JP2006262616A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルリレーを不要にして、回生抵抗を過熱、焼損から確実に保護する。
【解決手段】逆変換部４の直流中間回路部に設けた回生抵抗Ｒと直列接続した回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷをオン／オフ制御してモータ５からの回生電力を回生抵抗の熱エネルギーとして消費させるインバータ装置において、回生制御回路はスイッチング素子の短絡故障を検出したときに予備充電回路９の予備充電接点ＰＣＳのオフ制御を行い、予備充電抵抗ＰＣＲが溶断することによって回生抵抗を過熱・焼損から保護する。
予備充電回路が順変換器２の交流側に設けられたインバータ装置への適用、予備充電抵抗を温度ヒューズを内蔵した構成とすることも含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータを可変速制御するインバータ装置に係り、特にモータからの回生電力を回生抵抗で熱エネルギーとして消費させる抵抗回生方式における回生抵抗の過熱保護方式に関する。

図３は、従来から一般的によく用いられる回生抵抗の過熱防止方式の一例を示す構成図である。図３において、３相交流電源から主開閉器になる電磁接触器１を介して取り込む交流電力は整流回路（順変換部）２により直流に変換され、電解コンデンサ３により平滑された後、逆変換部（インバータ）４によって所望の電圧・周波数に制御されてモータ５に印加され、モータ５が可変速制御される。

整流回路２と逆変換部４の間の直流中間回路部には、モータ５の回生制動を行うための回生抵抗ユニット６が設けられる。その回生抵抗ユニット６は回生抵抗Ｒ、その回生抵抗の過熱により動作するサーマルリレーＴＨＲＹにより構成されている。回生制御回路７は回生抵抗と直列接続したスイッチング素子を設け、直流中間電圧が上昇しようとするときに、その電圧に応じてスイッチング素子ＳＷをチョッパ制御（オン／オフ制御）することにより、モータ５からの回生エネルギーを回生抵抗Ｒで熱エネルギーとして消費させる。

このような抵抗回生方式における回生抵抗Ｒは、回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷ（ＩＧＢＴ、トランジスタ等）が短絡故障した場合、直流中間回路の電圧が印加される。この場合、回生抵抗Ｒは連続して電流が流れ続けて過熱する。このとき、制御シーケンス回路８は、サーマルリレーＴＨＲＹの動作によって電磁接触器１を解列させ、直流中間回路の電源遮断によって回生抵抗Ｒの異常過熱や焼損が防止される（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−６９６０９号公報

図３に示す従来の回生抵抗の過熱保護方式では、この保護のために回生抵抗ユニット６にサーマルリレーＴＨＲＹを必要とし、さらにサーマルリレー動作時にインバータ装置を電源と切離すための制御シーケンス回路８が必要となる。

これら回路により、回生制御回路のスイッチング素子ＳＷが短絡故障した場合でも、回生抵抗Ｒの過熱、発火を安全確実に防止することができるが、インバータ装置全体のコストアップ及び小型化の阻害を招く。

特に、既存のシステムで、安全性向上のために回生抵抗の過熱保護を追加しようとする場合、回生抵抗ユニットにサーマルリレーを追加することさえも物理的に困難なことがある。

本発明の目的は、サーマルリレーを不要にして、回生抵抗を過熱、焼損から確実に保護できるインバータ装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、回生抵抗に回生電流を流すスイッチング素子の短絡故障を検出したときに、直流中間回路の電解コンデンサを予備充電する予備充電抵抗に短絡電流を流し、この予備充電抵抗の溶断によって回生抵抗の短絡電流を遮断すること、これに加えて主開閉器を解列させることによって回生抵抗の短絡電流を遮断することにより、回生抵抗を過熱から保護するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）予備充電抵抗と予備充電接点の並列接続構成で順変換部と平滑コンデンサ間に介挿した予備充電回路と、前記予備充電回路を通して逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに前記予備充電回路の予備充電接点のオフ制御を行い、前記予備充電抵抗が溶断することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とする。

