JP5320351B2 - 電力変換器の故障モニタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流を交流に、または、交流を直流に変換する電力変換器の故障をモニタリングする電力変換器の故障モニタ装置に関する。

複数のスイッチング素子を使用する電力変換器には、各スイッチング素子の故障解析用にゲートパルスや素子の電流、電圧等のアナログモニタ信号の状態をモニタリングし、故障を監視する故障モニタ装置が設置されている。故障発生時には、これらのゲートパルスとアナログモニタ信号を、例えばパソコン上に表示して故障時の動作の解析を行う。

このような電力変換器の故障モニタ装置では、スイッチング素子のゲートパルスは数μｓの分解能が必要になり、一方アナログモニタ信号（電圧や電流など）の分解能はゲートパルスと非同期で、かつ信号の変化が少ないために数百μｓの分解能でサンプリングする方式が一般的である。

このように、サンプルタイミングのスケールが数桁も異なる装置では、モニタメモリの容量が増大したり、ゲートパルスとアナログモニタ信号のサンプリングのずれにより表示に正確さがなくなり、故障原因の究明に時間を費やしていた。

故障原因の究明時間を短縮する一例として、本出願人は、先に以下のようなものを提案している。すなわち、一定周期のパルスを出力するクロック発生器と、クロックのタイミングに基づいて、ゲートパルスの変化点を検出する回路と、ゲートパルスの変化点のゲートパルスの異常パターンを検出する回路と、外部からの故障検知信号と異常パターン検出信号とによりパルストリガを出力する手段と、パルストリガが出力された時の時刻データを生成する時刻カウンタと、パルストリガが出力された時、それに同期させて電力変換器の直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のアナログモニタ信号（アナログモニタデータ）と時刻データを格納するモニタメモリと、モニタ再生時に前記アナログモニタ信号（データ）と時刻データをリンクさせるアドレスを管理するアドレスカウンタと、これらの動作を制御するマイクロコンピュータとを有して、電力変換器の異常時にアナログモニタ信号を集中してサンプリングを行い、故障原因の解明時間を短縮する故障モニタ装置である（特許文献１参照）。

係る故障モニタ装置によれば、ゲートパルスに同期したアナログモニタ信号の変化をモニタできるので、ゲートの破損事故が起きた場合などの異常時の詳細なアナログモニタ信号の状態を確認ですることができ、原因追求時間を短縮することができる。
しかしながら、複数のスイッチング素子を使用する電力変換器では、スイッチング素子に供給するゲートパルスが正常な組み合わせでも、スイッチング素子の故障が発生している場合があり、故障原因のより正確な解明のためにはスイッチング素子へのゲートパルスとそれに対応する素子の状態を示すフィードバック信号との関係を考慮する必要があった。

特許第３７９３９０９号

本発明は、上記事情に鑑みなされ、その目的は、スイッチング素子の異常の状態時に故障原因の究明ができ、その対策にかかる時間を短縮することが可能な故障モニタ装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、異常時にゲートパルスと同期したアナログモニタ信号をサンプリングすることに加え、スイッチング素子に供給したゲートパルスに対応するフィードバック信号が戻ってくる期間に、アナログモニタ信号をサンプリングすることにより、故障解析に必要なアナログモニタデータのみを多くモニタできるようにしたことにある。
または、ゲートパルス信号とフィードバック信号とが不一致となる期間にアナログモニタ信号をサンプリングする。
具体的には、例えば、一定周期のパルスを出力するクロック発生器と、クロックのタイミングに基づいて、ゲートパルスの変化点およびフィードバック信号を検出する回路と、ゲートパルスおよびフィードバック信号の異常パターンを検出する回路と、外部からの故障検知信号と異常パターン検出信号とによりパルストリガを出力する手段と、パルストリガが出力された時の時刻データを生成する時刻カウンタと、パルストリガが出力された時、それに同期させて電力変換器の直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のアナログモニタデータと時刻データを格納するモニタメモリと、モニタ再生時に前記アナログモニタデータと時刻データをリンクさせるアドレスを管理するアドレスカウンタと、これらの動作を制御するマイクロコンピュータを有し、スイッチング素子へ供給するゲートパルスと、このスイッチング素子からのフィードバック信号との不一致期間にも、パルストリガを出力する手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子の異常な状態の時に、ゲートパルスに同期してアナログモニタ信号を集中的に収集できるので、故障解析に必要な電力変換器の異常時のアナログモニタ信号の変化が正確になり、故障原因の追跡と対策にかかる時間を短縮することができる。

