JP4687869B2 - 電力変換装置の欠相検出方法および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は検出した電流の位相角の不連続性を検出することにより、新たに電圧検出器等の回路を追加することなしに欠相を検出する電力変換装置とその欠相検出方法に関する。

従来の例として、例えば特開平９−３１２９２８号公報（特許文献１）の欠相検知装置では、三相交流電源の各相間に抵抗器とダイオードとフォトカプラを接続し、各相からの出 力電圧レベルを検出し欠相を検出するが、欠相検出回路といった特別な回路が必要となる。
また、特開平５−１０３４９６公報（特許文献２）の空気調和器の保護装置では、電圧位相検出回路と電流位相検出回路の出力から得られた電圧と電流の位相差と電流検出器と電流基準値出力回路の出力を比較器で比較した電流値の大きさから欠相を検出するが、電圧位相検出回路など特別な回路が必要となる。
特開平９−３１２９２８号公報 図１参照 特開平５−１０３４９６号公報 図１参照

上述された特許文献１において開示された欠相検出回路では、３相分のフォトカプラと３入力ＡＮＤ素子など特別な回路が必要となる。
また、特許文献２において開示された回路では、電流基準値出力回路、電流比較回路、電流位相検出回路、電圧位相検出回路、力率検出回路など特別な回路が必要となりコストアップとなる問題点がある。また、特別な回路が必要なことから、欠相検出機能を追加する場合、ハードウェアの改造が必要となり、設計変更が必要という問題点がある。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、コストアップ、ハードウェア設計変更なしに欠相検出を行う電力変換装置の欠相検出方法および電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１記載の発明は、交流電動機を駆動するための電流検出器を備えた電力変換装置の欠相検出方法において、
電力変換器の出力電流を検出する電流検出器から出力される二相の検出電流Ｉα、Ｉβから出力電流の位相角θ２をｔａｎ^−１（Ｉβ／Ｉα）で計算し、制御軸位相演算部で周波数指令ｆ１とサンプリング時間Δｔに基づき演算した制御軸の位相角θ１と前記出力電流の位相角θ２との差分Δθを欠相検出部で計算し、前記差分Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断するものである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置の欠相検出方法において周波数指令から演算した制御軸の前記位相角θ１をベクトル制御の電圧指令の位相角に置き換えたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置の欠相検出方法において、前記差分Δθを、前記制御軸の位相角θ１の前回値θ１ｎと今回値θ１の差をΔθ１とし、出力電流の位相角θ２の前回値θ２ｎと今回値θ２の差をΔθ２とし、前記Δθ１と前記Δθ２の位相角の差の絶対値Δθを|Δθ１−Δθ２|で求め、前記Δθ１と前記Δθ２の位相角の差の前記絶対値Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断するものである。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３記載の電力変換装置の欠相検出方法において、欠相と判断すると電力変換器中の主回路パワースイッチング素子のベース信号またはゲート信号を遮断するものである。

請求項５記載の発明は、制御軸の位相角θ１を周波数指令ｆ１とサンプリング時間Δｔに基づき演算する制御軸位相演算部と、電圧指令Ｖ _１ と前記制御軸の位相角θ１を入力し電力変換器へ電圧指令Vα、Ｖβを出力するベクトル制御部と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器を備えた電力変換装置において、
前記電流検出器から出力される二相の検出電流Ｉα、Ｉβから出力電流の位相角θ２をｔａｎ^−１（Ｉβ／Ｉα）で計算する出力電流位相演算部と、前記制御軸の位相角θ１と前記出力電流の位相角θ２との差分Δθを欠相検出部で計算し、前記差分Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断する欠相検出部からなるものである。

