JP6895921B2 - 電力変換装置、及び異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータ変換部とインバータ変換部との少なくとも一方の電力変換部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、電力変換装置の電流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、電源と電力変換装置の間に流れる電流を測定する電流検出器が備えられ、電流が所定の値となるように制御される。また、電力変換装置と負荷装置の間に流れる電流を測定する電流検出器が備えられ、電流が所定の値となるように制御される。

例えば、電力変換器と電動機の間に流れる電流を検出する電流検出器の健全性を確認するための技術として、単相直流励磁を行い、その際に流れる電流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）。

特開２０１４−０９０６１１号公報

電力変換器と電動機の間に流れる電流を検出する電流検出器や、電力変換器と電源との間に流れる電流を検出する電流検出器は、電力変換装置の電流を制御するために必須なものであり、電流検出器の異常は、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。

特許文献１には、電力変換装置と電動機の間に流れる電流を測定する電流検出器の健全性を確認するために単相直流励磁を行い、その際に流れる電流の挙動から異常を判断する技術が示されているが、電源と電力変換装置の間に流れる電流を測定する電流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。

また、電力変換装置と負荷装置の間に流れる電流を測定する電流検出器の健全性を確認するための他の技術についても要請されている。

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電流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電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、電流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電流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２Ａは、第１実施形態における電流検出器により検出される電流値に含まれると想定されるリプル電流の電流値のデータ（リファレンスデータ）を説明する図である。 図２Ｂは、第１実施形態における電流検出器により検出される電流値に含まれるリプル電流の電流値のデータ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処理のフローチャートである。 図４Ａは、第１実施形態における３相の交流電流を検出するそれぞれの電流検出器により検出される電流値に含まれるリプル電流の電流値を示す図である。 図４Ｂは、第１実施形態における、各電流検出器が正常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。 図４Ｃは、第１実施形態における、Ｒ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。 図４Ｄは、第１実施形態における、Ｓ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。 図４Ｅは、第１実施形態における、Ｔ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。 図５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６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７は、第３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。

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、電源の一例としての交流電源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、負荷装置の一例としての電動機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、３相の各相毎に、電力変換部の一例としての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と、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３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２４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２５と、を備える。なお、図１においては、コンバータユニット２の１相分の構成を示している。

インバータユニット３は、３相の各相毎に、電力変換部の一例としての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と、インバータＮ側平滑コンデンサ３３と、を備える。なお、図１においては、インバータユニット３の１相分の構成を示している。

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。

コンバータユニット２は、コンバータユニット２（コンバータユニット２と交流電源１との間）の３相の中のＲ相の出力電流を検出して出力するＲ相電流検出器２６（以下、単に電流検出器２６という）と、コンバータユニット２の３相の中のＳ相の出力電流を検出して出力するＳ相電流検出器２７（以下、単に電流検出器２７という）と、コンバータユニット２の３相の中のＴ相の出力電流を検出して出力するＴ相電流検出器２８（以下、単に電流検出器２８という）と、をさらに備える。インバータユニット３は、インバータユニット３（インバータユニット３と電動機４との間）の３相の中のＵ相の出力電流を検出して出力するＵ相電流検出器３４（以下、単に電流検出器３４という）と、インバータユニット３の３相の中のＶ相の出力電流を検出して出力するＶ相電流検出器３５（以下、単に電流検出器３５という）と、インバータユニット３の３相の中のＷ相の出力電流を検出して出力するＷ相電流検出器３６（以下、単に電流検出器３６という）とをさらに備える。電力変換装置１００は、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７をさらに備える。

電流検出器２６，２７，２８、及び直流電圧検出器２４，２５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。

電流検出器３４，３５，３６、及び速度検出器７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２４，２５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２４，２５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。

電流制御器５３は、電流検出器２６，２７，２８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。

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。

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７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。

電流制御器６３は、電流検出器３４，３５，３６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。

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、コンバータ側異常判断器７１と、インバータ側異常判断器７２と、表示器７３とを備える。

