JP2008172949A - 電力変換装置及びその電動機保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電動機の保護方法において、過励磁状態で運転した場合に増加する鉄損を考慮して、確実に交流電動機を過熱保護する。
【解決手段】 電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、磁束比を用いて電動機が過励磁であるかを判断し、過励磁状態に応じて検出電流値を補正し、過励磁状態に応じて補正された電流を用いて電動機の過熱保護を行うという手順で処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及びその電動機保護方法に関する。

従来の電力変換装置は、速度設定手段で設定した速度に応じて定まる電動機の冷却効果を考慮した連続運転可能時間を示す記憶手段と、前記電動機が加速中又は減速中であるか定速運転中であるかを判定する判定手段と、該判定手段が前記電動機の加速中時は前記記憶手段から加速時の熱時限特性を読み出し、定速運転中であるときには定速運転時の熱時限特性を読み出す読出手段と、電流検出手段の検出値を取り込んで積算処理を行い、この積算値が前記読出手段で読み出した記憶値を越えたとき異常信号を発生する異常検出手段とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

また、負荷装置への供給電流に基づいて前記負荷装置に発生する熱を推定する熱推定部と、前記熱推定部により推定される熱と、予め定められる前記負荷装置の熱回路モデルとに基づいて、前記負荷装置の温度の推移をシミュレーションする温度推移模擬部と、前記温度推移模擬部により推定される温度に応じて、前記負荷装置への供給電流を制限して保護する保護部を備えているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図７において、３００は電力変換装置全体であり、１は電力変換部、２は交流電動機、３は電流検出部、４は出力周波数・電圧演算部、６はＰＷＭ演算部、７００は電子サーマル部であり、電力変換部１は、交流電動機２に電力を供給する。電流検出部３は、交流電動機２に流れる電流を検出する。出力周波数・電圧演算部４は、図示していない周波数指令器から与えられた周波数指令frefと図示していない電圧指令器から与えられた電圧指令Vrefと電流検出部３で検出された電流から出力電圧指令の大きさV1*、位相θVと出力周波数foutを例えば、次の（１）〜（６）式のように演算して出力する。

fout＝fref+fs＝fref+ｋ・fs0・Iq/Φref ・・・（１）
Vq＝Vref＋r・Iq＋2π・fout・l・Id ・・・（２）
Vd＝r・Id−2π・fout・l・Iq ・・・（３）
V1*＝√（Vq^2＋Vd^2） ・・・（４）
θ＝∫（2π・fout）dt ・・・（５）
θV＝θ+tan^-1（Vq/Vd） ・・・（６）

但し、fs：スリップ周波数、fs0：定格磁束、定格負荷時のスリップ周波数、
Iq：交流電動機に流れるトルク成分電流、
Id: 交流電動機に流れる励磁成分電流、
Vq：トルク成分電圧、Vd：励磁成分電圧、
ｒ：交流電動機の抵抗、ｌ：交流電動機のインダクタンス、
θ：交流電動機の磁束の位相、
ｋ：比例係数

ＰＷＭ演算部６は、出力電圧指令の大きさV1*と位相θVから電力変換部１のスイッチングを決定する。電子サーマル部７００は電流検出部３で検出された電流から交流電動機２の保護判定をし、保護レベルに達した場合には、ＰＷＭ演算部６に運転停止指令を出力する。
このように、従来の電力変換装置３００では、交流電動機２に流れる電流を検出し、検出された電流から交流電動機２の保護判定をし、保護レベルに達した場合には、ＰＷＭ演算部６に運転停止指令を出力するのである。
特開平３−０２７７１８号 特開２００５−２９５７３８号

従来の電力変換装置の電動機保護方法では、電動機に流れる電流の大きさのみに着目して求めた演算値により異常信号を発生させたり、電動機への供給電流を制限したりしている。このように、電動機の過励磁による鉄損増加の影響について考慮がなされておらず、従来の保護方法では、電動機を保護することができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、過励磁状態で運転した場合に増加する鉄損を考慮して、確実に交流電動機の過熱保護をする電力変換装置及びその電動機保護方法を提案することを目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置の電動機保護方法において、前記電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と前記周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、前記磁束比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、過励磁状態に応じて補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うという手順をとったのである。

また、請求項２に記載の発明は、負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、電力変換部の直流中間電圧を検出する直流電圧検出部と、前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置の電動機保護方法において、前記直流中間電圧に第1のフィルタ処理を施して第１の直流中間電圧検出値を演算し、前記直流中間電圧に第２のフィルタ処理を施して第２の直流中間電圧検出値を演算し、前記第１の直流中間電圧検出値と前記第２の直流中間電圧検出値から電圧比を演算し、前記電圧比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、過励磁状態に応じて補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うという手順をとったのである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１あるいは２に記載の電力変換装置の電動機保護方法において、前記電子サーマル部では、前記電動機で発生する熱を推定演算するという手順をとったのである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１あるいは２に記載の電力変換装置の電動機保護方法において、前記過励磁状態に応じて行われる前記検出電流値の補正は、前記電動機の定格周波数、定格磁束時の鉄損と定格電流時の銅損の大きさに基づいて行われるという手順をとったのである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項５に記載の発明は、負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置において、
磁束比演算部と過励磁判断部とを備え、前記磁束演算部では、前記電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と前記周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、前記過励磁判断部では、前記磁束比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、前記電子サーマル部では、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うものである。

