JP5227627B2 - インバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、個別に運転および保護ができる単相インバータ装置を少なくとも４台備え、これらの単相インバータ装置の交流出力を多相電動機に供給して多相電動機を駆動するインバータシステムに関する。

従来、１台のインバータが直流短絡故障しても、他の健全なインバータにより運転継続可能なインバータシステムとして、特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１は共通の直流電源から給電される複数台のインバータ装置からなるインバータグループを複数組有し、その複数組のインバータグループの少なくとも１組が運転停止しても、負荷例えば多相電動機を縮退運転することが可能なインバータシステムにおいて、インバータグループの各々の直流入力部に一括して直流リアトルを設けたものである。

この特許文献１は、インバータ装置の一つに直流短絡事故が発生すると、直流短絡事故が発生したインバータ装置と同じインバータグループに属するインバータ装置は、過電流によって入力スイッチが開路されて運転停止するが、直流短絡事故とは関係がないインバータ装置は過電流レベルに到達する前に前記入力スイッチの開路によって電流が減少するので、運転停止することはない。従って、多相電動機の入力相のうち、直流短絡事故に関係する相は停止するが、他の相は健全であるため、電動機の出力を例えば半分に低減すれば多相電動機は縮退運転による運転継続可能になる。

特許文献２は単位インバータを複数台並列駆動して共通の交流電動機を駆動する電力変換装置において、１台単位インバータが何らかの原因で故障したとき、この故障した単位インバータを切り離して、他の健全なインバータを用いて電力変換装置の運転継続ができるようにしたものであって、何れかの単位インバータの運転中に直流電圧が低下して所定値以下となったとき、全ての単位インバータをゲートブロックし、所定時間後、直流電圧が低下した当該インバータを切り離し手段により駆動系から切り離し、当該単位インバータを除く他の単位インバータのゲートブロックを解除して再起動することで、電力変換装置の運転継続を行うものである。

特許文献３には、ＰＭモータ（永久磁石モータ）を駆動するインバータシステムの停止対策としてリトライ機能が記載されている。このリトライ機能は、インバータ装置で過電流等の故障を検出して停止した際に故障リセットを行い、故障を継続して検出しなければリトライ動作によりインバータ装置を自動的に再起動し、インバータシステムの停止を回避するものである。
特開２００７−１８１３３１ 特開２００７−２０２２９９ 特開平５−３４４７８７号公報

しかしながら、前述の特許文献３のリトライ機能では、インバータ装置内でスイッチング素子破損等の永久的な故障が発生した場合には再起動できず、インバータシステムは停止してしまう。そのため、特許文献３のインバータシステムは故障発生時に電動機の軸出力を下げてでもなるべく運転を停止せずに運転継続が要求される、前述の特許文献１、２等の多相電動機には不向きである。

本発明は、多相電動機の運転の継続性が向上するインバータシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、個別に運転および保護ができる単相インバータ装置を少なくとも４台備え、少なくとも４相の多相電動機を駆動し、前記単相インバータ装置の故障状態を監視し、前記多相電動機を制御する監視制御装置を備えたインバータシステムにおいて、前記監視制御装置は、前記多相電動機の全相数をＭ、前記多相電動機の特性により決定されるものであって前記少なくとも４相のうちの何相かを減らした状態で前記多相電動機を駆動できる減相許容相数をＰ、前記単相インバータ装置の故障停止台数をＮとしたとき、前記インバータ装置においてある任意の相で故障が発生したとき前記故障停止台数Ｎに応じて、０＜Ｎ≦Ｐ＜Ｍの条件を満足するかどうかを判断し、前記条件を満足する場合は前記インバータ装置のうちの健全なものを用いて前記多相電動機を減相したまま継続運転し、前記条件を満足せず、０＜Ｐ＜Ｎ＜Ｍの場合は前記全インバータ装置の運転停止を行い、前記故障した前記インバータ装置の故障リセットを行なって、リセット可能な前記インバータ装置を再度運転し、前記故障停止台数ＮをＮ１と減らすことで、０≦Ｎ１≦Ｐになれば健全な前記インバータ装置を用いて前記多相電動機を継続運転し、また前記故障停止台数ＮをＮ１と減らしても、０＜Ｐ＜Ｎ１のままであれば前記全てのインバータ装置を停止して前記多相電動機を停止するように構成し、かつ前記インバータ装置の故障リセットを行った後の故障停止台数Ｎ１により軸出力の上限を制限するように構成したことを特徴とするインバータシステムである。

