电力转换装置和对地短路位置判断方法与流程

本发明涉及电力转换装置和使用它的对地短路位置判断方法。

背景技术：

图29示出了现有的电力转换装置、电动机和将它们连接的线缆。现有的电力转换装置581具备输入交流电力而对电动机供电用的整流器电路582、电容器583、逆变器电路584。整流器电路582由6个二极管构成，将从输入端子r、s、t输入的交流电力转换为直流电力。电容器583与变换装置内部的直流电压配线连接，使配线间的电压平滑化。逆变器电路584将直流电力转换为用于驱动电动机的交流电力，并对输出端子u、v、w输出。逆变器电路584具备由半导体形成的开关585a～585f，2个开关成对地构成半桥电路，由6个开关构成u、v、w的三相电桥电路。使一相的开关元件以不会上下同时导通(on)的方式交替地导通(on)地进行开关。各相的输出u、v、w使用3根线缆586与电动机587连接。现有的电力转换装置581基于用电流传感器588u和588w或者电流传感器588n观测的电流信息，通过改变使各开关导通(on)的时间的pwm控制而控制对电动机的供电。

因绝缘包覆的劣化或物理的损伤等某些原因，而在电动机587的内部或线缆586中发生短路的情况下，用电流传感器588n、或者在各开关的发射极-集电极之间安装的、监视集电极电压而检测过电流的过电流检测电路(未图示)检测过电流。检测出过电流的情况下，通过使全部开关元件成为关断(off)控制而停止变换动作，阻止开关元件因由大电流产生的热能等而被破坏。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-23795号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

电力转换装置的动作因短路而停止的情况下，通过对使用者通知该信息而能够使其得知发生了短路。但是，存在电力转换装置的动作因发生短路事故而停止的情况下，使用者不能确定是在线缆中发生了短路事故还是在电动机内部发生了短路事故、不能确定短路发生的位置的课题。特别是，通过得知线缆中的短路位置、例如在从电力转换装置起多少m的位置发生了短路，能够确定在建筑内或设备内配置的不能目视的配线中的短路位置，能够削减用于恢复的时间和工作量。

作为得知短路发生位置的信息的方法，专利文献1中，介绍了在短路发生后，通过在短时间内使2个开关元件成为导通(on)，观察电流的斜率而推测异常的方法。该情况下，电流的斜率由短路通路的电感决定，所以能够进行基于电感的短路位置的推测。

但是，未能判断线缆中的短路发生位置在何处。另外，为了在线缆中以高分辨能力确定短路位置而检测斜率等电流波形的特征的细微差异，为此需要高速的电流测量电路。

用于解决课题的技术方案

本发明的电力转换装置是包括由半导体形成的多个开关元件并通过它们的通断控制来驱动用三相的线缆连接的三相的电动机的电力转换装置，其特征在于，包括：将来自电源的交流电力转换为直流电力的整流器电路；能够控制对所述电动机提供的电流的由3个半桥电路构成的逆变器电路；用于驱动构成所述半桥电路的多个所述开关元件的多个驱动电路；控制对所述逆变器电路提供的直流电压并控制所述驱动电路的控制电路；测量所述逆变器电路的多个相的输出电流值的电流测量单元；和对外部通知装置内部的状况的信息输出单元，在调查所述线缆或所述电动机中发生的对地短路的位置时，所述控制电路使对所述逆变器电路提供的直流电压降低至比电动机驱动时的直流电压低的电压，通过将不同的相的上臂、下臂的各1个所述开关元件导通来使所述线缆中产生用于短路调查的电流，基于使所述开关元件两者导通的时间和所述电流测量单元的电流测量值来计算所述线缆的往返路径电感值，基于所述往返路径电感值判断短路位置，所述信息输出单元对外部通知短路位置的判断结果。

发明效果

本发明的电力转换装置能够使用低速的电流传感器，判别与电力转换装置连接的线缆、电动机的哪一方中发生了短路。进而，能够使用低速的电流传感器，以高分辨能力确定线缆中的相间短路位置。

附图说明

图1是本发明的电力转换装置的第一实施例的结构图。

图2是开关驱动电路的结构图。

图3是表示为了调查相间短路发生位置而流过的短路电流的通路与开关的状态的关系的图。

图4是表示用于发生图3所示的短路电流的开关驱动电路的工作波形的图。

图5是本发明的第一实施例中的短路位置判断的流程图。

图6是表示图5的短路位置判断流程中的开关状态和直流电压的变化的图。

图7是短路状况调查的流程图。

图8是短路电流/短路时间测量的流程图。

图9是图8的短路电流/短路时间测量中的短路电流波形的例子。

图10是短路电流/短路时间测量的其他方式的流程图。

图11是图10的短路电流/短路时间测量中的短路电流波形的例子。

图12是改变了直流电压vdc的情况下的短路电流波形。

图13是用于设定线缆信息存储部123存储的线缆信息的流程图。

图14是三相电动机线缆的截面图的例子。

图15是表示控制电路105内的短路位置判断部123中使用的判断方法的图。

图16是显示器108的结构图。

图17是led段153上显示的显示模式与短路位置的对应表。

图18是发送机109的结构图。

图19是基于其他保护电路方式的开关驱动电路的结构图。

图20是本发明的电力转换装置的第二实施例的结构图。

图21是本发明的第二实施例中的短路位置判断的第一流程图。

图22是表示图21的短路位置判断流程中的直流电压的变化的图。

图23是本发明的第二实施例中的短路位置判断的第二流程图。

图24是表示图23的短路位置判断流程中的直流电压的变化的图。

图25是表示将本发明应用为工业用逆变器的例子的图。

图26是表示将本发明应用于铁道车辆的例子的图。

图27是表示将本发明应用于带有电动机的机动车的例子的图。

图28是表示显示本发明的判断结果的平板型终端的例子的图。

图29是表示现有的电力转换装置、电动机和将它们连接的线缆的图。

具体实施方式

以下使用附图对于实施例进行说明，但以下说明的各实施例并不限定于图示例。

实施例1

图1表示本发明的电力转换装置的第一实施例的结构图。电力转换装置101具备用于输入交流电力而对电动机供电的整流器电路102、电容器103、逆变器电路104。另外，电力转换装置101具备用于控制电力转换装置101的控制电路105、用于对控制电路105手动地输入信息的输入器106、用于接收来自外部系统的信息的接收机107、用于显示来自控制电路105的输出信息的显示器108、和用于对外部的系统发送信息的发送机109。

