JP2016201981A - インバータの出力地絡検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式でインバータ出力地絡を正確かつ迅速に検出する方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法は、レッグシャント抵抗を用いてインバータの出力地絡を検出する方法であって、インバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）を検出する段階と、前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する段階と、前記インバータの出力地絡が発生したか否かを判断する段階とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、インバータの出力地絡検出方法に関し、特に、レッグシャント（leg shunt）抵抗を用いた電流（インバータ出力電流）検出方式においてインバータ出力地絡を検出する方法に関する。

コンバータ（三相整流器）は、交流電圧を直流電圧に変換し、インバータは、パルス幅変調（Pulse Width Modulation, PWM）信号に基づいて、コンバータにより変換された直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成する。図４に示すように、インバータにより生成された交流電圧はモータに代表される負荷に印加される。

インバータ出力線の断線又はインバータ出力導体と大地（グラウンド）の意図しない接続などによりインバータ出力地絡が発生することがあるが、インバータ出力地絡が発生した場合、モータは定格電流以上の過電流により劣化による焼損が発生することがあり、地絡線（ground fault path）が人体に接触すると人身事故につながることもある。よって、モータ駆動用インバータにおいては、インバータ出力地絡の有無を使用者に通知し、インバータ出力地絡発生時にインバータの運転を停止してモータ及び使用者を安全に保護する機能を提供する。

通常、インバータ出力欠相及びインバータ出力地絡の有無は、インバータ出力電流を検出して判別する。

図５Ａに示すように、インバータの正常動作時には、ＫＣＬ（Kirchhoff's Current Law）によりインバータ三相出力電流の和はゼロとなる。すなわち、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０となる。

それに対し、図５Ｂに示すように、ｗ相に出力地絡が発生すると、出力地絡が発生したｗ相の電流Ｉｗが大地に流れて地絡電流Ｉｇとなるので、インバータ三相出力電流の和はゼロでなくなる。すなわち、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ≠０となる。

このように、インバータ三相出力電流値を用いてインバータ出力欠相及びインバータ出力地絡の有無を判別することができる。インバータ三相出力電流の和は、インバータ三相出力線に共通に零相変流器（Zero phase Current Transformer, ZCT）を設置して検出することができる。

図６を参照すると、従来の変流器（Current Transformer, CT）を用いたインバータ出力電流検出回路においては、相毎に出力線に変流器を設置してインバータ三相出力電流を検出する。このような変流器を用いた電流検出方式は主にスタンダードクラス以上のインバータに用いられる。変流器を用いて出力電流を検出する従来のインバータの出力地絡検出方法においては、前述したように、インバータ三相出力電流を用いてＫＣＬに基づいてインバータ出力地絡の有無を判断する。例えば、インバータの正常動作時には、ＫＣＬによりインバータ三相出力電流の和はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０となる。それに対し、出力地絡が発生すると、インバータ三相出力電流の和はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ≠０となる。すなわち、従来技術によるインバータの出力地絡検出方法においては、ＫＣＬに基づいて、三相出力電流の和が設定レベル以上であると出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行う。このような従来技術によるインバータの出力地絡検出方法のフローチャートを図７に示す。

前述したように、インバータ三相出力電流に対してＫＣＬを適用して出力地絡を検出する方法は、変流器を用いて出力電流を検出するインバータには有効に適用することができる。

しかし、図８に示すレッグシャント抵抗を用いた電流検出方式においては、前記方法ではインバータ出力地絡を検出することができない。

以下、図８を参照して、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式について説明する。

レッグシャント抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、インバータの各相の下段ＩＧＢＴエミッタ（Ｅ）端に配置され、インバータスイッチング動作状態によって下段ＩＧＢＴに電流が流れるとインバータ出力電流を検出する。

レッグシャント抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を用いた電流検出方式においては、図９に示すようにインバータスイッチング動作状態及び電流導通時間に応じて電流検出領域が制限されるので、電流検出領域の拡張のために、インバータ三相出力電流のうち有効な二相電流を検出して残りの一相電流を演算する手法を用いる。図９には各インバータＰＷＭ状態における出力電流検出制限領域を示し、図１０にはインバータ三相出力電流のうち有効な二相電流を検出して残りの一相電流を演算する数式を表に示す。

