JP2008109819A - 電力変換器の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる電力変換器の制御システムを提供することを目的とするものである。
【解決手段】記憶部９４は、インバータの周辺で影響を与えるノイズの周波数を記憶している。ノイズレベル調整部９５は、ノイズ検出器１３，１４の出力に基づいて、周波数毎のノイズレベルを求め、記憶部９４が記憶している周波数が下がるように、キャリア信号出力部９１が出力するキャリア信号９１ａの周期変調を行うとともに、抵抗値指令出力部９６が出力する抵抗値指令信号９ｂを制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、供給された交流電力を複数のスイッチのオン及びオフによって所望の交流電力に変換する電力変換器の制御システムに関するものである。

従来装置では、Ｄ級増幅器の電力スイッチのスイッチング動作に由来する高調波ノイズのピークレベルを低減させることを目的として、電力スイッチのスイッチング動作を制御するためのキャリア信号の周波数変調を行っている（例えば、特許文献１参照）。
また、別の従来装置では、インバータに設けられたスイッチング素子の速いスイッチング動作によって発生するノイズを低減させるために、スイッチング素子のゲートに取り付けられたゲート抵抗の抵抗値を大きくすることで、スイッチング素子のスイッチング速度を遅くしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２２９３０６号公報 特開２００５−１０２３４６号公報

ところで、例えばエレベータの巻上機を駆動するためのインバータ等の電力変換器をビルに設置する場合、周辺に影響を与えるノイズの周波数は電力変換器を設置するビル毎に異なる。上記のような従来装置では、特定のノイズの発生量を抑えることはできるが、電力変換器を設置するビルによっては、該ビル内で周辺に影響を与える周波数のノイズを十分に抑えきれていないこともある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる電力変換器の制御システムを提供することである。

この発明に係る電力変換器の制御システムは、電力変換器から発生するノイズを検出する検出部と、電力変換器の周辺に影響を与えるノイズの周波数を記憶している記憶部と、検出部の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求め、記憶部が記憶している周波数のノイズレベルが下がるようにノイズレベルを調整するノイズレベル調整部とを備える。

この発明の電力変換器の制御システムによれば、ノイズレベル調整部は、検出部の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求め、所定の周波数のノイズレベルが下がるようにノイズレベルを調整するので、電力変換器が設置された環境で問題となる周波数のノイズレベルを下げることができ、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換器の制御システムを示す構成図である。図において、エレベータのかごを昇降させる巻上機１には、エレベータ用電力変換器２を介してビル側電源３が接続されている。エレベータ用電力変換器２は、ビル側電源３から供給される交流電力を複数のスイッチのオン及びオフによって所望の交流電力に変換するものである。即ち、エレベータ用電力変換器２は、複数のスイッチを含みビル側電源３から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ４と、コンバータ４が変換した直流電力を平滑する平滑コンデンサ５と、複数のスイッチを含み直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ６とを有している。なお、後に図示するが、コンバータ４及びインバータ６のスイッチは、ＩＧＢＴ（半導体スイッチ素子）である。

コンバータ４及びインバータ６には、コンバータドライブ装置７及びインバータドライブ装置８を介して、制御装置９が接続されている。制御装置９は、コンバータドライブ装置７を介してコンバータ４にゲート指令信号を入力する。同様に、制御装置９は、インバータドライブ装置８を介してインバータ６にゲート指令信号を入力する。コンバータ４及びインバータ６は、入力されたゲート指令信号に応じてスイッチング動作を行う。

ここで、コンバータ４及びインバータ６からは、ゲート指令信号に応じて行われるスイッチング動作に伴って、雑端ノイズ１０及び放射ノイズ１１が発生する。雑端ノイズ１０は、電源ライン等のラインを伝わるノイズである。放射ノイズ１１は、電磁波として空気中を伝わるノイズである。エレベータ用電力変換器２とビル側電源３との間には、雑端ノイズ１０を検出する雑端ノイズ検出器１３が接続されている。エレベータ用電力変換器２の周辺には、放射ノイズ１１を検出する放射ノイズ検出器１４が配置されている。雑端ノイズ検出器１３及び放射ノイズ検出器１４は、制御装置９に接続されている。即ち、制御装置９には、スイッチング動作に伴って発生した雑端ノイズ１０及び放射ノイズ１１がフィードバックされる。後に詳しく説明するが、制御装置９は、雑端ノイズ検出器１３及び放射ノイズ検出器１４の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求め、所定周波数のノイズレベルが下がるようにノイズレベルを調整する。

