JP7206179B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置を冷却する冷却装置の一つとして、電力変換装置に設けられたヒートシンクの内部に冷却水を供給する水冷式の冷却装置が知られている。このような冷却装置の故障は、冷却装置から出力される故障信号により検知される。

ところで、冷却装置の制御部などに故障が生じた場合、冷却装置から故障信号が出力されずに冷却装置の運転が停止されてしまうことがある。この場合、電力変換装置が運転を行うと、電力変換装置に不具合が生じる可能性がある。

特開２０１７－１００４８２号公報

本発明が解決しようとする課題は、信頼性をさらに向上させることができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、電力変換回路と、第１ヒートシンクと、平滑用のコンデンサと、初期充電回路と、第２ヒートシンクと、第１温度センサと、制御部とを持つ。前記電力変換回路は、電力を変換する。前記第１ヒートシンクは、前記電力変換回路に含まれる第１部品が熱的に接続されるとともに、外部の冷却装置から冷却水が供給される。前記コンデンサは、前記電力変換回路に電気的に接続されている。前記初期充電回路は、前記電力変換回路の動作開始前に前記コンデンサの初期充電を行う。前記第２ヒートシンクは、前記初期充電回路に含まれる第２部品が熱的に接続されるとともに、前記冷却装置から冷却水が供給される。前記第１温度センサは、前記第２ヒートシンクまたは前記第２部品の温度を検出する。前記制御部は、少なくとも前記第１温度センサの検出結果に基づき、前記初期充電回路による初期充電の開始から前記電力変換回路の動作開始前までの期間における前記冷却装置の状態を監視する。

第１の実施形態の電力変換装置の全体構成の一例を示す図。 第１の実施形態の電力変換装置および冷却装置の構成の一例を示す図。 第１の実施形態の制御部による検知フローの流れの一例を示すフローチャート。 第２の実施形態の電力変換装置および冷却装置の構成の一例を示す図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。

本明細書で言う「ＸＸに基づく」とは、特段の説明がない場合であっても「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。さらに「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。

（第１の実施形態）
図１から図３を参照し、第１の実施形態の電力変換装置１について説明する。本実施形態では、電力変換装置１は、モータＭを駆動するドライブシステムに適用される装置である。ただし、電力変換装置１は、ドライブシステム以外のシステムに用いられる装置でもよい。例えば、電力変換装置１は、直流電力を交流電力に変換する装置でもよく、交流電力を直流電力に変換する装置でもよい。また、電力変換装置１は、交流電力と直流電力との間で電力を変換する装置に限定されず、ある電力を周波数や電圧が異なる別の電力に変換する装置などでもよい。

＜１．電力変換装置の全体構成＞
図１は、第１の実施形態の電力変換装置１の全体構成の一例を示す図である。電力変換装置１は、例えば、変圧器１１、開閉器１２、コンバータ１３、インバータ１４、平滑用のコンデンサ１５Ａ，１５Ｂ、初期充電回路１６、および制御部（電力変換装置制御部）１７を有する。

変圧器１１は、外部電源である交流電源ＰＳに電気的に接続されている。変圧器１１には、交流電源ＰＳから交流電力が供給される。変圧器１１は、交流電源ＰＳから供給された交流電力を所望の電圧に変圧するとともに、変圧した交流電力を、開閉器１２を介してコンバータ１３に供給する。開閉器１２は、例えば、変圧器１１とコンバータ１３との間に設けられ、変圧器１１とコンバータ１３との間の電気的接続状態を切り替える。

コンバータ１３は、変圧器１１を介して供給される交流電力を、直流電力に変換する。コンバータ１３は、例えば、３レベルコンバータであり、３相交流の各相に対して、４つのスイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと、４つのフリーホイールダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと、２つのクランプダイオード２３ａ，２３ｂとを有する。４つのスイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、正極Ｐと負極Ｎとの間で互いに直列に接続されている。スイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT）であるが、これに限定されない。４つのフリーホイールダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに対して逆並列に接続されている。第１クランプダイオード２３ａは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂの間の接続点と、中性点Ｃとの間に接続されている。第２クランプダイオード２３ｂは、スイッチング素子２１ｃ，２１ｄの間の接続点と、中性点Ｃとの間に接続されている。コンバータ１３は、「電力変換回路」の一例である。

インバータ１４は、コンバータ１３により変換された直流電力を所望の交流電力に変換し、変換した交流電力を負荷の一例であるモータＭに出力する。インバータ１４は、例えば、３レベルインバータであり、３相交流の各相に対して、４つのスイッチング素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、４つのフリーホイールダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、２つのクランプダイオード３３ａ，３３ｂとを有する。４つのスイッチング素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、正極Ｐと負極Ｎとの間で互いに直列に接続されている。４つのフリーホイールダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、スイッチング素３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに対して逆並列に接続されている。第１クランプダイオード３３ａは、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの間の接続点と、中性点Ｃとの間に接続されている。第２クランプダイオード３３ｂは、スイッチング素子３１ｃ，３１ｄの間の接続点と、中性点Ｃとの間に接続されている。インバータ１４は、「電力変換回路」の一例である。

