JP6280975B2 - リレーの誤作動検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、リレーの誤作動検出装置に関し、より詳細には、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値及びリレー抵抗の抵抗温度に基づいてリレーの誤作動を検出する、リレーの誤作動検出装置に関する。

一般に、インバータシステムは、モータ適用分野及び各種電気機器分野などを始めとして、産業全般に広く用いられている。かかるインバータシステムは、通常、スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）を用いて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に応じて直流電圧をスイッチングさせて交流電圧を生成する。

最終的に、インバータシステムは、ユーザが所望する電圧及び周波数の交流電圧を負荷に供給して、モータなどの電気機器の駆動を高精度に制御することができる。

図１は従来のインバータシステム１０の構成を図示した図であり、図２はリレー１２ａがオフ作動する場合における従来のインバータシステム１０の回路図であり、図３はリレー１２ａがオン作動する場合における従来のインバータシステム１０の回路図である。

図１から図３を参照すると、インバータシステム１０は、商用電源２０から交流電源を受信して電圧及び周波数を可変し、負荷４０を駆動させる電動機３０の速度を制御する電力変換装置である。

インバータシステム１０により制御される電動機３０は、ファン、ポンプ、エレベータ、搬送装置、及び生産ラインなどのような省エネルギー及び産業自動化環境に用いられる負荷４０を駆動させる。

そのために、インバータシステム１０は、コンバータ部１１と、直流リンク部１２と、インバータ部１３と、制御部１４と、からなる。

コンバータ部１１は、電力変換のために、商用電源２０から受信された交流電源を直流電源に変換させる。より具体的に、コンバータ部１１は、多数の整流ダイオード回路で構成され、商用電源２０から交流電源を受信してリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）成分を含む直流電源を生成する。

インバータ部１３は、直流リンク部１２に貯蔵された直流電源を、電動機３０を作動させるための交流電源にさらに変換させる。より具体的に、インバータ部１３は、ＩＧＢＴモジュールの組み合わせで構成され、制御部１４のＰＷＭ制御信号に応じて、直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された直流電源の所定電圧と周波数を持つ交流電源として出力する。

制御部１４は、コンバータ部１１及びインバータ部１３を制御して、電源変換及び電源出力を制御する。より具体的に、制御部１４は、上述のコンバータ部１１、直流リンク部１２、及びインバータ部１３の機能及び動作が円滑に行われるように制御及び保護する機能を担う。

そのために、制御部１４は、制御及び保護アルゴリズムを演算処理し、電流／電圧などをモニタリングして異常動作を検知する。また、制御部１４は、制御信号をインバータ部１３のＩＧＢＴモジュールに伝達し、インバータシステム１０の動作状態に関する情報をユーザに提供する。

直流リンク部１２は、コンバータ部１１により変換された直流電源を貯蔵する。より具体的に、直流リンク部１２は、リレー１２ａと、リレー抵抗１２ｂと、直流リンクキャパシタ１２ｃと、からなる。

直流リンクキャパシタ１２ｃは、リップル成分を含む直流電源を受信し、一定で且つ安定した直流電源を生成する。

リレー抵抗１２ｂは、インバータシステム１０の運転開始時に電源投入によって瞬間的に発生する過電流（サージ電流）から直流リンクキャパシタ１２ｃ及びインバータシステム１０の構成回路を保護する役割を担う。

そのために、リレー１２ａはオンまたはオフに制御され、リレー抵抗１２ｂに流れる電流を変更する。

この際、リレー１２ａの駆動制御は制御部１４により行われる。制御部１４は、直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された電圧を周期的にモニタリングして、最初電源投入後、リレー抵抗１２ｂを経て所定電圧が直流リンクキャパシタ１２ｃに充電されるまでリレー１２ａをオフに制御した後、オンに制御する。

より具体的に、リレー１２ａ、リレー抵抗１２ｂ、及び直流リンクキャパシタ１２ｃ間の電流の流れは、インバータシステム１０に最初電源投入後の短い時間中には、図２のとおりである。

制御部１４によりリレー１２ａがオンに制御されると、抵抗特性によって電流の流れが図３のように変わる。

図３のように、入力電流がリレー抵抗１２ｂを経て直流リンクキャパシタ１２ｃに充電される場合、充電抵抗１２ｂの抵抗特性によってサージ電流などの過電流が遮断されることができる。