次に、図２は、図１の雑端ノイズ検出器１３を示す回路図である。図において、ビル側電源３に接続される電源側接続端子２０と、エレベータ用電力変換器２に接続される変換器側接続端子２１との間にはコイルＬ１が直列に接続されている。コイルＬ１と電源側接続端子２０との間には、コンデンサＣｚを介してアース１２が接続されている。コイルＬ１と変換器側接続端子２１との間には、コンデンサＣｙと抵抗Ｒｙとを介してアース１２が接続されている。制御装置９に接続される出力端子２３は、コンデンサＣｙと抵抗Ｒｙとの間に接続されている。なお、放射ノイズ検出器１４としては、エレベータ用電力変換器２から放射される電波の強度を検出できるものが用いられる。

次に、図３は、図１のインバータドライブ装置８を示す回路図である。図において、インバータドライブ装置８は、制御装置９からのゲート指令信号９ａを増幅するアンプ８０と、インバータ６のＩＧＢＴ６０への電流制限を行うゲート抵抗８１とを含んでいる。ゲート抵抗８１の抵抗値は可変である。制御装置９は、インバータドライブ装置８に抵抗値指令信号を入力することで、ゲート抵抗８１の抵抗値を制御する。なお、図３では、アンプ８０、ゲート抵抗８１、及びＩＧＢＴ６０を１つずつ図示しているが、インバータドライブ装置８及びインバータ６には、複数のアンプ８０、ゲート抵抗８１、及びＩＧＢＴ６０が設けられている。また、コンバータドライブ装置７及びコンバータ４にも、同様のアンプ、ゲート抵抗、及びＩＧＢＴが設けられている。

次に、図４は、図２の制御装置９を示す構成図である。図５は、図４の制御装置９からインバータドライブ装置８に入力されるゲート指令信号９ａの波形を示す説明図である。図６は、図４のノイズ検出器１３，１４で検出されたノイズの周波数毎のノイズレベルを示す説明である。図４において、制御装置９は、電力指令出力部９０と、キャリア信号出力部９１と、ゲート指令出力部９２と、インターフェース部９３と、記憶部９４と、ノイズレベル調整部９５とを含んでいる。

電力指令出力部９０は、巻上機１に供給する交流電力の波形を示す電力指令９０ａをゲート指令出力部９２に入力する。キャリア信号出力部９１は、三角波であるキャリア信号９１ａをゲート指令出力部９２に入力する。ゲート指令出力部９２は、電力指令９０ａとキャリア信号９１ａとを比較し、矩形波状のゲート指令信号９ａを作成し、インターフェース部９３を介してインバータドライブ装置８にゲート指令信号９ａを入力する。コンバータ４で直流に変換された電力は、インバータ６のＩＧＢＴ６０がゲート指令信号９ａに応じてオン及びオフされることで、電力指令９０ａで示される交流電力に変換されるとともに巻上機１に供給される。即ち、ゲート指令信号９ａがインバータドライブ装置８に入力される際のキャリア信号９１ａは、直流電力を交流電力に変換する際のサンプリング周期を示す信号である。つまり、インバータ６のＩＧＢＴ６０は、キャリア信号９１ａの周波数ｆ１でオン及びオフされる。インバータ６から発生するノイズには、キャリア信号９１ａの周波数ｆ１のノイズ、及び該周波数の高調波周波数ｆ３，ｆ５のノイズが多く含まれている。また、キャリア信号９１ａは鋭いパルス状の信号であるので、仮にゲート抵抗８１が小さい場合にはキャリア信号９１ａに応じ行われるＩＧＢＴ６０のスイッチング速度は速くなる。ＩＧＢＴ６０のスイッチング速度が速くなると、さらに高い周波数のノイズが発生する。なお、ここではインバータ６から発生するノイズについてのみ説明するが、コンバータ４からもスイッチング動作に応じて同様のノイズが発生する。

記憶部９４は、エレベータ用電力変換器２の周辺で影響が大きいノイズの周波数を予め記憶している。エレベータ用電力変換器２の周辺で影響が大きいノイズの周波数としては、例えば、周辺のエレベータ機器の機械的な共振周波数、人の耳に聞こえる可聴域周波数（２０Ｈｚ〜２００ｋＨｚ）、及びラジオの周波数等がある。なお、記憶部９４が記憶する周波数は、インバータ６が設置される場所によってことなり、保守員によって入力される設定値である。

