JP7154158B2

JP7154158B2 - 電力変換装置の試験システムおよび試験方法

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Publication number: JP7154158B2
Application number: JP2019043139A
Authority: JP
Inventors: 信明土井
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2022-10-17
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: JP2020145909A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置の試験システムおよび試験方法に関する。

２台の電力変換装置を接続して、２台の電力変換装置のうち一方を力行運転させ他方を回生運転させることにより、電力変換装置の試験を行う試験システムが知られている。

特許第２９２３５０７号公報

しかし、上述の電力変換装置の試験システムは試験装置側の電力変換装置に起因する高周波リプル電流により試験対象である電力変換装置の試験の結果が影響を受けるという課題があった。

本発明の目的は、試験装置側の電力変換装置に起因する高周波リプル電流により試験対象である電力変換装置の試験の結果が影響を受ける事を抑制する事が可能な電力変換装置の試験システムおよび試験方法を提供することである。

本発明による電力変換装置を試験する試験システムにおいて、前記電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを接続する直流回路に備えられた平滑用キャパシタとを備え、試験システムは試験設備を備え、前記試験設備は、交流電力を直流電力に変換する試験装置と、前記逆変換器の交流側と前記試験装置の交流側とを接続する交流リアクトルと、前記試験装置の直流側と前記電力変換装置の直流回路とに接続されるリアクトルであって、前記試験装置から前記電力変換装置に流入するリプルを抑制するリプル抑制用のリアクトルとを備える電力変換装置の試験システムである。

実施形態の試験システムの構成図。実施形態の試験システムの制御装置の構成図。実施形態の試験システムの接続構成を説明するための図。比較例の試験システムの接続構成を説明するための図。第１の変形例の試験システムの構成図。第２の変形例の試験システムの構成図。

以下、実施形態の電力変換装置の試験システムおよび試験方法を、図面を参照して説明する。尚、本明細書で言う「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されず、電気的に接続される場合も含む。

図１は、実施形態の試験システム４０００の構成図である。図１には、交流電源１０、電力変換装置１００および試験設備４００が示される。試験設備４００は、例えば、変圧器２０、試験装置４５０、試験リアクトル５００、制御装置６００、電流検出器６１０、監視装置６５０、電流検出器６６０、電圧検出器６７０、第１リアクトル５５０Ａ、第２リアクトル５５０Bおよびキャパシタ４６０Ａ、４６０Ｂを備える。電力変換装置１００は、整流器２００、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂおよびインバータ３００を備える。電力変換装置１００は、実施形態の試験設備４００によって試験される対象である。例えば電力変換装置１００は交流可変速電動機駆動用の電力変換装置である。

交流電源１０は、商用電源や発電機などであり、三相交流電力を変圧器２０の一次巻線２１に供給する。変圧器２０は、多相トランスである。変圧器２０は、例えば、一次巻線２１と、二次巻線２２Ａと、二次巻線２２Ｂとを備える。変圧器２０は、交流電源１０からの三相交流電力の供給を一次巻線２１で受け、受けた三相交流電力を変圧し、二次巻線２２Ａと二次巻線２２Ｂとのそれぞれから変圧した三相交流電力を出力する。二次巻線２２Ａから出力される三相交流電力は、Ｒ１相、Ｓ１相、Ｔ１相を有する。二次巻線２２Ｂから出力される三相交流電力は、Ｒ２相、Ｓ２相、Ｔ２相を有する。二次巻線２２Ａから出力される三相交流電力のＲ１相、Ｓ１相、Ｔ１相と、二次巻線２２Ｂから出力される三相交流電力のＲ２相、Ｓ２相、Ｔ２相との間には、所定の位相差が設けられていてもよい。

整流器２００は、ダイオード型の整流器であり、変圧器２０から供給される交流電力を整流して、得られた直流電力をインバータ３００に供給する。整流器２００は、直流電源の一例である。整流器２００は、例えば、第１整流回路２００Ａと第２整流回路２００Ｂを備える。第１整流回路２００Ａと第２整流回路２００Ｂとのそれぞれは、例えば、三相フルブリッジ型のダイオード整流回路である。第１整流回路２００Ａは、変圧器２０からから供給されたＲ１相、Ｓ１相、Ｔ１相の三相交流電力を整流して直流電力に変換し、変換した直流電力を第１整流回路正極端子２０２Ａと第１整流回路負極端子２０３Ａとから出力する。第２整流回路２００Ｂは、変圧器２０からから供給されたＲ２相、Ｓ２相、Ｔ２相の三相交流電力を整流して直流電力に変換し、変換した直流電力を第２整流回路正極端子２０２Ｂと第２整流回路負極端子２０３Ｂとから出力する。整流器２００については、後述する。

第１整流回路負極端子２０３Ａと第２整流回路正極端子２０２Ｂと整流器中性端子２２０Ｃとは接続されている。第１整流回路正極端子２０２Ａは整流器正極端子２２０Ｐと接続されている。第２整流回路負極端子２０３Ｂは整流器負極端子２２０Ｎと接続されている。第１整流回路２００Ａと第２整流回路２００Ｂとが、互いに直列に接続されるので、第１整流回路２００Ａの出力する電圧と第２整流回路２００Ｂの出力する電圧の合計の電圧が、整流器正極端子２２０Ｐと整流器負極端子２２０Ｎとの間に出力される。

第１正極導電部材２５０Ｐと、第１負極導電部材２５０Ｎと、第１中性導電部材２５０Ｃのそれぞれは、例えば、銅などの金属によって構成されるプレート状等のブスバーや電線等の導電性の部材である。第１正極導電部材２５０Ｐは、整流器正極端子２２０Ｐと後述する電力変換装置正極端子３０２Ｐとを接続している。第１中性導電部材２５０Ｃは、整流器中性端子２２０Ｃと後述する電力変換装置中性端子３０２Ｃとを接続している。第１負極導電部材２５０Ｎは、整流器負極端子２２０Ｎと後述する電力変換装置負極端子３０２Ｎとを接続している。

