JP7372207B2

JP7372207B2 - リアクトルの層間短絡を検出するコンバータ装置

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Publication number: JP7372207B2
Application number: JP2020094611A
Authority: JP
Inventors: 友和吉田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: JP2021191117A

Description

本発明は、リアクトルの層間短絡を検出するコンバータ装置に関する。

交流電源から入力される交流電力をコンバータ装置（整流器）にて直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにインバータ装置にてＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換してこの交流電力をモータなどの負荷へ供給する電力変換システムにおいて、コンバータ装置の交流入力側には、交流リアクトルが設けられる。以下、交流リアクトルについては、単に「リアクトル」と称する。なお、「ＤＣリンク」とは、整流器の直流出力側と逆変換器の直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」、「直流母線」あるいは「直流中間回路」などとも別称されることもある。

例えば、直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するコンバータと、１２０°通電方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御する１２０°通電回生制御部と、ＰＷＭ制御方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御するＰＷＭ回生制御部と、交流電源から前記コンバータへ入力される電源電圧を検出する入力電圧検出部と、前記コンバータの出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部と、電源回生動作時において、１２０°通電方式及びＰＷＭ制御方式を前記ＤＣリンク電圧検出部の電圧値に基づいて任意に切り替える回生方式切替部と、を有することを特徴とするモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、荷役を目的とする電動巻上機、電動トロリ装置、電動サドル装置の誘導電動機を駆動する周波数変換機において、電動機から発生する回生電力を熱エネルギーに変換して処理する回生抵抗器を複数の抵抗器の並列接続で構成し、回生抵抗器全体に流れる回生電流値を検出する検出器と、検出電流を比較する手段と、比較結果に応じ周波数変換器の出力周波数を制御する手段とを有することを特徴とする回生抵抗故障判断方式が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１７-０４２０１６号公報特開２００８-２９５１４３号公報

コンバータ装置の交流入力側に設けられるリアクトルにおいては、コイルが複数回重ねて巻回される。コイルの層（レイヤ：Ｌａｙｅｒ）は重なった状態になっており、コイルの層間は絶縁されている。何らかの原因により層間の絶縁が破壊されると、コイルの層間が短絡する。このような短絡は、「層間短絡（レイヤショート：ＬａｙｅｒＳｈｏｒｔ）」と称される。リアクトルに層間短絡が発生すると、短絡箇所を介したループ状の電流経路が形成されて発熱する。従来は、リアクトル内のコイルの近傍に温度検出素子（サーミスタ）を取り付け、温度検出素子によりコイルの発熱を検知することで、リアクトルの層間短絡を検出していた。

温度検出素子は、温度上昇に従って出力が変化する特性を有する。温度検出素子の出力結果に基づき、温度検出素子の周囲温度が所定の動作温度（例えば異常温度）に達したか否かを判定することが可能である。コンバータ装置の交流側に設けられたリアクトルの層間短絡を温度検出素子を用いて検出する方法では、リアクトルの層間短絡に起因してコイルが発熱しても温度検出素子の周囲温度が温度検出素子の動作温度に達しない限りは、層間短絡を検出することができない。また、リアクトル内における層間短絡の発生箇所と温度検出素子の取り付け箇所との間が離れていた場合は、温度検出素子の周囲温度が、温度検出素子の動作温度に達するまで時間を要したり、そもそも温度検出素子の動作温度に達しないこともある。このため、温度検出素子を用いた層間短絡検出方法では、層間短絡の検出漏れが発生したり、層間短絡の検出に時間がかかる問題があった。したがって、交流側に設けられたリアクトルの層間短絡を正確かつ迅速に検出することができるコンバータ装置の開発が望まれている。

本開示の一態様によれば、電源回生機能を有するコンバータ装置は、交流側から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力する整流動作と、直流側の直流電力を交流電力に変換して交流側へ出力する回生動作と、を選択的に実行する電力変換部と、回生動作時に直流側から電力変換部へ流れ込む回生電流を検出する回生電流検出部と、回生電流の単位時間当たりの変化量に基づいて、電力変換部の交流側と交流電源との間に設けられたリアクトルの層間短絡を検出する層間短絡検出部と、を備える。

