JP2014087166A - 欠相検出方法、及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
交流電動機の回転角を計測するための回転角計測器を必要とせず、負荷が脈動しても誤検出しない、欠相検出方法を提供する。
【解決手段】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記スイッチング回路から交流電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出される電流を任意の速度で回転する座標上の電流に変換する座標変換器と、前記座標変換器から出力される回転座標上の電流から回転座標上の電流位相を演算する位相演算器と、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相に基づき欠相を判断する欠相判断部とを備える電力変換装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、欠相検出方法、及び電力変換装置に関する。

誘導電動機や同期電動機などの交流電動機の駆動には、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が多用される。

電力変換装置と交流電動機間の配線の内、１相が断線するなどの故障（欠相）が発生すると、欠相した相に電流を流すことができなくなる。そのため、欠相していない相に過大な電流が流れ、電力変換装置や交流電動機が焼損する恐れがある。そこで、欠相が発生した場合には、電力変換装置や交流電動機に過大な電流が流れることを防止するため、速やかに欠相を検出し、電力変換装置の出力を遮断することが望ましい。

特許文献１においては、「３相の交流電動機をベクトル制御しつつ可変速駆動する電力変換制御装置において、前記電力変換制御装置の各相出力電流それぞれの絶対値が予め定めたしきい値以下のときの前記交流電動機の回転角を計測し、この計測した回転角が予め定めた角度設定値を超えたときに前記電力変換制御装置の各相出力の内、少なくともいずれか１相が欠相したと判定する」方法（特許請求の範囲の請求項１）が開示されている。

また、特許文献２においては、「少なくとも１台以上の交流電動機を駆動するインバータ装置と、交流電動機に流入する電流値を得る手段と、交流電動機に流入する電流値を座標変換する手段と、座標変換する手段から得られた電流値に基づいてインバータ装置に対する電圧指令および周波数指令を生成する手段を有し、座標変換する手段から得られた電流値から、インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分を検出して欠相検知に用いる電流値を計算し、その値が判定値以上になったとき、インバータ装置の欠相を検知する」方法（特許請求の範囲の請求項１）が開示されている。

特開２００８−６１２９４号公報 特開２０１１−１３９５５９号公報

特許文献１に記載の欠相検出方法は、交流電動機の回転角を計測するための回転角計測器が必要になる。

また、特許文献２に記載の欠相検出方法は、回転角計測器は不要ではあるが、負荷が周波数指令の２倍で脈動した場合、欠相判定に用いる電流値に周波数指令の２倍の周波数成分が発生するため、誤検出する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、交流電動機の回転角を計測するための回転角計測器を必要とせず、負荷が脈動しても誤検出しない欠相検出方法を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記スイッチング回路から交流電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出される電流を任意の速度で回転する座標上の電流に変換する座標変換器と、前記座標変換器から出力される回転座標上の電流から回転座標上の電流位相を演算する位相演算器と、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相に基づき欠相を判断する欠相判断部とを備える電力変換装置である。

本発明により、交流電動機の回転角を計測するための回転角計測器を必要とせず、負荷が脈動しても誤検出しない欠相検出を実現することが可能となる。

実施例１における実施形態構成の一例である。 正常時及びＶ相欠相時の電流ベクトルの一例である。 正常時及びＶ相欠相時の回転座標上の電流位相波形の一例である。 負荷一定時及び負荷脈動時の回転座標上の電流波形及び電流位相波形の一例である。 実施例２における実施形態構成の一例である。 実施例３における実施形態構成の一例である。

以下、本発明の実施例について、図を用いながら説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付しており、それらについての重複した説明は省略する。

図１は、実施例１における実施形態構成の一例である。

３相交流電源１より入力された３相交流電圧は、整流回路２により整流され、平滑回路３により平滑される。

スイッチング回路４は、平滑回路３にて平滑された電圧（直流電圧）を、３相交流電圧に変換し、３相交流電動機６に印加する。

ＰＷＭ制御器７は、電圧指令に基づいた電圧が３相交流電動機６に印加されるように、スイッチング回路４のオン、オフを制御する制御信号を出力する。

電流検出器５は、３相交流電動機６に流れる３相交流電流を検出する。２相のみを検出し、３相交流の総和が零であることから、残りの１相を算出してもよい。また、平滑回路３の正極側または負極側にシャント抵抗を設け、このシャント抵抗に流れる電流から３相交流電流を推定してもよい。

座標変換器８は、電流検出器５にて検出した検出電流（３相交流電流）を任意の速度で回転する座標上の電流（回転座標電流）に変換する。一般的に回転座標の回転速度は、交流電動機６に印加される電圧の周波数と同じ速度で座標が回転するように設定される。このような回転座標において、基準となる軸はｄ軸、ｄ軸と直交する軸はｑ軸と称されることが多い。

