JP4153211B2

JP4153211B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP4153211B2
Application number: JP2002023906A
Authority: JP
Inventors: 和人川上
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2003230284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単位インバータを直列接続して高電圧を得るインバータ装置に係わり、特に複数の単位インバータの出力を直列に接続した単相インバータ群をスター結線したインバータ装置の地絡検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ装置を図９を参照して説明する。
図９において、１は交流電源、２は遮断器または開閉器、３は変圧器、４はＵ相単位インバータＵ1 〜Ｕ3 とＶ相単位インバータＶ1 〜Ｖ3 とＷ相単位インバータＷ1 〜Ｗ3 がスター結線されたインバータ、５はインバータ４の負荷、６は単位インバータがスター結線された中性点Ｎ側電位と接地電位との電圧を入力して、この電圧が所定範囲を超えたことを地絡として検出する地絡検出器である。また、図では各相単位インバータの直列数を３個としているが、各相単位インバータの直列数は２個以上であればよく、特に３個に限定されるものではない。
【０００３】
なお、中性点側の単位インバータとして三相インバータを適用したもの（例えば、特開平１１−１２２９４３号公報参照）もあるが、この場合は三相インバータの直流部中点などの電位を上記中性点として実施すればよく、また、単位インバータとしては２レベルインバータあるいは３レベル（ＮＰＣ）インバータも適用できる。
【０００４】
ところで、各単位インバータは、図１０に示すように制御回路（図示しない）から出力されるＵ相〜Ｗ相の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器７によって出力される各単位インバータのゲート信号に従って動作する。
【０００５】
図９の従来のインバータ装置において、地絡検出器６によって地絡を検出すると、制御装置（図示しない）によってインバータ装置の運転を停止したり、遮断器（または開閉器）２を開放したりする。例えば、図１１に示すように何らかの要因でＵ相出力が地絡すると、中性点側電位と接地電位との電圧ＥｎにはＵ相出力の相電圧が発生し、この電圧Ｅｎが所定値以上になっていることで地絡として検出する。他の相が地絡した場合も同様である。
【０００６】
そして、このような従来のインバータ装置の構成、動作は、例えば特開平１１−１２２９４３号公報や米国特許第５，６２５，５４５号明細書などに開示されているので、詳細な説明は省略する。また、ＰＷＭ信号変換器７についても、例えば特開２０００−３２４８４５号公報に開示されているので、詳細な説明は省略する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、図１１に示すように地絡が発生した場合、中性点側電位と接地電位との電圧ＥｎにはＵ相出力の相電圧が発生するので、Ｕ相電圧が低いときには電圧Ｅｎも低くなる。このように、従来のインバータ装置では、インバータ４の出力線間電圧と各相電圧はほぼ比例関係にあるので、線間電圧が低いと相電圧も低くなる。したがって、線間電圧が低く、相電圧も低い場合には電圧Ｅｎが地絡検出器６で地絡として検出するレベルより低くなる場合が生じるので、実際には地絡が発生しているにも拘らず、正常に地絡を検出できないという不具合が生じ、その解決手段が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その課題は出力線間電圧が低いときに地絡が発生した場合でも地絡を正常に検出できるインバータ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記直流電力を所望の単相交流電力に変換する電圧形インバータからなる単位インバータを備え、複数の前記単位インバータの出力を直列に接続した単相インバータ群をスター結線すると共に、各相電圧基準を入力としてＰＷＭ信号変換器より前記単位インバータのそれぞれにゲート信号を出力し、中性点側の電位と接地電位との電圧によって地絡を検出するか、または前記スター結線の中性点をインピーダンス素子を介して接地して、インピーダンス素子に流れる電流によって地絡を検出するか、または前記スター結線の中性点をヒューズを介して接地して、ヒューズの溶断によって地絡を検出するよう構成したインバータ装置であって、出力周波数を検出し、この検出した出力周波数が出力周波数判定基準より低いか否かを検出し、検出結果に基づき各相電圧基準に所定の値の直流成分又は交流成分を加算することによって、前記単相インバータ群の相電圧が所定値以下にならないように各相電圧を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