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。

コンバータ側異常判断器７１は、メモリ７１ａ（記憶部）を有する。メモリ７１ａは、コンバータ電力変換部２１によるスイッチングによって電流値に生じると想定されるリプル電流の電流値（基準値：リファレンス値）に関するデータ（リプル電流データ：リファレンスデータ）を記憶する。リファレンスデータは、コンバータユニット２におけるパルス条件と、交流電源１側のインピーダンス値とに基づいて、算出することができる。メモリ７１ａには、算出されたリファレンスデータを格納しておくようにしてもよい。

コンバータ側異常判断器７１は、電流検出器２６，２７，２８から入力される電流値（検出値）と、メモリ７１ａ（記憶部）に格納されているリファレンスデータとを比較して、電流検出器２６，２７，２８に異常があるか否かを判断する。コンバータ側異常判断器７１は、例えば、電流検出器２６，２７，２８の検出値からリプル電流の電流値を抽出し、その大きさの平均値がリファレンス値から所定の閾値以上外れている場合に、その検出値を検出している電流検出器が異常であると判断する。電流検出器２６，２７，２８の検出値からリプル電流の電流値を抽出する方法としては、例えば、検出値に対してリプル電流のみを抽出するフィルタ処理を行う方法を用いることができる。

コンバータ側異常判断器７１は、異常がある電流検出器を検出した場合には、異常に関する情報（例えば、異常のある電流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、コンバータ側異常判断器７１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。

インバータ側異常判断器７２は、メモリ７２ａ（記憶部）を有する。メモリ７２ａは、インバータ電力変換部３１によるスイッチングによって電流値に生じると想定されるリプル電流の電流値（基準値：リファレンス値）に関するデータ（リプル電流データ：リファレンスデータ）を記憶する。リファレンスデータは、インバータユニット３におけるパルス条件と、電動機４側のインピーダンス値とに基づいて、算出することができる。メモリ７２ａには、算出されたリファレンスデータを格納しておくようにしてもよい。

インバータ側異常判断器７２は、電流検出器３４，３５，３６から入力される電流値（検出値）と、メモリ７２ａに格納されているリファレンスデータとを比較して、電流検出器３４，３５，３６に異常があるか否かを判断する。インバータ側異常判断器７２は、例えば、電流検出器３４，３５，３６の検出値からリプル電流の電流値を抽出し、その大きさの平均値が、リファレンス値から所定の閾値以上外れている場合に、その検出値を検出している電流検出器が異常であると判断する。電流検出器３４，３５，３６の検出値からリプル電流の電流値を抽出する方法としては、例えば、検出値に対してリプル電流のみを抽出するフィルタ処理を行う方法を用いることができる。

インバータ側異常判断器７２は、異常がある電流検出器を検出した場合には、異常に関する情報（例えば、異常のある電流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、インバータ側異常判断器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実施形態に係るコンバータ側異常判断器７１による異常判断について具体的に説明する。なお、インバータ側異常判断器７２による異常判断も同様である。

図２Ａは、第１実施形態における電流検出器により検出される電流値に含まれると想定されるリプル電流の電流値のデータ（リファレンスデータ）を説明する図であり、図２Ｂは、第１実施形態における電流検出器により検出される電流値に含まれるリプル電流の電流値のデータを説明する図である。なお、図２Ｂにおいては、Ｔ相の電流を検出する電流検出器２８が異常である場合の例を示している。

図２Ａに示すように、電流検出値２６，２７，２８が正常であるとした場合において、各電流検出器から検出される電流値から得られると想定されるリプル電流の電流値のデータ（リファレンスデータ）は、それぞれ、（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ―３）に示すようになる。このリファレンスデータは、上述したように、メモリ７１ａに格納されている。

ここで、電流検出器に異常が無い場合には、各時点における電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値は、リファレンスデータの各時点の値に一致し、または近い値となるが、電流検出器に異常がある場合には、異常のある電流検出器により検出された電流値に含まれるリプル電流の電流値は、図２Ｂの（ｂ−３）に示すようになり、対応するリファレンスデータ（ここでは、図２Ａ（ａ−３））との間に乖離が発生する。