本発明によれば、多相電動機の運転の継続性が向上するインバータシステムを提供できる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明のインバータシステムを説明するための概略構成図である。多相電動機１、直流電源２、監視制御装置３、少なくとも４台ここでは５台のインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０で構成される。多相電動機の相数は５相として説明するが、４相以上の任意相数の場合でも同様に適用可能となる。

インバータ装置１０は、インバータ装置本体１１と、インバータ装置本体１１に並列接続したコンデンサ１２と、インバータ装置本体１１に直列接続した電流検出器１３及び入力スイッチ１４とで構成されている。インバータ装置２０、３０、４０、５０も、インバータ装置１０も同様に、それぞれインバータ装置本体２１、３１、４１、５１と、コンデンサ２２、３２、４２、５２と、電流検出器２３、３３、４３、５３と、入力スイッチ２４、３４、４４、５４とで構成されている。

インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０は、直流電源２から供給された直流電力を交流電力に変換し、多相電動機１を駆動する。監視制御装置３は、各インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障状態を監視し、各インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の運転指令を行う。インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０および監視制御装置３によりインバータシステム４を構成し、外部よりインバータシステム４の運転指令を行う。

インバータ装置１０は電圧型インバータであり、コンデンサ１２にて直流電圧を平滑化し、ブリッジ回路を含むインバータ装置本体１１にて多相電動機１の回転角度に応じた位相の交流電圧に変換するものであり、インバータ装置２０、３０、４０、５０も同様にコンデンサ２２、３２、４２、５２にて各々直流電圧を平滑化し、ブリッジ回路を含むインバータ装置本体２１、３１、４１、５１にて各々多相電動機１の回転角度に応じた位相の交流電圧に変換するものである。

電流検出器１３はインバータ装置１０の入力電流を検出するものであり、電流検出器２３、３３、４３、５３も同様であり、インバータ装置２０、３０、４０、５０の各々入力電流を検出するものである。入力スイッチ１４は遮断機能を持つヒューズ等の機器で構成され、過電流を検出した場合、保護動作により入力スイッチ１４を遮断し、インバータ装置１０は故障状態となって自身の運転を停止するものであり、入力スイッチ２４、３４、４４、５４も同様であり、遮断機能を持つヒューズ等の機器で構成され、過電流を検出した場合、保護動作により入力スイッチ２４、３４、４４、５４を各々遮断し、インバータ装置２０、３０、４０、５０はいずれも故障状態となって自身の運転を停止するものである。

ここで、本発明の第１の実施形態の監視制御装置３について、図２のフロー図を参照して説明する。本フロー図はインバータシステム４が起動している間は繰返し実行され、ＥＮＤまで行くと再びＳＴＡＲＴに戻る。いま、多相電動機１の全相数をＭ、運転するインバータ装置を減らした状態で多相電動機１を駆動できる減相許容相数をＰ、インバータ装置の故障停止台数をＮとする。

個別に運転および保護ができる単相インバータ装置を少なくとも４台備え、少なくとも４相の多相電動機を駆動し、前記単相インバータ装置の故障状態を監視し、前記多相電動機を制御する監視制御装置を備えたインバータシステムにおいて、
監視制御装置３は、多相電動機１の全相数をＭ、多相電動機１の特性により決定されるものであって少なくとも４相のうちの何相かを減らした状態で多相電動機１を駆動できる減相許容相数をＰ、単相インバータ装置の故障停止台数をＮとしたとき、インバータ装置においてある任意の相で故障が発生したとき故障停止台数Ｎに応じて、０＜Ｎ≦Ｐ＜Ｍの条件を満足するかどうかを判断し、前記条件を満足する場合はインバータ装置のうちの健全なものを用いて多相電動機１を減相したまま継続運転し、条件を満足せず、０＜Ｐ＜Ｎ＜Ｍの場合は全インバータ装置の運転停止を行い、多相電動機１を停止させるように構成したものである。

ここで、多相電動機は全相のインバータ装置で駆動しなくても、電動機の軸出力を下げれば、一定相数以下のインバータ装置を停止した減相状態で、電動機を駆動することができるという特性を有する。

ただし、１≦Ｐ＜Ｍの関係にあり、Ｐは多相電動機１の特性により決定される値である。

外部から運転指令が入力され、運転指令が入力中かどうかが判断され（Ｓ１）、運転指令が入力中の場合にはインバータ装置の故障停止台数Ｎが０かどうかが判断される（Ｓ２）。この判断処理ステップＳ２において、故障停止台数Ｎが０と判断されると、全インバータ装置に運転指令に与え（Ｓ３）、多相電動機１を駆動する。

