JP5441481B2 - インバータ装置の故障診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、モータを駆動するためのインバータ装置及びその故障診断方法に関する。

モータを駆動するためのインバータ装置は、コンバータによる直流出力を直流コンデンサによって平滑し、その直流をインバータによって再び交流に変換してモータに給電するのが通常である。そして、インバータ装置には保護回路が設けられ、例えば、各部の過電圧や過電流が生じたとき、インバータ装置の何れかの部品が故障したと看做してインバータ装置の運転を停止する構成となっている。

上記のように、インバータ装置が故障停止したとき、オフラインすなわちインバータ装置を停止した状態で故障診断を行い、故障箇所を特定する必要がある。オフラインでインバータ装置の故障診断を行なう場合、直流回路に所定の低電圧を加え、インバータを構成する複数のスイッチング素子のうち所定のスイッチング素子を選択的にオンして直流コンデンサ、あるいはインバータを構成するアームの電気量の値によって故障箇所を特定する手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００４−３５７４３７号公報（第４−６頁、第１図）

特許文献１には、直流コンデンサの両端に低電圧を印加し、インバータの所定のスイッチング素子をオンさせて直流コンデンサ、あるいはインバータを構成するアームの電気量の値によって故障箇所を特定する技術が開示されているが、これを達成するためのインバータ装置の具体的構成については何ら言及されておらず、また故障箇所もスイッチング素子に限定している。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、その目的はスイッチング素子以外の部位についても故障特定が可能なインバータ装置の故障診断方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明であるインバータ装置の故障診断方法は、交流を直流に変換するコンバータ部と、このコンバータ部の出力を平滑する直流コンデンサと、この直流コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、このインバータ部を構成するスイッチング素子にオン／オフパルスを供給する制御部と、前記直流コンデンサと前記インバータ部の間の直流配線内に設けられた短絡バーとを具備したインバータ装置のオフライン故障診断において、前記短絡バーを取り外し、代わりに抵抗を挿入するようにし、前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフした状態で、外部に接続した直流電源によって前記直流コンデンサを所定時間だけ充電し、前記制御部からの指令によって前記インバータ部のスイッチング素子を全てオンし、所定時間経過後に前記直流コンデンサの両端の電圧と前記直流電源の電源電圧とを比較し、その偏差が所定値以下であるとき、前記制御部の共通のゲート異常であると判断することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明であるインバータ装置の故障診断方法は、交流を直流に変換するコンバータ部と、このコンバータ部の出力を平滑する直流コンデンサと、この直流コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、このインバータ部を構成するスイッチング素子にオン／オフパルスを供給する制御部と、前記直流コンデンサと前記インバータ部の間の直流配線内に設けられた短絡バーとを具備したインバータ装置のオフライン故障診断において、前記短絡バーを取り外し、代わりに抵抗を挿入するようにし、前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフした状態で、外部に接続した直流電源によって前記直流コンデンサを所定時間だけ充電し、前記制御部からの指令によって前記インバータ部のスイッチング素子のうち、正側アームまたは負側アームの全てのスイッチング素子とこれらとは反対極性アームの何れかのスイッチング素子をオンし、所定時間経過後に前記直流コンデンサの両端の電圧と前記直流電源の電源電圧とを比較し、その偏差が所定値以下であるとき、前記制御部の前記反対極性アームのスイッチング素子のゲート異常であると判断することを特徴としている。

この発明によれば、スイッチング素子以外の部位についても故障特定が可能なインバータ装置の故障診断方法を提供することが可能となる。

本発明の一例を示すインバータ装置の回路構成図。 本発明の実施例１に係る故障診断方法を示す回路構成図。 本発明の実施例２に係る故障診断方法を示す回路構成図。 本発明の実施例３に係る故障診断方法を示す回路構成図。 本発明の実施例４に係る故障診断方法を示す回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係るインバータ装置とその故障診断方法について図１及び図２を参照して説明する。

図１は本発明の一例を示すインバータ装置の回路構成図である。

図１において、コンバータ部１は交流電源の交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ入力開閉器２を介して直流コンデンサ３に給電する。直流コンデンサ３によって平滑された直流電圧は短絡バー４を介してインバータ部５に与えられる。インバータ部５は、ブリッジ接続された正側のスイッチング素子Ｕ、Ｖ、及びＷ並びに負側のスイッチング素子Ｘ、Ｙ、及びＺが制御部１０からのオンオフ指令に基づいて制御されることによって交流電圧を出力し、出力開閉器６を介して交流電動機７に給電する。

