(57)【要約】【課題】低電圧領域での地絡検出精度を向上させた電力変換装置及びその地絡検出方法を提供する。【解決手段】直流電力を供給する直流電源１と、直流電源１の出力電圧を交流に変換して交流電動機４を駆動するインバータ３と、直流電源１の出力端を高抵抗接地する高抵抗２Ａ、２Ｂと、この高抵抗２Ａ、２Ｂに流れる電流を検出し、電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断する接地検出手段７と、インバータ３の出力を制御する主制御部９とで構成する。主制御部９は、インバータ３の出力電圧が所定の閾値以下であるとき、インバータ３の各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記直流電源の出力端を高抵抗接地する高抵抗と、
この高抵抗に流れる電流を検出し、電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断する接地検出手段と、
前記インバータの出力を制御する主制御部と
を具備し、
前記主制御部は、
前記インバータの出力電圧が所定の閾値以下であるとき、前記インバータの各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加えるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記直流電源の出力端を高抵抗接地する高抵抗と、
この高抵抗に流れる電流を検出し、電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断する接地検出手段と、
前記交流電動機の回転速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と、
前記インバータの出力を制御する主制御部と
を具備し、
前記主制御部は、
前記速度検出手段で検出された回転速度が所定の閾値以下であるとき、前記インバータの各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加えるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記所定の直流バイアスは、前記インバータの出力電圧が０のとき最大値とし、出力電圧の増大に伴って減少し、出力電圧が所定の閾値となったとき０となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記所定の直流バイアスは、前記インバータの回転速度が０のとき最大値とし、回転速度の増大に伴って減少し、回転速度が所定の閾値となったとき０となるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記直流バイアスに代えて交流バイアスを加えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記直流電源の出力端を高抵抗接地する高抵抗と、
この高抵抗に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記インバータの出力を制御する主制御部であって、前記インバータの出力電圧が所定の閾値以下であるとき、前記インバータの各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加えるようにした主制御部と
で構成された電力変換装置において、
前記電流検出器の検出電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断するようにしたことを特徴とする電力変換装置の地絡検出方法。
【請求項７】
直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記直流電源の出力端を高抵抗接地する高抵抗と、
この高抵抗に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記交流電動機の回転速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と、
前記インバータの出力を制御する主制御部であって、前記速度検出手段で検出された回転速度が所定の閾値以下であるとき、前記インバータの各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加えるようにした主制御部と
で構成された電力変換装置において、
前記電流検出器の検出電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断するようにしたことを特徴とする電力変換装置の地絡検出方法。
【請求項８】
