JP6400658B2 - 電力変換装置の動作制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置の動作制御装置に関するものであって、より詳細には、インバーターやコンバーターのような電力変換装置の動作を制御するための装置に関するものである。
代表的な電力変換装置としては、インバーターとコンバーターがある。インバーターは交流電源の入力を受けて直流電源に変換した後、これを再び交流電源に変換して電動機のような負荷に電力を供給する装置である。インバーターは、ファン（Ｆａｎ）、ポンプ（Ｐｕｍｐ）、エレベータ、移送装置、生産ライン等多様な製品に用いられる。一般の電動機駆動用汎用インバーターは、３相交流電源を整流回路を介して直流電源に変換し、直流端（ＤＣ−リンク部）のキャパシター（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）に貯蔵した後、インバーター部を通じて交流電源に変換する。
コンバーターは、交流又は直流で入力される電源を直流電源に変換する電力変換装置である。電力変換方式はインバーターと類似し、インバーターと同様に産業全般に亘って多様に用いられている。
図１は、従来技術による電力変換装置の構成図である。
図１に示すように、電力変換装置、例えば、インバーター（１０４）は電源部（１０２）から３相の交流電源の入力を受けて、整流部（１０８）を通じて、交流電源を直流電源に変換する。変換された直流電源はＤＣ−リング部（１１６）のキャパシターに貯蔵され、インバーター部（１２０）を通じて所定の周波数の交流電源に変換される。このように変換された交流電源は電動機のような負荷（１０６）に供給される。
図１に示されたインバーター（１０４）は、インバーター部（１２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）を用いたパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）出力に応じて電圧と周波数を可変して負荷（１０６）の駆動速度を制御する。
図１のようなインバーターシステムには、初期充填部（１１０）が適用される。初期充填部（１１０）は、インバーター（１０４）に入力される突入電流により生じられる過電流を防止し、素子の絶縁破壊を防止する。初期充填部（１１０）の初期充填抵抗（１１２）はインバーター（１０４）の初期電源の投入時にのみ動作し、初期充填動作が終了された後にはリレー部（１１４）で電流の流れを転換して初期充填抵抗（１１２）による不要な電力損失を防止する。
従来技術によると、このようなインバーター（１０４）の動作を制御するために図１のような制御装置（１０）が用いられる。従来技術による制御装置（１０）は制御部（１２）及びインバーター駆動部（１４）を含む。
電源部（１０２）によって、初期電源が投入されて交流電源が印加されると、制御部（１２）は初期充填抵抗（１１２）を通じて電流が流れるように制御し、ＤＣ−リンク部（１１６）のキャパシターに電圧が充填される。制御部（１２）はかかる初期充填動作の過程においてＤＣ−リンク部（１１６）の電圧（Ｖdc）を測定し、測定された電圧（Ｖdc）が予め設定された基準電圧を超えるか否かを判断する。仮に、測定された電圧（Ｖdc）が予め設定された基準電圧を超えないと、制御部（１２）は低電圧トリップ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒｉｐ；ＬＶＴ）を発生させて初期充填部（１１０）に含まれたリレー部（１１４）の動作を制御する。
参考まで、本発明において低電圧トリップ（ＬＶＴ）とは、ＤＣ−リンク部（１１６）の電圧（Ｖdc）が予め設定された基準電圧を超えないことを示す信号を意味する。本発明において制御部（１２）とは、リレー部（１１４）等他のモジュールにＤＣ−リンク部（１１６）の電圧（Ｖdc）が基準電圧を超えないことを低電圧トリップ（ＬＶＴ）信号を通じて通知することができる。言い換えると、リレー部（１１４）等他のモジュールは低電圧トリップ（ＬＶＴ）信号が受信されると、ＤＣ−リンク部（１１６）の電圧（Ｖdc）が予め設定された基準電圧を超えないことを認知できる。
