(57)【要約】      （修正有）【課題】正確度を向上させるインバータの出力欠相検出装置を提供する。【解決手段】インバータシステムは、直流リンク電圧を交流電圧に変換して、３相レッグにそれぞれ直列に連結される２つのスイッチング素子が配置されるインバータ部１３と、インバータ部１３の下部レッグのスイッチング素子とそれぞれ直列に連結されるシャント抵抗４と、を含むインバータ１と、出力欠相検出装置５と、を備える。出力欠相検出装置５は、インバータ部１３の下部レッグに配置されるシャント抵抗４から出力される信号から２相出力電流（検出出力電流）を検出して、検出出力電流から１相出力電流（演算出力電流）を演算し、演算出力電流が出力欠相バンド以内である場合、または、演算出力電流が検出出力電流のうちいずれかと大きさが同じであり、符号が反対である場合、出力欠相を検出する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流リンク電圧を交流電圧に変換して、３相レッグにそれぞれ直列に連結される２つのスイッチング素子が配置されるインバータ部と、前記インバータ部の下部レッグのスイッチング素子とそれぞれ直列に連結されるシャント抵抗を含むインバータの出力欠相を検出する装置において、
前記シャント抵抗から出力される信号から２相出力電流（検出出力電流）を検出する出力電流検出部；
前記検出出力電流から前記検出出力電流と異なる１相出力電流（演算出力電流）を演算する出力電流演算部；及び、
前記演算出力電流が出力欠相バンド以内である場合、または、前記演算出力電流が前記検出出力電流のうちいずれかと大きさが同じであり、符号が反対である場合、出力欠相を検出する出力欠相検出部を含むインバータの出力欠相検出装置。
【請求項２】
前記出力電流検出部は、
前記インバータ部の前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を提供するＰＷＭ制御部から前記検出出力電流に対応するセクター情報を受信する、請求項１に記載のインバータの出力欠相検出装置。
【請求項３】
前記出力欠相検出部は、
前記演算出力電流が前記出力欠相バンド以内である場合、または、前記演算出力電流が前記検出出力電流のうちいずれかと大きさが同じであり、符号が反対である場合、カウントを増加させる、請求項１に記載のインバータの出力欠相検出装置。
【請求項４】
前記出力欠相検出部は、
前記演算出力電流が前記出力欠相バンドより大きいか小さいし、前記演算出力電流が前記検出出力電流の和と同様である場合、前記カウントを減少させる、請求項３に記載のインバータの出力欠相検出装置。
【請求項５】
前記出力欠相検出部は、
前記カウントが所定の出力欠相レベルに到逹すると、前記出力欠相であると決定して、インバータ保護動作を行う、請求項４に記載のインバータの出力欠相検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータの出力欠相検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、インバータは、電気的に直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する逆変換装置であって、産業界で使用されるインバータは、商用電源から供給された電力を入力されて、自ら電圧と周波数を可変して電動機に供給することによって、電動機の速度を高効率に利用するように制御する一連の装置と定義される。このようなインバータは、可変電圧可変周波数（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ）方式によって制御され、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）の出力に応じて電動機に入力される電圧と周波数を可変することができる。
【０００３】
図１は、通常のインバータの構成図である。
【０００４】
通常、インバータ１は、電源部２から３相交流電源を印加されて、整流部１１がこれを整流し、平滑部１２は、整流部１１が整流した直流電圧を平滑して貯蔵する。インバータ部１３は、平滑部１２である直流リンクキャパシタに貯蔵された直流電圧をＰＷＭ制御信号に応じて所定の電圧及び周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機３に提供する。インバータ部１３は、３相レッグで構成されており、各レッグには、２つのスイッチング素子が直列に連結されて構成される。
【０００５】
インバータの出力欠相は、インバータ１が出力する１相以上がオープン（ｏｐｅｎ）であることを意味し、インバータ１の出力端と電動機３を連結していないか、または、インバータ１の出力端と電動機３の間の開閉装置の誤動作によって発生する。
【０００６】