なお、判断処理ステップＳ１において、運転指令中でないと判断すると、全インバータ装置の運転停止を行う（Ｓ１１）。

判断処理ステップＳ２において、故障停止台数Ｎが０でないと判断されると、故障停止台数Ｎ≦Ｐの条件を満足するかどうかを判断し（Ｓ４１）、この条件を満足すると判断すると、故障停止台数Ｎに応じた多相電動機１の軸出力の制限を行い（Ｓ５１）、その後健全なインバータ装置に運転指令を与え（Ｓ６）、多相電動機１を駆動する。

このように判断処理ステップ４１において故障停止台数Ｎ≦Ｐの条件を満足すると判断した場合には、多相電動機１の軸出力の制限を行い、その後健全なインバータ装置に運転指令を与えことで、多相電動機１の運転の継続性が向上する。

なお、判断処理ステップ４１において故障停止台数Ｎ≦Ｐの条件を満足しない場合、すなわちＰ＜Ｎの場合には、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の運転停止とする（Ｓ７１）ため、インバータシステム４は停止状態となり、多相電動機１はフリーラン停止する。

図２のフロー図における、インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障停止としては、直流短絡故障が発生した場合を例にして説明する。インバータ装置２０、３０、４０、５０で直流短絡故障が発生した場合である。例えば、インバータ装置本体１１にて直流短絡故障が発生したとき、他相の健全なインバータ装置２０、３０、４０，５０内の各コンデンサおよび直流電源２からインバータ装置本体１１に向けて短絡電流が流れる。

インバータ装置１０は入力スイッチ１４を遮断することで短絡電流を遮断し、インバータ装置１０は故障状態となって停止する。他相の健全なインバータ装置２０、３０、４０、５０は、コンデンサから流出する短絡電流の大きさにより過電流を検出する場合と検出しない場合がある。過電流を検出したインバータ装置は、入力スイッチを遮断し、故障状態となって停止する。故障停止台数Ｎ≦減相許容相数Ｐの場合は、過電流を検出しなかった健全なインバータ装置は運転継続する。Ｐ＜Ｎの場合は、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を停止するため、インバータシステム４は停止状態となる。

このように、ある任意の相のインバータ装置内でスイッチング素子破損などの直流短絡故障が発生したとき、他相の健全なインバータ装置も過電流を検出して運転停止となり、インバータシステムが停止してしまう場合がある。

第２の実施形態は、これを改善することができる。以下、第２の実施形態の監視制御装置３を図３のフロー図及び図４のリトライ機能による動作を説明するためのタイミング図を参照して説明する。

本実施形態のインバータシステム４は、個別に運転および保護ができる単相インバータ装置を少なくとも４台、ここでは５台１０、２０、３０、４０、５０と、少なくとも４相、ここでは５相の多相電動機１を駆動し、各単相インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障状態を監視し、多相電動機１を制御する監視制御装置３を備えている。

監視制御装置３は、多相電動機１の全相数をＭ、少なくとも４相例えば５相のうちの何相を減らして運転できる減相許容相数をＰ、インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障停止台数をＮとしたとき、インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０においてある任意の相で故障が発生したとき故障停止台数Ｎに応じて、０＜Ｎ≦Ｐ＜Ｍの条件を満足するかどうかを判断し、この条件を満足する場合はインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０のうちの健全なものを用いて多相電動機１を減相したまま継続運転し、前記条件を満足せず、０＜Ｐ＜Ｎ＜Ｍの場合はインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障リセットを行なって、リセット可能なインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を再度運転し、故障停止台数ＮをＮ１と減らすことにより、０≦Ｎ１≦Ｐになれば健全な前記インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を用いて多相電動機１を継続運転し、また故障停止台数ＮをＮ１と減らしても、０＜Ｐ＜Ｎ１のままであれば全てのインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を停止して多相電動機１を停止するように構成したものである。

図３のフロー図は、図２と同様にインバータシステムが起動している間は繰返し実行され、ＥＮＤまで行くと再びＳＴＡＲＴに戻る。本実施形態にあっては多相電動機１は全相のインバータ装置で駆動しなくても、多相電動機１の軸出力を下げれば、インバータ装置が減相状態でも、多相電動機１を駆動することができるという特性を活かすことができる。

