JP3768024B2

JP3768024B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3768024B2
Application number: JP06199899A
Authority: JP
Inventors: 聡子石井; 敏井堀; 浩之富田; 剛小俣
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: JP2000262087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置を提供する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、誘導電動機などの交流電動機の駆動用として、インバータ装置などの電力変換装置が多種多様な形で市場に供給されるようになり、省エネルギー化促進に大いに貢献している。
図１０は、インバータ装置として使用される電力変換装置の一例を示したもので、ここに示した電力変換装置は、図示のように、順変換(コンバータ)部Ｃo と逆変換(インバータ)部Ｉn 、それに平滑用のコンデンサＣを備え、これによりインバータ装置１として動作するように構成されているものである。
【０００３】
そして、このインバータ装置１の逆変換部Ｉn は、その半導体スイッチング素子ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚとして、ＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いたもので、これらのスイッチング素子のオン時間と、オンに制御すべき素子の組合わせを制御することにより、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに任意の電圧で任意の周波数の３相交流電力を発生させることができる。
【０００４】
ここで、ＣＴＵとＣＴＷは電流検出器で、ＣＴＵはＵ相用で、ＣＴＷはＷ相用であり、これらの電流検出器ＣＴＵ、ＣＴＷにより検出される電流によりインバータの制御と保護が得られるようにする。
従って、順変換部Ｃo の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔに商用交流電源系統から３相交流電力を供給してやれば、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに任意の電圧で任意の周波数の３相交流電力を発生させることができ、この結果、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに３相誘導電動機などの交流電動機を接続してやることにより、この交流電動機を任意の回転速度で運転させることができ、省エネルギー化に大いに貢献できることになる。
【０００５】
ところで、更に近年、このようなインバータ装置において、その主回路の機能を利用し、それに接続されている交流電動機の制御に必要な電動機定数などのデータを計測するようにしたシステムや、交流電動機の保護のために必要な１次抵抗の測定を行うシステムなどが提案されており、その例として、特開昭６０−１８３９５３号、特開平６−９８５９５号、特開平８−３３１９４号、特開平１０−１７８７９９号の各公報の記載を挙げることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、電力変換装置駆動の交流電動機に特有のマイクロサージについて配慮がされておらず、コイル素線間と相巻線間での絶縁破壊による信頼性低下の問題があった。
【０００７】
インバータ装置などの電力変換装置は、上記したように、例えば図６に示すような主回路１を備え、ＩＧＢＴなどの半導体素子の高周波スイッチング動作により交流電動機が駆動されるように構成されており、従って、その出力は多くの高調波を含む矩形波になっている。
【０００８】
また、電力変換装置と交流電動機の間には接続用の配線が必要であり、この配線には浮遊インダクタンス分Ｌｓと浮遊キャパシタンス分Ｃｓが存在する。
このため、動作中、これらのインダクタンス分Ｌとキャパシタンス分Ｃによりマイクロサージと呼ばれるＬＣ共振現象が現われ、マイクロサージ電圧Ｖ_z が発生する。
【０００９】
このマイクロサージ電圧Ｖ_z は急峻な波形を持つ上、電力変換装置の出力電圧に乗った形になるので、交流電動機の電機子巻線のコイル素線間と相巻線間に大きな電圧がかかり、この結果、これらの間に絶縁破壊が生じてしまい、やがては異常発熱や焼損などの二次災害の発生に移行してしまうので、信頼性が低下してしまうのである。
