特許 7612946 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-27

(45)【発行日】2025-01-14

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20250106BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20250106BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/48 M

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2024517100

(86)(22)【出願日】2023-10-17

(86)【国際出願番号】 JP2023037499

【審査請求日】2024-03-18

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小堀 晃平

(72)【発明者】

【氏名】杉山 隆

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１９３６０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２１６２０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１７４７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３１３３８７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－ ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列接続された複数の単位変換器を含み、交流電源に接続される電力変換器と、
前記複数の単位変換器の各々に制御信号を出力する制御装置とを備え、
各単位変換器は、
直流電力を蓄えるコンデンサと、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記コンデンサに供給する整流素子と、前記コンデンサの直流電力を交流電力に変換して前記交流電源に供給するスイッチング素子とを含む主回路と、
前記コンデンサの端子間電圧を検出する電圧センサと、
前記制御信号に従って前記スイッチング素子を駆動させる駆動回路とを含み、
前記コンデンサの端子間電圧は直流成分および交流成分を含み、
前記制御装置は、
前記電圧センサによって検出される前記コンデンサの端子間電圧が参照直流電圧になり、かつ前記電力変換器の交流出力電圧が参照交流電圧になるように、前記制御信号を生成する制御部と、
前記各単位変換器に対応して設けられ、対応する単位変換器に含まれる前記コンデンサを検査する検査部とを備え、
前記検査部は、対応する前記コンデンサの端子間電圧に含まれる前記交流成分の電圧がしきい値電圧よりも高い場合に、対応する前記コンデンサを新品と交換する必要があると判定する判定部を含み、
前記検査部は、
前記交流成分の電圧を予め定められた周期で順次記憶する記憶部と、
前記交流成分の電圧が前記しきい値電圧よりも小さい場合に、前記記憶部の記憶内容に基づいて、対応する前記コンデンサを新品と交換すべき時期を推定する推定部とをさらに含む、電力変換装置。

【請求項2】

前記交流成分の電圧は、前記コンデンサの端子間電圧の最大値と最小値の差電圧である、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記各単位変換器は、前記コンデンサの端子間電圧の最大値と最小値を検出し、それらの検出値を示す信号を出力するピーク値検出部をさらに含み、
前記検査部は、前記ピーク値検出部の出力信号によって示される前記最大値と前記最小値の差電圧を求める演算部をさらに含み、
前記判定部は、前記演算部によって求められる前記差電圧が前記しきい値電圧よりも高い場合に、対応する前記コンデンサを新品と交換する必要があると判定する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項4】

複数の前記判定部の判定結果を表示する表示部をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項5】

複数の前記推定部の推定結果を表示する表示部をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関し、特に、直列接続された複数の単位変換器を含む電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば国際公開第２０１８／１９３６０６号（特許文献１）には、交流電源に接続される電力変換器と、電力変換器を制御する制御装置とを備えた電力変換装置が開示されている。電力変換器は、直列接続された複数の単位変換器を含む。各単位変換器は、直流電力を蓄えるコンデンサと、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換してコンデンサに供給する整流素子と、コンデンサの直流電力を交流電力に変換して交流電源に供給するスイッチング素子とを含む。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１８／１９３６０６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の電力変換装置では、複数の単位変換器に含まれる複数のコンデンサの経年劣化が発生し、装置性能が低下するという問題がある。

【0005】

この対策として、定期的に電力変換装置の運転を停止し、各コンデンサの容量値を測定し、劣化したコンデンサを新品と交換する方法がある。しかし、この方法では、複数のコンデンサの容量値を測定するための時間が長くなり、装置の運転停止時間が長くなるという問題がある。

【0006】

それゆえに、本開示の主たる目的は、電力変換装置を運転しながら、複数の単位変換器に含まれる複数のコンデンサの各々を新品と交換する必要があるか否かを判定することが可能な電力変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の電力変換装置は、電力変換器および制御装置を備える。電力変換器は、直列接続された複数の単位変換器を含み、交流電源に接続される。制御装置は、複数の単位変換器の各々に制御信号を送信する。

【0008】

各単位変換器は、主回路、電圧センサ、および駆動回路を含む。主回路は、直流電力を蓄えるコンデンサと、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換してコンデンサに供給する整流素子と、コンデンサの直流電力を交流電力に変換して交流電源に供給するスイッチング素子とを含む。電圧センサは、コンデンサの端子間電圧を検出する。駆動回路は、制御信号に従ってスイッチング素子を駆動させる。コンデンサの端子間電圧は直流成分および交流成分を含む。

【0009】

制御装置は、制御部および検査部を含む。制御部は、電圧センサによって検出されるコンデンサの端子間電圧が参照直流電圧になり、かつ電力変換器の交流出力電圧が参照交流電圧になるように、制御信号を生成する。検査部は、各単位変換器に対応して設けられ、対応する単位変換器に含まれるコンデンサを検査する。この検査部は、対応するコンデンサの端子間電圧に含まれる交流成分の電圧がしきい値電圧よりも高い場合に、対応するコンデンサを新品と交換する必要があると判定する判定部を含む。

