JP4775547B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの出力欠相を検出できるインバータ装置に関する。

従来のインバータは、出力電流の検出のため各出力相にカレントトランスなどの電流検出器を用い、制御や保護を行っている。この場合は各出力相の電流を検出し、流れていない場合に出力欠相と判断し、保護動作を行っている。
また、各アームの負母線側に抵抗を挿入して電流を検出する方法や、各スイッチング素子に検出用の端子を設け、そこに流れる電流を検出する方法では、そこに電流が流れない場合や、逆にアンバランスとなり電流が異常に大きい場合を判断し、保護を行っている（例えば、特開平８−２２３９３６号公報参照）。このようにして直流母線電流を検出している。
また、小形・低コストタイプのインバータにおいては、母線電流のみを検出し、そこから出力電流を演算して制御しているため、出力欠相を正確に判断し、保護することは難しいく、全相が欠相した場合に出力電流値がゼロ程度になった際に、欠相として検出している。
このように、従来の出力欠相検出方法は、インバータの出力電流、アームの電流、母線電流を検出して出力欠相を判断し、保護を行っている。

図４は、従来の一般的なインバータの出力欠相検出方法を示す回路図である。
図において、１はコントローラ、５は直流電源、６は出力電流検出回路、１０１〜１０６はスイッチング素子、２０１〜２０６は整流素子であるフリーホイールダイオードである。
従来の出力欠相検出方法は、出力電流を出力電流検出回路６で検出し、ある相が流れていない場合、欠相検出手段１ｂが出力欠相と判断して、ベースブロック（停止）する信号をＰＷＭ信号発生手段１ｃへ電圧指令発生手段１ａから出力し、停止させていた。
しかし、インバータと負荷の接続が長距離配線となった場合、漏れ電流によるノイズ成分を出力電流検出回路６が検出してしまい、出力欠相状態を正確に判断できない問題があった。
また、小形・低コストタイプのインバータにおいては、母線電流のみの検出では出力欠相状態が判断できない問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、上記のような環境下でも、出力電流の極性を検出してインバータの出力を検出できるインバータ装置およびその欠相検出方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、インバータ装置に係り、直流電源の正極、負極間にスイッチング素子と逆並列接続した整流素子を２個直列接続し、接続点を出力とするアームを複数組み備えたインバータ装置であって、
前記各アームのうち１つのアームの上側又は下側の整流素子に流れる電流の極性を判別する電流極性判別回路と、
前記電流極性判別回路の検出した電流極性がある一定期間電流の極性が変化しなかった場合にインバータの出力がすべて欠相したとする全相欠相検出手段と、
前記各アームの出力電流検出手段又は母線電流検出手段と、
前記出力電流検出手段により検出された出力電流又は前記母線電流検出手段により検出された電流によって出力欠相を検出する欠相検出手段と、を備え、
前記欠相検出手段と前記全相欠相検出手段とを前記インバータの指令又はモータの運転周波数又は前記モータの出力電流のいずれかによって切り替えて欠相検出することを特徴としている。

請求項２記載の発明は、直流電源の正極、負極間にスイッチング素子と逆並列接続した整流素子を２個直列接続し、接続点を出力とするアームを複数組み備えたインバータ装置であって、
前記各アームの上側又は下側の整流素子に流れる電流の極性を判別する電流極性判別回路と、
前記電流極性判別回路の検出した電流極性がある一定期間電流の極性が変化しなかった場合に、インバータの出力のうち極性が変化しなかったアームに接続される出力が欠相したとする１相欠相検出手段と、
前記各アームの出力電流検出手段又は母線電流検出手段と、
前記出力電流検出手段により検出された出力電流又は前記母線電流検出手段により検出された電流によって出力欠相を検出する欠相検出手段と、を備え、
前記欠相検出手段と前記１相欠相検出手段とを前記インバータの指令又はモータの運転周波数又は前記モータの出力電流のいずれかによって切り替えて欠相検出することを特徴としている。