出力欠相が発生する場合、電動機３は、定格電流以上の過電流によって焼損が発生し得る。従って、出力欠相が発生する場合、インバータ１は、ユーザに出力欠相が発生したことを知らせ、インバータ１の運転を停止して電動機３を安全に保護する必要がある。このため、インバータ１の出力欠相を検出する装置が求められる。
【０００７】
また、出力欠相によってインバータの運転が停止されるため、出力欠相の誤検出によるインバータ駆動効率が低下し得る。このため、出力欠相の検出に対する正確度を向上させるための方案を設ける必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする技術的課題は、インバータの出力欠相を検出する装置において、正確度を向上させるインバータの出力欠相検出装置を提供することである。
【課題を解決しようとする手段】
【０００９】
上記のような技術的課題を解決するため、本発明の一実施形態のインバータの出力欠相検出装置は、直流リンク電圧を交流電圧に変換して、３相レッグにそれぞれ直列に連結される２つのスイッチング素子が配置されるインバータ部を含むインバータと、前記インバータ部の下部レッグのスイッチング素子とそれぞれ直列に連結されるシャント抵抗を含むインバータシステムで前記インバータの出力欠相を検出する装置であって、前記シャント抵抗から出力される信号から２相出力電流（検出出力電流）を検出する出力電流検出部；前記検出出力電流から前記検出出力電流と異なる１相出力電流（演算出力電流）を演算する出力電流演算部；及び前記演算出力電流が出力欠相バンド以内である場合、または、前記演算出力電流が検出出力電流のうちいずれかと大きさが同じであり、符号が反対である場合、出力欠相を検出する出力欠相検出部を含んでいてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態において、前記出力電流検出部は、前記インバータ部の前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を提供するＰＷＭ制御部から前記検出出力電流に対応するセクター情報を受信することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態において、前記出力欠相検出部は、前記演算出力電流が前記出力欠相バンド以内である場合、または、前記演算出力電流が検出出力電流のうちいずれかと大きさが同じであり、符号が反対である場合、カウントを増加させることができる。
【００１２】
本発明の一実施形態において、前記出力欠相検出部は、前記演算出力電流が前記出力欠相バンドより大きいか小さいし、前記演算出力電流が前記検出出力電流の和と同様である場合、前記カウントを減少させることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態において、前記出力欠相検出部は、前記カウントが所定の出力欠相レベルに到逹すると、前記出力欠相であると決定して、インバータ保護動作を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記のようなインバータの出力欠相検出装置は、各セクター毎に１つの相電流を演算して、演算された電流が出力欠相バンド以内であるかを判断すると同時に、演算された出力電流が出力欠相バンドより大きいか小さい場合にも、他の検出出力電流と符号が異なるか否かを確認して、出力欠相に該当するかを決定する。これによって、出力欠相の検出に対する正確度が向上する。それによって、インバータ保護動作の品質を向上させて、インバータと負荷を保護することができるため、システムの信頼性を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】通常のインバータの構成図である。
【図２ａ】変流器（ＣＴ）を用いたインバータの出力電流検出回路を示したものである。
【図２ｂ】シャント抵抗を用いたインバータの出力電流検出回路を示したものである。
【図３】インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）状態による出力電流制限領域を説明するためのダイヤグラムである。
【図４】従来のインバータの出力欠相検出装置の構成図である。
【図５】従来のインバータの出力電流の出力欠相検出方法を説明するためのものである。
【図６ａ】ＣＴを用いた出力電流検出方式で出力欠相を検出することを示したものである。
【図６ｂ】ＣＴを用いた出力電流検出方式で出力欠相を検出することを示したものである。
【図７ａ】シャント抵抗を用いた出力電流検出方式の場合を示したものである。
【図７ｂ】シャント抵抗を用いた出力電流検出方式の場合を示したものである。
【図８】シャント抵抗を用いた出力電流検出方式でＵ相電流が欠相した場合にも、出力欠相を検出できないことを示したものである。
【図９】本発明の一実施形態のインバータの出力欠相検出装置を説明するためのインバータシステムの構成図である。
