JP6517862B2 - 短絡故障検出機能を備えたコンバータ装置及びコンバータ装置の短絡故障検出方法 - Google Patents

短絡故障検出機能を備えたコンバータ装置及びコンバータ装置の短絡故障検出方法 Download PDF

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Description

本発明は短絡故障検出機能を備えたコンバータ装置及びコンバータ装置の短絡故障検出方法に関する。
モータ駆動装置によりモータを駆動する方法として、主電源から入力される交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換し、これをインバータにより交流電圧に変換してからモータを駆動する方法が一般的に知られている。また、通常はコンバータから出力される直流電圧を平滑化するためにＤＣリンクコンデンサが設けられる。ここで、主回路やＤＣリンクコンデンサに異常が発生している状態で、主電源から交流電力を与えると、モータ駆動装置に損傷を与える恐れがある。例えば、ＤＣリンクコンデンサが短絡している状態で主電源を投入すると、コンバータに大電流が流れるためにモータ駆動装置が破損する危険性がある。そこで、コンバータに主電源からの交流電力を与える前に、ＤＣリンクコンデンサの短絡の有無を検出することが重要である。
これまでに、ＤＣリンク部異常検出機能を備えたモータ駆動装置が報告されている（例えば、特許文献１）。従来のモータ駆動装置は、主電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、コンバータ部から出力される直流電圧を整流するＤＣリンク部と、ＤＣリンク部により整流された直流電圧を半導体スイッチング素子によりモータを駆動するための交流電圧に変換するインバータ部と、主電源とは独立して設けられ、ＤＣリンク部に電圧を印加する電圧印加部と、電圧印加部により電圧を印加した後のＤＣリンク部の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧の所定時間に渡って測定した値、および電圧の時間的変化率に基づいて、ＤＣリンク部の異常の有無を判定する異常判定部と、を有する。
特開２０１４−２１７０８５号公報
しかしながら、従来のモータ駆動装置は、電源とは独立した電圧印加部を設ける必要があり、簡単な構成でコンバータ装置の主回路の異常の有無を検出することが難しいという問題があった。
本開示の実施例に係るコンバータ装置は、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、電源とコンバータとを接続または分離する開閉部と、コンバータ装置及びコンバータ装置に接続されるインバータ装置を含むモータ駆動装置の異常を監視し、開閉部に指令を通知する開閉操作部と、コンバータに入力される電圧を検出して、電源とコンバータとの接続の状態を監視する電源監視部と、短絡故障の有無を判定するための閾値を設定する閾値設定部と、開閉部により電源がコンバータから分離された直後のＤＣリンクコンデンサの電圧が、閾値以下の場合は、短絡故障が発生していると判定する短絡故障検出部と、を具備する。
本開示の実施例に係るコンバータ装置の短絡故障検出方法は、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータの直流出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、コンバータへ電源からの交流電圧の供給を制御する開閉部と、コンバータ装置及びコンバータ装置に接続されるインバータ装置を含むモータ駆動装置の異常を監視し、開閉部に指令を通知する開閉操作部とを備えるコンバータ装置の故障検出方法であって、モータ駆動装置が動作中に何等かの異常が発生し、開閉操作部により開閉部が開状態になって電源をコンバータから分離し、電源がコンバータから分離された直後のＤＣリンクコンデンサの電圧を検出し、検出されたＤＣリンクコンデンサの電圧が閾値以下の場合は、先に発生した異常は主回路の短絡故障に起因していると判定する。
本開示の実施例に係るコンバータ装置及びコンバータ装置の短絡故障検出方法によれば、簡単な構成でコンバータ装置の主回路の異常の有無を検出することができる。
実施例に係るコンバータ装置の構成図である。 実施例に係るコンバータ装置の短絡故障検出方法による短絡故障検出手順を説明するためのフローチャートである。 コンバータ装置の主回路が正常な場合のＤＣリンクコンデンサの電圧の時間的変化を表すグラフである。 コンバータ装置の主回路が短絡故障した場合のＤＣリンクコンデンサの電圧の時間的変化を表すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明に係る短絡故障検出機能を備えたコンバータ装置及びコンバータ装置の短絡故障検出方法について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
まず、本開示の実施例に係る短絡故障検出機能を備えたコンバータ装置について説明する。図１に実施例に係るコンバータ駆動装置の構成図を示す。実施例に係るコンバータ装置１０１は、コンバータ１と、ＤＣリンクコンデンサ２と、電圧検出部３と、開閉部４と、開閉操作部５と、電源監視部６と、閾値設定部７と、短絡故障検出部８と、を具備する。
コンバータ１は、電源１０から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力する。コンバータ１は、例えば、６つのダイオードにより構成された三相全波整流回路とすることができる。
ＤＣリンクコンデンサ２は、コンバータ１の出力側に接続されている。ＤＣリンクコンデンサ２は、コンバータ１から出力される直流電圧を平滑化する。
電圧検出部３は、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧を検出する。電圧検出部３が検出したＤＣリンクコンデンサ２の電圧は短絡故障検出部８に出力される。
開閉部４は、電源１０とコンバータ１とを接続または分離する。ここで、開閉部４は、三相交流電源である電源１０の各相に対応した、３つのスイッチを備えている。なお、図１には、電源１０として三相交流電源を用いた例を示したが、電源は三相交流電源には限られず、単相交流電源でもよい。
開閉操作部５は、コンバータ装置及びコンバータ装置に接続されるインバータ装置を含むモータ駆動装置の状態を把握し、これらに異常が生じた場合に速やかに開閉部４に指令を送って開閉部を開状態にする。
電源監視部６は、コンバータ１に入力される電圧を検出して、電源１０とコンバータ１との接続の状態を監視する。電源監視部６による開閉部４の状態は短絡故障検出部８に通知される。開閉部４には、電磁接触器等を用いることができる。
開閉操作部５の指令にて開閉部４が閉じた状態（閉状態）になることにより、電源１０がコンバータ１に接続され、コンバータ１の交流電圧が供給される。このとき、コンバータ１は交流電圧を直流電圧に変換し、ＤＣリンクコンデンサ２に直流電圧が印加され、充電が行われた後、モータ駆動装置が動作可能な状態となる。
