JP2008253008A - 電力変換装置および電源誤接続判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置の誤接続に起因する損傷の防止機能を備えた電力変換装置を回路規模の増加やコストの増大を抑制しつつ実現すること。
【解決手段】インバータ回路２には、スイッチング素子および整流素子からなる上アームスイッチ部５ａと下アームスイッチ部５ｂとシャント抵抗１９とが直列に接続された１相分の直列接続回路部が複数個並列に接続されたブリッジ回路が構成される。実運転時には、制御部３は、上アームスイッチ部および下アームスイッチ部のスイッチング素子の導通を制御するためのスイッチング素子制御信号をインバータ回路に出力するとともに、スイッチング素子制御信号によってシャント抵抗１９〜２１に流れた電流を検出する。一方、電源装置の誤接続を検出する場合には、下アームスイッチ部の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を出力し、当該スイッチング素子制御信号によって検出された検出電流に基づいて閾値判定する。
【選択図】 図４−１

Description

本発明は、インバータ回路を備えた電力変換装置に関するものである。

インバータのモータ端子に電源装置が誤って接続されたことを検出し、パワー素子の破壊を防止することを目的とするインバータの保護装置（方法）を開示した文献が存在する（例えば、下記特許文献１）。この特許文献１では、インバータの電源装置が投入されたときに、回生放電駆動回路を動作させ回生電力放電回路に電流を流し、その電流がインバータ装置の電流検出回路にて検出されるか否かをＣＰＵにて判定し、インバータのモータ端子に電源装置が接続されたことを検出するようにしている。

特開２０００−１３９０８２号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるインバータの保護方法は、負荷として接続されたモータの回生動作によってコンバータ部の電圧が過電圧となるのを防止するために設けられた回生電力放電回路を利用する方法であるため、回生放電駆動回路や回生電力放電回路を有さないインバータ装置には適用することができないという課題が存在していた。また、負荷接続端子に電源装置を誤って接続してしまうような誤接続を防止あるいは検出する目的だけのために、回生放電駆動回路や回生電力放電回路（あるいはこれらに相当する構成部）を付加することは、回路規模の増加やコストの増大に直結するため、好ましい方法ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源装置の誤接続の有無を検出する機能を備えた電力変換装置を回路規模の増加やコストの増大を抑制しつつ実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、交流電源を接続する入力端子を有し、該入力端子から供給される交流出力を直流出力に変換する整流回路と、スイッチング素子と整流素子とを逆並列接続した回路部を直列に接続した一対のスイッチ部にシャント抵抗を接続した直列接続回路部を複数個並列に接続したブリッジ回路を構成するとともに、該ブリッジ回路の両端が前記整流回路からの直流出力を蓄積するコンデンサの両端間に接続され、前記一対のスイッチ部の接続部から引き出された負荷接続端子を介して所定の負荷装置に交流電力を供給するインバータ回路と、前記回路部のスイッチング素子の導通を制御するためのスイッチング素子制御信号を前記インバータ回路に出力するとともに、前記シャント抵抗に流れた電流を検出する制御部と、を備え、前記制御部は、前記一対のスイッチ部の前記シャント抵抗に接続されている回路部のスイッチング素子の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を生成して前記インバータ回路に出力するとともに、該スイッチング素子制御信号の入力によって検出された電流検出信号に基づいて、電流が０か否かにより前記負荷接続端子における電源装置の誤接続の有無を判定することを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置によれば、電源装置の誤接続を検出する場合に、一対のスイッチ部のシャント抵抗に接続されている回路部のスイッチング素子の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を出力し、当該スイッチング素子制御信号によって検出された検出電流が０か否かにより、負荷接続端子における電源装置の誤接続の有無を判定するようにしているので、負荷接続端子に電源装置が誤接続された場合であっても、電力変換装置自身の損傷を防止することができるという効果が得られる。また、既存機能を効果的に利用することができるので、回路規模の増加やコストの増大を抑制することが可能となるという効果が得られる。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（本発明の位置づけ）
図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す回路図である。同図に示す電力変換装置は、３相の電源装置が接続される入力端子（Ｒ端子，Ｓ端子，Ｔ端子）および３相の負荷装置が接続される負荷接続端子としての出力端子（Ｕ端子，Ｖ端子，Ｗ端子）を備え、入力端子に繋がる整流回路１と、整流回路１の出力に基づき出力端子を介して所定の交流出力を出力するインバータ回路２と、インバータ回路２を制御する制御部３と、を備えて構成される。

