WO2018163922A1 - 電力変換装置および地絡箇所判定方法 - Google Patents

電力変換装置および地絡箇所判定方法 Download PDF

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WO2018163922A1
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景山　寛
内野　禎敬
佐々木　康
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株式会社日立産機システム
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter and a ground fault location determination method using the same.
  • FIG. 29 shows a conventional power converter, a motor, and a cable connecting them.
  • the conventional power converter 581 includes a converter forward converter circuit 582, a capacitor 583, and an inverse converter circuit 584 for inputting AC power and supplying power to the motor.
  • the forward converter circuit 582 includes six diodes, and converts AC power input from the input terminals R, S, and T into DC power.
  • the capacitor 583 is connected to the DC voltage wiring inside the converter and smoothes the voltage between the wirings.
  • the inverse converter circuit 584 converts the DC power into AC power for driving the motor, and outputs it to the output terminals U, V, and W.
  • the inverse converter circuit 584 includes switches 585a to 585f formed of a semiconductor, and two switches are paired to form a half bridge circuit, and six switches form a three-phase bridge circuit of U, V, and W. Is configured. The switching elements for one phase are switched on alternately so as not to be turned on simultaneously. The outputs U, V, W of each phase are connected to the motor 587 using three cables 586.
  • the conventional power converter 581 controls the power supplied to the motor by PWM control that changes the time to turn on each switch based on the current information observed by the current sensors 588u and 588w or the current sensor 588n.
  • a short circuit occurs inside the motor 587 or the cable 586 due to some reason such as deterioration of the insulation coating or physical damage, it is installed between the current sensor 588n or the emitter-collector of each switch to monitor the collector voltage.
  • the overcurrent is detected by an overcurrent detection circuit (not shown) that detects the overcurrent.
  • the conversion operation is stopped by turning off all switch elements, and the switch elements are prevented from being destroyed by thermal energy generated by a large current.
  • Patent Document 1 introduces a method of estimating an abnormality by turning on two switch elements for a short time and observing the current gradient after the occurrence of a short circuit. In this case, since the slope of the current is determined by the inductance of the short-circuit path, it is possible to estimate the short-circuit location based on the inductance.
  • a power conversion device of the present invention is a power conversion device that includes a plurality of switch elements formed of a semiconductor and drives a three-phase motor connected by a three-phase cable by on / off control thereof.
  • a forward converter circuit that converts AC power into DC power
  • an inverse converter circuit that includes three half-bridge circuits that control current supplied to the motor, and a plurality of switch elements that form the half-bridge circuit.
  • Current measuring means, and information output means for notifying the outside of the apparatus to the outside, and when investigating the ground fault location generated by the cable or the motor The circuit reduces the DC voltage supplied to the inverter circuit to a voltage lower than the DC voltage when the motor is driven, and short-circuits by turning on the switching elements of the upper arm and the lower arm of each phase.
  • a current for investigation is generated in the cable, a reciprocal inductance value of the cable is calculated based on a time during which both of the switch elements are turned on and a current measurement value of the current measuring means, and a short circuit is obtained from the reciprocal inductance value.
  • the location is determined, and the information output means notifies the determination result of the short-circuit location to the outside.
  • the power converter of the present invention can determine whether a short circuit has occurred in either the cable or the motor connected to the power converter using a low-speed current sensor. Furthermore, using a low-speed current sensor, it is possible to identify the inter-phase short-circuit portion on the cable with high resolution.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a determination method used in a short circuit location determination unit 123 in a control circuit 105.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a display device 108.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a transmitter 109.
  • FIG. It is a block diagram of the switch drive circuit by another protection circuit system. It is a block diagram of the 2nd Example of the power converter device of this invention. It is a 1st flowchart of the short-circuit location determination in the 2nd Example of this invention. It is the figure which showed the change of the DC voltage in the short circuit location determination flow of FIG. It is a 2nd flowchart of the short-circuit location determination in the 2nd Example of this invention. It is the figure which showed the change of the DC voltage in the short circuit location determination flow of FIG.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a first embodiment of the power converter of the present invention.
  • the power conversion device 101 includes a forward converter circuit 102, a capacitor 103, and an inverse converter circuit 104 for inputting AC power and supplying power to the motor.
  • the power conversion device 101 includes a control circuit 105 for controlling the power conversion device 101, an input device 106 for manually inputting information to the control circuit 105, and a receiver 107 for receiving information from an external system. And a display 108 for displaying output information from the control circuit 105, and a transmitter 109 for transmitting information to an external system.
  • the forward converter circuit 102 is composed of six diodes, converts the AC power sent from the input terminals R, S, and T through the power supply wiring PL to DC power, and converts it to the DC power supply wiring indicated by the nodes P and N. Output.
  • the rectifying action of the diode of the forward converter circuit 102 generates a DC voltage having a positive voltage on the DC voltage wiring on the node P side and a negative voltage on the DC voltage wiring on the node N side.
  • the capacitor 103 is connected to the DC voltage wiring at the nodes P and N, and functions to keep (smooth) the voltage between the wirings constant even when a sudden current change occurs.
  • the inverse converter circuit 104 converts the DC power into AC power for driving the motor, and outputs the AC power to the output terminals U, V, and W.
  • a power switch SW_PW is installed between the input terminals R, S, T and the forward converter circuit 102 to perform ON / OFF control of AC power input.
  • a resistor R1 and a bypass switch SW_BP are connected in parallel.
  • the resistor R1 is a resistor for limiting the inrush current to the capacitor 103 generated when the power is turned on, and the switch SW_BP is turned on after the inrush current is established to bypass the current.
  • a resistor R2 and a discharge switch SW_DC are connected in series in parallel with the smoothing capacitor 103.
  • the above switches SW_PW, SW_BP, and SW_DC can be configured using a transistor formed of a semiconductor or an electromagnetic relay.
  • the inverse converter circuit 104 is composed of three half-bridge circuits of U phase, V phase, and W phase.
  • the U-phase half bridge circuit includes an upper arm in which a switch SWu and a diode DIu are connected in antiparallel, and a lower arm in which a switch SWx and a diode DIx are connected in antiparallel.
  • the V-phase half-bridge circuit includes a switch SWv and a diode DIv, a switch SWy and a diode DIy
  • the W-phase half-bridge circuit includes a switch SWw and a diode DIw, and a switch SWz and a diode DIz.
  • IGBTs are used as switches in FIG. 1, they may be configured with MOSFETs.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • All the switches SWu, SWv, SWw, SWx, SWy, SWz are connected to switch drive circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, SDz, respectively, and each switch drive circuit has an emitter, a gate, Connected to each electrode of the collector.
  • the emitter, gate, and collector are IGBT electrode names, and in the case of MOSFET, they correspond to the source, gate, and drain electrode names.
  • All switch drive circuits have a gate driver circuit that switches the switch ON and OFF by controlling the gate voltage of the switch, and detects that an overcurrent has flowed through the switch and shuts off the switch at high speed (turns OFF) Built-in overcurrent protection circuit.
  • Each switch drive circuit has a communication means with the control circuit 105, and the communication means transmits a switch ON / OFF control signal from the control circuit 105 to the switch drive circuit, and the switch drive circuit transmits a signal to the control circuit 105. Used to transmit current detection signal.
  • the power converter 101 includes two current sensors 110u and 110w that measure the output current value of each phase between the inverse converter circuit 104 and the output terminals U and W, and current measurement for measuring these measured values.
  • a circuit 111 is provided.
  • the current sensors 110u and 110w measure current values output from the output terminals U and W, and transmit them to the current measurement circuit 111 as analog voltages or currents.
  • the current measurement circuit 111 samples the analog information, converts it into digital data, and transmits it to the control circuit 105 as measured current values Iu and Iw.
  • the power conversion device 101 includes a voltage measurement circuit 112 that measures a voltage between nodes P and N of the DC voltage wiring, that is, between both electrodes of the capacitor 103.
  • the voltage measuring circuit 112 measures a DC voltage between the nodes P and N, converts it to digital data, and transmits it as a DC voltage value Vdc to the control circuit 105.
  • the current measurement circuit 111 and the voltage measurement circuit 112 can be configured by a general sampling circuit and an A / D conversion circuit.
  • the control circuit 105 includes a short-circuit current control unit 121, an inductance value calculation unit 122, and a short-circuit location determination unit for determining a short-circuit occurrence location on the output side (motor cables MCu, MCv, MCw, and motor MT) of the power conversion device 101. 123, a cable information storage unit 124, and a DC voltage control unit 125.
  • the short-circuit current control unit 121 performs the inverse converter circuit based on the current value information from the current measurement circuit 111 and the overcurrent detection information from all the switch drive circuits SD in the inverse converter circuit 104 at the time of short-circuit investigation. Each switch in 104 is controlled to control the short circuit current.
  • the short-circuit current control unit 121 transmits the current value information Ical and time information Tcal obtained at the time of current control to the inductance value calculation unit 122.
  • the inductance value calculation unit 122 calculates an inductance value Lcal from Ical, Tcal, and DC voltage information Vdc, and sends the inductance value Lcal to the short circuit location determination unit 123.
  • the short circuit location determination unit 123 estimates the short circuit location based on the transmitted inductance value Lcal and the cable information held by the cable information storage unit 124 and transmits the determination result to the display unit 108 and the transmitter 109.
  • the DC voltage control unit 125 drives the switches SW_PW, SW_BP, and SW_DC based on the DC voltage information Vdc, and transmits a short circuit location investigation start trigger to the short circuit current control unit 121.
  • the control circuit 105 has a general function for PWM driving of the motor, it is not related to the operation of the present invention, so that the description thereof is omitted.
  • elements that can be configured only by a logic circuit can be realized by software using a microcomputer or programmable logic.
  • FIG. 2 shows a configuration diagram of the switch drive circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, and SDz. Since the configuration of each switch circuit is common, in FIG. 2, the letters u, v, w, x, y, z following the symbols SW, DI, SD are omitted.
  • the switch driving circuit SD includes a logic circuit 131, a gate driving amplifier 132, a gate resistor 133, a comparator 134, a capacitor 135, a capacitor charging resistor 136, a capacitor discharging switch 137, a diode 138, constant voltage sources 139 and 140, and a latch circuit 141.
  • the gate drive amplifier 132 and the gate resistor 133 are used for ON / OFF control of the switch SW to be connected.
  • the gate signal GT from the control circuit 105 is “H”
  • the gate drive amplifier 132 outputs a gate-on voltage and the switch SW is turned on.
  • the gate signal GT is “L”
  • the gate drive amplifier 132 is turned on the gate-off voltage. Is output and the switch SW is turned OFF.
  • the gate resistor 133 controls the switching speed.
  • the comparator 134, the capacitor 135, the capacitor charging resistor 136, the capacitor discharging switch 137, the diode 138, the constant voltage sources 139 and 140, and the latch circuit 141 constitute an overcurrent detection circuit.
  • This overcurrent detection circuit is a non-saturation voltage detection (Destration Detection) type circuit.
  • the constant voltage source 139 is a voltage source having an overcurrent threshold voltage VT
  • the constant voltage source 140 is a voltage source having a voltage Vcc higher than VT.
  • the overcurrent threshold VT is a value determined from the collector-emitter voltage Vce when the current flowing through the switch becomes the overcurrent threshold Iov that is determined to be an overcurrent.
  • the switch SW is OFF, the capacitor discharge switch 137 is ON, so the output of the comparator is “L”.
  • the switch SW is ON and no overcurrent is generated, the voltage Vce of the switch SW (IGBT) is sufficiently low, and the capacitor 135 is discharged through the diode 138.
  • the output of the comparator is “L”. ".
  • the comparator 134 outputs “H”.
  • the output Q of the latch circuit becomes “H”
  • the gate signal GT is invalidated by the logic circuit 131
  • the switch is forcibly cut off, and the driver circuit SD enters a state where the overcurrent protection function is activated. Further, overcurrent detection is transmitted to the control circuit 105 as an overcurrent detection signal DET.
  • the overcurrent protection function is released by inputting a reset signal from the control circuit 105 to the RES and resetting the latch circuit 141.
  • the switch drive circuit shown in FIG. 2 functions as a gate driver circuit with an overcurrent protection function, and can transmit overcurrent detection to the control circuit 105 immediately after overcurrent detection due to a short circuit.
  • the capacitor charging resistor 136 is installed to prevent malfunction due to noise and causes a delay in overcurrent detection time. If this delay time cannot be ignored, it can be corrected by subtracting the delay time in an overcurrent detection time measurement operation described later.
  • FIG. 3 shows the relationship between the path of the short-circuit current that flows in order to investigate the location where the interphase short-circuit occurs in the present invention and the state of the switch.
  • FIG. 3A shows the short-circuit current path and switch state when increasing the short-circuit current
  • FIG. 3B when maintaining the short-circuit current
  • FIG. 3C showing when the short-circuit current is decreasing.
  • FIG. 3 shows an example in which a short circuit has occurred between the motor cables MCu and MCv, that is, between the U and V phases.
  • the upper and lower arms of the two phases in which the inter-phase short-circuit occurs are turned on one by one, and the DC voltage Vdc applied to both electrodes of the capacitor 103 Is used as an electromotive force, and a current is caused to flow through the broken line through the broken line.
  • the current I at this time is expressed by Equation 1 and increases in proportion to time t.
  • Equation 1 Vdc ⁇ t / Lsc (Equation 1)
  • t is the time after both switches SWu and SWy are turned on
  • Lsc is the inductance of the motor cable from the power converter 101 to the short-circuited portion. Note that the inductance of the current path in the power converter is ignored.
  • Lsc Vdc ⁇ (I / t) (Equation 2) Therefore, the inductance Lsc can be calculated by obtaining (I / t) after continuing the state of FIG. 3A until the current I and time t increase to measurable values.
  • the cable length Len_sc to the short circuit location can be estimated from the value of the inductance Lsc by separately investigating the conversion factor. it can.
  • the switches SWu and SWy are turned on.
  • the above-described inductance Lsc calculation is performed only in the reverse direction of the motor cable current. I can do it.
  • Ib Ib ⁇ Vf ⁇ tb / Lsc (Equation 3)
  • Ib is a current value when the switch SWy is turned off
  • Vf is a forward voltage drop of the freewheeling diode DIv
  • tb is a time after the switch SWy is turned off.
  • Vf is about 1 to 3 orders of magnitude smaller than Vdc, so that the current decrease rate in FIG. 3B is about 1 to 3 orders of magnitude slower than the current increase rate in FIG. Therefore, under conditions where Lsc is relatively large, the current can be considered to be almost constant. Therefore, the current value at the moment when the switch SWy is turned off is turned off and then measured with a current sensor with a relatively slow measurement speed. Can do.
  • SWy is turned off in FIG. 3B, the same current can be continued even when the switch SWu is turned off instead.