【発明の効果】

【0010】

本開示の電力変換装置では、各単位変換器に対応して検査部が設けられ、この検査部は、対応するコンデンサの端子間電圧に含まれる交流成分の電圧がしきい値電圧よりも高い場合に、対応するコンデンサを新品と交換する必要があると判定する。したがって、電力変換装置を運転しながら、複数の単位変換器に含まれる複数のコンデンサの各々を新品と交換する必要があるか否かを判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の一実施の形態に従う電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。

【図2】図１に示す単位変換器の構成を示す回路ブロック図である。

【図3】図２に示すコンデンサの端子間電圧の波形を示すタイムチャートである。

【図4】図２に示すコンデンサの端子間電圧の波形を示す他のタイムチャートである。

【図5】図１に示す制御装置の構成を示すブロック図である。

【図6】図５に示す制御回路の構成を示すブロック図である。

【図7】図２に示すコンデンサの初期充電を説明するための回路ブロック図である。

【図8】図６に示す検査部の構成を示すブロック図である。

【図9】図８に示す推定部の動作を説明するためのタイムチャートである。

【図10】コンデンサの検査方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、本開示の一実施の形態に従う電力変換装置１の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力変換装置１は、商用交流電源８から負荷に三相交流電力を供給するための送電線９ｕ，９ｖ，９ｗに接続され、負荷などで発生する無効電力を補償する無効電力補償装置として使用される。

【0013】

この電力変換装置１は、スイッチＳ１～Ｓ６、変圧器２，３、限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬ、変流器Ｃ１～Ｃ３、リアクトルＬ１～Ｌ３、アームＡ１～Ａ３、操作部６、および制御装置７を備える。

【0014】

スイッチＳ１～Ｓ３の一方端子はそれぞれ送電線９ｕ，９ｖ，９ｗに接続され、それらの他方端子はそれぞれ変圧器２の３つの一次巻線に接続される。スイッチＳ１～Ｓ３は、制御装置７によって制御され、通常時にオンされ、電力変換装置１の検査およびメンテナンス時にオフされる。変圧器２は、３つの一次巻線と３つの二次巻線とを含み、三相交流電力を授受する。

【0015】

限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３の一方端子はそれぞれ変圧器２の３つの二次巻線に接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの一方端に接続される。限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３は、電力変換装置１の起動時に商用交流電源８からアームＡ１～Ａ３にそれぞれ流れる電流を制限する。

【0016】

スイッチＳ４～Ｓ６は、それぞれ限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３に並列接続される。スイッチＳ４～Ｓ６は、制御装置７によって制御され、電力変換装置１の起動時においてアームＡ１～Ａ３に流れる電流が安定した後にオンされる。変圧器３は、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの交流電圧に応じた値の三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御装置７にフィードバックする。

【0017】

リアクトルＬ１およびアームＡ１は、交流ラインＵＬと交流ラインＶＬとの間に直列接続される。リアクトルＬ２およびアームＡ２は、交流ラインＶＬと交流ラインＷＬとの間に直列接続される。リアクトルＬ３およびアームＡ３は、交流ラインＷＬと交流ラインＵＬとの間に直列接続される。すなわち、アームＡ１～Ａ３はデルタ接続されている。アームＡ１～Ａ３（電力変換器）は、制御装置７によって制御され、三相交流電力を発生する。

【0018】

アームＡ１～Ａ３の各々は、直列接続されたＮ個の単位変換器５を含む。Ｎ個の単位変換器５の各々は、制御装置７からの制御信号に従って交流電力を発生する。Ｎは、２以上の整数であり、たとえば６０である。

【0019】

アームＡ１の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ１の一方端子に接続されている。アームＡ１において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ１の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ２の一方端子に接続されている。

【0020】

アームＡ２の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ２の他方端子に接続されている。アームＡ２において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ２の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ３の一方端子に接続されている。

【0021】

アームＡ３の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ３の他方端子に接続されている。アームＡ３において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ３の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ１の他方端子に接続されている。

【0022】

リアクトルＬ１～Ｌ３は、アームＡ１～Ａ３に流れる循環電流をそれぞれ抑制する。リアクトルＬ１～Ｌ３は、アームＡ１～Ａ３とは別に設けられていてもよいし、アームＡ１～Ａ３のインダクタンス成分であっても構わない。変流器Ｃ１～Ｃ３は、アームＡ１～Ａ３に流れる交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕをそれぞれ検出して、制御装置７にフィードバックする。

【0023】

操作部６は、電力変換装置１の使用者によって操作される複数のボタン、種々の情報を表示する画像表示部などを含む。使用者が操作部６を操作することにより、種々の情報を設定したり、電力変換装置１を起動および停止させることが可能となっている。操作部６は、操作内容を示す信号を制御装置７に出力する。