位相演算器９は、回転座標電流より回転座標上の電流位相（回転座標電流位相）を演算する。回転座標電流位相は、例えば基準となる軸（ｄ軸）上の電流と基準軸と直交する軸（ｑ軸）上の電流より、三角関数の逆正接を用いることで演算が可能である。

周波数成分抽出器１０は、回転座標電流位相の任意の周波数成分(抽出周波数成分）を抽出する。任意の周波数成分は、例えばフーリエ変換で抽出することが可能である。回転座標電流位相が複数ある場合には、各々から周波数成分を抽出してもよい。また、抽出する周波数成分は、複数の周波数帯であってもよい。

欠相判断部１１は、入力値（例えば抽出周波数成分）と予め設定された閾値とを用いて欠相の判断を行い、欠相信号を出力する。なお閾値は、３相交流電動機６の駆動状況、例えば周波数や電圧、電流などに依存して変化してもよい。また、外部から与えられる信号や設定により変化してもよい。入力値が複数ある場合には、それぞれの入力値に対して閾値を設定し、すくなくとも１つ以上の組み合わせより欠相と判断してもよい。

欠相信号がＰＷＭ制御器７に入力されると、ＰＷＭ制御器７はスイッチング回路４の全てのスイッチを強制的にオフし、スイッチング回路４の出力を遮断、または警報情報を出力する。

図２は、正常時及びＶ相欠相時の電流ベクトルの一例である。図２では、基準となる軸をｄ軸、ｄ軸と直交する軸をｑ軸と称している。また、回転座標の回転速度は、交流電動機６に印加される電圧の周波数と同一速度としている。尚、以下では正常時とＶ相欠相時との比較をするが、Ｕ相またはＷ相欠相の場合においても、Ｖ相をＵ相またはＷ相に置き換えれば、同様に考えることができる。

正常時の電流ベクトルは円を描き、その回転速度は交流電動機６に印加される電圧の周波数と同一速度である。一方、Ｖ相が欠相した場合の電流ベクトルは、Ｖ相には電流が流れないため、Ｖ相と直交した直線を描き、交流電動機６に印加される電圧の周波数と同一速度で、直線上を行き来する。

図３は、正常時及びＶ相欠相時の回転座標上の電流位相波形の一例である。

正常時の電流ベクトルは、回転座標の回転速度と同一速度で円を描くため、ｄ軸からの電流位相、すなわち回転座標電流位相は一定である。一方、Ｖ相欠相時における電流ベクトルは、回転座標の回転速度と同一速度でＶ相と直交した直線を描くため、回転座標電流位相は回転座標の回転速度の２倍の速度、すなわち交流電動機６に印加される電圧の２倍の周波数で脈動する。

このように、回転座標電流位相において、欠相時にのみ、交流電動機６に印加される電圧の２倍の周波数成分が発生する。この周波数成分を周波数成分抽出器１０にて抽出し、欠相判断部１１にて周波数成分が設定閾値を超えた場合に欠相と判断することが可能である。

また、周波数成分抽出器１０を介さずに、回転座標電流位相を欠相判断部１１へ入力することでも同様の効果が得られる。

図４は、負荷一定時及び負荷脈動時の回転座標上の電流波形及び電流位相波形の一例である。

負荷が一定の場合には、座標変換器８より出力される回転座標上の電流は一定であるが、交流電動機６に印加される電圧の２倍の周波数で負荷が脈動すると、回転座標上の電流は同様の周波数で脈動し、印加電圧周波数の２倍成分は零以外の値を有することになる。従って、回転座標上の電流の周波数成分を用いて欠相判断すると、負荷が脈動した場合に脱調と誤検出してしまう場合がある。これに対し、回転座標上の電流位相は、負荷が脈動した場合においても一定であり、印加電圧周波数の２倍成分は零である。従って、回転座標上の電流位相の周波数成分を用いることにより、負荷が脈動した場合にも誤検出することなく、安定した欠相検出が可能となる。

図５は、実施例２における実施形態構成の一例である。

位相変化量演算器１２は、位相演算器９により出力された回転座標電流位相より任意時間当たりの位相変化量を演算する。位相変化量は、例えば微分で演算することが可能である。

前記したように、正常時における回転座標上の電流位相は一定であるが、Ｖ相欠相時における回転座標上の電流位相は脈動する。そのため、位相変化量は正常時には零であり、Ｖ相欠相時には零以外の値を有する。