  • I Ic ⁇ Vdc ⁇ tc / Lsc (Equation 4)
  • Iu1 is a current value when all the switches are turned off
  • tc is a time after all the switches are turned off.
  • FIG. 4 shows operation waveforms of the switch drive circuits SDu and SDy for generating the short-circuit current shown in FIG. 4A and 4B show waveforms when investigating the short-circuit current between the U and V phases.
  • FIG. 4 (A) shows an operation waveform when the reciprocal inductance Lsc to the short-circuited portion is relatively large.
  • the control circuit 105 supplies pulses to the GT signals of the driver circuits SDu and SDy so that both are turned ON simultaneously for the period Tp. Thereby, the switches SWu and SWy are turned on according to the GT signal.
  • a short-circuit current flows through the path shown in FIG.
  • a short-circuit current flows through the path shown in FIG.
  • the short-circuit current shown in FIG. 3C flows during a period C in which all the subsequent switches are turned OFF.
  • the increase and decrease of the current value is relatively small in the period B. Therefore, when the current is measured at the time Ts near the start of the period B, the current sensor is measured with a relatively slow measurement speed. be able to. Then, by substituting the time Tp for t in the equation (Equation 1) and the current value Imes measured by the current measuring circuit 111 for I, the reciprocal inductance Lsc to the short-circuit location can be obtained.
  • the current value Imes is obtained by reading the measured value Iu of the current sensor 110u in the case of a short circuit between the U and V phases, and by reading the measured value Iw of the current sensor 110w in the case of a short circuit between the V and W phases. In the case of a short circuit between the U phases, it can be obtained by reading the measured value of either Iu or Iw.
  • the current value Imes may be read by selecting the larger of the measured values Iu and Iw, Max (Iu, Iw). Since the current value Imes described below is similarly read from the current sensor, the description thereof is omitted.
  • FIG. 4B shows an operation waveform when the reciprocal inductance Lsc to the short-circuited portion is relatively small.
  • the control circuit 105 supplies pulses to the GT signals of the driver circuits SDu and SDy so that both of them are turned ON simultaneously for the period Tp (FIG. 4A and FIG. B) The scale of the time axis is different).
  • the overcurrent protection circuit in the driver circuits SDu and SDy is activated, and both the switches SWu and SWy are activated regardless of the GT signal. Or one of them is turned OFF (FIG. 4B shows a case where both are turned OFF).
  • FIG. 5 shows a flowchart for determining a short-circuit location in the first embodiment of the present invention.
  • the flow of FIG. 5 is started by an overcurrent detection signal by a protection circuit accompanying the occurrence of a short circuit and a trigger from the input device 106 or the receiver 107.
  • the control circuit 105 implements a motor stop measure (S101). Specifically, the power supply to the motor is stopped by turning off all the switches of the forward converter circuit 102 and waits until the current values of all phases measured by the current measurement circuit 111 become zero. .
  • the control circuit 105 controls the switches SW_PW and SW_DC to reduce the DC voltage Vdc (S102).
  • the short-circuit current control unit 121 investigates the short-circuit state, and when the short-circuit information is successfully acquired, the current value information Ical and time information Tcal are provided to the inductance value calculation unit 122. (S103).
  • the inductance value calculation unit 122 calculates the inductance value Lcal from Ical, Tcal, and DC voltage information Vdc, and sends it to the short circuit location determination unit 123 (S104).
  • the short circuit location determination unit 123 estimates a short circuit location based on the transmitted inductance value Lcal and the cable information held by the cable information storage unit 124 (S105). The determination result is transmitted to the display unit 108 and the transmitter 109 (S106).
  • FIG. 6 shows changes in the switch state and the DC voltage (Vdc) in the short-circuit location determination flow of FIG.
  • the control circuit 105 turns on the power switch SW_PW and the bypass switch SW_BP and turns off the discharge switch SW_DC to supply power to the motor, and the DC voltage is the voltage Vdc0 generated by the forward converter circuit 102. It has become.
  • the smoothing capacitor 103 starts discharging and the DC voltage decreases.
  • the control circuit 105 turns off the discharge switch. In this state, the capacitor 103 holds that the DC voltage is Vdc1. Thereafter, a short-circuit condition investigation (S103) is performed.
  • the bypass switch SW_BP is always in the ON state during the operation of FIG.
  • FIG. 7 shows a flowchart of the short-circuit condition investigation (S103).
  • the flowchart of FIG. 7 is mainly composed of three flowcharts, which are flowcharts for investigating the short-circuit state between the U-V phase, the V-W phase, and the W-U phase.
  • the control circuit 105 waits for the current to disappear, and waits until the currents Iu and Iw measured by the current measurement circuit 111 become 0 (S111).
  • the control circuit 105 sets two switches operated to investigate the short-circuit current between the U and V phases to SWu and SWy (S112).
  • a V-W phase short-circuit investigation is performed, and if a short-circuit is detected, a numerical value “2” indicating a short-circuit between V-W phases is substituted and the process ends (S121 to S125). If no short circuit is detected, the process proceeds to a V-U phase short-circuit investigation flowchart. Similarly, a W-U phase short-circuit investigation is performed, and if a short-circuit is detected, a numerical value “3” indicating a V-W phase short-circuit is substituted and the process ends (S131 to S135). If no short circuit is detected, “0” is substituted into the variable Ph as meaning that the short circuit phase is unknown (S140).
  • FIG. 8 shows a flowchart of short-circuit current / short-circuit time measurement (S113, S123, S133).
  • the control circuit 105 outputs a command to turn on two preset switches to the corresponding switch drive circuit SD (S201).
  • the timer variable Ts is reset to 0 (S202).
  • the timer variable Ts is a variable whose value increases with time.
  • the timer variable Ts can be constituted by a counter that counts up in the control circuit 105 with an internal clock.
  • the overcurrent detection signal DET from all the switch drive circuits SD is monitored in order to cope with a short time current increase when the short-circuit current path Lsc is small ( S203 to S205).
  • the processing shifts to branch (A).
  • the timer variable Ts becomes larger than the value of the mode switching time Tmc
  • the current measurement by the current measurement circuit 111 is repeated until the timer variable Ts reaches the value of the measurement end time Tfin (S206 to S208). If the current value Imes measured by the current measurement circuit 111 during that time exceeds the measured preferred value Ipref, the process proceeds to branch (B).
  • the last measured current value Imes is compared with the short-circuit current detection lower limit ILlim (S209). If Imes ⁇ ILlim, the process proceeds to branch (C), otherwise the process proceeds to branch (D).
  • the measurement suitable value Ipref means a current value suitable for the measurement of the current sensors 110u and 110w, and is a current value that has a sufficient resolution and has a margin for the upper limit of measurement.
  • FIG. 9 shows an example of a short-circuit current waveform in the short-circuit current / short-circuit time measurement of FIG.
  • the current waveform in this case is waveform (A).
  • the short circuit current increases rapidly, and when the overcurrent threshold value Iov is reached, the current is interrupted by the overcurrent protection function of the switch drive circuit SD, and the short circuit current decreases rapidly.
  • the inductance Ls can be obtained by substituting the values of time ta and Iov into t and I in (Equation 2).
  • the process via the branch (B) in the flowchart of FIG. 8 is performed.
  • the current waveform in this case is waveform (B).
  • one of the switches is turned off at the time tb after the current value exceeds the measured preferred value IPref, the current becomes a substantially constant value, and the current value Imes and the time measured at the timing after the time tb (for example, the period Tpb).
  • the reciprocal inductance Lsc of the short-circuit current path can be obtained.
  • the process via the branch (C) is performed in the flowchart of FIG.
  • the current waveform in this case is waveform (C).
  • the current value Imes measured at the timing after the time tc for example, the period Tc
  • the value of the time tc are obtained.
  • the inductance Ls of the short-circuit path can be obtained.
  • the process through the branch (D) in the flowchart of FIG. 8 is performed.
  • the current waveform in this case is waveform (D). Since ILlim does not exceed ILlim at the measurement end time tfin, it is determined that the inductance (Lm) via the motor MC is observed, and it is determined that no short circuit has occurred between the phases being investigated.
  • the reciprocal inductance Lsc of the short-circuit path can be obtained by measuring the short-circuit current of FIG. 9 and the related time.
  • FIG. 10 shows a flowchart according to another method of short-circuit current / short-circuit time measurement (S113, S123, S133).
  • the control circuit 105 outputs a command to turn on only the switch of the upper arm among the two switches set in advance to the corresponding switch drive circuit SD (S231). Further, the minimum pulse width Ta1 as an initial value is set in the variable Tp for determining the voltage command pulse width (S232). Next, while widening the pulse width for turning on the lower arm switch, it is investigated at which pulse width the overcurrent is detected (S233 to S238).
  • the control circuit 105 waits for the current to disappear, and waits until the currents Iu and Iw measured by the current measurement circuit 111 become 0 (S233).
  • the control circuit 105 After the current becomes 0, the control circuit 105 outputs a command to turn on the lower arm for the time width of the value of the variable Tp to the corresponding switch drive circuit SD (S234). Thereafter, an overcurrent detection signal DET is input from the switch drive circuit SD, and if overcurrent is detected, the process proceeds to branch (A) (S235, S236). Otherwise, the variable Tp is increased by ⁇ Tp1 until the variable Tp exceeds the mode switching time Tmc, and the processing of S233 to S236 is repeated (S237, S238).
  • the pulse width for turning on the lower arm switch is widened, and at which pulse width the current value Imes exceeds the measured preferred value Ipref is investigated (S239 to S244). ).
  • the control circuit 105 waits for the current to disappear, and waits until the currents Iu and Iw measured by the current measurement circuit 111 become 0 (S239). After the current becomes zero, the control circuit 105 outputs a command to turn on the lower arm for the time width of the value of the variable Tp to the corresponding switch drive circuit SD (S240).
  • the current measurement circuit 111 performs current measurement (S241), and when the measured current value Imes is larger than the preferred current value Ipref, the process proceeds to branch (B) (S241, S242). Otherwise, the variable Tp is increased by ⁇ Tp2 until the variable Tp exceeds the value of the measurement end time Tfin, and the processes of S239 to S242 are repeated (S243, S244).
  • the last measured current value Imes is compared with the short-circuit current detection lower limit ILlim. If Imes ⁇ ILlim, the process proceeds to branch (C); otherwise, the process proceeds to branch (D) (S245).
  • FIG. 11 shows an example of a short-circuit current waveform in the short-circuit current / short-circuit time measurement of FIG.
  • FIG. 11A shows an example of the lower arm GT signal and the short-circuit current waveform in the overcurrent detection investigation (S233 to S238) loop of the flowchart of FIG.
  • the control circuit 105 outputs one pulse to the GT signal for each loop, and gradually widens the pulse width to Tpa1, Tpa2, and Tpa3.
  • Tpa3 the pulse width
  • FIG. 11B shows an example of the lower arm GT signal and the short-circuit current waveform in the overcurrent detection investigation (S239 to S244) loop of the flowchart of FIG.
  • the control circuit 105 outputs one pulse to the GT signal for each loop, and the pulse width is gradually increased to Tpb1, Tpb2, and Tpb3.
  • the current measurement value Imes from the current measurement circuit 111 is acquired every time in the periods Tpm1, Tpm2, and Tpm3 after each pulse.
  • the current measurement value Imes exceeds the measurement preferable value Ipref within a certain pulse width (Tpb3 in the example in the figure)
  • the reciprocal inductance Ls of the short-circuit path can be obtained by substituting the last measured current value Imes and the value of the pulse width Tp at that time into I and t in (Equation 2).
  • the reciprocal inductance Lsc of the short-circuit path can be obtained by measuring the short-circuit current of FIG. 11 and the related time by the operation according to the flowcharts of FIGS. 7 and 10 described above.
  • FIG. 12 shows a short-circuit current waveform when the DC voltage Vdc is changed.
  • the two waveforms A and B shown in FIG. 12 represent the short-circuit current generated when the two switches shown in the period A of FIG. 4 are turned ON.
  • the time resolution can be improved without improving the time measurement accuracy, and as a result, the accuracy of the reciprocal inductance Lsc of the short-circuit path is improved. improves.
  • the time resolution can be improved without improving the accuracy of the pulse width control. As a result, the accuracy of the reciprocal inductance Lsc of the short-circuit path is improved. Will improve.
  • FIG. 13 shows a flowchart for setting the cable information stored in the cable information storage unit 124. This flowchart is executed at least once before performing the short-circuit location determination operation.
  • the user selects a method for acquiring the inductance value (L value) information of the cable.
  • L value inductance value
  • the motor cable lead diameter ⁇ C and the cable pull diameter ⁇ H are input via the input device 106 and the receiver 107 (S303, S304).
  • the control circuit 105 calculates the reciprocal inductance L_cable of the entire cable length from the conductor diameter ⁇ C and the diameter ⁇ H (S305).
  • the reciprocal inductance L_cable of the entire cable length is measured by the same operation as the flowchart of FIG. In this case, measurement is required before the occurrence of a short circuit, and it is necessary to short-circuit the opposite side of the motor cable from the power converter on a trial basis.
  • control circuit 105 sets two switches operated to investigate the short-circuit current between the U-phase and the V-phase to SWu and SWy (S311), and then the control circuit 105 performs the short-circuit current / short-circuit time. Measurement is performed (S312).
  • the short-circuit current / time measurement can use the flowchart of FIG. 8 or FIG.
  • FIG. 14 shows an example of a cross-sectional view of a three-phase motor cable.
  • the cable shown in the drawing is composed of a conductive wire having a diameter ⁇ C and three cables 351u, 351v, 351w having an diameter of ⁇ H on 350u, 350v, 350w.
  • FIG. 15 shows a determination method used in the short circuit location determination unit 123 in the control circuit 105.
  • the short-circuit location determination unit 123 Based on the inductance value Lcal transmitted from the inductance value calculation unit 122, the inductance value L_cable transmitted from the cable information storage unit 124, and the conversion coefficient K_cable, the short-circuit location determination unit 123 performs the separation determination and the side determination shown in the figure. Do. In the separation determination, when L_cal ⁇ L_cable, it is determined that the short-circuit portion is on the cable, and when L_cal> L_cable, the short-circuit portion is on the motor.
  • FIG. 16 shows a configuration diagram of the display unit 108.
  • the display unit 108 includes a decoder 151, an LED driver 152, and a 2-digit LED segment 153.
  • the short circuit location determination result and the short circuit phase number Ph sent from the control circuit 105 are decoded by the decoder 151 into a display pattern of numbers and characters of the LED segments.
  • the LED 152 driver causes the LED segment 153 to display the decoded display pattern according to the current signal.
  • FIG. 17 shows a correspondence table between display patterns displayed on the LED segments 153 and short-circuited portions.
  • the display pattern of (B) expresses the code of (A) by 7 segment LED.
