JP7005251B2 - 接続順序の判断方法 - Google Patents

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Description

この発明は三相電源線及びアクティブフィルタと接続されるインバータ基板、並びにその接続における電源相の順序を判断する方法に関する。
電力の需要家が設けた電気設備において発生する高調波電流は、その総量の上限値が規制される。例えば当該上限値は日本においては非特許文献1によって規定される。かかる高調波電流の発生は、当該電気設備におけるインバータの動作を一因とする。非特許文献1と類似の規格は米国(非特許文献2参照)、英国(非特許文献3参照)でも設けられている。
かかる高調波電流を低減する一つの手法として、アクティブフィルタの設置が採用される。アクティブフィルタは、各需要家における高調波電流の発生量に応じてその設置台数が選択される。よってアクティブフィルタの設置は現地で実施されることが多い。
このようにアクティブフィルタを現地で設置する際、これが接続される対象となるインバータには、既に三相電源線が接続されている。よってアクティブフィルタを三相電源線に対して、インバータが三相電源線と接続される電源相の順序(以下、単に「相順序」とも称す)と整合させて、接続する必要がある。
そこで、アクティブフィルタの三相電源線に対する相順序がインバータの相順序と異なる場合に対応する付加回路や、相順序の判定を正確に行う為の判定処理が提案されている。
例えば下記の特許文献1では、電源の(線間電圧を意味すると思われる)相間電圧のゼロクロスポイントを検出するゼロクロス検出手段と、高調波電流を発生する電力変換装置に流れ込む電流を検出する電流検出手段とを提案している。ゼロクロス検出手段の異なる相間の信号出力状態に基づいて、電源の欠相が検出される。また上述の信号出力状態および信号出力の位相差に基づいて電源の相順序の異常が検出される。そしてゼロクロス検出手段の信号出力状態と電流検出手段の電流検出結果に基づいて、電流検出手段の、電源に対する接続の異常が検出される。
また、三相電源の相間電圧に不平衡があった場合、インバータに流れ込む電流にも不平衡が生じる。かかる不平衡が発生すると、意図した電流が所定の位相区間で検出できなくなり、電流検出器の接続状態が正常であるにもかかわらず、異常と誤判断してしまう。
そこで、下記の特許文献2では、商用電源の相間電圧のゼロクロスポイントを基準位相として検出する線間電圧ゼロクロス検出手段と、電源から流れる電流を検出する電流検出器の検出に係る電流検出値に基づいて電流不平衡状態に係る係数を検出する電流アンバランス状態検出手段と、電流検出器の検出に係る電流の基本波成分を算出する基本波成分算出手段と、基準位相、電流不平衡状態及び電流の基本波成分に基づいて電流検出器の接続異常の有無を判定する位相角判定手段とを提案している。
なお、インバータとアクティブフィルタとの協働を説明する公知技術として、特許文献3を挙げる。いわゆる電解コンデンサレスインバータを説明する公知技術として、(これを「コンデンサレスインバータ」と称して説明する)非特許文献4,5を挙げる。
特開2001-91600号公報 特開2011-188592号公報 特開2014-207747号公報
「高圧又は特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」、平成16年1月制定、原子力安全・保安院 "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems",IEEE Std519-1992(1993) "MANAGING HARMONICS A guide to ENA Engineering Recommendation G5/4-1 fifth edition ",GAMBICA(2006) 高橋、伊東、「コンデンサレスインバータの制御方法」、昭和63年電気学会全国大会、P624 伊東、高橋、宮川、「コンデンサレスPWMインバータの制御法」、昭和63年電気学会全国大会、PP625-626
特許文献1で提案された技術では、電源の欠相及び、相順序の異常を検出するために、複数個のゼロクロス検出手段を用いて、異なる相間のゼロクロス信号を検出することが必要であった。特許文献2で提案された技術では、電流アンバランス状態検出手段などの多くの付加回路が必要であった。
そこで本願では、簡易な構成により、相順序の異常を検出する技術を提供することを目的とする
この発明にかかるインバータ基板の第1の態様(100B)は、三相の電源線(1t,1s,1r)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、一対の直流母線(LH,LL)と、前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と、前記第1電流(It)と、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)とに基づいた三相の補償電流(Iu,Iv,Iw)を、所定の対応関係で前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)に供給する並列型のアクティブフィルタ(200B)とを備える。前記電圧検出器(8)が検出する前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)のゼロクロス信号(Xrs)は、前記インバータ(4)の制御及び前記アクティブフィルタ(200B)の制御のいずれにも採用される。
例えば前記アクティブフィルタ(200B)は、連系リアクトル(26)と、前記連系リアクトルを介して前記補償電流を供給する第2のインバータ(21)と、前記LCフィルタ(6)を構成する前記コンデンサ(6)と整合して小容量であって、その支える電圧(Vdc)が前記第2のインバータによって維持されるコンデンサ(22)と、前記第2のインバータを駆動するアクティブフィルタ制御部(27)とを有する。
この発明にかかるインバータ基板(100B)の第2の態様は、その第1の態様であって、前記第1電流(It)は、前記インバータ(4)の制御及び前記アクティブフィルタ(200B)の制御のいずれにも採用される。
この発明にかかる接続順序の判断方法の第1の態様は、インバータ基板(100B)と、三相の電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する方法である。前記インバータ基板は、前記電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、一対の直流母線(LH,LL)と、前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と、前記第1電流(It)と、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)とに基づいた三相の補償電流(Iu,Iv,Iw)を、所定の対応関係で前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)に供給する並列型のアクティブフィルタ(200B)とを備える。前記方法は、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、少なくとも前記第1電流(It)とに基づいて、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線との接続順序を判断する。
この発明にかかる接続順序の判断方法の第2の態様は、インバータ基板(100A,100B)と、三相の電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する方法である。前記インバータ基板は、前記電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、一対の直流母線(LH,LL)と、前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)とを備える。前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、前記第1電流(It)とに基づいて、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線との接続順序を判断する。
この発明にかかる接続順序の判断方法の第3の態様および第4の態様は、インバータ基板(100A,100B)と前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する方法である。前記インバータ基板は、三相の電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、一対の直流母線(LH,LL)と、前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)とを備える。前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、少なくとも前記第1電流(It)とに基づいて、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線との接続順序を判断する。
その第3の態様は、特定時点における前記第1電流(It)と前記第2の入力端(2r)に流れる第2電流(Ir)との大小関係により、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する。前記特定時点は、前記線間電圧(Vrs)が値零を採った時点から前記線間電圧の周期のN/12倍(N=1,5,7,11のいずれか)の時間(td)が経過した時点、または前記相電圧(Vrn)が値零を採る時点である。
その第4の態様は、特定時点における前記第1電流(It)と前記第3の入力端(2s)に流れる第2電流(Is)との大小関係により、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する。前記特定時点は、前記線間電圧(Vrs)が値零を採った時点から前記線間電圧の周期のN/12倍(N=1,5,7,11のいずれか)の時間(td)が経過した時点、または前記相電圧(Vrn)が値零を採る時点もしくは当該時点から前記相電圧の周期のM/12倍(M=2,4,6,8のいずれか)の時間(td)が経過した時点である。
例えば、前記インバータ基板(100A,100B)は、前記第2電流(Ir;Is)を検出する第2の電流検出器(3r)を更に備える。

この発明にかかるインバータ基板の第1の態様によれば、入力端子と入力端との間に対応関係があり、所定の入力端子に対応する入力端に流れる電流を検出するので、入力端子と電源線との接続順序が簡易な構成で検出される。そして入力端子と電源線との接続順序に応じた補償電流が、アクティブフィルタから得られる。また電源が不平衡であっても入力端子と電源線との接続順序を検出しやすい。そして部品点数が削減される。
この発明にかかる接続順序の判断方法によれば、簡易な構成で相順序が判断される。特にその第3の態様及び第4の態様は第1乃至第2の態様よりも正確である。
第1の実施の形態にかかるインバータ基板の構成を示す回路図である。 第1の実施の形態にかかるインバータ基板の構成を示す回路図である。 正相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 逆相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 三相電源が中性点電位をも出力する三相四線型である場合を部分的に示す回路図である。 正相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 逆相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 欠相が発生している場合の諸量を示すグラフである。 第2の実施の形態にかかるインバータ基板の構成を示す回路図である。 正相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 正相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。 ゼロクロス信号生成器の構成を例示する回路図である。 ゼロクロス信号生成器の構成を例示する回路図である。 第1の実施の形態に対する比較例を示す回路図である。
第1の実施の形態.