【図１０】ＰＷＭセクター別のスイッチング素子の動作を示したものである。
【図１１】本発明の一実施形態によってインバータの出力電流の出力欠相を検出する方法を説明するためのフロー図である。
【図１２】本発明の一実施形態によって出力欠相を検出することを説明するための一例示図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、種々の変更を加えることができる。但し、本実施形態に対する説明は、本発明の開示を完全にして、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。
【００１７】
「第１」、「第２」等の用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は、上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱することなく、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、該技術分野で通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈されてもよい。
【００１８】
以下では、図２ａ〜図５を参照して、本発明の一実施形態によるインバータ制御装置及び方法を説明する。
【００１９】
図２ａは、変流器（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＣＴ）を用いたインバータの出力電流検出回路を示したものであり、図２ｂは、シャント抵抗を用いたインバータの出力電流検出回路を示したものである。
【００２０】
図２ａを参照すれば、ＣＴ４は、インバータ１の出力相に配置されて、インバータ１の３相出力電流を検出する。ＣＴを用いる電流検出方式は、インバータ１の制御部（未図示）とインバータ部１３を絶縁して電流検出が可能であり、別途絶縁回路を要しない。しかし、非線形領域が存在して、シャント抵抗を介する電流検出方式に比べて比較的に高価であるため、スタンダード（ｓｔａｎｄａｒｄ）級インバータ以上に主に用いられている。
【００２１】
図２ｂを参照すれば、シャント抵抗５がインバータ部１３の各レッグの下部スイッチング素子のエミッタ端に連結されて、インバータ部１３のスイッチング素子の動作状態によって下部スイッチング素子へ電流が流れるとき、インバータ１の出力電流を検出する。
【００２２】
図３は、インバータのパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）状態による出力電流制限領域を説明するためのダイヤグラムである。
【００２３】
図３のように、シャント抵抗を用いてインバータの出力電流を検出する方式は、スイッチング素子の動作状態及び電流導通時間によって電流検出が不可能な領域が発生するため、電流検出領域を拡張するために、３相出力電流のうち有効な２相電流を検出して、残りの１相電流を演算する方式を採用する。下表は、シャント抵抗を用いてインバータの出力電流を検出する方式において、セクター別の電流検出を演算する方式を示したものである。
【００２４】
【表１】
2019198214.tif 000003
【００２５】
かかるシャント抵抗を用いてインバータの出力電流を検出する方式は、ＣＴを用いる方式に比べて比較的に安価に具現可能であるため、安価型小型インバータに主に用いられている。
【００２６】
図４は、従来のインバータの出力欠相検出装置の構成図である。
【００２７】
シャント抵抗から入力される電流信号は、シャント抵抗４から入力される出力電流が電流検出部１１０によって検出されて、前処理部１２０が低帯域信号をフィルタリングしてスケールを調整する。その後、ＡＤ変換部１３０がこのアナログ信号をデジタルデータに変換すると、表１のように出力電流を演算し、演算された出力電流を用いて出力欠相を決定する。
【００２８】
このように、インバータの出力電流の出力欠相は、インバータの３相出力電流をそれぞれ入力されて、各相の出力欠相有無を判断する。このとき、インバータの各相出力電流が出力欠相バンド以内に一定時間維持される場合、出力欠相と判断する。出力欠相の際、欠相した相電流を流れないため、設定された出力欠相バンド以内に出力電流が維持される。
【００２９】
図５は、従来のインバータの出力電流の出力欠相検出方法を説明するためのものである。
【００３０】
図４のような従来の出力欠相検出装置は、インバータの出力電流の検出周期毎に出力電流が出力欠相バンド以内に出力されるかを判断する（Ｓ５１、Ｓ５２）。インバータの出力電流が出力欠相バンド以内に出力されると、欠相変数ＯＰＯ_Ｃｎｔのカウントを増加させて、これを出力電流検出周期毎に繰り返すことになる（Ｓ５４）。仮に、インバータの出力電流が出力欠相バンド以上に出力されると、欠相変数ＯＰＯ_Ｃｎｔのカウントを減少させて（Ｓ５３）、正常なインバータ動作での出力欠相検出を防止するようになる。
