JP2006042445A

JP2006042445A - 三相交流電源の欠相検出装置

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Publication number: JP2006042445A
Application number: JP2004216111A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Akizuki; 博光秋月
Original assignee: Toshiba Elevator Co Ltd
Current assignee: Toshiba Elevator and Building Systems Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】複雑なハードウェア構成を必要とせずに、三相交流電源の欠相状態を簡単かつ確実に検出する。
【解決手段】三相交流電源の各相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，ＶｔをＡ／Ｄ変換器１９ａ〜１９ｃを介してデジタル入力し、マイコンなどからなる制御装置１５による内部的な処理にて、交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔから全波整流信号Ｓ１を生成し、その全波整流信号Ｓ１からＤＣ成分信号Ｓ２とリップル成分信号Ｓ３を求め、ＤＣ成分信号Ｓ２に対するリップル成分信号Ｓ３の大きさの割合から欠相状態を検出する。欠相状態を検出した場合には、その旨の欠相検出信号を運転禁止指令として出力して運転を停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばエレベータにおける電動機の駆動電源として用いられる三相交流電源の欠相検出装置に関する。

エレベータでは、一定周波数の交流電源から任意周波数の交流出力を生成するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式の電力変換装置（以下、ＰＷＭコンバータと呼ぶ）を用いて、電動機の駆動を制御している。このＰＷＭコンバータでは、三相交流電源を全波整流して一旦直流に変換し、これを平滑コンデンサなどで平滑した後に所望の周波数の交流電源へと変換する。

ここで、三相交流電源は客先電源（商用電源）として存在し、そこに三相分の電源配線を接続することで、それぞれに１２０度ずつ位相がずれた３つの交流電圧信号（Ｒ，Ｓ，Ｔ）を入力している。

ところが、例えば作業員の配線ミスなどにより、三相交流電源の三相のうちの一相あるいは二相が欠相して接続されていることがある。このような欠相状態では、全波整流後の直流信号に大きなリップル成分が生じる。平滑化の処理は、三相が正常に全波整流されたときに生じるリップル成分に合わせて設計されている。このため、欠相による予想以上のリップル成分が生じた状態では、それを抑えきれず、過電流が流れ出して機器類が破損してしまう可能性がある。

従来、このような三相交流電源の欠相状態に関する様々な提案がなされている。例えば、特許文献１では、三相交流電源の相順序を切り換える正相・逆相切換リレー回路と、三相交流電源が互いに一相ずつずれた所定の相順序のときにそれぞれ接点を閉じる複数の逆相防止リレーとを備えて、三相交流電源の欠相状態あるいは逆相状態での運転を防止することが開示されている。
特開２０００−１５２４９１号公報

例えばエレベータの分野では、機械室などに設置される制御盤を小型化し、その設置スペースを縮小化することが検討されている。しかしながら、上記特許文献１のように、機器破損防止のための欠相検出装置をマイコンとは別にリレー回路などでハードウェア構成した場合には装置が大型化してしまうなどの問題がある。

そこで、本発明は、複雑なハードウェア構成を必要とせずに、三相交流電源の欠相状態を簡単かつ確実に検出することのできる三相交流電源の欠相検出装置を提供することを目的とする。

本発明の三相交流電源の欠相検出装置は、三相交流電源の各相の交流電圧信号を所定レベルまで降圧した後にデジタル化して入力する電圧入力手段と、この電圧入力手段によって入力された各相の交流電圧信号を全波整流する全波整流手段と、この全波整流手段によって得られた全波整流信号から直流成分信号およびリップル成分信号を生成する信号生成手段と、この信号生成手段によって生成された直流成分信号に対するリップル成分信号の大きさを検出するリップル成分検出手段と、このリップル成分検出手段によって検出されたリップル成分信号の大きさに基づいて上記三相交流電源の欠相状態を判定する欠相判定手段と、この欠相判定手段による判定結果に応じて運転を禁止制御する運転制御手段とを具備して構成される。

このような構成によれば、三相交流電源の各相の交流電圧信号をデジタル入力することで、マイコンなどからなる制御装置による内部的な処理にて、上記デジタル入力した各相の交流電圧信号を全波整流し、その全波整流信号から直流成分信号およびリップル成分信号を求めることにより、直流成分信号に対するリップル成分信号の大きさに基づいて欠相状態であるか否かを判定する。その結果、欠相状態であると判定した場合には運転を禁止制御する。