インバータ３００は、例えば、中性点クランプ型３レベルインバータ（Neutral-Point-Clamped Three-Level Inverter）である。インバータ３００は、後述する制御装置６００の第１ＰＷＭ制御部６０２によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されることにより、可変周波数および可変電圧の交流電圧を出力し電力変換動作をする。

インバータ３００は、第１レグ３００Ａ、第２レグ３００Ｂ、および第３レグ３００Ｃを備える。第１レグ３００Ａは、第１レグ中性端子３２０Ａと、第１レグ交流端子３２１Ａと、第１レグ正極端子３２２Ａと、第１レグ負極端子３２３Ａとを備える。第２レグ３００Ｂは、第２レグ中性端子３２０Ｂと、第２レグ交流端子３２１Ｂと、第２レグ正極端子３２２Ｂと、第２レグ負極端子３２３Ｂとを備える。第３レグ３００Ｃは、第３レグ中性端子３２０Ｃと、第３レグ交流端子３２１Ｃと、第３レグ正極端子３２２Ｃと、第３レグ負極端子３２３Ｃとを備える。

電力変換装置正極端子３０２Ｐは、第１レグ正極端子３２２Ａ、第２レグ正極端子３２２Ｂ、および第３レグ正極端子３２２Ｃに接続される。電力変換装置負極端子３０２Ｎは、第１レグ負極端子３２３Ａ、第２レグ負極端子３２３Ｂ、および第３レグ負極端子３２３Ｃに接続される。電力変換装置中性端子３０２Ｃは、第１レグ中性端子３２０Ａ、第２レグ中性端子３２０Ｂ、および第３レグ中性端子３２０Ｃに接続される。これにより、第１正極導電部材２５０Ｐと、第１負極導電部材２５０Ｎと、第１中性導電部材２５０Ｃとを介して、整流器２００から直流電力がインバータ３００に供給される。

第１レグ３００Ａは交流電力をＲ３相に出力する。第２レグ３００Ｂは交流電力をＳ３相に出力する。第３レグ３００Ｃは交流電力をＴ３相に出力する。Ｒ３相とＳ３相およびＴ３相により３相交流を構成している。第１レグ３００Ａ、第２レグ３００Ｂ、および第３レグ３００Ｃは、後述する制御装置６００の第１ＰＷＭ制御部６０２によってＰＷＭ制御のスイッチングに従って、上記三相交流電力への変換を行う。第１レグ交流端子３２１Ａ、第２レグ交流端子３２１Ｂ、および第３レグ交流端子３２１Ｃは、それぞれ、第１レグ３００Ａ、第２レグ３００Ｂ、および第３レグ３００Ｃの出力する三相交流電力のＲ３、Ｓ３、およびＴ３の出力端子である。

第１レグ交流端子３２１Ａは、電力変換装置Ｒ相交流端子３３０Ａに接続される。第２レグ交流端子３２１Ｂは、電力変換装置Ｓ相交流端子３３０Ｂに接続される。第３レグ交流端子３２１Ｃは、電力変換装置Ｔ相交流端子３３０Ｃに接続される。

キャパシタ７００Ａ、７００Ｂは、整流器２００の出力する直流電圧と、インバータ３００の出力する直流電圧とを平滑化する。キャパシタ７００Ａは、第１正極導電部材２５０Ｐと第１中性導電部材２５０Ｃとの間に接続され、キャパシタ７００Ｂは、第１負極導電部材２５０Ｎと第１中性導電部材２５０Ｃとの間に接続される。つまり、キャパシタ７００Ａと７００Ｂとの接続点は、第１中性導電部材２５０Ｃに接続される。

試験装置４５０は、インバータ３００と同様のインバータである。試験装置４５０は、後述する制御装置６００の第２ＰＷＭ制御部６０３によってＰＷＭ制御されることにより、負荷の運転を模擬した電力変換動作をする。負荷とは、例えば、交流電動機である。試験装置４５０は、例えば、第１レグ４５０Ａ、第２レグ４５０Ｂ、および第３レグ４５０Ｃを備える。第１レグ４５０Ａ、第２レグ４５０Ｂ、および第３レグ４５０Ｃは、例えば、インバータ３００の第１レグ３００Ａ、第２レグ３００Ｂ、および第３レグ３００Ｃと構成が同一であってよい。第１レグ４５０Ａ、第２レグ４５０Ｂ、および第３レグ４５０Ｃの詳細な説明は省略する。インバータ３００と試験装置４５０のより詳細な例は、後述する。

第１レグ４５０Ａは、第１レグ中性端子４７０Ａと、第１レグ交流端子４７１Ａと、第１レグ正極端子４７２Ａと、第１レグ負極端子４７３Ａとを備える。第２レグ４５０Ｂは、第２レグ中性端子４７０Ｂと、第２レグ交流端子４７１Ｂと、第２レグ正極端子４７２Ｂと、第２レグ負極端子４７３Ｂとを備える。第３レグ４５０Ｃは、第３レグ中性端子４７０Ｃと、第３レグ交流端子４７１Ｃと、第３レグ正極端子４７２Ｃと、第３レグ負極端子４７３Ｃとを備える。

第１レグ交流端子４７１Ａは、試験装置Ｒ相交流端子４５４Ａに接続される。第２レグ交流端子４７１Ｂは、試験装置Ｓ相交流端子４５４Ｂに接続される。第３レグ交流端子４７１Ｃは、試験装置Ｔ相交流端子４５４Ｃに接続される。

