电力转换装置及电力转换装置的故障诊断方法与流程

1.本发明涉及电力转换装置及电力转换装置的故障诊断方法。


背景技术：

2.在混合动力汽车、电动汽车中，为了驱动电动机而搭载有电力转换装置。电力转换装置通过使逆变电路内的开关元件动作，将从电池供给的直流电流转换为交流电流，利用转换后的交流电流来驱动电动机。
3.近年来，为了应对以汽车为对象的功能安全规格，需要进行电力转换装置的故障检测，在故障检测后转移到安全的状态。在专利文献1中，公开了如下技术：在检测出d轴电流id或q轴电流iq的零状态的情况下，根据由旋转角传感器检测出的电动机的旋转角θ，确定逆变器中的故障部位。现有技术文献专利文献
4.专利文献1：日本专利特开2011-50214号公报


技术实现要素：

发明要解决的课题
5.在专利文献1所记载的技术中，存在电流在零附近被误检测的可能性。用于解决课题的手段
6.本发明的电力转换装置具备：逆变电路，其由开关元件构成，将直流电流转换为交流电流；电流检测部，其检测所述逆变电路的三相输出电流；以及控制部，其在根据由所述电流检测部检测出的所述三相输出电流计算出的合成矢量的电角度不包含在规定的范围内的情况下，在与该规定的范围内对应的相中，确定所述逆变电路的开关元件发生了开路故障。本发明的电力转换装置的故障诊断方法执行如下处理：检测由开关元件构成并将直流电流转换为交流电流的逆变电路的三相输出电流；在根据检测出的所述三相输出电流计算出的合成矢量的电角度不包含在规定的范围内的情况下，在与该规定的范围内对应的相中，确定所述逆变电路的开关元件发生了开路故障。发明效果
7.根据本发明，能够不受各相的输出电流的大小的影响而高精度地检测开关元件的故障。
附图说明
8.图1是第一实施方式中的电力转换装置的电路结构图。图2是逆变电路的电路结构图。图3是表示由电流检测部检测出的交流电流iu、iv、iw的曲线图。
图4是表示u相上臂电路发生了开路故障时的合成矢量i
αβ
的旋转轨迹的图。图5是说明开关元件的故障部位和合成矢量i
αβ
的关系的表。图6是表示αβ轴坐标空间中的合成矢量的6个象限的图。图7是表示第一实施方式中的故障检测的判定表的图。图8是表示第一实施方式中的控制部的动作的流程图。图9是第二实施方式中的电力转换装置的电路结构图。图10是表示在第二实施方式中、αβ轴坐标空间中的三相电流值的获取定时的图。图11是表示第二实施方式中的控制部的动作的流程图。图12是第三实施方式中的电力转换装置的电路结构图。图13是αβ轴坐标空间中的合成矢量，是表示u相的上臂电路发生了开路故障的情况的图。图14是表示第三实施方式中的故障检测的判定表的图。图15是表示第三实施方式中的控制部的动作的流程图。图16是表示变形例1中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。图17是表示变形例1中的故障检测的判定表的图。图18是表示变形例2中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。图19是表示变形例2中的故障检测的判定表的图。图20是表示变形例3中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。图21是表示变形例3中的故障检测的判定表的图。
具体实施方式
9.[第一实施方式]图1是本实施方式的电力转换装置100的电路结构图。电力转换装置100将从直流电源10得到的直流电转换为交流电来驱动电动机20。
[0010]
电动机20是内部具有3个绕组的3相电动机。电力转换装置100检测后述的故障，将故障信息通知给上位的控制装置。
[0011]
电力转换装置100具备控制部40、驱动电路50、逆变电路60、电流检测部70。控制部40具有占空比计算部41、pwm信号生成部42、三相/二相转换部43、电角度运算部44、象限运算部45、存储器46、故障检测部47。
[0012]
电流检测部70使用电流传感器等，测定流至电动机20的各相(u相、v相、w相)的交流电流。具体而言，测定流过u相的交流电流iu、流过v相的交流电流iv、流过w相的交流电流iw，输出到三相/二相转换部43。这样，电流检测部70检测逆变电路60的各相的输出电流。
[0013]
控制部40与设置在电力转换装置100的外部的电子控制装置(省略图示)进行通信，从外部的电子控制装置接收电动机20的目标转矩，并输入到占空比计算部41。
[0014]
占空比计算部41使用目标转矩等，求出应该流至电动机20的目标电流值。该目标电流值例如以d轴目标电流值和q轴目标电流值的形式表示。而且，占空比计算部41根据目标电流值和由电流检测部70检测出的交流电流iu、iv、iw，计算u相占空比值、v相占空比值、w相占空比值，输出到pwm信号生成部42。
[0015]
在从故障检测部47输出了故障信息的情况下，pwm信号生成部42控制pwm信号以使
电动机20不驱动。所谓电动机20不驱动的状态，例如可以举出将逆变电路60内的6个开关元件全部断开的状态(在本实施方式中称为自由轮状态)。作为其他的例子，可以举出将6个开关元件中的上臂电路的3个开关元件接通，将下臂电路的3个开关元件断开的状态(在本实施方式中称为上臂主动短路状态)，反之将上臂电路的3个开关元件断开，将下臂电路的3个开关元件接通的状态(在本实施方式中称为下臂主动短路状态)。
[0016]
驱动电路50接收pwm信号生成部42输出的pwm信号，将用于切换开关元件的接通/断开的驱动信号输出到逆变电路60。逆变电路60在内部具有平滑电容器和6个开关元件，在动力运行时，将从直流电源10得到的直流电转换为交流电来驱动电动机20。另外，在再生时，将电动机20的动力转换为直流电，对直流电源10进行充电。
