JP6037913B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平１０−２４８２６０号公報がある。この公報には、「二相分の電流検出信号以外の他の一相分の相電圧検出信号の零クロス点を検出して二相分の電流検出信号の大小比較により、接続の正常・異常を判定した。」と記載されている。

特開平１０−２４８２６０号

特許文献１に開示した方法であると、2線の入れ違いの場合の誤配線は検出できるが、3相ずれた場合など、位相順が合っている場合の誤配線を検出できない。また、コンデンサインプットの入力電流を検出して位相を判定する方法であるが、この方法であると電源投入時マイコン及び検出回路が立ち上がっていないと検出ができないため、別に制御用電源を入れてから主回路部の電源を入れるようにする必要がある。

本願発明は、主回路端子のスイッチング時における三相電源から回生コンバータに入る状態データ(電流、電圧)を検出する状態データ検出部と、前記状態データ検出部にて検出した状態データと予め定めた閾値とを比較する比較部と、前記比較部により比較された結果に基づき、主回路に入る三相電源と位相検出回路へ入る三相電源との配線状態を判断する判断部と、を備える電力変換装置である。

本発明によれば、新たに回路を設けることなく、電源起動時に位相の確認をすることにより、実機に回生動作をさせることなく、配線の正誤を確認できる電力変換装置を提供するものである。

インバータ装置に接続された電源回生コンバータ装置構成の説明図 位相とゲートパルス信号の関係図 主回路素子構成 正常時の配線 誤配線時の配線の等価回路 配線モデル図 誤配線検出フロー 誤配線検出時主素子スイチング変更 電圧検出方式誤配線検出時説明図 誤配線時の信号処理説明図 各配線パターンの電源位相 電圧検出回路を用いた場合の誤配線検出説明図

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図を参照して実施例を詳細に説明する。

本実施例では、三相の電流を検出することで配線の間違い（以下、誤配線）を検出する機能を説明する。

図１は、本実施例の電源回生装置の構成図の例である。

図１にて、１２０度通電回生コンバータ装置１００（以下、回生コンバータ）と、モータ制御用インバータ２（以下、インバータ）との接続構成と動作について説明する。図１では、回生コンバータ１００の交流側は、交流リアクトル４を介して三相交流電源１（以下、電源）と接続している。ここで、電源１とはリアクトルやトランスフィルタ等を介して接続しても良い。また、主回路素子２００の直流側にある主回路直流部１０７はモータ３を制御するインバータ２の直流部と接続される。また、インバータ２の交流側は、電源１に接続する。

主回路直流部１０７は、直流電力を保持し、インバータと接続される。

電源電圧検出回路１０３では、電源１の電圧を分圧抵抗や位相検出トランス等で適切な電圧へ変換した後、Ａ／Ｄ変換器に入力して電源電圧振幅を検出する。この電源電圧振幅信号はスイッチング制御部１０６へ入力する。

電流検出器１０４では、交流リアクトル４と接続される主回路の電流を検出する。その値をスイッチング制御部１０６へ出力する。

ＰＮ間電圧検出回路１０８は、主回路直流部１０７が有する電解コンデンサの電圧値を検出する。その値をスイッチング制御部１０６へ出力する。

スイッチング制御部１０６は、電源電圧振幅と電流信号、また、直流電圧信号を入力とする。通常の運転方法では、電源電圧振幅と直流電圧を比較することで回生状態を判断し、モータが回生状態になるとＧＳ解除信号を出力する。このとき、ゲートパルス波形生成処理１０５で作られた６本のゲートパルス信号にて、主回路素子２００がスイッチングする。

位相パルス信号生成回路１０２は電源１の電圧を入力とし、電圧に同期した位相パルス信号を出力する。位相検出回路１０１は、位相パルス信号を入力としてＰＬＬ処理を行い、電源位相信号を生成する。ゲートパルス波形生成処理１０５は電源位相信号を入力として６本のゲートパルス波形を生成する。ここで、位相検出回路１０１への入力は、位相パルス信号生成回路１０２の代わりに、例えば位相検出用トランス等の出力を利用しても構わない。