本発明によると、電流検出の正確な検出が難しい環境下でも、出力電流の極性を検出してインバータの出力を検出できるインバータ装置およびその欠相検出方法を提供することができる。
また、通常の出力電流検出手段と本発明の欠相検出手段を組み合わせることにより、指令と負荷状態による運転周波数、出力電流値などの運転状態の違いに対しても対応できてより正確に出力欠相を検出することができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る出力欠相検出方法を示す回路例である。
図において、１０１〜１０６はスイッチング素子、２０１〜２０６は整流素子であるフリーホイールダイオードであり、３相出力の一般的なインバータを構成している。このインバータを運転する場合、３シャント抵抗の両端に発生する電圧より電流検出回路４を用いて母線電流を検出し、指令と前記母線電流が一致するよう、コントローラ１の電圧指令発生手段１ａにより制御を行い、ＰＷＭ信号発生手段１ｃで各アームのスイッチング素子を駆動する信号を発生させ、インバータを運転する。本発明において、フリーホイールダイオード２０２の両端に接続された電流極性判別回路２を用いて、このフリーホイールダイオード２０２に流れる電流を検出し、出力電流がインバータから出力側へ流れているのか、出力側からインバータへ流れ込んでいるのか判別する。
図２はその判別方法を説明する回路図である。
電流極性判別回路２は、Ｕ相から出力される電流の極性を判別する回路である。フリーホイールダイオード２０２と並列にそのカソードへダイオード２ｂのカソードを接続し、ダイオード２ｂのアノードをトランジスタ２ａのエミッタに接続し、トランジスタ２ａのベースをフリーホイールダイオード２０２のアノードに接続する。トランジスタ２ａのコレクタは、コンデンサ２ｃおよび抵抗２ｄを通じて電源Ｖｃｃに接続され、コレクタとの接続部が出力される。
Ｕ相の出力電流が、図２に矢印で示すように、インバータから負荷側へ流れる（この方向を正とする）場合、フリーホイールダイオード２０２は、アーム下側のスイッチング素子がＯＮ、ＯＦＦどちらの際にもアノードからカソードへ流れつづけるため、常時同通状態である。そのため、フリーホイールダイオード２０２の両端には順方向電圧が発生し、並列接続された電流極性判別回路２に電圧が発生し、トランジスタ２ａのベースとエミッタ間にベース電流が流れ、トランジスタ２ａのベース、エミッタ、ダイオード２ｂを通ってわずかながら電流が流れる。この電流によってトランジスタはＯＮし、Ｖｃｃより抵抗２ｃおよびコンデンサ２ｄを通じてコレクタからエミッタへ電流が流れ、出力２はほぼゼロ（Ｌレベル）となる。
一方、Ｕ相の出力電流が負方向の場合は、アーム下側のスイッチング素子がＯＮした場合はスイッチング素子１０２へ電流が流れるため、フリーホイールダイオード２０２へは逆電圧となり、電流が流れない。また、ＯＦＦの場合にはアーム上側のフリーホイールダイオード２０１へ流れるため、フリーホイールダイオード２０２は常時逆電圧がかかり、導通することはない。そのため、電流極性判別回路２のトランジスタ２ａはＯＦＦ状態のままであるため、出力２はＶｃｃと同電位（Ｈレベル）となる。

図３はその動作を示す図である。
Ｕ相の出力電流にあわせ、電流極性判別回路２の出力は、出力電流の方向が正方向の際にＬレベル、負方向の際にＨレベルを出力する。このように、出力極性判別回路２の出力は、出力電流に合わせて極性が変化する。
そこで、この信号を用いて出力欠相を検出する方法を述べる。
図１に示すように、Ｕ相のみに電流極性判別回路２を付加した場合、３相のうち２相、もしくは３相すべてが欠相した場合には、出力極性判別回路２の出力は出力電流が無くなるため、Ｈレベル、Ｌレベルの変化が停止してしまう。それにより出力が欠相したことを判別することができる。
ある一定期間中に出力極性判別回路２の出力が変化しなかった場合、出力が欠相したと判断し、電圧指令発生手段１ａに欠相信号を出力する。電圧指令発生手段１ａは欠相信号を受けると、ＰＷＭ信号発生手段１ｃに運転を中止する信号を出力し、スイッチング素子をベースブロック（停止）させる。何らかの故障により欠相した場合や、モータサーマルが過負荷を検出して接続がオープンとなった場合に特別な検出装置を持たなくても、上記方法で検出が可能である。そのため、インバータにモータサーマルからの遮断信号を入力する装置を特別に持たなくても、モータの状態を検出し、安全に停止することができる。
この方法の場合、１相のみに２出力極性判別回路を付加しているため、Ｖ相のみ、またはＷ相のみの欠相の場合には検出できないが、前述のように、モータケーブルの２相以上の欠相、モータサーマルの保護動作を検出することができる。
基本的に１相のみに２出力極性判別回路を備えた場合、Ｎ−１相以上の欠相を検出することが可能である。

本発明の実施例２は、実施例１で用いたのと同じ電流極性判別回路２をインバータ装置の各アーム（相）に配備して、各アームの上側又は下側の整流素子に流れる電流の極性を判別するようにして成る。そして、電流極性判別回路２の検出した電流極性がある一定期間電流の極性が変化しなかった場合に、インバータの出力のうち極性が変化しなかったアームに接続される出力が欠相したとするものである。
実施例２によれば、出力極性判別回路２を全相に付加することで、より正確に欠相を検出することができる。各相に出力極性判別回路２を付加することで、どこか１相のみ出力が欠相した場合にも検出し、安全に運転停止することができるようになる。

