JP4720334B2 - Ｐｗｍコンバータのオフセット電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサインプット型の整流回路に主回路構成した三相ＰＷＭコンバータに係り、特に三相電源から主回路への入力電流を検出するホール素子型電流検出器のオフセット電圧異常判定とオフセット電圧補償をするためのオフセット電圧検出装置に関する。

三相ＰＷＭコンバータは、交流電源の相電圧と同位相にした正弦波状の入力電流に制御することで力率をほぼ１にできる。この主回路と制御装置の構成例を図６に示す。主回路構成としては、三相交流電源１に接続されたＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成されるＰＷＭ整流回路２、コンデンサ３、負荷を有しており、三相交流電源１とＰＷＭ整流回路２との間には入力フィルタ４，この入力フィルタ４の電源側に備えられる電圧検出端につながる電源相電圧検出回路５，入力フィルタ４のＰＷＭ整流回路側に備えられる電流検出器ＨＣＴとその二相信号から三相分の電流検出信号を得る電流検出回路６を有する。また、ＰＷＭ整流回路２の出力側には直流電圧検出回路７が備えられている。

ＰＷＭ整流回路２をスイッチング素子を制御するゲートドライブ回路８の制御には、上述の電源相電圧検出回路５による検出電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ、電流検出回路６による検出電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔ、および直流電圧検出回路７による検出直流電圧Ｖｄｃが参照される。すなわち、直流電圧設定器９による設定値に直流電圧Ｖｄｃを加味し、電圧調整器１０にて出力される値と電源電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔとを掛算器１１に入力し、得られた出力に検出電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔ（実際には電流に対応した電圧信号）を加え、電流調整器１２，ＰＷＭロジック回路１３を介してＰＷＭ整流回路２の各スイッチング素子の通電状態を制御し、所望の直流電圧値を得る。

このような構成の三相ＰＷＭコンバータは、入力相電流を電源相電圧と同位相の正弦波状に制御するには、電源相電圧検出と入力相電流検出が必要となる。

電源相電圧検出には電源周波数が通常５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることからトランスを適用することで絶縁とレベル変換を容易に実現でき、堅牢な構造で故障発生の可能性も低い。

一方、入力相電流検出には、直流成分からＰＷＭ制御のスイッチング周波数（数ｋＨｚ）成分を含んだ電流を検出するため、ホール素子を用いた電流検出器（ホールＣＴ）が適用される。ホールＣＴは微弱な電圧を電子回路で増幅することに加えて、磁性材料を使っていることから、残留磁東の影響で、電流が０でも出力にオフセット電圧が発生する場合がある。このオフセット電圧の発生は、直流出力電圧のリップルや相電流の不平衡などを発生させる。

そこで、モータ駆動用インバータの電流制御系にオフセット補償手段を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。このオフセット電圧補償は、インバータの停止時に、ホールＣＴのオフセット分を計測／設定しておき、インバータの運転時にオフセット分設定値を電流検出信号から引き算することでオフセット補償を得る。

また、ホールＣＴの異常／故障発生は、過電流発生やＰＷＭ整流回路のスイッチング素子の破損にもなるため、インバータ負荷の運転停止（ゲート遮断、開閉器の解列）時にホールＣＴの検出電流（電圧）がほぼ零にあるか否かから異常の有無を判定するものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−１２３９６９号公報 特開２００１−１５７４６０号公報

前記のように、モータ駆動用のインバータでは、ホールＣＴのオフセット電圧を検出するため、ホールＣＴに電流が流れないインバータ停止中（ゲート遮断中）の出力を計測し、判定閾値を超えた場合に異常と判定し、警報出力することが一般的である。また、インバータの停止中にオフセット分を計測しておくことで電流制御の補償ができる。

しかし、三相ＰＷＭコンバータでは直流電圧を一定に制御する動作を停止（スイッチング素子のゲート遮断）していても、直流回路に負荷が接続されていると、コンデンサインプット型の整流回路として交流電源側からホールＣＴに電流が流れ続けるため、モータ駆動用のインバータと同じ異常判定方式は適用できない。

これには、三相ＰＷＭコンバータの負荷を切り離し操作すれば、オフセット電圧計測および異常の有無を判定できるが、負荷開閉器の設置が必須となるし、オフセット電圧検出毎に負荷開閉器の制御／操作が必要となる。

