JP2007174832A

JP2007174832A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2007174832A
Application number: JP2005370578A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sasaki; 康佐々木
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】信頼性の高い温度保護機能を備えた電力変換装置を提供すること。
【解決手段】変換部の主素子(スイッチング素子)に温度センサを備え、当該センサで検出された温度が予め設定してある温度保護しきい値に達したとき、保護動作を行なう方式の電力変換装置において、制御用マイコンによる処理ステップに、温度保護しきい値レベルを電力変換装置の出力電流に応じて算出する処理ステップＳ１２を設け、出力電流の増加に応じて温度保護レベルが低下されるようにしたもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも逆変換部を備えた電力変換装置に関する。

例えばインバータ装置などと呼ばれている電力変換装置では、その逆変換部を構成している半導体素子に発熱が伴う。そこで、所定の放熱手段を適用して適切な冷却が図られているのは勿論であるが、これと共に温度保護機能を設けておくのが一般的である。

ところで、このような温度保護機能が付与された電力変換装置については、従来から種々の提案がされているが(例えば、特許文献１参照。)、ここで図８は、これとは別の電力変換装置の一例であり、以下、この図８に示した電力変換装置Ｐについて説明する。

この電力変換装置Ｐは、電力源ＡＣから、例えば商用の三相交流電力の供給を受け、任意の電圧で任意の周波数(ＶＶＶＦ)の三相交流電力に変換して電動機Ｍに供給し、この電動機Ｍを可変速運転するようにした、いわゆるＶＶＶＦインバータ装置の一例であり、このため、図示のように順変換部１と平滑コンデンサ２、それに逆変換部３からなる主回路を備え、更に制御回路４を備えている。

ここで制御回路４はマイコンで構成され、このマイコンに格納してある制御プログラムに従って動作する。そして、例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子からなる逆変換部３の主素子をＰＷＭ(パルス幅変調)制御し、上記したように、任意の電圧で任意の周波数の三相交流電力が逆変換部３から電動機Ｍに供給されるようにする。

このとき順変換部１と逆変換部３の間には、電流検出用の抵抗器、つまりシャント抵抗５が接続されていて、逆変換部３に通流される電流、つまりは逆変換部３の出力電流値Ｉ_OUT が、このシャント抵抗５の抵抗値Ｒsh による電圧降下として制御回路４に取り込まれるようにしてあり、これにより逆変換部３の出力電流値Ｉ_OUT が、上記した主素子のオンオフ制御に反映されるようになっている。

また、この逆変換部３の主素子は、図示してないが、例えば放熱フィンを備えた放熱部材に取付け、これにより上記したように放熱が図られているが、このとき主素子の温度を検出して制御回路４に取り込むため、主素子の近傍に温度センサ６が取付けられている。

ここで、この温度センサ６には、例えばサーミスタ(登録商標)として知られている温度検出素子が用いられ、これに抵抗器７を直列に接続し、直流電源８から微小な電流ｉを流し、温度センサ６の抵抗値Ｒth 又は抵抗器７の抵抗値Ｒ１の分圧電圧Ｖｔが検出できるようにする。

そうすると、温度センサ６の抵抗値Ｒth は温度によって変化するので、抵抗値Ｒth と抵抗値Ｒ１の電圧分担は、当該温度検出素子６の温度によって一意的に決り、従って、分圧電圧Ｖｔから温度が検出できることになり、このとき検出温度をＴとすると、Ｔ∝Ｖｔであるから、Ｔ＝ｋ・Ｖｔ(ｋは比例定数)として検出温度Ｔが求まることになる。

そこで制御回路４は、この分圧電圧Ｖｔを取り込んで検出温度Ｔに換算し、予め設定してある所定の温度保護しきい値Ｔth_(OFF)と比較する。そして、検出温度Ｔが温度保護しきい値Ｔth_(OFF) 以上になったら、つまりＴ≧Ｔth_(OFF)になったら、電力変換装置が温度異常になったものとみなし、運転の停止、或いは出力の抑制を行ない、温度保護が与えられるようにするのである。