試験装置正極端子４５２Ｐは、第１レグ正極端子４７２Ａ、第２レグ正極端子４７２Ｂ、および第３レグ正極端子４７２Ｃに接続される。試験装置負極端子４５２Ｎは、第１レグ負極端子４７３Ａ、第２レグ負極端子４７３Ｂ、および第３レグ負極端子４７３Ｃに接続される。試験装置中性端子４５２Ｃは、第１レグ中性端子４７０Ａ、第２レグ中性端子４７０Ｂ、および第３レグ中性端子４７０Ｃに接続される。

試験装置Ｒ相交流端子４５４Ａ、試験装置Ｓ相交流端子４５４Ｂ、試験装置Ｔ相交流端子４５４Ｃは、インバータ３００から試験リアクトル５００を介して供給されるＲ４相、Ｓ４相、Ｔ４相の三相交流電力の供給を受ける。第１レグ４５０Ａは、試験装置Ｒ相交流端子４５４Ａから供給されるＲ４相の三相交流電力を直流電力に変換する。第２レグ４５０Ｂは、試験装置Ｓ相交流端子４５４Ｂから供給されるＳ４相の三相交流電力を直流電力に変換する。第３レグ４５０Ｃは、試験装置Ｔ相交流端子４５４Ｃから供給されるＴ４相の三相交流電力を直流電力に変換する。第１レグ４５０Ａ、第２レグ４５０Ｂ、および第３レグ４５０Ｃは、後述する制御装置６００の第２ＰＷＭ制御部６０３によってＰＷＭ制御のスイッチングに従って、上記直流電力への変換を行う。第１レグ交流端子４７１Ａ、第２レグ交流端子４７１Ｂ、第３レグ交流端子４７１Ｃは、それぞれ、第１レグ４５０Ａ、第２レグ４５０Ｂ、および第３レグ４５０Ｃの出力する三相交流電力のＲ４、Ｓ４、およびＴ４の出力端子である。

試験装置正極端子４５２Ｐは、後述する第１リアクトル５５０Ａを介して、インバータ３００の電力変換装置正極端子３０２Ｐに接続される。試験装置負極端子４５２Ｎは、後述する第２リアクトル５５０Ｂを介して、インバータ３００の電力変換装置負極端子３０２Ｎに接続される。試験装置中性端子４５２Ｃは、インバータ３００の電力変換装置中性端子３０２Ｃに接続される。つまり、試験装置４５０は、インバータ３００から試験リアクトル５００を介して三相交流電力の供給を受け、受け取った三相交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をインバータ３００に出力する。

試験リアクトル５００は、インバータ３００の交流側と試験装置４５０の交流側の間に接続される。試験リアクトル５００の仕様は、試験対象であるインバータ３００の回路、仕様等により決定される。試験リアクトル５００は、Ｒ相のリアクトル５０１Ａ、Ｓ相のリアクトル５０１Ｂ、Ｔ相のリアクトル５０１Ｃを備える。

第２正極導電部材４８０Ｐ、第２中性導電部材４８０Ｃ、および第２負極導電部材４８０Ｎのそれぞれは、例えば、ブスバーや電線等の導電性の部材である。第２正極導電部材４８０Ｐの第１端部は、第１正極導電部材２５０Ｐに接続され、第２正極導電部材４８０Ｐの第２端部は、後述する第１リアクトル５５０Ａの第１端部に接続される。第２負極導電部材４８０Ｎの第１端部は、第１負極導電部材２５０Ｎに接続され、第２負極導電部材４８０Ｎの第２端部は、後述する第２リアクトル５５０Ｂの第１端部に接続される。第２中性導電部材４８０Ｃの第１端部は、第１中性導電部材２５０Ｃに接続され、第２中性導電部材４８０Ｃの第２端部は、試験装置４５０の試験装置中性端子４５２Ｃに接続される。

第３正極導電部材４８１Ｐおよび第３負極導電部材４８１Ｎのそれぞれは、例えば、ブスバーや電線等の導電性の部材である。第３正極導電部材４８１Ｐの第１端部は、第１リアクトル５５０Ａの第２端部に接続され、第３正極導電部材４８１Ｐの第２端部は、試験装置４５０の試験装置正極端子４５２Ｐに接続される。第３負極導電部材４８１Ｎの第１端部は、第２リアクトル５５０Ｂの第２端部に接続され、第３負極導電部材４８１Ｎの第２端部は、試験装置４５０の試験装置負極端子４５２Ｎに接続される。

キャパシタ４６０Ａは、第３正極導電部材４８１Ｐと第２中性導電部材４８０Ｃとの間に接続される。キャパシタ４６０Ｂは、第２中性導電部材４８０Ｃと第３負極導電部材４８１Ｎとの間に接続される。つまり、キャパシタ４６０Ａとキャパシタ４６０Ｂとの接続点は、第２中性導電部材４８０Ｃに接続される。キャパシタ４６０Ａ、４６０Ｂは、試験装置４５０の出力する直流電圧を平滑化する。

第１リアクトル５５０Ａの第１端部は、第２正極導電部材４８０Ｐの第２端部に接続され、第１リアクトル５５０Ａの第２端部は、第３正極導電部材４８１Ｐの第１端部に接続される。第２リアクトル５５０Ｂは、直列リアクトルである。第２リアクトル５５０Ｂの第１端部は、第２負極導電部材４８０Ｎの第２端部に接続され、第２リアクトル５５０Ｂの第２端部は、第３負極導電部材４８１Ｎの第１端部に接続される。第１リアクトル５５０Ａ、第２リアクトル５５０Ｂのそれぞれのインダクタンスは、試験対象であるインバータ３００の回路、仕様等により決定される。

