JP4575876B2 - インバータ装置及びインバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、並列冗長運転に使用されるインバータ装置及び、並列冗長運転を行うインバータシステムに関する。

図３に示すように、１つの直流電源（ＤＣ電源）３１に接続された複数台のインバータ装置（＃１〜＃ｎ）１〜ｎを並列冗長運転し、１つの負荷３２に交流電力を供給するインバータシステムがある。直流電源３１は、例えば、商用交流電源をダイオードで整流しコンデンサなどで平滑することにより得られるコンバータであり、インバータ装置１〜ｎは、直流を交流に変換する電圧型のインバータ装置である。複数台のインバータ装置（＃１〜＃ｎ）１〜ｎの各々の出力側は、母線３にリレー４−１〜４−ｎを介して負荷３２に接続されている。

このように、複数台のインバータ装置を単一の負荷に対して並列冗長運転するように構成することにより信頼性の高い電源システムとすることができる（非特許文献１参照）。
電気学会論文誌Ｄ，１１４巻３号，１９９４年，"大規模無停電電源システムの高信頼化技術"，ｐ２６２〜２６６

しかしながら、図３に示すような形態で複数台のインバータ装置を並列冗長運転するインバータシステムの場合に、各インバータ装置（＃１〜＃ｎ）１〜ｎのいずれかのインバータ装置において内部短絡や故障等が発生すると、インバータシステムの母線３を短絡させ、システムダウンに至り、システムの信頼性が低下するという問題が有る。
特に、２台のインバータ装置を並列冗長運転するインバータシステムでは、１台のインバータ装置に内部短絡が発生した場合に、健全機から故障機に横流が流れ、１対１の関係から２台のインバータ装置が同時に過電流となり、２台のインバータ装置とも故障状態となるという問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、故障機を母線から解列することができるインバータ装置及びインバータシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のインバータ装置は、複数台の並列冗長運転を行うため使用されるインバータ装置であって、前記インバータ装置の出力ラインに自機出力を並列母線から解列する解列手段と、前記インバータ装置の出力ラインに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された前記インバータ装置の出力電流の極性と自機に与えられた出力電圧指令値の極性とを比較し、予め設定された時間が経過する時点まで、予め設定された電流値を超える、前記電圧指令値と逆極性の電流が流れる場合に、自機に内部短絡が発生したと判定し、自機を母線から解列するように前記解列手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

上記構成からなる本発明のインバータ装置では、電流検出手段によりインバータ装置の出力ラインに流れる電流を検出し、制御手段は、電流検出手段により検出されたインバータ装置の出力電流の極性と自機に与えられた出力電圧指令値の極性とを比較し、予め設定された時間が経過する時点まで、予め設定された電流値を超える前記電圧指令値と逆極性の電流が流れる場合に、自機に内部短絡が発生したと判定し、自機を母線から解列するように解列手段を制御する。この結果、解列手段はインバータ装置の出力ラインに自機出力を並列母線から解列する。
これにより、複数台のインバータ装置のうち故障機は、内部短絡事故が発生したことを確実に検出でき、母線から自機を解列することができ、インバータシステムの信頼性の向上が図れる。

また、本発明のインバータ装置は、前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記インバータ装置の出力電流の極性と出力電圧指令値の極性とを比較し、前記出力電流の極性が前記出力電圧指令値に対し逆極性である場合に前記出力電流のレベルを示す信号を出力する極性判定手段と、前記極性判定手段の出力信号と異常判定をするための異常判定閾値とを比較し、前記極性判定手段の出力信号が前記異常判定閾値を超える場合に異常判定信号を出力するレベル判定手段と、前記レベル判定手段より出力される異常判定信号が予め設定された時間が経過する時点まで、継続して出力された場合に、前記インバータ装置に内部短絡が発生したと判定し、前記解列手段を駆動する時間検出手段とを有することを特徴とする。

上記構成からなる本発明のインバータ装置では、極性判定手段により前記電流検出手段により検出されたインバータ装置の出力電流の極性と出力電圧指令値の極性とを比較し、前記出力電流の極性が前記出力電圧指令値に対し逆極性である場合に前記出力電流のレベルを示す信号が出力され、レベル判定手段により前記極性判定手段の出力信号と異常判定をするための異常判定閾値とを比較し、前記極性判定手段の出力信号が前記異常判定閾値を超える場合に異常判定信号を出力する。時間検出手段により前記レベル判定手段より出力される異常判定信号が予め設定された時間が経過する時点まで、継続して出力された場合に、前記インバータ装置に内部短絡が発生したと判定し、前記解列手段を駆動する。
これにより、複数台のインバータ装置のうち故障機は、内部短絡事故が発生したことを確実に検出でき、母線から自機を解列することができ、インバータシステムの信頼性の向上が図れる。

また、本発明のインバータ装置は、前記異常判定閾値は、インバータ装置の出力電流の制限値以下のレベルに設定されることを特徴とする。
これにより、インバータ装置の出力電流の制限値の範囲内でインバータ装置において内部短絡事故等の事故が発生したか否かの異常判定を行うことができる。

