特開 2022-183808 電力変換装置及び電気機器、並びに、三相交流電源の不平衡状態検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022183808

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】電力変換装置及び電気機器、並びに、三相交流電源の不平衡状態検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20221206BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 A

H02M7/06 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021091297

(22)【出願日】2021-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】沖本 聖

(72)【発明者】

【氏名】金谷 雅夫

(72)【発明者】

【氏名】森本 一慶

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006AA07

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC01

5H006CC02

5H006CC08

5H006DC02

5H006DC05

5H006DC08

5H006FA02

(57)【要約】

【課題】三相交流電源の不平衡状態を高精度に検出する。
【解決手段】平滑コンデンサ１３０は、整流回路１０２と、負荷１５０の駆動電力を供給する主回路１０４とを接続する第１及び第２の電力線ＰＬ，ＮＬの間に接続される。周波数フィルタ１６０は、電圧検出器１０７及び電流検出器１０８によって検出される平滑コンデンサ１０３の直流電圧Ｖｃ及び直流電流Ｉｃの少なくとも一方から、三相交流電源１０１の系統周波数の２倍の周波数の成分を抽出する。判定部１７０は、周波数フィルタ１６０によって抽出された周波数成分が上昇すると、三相交流電源１０１の三相不平衡状態を検出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流電源からの三相交流電圧を整流して第１及び第２の電力線に出力する整流回路と、
前記第１及び第２の電力線の間に接続された平滑コンデンサと、
前記第１及び第２の電力線間の直流電圧を負荷の駆動電力に変換する主回路と、
前記平滑コンデンサの直流電圧及び直流電流の少なくとも一方を検出する検出器と、
前記検出器による検出値を用いて前記三相交流電源の不平衡状態を検出する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記直流電圧及び前記直流電流の少なくとも一方の前記検出値から、前記三相交流電圧の周波数の２倍の周波数の成分を抽出する周波数フィルタを含み、
前記制御部は、前記２倍の周波数の成分の上昇に応じて、前記不平衡状態を検出する第１の検出制御を実行する、電力変換装置。

【請求項2】

前記負荷は、三相モータであり、
前記主回路は、前記直流電圧を、前記三相モータに供給される交流電圧に変換する三相インバータであり、
前記制御部は、
前記２倍の周波数の成分を順次蓄積するための第１の記憶部を更に含み、
前記制御部は、前記第１の検出制御によって前記不平衡状態が検出された場合に、前記負荷の異常に起因する前記不平衡状態が発生していることを検出するための第２の検出制御を更に実行し、
前記第２の検出制御では、２４時間以上の予め定められた期間内における前記２倍の周波数の成分の変化度が予め定められた閾値よりも小さいときに、前記負荷の異常に起因する前記不平衡状態を検出する、請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１の検出制御では、前記２倍の周波数の成分が第１の判定値を超えたときに前記不平衡状態が検出され、
前記制御部は、一定時間の経過毎に前記第２の検出制御を更に実行し、
前記一定時間の経過毎に実行される前記第２の検出制御では、前記一定時間における前記２倍の周波数の成分の平均値が第２の判定値よりも大きく、かつ、前記予め定められた期間内における前記２倍の周波数の成分の前記変化度が前記閾値よりも小さいときに、前記負荷の異常に起因する前記不平衡状態が検出され、
前記第２の判定値は、前記第１の判定値よりも小さい、請求項２記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記検出器は、前記平滑コンデンサの温度を更に検出し、
前記制御部は、
前記直流電流と前記平滑コンデンサの上限温度との対応関係を予め記憶する第２の記憶部を更に含み、
前記制御部は、前記第１又は第２の検出制御によって前記不平衡状態が検出され、かつ、前記検出器によって検出された前記平滑コンデンサの温度が、前記検出器によって検出された前記直流電流に基づき、前記対応関係に従って設定された前記上限温度よりも高いときに、前記三相交流電源の不平衡状態を検出する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記三相交流電源及び前記主回路の間の電力伝達経路に介挿接続された保護リレーを更に備え、
前記制御部は、前記三相交流電源の不平衡状態の検出に応じて、前記保護リレーを開放する制御信号を生成する、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記制御部によって制御される報知器を更に備え、
前記制御部は、前記三相交流電源の不平衡状態の検出に応じて、前記不平衡状態の発生を知らせるアラームを発生する様に前記報知器を制御する、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

請求項１～６のいずれかに記載の電力変換装置と、
前記負荷とを備える、電気機器。

【請求項8】

三相交流電源からの三相交流電圧を整流する整流回路と、負荷に駆動電力を供給する主回路とを接続する第１及び第２の電力線の間に接続される平滑コンデンサの直流電圧及び直流電流の少なくとも一方の検出値を取得するステップと、
取得された前記少なくとも一方の検出値から、前記三相交流電圧の周波数の２倍の周波数の成分を抽出するステップと、
抽出された前記２倍の周波数の成分の上昇に応じて、前記三相交流電源の不平衡状態を検出する第１の検出ステップとを備える、三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【請求項9】

前記負荷は、三相モータであり、
前記主回路は、前記直流電圧を、前記三相モータに供給される交流電圧に変換する三相インバータであり、
前記不平衡状態検出方法は、
前記２倍の周波数の成分を順次蓄積するステップと、
前記第１の検出ステップによって前記不平衡状態が検出された場合に、２４時間以上の予め定められた期間内における前記２倍の周波数の成分の変化度が予め定められた閾値よりも小さいと、前記負荷の異常に起因する前記不平衡状態を検出する第２の検出ステップを更に備える、請求項８記載の三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【請求項10】

