JP4760107B2 - 直列多重ｐｗｍインバータの地絡検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列多重ＰＷＭインバータの地絡検出方法に係り、特に３次高調波成分による影響を防止した地絡検出方法に関するものである。

３．３ｋＶ乃至６．６ｋＶの高圧を直接受電して交流電動機を制御する場合、直列多重インバータが使用される。この直列多重インバータは一般的には図１０のように構成される。同図においてＵ１〜Ｕ６、Ｖ１〜Ｖ６、及びＷ１〜Ｗ６はそれぞれ単相インバータで、各相毎に直列多重接続されている。直列多重インバータ１は中性点を接地抵抗Ｒ1，Ｒ2を介して高抵抗接地しており、直列多重インバータの出力が１線地絡した場合には接地抵抗Ｒ1，Ｒ2に地絡電流が流れるため、抵抗の両端電圧を監視することにより地絡状態を検出部３によって検出するようにしている。Ｔｒは入力トランス、２は交流電動機である。

図１１は地絡検出部の構成図を示したものである。接地抵抗Ｒ2の両端から検出した接地抵抗電圧は、フィルタＦｌを通って比較器Ｃｐの一方の端子に入力される。比較器Ｃｐの他方の端子には異常判定レベル信号が入力されて異常レベル比較処理が行われる。その結果は地絡判定処理部Ｇｃ出力され、この処理部Ｇｃにおいて地絡の有無が判定され、判定レベルを超えた場合には地絡故障としてインバータのゲート遮断を行う。

図１２は直列多重インバータ１のPWM制御部の構成図を示したものである。 ４は３相変調波発生部で、電圧設定信号と位相設定信号を入力して図１３で示す正弦波を発生する。５は３次高調波発生部で、３相変調波発生部１が発生した３相電圧に同相の３次高調波を発生して加算部６に出力する。

一般に、直列多重インバータは正弦波比較PWM(パルス幅変調)制御を行っており、そのために３相変調波発生部１からの３相電圧に同相の３次高調波を加算部６にて加算することによって零相変調を行っている。このような手段を行うことにより、線間電圧を変えずに図１３で示すように相電圧のピーク値を低減してインバータの出力電圧の最大値の増加を可能としている。７はキャリア変調部で、キャリア周波数設定信号により変調され、直列多重インバータの各ゲートに出力される。

電力変換装置における地絡検出方法としては、特許文献１のものが公知となっている。この特許文献１のものは、運転停止時に地絡検出の要望信号に応じて信号を発生し、ブリッジ構成されたインバータのスイッチング素子のＺ相のみを導通状態として地絡発生の有無を検出することが開示されている。
特開平５−３２８７３９号公報

図１２で示す３相電圧に同相の３次高調波を加算することは、直列多重インバータ１の中性点に積極的にバイアス電圧を加えることになる。また、出力電圧はキャリア変調されているため、正常時の中性点電圧には次の成分が含まれる。
（１）スイッチングによる高調波成分(キャリア成分)
（２）零相変調分(３次高調波成分)
３次高調波は出力相電圧ピーク値に対して約３０％程度の振幅を持っている。すなわち、正常な状態でも中性点電圧は出力電圧の３０％程度の電圧が発生することになる。

以上のことから、図１１で示すような地絡検出方法を採用し、接地抵抗の両端の電圧を監視して一定の判定レベルを超えたときに地絡と判定する場合、次の問題が発生する。
ａ．地絡検出レヘル≦「３次高調波ピーク値」の場合、地絡を誤って検出する。
ｂ．地絡検出レベル≧「３次高調波ピーク値」の場合、出力電力が低いと地絡検出ができない。
なお、特許文献１にはスイッチングによる高調波成分や、零相変調分に基づく誤検出に関する技術については開示されていない。

したがって、本発明が目的とするところは、直列多重インバータの地絡を精度よく検出できる地絡検出方法を提供することにある。

本発明の第１は、３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
前記異常判定レベル値を、直列多重インバータでの地絡発生時に検出される中性点検出電圧と正常時での中性点検出電圧間に位置するよう可変することを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記中性点電圧の異常判定レベル値は、前記零相変調を行うときの電圧設定値と異常判定レベル値との乗算によって生成することを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記中性点電圧の異常判定レベルは、出力相電圧の低い領域では判定レベル最小値で一定としたことを特徴としたものである。

本発明の第４は、３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
前記検出された中性点検出電圧は、３次高調波成分除去部に導入して３次成分減算後に地絡判定処理を行うことを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記３次高調波成分除去部による３次成分減算処理は、フィルタを介して入力される検出された中性点電圧と前記零相変調時の３次高調波の指令値による減算処理であることを
特徴としたものである。

本発明の第６は、前記３次高調波成分除去部は、前記検出された中性点電圧を移動平均する移動平均部と、移動平均のためのサンプリング周期演算部による３次高調波成分除去であることを特徴としたものである。

本発明の第７は、３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
前記直列多重ＰＷＭインバータの出力電圧領域が、低・中領域で前記３次高調波加算による零相変調を停止することを特徴としたものである。