<構成>
図1は第1の実施の形態にかかるインバータ基板100Aの構成及びインバータ基板100Aと接続される他の構成要素との接続関係を示す回路図である。
インバータ基板100Aは、一対の直流母線LH,LLと、整流回路2と、インバータ4とを有している。
インバータ基板100Aは、三相の電源線1r,1s,1tを介して三相電源1に接続される。具体的には、インバータ基板100Aは入力接続部5を更に有しており、これを介してインバータ4は三相の電源線1r,1s,1tに接続される。電源線1r,1s,1tには、それぞれ三相電源1が出力する三相の交流電圧Vr,Vs,Vtが印加される。以下では便宜上、交流電圧Vrは交流電圧Vsよりも120度で進相し、交流電圧Vsは交流電圧Vtよりも120度で進相する場合について説明する。
整流回路2は三個の入力端2r,2s,2tを有し、交流電圧Vr,Vs,Vtを整流して得る直流電圧を直流母線LH,LLに印加する。直流母線LHは直流母線LLよりも高電位となる。整流回路2は例えばダイオードブリッジで実現される。
インバータ4は当該直流電圧を他の交流電圧Vu,Vv,Vwに変換して出力する。例えばインバータ4は交流電圧Vu,Vv,Vwをインバータ基板100Aに接続されるモータ9へと印加する。
入力接続部5は三個の入力端子5r,5s,5tを有し、これらに三相の電源線1r,1s,1tが接続される。入力端子5r,5s,5tはそれぞれ入力端2r,2s,2tと対応し、入力端子5r,5s,5tはそれぞれ入力端2r,2s,2tに接続される。
入力接続部5には、アクティブフィルタ200Aが有する出力接続部25も接続される。具体的には出力接続部25は三個の出力端子25r,25s,25tを有しており、これらはそれぞれ入力端子5r,5s,5tに接続される。三相の補償電流Iu,Iv,Iwは、出力端子25r,25s,25tを介して、それぞれ対応する(つまり所定の対応関係にある)入力端子5r,5s,5tに供給される。
インバータ基板100Aでは交流電圧Vr,Vs,Vtを、直流電圧に一旦変換してから交流電圧Vu,Vv,Vwに変換する。よってインバータ基板100Aの機能それ自身において相順序は不問となる。換言すれば必ずしも入力端子5r,5s,5tが、この順でそれぞれが電源線1r,1s,1tに接続される必要はない。
但し後のアクティブフィルタの動作を説明する便宜上、入力端子5r,5s,5tが、この順で電源線1r,1s,1tにそれぞれ接続される場合を正相接続と称し、入力端子5r,5s,5tが、この順で電源線1r,1t,1sにそれぞれ接続される場合を逆相接続と称する。図1では正相接続されている場合が図示されている。図2は入力端子5r,5s,5tが、この順で電源線1r,1t,1sにそれぞれ接続される場合を部分的に図示する回路図である。図2において省略されている部分は図1の部分と同一である。
なお、入力端子5r,5s,5tが、この順でそれぞれが電源線1s,1t,1rに接続される場合、あるいはこの順でそれぞれが電源線1t,1r,1sに接続される場合もあり得る。しかしながら、三相電圧においてはこのような二つの場合においても上述の正相接続の場合と同様に扱えるので、これら二つの場合についての説明は省略する。
同様に、入力端子5r,5s,5tが、この順でそれぞれが電源線1s,1r,1tに接続される場合、あるいはこの順でそれぞれが電源線1t,1s,1rに接続される場合もあり得る。しかしながら、三相電圧においてはこのような二つの場合においても上述の逆相接続の場合と同様に扱えるので、これら二つの場合についての説明は省略する。
インバータ基板100Aは更に、直流母線LH,LLに設けられる平滑フィルタ6を有している。平滑フィルタ6は例えばチョークインプット型のLCフィルタであり、インダクタL6とコンデンサC6とを有して構成される。平滑フィルタ6は整流回路2が直流母線LH,LLに印加する直流電圧を平滑化し、平滑化された直流電圧をインバータ4に入力する。
インバータ基板100Aは更に、インバータ4の動作を制御するインバータ制御部7を有する。例えばインバータ4では、各々が上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを有する三本の電流経路同士が直流母線LH,LL間に並列に接続されている。インバータ制御部7は三対の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の開閉を制御する駆動信号Giをインバータ4に与える。
これら整流回路2,平滑フィルタ6、インバータ4、インバータ制御部7の構成及び相互間の接続関係等は、例えば特許文献3で公知であるので、ここではこれ以上の詳細な説明を省略する。
インバータ基板100Aは更に、電圧検出器8と電流検出器3tとを有する。電圧検出器8は入力端子5r,5s間の線間電圧Vrsを検出する。より具体的には線間電圧Vrsは入力端子5sの電位を基準とした入力端子5rの電圧である。電流検出器3tは入力端2tにおいて流れる負荷電流Itを検出する。
かかる電圧検出器8と電流検出器3tの構成自体は、周知の技術で実現できるので、ここではその説明を省略する。
電圧検出器8が検出する対象は、正相接続及び逆相接続のいずれが生じているかによって異なる。具体的には、正相接続が得られている場合、図1に示されるように、入力端子5r,5sにはそれぞれ電源線1r,1sが接続されるのであるから、交流電圧Vsを基準とした交流電圧Vrの電圧が線間電圧Vrsとして検出される。他方、逆相接続が得られている場合、入力端子5r,5sにはそれぞれ電源線1r,1tが接続されるのであるから、交流電圧Vtを基準とした交流電圧Vrの電圧が線間電圧Vrsとして検出される。
同様にして、電流検出器3tが検出する対象も、正相接続及び逆相接続のいずれが生じているかによって異なる。具体的には、正相接続が得られている場合に負荷電流Itとして検出されるのは、電源線1tから得られる電流を後述する補償電流Iwで補償して得られる電流であり、逆相接続が得られている場合に負荷電流Itとして検出されるのは、電源線1sから得られる電流を補償電流Iwで補償して得られる電流である。
インバータ基板100Aは、入力端2rにおいて流れる負荷電流Irを検出する電流検出器3r、あるいは入力端2sにおいて流れる負荷電流Isを検出する電流検出器を有してもよい。電流検出器が設けられる相は、電圧検出器が設けられる二つの相に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。
アクティブフィルタ200Aは、並列型アクティブフィルタであり、インバータ21とコンデンサ22とを有する。インバータ21は補償電流Iu,Iv,Iwを出力してコンデンサ22が支える電圧を電圧Vdcに維持する。
アクティブフィルタ200Aは、電流検出器23u,23w、電圧検出器24、アクティブフィルタ制御部27をも有している。電流検出器23u,23wはそれぞれ補償電流Iu,Iwを検出する。電圧検出器24は電圧Vdcを検出する。アクティブフィルタ制御部27は駆動信号Gaを出力する。
補償電流Iu,Iv,Iwは、負荷電流Itと線間電圧Vrsとに基づき、駆動信号Gaによるインバータ21の駆動によって得られる。駆動信号Gaは、インバータ基板100Aから得られる線間電圧Vrs、負荷電流It、及び補償電流Iu,Iw(より具体的にはこれらの値:以下同様)に基づいて、あるいは更に負荷電流Irに基づいて生成される。並列型アクティブフィルタにおけるこのような駆動信号Gaの生成それ自体は、周知の技術で実現できるので、ここではその説明を省略する。
アクティブフィルタ200Aは連系リアクトル26をも有する。連系リアクトル26は三相分のリアクトルで実現され、これを介してインバータ21から出力接続部25へ補償電流Iu,Iv,Iwが供給される。
アクティブフィルタ200Aが有する構成要素は、一つの基板に纏めて設けられてもよい。
インバータ制御部7、アクティブフィルタ制御部27のいずれも、これらによって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。