[0017]
三相/二相转换部43根据交流电流iu、iv、iw来生成三相交流电流的合成矢量i
αβ
。
[0018]
电角度运算部44以u相的交流电流iu为基准，输出合成矢量i
αβ
的矢量角(以下称为电角度)。象限运算部45求出所获取的电角度符合预先划分出的第一象限至第六象限中的哪个象限，由此确认合成矢量i
αβ
所通过的象限，并输出该象限信息。
[0019]
在存储器46中存储后述的判定表。故障检测部47判断合成矢量i
αβ
是否从第一象限到第六象限旋转了一周的电角度。然后，当存在没有通过的象限时，视为故障状态，参照存储器46内的判定表，根据电角度和故障部位的关系，确定开关元件的故障部位，将故障信息输出到上位的控制装置和pwm信号生成部42。
[0020]
三相/二相转换部43、电角度运算部44、象限运算部45、存储器46、故障检测部47的详细情况在后面叙述。
[0021]
此外，控制部40内的各结构不依赖于硬件的结构，也可以通过cpu和由后述的图8所示的流程图表示的程序来实现各结构的功能。在通过cpu和程序来实现控制部40内的各结构的情况下，由于硬件的个数减少，所以具有能够低成本化的优点。另一方面，在由独立于控制部40的硬件来构成各结构的情况下，具有控制部40的处理负荷减少，能够使诊断处理更高速化的优点。
[0022]
图2是逆变电路60的电路结构图。逆变电路60具有uvw相的上下臂串联电路。u相上下臂串联电路61由u相上臂开关元件tuu及u相上臂二极管duu、u相下臂开关元件tul及u相下臂二极管dul构成。v相上下臂串联电路62由v相上臂开关元件tvu及v相上臂二极管dvu、v相下臂开关元件tvl及v相下臂二极管dvl构成。w相上下臂串联电路63由w相上臂开关元件twu及w相上臂二极管dwu、w相下臂开关元件twl及w相下臂二极管dwl构成。
[0023]
上臂电路64具有u相上臂开关元件tuu及u相上臂二极管duu、v相上臂开关元件tvu及v相上臂二极管dvu、w相上臂开关元件twu及w相上臂二极管dwu。下臂电路65具有u相下臂开关元件tul及u相下臂二极管dul、v相下臂开关元件tvl及v相下臂二极管dvl、w相下臂开关元件twl及w相下臂二极管dwl。开关元件例如是功率mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)或igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)等。
[0024]
平滑电容器66对由开关元件的接通/断开产生的电流进行平滑化，抑制从直流电源10向逆变电路60供给的直流电流的脉动。该平滑电容器66例如使用电解电容器、薄膜电容器。
[0025]
图3是表示由电流检测部70检测出的交流电流iu、iv、iw的曲线图。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示电流值(安培)。u相的交流电流iu用实线表示，v相的交流电流iv用长虚线表示，w相的交流电流iw用短虚线表示。然后，在图3中，表示在时刻t，u相上臂电路发生了故障的情况。
[0026]
如图3的时刻t以前所示，在逆变电路60的各开关元件正常的情况下，描绘交流电流iu、iv、iw各自的相位错开120
°
的交流波形。在时刻t，在u相上臂开关元件tuu发生了开路故障的情况下，由于应该通过该开关元件tuu而流动的电流变得不通，所以u相的交流电流iu的上半部分欠缺。
[0027]
图4是表示u相上臂电路发生了开路故障时的合成矢量i
αβ
的旋转轨迹的图。u相上臂电路发生了开路故障时的合成矢量i
αβ
的旋转轨迹如图4的实线所示，在左侧为半圆。另一方面，在没有发生故障的情况下，如图4的虚线所示，成为圆。
[0028]
三相/二相转换部43求出将u相的电流iu的正方向(这里指从逆变电路60到电动机20的方向)设为0
°
的、作为交流电流iu、iv、iw的三相电流的合成矢量i
αβ
。通常将该运算称为三相/二相转换，该转换结果在αβ轴上表现。设u相的电流iu的正方向为α轴，与该α轴正交的轴为β轴。如果是正常时，三相电流的合成矢量i
αβ
以描绘圆的方式旋转。但是，如果u相上臂电路发生开路故障，则合成矢量i
αβ
不产生圆的右侧成分，所以该旋转轨迹在左侧成为半圆。
[0029]
对由三相/二相转换部43生成的合成矢量i
αβ
进行说明。以u相电流iu为基准，三相的交流电流iu、iv、iw通过下式(1)～(3)表示。[数式1]iu＝a
uejθ
ꢀꢀ
(1)[数式2][数式3]这里，au、av、aw分别是u相、v相、w相的交流电流的绝对值。
[0030]
根据欧拉公式，例如u相可以成分分解为下式(4)。[数式4]iu＝au(cosθ jsinθ)
ꢀꢀ
(4)另外，u相基准的矢量转换矩阵用下式(5)表示。[数式5]因此，关于三相电流，通过以下的转换式(6)得到αβ轴上的两相的分量i
α
、i
β
。
[数式6]在本实施方式中，着眼于以下情况：根据成为开路故障的开关元件的部位，合成矢量i
αβ
的生成结果不同。
[0031]
图5是说明开关元件的故障部位和合成矢量i
αβ
的关系的表。如图5所示，在u相的上臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在左侧成为半圆，在v相的上臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在右下侧成为半圆，在w相的上臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在右上侧成为半圆。