このように、回転座標電流の位相変化量は、欠相時にのみ零以外の値を有する。この位相変化量を位相変化量演算器１２にて演算し、欠相判断部１１にて位相変化量が設定閾値を超えた場合に欠相と判断することが可能である。

図６は、実施例３における実施形態構成の一例である。

極性検出器１３は、回転座標電流の位相変化量の極性を検出する。極性は、例えば零と比較することで、検出することが可能である。

前記したように、正常時において位相変化量演算器１２より演算される回転座標電流の位相変化量は零であるが、Ｖ相欠相時における位相変化量は零以外の値を有する。このとき、回転座標電流の位相変化量の極性は、交流電動機６に印加される電圧の位相変化量と異なる極性となる。

従って、例えば交流電動機６に印加される電圧の位相変化量の極性といった、予め設定された極性と、極性検出器１３により検出された極性とを欠相判断部１１にて比較し、両者の極性が異なる場合に、欠相と判断することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）などの記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤなどの記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ ３相交流電源
２ 整流回路
３ 平滑回路
４ スイッチング回路
５ 電流検出器
６ ３相交流電動機
７ ＰＷＭ制御器
８ 座標変換器
９ 位相演算器
１０ 周波数成分抽出器
１１ 欠相判断部
１２ 位相変化量演算器
１３ 極性検出器

Claims (14)

1. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記スイッチング回路から交流電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出される電流を任意の速度で回転する座標上の電流に変換する座標変換器と、前記座標変換器から出力される回転座標上の電流から回転座標上の電流位相を演算する位相演算器と、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相に基づき欠相を判断する欠相判断部とを備える電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置であって、さらに、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相から任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出器を有し、前記欠相判断部では、前記周波数成分抽出器にて抽出した該任意の周波数成分に基づき欠相を検出することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の前記電力変換装置であって、さらに、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相から位相変化量を演算する位相変化量演算器を有し、前記欠相判断部では、前記位相変化量演算器にて演算した位相変化量に基づき欠相を検出することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１記載の前記電力変換装置であって、さらに、前記位相演算器から出力される回転座標上の電流位相から位相変化量を演算する位相変化量演算器と、前記位相変化量演算器にて演算した位相変化量の極性を検出する極性検出器とを有し、前記欠相判断部では、前記極性検出器にて検出した位相変化量の極性に基づき欠相を検出することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記欠相検出器では、予め定めた閾値と比較することにより欠相を検出することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記欠相検出器にて欠相を検出した場合に前記スイッチング回路の出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記欠相検出器にて欠相を検出した場合に警報情報を出力することを特徴とする電力変換装置。
8. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング工程と、前記スイッチング工程によりスイッチングされ交流電動機に流れる電流を検出する電流検出工程と、前記電流検出工程により検出される電流を任意の速度で回転する座標上の電流に変換する座標変換工程と、前記座標変換工程から出力される回転座標上の電流から回転座標上の電流位相を演算する位相演算工程と、前記位相演算工程から出力される回転座標上の電流位相に基づき欠相を判断する欠相判断工程とを備える欠相検出方法。
9. 請求項８記載の欠相検出方法であって、さらに、前記位相演算工程にて出力される回転座標上の電流位相から任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出工程を有し、前記欠相判断工程では、前記周波数成分抽出工程にて抽出した該任意の周波数成分に基づき欠相を検出することを特徴とする欠相検出方法。
10. 請求項８記載の前記欠相検出方法であって、さらに、前記位相演算工程から出力される回転座標上の電流位相から位相変化量を演算する位相変化量演算工程を有し、前記欠相判断工程では、前記位相変化量演算工程にて演算した位相変化量に基づき欠相を検出することを特徴とする欠相検出方法。
11. 請求項８記載の前記欠相検出方法であって、さらに、前記位相演算工程から出力される回転座標上の電流位相から位相変化量を演算する位相変化量演算工程と、前記位相変化量演算工程にて演算した位相変化量の極性を検出する極性検出工程とを有し、前記欠相判断工程では、前記極性検出工程にて検出した位相変化量の極性に基づき欠相を検出することを特徴とする欠相検出方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれかに記載の欠相検出方法であって、前記欠相検出工程では、予め定めた閾値と比較することにより欠相を検出することを特徴とする欠相検出方法。
13. 請求項８乃至１２のいずれかに記載の欠相検出方法であって、前記欠相検出工程にて欠相を検出した場合に前記スイッチング工程の出力を遮断することを特徴とする欠相検出方法。
14. 請求項８乃至１２のいずれかに記載の欠相検出方法であって、前記欠相検出工程にて欠相を検出した場合に警報情報を出力することを特徴とする欠相検出方法。

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