前記第１の検出ステップでは、前記２倍の周波数の成分が第１の判定値を超えたときに前記不平衡状態が検出され、
前記第２の検出ステップは、一定時間の経過毎に更に実行され、
前記一定時間の経過毎に実行される前記第２の検出ステップでは、前記一定時間における前記２倍の周波数の成分の平均値が第２の判定値よりも大きく、かつ、前記予め定められた期間内における前記２倍の周波数の成分の前記変化度が前記閾値よりも小さいときに、前記負荷の異常に起因する前記不平衡状態が検出され、
前記第２の判定値は、前記第１の判定値よりも小さい、請求項９記載の三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【請求項11】

前記平滑コンデンサの温度及び直流電流の検出値を取得するステップと、
前記直流電流及び前記平滑コンデンサの上限温度の間の予め定められた対応関係に従って、取得された前記直流電流の検出値から前記上限温度を設定するステップと、
前記第１又は第２の検出ステップによって前記不平衡状態が検出され、かつ、取得された前記平滑コンデンサの温度が設定された前記上限温度よりも高いときに、前記三相交流電源の不平衡状態を検出するステップとを更に備える、請求項８～１０のいずれか１項に記載の三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【請求項12】

前記三相交流電源の不平衡状態の検出に応じて、前記三相交流電源及び前記主回路の間の電力伝達経路に介挿接続された保護リレーを開放するステップを更に備える、請求項８～１１のいずれか１項に記載の三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【請求項13】

前記三相交流電源の不平衡状態の検出に応じて、前記不平衡状態の発生を知らせるアラームを発生するステップを更に備える、請求項８～１１のいずれか１項に記載の三相交流電源の不平衡状態検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置及び電気機器、並びに、三相交流電源の不平衡状態検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

三相交流で構成された配電系統に対して単相接続された電気機器の負荷が大きい場合に、三相交流電源のＲ相、Ｓ相、Ｔ相のそれぞれの電圧や位相が不平衡状態となることが知られている。例えば、配電系統の需要家である住宅、店舗、工場等で使用される電気機器（例えば、照明機器等）が、三相交流電源に対して単相接続される。更に、近年では、太陽光発電システム及びヒートポンプ式給湯器等の大容量負荷が、単相接続されることにより、電圧不平衡の問題が大きくなることが懸念される。

【0003】

三相交流電源が不平衡状態になると、三相交流電源から電力供給を受ける電気機器に過大な電流が流れることがある。その場合、電気機器において、動作の不具合、及び、搭載される電子部品の劣化又は故障が発生する可能性がある。このため、三相交流電源の不平衡状態（以下、単に「三相不平衡状態」とも称する）を精度良く検出して、システムを保護する技術が求められる。

【0004】

例えば、特開２００６－１８０６４９号公報（特許文献１）には、三相交流電源を整流し、かつ、コンデンサで平滑した直流電圧を電源とするインバータによって三相電動機を駆動するシステムに用いられる、三相電源不平衡状態の検出装置が記載されている。具体的には、直流電圧を平滑するコンデンサのリップル電圧の大きさが所定値以上となった状態が所定時間を超えて継続すると、三相不平衡状態を検出して、インバータに保護動作をかけることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６－１８０６４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、三相不平衡状態の検出に用いられるリップル電圧の大きさを、平滑コンデンサの電圧検出値から、リップル電圧の上限値及び下限値、並びに、両者の差分を演算することによって求めている。

【0007】

しかしながら、平滑コンデンサのリップル電圧の大きさは、インバータによって駆動される負荷の消費電力によっても変化する。電気機器の負荷は一定ではなく変動することが一般的であるため、特許文献１の技術では、負荷の出力増大時に、三相不平衡状態を誤検出することが懸念される。一方で、この様な誤検出を防止するために、三相不平衡状態を検出するための判定値を緩和すると、今度は、検出精度の低下が懸念される。

【0008】

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本開示の目的は、三相交流電源の不平衡状態を高精度に検出することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のある局面は、電力変換装置を提供する。電力変換装置は、整流回路と、平滑コンデンサと、主回路と、検出器と、制御部とを備える。整流回路は、三相交流電源からの三相交流電圧を整流して第１及び第２の電力線に出力する。平滑コンデンサは、第１及び第２の電力線の間に接続される。主回路は、第１及び第２の電力線間の直流電圧を負荷の駆動電力に変換する。検出器は、平滑コンデンサの直流電圧及び直流電流の少なくとも一方を検出する。制御部は、検出器による検出値を用いて三相交流電源の不平衡状態を検出する。制御部は、周波数フィルタを有する。周波数フィルタは、直流電圧及び直流電流の少なくとも一方の検出値から、三相交流電圧の周波数の２倍の周波数の成分を抽出する。制御部は、２倍の周波数の成分の上昇に応じて、不平衡状態を検出する第１の検出制御を実行する。

【0010】

本発明の他のある局面は、上記電力変換装置及び上記負荷を備える電気機器を提供する。

【0011】

本発明の更に他のある局面は、三相交流電源の不平衡状態検出方法を提供する。不平衡状態検出方法は、平滑コンデンサの直流電圧及び直流電流の少なくとも一方の検出値を取得するステップと、取得された少なくとも一方の検出値から、三相交流電圧の周波数の２倍の周波数の成分を抽出するステップと、抽出された２倍の周波数の成分の上昇に応じて三相交流電源の不平衡状態を検出する第１の検出ステップとを備える。平滑コンデンサは、第１及び第２の電力線の間に接続される。三相交流電源からの三相交流電圧を整流する整流回路と、負荷に駆動電力を供給する主回路とは、第１及び第２の電力線によって接続される。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、平滑コンデンサの直流電圧及び直流電流の少なくとも一方に含まれる、三相交流電圧の周波数の２倍の周波数の成分が、負荷の消費電力に依らず三相不平衡状態において増加するため、当該２倍の周波数成分の上昇に応じて、三相交流電源の不平衡状態を高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明するブロック図である。

