルＴＣが一相接地および中性点接地の場合の電圧情報ＥＵＮｎ波形の一例である。 実施例１における電圧情報ＥＵＮｎの波形の一例である。 実施例１における第一ピーク値Ｅｐ１と第二ピーク値Ｅｐ２を抽出するための処理フローチャートである。 実施例１における抽出された第一のピーク値Ｅｐ１および第二のピーク値Ｅｐ２の値の例を纏めた表である。 実施例１における差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２を纏めた表である。 実施例１における制御回路５出力する判定結果Ｊｄｇの値を纏めた表である。 実施例２における制御回路の構成図である。 実施例２における地絡診断の処理フローチャートである。 実施例２における平均値Ｅａｖｇの値の例を纏めた表である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本実施例における電力変換装置の構成図である。電力変換装置１は、三相交流電力を入力して直流電力に変換するダイオードブリッジ回路２、平滑コンデンサ３、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御する複数のスイッチ素子を備えたインバータ回路４を備えている。

また、電力変換装置１は、電力変換装置１の動作を制御するための制御回路５と、制御回路５からの出力情報を表示するための表示器６、外部のシステムへ送信するための送信機７を備えている。制御回路５は、ハードウェアとしてはＣＰＵもしくはマイコンを含む構成であり、メモリに記憶格納されている各種処理プログラムとデータを用いてソフトウェア処理することにより制御処理を実行する。なお、ソフトウェア処理に代えてＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で構成してもよい。

電力変換装置１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、その先にモータＭＴが接続されている。一方、電力変換装置１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。電源ケーブルＴＣおよびトランスＴＲＮの２次側は、一相接地または中性点接地されている。

本実施例では、主に、電源ケーブルＴＣの３本のいずれか１本が大地Ｇに接続されている一相接地されている場合に有効な地絡判定方法を提供する。なお、図１においては、Ｓ相が大地Ｇに接続された一相接地となっている。

破線で囲われた３本のモータケーブルＭＣおよびモータＭＴ内の配線上と、大地Ｇとの間には、絶縁抵抗ＲＧＦと寄生容量Ｃｐが存在している。本実施例は、インバータ回路４の中の直流電圧バスＮに対するＵ相出力電圧ＶＵＮの電圧情報を利用して絶縁抵抗ＲＧＦの低下を検出し、これを地絡として判定する。

なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は配線インダクタンスおよびモータ内の巻き線インダクタンスを介して接続しているが、地絡の判定動作ではモータ駆動に用いられる電流よりも十分に微小な電流しか流れず、これらのインダクタンスの影響を無視できるため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は同じ電位にあるとみなすことができる。そのため、Ｕ相出力電圧ＶＵＮの代わりに、直流電圧バスＮに対するＶ相出力電圧またはＷ相出力電圧を用いても良い。

ダイオードブリッジ回路２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、直流電圧バスＮおよびＰに出力する。ダイオードブリッジ回路２の整流作用により直流電圧バスＰを正電圧、直流電圧バスＮを負電圧とした直流電圧ＶＤＣが発生する。平滑コンデンサ３はその両端を直流電圧バスＮおよびＰに接続し、直流電圧ＶＤＣを平滑化する。インバータ回路４は、直流電圧バスＮおよびＰから供給される直流電力を、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。

電力変換装置１は、インバータ回路４の出力部に、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電流増幅アンプ８、電圧計測回路１０を備えている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２は、出力端子Ｕと直流電圧バスＮの間を直列に接続し、出力端子Ｕと直流電圧バスＮ間の電圧ＶＵＮを分圧し、抵抗分圧回路として機能する。分圧の目的は、１００Ｖ以上の電圧ＶＵＮの電圧情報を後続の電流増幅アンプ８や電圧計測回路１０に５Ｖ以下の低耐圧部品で処理できるようにするためである。電流増幅アンプ８には入力抵抗が高いものを用い、分圧値に影響を与えないようにしている。電圧計測回路１０には電流増幅アンプ８を介して、電圧ＶＵＮの分圧された電圧を計測し、アナログの電圧ＶＵＮをそれに対応したデジタルの電圧情報ＥＵＮに変換して、制御回路５に供給する。