本開示の一態様によれば、交流側に設けられたリアクトルの層間短絡を正確かつ迅速に検出することができるコンバータ装置を実現することができる。

本開示の一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。コンバータ装置の交流側に設けられるリアクトルの分解斜視図である。コンバータ装置の交流側に設けられるリアクトルで発生した層間短絡により流れる電流経路を説明する図である。層間短絡により生じる循環電流と磁束との関係を説明する図である。従来の温度検出素子を用いた層間短絡検出方法を説明する図である。コンバータ装置による電源回生を説明する図であって、（Ａ）はモータ減速時のエネルギーの流れを示し、（Ｂ）は回生動作開始時のエネルギーの流れを示す。コンバータ装置による電源回生に伴うＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示する図であって、（Ａ）は電源インピーダンスが低い場合におけるＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示し、（Ｂ）は電源インピーダンスが高い場合におけるＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示する。コンバータ装置による電源回生直後の回生変流の変化量を例示する図である。本開示の一実施形態によるコンバータ装置の動作フローを示すフローチャートである。本開示の一実施形態の変形例によるコンバータ装置の動作フローを示すフローチャートである。

以下図面を参照して、リアクトルの層間短絡を検出するコンバータ装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された形態に限定されるものではない。

図１は、本開示の一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。

本開示の一実施形態によるコンバータ装置１は、その直流側であるＤＣリンクを介してインバータ装置２に接続される。ここでは、一例として、インバータ装置２の交流側に接続される負荷がモータ４である場合について説明するが、負荷はモータ４以外であってもよい。

図１に示す例では、コンバータ装置１及びインバータ装置２は、モータ４を駆動するモータ駆動装置１００を構成する。交流電源３に接続されたモータ駆動装置１００により、交流のモータ４を駆動する。なお、交流電源３及びモータ４の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。交流電源３の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源などがある。また、モータ４の種類についても本実施形態を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。ここで、モータ４が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械などが含まれる。

コンバータ装置１の交流側の端子と交流電源３との間には、リアクトル５が設けられる。図１に示す例では、交流電源３を三相交流電源としたので、リアクトル５は三相リアクトルで構成される。交流電源３から単相交流電力が供給される場合は、リアクトル５は単相リアクトルで構成される。コンバータ装置１の構成及び動作を説明するに先立ち、リアクトル５の層間短絡について、図２～図５を参照して説明する。

図２は、コンバータ装置の交流側に設けられるリアクトルの分解斜視図である。コンバータ装置の交流入力側に設けられるリアクトルにおいては、コイル３１が複数回重ねて巻回され、コア３２の溝３３に配置される。コイル３１の層（Ｌａｙｅｒ）は重なった状態になっており、コイル３１の層間は絶縁されている。

図３は、コンバータ装置の交流側に設けられるリアクトルで発生した層間短絡により流れる電流経路を説明する図である。また、図４は、層間短絡により生じる循環電流と磁束との関係を説明する図である。何らかの原因によりリアクトル内のコイル３１の層間の絶縁が破壊されると、コイル３１巻線の層間は短絡する。例えば図３に示すようにコイル３１において層間短絡が位置Ｓで発生すると、図３の矢印で示すように、コイル３１上に、位置Ｓを含んだループ状の電流経路が形成される。図４に示すように、層間短絡により生じたループ状の電流経路Ｐを貫く磁束Φが変化すると、式１で表されるような起電圧ｅが発生する。

リアクトル内のコイル上に層間短絡が発生することで、コイルの抵抗成分及びインダクタンス成分が変化する。コイル上に形成されたループ状の電流経路ＰのインピーダンスをＺとしたとき、この電流経路Ｐには式２で表されるような循環電流ｉが流れる。

コイル上に形成されたループ状の電流経路Ｐに循環電流ｉが流れることでコイル上に形成されたループ状の電流経路Ｐが発熱する。

図５は、従来の温度検出素子を用いた層間短絡検出方法を説明する図である。従来は、リアクトルのコイル３１の近傍に温度検出素子４１を取り付け、温度検出素子４１によりコイルの発熱を検知することで、リアクトルの層間短絡を検出していた。しかしながら、リアクトル内のコイル３１の層間短絡の発生箇所Ｓと温度検出素子４１の取り付け位置との間が離れていた場合は、温度検出素子４１の周囲温度が、温度検出素子４１の動作温度に達するまで時間を要したり、そもそも温度検出素子４１の動作温度に達しないこともある。このため、従来の温度検出素子４１を用いた層間短絡検出方法では、層間短絡の検出漏れが発生したり、層間短絡の検出に時間がかかる問題があった。

これに対し、本開示の一実施形態によるコンバータ装置１は、温度検出素子を用いることなく、コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトルの層間短絡を正確かつ迅速に検出することができる。以下、本開示の一実施形態によるコンバータ装置１の構成について説明する。

コンバータ装置１は、電力変換部１１と、回生電流検出部１２と、層間短絡検出部１３と、入力電圧検出部１４と、コンデンサ電圧検出部１５と、制御部１６とを備える。

コンバータ装置１は、整流素子の整流動作及びスイッチング素子のオンオフ動作により、交流電源３側の交流電力とＤＣリンクの直流電力との間で双方向に電力変換を行うことができる電源回生可能な整流器として構成される。

