JP6817881B2 - 電力変換装置、及び異常検出方法 - Google Patents

電力変換装置、及び異常検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、コンバータとインバータとを備える電力変換装置、及び電力変換装置における異常を検出する異常検出方法に関し、特に、電力変換装置内の直流電圧検出器の異常を検出する技術に関する。
交流電源の電力を可変電圧可変周波数の電力に変換する電力変換装置が知られている。電力変換装置には、直流回路に平滑コンデンサと、その平滑コンデンサの両端電圧を測定する直流電圧検出器とが備えられ、出力される直流電圧が一定になるように制御される。
例えば、平滑コンデンサの健全性を確認するための技術として、初充電時の充電電圧の挙動から異常を判断するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、交流電源の電力を可変電圧可変周波数の電力に変換する電力変換装置において、複数の直流電圧検出器を備えたものが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2005−354789号公報 特開2008−011606号公報
特許文献1には、平滑コンデンサの健全性を確認するために初充電時の直流電圧の挙動から異常を判断する技術が示されているが、電力変換装置内の直流電圧検出器の異常を判断するための技術は開示されていない。直流電圧検出器は、電力変換装置の直流電圧を制御するために必須なものであり、直流電圧検出器の異常は、システムの動作の不安定をもたらし、最悪の場合にはシステムの計画外停止をもたらし、大きな被害を及ぼす虞がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、電力変換装置における直流電圧検出器の異常を適切に検出することのできる技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、一観点に係る電力変換装置は、交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、複数の電位の内の2つの電位間に接続され、電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、平滑コンデンサの充電時における直流電圧検出器による検出値に基づいて、直流電圧検出器の異常を判断する異常判断器と、を備える。
本発明によれば、電力変換装置における直流電圧検出器の異常を適切に検出することができる。
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図2は、第1実施形態における充電時における直流電圧検出器により検出される直流電圧値を説明する図である。 図3は、第1実施形態に係る異常判断器による異常判断処理のフローチャートである。 図4は、第2実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図5は、第3実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図6は、第4実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図7は、第5実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図8は、第5実施形態に係る電力変換装置の出力推定器を含む一部の構成図である。 図9は、第6実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
いくつかの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
まず、第1実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
電力変換装置100は、交流電源1と、交流電源1からの交流電力を直流電力に変換するコンバータユニット(コンバータともいう)2と、コンバータユニット2が出力する直流電力を所望の交流電力に変換するインバータユニット(インバータともいう)3と、インバータユニット3が出力する交流電力で駆動される電動機4と、コンバータユニット2を制御するコンバータ制御装置5と、インバータユニット3を制御するインバータ制御装置6と、を備える。
コンバータユニット2は、いわゆる3レベルコンバータであり、交流電力を、正の電位(第1電位)レベルと、中性点(零)電位(第2電位)レベルと、負の電位(第3電位)レベルとの直流電力に変換する。インバータユニット3は、いわゆる3レベルインバータであり、正の電位(第1電位)レベルと、中性点(零)電位(第2電位)レベルと、負の電位(第3電位)レベルとの直流電力を、電動機4用の交流電力に変換する。コンバータユニット2と、インバータユニット3との正の電位レベルは、P配線40で接続され、中性点電位レベルは、C配線41で接続され、負の電位レベルは、N配線42で接続されている。
コンバータユニット2は、コンバータ電力変換部21と、直流電圧の変動を抑制するためのコンバータP側平滑コンデンサ22(第1コンバータ側平滑コンデンサ、第1平滑コンバータ、コンバータ側平滑コンデンサ:平滑コンデンサ22と表記する場合がある)と、コンバータN側平滑コンデンサ23(第2コンバータ側平滑コンデンサ、第2平滑コンバータ、コンバータ側平滑コンデンサ:平滑コンデンサ23と表記する場合がある)と、コンバータP側平滑コンデンサ22の端子間電圧を測定するためのコンバータP側直流電圧検出器25(第1コンバータ側直流電圧検出器:直流電圧検出器25と表記する場合がある)と、コンバータN側平滑コンデンサ23の端子間電圧を測定するためのコンバータN側直流電圧検出器26(第2コンバータ側直流電圧検出器:直流電圧検出器26と表記する場合がある)と、C配線41に接続され、直流共振を抑制するためのコンバータ中性点抵抗24と、を備える。
インバータユニット3は、インバータ電力変換部31と、インバータP側平滑コンデンサ32(第1インバータ側平滑コンデンサ、第1平滑コンバータ、インバータ側平滑コンデンサ:平滑コンデンサ32と表記する場合がある)と、インバータN側平滑コンデンサ33(第2インバータ側平滑コンデンサ、第2平滑コンバータ、インバータ側平滑コンデンサ:平滑コンデンサ33と表記する場合がある)と、インバータP側平滑コンデンサ32の端子間電圧を測定するためのインバータP側直流電圧検出器35(第1インバータ側直流電圧検出器:直流電圧検出器35と表記する場合がある)と、インバータN側平滑コンデンサ33の端子間電圧を測定するためのインバータN側直流電圧検出器36(第2インバータ側直流電圧検出器:直流電圧検出器36と表記する場合がある)と、C配線41に接続され、直流共振を抑制するためのインバータ中性点抵抗34と、を備える。
