JP2011055590A - Power converter and method of detecting abnormality in power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導電動機などの負荷に三相交流電力を供給する電力変換装置の異常を検出する技術に関する。 The present invention relates to a technique for detecting an abnormality in a power converter that supplies three-phase AC power to a load such as an induction motor.
誘導電動機に三相交流電力を供給する電力変換装置として、図5に示すものが従来から知られている。この電力変換装置は入力端子R,S,Tを介して交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路11と、このコンバータ回路11から出力された直流電力を平滑する平滑コンデンサ12と、この平滑コンデンサ12で平滑された直流電力を三相交流電力に変換して三相誘導電動機16に出力するインバータ回路13と、このインバータ回路13を制御するインバータ制御回路15とを備えており、インバータ回路13はインバータ制御回路15からのPWM(パルス幅変調)信号によりスイッチング動作するIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のスイッチング素子14a,14b,14c,14d,14e,14fを有している。
As a power conversion device for supplying three-phase AC power to an induction motor, the one shown in FIG. 5 is conventionally known. This power conversion device converts a three-phase AC power supplied from an AC power supply via input terminals R, S, and T into a DC power and outputs the DC power output from the
このような電力変換装置はインバータ回路のスイッチング素子に短絡破壊やオープン破壊などの機能喪失が生じると三相誘導電動機を正常に駆動することができなくなるため、スイッチング素子の機能喪失による電力変換装置の異常を検出する技術として、スイッチング素子を予め定めた複数の組合せパターンに従って順次スイッチングさせてゆき、このときにインバータ回路から誘導電動機に供給される三相交流電流の変化に基づいて電力変換装置の異常を検出する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Such a power conversion device cannot normally drive a three-phase induction motor if a loss of function such as a short-circuit failure or an open failure occurs in a switching element of an inverter circuit. As a technique for detecting an abnormality, the switching elements are sequentially switched according to a plurality of predetermined combination patterns. At this time, the abnormality of the power converter is determined based on the change in the three-phase alternating current supplied from the inverter circuit to the induction motor. There is known a method of detecting (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に開示された方法によると、インバータ回路のスイッチング素子に生じた異常が短絡破壊であるのかオープン破壊であるのかを判別できると共に異常が生じたスイッチング素子を特定できるという利点があるが、インバータ回路にPWM信号を出力するインバータ制御回路に異常が生じているときもインバータ回路の異常と誤判定してしまう可能性があり、異常の発生箇所を正確に特定できないという問題点がある。 According to the method disclosed in Patent Document 1, there is an advantage that it is possible to determine whether an abnormality that has occurred in the switching element of the inverter circuit is a short-circuit breakdown or an open breakdown and to identify the switching element in which the abnormality has occurred. Even when an abnormality occurs in the inverter control circuit that outputs a PWM signal to the inverter circuit, there is a possibility that it is erroneously determined as an abnormality in the inverter circuit, and there is a problem that the location where the abnormality occurs cannot be specified accurately.
そこで、インバータ制御回路からインバータ回路に出力されるPWM信号をモニタ回路によってモニタリングすると共に、インバータ回路から誘導電動機に供給される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流をそれぞれ電流センサによって検出し、モニタ回路でモニタしたPWM信号と電流センサで検出した各相電流とに基づいて電力変換装置の異常を検出する技術が特許文献2に開示されている。
Therefore, the PWM signal output from the inverter control circuit to the inverter circuit is monitored by the monitor circuit, and the U-phase current, the V-phase current, and the W-phase current of the three-phase AC power supplied from the inverter circuit to the induction motor are respectively currents.
特許文献2に開示された技術によると、異常の発生箇所がインバータ主回路であるのかインバータ制御回路であるのかを特定することができる。しかしながら、特許文献2に開示された技術では、インバータ回路から誘導電動機に供給される三相交流電流の波形を理想電流の波形と比較して異常の有無を判定しているため、異常の発生原因が回路部品の機能喪失による場合には電力変換装置の異常を検出できるが、異常の発生原因がスイッチング素子の絶縁特性低下やPWM信号生成用コンデンサの容量低下などのように回路部品の機能低下による場合には電力変換装置の異常を検出することが難しいという問題点があった。
According to the technique disclosed in
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子等の回路部品の機能低下による電力変換装置の異常を検出することのできる電力変換装置の異常検出方法を提供することを目的するものである。また、本発明の他の目的は、スイッチング素子等の回路部品の機能低下によるインバータ回路やインバータ制御回路の異常を検出することのできる電力変換装置を提供することを目的するものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an abnormality detection method for a power conversion device that can detect an abnormality of the power conversion device due to a function deterioration of a circuit component such as a switching element. Is. Another object of the present invention is to provide a power converter that can detect an abnormality in an inverter circuit or an inverter control circuit due to a deterioration in the function of circuit components such as switching elements.
