JP5621210B2 - インバータの保護方法及び保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電磁誘導加熱装置に使用されるインバータに関し、詳しくは多相交流電源の欠相を検出してインバータの保護動作を実行するための保護方法及び保護装置に関するものである。

図４〜図７は、三相交流受電方式の電磁誘導加熱装置に使用されるインバータの主回路を示している。
まず、図４はハーフブリッジ回路を有するインバータＩＮＶ１であり、１０は三相交流電源、２１は整流回路、２２は直流中間コンデンサ、２３は直流−交流変換を行うハーフブリッジ回路、３０は誘導加熱用の加熱コイル、Ｒ，Ｓ，Ｔは入力端子、Ｅ（Ｇ）は接地端子、Ｆ１〜Ｆ３はヒューズである。
図５は、フルブリッジ回路を有するインバータＩＮＶ２であり、２４は直流−交流変換を行うフルブリッジ回路である。なお、図４と同一の回路部品には同一の番号を付すものとする。

更に、図６は、直流中間電圧Ｅ_ｄｃを制御するチョッパ回路２５を備えたインバータＩＮＶ３である。
また、図７は、図６の回路を基本としてハーフブリッジ回路等を２組備えたインバータＩＮＶ４であり、２６はハーフブリッジ回路、３１は加熱コイルである。

さて、上記各種のインバータにおいて、電源線の断線、接続忘れ等による電源の欠相や各相電圧のアンバランスが発生すると、インバータ入力部の部品にも負荷のアンバランスが生じ、負荷が集中した部品は許容値を超えることにより破損する恐れがある。このため、この種のインバータでは、電源の欠相やアンバランスを検出してインバータの半導体スイッチング素子をオフし、その運転を停止して回路部品や負荷の保護を図っている。

ここで、電源の欠相を検出する従来の方法は以下の通りである。
電源が三相とも接続されていて負荷がある一定値以上の電力を消費しており、しかも各相電源電圧がバランスしている場合には、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの波形は図８のようになる。また、無負荷時の直流中間電圧Ｅ_ｄｃの波形は、リプルのない一定の直流電圧波形となる。
従って、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの波形をＣＰＵ等の演算装置に取り込み、ソフトウェア処理によって上記波形の高周波成分（リプル波形）を検出し、そのゼロクロス点を一定期間カウントして周波数を求めることにより、電源が三相とも接続されているか、欠相が生じているかを検出している。

なお、特許文献１には、上記原理に基づき、直流中間電圧のリプル成分を検出してその周波数または繰り返し周期に基づき三相交流電源の欠相や回路遮断器の不具合による断線を検出するインバータ装置が記載されている。

また、特許文献２には、三相交流電源の断線による欠相や入力電圧の異常を含む各種の異常を検出可能とした電磁誘導加熱調理器が記載されている。
この従来技術では、整流回路の入力電圧から三相交流電源の何れかの相の断線による欠相を検出し、その欠相異常を異常履歴記憶回路に記憶させると共に、表示器により表示するように構成されている。

特開平１１−２０６００３号公報（段落［０００８］〜［００１５］、図１〜図３等） 特開２００４−３３５２６６号公報（段落［００１８］，［００１９］，［００２７］〜［００２９］、図１〜図３等）

電源電圧がアンバランスである場合、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの波形は例えば図９のようになるが（アンバランス率を１０％とする）、従来技術では、この波形のリプル成分から検出される周波数を誤検出する場合があり、電源が三相すべて接続されているにも関わらず欠相と誤認してしまう恐れがあった。
なお、図１０は、角度を横軸にとった時の電源欠相時（単相時）の直流中間電圧Ｅ_ｄｃの波形であり、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値はゼロ〔Ｖ〕になる。

そこで、本発明の解決課題は、電源電圧のアンバランス時に欠相と誤認することなく、真の欠相状態を確実に検出して保護動作を行うようにしたインバータの保護方法及び保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るインバータの保護方法は、多相交流電源に接続された整流回路と、この整流回路に直流中間回路を介し接続されて直流−交流変換を行うインバータ部と、を備えたインバータにおいて、
前記直流中間回路の電圧の最小値を検出し、この最小値が、前記多相交流電源に欠相がなく各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値より小さい値であってゼロ〔Ｖ〕との間の閾値未満になったことを検出して前記交流電源の欠相を判定し、前記インバータの保護動作を実行するものである。