  • Codes A1 to A3 mean that the short circuit is near the motor cable power converter
  • codes b1 to b3 mean that the short circuit is near the motor of the motor cable
  • codes C1 to C3 mean that the short circuit is inside the motor. Yes.
  • the code is a numerical value of 00 to 99, it means the distance from the power converter at the short-circuited location on the motor cable.
  • FIG. 18 shows a configuration diagram of the transmitter 109.
  • the transmitter 109 includes a modulator 161, an amplifier 162, and an antenna 163.
  • the short circuit location determination result and the short circuit phase number sent from the control circuit 105 are modulated by the modulator 161, power amplified by the amplifier 162, and the antenna 163.
  • Wirelessly transmitted to the outside Although not shown, another device or system can obtain information on a short-circuit location determination result and a short-circuit phase number by receiving and demodulating a wirelessly transmitted signal. Also, by using a tablet terminal and installing application software having the correspondence table of FIG. 17 built into the tablet terminal, the short-circuit location information can be displayed on the screen of the tablet terminal.
  • FIG. 19 shows a configuration diagram of switch drive circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, and SDz according to another protection circuit system. Since the configuration of each switch circuit is common, in FIG. 2, the letters u, v, w, x, y, z following the symbols SW, DI, SD are omitted.
  • the switch drive circuit SD includes a logic circuit 181, a gate drive amplifier 182, a gate resistor 183, a comparator 184, a capacitor 185, a filter resistor 186, a constant voltage source 187, and a latch circuit 188.
  • a shunt resistor Rsh is inserted into the wiring on the emitter electrode side of the switch SW.
  • the gate drive amplifier 182 and the gate resistor 183 are used for ON / OFF control of the switch SW to be connected.
  • the gate signal GT from the control circuit 105 is “H”
  • the gate drive amplifier 182 outputs a gate-on voltage and the switch SW is turned on.
  • the gate signal GT is “L”
  • the gate drive amplifier 182 is turned on the gate-off voltage. Is output and the switch SW is turned OFF.
  • the gate resistor 183 controls the switching speed.
  • the comparator 184, the capacitor 185, the filter resistor 186, the constant voltage source 187, and the latch circuit 188 constitute an overcurrent detection circuit.
  • This overcurrent detection circuit is a current detection type circuit using a shunt resistor.
  • the constant voltage source 187 is a voltage source of the threshold voltage VTi, and the threshold voltage VTi is set to the same voltage value as the voltage drop of the shunt resistor Rsh when the current flowing through the switch is determined to be an overcurrent. .
  • the comparator 184 outputs “H”.
  • the output Q of the latch circuit 188 becomes “H”
  • the gate signal GT is invalidated by the logic circuit 181
  • the switch is forcibly cut off
  • the driver circuit SD enters a state where the overcurrent protection function is activated. Further, overcurrent detection is transmitted to the control circuit 105 as an overcurrent detection signal DET.
  • the overcurrent protection function is released by inputting a reset signal from the control circuit 105 to the RES and resetting the latch circuit 188.
  • the switch drive circuit shown in FIG. 19 functions as a gate driver circuit with an overcurrent protection function, and can transmit overcurrent detection to the control circuit 105 immediately after overcurrent detection due to a short circuit.
  • the capacitor 185 and the filter resistor 186 are installed to prevent malfunction due to noise, and cause a delay in the overcurrent detection time. If this delay time cannot be ignored, it can be corrected by subtracting the delay time in the overcurrent detection time measurement operation.
  • FIG. 20 shows a configuration diagram of a second embodiment of the power converter of the present invention.
  • the power conversion device 201 includes a forward converter circuit 102, a capacitor 103, and an inverse converter circuit 104 for inputting AC power and supplying power to the motor.
  • the power conversion device 201 includes a control circuit 205 for controlling the power conversion device 201, an input device 106 for manually inputting information to the control circuit 205, and a receiver 107 for receiving information from an external system. And a display 108 for displaying output information from the control circuit 205, and a transmitter 109 for transmitting information to an external system.
  • the forward converter circuit 102 is composed of six diodes, converts AC power sent from the input terminals R, S, T through the power supply wiring PL, the circuit breaker CB, and the power supply cable PC into DC power, and the nodes P, Output to the DC power supply wiring indicated by N.
  • the rectifying action of the diode of the forward converter circuit 102 generates a DC voltage having a positive voltage on the DC voltage wiring on the node P side and a negative voltage on the DC voltage wiring on the node N side.
  • the capacitor 103 is connected to the DC voltage wiring at the nodes P and N, and functions to keep (smooth) the voltage between the wirings constant even when a sudden current change occurs.
  • the inverse converter circuit 104 converts the DC power into AC power for driving the motor, and outputs the AC power to the output terminals U, V, and W.
  • a resistor R1 and a bypass switch SW_BP are connected in parallel between the forward converter circuit 102 and the node P.
  • the resistor R1 is a resistor for limiting the inrush current to the capacitor 103 generated when the power is turned on, and the switch SW_BP is turned on after the inrush current is established to bypass the current.
  • SW_BP can be configured using a transistor formed of a semiconductor or an electromagnetic relay.
  • a discharge resistor R3 is connected between the nodes P and N, and the capacitor 103 is discharged when the circuit breaker CB is shut off.
  • the inverse converter circuit 104 is composed of three half-bridge circuits of U phase, V phase, and W phase.
  • the U-phase half bridge circuit includes an upper arm in which a switch SWu and a diode DIu are connected in antiparallel, and a lower arm in which a switch SWx and a diode DIx are connected in antiparallel.
  • the V-phase half-bridge circuit includes a switch SWv and a diode DIv, a switch SWy and a diode DIy
  • the W-phase half-bridge circuit includes a switch SWw and a diode DIw, and a switch SWz and a diode DIz.
  • IGBTs are used as switches in FIG. 1, they may be configured with MOSFETs.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • All the switches SWu, SWv, SWw, SWx, SWy, SWz are connected to switch drive circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, SDz, respectively, and each switch drive circuit has an emitter, a gate, Connected to each electrode of the collector.
  • the emitter, gate, and collector are IGBT electrode names, and in the case of MOSFET, they correspond to the source, gate, and drain electrode names.
  • All switch drive circuits have a gate driver circuit that switches the switch ON and OFF by controlling the gate voltage of the switch, and detects that an overcurrent has flowed through the switch and shuts off the switch at high speed (turns OFF) Built-in overcurrent protection circuit.
  • Each switch drive circuit has a communication means with the control circuit 205, and the communication means transmits a switch ON / OFF control signal from the control circuit 205 to the switch drive circuit, and the switch drive circuit transmits an excessive signal to the control circuit 205. Used to transmit current detection signal.
  • the power converter 101 includes two current sensors 110u and 110w that measure the output current value of each phase between the inverse converter circuit 104 and the output terminals U and W, and current measurement for measuring these measured values.
  • a circuit 111 is provided.
  • the current sensors 110u and 110w measure current values output from the output terminals U and W, and transmit them to the current measurement circuit 111 as analog voltages or currents.
  • the current measurement circuit 111 samples the analog information, converts it into digital data, and transmits it to the control circuit 205 as measured current values Iu and Iw.
  • the power conversion device 101 includes a voltage measurement circuit 112 that measures a voltage between nodes P and N of the DC voltage wiring, that is, between both electrodes of the capacitor 103.
  • the voltage measurement circuit 112 measures a DC voltage between the nodes P and N, converts it to digital data, and transmits it as a DC voltage value Vdc to the control circuit 205.
  • the current measurement circuit 111 and the voltage measurement circuit 112 can be configured by a general sampling circuit and an A / D conversion circuit.
  • the control circuit 205 includes a short-circuit current control unit 121, an inductance value calculation unit 122, and a short-circuit point determination unit for determining a short-circuit occurrence point on the output side (motor cables MCu, MCv, MCw, and motor MT) of the power conversion device 101. 123, a cable information storage unit 124, and a DC voltage measurement unit 225.
  • the short-circuit current control unit 121 performs the inverse converter circuit based on the current value information from the current measurement circuit 111 and the overcurrent detection information from all the switch drive circuits SD in the inverse converter circuit 104 at the time of short-circuit investigation. Each switch in 104 is controlled to control the short circuit current.
  • the short-circuit current control unit 121 transmits the current value information Ical and time information Tcal obtained at the time of current control to the inductance value calculation unit 122.
  • the inductance value calculation unit 122 calculates an inductance value Lcal from Ical, Tcal, and DC voltage information Vdc, and sends the inductance value Lcal to the short circuit location determination unit 123.
  • the short circuit location determination unit 123 estimates the short circuit location based on the transmitted inductance value Lcal and the cable information held by the cable information storage unit 124 and transmits the determination result to the display unit 108 and the transmitter 109.
  • the DC voltage measuring unit 225 transmits a short-circuit point investigation start trigger to the short-circuit current control unit 121 based on the DC voltage information Vdc.
  • control circuit 205 has a general function for PWM driving of the motor, the control circuit 205 is not related to the operation of the present invention, and thus the description thereof is omitted.
  • elements that can be configured only by a logic circuit can be realized by software using a microcomputer or programmable logic.
  • FIG. 21 shows a first flowchart of short-circuit location determination in the second embodiment of the present invention.
  • the flow in FIG. 21 is started by an overcurrent detection signal by a protection circuit that accompanies the occurrence of a short circuit and a trigger from the input device 106 or the receiver 107.
  • the control circuit 205 implements a motor stop measure (S401). Specifically, the power supply to the motor is stopped by turning off all the switches of the forward converter circuit 102 and waits until the current values of all phases measured by the current measurement circuit 111 become zero. . After the motor stops, it enters a standby state while monitoring the DC voltage, and waits for the external power supplied from the input terminals R, S, T to be shut off (S402 to 403).
  • S401 motor stop measure
  • the short-circuit current control unit 121 investigates the short-circuit state. If the acquisition of the short circuit information is successful, the current value information Ical and the time information Tcal are provided to the inductance value calculation unit 122 (S404). The inductance value calculation unit 122 calculates the inductance value Lcal from Ical, Tcal, and DC voltage information Vdc, and sends it to the short circuit location determination unit 123 (S405).
  • the short circuit location determination unit 123 estimates a short circuit location based on the transmitted inductance value Lcal and the cable information held by the cable information storage unit 124 (S406). The determination result is transmitted to the display unit 108 and the transmitter 109 (S407).
  • FIG. 22 shows a change in DC voltage (Vdc) in the short-circuit location determination flow of FIG.
  • Vdc DC voltage
  • the direct current voltage Vdc becomes Vdc1 by making the CR time constant determined by the capacitor 103 and the discharge resistor R3 sufficiently longer than the short circuit investigation time. It can be considered that the value is fixed.
  • FIG. 23 shows a second flowchart for determining a short-circuit portion in the second embodiment of the present invention.
  • the flow of FIG. 23 is started by the external power supply start by turning on the circuit breaker CB or the like, or by a trigger from the input device 106 or the receiver 107 before the external power supply start.
  • the switch SW_BP is OFF, and charging of the capacitor 103 from the external power source is performed by a charging current flowing through the resistor R1 (S410).
  • the DC voltage is monitored (S411 to S412), and when the DC voltage Vdc measured by the voltage measuring circuit 112 exceeds the predetermined voltage Vdc1, the short-circuit current control unit 121 investigates the short-circuit condition. To implement.
  • the current value information Ical and the time information Tcal are provided to the inductance value calculation unit 122 (S413).
  • the inductance value calculation unit 122 calculates the inductance value Lcal from Ical, Tcal, and DC voltage information Vdc, and sends it to the short circuit location determination unit 123 (S414).
  • the short circuit location determination unit 123 estimates the short circuit location based on the transmitted inductance value Lcal and the cable information held by the cable information storage unit 124 (S415). The determination result is transmitted to the display unit 108 and the transmitter 109 (S416).
  • FIG. 24 shows a change in DC voltage (Vdc) in the short-circuit location determination flow of FIG.
  • Vdc DC voltage
  • FIG. 25 shows an example in which the present invention is applied as an industrial inverter.
  • the power converter 501 of the present invention and the driving motor 502 are connected by a motor cable 503.
  • the power converter 501 is supplied with electric power from the outside through an AC power cable 504.
  • the motor 502 is used to drive various industrial equipment such as an air conditioner, a compressor, a conveyor, and an elevator.
  • an air conditioner air conditioner
  • a compressor compressor
  • a conveyor a conveyor
  • an elevator an elevator
  • FIG. 26 shows an example in which the present invention is applied to a railway vehicle.
  • the power converters 512 and 513 of the present invention are installed under the floor of the railway vehicle 511.
  • the carriages 514 and 515 of the railway vehicle 511 are provided with driving motors 516 and 517.
  • the motor and the power converter are connected by motor cables 518 and 519.
  • information on the short-circuited part is displayed on the display provided in the power converters 512 and 513, and an external system is transmitted by wireless transmission. The location is reported.
  • FIG. 27 shows an example in which the present invention is applied to a motor vehicle.
  • the power converters 522 and 523 of the present invention are installed inside the automobile 521.
  • Motors 526 and 527 for driving the wheels 524 and 525 are installed, and are connected to the power converter by motor cables 528 and 529.
  • the information on the short circuit location is displayed on the display provided in the power converters 522 and 523, and an external system is transmitted by wireless transmission. The short-circuit location is notified.
  • FIG. 28 shows an example of a tablet terminal that displays the determination result of the present invention.
  • the tablet-type terminal 551 has a liquid crystal display screen 552, and short-circuit occurrence location information is displayed on the liquid crystal display screen 552 according to the received code by the installed application.
  • SW, SWu, SWv, SWw, SWx, SWy, SWz ... switch DI, DIu, DIv, DIw, DIx, DIy, DIz ... diode, SD, SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, SDz ... switch drive circuit, MC, MCu, MCv, MCw ... motor cable, MT ... motor, PC ... power supply cable, PL ... power supply wiring, CB ... breaker, SW_PW ... power switch, SW_DC ... discharge switch, SW_BP ... bypass switch, R1, R2, R3 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Resistor, Rsh ... Shunt resistor, 101 ... Power converter, 102 ...
  • Forward converter circuit 103 ... Capacitor, 104 ... Inverter circuit, 105 ... Control circuit, 106 ... Input device, 107 ... Receiver, 108 ... Display 109, Transmitter 110u, 110w Current sensor 111 Current measurement circuit 1 DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Voltage measuring circuit 121 ... Short circuit current control part 122 ... Inductance value calculation part 123 ... Short circuit location determination part 124 ... Cable information storage part 125 ... DC voltage control part 131 ... Logic circuit 132 ... Gate drive Amplifier, 133 ... Gate resistance, 134 ... Comparator, 135 ... Capacitor, 136 ... Capacitor charging resistor, 137 ...
