JP2007089261A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２相電流検出方式の３相電力変換装置において、欠相などによる３相アンバランスが発生しても、装置および負荷の保護を可能にする電力変換装置を提供する。
【解決手段】 ３相の交流電力を出力して交流電動機２を駆動する電力変換器４と、この電力変換器４の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器５と、電力変換器４の出力を制御する制御手段６とで構成し、制御手段６は、電流検出器５によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の絶対値を各々所定時間加算する加算手段２２と、前記加算手段によって得られる３相出力の各相間の偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段を有するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電動機を駆動するために交流電力を供給する電力変換装置に関する。

交流電動機を駆動するための電力変換装置の１例として、スイッチング素子を使って直流電力を交流電力に変換するインバータ装置がある。インバータ装置においては、スイッチング素子のスイッチングパターンを適切に設定することにより、直流電力を任意の周波数、任意の電圧の交流電力に変換する。

インバータ装置の出力電流を制御するために、出力相にホールＣＴなどの電流検出器を用いて、出力電流をインバータ装置の制御回路にフィードバックする。例えば３相出力インバータの場合、Ｕ、Ｖ及びＷの各相の電流を検出するために、電流検出器を３相各相に取り付けるのが一般的である。

最近のインバータ装置においては、交流電動機に供給する電流をトルク成分（ｑ軸電流Ｉｑ）と励磁成分（ｄ軸電流Ｉｄ）の２つの直流成分に分解して、それぞれ独立して電流制御を行う、所謂ベクトル制御と呼ばれる制御が良く用いられている。

ベクトル制御における交流電流のｄ−ｑ座標変換は、以下の式で行う。

Ｉｄ＝Ｂｓｉｎθ＋Ａｃｏｓθ・・・（１）
Ｉｑ＝Ｂｃｏｓθ−Ａｓｉｎθ・・・（２）
ただし、Ｂ＝（２Ｉｕ−Ｉｖ−Ｉｗ）／３、Ａ＝（−Ｉｖ＋Ｉｗ）／√３であり、Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗは夫々Ｕ、Ｖ及びＷ相の電流フィードバック、θは交流電流の基準位相角である。

また、ベクトル制御の場合、２相電流検出方式を採用することが多く、例えば、Ｕ相及びＷ相電流の検出値からＶ相電流を演算で求める場合、Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）となる。

更に、出力電流の実効値である実効電流Ｉｒｍｓは、
Ｉｒｍｓ＝（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）^１／２・・・（３）
で求められることは良く知られている（例えば特許文献１参照。）。

この実効電流Ｉｒｍｓは出力電流の監視・制御に用いられる他、交流電動機の発熱特性を表す指標である為、交流電動機の過負荷保護検出などに用いられていた。
特開平１１−１６４５９８号公報（全体）

３相交流インバータの出力に欠相が発生した場合、交流電動機に正常な３相交流が供給されなくなるため、出力の欠相を検出し、インバータ運転停止などの措置を取る必要がある。

３相各相に電流検出器があるインバータ装置では、１相オープンで電流が流れなくなった場合や、地絡モードで零相電流が流れる場合の検出は比較的容易である。

ところが、上述したような２相電流検出方式の３相インバータにおいて、零相電流が流れた場合のアンバランス電流については、３相電流がバランスしていることを前提とした２相電流検出方式では、検出困難であった。また、特許文献１に示されたような電流フィードバックのｄ−ｑ変換においても３相電流がバランスしていることを前提としているので、ｄ−ｑ変換した電流フィードバックを使った実効電流Ｉｒｍｓも、正しい電流実効値とはならなかった。そのため、（３）式の実効電流Ｉｒｍｓを用いた過負荷保護も３相アンバランス時には有効ではなかった。

本発明は上記問題点を鑑み、２相電流検出方式の３相電力変換装置において、欠相などによる３相アンバランスが発生しても、装置および負荷の保護を可能にする電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明は、３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、前記電力変換器の出力を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の絶対値を各々所定時間加算する加算手段と、前記加算手段によって得られる３相出力の各相間の偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段とを有することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明は、３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
前記電力変換器の出力を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電流検出器によって検出された２相の出力電流に基づいて前記電力変換器の３相の出力電流を夫々の電流基準値に制御する電流制御手段と、前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の絶対値を各々所定時間加算する第１の加算手段と、
前記電流制御手段における各相の電流基準値の絶対値を各々所定時間加算する第２の加算手段と、前記第１の加算手段の３相出力と前記第２の加算手段の３相出力を各相毎に夫々比較し、その偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段とを有することを特徴としている。