本発明の第８は、前記３次高調波加算による零相変調を停止する手段は、前記直列多重ＰＷＭインバータのＰＷＭ制御部の電圧設定値を入力して低・中領域では出力信号をオフとする関数発生部を設け、この関数発生部の信号と前記零相変調時の３次高調波の指令値との乗算信号に基づくことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明による判定レベルを可変したことにより、３次高調波成分による誤検出なく出力電圧全域で地絡状態の検出が可能となる。また、中性点電圧の検出値に含まれる３次高調波成分をキャンセルするようにしたことにより、３次高調波成分による誤検出なく出力電圧全域で地絡状態の検出が可能となる。
さらに、出力電圧限界を上げたい高出力帯域でのみ３次高調波成分による零相変調を行うことにより、出力電圧の低・中領域において３次高調波成分による誤検出なく出力電圧全域で地絡状態の検出が可能となる。また、同時に出力電圧の低・中領域の中性点電圧を安定化させたことにより、電動機の軸電流による絶縁劣化を防ぐことが可能となる。

実施例１，２は、全域３次高調波加算による零相変調を行う直列多重インバータにおいて、地絡判定レベルを可変するようにしたものである。実施例３，４は、検出値に含まれる３次高調波成分をキャンセルするものである。また、実施例５は、出力電圧の限界を上げたい高出力帯域でのみ３次高調波加算による零相変調を行うものである。

図１は、本発明の実施例を示す地絡検出部（図１０の地絡検出部３に相当）の構成図を示したものである。１１はフィルタ、１２は比較部で、図１０で示す接地抵抗によって検出された接地抵抗電圧は、フィルタ１１を通って比較部１２の一方の端子に入力される。１３は乗算部で、この乗算部１３は異常判定レベル値と電圧指令値との乗算演算を実行し、その演算値は比較部１２の他方の端子に入力される。１４は地絡判定処理部である。

直列多重インバータでは、１線地絡発生時に中性点電圧が図２の点線で示すように出力相電圧ピーク値にまで上昇する。また、正常時での中性点電圧は一点鎖線で示すように３次高調波ピーク値にまで上昇する。乗算部１３により印加する異常判定レベルは、実線で示すように常に３次高調波ピーク値と出力相電圧ピーク値との間に位置するため、全ての出力電圧領域で地絡状態の検出が可能となる効果が生じる。

図３は、本発明の他の実施例を示す出力電圧−異常判定レベル特性図である。
実施例１の方式では、出力電圧が低い領域では異常判定レベルが低く、検出した中性点電圧にフィルタ１１で除去できない３次高調波以外の高調波成分が混入した場合、誤検出の可能性がある。そこで、この実施例では図３で示すように、出力電圧が低い領域のＶ1まで判定レベルを一定とすることにより、３次以外の高調波成分による低出力域での地絡検出の誤動作を防止するようにしたものである。

図4は本発明の他の実施例を示したものである。この実施例が図１で示す実施例１と相違する部分は、３次高調波成分除去部１５を設けたことである。３次高調波成分除去部１５は、フィルタ１１とその出力側に設けた加算部１５ａより構成され、この加算部１５ａでフィルタを通過した接地抵抗電圧から３次高調波指令とを減算して偏差信号を得る。この偏差信号を比較部１２’に出力して異常判定レベルとの比較処理を実行する。なお、３次高調波指令は、図１２におけるＰＷＭ処理で加算した値が用いられる。

図５は検出値から３次高調波成分を減算する場合の説明図で、点線表示が中性点の電圧波形である。ＰＷＭ処理で加算した値を用いることにより、正常時の中性点電圧の検出値は理論上ゼロとなり、また、時刻ｔ1で示すように１線地絡発生時には出力相電圧の基本波成分が検出できるため、容易に地絡状態の判定が可能となる。

図６は本発明の他の実施例を示したもので、図４とは３次高調波成分除去部が異なり、移動平均部１５ｂとサンプリング周期演算部１５ｃによって３次高調波成分除去部１５’が構成される。移動平均部１５ｂにはフィルタ１１を介して高調波成分の除去された中性点電圧が入力される。サンプリング周期演算部１５ｃは、入力された周波数指令値からサンプリングの周期を演算し、出力電圧に同期させるべく移動平均部１５ｂに出力する。移動平均部１５ｂは、この周期演算信号に基づいて中性点電圧を順次移動平均する。

図７は移動平均による３次高調波の抑制状態の説明図で、移動平均により出力相電圧に加算した３次高調波成分が除去できる。これにより、正常時の中性点電圧の検出値は理論上ゼロとなり、また、時刻ｔ1で示すように１線地絡発生時には出力相電圧の基本波成分が検出できるため、容易に地絡状態の判定が可能となる。

図８は本発明の他の実施例を示したもので、直列多重インバータのＰＷＭ制御部に零相変調制御部１６を設けたものである。前述のように、直列多重インバータは３次高調波発生部５を設け、３相変調波発生部４の３相電圧と同相の３次高調波を加算部６にて加算することによって零相変調を行ない、線間電圧を変えることなく相電圧のピーク値を低減してインバータの出力電圧の最大値の増加を可能としている。この反面、３次高調波を加算することによって出力電圧の低・中領域では3次高調波を加算することにより地絡の誤検出の要因となっている。