上記課題を解決するために、第1の発明に係る電力変換装置の異常検出方法は、直流電力を三相交流電力に変換して出力するインバータ回路を有する電力変換装置の異常を検出する方法であって、前記インバータ回路から出力される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流を計測し、前記U相電流、前記V相電流及び前記W相電流の各計測値から前記三相交流電力のU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率を求めた後、前記U相電流波形歪率、前記V相電流波形歪率及び前記W相電流波形歪率を予め定めた基準値と比較し、前記U相電流波形歪率、前記V相電流波形歪率及び前記W相電流波形歪率の何れかが前記基準値より大きい値のときに異常有りと判定して前記電力変換装置の異常を検出することを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the abnormality detection method for a power converter according to the first invention is a method for detecting an abnormality of a power converter having an inverter circuit that converts DC power into three-phase AC power and outputs the same. The U-phase current, V-phase current and W-phase current of the three-phase AC power output from the inverter circuit are measured, and the U-phase current, the V-phase current and the W-phase current are measured from the measured values. After obtaining the U-phase current waveform distortion, the V-phase current waveform distortion, and the W-phase current waveform distortion of the three-phase AC power, the U-phase current waveform distortion, the V-phase current waveform distortion, and the W-phase current are calculated. The waveform distortion rate is compared with a predetermined reference value, and an abnormality occurs when any of the U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate is larger than the reference value. It is determined that there is an abnormality and the abnormality of the power conversion device is detected. It is intended.
第1の発明に係る電力変換装置の異常検出方法において、インバータ回路から出力される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流は、各相の電流をCT(計器用変流器)で検出して電流計により計測することができる。この場合、三相交流電力のU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率は、電流計の各出力を高速フーリエ変換し、三相交流電力の各相電流を基本波成分と高調波成分に周波数解析することによって求めることができる。 In the abnormality detection method for the power converter according to the first aspect of the invention, the U-phase current, V-phase current and W-phase current of the three-phase AC power output from the inverter circuit are calculated by using the CT (instrument current transformer). Can be measured with an ammeter. In this case, the U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate of the three-phase AC power are obtained by fast Fourier transforming each output of the ammeter, It can be obtained by frequency analysis of the fundamental wave component and the harmonic wave component.
第2の発明に係る電力変換装置は、直流電力を三相交流電力に変換して出力するインバータ回路と、該インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、前記インバータ回路から出力される三相交流電力のU相電流を計測する第1の電流計と、前記インバータ回路から出力される三相交流電力のV相電流を計測する第2の電流計と、前記インバータ回路から出力される三相交流電力のW相電流を計測する第3の電流計と、前記インバータ回路または前記インバータ制御回路の異常を検出する異常検出装置とを備えてなる電力変換装置であって、前記異常検出装置は前記第1の電流計、前記第2の電流計及び前記第3の電流計の各出力から前記三相交流電力のU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率を求めて予め定めた基準値と比較し、前記U相電流波形歪率、前記V相電流波形歪率及び前記W相電流波形歪率の何れかが前記基準値より大きい値のときに異常有りと判定することを特徴とするものである。 A power converter according to a second aspect of the invention is an inverter circuit that converts DC power into three-phase AC power and outputs the inverter circuit, an inverter control circuit that controls the inverter circuit, and three-phase AC power output from the inverter circuit A first ammeter that measures the U-phase current of the second current meter, a second ammeter that measures the V-phase current of the three-phase AC power output from the inverter circuit, and the three-phase AC power output from the inverter circuit A power converter comprising: a third ammeter that measures a W-phase current of the current; and an abnormality detection device that detects an abnormality of the inverter circuit or the inverter control circuit, wherein the abnormality detection device is the first The U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate of the three-phase AC power are obtained from the outputs of the current meter, the second ammeter, and the third ammeter. Predefined criteria In comparison with the above, it is determined that there is an abnormality when any one of the U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate is larger than the reference value. Is.
第2の発明に係る電力変換装置の異常検出装置は、前記第1の電流計、前記第2の電流計及び前記第3の電流計の各出力を高速フーリエ変換して前記三相交流電力のU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率を求めるものであってもよい。また、第2の発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、該コンバータ回路から出力された直流電力を平滑する平滑コンデンサをさらに備え、前記インバータ回路は前記平滑コンデンサで平滑された直流電力を三相交流電力に変換するものであってもよい。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an abnormality detection device for a power converter, wherein the outputs of the first ammeter, the second ammeter, and the third ammeter are subjected to a fast Fourier transform to obtain the three-phase AC power. The U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate may be obtained. According to a second aspect of the present invention, there is provided a converter circuit for converting a three-phase AC power supplied from an AC power source into a DC power and outputting the DC circuit, and a smoothing capacitor for smoothing the DC power output from the converter circuit. The inverter circuit may convert DC power smoothed by the smoothing capacitor into three-phase AC power.
