JP2014011908A - 電力変換器および電力変換器の開放故障検知方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】交流モータ／発電機の各相に電力を供給する電力変換器のスイッチング素子が開放故障した場合に、スイッチング素子の故障を検知し、更に故障個所を特定する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】交流モータ／発電機１０が回転状態時にIGBT Q1〜Q6に１つずつ点弧指令を与え、点弧指令印加中に電流検出器22a、22b、22cにて電流の流れの有無を検知し、電流が流れなかった場合に点弧指令を印加したIGBTが開放故障していると判定する。
【選択図】図１
【解決手段】交流モータ／発電機１０が回転状態時にIGBT Q1〜Q6に１つずつ点弧指令を与え、点弧指令印加中に電流検出器22a、22b、22cにて電流の流れの有無を検知し、電流が流れなかった場合に点弧指令を印加したIGBTが開放故障していると判定する。
【選択図】図１
Description
本発明は、電力変換器の開放故障検知に関し、特に電力変換器に使用するスイッチング素子の故障の検知および故障個所を特定をする開放故障検知方法に関する。
従来より、電力変換器に使用するスイッチング素子の故障検知方法は幾つか提案されている。スイッチング素子の故障モードは大きく分けて短絡故障と開放故障の2つに分類でき、特許文献1ではスイッチング素子の開放故障の検出を電力変換器に流れる電流のピーク値より判定するという方法が提案されている。また、特許文献2ではスイッチング素子の短絡故障検知と更に短絡故障したスイッチング素子を特定する方法が提案されている。
特許文献１では、多相の電力変換器においてはスイッチング素子を複数使用するため故障検知が可能であっても、複数のスイッチング素子のうちから故障したものを特定するまでには至らない。
また、特許文献2では電力変換器においてスイッチング素子が短絡故障した場合のみ、複数あるスイッチング素子から故障しているものを特定できる手段であり、スイッチング素子が開放故障した場合に故障した素子を特定する場合についてはその特定方法を考案する余地があった。
そこで本発明では電力変換器のスイッチング素子が開放故障した場合に、スイッチング素子の故障を検知し、更に故障個所を特定する方法を提供することを目的とする。
交流モータ／発電機の各相に電力を供給し、上下2段に直列に接続され個別に点弧されるように制御されるスイッチング素子と、前記交流モータ／発電機の各相に流れる電流を検出する電流検出器とを有する電力変換器において、前記交流モータ／発電機が外力により回転させられている状態のとき前記交流モータ／発電機の回転数が所定の範囲にあるかを判定する回転速度判定手段と、前記回転数が所定の範囲にあるとき前記スイッチング素子に点弧指令を与え、前記電流検出器の検出値が予め決められた閾値に達しているか判定する電流値判定手段を有することを特徴とする。
また、交流モータ／発電機の各相に電力を供給し、上下2段に直列に接続され個別に点弧されるように制御されるスイッチング素子と、前記交流モータ／発電機の各相に流れる電流を検出する電流検出器とを有する電力変換器において、前記交流モータ／発電機が外力により回転させられている状態のとき前記電力変換器の前記スイッチング素子に点弧指令を与え、前記電流検出器の検出値が予め決められた閾値に達した場合、前記スイッチング素子が開放故障と判定することを特徴とする電力変換器の開放故障検知方法である。
本発明を用いた交流モータ／発電機制御用電力変換器の開放故障検知方法によれば、電力変換器の故障後に交流モータ／発電機が自由に回転された状態でスイッチング素子の開放故障を検知、特定し、電力変換器の再起動可否の判断および故障原因の早期特定と言った効果がある。
本発明においては、交流モータまたは発電機として機能する回転機を交流モータ／発電機と表す。図1に、本実施形態における故障検知装置を備える、交流モータ／発電機と電力変換器およびその周辺装置を含めた交流モータ／発電機制御装置の全体構成図を示す。本装置では交流モータ／発電機１０と交流モータ／発電機１０に接続された電力変換器２０と、電力変換器２０に電源を供給するためのバッテリ／キャパシタ３０およびバッテリ／キャパシタ３０の電圧を昇圧するための直流変換回路４０と、該電力変換器２０と直流変換回路４０を制御する制御装置５０を含んでいる。