コンバータ装置１の主電力変換回路である電力変換部１１は、半導体スイッチング素子及びこれに逆並列に接続された整流素子のフルブリッジ回路からなり、ＰＷＭスイッチング制御方式または１２０度通電方式の整流器として構成される。半導体スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ－ＯＦＦｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがある。整流素子の例としては、ダイオードがある。図１に示す例では、交流電源３を三相交流電源としたので、電力変換部１１は三相フルブリッジ回路で構成される。交流電源３から単相交流電力が供給される場合は、電力変換部１１は単相ブリッジ回路で構成される。

電力変換部１１は、交流側から入力された交流電力を整流素子により直流電力に変換して直流側であるＤＣリンクへ出力する整流動作と、ＤＣリンクの直流電力を半導体スイッチング素子のオンオフ動作により交流電力に変換して交流側へ出力する回生動作と、を選択的に実行する。電力変換部１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作は、制御部１６によりＰＷＭスイッチング制御方式または１２０度通電方式に従って制御される。

回生電流検出部１２は、回生動作時にＤＣリンクから電力変換部１１へ流れ込む回生電流を検出する。なお、回生電流検出部１２として、ＤＣリンクに一般的に設けられる電流検出器を流用してもよい。すなわち、一般的な電流検出器は、整流動作時には電力変換部１１からＤＣリンクへ流れる電流（例えば力行電流）を検出し、回生動作時にはＤＣリンクから電力変換部１１へ流れ込む回生電流を検出する。このような電流検出器の機能の１つとして、回生動作時にＤＣリンクから電力変換部１１へ流れ込む回生電流を検出する回生電流検出部１２を実現してもよい。

層間短絡検出部１３は、回生電流の単位時間当たりの変化量に基づいて、電力変換部１１の交流側と交流電源３との間に設けられたリアクトル５の層間短絡を検出する。層間短絡検出部１３の構成及び動作の詳細については後述する。

電力変換部１１の直流側であるＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサ６が設けられる。ＤＣリンクコンデンサ６は、インバータ装置２が交流電力を生成するために用いられる直流電力を蓄積する機能及びコンバータ装置１の電力変換部１１の直流出力の脈動分を抑える機能を有する。ＤＣリンクコンデンサ６の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。なお、図１では、一例として、ＤＣリンクコンデンサ６をコンバータ装置１内に設けたが、コンバータ装置１の外部に設けてもよい。

入力電圧検出部１４は、コンバータ装置１の電力変換部１１に対する入力電圧の値を検出する。図１に示すような交流電源３が三相交流電源である場合の入力電圧検出部１４による入力電圧検出方法としては、例えば、電力変換部１１の交流側の三相座標上の交流電圧の電圧波高値を交流電圧値とする方法などがある。入力電圧検出部１４により検出された入力電圧の値は、制御部１６に送られて電力変換部１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作の制御に用いられる。なお、図１では、一例として、入力電圧検出部１４をコンバータ装置１内に設けたが、コンバータ装置１の外部に設けてもよい。

コンデンサ電圧検出部１５は、ＤＣリンクコンデンサ６の正負両極端子間に印加される電圧であるＤＣリンク電圧を検出する。すなわち、ＤＣリンク電圧は、ＤＣリンクの正電位と負電位との間の電位差である。コンデンサ電圧検出部１５により検出されたＤＣリンク電圧の値は、制御部１６に送られて電力変換部１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作の制御に用いられる。なお、図１では、一例として、コンデンサ電圧検出部１５をコンバータ装置１内に設けたが、コンバータ装置１の外部に設けてもよい。

制御部１６は、入力電圧検出部１４により検出された入力電圧の値及びコンデンサ電圧検出部１５により検出されたＤＣリンク電圧の値に基づいて、電力変換部１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。

コンバータ装置１内の層間短絡検出部１３及び制御部１６は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。例えば、層間短絡検出部１３及び制御部１６をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、層間短絡検出部１３及び制御部１６の機能を実現することができる。またあるいは、層間短絡検出部１３及び制御部１６を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。またあるいは、層間短絡検出部１３及び制御部１６を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ記録媒体として実現してもよい。また、層間短絡検出部１３及び制御部１６は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよく、ロボットを制御するロボットコントローラ内に設けられてもよい。

コンバータ装置１内の回生電流検出部１２、入力電圧検出部１４、及びコンデンサ電圧検出部１５は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。回生電流検出部１２、入力電圧検出部１４、及びコンデンサ電圧検出部１５については、モータ駆動装置１００に一般的に設けられるものを流用してもよい。