コンバータ制御装置5は、変換される直流電力が所望の値となるようにコンバータ電力変換部21を制御する。インバータ制御装置6は、電動機4の出力トルクや速度が所望の特性を満たすようにインバータ電力変換部31を制御する。
電力変換装置100は、コンバータユニット2の出力電流を検出して出力する電流検出器7と、電動機4に直結され、電動機4の速度を検出して出力する速度検出器8と、インバータユニット3の出力電流を検出して出力する電流検出器9とをさらに備える。
電流検出器7、及び直流電圧検出器25,26により検出された検出値の信号(出力信号)は、コンバータ制御装置5に入力される。コンバータ制御装置5は、入力された検出値に基づいて、各種演算処理を行い、コンバータ電力変換部21を制御する信号を出力する。
速度検出器8、電流検出器9、及び直流電圧検出器35,36により検出された検出値の信号(出力信号)は、インバータ制御装置6に入力される。インバータ制御装置6は、入力された検出値に基づいて、各種演算処理を行い、インバータ電力変換部31を制御する信号を出力する。
コンバータ制御装置5は、直流電圧指令発生器51と、直流電圧制御器52と、電流制御器53と、パルス生成器54と、中性点電圧制御器55と、充電制御器56とを備える。
直流電圧指令発生器51は、コンバータユニット2から出力させる直流電圧の電圧値を示す直流電圧指令値を直流電圧制御器52に出力する。
直流電圧制御器52は、直流電圧指令発生器51から入力される直流電圧指令値と、直流電圧検出器25,26から入力される直流電圧の検出値とに基づいて、コンバータ出力電流指令値を演算して、電流制御器53に出力する。具体的には、直流電圧制御器52は、直流電圧検出器25,26のそれぞれから入力される直流電圧の検出値の合計値が直流電圧指令値と一致するようにコンバータ出力電流指令値を演算する。
中性点電圧制御器55は、直流電圧検出器25、26のそれぞれから入力される直流電圧の検出値の差に基づいて、中性点電圧が零となるような電圧指令を演算して電流制御器53に出力する。
電流制御器53は、電流検出器7から出力されるコンバータ出力電流検出値が、直流電圧制御器52から入力されるコンバータ出力電流指令値と一致するようにコンバータ電圧指令値を演算してパルス発生器54に出力する。この際、電流制御器53は、中性点電圧制御器55から入力される電圧指令を考慮して、コンバータ電圧指令値を演算する。
パルス生成器54は、コンバータ電力変換部21による出力電圧が、電流制御器53から入力されるコンバータ出力電圧指令値に一致するように、コンバータ電力変換部21の各スイッチング素子をオン・オフ制御するためのパルス信号を演算して、パルス信号をコンバータ電力変換部21に出力する。
充電制御器56は、コンバータユニット2と、インバータユニット3との動作を開始する前において、コンバータP側平滑コンデンサ22と、コンバータN側平滑コンデンサ23と、インバータP側平滑コンデンサ32と、インバータN側平滑コンデンサ33と、を充電させる(初充電させる)制御を行う。具体的には、充電制御器56は、初充電を行う際に、後述する充電回路71と、異常判断器72とに初充電の開始を通知する。
インバータ制御装置6は、速度指令発生器61と、速度制御器62と、電流制御器63と、パルス生成器64と、中性点電圧制御器65とを備える。
速度指令発生器61は、電動機4を動作させる速度を示す速度指令値を速度制御器62に出力する。
速度制御器62は、速度検出器8から入力される速度検出値が、速度指令発生器61から入力される速度指令値と一致するようにインバータ出力電流指令値を演算し、インバータ出力電流指令値を電流制御器63に出力する。
中性点電圧制御器65は、直流電圧検出器35、36のそれぞれから入力される直流電圧の検出値の差に基づいて、中性点電圧が零となるような電圧指令を演算して電流制御器63に出力する。
電流制御器63は、電流検出器9から入力されるインバータ出力電流検出値が、速度制御器62から入力されるインバータ出力電流指令値と一致するようにインバータ電圧指令値を演算してパルス生成器64に出力する。この際、電流制御器63は、中性点電圧制御器65から入力される電圧指令を考慮して、インバータ電圧指令値を演算する。
パルス生成器64は、インバータ電力変換部31による出力電圧が、電流制御器63から入力されるインバータ出力電圧指令値に一致するように、インバータ電力変換部31の各スイッチング素子をオン・オフ制御するためのパルス信号を演算して、パルス信号をインバータ電力変換部31に出力する。
次に、電力変換装置100における異常判断に関わる構成について説明する。
電力変換装置100は、充電電源70と、充電回路71と、異常判断器72と、表示器73とを備える。
充電電源70は、平滑コンデンサ22,23,32,33を充電するための電源である。充電電源70は、例えば、交流電源である。
充電回路71は、充電電源70から入力される電力により、平滑コンデンサ22,23,32,33を充電する回路である。充電回路71は、例えば、充電電源70との間の配線を開閉するためのコンタクタ、交流を整流するためのダイオード、回路保護用のヒューズ等の構成を含む。本実施形態では、充電回路71は、充電制御器56から初充電の開始指示を受け取った場合には、コンタクタにより、充電電源70との間の配線を閉状態とする。
表示器73は、例えば、液晶ディスプレイ等の情報を表示可能な表示装置であり、各種情報を表示する。
異常判断器72は、直流電圧検出器25,26,35,36から入力される直流電圧値(検出値)と、メモリ72a(記憶部)に格納されている、初充電時における直流電圧値の時間変化(挙動)に関するデータ(直流電圧データ:リファレンスデータ)とを比較して、直流電圧検出器25,26,35,36に異常があるか否かを判断する。異常判断器72は、例えば、検出値と、検出値の検出時に対応する時点におけるリファレンスデータの値(リファレンス値:基準値)との差が、所定の閾値を超えている場合に、その検出値を検出している直流電圧検出器が異常であると判断する。ここで、初充電時において検出される直流電圧の挙動に関するリファレンスデータについては、充電電力と、平滑コンデンサの容量と、充電回路71の構成により決定される定数とに基づいて、算出することができる。そこで、予め計算によってリファレンスデータを算出しておき、算出されたリファレンスデータをメモリ72aに格納させるようにしてもよい。