【００１０】
このマイクロサージ電圧の大きさについて、一般的なインバータ装置の場合を例にして説明すると、まず、そのコンバータ部で商用交流を直流に変換し、平滑化してインバータ部に入力するので、商用交流電圧をＶとした場合、インバータ部に入力される直流電圧Ｖ_dc の大きさは約√２Ｖとなる。
【００１１】
従って、インバータ部の半導体素子は、この直流電圧Ｖ_dc ≒√２Ｖを高周波スイッチングすることになるので、マイクロサージ電圧Ｖ_z が発生すると、これが直流電圧Ｖ_dc に加算されてしまい、インバータ部の出力電圧、つまり交流電動機の端子電圧Ｖ_o は、配線の長さにもよるが、長い場合には直流電圧Ｖ_dc の２倍(Ｖo＝２Ｖ_dc)にもなり、従って、長い運転時間の間には、交流電動機の電機子巻線のコイル素線間と相巻線間に絶縁破壊が発生してしまうのである。
【００１２】
本発明の目的は、マイクロサージなどによる電機子巻線での絶縁破壊の発生等が検出できること、または、異常等が判定できるようにした交流電動機の異常判定機能を備えた電力変換装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも逆変換部を備え、交流電動機に可変周波数可変電圧の交流電力を供給するようにし、前記交流電動機に前記逆変換部から直流電力を供給し、このとき前記交流電動機の端子間に発生する直流電圧値と前記電力の電圧値から、前記交流電動機の１次抵抗値を算出する手段を設けた電力変換装置において、前記１次抵抗値の初期値は、前記交流電動機の設置時、予め所定のメモリに格納出来、前記算出した１次抵抗値からの低下率により、前記交流電動機の絶縁診断が判定出来るようにして達成される。
【００１４】
交流電動機がマイクロサージなどにより絶縁破壊したことが報知されるので、交流電動機の焼損及びその後の二次災害が未然に防止でき、交流電動機に対する接続配線が長くなっても、充分に高い信頼性を持たせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明による電力変換装置を誘導電動機駆動用のインバータ装置として実施した場合の一実施形態で、図において、１がインバータ装置を表わし、このインバータ装置１に負荷となる交流電動機が接続されるが、ここでは、この負荷が３相の誘導電動機２になっている。
【００１６】
３は順変換部で、４は平滑用のコンデンサであり、この順変換部３により、商用交流電源ＡＣから供給された交流が整流され、平滑化された直流がコンデンサ４の端子間に得られることになる。
５は逆変換部で、図１０の従来技術における逆変換部Ｉｎと同様に、６個のＩＧＢＴからなるスイッチング用の半導体素子ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚで構成されており、これにコンデンサ４で平滑化された直流電圧Ｖdc が供給されるようになっている。
【００１７】
従って、この逆変換部５のスイッチング素子ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚが夫々ＰＷＭ(パルス幅変調)制御されることにより、誘導電動機２に所望の電圧で所望の周波数の３相交流電力が供給されることになる。
６は電圧検出器で、順変換部３から出力され、コンデンサ４により平滑化された直流電圧Ｖ dc と、逆変換部５の出力端子に現れる直流電圧によりＶ a を検出する働きをする。
７は電流検出器で、インバータ部５と誘導電動機２の間に流れる電流を検出する働きをするものであり、具体的には、図１０に示した従来技術と同じく、２個の電流検出器ＣＴＵ、ＣＴＷからなるものである。
【００１８】
８は１次抵抗演算器で、例えば、電圧検出器６で検出した直流電圧Ｖ_a と、電流検出器７で検出した電流Ｉ_u 、Ｉ_w (後述)から１次抵抗、すなわち誘導電動機２の電機子巻線抵抗の演算処理など、異常判定に必要な各種の処理を実行する働きをする。
【００１９】
９はメモリで、１次抵抗演算器８で演算した１次抵抗を所望に応じて記憶しておく働きをする。
１０は比較器で、１次抵抗演算器８で演算した１次抵抗と、メモリ９に記憶されている１次抵抗とを所望に応じて比較する働きをする。
１１は表示器で、比較器１０による比較結果に応じて、異常の有無などの所望のメッセージを表示する働きをする。
【００２０】