整流器电路102由6个二极管构成，将通过电源配线pl输送并从输入端子r、s、t输入的交流电力转换为直流电力，对用节点p、n表示的直流电源配线输出。因整流器电路102的二极管的整流作用而发生使节点p侧的直流电压配线成为正电压、使节点n侧的直流电压配线成为负电压的直流电压。电容器103在节点p和n处与直流电压配线连接，起到即使发生急剧的电流变化也使配线间的电压保持恒定(平滑化)的作用。逆变器电路104将直流电力转换为用于驱动电动机的交流电力，对输出端子u、v、w输出。

在输入端子r、s、t与整流器电路102之间设有电源开关sw_pw，进行交流电力输入的通断(on/off)控制。在整流器电路102与节点p之间并联连接地设置了电阻器r1和旁通开关sw_bp。电阻器r1是电源接入时发生的对电容器103的涌入电流的电流限制用的电阻，开关sw_bp通过在涌入电流稳定后成为导通(on)而使电流旁通。在节点p、n之间，电阻器r2和放电开关sw_dc串联连接地与平滑用电容器103并联地设置。通过使开关sw_dc成为导通(on)，通过电阻器r2从平滑用电容器103流过放电电流，所以在节点p-n间的直流电压比要求的电压更高的情况下能够抑制电压。以上开关sw_pw、sw_bp、sw_dc能够使用由半导体形成的晶体管、电磁继电器构成。

逆变器电路104由u相、v相、w相的3个半桥电路构成。u相的半桥电路由开关swu与二极管diu逆并联连接而成的上臂、和开关swx与二极管dix逆并联连接而成的下臂构成。同样地，v相的半桥电路由开关swv和二极管div、开关swy和二极管diy，w相的半桥电路由开关sww和二极管diw、开关swz和二极管diz构成。图1中使用了igbt作为开关，但也可以由mosfet构成。另外，半导体器件一般使用硅，但也可以为了低损失化而使用作为宽带隙半导体的sic(碳化硅)、gan(氮化镓)。对于全部开关swu、swv、sww、swx、swy、swz，分别连接开关驱动电路sdu、sdv、sdw、sdx、sdy、sdz，各开关驱动电路与各开关的发射极、栅极、集电极各电极连接。发射极、栅极、集电极是igbt的电极名称，mosfet的情况下，相当于源极、栅极、漏极的电极名称。在全部开关驱动电路中，内置了通过控制开关的栅极电压而切换开关的导通(on)和关断(off)控制的栅极驱动电路、和检测出开关中流过了过电流而使开关高速地断开(成为off)的过电流保护电路。各开关驱动电路具有与控制电路105的通信单元，通信单元被用于从控制电路105对开关驱动电路传送开关的通断(on/off)控制信号，和从开关驱动电路对控制电路105传送过电流检出信号。

电力转换装置101在逆变器电路104与输出端子u、w之间，具备测量各相的输出电流值的2个电流传感器110u、110w、和用于测量这些测量值的电流测量电路111。电流传感器110u、110w测量从输出端子u、w输出的电流值，将其作为模拟电压或电流传递至电流测量电路111。电流测量电路111对该模拟信息进行采样，进行数字数据化，并作为测量电流值iu、iw发送至控制电路105。另外，电力转换装置101具备测量直流电压配线的节点p、n之间、即电容器103的两个电极之间的电压的电压测量电路112。电压测量电路112测量节点p、n之间的直流电压，进行数字数据化而作为直流电压值vdc发送至控制电路105。电流测量电路111和电压测量电路112能够由一般的采样电路和a/d变换电路构成。

控制电路105为了判断电力转换装置101的输出侧(电动机线缆mcu、mcv、mcw和电动机mt)的短路发生位置，而具备短路电流控制部121、电感值计算部122、短路位置判断部123、线缆信息存储部124、直流电压控制部125。短路电流控制部121在调查短路位置时，基于来自电流测量电路111的电流值信息、和来自逆变器电路104内的全部开关驱动电路sd的过电流检出信息，控制逆变器电路104内的各开关而控制短路电流。另外，短路电流控制部121将电流控制时获得的电流值信息ical和时间信息tcal发送至电感值计算部122。电感值计算部122根据ical、tcal和直流电压信息vdc计算电感值lcal，并发送至短路位置判断部123。短路位置判断部123基于发送来的电感值lcal和线缆信息存储部124保持的线缆信息来推测短路位置，对显示器108和发送机109发送判断结果。直流电压控制部125基于直流电压信息vdc驱动开关sw_pw、sw_bp、sw_dc，并且对短路电流控制部121发送短路位置调查开始的触发。另外，控制电路105具备用于电动机的pwm驱动的一般的功能，但因为与本发明的动作无关，所以省略其说明。另外，关于能够仅用逻辑电路构成的要素，也能够用微机或可编程逻辑以软件方式实现。

图2表示开关驱动电路sdu、sdv、sdw、sdx、sdy、sdz的结构图。因为各开关电路的结构是共通的，所以图2中省略记号sw、di、sd后续的u、v、w、x、y、z的文字地进行了记载。开关驱动电路sd由逻辑电路131、栅极驱动放大器132、栅极电阻133、比较器134、电容器135、电容器充电用电阻136、电容器放电用开关137、二极管138、恒定电压源139、140、锁存电路141构成。栅极驱动放大器132和栅极电阻133被用于连接的开关sw的通断(on/off)控制。在来自控制电路105的栅极信号gt是“h”的情况下，栅极驱动放大器132输出栅极导通电压，开关sw成为导通(on)，在栅极信号gt是“l”的情况下，栅极驱动放大器132输出栅极断开电压，开关sw成为关断(off)控制。栅极电阻133控制开关速度。另一方面，比较器134、电容器135、电容器充电用电阻136、电容器放电用开关137、二极管138、恒定电压源139、140、锁存电路141构成了过电流检测电路。该过电流检测电路是退饱和电压检测(desaturationdetection)方式的电路。恒定电压源139是过电流阈值电压vt的电压源，恒定电压源140是比vt更高的电压vcc的电压源。过电流阈值vt是由成为判断开关中流动的电流是过电流的过电流阈值iov时的集电极-发射极间电压vce决定的值。在开关sw为关断(off)控制的状态下，电容器放电用开关137为导通(on)，所以比较器的输出是“l”。另外，在开关sw为导通(on)的状态下，未发生过电流的情况下，开关sw(igbt)的电压vce充分低，电容器135通过二极管138放电，所以比较器的输出是“l”。然而，在开关sw为导通(on)的状态下，发生了过电流的情况下，开关sw(igbt)的集电极的电压比阈值电压vt更高，电容器135不放电。电容器135被电容器充电用电阻136的充电电流充电、电容器的电位超过阈值电压vt时，比较器134输出“h”。这样，锁存电路的输出q成为“h”，用逻辑电路131使栅极信号gt无效化，使开关强制地断开，驱动电路sd成为过电流保护功能工作的状态。另外，作为过电流检出信号det对控制电路105通知检出过电流。过电流保护功能的解除通过对res输入来自控制电路105的复位信号、使锁存电路141复位而进行。如上所述，图2所示的开关驱动电路起到带有过电流保护功能的栅极驱动电路的作用，能够在检测出短路引起的过电流之后立即对控制电路105通知检出过电流。另外，电容器充电用电阻136是为了防止噪声引起的误动作而设置的，发生过电流检出时间的延迟。不能忽略该延迟时间的情况下，能够通过在后述过电流检出时间测量动作中减去延迟时间而进行修正。