更に、本発明の第３の発明は、３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
前記電力変換器の出力を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の２乗値を各々所定時間加算する加算手段と、前記加算手段によって得られる３相出力の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が過負荷であると判断する過負荷検出手段とを有することを特徴としている。

本発明によれば、２相電流検出方式の３相電力変換装置において、欠相などによる３相アンバランスが発生しても、装置および負荷の保護を可能にする電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。

インバータ装置１は直流入力を受け、これを交流に変換して交流電動機２を駆動する電力変換装置である。このインバータ装置１は、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ３と、平滑された直流を交流に変換するインバータ４と、インバータ４の出力電流を検出する出力電流検出器５とで構成されている。インバータ装置１のインバータ４は、制御回路６から与えられるスイッチング指令により、その主回路を構成するブリッジ接続されたスイッチング素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２がオン・オフ制御されている。各々のスイッチング素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２にはフライホイールダイオードが夫々逆並列接続されている。

制御回路６には、出力電流検出器５の電流フィードバック信号のほか、交流電動機２に取り付けられた速度センサ７の速度検出信号が与えられている。

以下、制御回路６の内部構成について説明する。

速度センサ７の速度検出信号は、速度検出回路１１によって速度フィードバックＳＰ＿Ｆに変換され、この速度フィードバックＳＰ＿Ｆは速度基準ＳＰ＿Ｒと比較されて速度制御回路１２の入力となる。また、この速度フィードバックＳＰ＿Ｆが与えられると、磁束基準演算回路１３が誘導電動機２の磁束基準ＦＬ＿Ｒを演算し、上記の速度制御回路１２の出力であるトルク基準Ｔ＿Ｒをこの磁束基準ＦＬ＿Ｒで除算してトルク電流基準ＩＱ＿Ｒを得る。このトルク電流基準ＩＱ＿Ｒと、磁束基準演算回路１３の出力である磁束基準ＦＬ＿Ｒ、及び誘導電動機２の２次時定数をすべり周波数演算回路１４に入力することによってすべり周波数ＦＳＯＵＴが得られる。

一方、出力電流検出器５によって検出されたＵ相電流フィードバックＩＵ＿Ｆ及びＷ相電流フィードバックＩＷ＿Ｆは３φ／２φ変換回路１５によってトルク電流フィードバックＩＱ＿Ｆと、このトルク電流フィードバックに直交する励磁電流フィードバックＩＤ＿Ｆに変換される。トルク電流フィードバックＩＱ＿Ｆは、前述のトルク電流基準ＩＱ＿Ｒと比較され、電流制御回路１６の入力となる。同様に励磁電流フィードバックＩＤ＿Ｆも別途設定された励磁電流基準ＩＤ＿Ｒと比較され、電流制御回路１６の入力となる。電流制御回路１６においては上記のトルク電流と励磁電流を独立に制御し、その出力はトルク電圧基準及び励磁電圧基準となる。このトルク電圧基準及び励磁電圧基準は２φ／３φ変換回路１７の入力となり、この２φ／３φ変換回路１７の出力として３相の電圧基準が得られる。この３相の電圧基準に基づいてスイッチング指令演算回路１８はインバータ２を構成するスイッチング素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２及びＷ２に対し、オン・オフ指令を出力する。ここで、３φ／２φ変換回路１５及び２φ／３φ変換回路１７で変換を行うための位相基準は、速度フィードバックＳＰ＿Ｆにすべり周波数ＦＳＯＵＴを加算して得られるインバータ周波数を積分することによって得ている。

出力電流検出器５によって検出されたＵ相電流フィードバック（ＦＢＫ）ＩＵ＿Ｆ及びＷ相電流フィードバック（ＦＢＫ）ＩＷ＿Ｆは欠相検出回路１９に与えられている。以下、欠相検出回路１９の内部構成を図１（ｂ）を参照して説明する。

Ｕ相電流フィードバック（ＦＢＫ）ＩＵ＿Ｆ、Ｗ相電流フィードバック（ＦＢＫ）ＩＷ＿Ｆ及びこの２つを加算することによって得られるＶ相電流フィードバック（ＦＢＫ）ＩＶ＿Ｆを絶対値演算回路２１に与え、夫々の絶対値を求める。絶対値演算回路２１の夫々の出力は、加算回路２２に与えられ、各相夫々の瞬時電流の絶対値が所定時間加算される。ここでの加算とは、デジタル制御における加算を意味し、アナログ制御における積分と等価である。加算回路２２の各相の夫々の出力同士が比較回路２３で比較され、比較回路２３の３つの出力信号は判定回路２４に与えられる。判定回路２４においては上記の３つの出力信号即ち各相の電流の絶対値の加算値の差がしきい値以上かどうか判定し、この差がしきい値以上であれば、各々の信号に対応して１を論理和回路２５に与える。そして論理和回路２５の出力が１であれば欠相が生じていると判断する。

