JP5867297B2 - 電力変換システム、その電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換システムに関する。

機械などを駆動制御するモータ駆動装置は、電力の入力源として、交流電力源（商用電源等）や、直流電力源（バッテリー等）などを利用する。更に、電力利用効率の向上のために、機械などの動作に対して制動を掛けた際にモータに発生する電力（回生電力）を、入力源に返す機能を有するものがある。

上記モータ駆動装置は一例であり、この例に限らないが、何らかの負荷を駆動等する為に、交流／直流の電源から直流電力を生成して、この直流電力を交流電力に変換すると共に、回生電力を電源側に返す機能を有する電力変換システムが知られている。

上記モータ駆動装置等に用いられる電力変換システムは、コンバータ部とインバータ部を有する。
コンバータ部は、上記入力電力源に基づいて任意の直流電力を生成してインバータ部に与える。ここで、回生動作に対応するものであるので、コンバータ部は、入力電力源との間で交流電力または直流電力を双方向に流すことができる。つまり、交流電力源であれば、コンバータ部は、入力電力源との間で交流電力を双方向に流すことができる。バッテリー等の直流電力源であれば、コンバータ部は、入力電力源との間で直流電力を双方向に流すことができる。

上記インバータ部は、上記コンバータ部が生成する直流電圧を任意の周波数・電圧の交流電力に変換してモータの駆動または制動動作を行う。
コンバータ部は、その出力である直流電圧の電圧値を制御する。すなわち、インバータ部がモータを駆動する時には、入力電力源からの電力をインバータ側に流すことにより出力電圧が低下しないように維持する。また、インバータ部がモータに制動を掛ける時には、インバータ側からの回生電力を入力電力源に流すことにより出力電圧が上昇しないように維持する。これらのコンバータ部の動作は、通常、その制御部等が、“直流中間電圧”等と呼ばれる電圧値を、電圧検出器により読み取ることにより制御を実施している。

尚、上記“直流中間電圧”は、インバータ部−コンバータ部間の直流電圧（インバータ部−コンバータ部間に設けられる平滑コンデンサ等に掛かる電圧）を意味する。“直流中間電圧”は、上記コンバータ部の上記出力電圧に相当するものと考えても良い。

また、例えば特許文献１に開示されている従来技術がある。
特許文献１の発明は、漏れ電流による電力消費を増加することなく、部品コストを低減して電池ユニットの電圧を検出する発明である。高電圧バッテリーを構成する電池ユニットの電圧を検出する電圧検出回路であって、抵抗分圧回路、スイッチング素子や、抵抗分圧回路等で分圧された電圧をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータや、演算回路などを備えている。そして、例えば、各スイッチング素子をオン／オフ切り換えること等によって、電池ユニット上の各接続点の電圧を、順番に時分割にＡ／Ｄコンバータに入力させるものである。

特開２０１０−８２２７号公報

ここで、上記回生動作に対応する電力変換システムのコンバータ部は、例えば、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子も備えており、これらスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ切り替え制御（ＰＷＭ制御）する制御部等も備えている。特に、この様なＩＧＢＴ等を有する電力変換システムの場合に、下記の問題が生じる。

すなわち、上記“直流中間電圧”（出力電圧）を検出する電圧検出器に障害が発生し、特に実際の電圧値よりも低い検出値を出力すると、上記コンバータ部は、出力電圧を目標値に維持しようとするので、実際には目標値よりも高い出力電圧を発生してしまう。例えば、出力電圧を１００Ｖに維持する設定において、実際には１００Ｖであるにも係らず電圧検出器（故障中）による検出値が７０Ｖであった場合、コンバータ部は実際の出力電圧値を例えば１３０Ｖ程度にする可能性がある。

このような電圧検出器の障害によってコンバータ部の出力電圧値がコンバータ部、インバータ部を構成するスイッチング素子である上記ＩＧＢＴの耐圧を越えると、素子を破壊することになり、電力変換システムに重大な障害を発生することになる。

上記特許文献１の発明では、電圧検出回路自体の故障については何等想定されておらず、当然、電圧検出回路自体の故障を検出することは、全く考えられていない。
本発明の課題は、電力変換システムにおいて、そのコンバータ部の出力電圧値を検出する電圧検出装置に故障があっても、簡単な構成で即時に当該故障を検出でき、以って素子が破壊される事態を防止できる電力変換システム、その電圧検出装置等を提供することである。

本発明の電力変換システムは、電源から直流電力を生成するコンバータと、該直流電力に基づいて負荷を駆動するインバータと、該コンバータ−インバータ間の直流中間電圧の電圧値を検出する電圧検出装置とを有する電力変換システムにおいて、下記の構成を有する。

すなわち、前記電圧検出装置は、下記の構成を有する。
・前記直流中間電圧が印加され、複数の抵抗が並列に接続された抵抗回路が直列に複数個接続されて、該複数の抵抗回路によって前記直流中間電圧が分圧される分圧回路。
・該分圧回路上の任意の複数箇所に接続して、該分圧回路上の複数個所の電圧に応じた複数種類の電圧値を選択的に出力できる複数電圧検出回路。
・該複数電圧検出回路から時系列的に出力される前記複数種類の電圧値と、予め設定される所定値とに基づいて、当該電圧検出装置の異常判定を行う異常判定手段。
・該異常判定手段によって正常と判定された場合には、前記複数種類の電圧値の何れかを用いて前記直流中間電圧値を求める直流中間電圧値検出手段。

本発明の電力変換システム、その電圧検出装置等によれば、電力変換システムにおいて、そのコンバータ部の出力電圧値を検出する電圧検出装置に故障があっても、簡単な構成で即時に当該故障を検出でき、以って素子が破壊される事態を防止できる。