ノイズレベル調整部９５は、ノイズ検出器１３，１４の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求める。また、ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４が記憶している周波数のノイズレベルが下がるように、キャリア信号出力部９１が出力するキャリア信号９１ａの周期変調（周波数変調）を行う。抵抗値指令出力部９６は、抵抗値指令信号９ｂを出力するものである。ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４が記憶している周波数のノイズレベルが下がるように、抵抗値指令出力部９６が出力する抵抗値指令信号９ｂを制御する。

次に、ノイズレベル調整部９５によるキャリア信号９１ａの周期変調、及び抵抗値指令信号９ｂの制御についてより具体的に説明する。図７は、図４のノイズレベル調整部９５によって行われるキャリア信号９１ａの周期変調を示す説明図である。図８は、図４のノイズレベル調整部９５による調整後の周波数毎のノイズレベルを示す説明である。図７に示すように、ノイズレベル調整部９５は、変調前の基本周期Ｔ０を中心にキャリア信号９１ａの周期を所定の調整幅内で変調させる。これによって、キャリア信号９１ａの周波数が分散されるので、キャリア信号９１ａの周波数ｆ１、及び該周波数の高調波周波数ｆ３，ｆ５のノイズレベルが分散される。従って、キャリア信号９１ａの周期変調が行われると、図８に示すようにキャリア信号９１ａの周波数ｆ１、及び該周波数の高調波周波数ｆ３，ｆ５のノイズレベルが低下する。但し、周期の調整幅は、制御的、電気機器的に問題とならない範囲とする。

ここで、例えばキャリア信号９１ａの周期を短くしすぎるとスイッチングロスが増加し、ＩＧＢＴ８１が破壊される可能性があり、逆に遅くしすぎてもインバータ騒音の問題となるので、周期変調にはある程度の制約をつける必要がある。ノイズレベル調整部９５は、Ｎ個（Ｎは任意の自然数）のパルスの平均周期が変調前の基本周期Ｔ０となるように、Ｎ個のパルスを１組としてキャリア信号９１ａの周期変調を行う。換言すると、ノイズレベル調整部９５は、基本周期Ｔ０とＮ個のパルスの合計周期ＴＮとの関係が、以下の式のようになるように周期変調を行う。
ＴＮ（＝Ｓｕｍ｛Ｔｎ｝［ｎ＝ｋ〜ｋ＋Ｎ］）＝Ｎ×Ｔ０（ｋは任意の自然数）

またここで、Ｎ個のパルスを１組としてキャリア信号９１ａの周期変調を行った場合、周期変調を行う周波数Ｆ１（＝１／ＴＮ）及びその高調波周波数でノイズが発生する。この周波数Ｆ１はキャリア信号９１ａの周波数に比べて低い周波数であり、周辺機器の機械的な共振周波数に重なる可能性がある。ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４が該共振周波数を記憶している場合には、キャリア信号９１ａの周期変調を行う周波数Ｆ１が共振周波数からずれるように、キャリア信号９１ａの周期変調を行う。

また、ノイズレベル調整部９５は、抵抗値指令信号９ｂを制御してゲート抵抗８１の抵抗値を大きくすることで、キャリア信号９１ａの基本周波数ｆ１よりもさらに高い周波数のノイズレベルを下げる。

以上、所定周波数のノイズレベルを低下させる手法について説明したが、これから全体としてのノイズレベルの調整方法について説明する。図９は、図４の記憶部９４が記憶している周波数重み情報Ｑ（ｆ）を示す説明図である。ここでは、記憶部９４は、周辺に影響を与える周波数として、人の可聴周波数を記憶しているとする。図９に示すように、記憶部９４が記憶している周波数情報は、人の可聴周波数の帯域に重み付けを行う情報である。重みＫとは重要度を示している。人の可聴周波数に他の周波数帯に比べて２倍の重要度を持たせる場合には重みＫ＝２とする。つまり、Ｑ（２０Ｈｚ）〜Ｑ（２０ｋＨｚ）＝２となる。

次に、図１０は、図４のノイズレベル調整部９５が行うノイズレベル最適化動作を示す説明図である。ノイズレベル調整部９５は、後に説明するが、所定のキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとの組み合わせを決定するとともに、下記の式で評価点Ｘを算出する。
Ｘ＝Ｒ×Σ｛Ｑ（ｆ）Ｆ（ｆ）｝
ここで、Ｒは計算の際の周波数分解能であり、ｆはｆｌ（対象周波数の下限）〜ｆｈ（対象周波数の上限）であり、Ｆ（ｆ）はノイズ検出器１３，１４の出力に基づいてノイズレベル調整部９５によって求められた周波数ｆｌ〜ｆｈのノイズレベルである。従って、評価点Ｘが最も小さくなるキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとの組み合わせが、そのビルにおける最適なキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとの組み合わせになる。即ち、ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４の情報に基づいてノイズ検出器１３，１４の出力から求めた周波数毎のノイズレベルに重み付けを行うとともに、該重み付けを行ったノイズレベルに基づいて評価点Ｘを求め、該評価点Ｘが最も低くなるようにキャリア信号の周期変調と抵抗値指令出力部９６が出力する抵抗値指令信号９ｂの制御とを行うことで、ノイズレベルの調整を行う。なお、この実施の形態では、Ｆ（ｆ）は０を基準としたノイズレベルである。

