JP2012157208A - 高圧多重インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧多重インバータ装置において、１アーム素子破損でも確実に欠相を検出する。
【解決手段】多重変圧器、多重変圧器により絶縁し給電され、三相の各相がスイッチング素子を備えたＮ段のセルインバータ、Ｎ段のセルインバータにより電力供給される三相電動機、Ｎ段のセルインバータのスイッチング素子を点弧する制御装置から構成された高圧多重インバータ装置において、記制御装置は、三相電動機に与える三相の出力電流から、トルク電流成分と励磁電流成分を求めて帰還信号とし、速度指令から求めたトルク電流と励磁電流の目標値に帰還信号を制御し、検出したトルク電流成分を異なった遅れ時間を生じさせる一次遅れ回路に導き、その信号の差分により、セルインバータを構成するスイッチング素子の欠相を検出する欠相検出部を備える
【選択図】図１

Description

本発明は高圧多重インバータ装置において、出力側スイッチング素子の単アーム故障による欠相を検出することに関する。

複数のスイッチング素子で構成されるインバータ装置においては、スイッチング素子の単アーム故障による欠相が発生した場合に、これを検出し、安全に運転継続するための、あるいは運転停止するための各種の制御や保護を行っている。

この場合に、スイッチング素子の故障検出には幾つかの手法が提案されている。例えば、特許文献１の図４には、従来例としてインバータ装置出力側の各相に変流器等の電流検出手段を設け、特定相で電流が流れていない場合に出力欠相と判断し、保護動作を行うことが記載されている。また別の手段として、特許文献２では各アームの負母線側に抵抗を挿入しアーム電流を検出する。また、各スイッチング素子に検出用の端子を設け、電流を検出する方法もある。これらの手法では、電流が流れない場合や、三相間のアンバランスが異常に大きい場合を欠相と判断し、保護を行っている。

一方、小形のユニットタイプインバータ装置では、母線電流のみを検出し、そこから出力電流を演算し制御している例も有るが、出力欠相を正確に検出し保護することは難しく、全相欠相し、出力電流値がゼロ程度になった際に、欠相として検出している例もある。

このように、従来の出力欠相検出方法は、直接インバータ装置の出力電流、アームの電流、母線電流を検出して出力欠相を判断し、保護を行っている。

特開２００７−０３７２１５号公報 特開平８−２２３９３６号公報

図２は、特許文献１の図４に記載された従来の一般的なインバータ装置の出力欠相検出方法を示す回路図である。図において、インバータ装置１００は、直流電源１０ｂと、３組の直列接続されたスイッチング素子１０１−１０６で構成される。直列接続されたスイッチング素子の各接続点からは各相の電力線Ｕ，Ｖ，Ｗが導かれ、３相交流負荷３に接続されている。

５は、インバータ装置１００を構成する複数のスイッチング素子１０１−１０６に対して点弧信号を与えるコントローラである。出力周波数演算回路９は、速度指令と交流側各相の電流検出器４からの電流値を入力し、スイッチング素子１０１−１０６を駆動する点弧信号を与える。電流検出器４からの電流値は、欠相検出回路８にも与えられ、スイッチング素子の欠相が検出されたときには、例えばインバータ装置１００の継続運転を停止すべく、出力周波数演算回路９に停止指令を与える。

このように、従来の出力欠相検出方法においては、出力電流を電流検出器４で検出し、ある相の電流が流れていない場合、欠相検出回路８が出力欠相と判断して、機器を停止させる信号を出力演算回路９に出力し、停止させていた。

これに対し、図１のような高圧多重インバータ装置では、特許文献１などの手法をそのまま適用することができない。図１の高圧多重インバータ装置１１０は、負荷側の交流相ごとにＮ段のセルインバータ１０を備え、出力側に昇圧変圧器を用いず、出力電圧は多重変圧器２で絶縁された複数のセルインバータ１０の出力を直列合成し、各相の高圧出力電圧を得ている。

また、各相を構成するＮ段のセルインバータユニット１０のそれぞれは、多重変圧器２側の３組のトーテムポール接続されたスイッチング素子１０ａと、平滑コンデンサ１０ｂと、負荷側の２組のトーテムポール接続されたスイッチング素子１０１−１０４で構成される。負荷側の２組のトーテムポール接続されたスイッチング素子１０１−１０４の接続点が、Ｎ段を構成する他のセルインバータ１０に直列接続される。従って、個々のセルインバータユニット１０は、負荷に印加される出力電圧の１／Ｎを負担していることになる。

