JP5683364B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、インバータの出力電圧を検出する機能を有するインバータの制御装置に関する。

従来のインバータ制御装置は、例えば電動機を可変速駆動するために使用され、電動機の制御、あるいは保護監視のため少なくとも出力の電圧及び電流のうちの１つを検出するのが普通である。出力が３相であれば、通常は検出器も３相となるが、３相のうちの１相が断線した場合には制御の動作が異常となり、インバータ制御装置が停止してしまうという問題があった。

このような問題に対し、３相の電流検出において断線等で異常になった相を特定し、正常な他の２相の検出値を用いて演算によって代替の値を得ることによって運転を継続しようとする提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特許第３７３７３７０号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に示された手法は、インバータの出力電流を検出する３つの電流検出器と、電流検出器の実効値を算出するために波形の保存を行う波形保存器と、波形保存器で保存した波形から実効値を求める実効値検出器と、実効値検出器からのインバータの各相の出力電流実効値を比較することによって異常個所がどの相で発生したかを検出する実効値比較器と、異常になった相の電流検出値の代わりに他相の電流検出値から算出を行った電流算出値に切替える切替器を備えたインバータ制御装置によるものであるが、電流実効値を導出するために交流実効値を用いるため、異常となった相の電流値が実効値に換算されるまでに遅れ時間が生じる。このため異常となった電流検出器の検出が遅れ、場合によってはこの遅れ時間の間に異常電流を検出し、装置が停止してしまうという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、１相分の異常があったとき、より素早く他の２相の検出値からの推定値に置き換えることが可能な検出器を備えたインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のインバータ制御装置は、直流入力を受け、この直流を交流に変換するインバータと、前記インバータの３相出力の電圧を検出、または電流を検出して電圧に変換する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力を用いて前記インバータを制御するための制御手段と、前記電圧検出手段の３相電圧を受け、前記電圧検出手段の１相分が断線しても他の２相から演算によって求めた３相電圧に切換えて前記制御手段に与える異常時自動切換手段を具備し、前記異常時自動切換手段は、３相電圧のうち、互いに異なる２相分の前記電圧検出手段の出力を入力とし、他の１相分はこれら２相分の電圧から演算によって求めた値を入力とし、これら３相分の入力の電圧の大きさの合計を求めるようにした３台の電圧の大きさ演算手段と、前記３台の電圧の大きさ演算手段の各々の演算結果と所定の判定値との差異の絶対値が第１の所定値以上あったとき異常と判断する３台の異常検出手段と、前記異常検出手段のうち２台が異常となったとき断線した相を特定する手段とを有し、前記断線した相を特定する手段は、前記異常となった２台の異常検出手段の各々の入力である２台の電圧の大きさ演算手段に共通に与えられている電圧の相が断線したと判断するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、瞬時値の検出が可能な異常検出器を用いるように構成したので、１相分の異常があったとき、より素早く他の２相の検出値からの推定値に置き換えることが可能な検出器を備えたインバータ制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係るインバータ制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例１に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図。 本発明の実施例２に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図。 本発明の実施例３に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、この発明の実施例１に係るインバータ制御装置を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は本発明の実施例１に係るインバータ制御装置のブロック構成図であり、図２は本発明の実施例１に係るインバータ制御装置に使用される異常時切換回路の内部構成図である。

図１において、直流コンデンサ１には図示しない直流電源から直流電圧が与えられている。直流コンデンサ１によって平滑された直流電圧をインバータ２によって３相の交流電圧に変換し、この３相の交流電圧によって交流電動機３を駆動する。ここで、インバータ２の負荷は必ずしも交流電動機３である必要はなく、任意の負荷で良い。インバータ２は制御装置４によって制御されている。具体的にはインバータ２を構成するスイッチング素子は、インバータ２が所望の出力電圧及び出力周波数を出力するように制御装置４から与えられるゲートパルスによってオンオフ制御されている。

インバータ２の出力には３相の電圧検出器５が設けられている。この電圧検出器５の各相の出力は異常時自動切換回路６を介して制御装置４に与えられる。ここで、電圧検出器５は電流検出器であっても良い。この場合は電流検出器で検出した電流を電圧に変換して以下の議論を展開すれば良い。

異常時自動切換回路６は、瞬時電圧の大きさを検出する電圧の大きさ演算手段６１と、この検出値に基づいて故障（断線）した相を特定する故障検出器６２と、故障検出器６２の検出結果に従って故障した相の検出電圧を他の２相からの演算で求めるように切換える切換器６３とから成る。