本例の電力変換システムの構成図である。 直流中間電圧検出器の構成例である。 制御部の処理フローチャート図である。 直流中間電圧検出器の構成例（変形例）である。 制御部の処理フローチャート図（変形例）である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本例の電力変換システムの構成図である。
尚、本例では入力電力源が３相交流電源である例を示すが、当然、この様な例に限らず、直流電源であっても構わない。また、本例の電力変換システムの適用対象は、例えば、自動車、クレーン、エレベータ、電車、工場内でのモータ駆動設備等であるが、勿論、これらの例に限らない。また、本例の電力変換システムの駆動対象（負荷）は、図示の例では電動モータ１４であるが、この例に限らない。また、本例の電力変換システムは、基本的に、そのコンバータにおいてＩＧＢＴ９等のスイッチング素子を有しており、昇圧や回生動作（回生電力を電源側に返すこと）を可能とするものであることを前提とする。

本例の電力変換システムは、交流／直流電源から直流電力を生成してインバータ２に供給するコンバータ１（例えばＰＷＭコンバータ）と、該直流電力に基づいて負荷（モータ１４等）を駆動するインバータ２（例えばＰＷＭインバータやＶＶＶＦインバータ）を有する。

更に、ＰＷＭコンバータ１−インバータ２間の電圧（上記“直流中間電圧”）の電圧値を検出する直流中間電圧検出装置を有する。直流中間電圧検出装置は、例えば直流中間電圧検出器１１と制御部１５（ＣＰＵ３７）から成る。ここで、本例の直流中間電圧検出装置は、単に上記直流中間電圧の電圧値を検出するだけでなく、自装置（その直流中間電圧検出器１１）の異常の有無を判定する機能も有する。その為の構成・処理は、図２〜図５に示し、後に説明する。

尚、直流中間電圧検出装置は、コンバータ１の一部と見做してもよいし、コンバータ１の制御用の別構成と見做してもよい。
上記のように、本例では電力変換システムの入力電力源は３相交流電源であり、コンバータ１には３相交流電源３が接続されている。この接続に関しては、図示のように、３相交流電源３とＰＷＭコンバータ１との間には、各相毎にフィルタ用リアクトル４と昇圧用リアクトル７が挿入されている。また、フィルタ用リアクトル４と昇圧用リアクトル７との間において、３相交流電源の各線間（各相間）には、フィルタ用抵抗器５、フィルタ用コンデンサ６の直列回路がスター結線で接続されている。これらのリアクトルやコンデンサ等の動作については、ここでは特に関係ないので説明しないものとし、コンバータ１に３相交流電源３が接続しているものとして簡略化して説明するものとする。

ＰＷＭコンバータ１は、３相交流電力と直流電力を相互に変換する。つまり、ＰＷＭコンバータ１は、３相交流電源３による３相交流電力を直流電力に変換する。この直流電力はインバータ２に供給される。

また、ＰＷＭコンバータ１は、直流電力を３相交流電力に変換して３相交流電源３に供給する。これは、よく知られているように、モータ１４の制動動作等に伴って生じる回生電力を、入力電力源に返すものである。

ＰＷＭコンバータ１は、直流電圧ラインによってインバータ２に接続されている。インバータ２は、上記ＰＷＭコンバータ１から供給される直流電力に基づいて、任意の電圧・周波数の交流電圧を生成することにより、モータ１４の駆動および制動を行う。

モータ１４の駆動時には、駆動電力として、３相交流電源３から、ＰＷＭコンバータ１とインバータ２を経由して、モータ１４へ有効電力が流れる。モータ１４の制動時には、回生電力として、モータ１４から、インバータ２とＰＷＭコンバータ１を経由して、３相交流電源３へ有効電力が流れる。

上記のように、ＰＷＭコンバータ１は、３相交流電源３から交流電力の供給を受けて直流電力に変換すると共に、モータ１４側からの回生電力（直流電力）を交流電力に変換して３相交流電源３に供給する。

ＰＷＭコンバータ１は、３相それぞれにＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；Insulated Gate Bipolar Transistor）９の直列接続回路で構成された主回路部、各ＩＧＢＴ９をスイッチング制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）する制御部１５、直流中間電圧コンデンサ１０、直流中間電圧検出器１１等より構成されている。

尚、主回路部は、狭義の意味でのＰＷＭコンバータ１（コンバータ本体等）であると見做してもよい。これより、ＰＷＭコンバータ１−インバータ２間の直流電圧（直流中間電圧）とは、主回路部−インバータ２間の直流電圧と見做してもよく、特に直流中間電圧コンデンサ１０に掛かる電圧と見做してもよい。

また、制御部１５は、上記コンバータ本体を制御して、交流−直流の相互変換や、昇圧等を行いつつ、例えば“直流中間電圧”Edcを目標値に保つように制御するものと言える。制御部１５は、当該制御を、直流中間電圧検出器１１による“直流中間電圧”Edcの検出値等に基づいて行う。

直流中間電圧検出器１１は、直流中間電圧コンデンサ１０（平滑コンデンサ等）の両端に掛かる電圧（上記“直流中間電圧”Edc；ＰＷＭコンバータ１−インバータ２間の直流電圧であり、ＰＷＭコンバータ１がその電圧値を制御する）の値を検出する。制御部１５による各ＩＧＢＴ９のon/off制御によって、３相交流と直流との電力変換が行われる。

尚、上記主回路部の構成としては、ＩＧＢＴ９だけでなく、図示のように更に、各ＩＧＢＴ９にダイオードが並列接続されているが、ダイオードについては逐一言及しないものとする。

制御部１５は、直流中間電圧検出器１１によって検出される上記“直流中間電圧”Edcの電圧値等に基づいて、各ＩＧＢＴ９のon/off制御を行う。ＰＷＭコンバータ１は、モータ１４の駆動時には、３相交流電圧を直流電圧に変換するが、その際、制御部１５は、この直流電圧値すなわち直流中間電圧コンデンサ１０の両端電圧（Edc）が、指令された電圧値（Edc*）と同じ電圧となるように、各ＩＧＢＴ９のon/off制御を行う。

