WO2020026755A1 - 電力変換装置及び地絡箇所診断方法 - Google Patents

電力変換装置及び地絡箇所診断方法 Download PDF

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WO2020026755A1
WO2020026755A1 PCT/JP2019/027593 JP2019027593W WO2020026755A1 WO 2020026755 A1 WO2020026755 A1 WO 2020026755A1 JP 2019027593 W JP2019027593 W JP 2019027593W WO 2020026755 A1 WO2020026755 A1 WO 2020026755A1
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景山　寛
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株式会社日立産機システム
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    • H02P29/027—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device and a ground fault location diagnosis method.
  • FIG. 17 is a configuration diagram showing a conventional power converter, a motor, and a cable connecting the motor and the motor.
  • a conventional power converter 581 includes a forward converter circuit 582 for inputting AC power and supplying power to a motor, a smoothing capacitor 583, and an inverse converter circuit 584.
  • the forward converter circuit 582 includes six diodes, and converts AC power input from the input terminals R, S, and T to DC power.
  • the smoothing capacitor 583 is connected to DC voltage wiring inside the power converter, and smoothes the voltage between the wirings.
  • the inverter circuit 584 converts DC power into AC power for driving the motor and outputs the AC power to output terminals U, V, and W.
  • the inverter circuit 584 includes switches 585a to 595f formed of a semiconductor. Two switches form a half-bridge circuit in pairs, and three switches of U, V, and W are formed by six switches. Is composed. Switching is performed by alternately turning on the switching elements for one phase so that the switching elements are not simultaneously turned on. The outputs U, V, and W of each phase are connected to a motor 587 using three cables 586.
  • the conventional power converter 581 controls the power supplied to the motor by PWM control that changes the ON time of each switch based on current information observed by the current sensors 588u and 588w or the current sensor 588n.
  • the current sensor 588n or the emitter-collector of each switch is attached and the collector voltage is set.
  • the overcurrent is detected by an overcurrent detection circuit 589a for monitoring the overcurrent and detecting the overcurrent. (In FIG. 17, only the overcurrent detection circuit attached to the switch 585a is described. The description of the switches 585b to 585f is omitted.)
  • an overcurrent is detected, all the switching elements are turned off. By doing so, the conversion operation is stopped, and the switching element is prevented from being broken by thermal energy generated by a large current.
  • Patent Document 1 is a prior art of a method of knowing information on a location where an abnormality has occurred.
  • a ground fault location is determined based on a current ratio between a ground fault phase and a non-ground fault phase when all switches of the upper arm or the lower arm are turned on and a ground fault current flows. Is shown.
  • This method utilizes the principle that the ratio of two current values is determined by the inductance of the motor cable and the windings in the motor.
  • Patent Document 1 is a method assuming a case where only one phase has a ground fault, and does not correspond to a case where a plurality of phases have a ground fault at a place close to each other.
  • the ground fault location can be estimated based on the current ratio based on the principle shown in Patent Document 1. Disappears.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and even in the case where a multi-phase ground fault occurs in an adjacent location, a ground fault location on a motor and a cable is determined, and a user or an external It is an object of the present invention to provide a power converter and a ground fault diagnosis method for notifying a device or system of a determination result.
  • the present invention includes, for example, a plurality of switches formed of a semiconductor and drives a three-phase motor connected by a three-phase cable by controlling on / off of the switches.
  • Power conversion device comprising a forward converter circuit composed of diodes for converting AC power from a power supply to DC power, and three half-bridge circuits for controlling current supplied to a motor.
  • the control circuit includes a ground fault current measurement unit, an interphase short-circuit current measurement unit, and a ground fault location determination unit, and controls a ground fault location generated in the cable and the motor.
  • the ground fault current measurement unit turns on all the switches of one of the upper arm or the lower arm of the three half-bridge circuits, and detects a plurality of phases generated during the ON period.
  • the output current value is measured, and the inter-phase short-circuit current measurement unit turns on the switch of the upper arm of one phase and the switch of the lower arm of a different phase of the three half-bridge circuits, and occurs during the period when both are on.
  • the output current values of the plurality of phases are measured, and the ground fault location determination unit determines the ground fault location based on the output current value measured by the ground fault current measurement unit and the output current value measured by the interphase short-circuit current measurement unit. judge.
  • a ground fault location on a motor and a cable is determined, and a diagnosis result is notified to a user or an external device or system. Can be.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a power conversion device according to the first embodiment.
  • 4 is a flowchart of a ground fault location determination according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current path when a ground fault short-circuit current is generated in a ground fault current measurement step S102 in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a drive pattern of each switch in a ground fault current measurement step S102 in FIG. 2 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current path when an inter-phase short-circuit current is generated in an inter-phase short-circuit current measurement step S106 in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a drive pattern of each switch in an inter-phase short-circuit current measurement step S106 in FIG. 2 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a ground fault location diagnosis method used by a ground fault location determination unit 123 in FIG. 1. It is a correspondence table of a display pattern displayed on an LED segment and a ground fault location when an indicator is an LED.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a power conversion device according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a switch drive circuit SD in FIG. 9. 9 is a flowchart of a ground fault location determination according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a switch drive circuit SD in FIG. 9. 9 is a flowchart of a ground fault location determination according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a drive pattern of each switch in a ground fault current measurement step S202 in FIG. 11 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which the power converter in Embodiments 1 and 2 is applied as an industrial inverter.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which the power conversion device according to the first and second embodiments is applied to a railway vehicle.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which the power conversion device according to the first and second embodiments is applied to a motor vehicle. It is a figure which shows the example of the tablet type terminal which displays the ground fault location determination result of the power converter in Examples 1 and 2.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a drive pattern of each switch in a ground fault current measurement step S202 in FIG. 11 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which the power converter in Em
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a conventional power converter, a motor, and a cable connecting the motor and the motor.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a switch drive waveform and a ground fault current waveform of a ground fault phase and a non-ground fault phase in a conventional power converter.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the power conversion device in the present embodiment.
  • the power converter when a ground fault occurs between the motor cable MCu, MCv, MCw or the three-phase motor MT surrounded by a broken line and the ground ET, the power converter can estimate a ground fault occurrence location. it can.
  • Three motor cables MCu, MCv, MCw are connected to the output terminals U, V, W of the power converter 101, and the three-phase motor MT is connected to the end.
  • three power cables TC are connected to the input terminals R, S, and T of the power conversion device 101, and the ends thereof are connected to the secondary side of the transformer TRN. Either the inside of the transformer TRN or the cable TC is connected to the ground ET or a grounded wiring.
  • the power converter 101 includes a forward converter circuit 102, a smoothing capacitor 103, and an inverse converter circuit 104 for supplying power to a motor with AC power as input.
  • the power converter 101 further includes a control circuit 105 for controlling the inverter circuit 104, an input device 106 for manually inputting information to the control circuit 105, a receiver 107 for receiving from an external system, A display unit 108 for displaying output information from the control circuit 105 and a transmitter 109 for transmitting the information to an external system are provided.
  • the forward converter circuit 102 is composed of six diodes, converts AC power input from the input terminals R, S, and T into DC power, and outputs the DC power to both electrodes of the smoothing capacitor 103. Due to the rectifying action of the diode of the forward converter circuit 102, a DC voltage Vdc is generated as 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. Smoothing capacitor 103 is connected to DC voltage wiring at nodes P and N, and smoothes the voltage between the wirings.
  • the inverter circuit 104 converts DC power into AC power for driving the motor, and outputs the AC power to output terminals U, V, and W.
  • 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 is composed of a switch SWv and a diode DIv, the switch SWy and a diode DIy
  • the W-phase half-bridge circuit is composed of a switch SWw and a diode DIw, and a switch SWz and a diode DIz.
  • an IGBT is used as a switch in FIG.
  • Switch driving circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, SDz are connected to all the switches SWu, SWv, SWw, SWx, SWy, SWz, respectively, and each switch driving circuit has an emitter, a gate, It is connected to each electrode of the collector.
  • the emitter, gate, and collector are the electrode names of the IGBT, and in the case of the MOSFET, they correspond to the electrode names of the source, gate, and drain.
  • All switch drive circuits include a gate driver circuit that switches the switch on and off by controlling the gate voltage of the switch, and a switch that shuts off the switch at a high speed by detecting that an overcurrent has passed through the switch (turning off the switch)
  • A) built-in overcurrent protection circuit Each switch drive circuit has a communication unit with the control circuit 105. The communication unit transmits a switch ON / OFF control signal from the control circuit 105 to the switch drive circuit and transmits the switch ON / OFF control signal from the switch drive circuit to the control circuit 105. Used to transmit a current detection signal.
  • the power converter 101 measures three current sensors 110u, 110v, and 110w for measuring the output current value of each phase between the inverter circuit 104 and the output terminals U, V, and W, and measures the measured values. And a current measuring circuit 111 for the operation.
  • the current sensors 110u, 110v, and 110w measure current values Iu, Iv, and Iw output from the output terminals U, V, and W, and transmit the current values to the current measurement circuit 111 as analog voltages or currents.
  • the current measurement circuit 111 samples the analog information, converts the information into digital data, and transmits the digital data to the control circuit 105.
