JP5929127B2 - 並列インバータ装置の誤配線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台のインバータを並列接続して電動機等の負荷を駆動する並列インバータ装置の誤配線を検出する技術に関するものである。

インバータから電動機へ電力を供給するケーブルは、端子台等を介して接続されるため、敷設時の作業において、端子台に誤って接続したり電動機の相順を間違えて結線する、あるいは、結線を忘れる（以下、これらをまとめて誤配線という）場合がある。このように誤配線のままで電動機を駆動すると、例えば電動機に過大な電流が流れて素子や装置の故障や破壊の原因となるので、操作員は、これらの誤配線がないように事前にチェックする必要がある。

ここで、誤配線の一種である、インバータと電動機との未結線を検出する従来技術としては、例えば図４，図５に示すものが知られている。
この従来技術は、特許文献１に記載されているものであり、図４は、インバータによる電動機の駆動システムを示す回路図である。図４において、１０１は三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路、１０２は平滑コンデンサ、１０３は半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６からなるインバータ部、Ｍはインバータ部１０３から三相交流電圧が供給される交流電動機、１０４はインバータ部１０３の少なくとも二相の出力電流を検出する電流センサ、１０５は電流検出器、１０６は電流検出値に基づいて出力電圧指令を演算し、出力するＣＰＵ、１０７は出力電圧指令に従ってスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６に対する駆動信号を生成し、出力するベースドライブ回路である。

図５は、図４の従来技術において、インバータと電動機Ｍとの未結線状態を検出する動作を示すフローチャートである。
まず、整流回路１０１を動作させてインバータの主回路電圧（平滑コンデンサ１０２の電圧）を所定値に充電する（Ｓ１０１）。次に、インバータ部１０３の２相のスイッチング素子をオンすることにより、インバータの直流回路から電動機Ｍに至る閉回路を形成する。例えば、スイッチング素子Ｑ_１とＱ_４またはＱ_３とＱ_２をオンして閉回路を形成し、インバータ部１０３のＵ相→Ｖ相、Ｖ相→Ｕ相に電流が流れるか否かを確認する（Ｓ１０２）。

同様の動作を、残りの全ての２相の組み合わせについて行い（Ｓ１０３，Ｓ１０４）、全ての２相の組み合わせについて電流が流れていることが確認されれば、インバータの各相出力側に電動機Ｍが正常に結線されていると判定して終了する（Ｓ１０５Ｙｅｓ）。また、２相の組み合わせのうち何れかについて電流が流れていないことが確認されれば、該当する相の接続箇所につき未結線であると判定する（Ｓ１０５Ｎｏ，Ｓ１０６）。

なお、特許文献２には、インバータの２相のスイッチング素子をオンした時の電流を検出してサーボモータがインバータに接続されているか否かを判定するサーボモータの制御装置が記載されている。
また、特許文献３には、三相同期電動機を駆動するインバータの出力電流を少なくとも２相分検出し、これを直交二軸変換して得たｑ軸電流フィードバック信号と、フィードバック速度信号、及びｑ軸電流指令に基づいて、電動機の二相誤配線または三相誤配線を検出するようにした三相同期電動機の制御装置が記載されている。

特開平７−２０１９０号公報（段落[０００７]，[０００８]、図１，図２等） 特許第２７９７８８２号公報（段落[００１８]〜[００２１]、図１，図２等） 特開２０１０−２１３５５７号公報（段落[０００７]〜[００１２]、図１，図２等）

特許文献１〜３に記載された従来技術は、何れも単一のインバータにより電動機を駆動する場合のものである。
これに対し、複数台のインバータを並列に接続して単一の電動機を駆動する並列インバータ装置では、同じ相でもインバータの並列数分の配線が存在するため、どのインバータが電動機に対して誤配線なのか判らないという問題がある。特に、並列インバータ装置において、インバータ間のインダクタンス成分が小さい時等、誤配線の状態で各インバータを動作させると、通電の仕方によっては短絡状態になってインバータのスイッチング素子に過大な電流が流れてしまい、装置を破壊する恐れもある。
また、特許文献２では電動機に接続される相順の間違いを検出可能であるが（段落[００３０等）、特許文献１，３では相順の間違いを検出できないという問題もある。