請求項２に係るインバータの保護装置は、多相交流電源に接続された整流回路と、この整流回路に直流中間回路を介し接続されて直流−交流変換を行うインバータ部と、を備えたインバータにおいて、
前記直流中間回路の電圧の最小値を検出する最小値検出回路と、
前記最小値が、前記多相交流電源に欠相がなく各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値より小さい値であってゼロ〔Ｖ〕との間の閾値未満になったことを検出して前記交流電源の欠相を判定する欠相判定回路と、
前記欠相判定回路から出力される欠相判定信号により、前記インバータ部内の半導体スイッチング素子に対するオフ指令を出力する保護回路と、を備えたものである。

本発明によれば、直流中間電圧のリプル成分の周波数に基づいて電源の欠相を検出する方法によらず、直流中間電圧の最小値を監視するようにしたため、例えば三相電源に欠相が生じていない状態で電源電圧がアンバランスである場合に欠相を誤検出するおそれがなく、真の欠相時のみを正確に検出することができる。
また、本発明における欠相の判定原理は比較的簡単であるため、回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。

本発明の実施形態に係る保護装置の構成図である。 三相の電源電圧がバランスしている場合、及び、欠相時の直流中間電圧の波形図である。 本発明の実施形態の動作説明図である。 三相交流受電方式の電磁誘導加熱装置に使用されるインバータの主回路構成図である。 三相交流受電方式の電磁誘導加熱装置に使用されるインバータの主回路構成図である。 三相交流受電方式の電磁誘導加熱装置に使用されるインバータの主回路構成図である。 三相交流受電方式の電磁誘導加熱装置に使用されるインバータの主回路構成図である。 電源電圧がバランスしている場合の直流中間電圧の波形図である。 電源電圧にアンバランスがある場合の直流中間電圧の波形図である。 電源欠相時（単相時）の直流中間電圧の波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明は、以下に述べるように、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値に基づいて電源の欠相を判定し、インバータの保護動作を行うものであり、特に、電源電圧にアンバランスがある場合の欠相の誤検出防止を目的としている。

前後するが、図２は、三相の電源電圧がバランスしている場合、及び、欠相時（単相時）の直流中間電圧の波形図である。図示するように、三相の電源電圧がバランスしている場合に比べて、電源が欠相している場合（単相時）には、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値はゼロ［Ｖ］になる。しかし、図９に示したように、電源電圧がアンバランスであっても欠相していなければ、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値はゼロ［Ｖ］にはならない。
例えば、電源電圧が２００［Ｖ］（実効値）である時、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値は約２４５［Ｖ］（≒２００［Ｖ］×√２×ｃｏｓ３０°）であり、電源電圧がアンバランスである場合には、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値がこの値（約２４５［Ｖ］）未満になることはあっても、欠相していない限りゼロ［Ｖ］になることはなく、ある程度の大きさを持っている。

従って、電源電圧がバランスしている場合の電源電圧の大きさに応じた直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値を考慮しつつ、この最小値とゼロ［Ｖ］との間に所定の閾値Ｅ_ｔｈを設定しておき、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}が閾値Ｅ_ｔｈ未満になったことを検出して電源の欠相を判定することができる。
なお、閾値Ｅ_ｔｈは、正常時における電源電圧の変動範囲も考慮して適宜な値に設定すれば良い。

図１は、この実施形態に係る保護装置の構成を示すブロック図である。
図１において、前記同様に，１０は三相交流電源、２１は整流回路、２２は直流中間コンデンサ、３０は加熱コイルである。また、２８は図４〜図７に示した如く半導体スイッチング素子を有するインバータ部であり、ＩＮＶはインバータを示している。本発明において、インバータ部２８の回路構成は特に限定されるものではない。

図１における保護装置の構成は、以下の通りである。
すなわち、直流中間コンデンサ２２の両端から検出した直流中間電圧Ｅ_ｄｃは最小値検出回路１に入力され、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}が検出される。この最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}は閾値Ｅ_ｔｈと共に欠相判定回路２に入力されており、最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}が閾値Ｅ_ｔｈ未満になると欠相判定信号Ｓ_ｔが出力されるようになっている。