【図2】図１に示された主回路の構成例を説明する回路図である。

【図3】正常時（三相平衡状態）における三相交流電源の電圧波形例である。

【図4】三相不平衡状態における三相交流電源の電圧波形例である。

【図5】正常時における平滑コンデンサの直流電圧の第１の波形例である。

【図6】正常時における平滑コンデンサの直流電圧の第２の波形例である。

【図7】三相不平衡状態における平滑コンデンサの直流電圧の波形例である。

【図8】実施の形態１における制御部の制御処理を説明するフローチャートである。

【図9】実施の形態２に係る電力変換装置の構成を説明するブロック図である。

【図10】三相交流電源の電圧不平衡率の推移の一例を示すグラフである。

【図11】実施の形態２における制御部の制御処理を説明するフローチャートである。

【図12】実施の形態３に係る電力変換装置の構成を説明するブロック図である。

【図13】平滑コンデンサの電気抵抗値の周波数特性の例を説明するグラフである。

【図14】実施の形態３における制御部の制御処理を説明する第１のフローチャートである。

【図15】実施の形態３における制御部の制御処理を説明する第２のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

【0015】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１００Ａの構成を説明するブロック図である。

【0016】

図１に示される様に、電力変換装置１００Ａは、三相交流電源１０１から供給された三相交流電力を、負荷１０５の駆動電力に変換する。例えば、負荷１０５は、エレベータ、又は、空調機器等に搭載される三相モータであり、電力変換装置１００Ａ及び負荷１０５は、電気機器２００の構成要素とされる。

【0017】

電力変換装置１００Ａは、整流回路１０２と、平滑コンデンサ１０３と、主回路１０４と、電圧検出器１０７と、電流検出器１０８と、制御部１５０と、報知器２１０とを備える。

【0018】

整流回路１０２は、代表的には全波整流を行うダイオードブリッジで構成されて、三相交流電源１０１と、電力線ＰＬ，ＮＬとの間に接続される。平滑コンデンサ１０３は、電力線ＰＬ及びＮＬの間に接続される。平滑コンデンサ１０３は、アルミ電解コンデンサ又はフィルムコンデンサ等によって構成される。

【0019】

電圧検出器１０７は、平滑コンデンサ１０３によって平滑化された直流電圧（以下、「コンデンサ電圧」とも称する）Ｖｃを検出する。電流検出器１０８は、平滑コンデンサ１０３を流れる直流電流（以下、「コンデンサ電流」とも称する）Ｉｃを検出する。電圧検出器１０７及び電流検出器１０８によるコンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの検出値は、制御部１５０に入力される。制御部１５０は、代表的には、マイクロコンピュータによって構成することができる。

【0020】

主回路１０４は、電力線ＰＬ，ＮＬによって伝達される直流電力を、負荷１０５の駆動電力に変換する。図１の例では、主回路１０４は、上記コンデンサ電圧Ｖｃを、三相モータを回転駆動するための三相交流電圧に変換する。

【0021】

図２には、主回路１０４の構成例を説明する回路図が示される。
図２に示される様に、主回路１０４は、半導体スイッチング素子１４ａ～１４ｆによって構成されたインバータ１４と、保護リレー１５とを有する。インバータ１４は、一般的な三相インバータの回路構成を有し、半導体スイッチング素子１４ａ～１４ｆが制御部１５０からの制御信号Ｓａ～Ｓｆに応じてオンオフすることで、コンデンサ電圧Ｖｃを負荷１０５（三相モータ）に印加される三相交流電圧に変換する。半導体スイッチング素子１４ａ～１４ｆは、例えば、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等によって構成することができる。

【0022】

例えば、制御部１５０は、図示しない電流センサによって検出された、インバータ１４及び負荷（三相モータ）１５の間に流れる三相電流の検出値に基づいて、三相モータの回転数又はトルクが指令値に従って制御される様に、制御信号Ｓａ～Ｓｆを生成する。

【0023】

保護リレー１５は、三相交流電源１０１及び主回路１０４の間の電力伝達経路に介挿接続される。例えば、保護リレー１５は、電力線ＰＬ又はＮＬに介挿接続される。保護リレー１５は、ノーマリオンであり、制御部１５０から制御信号Ｓｏｐｎに応じてオフ（開放）される。保護リレー１５のオフにより、インバータ１４及び負荷１０５は、動作を停止する。

【0024】

再び図１を参照して、三相交流電源１０１の各相の電圧が不平衡状態になると平滑コンデンサ１０３の電圧変動が大きくなったり、平滑コンデンサ１０３に流れる電流が大きくなったりする。従って、制御部１５０は、コンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃに基づいて三相不平衡状態を検出するための、周波数フィルタ１６０及び判定部１７０を有する。

【0025】

周波数フィルタ１６０は、逐次検出されるコンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの予め定められた特定の周波数の成分（以下、「特定周波数成分」と称する）を抽出する。例えば、周波数フィルタ１６０には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）又はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いることができる。周波数フィルタ１６０は、抵抗、コイル、及び、コンデンサで構成されるパッシブフィルタ、又は、オペアンプ等の能動素子を利用したアクティブフィルタによって構成することができる。或いは、周波数フィルタ１６０は、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃのデジタル変換値を演算処理（フーリエ変換等）するデジタルフィルタによって構成することも可能である。

【0026】

判定部１７０は、周波数フィルタ１６０によって抽出された、特定周波数成分に基づき、三相不平衡状態が発生しているか否かを判定する。判定部１７０は、代表的には、所定のプログラムを実行するソフトウェア処理によって構成することができる。或いは、判定部１７０は、後述する処理を実行する専用の電子回路（ハードウェア）によって構成することも可能である。