图3示出了本发明中为了调查相间短路发生位置而流过的短路电流的通路与开关的状态的关系。图3的(a)示出了使短路电流增加时、

图3的(b)示出了保持短路电流时、图3的(c)示出了使短路电流减少时的短路电流通路和开关状态。图3中，示出了电动机线缆mcu与mcv之间、即u-v相间发生了短路的例子。

如图3的(a)所示地使短路电流增加时，使发生了相间短路的2个相的上臂和下臂各一个成为导通(on)，以对电容器103的两个电极施加的直流电压vdc为电动势，通过虚线在短路位置流过电流。此时的电流i用数1表达，与时间t成正比地增加。

i＝vdc·t/lsc(式1)

此处，t是从使开关swu和swy双方成为导通(on)起的时间，lsc是从电力转换装置101到短路位置的电动机线缆的电感。另外，忽略电力转换装置内的电流通路的电感。将式1变形，表达lsc时，成为：

lsc＝vdc·(i/t)(式2)

所以，通过保持图3的(a)的状态直至电流i和时间t增加至可测量的值之后求出(i/t)，能够计算出电感lsc。电力转换装置101到短路位置的线缆长度len_sc与电感lsc成正比关系，所以通过另外调查换算系数，能够根据电感lsc的值推测直到短路位置的线缆长度len_sc。另外，图3的(a)中使开关swu和swy成为导通(on)，但使开关swv和swx成为导通(on)的情况下，仅通过电动机线缆的电流成为反向，就能够进行上述电感lsc计算。

如图3的(a)所示地使短路电流增加后，使开关swy成为关断(off)控制时，如图3的(b)所示，电流在虚线所示的环路中持续地流动。此时的电流用式3表达，与时间成正比地减少。

i＝ib-vf·tb/lsc(式3)

此处，ib是使开关swy成为关断(off)控制时的电流值，vf是续流二极管div的正向电压降，tb是从使开关swy成为关断(off)控制起的时间。一般而言，vf比vdc小1～3个数量级程度，所以与

图3的(a)的电流的增加速度相比，图3的(b)中的电流减少速度慢1～3个数量级程度。从而，在lsc较大的条件下，电流能够视为是大致恒定的，所以能够对于使开关swy成为关断(off)控制的瞬间的电流值，在成为关断(off)控制后，用测量速度比较慢的电流传感器测量。另外，图3的(b)中使swy成为关断(off)控制，在改为使开关swu成为关断(off)控制的情况下，能够保持同样的电流。

在图3的(a)或图3的(b)之后，使全部开关成为关断(off)控制时，如图3的(c)所示，电流在虚线所示的环路中流动。此时的电流与时间成正比地减少，直到电流成为0都符合式4。

i＝ic-vdc·tc/lsc(式4)

此处，iu1是使全部开关成为关断(off)控制时的电流值，tc是从使全部开关成为关断(off)控制起的时间。

图4示出了用于使图3所示的短路电流发生的开关驱动电路sdu、sdy的工作波形。图4的(a)、(b)示出了调查u-v相间的短路电流的情况下的波形。

图4的(a)示出了到短路位置的往返路径电感(2根平行的电流路径上的往返的电感，inductanceontheround-trippath)lsc比较大的情况下的工作波形。控制电路105对驱动电路sdu和sdy的gt信号提供在期间tp中双方同时成为导通(on)的脉冲。由此，开关swu和swy按照gt信号成为导通(on)。在开关swu和swy双方的开关同时成为导通(on)的期间a中，短路电流以图3的(a)中示出的通路流过。在之后的使一方的开关成为关断(off)控制的期间b中，短路电流以图3的(b)中示出的通路流过。进而在之后的使全部开关成为关断(off)控制的期间c中，流过图3的(c)中示出的短路电流。在上述一系列短路电流发生动作中，在期间b中，电流值的增减比较少，所以在期间b开始附近的时间ts中测量电流时，能够用测量速度比较慢的电流传感器测量。然后，通过对数学式(式1)的t代入时间tp，对i代入电流测量电路111测量出的电流值imes，能够求出到短路位置的往返路径电感lsc。

另外，电流值imes在u-v相间的短路的情况下通过读取电流传感器110u的测量值iu、在v-w相间的短路的情况下通过读取电流传感器110w的测量值iw而获得，在w-u相间的短路的情况下通过读取iu、iw中某一方的测量值而获得。或者，电流值imes也可以选择读取测量值iu、iw中较大的一方max(iu,iw)。以下说明的电流值imes也同样地进行从电流传感器的测量值的读取，所以省略其说明。