ノイズレベル調整部９５は、遺伝的アルゴリズムの検索手法を参考とした検索手法に基づいて、最小の評価点Ｘを検索する。ノイズレベル調整部９５は、最初はランダムでＷ回ほどキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとを変更する。ここで、Ｗ個の評価点Ｘを算出するとともに、該評価点Ｘを記憶するとともにそのときのキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとの情報も記憶する。その次に、ノイズレベル調整部９５は、Ｗ個の評価点Ｘとキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとのデータをそれぞれＶｂｉｔ長のｂｉｔ列に変換するとともに、その中で最も評価点Ｘが低い（評価が良い）情報をそのまま残し、評価点Ｘが高い（評価が低い）方から２つの情報を抹消する。また、ノイズレベル調整部９５は、Ｗ−２個の情報のそれぞれに対して、ランダムでＶｂｉｔの内のいくつかのｂｉｔを選びそのｂｉｔを反転させる。これによって、Ｗ−２個の情報を新たに得る。さらに、ノイズレベル調整部９５は、完全にランダムに生成したＶｂｉｔの情報を作成する。

即ち、この時点では、ノイズレベル調整部９５は、評価点Ｘが最も低い（評価が良い）情報、ｂｉｔ反転されたＷ−２個の情報、及び完全にランダムに生成した情報の合計Ｗ個の情報を記憶している。その次に、ノイズレベル調整部９５は、前回の評価点Ｘが最も低い情報を除くＷ−１個の情報より導き出されるキャリア信号９１ａと抵抗値指令信号９ｂとによってノイズレベルの実測を行い、再び評価点Ｘを算出する。そして、Ｗ個の評価点が揃ったらまた同じことを繰り返す。最終的には、完全にランダムに検索するのに対して、より早くより正確な検索が可能となる。これによって、記憶部９４が記憶しているノイズレベルが下がるようにノイズレベルの調整が行われる。

ここで、完全ランダム生成情報が追加されているのは、以下の理由による。この方法は検索が進む二つれてｂｉｔ情報が同じところに収束していく傾向になるため、検索の局所化がおこりやすく、一度検索が集中してしまうと、なかなかそこから抜け出すことができない。従って、検索集中した所とは別のもっと良いポイントへの移行をスムーズにする為に完全ランダムデータを１つ追加することにした。

このような電力変換機器の制御システムでは、ノイズレベル調整部９５は、ノイズ検出器１３，１４の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求め、所定の周波数のノイズレベルが下がるようにノイズレベルを調整するので、エレベータ用電力変換器２が設置された環境で問題となる周波数のノイズレベルを下げることができ、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる。

また、ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４が記憶している周波数のノイズレベルが下がるようにキャリア信号出力部９１が出力するキャリア信号９１ａの周期変調を行うので、キャリア信号９１ａの周波数及びその高調波周波数のノイズレベルの調整を行うことができ、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる。

さらに、ノイズレベル調整部９５は、Ｎ個のパルスの平均周期が変調前の基本周期となるように、Ｎ個のパルスを１組としてキャリア信号９１ａの周期変調を行うので、キャリア信号９１ａの周期を短くしすぎてスイッチングロスが増加し、ＩＧＢＴ８１が破壊される可能性を低減できるとともに、逆に遅くしすぎてインバータ騒音が大きくなる可能性を低減できる。

さらにまた、ノイズレベル調整部９５は、キャリア信号９１ａの周期変調の繰り返し周波数が共振周波数からずれるように、キャリア信号９１ａの周期変調を行うので、低い周波数のノイズによって周辺のエレベータ機器が振動したり、それによって騒音が発生したりする可能性を低減できる。

また、ノイズレベル調整部９５は、記憶部９４が記憶している周波数のノイズレベルが下がるように抵抗値指令出力部９６が出力する抵抗値指令信号９ｂを制御するので、高い周波数のノイズの調整を行うことができ、周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる。