また、本発明のインバータ装置は、前記時間検出手段に設定される内部短絡であるか否かを判定するための時間は、母線に発生する瞬断が許容される時間内に設定されることを特徴とする。
これにより、インバータ装置に内部短絡事故が発生した場合に、母線に発生する瞬断が許容される時間内に故障機のインバータ装置が母線から解列されるため、冗長並列運転を行うインバータシステムの信頼性の向上が図れる。

また、本発明のインバータシステムは、上記いずれかに記載のインバータ装置を負荷に対して複数台、並列冗長運転することを特徴とする。
これにより、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、故障機を母線から解列することができ、信頼性の向上を図ったインバータシステムを実現できる。

本発明のインバータ装置によれば、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、自機を母線から解列することができる。
本発明のインバータシステムによれば、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、故障機を母線から解列することができ、システムの信頼性の向上が図れる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のインバータ装置を使用したインバータシステムの構成例を示す図である。図１に示すインバータシステムは、インバータ装置（＃１）１とインバータ装置（＃２）２の入力端子ＤＣｉｎが共通の直流電源（ＤＣ電源）３１に接続され、出力端子ＯＵＴが母線３を通して共通の負荷３２に接続された例である。このインバータ装置１、２を並列冗長運転して負荷３２に交流電力を供給する。なお、インバータ装置１、２は電圧型のインバータ装置であり、各インバータ装置１、２は内部構成が同じものである。また、インバータ装置は３台以上であってもよい。

図１において、インバータ装置（＃１）１内の電力変換装置１１は、入力端子ＤＣｉｎを介して直流電源３１に接続され、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により直流電源を交流電源に変換（ＤＣ／ＡＣ変換）するための装置である。この電力変換装置１１はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー素子で構成され、このパワー素子をＰＷＭ制御する際に、出力する交流の電圧値、周期（周波数）、位相を、他のインバータ装置（母線電圧）と同期するように制御する。

電力変換装置１１によりＤＣ／ＡＣ変換された交流出力は、出力端子ＯＵＴから負荷３２に供給される。
また、インバータ装置（＃１）１の母線３に接続される出力ラインには、電流検出器１２と解列手段１３が設けられている。
電流検出器１２は、インバータ装置（＃１）１の出力ラインに流れる電流を検出する。
解列手段１３は、インバータ装置（＃１）１の自機出力を母線３から解列する機能を有している。解列手段１３は、例えば、リレー、あるいは半導体スイッチ等で構成される。

１４は制御回路であり、制御回路１４は、電流検出器１２により検出されたインバータ装置（＃１）１の出力電流の極性と自機に与えられた出力電圧指令値の極性とを比較し、予め設定された時間が経過する時点まで、予め設定された電流値を超える、出力電圧指令値と逆極性の電流が流れる場合に自機に内部短絡が発生したと判定し、自機（＃１）１を母線３から解列するように解列手段１３を制御する機能を有している。

制御回路１４は、電流検出器１２により検出されたインバータ装置（＃１）１の出力電流の極性と、図示してない出力電圧指令を出力する出力制御部からの出力電圧指令値の極性とを比較し、前記出力電流の極性が前記出力電圧指令値に対し逆極性である場合に前記出力電流のレベルを示す信号を出力する極性比較器１４１と、極性比較器１４１の出力信号と異常判定をするための異常判定閾値とを比較し、極性比較器１４１の出力信号が異常判定閾値を超える場合に異常判定信号を出力するレベル比較器１４２と、レベル比較器１４２より出力される異常判定信号が予め設定された時間が経過する時点まで、継続して出力された場合に、インバータ装置（＃１）に内部短絡が発生したと判定し、解列手段１３を駆動する時間検出器と１４３とを含んで構成されている。

また、レベル比較器１４２に設定されている異常判定閾値は、極性比較器１４１の出力の異常判定を行うための基準値であり、インバータ装置（＃１）１の出力電流の制限値Ｉ_ＬＩＭ以下のレベルに設定される。これにより、インバータ装置の出力電流の制限値Ｉ_ＬＩＭの範囲内でインバータ装置において内部短絡事故等の事故が発生したか否かの異常判定を行うことができる。

また、時間検出器１４３に設定される内部短絡であるか否かを判定し、解列手段13を駆動する解列信号ＳＲを出力するための時間Ｔは、電流検出器１２が過電流を検出してから時間検出器１４３により解列手段１３を駆動するまでに要する時間と、負荷３２が誘導性負荷である場合、あるいは容量性負荷で有る場合に電圧波形と位相がπ／２だけずれるので、誤検出を回避するために電流検出時間に余裕をもたせることを考慮して決定される。

また、この時間Ｔは、母線３に発生する瞬断が許容される時間内に設定される。これにより、インバータ装置に内部短絡事故が発生した場合に、母線に発生する瞬断が許容される時間内に故障機のインバータ装置が母線から解列されるため、冗長並列運転を行うインバータシステムの信頼性の向上が図れる。

