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技術 インバータ装置

出願人 東芝シュネデール・インバータ株式会社
発明者 白井成一
出願日 2016年1月29日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2016-015742
公開日 2017年8月3日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2017-135938
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置
主要キーワード 電流制限抵抗素子 コンデンサ容量値 インバータブリッジ回路 サイリスタ制御 インバータ装置側 主回路コンデンサ 短絡スイッチ スター接続
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年8月3日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

フィルタ回路コンデンサ容量を測定でき、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサ交換を促す手段を有するインバータ装置を提供する。

解決手段

インバータ装置1は、フィルタ回路Fと、整流回路Rec1と、放電用抵抗素子R1と、ダイオードD1と電流制限抵抗素子R2との直列回路及び前記直列回路2に並列に接続される短絡スイッチSW2で構成される初期充電回路2と、この初期充電回路の他端と前記直流出力端子の他方との間に接続される主回路コンデンサC8及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路INV1と、交流電源Pが遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部4とを備える。

概要

背景

インバータ装置電源系に使用されているフィルタ回路において、一般的に使用されているフィルムコンデンサには寿命があり、使用環境によりコンデンサの容量は徐々に低下して行く。したがって、フィルタ回路の性能は、コンデンサの容量低下に伴い劣化する。フィルタ回路の性能劣化に伴い、インバータ装置側から電源ラインに流出するノイズが増加し、インバータ装置と同じ電源系統に接続されている周辺装置に悪影響を及ぼす。そのため、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサの交換を促す手段が必要である。

概要

フィルタ回路のコンデンサ容量を測定でき、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサの交換を促す手段を有するインバータ装置を提供する。インバータ装置1は、フィルタ回路Fと、整流回路Rec1と、放電用抵抗素子R1と、ダイオードD1と電流制限抵抗素子R2との直列回路及び前記直列回路2に並列に接続される短絡スイッチSW2で構成される初期充電回路2と、この初期充電回路の他端と前記直流出力端子の他方との間に接続される主回路コンデンサC8及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路INV1と、交流電源Pが遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部4とを備える。

目的

そこで、システムに組み込まれた状態でもフィルタ回路のコンデンサ容量を測定でき、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサの交換を促す手段を有するインバータ装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続される整流回路と、この整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流出力端子の一方に一端が接続されるダイオード電流制限抵抗素子との直列回路及び前記直列回路に並列に接続される短絡スイッチで構成される初期充電回路と、この初期充電回路の他端と前記直流出力端子の他方との間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備えるインバータ装置

請求項2

交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続され、正側又は負側の一方がスイッチング素子を備えるハーフブリッジ回路で構成される第1整流回路と、この第1整流回路のダイオード側共有して構成される、直流バス主回路電力を供給しない第2整流回路と、この第2整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流バス間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備えるインバータ装置。

請求項3

交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続され、スイッチング素子を備えるフルブリッジ回路で構成される第1整流回路と、前記フィルタ回路の出力側に接続され、直流バスに主回路電力を供給しない第2整流回路と、この第2整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流バス間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備えるインバータ装置。

請求項4

前記整流回路の直流出力端子と前記放電用抵抗素子との間にスイッチを有する請求項1から3の何れか一項に記載のインバータ装置。

請求項5

前記コンデンサ監視部は、前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、求められるコンデンサ容量値が閾値を下回ると異常通報処理を行う請求項1から4の何れか一項に記載のインバータ装置。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路を有するインバータ装置に関する。

背景技術

0002

インバータ装置の電源系に使用されているフィルタ回路において、一般的に使用されているフィルムコンデンサには寿命があり、使用環境によりコンデンサの容量は徐々に低下して行く。したがって、フィルタ回路の性能は、コンデンサの容量低下に伴い劣化する。フィルタ回路の性能劣化に伴い、インバータ装置側から電源ラインに流出するノイズが増加し、インバータ装置と同じ電源系統に接続されている周辺装置に悪影響を及ぼす。そのため、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサの交換を促す手段が必要である。

先行技術

0003

特開平8−196082号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来、システムに組み込まれた状態で、インバータ装置に内蔵されているフィルタ回路のコンデンサ容量を測定する手段は無かったため、コンデンサ容量の低下に伴いフィルタ回路の性能が劣化しても検出することはできなかった。したがって、容量低下を可能な限り抑制する必要から、容量に非常に大きな余裕を持たせたコンデンサを選定しなければならず、インバータ装置のサイズが大きくなり、さらに、フィルタ回路のコストも高価になっていた。

0005

そこで、システムに組み込まれた状態でもフィルタ回路のコンデンサ容量を測定でき、フィルタ回路の性能が維持できなくなる前に、コンデンサの交換を促す手段を有するインバータ装置を提供する。

