JP4761118B2 - 電源異常検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換器に供給される交流電源電圧の欠相や相順の入れ替わり等の異常を検出して電力変換器を保護するための電源異常検出装置に関するものである。
電力変換器の一種として、交流電源電圧を大型のエネルギーバッファを介さずに任意の大きさ及び周波数の交流電圧に直接変換する直接変換器が知られている。この直接変換器は、長寿命、省スペースであって電力回生が可能であると共に、入力電流を制御できるため入力電流高調波を抑制できるという特徴を持っている。
この種の直接変換器としては、双方向に電流を流すことが可能な双方向スイッチを介して電源と負荷とを直接接続したマトリクスコンバータや、直流中間部にコンデンサを備えずにＰＷＭ整流器とインバータとを組み合わせてなる回路がある。
上述したように、直接変換器は大型のエネルギーバッファを有さないため、電源に異常が発生すると、その影響が即座に出力側に現れる。
上述したように、直接変換器は大型のエネルギーバッファを有さないため、電源に異常が発生すると、その影響が即座に出力側に現れる。
ここで、電源の異常としては、例えば直接変換器の入力側の一線が開放となる欠相がある。欠相が発生すると、その相の電圧を負荷に与えることができず、かつ入力電流が流れなくなるため、直接変換器の出力電圧や入力電流は大きく歪む。従って、欠相発生時には直接変換器の動作を停止する必要がある。
また、ＰＬＬ（Phased Locked Loop）及び発振器により直接変換器の入力電流指令を作成する場合、電源線の接続誤り等によって相順が入れ替わると（例えばＲ相、Ｓ相、Ｔ相の順で１２０度ずつ位相がずれている正常状態に対して、Ｒ相、Ｔ相、Ｓ相のように相順が入れ替わる場合）、入力電流指令と入力電圧との実際の相順が異なるため、入力電流に異常電流が発生し、スイッチング素子を破壊したり、負荷装置を破壊してしまう恐れがある。
また、ＰＬＬ（Phased Locked Loop）及び発振器により直接変換器の入力電流指令を作成する場合、電源線の接続誤り等によって相順が入れ替わると（例えばＲ相、Ｓ相、Ｔ相の順で１２０度ずつ位相がずれている正常状態に対して、Ｒ相、Ｔ相、Ｓ相のように相順が入れ替わる場合）、入力電流指令と入力電圧との実際の相順が異なるため、入力電流に異常電流が発生し、スイッチング素子を破壊したり、負荷装置を破壊してしまう恐れがある。
こうした問題に対し、特許文献１には、欠相や相順入れ替わり等の電源異常を検出する従来技術が開示されている。
図６は、この従来技術の主要部を示す構成図であり、入出力は一般的な三相の場合を示している。図６において、１は三相交流電源、２はリアクトル及びコンデンサ等からなる入力フィルタ、３は交流直接変換器、４は負荷を示す。
図６は、この従来技術の主要部を示す構成図であり、入出力は一般的な三相の場合を示している。図６において、１は三相交流電源、２はリアクトル及びコンデンサ等からなる入力フィルタ、３は交流直接変換器、４は負荷を示す。
電源異常検出手段５０は、図示されていないが、電源電圧情報生成回路、異常検出用信号生成回路及び判定回路から構成されている。
上記電源電圧情報生成回路は、三相交流電源１のＲ，Ｓ，Ｔ各相の電圧値の大小関係に応じた情報を検出して電源電圧情報信号Ｒｍａｘ，Ｒｍｉｎ，Ｓｍａｘ，Ｓｍｉｎ，Ｔｍａｘ，Ｔｍｉｎを出力する。ここで、ＲｍａｘはＲ相が最大の時に「High」レベル、それ以外の区間では「Low」レベルとなる信号であり、その他の信号も同様である。電源一周期は３６０度であるので、信号Ｒｍａｘ，Ｓｍａｘ，Ｔｍａｘはそれぞれ１２０度ずつ「High」レベルとなり、Ｒｍｉｎ，Ｓｍｉｎ，Ｔｍｉｎも同様である。
上記電源電圧情報生成回路は、三相交流電源１のＲ，Ｓ，Ｔ各相の電圧値の大小関係に応じた情報を検出して電源電圧情報信号Ｒｍａｘ，Ｒｍｉｎ，Ｓｍａｘ，Ｓｍｉｎ，Ｔｍａｘ，Ｔｍｉｎを出力する。ここで、ＲｍａｘはＲ相が最大の時に「High」レベル、それ以外の区間では「Low」レベルとなる信号であり、その他の信号も同様である。電源一周期は３６０度であるので、信号Ｒｍａｘ，Ｓｍａｘ，Ｔｍａｘはそれぞれ１２０度ずつ「High」レベルとなり、Ｒｍｉｎ，Ｓｍｉｎ，Ｔｍｉｎも同様である。
前記異常検出用信号生成回路は、電源１が正常である場合のＲ，Ｓ，Ｔ各相の電圧値の大小関係に基づく情報を予め保持しておき、これらの情報を異常検出用信号Ｒｍａｘ ＊〜Ｔｍｉｎ ＊として出力する。
