JP7304839B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、電力変換装置から電力を電動機に供給して、電動機を動力源として駆動する。回転中の電動機を減速させるときに回生エネルギーが生じて、回生エネルギーが電力変換装置に流入する。この回生エネルギーによる過電圧が生じないように、抵抗などで余剰なエネルギーを消費させる電力変換装置が知られている。このような電力変換装置において、地絡検出部が地絡が生じていないのに地絡を過検出してしまう場合があった。

特開平９－２５５２４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、地絡検出の信頼度をより高くすることが可能な電力変換装置を提供することである。

実施形態の一態様の電力変換装置は、インバータと、制動抵抗と、過電圧調整部と、回生状態検出部と、中点電位検出部と、地絡検出部と、を備える。インバータは、直流リンクを介して供給される直流電力を交流電力に変換して、前記変換した交流電力を電動機の巻線に供給し、前記電動機を減速させるときに生じるエネルギーが前記直流リンク側に回生するように形成されている。制動抵抗は、前記直流リンクに接続させるように設けられている。過電圧調整部は、前記制動抵抗に電流を流すことで前記直流リンクの電圧を低減させる。回生状態検出部は、前記電動機の回生状態を検出する。中点電位検出部は、対地電位に対する前記直流リンクの両極間の中点電位を検出する。地絡検出部は、前記電動機の回生状態の検出結果と、前記中点電位の検出結果とに基づいて、前記インバータの直流側に生じた地絡を検出する。

実施形態の電力変換装置の構成図。 実施形態の回生量制御部の構成図。 実施形態の正極電圧指令の調整について説明するための図。 実施形態の回生制御の一例について説明するための図。 実施形態の地絡検出部の構成図である。

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、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。なお、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。

図１は、実施形態の電力変換装置の構成図である。
図１に示す電力変換装置１は、整流器１１０と、リアクタンス１２０と、第１コンデンサ１３０と、インバータ１５０と、インバータ制御部１６０と、電圧検出部１７０Ｐ、１７０Ｎと、回生量調整部２１０と、回生量制御部２６０と、閾値調整部２７０と、地絡検出部３００とを備える。上記の整流器１１０と、インバータ１５０は、電力変換装置１の主回路１９０を形成する。

整流器１１０は、交流電力を整流する。整流器１１０の入力端子は、変圧器Ｔを経て交流電力系統ＰＳに接続され、整流器１１０の出力端子は、直流リンク１８０を介してインバータ１５０に接続されている。例えば、整流器１１０は、３レベル型で形成される。この場合、整流器１１０は、正極側ブリッジ回路１１０Ｐと負極側ブリッジ回路１１０Ｎを備える。直流リンク１８０は、正極母線ＰＢＬと、中性線Ｎと、負極母線ＮＢＬとを備える。正極側ブリッジ回路１１０Ｐと負極側ブリッジ回路１１０Ｎは、交流電力系統ＰＳから変圧器Ｔを経て供給される電力を全波整流し、正極母線ＰＢＬと負極母線ＮＢＬとに供給する。なお、整流器１１０は、回生用回路を有していないコンバータ（ダイオードコンバータ）の一例である。整流器１１０と変圧器Ｔとを繋ぐ給電線には、ヒューズと変成器が設けられていることがある。

第１コンデンサ１３０は、直流リンク１８０の電圧を平滑化するためのコンデンサである。例えば、第１コンデンサ１３０は、正極側第１コンデンサ１３０Ｐと、負極側第１コンデンサ１３０Ｎとを備える。正極側第１コンデンサ１３０Ｐは、直流リンク１８０の正極母線ＰＢＬと中性線Ｎとに接続される。負極側第１コンデンサ１３０Ｎは、直流リンク１８０の負極母線ＮＢＬと中性線Ｎとに接続される。上記の整流器１１０と第１コンデンサ１３０の組は、後述するインバータ１５０に電力を供給する電源の一例である。なお、正極側第１コンデンサ１３０Ｐには、放電用の並列回路ＰＣＰが設けられ、負極側回生量調整部２１０Ｎには、放電用の並列回路ＰＣＮが設けられている。