  • Capacitor discharge switch 138 ... Diode, 139,140 ... Constant voltage source, 141 ... Latch circuit, 151 ... Decoder, 152 ... LED driver, 153 ... LED segment, 161 ... modulator, 162 ... amplifier, 163 ... antenna, 181 ... logic circuit, 182 ... gate drive amplifier, 183 ... gate resistor, 184 ... comparator, 185 ... capacitor, 186 ... filter Resistor, 187 ... Constant voltage source, 188 ... Latch Road, 201 ... power converter, 205 ... control circuit, 225 ... DC voltage measurement unit

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Abstract

低速な電流センサを用いて、電力変換装置に接続されたケーブル、モータのいずれかで短絡が発生したかを判別する。さらに、低速な電流センサを用いて、ケーブル上の相間短絡箇所を高い分解能で特定する。　直流電圧値がモータ駆動時より低い所定の値であるときに、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチ素子をオンさせることで短絡調査のための電流をケーブル上に発生させる。その後、いずれか片方のスイッチ素子をオフにした状態で電流センサから電流計測値を取得する。２つのスイッチ素子の両方をオンしていた時間と電流センサの電流計測値に基づいてケーブルの往復インダクタンス値を計算し、インダクタンス値から短絡箇所を判定する。

Description

電力変換装置および地絡箇所判定方法
　本発明は、電力変換装置および、それを用いた地絡箇所判定方法に関する。
　図２９は、従来の電力変換装置と、モータおよびそれらを接続するケーブルを示している。従来の電力変換装置５８１は、交流電力を入力してモータに電力を供給するためのコンバータ順変換器回路５８２、コンデンサ５８３、逆変換器回路５８４を備えている。順変換器回路５８２は６つのダイオードで構成され、入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電力を直流電力に変換する。コンデンサ５８３は変換装置内部の直流電圧配線に接続し、配線間の電圧を平滑化する。逆変換器回路５８４は、直流電力を、モータを駆動するための交流電力に変換し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力する。逆変換器回路５８４は、半導体で形成されたスイッチ５８５ａ～５８５ｆを備えており、２つのスイッチが対になってハーフブリッジ回路を構成し、６つのスイッチでＵ、Ｖ、Ｗの三相ブリッジ回路を構成している。一相分のスイッチ素子は上下同時にＯＮしないように交互にＯＮさせてスイッチングを行う。各相の出力Ｕ、Ｖ、Ｗは３本のケーブル５８６を用いてモータ５８７と接続されている。従来の電力変換装置５８１は電流センサ５８８ｕと５８８ｗあるいは電流センサ５８８ｎで観測する電流情報を基に、各スイッチをＯＮする時間を変えるＰＷＭ制御によってモータへ供給する電力を制御する。
　絶縁被覆の劣化や物理的損傷など、何らかの原因により、モータ５８７の内部やケーブル５８６で短絡が起きた場合、電流センサ５８８ｎ、あるいは、各スイッチのエミッタ－コレクタ間に取り付けられ、コレクタ電圧を監視して過電流を検知する過電流検知回路（不図示）によって過電流を検知する。過電流を検知した場合は、全てのスイッチ素子をＯＦＦにすることで変換動作を停止し、スイッチ素子が大電流により発生する熱エネルギなどで破壊されることを阻止する。
特開平１０－２３７９５号公報
　短絡によって電力変換装置の動作が停止した場合、その情報を使用者に報知することで短絡が発生したことを知らせることできる。しかしながら、短絡事故発生によって電力変換装置の動作が停止した場合、使用者はケーブル上で短絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で短絡事故が発生したのか、短絡が発生した場所を特定することができないという課題があった。特に、ケーブル上の短絡箇所、例えば、電力変換装置から何ｍの箇所に短絡が発生しているかを知ることによって、建屋内や設備内に配線されて目視できないような配線上での短絡箇所を特定でき、復旧のための時間と手間を削減することができる。
　短絡発生個所の情報を知る方法として、特許文献１に、短絡発生後に、２つのスイッチ素子を短時間ＯＮにして、電流の傾きを見ることで異常を推定する方法が紹介されている。この場合、電流の傾きは短絡経路のインダクタンスで決まるため、インダクタンスに基づいた短絡個所の推定は可能である。
　しかしながら、ケーブル上の短絡発生箇所が何処になるか判定することはできていなかった。また、ケーブル上で短絡箇所を高い分解能で特定するためには、傾きなどの電流波形の特徴の細かい違いを検出するために、高速な電流計測回路が必要であった。
　本発明の電力変換装置は、半導体で形成された複数のスイッチ素子を具備しそれらのオンオフ制御によって３相のケーブルで接続された３相のモータを駆動する電力変換装置であって、電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器回路と、前記モータへ供給する電流を制御する３つのハーフブリッジ回路で構成された逆変換器回路と、前記ハーフブリッジ回路を構成する複数のスイッチ素子を駆動するための複数のドライバ回路と、前記逆変換器回路に供給される直流電圧を制御し、前記ドライバ回路を制御する制御回路と、前記逆変換器回路の複数の相の出力電流値を測定する電流計測手段と、装置内部の状況を外部に報知する情報出力手段を具備し、前記ケーブルあるいは前記モータで発生した地絡個所を調査する際に、前記制御回路は、前記逆変換器回路へ供給する直流電圧を、モータ駆動時の直流電圧よりも低い電圧に低減し、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチ素子をオンさせることで短絡調査のための電流を前記ケーブルに発生させ、前記スイッチ素子の両方をオンしていた時間と前記電流計測手段の電流計測値に基づいてケーブルの往復インダクタンス値を計算し、前記往復インダクタンス値から短絡箇所を判定し、前記情報出力手段は短絡箇所の判定結果を外部に報知する。
　本発明の電力変換装置は、低速な電流センサを用いて、電力変換装置に接続されたケーブル、モータのいずれかで短絡が発生したかを判別することができる。さらに、低速な電流センサを用いて、ケーブル上の相間短絡箇所を高い分解能で特定することができる。
本発明の電力変換装置の第一の実施例の構成図である。 スイッチ駆動回路の構成図である。 相間短絡発生箇所を調査するために流す短絡電流の経路とスイッチの状態の関係を示した図である。 図３に示した短絡電流を発生させるためのスイッチ駆動回路の動作波形を示した図である。 本発明の第一の実施例における短絡個所判定のフローチャートである。 図５の短絡個所判定フローにおけるスイッチ状態と直流電圧の変化を示した図である。 短絡状況調査のフローチャートである。 短絡電流・短絡時間測定のフローチャートである。 図８の短絡電流・短絡時間測定における短絡電流波形の例である。 短絡電流・短絡時間測定の別方式によるフローチャートである。 図１０の短絡電流・短絡時間測定における短絡電流波形の例である。 直流電圧Ｖｄｃを変えた場合の短絡電流波形である。 ケーブル情報記憶部１２３が記憶するケーブル情報を設定するためのフローチャートである。 ３相モータケーブルの断面図の例である。 制御回路１０５内の短絡箇所判定部１２３で用いられる判定方法を示した図である。 表示器１０８の構成図である。 ＬＥＤセグメント１５３に表示される表示パターンと、短絡箇所との対応表である。 送信機１０９の構成図である。 別の保護回路方式によるスイッチ駆動回路の構成図である。 本発明の電力変換装置の第二の実施例の構成図である。 本発明の第二の実施例における短絡個所判定の第一のフローチャートである。 図２１の短絡個所判定フローにおける直流電圧の変化を示した図である。 本発明の第二の実施例における短絡個所判定の第二のフローチャートである。 図２３の短絡個所判定フローにおける直流電圧の変化を示した図である。 本発明を産業用インバータとして応用した例を示した図である。 本発明を鉄道車両に応用した例を示した図である。 本発明を電動機付き自動車に応用した例を示した図である。 本発明の判定結果を表示するタブレット型端末の例を示した図である。 従来の電力変換装置と、モータおよびそれらを接続するケーブルを示した図である。
　以下では図面を用いて実施例について説明するが、以下に説明する各実施例は図示例に限定されるものではない。
　図１に本発明の電力変換装置の第一の実施例の構成図を示す。電力変換装置１０１は、交流電力を入力してモータに電力を供給するための順変換器回路１０２、コンデンサ１０３、逆変換器回路１０４を備えている。また、電力変換装置１０１は、電力変換装置１０１を制御するための制御回路１０５と、制御回路１０５へ手動で情報入力するための入力器１０６、外部システムからの情報を受信するための受信機１０７と、制御回路１０５からの出力情報を表示するための表示器１０８、外部のシステムへ情報を送信するための送信機１０９を備えている。
　順変換器回路１０２は６つのダイオードで構成され、電源配線ＰＬを通して送られ入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電力を直流電力に変換し、ノードＰ，Ｎで示した直流電源配線に出力する。順変換器回路１０２のダイオードの整流作用によりノードＰ側の直流電圧配線に正電圧、ノードＮ側の直流電圧配線に負電圧とした直流電圧を発生する。コンデンサ１０３はノードＰとＮにおいて直流電圧配線に接続し、急激な電流変化が起きても配線間の電圧を一定に保つ（平滑化する）働きをする。逆変換器回路１０４は、直流電力を、モータを駆動するための交流電力に変換し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力する。
　入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔと順変換器回路１０２との間には、電源スイッチＳＷ＿ＰＷが設置され、交流電力入力のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。順変換器回路１０２とノードＰの間には抵抗器Ｒ１とバイパススイッチＳＷ＿ＢＰが並列に接続されて設置されている。抵抗器Ｒ１は電源投入時に発生するコンデンサ１０３への突入電流の電流制限用の抵抗であり、スイッチＳＷ＿ＢＰは突入電流制定後にＯＮになることで電流をバイパスさせる。ノードＰ、Ｎの間には、平滑用コンデンサ１０３と並列に、抵抗器Ｒ２と放電スイッチＳＷ＿ＤＣが直列に接続されて設置されている。スイッチＳＷ＿ＤＣをＯＮにすることで、抵抗器Ｒ２を通して平滑用コンデンサ１０３から放電電流が流れるため、ノードＰ－Ｎ間の直流電圧が所望の電圧よりも高かった場合に電圧を抑制することができる。以上のスイッチＳＷ＿ＰＷ、ＳＷ＿ＢＰ、ＳＷ＿ＤＣは半導体で形成されたトランジスタや、電磁リレーを用いて構成することができる。
　逆変換器回路１０４はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのハーフブリッジ回路から構成されている。Ｕ相のハーフブリッジ回路はスイッチＳＷｕとダイオードＤＩｕが逆並列に接続された上アームと、スイッチＳＷｘとダイオードＤＩｘが逆並列に接続された下アームで構成されている。同様にして、Ｖ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｖとダイオードＤＩｖ、スイッチＳＷｙとダイオードＤＩｙで、Ｗ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｗとダイオードＤＩｗ、スイッチＳＷｚとダイオードＤＩｚで構成されている。図１ではスイッチとしてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。また、半導体デバイスはシリコンを使うのが一般的だが、低損失化のためにワイドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）を用いてもよい。全てのスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚには、スイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚがそれぞれ接続されており、各スイッチ駆動回路は各スイッチのエミッタ、ゲート、コレクタの各電極に接続されている。エミッタ、ゲート、コレクタはＩＧＢＴの電極名称であり、ＭＯＳＦＥＴの場合は、ソース、ゲート、ドレインの電極名称に相当する。全てのスイッチ駆動回路には、スイッチのゲート電圧を制御することでスイッチのＯＮとＯＦＦを切り替えるゲートドライバ回路と、スイッチに過電流が流れたことを検知してスイッチを高速に遮断する（ＯＦＦにする）過電流保護回路とを内蔵している。各スイッチ駆動回路は制御回路１０５との通信手段を持っており、通信手段は、制御回路１０５からスイッチ駆動回路へスイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御信号を伝えるのと、スイッチ駆動回路から制御回路１０５へ過電流検知信号を伝えるために用いられる。