第１の発明によると、出力周波数を検出し、この検出した出力周波数が出力周波数判定基準より低いか否かを検出し、検出結果に基づき各相電圧基準に所定の値の直流成分又は交流成分を加算することによって、各相電圧が地絡検出のレベル以下にならないように各相電圧を制御することにより、中性点電位と接地電位との電圧等によって地絡を検出できる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けたことを特徴とする。
【００２２】
第２の発明によると、各相電圧が地絡検出のレベル以下にならないように制御する手段として、出力周波数が所定値以下の場合、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けることにより各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保できる。
【００２３】
第３の発明は、第１の発明のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に出力周波数とは異なる周波数の交流成分を加算する加算器を設けたことを特徴とする。
【００２４】
第３の発明によると、各相電圧が地絡検出のレベル以下にならないように制御する手段として、出力周波数が所定値以下の場合、各相電圧基準に交流成分を加算する加算器を設けることにより各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保できる。
【００２５】
第４の発明は、第１の発明のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けると共に、所定時間以内毎にその極性を反転させる極性切替器を設けたことを特徴とする。
【００２６】
第４の発明によると、各相電圧が地絡検出のレベル以下にならないように制御する手段として、出力周波数が所定値以下の場合、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けると共に、この直流成分の極性を所定時間以内毎に切替える極性切替器を設けることにより各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態であるインバータ装置の主回路図であり、図２は図１の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器によって出力される各単位インバータのゲート信号を示す回路図である。なお、図１のインバータ装置の主回路は図９の従来のインバータ装置の主回路と同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００３４】
図１において、１は交流電源、２は遮断器または開閉器、３は１次側巻線３Ｐはスター結線，２次側巻線３Ｓはデルタ結線された変圧器、４はＵ相単位インバータＵ1 〜Ｕ3 からなるインバータ群４Ｕと，Ｖ相単位インバータＶ1 〜Ｖ3 からなるインバータ群４Ｖと，Ｗ相単位インバータＷ1 〜Ｗ3 からなるインバータ群４Ｗがスター結線されたインバータ、５はインバータ４の負荷、６は単位インバータがスター結線された中性点Ｎ側電位と接地電位との電圧を入力して、この電圧が所定範囲を超えたことを地絡として検出する地絡検出器である。また、図では各相単位インバータの直列数を３個としているが、各相単位インバータの直列数は２個以上であればよく、特に３個に限定されるものではない。
【００３５】
図２の回路図において、８は各相電圧基準の瞬時値、実効値または波高値などから、各相電圧基準の絶対値の最小値を出力する最小値選択器、９は最小値選択器８の出力が相電圧判定基準より小さいことを検出する相電圧判定器、１０は相電圧判定器９の出力によって直流成分と零とを切替えるバイアス切替器（あるいは極性切替装置という）、１１〜１３は加算器である。
【００３６】
本実施形態のインバータ装置は上記のように構成されているので、各相電圧基準の最小値を出力する最小値選択器８の出力が、相電圧判定基準より小さいとき、相電圧判定器９とバイアス切替器１０によって直流成分が加算器１１〜１３を通して各相電圧基準に加算されるので、各相電圧は所定以上のレベルに保つことができる。
【００３７】
なお、各相電圧基準に直流成分を加算しても、線間ではこの直流成分が打ち消し合うので線間電圧には直流成分は現れず、負荷５に対する影響はない。また、この直流成分は、一定であってもまたは各相電圧基準および交流入力電圧などの情報から時時刻刻変化させてもよい。
本実施形態によると、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生したことを正常に検出できる。
【００３８】