直流コンデンサ３の両端の電圧は電圧検出器９によって検出され、制御部１０に与えられる。また、インバータ部５の各相の出力電流は電流検出器８によって検出され、制御部１０に与えられる。これらの検出器による検出値は、インバータ部５の制御及び保護用として用いるが、本発明の主眼であるインバータ装置の故障診断用にも用いる。

短絡バー４は簡単な操作で取り去ることが可能な構造とする。そしてこの短絡バー４と並列に抵抗１３を簡単に接続可能な構成とする。インバータ装置で交流電動機７を駆動する通常の運転モードにおいては、短絡バー４を取付けた状態とし、オフラインでインバータ装置を診断する故障診断時は短絡バー４を取り外す。抵抗１３は通常の運転モードにおいて取付けておいても良く、通常の運転モードでは取り外しておき、故障診断時に取付けるようにしても良い。

出力短絡回路１４は、インバータ部５の出力を３相短絡する回路であり、オフラインの故障診断時のみこれを用いる。尚、故障診断の内容によってはこの出力短絡回路１４を使用しない場合もある。

制御部１０は、制御基板１１とゲート基板１２を有しており、制御基板１１から与えられるインバータ部５を構成するスイッチング素子のオンオフ指令を、ゲート基板１２によって増幅してこれらのスイッチング素子のゲートに供給する構成となっている。制御基板１１にはインバータ装置の駆動仕様に応じて交流電動機７を速度制御し、あるいはトルク制御するための制御回路が内臓されているが、ここではその説明を省略する。

次に図２に基づいて本発明の実施例１に係る故障診断方法について説明する。実施例１に係る故障診断方法は主に直流コンデンサ３の異常の有無を診断する。この場合は出力短絡回路１４を使用しない。

図２において、まず、オフライン状態におけるインバータ装置に対してコンバータ部１の出力端に外部から低電圧直流電源１５を接続する。次に、インバータ部５のスイッチング素子を全てオフした状態でインバータ入力開閉器２を短時間オンして直流コンデンサ３を充電する。このオン時間は、直流コンデンサ３が正常であればほぼ低電圧直流電源１５の電源電圧Ｅ０となるような時間とする。尚、直流コンデンサ３が短絡状態であっても低電圧直流電源１５には過電流が流れない例えば電流制限機能などが低電圧直流電源１５に備わっているものとする。

上記状態で制御部１０は電圧検出器９の検出電圧をチェックする。この検出電圧と電源電圧Ｅ０との偏差が所定値以上あったとき、直流コンデンサ３は異常であると判断する。この場合の異常は開放モード故障の場合と短絡モード故障の場合が考えられる。

上記検出電圧と電源電圧Ｅ０との偏差が所定値未満であったときには、図示したように制御部１０からの指令によってインバータ部５のスイッチング素子を全てオンする。このようにすると、通常は図２に太線で図示したルートで直流コンデンサ３の電荷が放電する。そして所定時間経過後に制御部１０は電圧検出器９の検出電圧をチェックする。この検出電圧と直流コンデンサ３の容量と抵抗１３の抵抗値との時定数で決まる理論電圧とを比較し、その偏差が所定値を超えていた場合は直流コンデンサ３は異常であると判断する。尚、このとき、直流電圧が放電されないで電源電圧Ｅ０をほぼ保っている場合は、全てのゲートパルスがスイッチング素子に与えられていないものと推定し、制御部１０の共通のゲート異常と判断する。制御部１０の共通のゲート異常とはゲート基板１２の異常か制御基板１１の異常である。

尚、以上の判断は、スイッチング素子Ｕ乃至Ｚのうち３個以上の素子が開放モードで故障して放電回路が形成されない確率が極めて低いことに拠っている。

また、上記において、インバータ装置がインバータ入力開閉器２を具備していない場合も考えられるが、その場合は低電圧直流電源１５にその機能を持たせれば良い。

図３は本発明の実施例２に係る故障診断方法を示す回路構成図である。この実施例２に係る故障診断方法は主にスイッチング素子のゲート廻りの異常の有無を診断する。この実施例２においては図示したように出力短絡回路１４を使用する。

図３において、オフライン状態におけるインバータ装置に対してコンバータ部１の出力端に外部から低電圧直流電源１５を接続し、インバータ部５のスイッチング素子を全てオフした状態でインバータ入力開閉器２を短時間オンして直流コンデンサ３を充電するのは実施例１の場合と同様である。