【００３１】
累積した欠相変数ＯＰＯ_Ｃｎｔが出力欠相レベル以上になると、出力欠相決定部１５０は、出力欠相と判断して、設定された保護動作（例えば、トリップ等）を行う。
【００３２】
図６ａ及び図６ｂは、ＣＴを用いた出力電流検出方式において、インバータの出力電流のうち１つの相が１周期の間に出力欠相した場合、出力欠相を検出することを示したものである。インバータの出力電流（６Ａ）が出力欠相バンド（６Ｂ）以内になると、欠相変数カウントが増加し、欠相変数カウントが欠相検出レベルに到逹すると（６Ｃ）、出力欠相を検出することになる。
【００３３】
しかし、シャント抵抗を用いる電流検出方式では、ＰＷＭ区間によってインバータの３相出力電流のうち有効な２相出力電流を検出して、１相出力電流を演算する方式を採用する。これによって、正確な出力欠相を検出することができない問題点がある。
【００３４】
図７ａ及び図７ｂは、シャント抵抗を用いた出力電流検出方式の場合を示したものであって、Ｕ相出力電流が１周期の間に欠相した時に欠相を検出する方式を示すものである。
【００３５】
図７ａにおいて、Ｕ相の自己相電流を検出するセクター２〜セクター５の区間では、出力電流が出力欠相バンドにある場合、欠相変数のカウントを増加させることになるが、他の相電流へＵ相電流を演算するセクター１及びセクター６の区間では、欠相変数が減少することになるため、欠相区間内で出力欠相を検出することができなくなる問題が発生する。図８は、シャント抵抗を用いた出力電流検出方式において、Ｕ相電流が欠相した場合にも出力欠相を検出することができないことを示したものである。
【００３６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためのものであって、シャント抵抗を用いたインバータの出力電流検出方式において、インバータの出力欠相を正確に検出するためのものである。
【００３７】
図９は、本発明の一実施形態のインバータの出力欠相検出装置を説明するためのインバータシステムの構成図である。
【００３８】
図面に示したように、本発明の一実施形態のインバータシステムは、電源部２から商用電源を入力されて、電動機３に好適な大きさと周波数の電圧に変換してインバータ１が出力することができる。
【００３９】
インバータ１は、交流電圧を直流電圧に変換する整流部１１、直流電圧を平滑して貯蔵する平滑部（直流リンクキャパシタ）１２、及び直流リンク電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に出力するインバータ部１３を含んでいてもよい。
【００４０】
インバータ部１３は、３相レッグで構成されており、各レッグには、２つのスイッチング素子が連結されて構成されてもよい。各レッグにおいて、下部のスイッチング素子にはシャント抵抗４が連結されてもよいし、本発明の一実施形態の出力欠相検出装置５は、シャント抵抗４から各セクター別の出力電流に係る情報（出力電流情報）を受信して、ＰＷＭ制御部６からセクター情報を受信し、これから２相電流を検出した後、残りの１相出力電流を演算して、これから出力欠相を検出できるようになる。
【００４１】
このため、本発明の一実施形態の出力欠相検出装置５は、出力電流検出部５１、出力電流演算部５２、及び出力欠相検出部５３を含んでいてもよい。
【００４２】
出力電流検出部５１は、シャント抵抗４から出力電流情報を受信して、ＰＷＭ制御部６から当該出力電流に対応するセクター情報を受信し、２相出力電流を検出することができる。出力電流演算部５２は、２相出力電流から１相出力電流を演算することができる。出力欠相検出部５３は、出力電流検出部５１と出力電流演算部５２からそれぞれ検出出力電流及び演算出力電流を受信して、これから出力欠相を検出することができる。出力欠相検出部５３の動作を図面を参照して説明する。
【００４３】
ＰＷＭ制御部６は、インバータ部１３の複数のスイッチング素子にＰＷＭ信号を提供するものであって、ＰＷＭセクター別のスイッチング素子の動作を示すと、図１０のとおりである。すなわち、ＰＷＭ制御におけるスイッチング素子の動作は、Ｔ０区間で構成されたゼロベクトル（ｚｅｒｏ  ｖｅｃｔｏｒ）区間と、Ｔ１及びＴ２で構成されたアクティブベクトル（ａｃｔｉｖｅ  ｖｅｃｔｏｒ）区間に区分され、このような制御によってインバータ部１３のスイッチング素子が動作するようになる。すなわち、ＰＷＭ制御部６は、各セクター別にインバータ部１３のスイッチング素子にＰＷＭ信号を提供して、これによって、インバータ部１３は、電動機３に提供する所定の大きさ及び周波数の交流電圧を出力することができる。本発明の一実施形態において、ＰＷＭ制御部６は、本発明の出力欠相検出装置５にＰＷＭセクター情報を提供することができる。
【００４４】
図１１は、本発明の一実施形態によってインバータの出力電流の出力欠相を検出する方法を説明するためのフロー図である。
