JP2006166590A

JP2006166590A - 電力変換装置と欠相検出方法

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Publication number: JP2006166590A
Application number: JP2004354008A
Authority: JP
Inventors: Masahito Higuchi; 雅人樋口
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP4697579B2

Abstract

【課題】部品実装面積が小さく安価な回路構成の出力欠相検出手段を搭載した電力変換装置と欠相検出方法を提供する。
【解決手段】半導体スイッチング素子１、２と逆並列接続されたダイオード３、４との並列接続体を２個直列接続してなる直列接続体の接続部を出力端子としてなるアームを１相とし、アームを直流電源の正極と負極間に２個以上並列接続して多相とし、各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換装置において、出力電位の状態により欠相と判定する欠相検出手段を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、欠相検出手段をもった電力変換装置とその欠相検出方法に関する。

従来技術では、電力変換装置の各出力相の電流を計測し、各相電流状態が正常であるかどうかを判別し、欠相と判定している。

従来の欠相検出手段をもった電力変換装置の例には特許文献１がある。図３は、従来技術を示したものであり、各出力相の出力電流を電流検出器であるＣＴで検出する場合の電力変換装置である。図中のＰおよびＮは直流電源の正極および負極をあらわし、２１，２２，２３は直流電源の正極側に接続された半導体スイッチング素子、２７，２８，２９は各半導体スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードである。２４，２５，２６は直流電源負極側に接続された半導体スイッチング素子、３０，３１，３２は各半導体スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードである。３３，３４，３５は、各出力相の電流を検出するためのＣＴであり、ＣＴ出力信号を比較演算回路３７，３８，３９と、極性演算回路４０，４１，４２と、ＡＮＤ回路４３，４４，４５を介し判定演算回路４６へと接続される欠相検出回路を備え、ＣＴ３３，３４，３５の検出値の零点通過点近傍にＡＮＤ回路４３，４４，４５により生成される信号のパルス幅を計測し、この計測値が所定の値を超えたことを判定演算回路４６で検知し、欠相信号を出力する。３６は、この電力変換装置に接続された負荷である。ＣＴの電流検出回路とＣＴを貫通する電力変換装置の出力線は、ＣＴ内部で絶縁を施した構造であるため、ＣＴと演算回路の間に絶縁を目的とした回路を設ける必要はない。

図４は、各出力相の電流をシャント抵抗の電圧降下を利用し電流検出する方式である。
図４は、図３の２１〜３２までの素子及び回路を省略しており、５１、５２、５３は、各出力相の電流を検出するためのシャント抵抗、５４はこの電力変換装置に接続された負荷、５５、５６、５７は各シャント抵抗の両端子間電圧を増幅する増幅器、５８、５９、６０は各出力相の電位を基準とした５５、５６、５７の増幅器の出力信号を、基準電位が異なる演算器６１へ伝送するための絶縁型電圧変換器、６１は、前記絶縁型電圧変換器から出力されたシャント抵抗端子電圧増幅値を受け、欠相判定を行う演算器である。
特開２００１−３０９６６９号公報（８頁、図１）

従来技術のように電流検出器を利用し出力欠相検出を行う場合、全ての出力相の電流を検出する必要があるため、どの相にも高価な電流検出器を備える必要がある。例えば図３のＣＴ方式では、ＣＴのパッケージサイズが大きい、ＣＴ部品単価が高価、図４のシャント抵抗方式では、回路構成上部品点数が多く実装面積が大、部品合計価格が高価、絶縁型電圧変換器としてフォトカプラを使用すると寿命が短い、部品単価が高価のため部品合計価格がさらにアップするという問題がある。

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、部品実装面積が小さく安価な回路構成の出力欠相検出手段を搭載した電力変換装置と欠相検出方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、半導体スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードとの並列接続体を２個直列接続してなる直列接続体の接続部を出力端子としてなるアームを１相とし、アームを直流電源の正極と負極間に２個以上並列接続して多相とし、各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換装置において、出力端子電位の状態により欠相と判定する欠相検出手段を備えるようにしたものである。

請求項２記載の本発明は、請求項１の電力変換装置において、欠相検出手段は、出力端子電位が出力周波数の１周期内で、第１の所定電位以下の電位が現れないとき欠相と判定するようにしたものである。

請求項３記載の本発明は、請求項１記載の電力変換装置において、欠相検出手段は、出力端子電位が出力周波数の１周期内で、第１の所定電位よりも高い第２の所定電位以上の電位が現れないとき欠相と判定するようにしたものである。

請求項４記載の本発明は、請求項１記載の電力変換装置において、欠相検出手段は、出力端子電位が、所定の時間、第１の所定電位以下の電位が現れず、かつ、前記第１の所定電圧よりも高い第２の所定電位上の電位が現れないとき欠相と判定するようにしたものである。

請求項５記載の本発明は、請求項１記載の電力変換装置において、欠相検出手段は、出力端子に直列に接続したダイオードと抵抗とコンデンサと、コンデンサの電位を所定電位と比較する比較器からなるようにしたものである。