そこで、本発明の解決課題は、複数台のインバータからなる並列インバータ装置において、端子台への未結線や接続の間違い等の誤配線を確実に検出することができる誤配線検出装置を提供することにある。また、本発明は、必要に応じて相順の間違いを検出可能にした誤配線検出装置を提供することも目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、可変電圧の交流電力を出力する複数台のインバータを並列接続し、各インバータの出力側を結合して単一の負荷に接続してなる並列インバータ装置において、
前記インバータの各相の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータを構成する半導体スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、
前記制御手段の動作により１台のインバータ内の所定のスイッチング素子をオンさせて当該インバータの任意の２相の間で閉回路を形成すると共に他のインバータの全相の半導体スイッチング素子をオフとしたときに、前記電圧検出手段により検出した各相の出力電圧を、当該インバータを含む複数台のインバータ間で比較して配線の正誤を判定する配線判定手段と、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、前記電圧検出手段による出力電圧検出値を複数台のインバータ間で伝送し、共有する手段を備えたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、前記配線判定手段により前記インバータとの配線が正常と判定された前記負荷としての多相交流電動機を対象として、回転位置情報を用いずに前記電動機を起動したときの前記電動機の速度指令値に基づく回転方向と、前記電動機に接続された回転位置検出部から得た実際の回転方向と、を比較して前記電動機の配線の相順の正誤を検出する相順判定手段と、を備えたものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、 前記配線判定手段及び前記相順判定手段による判定処理の終了時にのみ前記インバータを通常動作させるものである。

請求項５に係る発明は、請求項３または４に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、前記配線判定手段または前記相順判定手段を、前記制御手段内の演算処理装置が実現するものである。

本発明によれば、複数台のインバータを並列に接続した並列インバータ装置において、端子台への未結線や接続の間違い、更には相順の間違いを含む誤配線を確実かつ容易に検出することができる。

本発明の実施形態が適用される並列インバータ装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態における誤配線検出動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における誤配線検出動作の他の例を示すフローチャートである。 インバータによる電動機の駆動システムを示す回路図である。 図４の従来技術における未結線検出動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の実施形態が適用される並列インバータ装置の構成を示す回路図であり、２台のインバータを並列に接続してその出力を結合し、負荷としての１台の電動機を駆動する場合のものである。

図１において、１は三相交流電動機、２ａ，２ｂはインバータであり、ここでは、２ａをマスターインバータ、２ｂをスレーブインバータとしてある。電動機１にはパルスエンコーダ等の回転位置検出部３が接続され、電動機１の回転位置情報（回転角度及び回転速度）が得られるようになっている。

インバータ２ａ，２ｂは、それぞれ、直流電圧が入力される電力変換器４ａ，４ｂを備え、これらの電力変換器４ａ，４ｂは、直流母線間に直列接続されたコンデンサＣ_１ａ，Ｃ_２ａ及びＣ_１ｂ，Ｃ_２ｂと、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ａ，Ｑ_１ｂ〜Ｑ_６ｂと、図示されていないゲート駆動回路と、から構成されている。
上記スイッチング素子Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ａ，Ｑ_１ｂ〜Ｑ_６ｂは、それぞれ、マイコン（ＣＰＵ）等の演算処理装置や各種電子回路を含む制御装置５ａ，５ｂによって駆動される。なお、上記ゲート駆動回路は制御装置５ａ，５ｂに内蔵してもよい。

