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図面 (13)

課題

整流回路平滑コンデンサを備え、3相交流電源とする電力変換装置入力電源欠相を確実に、かつ低コストで検出できる欠相検出方式を提供すること。

解決手段

整流回路2、平滑コンデンサ3、逆変換部4により電圧形インバータ装置を構成し、入力電源に3相交流を用いて誘導電動機5の可変速制御を行う装置において、直流電圧検出回路7を設け、電圧検出量をFFT処理部8に入力してFFTを実施する。その結果から2f、6f成分(f:電源周波数)を抽出し、レベル増減(欠相時には6f成分が減少し、2f成分が増加する)から入力電源の欠相を判定する。

概要

背景

3相交流を入力とする、ダイオードブリッジ整流回路平滑コンデンサを備えた電力変換装置の一例として電圧形インバータ装置がある。これを誘導電動機可変速制御に用いた場合の欠相検出の必要性を説明する。図9は回路図、図10は波形図である。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機である。

正常な場合は、図10(a)に示すように各線には120°区間電流(代表として電流iRを示す)が流れ、また直流電圧Vdcも60°(電源周波数をfとした場合、6f)のリップルを持つ平坦な波形となる。

もしも、整流回路2の入力側のF点に断線が生じてS相欠相の状態になった場合には、残りのR、Tを通じて直流電流idcを逆変換部4へ供給することとなる。この時、線電流(例えば、電流iR)は図10(b)に示すように180°(2f)に一回のみ通流し、直流電圧Vdcのリップル(VPK1)も大となる。

このような欠相状態で正常時と同じ直流電流idcを供給し続けるとすると、これまで6個のダイオード(Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz)を通っていた電流が4個のダイオード(Du,Dw,Dx,Dz)を通ることとなり、電流のピーク値はIPK0からIPK1へと増大し、約1.6倍となる。

通常、ダイオードは3相入力状態を条件に選定しているため、欠相状態ではダイオードは過負荷となり、ピーク値IPK1が繰り返しピーク電流最大値を越えて破損することがある。従って、装置保護上、欠相検出が必要となる。

図11に従来の一例を示す。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機、6はインバータ制御部、10は過電圧あるいは過電流保護などを目的とする保護回路、11は保護回路10の出力と欠相検出信号(後述)の論理和をとるOR回路、12は欠相検出時など保護を必要とする時にOR回路11の出力を受けてインバータゲート信号の供給を停止させるゲート回路、31は入力電圧の状態を検出するための変圧器、32はこの変圧器31の出力に基づいて入力電圧状態を判定する欠相検出回路である。なお、入力電圧の状態を検出するためにフォトカプラ33を設け、その出力に基づいて欠相検出回路32で入力電圧状態を判定する構成としたものもある。

図12に従来の他の例を示す。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機、6はインバータ制御部、7は直流電圧検出回路、10は過電圧あるいは過電流保護などを目的とする他の保護回路、11は保護回路10の出力とリップル検出回路(後述)の出力との論理和をとるOR回路、12は欠相検出時など保護を必要とする時にOR回路11の出力を受けてインバータゲート信号の供給を停止させるゲート回路、34は前記直流電圧検出回路7の検出出力(直流電圧)のリップルを検出するリップル検出回路で、直流電圧のリップルが一定レベル以上増加した場合に欠相と判定する。

概要

整流回路と平滑コンデンサを備え、3相交流を電源とする電力変換装置の入力電源の欠相を確実に、かつ低コストで検出できる欠相検出方式を提供すること。

整流回路2、平滑コンデンサ3、逆変換部4により電圧形インバータ装置を構成し、入力電源に3相交流を用いて誘導電動機5の可変速制御を行う装置において、直流電圧検出回路7を設け、電圧検出量をFFT処理部8に入力してFFTを実施する。その結果から2f、6f成分(f:電源周波数)を抽出し、レベルの増減(欠相時には6f成分が減少し、2f成分が増加する)から入力電源の欠相を判定する。

目的

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、整流平滑波形の周波数分析にFFT(Fast Fourier Transform,高速フーリエ変換)を適用することにより、欠相検出を確実に、かつ低コストで行うことができる欠相検出方式を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
7件