インバータ１５０は、例えば、同じく３レベル型で形成される。インバータ１５０は、整流器１１０から直流リンク１８０を経て供給される電力を、インバータ制御部１６０による制御に基づいて変換して、交流電力を生成する。インバータ１５０の出力端子には電動機２０が接続されている。インバータ１５０は、変換した交流電力を電動機２０に供給する。インバータ１５０と電動機２０は、例えばＵ相Ｖ相Ｗ相を有する３相交流型であるが、これに制限されず、単相交流型であってもよく、他の相数の多相交流であってもよい。電動機２０は、例えば誘導電動機であるが、これに制限されない。なお、電動機２０は、負荷の一例である。電動機２０には、軸の回転を検出する速度センサ２０Ｓが設けられていてもよい。例えば、速度センサ２０Ｓは、軸の回転を検出して角速度ωｒｍを出力する。

例えば、インバータ１５０は、複数の半導体スイッチを備え、フルブリッジ型に形成されている。上記の複数の半導体スイッチには、それぞれフライホイールダイオードが設けられている。このようなインバータ１５０の場合には、電動機２０を制動することによる回生エネルギーが生じると、インバータ１５０の直流側等に過電圧が生じることがある。なお、インバータ１５０が生成する３相交流電力の周波数（基本周波数）は、電動機２０の回転速度の指令値（以下、速度指令という。）に合わせて調整されている。

インバータ制御部１６０は、インバータ１５０に設けられた変成器などの検出結果に基づいて、インバータ１５０を制御する。インバータ１５０の制御方法は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、ベクトル制御などを適宜選択してよい。なお、インバータ制御部１６０は、電動機２０の角速度ωの検出結果（角速度ωｒｍ）、又は推定結果に基づいた角速度変化量Δωを算出する。

電圧検出部１７０Ｐは、中性線Ｎと正極母線ＰＢＬ間の電圧を検出する。電圧検出部１７０Ｎは、中性線Ｎと負極母線ＮＢＬ間の電圧を検出する。電圧検出部１７０Ｐと電圧検出部１７０Ｎとを纏めて電圧検出部１７０と呼ぶことがある。中点電位検出部１７０Ｃは、中性線Ｎの対地電位（対地電圧）を検出する。

回生量調整部２１０は、電圧検出部１７０の検出結果から、インバータ１５０の直流側等に過電圧が生じる状況になったことを検出し、電動機２０からインバータ１５０に流入する回生エネルギーを消費して、インバータ１５０の直流側の電圧を低減させる。

例えば、回生量調整部２１０は、正極側回生量調整部２１０Ｐと、負極側回生量調整部２１０Ｎとを備える。正極側回生量調整部２１０Ｐは、正極側第１コンデンサ１３０Ｐの並列回路ＰＣＰに設けられる。負極側回生量調整部２１０Ｎは、負極側第１コンデンサ１３０Ｎの並列回路ＰＣＮに設けられる。

まず、正極側回路の正極側回生量調整部２１０Ｐについて説明する。
正極側回生量調整部２１０Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐと、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１３Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐと、第２コンデンサ２１６Ｐと、抵抗２１７Ｐと、ヒューズ２１８Ｐと、を備える。なお、半導体スイッチング素子２１１Ｐと半導体スイッチング素子２１２Ｐとの組を、正極側アーム２１９Ｐと呼ぶ。半導体スイッチング素子２１１Ｐと半導体スイッチング素子２１２Ｐは、例えばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、カスケード接続されている。

例えば、半導体スイッチング素子２１１Ｐを正極側に割りあて、半導体スイッチング素子２１２Ｐを中性点（中性線Ｎ）側に割りあてる。半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタが、ヒューズ２１８Ｐを介して、直流リンク１８０の正極母線ＰＢＬに接続される。半導体スイッチング素子２１２Ｐのエミッタが、中性線Ｎに接続される。なお、ヒューズ２１８Ｐは、正極側アーム２１９Ｐに過電流が流れた場合に遮断する。

半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ－エミッタ間には、フリーホイールダイオード２１３Ｐが設けられている。フリーホイールダイオード２１３Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流の方向に対して逆方向に向けられて、半導体スイッチング素子２１１Ｐに並列に接続されている。フリーホイールダイオード２１３Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐと一体で形成されていてもよい。以下同様である。

半導体スイッチング素子２１２Ｐのコレクタ－エミッタ間には、フリーホイールダイオード２１４Ｐと並列ダイオード２１５Ｐとが設けられている。フリーホイールダイオード２１４Ｐと並列ダイオード２１５Ｐは、半導体スイッチング素子２１２Ｐのコレクタ電流の方向に対して逆方向に向けられて、半導体スイッチング素子２１２Ｐに並列に接続されている。並列ダイオード２１５Ｐは、フリーホイールダイオード２１４Ｐに流れる電流を分流して、熱損失を分散させている。この並列ダイオード２１５Ｐは、フリーホイールダイオード２１４Ｐとともに経路を冗長化して信頼度を高めている。