異常時自動切換回路６の内部構成を図２に示す。電圧の大きさ演算手段６１は、３台の電圧の大きさ演算器６１Ａ、６１Ｂ及び６１Ｃを備えている。電圧の大きさ演算器６１Ａには電圧検出器４で検出した電圧Ｖｕｖ０とＶｖｗ０と、演算器６１Ｄで演算されたＶｗｕ＾が入力として与えられる。演算器６１Ｄには上記電圧Ｖｕｖ０とＶｖｗ０が与えられ、Ｖｗｕ＾＝−（Ｖｕｖ０＋Ｖｖｗ０）を演算出力する。同様に、電圧の大きさ演算器６１Ｂには電圧検出器４で検出した電圧Ｖｖｗ０とＶｗｕ０と、演算器６１Ｅで演算されたＶｕｖ＾が入力として与えられる。演算器６１Ｅには上記電圧Ｖｖｗ０とＶｗｕ０が与えられ、Ｖｕｖ＾＝−（Ｖｖｗ０＋Ｖｗｕ０）を演算出力する。同様に、電圧の大きさ演算器６１Ｃには電圧検出器４で検出した電圧Ｖｗｕ０とＶｕｖ０と、演算器６１Ｆで演算されたＶｖｗ＾が入力として与えられる。演算器６１Ｆには上記電圧Ｖｗｕ０とＶｕｖ０が与えられ、Ｖｖｗ＾＝−（Ｖｗｕ０＋Ｖｕｖ０）を演算出力する。

電圧の大きさ演算器６１Ａ、６１Ｂ及び６１Ｃは夫々上記の３入力の電圧の大きさを演算する。ここで、電圧の大きさは２乗和とする。本発明における電圧の大きさとしては、３入力の大きさの和であれば良く、例えば２乗和の平方根でも良く、また、３乗和であっても絶対値の和であっても良い。しかしながら、後述するように電圧の大きさとして２乗和または２乗和の平方根を用いる方がより精度良く断線検出を行うことが可能となる。

電圧の大きさ演算器６１Ａ、６１Ｂ及び６１Ｃの演算出力は夫々故障判定器６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃに与えられる。故障判定器６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃは、検出信号が所定の短い時間に所定値との差が生じたときに故障と判定し、論理信号１を夫々ＡＮＤ回路６３Ａと６３Ｃ、ＡＮＤ回路６３Ｂと６３Ａ、並びにＡＮＤ回路６３Ｃと６３Ｂに出力する。

そして、ＡＮＤ回路６３Ａ、６３Ｂ及び６３Ｃの出力は夫々切換スイッチ６３Ｄ、６３Ｅ及び６３Ｆに与えられる。切換スイッチ６３Ｄ、６３Ｅ及び６３Ｆは、常時は夫々Ｖｖｗ０、Ｖｗｕ０及びＶｕｖ０を検出相電圧Ｖｖｗ、Ｖｗｕ及びＶｕｖとして制御装置４に対して出力しているが、上記ＡＮＤ回路の出力を受けたとき、出力信号Ｖｖｗ、Ｖｗｕ及びＶｕｖを夫々Ｖｖｗ＾、Ｖｗｕ＾及びＶｕｖ＾に切換える。

次に動作について説明する。今、３相交流の検出電圧が次式で与えられるものとする。
Ｖｕｖ０＝ｓｉｎθ ・・・（１）
Ｖｖｗ０＝ｓｉｎ（θ−１２０°） ・・・（２）
Ｖｗｕ０＝ｓｉｎ（θ＋１２０°） ・・・（３）
このとき、電圧の大きさ演算器６１が２乗和を検出しているとすると、正常時には全ての電圧の大きさ演算器は、（４）式のように時間に拠らず一定値を検出している。
ｙ＝ｓｉｎ^２θ＋ｓｉｎ^２（θ−１２０°）＋ｓｉｎ^２（θ＋１２０°）
＝２／３ ・・・（４）
このような状態において、検出相Ｖｕｖ０が断線したとする。そうすると、
Ｖｕｖ０＝ｓｉｎθ＝０ ・・・（５）
このとき、電圧の大きさ演算器６１Ａは、以下を検出する。
ｙ＝０＋ｓｉｎ^２（θ−１２０°）＋{−０−ｓｉｎ（θ−１２０°）}^２
＝２ｓｉｎ^２（θ−１２０°） ・・・（６）
同様にして、電圧の大きさ演算器６１Ｃは、以下を検出する。
ｙ＝ｓｉｎ^２（θ＋１２０°）＋０＋{−０−ｓｉｎ（θ＋１２０°）}^２
＝２ｓｉｎ^２（θ＋１２０°） ・・・（７）