【0024】

制御装置７は、操作部６からの信号に従って、スイッチＳ１～Ｓ３をオンおよびオフさせる。また、制御装置７は、無効電力指令値Ｑｒ、三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、三相交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕ、後述する直流電圧ＶＤＣなどに基づいて、後述する制御信号ＧＣ、制御信号ＧＢ、オン指令信号Ｓｏｎなどを生成することにより、３つのアームＡ１～Ａ３の各々（すなわち３×Ｎ個の単位変換器５の各々）を制御する。

【0025】

無効電力指令値Ｑｒは、たとえば商用交流電源８を含む電力系統の中央指令室（図示せず）から与えられる。電力変換装置１は、無効電力指令値Ｑｒに応じた値の無効電力を送電線９ｕ，９ｖ，９ｗに供給する。

【0026】

図２は、図１に示した単位変換器５の構成を示す回路ブロック図である。図２において、単位変換器５は、主回路１０、抵抗素子Ｒ４、電源２０、および制御回路３０を含む。主回路１０は、コンデンサを備えたフルブリッジ回路により構成される。

【0027】

具体的には、主回路１０は、スイッチング素子１１～１４、ダイオード（整流素子）Ｄ１～Ｄ４、およびコンデンサ１５を含む。主回路１０は、スイッチング素子１１～１４のオンおよびオフによりコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣに応じた振幅の電圧パルスを第１端子５ａおよび第２端子５ｂ間に出力することにより、直流電力を交流電力に変換する。

【0028】

スイッチング素子１１～１４の各々は、自己消弧型電力用半導体素子であり、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。スイッチング素子１１，１３は直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に直列に接続されている。スイッチング素子１２，１４は直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に直列に接続されている。スイッチング素子１１，１２のコレクタはともに直流ラインＰＬに接続され、スイッチング素子１３，１４のエミッタはともに直流ラインＮＬに接続されている。スイッチング素子１１のエミッタとスイッチング素子１３のコレクタとの接続点は第１端子５ａに接続されている。スイッチング素子１２のエミッタとスイッチング素子１４のコレクタとの接続点は第２端子５ｂに接続されている。

【0029】

ダイオードＤ１～Ｄ４は、スイッチング素子１１～１４にそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ１５は、直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に接続され、直流電力を蓄える。

【0030】

スイッチング素子１１～１４の導通状態（オンおよびオフ）は制御回路３０によって制御される。スイッチング素子１１，１３は、互いに相補的にオンおよびオフされる。スイッチング素子１２，１４は、互いに相補的にオンおよびオフされる。図２に示されるように、第２端子５ｂを基準とした第１端子５ａまでの電圧をセル電圧Ｖｃｅｌｌと定義すると、セル電圧Ｖｃｅｌｌは、スイッチング素子１１～１４の各々のオンおよびオフによって制御される。

【0031】

具体的には、スイッチング素子１１，１４が共にオンであり、スイッチング素子１２，１３が共にオフである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣと等しい。スイッチング素子１１，１２が共にオンであり、スイッチング素子１３，１４が共にオフである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは０Ｖである。スイッチング素子１１，１２が共にオフであり、スイッチング素子１３，１４が共にオンである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは０Ｖである。スイッチング素子１１，１４が共にオフであり、スイッチング素子１２，１３が共にオンである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの極性を反転させた電圧に等しい。

【0032】

なお、図２では、主回路１０がフルブリッジ回路により構成される例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、主回路１０がハーフブリッジ回路により構成されてもよい。

【0033】

アームＡ１～Ａ３の各々の全体の電圧は、該アームＡ１～Ａ３の各々に含まれるＮ個の単位変換器５のセル電圧Ｖｃｅｌｌの和となる。したがって、各単位変換器５のスイッチング素子１１～１４の各々のオンおよびオフ状態によって制御することにより、アームＡ１～Ａ３の各々の全体の電圧を制御することができる。

【0034】

また、主回路１０は、スイッチＳ７をさらに含む。スイッチＳ７は、第１端子５ａと第２端子５ｂとの間に接続されている。スイッチＳ７は、制御回路３０からの指令に応じて閉成することにより、第１端子５ａおよび第２端子５ｂを短絡することが可能に構成されている。

【0035】

抵抗素子Ｒ４は、直流ラインＰＬと電源２０の入力端子２０ａとの間に接続されている。抵抗素子Ｒ４は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣを降圧して電源２０に供給するとともに、コンデンサ１５から電源２０に流れる電流を制限する。

【0036】

電源２０の入力端子２０ｂは直流ラインＮＬに接続される。電源２０は、コンデンサ１５から抵抗素子Ｒ４を介して供給される直流電圧Ｖｉｎをさらに降圧して制御回路３０の電源電圧を生成する。すなわち、各単位変換器５は、主回路１０から制御回路３０に電力を供給することができる自給式のセルを形成する。