第1の発明によると、スイッチング素子やPWM信号生成用コンデンサ等の回路部品に機能低下が生じているときにはU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率の何れかが基準値より大きい値となるので、回路部品の機能低下による電力変換装置の異常を検出することができる。
第2の発明によると、スイッチング素子やPWM信号生成用コンデンサ等の回路部品に機能低下が生じているときにはU相電流波形歪率、V相電流波形歪率及びW相電流波形歪率の何れかが基準値より大きい値となるので、回路部品の機能低下によるインバータ回路やインバータ制御回路の異常を検出することができる。
According to the first aspect of the present invention, any of the U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate is generated when the functional degradation occurs in the circuit components such as the switching element and the PWM signal generating capacitor. Since the value becomes larger than the reference value, it is possible to detect an abnormality of the power conversion device due to the deterioration of the function of the circuit component.
According to the second aspect of the present invention, any of the U-phase current waveform distortion rate, the V-phase current waveform distortion rate, and the W-phase current waveform distortion rate is generated when the functional degradation occurs in the circuit components such as the switching element and the PWM signal generating capacitor. Since the value becomes larger than the reference value, it is possible to detect an abnormality of the inverter circuit or the inverter control circuit due to the deterioration of the function of the circuit component.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図1〜図4は本発明の一実施形態を説明するための図であり、図1に示す電力変換装置10はコンバータ回路11、平滑コンデンサ12、インバータ回路13、可変電圧可変周波数インバータ制御回路15、第1の電流計17、第2の電流計18、第3の電流計19及び異常検出装置20を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 4 are diagrams for explaining an embodiment of the present invention. A
コンバータ回路11は交流電源から入力端子R,S,Tを介して供給される三相交流電力を直流電力に変換して出力するものであって、このコンバータ回路11から出力された直流電力は平滑コンデンサ12で平滑されるようになっている。
インバータ回路13は平滑コンデンサ12で平滑された直流電力を三相交流電力に変換して負荷である三相誘導電動機16に出力するものであって、インバータ制御回路15からのPWM(パルス幅変調)信号によりスイッチング動作するIGBT(絶縁ゲートバイポーラトラジスタ)等のスイッチング素子14a,14b,14c,14d,14e,14fを有している。これらのスイッチング素子14a〜14fのうちスイッチング素子14a,14c,14eのコレクタはインバータ回路13の正極母線131に接続されている。また、スイッチング素子14a,14c,14eのエミッタはスイッチング素子14b,14d,14fのコレクタに接続され、スイッチング素子14b,14d,14fのエミッタはインバータ回路13の負極母線132に接続されている。
The
The
インバータ回路13は、また、三相交流電力を出力する出力端子U,V,Wを有している。これらの出力端子U,V,Wのうち出力端子Uはスイッチング素子14aのエミッタとスイッチング素子14bのコレクタとの接続点に接続され、出力端子Vはスイッチング素子14cのエミッタとスイッチング素子14dのコレクタとの接続点に接続されている。そして、出力端子Wはスイッチング素子14eのエミッタとスイッチング素子14fのコレクタとの接続点に接続されている。
The
インバータ制御回路15はインバータ回路13を制御してインバータ回路13から出力される三相交流電力の電圧と周波数を調整するものであって、図示を省略したが、PWM信号を生成するためのPWM信号生成用電子回路を有している。
第1の電流計17、第2の電流計18及び第3の電流計19はインバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流を計測するものであって、これらの電流計17〜19はそれぞれCT(計器用変流器)を介して各相に接続されている。
The
The
異常検出装置20は電流計17〜19により計測された三相交流電力の各相電流に基づいてインバータ回路13やインバータ制御回路15の異常を検出するものであって、この異常検出装置20は、例えば、図2に示すように、FFT回路21,22,23、歪率演算回路24,25,26及び比較判定回路27を備えて構成されている。
FFT回路21は電流計17の出力を高速フーリエ変換して、インバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のU相電流を基本波成分Iu0と各次数の高調波成分Iu(n)に周波数解析するものであって、このFFT回路21で得られたU相電流の基本波成分Iu0と高調波成分Iu(n)は歪率演算回路24に供給されるようになっている。