例えばインバータ制御部7、アクティブフィルタ制御部27のいずれも、マイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成することができる。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ(換言すれば手順)を実行する。上記記憶装置は、例えばROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ(EPROM(Erasable Programmable ROM)等)などの各種記憶装置の1つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。
<接続順序の判断>
以下、正相接続及び逆相接続のいずれが生じているかを判断する方法を説明する。かかる判断は、アクティブフィルタ200Aを、三相電源1とインバータ基板100Aとが既に接続されている状況に対して、新たに設置する際にのみ行えばよい。
上述の様に、インバータ基板100Aの動作それ自体は正相接続と逆相接続とでは相違しない。しかしアクティブフィルタ200Aを新たに設置する際、その出力端子25r,25s,25tは、直接には電源線1r,1s,1tに接続されるのではなく、それぞれ入力端子5r,5s,5tに対して接続される。よって入力端子5r,5s,5tが逆相接続をもたらしている場合、出力端子25r,25s,25tは、電源線1r,1t,1sにそれぞれ接続されることになる(図2参照)。
よって正相接続が得られている場合と、逆相接続が得られている場合とでは、補償電流Iu,Iv,Iwの波形は相違する。具体的には、逆相接続が得られている場合の補償電流Iu,Iv,Iwの波形は、それぞれ逆相接続が得られている場合の補償電流Iu,Iw,Ivの波形となるべきである。
アクティブフィルタ200Aは、正相接続が得られている場合であれ、逆相接続が得られている場合であれ、補償電流Iu,Iv,Iwを適切に出力する制御が可能である。具体的には正相接続が得られている場合と逆相接続が得られている場合とで、補償電流Iv,Iwを入れ替えればよい。このような入れ替えは例えば補償電流の位相の遅延によって実現することが特許文献1に開示されている。
従って、一旦、正相接続が得られているか逆相接続が得られているかが判断された後は、それぞれに適した補償電流Iu,Iv,Iwを出力する制御で、アクティブフィルタ200Aが動作する。つまり、かかる判断はアクティブフィルタ200Aを設置した際に一度行うだけで足りる。アクティブフィルタ200Aを設置して出力端子25r,25s,25tと入力端子5r,5s,5tとを接続した後は、当該接続を変更する必要がなく、当該接続が維持されるからである。
正相接続と逆相接続のいずれが得られているかは、線間電圧Vrsもしくは後述する相電圧Vrnと負荷電流Itとに基づいて判断される。以下、具体的な判断方法を、個別に説明する。下記の説明は、三相の対称性からr相、s相、t相を循環的に入れ替えて読み替えても構わない。
(判断方法1)
図3は正相接続が得られている場合の、図4は逆相接続が得られている場合の、それぞれの諸量を示すグラフである。具体的にはここにいう諸量とは、線間電圧Vrs,Vst,Vtr、ゼロクロス信号Xrs、及び負荷電流Ir,Is,Itである。なお相電圧Vrnも図3、図4に併記した。
ゼロクロス信号Xrsは、線間電圧Vrsの符号が負から正へ移る(上昇中の)時点で活性化し、線間電圧Vrsの符号が正から負へ移る(下降中の)時点で非活性化する信号である。理想的にはゼロクロス信号Xrsは線間電圧Vrsが値零を採る時点で活性/非活性する。図3及び図4ではゼロクロス信号Xrsの活性/非活性をそれぞれ値1,0で示している。ゼロクロス信号Xrsは、線間電圧Vrsに基づいて、アクティブフィルタ制御部27で生成することができるし、電圧検出器8において生成してもよい(下記の「変形1.」参照)。
図1に示される様に、電圧検出器8は入力端子5r,5sの間の電圧を測定する。よって線間電圧Vrsは、図3においては交流電圧Vsを基準とした交流電圧Vrの電圧であり、図4においては交流電圧Vtを基準とした交流電圧Vrの電圧である。同様にして図3において線間電圧Vstは交流電圧Vtを基準とした交流電圧Vsの電圧であり、線間電圧Vtrは交流電圧Vrを基準とした交流電圧Vtの電圧である。また図4において線間電圧Vstは交流電圧Vsを基準とした交流電圧Vtの電圧であり、線間電圧Vtrは交流電圧Vrを基準とした交流電圧Vsの電圧である。
つまり、図4における線間電圧Vrs,Vst,Vtrは、図3における線間電圧Vtr,Vst,Vrsに、いずれも値(-1)を乗じて得られる値と一致する。
この動作の説明では線間電圧Vst,Vtrは検出されず、また利用もされないが、上記の線間電圧の関係を理解しやすいように記載している。
補償電流Iu,Iv,Iwの影響を受けるのは電源線1r,1s,1tを流れる電源電流であって、負荷電流Ir,Is,It自体は補償電流Iu,Iv,Iwの影響を受けない。よって図4における負荷電流Ir,Is,Itは、図3における負荷電流Ir,It,Isと一致する。但しいずれの場合も負荷電流Isについては負荷電流Ir,Itから算出することが可能である(∵Ir+Is+It=0)。
正相接続、逆相接続のいずれが得られているかに応じて、線間電圧Vrs、負荷電流Itはそれぞれ上述の通り相違することを利用して、下記の判断を行う。
(i-1)線間電圧Vrsが上昇して値零を採った時点から時間tdが経過した時点における負荷電流Itを検出する。当該時間tdは、線間電圧Vrsの周期の1/12倍、または11/12倍の時間である。上記周期は線間電圧Vrsの経時的変化から容易に計算でき、またこれは三相の交流電圧Vr,Vs,Vtのいずれの周期とも一致する。図3及び図4の各々において上記周期の1/12倍を時間dで示し、td=dである場合を例示した。もちろん、td=11・dに選定することもできる。
(ii-1)上記(i-1)で検出された負荷電流Itが正の第1閾値より大きければ正相接続が得られていると判断する。上記(i-1)で検出された負荷電流Itが負の第2閾値より小さければ逆相接続が得られていると判断する。これは上述のように、逆相接続が得られている場合の負荷電流Itは正相接続が得られている場合の負荷電流Isを検出していることになるからである。
あるいは下記の判断を行う:
(i-2)時間tdとして上記周期の5/12倍(td=5・d)、または7/12倍の時間(td=7・d)を採用し、上記(i-1)と同様に負荷電流Itを検出し;
(ii-2)上記(i-2)で検出された負荷電流Itが正の第1閾値より大きければ逆相接続が得られていると判断する。上記(i-2)で検出された負荷電流Itが負の第2閾値より小さければ正相接続が得られていると判断する。
このようにして判断方法1によれば、簡易な構成により、相順序の異常を検出することができる。
ここで第1閾値や第2閾値としては、それぞれ所定の定数を用いるのみならず、負荷電流Itの平均値をこれらのいずれか一方、あるいは両方に用いてもよい。上記判断や計算はアクティブフィルタ制御部27において周知の技術を用いて実行される。
また、上記(i-1),(i-2)で線間電圧Vrsが値零を採った時点として、ゼロクロス信号Xrsが活性から非活性化した時点(つまり線間電圧Vrsが下降して値零を採った時点)を採用する場合、それぞれ上記(ii-1),(ii-2)の判断結果は逆になる(図3及び図4参照)。
負荷電流Irが検出される場合、下記の判断により、正相接続、逆相接続が判断できる:
線間電圧Vrsが値零を採った(ここではゼロクロス信号Xrsが非活性から活性化した時点)後、時間tdの経過後における負荷電流Irを検出し;
時間tdが上記周期の1/12倍(td=d)であれば、検出された負荷電流Irが正の閾値より大きければ逆相接続が、小さければ正相接続が得られていると判断し;