インバータ出力が正常で３相電流がバランスしている場合は、各相電流は３相交流波形となり、交流周期よりも長い期間を通じて加算器２２で加算処理すると、各相の加算結果はほぼ等しくなる。

一方、欠相が起こり３相電流に電流アンバランスが発生した場合、欠相した相以外の相にもアンバランスの影響が現れる。よって、電流検出器のないＶ相で欠相が発生した場合でも、Ｕ相およびＷ相電流フィードバックは歪み、Ｕ相、Ｗ相および演算で求めるＶ相電流フィードバックの加算量の夫々に乖離が生じる。このことから、本実施例によればインバータ出力相のアンバランスは本質的に検出可能である。また、零相電流によるアンバランスについても全く同様の考え方で検出可能となる。ここではこのアンバランス電流の検出を広義の欠相検出と呼ぶものとする。

尚、図１（ｂ）において、Ｖ相電流フィードバックＩＶ＿Ｆの符号が逆になっているが、絶対値演算を行なえば演算結果は同じになるので問題ない。

図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、絶対値演算回路２１に代えて２乗演算回路２６を設けた点である。

このように、各相電流の絶対値に代えて、２乗演算した値を所定時間加算し、その差によって欠相を検出することが可能となる。尚、この電流を２乗演算して所定時間加算した値は前述の実効電流の２乗に相当する量である。

この実施例２においても、２乗演算を行なっているのでＶ相電流フィードバックＩＶ＿Ｆの符号の問題はない。

図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、Ｕ，Ｖ及びＷの各相の電流基準の絶対値を演算する絶対値演算回路２１Ａと、その夫々の出力を所定期間加算する加算回路２２Ａを設け、この加算回路２２Ａの３相の出力と加算回路２２の３相の出力を各相毎に比較回路２３Ａで夫々比較するように構成した点である。

ここで、各相の電流基準は、ｄ−ｑ軸電流基準を出力電気角θを基準位相として２相／３相変換した基準であり、３相正弦波状の基準となっている。電流制御はｄ−ｑ軸電流基準と電流フィードバックで行っているため、３相アンバランスが発生した場合、３相電流フィードバックを、３相電流基準に一致させることが困難となる。従って、３相電流基準と３相電流フィードバックに乖離が発生したとき、３相電流基準と３相電流フィードバックの絶対値の加算値を比較することにより、３相アンバランスの検出が可能となる。

図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図３の実施例３に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、絶対値演算回路２１及び２１Ａに代え、２乗演算回路２６及び２６Ａを設けた点である。

実施例２で説明したように、電流を２乗演算して所定時間加算した値は実効電流の２乗である。従って、実施例３で説明した絶対値を用いる手法に代え、この実効電流の２乗を用いても、３相アンバランスの検出が可能となる。

図５は本発明の実施例５に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図３の実施例３に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、絶対値演算回路２１Ａ及び加算回路２２Ａを省き、比較回路２３Ｂを加算回路２２の出力側から絶対値演算回路２１の入力側に移し、比較回路２３Ｂによって３相電流の瞬時値と３相の電流基準を各相毎に夫々比較し、その偏差を絶対値演算回路２１の入力とするように構成した点である。

この実施例５は、各相の電流の瞬時値とその電流基準の夫々の偏差を加算して各相毎に比較しているが、通常時は電流制御が正常に行われているので、定常偏差が少ない。従って、この実施例５によれば欠相検出しきい値の選定がより容易となる。

尚、絶対値演算回路に代えて２乗演算回路を用いても３相アンバランスの検出が可能となることは明らかである。

図６は本発明の実施例６に係る電力変換装置の過負荷検出回路のブロック構成図である。この実施例６の各部について、図２の実施例２に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が実施例２と異なる点は、比較回路２３を省き、加算回路２２の各相の出力を判定回路２４Ａで所定のしきい値と比較して、しきい値以上であれば、論理和回路２５に相毎に１を出力し、論理和回路２５の出力が１となったとき、過負荷と判断するように構成した点である。

