(57)【特許請求の範囲】
【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と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短絡スイッチをオフにして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、直流バスに主回路電力を供給する第１整流回路と、
この第１整流回路のダイオード側を共有して構成される、前記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、直流バスに主回路電力を供給する第１整流回路と、
前記フィルタ回路の出力側に接続され、前記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。
【発明の詳細な説明】
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１９６０８２号公報
【発明の概要】
【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と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短絡スイッチをオフにして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、直流バスに主回路電力を供給する第１整流回路と、この第１整流回路のダイオード側を共有して構成される、前記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。
【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、直流バスに主回路電力を供給する第１整流回路と、前記フィルタ回路の出力側に接続され、前記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】
【図１】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
【図２】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
【図３】各部の電圧変化の一例を示す図
【図４】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
【図５】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
【図６】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
【図７】各部の電圧変化の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【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と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タ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の負側ダイオードの経路で放電する。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を流用することで、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は図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。
【符号の説明】
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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