かかる従来のインバータシステム１０では、リレー１２ａの不良が発生した場合や、リレー１２ａの制御が正常に動作しない誤作動が発生した場合に、リレー抵抗１２ｂに発熱が発生し、これは、部品焼損及び火事につながる。リレー抵抗１２ｂに発熱が発生する理由は、インバータシステム１０の運転開始時に直流リンクキャパシタ１２ｃに所定電圧が充電された後にも、オフ状態のリレー１２ａがオンに制御されず、リレー抵抗１２ｂに入力電流が長時間流れるためである。

また、リレー１２ａが正常動作する場合に比べて、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧がリレー抵抗１２ｂで発生する降下電圧だけ減少して、インバータシステム１０の出力性能が低下するという問題点があった。

本発明は、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値及びリレー抵抗の抵抗温度に基づいてリレーの誤作動を検出することで、リレー抵抗の発熱及び焼損と、リレー抵抗で発生する降下電圧によるインバータシステムの出力低下を防止することを目的とする。

本発明の目的は上述の目的に制限されず、言及されていない本発明の他の目的及び利点が、下記の説明から理解されることができ、本発明の実施形態によってさらに明確に理解されるであろう。また、本発明の目的及び利点は、特許請求の範囲に記載の手段及びその組合せによって実現され得ることが容易に理解されるであろう。

上記の目的を達成するためのリレーの誤作動検出装置は、インバータシステムの運転開始時に発生する過電流を遮断するために直流リンクキャパシタと連結されるリレーの誤作動を検出するものであって、リレーと連結されるリレー抵抗の抵抗温度に基づいて、リレー抵抗が過熱したか否かを判断する温度判断部と、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値が基準変化値を超えたか否かを判断する充電電圧判断部と、リレー抵抗が過熱したか否かを判断した結果、及び算出された変化値が予め設定された基準変化値を超えたか否かを判断した結果の何れか一つ以上に基づいて、リレーが誤作動しているか否かを判断するリレー誤作動判断部と、を含むことを特徴とする。

上述のような本発明によると、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値及びリレー抵抗の抵抗温度に基づいてリレーの誤作動を検出することで、リレー抵抗の発熱及び焼損と、リレー抵抗で発生する降下電圧によるインバータシステムの出力低下を防止する効果を有する。

従来のインバータシステムの構成を図示した図である。 リレーがオフ作動する場合における従来のインバータシステムの回路図である。 リレーがオン作動する場合における従来のインバータシステムの回路図である。 本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置の構成を図示した図である。 本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置が備えられたインバータシステムの回路図である。 本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置を用いたリレーの誤作動検出過程を図示したフローチャートである。

上述の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照して詳細に後述される。これにより、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を容易に実施できる。本発明を説明するにあたり、係る公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、詳細な説明を省略する。以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同一の参照符号は同一または類似の構成要素を示す。

図４は本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置１００の構成を図示した図であり、図５は一実施形態によるリレーの誤作動検出装置１００が備えられたインバータシステムの回路図である。

図４及び図５を参照すると、本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置１００が備えられたインバータシステムは、コンバータ部１１と、直流リンク部１２と、インバータ部１３と、制御部（図１の１４）と、を含むことができる。

コンバータ部１１は、電力変換のために、商用電源２０から受信された交流電源を直流電源に変換させることができる。

直流リンク部１２は、コンバータ部１１により変換された直流電源を貯蔵することができる。

インバータ部１３は、直流リンク部１２に貯蔵された直流電源を、電動機を作動させるための交流電源にさらに変換させることができる。

制御部（図１の１４）は、コンバータ部１１及びインバータ部１３を制御して、電源変換及び電源出力を制御することができる。

より具体的に、直流リンク部１２は、リレー１２ａと、リレー抵抗１２ｂと、直流リンクキャパシタ１２ｃと、を含むことができる。

ここで、本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置１００は、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値、及びリレー抵抗１２ｂの抵抗温度に基づいて、リレー１２ａの誤作動を検出することができる。

そのために、本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置１００は、温度測定部１１０と、温度判断部１２０と、電圧測定部１３０と、変化値算出部１４０と、充電電圧判断部１５０と、基準変化値算出部１６０と、誤作動判断部１７０と、報知部１８０と、を含むことができる。

