JP2013024682A - 電流不導通検出装置および電流不導通検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流スイッチを構成するサイリスタスイッチの不導通をより確実に検出する電流不導通検出装置を提供する。
【解決手段】電源１は三相交流電源であって、各相はそれぞれ２つのサイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂ，２Ｖａ，２Ｖｂ，２Ｗａ，２Ｗｂを逆並列に接続して構成された交流スイッ
チを介して負荷３０に接続されている。電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗは、電源１と半導体交流スイッチの間の主回路に設けられている。開放検出回路１０は、マイコン６、加算器７などから構成されている。電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗは主回路電流を電圧信号に変換する電流検出手段であり、電流検出信号はマイコン６に供給され、マイコン６では、正負の実効電流値を演算、比較し、交流スイッチの不導通を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体交流スイッチの電流不導通検出装置および電流不導通検出方法に関し、とくに負荷に三相電源を配送するための各給電線に逆並列に接続して構成されたサイリスタの故障検出を行う電流不導通検出装置および電流不導通検出方法に関する。

単相、３相の交流電源からその負荷に対して、電源の開閉を行うにあたっては、電磁接触器あるいはシリコン制御整流器（ＳＣＲ：Sillicon Controlled Rectifier）として知られた半導体スイッチが使用される。電磁接触器を用いる場合は接点のメンテナンスを必要とするが、半導体スイッチの場合はその必要がない。しかし、半導体スイッチを用いた場合には、半導体自体の故障、例えば短絡、あるいは開放（不点弧）での故障を速やかに検出し、電源供給を停止するなどの処置を行う必要がある。

サイリスタスイッチを用いた半導体交流スイッチにおいて、個々のサイリスタが不点弧あるいは開放故障すると、交流電流の正あるいは負の半サイクル期間で電流が流れない状態になる場合がある。三相交流の交流瞬時電流である期間電流ゼロが継続したことでサイリスタ不導通を検出する故障検出器は、給電線における電流変圧器により生成された３つの電圧を測定することにより、３つの給電線を通る３つの電流を間接的に測定する。３つの電圧は整流されて合計される。この和信号は理想的には、システムの正確な動作を特徴付ける一定の範囲内になる。和信号がこの所定範囲外にあり、そのような状態が所定時間持続すると、検出器は故障を通知する。この検出器回路は、負荷が電動機の場合にサイリスタが開放故障すると、和信号において過度のリプルを生じ、電流波形がひずむと仮定している。

このような従来技術として、後述する特許文献１にはサイリスタが開放で故障した、あるいは不点弧となったか否かを検出するための方法についての記述がある。これによれば、任意のサイリスタがソリッドステート・スタータにおいて開放で故障した、あるいは不点弧となったかを検出することができる。この発明の方法およびシステムでは、入力のサイクル中に負荷へ配送される瞬時電力を測定し、サイクルの間負荷へ配送されるピーク電力を決定し、平均電力を計算する。次に電動機が定常速度で動作している場合には、任意のサイリスタが第１の所定閾値で開放あるいは不点弧で故障したかを決定する。また、電動機が定常速度で動作していない場合、電動機が始動しているか、つまり加速しているかを決定し、スタータが電動機の始動を試みている場合、任意のサイリスタが第２の所定閾値で開放あるいは不点弧で故障したかを決定する。

また、交流電流の有無でサイリスタの不導通を検出する場合、力率１で固定された抵抗負荷であるならば、電流の流れる期間が予測され、その期間に電流があるかどうかを判定すればよい。しかし、負荷が電動機でかつ力行、回生により電流の極性の反転するような場合には、電流の正負の流れる期間の予測がつかず、そのため、少なくとも１サイクルより長く電流ゼロを監視して、サイリスタ不導通の誤検出を防止しなくてはならない。

さらにまた、別の特許文献２には、半導体スイッチング素子の短絡故障を確実に検出すると共に、オープン故障も検出できる半導体交流スイッチ装置の素子故障検出装置についての記載がある。

特表２００３−５０７９９２号公報 特開平０７−２４５９３８号公報

ところが、従来のサイリスタが開放あるいは不点弧で故障したか否かを検出するための方法、あるいは半導体交流スイッチ装置の素子故障検出装置では、負荷として整流負荷が接続され、その負荷電流が低減し、交流電流が断続状態となった場合、サイリスタ開放による電流断続との区別がつかずサイリスタ不導通を誤検出する可能性がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、交流スイッチを構成するサイリスタスイッチの不導通をより確実に検出する電流不導通検出装置を提供することを目的とする。