課題を解決するための手段

0006

実施形態のインバータ装置は、交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続される整流回路と、この整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流出力端子の一方に一端が接続されるダイオード電流制限抵抗素子との直列回路、及び前記直列回路に並列に接続される短絡スイッチで構成される初期充電回路と、この初期充電回路の他端と前記直流出力端子の他方との間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路インバータ主回路)と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化または容量変化率を求め、前記容量変化または容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備える。

0007

また、実施形態のインバータ装置は、交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続され、正側又は負側の一方がスイッチング素子を備えるハーフブリッジ回路で構成される第1整流回路と、この第1整流回路のダイオード側共有して構成される、直流バス主回路電力を供給しない第2整流回路と、この第2整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流バス間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備える。

0008

また、実施形態のインバータ装置は、交流電源に接続される、1つ以上のコンデンサを含むフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力側に接続され、スイッチング素子を備えるフルブリッジ回路で構成される第1整流回路と、前記フィルタ回路の出力側に接続され、直流バスに主回路電力を供給しない第2整流回路と、この第2整流回路の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子と、前記直流バス間に接続される主回路コンデンサ及び半導体スイッチング素子で構成されているインバータブリッジ回路と、前記交流電源が遮断された際に前記放電用抵抗素子の端子電圧を測定し、その結果より前記フィルタ回路のコンデンサの基準値からの容量変化又は容量変化率を求め、前記容量変化又は容量変化率の値が閾値を超えると異常通報処理を行うコンデンサ監視部とを備える。

図面の簡単な説明

0009

第1実施形態であり、インバータ装置の電気的構成を示す図
コンデンサ監視部による処理内容を示すフローチャート
各部の電圧変化の一例を示す図
第2実施形態であり、インバータ装置の電気的構成を示す図
第3実施形態であり、インバータ装置の電気的構成を示す図
第4実施形態であり、複数のインバータ装置からなるインバータシステムの電気的構成を示す図
各部の電圧変化の一例を示す図

実施例

0010

(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1から図3を参照して説明する。図1は、本実施形態のインバータ装置の電気的構成を示す。電源スイッチSW1は、三相交流電源Pと、インバータ装置1に内蔵されているフィルタ回路Fとの間に接続されている。フィルタ回路Fは、三相コモンモードコイルL1と、コイルL1の入力側にスター接続されているコンデンサC1,C2,C3と、コイルL1の出力側にスター接続されているコンデンサC4,C5,C6と、前記スター接続の中性点グランドとの間に接続されているコンデンサC7とで構成されている。

0011

フィルタ回路Fの各相出力端子は、三相全波整流回路Rec1の入力端子に接続されており、整流回路Rec1の出力端子は直流バス+DC_1,−DCに接続されている。直流バス+DC_1,−DC間には、放電用抵抗素子に相当する抵抗R1が接続されている。直流バス+DC_1は、順方向のダイオードD1及び抵抗R2の直列回路を介して直流バス+DCに接続されている。さらに、前記直列回路にはスイッチSW2が並列に接続されている。ダイオードD1,抵抗R2及びスイッチSW2は、初期充電回路2を構成している。抵抗R2は電流制限抵抗素子に相当し、スイッチSW2は短絡スイッチに相当する。

0012

直流バス+DC,−DC間には、主回路コンデンサC8、C8放電抵抗Rc及びインバータブリッジ回路INV1が接続されている。インバータブリッジ回路INV1は、例えばIGBT等の半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成されている。インバータブリッジ回路INV1の各相出力端子は、それぞれモータMの図示しない各相巻線の一端に接続されている。抵抗R1には、電圧検出器3が並列に接続されており、電圧検出器3の出力端子はコンデンサ監視部4の入力端子に接続されている。コンデンサ監視部4は、スイッチSW2のON/OFFを制御すると共に、フィルタ回路Fを構成するコンデンサC1〜C6の監視結果に基づき、後述するように外部に対してアラーム出力を行う。

0013

次に、本実施形態の作用について図2及び図3を参照して説明する。図2は、コンデンサ監視部4の処理内容を中心に示すフローチャートである。インバータ装置1の通常運転時である初期状態において、スイッチSW1及びSW2は何れもONしている。この状態からスイッチSW1がOFFされると(S1)主回路コンデンサC8は放電を開始し(S2)、直流バス+DC,−DC間の電圧は低下する(S3)。

0014

コンデンサ監視部4は、直流バス+DC,−DC間の電圧が設定した閾値電圧に達するまでは初期充電回路2のスイッチSW2をONし続ける。この間に、コンデンサC8の電荷は放電抵抗Rcと図示していないインバータ制御回路、一部はスイッチSW2を介して抵抗R1により放電される。直流バス+DC,−DC間の電圧が閾値電圧を下回ると(S4;YES)、コンデンサ監視部4はスイッチSW2をOFFする(S5)。すると、ダイオードD1によりコンデンサC8の放電は遮断され、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6の電荷が整流回路Rec1を介して抵抗R1により放電される。