【0037】

制御回路３０は、通信回路３１、駆動回路３２，３３、スイッチ操作回路３４、電圧センサ３５、およびピーク値センサ３６を含む。制御回路３０は、電源２０から供給される電源電圧によって駆動され、制御装置７と信号を授受するとともに、主回路１０を制御する。

【0038】

通信回路３１は、通信回線（図示せず）を介して制御装置７と通信する。すなわち、通信回路３１は、スイッチング素子１１～１４を制御するための制御信号ＧＣと、スイッチング素子１１～１４を全てオフさせるための制御信号ＧＢとを受信し、受信した制御信号ＧＣ，ＧＢを駆動回路３２，３３に与える。また、通信回路３１は、スイッチＳ７をオンさせるためのオン指令信号Ｓｏｎを受信し、受信したオン指令信号Ｓｏｎをスイッチ操作回路３４に与える。

【0039】

駆動回路３２は、制御信号ＧＣに応答してスイッチング素子１１，１３の各々をオンまたはオフさせる。また、駆動回路３２は、制御信号ＧＢに応答して、スイッチング素子１１，１３をオフさせる。

【0040】

駆動回路３３は、制御信号ＧＣに応答してスイッチング素子１２，１４の各々をオンまたはオフさせる。また、駆動回路３３は、制御信号ＧＢに応答して、スイッチング素子１２，１４をオフさせる。

【0041】

スイッチ操作回路３４は、オン指令信号Ｓｏｎに応答して励磁コイル１８に電流を供給し、スイッチＳ７をオンさせる。通常動作時、励磁コイル１８への電流供給が停止されているため、スイッチＳ７はオフ（開放）状態とされる。

【0042】

電圧センサ３５は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を通信回路３１に出力する。通信回路３１は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの検出値を示す信号を制御装置７へ送信する。

【0043】

図３は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの波形を示すタイムチャートである。図３において、（Ａ）はコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの波形を示し、（Ｂ）は（Ａ）のα部の拡大図である。図３では、コンデンサ１５の容量値が比較的大きい場合、すなわちコンデンサ１５の劣化レベルが小さい場合が示されている。

【0044】

制御装置７は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＲになるように制御信号ＧＣを生成する。制御装置７は、電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＲよりも低い場合には、電圧ＶＤＣが上昇するように制御信号ＧＣを生成し、電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＲよりも高い場合には、電圧ＶＤＣが低下するように制御信号ＧＣを生成する。

【0045】

このため、電圧ＶＤＣは、一定値にはならず、参照直流電圧ＶＤＲよりも低い最小値ＶＬと参照直流電圧ＶＤＲよりも高い最大値ＶＨとの間で振動する。換言すると、電圧ＶＤＣは、直流成分Ｖｄｃと交流成分Ｖａｃを含む。直流成分Ｖｄｃは、参照直流電圧ＶＤＲと一致する。交流成分Ｖａｃは、リップル電圧と呼ばれ、直流成分Ｖｄｃに重畳している。

【0046】

電圧ＶＤＣの最大値ＶＨと最小値ＶＬの差電圧ＶＰＰ＝ＶＨ－ＶＬを交流成分Ｖａｃの電圧とすると、交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰはコンデンサ１５の容量値、すなわちコンデンサ１５の劣化レベルに応じて変化する。

【0047】

図４は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの波形を示す他のタイムチャートであって、図３と対比される図である。図４において、（Ａ）はコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの波形を示し、（Ｂ）は（Ａ）のβ部の拡大図である。図４では、コンデンサ１５の容量値が比較的小さい場合、すなわちコンデンサ１５の劣化レベルが大きい場合が示されている。

【0048】

図４における交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰ＝ＶＨ－ＶＬは、図３における交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰ＝ＶＨ－ＶＬよりも増大している。コンデンサ１５の劣化レベルが増大すると、コンデンサ１５の容量値が減少し、交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰが増大する。したがって、交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰからコンデンサ１５の劣化レベルを判定することができる。

【0049】

再び図２を参照して、ピーク値センサ３６は、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの最大値ＶＨと最小値ＶＬを検出し、それらの検出値を示す信号を通信回路３１に出力する。通信回路３１は、最大値ＶＨと最小値ＶＬを示す信号を制御装置７へ送信する。

【0050】

なお、ピーク値センサ３６は、最大値ＶＨおよび最小値ＶＬをコンデンサ１５から直接検出してもよいし、電圧センサ３５の出力信号から検出してもよい。また、ピーク値センサ３６は、高域通過フィルタを用いてコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣから交流成分Ｖａｃを抽出し、抽出した交流成分Ｖａｃの正側ピーク値および負側ピーク値を検出し、検出した正側ピーク値および負側ピーク値をそれぞれ最大値ＶＨおよび最小値ＶＬとしても構わない。