[0032]
另外，在u相的下臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在右侧成为半圆，在v相的下臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在左上侧成为半圆，在w相的下臂电路发生了故障的情况下，合成矢量i
αβ
在左下侧成为半圆。
[0033]
由此，由于合成矢量i
αβ
所欠缺的部分根据故障部位而不同，所以将αβ轴平面分为6个象限，通过检测欠缺象限和合成矢量i
αβ
前进的角度，能够判断开关元件的故障相以及是上臂电路还是下臂电路。
[0034]
接着，对于电角度运算部44中的电角度的运算进行说明。根据将三相的交流电流iu、iv、iw转换为αβ轴上的两相的分量i
α
、i
β
而得的结果，通过下式(7)计算合成矢量i
αβ
的αβ轴上的电角度θ
αβ
。[数式7]
[0035]
作为该电角度运算的实现方法的一个例子，以与安装精度对应的值宽度的电流值，将i
α
、i
β
和电角度θ
αβ
的关系的图保持在运算器、存储器中，输出电角度θ
αβ
。如果逆变电路60的各开关元件正常，则电角度θ
αβ
以α轴β轴的交点为中心旋转。
[0036]
图6是表示αβ轴坐标空间中的合成矢量的6个象限的图。如图6所示，象限运算部45划分为在αβ轴坐标空间中预先确定的象限，例如通过(1)β轴、(2)相对于β轴倾斜了60
°
的直线、以及(3)相对于β轴倾斜了120
°
的直线划分为第一象限～第六象限。然后，在这样划分的情况下，各象限具有60
°
的角度范围，象限运算部45求出所获取的电角度符合哪个象限，确认合成矢量i
αβ
是否通过了划分出的各象限，输出该象限信息。
[0037]
图7是表示本实施方式中的故障检测的判定表的图。图7所示的判定表预先存储在存储器46中。如图7所示，与第一象限至第六象限的判定区域对应地存储判定角度范围和故障部位。在图7所示的判定表中，
○
标记表示通过的象限，在故障部位
×
标记表示不通过的象限。
[0038]
第一象限的判定角度范围的中心为0度、最小为330度、最大为30度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相下臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第一象限。
[0039]
第二象限的判定角度范围的中心为60度、最小为30度、最大为90度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通
过该第二象限。
[0040]
第三象限的判定角度范围的中心为120度、最小为90度、最大为150度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相下臂电路、v相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第三象限。
[0041]
第四象限的判定角度范围的中心为180度、最小为150度、最大为210度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相下臂电路、v相上臂电路、w相上臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第四象限。
[0042]
第五象限的判定角度范围的中心为240度、最小为210度、最大为270度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相下臂电路、v相下臂电路、w相上臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第五象限。
[0043]
第六象限的判定角度范围的中心为300度、最小为270度、最大为330度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相下臂电路、w相上臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第六象限。
[0044]
故障检测部47判断合成矢量是否从第一象限到第六象限旋转了一周的电角度。然后，根据来自象限运算部45的象限信息，在存在未通过的象限时，视为故障状态，根据存储器46内的判定表确定故障部位，输出故障信息。
[0045]
图8是表示控制部40的动作的流程图。在图8的步骤s101中，判定最大电动机转速nmax[rpm]是否小于60/6ts。这里，ts是获取电流值的采样时间。在最大电动机转速nmax[rpm]不满足步骤s101所示的条件的情况下，由于是电动机20的转速过快的情况，所以进入步骤s102，将故障诊断无效的情况通知给上位的控制装置。
[0046]
电流检测部70中的获取电流值的采样时间大致由控制部40的运算器(微型计算机)所具备的adc(模拟数字转换器)的性能决定。在电角度旋转一周的期间，采样次数最少的情况是电动机转速最大的情况。
[0047]
例如，在adc的采样时间ts[sec]为100[us]的情况下，只能获取6点的电动机转速n[rpm]成为下式(8)所示的数值。[数式8]采样时间ts和最大电动机转速nmax[rpm]存储在控制部40内的省略图示的存储器中，由此确认电流检测部70和控制部40的检测是否是有效的安装条件。