コンバータ装置１内の回生電流検出部１２、層間短絡検出部１３、入力電圧検出部１４、コンデンサ電圧検出部１５、及び制御部１６を構成し得る演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。

コンバータ装置１の直流側には、インバータ装置２が接続される。

インバータ装置２は、半導体スイッチング素子及びこれに逆並列に接続された整流素子のフルブリッジ回路からなり、ＰＷＭスイッチング制御方式に従い制御される。半導体スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがある。整流素子の例としては、ダイオードがある。図１に示す例では、モータ４を三相交流モータとしたので、インバータ装置２は三相フルブリッジ回路で構成される。モータ４が単相交流モータである場合は、インバータ装置２は単相ブリッジ回路で構成される。

インバータ装置２は、上位制御装置（図示せず）の指令に基づき内部の半導体スイッチング素子のオンオフ動作がＰＷＭ制御されることで、ＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換して交流側のモータ４へ供給するとともに、モータ４の減速により回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ戻す。モータ４は、インバータ装置２から供給される交流電力に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。インバータ装置２を制御する上位制御装置は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよい。インバータ装置２を制御する上位制御装置を構成し得る演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。

続いて、本開示の一実施形態によるコンバータ装置１内の層間短絡検出部１３について、より詳細に説明する。

電源回生機能を有するコンバータ装置１は、整流動作と回生動作とを選択的に実行する。図６は、コンバータ装置による電源回生を説明する図であって、（Ａ）はモータ減速時のエネルギーの流れを示し、（Ｂ）は回生動作開始時のエネルギーの流れを示す。図７は、コンバータ装置による電源回生に伴うＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示する図であって、（Ａ）は電源インピーダンスが低い場合におけるＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示し、（Ｂ）は電源インピーダンスが高い場合におけるＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示する。

まず、図６及び図７（Ａ）を参照して、コンバータ装置１による整流動作から回生動作への切替えに伴うＤＣリンク電圧及び回生電流の波形の変化について説明する。

入力電圧検出部１４により検出される入力電圧波高値及びコンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧の値は、所定の周期で制御部１６に送られる。例えば図７（Ａ）において、時刻０からｔ₀においてモータ４を加速または定速にて動作させている場合、コンバータ装置１内の電力変換部１１は整流動作を行い、交流電源３から供給された交流電力を整流素子により直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、インバータ装置２はＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換してモータ４へ供給する。このとき、コンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は、入力電圧検出部１４により検出される入力電圧波高値とほぼ一致している。また、回生電流検出部１２により検出される回生電流はゼロ（０）である。

時刻ｔ₀でモータ４を減速させると、モータ４の回転エネルギーは電気エネルギーに変換される。図６（Ａ）に示すように、モータ４で発生した電気エネルギーである交流電力はインバータ装置２により直流電力に変換されてＤＣリンクコンデンサ６に蓄積される。その結果、コンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は徐々に上昇し、ＤＣリンク電圧と入力電圧波高値との間に電位差が生じる。

時刻ｔ₁でコンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧が、予め規定された電源回生開始電圧に到達すると、これを受けて制御部１６は、電力変換部１１に対し回生動作を実行するよう指令する。電力変換部１１は、ＤＣリンクの直流電力を半導体スイッチング素子のオンオフ動作により交流電力に変換して交流側へ出力する。これにより、図６（Ｂ）に示すように、ＤＣリンクコンデンサ６に蓄積されていた電気エネルギーがコンバータ装置１を介して交流電源３へ回生される。その結果、時刻ｔ₁を境にコンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は徐々に低下する。また、回生電流検出部１２により検出される回生電流は、時刻ｔ₁からしばらくは徐々に上昇し、あるピーク値を経て、低下に転じる。時刻ｔ_2A以降はＤＣリンク電圧は入力電圧波高値とは一定の電位差を維持したまま安定した値となる。なお、図７（Ａ）では図示していないが、その後、モータ４を加速または定速にて動作させると、制御部１６の制御によりコンバータ装置１内の電力変換部１１は整流動作を行い、ＤＣリンク電圧は入力電圧波高値とほぼ一致し、回生電流はゼロ（０）となる。

このように、制御部１６によるコンバータ装置１の整流動作から回生動作への切替え制御は、コンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧が、予め規定された電源回生開始電圧に達したときに行われる。一般に、回生動作開始の誤動作を防ぐため、電源回生開始電圧と入力電圧波高値との差Ｖ_regは数十ボルト程度（例えば入力電圧波高値のおよそ数十パーセント程度）に設定されることが多い。このため、回生動作開始（時刻ｔ₁）直後は、ＤＣリンク電圧と入力電圧波高値との電位差が大きいため、回生電流のピーク値は高くなる。