【0051】

図５は、制御装置７の構成を示すブロック図である。図５において、制御装置７は、電源４０、通信回路４１、および制御回路４２を含む。電力変換装置１が送電線９ｕ，９ｖ，９ｗ（図１）に接続されている場合には、電源４０は常時、通信回路４１用の電源電圧ＶＣ１１と、制御回路４２用の電源電圧ＶＣ１２とを生成する。したがって、通信回路４１および制御回路４２は、電力変換装置１が停止されている場合でも動作可能になっている。

【0052】

通信回路４１は、電源４０から供給される電源電圧ＶＣ１１によって駆動され、３つのアームＡ１～Ａ３（図１）に含まれる３×Ｎ個の単位変換器５と制御回路４２との間で信号を授受する。すなわち通信回路４１は、各単位変換器５から送信されるコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣを示す信号と、電圧ＶＤＣの最大値ＶＨを示す信号と、電圧ＶＤＣの最小値ＶＬを示す信号とを受信し、受信したそれらの信号を制御回路４２に与える。また、通信回路４１は、制御回路４２によって生成される３×Ｎ組の信号ＧＣ，ＧＢ，Ｓｏｎをそれぞれ３×Ｎ個の単位変換器５に送信する。

【0053】

図６は、制御回路４２の構成を示すブロック図である。図６において、制御回路４２は、制御部５０，５１、計時部５２、３×Ｎ個の検査部５３、および画像表示部５４を含む。制御部５０は、操作部６からの信号に従って、スイッチＳ１～Ｓ６を制御する。すなわち、電力変換装置１の使用者によって操作部６（図１）が操作され、電力変換装置１の起動が指示されると、操作部６は、電力変換装置１の起動を指令する信号を出力する。

【0054】

その信号に応答して制御部５０は、スイッチＳ１～Ｓ３をオンさせる。スイッチＳ１～Ｓ３がオンされると、商用交流電源８からスイッチＳ１～Ｓ３、変圧器２、限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３、およびリアクトルＬ１～Ｌ３を介してアームＡ１～Ａ３に交流電力が供給され、コンデンサ１５の初期充電が開始される。

【0055】

図７は、コンデンサ１５の初期充電を説明するための回路ブロック図である。図７では、隣接する２個の単位変換器５が示されている。図７中の左側の単位変換器５はアームＡ１の初段の単位変換器５であり、図７中の右側の単位変換器５はアームＡ１の２段目の単位変換器５であるものとする。初期充電時には、スイッチＳ７が開放され、かつ、スイッチング素子１１～１４がオフされている。

【0056】

交流ラインＵＬ（図１）の交流電圧Ｖｕが交流ラインＶＬの交流電圧Ｖｖよりも高い場合には、図７中の矢印で示されるように、左側の単位変換器５の第１端子５ａからダイオードＤ１、コンデンサ１５、およびダイオードＤ４を介して第２端子５ｂに至る経路に電流Ｉｃが流れる。この電流Ｉｃによってコンデンサ１５が充電され、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが上昇する。

【0057】

この電流Ｉｃは、左側の単位変換器５の第２端子５ｂから右側の単位変換器５の第１端子５ａに流入し、ダイオードＤ１、コンデンサ１５、およびダイオードＤ４を介して第２端子５ｂに流れる。この電流Ｉｃによって右側の単位変換器５のコンデンサ１５が充電され、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが上昇する。

【0058】

逆に、交流ラインＵＬの交流電圧Ｖｕが交流ラインＶＬの交流電圧Ｖｖよりも低い場合には、右側の単位変換器５の第２端子５ｂからダイオードＤ２、コンデンサ１５、およびダイオードＤ３を介して第１端子５ａに至る経路に電流Ｉｃが流れる。この電流Ｉｃによってコンデンサ１５が充電され、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが上昇する。

【0059】

この電流Ｉｃは、右側の単位変換器５の第１端子５ａから左側の単位変換器５の第２端子５ｂに流入し、ダイオードＤ２、コンデンサ１５、およびダイオードＤ３を介して第１端子５ａに至る経路に流れる。この電流Ｉｃによって左側の単位変換器５のコンデンサ１５が充電され、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが上昇する。このようにして、アームＡ１～Ａ３の全ての単位変換器５のコンデンサ１５が充電される。

【0060】

アームＡ１～Ａ３の各々においてＮ個の単位変換器５は直列に接続されているので、各単位変換器５のコンデンサ１５の電圧ＶＤＣは、アームＡ１～Ａ３の各々に印加される電圧（相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ）のピーク値をアームＡ１～Ａ３の各々に含まれる単位変換器５の数Ｎで除算した値まで上昇する。