なお上述したように、本明細書における「電力を変換する」とは、交流電力と直流電力との間で電力を変換する場合に限定されず、ある電力を周波数や電圧が異なる別の電力に変換するのみの場合も含む。

一方のコンデンサ（正側コンデンサ）１５Ａは、コンバータ１３とインバータ１４との間において、正極Ｐと中性点Ｃとの間に接続されている。他方のコンデンサ（負側コンデンサ）１５Ｂは、コンバータ１３とインバータ１４との間において、負極Ｎと中性点Ｃとの間に接続されている。言い換えると、コンデンサ１５Ａ，１５Ｂは、正極Ｐ、負極Ｎ、および中性点Ｃを介して、コンバータ１３およびインバータ１４に電気的に接続されている。コンデンサ１５Ａ，１５Ｂは、コンバータ１３およびインバータ１４が動作する場合に、コンバータ１３からインバータ１４に供給される直流電力を平滑化する。

初期充電回路１６は、例えば、開閉器４１、変圧器４２、および整流器４３を有する。開閉器４１は、交流電源ＰＳに電気的に接続されている。ただし、開閉器４１は、交流電源ＰＳとは異なる電源に接続され、その電源から電力が供給されてもよい。変圧器４２は、開閉器４１と整流器４３との間に接続されている。変圧器４２は、開閉器４１を介して供給された交流電力を所望の電圧に変圧するとともに、変圧した交流電力を整流器４３に供給する。整流器４３は、コンバータ１３とインバータ１４との間において、正極Ｐおよび負極Ｎに電気的に接続されている。整流器４３は、変圧器４２から供給された交流電力を直流電力に整流して正極Ｐおよび負極Ｎに供給する。

初期充電回路１６の開閉器４１は、後述する制御部１７の制御によって、コンバータ１３およびインバータ１４の動作に先立ち閉じられる。これにより、初期充電回路１６は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前に正極Ｐおよび負極Ｎに直流電力を供給し、コンデンサ１５Ａ，１５Ｂに対して電荷を供給する。これにより、コンデンサ１５Ａ，１５Ｂの初期充電が行われる。コンデンサ１５Ａ，１５Ｂの初期充電が行われると、コンバータ１３およびインバータ１４の動作時において正極Ｐおよび負極Ｎの電圧が安定しやすくなる。

制御部１７は、電力変換装置１の全体を制御する。例えば、制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することで、所望の交流電力をモータＭに供給し、モータＭを駆動する。また制御部１７は、初期充電回路１６を制御することで、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前にコンデンサ１５Ａ，１５Ｂの初期充電を行う。さらに本実施形態では、制御部１７は、電力変換装置１に設けられた温度センサ８１，８２，８３（後述）の検出結果に基づき、外部装置である冷却装置５０の故障の有無を検知する。なおこの機能については詳しく後述する。

＜２．冷却装置および電力変換装置の一部の構成＞
＜２．１ 冷却装置の構成＞
図２は、冷却装置５０および冷却装置５０に関係する電力変換装置１の構成の一例を示す図である。冷却装置５０は、電力変換装置１を冷却する水冷式の冷却装置（いわゆる純水冷却装置）である。冷却装置５０は、例えば、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第１配管５３、第２配管５４、第１ポンプ５５、第１流量計５６、第３配管５７、第２ポンプ５８、第２流量計５９、および制御部（冷却装置制御部）６０を有する。

本実施形態では、第１配管５３、第２配管５４、および第１ポンプ５５により、第１熱交換器５１と電力変換装置１との間で冷却水（純水、第１冷却水）を循環させる第１循環系統Ｓ１が形成されている。一方で、第３配管５７および第２ポンプ５８により、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２との間で外水（第２冷却水）を循環させる第２循環系統Ｓ２が形成されている。ここで「外水」とは、純水でない工業用水を広く意味する。

第１熱交換器５１は、冷却水（第１冷却水）が流れる流路５１ａと、外水（第２冷却水）が流れる流路５１ｂとを有する。第１熱交換器５１では、冷却水と外水との間で熱交換が行われる。冷却水は、第１熱交換器５１と、後述する電力変換装置１のヒートシンク７１，７２との間で循環され、電力変換装置１のヒートシンク７１，７２を冷却する冷却水である。一方で、外水は、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２との間で循環され、電力変換装置１のヒートシンク７１，７２で温められた冷却水を第１熱交換器５１で冷却する冷却水である。

第２熱交換器５２は、例えばクーリングタワーであり、外水を大気と直接または間接的に接触させることで外水を冷却する。ただし、第２熱交換器５２の構成は、上記例に限定されず、例えば送風機を伴う熱交換器などでもよい。

