JP2006296108A - 欠相検出装置及び交流−交流直接変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路部品の増加や構成の複雑化を伴わずに低コストにて欠相を検出可能とした欠相検出装置、及びこの欠相検出装置を備えた交流−交流直接変換装置を提供する。
【解決手段】三相交流電源１の各相電圧を検出する電源電圧検出手段２００と、検出した各相電圧から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段２０１と、電源電圧ベクトルの大きさが設定値より低下したことを検出する電圧低下検出手段２０２と、この電圧低下検出手段２０２の出力に基づいて、電源電圧ベクトルの大きさが前記設定値より低下した回数、及び、最初に設定値より低下してからの経過時間を検出する手段２０３，２０４と、前記回数及び経過時間に基づいて三相交流電源１の欠相を検出する手段２０５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相交流の欠相を検出する欠相検出装置、及び、この欠相検出装置を備えたマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換装置に関するものである。

図６は、特許文献１に開示されている従来のインバータ装置及びその欠相検出回路の構成であり、入出力は一般的な三相の場合を示している。図６では、入力側をＲ，Ｓ，Ｔ相、出力側をＵ，Ｖ，Ｗ相としてある。

図６において、整流器３０１は三相交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧は直流リンク部のコンデンサ３０３によって平滑され、インバータ３０２に供給される。
直流電圧検出手段４０１は直流電圧の瞬時値を取り込み、電圧比較手段４０２は直流電圧の瞬時値と設定値とを常時比較している。この電圧比較手段４０２は直流電圧の比較結果に基づいて入力電圧の欠相を検出する。以下に、その動作を述べる。

図７は、図６のコンデンサ３０３による平滑化前後の直流電圧の波形図であり、点線は平滑化前の直流電圧ｅ_ｄｃ０を、実線は平滑化後の直流電圧ｅ_ｄｃを示している。図７に示すように、平滑化後の直流電圧ｅ_ｄｃの下限値（正常下限電圧ｅ_ｎｌ１）は、平滑化前の直流電圧ｅ_ｄｃ０の下限値ｅ_ｎｍ１までは低下せず、その分、リプルが低減されている。

一方、図８は入力電圧の欠相時における平滑化前後の直流電圧を示す波形図である。例えば、Ｓ相電圧が欠相した場合、整流器３０１はＲ相，Ｔ相の各単相電圧を整流するため、直流電圧は電源周波数の２倍で脈動する。このため、平滑化後の直流電圧ｅ_ｄｃの下限値は正常下限電圧ｅ_ｎｌ１よりも低下するので、この値が欠相検出下限電圧ｅ_ｓに達することにより欠相を検出することができる。

また、他の従来技術として、特許文献２に記載された電力変換装置における欠相検出技術が存在する。
この従来技術は、インバータの出力側に接続されたΔ−Ｙ変圧器の出力線間電圧を電圧測定器を介して欠相検出回路に入力し、前記線間電圧の絶対値をローパスフィルタに通して閾値と比較することにより欠相を検出するものである。

特開２００４−５６８９３号公報（［０００７］〜［００１０］、図１〜図３等） 特開２００４−８８８６１号公報（［０００５］〜［０００９］、図１〜図３等）

特許文献１の従来技術をそのまま交流−交流直接変換器に適用して欠相を検出する場合には、交流入力電圧を直流電圧に変換するための整流器やコンデンサ等の平滑手段、直流電圧検出手段、電圧比較手段等のハードウェアを新たに追加する必要がある。しかし、これらの回路部品を追加すると装置が大形化し、また、コスト上昇の原因ともなる。
更に、特許文献２の従来技術においても、各線間電圧に対して個別に絶対値演算回路、ローパスフィルタ、比較回路等を設けなくてはならず、回路構成が複雑化するという問題がある。また、実際の欠相発生から欠相検出までにローパスフィルタの時定数に応じた時間を要するため、欠相発生時にインバータの運転を直ちに停止する必要がある場合には、停止措置が遅れて運転が継続される結果、負荷に悪影響を及ぼすおそれがある。
そこで本発明の解決課題は、回路部品の増加や構成の複雑化を伴うことなく低コストにて確実かつ迅速に欠相を検出可能とした欠相検出装置、及び、この欠相検出装置を備えた交流−交流直接変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した欠相検出装置は、多相交流電源の各相電圧を検出する電源電圧検出手段と、
この電源電圧検出手段により検出した各相電圧から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、
この演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさが設定値より低下したことを検出する電圧低下検出手段と、
この電圧低下検出手段の出力に基づいて、前記電源電圧ベクトルの大きさが前記設定値より低下した回数、及び、最初に設定値より低下してからの経過時間を検出する手段と、
前記回数及び経過時間に基づいて前記多相交流電源の欠相を検出する手段と、
を有するものである。