異常判断器72は、異常がある直流電圧検出器を検出した場合には、異常に関する情報(例えば、異常のある直流電圧検出器を特定できる情報(例えば、デバイス番号))と、点検、交換等を推奨するメッセージとを表示器73に表示させる。なお、異常判断器72は、図示しないプロセッサが、メモリに格納されたプログラムを実行することにより構成されてもよい。
次に、第1実施形態に係る異常判断器72による異常判断について具体的に説明する。
図2は、第1実施形態における充電時における直流電圧検出器により検出される直流電圧値を説明する図である。
図2には、各直流電圧検出器25,26,35,36から検出された直流電圧値(検出値)と、直流電圧検出器の異常を判断するためのリファレンスデータとを示している。なお、図2においては、直流電圧検出器26が異常である場合の例を示している。
リファレンスデータは、充電電源70と、充電回路71と、平滑コンデンサ22,23,32,33の容量とを用いて、予め計算することにより得られた、充電開始時T0からの直流電圧値であ。このリファレンスデータは、メモリ72aに予め格納されている。本実施形態においては、充電開始時からの逐時の直流電圧値をリファレンスデータとしてもよく、また、充電開始時から所定時間ごとの複数箇所(図2では、T1〜T8までの8箇所)の直流電圧値をリファレンスデータとしてもよい。
直流電圧検出器に異常が無い場合は、直流電圧検出器の検出値は、リファレンスデータに一致または近い値となるが、異常がある場合には、図2の直流電圧検出器26の出力に示すように、リファレンスデータとの大きな乖離が発生する。
そこで、異常判断器72は、初充電開始から、4つの直流電圧検出器25,26,35,36の検出値と、その時点におけるリファレンスデータの直流電圧値(リファレンス値)とを比較し、それらの差が所定の閾値以内であるか否かを判定し、検出値とリファレンス値との差が所定の閾値を超える場合には、その検出値を検出した直流電圧検出器が異常であると判定し、表示器73に、その直流電圧検出器が異常であることと、その直流電圧検出器の点検と交換を推奨するメッセージを表示する。
ここで、直流電圧検出器の検出値が、リファレンス値から外れている場合であっても、必ずしも直流電圧検出器の異常であるとは限らないこともあり得る。そこで、本実施形態に係る異常判断器72は、直流電圧検出器の異常以外の要因によって、直流電圧検出器が異常であると誤判断されるリスクを低減するために、以下に示す異常判断処理を行っている。
図3は、第1実施形態に係る異常判断器による異常判断処理のフローチャートである。
異常判断器72は、4つの直流電圧検出器25,26,35,36の検出値がすべて零(又は零に近い値)であるか否かを判定する(ステップS11)。なお、本実施形態では、異常判断器72は、複数の時点(例えば、図2に示す8つの時点T1〜T8)のすべてにおいて、4つの直流電圧検出器25,26,35,36の検出値がすべて零であるか否かを判定している。
この結果、直流電圧検出器25,26,35,36の検出値がすべて零である場合(ステップS11:Yes)には、例えば、充電回路71に断線などの異常がある等の可能性が考えられるため、異常判断器72は、充電回路71に異常があると判断し、充電回路に異常があることを示す情報(「充電回路異常」)を表示器73に表示させ(ステップS12)、処理をステップS19に進める。
一方、直流電圧検出器25,26,35,36の検出値がすべて零でない場合(ステップS11:No)には、異常判断器72は、直流電圧検出器25,26,35,36のいずれかの検出値に零があるか否かを判定する(ステップS13)。
この結果、直流電圧検出器25,26,35,36のいずれかの検出値に零がある場合(ステップS13:Yes)には、検出値が零である直流電圧検出器が利用している直流電圧検出を行うためのループ(直流電圧検出ループ:配線)の断線、緩みなどによる異常が考えられるため、異常判断器72は、直流電圧検出ループに異常があると判断し、直流電圧検出ループに異常があることを示す情報(「直流電圧検出ループ異常」)を表示器73に表示させ(ステップS14)、処理をステップS19に進める。
一方、直流電圧検出器25,26,35,36のいずれの検出値にも零がない場合(ステップS13:No)には、異常判断器72は、充電電源70の電圧の変動量や、直流電圧検出器25,26,35,36の検出値から、充電電源70に異常があるか否か判断する(ステップS15)。なお、充電電源70の電圧の変動量は、例えば、充電電源70を供給する上位の装置から取得するようにしてもよく、電力変換装置100内に充電電源70の電圧の変動量を測定するセンサを設けておき、そのセンサから取得するようにしてもよい。
この結果、充電電源70に異常がある場合(ステップS15:Yes)には、異常判断器72は、充電電源に異常があると判断し、充電電源に異常があることを示す情報(「充電電源異常」)を表示器73に表示させ(ステップS16)、処理をステップS19に進める。
一方、充電電源70に異常がない場合(ステップS15:No)には、異常判断器72は、リファレンス値と、各直流電圧検出器25,26,35,36の検出値との比較を行い、リファレンス値と、検出値との間に、所定の閾値よりも大きい乖離があるか否かを判定する(ステップS17)。なお、本実施形態では、異常判断器72は、複数の時点(例えば、図2に示す8つの時点T1〜T8)のすべてにおいて、4つの直流電圧検出器25,26,35,36の検出値と、リファレンス値との間の乖離を判定している。
この結果、リファレンス値と、検出値との間に、所定の閾値よりも大きい乖離がある場合(ステップS17:Yes)には、異常判断器72は、所定の閾値よりも大きい乖離がある検出値を出力した直流電圧検出器が異常であると判断し、この直流電圧検出器に異常があることを示す情報(「直流電圧検出器異常」)を表示器73に表示させ(ステップS18)、処理をステップS19に進める。
ステップS19では、異常判断器72は、「異常個所を点検及び交換してください」との文章を表示器73に表示させて、処理を終了する。
一方、リファレンス値と、検出値との間に、所定の閾値以下の乖離しかない場合(ステップS17:No)には、各直流電圧検出器25,26,35,36に異常がないことを意味しているので、異常判断器72は、異常判定処理を終了する。
以上説明したように、第1実施形態に係る電力変換装置100では、通常行う初充電時における直流電圧検出器の出力(検出値)の挙動から直流電圧検出器の異常を判断し、異常のある直流電圧検出器の点検、交換を推奨する表示を行うようにしたので、運転前に直流電圧検出器の点検および交換を行うように仕向けることができ、また、直流電圧検出器の異常によるシステムの計画外停止を事前に防止することができる。