そこで、コンバータ側異常判断器７１は、所定のパルス条件において、３つの電流検出器２６，２７，２８の検出値に含まれるリプル電流の電流値（検出値）が、リファレンスデータのリプル電流の電流値（リファレンス値）から所定の閾値以上外れているか否かを判定し、検出値がリファレンス値から所定の閾値以上外れている場合には、この検出値を検出した電流検出器が異常であると判定し、表示器７３に、その電流検出器が異常であることと、その電流検出器の点検と交換を推奨するメッセージとを表示する。

ここで、電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値を特定する方法としては、検出値からフィルタを用いてリプル電流の電流値のみを抽出する方法がある。次のような方法もある。例えば、コンバータユニット２が無負荷状態である場合には、コンバータユニット２と交流電源１との間には、リプル電流のみが流れ、各電流検出器２６，２７，２８から検出される検出値は、リプル電流の電流値を示すこととなるので、例えば、稼働に必要なコンデンサ（２２、２３，３２，３３）の初充電後の待機状態（無負荷状態）において、上記した電流検出器の異常判断を行うようにすると、電流検出器の検出値からリプル電流の電流値を抽出する必要がなく、電流検出器の検出値をそのまま利用して容易に電流検出器の異常を検出することができ、実際の操業状態に入る前に早期に異常への対応を行うことができる。また、同様に、インバータユニット３が無負荷状態（励磁入り時（無負荷で直流時））である場合には、インバータユニット３と電動機４との間には、直流の電流にリプル電流が重畳した電流が流れ、各電流検出器３４，３５，３６から検出される検出値は、直流成分を差し引くことでリプル電流の電流値を示すこととなるので、この状態において、上記した電流検出器の異常判断を行うようにすると、電流検出器の検出値からリプル電流の電流値を容易に抽出して電流検出器の異常を検出することができ、実際の操業状態に入る前に早期に異常への対応を行うことができる。なお、無負荷状態において処理をする場合には、メモリ７１ａ（メモリ７２ａ）には、無負荷状態に対応するリプル電流の基準値（無負荷時基準値）を含むリファレンスデータを格納しておく必要がある。

図２Ａでは、リプル電流の電流値のリファレンスデータとして時系列のリプル電流の電流値（電流波形）とし、電流検出値の時系列の検出値に含まれるリプル電流の電流値（リプル電流波形）とを比較するようにしているが、本発明はこれに限られず、所定のパルス条件におけるリプル電流の電流値をリファレンス値とし、電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に対して所定の処理（例えば、絶対値化、平均化したりすることによるフィルタリング）を行った値とを比較して、電流検出器の異常を判定するようにしてもよい。

ここで、電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値が、リファレンス値から所定の閾値以上外れている場合であっても、必ずしも電流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、本実施形態に係るコンバータ側異常判断器７１は、電流検出器の異常以外の要因によって、電流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処理のフローチャートである。異常判断処理は、電力変換装置１００の駆動時において、コンバータ側異常判断器７１とインバータ側異常判断器７２とのそれぞれによって実行される。以下は、コンバータ側異常判断器７１の異常判断処理を主として説明し、インバータ側異常判断器７２による処理については、異なる点を［］内に記載することとする。

コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］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、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］の検出値がすべて零、すなわち、リプル電流の成分無しであるか否かを判定している。

ここで、異常判断処理は、電力変換装置１００の駆動時に行っているので、電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］が正常であれば、電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］の検出値には、リプル電流が含まれている。したがって、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］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、コンバータ電力変換部２１［インバータ変換部３１］に異常がある等の可能性が考えられるため、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、コンバータ電力変換部２１［インバータ変換部３１］に異常があると判断し、電力変換部に異常があることを示す情報（「電力変換部異常」）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。なお、リプル電流の成分の有無でコンバータ電力変換部２１の異常を判断するようにしているが、例えば、コンバータユニット２で初充電後にコンバータ電力変換部２１を駆動した時に流れる電流が３つの電流検出器２６，２７，２８で検出されず、すべて零である場合に電力変換部異常と判断してもよい。