上記電力変換器２０には交流モータ／発電機１０の各相に流れる電流を検知する電流検出器22a、22b、22cを設け、交流モータ／発電機１０には回転速度を検出する速度検出器６０を搭載し、電流検出器22a、22b、22cおよび速度検出器６０の信号は制御装置５０へ入力される。
電力変換器２０には大電流を制御可能なスイッチング素子であるIGBT（Insulated Gate
Bipolar Transistor）Q1〜Q6が上下に直列に接続され、前記IGBTと並列にダイオードD1〜D6が接続される形となり、各相のアームモジュール21a〜21fとして構成されている。
Bipolar Transistor）Q1〜Q6が上下に直列に接続され、前記IGBTと並列にダイオードD1〜D6が接続される形となり、各相のアームモジュール21a〜21fとして構成されている。
制御装置５０はIGBT Q1〜Q6に点弧指令を与え、電力変換器を動作させ、交流モータ／発電機１０ を運転する。
直流変換回路４０は電力変換器２０と平滑コンデンサ２３を介して接続される。直流変換回路４０は平滑コンデンサ２３の端子間電圧値を監視し、電力変換器２０の動作に併せて電力変換器２０に電力を供給したりバッテリ／キャパシタ３０に充電したりする。
交流モータ／発電機１０が回転状態時にIGBT Q1のみ点弧指令を与えると交流モータ／発電機が回転することで発生する誘起電圧によってIGBT Q1とダイオードD2、D3を介す回路が形成され短絡電流が流れる。図2は交流モータ／発電機１０が回転状態でIGBTQ1を点弧した時の電流検出器22a、22b、22cにて検出される電流信号である。
上記のように交流モータ／発電機１０が回転状態でIGBT Q1〜Q6のいずれかに点弧指令を与えると、点弧指令を与えたIGBTとダイオードを介しての回路が形成され、交流モータ／発電機から発生する誘起電圧を電源として電流が流れる。
ここで、IGBTQ1〜Q6のいずれかが開放故障となった場合、交流モータ／発電機１０が回転状態で故障したIGBTに点弧指令を与えてもIGBTが開放状態のため回路が形成されず、電流は流れない。
上記の現象を利用して、交流モータ／発電機１０が外力により回転するような使用条件では、電力変換器２０において保護が発生し電力変換器２０の動作が停止した場合、交流モータ／発電機１０が外力により回転している状態でIGBT Q1〜Q6に1つずつ点弧指令を与え、電流検出器22a、22b、22cにて電流を検出し、電流値の絶対値がある閾値以上であれば点弧指令を与えたIGBTは故障しておらず正常と判定し、電流値の絶対値がある閾値より小さければ点弧指令を与えたIGBTは開放故障していると判定する。
上記方法で開放故障検知箇所の特定を行うと、正常なIGBTに点弧指令を与えた場合、そのIGBTは点弧状態となり短絡電流が流れることで、交流モータ／発電機１０にブレーキトルクがかかり回転に支障をきたす恐れがあり、また短絡電流が流れることにより電力変換器２０にダメージを与え、2次災害を引き起こす恐れがあるため、この対策として開放故障検知処理に制限を設ける。
1つ目は、短絡電流の大きさが交流モータ／発電機１０の回転速度に比例することから、過大な短絡電流が流れないように、また電流検出器22a、22b、22cで検出できる短絡電流が流れるように、速度検出器６０の速度の値がある速度範囲になった場合に開放故障検知を行うと言った制限を設ける。なお、回転速度範囲は交流モータ／発電機１０の回転速度と流れる短絡電流の大きさの関係を予め測定し、その結果を基に決定する。
２つ目は、短絡回路を長時間形成しないようにIGBT Q1〜Q6の点弧指令印加期間に制限を設ける。短絡電流は周期的に流れることから、短絡電流の１周期分の期間検知を行えば電流が流れたかの判定を行える。短絡電流の周期は交流モータ／発電機１０の極数および回転速度に依存するため、IGBT Q1〜Q6の点弧指令印加期間は使用する交流モータ／発電機の極数と上記の回転速度に関する制限より設けた交流モータ／発電機１０の速度範囲より最適値を決定する。