図１は、本発明の実施例１の電力変換器の故障モニタ装置を示す図である。 図２は、本発明の実施例１の故障モニタ装置のハードウェアブロックの説明図である。 図３は、本発明の実施例１の故障モニタ装置のアナログモニタデータの構造を示す説明図である。 図４（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施例１の故障モニタ装置によるアナログモニタ信号の一例を示す説明図である。 図５（ａ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の実施例１の故障モニタ装置によるアナログモニタ信号の他の一例を示し、電力変換器が正常動作である場合の説明図である。 図６（ａ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の実施例１の故障モニタ装置によるアナログモニタ信号の他の一例を示し、電力変換器が異常動作である場合の説明図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１の電力変換器の故障モニタ装置を示す回路図である。図１では、電力変換器として直流を交流に変換するインバータを記載するが、対象とする電力変換器は、静止形のインバータ（ＳＩＶ）や交流を直流に変換するコンバータであってもよい。

図１において、三相の電力変換器では、直流電源６の間に直列接続した二つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子）４を三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分として、各相のスイッチング素子４の直列接続先から負荷となる交流モータ５に接続する。各々のスイッチング素子４のＰＷＭ生成部２から出力されるＰＷＭ変調信号１０１はゲートドライブ３に入力される。ゲートドライブ３は、このＰＷＭ変調信号により動作し、その出力信号はスイッチング素子４のゲートに印加される。

また、ＰＷＭ変調信号１０１は、故障モニタ装置１に印加される。ここで、ＰＷＭ変調信号１０１とゲートドライブ３の出力信号は、電圧レベルが異なるだけでパルスのタイミングは同一であるので、本実施例ではＰＷＭ変調信号１０１をゲートパルス信号と称する。また、ゲートドライブ３の内部では、スイッチング素子４のゲートに直結したトランジスタでスイッチング素子４のオン／オフ状態を判別できるため、ゲートドライブ３の内部から出力される信号（図１の１０２参照）をスイッチング素子４のフィードバック信号としている。１００は、電力変換器に異常が発生したとき、ゲート停止信号を前記ＰＷＭ生成部２に供給し、該ＰＷＭ生成部を制御する信号である。

本実施例の故障モニタ装置１には、ゲートパルス信号１０１とフィードバック信号１０２、及び電力変換器の出力電流や直流電圧等のアナログモニタ信号２４、さらに図示しない電力変換器の制御装置からの故障検知信号が入力される。出力電流は、電力変換器の出力段から電流検出器（ＣＴ：Current Transformer）で検出し、直流電圧は、直流電源６から電圧検出器（ＰＴ：Potential Transformer）で検出する。
図１では、便宜上、一つのスイッチング素子４に関しての故障モニタ装置についてしか記載していないが、当然ながら全素子について行うことは勿論である。

次に、故障モニタ装置１の詳細について説明する。図２は、その故障モニタ装置１のハードウェアのブロック図である。
図２において、７は一定周期のクロックパルスを出力するクロック発生器、８はクロック発生器７のクロックのタイミングに基づいて、ＰＷＭ信号（ゲートパルス信号）及びフィードバック信号の変化点を検出する変化点検出回路、９はゲートパルス信号及びフィードバック信号の異常パターンを検出する異常パターン検出回路である。

１０はフリーランタイマを示し、該タイマ１０は、後述するパルストリガ２３が出力されたときの時刻データを生成する時刻カウンタを構成する。
１１は電力変換器の電流ＣＴや電圧ＰＴからなるアナログ信号を受け、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１２はアドレスカウンタを示し、該アドレスカウンタ１２は、アナログモニタ信号のモニタ時に前記アナログモニタ信号２４をＡ／Ｄ変換器１１にてデジタル信号に変換したアナログモニタデータと前記時刻データをリンクさせるアドレスを管理する。
１３はモニタメモリを示し、該モニタメモリ１３は、図３に示すようにハードウェアが書き込むエリア（ページ１−７）と、ソフトウェアが書き込むエリア（ページ８）からなり、前記パルストリガが出力されたとき、それに同期させて前記電力変換器の直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のアナログモニタ信号（アナログモニタデータ）と前記時刻データを、例えばエリア（ページ１）に格納する。
１４はマイクロコンピュータを示し、該マイクロコンピュータ１４は、これらの動作を制御する。１５はページレジスタを示す。太線はアドレスバス及びデータバス、細線は制御信号ラインを示す。