時間tdが上記周期の5/12倍(td=5・d)であれば、検出された負荷電流Irが正の閾値より大きければ正相接続が、小さければ逆相接続が得られていると判断し;
時間tdが上記周期の7/12倍(td=7・d)であれば、検出された負荷電流Irが負の閾値より大きければ正相接続が、小さければ逆相接続が得られていると判断し;
時間tdが上記周期の11/12倍(td=11・d)であれば、検出された負荷電流Irが負の閾値より大きければ逆相接続が、小さければ正相接続が得られていると判断する。
ゼロクロス信号Xrsが活性から非活性化した時点を採用する場合、上記判断結果は逆になる。同様にして、負荷電流Isが検出される場合にも正相接続と逆相接続のいずれが得られているかが判断される。
以上のことから、特定時点における負荷電流を検出し、その値を少なくとも一つの閾値と比較することで、正相接続と逆相接続のいずれが得られているかが判断できる。
さて線間電圧Vrs,Vst,Vtrは、正相接続、逆相接続のいずれにおいても、相互に周期が等しく、かつその周期の4/12倍の時間で位相がずれている。またこれらの周期の1/12,5/12倍の時間同士の間、当該周期の7/12,11/12倍の時間同士の間は、いずれも当該周期の4/12倍の時間の整数倍で相違する。
よって、線間電圧Vrsが値零を採った時点から、その周期の1/12,5/12,7/12,11/12倍の時間が経過した時点は、線間電圧Vstが値零を採った時点から、その周期の1/12,5/12,7/12,11/12倍の時間が経過した時点のいずれかであり、かつ、線間電圧Vtrが値零を採った時点から、その周期の1/12,5/12,7/12,11/12倍の時間が経過した時点のいずれかである。
よって上述の特定時点とは、いずれかの二相間の線間電圧が値零を採った時点から、線間電圧の周期のN/12倍の時間(但しN=1,5,7,11のいずれか)が経過した時点であると言える。
図5は、三相電源1が中性点電位Vnをも出力する三相四線型である場合を部分的に示す回路図である。図5において省略されている部分は図1の部分と同一である。入力接続部5は中性点電位Vnを受ける中性点入力端子5nを更に有し、電圧検出器8は中性点入力端子5nを基準とした交流電圧Vrとして相電圧Vrnを測定する。
正相接続されている場合には、相電圧Vrnが負から正へ向かう際(上昇中)に零を採る時点は、線間電圧Vrsが負から正へ向かう際(上昇中)に零を採る時点よりも、上記周期の1/12倍の時間dで遅延する。また、逆相接続されている場合には、相電圧Vrnが負から正へ向かう際に零を採る時点は、線間電圧Vrsが負から正へ向かう際に零を採る時点よりも、上記周期の11/12倍の時間11・dで遅延する。よって相電圧Vrnが零を採る時点を基準とした時点において検出される負荷電流を用いて、上記判断と同様にして、正相接続と逆相接続のいずれが得られているかが判断できる。
具体的には、下記の判断を行う:
(i-3)相電圧Vrnが上昇して値零を採った時点における負荷電流Itを検出し;
(ii-3)上記(i-3)で検出された負荷電流Itが正の第1閾値より大きければ正相接続が得られていると判断する。上記(i-3)で検出された負荷電流Itが負の第2閾値より小さければ逆相接続が得られていると判断する。
あるいは下記の判断を行う:
(i-4)相電圧Vrnが上昇して値零を採った時点から時間tdが経過した時点における負荷電流Itを検出する。当該時間tdは、相電圧Vrnの周期の6/12倍の時間(td=6・d)である。上記周期は相電圧Vrnの経時的変化から容易に計算でき、またこれは三相の交流電圧Vr,Vs,Vtのいずれの周期とも一致する。
(ii-4)上記(i-4)で検出された負荷電流Itが正の第1閾値より大きければ逆相接続が得られていると判断する。上記(i-4)で検出された負荷電流Itが負の第2閾値より小さければ正相接続が得られていると判断する。
あるいは下記の判断を行う:
(i-5)時間tdとして上記周期の2/12倍(td=2・d)を採用し、(i-4)と同様に負荷電流Itを検出し;
(ii-5)上記(i-5)で検出された負荷電流Itが負の閾値より大きければ正相接続が得られていると判断する。上記(i-5)で検出された負荷電流Itが当該閾値より小さければ逆相接続が得られていると判断する。
あるいは下記の判断を行う:
(i-6)時間tdとして上記周期の4/12倍(td=4・d)を採用し、上記(i-4)と同様に負荷電流Itを検出し;
(ii-6)上記(i-6)で検出された負荷電流Itが負の閾値より大きければ逆相接続が得られていると判断する。上記(i-6)で検出された負荷電流Itが当該閾値より小さければ正相接続が得られていると判断する。
あるいは下記の判断を行う:
(i-7)時間tdとして上記周期の8/12倍(td=8・d)を採用し、上記(i-4)と同様に負荷電流Itを検出し;
(ii-7)上記(i-7)で検出された負荷電流Itが正の閾値より大きければ逆相接続が得られていると判断する。上記(i-7)で検出された負荷電流Itが当該閾値より小さければ正相接続が得られていると判断する。
あるいは下記の判断を行う:
(i-8)時間tdとして上記周期の10/12倍(td=10・d)を採用し、上記(i-4)と同様に負荷電流Itを検出し;
(ii-8)上記(i-8)で検出された負荷電流Itが正の閾値より大きければ正相接続が得られていると判断する。上記(i-8)で検出された負荷電流Itが当該閾値より小さければ逆相接続が得られていると判断する。
相電圧Vrnが下降して零を採る時点を基準とした場合には、上記(ii-3)~(ii-8)における正相接続、逆相接続の判断結果は逆となる。
以上のことから、相電圧Vrnに基づいて特定時点を決定し,特定時点における負荷電流を検出し、その値を少なくとも一つの閾値と比較することで、正相接続と逆相接続のいずれが得られているかが判断できる。
さて相電圧Vrnと相電圧Vsn,Vtn(不図示)とは、正相接続、逆相接続のいずれにおいても、相互に周期が等しく、かつその周期の4/12倍の時間で位相がずれている。またこれらの周期の2/12,4/12,6/12,8/12,10/12倍の時間は、周期の2/12倍の時間の整数倍で相違する。
よって、相電圧Vrnが値零を採った時点及びその周期の2/12,4/12,6/12,8/12,10/12倍の時間が経過した時点は、相電圧Vsnが値零を採った時点及びその周期の2/12,4/12,6/12,8/12,10/12倍の時間が経過した時点のいずれかであり、かつ、相電圧Vtnが値零を採った時点及びその周期の2/12,4/12,6/12,8/12,10/12倍の時間が経過した時点いずれかである。
よって上述の特定時点とは、いずれかの相電圧が値零を採る時点もしくは当該時点から相電圧の周期のN/12倍の時間(但しN=2,4,6,8,10のいずれか)が経過した時点であると言える。
負荷電流Itそれ自体を測定するのみならず、その平均値や増減を根拠として、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することもできる。
例えば、線間電圧Vrsが上昇して値零を採った時点から時間tdが経過した時点の直後の、時間dの長さの期間(以下「特定期間」)における負荷電流Itの平均値を検出する。ここで(i-1)に類似してtd=d、あるいはtd=11・dに設定する。この場合に当該平均値は、正相接続が得られていれば正となり、逆相接続が得られていれば負となる。(i-2)に類似してtd=5・d、あるいはtd=7・dに設定する。この場合に当該平均値は、正相接続が得られていれば負となり、逆相接続が得られていれば正となる。
線間電圧Vrsが下降して値零を採る時点を基準とすれば、正相接続/逆相接続についてのこれらの判断は反対となる。また線間電圧Vrsが値零を採る時点に代えて、相電圧Vrnが値零を採る時点を採用しても、正相接続/逆相接続について判断できる。
