JP4337482B2 - インバータ試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にモータを疑似負荷用インバータによってシミュレートした疑似負荷によって、被試験インバータの試験を行うインバータ試験装置に係り、特に疑似負荷が発生する過電圧に対して、被試験インバータを保護する回路を設けたインバータ試験装置に関する。

従来、モータを負荷とするインバータの試験において、制御の自由度に制約があり、構成が複雑になりがちなＬ（インダクタ）、Ｒ（抵抗）並びにスイッチ群の組み合わせからなる擬似負荷に代わり、インバータをもう一系統設けて、それを疑似負荷として出力電圧の振幅・位相を制御することにより、実際の負荷であるモータを模擬的に運転した状態を作り出し、任意の運転条件で任意の負荷におけるインバータの試験を行うことができるシステムが開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００３−１５３５４６号公報 特開２００３−１５３５４７号公報

しかしながら、図２に示すようなインバータ試験装置において、以下のような問題が起こる可能性がある。例えば、被試験インバータ１は、試験中に過電流が流れたり、温度が上昇したりといった異常を感知した場合、スイッチング素子Ｔｒ1〜Ｔｒ6を全てＯＦＦしたり、直流電圧を調整するチョッパ回路６を停止させたりして、異常停止する。この場合に、モータを模擬する擬似負荷２１が、被試験インバータ１より遅れて停止すると、擬似負荷２１の出力電圧がスイッチング素子Ｔｒ1〜Ｔｒ6のエミッタ−コレクタ間に接続される帰還ダイオードＤ1〜Ｄ6を通して、被試験インバータ１の直流側のコンデンサＣ1を充電してしまう。通常、擬似負荷２１内の擬似負荷用インバータ２は、試験の都合上、被試験インバータ１の最大出力電圧以上の電圧が出力可能となるように設計されるため、被試験インバータ１の直流入力コンデンサＣ1およびその周辺回路（例えば、放電回路、電圧検出回路）に、耐圧以上の電圧がかかる可能性がある。

例え、このような状態になっても、チョッパ回路６が動作状態にあれば、被試験インバータ１の直流入力電圧Ｅ2を降下させるように働くので（例えば、回生動作）、問題はない。しかし、一般的に、被試験インバータ１が異常停止したときには、チョッパ回路６の動作を停止させるので、擬似負荷２１から入力された電気エネルギーは、チョッパ回路６によって吸収されないため直流入力電圧Ｅ2が降下しない。よって、直流入力コンデンサＣ1が耐圧以上の電圧で充電されてしまい、直流入力コンデンサＣ1およびその周辺回路の劣化又は耐圧破壊を引き起こすという問題があった。