前記直流バイアスに代えて交流バイアスを加えるようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電力変換装置の地絡検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置及びその地絡検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の地絡検出を行うには、通常は、例えば直流リンク部を高抵抗接地し、接地電流が所定の閾値を超えたとき地絡と見做すようにしている。この場合、地絡検出のレベルと感度が重要となるが、電力変換装置の出力周波数が大きく変化する場合、周波数の高い領域において漂遊キャパシタンスの影響によって零相電流が流れるルートのインピーダンスが低下し、そのために検出感度が低下するので、これを補正すべきとの報告が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６３−１８２６３４号公報（全体）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された手法は、全ての周波数領域で地絡電流検出感度を一定とすべく、周波数の高い領域では、地絡の有無にかかわらず生じる零相の充電電流の影響を考慮した検出を行おうとするものである。ところが、低インピーダンスの地絡事故を検出しようとすると、周波数の影響はあまり関係なく、むしろ電圧が低い領域での地絡検出が困難であるのが現実である。
【０００５】
この発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、低電圧領域での地絡検出精度を向上させた電力変換装置及びその地絡検出方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記直流電源の出力端を高抵抗接地する高抵抗と、この高抵抗に流れる電流を検出し、電流の大きさが所定の閾値以上のとき装置の地絡と判断する接地検出手段と、前記インバータの出力を制御する主制御部とを具備し、前記主制御部は、前記インバータの出力電圧が所定の閾閾値以下であるとき、前記インバータの各相の出力電圧基準に所定の直流バイアスを加えるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、低電圧領域での地絡検出精度を向上させた電力変換装置及びその地絡検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の一実施例に係る電力変換装置の電力変換装置のバイアス発生器の動作説明図。
【図３】本発明の一実施例に係る電力変換装置のシミュレーション結果（その１）。
【図４】本発明の一実施例に係る電力変換装置のシミュレーション結果（その２）。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施例に係る電力変換装置を、図１乃至図４を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る電力変換装置の回路構成図である。直流電源１からインバータ３に直流電力が給電され、これを所望の交流電圧に変換して交流電動機４を駆動する。直流電源１と並列に高抵抗２Ａ及び２Ｂの直列回路が接続され、この直列回路の中点が接地されている。そしてこの接地電流、すなわち高抵抗２Ａ及び２Ｂに流れる電流の和が電流検出器６によって検出され、接地検出回路７にその検出信号を与えている。接地検出回路７は、電流検出器６によって検出された接地電流のＲＭＳ値が所定の閾値を超えたとき、装置の運転停止乃至アラーム発信などの保護・警報動作を行う。
【００１１】
交流電動機４の回転位置は回転角検出器５で検出され、また交流電動機４の入力電流は電流検出器８で検出され、これらの検出量はインバータ３を制御するための主制御部９にフィードバック量として与えられている。以下、主制御部９の内部構成について説明する。
【００１２】
回転角検出器５で検出された位相角は微分器９１により回転速度ωｒに変換され、与えられた速度基準ωｒ＊と、主制御器である電動機制御器９２の内部で比較増幅されて電流基準となる。そしてこの電流基準は、別途与えられる磁束基準と共に、電動機制御器９２の内部で、電流検出器８の出力を２軸変換したものと各々比較増幅されてｄ軸及びｑ軸の電圧基準ＥＤ＿Ｒ、ＥＱ＿Ｒを得る。これ等の２軸変換のために回転角検出器５で検出された位相角に基づく位相基準θ１が用いられる。ｄ軸電圧基準ＥＤ＿Ｒ及びｑ軸電圧基準ＥＱ＿Ｒは、電圧基準変換器９３において、再び位相基準θ１を用いて交流量である３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒに変換される。この３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒの各々にバイアス発生器９５の出力が加算器９４によって加算され、結果として出力電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦが得られる。そして、これらの３相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦはＰＷＭ制御器９６によって所定のＰＷＭキャリアと比較され、各スイッチング素子のゲート信号が生成される。
【００１３】
図２はバイアス発生器９５の動作を示す説明図である。横軸は交流電動機４の回転速度、縦軸は電圧の大きさを示している。図２において、０点を通る右上がりの直線は本来の電圧基準すなわち、３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒの電圧の大きさを表している。ここで電圧の大きさとは、例えば１相分の交流の３相基本電圧基準のＲＭＳ値を想定すれば良い。そして、回転速度０で電圧ＶＴ、回転速度ωＴで電圧０となる直線（破線）で示しているのがバイアス発生器９５の出力である０相バイアスＶbiasである。後述するようにこのＶbiasは正または負の直流電圧であっても良く、また交流電圧であっても良いが、ここでは正の直流電圧とする。
