JP2016019439A - 半導体電力変換器の故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流検出器の数を最小限にして、三相交流電源の欠相や半導体素子の異常等を検出可能とした故障検出装置を提供する。【解決手段】三相交流電源を整流するサイリスタ整流器１の交流側に設けられた電流検出器２ａ，２ｂと、これらの出力に基づき三相全波整流を行って直流の電流検出値を演算する三相全波整流演算回路３と、三相交流電源の一相分の周期の１／６期間ごとに電流検出値の平均値を演算する平均値演算回路４と、平均値の最大値及び最小値を演算する最大値・最小値演算回路５と、最大値と最小値との差分が所定の閾値を超えたことを判定する差分判定回路６と、その出力が所定期間継続したときに、電源の欠相、サイリスタ１ａの不点弧、短絡等の故障を検出する故障検出回路７と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、三相交流電源に接続された交流／直流変換部を有する半導体電力変換器において、三相交流電源の欠相や電力変換器を構成する半導体素子の故障（不動作、短絡等）を検出するための故障検出装置に関するものである。

三相交流電源の欠相を検出する従来技術として、特許文献１に記載されたものが知られている。
図７は、この特許文献１に係る負荷制御装置の構成図であり、１１は三相三線式の電源母線、１２は配線用遮断器、１３は主回路、Ｍは負荷としての電動機、１８ｂは電磁接触器の主接点、１４は電流検出部、１５は変流器、１６は全波整流回路、１７は操作用変圧器、１８ａは電磁接触器の励磁コイル、１９は負荷保護継電器３０に対する始動操作スイッチ、２０は同じく停止操作スイッチである。また、負荷保護継電器３０において、３１は論理演算回路、３２は最大値検出回路、３３は平均化回路、３４は記憶回路、３５は駆動回路、３６は伝送路４０に接続されたインターフェース回路、３７は表示回路である。

上記構成において、電源母線１１に欠相がなく、配線用遮断器１２及び主接点１８ｂがオンしている状態では、電動機Ｍに三相交流電圧が供給され、電動機Ｍが駆動されている。
ここで、全波整流回路１６の出力は最大値検出回路３２及び平均化回路３３に入力されており、正常時には、最大値検出回路３２が検出する最大値と平均化回路３３から出力される平均値とがほぼ等しくなる。しかし、例えば電源母線１１のうちの一相に欠相が発生すると、図８に示すように、平均値が最大値より大幅に低下する。
このため、論理演算回路３１は、最大値と平均値との偏差が所定の閾値を超えた場合に欠相発生を判定し、主回路１３を流れる電流が制限値を超えた場合に駆動回路３５及び励磁コイル１８ａを介して主接点１８ｂをオフすることにより、電動機Ｍへの電力供給を遮断している。

また、他の従来技術として、特許文献２に記載されたものが知られている。
図９は、特許文献２に係る電流検出装置の構成図であり、５１は三相交流電源、５２は配線用遮断器等の主接点、５３は主回路、Ｍは負荷としての電動機、６０は電流検出装置、６１，６２は主回路５３の異なる二相に跨ってそれぞれ挿入されたカレントトランス、６３は処理回路、６４は電源供給用の全波整流回路を示している。

上記構成においては、主回路５３の状態（正常、一相または二相欠相、非通電）に応じてカレントトランス６１，６２の出力電流の大きさがそれぞれ異なるため、処理回路６３がカレントトランス６１，６２の出力電流を監視することにより、三相交流電源５１の欠相を検出している。

特開２０００−５０４８７号公報（段落［００２５］〜［００３１］、図１，図３等） 特開２００５−２６１１５７号公報（段落［０００９］〜［００１１］、図１，図４等）

特許文献１に記載された従来技術では、電源母線１１に接続された主回路１３の各相に変流器１５を設置しなくてはならないため、部品数が多くなってコスト高になるおそれがある。また、特許文献２に記載された従来技術では、主回路５３の二相に跨ってカレントトランス６１，６２を設置する作業が煩雑である。
更に、これらの従来技術は、もっぱら三相交流電源の欠相検出を目的としており、電源に接続された半導体電力変換器を構成する半導体素子の異常（不動作や短絡等）を検出する機能については言及されていない。