[0048]
在最大电动机转速nmax[rpm]满足步骤s101所示的条件的情况下，是电动机20的转速在电角度旋转一周时能够得到最低6点的情况。即，电流检测部70和控制部40以在输出电流的基波分量1个周期的期间中至少6点以上的采样周期进行电流检测。换言之，电流检测部70和控制部40以输出电流的频率的至少6倍以上的采样频率进行电流检测。在满足步骤s101所示的条件的情况下，进入步骤s103。
[0049]
在步骤s103中，电流检测部70获取各相的交流电流iu、iv、iw。在下一步骤s104中，三相/二相转换部43获取αβ轴上的合成矢量i
αβ
。
[0050]
在下一步骤s105中，电角度运算部44以u相的交流电流iu为基准，求出合成矢量i
αβ
的电角度。然后，在步骤s106中，象限运算部45输出象限信息，该象限信息表示所获取的电
角度符合预先划分的第一象限～第六象限中的哪个象限。
[0051]
在步骤s107中，判定i是否为6以上。i是获取的象限数。如果i不在6以上，则是未获取到第六象限的情况，进入步骤s108。
[0052]
在步骤s108中，判定象限是否从上次开始前进。如果象限没有前进，则结束处理，在下一采样时间ts，从步骤s101开始执行图8所示的处理。在步骤s108中，如果象限从上次开始前进，则在步骤s109中，在i上加1并结束处理。
[0053]
在步骤s107中，在判定为获取到第六象限的情况下，进入步骤s110。在步骤s110中，故障检测部47判定在步骤s106中输出的象限信息是否是全部象限，即是否通过了全部象限。如果没有通过全部象限，则进入步骤s111。
[0054]
在步骤s111中，故障检测部47视为故障状态，参照存储器46内的判定表和未通过的象限来确定故障部位，将故障信息输出到上位的控制装置和pwm信号生成部42。
[0055]
在步骤s112中，判定是否是下臂电路的开路故障。在是下臂电路的开路故障的情况下，在步骤s113中，pwm信号生成部42生成并输出成为上臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为上臂主动短路状态。
[0056]
另一方面，在步骤s112中，在是上臂电路的开路故障的情况下，在步骤s114中，pwm信号生成部42生成并输出成为下臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为下臂主动短路状态。在步骤s113、步骤s114的处理后，结束图8所示的处理。
[0057]
在步骤s110中，故障检测部47在判定为在步骤s106输出的象限信息通过了全部象限的情况下，逆变电路60是正常的情况，进入步骤s115。在步骤s115中，作为获取的象限数的i返回到零。然后，在步骤s116中，pwm信号生成部42生成与各相的占空比值对应的pwm信号。然后，在规定时间后，重复图8的步骤s101以下的处理。
[0058]
这样，为了判断开关元件有无故障的状态，需要表示通过了αβ轴坐标上的第一象限～第六象限的全部象限。即，需要电角度旋转一周得到最低6点的采样点，三相电流值的获取也求出与该情况相应的采样时间。即，不是仅在αβ轴坐标上的特定地点获取6点的采样，而是需要获取6个象限的量的信息，所以以电角度频率的6倍以上的采样频率进行三相电流值的获取。
[0059]
根据本实施方式，由于使用电角度进行故障检测，所以与三相交流电流值的振幅精度无关，仅使用三相交流电流的电流值，就能够高精度地检测开关元件的故障。
[0060]
另外，在将αβ轴平面上分为了6个象限的情况下，由于使用象限的通过确认信息进行故障检测，所以如果电动机每旋转1周而得到6个采样的电角度，则不得到数个周期量的交流电流值就能够在电动机旋转1周以内进行故障检测。另外，对于故障检测，为了得到更高的可靠性，也可以在电角度旋转1周的结果中不断定是正常还是故障，而根据多周的结果来决定。
[0061]
此外，对电角度为左旋转的情况进行了说明，但即使在如再生时那样三相电流的流动方向为右旋转时，也能够用同样的方法适用。此外，本实施方式不需要旋转变压器等旋转传感器而仅使用电流传感器等电流检测部70的值，因此，电动机的种类可以与同步机、感应机无关地适用。
[0062]
[第二实施方式]
图9是本实施方式中的电力转换装置200的电路结构图。对与图1所示的第一实施方式中的电力转换装置100相同的部位赋予相同的符号，并省略其说明。
[0063]
控制部40’除了占空比计算部41、pwm信号生成部42、三相/二相转换部43、电角度运算部44、象限运算部45、存储器46、故障检测部47之外，还具有合成矢量旋转方向运算部81、电动机转速运算部82、所需转速运算部83。
[0064]
合成矢量旋转方向运算部81从设置在电力转换装置200的外部的电子控制装置(省略图示)获取电动机20的目标转矩，根据该目标转矩来运算合成矢量的旋转方向，并输出到故障检测部47。
[0065]
电动机转速运算部82根据三相交流电流iu、iv、iw运算电动机转速n，并输出到所需转速运算部83。所需转速运算部83预先存储电动机转速n、电流传感器的采样时间ts和全部象限通过确认所需的电角度转速的对应表，根据由电动机转速运算部82的运算结果得到的电动机转速n，参照对应表并输出对应的电角度转速nr。
[0066]
此外，控制部40’内的各结构不依赖于硬件的结构，也可以通过cpu和由后述的图11所示的流程图表示的程序来实现各结构的功能。在通过cpu和程序来实现控制部40’内的各结构的情况下，由于硬件的个数减少，所以具有能够低成本化的优点。另一方面，在各结构由与控制部40’独立的硬件构成的情况下，具有控制部40’的处理负荷减少，能够使诊断处理更高速化的优点。