第２コンデンサ２１６Ｐは、正極側アーム２１９Ｐに並列に接続されている。つまり、第２コンデンサ２１６Ｐの端子は、半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタと半導体スイッチング素子２１２Ｐのエミッタとにそれぞれ接続される。

抵抗２１７Ｐは、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐとに並列に接続されている。

上記の正極側の構成では、半導体スイッチング素子２１２Ｐを遮断状態にして、半導体スイッチング素子２１１Ｐを導通させることにより、正極側アーム２１９Ｐの順方向電流、つまり半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流が抵抗２１７Ｐに流れる。抵抗２１７Ｐに半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流が流れると、それを熱エネルギーに変換して、コレクタ電流による電力を消費させる。

なお、半導体スイッチング素子２１２Ｐは、遮断状態にするような負電圧がそのゲートに常時印加されていて、遮断状態に維持される。なお、正極側アーム２１９Ｐは、少なくとも１つの半導体スイッチング素子２１１Ｐを備えるものであってもよい。

次に、負極側回路の負極側回生量調整部２１０Ｎについて説明する。
負極側回生量調整部２１０Ｎは、半導体スイッチング素子２１１Ｎと、半導体スイッチング素子２１２Ｎと、フリーホイールダイオード２１３Ｎと、フリーホイールダイオード２１４Ｎと、並列ダイオード２１５Ｎと、第２コンデンサ２１６Ｎと、抵抗２１７Ｎと、ヒューズ２１８Ｎと、を備える。なお、半導体スイッチング素子２１１Ｎと半導体スイッチング素子２１２Ｎとの組を、負極側アーム２１９Ｎと呼ぶ。半導体スイッチング素子２１１Ｎと半導体スイッチング素子２１２Ｎは、上記と同様に例えばIGBTであり、カスケード接続されている。

なお、上記の半導体スイッチング素子２１１Ｎと、半導体スイッチング素子２１２Ｎと、フリーホイールダイオード２１３Ｎと、フリーホイールダイオード２１４Ｎと、並列ダイオード２１５Ｎと、第２コンデンサ２１６Ｎと、抵抗２１７Ｎと、ヒューズ２１８Ｎとは、正極側回生量調整部２１０Ｐの半導体スイッチング素子２１１Ｐと、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１３Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐと、第２コンデンサ２１６Ｐと、抵抗２１７Ｐと、ヒューズ２１８Ｐとに対応する。

負極側回生量調整部２１０Ｎの説明として正極側回生量調整部２１０Ｐの説明を参照する際には、正極側回生量調整部２１０Ｐにおける「正極」の説明を「負極」に置き換える。例えば、半導体スイッチング素子２１１Ｐを正極側に割りあて、半導体スイッチング素子２１２Ｐを中性点（中性線Ｎ）側に割りあてる。半導体スイッチング素子２１１Ｎのコレクタが、ヒューズ２１８Ｎを介して、直流リンク１８０の負極母線ＮＢＬに接続される。
また、上記の他、半導体スイッチング素子の「コレクタ」と「エミッタ」の説明を、互いに入れ替える。

なお、半導体スイッチング素子２１２Ｎは、常に遮断状態に維持されている。上記の負極側の構成では、半導体スイッチング素子２１１Ｎを導通させることにより、負極側アーム２１９Ｎの順方向電流、つまり半導体スイッチング素子２１１Ｎのコレクタ電流が抵抗２１７Ｎに流れる。

回生量制御部２６０と、閾値調整部２７０と、地絡検出部３００とについては後述する。

次に、図２を参照して、実施形態の回生量制御部について説明する。図２は、実施形態の回生量制御部の構成図である。

回生量制御部２６０は、例えば、レベル検出部２６１と、レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐとを備える。レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、正極直流電圧の調整に利用される。

さらに、回生量制御部２６０は、レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎと、絶対値回路２６８Ｎを備える。レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎと、絶対値回路２６８Ｎは、負極直流電圧の調整に利用される。レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎは、レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐにそれぞれ対応する。

正極直流電圧の調整に係る構成について説明する。
レベル検出部２６１は、信号MOT_POWERの信号レベルを検出する。例えば、信号MOT_POWERの電圧がローレベル（０）であるときが、インバータ１５０が電動機２０に電力（有効電力）を供給する力行状態であることを示し、ハイレベル（１）であるときが回生状態であることを示す。レベル検出部２６１は、信号MOT_POWERの信号レベルが正である場合に「０」を出力し、負である場合に「１」を出力する。レベル検出部２６１は、入出力信号の電圧レベルを変換するバッファー回路であり、入出力信号の電圧レベルが整合している場合には省略してもよい。