同様に、電力変換装置１は、インバータ回路４の直流電圧入力部には、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、電流増幅アンプ９、電圧計測回路１１を備えている。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４は、直流電圧バスＰとＮの間を直列に接続し、直流電圧バスＰとＮの間の電圧ＶＤＣを分圧し、抵抗分圧回路として機能する。電流増幅アンプ９には入力抵抗が高いものを用い、分圧値に影響を与えないようにしている。電圧計測回路１１には電流増幅アンプ９を介して、電圧ＶＤＣの分圧された電圧を計測し、アナログの電圧ＶＤＣをそれに対応したデジタルの電圧情報ＥＤＣに変換して、制御回路５に供給する。

制御回路５は、波形記憶部２１、第一ピーク値抽出部２２、第二ピーク値抽出部２３、引算器２４、比較器２５および２６、論理積ゲート２７、除算器２８、接地状態判定部２９、抵抗値推定部３０を備えている。

除算器２８は、電圧計測回路１０から送られてきた電圧情報ＥＵＮを、電圧計測回路１１から送られてきた電圧情報ＥＤＣで除算し、電圧情報ＥＵＮｎを出力する。この除算作業によって、電圧情報ＶＵＮが正規化されるため、三相交流入力電圧の変動が発生しても診断誤差を抑制する効果が得られる。三相交流入力電圧が変動しない場合は、除算器２８による正規化動作を省略したり、あるいは、電圧情報ＥＤＣに代えて固定値による除算による正規化動作としても良い。

波形記憶部２１は三相交流入力電圧の１周期の期間の電圧情報ＥＵＮｎの波形情報ＷＦ＿ＥＵＮｎを記憶する。

この記憶された波形情報ＷＦ＿ＥＵＮｎを基に、第一ピーク値抽出部２２は、波形情報ＷＦ＿ＥＵＮｎに現れる山状の波形の先行する第一ピーク値Ｅｐ１を抽出し、第二ピーク値抽出部２３は、山状の波形の後行する第二ピーク値Ｅｐ２を抽出する。引算器２４は、抽出した２つのピーク値の差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２を計算する。

比較器２５は、第二ピーク値Ｅｐ２としきい値ＴｈＡを比較し、ＥＰ２＞ＴｈＡの場合は１を、そうでない場合は０を出力する。比較器２６は、差分値Ｅｐ２－ＥＰ１としきい値ＴｈＤを比較し、Ｅｐ２－ＥＰ１＜ＴｈＤの場合は１を、そうでない場合は０を出力する。論理積ゲート２７は比較器２５と比較器２６の両方の出力が１の場合に、地絡判定結果Ｊｄｇに１を、そうでない場合に地絡判定結果Ｊｄｇに０を出力する。ここで、Ｊｄｇ＝１は地絡検出あり、Ｊｄｇ＝０が地絡不検出を意味する。制御回路５はこの地絡判定結果Ｊｄｇを表示器６および送信機７に送信し、診断結果はユーザおよび外部システムへ報知される。

接地状態判定部２９は、波形記憶部２１が記憶する波形情報ＷＦ＿ＥＵＮｎより、ゼロ期間と山状の波形が繰り返し発生することを検出した場合、電源ケーブルＴＣの３本のいずれか１本が大地Ｇに接続されている一相接地状態であると判定する。

抵抗値推定部３０は、第二ピーク値Ｅｐ２を入力して、その値を基に絶縁抵抗ＲＧＦを推定し、絶縁抵抗の推定値Ｒ＿ｅｓｔを表示器６および送信機７に送信し、抵抗推定値の結果はユーザおよび外部システムへ報知される。

インバータ回路４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのハーフブリッジ回路と、ドライバ回路３１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。

全てのスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚは、ドライバ回路３１と接続している。ドライバ回路３１は制御回路５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。

図２は、直流電圧バスＮに対するＵ相出力電圧ＶＵＮに関連する回路部分を、図１の構成図から抽出した回路図である。前述した通りインダクタンス成分は無視できるため回路図からはケーブルやモータ巻き線のインダクタンスは削除されている。

図２において、トランスＴＲＮの二次側は３つの正弦波電圧源として表され、それらは、同じ振幅Ａ、と同じ周波数ｆであるが、互いに１２０度ずつずれた位相θ１、θ２、θ３となっている。電力変換装置１の入力端子Ｓが大地Ｇに接地されている場合、他の入力端子ＲおよびＴには、前記の電圧源のうち２つを直列に繋げて得られる交流電圧が印加される。一方、ダイオードブリッジ回路２の整流作用と平滑コンデンサ３の電圧平滑化作用によって、直流電圧バスＰとＮの間の直流電圧ＶＤＣには、トランスＴＲＮ内の電圧源を２つ直列に繋げて得られる電圧の最大値に相当する直流電圧が発生する。また、ダイオードを介して直流電圧バスＮと大地Ｇは接続しているため、直流電圧バスＮの電圧ＶＮは大地Ｇと同じかあるいはより低い電位となっている。ただし、ダイオードのビルトイン電圧は無視できるものとする。