また、本発明の別の目的は、正負の半サイクル毎の実効値演算を行って、それらの互いの偏差を求め、それが所定の検出値以上の偏差として検出されたときサイリスタの不導通として検出する電流不導通検出方法を提供することである。

本発明では、上記問題を解決するために、負荷に交流電源を供給する主回路にサイリスタを逆並列に接続して構成された半導体交流スイッチの電流不導通検出装置が提供される。この電流不導通検出装置は、前記交流電源から前記サイリスタに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段と、前記交流電源の電圧信号から同期検出された同期信号によって相電圧に相当する位相を検出する位相検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流から前記相電圧に相当する位相の半周期毎に二乗積分値演算により正負の実効電流値を求める演算手段と、前記実効電流値の正負の偏差が正の半周期と負の半周期との間で所定値を超えたとき、前記サイリスタのいずれかの不導通を検出する比較手段とから構成される。

本発明によれば、電圧検出器、電流検出器、およびマイコンによる演算で、サイリスタの不導通をより確実に検出できるようになる。

本発明の実施の形態に係る電流不導通検出装置を示す回路ブロック図である。 図１の電流不導通検出装置における不導通非検出状態での各部信号波形を示すタイミング図である。 図１の電流不導通検出装置における不導通検出時の各部信号波形を示すタイミング図である。 サイリスタ電流の瞬時値を二乗積分する演算手順を示すフローチャートである。 サイリスタ不導通検出プログラムにおける判定手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電流不導通検出装置を示す回路ブロック図である。
電源１は三相交流電源であって、各相はそれぞれ２つのサイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂ，２Ｖａ，２Ｖｂ，２Ｗａ，２Ｗｂを互いに逆並列に接続して構成された半導体交流スイッチを介して負荷３０に接続されている。電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗは、電源１と半導体交流スイッチの間の主回路に設けられている。

三相交流電源１のＵ相とＶ相の間に電圧検出器４０を設けて、Ｕ相−Ｖ相間の線間電圧信号を検出し、同期検出回路５０へ入力する。同期検出回路５０では比較器９１にて０Ｖと比較し、同期信号（線間電圧信号）を検出する。

開放検出回路１０は、マイコン６、加算器７，８および比較器９から構成されている。電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗは主回路電流を電圧信号に変換する電流検出手段であり、電流検出信号はマイコン６に供給されている。マイコン６は、正負の実効電流値を演算するための実効値演算回路１１，１２を含んで構成される。

加算器７は、同期検出回路５０にて検出した同期信号（線間電圧信号）からさらに３０°の位相を遅らせた相電圧に相当する同期信号（相電圧信号）を出力する。加算器７から出力される同期信号（相電圧信号）は割込み信号発生回路６０に供給され、それぞれ実効値演算回路１１，１２での演算タイミングを決定している。マイコン６では実効値演算結果は加算器８に出力されている。加算器８では実効値演算回路１１，１２から出力される実効電流値により正負の偏差値が演算され、それが比較器９に出力される。

比較器９には、マイコン６からの偏差値とともに所定の判定値が供給されている。ここでは、実効電流値の正負の偏差が正の半周期と負の半周期との間で判定値を超えたとき、２つのサイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂのいずれかが不導通であると検出して、開放検出信号を出力する。

図２は、図１の電流不導通検出装置における不導通非検出状態での各部信号波形を示すタイミング図である。
同図（Ａ）には、サイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂへの入力である線間電圧信号（Ｕ−Ｖ）を実線により示している。また、破線および点線により他の線間電圧信号（Ｗ−Ｕ，Ｖ−Ｗ）を示す。同図（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ線間電圧信号（Ｕ−Ｖ）のゼロクロスタイミングに同期する同期信号、および３０°遅れの同期信号を示している。

加算器７では、２つの同期信号から位相を３０°遅れさせた相電圧に相当する信号に補正する。マイコン６では、補正して得られた相電圧に相当する同期信号の正の期間（０〜１８０°）と負の期間（１８０°〜３６０°）とに二分割する。この正負の期間は相電圧に同期した信号から、例えばＰＬＬ（フェイズ・ロックド・ループ）回路によって、図２（Ｄ）に示すように位相を６分割することで得られる６０°毎のマイコン６への割込み信号を形成することができる。

電流検出器４Ｕからの検出信号は、図２（Ｆ）にＵ相電流検出値として示されている。ここでは、６０°毎の割込み信号とは別により高速にサンプリングされた瞬時値として、マイコン６に取り込まれている。