また、モータ駆動インバータでも同様になるが、三相ＰＷＭコンバータの運転中に、温度変化等によってホールＣＴのオフセット電圧が変動した場合には異常判定ができないし、誤ったオフセット電圧補償になる。

本発明の目的は、上記の課題を解決して、ホールＣＴのオフセット電圧異常の判定、さらにはオフセット電圧補償ができるようにした三相ＰＷＭコンバータのオフセット電圧検出装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、三相ＰＷＭコンバータのホールＣＴに電流が流れていない時点でホールＣＴのオフセット電圧を記録または記憶し、この記録または記憶した値と判定閾値の比較によりオフセット電圧異常を判定、さらには記録または記憶したオフセット電圧によるオフセット電圧補償制御を可能にするもので、以下の構成を特徴とする。

（１）コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
三相ＰＷＭコンバータ主回路の三相電源電圧の遮断時に、前記電流検出回路の出力を前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧として不揮発性メモリに記録する手段と、
三相ＰＷＭコンバータ主回路の三相電源の投入時に、前記不揮発性メモリから読み出した電流検出回路出力の値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とする。

（２）コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
三相ＰＷＭコンバータ主回路の動作停止中に、該コンバータの三相電源相電圧が零レベルを通過したタイミングから所定の遅延時間後の前記電流検出回路出力を、前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧としてメモリに記録または記憶する手段と、
前記メモリから読み出した電流検出回路出力の値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とする。

（３）コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
三相ＰＷＭコンバータ主回路の動作中に、電源相電圧が零レベルを通過するタイミングで前記電流検出回路出力を前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧としてメモリに連続的に記憶する手段と、
前記メモリに記憶された値の平均値または移動平均値を求める手段と、
前記平均値または移動平均値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とする。

（４）前記制御装置は、前記メモリから読み出した値、または前記平均値または移動平均値を、前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧補償信号としてオフセット補償制御を行う手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、三相ＰＷＭコンバータのホールＣＴに電流が流れていない時点でホールＣＴのオフセット電圧を記録または記憶し、この記録または記憶した値と判定閾値の比較によりオフセット電圧異常を判定、さらには記録または記憶したオフセット電圧によるオフセット電圧補償制御を可能にするため、三相ＰＷＭコンバータに負荷装置を接続した状態で、ホールＣＴ型電流検出器または電流検出回路の異常を検出することができる。また、三相ＰＷＭコンバータのホールＣＴによるオフセット補償ができる。

また、三相ＰＷＭコンバータの運転中に、温度変化等によってホールＣＴのオフセット電圧が変動した場合にも異常判定ができるし、誤ったオフセット電圧補償を起こすことは無い。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示し、図６と同等の部分は同一符号で示す。ＰＷＭ制御装置２０は、例えば、図６におけるゲートドライブ回路８、直流電圧設定器９、電圧調整器１０、掛算器１１、電流調整器１２およびＰＷＭロジック回路１３を含めた機能構成にされるものであり、具体的にはハードウェア構成又は制御用コンピュータとそのソフトウェア構成で実現される。

本実施形態は、三相ＰＷＭコンバータの三相電源の遮断時に電流検出回路の出力（Ｉｒ，Ｉｔ分）を不揮発性メモリに記録しておき、三相ＰＷＭコンバータの次回の電源投入時に不揮発性メモリから電流検出回路出力の記録値を読み出し、判定閾値と比較した結果、判定閾値を超えていた場合は警報出力する。また、不揮発性メモリの記録値を制御装置のオフセット補償値としてオフセット補償を行う。

図１において、Ａ／Ｄ変換器２１は、電流検出回路６で検出する入力電流Ｉｒ，Ｉｔをそれぞれディジタル値に変換する。不揮発性メモリ２２は、Ａ／Ｄ変換器２１の出力をホールＣＴのオフセット電圧として記録する。電源遮断判定部２３は、三相ＰＷＭコンバータの電源電圧の遮断を判定し、この判定出力を不揮発性メモリ２２の記録制御指令とする。比較部２４は、三相ＰＷＭコンバータの次回の電源投入時に不揮発性メモリから電流検出回路出力の記録値を読み出し、判定閾値と比較した結果、判定閾値を超えていた場合は警報出力する。制御装置２０は、比較部２４の比較結果で記録値が正常であれば、メモリ２２の記録値をオフセット電圧補償値として設定し、オフセット補償したＰＷＭコンバータ制御を行う。