よって上述の特定期間における電流の平均値と、少なくとも一つの閾値との比較によって、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することができる。同様にして、他の線間電圧Vst,Vtrや相電圧Vrnに基づいて特定時点を、ひいては特定期間を設定しても、当該平均値を用いて、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することができる。
あるいは例えば線間電圧Vrsが上昇して値零を採る時点もしくは当該時点から時間td=10・dが経過した時点の直後の、時間dの長さの期間を特定期間として考える。特定期間での負荷電流Itは、正相接続が得られていれば増大し、逆相接続が得られていれば減少する。あるいは例えば線間電圧Vrsが上昇して値零を採る時点から時間td(=4・d,6・dのいずれか)が経過した時点の直後の、時間dの長さの期間を特定期間として考える。特定期間での負荷電流Itは、正相接続が得られていれば減少し、逆相接続が得られていれば増大する。線間電圧Vrsが下降して値零を採る時点を基準とすれば、正相接続/逆相接続についてのこれらの判断は反対となる。
よって上述の特定期間における電流の増減によって、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することができる。同様にして、他の線間電圧Vst,Vtrや相電圧Vrnに基づいて特定時点を、ひいては特定期間を設定しても、当該増減を用いて、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することができる。
(判断方法2)
負荷電流Itのみならず負荷電流Irも検出される場合、下記の判断により、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかが判断される。
(iii)線間電圧Vrsが値零を採った時点(ここではゼロクロス信号Xrsが非活性から活性化した時点)から、時間tdが経過した時点(特定時点)における負荷電流Ir,Itを検出し、負荷電流Is=-It-Irとして求める。
(iv)上記(iii)で検出、計算された負荷電流Ir,Is,Itの大小関係を判定する。(iii)においてtd=dに設定されており、It>Ir>Isであれば正相接続が得られていると判断する。Ir>Is>Itであれば逆相接続が得られていると判断する。
このようにして判断方法2によれば、簡易な構成により、相順序の異常を検出することができる。しかも負荷電流Itの極性に依拠する判断方法1では正確な判断を行うために種々の閾値の適切な設定が望ましいのに対し、負荷電流Ir,It,Isの大小関係に依拠する判断方法2の方が判断が正確となる。
上述の様に図4における負荷電流Ir,Is,Itは、図3における負荷電流Ir,It,Isとそれぞれ一致するが、(iii)の検出を行う時点が線間電圧Vrsに依存しているので、逆相接続が得られている場合の負荷電流同士の大小関係は上述のようになる。もちろん、負荷電流Isを計算することなく、負荷電流It,Irの大小関係だけで、上記不等式にもとづいて、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断することができる。
あるいは負荷電流Irを直接には検出せず、負荷電流Itの位相をずらして推定し、負荷電流It,Irの大小関係だけで、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断してもよい。上記判断や計算はアクティブフィルタ制御部27において周知の技術を用いて実行される。
上記(iii)で線間電圧Vrsが値零を採った時点として、ゼロクロス信号Xrsが活性から非活性化した時点を採用する場合、上記(iv)の判断結果は逆になる(図3及び図4参照)。
判断方法2においても判断方法1と同様に、時間tdが上記周期のN/12倍(N=1,5,7,11のいずれか)であれば、上記のタイミングで検出される負荷電流の大小関係から、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかが判断される。
あるいは相電圧Vrnが値零を採った時点で検出される負荷電流It,Irの大小関係に基づいて、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかが判断されてもよい。
相電圧Vrnに対応する相とは異なる二相の負荷電流Is,Itが検出あるいは計算される場合、下記の判断により、正相接続、逆相接続のいずれが得られているかが判断される。
(iv-1)特定時点として、相電圧Vrnが上昇して値零を採る時点、あるいは当該時点から相電圧の周期の2/12,10/12倍の時間tdが経過した時点が採用される場合、It>Isであれば正相接続が得られていると判断する。Is>Itであれば逆相接続が得られていると判断する。
(iv-2)特定時点として、相電圧Vrnが上昇して値零を採る時点から相電圧の周期の4/12,6/12,8/12倍の時間tdが経過した時点が採用される場合、It>Isであれば逆相接続が得られていると判断する。Is>Itであれば正相接続が得られていると判断する。
特定時点として、相電圧Vrnが下降して値零を採る時点を基準にすれば、上記(iv-1),(iv-2)の判断結果は逆になる。
(判断方法3)
図6は正相接続が得られている場合の、図7は逆相接続が得られている場合の、それぞれの諸量を示すグラフである。具体的にはここにいう諸量とは、線間電圧Vrs,Vst,Vtr、負荷電流Ir,Is,It、d軸電流候補Id及びその直流成分(電源周波数成分)Id0、及びq軸電流候補Iq及びその直流成分(電源周波数成分)Iq0である。
一般にはd軸電流及びq軸電流は、負荷電流の交流電圧Vr,Vs,Vtの周期的変動と同期する電流成分である。q軸電流はd軸電流に対して位相が直交する電流成分である。この実施の形態ではd軸電流候補Idは、例えば下記のようにしてアクティブフィルタ制御部27において周知の技術を用いて求められる。
(v)線間電圧Vrs(あるいは相電圧のいずれか)から交流電圧Vr,Vs,Vtのいずれかの位相Φの推定値Φ^を得る;
(vi)推定値Φ^に基づいて負荷電流Ir,Is,Itを三相/二相変換することにより、推定値Φ^と同相の電流成分としてd軸電流候補Idを求める。
q軸電流候補Iqはd軸電流候補Idと位相が直交、たとえば90度進相する電流成分として、負荷電流Ir,Is,Itの三相/二相変換から求められる。
推定値Φ^の交流電圧Vr,Vs,Vtに対する定常的な位相差は、d軸電流候補Idを求める際に問題とはならない。d軸電流候補Idは、交流電圧Vr,Vs,Vtの周期的変動と同期するからである。
しかし、推定値Φ^は、線間電圧Vrsを交流電圧Vsを基準とした交流電圧Vrの値として把握して求められる。換言すれば正相接続が得られている場合に、推定値Φ^は位相Φと同期する。しかしながら、逆相接続が得られている場合には、推定値Φ^は位相Φと同期せず、推定値Φ^の進相方向は位相Φの遅相方向となる。
つまり、正相接続が得られている場合には推定値Φ^は位相Φと同期し、推定値Φ^に基づいて得られたd軸電流候補Idも位相Φと同期する。即ち、d軸電流候補Idはd軸電流として正しく求められている。
他方、逆相接続が得られている場合には推定値Φ^は位相Φと同期せず、推定値Φ^に基づいて得られたd軸電流候補Idも位相Φと同期しない。即ち、d軸電流候補Idはd軸電流とは異なる値が求められていることになる。q軸電流候補Iqについても同様である。
整流回路2がダイオードブリッジである場合、回生電流が負荷電流に影響を与えることはない。よってd軸電流は負値を採らない(図6参照)。つまり正相接続が得られている場合、d軸電流候補Idは負値を採らない。これに対して、逆相接続が得られている場合推定値Φ^は位相Φと同期せず、d軸電流候補Idは線間電圧Vrsの半周期中に負値を採る。図7ではd軸電流候補Idが-10(A)に達する場合が例示されている。よって下記判断が採用される。
(vii)線間電圧Vrsの半周期中にd軸電流候補Idの極性(正負)の変動がなければ正相接続が得られていると判断し、当該変動があれば逆相接続が得られていると判断する。