  • the current measurement circuit 111 can be configured by a general sampling circuit and an A / D conversion circuit.
  • the control circuit 105 includes a ground fault current measurement unit 121, an inter-phase short-circuit current measurement unit 122, a ground fault location determination unit 123, and an inductance value storage unit 124.
  • the ground fault current measuring unit 121 turns on all the switches (SWu, SWv, and SWw) of the upper arm or all the switches (SWx, SWy, and SWz) of the lower arm. Then, the current value information of the ground fault current generated at that time is acquired from the current measurement circuit 111, and the measured U, V, and W phase current values are transmitted to the ground fault location determination unit 123.
  • the inter-phase short-circuit current measurement unit 122 turns on one of the switches of the upper arm (SWu, SWv, or SWw) and one of the switches of the lower arm (SWx, SWy, or SWz) of a different phase, and sets The current value information of the inter-phase short-circuit current generated at this time is acquired from the current measurement circuit 111, and the measured current value information of the inter-phase short-circuit current is transmitted to the ground fault determining unit 123.
  • the ground fault location determination unit 123 calculates the inductance value of the motor cable or the wiring in the motor from the power converter 101 to the ground fault location based on the measured current value information of the ground fault current and the interphase short-circuit current.
  • the ground fault location is determined by comparing the inductance value Lc of the motor cable MC and the inductance value Lm of the motor internal winding held by the inductance value storage unit 124, and the determination result is transmitted to the display 108 and the transmitter 109. I do.
  • the control circuit 105 has a general function for PWM driving of the motor, but does not relate to the operation of the present invention. Elements that can be configured only with a logic circuit, such as a ground fault current measurement unit 121, an inter-phase short-circuit current measurement unit 122, a ground fault location determination unit 123, and an inductance value storage unit 124 in the control circuit 105 are described below. It is also possible to realize by software using a microcomputer or programmable logic.
  • FIG. 2 shows a flowchart of the ground fault location determination in this embodiment.
  • the flowchart in FIG. 2 is started by an overcurrent detection signal by a protection circuit associated with the occurrence of a ground fault and a trigger from the input device 106 or the receiver 107.
  • the control circuit 105 executes a motor stop measure (S101). Specifically, the power supply to the motor is stopped by turning off all the switches of the inverter circuit 104, and the process waits until the current values of all the phases measured by the current measuring circuit 111 become zero. .
  • S101 motor stop measure
  • the ground fault current measurement unit 121 measures the ground fault current (S102).
  • the ground fault current measuring unit turns on all the switches (SWu, SWv, and SWw) of the upper arm or all the switches (SWx, SWy, and SWz) of the lower arm for a certain period, and at this time, the current sensors 110u, 110v , 110w and the current measuring circuit 111 measure the output current values of the U-phase, V-phase, and W-phase, and transmit them to the ground fault current measuring unit 121.
  • FIG. 3 shows a current path when the ground fault short-circuit current is generated in the ground fault current measurement step S102 in FIG. 3A shows a one-phase ground fault (W-phase ground fault) on a motor cable
  • FIG. 3B shows a two-phase ground fault at a position close to the cable longitudinal direction (V-phase and W-phase ground faults).
  • C shows a case where a ground fault occurs at a position close to the three-phase cable in the longitudinal direction.
  • the electromotive force for generating the current is the ground voltage Vtrn of the output (secondary side) of the transformer.
  • the output of the transformer has three phases, current flows from a phase where the ground voltage Vtrn is positive due to the diode of the forward converter circuit 102.
  • the transformer TRN, the power cable TC, and the forward conversion Only one phase of the diode of the circuit 102 is shown.
  • the current supplied from the transformer TRN and flowing through the diode of the forward converter circuit 102 passes through the node P and passes through the three upper arm switches SWu, SWv, and SWw in the inverter circuit 104 in the ON state. Shunted into two currents. The shunted currents join at the ground fault point S via the output terminals U, V, and W. The combined current flows through the ground ET and returns to the transformer TRN.
  • the inductance component existing in the current path from the output U, V, W of the power converter 101 to the ground fault point S has a different value depending on the number of short-circuit phases for the following reason.
  • the inductance of the motor cable having the entire length Len is Lc
  • the inductance of the motor winding of each phase is Lm
  • the inductance of the cable from one output of the phase in which the ground fault occurs to the ground fault location S is Ls. Then, let the inductances of the motor cables from the outputs U, V, W of the power converter 101 to the ground fault point S be Lu, Lv, Lw, respectively.
  • FIG. 4 shows an example of a drive pattern of each switch in the ground fault current measurement step S102 in FIG. 2 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • the upper arm switches SWu, SWv, SWw are turned on at time t1
  • the upper arm switches SWu, SWv, SWw are turned off at time t2.
  • a ground-fault current is generated during a time period Tp1 between times t1 and t2, thereby generating a current at the U-phase, V-phase, and W-phase outputs.
  • the current sensors 110u, 110v, 110w and the current measuring circuit 111 measure the output current, and measure the measured current values Iu1, Iv1, and Iw1 to the ground fault current measuring unit. Send to 121.
  • the magnitude relationship between the current values Iu1, Iv1, and Iw1 measured at this time differs depending on the number of phases in which a ground fault has occurred. The reason is that the shunt ratio of the ground fault current is determined by the inductances Lu, Lv, and Lw.
  • Iu1 Iv1 ⁇ Iw1 in the case of FIG. 3A, which is a one-phase ground fault
  • the measurement timing of the output current of the current measurement circuit 111 has been described as being performed from the time t1 to a time not exceeding the time t2, the output current is measured at the same time as or immediately after the time t2 when the upper arm switches SWu, SWv, and SWw are turned off. Even in the strict sense of time, the ground fault current in the transient state flows, so that the ground fault current generated during the period in which the upper arm switches SWu, SWv, and SWw are ON can be measured.
  • the ground fault location determination unit 123 performs a current value comparison (S103). Prior to the comparison, three current values of Iu1, Iv1, and Iw1 are sorted, and the current values are set to I1, I2, and I3 in descending order. If I2 and I3 are approximately the same and I1 is larger than them, the ground fault location determination unit 123 determines that the ground fault is in one phase. If I1 and I2 are almost the same and they are larger than I3, it is determined that the ground fault has two phases. If I1 to I3 are almost the same, it is determined that the ground fault has three phases.
  • the inductance Ls of the motor cable from the power converter 101 to the ground fault location S is calculated from the current ratio (S105).
  • Lc is the inductance of the entire length of the motor cable
  • Lm is the winding inductance in the motor
  • I1 ( ⁇ Vtrn ⁇ dt) / Ls during the time t1 to t2.
  • the inductances of these two equations are the inductances of the current paths of the ground fault phase and the non-ground fault phase in the case of the above-described one-phase ground fault (FIG. 3A).
  • the inter-phase short-circuit current measurement unit 122 performs the inter-phase short-circuit current measurement (S106).
  • FIG. 5 shows a current path when an inter-phase short-circuit current is generated in the inter-phase short-circuit current measurement step S106 in FIG.
  • the inter-phase short-circuit current measurement S106 the upper-arm switch of one phase and the lower-arm switch of one phase of a different phase are turned on to generate an inter-phase short-circuit current. If it is determined that the ground fault is a two-phase ground fault, of the two phases determined to be the ground fault by the current value comparison S103, the upper arm switch of one phase and the lower arm switch of the other phase are changed. Turn ON. On the other hand, when it is determined that a three-phase ground fault occurs, the same applies to any two phases. Then, an inter-phase short-circuit current occurs in a path indicated by a broken line in the figure.
  • FIG. 5 shows a case where a ground fault occurs at a location where two phases of U phase and W phase are close to each other as an example.
  • the electromotive force that generates the interphase short-circuit current is the DC voltage Vdc held by the smoothing capacitor 103.
  • the current supplied from the smoothing capacitor 103 flows into the phase (U phase) where the ground fault occurs via the node P and the switch of the upper arm.
  • the current flows into another phase (W phase) where a ground fault occurs at the ground fault location S, and returns to the smoothing capacitor 103 via the node N.
  • a ground fault current is generated using the ground voltage Vtrn of the output (secondary side) of the transformer as an electromotive force.
  • the inductance of the ground fault current path is sufficiently larger than the inductance of the interphase short-circuit path. Since it is large, the effect of the ground fault current can be ignored.
  • FIG. 6 shows an example of a drive pattern of each switch in the inter-phase short-circuit current measurement step S106 in FIG. 2 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • the switch SWu of the upper arm is sequentially turned on at time t5
  • the switch SWz of the lower arm is sequentially turned on at time t6.
  • the switch SWu of the upper arm is turned off at time t7
  • the switch SWz of the lower arm is turned off at time t8.
  • An inter-phase short-circuit current is generated during a period Tp2 when both the switches SWu and SWz are ON, thereby generating a current at the outputs of the two phases (U-phase and W-phase).
  • the current sensors 110u and 110w and the current measuring circuit 111 measure the output current, and short-circuit the measured current values Iu2 and Iw2. This is transmitted to the current measurement unit 122. Note that, even at the time immediately after the time t7 or in the strict sense immediately after the time t7, since the interphase short-circuit current in the transient state flows, the period during which both the switches SWu and SWz are both ON is set. The generated short-circuit current between phases can be measured.