ここで、各相電流フィードバックの２乗の加算は、各相のインバータ出力エネルギーに相当する。本実施例では、相単位の過負荷検出を行うことによって、通常時の過負荷状態に加えて、３相アンバランス時においても、過負荷状態を検出することを可能としている。

実施例１及び２に示した３相アンバランス検出が、アンバランス発生時の出力電流の大きさによらず検出するのに対し、この実施例６によると、３相アンバランス時にも過負荷検出して負荷電流過大に対する装置保護を行うことが可能になる。従って、この実施例６の方式によれば、過負荷検出されるまでは３相アンバランスでの運転を継続させることができる。これにより、本実施例で示したインバータ装置の運転中に３相アンバランスが発生した場合でも、運転を継続して稼働率を向上することが可能となる。

以上の各実施例の説明において、加算回路における加算時間（積分時間）は、インバータ４の出力周期の整数倍とし、検出精度と装置の許容保護時間との関係で選定する。例えば、出力周波数２０Ｈｚのとき、１０周期分を加算すると、その加算時間は０．５ｓｅｃとなる。

また、本発明が適用される電力変換装置は、実施例１において、ベクトル制御型インバータ装置を例に説明したが必ずしもこれには限らない。実施例３乃至５は各相の電流基準に従ってその出力電流を制御する電力変換装置に適用され、実施例１、２及び６は、３相出力の電力変換装置に適用可能である。

更に、ここで使用する電力変換装置は必ずしも直流を入力とするものとは限らない、交流入力−交流出力のサイクロコンバータやマトリクスコンバータであっても本発明の適用は可能である。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図。 本発明の実施例５に係る電力変換装置の欠相検出回路のブロック構成図。 本発明の実施例６に係る電力変換装置の過負荷検出回路のブロック構成図。

符号の説明

１ インバータ装置
２ 交流電動機
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 出力電流検出器
６ 制御回路
７ 速度センサ

１１ 速度検出回路
１２ 速度制御回路
１３ 磁束基準演算回路
１４ すべり周波数演算回路
１５ ３φ／２φ変換回路
１６ 電流制御回路
１７ ２φ／３φ変換回路
１８ スイッチング指令演算回路
１９ 欠相検出回路

２１、２１Ａ 絶対値演算回路
２２、２２Ａ 加算回路
２３、２３Ａ、２３Ｂ 比較回路
２４、２４Ａ 判定回路
２５ 論理和回路
２６、２６Ａ ２乗回路

Claims (6)

1. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の絶対値を各々所定時間加算する加算手段と、
   前記加算手段によって得られる３相出力の各相間の偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の２乗値を各々所定時間加算する加算手段と、
   前記加算手段によって得られる３相出力の各相間の偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
3. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流に基づいて前記電力変換器の３相の出力電流を夫々の電流基準値に制御する電流制御手段と、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の絶対値を各々所定時間加算する第１の加算手段と、
   前記電流制御手段における各相の電流基準値の絶対値を各々所定時間加算する第２の加算手段と、
   前記第１の加算手段の３相出力と前記第２の加算手段の３相出力を各相毎に夫々比較し、その偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
4. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流に基づいて前記電力変換器の３相の出力電流を夫々の電流基準値に制御する電流制御手段と、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の２乗値を各々所定時間加算する第１の加算手段と、
   前記電流制御手段における各相の電流基準値の２乗値を各々所定時間加算する第２の加算手段と、
   前記第１の加算手段の３相出力と前記第２の加算手段の３相出力を各相毎に夫々比較し、その偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
5. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流に基づいて前記電力変換器の３相の出力電流を夫々の電流基準値に制御する電流制御手段と、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の合計３相の出力電流と、前記電流制御手段における３相の電流基準値との各相毎の偏差を夫々求める比較手段と、
   前記比較手段によって得られた３相の偏差の絶対値を各相毎に夫々加算する加算手段と、
   前記加算手段によって得られる各相間の偏差の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が欠相していると判断する欠相検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
6. ３相の交流電力を出力して交流電動機を駆動する電力変換器と、
   この電力変換器の３相の出力電流のうち２相を検出する電流検出器と、
   前記電力変換器の出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電流検出器によって検出された２相の出力電流を加算して他の１相の出力電流を演算により求める手段と、
   前記２相の出力電流と他の１相の出力電流の２乗値を各々所定時間加算する加算手段と、
   前記加算手段によって得られる３相出力の少なくとも１つが所定値以上であれば、前記３相の出力電流が過負荷であると判断する過負荷検出手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。

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