以上のように構成された高圧多重インバータ装置１１０におけるスイッチング素子の単アーム故障による欠相は、特定のセルインバータのスイッチング素子１０１〜１０４の内、１素子のみが故障し動作しなくなったという事象である。この場合、１アーム分の欠相となるが、出力電圧を複数ユニットの複数アームで合成している為、１アームの寄与する割合が小さい。

このため、特許文献１の図４に記載された手法のように、出力電流の絶対値を監視するものでは、欠相による電流変化幅が小さく、１アームの欠相を検出することが出来ない。この結果として、出力アンバランス状態で運転継続をしてしまい、負荷機械側に悪影響を与える、叉はインバータ装置１１０の致命的な破損に到る事を保護出来ない問題があった。

また高圧多重インバータ装置において、各々のセルインバータは電気的に絶縁する必要が有り、またスイッチング素子も多数になる。このため、特許文献２の手法（個々のスイッチング素子に、電圧叉は電流検出回路を設けアナログ信号値をコントローラに伝送する）は、コスト的にも、また部品信頼性からも現実的ではなく、個々の素子を直接監視する検出方法は採用出来ない。

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、上記のような機器構成での１アーム素子破損でも確実に欠相を検出できるインバータ装置およびその欠相検出方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、多重変圧器により絶縁し給電され、三相の各相がＮ段のセルインバータにより構成され、三相電動機に電力供給する高圧多重インバータ装置において、三相の出力電流からトルク電流成分を求め、異なった遅れ時間を生じさせる一次遅れ回路からの信号の差分により、セルインバータを構成するスイッチング素子の故障を検知する。

また、一次遅れ回路からの信号の差分を規定値と比較してスイッチング素子の故障を検知するとともに、規定値を三相電動機の回転速度に応じて可変とする。

また、規定値は三相電動機の回転速度が高いほど小さい値とされる。

上記問題を解決するため、本発明は、多重変圧器、多重変圧器により絶縁し給電され、三相の各相がスイッチング素子を備えたＮ段のセルインバータ、Ｎ段のセルインバータにより電力供給される三相電動機、Ｎ段のセルインバータのスイッチング素子を点弧する制御装置から構成された高圧多重インバータ装置において、記制御装置は、三相電動機に与える三相の出力電流から、トルク電流成分と励磁電流成分を求めて帰還信号とし、速度指令から求めたトルク電流と励磁電流の目標値に帰還信号を制御し、検出したトルク電流成分を異なった遅れ時間を生じさせる一次遅れ回路に導き、その信号の差分により、セルインバータを構成するスイッチング素子の欠相を検出する欠相検出部を備える。

本発明によると、１素子のみが故障し動作しなくなった場合、出力電圧に占める１素子の割合が小さなインバータ装置においても正確に欠相を検出し、負荷機械側への悪影響を防ぎ、インバータ装置の致命的な破損防止すインバータ装置およびその欠相検出方法を提供することができる。

また、検出レベルを固定値ではなく、欠相検出レベル初期値に正規化速度指令値を乗じた値とする事により、指令と負荷状態による運転周波数、出力電流値などの運転状態の違いに対しても対応し、より正確に欠相を検出する事が出来る。

本発明の高圧多重インバータ装置の欠相検出回路を示す図。 従来の一般的なインバータ装置の欠相検出を示す回路図。 本発明の欠相判定の信号処理ブロック図。 １０Ｈｚ運転時における欠相出力波形例図。 ５０Ｈｚ運転時における欠相出力波形例図。 図３の欠相検出回路の各部波形を示す図。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る高圧多重インバータ装置の欠相検出回路例である。図１において、主回路は以下のように構成される。まず、多重変圧器２の二次巻線から各々絶縁された１相当りＮ段のセルインバータ１０に給電され、直列合成された出力が電流検出器４を通り、三相電動機３に接続され、電動機の可変速運転を行う。

これに対し、主回路の制御はコントローラ５により行われる。コントローラ５の基本的な機能は、図２で説明したとおりであるが、本発明においては次の２点において図２の考え方と相違する。

第１点は、出力周波数演算回路９は、速度指令と交流側各相の電流値を入力して、いわゆるベクトル制御を実行することである。第２点は、ベクトル制御において使用するトルク電流成分を欠相検出に利用した点である。

なお、ベクトル制御自体については、既によく知られたことである。また、本発明はベクトル制御で使用するトルク電流成分を欠相検出に利用したものであり、ベクトル制御自体の発明ではない。従って、本発明の説明においては、ベクトル制御で使用する電流成分を説明するにとどめ、ベクトル制御そのものについての詳細説明を省略する。