【００４５】
図面に示したように、本発明の一実施形態において、本発明の出力欠相検出装置５は、シャント抵抗４からインバータ１の出力電流情報を受信して、ＰＷＭ制御部６から出力電流に対応するセクター情報を受信することができる（Ｓ１０）。但し、本発明の一実施形態では、ＰＷＭ制御部６からセクター情報を受信すると説明しているが、これに限定されるものではなく、インバータ部１３の状態から出力欠相検出装置５がセクター情報を検出することもできる。
【００４６】
その後、出力電流検出部５１は、出力電流情報から２相出力電流を検出して（Ｓ１１）、出力電流演算部５２は、２相出力電流から残りの１相出力電流を演算することができる（Ｓ１２）。
【００４７】
その後、出力欠相検出部５３は、検出した２相出力電流（検出出力電流）と演算した１相出力電流（演算出力電流）を用いて出力欠相を判断することができる（Ｓ１３）。
【００４８】
出力欠相が発生した場合、演算出力電流は、０辺くであるか、または、他の２相の検出出力電流と符号が反対であり、同じ大きさを有することになる。これを具体的に示すと、次のとおりである。すなわち、本発明の一実施形態では、出力欠相が発生すると、演算出力電流が表１のように演算されずに、他の２つの相の検出出力電流のうち１つと同様になる特性を利用することである。
【００４９】
【表２】
2019198214.tif 000004
【００５０】
すなわち、出力欠相検出部５３は、当該セクターでの演算出力電流が出力欠相バンド以内であるか、または、演算出力電流が検出出力電流のうち１つと符号は反対であり、同じ大きさを有する場合、出力欠相と判断して、カウントを増加させることができる（Ｓ１５）。しかし、演算出力電流が出力欠相バンド以上（または、以下）であり、演算出力電流が表１のように、２つの検出出力電流の和で決定される場合には、カウントを減少させることができる（Ｓ１４）。
【００５１】
例えば、セクター３において、任意の１相が出力欠相した場合を仮定する。セクター３では、演算出力電流は、Ｉｖであるため、出力欠相検出部５３は、Ｉｖを確認することができる。このとき、演算出力電流が−Ｉｗと同様である場合、Ｕ相欠相と決定して、カウントを累積することができる。セクターが変更されるまで演算出力電流が−Ｉｗと同様である場合、カウントは累積する。
【００５２】
セクターが４に変更された場合、演算出力電流は、Ｉｗであり、出力欠相検出部５３は、Ｉｗをモニタリングすることになる。セクター４において、Ｉｗが−Ｉｖと同様である場合、Ｕ相欠相であることを確認することができ、カウントは、累積し続ける。
【００５３】
このように累積したカウントが出力欠相レベルに到逹すると（Ｓ１６）、出力欠相検出部５３は、出力欠相であると決定して、インバータ１の保護動作を行うることができる（Ｓ１７）。インバータ１の保護動作は、出力欠相トリップであってもよいが、これに限定されるものではない。
【００５４】
本発明の一実施形態では、各セクター毎に１つの相電流を演算して、演算された電流が出力欠相バンド以内であるかを判断すると同時に、演算された出力電流が出力欠相バンドより大きいか小さい場合にも、他の検出出力電流と符号が異なるか否かを確認して、出力欠相に相当するかを決定することによって、インバータ保護動作の品質を向上させて、インバータと負荷を保護することができるため、システムの信頼性を向上させることができる。
【００５５】
図１２は、本発明の一実施形態によって出力欠相を検出することを説明するための一例示図であって、Ｕ相が欠相した例を示したものである。
【００５６】
図面に示したように、１２Ａ地点で欠相が発生すると、図８とは違って、欠相を検出してトリップ（１２Ｂ）を発生するようになるため、インバータシステムの信頼性を向上させることができる。
【００５７】
以上では、本発明による実施形態を説明したが、これは、例示的なものに過ぎないし、当該分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解することができる。従って、本発明の真の技術的保護の範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。
【図１】
2019198214.tif 000005
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
2019198214.tif 000013
【図７ｂ】
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【図８】
2019198214.tif 000015
【図９】
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【図１０】
2019198214.tif 000017
【図１１】
2019198214.tif 000018
【図１２】
2019198214.tif 000019