【0027】

報知器２１０は、制御部１５０からの制御指令に応じて、三相不平衡状態の検出時に、アラーム又はメッセージ等をユーザに対して出力する様に構成される。例えば、報知器２１０は、表示画面或いはスピーカ、又は、両者の組み合わせによって構成することができる。

【0028】

制御部１５０は、周波数フィルタ１６０及び判定部１７０を具備することにより、電圧検出器１０７及び電流検出器１０８による検出値を用いて、三相不平衡状態を検出する機能を有する。以下では、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃの特定周波数成分を用いた三相不平衡状態の検出手法について説明する。

【0029】

図３には、正常時（三相平衡状態）における三相交流電源１０１の電圧波形例が示される一方で、図４には、三相不平衡状態における三相交流電源１０１の電圧波形例が示される。

【0030】

図３に示される様に、三相交流電源１０１は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の三相の交流電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを発生する。交流電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは、予め定められた系統周波数ｆ（５０［Ｈｚ］又は６０［Ｈｚ］）を有し、かつ、位相が１２０［ｄｅｇ］ずつ異なる。

【0031】

図３に示される様に、正常時（三相平衡状態）には、交流電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの各々の振幅は同等（Ｖ１）である。これに対して、図４に示される三相不平衡状態では、交流電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの振幅に差異が生じる。図４には、Ｔ相の交流電圧Ｖｔの振幅が、他のＲ相及びＳ相の交流電圧Ｖｒ，Ｖｓの振幅（Ｖ１）よりも小さい例が示される。

【0032】

図５及び図６には、正常時（三相平衡状態）における平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃの波形例が示される。即ち、図５及び図６には、図３に対応する、コンデンサ電圧Ｖｃの波形例が示される。

【0033】

図５に示される様に、整流回路１０２からは、交流電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの絶対値の波形を合成した脈動電圧Ｖｒｓｔが出力される。コンデンサ電圧Ｖｃは、負荷１０５での電力消費による平滑コンデンサ１０３の放電によって低下する。一方で、脈動電圧Ｖｒｓｔがコンデンサ電圧Ｖｃよりも低くなると、平滑コンデンサ１０３が充電されることにより、コンデンサ電圧Ｖｃは上昇する。これにより、三相交流電源１０１から生成されるコンデンサ電圧Ｖｃには、系統周波数ｆの６倍の周波数の変動成分を有するリップル電圧が発生する。尚、平滑コンデンサ１０３を流れるコンデンサ電流Ｉｃにも同様の周波数成分が発生する。

【0034】

図６には、負荷１０５の消費電力の違いに対するコンデンサ電圧Ｖｃの波形例が示される。

【0035】

図６中には、負荷１０５の消費電力が小さいときのコンデンサ電圧Ｖｃの波形が実線で示される一方で、負荷１０５の消費電力が大きいときのコンデンサ電圧Ｖｃの波形が点線で示される。

【0036】

図６から理解される様に、負荷１０５の消費電力に依存してコンデンサ電圧Ｖｃの低下速度が変化するので、コンデンサ電圧Ｖｃの変動量（リップル電圧の大きさ）は、負荷１０５の動作状態（消費電力）に応じて変化する。従って、特許文献１の様に、リップル電圧の大きさと判定値との比較によって三相不平衡状態を検知すると、負荷電力が大きいときに三相不平衡状態を誤検出する虞がある。

【0037】

又、平滑コンデンサ１０３の経年劣化によって容量値が減少するのに応じて、リップル電圧も大きくなる。従って、リップル電圧の大きさに基づく判定では、経年劣化に応じて三相不平衡状態が誤検出されることも懸念される。

【0038】

一方で、これらの誤検出を回避するためのマージンを持たせて当該判定値を設定すると、三相不平衡状態の検出精度が低下することが懸念される。

【0039】

これに対して、図６中の点線及び実線の波形の比較から、コンデンサ電圧Ｖｃのリップル電圧の周波数成分は、平滑コンデンサ１０３の放電速度に依らず、系統周波数ｆの６倍の周波数が支配的になることが分かる。即ち、コンデンサ電圧Ｖｃの周波数特性は、負荷１０５の動作状態（消費電力）に応じた変化が小さいことが理解される。

【0040】

図７には、三相不平衡状態における平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃの波形例が示される。即ち、図７には、図４に対応する、コンデンサ電圧Ｖｃの波形例が示される。

【0041】

図７に示される様に、三相不平衡状態では、脈動電圧Ｖｒｓｔにおいて、振幅が他の相よりも小さい交流電圧Ｖｔのピークに相当する位相の電圧値が、三相平衡状態（図５）よりも低下する。

【0042】

この結果、図７では、上述の位相において、平滑コンデンサ１０３が充電されない。この結果、コンデンサ電圧Ｖｃが低下する期間が長くなり、リップル電圧の周波数特性が変化する。具体的には、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃは、系統周波数ｆの成分、或いは、系統周波数ｆの２倍の周波数（１００［Ｈｚ］又は１２０［Ｈｚ］）の成分（以下、「２ｆ成分」）を含む様になる。

【0043】

図示は省略するが、三相のうちの二相の電圧が、残りの相の電圧よりも低くなる三相不平衡状態でも、同様に平滑コンデンサ１０３の充電回数が減るので、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃには、２ｆ成分が含まれる様になる。この様な、コンデンサ電圧Ｖｃの周波数特性の変化は、図６で説明したのと同様に、負荷１０５の動作状態（消費電力）が異なっても共通に現れる。