第１配管５３は、第１熱交換器５１と、電力変換装置１の第１ヒートシンク７１とを繋ぎ、第１熱交換器５１と第１ヒートシンク７１との間で冷却水を循環させる。例えば、第１配管５３は、第１配管部５３ａと、第２配管部５３ｂとを有する。第１配管部５３ａは、第１熱交換器５１の冷却水出口５１ｃと、第１ヒートシンク７１の冷却水入口７１ａとの間に延びており、第１熱交換器５１で冷却された冷却水を第１ヒートシンク７１に導く。一方で、第２配管部５３ｂは、第１ヒートシンク７１の冷却水出口７１ｂと、第１熱交換器５１の冷却水入口５１ｄとの間に延びており、第１ヒートシンク７１の内部を通ることで温められた冷却水を第１熱交換器５１に導く。

第２配管５４は、例えば第１配管５３の途中から分岐し、第１配管５３と第２ヒートシンク７２とを繋ぐ。例えば、第２配管５４は、第１配管部５４ａと、第２配管部５４ｂとを有する。第１配管部５４ａは、第１配管５３の第１配管部５３ａと、第２ヒートシンク７２の冷却水入口７２ａとの間に延びており、第１配管５３を流れる冷却水の一部を第２ヒートシンク７２に導く。一方で、第２配管部５４ｂは、第２ヒートシンク７２の冷却水出口７２ｂと、第１配管５３の第２配管部５３ｂとの間に延びており、第２ヒートシンク７２の内部を通ることで温められた冷却水を第１配管５３の第２配管部５３ｂに導く。

第１ポンプ５５は、第１配管５３に設けられている。第１ポンプ５５が駆動されると、冷却水は、第１配管５３内および第２配管５４内を流れ、第１熱交換器５１とヒートシンク７１，７２との間で冷却水が循環される。

第１流量計５６は、第１配管５３に設けられている。第１流量計５６は、第１配管５３内を流れる冷却水の流量を検出する。第１流量計５６の検出結果は、冷却装置５０の制御部６０に出力される。

第３配管５７は、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを繋ぎ、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２との間で外水を循環させる。例えば、第３配管５７は、第１配管部５７ａと、第２配管部５７ｂとを有する。第１配管部５７ａは、第１熱交換器５１の外水出口５１ｅと、第２熱交換器５２の外水入口５２ａとの間に延びており、第１熱交換器５１で温められた外水を第２熱交換器５２に導く。一方で、第２配管部５７ｂは、第２熱交換器５２の外水出口５２ｂと、第１熱交換器５１の外水入口５１ｆとの間に延びており、第２熱交換器５２の内部を通ることで冷やされた外水を第１熱交換器５１に導く。

第２ポンプ５８は、第３配管５７に設けられている。第２ポンプ５８が駆動されると、外水は、第３配管５７内を流れ、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２との間で外水が循環される。

第２流量計５９は、第３配管５７に設けられている。第２流量計５９は、第３配管５７内を流れる外水の流量を検出する。第２流量計５９の検出結果は、冷却装置５０の制御部６０に出力される。

制御部６０は、冷却装置５０の全体を制御する。例えば、制御部６０は、第１ポンプ５５および第２ポンプ５８を駆動させ、冷却水および外水を循環させることで電力変換装置１を冷却する。

また制御部６０は、第１流量計５６および第２流量計５９の検出結果に基づき、冷却装置５０の状態を監視する。例えば、制御部６０は、第１ポンプ５５を駆動させる制御信号を出力しているにも関わらず第１流量計５６で検出される流量が閾値未満である場合や、逆に第１ポンプ５５を駆動させる制御信号を出力していないにも関わらず第１流量計５６で検出される流量が閾値以上である場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。同様に、制御部６０は、第２ポンプ５８を駆動させる制御信号を出力しているにも関わらず第２流量計５９で検出される流量が閾値未満である場合や、逆に第２ポンプ５８を駆動させる制御信号を出力していないにも関わらず第２流量計５９で検出される流量が閾値以上である場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。制御部６０は、冷却装置５０に故障が生じたことが検知された場合、冷却装置５０に故障が生じたことを示す故障信号を電力変換装置１の制御部１７に出力する。

＜２．２ 冷却装置に関係する電力変換装置の構成＞
次に、冷却装置５０に関係する電力変換装置１の構成について説明する。
図２に示すように、電力変換装置１は、例えば、第１ヒートシンク７１、第２ヒートシンク７２、第１温度センサ８１、第２温度センサ８２、および第３温度センサ８３を有する。

第１ヒートシンク７１には、コンバータ１３またはインバータ１４に含まれる第１部品１４ａが熱的に接続されている。第１部品１４ａは、例えば、グリースのような熱伝導率が高い部材を間に介在させて第１ヒートシンク７１に取り付けられている。第１部品１４ａは、例えば、コンバータ１３またはインバータ１４に含まれるスイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ、フリーホイールダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ、およびクランプダイオード２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂのうち１つ以上の部品と、その部品を収容したケースを含むモジュール部品である。