電源遮断判定部２３による三相ＰＷＭコンバータの電源電圧の遮断判定は、三相ＰＷＭコンバータ動作を停止し、交流電源からの電源供給がなくなったことで判定し、これには下記の３条件が成立したことで判定する。

（ａ）直流電圧検出回路の電圧信号が、一旦判定閾値より大きくなったことがある。

（ｂ）電源相電圧検出回路の電圧信号が消失した。

（ｃ）直流電圧検出回路の電圧信号が、判定閾値より小さくなった。

なお、（ａ）の条件を付加しているのは、電源投入直後に（ｂ）と（ｃ）の条件が成立するタイミングがあり、直流部のコンデンサの充電が完了するまでの期間、大きな突入電流を検出してしまうことを避けるためである。

本実施形態によれば、オフセット電圧の記録がＰＷＭコンバータの電源遮断時のみとなるため、制御電源が消失する前に不揮発性メモリ２２にオフセット電圧値を記録させておき、次回の電源投入時にオフセット電圧値をメモリ２２から読出し、判定閾値を超えていた場合にオフセット電圧異常の警報出力を得ることができる。また、オフセット電圧が正常であれば、メモリ２２に記録したオフセット電圧値を使ってオフセット電圧補償制御ができる。また、従来のように、負荷開閉器を使ったその開放制御／操作によるオフセット電圧検出を不要にする。

なお、Ａ／Ｄ変換器２１と不揮発性メモリ２２は、制御装置２０をコンピュータ構成とする場合にはそれに内蔵するものを利用することができる。また、比較部２４と電源遮断判定部２３は制御装置２０に搭載するコンピュータのソフトウェア処理で実現される。

また、警報出力としては、ブザーの鳴動や表示器の点滅など、オペレータが認識できるもの、さらには制御装置がもつ保護機能を起動させるものとする。

（実施形態２）
図２は、本発明の他の実施形態を示し、図１と異なる部分は電源遮断判定部２３に代えて、遅延タイミング発生回路２５を設けた点にある。

本実施形態は、三相ＰＷＭコンバータの停止中に、電源相電圧が零レベルを通過したタイミングから所定の遅延時間（例えば、５０Ｈｚ電源では２ｍｓ，６０Ｈｚ電源では１.７ｍｓ）後の電流検出回路出力を不揮発性メモリに記録し、メモリの記録値と判定閾値と比較し、判定閾値を超えていた場合はオフセット電圧異常の警報を出力する。また、不揮発性メモリの記録値を制御装置のオフセット補償値としてオフセット補償を行う。

遅延タイミング発生回路２５は、三相ＰＷＭコンバータの動作停止中信号が与えられている状態で、電源相電圧検出回路５の各相検出電圧Ｖｒ，Ｖｔの零レベル通過を検出し、この検出時点から上記の遅延時間だけおくれたタイミング信号を発生し、不揮発性メモリ２２への記録指令とする。

三相ＰＷＭコンバータの動作停止中の電源相電圧波形と相電流の関係は、コンデンサインプット型の整流器と同じで、図３や図４に示すように、負荷が接続された状態にあっても、各相電圧の零クロス位相から３０ｄｅｇから４５ｄｅｇ程度までの領域では電流が流れない。そこで、三相ＰＷＭコンバータの動作停止中に、電源相電圧が零レベルを通過してから所定時間（例えば、５０Ｈｚ電源では２ｍｓ，６０Ｈｚ電源では１.７ｍｓ）後のオフセット電圧を記録することができる。

本実施形態によれば、三相ＰＷＭコンバータの動作停止中に、電流検出器または電流検出回路の異常を検出することができる。また、三相ＰＷＭコンバータのオフセット電圧補償を行うことができる。また、従来のように、負荷開閉器を使ったその開放制御／操作によるオフセット電圧検出を不要にする。

なお、実施形態では、ホール素子型電流検出器のオフセット電圧として不揮発性メモリに記録する場合を示したが、制御電源の停止を伴わない場合はＲＡＭに記憶しておくこともできる。

（実施形態３）
図５は、本発明の他の実施形態を示し、図２と異なる部分は遅延タイミング発生回路２５に代えて、零レベル検出回路２６を設け、不揮発性メモリ２２に代えてＲＡＭ２７によるオフセット値の連続した記憶／更新をし、このオフセット値の平均値を移動平均演算部２８で求め、この移動平均値で異常判定する点にある。