温度測定部１１０は、リレー抵抗１２ｂに流れる電流によって上昇するリレー抵抗１２ｂの抵抗温度を測定することができる。

そのために、温度測定部１１０は、リレー抵抗１２ｂの近傍に位置し、抵抗温度によって抵抗値が変わるＮＴＣサーミスタを用いてリレー抵抗１２ｂの抵抗温度を測定することができる。

ここで、ＮＴＣサーミスタは、周辺温度変化に伴って反対に抵抗値が変わるサーミスタであって、周辺温度が上昇すると抵抗値が減少し、周辺温度が下降すると抵抗値が増加する特性を有する。

一方、他の実施形態による温度測定部１１０は、インバータシステム１０の運転開始時点から予め設定された測定開始時間が経過した後から、リレー抵抗１２ｂの抵抗温度を測定することができる。

すなわち、他の実施形態による温度測定部１１０は、インバータシステム１０の運転が開始してから、予め設定された測定開始時間が経過すると、リレー抵抗１２ｂの抵抗温度を測定する。

これにより、他の実施形態による温度測定部１１０は、リレー抵抗１２ｂの抵抗温度が低温であるインバータシステム１０の運転開始時点では、不要な温度測定を行わなくてもよい。

温度判断部１２０は、温度測定部１１０により測定されたリレー抵抗１２ｂの抵抗温度に基づいて、リレー抵抗１２ｂが過熱したか否かを判断することができる。

より具体的に、温度判断部１２０は、抵抗温度と、予め設定された基準温度値とを比較し、その比較結果、抵抗温度が予め設定された基準温度値を超えると、リレー抵抗１２ｂが過熱したと判断することができる。

反対に、温度判断部１２０は、抵抗温度と、予め設定された基準温度値とを比較した結果、抵抗温度が予め設定された基準温度値を超えないと、リレー抵抗１２ｂが過熱していないと判断することができる。

温度判断部１２０は、上述のようにリレー抵抗１２ｂが過熱したか否かを判断した結果を、後述の誤作動判断部１７０に伝達することができる。

電圧測定部１３０は直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧を測定する役割を担うことができる。

そのために、電圧測定部１３０は、キャパシタの電圧を測定する電圧測定センサを含むことができる。

一方、電圧測定部１３０は、インバータシステムの運転開始前、すなわち、インバータシステムが運転中でない時に、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧を第１の充電電圧として測定することができる。

また、電圧測定部１３０は、前記インバータシステムの運転が開始し、予め設定された時間が経過した後に、直流リンクキャパシタの充電電圧を第２の充電電圧として測定することができる。

ここで、予め設定された時間は、インバータシステムの運転が開始する時点に電源投入によってインバータシステムに流れる過電流（サージ電流）が減少または発生しない開始時間であることができる。

すなわち、予め設定された時間は、インバータシステムにおいて運転初期に発生する過電流を減少させるために、リレー１２ａをオフ作動させる時間であることができる。

変化値算出部１４０は、電圧測定部１３０により測定された第１の充電電圧と第２の充電電圧を受信し、第１の充電電圧と第２の充電電圧との電圧差を直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値として算出することができる。

ここで、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値は、インバータシステムの運転前に直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された第１の充電電圧から、インバータシステムの運転が開始し予め設定された時間が経過した後に直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された第２の充電電圧を引いた電圧値であることができる。

この際、変化値算出部１４０は、下記の数１を用いて、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値を算出することができる。

ここで、△Ｖ_dcは直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値であり、Ｖ_dc1はインバータシステムの運転前に直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された第１の充電電圧であり、 Ｖ_dc2はインバータシステムの運転が開始し予め設定された時間が経過した後に直流リンクキャパシタ１２ｃに充電された第２の充電電圧である。

充電電圧判断部１５０は、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値が、基準変化値を超えたか否かを判断することができる。

ここで、基準変化値は、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値が、リレー１２ａが正常作動する場合の変化値であるか、誤作動する場合の変化値であるかを判断するのに基準となる電圧値であることができる。

