JP6707210B2 - 電力変換装置および異常検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、入力された電力を所望の電力に変換して出力する電力変換装置および異常検知方法に関する。

従来、入力された電力を所望の電力に変換し、変換後の電力を負荷に出力する電力変換装置がある。例えば、特許文献１に記載の電力変換装置は、鉄道車両に搭載され、架線から入力された直流電力を所望の電圧に昇圧してから交流電力に変換し、トランスを用いて交流電力の絶縁を行い、交流電力を直流電力に変換して負荷に出力している。特許文献１に記載の電力変換装置は、負荷に出力する直流電力の電流値を計測する計測器によって負荷短絡等の原因による過電流を検出しているが、この計測器が故障すると過電流が検出できなくなる。そのため、特許文献１に記載の電力変換装置は、この計測器の故障を検出すると、電力変換動作を停止して、発生した場合に検出することができない過電流から電力変換装置の内部回路を保護している。

特開２０１５−１３９２６４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、電力変換装置は、電力変換装置に入力される電力の電流値を計測する計測器の異常を検知できない。電力変換装置は、入力電流値を計測する計測器が異常な状態の場合、入力される電力の過電流を検知できず、電力変換装置の内部回路を保護できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、入力電流値を計測する計測器の異常を検知可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、第１の電力を第２の電力に変換する電力変換器と、第１の電力の電流値である第１の電流値を計測する第１の電流計測部と、第２の電力の電流値である第２の電流値を計測する第２の電流計測部と、第１の電流値および第２の電流値に基づいて、第１の電流計測部の異常を検知する制御部と、を備える。制御部は、第１の電流値が第１の閾値より小さく、かつ、第２の電流値が第２の閾値より大きい場合、第１の電流計測部が異常であると判定することを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置は、入力電流値を計測する計測器の異常を検知できる、という効果を奏する。

電力変換装置の構成例を示す図 制御部の構成例を示す図 制御部が入力電流センサの異常を検知する動作を示すフローチャート 電力変換装置が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図 電力変換装置が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図 直流電力が供給される電力変換装置の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置および異常検知方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置４の構成例を示す図である。以下では、電力変換装置４が、図示しない鉄道車両に搭載されている例を説明するが、一例であり、電力変換装置４は鉄道車両以外に搭載されてもよい。電力変換装置４は、架線電圧センサ２、主変圧器３、負荷５、および表示装置６と接続している。架線電圧センサ２、主変圧器３、負荷５、および表示装置６も、鉄道車両に搭載される。交流架線１は、図示しない変電所から供給された交流電力を、主変圧器３に供給する。架線電圧センサ２は、交流架線１から主変圧器３に供給される交流電力の交流電圧値すなわち架線電圧値を計測する計測器である。主変圧器３は、交流架線１から供給された交流電力の架線電圧を、電力変換装置４で使用可能な電圧レベルの電圧に変換する。電力変換装置４には、主変圧器３において電圧変換された交流電力である第１の交流電力が、入力電力として入力される。

電力変換装置４は、後述するインバータ１６において直流電力から変換された３相の交流電力である第２の交流電力を、出力電力として負荷５に出力する。すなわち、電力変換装置４は、入力された第１の交流電力を第２の交流電力に変換して出力する。負荷５は、鉄道車両に搭載された電気機器である。負荷５は、例えば、モータ、空調機器、コンプレッサなどである。表示装置６は、電力変換装置４の後述する制御部１８が入力電流センサ１２の異常を検知した場合、制御部１８の制御によって入力電流センサ１２が異常であることを表示する。表示装置６は、例えば、鉄道車両の運転台に設置されたモニタである。

電力変換装置４の構成について説明する。電力変換装置４は、フィルタリアクトル１１と、入力電流センサ１２と、コンバータ１３と、直流電圧センサ１４と、フィルタコンデンサ１５と、インバータ１６と、出力電流センサ１７と、制御部１８と、を備える。