（２）予備充電抵抗と予備充電接点の直列接続構成で順変換部の交流入力側主開閉器の接点と並列に介挿した予備充電回路と、逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに、前記主開閉器を解列すると共に、前記予備充電回路の予備充電接点のオン制御を行い、前記予備充電抵抗が溶断することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とする。

（３）予備充電抵抗と予備充電接点の直列接続構成で順変換部の交流入力側主開閉器の接点と並列に介挿した予備充電回路と、逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに、前記主開閉器を解列することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とする。

（４）前記予備充電抵抗は、温度ヒューズを内蔵した構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、回生抵抗に回生電流を流すスイッチング素子の短絡故障を検出したときに、直流中間回路の電解コンデンサを予備充電する予備充電抵抗に短絡電流を流し、この予備充電抵抗の溶断によって回生抵抗の短絡電流を遮断すること、これに加えて主開閉器を解列させることとしたため、従来のサーマルリレーを不要にして、回生抵抗を過熱、焼損から確実に保護できる。

また、回路構成上は、予備充電回路を有するインバータ装置に適用して、回生制御回路に少しの制御機能を追加するのみで済み、装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、予備充電抵抗を温度ヒューズを内蔵した構成とすることで、より安全に回生抵抗の短絡電流を遮断することができる。さらに、予備充電抵抗を溶断せずに主開閉器を解列することで、復旧時に予備充電抵抗の交換を不要にできる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すインバータ装置における過熱保護回路であり、図３と同等のものは同一符号で示す。

本実施形態では、サーマルリレーＴＨＲＹを省略し、予備充電抵抗ＰＣＲと予備充電接点ＰＣＳを並列接続した予備充電回路９を利用して、スイッチング素子ＳＷの短絡故障時に予備充電接点ＰＣＳの開放によって回生抵抗Ｒの過熱保護を行う点にある。このため、回生抵抗ユニット６は、従来のサーマルリレー接点を省いた回生抵抗Ｒのみとする。

以上の構成において、回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷが短絡故障した場合、次のような制御手順で回生抵抗Ｒの過熱保護を行う。

（１）電源投入時、予備充電接点ＰＣＳはオフしており、電解コンデンサ３への充電電流は予備充電抵抗ＰＣＲを通して流れ、突入電流防止を防止する。

（２）電解コンデンサ３の電圧が規定値に達したことを検出または遅延タイマーの遅れ時間だけ後に予備充電接点ＰＣＳをオンさせる。このオン制御は回生制御回路７によって制御することでも良いし、制御シーケンス回路８によって制御することでも良い。

以降、通常運転状態では予備充電接点ＰＣＳがオンの状態でモータ５を運転する。このとき、予備充電抵抗ＰＣＲを通して予備充電電流を流す場合に生じる導通損失を発生しない。以上は一般的なインバータ装置と同様の動作である。

（３）回生制御回路７は、通常運転状態で回生抵抗Ｒの両端の電圧を常時検出しておく。回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷがオンしている状態では、回生抵抗の両端の電圧はほぼ電解コンデンサ３と同じ電圧になるが、オフしている状態では回生抵抗Ｒに電流が流れないので、その両端に電位差は生じない。

また、正常な回生制御では回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷはパルス動作（ＰＷＭ制御もしくは直流電圧との比較コンパレータ制御）となるので、回生抵抗Ｒの検出電圧もパルス波形となる。

（４）回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷが短絡故障した場合、回生抵抗Ｒの検出電圧がパルス波形とならず、直流電圧にほぼ等しい一定値となる。この状態が規定時間以上連続した場合、回生制御回路７はそのスイッチング素子ＳＷが故障したものと判断し、予備充電接点ＰＣＳをオフ制御する。

（５）予備充電接点ＰＣＳがオフされると、モータ５の駆動に消費される電流が予備充電抵抗ＰＣＲを通して流れる。予備充電抵抗ＰＣＲは数Ｗ〜数十Ｗ程度の定格であり、モータは数ｋＷ〜数十ｋＷとすると。予備充電抵抗ＰＣＲは瞬時に過負荷となり、抵抗線が溶断する。