２１、２２、２３、３０、３１は論理回路を構成する複数の論理素子１０１〜１０７の各出力を示す。
ここで、論理素子のＯＲ（オア）１０１、ＡＮＤ（アンド）１０２、ＯＲ（オア）１０３は、制御装置（図示せず）からの故障検知信号、例えば、電流検出器ＣＴに異常電流が流れたとき、その異常電流の検知をもって故障とする故障検知信号と前記異常パターン検出信号とによりパルストリガ２２（図４および図５参照）を出力する手段を構成し、論理素子ＥＸＯＲ（エクスクルーシブ・オア）１０６、ＡＮＤ（アンド）１０７、ＯＲ（オア）１０３は、前記スイッチング素子へのゲートパルスと、該ゲートパルスに対応するフィードバック信号とを比較し、不一致期間を検出する手段を構成している。論理素子ＯＲ（オア）１０３、１０４、ＡＮＤ（アンド）１０５は両手段に関与している。

図３において、ハードウェアが書き込むエリアとして、ページ１〜７を示し、ページ毎に１回目ハードデータ（例えば、ゲートパルス信号１０１やフィードバック信号１０２）〜７回目ハードデータを書き込む。ここで、各ページのアドレスには、それぞれ時刻データとアナログモニタデータ（例えばアナログモニタ信号２４）が書き込まれる。また、ソフトウェアが書き込むエリアとして、ページ８を示し、このページには１回目〜７回目の故障ソフトデータエリアがあり、それぞれの故障ソフトデータとして故障発生時のハードウェアのアドレスカウンタ値、故障発生時刻データを書き込む。

続いて、故障モニタ装置１の動作を説明する。マイクロコンピュータ１４がモニタメモリ１３にアナログモニタデータを書き込むページ（ページアドレス）をページレジスタ１５に設定してから、モニタスタートデータを出力する。一方、クロック発生器７からは、ゲートパルス信号のパルス幅より十分に短い周期のクロックパルスをエッジ検出用として出力する。本実施例では、スイッチング素子４のスイッチング周波数が数ｋＨｚに対してクロック周波数を１．２５ＭＨｚとしている。このクロック周波数であれば、１μｓのエッジを検出できる。

故障検知信号がない場合、すなわち異常パターンが検出されない場合には、異常パターントリガ２１は出力（ＡＮＤ１０２の出力）されず、パルストリガ２２も出力（ＯＲ１０３の出力）されない。タイマ１０が出力するタイマトリガ２３（タイマ１０の出力）により周期的にアドレスカウンタ１２を動作させ、（ページレジスタ値＋アドレスカウンタ値）番地にＡ／Ｄ変換器１１の出力（アナログモニタデータ１−ｎ）と、その時のタイマ１０が出力する時刻データ１−ｎ（相対時刻）を、図３に示すようにページ１に格納する。以降、故障検知のない状態が続くと、この動作が繰り返され、前に書き込まれたデータは上書きされる。

次に、故障検知信号やゲートパルスの異常パターンのある場合には、変化点検出回路８でゲートパルス信号およびフィードバック信号の変化点を検出した時に、異常パターン検出回路９の異常パターン検出信号２５か、図示しない電力変換器の制御装置からの故障検知信号があれば、異常パターントリガ２１が出力（ＡＮＤ１０２の出力）され、ゲートパルスの変化点ごとにアドレスカウンタ１２を作動させ、そのページレジスタ値＋アドレスカウンタ値の番地にＡ／Ｄ変換器１１の出力（アナログモニタデータ）と、その時のタイマ１０が出力する時刻データ（相対時刻）を、管理データとして図３に示すようにページ８に格納する。

マイクロコンピュータ１４は、故障検知信号を受け取ると、まず、図３のページ８の管理データ、すなわち、故障発生時のハードウェアデータのアドレスカウンタ値、故障発生時刻データをモニタメモリ１３に格納してから、所定時間以内にモニタスタート信号の出力を停止し、ハードウェア及びソフトウェアの現在のデータの更新を停止する。そして、ページレジスタ１５の値をインクリメントしてハードウェアが格納するモニタメモリ１３のページをページ２（２回目ハードデータ）に切り替え、かつ、ソフトウェアの書き込み領域を２回目故障ソフトデータに切り替えた後に、再びモニタリング動作を開始する。