電力変換装置１の出力端子Ｕは、絶縁抵抗ＲＧＦを介して大地Ｇと、また抵抗Ｒ１とＲ２の直列抵抗を介して直流電圧バスＮと接続している。また、出力端子Ｕは、寄生容量Ｃｐを介して大地Ｇと、またダイオードＤを介して直流電圧バスＮと接続している。ダイオードＤは、インバータ回路４の下アームの還流ダイオードＤＩｘ、ＤＩｙ、ＤＩｚが並列接続された回路を１つのダイオードで表したものである。

寄生容量Ｃｐが無い（Ｃｐ＝０）の場合は、絶縁抵抗ＲＧＦ、抵抗Ｒ１、Ｒ２は単純に分圧抵抗として作用するため、大地Ｇに対する出力端子Ｕの電圧ＶＵ（負）は、絶縁抵抗ＲＧＦと、分圧抵抗Ｒ１とＲ２の直列抵抗が直流電圧バスＮの電圧を分圧した電圧となる。そして、直流電圧バスＮに対する出力端子Ｕの電圧ＶＵＮは、上記の電圧ＶＵ（負）と電圧ＶＮ（負）の差電圧、つまりＶＵＮ＝ＶＵ－ＶＮとなる。

一方、寄生容量Ｃｐが存在する場合は、寄生容量Ｃｐと絶縁抵抗ＲＧＦ、抵抗Ｒ１、Ｒ２がＣＲ遅延回路を形成するため、直流電圧バスＮの電圧ＶＮの電圧変動に対して、出力端子Ｕの電位追従を遅らせるＣＲ遅延回路として作用する。なお、ダイオードＤによって、出力端子Ｕの電位は直流電圧バスＮの電位を下回らないようにクランプされている。

なお、電圧計測回路１０が計測する電圧Ｕｍｏｎは、寄生容量Ｃｐの大小に関わらず電圧ＶＵＮをＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）倍とした電圧であって、電圧Ｕｍｏｎは電圧ＶＵＮの情報をそのまま引き継いでいる。

図３に、本実施例における電圧ＶＮ、ＶＵおよびＶＵＮの電圧波形のシミュレーション計算結果の例を示す。図３（ａ）は寄生容量Ｃｐが０の場合、図３（ｂ）は寄生容量Ｃｐが１０ｎＦの場合である。ステップさせたパラメータは、絶縁抵抗ＲＧＦであって、ＲＦＧ＝｛０Ω、１００ｋΩ、３００ｋΩ、１ＭΩ、３ＭΩ、∞Ω｝としている。その他パラメータは固定であって、抵抗Ｒ１＝５ｋΩ、抵抗Ｒ２＝２９５ｋΩ、振幅Ａ＝１６３．３Ｖ、周波数ｆ＝５０Ｈｚとして計算している。

寄生容量Ｃｐが０の場合の図３（ａ）において、電圧ＶＮの波形は図中の一番下側の曲線となり、これは同じ高さの２つのボトムを持った負の電圧波形である。電圧ＶＵは、電圧ＶＮの分圧電圧であるから、電圧ＶＵの波形は電圧ＶＮがＲＧＦ／（Ｒ１＋Ｒ２＋ＲＧＦ）倍に圧縮された波形となる。例えば、ＲＧＦ＝∞Ωのときは、電圧ＶＵの波形は電圧ＶＮの波形と同じであるが、ＲＧＦの減少に伴って電圧ＶＵの波形は圧縮され、ＲＧＦ＝３００ｋΩでは振幅が半分となり、ＲＧＦ＝０Ωでは、電圧ＶＵの波形は０Ｖ一定の直線となる。電圧ＶＵＮは電圧ＶＵと電圧ＶＮの差電圧であるから、例えば、ＲＧＦ＝０Ωのときは、電圧ＶＵの波形は電圧ＶＮの波形を正負反対にした波形、つまり同じ高さの２つのピーク（１ｓｔおよび２ｎｄピーク）を持った山状の正の電圧波形となるが、ＲＧＦの増大に伴って電圧ＶＵの波形は圧縮され、ＲＧＦ＝３００ｋΩでは振幅が半分となり、ＲＧＦ＝∞Ωでは、電圧ＶＵＮの波形は０Ｖ一定の直線となる。