ここで、図１の構成図では、負荷装置を接続すべき出力端子に電源装置３０が接続された誤接続の状態を示しているが、このような誤接続は作業者の過誤によって発生することが殆どである。したがって、誤接続の防止を目的として製品上に表記や注記を施したとしても、作業者の過誤によって生ずる以上、このような誤接続を皆無とすることは不可能である。

もし、上記のような誤接続を行ってしまった場合には、電源入力を即時に遮断した場合であっても、電力変換装置内のスイッチング素子が損傷している可能性があり、作業の中断を余儀なくされ、装置の復旧作業に多大の時間を必要とするなど、作業が遅延するという問題が生起する。

また、この種の損傷防止に際し、短絡電流が流れる経路にヒューズを設けるような簡易な手法を採用することも考えられる。しかしながら、ヒューズを挿入する手法では、ヒューズの溶断が必ず起こるため、ヒューズ交換という作業が必ず必要になるという欠点がある。なお、ヒューズの溶断が発生した場合には、誤接続以外の原因も考えられるので、ヒューズ交換だけでなく、電力変換装置内のスイッチング素子等が正常に動作すること等の品質確認を行う必要があり、作業の中断は不可避となる。

このように、本発明は、上記のような電源誤接続に起因する種々の問題を解決するため方策として、電源装置の誤接続を未然に防止することではなく、電源装置の誤接続が生起してしまった場合に、装置側において所要の対策を施す手段および手法を提案するものである。

（電力変換装置の構成）
図１に戻り、整流回路１は、ダイオード１３〜１８の６つのダイオードを備え、これらの６つのダイオードがフルブリッジ回路を構成している。

インバータ回路２は、スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続した回路部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ（以下「スイッチ部」という）を直列に上下２回路分接続した一対のスイッチ部を有し、この一対のスイッチ部が各並列に３相分接続され、さらに、各相の下アーム側に配置されたスイッチ部の下端側に電流検出のためのシャント抵抗が挿入されたブリッジ回路を構成している。

すなわち図１において、上アーム側に配置されたスイッチ部（以下「上アームスイッチ部」という）５ａと下アーム側に配置されたスイッチ部（以下「下アームスイッチ部」という）５ｂ、上アームスイッチ部６ａと下アームスイッチ部６ｂ、および上アームスイッチ部７ａと下アームスイッチ部７ｂの各対が、それぞれ直列に接続されるとともに、下アームスイッチ部５ｂ，６ｂおよび７ｂの一端には電流検出手段であるシャント抵抗１９，２０，２１がそれぞれ接続される。また、直列接続された上アームスイッチ部５ａと下アームスイッチ部５ｂとシャント抵抗１９、直列接続された上アームスイッチ部６ａと下アームスイッチ部６ｂとシャント抵抗２０、および直列接続された上アームスイッチ部７ａと下アームスイッチ部７ｂとシャント抵抗２１の各対が、整流回路１からの整流出力を蓄積するコンデンサ２２の両端に並列に接続される。なお、上アームスイッチ部５ａと下アームスイッチ部５ｂとの接続点、上アームスイッチ部６ａと下アームスイッチ部６ｂとの接続点、および上アームスイッチ部７ａと下アームスイッチ部７ｂとの接続点が、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各出力端子として引き出される。

制御部３は、インバータ回路２にスイッチング素子制御信号を出力する。また、制御部３は、シャント抵抗１９〜２１が検出した電圧値を電流検出信号として受領し、受領した電流検出信号に基づいて出力端子に電源装置が誤接続されていないかを判別する。

（制御部の構成）
図２は、図１に示した制御部３の構成を示すブロック図である。同図に示す制御部３は、入力回路４０、ＣＰＵ４１、メモリ４２および出力回路４３，４４を備えている。ＣＰＵ４１は、メモリに保持された所定のプログラムに基づいて出力回路４３を介してスイッチング素子制御信号をインバータ回路２に出力する。制御部３は、インバータ回路２のシャント抵抗によって検出された電流検出信号が入力回路４０を介して入力されると、この電流検出信号に基づいて後述する制御処理を行い、電源装置の誤接続の有無を判定する。その際、制御部３は、電源装置の誤接続を検出した場合には、その検出結果を出力回路４４を介したアラーム信号として出力する。