上記状況において、電圧の大きさ演算器６１ＢにはＶｕｖ０が使用されていないので、その検出値は（４）式となる。従って、故障判定回路６２Ａは、（６）式が（４）式
と異なった値になることを検出して故障判定を行うことが可能となる。同様に故障判定回路６２Ｃは、（７）式が（４）式と異なった値になることを検出して故障判定を行うことが可能となる。

ここで、（６）式と（４）式が等しくなったとき断線が生じると検出遅れが生ずることになる。（６）式において、θ＝０°またはθ＝６０°で２ｓｉｎ^２（θ−１２０°）＝３／２となる。同様に（７）式において、θ＝０°またはθ＝−６０°で２ｓｉｎ^２（θ−１２０°）＝３／２となる。θ＝０°の場合は、（５）式に示すように、断線が生じていない状態でゼロ出力となっているときに断線が生じたので、検出遅れがあっても実質上問題はない。しかし、θ＝６０°またはθ＝−６０°で検出遅れが生じるのは問題となる場合がある。この対策については実施例２、３で後述する。

上記特異点以外のタイミングにおいては、故障判定回路６２Ａと故障判定回路６２Ｃが同時に素早く故障を検出し、ＡＮＤ回路６３Ｃが１を出力して切換スイッチ６３Ｆを切換えることにより断線検出相Ｖｕｖは他の２相の演算出力に切換えられる。尚、上記の説明においては、検出相Ｖｕｖ０が断線した場合について説明したが、検出相Ｖｖｗ０あるいはＶｗｕ０が断線した場合も同様の議論が成立することは明らかである。

前述した電圧の大きさ演算器６１は２乗和または２乗和の平方根を用いることが好ましいとした理由は、（４）式に示したように正常時の値が時間によらず一定値となるためである。この場合、故障判定器６２は電圧の大きさ演算器６１と上記一定値との差の絶対値、あるいは差の絶対値の短時間の積分値が所定値を超えたかどうかで判定すれば良い。

図３は本発明の実施例２に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図である。この実施例２の各部について、図２の本発明の実施例１に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。また、以下に述べるセット／リセットの信号線の図示は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、切換スイッチ６３Ｄ、６３Ｅ及び６３Ｆの各電圧の正規の入力部分に夫々信号保持回路６３Ｇ、６３Ｈ及び６３Ｉを設けた点である。

信号保持回路６３Ｇ、６３Ｈ及び６３Ｉはセット／リセットが可能な構成とする。そして常時は例えばその入出力を短絡してリセット状態とし、故障判定回路６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃの何れかが故障を検出したとき、信号保持回路のうち２つをセットする。例えば、故障判定回路６２Ａが故障検出したときには、Ｖｕｖ０またはＶｖｗ０が断線した可能性があるので、夫々に対応する信号保持回路６３Ｇ及び６３Ｉをセットする。そして短時間経過後に例えば故障判定回路６２Ｃが故障検出すると、ＡＮＤ回路６３Ｃが１を出力して切換スイッチ６３Ｆを切換えるが（すなわちこの場合の断線相はＶｕｖ０。）、このときに信号保持回路６３Ｇ及び６３Ｉをリセットする。

以上のような構成にすれば、信号保持回路６３Ｇ及び６３Ｉが動作している時間だけＶｕｖ０及びＶｖｗ０が保持され、検出誤差を生じるが、その誤差は僅かとなり、実施例１で述べた問題点は改善される。尚、６３Ｇ、６３Ｈ及び６３Ｉの保持時間は、前述したようにＶｕｖ０＝ｓｉｎθとしたとき、θ＝−６０°またはθ＝６０°付近で断線した場合の検出遅れの最大値と同等以上としておき、その保持時間が経過したとき自動的にリセットされるように構成しても良い。

図４は本発明の実施例３に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図である。この実施例３の各部について、図２の本発明の実施例１に係るインバータ制御装置の異常時切換回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。また、以下に述べる故障判定器間の信号線の図示は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、３相の入力電圧から電圧位相を検出し、位相同期信号を出力して故障判定回路に与える位相検出回路６４を設けた点である。

