JP5728914B2 - インバータ装置 - Google Patents
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この発明は、直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを備えたインバータ装置において、平滑コンデンサを初期充電する充電回路の故障を検出する技術に関する。
一般にインバータ装置においては、直流中間部に平滑コンデンサを備えている。このようなインバータ装置の起動時には、交流電源の交流電圧をコンバータ部により整流して平滑コンデンサを充電するが、電源投入直後は平滑コンデンサに電荷が充電されていないので大きな突入電流が流れる。この初期充電時の突入電流を抑制するために、抵抗器とこの抵抗器の両端を短絡するリレー等の接点要素とからなる充電回路を設けている。
この充電回路の異常を検出するものとして、例えば特許文献１に示すものがある。この特許文献１には、抵抗器の通流状態を検出する通流検出器を設け、抵抗器への通流状態があらかじめ定められた充電時間を超えて一定時間以上継続する場合には充電回路の故障と判断して異常表示を行うことが記載されている。
上記特許文献１では、充電回路の故障検出を行うために抵抗器の通流状態を検出する電流検出器等の通流検出器が必要であり、インバータ装置が大型化するとともに、コストアップになるという問題があった。
この発明の目的は、特別な検出器等を設けることなく、平滑コンデンサの耐圧保護などを目的として一般に設けられている既設の電圧検出器を用いて充電回路の故障検出を容易に実現することができるインバータ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、この発明は、直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、抵抗器と接点要素との並列回路から構成され前記平滑コンデンサを初期充電する充電回路と、前記平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出部とを備えたインバータ装置において、前記電圧検出部で検出された電圧に基づき、所定期間内における前記電圧の変位量から前記接点要素の短絡故障および開放故障を検出する充電回路故障検出部を備えるものとする。
この発明によれば、抵抗器と接点要素との並列回路から構成され平滑コンデンサを初期充電する充電回路と、平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出部と、この電圧検出部で検出された電圧に基づき、所定期間内における前記電圧の変位量から接点要素の短絡故障あるいは開放故障を検出する充電回路故障検出部とを備えることにより、特別な検出器等を設けることなく、簡易な構成により充電回路の故障検出を行うことができる。
図１はこの発明の実施の形態を示すインバータ装置の回路構成図である。図１において、１は三相の商用交流電源、２はインバータ装置１０の入力側に設けられた遮断器、３はインバータ装置１０により駆動される電動機である。
また、１１は交流電圧を三相全波整流するコンバータ部であり、ダイオードを三相ブリッジ接続したものである。１２は直流母線間に接続されてコンバータ部１１の出力を平滑する平滑コンデンサであり、通常は電解コンデンサが用いられている。１３は平滑コンデンサ１２の両端の平滑された直流電圧を入力として所望の周波数と電圧とをもつ交流電圧に変換するインバータ部であり、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と還流用ダイオードとの逆並列回路を三相ブリッジ接続したものである。これらコンバータ部１１，平滑コンデンサ１２，インバータ部１３によりインバータ装置１０の主回路が構成されている。１４はコンバータ部１１と平滑コンデンサ１２との間に接続されて初期充電電流を限流するための抵抗器、１５は抵抗器１４に並列に接続されて抵抗器１４の両端を短絡するリレー等の接点要素であり、この抵抗器１４および接点要素１５により平滑コンデンサ１２を初期充電するための充電回路１６を構成している。
１７は平滑コンデンサ１２の両端の直流電圧を検出する電圧検出部であり、検出した電圧検出値を電圧検出信号として送出する。なお、電圧検出部１７は平滑コンデンサ１２の耐圧保護などを目的としてインバータ装置１０に一般的に設けられているものである。１８は電圧検出部１７からの電圧検出信号に基づいて所定期間の電圧上昇の傾きを演算し、この傾きから接点要素１５の開放故障あるいは短絡故障を判定する充電回路故障検出部である。この充電回路故障検出部１８は接点要素１４を開閉するための接点信号を出力し、また接点要素１４の故障と判定した際に故障検出信号を出力する。１９はインバータ制御部であり、不図示の周波数設定器からの周波数指令値に基づいて電圧指令信号を演算し、この電圧指令信号とキャリア周波数信号との比較によるＰＷＭ演算を行ってインバータ部１３を構成する各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成する。２０は充電回路故障検出部１８が故障を検出した際の故障表示を行う表示部である。