請求項６記載の本発明は、請求項５記載の電力変換装置において、比較器のパルス出力が出力周波数の１周期中にローレベルかハイレベルで飽和した時、またはパルス出力が歯抜け状態となった時、欠相と判定するようにしたものである。

請求項７記載の本発明は、請求項１記載の電力変換装置において、欠相検出手段を各相に設けるようにしたものである。

請求項８記載の本発明は、半導体スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードとの並列接続体を２個直列接続してなる直列接続体の接続部を出力としてなるアームを１相とし、アームを直流電源の正極と負極間に２個以上並列接続して多相とし、各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換装置の欠相検出方法において、出力端子電位を所定の時間、第１の所定の電圧以下の電位が現れることを検出し、及び出力端子電位を所定の時間、第１の所定電位よりも高い第２の所定の電圧以上の電位が現れることを検出した場合を正常と判定し、前記出力端子電位が第１の所定の電圧以下の電位が現れず、かつ、前記第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧以上の電位が現れないとき欠相と判定するようにしたものである。

本発明によれば、部品実装面積が小さく安価な回路構成の出力欠相検出手段と出力欠相検出方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。

請求項１に記載の出力端子電位の状態より出力欠相を判別できる原理から説明する。
図２は、図３の出力相の１回路分を抜き出した図である。半導体スイッチング素子２がＯＦＦ状態、１がＯＮ状態でかつ１を介して直流電源正極のＰ極から出力端子へ電流１４が流れ出る場合、１がオフすると、出力端子に接続された負荷のインダクタンス特性により還流ダイオード４を介して直流電源負極のＮ極から出力端子へ電流１５が流れ出る。この時、Ｎ極電位を基準とし出力端子電圧を見ると、還流ダイオードの順電圧降下分をＶｆとするとＮ極電位よりＶｆだけ低下する。出力が欠相し負荷との接続が断たれた場合、電流１４が流れないため負荷のインダクタンス特性から生じる電流１５も流れず、Ｎ極電位を基準とした出力端子電圧は不定電圧、もしくは１がＯＮの時は半導体スイッチング素子のオン電圧をＶｃｅｏｎとするとＰ極電位Ｖｐ−Ｖｃｅｏｎ、２がＯＮの時はＶｃｅｏｎの電位が現れる。欠相の場合は、１及び２には電流は殆ど流れないため前記Ｖｃｅｏｎは極小となり、１がＯＮの時はＰ極電位近傍、２がＯＮの時はゼロ近傍の電位が現れ、Ｎ極電位より低下する現象は無くなる。この現象を利用すれば、出力欠相検出が可能となる。第１の所定電圧はＮ極電位を基準として０ｖよりも小さく−Ｖｆよりも大きく設定し、第２の所定電圧はＰ極電位を基準として０Ｖよりも大きくＶｆよりも小さく設定する。

次に出力欠相を検出する方法について説明する。
図１は、出力端子電圧を監視する実施例を示した図である。出力端子に出力欠相検出器に含まれるダイオード５を接続することにより、簡単に出力端子電圧の状態を検出することが可能である。出力欠相検出器はＮ極電位を基準電位とした回路とすると、出力端子電位の変化に対し、図中のＶｉｓの電位も変化する。以下に、出力端子電位とＶｉｓの電位の関係について、３パターン説明する。
パターン１は半導体スイッチング素子２に電流が流れ、出力端子電圧にほぼＮ極電位が現れた場合で、ダイオード５の順電圧降下をＶｄ、抵抗７と８の抵抗値をＲ７，Ｒ８とした場合、Ｖｉｓは（（Ｖｃｅｏｎ＋Ｖｄ）・Ｒ８＋５・Ｒ７））／（Ｒ７＋Ｒ８）になる。
パターン２は還流ダイオード４に電流が流れ、出力端子電位に還流ダイオード４の順電圧分の負電位−Ｖｆが現れた場合で、Ｖｉｓの電位は前記出力端子電圧がＮ極電位の場合よりさらに還流ダイオード４の順電圧だけ低下するので、Ｖｉｓは（（−Ｖｆ＋Ｖｄ）・Ｒ８＋５・Ｒ７）／（Ｒ７＋Ｒ８）になる。
パターン３は半導体スイッチング素子１に電流が流れ、出力端子電位にほぼＰ極電位が現れた場合で、ダイオード５の逆電圧特性により抵抗７に殆ど電流がながれないため、Ｖｉｓは抵抗８を介した直流電源電圧の＋５Ｖとなる。
前記３パターンでＶｉｓ電位の低い順番に並べると、パターン２→パターン１→パターン３となる。パターン２とパターン１のＶｉｓの中間電位（Ｒ８・（−Ｖｆ＋２・Ｖｄ＋Ｖｃｅｏｎ）＋１０・Ｒ７）／２・（Ｒ７＋Ｒ８）を比較１２の−側に、Ｖｉｓを＋側に入力すると、パターン２の時の比較器１２の出力は、ローレベル出力になり、パターン１及び３の時の比較器１２の出力は、ハイレベル出力になる。
半導体スイッチング素子のオンオフ時のｄｉ／ｄｔと配線のインダクタンスでノイズ電圧が発生するので、欠相検出の誤動作を防止するため、抵抗８とコンデンサ６の充電時定数を長めに、抵抗７とコンデンサ６の放電時定数を短めに設定してノイズ電圧をフィルタリングする。出力電流Ｉｏｕｔが正弦波出力の場合、図１の下方の図の通り、比較器１２の出力Ｖｋｏは出力電流周波数に同調したパルス出力となる。
電力変換装置が出力運転中にも関わらず比較器１２の出力Ｖｋｏが常にハイレベルで飽和状態となった時、出力欠相状態と判別できる。