[0067]
在本实施方式中，在电动机20旋转1周以上时获取三相电流值，使用旋转1周以上的象限通过信息，检测逆变电路60内的开关元件的故障。根据三相电流值的获取定时和电动机20的转速的关系，有时不能获取在电角度旋转一周以内通过全部象限那样的合成矢量的电角度。例如，在每隔电角度103
°
获取数据的条件下，电动机20大约旋转2周而通过全部6个象限。
[0068]
图10是表示αβ轴坐标空间中的三相电流值的获取定时的图。图10所示的
×
标记表示三相电流值的获取定时，数字表示获取顺序。在图10中，每隔电角度103
°
获取数据，得到电动机20的大约2周多的6个象限量的象限信息。
[0069]
图11是表示第二实施方式中的控制部40’的动作的流程图。在图11的步骤s201中，电动机转速运算部82根据三相交流电流iu、iv、iw来运算电动机转速n。在下一步骤s202中，所需转速运算部83根据转速n和电流的采样时间ts来决定全部象限通过确认所需的电角度转速nr。所需转速运算部83例如准备电动机转速n、电流传感器的采样时间ts和全部象限通过确认所需的电角度转速nr的对应表，根据由电动机转速运算部82的运算结果得到的电动机转速n，参照对应表并输出对应的电角度转速nr。
[0070]
另外，在图11的步骤s203中，电流检测部70获取各相的交流电流iu、iv、iw。在下一步骤s204中，三相/二相转换部43获取αβ轴上的合成矢量i
αβ
。在下一步骤s205中，电角度运算部44以u相的交流电流iu为基准，求出合成矢量i
αβ
的电角度。然后，在步骤s206中，象限运算部45输出象限信息，该象限信息表示所获取的电角度符合预先划分的第一象限至第六象限中的哪个象限。
[0071]
而且，在图11的步骤s207中，合成矢量旋转方向运算部81从外部的电子控制装置
获取电动机20的目标转矩。然后，在步骤s208中，合成矢量旋转方向运算部81根据目标转矩来运算合成矢量的旋转方向，并输出到故障检测部47。
[0072]
在步骤s209中，故障检测部47判定合成矢量是否为左旋转。如果是左旋转，则进入步骤s210，如果是右旋转，则进入步骤s211。在步骤s210、步骤s211中，将获取的角度表示为(θ
αβ
)n，将前一个获取的角度表示为(θ
αβ
)
n-1
。
[0073]
在步骤s210中，判定合成矢量的角度是否以α轴为基准满足下式(9)的条件。[数式9]180
°
≤(θ
αβ
)
n-1
《360
°
and0
°
≥(9
αβ
)n《180
°ꢀꢀ
(9)在步骤s211中，判定合成矢量的角度是否以α轴为基准满足下式(10)的条件。[数式10]0
°
≤(θ
αβ
)
n-1
＜180
°
and180
°
≤(θ
αβ
)n＜360
°ꢀꢀ
(10)
[0074]
在步骤s210和步骤s211中判定为满足条件的情况下进入步骤s212，在判定为不满足条件的情况下结束处理。在步骤s212中，将i加1。然后，在下一个步骤s213中，判定i是否大于电角度转速nr。
[0075]
例如，在合成矢量为左转的例子中，在步骤s210中，在合成矢量从α轴的负侧(右侧)移动到了正侧(左侧)的情况下，可以说通过了0
°
点，所以在步骤s212中对计数器i进行加法运算，在步骤s213中，确认是否得到了所需的转速nr。在合成矢量为右转的例子中，在步骤s211中，在合成矢量从α轴的正侧(左侧)移动到了负侧(右侧)的情况下，可以说通过了0
°
点，所以在步骤s212中对计数器i进行加法运算，在步骤s213中，确认是否得到了所需的转速nr。
[0076]
在步骤s213中，在判定为i大于电角度转速nr的情况下，是合成矢量通过了全部象限的情况，进入步骤s214。在步骤s213中，在没有判定为i大于电角度转速nr的情况下，结束处理，在经过规定时间后，重复图11所示的处理。
[0077]
在步骤s214中，故障检测部47判定在步骤s206中输出的象限信息是否是全部象限，即是否通过了全部象限。如果没有通过全部象限，则进入步骤s215。
[0078]
在步骤s215中，故障检测部47视为故障状态，参照预先存储在存储器46内的判定表和没有通过的象限来确定故障部位，将故障信息输出到上位的控制装置和pwm信号生成部42。此外，判定表与图7所示的第一实施方式中的故障检测的判定表相同。
[0079]
在步骤s216中，判定是否是下臂电路的开路故障。在步骤s216中，在是下臂电路的开路故障的情况下，在步骤s217中，pwm信号生成部42生成并输出成为上臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为上臂主动短路状态。或者，在步骤s217中，使逆变电路60内的6个开关元件全部断开，成为自由轮状态。
[0080]
另一方面，在是上臂电路的开路故障的情况下，在步骤s218中，pwm信号生成部42生成并输出成为下臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为下臂主动短路状态。或者，在步骤s218中，使逆变电路60内的6个开关元件全部断开，成为自由轮状态。在步骤s217、步骤s218的处理后，结束图11所示的处理。
[0081]
在步骤s214中，故障检测部47在判定为步骤s206中输出的象限信息通过了全部象限的情况下，逆变电路60是正常的情况，进入步骤s219。在步骤s219中，计数器i返回到零。然后，在步骤s220中，pwm信号生成部42生成与各相的占空比值对应的pwm信号。然后，在经