このような構成において、図２を参照しながら充電回路１６が正常時の初期充電動作を説明する。
インバータ装置１０を起動する際、時刻ｔ０において遮断器２が閉路されて商用交流電源１が投入されると、交流電圧がコンバータ部１１により整流されて平滑コンデンサ１２の初期充電が開始される。このとき接点要素１５は開放されているので、平滑コンデンサ１２には抵抗器１４を介して抑制された充電電流が流れ、抵抗器１４と平滑コンデンサ１２の時定数で決まる時間で平滑コンデンサ１２の電圧が上昇する。
次に、時刻ｔ１において平滑コンデンサ１２の両端電圧が所定の電圧Ｖ１（例えば、初期充電完了後のピーク充電電圧の８０％程度にあらかじめ設定した値）に達すると、あらかじめ定めた所定時間Ｔ１が経過した後の時刻ｔ２における電圧を電圧検出部１７で検出し、充電回路故障検出部１８により時刻ｔ１での電圧検出信号に基づく電圧検出値と時刻ｔ２での電圧検出信号に基づく電圧検出値とから時刻ｔ１−ｔ２間の電圧上昇の傾きを演算する。この演算した傾きがあらかじめ設定されている第１の基準値未満のときは充電回路１６が正常と判断（接点要素１５が短絡故障していないと判断）するとともに、接点信号をＯＮにして接点要素１５を閉路して抵抗器１４を短絡することによって平滑コンデンサ１２を完全に充電する。このとき充電回路故障検出部１８からの故障検出信号はＯＦＦのままである。
次に、充電回路故障検出部１８では、時刻ｔ２からあらかじめ定めた所定時間Ｔ２が経過した後の時刻ｔ３において時刻ｔ２−ｔ３間の電圧上昇の傾きを時刻ｔ２およびｔ３での電圧検出信号に基づいて演算する。この演算した傾きがあらかじめ設定した第２の基準値以上のときは充電回路１６が正常と判断（接点要素１５が開放故障していないと判断）する。このときも充電回路故障検出部１８からの故障検出信号はＯＦＦのままである。なお、上述の第１の基準値と第２の基準値は同じ値にしてもよいし、それぞれ別の値にしてもよい。
その後、あらかじめ定めた所定時間Ｔ３が経過した後の時刻ｔ４において運転信号がＯＦＦからＯＮになるが、このときの故障検出信号はＯＦＦであるので、ＰＷＭ信号がＯＮになる。インバータ制御部１９ではＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号に従ってインバータ部１３を構成する各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、インバータ装置１０の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われる。
次に、図３を参照しながら充電回路１６が故障時（接点要素１５の短絡故障時）の動作を説明する。
時刻ｔ０において遮断器２が閉路され商用交流電源１が投入されると、コンバータ部１１を介して平滑コンデンサ１２の初期充電が開始される。ここで接点要素１５が溶着するなどして短絡故障している場合、遮断器２を閉路すると平滑コンデンサ１２の両端電圧が急峻に上昇する。
次に、時刻ｔ１１において平滑コンデンサ１２の両端電圧が所定の電圧Ｖ１に達すると、あらかじめ定めた所定時間Ｔ１が経過した後の時刻ｔ１２での電圧を電圧検出部１７で検出し、充電回路故障検出部１８により時刻ｔ１１の電圧検出信号に基づく電圧検出値と時刻ｔ１２の電圧検出信号に基づく電圧検出値とから時刻ｔ１１−ｔ１２間の電圧上昇の傾きを演算する。この演算した傾きが第１の基準値以上のときは充電回路１６の故障と判断（接点要素１５が短絡故障と判断）し、故障検出信号をインバータ制御回路１９に出力する。そしてインバータ制御回路１９からアラーム信号を出力し、表示部２０に充電回路１６の故障を表示する。
その後、時刻ｔ１４において運転信号がＯＦＦからＯＮになるが、充電回路故障検出部１８からの故障検出信号がＯＮのため、ＰＷＭ信号はＯＦＦとなりインバータ装置１０を停止する。
なお、故障判定の精度を向上させるために、時刻ｔ１２で接点信号をＯＮにし、この時刻ｔ１２の前後の電圧検出信号の値から電圧上昇の傾きを充電回路故障検出部１８で演算し、この演算した傾きから充電回路１６の故障を判断するシーケンスを追加するようにしてもよい。このとき、電圧上昇の傾きに変化がなければ充電回路１６の短絡故障と判断し、電圧上昇の傾きに変化があれば充電回路１６が正常と判断する。
また、充電回路故障検出部１８が充電回路１６の短絡故障と判断した場合、遮断器信号に基づいて遮断器２を開路する機能を備えることによって、より安全にインバータ装置１０の保護を行うことができる。