フィルタリアクトル１１は、フィルタコンデンサ１５とともにフィルタ回路を構成し、第１の交流電力の急激な電流変化を抑制する。入力電流センサ１２は、主変圧器３から電力変換装置４に入力される第１の交流電力の電流値である第１の電流値を計測する計測器である。入力電流センサ１２は、第１の電流計測部である。コンバータ１３は、主変圧器３から電力変換装置４に入力される第１の交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１３の構成は一般的なものでよく、限定されない。直流電圧センサ１４は、コンバータ１３から出力された直流電力の直流電圧値を計測する計測器である。フィルタコンデンサ１５は、直流電力から、コンバータ１３およびインバータ１６の電力変換処理で発生した高調波成分を除去する。また、フィルタコンデンサ１５は、コンバータ１３から出力された直流電力によって充電される。

インバータ１６は、コンバータ１３から出力され、フィルタコンデンサ１５に充電されている直流電力を第２の交流電力に変換する。インバータ１６の構成は一般的なものでよく、限定されない。ここでは、インバータ１６から出力される第２の交流電力は、３相の交流電力とする。出力電流センサ１７は、インバータ１６から出力された第２の交流電力の各相の電流値である第２の電流値を計測する計測器である。出力電流センサ１７は、第２の電流計測部である。なお、コンバータ１３およびインバータ１６を併せて、電力変換器とする。制御部１８は、電力変換器を構成するコンバータ１３およびインバータ１６の動作を制御する。また、制御部１８は、入力電流センサ１２の計測結果である第１の電流値および出力電流センサ１７の計測結果である第２の電流値に基づいて、入力電流センサ１２の異常を検知する。電力変換装置４において、制御部１８以外の構成は、一般的な電力変換装置で使用されている構成と同様である。

制御部１８の構成について説明する。図２は、本実施の形態にかかる制御部１８の構成例を示す図である。制御部１８は、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換部２１と、制御演算部２２と、を備える。

Ａ／Ｄ変換部２１は、各センサで計測された計測値を、アナログ値からデジタル値に変換する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部２１は、架線電圧センサ２で計測された架線電圧値、入力電流センサ１２で計測された入力電流値、直流電圧センサ１４で計測された直流電圧値、および出力電流センサ１７で計測された出力電流値の各計測値を、アナログ値からデジタル値に変換する。なお、図２では出力電流値が１本で示されているが、図１に示すように、実際には３相分の出力電流値がＡ／Ｄ変換部２１に入力されている。Ａ／Ｄ変換部２１から制御演算部２２に出力される出力電流値も同様に、実際には３相分の出力電流値がＡ／Ｄ変換部２１から出力されている。

制御演算部２２は、デジタル値に変換された各計測値をＡ／Ｄ変換部２１から取得し、各計測値に基づいて、電力変換装置４の動作を制御する。制御演算部２２は、電力変換制御部２３と、異常検知部２４と、伝送制御部２５と、を備える。

電力変換制御部２３は、Ａ／Ｄ変換部２１から取得した架線電圧値、入力電流値、直流電圧値、および出力電流値を用いて、コンバータ１３およびインバータ１６の動作を制御する。電力変換制御部２３は、架線電圧値を用いて、交流架線１から供給される交流電力の状態、具体的には交流電圧の位相および振幅を監視し、コンバータ１３およびインバータ１６の制御に利用している。電力変換制御部２３は、インバータ１６から出力される交流電力量に対して、コンバータ１３からインバータ１６に適切な直流電力量が入力されるように、出力電流値に基づいて、入力電流値の目標電流値を算出する。電力変換制御部２３は、直流電圧値および出力電流値に基づいて、入力電流値の目標電流値を算出してもよい。電力変換制御部２３は、入力電流値が目標電流値になるように、コンバータ１３の動作を制御する。コンバータ１３およびインバータ１６に対する電力変換制御部２３の制御方法は一般的な方法でよく、特に限定されない。電力変換制御部２３は、例えば、コンバータ１３およびインバータ１６がスイッチング素子を備える構成の場合、コンバータ１３およびインバータ１６が備える各スイッチング素子の動作を制御する。

異常検知部２４は、Ａ／Ｄ変換部２１から取得した入力電流値および出力電流値に基づいて、入力電流センサ１２の異常を検知する。異常検知部２４の詳細な動作については後述する。