このときの温度センサ６には、通常、上記したようにサーミスタ(登録商標)が使用され、これが被保護素子(主素子のこと)の近傍に設置されるのが通例であるが、ここで電力変換装置の場合、最も発熱量が多いのは、通常、逆変換部の主素子であり、このため温度センサは、主素子が搭載されている部分の近傍にある基板や放熱フィンに設置されるのが一般的である。

ここで近年は、電力変換装置においても、その主回路部のモジュール化が進んでいるが、このとき温度センサには微弱な電流が流されるだけなので、発熱は無視でき、従って主素子を実装した基板部の近傍の温度は、実質的には主素子の発熱量だけで決る。そこで、このようなモジュールとしては、主素子を実装した基板部の近傍に温度センサを内蔵する形態のモジュールが主流になってきている。
特許第３０９８７８９号特許公報

上記従来技術は、主素子の温度変化とセンサの温度変化に時間遅れが存在する点に配慮がされておらず、温度保護動作の信頼性保持に問題があった。

このような場合、主素子が実装された基板の熱伝導特性にもよるが、温度センサの温度変化は、一般的に主素子の温度変化に対して時間的な応答遅れ、いわゆるタイムラグを持ってしまう。そして、このことは両者の物理的な距離が大きい程、顕著になると考えられる。

そこで、温度センサの設置場所を、可能な限り主素子に近い場所に選定しているが、しかし、現実には、物理的な理由から両者の距離はゼロにはできないので、温度センサの温度検出に、ある程度のタイムラグが発生してしまうのを避けるのは困難である。

ところで、従来技術では、上記したように、温度保護しきい値が或る一定のレベルに設定されている。そこで、いま、例えば図９に示すように、急激な負荷電流値の増加(ここでは１００％連続負荷から２００％負荷に増加)し、主素子温度が急上昇した状態のとき、温度保護しきい値として、例えば１１０℃を設定しておいたとする。

そうすると、この場合、温度センサが温度上昇を検知する前に、既に主素子の温度が温度許容レベルである１５０℃を越えてしまうので、熱破壊を起してしまう場合があり、従って、温度保護動作の信頼性が揺らいでしまう。この図９で主素子とは主素子の温度のことで、検出温度とは温度センサで検知した温度のことである。

一方、反対の事例として、図１０に示すように、負荷が一定(ここでは１００％負荷連続)で、装置自身の温度や周囲温度が緩やかに上昇している状態のときには、サーミスタ(登録商標)の温度も正しく追従して変化している。

そこで、この場合、温度保護しきい値として、例えば１００℃を設定しておいたとすると、主素子の温度が実際には充分に余裕が有るにも関わらず、制御回路が温度異常とみなしてしまい、運転停止が起きてしまう可能性あり、この場合も温度保護動作の信頼性が揺らいでしまうことになる。

本発明の目的は、信頼性の高い温度保護機能を備えた電力変換装置を提供することにある。

上記目的は、少なくとも逆変換部に温度検出手段を備え、該温度検出手段により検出された温度が予め設定してある温度保護しきい値に達したとき、保護動作を行なう方式の電力変換装置において、前記温度保護しきい値を、前記逆変換部の電流値に応じて変更する制御手段を設けることにより達成される。

同じく上記目的は、少なくとも逆変換部に温度検出手段を備え、前記温度検出手段により検出された温度が予め設定してある温度保護しきい値に達したとき、保護動作を行なう方式の電力変換装置において、該温度保護しきい値を、前記逆変換部の温度勾配の値に応じて変更する制御手段を設けることにより達成される。

