JP4737712B2 - 電力変換装置とその電源異常判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置とその電源異常判定方法に関する。

従来技術では、電力変換装置の直流電源電圧や交流電源電圧を測定し、電圧の状態が異常か正常か判定している。

従来の入力欠相検出手段をもった電力変換装置の例には特許文献１がある。図７は、従来技術を示したものであり、主回路にさらにダイオードを各入力相に追加することにより電圧検出回路で直流母線電圧を検出する場合の電力変換装置である。図中のＰおよびＮは直流母線の正極および負極をあらわし、１０１は３相交流電源、１０２〜１０７は、３相交流電源電圧を全波整流し直流電圧へ変換する３入力ダイオードブリッジ、１０８は、直流母線電圧平滑用コンデンサ、１０９は直流母線出力に接続する電気負荷、１４１〜１４３はカソードを各入力相に接続したダイオード、１４４は１４１〜１４３のアノードを互いに接続した部分と正極直流母線間に備えた直流電圧検出回路、１４５は１４４の電圧検出信号の状態より欠相を判別する欠相判別回路である。１４４の入力は直流電圧であり、前記直流電圧が所定の電圧以上の場合、前記入力と電気的に絶縁された電圧検出信号をオン出力とし、前記直流電圧が所定の電圧より小さい場合、前記電圧検出信号をオフ出力とし、電圧検出信号がオン・オフを繰り返す矩形波になった時、１４５の欠相判別回路で欠相と判別し欠相検出信号をオンとする欠相検出手段である。

図８は特許文献１で別の従来技術を示したものであり、直流母線電圧を直接電圧検出回路で検出する場合の電力変換装置である。図中のＰおよびＮは直流母線の正極および負極をあらわし、２０１は３相交流電源、２０２〜２０７は、３相交流電圧を全波整流し直流電圧へ変換する３入力ダイオードブリッジ、２０８は、直流母線電圧平滑用コンデンサ、２０９は直流母線出力に接続する電気負荷、２４４は直流母線の正極と負極間に備えた電圧検出回路、２４５は２４４の電圧検出信号の状態より欠相を判別する欠相判別回路、３入力ダイオードブリッジの正極側と平滑用コンデンサ正極間に備えた２４６は逆流防止ダイオードである。２４４の入力は直流電圧であり、前記直流電圧が所定の電圧以上の場合、前記入力と電気的に絶縁された電圧検出信号をオン出力とし、前記直流電圧が所定の電圧より小さい場合、前記電圧検出信号をオフ出力とし、電圧検出信号がオン・オフを繰り返す矩形波になった時、２４５の欠相判別回路で欠相と判別し欠相検出信号をオンとする欠相検出手段である。
特開２００１−２９６３２４号公報（８頁、図１ならびに１０頁、図６）

従来技術のように電力変換装置の直流母線電圧を検出し入力欠相検出を行う場合、主回路にダイオードを３個追加する必要があるが、一般的にこのダイオードは高耐圧であるため高価な検出回路となり、部品サイズも大きいため、回路実装スペースも大きくなる。また、絶縁回路が必要であるため、フォトカプラなどの寿命部品の採用が必須となる。さらに、直接直流母線電圧を検出する場合、負荷の状態により直流電圧が変化するため、安定した入力欠相検出はできない問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、部品点数が少なく、部品実装面積が小さい、安価な電源異常判定手段を搭載した電力変換装置と電源異常判定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、３相交流電源を全波整流して直流電源を生成するダイオード
ブリッジと、前記直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに並
列に接続されモータを駆動するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御
手段からなる電力変換装置において、前記インバータ制御手段は、速度指令と前記モータ
実速度からトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令からモータを駆動するモー
タ駆動電流を生成するモータ駆動手段と、前記３相全波整流ダイオードの負極と前記コン
デンサの負極間に接続され電源電流信号を生成する電源電流信号生成手段と、前記インバ
ータの負荷状態が回生か力行か無負荷かを判定する負荷判定手段と、前記電源電流信号と
前記負荷状態から電源が正常か異常かを判定する電源異常判定手段を備え、前記電源異常判定手段は、前記電源電流信号から所定の時間の電源平均電流を生成する電源平均電流生成手段と、前記電源電流と前記電源電流平均電流を比較しパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、前記パルス信号を電源周波数をカウント周期としてカウントするパルスカウンタ手段と、を備え、前記負荷判定手段が力行状態で、カウンタが５以下のときは電源異常と判定することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記電源平均電流
信号は、移動平均で求めることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記パルス信号生
成手段は、前記電源電流信号と所定の値を比較しパルス信号を生成することを特徴とする
ものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記負荷判定手段は、前記モータ実速度と前記トルク指令の極性を比較し、前記極性が同じ場合は力行状態、異なる場合は回生状態と判定する力行回生判定手段と、前記トルク指令の絶対値と前記実速度の絶対値とのどちらか一方が所定値以下の場合は無負荷状態と判定する無負荷判定手段と、備えることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記電源異常判定
手段は、電源投入から所定の時間は電源異常を無視することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、３相交流電源を全波整流して直流電源を生成するダイオード
ブリッジと、前記直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに並
列に接続されモータを駆動するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御
手段からなる電力変換装置の電源異常判定方法において、速度指令と前記モータ実速度か
らトルク指令を生成するステップと、前記実速度と前記トルク指令が所定値よりも大きい
かどうかを比較するステップと、小さい場合は無負荷状態と判定して終了するステップと
、大きい場合は前記実速度と前記トルク指令の極性が正か負かを判定し、負の場合は回生
状態として終了するステップと、正の場合は力行状態として、電源電流信号から所定の時
間の電源平均電流信号を生成するステップと、前記電源電流信号と前記電源平均電流信号
を比較しパルス信号を生成するステップと、パルスカウンタで前記パルス信号を電源周波
数をカウント周期としてカウントするステップと、前記パルスカウンタのカウント周期最
終時に６のときは、力行状態と判定して終了し、６以外のときは電源異常として異常処理
をする判定するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の電力変換装置の電源異常判定方法において
、前記電源平均電流は移動平均によってもとめることを特徴とするものである。