【0044】

三相不平衡状態では、平滑コンデンサ１０３の充電回数の減少に伴い、各充電タイミングでのコンデンサ電流Ｉｃは増加する。これにより、平滑コンデンサ１０３の発熱による温度上昇に起因して、電気機器の寿命が短くなる虞がある。或いは、平滑コンデンサ１０３の温度上昇に伴ってコンデンサ電圧Ｖｃの変動成分（リップル電圧）が大きくなることで、負荷（三相モータ）１０５の制御性が低下することで、電気機器の動作に影響が出ることも懸念される。従って、三相不平衡状態の発生を適切に検出することが求められる。

【0045】

図８には、実施の形態１に係る制御部１５０の制御処理を説明するフローチャートが示される。

【0046】

図８を参照して、制御部１５０は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）１１０では、電圧検出器１０７及び電流検出器１０８の出力から、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの検出値を取得する。制御部１５１は、Ｓ１２０により、コンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの特定周波数の成分（ここでは、２ｆ成分）を抽出する。即ち、周波数フィルタ１６０の周波数特性は、系統周波数ｆの２倍の周波数（１００［Ｈｚ］又は１２０［Ｈｚ］）を抽出する様に設計される。Ｓ１１０及びＳ１２０による処理は、周波数フィルタ１６０によって実現される。

【0047】

制御部１５０は、Ｓ１３０により、Ｓ１２０で抽出された２ｆ成分を予め定められた判定値Ｐ１と比較する。判定値Ｐ１は、三相交流電源１０１の不平衡状態の度合いと、コンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分の大きさと対応関係を、実施試験又はシミュレーションで測定することにより、予め定めることができる。尚、上述の様に、判定値は、負荷１０５の動作状態（消費電力）に依存しない一定値とすることができる。

【0048】

制御部１５０は、２ｆ成分が判定値Ｐ１より大きい場合（Ｓ１３０のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１４０により、三相不平衡状態を検出する。更に、三相不平衡状態の検出に応じて、Ｓ１５０の処理が実行される。Ｓ１５０では、報知器２１０を用いた、三相不平衡状態の発生を知らせるアラームの発生、及び、保護リレー１５のオフによる電力変換装置１００Ａ（電気機器２００）の自動停止の少なくとも一方を実行することができる。制御部１５０は、報知器２１０に対するアラーム出力指令、及び、保護リレー１５を開放するための制御信号Ｓｏｐｎの少なくとも一方を実行する。Ｓ１３０～Ｓ１５０による処理は、判定部１７０によって実現される。Ｓ１３０及びＳ１４０は、「第１の検出ステップ」の一実施例に対応し、Ｓ１３０及びＳ１４０の処理によって「第１の検出制御」が実現される。

【0049】

２ｆ成分が判定値Ｐ１より小さい場合（Ｓ１３０のＮＯ判定時）には、Ｓ１１０～Ｓ１３０の処理が繰り返し実行される。即ち、三相不平衡状態が検出されることなく、三相不平衡状態を検出するための監視が継続的に実行されることになる。

【0050】

この様に、実施の形態１に係る電力変換装置及び電気機器によれば、平滑コンデンサ１０３の電圧又は電流の特定の周波数成分の抽出により、負荷の動作状態（消費電力）の変化、及び、経年劣化による平滑コンデンサ１０３の容量値の変化の影響を抑制して、三相交流電源の三相不平衡状態を高精度に検出することが可能である。

【0051】

更に、三相不平衡状態の検出に応じた、保護リレー１５のオフ又は報知器２１０によるアラーム出力により、電力変換装置及び電気機器が三相不平衡状態の下で継続的に動作するのを回避することによって、機器の長寿命化を図ることができる。

【0052】

実施の形態２．
実施の形態２では、負荷側の異常による三相不平衡状態の検出について説明する。

【0053】

図９には、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ｂの構成を説明するブロック図が示される。

【0054】

図９に示される様に、電力変換装置１００Ｂは、実施の形態１に係る電力変換装置１００Ａ（図１）と比較して、制御部１５０に代えて、制御部１５１を備える点で異なる。

【0055】

制御部１５１は、制御部１５０（図１）と比較すると、記憶部１８０及びタイマ１８５を更に含む点と、判定部１７０（図１）に代えて判定部１７１を含む点とで異なる。

【0056】

制御部１５１は、実施の形態１で説明した制御部１５０による三相不平衡状態の検出機能に加えて、後述する様な、負荷側の異常による三相不平衡状態を検出する機能を有する。

【0057】

図１０には、三相交流電源の電圧不平衡率の推移の一例を示すグラフが示される。電圧不平衡率は、三相不平衡状態の度合いを示す定量値であり、三相のうちの最も高電圧の相の電圧Ｖｍａｘ（実効値、又は、振幅）と、三相のうちの最も低電圧の相の電圧Ｖｍｉｎ（実効値、又は、振幅）とを用いると、（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／Ｖｍｉｎで定義される。尚、当該電圧不平衡率と、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分との間には、正の相関があることが、発明者らによって確認されている。

【0058】

図１０中には、ある需要家における電圧不平衡率の２４時間の推移例が示される。図１０から、上述した、昼間及び夜間の間での、電気機器及び太陽光発電システム等の動作状況の変化により、１日の中で、電圧不平衡率が変化していることが理解される。１日（２４時間内）での電圧不平衡率の変動率Ｋを、例えば、２４時間内での電圧不平衡率の最大値Ｋ１及び最小値Ｋ２を用いて、Ｋ＝（Ｋ１－Ｋ２）／Ｋ２で定義することができる。