上記した第1実施形態において、例えば、リファレンスデータとして、予め計算したデータを用いる場合には、予め計算した際に想定した条件と、電力変換装置100を配置した実際の場所における条件とが異なる場合があり得る。この場合には、予め計算したリファレンスデータを用いると、リファレンスデータの誤差により、直流電圧検出器の異常判断が間違ってしまうリスクがある。
これに対して、例えば、電力変換装置100の直流電圧検出値が正常である時点(例えば、電力変換装置100の据付時等)において、初充電時の直流電圧検出器による検出値の挙動(時間変化(例えば、複数の時点の値))のデータを取得してメモリ72aに記憶し、このデータをリファレンスデータとして用いるようにしてもよい。このようにすると、リファレンスデータを、電力変換装置100の実際の状態に適合したデータとすることができ、誤判断のリスクを低減できる。
また、上記した第1実施形態において、例えば、直流電圧検出器25,26,35,36の出力は、充電電源70の電圧の変動の影響を受けるため、充電電源70の電圧の変動によって直流電圧検出器の異常を誤判断してしまうリスクがある。
これに対して、例えば、充電時の充電電源70の電圧の変動量を異常判断器72に入力するようにし、異常判断器72が、リファレンスデータの値を、入力された変動量に応じた係数により補正し(例えば、係数を乗算し)、その補正した値(補正基準値)を用いて、直流電圧検出器の異常を判断するようにしてもよい。このようにすると、充電時の充電電源70の電圧の変動量に起因する誤判断のリスクを低減できる。
また、上記した第1実施形態においては、リファレンスデータと、直流電圧検出器25,26,35,36の検出値とを比較することにより、直流電圧検出器25,26,35,36の異常を判断するようにしていたが、例えば、4つの直流電圧検出器25,26,35,36の異常を、各直流電圧検出器25,26,35,36の検出値を相互に比較することにより検出するようにしてもよい。
これは、各直流電圧検出器25,26,35,36の検出値の挙動は、正常であれば、充電電源70の電圧の変動があったとしても、基本的に一致することを利用したものであり、或る直流電圧検出器の検出値の挙動が他の多数の直流電圧検出器の検出値の挙動と異なる場合には、挙動の異なる検出値を出力する直流電圧検出器が異常であると判断できる。
具体的には、異常判断器72は、すべての直流電圧検出器25,26,35,36における2つの直流電圧検出器のすべての組合せ(直流電圧検出器が4つの場合には、6通り)について、2つの直流電圧検出器による検出値の差分(又は、比率)を算出し、検出値の差分(又は比率)が所定の範囲を超える組合せが複数ある場合には、その複数の組合せに共通する直流電圧検出器を異常であると判断する。このようにすると、リファレンスデータを記憶せずとも、異常な直流電圧検出器を特定することができ、また、充電時の充電電源70の電圧の変動があったとしても影響を受けることがない。
次に、第2実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図4は、第2実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。なお、図1に示す第1実施形態に係る電力変換装置と同様な構成については同一の符号を付す。
第2実施形態に係る電力変換装置101は、第1実施形態に係る電力変換装置100において、コンバータ中性点抵抗24と、インバータ中性点抵抗34とを取り除き、コンバータ側の平滑コンデンサ22と、インバータ側の平滑コンデンサ32との電極間の電位を共通の直流電圧検出器43で検出し、コンバータ側の平滑コンデンサ23と、インバータ側の平滑コンデンサ33との電極間の電位を共通の直流電圧検出器44で検出するようにしたものである。
電力変換装置101においても、異常判断器72が、充電時における直流電圧検出器43及び直流電圧検出器44による検出値に基づいて、第1実施形態と同様な処理(例えば、リファレンスデータとの比較)を行うことにより、直流電圧検出器43,44の異常を適切に判断することができる。
次に、第3実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図5は、第3実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。なお、図1に示す第1実施形態に係る電力変換装置と同様な構成については同一の符号を付す。
第3実施形態に係る電力変換装置102は、第1実施形態に係る電力変換装置100において、インバータユニットを2レベルインバータとし、コンバータユニットを2レベルコンバータとし、コンバータ側の平滑コンデンサ22,23の電極間の電位を直流電圧検出器27で検出し、インバータ側の平滑コンデンサ32,33の電極間の電位を直流電圧検出器37で検出するようにしたものである。
電力変換装置102においても、異常判断器72が、充電時における直流電圧検出器27及び直流電圧検出器37による検出値に基づいて、第1実施形態と同様な処理(例えば、リファレンスデータとの比較)を行うことにより、直流電圧検出器27,37の異常を適切に判断することができる。
次に、第4実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図6は、第4実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。なお、図5に示す第3実施形態に係る電力変換装置と同様な構成については同一の符号を付す。
第4実施形態に係る電力変換装置103は、第3実施形態に係る電力変換装置102において、コンバータ側の平滑コンデンサ22,23の電極間の電位と、インバータ側の平滑コンデンサ32,33の電極間の電位とを共通の直流電圧検出器27で検出するようにしたものである。
電力変換装置103においても、異常判断器72が、充電時における直流電圧検出器27による検出値に基づいて、第1実施形態と同様な処理(例えば、リファレンスデータとの比較)を行うことにより、直流電圧検出器27の異常を適切に判断することができる。
次に、第5実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図7は、第5実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。なお、図1に示す第1実施形態に係る電力変換装置と同様な構成については同一の符号を付す。
第5実施形態に係る電力変換装置104は、第1実施形態に係る電力変換装置100において、新たに出力推定器74を備えるようにしたものである。