图4的(b)示出了到短路位置的往返路径电感lsc比较小的情况下的工作波形。与图4的(a)的情况同样地，控制电路105对驱动电路sdu和sdy的gt信号提供在期间tp中双方同时成为导通(on)的脉冲(图4的(a)与图4的(b)时间轴的尺度不同)。在通过gt信号使开关再次成为关断(off)控制之前短路电流超过过电流阈值iov，驱动电路sdu和sdy内的过电流保护电路工作，开关swu和swy双方或者某一方与gt信号无关地成为关断(off)控制(图4的(b)中示出了双方成为关断(off)控制的情况)。在开关swu和swy双方的开关同时成为导通(on)的期间a中，短路电流以图3的(a)中示出的通路流过。之后，在使全部开关成为关断(off)控制的期间c中，流过图3的(c)中示出的短路电流。该情况下，通过对数学式(式1)的t代入从对2个开关的gt信号提供双方都成为导通(on)的信号直到检出过电流的时间t，对i代入过电流阈值iov，能够求出电感ls。

在图4的(a)的动作中，为了在期间ts中测量稳定的电流值imes，需要期间b中的电流减少较少，为此由(式3)可知比较大的电感lsc的条件是必要的。于是，根据图4的(a)的动作进行的测量中需要的电感lsc值，用(式1)反推开关双方导通的时间tp，将该值预先设定为模式切换时间tmc。在比该模式切换时间tmc更短的时间中发生短路检出的情况下以图4的(b)的动作、并非如此的情况下以图4的(a)的动作进行测量。

图5表示本发明的第一实施例中的短路位置判断的流程图。图5的流程因伴随短路发生而由保护电路发生的过电流检出信号、和来自输入器106和接收机107的触发而开始。开始后，控制电路105实施电动机停止措施(s101)。具体而言，通过使整流器电路102的全部开关成为关断(off)控制，而停止对电动机的电力提供，待机直到用电流测量电路111测量的全部相的电流值成为0。电动机停止后，控制电路105控制开关sw_pw和sw_dc而使直流电压vdc降低(s102)。在直流电压降低后的状态下，短路电流控制部121实施短路状况的调查，在成功获取了短路信息的情况下对电感值计算部122提供电流值信息ical和时间信息tcal(s103)。电感值计算部122根据ical、tcal和直流电压信息vdc计算电感值lcal，并发送至短路位置判断部123(s104)。短路位置判断部123基于发送来的电感值lcal和线缆信息存储部124保持的线缆信息推测短路位置(s105)。将其结果对显示器108和发送机109发送判断结果(s106)。

图6表示图5的短路位置判断流程中的开关状态和直流电压(vdc)的变化。电动机驱动时，控制电路105为了对电动机提供电力而使电源开关sw_pw和旁通开关sw_bp成为导通(on)，放电开关sw_dc成为关断(off)控制，直流电压是由整流器电路102生成的电压vdc0。在电动机停止措施之后，控制电路105使电源开关sw_pw成为关断(off)控制、使放电开关成为导通(on)时，平滑电容器103开始放电，直流电压减少。检测出电压测量电路112测量出的直流电压值vdc下降至规定电压vdc1时，控制电路105使放电开关成为关断(off)控制。该状态下，电容器103保持直流电压为vdc1。之后实施短路状况调查(s103)。另外，在图6的动作的期间，旁通开关sw_bp总是导通(on)状态。

图7表示短路状况调查(s103)的流程图。图7的流程图大致由3个流程图构成，它们是u-v相间、v-w相间、w-u相间的短路状况调查的流程图。首先，在u-v相间的短路状况调查中，首先，控制电路105进行电流消失等待，待机直到电流测量电路111测量的电流iu和iw成为0(s111)。接着，控制电路105将为了调查u-v相间的短路电流而操作的2个开关设定为swu和swy(s112)。之后，控制电路105实施短路电流/短路时间测量，获取具有是否检出短路的信息的短路检出标志fsc。进而在检出短路的情况下，也获取电流值信息ical和时间信息tcal(s113)。在短路检出标志fsc＝“是”的情况下，对短路相编号变量ph代入表示u-v相间短路的数值“1”并结束(s114、s115)。短路检出标志fsc＝“否”的情况下，转移至v相-w相的短路调查的流程图。同样地，进行v-w相的短路调查，如果检出短路则代入表示v-w相间短路的数值“2”并结束(s121～s125)。如果未检出短路则进一步转移至v相-u相的短路调查的流程图。同样地，进行w-u相的短路调查，如果检出短路则代入表示v-w相间短路的数值“3”并结束(s131～s135)。未检出短路的情况下，按短路相不明的含义对变量ph代入“0”并结束(s140)。

图8表示短路电流/短路时间测量(s113、s123、s133)的流程图。首先，控制电路105将使事先设定的2个开关成为导通(on)的指令输出至对应的开关驱动电路sd(s201)。与此同时使计时器变量ts复位为0(s202)。计时器变量ts是值随着时间经过而增加的变量，例如能够在控制电路105内用按内部时钟增加计数的计数器构成。计时器变量ts比模式切换时间tmc更小的期间，对应于短路电流通路的往返路径电感lsc较小的情况下的短时间的电流增加，所以监视来自全部开关驱动电路sd的过电流检出信号det(s203～s205)。在该期间中从某一开关驱动电路sd接收了信号det的情况下，处理转移至分支(a)。从计时器变量ts变得比模式切换时间tmc的值更大起，反复进行由电流测量电路111进行的电流测量，直到计时器变量ts到达测量结束时间tfin的值(s206～s208)。在该期间中电流测量电路111测量出的电流值imes超过测量优选值ipref的情况下，处理转移至分支(b)。计时器变量ts超过测量结束时间tfin之后，对最后测量出的电流值imes与短路电流检出下限值illim进行比较(s209)。如果imes≥illim则处理转移至分支(c)，否则处理转移至分支(d)。

在处理转移至分支(a)的情况下，对ical代入过电流阈值iov，对tcal代入计时器变量的时间ts(s210)。

此处，测量优选值ipref表示对于电流传感器110u、110w的测量优选的电流值，是可以获得充分的分辨能力并且测量上限具有裕度的电流值。

在处理转移至分支(b)和(c)的情况下，使为导通(on)的开关的上臂或下臂中某一方成为关断(off)控制，同时将该时刻的计时器变量ts的值代入tcal(s211、s212)。之后，由电流测量电路111进行电流测量，对ical代入其测量值imes(s213、s214)。

在处理转移至分支(a)、(b)和(c)的情况下，对短路检出标志fsc代入“是”(s215)。另一方面，在处理转移至分支(d)的情况下，对短路检出标志fsc代入“否”(s216)。无论分支至哪一方的情况下，都在处理的最后对全部开关驱动电路sd输出使开关成为关断(off)控制的指令并结束(s217)。

