JP3768024B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【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Vz が発生する。
【0009】
このマイクロサージ電圧Vz 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Vdc 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Vdc ≒√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Vz が発生すると、これが直流電圧Vdc 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Vo は、配線の長さにもよるが、長い場合には直流電圧Vdc の2倍(Vo=2Vdc)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Va と、電流検出器7で検出した電流Iu 、Iw (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 =Va/R …… ……(1)
ここで、Va 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Va 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Va は、PWM制御のデューティ比(ton/T)と直流電圧Vdc から、次の(2)式により定まる。
Va =(ton/T)Vdc …… ……(2)
このとき、具体的には、電流Iu 、Iw 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Va を取り込み、これにより抵抗値R=Va/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Ru 、Rv 、Rw 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Ru 、Rv 、Rw 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RX とする。
【0032】
そして、この1次抵抗値RX 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−RX| …… ……(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RX は、その初期値R0 から低下してゆき、この1次抵抗値RX 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Iu と電流Iv +Iw 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Iu 、Iv +Iw 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Iw から、次の(10)式により抵抗値を求め、これを1次抵抗Rw とするのである。このときの電圧Va 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。
Rw =Va/Iw …… ……(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Ru 、Rv 、Rw 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
8 1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 (1)
- 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。
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