また、上記の問題を解決する装置として、被試験インバータ１の直流入力電圧Ｅ2を直接取り出して、試験用回路に入力する装置が考えられるが、被試験インバータ１が顧客側の設備である場合があり、これから試験用の信号を取り出すことが困難な場合があるといった問題もあった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、被試験インバータが異常停止したときに起こり得る、直流入力コンデンサおよびその周辺回路への耐圧以上の電圧印加による直流入力コンデンサおよびその周辺回路の劣化または耐圧破壊を防止することができるインバータ試験装置を提供することにある。
また、顧客側の被試験インバータから試験用の信号を取り出すことなく試験することができるインバータ試験装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明では、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、インバータ試験装置であって、被試験用の第１のインバータに対して、モータの運転を模擬する疑似負荷となる第２のインバータと、第１のインバータの実負荷であるモータについて設定された運転条件及びモータ特性に基づいて、前記第２のインバータを制御する制御信号を生成することにより、モータの運転を模擬する制御手段とを備えるインバータ試験装置において、前記第１のインバータの出力電圧を検出し、前記出力電圧に応じて、前記第２のインバータの動作を停止させる過電圧保護回路を設けたことを特徴とする。
この発明によれば、インバータ試験装置内の過電圧保護回路が、被試験インバータの出力電圧を検出し、前記出力電圧に応じて、擬似負荷を構成するインバータの動作を停止させるので、擬似負荷によって被試験インバータに高い電圧がかかってしまう場合、その不具合を回避することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のインバータ試験装置であって、前記過電圧保護回路が、前記第１のインバータの出力の相電圧のピーク値を検出する相電圧最大値検出手段と、前記相電圧最大値検出手段の出力信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号を所定の電位と比較し、その結果を前記制御手段に出力する比較手段とから構成されることを特徴とする。
この発明によれば、被試験インバータの出力の相電圧の最大値をコンデンサに保持する回路構成とし、その電圧をコンパレータによって所定の電圧と比較した結果により、擬似負荷を制御することが可能になる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のインバータ試験装置であって、前記増幅手段が、入出力のグランドを分離して信号を伝達する、絶縁アンプであることを特徴とする。
この発明によれば、インバータ試験装置が、絶縁アンプによって、入出力のグランドを分離して信号を伝達するので、主回路系と制御系との相互干渉を回避することが可能になる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載のインバータ試験装置であって、前記過電圧保護回路が、前記第１のインバータの出力の線間電圧を検出する線間電圧検出手段と、前記線間電圧検出手段の出力信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号を所定の電位と比較し、その結果を前記制御手段に出力する比較手段とから構成されることを特徴とする。
この発明によれば、被試験インバータの出力の線間電圧の最大値をコンデンサに保持する回路構成とし、その電圧をコンパレータによって所定の電圧と比較した結果により、擬似負荷を制御することが可能になる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のインバータ試験装置であって、前記増幅手段が、入出力のグランドを分離して信号を伝達する、絶縁アンプであることを特徴とする。
この発明によれば、インバータ試験装置が、絶縁アンプによって、入出力のグランドを分離して信号を伝達するので、主回路系と制御系との相互干渉を回避することが可能になる。

本発明によれば、被試験インバータが異常停止したときに起こり得る、直流入力コンデンサおよびその周辺回路への耐圧以上の電圧印加による直流入力コンデンサおよびその周辺回路の劣化または耐圧破壊を防止することができる効果がある。

以下、本発明の第１の実施形態を図面を参照して説明する。
図２は本発明の一実施形態によるインバータ試験装置を示す回路構成図である。この図において、インバータ試験装置は、被試験インバータ１（第１のインバータ）（以下、インバータ１と言う）と、疑似負荷用インバータ２（第２のインバータ）（以下、インバータ２と言う）を応用しモータを模擬する擬似負荷２１と、直流電源５（電源供給手段）と、チョッパ回路６（電圧調整手段）と、インバータ１の交流出力端に接続される過電圧保護回路３１とから構成される。インバータ１は、交流出力端子からＰＷＭ変調された矩形波電圧ＰＷＭ1 を出力する。直流電源５は、試験電圧調整用のチョッパ回路６に直流電圧Ｅ1を供給し、チョッパ回路６は入力された直流電圧を調整して直流電圧Ｅ2としてインバータ１に出力する。また、直流電源５は、インバータ２にも直流電圧Ｅ1を供給する。

擬似負荷２１は、インバータ２と、フィルタ７と、トランス８と、フィルタ９と、変流器１０と、モータ模擬運転制御部１１（制御手段）とから構成され、インバータ１に接続されて、実際のモータを模擬する。トランス８は、その巻数比によってインバータ１に対してモータ模擬を行うために必要な電圧を得ると同時に、インバータ１とインバータ２の中性電位差による電流を防止する。尚、トランス８は、直流電圧Ｅ1と直流電圧Ｅ2が互いに絶縁され、制御に必要な電圧関係があれば不要となる。