本実施形態は、三相ＰＷＭコンバータの動作中に、電源相電圧が零レベルを通過するタイミングで電流検出回路出力をメモリに連続的に記録し、その値の移動平均値を求め、この平均値が判定閾値を超えた場合はオフセット電圧異常の警報を出力する。また、平均値を制御装置のオフセット補償値としてオフセット補償を行う。

三相ＰＷＭコンバータの力率１の制御が正常に行われていれば、入力相電流は電源相電圧と同位相の正弦波状となるため、電源相電圧が零レベルを通過するタイミングでは、入力相電流も零である。そこで、電源相電圧が零レベルを通過するタイミングでのホールＣＴ出力を記録する。ただし、本実施形態ではホールＣＴ出力にスイッチングに伴うリップル成分が重畳していることから、零レベル通過時の記録を連続的に行い、その平均値を異常判定用のオフセット電圧とすることでリップル分を相殺した検出を得る。

本実施形態によれば、三相ＰＷＭコンバータの動作中（負荷接続状態）にも、電流検出器または電流検出回路の異常を検出することができると共に、この検出値を基にオフセット電圧補償を行うことができる。また、三相ＰＷＭコンバータの運転中に周期的にホールＣＴの異常を判定することができ、温度変化等によるホールＣＴのオフセット電圧異常を連続的に監視でき、さらにオフセット電圧変動に応じたオフセット補償ができる。

なお、本実施形態において、移動平均値に代えて、複数回の連続した検出値の平均値とすることもできる。

本発明の実施形態１を示す三相ＰＷＭコンバータの構成図。 本発明の実施形態２を示す三相ＰＷＭコンバータの構成図。 相回転方向：正での相電圧と相電流の関係図。 相回転方向：逆での相電圧と相電流の関係図。 本発明の実施形態３を示す三相ＰＷＭコンバータの構成図。 従来の三相ＰＷＭコンバータの主回路と制御装置の構成例。

符号の説明

１ 三相交流電源
２ ＰＷＭ整流回路
３ コンデンサ
４ 入力フィルタ
５ 電源相電圧検出回路
６ 入力電流検出回路
７ 直流電圧検出回路
２０ ＰＷＭ制御装置
２１ Ａ／Ｄ変換器
２２ 不揮発性メモリ
２３ 電源遮断判定部
２４ 比較部
２５ 遅延タイミング発生回路
２６ 零レベル検出回路
２７ ＲＡＭ
２８ 移動平均演算部

Claims (4)

1. コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
   三相ＰＷＭコンバータ主回路の三相電源電圧の遮断時に、前記電流検出回路の出力を前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧として不揮発性メモリに記録する手段と、
   三相ＰＷＭコンバータ主回路の三相電源の投入時に、前記不揮発性メモリから読み出した電流検出回路出力の値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータのオフセット電圧検出装置。
2. コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
   三相ＰＷＭコンバータ主回路の動作停止中に、該コンバータの三相電源相電圧が零レベルを通過したタイミングから所定の遅延時間後の前記電流検出回路出力を、前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧としてメモリに記録または記憶する手段と、
   前記メモリから読み出した電流検出回路出力の値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータのオフセット電圧検出装置。
3. コンデンサインプット型の整流回路に構成した三相ＰＷＭコンバータ主回路と、ホール素子型電流検出器と電流検出回路によって三相電源から前記主回路への入力電流を検出する電流検出装置を有して前記ＰＷＭコンバータ主回路を力率１に制御する制御装置とを備えた三相ＰＷＭコンバータにおいて、
   三相ＰＷＭコンバータ主回路の動作中に、電源相電圧が零レベルを通過するタイミングで前記電流検出回路出力を前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧としてメモリに連続的に記憶する手段と、
   前記メモリに記憶された値の平均値または移動平均値を求める手段と、
   前記平均値または移動平均値と判定閾値とを比較し、この判定閾値を超えていたときに前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧の異常と判定する手段とを備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータのオフセット電圧検出装置。
4. 前記制御装置は、前記メモリから読み出した値、または前記平均値または移動平均値を、前記ホール素子型電流検出器のオフセット電圧補償信号としてオフセット補償制御を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰＷＭコンバータのオフセット電圧検出装置。
   

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