つまり、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式においては、ＰＷＭ制御信号に基づいてインバータ三相出力電流のうちスイッチング素子がターンオンした有効な二相電流を検出して残りの一相電流を演算する手法を用いるので、インバータの正常動作時も出力地絡発生時も常にインバータ三相出力電流の和はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０である。よって、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式においては、従来の地絡検出方法ではインバータ出力地絡を検出することができない。

レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式は、変流器を用いた方式に比べて比較的安価で実現することができるので、安価な小型インバータに多く用いられる。よって、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式においては、インバータ出力地絡を正確かつ迅速に検出する方法が求められている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式でインバータ出力地絡を正確かつ迅速に検出する方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法は、レッグシャント抵抗を用いてインバータの出力地絡を検出する方法であって、インバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）を検出する段階と、前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する段階と、前記インバータの出力地絡が発生したか否かを判断する段階とを含む。

一実施形態によれば、前記インバータの出力地絡検出方法は、前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル以上の場合、前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する段階の後に、前記インバータの出力電流レベルが設定許容電流レベル以上であるか否かを判断する段階をさらに含んでもよい。

一実施形態によれば、前記インバータの出力地絡検出方法は、前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル以上の場合、前記インバータの出力電流レベルが設定許容電流レベル以上であるか否かを判断する段階の後に、ゼロベクトルのパルス幅変調信号を出力し、ゼロベクトル区間でインバータ三相出力電流（Ｉｕｓ＿ｚｅｒｏ、Ｉｖｓ＿ｚｅｒｏ、Ｉｗｓ＿ｚｅｒｏ）をサンプリングする段階をさらに含んでもよい。

一実施形態によれば、前記インバータの出力地絡が発生したか否かを判断する段階においては、前記サンプリングされたインバータ三相出力電流を用いて前記インバータの出力地絡の有無を判断するようにしてもよい。

一実施形態によれば、前記サンプリングされたインバータ三相出力電流の和が設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行うようにしてもよい。

一実施形態によれば、前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル未満の場合、前記インバータ三相出力電流の和が設定出力地絡レベル以上であるか否かを判断し、前記インバータ三相出力電流の和が前記設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行うようにしてもよい。

一実施形態によれば、前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル未満の場合、前記インバータ三相出力電流を検出する段階にフィードバックし、インバータ出力地絡検出プロセスを再び行うようにしてもよい。

一実施形態によれば、前記インバータの出力地絡検出方法は、前記インバータ三相出力電流を検出する段階の後に、ＬＰＦ（Low Pass Filter）を用いてフィルタリングする段階をさらに含んでもよい。

一実施形態によれば、前記レッグシャント抵抗は、前記インバータの各相の下段ＩＧＢＴエミッタ端にそれぞれ配置される３つのレッグシャント抵抗であってもよい。

一実施形態によれば、前記インバータ三相出力電流は、前記３つのレッグシャント抵抗に印加される電圧を検出して計算するようにしてもよい。

本発明によるインバータの出力地絡検出方法によれば、変流器を用いた方式に比べて比較的安価で実現できるレッグシャント抵抗を用いた電流検出方式でインバータ出力地絡を正確かつ迅速に検出することができる。

また、本発明によるインバータの出力地絡検出方法によれば、レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式でインバータ出力地絡を正確かつ迅速に検出することができるので、インバータの製造及びメンテナンスコストを低減することができ、安価な小型インバータの普及を図ることができる。

本発明によるインバータ電流検出過程を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法におけるゼロベクトル区間でインバータ出力電流をサンプリングする方法を説明するための図である。 一般的なモータ駆動用インバータの電源部の構成図である。 インバータ正常動作時の出力電流経路を示す図である。 インバータ出力地絡発生時の出力電流経路を示す図である。 変流器を用いた電流検出方式を示す図である。 従来技術によるインバータの出力地絡検出方法を示すフローチャートである。 レッグシャント抵抗を用いた電流検出方式を示す図である。 各インバータＰＷＭ状態における出力電流検出制限領域を示す図である。 図９の各インバータＰＷＭ状態におけるインバータ出力電流の演算式を示す表である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明するが、図面番号に関係なく同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。以下の説明で用いられる構成要素の接尾辞である「モジュール」及び「部」は、明細書の作成を容易にするために付与又は混用されるものであり、それ自体が有意性や有用性を有するものではない。また、本発明の実施形態を説明するにあたって、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。なお、添付図面は本発明の実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本発明の技術的思想が制限されるものではなく、本発明は本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