次に、擬似負荷２１が実際のモータを模擬する原理を説明する。
インバータ１から出力された矩形波電圧ＰＷＭ1が、インダクタンスＬからなるフィルタ７により正弦波に変換されてトランス８の１次側に加えられる。一方、インバータ２が、交流出力端子からＰＷＭ変調された矩形波電圧ＰＷＭ2を出力し、この矩形波電圧ＰＷＭ2は、インダクタンスｌ、コンデンサｃ、抵抗ｒからなるフィルタ９を介して基本波の正弦波が取り出され、トランス８の２次側に加えられる。これによりインバータ１とインバータ２がトランス８を介して接続されることとなり、インバータ２の出力電圧の振幅・位相を制御することにより、インバータ１から見たインピーダンスが変化し、実際の負荷であるモータを模擬的に運転した状態とすることができる。これにより、任意の運転条件で任意の負荷におけるインバータ１の試験を行うことができる。

モータ模擬運転制御部１１は、インバータ１から出力される矩形波電圧ＰＷＭ1のＵ相及びＷ相について変流器１０によって検出された電流ｉu ，ｉwと、矩形波電圧ＰＷＭ1をフィルタ７を通じて得られる正弦波の電圧Ｖu ′，Ｖw ′と、オペレータによって、負荷としてのモータの運転条件およびモータ定数が入力され、これらの定数に基づいてインバータ２を制御する。

また、モータ模擬運転制御部１１に、角度センサ模擬制御部１２（制御手段）が設けられている。角度センサ模擬制御部１２は、インバータ１からセンサ駆動用信号Ｓeを入力し、模擬角度センサ信号Ｓθをインバータ１へ出力する。インバータ１は模擬角度センサ信号Ｓθに基づいて電圧、電流の制御を行う。尚、インバータ１内のスイッチング素子のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｔｒ1〜Ｔｒ6の切換回路は、インバータ１内に含まれている。

図１は、過電圧保護回路３１ａの構成を示すブロック図である。絶縁アンプＩnsＯＰ（増幅手段）は、パワーエレクトロニクスの分野において、主回路系と制御系との相互干渉を防ぐため、入出力間のグランドを分離し、信号伝達を行うアンプである。本実施形態においては、絶縁アンプＩnsＯＰは、インバータ１およびインバータ２のグランドと過電圧保護回路３１ａのグランドを分離して信号伝達を行う。具体的に、絶縁アンプＩnsＯＰの入力側のグランドがインバータ１およびインバータ２のグランドと接続され、絶縁アンプＩnsＯＰの出力側のグランドが過電圧保護回路３１ａのグランドと接続される。尚、インバータ１とインバータ２の直流電源が分離されている場合は、インバータ１の直流電源５のマイナス側を絶縁アンプＩnsＯＰの入力側のグランドと接続して測定する。

過電圧保護回路３１ａは、インバータ１の出力端の相電圧のピーク値を測定して、間接的にＥ2を検出し、その値が一定値以上であった場合にインバータ２の動作を停止させる。本実施形態において、上述したインバータ１の交流出力端の相電圧のピーク値が、インバータ１の直流入力電圧Ｅ2と等しいため、インバータ１の交流出力端の相電圧によって、間接的にインバータ１の直流入力電圧Ｅ2を観測する。

インバータ１の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwは、それぞれ入力端Ｉｐu、Ｉｐv、Ｉｐwから、ダイオードＤ311〜Ｄ313（相電圧最大値検知手段）のアノード側に接続される。ダイオードＤ311〜Ｄ313のカソード側は共通に接続されると共に、抵抗Ｒ311を介して絶縁アンプＩnsＯＰの一方の入力端に接続される。絶縁アンプＩnsＯＰの他方の入力端は、並列に接続された抵抗Ｒ312（相電圧最大値検知手段）とコンデンサＣ311（相電圧最大値検知手段）を介し、絶縁アンプＩnsＯＰの一方の入力端に接続されると共にグランド入力端Ｇｎｄiに接続される。グランド入力端Ｇｎｄiは、直流電源５のマイナス側と接続され、グランド入力端Ｇｎｄiのグランド電位Ｇdcは、直流電源５のマイナス側の電位と等しくされる。