レベル検出部２６２Ｐは、正極直流電圧が、第１閾値ＶＴＨ１を超えるか否かを検出する。例えば、レベル検出部２６２Ｐは、正極直流電圧が、第１閾値ＶＴＨ１を超えない場合に「０」を出力し、第１閾値ＶＴＨ１を超える場合に「１」を出力する。第１閾値ＶＴＨ１については後述する。

正極電圧指令調整部２６３Ｐは、予め定められた所定の規則に従い、正極直流電圧に基づいて、正極電圧指令値を調整する。これについては後述する。

スイッチ２６５Ｐの第１入力には、所定の電圧のバイアスレベル（-BIAS）が供給されていて、第２入力には、正極電圧指令調整部２６３Ｐから正極電圧指令値が供給されていて、制御端子には、後述の論理積回路２６４Ｐの出力信号が供給されている。例えば、スイッチ２６５Ｐは、論理積回路２６４Ｐの出力信号が「０」であれば、第１入力に供給されているバイアスレベル（-BIAS）を選択して出力し、同じく「１」であれば、正極電圧指令調整部２６３Ｐから正極電圧指令値を選択して出力する。

論理積回路２６４Ｐは、レベル検出部２６１による信号MOT_POWERの信号レベルの検出結果と、レベル検出部２６２Ｐによる正極直流電圧の検出結果の論理積をとり、ともに「１」である場合に、「１」を出力し、他の場合には「０」を出力する。

スイッチ２６６Ｐの第１入力には、所定の正極バイアス電圧が供給されていて、第２入力には、スイッチ２６５Ｐにより選択された信号が供給されていて、制御端子には、上位装置（不図示）から、回生量制御部２６０の有効化信号が供給される。有効化信号が無効「０」を示す場合に、スイッチ２６６Ｐは、第１入力に供給される所定の正極バイアス電圧を選択して出力する。有効化信号が有効「１」を示す場合に、スイッチ２６６Ｐは、第２入力に供給されるスイッチ２６５Ｐにより選択された信号を選択して出力する。スイッチ２６６Ｐが出力する信号を正極電圧指令と呼ぶ。

ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、例えば所定の周期で繰り返す三角波を用いて、上記の正極電圧指令をＰＷＭ制御により変調したゲートパルスを、半導体スイッチング素子２１１Ｐのゲート駆動回路に供給する。これにより、半導体スイッチング素子２１１Ｐは、ＰＷＭ制御部２６７Ｐから供給されたゲートパルスに応じて、導通状態になり、ゲートパルスが供給されない期間は遮断状態になる。なお、ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、バイアスレベル（-BIAS）と正極バイアス電圧に対しては、ゲートパルスを出力しない。

以上が、正極直流電圧の調整の説明である。

次に、負極直流電圧の調整について説明する。
負極直流電圧の調整は、基本的には前述の正極直流電圧の調整と同様であるが、電力変換装置１には絶対値回路２６８Ｎがあり、Ｎ側直流電圧の符号を反転する。電力変換装置１は、その符号が反転されたＮ側直流電圧に対して、上記の正極直流電圧の場合と同様に処理をする。上記の正極直流電圧の調整の説明における、「正極直流電圧」を、「Ｎ側直流電圧の絶対値」に置き換えるとよい。なお、スイッチ２６６Ｎが出力する信号を負極電圧指令と呼ぶ。

ＰＷＭ制御部２６７Ｎは、例えば所定の周期で繰り返す三角波を用いて、上記の負極電圧指令をＰＷＭ制御により変調したゲートパルスを、半導体スイッチング素子２１１Ｎのゲート駆動回路に供給する。これにより、半導体スイッチング素子２１１Ｎは、ＰＷＭ制御部２６７Ｎから供給されたゲートパルスに応じて導通状態になることにより、正極直流電圧を下げるように作用する。半導体スイッチング素子２１１Ｎは、ゲートパルスが供給されない期間は遮断状態になることにより、正極直流電圧に影響を与えない。

次に、閾値調整部２７０について説明する。
閾値調整部２７０は、正極電圧指令調整部２６３Ｐにおける予め定められた所定の規則の制限値、例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１と第２閾値ＶＴＨ２とを調整する。閾値調整部２７０は、レベル検出部２６２Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１と、上記の正極電圧指令調整部２６３Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１とが互いに同じ値になるように予め調整する。実施形態における閾値調整部２７０は、第２閾値ＶＴＨ２を、予め定められた所定の値に調整する。