また、上記処理では、リプル電流の成分の有無でインバータ電力変換部３１の異常を判断するようにしているが、例えば、インバータユニット３側で励磁入り（電動機４を駆動する場合に励磁電流を流す状態）を行うためにインバータ電力変換部３１を駆動した時に流れる電流が３つの電流検出器３４，３５，３６で検出されず、すべて零である場合に電力変換部異常と判断してもよい。

一方、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］の検出値がすべて零（又は零に近い値）でない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）には、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］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、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］のいずれかの検出値に零がある場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）には、検出値が零である電流検出器が利用している電流検出を行うためのループ（電流検出ループ：配線）の断線、緩みなどによる異常が考えられるため、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は電流検出ループに異常があると判断し、電流検出ループに異常があることを示す情報（「電流検出ループ異常」）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。なお、ステップＳ１１と同じように、リプル電流の成分の有無、コンバータユニット２側で初充電後にコンバータ電力変換部２１を駆動させた状態、またはインバータユニット３側で励磁入りの状態とするためにインバータ電力変換部３１を駆動させた状態での電流の有無で異常を判定してもよい。

一方、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］のいずれの検出値にも零がない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）には、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、所定のパルス条件において、３つの電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］の検出値に含まれるリプル電流の電流値（検出値）と、リファレンスデータのリプル電流の電流値（リファレンス値）とを比較し、それらが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Ｓ１５）。

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Ｓ１５：Ｙｅｓ）には、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器７２］は、所定の閾値よりも大きい乖離がある検出値に対応する電流検出器が異常であると判断し、この電流検出器に異常があることを示す情報（「電流検出器異常」）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。

ステップＳ１９では、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器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Ｓ１５：Ｎｏ）には、各電流検出器２６，２７，２８［電流検出器３４，３５，３６］に異常がないことを意味しているので、コンバータ側異常判断器７１［インバータ側異常判断器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、電流検出器の出力（検出値）に含まれるリプル電流の電流値に基づいて電流検出器の異常を判断し、異常のある電流検出器の点検、交換を推奨する表示を行うようにしたので、実際の操業状態に入る前に電流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、電流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の検出値が正常であることが保証できる時点（例えば、電力変換装置１００の最初の設置時（据付時）等）において、電力変換装置１００を駆動することにより、各電流検出器の検出値に生じるリプル電流の電流値のデータを取得して、このデータをリファレンスデータとしてメモリ７１ａ（７２ａ）に記憶す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の実際の使用状態に適合したデータとすることができ、電流検出器の異常の誤判断のリスクを低減できる。

また、電流検出器により検出される検出値に含まれるリプル電流の電流値は、電力変換装置１００の直流電圧の影響により変化するため、検出値に含まれるリプル電流の電流値に対して、直流電圧の変動分を考慮した係数を掛けて補正した電流値（補正電流値）のデータ（補正リプル電流データ）を、リファレンスデータと比較するようにしてもよい。このようにすると、直流電圧の変動の影響によ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、各電流検出器２６，２７，２８，３４，３５，３６の検出値に含まれるリプル電流の電流値とを比較することにより、電流検出器の異常を判断するようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、以下に示すように、３つの電流検出器２６，２７，２８（電流検出器３４，３５，３６）の検出値から相互に得られる値を用いて比較すること（相互比較）により異常を判断するようにしてもよい。

以下に相互比較により異常を判断する方法について記載する。相互比較により異常を判断する方法は、３相の電流値の和が零になることを利用したものであり、コンバータ側異常判断器７１（インバータ側異常判断器７２）は、他の２相の電流値に含まれるリプル電流の電流値から推定した或る相の電流値に含まれるリプル電流の電流値（算出値）と、或る相の検出値に含まれるリプル電流の電流値（検出値）との差分値に関するデータと、各相の検出値に含まれるリプル電流の電流値とを相互に比較することで異常を判断する。

この方法について、コンバータユニット２が無負荷状態である場合を例により詳細に説明する。なお、コンバータユニット２が無負荷状態である場合においては、各電流検出器２６，２７，２８の検出値は、リプル電流の電流値に相当する。