そこで、本発明の解決課題は、電流検出器の数を最小限にして、三相交流電源の欠相、及び、この電源に接続された半導体電力変換器を構成する半導体素子の異常等、各種の故障を検出可能とした故障検出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に係る発明は、三相交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換部を備えた半導体電力変換器の故障検出装置において、
前記交流／直流変換部の交流側に設けられた複数の電流検出器と、
前記電流検出器の出力に基づき三相全波整流を行って直流の電流検出値を演算する三相全波整流演算手段と、
三相交流電源の一相分の周期の１／６期間ごとに、前記電流検出値の平均値を演算する平均値演算手段と、
前記平均値の最大値及び最小値を演算する最大値・最小値演算手段と、
前記最大値と前記最小値との差分が所定の閾値を超えたことを判定する差分判定手段と、
前記差分判定手段の出力が所定期間継続したときに故障を検出する故障検出手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した半導体電力変換器の故障検出装置において、前記電流検出器を、前記交流／直流変換部の交流側の任意の二相にそれぞれ設けたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、三相交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換部を備えた半導体電力変換器の故障検出装置において、
前記交流／直流変換部の直流側に設けられた単一の電流検出器と、
三相交流電源の一相分の周期の１／６期間ごとに、前記電流検出器から出力される電流検出値の平均値を演算する平均値演算手段と、
前記平均値の最大値及び最小値を演算する最大値・最小値演算手段と、
前記最大値と前記最小値との差分が所定の閾値を超えたことを判定する差分判定手段と、
前記差分判定手段の出力が所定期間継続したときに故障を検出する故障検出手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した半導体電力変換器の故障検出装置において、前記差分判定手段は、前記差分がそれぞれ異なる閾値を超えたことを判定して差分判定信号を出力し、前記故障検出手段は、前記差分判定信号に応じて、前記三相交流電源の欠相、または前記交流／直流変換部を構成する半導体素子の不動作もしくは短絡を故障として検出することを特徴とする。

本発明によれば、従来のように交流側の多数の電流検出器や二相に跨る電流検出器を用いることなく、必要最小限の電流検出器を用いて三相交流電源の欠相、半導体素子の不動作や短絡等を検出することができ、電力変換器の主回路構成を簡略化してコストを低減することが可能である。特に、既存の電力変換器の制御用に予め具備された電流検出器を利用すれば、ハードウェアを新たに追加する必要もなく、ソフトウェアに若干の変更を加えるだけで実現可能であるから、極めて経済的である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 本発明の第１実施形態における正常時の動作波形図である。 本発明の第１実施形態における一相欠相時の動作波形図である。 本発明の第１実施形態におけるサイリスタ不点弧時の動作波形図である。 本発明の第１実施形態におけるサイリスタ短絡時の動作波形図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図７の動作波形図である。 特許文献２に記載された従来技術の構成図である。

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実施形態に係る故障検出装置の構成図である。図１において、三相交流電源に接続された各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の主回路１０には、サイリスタ１ａをブリッジ接続してなる交流／直流変換部としてのサイリスタ整流器１が接続されている。
主回路１０のうちの任意の二相、例えばＵ，Ｗ相には電流検出器（変流器）２ａ，２ｂがそれぞれ接続され、電流検出器２ａの出力であるＵ相電流検出値、及び、電流検出器２ｂの出力であるＷ相電流検出値は、三相全波整流演算回路３に直接入力されている。また、電流検出器２ａ，２ｂの出力は加算器８に図示の符号で入力され、加算器８の出力であるＶ相電流検出値も三相全波整流演算回路３に入力されている。

三相全波整流演算回路３は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電流検出値を全波整流して直流量に変換し、この直流量を電流検出値として出力する。
平均値演算回路４は、交流電源一相の周波数（例えば６０［Ｈｚ］）を基準とした６０°ｅｌ（電気角６０°）期間、すなわち、一周期の１／６期間における電流検出値の平均値Ｉ_ａｂｅ１〜Ｉ_ａｂｅ６を逐次演算し、出力する。
最大値・最小値演算回路５は、平均値演算回路４から出力される平均値Ｉ_ａｖ１〜Ｉ_ａｖ６の中から、最大値Ｉ_{ａｖＭＡＸ}と最小値Ｉ_{ａｖＭＩＮ}とを求めて出力する。