本発明の実施例３は、実施例１の全相欠相検出回路又は実施例２の１相欠相検出回路を備えたインバータ装置に、さらに、各アームの出力電流検出手段又は母線電流検出手段と、前記出力電流検出手段により検出された出力電流又は前記母線電流検出手段により検出された電流によって出力欠相を検出する欠相検出回路と、を備えるようにして成る。そして、欠相検出回路と全相欠相検出回路、又は欠相検出回路と１相欠相検出回路との切り替えを、（１）インバータの指令、（２）モータの運転周波数、（３）モータの出力電流の、（１）〜（３）のいずれかによって行なうようにするものである。
実施例３の場合には、出力電流を検出し、それにより欠相を検出することも可能であるため、たとえば外部からの影響を受けずに正確に出力電流を検出できている場合は、その検出した出力電流より出力欠相を判断し、外部からの影響、たとえばノイズなどにより微弱な出力電流の正確な検出が難しい場合は、本発明により付加した出力極性判別回路２による信号をある一定周期検出し、欠相検出を行うようにするので、さらに正確に、精度よく検出することが可能となる。すなわち、インバータに接続される負荷の状態によっては、低速運転時には出力電流が小さく、ノイズによる影響を受けやすいため、出力電流による欠相検出は難しいが、本発明により欠相検出回路を用いれば電流の極性変化をある一定周期検出して行うため、ノイズ除去のフィルタ、極性判別のゲインを調整することで、低速域、低出力電流域での検出が可能となる。その場合、低速、低出力電流域に特化した回路（フィルタ時定数など）としているため、高速域では通常の欠相検出に切り替えるが、ここで、指令と実際の挙動が大差ない場合は指令を元に切り替えて十分であり、また、負荷変動の激しい場合であれば、実際の運転周波数の増加で切り替えたり、実際の出力電流の大小で切り替えればよい。
そこで、例えば、低速運転時や出力電流の小さい場合、特に外部からの影響を受けやすいため、低速運転時や出力電流の小さい場合の欠相検出に特化するようコンデンサ２ｃ、抵抗２ｄなどの回路定数を調整しておき、この領域では出力極性判別回路２の信号を用いて欠相検出を行い、高速域や出力電流の大きい場合は出力電流より欠相を検出する方法に切り替えて検出を行う。
負荷がファンやポンプなど、急激な変動の無い場合、インバータの指令と出力周波数、出力電流の実際との差は少ないため、インバータの指令により欠相検出を切り替えても、良好な結果を得ることができる。ただし、負荷側に接続されるアプリケーションによっては、負荷増加によって運転周波数、出力電流を制御する場合があるため、欠相検出する場合に、インバータ指令よりも、実際の運転周波数、出力電流を元に切り替えた方が精度良く切り替えることができる。その場合でも、ある程度幅を持たせて安全に切り替えることで、インバータ指令を用いて切り替えることも可能である。

このように、本発明は、インバータにおいて、長距離配線や、ノイズの影響などで出力電流を正確に検出して欠相検出することが困難な場合にも、正確に欠相を検出することができるので、さまざまな環境下で使用されるインバータの欠相検出に適用できる。

本発明の第１実施例を示す出力欠相検出方法を表す図である。 電流極性判別方法を示す図である。 電流極性判別方法の動作を示す図である。 従来の一般的なインバータ装置を示す図である。

符号の説明

１ コントローラ
１ａ 電圧指令発生手段
１ｂ 欠相検出手段
１ｃ ＰＷＭ信号発生手段
２ 電流極性検出回路
３ シャント抵抗
４ 電流検出回路
５ 直流電源
６ 出力電流検出回路
１０１〜１０６ スイッチング素子
２０１〜２０６ 整流素子

Claims (2)

1. 直流電源の正極、負極間にスイッチング素子と逆並列接続した整流素子を２個直列接続し、接続点を出力とするアームを複数組み備えたインバータ装置であって、
   前記各アームのうち１つのアームの上側又は下側の整流素子に流れる電流の極性を判別する電流極性判別回路と、
   前記電流極性判別回路の検出した電流極性がある一定期間電流の極性が変化しなかった場合にインバータの出力がすべて欠相したとする全相欠相検出手段と、
   前記各アームの出力電流検出手段又は母線電流検出手段と、
   前記出力電流検出手段により検出された出力電流又は前記母線電流検出手段により検出された電流によって出力欠相を検出する欠相検出手段と、を備え、
   前記欠相検出手段と前記全相欠相検出手段とを前記インバータの指令又はモータの運転周波数又は前記モータの出力電流のいずれかによって切り替えて欠相検出するインバータ装置。
2. 直流電源の正極、負極間にスイッチング素子と逆並列接続した整流素子を２個直列接続し、接続点を出力とするアームを複数組み備えたインバータ装置であって、
   前記各アームの上側又は下側の整流素子に流れる電流の極性を判別する電流極性判別回路と、
   前記電流極性判別回路の検出した電流極性がある一定期間電流の極性が変化しなかった場合に、インバータの出力のうち極性が変化しなかったアームに接続される出力が欠相したとする１相欠相検出手段と、
   前記各アームの出力電流検出手段又は母線電流検出手段と、
   前記出力電流検出手段により検出された出力電流又は前記母線電流検出手段により検出された電流によって出力欠相を検出する欠相検出手段と、を備え、
   前記欠相検出手段と前記１相欠相検出手段とを前記インバータの指令又はモータの運転周波数又は前記モータの出力電流のいずれかによって切り替えて欠相検出するインバータ装置。

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