寄生容量Ｃｐが１０ｎＦの場合の図３（ｂ）において、電圧ＶＮの波形は図３（ａ）と同じく２つのボトムを持った負の電圧波形である。しかしながら、絶縁抵抗ＲＧＦと分圧抵抗Ｒ１とＲ２の直列抵抗と寄生容量Ｃｐが形成するＣＲ遅延回路によって、電圧ＶＵの波形は、図３（ａ）の波形に対して遅れた波形となる。その結果、電圧ＶＵＮの波形は、絶縁抵抗ＲＧＦが高いほど、および、早い時間ほど、図３（ａ）の波形と比べて波形が上に持ち上がり、また、２ｎｄピークにくらべ１ｓｔピークの高さが高くなってくる。

例えば、ＲＧＦ＝∞Ωでは、電圧ＶＵＮの波形は０Ｖ一定の直線とならず、異なる高さの１ｓｔピークと２ｎｄピークを持った山状の波形となる。

図４に、本実施例における地絡診断のための全体処理フローチャートを示す。なお、このフローチャートは、電力変換装置１への電源投入直後や、ユーザおよび接続システムからの地絡診断開始トリガによって開始される。図４において、開始後、制御回路５はインバータ回路４内のすべスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚをＯＦＦにする（Ｓ１）。

続いて、接続するモータＭＣの回転が停止したことを確認する（Ｓ２）、具体的にはモータ駆動制御のためにインバータ回路４の複数の出力相に取り付けられた電流センサ（不図示）や、ＤＣ電流バスに取り付けられた電流センサ（不図示）を利用して確認することができる。停止いていないと確認された場合は停止するまで待機する。また、電流センサを利用しない場合は、あらかじめモータの停止に必要な時間を見積もっておいてその時間待機する。

続いて、電圧ＶＤＣが安定しているか確認する（Ｓ３）。安定していない場合は平滑コンデンサ３が十分に充電されて電圧ＶＤＣが安定するまで待機する。

モータ停止と電圧ＶＤＣの安定化が確認されたら、地絡診断動作を実施する（Ｓ４）。地絡診断の詳細については後述する。診断動作によって得られた判定結果は表示器６に表示され、また送信機７により装置外部に送信される（Ｓ５）。

図５に、本実施例における地絡診断（Ｓ４）の処理フローチャートを示す。図５において、まず、接地状態判定部２９は、除算器２８が出力した電圧情報ＥＵＮｎを、０より僅かに大きいしきい値ＥＺと、しばらくの時間、比較する（Ｓ１１）。比較する時間は、想定される入力交流電圧の周波数の最大値より長ければよい。しきい値ＥＺは電圧情報ＥＵＮｎが０にある状態を検出するためのしきい値なので、理論的には１より十分に小さく０に限りなく近いほど良いが、実用的にはノイズが含まれること考慮すると、ＥＺ＝０．０１～０．１付近の値が好ましい。

図６に、本実施例における電源ケーブルＴＣが一相接地および中性点接地の場合の電圧情報ＥＵＮｎ波形の一例を示す。０より僅かに高いしきい値ＥＺに対して、一相接地の場合は、電圧情報ＥＵＮｎはＥＺより高い状態とノイズとか外乱を除くと理論的にゼロのしきい値ＥＺより低い状態を周期的に繰り返す、言い換えれば周期的に理論的にゼロ電圧状態となる、のに対して、中性点接地の場合は、電圧情報ＥＵＮｎはＥＺより常時高い状態になっている。

上記のような特性を利用して、接地状態判定部２９は、ＥＵＮｎがＥＵＮｎ＜ＥＺとＥＵＮｎ＞ＥＺの状態を周期的に繰り返した場合に、電源ケーブルＴＣが一相接地されている判断して次のステップＳ１３に進む（Ｓ１２）。また接地状態判定部２９は、常時ＥＵＮｎ＞ＥＺであった場合、電源ケーブルＴＣが中性点接地されていると判断し、本実施例と別の方法で地絡を診断する（Ｓ２２）。例えば常時ＥＵＮｎが、別のしきい値を超えたことを以って地絡検出と診断しても良いし、あるいは、既にＥＵＮｎ＞ＥＺとなっていることを以って地絡検出したと診断しても良い。常時ＥＵＮｎ＜ＥＺであった場合は、電源ケーブルＴＣの接地状態は不明であり、地絡不検出として処理する（Ｓ２３）。