図3は開放故障検知の処理の流れを示す。故障検知処理は、電力変換器２０にて保護が発生し電力変換器２０の動作が停止すると、まずステップS10において、速度検出器６０で検出した交流モータ／発電機１０の回転速度が所定の範囲であるかの判定を行う。回転速度が所定範囲外であれば回転数が所定範囲に変化するまでS10の状態を維持する。回転速度が所定範囲であればステップS11に遷移し、IGBT Q1に点弧指令を一定期間中与える。IGBTに点弧指令を印加中にステップS12にて短絡故障判定を行う。ステップS12では電流検出器22a、22b、22cに検出した電流の絶対値が閾値以上であれば点弧指令を与えたIGBT Q1は正常であると判定し、電流の絶対値が閾値より小さければ点弧指令を与えたIGBT Q1が開放故障していると判定する。
図3において、IGBT Q2〜Q6でもIGBT Q1と同様の処理を行い開放故障検知を実施し、IGBT Q１〜Q6の故障判定を行ったら処理を終了する。各IGBTの点弧指令印加前に交流モータ／発電機１０の回転速度が所定範囲内であるかの判定する処理を入れることで、交流モータ／発電機１０の速度が途中で変動しても大きな短絡電流が流れないようにできる。
本実施形態に係る交流モータ／発電機制御装置によれば、電力変換器に使用されるIGBTの開放故障検知および開放故障したIGBTの特定が可能となる。
１０ 交流モータ／発電機
２０ 電力変換器
21a、21b、21c、21d、21e、21f アームモジュール
22a、22b、22c 電流検出器
２３ 平滑コンデンサ
３０ バッテリ／キャパシタ
４０ 直流変換回路
５０ 制御装置
６０ 速度検出器
２０ 電力変換器
21a、21b、21c、21d、21e、21f アームモジュール
22a、22b、22c 電流検出器
２３ 平滑コンデンサ
３０ バッテリ／キャパシタ
４０ 直流変換回路
５０ 制御装置
６０ 速度検出器
Claims (4)
- 交流モータ／発電機の各相に電力を供給し、上下2段に直列に接続され個別に点弧されるように制御されるスイッチング素子と、前記交流モータ／発電機の各相に流れる電流を検出する電流検出器とを有する電力変換器において、前記交流モータ／発電機が外力により回転させられている状態のとき前記交流モータ／発電機の回転数が所定の範囲にあるかを判定する回転速度判定手段と、前記回転数が所定の範囲にあるとき前記スイッチング素子に点弧指令を与え、前記電流検出器の検出値が予め決められた閾値に達しているか判定する電流値判定手段を有することを特徴とする電力変換器。
- 交流モータ／発電機の各相に電力を供給し、上下2段に直列に接続され個別に点弧されるように制御されるスイッチング素子と、前記交流モータ／発電機の各相に流れる電流を検出する電流検出器とを有する電力変換器において、前記交流モータ／発電機が外力により回転させられている状態のとき前記電力変換器の前記スイッチング素子に点弧指令を与え、前記電流検出器の検出値が予め決められた閾値に達した場合、前記スイッチング素子が開放故障と判定することを特徴とする電力変換器の開放故障検知方法。
- 請求項２に記載した交流モータ／発電機制御用電力変換器の開放故障検出方法において、前記電力変換器にて使用される全てのスイッチング素子に各個別に点弧指令を与え、開放故障しているスイッチング素子を特定することを特徴とする電力変換器の開放故障検知方法。
- 請求項２に記載した交流モータ／発電機制御用電力変換器の開放故障検出方法において、前記交流モータ／発電機の回転速度が予め決められた範囲内であることを判定する処理と、前記スイッチング素子の点弧時間に制限を設けることを特徴とした電力変換器の開放故障検知方法。
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2012
- 2012-07-02 JP JP2012148319A patent/JP2014011908A/ja active Pending
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