コンバータ装置１側から交流電源３側を見たときの電源インピーダンスは、コンバータ装置１と交流電源３との間に設けられたリアクトル５のインダクタンス成分Ｌとコンバータ装置１と交流電源３との間の電力線などの抵抗分Ｒとからなる。コンバータ装置１による電源回生時に発生する回生電流の単位時間当たりの変化量は、電源インピーダンスに依存する。

図７（Ｂ）は、上述した図７（Ａ）よりも電源インピーダンスが高い場合におけるＤＣリンク電圧及び回生電流の波形を例示している。図７（Ｂ）に示すように、時刻０からｔ₀においてモータ４を加速または定速にて動作させている場合、コンバータ装置１内の電力変換部１１は整流動作を行う。このとき、コンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は、入力電圧検出部１４により検出される入力電圧波高値とほぼ一致している。また、回生電流検出部１２により検出される回生電流はゼロ（０）である。時刻ｔ₀でモータ４を減速させると、モータ４が減速するとモータ４の回転エネルギーは電気エネルギーに変換され、インバータ装置２により直流電力に変換されてＤＣリンクコンデンサ６に蓄積される。その結果、コンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は徐々に上昇し、ＤＣリンク電圧と入力電圧波高値との間に電位差が生じる。時刻ｔ₁でコンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧が、予め規定された電源回生開始電圧に到達すると、制御部１６による制御により、電力変換部１１は回生動作を開始する。時刻ｔ₁を境にコンデンサ電圧検出部１５により検出されるＤＣリンク電圧は徐々に低下する。また、回生電流検出部１２により検出される回生電流は、時刻ｔ₁からしばらくは徐々に上昇し、その後、低下に転じる。時刻ｔ_2B以降はＤＣリンク電圧は入力電圧波高値とは一定の電位差を維持したまま安定した値となる。図７（Ｂ）における電源インピーダンスは、上述した図７（Ａ）の場合よりも高いので、図７（Ｂ）におけるＤＣリンク電圧の低下の割合は、図７（Ａ）の場合よりも小さくなる。この結果、図７（Ｂ）に示した電源インピーダンスが高い場合における回生動作開始（時刻ｔ₁）直後の回生電流の単位時間当たりの変化量は、図７（Ａ）に示した電源インピーダンスが低い場合における回生動作開始（時刻ｔ₁）直後の回生電流の単位時間当たりの変化量よりも、小さくなる。なお、図７（Ｂ）では図示していないが、その後、モータ４を加速または定速にて動作させると、制御部１６の制御によりコンバータ装置１内の電力変換部１１は整流動作を行い、ＤＣリンク電圧は入力電圧波高値とほぼ一致し、回生電流はゼロとなる。

このように、電源インピーダンスが大きいほど回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量は小さくなり、逆に、電源インピーダンスが小さいほど回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量は大きくなる。

コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトル５に層間短絡が発生するとリアクトル５のインダクタンスＬが低下するので、層間短絡時における電源インピーダンスは、層間短絡のない正常時における電源インピーダンスに比べ、小さくなる。この結果、リアクトル５に層間短絡が発生した場合における回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量は、リアクトル５が正常である場合における回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量よりも、大きくなる。そこで、本開示の一実施形態によるコンバータ装置１では、ある回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量を「前回分の変化量」として記憶しておき、この「前回分の変化量」とその次に実行された回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量である「今回分の変化量」との比較結果に基づいて、リアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定する。「今回分の変化量」が「前回分の変化量」よりも大きくなった場合は、リアクトル５に層間短絡が発生したと判定する。

回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量に基づいてリアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定するために、コンバータ装置１内の層間短絡検出部１３は、図１に示すように、計算部２１と、変化量記憶部２２と、判定部２３と、閾値記憶部２４とを有する。また、層間短絡検出部１３は、計算部２１、変化量記憶部２２、判定部２３、及び閾値記憶部２４の各動作を統括して制御するための統括制御部（図示せず）を有する。計算部２１、判定部２３及び統括制御部は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。変化量記憶部２２及び閾値記憶部２４は、例えばＥＥＰＲＯＭ（登録商標）などのような電気的に消去・記録可能な不揮発性メモリ、または、例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどのような高速で読み書きのできるランダムアクセスメモリなどで構成される。