接地状態判定部２９が一相接地と判定した場合、波形記憶部２１は、電圧情報ＥＵＮｎ波形の立ち上がりタイミングを抽出し（Ｓ１３）、１周期分の波形データＷＦ＿ＥＵＮｎを記憶する（Ｓ１４）。

図７に、本実施例における電圧情報ＥＵＮｎの波形の一例を示す。波形記憶部２１は、ＥＵＮｎ＜ＥＺからＥＵＮｎ＞ＥＺとなる時刻を立ち上がりタイミングとして検出する。また、波形記憶部２１は、連続した２つの立ち上がりタイミングを検出し、その期間Ｔの電圧情報ＥＵＮｎを波形データＷＦ＿ＥＵＮｎとして記憶する。なお、期間Ｔの長さは入力交流電圧の１周期と同じになる（Ｔ＝１／ｆ）。

図５に戻って、波形記憶部２１が波形データＷＦ＿ＥＵＮｎを記憶した後、第一ピーク値抽出部２２は、波形情報ＷＦ＿ＥＵＮｎに現れる山状の波形の先行する第一ピーク値Ｅｐ１を抽出し、第二ピーク値抽出部２３は、山状の波形の後行する第二ピーク値Ｅｐ２を抽出する（Ｓ１５）。

図８に、本実施例における波形データＷＦ＿ＥＵＮｎより第一ピーク値Ｅｐ１と第二ピーク値Ｅｐ２を抽出するための処理フローチャートを示す。図８の処理フローチャートにおいて、まず波形データＷＦ＿ＥＵＮｎ時間軸に対して３分割し（Ｓ３１）、第一ピーク値抽出部２２は、分割された１番目の期間内における波形データＷＦ＿ＥＵＮｎの最大値をＥｐ１として出力し（Ｓ３２）、第二ピーク値抽出部２３は、分割された２番目の期間内における波形データＷＦ＿ＥＵＮｎの最大値をＥｐ２として出力する（Ｓ３３）。なお、図７の波形において、３分割された期間はＴ１、Ｔ２、Ｔ３であり、第一ピーク値抽出部２２は期間Ｔ１において、第二ピーク値抽出部２３は期間Ｔ２において、それぞれ最大値を抽出しピーク値とする。

図５に戻って、第一ピーク値Ｅｐ１および第二のピーク値Ｅｐ２を抽出した後、比較器２５は、第二ピーク値Ｅｐ２とあらかじめ設定されているしきい値ＴｈＡを比較する（Ｓ１６）。比較結果がＥｐ２＜ＴｈＡの場合には、制御回路５は地絡不検出と判断する（Ｓ２３）。

比較結果がＥｐ２＜ＴｈＡでなかった場合、続いて、比較器２６は、第一ピーク値Ｅｐ１と第二ピーク値Ｅｐ２の差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２を、あらかじめ設定されているしきい値ＴｈＤと比較する（Ｓ１７）。比較結果がＥｐ１－Ｅｐ２＞ＴｈＤの場合、制御回路５は地絡不検出と判断する（Ｓ２３）。

比較結果がＥｐ１－Ｅｐ２＞ＴｈＤでなかった場合、制御回路５は地絡ありとして判断する（Ｓ１７）。

また、抵抗値推定部３０は、第二ピーク値Ｅｐ２より、絶縁抵抗ＲＧＦの値の推定値を計算する（Ｓ１８）。波形データＷＦ＿ＥＵＮｎは正規化されているため、寄生容量Ｃｐの影響が無視できる場合には、第二ピーク値Ｅｐ２は（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋ＲＧＦ）で表すことができるため、絶縁抵抗ＲＧＦの値を下記（数１）より推定することができる。

ＲＧＦ＝（Ｒ１＋Ｒ２）・（（１／Ｅｐ２）－１） ・・・（数１）
ただし、数１から得られるＲＧＦの推定値には寄生容量Ｃｐの影響が含まれていないため、寄生容量Ｃｐが大きいほど誤差は大きくなる。