絶縁アンプＩnsＯＰの出力端が抵抗Ｒ313を介してコンパレータＣＰ（比較手段）の非反転入力端子に接続されると共に、コンデンサＣ313を介して、過電圧保護回路３１のグランド電位Ｇpcに接地される。コンパレータＣＰの反転入力端子には、基準の電圧源Ｅ3のプラス側が接続されている。基準の電圧源Ｅ3のマイナス側は過電圧保護回路３１ａのグランド電位Ｇpcに接地されている。コンパレータＣＰの出力端ＯＵＴは、モータ模擬運転制御部１１に接続されている。

次に、第１の実施形態の動作を図２を参照して説明する。
インバータ試験装置の各部の電源が投入され、試験がスタートする。直流電源５はチョッパ回路６に直流電圧Ｅ1を供給する。チョッパ回路６はインバータ１の運転状況を制御すべく、直流電圧Ｅ1を調整して、インバータ１へ直流電圧Ｅ2を供給する。インバータ１は角度センサ模擬制御部１２へセンサ駆動用信号Ｓeを出力し、角度センサ模擬制御部１２は模擬角度センサ信号Ｓθをインバータ１へ出力する。インバータ１は模擬角度センサ信号Ｓθに基づいて電圧、電流の制御を行い、フィルタ７を介して矩形波電圧ＰＷＭ1をトランス８に供給する。

一方、擬似負荷２１内部では、インバータ２が直流電源５から直流電圧Ｅ1を供給される。モータ模擬運転制御部１１は、モータ運転条件、モータ定数、電圧Ｖu ′，Ｖw ′、電流ｉu ，ｉwを受けて、インバータ２を制御するゲート信号を算出し、インバータ２を制御する。インバータ２は、上記定数によりモータを模擬するように制御され、矩形波電圧ＰＷＭ2を出力し、フィルタ９を介してトランス８に供給する。以上の動作により、実際のモータを模擬する動作を行う。

次に、この実施形態における過電圧保護回路３１ａの動作を図１と図２を参照して説明する。
インバータ１から出力された相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが、ダイオードＤ311〜Ｄ313、抵抗Ｒ311,R312およびコンデンサＣ311からなる回路に入力される。相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwのピーク値がコンデンサＣ311に保持される。このとき、相電圧Ｖu、Ｖv、ＶwをダイオードＤ311〜Ｄ313のアノード側からＣ311にＲ311を介して充電する時定数を速くし、Ｒ312を介して放電する時定数を遅くするよう、Ｒ311、Ｒ312、Ｃ311を決定する。よって、Ｃ311は、相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwのピーク値がさらに高い値に更新されるときに素早く充電され、一方、相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwのピーク値がＣ311に蓄積されている電圧以下の電圧であるときには、ゆっくり放電されるので、現在蓄積されている電圧値を保持できるようになる。この電圧のピーク値の情報は、絶縁アンプＩnsＯＰによって増幅される。この絶縁アンプＩnsＯＰの出力は、抵抗Ｒ313とコンデンサＣ313からなるローパスフィルタを介して、コンパレータＣＰの非反転入力端に入力される。一方、コンパレータＣＰの反転入力端には、基準電圧Ｅ3が入力され、上述したコンパレータＣＰの非反転入力端の入力電圧と比較される。

ここで、何らかの異常の発生によりインバータ１が停止（ＩＧＢＴ Ｔｒ１〜Ｔｒ６が全てオフ）すると、インバータ２の出力電圧がトランス８およびフィルタ７を介してインバータ１の出力側へ供給され、これにより、インバータ１の出力側の相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが上昇する。インバータ１の出力側の相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが上昇すると、過電圧保護回路３１のコンデンサＣ311の両端電圧が上昇し、絶縁アンプＩnsＯＰの出力が上昇する。そして、絶縁アンプＩnsＯＰの出力が基準電圧Ｅ3を越えると、コンパレータＣＰの出力が反転し、この反転出力がモータ模擬運転制御部１１へ出力される。モータ模擬運転制御部１１はこの反転出力を受け、インバータ２を停止させる。