実施例１で述べたように、θ＝６０°でＶｕｖ０が断線したときには、電圧の大きさ演算器６１Ａは２／３を出力するため判定回路６２Ａは動作しない。このとき、電圧の大きさ演算器６１Ｃの出力は２ｓｉｎ^２（θ＋１２０°）＝０となり、正常値２／３との偏差が最大となっている。

一方、Ｖｗｕ０が断線したときには、電圧の大きさ演算器６１Ｃの出力は、
ｙ＝０−ｓｉｎ^２θ＋０＋{−０−ｓｉｎθ}^２＝２ｓｉｎ^２θ・・・（８）
を検出する。この値が０になるのはθ＝０°、１８０°であるので、Ｖｕｖ０が断線した場合とは検出位相が異なっていることが分かる。

以上のことから、電圧の大きさ演算器６１の何れか１つが正常値２／３との偏差が最大値付近で故障検出したときには、そのときの電圧位相によって他の２つの電圧の大きさ演算器のどちらが本来断線検出するべきものかを特定することが可能となる。以上により、図４において、電圧の大きさ演算器６１の何れか１つが正常値２／３との偏差が最大値付近で故障検出したとき、位相同期信号から他の１相を特定し、その特定された他の１相が故障判定を行うようにすれば、実施例１で述べたような異常電圧の出力の恐れを回避することが可能となる。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施例２における信号保持回路は、遅延回路として常時挿入するようにしても良く、また短時間の信号保持を常時行うようにして切換時の外乱を防止することが考えられる。また実施例３における位相検出回路は、３相ある電圧のうち２相が正常であれば正しい位相同期信号を得るような例えば多数決方式の演算を採用することができる。

１ 直流コンデンサ
２ インバータ
３ 交流電動機
４ 制御装置
５ 電圧検出器
６ 異常時自動切換回路
６１ 電圧の大きさ演算手段
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ 電圧の大きさ演算器
６１Ｃ、６１Ｄ、６１Ｅ 演算器
６２ 故障検出器
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ 故障判定器
６３ 切換器
６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ ＡＮＤ回路
６３Ｄ、６３Ｅ、６３Ｆ 切換スイッチ
６３Ｇ、６３Ｈ、６３Ｉ 信号保持回路
６４ 電圧位相検出回路

Claims (5)

1. 直流入力を受け、この直流を交流に変換するインバータと、
   前記インバータの３相出力の電圧を検出、または電流を検出して電圧に変換する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力を用いて前記インバータを制御するための制御手段と、
   前記電圧検出手段の３相電圧を受け、前記電圧検出手段の１相分が断線しても他の２相から演算によって求めた３相電圧に切換えて前記制御手段に与える異常時自動切換手段
   を具備し、
   前記異常時自動切換手段は、
   ３相電圧のうち、互いに異なる２相分の前記電圧検出手段の出力を入力とし、他の１相分はこれら２相分の電圧から演算によって求めた値を入力とし、これら３相分の入力の電圧の大きさの合計を求めるようにした３台の電圧の大きさ演算手段と、
   前記３台の電圧の大きさ演算手段の各々の演算結果と所定の判定値との差異の絶対値が第１の所定値以上あったとき異常と判断する３台の異常検出手段と、
   前記異常検出手段のうち２台が異常となったとき断線した相を特定する手段とを有し、
   前記断線した相を特定する手段は、
   前記異常となった２台の異常検出手段の各々の入力である２台の電圧の大きさ演算手段に共通に与えられている電圧の相が断線したと判断するようにしたことを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記電圧の大きさ演算手段は、入力電圧の２乗和または２乗和の平方根を演算するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記電圧検出手段の３相の出力を、夫々セット／リセットが可能な保持手段を介して前記制御手段に与えるようにし、
   前記異常検出手段のうち１台が異常となったとき、当該異常検出手段が検出している２相分の前記保持手段をセットし、
   前記異常検出手段のうち他の１台が異常となったとき、前記保持手段をリセットするようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記インバータの３相出力の電圧位相を検出する電圧位相検出手段を有し、
   前記異常検出手段のうち１台が異常となり、且つ当該異常検出手段に対応する前記電圧の大きさ演算手段の演算結果と前記所定の判定値との差異の絶対値が第２の所定値以上あったとき、
   前記異常時自動切換手段は、
   前記電圧位相検出手段の検出位相から、断線した相を特定するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。
5. 前記電圧検出手段の３相の出力を、短時間の遅延手段を介して前記制御手段に与えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。

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