また、前記判定回路では、電源電圧情報信号Ｒｍａｘ〜Ｔｍｉｎと異常検出用信号Ｒｍａｘ ＊〜Ｔｍｉｎ ＊とを一定の時間間隔で比較し、これらの信号が異なっている場合には電源電圧異常信号を図６の制御信号作成手段２０１に出力する。
また、前記判定回路では、電源電圧情報信号Ｒｍａｘ〜Ｔｍｉｎと異常検出用信号Ｒｍａｘ ＊〜Ｔｍｉｎ ＊とを一定の時間間隔で比較し、これらの信号が異なっている場合には電源電圧異常信号を図６の制御信号作成手段２０１に出力する。
なお、制御信号作成手段２０１は、入力電圧検出手段１００により検出した入力電圧ｖｒ，ｖｓ，ｖｔに基づいて制御信号を作成し、ＰＷＭ信号作成手段２００は前記制御信号からＰＷＭ信号を作成して交流直接変換器３の双方向スイッチをスイッチングするように構成されている。
上述した従来技術では、欠相検出や相順の判定を行うために、三相交流電源１が正常である場合のＲ，Ｓ，Ｔ各相の電圧値の大小関係に基づく情報を電源異常検出手段５０内の異常検出用信号生成回路が予め保持する必要があるため、回路構成が複雑になって制御装置のコストの上昇を招くという問題がある。また、起動時には予め保持した異常検出用信号を電源電圧に同期させて出力し、これを電源電圧情報信号と比較する必要があり、これらの処理も煩雑である。なお、相順の誤りを検出した場合の運転方法については特に開示されていない。
そこで本発明の解決課題は、電源が正常である場合の各相電圧値の大小関係に基づく情報等を予め保持することなく交流電源電圧の欠相や相順を検出可能とし、電力変換器を保護できるようにした電源異常検出装置を提供することにある。
更に本発明は、相順が誤っている場合にも電力変換器の運転を可能にした電源異常検出装置を提供することもその課題としている。
更に本発明は、相順が誤っている場合にも電力変換器の運転を可能にした電源異常検出装置を提供することもその課題としている。
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電力変換器に供給される交流電源電圧の異常を検出する電源異常検出装置において、
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
この検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
この変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりを検出する瞬時角度急変検出手段と、
前記瞬時角度急変検出手段の出力から設定期間における瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりの発生回数を検出する角度急変回数検出手段と、
第３の演算手段及び前記角度急変回数検出手段の出力に基づいて交流電源電圧の欠相を検出する欠相検出手段と、を備えたものである。
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
この検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
この変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりを検出する瞬時角度急変検出手段と、
前記瞬時角度急変検出手段の出力から設定期間における瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりの発生回数を検出する角度急変回数検出手段と、
第３の演算手段及び前記角度急変回数検出手段の出力に基づいて交流電源電圧の欠相を検出する欠相検出手段と、を備えたものである。
請求項２に記載した発明は、電力変換器に供給される交流電源電圧の異常を検出する電源異常検出装置において、
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記入力電圧検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
前記三相／二相変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別する相順判別手段と、を備えたものである。
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記入力電圧検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