図９は、本実施例における抽出された第一のピーク値Ｅｐ１および第二のピーク値Ｅｐ２の値の例を纏めた表であって、（ａ）は第一のピーク値Ｅｐ１、（ｂ）は第二のピーク値Ｅｐ２を纏めた表である。

図９の表中の各値は、絶縁抵抗ＲＧＦと寄生容量Ｃｐをパラメータとして、回路シミュレーション計算を行い得られた値である。シミュレーション条件は、抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝５ｋΩ、抵抗Ｒ２＝Ｒ４＝２９５ｋΩ、平滑コンデンサ容量＝１ｍＦ、入力三相交流相電圧振幅Ａ＝１６３．３Ｖとしている。

ここで、１ＭΩ程度の絶縁抵抗ＲＧＦを地絡と判定させるために、シミュレーション条件ＲＧＦ＝１ＭΩ、Ｃｐ＝０．１ｎＦ（最小容量）で得られたＥｐ１およびＥｐ２の値である０．２３より僅かに少ない０．２をしきい値に設定した。すると、Ｅｐ１とＥｐ２は、Ａの領域でしきい値より高く、Ｂの領域でしきい値より低くなる。

ここで、仮にＡの領域を地絡と判定した場合について述べる。これは、特許文献１のように、波形のピーク値が、あるしきい値より大きい場合に地絡検出と診断させることに相当する。

図９（ａ）において、寄生容量Ｃｐが１ｎＦ以下の場合、絶縁抵抗ＲＧＦが１ＭΩ以下では地絡検出、３ＭΩ以上では地絡不検出と判定ができるが、寄生容量Ｃｐが大きい場合、すなわち、図９（ａ）においては３ｎＦ以上の場合、全ての絶縁抵抗ＲＧＦの条件で地絡検出と判定するため、破線で示したＡ２の条件において誤検知となる。

同様に、図９（ｂ）において、寄生容量Ｃｐが３ｎＦ以下の場合、絶縁抵抗ＲＧＦが１ＭΩ以下では地絡検出、３ＭΩ以上では地絡不検出と判定ができるが、寄生容量Ｃｐが大きい場合、すなわち、図９（ｂ）においては１０ｎＦ以上の場合、全ての絶縁抵抗ＲＧＦの条件で地絡検出と判定するため、破線で示したＡ２の条件において誤検知となる。

そこで、本実施例では、２つのピークの差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２を地絡判定に利用する。図１０は、本実施例における図９（ａ）に示した第一ピーク値Ｅｐ１から図９（ｂ）に示した第二ピーク値Ｅｐ２を引いた値である差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２を纏めた表である。ここで、図１０の値に対して、しきい値に０．１を設定すると、各値はＡの領域でしきい値より高く、Ｂの領域でしきい値より低くなる。

そして、本実施例の制御回路５が備えている引算器２４、比較器２５、比較器２６、論理積ゲート２７に対して、しきい値ＴｈＡに０．２、閾値ＴｈＤに０．１を設定して、図９（ａ）および図９（ｂ）に示した第一ピーク値および第二ピーク値を入力すると、図１１に示すＪｄｇ値が出力される。

制御回路５は、図１１のＹの範囲を地絡検出として判定し、Ｎの範囲で地絡不検出として判定する。なお、Ｙの範囲は、図９（ｂ）のＢの範囲と、図１０のＡの範囲の論理積に一致する。図１１の表では、Ｙ２の範囲が誤検知となるため、本実施例は、寄生容量Ｃｐが１００ｎＦ以上の条件で誤検知が発生することが示されている。したがって、本実施例において誤検知を発生させる寄生容量Ｃｐの条件範囲が、特許文献１において誤検知を発生させる寄生容量Ｃｐの条件範囲より小さくなることが示された。

なお、本実施例においては、絶縁抵抗ＲＧＦが１ＭΩより小さいにもかかわらず検出しない不感領域Ｎ２が存在する。より誤検知を抑制する、つまりＹ２の範囲を縮小するためには、閾値Ｖ１の値をより小さくすることで可能だが、一方でＮ２の範囲を縮小するためには、閾値Ｖ１の値をより大きくすることで可能となるため、これらのトレードオフとなる。