さらに、ノイズレベル調整部９５は、エレベータ用電力変換器２から発生するノイズを調整するので、エレベータ用電力変換器２の周辺に影響を与えるノイズをより確実に抑えることができる。

なお、実施の形態１では、Ｆ（ｆ）は０を基準としたノイズレベルであると説明したが、ある基準（例えばＥＮ規格の基準値）をもとに、それに対する裕度に着目するならばＦ（ｆ）＝α｜ｆｂ（ｆ）−ｆ０（ｆ）｜｛ｉｆ ｆ０＞Ｆｂ（ｆ） α＝Ｐ，ｅｌｓｅ α＝１｝という式にしてもよい。但し、ｆ０は周波数ｆにおけるノイズレベルであり、Ｆｂ（ｆ）は基準のノイズレベルであり、Ｐは基準を超えたことに対するペナルティである。

また、実施の形態１では、エレベータ用電力変換器２から発生するノイズを調整するために適用された例を説明したが、この発明は、スイッチング動作によってノイズが発生する他の電力変換器に対しても適用できる。

この発明の実施の形態１による電力変換器の制御システムを示す構成図である。 図１の雑端ノイズ検出器を示す回路図である。 図１のインバータドライブ装置を示す回路図である。 図２の制御装置を示す構成図である。 図４の制御装置からインバータドライブ装置に入力されるゲート指令信号の波形を示す説明図である。 図４のノイズ検出器で検出されたノイズの周波数毎のノイズレベルを示す説明である。 図４のノイズレベル調整部によって行われるキャリア信号の周期変調を示す説明図である。 図４のノイズレベル調整部による調整後の周波数毎のノイズレベルを示す説明である。 図４の記憶部が記憶している周波数重み情報Ｑ（ｆ）を示す説明図である。 図４のノイズレベル調整部が行うノイズレベル最適化動作を示す説明図である。

符号の説明

２ エレベータ用電力変換器、９ｂ 抵抗値指令信号、１３，１４ ノイズ検出器（検出部）、６０ ＩＧＢＴ（スイッチ）、８１ ゲート抵抗、９１ キャリア信号出力部、９１ａ キャリア信号、９４ 記憶部、９５ ノイズレベル調整部、９６ 抵抗値指令出力部。

Claims (6)

1. 供給された交流電力を複数のスイッチのオン及びオフによって所望の交流電力に変換する電力変換器の制御システムであって、
   電力変換器から発生するノイズを検出する検出部と、
   上記電力変換器の周辺に影響を与えるノイズの周波数を記憶している記憶部と、
   上記検出部の出力に基づいて周波数毎のノイズレベルを求め、上記記憶部が記憶している周波数のノイズレベルが下がるようにノイズレベルを調整するノイズレベル調整部と
   を備えていることを特徴とする電力変換器の制御システム。
2. 上記所望の交流電力の波形を示す電力指令を出力する電力指令出力部と、
   所定周波数のキャリア信号を出力するキャリア信号出力部と、
   上記電力指令と上記キャリア信号とを比較して、上記スイッチのオン及びオフを制御するためのゲート指令信号を出力するゲート指令出力部と
   をさらに備え、
   上記ノイズレベル調整部は、上記記憶部が記憶している周波数のノイズレベルが下がるように上記キャリア信号出力部が出力する上記キャリア信号の周期変調を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御システム。
3. 上記ノイズレベル調整部は、Ｎ個（Ｎは正の整数）のパルスの平均周期が変調前の基本周期となるように、Ｎ個のパルスを１組として上記キャリア信号の周期変調を行うことを特徴とする請求項２記載の電力変換器の制御システム。
4. 上記記憶部は、上記電力変換器の周辺に影響を与えるノイズの周波数として、周辺機器の機械的な共振周波数を記憶しており、
   上記ノイズレベル調整部は、上記キャリア信号の周期変調を行う周波数が上記共振周波数からずれるように、上記キャリア信号の周期変調を行うことを特徴とする請求項３記載の電力変換器の制御システム。
5. ＩＧＢＴからなる上記スイッチのゲートに接続された抵抗値可変のゲート抵抗と、
   上記ゲート抵抗の抵抗値を切り替える抵抗値指令を出力する抵抗値指令出力部と
   をさらに備え、
   上記ノイズレベル調整部は、上記記憶部が記憶している周波数のノイズレベルが下がるように上記抵抗値指令出力部が出力する上記抵抗値指令を制御することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電力変換器の制御システム。
6. 上記電力変換器はエレベータの巻上機への電力供給を制御するエレベータ用電力変換器であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電力変換器の制御システム。

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