　電力変換装置１０１は、逆変換器回路１０４と出力端子Ｕ、Ｗの間に、各相の出力電流値を測定する２つの電流センサ１１０ｕ、１１０ｗと、それらの測定値を計測するための電流計測回路１１１を備えている。電流センサ１１０ｕ、１１０ｗは出力端子Ｕ、Ｗから出力される電流値を計測し、アナログ電圧または電流として電流計測回路１１１に伝える。電流計測回路１１１は、そのアナログ情報をサンプリングし、デジタルデータ化して、計測電流値Ｉｕ，Ｉｗとして制御回路１０５へ送信する。また、電力変換装置１０１は、直流電圧配線のノードＰ、Ｎ間、つまりコンデンサ１０３の両電極間の電圧を測定する電圧計測回路１１２を備えている。電圧計測回路１１２はノードＰ、Ｎ間の直流電圧を計測し、デジタルデータ化して直流電圧値Ｖｄｃとして制御回路１０５へ送信する。電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２は一般的なサンプリング回路とＡ／Ｄ変換回路によって構成することができる。
　制御回路１０５は、電力変換装置１０１の出力側（モータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗおよびモータＭＴ）の短絡発生箇所の判定のために、短絡電流制御部１２１、インダクタンス値計算部１２２、短絡箇所判定部１２３、ケーブル情報記憶部１２４、直流電圧制御部１２５を備えている。短絡電流制御部１２１は、短絡箇所調査時において、電流計測回路１１１からの電流値情報、および逆変換器回路１０４内の全スイッチ駆動回路ＳＤからの過電流検出情報を基に、逆変換器回路１０４内の各スイッチを制御して短絡電流を制御する。また短絡電流制御部１２１は電流制御時に得られた電流値情報Ｉｃａｌおよび時間情報Ｔｃａｌをインダクタンス値計算部１２２に送信する。インダクタンス値計算部１２２は、Ｉｃａｌ、Ｔｃａｌおよび直流電圧情報Ｖｄｃよりインダクタンス値Ｌｃａｌを計算し、短絡箇所判定部１２３に送る。短絡箇所判定部１２３は、送信されてきたインダクタンス値Ｌｃａｌとケーブル情報記憶部１２４が保持しているケーブル情報を基に短絡箇所を推定し、表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する。直流電圧制御部１２５は、直流電圧情報Ｖｄｃを基にスイッチＳＷ＿ＰＷ、ＳＷ＿ＢＰ、ＳＷ＿ＤＣを駆動するとともに、短絡箇所調査開始のトリガを短絡電流制御部１２１に送信する。なお、制御回路１０５は、モータのＰＷＭ駆動のための一般的な機能を備えているが、本発明の動作とは関わらないので、その説明については省略する。また、ロジック回路のみで構成することが可能な要素については、マイコンやプログラマブルロジックでソフトウェア的に実現することも可能である。
　図２に、スイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚの構成図を示す。各スイッチ回路の構成は共通であるので、図２では、記号ＳＷ、ＤＩ、ＳＤに続くｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚの文字を省略して記述してある。スイッチ駆動回路ＳＤは、論理回路１３１、ゲート駆動アンプ１３２、ゲート抵抗１３３、コンパレータ１３４、キャパシタ１３５、キャパシタ充電用抵抗１３６、キャパシタ放電用スイッチ１３７、ダイオード１３８、定電圧源１３９、１４０、ラッチ回路１４１から構成されている。ゲート駆動アンプ１３２とゲート抵抗１３３は接続するスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ制御に用いられる。制御回路１０５からのゲート信号ＧＴが“Ｈ”の場合は、ゲート駆動アンプ１３２がゲートオン電圧を出力しスイッチＳＷはＯＮに、ゲート信号ＧＴが“Ｌ”の場合は、ゲート駆動アンプ１３２がゲートオフ電圧を出力しスイッチＳＷはＯＦＦになる。ゲート抵抗１３３はスイッチング速度を制御する。一方、コンパレータ１３４、キャパシタ１３５、キャパシタ充電用抵抗１３６、キャパシタ放電用スイッチ１３７、ダイオード１３８、定電圧源１３９、１４０、ラッチ回路１４１は過電流検出回路を構成している。この過電流検出回路は非飽和電圧検知（Ｄｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式の回路である。定電圧源１３９は過電流しきい値電圧ＶＴの、定電圧源１４０はＶＴより高い電圧Ｖｃｃの電圧源である。過電流しきい値ＶＴは、スイッチを流れる電流が過電流と判断される過電流しきい値Ｉｏｖになるときのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖｃｅから決定される値である。スイッチＳＷがＯＦＦの状態においては、キャパシタ放電用スイッチ１３７がＯＮであるため、コンパレータの出力は“Ｌ”である。また、スイッチＳＷがＯＮの状態において、過電流が発生していない場合は、スイッチＳＷ（ＩＧＢＴ）の電圧Ｖｃｅが十分に低く、ダイオード１３８を通してキャパシタ１３５が放電されるため、コンパレータの出力は“Ｌ”である。ところが、スイッチＳＷがＯＮの状態において、過電流が発生している場合は、スイッチＳＷ（ＩＧＢＴ）のコレクタの電圧がしきい値電圧ＶＴより高くなり、キャパシタ１３５が放電されない。キャパシタ充電用抵抗１３６の充電電流によってキャパシタ１３５が充電されてキャパシタの電位がしきい値電圧ＶＴを超えるとコンパレータ１３４は“Ｈ”を出力する。すると、ラッチ回路の出力Ｑが“Ｈ”になり、論理回路１３１によってゲート信号ＧＴを無効化し、スイッチを強制的に遮断され、ドライバ回路ＳＤは過電流保護機能が作動した状態となる。また、過電流検知信号ＤＥＴとして制御回路１０５に過電流検知が伝えられる。過電流保護機能の解除は、制御回路１０５からのリセット信号をＲＥＳに入力し、ラッチ回路１４１をリセットされることで行われる。以上のように、図２に示したスイッチ駆動回路は、過電流保護機能付きのゲートドライバ回路として機能し、短絡による過電流検知直後に過電流検知を制御回路１０５に伝達することができる。なお、キャパシタ充電用抵抗１３６はノイズによる誤動作防止のために設置されており、過電流検知時間の遅れを発生する。この遅れ時間が無視できない場合は、後述の過電流検出時間計測動作において遅れ時間を差し引くことで補正できる。
　図３に本発明において相間短絡発生箇所を調査するために流す短絡電流の経路とスイッチの状態の関係を示している。図３（Ａ）は短絡電流を増加させる時、図３（Ｂ）は短絡電流を持続させている時、図３（Ｃ）は短絡電流を減少させている時の短絡電流経路とスイッチ状態をそれぞれ示している。図３では、モータケーブルＭＣｕとＭＣｖの間、つまりＵ－Ｖ相間に短絡が発生した例を示している。
　図３（Ａ）に示すように短絡電流を増加させる時には、相間短絡が起きている２つの相の上アームと下アームを１つずつＯＮにし、コンデンサ１０３の両電極に印加された直流電圧Ｖｄｃを起電力にして、破線を通して短絡箇所に電流を流す。このときの電流Ｉは数１で表され、時間ｔに比例して増加する。
　Ｉ＝Ｖｄｃ・ｔ／Ｌｓｃ　（数１）ここで、ｔはスイッチＳＷｕとＳＷｙの両方をＯＮしてからの時間、Ｌｓｃは電力変換装置１０１から短絡箇所までのモータケーブルのインダクタンスである。なお、電力変換装置内の電流経路のインダクタンスは無視している。数１を変形し、Ｌｓｃについて表すと、
　Ｌｓｃ＝Ｖｄｃ・（Ｉ／ｔ）　（数２）
となるので、電流Ｉおよび時間ｔが計測可能な値に増加するまで図３（Ａ）の状態を継続させてから（Ｉ／ｔ）を求めることで、インダクタンスＬｓｃを算出できる。電力変換装置１０１と短絡箇所までのケーブル長Ｌｅｎ＿ｓｃとインダクタンスＬｓｃは比例関係にあるので、換算係数を別途調査しておくことで、インダクタンスＬｓｃの値から短絡箇所までのケーブル長Ｌｅｎ＿ｓｃを推定することができる。なお、図３（Ａ）ではスイッチＳＷｕとＳＷｙをＯＮにしているが、スイッチＳＷｖとＳＷｘをＯＮにした場合でも、モータケーブルの電流が逆方向になるだけで、上述のインダクタンスＬｓｃ計算を行うことが出来る。
　図３（Ａ）のように短絡電流を増加させた後に、スイッチＳＷｙをＯＦＦにすると、図３（Ｂ）のように電流は破線で示すループ上を継続して流れ続ける。このときの電流は数３で表され、時間に比例して減少する。
　Ｉ＝Ｉｂ－Ｖｆ・ｔｂ／Ｌｓｃ　（数３）
ここで、ＩｂはスイッチＳＷｙをＯＦＦにしたときの電流値、Ｖｆは還流ダイオードＤＩｖの順方向降下電圧、ｔｂはスイッチＳＷｙをＯＦＦにしてからの時間である。一般にＶｆはＶｄｃより１桁～３桁程度小さいので、図３（Ａ）の電流の増加速度に比べ、図３（Ｂ）での電流減少速度は１桁～３桁程度遅くなる。したがって、Ｌｓｃが比較的大きい条件では、電流はほぼ一定とみなすことが出来るので、スイッチＳＷｙをＯＦＦにした瞬間の電流値を、ＯＦＦにした後に、比較的計測速度の遅い電流センサで測定することができる。なお、図３（Ｂ）ではＳＷｙをＯＦＦにしているが、代わりにスイッチＳＷｕをＯＦＦにした場合でも、同様の電流を継続させることができる。
　図３（Ａ）あるいは図３（Ｂ）の後に、全てのスイッチをＯＦＦにすると、図３（Ｃ）のように電流は破線で示すループ上を流れる。このときの電流は時間に比例して減少し、電流が０になるまで数４に従う。
　Ｉ＝Ｉｃ－Ｖｄｃ・ｔｃ／Ｌｓｃ　（数４）
ここで、Ｉｕ１は全てのスイッチをＯＦＦしたときの電流値、ｔｃは全てのスイッチをＯＦＦにしてからの時間である。
　図４は、図３に示した短絡電流を発生させるためのスイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｙの動作波形を示している。図４（Ａ）、（Ｂ）はＵ－Ｖ相間の短絡電流を調査する場合の波形を示している。
　図４（Ａ）は短絡箇所までの往復インダクタンスＬｓｃが比較的大きい場合の動作波形を示している。制御回路１０５は、ドライバ回路ＳＤｕとＳＤｙのＧＴ信号に、期間Ｔｐだけ両方同時にＯＮになるようなパルスを供給する。それによって、スイッチＳＷｕとＳＷｙがＧＴ信号に従ってＯＮになる。スイッチＳＷｕとＳＷｙの両方のスイッチが同時にＯＮになる期間Ａにおいて、図３（Ａ）で示した経路で短絡電流が流れる。その後の片方のスイッチをＯＦＦにした期間Ｂにおいて、図３（Ｂ）で示した経路で短絡電流が流れる。さらにその後の全スイッチをＯＦＦにした期間Ｃにおいて、図３（Ｃ）で示した短絡電流が流れる。上記の一連の短絡電流発生動作のうち、期間Ｂにおいて、電流値の増減が比較的少なくなるので、期間Ｂ開始付近の時間Ｔｓにおいて電流を測定すると、比較的計測速度の遅い電流センサで測定することができる。そして、数式（数１）のｔに時間Ｔｐを、Ｉに電流計測回路１１１が計測した電流値Ｉｍｅｓを代入することで、短絡箇所までの往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。
　なお、電流値Ｉｍｅｓは、Ｕ－Ｖ相間の短絡の場合は、電流センサ１１０ｕの計測値Ｉｕ、Ｖ－Ｗ相間の短絡の場合は、電流センサ１１０ｗの計測値Ｉｗを読み取ることで得られ、Ｗ－Ｕ相間の短絡の場合はＩｕ、Ｉｗどちらかの計測値を読み取ることで得られる。あるいは、電流値Ｉｍｅｓは、計測値Ｉｕ、Ｉｗの大きい方、Ｍａｘ（Ｉｕ、Ｉｗ）を選択して読み取っても良い。以下に説明の電流値Ｉｍｅｓも同様にして電流センサからの計測値の読み取りを行うのでその説明は省略する。
　図４（Ｂ）は短絡箇所までの往復インダクタンスＬｓｃが比較的小さい場合の動作波形を示している。図４（Ａ）の場合と同様に、制御回路１０５は、ドライバ回路ＳＤｕとＳＤｙのＧＴ信号に、期間Ｔｐだけ両方同時にＯＮになるようなパルスを供給する（図４（Ａ）と図４（Ｂ）時間軸のスケールは異なっている）。ＧＴ信号によってスイッチを再びＯＦＦにする前に短絡電流が過電流しきい値Ｉｏｖを超過し、ドライバ回路ＳＤｕとＳＤｙ内の過電流保護回路が作動し、ＧＴ信号に関係なくスイッチＳＷｕとＳＷｙの両方、あるいはいずれかがＯＦＦになる（図４（Ｂ）では両方ＯＦＦになった場合を示している）。スイッチＳＷｕとＳＷｙの両方のスイッチが同時にＯＮになる期間Ａにおいて、図３（Ａ）で示した経路で短絡電流が流れる。その後、全スイッチをＯＦＦにした期間Ｃにおいて、図３（Ｃ）で示した短絡電流が流れる。この場合、数式（数１）のｔに、２つのスイッチのＧＴ信号に両方ともＯＮになる信号を供給してから過電流検出するまでの時間ｔを代入し、Ｉに過電流しきい値Ｉｏｖを代入することで、インダクタンスＬｓを求めることができる。
　図４（Ａ）の動作において、期間Ｔｓで安定した電流値Ｉｍｅｓ計測するためには、期間Ｂでの電流減少が少ないことが必要であり、そのためには（数３）から分かるように比較的大きなインダクタンスＬｓｃの条件が必要である。そこで、図４（Ａ）の動作による計測で必要となるインダクタンスＬｓｃ値から、（数１）を用いてスイッチが両方オンである時間Ｔｐを逆算し、その値をモード切り替え時間Ｔｍｃとしてあらかじめ設定しておく。このモード切り替え時間Ｔｍｃより短い時間で短絡検知が発生する場合は図４（Ｂ）の動作、そうでない場合は、図４（Ａ）の動作で計測を行う。
　図５に、本発明の第一の実施例における短絡個所判定のフローチャートを示す。図５のフローは、短絡発生に伴う保護回路による過電流検知信号、および、入力器１０６や受信機１０７からのトリガによって開始される。開始後、制御回路１０５はモータ停止措置を実施する（Ｓ１０１）。具体的には、順変換器回路１０２の全スイッチをＯＦＦにすることで、モータへの電力供給を停止し、電流計測回路１１１で計測される全ての相の電流値が０になるまで待機する。モータ停止後、制御回路１０５はスイッチＳＷ＿ＰＷとＳＷ＿ＤＣを制御して直流電圧Ｖｄｃを低減する（Ｓ１０２）。直流電圧が低減された状態で、短絡電流制御部１２１は短絡状況の調査を実施し、短絡情報の取得に成功した場合には電流値情報Ｉｃａｌおよび時間情報Ｔｃａｌをインダクタンス値計算部１２２に提供する（Ｓ１０３）。インダクタンス値計算部１２２は、Ｉｃａｌ、Ｔｃａｌおよび直流電圧情報Ｖｄｃよりインダクタンス値Ｌｃａｌを計算し、短絡箇所判定部１２３に送る（Ｓ１０４）。短絡箇所判定部１２３は、送信されてきたインダクタンス値Ｌｃａｌとケーブル情報記憶部１２４が保持しているケーブル情報を基に短絡箇所を推定する（Ｓ１０５）。その結果を表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する（Ｓ１０６）。
　図６に、図５の短絡個所判定フローにおけるスイッチ状態と直流電圧（Ｖｄｃ）の変化を示す。モータ駆動時には、制御回路１０５はモータへの電力供給のために電源スイッチＳＷ＿ＰＷとバイパススイッチＳＷ＿ＢＰはＯＮに、放電スイッチＳＷ＿ＤＣはＯＦＦにしており、直流電圧は、順変換器回路１０２によって作られる電圧Ｖｄｃ０になっている。モータ停止措置後に、制御回路１０５が、電源スイッチＳＷ＿ＰＷをＯＦＦ、放電スイッチをＯＮにすると、平滑コンデンサ１０３の放電が開始され、直流電圧は減少する。電圧計測回路１１２が計測した直流電圧値Ｖｄｃが所定の電圧Ｖｄｃ１まで下がったことを検知すると、制御回路１０５は放電スイッチをＯＦＦにする。この状態では、コンデンサ１０３は直流電圧がＶｄｃ１であることを保持している。この後に短絡状況調査（Ｓ１０３）を実施する。なお、図６の動作の間、バイパススイッチＳＷ＿ＢＰは常にＯＮ状態である。