本発明によれば、過電流出力時における温度保護動作の遅延による主素子の熱破壊を防止することができる。

また、本発明によれば、定格出力電流以下の通常連続運転時における温度保護の誤動作を防止することができる。

更に、本発明によれば、電力変換装置の運転状態に最適な温度保護制御を実現することができる。

以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、ここで、以下に説明する実施形態は、何れも図８で説明した電力変換装置Ｐに本発明を適用した場合の一実施形態であり、従って、そのハード構成と、電力変換装置としての基本的な動作については、既に説明した従来技術の場合と同じである。

また、以下に説明する実施形態でも、制御回路４による温度保護動作自体については、従来技術の場合と同じである。すなわち、温度センサ６の抵抗値Ｒth による分圧電圧Ｖt を取り込んで検出温度Ｔに換算し(Ｔ∝Ｖt)、この検出温度Ｔが温度保護しきい値Ｔth_(OFF)以上になったら、電力変換装置の温度が異常になったものとみなし、運転の停止、或いは出力の抑制を行ない、温度保護が与えられるようになっている。

しかして、以下に説明する本発明の実施形態が、上記した従来技術と異なる点は、制御回路４による温度保護動作の中で、従来技術では一定値になっている温度保護しきい値Ｔth_(OFF)が、本発明の実施形態では、逆変換部３の電流値又は逆変換部３の温度勾配の値に応じて変更されるようになっている点にあるので、以下、この点に重点をおいて各実施形態について説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１による温度保護しきい値Ｔth_(OFF)の設定処理フローで、このフローは、制御回路４のマイコンに格納されたプログラムにより、電力変換装置Ｐ(図８)が運転開始されると、上記した温度保護動作と並行して繰り返し所定の頻度で実行されるようになっている。このとき、図中のＳ１０〜Ｓ１３は各処理ステップを表わす。

いま、この図１に示す処理が開始されたとすると、まずＳ１０の判定処理で検出温度Ｔが基準温度以上あるか否かを調べる。そして、このＳ１０の処理による判定結果がＮＯ(否定)のときはＳ１１の処理に進み、ＹＥＳ(肯定)のときはＳ１２の処理に進む。

このときの基準温度としては、実際に適用対象となった電力変換装置によっても異なるが、周囲温度が平均的な温度のときに定格電流連続運転した場合の主素子の温度を想定し、それと同じ温度に設定してやればよい。

そして、まず、Ｓ１１の処理に進んだときは、温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１１０℃を設定する。一方、Ｓ１２の処理に進んだときは、ここでシャント抵抗５から与えられる逆変換部３の出力電流Ｉ_OUT を取り込み、この電流Ｉ_OUT の値に応じて新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)となるＸを算出し、次いでＳ１２の処理で、このＸを温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として設定するのである。

図２は、このときの出力電流Ｉ_OUT に対する温度保護しきい値Ｔth_(OFF)の関係を表わす特性図で、図示のように、出力電流Ｉ_OUT が定格比１００％以下のときは、Ｘ＝１１０℃の一定値を保つが、出力電流Ｉ_OUT が定格比１００％を越えると、この出力電流Ｉ_OUT の増加に反比例してＸの値が低下し、出力電流Ｉ_OUT が定格比１５０％負荷になったときはＸ＝１００℃に低下し、定格比２００％になったときはＸ＝９０℃に低下している。

これは、従来技術では、例えば１００℃の一定値であった温度保護レベルを、この実施形態１では、出力電流Ｉが定格比１００％以下のときは１１０℃の温度に引き上げ、１００％〜２００％の区間では１１０℃から９０℃までの右肩下がりの連続カーブに対応して可変させていくことを意味している。

次に、この実施形態１の場合の実際の主素子周りの温度変化を図３と図４に示す。ここで図３は出力が１５０％のときの特性で、図４は２００％出力時の特性であり、ここで、サーミスタとは検出温度Ｔのことであり、各々０秒時のスタート時点では出力１００％による連続運転時を想定しており、このとき、主素子の温度は９５℃で、温度センサ６の温度Ｔは８０℃である。