このようにして判断方法3によれば、簡易な構成により、相順序の異常を検出することができる。
(判断方法4)
d軸電流候補Idの極性の変動の検出は、d軸電流候補Idと値零との比較となり、推定値Φ^の計算や、三相/二相変換の計算における誤差の影響も大きい。よってd軸電流候補Idの直流成分Id0を求め、直流成分Id0と所定の閾値とを比較してもよい。つまり下記判断が採用される。
(viii-1)直流成分Id0が正の所定値を超えれば正相接続が得られていると判断し、そうでなければ逆相接続が得られていると判断する。
正相接続が得られている場合を示す図6では直流成分Id0が4(A)程度であるのに対し、逆相接続が得られている場合を示す図7では直流成分Id0が殆ど0(A)であることが示されている。
同様にして、q軸電流候補Iqの直流成分Iq0を求め、直流成分Iq0と所定の閾値とを比較してもよい。正相接続が得られている場合を示す図6では直流成分Iq0が-0.5(A)程度であるのに対し、逆相接続が得られている場合を示す図7では直流成分Iq0が殆ど0(A)であることが示されている。よって下記判断が採用される。
(viii-2)直流成分Iq0が負の所定値を超えれば逆相接続が得られていると判断し、そうでなければ正相接続が得られていると判断する。
このようにして判断方法4によれば、簡易な構成により、相順序の異常を検出することができる。しかも極性の判断に依拠する判断方法3よりも、判断の閾値を設定しやすい。換言すれば判断方法4の方が判断方法3よりも簡易に正確な判断が行える。
d軸電流候補Idやその直流成分Id0、q軸電流候補Iqやその直流成分Iq0を求めること、及び上記の判断はアクティブフィルタ制御部27において周知の技術を用いて実行される。
<第1の実施の形態の利点>
上記の判断方法1~4はいずれも、インバータ基板100Aにおいて、
(a)入力端子5tに接続された入力端2tに流れる負荷電流Itを電流検出器3tが検出し(及び/又は入力端子5rに接続された入力端2rに流れる負荷電流Irを電流検出器3rが検出し)、
(b)電圧検出器8が、入力端子5sの電位を基準とした入力端子5rの電圧として線間電圧Vrsを(あるいは中性点入力端子5nの電位を基準とした入力端子5rの電圧として相電圧Vrnを)検出し、
(c)負荷電流It(及び/又は負荷電流Ir)及び線間電圧Vrs(あるいは相電圧Vrn)の検出値をアクティブフィルタ制御部27が得ることを想定している。
図14は第1の実施の形態に対する比較例を示す回路図である。図14において、インバータ基板100Cは第1の実施の形態のインバータ基板100Aから電流検出器3t,3r及び電圧検出器8を除去した構成を有している。また、アクティブフィルタ200Cは第1の実施の形態のアクティブフィルタ200Aに対して、電圧検出器28,29を追加した構成を有している。電圧検出器28,29は互いに、異なる線間電圧を検出する。
図14ではアクティブフィルタ200Cの出力端子25r,25s,25tは、それぞれ電源線1r,1s,1tに接続される。またインバータ基板100Cの入力端子5r,5s,5tも、それぞれ電源線1r,1s,1tに接続される。つまり図14では正相接続が得られている場合が示されている。電源線1r,1tにはそれぞれ電流検出器23r,23tが設けられており、入力端子5r,5s,5tへ流入する負荷電流の二相分が検出される。このような構成は例えば特許文献1で公知である。
しかしながら、電源線1r,1s,1tに対して既にインバータ基板100Cが接続されている状況に対して、後からアクティブフィルタ200Cを接続する場合、電源線1r,1s,1tに対する出力端子25r,25s,25tの接続が正しく行われても、電流検出器23r,23tが電源線1r,1tに対して正しく設けられないという過誤があり得る。換言すれば、アクティブフィルタ200Cを現地で設置する場合、電流検出器23r,23tと電圧検出器28,29とでは、電源線1r,1s,1tに対する電気的な配置関係が整合しない過誤があり得る。
このような場合、正相接続と逆相接続のいずれが得られているかをアクティブフィルタ制御部27が判断するに際し、上述の様に二つの異なる線間電圧を要する。即ち二つの電圧検出器28,29が必要となる。またその判断処理も煩雑である。
これに対して第1の実施の形態では、入力端子5r,5s,5tと、入力端2r,2s,2tと、電圧検出器8と、電流検出器3t(あるいは更に電流検出器3r)との接続関係がインバータ基板100Aの内部で固定されている。よってアクティブフィルタ200Aが新たに接続されても、電圧検出器8と電流検出器3tとの電源線1r,1s,1tに対する電気的な配置関係は、整合したままとなる。
従って図14に示された比較例よりも、第1の実施の形態の方が、判断方法1~4のように、従来の技術(例えば特許文献1、2で紹介された技術)よりも簡易な構成により、相順序の異常が検出される。
<欠相判断>
第1の実施の形態において、電源線1r,1s,1tにおける欠相を判断することもできる。図8は、電源線1tが地絡して欠相が発生している場合の諸量を示すグラフである。具体的にはここにいう諸量とは、線間電圧Vrs,Vst,Vtr及びゼロクロス信号Xrs、並びに負荷電流Ir,Is,Itである。上記欠相のためVst=Vtr=(-1/2)・Vrsの関係がある。
このような場合、線間電圧Vrsが値零を採った時点(ゼロクロス信号Xrsが非活性から活性化した時点であっても、活性から非活性化した時点であっても)から、交流電圧Vr,Vs,Vtの周期のN/12(N=1,5,7,11のいずれか)の時間td(図8ではtd=dの場合が例示されている)が経過した時点における負荷電流Itを検出し、負荷電流Itの大きさ(絶対値)が所定値よりも小さいことにより、入力端子5tにおいて欠相が生じていると判断できる。逆に当該大きさが当該所定値以上であることで、欠相が存在していないと判断できる。よって入力端子5tにおける欠相の有無が判断される。
かかる判断は正相接続が得られているか逆相接続が得られているかを問わない。欠相が生じていれば、この時点において負荷電流Ir,Is,Itは全て理想的には零となっているからである。
同様にして、相電圧Vrnに基づいて設定した特定時点における負荷電流Itを検出しても、同様に欠相の有無が判断される。当該特定時点は、相電圧Vrnが値零を採る時点(上昇して値零を採る時点でも、下降して値零を採る時点でも)である。
なお、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかを判断する場合とは異なり、欠相の有無を判断する処理は、アクティブフィルタ200Aの運転を開始する度に行うことが望ましい。アクティブフィルタ200Aの設置後において接続関係は変更されないのに対し、欠相は電源系統や設備の不具合によって、設置後においても発生する可能性がある。アクティブフィルタ200Aの運転を開始する度に欠相判断を行うことで、アクティブフィルタ200A、ひいてはインバータ基板100Aの異常な動作を回避することが望ましい。
なお、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかが既知であれば、欠相判断を行えるタイミングは更に増える。具体的には、正相接続が得られている場合には、図3を参照して、相電圧Vrnが値零を採る時点もしくは当該時点から時間td(=4・d、6・d、10・dのいずれか)が経過した時点での負荷電流Itの絶対値が当該所定値より小さければ入力端子5tにおいて欠相が発生していると判断できる。当該絶対値が当該所定値以上であれば入力端子5tにおいて欠相が発生していないと判断できる。逆相接続が得られている場合には、図4を参照して、相電圧Vrnが値零を採る時点もしくは当該時点から時間td(=2・d、6・d,8・dのいずれか)が経過した時点での負荷電流Itの絶対値が当該所定値より小さければ入力端子5tにおいて欠相が発生していると判断できる。当該絶対値が当該所定値以上であれば入力端子5tにおいて欠相が発生していないと判断できる。
第2の実施の形態.