ベクトル制御では、三相交流回路の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出し、（１）式により、これに等価な２相電流ｉα、ｉβに変換する。
［数１］
ｉα＝［ｉｕ×ｃｏｓ０＋ｉｖ×ｃｏｓ（２π／３）＋ｉｗ×ｃｏｓ（４π／３）］
ｉβ＝［ｉｕ×ｓｉｎ０＋ｉｖ×ｓｉｎ（２π／３）＋ｉｗ×ｓｉｎ（４π／３）］（１）
次に、この２相電流ｉα、ｉβを、速度ωで回転している回転座標系のとの関係に（２）式にて変換する。ここでθはｉα、ｉβの座標系とｉｄとｉｑを想定した回転座標系の位相差である。
［数２］
ｉｄ＝（ｃｏｓθ×ｉα＋ｓｉｎθ×ｉβ）
ｉｑ＝（−ｓｉｎθ×ｉα＋ｃｏｓθ×ｉβ） （２）
図１においては、三相交流回路の出力電流は、電流検出器４で検出され、電流変換回路６によりアナログ／ディジタル変換された後、ベクトル変換回路７にて、無効分の励磁電流フィードバック信号７ａと有効分のトルク電流フィードバック信号７ｂに分離される。無効分の励磁電流フィードバック信号７ａが、（２）式のｉｄに相当し、有効分のトルク電流フィードバック信号７ｂが、（２）式のｉｑに相当する。

図１の出力周波数演算回路９においては、速度指令に応じて励磁電流とトルク電流の目標値を決定し、これに一致すべく、帰還電流値ｉｄとｉｑを制御する。例えば、ベクトル制御では、励磁電流ｉｄ一定の前提で、トルク電流ｉｑを制御する事により電動機の出力制御を行っている。

本発明では、帰還電流値ｉｄとｉｑの内、トルク電流フィードバック信号ｉｑを用いて欠相検出回路８にて、欠相の検出演算を行なう。実際にスイッチング素子叉はその駆動回路に故障が生じる場合、複数箇所の同時故障の可能性は低く、単一アームにまず問題が生ずる事が想定される。また、短絡モードの故障の場合、主回路の破損に至り重故障停止する。しかし素子の不点弧、叉はＯＮ信号が伝送されなかった場合、１アームの欠相となる。短絡モードの故障のような重故障の検知は別途行われており、本発明では１アームの欠相検出を行う。

図４に、具体的な１０Ｈｚ運転時に、Ｗ相セルインバータのＰアームにて欠相が生じた場合の出力電流、出力電圧の波形（図４右）を、正常運転時の出力電流、出力電圧の波形（図４左）と比較して示す。この比較によれば、欠相状態ではＷ相電流の正側の波形に抜けが見られるが、負荷電流がインバータ装置の定格より十分小さい場合、出力過電流とならず運転継続する。

またこの場合に、電流のアンバランス、出力トルクの脈動、騒音の増加等の現象は生ずるが、通常の保護機能では検出が出来ない。この状態で運転を継続した場合、電動機及び負荷機械の軸破断、カップリングの破損、叉はインバータ装置の致命的な破損に到る可能性がある。

図３は、１アームの欠相検出を行うことができる具体的な本発明の欠相検出回路の構成を示す。図において、トルク電流フィードバック信号ｉｑを、異なった遅れ時間Ｔ１，Ｔ２を生じさせる一次遅れ回路８ａ，８ｂに通し、その後比較器８ｃにおいて両者の差分を取る事により、出力トルクの脈動分を検出する。

図６に、図３の欠相検出回路の各部波形を示す。上から一次遅れ回路８ａ，８ｂ、比較器８ｃの出力を時間ｔ軸上に表しており、時刻ｔ０に欠相が生じたものとする。ここには、トルク電流フィードバック信号ｉｑを記載していないが、時刻ｔ０以前では（２）式のような正弦状波形である。このとき、異なる遅れ時間Ｔ１，Ｔ２を有する一次遅れ回路８ａ，８ｂの出力は波高値、位相が異なり、比較器８ｃに偏差出力を生じる。この差分が出力トルクの脈動分であるが、検出レベルＨに至らないため、欠相検出することはない。

時刻ｔ０で欠相が生じた時点以降、トルク電流フィードバック信号ｉｑは、（１）式のＷ相の変動の影響を受けて、大きく変化する。つまり、欠相が生じた場合、出力電圧にアンバランスを生じ変化するが、トルク電流フィードバック信号ｉｑとしては、必ず一定周期の出力トルク変動を伴う。従ってこのとき、遅れ時間Ｔ１及びＴ２を適切に選定する事により、外乱による不規則なトルク変動分を除去し、スイッチング素子１０１〜１０４に起因する特定周波数のトルク脈動（一定周期の出力トルク変動）を検出する。この場合には、比較器８ｃに生じた偏差出力が検出レベルＨに至り、欠相検出する。