従って、いま、何らかの要因で周囲温度が上昇した場合には、温度保護レベルは１１０℃であるから主素子が１２５℃になった時点で温度保護動作が発動されることになる。

次に、０秒時以後において、出力が１５０％になったとする。そうすると、この場合、温度保護レベルは１００℃なので、図３の特性から、主素子の温度が１４０℃になった時点で温度保護動作が発動されることになり、更に出力が２００％になった場合は、温度保護レベルが９０℃であるから、図４の特性から、主素子が１４５℃の温度になった時点で温度保護動作が発動されることになる。

そうすると、この実施形態１の場合、温度保護レベルが逆変換部３の出力電流Ｉ_OUT に応じて適切なレベルに設定されるので、温度センサ６の温度変化が主素子の温度変化に対して応答遅れを持っていた場合でも、出力が１００％から２００％の区間で他の出力のときと同じ保護動作が行われることになり、従って、この実施形態１によれば、通常、素子に熱破壊が発生してしまうとされている過電流出力時において、常に１５０℃以下の温度に主素子が保護され、この結果、温度保護に高い信頼性をもたせることができる。

このとき１００％定格以下で必ずしも温度保護レベルを一定にする必要はなく、更に温度保護レベルを引き上げることにより、定格出力以下の連続運転状況下では、より一層、温度保護に誤動作が起こり難くなるようにすることも可能である。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２について説明すると、図５は、この実施形態２による温度保護しきい値Ｔth_(OFF)の設定処理フローで、このフローも制御回路４のマイコンに格納されたプログラムにより、電力変換装置Ｐ(図８)が運転開始されたことにより、上記した温度保護動作と並行して繰り返し所定の頻度で実行されるようになっている。

そして、この図５でもＳ１０〜Ｓ１６は各処理ステップを表わすが、このときＳ１０とＳ１１の処理は、図１の実施形態１の場合と同じで、電力変換装置Ｐの運転が開始されとすると、まずＳ１０の判定処理で検出温度Ｔが基準温度以上あるか否かを調べ、判定結果がＮＯのときはＳ１１の処理に進み、温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１１０℃を設定するのである。

従って、この実施形態２が実施形態１と相違している点は、出力電流Ｉ_OUT に対する温度保護レベル特性が連続的に変化するのではなく、ステップ状に変化する多段設定になっている点にあり、そこで、この実施形態２では、Ｓ１０での判定結果がＹＥＳのときはＳ１４の処理に進むようになっている。

そして、このＳ１４では、シャント抵抗５の電圧降下から演算した逆変換部３の出力電流Ｉ_OUT を取り込み、この出力電流Ｉ_OUT の値に応じて次に進むべき処理がＳ１５とＳ１６、それにＳ１１の何れであるかが選別される。

すなわち、出力電流Ｉ_OUT が１００％負荷に対応する値以下のときはＳ１１の処理に進み、ここでは、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１１０℃を設定する。

次に、出力電流Ｉ_OUT が１００％負荷に対応する値を越え、１５０％負荷に対応する値未満のときはＳ１５の処理に進み、ここでは、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１００℃を設定する。

更に、出力電流Ｉ_OUT が１５０％負荷に対応する値を越えたときはＳ１６の処理に進み、ここでは、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として９０℃を設定するのである。

従って、このときの出力電流Ｉ_OUT に対する温度保護しきい値Ｔth_(OFF)の関係は、図６の特性図に示すようになる。すなわち、まず、出力電流Ｉ_OUT が１００％負荷に対応する値以下のときは、温度保護しきい値Ｔth_(OFF)が１１０℃の一定値を保つ。

ここで、この点は実施形態１の場合と同じであるが、次に出力電流Ｉ_OUT が１００％負荷に対応する値を越えると、出力電流Ｉ_OUT の増加に反比例して温度保護レベルが段階的に低下し、１５０％負荷に対応する値になったときは温度保護しきい値Ｔth_(OFF)が１００℃に低下し、２００％負荷に対応する値になったときは、９０℃に低下している。