一方、開閉操作部５の指令にて開閉部４が開いた状態（開状態）とすることにより、コンバータ１が電源１０から分離される。
閾値設定部７は、短絡故障の有無を判定するための閾値ＶTHを設定する。閾値ＶTHは、ＤＣリンクコンデンサ２が正常な場合に検出されるＤＣリンクコンデンサ電圧と、コンバータ装置の主回路が短絡故障している場合に検出されるＤＣリンクコンデンサ電圧の間の電圧とすることができる。従って、閾値ＶTHはコンバータ１の出力電圧の大きさに依存する。閾値設定部７は、外部から入力された信号に基づいて、閾値ＶTHを書き換え可能とすることができる。閾値の書き換えにより、使用条件に即した故障検出が可能になるという利点が生じる。
短絡故障検出部８は、開閉操作部５の指令にて開閉部４が電源１０とコンバータ１とを分離した直後のＤＣリンクコンデンサ２の電圧が、閾値ＶTH以下の場合は、コンバータ装置に短絡故障が発生していると判定する。短絡故障検出部８は、短絡故障を検出した場合は、ランプやアラーム信号等によって異常が発生したことを通知するようにしてもよい。これにより作業者は、異常が発生したことを認識でき、コンバータ装置への電源の再投入を防止し、電源の再突入による２次的な破損を未然に防ぐことができる。
コンバータ１の出力側にはスナバ回路９を設けるようにしてもよい。スナバ回路９を設けることにより、開閉部４の遮断時に生じる過渡的な高電圧を吸収することができる。
次に、実施例に係るコンバータ装置を用いた短絡故障検出方法について説明する。図２は、実施例に係るコンバータ装置の短絡故障検出方法による短絡故障検出手順を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１において、開閉操作部５が開閉部４を閉じるように指令してコンバータ１と電源１０を接続する。その結果、電源１０からコンバータ１へ供給された交流電圧は直流電圧に変換されてＤＣリンクコンデンサ２に出力される。
次に、ステップＳ１０２において、ＤＣリンクコンデンサ２を充電し、モータ駆動装置が動作可能な状態になる。
次に、ステップＳ１０３において、開閉操作部５がコンバータ装置及びコンバータ装置に接続されたインバータ装置を含むモータ駆動装置に異常が生じていないか監視する。もし開閉操作部５が異常を検出した場合、開閉部４を開状態とするように指令を出力する。
次に、ステップＳ１０４において、開閉操作部５の指令により、開閉部４が開状態となり、電源１０とコンバータ１とが分離される。分離されると電圧検出部３は電源１０がコンバータ１から分離された直後のＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCを検出する。電源監視部６は開閉部４が開状態になったことを短絡故障検出部８に通知し、短絡故障検出部８は、この通知を受信した直後に電圧検出部３からＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCの検出結果を受信する。
次に、ステップＳ１０５において、短絡故障検出部８が、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCが閾値ＶTHより小さいか否かを判定する。図３にコンバータ装置の主回路が正常な場合のＤＣリンクコンデンサの電圧の時間的変化を表すグラフを示す。時刻ｔ1において、開閉操作部５がモータ駆動装置の何等かの異常を検出して、開閉部４を開状態になるように制御して電源１０をコンバータ１から分離したものとする。コンバータ装置の主回路が正常な場合、モータ駆動装置は時刻ｔ1までは正常に動作しておりＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCはＶ1であったとする。時刻ｔ1で電源１０はコンバータ１から分離され、ＤＣリンクコンデンサ２から放電が開始され、ＶDCは緩やかに減少する。開閉部４が開状態となった時刻ｔ1の直後である時刻ｔ2においては、ＤＣリンクコンデンサ２にはまだ電荷が貯まっており、一般的に数秒単位ではＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCは殆ど変化しない。時刻ｔ2において短絡故障検出部８が電圧ＶDCの値を電圧検出部３から受信したとすると、この時の電圧Ｖ2は、Ｖ1よりわずかに小さいが閾値ＶTHよりは大きい値となっている。従って、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCは閾値ＶTH以上と判断され、ステップＳ１０６において、短絡故障検出部８は先に発生した異常はコンバータ装置１０１の主回路の短絡故障に起因したものではなく、少なくとも主回路は正常と判定する。
次に、コンバータ装置の主回路が短絡故障した場合について説明する。図４にコンバータ装置の主回路が短絡故障した場合のＤＣリンクコンデンサの電圧の時間的変化を示す。時刻ｔ0に至るまではモータ駆動装置は正常に動作しておりＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCは、正常時と同様に電圧Ｖ1であったものとする。時刻ｔ0においてコンバータ装置１０１の主回路が短絡故障した場合、ＤＣリンクコンデンサ２の両端が低インピーダンスで接続されることになり、ＤＣリンクコンデンサ２内の電荷が急激に減少し、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCは急激に低下する。ここでは、図４に示すように、短絡故障後にＶDCはＶ3まで低下したとする。ここで、電圧Ｖ3はほぼ０［Ｖ］となる。その後、時刻ｔ1において開閉操作部５がモータ駆動装置の何等かの異常を検出して、開閉部４を開状態になるように制御して電源１０をコンバータ１から分離したものとする。電源１０がコンバータ１から分離され、時刻ｔ2において短絡故障検出部８が電圧ＶDCの値を受信したとすると、この時の電圧は電圧Ｖ3と同等であり、閾値ＶTHより小さい値となっている。従って、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧ＶDCは閾値ＶTH未満と判断され、ステップＳ１０７において、短絡故障検出部８は、先に発生した異常はコンバータ装置１０１の主回路の短絡故障に起因した異常であると判定する。このように、本実施例に係る短絡検出方法においては、電源が切り離された直後のコンデンサ電圧が急激に低下し判定の閾値以下になっていることを以って、コンバータ装置の主回路において短絡故障が発生したと判定する。
以上の説明において、コンバータ装置の主回路のうちＤＣリンクコンデンサが短絡故障した場合の例について説明したが、コンバータやスナバ回路が短絡故障した場合であっても同様に短絡故障を検出することができる。
１ コンバータ
２ ＤＣリンクコンデンサ
３ 電圧検出部
４ 開閉部
５ 開閉操作部
６ 電源監視部
７ 閾値設定部
８ 短絡故障検出部
９ スナバ回路
１０ 電源