以上のように、本実施例によれば、寄生容量Ｃｐによって誤検知が発生する容量条件の範囲を縮小し、誤検知を抑制することができる。

図１２は、本実施例における制御回路の構成例である。図１２において、制御回路５１は、図１の制御回路５において、新たに平均値計算部３２が追加されている。

図１２において、平均値計算部３２は、波形データＷＦ＿ＥＵＮｎの１周期分のデータから平均値を計算し、平均値Ｅａｖｇを出力する。また、比較器２５へ供給される信号は、平均値Ｅａｖｇとなっており、比較器２５は平均値Ｅａｖｇとしきい値Ｔｈａを比較する。その他構成は、図１に示された制御回路５の構成と同じである。

図１３は、本実施例における地絡診断（Ｓ４）の処理フローチャートである。すなわち、図１３の処理フローチャートは、図１２に示した制御回路５１を用いた場合の、地絡診断の処理フローチャートである。図１３においては、図５のステップＳ１６に代えてステップＳ４１とＳ４２が変更されている。

ステップＳ４１およびＳ４２は、１周期分の波形データＷＦ＿ＥＵＮｎを記憶するＳ１４以降に配置される。ステップ４１においては、１周期分の波形データＷＦ＿ＥＵＮｎの平均値Ｅａｖｇを計算する。続くステップＳ４２では、比較器２５は、平均値Ｅａｖｇとあらかじめ設定されているしきい値ＴｈＡを比較する。比較結果がＥａｖｇ＜ＴｈＡの場合には、制御回路５は地絡不検出と判断する（Ｓ２３）。比較結果がＥａｖｇ＜ＴｈＡでなかった場合は、比較器２６による、差分値Ｅｐ１－Ｅｐ２の比較に進む（Ｓ１７）。

図１４は、本実施例における平均値Ｅａｖｇの値の例を纏めた表である。図１４の表中の各値は、絶縁抵抗ＲＧＦと寄生容量Ｃｐをパラメータとして、回路シミュレーション計算を行い得られた値である。シミュレーション条件は、図９の場合と同じく、抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝５ｋΩ、抵抗Ｒ２＝Ｒ４＝２９５ｋΩ、平滑コンデンサ容量＝１ｍＦ、入力三相交流相電圧振幅Ａ＝１６３．３Ｖとしている。

ここで、１ＭΩ程度の絶縁抵抗ＲＧＦを地絡と判定させるために、シミュレーション条件ＲＧＦ＝１ＭΩ、Ｃｐ＝０．１ｎＦ（最小容量）で得られたＥａｖｇの値である０．１１より僅かに少ない０．１をしきい値に設定した。

すると、Ｅａｖｇは、Ａの領域でしきい値より高く、Ｂの領域でしきい値より低くなる。このＡとＢの領域の範囲は、図９（Ｂ）に示した第二ピーク値Ｅｐ２の結果と同じである。したがって、、図１２に示すように、比較器２５に、第二ピーク値Ｅｐ２を供給する代わりに平均値Ｅａｖｇを供給することによって、制御回路５１は、図１１に示した判定結果を出力することができる。

以上のように、本実施例によれば、実施例1と同様に、寄生容量Ｃｐによって誤検知が発生する容量条件の範囲を縮小し、誤検知を抑制することができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：電力変換装置、２：ダイオードブリッジ回路、３：平滑コンデンサ、４：インバータ回路、５、５１：制御回路、６：表示器、７：送信機、８、９：電流増幅アンプ、１０、１１：電圧計測回路、２１：波形記憶部、２２：第一ピーク値抽出部、２３：第二ピーク値抽出部、２４：引算器、２５、２６：比較器、２７：論理積ゲート、２８：除算器、２９：接地状態判定部、３０：抵抗値推定部、３１：ドライバ回路、３２：平均値計算部、Ｒ１～Ｒ４：抵抗、ＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚ：スイッチ素子、ＤＩｕ、ＤＩｖ、ＤＩｗ、ＤＩｘ、ＤＩｙ、ＤＩｚ：ダイオード。

Claims (14)