ここで、上記の制御の際に、直流中間電圧検出器１１に異常がある為に、特に実際よりも低い電圧値が検出値として制御部１５に入力された場合、上述した問題が生じる。すなわち、ＰＷＭコンバータ１からインバータ２への出力電圧（Edc）が、指令電圧値（Edc*）よりも異常に高くなってしまい、場合によっては各ＩＧＢＴ９の素子破壊や、後述するＩＧＢＴ直列接続回路１３のＩＧＢＴの素子破壊を招く可能性があった。

この問題に対して、本手法では、直流中間電圧検出器１１の異常（故障）を、例えば図２に示す簡単な構成で、図３に示す簡単な処理によって即時に検出できる。これについては、後に図２、図３を参照して説明する。但し、この例に限らず、例えば図４に示す簡単な構成で、且つ図５に示す簡単な処理によっても、直流中間電圧検出器１１の異常（故障）を即時に検出できる。何れにしても、これら図２以降については、後に説明するものとし、ここでは図１の構成の説明を続ける。

ＰＷＭコンバータ１の制御部１５は、図示の電圧制御部（ＡＶＲ）２１、電流制御部（ＡＣＲ）２２、ゲートパルス生成部（ＰＷＭ）２３等より構成され、直流中間電圧コンデンサ１０の両端電圧（“直流中間電圧”Edc）が、指令値（Edc*）と同一になるように制御する。尚、指令値（Edc*）は、例えば不図示の上位装置から制御部１５に入力される。

直流中間電圧検出器１１によって検出された電圧値（Edcの検出値）は、加減算器２４によって電圧指令値（Edc*）と比較（加減算）され、両者の差分などに基づいて電圧制御部（ＡＶＲ）２１が電流指令を出す。すなわち、電圧制御部（ＡＶＲ）２１は、検出値（Edc）が指令値（Edc*）より低ければ、電流をＰＷＭコンバータ１からインバータ２へ流すように電流指令を出す。電圧制御部（ＡＶＲ）２１は、検出値（Edc）が指令値（Edc*）より高ければ、電流をＰＷＭコンバータ１から３相交流電源３側へ流すように電流指令を出す。

電圧制御部（ＡＶＲ）２１から出力される上記電流指令値は、乗算器２５において３相交流電源３側の３相電圧位相検出部１６からの電圧位相情報により出力電流位相が補正される。この乗算器２５の出力は、加減算器２６において、ＰＷＭコンバータ１の相電流検出部８からの検出電流値との差分を取られて、電流制御部（ＡＣＲ）２２へ入力される。尚、相電流検出部８（電流センサ等）からの検出電流値は、図示の検出器１７を介して得られる。

ゲートパルス生成部（ＰＷＭ）２３は、電流制御部（ＡＣＲ）２２から出力される電圧ベクトル指令に従ってスイッチングパルスを生成・出力する。このスイッチングパルスによりＰＷＭコンバータ１（その主回路部）の各ＩＧＢＴ９がon/off（スイッチング）制御される。

上述した各動作により、ＰＷＭコンバータ１は、直流中間電圧コンデンサ１０に掛かる電圧（“直流中間電圧”Edc）を一定に保つように、電流の方向および電流値を制御する。尚、電圧制御部（ＡＶＲ）２１、電流制御部（ＡＣＲ）２２、ゲートパルス生成部（ＰＷＭ）２３の詳細な動作は、特に説明しない（既存の構成であるので）。

以上、ＰＷＭコンバータ１について説明した。
また、インバータ２は、入力直流コンデンサ１２と、３つのＩＧＢＴ直列接続回路１３等によって構成され、ＰＷＭコンバータ１が生成する上記直流電力に基づいて、任意の電圧・周波数の交流電力を発生させて、モータ１４を駆動する。

尚、ＩＧＢＴ直列接続回路１３は、図では一部省略して示しているが、２つのＩＧＢＴが直列接続された構成となっている。また、図では省略して示すが、ＩＧＢＴ直列接続回路１３は上記の通り３つ存在している。これは、例えばＰＷＭコンバータ１と略同様に、３つのＩＧＢＴ直列接続回路１３が並列に接続された構成となっている。また、インバータ２においても、各ＩＧＢＴ毎に図示のようにダイオードが並列接続されているが、ＰＷＭコンバータ１と同様、ダイオードについては逐一述べないものとする。

また、尚、図１では、インバータ２の制御部は省略しており、その動作説明も省略するものとする。インバータ２は、例えばＩＧＢＴ素子を使用したＰＷＭ制御方式の回生インバータであり、その制御・動作自体は、既存の一般的なものであってよい。

本手法では、例えば上記図１の構成のような電力変換装置において、上記直流中間電圧検出器１１に異常（故障）が生じても直ちに異常検出することができるようにする構成・処理を、直流中間電圧検出器１１自身と制御部１５によって実現している。これは、上記の通り、簡素な構成且つ簡単な処理で実現しているものである。

図２は、直流中間電圧検出器１１の構成例である。
図３は、制御部１５の処理フローチャート図である。
以下、図２、図３を参照して一実施例について説明するが、この例に限るわけではなく、例えば図４、図５に示す変形例の構成・処理であっても構わない。図４、図５については後に説明する。また、下記の説明では出力の“反転”に関して逐一言及することはなく、省略して説明するものとする。

まず、図２を参照して、直流中間電圧検出器１１の構成について説明する。
直流中間電圧検出器１１は、分圧回路３０、複数電圧検出回路（オペアンプ３８等から成る）、Ａ／Ｄコンバータ３６、ＣＰＵ３７等から成る。尚、ＣＰＵ３７は、上記制御部１５に相当する（あるいはその一部である）構成である。以下、これら各構成について順次説明する。