上記に記載の発明によると、新たに電圧位相検出回路等の特別なハードウェアを追加することなく、確実に欠相を検出することができ、電力変換器や交流電動機を保護することができる効果がある。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明における交流電動機の制御装置の実施形態の構成を示すブロック図である。図において、１は制御位相演算部、２は交流電動機、３は出力電流位相演算部、４は欠相検出部、５はベクトル制御部、６は電力変換器、７はスイッチ、８は電流検出器である。
速度指令値ｆ１から制御軸の位相角θ１に変換するには、
θ１＝∫（2π×ｆ1）dt・・・（６）
Δtをサンプリング時間として、この式を離散化すると(７)式となる。
θ(k+1)=θ(k)+2π×f1×Δt・・・（７）
図１において制御軸位相演算部１は、速度指令値ｆ１から制御軸の位相角θ１に変換し、ベクトル制御部５へ出力し、電力変換器６で交流電動機２を駆動する。出力電流位相演算部３はＩα、Ｉβから出力電流の位相角θ２を演算し出力する。欠相検出部４でθ１とθ２から欠相を検出した場合、異常停止信号を電力変換器６へ出力する。７はスイッチで欠相検出部４へ入力する信号をθ１と電圧指令の位相角を切り替える。
スイッチ７は定数の設定で任意に切り替え可能としている。例えば、設定値０の場合はθ１、設定値１の場合はθ３に切り替えるようにする。

つぎに動作について説明する。図２は本発明における検出電流の位相角と制御軸の位相角の関係を示す図である。図２は欠相が発生していない状態で、一定速度で交流電動機を駆動した場合の制御軸の位相角θ１を実線で、出力電流の位相角θ２を破線で時間に対する関係を示しているが、θ１とθ２は一定の角度差を保ちながら連続的に変化する。図３は欠相が発生した場合の制御軸の位相角θ１を実線で、出力電流の位相角θ２を破線で時間に対する関係を示しているが、欠相が生じた場合、一相分の電流が０となるため、３相の平衡がくずれ、Iα、Iβの値が不連続となり、Iα、Iβから算出する出力電流の位相角θ２は不連続となる。本発明はこの原理に着目して欠相検出を行うものである。

次に、図４のフローチャートを参照して全体の処理について説明する。
まず、電流検出器から出力されたＩα、Ｉβから出力電流の位相角θ２を出力電流の位相角演算部で次式のように計算する（ステップＦ１１）。

θ２＝ｔａｎ^−１（Ｉβ／Ｉα） ・・・・・（１）
次に、欠相検出部において制御軸の位相角θ１と出力電流の位相角θ２の差分Δθを次式のように計算する（ステップＦ１２）。

Δθ＝θ１−θ２ ・・・・・（２）
以上の（２）式の位相角の差分の差分Δθとしきい値を比較する（ステップＦ１３）。

もし、Δθ＞しきい値（予め設定する）が成り立つならば、欠相が生じていると判断し、電力変換器を異常停止させる（ステップＦ１４）。もし、成り立たないならば欠相は生じていないと判断し処理を抜ける。電動機駆動中常に本処理を実施することによって欠相を検出することができる。また、図１の周波数指令から演算した制御軸の位相角θ１をベクトル制御の電圧指令の位相角θ３に置き換えることによっても同様の効果が得られる。また、上記説明における制御軸の位相角と電流の位相角を制御軸の回転速度と電流の回転速度に置き換えることによっても同様の効果が得られる。

図５は第２の実施形態を示すフローチャートである。上記実施例１で欠相検出に用いたΔθを、制御軸の位相角θ１の前回値θ１ｎと今回値θ１の差Δθ１（ステップＦ２２）と出力電流の位相角θ２の前回値θ２ｎと今回値θ２の差Δθ２の差分（ステップＦ２３）として次式のように計算する。
Δθ１＝θ１ｎ−θ１ ・・・・・（３）
Δθ２＝θ２ｎ−θ２ ・・・・・（４）
以上の（３）式と（４）式の２つの位相角の差分の差分Δθを次式のように計算する（ステップＦ２４）。
Δθ＝|Δθ１−Δθ２| ・・・・・（５）
以上の（５）式のΔθとしきい値を比較する（ステップＦ２５）。もし、Δθ＞しきい値が成り立つならば、欠相が生じていると判断し、電力変換器を異常停止させる（ステップＦ２６）。もし、成り立たないならば欠相は生じていないと判断し処理を抜ける。電力変換器を異常停止させる場合は、電力変換器中の主回路パワースイッチング素子のベース信号（ゲート信号）を遮断することで停止できる。電動機駆動中常に本処理を実施することによって欠相を検出することができる。