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請求項1

整流回路平滑コンデンサを備え、3相交流を入力とする電力変換装置において、FFT演算機能を実装して、整流平滑波形の周波数分析にFFT演算を実施し、特定周波数成分のレベル増減から入力電源欠相を検出するようにしたことを特徴とする欠相検出方式。

請求項2

直流電圧、整流後の直流電流または平滑後の直流電流を分析対象としたことを特徴とする請求項1に記載の欠相検出方式。

請求項3

整流回路と平滑コンデンサと逆変換部を備え、3相交流を入力とする電力変換装置において、逆変換部の入力電流の周波数分析にFFT演算機能を付加し、逆変換部の出力周波数に比例する周波数成分を抽出してそのレベル増減から出力側の欠相を検出するようにしたことを特徴とする欠相検出方式。

技術分野

0001

本発明は、整流回路平滑コンデンサを備え、3相交流電源とする電力変換装置汎用インバータなど)の入力電源欠相検出に適用する欠相検出方式に関する。

背景技術

0002

3相交流を入力とする、ダイオードブリッジの整流回路と平滑コンデンサを備えた電力変換装置の一例として電圧形インバータ装置がある。これを誘導電動機可変速制御に用いた場合の欠相検出の必要性を説明する。図9回路図、図10波形図である。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機である。

0003

正常な場合は、図10(a)に示すように各線には120°区間電流(代表として電流iRを示す)が流れ、また直流電圧Vdcも60°(電源周波数をfとした場合、6f)のリップルを持つ平坦な波形となる。

0004

もしも、整流回路2の入力側のF点に断線が生じてS相欠相の状態になった場合には、残りのR、Tを通じて直流電流idcを逆変換部4へ供給することとなる。この時、線電流(例えば、電流iR)は図10(b)に示すように180°(2f)に一回のみ通流し、直流電圧Vdcのリップル(VPK1)も大となる。

0005

このような欠相状態で正常時と同じ直流電流idcを供給し続けるとすると、これまで6個のダイオード(Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz)を通っていた電流が4個のダイオード(Du,Dw,Dx,Dz)を通ることとなり、電流のピーク値はIPK0からIPK1へと増大し、約1.6倍となる。

0006

通常、ダイオードは3相入力状態を条件に選定しているため、欠相状態ではダイオードは過負荷となり、ピーク値IPK1が繰り返しピーク電流最大値を越えて破損することがある。従って、装置保護上、欠相検出が必要となる。

0007

図11に従来の一例を示す。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機、6はインバータ制御部、10は過電圧あるいは過電流保護などを目的とする保護回路、11は保護回路10の出力と欠相検出信号(後述)の論理和をとるOR回路、12は欠相検出時など保護を必要とする時にOR回路11の出力を受けてインバータゲート信号の供給を停止させるゲート回路、31は入力電圧の状態を検出するための変圧器、32はこの変圧器31の出力に基づいて入力電圧状態を判定する欠相検出回路である。なお、入力電圧の状態を検出するためにフォトカプラ33を設け、その出力に基づいて欠相検出回路32で入力電圧状態を判定する構成としたものもある。

0008

図12に従来の他の例を示す。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機、6はインバータ制御部、7は直流電圧検出回路、10は過電圧あるいは過電流保護などを目的とする他の保護回路、11は保護回路10の出力とリップル検出回路(後述)の出力との論理和をとるOR回路、12は欠相検出時など保護を必要とする時にOR回路11の出力を受けてインバータゲート信号の供給を停止させるゲート回路、34は前記直流電圧検出回路7の検出出力(直流電圧)のリップルを検出するリップル検出回路で、直流電圧のリップルが一定レベル以上増加した場合に欠相と判定する。

発明が解決しようとする課題

0009

図11に示す例では、変圧器31(あるいはフォトカプラ33)、欠相検出回路32など専用のセンサを必要とするため、コストが高くなる。また、入力電圧の相順などを欠相検出回路32で検出するため、1サイクル程度の極めて短い時間で検出を行うことになり、応答速度上(この種の保護対象では、数秒の応答で十分である)、あるいはノイズなどの外乱誤動作し易く、安定性欠ける。