直流中間電圧検出器１１は、まず、複数の（多数の）抵抗回路３１が直列に接続されて成る分圧回路３０を備える。分圧回路３０の両端（図示の（１）と（５））は、上記直流中間電圧コンデンサ１０の両端に接続している。つまり、分圧回路３０には、直流中間電圧コンデンサ１０の両端電圧（直流中間電圧Edc）が印加されている。この直流中間電圧（Edc）は、多数の抵抗回路３１によって分割（分圧）される。例えば、全ての抵抗回路３１の抵抗値が同じであり、仮に、Edc＝１００（Ｖ）であり、抵抗回路３１が１００個である場合、各抵抗回路３１の両端電圧（分圧電圧）は全て１（Ｖ）となる。

通常、直流中間電圧（Edc）は高電圧であるため、複数の抵抗（抵抗回路３１）により低い電圧に分圧されて、この分圧電圧に基づいて直流中間電圧（Edc）の検出が行われる。

これは、一般的な考え方であれば、任意の１つの抵抗回路３１の両端電圧をオペアンプ等で検出して、この検出結果に抵抗回路３１の数を乗じることで、直流中間電圧（Edc）の検出値が算出できる。上記の例では、任意の１つの抵抗回路３１の両端電圧として１．０１（Ｖ）が検出されたならば、これに１００を乗じることで、直流中間電圧（Edc）の検出値＝１０１（Ｖ）が算出される。

これに対して、本手法では、例えば図２に示す構成としている。
まず、上記各抵抗回路３１は、それぞれ、複数の抵抗が並列接続された構成となっている。図示の例では、各抵抗回路３１は、２つの抵抗Ｒが並列接続された構成となっているが、この例に限らず、３つの抵抗が並列接続された構成や、４つの抵抗が並列接続された構成等であってもよい。但し、その分、抵抗Ｒの数が増大することになる。更に、抵抗Rが短絡または断線した場合の“比率”または”差分”の変化量が小さくなり、その分、異常判定の判定精度を上げる必要がある。よって、抵抗回路３１は、図示のように２つの抵抗Ｒが並列接続された構成が望ましい。

上述したように、図２や図４に示す構成に限るものではないが、簡素な構成で実現できるというメリットを考えると、各抵抗回路３１の抵抗数が２つであり、更に２種類の出力電圧値に基づいて異常判定する構成とすることが望ましい。

また、上記分圧回路３０に接続される、上記複数電圧検出回路が設けられている。
複数電圧検出回路は、オペアンプ３８と、各抵抗（入力抵抗３２，３３，３４や、帰還抵抗３９）と、スイッチ（ＳＷ）３５等から成る。

複数電圧検出回路は、上記分圧回路３０上の任意の２点（図示の接続点（３）と接続点（４））に接続すると共に、更に上記スイッチ（ＳＷ）３５を介して他の任意の１点（図示の接続点（２））に接続している。

つまり、図示の接続点（４）が、入力抵抗３４を介してオペアンプ３８のプラス入力端子に接続している。図示の接続点（３）が、入力抵抗３２を介してオペアンプ３８のマイナス入力端子に接続している。図示の接続点（２）が、スイッチ（ＳＷ）３５と入力抵抗３３を介してオペアンプ３８のマイナス入力端子に接続している。

複数電圧検出回路は、スイッチ（ＳＷ）３５がオフの状態では、上記２点間（接続点（３）−接続点（４）間）の電圧を検出する作動増幅回路として動作する。尚、ここでは、増幅率が１倍の作動増幅回路（減算回路）であるものとして説明するが、勿論、この例に限らない。何れにしても、複数電圧検出回路は、スイッチ（ＳＷ）３５がオフの状態では、上記分圧回路３０上の任意の２点間（接続点（３）−接続点（４）間）の電圧に応じた出力電圧を、生成・出力することになる。この複数電圧検出回路の出力電圧は、Ａ／Ｄコンバータ３６でＡ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換されてＣＰＵ３７に入力される。

また、複数電圧検出回路は、スイッチ（ＳＷ）３５がオンの状態では、加算回路として動作する。つまり、上記２点間（接続点（３）−接続点（４）間）の電圧に、上記他の接続点（２）に係る２点間（接続点（２）−接続点（４）間）の電圧が加算された電圧が、出力される。これは、２点間の電圧（これらの加算結果）そのものが出力電圧となる例であり、この例に限らない。何れにしても、複数電圧検出回路は、スイッチ（ＳＷ）３５がオンの状態では、上記２点間の電圧に他の２点間の電圧を加算した電圧に応じた出力電圧を、生成・出力することになる。この複数電圧検出回路の出力電圧は、Ａ／Ｄコンバータ３６でＡ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換されてＣＰＵ３７に入力される。

尚、必ずしも“加算された電圧”に限定されるものではないので、例えば後述する図４のような構成としてもよい。
Ａ／Ｄコンバータ３６は、上記複数電圧検出回路の出力電圧（アナログ）を、ディジタル変換してＣＰＵ３７（１５）へと出力する。つまり、複数電圧検出回路の出力電圧が（ディジタル変換されて）ＣＰＵ３７（１５）に入力されるものである。尚、以下の説明ではディジタル変換については逐一述べないものとする。

ここで、ＣＰＵ３７（１５）は、上記スイッチ（ＳＷ）３５をオン／オフ制御して、スイッチ（ＳＷ）３５がオフ状態のときの複数電圧検出回路の出力電圧と、スイッチ（ＳＷ）３５がオン状態のときの複数電圧検出回路の出力電圧とを取得する。そして、これら２種類の出力電圧値に基づいて、直流中間電圧検出器１１の故障の有無を判定する。

図２に示す構成において、分圧回路３０を構成する全ての抵抗回路３１の抵抗値が同一であるとした場合には、接続点（２）−接続点（４）間の電圧は、接続点（３）−接続点（４）間の電圧の１．５倍の値となる。また、上記の通り、複数電圧検出回路の出力電圧値は、上記スイッチ（ＳＷ）３５をオフした状態では「接続点（３）−接続点（４）間の電圧」に応じた値となり、上記スイッチ（ＳＷ）３５をオンした状態では「“接続点（３）−接続点（４）間の電圧”＋“接続点（２）−接続点（４）間の電圧”」に応じた値となる。よって、複数電圧検出回路の出力電圧値（Ａ／Ｄコンバータ３６の検出値；ＣＰＵ３７（１５）の読込み値）は、スイッチ３５オン時はスイッチ３５オフ時の２．５倍の値となる。