インバータ２ａ，２ｂの出力電圧及び電流は、電圧検出器６ａ，６ｂ及び電流検出器７ａ，７ｂにより検出されて制御装置５ａ，５ｂに入力されると共に、前記回転位置検出部３からの回転位置情報も制御装置５ａ，５ｂに入力される。制御装置５ａ，５ｂでは、これらの入力情報に基づいてスイッチング素子Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ａ，Ｑ_１ｂ〜Ｑ_６ｂのゲート信号を生成し、これらのオンオフ動作により電力変換器４ａ，４ｂから出力された交流電力は端子台８ａ，８ｂからケーブルを介して結合され、その後、電動機１に供給される。
なお、制御装置５ａ，５ｂには、操作員とのインターフェイスとして操作表示器１０ａ，１０ｂが接続されており、制御装置５ａ，５ｂ同士は伝送手段９ａ，９ｂを用いて内部情報を相互に伝送し、これらの情報をメモリに記憶することにより共有している。

次に、この実施形態の動作について説明する。まず、電動機１の定格電流や使用条件に見合うように並列数が決定されたインバータ２ａ，２ｂの出力電流は、前述した如く結合されて電動機１に供給される。
始めに、通常時の動作について説明する。マスターインバータ２ａでは、制御装置５ａにより、電動機１が停止状態から加速して目的の速度まで到達し、条件により減速停止するまでの速度指令値を生成する。そして、この速度指令値と回転位置検出部３により検出した実際の回転速度とから、電動機１が速度指令値に追従するように発生トルク分の電流指令値を算出すると共に、電流検出器７ａにより検出した出力電流値と電流指令値とから電圧指令値を算出する。
上記電圧指令値に基づいて電力変換器４ａのスイッチング素子Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ａに対するゲート信号が生成され、このゲート信号を用いてスイッチング素子Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ａをオンオフさせることにより、ＰＷＭ制御された電圧が出力される。

一方、スレーブインバータ２ｂでは、マスターインバータ２ａにより演算された電圧指令値を伝送手段９ａ，９ｂを介して制御装置５ｂに取り込み、電力変換器４ｂは、マスターインバータ２ａの電力変換器４ａと同様に動作する。また、電流検出器７ｂにより検出した出力電流は、伝送手段９ｂ，９ａを介してマスターインバータ２ａの制御装置５ａにも伝送される。
なお、インバータ２ａ，２ｂの出力同士を結合することによる電圧誤差に応じて、横流または循環電流といわれる電流がインバータ２ａ，２ｂ間に流れることになるが、それぞれの出力電流値が等しくなるように、マスター側、スレーブ側の制御装置５ａ，５ｂが各電圧指令値を補正する横流制御も行われる場合がある。

次に、本発明の主要部である誤配線検出動作について説明する。
図２は、この実施形態における誤配線検出動作の全体を示すフローチャートであり、始めに配線判定処理ＳＡを実施し、次に相順判定処理ＳＢを実行する。なお、相順の間違い（インバータの出力側の相順と電動機の入力側の相順との不一致）も一種の誤配線によるものであるが、ここでは、便宜的に相順判定処理ＳＢを配線判定処理ＳＡと区別して説明する。

配線判定処理ＳＡでは、まず、マスターインバータ２ａの一相（例えばＵ相）から他の相（例えばＶ相）に向けて電流を流すように２相の間で閉回路を形成する（ステップＳ１）。具体的には、制御装置５ａにより一定の電流指令値を作成し、電流検出器７ａにより検出した電流Ｉ_ｕ１が電流指令値に追従するように電圧指令値（Ｖ_ｕｒ，Ｖ_ｖｒ）を求め、電力変換器４ａの２相のスイッチング素子をオンする。ここで、電力変換器４ａでは、残りの相（例えばＷ相）のスイッチング素子はオンさせない。そして、全ての相の出力電圧Ｖ_ｕ１，Ｖ_ｖ１，Ｖ_ｗ１を電圧検出器６ａにより検出し、電流検出器７ａにて検出した電流ｉ_ｕ１，Ｉ_ｖ１と共に制御装置５ａに取り込む。