　図７に、短絡状況調査（Ｓ１０３）のフローチャートを示す。図７のフローチャートは大きく３つのフローチャートから構成されており、それらはＵ－Ｖ相間、Ｖ－Ｗ相間、Ｗ－Ｕ相間の短絡状況調査のフローチャートである。まずＵ－Ｖ相間の短絡状況調査においては、始めに、制御回路１０５は、電流消滅待ちを行い、電流計測回路１１１が計測する電流ＩｕとＩｗが０になるまで待機する（Ｓ１１１）。次に、制御回路１０５は、Ｕ－Ｖ相間の短絡電流を調査するために操作する２つのスイッチをＳＷｕとＳＷｙに設定する（Ｓ１１２）。その後、制御回路１０５は、短絡電流・短絡時間測定を実施し、短絡を検出の有無の情報を持った短絡検出フラグＦｓｃを取得する。さらに短絡を検出した場合は、電流値情報Ｉｃａｌと時間情報Ｔｃａｌも取得する（Ｓ１１３）。短絡検出フラグＦｓｃ＝“Ｙ”の場合は、短絡相番号変数Ｐｈに、Ｕ－Ｖ相間短絡を意味する数値“１”を代入して終了する（Ｓ１１４、Ｓ１１５）。短絡検出フラグＦｓｃ＝“Ｎ”の場合は、Ｖ相－Ｗ相の短絡調査のフローチャートに移行する。同様にして、Ｖ－Ｗ相の短絡調査を行い、短絡検出が有ればＶ－Ｗ相間短絡を意味する数値“２”を代入して終了する（Ｓ１２１～Ｓ１２５）。短絡検出が無ければさらに、Ｖ相－Ｕ相の短絡調査のフローチャートに移行する。同様にして、Ｗ－Ｕ相の短絡調査を行い、短絡検出が有ればＶ－Ｗ相間短絡を意味する数値“３”を代入して終了する（Ｓ１３１～Ｓ１３５）。短絡検出が無い場合は、短絡相不明の意味として変数Ｐｈに“０”を代入して終了する（Ｓ１４０）。
　図８に、短絡電流・短絡時間測定（Ｓ１１３、Ｓ１２３、Ｓ１３３）のフローチャートを示す。始めに、制御回路１０５は事前に設定された２つのスイッチをＯＮにする指令を、対応するスイッチ駆動回路ＳＤに出力する（Ｓ２０１）。それと同時にタイマ変数Ｔｓを０にリセットする（Ｓ２０２）。タイマ変数Ｔｓは時間経過とともに値が増加する変数であって、例えば制御回路１０５内に内部クロックによってカウントアップするカウンタによって構成することができる。タイマ変数Ｔｓがモード切り替え時間Ｔｍｃより小さい間は、短絡電流経路の往復インダクタンスＬｓｃが小さい場合の短時間の電流増加に対応するため、全スイッチ駆動回路ＳＤからの過電流検知信号ＤＥＴを監視する（Ｓ２０３～Ｓ２０５）。その間にいずれかのスイッチ駆動回路ＳＤより信号ＤＥＴを受信した場合、分岐（Ａ）に処理が移行する。タイマ変数Ｔｓがモード切り替え時間Ｔｍｃの値より大きくなってからは、電流計測回路１１１による電流計測を、タイマ変数Ｔｓが計測終了時間Ｔｆｉｎの値に到達するまで繰り返し行う（Ｓ２０６～Ｓ２０８）。その間に電流計測回路１１１が計測した電流値Ｉｍｅｓが計測好適値Ｉｐｒｅｆを超えた場合、分岐（Ｂ）に処理が移行する。タイマ変数Ｔｓが計測終了時間Ｔｆｉｎを超えた後は、最後に計測した電流値Ｉｍｅｓと短絡電流検出下限値ＩＬｌｉｍと比較する（Ｓ２０９）。Ｉｍｅｓ≧ＩＬｌｉｍであれば分岐（Ｃ）に処理が移行し、そうでなければ分岐（Ｄ）に処理が移行する。
　分岐（Ａ）に処理が移行した場合、Ｉｃａｌに過電流しきい値Ｉｏｖを、Ｔｃａｌにタイマ変数の時間Ｔｓを代入する（Ｓ２１０）。
　ここで、計測好適値Ｉｐｒｅｆは電流センサ１１０ｕ、１１０ｗの計測に好適な電流値を意味し、十分な分解能が得られてなおかつ測定上限に余裕が有る電流値である。
　分岐（Ｂ）および（Ｃ）に処理が移行した場合、ＯＮしているスイッチの上アームか下アームかいずれか片方をＯＦＦにし、同時にそのタイミングでのタイマ変数Ｔｓの値をＴｃａｌに代入する（Ｓ２１１、Ｓ２１２）。その後、電流計測回路１１１による電流計測を行い、Ｉｃａｌにその計測値Ｉｍｅｓを代入する（Ｓ２１３、Ｓ２１４）。
　分岐（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に処理が移行した場合は、短絡検出フラグＦｓｃに“Ｙ”を代入する（Ｓ２１５）。一方、分岐（Ｄ）に処理が移行した場合は、短絡検出フラグＦｓｃに“Ｎ”を代入する（Ｓ２１６）。いずれに分岐した場合も、処理の最後にはスイッチをＯＦＦにする指令を全スイッチ駆動回路ＳＤに出力して終了する（Ｓ２１７）。
　図９に、図８の短絡電流・短絡時間測定における短絡電流波形の例を示す。短絡電流経路の往復インダクタンスＬｓｃが最も小さかった場合、図８のフローチャートにおいて分岐（Ａ）を経由する処理が行われる。この場合の電流波形は波形（Ａ）となる。短絡電流は急速に増加し、過電流しきい値Ｉｏｖに到達した時点でスイッチ駆動回路ＳＤの過電流保護機能によって電流遮断され、短絡電流は急激に減少する。この場合、時間ｔａとＩｏｖの値を（数２）のｔとＩに代入することでインダクタンスＬｓを求めることができる。次にインダクタンスＬｓｃがより大きい場合は、図８のフローチャートにおいて分岐（Ｂ）を経由する処理が行われる。この場合の電流波形は、波形（Ｂ）となる。電流値が計測好適値ＩＰｒｅｆを超えてから時刻ｔｂでスイッチの１つがＯＦＦにされることで電流がほぼ一定値となり、時刻ｔｂ後のタイミング（例えば期間Ｔｐｂ）で電流計測した電流値Ｉｍｅｓと時刻ｔｂの値を（数２）のＩとｔに代入することで短絡電流経路の往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。さらに往復インダクタンスＬｓｃがより大きい場合は、図８のフローチャートにおいて分岐（Ｃ）を経由する処理が行われる。この場合の電流波形は、波形（Ｃ）となる。計測終了時刻ｔｆｉｎより後の時刻ｔｃでスイッチの１つがＯＦＦにされることで電流がほぼ一定値となり、時刻ｔｃ後のタイミング（例えば期間Ｔｃ）で電流計測した電流値Ｉｍｅｓと時刻ｔｃの値を（数２）のＩとｔに代入することで短絡経路のインダクタンスＬｓを求めることができる。さらに往復インダクタンスＬｓｃがより大きい場合は、図８のフローチャートにおいて分岐（Ｄ）を経由する処理が行われる。この場合の電流波形は、波形（Ｄ）となる。計測終了時間ｔｆｉｎにおいて、ＩＬｌｉｍを超えていないため、モータＭＣ経由のインダクタンス（Ｌｍ）が観測されていると判断し、調査している相間において短絡は発生していないと判定する。
　以上に説明した図７と図８のフローチャートに従った動作により、図９の短絡電流とそれに関係する時間を計測することで短絡経路の往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。
　図１０に、短絡電流・短絡時間測定（Ｓ１１３、Ｓ１２３、Ｓ１３３）の別方式によるフローチャートを示す。始めに、制御回路１０５は事前に設定された２つのスイッチのうち、上アームのスイッチのみをＯＮにする指令を、対応するスイッチ駆動回路ＳＤに出力する（Ｓ２３１）。また、電圧指令パルス幅を決める変数Ｔｐに初期値としての最小のパルス幅Ｔａ１の値を設定する（Ｓ２３２）。次に、下アームのスイッチをＯＮするパルス幅を拡幅しながら、どのパルス幅の時に過電流検出されるかを調査する（Ｓ２３３～Ｓ２３８）。制御回路１０５は、電流消滅待ちを行い、電流計測回路１１１が計測した電流ＩｕとＩｗが０になるまで待機する（Ｓ２３３）。電流が０になった後、制御回路１０５は変数Ｔｐの値の時間幅だけ下アームをＯＮにする指令を対応するスイッチ駆動回路ＳＤに出力する（Ｓ２３４）。その後、スイッチ駆動回路ＳＤから過電流検知信号ＤＥＴを入力し、過電流検知していた場合は分岐（Ａ）に処理が移行する（Ｓ２３５、Ｓ２３６）。そうでない場合は、変数Ｔｐがモード切り替え時間Ｔｍｃを超えるまで、変数ＴｐをΔＴｐ１だけ増加してＳ２３３～Ｓ２３６の処理を繰り返す（Ｓ２３７、Ｓ２３８）。
　変数Ｔｐがモード切り替え時間Ｔｍｃを超えた後は、下アームのスイッチをＯＮするパルス幅を拡幅しながら、どのパルス幅の時に電流値Ｉｍｅｓが計測好適値Ｉｐｒｅｆを超えるかを調査する（Ｓ２３９～Ｓ２４４）。制御回路１０５は、電流消滅待ちを行い、電流計測回路１１１が計測した電流ＩｕとＩｗが０になるまで待機する（Ｓ２３９）。電流が０になった後、制御回路１０５は変数Ｔｐの値の時間幅だけ下アームをＯＮにする指令を対応するスイッチ駆動回路ＳＤに出力する（Ｓ２４０）。その後、電流計測回路１１１に電流計測を行わせ（Ｓ２４１）、計測した電流値Ｉｍｅｓが電流好適値Ｉｐｒｅｆより大きかった場合には、分岐（Ｂ）に処理が移行する（Ｓ２４１、Ｓ２４２）。そうでない場合は、変数Ｔｐが計測終了時間Ｔｆｉｎの値を超えるまで、変数ＴｐをΔＴｐ２だけ増加してＳ２３９～Ｓ２４２の処理を繰り返す（Ｓ２４３、Ｓ２４４）。
　変数Ｔｐが計測終了時間Ｔｆｉｎを超えた後は、最後に計測した電流値Ｉｍｅｓと短絡電流検出下限値ＩＬｌｉｍと比較する。Ｉｍｅｓ≧ＩＬｌｉｍであれば分岐（Ｃ）に処理が移行し、そうでなければ分岐（Ｄ）に処理が移行する（Ｓ２４５）。
　分岐（Ａ）に処理が移行した場合、Ｉｃａｌに過電流しきい値Ｉｏｖを、Ｔｃａｌにパルス幅変数Ｔｐの値を代入する（Ｓ２４６）。
　分岐（Ｂ）および（Ｃ）に処理が移行した場合、Ｉｃａｌに最後に計測した電流値Ｉｍｅｓを、Ｔｃａｌにパルス幅変数Ｔｐの値を代入する（Ｓ２４７）　分岐（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に処理が移行した場合は、短絡検出フラグＦｓｃに“Ｙ”を代入する（Ｓ２４８）。一方、分岐（Ｄ）に処理が移行した場合は、短絡検出フラグＦｓｃに“Ｎ”を代入する（Ｓ２４９）。いずれに分岐した場合も、処理の最後には上アームのスイッチをＯＦＦにする指令を対応するＳＤ駆動回路に出力して終了する（Ｓ２５０）。
　図１１に、図１０の短絡電流・短絡時間測定における短絡電流波形の例を示す。図１１（Ａ）は、図１０のフローチャートの過電流検出調査（Ｓ２３３～Ｓ２３８）ループにおける、下アームのＧＴ信号と短絡電流波形の例を示している。制御回路１０５は、１回のループ毎にＧＴ信号にパルスを１つ出力し、そのパルス幅をＴｐａ１、Ｔｐａ２、Ｔｐａ３と徐々に広くしていく。あるパルス幅（図の例ではＴｐａ３）において、短絡電流が過電流しきい値を超えた場合、この時点で短絡電流の調査を終了する。短絡検知したときのパルス幅ＴｐとＩｏｖの値を（数２）のｔとＩに代入することで短絡電流経路の往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。厳密にはパルス幅増加量ΔＴｐ１の誤差が生じる可能性が有るが、ΔＴｐ１を小さくすることでそれを無視できる。
　図１１（Ｂ）は、図１０のフローチャートの過電流検出調査（Ｓ２３９～Ｓ２４４）ループにおける、下アームのＧＴ信号と短絡電流波形の例を示している。制御回路１０５は、１回のループ毎にＧＴ信号にパルスを１つ出力し、そのパルス幅はＴｐｂ１、Ｔｐｂ２、Ｔｐｂ３と徐々に広くしていく。また、各パルス後の期間Ｔｐｍ１、Ｔｐｍ２、Ｔｐｍ３で電流計測回路１１１からの電流計測値Ｉｍｅｓを毎回取得する。あるパルス幅（図の例ではＴｐｂ３）において、電流計測値Ｉｍｅｓが計測好適値Ｉｐｒｅｆを超えた場合、この時点で短絡電流の調査を終了する。最後に計測した電流値Ｉｍｅｓとそのときのパルス幅Ｔｐの値を（数２）のＩとｔに代入することで短絡経路の往復インダクタンスＬｓを求めることができる。
　パルス幅が計測終了時間ｔｆｉｎを超えた場合には、電流値Ｉｍｅｓが計測好適値ＩＰｒｅｆに達していなくとも、調査を終了し、上記と同様に（数２）より往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。ただし、ＩｍｅｓがＩＬｌｉｍを超えていない場合は、モータＭＣ経由のインダクタンス（Ｌｍ）が観測されていると判断し、調査している相間において短絡は発生していないと判定する。
　以上に説明した図７と図１０フローチャートに従った動作により、図１１の短絡電流とそれに関係する時間を計測することで短絡経路の往復インダクタンスＬｓｃを求めることができる。
　図１２、直流電圧Ｖｄｃを変えた場合の短絡電流波形を示す。図１２に示した２つの波形Ａ、波形Ｂは、図４の期間Ａで示した２つのスイッチをＯＮして発生する短絡電流を表しており、波形Ａは直流電圧Ｖｄｃ＝Ｖｄｃ０、波形Ｂは直流電圧Ｖｄｃ＝Ｖｄｃ１の条件であって、直流電圧Ｖｄｃ条件が異なっている（Ｖｄｃ１＜Ｖｄｃ０）。これらの電流波形は（数１）従うので、電流値が０から所定の電流値Ｉ０までに増加するのに要する時間はＶｄｃに反比例して長くなる（図の波形でＶｄｃ０：Ｖｄｃ１＝ｔ１：ｔ０の関係）。したがって、直流電圧Ｖｄｃを低減させることで、短絡電流・短絡時間測定の動作において以下ようなのメリットを得ることができる。
　（メリット）図８および図９に示した短絡電流・短絡時間測定の動作において、時間計測精度を向上させずとも、時間分解能を向上させることができ、結果、短絡経路の往復インダクタンスＬｓｃの精度が向上する。また、図１０および図１１に示した短絡電流・短絡時間測定の動作において、パルス幅制御の精度を向上させずとも、時間分解能を向上させることができ、結果、短絡経路の往復インダクタンスＬｓｃの精度が向上する。
　図１３に、ケーブル情報記憶部１２４が記憶するケーブル情報を設定するためのフローチャートを示す。本フローチャートは短絡箇所判定動作を行う前に少なくとも１回実行される。始めに、ケーブルのインダクタンス値（Ｌ値）情報を取得する方法をユーザに選択させる。選択肢には（１）直接入力、（２）ケーブル径より計算、（３）測定より取得の３つがある。（１）直接入力を選択した場合、ケーブル全長の往復インダクタンスを、入力器１０６、受信機１０７を介して直接入力する（Ｓ３０２）。ケーブル全長の往復インダクタンス値は、例えばモータケーブル敷設前にＬＣＲメータで別途、取得する方法が考えられる。（２）ケーブル径より計算を選択した場合、モータケーブルの導線直径φＣ、ケーブルのひふく直径φＨを、入力器１０６、受信機１０７を介して入力する（Ｓ３０３、Ｓ３０４）。制御回路１０５は、導線直径φＣ、ひふく直径φＨよりケーブル全長の往復インダクタンスＬ＿ｃａｂｌｅを計算する（Ｓ３０５）。（３）測定より取得を選択した場合、図７のフローチャートと同様の動作によって、ケーブル全長の往復インダクタンスＬ＿ｃａｂｌｅを測定する。この場合、短絡発生よりも前に測定が必要であり、なおかつ、モータケーブルの電力変換装置との反対側を試験的に短絡させる必要がある。この測定において、制御回路１０５は、Ｕ相－Ｖ相間の短絡電流を調査するために操作する２つのスイッチをＳＷｕとＳＷｙに設定し（Ｓ３１１）、その後、制御回路１０５は、短絡電流・短絡時間測定を実施する（Ｓ３１２）。この短絡電流・時間測定は、図８あるいは図１０のフローチャートを利用することができる。