従って、上記２種類の出力電圧値の比率を求めて、これがほぼ２．５である場合には、正常状態であると見做せる。尚、後述する図３の処理例では、２．５に対して多少のマージンを持たせることで、上記２種類の出力電圧値の比率が「２．４〜２．６」の範囲内であれば、正常であると判定するようにしている。勿論、マージンは適宜設定すればよく、例えば「２．４５〜２．５５」等であっても構わない。

勿論、上記“２．５”という数値は、直流中間電圧検出器１１が図２に示す構成で且つ上記のように全ての抵抗回路３１の抵抗値が同一であるという条件に応じた値であり、当然、構成や条件が変わればそれに応じて数値が変わることになる。何れにしても、正常時の上記２種類の出力電圧値の比率（検出値比率というものとする）を求めておき、この検出値比率に基づいて故障の有無を判定することになる。但し、“比率”に限るものではなく、例えば“差分”等であっても構わない。

また、上記の例では２種類の出力電圧値の比率（または差分）を用いるものとしたが、この例に限らず、３種類以上の出力電圧値の比率（または差分）を用いる構成としてもよい。勿論、それに応じて、分圧回路３０上の接続点が、増えることになる。よって、その分、構成が複雑になる（更に、故障有無判定処理も複雑になる）。この為、２種類の出力電圧値を用いる構成が望ましい。

ここで、本手法によって判別できる故障は、上記分圧回路３０の一部の構成の故障、オペアンプ３８の故障や何らかの断線、Ａ／Ｄコンバータ３６の故障である。上記分圧回路３０の一部の構成の故障とは、上記接続点（２）−接続点（４）間の抵抗回路３１（その抵抗）の断線または短絡である。

但し、これらの各種故障のうちのどの故障が起こったのか判別することは、ここでは考慮していない（但し、判別可能な故障もあるかもしれない）。これらの各種故障のうちの何れかの故障が起こった場合には、後述する図３や図５の処理におけるステップＳ１５，Ｓ２５の判定がＮＯとなることで、故障発生を検出できる。

例えば、上記分圧回路３０の一部の構成の故障に関しては、図２の例では下記のような故障が考えられ、上記のような正常時の上記検出値比率が２．５となるケースにおいては、各故障時の上記検出値比率は下記のようになる。

故障の内容 ： 検出値比率
・接続点（２）−（３）間の回路３１の１つの抵抗の断線： ３倍
・接続点（２）−（３）間の回路３１の１つの抵抗の短絡： ２倍
・接続点（３）−（４）間の回路３１の１つの抵抗の断線： ２．３倍
・接続点（３）−（４）間の回路３１の１つの抵抗の短絡： ３倍
また、オペアンプ３８の故障や何らかの断線、Ａ／Ｄコンバータ３６の故障に関しては、基本的には、Ａ／Ｄコンバータ３６から出力される上記２種類の出力電圧値が、同一となるような故障の場合には、当該故障が起こったことを判別できる。換言すれば、本手法では２回の測定を行っているので（そして、正常であれば２回の測定結果が異なるように構成しているので）、２回の測定結果が同じであることを以って異常と判定できる。これは、例えば、Ａ／Ｄコンバータ３６の故障の一例として、入力値に関係なく同じ出力しか出さなくなるような故障が知られている。あるいは、オペアンプの出力が０または電源電圧（５Ｖ等）に固定される故障が知られている。例えば、このような故障であれば、本手法で判別できる。

ＣＰＵ３７（１５）は、例えば図３の処理を実行することで、上記故障の有無の判別を行う。以下、図３の処理について説明する。
ＣＰＵ３７（１５）は、例えば定周期で図３の処理を実行する。図３の処理開始時には、前回の図３の処理実行時のステップＳ１４の処理によって、スイッチ（ＳＷ）３５はオフ状態となっている。ＣＰＵ３７（１５）は、この状態においてＡ／Ｄコンバータ３６の出力（出力電圧値＃１とする）を読み込む（ステップＳ１１）。これは、本例の場合は、上記２点間（接続点（３）−接続点（４）間）の電圧に応じた出力電圧値を、読み込むことになる。

次に、スイッチ（ＳＷ）３５はオン状態に切り換えて（ステップＳ１２）、この状態においてＡ／Ｄコンバータ３６の出力（出力電圧値＃２とする）を読み込む（ステップＳ１３）。これは、本例の場合は、上記２つの２点間電圧同士を加算したもの（“接続点（３）−接続点（４）間の電圧”＋“接続点（２）−接続点（４）間の電圧”）に応じた出力電圧値を、読み込むことになる。

そして、例えばスイッチ（ＳＷ）３５を初期状態（オフ状態）に戻した後（ステップＳ１４）、上記読み込んだ２種類の出力電圧値（＃１、＃２）と、予め設定されている上記検出値比率に関する所定値（所定範囲）とに基づいて、故障の有無を判定する（ステップＳ１５）。すなわち、まず、上記検出値比率を求める。これは、
検出値比率＝出力電圧値＃２／出力電圧値＃１
によって算出する。

そして、算出した検出値比率が、上記所定範囲内であるか否かを判定することにより、故障の有無を判定する。ここでは上記所定範囲を「２．４〜２．６」であるものとし、これより、「２．４＜検出値比率＜２．６」の条件を満たすか否かを判定する。この条件を満たす場合には正常、この条件を満たさない場合には故障と見做せることになる。尚、上記の通り、故障有りの判定は、直流中間電圧検出器１１のどこかに異常が発生したものと判定するものであり、故障箇所を特定するものではない。