次に、この実施形態の動作について説明すると、まず、この実施形態でも、インバータ装置としての通常の動作は、図１０で説明した従来技術や一般的なインバータ装置の場合と同じで、図示してないインバータ制御部により逆変換部５がスイッチング制御され、商用交流電源ＡＣから供給された３相交流電力が任意の電圧で任意の周波数の３相交流電力に変換され、この結果、誘導電動機２を任意の回転速度で運転させることができ、省エネルギー化に大いに貢献できることになるが、詳しい説明は省略する。
【００２１】
まず、この実施形態によるインバータ装置１には、図示されてないが、所定のマイクロコンピュータによる制御部(マイコン制御部)が設けられており、これに所望のプログラムが格納され、この結果、以下に説明する異常判定動作が遂行されるようになっている。
【００２２】
そして、このマイコン制御部による処理は、インバータ装置１による誘導電動機２の通常の運転時とは別に、誘導電動機２が停止されている状態で実行されるもので、大別して、誘導電動機２の１次抵抗値を算出する抵抗値算出処理と、この算出結果による異常判定処理に分けられる。
【００２３】
まず、抵抗値算出処理について説明すると、これは、誘導電動機２の電機子巻線にインバータ装置１から直流電流を供給し、１次抵抗値を算出する処理が中心になる。
【００２４】
そして、この実施形態では、逆変換部５の制御により、誘導電動機２の電機子巻線の所望の端子間に所定の大きさの直流電流が流れるようにし、このとき端子間に現れる直流電圧により誘導電動機２の１次抵抗値を算出する方法を採用している。
【００２５】
まず抵抗値算出に使用する直流電流値を目標値Ｉ₀ として、次の(1)式により求める。
Ｉ₀ ＝Ｖ_a／Ｒ …… ……(1)
ここで、Ｖ_a は逆変換部５から供給される直流電圧の平均値で、Ｒは誘導電動機２の１次抵抗値である。
なお、この電流値Ｉ₀ は、停止している誘導電動機２の１次側抵抗Ｒの測定に際して過大な電流が流れないようにするため、一応の目標値として設定されるもので、それ程、厳密さが要求される訳ではない。
【００２６】
従って、この目標電流値Ｉ₀ の値としては、例えば誘導電動機２の定格電流値以下の所定値に選べばよく、このとき、算定処理中での温度上昇抑制と、省エネルギーの見地からは、測定精度の保持が可能な限り小さな電流値にするのが望ましい。
【００２７】
このときの電圧Ｖ_a は、上記した通り、逆変換部５のスイッチング素子ｕ〜ｚのＰＷＭ制御により、平均値として得られるようにしてあり、このため、これらのスイッチング素子は、図２に示すように、周期Ｔ毎にオン時間ｔon の間だけオンになるように、ＰＷＭ制御される。
【００２８】
従って、この平均電圧Ｖ_a は、ＰＷＭ制御のデューティ比(ｔon／Ｔ)と直流電圧Ｖ_dc から、次の(2)式により定まる。
Ｖ_a ＝(ｔon／Ｔ)Ｖ_dc …… ……(2)
このとき、具体的には、電流Ｉ_u 、Ｉ_w を監視しながら、逆変換部５スイッチング素子ｕ〜ｚのデューティ比を所定の最低値から徐々に大きくしてゆき、電流値Ｉ₀ が得られるようにする。
【００２９】
そして、この電流値Ｉ₀ が得られ時点で電圧Ｖ_a を取り込み、これにより抵抗値Ｒ＝Ｖ_a／Ｉ(Ｉ≒Ｉ₀)を演算し、この抵抗値Ｒを誘導電動機２の１次抵抗とするのである。
なお、このときの１次抵抗値の具体的な算出方法については後述するが、誘導電動機などの交流電動機は、通常、３相巻線を備えているので、この抵抗値Ｒとしても、３相分の抵抗値Ｒ_u 、Ｒ_v 、Ｒ_w を算出することになる。
【００３０】
次に、異常判定処理について説明する。
まず、この実施形態では、装置の据付時など、誘導電動機２の使用を開始しようとしたとき、それに先立って、使用者は、マイコン制御器に所定の指令を入力し、これにより、上記のようにして１次抵抗値Ｒ_u 、Ｒ_v 、Ｒ_w を算出し、これらの三種の抵抗値について、各々の初期値Ｒ₀ としてメモリ９に格納しておく処理を実行させておく。
なお、このため、図示してないが、この実施形態によるマイコン制御部には、所定の操作器などのマンマシンインターフェースが設けてある。
【００３１】
次に、誘導電動機２の使用を開始した後、マイコン制御部は、始業時など、一旦、誘導電動機２の運転を停止させた後、再び運転を開始したとき、それに先立って、同じく上記したようにして、１次抵抗値Ｒの算出処理を実行させ、このときに算出した１次抵抗値Ｒを、現時点での１次抵抗値Ｒ_X とする。
【００３２】
そして、この１次抵抗値Ｒ_X を比較器１０に入力し、メモリ８から読出した１次抵抗の初期値Ｒ₀ と比較させ、次の(3)式により偏差ΔＲを求め、偏差ΔＲが所定の判定値ε以下であるか否かを判定し、その判定結果を表示器１１に供給する。
ΔＲ＝｜Ｒ₀−Ｒ_X｜ …… ……(3)
【００３３】