この電源位相信号とゲートパルス信号との関係を図２に示す。ここで、位相の基準は任意である。図２のように、ゲートパルス信号は電源位相の角度に合わせて主回路素子２００が有する６つの主回路素子(Ｒ相上側２０１、Ｓ相上側２０２、Ｔ相上側２０３、Ｒ相下側２０４、Ｓ相下側２０５、Ｔ相下側２０６（図３参照）)のスイッチングを変更する。

回生コンバータの交流側の端子として、主回路素子２００へ接続されるＲ、Ｓ、Ｔ端子と位相パルス信号生成回路１０２へ接続されるＲ１、Ｓ１、Ｔ１端子とがある。Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１端子は電源１に直接接続するのに対し、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子はリアクトルを介して電源１に接続する。通常このリアクトルは同一の筐体内に収納せず別置となるので、上記の配線はユーザ側で行われる。

本実施例の冒頭で述べた誤配線とは、図４が適切な配線（以下、正配線）であることに対し、主回路素子２００へ接続されるＲ、Ｓ、Ｔ端子と、位相パルス信号生成回路１０２へ接続されるＲ１、Ｓ１、Ｔ１端子の順番が異なって配線された場合のことである。この状態での正常な運転は不可能となる。

以下に、誤配線時の判断に必要となる計算式を説明する。
図２の電源位相を使うと、電源１の電圧は数１、数２、数３のようになる。

Ｖ_ＲはＲ相の相電圧、Ｖ_ＳはＳ相の相電圧、Ｖ_ＴはＴ相の相電圧を表す。Ｖ_acを線間電圧の実効値とすると、数４となる。

また、主回路直流部１０７側の直流電圧Ｖ_dcは、主回路直流部１０７が有する電解コンデンサに充電が完了され、主回路素子２００のダイオードによる整流電圧となった場合、数５で表される。

ここで、正配線時に図３に示すゲートパルス信号にて主回路素子を駆動したときにリアクトルにかかる電圧を考える。図３からわかるように、主回路素子の導通状態は、任意の位相で上アームと下アームのそれぞれ一つずつがＯＮとなっている。位相θに対し上アームがＯＮする相は電圧が最も高い相で、一方、下アームがＯＮするのは電圧が最も低い相となっている。ＯＮしている主回路素子の回路のみを取り出すと、図５のようになる。この時、Ｖ１は上アームがＯＮする相の電圧で、Ｖ２は下アームがＯＮする相の電圧となる。

図３に示される各ゲートパルス信号の中心位置は、位相θが３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度となる。位相θとこれらの角度のうち最も近い角度との差をαとすると、Ｖ１とＶ２の電圧差、即ち、ＯＮした主回路素子の線間電圧は数６で表される。

ここで数４を代入すると、数７が求められる。

図５の回路から、リアクトルに発生する電圧ΔＶは数８となる。

直流電圧Ｖｄｃが整流した状態は数５で求められることより、ΔＶは数９と表される。

リアクトルに電圧差ΔＶが発生した場合、リアクトルに流れる電流ΔＩは、数１０で求めることができる。このとき、ΔＴは時間［ｓ］とし、Ｌは交流リアクトル４のインダクタンス［Ｈ］を表すこととする。

ここで、誤配線時にリアクトルに発生する電圧ΔＶを求める。例１として、位相パルス信号生成回路１０２に接続される端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１に対し、図６のように主回路素子２００側を順にＲ、Ｔ、Ｓと誤った配線をした場合で考える。このとき、位相θを３０度とする。図５の回路で考えると、正配線時にはＶ１にはＲ相の相電圧、Ｖ２にはＴ相の相電圧がかかるが、ここではＳ相とＴ相の逆相で考えているため、Ｖ２にはＳ相の相電圧がかかる。ここで発生する電圧ΔＶは数８から求められ、電源電圧が２００Ｖの場合、およそ１４０Ｖの電圧が発生する。このときに流れる電流ΔＩは数１０より求められる。