以上のステップＳ１５の判定処理によって故障有り（条件を満たさない）と判定された場合には（ステップＳ１５，ＮＯ）、電圧出力停止処理を実行することで（ステップＳ１７）、コンバータ出力電圧（直流中間電圧）が上限値以上になること（ＩＧＢＴ９等の耐圧を越えること）を、事前に防止する。上記電圧出力停止処理とは、例えば、ＩＧＢＴ９のスイッチング動作を停止する等して装置を停止する処理、あるいは装置停止しない場合には、昇圧しないで電源電圧レベルの直流電圧をそのままインバータ２に供給する（直結する）処理等である。また、ステップＳ１７では、更に、不図示の上位装置等に対して異常発生を通知するようにしてもよい。

一方、ステップＳ１５の判定処理によって正常（条件を満たす）と判定された場合には（ステップＳ１５，ＹＥＳ）、ステップＳ１６の処理を実行する。
ステップＳ１６の処理について以下に説明する。

ステップＳ１６では、まず、上記２種類の出力電圧値の何れか一方（ここでは出力電圧値＃１）を用いて、直流中間電圧コンデンサ１０の両端電圧（直流中間電圧）Edcを算出する。図２の構成で上記の例（同一の抵抗値の１００個の抵抗回路３１）の場合には、仮に、出力電圧値＃１が２．０１（Ｖ）であった場合には、これは“接続点（３）−（４）間の２つの抵抗回路３１に掛かる電圧であるので、Edc＝２．０１×（１００／２）＝２．０１×５０＝１００．５（Ｖ）が算出されることになる。

ステップＳ１６では、更に、上記算出した直流中間電圧Edcと指令電圧値（Edc*）との差分を求めて、これを電圧制御部（ＡＶＲ）２１に入力させる。尚、この処理は、上記加減算部２４の動作である（本例では加減算部２４もＣＰＵ３７の機能の一部であるものとするが、この例に限らない）。

尚、上記の例では検出値比率（＝出力電圧値＃２／出力電圧値＃１）を用いたが、この例に限らず、例えば増加分（差分＝出力電圧値＃２−出力電圧値＃１）を用いてもよい。当然、この場合、ステップＳ１５の判定に用いる数値は、上記の例（２．４〜２．６）とは異なるものとなる（適宜設定するものであり、ここでは特に数値は示さない）。

なお、図２に示す（１）−（２）間の抵抗回路３１の抵抗の短絡故障、及び、（４）−（５）間の抵抗回路３１の抵抗の短絡故障の場合には、直流中間電圧Edcの電圧検出値が実際よりも大きくなるので、誤って直流中間電圧Edcが目標値（例えば１００Ｖ）よりも小さくなるように制御することになる。よって、この場合、出力低下することはあっても、ＩＧＢＴ素子を故障させることはない。

一方、図２に示す（１）−（２）間の抵抗回路３１の抵抗の断線故障、及び、（４）−（５）間の抵抗回路３１の抵抗の断線故障の場合には、直流中間電圧Edcの電圧検出値が実際よりも小さくなる。しかし、直列接続数を大きく取ることにより抵抗の断線故障による電圧検出誤差を小さく抑えることができ、素子故障に至る重大な障害とはならない。

以上、直流中間電圧検出器１１と制御部１５の具体的な一例について、図２、図３に図示して説明したが、上述した通り、この例に限るものではなく、例えば図４、図５に示す例（変形例）であってもよい。以下、この変形例について説明する。

図４は、直流中間電圧検出器１１の構成例（変形例）である。
図５は、変形例の制御部１５の処理フローチャート図である。
以下、まず、図４について説明するが、図４において図２と略同様の構成には、同一符号を付してあり、その説明は簡略化または省略する。これより、図４に示すように、図２との違いは、接続点（３）に対してもスイッチ（ＳＷ）４１を設けている点である。つまり、図２では接続点（２）に対して上記スイッチ（ＳＷ）３５が設けられていたが、図４では更に接続点（３）に対してもスイッチ（ＳＷ）４１を設けている。

そして、基本的には、どちらか一方がＯＮ状態のときには他方はＯＦＦ状態となるようにＣＰＵ４２（１５）がスイッチon/off制御を行う。また、ＣＰＵ４２は、基本的には上記ＣＰＵ３７と略同様の処理を行うが、これらスイッチon/off制御がＣＰＵ３７とは異なるので、異なる符合（３７ではなく４２）を付してある。

そして、ＣＰＵ４２は、例えば図５に示す処理を実行する。
図５の処理は、図３の処理と同様、定周期で実行される。そして、処理開始時には、前回の図５の処理実行時のステップＳ２４の処理によって、上記スイッチ４１はオン状態で上記スイッチ３５はオフ状態となっている。そして、この状態で、上記ステップＳ１１と同様に、Ａ／Ｄコンバータ３６の出力（出力電圧値＃１とする）を読み込む（ステップＳ２１）。これは、上記ステップＳ１１と同じく、上記接続点（３）−（４）間の電圧に応じた複数電圧検出回路の出力電圧値を、読み込むことになる。

続いて、上記２つのスイッチのオン／オフ切換え制御を行うことで、上記スイッチ４１がオフ状態で上記スイッチ３５がオン状態となるようにする（ステップＳ２２）。そして、この状態で、上記ステップＳ１３と略同様に、Ａ／Ｄコンバータ３６の出力（出力電圧値＃２とする）を読み込む（ステップＳ２３）。但し、これは、上記ステップＳ１３とは異なり、上記接続点（２）−（４）間の電圧に応じた複数電圧検出回路の出力電圧値を、読み込むことになる。

この様に、図２、図３に示す例と、図４、図５に示す例は、何れも、分圧回路３０上の任意の２つの２点間の電圧に基づいて、２回の測定（複数電圧検出回路の出力電圧値の読み込み）を行う点では同じである。また、１回目の測定も同じである。すなわち、何れの場合も、１回目には、上記２つの２点間のうちの一方の２点間（接続点（３）−（４）間）の電圧に応じた出力電圧値を、読み込むことになる。異なるのは、２回目の測定であり、図２、図３の例では上記２つの２点間のうちの一方の２点間の電圧に他方の２点間の電圧を加算したものに応じた出力電圧値を、読み込むことになる。一方、図４、図５の例では、２回目の測定では、上記他方の２点間（接続点（２）−（４）間）の電圧に応じた出力電圧値を、読み込むことになる。