図３を参照して、実施形態の正極電圧指令の調整について説明する。図３は、実施形態の正極電圧指令の調整について説明するための図である。図３に示すグラフの横軸は、正極直流電圧を示し、縦軸がＰＷＭ制御の変調率を示す。正極電圧指令調整部２６３Ｐは、図３に示すような変調率を、正極直流電圧に基づいて導出して、それを出力する。

例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１未満の場合に、変調率の下限値（LLDUTY）を示す信号を出力して、パルス幅を調整可能な範囲内で、最小のパルス幅のゲートパルスを、ＰＷＭ制御部２６７Ｎに出力させる。正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１よりも大きな第２閾値ＶＴＨ２を超える場合に、変調率の上限値（ULDUTY）を示す信号を出力して、パルス幅を調整可能な範囲内で最大のパルス幅のゲートパルスを、ＰＷＭ制御部２６７Ｎに出力させる。

上記の正極直流電圧における第１閾値ＶＴＨ１は、変調率を下限値（LLDUTY）から下限値（LLDUTY）を超える値に代える変曲点を規定する。同じく第２閾値ＶＴＨ２は、変調率を上限値（ULDUTY）未満の値から上限値（ULDUTY）に代える変曲点を規定する。

正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１から第２閾値ＶＴＨ２までの大きさにある場合、変調率を、下限値（ULDUTY）から上限値（ULDUTY）までの間の値を出力する。例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１から第２閾値ＶＴＨ２まで大きくなるほど、変調率を大きくして、パルス幅を大きくしてもよい。上記のパルス幅を大きくする際には、単調に増加するようにするとよい。さらに、正極直流電圧の変化量と、これに対応する変調率の変化量の比が一定になるように、変調率の変換特性が規定されてもよい。

例えば、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、上記のインバータ１５０の直流側の電圧と上記の閾値とに基づいて、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の通電を制御してもよい。

上記は、正極電圧指令調整部２６３Ｐの説明であるが、負極電圧指令調整部２６３Ｎについても同様である。例えば、上記の閾値は、インバータ１５０の直流側の電圧に関わる第１閾値ＶＴＨ１と第２閾値ＶＴＨ２とを含み、第２閾値ＶＴＨ２は第１閾値ＶＴＨ１よりも大きな値（絶対値）にする。

正極電圧指令調整部２６３Ｐと負極電圧指令調整部２６３Ｎは、インバータ１５０に流入する回生エネルギーに起因する過電圧状態が生じないように制御する。

図４は、実施形態の回生制御の一例について説明するための図である。
実施形態の回生制御では、例えば、下記の情報を利用する。
第１の情報は、電動機２０が回生中の状態（回生状態）か否か識別するための情報（例えば、信号MOT_POWER。）である。
第２の情報は、直流リンクの直流電圧の検出値又は同検出値に基づいた情報である。例えば、第２情報は、直流電圧の検出値であってもよく、直流電圧の検出値から加工された情報であってもよい。
第３の情報は、電動機２０の角速度ωの変化率に基づく角速度変化量Δωである。

例えば、回生量制御部２６０は、第１の情報と第２の情報とに基づいて、場合分けして、回生制御による第１コンデンサ１３０からの放電を実施（単に「放電を実施」という。）するか否かを決定する。

第１の場合は、第１情報（例えば、「回生状態」が０。）によって電動機２０が回生中でないことが示され、つまり電動機２０が稼働中か休止中にあることが示された場合である。この場合には、回生量制御部２６０は、第２情報（直流リンクの電圧）によらず、放電を実施させない。放電を実施させない場合には、回生量制御部２６０は、４つの半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１２Ｐ、２１２Ｎ，２１１Ｎ）を遮断状態に保つような電圧の電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNを利用してＰＷＭ制御を実施するため、ゲートパルスが生成されない。

第２の場合は、第１情報（例えば、「回生状態」が１。）によって電動機２０が回生中であることが示され、かつ第２情報によって直流電圧の検出値が閾値電圧ＶＴＨ１を超えないこと（例えば、過電圧が非検出であること。）が示された場合である。この場合にも、回生量制御部２６０は、４つの半導体スイッチング素子を遮断状態に保って、放電を実施させない。