（誤接続判定のための制御手法）
図３は、誤接続の接続判定を行う際のスイッチング素子制御信号の出力パターンを示す図表である。同図に示すように、誤接続の接続判定を行う場合には、上アーム側の全てのスイッチング素子（上アームスイッチ部５ａ，６ａ，７ａ）はオフ制御される一方で、下アーム側の全てのスイッチング素子（下アームスイッチ部５ｂ，６ｂ，７ｂ）はオン制御される。なお、このようなスイッチング制御が行われたときにインバータ回路２のシャント抵抗に流れる電流の様子は、図４−１〜図４〜３のように示される。また、図５は、図４−１〜図４〜６の各図面と３相電源の位相状態との関係を対応づけるために示した３相電源の各相の波形図である。

図５において、区間Ａの位相状態では図４−１に示す向きの電流が流れる。すなわち、区間Ａの位相状態では、Ｕ相電圧の極性は正であるため、Ｕ相電流は出力端子Ｕから下アームスイッチ部５ｂへ流れる。一方、Ｖ相電圧の極性は負であるため、Ｖ相電流は下アームスイッチ部６ｂから出力端子Ｖへ流れる。また、Ｗ相電圧の極性は負であるため、Ｗ相電流は下アームスイッチ部７ｂから出力端子Ｗへ流れる。

同様に、区間Ｂの位相状態では図４−２に示すように、区間Ｃの位相状態では図４−３に示すように、区間Ｄの位相状態では図４−４に示すように、区間Ｅの位相状態では図４−５に示すように、区間Ｆの位相状態では図４−６に示すように電流が流れる。

なお、図３に示したスイッチング素子制御信号のオン時間については、電流検出の応答時間、ＣＰＵ処理時間等に応じた所定のオン時間を設定する。また、電流検出信号から電源装置の誤接続を判定する方法としては、電流が０（流れない：正常）か否か（流れた：誤接続）で判定する。また、検出器の精度を考慮して３相全ての電流検出信号を用いて閾値判定する手法や、３相全てではなく、２相あるいは１相の電流検出信号のみを用いて閾値判定する手法など、種々の手法が考えられるが、どのような手法を用いて行ってもよい。また、電流検出信号の検出電流値の処理についても、各相ごとに検出される電流値の加算値や平均値、あるいは電流値の絶対値の加算値や平均値を用いるなどの種々の手法が考えられるが、いずれの手法を用いて判定してもよい。

また、本実施の形態にかかる電力変換装置が実際の製品に適用された場合を考えるとき、上述の誤接続判定機能は、運転開始あるいは運転開始準備の直前に使用されることが殆どであり、実運転中に用いられることはあまり考えられない。そこで、本機能を使用するモードとして、「誤接続判定モード」のような診断モードを設けることが好ましい。このような診断モードを設けることによって、実運転中に誤ったスイッチング素子制御信号がインバータ回路に入力されるのを防止することができる。

また、図１に示す実施の形態では、３相の電源装置が接続される入力端子と３相の負荷装置が接続される出力端子を有する電力変換装置に適用する実施の形態について示したが、この構成に限定されるものではなく、例えば単相の電源装置が接続される入力端子と単相の負荷装置が接続される出力端子を有する電力変換装置に適用することも可能である。

また、上記では、下アームスイッチ部の下端部にシャント抵抗を接続した例を説明したが、上アームスイッチ部の上端部にシャント抵抗を接続してもよい。

以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置では、電源装置の誤接続を検出する場合に、下アームスイッチ部５ｂ〜７ｂの全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を出力し、当該スイッチング素子制御信号によって検出された検出電流に基づいて閾値判定するようにしているので、出力端子（負荷端子）に電源装置が誤接続された場合であっても、電力変換装置自身の損傷を防止することができる。また、既存の機能を効果的に利用することができるので、回路規模の増加やコストの増大を抑制することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電源装置の誤接続を検出して自身の損傷を防止することができる発明として有用である。