第４Ｒ３相導電部材５８０Ａ、第４Ｓ３相導電部材５８０Ｂ、および第４Ｔ３相導電部材５８０Ｃのそれぞれは、例えば、ブスバーや電線等の導電性の部材である。第４Ｒ３相導電部材５８０Ａの第１端部は、電力変換装置Ｒ相交流端子３３０Ａに接続される。第４Ｒ３相導電部材５８０Ａの第２端部は、試験リアクトル５００のＲ相のリアクトル５０１Ａの第１端部に接続される。第４Ｓ３相導電部材５８０Ｂの第１端部は、電力変換装置Ｓ相交流端子３３０Ｂに接続される。第４Ｓ３相導電部材５８０Ｂの第２端部は、試験リアクトル５００のＳ相のリアクトル５０１Ｂの第１端部に接続される。第４Ｔ３相導電部材５８０Ｃの第１端部は、電力変換装置Ｔ相交流端子３３０Ｃに接続される。第４Ｔ３相導電部材５８０Ｃの第２端部は、試験リアクトル５００のＴ相のリアクトル５０１Ｃの第１端部に接続される。

第５Ｒ４相導電部材５８１Ａ、第５Ｓ４相導電部材５８１Ｂ、および第５Ｔ４相導電部材５８１Ｃのそれぞれは、例えば、ブスバーや電線等の導電性の部材である。第５Ｒ４相導電部材５８１Ａの第１端部は、試験リアクトル５００のＲ相のリアクトル５０１Ａの第２端部に接続される。第５Ｒ４相導電部材５８１Ａの第２端部は、試験装置４５０の試験装置Ｒ相交流端子４５４Ａに接続される。第５Ｓ４相導電部材５８１Ｂの第１端部は、試験リアクトル５００のＳ相のリアクトル５０１Ｂの第２端部に接続される。第５Ｓ４相導電部材５８１Ｂの第２端部は、試験装置４５０の試験装置Ｓ相交流端子４５４Ｂに接続される。第５Ｔ４相導電部材５８１Ｃの第１端部は、試験リアクトル５００のＴ相のリアクトル５０１Ｃの第２端部に接続される。第５Ｔ４相導電部材５８１Ｃの第２端部は、試験装置４５０の試験装置Ｔ相交流端子４５４Ｃに接続される。

電流検出器６１０は、第５Ｒ４相導電部材５８１Ａ、第５Ｓ４相導電部材５８１Ｂ、第５Ｔ４相導電部材５８１Ｃに流れる相電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔをそれぞれ検出し、制御装置６００に出力する。

図２は、実施形態の試験設備４００の制御装置６００の構成図である。制御装置６００は、例えば、制御部６０１、第１ＰＷＭ制御部６０２、および第２ＰＷＭ制御部６０３を備える。制御部６０１は、電流検出器６１０から、試験リアクトル５００に流れる相電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔを取得し、図示しない上位装置や入力部などから、電流指令値Ｉｉ、周波数指令値Ｆ_ｉ、および電圧指令値Ｖ_ｉを受け取る。制御部６０１は、電流指令値Ｉｉ、周波数指令値Ｆ_ｉ、および電圧指令値Ｖ_ｉに従って、第１ＰＷＭ制御部６０２に対する電圧指令値Ｖ_Ｃ１および第２ＰＷＭ制御部６０３に対する電圧指令値Ｖ_Ｃ２を演算して、それぞれを第１ＰＷＭ制御部６０２および第２ＰＷＭ制御部６０３に出力する。第１ＰＷＭ制御部６０２は、制御部６０１によって演算された電圧指令値Ｖ_Ｃ１に従って、インバータ３００を制御する。第２ＰＷＭ制御部６０３は、制御部６０１によって演算された電圧指令値Ｖ_Ｃ２に従って、試験装置４５０を制御する。試験対象であるインバータ３００の性能試験を行うには、実際の電動機の力率および周波数に近い値になるように、所定の試験電流を流したときの試験リアクトル５００の電圧降下を考慮し、制御部６０１は電流検出器６１０で検出されたインバータ３００の出力電流とその出力電流の基本波周波数に基き試験装置４５０の周波数と出力電圧を決定し、所定の定められた周波数および電圧を出力するように試験装置４５０を制御する。また、制御部６０１は、インバータ３００が指定された試験電流を出力するように、インバータ３００の周波数と出力電圧を決定し、所定の定められた周波数および電圧を出力するようにインバータ３００を制御する。例えば、インバータ３００の力行動作の試験時には、制御部６０１は、インバータ３００の出力する交流電圧の基本波の位相を試験装置４５０の出力する交流電圧の基本波の位相よりも進めて、且つ、インバータ３００の出力する基本波電圧を試験装置４５０の出力する基本波電圧より大きくすることにより、インバータ３００の出力するインバータ３００から見た試験リアクトル５００側の力率が実際の負荷である電動機の力率に近い値となるように、インバータ３００に力行運転を模擬する電流を流す。すなわち電流指令値Ｉｉ、周波数指令値Ｆ_ｉ、および電圧指令値Ｖ_ｉはこのような試験条件を満足するような値である。尚、ここで電流指令値Ｉｉ、周波数指令値Ｆ_ｉ、および電圧指令値Ｖ_ｉは例えば実効値ベースの値であり、相電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔおよび電圧指令値Ｖ_Ｃ１と電圧指令値Ｖ_Ｃ２は例えば瞬時値ベースの値である。

尚、本実施形態では、制御装置６００の制御部６０１は、インバータ３００および試験装置４５０を制御するものとしたが、インバータ３００を制御する制御部と、試験装置４５０を制御する制御部とが、それぞれ別個に設けられ、互いに連携するように制御を行ってもよい。

電流検出器６６０は、第４Ｒ３相導電部材５８０Ａ、第４Ｓ３相導電部材５８０Ｂ、第４Ｔ３相導電部材５８０Ｃに流れる相電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔをそれぞれ検出し、監視装置６５０に出力する。電圧検出器６７０は、Ｒ３－Ｓ３相間電圧Ｖ_Ｒ３Ｓ３、Ｓ３－Ｔ３相間電圧Ｖ_Ｓ３Ｔ３、Ｔ３－Ｒ３相間電圧Ｖ_Ｔ３Ｒ３をそれぞれ検出し、監視装置６５０に出力する。