  • I ( ⁇ [integration range t6 to t6 + Tx2] Vdc ⁇ dt) / (2 ⁇ Ls) (3)
  • tx is the elapsed time since both switches are turned on
  • Vds is the voltage between terminals of the smoothing capacitor 103
  • Ls is the output U from the power converter 101 to the ground fault point S
  • the output W is From the current path to the ground fault S.
  • a ground fault determination is performed based on the inductance Ls obtained in step S105 for calculating Ls from the current ratio and in step S107 for calculating Ls from the current value, and the values of Lc and Lm held in the inductance value storage unit 124. (S108). Thereafter, the determination result is transmitted to the display 108 and the transmitter 109 (S109), and the flow of the ground fault location determination ends.
  • FIG. 7 shows a ground fault location diagnosis method used in the ground fault location determination unit 123 in the control circuit 105.
  • the ground fault location determining unit 123 converts the calculated Ls into ground fault location determination information.
  • FIG. 7 shows examples of three determination methods.
  • the determination method (1) is a method for determining whether the ground fault is on the motor cable or in the motor. When the calculated Ls is smaller than the inductance value Lc of the motor cable, it is determined that a ground fault has occurred on the motor cable, and when the calculated Ls is larger, a ground fault has occurred inside the motor.
  • the determination method (2) is a method for determining an approximate ground fault location on the motor cable and inside the motor.
  • the determination method (3) is a method for determining a ground fault location on the motor cable in detail. In this method, when the total length of the motor cable is set to 100%, from the value of Ls / Lc, the power conversion device determines what percentage of the entire length of the motor cable has a ground fault.
  • Lc and Lm held by the inductance value storage unit 124 are input in advance from the input device 106 or the receiver 107.
  • the display unit 108 shown in FIG. 1 is composed of, for example, a decoder, an LED driver, and a two-digit display LED segment.
  • the ground fault location determination result sent from the control circuit 105 is decoded by the decoder into a display pattern of numbers and characters of the LED segments.
  • the LED driver displays the decoded display pattern on the LED segment according to the current signal.
  • FIG. 8 shows a correspondence table between display patterns displayed on the LED segments and ground fault locations.
  • the (B) display pattern is obtained by expressing the (A) code with 7-segment LEDs.
  • FIG. 8A shows a case where information on the ground fault phase is displayed. Codes A1 to A7 indicate whether or not a ground fault has occurred in each of the U, V, and W phases.
  • FIG. 8B shows a case where rough information of a ground fault location is displayed.
  • the code b1 is near the inverter of the motor cable at the ground fault
  • the code b2 is near the motor of the motor cable
  • the code b3 is near the terminal on the motor winding
  • the code b4 is the ground fault.
  • FIG. 8C shows a case where the distance (unit: meter) of the short-circuit point on the motor cable from the inverter is represented by numerical values 00 to 99.
  • the transmitter 109 shown in FIG. 1 includes, for example, a modulator, an amplifier, and an antenna.
  • the ground fault determination result sent from the control circuit 105 is modulated by the modulator, amplified by the amplifier, and amplified by the amplifier. It is transmitted wirelessly to the outside.
  • another device or system can receive the signal transmitted wirelessly and demodulate it, thereby obtaining the ground fault location determination result and the information of the short-circuit phase number.
  • ground fault location information can be displayed on the screen of the tablet terminal.
  • the ground fault location on the motor and the cable is determined, and the user or an external device or system is determined.
  • the diagnosis result can be reported.
  • FIG. 9 shows a configuration diagram of the power converter in the present embodiment. 9, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. 9 differs from FIG. 1 in that the current sensors are simplified so as to be installed only in the U and W phases, and there is no current sensor in the V phase.
  • the inverter circuit 204, the control circuit 205, the ground fault current measuring unit 221, the inter-phase short-circuit current measuring unit 222, the ground fault location determining unit 223, and the current measuring circuit 211 are the same as those in FIG.
  • the converter circuit 104, the control circuit 105, the ground fault current measuring unit 121, the interphase short-circuit current measuring unit 122, the ground fault determining unit 123, the current measuring circuit 111, and the values of the current sensors of only the U phase and the W phase are handled.
  • the reference numerals are different in this respect, they have the same function, and therefore description thereof is omitted.
  • the power converter 201 is simplified so that the current sensors are installed only in the U and W phases, and there is no current sensor in the V phase.
  • the current sensors 210u and 110w measure the current values Iu and Iw output from the output terminals U and W, and transmit them to the current measurement circuit 211 as analog voltages or currents.
  • FIG. 10 shows a configuration diagram of the switch drive circuits SDu, SDv, SDw, SDx, SDy, and SDz in FIG.
  • the switch driving circuit includes a logic circuit 151, a gate driving amplifier 152, a gate resistor 153, a comparator 154, a capacitor 155, a capacitor charging resistor 156, a capacitor discharging switch 157, a diode 158, and a constant voltage source 159. , 160.
  • the switch driving circuit includes a logic circuit 151, a gate driving amplifier 152, a gate resistor 153, a comparator 154, a capacitor 155, a capacitor charging resistor 156, a capacitor discharging switch 157, a diode 158, and a constant voltage source 159. , 160.
  • the diode, and the switch control circuit provided in the inverter circuit 204 have the same configuration, u, v, w, x, y, and z following the symbols SW, DI, and SD
  • the gate drive amplifier 152 and the gate resistor 153 are used for ON / OFF control of the connected switch SW.
  • the gate signal GT from the control circuit 205 is 1, the gate drive amplifier 152 outputs a gate-on voltage and the switch SW is turned on.
  • the gate signal GT is 0, the gate drive amplifier 152 outputs a gate-off voltage and the switch is turned on.
  • SW is turned off.
  • Gate resistor 153 controls the switching speed.
  • the comparator 154, the capacitor 155, the capacitor charging resistor 156, the capacitor discharging switch 157, the diode 158, and the constant voltage sources 159 and 160 constitute an overcurrent detection circuit.
  • This overcurrent detection circuit is a circuit of a non-saturation voltage detection (Desaturation detection) system.
  • the constant voltage source 160 is a voltage source having an overcurrent threshold voltage VT
  • the constant voltage source 159 is a voltage source having a voltage Vcc higher than VT.
  • the overcurrent threshold VT is a value determined from the collector voltage when the current flowing through the switch reaches the overcurrent threshold Ith.
  • the output of the comparator is 0 because the capacitor discharging switch 157 is ON. If no overcurrent occurs while the switch SW is ON, the voltage at the collector of the switch SW (IGBT) is sufficiently low, and the capacitor 155 is discharged through the diode 158. It is.
  • the comparator 154 outputs 1 and the logic circuit 151 forcibly shuts off the switch. Further, the detection of the short circuit is transmitted to the control circuit 205 as the overcurrent detection signal DET.
  • the switch drive circuit shown in FIG. 10 functions as a gate driver circuit with an overcurrent protection function, and transmits it to the control circuit 205 immediately after a short circuit occurs.
  • FIG. 11 shows a flowchart of the ground fault location determination in this embodiment.
  • the start and the motor stop (S201) are the same as those up to step S101 in FIG.
  • the ground fault current measurement unit 221 measures the ground fault current (S202).
  • the ground fault current measurement unit turns on all switches (SWu, SWv, and SWw) of the upper arm or all switches (SWx, SWy, and SWz) of the lower arm, and outputs an overcurrent detection signal from each switch drive circuit. It waits until the overcurrent is detected by DET.
  • FIG. 3A shows a one-phase ground fault
  • FIG. 3C shows the case of 3 (b) and a three-phase ground fault.
  • FIG. 12 shows an example of a drive pattern of each switch in the ground fault current measurement S202 and a current waveform generated at each phase output at that time.
  • the upper arm switches SWu, SWv, SWw are turned on, and then, at time t3, the upper arm switches SWu, SWv, SWw are turned off.
  • the ground fault current increases after time t1, and the switch drive circuit of the phase that has reached the overcurrent threshold value Ith earliest soon generates the overcurrent detection signal DET.
  • the phase that has reached the overcurrent threshold value Ith earliest is a phase in which a ground fault has occurred. Therefore, in the case of a one-phase ground fault, the overcurrent detection signal DET is generated in one phase and the two phases are detected. In the case of a ground fault, the overcurrent detection signals DET are generated in two phases, and in the case of a three-phase ground fault, the overcurrent detection signals DET are generated in all phases.
  • the ground fault current measuring unit 221 measures the time Tx1 from the time t1 to the reception of the overcurrent detection signal DET at the time of receiving the overcurrent detection signal DET. Further, it causes the current sensors 210u and 210w and the current measuring circuit 211 to measure the output current, and obtains U-phase and W-phase current values Iu1 and Iw1. Further, all the switches are immediately turned off to protect the switches (time t3).
  • the ground fault location determination unit 223 determines that the number of overcurrent detection phases is the total number of ground fault phases and branches the process (S203). If it is determined from the number of phases of the overcurrent detection that a single-phase ground fault has occurred, the inductance Ls of the motor cable from the power converter 201 to the ground fault location S is calculated from the current ratio (S205). The above equation (2) is used to calculate the inductance Ls.