图9表示图8的短路电流/短路时间测量中的短路电流波形的例子。短路电流通路的往返路径电感lsc最小的情况下，进行图8的流程图中经由分支(a)的处理。该情况下的电流波形是波形(a)。短路电流急速增加、在到达过电流阈值iov的时刻通过开关驱动电路sd的过电流保护功能将电流切断，短路电流急剧减少。该情况下，通过将时间ta和iov的值代入(式2)的t和i能够求出电感ls。在电感lsc更大的情况下，进行图8的流程图中经由分支(b)的处理。该情况下的电流波形是波形(b)。在电流值超过测量优选值ipref后在时刻tb使1个开关成为关断(off)控制，由此电流成为大致固定值，通过将在时刻tb之后的时机(例如期间tpb)测量电流得到的电流值imes和时刻tb的值代入(式2)的i和t能够求出短路电流通路的往返路径电感lsc。在往返路径电感lsc进一步更大的情况下，进行图8的流程图中经由分支(c)的处理。该情况下的电流波形是波形(c)。在测量结束时刻tfin之后的时刻tc使1个开关成为关断(off)控制，由此电流成为大致固定值，通过将在时刻tc之后的时机(例如期间tc)测量电流得到的电流值imes和时刻tc的值代入(式2)的i和t而能够求出短路通路的电感ls。在往返路径电感lsc进一步更大的情况下，进行图8的流程图中经由分支(d)的处理。该情况下的电流波形是波形(d)。在测量结束时间tfin，因为未超过illim，所以判断为观测到经由电动机mc的电感(lm)，判断为在调查的相间没有发生短路。

通过符合以上说明的图7和图8的流程图的动作测量图9的短路电流和与其相关的时间，由此能够求出短路通路的往返路径电感lsc。

图10表示短路电流/短路时间测量(s113、s123、s133)的基于其他方式的流程图。首先，控制电路105将在事先设定的2个开关中、仅使上臂的开关成为导通(on)的指令，对于对应的开关驱动电路sd输出(s231)。另外，对于决定电压指令脉冲宽度的变量tp设定作为初始值的最小的脉冲宽度ta1的值(s232)。接着，扩大使下臂的开关成为导通(on)的脉冲宽度，同时调查在怎样的脉冲宽度时检出过电流(s233～s238)。控制电路105进行电流消失等待，待机直到电路测量电路111测量出的电流iu和iw成为0(s233)。电流成为0之后，控制电路105将以变量tp的值的时间宽度使下臂成为导通(on)的指令对于对应的开关驱动电路sd输出(s234)。之后，在从开关驱动电路sd输入过电流检出信号det、检测出过电流的情况下处理转移至分支(a)(s235、s236)。并非如此的情况下，使变量tp增加δtp1并反复s233～s236的处理，直到变量tp超过模式切换时间tmc(s237、s238)。

变量tp超过模式切换时间tmc之后，扩大使下臂的开关成为导通(on)的脉冲宽度，同时调查在怎样的脉冲宽度时电流值imes超过测量优选值ipref(s239～s244)。控制电路105进行电流消失等待，待机直到电流测量电路111测量出的电流iu和iw成为0(s239)。电流成为0之后，控制电路105将以变量tp的值的时间宽度使下臂成为导通(on)的指令输出至对应的开关驱动电路sd(s240)。之后，使电流测量电路111进行电流测量(s241)，在测量出的电流值imes比电流优选值ipref大的情况下，处理转移至分支(b)(s241、s242)。并非如此的情况下，使变量tp增加δtp2并反复s239～s242的处理，直到变量tp超过测量结束时间tfin的值(s243、s244)。

变量tp超过测量结束时间tfin之后，对最后测量的电流值imes与短路电流检出下限值illim进行比较。如果imes≥illim则处理转移至分支(c)，否则处理转移至分支(d)(s245)。

在处理转移至分支(a)的情况下，对ical代入过电流阈值iov，对tcal代入脉冲宽度变量tp的值(s246)。

在处理转移至分支(b)和(c)的情况下，对ical代入最后测量出的电流值imes，对tcal代入脉冲宽度变量tp的值(s247)，在处理转移至分支(a)、(b)和(c)的情况下，对短路检出标志fsc代入“是”(s248)。另一方面，处理转移至分支(d)的情况下，对短路检出标志fsc代入“否”(s249)。无论分支至哪一方的情况下，都在处理的最后将使上臂的开关成为关断(off)控制的指令对于对应的sd驱动电路输出并结束(s250)。

图11表示图10的短路电流/短路时间测量中的短路电流波形的例子。图11的(a)示出了图10的流程图的过电流检出调查(s233～s238)循环中的、下臂的gt信号和短路电流波形的例子。控制电路105按每一次循环对gt信号输出1个脉冲，使其脉冲宽度按tpa1、tpa2、tpa3这样逐渐扩大。在某一脉冲宽度(图中的例子是tpa3)下，短路电流超过了过电流阈值的情况下，在该时刻结束短路电流的调查。通过将检出短路时的脉冲宽度tp和iov的值代入(式2)的t和i能够求出短路电流通路的往返路径电感lsc。严密而言存在产生脉冲宽度增加量δtp1的误差的可能性，但通过减小δtp1能够将其忽略。

图11的(b)示出了图10的流程图的过电流检出调查(s239～s244)循环中的、下臂的gt信号和短路电流波形的例子。控制电路105按每一次循环对gt信号输出1个脉冲，其脉冲宽度按tpb1、tpb2、tpb3这样逐渐扩大。另外，在各脉冲后的期间tpm1、tpm2、tpm3中每次都获取来自电流测量电路111的电流测量值imes。在某一脉冲宽度(图中的例子是tpb3)下，电流测量值imes超过了测量优选值ipref的情况下，在该时刻结束短路电流的调查。通过将最后测量出的电流值imes和此时的脉冲宽度tp的值代入(式2)的i和t能够求出短路通路的往返路径电感ls。

在脉冲宽度超过了测量结束时间tfin的情况下，即使电流值imes未达到测量优选值ipref，也结束调查，能够与以上叙述同样地根据(数2)求出往返路径电感lsc。但是，imes未超过illim的情况下，判断为观测到经由电动机mc的电感(lm)，判断为在调查的相间没有发生短路。