第３の場合は、第１情報によって電動機２０が回生中であることが示され、かつ第２情報によって直流電圧の検出値が閾値電圧ＶＴＨ１を超えたことが示された場合である。この場合は、回生量制御部２６０は、放電を実施させる。放電を実施させる場合には、回生量制御部２６０は、放電を実施させる極の半導体スイッチング素子を、所望の時間導通させるような電圧の電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNを生成する。例えば、正極側で過電圧が検出された場合には、半導体スイッチング素子２１１Ｐを導通させることで、放電を実施する。負極側で過電圧が検出された場合には、上記に代えて半導体スイッチング素子２１１Ｎを導通させる。正極側と負極側の両方で過電圧が検出された場合には、半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎの両方を導通させることで、放電を実施する。

ＰＷＭ制御部２６７ＰとＰＷＭ制御部２６７Ｎは、各半導体スイッチング素子を、所望の時間導通させるような電圧の電圧指令を受けると、この所望の時間に対応するパルス幅のゲート信号を半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎに供給する。なお、ＰＷＭ制御部２６７ＰとＰＷＭ制御部２６７Ｎは、電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNにより指定される電圧に基づいて、半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎを導通させる時間を調整する。

上記の場合分けに基づいて、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、直流電圧の検出値とに基づいて、半導体スイッチング素子の通電を制御する。その際に、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報を、直流電圧の検出値よりも優先させて、半導体スイッチング素子に通電するか否かを決定するとよい。

上記の信号MOT_POWERは、インバータ１５０が回生状態にあるか否かを示す情報の一例であるがこれに代えて、インバータ１５０の出力側の電力の１周期中の平均値が正であれば力行、負であれば回生を示す情報であってもよく、連続値でなく量子化された結果であってもよく、上記を示すフラグ（１ビット）の情報でもよい。

この信号MOT_POWERの状態に基づいて、地絡検出の有効と無効を切り替えるとよい。この信号MOT_POWERの状態に基づいて、地絡検出の有効と無効を切り替えることは、電動機２０が力行中か回生中かにより切り替えることに相当する。

図５を参照して、実施形態の地絡検出部３００による地絡検出について説明する。図５は、実施形態の地絡検出部３００の構成図である。例えば、地絡検出部３００は、信号レベル判定器３０１と３０２、ＡＮＤゲート３０４と、ＲＳフリップフロップ３０５とを備える。

信号レベル判定器３０１の入力は、中点電位検出部１７０Ｃの出力に接続され、中点電位検出部１７０Ｃが出力する信号、すなわち中点電位の電圧レベルを示す信号の振幅値を判定する。信号レベル判定器３０１は、判定の結果により論理値が定まる中点電位検出信号を出力する。例えば、中点電位検出信号は、０又は１の２値論理の信号である。信号レベル判定器３０１は、中点電位の電圧レベルの絶対値が所定の閾値よりも小さいときに中点電位検出信号の論理値を０にして、中点電位の電圧レベルが所定の閾値よりも大きいときに中点電位検出信号の論理値を１にする。

信号レベル判定器３０２の入力は、乗算器ＭＵＸの出力に接続され、乗算器ＭＵＸが出力する信号、すなわち角速度変化量Δωを示す信号の振幅値を判定する。信号レベル判定器３０２は、判定の結果による信号MOT_POWERを出力する。例えば、信号MOT_POWERは、上記の通り０又は１の２値論理の信号である。信号レベル判定器３０２は、電動機２０が力行状態ときに、信号MOT_POWERの論理値を０にして、回生状態のときには、信号MOT_POWERの論理値を１にする。

ＡＮＤゲート３０４の第１入力端子は、信号レベル判定器３０１の出力に接続され、第２入力端子は、信号レベル判定器３０２の出力に接続される。ＡＮＤゲート３０４の第１入力端子は、正論理で中点電位検出信号を受け、第２入力端子は、負論理で信号MOT_POWERを受ける。ＡＮＤゲート３０４は、第１入力端子に供給される中点電位検出信号が１であり、かつ、第２入力端子に供給される信号MOT_POWERが０である場合に、正論理で１を出力する。その他の論理の組み合わせの場合、ＡＮＤゲート３０４は、正論理で０を出力する。これにより、ＡＮＤゲート３０４（制限回路）は、電動機２０の回生状態が検出されている場合に、直流リンクの両極間の中点電位の識別を無効化させる。