また、スレーブインバータ２ｂでは、電力変換器４ｂにより全ての相のスイッチング素子をオンせずに出力電圧Ｖ_ｕ２，Ｖ_ｖ２，Ｖ_ｗ２を検出して制御装置５ｂへ取り込むと共に、伝送手段９ｂ，９ａを介してマスター側の制御装置５ａとお互いの情報を共有する（制御装置５ａ，５ｂが、内部のメモリに出力電圧Ｖ_ｕ１，Ｖ_ｖ１，Ｖ_ｗ１，Ｖ_ｕ２，Ｖ_ｖ２，Ｖ_ｗ２を共に記憶し、保持する）。

次に、マスターインバータ２ａのＵ相〜Ｖ相間の断線の有無を確認する。ここで、断線にはケーブルの切断によるいわゆる断線のほか、端子台等への未結線も含まれる。
断線がなく閉回路が形成されていれば、Ｕ相の電流とＶ相の電流とは極性が逆であるため、Ｉ_ｕ１≒−Ｉ_ｖ１が成り立つか否かを確認する（Ｓ２）。Ｉ_ｕ１≒−Ｉ_ｖ１が成り立つ場合はステップＳ３に移行し、成り立たない場合は、断線も一種の誤配線としてステップＳ１１にジャンプする。

次いで、配線のインピーダンスが電動機１のインピーダンスに対して十分に小さければ、マスターインバータ２ａ及びスレーブインバータ２ｂの誤配線がない場合には、各相がほぼ同じ電位となるはずである。従って、両インバータ２ａ，２ｂが共有している各相の出力電圧検出値を比較して、Ｖ_ｕ１≒Ｖ_ｕ２，Ｖ_ｖ１≒Ｖ_ｖ２，Ｖ_ｗ１≒Ｖ_ｗ２となるか否かを確認することにより、誤配線の有無を判定する（Ｓ３〜Ｓ５，Ｓ１１）。
また、Ｕ相〜Ｖ相が閉回路の場合にはＶ_ｕ１≒−Ｖ_ｖ１の関係があり、通電しない相（例えばＷ相）の出力電圧はゼロとなるべきであるから、これらについても同時に確認する（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ１１）。

また、このままでは通電しない相（上記の例ではＷ相）が接続されていない（端子台に未接続か、または断線している）可能性があるため、スイッチング素子のオンにより閉回路を形成する２相（図２の例ではＶ〜Ｗ相）の組み合わせを変更して、ステップＳ１〜Ｓ５と同様の処理を行う（Ｓ６〜Ｓ１０，Ｓ１１）。
以上の処理により、配線判定処理ＳＡが完了する。この処理において誤配線と判定された場合（Ｓ１１）は、操作表示器１０ａ，１０ｂによって誤配線である旨を表示し、操作員に警告する。

さて、上述した配線判定処理ＳＡを実行すれば、マスターインバータ２ａ、スレーブインバータ２ｂの各相における誤配線の有無を確認することができるが、インバータ２ａ，２ｂの三相出力の相順がケーブルを介して電動機１の入力側に正しく接続されているか否かを確認することができない。
そこで、相順判定処理ＳＢにより、電動機１を回転させたときの回転方向の極性から相順の正誤を判定する。

図１の回転位置検出部３から得られた回転角度及び回転速度を利用して電動機１を制御した場合、相順が間違っていると過大な電流が流れる恐れがあるため、始めに、回転位置検出部３等の検出器を用いずに電動機１を起動する（Ｓ１２）。この場合の具体的な駆動制御方式としては、例えば、Ｖ／ｆ（電圧／周波数）一定制御やセンサレスベクトル制御等が挙げられる。