【0059】

三相交流電源１０１の電圧不平衡は、上述した様に、配電系統の需要家である住宅、店舗、及び、工場等で使用される電気機器、及び、太陽光発電システム等の単相大容量負荷が、三相交流電源１０１の三相のうちの二相に接続される、単相接続の態様で使用されることが原因となるケースがある。

【0060】

例えば、照明機器は、単相接続されるケースが多いため、特定の相に対する接続が集中すると、照明機器の消費電力が大きくなる夜間において、当該相の電圧低下によって電圧不平衡の度合いが大きくなる可能性がある。反対に、特定の相に対する太陽光発電システムの接続が集中すると、発電電力が大きくなる昼間において、当該相の電圧上昇によって電圧不平衡の度合いが大きくなる可能性がある。

【0061】

この様な、三相交流電源１０１に接続された負荷１０５の種類及び動作状況に起因して三相不平衡状態が検出される場合には、図１０に示される様に、三相不平衡の度合いが時間帯に依存して変化する特性が現れる。

【0062】

これに対して、三相不平衡状態は、負荷１０５側の異常が原因で発生するケースも存在する。代表的には、三相モータが、欠相によって単相運転することで、三相不平衡状態が発生することがある。例えば、三相モータの欠相は、いずれかの相に接続される電線が断線状態、又は、不安定な接続状態となったり、主回路１０４において、一部の相のスイッチング素子が故障したりすることで発生する。

【0063】

三相運転されるべき負荷（モータ）が欠相状態で起動する場合には、特定相への電流集中等によって過電流が発生するため、電流監視による過負荷検出によって、負荷を保護停止することが可能である。

【0064】

一方で、三相負荷（モータ）の連続運転中に欠相が発生した場合には、モータの負荷が軽い為、過電流検出が困難であり、かつ、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの変化も比較的小さくなる。或いは、モータが欠相状態までは至らないものの、劣化等によって三相不平衡状態で運転されるケースも想定される。この様なケースについても、実施の形態１で説明した様に、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分に基づいて、三相不平衡状態を検出することができる。

【0065】

実施の形態１によって検出された電圧不平衡状態について、上述の様に、負荷１０５（電気機器）側の異常で発生している場合には、ユーザに対して、負荷１０５の異常を解消するアクションを促す報知を行うことが好ましい。

【0066】

図１１には、実施の形態２に係る制御部１５１による制御処理を説明するフローチャートが示される。制御部１５１は、電気機器２００の動作中において、実施の形態１の制御部１５０による制御処理（図８）に加えて、図１１の制御処理を実行する。

【0067】

制御部１５１は、図８と同様のＳ１１０及びＳ１２０により、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの検出値を取得するとともに、コンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分を抽出する。更に、制御部１５１は、Ｓ２００により、Ｓ１２０で抽出された２ｆ成分の値を、測定時間データと合わせて蓄積する。Ｓ２００の処理は、タイマ１８５及び記憶部１８０によって実現される。即ち、記憶部１８０は「第１の記憶部」の一実施例に対応する。

【0068】

制御部１５１は、判定タイミングが到来すると（Ｓ２１０のＹＥＳ判定時）、Ｓ２００により蓄積されたデータを用いて、Ｓ２２０以降の処理を実行する。判定タイミングは、例えば、実施の形態１における三相不平衡状態の検出時に設けられる。即ち、図８のＳ１３０のＹＥＳ判定に連動して、Ｓ２１０をＹＥＳ判定とすることができる。

【0069】

判定タイミング以外では（Ｓ２１０のＮＯ判定時）、Ｓ１１０、Ｓ１２０、及び、Ｓ２００の処理が繰り返されて、コンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分の値が順次蓄積される。

【0070】

制御部１５１は、Ｓ２２０では、現時点（即ち、当該判定タイミング）から、２４時間以上の予め定められた一定期間（代表的には、２４時間）内で蓄積された２ｆ成分の値から、２ｆ成分の変化率Ｘｆを算出する。当該変化率は、蓄積された２ｆ成分（例えば、２４時間分）の最大値ｆ１及び最小値ｆ２を用いて、Ｘｆ＝（ｆ１－ｆ２）／ｆ２として算出することができる。代表的には、当該判定タイミングから２４時間内で蓄積された２ｆ成分の最大値及び最小値を抽出して、変化率Ｘｆを算出することができる。或いは、時間帯毎（例えば、１時間毎）に複数日のデータを平均して、時間帯毎の当該平均値から最大値及び最小値を抽出することによって、変化率Ｘｆを求めることも可能である。

【0071】

制御部１５１は、Ｓ２３０により、Ｓ２２０で算出された変化率Ｘｆを、予め定められた閾値Ｔｐと比較する。変化率Ｘｆが閾値Ｔｐより低い場合には（Ｓ２３０のＹＥＳ判定時）、Ｓ２４０に処理が進められて、負荷１０５（電気機器２００）側の異常に起因する三相不平衡状態が検出される。２ｆ成分の変化率に係る閾値Ｔｐについても、実機試験又はシミュレーションの結果に基づいて、予め求めることができる。Ｓ２３０及びＳ２４０は、「第２の検出ステップ」の一実施例に対応し、Ｓ２３０及びＳ２４０の処理によって「第２の検出制御」が実現される。

【0072】

更に、制御部１５１は、Ｓ２５０により、負荷１０５（電気機器２００）の異常発生を報知するためのアラームを、報知器２１０を用いて発生する。当該アラームには、三相モータが単相運転されている可能性があることを報知する等、ユーザに対して負荷１０５の点検を促す情報が含まれることが好ましい。或いは、Ｓ２５０においても、保護リレー１５（図１）の開放による、電力変換装置１００Ｂ及び電気機器２００の保護停止を行うことが可能である。