図３は本発明の第２の実施形態であるインバータ装置の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器によって出力される各単位インバータのゲート信号を示す回路図であり、図２の回路構成と相違する点は、各相電圧基準の最小値である最小値選択器８の出力が、相電圧判定基準より小さいとき、相電圧判定器９とバイアス切替器１０によって交流成分が加算器１１〜１３を通して各相電圧基準に加算されることであり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００３９】
本実施形態は上記のように構成されているので、各相電圧基準の最小値を出力する最小値選択器８の出力が、相電圧判定基準より小さいときに、相電圧判定器９とバイアス切替器１０によって交流成分が加算器１１〜１３を通して各相電圧基準に加算される。この加算により各相電圧は所定以上のレベルに保つことができる。
したがって、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生したことを正常に検出できる。
【００４０】
図４は本発明の第３の実施形態であるインバータ装置の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器によって出力される各単位インバータのゲート信号を示す回路図であり、図２の回路構成と相違する点は、各相電圧基準に加算される直流成分の極性を極性切替器１４によって切替えることであり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。なお、極性切替器１４によって極性を切替える間隔（時間）は、一定周期でも、あるいは不定期でもよい。
【００４１】
本実施形態は上記のように構成されているので、各相電圧基準の最小値を出力する最小値選択器８の出力が相電圧判定基準より小さいときに、相電圧判定器９とバイアス切替器１０によって交流成分が加算器１１〜１３を通して各相電圧基準に加算される。この加算により各相電圧は所定以上のレベルに保つことができる。
したがって、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生したことを正常に検出できる。
【００４２】
図５は本発明の第４の実施形態であるインバータ装置の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器によって出力される各単位インバータのゲート信号を示す回路図であり、図２の回路構成と相違する点は、出力周波数判定器１５によって出力周波数が出力周波数判定基準より低いことを検出してバイアス切替器１０を制御して各相電圧基準に直流成分を加算し、各相電圧を所定レベル以上にすることであり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。なお、負荷が誘導電動機などの交流電動機の場合、一般的に出力電圧と出力周波数はほぼ比例関係にあるので、各相電圧基準の代りに出力周波数で相電圧基準を判定することができる。
【００４３】
本実施形態は上記のように構成されているので、各相電圧基準の最小値を出力する最小値選択器８の出力が、相電圧判定基準より小さいときに、相電圧判定器９とバイアス切替器１０によって交流成分が加算器１１〜１３を通して各相電圧基準に加算される。この加算により各相電圧は所定以上のレベルに保つことができる。
したがって、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生したことを正常に検出できる。
【００４４】
図６は本発明の第５の実施形態であるインバータ装置の各相電圧基準を入力とするＰＷＭ信号変換器によって出力される各単位インバータのゲート信号を示す回路図であり、図２の回路構成と相違する点は、直交軸から三相へ座標変換する逆座標変換器１６と、直交軸の電圧基準であるｄ軸電圧基準とｑ軸電圧基準から電圧振幅を演算する振幅演算器１７と、振幅演算器１７の出力が線間電圧判定基準より低いことを検出する線間電圧判定器１８を設けた構成であり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。なお、直交軸座標で制御演算して制御する場合、電圧振幅を振幅演算器１７で演算することができ、その結果を用いて直流成分を各相電圧基準に加算し、各相電圧を所定レベル以上にする。直交軸座標については公知の技術であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４５】
本実施形態は上記のように構成されているので、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保される。したがって、地絡が発生したことを正常に検出できる。
【００４６】