出力推定器74は、複数の直流電圧検出器25,26,35,36からの検出値に基づいて、異常となった直流電圧検出器の検出対象についての正確な検出値(本来検出されるべき検出値)を推定する。なお、出力推定器74は、図示しないプロセッサが、メモリに格納されたプログラムを実行することにより構成されてもよい。
ここで、異常となった直流電圧検出器の検出対象についての正確な検出値を推定する方法は、電力変換装置104においては、各直流電圧検出器が正常な状態であれば、コンバータ側の直流電圧検出器25,26との検出値を加算した合成直流電圧値は、インバータ側の直流電圧検出器35,36の検出値を加算した合成直流電圧値と一致するという関係を利用している。このような関係により、いずれか1つの直流電圧検出器が異常となった場合には、健全な側(コンバータ側又はインバータ側)の2つの直流電圧検出器の検出値を加算した合成直流電圧値から、他方側の健全な1つの直流電圧検出器の検出値を減算することにより、異常な直流電圧検出器の検出対象の正確な検出値を推定することができる。
次に、出力推定器74の具体的な構成及び動作を説明する。
図8は、第5実施形態に係る電力変換装置の出力推定器を含む一部の構成図である。図8において、直流電圧検出器25の検出値をEPFB_cとし、直流電圧検出器26の検出値をENFB_cとし、直流電圧検出器35の検出値をEPFB_iとし、直流電圧検出器36の検出値をENFB_iとしている。また、図8は、直流電圧検出器26に異常がある場合の例を示している。
異常判断器72は、直流電圧検出器25の検出値(EPFB_c)と、直流電圧検出器26の検出値(ENFB_c)と、直流電圧検出器35の検出値(EPFB_i)と、直流電圧検出器36の検出値(ENFB_i)とが入力されており、いずれかの直流電圧検出器が異常であると判断すると、異常である直流電圧検出器を示す異常判断情報を出力推定器74に出力する。図8においては、異常判断器72は、直流電圧検出器26が異常であると判断し、直流電圧検出器26が異常であるとの情報(ENFB_c異常判断情報)を出力推定器74に出力する。
出力推定器74は、直流電圧検出器25の検出値(EPFB_c)と、直流電圧検出器26の検出値(ENFB_c)とを加算して、コンバータ側の合成直流電圧値(VDC_c)を算出する。また、出力推定器74は、直流電圧検出器35の検出値(EPFB_i)と、直流電圧検出器36の検出値(ENFB_i)とを加算して、インバータ側の合成直流電圧値(VDC_i)を算出する。
出力推定器74は、インバータ側の合成直流電圧値(VDC_i)から、直流電圧検出器25の検出値(EPFB_c)を減算して、正常であれば直流電圧検出器26に検出されると推定される推定値(EPFBH_c)を算出する。
出力推定器74の選択部74aは、直流電圧検出器26の検出値(ENFB_c)と、直流電圧検出器26の推定値(EPFBH_c)とを入力として、異常判断器72から直流電圧検出器26が異常であるとの情報(ENFB_c異常判断情報)の入力がある場合には、直流電圧検出器26の推定値(EPFBH_c)を選択して所定の送信先(この例では、コンバータ制御装置5)へ出力し、異常判断器72から直流電圧検出器26が異常であるとの情報(ENFB_c異常判断情報)の入力がない場合には、直流電圧検出器26の検出値(ENFB_c)を選択して所定の送信先へ出力する。
このような構成により、直流電圧検出器26に異常があった場合において、直流電圧検出器26の検出値に変えて、適切な推定値を出力することができる。なお、図8においては、直流電圧検出器26に異常があった場合において、関係する構成を示しているが、他の直流電圧検出器においても同様な構成で、異常がある場合に適切な推定値を出力することができる。
例えば、直流電圧検出器25については、直流電圧検出器26を直流電圧検出器25に読み替えた構成とすればいい。また、直流電圧検出器35、又は直流電圧検出器36の場合には、コンバータ側の合成直流電圧値(VDC_c)から、その直流電圧検出器の検出値を減算して、直流電圧検出器の推定値を算出して選択部74aに入力するようにし、選択部74aで選択された値をインバータ制御装置6に出力するようにすればよい。
以上説明したように、第5実施形態による電力変換装置104では、直流電圧検出器に異常があると判断した場合に、異常がある直流電圧検出器以外の健全な直流電圧検出器の検出値に基づいて、異常がある直流電圧検出器における検出対象の正常な検出値を推定するようにしたので、異常がある直流電圧検出器を交換せずに電力変換装置104を使用することができ、例えば、次の定期点検時まで電力変換装置を継続して運転させる、しのぎ運転を行うことができる。これにより、電力変換装置104を計画外停止させる必要がない。
次に、第6実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図9は、第6実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。なお、図7に示す第5実施形態に係る電力変換装置と同様な構成については同一の符号を付す。
第6実施形態に係る電力変換装置105は、第5実施形態に係る電力変換装置104において、複数のインバータユニット3(3a,3b,3c,・・・)を備えるようにしたものである。
本実施形態においては、出力推定器74は、複数の直流電圧検出器25,26,35(35a,35b,35c,・・・),36(36a,36b,36c,・・・)からの検出値に基づいて、異常となった直流電圧検出器の検出対象についての正確な検出値を推定する。第6実施形態においては、1つの異常となった直流電圧検出器の検出対象についての正確な検出値を推定する方法が以下に示すように複数存在する。
電力変換装置105においては、各直流電圧検出器が正常な状態であれば、コンバータ側の直流電圧検出器25,26との検出値を加算した合成直流電圧値と、それぞれのインバータ側の直流電圧検出器35(35a,35b,35c,・・・),36(36a,36b,36c,・・・)の検出値を加算した合成直流電圧値とのすべてが一致するという関係がある。このことは、検出値を推定するために必要となる合成直流電圧値を得られる候補が、複数存在していることを示している。このように、合成直流電圧値を得られる候補が増えるので、異常な直流電圧検出器の検出対象の検出値を推定できる可能性を向上することができる。
本実施形態における出力推定器74によると、いずれか1つの直流電圧検出器が異常となった場合には、コンバータ側又はいずれかのインバータ側の健全な2つの直流電圧検出器の検出値を加算した合成直流電圧値から、異常となった直流電圧検出器と同じ側に配置されている健全な1つの直流電圧検出器の検出値を減算することにより、異常な直流電圧検出器の検出対象の正確な検出値を推定することができる。