　ケーブル全長の往復インダクタンスを取得後、モータケーブル長Ｌｅｎ＿ｃａｂｌｅを、入力器１０６、受信機１０７を介して入力する（Ｓ３０６）。ケーブルのインダクタンスと長さを変換するための変換係数Ｋ＿ｃａｂｌｅをＫ＿ｃａｂｌｅ＝Ｌ＿ｃａｂｌｅ／Ｌｅｎ＿ｃａｂｌｅより計算する（Ｓ３０７）。以上の入力値、計算値を、ケーブル情報記憶部１２４は保存して終了する（Ｓ３０８）　図１４に３相モータケーブルの断面図の例を示す。図に示したケーブルは、直径φＣの導線と３５０ｕ、３５０ｖ、３５０ｗに、直径φＨのひふく径を持った３本のケーブル３５１ｕ、３５１ｖ、３５１ｗで構成されている。
　一方、並行した２本のケーブルの往復インダクタンスは数５に示す数式で計算できることが知られている。
　Ｋ＝０．０５＋０．４６０５２・ｌｏｇ（Ｄ／ｒ）[ｍＨ／ｋｍ]　（数５）ここで、Ｋは単位長さ当たりのインダクタンス、のＤはケーブル間の距離、ｒは導線の半径である。したがって、ケーブル３本が密に束ねられている場合、ケーブル間の距離Ｄ＝２・φＨ、導線の半径ｒ＝φＣ／２より求めることができるので、ケーブルの導線直径φＣとひふく直径φＨから、変換係数Ｋ＿ｃａｂｌｅ（＝Ｋ）を計算することができる。
　図１５に、制御回路１０５内の短絡箇所判定部１２３で用いられる判定方法を示す。短絡箇所判定部１２３は、インダクタンス値計算部１２２から送信されるインダクタンス値Ｌｃａｌと、ケーブル情報記憶部１２４から送信されるインダクタンス値Ｌ＿ｃａｂｌｅ、変換係数Ｋ＿ｃａｂｌｅに基づいて、図に示す切り分け判定とサイド判定を行う。切り分け判定では、Ｌ＿ｃａｌ≦Ｌ＿ｃａｂｌｅの場合、短絡箇所がケーブル上、Ｌ＿ｃａｌ＞Ｌ＿ｃａｂｌｅの場合、短絡箇所がモータ上と判定する。また、Ｌ＿ｃａｌ≦Ｌ＿ｃａｂｌｅの場合、サイド判定では、Ｌｃａｌが０に近い場合はケーブル上の短絡箇所が電力変換装置付近と判定し、ＬｃａｌがＬ＿ｃａｂｌｅに近い場合はケーブル上の短絡箇所がモータ付近と判定する。さらにケーブル上の短絡箇所Ｌｅｎ＿ｓｃを、Ｌｅｎ＿ｓｃ＝Ｋ＿ｃａｂｌｅ・Ｌ＿ｃａｌより判定する。
　図１６に表示器１０８の構成図を示す。表示器１０８はデコーダ１５１、ＬＥＤドライバ１５２、２ケタ表示のＬＥＤセグメント１５３で構成される。制御回路１０５から送られてきた短絡箇所判定結果と、短絡相番号Ｐｈは、デコーダ１５１でＬＥＤセグメントの数字および文字の表示パターンにデコードされる。ＬＥＤ１５２ドライバは電流信号によって、デコードされた表示パターンをＬＥＤセグメント１５３に表示させる。
　図１７にＬＥＤセグメント１５３に表示される表示パターンと、短絡箇所との対応表を示す。（Ｂ）の表示パターンは（Ａ）のコードを７セグメントＬＥＤで表現したものである。コードＡ１～Ａ３は、短絡箇所がモータケーブルの電力変換装置付近、コードｂ１～ｂ３は、短絡箇所がモータケーブルのモータ付近、コードＣ１～Ｃ３は、短絡箇所がモータ内部であることを意味している。また、コードが００～９９の数値である場合は、モータケーブル上短絡箇所の電力変換装置からの距離を意味している。図１７の対応表を電力変換装置のマニュアルや電力変換装置の側面に掲示することで、使用者はコードと短絡箇所情報の対応を容易に把握することができる。
　図１８に送信機１０９の構成図を示す。送信機１０９は変調器１６１、増幅器１６２、アンテナ１６３で構成され、制御回路１０５から送られてきた短絡箇所判定結果と短絡相番号は変調器１６１で変調され、増幅器１６２で電力増幅され、アンテナ１６３より外部へ無線送信される。図示していないが、別の機器やシステムは、無線送信された信号を受信し、復調することで、短絡箇所判定結果と短絡相番号の情報を得ることが可能である。また、タブレット型端末を利用し、タブレット型端末に図１７の対応表を内蔵したアプリケーションソフトをインストールすることで、短絡箇所情報をタブレット型端末の画面に表示することができる。
　図１９に、別の保護回路方式によるスイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚの構成図を示す。各スイッチ回路の構成は共通であるので、図２では、記号ＳＷ、ＤＩ、ＳＤに続くｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚの文字を省略して記述してある。スイッチ駆動回路ＳＤは、論理回路１８１、ゲート駆動アンプ１８２、ゲート抵抗１８３、コンパレータ１８４、キャパシタ１８５、フィルタ抵抗１８６、定電圧源１８７、ラッチ回路１８８から構成されている。また、スイッチＳＷのエミッタ電極側の配線にシャント抵抗Ｒｓｈが挿入して設置されている。ゲート駆動アンプ１８２とゲート抵抗１８３は接続するスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ制御に用いられる。制御回路１０５からのゲート信号ＧＴが“Ｈ”の場合は、ゲート駆動アンプ１８２がゲートオン電圧を出力しスイッチＳＷはＯＮに、ゲート信号ＧＴが“Ｌ”の場合は、ゲート駆動アンプ１８２がゲートオフ電圧を出力しスイッチＳＷはＯＦＦになる。ゲート抵抗１８３はスイッチング速度を制御する。一方、コンパレータ１８４、キャパシタ１８５、フィルタ抵抗１８６、定電圧源１８７、ラッチ回路１８８は過電流検出回路を構成している。この過電流検出回路はシャント抵抗による電流検知方式の回路である。定電圧源１８７はしきい値電圧ＶＴｉの電圧源であり、しきい値電圧ＶＴｉはスイッチを流れる電流が過電流と判断されるときのシャント抵抗Ｒｓｈの電圧降下と同じ電圧値に設定されている。過電流が発生すると、シャント抵抗Ｒｓｈの電圧降下がしきい値電圧ＶＴを超え、コンパレータ１８４は“Ｈ”を出力する。すると、ラッチ回路１８８の出力Ｑが“Ｈ”になり、論理回路１８１によってゲート信号ＧＴを無効化し、スイッチを強制的に遮断され、ドライバ回路ＳＤは過電流保護機能が作動した状態となる。また、過電流検知信号ＤＥＴとして制御回路１０５に過電流検知が伝えられる。過電流保護機能の解除は、制御回路１０５からのリセット信号をＲＥＳに入力し、ラッチ回路１８８をリセットされることで行われる。以上のように、図１９に示したスイッチ駆動回路は、過電流保護機能付きのゲートドライバ回路として機能し、短絡による過電流検知直後に過電流検知を制御回路１０５に伝達することができる。なお、キャパシタ１８５とフィルタ抵抗１８６はノイズによる誤動作防止のために設置されており、過電流検知時間の遅れを発生する。この遅れ時間が無視できない場合は、過電流検出時間計測動作において遅れ時間を差し引くことで補正できる。
　図２０に本発明の電力変換装置の第二の実施例の構成図を示す。電力変換装置２０１は、交流電力を入力してモータに電力を供給するための順変換器回路１０２、コンデンサ１０３、逆変換器回路１０４を備えている。また、電力変換装置２０１は、電力変換装置２０１を制御するための制御回路２０５と、制御回路２０５へ手動で情報入力するための入力器１０６、外部システムからの情報を受信するための受信機１０７と、制御回路２０５からの出力情報を表示するための表示器１０８、外部のシステムへ情報を送信するための送信機１０９を備えている。
　順変換器回路１０２は６つのダイオードで構成され、電源配線ＰＬ、遮断機ＣＢ、電源ケーブルＰＣを通して送られ入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから入力される交流電力を直流電力に変換し、ノードＰ，Ｎで示した直流電源配線に出力する。順変換器回路１０２のダイオードの整流作用によりノードＰ側の直流電圧配線に正電圧、ノードＮ側の直流電圧配線に負電圧とした直流電圧を発生する。コンデンサ１０３はノードＰとＮにおいて直流電圧配線に接続し、急激な電流変化が起きても配線間の電圧を一定に保つ（平滑化する）働きをする。逆変換器回路１０４は、直流電力を、モータを駆動するための交流電力に変換し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力する。
　順変換器回路１０２とノードＰの間には抵抗器Ｒ１とバイパススイッチＳＷ＿ＢＰが並列に接続されて設置されている。抵抗器Ｒ１は電源投入時に発生するコンデンサ１０３への突入電流の電流制限用の抵抗であり、スイッチＳＷ＿ＢＰは突入電流制定後にＯＮになることで電流をバイパスさせる。ＳＷ＿ＢＰは半導体で形成されたトランジスタや、電磁リレーを用いて構成することができる。ノードＰ、Ｎの間には、放電抵抗器Ｒ３が接続され、遮断機ＣＢが電源を遮断している時にコンデンサ１０３を放電する。
　逆変換器回路１０４はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのハーフブリッジ回路から構成されている。Ｕ相のハーフブリッジ回路はスイッチＳＷｕとダイオードＤＩｕが逆並列に接続された上アームと、スイッチＳＷｘとダイオードＤＩｘが逆並列に接続された下アームで構成されている。同様にして、Ｖ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｖとダイオードＤＩｖ、スイッチＳＷｙとダイオードＤＩｙで、Ｗ相のハーフブリッジ回路は、スイッチＳＷｗとダイオードＤＩｗ、スイッチＳＷｚとダイオードＤＩｚで構成されている。図１ではスイッチとしてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。また、半導体デバイスはシリコンを使うのが一般的だが、低損失化のためにワイドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）を用いてもよい。全てのスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚには、スイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚがそれぞれ接続されており、各スイッチ駆動回路は各スイッチのエミッタ、ゲート、コレクタの各電極に接続されている。エミッタ、ゲート、コレクタはＩＧＢＴの電極名称であり、ＭＯＳＦＥＴの場合は、ソース、ゲート、ドレインの電極名称に相当する。全てのスイッチ駆動回路には、スイッチのゲート電圧を制御することでスイッチのＯＮとＯＦＦを切り替えるゲートドライバ回路と、スイッチに過電流が流れたことを検知してスイッチを高速に遮断する（ＯＦＦにする）過電流保護回路とを内蔵している。各スイッチ駆動回路は制御回路２０５との通信手段を持っており、通信手段は、制御回路２０５からスイッチ駆動回路へスイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御信号を伝えるのと、スイッチ駆動回路から制御回路２０５へ過電流検知信号を伝えるために用いられる。
　電力変換装置１０１は、逆変換器回路１０４と出力端子Ｕ、Ｗの間に、各相の出力電流値を測定する２つの電流センサ１１０ｕ、１１０ｗと、それらの測定値を計測するための電流計測回路１１１を備えている。電流センサ１１０ｕ、１１０ｗは出力端子Ｕ、Ｗから出力される電流値を計測し、アナログ電圧または電流として電流計測回路１１１に伝える。電流計測回路１１１は、そのアナログ情報をサンプリングし、デジタルデータ化して、計測電流値Ｉｕ，Ｉｗとして制御回路２０５へ送信する。また、電力変換装置１０１は、直流電圧配線のノードＰ、Ｎ間、つまりコンデンサ１０３の両電極間の電圧を測定する電圧計測回路１１２を備えている。電圧計測回路１１２はノードＰ、Ｎ間の直流電圧を計測し、デジタルデータ化して直流電圧値Ｖｄｃとして制御回路２０５へ送信する。電流計測回路１１１および電圧計測回路１１２は一般的なサンプリング回路とＡ／Ｄ変換回路によって構成することができる。
　制御回路２０５は、電力変換装置１０１の出力側（モータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗおよびモータＭＴ）の短絡発生箇所の判定のために、短絡電流制御部１２１、インダクタンス値計算部１２２、短絡箇所判定部１２３、ケーブル情報記憶部１２４、直流電圧計測部２２５を備えている。短絡電流制御部１２１は、短絡箇所調査時において、電流計測回路１１１からの電流値情報、および逆変換器回路１０４内の全スイッチ駆動回路ＳＤからの過電流検出情報を基に、逆変換器回路１０４内の各スイッチを制御して短絡電流を制御する。また短絡電流制御部１２１は電流制御時に得られた電流値情報Ｉｃａｌおよび時間情報Ｔｃａｌをインダクタンス値計算部１２２に送信する。インダクタンス値計算部１２２は、Ｉｃａｌ、Ｔｃａｌおよび直流電圧情報Ｖｄｃよりインダクタンス値Ｌｃａｌを計算し、短絡箇所判定部１２３に送る。短絡箇所判定部１２３は、送信されてきたインダクタンス値Ｌｃａｌとケーブル情報記憶部１２４が保持しているケーブル情報を基に短絡箇所を推定し、表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する。直流電圧計測部２２５は、直流電圧情報Ｖｄｃを基に、短絡箇所調査開始のトリガを短絡電流制御部１２１に送信する。なお、制御回路２０５は、モータのＰＷＭ駆動のための一般的な機能を備えているが、本発明の動作とは関わらないので、その説明については省略する。また、ロジック回路のみで構成することが可能な要素については、マイコンやプログラマブルロジックでソフトウェア的に実現することも可能である。
　図２１に、本発明の第二の実施例における短絡個所判定の第一のフローチャートを示す。図２１のフローは、短絡発生に伴う保護回路による過電流検知信号、および、入力器１０６や受信機１０７からのトリガによって開始される。開始後、制御回路２０５はモータ停止措置を実施する（Ｓ４０１）。具体的には、順変換器回路１０２の全スイッチをＯＦＦにすることで、モータへの電力供給を停止し、電流計測回路１１１で計測される全ての相の電流値が０になるまで待機する。モータ停止後、直流電圧を監視しながらの待機状態となり、入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから供給される外部電源が遮断されるのを待機する（Ｓ４０２～４０３）。遮断機ＣＢの遮断などにより外部電源が遮断されると、放電抵抗器Ｒ３によりキャパシタ１０３の直流電圧が低下する。電圧計測回路１１２が計測する直流電圧Ｖｄｃが所定の電圧Ｖｄｃ１を下回ったときに、短絡電流制御部１２１は短絡状況の調査を実施する。短絡情報の取得に成功した場合には電流値情報Ｉｃａｌおよび時間情報Ｔｃａｌをインダクタンス値計算部１２２に提供する（Ｓ４０４）。インダクタンス値計算部１２２は、Ｉｃａｌ、Ｔｃａｌおよび直流電圧情報Ｖｄｃよりインダクタンス値Ｌｃａｌを計算し、短絡箇所判定部１２３に送る（Ｓ４０５）。短絡箇所判定部１２３は、送信されてきたインダクタンス値Ｌｃａｌとケーブル情報記憶部１２４が保持しているケーブル情報を基に短絡箇所を推定する（Ｓ４０６）。その結果を表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する（Ｓ４０７）。