  • the inter-phase short-circuit current measurement unit 222 performs inter-phase short-circuit current measurement (S206).
  • the current path when the inter-phase short-circuit current is generated in the inter-phase short-circuit current measurement S206 is the same as that of the first embodiment, and is shown in FIG.
  • an example of the drive pattern of each switch in the inter-phase short-circuit current measurement S206 and the current waveform generated at each phase output at that time are the same as those in the first embodiment, and are shown in FIG.
  • the inter-phase short-circuit current measurement unit 222 turns on one switch of the upper arm of the phase determined to be ground fault and one switch of the lower arm of another phase determined to be ground fault, and turns on the two switches. After a lapse of time tx2 from the time t6 when the current has become, the current sensors 210u and 210w and the current measuring circuit 211 measure the output current, and the measured current values Iu2 and Iw2 are obtained.
  • Steps S208 and S209 are the same as steps S108 and S109 in FIG.
  • the ground fault location on the motor and the cable is determined, and And an external device or system can be notified of the diagnosis result.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which the power converters according to the first and second embodiments are applied as an industrial inverter.
  • a power converter 501 is the power converter described in the first and second embodiments, and a motor cable 503 is connected between the drive motors 502.
  • the power converter 501 is supplied with power from the outside through an AC power cable 504.
  • the motor 502 is used to drive various industrial devices such as an air conditioner, a compressor, a conveyor, and an elevator.
  • the information of the short-circuit location is displayed on the display 505 provided in the power converter 501, and the short-circuit location is notified to an external system by wireless transmission. You.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which the power conversion device according to the first and second embodiments is applied to a railway vehicle.
  • the power converters 512 and 513 described in the first and second embodiments are installed under the floor of the railway vehicle 511.
  • Driving motors 516 and 517 are provided on bogies 514 and 515 of the railway vehicle 511.
  • the motor and the power converter are connected by motor cables 518 and 519. If a ground fault occurs inside the motors 516, 517 or on the motor cables 518, 519, the information of the short-circuit location is displayed on the display provided in the power converters 512, 513, and the external system is transmitted by wireless transmission. The ground fault location is reported.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example in which the power conversion device according to the first and second embodiments is applied to a motor vehicle.
  • the power converters 522 and 523 described in the first and second embodiments are installed inside the automobile 521.
  • motors 526 and 527 for driving the wheels 524 and 525 are provided, and are connected to the power converter by motor cables 528 and 529.
  • the information of the short-circuit location is displayed on the display provided in the power converters 522, 523, and the external system is transmitted by wireless transmission. The short-circuit point is notified.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a tablet terminal that displays a ground fault location determination result of the power converter in the first and second embodiments.
  • the tablet terminal 551 has a liquid crystal display screen 552, and ground fault occurrence location information is displayed on the liquid crystal display screen 552 by an installed application according to the received code.
  • the judgment results 553 to 556 are displayed on the liquid crystal display screen 552.
  • the determination result 553 indicates a determination result of a component in which a short circuit has occurred. In this display example, “cable” is highlighted to indicate that a ground fault has occurred in the cable.
  • the determination result 554 indicates the determination result of the ground fault location. In this display example, it is displayed that a ground fault has occurred near the converter.
  • the determination result 555 represents the calculation result of the distance from the converter to the ground fault location. In this display example, it is displayed that a ground fault has occurred on the cable 3.5 m away from the converter.
  • the determination result 556 indicates the determination result of the ground fault phase. In this display example, it is displayed that the ground fault has occurred in the U phase and the W phase.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.

Landscapes

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Abstract

近接した箇所での複数相の地絡が発生した場合においても、モータおよびケーブル上の地絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに判定結果を報知する電力変換装置および地絡箇所診断方法を提供することを目的とする。　上記目的を達成するために、電力変換装置であって、地絡電流計測部と、相間短絡電流計測部と、地絡箇所判定部を有しており、地絡電流計測部は、３つのハーフブリッジ回路の上アームかあるいは下アームのいずれか片方のアームの全てのスイッチをオンし、オンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、相間短絡電流計測部は、３つのハーフブリッジ回路の１つの相の上アームのスイッチとそれと異なる相の下アームのスイッチをオンし、両方がオンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、地絡箇所判定部は、地絡電流計測部が測定した出力電流値、および相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定する。

Description