計算部２１は、コンバータ装置１内の電力変換部１１の回生動作ごとに、回生電流検出部１２により検出された回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量を計算する。上述のように、回生電流は、回生動作開始後からしばらくは徐々に上昇するが、あるピーク値を経てた後は、低下に転じる。計算部２１は、回生動作開始後の上昇中の、すなわちピーク値に到達する前の回生電流の変化量を計算する。よって、計算部２１は、回生動作開始直後のできるだけ早い段階で回生電流の単位時間当たりの変化量を計算するのが好ましい。一例を挙げると、回生動作開始直後からごく短時間の間に回生電流検出部１２により検出（サンプリング）された回生電流の変化量を、当該サンプリングに要した期間で除算することで、単位時間当たりの変化量を算出することができる。計算部２１により算出された回生電流の単位時間当たりの変化量に関するデータは、変化量記憶部２２及び判定部２３へ送られる。

変化量記憶部２２は、計算部２１により計算された変化量を記憶する。

判定部２３は、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶されていた回生電流の単位時間当たりの変化量とに基づいて、リアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定する。より詳しくは、判定部２３は、計算部２１により計算された「今回の」回生電流の単位時間当たりの変化量が、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶されていた「前回の」回生電流の単位時間当たりの変化量よりも大きい場合、リアクトル５に層間短絡が発生したと判定する。

図８は、コンバータ装置による電源回生直後の回生変流の変化量を例示する図である。図８では、例えば時刻ｔ₁で回生動作が開始されたときにおいて、ある回生動作において回生電流検出部１２により検出された回生電流を「今回の回生電流」として実線で示し、当該回生動作よりも１回前の回生動作において回生電流検出部１２により検出された回生電流を「前回の回生電流」として破線で示している。判定部２３は、計算部２１により計算された今回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nが、変化量記憶部２２に記憶された前回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1よりも大きい場合、リアクトル５に層間短絡が発生したと判定する。ここで、Ｎは正の整数とする。つまり、今回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nが前回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1よりも大きいと判断された時点の段階で少なくともリアクトル５には層間短絡が発生していたということである。

このように、本開示の一実施形態によれば、層間短絡検出部１３内の判定部２３は、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶されていた回生電流の単位時間当たりの変化量との比較結果に基づいて、リアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定する。ある回生動作時において判定部２３が判定処理を実行する際には、当該回生動作よりも１回前の回生時における回生電流の単位時間当たりの変化量が、変化量記憶部２２に既に記憶されている必要がある。そこで、モータ駆動装置１００の電源投入後、コンバータ装置１内の電力変換部１１により最初に実行された回生動作に関しては、判定部２３による判定処理は実行せず、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量については、変化量記憶部２２に記憶するのみとする。判定部２３は、最初に実行された回生動作以降の回生動作において、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶された回生電流の単位時間当たりの変化量とに基づいて、リアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定する。

なお、回生電流検出部１２の検出誤差や回生電流の脈動などに起因して、実際はリアクトル５に層間短絡が発生していないにもかかわらず今回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nが前回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1よりも大きな値となってしまう可能性がある。リアクトル５に層間短絡が発生したと判定されるときの条件を、単純に「今回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nが前回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1よりも大きい場合」に設定すると、回生電流検出部１２の検出誤差や回生電流の脈動などに起因して今回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nが前回の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1よりもほんの少しだけ大きな値になってしまう場合がある。この場合、判定部２３は層間短絡が発生したと誤判定してしまう。

そこで、このような誤判定を防ぐために、本開示の一実施形態では、判定部２３は、「計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N」から「当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作において計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1」を減算して得られる差ΔＩ_N－ΔＩ_N-1と、予め規定された閾値Ｉ_thとを比較し、この比較結果に基づいて、リアクトル５に層間短絡が発生したか否かを判定する。より詳しくは、判定部２３は、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nと、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作において計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_N-1と、の差ΔＩ_N－ΔＩ_N-1が、予め規定された閾値Ｉ_thよりも大きい場合、リアクトル５に層間短絡が発生したと判定する。

判定部２３による判定処理に用いられる閾値Ｉ_thは、閾値記憶部２４に記憶される。閾値Ｉ_thは、例えば、回生電流検出部１２が有する公差と回生電流の脈動分との和よりも大きい値に設定するのが好ましい。例えば、実験もしくは実際の運用によりコンバータ装置１を動作させたり、またはコンピュータによるシミュレーションにより、回生電流検出部１２が有する公差及び回生電流の脈動分をある程度把握したうえで、閾値Ｉ_thを設定すればよい。また、閾値記憶部２４を、外部機器によって書き換え可能なメモリで実現すれば、閾値Ｉ_thを一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。

本開示の一実施形態によるコンバータ装置１は、上述の構成を備えることによって、コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトル５の層間短絡を、検出漏れなく、正確かつ迅速に検出することができる。