　図２２に、図２１の短絡個所判定フローにおける直流電圧（Ｖｄｃ）の変化を示す。モータ駆動時には、制御回路２０５はモータへの電力供給のため遮断機ＣＢはＯＮになっており、外部電源供給と順変換器回路１０２の整流作用によって直流電圧ＶｄｃはＶｄｃ０に保たれている。遮断機ＣＢの遮断などにより外部電源が遮断されると、放電抵抗器Ｒ３により直流電圧Ｖｄｃが低下する。Ｖｄｃ１を下回ったタイミングで、直流電圧計測部２２５がトリガをかけて短絡電流制御部１２１は短絡状況の調査を実施する。短絡状況調査を実施中も放電抵抗器Ｒ３の放電によって直流電圧は低下するが、コンデンサ１０３と放電抵抗器Ｒ３で決まるＣＲ時定数を、短絡調査時間より十分大きくすることで、直流電圧ＶｄｃがＶｄｃ１の値に固定されているとみなすことができる。
　図２３に、本発明の第二の実施例における短絡個所判定の第二のフローチャートを示す。図２３のフローは、遮断機ＣＢの投入などによる外部電源供給開始、あるいは外部電源供給開始前の入力器１０６や受信機１０７からのトリガによって開始される。スイッチＳＷ＿ＢＰはＯＦＦになっており外部電源からのキャパシタ１０３への充電は抵抗器Ｒ１を流れる充電電流によって行われる（Ｓ４１０）。開始後、直流電圧を監視しながらの待機状態となり（Ｓ４１１～Ｓ４１２）、電圧計測回路１１２が計測する直流電圧Ｖｄｃが所定の電圧Ｖｄｃ１を上回ったときに、短絡電流制御部１２１は短絡状況の調査を実施する。短絡情報の取得に成功した場合には電流値情報Ｉｃａｌおよび時間情報Ｔｃａｌをインダクタンス値計算部１２２に提供する（Ｓ４１３）。インダクタンス値計算部１２２は、Ｉｃａｌ、Ｔｃａｌおよび直流電圧情報Ｖｄｃよりインダクタンス値Ｌｃａｌを計算し、短絡箇所判定部１２３に送る（Ｓ４１４）。短絡箇所判定部１２３は、送信されてきたインダクタンス値Ｌｃａｌとケーブル情報記憶部１２４が保持しているケーブル情報を基に短絡箇所を推定する（Ｓ４１５）。その結果を表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する（Ｓ４１６）。
　図２４に、図２３の短絡個所判定フローにおける直流電圧（Ｖｄｃ）の変化を示す。が遮断機ＣＢの投入などにより外部電源供給が開始されると順変換器回路１０２で整流された直流電流が抵抗器Ｒ１を通して流れてキャパシタ１０３を充電する。充電の進行によって直流電圧Ｖｄｃは上昇し、Ｖｄｃ１を上回ったタイミングで、直流電圧計測部２２５がトリガをかけて短絡電流制御部１２１は短絡状況の調査を実施する。短絡状況調査を実施中も抵抗器Ｒ１を通した充電電流によって直流電圧は上昇するが、コンデンサ１０３と抵抗器Ｒ１で決まるＣＲ時定数を、短絡調査時間より十分大きくすることで、直流電圧ＶｄｃがＶｄｃ１の値に固定されているとみなすことができる。
　[本発明の応用例]
　図２５に本発明を産業用インバータとして応用した例を示す。本発明の電力変換装置５０１と駆動用モータ５０２の間をモータケーブル５０３で接続されている。電力変換装置５０１は、交流電源ケーブル５０４を通して外部から電力を供給されている。モータ５０２は空調機、圧縮機、コンベア、エレベータなど様々な産業用機器を駆動することに使用される。モータ５０２内部やケーブル５０３上で相間短絡が発生した場合、電力変換装置５０１が備えている表示器５０５に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。
　図２６に本発明を鉄道車両に応用した例を示す。鉄道車両５１１の床下に本発明の電力変換装置５１２、５１３が設置されている。鉄道車両５１１の台車５１４、５１５には駆動用のモータ５１６、５１７が備え付けられている。モータと電力変換装置はモータケーブル５１８、５１９で接続されている。モータ５１６、５１７の内部やモータケーブル５１８、５１９上で相間短絡が発生した場合、電力変換装置５１２、５１３が備えている表示器に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ個所が報知される。
　図２７に本発明を電動機付き自動車に応用した例を示す。自動車５２１の内部に本発明の電力変換装置５２２、５２３が設置されている。また、車輪５２４、５２５を駆動するためのモータ５２６、５２７が設置されており、電力変換装置とモータケーブル５２８、５２９で接続されている。モータ５２６、５２７の内部やモータケーブル５２８、５２９上で相間段落が発生した場合、電力変換装置５２２、５２３が備えている表示器に短絡個所の情報が表示されるとともに、無線送信によって外部のシステムへ短絡個所が報知される。
　図２８に本発明の判定結果を表示するタブレット型端末の例を示す。タブレット型端末５５１には液晶表示画面５５２があり、インストールされたアプリケーションによって、受信したコードに応じて短絡発生箇所情報が液晶表示画面５５２に表示される。
ＳＷ、ＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ、ＳＷｘ、ＳＷｙ、ＳＷｚ…スイッチ、ＤＩ、ＤＩｕ、ＤＩｖ、ＤＩｗ、ＤＩｘ、ＤＩｙ、ＤＩｚ…ダイオード、ＳＤ、ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚ…スイッチ駆動回路、ＭＣ、ＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗ…モータケーブル、ＭＴ…モータ、ＰＣ…電源ケーブル、ＰＬ…電源配線、ＣＢ…遮断機、ＳＷ＿ＰＷ…電源スイッチ、ＳＷ＿ＤＣ…放電スイッチ、ＳＷ＿ＢＰ…バイパススイッチ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗器、Ｒｓｈ…シャント抵抗、１０１…電力変換装置、１０２…順変換器回路、１０３…コンデンサ、１０４…逆変換器回路、１０５…制御回路、１０６…入力器、１０７…受信機、１０８…表示器、１０９…送信機、１１０ｕ、１１０ｗ…電流センサ、１１１…電流計測回路、１１２…電圧計測回路、１２１…短絡電流制御部、１２２…インダクタンス値計算部、１２３…短絡箇所判定部、１２４…ケーブル情報記憶部、１２５…直流電圧制御部、１３１…論理回路、１３２…ゲート駆動アンプ、１３３…ゲート抵抗、１３４…コンパレータ、１３５…キャパシタ、１３６…キャパシタ充電用抵抗、１３７…キャパシタ放電用スイッチ、１３８…ダイオード、１３９、１４０…定電圧源、１４１…ラッチ回路、１５１…デコーダ、１５２…ＬＥＤドライバ、１５３…ＬＥＤセグメント、１６１…変調器、１６２…増幅器、１６３…アンテナ、１８１…論理回路、１８２…ゲート駆動アンプ、１８３…ゲート抵抗、１８４…コンパレータ、１８５…キャパシタ、１８６…フィルタ抵抗、１８７…定電圧源、１８８…ラッチ回路、２０１…電力変換装置、２０５…制御回路、２２５…直流電圧計測部

Claims (13)

  1. 　半導体で形成された複数のスイッチ素子を具備し、前記スイッチ素子のオンオフ制御によって３相のケーブルで接続された３相のモータを駆動する電力変換装置であって、
    　電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器回路と、
    前記モータへ供給する電流を制御する３つのハーフブリッジ回路で構成された逆変換器回路と、
    前記ハーフブリッジ回路を構成する複数の前記スイッチ素子を駆動するための複数のドライバ回路と、
    前記逆変換器回路に供給される直流電圧を制御し、前記ドライバ回路を制御する制御回路と、
    前記逆変換器回路の複数の相の出力電流値を測定する電流計測手段と、
    装置内部の状況を外部に報知する情報出力手段を具備し、
    　前記ケーブルあるいは前記モータで発生した地絡個所を調査する際に、前記制御回路は、前記逆変換器回路へ供給する直流電圧を、モータ駆動時の直流電圧よりも低い電圧に低減し、異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチ素子をオンさせることで短絡調査のための電流を前記ケーブルに発生させ、前記スイッチ素子の両方をオンしていた時間と前記電流計測手段の電流計測値に基づいて、前記ケーブルの往復インダクタンス値を計算し、前記往復インダクタンス値から短絡箇所を判定し、
    前記情報出力手段は短絡箇所の判定結果を外部に報知することを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１において、前記逆変換器回路に供給される直流電圧を計測するための電圧センサを備え、前記ケーブルあるいは前記モータで発生した地絡個所を調査する際は、前記逆変換器回路に直流電圧が供給開始あるいは遮断される際であって、前記電圧センサが計測する電圧値がモータ駆動時の直流電圧値よりも低い所定の値であることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１において、前記制御回路は、ケーブル情報記憶部を備え、前記ケーブル情報記憶部が、事前に記憶していた前記ケーブルの単位長さあたりのインダクタンスの値を係数として、前記往復インダクタンス値を、前記電力変換装置からの短絡箇所までのケーブル上の距離に変換し、前記距離を前記情報出力手段から外部に報知することを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項３において、情報入力手段を具備し、前記情報入力手段よりケーブル径情報を入力し、前記ケーブル径情報から前記ケーブルの単位長さあたりのインダクタンスの値を計算することを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項１において、前記制御回路は、ケーブル情報記憶部を備え、前記ケーブル情報記憶部が事前に記憶していたケーブル全長の前記往復インダクタンス値を基準にして、計算された前記往復インダクタンス値のほうが小さい場合はケーブル上、大きい場合はモータ上に短絡箇所があると判定し、前記判定を前記情報出力手段から外部に報知することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項３において、情報入力手段を具備し、前記情報入力手段より前記ケーブルの径情報と前記ケーブルの長さ情報を入力し、前記ケーブルの径情報と前記ケーブルの長さ情報から前記ケーブルの全長の往復インダクタンスの値を計算することを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項１において、前記制御回路は、前記スイッチ素子の両方をオンにした後に、いずれか片方の前記スイッチ素子をオフにした状態で前記電流計測手段から電流計測値を取得することを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項１において、前記ドライバ回路は、コンパレータ回路を用いて所定の過電流しきい値を超えることで過電流を検知し、過電流を検知したときに前記スイッチ素子の少なくとも一方をオフにする過電流保護機能を備える過電流保護回路を具備することを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項８において、前記過電流保護機能が作動した場合には、前記制御回路は、前記スイッチ素子の両方のオンを開始してから前記過電流保護回路が過電流検知するまでの時間を計測し、計測した時間と前記過電流しきい値に基づいて前記ケーブルの前記往復インダクタンス値を計算することを特徴とする電力変換装置。
  10. 　請求項８において、前記制御回路は前記スイッチ素子の両方をオンにする状態を繰り返し発生させ、かつ、オンにする時間幅を徐々に長くし、前記過電流保護機能が動作したときの前記時間幅と、前記過電流しきい値に基づいて前記ケーブルの前記往復インダクタンス値を計算することを特徴とする電力変換装置。
  11. 　請求項８において、前記過電流保護回路が具備するコンパレータ回路は、前記スイッチ素子での電圧降下を計測し、前記電圧降下を基準電圧源と比較して過電流を検出することを特徴とする電力変換装置。
  12. 　請求項８において、前記スイッチ素子と直列接続されるに抵抗器を具備し、前記過電流保護回路が具備するコンパレータ回路は、前記抵抗器での電圧降下を計測し、前記電圧降下を基準電圧源と比較して過電流を検出することを特徴とする電力変換装置。
  13. 　電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器回路と、モータへ供給する電流を制御する３つのハーフブリッジ回路で構成された逆変換器回路と、前記ハーフブリッジ回路を構成する複数のスイッチ素子を駆動するための複数のドライバ回路と、前記ドライバ回路を制御するための制御回路と、前記逆変換器回路の複数の相の出力電流値を測定する電流計測手段を具備し、３相のモータを駆動する電力変換装置に接続された、ケーブルあるいはモータの地絡箇所判定方法であって、
    　前記ケーブルあるいは前記モータで発生した地絡個所を調査する際に、前記制御回路は、
    前記逆変換器回路へ供給する直流電圧を、モータ駆動時の直流電圧よりも低い電圧に低減するステップと、
    異なる相の上アーム、下アーム１つずつの前記スイッチ素子をオンさせることで短絡調査のための電流を前記ケーブルに発生させるステップと、
    前記スイッチ素子の両方をオンしていた時間と前記電流計測手段の電流計測値に基づいて前記ケーブルの往復インダクタンス値を計算し、前記往復インダクタンス値から短絡箇所を判定するステップと、
    を備える地絡箇所判定方法。
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