The
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FFT回路22は電流計18の出力を高速フーリエ変換して、インバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のV相電流を基本波成分Iv0と各次数の高調波成分Iv(n)に周波数解析するものであって、このFFT回路22で得られたV相電流の基本波成分Iv0と高調波成分Iv(n)は歪率演算回路25に供給されるようになっている。
The
FFT回路23は電流計19の出力を高速フーリエ変換して、インバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のW相電流を基本波成分Iw0と各次数の高調波成分Iw(n)に周波数解析するものであって、このFFT回路23で得られたW相電流の基本波成分Iw0と高調波成分Iw(n)は歪率演算回路26に供給されるようになっている。
歪率演算回路24はインバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のU相電流波形歪率Duを下式(1)から演算するものであって、この歪率演算回路24で算出されたU相電流波形歪率Duは比較判定回路27に供給されるようになっている。
The
歪率演算回路25はインバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のV相電流波形歪率Dvを下式(2)から演算するものであって、この歪率演算回路25で算出されたV相電流波形歪率Dvは比較判定回路27に供給されるようになっている。
The distortion calculation circuit 25 calculates the V-phase current waveform distortion ratio Dv of the three-phase AC power output from the
歪率演算回路26はインバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のW相電流波形歪率Dwを下式(3)から演算するものであって、この歪率演算回路26で算出されたW相電流波形歪率Dwは比較判定回路27に供給されるようになっている。
The
比較判定回路27は歪率演算回路24〜26で算出された波形歪率Du,Dv,Dwを予め定めた基準値と比較して異常の有無を判定するものであって、この比較判定回路27は歪率演算回路24〜26で算出された波形歪率Du,Dv,Dwを予め定めた基準値と比較し、波形歪率Du,Dv,Dwの何れかが基準値より大きい値のときに異常有りと判定するように構成されている。
The comparison /
インバータ制御回路15の回路部品に劣化等による機能低下が生じていないときにインバータ回路13から出力される三相交流電力の電流波形の一例を図3に、インバータ制御回路15の回路部品に劣化等による機能低下が生じているときにインバータ回路13から出力される三相交流電力の電流波形の一例を図4に示す。
図3に示すように、インバータ制御回路15の回路部品に機能低下が生じていないときには、三相交流電力の電流波形が歪みのない正弦波形となり、このときのU相電流波形歪率Duが基準値(この場合は10.0%)より小さい値となることがわかる。これに対し、インバータ制御回路15の回路部品に機能低下が生じているときには、図4に示すように、三相交流電力の電流波形が歪みのある波形となり、このときのU相電流波形歪率Duが基準値より大きい値となることがわかる。
FIG. 3 shows an example of the current waveform of the three-phase AC power output from the
As shown in FIG. 3, when there is no functional degradation in the circuit components of the
したがって、上述した本発明の一実施形態のように、インバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流を計測し、計測した各相電流から三相交流電力のU相電流波形歪率Du、V相電流波形歪率Dv及びW相電流波形歪率Dwを求めた後、U相電流波形歪率Du、V相電流波形歪率Dv及びW相電流波形歪率Dwを予め定めた基準値と比較することで、スイッチング素子等の回路部品に機能低下が生じているときにはU相電流波形歪率Du、V相電流波形歪率Dv及びW相電流波形歪率Dwの何れかが基準値より大きい値となるので、回路部品の機能低下による電力変換装置10の異常を検出することができる。
Therefore, as in the embodiment of the present invention described above, the U-phase current, the V-phase current, and the W-phase current of the three-phase AC power output from the
なお、上述した本発明の一実施形態では、インバータ回路13から三相誘導電動機16に出力される三相交流電力のU相電流、V相電流及びW相電流を電流計17,18,19により計測し、これら電流計17〜19の各出力を高速フーリエ変換して三相交流電力のU相電流波形歪率Du、V相電流波形歪率Dv及びW相電流波形歪率Dwを求めるようにしたが、電流計17〜19の各出力から各相電流の基本波成分と高調波成分をバンドパスフィルタにより抽出して三相交流電力のU相電流波形歪率Du、V相電流波形歪率Dv及びW相電流波形歪率Dwを求めるようにしてもよい。
In the above-described embodiment of the present invention, the U-phase current, the V-phase current, and the W-phase current of the three-phase AC power output from the
10…電力変換装置、11…コンバータ回路、12…平滑コンデンサ、13…インバータ回路、14a,14b,14c,14d,14e,14f…スイッチング素子、15…インバータ制御回路、16…三相誘導電動機、17,18,19…電流計、20…異常検出回路、21,22,23…FFT回路、24,25,26…歪率演算回路、27…比較判定回路。
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