以下、同様に、故障検知がある場合には、ページレジスタ１５の値をインクリメントして、順次ハードウェアがアナログモニタデータを格納するモニタメモリ１３のページをページ３〜７（３〜７回目ハードデータ）に切り替え、かつ、ソフトウェアの書き込みエリアを３〜７回目故障ソフトデータに切り替えた後に、再びモニタリング動作を開始する。

図４（ａ）〜（ｈ）は、二つのゲートパルス信号１（図４（ａ）参照）とゲートパルス信号２（図４（ｂ）参照）間で異常パターン検出信号（図４（ｄ）参照）が検出され、スイッチング素子４の故障に至った場合のモニタ結果の例を示す。異常パターントリガ２１が出力（ＡＮＤ１０２の出力）されると、その時のゲートパルス信号の変化点毎にパルストリガ２２（図４（ｅ）参照）が出力（ＯＲ１０３の出力）され、異常時のアナログモニタデータ（図４（ｇ）参照）がゲートパルス信号１に同期して集中的に収集され、モニタメモリ１３に格納される。このデータを再生すれば、再生データは、図４（ｈ）の実線で示すようにアナログモニタデータ（図４（ｇ）参照）とほぼ同様に再現でき、図４（ｈ）の一点鎖線で示すタイマトリガ２３（タイマ１０の出力、図４（ｆ）参照）だけのアナログモニタデータの再生データと大きな差がでることが分かる。

本実施例では、異常パターンの検知や故障検知信号が発生する前からアナログモニタデータを集中的に収集し、モニタメモリ１３に格納できる。すなわち、図２に示すようにゲートパルスとそのゲートパルスのフィードバック信号の不一致期間を、ここではＥＸＯＲ１０６で検出し、不一致信号３０（ＥＸＯＲ１０６の出力）が出力されている期間クロック発生器７のクロック周波数で、不一致検出トリガ３１（ＡＮＤ１０７の出力）を発生させる。これを前述の異常パターントリガ２１（ＡＮＤ１０２の出力）と組み合わせて、パルストリガ２２（ＯＲ１０３の出力）を生成する。

図５に動作例を示す。ゲートパルス信号１のフィードバック信号（図５（ｉ）参照）はゲートドライバ３から、時間遅れを持って戻ってくる。スイッチング素子４が正常動作であっても、この遅れ時間は発生する。そこでゲートパルス信号１と、ゲートパルス信号１のフィードバック信号の不一致期間を検出し、不一致信号３０（ＥＸＯＲ１０６の出力、図５（ｊ）参照）が出力されている期間パルストリガ２２（ＯＲ１０３の出力、図５（ｅ）参照）を発生させ、アナログモニタデータ（図５（ｇ）参照）を集中的に収集し、モニタメモリ１３に格納する。図示しない電力変換器の制御装置はフィードバック信号の遅れ時間によって故障検知信号を発生させるが、ゲートドライバ３回路内の動作バラツキを考慮し、誤動作を避けるため１０μｓ程度遅れても正常動作とみなしている。このデータを再生すれば、再生データは、図５（ｈ）の実線で示すようにアナログモニタデータ（図５（ｇ）参照）とほぼ同様に再現できる。

したがって、図５のように不一致期間に集中的に収集してもモニタメモリ１３への影響は少ない。１０μｓでも正常動作としているので、例えば不一致検出トリガ３１（ＡＮＤ１０７の出力）を作成するクロックを５μｓに固定して不一致期間に２回サンプリングさせても、前述のようにタイマトリガ２３（タイマ出力）は数百μｓ（本実施例では２００μｓ）であり、分解能的には何ら問題がない。

図６はフィードバック信号に異常があり、ゲートパルス信号１のパターンが戻ってこない例である。故障検知信号は、不一致信号３０（ＥＸＯＲ１０６の出力）が少なくとも１０μｓ経過後に発生するが、図６では故障検知前にアナログモニタデータを集中的に収集し、モニタメモリ１３に格納している。したがって、このデータを再生すれば、図６（ｈ）の実線で示す如く、故障検知前のアナログモニタデータ（図６（ｇ）参照）を、ほぼ忠実に再現でき、やはり図６（ｈ）の一点鎖線で示すタイマトリガ２３（タイマ１０の出力）だけのアナログモニタデータの再生データと大きな差がでることが分かる。この動作はゲートパルス信号が発生していないパターンでフィードバック信号がパターンのある状態で戻ってきた場合にも同様の動作となる。