次に、加算器９により最大値Ｉ_{ａｖＭＡＸ}と最小値Ｉ_{ａｖＭＩＮ}との差分ΔＩ_ａｖを求め、この差分ΔＩ_ａｖを差分判定回路６に入力する。差分判定回路６では、差分ΔＩ_ａｖが所定の閾値を超えた場合に差分判定信号を故障検出回路７に出力する。
故障検出回路７は、差分判定信号が所定期間継続した場合に、三相交流電源（主回路１０）の欠相またはサイリスタ１ａの不点弧、短絡等を示す故障検出信号を出力する。

なお、図２は本発明の第２実施形態を示す構成図である。
この第２実施形態は、第１実施形態における交流側の電流検出器２ａ，２ｂに代えて、サイリスタ整流器１の直流出力側の正側母線に電流検出器２ｃが接続され、その出力が平均値演算回路４に入力されている。ここで、電流検出器２ｃは、サイリスタ整流器１の出力側の負側母線に配置しても良い。
図２におけるその他の構成は図１と同様であるため、同一の機能を有するものには同一の参照符号を付してある。

第２実施形態において、電流検出器２ｃはサイリスタ整流器１から出力される直流電流を検出する。この直流電流はサイリスタ整流器１により三相全波整流された波形であるため、図１における三相全波整流演算回路３の出力波形と同一である。従って、三相全波整流演算回路３に接続された平均値演算回路４以降の動作も、第１実施形態と同様になる。
この第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて電流検出器が単一で済み、また、図１における三相全波整流演算回路３や加算器８が不要になるため、構成の簡略化が可能である。

次に、本発明（例えば第１実施形態）の動作を、図３〜図６に基づいて説明する。
図３は、三相交流電源に欠相がなく、サイリスタ１ａの不点弧や短絡が発生していない正常時の動作波形である。図３において、上から電流検出値の波形（三相全波整流演算回路３の出力波形）、６０°ｅｌ期間の平均値の連続波形（平均値演算回路４の出力波形）、一相分の電源電圧波形を示している（図４〜図６も同様）。
図３の正常時には、６０°ｅｌ期間の平均値は常に一定であり、Ｉ_{ａｖＭＡＸ}＝Ｉ_{ａｖＭＩＮ}，ΔＩ_ａｖ＝０であるため、差分判定信号及び故障検出信号は出力されない。

図４は、三相のうち一相が欠相している場合の動作波形である。
この場合、図４の上段に示す電流検出値は、６０°ｅｌ期間にわたって零となる期間を電源一相の一周期内に複数有し、図４の中段に示す平均値の連続波形は、Ｉ_{ａｖＭＡＸ}とＩ_{ａｖＭＩＮ}との間で大きく変化しながら繰り返される。
差分判定回路６は、Ｉ_{ａｖＭＡＸ}とＩ_{ａｖＭＩＮ}との差分ΔＩ_ａｖが所定の閾値を超えると、差分判定信号をアクティブにして出力する。故障検出回路７は、この差分判定信号が所定期間（例えば複数周期）にわたり継続した場合に、一相欠相を示す故障検出信号を出力する。

図５は、サイリスタ１ａの不点弧時の動作波形であり、例えば、サイリスタ整流器１の一相の上アームまたは下アームのサイリスタ１ａが不点弧である場合が該当する。
図５の例では、電流検出値が零となる期間が図４よりも短いため、Ｉ_{ａｖＭＡＸ}に対してＩ_{ａｖＭＩＮ}の減少分も小さく、結果的に差分ΔＩ_ａｖが図４よりも小さくなっている。
差分判定回路６は、この差分ΔＩ_ａｖが所定の閾値を超えた場合に差分判定信号をアクティブにして出力する。故障検出回路７は、この差分判定信号が所定期間にわたり継続した場合に、サイリスタ１ａの不点弧を示す故障検出信号を出力する。