次に、下側アームのスイッチング素子Ｘ、Ｙ及びＺを全てオンした状態でスイッチング素子Ｕをオンする。このようにすると、通常は図３に太線で図示したルートで直流コンデンサ３の電荷が放電する。そして所定時間経過後に制御部１０は電圧検出器９の検出電圧をチェックする。この検出電圧と直流電源１５の電源電圧Ｅ０とを比較し、その偏差が所定値以下である場合すなわち直流コンデンサ３が放電しなかった場合は、スイッチング素子Ｕのゲート異常と判断する。

この判断の正当性の根拠は、まず、実施例１に示した故障診断方法を既に行なっていて制御部１０の全体のゲート異常がないことを前提としているという点である。次に、スイッチング素子の開放モード故障が生じるのは非常に稀なケースであるということである。従って、上記故障診断でスイッチング素子Ｕのゲート異常ということになりその部分をチェックした結果、その部分の異常が発見できないときにはスイッチング素子Ｕの開放モード故障をチェックするようにすれば良い。

上記はスイッチング素子Ｕのゲート異常のチェックであるが、同様にスイッチング素子Ｕに代えてスイッチング素子Ｖ、Ｗを夫々順次オンして上記と同様の手順を踏めば、スイッチング素子Ｖ、Ｗの夫々のゲート異常のチェックが可能となる。同様に上側アームのスイッチング素子Ｕ、Ｖ及びＷを全てオンした状態でスイッチング素子Ｘ、Ｙ及びＺを夫々順次オンさせて上記故障診断を行なえば、スイッチング素子Ｘ、Ｙ及びＺの夫々のゲート異常のチェックが可能となることは明らかである。

尚、本実施例の故障診断方法において出力短絡回路１４を使用してインバータ部５の出力を短絡したのは、交流電動機７に異常がある場合を考慮し、交流電動機７と切り離して故障診断を行なう趣旨によるものである。交流電動機７の巻線抵抗は抵抗１３に比して小さく、また交流電動機７の異常は稀である。従って、本実施例の故障診断方法において出力短絡回路１４を使用せず、交流電動機７を接続した状態で行うことも可能である。

図４は本発明の実施例３に係る故障診断方法を示す回路構成図である。この実施例３に係る故障診断方法は主にスイッチング素子の短絡モード故障の有無を診断する。この実施例３においては図示したように出力短絡回路１４は使用しない。

図４において、オフライン状態におけるインバータ装置に対してコンバータ部１の出力端に外部から低電圧直流電源１５を接続し、インバータ部５のスイッチング素子を全てオフした状態でインバータ入力開閉器２を短時間オンして直流コンデンサ３を充電するのは実施例１、２の場合と同様である。

次に、スイッチング素子Ｕをオンして所定時間経過後に制御部１０は電圧検出器９の検出電圧をチェックする。そしてこの検出電圧と直流電源１５の電源電圧Ｅ０とを比較し、その偏差が所定値を超えている場合すなわち直流コンデンサ３が放電した場合は、図４に太線で示すルートで放電されたものとしてスイッチング素子Ｘの短絡モード故障と判断する。

同様に、スイッチング素子Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺを夫々順次オンして上記と同様の故障診断を行い、直流コンデンサ３が放電した場合は、オンさせたスイッチング素子と同相で逆極性のアームを構成するスイッチング素子が短絡モード故障であると判断することが可能となる。

図５は本発明の実施例４に係る故障診断方法を示す回路構成図である。この実施例４に係る故障診断方法は主に電流検出器８の異常の有無を診断する。尚、この実施例４においては図示したように出力短絡回路１４を使用する。

まず、図示したように低電圧直流電源１５をコンバータ部１の出力端に接続し、インバータ部５のスイッチング素子を全てオフした状態でインバータ入力開閉器２をオンする。インバータ入力開閉器２がない場合は、インバータ部５のスイッチング素子を全てオフした状態で直流３の両端に外部から低電圧直流電源１５を接続すれば良い。