ここで、コンバータユニット２の３相電流の真値をIr、Is、Itとし、各電流検出器２６，２７，２８による検出値をIrd、Isd、Itdとする。また、例えばＴ相の電流検出器２８の検出値に異常があり、真値Itに誤差ΔItdが加算されたItd＝It+ΔItdが検出されたとする。
上記したように３相電流の和は零となることから、コンバータ側異常判断器７１は、零から他の２相の検出値の合算を差し引くことで各相のリファレンスデータを作成し、その各相のリファレンスデータと、対応する相の検出値とを比較（例えば差分をとる）することで異常誤差を検出する。次いで、コンバータ側異常判断器７１は、異常誤差に基づいて、電流検出器の異常の有無を判断する。

具体的には、Ｒ相のリファレンスデータIrdhは、式（１）に示すようになり、Ｓ相のリファレンスデータIsdhは、式（２）に示すようになり、Ｔ相のリファレンスデータItdhは、式（３）に示すようになる。
Irdh＝０−（Isd＋Itd）＝０−（Is＋It＋ΔItd）＝Ir−ΔItd ・・・（１）
Isdh＝０−（Ird＋Itd）＝０−（Ir＋It＋ΔItd）＝Is−ΔItd ・・・（２）
Itdh＝０−（Ird＋Isd）＝０−（Ir＋Is）＝It ・・・（３）

各相の検出値と、リファレンスデータとの差分値を取ると、R相については、Ird−Irdh＝Ir−（Ir−ΔItd）＝ΔItdとなり、S相については、Isd−Isdh＝Is−（Is−ΔItd）＝ΔItdとなり、T相については、Itd−Itdh＝It＋ΔItd−It＝ΔItdとなり、すべての相について、ΔItd、すなわち、異常分が算出されることとなる。

全ての電流検出器が正常である場合には、ΔItdが零であるので、全ての相についての差分値が零または、零に近い値となる。このため、すべての相についての差分値が所定の閾値以内であるか否かを判定することで、電流検出器の異常の有無を判断できる。

次に、リプル電流の電流値、及び電流検出器の状態と各相についての差分値の具体例について説明する。

図４Ａは、第１実施形態における３相の交流電流を検出するそれぞれの電流検出器により検出される電流値に含まれるリプル電流の電流値を示す図である。図４Ｂは、第１実施形態における、各電流検出器が正常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。図４Ｃは、第１実施形態における、Ｒ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。図４Ｄは、第１実施形態における、Ｓ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。図４Ｅは、第１実施形態における、Ｔ相の電流検出器が異常である場合の各相についての、他の複数の相の電流検出器により検出された電流値に基づいて推定される各相に対応するリプル電流の電流値と、各相の検出値との差分値のデータを示す図である。

各電流検出器２６，２７，２８のすべてが正常である場合には、例えば、図４Ａに示すように、Ｒ相におけるリプル電流の電流値は、（ａ−１）に示すようになり、Ｓ相におけるリプル電流の電流値は、（ａ−２）に示すようになり、Ｔ相におけるリプル電流の電流値は、（ａ−３）に示すようになる。

各電流検出器２６，２７，２８のすべてが正常である場合には、図４Ｂの（ｂ−１），（ｂ−２），（ｂ−３）に示すように、すべての相についての差分値は、常に零（又は、零に近い値）となる。

一方、Ｒ相の電流検出器２６に異常がある場合（例えば、電流検出器２６にゲイン故障がある場合を想定）には、図４Ｃの（ｃ−１），（ｃ−２），（ｃ−３）に示すように、全ての相についての差分値は、零から離れた値が含まれるようになり、いずれかの電流検出器に異常があることがわかる。また、各相についての差分値のデータは、（ｃ−１），（ｃ−２），（ｃ−３）に示すような同様な波形（時間に対する変化の方向が同様な波形：形状が類似する波形）となる。この波形は、異常のある電流検出器２６により正常時に検出される波形（ａ−１）と同様な波形であることがわかる。ゲイン故障であれば、異常のある電流検出器２６により検出される波形は、この波形（ａ−１）と同様な波形となるので、差分値の波形は、異常のある電流検出器２６により検出される波形とも同様な波形であることが言える。コンバータ側異常判断器７１は、この特徴を利用して、差分値のデータの波形と、各電流検出器により検出された波形を比較することにより、類似する波形が検出されている電流検出器２６が異常であると特定する。