通过符合以上说明的图7和图10的流程图的动作测量图11的短路电流和与其相关的时间，由此能够求出短路通路的往返路径电感lsc。

图12表示改变了直流电压vdc的情况下的短路电流波形。图12所示的2个波形a、波形b表示图4的期间a所示的使2个开关成为导通(on)而发生的短路电流，波形a是直流电压vdc＝vdc0、波形b是直流电压vdc＝vdc1的条件，直流电压vdc条件不同(vdc1<vdc0)。这些电流波形符合(式1)，所以电流值从0增加至规定电流值i0所需的时间与vdc成反比地变长(图中的波形是vdc0:vdc1＝t1:t0的关系)。从而，通过降低直流电压vdc，能够在短路电流/短路时间测量的动作中获得以下这样的优点。

(优点)在图8和图9所示的短路电流/短路时间测量的动作中，即使不提高时间测量精度，也能够提高时间分辨能力，结果，短路通路的往返路径电感lsc的精度提高。另外，在图10和图11所示的短路电流/短路时间测量的动作中，即使不提高脉冲宽度控制的精度，也能够提高时间分辨能力，结果，短路通路的往返路径电感lsc的精度提高。

图13表示用于设定线缆信息存储部124存储的线缆信息的流程图。本流程图在进行短路位置判断动作之前执行至少1次。首先，使用户选择获取线缆的电感值(l值)信息的方法。存在(1)直接输入、(2)根据线缆直径计算、(3)通过测量获取这3个选项。在选择了(1)直接输入的情况下，经由输入器106、接收机107直接输入线缆全长的往返路径电感(s302)。对于线缆全长的往返路径电感值，例如可以考虑在铺设电动机线缆前用lcr量表另外获取的方法。在选择了(2)根据线缆直径计算的情况下，经由输入器106、接收机107输入电动机线缆的导线直径φc、线缆的包覆直径φh(s303、s304)。控制电路105根据导线直径φc、包覆直径φh计算线缆全长的往返路径电感l_cable(s305)。在选择了(3)通过测量获取的情况下，通过与图7的流程图同样的动作，测量线缆全长的往返路径电感l_cable。该情况下，需要在短路发生之前测量，并且，需要试验性地使电动机线缆的与电力转换装置相反的一侧短路。在该测量中，控制电路105将为了调查u相-v相间的短路电流而操作的2个开关设定为swu和swy(s311)，之后，控制电路105实施短路电流/短路时间测量(s312)。该短路电流/时间测量能够使用图8或图10的流程图。

获取线缆全长的往返路径电感之后，经由输入器106、接收机107输入电动机线缆长度len_cable(s306)。根据k_cable＝l_cable/len_cable计算用于对线缆的电感和长度进行变换的变换系数k_cable(s307)。线缆信息存储部124将以上的输入值、计算值保存并结束(s308)。图14表示三相电动机线缆的截面图的例子。图中所示的线缆由对于直径φc的导线350u、350v、350w具有直径φh的包覆直径的3根线缆351u、351v、351w构成。

另一方面，已知并行的2根线缆的往返路径电感能够用式5所示的数学式计算。

k＝0.05+0.46052·log(d/r)[mh/km](式5)

此处，k是单位长度的电感，d是线缆间的距离，r是导线的半径。从而，在3根线缆被紧密捆束的情况下，线缆间的距离能够根据d＝2·φh，导线的半径能够根据r＝φc/2求出，所以能够根据线缆的导线直径φc和包覆直径φh，计算变换系数k_cable(＝k)。

图15表示控制电路105内的短路位置判断部123中使用的判断方法。短路位置判断部123基于从电感值计算部122发送的电感值lcal、从线缆信息存储部124发送的电感值l_cable、变换系数k_cable，进行图中所示的分类判断和位置判断。在分类判断中，l_cal≤l_cable的情况下，判断为短路位置在线缆中，l_cal>l_cable的情况下，判断为短路位置在电动机中。另外，l_cal≤l_cable的情况下，在位置判断中，lcal接近0的情况下判断为线缆中的短路位置是电力转换装置附近，lcal接近l_cable的情况下判断为线缆中的短路位置是电动机附近。进而根据len_sc＝k_cable·l_cal判断线缆中的短路位置len_sc。

图16表示显示器108的结构图。显示器108由解码器151、led驱动器152、2位显示的led段153构成。从控制电路105发送来的短路位置判断结果、和短路相编号ph被解码器151解码为led段的数字和文字的显示模式。led152驱动器通过电流信号使led段153显示解码后的显示模式。

图17表示在led段153上显示的显示模式与短路位置的对应表。(b)的显示模式用7段led表现(a)的代码。代码a1～a3表示短路位置是电动机线缆的电力转换装置附近，代码b1～b3表示短路位置是电动机线缆的电动机附近，代码c1～c3表示短路位置是电动机内部。另外，代码是00～99的数值的情况下，表示电动机线缆中短路位置从电力转换装置起的距离。通过在电力转换装置的说明书中或电力转换装置的侧面公开图17的对应表，使用者能够容易地得知代码与短路位置信息的对应。

图18表示发送机109的结构图。发送机109由调制器161、放大器162、天线163构成，从控制电路105发送来的短路位置判断结果和短路相编号被调制器161调制，被放大器162功率放大，从天线163向外部无线发送。虽然未图示，但其他设备或系统通过接收无线发送的信号并进行解调，能够得到短路位置判断结果和短路相编号的信息。另外，通过使用平板型终端，在平板型终端中安装内置了图17的对应表的应用软件，能够在平板型终端的画面中显示短路位置信息。