仮に、測定された電圧（Ｖdc）が予め設定された基準電圧を超えると、制御部（１２）は低電圧トリップ（ＬＶＴ）を解除してリレー部（１１４）を駆動させる。これによって、電流は初期充填抵抗（１１２）ではないリレー部（１１４）を通じて流れるようになる。
低電圧トリップ（ＬＶＴ）を解除した後、制御部（１２）はインバーター駆動部（１４）にＰＷＭ信号を発生するようにしてインバーター（１０４）を駆動させる。
しかしながら、従来技術によると、異常発生によってリレー部（１１４）が正常的に駆動されない場合、制御部（１２）の低電圧トリップ（ＬＶＴ）の解除にも関わらず、電流は引き続き初期充填抵抗（１１２）を通じて流れるようになる。このとき、インバーター（１０４）と連結された負荷（１０６）が初期充填抵抗（１１２）を通じて流れる低サイズの電流のみで駆動できる場合、ＤＣ−リンク部（１１８）の電圧（Ｖdc）は予め設定された基準電圧以下に低下しないようになる。従って、リレー部（１１４）に異常が発生したにも関わらず、使用者はリレー部（１１４）の異常発生を感知できない。このように初期充填動作が終了された後にも初期充填抵抗（１１２）を通じて電流が流れ続くと、加熱により焼損が発生し、電力変換装置の使用自体が不可になるという問題がある。
本発明は、電力変換装置に含まれるリレー部の異常発生を正確に検出することで電力変換装置の故障率を減少させると共に製品の信頼性を向上させることができる電力変換装置の動作制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、簡単なアルゴリズムと低コストを通じて電力変換装置に含まれるリレー部の異常発生を正確に検出できる電力変換装置の動作制御装置を提供することを他の目的とする。
本発明の目的は、前述した目的に限らず、言及されていない本発明の他の目的及び長所は下記の説明によって理解され得て、本発明の実施例によってより明らかに理解され得る。また、本発明の目的及び長所は特許請求の範囲に示した手段及びその組合せによって実現できることが容易に読み取れるだろう。
かかる目的を達成するための本発明は、整流部、初期充填部、ＤＣ−リンク部、インバーター部を含む電力変換装置の動作制御装置において、前記ＤＣ−リンク部に対する初期充填の進行中、前記ＤＣ−リンク部の電圧が第１の基準電圧を超えると、前記初期充填部の初期充填抵抗と並列に連結されるリレー部を駆動させる制御部、前記リレー部が駆動されると、前記リレー部の正常動作可否をモニターリングするリレーモニターリング部、前記リレーモニターリング部のモニターリングの結果を参照して、前記リレー部が正常的に動作しないと判断されると、前記インバーター部の駆動を停止させるインバーター駆動部を含むことを特徴とする。
前述したような本発明によると、電力変換装置に含まれるリレー部の異常発生を正確に検出することによって、電力変換装置の故障率を減少させると共に製品の信頼性を向上させるという長所がある。
また、本発明によると、簡単なアルゴリズムと低コストを通じて電力変換装置に含まれるリレー部の異常発生を正確に検出できるという長所がある。
従来技術による電力変換装置の構成図である。 本発明の一実施例による電力変換装置及び電力変換装置の動作制御装置の構成図である。 本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置のリレーモニターリング部の回路図である。 本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御方法のフロー図である。 本発明の一実施例においてリレー部が正常的に動作する時のタイミンググラフである。 本発明の一実施例においてリレー部が異常が発生した時のタイミンググラフである。
前述した目的、特徴及び長所は、添付された図面を参照して詳細に後術され、これによって本発明が属する技術分野における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だろう。本発明を説明するにあたって、本発明に関連した公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする恐れがある場合には、詳細な説明を省略する。以下、添付の図面を参照して、本発明による好ましい実施例を詳しく説明する。図面において同じ参照符号は同一又は類似する構成要素を示す。