従って、この実施形態２によっても、温度保護レベルが逆変換部３の出力電流Ｉ_OUT に応じて、段階的ではあるが、適切なレベルに設定されるので、温度センサ６の温度変化が主素子の温度変化に対して応答遅れを持っていた場合でも、出力が１００％から２００％の区間で他の出力のときと同じ保護動作が行われることになり、よって、この実施形態２でも、通常、素子に熱破壊が発生してしまうとされている過電流出力時において、常に１５０℃以下の温度に主素子が保護され、この結果、温度保護に信頼性をもたせることができる。

ところで、上記した実施形態１の場合、出力電流Ｉ_OUT の値から温度保護レベルに変換しているので、この変換に要する演算処理が制御回路４のマイコン内で発生することになり、場合によっては保護動作の応答性に問題が発生するケースが考えられる。

一方、この実施形態２の場合は、出力電流Ｉ_OUT に対する温度保護レベル特性がステップ状に変化する多段設定になっているので、図６の特性を変換テーブルとして予め制御回路４のマイコン内に持たせておけば、計算時間が短縮されるので、保護動作に高速応答性が可能となる。

＜実施形態３＞
ところで、以上に説明した実施形態１と実施形態２は、何れも出力電流値レベルにより温度保護しきい値を決定する手法をとっているが、ここで出力電流値が急上昇したとすると、この場合、温度センサの温度も、時間遅れはあるものの、それ以前に比較すると、急上昇していくことになる。

そうすると、単位時間当たりの温度センサの温度変化、つまり温度変化速度をモニタし、これに応じて温度保護しきい値を決定するようにしても、温度保護レベルの適切な設定が可能になる。そこで、この手法を取り入れた電力変換装置を本発明の実施形態３として以下に説明する。

ここで、図７は、この実施形態３による温度保護しきい値Ｔth_(OFF)の設定処理フローで、このフローも制御回路４のマイコンに格納されたプログラムにより、電力変換装置Ｐ(図８)が運転開始されたことにより、上記した温度保護動作と並行して繰り返し所定の頻度で実行されるようになっている点は、既に説明した実施形態１と実施形態２の場合と同じである。

そして、この図７でもＳ１０〜Ｓ２０は各処理ステップを表わすが、このときＳ１０とＳ１１の処理も実施形態１と実施形態２の場合と同じである。すなわち、電力変換装置Ｐの運転が開始されとすると、まずＳ１０の判定処理で検出温度Ｔが基準温度以上あるか否かを調べ、判定結果がＮＯのときはＳ１１の処理に進み、Ｓ１１の処理では、温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１１０℃を設定するのである。

ここで、この実施形態３が、既に説明した実施形態１及び実施形態２と相違している点は、上記したように、温度保護レベル特性が温度センサ６の温度の単位時間当たりの変化、つまり逆変換部３の温度の単位時間当たりの変化、すなわち逆変換部３の温度勾配ΔＴth に応じて設定変更されるようになっている点にある。

そこで、この実施形態３では、Ｓ１０の判定結果がＹＥＳのときは、逆変換部３の温度勾配ΔＴth を演算するＳ１７の処理に進むようになっている。そして、ここでは、上記した検出温度Ｔを逆変換部３の温度とし、これから逆変換部３の温度勾配ΔＴth を演算するのである。

このとき、この実施形態３による図７の処理フローは、上記したように、所定の頻度で繰り返えし実行されている。そこで、検出温度Ｔを連続して前後２回取り込み、これらの差を取ってやれば、[℃／ｓ]を単位とする温度勾配ΔＴth を演算することができる。ここでｓは上記した頻度の逆数を[秒]に換算したものである。