【００１４】
このようにすれば、３相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦの各々の大きさは図２の太い実線で示したようになる。但し、速度０から速度ωＴまでの一定値は単純に３相基本電圧基準の電圧の大きさに０相バイアスＶbiasを加えたものを示している点、注意が必要である。
【００１５】
以上の構成における低電圧領域での地絡検出精度の向上効果のシミュレーション結果を図３及び図４に示す。シミュレーション条件は、直流電源１の出力電圧が６００Ｖであり、電動機速度ωｒが定格の５％のとき、インバータ３の３相出力母線のうち１相が時刻０においてインーダンス１Ωで地絡したとしている。図３（ａ）の上段に示したように０相バイアスＶbiasが０（ｐｕ）のときの接地検出回路７の検出電流Ｉ＿ＧＲ＿ＦＬＴ(ｍＡ)を図３（ａ）の下段に示す。また、図３（ｂ）の上段に示したように０相バイアスＶbiasが０．７（ｐｕ）のときの接地検出回路７の検出電流Ｉ＿ＧＲ＿ＦＬＴ(ｍＡ)を図３（ｂ）の下段に示す。図３（ａ）の０相バイアスなしの従来の方法では、Ｉ＿ＧＲ＿ＦＬＴは０．８mＡ程度の検出値となり、検出量が非常に小さいが、図３（ｂ）の正の直流バイアスをかけた場合には、０相電圧が印加されるため、約１３ｍＡと１５倍以上の検出値となり、地絡検出の感度が上がることが分かる。
【００１６】
尚、図２におけるＶＴは定格電圧の数１０％とすることが好ましい。これを仮に４０％としたとき、ＶＴは２４０Ｖ程度となる。また、図３（ａ）のバイアスなしの状態において、回転速度または出力電圧を上昇させれば、ほぼその上昇分に比例して検出電流Ｉ＿ＧＲ＿ＦＬＴは増大する。これは、インバータ３の出力に含まれる０相成分が出力電圧に比例するためと考えられる。図２におけるＶＴを定格電圧の４０％とすれば、回転速度ωＴ（出力電圧ＶＴ）における検出電流Ｉ＿ＧＲ＿ＦＬＴは図３（ａ）の約８倍の６ｍＡ程度となり誤検出なしに十分検出可能である。
【００１７】
図４は０相バイアスＶbiasが交流の場合のシミュレーション結果である。図４（ａ）には、上段に示したように０相バイアスＶbiasを波高値０．７（ｐｕ）、周波数１０Ｈｚの正弦波とした場合のＩ＿ＧＲ＿ＦＬＴを下段に示す。同様に、図４（ｂ）には上段に示したように０相バイアスＶbiasを波高値０．７（ｐｕ）、周波数１０Ｈｚの矩形波とした場合のＩ＿ＧＲ＿ＦＬＴを下段に示す。何れの場合も検出電流は０相バイアスのリップルを含むが、正弦波の場合は７ｍＡ程度、矩形波の場合は１１ｍＡ程度であり十分検出可能な値が得られている。尚、図３、図４共、時刻０において検出電流の遅れが観測されているが、この遅れは接地検出回路７の内部のＲＭＳ演算器の演算時間の遅れに対応している。
【００１８】
尚、図２に示したようにこの実施例によれば、低電圧または低速時にのみバイアスを加えているので、装置に不要なストレスをかけることがなく、より安全に装置を運転することが可能である。これに対して高速域でもバイアスをかけるようにすると、例えば、交流電動機４のベアリングに流れる軸電流が増加してベアリングの寿命に影響を与えることがあるので注意が必要である。
【００１９】
以上本発明の実施例を説明したが、これ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。この新規な実施例は、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。これら実施例やその変形は、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。
【００２０】
例えば、図１の直流電源１は、通常は商用交流電源を入力とした整流器乃至コンバータが用いられるが、直流電力を供給する機器であれば良い。
【００２１】
また、図１においてインバータ３は２レベルインバータとしているが、３レベル以上の多レベルインバータであっても良い。
【００２２】
また、図１の主制御部９は２軸制御乃至ベクトル制御を行うものとしたが、ベクトル制御以外の制御、例えばＶ／ｆ一定制御であっても良い。
【００２３】
また、図１における回転検出器５は、速度検出器に置き換えても良く、更にこれらの検出器は省略しても良い。この場合は所謂センサレス制御によって間接的に回転速度を推定する。
【００２４】
また、接地検出回路７はＲＭＳ演算を行う検出回路と説明したが、電流の大きさを検出するもの、例えば絶対値検出回路であっても良い。
【００２５】
また、図２には０相バイアスＶbiasを速度の増加に対して単調減少となるような直線で示したが、低速域で地絡検出の感度が上がるようなバイアスであれば良く、例えば所定の速度ωＴまで一定のバイアスを加えるようにしても良い。
【符号の説明】
【００２６】
１  直流電源
２Ａ、２Ｂ  高抵抗
３  インバータ
４  交流電動機
５  回転検出器
６  電流検出器
７  接地検出回路
８  電流検出器
９  主制御部
９１  微分器
９２  電動機制御器
９３  電圧基準変換器
９４  加算器
９５  バイアス発生器
９６  ＰＷＭ制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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