<構成>
第1の実施の形態で示されたインバータ基板100Cに対して、アクティブフィルタを搭載することもできる。これは、平滑フィルタ6が有するコンデンサC6から平滑機能を省略した、いわゆる電解コンデンサレスインバータに適している。電解コンデンサレスインバータではコンデンサC6はインバータ4のスイッチングノイズの除去を担えば足り、よって小さな静電容量で足りる。これにより平滑フィルタ6から電解コンデンサを排除することができる。
電解コンデンサレスインバータでは、直流母線LH,LLに与えられる直流電圧が、電源電圧の整数倍で変動することを前提として制御される。よってアクティブフィルタを電解コンデンサレスインバータに適用した場合、第1の実施の形態に即して言えば、インバータ制御部7には三相の交流電圧Vr,Vs,Vtの位相についての情報が必要となる。
そこで本実施の形態では、線間電圧Vrs(の値についての情報)をアクティブフィルタ制御部27に与えるのみならず、インバータ制御部7にも与えることにより、コンデンサC6を小さくする場合の、インバータ基板について説明する。
図9は、第2の実施の形態にかかるインバータ基板100Bの構成及びインバータ基板100Bと接続される他の構成要素との接続関係を示す回路図である。
インバータ基板100Bは、第1の実施の形態で説明されたインバータ基板100Aに追加して、アクティブフィルタ200Bを備えた構成を有している。但しコンデンサC6は電解コンデンサではないことを示すため、その表記には通常のコンデンサの記号が採用されている。
アクティブフィルタ200Bは、第1の実施の形態で説明されたアクティブフィルタ200Aから出力接続部25を省略した構成を有している。但し、コンデンサ22はコンデンサC6と整合して小容量であり、通常のコンデンサの記号で示されている。
連系リアクトル26のインバータ21と反対側の端は、入力接続部5と整流回路2との間において接続される。これにより補償電流Iuは入力端子5rと入力端2rとを接続する配線に供給され、補償電流Ivは入力端子5sと入力端2sとを接続する配線に供給され、補償電流Iwは入力端子5tと入力端2tとを接続する配線に供給される。
但し、電流検出器3tに対して入力端子5tに近い側(入力端2tよりも遠い側)に、電流検出器3rが設けられる場合には電流検出器3rに対して入力端子5rに近い側(入力端2rよりも遠い側)に、連系リアクトル26が接続される。これは電流検出器3tが負荷電流Itを、あるいは更に電流検出器3rが負荷電流Irを、それぞれ検出するための接続関係である。
あるいは、連系リアクトル26はインバータ基板100B内で入力接続部5に接続されてもよい。
インバータ制御部7は線間電圧Vrsにも基づいて駆動信号Giを生成する。かかる生成については周知の電解コンデンサレスインバータの手法で実現できるので、ここではその詳細を省略する。
インバータ基板100Bは、第1の実施の形態におけるインバータ基板100Aとアクティブフィルタ200Aとの接続関係を維持しているので、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかについても、欠相についても、第1の実施の形態と同様にして判断できる。
但し、三相電源1に不平衡が発生している場合には、第1の実施の形態と比較して第2の実施の形態では判断が正確になる利点がある。より具体的にいえば、アクティブフィルタ200Bがインバータ基板100Bに設けられているか、個別に設けられているかによらず、コンデンサC6を小さくして電解コンデンサレスインバータが構築されていれば、正相接続及び逆相接続のいずれが得られているかについての判断が、後述するように正確となる。
<動作>
以下、第1の実施の形態との比較によって本実施の形態での利点を説明する。図10及び図11はいずれも正相接続が得られている場合の諸量を示すグラフである。具体的にはここにいう諸量とは、線間電圧Vrs,Vst,Vtr及び相電圧Vrn、ゼロクロス信号Xrs、並びに負荷電流Ir,Is,Itである。いずれの図においてもtd=dの場合を示した。
但し、グラフからは明確ではないが、図10及び図11のいずれにおいても、線間電圧Vrs,Vst,Vtrは図3で示された波形から歪んでいる。具体的にはここでは三相の交流電圧Vr,Vs,Vtがそれぞれ+3%,0%,-3%で不平衡となっている場合の、線間電圧Vrs,Vst,Vtrを例示した。
図10及び図11は、それぞれコンデンサC6が2000μF,20μFの場合について示している。図10では交流電圧Vr,Vs,Vtの不平衡に起因して、負荷電流Itを検出する特定時点においては負荷電流Ir,Is,Itのいずれの大きさ(絶対値)もが顕著に小さくなっている。これでは判断方法1による判断が困難となり、正確な判断を行うには電流検出器3r,3tの両方を必要とする判断方法2を採用することとなる。
これに対して図11では、負荷電流Ir,Is,Itのいずれの大きさもが交流電圧Vr,Vs,Vtの周期の6倍で大きく変動するものの、交流電圧Vr,Vs,Vtの不平衡があっても顕著に小さくなることがない。よって負荷電流Itを検出する特定時点において、負荷電流Itの極性を判断しやすく、ひいては正相接続、逆相接続のいずれが得られているかを判断しやすい。これは電流検出器3rを不要とする判断方法1を採用できる観点でも望ましい。
なお、このような電源不平衡への耐性は、電解コンデンサレスインバータと称される手法に限定されない。電源電圧の一周期において整流電圧が6倍周期で変動する、いわゆる6パルス整流(120度通電)が実現されれば、上記効果が得られる。例えば整流回路2を全波整流用のダイオードブリッジで構成し、コンデンサC6の静電容量を小さくすれば6パルス整流が実現される。インバータ4における効率を無視するならば、駆動信号Giはインバータ4に入力する整流電圧の変動を考慮せずに生成してもよい。
もちろん、電解コンデンサレスインバータを構築しない場合であっても、インバータ制御部7に線間電圧Vrsを与えること無く、アクティブフィルタ200Bをインバータ基板100Bに備えることができる。
変形1.