0015

ここで、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6合成容量及び抵抗R1で決まる時定数τfと、主回路コンデンサC8及び抵抗Rcとで決まる時定数τcとはτf<<τcの関係にあり、スイッチSW2がOFFした後、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6電圧は急速に低下するため、ダイオードD1が順方向へバイアスされ、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6から主回路コンデンサC8が充電されることは無い。

0016

この時、抵抗R1の端子電圧を測定することで、フィルタ回路F内のコンデンサC1〜C6の合計容量が測定できる。例えば、R1=1MΩ,時刻T1での抵抗R1の電圧=V1(S6),例えば時刻T2(=T1+1s)として(S7)、時刻T2での抵抗R1の電圧=V2とする(S8)。すると、合計容量CTTLは、(1)式で求めることができる(S9)。
CTTL=1/{ln(V1)−ln(V2)} …(1)

0017

図3は、ステップS1〜S8において電圧が変化する波形の一例を示す。(c)はフィルタ回路Fの相間入力電圧であり、スイッチSW1がONしている2sまで電圧が印加されている。スイッチSW1がOFFすることで、相間入力電圧にはコンデンサC1〜C6の電圧が現れ、スイッチSW2がOFFするまではコンデンサC8の放電により、前記相間電圧は殆ど低下しない。

0018

(b)に示すようにスイッチSW2がOFFすると、(d)に示すようにコンデンサC1〜C6の電荷は、整流回路Rec1を介して抵抗R1により放電される。(d)に示す波形AはC1〜C6=3.3μF,波形Bは前記容量が20%低下した場合を仮定して、3.3μF×0.8=2.64μFで設定している。

0019

先ず波形Aにおいて、時間4sでの抵抗R1の端子電圧V1を測定し、次に1秒後の時間5sでの端子電圧V2を測定すると、V1=356V,V2=264Vが得られる。これらを(1)式に代入すると、CTTL=3.3μFが求められる。同様の計算を波形Bについても行うと、V1=318V,V2=218Vから、CTTL=2.64μFが求められる。つまり、合計容量の基準値CTTL0=3.3μFに対し、容量が20%低下したことを検出できる(S10;YES)。この場合、コンデンサ監視部4は外部にアラーム出力,異常通報処理を行う。尚、インバータ装置1は、基準値CTTL0を例えば、製品出荷検査時に固定値又は実測値により設定したり、又はユーザが設置時に操作により基準値CTTL0を設定することを可能にする設定モードを持つ。

0020

以上のように本実施形態によれば、コンデンサC1〜C6の合計容量CTTLの基準値CTTL0からの変化が分かり、コンデンサが故障する前に交換時期を外部にアラームとして通報することができる。

0021

(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図4に示すように、第2実施形態のインバータ装置11は、整流回路Rec1が整流回路Rec2に置き換えられている。整流回路Rec2は、ダイオードブリッジの正側がスイッチング素子であるサイリスタで構成されたハーフブリッジ整流回路である。これらのサイリスタの点弧イミングを制御することで、主回路コンデンサC8の初期充電電流を制御するため、初期充電回路2は削除されている。

0022

また、コイルL1の各相出力端子には、カソードが共通に接続された3個のダイオードD2(1〜3)のアノードがそれぞれ接続されており、前記カソードと直流バス−DCとの間には、放電用抵抗素子である抵抗R3が接続されている。ダイオードD2及び抵抗R3は検出回路12を構成している。整流回路Rec2は第1整流回路に相当し、検出回路12内のダイオードD2は第2整流回路に相当する。すなわち、検出回路12では、整流回路Rec2の負側のダイオードとダイオードD2とが三相ブリッジを構成し、三相交流電源を整流する。尚、電圧検出器3及びコンデンサ監視部4の図示は省略している。

0023

次に、第2実施形態の作用について説明する。電源PがスイッチSW1により遮断されると、整流回路Rec2のサイリスタはOFFとなるので、整流回路Rec2の出力端子に第1実施形態のように抵抗R1を接続しても、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6は放電されない。そこで、第2実施形態では検出回路12を備えている。スイッチSW1がOFFになると、コンデンサC1〜C6はダイオードD2,抵抗R3,整流回路Rec2の負側ダイオード経路で放電する。この時、抵抗R3の両端電圧、つまり+DC_F,−DC間の電圧を測定することで、第1実施形態と全く同一の手順で合計容量CTTLを測定することができ、基準値CTTL0からの容量変化又は変化率が分かり、予め設定されている閾値を超えた場合、外部へアラームを出力できる。