图19表示基于其他保护电路方式的开关驱动电路sdu、sdv、sdw、sdx、sdy、sdz的结构图。因为各开关电路的结构是共通的，所以图2中省略记号sw、di、sd后续的u、v、w、x、y、z的文字地进行了记载。开关驱动电路sd由逻辑电路181、栅极驱动放大器182、栅极电阻183、比较器184、电容器185、滤波电阻186、恒定电压源187、锁存电路188构成。另外，在开关sw的发射极电极侧的配线中插入设置了分流电阻rsh。栅极驱动放大器182和栅极电阻183被用于连接的开关sw的通断(on/off)控制。在来自控制电路105的栅极信号gt是“h”的情况下，栅极驱动放大器182输出栅极导通电压，开关sw成为导通(on)，在栅极信号gt是“l”的情况下，栅极驱动放大器182输出栅极断开电压，开关sw成为关断(off)控制。栅极电阻183控制开关速度。另一方面，比较器184、电容器185、滤波电阻186、恒定电压源187、锁存电路188构成了过电流检测电路。该过电流检测电路是使用分流电阻的电流检测方式的电路。恒定电压源187是阈值电压vti的电压源，阈值电压vti被设定为与判断开关中流过的电流是过电流时的分流电阻rsh的电压降相同的电压值。发生过电流时，分流电阻rsh的电压降超过阈值电压vt，比较器184输出“h”。这样，锁存电路188的输出q成为“h”，用逻辑电路181使栅极信号gt无效化，使开关强制地断开，驱动电路sd成为过电流保护功能工作的状态。另外，作为过电流检出信号det对控制电路105通知检出过电流。过电流保护功能的解除通过对res输入来自控制电路105的复位信号、使锁存电路188复位而进行。如上所述，图19所示的开关驱动电路起到带有过电流保护功能的栅极驱动电路的作用，能够在检测出短路引起的过电流之后立刻对控制电路105通知检出过电流。另外，电容器185和滤波电阻186是为了防止噪声引起的误动作而设置的，发生过电流检出时间的延迟。不能忽略该延迟时间的情况下，能够通过在过电流检出时间测量动作中减去延迟时间而进行修正。

实施例2

图20表示本发明的电力转换装置的第二实施例的结构图。电力转换装置201具备用于输入交流电力而对电动机供电的整流器电路102、电容器103、逆变器电路104。另外，电力转换装置201具备用于控制电力转换装置201的控制电路205、用于对控制电路205手动地输入信息的输入器106、用于接收来自外部系统的信息的接收机107、用于显示来自控制电路205的输出信息的显示器108、用于对外部的系统发送信息的发送机109。

整流器电路102由6个二极管构成，将通过电源配线pl、断路器cb、电源线缆pc输送并从输入端子r、s、t输入的交流电力转换为直流电力，对用节点p、n表示的直流电源配线输出。因整流器电路102的二极管的整流作用而发生使节点p侧的直流电压配线成为正电压、使节点n侧的直流电压配线成为负电压的直流电压。电容器103在节点p和n处与直流电压配线连接，起到即使发生急剧的电流变化也使配线间的电压保持恒定(平滑化)的作用。逆变器电路104将直流电力转换为用于驱动电动机的交流电力，对输出端子u、v、w输出。

在整流器电路102与节点p之间并联连接地设置了电阻器r1和旁通开关sw_bp。电阻器r1是电源接入时发生的对电容器103的涌入电流的电流限制用的电阻，开关sw_bp通过在涌入电流稳定后成为导通(on)而使电流旁通。sw_bp能够使用由半导体形成的晶体管、电磁继电器构成。节点p、n之间连接有放电电阻器r3，在断路器cb使电源断开时使电容器103放电。

逆变器电路104由u相、v相、w相的3个半桥电路构成。u相的半桥电路由开关swu与二极管diu逆并联连接而成的上臂、和开关swx与二极管dix逆并联连接而成的下臂构成。同样地，v相的半桥电路由开关swv和二极管div、开关swy和二极管diy，w相的半桥电路由开关sww和二极管diw、开关swz和二极管diz构成。图1中使用了igbt作为开关，但也可以由mosfet构成。另外，半导体器件一般使用硅，但也可以为了低损失化而使用作为宽带隙半导体的sic(碳化硅)或gan(氮化镓)。对于全部开关swu、swv、sww、swx、swy、swz，分别连接开关驱动电路sdu、sdv、sdw、sdx、sdy、sdz，各开关驱动电路与各开关的发射极、栅极、集电极各电极连接。发射极、栅极、集电极是igbt的电极名称，mosfet的情况下，相当于源极、栅极、漏极的电极名称。在全部开关驱动电路中，都内置了通过控制开关的栅极电压而切换开关的导通(on)和关断(off)控制的栅极驱动电路、和检测出开关中流过了过电流而使开关高速地断开(成为off)的过电流保护电路。各开关驱动电路具有与控制电路205的通信单元，通信单元被用于从控制电路205对开关驱动电路传递开关的通断(on/off)控制信号，和从开关驱动电路对控制电路205传递过电流检出信号。

电力转换装置101在逆变器电路104与输出端子u、w之间，具备测量各相的输出电流值的2个电流传感器110u、110w、和用于测量这些测量值的电流测量电路111。电流传感器110u、110w测量从输出端子u、w输出的电流值，将其作为模拟电压或电流传递至电流测量电路111。电流测量电路111对该模拟信息进行采样，进行数字数据化，并作为测量电流值iu、iw发送至控制电路205。另外，电力转换装置101具备测量直流电压配线的节点p、n之间、即电容器103的两个电极之间的电压的电压测量电路112。电压测量电路112测量节点p、n之间的直流电压，进行数字数据化而作为直流电压值vdc发送至控制电路205。电流测量电路111和电压测量电路112能够由一般的采样电路和a/d变换电路构成。

控制电路205为了判断电力转换装置101的输出侧(电动机线缆mcu、mcv、mcw和电动机mt)的短路发生位置，而具备短路电流控制部121、电感值计算部122、短路位置判断部123、线缆信息存储部124、直流电压测量部225。短路电流控制部121在调查短路位置时，基于来自电流测量电路111的电流值信息、和来自逆变器电路104内的全部开关驱动电路sd的过电流检出信息，控制逆变器电路104内的各开关而控制短路电流。另外，短路电流控制部121将电流控制时获得的电流值信息ical和时间信息tcal发送至电感值计算部122。电感值计算部122根据ical、tcal和直流电压信息vdc计算电感值lcal，并发送至短路位置判断部123。短路位置判断部123基于发送来的电感值lcal和线缆信息存储部124保持的线缆信息来推测短路位置，对显示器108和发送机109发送判断结果。直流电压测量部225基于直流电压信息vdc对短路电流控制部121发送短路位置调查开始的触发。另外，控制电路205具备用于电动机的pwm驱动的一般的功能，但因为与本发明的动作无关，所以省略其说明。另外，关于能够仅用逻辑电路构成的要素，也能够用微机或可编程逻辑以软件方式实现.