請求項２に記載した欠相検出装置は、多相交流電源の各相電圧を検出する電源電圧検出手段と、
この電源電圧検出手段により検出した各相電圧から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、
この演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさの時間平均値を演算する手段と、
この手段により演算した前記時間平均値が設定値より低下したことから前記多相交流電源の欠相を検出する手段と、を有するものである。

請求項３に記載した交流−交流直接変換装置は、請求項１または２に記載した欠相検出装置を備えたものであり、請求項４に記載するように、前記欠相検出装置から出力される欠相検出信号を用いて直接変換器の運転を停止する手段を備えることが望ましい。

本発明によれば、電源電圧ベクトルの大きさに基づく演算により欠相を検出するため、各相電圧を個別に閾値と比較して欠相が発生した相を特定する方法に比べて回路構成を簡略化することができ、欠相検出装置を低コストにて実現することができる。
このため、例えば交流−交流直接変換装置に適用する場合には、整流器や平滑手段等を付加しなくても既存の制御装置のソフトウェアを追加、改良するだけで、欠相の迅速な検出及び保護動作が可能になる。

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実施形態を示すブロック図であり、請求項１に記載した欠相検出装置の実施形態に相当する。この実施形態は、本発明にかかる欠相検出装置を交流−交流直接変換装置に適用した場合のものである。

図１において、１は三相交流電源、４はリアクトル４１及びコンデンサ４２からなる入力フィルタ、３はマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換器、２は交流電動機等の負荷である。なお、本明細書では、電源１、入力フィルタ４、直接変換器３と、以下に述べる各手段とを含めた全体を交流−交流直接変換装置と呼ぶものとする。

次に、前記直接変換器３の制御装置において、２００は電源電圧検出手段であり、２０１は三相各相の電源電圧ｖ_Ｒ，ｖ_Ｓ，ｖ_Ｔを数式１に基づいて二相量ｖ_α，ｖ_βに変換し、数式２によって二相量ｖ_α，ｖ_βから電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉを演算する大きさ演算手段である。

ここで、交流入力電圧の欠相時における電源電圧ベクトルの振る舞いについて述べる。
例えば、Ｒ相で欠相が起きると、Ｒ相電源電圧検出値はｖ_Ｒ＝０となる。また、零相分が検出できない、すなわち三相電圧検出値の和がゼロであることを考慮すると、ｖ_Ｓ＝−ｖ_Ｔとなる。これらの条件を数式１に代入すると、電源電圧の二相量ｖ_α，ｖ_βは数式３によって表される。

数式３を数式２に代入すると、数式４となる。

いま、各相の電源電圧が正弦波であるとすると、Ｓ相電圧ｖ_Ｓは数式５によって表される。

数式５を数式４に代入すると、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉは、図２に示すように電源周波数の２倍で脈動することがわかる。
第１実施形態は上記の点に着目したものであり、図１における電圧低下検出手段２０２は、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉが所定の設定値よりも低下した際に“Ｈ(High)”レベルの信号を出力し、設定値以上の時は、“Ｌ(Low)”レベルの信号を出力する。欠相が発生すると、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉは前述のように電源周波数の２倍で脈動するので、電圧低下検出手段２０２の出力信号のレベルは“Ｈ”と“Ｌ”を繰り返し、“Ｌ”から“Ｈ”または“Ｈ”から“Ｌ”へのレベルの切り替わり周期は電源周期の半分となる。このため、図２における電圧低下フラグの周期Ｔ_１ｖは、電源周波数が５０〔Ｈｚ〕であれば１０〔ｍｓ〕となり、６０〔Ｈｚ〕であれば約８．３〔ｍｓ〕となる。

図１の電圧低下検出手段２０２の出力側に設けられた電圧低下回数検出手段２０３は、電圧低下検出手段２０２の出力信号の立上がり（“Ｌ”から“Ｈ”）または立下がり（“Ｈ”から“Ｌ”）の回数を計算する。また、時間計測手段２０４は電圧低下検出手段２０２の出力信号のレベルが“Ｈ”となって最初に電圧低下が検出されてからの経過時間を、ある設定時間の範囲内で計測する。

図３は、本実施形態における欠相発生時のシミュレーション波形を示している。
図示するようにＲ相に欠相が発生してＲ相電圧ｖ_Ｒが消失すると、上述のごとく規則的に電源電圧ベクトルの大きさの低下が検出されるようになる。このため、例えば、電源周波数が５０〔Ｈｚ〕の場合、時間計測手段２０４により計測した２周期（４０〔ｍｓ〕）以内に、電圧低下回数検出手段２０３によって電圧低下回数が４または５回（すなわち電圧低下フラグの周期が１０〔ｍｓ〕以下）検出されたら、図１の欠相検出手段２０５は欠相と判断して欠相検出信号（欠相検出フラグ）を出力する。なお、図３の例は、電圧低下回数を５回検出した時点で欠相を検出している。