1. 三相交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ回路と、
   外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御する複数のスイッチ素子を備えたインバータ回路と、
   前記ダイオードブリッジ回路と前記インバータ回路を接続する２つの直流電圧配線と、
   前記２つの直流電圧配線の間を接続する平滑コンデンサと、
   前記スイッチ素子を駆動するドライバ回路と、
   前記ケーブルと前記直流電圧配線のうちの１つとの間の電圧を分圧する第一の抵抗分圧回路と、
   前記第一の抵抗分圧回路で分圧された電圧を計測してそれに対応する電圧情報信号を出力する第一の電圧計測回路と、
   前記第一の電圧計測回路からの電圧情報信号を入力して地絡診断を行う制御部を有し、
   前記制御部は、前記第一の電圧計測回路が出力した電圧情報信号から、先行する第一のピークと後行する第二のピークの２つのピークを持った周期的に発生する山状の波形を抽出し、前記第二のピーク値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、前記第一のピーク値と前記第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合、前記外部装置および接続するケーブルに地絡が発生していると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であって、
   前記の地絡が発生していると判定する条件に代えて、
   前記第一の電圧計測回路が出力した電圧情報信号からその平均値を計算し、前記平均値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、前記第一のピーク値と前記第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合に、地絡が発生していると判定することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記２つの直流電圧配線の間の電圧を分圧する第二の抵抗分圧回路と、
   前記第二の抵抗分圧回路で分圧された電圧を計測してそれに対応する電圧情報信号を出力する第二の電圧計測回路を有し、
   前記制御部は除算器を有し、
   前記制御部は前記除算器が前記第一の電圧計測回路が出力する電圧情報信号を、前記第二の電圧計測回路が出力する電圧情報信号で除算することで、前記第一の電圧計測回路が出力する電圧情報信号を正規化することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、三相交流電力を入力する外部配線の接地状態を判定する接地状態判定部を有し、前記第一の電圧計測回路が出力する電圧情報信号が周期的に０電圧状態となることを検知して、前記外部配線の接地状態が一相接地であると判定することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   表示器および送信機を有し、
   前記表示器は前記地絡の判定結果を表示し、
   前記送信機は外部のシステムに前記地絡の判定結果を送信することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記第二のピーク値に基づいて、外部装置および接続するケーブルに発生した地絡の抵抗値を推定計算し、
   前記表示器は推定された地絡の抵抗値を表示し、
   前記送信機は外部のシステムに推定された地絡の抵抗値を送信することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、波形記憶部を有し、前記周期的に発生する山状の波形の少なくとも１周期分の波形データを記憶することを特徴とする電力変換装置。
8. 三相交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ回路と、外部装置と接続するケーブルに流れる電流を制御する複数のスイッチ素子を備えたインバータ回路と、前記ダイオードブリッジ回路と前記インバータ回路を接続する２つの直流電圧配線を有する電力変換装置の地絡検出方法であって、
   前記ケーブルと前記直流電圧配線のうちの１つとの間の電圧を分圧した第一の電圧情報信号から、先行する第一のピークと後行する第二のピークの２つのピークを持った周期的に発生する山状の波形を抽出し、
   前記第二のピーク値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、前記第一のピーク値と前記第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合、前記外部装置および接続するケーブルに地絡が発生していると判定することを特徴とする地絡検出方法。
9. 請求項８に記載の地絡検出方法であって、
   前記の地絡が発生していると判定する条件に代えて、
   前記第一の電圧情報信号からその平均値を計算し、前記平均値があらかじめ設定された第一のしきい値より高く、かつ、前記第一のピーク値と前記第二のピーク値の差分値があらかじめ設定された第二のしきい値より低い場合に、地絡が発生していると判定することを特徴とする地絡検出方法。
10. 請求項８または９に記載の地絡検出方法であって、
    前記第一の電圧情報信号を、前記２つの直流電圧配線の間の電圧を分圧した第二の電圧情報信号で除算することで、前記第一の電圧情報信号を正規化することを特徴とする地絡検出方法。
11. 請求項８または９に記載の地絡検出方法であって、
    前記第一の電圧情報信号が、周期的に０電圧状態となることを検知して三相交流電力を入力する外部配線の接地状態が一相接地であると判定することを特徴とする地絡検出方法。
12. 請求項８または９に記載の地絡検出方法であって、
    前記地絡の判定結果を表示し、
    外部のシステムに前記地絡の判定結果を送信することを特徴とする地絡検出方法。
13. 請求項１２に記載の地絡検出方法であって、
    前記第二のピーク値に基づいて、外部装置および接続するケーブルに発生した地絡の抵抗値を推定計算し、
    推定された地絡の抵抗値を表示し、
    外部のシステムに推定された地絡の抵抗値を送信することを特徴とする地絡検出方法。
14. 請求項８または９に記載の地絡検出方法であって、
    前記周期的に発生する山状の波形の少なくとも１周期分の波形データを記憶することを特徴とする地絡検出方法。

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