本発明によれば、部品点数が少なく、部品実装面積が小さい、安価な電源異常判定手段を搭載した電力変換装置と電源異常判定方法を提供できる。

以下、本発明について図を用いて説明する。図４は３相交流電源を直流電源に変換する電力変換器の基本構成を示すブロック図である。図４において、４１は３相交流電源を直流電源に変換するダイオードブリッジ、４２は、負荷、４３は直流電源電圧を平滑する平滑コンデンサ、４５は直流電源の電流信号を生成する電流信号生成手段、４６は突入電流防止抵抗、４７はスイッチ、４８は３相交流電源である。突入電流防止抵抗４６は電源投入時に平滑コンデンサ４３を充電する電流がダイオードブリッジ４１を破壊しない値に抑えるために設置される。図５は、この回路に基づくシミュレーションである。シミュレーションの条件は、制御時間Ｔｓｐｌ＝０．１ｍｓ、電源３相５０Ｈｚ２００Ｖ、電源各相抵抗Ｒａ＝０．０３Ω、電源各相インダクタンスＬａ＝０．０１ｍＨ、直流電源インダクタンスＬｄｃ＝０．１ｍＨ、直流電源抵抗Ｒｄｃ＝０．０１Ω、平滑コンデンサ容量Ｃ＝８８００μＦ、突入電流防止抵抗Ｒｒ＝０．５Ω、突入電流防止時間Ｔｒ＝１０ｍｓ、負荷電力印加開始時間Ｔｓｔａｒｔ＝６０ｍｓ、負荷電力増加率α＝０．２５ｋｗ／ｍｓである。電源投入時は直流電源電流Ｉｄｃは突入電流防止抵抗に制限されて平滑コンデンサを充電するが電源周波数の半周期以上連続する。また、負荷電力が無負荷の時は直流電源電流は流れない。通常の負荷電力状態では、電源周波数の６倍の周波数の正弦波パルス状の電流が流れる。さらに、２０ｋＷを超える重負荷電力になると直流電源電流は連続する。また、負荷がインバータとモータの場合で回生モードの時は直流電源電流は流れない。本発明は、通常の負荷状態では直流電源電流が電源周波数の６倍の周波数をもつ正弦波状パルスになることを利用して、電源異常かどうか判定するものである。例えば、電源の各相電圧が不平衡の場合のシミュレーションを図５に示す。シミュレーションの条件は３相電減の１相が９５％の電圧になった場合であり、通常負荷状態でも直流電源電流は電源周波数の６倍の周波数にはならないので電源が不平衡であることが判定される。さらに、３相電源の１相が断線した場合のシミュレーションを図６に示す。もはや３相ではなく単相であり、直流電源電流は電源周波数の２倍の周波数になり、欠相と判定される。
なお、図５〜図７のパルス信号は、制御時間Ｔｓｐｌごとに直流電源電流Ｉｄｃの移動平均を２０制御時間分とって電源平均電流Ｉｄｃａｖをもとめ、直流電源電流Ｉｄｃと比較してパルス化したものである。

図１は本発明の第１の実施例である。図１において、１はダイオードブリッジ、２はインバータ、３は平滑コンデンサ、４はインバータ制御手段、５は電源電流信号生成手段、６は負荷判定手段、７は電源異常判定手段、８は電源処理手段、９は速度制御手段、１０はモータ駆動手段である。また、１１は３相交流電源、１２はモータ、１３はエンコーダである。