Claims (6)

  1. 電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、
    前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
    電源と前記コンバータとを接続または分離する開閉部と、
    コンバータ装置及びコンバータ装置に接続されるインバータ装置を含むモータ駆動装置の異常を監視し、前記開閉部に指令を通知する開閉操作部と、
    前記コンバータに入力される電圧を検出して、電源と前記コンバータとの接続の状態を監視する電源監視部と、
    短絡故障の有無を判定するための閾値を設定する閾値設定部と、
    前記開閉部により電源が前記コンバータから分離された直後の前記ＤＣリンクコンデンサの電圧が、前記閾値以下の場合は、短絡故障が発生していると判定する短絡故障検出部と、
    を具備するコンバータ装置。
  2. 前記短絡故障検出部は、短絡故障を検出した場合は、コンバータ装置の主回路に異常が発生したことを通知する、請求項１に記載のコンバータ装置。
  3. 前記閾値設定部は、外部から入力された信号に基づいて、前記閾値を書き換え可能である、請求項１または２に記載のコンバータ装置。
  4. 電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータの直流出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、
    前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記コンバータへ電源からの交流電圧の供給を制御する開閉部と、
    コンバータ装置及びコンバータ装置に接続されるインバータ装置を含むモータ駆動装置の異常を監視し、前記開閉部に指令を通知する開閉操作部と、を備えるコンバータ装置の故障検出方法であって、
    前記開閉操作部が異常を検出し、前記開閉部を開状態になるように制御して電源を前記コンバータから分離し、
    電源が前記コンバータから分離された直後の前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出し、
    検出された前記ＤＣリンクコンデンサの電圧が閾値以下の場合は、コンバータ装置の主回路に短絡故障が発生していると判定する、
    コンバータ装置の短絡故障検出方法。
  5. さらに、短絡故障検出部が、短絡故障を検出した場合は、異常が発生したことを通知する、請求項４に記載のコンバータ装置の短絡故障検出方法。
  6. さらに、閾値設定部が、外部から入力された信号に基づいて前記閾値を書き換える、請求項４または５に記載のコンバータ装置の短絡故障検出方法。
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