ＲＳフリップフロップ３０５は、セット端子Ｓと、リセット端子Ｒと、出力端子Ｑを備える。セット端子Ｓは、ＡＮＤゲート３０４の出力に接続される。リセット端子Ｒには、正論理のリセット信号が供給される。ＲＳフリップフロップ３０５は、正論理の地絡検出信号を出力する。ＲＳフリップフロップ３０５は、ＡＮＤゲート３０４によって直流リンクの両極間の中点電位の識別が無効化されていない場合に、正論理の地絡検出信号を出力する。

上記のように構成された地絡検出部３００は、例えば、上位装置から有意のリセット信号が供給される場合、電動機２０が回生状態である場合などに、地絡検出を無効化する。例えば、回生エネルギーが電動機２０からインバータ１５０を経て直流リンクに供給される。このとき、直流リンクの両極の電圧が過電圧になることを抑制するように回生量制御部２６０（過電圧調整部）が作動すると、直流リンクの両極の電圧にアンバランスが生じることがある。中点電位検出部１７０Ｃは、対地電位に対する直流リンクの両極間の中点電位（例えば、中性点Ｎの対地電位。）を検出するが、この場合、回生量制御に依存した中性点Ｎの対地電位の変動と、地絡が生じた場合の中性点Ｎの対地電位の変動とを識別することが難しい。そこで、直流リンクの両極（ＰＢＬとＮＢＬ）の電圧にアンバランスが生じる要因になる回生状態にあるときの地絡検出を無効化することにより、上記による誤検出（過検出）を抑制することができる。

実施形態によれば、電力変換装置１のインバータ１５０は、直流リンク（ＰＢＬとＮＢＬ）を介して供給される直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力を電動機２０の巻線に供給する。また、インバータ１５０は、電動機２０を減速させるときに生じるエネルギーが直流リンク側（ＰＢＬとＮＢＬ）に回生するように形成されている。制動抵抗（２１７Ｐと２１７Ｎ）は、直流リンク（ＰＢＬとＮＢＬ）に接続させるように設けられている。過電圧調整部は、制動抵抗（２１７Ｐと２１７Ｎ）を直流リンク（ＰＢＬとＮＢＬ）に接続させる。インバータ制御部１６０は、電動機２０の回生状態を検出する。インバータ制御部１６０は、回生状態検出部の一例である。中点電位検出部１７０Ｃは、対地電位に対する直流リンクの両極（ＰＢＬとＮＢＬ）間の中点電位を検出する。地絡検出部３００は、電動機２０の回生状態の検出結果と、その中点電位の検出結果とに基づいて、インバータ１５０の直流側に生じた地絡を検出する。これにより、電力変換装置１は、地絡検出の信頼度をより高くすることができる。

地絡検出部３００は、中性点Ｎの対地電位（中点電位）の変動幅に基づいて、インバータ１５０の直流側の地絡を検出するとよい。ただし、地絡検出部３００は、電動機２０が回生状態にある場合には、地絡の検出を制限するとよい。例えば、インバータ制御部１６０は、電動機２０の回転子の回転速度（ωｒｍ）と、電動機２０のトルクを規定するトルク基準とに基づいて、電動機２０が回生状態にあることを検出するとよい。上記のインバータ制御部１６０は、電動機２０を制御する演算処理の中で、電動機２０の回転子の回転速度（ωｒｍ）と、電動機２０のトルクを規定するトルク基準とに基づいて角速度変化量Δωを算出する場合、これを共用するとよい。

地絡検出部３００は、インバータ制御部１６０によって電動機２０の回生状態が検出されている場合に、中性点Ｎの対地電位の識別を無効化するとよい。これに対し、地絡検出部３００は、インバータ制御部１６０によって電動機２０の回生状態が検出されていない場合に、中性点Ｎの対地電位を識別して、識別の結果を地絡の検出結果として出力するとよい。

制動抵抗は、直流リンクの正極と直流リンクの中性点との間に設けられた第１制動抵抗器と、直流リンクの負極と直流リンクの中性点との間に設けられた第２制動抵抗器と、を備え、過電圧調整部は、第１制動抵抗器に直列に設けられた第１スイッチと、第２制動抵抗器に直列に設けられた第２スイッチと、を備え、中点電位検出部は、直流リンクの中性点の電位を、直流リンクの両極間の中点電位として検出してもよい。