本発明によれば、三相交流電源の各相の交流電圧信号をデジタル入力し、マイコンなどからなる制御装置による内部的な処理にて欠相状態を検出する構成としたことで、複雑なハードウェア構成を必要とせずに、三相交流電源の欠相状態を簡単かつ確実に検出して、欠相による機器類の破損を防ぐことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る三相交流電源の欠相検出装置が適用されるモータ制御装置の全体構成を示す図である。なお、このモータ制御装置は、例えばエレベータの電動機を制御対象として用いられる。

このモータ制御装置は、三相交流電源１１、コンバータ１２、インバータ１３、モータ１４、制御装置１５を主として構成されている。

三相交流電源１１は、客先電源（商用電源）であり、３本の配電線を介して位相が互いに１２０度ずれた三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを供給する。コンバータ１２は、これらの交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを入力とし、制御装置１５の制御の下で交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを直流電圧信号Ｖｐ（正），Ｖｎ（負）に変換する。インバータ１３は、同じく制御装置１５の制御の下で、コンバータ１２によって変換された直流電圧信号Ｖｐ，Ｖｎに基づいて所定周波数にパルス幅変調した三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成し、これを所定のタイミングで切り換えながらモータ１４に供給する。

モータ１４は、例えばエレベータであれば、乗りかごを昇降するための巻上機の電動機として用いられ、インバータ１３から供給される三相の交流電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗによって回転する。

なお、このモータ１４としては、ＳＰＭモータまたはＩＰＭモータが用いられる。ＳＰＭモータは、ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ：表面磁石貼付型モータと呼ばれ、ロータ（回転子）の内部に永久磁石を貼り付けたモータである。ＩＰＭモータは、ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ：内部磁石埋込型モータと呼ばれ、ロータ（回転子）の内部に永久磁石を埋め込んだモータである。このＩＰＭモータは、永久磁石によるマグネットトルクに加え、ロータの突極性に起因するリラクタンストルクを利用できるため、小型でも大きなトルクを効率的に得ることができるといった利点があり、例えばエレベータにて制御盤の小型化や設置スペースの縮小化を図る場合に適している。

制御装置１５は、マイクロコンピュータ（マイコン）からなり、例えばエレベータであれば機械室内に設置された制御盤に組み込まれる。この制御装置１５は、モータ制御に関わる機能構成として、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ:位相同期回路）１６とコンバータ制御部１７を備える。

ＰＬＬ１６は、降圧トランス１８およびＡ／Ｄ変換器１９ａ〜１９ｃを介して三相交流電源１１から供給される三相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔをデジタル化した信号を入力とし、これらの信号に基づいて各相の位相のずれを示す電源位相信号θｐｓを生成する。降圧トランス１８は、例えば２００〜３００Ｖの高電圧である交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの電圧値をマイコン入力電圧である５Ｖまで降圧する。Ａ／Ｄ変換器１９ａ〜１９ｃは、この降圧トランス１８の後段に設けられ、それぞれに５Ｖまで降圧された交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔをデジタル信号に変換して制御装置１５に与える。

一方、この制御装置１５には、ＶｒとＶｓの電圧供給ラインに設置された電流検出器２０ａ，２０ｂによって検出された電流信号ＩｒとＩｔがＡ／Ｄ変換器２１ａ，２１ｂを介してデジタル入力されている。コンバータ制御部１７は、このデジタル入力された電流信号Ｉｒ，Ｉｔと、上記ＰＬＬ１６によって生成された電源位相信号θｐｓに基づいてコンバータ制御のためのＰＷＭ指令を出力する。

次に、三相交流電源１１の欠相状態を検出する欠相検出装置について説明する。

三相交流電源１１の欠相状態とは、例えば配線ミスなどにより三相交流電源１１の三相のうちの一相または二相の配線が断線した状態を言う。通常、このような欠相状態を検出するための欠相検出装置は、コンバータ制御する制御装置１５の外に設置されているが、本実施形態では、この欠相検出装置を制御装置１５の中に組み込んでいる。つまり、マイコンなどからなる制御装置１５の内部的なソフトウェア処理により、欠相状態を検出する構成としている。

図２は制御装置１５の欠相検出機能部分の構成を示すブロック図であり、ＡＢＳ（整流部）３１ａ〜３１ｃ、加算器３２，３３、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３４、減算器３５、ＡＢＳ（整流部）３６、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３７、割合算出部３８、閾値比較部３９、運転ロジックシーケンス部４０を備える。なお、これらの構成要素は、制御装置１５が図示せぬＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って実行する欠相検出処理を模式的に示したものである。

ＡＢＳ３１ａ〜３１ｃと加算器３２，３３は、三相交流電源１１から供給される三相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを全波整流するための構成要素である。