図２は、本発明の一実施例による電力変換装置及び電力変換装置の動作制御装置の構成図である。
参考まで、図２には、電力変換装置の例としてインバーター（２０４）が示されているが、本発明の電力変換装置の動作制御装置はインバーターではなくコンバーターにも同じく適用され得る。以下では電力変換装置の例としてインバーターを挙げて説明する。
図２に示したように、電力変換装置、例えば、インバーター（２０４）は電源部（２０２）から３相の交流電源の入力を受けて、整流部（２０８）を通じて交流電源を直流電源に変換する。変換された直流電源はＤＣ−リング部（２１６）のキャパシターに貯蔵され、インバーター部（２２０）を通じて所定の周波数の交流電源に変換される。このように変換された交流電源は電動機のような負荷（２０６）に供給される。
図２に示されたインバーター（２０４）は、インバーター部（２２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）を用いたＰＷＭ出力に応じて電圧と周波数を可変して負荷（２０６）の駆動速度を制御する。
図２のようなインバーターシステムには初期充填部（２１０）が適用される。初期充填部（２１０）は、インバーター（２０４）に入力される突入電流により発生し得る過電流を防止し、素子の絶縁破壊を防止する。初期充填部（２１０）の初期充填抵抗（２１２）はインバーター（２０４）の初期電源投入時にのみ動作し、初期充填動作が終了された後にはリレー部（２１４）に電流の流れを転換して初期充填抵抗（２１２）によって不要な電力損失を防止する。
図２を参照すると、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置（２０）は、制御部（２２）、リレーモニターリング部（２４）、インバーター駆動部（２６）を含む。また、図２には示されていないが、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置（２０）はトリップ発生部（未図示）をさらに含むことができる。
制御部（２２）は、初期充填部（２１０）に入力された電流が初期充填抵抗（２１２）及びリレー部（２１４）のうちいずれかを通じて流れるように制御する。このために、制御部（２２）はリレー動作信号（ＭＣ）を通じてリレー部（２１４）を駆動させることができる。制御部（２２）によってリレー動作信号（ＭＣ）が印加されないと、リレー部（２１４）は駆動されず、初期充填部（２１０）に入力された電流は初期充填抵抗（２１２）を通じて流れる。制御部（２２）によってリレー動作信号（ＭＣ）が印加されるとリレー部（２１４）が駆動され、初期充填部（２１０）に入力された電流はリレー部（２１４０）を通じて流れる。
本発明の一実施例において、制御部（２２）はＤＣ−リング部（２１６）に対する初期充填の進行中にＤＣ−リンク部（２１６）の電圧（Ｖdc）をモニターリングすることができる。制御部（２２）は測定された電圧（Ｖdc）が予め設定された第１の基準電圧を超えると、初期充填部（２１０）の初期充填抵抗（２１２）と並列に連結されるリレー部（２１４）を駆動させる。
制御部（２２）によってリレー部（２１４）が駆動されると、リレーモニターリング部（２４）はリレー部（２１４）が正常的に動作するか否かをモニターリングする。本発明の一実施例において、リレー部（２１４）が正常的に動作すると、リレーモニターリング部（２４）は第１のモニターリング信号（例えば、Ｈｉｇｈ）を出力し、そうではない場合は、第２のモニターリング信号（例えば、Ｌｏｗ）を出力する。