本発明は、具体的な実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱しない限り様々に変形できることはいうまでもない。よって、本発明の範囲は、前述した実施形態により定められるのではなく、特許請求の範囲とその均等物により定められるべきである。すなわち、本発明の変形、変更や修正が特許請求の範囲とその均等物の範疇に属する場合、その変形、変更や修正は本発明に含まれるものとみなされる。

図１は本発明によるインバータ電流検出過程を示すブロック図である。本発明によるインバータ電流検出過程は、大きく（ａ）インバータ三相出力電流の検出、（ｂ）ノイズ除去のためのＬＰＦ及びスケールの調整、（ｃ）インバータ出力電流の検出、（ｄ）出力電流の演算、（ｅ）出力欠相の演算の順に行われる。本発明は、このようなインバータ電流検出過程のうち特に（ｃ）インバータ出力電流の検出に関連するものであり、以下に詳細に説明する。

図２は本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法を示すフローチャートである。図２に示すように、本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法においては、まず、インバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）を検出する（Ｓ１０）。ここで、Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓは、インバータの各相の下段ＩＧＢＴエミッタ端にそれぞれ配置されるレッグシャント抵抗（図８のＲ１、Ｒ２、Ｒ３参照）に流れる電流を意味する。インバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）は、前記３つのレッグシャント抵抗に印加される電圧を検出して計算してもよく、電流検出器を用いて検出してもよい。

次に、前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する（Ｓ２０）。前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル未満の場合（ＮＯ）、前記検出されたインバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）を用いて出力地絡が発生したか否かを判断する（Ｓ５０）。出力地絡が発生したか否かの判断は、前記検出されたインバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）に対してＫＣＬを適用してインバータ三相出力電流の和（Ｉｕｓ＋Ｉｖｓ＋Ｉｗｓ）が設定出力地絡レベル以上であるか否かを判断する方式で使用者により行われるようにしてもよい。また、本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法が適用されるインバータは、出力地絡判断部（図示せず）を含んでもよい。前記出力地絡判断部は、前記検出されたインバータ三相出力電流（Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓ）に対してＫＣＬを適用してインバータ三相出力電流の和（Ｉｕｓ＋Ｉｖｓ＋Ｉｗｓ）が設定出力地絡レベル以上であるか否かを判断する方式で出力地絡が発生したか否かを判断するようにしてもよい。

前記インバータ三相出力電流の和が前記設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行う（Ｓ６０）。

一方、ステップＳ２０において、前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル以上の場合（ＹＥＳ）、前記インバータの出力電流レベルが設定許容電流レベル以上であるか否かを判断する（Ｓ３０）。前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル未満の場合（ＮＯ）、プロセスの開始ステップに戻ってプロセスを再び行う。前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル以上の場合（ＹＥＳ）、ゼロベクトルのパルス幅変調信号を出力し、ゼロベクトル区間でインバータ出力電流をサンプリングする（Ｓ４０）。

次に、前記ゼロベクトル区間でサンプリングされたインバータ三相出力電流（Ｉｕｓ＿ｚｅｒｏ、Ｉｖｓ＿ｚｅｒｏ、Ｉｗｓ＿ｚｅｒｏ）を用いて出力地絡が発生したか否かを判断する（Ｓ５０）。具体的には、前記出力地絡が発生したか否かの判断は、前記ゼロベクトル区間でのインバータ三相出力電流の和（Ｉｕｓ＿ｚｅｒｏ＋Ｉｖｓ＿ｚｅｒｏ＋Ｉｗｓ＿ｚｅｒｏ）が設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行う（Ｓ６０）。

前述したように、本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法は、電圧利用率が低いことからゼロベクトル区間が十分に確保されている区間では、パルス幅変調を行うことなく検知された三相電流をそのまま用いて出力地絡が発生したか否かを判断し、電圧利用率が高いことからゼロベクトル区間が十分に確保されていない区間では、ゼロベクトルのパルス幅変調信号を出力して三相電流を検知する方式でインバータ出力地絡を検出することができる。