また、図１の周波数指令から演算した制御軸の位相角θ１をベクトル制御の電圧指令の位相角θ３に置き換えることで同様の効果が得られる。また、上記説明における欠相検出部の差分手段を微分手段に置き換えることによっても同様の効果が得られる。また、上記説明における制御軸の位相角の差分と電流の位相角の差分を制御軸の回転速度の差分と電流の回転速度の差分に置き換えることによっても同様の効果が得られる。

本発明は少なくとも二相の電流検出値を欠相検出手段に入力し欠相を検出するという手順をとるため、特別な欠相検出用のハードウェアなしで欠相を検出することができて、電力変換装置を使用するコンプレッサや冷凍機などの回転機制御装置全般にも適用できる。

本発明の方法を適用する交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図 本発明の欠相検出原理を説明する図 本発明の欠相検出原理を説明する図 本発明の第1実施例の処理手順を示すフローチャート 本発明の第２実施例の処理手順を示すフローチャート 本発明の制御軸とd−q軸との関係図

符号の説明

１ 制御位相演算部
２ 交流電動機
３ 出力電流位相演算部
４ 欠相検出部
５ ベクトル制御部
６ 電力変換器
７ スイッチ
８ 電流検出器

Claims (5)

1. 交流電動機を駆動するための電流検出器を備えた電力変換装置の欠相検出方法において、
   電力変換器の出力電流を検出する電流検出器から出力される二相の検出電流Ｉα、Ｉβから出力電流の位相角θ２をｔａｎ^−１（Ｉβ／Ｉα）で計算し、
   制御軸位相演算部で周波数指令ｆ１とサンプリング時間Δｔに基づき演算した制御軸の位相角θ１と前記出力電流の位相角θ２との差分Δθを欠相検出部で計算し、前記差分Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断することを特徴とする電力変換装置の欠相検出方法。
2. 周波数指令から演算した前記制御軸の前記位相角θ１をベクトル制御の電圧指令の位相角に置き換えたものである請求項１記載の電力変換装置の欠相検出方法。
3. 前記差分Δθを、前記制御軸の位相角θ１の前回値θ１ｎと今回値θ１の差をΔθ１とし、出力電流の位相角θ２の前回値θ２ｎと今回値θ２の差をΔθ２とし、前記Δθ１と前記Δθ２の位相角の差の絶対値Δθを|Δθ１−Δθ２|で求め、前記Δθ１と前記Δθ２の位相角の差の前記絶対値Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の欠相検出方法。
4. 欠相と判断すると電力変換器中の主回路パワースイッチング素子のベース信号またはゲート信号を遮断するものである請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置の欠相検出方法。
5. 制御軸の位相角θ１を周波数指令ｆ１とサンプリング時間Δｔに基づき演算する制御軸位相演算部と、電圧指令Ｖ _１ と前記制御軸の位相角θ１を入力し電力変換器へ電圧指令Vα、Ｖβを出力するベクトル制御部と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器を備えた電力変換装置において、
   前記電流検出器から出力される二相の検出電流Ｉα、Ｉβから出力電流の位相角θ２をｔａｎ^−１（Ｉβ／Ｉα）で計算する出力電流位相演算部と、
   前記制御軸の位相角θ１と前記出力電流の位相角θ２との差分Δθを欠相検出部で計算し、前記差分Δθが予め設定した閾値より大ならば欠相と判断する欠相検出部を備えたことを特徴とする電力変換装置。

Images