第2の実施の形態では、線間電圧Vrsをアクティブフィルタ制御部27のみならず、インバータ制御部7でも利用する場合を例示した。この場合、一つの電圧検出器8が、アクティブフィルタ制御部27にゼロクロス信号Xrsを与える機能と、インバータ制御部7にゼロクロス信号Xrsを与える機能とを兼務することができる。
図12はゼロクロス信号生成器8Aの構成を例示する回路図である。ゼロクロス信号生成器8Aは電圧検出器8として採用することができる。
ゼロクロス信号生成器8Aは、ダイオード801,802、抵抗803,804,805,806、電圧電流変換回路807,808、絶縁部809,810、電圧出力回路811,812を備える。
例えば電圧電流変換回路807,808はダイオードと抵抗とコンデンサの並列接続で構成される。例えば絶縁部809,810にはフォトカプラを採用できる。例えば電圧出力回路811は、インバータ制御部7の動作電源Vci及び接地Eiの間で直列に接続される抵抗とコンデンサとで構成できる。例えば電圧出力回路812は、アクティブフィルタ制御部27の動作電源Vca及び接地Eaの間で直列に接続される抵抗とコンデンサとで構成できる。
ダイオード801、抵抗803,804及び電圧電流変換回路807は入力端2r,2sの間(あるいは入力端子5r,5sの間)に直列に接続される。電圧電流変換回路807は、線間電圧Vrsからダイオード801で整流され、抵抗803,804で分圧された直流電圧を受け、これに依存した電流を絶縁部809の入力側に流す。絶縁部809は、その入力側に流れる電流に基づいた電流を、入力側と電気的に絶縁して出力側に流す。閾値以上の電流が絶縁部809の入力側に流れると、絶縁部809の出力側のトランジスタがオンする。これにより電圧出力回路811は動作電源Vciの電圧を出力する。当該トランジスタがオフすれば、コンデンサが充電され、電圧出力回路811からは接地Eiの電位が出力される。これにより線間電圧Vrsの極性(正負)に応じたゼロクロス信号Xrsが得られる。具体的には動作電源Vciの電圧と接地Eiの電位とが、インバータ制御部7の動作において、ゼロクロス信号Xrsとして供せられる。
電圧電流変換回路808は、線間電圧Vrsからダイオード802で整流され、抵抗805,806で分圧された直流電圧を受け、これに依存した電流を絶縁部810の入力側に流す。絶縁部810は、その入力側に流れる電流に基づいた電流を、入力側と電気的に絶縁して出力側に流す。閾値以上の電流が絶縁部810の入力側に流れると、絶縁部810の出力側のトランジスタがオンする。これにより電圧出力回路812は動作電源Vcaの電圧を出力する。当該トランジスタがオフすれば、コンデンサが充電され、電圧出力回路812からは接地Eaの電位が出力される。これにより線間電圧Vrsの極性(正負)に応じたゼロクロス信号Xrsが得られる。具体的には動作電源Vcaの電圧と接地Eaの電位とが、アクティブフィルタ制御部27の動作において、ゼロクロス信号Xrsとして供せられる。
第2の実施の形態のみならず、第1の実施の形態でも、インバータ制御部7がゼロクロス信号Xrsを必要とする場合、ゼロクロス信号生成器8Aを採用することができる。
このようにゼロクロス信号生成器8Aは単独で、インバータ制御部7にもアクティブフィルタ制御部27にゼロクロス信号Xrsを与えることができる。
つまり電圧検出器8として採用されるゼロクロス信号生成器8Aが生成するゼロクロス信号Xrsは、インバータ4の制御及びアクティブフィルタ200Bのいずれの制御にも採用される。これは部品点数の削減という観点で望ましい。
図13はゼロクロス信号生成器8Bの構成を例示する回路図である。ゼロクロス信号生成器8Bも電圧検出器8として採用することができる。
ゼロクロス信号生成器8Bは、ゼロクロス信号生成器8Aからダイオード802と抵抗804,805を除去し、電圧電流変換回路807,808を抵抗803,806の間で直列に接続した構成を有している。
ゼロクロス信号生成器8Aにおいてダイオード801,802及び抵抗803,804,805,806には大きな電圧が印加されるので、いわゆる強電用部品が必要となる。これらの強電用部品はコスト、形状のいずれも大きい。
他方、ゼロクロス信号生成器8Bにおいては、ダイオード801と抵抗803,806がそれぞれゼロクロス信号生成器8Aのダイオード802と抵抗804,805の機能を兼務する。よって強電用部品が削減される観点で、ゼロクロス信号生成器8Bはゼロクロス信号生成器8Aよりも望ましい。
変形2.
上述の実施の形態では、いずれもインバータ制御部7が負荷電流Ir,Is,Itについての情報を用いる場合についての説明を省略している。インバータ制御部7が負荷電流Ir,Is,Itについての情報を用いる場合には、電流検出器3t,3rが検出する負荷電流It,Irを利用することで、インバータ制御部7用に新たな電流検出器を設ける必要は無い。
つまり電流検出器3tが検出する負荷電流Itは、インバータ4の制御及びアクティブフィルタ200Bのいずれの制御にも採用される。これも部品点数の削減という観点で望ましい。
上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。
1r,1s,1t 電源線
2 整流回路
2r,2s,2t 入力端
3r,3t 電流検出器
4 インバータ
5r,5s,5t 入力端子
8 電圧検出器
8A,8B ゼロクロス信号生成器
100A,100B インバータ基板
200B アクティブフィルタ
Id d軸電流候補
Id0,Iq0 直流成分
Iq q軸電流候補
Ir,Is,It 負荷電流
Iu,Iv,Iw 補償電流
LH,LL 直流母線
Vr,Vs,Vt 交流電圧
Vrn 相電圧
Vrs,Vst,Vtr 線間電圧
td,d 時間
Xrs ゼロクロス信号
Φ 位相
Φ^ (位相の)推定値

Claims (5)

  1. インバータ基板(100B)と、三相の電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断する方法であって、
    前記インバータ基板は、
    前記電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、
    一対の直流母線(LH,LL)と、
    前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、
    前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、
    前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、
    前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、
    前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と、
    前記第1電流(It)と、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)とに基づいた三相の補償電流(Iu,Iv,Iw)を、所定の対応関係で前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)に供給する並列型のアクティブフィルタ(200B)と
    を備え、
    前記方法は、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、少なくとも前記第1電流(It)とに基づいて、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線との接続順序を判断する、接続順序の判断方法。
  2. 三相の電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、
    一対の直流母線(LH,LL)と、
    前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、
    前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、
    前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、
    前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と
    を備えるインバータ基板(100A,100B)と、前記電源線(1t、1r、1s)との接続順序を判断する方法であって、
    前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、前記第1電流(It)とに基づいて、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線との接続順序を判断する、接続順序の判断方法。
  3. 三相の電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、
    一対の直流母線(LH,LL)と、
    前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、
    前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、
    前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、
    前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、
    前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と
    を備えるインバータ基板(100A,100B)と、前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、少なくとも前記第1電流(It)とに基づいて判断する方法であって、
    特定時点における前記第1電流(It)と前記第2の入力端(2r)に流れる第2電流(Ir)との大小関係により、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断し、
    前記特定時点は、
    前記線間電圧(Vrs)が値零を採った時点から前記線間電圧の周期のN/12倍(N=1,5,7,11)の時間(td)が経過した時点、または
    前記相電圧(Vrn)が値零を採る時点
    である、接続順序の判断方法。
  4. 三相の電源線(1t,1r,1s)に接続され、前記電源線から三相の交流電圧(Vt,Vr,Vs)が印加される第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と、
    一対の直流母線(LH,LL)と、
    前記第1乃至第3の入力端子にそれぞれ対応する第1乃至第3の入力端(2t,2r,2s)を有し、前記交流電圧を整流して前記一対の直流母線に直流電圧を印加する整流回路(2)と、
    前記一対の直流母線(LH,LL)に設けられ、チョークインプット型のLCフィルタ(6)を構成するインダクタ(L6)、および前記直流電圧を平滑する機能を省略する程に静電容量が小さいコンデンサ(C6)と、
    前記第1の入力端(2t)において流れる第1電流(It)を検出する第1の電流検出器(3t)と、
    前記第1乃至第3の入力端子の一対(5r,5s)同士の間の線間電圧(Vrs)もしくは前記第2の入力端子(5r)に印加される一の前記交流電圧の相電圧(Vrn)を検出する電圧検出器(8)と、
    前記直流電圧を他の交流電圧(Vu,Vv,Vw)に変換して出力するインバータ(4)と、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御部(7)と
    を備えるインバータ基板(100A,100B)と、前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を、前記線間電圧(Vrs)もしくは前記相電圧(Vrn)と、少なくとも前記第1電流(It)とに基づいて判断する方法であって、
    特定時点における前記第1電流(It)と前記第3の入力端(2s)に流れる第2電流(Is)との大小関係により、前記第1乃至第3の入力端子(5t,5r,5s)と前記電源線(1t,1r,1s)との接続順序を判断し、
    前記特定時点は、
    前記線間電圧(Vrs)が値零を採った時点から前記線間電圧の周期のN/12倍(N=1,5,7,11のいずれか)の時間(td)が経過した時点、または
    前記相電圧(Vrn)が値零を採る時点もしくは当該時点から前記相電圧の周期のM/12倍(M=2,4,6,8,10のいずれか)の時間(td)が経過した時点
    である、接続順序の判断方法。
  5. 前記インバータ基板(100A,100B)は
    前記第2電流(Ir、Is)を検出する第2の電流検出器(3r)
    を更に備える、請求項または請求項に記載の接続順序の判断方法。
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