図５に、具体的な５０Ｈｚ運転時にＷ相セルインバータのＰアームにて欠相が生じた場合の出力電流、出力電圧の波形 （図５右）を、正常運転時の出力電流、出力電圧の波形（図５左）と比較して示す。図５と図４は、いずれも欠相が生じた場合の出力電流、出力電圧の波形であるが、１０Ｈｚと５０Ｈｚでは、各相電流波形が相違している。欠相状態では、図４と同様にＷ相電流の正側の波形に抜けが見られるが、電流の絶対値が小さい場合、欠相による波形欠落の影響が小さく、低周波数（１０Ｈｚ）運転時と同じ欠相検出レベルでは欠相を検出出来ず、運転継続する可能性が有る。

この問題に対処する為、図３の実施例では、比較器８ｃの検出レベルＨを固定値ではなく、速度に応じた可変値とする。例えば、欠相検出レベル初期値Ｈ（一定値）に、正規化速度指令値Ｇ（速度が高いほど小さい値）を乗じた値とする。このように、運転条件によって欠相検出レベルを可変とする事で、速度指令と負荷状態による運転周波数、出力電流値などの運転状態の違いに対しても対応し、より正確に欠相を検出する事が出来るようになる。

なお、欠相検出信号により高圧多重インバータ装置を停止し、あるいは欠相の発生をアラームすることに利用できる。

１：高圧多重インバータ装置
２：多重変圧器
３：三相電動機
４：電流検出器
５：コントローラ
６：電流検出回路
７：ベクトル変換回路
７ａ：励磁電流フィードバック信号
７ｂ：トルク電流フィードバック信号
８：欠相検出回路
８ａ：一次遅れ関数（Ｔ１）
８ｂ：一次遅れ関数（Ｔ２）
８ｃ：比較器
Ｈ：欠相検出レベル初期値
Ｇ：正規化速度指令値
８ｆ：欠相信号
９：出力演算回路
１０：セルインバータ
１０ａ：整流素子
１０ｂ：平滑コンデンサ
１０１〜１０６：スイッチング素子

Claims (6)

1. 多重変圧器により絶縁し給電され、三相の各相がＮ段のセルインバータにより構成され、三相電動機に電力供給する高圧多重インバータ装置において、
   三相の出力電流からトルク電流成分を求め、異なった遅れ時間を生じさせる一次遅れ回路からの信号の差分により、前記セルインバータを構成するスイッチング素子の故障を検知する高圧多重インバータ装置。
2. 請求項１記載の高圧多重インバータ装置において、
   前記一次遅れ回路からの信号の差分を規定値と比較してスイッチング素子の故障を検知するとともに、前記規定値を三相電動機の回転速度に応じて可変とすることを特徴とする高圧多重インバータ装置。
3. 請求項２記載の高圧多重インバータ装置において、
   前記規定値は三相電動機の回転速度が高いほど小さい値とされることを特徴とする高圧多重インバータ装置。
4. 多重変圧器、該多重変圧器により絶縁し給電され、三相の各相がスイッチング素子を備えたＮ段のセルインバータ、該Ｎ段のセルインバータにより電力供給される三相電動機、前記Ｎ段のセルインバータのスイッチング素子を点弧する制御装置から構成された高圧多重インバータ装置において、
   前記制御装置は、前記三相電動機に与える三相の出力電流から、トルク電流成分と励磁電流成分を求めて帰還信号とし、速度指令から求めたトルク電流と励磁電流の目標値に前記帰還信号を制御し、
   前記検出したトルク電流成分を異なった遅れ時間を生じさせる一次遅れ回路に導き、その信号の差分により、前記セルインバータを構成するスイッチング素子の欠相を検出する欠相検出部を備えることを特徴とする高圧多重インバータ装置。
5. 請求項４記載の高圧多重インバータ装置において、
   前記一次遅れ回路からの信号の差分を規定値と比較してスイッチング素子の故障を検知するとともに、前記規定値を三相電動機の回転速度に応じて可変とすることを特徴とする高圧多重インバータ装置。
6. 請求項５記載の高圧多重インバータ装置において、
   前記規定値は三相電動機の回転速度が高いほど小さい値とされることを特徴とする高圧多重インバータ装置。

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