監視装置６５０は、インバータ３００の機能試験を行う。インバータ３００の機能試験においては、例えば、監視装置６５０は、電流検出器６６０からインバータ３００の出力電流と出力電圧の値を取得し、規定される試験条件に適合しているか否かを判定することにより、インバータ３００の動作が正常か否かの機能試験を行う。

図３は、実施形態の試験システム４０００において電力変換装置１００と試験設備４００の直流回路の接続構成を説明するための図である。上述したように、第１正極導電部材２５０Ｐは、整流器正極端子２２０Ｐと電力変換装置正極端子３０２Ｐとを接続する。第１中性導電部材２５０Ｃは、整流器中性端子２２０Ｃと電力変換装置中性端子３０２Ｃとを接続する。第１負極導電部材２５０Ｎは、整流器負極端子２２０Ｎと電力変換装置負極端子３０２Ｎとを接続する。

第１正極導電部材２５０Ｐは、例えば、第１正極導電部材整流器接続端子２５１Ｐ、第１正極導電部材電力変換装置接続端子２５２Ｐ、第１正極導電部材試験装置接続端子２５５Ｐ、および第１正極導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｐを備える。第１中性導電部材２５０Ｃは、例えば、第１中性導電部材整流器接続端子２５１Ｃ、第１中性導電部材電力変換装置接続端子２５２Ｃ、第１中性導電部材試験装置接続端子２５５Ｃ、および第１中性導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｃを備える。第１負極導電部材２５０Ｎは、例えば、第１負極導電部材整流器接続端子２５１Ｎ、第１負極導電部材電力変換装置接続端子２５２Ｎ、第１負極導電部材試験装置接続端子２５５Ｎ、および第１負極導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｎを備える。

第２正極導電部材４８０Ｐは、第１正極導電部材試験装置接続端子２５５Ｐに着脱可能に接続される。第２中性導電部材４８０Ｃは第１中性導電部材試験装置接続端子２５５Ｃに着脱可能に接続される。第２負極導電部材４８０Ｎは、第１負極導電部材試験装置接続端子２５５Ｎに着脱可能に接続される。

第１正極導電部材２５０Ｐにおいては、第１正極導電部材試験装置接続端子２５５Ｐは、第１正極導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｐに対して、第１正極導電部材整流器接続端子２５１Ｐ側に設けられる。第１中性導電部材２５０Ｃにおいては、第１中性導電部材試験装置接続端子２５５Ｃは、第１中性導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｃに対して、第１中性導電部材整流器接続端子２５１Ｃ側に設けられる。第１負極導電部材２５０Ｎにおいては、第１負極導電部材試験装置接続端子２５５Ｎは、第１負極導電部材キャパシタ接続端子２５７Ｎに対して、第１負極導電部材整流器接続端子２５１Ｎ側に設けられる。

以上、本実施形態の試験システム４０００における試験設備４００と電力変換装置１００の関係について説明した。ここで、比較例の試験システム９０００について説明する。図示されない試験システム９０００は交流電源１０、電力変換装置１０９と電力変換装置１０９を試験するための試験設備９００を備える。図示しない試験設備９００は、図１に示した試験設備４００と同様の構成を備えるが、試験設備４００と比べて、試験設備９００は、第１リアクトル５５０Ａ、第２リアクトル５５０Ｂを備えておらず、第２正極導電部材４８０Ｐの第２端部は第３正極導電部材４８１Ｐの第１端部に接続され、第２負極導電部材４８０Ｎの第２端部は第３負極導電部材４８１Ｎの第１端部に接続され、ている。電力変換装置１０９は、電力変換装置１００の第１正極導電部材２５０Ｐ、第１中性導電部材２５０Ｃ、および第１負極導電部材２５０Ｎの代わりに、第１正極導電部材９５０Ｐ、第１中性導電部材９５０Ｃ、および第１負極導電部材９５０Ｎを備える。以下、電力変換装置１００の第１正極導電部材２５０Ｐ、第１中性導電部材２５０Ｃ、および第１負極導電部材２５０Ｎと、電力変換装置１０９の第１正極導電部材９５０Ｐ、第１中性導電部材９５０Ｃ、および第１負極導電部材９５０Ｎを比較しながら説明する。

図４は、比較例の試験システム９０００の電力変換装置１０９と試験設備９００との接続における第１正極導電部材９５０Ｐ、第１中性導電部材９５０Ｃ、および第１負極導電部材９５０Ｎを示す図である。上述したように、第１正極導電部材９５０Ｐは、整流器正極端子２２０Ｐと電力変換装置正極端子３０２Ｐとを接続する。第１中性導電部材９５０Ｃは、整流器中性端子２２０Ｃと電力変換装置中性端子３０２Ｃとを接続する。第１負極導電部材９５０Ｎは、整流器負極端子２２０Ｎと電力変換装置負極端子３０２Ｎとを接続する。

第１正極導電部材９５０Ｐは、第１正極導電部材整流器接続端子９５１Ｐ、第１正極導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｐ、第１正極導電部材試験装置接続端子９５５Ｐ、および第１正極導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｐを備える。第１中性導電部材９５０Ｃは、第１中性導電部材整流器接続端子９５１Ｃ、第１中性導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｃ、第１中性導電部材試験装置接続端子９５５Ｃ、および第１中性導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｃを備える。第１負極導電部材９５０Ｎは、第１負極導電部材整流器接続端子９５１Ｎ、第１負極導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｎ、第１負極導電部材試験装置接続端子９５５Ｎ、および第１負極導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｎを備える。