このような基準変化値は、基準変化値算出部１６０により算出されることができる。

基準変化値算出部１６０は、リレー抵抗１２ｂの抵抗値、及びリレー抵抗１２ｂに流れる電流の電流値を用いて基準変化値を算出することができる。

基準変化値算出部１６０は、下記の数２を用いて基準変化値を算出することができる。

ここで、Ｖ_refは基準変化値であり、Ｉ_rはリレー抵抗１２ｂに流れる電流の電流値であり、Ｒはリレー抵抗１２ｂの抵抗値であり、Ｍは補正係数である。

ここで、補正係数は、リレー１２ａが正常動作する場合における直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値であることができる。

一方、上述の変化値と基準変化値との関係の意味について、より具体的に説明する。

上述のように、インバータシステムの運転が開始する初期には、インバータシステムに電源が投入されて過電流（サージ電流）が流れることになる。

これによるインバータシステムの焼損を防止するために、直流リンクキャパシタ１２ｃにはリレー抵抗１２ｂが連結され、リレー抵抗１２ｂにはリレー１２ａが並列に連結される。

インバータシステムの運転が開始する初期には、直流リンクキャパシタ１２ｃとインバータ部１３に過電流が流入することを防止するために、リレー１２ａがオフに制御される。

これにより、インバータシステムの入力電流は、リレー抵抗１２ｂを経て直流リンクキャパシタ１２ｃとインバータ部１３に流れることになる。

その後、インバータシステムの運転が開始し、予め設定された時間が経過した後には、リレー１２ａがオンに制御されて、インバータシステムの入力電流がリレー抵抗１２ｂを経ずに直流リンクキャパシタ１２ｃとインバータ部１３に流れることになる。

この際、リレー１２ａがオフに制御される場合は、リレー抵抗１２ｂに入力電流が流れて電圧降下が発生し、リレー１２ａがオンに制御される場合は、リレー抵抗１２ｂに入力電流が流れないため電圧降下が発生しない。

これにより、リレー１２ａがオフに制御される場合と、リレー１２ａがオンに制御される場合との直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧を比較すると、リレー１２ａがオンに制御される場合における直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧がより高い。

したがって、インバータシステムの運転が開始し予め設定された時間が経過した後に、オンに制御されるべきのリレー１２ａが誤作動してオフされる場合、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧は、リレー１２ａが正常動作する場合に比べてより低い電圧値を有する。

誤作動判断部１７０は、リレー抵抗１２ｂが過熱したか否かを判断した結果、及び直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値が予め設定された基準変化値を超えたか否かを判断した結果の何れか一つ以上に基づいて、リレー１２ａが誤作動しているか否かを判断することができる。

より具体的に、温度判断部１２０がリレー抵抗１２ｂが過熱したと判断し、充電電圧判断部１５０が直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値が予め設定された基準変化値を超えたと判断すると、誤作動判断部１７０は、リレー１２ａが誤作動していると判断することができる。

これにより、誤作動判断部１７０は、リレー抵抗１２ｂの抵抗温度及び直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値の何れか一つのみを用いてリレー１２ａの誤作動を判断する場合に発生し得る誤差を低減することができる。

例えば、誤作動判断部１７０は、リレー抵抗１２ｂの抵抗温度のみを用いる場合における、温度上昇にかかる時間による誤作動検出の遅延を防止することができる。

報知部１８０は、誤作動判断部１７０がリレー１２ａが誤作動していると判断した場合、その判断結果をインバータシステム１０の制御部１４またはインバータシステム１０の管理者に報知することができる。

そのために、報知部１８０は、出力部を介して音、映像、文字、及び記号の一つ以上を出力してリレー１２ａの誤作動を報知することができる。

図６は本発明の一実施形態によるリレーの誤作動検出装置を用いたリレーの誤作動検出過程を図示したフローチャートである。

図６を参照すると、温度測定部１１０は、リレー抵抗１２ｂに流れる電流によって上昇するリレー抵抗１２ｂの抵抗温度を測定する（Ｓ６０１）。

温度判断部１２０は、温度測定部１１０により測定されたリレー抵抗１２ｂの抵抗温度と、予め設定された基準温度値とを比較する（Ｓ６０２）。

温度判断部１２０は、抵抗温度と、予め設定された基準温度値とを比較した結果、抵抗温度が予め設定された基準温度値を超えないと、リレー抵抗１２ｂが過熱していないと判断する（Ｓ６０３）。反対に、温度判断部１２０は、抵抗温度が予め設定された基準温度値を超えると、リレー抵抗１２ｂが過熱したと判断する（Ｓ６０３）。