制御部（２２）は、リレーモニターリング部（２４）から出力されるモニターリング信号に基づいてリレー部（２１４）が正常的に動作するか否かを判断する。仮に、リレー部（２１４）が正常的に動作しないと判断されると、制御部（２２）はリレー誤動作信号（ＭＣＴ）をインバーター駆動部（２６）に伝達する。リレー誤動作信号（ＭＣＴ）が入力されると、インバーター駆動部（２６）は、インバーター部（２２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）のゲートにＰＷＭ信号を印加しないことで、インバーター部（２２０）の駆動を停止させる。それに引き換え、リレー誤動作信号（ＭＣＴ）が入力されないと、インバーター駆動部（２６）はインバーター部（２２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）のゲートにＰＷＭ信号を各々入力することでインバーター部（２２０）を駆動させる。
トリップ発生部（未図示）は、リレーモニターリング部（２４）のモニターリングの結果を参照して、リレー部（２１４）が正常的に動作しないと判断されると、使用者にトリップ情報を伝達する。例えば、トリップ発生部（未図示）は使用者の端末のディスプレイを通じてトリップ情報を伝達することでリレー部（２１４）の異常発生を通知することができる。また、トリップ発生部（未図示）は使用者の端末のスピーカーを通じて特定の音声を発生させてリレー部（２１４）の異常発生を通知することもできる。
以下では、図２〜図４を参照して、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置及び方法について具体的に説明する。
図４は、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御方法のフロー図である。
図４を参照すると、制御部（２２）は、先ず電源部（２０２）を駆動させて電源を印加する（４０２）。これによって、整流部（２０８）から出力される電源が初期充填部（２１０）を介してＤＣ−リンク部（２１６）のキャパシターに貯蔵される。このような過程は、ＤＣ−リンク部（２１６）の電圧、つまり、ＤＣ−リンク電圧（Ｖdc）が予め設定された第１の基準電圧を超える前まで続くが、これを初期充填動作という。初期充填動作の過程において制御部（２２）はリレー部（２１４）を駆動せず、電流は初期充填抵抗（２１２）を通じて流れる。
再び図４を参照すると、初期充填動作の過程において制御部（２２）はＤＣ−リンク電圧（Ｖdc）が予め設定された第１の基準電圧を超えるか否かを判断する（４０４）。参考まで、第１の基準電圧は使用者によって任意で設定できる値である。
判断（４０４）の結果、ＤＣ−リンク電圧が第１の基準電圧を超えないと、制御部（２２）は低電圧トリップ（ＬＶＴ）を発生させることによって、リレー部（２１４）が駆動されることを防止する。これによって、電流は引き続き初期充填抵抗（２１２）を通じて流れる。
判断（４０４）の結果、ＤＣ−リンク電圧が第１の基準電圧を超えると、制御部（２２）は低電圧トリップ（ＬＶＴ）を解除する。これによって、リレー動作信号（ＭＣ）がリレー部（２１４）に伝達されてリレー部（２１４）が駆動され（４０６）、電流は、初期充填抵抗（２１２）ではないリレー部（２１４）を通じて流れる。
リレー部（２１４）が駆動されると、リレーモニターリング部（２４）は、リレー部（２１４）が実際に正常的に動作しているか否かをモニターリングする（４０８）。本発明の一実施例において、リレーモニターリング部（２４）は初期充填抵抗（２１２）の両端から測定された電圧が予め設定された第２の基準電圧を超えると、第１のモニターリング信号を出力し、そうではない場合は、第２のモニターリング信号を出力する。参考まで、第２の基準電圧は使用者によって任意で設定できる値である。制御部（２２）は、このようにリレーモニターリング部（２４）によって出力されるモニターリング信号（ＭＣＭ）、即ち、第１のモニターリング信号又は第２のモニターリング信号を参照してリレー部（２１４）が正常的に動作しているか否かを判断することができる。
本発明の他の実施例によるリレーモニターリング部は、初期充填抵抗（２１２）の抵抗値に対応して、第２の基準電圧を設定することができる。より具体的には、リレーモニターリング部は、初期充填抵抗（２１２）の抵抗値に半比例して第２の基準電圧を設定することができる。これによって、リレーモニターリング部はリレー部（２１４）が正常駆動しても初期充填抵抗（２１２）の抵抗値が小さいため、微細電流が通電されて電圧が印加される場合に備えて、第２の基準電圧を設定することができる。