上記実施形態によれば、インバータ試験装置が、被試験インバータの出力電圧を観測し、その値が一定以上であったときに、擬似負荷用インバータの動作を停止させる回路を備えたので、被試験インバータの直流入力コンデンサおよびその周辺回路への耐圧以上の電圧印加による劣化または耐圧破壊を防止することができる。

次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態によるインバータ試験装置のブロック構成は図２と類似しているが、過電圧保護回路３１ｂならびに周辺の構成および動作が第１の実施形態における過電圧保護回路３１ａならびに周辺と異なっている。図３は、第２の実施形態による過電圧保護回路３１ｂの構成を示すブロック図である。図４は、同実施形態のインバータ試験装置の構成を示すブロック図である。
以下、図に従ってこの実施形態の構成を説明する。

過電圧保護回路３１ｂは、第１の実施形態による過電圧保護回路３１ａと比較して、絶縁アンプＩnsＯＰ、コンパレータＣＰ、抵抗R313、コンデンサＣ313および基準の電圧源Ｅ3は同一であるが、入力端Ｉｐu、Ｉｐv、Ｉｐwと絶縁アンプＩnsＯＰとの間の回路構成が異なっている。また、図３ならびに図４は、入力端Ｇndiが不要になっていることが図１ならびに図２と異なっている。

インバータ１の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwは、それぞれ入力端Ｉｐu、Ｉｐv、Ｉｐwから、ダイオードＤ321のアノードとダイオードＤ322のカソードとの、ダイオードＤ323のアノードとダイオードＤ324のカソードとの、ダイオードＤ325のアノードとダイオードＤ326のカソードとの各接続点に入力される。（Ｄ321〜Ｄ326）（線間電圧検知手段）のアノード側に接続される。ダイオードＤ321、Ｄ323、Ｄ325のカソード側は共通に接続されると共に、絶縁アンプＩnsＯＰの一方の入力端に接続される。絶縁アンプＩnsＯＰの他方の入力端は、並列に接続された抵抗Ｒ321（線間電圧検知手段）とコンデンサＣ321（線間電圧検知手段）を介し、絶縁アンプＩnsＯＰの一方の入力端に接続されると共に、ダイオードＤ322、Ｄ324、Ｄ326のアノード側に共通に接続される。尚、絶縁アンプＩｎｓＯＰの出力端からコンパレータＣＰの出力端ＯＵＴまでは図１と同じ構成なので、説明を省略する。

次に、第２の実施形態の過電圧保護回路３１ｂの動作を図３を参照して説明する。
インバータ１から出力された相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが、ダイオードＤ321〜Ｄ326、抵抗Ｒ321およびコンデンサＣ321からなる回路に入力され、整流される。整流された電圧は、絶縁アンプＩnsＯＰによって増幅される。この絶縁アンプＩnsＯＰの出力は、抵抗Ｒ313とコンデンサＣ313からなるローパスフィルタを介して、コンパレータＣＰの非反転入力端に入力される。一方、コンパレータＣＰの反転入力端には、基準電圧Ｅ3が入力され、上述したコンパレータＣＰの非反転入力端の入力電圧と比較される。

ここで、何らかの異常の発生によりインバータ１が停止（ＩＧＢＴ Ｔｒ１〜Ｔｒ６が全てオフ）し、且つ、チョッパ回路６も停止すると、インバータ２の出力電圧がトランス８およびフィルタ７を介してインバータ１の出力側へ供給され、これにより、インバータ１の出力側に相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが印加される。インバータ１の出力側に相電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwが印加されると、インバータ１の帰還ダイオードＤ1〜Ｄ6によって整流回路が形成され、インバータ1がＰＷＭ制御を行わないことから、インバータ１の各相間の線間電圧とインバータ１の直流電圧Ｅ2とが等しくなる。該線間電圧は絶縁アンプＩnsＯＰに出力される。そして、絶縁アンプＩnsＯＰの出力が基準電圧Ｅ3を越えると、コンパレータＣＰの出力が反転し、この反転出力がモータ模擬運転制御部１１へ出力される。モータ模擬運転制御部１１はこの反転出力を受け、インバータ２を停止させる。