電力変換装置及び地絡箇所診断方法
　本発明は、電力変換装置および地絡箇所診断方法に関する。
　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構成図を図１７に示す。図１７において、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順変換器回路５８２、平滑用コンデンサ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。平滑用コンデンサ５８３は電力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～５９５ｆ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。一相分のスイッチング素子は上下同時に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で短絡や地絡が起きた場合、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５８９ａによって過電流を検知する。（図１７ではスイッチ５８５ａに取り付けられた過電流検知回路のみ記載。スイッチ５８５ｂ～ｆに対しての記載は省略している。）なお、過電流を検知した場合は、全てのスイッチング素子をＯＦＦにすることで変換動作を停止し、スイッチング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。
　配線間の短絡や地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地絡が発生したことを知らせることできる。しかしながら、短絡および地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や地絡事故が発生したのかあるいはモータ内部で発生したのか、またケーブル上のどこで発生したか場所を特定することができないという課題があった。
　異常発生個所の情報を知る方法の先行技術として、特許文献１がある。特許文献１には、図１８に示すように、上アームあるいは下アームのスイッチを全てＯＮにして地絡電流を流したときの地絡相の電流と非地絡相の電流比率から地絡箇所を推定する方法が示されている。この方法では、２つの電流値の比率が、モータケーブルおよびモータ内の巻き線のインダクタンスにより決まるという原理を利用している。
特開２０１７－２２９１７２号公報
　しかしながら、特許文献１は１相のみ地絡した場合を想定した方法であって、複数の相が近接した箇所で地絡した場合には対応していなかった。特に、３相（全ての相）の地絡の場合、図１８に示した、非地絡相がなくなるために、特許文献１が示した原理であるところの電流比率による地絡箇所推定ができなくなる。
　本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、近接した箇所での複数相の地絡が発生した場合においても、モータおよびケーブル上の地絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに判定結果を報知する電力変換装置および地絡箇所診断方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、半導体で形成された複数のスイッチを具備して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、ダイオードで構成され電源からの交流電力を直流電力に変換するための順変換器回路と、モータへ供給する電流を制御するための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、ハーフブリッジ回路を構成する複数のスイッチを駆動するための複数のドライバ回路と、ドライバ回路を制御するための制御回路と、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、制御回路は、地絡電流計測部と、相間短絡電流計測部と、地絡箇所判定部を有しており、ケーブルおよびモータで発生した地絡個所を調査する際には、地絡電流計測部は、３つのハーフブリッジ回路の上アームかあるいは下アームのいずれか片方のアームの全てのスイッチをオンし、オンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、相間短絡電流計測部は、３つのハーフブリッジ回路の１つの相の上アームのスイッチとそれと異なる相の下アームのスイッチをオンし、両方がオンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、地絡箇所判定部は、地絡電流計測部が測定した出力電流値、および相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定する。
　本発明によれば、近接した箇所での複数相の地絡が発生した場合においても、モータおよびケーブル上の地絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに診断結果を報知することができる。
実施例１における電力変換装置の構成図である。 実施例１における地絡個所判定のフローチャートである。 図２における地絡電流計測ステップＳ１０２において地絡短絡電流を発生させたときの電流の経路を示した図である。 図２における地絡電流計測ステップＳ１０２において各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示した図である。 図２における相間短絡電流計測ステップＳ１０６において相間短絡電流を発生させたときの電流の経路を示した図である。 図２における相間短絡電流計測ステップＳ１０６において各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示した図である。 図１における地絡箇所判定部１２３で用いられる地絡箇所診断方法を示した図である。 表示器をＬＥＤとした場合のＬＥＤセグメントに表示される表示パターンと地絡箇所との対応表である。 実施例２における電力変換装置の構成図である。 図９におけるスイッチ駆動回路ＳＤの構成図である。 実施例２における地絡個所判定のフローチャートである。 図１１における地絡電流計測ステップＳ２０２における各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示した図である。 実施例１、２における電力変換装置を産業用インバータとして応用した例を示す図である。 実施例１、２における電力変換装置を鉄道車両に応用した例を示す図である。 実施例１、２における電力変換装置を電動機付き自動車に応用した例を示す図である。 実施例１、２における電力変換装置の地絡箇所判定結果を表示するタブレット型端末の例を示す図である。 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構成図である。 従来の電力変換装置におけるスイッチ駆動波形と、地絡相と非地絡相の地絡電流波形の例を示した図である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
　図１は本実施例における電力変換装置の構成図である。図１において、電力変換装置は、破線で囲われたモータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗあるいは３相モータＭＴと、大地ＥＴとの間で地絡が発生した場合、地絡発生箇所を推定することができる。
　電力変換装置１０１の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗには３本のモータケーブルＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗが接続され、その先に３相モータＭＴが接続されている。一方、電力変換装置１０１の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔには３本の電源ケーブルＴＣが接続され、その先がトランスＴＲＮの２次側に接続されている。トランスＴＲＮの内部あるいはケーブルＴＣのいずれかにおいて、大地ＥＴあるいは接地されている配線に接続されている。
　電力変換装置１０１は、交流電力を入力としてモータに電力を供給するための順変換器回路１０２、平滑コンデンサ１０３、逆変換器回路１０４を備えている。また、電力変換装置１０１は、逆変換器回路１０４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、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、平滑コンデンサ１０３の両電極に出力する。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Ｖｄｃが発生する。平滑コンデンサ１０３はノードＰとＮにおいて直流電圧配線に接続し、配線間の電圧を平滑化する。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。
　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、Ｖ、Ｗの間に、各相の出力電流値を測定する３つの電流センサ１１０ｕ、１１０ｖ、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、１１０ｖ、１１０ｗは出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力される電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ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制御回路１０５へ送信する。電流計測回路１１１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、地絡電流計測部１２１、相間短絡電流計測部１２２、地絡箇所判定部１２３、インダクタンス値記憶部１２４を備えている。地絡箇所調査時において、地絡電流計測部１２１は上アームの全てのスイッチ（ＳＷｕ、ＳＷｖ、およびＳＷｗ）か、または下アームの全てのスイッチ（ＳＷｘ、ＳＷｙ、およびＳＷｚ）のいずれかＯＮにして、その際に発生する地絡電流の電流値情報を電流計測回路１１１から取得し、計測されたＵ、Ｖ、Ｗ相の電流値を地絡箇所判定部１２３に送信する。相間短絡電流計測部１２２は、上アームのスイッチの１つ（ＳＷｕ、ＳＷｖ、あるいはＳＷｗ）と、それと異なる相の下アームのスイッチの１つ（ＳＷｘ、ＳＷｙ、あるいはＳＷｚ）をＯＮにして、その際に発生する相間短絡電流の電流値情報を電流計測回路１１１から取得し、計測された相間短絡電流の電流値情報を地絡箇所判定部１２３に送信する。地絡箇所判定部１２３は、計測された上記の地絡電流と相間短絡電流の電流値情報を基に、電力変換装置１０１から地絡箇所までのモータケーブルあるいはモータ内配線のインダクタンス値を計算し、インダクタンス値記憶部１２４が保持しているモータケーブルＭＣのインダクタンス値Ｌｃとモータ内部巻線のインダクタンス値Ｌｍとの比較により地絡箇所を判定し、表示器１０８および送信機１０９に判定結果を送信する。
　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、制御回路１０５内の地絡電流計測部１２１、相間短絡電流計測部１２２、地絡箇所判定部１２３、インダクタンス値記憶部１２４などの、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、本実施例における地絡個所判定のフローチャートを示す。図２のフローチャートは、地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。図２において、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、逆変換器回路１０４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、地絡電流計測部１２１は地絡電流の計測を行う（Ｓ１０２）。地絡電流計測部は、上アームの全てのスイッチ（ＳＷｕ、ＳＷｖ、およびＳＷｗ）あるいは下アームの全てのスイッチ（ＳＷｘ、ＳＷｙ、およびＳＷｚ）を一定期間ＯＮにし、その際、電流センサ１１０ｕ、１１０ｖ、１１０ｗと電流計測回路１１１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電流値を計測し地絡電流計測部１２１に送信する。