第１正極導電部材９５０Ｐにおいては、第１正極導電部材試験装置接続端子９５５Ｐは、第１正極導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｐに対して、第１正極導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｐ側に設けられる。第１中性導電部材９５０Ｃにおいては、第１中性導電部材試験装置接続端子９５５Ｃは、第１中性導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｃに対して、第１中性導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｃ側に設けられる。第１負極導電部材９５０Ｎにおいては、第１負極導電部材試験装置接続端子９５５Ｎは、第１負極導電部材キャパシタ接続端子９５７Ｎに対して、第１負極導電部材電力変換装置接続端子９５２Ｎ側に設けられる。

「着脱可能に接続される」とは、例えば、ボルトとネジ穴などによる螺合部材、係合手段などによる接続等によって電気的な接続を行うことである。

図３に示されるように、実施形態の試験システム４０００の電力変換装置１００では、第１正極導電部材２５０Ｐにおいては、第２正極導電部材４８０Ｐが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、整流器２００側において接続されている。第１中性導電部材２５０Ｃにおいては、第２中性導電部材４８０Ｃが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、整流器２００側において接続されている。第１負極導電部材２５０Ｎにおいては、第２負極導電部材４８０Ｎが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、整流器２００側において接続されている。

図４に示されるように、比較例の試験システム９０００の電力変換装置１０９では、第１正極導電部材９５０Ｐにおいては、第２正極導電部材４８０Ｐが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、インバータ３００側において接続されている。第１中性導電部材９５０Ｃにおいては、第２中性導電部材４８０Ｃが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、インバータ３００側において接続されている。第１負極導電部材９５０Ｎにおいては、第２負極導電部材４８０Ｎが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、インバータ３００側において接続されている。

次に、実施形態におけるインバータ３００の性能試験について説明する。インバータ３００の性能試験は、制御装置６００が、試験対象であるインバータ３００に負荷を駆動するための電力変換動作である力行運転をさせ、試験装置４５０に負荷の運転を模擬した電力変換動作である回生運転をさせることにより行われる。このインバータ３００の性能試験はおいては、力行運転をするインバータ３００と、回生運転をする試験装置４５０との間で、電流が循環する。したがって、外部の交流電源１０、変圧器２０、整流器２００を介して供給される電力は、インバータ３００と試験装置４５０とにおける損失を補う電力を補充することに利用される。したがって、交流電源１０、変圧器２０の容量は、実際に電動機を負荷として使う性能試験に比べて小さくて済む。

次に、電力変換装置１００および電力変換装置１０９で発生する直流電圧のリプルについて説明する。整流器２００は３相ダイオードブリッジ型を２台直列接続した構成であるので整流器正極端子２２０Ｐと整流器中性端子２２０Ｃの間には交流電源１０の６倍の周波数を中心としたリプル電圧が発生する。また、整流器中性端子２２０Ｃと整流器負極端子２２０Ｎとの間にも交流電源１０の６倍の周波数を中心としたリプル電流も発生する。しかしながら、試験システム４０００あるいは試験システム９０００の様な構成の場合は整流器２００の入力電流が小さく抑えられているので、整流器２００によるリプル電流が問題になる可能性は低い。一方、インバータ３００は、３相のＰＷＭ型のインバータである。ＰＷＭのキャリア周波はインバータ３００の基本波交流電圧出力に比較し高周波である。そしでインバータ３００の直流回路にはキャリア周波数の３倍の周波数を中心とした高周波リプル電流が発生する。この高周波リプル電流はインバータ３００の出力電流の増大とともに増加する。

また、試験設備４００および試験設備９００内の試験装置４５０もＰＷＭ型の変換装置であり、直流回路にはそのキャリア周波数の３倍の周波数の高周波リプル電流が発生する。この高周波リプル電流は試験装置４５０の回生電流の増大とともに増加する。試験装置４５０の発生するリプル電流はキャパシタ４６０Ａおよび４６０Ｂに流入するが、その一部は第２正極導電部材４８０Ｐ、第２中性導電部材４８０Ｃおよび第２負極導電部材４８０Ｎを介して電力変換装置１００および電力変換装置１０９の直流回路に流入する。

この結果、試験対象である電力変換装置１０９に供給される直流回路のリプルが過剰に大きくなることがある。このため、試験対象である電力変換装置１０９が実使用で必要とされる性能を満たしていても、規定される試験条件を満たす性能を持っていたとしても、工場での試験時に規定される性能を満たしていないと誤判定されてしまう可能性がある。
試験設備９００は、試験設備４００の第１リアクトル５５０Ａ、第２リアクトル５５０Ｂなどの構成を備えていないので、電力変換装置１０９においては、工場試験時における過剰な高周波リプル電流に対応するため、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂの容量を大きくしたり、第１正極導電部材９５０Ｐ、第１負極導電部材９５０Ｎ、および第１中性導電部材９５０Ｃの断面積あるいは表面積を大きなものにするなどの対策が行われることがある。このような対策を行うことによって、電力変換装置１０９において、インバータ３００が規定される試験条件を満たす性能を持っていないと誤判定されてしまう事を防ぐことがある。しかしながら、このような対策を行うと、電力変換装置１０９が過剰なものとなってしまいコストが増加する。

本実施形態の試験システム４０００の試験設備４００は、第１リアクトル５５０Ａと第２リアクトル５５０Ｂを備えている。よって、第１リアクトル５５０Ａと第２リアクトル５５０Ｂはいわゆるブロッキングリアクトルとして作用し、試験設備４００から電力変換装置１００の直流回路に流入する高周波リプル電流を低減することができる。また、上述のように、第１正極導電部材２５０Ｐ、第１中性導電部材２５０Ｃ、第１負極導電部材２５０Ｎにおいては、第２正極導電部材４８０Ｐ、第２中性導電部材４８０Ｃ、および第２負極導電部材４８０Ｎが、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂよりも、整流器２００側において接続されている。よって、インバータ３００からキャパシタ７００Ａおよび７００Ｂに流れ込む高周波リプル電流と試験設備４００からキャパシタ７００Ａおよび７００Ｂに流れ込む高周波リプル電流が共通の部分を流れることがなくなるので、試験時の導電部材の電流値が実運転時に対して過剰に厳しくなることを防ぐことができ、また試験時のインバータ３００の電力変換装置正極端子３０２Ｐ、電力変換装置中性端子３０２Ｃ、電力変換装置負極端子３０２Ｎのリプル電圧が実運転時に対して過剰に厳しくなることを防ぐことができる。