过规定时间后，重复图11所示的处理。
[0082]
根据本实施方式，由于使用电角度进行故障检测，所以与三相交流电流值的振幅精度无关，仅使用三相交流电流的电流值就能够高精度地检测开关元件的故障。
[0083]
另外，根据三相电流值的获取定时和电动机20的转速的关系，即使在不能获取在电角度旋转一周以内通过全部象限那样的合成矢量的电角度的情况下，根据本实施方式，在电角度旋转多周以内通过全部象限的情况下，也能够检测开关元件的故障。
[0084]
[第三实施方式]图12是本实施方式中的电力转换装置300的电路结构图。对与图1所示的第一实施方式中的电力转换装置100相同的部位赋予相同的符号，并省略其说明。在第三实施方式中，根据欠缺的象限的位置来判定故障部位，但在本实施方式中，确定开始欠缺的象限，提前判定故障部位。
[0085]
控制部40”除了占空比计算部41、pwm信号生成部42、三相/二相转换部43、电角度运算部44、象限运算部45、存储器46、故障检测部47之外，还具有合成矢量旋转方向运算部81、延迟器84、预测象限判定部85。
[0086]
合成矢量旋转方向运算部81从设置在电力转换装置300的外部的电子控制装置(省略图示)获取电动机20的目标转矩，根据该目标转矩来运算合成矢量的旋转方向，并输出到预测象限判定部85。
[0087]
延迟器84将来自象限运算部45的象限信息延迟1个采样的量并传送到预测象限判定部85。预测象限判定部85根据通过延迟器84得到的1个采样前的象限信息和合成矢量的旋转方向，将预测象限信息输出到故障检测部47。
[0088]
此外，控制部40”内的各结构不依赖于硬件的结构，也可以通过cpu和由后述的图15所示的流程图表示的程序来实现各结构的功能。在通过cpu和程序来实现控制部40”内的各结构的情况下，由于硬件的个数减少，所以具有能够低成本化的优点。另一方面，在通过与控制部40”独立的硬件构成各结构的情况下，具有控制部40”的处理负荷减少，能够使诊断处理更高速化的优点。
[0089]
图13是αβ轴坐标空间中的合成矢量，是表示u相的上臂电路发生了开路故障的情况的图。在图13中，描绘了合成矢量左旋转的状况。在u相的上臂电路发生了开路故障的情况下，合成矢量的旋转轨迹变化为图13的实线所示的半圆。即，成为最初欠缺第六象限的象限的位置。
[0090]
图14是表示本实施方式中的故障检测的判定表的图。在图14所示的判定表中，表示合成矢量为左旋转的情况，该判定表预先存储在存储器46中。如图14所示，与第一象限～第六象限的判定区域相对应地存储判定角度范围和故障时欠缺顺序。
[0091]
如图14所示，u相上臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第六象限、第一象限、第二象限的顺序。u相下臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第三象限、第四象限、第五象限的顺序。v相上臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第二象限、第三象限、第四象限的顺序。v相下臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第五象限、第六象限、第一
象限的顺序。w相上臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第四象限、第五象限、第六象限的顺序。w相下臂电路发生了故障时的故障时欠缺顺序为第一象限、第二象限、第三象限的顺序。
[0092]
图15是表示第三实施方式中的控制部40”的动作的流程图。在图15的步骤s301中，判定最大电动机转速nmax[rpm]是否小于60/6ts。此外，步骤s301～步骤s306的处理与在第一实施方式中说明的图8所示的步骤s101～步骤s106的处理相同，所以简略地进行该说明。
[0093]
在不满足步骤s301所示的条件的情况下，由于是电动机20的转速过快的情况，所以进入步骤s302，将故障诊断无效的情况通知给上位的控制装置。
[0094]
在步骤s303中，电流检测部70获取各相的交流电流iu、iv、iw。在下一步骤s304中，三相/二相转换部43获取αβ轴上的合成矢量i
αβ
。
[0095]
在步骤s305中，电角度运算部44以u相的交流电流iu为基准，求出合成矢量i
αβ
的电角度。然后，在步骤s306中，象限运算部45输出象限信息，该象限信息表示所获取的电角度符合预先划分的第一象限～第六象限中的哪个象限。
[0096]
在步骤s307中，将来自象限运算部45的象限信息输入到延迟部84，并且延迟1个采样的量。在步骤s308中，合成矢量旋转方向运算部81获取电动机20的目标转矩。然后，在步骤s309中，合成矢量旋转方向运算部81根据目标转矩来运算合成矢量的旋转方向，并输出到预测象限判定部85。
[0097]
接着，在步骤s310中，预测象限判定部85根据合成矢量的旋转方向和由延迟器84延迟后的象限信息，决定预测象限信息并输出到故障检测部47。在图13的例子中，即，在合成矢量为左旋转、u相的上臂电路发生了开路故障的例子中，如果当前时间点是第五象限的采样时间点，则将第六象限的信息作为预测象限信息向故障检测部47输出。
[0098]