【0061】

再び図６を参照して、コンデンサ１５の初期充電が終了すると、制御部５０はスイッチＳ４～Ｓ６をオンさせる。これにより、限流抵抗器Ｒ１～Ｒ３（図１）の各々の端子間が短絡され、変圧器２の３つの二次巻線がそれぞれ交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬに直接接続される。

【0062】

また、電力変換装置１の使用者によって操作部６（図１）が操作され、電力変換装置１の停止が指示されると、操作部６は、電力変換装置１の停止を指令する信号を出力する。制御部５０は、その信号に応答してスイッチＳ１～Ｓ６をオフさせる。これにより、商用交流電源８からアームＡ１～Ａ３への電力供給が停止される。

【0063】

また、コンデンサ１５の初期充電が終了すると制御部５１は、変圧器３からの三相交流電圧Ｖｕ,Ｖｖ，Ｖｗ、変流器Ｃ１～Ｃ３によって検出される三相交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕ、３×Ｎ個の単位変換器５から通信回路４１を介して与えられる３×Ｎ個の直流電圧ＶＤＣを示す信号などに基づき、３×Ｎ組の制御信号ＧＣ，ＧＢを生成して通信回路４１に出力する。

【0064】

すなわち、制御部５１は、変流器Ｃ１～Ｃ３からの交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕに基づいて、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬに流れる交流電流に応じたレベルの三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを求める。ただし、Ｉｕ＝Ｉｕｖ－Ｉｗｕ、Ｉｖ＝Ｉｖｗ－Ｉｕｖ、Ｉｗ＝Ｉｗｕ－Ｉｖｗである。

【0065】

制御部５１は、変圧器３からの三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと上記三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとに基づいて無効電力Ｑを求め、無効電力指令値Ｑｒと無効電力Ｑとの偏差ΔＱ＝Ｑｒ－Ｑを求める。

【0066】

制御部５１は、変流器Ｃ１～Ｃ３からの交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕ、変圧器３からの三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗなどに基づいて、それぞれ３×Ｎ個の単位変換器５に対応する３×Ｎ個の参照直流電圧ＶＤＲを生成する。

【0067】

制御部５１は、各参照直流電圧ＶＤＲと、それに対応する直流電圧ＶＤＣとの偏差ΔＶＤＣを求める。制御部５１は、電圧偏差ΔＶＤＣの積分値が０になり、かつ無効電力偏差ΔＱの積分値が０になるように、三相の参照交流電圧Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒを生成する。

【0068】

換言すると、制御部５１は、電圧偏差ΔＶＤＣの積分値が０になるように各単位変換器５の有効電流制御を行なうとともに、無効電力偏差ΔＱの積分値が０になるように各単位変換器５の無効電流制御を行なう。三相の参照交流電圧Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒを基に、アームＡ１～Ａ３の各単位変換器５が運転され、直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＲにされるとともに、無効電力Ｑが無効電力指令値Ｑｒにされる。

【0069】

具体的には、制御部５１は、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に従って、アームＡ１～Ａ３から出力される三相交流電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕが三相の参照交流電圧Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒになるように、３×Ｎ組の制御信号ＧＣ，ＧＢを生成する。

【0070】

通信回路４１は、制御部５１によって生成される３×Ｎ組の制御信号ＧＣ，ＧＢをアームＡ１～Ａ３に含まれる３×Ｎ個の単位変換器５に送信する。各単位変換器５において、制御信号ＧＣ，ＧＢが通信回路３１によって受信されて駆動回路３２，３３に与えられる。駆動回路３２，３３は、制御信号ＧＣ，ＧＢに従って、スイッチング素子１１～１４をオンおよびオフさせる。これにより、コンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣが交流電圧に変換される。

【0071】

また、制御部５１は、３×Ｎ個の電圧ＶＤＣなどに基づいて、３×Ｎ個の単位変換器５のうちのいずれかの単位変換器５において、スイッチング素子の短絡故障等の異常を検知した場合には、この故障した単位変換器５に向けてスイッチＳ７のオン指令信号Ｓｏｎを出力する。このオン指令信号Ｓｏｎは、通信回路４１，３１を介して、故障した単位変換器５のスイッチ操作回路３４に与えられる。

【0072】

スイッチ操作回路３４は、オン指令信号Ｓｏｎに応答して励磁コイル１８に電流を供給し、スイッチＳ７をオンさせる。これにより、故障した単位変換器５の第１端子５ａおよび第２端子５ｂ間が短絡される。また、故障した単位変換器５を特定する情報は、たとえば操作部６の画像表示部に表示される。

【0073】

また、電力変換装置１の使用者によって操作部６（図１）が操作され、電力変換装置１の停止が指示されると、操作部６は、電力変換装置１の停止を指令する信号を出力する。その信号に応答して制御部５１による単位変換器５の運転が停止され、全単位変換器５のスイッチング素子１１～１４がオフ状態にされる。