また、Ｓ相の電流検出器２７に異常がある場合（例えば、電流検出器２７にゲイン故障がある場合を想定）には、図４Ｄの（ｄ−１），（ｄ−２），（ｄ−３）に示すように、全ての相についての差分値は、零から離れた値がふくまれるようになり、いずれかの電流検出器に異常があることがわかる。各相についての差分値のデータは、（ｄ−１），（ｄ−２），（ｄ−３）に示すような同様な波形となる。上記同様に、差分値の波形は、異常のある電流検出器２７により検出される波形とも同様な波形であることが言える。コンバータ側異常判断器７１は、この特徴を利用して、差分値のデータの波形と、各電流検出器により検出された波形を比較することにより、類似する波形が検出されている電流検出器２７が異常であると特定する。

また、Ｔ相の電流検出器２８に異常がある場合（例えば、電流検出器２８にゲイン故障がある場合を想定）には、図４Ｅの（ｅ−１），（ｅ−２），（ｅ−３）に示すように、全ての相についての差分値は、零から離れた値が含まれるようになり、いずれかの電流検出器に異常があることがわかる。各相についての差分値のデータは、（ｅ−１），（ｅ−２），（ｅ−３）に示すような同様な波形となる。上記同様に、差分値の波形は、異常のある電流検出器２８により検出される波形とも同様な波形であることが言える。コンバータ側異常判断器７１は、この特徴を利用して、差分値のデータの波形と、各電流検出器により検出された波形を比較することにより、類似する波形が検出されている電流検出器２８が異常であると特定する。

なお、インバータユニット３側においても上記同様な処理を行うことにより、各電流検出器３４，３５，３６のいずれが異常であるかを特定することができる。

以上説明したように、３つの電流検出器２６，２７，２８（電流検出器３４，３５，３６）の検出値から相互に得られる値を用いて比較すること（相互比較）により異常を判断するようにすると、リファレンスデータを記憶せずとも、異常な電流検出器を特定することができる。

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５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、コンバータユニット２を２レベルコンバータとし、インバータユニット３を２レベルインバータとし、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２９で検出するようにしたものである。

３レベルと２レベルの変換方式（パルス波形）の違いにより、発生するリプル電流が異なるが、電力変換装置１０１においても、コンバータ側異常判断器７１が、電流検出器２６，２７，２８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、電流検出器２６，２７，２８の異常を適切に判断することができる。また、インバータ側異常判断器７２が、電流検出器３４，３５，３６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、電流検出器３４，３５，３６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６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、新たにコンバータ側出力推定器７４とインバータ側出力推定器７５とを備えるようにしたものである。

コンバータ側出力推定器７４は、複数の電流検出器２６，２７，２８からの検出値に基づいて、異常となった電流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、コンバータ側出力推定器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、異常となった電流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１０２においては、各電流検出器が正常な状態であれば、コンバータ側の電流検出器２６，２７，２８との検出値を加算した合成電流値は零とな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つの電流検出器が異常となった場合には、健全な２つの電流検出器の検出値を加算した値を、零から減算することにより、異常な電流検出器の測定対象の正確な検出値を推定することができる。

次に、コンバータ側出力推定器７４の具体的な構成及び動作を説明する。

図７は、第３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７において、Ｒ相の電流検出器２６の検出値をＩＲＦＢ＿ｃとし、Ｓ相の電流検出値２７の検出値をＩＳＦＢ＿ｃとし、Ｔ相の電流検出器２８の検出値をＩＴＦＢ＿ｃとしている。また、図７は、Ｔ相の電流検出器２８に異常がある場合の例を示している。