图21表示本发明的第二实施例中的短路位置判断的第一流程图。图21的流程因伴随短路发生而由保护电路发生的过电流检出信号、和来自输入器106和接收机107的触发而开始。开始后，控制电路205实施电动机停止措施(s401)。具体而言，通过使整流器电路102的全部开关成为关断(off)控制，而停止对电动机的电力提供，待机直到用电流测量电路111测量的全部相的电流值成为0。电动机停止后，成为同时监视直流电压的待机状态，等待从输入端子r、s、t提供的外部电源被切断(s402～403)。外部电源因断路器cb的切断等而被切断时，电容器103的直流电压因放电电阻器r3而降低。电压测量电路112测量的直流电压vdc下降至低于规定电压vdc1时，短路电流控制部121实施短路状况的调查。在成功地获取了短路信息的情况下对电感值计算部122提供电流值信息ical和时间信息tcal(s404)。电感值计算部122根据ical、tcal和直流电压信息vdc计算电感值lcal，并发送至短路位置判断部123(s405)。短路位置判断部123基于发送来的电感值lcal和线缆信息存储部124保持的线缆信息推测短路位置(s406)。将其结果对显示器108和发送机109发送判断结果(s407)。

图22表示图21的短路位置判断流程中的直流电压(vdc)的变化。电动机驱动时，控制电路205为了对电动机提供电力而使断路器cb成为导通(on)，因外部电源提供和整流器电路102的整流作用，直流电压vdc保持为vdc0。外部电源因断路器cb的切断等而被切断时，直流电压vdc因放电电阻器r3而降低。在下降至低于vdc1的时刻，直流电压测量部225发生触发，短路电流控制部121实施短路状况的调查。在实施短路状况调查中，直流电压也因放电电阻器r3的放电而降低，但通过使由电容器103和放电电阻器r3决定的cr时间常数与短路调查时间相比充分大，能够视为直流电压vdc被固定为vdc1的值。

图23表示本发明的第二实施例中的短路位置判断的第二流程图。图23的流程因通过断路器cb接入等而开始提供外部电源、或者外部电源提供开始前的来自输入器106和接收机107的触发而开始。开关sw_bp成为关断(off)控制，从外部电源对电容器103的充电通过电阻器r1中流过的充电电流而进行(s410)。开始后，成为同时监视直流电压的待机状态(s411～s412)，在电压测量电路112测量的直流电压vdc上升至高于规定电压vdc1时，短路电流控制部121实施短路状况的调查。在成功地获取了短路信息的情况下对电感值计算部122提供电流值信息ical和时间信息tcal(s413)。电感值计算部122根据ical、tcal和直流电压信息vdc计算电感值lcal，并发送至短路位置判断部123(s414)。短路位置判断部123基于发送来的电感值lcal和线缆信息存储部124保持的线缆信息推测短路位置(s415)。将其结果对显示器108和发送机109发送判断结果(s416)。

图24表示图23的短路位置判断流程中的直流电压(vdc)的变化。因断路器cb的接入等，外部电源提供开始时，用整流器电路102整流后的直流电流通过电阻器r1流过而对电容器103充电。因充电的进展，直流电压vdc上升，在上升至高于vdc1的时刻，直流电压测量部225发生触发，短路电流控制部121实施短路状况的调查。在实施短路状况调查中直流电压也因通过电阻器r1的充电电流而上升，但通过使由电容器103和电阻器r1决定的cr时间常数与短路调查时间相比充分大，能够视为直流电压vdc被固定为vdc1的值。

[本发明的应用例]

图25表示将本发明应用为工业用逆变器的例子。将本发明的电力转换装置501与驱动用电动机502之间用电动机线缆503连接。电力转换装置501通过交流电源线缆504从外部被提供电力。电动机502被用于驱动空调机、压缩机、传送带、升降机等各种工业用设备。在电动机502内部或线缆503中发生了相间短路的情况下，在电力转换装置501具备的显示器505上显示短路位置的信息，同时通过无线发送对外部的系统通知短路位置。

图26表示将本发明应用于铁道车辆的例子。在铁道车辆511的底板下方设置了本发明的电力转换装置512、513。在铁道车辆511的转向架514、515上安装了驱动用的电动机516、517。电动机与电力转换装置被电动机线缆518、519连接。在电动机516、517的内部或电动机线缆518、519中发生了相间短路的情况下，在电力转换装置512、513具备的显示器上显示短路位置的信息，同时通过无线发送对外部的系统通知短路位置。

图27表示将本发明应用于带有电动机的机动车的例子。在机动车521内部设置了本发明的电力转换装置522、523。另外，设置了用于驱动车轮524、525的电动机526、527，与电力转换装置通过电动机线缆528、529连接。当电动机526、527的内部或电动机线缆528、529中发生了相间短路时，在电力转换装置522、523具备的显示器上显示短路位置的信息，同时通过无线发送对外部的系统通知短路位置。

图28表示显示本发明的判断结果的平板型终端的例子。平板型终端551上具有液晶显示屏幕552，通过安装的应用程序，与接收的代码相应地在液晶显示屏幕552上显示短路发生位置信息。

附图标记说明

sw、swu、swv、sww、swx、swy、swz…开关，di、diu、div、diw、dix、diy、diz…二极管，sd、sdu、sdv、sdw、sdx、sdy、sdz…开关驱动电路，mc、mcu、mcv、mcw…电动机线缆，mt…电动机，pc…电源线缆，pl…电源配线，cb…断路器，sw_pw…电源开关，sw_dc…放电开关，sw_bp…旁通开关，r1、r2、r3…电阻器，rsh…分流电阻，101…电力转换装置，102…整流器电路，103…电容器，104…逆变器电路，105…控制电路，106…输入器，107…接收机，108…显示器，109…发送机，110u、110w…电流传感器，111…电流测量电路，112…电压测量电路，121…短路电流控制部，122…电感值计算部，123…短路位置判断部，124…线缆信息存储部，125…直流电压控制部，131…逻辑电路，132…栅极驱动放大器，133…栅极电阻，134…比较器，135…电容器，136…电容器充电用电阻，137…电容器放电用开关，138…二极管，139、140…恒定电压源，141…锁存电路，151…解码器，152…led驱动器，153…led段，161…调制器，162…放大器，163…天线，181…逻辑电路，182…栅极驱动放大器，183…栅极电阻，184…比较器，185…电容器，186…滤波电阻，187…恒定电压源，188…锁存电路，201…电力转换装置，205…控制电路，225…直流电压测量部。