何れにしても、１回目の検出結果と２回目の検出結果との比率や差分と、予め設定される所定値（所定範囲など）とに基づいて、異常の有無が判定されることになる。
本例では、ステップＳ２５の処理が行われることになる。この処理ではまず、
検出値比率＝出力電圧値＃２／出力電圧値＃１
によって、検出値比率を算出する。

そして、この検出値比率が、上記所定範囲内であるか否かを判定することにより、故障の有無を判定する。図示の例では所定範囲は、図３とは異なり、具体的な数値を示すことなく、「ｐ１〜ｐ２」とするが、当然、ｐ１＜ｐ２であり且つ、正常時の検出値比率は所定範囲内となるような数値が設定されることになる。

上記のことから、「ｐ１＜検出値比率＜ｐ２」の条件を満たすか否かを判定し、この条件を満たす場合には正常、この条件を満たさない場合には故障と見做せることになる。
以上のステップＳ２５の判定処理によって故障有り（条件を満たさない）と判定された場合には（ステップＳ２５，ＮＯ）、ステップＳ２７の処理を実行する。ステップＳ２７はステップＳ１７と同じであり、ここでは説明しない。

一方、ステップＳ２５の判定処理によって正常（条件を満たす）と判定された場合には（ステップＳ２５，ＹＥＳ）、ステップＳ２６の処理を実行する。ステップＳ２６はステップＳ１６と同じであり、ここでは説明しない。

以上、図２〜図５を参照して、本手法の一例や変形例等を示して説明したが、これらの例に限るものではない。例えば、図２や図４は、何れも、オペアンプ３８の入力側に、分圧回路３０上の任意の２箇所（２つの２点間）を接続すると共に、当該２つの２点間の領域が一部重複する構成とした。つまり、接続点（３）−（４）間は、接続点（２）−（４）間に含まれている。

これは、２つの２点間に関して、オペアンプのプラス端子に接続される接続点が共通である（接続点（４）である）構成とすることで、接続点（４）に関してはスイッチを設ける必要がないので（更にプラス端子に係わる接続点が減るので）、構成の簡素化に役立つからである。但し、当然、この例に限るわけではなく、オペアンプのプラス端子に関しても２つの接続点がスイッチを介して接続される構成としてもよい。よって、２つの２点間の領域が一部重複する構成に限るものではなく、２つの２点間が完全に別々となるように構成してもよい。

上記のように、図２〜図５の例に限らず様々な構成が考えられるが、何れにしても、本例の電力変換システムは、例えば、下記の構成を有するものと言える。
すなわち、電源から直流電力を生成するコンバータと、該直流電力に基づいて負荷を駆動するインバータと、該コンバータ−インバータ間の直流中間電圧の電圧値を検出する電圧検出装置とを有する電力変換システムであって、下記の構成を有する。

上記電圧検出装置は、上記直流中間電圧検出器１１と制御装置１５（ＣＰＵ３７，４２）等を有し、下記の構成を有する。
・直流中間電圧Edcが印加され、複数の抵抗が並列に接続された抵抗回路３１が直列に複数個接続されて、該複数の抵抗回路３１によって直流中間電圧Edcが分圧される分圧回路３０：
・該分圧回路３０上の任意の複数箇所に接続して、該分圧回路３０上の複数個所の電圧に応じた複数種類の電圧値を選択的に出力できる（上記オペアンプ３８やスイッチ３５／４１などから成る）複数電圧検出回路：
上記“選択的に”は、例えばスイッチ３５やスイッチ４１等のＯＮ／ＯＦＦ制御によって実現される。
・該複数電圧検出回路から時系列的に出力される上記複数種類の電圧値（例えば上記出力電圧値＃１、出力電圧値＃２）と、予め設定される所定値（所定範囲等）とに基づいて、当該電圧検出装置（その直流中間電圧検出器１１）の異常判定を行う異常判定部：
上記“時系列的に出力”とは、例えば、最初は上記出力電圧値＃１が出力され、続いて出力電圧値＃２が出力されること等を意味する。
・該異常判定部によって正常と判定された場合には、上記複数種類の電圧値の何れかを用いて上記直流中間電圧値を求める直流中間電圧値検出部：
尚、異常判定部や直流中間電圧値検出部は、例えば制御装置１５（ＣＰＵ３７，４２）等において実行される機能である。

上記電力変換システムによれば、例えば以下の効果が得られる。
すなわち、本手法によれば、電力変換システムにおいて、コンバータ−インバータ間の電圧（直流中間電圧）を検出する出力電圧検出回路の故障を、簡単な構成で即時に検出できる。これは、特に、出力電圧値（直流中間電圧）を実際よりも低く検出するような故障状態を即時に検出できるように構成する。これより、出力電圧検出回路の故障によりコンバータが高い電圧を出力することにより電力変換素子（特にＩＧＢＴ等）を破壊するなどの重大な故障が生じることを防止することができる。また、電圧検出回路の２重化のように回路規模を増大させることなく、簡素な構成により、故障検知することができる。

このように、本発明は、交流または直流の電圧を直流電圧に変換するコンバータを有する電力変換システムに係わり、コンバータの直流出力電圧を制御するための直流中間電圧値を検出する直流中間電圧検出部が故障しても、装置が重大な故障に至らないように構成する。

直流中間電圧検出部の故障を検出するために、直流中間電圧検出部における分圧回路を複数の並列抵抗回路の直列接続により構成し、少なくとも２箇所の電圧分割点の電圧にも基づいて得られる２種類の電圧値の比率または差分等を、電圧検出値の読み込み毎に確認することにより、分圧回路等の異常を検出することを可能とする。