　図３に、図２における地絡電流計測ステップＳ１０２において地絡短絡電流を発生させたときの電流の経路を示す。図３において、（ａ）はモータケーブル上で１相地絡（Ｗ相が地絡）、（ｂ）は２相のケーブル長手方向の近接した位置での地絡（Ｖ相とＷ相が地絡）、（ｃ）は３相のケーブル長手方向の近接した位置での地絡が発生している場合を示している。
　図３において、電流を発生させる起電力はトランスの出力（２次側）の対地電圧Ｖｔｒｎである。トランスの出力は３相あるが、順変換器回路１０２のダイオードによって対地電圧Ｖｔｒｎが正である相から電流が流れ込む。対地電圧Ｖｔｒｎが正である相が複数有る場合は、複数の相から電流が流れ込むが、図３（ａ）～（ｃ）では説明の簡略化のため、トランスＴＲＮと電源ケーブルＴＣと、順変換器回路１０２のダイオードを１相分のみ記載している。トランスＴＲＮから供給され、順変換器回路１０２のダイオードを通して流れ込んだ電流は、ノードＰを経由して、ＯＮ状態にある逆変換器回路１０４内の３つの上アームのスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗを通して３つの電流に分流される。分流された電流は、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経由して、地絡点Ｓで合流する。合流した電流は大地ＥＴを流れてトランスＴＲＮに戻る。
　電力変換装置１０１の出力Ｕ、Ｖ、Ｗから地絡箇所Ｓまでの電流経路に存在するインダクタンス成分は、以下の理由により短絡相の数によって異なる値になる。以下の説明では、全長ＬｅｎのモータケーブルのインダクタンスをＬｃ、各相のモータ巻き線のインダクタンスをＬｍ、地絡が発生している相の１つの出力から地絡箇所ＳまでのケーブルのインダクタンスをＬｓ、そして、電力変換装置１０１の出力Ｕ、Ｖ、Ｗから地絡箇所ＳまでのモータケーブルのインダクタンスをそれぞれＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗとする。
　図３（ａ）の１相地絡の場合においては、地絡が発生している相（Ｗ相）ではＬｗ＝Ｌｓ、地絡が発生していない相（Ｕ相およびＶ相）ではＬｕ＝Ｌｖ＝（Ｌｃ＋Ｌｍ）＋２（Ｌｍ＋Ｌｃ－Ｌｓ）＝３（Ｌｍ＋Ｌｃ）－２Ｌｓとなる（２（Ｌｍ＋Ｌｃ－Ｌｓ）とした理由はその部分に２倍の電流が流れるためである）。
　図３（ｂ）の２相地絡の場合においては、地絡が発生している相（Ｖ相およびＷ相）ではＬｖ＝Ｌｗ＝Ｌｓ、地絡が発生していない相（Ｕ相）では、Ｌｕ＝（Ｌｃ＋Ｌｍ）＋０．５（Ｌｍ＋Ｌｃ－Ｌｓ）＝１．５（Ｌｍ＋Ｌｃ）－０．５Ｌｓとなる（０．５（Ｌｍ＋Ｌｃ－Ｌｓ）とした理由はその部分で電流が半分に分かれるためである）。
　図３（ｃ）の３相地絡の場合においては、Ｌｕ＝Ｌｖ＝Ｌｗ＝Ｌｓとなる。
　ところで、対地電圧Ｖｔｒｎが負の場合は、上アームの全てのスイッチ（ＳＷｕ、ＳＷｖ、およびＳＷｗ）をＯＮにする代わりに、下アームの全てのスイッチ（ＳＷｘ、ＳＷｙ、およびＳＷｚ）をＯＮにする。その場合、図３の地絡電流経路に対して、電流がノードＰからＳＷｕ、ＳＷｖ、およびＳＷｗに分配して流れる経路に代わり、電流がノードＮからＳＷｘ、ＳＷｙ、およびＳＷｚに分配して流れる経路となる。結果、電流方向が逆向きとなること以外は、その他の電流経路は図３と同じとなる。なお、電流方向が反対方向の場合、通常電流センサでは、電流値がマイナスとして計測されるが、本発明の実施例の説明において電流方向は重要ではないので、全て正（絶対値）として取り扱うこととする。
　図４に、図２における地絡電流計測ステップＳ１０２における各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示す。図４において、時刻ｔ１で上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＮにし、その後、時刻ｔ２で上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＦＦにする。時刻ｔ１とｔ２の間の時間Ｔｐ１の期間に地絡電流が発生し、それによりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力に電流が発生する。時刻ｔ１から時刻ｔ２を超えない時間Ｔｘ１経過した時刻に、電流センサ１１０ｕ、１１０ｖ、１１０ｗおよび電流計測回路１１１は出力電流を計測し、計測された電流値Ｉｕ１、Ｉｖ１およびＩｗ１を地絡電流計測部１２１に送信する。このときに計測される電流値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１の大小関係は地絡が発生した相の数によって異なる。理由は、前述の地絡電流の分流比率がインダクタンスＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗによって決まるからである。
　電流値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１を比較すると、１相地絡である図３（ａ）の場合はＩｕ１＝Ｉｖ１＜Ｉｗ１、２相地絡である図３（ｂ）の場合はＩｕ１＜Ｉｖ１＝Ｉｗ１、３相地絡である図３（ｃ）の場合はＩｕ１＝Ｉｖ１＝Ｉｗ１となる。なお、電流計測回路１１１の出力電流の計測タイミングは、時刻ｔ１から時刻ｔ２を超えない時刻で行うとして説明したが、上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＦＦにする時刻ｔ２と同時またはその直後の厳密な意味で過ぎた時刻であっても、過渡状態での地絡電流が流れているので、上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＮしている期間に発生した地絡電流を計測できる。
　ここで、図２のフローチャートの説明に戻る。上記の地絡電流計測Ｓ１０２の後、地絡箇所判定部１２３は電流値比較を行う（Ｓ１０３）。比較に先立って、Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１の３つの電流値のソートを行い、大きい順にＩ１、Ｉ２、Ｉ３とする。もしＩ２とＩ３が同程度で、Ｉ１がそれらより大きいとき、地絡箇所判定部１２３は地絡が１相であると判定する。また、もしＩ１とＩ２が同程度で、それらがＩ３より大きいとき、地絡が２相であると判定する。また、もしＩ１～Ｉ３が同程度である場合には、地絡が３相であると判定する。
　電流値比較Ｓ１０３において、１相地絡と判定された場合、電力変換装置１０１から地絡箇所ＳまでのモータケーブルのインダクタンスＬｓを、電流比率から計算する（Ｓ１０５）。インダクタンスＬｓは式（１）により計算することができる。　
  Ｌｓ＝Ｉ３／（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３）・３・（Ｌｃ＋Ｌｍ）　・・・（１）
　ここで、Ｌｃはモータケーブル全長のインダクタンス、Ｌｍはモータ内の巻き線インダクタンスである。また、１相地絡の場合、Ｉ２＝Ｉ３であるから、式（２）でも計算することができる。　
  Ｌｓ＝Ｉ２／（Ｉ１＋２・Ｉ２）・３・（Ｌｃ＋Ｌｍ）　　・・・（２）
　以下に式（１）、式（２）の導出過程を説明する。Ｉ１は地絡相の電流であるため、時刻ｔ１～ｔ２におけるそれは、Ｉ１＝（∫Ｖｔｒｎ・ｄｔ）／Ｌｓで表される。また、Ｉ２およびＩ３は非地絡相の電流であるため、時刻ｔ１～ｔ２におけるそれらは、Ｉ２＝Ｉ３＝（∫Ｖｔｒｎ・ｄｔ）／（３（Ｌｍ＋Ｌｃ）－２Ｌｓ）で表される。これら２式のインダクタンスは、前述の１相地絡（図３（ａ））の場合の地絡相および非地絡相の電流経路のインダクタンスである。これら２式より（∫Ｖｔｒｎ・ｄｔ）を消去すると、式（１）および式（２）が求められる。
　一方、Ｓ１０３の電流値比較において、２相地絡あるいは３相地絡と判定された場合、相間短絡電流計測部１２２は相間短絡電流計測を実施する（Ｓ１０６）。
　図５に、図２における相間短絡電流計測ステップＳ１０６において相間短絡電流を発生させたときの電流の経路を示す。相間短絡電流計測Ｓ１０６においては、１つの相の上アームのスイッチと、それと異なる相の１つの相の下アームのスイッチをそれぞれＯＮにして、相間短絡電流を発生させる。２相地絡と判定されている場合には、電流値比較Ｓ１０３により地絡と判定されている２つの相のうち、１つの相の上アームのスイッチと、もう１つの相の下アームスイッチをＯＮにする。一方、３相地絡と判定されている場合には、任意の２つの相で同様にする。すると、図中の破線で示されている経路に相間短絡電流が発生する。図５では例としてＵ相とＷ相の２相が近接した箇所で地絡した場合を図示している。
　相間短絡電流を発生させる起電力は平滑コンデンサ１０３が保持している直流電圧Ｖｄｃである。平滑コンデンサ１０３から供給される電流はノードＰと上アームのスイッチを経由して地絡が発生している相（Ｕ相）に流れ込む。電流は地絡箇所Ｓで地絡が発生しているもう一つ相（Ｗ相）に流れ込み、ノードＮを経由して平滑コンデンサ１０３に戻る。なお、破線以外にも、トランスの出力（２次側）の対地電圧Ｖｔｒｎを起電力とした地絡電流が発生するが、一般的に地絡電流経路のインダクタンスは相間短絡経路のインダクタンスより十分に大きいため、地絡電流による影響は無視できる。
　図６に、図２における相間短絡電流計測ステップＳ１０６における各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示す。図６において、時刻ｔ５で上アームのスイッチＳＷｕを、時刻ｔ６で下アームのスイッチＳＷｚを順次ＯＮにする。その後、時刻ｔ７で上アームのスイッチＳＷｕを、時刻ｔ８で下アームのスイッチＳＷｚをＯＦＦにする。２つのスイッチＳＷｕとＳＷｚの両方がＯＮの時間Ｔｐ２の期間に相間短絡電流が発生し、それにより２つの相（Ｕ相、Ｗ相）の出力に電流が発生する。上記２つのスイッチがＯＮになった時刻ｔ６から時刻ｔ７を超えない時間Ｔｘ２経過後に、電流センサ１１０ｕ、１１０ｗおよび電流計測回路１１１は出力電流を計測し、計測された電流値Ｉｕ２およびＩｗ２を相間短絡電流計測部１２２に送信する。なお、時刻ｔ７と同時またはその直後の厳密な意味で過ぎた時刻であっても、過渡状態での相間短絡電流が流れているので、２つのスイッチＳＷｕとＳＷｚの両方がＯＮしている期間に発生した相間短絡電流を計測できる。
　ところで、相間短絡電流の電流量をＩとすると、Ｉは式（３）で表される。　
  Ｉ＝（∫[積分範囲ｔ６～ｔ６＋Ｔｘ２]Ｖｄｃ・ｄｔ）／（２・Ｌｓ）・・・（３）
　ここで、ｔｘは上記のスイッチが２つともＯＮになってからの経過時間、Ｖｄｓは平滑コンデンサ１０３の端子間電圧、Ｌｓは電力変換装置１０１の出力Ｕから地絡箇所Ｓまで、および出力Ｗから地絡箇所Ｓまでの電流経路のインダクタンスである。
　平滑コンデンサ１０３の容量を十分に大きくして、相間短絡電流発生のためにＶｄｃが変化しないようにしたとき、ＬｓとＩの関係は式（４）で表される。　
  Ｌｓ＝（Ｖｄｃ・Ｔｘ２）／（２・Ｉ）　　　　　　　　　・・・（４）
　ここで、図２のフローチャートの説明に戻る。上記の相間電流計測Ｓ１０６の後、電力変換装置１０１から地絡箇所ＳまでのモータケーブルのインダクタンスＬｓの算出を式（３）あるいは線形で使い勝手の良い式（４）を用いて行う（Ｓ１０７）。電流Ｉには地絡相にて計測された電流値の値を代入する。
　電流比率からのＬｓの算出ステップＳ１０５と、電流値からのＬｓの算出ステップＳ１０７によって得られたインダクタンスＬｓと、インダクタンス値記憶部１２４が保持しているＬｃとＬｍの値より地絡箇所判定を行う（Ｓ１０８）。その後、判定結果を表示器１０８および送信機１０９へ送信して（Ｓ１０９）、地絡箇所判定のフローを終了する。
　図７に、制御回路１０５内の地絡箇所判定部１２３で用いられる地絡箇所診断方法を示す。地絡箇所判定部１２３は、算出したＬｓを、地絡箇所判定情報に変換する。図７では３つの判定方法の例を示す。判定方法（１）は地絡箇所がモータケーブル上か、モータ内かを判定する方法である。算出したＬｓがモータケーブルのインダクタンス値Ｌｃより小さいときはモータケーブル上で、大きいときはモータ内部で地絡が発生していると判定する方法である。判定方法（２）は、モータケーブル上およびモータ内部のおおよその地絡箇所を判定する方法である。算出したＬｓが０に近い場合は電力変換装置の近傍で、Ｌｃの近傍でわずかに小さい場合はモータ近傍のケーブル上で、Ｌｃの近傍でわずかに大きい場合はモータ内部の接続端子付近で、Ｌｃ＋Ｌｍの近傍でわずかに小さい場合はモータ内の中性点付近で地絡が発生していると判定する方法である。判定方法（３）は、モータケーブル上の地絡箇所を詳細に判定する方法である。モータケーブルの全長を１００％としたときに、Ｌｓ／Ｌｃの値より電力変換装置からモータケーブル全長の何％の箇所に地絡があるかを判定する方法である。