すなわち、ＰＬＬ１６の処理用にＡ／Ｄ変換器１９ａ〜１９ｃを介して入力していた三相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔのデジタル信号を利用し、まず、これらのデジタル信号をＡＢＳ３１ａ〜３１ｃに与えて、その絶対値（ａｂｓｏｕｔｅ）を求める。そして、ＡＢＳ３１ａで得られたＶｒの絶対値信号と、ＡＢＳ３１ｂで得られたＶｓの絶対値信号とを加算し、さらに、その加算信号（Ｖｒ＋Ｖｓ）とＡＢＳ３１ｃで得られたＶｔの絶対値信号とを加算することにより（Ｖｒ＋Ｖｓ＋Ｖｔ）、全波整流信号Ｓ１を生成する。

また、ＬＰＦ３４と減算器３５は、全波整流信号Ｓ１からＤＣ（直流）成分信号Ｓ２とリップ成分信号Ｓ３を抽出するための構成要素である。

すなわち、全波整流信号Ｓ１をＬＰＦ３４に通すことでＤＣ成分信号Ｓ２が得られる。また、このＤＣ成分信号Ｓ２を減算器３５に与えて、全波整流信号Ｓ１からＤＣ成分信号Ｓ２を引くことによりリップル成分信号Ｓ３が得られる。

ここで、三相交流電源１１が欠相しているか否かは、ＤＣ成分に対するリップル成分の割合から判別できる。つまり、欠相していなければ、ＤＣ成分に対するリップル成分の割合は予め設定された閾値内にあるが、欠相状態ではそのリップル成分の割合が増えることになる。

この様子を図３乃至図５に示す。

図３乃至図５はそれぞれ全波整流後の信号波形を示しており、図３は欠相していない場合、図４は一相が欠相した場合、図５は二相が欠相した場合の信号波形を示している。横軸が時間、縦軸が電圧を表している。また、図中のＳ１は全波整流信号、Ｓ２はＤＣ成分信号、Ｓ３はリップル成分信号である。なお、ここでは理解しやすいように各信号をアナログの波形で表しているが、実際には制御装置１５の中で各信号はデジタル処理されている。

図３に示すように、三相交流電源１１が欠相していない場合つまり三相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが正常に供給されている状態では、全波整流後のリップル成分は発生するが、その大きさ平滑化可能な範囲である。一方、三相のうちの一相が欠相した状態では、図４に示すように、そのリップル成分の割合が増え、さらに、二値が欠相した状態では、図５に示すように、そのリップル成分の割合が急激に増えてしまい、平滑化できない状態になる。

図２に戻って、ＡＢＳ３６およびＬＰＦ３７はリップル成分信号Ｓ３の大きさを検出するための構成要素であり、割合算出部３８および閾値比較部３９はＤＣ成分信号Ｓ２に対するリップル成分信号Ｓ３の割合から欠相状態を判定するための構成要素である。

すなわち、減算器３５によりリップル成分信号Ｓ３が得られると、このリップル成分信号Ｓ３をＡＢＳ３６およびＬＰＦ３７を通すことで、その絶対値の大きさを求める。なお、ＡＢＳ３６にてリップル成分の絶対値を求めておくのは、ＤＣ成分信号Ｓ２の電圧値を基準レベルとした場合にその基準レベルよりも低い電圧のリップル成分も含めて大きさを求めるためである。このリップル成分絶対値をＬＰＦ３７にてフィルタリングすると、リップル成分の大きさがマイコンで演算可能なデータ値とて算出される。

このようにして得られたリップル成分の大きさを割合算出部３８に与えて、図３に示すように、ＤＣ成分に対するリップル成分の大きさの割合（比率）を求める。そして、この演算値（リップル成分／ＤＣ成分）を閾値比較部３９にて予め設定された閾値と比較し、閾値を超えていた場合には欠相状態であると判定し、その旨を示す欠相検出信号を運転禁止指令として運転ロジックシーケンス部４０にを出力する。運転ロジックシーケンス部４０では、この運転禁止指令を受けると、直ちに電源供給ラインを遮断してモータ運転を停止する。

このように、ＤＣ成分に対するリップル成分の大きさを求めることで、三相交流電源１１の欠相状態を簡単かつ確実に検出することができ、欠相状態を検出した場合には、その旨の欠相検出信号を運転ロジックシーケンス部４０に出力して直ちに運転を停止させることで、欠相による機器類の破損を未然に防ぐことができる。