図２（Ｅ）には、高速なサンプリング信号として、４００μｓの定周期割込み信号を示している。同期信号の周波数が６０Ｈｚの場合、十分な分解能が得られるよう２００〜４００μｓ程度に選択することで、半周期に２０から４０回程度のサンプリングが可能となる。なお、４００μｓの定周期割込み信号は、割込み信号発生回路６０における例えば６０°毎の割り込み信号とは非同期であっても構わない。

マイコン６では、実効値演算回路１１，１２によりそれぞれ相電圧に相当する位相の半周期毎に二乗積分値演算が行われ、正負の実効電流値（ｒｍｓ）として平方根演算が実施される。図２（Ｇ）には、二乗演算結果を示す。また、同図（Ｈ）、（Ｉ）には、それぞれ正負電流の二乗積分値を示す。その際、サンプリング毎（４００μｓ毎）に電流検出器４Ｕから入力された瞬時値信号を用いて、二乗積分演算を行い、６０°毎の割込み信号の０°あるいは１８０°のときの実効値が正負の期間に分割されて実効値演算を行う。また、半周期毎に演算された実効電流値（ｒｍｓ）は、次の演算結果が得られる半周期だけその値が保持され、新たに演算結果が得られると、その都度リセットされ、新しい二乗積分演算結果によって更新される。その結果、同図（Ｊ）、（Ｋ）に示すように、Ｕ相の正負電流は３６０°毎にデータ更新される。

図３は、図１の電流不導通検出装置における不導通検出時の各部信号波形を示すタイミング図である。
図２に示す場合と同様に、半周期毎に演算された実効値は次に演算結果が得られるまで、その値が保持され、新たに演算結果が得られる度に新しい値に更新される。ところが、図３（Ｊ）、（Ｋ）に示すように、例えば正期間でのデータ更新サイクルの直後にサイリスタ２Ｕｂが不導通となって負期間のＵ相電流だけが失われた場合には、負電流の二乗積分値がそれ以前の値と比較して小さくなる。そのため、負期間でのデータ更新サイクルになると、同図（Ｌ）に示すように、負電流の実効電流値（ｒｍｓ）は大きく減少する。一方、正期間のＵ相電流は以前と同じ大きさの電流値として検出されるため、その二乗積分値はやや減少するものの、正期間でのデータ更新サイクルになっても実効電流値（ｒｍｓ）の変化は小さい。したがって、こうして得られた正負それぞれの期間の実効電流値を比較し、比較した値が予め設定した判定値以上になった場合、同図（Ｍ）に示すように、サイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂのいずれかの不導通を検出することができる。

図４は、サイリスタ電流の瞬時値を二乗積分する演算手順を示すフローチャートである。
４００μｓの割込み演算処理は、ステップＳ１１でＵ相の電流検出値を検出し、ステップＳ１２で二乗演算を行い、ステップＳ１３で４００μｓ毎にＵ相電流の二乗演算結果に対する積算演算を行って、積分値を求めている。さらに、ステップＳ１４ではサンプリング回数を＋１だけ加算する。

図５は、サイリスタ不導通検出プログラムにおける判定手順を示すフローチャートである。
ここでは、ステップＳ２１で０°の割込みタイミングであればステップＳ２２に進み、ステップＳ２３で１８０°の割込みタイミングであればステップＳ２４に進む。さらに、それぞれステップＳ２２，Ｓ２４では、図４に示す４００μｓの割込み演算処理によって得られた電流の二乗積分とサンプリング回数の演算を行う。４００μｓ割込みでは単に積分演算とサンプリングの回数をカウントし、演算結果は０°割込み、または１８０°割込みで使用し、次の期間のための０クリアも０°または１８０°割込みから行う。

図５で０°割込みが発生した場合、それまで１８０°から３６０°までの演算結果が４００μｓ割込みに残っているので、ステップＳ２５で負の期間の実効値演算を行い、それを保存する。そして、次の正の半周期での処理のため、積分値とサンプリング回数をステップＳ２７とＳ２９で０クリアする。同様に１８０°割込みが発生した場合、０°から１８０°までの演算結果が４００μｓ割込みに残っているので、ステップＳ２６で正の期間の実効値演算を行ってそれを保存し、次の負の半周期での処理のため、積分値とサンプリング回数をステップＳ２８とＳ３０で０クリアする。なお、ステップＳ２１では０°の割込みが、ステップＳ２３では１８０°の割込みが発生したどうかを判定し、０°、１８０°以外の６０°，１２０°，２４０°、あるいは３００°の割込みのタイミングでは何らの処理もしないで終了する。