前記三相／二相変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別する相順判別手段と、を備えたものである。
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した電源異常検出装置において、
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段を備え、
前記相順判別手段は第３の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別するものである。
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段を備え、
前記相順判別手段は第３の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別するものである。
本発明によれば、電力変換器の入力電圧の瞬時角度の傾き及びその急変に基づいて欠相を検出し、また、瞬時角度の傾きあるいはその平均値に基づいて相順の誤りを検出することができる。従って、従来技術のように、電源正常時における各相電圧値の大小関係に基づく情報を予め保持したり、これらの情報を一定周期で電源電圧情報と比較する等の処理が不要になるので、回路構成や制御・演算動作の簡略化、コストの低減が可能になる。
更に、本発明によって相順誤りを検出した場合には、電力変換器の入力電流指令を入れ替えることにより電力変換器を支障なく運転することができる。
更に、本発明によって相順誤りを検出した場合には、電力変換器の入力電流指令を入れ替えることにより電力変換器を支障なく運転することができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に記載した発明に相当する。図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に記載した発明に相当する。図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図１において、本実施形態に係る電源異常検出装置は、三相交流電源１からの三相入力電圧を検出する入力電圧検出手段１００と、検出した各相の入力電圧を静止座標上の二相成分に変換する三相／二相変換手段１０１と、この三相／二相変換手段１０１の出力に基づいて入力電圧の瞬時角度θを演算する第１の演算手段としての瞬時角度演算手段１０２と、瞬時角度θの傾きを演算する第２の演算手段としての瞬時角度傾き演算手段１０３と、この傾きの平均値を演算する第３の演算手段としての平均値演算手段１０４と、瞬時角度θの急変を検出する角度急変検出手段１０５と、この角度急変の発生回数を検出する角度急変回数検出手段１０６と、瞬時角度θの傾きの平均値及び瞬時角度θの急変回数に基づいて欠相を検出する欠相検出手段１０７とを備えている。
そして、欠相検出手段１０７からの欠相検出信号が入力電圧検出手段１００からの三相入力電圧と共に制御信号作成手段２０１に入力されており、この作成手段２０１により作成された制御信号に基づいてＰＷＭ信号作成手段２００がＰＷＭ信号を作成するように構成されている。
そして、欠相検出手段１０７からの欠相検出信号が入力電圧検出手段１００からの三相入力電圧と共に制御信号作成手段２０１に入力されており、この作成手段２０１により作成された制御信号に基づいてＰＷＭ信号作成手段２００がＰＷＭ信号を作成するように構成されている。
以下、本実施形態の動作を説明する。
まず、入力電圧検出手段１００から出力された三相の入力電圧検出値ｖｒ，ｖｓ，ｖｔは、三相／二相変換手段１０１により、次の数式１に従って静止座標上の二相成分の電圧ｖα，ｖβに変換される。
まず、入力電圧検出手段１００から出力された三相の入力電圧検出値ｖｒ，ｖｓ，ｖｔは、三相／二相変換手段１０１により、次の数式１に従って静止座標上の二相成分の電圧ｖα，ｖβに変換される。
次に、入力電圧の瞬時角度θは、瞬時角度演算手段１０２により数式２に従って演算される。
瞬時角度傾き演算手段１０３では、瞬時角度θを微分してその傾きθ'を求める。また、平均値演算手段１０４はローパスフィルタや移動平均演算手段によって構成されており、これらによって傾きθ'の平均値θ'ａｖｅを容易に演算することができる。
ここで、図２はＲ相にて欠相が発生したときの波形の一例である。三相電圧検出値はゼロ相を検出できない、すなわち三相電圧の総和はゼロであることを考慮すると、欠相発生後はｖｒ＝０，ｖｓ＝−ｖｔとなるので、数式１よりｖα＝０となり、ｖβは電源周波数で脈動する。