（６）予備充電接点ＰＣＳがオフし、かつ予備充電抵抗ＰＣＲが溶断すれば、回生抵抗Ｒに電流は流れなくなり、過熱・焼損を防止することができる。

なお、上記の予備充電抵抗ＰＣＲは、インバータ装置に一般的に広く使われているセメント抵抗器を想定しているが、より高い安全性を要求される用途には、セメント抵抗器の代わりに温度ヒューズを内蔵したセメント抵抗器を使用する。これにより安全確実に予備充電抵抗ＰＣＲを電気的に切断することができる。

（実施形態２）
図２は本発明の他の実施形態を示す。同図が図１と異なる部分は、インバータ装置の予備充電回路を直流中間回路側ではなく交流側に挿入し、予備充電抵抗と予備充電接点を直列接続で構成した点にある。

本実施形態では、制御シーケンス回路８は、電源投入時に遅延タイマーＴによってまず予備充電接点ＰＣＳ１をオンして予備充電し、この予備充電が完了してから電磁接触器１をオンしてモータ５の運転を可能にする。通常運転時において、回生制御回路７はスイッチング素子ＳＷの短絡故障を検出すると、電磁接触器１をオフ制御すると共に、予備充電接点ＰＣＳ１をオン制御して予備充電抵抗ＰＣＲ１を過負荷状態にして溶断することにより回生抵抗の過熱・焼損を防止する。この場合、回生制御回路７のスイッチング素子ＳＷの短絡故障が発生したときに制御しなければならない部品が増えるが、予備充電回路を交流側に挿入した機種や、既存のインバータ装置で回生機能を拡張する場合に容易になる。

なお、予備充電抵抗ＰＣＲ１は、通常のセメント抵抗器の変わりに温度ヒューズを内蔵したセメント抵抗器を使用すると、より安全確実に予備充電抵抗を電気的に切断することができる。

また、回生制御回路７は、スイッチング素子ＳＷの短絡故障を検出すると、電磁接触器１のみをオフ制御することでもよい。この場合、予備充電抵抗ＰＣＲ１を溶断させないので、復旧後に予備充電抵抗ＰＣＲ１を交換する必要がなくなるメリットがある。

本発明の実施形態１を示す回生抵抗の過熱保護回路。 本発明の実施形態２を示す回生抵抗の過熱保護回路。 従来の回生抵抗の過熱保護回路。

符号の説明

１ 電磁接触器
２ 整流器（順変換部）
３ 電解コンデンサ
４ 逆変換部
５ モータ（負荷）
６ 回生抵抗ユニット
７ 回生制御回路
８ 制御シーケンス回路
９ 予備充電回路

Claims (4)

1. 予備充電抵抗と予備充電接点の並列接続構成で順変換部と平滑コンデンサ間に介挿した予備充電回路と、前記予備充電回路を通して逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
   前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに前記予備充電回路の予備充電接点のオフ制御を行い、前記予備充電抵抗が溶断することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 予備充電抵抗と予備充電接点の直列接続構成で順変換部の交流入力側主開閉器の接点と並列に介挿した予備充電回路と、逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
   前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに、前記主開閉器を解列すると共に、前記予備充電回路の予備充電接点のオン制御を行い、前記予備充電抵抗が溶断することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
3. 予備充電抵抗と予備充電接点の直列接続構成で順変換部の交流入力側主開閉器の接点と並列に介挿した予備充電回路と、逆変換部に直流電力を供給する直流中間回路部に設けた回生抵抗と、前記回生抵抗と直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷からの回生電力を前記回生抵抗の熱エネルギーとして消費させる回生制御回路とを備えたインバータ装置において、
   前記回生制御回路は、前記スイッチング素子の短絡故障を検出したときに、前記主開閉器を解列することによって前記回生抵抗を過熱・焼損から保護する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
4. 前記予備充電抵抗は、温度ヒューズを内蔵した構成を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
   

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