在步骤s311中，故障检测部47比较从预测象限判定部85得到的预测象限信息和当前的象限信息。在步骤s312中，故障检测部47判定预测象限信息和当前的象限信息是否一致。在图13的例子中，在当前时间点通过的第六象限欠缺，在步骤s312中，判定为与作为预测象限信息(前一个通过的第五象限的下一个应该通过的象限)的第六象限不一致，进入步骤s313。
[0099]
在步骤s313中，故障检测部47视为故障状态，参照存储器46内的判定表的故障时欠缺顺序来确定故障部位，将故障信息输出到上位的控制装置和pwm信号生成部42。在图14的例子中，如果是第六象限中的故障时欠缺顺序为第一位即u相的上臂电路是开路故障，则确定故障部位。
[0100]
在步骤s314中，判定是否为下臂电路的开路故障。在是下臂电路的开路故障的情况下，在步骤s315中，pwm信号生成部42生成并输出成为上臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为上臂主动短路状态。
[0101]
另一方面，在步骤s314中，在是上臂电路的开路故障的情况下，在步骤s316中，pwm信号生成部42生成并输出成为下臂三相短路状态的pwm信号。由此，逆变电路60成为下臂主动短路状态。在步骤s315、步骤s316的处理后，结束图15所示的处理。
[0102]
在步骤s312中，故障检测部47在判定为预测象限信息和当前的象限信息一致的情况下，之前通过的象限和当前通过的象限没有欠缺，逆变电路60是正常的情况，进入步骤s317。在步骤s317中，pwm信号生成部42生成与各相的占空比值对应的pwm信号。然后，在经过规定时间后，重复图15所示的处理。
[0103]
此外，虽然使象限信息延迟1个采样的量，与1个采样前的象限信息进行比较，但也可以使象限信息延迟2个采样的量，与2个采样前的象限信息进行比较。由此，即使在1个采样前的象限信息处于过渡期而模糊的情况下，通过使用2个采样前的象限信息，也能够可靠地捕捉到欠缺的象限。
[0104]
根据本实施方式，由于使用电角度进行故障检测，所以与三相交流电流值的振幅精度无关，仅使用三相交流电流的电流值就能够高精度地检测开关元件的故障。另外，根据本实施方式，无需等待合成矢量的电角度旋转一周，就能够提前确定故障部位。
[0105]
(变形例1)图16是表示变形例1中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。图16中的数字表示象限的编号。如图16所示，划分为在αβ轴坐标空间中预先确定的象限，例如通过(1)β轴、(2)相对于β轴倾斜了60
°
的直线、以及(3)相对于β轴倾斜了120
°
的直线划分为第一象限～第六象限。然后，在各象限的边界定义用数字7表示的边界附近的象限。由此，为了防止旋转的合成矢量所通过的象限的误识别，将象限的边界附近设为其他象限。
[0106]
图17是表示变形例1中的故障检测的判定表的图。如图17所示，对应于第一象限～第六象限、边界附近的各判定区域地存储判定角度范围和故障部位。图中的符号表示图16中的图中的数字。判定角度范围内的α表示边界附近的角度范围。
[0107]
第一象限的判定角度范围的中心为0度、最小为330 α度、最大为30-α度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相下臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第一象限。
[0108]
第二象限的判定角度范围的中心为60度、最小为30 α度、最大为90-α度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第二象限。
[0109]
第三象限～第六象限也同样，在图17所示的判定表中，
○
标记表示通过的象限，在故障部位
×
标记表示不通过的象限。
[0110]
在边界附近，定义最小～最大分别为30-α～30 α、90-α～90 α、150-α～150 α、210-α～210 α、270-α～270 α、330-α～330 α这6个区域。
[0111]
第一实施方式至第三实施方式所示的象限运算部45输出第一象限～第六象限以及边界附近的任一个象限信息。第一实施方式至第三实施方式所示的故障检测部47参照存储在存储器46等中的判定表，输出故障信息。在这种情况下，在边界附近不进行故障判定。
[0112]
(变形例2)图18是表示变形例2中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。
图18中的数字表示象限的编号。如图18所示，划分为在αβ轴坐标空间中预先确定的象限，例如通过(1)β轴、(2)相对于β轴倾斜了60
°
的直线、以及(3)相对于β轴倾斜了120
°
的直线划分为第一象限～第六象限。而且，在各象限的边界定义用数字7～12表示的边界附近的象限。由此，为了防止旋转的合成矢量所通过的象限的误识别，将象限的边界附近设为其他象限。
[0113]
图19是表示变形例2中的故障检测的判定表的图。如图19所示，对应于第一象限～第六象限、边界附近的各判定区域地存储判定角度范围和故障部位。图中的符号表示图18中的图中的数字。判定角度范围内的α表示边界附近的角度范围。
[0114]
第一象限的判定角度范围的中心为0度、最小为330 α度、最大为30-α度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相下臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第一象限。
[0115]