なお、電流検出器１２は本発明の電流検出手段に、制御回路１４は本発明の制御手段に、極性比較器１４１は本発明の極性判定手段に、レベル比較器１４２は本発明のレベル判定手段に、時間検出器１４３は本発明の時間検出手段に、それぞれ相当する。

上記構成において、インバータ装置（＃１）１、インバータ装置（＃２）２が負荷３２に対して並列冗長運転されている際に、インバータ装置（＃１）１に内部短絡事故が時刻ｔ１で発生し、インバータ装置（＃１）１の出力ラインに過電流が流れたとする。この出力ラインに流れる電流Ｉ1は、インバータ装置（＃２）よりインバータ装置（＃１）１の出力ラインに流れ込む電流であるので、電圧指令値Ｖiとは逆極性となる。このインバータ装置（＃１）１の出力ラインに流れ込む電流は見掛け上、インバータ装置（＃１）１の出力電流として電流検出器１２により検出される。

電流検出器１２の検出出力（インバータ装置（＃１）１の出力ラインに流れる電流）Ｉ1（図２（Ｃ））は、極性比較器１４１に入力され、極性比較器１４１により、電流検出器１２により検出されたインバータ装置（＃１）１の出力電流Ｉ1の極性と、図示してない出力電圧指令を出力する出力制御部からの出力電圧指令値Ｖｉ（図２（Ａ））の極性とが比較され、極性比較器１４１は前記出力電流Ｉ1の極性が出力電圧指令値Ｖｉに対し逆極性である場合に出力電流Ｉ1のレベルを示す信号をレベル比較器１４２に出力する。因みに、インバータ装置（＃１）１の出力電圧ＶINVは、図２（Ｂ）に示すようになる。

レベル比較器１４２では、極性比較器１４１の出力信号と異常判定をするための異常判定閾値±Ｉ_ＴＨ（図２で示す例では、−Ｉ_ＴＨ）とを比較し、極性比較器１４１の出力信号が異常判定閾値を超える場合に異常判定信号を時間検出器１４３に出力する。

時間検出器１４３は、レベル比較器１４２より出力される異常判定信号が予め設定された時間Ｔが経過する時点まで、継続して出力された場合に、インバータ装置（＃１）に内部短絡が発生したと判定し、時刻ｔ２で解列信号ＳＲ（図２（Ｄ））を解列手段１３に出力し、解列手段１３を駆動する。
解列手段１１３は、インバータ装置（＃１）１の自機出力を母線３から解列する。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るインバータ装置によれば、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、自機を母線から解列することができる。
また、本発明の実施形態に係るインバータシステムによれば、インバータ装置の内部短絡等の事故を確実に検出でき、故障機を母線から解列することができ、システムの信頼性の向上が図れる。
また、故障検出用回路を追加する必要がなく、低コスト化が図れる。
さらに、部品点数削減による信頼性の向上が図れる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のインバータ装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るインバータ装置及びインバータシステムの構成を示すブロック図。 図１に示した本発明の実施形態に係るインバータ装置の動作を示す各部の信号波形図。 従来の複数台のインバータ装置を並列冗長運転するインバータシステムの構成を示すブロック図。

符号の説明

１〜ｎ…インバータ装置、３…母線、４−１〜４−ｎ…リレー、１１…電力変換装置、１２…電流検出器、１３…解列手段、１４…制御回路、３１…ＤＣ電源、３２…負荷、１４１…極性比較器、１４２…レベル比較器、１４３…時間検出器

Claims (5)

1. 複数台の並列冗長運転を行うため使用されるインバータ装置であって、
   前記インバータ装置の出力ラインに自機出力を並列母線から解列する解列手段と、
   前記インバータ装置の出力ラインに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された前記インバータ装置の出力電流の極性と自機に与えられた出力電圧指令値の極性とを比較し、予め設定された時間が経過する時点まで予め設定された電流値を超える、前記電圧指令値と逆極性の電流が流れる場合に、自機に内部短絡が発生したと判定し、自機を母線から解列するように前記解列手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記制御手段は、
   前記電流検出手段により検出された前記インバータ装置の出力電流の極性と出力電圧指令値の極性とを比較し、前記出力電流の極性が前記出力電圧指令値に対し逆極性である場合に前記出力電流のレベルを示す信号を出力する極性判定手段と、
   前記極性判定手段の出力信号と異常判定をするための異常判定閾値とを比較し、前記極性判定手段の出力信号が前記異常判定閾値を超える場合に異常判定信号を出力するレベル判定手段と、
   前記レベル判定手段より出力される異常判定信号が予め設定された時間が経過する時点まで、継続して出力された場合に、前記インバータ装置に内部短絡が発生したと判定し、前記解列手段を駆動する時間検出手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記異常判定閾値は、インバータ装置の出力電流の制限値以下のレベルに設定されることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記時間検出手段に設定される内部短絡であるか否かを判定するための時間は、母線に発生する瞬断が許容される時間内に設定されることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のインバータ装置を負荷に対して複数台、並列冗長運転することを特徴とするインバータシステム。

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