この結果、比較例の試験システム９０００に於いて電力変換装置１０９などにおいて行われることがあった、キャパシタ７００Ａ、７００Ｂの、容量値を過剰に大きくしたり、第１正極導電部材２５０Ｐ、第１負極導電部材２５０Ｎ、および第１中性導電部材２５０Ｃを許容電流が大きなものにするなどの対策を行わなくとも、実施形態の試験設備４００においては、過剰な高周波リプル電流によって、試験対象である電力変換装置１００の試験が悪影響を受けるということを抑制することができる。

なお、ここで第１リアクトル５５０Ａと第２リアクトル５５０Ｂのインダクタンスについては、実運転において電力変換装置１００のキャパシタ７００Ａおよび７００Ｂに流入するリプル電流をシミュレーションその他の方法で求めておき、試験時におけるキャパシタ７００Ａおよび７００Ｂに流入するリプル電流が実負荷時における値に対し、所定のマージン以上の値になるようにすればよい。尚、上記試験回路では、整流器２００に定格電流を通電してない。整流器２００に定格電流を通電する試験を行なう場合は、次のようにする事ができる。交流電源１０に替えて、低電圧の可変交流電源を整流器２００の入力端子に接続する。インバータ３００と試験装置４５０はゲートブロック状態とする。あるいは整流器２００との直流回路の接続を切り離す。さらに整流器正極端子２２０Ｐと整流器負極端子２２０Ｎとの間に直流リアクトルを接続し、可変交流電源の電圧を調整して所定(例えば定格)の電流を整流器２００に通電する。尚、直流リアクトルは第1リアクトル５５０Ａあるいは第２リアクトル５５０Ｂのどちらか片方または両方を使用しても良い。あるいは直流回路のリプル電流が問題ない場合は省略してもよい。

以下、実施形態の試験システムの変形例１と変形例２を説明する。

＜変形例１＞
図５は、変形例１の試験システム４０００Ａの構成図である。試験システム４０００Ａは、実施形態の試験システム４０００と同様に構成されるが、試験設備４００に替えて、試験設備４００Ａとなり、電力変換装置１００に替えて電力変換装置１００Ａとなっている。試験設備４００Ａは、試験設備４００と同様に構成されるが試験設備４００の第１リアクトル５５０Ａと第２リアクトル５５０Ｂの代わりに、第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢを備えている。試験設備４００Ａは、電力変換装置１００Ａの試験に用いられる。電力変換装置１００Ａは、電力変換装置１００と同様に構成されるが、電力変換装置１００Ａは、電力変換装置１００の構成に加えて、第３リアクトル５６０ＡＡと、第４リアクトル５６０ＡＢとを備えている。第３リアクトル５６０ＡＡの第１端子は整流器の整流器正極端子２２０Ｐに導電部材で接続され、第３リアクトル５６０ＡＡの第２端子はキャパシタ７００Ａの正極端子と導電部材で接続される。第４リアクトル５６０ＡＢの第１端子は整流器の整流器負極端子２２０Ｎに導電部材で接続され、第４リアクトル５６０ＡＢの第２端子はキャパシタ７００Ｂの負極端子と導電部材で接続される。
第２正極導電部材４８０Ｐは第３リアクトル５６０ＡＡの第１端子と整流器正極端子２２０Ｐとを接続する導電部材と接続される。第２負極導電部材４８０Ｎは第４リアクトル５６０ＡＢの第１端子と整流器負極端子２２０Ｎとを接続する導電部材と接続される。

電力変換装置１００Ａに、第３リアクトル５６０ＡＡと第４リアクトル５６０ＡＢとが備えられているので、試験設備４００Ａの第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢのインダクタンスは、第３リアクトル５６０ＡＡと第４リアクトル５６０ＡＢとを備えていない電力変換装置１００の試験に用いられる試験設備４００の第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢのインダクタンスよりも、小さくてよい。変形例１によれば、電力変換装置１００Ａの第３リアクトル５６０ＡＡと第４リアクトル５６０ＡＢを活用することにより、試験設備４００Ａの第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢのインダクタンスが、小さくて済むという効果を奏する。

＜変形例２＞
図６は、変形例２の試験システム４０００Ｂの構成図である。試験システム４０００Ｂは、実施形態の変形例１の試験システム４０００Ａと同様に構成されるが、試験設備４００Ａに替えて、試験設備４００Ｂを備え、電力変換装置１００Ａに替えて電力変換装置１００Ｂを備えている。試験設備４００Ｂは、実施形態の試験設備４００Ａと同様に構成されるが、試験設備４００Ｂは、第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢを備えていない。試験設備４００Ｂは、第１リアクトル５５０ＡＡ、第２リアクトル５５０ＢＢを備えておらず、第２正極導電部材４８０Ｐの第２端部は第３正極導電部材４８１Ｐの第１端部に接続され、第２負極導電部材４８０Ｎの第２端部は第３負極導電部材４８１Ｎの第１端部に接続されている。試験設備４００Ｂは、電力変換装置１００Ｂの試験に用いられる。電力変換装置１００Ｂは、電力変換装置１００Ａと同様に構成されるが、電力変換装置１００Ｂは、電力変換装置１００Ａの第３リアクトル５６０ＡＡに替えて、第３リアクトル５６０ＢＡを備え、第４リアクトル５６０ＡＢに替えて第４リアクトル５６０ＢＢとを備えている。