図７は本発明の第６の実施形態であるインバータ装置の主回路図であり、図１の回路構成と相違する点は、インバータ４装置のＮ点と接地との間に、インピーダンス素子１９と、地絡電流検出器２０と、地絡電流検出器２０の出力が所定値以上になったことを地絡として検出する地絡検出器２１を設けた構成であり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４７】
本実施形態の回路構成に図２の実施形態である各単位インバータのゲート信号を示す回路図を組み合わせることで、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生した場合にインピーダンス素子１９を流れる電流も所定レベルを確保できる。これにより地絡をしたことを正常に検出できる。
【００４８】
図８は本発明の第７の実施形態であるインバータ装置の主回路図であり、図１の回路構成と相違する点は、インピーダンス素子２２，２３と、ヒューズ２４と、ヒューズ２４が溶断したことで地絡として検出する地絡検出器２５を設けた構成であり、その他の回路構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４９】
本実施形態の回路構成に図２の実施形態である各単位インバータのゲート信号を示す回路図を組み合わせることで、各相電圧基準が低いときでも所定値以上の各相電圧が確保されるので、地絡が発生した場合にヒューズ２４を溶断させることができる。これにより地絡をしたことを正常に検出できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インバータ装置の線間出力電圧が低いときに地絡が発生した場合でも、地絡したことを正常に検出するインバータ装置を提供することができる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態であるインバータ装置の主回路図。
【図２】図１の各単位インバータのゲート回路図。
【図３】本発明の第２の実施形態の各単位インバータのゲート回路図。
【図４】本発明の第３の実施形態の各単位インバータのゲート回路図。
【図５】本発明の第４の実施形態の各単位インバータのゲート回路図。
【図６】本発明の第５の実施形態の各単位インバータのゲート回路図。
【図７】本発明の第６の実施形態であるインバータ装置の主回路図。
【図８】本発明の第７の実施形態であるインバータ装置の主回路図。
【図９】従来のインバータ装置の主回路図。
【図１０】図９の各単位インバータのゲート回路図。
【図１１】図９において地絡が発生した場合の地絡検出器の動作を説明するための回路図。
【符号の説明】
１…交流電源、２…遮断器または開閉器、３…変圧器、４…インバータ、５…負荷、６…地絡検出器、７…ＰＷＭ信号変換器、８…最小値選択器、９…相電圧判定器、１０…バイアス切替器、１１〜１３…加算器、１４…極性切替器、１５…出力周波数判定器、１６…逆座標変換器、１７…振幅演算器、１８…線間電圧判定器、１９…インピーダンス素子、２０…地絡電流検出器、２１…地絡検出器、２２，２３…インピーダンス素子、２４…ヒューズ、２５…地絡検出器、Ｕ1 〜Ｕ3 …Ｕ相単位インバータ、Ｖ1 〜Ｖ3 …Ｖ相単位インバータ、Ｗ1 〜Ｗ3 …Ｗ相単位インバータ。

Claims

交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記直流電力を所望の単相交流電力に変換する電圧形インバータからなる単位インバータを備え、複数の前記単位インバータの出力を直列に接続した単相インバータ群をスター結線すると共に、各相電圧基準を入力としてＰＷＭ信号変換器より前記単位インバータのそれぞれにゲート信号を出力し、中性点側の電位と接地電位との電圧によって地絡を検出するか、または前記スター結線の中性点をインピーダンス素子を介して接地して、インピーダンス素子に流れる電流によって地絡を検出するか、または前記スター結線の中性点をヒューズを介して接地して、ヒューズの溶断によって地絡を検出するよう構成したインバータ装置であって、
出力周波数を検出し、この検出した出力周波数が出力周波数判定基準より低いか否かを検出し、検出結果に基づき各相電圧基準に所定の値の直流成分又は交流成分を加算することによって、前記単相インバータ群の相電圧が所定値以下にならないように各相電圧を制御する制御手段を設けたことを特徴とするインバータ装置。
請求項１のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けたことを特徴とするインバータ装置。
請求項１のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に出力周波数とは異なる周波数の交流成分を加算する加算器を設けたことを特徴とするインバータ装置。
請求項１のインバータ装置において、出力周波数が所定値以下のときに、各相電圧基準に直流成分を加算する加算器を設けると共に、所定時間以内毎にその極性を反転させる極性切替器を設けたことを特徴とするインバータ装置。