ここで、上述のリレー抵抗１２ｂが過熱したか否かを判断した結果は、誤作動判断部１７０に伝達される。

一方、電圧測定部１３０は、インバータシステムの運転開始前、すなわち、インバータシステムが運転中でない時に、直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧を第１の充電電圧として測定する（Ｓ６０４）。

次に、電圧測定部１３０は、インバータシステムの運転が開始し予め設定された時間が経過した後に、直流リンクキャパシタの充電電圧を第２の充電電圧として測定する（Ｓ６０５）。

充電電圧判断部１５０は、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタ１２ｃの第１の充電電圧と第２の充電電圧との変化値と、予め設定された基準変化値と、を比較する（Ｓ６０６）。

充電電圧判断部１５０は、インバータシステムの運転開始による直流リンクキャパシタ１２ｃの第１の充電電圧と第２の充電電圧との変化値と、予め設定された基準変化値とを比較した結果、変化値が基準変化値を超えると、その判断結果を誤作動判断部１７０に伝達する（Ｓ６０７）。

温度判断部１２０がリレー抵抗１２ｂが過熱したと判断し、充電電圧判断部１５０が直流リンクキャパシタ１２ｃの充電電圧の変化値が予め設定された基準変化値を超えたと判断すると、誤作動判断部１７０は、リレー１２ａが誤作動していると判断する（Ｓ６０８）。また、報知部１８０により、インバータシステム１０の制御部１４またはインバータシステム１０の管理者に誤作動を報知する（Ｓ６０８）。

本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の本発明が上述の実施形態及び添付図面によって限定されるものではない。

Claims (7)

1. インバータシステムの運転開始時に発生する過電流を遮断するために直流リンクキャパシタと連結されるリレーの誤作動を検出するリレーの誤作動検出装置であって、
   前記リレーと連結されるリレー抵抗の抵抗温度に基づいて、前記リレー抵抗が過熱したか否かを判断する温度判断部と、
   前記インバータシステムの運転開始による前記直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値が基準変化値を超えたか否かを判断する充電電圧判断部と、
   前記リレー抵抗が過熱したか否かを判断した結果、及び前記算出された変化値が予め設定された基準変化値を超えたか否かを判断した結果の何れか一つ以上に基づいて、前記リレーが誤作動しているか否かを判断するリレー誤作動判断部と、を含み、
   前記誤作動判断部は、前記リレー抵抗が過熱したと判断され、前記算出された変化値が予め設定された基準変化値を超えたと判断されると、前記リレーが誤作動していると判断する、リレーの誤作動検出装置。
2. 前記温度判断部は、
   前記抵抗温度が予め設定された基準温度値を超えると、前記リレー抵抗が過熱したと判断する、請求項１に記載のリレーの誤作動検出装置。
3. 前記インバータシステムの運転前における前記直流リンクキャパシタの第１の充電電圧と、前記インバータシステムの運転が開始し予め設定された時間が経過した後における前記直流リンクキャパシタの第２の充電電圧との電圧差を、前記直流リンクキャパシタの充電電圧の変化値として算出する変化値算出部をさらに含む、請求項１または２に記載のリレーの誤作動検出装置。
4. 前記リレー抵抗の抵抗値及び前記リレー抵抗に流れる電流の電流値を用いて前記基準変化値を算出する基準変化値算出部をさらに
   含み、
   前記基準変化値算出部は、
   下記数式を用いて基準変化値を算出する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のリレーの誤作動検出装置。
   ここで、Ｖrefは基準変化値であり、Ｉrは前記リレー抵抗に流れる電流の電流値であり、Ｒは前記リレー抵抗の抵抗値であり、前記Ｍは補正係数である。
5. 周辺温度の変化に対応して抵抗値が変わるＮＴＣサーミスタを用いて前記リレー抵抗の抵抗温度を測定する温度測定部と、
   前記直流リンクキャパシタの充電電圧を測定する電圧測定部と、をさらに含む、請求項１乃至４の何れか一項に記載のリレーの誤作動検出装置。
6. 前記誤作動判断部の判断結果を外部に報知する報知部をさらに含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載のリレーの誤作動検出装置。
7. 前記リレー抵抗は、
   前記直流リンクキャパシタと連結されるリレーと並列連結される、請求項１乃至６の何れか一項に記載のリレーの誤作動検出装置。