0010

一方、図12に示す例では、直流電圧のリップルを検出し、そのレベルの増減から欠相を判定しているが、欠相した場合の直流電圧のリップルは、平滑コンデンサ3と負荷電流の関係で一様に定まるものではなく、リップル(VPK)の判定レベルを決定するには熟練を要する。また、直流電圧のリップルは直流出力電流idcの大きさに応じて増減する傾向にあり、検出感度鈍い、といった問題点がある。

0011

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、整流平滑波形の周波数分析FFT(Fast Fourier Transform,高速フーリエ変換)を適用することにより、欠相検出を確実に、かつ低コストで行うことができる欠相検出方式を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

本発明は、整流回路と平滑コンデンサを備え、3相交流を入力とする電力変換装置において、FFT演算機能を実装して、整流・平滑波形の周波数分析にFFT演算を実施し、特定周波数成分、例えば電源周波数fの2倍または6倍の周波数成分2fまたは6fのレベル増減から入力電源の欠相を検出するようにしたことを特徴とする。

0013

本発明は、整流回路と平滑コンデンサを備え、3相交流を入力とする電力変換装置において、直流電圧、整流後の直流電流または平滑後の直流電流の周波数分析にFFT演算機能を付加し、特定周波数成分、例えば電源周波数fの2倍または6倍の周波数成分2fまたは6fのレベル増減から入力電源の欠相を検出するようにしたことを特徴とする。

0014

また本発明は、整流回路と平滑コンデンサと逆変換部を備え、3相交流を入力とする電力変換装置において、逆変換部の入力電流の周波数分析にFFT演算機能を付加し、逆変換部の出力周波数に比例する周波数成分を抽出してそのレベル増減から出力側の欠相を検出するようにしたことを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0015

図1に本発明の実施形態1を示す。図中、1は3相交流電源、2はダイオードブリッジの整流回路、3は平滑コンデンサ、4は逆変換部(例えば、IGBTブリッジ)、5は誘導電動機、6はインバータ制御部、7は直流電圧検出回路、8はこの検出回路7の電圧検出量にFFTを実施するFFT処理部、9は入力電源周波数fに対する2倍の成分2fと6倍の成分6fを抽出し、そのレベルの増減から入力電源の欠相を判定する2f,6f検出部、10は過電圧あるいは過電流保護などを目的とする他の保護回路、11は前記2f,6f検出部9の欠相検出信号と他の保護回路10の出力の論理和をとるOR回路、12は欠相検出時など保護を必要とする時にOR回路11の出力を受けてインバータゲート信号の供給を停止させるゲート回路である。

0016

図2にFFTの入力と出力の関係を示す。(a)はFFT演算、(b)は3相入力(正常)の場合、(c)は欠相の場合である。例えば、サンプル値信号x0〜x127を用い、FFT演算によって出力X0〜X127を求める。この出力から2f,6f成分を抽出する。正常時には、図2(b)のように6f成分が多く検出される。2f成分は6f成分に比較して十分に小さい。欠相時には、図2(c)のように6f成分が減少して2f成分が増加する。この2f,6f成分のレベル増減の関係から欠相を判定する。その判定フロー図3図4に示す。

0017

図3の場合は、Vdcデータサンプルを入力し(ステップS1)、FFT演算を行い(S2)、その結果の2f成分について2f≧LEVEL1か否かを判断する(S3)。2f成分が予め設定された判定値LEVEL1よりも大きい時(Yes時)に欠相と判定する(S4)。Noの時はステップ1に戻る。判定値LEVEL1は、2f成分に現れる外乱やノイズを除去する程度の小さな値であり、電流idcが少ない場合でも従来の他の例(図12)よりも確実に検出できる。