【0074】

計時部５２は、制御部５１によって単位変換器５が運転されている時間を計測し、計測結果に基づいて信号φ５２を出力する。信号φ５２は、通常は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされている。信号φ５２は、所定周期（たとえば１年）で所定時間だけ活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。信号φ５２は、各検査部５３に与えられる。

【0075】

また、検査部５３は、対応する単位変換器５からの最大値ＶＨを示す信号および最小値ＶＬを示す信号と、計時部５２からの信号φ５２とに従って、対応するコンデンサ１５を検査する。

【0076】

図８は、検査部５３の構成を示すブロック図である。図８において、検査部５３は、演算部６１、判定部６２、記憶部６３、および推定部６４を含む。演算部６１は、対応する単位変換器５からの信号によって示される最大値ＶＨと最小値ＶＬの差電圧ＶＰＰ＝ＶＨ－ＶＬを求め、求めた電圧ＶＰＰを示す信号ＤＶＰＰを判定部６２および記憶部６３に与える。

【0077】

判定部６２は、演算部６１からの信号ＤＶＰＰによって示される電圧ＶＰＰとしきい値電圧Ｖｔとの高低を比較し、比較結果を示す信号φ６２を出力する。電圧ＶＰＰがしきい値電圧Ｖｔよりも低い場合には、信号φ６２は「Ｌ」レベルにされる。電圧ＶＰＰがしきい値電圧Ｖｔよりも高い場合には、信号φ６２は「Ｈ」レベルにされる。しきい値電圧Ｖｔは、予め実験により求められている。

【0078】

「Ｌ」レベルの信号φ６２は、対応するコンデンサ１５の劣化レベルが小さく、対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要がないことを示している。「Ｈ」レベルの信号φ５３は、対応するコンデンサ１５の劣化レベルが大きく、対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要があることを示している。信号φ６２は、推定部６４および画像表示部５４に与えられる。

【0079】

記憶部６３は、計時部５２（図６）の出力信号φ５２が「Ｈ」レベルであるか否かを判定する。信号φ５２が「Ｈ」レベルである場合には、記憶部６３は演算部６１の出力信号ＤＶＰＰを取り込み、取り込んだ信号ＤＶＰＰを記憶する。信号φ５２が「Ｌ」レベルである場合には、記憶部６３は演算部６１の出力信号ＤＶＰＰを記憶しない。記憶部６３には、複数の信号ＤＶＰＰが順次記憶される。

【0080】

推定部６４は、判定部６２の出力信号φ６２が「Ｌ」レベルである場合、すなわち対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要がないと判定された場合に、記憶部６３に記憶された複数の信号ＤＶＰＰに基づいてコンデンサ１５の交換時期を推定し、推定結果を示す信号を出力する。

【0081】

図９は、推定部６４の動作を説明するための図である。計時部５２の出力信号φ５２がｍ回、「Ｈ」レベルにされ、ｍ個の信号ＤＶＰＰが記憶部６３に記憶されているものとする。ｍは、２以上の整数である。図９では、ｍ＝３の場合が示されている。

【0082】

推定部６４は、記憶部６３からｍ個の信号ＤＶＰＰを読み出し、読み出したｍ個の信号ＤＶＰＰを交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰ１～ＶＰＰｍに変換する。次に推定部６４は、横軸が時間を示し、縦軸が電圧ＶＰＰを示す図９に電圧ＶＰＰ１～ＶＰＰｍを書き込む。

【0083】

次いで推定部６４は、電圧ＶＰＰ１～ＶＰＰｍを通る近似曲線Ｂ１を描き、その曲線Ｂ１がしきい値電圧Ｖｔを超える時間ｔＸを求める。推定部６４は、電力変換装置１の運転時間がｔＸに到達したときが、コンデンサ１５を新品と交換すべき時期である、と推定する。推定部６４は、推定結果を示す信号φ６５を画像表示部５４に出力する。

【0084】

画像表示部５４は、判定部６２の出力信号φ６２によって示される判定結果と、推定部６４の出力信号φ６５によって示される推定結果とを表示する。画像表示部５４は、３×Ｎ個のコンデンサ１５の各々について判定結果および推定結果を表示する。

【0085】

なお、新品と交換すべきと判定されたコンデンサ１５を特定する情報や、推定された交換時期が近いコンデンサ１５を特定する情報を画像表示部５４に表示させてもよい。また、画像表示部５４が操作部６（図１）に含まれていても構わない。

【0086】

図１０は、コンデンサ１５の検査方法を示すフローチャートである。ステップＳＴ１において、ピーク値センサ３６（図２）によってコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣの最大値ＶＨおよび最小値ＶＬが検出される。最大値ＶＨおよび最小値ＶＬを示す信号は、通信回路３１，４１（図２，図５）を介して検査部５３の演算部６１（図８）に送信される。