任意の配線パターンで接続された場合に発生する電圧を、各ゲートパルス信号の中心点、即ち、α＝０の角度で考えると、表１のとおりである。

表１より、誤配線時にはどの配線パターンでも任意の位相で電圧差が発生することがわかる。この時、電圧の大小関係は、ΔＶ１＜ΔＶ２＜ΔＶ３となる。

一方で、正配線時の場合には表中のどの位相であってもリアクトルに電圧差は発生しない。よって、図３のゲートパルスのα＝０にて主回路素子を駆動すれば、流れる電流がほぼ零かどうかで正配線かどうかを判断することが可能となる。

以下に、具体的な誤配線の検出方法を図７のフローチャートを用いて説明する。
まず、誤配線の検出が可能となる条件を満たしているかを判断する。この条件には、直流電圧が整流されていること、ＣＴオフセットが終了していること、また位相検出のためにＰＬＬが収束していること等が挙げられる。整流電圧の判定は電源電圧振幅と直流電圧を比較することで行うことができる。条件を満たしていなければ、短時間の待機後、条件を満たすまで確認を繰り返す。

次に、ゲートパルス信号出力に適した位相まで待機する。適していなければ、短時間の待機を行い最初の条件から確認をし直す。検出を行う位相角度θは、三相を流れる電流がほぼ０となるため、三相のうちいずれか一相の電圧が０Ｖになる角度が最も検出に適する。この角度は３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度の６カ所となる。そのため、角度差αができる限り小さい値の位相で検出を行うことを推奨する。しかしながら、正確に上記の６カ所の位相で検出を行えるとは限らないため、閾値を調整することによってある程度ずれた位相でゲートを開くことも可能である。

位相の位置が良ければ、ゲートパルス信号を出力し、一定時間経過後出力を停止する。このゲートパルス信号を出力している時間に電流値が比例するので、電流検出精度や過電流レベルから時間を決定する。その後ピーク値付近の電流を検出する。表１に示す通り、正配線の場合は電流がほぼ零となるのに対し、誤配線時は電流が流れる。よって、適当な閾値を定めてその閾値以上かどうかで配線の正誤が判定可能となる。

閾値の決め方については、発生する電流値が数１０で表されるので、ΔＶ、ΔＴ、Ｌに応じて決定する。例えば、リアクトルのＬ値が大きければ流れる電流値が下がるので閾値は下げることが可能となる。また、例えば誤配線時のΔＶは電源の電圧に比例するので、電源電圧に依存して閾値を決定することも可能である。

流れる電流は数１０で計算されるが、検出した電流値は各種の検出器の誤差を含む。また、表１の電圧差は図５の回路を基に考えたが、接続されたインバータ等への電流も発生するので、表１の電圧差と数１０で計算される値からずれる。さらに電源が不平衡であったり、高調波歪みを含んだりする場合、正配線であっても相当の電流が流れるため、閾値を大きくとる必要がある。これらの場合、複数の位相を使って判断を行う等の方法が有効である。

上記で述べた方法を用いれば、ゲートパルス信号を出力する時間を調整することにより、電流を安全なレベルに制限した上で誤配線を検出することができる。そのため、異常な動作やスイッチングする主回路素子の破損を防止することができる。

また、運転の前に本誤配線検出を行うことで、運転開始時よりも安全に警告を出すことが可能である。

本実施例では、誤配線と判断した場合に、誤配線の状態のままで運転する機能について説明する。

実施例１の手段を使えば誤配線かどうかの判断が可能となるが、本実施例ではそれに加えて、実配線パターンを検出し、後述のように、主回路素子のスイッチングする相を変更することで、実配線のままでの運転が可能となる。

まず、実施例１の例１の条件を使い、主回路素子のスイッチングする相を変更する方法を説明する。表１に示す位相では、主回路素子がスイッチングする相は三相交流電圧が０でない相であり、図８のように、電圧値が正の値の相は主回路素子の上側、電圧値が負の値の相は下側の素子をスイッチングするようになっている。例１では主回路素子２００の交流側にＳとＴを逆に配線しているため、Ｔ相下側の主回路素子をスイッチングする代わりに、Ｔ相の電圧がかかるＳ相下側の主回路素子をスイッチングすることで、実際の配線に合わせたスイッチングが可能となる。