0018

図4の場合は、LEVEL1以上の2f成分の連続検出回数計数する欠相カウンタを設け、より確かな検出を行うようにしたものである。図3と同様に、Vdcデータサンプルを入力し(S11)、FFT演算を行い(S12)、その結果の2f成分について2f≧LEVEL1か否かを判断する(S13)。この判断がYesの場合、欠相カウンタのカウント数を増加させ(S14)、欠相カウンタ≧LEVEL2か否かを判断する(S15)。LEVEL2は回数であって、例えば3回に設定する。Yes時、即ちLEVEL1以上の2f成分が3回以上連続して検出された時には、欠相と判定する(S16)。2f≧LEVEL1の判断(S13)でNoとなった時は欠相カウンタをクリアし(S17)、ステップ11に戻る。欠相カウンタ≧LEVEL2の判断(S15)でNoとなった時も同様にステップ11に戻る。

0019

図5に本発明の実施形態2を示す。この実施形態2では、整流回路2の出力電流iRP(またはiRN)を電流検出器21で検出し、FFT処理部8の入力としている。つまり、電流波形の周波数分析にFFTを適用する。2f,6f検出部9により2f,6f成分を抽出し、そのレベル増減の関係から欠相を判定することは前述の実施形態1と同様であり、同一構成部分(一部省略)に同じ符号を付してその説明は省略する。なお、電流波形は、図6に示すようになる。(a)は正常時、(b)は欠相時である。

0020

図7に本発明の実施形態3を示す。この実施形態3では、逆変換部4の入力電流idc(またはidcN)を電流検出器22で検出し、FFT処理部8の入力としている。つまり、実施形態2と同様に電流波形の周波数分析にFFTを適用する。2f,6f検出部9により2f,6f成分を抽出し、そのレベル増減の関係から欠相を判定することは前述の実施形態1と同様であり、同一構成部分(一部省略)に同じ符号を付してその説明は省略する。

0021

実施形態3の場合は、図8(a)(b)(c)に示すように入力電源周波数fに対する2f,6f成分を検出して入力電源の欠相判定に供するとともに、インバータの出力周波数f´に対する2f´,6f´成分を抽出し、2f´(または6f´)成分のレベル増減から出力の欠相を判定する。図8の(a)は正常時、(b)は入力欠相時、(c)は出力欠相時である。入力欠相時には2f成分が増加(同時に、6f成分が減少)し、出力欠相時には2f´成分が増加する。

発明の効果

0022

以上のように本発明によれば、整流・平滑後の直流電圧または直流電流の周波数成分は正常時と欠相時では明瞭に変化するので、整流・平滑波形の周波数分析にFFTを使うことによって欠相を確実に検出できる。また、直流電圧や直流電流の検出器は他用途のものと共用すればよいので、低コストで実現できる。更に、逆変換部の入力電流を検出することにより、出力側の欠相も検出可能である、といった利点がある。

図面の簡単な説明

0023

図1本発明の実施形態1を示すブロック図。
図2実施形態1のFFTの入出力関係を示すもので、(a)はFFT演算の入出力信号、(b)は3相入力の場合の電圧波形及びスペクトル、(c)は欠相の場合の電圧波形及びスペクトル。
図3実施形態1の欠相判定の一例を示すフロー図。
図4実施形態1の欠相判定の他の例を示すフロー図。
図5本発明の実施形態2を示すブロック図。
図6実施形態2の電流波形を示すもので、(a)は正常時、(b)は欠相時。
図7本発明の実施形態3を示すブロック図。
図8実施形態3の2f,2f´,6f,6f´成分のスペクトルを示すもので、(a)は正常時、(b)は入力欠相時、(c)は出力欠相時。
図9電圧形インバータ装置を用いた誘導電動機の可変速制御装置主回路構成を示す回路図。
図10欠相検出の必要性を説明するための波形図で、(a)は3相入力(正常)の場合、(b)は欠相の場合。
図11従来の一例を示すブロック図。
図12従来の他の例を示すブロック図。

--

0024

1…3相交流電源
2…整流回路
3…平滑コンデンサ
4…逆変換部
5…誘導電動機
6…インバータ制御部
7…直流電圧検出回路
8…FFT処理部
9…2f,6f検出部
10…他の保護回路
11…OR回路
12…ゲート回路
21、22…電流検出器

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