以下、図３を参照して、本発明の一実施形態によるインバータの出力地絡検出方法におけるゼロベクトル区間でインバータ出力電流を検出する方法について詳細に説明する。

図３は図９に示すベクトルパルス幅変調方式の６つのセクタのうちＳＥＣＴＯＲ３を例示する。

ゼロベクトル区間とは三相ＰＷＭパルスが全て「０」となる区間をいい、ゼロベクトル区間ではインバータ三相出力電流を全て検出することができる。

ＳＥＣＴＯＲ３でのアクティブ領域はＶ３（０，１，０）とＶ４（０，１，１）であり、ゼロベクトルはＶ０（０，０，０）とＶ７（１，１，１）である。

ゼロベクトルのうち電流を検出できるベクトルはＶ０であるので、本実施形態においてはＶ０区間で電流の検出が行われる。

ゼロベクトル区間の物理的な時間は電圧利用率とインバータスイッチング周波数により決定され、電圧利用率とインバータスイッチング周波数が高くなるほどゼロベクトル区間の時間が短くなり、電流の検出がアクティブベクトル区間Ｖ１〜Ｖ６で行われる。このように、ゼロベクトル区間Ｖ０でインバータ出力電流をサンプリングし、サンプリングされたインバータ出力電流に対してＫＣＬを適用することにより、インバータ出力地絡が発生したか否かを判断することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものにすぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であればこれから様々な変形及び均等な実施形態が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の権利範囲は特許請求の範囲により定められるべきである。

Claims (10)

1. レッグシャント抵抗を用いてインバータの出力地絡を検出する方法であって、
   インバータ三相出力電流を検出する段階と、
   前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する段階と、
   前記インバータの出力地絡が発生したか否かを判断する段階とを含む、インバータの出力地絡検出方法。
2. 前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル以上の場合、前記インバータの電圧利用率が設定許容電圧レベル以上であるか否かを判断する段階の後に、前記インバータの出力電流レベルが設定許容電流レベル以上であるか否かを判断する段階をさらに含む、請求項１に記載のインバータの出力地絡検出方法。
3. 前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル以上の場合、前記インバータの出力電流レベルが設定許容電流レベル以上であるか否かを判断する段階の後に、ゼロベクトルのパルス幅変調信号を出力し、ゼロベクトル区間でインバータ三相出力電流をサンプリングする段階をさらに含む、請求項２に記載のインバータの出力地絡検出方法。
4. 前記インバータの出力地絡が発生したか否かを判断する段階においては、前記サンプリングされたインバータ三相出力電流を用いて前記インバータの出力地絡の有無を判断する、請求項３に記載のインバータの出力地絡検出方法。
5. 前記サンプリングされたインバータ三相出力電流の和が設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行う、請求項３又は４に記載のインバータの出力地絡検出方法。
6. 前記インバータの電圧利用率が前記設定許容電圧レベル未満の場合、前記インバータ三相出力電流の和が設定出力地絡レベル以上であるか否かを判断し、前記インバータ三相出力電流の和が前記設定出力地絡レベル以上の場合、出力地絡が発生したものと判断して保護動作を行う、請求項１に記載のインバータの出力地絡検出方法。
7. 前記インバータの出力電流レベルが前記設定許容電流レベル未満の場合、前記インバータ三相出力電流を検出する段階にフィードバックする、請求項２に記載のインバータの出力地絡検出方法。
8. 前記インバータ三相出力電流を検出する段階の後に、ＬＰＦ（Low Pass Filter）を用いてフィルタリングする段階をさらに含む、請求項１に記載のインバータの出力地絡検出方法。
9. 前記レッグシャント抵抗は、前記インバータの各相の下段ＩＧＢＴエミッタ端にそれぞれ配置される３つのレッグシャント抵抗である、請求項１に記載のインバータの出力地絡検出方法。
10. 前記インバータ三相出力電流は、前記３つのレッグシャント抵抗に印加される電圧を検出して計算する、請求項９に記載のインバータの出力地絡検出方法。

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