その後、正負の期間に保存した実効値演算結果により、ステップＳ３１で実効値の偏差の絶対値を求め、この偏差の絶対値が予め設定された判定値を超えたかどうかをステップＳ３２で比較する。こうして、サイリスタ２Ｕａ，２Ｕｂの不導通が半周期毎に判定される。

なお、ステップＳ３１における電流実効値演算では判定値である瞬時値の二乗演算を行い、半周期間の積分演算を行い、積分演算結果をサンプリング回数で除算し、さらに平方根演算を行っている。しかし、ここでの実効値演算を簡略化して、サンプリング回数の除算と平方根演算とを省略することも可能である。また、二乗演算を省略して、単に電流検出値の絶対値を積分し、それによって得られた半周期毎の信号を比較することによっても、上述したものと同等の故障検出ができる。

三相交流電源２０の開放検出回路１０では、Ｕ相以外のＶ相、Ｗ相を入り切りする半導体交流スイッチのサイリスタ２Ｖａ，２Ｖｂおよび２Ｗａ，２Ｗｂについては、Ｕ相
から１２０°ずつ位相をずらした期間、すなわちＶ相の場合には１２０°〜３００°を正の期間、３００°〜１２０°を負の期間とし、また同様にＷ相の場合には２４０°〜６０°と６０°〜２４０°をそれぞれ正、負の半周期間とすればよい。これにより、Ｕ相について説明したものと同様の演算がＶ相、Ｗ相についても可能となり、Ｖ相およびＷ相について、それぞれ半導体交流スイッチを構成するサイリスタ２Ｖａ，２Ｖｂおよ
び２Ｗａ，２Ｗｂの不導通を検出することができる。

１ 電源
２Ｕａ，２Ｕｂ，２Ｖａ，２Ｖｂ，２Ｗａ，２Ｗｂ サイリスタ
３０ 負荷
４Ｕ，４Ｖ，４Ｗ 電流検出器
６ マイコン
７，８ 加算器
９，９１ 比較器
１０ 開放検出回路
１１，１２ 実効値演算回路
２０ 三相交流電源
４０ 電圧検出器
５０ 同期検出回路
６０ 割込み信号発生回路

Claims (5)

1. 負荷に交流電源を供給する主回路にサイリスタを逆並列に接続して構成された半導体交流スイッチの電流不導通検出装置において、
   前記交流電源から前記サイリスタに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段と、
   前記交流電源の電圧信号から同期検出された同期信号によって相電圧に相当する位相を検出する位相検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流から前記相電圧に相当する位相の半周期毎に二乗積分値演算により正負の実効電流値を求める演算手段と、
   前記実効電流値の正負の偏差が正の半周期と負の半周期との間で所定値を超えたとき、前記サイリスタのいずれかの不導通を検出する比較手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体交流スイッチの電流不導通検出装置。
2. 前記半導体交流スイッチは、前記負荷に三相電源を配送するための各給電線にサイリスタを逆並列に接続して構成されたものであることを特徴とする請求項１記載の電流不導通検出装置。
3. 前記演算手段は、前記電流検出手段の検出値である瞬時値の二乗演算を行い、正負の半周期間で積分演算を行い、積分演算結果をサンプリング回数で除算し、さらに平方根演算を行うことによって、正負の実効電流値を求めることを特徴とする請求項１記載の電流不導通検出装置。
4. 前記演算手段は、前記電流検出手段の検出値である瞬時値の絶対値を積分することで得られた半周期毎の信号を正負の実効電流値に代えて出力することを特徴とする請求項１記載の電流不導通検出装置。
5. 負荷に交流電源を供給する主回路にサイリスタを逆並列に接続して構成された半導体交流スイッチの電流不導通検出方法において、
   線間電圧を電圧検出器にて検出するステップ、
   前記線間電圧の検出信号から同期検出を行うステップ、
   さらに、所定の位相だけ遅らせた相電圧に相当する位相信号を検出するステップ、
   その相電圧相当の位相信号に同期して前記サイリスタに流れる半周期毎の電流実効値を演算するステップ、
   および、正の半周期と負の半周期での実効電流値の偏差が所定値を超えたとき、前記サイリスタの不導通を検出するステップ、
   を含むことを特徴とする半導体交流スイッチの電流不導通検出方法。

Images