以下これについて説明する。多相電動機１の全相数をＭ、運転するインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を減らした状態で多相電動機１を駆動できる減相許容相数をＰ、インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障停止台数をＮ、リトライ機能を動作させる上限回数をＬとする。

減相許容相数Ｐは多相電動機の特性により決定される値で、例えば振動を考慮、具体的には相数が少なくなることに伴って振動が多くなることを考慮またはアプリケーションに応じて決定される。

また、リトライ機能が繰返し動作してもインバータシステム４が停止状態のままで無限に故障リセットし続けるのを防止するために上限回数Ｌを設けている。

外部から運転指令が入力中かどうかが判断され（Ｓ１）、運転指令が入力中でない場合には全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０に対して運転停止を実施する（Ｓ１１）。

判断処理ステップ（Ｓ１）において、運転指令が入力中の場合には故障停止台数Ｎが０かどうかが判断され（Ｓ２）、故障停止台数Ｎが０の場合には、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０に対して運転指令を与え（Ｓ３）、多相電動機１を駆動する。

判断処理Ｓ２において、故障停止台数Ｎが０でない場合には、故障停止台数Ｎ≦減相許容相数Ｐの条件を満足するかどうかが判断され（Ｓ４）、同条件を満足する場合には故障停止台数Ｎに応じた多相電動機１の軸出力の制限を行う（Ｓ５）。この後、健全なインバータ装置に対して運転指令を与える（Ｓ６）。

判断処理ステップ（Ｓ４）において、故障停止台数Ｎ≦減相許容相数Ｐの条件を満足しないと判断した場合には、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の運転停止を実行すると共に、故障のインバータ装置のリセットを行う（Ｓ７）。この後、本発明の重要なリトライ機能を実施する［（Ｓ８）、（Ｓ９）、（Ｓ１０）］。

以下、このリトライ機能について説明する。処理ステップＳ７の後に、リトライの回数がＬ回目かどうか判断され（Ｓ８）、Ｌ回目でない場合にはインバータ装置１０の故障リセットを実施し（Ｓ９）、その後リトライ回数をカウントし（Ｓ１０）、ＥＮＤかＳＴＡＲＴに進む。なお、判断処理ステップＳ８において、Ｌ回目と判断すると、ＥＮＤかＳＴＡＲＴに進む。

インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０のうちで例えばインバータ装置１０で故障が発生したとき、判断処理ステップ（Ｓ４）において、０＜Ｎ≦Ｐと判断した場合は、多相電動機１の軸出力を制限した範囲で健全なインバータ装置２０、３０、４０、５０に運転指令を与えて、多相電動機１の駆動を継続する。判断処理ステップ（Ｓ４）において、Ｐ＜Ｎと判断した場合は、一旦インバータ装置２０、３０、４０、５０は停止するが、その直後にリトライ機能が動作する。

いま、インバータ装置１０にて直流短絡故障が発生した場合を例にして説明するが、インバータ装置２０、３０、４０、５０で直流短絡故障が発生した場合も同一動作のため説明を省略する。

インバータ装置本体１１にて直流短絡故障が発生したとき、他相の健全なインバータ装置２０、３０、４０、５０内の各コンデンサおよび直流電源２からインバータ装置本体１１に向けて短絡電流が流れる。インバータ装置１０は入力スイッチ１４を遮断することで短絡電流を遮断し、インバータ装置１０は故障状態となって停止する。他相の健全なインバータ装置２０、３０、４０、５０は、コンデンサから流出する短絡電流の大きさにより過電流を検出する場合と検出しない場合がある。過電流を検出したインバータ装置は、入力スイッチを遮断し、故障状態となって停止する。

判断処理ステップ（Ｓ４）において、故障停止台数Ｎ≦減相許容相数Ｐと判断した場合は、過電流を検出しなかった健全なインバータ装置は運転継続する。また、判断処理ステップ（Ｓ４）において、Ｐ＜Ｎと判断した場合は、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０を停止し、一旦停止状態となり、多相電動機１はフリーランとする。

全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０が停止したため、リトライ機能が動作し、全インバータ装置１０、２０、３０、４０、５０の故障リセットを行う。