次に、図４を参照しながら充電回路１６が故障時（接点要素１５の開放故障時）の動作を説明する。
時刻ｔ０において遮断器２が閉路され商用交流電源１が投入されると、コンバータ部１１を介して平滑コンデンサ１２の初期充電が開始される。このとき接点要素１５は開放されており、抵抗器１４と平滑コンデンサ１２の時定数で決まる時間で平滑コンデンサ１２の両端電圧が上昇する。
次に、時刻ｔ２１において平滑コンデンサ１２の両端電圧が所定の電圧Ｖ１に達すると、あらかじめ定めた所定時間Ｔ１が経過した後の時刻ｔ２２での電圧を電圧検出部１７で検出し、充電回路故障検出部１８により時刻ｔ２１の電圧検出信号に基づく電圧検出値と時刻ｔ２２の電圧検出信号に基づく電圧検出値とから時刻ｔ２１−ｔ２２間の電圧上昇の傾きを演算する。この演算した傾きが第１の基準値未満のときは充電回路１６が正常と判断（接点要素１５が短絡故障していないと判断）し、接点信号をＯＮにする。このとき充電回路故障検出部１８からの故障検出信号はＯＦＦのままである。
ここで何らかの原因で接点要素１５が開放したまま閉路できない故障が発生した場合、抵抗器１４の両端が短絡できないために抵抗器１４に電流が流れ続け、平滑コンデンサ１２の両端電圧は時刻ｔ２２以前と同様に抵抗器１４と平滑コンデンサ１２の時定数で決まる時間でゆっくりと上昇する。次に、あらかじめ定めた所定時間Ｔ２が経過した後の時刻ｔ２３において、時刻ｔ２２およびｔ２３での電圧検出信号に基づいて時刻ｔ２２−ｔ２３間の電圧上昇の傾きを充電回路故障検出部１８で演算する。この演算した傾きが第２の基準値未満のときは充電回路１６が故障と判断（接点要素１５が開放故障と判断）し、充電回路故障検出部１８がインバータ制御回路１９に故障検出信号を出力する。そしてインバータ制御回路１９からアラーム信号を出力し、表示部２０に充電回路１６の故障を表示する。
その後、時刻ｔ２４において運転信号がＯＦＦからＯＮになるが、充電回路故障検出部１８からの故障検出信号がＯＮのため、ＰＷＭ信号はＯＦＦとなりインバータ装置１０を停止する。
なお、充電回路故障検出部１８が充電回路１６の開放故障と判断した場合、遮断器信号により遮断器２を開路する機能を備えることによって、より安全にインバータ装置１０の保護を行うことができる。
また、上記実施の形態においては、所定期間内における前記電圧の変位量として、所定期間内の電圧上昇の傾きを演算して充電回路の故障を判断するようにしているが、所定期間内の電圧上昇値（偏差）から充電回路の故障を判断するようにしてもよい。
以上のように、本発明によれば、平滑コンデンサ１２の初期充電時に電圧検出部１７で検出された電圧検出信号に基づく電圧検出値の所定期間内における電圧の変位量から接点要素１５の短絡故障あるいは開放故障を検出する充電回路故障検出部１８を備えることにより、平滑コンデンサ１２の耐圧保護などを目的として一般に設けられている既設の電圧検出部１７のみを用いて充電回路１６の故障の検出を容易に実現し、抵抗器１４の異常発熱による焼損等の二次故障を防止することができる。
１０…インバータ装置、１１…コンバータ部、１２…平滑コンデンサ、１３…インバータ部、１４…抵抗器、１５…接点要素、１６…充電回路、１７…電圧検出部、１８…充電回路故障検出部、１９…インバータ制御部、２０…表示部。
Claims (3)
- 直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、抵抗器と接点要素との並列回路から構成され前記平滑コンデンサを初期充電する充電回路と、前記平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出部とを備えたインバータ装置において、
前記電圧検出部で検出された電圧に基づき、所定期間内における前記電圧の変位量から前記接点要素の短絡故障および開放故障を検出する充電回路故障検出部を備え、
前記充電回路故障検出部は、前記所定期間内における前記電圧の変位量があらかじめ設定した第１の基準値以上のときには前記接点要素の短絡故障と判断し、前記所定期間内における前記電圧の変位量があらかじめ設定した第２の基準値未満のときには前記接点要素の開放故障と判断する
ことを特徴とするインバータ装置。 - 請求項１に記載のインバータ装置において、前記充電回路故障検出部が故障を検出した際に、インバータの運転を停止し、前記充電回路の故障を表示部に表示することを特徴とするインバータ装置。
- 請求項１または２に記載のインバータ装置において、前記充電回路故障検出部が故障を検出した際に、当該インバータ装置の入力側に設けられた遮断器を開放することを特徴とするインバータ装置。
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