【0073】

これに対して、変化率Ｘｆが閾値Ｔｐ以上である場合（Ｓ２３０のＮＯ判定時）には、Ｓ２４０，Ｓ２５０の処理はスキップされて、負荷１０５（電気機器２００）側の異常に起因する三相不平衡状態は検出されない。

【0074】

この様に、実施の形態２に係る電力変換装置及び電気機器によれば、実施の形態１で説明した効果に加えて、平滑コンデンサ１０３の電圧又は電流の特定周波数成分（２ｆ成分）の時間経過に伴う変化度に基づいて、負荷１０５（電気機器２００）側の異常に起因して三相不平衡状態が生じていることを検出できる。

【0075】

更に、ユーザに対して負荷１０５（電気機器２００）側の異常の発生を報知することで、当該異常による三相不平衡状態が継続することを防止できる。これにより、三相不平衡状態での連続的な負荷１０５の運転を回避して、電気機器２００に流れる過大な電流を抑制することで、電気機器２００の長寿命化を図ることできる。

【0076】

図１１では、２ｆ成分の変化率Ｘｆと閾値との比較によって、一定期間（２４時間以上）内での２ｆ成分の変化度を定量評価する例を示したが、当該変化度は、変化率Ｘｆ以外の数値を用いて、評価することも可能である（例えば、最大値及び最小値の差分、又は、標準偏差等）。

【0077】

尚、実施の形態２において、図１１のＳ２１０による判定タイミングは、実施の形態１での三相不平衡状態の検出タイミングに加えて、定期的（例えば、１回／日）に設けることも可能である。この様な判定タイミングにおいても、Ｓ２２０での変化率Ｘｆは、同様に算出することができる。一方で、Ｓ２３０では、Ｘｆ＜Ｔｐの判定に加えて、判定タイミング間で蓄積された２ｆ成分の平均値Ｘａを判定値Ｐ２と比較する処理が更に実行される。当該判定値Ｐ２は、実施の形態１での図８のＳ１３０で用いられる判定値Ｐ１よりも低い値に設定される（Ｐ２＜Ｐ１）。

【0078】

そして、Ｓ２３０は、Ｘｆ＜Ｔｐ、及び、Ｘａ＞Ｐ２の両方が成立するとＹＥＳ判定とされて、Ｓ２４０，Ｓ２５０の処理が実行される。この様にすると、判定値Ｐ１を用いた実施の形態１では三相不平衡状態が検出されないレベルであっても、負荷１０５（電気機器２００）側の異常に起因して、継続的に発生している三相不平衡状態を更に検出することが可能となる。

【0079】

尚、実施の形態１及び２では、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分に基づいて三相不平衡状態を検出する例を説明したが、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分を用いて、三相不平衡状態を検出することも可能である。即ち、本実施の形態では、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの少なくとも一方の２ｆ成分を用いて、三相不平衡状態を検出することが可能である。

【0080】

実施の形態３．
実施の形態３では、平滑コンデンサ１０３の温度上昇の検出を組み合わせて、三相不平衡状態を正確に検出するための制御処理を説明する。

【0081】

図１２には、実施の形態３に係る電力変換装置１００Ｃの構成を説明するブロック図が示される。

【0082】

図１２に示される様に、電力変換装置１００Ｃは、実施の形態１に係る電力変換装置１００Ａ（図１）と比較して、温度検出器１０９を更に備える点と、制御部１５０に代えて、制御部１５２を備える点で異なる。

【0083】

制御部１５２は、制御部１５０（図１）と比較すると、記憶部１８１を更に含む点と、判定部１７０（図１）に代えて判定部１７２を含む点とで異なる。

【0084】

温度検出器１０９は、平滑コンデンサ１０３に配置されて、平滑コンデンサ１０３の温度を検出する。温度検出器１０９によって検出されたコンデンサ温度Ｔｃは、制御部１５２（判定部１７２）に入力される。温度検出器１０９は、サーミスタ、又は、熱電対等の任意の温度センサによって構成することができる。

【0085】

制御部１５２は、実施の形態１，２で説明した制御部１５０又は１５１による三相不平衡状態の検出機能に加えて、後述する様な、平滑コンデンサ１０３の温度検出値（コンデンサ温度）Ｔｃに基づく、三相不平衡状態の検出機能を有する。

【0086】

図１３には、平滑コンデンサ１０３の電気抵抗値（ＥＳＲ：Equivalent series resistance）の周波数特性の例を説明するグラフが示される。図１３には、アルミ電解コンデンサのＥＳＲの周波数特性が示される。

【0087】

図１３に示される様に、アルミ電解コンデンサのＥＳＲは、メーカ及び品種によって若干の差異はあるものの、低周波数になる程高くなる特性を有する。これにより、系統周波数ｆ（５０［Ｈｚ］又は６０［Ｈｚ］）の２倍の周波数である２ｆでのＥＳＲは、交流周波数の６倍の周波数である６ｆでのＥＳＲよりも高い値（例えば、１０～３０（％）程度上昇）を有する。この様な周波数特性は、アルミ電解コンデンサに限らず、セラミックコンデンサ、及び、フィルムコンデンサ等、平滑コンデンサ１０３と通常用いられる種類のコンデンサにも共通に現れる。

【0088】

平滑コンデンサ１０３の発熱量は、オームの法則より、上述のＥＳＲと、コンデンサ電流Ｉｃ（実効値）の２乗との積で示される。従って、同一のコンデンサ電流Ｉｃ（実効値）の下でも、ＥＳＲが増加すると、平滑コンデンサ１０３の発熱量も増加することが理解される。