欠相判定信号Ｓ_ｔは保護回路３に入力されており、この保護回路３からは、インバータ部２８の半導体スイッチング素子を全てオフさせるための全ゲートオフ指令Ｓ_ｏｆｆがゲート駆動回路４に向けて出力される。また、必要に応じて、保護回路３からアラーム信号を出力させ、視覚表示や音声により警報出力を行っても良い。

図３は、この実施形態の動作説明図である。ちなみに、この図３は、例えば三相の電源電圧にアンバランスが生じていてその後に欠相状態となった場合を模擬している。
いま、インバータＩＮＶを運転中であって、加熱コイル３０が一定値以上の電力を消費している状態で時刻ｔ_０に欠相検出動作を開始するものとする。

図１に示した最小値検出回路１は直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}を検出しており、検出を開始してからの最小値を逐次更新して出力する。この最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}は欠相判定回路２内のメモリ（図示せず）に記憶されており、図３の時刻ｔ_１以降のように最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}が予め設定されている閾値Ｅ_ｔｈ未満になると、欠相判定回路２は判定条件成立（すなわち欠相発生）と判断して時刻ｔ_２で欠相判定信号Ｓ_ｔがオンする。また、これと同時に、前記メモリ内の最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}をリセットする。なお、図３では時刻ｔ_１〜ｔ_２の間隔を誇張して描いてある。
欠相判定信号Ｓ_ｔがオンすると、前述したように保護回路３が動作し、全ゲートオフ指令Ｓ_ｏｆｆによりインバータ部２８のスイッチング素子をオフさせてインバータＩＮＶの運転を停止することによりインバータＩＮＶ及び負荷を保護すると共に、アラーム信号によって警報出力を行うものである。

本実施形態の保護装置における機能は、直流中間電圧の最小値の検出、最小値と閾値との比較等、極めて単純であるから、回路構成の簡略化が可能であり、低コストにて実現することができる。

なお、図示されていないが、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}だけでなく最大値Ｅ_{ｄｃｍａｘ}も同時に検出し、最小値Ｅ_{ｄｃｍｉｎ}と最大値Ｅ_{ｄｃｍａｘ}との差が正常時（三相電源電圧のバランス時）の値と異なることを検出して電源電圧のアンバランスを判定する機能を付加することもできる。
また、上記実施形態では、三相交流電源の欠相時について説明したが、三相以外の多相電源の欠相時に対しても本発明は適用可能である。

本発明は、電磁誘導加熱装置に使用されるインバータに限らず、各種用途のインバータや負荷を電源欠相から保護するための保護装置に利用することができる。

１：最小値検出回路
２：欠相判定回路
３：保護回路
４：ゲート駆動回路
１０：三相交流電源
２１：整流回路
２２：直流中間コンデンサ
２８：インバータ部
３０：加熱コイル
ＩＮＶ：インバータ

Claims (2)

1. 多相交流電源に接続された整流回路と、この整流回路に直流中間回路を介し接続されて直流−交流変換を行うインバータ部と、を備えたインバータにおいて、
   前記直流中間回路の電圧の最小値および最大値を検出し、この検出電圧の最小値が、前記多相交流電源に欠相がなく各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値より小さい値であってゼロ〔Ｖ〕との間の閾値未満になったことを検出して前記交流電源の欠相を判定し、前記インバータの保護動作を実行し、前記検出電圧の最小値と最大値との差が、各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値と最大値との差と異なることを検出して電源電圧のアンバランスを判定することを特徴とするインバータの保護方法。
2. 多相交流電源に接続された整流回路と、この整流回路に直流中間回路を介し接続されて直流−交流変換を行うインバータ部と、を備えたインバータにおいて、
   前記直流中間回路の電圧の最小値および最大値を検出する検出回路と、
   前記検出電圧の最小値が、前記多相交流電源に欠相がなく各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値より小さい値であってゼロ〔Ｖ〕との間の閾値未満になったことを検出して前記交流電源の欠相を判定する欠相判定回路と、
   前記検出電圧の最小値と最大値との差が、各相電源電圧がバランスしている状態における前記直流中間回路の電圧の最小値と最大値との差と異なることを検出して電源電圧のアンバランスを判定するアンバランス判定回路と、
   前記欠相判定回路から出力される欠相判定信号により、前記インバータ部内の半導体スイッチング素子に対するオフ指令を出力する保護回路と、
   を備えたことを特徴とするインバータの保護装置。

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