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１は、インバータ１５０と、制動抵抗（抵抗２１７Ｐと２１７Ｎ）と、過電圧調整部（回生量調整部２１０）と、回生状態検出部（信号レベル判定器３０２）と、中点電位検出部（信号レベル判定器３０１）と、地絡検出部（ＲＳフリップフロップ３０５）と、を備える。インバータ１５０は、直流リンクを介して供給される直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力を電動機の巻線に供給し、電動機２０を減速させるときに生じるエネルギーが直流リンク側に回生するように形成されている。制動抵抗は、直流リンクに接続させるように設けられている。過電圧調整部は、制動抵抗に電流を流すことで直流リンクの電圧を低減させる、回生状態検出部は、電動機２０の回生状態を検出する。中点電位検出部は、対地電位に対する直流リンクの両極間の中点電位を検出する。地絡検出部は、電動機２０の回生状態の検出結果と、上記の中点電位の検出結果とに基づいて、インバータ１５０の直流側に生じた地絡を検出する。これにより、電力変換装置１は、地絡検出の信頼度をより高くすることができる。

上記の制御装置は、その少なくとも一部を、ＣＰＵなどのプロセッサがプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部で実現してもよく、全てをＬＳＩ等のハードウェア機能部で実現してもよい。

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。

例えば、信号レベル判定器３０１と３０２は、アナログデジタル変換器を含み、入力される信号レベルをデジタル値に変換して、これを所定の閾値を用いて論理値に変換してもよい。例えば、閾値をデジタル値のフルスケールの中間値に定める。この場合には、最上位ビットの論理値を検出結果にしてもよい。

或いは、信号レベル判定器３０１と３０２は、上記に代えてアナログ信号用のコンパレータを含み、入力される信号レベルをコンパレータを用いて論理値に変換してもよい。

１…電力変換装置、１１０…整流器、１２０…リアクタンス、１３０…第１コンデンサ、１５０…インバータ、１６０…インバータ制御部、１７０…電圧検出部、２１０…回生量調整部（過電圧調整部）、２１０Ｐ…正極側回生量調整部、２１１Ｐ、２１２Ｐ…半導体スイッチング素子、２１３Ｐ、２１４Ｐ…フリーホイールダイオード、２１７Ｐ、２１７Ｎ…抵抗（制動抵抗）、２６０…回生量制御部、２６２Ｐ…レベル検出部、２６３Ｐ…正極電圧指令調整部、２６４Ｐ…論理積回路、２６５Ｐ、２６６Ｐ…スイッチ、２６７Ｐ…ＰＷＭ制御部、２６８Ｐ…絶対値回路、３００…地絡検出部、３０１…信号レベル判定器（中点電位検出部）、３０２…信号レベル判定器（回生状態検出部）、３０５…ＲＳフリップフロップ（地絡検出部）

Claims (7)

1. 直流リンクを介して供給される直流電力を交流電力に変換して、前記変換した交流電力を電動機の巻線に供給し、前記電動機を減速させるときに生じるエネルギーが前記直流リンク側に回生するように形成されているインバータと、
   前記直流リンクに接続させるように設けられた制動抵抗と、
   前記制動抵抗に電流を流すことで前記直流リンクの電圧を低減させる過電圧調整部と、
   前記電動機の回生状態を検出する回生状態検出部と、
   対地電位に対する前記直流リンクの両極間の中点電位を検出する中点電位検出部と、
   前記電動機の回生状態の検出結果と、前記中点電位の検出結果とに基づいて、前記インバータの直流側に生じた地絡を検出する地絡検出部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記地絡検出部は、
   前記中点電位の変動幅に基づいて、前記インバータの直流側の地絡を検出する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記地絡検出部は、
   前記電動機が回生状態にある場合に、前記地絡の検出を制限する、
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記回生状態検出部は、
   前記電動機の回転子の回転速度と、前記電動機のトルクを規定するトルク基準とに基づいて、前記電動機が回生状態にあることを検出する、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記回生状態検出部によって前記電動機の回生状態が検出されている場合に、
   前記直流リンクの両極間の中点電位の識別を無効化させる制限回路、
   を備える請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記地絡検出部は、
   前記直流リンクの両極間の中点電位を識別して、前記回生状態検出部によって前記電動機の回生状態が検出されていない場合に、前記識別の結果を前記地絡の検出結果として出力する、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記制動抵抗は、
   前記直流リンクの正極と前記直流リンクの中性点との間に設けられた第１制動抵抗器と、
   前記直流リンクの負極と前記直流リンクの中性点との間に設けられた第２制動抵抗器と、
   を備え、
   前記過電圧調整部は、
   前記第１制動抵抗器に直列に設けられた第１スイッチと、
   前記第２制動抵抗器に直列に設けられた第２スイッチと、
   を備え、
   前記中点電位検出部は、
   前記直流リンクの中性点の電位を、前記直流リンクの両極間の中点電位として検出する、
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置。

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