１ コンバータ（ＰＷＭコンバータ）
２ インバータ（ＰＷＭインバータ）
３相交流電源３
４ フィルタ用リアクトル４
５ フィルタ用抵抗器
６ フィルタ用コンデンサ
７ 昇圧用リアクトル
８ 相電流検出部
９ ＩＧＢＴ
１０ 直流中間電圧コンデンサ
１１ 直流中間電圧検出器
１２ 入力直流コンデンサ
１３ ＩＧＢＴ直列接続回路
１４ 電動モータ
１５ 制御部
２１ 電圧制御部（ＡＶＲ）
２２ 電流制御部（ＡＣＲ）
２３ ゲートパルス生成部（ＰＷＭ）
２４ 加減算器
２５ 乗算器
２６ 加減算器
３０ 分圧回路
３１ 抵抗回路
３２ 入力抵抗
３３ 入力抵抗
３４ 入力抵抗
３５ スイッチＳＷ
３６ Ａ／Ｄコンバータ
３７ ＣＰＵ
３８ オペアンプ
３９ 帰還抵抗
４１ スイッチＳＷ
４２ ＣＰＵ

Claims (12)

1. 電源から直流電力を生成するコンバータと、該直流電力に基づいて負荷を駆動するインバータと、該コンバータ−インバータ間の直流中間電圧の電圧値を検出する電圧検出装置とを有する電力変換システムであって、
   前記電圧検出装置は、
   前記直流中間電圧が印加され、複数の抵抗が並列に接続された抵抗回路が直列に複数個接続されて、該複数の抵抗回路によって前記直流中間電圧が分圧される分圧回路と、
   該分圧回路上の任意の複数箇所に接続して、該分圧回路上の複数個所の電圧に応じた複数種類の電圧値を選択的に出力できる複数電圧検出回路と、
   該複数電圧検出回路から時系列的に出力される前記複数種類の電圧値と、予め設定される所定値とに基づいて、当該電圧検出装置の異常判定を行う異常判定手段と、
   該異常判定手段によって正常と判定された場合には、前記複数種類の電圧値の何れかを用いて前記直流中間電圧値を求める直流中間電圧値検出手段と、
   を有することを特徴とする電力変換システム。
2. 前記異常判定手段は、前記複数種類の電圧値の比率または差分を求め、該比率または差分が予め設定される所定範囲内である場合には正常と判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記複数種類の電圧値は、２種類の出力電圧値であり、
   該２種類の出力電圧値は、前記分圧回路上の任意の２点間の電圧値に応じた出力電圧値と、該任意の２点間の電圧値に他の任意の２点間の電圧値が加算された加算値に応じた出力電圧値とであることを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
4. 前記複数電圧検出回路はオペアンプを有し、
   該オペアンプの入力側には、前記分圧回路上の任意の２点が接続されると共に、更に他の任意の１点がスイッチを介して接続され、
   前記複数電圧検出回路が出力する前記２種類の電圧値は、該スイッチがオフ状態のときの出力電圧値と、該スイッチがオン状態のときの出力電圧値とであることを特徴とする請求項３記載の電力変換システム。
5. 前記複数種類の電圧値は、２種類の出力電圧値であり、
   該２種類の出力電圧値は、前記分圧回路上の任意の２点間の電圧値に応じた出力電圧値と、前記分圧回路上の他の任意の２点間の電圧値に応じた出力電圧値であることを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
6. 前記複数電圧検出回路はオペアンプを有し、
   該オペアンプの入力側には、前記分圧回路上の任意の２点がスイッチを介して接続されると共に、更に他の任意の２点が他のスイッチを介して接続され、
   該各スイッチをオン／オフ制御することで、前記複数電圧検出回路から時系列的に、前記任意の２点間の電圧値に応じた出力電圧値を出力させ、続いて、前記他の任意の２点間の電圧値に応じた出力電圧値を出力させることを特徴とする請求項５記載の電力変換システム。
7. 前記抵抗回路は、それぞれ、２つの抵抗が並列に接続された構成であることを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
8. 前記複数電圧検出回路は、更に、前記オペアンプの出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路を有し、
   前記異常判定手段によって異常と判定されるのは、前記分圧回路上の前記各接続箇所に係わる前記抵抗回路の抵抗に短絡または断線の異常が生じている場合、あるいは前記オペアンプまたは前記Ａ／Ｄ変換回路の何れかに任意の異常が生じている場合であることを特徴とする請求項４または６記載の電力変換システム。
9. 前記異常判定手段が異常と判定した場合に、前記コンバータを制御して前記直流電圧の生成を停止し、あるいは上位装置に対して異常発生を通知する異常時処理手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
10. 前記電圧検出装置で検出される前記直流中間電圧の電圧値に基づいて、前記コンバータが生成する直流電圧値を制御するコンバータ制御手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
11. 前記コンバータは、前記負荷の制動に基づく回生電力を前記電源に戻すための構成として複数のＩＧＢＴを有することを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
12. 電源から直流電力を生成するコンバータと、該直流電力に基づいて負荷を駆動するインバータと、該コンバータ−インバータ間の直流中間電圧の電圧値を検出する電圧検出装置とを有する電力変換システムにおける該電圧検出装置において、
    前記直流中間電圧が印加され、複数の抵抗が並列に接続された抵抗回路が直列に複数個接続されて、該複数の抵抗回路によって前記直流中間電圧が分圧される分圧回路と、
    該分圧回路上の任意の複数箇所に接続して、該分圧回路上の複数個所の電圧に応じた複数種類の電圧値を選択的に出力できる複数電圧検出回路と、
    該複数電圧検出回路から時系列的に出力される前記複数種類の電圧値と、予め設定される所定値とに基づいて、当該電圧検出装置の異常判定を行う異常判定手段と、
    該異常判定手段によって正常と判定された場合には、前記複数種類の電圧値の何れかを用いて前記直流中間電圧値を求める直流中間電圧値検出手段と、
    を有することを特徴とする電力変換システムの電圧検出装置。
    
    

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