第２ヒートシンク７２は、第１ヒートシンク７１とは別体のヒートシンクである。第２ヒートシンク７２には、初期充電回路１６に含まれる第２部品１６ａが熱的に接続されている。第２部品１６ａは、例えば、グリースのような熱伝導率が高い部材を間に介在させて第２ヒートシンク７２に取り付けられている。第２部品１６ａは、例えば、初期充電回路１６の整流器４３に含まれる半導体素子（例えばダイオード）や変圧器４２に含まれる抵抗素子などのうち１つ以上の部品と、その部品を収容したケースを含むモジュール部品である。

第１温度センサ８１は、第２ヒートシンク７２の温度を検出する。例えば、第１温度センサ８１は、第２ヒートシンク７２のなかで第２部品１６ａの近傍に取り付けられ、第２部品１６ａによって温められた第２ヒートシンク７２の温度を検出する。別の観点で見ると、第１温度センサ８１は、第２ヒートシンク７２において、冷却水入口７２ａよりも第２部品１６ａの近くに位置する。なおこれに代えて、第１温度センサ８１は、第２部品１６ａと接するように設けられ、第２部品１６ａの温度を検出してもよい。すなわち、第１温度センサ８１は、冷却水の温度ではなく、第２ヒートシンク７２の温度または第２部品１６ａの温度を直接に検出する。第１温度センサ８１の検出結果は、電力変換装置１の制御部１７に出力される。

第２温度センサ８２は、冷却装置５０から第２ヒートシンク７２に向けて流れる冷却水の温度を検出する。例えば、第２温度センサ８２は、第１配管５３の第１配管部５３ａに取り付けられ、第１配管部５３ａ内を流れる冷却水の温度を検出する。本実施形態では、第２温度センサ８２は、第１配管５３の第１配管部５３ａのなかで、第２配管５４が分岐する位置よりも上流側に設けられている。このため本実施形態では、第２温度センサ８２は、冷却装置５０から第１および第２ヒートシンク７１，７２に向けて流れる冷却水の温度を検出可能である。

なおこれに代えて、第２温度センサ８２は、第２ヒートシンク７２のなかで冷却水入口７２ａの近傍に設けられ、第２ヒートシンク７２の温度を検出してもよい。すなわち、第２温度センサ８２は、第２ヒートシンク７２において第２部品１６ａよりも第２ヒートシンク７２の冷却水入口７２ａの近くに配置され、第２ヒートシンク７２の冷却水入口７２ａの近くの位置で第２ヒートシンク７２の温度を検出してもよい。第２温度センサ８２の検出結果は、電力変換装置１の制御部１７に出力される。

第３温度センサ８３は、第１ヒートシンク７１の温度を検出する。例えば、第３温度センサ８３は、第１ヒートシンク７１のなかで第１部品１４ａの近傍に取り付けられ、第１部品１４ａによって温められた第１ヒートシンク７１の温度を検出する。別の観点で見ると、第３温度センサ８３は、第１ヒートシンク７１において、冷却水入口７１ａよりも第１部品１４ａの近くに位置する。これに代えて、第３温度センサ８３は、第１部品１４ａと接するように設けられ、第１部品１４ａの温度を検出してもよい。すなわち、第３温度センサ８３は、冷却水の温度ではなく、第１ヒートシンク７１の温度または第１部品１４ａの温度を直接に検出する。第３温度センサ８３の検出結果は、電力変換装置１の制御部１７に出力される。

＜３．電力変換装置の制御部による冷却装置の故障の検知＞
次に、電力変換装置１の制御部１７による冷却装置５０の故障の検知について説明する。本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、少なくとも第１温度センサ８１の検出結果に基づき、初期充電回路１６による初期充電の開始からコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前までの期間における冷却装置５０の状態を監視し、冷却装置５０の故障の有無を検知する。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、冷却装置５０から故障信号が出力された場合に冷却装置５０に故障が生じたことを検知するとともに、冷却装置５０から故障信号が出力されていない場合でも、第１温度センサ８１の検出結果に基づいて得られる値が所定条件を満たす場合に冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分に基づき、冷却装置５０の状態を監視する。なお本明細書で「初期充電回路１６による初期充電が行われている状態」とは、初期充電が開始されてからコンデンサ１５Ａ，１５Ｂが満充電状態になるまでの期間に限定されず、コンデンサ１５Ａ，１５Ｂが満充電状態に達した後の状態（例えば、コンデンサ１５Ａ，１５Ｂが満充電状態に達した後であって、コンバータ１３およびインバータ１４の動作が開始されるまでの待機状態）も含む。

詳しく述べると、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分（Ｔ１－Ｔ２）（以下、説明の便宜上「温度差（Ｔ１－Ｔ２）」と称する）を、所定の周期で算出する。そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）と、不図示の記憶部に記憶された「初期充電時の温度差上側閾値」とを所定の周期で比較する。初期充電時の温度差上側閾値は、「第１温度差閾値」の一例である。

そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。本実施形態では、温度差（Ｔ１－Ｔ２）は、「第１温度センサ８１の検出結果に基づいて得られる値」の一例である。また温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えることは、「第１温度センサ８１の検出結果に基づいて得られる値が所定条件を満たす場合」の一例である。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に第１種類の故障が生じたことを検知する。「第１種類の故障」とは、冷却装置５０の第１循環系統Ｓ１に関する故障である。例えば、第１種類の故障は、第１ポンプ５５の故障、または冷却装置５０の制御部６０のなかで第１ポンプ５５を制御する機能部の故障である。別の観点では、第１種類の故障は、第１循環系統Ｓ１における冷却水の循環が停止または正常よりも滞留する状態になる故障である。

一方で、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と、不図示の記憶部に記憶された「初期充電時の温度閾値」とを所定の周期で比較する。初期充電時の温度閾値は、「第１温度閾値」の一例である。

また、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、温度差（Ｔ１－Ｔ２）と、不図示の記憶部に記憶された「初期充電時の温度差下側閾値」とを所定の周期で比較する。初期充電時の温度差下側閾値は、「第２温度差閾値」の一例である。初期充電時の温度差下側閾値は、初期充電時の温度差上側閾値よりも低い値である。初期充電時の温度差下側閾値は、冷却装置５０が正常であれば温度差（Ｔ１－Ｔ２）が所定値以上になることに対して、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が上記所定値を下回ることを判定するための閾値である。

そして、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差下側閾値を下回る場合に、冷却装置５０に第２種類の故障が生じたことを検知する。「第２種類の故障」とは、例えば、冷却装置５０の第２循環系統Ｓ２に関する故障である。例えば、第２種類の故障は、第２ポンプ５８の故障、または冷却装置５０の制御部６０のなかで第２ポンプ５８を制御する機能部の故障である。別の観点では、第２種類の故障は、第２循環系統Ｓ２における外水の循環が停止または正常よりも滞留する状態になる故障である。なお、第２種類の故障の判定は、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超えるか否かに代えて、第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２が初期充電時の温度閾値を超えるか否かに基づいて行われてもよい。

また本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分（Ｔ３－Ｔ２）（以下、説明の便宜上「温度差（Ｔ３－Ｔ２）」と称する）を、所定の周期で算出する。そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ３－Ｔ２）と、不図示の記憶部に記憶された「通常運転時の温度差上側閾値」とを所定の周期で比較する。通常運転時の温度差上側閾値は、「第３温度差閾値」の一例である。

そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ３－Ｔ２）が通常運転時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ３－Ｔ２）が通常運転時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に第１種類の故障が生じたことを検知する。

ここで、通常運転時の温度差上側閾値は、例えば、初期充電時の温度差上側閾値よりも大きな値である。言い換えると、初期充電時の温度差上側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値よりも小さな値（故障が生じていることがより検知されやすい値）に設定されている。なお、初期充電時の温度差上側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値と同じ値でもよい。

一方で、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３と、不図示の記憶部に記憶された「通常運転時の温度閾値」とを所定の周期で比較する。通常運転時の温度閾値は、「第２温度閾値」の一例である。

また、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、温度差（Ｔ３－Ｔ２）と、不図示の記憶部に記憶された「通常運転時の温度差下側閾値」とを所定の周期で比較する。通常運転時の温度差下側閾値は、「第４温度差閾値」の一例である。通常運転時の温度差下側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値よりも低い値である。通常運転時の温度差下側閾値は、冷却装置５０が正常であれば温度差（Ｔ３－Ｔ２）が所定値以上になることに対して、温度差（Ｔ３－Ｔ２）が上記所定値を下回ることを判定するための閾値である。

そして、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３が通常運転時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ３－Ｔ２）が通常運転時の温度差下側閾値を下回る場合に、冷却装置５０に第２種類の故障が生じたことを検知する。なお、第２種類の故障の判定は、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３が通常運転時の温度閾値を超えるか否かに代えて、第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２が通常運転時の温度閾値を超えるか否かに基づいて行われてもよい。また、通常運転時の温度差下側閾値は、初期充電時の温度差下側閾値と同じでもよく、異なってもよい。

＜４．電力変換装置の制御部による冷却装置の故障の検知フロー＞
次に、電力変換装置１の制御部１７による冷却装置５０の故障の検知フローについて説明する。図３は、電力変換装置１の制御部１７による冷却装置５０の故障の検知フローの一例を示すフローチャートである。なお図３は、電力変換装置１の初期充電開始からコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前までの期間について示すものである。

まず、制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４を動作させる前に、初期充電回路１６を用いてコンデンサ１５Ａ，１５Ｂの初期充電を開始する（Ｓ１０１）。次に、制御部１７は、冷却装置５０の制御部６０から故障信号が出力されたか否かを判定する（Ｓ１０３）。制御部１７は、冷却装置５０の制御部６０から故障信号が出力された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ステップＳ１１３に進む。