図６は、サイリスタ１ａの短絡時の動作波形であり、例えば、サイリスタ整流器１の一相の上アームまたは下アームのサイリスタ１ａが短絡している場合が該当する。
図６の例では、電流検出値が正側、負側に周期的に変化しており、差分ΔＩ_ａｖは図５よりも更に小さくなっている。
差分判定回路６は、この差分ΔＩ_ａｖが所定の閾値を超えた場合に差分判定信号をアクティブにして出力する。故障検出回路７は、この差分判定信号が所定期間にわたり継続した場合に、サイリスタ１ａの短絡を示す故障検出信号を出力する。

図４〜図６から明らかなように、差分ΔＩ_ａｖの大きさは、欠相や不点弧、短絡等の故障原因によってそれぞれ異なっている。このため、差分判定回路６は、差分ΔＩ_ａｖと比較するための閾値を故障原因に応じてそれぞれ選定することにより、差分判定信号が欠相によるものか、あるいはサイリスタ１ａの不点弧または短絡によるものかを判別することができる。従って、差分判定信号に故障原因の情報を含ませれば、故障検出回路７は、推定した故障原因を含む故障検出信号を出力することが可能である。

本発明に係る故障検出装置は、三相交流電源に接続された交流／直流変換部を有する三相の半導体電力変換器であれば、実施形態により説明したサイリスタ整流器のほか、ダイオード整流器の電源側欠相検出、トランジスタ整流器の電源側欠相検出及びトランジスタの不動作，短絡等の検出にも用いることができる。更には、これら各種の整流器と、その直流出力電圧を交流電圧に変換する直流／交流変換部とを備えたインバータ装置にも適用可能である。

１：サイリスタ整流器
１ａ：サイリスタ
２ａ，２ｂ，２ｃ：電流検出器
３：三相全波整流演算回路
４：平均値演算回路
５：最大値・最小値演算回路
６：差分判定回路
７：故障検出回路
８，９：加算器
１０：主回路

Claims (4)

1. 三相交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換部を備えた半導体電力変換器の故障検出装置において、
   前記交流／直流変換部の交流側に設けられた複数の電流検出器と、
   前記電流検出器の出力に基づき三相全波整流を行って直流の電流検出値を演算する三相全波整流演算手段と、
   三相交流電源の一相分の周期の１／６期間ごとに、前記電流検出値の平均値を演算する平均値演算手段と、
   前記平均値の最大値及び最小値を演算する最大値・最小値演算手段と、
   前記最大値と前記最小値との差分が所定の閾値を超えたことを判定する差分判定手段と、
   前記差分判定手段の出力が所定期間継続したときに故障を検出する故障検出手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体電力変換器の故障検出装置。
2. 請求項１に記載した半導体電力変換器の故障検出装置において、
   前記電流検出器を、前記交流／直流変換部の交流側の任意の二相にそれぞれ設けたことを特徴とする半導体電力変換器の故障検出装置。
3. 三相交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換部を備えた半導体電力変換器の故障検出装置において、
   前記交流／直流変換部の直流側に設けられた単一の電流検出器と、
   三相交流電源の一相分の周期の１／６期間ごとに、前記電流検出器から出力される電流検出値の平均値を演算する平均値演算手段と、
   前記平均値の最大値及び最小値を演算する最大値・最小値演算手段と、
   前記最大値と前記最小値との差分が所定の閾値を超えたことを判定する差分判定手段と、
   前記差分判定手段の出力が所定期間継続したときに故障を検出する故障検出手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体電力変換器の故障検出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した半導体電力変換器の故障検出装置において、
   前記差分判定手段は、前記差分がそれぞれ異なる閾値を超えたことを判定して差分判定信号を出力し、
   前記故障検出手段は、前記差分判定信号に応じて、前記三相交流電源の欠相、または前記交流／直流変換部を構成する半導体素子の不動作もしくは短絡を故障として検出することを特徴とする半導体電力変換器の故障検出装置。

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