また、このような欠相検出の機能をマイコンである制御装置１５に持たせ、三相交流電源１１から供給される各相の交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔをデジタル入力して、制御装置１５による内部的な処理にて欠相状態を検出する構成としたことで、制御装置１５の外でハードウェア的に欠相状態を検出する構成に比べて部品点数が大幅に削減され、安価にて実現することができる。しかも、欠相検出のために制御装置１５に入力する交流電圧信号Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔのデジタル信号は、もともと電圧位相検出用のＰＬＬ１６に入力していたものである。したがって、今回の欠相検出のために新たにＡ／Ｄ変換器などの部品を設置する必要もない。

なお、図６に示すように、制御装置１５の前段に２つの減算器４１，４２を設けて、例えば交流電圧信号ＶｒとＶｓとの差分信号（Ｖｒ−Ｖｓ）と、交流電圧信号ＶｒとＶｔとの差分信号（Ｖｒ−Ｖｔ）をＡ／Ｄ変換器４３ａ，４３ｂを介して制御装置１５に二相入力する構成にしても良い。このような二相入力構成とすれば、制御装置１５では、所定の演算式に従って上記２つの差分信号（Ｖｒ−Ｖｓ），（Ｖｒ−Ｖｔ）からＶｒ，Ｖｓ，Ｖｔの三相分の信号を内部的に生成して、上記同様の欠相検出を行うことができる。

この二相入力構成では、減算器４１，４２が別に必要となるが、それよりも高価で設置スペースを要するＡ／Ｄ変換器の数を三相入力の構成よりも削減できるといった利点がある。なお、二相入力の組み合わせは、Ｖｒを基準とした（Ｖｒ−Ｖｓ）と（Ｖｒ−Ｖｔ）に限らず、例えばＶｓを基準とした（Ｖｓ−Ｖｒ）と（Ｖｓ−Ｖｔ）などであっても良い。

その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る三相交流電源の欠相検出装置が適用されるモータ制御装置の全体構成を示す図。同実施形態における制御装置（マイコン）の欠相検出機能部分の構成を示すブロック図。同実施形態における全波整流後の信号波形を示す図であり、欠相していない場合の信号波形を示す図。同実施形態における全波整流後の信号波形を示す図であり、一相が欠相した場合の信号波形を示す図。同実施形態における全波整流後の信号波形を示す図であり、二相が欠相した場合の信号波形を示す図。本発明の他の実施形態として三相交流電源の二相入力構成の一例を示すブロック図。

符号の説明

１１…三相交流電源、１２…コンバータ、１３…インバータ、１４…モータ、１５…制御装置、１６…ＰＬＬ、１７…コンバータ制御部、１８…降圧トランス、１９ａ〜１９ｃ…Ａ／Ｄ変換器、２０ａ，２０ｂ…電流検出器、２１ａ，２１ｂ…Ａ／Ｄ変換器、３１ａ〜３１ｃ…ＡＢＳ、３２…加算器、３３…加算器、３４…ＬＰＦ、３５…減算器、３６…ＡＢＳ、３７…ＬＰＦ、３８…割合算出部、３９…閾値比較部、４０…運転ロジックシーケンス部、４１…加算器、４２…加算器、４３ａ，４３ｂ…Ａ／Ｄ変換器、Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ…交流電圧信号、θｐｓ…電源位相信号、Ｓ１…全波整流信号、Ｓ２…ＤＣ成分信号、Ｓ３…リップル成分信号。

Claims

三相交流電源の各相の交流電圧信号を所定レベルまで降圧した後にデジタル化して入力する電圧入力手段と、
この電圧入力手段によって入力された各相の交流電圧信号を全波整流する全波整流手段と、
この全波整流手段によって得られた全波整流信号から直流成分信号およびリップル成分信号を生成する信号生成手段と、
この信号生成手段によって生成された直流成分信号に対するリップル成分信号の大きさを検出するリップル成分検出手段と、
このリップル成分検出手段によって検出されたリップル成分信号の大きさに基づいて上記三相交流電源の欠相状態を判定する欠相判定手段と、
この欠相判定手段による判定結果に応じて運転を禁止制御する運転制御手段と
を具備したことを特徴とする三相交流電源の欠相検出装置。
上記欠相判定手段は、直流成分信号に対するリップル成分信号の大きさの割合が予め設定された閾値以上であった場合に欠相状態であると判定することを特徴とする請求項１記載の三相交流電源の欠相検出装置。
上記全波整流手段、上記信号生成手段、上記欠相判定手段、上記運転制御手段は、マイクロコンピュータに組み込まれていることを特徴とする請求項１記載の三相交流電源の欠相検出装置。