上記実施形態によれば、インバータ試験装置が、被試験インバータ１の三相出力電圧を整流し、その値が一定以上であったときに、擬似負荷用インバータの動作を停止させる回路構成としたので、被試験インバータ１から過電圧保護回路３１ｂに接続される線は、三相出力分のみとなる。そのため、被試験インバータ1の直流電源５のマイナス側と、過電圧保護回路３１ｂ内の絶縁アンプＩnsＯＰの入力側のグランドとを接続せず、被試験インバータの出力電圧のピーク値を観測する方法に比して、過電圧保護回路３１ｂから被試験インバータ１への接続箇所を少なくして、被試験インバータ１の直流入力コンデンサおよびその周辺回路への耐圧以上の電圧印加による劣化または耐圧破壊を防止することができる。
特に、被試験インバータ１の直流電源と疑似負荷用のインバータ２の直流電源が絶縁分離されている場合は、被試験インバータ１の直流電源のマイナス側を疑似負荷装置に対して接続することが不要になる点で本発明は有効である。

尚、第１の実施形態並びに第２の実施形態では、過電圧保護回路３１内において、絶縁アンプＩnsＯＰの出力信号をコンパレータＣＰに入力してハードウェア的に処理する構成としたが、絶縁アンプＩnsＯＰの出力信号をＡ／Ｄコンバータを介してＣＰＵに入力して、その値が一定値以上のときに、ＣＰＵからの指示によってインバータ２を停止させてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更も含まれる。

本発明の第１の実施形態の構成における過電圧保護回路３１ａの構成を示す回路図である。 同実施形態のインバータ試験装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態の構成における過電圧保護回路３１ｂの構成を示す回路図である。 同実施形態のインバータ試験装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 被試験インバータ（第１のインバータ）
２ 疑似負荷用インバータ（第２のインバータ）
５ 直流電源（電源供給手段）
６ チョッパ回路（電圧調整手段）
７、９ フィルタ
８ トランス
１０ 変流器
１１ モータ模擬運転制御部（制御手段）
１２ 角度センサ模擬制御部（制御手段）
２１ 擬似負荷
３１ａ、３１ｂ 過電圧保護回路

Claims (5)

1. 被試験用の第１のインバータに対して、モータの運転を模擬する疑似負荷となる第２のインバータと、
   第１のインバータの実負荷であるモータについて設定された運転条件及びモータ特性に基づいて、前記第２のインバータを制御する制御信号を生成することにより、モータの運転を模擬する制御手段と、
   を備えるインバータ試験装置において、
   前記第１のインバータの出力電圧を検出し、前記出力電圧に応じて、前記第２のインバータの動作を停止させる過電圧保護回路を設けたことを特徴とするインバータ試験装置。
2. 前記過電圧保護回路が、前記第１のインバータの出力の相電圧のピーク値を検出する相電圧最大値検出手段と、
   前記相電圧最大値検出手段の出力信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段の出力信号を所定の電位と比較し、その結果を前記制御手段に出力する比較手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載のインバータ試験装置。
3. 前記増幅手段が、入出力のグランドを分離して信号を伝達する、絶縁アンプであることを特徴とする請求項２に記載のインバータ試験装置。
4. 前記過電圧保護回路が、前記第１のインバータの出力の線間電圧を検出する線間電圧検出手段と、
   前記線間電圧検出手段の出力信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段の出力信号を所定の電位と比較し、その結果を前記制御手段に出力する比較手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載のインバータ試験装置。
5. 前記増幅手段が、入出力のグランドを分離して信号を伝達する、絶縁アンプであることを特徴とする請求項４に記載のインバータ試験装置。
   

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