そして、このＳ１７の処理の後はＳ１８に進み、ここで温度勾配ΔＴth の大きさを判定値Ａ、Ｂ(Ａ＜Ｂ)と比較し、比較結果に応じてＳ１１、Ｓ１９、又はＳ２０何れの処理に進むがが選別されることになる。

まず、温度勾配ΔＴth が判定値Ａ以下のときはＳ１１の処理に進み、ここでは、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１１０℃を設定する。次に、温度勾配ΔＴth が判定値Ａを越え、判定値Ｂ未満のときはＳ１９の処理に進み、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として１００℃を設定する。そして、温度勾配ΔＴth が判定値Ｂを越えたときはＳ２０の処理に進み、新たな温度保護しきい値Ｔth_(OFF)として９０℃を設定するのである。

従って、この実施形態３によっても、温度保護レベルが逆変換部３の出力電流Ｉ_OUT に応じて、段階的ではあるが、適切なレベルに設定されるので、温度センサ６の温度変化が主素子の温度変化に対して応答遅れを持っていた場合でも、出力が１００％から２００％の区間で他の出力のときと同じ保護動作が行われることになり、よって、この実施形態３でも、通常、素子に熱破壊が発生してしまうとされている過電流出力時において、常に１５０℃以下の温度に主素子が保護され、この結果、温度保護に信頼性をもたせることができる。

ここで、上記の判定値Ａ、Ｂについては、出力電流値を急上昇させたときの検出温度Ｔの挙動から、実験により最適な値を求めればよい。

そして、この実施形態３の場合は、温度保護レベルの変更に出力電流を用いていないので、出力電流の検出に精度が望めない場合に適用して効果的であると言える。

なお、この実施形態３においては、上記の実施形態１と同様、温度保護レベル特性が温度勾配ΔＴth に応じて連続的に変更されるようにして実施してもよく、段階的な変化にとらわれるものではない。

ところで、上記した実施形態２と、この実施形態３では、温度保護レベルの変更が３段階になっているが、このときの段数も３に限らないことはいうまでもない。

本発明に係る電力変換装置の実施形態１による制御動作を説明するためのフロー図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態１における温度保護−出力電流の特性図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態１の動作を説明するための第１の特性図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態１による動作を説明するための第２の特性図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態２による制御動作を説明するためのフロー図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態２における温度保護−出力電流の特性図である。本発明に係る電力変換装置の実施形態３による制御動作を説明するためのフロー図である。温度保護機能を備えた電力変換装置の一例を示すブロック構成図である。従来技術に係る電力変換装置の素子温度の推移を説明するための第１の特性図である。従来技術に係る電力変換装置の素子温度の推移を説明するための第２の特性図である。

符号の説明

Ｐ：電力変換装置
ＡＣ：電力源
Ｍ：電動機
１：順変換部
２：コンデンサ(平滑用)
３：逆変換部
４：制御回路(マイコン)
５：シャント抵抗
６：温度センサ
７：抵抗器
８：直流電源
Ｒth：温度センサの抵抗値
Ｒ１:分圧用の抵抗器７の抵抗値
Ｒsh：シャント抵抗５の抵抗値
Ｔth_(off)：温度保護しきい値
ΔＴth：検出温度Ｔの温度勾配
Ｔ_OUT ：出力電流

Claims

少なくとも逆変換部に温度検出手段を備え、該温度検出手段により検出された温度が予め設定してある温度保護しきい値に達したとき、保護動作を行なう方式の電力変換装置において、
前記温度保護しきい値を、前記逆変換部の電流値に応じて変更する制御手段が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
少なくとも逆変換部に温度検出手段を備え、該温度検出手段により検出された温度が予め設定してある温度保護しきい値に達したとき、保護動作を行なう方式の電力変換装置において、
前記温度保護しきい値を、前記逆変換部の温度勾配の値に応じて変更する制御手段が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
前記制御手段による前記温度保護しきい値の変更が連続的に現れることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
前記制御手段による前記温度保護しきい値の変更が段階的に現れることを特徴とする電力変換装置。