伝送制御部２５は、異常検知部２４において入力電流センサ１２の異常が検知された場合、表示装置６に対して、入力電流センサ１２が異常であることを通知する。伝送制御部２５は、入力電流センサ１２が異常であることを、表示装置６に表示させる。

つぎに、電力変換装置４において、制御部１８が入力電流センサ１２の異常を検知する動作について説明する。図３は、本実施の形態にかかる制御部１８が入力電流センサ１２の異常を検知する動作を示すフローチャートである。なお、異常検知部２４は、図３に示す動作の判定処理に使用する第１の閾値について、あらかじめユーザから設定を受け付けておいてもよいし、動作中に算出してもよい。異常検知部２４は、第２の閾値についてはあらかじめユーザから設定を受け付けておく。第１の閾値および第２の閾値の詳細については後述する。

まず、制御部１８において、異常検知部２４は、コンバータ１３およびインバータ１６が動作中か否かを判定する（ステップＳ１）。一般的に、コンバータ１３およびインバータ１６が動作中の場合、コンバータ１３およびインバータ１６には、電力変換制御部２３から制御信号が入力されている。異常検知部２４は、電力変換制御部２３からコンバータ１３およびインバータ１６への制御信号の出力の有無から、コンバータ１３およびインバータ１６が動作中か否かを判定することができる。また、異常検知部２４は、鉄道車両の図示しない運転台から制御部１８に出力される運転指令の内容に基づいて、コンバータ１３およびインバータ１６が動作中か否かを判定してもよい。コンバータ１３およびインバータ１６が動作していない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、異常検知部２４は、ステップＳ１の処理に戻る。コンバータ１３およびインバータ１６が動作中の場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、異常検知部２４は、Ａ／Ｄ変換部２１から取得した出力電流値を確認する（ステップＳ２）。

異常検知部２４は、取得した出力電流値が、設定された第２の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ３）。第２の閾値とは、インバータ１６から負荷５に第２の交流電力が出力されているのか否かを判定するための値である。第２の閾値は、ユーザなどによってあらかじめ設定された「０」より大きい固定値である。ユーザは、例えば、出力電流センサ１７の測定精度に基づいて、測定誤差などを考慮して第２の閾値を設定する。異常検知部２４は、取得した３相分の各出力電流値と第２の閾値とをそれぞれ比較する。第２の閾値を超えた出力電流値が１つもない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、異常検知部２４は、ステップＳ２の処理に戻る。ステップＳ３：Ｎｏの場合、負荷５に第２の交流電力が出力されていないことになるので、負荷５は動作していない。第２の閾値を超えた出力電流値が１つ以上ある場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、異常検知部２４は、Ａ／Ｄ変換部２１から取得した入力電流値を確認する（ステップＳ４）。

異常検知部２４は、取得した入力電流値が、設定された第１の閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。第１の閾値とは、コンバータ１３に主変圧器３から第１の交流電力が入力されているのか否かを判定するための値である。第１の閾値は、ユーザなどによってあらかじめ設定された固定値であってもよいし、異常検知部２４が演算に基づいて設定する算出値であってもよい。異常検知部２４は、例えば、出力電流値、または電力変換制御部２３において算出された目標電流値に基づいて、出力電流値または目標電流値の大きさに比例する値を算出し、この算出値を第１の閾値とする。これにより、異常検知部２４は、出力電流値の大きさに応じた第１の閾値を設定することができ、第１の閾値が固定値の場合と比較して、ステップＳ５における判定精度を向上することができる。異常検知部２４は、第１の閾値を算出する際、最新の出力電流値または最新の出力電流値に基づく目標電流値を使用してもよい。また、異常検知部２４は、制御部１８が図３に示すフローチャートの動作を繰り返し実施していることから、第１の閾値を算出する際、前回の動作時に取得した出力電流値または目標電流値を使用してもよい。なお、入力電流センサ１２が異常の際に入力電流値がある一定の値になる場合、第１の閾値を固定値にすることで、第１の閾値が算出値の場合と比較して、異常検知部２４の処理負荷を低減することができる。