以上説明してきたように、本実施形態の故障モニタ装置によれば、アナログモニタ信号を正確に再生すると同時に、故障検知信号の発生時刻、モニタ信号に異常のあった時刻、そして、異常発生前からのアナログモニタ信号の観測結果によって、何が発生したのかを速やかに断定でき、その後、適切な処置を施すことができる。

１ 故障モニタ装置
２ ＰＷＭ生成部
３ ゲートドライブ
４ スイッチング素子
５ 交流モータ
６ 直流電源
７ クロック発生器
８ 変化点検出回路
９ 異常パターン検出回路
１０ タイマ
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ アドレスカウンタ
１３ モニタメモリ
１４ マイクロコンピュータ
１５ ページレジスタ
２０ パルス変化点
２１ 異常パターントリガ
２２ パルストリガ
２３ タイマトリガ
２４ アナログモニタ信号（アナログモニタデータ）
２５ 異常パターン検出信号
３０ 不一致信号
３１ 不一致検出トリガ

Claims (4)

1. 複数のスイッチング素子を各々所定のゲートパルスにより駆動する電力変換器の故障モニタ装置において、
   一定周期のパルスを出力するクロック発生器と、前記クロックのタイミングに基づいて、ゲートパルス信号およびフィードバック信号の変化点を検出する回路と、前記ゲートパルス信号およびフィードバック信号の異常パターンを検出する回路と、電力変換器からの故障検知信号と前記異常パターン検出信号とによりパルストリガを出力する手段と、該パルストリガが出力された時の時刻データを生成する時刻カウンタと、前記パルストリガが出力された時、それに同期させて前記電力変換器の直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のアナログモニタ信号のアナログモニタデータと前記時刻データを格納するモニタメモリと、モニタ再生時に前記アナログモニタデータと前記時刻データをリンクさせるアドレスを管理するアドレスカウンタと、これらの動作を制御するマイクロコンピュータを備え、
   前記スイッチング素子へのゲートパルスと該ゲートパルスに対応するフィードバック信号とを比較し、不一致期間を検出する手段を設け、
   前記不一致期間検出手段による不一致期間の出力と前記パルストリガ出力手段の出力とに基づき前記アナログモニタ信号を再生することを特徴とする電力変換器の故障モニタ装置。
2. 請求項１に記載された電力変換器の故障モニタ装置において、前記不一致期間を検出する手段および前記パルストリガ出力手段が、前記ゲートパルス信号を出力するＰＷＭ生成部と前記フィードバック信号を出力するゲートドライブおよび前記各部との間に配置された複数の論理素子からなる電力変換器の故障モニタ装置。
3. 請求項２に記載された電力変換器の故障モニタ装置において、前記複数の論理素子が、前記異常パターン検出回路の出力信号と前記故障検知信号の第１オア素子と、前記第１オア素子の出力信号と前記変化点検出回路の出力信号の第１アンド素子と、前記ゲートパルスと前記フィードバック信号のエクスクルーシブ・オア素子と、前記エクスクルーシブ・オア素子の出力信号と前記クロック発生器の出力信号の第２アンド素子と、前記第１アンド素子の出力信号と前記第２アンド素子の出力信号の第２オア素子と、前記タイマの出力と前記第２オア素子の出力信号の第３オア素子と、前記マイクロコンピュータのモニタスタート信号と前記第３オア素子の出力信号の第３アンド素子からなる電力変換器の故障モニタ装置。
4. スイッチング素子を所定のゲートパルス信号により駆動する電力変換器の故障モニタ装置において、
   一定周期のパルスを出力するクロック発生器と、
   前記クロック発生器のタイミングに基づいて、ゲートパルス信号および前記スイッチング素子のオン／オフ状態を示すフィードバック信号の変化点を検出する回路と、
   前記ゲートパルス信号と前記フィードバック信号とを比較して両信号の不一致期間を検出する手段と、
   前記ゲートパルス信号と前記フィードバック信号の不一致期間に、前記クロック発生器の出力するパルスに基づいて、パルストリガを発生させるパルストリガ発生手段と、
   前記パルストリガに同期させて前記電力変換器の直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のアナログモニタ信号のアナログモニタデータを記録するモニタメモリと、を備えることを特徴とする電力変換器の故障モニタ装置。

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