そこで、表示器１１は、比較器１０から入力された判定結果に応じて、以下の通りの表示を行なう。
すなわち、偏差ΔＲが所定の判定値εを越えない間は、“異常無し”という表示を行い、偏差ΔＲが所定の判定値εを越えたら、“異常あり”を表示するのであり、この結果、表示器１１による表示は、次の通りになる。
ΔＲ≦ε → “異常無し”
ΔＲ＞ε → “異常あり”
【００３４】
ここで、マイクロサージによる絶縁破壊が発生したときには、誘導電動機２の電機子巻線のコイル素線間や相巻線間での絶縁抵抗の低下として現われ、この結果、１次抵抗値Ｒ_X は、その初期値Ｒ₀ から低下してゆき、この１次抵抗値Ｒ_X の低下が或る限度に達すると、異常発熱や焼損などの二次災害に移行してしまう虞れがある。
【００３５】
しかるに、この実施形態によれば、インバータ装置１を始動させると、誘導電動機２が運転開始される前に、それに先立って自動的に上記した異常判定処理が実行され、表示器１１には、“異常無し”、又は“異常あり”の何れかの表示が得られ、マイクロサージによる絶縁破壊が限度に達しているときには、確実に“異常あり”の表示がなされることになる。
【００３６】
従って、この実施形態によれば、やがては異常発熱や焼損などの二次災害の発生に移行する虞れが生じたときには、それが予め報知されるので、このまま誘導電動機２の運転が継続され、二次災害が発生してしまうのが未然に防止でき、常に高い信頼性を保つことができる。
【００３７】
また、この結果、この実施形態によれば、インバータ装置１と誘導電動機２の間の接続配線が長くなっていて、マイクロサージの虞れが多い場合にも安心して適用することができ、インバータ駆動による可変速運転の適用による利点と、それによる省エネルギー化を充分に享受することができる。
【００３８】
ところで、一般的なインバータ装置には、それ自体の制御のため、電圧検出器や電流検出器を備えているのが通例である。
従って、この実施形態における電圧検出器６と電流検出器７については、インバータ装置１が備えている検出器をそのまま利用することができるので、新たに設置する必要は無く、その分、コスト面で有利になる。
【００３９】
次に、１次抵抗値演算器８による誘導電動機２の１次抵抗値の演算に必要な処理について、誘導電動機２がデルタ結線(Δ結線)型の場合と、スター結線(Ｙ結線)型の場合に分けて、具体的に説明する。なお、この処理もマイコン制御器により実行されるものであることは、いうまでもない。
【００４０】
誘導電動機２がデルタ結線型の場合は、次のようにする。
まず、図３に示すように、逆変換器５のスイッチング素子ｕ〜ｚのうち、上アーム側ではスイッチング素子ｕだけをオンに、そして下アーム側ではスイッチング素子ｙ、ｚをオンにし、これにより、一点鎖線で示すように、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから電流Ｉu、Ｉv、Ｉw を誘導電動機２の電機子巻線に通流させる。
【００４１】
ここで電流Ｉ_u と電流Ｉ_v ＋Ｉ_w は当然のこととして等しい値になるが、このとき上記したように、電流Ｉ_u 、Ｉ_v ＋Ｉ_w の大きさが目標電流値Ｉ₀ にほぼ等しくなるように、スイッチング素子ｙ、ｚをＰＷＭ制御する。
【００４２】
そして、電圧検出器６から出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ間の電圧Ｖa を取り込み、同時に電流検出器７からは電流Ｉ u を取り込み、次の(4)式により抵抗値を求め、これを１次抵抗Ｒu とする。
Ｒu ＝Ｖa／Ｉu …… ……(4)
【００４３】
次に、今度は図４に示すように、スイッチング素子ｖとスイッチング素子ｘ、スイッチング素子ｚをオンにし、このときの出力端子Ｗ、Ｕ、Ｖ間の電圧Ｖa と電流Ｉ v (＝−Ｉu−Ｉ w)から、次の(6)式により抵抗値を求め、これを１次抵抗Ｒ v とする。
Ｒ v ＝Ｖa／Ｉw …… ……(6)
【００４４】
そして、最後には、図５に示すように、スイッチング素子ｗとスイッチング素子ｘ、スイッチング素子ｙをオンにし、このときの出力端子Ｖ、Ｗ、Ｚ間の電圧Ｖ a と電流Ｉ w から、次の(7)式により抵抗値を求め、これを１次抵抗Ｒ w とするのである。
Ｒ w ＝Ｖa／Ｉw …… ……(7)
【００４５】
次に、誘導電動機２がスター結線型の場合については、次の通りにする。
まず、図６に示すように、スイッチング素子ｕと、スイッチング素子ｙ、ｚをオンにし、出力端子Ｕから誘導電動機２に電流Ｉu を供給し、出力端子Ｕからは電流Ｉ u を取り込み、次の(8)式により求めた値を１次抵抗Ｒ w とする。