制御部１７は、冷却装置５０の制御部６０から故障信号が出力されていない場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、第１温度センサ８１の検出結果と第２温度センサ８２の検出結果とに基づき、温度差（Ｔ１－Ｔ２）を算出する。そして、制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えたか否かを判定する（Ｓ１０５）。制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えた場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、ステップＳ１１３に進む。

制御部１７は、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えていない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差下側閾値を下回るか否かを判定する（Ｓ１０７）。制御部１７は、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差下側閾値を下回る場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、ステップＳ１１３に進む。

制御部１７は、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超えない、または、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差下側閾値を下回らない場合、（Ｓ１０７：ＮＯ）、冷却装置５０に故障が生じていない（冷却装置５０が正常である）と判定する（Ｓ１０９）。この場合、制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４による電力変換動作が開始されたか否かを判定する（Ｓ１１１）。

制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４による電力変換動作が開始された場合（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、本フローの処理を終了し、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後のフローに移行する。一方で、制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４による電力変換動作が開始されていない場合（Ｓ１１１：ＮＯ）、ステップＳ１０３に戻る。そして、制御部１７は、ステップＳ１０３～Ｓ１１１の処理を所定の周期で繰り返す。

一方で、制御部１７は、冷却装置５０の制御部６０から故障信号が出力された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が初期充電時の温度差上側閾値を超えている場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、または、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１が初期充電時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ１－Ｔ２）が温度差下側閾値を下回る場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、冷却装置５０に故障が生じていると判定する（Ｓ１１３）。

この場合、制御部１７は、初期充電回路１６の開閉器４１を開放し、電力変換装置１の初期充電を停止させる（Ｓ１１５）。次に、制御部１７は、冷却装置５０に故障が生じていることを、電力変換装置１のユーザに報知する。この報知としては、制御部１７は、電力変換装置１の表示装置に所定の表示を行うこと、電力変換装置１のブザーにより警告音を出力すること、および電力変換装置１と通信可能な上位装置に所定の信号を出力することなどのうち１つ以上を行う。そして、制御部１７は、本フローの処理を終了する。

＜５．利点＞
ここで第１比較例として、本実施形態のような制御部１７を有しない電力変換装置を考える。第１比較例の電力変換装置は、冷却装置５０から故障信号が出力された場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。ただし、冷却装置５０の制御部６０などに故障が生じた場合、冷却装置５０から故障信号が出力されずに冷却装置５０が停止することがある。

ここで、電力変換装置において、主発熱部品であるコンバータ１３またはインバータ１４に含まれる部品１４ａが取り付けられる第１ヒートシンク７１に温度センサを取り付け、この温度センサの検出結果に基づいて冷却装置５０の故障を検知することも考えられる。しかしながら、この場合、初期充電回路１６による初期充電の開始からコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前までの間に冷却装置５０が故障し、故障信号が出力されないまま冷却装置５０が停止してしまうと、上記温度センサの検出結果からでは異常が検知できないまま、初期充電回路１６に含まれる部品１６ａの温度上昇が続き、電力変換装置に不具合が生じてしまう可能性がある。また、部品１６ａが過熱された状態で何らかの理由で冷却装置５０が再稼働すると、過熱された部品１６ａと低温の冷却水との温度差に起因して部品１６ａがヒートショックを起こす可能性がある。

また第２比較例として、第１配管５３に温度センサを取り付け、第１配管５３の温度（すなわち冷却水の温度）に基づいて冷却装置５０の故障を検出する構成について考える。この場合、故障信号を出さずに冷却装置５０が故障しても、冷却水の温度上昇に基づいて冷却装置５０の故障を検知することができる場合がある。しかしながら、冷却水の温度がある程度上昇するまでには時間がかかり、その間に初期充電回路１６の部品１６ａの温度が大きく上昇し、保護が間に合わない可能性がある。

そこで本実施形態では、電力変換装置１は、初期充電回路１６に含まれる第２部品１６ａが熱的に接続された第２ヒートシンク７２と、第２ヒートシンク７２または第２部品１６ａの温度を検出する第１温度センサ８１と、少なくとも第１温度センサ８１の検出結果に基づき、初期充電回路１６による初期充電の開始からコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前までの期間における冷却装置５０の状態を監視する制御部１７とを備える。このような構成によれば、初期充電回路１６による初期充電の開始からコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前までの間に冷却装置５０が故障し、故障信号が出力されないまま冷却装置５０が停止してしまった場合でも、冷却装置５０の故障を早い段階で検知することができる。これにより、例えば初期充電回路１６に含まれる部品１６ａの過熱を抑制することができる。その結果、電力変換装置１の信頼性をさらに高めることができる。