ここで電力変換装置１００Ｂの第３リアクトル５６０ＢＡと第４リアクトル５６０ＢＢのインダクタンスは、電力変換装置１００Ａの第３リアクトル５６０ＡＡと第４リアクトル５６０ＡＢのインダクタンスよりも大きく、試験装置４５０の発生する高周波リプルを抑制するのに十分なインダクタンスである。したがって、試験設備４００Ｂは、第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢを備えていなくてもよい。変形例２によれば、電力変換装置１００Ｂの第３リアクトル５６０ＢＡと第４リアクトル５６０ＢＢを活用することにより、試験設備４００Ｂにおいて第１リアクトル５５０ＡＡと第２リアクトル５５０ＡＢを省略することができるという効果を奏する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、実施形態の電力変換装置の試験システムは試験設備に起因する高周波リプル電流により試験対象の電力変換装置に過剰なストレスを加えることなく、電力変換装置が必要な交流出力電流および電圧を出力しつつ、試験設備の電源容量を抑制することができる試験システムを提供することができる。
なお、実施形態では整流器２００はダイオード型の整流器として説明したが、サイリスタ式整流器や自励式コンバータでもよい。尚、整流器２００は順変換器の一例であり、インバータ３００は逆変換器の一例である。第１リアクトル５５０Ａ、第１リアクトル５５０ＡＡ、第２リアクトル５５０Ｂ、第２リアクトル５５０ＡＢは、リプル抑制用のリアクトルの一例である。試験リアクトル５００は交流リアクトルの一例である。

制御装置６００の構成要素は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体（非一過性の記憶媒体）に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…交流電源、２０…変圧器、１００,１０９,１００Ａ，１００Ｂ…電力変換装置、２００…整流器、２５０Ｃ…第１中性導電部材、２５０Ｎ…第１負極導電部材、２５０Ｐ…第１正極導電部材、３００…インバータ、３００Ａ…第１レグ、３００Ｂ…第２レグ、３００Ｃ…第３レグ、４０００,４０００Ａ，４０００Ｂ，９０００…試験システム、４００，４００Ａ，４００Ｂ…試験設備、４５０…試験装置、４５０Ａ…第１レグ、４５０Ｂ…第２レグ、４５０Ｃ…第３レグ、４８０Ｃ…第２中性導電部材、４８０Ｎ…第２負極導電部材、４８０Ｐ…第２正極導電部材、５００…試験リアクトル、５５０Ａ、５５０ＡＡ…第１リアクトル、５５０Ｂ、５５０ＡＢ…第２リアクトル、５６０ＡＡ、５６０ＢＡ…第３リアクトル、５６０ＡＢ、５６０ＢＢ…第４リアクトル、６００…制御装置、６０１…制御部、６１０…電流検出器、６５０…監視装置、６６０…電流検出器、６７０…電圧検出器、７００Ａ…キャパシタ、７００Ｂ…キャパシタ、９００…試験設備、９５０Ｐ…第１正極導電部材、９５０Ｃ…第１中性導電部材、９５０Ｎ…第１負極導電部材

Claims

電力変換装置を試験する試験システムであって、
前記電力変換装置は
交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器とを接続する直流回路に備えられた平滑用キャパシタと
を備え、
試験システムは試験設備を備え、
前記試験設備は、
交流電力を直流電力に変換する試験装置と、
前記逆変換器の交流側と前記試験装置の交流側とを接続する交流リアクトルと、
前記試験装置の直流側と前記電力変換装置の直流回路とに接続されるリアクトルであって、前記試験装置から前記電力変換装置に流入するリプルを抑制するリプル抑制用のリアクトルと
を備える電力変換装置の試験システム。
前記試験設備は前記電力変換装置が出力する交流電力の相電流を検出する電流検出器を
備え、
前記試験設備は、規定される試験条件の出力電流および周波数で、前記電流検出器の出力値に基づいて、前記電力変換装置が運転するように制御し、
前記試験設備は、前記電流検出器の出力値に基づいて、前記試験装置が、負荷特性を模擬した交流出力電圧を出力するように制御する
請求項１に記載の電力変換装置の試験システム。
前記逆変換器と前記順変換器は、第１導電部材によって接続され、
前記平滑用キャパシタは前記第１導電部材に接続され、
前記試験装置は、前記試験装置の直流回路に前記試験装置の直流電圧を平滑する試験装置キャパシタを備え、
前記試験装置は、前記リプル抑制用のリアクトルを介して、前記第１導電部材における前記平滑用キャパシタの接続点よりも前記順変換器側において前記第１導電部材に接続される、
請求項１および請求項２のいずれか１項に記載の電力変換装置の試験システム。
交流電力を直流電力に変換する順変換器と前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを接続する直流回路に備えらえた平滑用キャパシタと備える電力変換装置を試験する試験システムの試験方法であって、
前記試験システムは試験設備を備え、
前記試験設備は、
交流電力を直流電力に変換する試験装置と、
前記逆変換器の交流側と前記試験装置の交流側とを接続する交流リアクトルと、
前記試験装置の直流側と前記電力変換装置の直流回路に接続されるリアクトルであって、前記試験装置から前記電力変換装置に流入するリプルを抑制するリプル抑制用のリアクトルと、
前記電力変換装置が出力する交流電力の相電流を検出する電流検出器と
を備え、
前記試験方法は、
前記試験設備が、規定される試験条件の出力電流および周波数で、前記電流検出器の出力値に基づいて、前記電力変換装置が運転するように制御し、
前記試験設備が、前記電流検出器の出力値に基づいて、前記試験装置が、負荷特性を模擬した交流出力電圧を出力するように制御し、
前記試験設備が、前記試験装置を回生運転させることにより、前記交流電力を前記直流電力に変換させ、
前記試験設備が、前記試験装置から出力された前記直流電力を、前記リプル抑制用のリアクトルを介して、前記電力変換装置の直流回路に供給する
ことを含む電力変換装置の試験システムの試験方法。