このときの電圧Ｖa は、出力端子Ｕ、Ｖ間の電圧又は出力端子Ｕ、Ｗ間の電圧となる。
Ｒu ＝Ｖa／Ｉu …… ……(8)
【００４６】
次に、図７に示すように、スイッチング素子ｖと、スイッチング素子ｙ、ｚをオンにし、電流Ｉ v (＝−Ｉu−Ｉ w)から、次の(9)式により抵抗値を求め、これを１次抵抗Ｒv とする。このときの電圧Ｖa は、出力端子Ｖ、Ｕ間の電圧又は出力端子Ｖ、Ｗ間の電圧となる。
Ｒv ＝Ｖa／Ｉv …… ……(9)
【００４７】
そして、最後に、図８に示すように、スイッチング素子ｗと、スイッチング素子ｘ、ｙをオンにし、電流Ｉ_w から、次の(10)式により抵抗値を求め、これを１次抵抗Ｒ_w とするのである。このときの電圧Ｖ_a は、出力端子Ｗ、Ｖ間の電圧又は出力端子Ｗ、Ｕ間の電圧となる。
Ｒ_w ＝Ｖ_a／Ｉ_w …… ……(10)
【００４８】
次に、図９は、本発明の他の一実施形態で、図において、１２はデータ入力器で、使用者が初期値Ｒ₀ を入力し、これをメモリ９に記憶させる働きをするものであり、その他の構成は、図１の実施形態と同じである。
【００４９】
図１の実施形態では、上記したように、装置の据付時など、誘導電動機２の使用を開始しようとしたとき、使用者は、それに先立ってマイコン制御器による１次抵抗値Ｒ_u 、Ｒ_v 、Ｒ_w の算出処理と、これらの三種についての各々の初期値Ｒ₀ をメモリ９に格納しておく処理を実行させるようになっている。
【００５０】
しかし、使用開始時、ことさら測定するまでもなく、誘導電動機の１次抵抗値などの定数については、仕様書に明らかにされているのが一般的である。
そこで、この図９の実施形態では、このような場合には、使用者がデータ入力器１２から初期値Ｒ₀ が入力できるようにしたものである。
【００５１】
なお、上記実施形態における１次抵抗値の算定処理と、その判定処理については、必要に応じて複数回、繰り返えすようにしてもよく、これによれば、何らかの理由による一時的な異常による誤判定の虞れが防止でき、判定処理の信頼性を高めることができる。
【００５２】
本発明の実施形態によれば、交流電動機の１次抵抗値の初期値からの減少の程度が逐次判定され、その結果が表示されるので、マイクロサージによる交流電動機の絶縁抵抗の低下に伴う二次災害の虞れが未然に防止できる。
【００５３】
この結果、本発明の実施形態によれば、負荷として駆動すべき交流電動機に対する接続線路が長い場合でも、信頼性が低下する虞れがなく、高い信頼性を容易に保つことができる。
また、本発明の実施形態によれば、交流電動機の異常が報知されるので、異常発生に際しても二次的な災害に至る前に正常な交流電動機に交換することができ、異常による運転停止に伴う損失を未然に防止することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロサージなどによる電機子巻線での絶縁破壊の発生等が検出できること、または、異常等が判定できるようにした交流電動機の異常判定機能を備えた電力変換装置を提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力変換装置の一実施形態を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるスイッチング素子の制御態様を説明するためのタイミング図である。
【図３】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態における１次抵抗値の算出動作の説明図である。
【図９】本発明による電力変換装置の他の一実施形態を示すブロック回路図である。
【図１０】一般的な電力変換装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１インバータ装置
２誘導電動機(交流電動機)
３順変換部
４平滑用のコンデンサ
５逆変換部
６電圧検出器
７電流検出器
８１次抵抗値演算器
９メモリ(１次抵抗の初期値格納用)
１０比較器
１１表示器

Claims

少なくとも逆変換部を備え、交流電動機に可変周波数可変電圧の交流電力を供給するようにし、前記交流電動機に前記逆変換部から直流電力を供給し、このとき前記交流電動機の端子間に発生する直流電圧値と前記電力の電圧値から、前記交流電動機の１次抵抗値を算出する手段を設けた電力変換装置において、
前記１次抵抗値の初期値は、前記交流電動機の設置時、予め所定のメモリに格納出来、前記算出した１次抵抗値からの低下率により、前記交流電動機の絶縁診断が判定出来るように構成したことを特徴とする電力変換装置。