コンバータ側異常判断器７１は、Ｒ相の電流検出器２６の検出値（ＩＲＦＢ＿ｃ）と、Ｓ相の電流検出器２７の検出値（ＩＳＦＢ＿ｃ）と、Ｔ相の電流検出器２８の検出値（ＩＴＦＢ＿ｃ）とが入力されており、いずれかの電流検出器が異常であると判断すると、異常である電流検出器を示す異常判断情報をコンバータ側出力推定器７４に出力する。図７に示す例においては、コンバータ側異常判断器７１は、電流検出器２８が異常であると判断し、電流検出器２８が異常であるとの情報（ＩＴＦＢ＿ｃ異常判断情報）をコンバータ側出力推定器７４に出力する。

コンバータ側出力推定器７４は、電流検出器２６の検出値（ＩＲＦＢ＿ｃ）と、電流検出器２７の検出値（ＩＳＦＢ＿ｃ）とを加算して、２つの相の合成電流値（ＩＲＳ＿ｃ）を算出する。

コンバータ側出力推定器７４は、零から２つの相の合成電流値（ＩＲＳ＿ｃ）を減算して、正常であれば電流検出器２８に検出されると推定される推定値（ＩＴＦＢＨ＿ｃ）を算出する。

コンバータ側出力推定器７４の選択部７４ａは、電流検出器２８の検出値（ＩＴＦＢ＿ｃ）と、電流検出器２８の推定値（ＩＴＦＢＨ＿ｃ）とを入力として、コンバータ側異常判断器７１から電流検出器２８が異常であるとの情報（ＩＴＦＢ＿ｃ異常判断情報）の入力がある場合には、電流検出器２８の推定値（ＩＴＦＢＨ＿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、コンバータ側異常判断器７１から電流検出器２８が異常であるとの情報（ＩＴＦＢ＿ｃ異常判断情報）の入力がない場合には、電流検出器２８の検出値（ＩＴＦＢ＿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、電流検出器２８に異常があった場合において、電流検出器２８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７においては、電流検出器２８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、他の電流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、電流検出器２６については、電流検出器２８を電流検出器２６に読み替えた構成を含んでいればよく、電流検出器２７については、電流検出器２８を電流検出器２７に読み替えた構成を含んでいればよい。

また、コンバータ側の構成及び動作について説明したが、インバータ側についても同様な構成（インバータ側推定器７５）及び動作で、電流検出器３４，３５，３６のいずれかに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。上記した説明において、Ｒ相をＵ相に、Ｓ相をＶ相に、Ｔ相をＷ相に読み替え、電流検出器２６，２７，２８を電流検出器３４，３５，３６に読み替えることにより、インバータ側の動作となる。なお、図７は、Ｗ相の電流検出器３６に異常がある場合に関係する構成の例を示している。

以上説明したように、第３実施形態による電力変換装置１０２では、電流検出器に異常があると判断した場合に、異常がある電流検出器以外の健全な電流検出器の検出値に基づいて、異常がある電流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、異常がある電流検出器を交換せずに電力変換装置１０２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１０２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１０２を計画外停止させる必要がない。

なお、図７に示す構成によるしのぎ運転については、図５で示した第２実施形態に係る電力変換装置１０１においても同様に適用することができる。

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、コンバータ側異常判断器７１と、コンバータ側出力推定器７４と、インバータ側異常判断器７２と、インバータ側出力推定器７５とが行っていた処理の一部又は全部を、専用の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、コンバータ側異常判断器７１またはインバータ側異常判断器７２が、電流検出器による検出値の異常予備値（異常予備値とは異常判断までに至らない異常値）の履歴（例えば、実行日時と異常予備値）を記憶し、異常予備値の履歴に基づいて、電流検出器による異常予備値の変化を把握し、電流検出器の出力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。

また、上記実施形態では、コンバータユニット２と、インバータユニット３とを含む電力変換装置としていたが、コンバータユニット２又はインバータユニット３のいずれか一方のみを備える電力変換装置に対して本発明を適用することができる。