次に動作について説明する。速度制御手段は速度指令と実速度の速度偏差をＰＩＤ処理をしトルク指令を生成する。図示していないが、詳細を説明すると、速度偏差に速度制御比例ゲインＫｖを乗算し、第１のトルク指令Ｔｒｅｆ１（ｋ）を生成する。ｋは現在の制御期間であることを表し、ｋ−１は１制御時間前の期間であることを表す。次に第１のトルク指令Ｔｒｅｆ１（ｋ）を制御時間Ｔｓｐｌ積分して速度制御積分時間Ｔｖｉで除し第２のトルク指令Ｔｒｅｆ２（ｋ）を生成する。さらに、第１のトルク指令Ｔｒｅｆ１（ｋ）と１制御時間前の第１のトルク指令Ｔｒｅｆ１（ｋ−１）の差をとり、速度制御微分時間Ｔｖｄを乗じ、制御時間Ｔｓｐｌで除して第３のトルク指令Ｔｒｅｆ３を生成する。最後に第１〜第３のトルク指令を加算してトルク指令Ｔｒｅｆ（ｋ）とする。モータ駆動手段は、トルク指令Ｔｒｅｆ（ｋ）を電流指令Ｉｍｒｅｆ（ｋ）に変換し、モータ電流の電流信号Ｉｍｆｂ（ｋ）との差をとり、速度制御同様にＰＩＤ処理をして、電圧指令を生成する。さらに電圧指令をＰＷＭ変調してインバータを構成する６ブリッジのＩＧＢＴのゲート信号を生成し、インバータを駆動し、モータに電流を供給してトルクを発生させる。エンコーダ１３はモータの位置信号ｐｆｂ（ｋ）を生成する。インバータ制御手段は位置信号ｐｆｂ（ｋ）とｐｆｂ（ｋ−１）の差分をとり制御時間Ｔｓｐｌで除して速度信号ｖｆｂ（ｋ）を生成する。負荷判定手段６はトルク指令Ｔｒｅｆ（ｋ）と速度信号ｖｆｂ（ｋ）の絶対値をあらかじめ決めた所定値と比較し、どちらか一方が小さければ無負荷状態と判定する。さらに、両方とも所定値よりも大きくトルク指令Ｔｒｅｆ（ｋ）と速度信号ｖｆｂ（ｋ）の極性が同じであれが力行状態、極性が異なれば回生状態と判定する。電源異常判定手段７は図２に示すように平均化手段２１、パルス信号生成手段、パルスカウンタ２３、ラッチ手段２４、シーケンス信号生成手段２５、判定手段２６で構成される。平均化手段２１は電源電流信号生成手段５で生成された電流信号Ｉｆｂ（ｋ）を所定回数移動平均しＩｆｂａｖ（ｋ）を生成する。次にパルス信号生成手段２２は電流信号Ｉｆｂ（ｋ）と平均電流Ｉｆｂａｖ（ｋ）とを比較してパルス信号を生成する。さらに、パルスカウンタ２３はパルス信号を電源周波数の周期ごとにカウントする。シーケンス信号生成手段２５は電源周波数に同期してパルスカウンタ２３のカウント値をラッチし、すぐにパルスカウンタ２３をクリアするという動作を繰り返す。ラッチ手段２４には、電源周波数の１周期にいくつのパルス信号があったかを次の電源周期の間保持する。判定手段２６はラッチ手段のパルスカウント値と負荷判定手段６の状態から、電源が異常かどうか判定する。力行状態で、パルスカウント値が６のときは正常、それ以外のときは異常である。連続して異常になる回数が所定の回数以上続けば、電源異常として異常処理手段８が、負荷を電気的に切り離し、異常信号を外部に出力し、電源を遮断する。また、電源投入時には、電源電流が過渡的に変化するので、電源異常判定を無視する電源投入判定ディレイタイマ２０ｍｓを設け、異常処理手段８に組み込んでいる。

次に本発明の電力変換装置の電源異常判定方法について図９に基づき説明する。図９において、ステップＳＴ１で、電源投入から所定時間経過したかどうか判定し経過していればステップＳＴ２に移行し、経過していなければ終了する。次にステップＳＴ２で速度指令とモータ実速度の速度偏差をＰＩＤ処理をしてトルク指令を生成し、ステップＳＴ３でモータ実速度の絶対値があらかじめ決めた所定値よりも大きいかどうか判定し、大きければステップＳＴ４へ移行し、小さければステップＳＴ１１へ移行する。次に、ステップＳＴ４でトルク指令の絶対値があらかじめ決めた所定値よりも大きいかどうか判定し、大きければステップＳＴ５へ移行し、小さければステップＳＴ１２へ移行する。次に、ステップＳＴ５で、トルク指令の極性と実速度の極性が同じかどうか判定し、同じであれば、ステップＳＴ６へ移行し、異なればステップＳＴ１３へ移行する。次に、ステップＳＴ６で、電流信号を所定の時間積分し、平均電流信号を生成する。次にステップＳＴ７で電流信号と平均電流信号を比較してパルス信号を生成する。ステップＳＴ８で、パルス信号を電源周波数の周期分カウントしパルスカウント値を生成する。次にステップＳＴ９でパルスカウント値が６かどうか判定し、６でなければステップＳＴ１０で電源異常と判定し、異常処理を行う。パルスカウント値が６であれば、正常な力行状態であると判定する。