図３は、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置のリレーモニターリング部の回路図である。
図３に示すように、本発明の一実施例による電力変換装置の動作制御装置のリレーモニターリング部は、初期充填抵抗（２１２）と並列に連結される電流制限抵抗（Ｒ１）、また、電流制限抵抗（Ｒ１）と直列に連結されるフォトカプラー（Ｐｈｏｔｏｃｏｕｐｌｅｒ；３０２）を含む。図３の入力端子（Ｐ１）及び入力端子（Ｐ２）は図２に示すように初期充填抵抗（２１２）の両端に各々連結される。
フォトカプラー（３０２）は入力端子（Ｐ１）及び入力端子（Ｐ２）を通じて測定される初期充填抵抗（２１２）の両端の電圧と入力端子（Ｐ３）を通じて入力される第２の基準電圧との比較結果に応じて第１のモニターリング信号（例えば、Ｈｉｇｈ）又は第２のモニターリング信号（例えば、Ｌｏｗ）を出力端子（３０４）を介して出力する。参考まで、第２の基準電圧は使用者によって任意で設定できる値である。
仮に、リレー部（２１４）を通じて電流が流れると、これは初期充填抵抗（２１２）を通じて電流が流れないことを意味する。この場合、初期充填抵抗（２１２）の両端の電圧は、０Ｖとなり、第２の基準電圧よりも低くなる。従って、図３のフォトカプラー（３０２）は、ターンオフ（Ｔｕｒｎ ｏｆｆ）され、出力端子（３０４）を介して第１のモニターリング信号（例えば、Ｈｉｇｈ）が出力される。
仮に、リレー部（２１４）を駆動したにも関わらず、リレー部（２１４）を通じて電流が流れないと、これは初期充填抵抗（２１２）を通じて電流が流れることを意味する。この場合、初期充填抵抗（２１２）の両端の電圧は、第２の基準電圧を超えるようになる。従って、図３のフォトカプラー（３０２）がターンオン（Ｔｕｒｎ ｏｎ）され、出力端子（３０４）を介して第２のモニターリング信号（例えば、Ｌｏｗ）が出力される。
制御部（２２）は、このように出力端子（３０４）を介して出力されるモニターリング信号を参照することでリレー部（２１４）を駆動させた時に実際にリレー部（２１４）を通じて正常的に電流が流れているか否かを判断することができる。
特に、図３の実施例においては、フォトカプラー（３０２）を使用することで電源部（２０２）を通じて入力される電源と入力端子（Ｐ３）を介して入力される電源と絶縁できるという効果がある。
再び図４を参照すると、制御部（２２）は、リレーモニターリング部（２４）から出力されるモニターリング信号を参照してリレー部が正常的に動作するか否かを判断する（４１０）。
判断（４１０）の結果、リレー部（２１４）が正常的に動作しないと、制御部（２２）はリレー誤動作信号（ＭＣＴ）をインバーター駆動部（２６）に伝達する。リレー誤動作信号（ＭＣＴ）が入力されると、インバーター駆動部（２６）はインバーター部（２２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）のゲートにＰＷＭ信号を印加しないことでインバーター部（２２０）の駆動を停止させる（４１２）。
判断(４１０)の結果、リレー部（２１４）が正常的に動作すると、制御部（２２）はリレー誤動作信号（ＭＣＴ）をインバーター駆動部（２６）に伝達しない。リレー誤動作信号（ＭＣＴ）が入力されないと、インバーター駆動部（２６）はインバーター部（２２０）に含まれたスイッチング素子（Ｔ1〜Ｔ6）のゲートにＰＷＭ信号を各々入力することによってインバーター部（２２０）を駆動させる。
一方、図４には示されていないが、トリップ発生部（未図示）はリレーモニターリング部（２４）のモニターリングの結果を参照してリレー部（２１４）が正常的に動作しないと判断されると、使用者にトリップ情報を伝達することができる。例えば、トリップ発生部（未図示）は使用者の端末のディスプレイを通じてトリップ情報を伝達することによりリレー部（２１４）の異常発生を通知することができる。また、トリップ発生部（未図示）は使用者の端末のスピーカーを通じて特定の音声を発生させてリレー部（２１４）の異常発生を通知することもできる。
図５は、本発明の一実施例においてリレー部が正常的に動作する時のタイミンググラフである。