次に、電動機１を駆動させるときの速度指令値による回転方向と、回転位置検出部３から得られた電動機１の実際の回転方向とを比較し、両者の一致不一致を判断する（Ｓ１３）。ここで、相順が正しい場合は速度指令値による回転方向と実際の回転方向とが一致するため正常終了とし（Ｓ１３Ｙｅｓ）、相順が間違っていれば、電動機１は速度指令値による回転方向と逆方向に回転するので、相順不一致と判定し、操作表示器１０ａ，１０ｂにより相順に間違いがある旨を表示して操作員に警告する（Ｓ１３Ｎｏ，Ｓ１４）。

なお、図３は、本発明の実施形態における誤配線検出動作の他の例を示すフローチャートである。
図３において、まず、図２に示した配線判定処理ＳＡ及び相順判定処理ＳＢを実行したことを確認する（ステップＳ２１）。次に、これらの処理が正常に終了したか否かを判断し（Ｓ２２）、正常に終了した場合は、前述した通常動作（インバータ２ａ，２ｂによる電動機１の運転）を許可する処理を実行し（Ｓ２２Ｙｅｓ，Ｓ２３）、正常に終了しなかった場合は、通常動作を不許可とする処理を実行する（Ｓ２２Ｎｏ，Ｓ２４）。

図３に示した誤配線検出動作は、並列インバータ装置を運転する場合に、配線判定処理ＳＡ及び相順判定処理ＳＢを実行済みであることを前提にしており、図３によれば、各判定処理ＳＡ，ＳＢの結果、配線上の問題がなかった場合にのみ通常動作を許可することになるので、運用後のトラブル発生を未然に防ぐことができる。

１：三相交流電動機
２ａ，２ｂ：インバータ
３：回転位置検出部
４ａ，４ｂ：電力変換器
５ａ，５ｂ：制御装置
６ａ，６ｂ：電圧検出器
７ａ，７ｂ：電流検出器
８ａ，８ｂ：端子台
９ａ，９ｂ：伝送手段
１０ａ，１０ｂ：操作表示器
Ｑ_１ａ〜Ｑ_６ｂ：半導体スイッチング素子
Ｃ_１ａ〜Ｃ_２ｂ：コンデンサ

Claims (5)

1. 可変電圧の交流電力を出力する複数台のインバータを並列接続し、各インバータの出力側を結合して単一の負荷に接続してなる並列インバータ装置において、
   前記インバータの各相の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記インバータを構成する半導体スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、
   前記制御手段の動作により１台のインバータ内の所定のスイッチング素子をオンさせて当該インバータの任意の２相の間で閉回路を形成すると共に他のインバータの全相の半導体スイッチング素子をオフとしたときに、前記電圧検出手段により検出した各相の出力電圧を、当該インバータを含む複数台のインバータ間で比較して配線の正誤を判定する配線判定手段と、
   を備えたことを特徴とする並列インバータ装置の誤配線検出装置。
2. 請求項１に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、
   前記電圧検出手段による出力電圧検出値を複数台のインバータ間で伝送し、共有する手段を備えたことを特徴とする並列インバータ装置の誤配線検出装置。
3. 請求項１または２に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、
   前記配線判定手段により前記インバータとの配線が正常と判定された前記負荷としての多相交流電動機を対象として、
   回転位置情報を用いずに前記電動機を起動したときの前記電動機の速度指令値に基づく回転方向と、前記電動機に接続された回転位置検出部から得た実際の回転方向と、を比較して前記電動機の配線の相順の正誤を検出する相順判定手段と、
   を備えたことを特徴とする並列インバータ装置の誤配線検出装置。
4. 請求項３に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、
   前記配線判定手段及び前記相順判定手段による判定処理の終了時にのみ前記インバータを通常動作させることを特徴とする並列インバータ装置の誤配線検出装置。
5. 請求項３または４に記載した並列インバータ装置の誤配線検出装置において、
   前記配線判定手段または前記相順判定手段を、前記制御手段内の演算処理装置が実現することを特徴とする並列インバータ装置の誤配線検出装置。

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