本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械などインバータおよびサーボが使用される用途に適用できる。

本発明の構成を示すブロック図 本発明の電源異常判定手段を示すブロック図 本発明の原理を説明するシミュレーションのブロック構成図 正常時のシミュレーション結果 ３相電源が不平衡電圧であるときのシミュレーション結果 ３相電源の１相が欠相しているときのシミュレーション結果 従来技術の入力欠相検出回路１ 従来技術の入力欠相検出回路２ 本発明の電源異常判定方法を示すフローチャート

符号の説明

１ ダイオードブリッジ
２ インバータ
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ制御手段
５ 電源電流信号生成手段
６ 負荷状態判定手段
７ 電源異常判定手段
８ 異常処理手段
９ 速度制御手段
１０ モータ駆動手段
１１ ３相交流電源
１２ モータ
１３ エンコーダ
２１ 平均化手段
２２ パルス信号生成手段
２３ パルスカウンタ
２４ ラッチ手段
２５ シーケンス信号生成手段
２６ 判定手段
４１ ダイオードブリッジ
４２ 負荷抵抗
４３ 平滑コンデンサ
４５ 電源電流信号生成手段
４６ 突入電流防止抵抗
４７ スイッチ

Claims (7)

1. ３相交流電源を全波整流して直流電源を生成するダイオードブリッジと、前記直流電源
   の電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに並列に接続されモータを駆動
   するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御手段からなる電力変換装置
   において、
   前記インバータ制御手段は、速度指令と前記モータ実速度からトルク指令を生成する速
   度制御手段と、トルク指令からモータを駆動するモータ駆動電流を生成するモータ駆動手
   段と、前記３相全波整流ダイオードの負極と前記コンデンサの負極間に接続され電源電流
   信号を生成する電源電流信号生成手段と、前記インバータの負荷状態が回生か力行か無負
   荷かを判定する負荷判定手段と、前記電源電流信号と前記負荷状態から電源が正常か異常
   かを判定する電源異常判定手段を備え、
   前記電源異常判定手段は、前記電源電流信号から所定の時間の電源平均電流を生成する
   電源平均電流生成手段と、前記電源電流信号と前記電源平均電流を比較しパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、前記パルス信号を電源周波数をカウント周期としてカウントするパルスカウンタ手段と、を備え、前記負荷判定手段が力行状態で、カウンタが５以下のときは電源異常と判定することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電源平均電流信号は、移動平均で求めることを特徴とする請求項１記載の電力変換
   装置。
3. 前記パルス信号生成手段は、前記電源電流信号と所定の値を比較しパルス信号を生成す
   ることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記負荷判定手段は、前記モータ実速度と前記トルク指令の極性を比較し、前記極性が
   同じ場合は力行状態、異なる場合は回生状態と判定する力行回生判定手段と、前記トルク
   指令の絶対値と前記実速度の絶対値とのどちらか一方が所定値以下の場合は無負荷状態と判定する無負荷判定手段と、備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
5. 前記電源異常判定手段は、電源投入から所定の時間は電源異常を無視することを特徴と
   する請求項１記載の電力変換装置。
6. ３相交流電源を全波整流して直流電源を生成するダイオードブリッジと、前記直流電源
   の電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに並列に接続されモータを駆動
   するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御手段からなる電力変換装置
   の電源異常判定方法において、
   速度指令と前記モータ実速度からトルク指令を生成するステップと、
   前記実速度と前記トルク指令が所定値よりも大きいかどうかを比較するステップと、
   小さい場合は無負荷状態と判定して終了するステップと、
   大きい場合は前記実速度と前記トルク指令の極性が正か負かを判定し、負の場合は回生
   状態として終了するステップと、
   正の場合は力行状態として、電源電流信号から所定の時間の電源平均電流信号を生成す
   るステップと
   前記電源電流信号と前記電源平均電流信号を比較しパルス信号を生成するステップと、
   パルスカウンタで前記パルス信号を電源周波数をカウント周期としてカウントするステ
   ップと、
   前記パルスカウンタのカウント周期最終時に６のときは力行状態として終了し、以外
   のときは電源異常として異常処理をするステップと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置の電源異常判定方法。
7. 前記電源平均電流は移動平均によってもとめることを特徴とする請求項６記載の電力変
   換装置の電源異常判定方法。

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