本開示の一実施形態によるコンバータ装置１において、層間短絡検出部１３は、電力変換部１１の回生動作ごとに、各処理を実行する。コンバータ装置１の一連の動作を説明すると次の通りである。

図９は、本開示の一実施形態によるコンバータ装置の動作フローを示すフローチャートである。

判定部２３がコンバータ装置１内の電力変換部１１の回生動作の回数を把握するために、判定部２３の例えば動作プログラム中に、回生動作の回数を表すパラメータＮを設定する。

ステップＳ１０１において、判定部２３は、初期設定として、回生動作の回数Ｎをゼロ（０）に設定する。回生動作の回数Ｎのゼロの設定は、モータ駆動装置１００の電源投入時またはコンバータ装置１の電源投入時に自動的に行われてもよく、作業者のコンバータ装置１への入力装置を用いたリセット操作によって行われてもよい。

ステップＳ１０２において、判定部２３または統括制御部（図示せず）は、コンバータ装置１内の電力変換部１１が回生動作を開始したか否かを判定する。例えば、コンデンサ電圧検出部１５により検出されたＤＣリンク電圧が電源回生開始電圧に到達した場合、電力変換部１１が回生動作を開始したと判定される。また例えば、コンデンサ電圧検出部１５により検出されたＤＣリンク電圧と入力電圧検出部１４により検出された入力電圧波高値との差が、電源回生開始電圧と入力電圧波高値との差で規定される回生開始閾値に達した場合、電力変換部１１が回生動作を開始したと判定される。ステップＳ１０２において電力変換部１１が回生動作を開始したと判定された場合はステップＳ１０３へ進み、そうではない場合はステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０３において、判定部２３は、回生動作の回数Ｎを１つインクリメントする。

ステップＳ１０４において、回生電流検出部１２は、ＤＣリンクから電力変換部１１へ流れ込む回生電流を検出する。

ステップＳ１０５において、計算部２１は、回生電流検出部１２により検出された回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nを計算する。

ステップＳ１０６において、判定部２３は、回生動作の回数Ｎが１であるか否かを判定する。

ステップＳ１０６において回生動作の回数Ｎが１であると判定された場合は、ステップＳ１０９において、変化量記憶部２２は、回生電流検出部１２により検出された回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nを記憶し、次いでステップＳ１１０の電力変換部１１の回生動作終了を経てステップＳ１０２へ戻る。すなわちこの場合は、コンバータ装置１内の電力変換部１１により最初に実行された回生動作であることから、判定部２３による判定処理は実行せず、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nについては、変化量記憶部２２に記憶されるのみとなる。

ステップＳ１０６において回生動作の回数Ｎが１であると判定されなかった場合は、ステップＳ１０７において、判定部２３は、計算部２１により計算された変化量ΔＩ_Nと、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作において計算部２１により計算されて変化量記憶部２２に記憶された変化量ΔＩ_N-1と、の差ΔＩ_N－ΔＩ_N-1が、予め規定された閾値Ｉ_thよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ１０７において差ΔＩ_N－ΔＩ_N-1が閾値Ｉ_thよりも大きいと判定された場合はステップＳ１０８へ進み、そうでない場合はステップＳ１０９へ進む。ステップＳ１０９において、変化量記憶部２２は、回生電流検出部１２により検出された回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nを記憶し、次いでステップＳ１１０の電力変換部１１の回生動作終了を経てステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０８において、判定部２３は、リアクトル５に層間短絡が発生したと判定する。判定部２３による判定結果を、例えば表示部に表示させてもよい。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、コンバータ装置１に付属のディスプレイ装置、モータ駆動装置１００に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、判定部２３による判定結果を、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて出力させてもよい。これにより、作業者は、コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトル５に層間短絡が発生したことを迅速かつ確実に把握することができる。よって、作業者は、例えばリアクトル５の交換または修理といった対応をとること容易となる。

以上説明したように、本開示の一実施形態によるコンバータ装置１では、コンバータ装置１内の電力変換部１１により最初に実行された回生動作に関しては、ステップＳ１０１～Ｓ１０６、Ｓ１０９及びＳ１１０の処理を経るので、判定部２３による判定処理は実行せず、計算部２１により計算された回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ₁については、変化量記憶部２２に記憶されるのみである。最初の回生動作の実行後は、ステップＳ１０２～Ｓ１０７の処理を経て、Ｓ１０８の処理またはＳ１０９及びＳ１１０の処理のいずれかが実行される。例えば、交流電源３やリアクトル５が交換されると電源インピーダンスが変化するので、当該交換の前後において、コンバータ装置１内の電力変換部１１により最初に実行された回生動作に関する回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ₁は変化する。本開示の一実施形態によれば、上述のように一連の処理が実行されるので、交流電源３やリアクトル５が交換されて電源インピーダンスが変化しても、コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトル５の層間短絡を正確かつ迅速に検出することができる。