これにより、例えば、いずれかのインバータ側の1つの直流電圧検出器が異常である場合であって、コンバータ側の一方の直流電圧検出器が異常である場合であっても、いずれかのインバータ側の2つの直流電圧検出器が健全であれば、この2つの直流電圧検出器の検出値を加算した合成直流電圧値を用いて、インバータ側の1つの異常な直流電圧検出器の検出対象についての正確な検出値を推定することができる。
この電力変換装置105においても、上記第1実施形態に係る電力変換装置100と同様な処理により、直流電圧検出器の異常を適切に判断することができる。また、電力変換装置105においても、上記第5実施形態に係る電力変換装置104と同様に、複数の健全な直流電圧検出器の検出値から、異常な直流電圧検出器の検出対象の検出値を適切に推定することができる。
なお、上記第6実施形態では、電力変換装置105を、複数のインバータユニット3を備えるようにしていたが、例えば、コンバータユニット2を複数備えるようにしてもよく、このようにしても、上記同様に、直流電圧検出器の異常を適切に判断することができ、また、複数の健全な直流電圧検出器の検出値から異常な直流電圧検出器の検出対象の検出値を適切に推定することができる。また、異常な直流電圧検出器の検出対象の検出値を推定するために必要となる合成直流電圧値を得られる候補を、いずれかのコンバータ側の2つの直流電圧検出器にまで拡げることができ、異常な直流電圧検出器の検出対象の検出値を推定できる可能性を向上することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上記実施形態では、異常判断器72と、出力推定器74とが行っていた処理の一部又は全部を、ハードウェア回路で行うようにしてもよい。
また、上記したいずれかの実施形態において、異常判断器72が、複数の充電時における直流電圧検出器による検出値の履歴(例えば、実行日時と検出値)を記憶し、検出値の履歴に基づいて、直流電圧検出器による検出値の変化を把握し、直流電圧検出器による検出値が異常を判断するための所定の閾値を超えるまでの期間、すなわち、異常発生までの期間を予測し、その予測結果を表示器73に表示させるようにしてもよい。このようにすると、異常発生の時期を前もって把握することができ、異常発生の予防や、異常発生時の対応の準備を予め行うことができる。
2…コンバータユニット、3…インバータユニット、4…電動機、5…コンバータ制御装置、6…インバータ制御装置、22…コンバータP側平滑コンデンサ、23…コンバータN側平滑コンデンサ、24…コンバータ中性点抵抗、25…コンバータP側直流電圧検出器、26…コンバータN側直流電圧検出器、32…インバータP側平滑コンデンサ、33…インバータN側平滑コンデンサ、34…インバータ中性点抵抗、35…インバータP側直流電圧検出器、36…インバータN側直流電圧検出器、72…異常判断器、73…表示器、74…出力推定器、100,101,102,103,104,105…電力変換装置

Claims (13)

  1. 交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、
    複数の電位の内の2つの電位間に接続され、前記電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、
    前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する異常判断器と、を備え
    前記異常判断器は、前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器の検出値の基準値を記憶する記憶部を有し、
    前記異常判断器は前記記憶部に記憶された前記基準値と、前記検出値とに基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記異常判断器は、前記充電時における充電電圧を示す電圧情報を取得し、前記電圧情報に基づいて、前記基準値を補正した補正基準値を算出し、前記補正基準値に基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する
    電力変換装置。
  2. 前記異常判断器は、所定の時点における前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器の検出値を基準値として前記記憶部に記憶させる
    請求項に記載の電力変換装置。
  3. 前記異常判断器は、前記充電時における複数の時点における前記直流電圧検出器の検出値の基準値を記憶部に記憶させる
    請求項又は請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記平滑コンデンサは、前記コンバータ側の複数の電位の内の2つの電位間に接続されたコンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の複数の電位の内の2つの電位間に接続されたインバータ側平滑コンデンサを含み、
    前記直流電圧検出器は、前記コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出するコンバータ側直流電圧検出器と、前記インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出するインバータ側直流電圧検出器と、を含み、
    前記異常判断器は、前記コンバータ側平滑コンデンサ及び前記インバータ側平滑コンデンサを充電する際における前記コンバータ側直流電圧検出器による検出値と、前記インバータ側直流電圧検出器による検出値とに基づいて、前記コンバータ側直流電圧検出器と、前記インバータ側直流電圧検出器との異常を判断す
    求項1から請求項のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記コンバータは、前記交流を、第1電位と、第1電位よりも低い第2電位と、第2電位よりも低い第3電位とに変換し、
    前記インバータは、前記第1電位と、前記第2電位と、前記第3電位との電圧を交流に変換し、
    前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1平滑コンデンサと、
    前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2平滑コンデンサと、
    前記第1平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1直流電圧検出器と、