このようにして欠相検出信号が出力されると、図１のＰＷＭ信号作成手段１００が交流−交流直接変換器３を全ゲート遮断してその動作を停止させる。なお、制御信号作成手段１０１はＰＷＭ信号作成手段１００に対する電圧指令等を作成して出力するものであり、欠相検出信号をこの制御信号作成手段１０１に入力して動作を停止させてもよい。
また、時間計測手段２０４における設定時間内に電圧低下回数が設定値に満たない場合には、欠相ではないと判断して通常動作を継続する。
なお、図１の実施形態では電源電圧を入力フィルタ４の一次側から検出しているが、入力フィルタ４の二次側から検出してもよい。

次に、図４は本発明の第２実施形態を示すブロック図であり、請求項２に記載した発明の実施形態に相当する。
第１実施形態と異なる部分を中心に説明すると、この実施形態では、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉの時間平均値Ｖ_ｉａｖを平均値演算手段２０６により演算する。この演算は、例えばローパスフィルタを用いたり移動平均を求めることで実現可能である。欠相によって電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉが脈動するとその時間平均値Ｖ_ｉａｖは低下するので、欠相検出手段２０５は上記時間平均値Ｖ_ｉａｖが設定値より低下したことをもって欠相を検出する。以後の動作は第１実施形態と同様である。

図５は、電源電圧ベクトルの大きさＶ_ｉとその平均値Ｖ_ｉａｖの計算結果を示す波形図であり、本実施形態では、平均値Ｖ_ｉａｖが設定値よりも低下した場合に欠相と判断して欠相検出信号（欠相検出フラグ）を発生させる。
なお、この実施形態においても、電源電圧を入力フィルタ４の二次側から検出してもよい。

上述したように、各実施形態にかかる欠相検出装置によれば、電源電圧ベクトルの大きさに基づいて簡単な演算によって欠相を検出することが可能であり、交流−交流直接変換装置を保護するためのみならず、多相交流電源全般を対象として確実に欠相を検出することができる。
また、電力変換器の直流リンク電圧に基づいて欠相を検出する方式ではないため、整流器や平滑手段等のハードウェアを付加しなくても交流−交流直接変換装置に適用可能であり、その制御装置にソフトウェアを追加するだけで、欠相時における直接変換器の迅速な保護を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 第１実施形態における欠相時の動作を示す波形図である。 第１実施形態における欠相時のシミュレーション波形を示す図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 第２実施形態における欠相時の動作を示す波形図である。 従来技術の構成図である。 図６における平滑化前後の直流電圧の波形図である。 図６における欠相時の直流電圧の波形図である。

符号の説明

１：三相交流電源
２：負荷
３：交流−交流直接変換器
４：入力フィルタ
４１：リアクトル
４２：コンデンサ
１００：ＰＷＭ信号作成手段
１０１：制御信号作成手段
２００：電源電圧検出手段
２０１：電源電圧ベクトルの大きさ演算手段
２０２：電圧低下検出手段
２０３：電圧低下回数検出手段
２０４：時間計測手段
２０５：欠相検出手段
２０６：平均値演算手段

Claims (4)

1. 多相交流電源の各相電圧を検出する電源電圧検出手段と、
   この電源電圧検出手段により検出した各相電圧から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、
   この演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさが設定値より低下したことを検出する電圧低下検出手段と、
   この電圧低下検出手段の出力に基づいて、前記電源電圧ベクトルの大きさが前記設定値より低下した回数、及び、最初に設定値より低下してからの経過時間を検出する手段と、
   前記回数及び経過時間に基づいて前記多相交流電源の欠相を検出する手段と、
   を有することを特徴とする欠相検出装置。
2. 多相交流電源の各相電圧を検出する電源電圧検出手段と、
   この電源電圧検出手段により検出した各相電圧から電源電圧ベクトルの大きさを演算する演算手段と、
   この演算手段により演算した電源電圧ベクトルの大きさの時間平均値を演算する手段と、
   この手段により演算した前記時間平均値が設定値より低下したことから前記多相交流電源の欠相を検出する手段と、
   を有することを特徴とする欠相検出装置。
3. 請求項１または２に記載した欠相検出装置を備えたことを特徴とする交流−交流直接変換装置。
4. 請求項３に記載した交流−交流直接変換装置において、
   前記欠相検出装置から出力される欠相検出信号を用いて直接変換器の運転を停止する手段を備えたことを特徴とする交流−交流直接変換装置。

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