図５は３相電力変換器のＵ相が欠相した時のシミュレーションであり、図６は時間軸を拡大したものである。Ｖｓは比較器の負端子に入力される基準電圧で比較器の電源５Ｖから抵抗分割により、０．５Ｖを得ている。また、Ｖｉｓは電力変換器の出力電圧をフォワードドロップＶｆ０．２Ｖのダイオード、抵抗３３０Ω、コンデンサ０．０１μＦで受けたコンデンサの電圧である。図５の中央付近でＵ相が欠相し、これ以後比較器の出力がプラス側に飽和している。欠相前は比較器の出力は出力１周期内でＬｏｗレベルになるが欠相以後はＬｏｗレベルになることはない。

図７は、出力欠相検出方法を示すフローチャートである。図７において、ステップＳＴ１は予め決めた所定の時間を計測し、所定の時間が経過したら次のステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２では、所定の時間内に出力電圧があらかじめ決めた第１の所定の電圧よりも下がったかどうか判定する。一度でも下がれば正常である。下がらなかった場合は次のステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では、出力電圧が第２の所定の電圧以上に上がったかどうか判定する。一度でも上がれば正常である。上がらなかった場合は欠相と判定する。
このように、電流検出器を使用せずに簡単な回路を追加することで出力欠相検出が可能である。

本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械などインバータおよびサーボが使用される用途に適用できる。

本発明の実施例本発明の欠相検出器原理説明図従来の欠相検出回路（特許文献１に関する図）従来の欠相検出回路本発明をシミュレーションした図本発明をシミュレーションした図本発明の出力欠相検出方法のフローチャート

符号の説明

１、２半導体スイッチング素子
３、４還流ダイオード
５ダイオード
６コンデンサ
７〜１１抵抗器
１２比較器
１３演算器
１４Ｐ極から半導体スイッチング素子１を介して流れ出る出力電流
１５Ｎ極から還流ダイオード４を介して流れ出る出力電流
２１〜２６半導体スイッチング素子
２７〜３２還流ダイオード
３３〜３５電流検出用ＣＴ
３６負荷機
３７〜３９比較演算回路
４０〜４２極性演算回路
４３〜４５ＡＮＤ回路
４６判定演算回路
５１〜５３シャント抵抗
５４負荷機
５５〜５７増幅器
５８〜６０絶縁型電圧変換器
６１Ａ／Ｄコンバータまたはパルス列入力機能内蔵演算器

Claims

半導体スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードとの並列接続体を２個直列接続してなる直列接続体の接続部を出力端子としてなるアームを１相とし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２個以上並列接続して多相とし、前記各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換装置において、
前記出力端子電位の状態により欠相と判定する欠相検出手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記欠相検出手段は、前記出力端子電位が出力周波数の１周期内で、第１の所定電位以下の電位が現れないとき欠相と判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記欠相検出手段は、前記出力端子電位が出力周波数の１周期内で、前記第１の所定電位よりも高い第２の所定電位以上の電位が現れないとき欠相と判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記欠相検出手段は、前記出力端子電位が、所定の時間、第１の所定電位以下の電位が現れず、かつ、前記第１の所定電圧よりも高い第２の所定電位上の電位が現れないとき欠相と判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記欠相検出手段は、前記出力端子に直列に接続したダイオードと抵抗とコンデンサと、前記コンデンサの電位を所定の電圧と比較する比較器からなることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記比較器のパルス出力が出力周波数の１周期中にローレベルかハイレベルで飽和した時、またはパルス出力が歯抜け状態となった時、欠相と判定することを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
前記欠相検出手段を各相に設けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
半導体スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードとの並列接続体を２個直列接続してなる直列接続体の接続部を出力としてなるアームを１相とし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２個以上並列接続して多相とし、前記各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換装置の欠相検出方法において、
出力端子電位を所定の時間、第１の所定の電圧以下の電位が現れることを検出し、及び前記出力端子電位を所定の時間、第２の所定の電圧以上の電位が現れることを検出した場合を正常と判定し、前記出力端子電位が第１の所定の電圧以下の電位が現れず、かつ、前記第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧以上の電位が現れないとき欠相と判定することを特徴とする欠相検出方法。