    前記第2平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2直流電圧検出器と、を備え、
    前記異常判断器は、前記第1平滑コンデンサ、及び前記第2平滑コンデンサを充電する際における前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器の異常を判断す
    求項1から請求項のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記異常判断器は、前記充電時における複数の時点における前記第1直流電圧検出器又は前記第2直流電圧検出器のいずれか1つによる電圧値が零又は零に近い値である場合に、前記直流電圧検出器に接続された配線の異常であると判断する
    請求項に記載の電力変換装置。
  7. 前記インバータ側の第2電位と、前記コンバータ側の第2電位との間に接続された抵抗をさらに有し、
    前記第1平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第2平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第1直流電圧検出器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1コンバータ側直流電圧検出器と、前記第1インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記第2直流電圧検出器は、前記第2コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2コンバータ側直流電圧検出器と、前記第2インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記異常判断器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサ、前記第2コンバータ側平滑コンデンサ、前記第1インバータ側平滑コンデンサ、及び前記第2インバータ側平滑コンデンサを充電する際における前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器の異常を判断する
    請求項5又は請求項に記載の電力変換装置。
  8. 交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、
    複数の電位の内の2つの電位間に接続され、前記電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、
    前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する異常判断器と、を備え
    前記コンバータは、前記交流を、第1電位と、第1電位よりも低い第2電位と、第2電位よりも低い第3電位とに変換し、
    前記インバータは、前記第1電位と、前記第2電位と、前記第3電位との電圧を交流に変換し、
    前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1平滑コンデンサと、
    前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2平滑コンデンサと、
    前記第1平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1直流電圧検出器と、
    前記第2平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2直流電圧検出器と、を備え、
    前記異常判断器は、前記第1平滑コンデンサ、及び前記第2平滑コンデンサを充電する際における前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記異常判断器は、前記充電時における複数の時点における前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器による電圧値が零又は零に近い値である場合に、充電回路が異常であると判断する
    電力変換装置。
  9. 交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、
    複数の電位の内の2つの電位間に接続され、前記電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、
    前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する異常判断器と、を備
    前記コンバータは、前記交流を、第1電位と、第1電位よりも低い第2電位と、第2電位よりも低い第3電位とに変換し、
    前記インバータは、前記第1電位と、前記第2電位と、前記第3電位との電圧を交流に変換し、
    前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1平滑コンデンサと、
    前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2平滑コンデンサと、
    前記第1平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1直流電圧検出器と、
    前記第2平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2直流電圧検出器と、を備え、
    前記異常判断器は、前記第1平滑コンデンサ、及び前記第2平滑コンデンサを充電する際における前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記インバータ側の第2電位と、前記コンバータ側の第2電位との間に接続された抵抗をさらに有し、