0024

以上のように第2実施形態によれば、ハーフブリッジ整流回路を備えるインバータ装置11においても、コンデンサC1〜C6の合計容量CTTLの基準値CTTL0からの変化が分かり、コンデンサが故障する前に交換時期を外部にアラームとして通報することができる。尚、検出回路12は整流回路Rec2のサイリスタを制御する等の目的で備えている回路流用することで、例えば放電抵抗R3のみ追加する等、限定的な回路変更で実現可能である。

0025

(第3実施形態)
図5に示すように、第3実施形態のインバータ装置21は、整流回路Rec3が、全ての素子がサイリスタであるフルブリッジ整流回路で構成されており、第2実施形態と同様に初期充電回路2は備えていない。また、第2実施形態の検出回路12に替えて、検出回路22を備えている。検出回路22は、交流入力端子がコイルL1の出力側に接続されている整流回路Rec4と、整流回路Rec4の直流出力端子間に接続される放電用抵抗素子である抵抗R4とで構成されている。整流回路Rec4の出力端子の負側は、直流バス−DCに接続されている。整流回路Rec3,Rec4は、それぞれ第1,第2整流回路に相当する。

0026

次に、第3実施形態の作用について説明する。スイッチSW1がOFFになると、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6の充電電荷は整流回路Rec4を介して抵抗R4で放電される。したがって、この場合も、コンデンサ監視部4は抵抗R4の端子電圧,つまり端子DC_F1,直列回路バス−DC間の電圧を測定することで、第1実施形態と同様に合計容量CTTLを測定でき、コンデンサC1〜C6の容量変化を検出できる。尚、整流回路Rec3のサイリスタ制御を目的とした回路などを流用することで、限定的な回路変更で検出回路22を実現することが可能である。

0027

(第4実施形態)
図6及び図7は第4実施形態である。図6では、2つのインバータ装置31(1),31(2)が電源スイッチSW1に並列に接続されている。インバータ装置31は、第1実施形態のインバータ装置1において、端子+DC_1と抵抗R1との間にスイッチSW3を備えた構成である。

0028

次に、第4実施形態の作用について、図7を参照して説明する。例えば、インバータ装置31(1)のスイッチSW3をONにし、インバータ装置31(2)のスイッチSW3をOFFにした状態でスイッチSW1がOFFされると、インバータ装置31(1)及び31(2)のフィルタ回路FのコンデンサC1〜C6の充電電荷は、インバータ装置31(1)の抵抗R1により放電される。したがって、第1実施形態と同様に抵抗R1の端子電圧を測定することで、インバータ装置31(1)及び31(2)双方のコンデンサC1〜C6の合計容量CTTLが測定できる。

0029

図7図3相当図である。各素子の定数値は第1実施形態と同一である。(d)の波形Cは、インバータ装置31(1)及び31(2)双方のスイッチSW3がONした場合であり、(1)式を用いて2台分の合計容量3.3μFが求められる。波形Dはインバータ装置31(2)のスイッチSW3がOFFした場合であり、インバータ装置31(2)のコンデンサC1〜C6もインバータ装置31(1)側の抵抗R1で放電されるため、(1)式を用いた合計容量は2台分の合計容量6.6μFとなる。

0030

尚、各インバータ装置31のスイッチSW3を全てONにし、各装置31で容量測定した場合、フィルタ回路FのコンデンサC1〜C6の容量はばらついているため、インバータ装置31間でコンデンサC1〜C6の電荷が移動し、容量を正確に測定することができない。

0031

以上のように第4実施形態によれば、複数のインバータ装置31が同一の電源ラインに並列に接続されている場合でも、それらの総合計容量CTTLを測定することができ、基準値CTTL0からの容量変化又は変化率が分かる。したがって、前記値が予め設定されている閾値を超えた場合、外部にアラームを出力できる。尚、スイッチSW3のON,OFFはパラメータ設定、または手動スイッチで切り替えても良い。さらに、アラーム機能を有効/無効に設定するパラメータを設け、このパラメータとスイッチSW3とを連動させることも可能である。

0032

(その他の実施形態)
フィルタ回路は、1つ以上のコンデンサを備えて構成されていれば良い。
放電用抵抗R1の値はコンデンサ容量測定精度に影響するため、必要に応じて温度補正を行っても良い。
第4実施形態を、3台以上のインバータ装置に適用しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、各実施形態に示した構成に限定されることはなく、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0033

図面中、1はインバータ装置、2は初期充電回路、4はコンデンサ監視部、11はインバータ装置、21はインバータ装置、31はインバータ装置、Pは三相交流電源、Fはフィルタ回路、L1は三相コモンモードコイル、D2はダイオード、C1〜C6はコンデンサ、Rec1〜Rec4は整流回路、R1〜R4,Rcは抵抗、C8は主回路コンデンサ、INV1はインバータブリッジ回路、SW1〜3はスイッチを示す。

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