次に、実配線パターンの検出方法を説明する。ここで、実施例１で示した誤配線検出方法を用いる。ある誤配線パターンで配線を行っていると仮定し、図９のフローチャートを用いて説明する。初めにゲートパルス信号を出力して電流の検出を行う。ここで誤配線であると確認できた場合、表１にある誤配線パターンの（１）に合わせて主回路素子のスイッチングする相を変更する。ここでまたゲートパルス信号を出力し、電流が流れるかどうかを確認する。流れた場合、誤配線パターンの（２）を採用し、また電流が流れるかどうかを確認する。このように、全６種類の誤配線パターンを順番に試すことで、電流が流れないパターン即ち実配線パターンを検出することが可能となる。

また、例えば図１０のように位相パルス信号生成回路１０２へ接続される端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１に対し、主回路素子２００へ接続される端子の順番をＲ、Ｔ、Ｓとした場合を考える。このとき、位相パルス信号生成回路１０２において、主回路素子２００へ接続された端子の順番に合わせて入れ替えた位相パルス信号（この場合の順番はＲ１、Ｔ１、Ｓ１）を出力することで、誤配線を修正することも可能である。

さらに、電源位相をずらすことで修正することも可能である。図１１は位相パルス信号生成回路１０２へ接続される端子がＲ１、Ｓ１、Ｔ１とした場合に、主回路素子のスイッチングする相を変更した際の電源位相を各配線パターン別に列挙した図である。図１１からわかるように、各配線パターンで電源位相の傾きや０点の位置は変化する。そのため、各配線パターンに合わせた電源位相に変更することで、修正が可能となる。

以下に、電源位相を修正する具体例を述べる。図１１より、（３）の誤配線パターンで接続された場合を例にとると、正配線の電源位相となる（１）を（３）の電源位相になるように変更すればよい。方法として、（１）は順相に対し（３）は逆相であるため、まず電源位相を反転させ、その後電源位相を１２０度進めることで、修正が可能である。

本実施例では、誤配線と判断した場合に、実配線パターンを推測する機能について説明する。

本実施例では、実施例２のように全ての誤配線パターンを試すことなく、実配線の検出が可能となり、主回路への余分な電圧印加を減らし、かつ、運転までの待機時間を短くする効果がある。

推測を行う方法は、電源投入時に行う初回の電流検出で得られた電流値より、表１の中から当てはまる電流値を見つけ出し、その電流値に当てはまるパターンを決定すればよい。

また、上記で推測したパターンに合わせて実施例２の方法で主回路素子のスイッチングをすると電流は流れない。この方法にて上記の推測が正しいかどうかを簡単に確認することが可能である。

本実施例では、電圧を検出することで誤配線を検出する機能を説明する。
電圧検出から誤配線を判断する方法を以下に説明する。まず、図１２のように、主回路素子２００の交流側に位相検出回路１１１と位相パルス信号生成回路１１２を設ける。これらは、実施例１で説明した位相検出回路１０１、位相パルス信号生成回路１０２と同じ処理を行う。よって、位相検出回路１０１と位相検出回路１１１が出力する電源位相信号を比較することで、同じであれば正配線、相違があれば誤配線であるという判断が可能となる。

以上説明したとおり、本願発明によって、制御用電源の起動タイミングに係わらず、電源起動時に位相の確認をし、全誤配線について検出し、正しい配線位相を使用者に知らせることのできる電源回生装置を提供することができる。

Claims (5)

1. 主回路端子のスイッチング時における三相電源から回生コンバータに入る状態データを検出する状態データ検出部と、
   前記状態データ検出部にて検出した状態データと予め定めた閾値とを比較する比較部と、
   前記比較部により比較された結果に基づき、主回路に入る三相電源と位相検出回路へ入る三相電源との配線状態を判断する判断部と、
   を備える電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記状態データ検出部にて検出する状態データは電流値または電圧値のいずれかであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記判断部にて誤配線状態であると判断された場合に、警告を表示する表示部を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置であって、
   前記比較部で用いる該予め定めた閾値は０であることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、
   前記判断部にて誤配線状態であると判断された場合に、前記回生コンバータと前記位相検出回路との接続状態を変更することを特徴とする電力変換装置。

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