すなわち、数式２より、図２の中段に示す如く瞬時角度θはｖβの極性に応じて電源半周期毎に９０度と２７０度とを繰り返し、１８０度変化する。
すなわち、数式２より、図２の中段に示す如く瞬時角度θはｖβの極性に応じて電源半周期毎に９０度と２７０度とを繰り返し、１８０度変化する。
図３は、Ｒ相に欠相が発生したときの電源電圧ベクトルｖｉの振る舞いを示している。
ｖα＝０であり、ｖβは電源周波数で脈動することから、瞬時角度θは電源半周期で９０度と２７０度とを繰り返すことが本ベクトル図からもわかる。他の相にて欠相が発生した場合も、瞬時角度θは電源半周期毎に１８０度変化する。
図１の角度急変検出手段１０５はこの瞬時角度θの変化を検出し、角度急変回数検出手段１０６は、図２の中段における瞬時角度θの変化（立ち上がり及び立ち下がり）から、図２の下段に示すように角度急変の回数を設定期間にわたり検出する。
ｖα＝０であり、ｖβは電源周波数で脈動することから、瞬時角度θは電源半周期で９０度と２７０度とを繰り返すことが本ベクトル図からもわかる。他の相にて欠相が発生した場合も、瞬時角度θは電源半周期毎に１８０度変化する。
図１の角度急変検出手段１０５はこの瞬時角度θの変化を検出し、角度急変回数検出手段１０６は、図２の中段における瞬時角度θの変化（立ち上がり及び立ち下がり）から、図２の下段に示すように角度急変の回数を設定期間にわたり検出する。
図１の欠相検出手段１０７は、平均値演算手段１０４の出力に基づいて、傾きの平均値θ'ａｖｅが予め設定された基準レベルを下回った場合に傾きθ'の異常、すなわち瞬時角度θの異常を検出し、かつ、瞬時角度θの急変は電源半周期毎に発生することから、角度急変回数検出手段１０６の出力に基づいて、設定期間中に設定回数以上の角度急変が発生したら欠相発生と判断して、欠相検出信号を出力する。
例えば、傾きの平均値θ'ａｖｅが基準レベルを下回った場合に傾きθ'の異常を検出し、かつ、角度急変回数が電源１周期中に２回以上発生したら欠相発生と判断する。前記基準レベルや設定期間、設定回数は、状況に応じて設定すればよい。
こうして欠相検出手段１０７から出力された欠相検出信号は制御信号作成手段２０１に送られ、ＰＷＭ信号作成手段２００を介して交流直接変換器３の運転を停止させるものである。
例えば、傾きの平均値θ'ａｖｅが基準レベルを下回った場合に傾きθ'の異常を検出し、かつ、角度急変回数が電源１周期中に２回以上発生したら欠相発生と判断する。前記基準レベルや設定期間、設定回数は、状況に応じて設定すればよい。
こうして欠相検出手段１０７から出力された欠相検出信号は制御信号作成手段２０１に送られ、ＰＷＭ信号作成手段２００を介して交流直接変換器３の運転を停止させるものである。
次に、図４は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、請求項２，３に記載した発明に相当する。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図４において、相順判別手段１１０は、瞬時角度θの傾きの平均値θ'ａｖｅの極性を判別して相順誤りを検出する。以下にその詳細を述べる。
電源電圧が正常である場合、各相電圧は数式３によって表される。ただし、Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは各相電圧の振幅である。
電源電圧が正常である場合、各相電圧は数式３によって表される。ただし、Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは各相電圧の振幅である。
数式１に数式３を代入してｖα，ｖβを算出すると、図２に示したようにｖβはｖαに対して９０度遅れとなる。同時に、瞬時角度θは０度から増加する。すなわち、瞬時角度θの傾きθ'は正となり、傾きの平均値θ'ａｖｅも正となる。
ところが、例えばＳ相とＴ相とを逆に接続すると、電源電圧の式は数式４によって表される。
ところが、例えばＳ相とＴ相とを逆に接続すると、電源電圧の式は数式４によって表される。
数式４を数式１に代入すると、ｖβはｖαに対して９０度進みとなる。その結果、瞬時角度θは３６０度から減少する、すなわち傾きθ'は負となり、傾きの平均値θ'ａｖｅも負となる。
図５は、Ｓ相とＴ相とを逆に接続した場合の各部の波形図である。