    前記第1平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第2平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第1直流電圧検出器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1コンバータ側直流電圧検出器と、前記第1インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記第2直流電圧検出器は、前記第2コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2コンバータ側直流電圧検出器と、前記第2インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記異常判断器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサ、前記第2コンバータ側平滑コンデンサ、前記第1インバータ側平滑コンデンサ、及び前記第2インバータ側平滑コンデンサを充電する際における前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記異常判断器は、前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器によるそれぞれの検出値を相互に比較することにより、前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、又は前記第2インバータ側直流電圧検出器の内の異常のある直流電圧検出器を特定する
    電力変換装置。
  10. 交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、
    複数の電位の内の2つの電位間に接続され、前記電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、
    前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する異常判断器と、を備
    前記コンバータは、前記交流を、第1電位と、第1電位よりも低い第2電位と、第2電位よりも低い第3電位とに変換し、
    前記インバータは、前記第1電位と、前記第2電位と、前記第3電位との電圧を交流に変換し、
    前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1平滑コンデンサと、
    前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2平滑コンデンサと、
    前記第1平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1直流電圧検出器と、
    前記第2平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2直流電圧検出器と、を備え、
    前記異常判断器は、前記第1平滑コンデンサ、及び前記第2平滑コンデンサを充電する際における前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1直流電圧検出器及び前記第2直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記インバータ側の第2電位と、前記コンバータ側の第2電位との間に接続された抵抗をさらに有し、
    前記第1平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第1電位と前記第2電位との間に接続された第1インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第2平滑コンデンサは、前記コンバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2コンバータ側平滑コンデンサと、前記インバータ側の前記第2電位と前記第3電位との間に接続された第2インバータ側平滑コンデンサとを含み、
    前記第1直流電圧検出器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1コンバータ側直流電圧検出器と、前記第1インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第1インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記第2直流電圧検出器は、前記第2コンバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2コンバータ側直流電圧検出器と、前記第2インバータ側平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する第2インバータ側直流電圧検出器とを含み、
    前記異常判断器は、前記第1コンバータ側平滑コンデンサ、前記第2コンバータ側平滑コンデンサ、前記第1インバータ側平滑コンデンサ、及び前記第2インバータ側平滑コンデンサを充電する際における前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器による検出値に基づいて、前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器の異常を判断し、
    前記第1コンバータ側直流電圧検出器、前記第2コンバータ側直流電圧検出器、前記第1インバータ側直流電圧検出器、及び前記第2インバータ側直流電圧検出器による検出値に基づいて、異常の発生した直流電圧検出器の検出対象の検出値を推定する出力推定部をさらに備える
    電力変換装置。
  11. 前記異常判断器は、異常の発生を判断した場合に、異常に関する情報を表示装置に表示させる
    請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  12. 前記異常判断器は、複数の充電時における前記直流電圧検出器による検出値の履歴を記憶し、前記検出値の履歴に基づいて、前記直流電圧検出器の異常発生までの期間を予測し、予測結果を前記表示装置に表示させる
    請求項11に記載の電力変換装置。
  13. 交流を複数の電位に変換するコンバータと、複数の電位の電圧を交流に変換するインバータと、複数の電位の内の2つの電位間に接続され、前記電位間の電位変動を抑制するための平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサが接続された電位間の電位差を検出する直流電圧検出器と、を備える電力変換装置における異常検出方法であって、
    前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器による検出値を取得し、
    前記充電時における充電電圧を示す電圧情報を取得し、前記平滑コンデンサの充電時における前記直流電圧検出器の検出値の基準値を補正した補正基準値を算出し、取得した前記検出値と前記補正基準値とに基づいて、前記直流電圧検出器の異常を判断する
    異常検出方法。
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