本実施形態では、電力変換装置１は、冷却装置５０から第２ヒートシンク７２に向けて流れる冷却水の温度、または第２部品１６ａよりも第２ヒートシンク７２の冷却水入口７２ａの近くで第２ヒートシンク７２の温度を検出する第２温度センサ８２をさらに備える。電力変換装置１の制御部１７は、少なくとも第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分に基づき、冷却装置５０の状態を監視する。このような構成によれば、冷却装置５０から冷却水が正常に循環していない場合などにおいて、冷却装置５０の故障をより高い精度で検知することができる。これにより、電力変換装置１の信頼性をさらに高めることができる。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分が初期充電時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に第１種類の故障が生じたことを検知する。一方で、電力変換装置１の制御部１７は、初期充電回路１６による初期充電が行われている状態で、第１温度センサ８１（または第２温度センサ８２）により検出された温度が初期充電時の温度閾値を超え、且つ、第１温度センサ８１により検出された温度Ｔ１と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分が通常運転時の温度差下側閾値を下回る場合に、冷却装置５０に第２種類の故障が生じたことを検知する。このような構成によれば、温度センサ８１，８２の検出結果に基づき、冷却装置５０の故障箇所の候補を絞り込むことができる。これにより、冷却装置５０の復旧までの負担を小さくすることができる場合がある。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３と第２温度センサ８２により検出された温度Ｔ２との差分が通常運転時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に故障が生じたことを検知する。そして、上述した初期充電時の温度差上側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値よりも小さい値である。このような構成によれば、例えば初期充電の完了後であってコンバータ１３およびインバータ１４の動作開始前の待機状態など、初期充電回路１６に含まれる第２部品１６ａの発熱量が比較的小さくなる間に冷却装置５０が故障した場合であっても、冷却装置５０の故障を検知しやすくなる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の電力変換装置１について説明する。本実施形態では、冷却装置５０から第１ヒートシンク７１に向かう冷却水の温度を検出する第４温度センサ８４が設けられた点で第１の実施形態とは異なる。なお以下に説明する以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

図４は、第２の実施形態において、冷却装置５０に関係する電力変換装置１の構成の一例を示す図である。電力変換装置１は、例えば、第１ヒートシンク７１、第２ヒートシンク７２、第１温度センサ８１、第２温度センサ８２、第３温度センサ８３、および第４温度センサ８４を有する。

第４温度センサ８４は、冷却装置５０から第１ヒートシンク７１に向けて流れる冷却水の温度を検出する。例えば、第２温度センサ８２は、第１配管５３の第１配管部５３ａに取り付けられ、第１配管部５３ａ内を流れる冷却水の温度を検出する。本実施形態では、第４温度センサ８４は、第１配管５３の第１配管部５３ａのなかで、第２配管５４が分岐する位置よりも下流側に設けられている。なおこれに代えて、第４温度センサ８４は、第１ヒートシンク７１のなかで冷却水入口７１ａの近傍に設けられ、第１ヒートシンク７１の温度を検出してもよい。すなわち、第４温度センサ８４は、第１ヒートシンク７１において第１部品１４ａよりも第１ヒートシンク７１の冷却水入口７１ａの近くに配置され、第１ヒートシンク７１の冷却水入口７１ａの近くの位置で第１ヒートシンク７１の温度を検出してもよい。第４温度センサ８４の検出結果は、電力変換装置１の制御部１７に出力される。

本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３と第４温度センサ８４により検出された温度Ｔ４との差分（以下、説明の便宜上「温度差（Ｔ３－Ｔ４）」と称する）を、所定の周期で算出する。そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ３－Ｔ４）と、通常運転時の温度差上側閾値とを所定の周期で比較する。そして、電力変換装置１の制御部１７は、温度差（Ｔ３－Ｔ４）が通常運転時の温度差上側閾値を超えた場合に、冷却装置５０に第１種類の故障が生じたことを検知する。

ここで、第１の実施形態と同様に、通常運転時の温度差上側閾値は、例えば、初期充電時の温度差上側閾値よりも大きな値である。言い換えると、初期充電時の温度差上側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値よりも小さな値（故障が生じていることがより検知されやすい値）に設定されている。なお、初期充電時の温度差上側閾値は、通常運転時の温度差上側閾値と同じ値でもよい。

また本実施形態では、電力変換装置１の制御部１７は、コンバータ１３およびインバータ１４の動作開始後の期間において、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３が通常運転時の温度閾値を超え、且つ、温度差（Ｔ３－Ｔ４）が通常運転時の温度差下側閾値を下回る場合に、冷却装置５０に第２種類の故障が生じたことを検知する。なお、第２種類の故障の判定は、第３温度センサ８３により検出された温度Ｔ３が通常運転時の温度閾値を超えるか否かに代えて、第４温度センサ８４により検出された温度Ｔ４が通常運転時の温度閾値を超えるか否かに基づいて行われてもよい。