　インダクタンス値記憶部１２４が保持しているＬｃとＬｍは、入力器１０６あるいは受信機１０７より事前に入力されている。モータケーブルのインダクタンス値Ｌｃを入力する代わりに、使用しているモータケーブルのケーブル長Ｌｅｎとケーブル種類を入力し、ケーブル種類に応じた比例係数を使ってケーブル長Ｌｅｎからインダクタンス値Ｌｍを計算する手段も可能である。また、モータ内部の巻線のインダクタンス値Ｌｍを入力する代わりに、通常モータ駆動時のオートチューニング動作によって、インダクタンス値Ｌｍ＋Ｌｃを取得し、そこからＬｃを引いた値から求める手段もある。
　図１に示した表示器１０８は、例えば、デコーダ、ＬＥＤドライバ、２ケタ表示のＬＥＤセグメントから構成される。制御回路１０５から送られてきた地絡箇所判定結果は、デコーダで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。ＬＥＤ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セグメントに表示させる。
　図８にＬＥＤセグメントに表示される表示パターンと、地絡箇所との対応表を示す。図８において、（Ｂ）表示パターンは（Ａ）コードを７セグメントＬＥＤで表現したものである。図８（ａ）は地絡相の情報を表示している場合である。コードＡ１～Ａ７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相での地絡発生の有無を表している。図８（ｂ）は地絡箇所の大まかな情報を表示している場合である。コードｂ１は地絡箇所がモータケーブルのインバータ付近、コードｂ２は、地絡箇所がモータケーブルのモータ付近、コードｂ３は、地絡箇所がモータ巻線上の端子付近、コードｂ４は、地絡箇所がモータ巻線上の中性点付近であることを表している。図８（ｃ）はモータケーブル上短絡箇所のインバータからの距離（単位：メートル）を数値００～９９で表している場合である。図８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、使用者はコードと地絡箇所情報の対応を容易に把握することができる。
　図１に示した送信機１０９は、例えば、変調器、増幅器、アンテナで構成され、制御回路１０５から送られてきた地絡箇所判定結果は変調器で変調され、増幅器で電力増幅され、アンテナ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、地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８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、地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。
　以上のように、本実施例によれば、近接した箇所での複数相の地絡が発生した場合においても、モータおよびケーブル上の地絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに診断結果を報知することができる。
　図９に本実施例における電力変換装置の構成図を示す。図９において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図９において、図１と異なる点は、電流センサがＵ相、Ｗ相だけに設置するように簡略化されており、Ｖ相には電流センサが無い点である。なお、図９において、逆変換器回路２０４、制御回路２０５、地絡電流計測部２２１、相間短絡電流計測部２２２、地絡箇所判定部２２３、電流計測回路２１１は、それぞれ、図１における、逆変換器回路１０４、制御回路１０５、地絡電流計測部１２１、相間短絡電流計測部１２２、地絡箇所判定部１２３、電流計測回路１１１と、Ｕ相、Ｗ相だけの電流センサの値を取り扱うという点で符号は異なるものの、同じ機能を有しているので、その説明についても省略する。
　図９において、電力変換装置２０１は、電流センサがＵ相、Ｗ相だけに設置するように簡略化されており、Ｖ相には電流センサが無い。電流センサ２１０ｕ、１１０ｗは出力端子Ｕ、Ｗから出力される電流値Ｉｕ，Ｉｗを計測し、アナログ電圧または電流として電流計測回路２１１に伝える。
　図１０に、図９におけるスイッチ駆動回路ＳＤｕ、ＳＤｖ、ＳＤｗ、ＳＤｘ、ＳＤｙ、ＳＤｚの構成図を示す。図１０に示すように、スイッチ駆動回路は、論理回路１５１、ゲート駆動アンプ１５２、ゲート抵抗１５３、コンパレータ１５４、キャパシタ１５５、キャパシタ充電用抵抗１５６、キャパシタ放電用スイッチ１５７、ダイオード１５８、定電圧源１５９、１６０から構成されている。なお、図１０において、逆変換器回路２０４が備えている６つのスイッチ、ダイオード、スイッチ制御回路は同じ構成であるので、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。
　ゲート駆動アンプ１５２とゲート抵抗１５３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２０５からのゲート信号ＧＴが１の場合は、ゲート駆動アンプ１５２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０の場合は、ゲート駆動アンプ１５２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１５３はスイッチング速度を制御する。一方、コンパレータ１５４、キャパシタ１５５、キャパシタ充電用抵抗１５６、キャパシタ放電用スイッチ１５７、ダイオード１５８、定電圧源１５９、１６０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１６０は過電流しきい値電圧ＶＴの、定電圧源１５９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しきい値Ｉｔｈになるときのコレクタ電圧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１５７がＯＮであるため、コンパレータの出力は０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）のコレクタの電圧が十分に低く、ダイオード１５８を通してキャパシタ１５５が放電されるため、コンパレータの出力は０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１５５が放電されない。キャパシタ充電用抵抗１５６の充電電流によってキャパシタ１５５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１５４は１を出力し、論理回路１５１によって、スイッチを強制的に遮断させる。また、過電流検知信号ＤＥＴとして制御回路２０５に短絡検知が伝えられる。
　以上のように、図１０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、短絡発生直後に制御回路２０５に伝達している。
　図１１に、本実施例における地絡個所判定のフローチャートを示す。図１１において、その開始、及びモータ停止措置（Ｓ２０１）は、実施例１の図２のステップＳ１０１までと同じであるので、省略する。
　モータ停止後、地絡電流計測部２２１は地絡電流の計測を行う（Ｓ２０２）。地絡電流計測部は、上アームの全てのスイッチ（ＳＷｕ、ＳＷｖ、およびＳＷｗ）あるいは下アームの全てのスイッチ（ＳＷｘ、ＳＷｙ、およびＳＷｚ）をＯＮにし、各スイッチ駆動回路からの過電流検知信号ＤＥＴによる過電流検出まで待機する。
　地絡電流計測Ｓ２０２において地絡短絡電流を発生させたときの電流の経路は、実施例１と同じであり、１相地絡の場合は図３（ａ）、２相地絡の場合は図３（ｂ）、３相地絡の場合は図３（ｃ）となる。
　図１２に、地絡電流計測Ｓ２０２における各スイッチの駆動パターン例とそのとき各相出力に発生する電流波形を示す。時刻ｔ１で上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＮにし、その後、時刻ｔ３で上アームスイッチＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗをＯＦＦにする。時刻ｔ１以降に地絡電流が増加し、やがて、最も早く過電流しきい値Ｉｔｈに到達した相のスイッチ駆動回路が過電流検知信号ＤＥＴを発生する。ここで、最も早く過電流しきい値Ｉｔｈに到達した相は地絡が発生している相であるため、１相地絡の場合は１つの相で過電流検知信号ＤＥＴが発生し、２相地絡の場合は２つの相で過電流検知信号ＤＥＴが発生し、３相地絡の場合は全ての相で過電流検知信号ＤＥＴが発生する。
　地絡電流計測部２２１は、上記の過電流検知信号ＤＥＴを受信した時点で、時刻ｔ１から過電流検知信号ＤＥＴを受信するまでの時間Ｔｘ１を計測する。さらに、電流センサ２１０ｕ、２１０ｗおよび電流計測回路２１１に出力電流を計測させ、Ｕ相およびＷ相の電流値Ｉｕ１およびＩｗ１を取得する。また、スイッチ保護のために速やかに全てのスイッチをＯＦＦにする（時刻ｔ３）。
　ここで、図１１のフローチャートの説明に戻る。上記の地絡電流計測Ｓ２０２の後、地絡箇所判定部２２３は過電流検知の相数が地絡相の総数と判断して処理を分岐させる（Ｓ２０３）。過電流検知の相数から１相地絡と判定された場合、電力変換装置２０１から地絡箇所ＳまでのモータケーブルのインダクタンスＬｓを、電流比率から計算する（Ｓ２０５）。インダクタンスＬｓの算出には、前述の式（２）を用いる。地絡相がＶ相、つまりＶ相で過電流検知された場合は、式（２）のＩ１にはＩｔｈを、Ｉ２にはＩｕ１あるいはＩｗ１を代入する。地絡相がＵ相つまりＵ相で過電流検知された場合は、式（２）のＩ１にはＩｔｈあるいはＩｕ１を、Ｉ２にはＩｗ１を代入する。地絡相がＷ相つまりＷ相で過電流検知された場合は、式（２）のＩ１にはＩｔｈあるいはＩｗ１を、Ｉ２にはＩｕ１を代入する。
　一方、過電流検知の相数から２相地絡あるいは３相地絡と判定された場合、相間短絡電流計測部２２２は相間短絡電流計測を実施する（Ｓ２０６）。相間短絡電流計測Ｓ２０６において相間短絡電流を発生させたときの電流の経路は、実施例１と同じであり図５となる。また、相間短絡電流計測Ｓ２０６における各スイッチの駆動パターン一例とそのとき各相出力に発生する電流波形も第一の実施例と同じであり図６となる。
　相間短絡電流計測部２２２は、地絡と判定されている相の上アームのスイッチ１つと、地絡と判定されている別の相の下アームの１つのスイッチをＯＮにし、２つのスイッチがＯＮになった時刻ｔ６から時間ｔｘ２経過後に、電流センサ２１０ｕ、２１０ｗおよび電流計測回路２１１に出力電流を計測させ、計測された電流値Ｉｕ２およびＩｗ２を取得する。
　相間電流計測Ｓ２０６の後、電力変換装置２０１から地絡箇所ＳまでのモータケーブルのインダクタンスＬｓの算出を前述の式（３）あるいは線形で使い勝手の良い式（４）を用いて行う（Ｓ２０７）。電流Ｉには電流値Ｉｕ２あるいはＩｗ２のうち大きい方の値をＩに代入する。なお、相間短絡電流の電流経路は２つの相の出力を通るため、うち１つの相に電流センサが無い場合でも、残りの相の出力には電流センサが有るので、その計測値から相間短絡電流を取得することができる。
  Ｓ２０８およびＳ２０９は、図２におけるＳ１０８およびＳ１０９と同様である。
　以上のように、本実施例によれば、実施例１と同様に、近接した箇所での複数相の地絡が発生した場合においても、モータおよびケーブル上の地絡箇所を判定し、使用者や外部の装置やシステムに診断結果を報知することができる。
　本実施例は、実施例１、２で説明した電力変換装置を産業用インバータとして応用した例について説明する。