第二象限的判定角度范围的中心为60度、最小为30 α度、最大为90-α度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、v相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第二象限。第三象限～第六象限也同样，在图19所示的判定表中，
○
标记表示通过的象限，在故障部位
×
标记表示不通过的象限。
[0116]
边界附近7～12定义最小～最大分别为30-α～30 α、90-α～90 α、150-α～150 α、210-α～210 α、270-α～270 α、330-α～330 α这6个区域。
[0117]
在图19所示的判定表中，对应于边界附近7～12，
○
标记表示通过的区域，在故障部位
×
标记表示不通过的区域，-标记表示不进行故障判定的区域。例如，边界附近7的中心为30度、最小为30-α度、最大为30 α度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该边界附近7。此外，在边界附近7，v相上臂电路、v相下臂电路不进行故障的判定。
[0118]
第一实施方式至第三实施方式所示的象限运算部45输出第一象限～第六象限以及边界附近的任一个的象限信息。
[0119]
第一实施方式至第三实施方式所示的故障检测部47参照存储在存储器46等中的判定表，输出故障信息。在这种情况下，针对边界附近7～12，将边界附近7视为第一象限或第二象限，将边界附近8视为第二象限或第三象限，将边界附近9视为第三象限或第四象限，将边界附近10视为第四象限或第五象限，将边界附近11视为第五象限或第六象限，将边界附近12视为第六象限或第一象限来进行判定。
[0120]
(变形例3)图20是表示变形例3中的αβ轴坐标空间中的合成矢量的象限的图。图20中的数字表示象限的编号。如图20所示，将由与任一相的电流方向一致的α轴和与该α轴正交的β轴构成的αβ轴坐标空间划分为在αβ轴上预先确定的象限，例如通过(1)相对于β轴倾斜了30
°
的直线、(2)相对于β轴倾斜了90
°
的直线、以及(3)相对于β轴倾斜了150
°
的直线划分为第一象限～第六象限。图20中的虚线表示象限的边界。相对于第一实施方式的图6所示的象限设定，向左倾斜30
°
。
[0121]
图21是表示变形例3中的故障检测的判定表的图。图21所示的判定表预先存储在存储器46中。如图21所示，与第一象限～第六象限
的判定区域相对应地存储判定角度范围和故障部位。
[0122]
第一象限的判定角度范围的中心为30度、最小为0度、最大为60度。然后，用
×
标记表示在故障部位是u相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第一象限。
[0123]
第二象限的判定角度范围的中心为90度、最小为60度、最大为120度。然后，用
×
标记表示在故障部位是v相上臂电路、w相下臂电路的情况下，合成矢量i
αβ
不通过该第二象限。
[0124]
第三象限～第六象限也同样，在图21所示的判定表中，
○
标记表示通过的象限，在故障部位
×
标记表示不通过的象限。
[0125]
故障检测部47判断合成矢量是否从第一象限到第六象限至少旋转了电角度的一周的量。然后，根据来自象限运算部45的象限信息，在存在未通过的象限时，视为故障状态，根据存储器46内的判定表来确定故障部位，输出故障信息。例如，故障检测部47在合成矢量未通过图20的斜线所示的区域(以α轴为中心的
±
60
°
宽度的区间)的情况下，判断为u相上臂电路的故障。
[0126]
根据变形例3，即使在合成矢量表示图18中说明的边界附近的情况下，也能够避免故障检测的模糊性。
[0127]
根据以上说明的实施方式，能够得到以下的作用效果。(1)一种电力转换装置100、200、300，具有：由开关元件构成，将直流电流转换为交流电流的逆变电路60；检测逆变电路60的三相输出电流的电流检测部70；以及在根据由电流检测部70检测出的三相输出电流计算出的合成矢量i
αβ
的电角度不包含在规定的范围内的情况下，在与该规定的范围内对应的相中，确定逆变电路60的开关元件发生了开路故障的控制部40、40’、40”。由此，能够不受各相的输出电流的大小的影响而高精度地检测开关元件的故障。
[0128]
(2)一种电力转换装置100、200、300的故障诊断方法，进行如下处理：检测由开关元件构成并将直流电流转换为交流电流的逆变电路60的三相输出电流，在根据检测出的三相输出电流计算出的合成矢量i
αβ
的电角度不包含在规定的范围内的情况下，在与该规定的范围内对应的相中，确定逆变电路60的开关元件发生了开路故障。由此，能够不受各相的输出电流的大小的影响而高精度地检测开关元件的故障。
[0129]
本发明不限于上述实施方式，只要不损害本发明的特征，则在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。另外，也可以是组合了上述实施方式和多个变形例的结构。符号说明
[0130]
10
…
直流电源，20
…
电动机，40、40’、40
”…
控制部，41
…
占空比计算部，42
…
pwm信号生成部，43
…
三相/二相转换部，44
…
电角度运算部，45
…
象限运算部，46
…
存储器，47
…
故障检测部，50
…
驱动电路，60
…
逆变电路，70
…
电流检测部，81
…
合成矢量旋转方向运算部，82
…
电动机转速运算部，83
…
所需转速运算部，84
…
延迟器，85
…
预测象限判定部，100、200、300
…
电力转换装置。