制御部（２２）により電源部（２０２）から電源が印加された後、ＤＣ−リンク電圧（Ｖdc）が第１の基準電圧を超えると、低電圧トリップ（ＬＶＴ）が解除される（５０２）。低電圧トリップ（ＬＶＴ）が解除されると、制御部（２２）はリレー動作信号（ＭＣ）をリレー部（２１４）に伝達する（５０４）。これによってリレー部（２１４）の動作が開始する。
リレー動作信号（ＭＣ）によって、リレー部（２１４）が正常的に動作すると、電流は初期充填抵抗（２１２）ではないリレー部（２１４）を通じて流れるようになる。従って、リレーモニターリング部（２４）は、Ｈｉｇｈ値、即ち、第１のモニターリング信号をモニターリング信号（ＭＣＭ）として出力する（５０６）。リレー部（２１４）が正常的に動作することが確認されたため、制御部（２２）はリレー誤動作信号（ＭＣＴ）を出力しない（５０８）。
図６は、本発明の一実施例においてリレー部に異常が発生した時のタイミンググラフである。
制御部（２２）により電源部（２０２）から電源が印加された後、ＤＣ−リンク電圧（Ｖdc）が第１の基準電圧を超えると、低電圧トリップ（ＬＶＴ）が解除される（６０２）。低電圧トリップ（ＬＶＴ）が解除されると、制御部（２２）はリレー動作信号（ＭＣ）をリレー部（２１４）に伝達する（６０４）。これによって、リレー部（２１４）の動作が開始する。
しかしながら、リレー動作信号（ＭＣ）が伝達されたにも関わらず、リレー部（２１４）が正常的に動作しないと、電流はリレー部（２１４）ではない初期充填抵抗（２１２）を通じて流れるようになる。従って、リレーモニターリング部（２４）はＬｏｗ値、即ち、第２のモニターリング信号をモニターリング信号（ＭＣＭ）として出力する(６０６)。リレー部（２１４）が正常的に動作しないことが確認されたため、制御部（２２）はリレー誤動作信号（ＭＣＴ）を出力する（６０８）。これによって、インバーター部（２２０）の駆動が中断される。
前述した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想をはずれない範囲内において多様な置換、変形及び変更ができるので、前述した実施例及び添付の図面によって限られるものではない。

Claims (3)

  1. 整流部、初期充填部、ＤＣ−リンク部、インバーター部を含む電力変換装置の動作制御装置において、
    前記インバーター部を駆動させるインバーター駆動部；
    前記初期充填部の初期充填抵抗と並列に連結されるリレー部が駆動される前に、前記初期充填抵抗の抵抗値に反比例する第２の基準電圧を設定し、かつ、前記リレー部が駆動された場合、前記第２の基準電圧と前記初期充填抵抗の両端から測定された電圧とを比較するリレーモニターリング部であって、前記初期充填抵抗の両端から測定された電圧が第２の基準電圧を超えると、第１のモニターリング信号を出力し、前記初期充填抵抗の両端から測定された電圧が第２の基準電圧を超えない場合は、第２のモニターリング信号を出力するリレーモニターリング部；
    前記ＤＣ−リンク部に対する初期充填の進行中、前記ＤＣ−リンク部のＤＣ−リンク電圧が第１の基準電圧を超えると、前記初期充填部の初期充填抵抗と並列に連結される前記リレー部を駆動させる制御部を含み、
    前記制御部は、前記第２のモニターリング信号が入力されると、前記リレー部が正常的に動作しないと判断し、前記インバーター部の駆動を停止させるため、リレー誤動作信号を前記インバーター駆動部に伝達する、電力変換装置の動作制御装置。
  2. 前記リレーモニターリング部は、
    前記初期充填抵抗と連結される電流制限抵抗；及び
    前記電流制限抵抗と連結されるフォトカプラーを含み、
    前記フォトカプラーは、入力端子（Ｐ１）及び入力端子（Ｐ２）を通じて測定される前記初期充填抵抗の両端の電圧と入力端子（Ｐ３）を通じて入力される前記第２の基準電圧との比較結果に応じて、前記第１のモニターリング信号又は前記第２のモニターリング信号を出力する、請求項１に記載の電力変換装置の動作制御装置。
  3. 前記制御部は、
    前記初期充填抵抗を通じて、前記ＤＣ−リンク部に対する初期充填動作を行う、請求項１に記載の電力変換装置の動作制御装置。
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