上記状態でスイッチング素子Ｕ及びスイッチング素子Ｙをオンすると、図５に太線で図示したルートで直流電流が流れる。この電流値Ｉは、抵抗１３の抵抗値をＲとしたとき、ほぼＩ＝Ｅ０／Ｒとなる。従って、図５に示した状態において制御部１０が検出するＵ相電流の絶対値とＥ０／Ｒの差が所定値を超えている場合は電流検出器８のＵ相分が異常と判断する。また、図示した状態において制御部１０が検出するＶ相電流の絶対値とＥ０／Ｒの差が所定値を超えている場合は電流検出器８のＶ相分が異常と判断する。尚、この場合電流検出器８自体の異常ではなく、制御基板１１内でＵ相またはＶ相の検出電流信号を処理する回路が異常となっている場合もあるので注意を要する。

次に、図５に示す状態でスイッチング素子Ｙをオフし、代わりにスイッチング素子Ｚをオンする。そして制御部１０が検出するＷ相電流の絶対値とＥ０／Ｒの差が所定値を超えている場合は、電流検出器８のＷ相分またはその検出電流の処理回路が異常と判断する。

尚、この実施例４の故障診断においても出力短絡回路１４を使用せず、交流電動機７を接続した状態で行うことが可能である。この場合は上記抵抗値Ｒに交流電動機の巻線抵抗を加えた値を上記抵抗値Ｒに代えて使用すれば良い。

１ コンバータ部
２ インバータ入力開閉器
３ 直流コンデンサ
４ 短絡バー
５ インバータ部
６ 出力開閉器
７ 交流電動機
８ 電流検出器
９ 電圧検出器
１０ 制御部
１１ 制御基板
１２ ゲート基板
１３ 抵抗
１４ 出力短絡回路
１５ 低電圧直流電源

Claims (3)

1. 交流を直流に変換するコンバータ部と、
   このコンバータ部の出力を平滑する直流コンデンサと、
   この直流コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、
   このインバータ部を構成するスイッチング素子にオン／オフパルスを供給する制御部と、
   前記直流コンデンサと前記インバータ部の間の直流配線内に設けられた短絡バーと
   を具備したインバータ装置のオフライン故障診断において、
   前記短絡バーを取り外し、代わりに抵抗を挿入するようにし、
   前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフした状態で、外部に接続した直流電源によって前記直流コンデンサを所定時間だけ充電し、
   前記制御部からの指令によって前記インバータ部のスイッチング素子を全てオンし、
   所定時間経過後に前記直流コンデンサの両端の電圧と前記直流電源の電源電圧とを比較し、その偏差が所定値以下であるとき、前記制御部の共通のゲート異常であると判断することを特徴とするインバータ装置の故障診断方法。
2. 交流を直流に変換するコンバータ部と、
   このコンバータ部の出力を平滑する直流コンデンサと、
   この直流コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、
   このインバータ部を構成するスイッチング素子にオン／オフパルスを供給する制御部と、
   前記直流コンデンサと前記インバータ部の間の直流配線内に設けられた短絡バーと
   を具備したインバータ装置のオフライン故障診断において、
   前記短絡バーを取り外し、代わりに抵抗を挿入するようにし、
   前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフした状態で、外部に接続した直流電源によって前記直流コンデンサを所定時間だけ充電し、
   前記制御部からの指令によって前記インバータ部のスイッチング素子のうち、正側アームまたは負側アームの全てのスイッチング素子とこれらとは反対極性アームの何れかのスイッチング素子をオンし、
   所定時間経過後に前記直流コンデンサの両端の電圧と前記直流電源の電源電圧とを比較し、その偏差が所定値以下であるとき、前記制御部の前記反対極性アームのスイッチング素子のゲート異常であると判断することを特徴とするインバータ装置の故障診断方法。
3. 交流を直流に変換するコンバータ部と、
   このコンバータ部の出力を平滑する直流コンデンサと、
   この直流コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、
   このインバータ部を構成するスイッチング素子にオン／オフパルスを供給する制御部と、
   前記直流コンデンサと前記インバータ部の間の直流配線内に設けられた短絡バーと
   を具備したインバータ装置のオフライン故障診断において、
   前記短絡バーを取り外し、代わりに抵抗を挿入するようにし、
   前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフした状態で、外部に接続した直流電源から前記直流コンデンサの両端に直流電圧を印加し、
   前記インバータ部の極性及び相の異なる任意の２つのスイッチング素子をオンして通電し、
   前記インバータ部の出力電流を検出する電流検出器で検出された電流値と前記直流電圧を回路抵抗で除算した理論電流値との差が所定値を超えたとき、前記電流検出器または前記電流検出器によって検出された電流の処理回路が異常であると判断することを特徴とするインバータ装置の故障診断方法。

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