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、２１…コンバータ電力変換部、２６…Ｒ相電流検出器、２７…Ｓ相電流検出器、２８…Ｔ相電流検出器、３１…インバータ電力変換部、３４…Ｕ相電流検出器、３５…Ｖ相電流検出器、３６…Ｗ相電流検出器、７１…コンバータ側異常判断器、７２…インバータ側異常判断器、７３…表示器、７４…コンバータ側出力推定器、７５…インバータ側出力推定器、１００，１０１，１０２…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電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、
   前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる３相のそれぞれの電流を検出する複数の電流検出器と、
   前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流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、一の相についての検出値に含まれるリプル電流の電流値と、他の２相についての検出値に含まれるリプル電流の電流値から算出される前記一の相のリプル電流の電流値と、の差分値と、各相についての検出値に含まれるリプル電流の電流値と、に基づいて、複数の前記電流検出器の中の異常がある電流検出器を特定する
   電力変換装置。
2. 前記異常判断器は、前記電力変換部を負荷がない条件で動作させた際における前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流検出器の異常を判断する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記異常判断器は、前記複数の電流検出器のすべての検出値が零又は零に近い値である場合に、前記電力変換部が異常であると判断する
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記異常判断器は、前記電流検出器のいずれか１つの電流検出器による検出値が零又は零に近い値である場合に、当該電流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１に記載の電力変換装置。
5. 前記異常判断器は、前記検出値に含まれるリプル電流の電流値に前記電力変換部による直流電圧の変動分を考慮した係数を掛けた補正電流値を用いて、前記電流検出器の異常を判断する
   請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記異常があると特定された電流検出器が検出対象とする相以外の２相の電流検出器による検出値に基づいて、前記異常があると特定された電流検出器の検出対象とする電流の電流値を推定する出力推定部をさらに備える
   請求項１に記載の電力変換装置。
7. 交流を複数の電位に変換するコンバータ電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、
   前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流検出器の異常を判断する異常判断器と、
   前記電力変換部の負荷がない条件での動作時に前記電流検出器の検出値に含まれると想定されるリプル電流の基準値である無負荷時基準値を記憶部と、を備え、
   前記異常判断器は、前記電力変換部を負荷がない条件で動作させた際における前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値と、前記無負荷時基準値とに基づいて、前記電流検出器の異常を判断する
   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電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、
   前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる複数相のそれぞれの電流を検出する複数の電流検出器と、
   前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流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、前記複数の電流検出器のすべての検出値が零又は零に近い値である場合に、前記電力変換部が異常であると判断する
   電力変換装置。
9. 前記異常判断器は、前記電流検出器のいずれか１つの電流検出器による検出値が零又は零に近い値である場合に、当該電流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８に記載の電力変換装置。
10. 交流を複数の電位に変換するコンバータ電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、
    前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流検出器の異常を判断する異常判断器と、
    前記電流検出器の検出値に含まれると想定されるリプル電流の基準値を記憶する記憶部と、を備え、
    前記記憶部に記憶された前記リプル電流の基準値は、前記電力変換装置を設置して動作させた際における前記電流検出器の検出値に基づいて算出された基準値であり、
    前記異常判断器は、前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値が、前記記憶部に記憶された前記リプル電流の基準値から所定値以上外れている場合に、前記電流検出器が異常であると判断する
    電力変換装置。
11. 交流を複数の電位に変換するコンバータ電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置であって、
    前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値に基づいて、前記電流検出器の異常を判断する異常判断器と、
    前記電流検出器の検出値に含まれると想定されるリプル電流の基準値を記憶する記憶部と、を備え、
    前記異常判断器は、前記検出値に含まれるリプル電流の電流値に前記電力変換部による直流電圧の変動分を考慮した係数を掛けた補正電流値が、前記記憶部に記憶された前記基準値から所定値以上外れている場合に異常と判断する
    電力変換装置。
12. 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１１のいずれか一項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電力変換部又は複数の電位の電圧を交流に変換するインバータ電力変換部との少なくとも一方の電力変換部を備える電力変換装置による異常検出方法であって、
    前記電力変換装置は、前記電力変換部と電源又は負荷装置との間に流れる３相のそれぞれの電流を検出する複数の電流検出器を備え、
    一の相についての前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値と、他の２相についての前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値から算出される前記一の相のリプル電流の電流値と、の差分値と、各相についての前記電流検出器の検出値に含まれるリプル電流の電流値と、に基づいて、複数の前記電流検出器の中の異常がある電流検出器を特定する
    異常検出方法。

Images