入力電流値が第１の閾値以上の場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、異常検知部２４は、ステップＳ１の処理に戻る。ステップＳ５：Ｎｏの場合、入力電流センサ１２は正常な状態である。入力電流値が第１の閾値より小さい場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、異常検知部２４は、入力電流センサ１２が異常であると判定する（ステップＳ６）。異常検知部２４は、入力電流センサ１２の異常を検知した場合、電力変換制御部２３および伝送制御部２５に対して、入力電流センサ１２が異常であることを通知する。

異常検知部２４が入力電流センサ１２の異常を検知した場合、電力変換制御部２３は、異常検知部２４からの通知を受けて、コンバータ１３およびインバータ１６の動作を停止する（ステップＳ７）。異常検知部２４が入力電流センサ１２の異常を検知した場合、伝送制御部２５は、異常検知部２４からの通知を受けて、電力変換装置４に接続されている表示装置６に対して、入力電流センサ１２が異常であることを通知する。伝送制御部２５は、入力電流センサ１２が異常であることを表示装置６に表示させる（ステップＳ８）。表示装置６に表示される内容は、入力電流センサ１２が異常であることを示すメッセージであってもよいし、エラーコードであってもよい。

ユーザは、表示装置６の表示内容を確認することによって、コンバータ１３およびインバータ１６の動作が停止した原因が、入力電流センサ１２の異常であることを把握することができる。制御部１８は、図３に示すフローチャートの動作を繰り返し実施する。

つづいて、電力変換装置４のハードウェア構成について説明する。前述のように、電力変換装置４において制御部１８以外の構成は、一般的な電力変換装置で使用されている構成と同様である。制御部１８は処理回路により実現される。すなわち、電力変換装置４は、入力電流センサ１２の異常を検知可能な処理回路を備える。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリであってもよいし、専用のハードウェアであってもよい。

図４は、本実施の形態にかかる電力変換装置４が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がプロセッサ９１およびメモリ９２で構成される場合、電力変換装置４の処理回路の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。処理回路では、メモリ９２に記憶されたプログラムをプロセッサ９１が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、入力電流センサ１２の異常を検知することが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を備える。また、これらのプログラムは、電力変換装置４の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

ここで、プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９２には、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

図５は、本実施の形態にかかる電力変換装置４が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアで構成される場合、図５に示す処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。電力変換装置４の各機能を機能別に処理回路９３で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９３で実現してもよい。

なお、電力変換装置４の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

通常、制御部１８は、入力電流値が目標電流値になるように制御する。そのため、入力電流センサ１２に異常が生じて、入力電流値が目標電流値より小さい場合には、制御部１８は、目標電流値を増加させて入力電流を増やすので、入力過電流が発生する可能性がある。以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置４において、制御部１８は、インバータ１６から出力される交流電力の出力電流値が第２の閾値より大きく、かつ、コンバータ１３に入力される交流電力の入力電流値が第１の閾値より小さい場合、入力電流値を計測した入力電流センサ１２が異常であると判定する。そして、制御部１８は、入力電流センサ１２の異常を検知した場合、コンバータ１３およびインバータ１６の制御が正確にできないことから、コンバータ１３およびインバータ１６の動作を停止する。これにより、本実施の形態の電力変換装置４では、入力過電流がコンバータ１３へ入力されることを防止し、電力変換装置４の内部を保護することができる。また、制御部１８は、入力電流センサ１２が異常であることを表示装置６に表示させる。表示装置６の内容を確認したユーザは、コンバータ１３およびインバータ１６の動作が停止した原因を把握することができる。