　図１３は、実施例１、２における電力変換装置を産業用インバータとして応用した例を示す図である。図１３において、電力変換装置５０１は、実施例１、２で説明した電力変換装置であって、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内部やモータケーブル５０３上で地絡が発生した場合、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１４は、実施例１、２における電力変換装置を鉄道車両に応用した例を示す図である。鉄道車両５１１の床下に実施例１、２で説明した電力変換装置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上で地絡が発生した場合、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地絡個所が報知される。
　図１５は、実施例１、２における電力変換装置を電動機付き自動車に応用した例を示す図である。自動車５２１の内部に実施例１、２で説明した電力変換装置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上で地絡が発生した場合、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１６は、実施例１、２における電力変換装置の地絡箇所判定結果を表示するタブレット型端末の例を示す図である。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地絡発生箇所情報が液晶表示画面５５２に表示される。
　液晶表示画面５５２には、判定結果５５３～５５６が表示される。判定結果５５３は短絡発生した部品の判定結果を表し、この表示例では“ケーブル”がハイライトされケーブルに地絡が発生したことを示している。判定結果５５４は地絡場所の判定結果を表し、この表示例では変換装置付近で地絡が発生したことを表示している。判定結果５５５は地絡場所の変換装置からの距離の計算結果を表し、この表示例では変換装置から３．５ｍ先のケーブル上で地絡が発生したことを表示している。判定結果５５６は地絡相の判定結果を表し、この表示例ではＵ相およびＷ相で地絡が発生したことを表示している。
　以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
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：スイッチ制御回路、ＭＣ、ＭＣｕ、ＭＣｖ、ＭＣｗ：モータケーブル、ＭＴ：モータ、ＴＣ：電源ケーブル、ＴＲＮ：トランス、ＥＴ：大地および中性線、１０１：電力変換装置、１０２：順変換器回路、１０３：平滑コンデンサ、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、１１０ｖ、１１０ｗ：電流センサ、１１１：電流計測回路、１２１：地絡電流計測部、１２２：相間短絡電流計測部、１２３：地絡箇所判定部、１２４：インダクタンス値記憶部、１３１：デコーダ、１３２：ＬＥＤドライバ、１３３：ＬＥＤセグメント、１４１：変調器、１４２：増幅器、１５１：論理回路、１５２：ゲート駆動アンプ、１５３：ゲート抵抗、１５４：コンパレータ、１５５：キャパシタ、１５６：キャパシタ充電用抵抗、１５７：キャパシタ放電用スイッチ、１５８：ダイオード、１５９、１６０：定電圧源、２０１：電力変換装置、２０４：逆変換器回路、２０５：制御回路、２１０ｕ、２１０ｗ：電流センサ、２１１：電流計測回路、２２１：地絡電流計測部、２２２：相間短絡電流計測部、２２３：地絡箇所判定部

Claims (15)

  1. 　半導体で形成された複数のスイッチを具備して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、
    　ダイオードで構成され電源からの交流電力を直流電力に変換するための順変換器回路と、前記モータへ供給する電流を制御するための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前記複数のスイッチ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、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、
    　前記制御回路は、地絡電流計測部と、相間短絡電流計測部と、地絡箇所判定部を有しており、
    　前記ケーブルおよび前記モータで発生した地絡個所を調査する際には、
    　前記地絡電流計測部は、前記３つのハーフブリッジ回路の上アームかあるいは下アームのいずれか片方のアームの全ての前記スイッチをオンし、該オンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、
    　前記相間短絡電流計測部は、前記３つのハーフブリッジ回路の１つの相の上アームのスイッチとそれと異なる相の下アームのスイッチをオンし、両方がオンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を測定し、
    　前記地絡箇所判定部は、前記地絡電流計測部が測定した出力電流値、および前記相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記地絡箇所判定部は、前記地絡電流計測部が計測した３つの相の電流値を比較し、２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より大きいと判定した場合には、それらの電流比率に基づいて地絡箇所を判定し、２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より小さいと判定した場合、あるいは、３つの相の電流値が等しいと判断した場合には、前記相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記ドライバ回路には過電流検知回路を具備しており、
    　前記地絡箇所判定部は、前記全てのスイッチをオンしている期間において、前記過電流検知回路による過電流検知を観測し、１つの相で過電流検知した場合には、前記地絡電流計測部が計測した出力電流値の電流比率に基づいて地絡箇所を判定し、２つの相あるいは３つの相で過電流検知した場合には、前記相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記地絡箇所判定部は、前記地絡電流計測部が計測した３つの相の電流値を比較し、２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より大きいと判定した場合には、それらの電流比率に基づいて出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より小さいと判定した場合、あるいは、３つの相の電流値が等しいと判断した場合には、前記相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、前記インダクタンス値より地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記ドライバ回路には過電流検知回路を具備しており、前記地絡箇所判定部は、前記全てのスイッチをオンしている期間において、前記過電流検知回路による過電流検知を観測し、１つの相で過電流検知した場合には、それらの電流比率に基づいて出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、２つの相あるいは３つの相で過電流検知した場合には、前記相間短絡電流計測部が測定した出力電流値に基づいて出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、該算出したインダクタンス値より地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項４または５に記載の電力変換装置であって、
    　前記制御回路は外部より入力されたケーブルおよびモータ内巻き線のインダクタンス値を記憶するインダクタンス値記憶部を備えており、
    　前記地絡箇所判定部は、前記算出したインダクタンス値と前記インダクタンス値記憶部が記憶しているインダクタンス値を比較することで地絡箇所を判定することを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　出力の３相のうち３つの相に電流センサを具備しており、
    　前記地絡電流計測部および前記相間短絡電流計測部は、前記３つの電流センサが計測する電流値を用いることを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　出力の３相のうち２つの相に電流センサを具備しており、
    　前記ドライバ回路には過電流検知回路を具備しており、
    　前記地絡電流計測部および前記相間短絡電流計測部は、前記２つの電流センサが計測する電流値および前記過電流検知回路の過電流しきい値を用いて電流を計測することを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記情報出力手段は表示器で構成され、前記判定結果を表示することを特徴とする電力変換装置。
  10. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記情報出力手段は送信機で構成され、前記判定結果を装置外部に送信する特徴とする電力変換装置。
  11. 　半導体で形成された複数のスイッチで構成される複数のハーフブリッジ回路を具備して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に内蔵される制御回路が実施する地絡箇所診断方法であって、
    　前記ケーブルおよび前記モータで発生した地絡個所を調査する際に、
    　前記複数のハーフブリッジ回路の上アームかあるいは下アームのいずれか片方のアームの全ての前記スイッチをオンし、該オンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を地絡電流として測定し、
    　前記複数のハーフブリッジ回路の１つの相の上アームのスイッチとそれと異なる相の下アームのスイッチをオンし、両方がオンしている期間に発生した複数の相の出力電流値を相間短絡電流として測定し、
    　前記地絡電流として測定した出力電流値、および前記相間短絡電流として測定した出力電流値に基づいて地絡箇所を判定することを特徴とする地絡箇所診断方法。
  12. 　請求項１１に記載の地絡箇所診断方法であって、
    　前記地絡電流として測定した３つの相の出力電流値を比較し、２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より大きいと判定した場合には、各相の地絡電流の電流比率より、前記電力変換装置の出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、
    ２つの相の電流値が等しく、１つの相の電流値が他より小さいと判定した場合、あるいは、３つの相の電流値が等しいと判断した場合には、前記相間短絡電流として測定した出力電流値に基づいて前記電力変換装置の出力から地絡箇所までの電流経路のインダクタンス値を算出し、該算出したインダクタンス値と、ケーブル全長のインダクタンス値およびモータ巻き線インダクタンス値との比較により地絡箇所を判定することを特徴とする地絡箇所診断方法。
  13. 　請求項１２に記載の地絡箇所診断方法であって、
    　前記算出したインダクタンス値が前記ケーブル全長のインダクタンス値より小さいときはケーブル上で、大きいときはモータ内部で地絡が発生していると判定することを特徴とする地絡箇所診断方法。
  14. 　請求項１２に記載の地絡箇所診断方法であって、
    　前記算出したインダクタンス値が、０に近い場合は電力変換装置の近傍で、前記ケーブル全長のインダクタンス値の近傍で小さい場合はモータ近傍のケーブル上で、前記ケーブル全長のインダクタンス値の近傍で大きい場合はモータ内部の接続端子付近で、前記ケーブル全長のインダクタンス値と前記モータ巻き線インダクタンス値を加算した値の近傍で小さい場合はモータ内の中性点付近で、地絡が発生していると判定することを特徴とする地絡箇所診断方法。
  15. 　請求項１２に記載の地絡箇所診断方法であって、
    　前記算出したインダクタンス値を前記ケーブル全長のインダクタンス値で除算した値により、ケーブルの地絡箇所のケーブル全長に対する相対位置を判定することを特徴とする地絡箇所診断方法。
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