また、直列多重インバータは出力電圧が高いため、3次成分のピークは出力６６００Ｖの場合、６６００＊√２／√３＊０．３＝１６１６Ｖとなり、中性点電圧が正常時でも高電圧となって電動機の軸電流による絶縁劣化等の原因となる。

図８はこのような観点からなされたもので、零相変調制御部１６は図９で示すような関数発生器１６ａと、この発生器からの信号と３次高調波成分とを乗算する乗算部１６ｂより構成されている。関数発生器１６ａは、ＰＷＭ信号用の電圧設定値を入力し、予め定められた電圧指令値以上となったときに乗算部１６ｂに出力を発生して３次高調波と演算され、加算部６に出力される。

すなわち、出力電圧の低い領域では零相変調はオフ状態となっており、出力電圧の高い領域でのみ零相変調はオン状態としている。この際、３次高調波加算値は出力電圧に応じて段階的にレベルを上げて、出力電圧・中性点電圧の急峻な変化を防いでいる。

この実施例によれば、出力電圧限界を上げたい高出力帯域でのみ３次高調波加算による零相変調を行うことより、出力電圧の低・中領域において３次高調波成分による誤検出が防止でき、精度よく地絡状態の検出が可能となる。また、出力電圧の低・中領域での中性点電圧レベルが下げられ安定化することにより、電動機の軸電流による絶縁劣化が防げる効果が生じる。

本発明の実施形態を示す地絡検出部の構成図（実施例1）。 出力電圧−異常判定レベル特性図。 本発明の他の実施形態による出力電圧−異常判定レベル特性図（実施例２）。 本発明の他の実施形態を示す地絡検出部の構成図（実施例３）。 ３次高調波の減算説明図。 本発明の他の実施形態を示す地絡検出部の構成図（実施例４）。 移動平均による３次高調波の抑制説明図。 本発明の他の実施形態を示す地絡検出部の構成図（実施例５）。 ３次高調波の加算量説明図。 直列多重インバータの構成図。 従来の地絡検出部の構成図。 直列多重インバータのＰＷＭ制御部の構成図。 ３次高調波を加算した相電圧波形図。

符号の説明

１… 直列多重インバータ
２… 交流電動機
３… 地絡検出部
４… 三相変調波発生部
５… ３次高調波発生部
６… 加算部
７… キャリア変調部
１１… フィルタ
１２… 比較部
１３… 乗算部
１４… 地絡判定処理部
１５… ３次高調波成分除去部
１６… 関数発生部

Claims (8)

1. ３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
   前記異常判定レベル値を、直列多重インバータでの地絡発生時に検出される中性点検出電圧と正常時での中性点検出電圧間に位置するよう可変することを特徴とする直列多重インバータの地絡検出方法。
2. 中性点検出電圧の異常判定レベル値は、前記零相変調を行うときの電圧設定値と異常判定レベル値との乗算によって生成することを特徴とした請求項１記載の直列多重インバータの地絡検出方法。
3. 前記中性点電圧の異常判定レベルは、出力相電圧の低い領域では判定レベル最小値で一定としたことを特徴とした請求項１又は２記載の直列多重インバータの地絡検出方法。
4. ３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
   前記検出された中性点検出電圧は、３次高調波成分除去部に導入して３次成分減算後に地絡判定処理を行うことを特徴とした直列多重インバータの地絡検出方法。
5. 前記３次高調波成分除去部による３次成分減算処理は、フィルタを介して入力される検出された中性点電圧と前記零相変調時の３次高調波の指令値による減算処理であることを特徴とした請求項４記載の直列多重インバータの地絡検出方法。
6. 前記３次高調波成分除去部は、前記検出された中性点電圧を移動平均する移動平均部と、移動平均のためのサンプリング周期演算部による３次高調波成分除去であることを特徴とした請求項５記載の直列多重インバータの地絡検出方法。
7. ３次高調波加算による零相変調を行う直列多重ＰＷＭインバータであって、直列多重インバータの中性点と接地間を流れる地絡電流を接地抵抗を介して検出し、中性点検出電圧と異常判定レベル値を比較部に入力して地絡判定処理を実行し、入力された中性点検出電圧が異常判定レベル値より大のときに地絡故障として検出するものにおいて、
   前記直列多重ＰＷＭインバータの出力電圧領域が、低・中領域で前記３次高調波加算による零相変調を停止することを特徴とした直列多重インバータの地絡検出方法。
8. 前記３次高調波加算による零相変調を停止する手段は、前記直列多重ＰＷＭインバータのＰＷＭ制御部の電圧設定値を入力して低・中領域では出力信号をオフとする関数発生部を設け、この関数発生部の信号と前記零相変調時の３次高調波の指令値との乗算信号に基づくことを特徴とした請求項７記載の直列多重インバータの地絡検出方法。

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