このような構成の電力変換装置１によっても、第１の実施形態と同様に、電力変換装置１における不具合の発生を抑制することができる。

以上、いくつかの実施形態について説明したが、実施形態は上記例に限定されない。例えば、上述した実施形態における電力変換装置１の制御部１７の全部または一部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現される。ただし、制御部１７の全部または一部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなハードウェアプロセッサが不図示の記憶部に格納されたコンピュータプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現されるソフトウェア機能部でもよく、ハードウェアとソフトウェア機能部との協働によって実現されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電力変換装置は、少なくとも第１温度センサの検出結果に基づき、初期充電回路による初期充電の開始から電力変換回路の動作開始前までの期間における冷却装置の状態を監視する制御部を持つことにより、電力変換装置における不具合の発生を抑制することができる。

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。

１…電力変換装置、１３…コンバータ（電力変換回路）、１４…インバータ（電力変換回路）、１４ａ…第１部品、１６…初期充電回路、１６ａ…第２部品、１７…制御部、５０…冷却装置、５１…第１熱交換器、５２…第２熱交換器、７１…第１ヒートシンク、７１ａ…第１ヒートシンクの冷却水入口、７２…第２ヒートシンク、７２ａ…第２ヒートシンクの冷却水入口、８１…第１温度センサ、８２…第２温度センサ、８３…第３温度センサ、８４…第４温度センサ、Ｓ１…第１循環系統、Ｓ２…第２循環系統。

Claims (7)

1. 電力を変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路に含まれる第１部品が熱的に接続されるとともに、外部の冷却装置から冷却水が供給される第１ヒートシンクと、
   前記電力変換回路に電気的に接続された平滑用のコンデンサと、
   前記電力変換回路の動作開始前に前記コンデンサの初期充電を行う初期充電回路と、
   前記初期充電回路に含まれる第２部品が熱的に接続されるとともに、前記冷却装置から冷却水が供給される第２ヒートシンクと、
   前記第２ヒートシンクまたは前記第２部品の温度を検出する第１温度センサと、
   少なくとも前記第１温度センサの検出結果に基づき、前記初期充電回路による初期充電の開始から前記電力変換回路の動作開始前までの期間における前記冷却装置の状態を監視する制御部と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記冷却装置から故障信号が出力された場合に前記冷却装置に故障が生じたことを検知するとともに、前記冷却装置から前記故障信号が出力されていない場合でも、前記第１温度センサの検出結果に基づいて得られる値が所定条件を満たす場合に前記冷却装置に故障が生じたことを検知する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記冷却装置から前記第２ヒートシンクに向けて流れる前記冷却水の温度、または前記第２部品よりも前記第２ヒートシンクの冷却水入口の近くで前記第２ヒートシンクの温度を検出する第２温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、少なくとも前記第１温度センサにより検出された温度と前記第２温度センサにより検出された温度との差分に基づき、前記冷却装置の状態を監視する、
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記冷却装置は、第１熱交換器と前記電力変換装置との間で前記冷却水を循環させる第１循環系統と、前記冷却水を冷却するために前記第１熱交換器と第２熱交換器との間で別の冷却水を循環させる第２循環系統とを有し、
   前記制御部は、前記初期充電回路による初期充電が行われている状態で前記第１温度センサにより検出された温度と前記第２温度センサにより検出された温度との差分が第１温度差閾値を超えた場合に、前記冷却装置に故障が生じたことを検知する、
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、
   前記初期充電回路による初期充電が行われている状態で前記第１温度センサにより検出された温度と前記第２温度センサにより検出された温度との差分が前記第１温度差閾値を超えた場合に、前記冷却装置に第１種類の故障が生じたことを検知し、
   前記初期充電回路による初期充電が行われている状態で、前記第１温度センサまたは前記第２温度センサにより検出された温度が第１温度閾値を超え、且つ、前記第１温度センサにより検出された温度と前記第２温度センサにより検出された温度との差分が第２温度差閾値を下回る場合に、前記冷却装置に第２種類の故障が生じたことを検知する、
   請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記第１ヒートシンクまたは前記第１部品の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記電力変換回路の動作開始後の期間において、前記第３温度センサにより検出された温度と前記第２温度センサにより検出された温度との差分が第３温度差閾値を超えた場合に、前記冷却装置に故障が生じたことを検知し、
   前記第１温度差閾値は、前記第３温度差閾値よりも小さい値である、
   請求項４または請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記第１ヒートシンクまたは前記第１部品の温度を検出する第３温度センサと、
   前記冷却装置から前記第１ヒートシンクに向けて流れる前記冷却水の温度、または前記第１部品よりも前記第１ヒートシンクの冷却水入口の近くで前記第１ヒートシンクの温度を検出する第４温度センサと、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記電力変換回路の動作開始後の期間において、前記第３温度センサにより検出された温度と前記第４温度センサにより検出された温度との差分が第３温度差閾値を超えた場合に、前記冷却装置に故障が生じたことを検知し、
   前記第１温度差閾値は、前記第３温度差閾値よりも小さい、
   請求項４または請求項５に記載の電力変換装置。

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