また、交流電源３やリアクトル５が交換されて電源インピーダンスが変更されたことを、作業者による入力操作にてコンバータ装置１に認識させるようにしてもよい。図１０は、本開示の一実施形態の変形例によるコンバータ装置の動作フローを示すフローチャートである。

図１０において、ステップＳ１０１～Ｓ１０５、Ｓ１０７～Ｓ１１０は、図９を参照して説明した通りである。ステップＳ１０５において計算部２１が回生動作開始直後の回生電流の単位時間当たりの変化量ΔＩ_Nを計算した後、ステップＳ１１１において、判定部２３は、電源インピーダンスが変更されたか否かを判定する。例えば、作業者がコンバータ装置１に「電源インピーダンスの変更」を示す所定の入力操作をしたとき、電源変更フラグを立ててもよい。また例えば、コンバータ装置１の制御電源（図示せず）がオフされたとき一律に、「電源インピーダンスの変更」があったとして電源変更フラグを立ててもよい。判定部２３は、電源変更フラグが立っていることを認識した場合、電源インピーダンスが変更されたと判定してステップＳ１０９へ進む。判定部２３は、電源変更フラグが立っていないことを認識した場合は、電源インピーダンスが変更されていないと判定してステップＳ１０７へ進む。本開示の一実施形態の変形例によっても、交流電源３やリアクトル５が交換されて電源インピーダンスが変化しても、コンバータ装置１の交流側に設けられたリアクトル５の層間短絡を正確かつ迅速に検出することができる。

なお、交流電源３やリアクトル５が交換されて電源インピーダンスが変化すると、当該交換後の判定部２３による判定処理に用いられる閾値Ｉ_thについても変更したほうが好ましいことがある。図９に示した実施形態及び図１０に示した変形例のいずれにおいても、閾値記憶部２４を、外部機器によって書き換え可能なメモリで実現することで、交流電源３やリアクトル５の交換後の使用環境に応じた閾値Ｉ_thに変更することも可能である。これにより、交流電源３やリアクトル５の交換後においても、リアクトル５の層間短絡の正確かつ迅速な検出をより確実に維持することができる。

１コンバータ装置
２インバータ装置
３交流電源
４モータ
５リアクトル
６ＤＣリンクコンデンサ
１１電力変換部
１２回生電流検出部
１３層間短絡検出部
１４入力電圧検出部
１５コンデンサ電圧検出部
１６制御部
２１計算部
２２変化量記憶部
２３判定部
２４閾値記憶部
１００モータ駆動装置

Claims

電源回生機能を有するコンバータ装置であって、
交流側から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力する整流動作と、前記直流側の直流電力を交流電力に変換して前記交流側へ出力する回生動作と、を選択的に実行する電力変換部と、
回生動作時に前記直流側から前記電力変換部へ流れ込む回生電流を検出する回生電流検出部と、
前記回生電流の単位時間当たりの変化量に基づいて、前記電力変換部の前記交流側と交流電源との間に設けられたリアクトルの層間短絡を検出する層間短絡検出部と、
を備える、コンバータ装置。
前記層間短絡検出部は、
回生動作ごとに、前記回生電流検出部により検出された前記回生電流の単位時間当たりの変化量を計算する計算部と、
前記計算部により計算された変化量を記憶する変化量記憶部と、
前記計算部により計算された変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して前記計算部により計算され前記変化量記憶部に記憶された変化量とに基づいて、前記リアクトルに層間短絡が発生したか否かを判定する判定部と、
を有する、請求項１に記載のコンバータ装置。
前記判定部は、前記計算部により計算された変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作において前記計算部により計算され前記変化量記憶部に記憶された変化量と、の差が、予め規定された閾値よりも大きい場合、前記リアクトルに層間短絡が発生したと判定する、請求項２に記載のコンバータ装置。
前記層間短絡検出部は、前記閾値を記憶する閾値記憶部を備える、請求項３に記載のコンバータ装置。
前記電力変換部により最初に実行された回生動作に関して前記計算部により計算された変化量は、前記変化量記憶部に記憶され、
前記判定部は、前記最初に実行された回生動作以降の回生動作において、前記計算部により計算された変化量と、当該変化量が計算されたときの回生動作よりも１回前の回生動作に関して前記計算部により計算され前記変化量記憶部に記憶された変化量とに基づいて、前記リアクトルに層間短絡が発生したか否かを判定する、請求項２～４のいずれか一項に記載のコンバータ装置。