インバータ装置１０は故障を継続するが、インバータ装置２０、３０、４０、５０は故障状態から健全状態に復帰し、故障停止台数はＮ→Ｎ１になる。この場合、判断処理ステップ（Ｓ４）において、故障停止台数Ｎ１≦減相許容相数Ｐとなるため、健全なインバータ装置２０、３０、４０、５０は再起動し、インバータシステム４は運転状態となり、多相電動機１を減相状態で運転する。もし、複数のインバータ装置にてヒューズ溶断のような永久的な故障が発生し、判断処理ステップ（Ｓ４）において、減相許容相数Ｐ＜故障停止台数Ｎ１のままであれば、リトライ機能を止めて、停止する。

減相状態では多相電動機１は定格軸出力を出せないため、故障停止台数Ｎあるいは故障リセット後の故障停止台数Ｎ１に応じて軸出力の上限を制限する。電動機１の適用先が速度の２乗トルク負荷のような場合、故障停止台数Ｎあるいは故障リセット後の故障停止台数Ｎ１に応じて回転数の上限を制限する。

前述のリトライ機能による再起動の動作のタイミング図を図４に示す。インバータ装置１０において直流短絡故障が発生した直後にインバータ装置１０、２０、３０、４０、５０は運転停止となり、多相電動機１がフリーランとなるため回転速度が低下する。その後、インバータ装置の故障リセットが行われ、リトライ機能が動作することで、インバータ装置２０、３０、４０、５０が再起動して、電動機１は軸出力が制限された状態で運転可能な速度まで復帰する。

以上述べた第２の実施形態によれば、ある任意の相のインバータ装置内でスイッチング素子破損などの直流短絡故障が発生し、他相の健全なインバータ装置も過電流を検出してインバータシステムが運転停止となったとき、再起動可能なインバータ装置を用いて多相電動機１を継続運転することができる。

（変形例）
本実施形態では多相電動機１の相数を５相で表記しているが、これに限らず５相以外の４相以上の任意相数の多相電動機１においても同様の効果が得られる。

また、本実施形態ではリトライ機能が動作した際、全ての健全なインバータ装置で再起動しているが、多相電動機を駆動できる最小相数以上のインバータ装置で再起動しても同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態の多相電動機は界磁方式を問わず、永久磁石方式であっても直流励磁方式であっても同様の効果が得られる。

本発明のインバータシステムの実施形態を説明するための概略構成図。 本発明の第１の実施形態における監視制御装置における動作処理内容を説明するためのフロー図。 本発明の第２の実施形態における監視制御装置における動作処理内容を説明するためのフロー図。 図３のリトライ機能による動作を説明するタイミング図。

符号の説明

１…多相電動機、２…直流電源、３…監視制御装置、４…インバータシステム、１０、２０、３０、４０、５０…インバータ装置、１１、２１、３１、４１、５１…インバータ装置本体、１２、２２、３２、４２、５２…コンデンサ、１３、２３、３３、４３、５３…電流検出器、１４、２４、３４、４４、５４…入力スイッチ。

Claims (1)

1. 個別に運転および保護ができる単相インバータ装置を少なくとも４台備え、少なくとも４相の多相電動機を駆動し、前記単相インバータ装置の故障状態を監視し、前記多相電動機を制御する監視制御装置を備えたインバータシステムにおいて、
   前記監視制御装置は、前記多相電動機の全相数をＭ、前記多相電動機の特性により決定されるものであって前記少なくとも４相のうちの何相かを減らした状態で前記多相電動機を駆動できる減相許容相数をＰ、前記単相インバータ装置の故障停止台数をＮとしたとき、
   前記インバータ装置においてある任意の相で故障が発生したとき前記故障停止台数Ｎに応じて、０＜Ｎ≦Ｐ＜Ｍの条件を満足するかどうかを判断し、前記条件を満足する場合は前記インバータ装置のうちの健全なものを用いて前記多相電動機を減相したまま継続運転し、
   前記条件を満足せず、０＜Ｐ＜Ｎ＜Ｍの場合は前記全インバータ装置の運転停止を行い、前記故障した前記インバータ装置の故障リセットを行なって、リセット可能な前記インバータ装置を再度運転し、前記故障停止台数ＮをＮ１と減らすことで、０≦Ｎ１≦Ｐになれば健全な前記インバータ装置を用いて前記多相電動機を継続運転し、また前記故障停止台数ＮをＮ１と減らしても、０＜Ｐ＜Ｎ１のままであれば前記全てのインバータ装置を停止して前記多相電動機を停止するように構成し、かつ前記インバータ装置の故障リセットを行った後の故障停止台数Ｎ１により軸出力の上限を制限するように構成したことを特徴とするインバータシステム。

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