本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す回路図である。 図１に示した制御部の構成を示すブロック図である。 誤接続の接続判定を行う際のスイッチング素子制御信号の出力パターンを示す図表である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｕ＞０，Ｖｖ，Ｖｗ＜０の場合）を示す図である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｕ，Ｖｖ＞０，Ｖｗ＜０の場合）を示す図である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｖ＞０，Ｖｕ，Ｖｗ＜０の場合）を示す図である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｖ，Ｖｗ＞０，Ｖｕ＜０の場合）を示す図である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｗ＞０，Ｖｕ，Ｖｖ＜０の場合）を示す図である。 電源装置の誤接続によってインバータ回路内に流れる電流の様子（Ｖｕ，Ｖｗ＞０，Ｖｖ＜０の場合）を示す図である。 図４−１〜図４〜６の各図面と３相電源の位相状態との関係を対応づけるために示した３相電源の各相の波形図である。

符号の説明

１ 整流回路
２ インバータ回路
３ 制御部
５ａ，６ａ，７ａ 上アームスイッチ部
５ｂ，６ｂ，７ｂ 下アームスイッチ部
１３〜１８ ダイオード
１９，２０，２１ シャント抵抗
２２ コンデンサ
３０ 電源装置
４０ 入力回路
４１ ＣＰＵ
４２ メモリ
４３，４４ 出力回路

Claims (3)

1. 交流電源を接続する入力端子を有し、該入力端子から供給される交流出力を直流出力に変換する整流回路と、
   スイッチング素子と整流素子とを逆並列接続した回路部を直列に接続した一対のスイッチ部にシャント抵抗を接続した直列接続回路部を複数個並列に接続したブリッジ回路を構成するとともに、該ブリッジ回路の両端が前記整流回路からの直流出力を蓄積するコンデンサの両端間に接続され、前記一対のスイッチ部の接続部から引き出された負荷接続端子を介して所定の負荷装置に交流電力を供給するインバータ回路と、
   前記回路部のスイッチング素子の導通を制御するためのスイッチング素子制御信号を前記インバータ回路に出力するとともに、前記シャント抵抗に流れた電流を検出する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記一対のスイッチ部の前記シャント抵抗に接続されている回路部のスイッチング素子の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を生成して前記インバータ回路に出力するとともに、該スイッチング素子制御信号の入力によって検出された電流検出信号に基づいて、電流が０か否かにより前記負荷接続端子における電源装置の誤接続の有無を判定することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   一対のスイッチ部の前記シャント抵抗に接続されている回路部のスイッチング素子の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を生成して前記インバータ回路に出力するとともに、該スイッチング素子制御信号の入力によって検出された電流検出信号に基づいて、前記負荷接続端子における電源装置の誤接続の有無を閾値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。
3. 交流電源を接続する入力端子から供給される交流出力を直流出力に変換する整流回路と、スイッチング素子と整流素子とを逆並列接続した回路部を直列に接続した一対のスイッチ部にシャント抵抗を接続した直列接続回路部を複数個並列に接続したブリッジ回路を構成するとともに、該ブリッジ回路の両端が前記整流回路からの直流出力を蓄積するコンデンサの両端間に接続され、前記一対のスイッチ部の接続部から引き出された負荷接続端子を介して所定の負荷装置に交流電力を供給するインバータ回路と、前記回路部のスイッチング素子の導通を制御するためのスイッチング素子制御信号を前記インバータ回路に出力するとともに、前記シャント抵抗に流れた電流を検出する制御部と、を備え、前記負荷接続端子に電源装置が誤接続されたか否かを判定する電源誤接続判定方法であって、
   前記制御部は、
   前記一対のスイッチ部の前記シャント抵抗に接続されている回路部のスイッチング素子の全てがオンとなるようなスイッチング素子制御信号を生成する第１ステップと、
   前記第１ステップによって生成されたスイッチング素子制御信号を前記インバータ回路に出力する第２ステップと、
   前記スイッチング素子制御信号によって検出された電流検出信号に基づいて、前記負荷接続端子における電源装置の誤接続の有無を閾値判定する第３ステップと、
   を含むことを特徴とする電源誤接続判定方法。

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