図４の相順判別手段１１０は、例えば、相順が正常であって瞬時角度θの傾きの平均値θ'ａｖｅの極性が正の場合に相順判別信号として「Low」レベルの信号を出力し、相順が誤っていて平均値θ'ａｖｅの極性が負の場合に「High」レベルの信号を出力する。
図４の相順判別手段１１０は、例えば、相順が正常であって瞬時角度θの傾きの平均値θ'ａｖｅの極性が正の場合に相順判別信号として「Low」レベルの信号を出力し、相順が誤っていて平均値θ'ａｖｅの極性が負の場合に「High」レベルの信号を出力する。
制御信号作成手段２０１は、相順判別信号が「Low」レベルの場合には通常運転を行い、相順が誤っている「High」レベルの場合には、相順を正常状態に戻すために、ＰＬＬ及び三相発振器により作成されるＳ相及びＴ相の入力電流指令を入れ替えることによって交流直接変換器３を運転することができる。なお、相順が誤っている場合に運転を停止するようなシーケンスを採用しても良いのはいうまでもない。
この第２実施形態では、相順判別手段１１０が瞬時角度θの傾きの平均値θ'ａｖｅに基づいて相順を判別しているが、瞬時角度の傾きθ'の極性と平均値θ'ａｖｅの極性とは同一であることから、瞬時角度の傾きθ'に基づいて相順を判別してもよい。
なお、第１，第２実施形態では入力電圧の検出を入力フィルタ２の電源側で行っているが、直接変換器側で行っても良い。
なお、第１，第２実施形態では入力電圧の検出を入力フィルタ２の電源側で行っているが、直接変換器側で行っても良い。
また、本発明に係る電源異常検出装置は、各実施形態のような交流直接変換器３ばかりでなく、整流器及びインバータ部を有するインバータ装置を始めとして、交流電力を変換する各種の電力変換器に適用することができる。
１：三相交流電源
２：入力フィルタ
３：交流直接変換器
４：負荷
１００：入力電圧検出手段
１０１：三相／二相変換手段
１０２：瞬時角度演算手段
１０３：瞬時角度傾き演算手段
１０４：平均値演算手段
１０５：角度急変検出手段
１０６：角度急変回数検出手段
１０７：欠相検出手段
１１０：相順判別手段
２００：ＰＷＭ信号作成手段
２０１：制御信号作成手段
２：入力フィルタ
３：交流直接変換器
４：負荷
１００：入力電圧検出手段
１０１：三相／二相変換手段
１０２：瞬時角度演算手段
１０３：瞬時角度傾き演算手段
１０４：平均値演算手段
１０５：角度急変検出手段
１０６：角度急変回数検出手段
１０７：欠相検出手段
１１０：相順判別手段
２００：ＰＷＭ信号作成手段
２０１：制御信号作成手段
Claims (3)
- 電力変換器に供給される交流電源電圧の異常を検出する電源異常検出装置において、
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
この検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
この変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりを検出する瞬時角度急変検出手段と、
前記瞬時角度急変検出手段の出力から設定期間における瞬時角度の立ち上がり及び立ち下がりの発生回数を検出する角度急変回数検出手段と、
第３の演算手段及び前記角度急変回数検出手段の出力に基づいて交流電源電圧の欠相を検出する欠相検出手段と、
を備えたことを特徴とする電源異常検出装置。 - 電力変換器に供給される交流電源電圧の異常を検出する電源異常検出装置において、
電力変換器の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記入力電圧検出手段により検出した入力電圧を静止座標上に変換する三相／二相変換手段と、
前記三相／二相変換手段の出力から入力電圧の瞬時角度を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段の出力から瞬時角度の微分値を演算する第２の演算手段と、
第２の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別する相順判別手段と、
を備えたことを特徴とする電源異常検出装置。 - 請求項２に記載した電源異常検出装置において、
第２の演算手段の出力から瞬時角度の微分値の平均値を演算する第３の演算手段を備え、
前記相順判別手段は第３の演算手段の出力に基づいて交流電源電圧の相順を判別することを特徴とする電源異常検出装置。
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