【0087】

ステップＳＴ２において、演算部６１によって最大値ＶＨと最小値ＶＬの差電圧ＶＰＰ＝ＶＨ－ＶＬが求められる。ステップＳＴ３において、計時部５２（図６）の出力信号φ５２が「Ｈ」レベルであるか否かが記憶部６３（図８）によって判定される。信号φ５２は、所定周期で所定時間だけ「Ｈ」レベルにされる信号である。

【0088】

信号φ５２が「Ｈ」レベルである場合には、ステップＳＴ４において、差電圧ＶＰＰを示す信号ＤＶＰＰが記憶部６３に記憶される。信号φ５２が「Ｈ」レベルでない場合には、ステップＳＴ５において判定部６２により、信号ＤＶＰＰによって示される電圧ＶＰＰがしきい値電圧Ｖｔよりも高いか否かが判定される。

【0089】

ＶＰＰ＞Ｖｔである場合には、ステップＳＴ６において判定部６２によって信号φ６２が「Ｈ」レベルにされる。「Ｈ」レベルの信号φ６２は、対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要があることを示す。

【0090】

ＶＰＰ＞Ｖｔでない場合には、ステップＳＴ７において判定部６２によって信号φ６２が「Ｌ」レベルにされる。「Ｌ」レベルの信号φ６２は、対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要がないことを示す。

【0091】

ステップＳＴ８において、記憶部６３に記憶された複数の信号ＤＶＰＰに基づいて、推定部６４によって対応するコンデンサ１５を新品と交換すべき時期が推定される。ステップＳＴ９において、判定部６２の判定結果と推定部６４の推定結果とが画像表示部５４によって表示される。ステップＳＴ１～ＳＴ９は、繰り返し実行される。

【0092】

電力変換装置１の使用者は、画像表示部５４の表示結果に基づいてコンデンサ１５を交換するか否かを判断する。すなわち使用者は、コンデンサ１５を新品と交換すべきと判定された場合には、電力変換装置１を停止させてコンデンサ１５を新品と交換する。また、使用者は、コンデンサ１５を新品と交換すべき時期が推定された場合には、その時期に必要となる新品のコンデンサ１５を用意する。

【0093】

以上のように、本実施の形態では、各単位変換器５に対応して検査部５３が設けられ、この検査部５３は、対応するコンデンサ１５の端子間電圧ＶＤＣに含まれる交流成分Ｖａｃの電圧ＶＰＰがしきい値電圧Ｖｔよりも高い場合に、対応するコンデンサ１５を新品と交換する必要があると判定する。したがって、電力変換装置１を運転しながら、３×Ｎ個の単位変換器５に含まれる３×Ｎ個のコンデンサ１５の各々を新品と交換する必要があるか否かを判定することができる。

【0094】

また、コンデンサ１５を新品と交換する必要がないと判定した場合でも、コンデンサ１５を新品と交換すべき時期を推定する。したがって、推定された時期に新品のコンデンサ１５を用意することができ、新品のコンデンサ１５が不足することを未然に防止することができる。

【0095】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0096】

１ 電力変換装置、Ｓ１～Ｓ６ スイッチ、２，３ 変圧器、Ｒ１～Ｒ３ 限流抵抗器、ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ 交流ライン、Ｃ１～Ｃ３ 変流器、Ｌ１～Ｌ３ リアクトル、Ａ１～Ａ３ アーム、５ 単位変換器、６ 操作部、７ 制御装置、８ 商用交流電源、９ｕ，９ｖ，９ｗ 送電線、１０ 主回路、１１～１４ スイッチング素子、ＰＬ，ＮＬ 直流ライン、１５ コンデンサ、１８ 励磁コイル、Ｒ４ 抵抗素子、２０，４０ 電源、３０，４２ 制御回路、３１，４１ 通信回路、３２，３３ 駆動回路、３４ スイッチ操作回路、３５ 電圧センサ、３６ ピーク値センサ、５０，５１ 制御部、５２ 計時部、５３ 検査部、５４ 画像表示部、６１ 計時部、６２ 判定部、６３ 記憶部、６４ 推定部。

【要約】

この電力変換装置（１）は、直列接続された複数の単位変換器（５）を含み、交流電源（８）に接続されるアーム（Ａ１～Ａ３）と、アームを制御する制御装置（７）とを備える。各単位変換器はコンデンサ（１５）を含む。制御装置は、各単位変換器に対応して設けられ、対応するコンデンサを検査する検査部（５３）を含む。検査部は、対応するコンデンサの端子間電圧（ＶＤＣ）に含まれる交流成分（Ｖａｃ）の電圧（ＶＰＰ）がしきい値電圧（Ｖｔ）よりも高い場合に、対応するコンデンサを新品と交換する必要があると判定する。したがって、電力変換装置を運転しながら、複数のコンデンサの各々を新品と交換する必要があるか否かを判定できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】