【0089】

上述した様に、三相不平衡状態が発生すると、平滑コンデンサ１０３に流れるコンデンサ電流Ｉｃの主な周波数成分は、６ｆから２ｆに低下する。これにより、図１３に示された周波数特性に従ってＥＳＲが増加することによって、同じ大きさの直流電流（実効値）が流れた下で、三相不平衡状態では、正常時（三相平衡状態）と比較して、平滑コンデンサ１０３の温度上昇が大きくなる。実施の形態３では、上述の周波数特性を利用して、三相不平衡状態を検出する。

【0090】

図１４には、実施の形態３における制御部１５２の制御処理を説明する第１のフローチャートが示される。

【0091】

図１４を参照して、制御部１５２は、Ｓ３１０では、電流検出器１０８及び温度検出器１０９の出力から、平滑コンデンサ１０３のコンデンサ電流Ｉｃ、及び、コンデンサ温度Ｔｃの検出値を取得する。

【0092】

制御部１５２は、記憶部１８１に予め保持された対応関係（テーブル、又は、関数式）に従って、Ｓ３１０で取得されたコンデンサ電流Ｉｃの検出値に対応する平滑コンデンサ１０３の上限温度Ｔｃｌｉｍを設定する。即ち、記憶部１８１は「第２の記憶部」の一実施例に対応する。尚、当該対応関係は、６ｆ成分を主成分とするコンデンサ電流Ｉｃの各電流値が平滑コンデンサ１０３を流れたときの発熱量に対応させて、実機試験又はシミュレーションの結果から予め定めることができる。

【0093】

制御部１５２は、Ｓ３３０により、Ｓ３１０で取得されたコンデンサ温度Ｔｃと、Ｓ３２０で設定された上限温度Ｔｃｌｉｍとを比較する。コンデンサ温度Ｔｃが上限温度Ｔｃｌｉｍよりも高い場合（Ｓ３３０のＹＥＳ判定時）には、Ｓ３４０により、三相不平衡状態が検出される。一方で、コンデンサ温度Ｔｃが上限温度Ｔｃｌｉｍ以下である場合（Ｓ３３０のＮＯ判定時）には、Ｓ３５０により、三相不平衡状態は非検出とされる。

【0094】

次に、実施の形態１，２に係るコンデンサ電圧Ｖｃ又はコンデンサ電流Ｉｃの２ｆ成分に基づく三相不平衡状態の検出と、実施の形態３に係るコンデンサ温度Ｔｃに基づく三相不平衡状態の検出との組み合わせについて説明する。

【0095】

図１５には、実施の形態３における制御部１５２の制御処理を説明する第２のフローチャートが示される。

【0096】

図１５に示される様に、制御部１５２は、Ｓ４１０によって、実施の形態１又は２に係る２ｆ成分に基づく三相不平衡状態の判定結果を参照し、不平衡状態が検出されると（Ｓ４１０のＹＥＳ判定時）、Ｓ４２０により、実施の形態３に係るコンデンサ温度Ｔｃに基づく三相不平衡状態の判定結果を参照する。

【0097】

制御部１５２は、コンデンサ温度Ｔｃからも三相不平衡状態が検出されると、（Ｓ４１０及びＳ４２０のＹＥＳ判定時）、Ｓ４３０により、三相交流電源１０１の三相不平衡状態を検出する。Ｓ４３０では、図８のＳ１５０と同様に、報知器２１０を用いたアラームの発生、及び、保護リレー１５のオフによる電力変換装置１００Ｃ（電気機器２００）の自動停止の少なくとも一方が更に実行される。

【0098】

これに対して、制御部１５２は、Ｓ４１０又はＳ４２０のＮＯ判定時、即ち、２ｆ成分に基づく判定（実施の形態１，２）、及び、コンデンサ温度Ｔｃに基づく判定（実施の形態３）の少なくとも一方で、三相不平衡状態が非検出である場合には、Ｓ４４０により、三相不平衡状態を非検出とする。

【0099】

この様に実施の形態３に係る電力変換装置及び電気機器によれば、三相不平衡状態の発生に伴う平滑コンデンサ１０３の温度上昇の検出を更に組み合わせることにより、コンデンサ電圧Ｖｃ及びコンデンサ電流Ｉｃの測定ノイズ等による誤検出を抑制することによって、三相交流電源の不平衡状態の検出精度を高めることができる。

【0100】

尚、実施の形態１～３では、インバータ１４によって構成された主回路１０４によって、三相モータで構成された負荷１０５を駆動する例を説明したが、主回路１０４及び負荷１０５は、この例示に限定されるものではない。例えば、実施の形態１及び３については、負荷１０５が三相モータ以外で構成されても適用可能であり、更には、主回路１０４及び負荷１０５がＤＣ／ＤＣ変換器及び直流負荷（例えば、直流モータ）で構成された場合にも、三相不平衡状態を検出することが可能である。

【0101】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示による技術的範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0102】

１４ インバータ、１４ａ，１４ｆ 半導体スイッチング素子、１５ 保護リレー、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 電力変換装置、１０１ 三相交流電源、１０２ 整流回路、１０３ 平滑コンデンサ、１０４ 主回路、１０５ 負荷、１０７ 電圧検出器、１０８ 電流検出器、１０９ 温度検出器、１５０，１５１，１５２ 制御部、１６０ 周波数フィルタ、１７０，１７１，１７２ 判定部、１８０，１８１ 記憶部、１８５ タイマ、２００ 電気機器、２１０ 報知器、Ｉｃ コンデンサ電流、ＮＬ，ＰＬ 電力線、Ｐ１，Ｐ２ 判定値、Ｓａ～Ｓｆ，Ｓｏｐｎ 制御信号、Ｔｃ コンデンサ温度、Ｔｃｌｉｍ 上限温度、Ｖｃ コンデンサ電圧、Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ 交流電圧、Ｖｒｓｔ 脈動電圧。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】