なお、本実施の形態では、交流架線１から鉄道車両に交流電力が供給される場合について説明したが、一例であり、これに限定されるものではない。例えば、直流架線から鉄道車両に直流電力が供給される場合にも適用可能である。図６は、本実施の形態において直流電力が供給される電力変換装置４ａの構成例を示す図である。電力変換装置４ａは、図１に示す電力変換装置４から、入力電流センサ１２、コンバータ１３、直流電圧センサ１４、および制御部１８を削除し、入力電流センサ１２ａおよび制御部１８ａを追加したものである。電力変換装置４ａにおいて、入力電流センサ１２ａは、入力電流値として、直流架線１ａから供給される直流電力の電流値すなわち直流電流値を計測する。制御部１８ａは、入力電流センサ１２ａの計測結果である第１の電流値および出力電流センサ１７の計測結果である第２の電流値に基づいて、入力電流センサ１２ａの異常を検知する。制御部１８ａの処理内容は、制御部１８の処理内容と類似するため、詳細な構成および動作の説明は省略する。電力変換装置４ａに入力される直流電力は、直流架線１ａから供給される直流電力の電圧を変換した後の直流電力であってもよい。電力変換装置４ａは、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。すなわち、本発明は、入力された第１の電力を第２の電力に変換して出力する電力変換装置に適用可能である。第１の電力は、上述した第１の交流電力であってもよいし、直流電力であってもよい。第２の電力は、上述した第２の交流電力である。電力変換装置は、出力電流値および入力電流値を用いて、入力電流値すなわち直流電流値を計測する入力電流センサの異常を検知することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 交流架線、１ａ 直流架線、２ 架線電圧センサ、３ 主変圧器、４，４ａ 電力変換装置、５ 負荷、６ 表示装置、１１ フィルタリアクトル、１２，１２ａ 入力電流センサ、１３ コンバータ、１４ 直流電圧センサ、１５ フィルタコンデンサ、１６ インバータ、１７ 出力電流センサ、１８，１８ａ 制御部、２１ Ａ／Ｄ変換部、２２ 制御演算部、２３ 電力変換制御部、２４ 異常検知部、２５ 伝送制御部。

Claims (10)

1. 第１の電力を第２の電力に変換する電力変換器と、
   前記第１の電力の電流値である第１の電流値を計測する第１の電流計測部と、
   前記第２の電力の電流値である第２の電流値を計測する第２の電流計測部と、
   前記第１の電流値および前記第２の電流値に基づいて、前記第１の電流計測部の異常を検知する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１の電流値が第１の閾値より小さく、かつ、前記第２の電流値が第２の閾値より大きい場合、前記第１の電流計測部が異常であると判定する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１の電力を第１の交流電力、前記第２の電力を第２の交流電力とし、
   前記電力変換器は、
   前記第１の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記直流電力を前記第２の交流電力に変換するインバータと、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１の電流計測部の異常を検知した場合、前記コンバータおよび前記インバータの動作を停止する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第２の電流値に基づいて前記第１の閾値を算出する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の閾値は固定値である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記第１の電流計測部の異常を検知した場合、前記第１の電流計測部が異常であることを、前記電力変換装置に接続されている表示装置に表示させる、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 電力変換器が、第１の電力を第２の電力に変換する電力変換ステップと、
   第１の電流計測部が、前記第１の電力の電流値である第１の電流値を計測する第１の電流計測ステップと、
   第２の電流計測部が、前記第２の電力の電流値である第２の電流値を計測する第２の電流計測ステップと、
   制御部が、前記第１の電流値および前記第２の電流値に基づいて、前記第１の電流計測部の異常を検知する異常検知ステップと、
   を含み、
   前記異常検知ステップにおいて、前記制御部は、前記第１の電流値が第１の閾値より小さく、かつ、前記第２の電流値が第２の閾値より大きい場合、前記第１の電流計測部が異常であると判定する、
   ことを特徴とする異常検知方法。
7. 前記第１の電力を第１の交流電力、前記第２の電力を第２の交流電力とし、前記電力変換器がコンバータおよびインバータを備える場合、
   前記電力変換ステップにおいて、
   前記コンバータが前記第１の交流電力を直流電力に変換し、前記インバータが前記直流電力を前記第２の交流電力に変換し、
   さらに、
   前記制御部が、前記異常検知ステップにおいて前記第１の電流計測部の異常を検知した場合、前記コンバータおよび前記インバータの動作を停止する制御ステップ、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の異常検知方法。
8. 前記異常検知ステップにおいて、前記制御部は、前記第２の電流値に基づいて前記第１の閾値を算出する、
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の異常検知方法。
9. 前記第１の閾値は固定値である、
   ことを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の異常検知方法。
10. 前記制御部が、前記第１の電流計測部が異常であると判定した場合、前記第１の電流計測部が異常であることを、表示装置に表示させる表示ステップ、
    を含むことを特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載の異常検知方法。

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