また、請求項６に記載の発明は、負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、電力変換部の直流中間電圧を検出する直流電圧検出部と、前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置において、第１のフィルタと第２のフィルタと電圧比演算部と過励磁判断部とを備え、前記第１のフィルタでは、前記直流中間電圧に第1のフィルタ処理を施して第１の直流中間電圧検出値を演算し、前記第２のフィルタでは、前記直流中間電圧に第２のフィルタ処理を施して第２の直流中間電圧検出値を演算し、前記電圧比演算部では、前記第１の直流中間電圧検出値と前記第２の直流中間電圧検出値から電圧比を演算し、前記過励磁判断部では、前記電圧比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、前記電子サーマル部では、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５あるいは６に記載の電力変換装置において、前記電子サーマル部では、前記電動機の発生する熱を推定演算するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項５あるいは６に記載の電力変換装置において、前記電子サーマル部では、前記電動機の定格周波数、定格磁束時の鉄損と定格電流時の銅損の大きさに基づいて前記検出電流値を補正するものである。

電動機制御が異常状態の結果として過励磁になったり、あるいは電力変換装置に制動抵抗を接続せずに減速時間を短くするために電動機を過励磁状態で運転したりする際において、鉄損の増加を考慮し電動機を確実に過熱保護するという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の方法を実施する電力変換装置３０の構成を示すブロック図である。図１において、本実施の形態では、図７に示した従来の電力変換装置３００から、電子サーマル７００を削除し、電子サーマル７と磁束比演算部８を追加している。図７に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

磁束比演算部８は、負荷機械に適用する交流電動機２の基底（ベース）周波数fbaseと基底（ベース）電圧Vbaseの比を基準として、磁束の１００％レベルを予め設定しておき、図示していない周波数指令器から与えられた周波数指令frefと図示していない電圧指令器から与えられた電圧指令Vrefの比を基準として磁束指令レベルを演算し、磁束の１００％レベルに対する磁束指令レベルの比をKΦとして演算する。磁束比KΦは磁束比演算部８の出力として、電子サーマル部７に入力される。

図２は、第１の方法を実施する電力変換装置３０の電子サーマル部７のブロック図である。図２を用いて、電子サーマル部７での磁束比KΦを用いた電流検出値の補正方法及び交流電動機２の保護判定について説明する。電子サーマル部７は乗算部１４、１６、１９、周波数係数演算部１５、鉄損係数演算部１７、加算部１８、積分部２０、保護判定部２１からなる。
周波数係数演算部１５は、一般に鉄損は、周波数の２乗と磁束の２乗に比例する渦電流損と、周波数と磁束の２乗に比例するヒステリシス損とからなるので、これを模擬した構成であり、出力周波数が入力されると、周波数に比例して定格周波数のときに１となるゲインを出力する。
鉄損係数演算部１７は、適用電動機の定格時での銅損と鉄損の比、つまり、定格周波数、定格磁束時の鉄損と定格電流時の銅損の大きさから、電動機の全損失の鉄損依存分を銅損に換算するための演算をする。

電子サーマル部７には、上述した磁束比KΦの他、電流検出部３からの電流検出値Iac、
出力周波数・電圧演算部４からの出力周波数foutが入力され、磁束比KΦと電流検出値Iacとの積を乗算部１４で演算する。また、出力周波数foutは周波数係数演算部１５に入力され、周波数係数演算部１５は出力周波数foutに応じたゲインを出力し、前記乗算部１４の出力と周波数係数演算部１５の出力は、乗算部１６で乗算されて鉄損係数演算部１７に入力される。鉄損係数演算部１７では、電動機の鉄損の増加分を銅損に換算して鉄損分補正電流Iaciを出力し、前述の電流検出値Iacとの和を加算部１８で演算し、補正された電流検出値Iac’として出力する。乗算部１９は補正された電流検出値Iac’の平方値を積分部２０で積算し、保護判定部２１に入力する。保護判定部２１では、積分部２０の出力値が交流電動機２の保護レベルに達しているかを判断し、達していればＰＷＭ演算部６に運転停止指令を出力する。
このようにして、過励磁状態であることを考慮した電動機保護を行う。

図３は、本発明における第２実施例を実施する電力変換装置３０’の構成を示すブロック図である。図３において、図１に示した電力変換装置３０から、電子サーマル７を削除し、電子サーマル７’を追加している。図１と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

図４は、本発明における第２実施例の電子サーマル７’のブロック図である。図４を用いて、電子サーマル部７’での熱推定部２２を用いた交流電動機２の保護判定について説明する。図４において、第１実施例で示した電子サーマル７のブロック図（図２）から、熱推定部２２を追加し、乗算部１９、積分部２０を削除している。図２と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

熱推定部２２は、電動機に流れる電流の大きさとその電流の大きさの印加時間との関係から前記交流電動機の温度上昇シミュレーションを演算する構成となっている。
第１実施例と同様に、電流検出値Iacは加算部１８の出力で補正されて電流検出値Iac’となり熱推定部２２に入力される。熱推定部２２は、補正された電流検出値Iac’を基に温度上昇シミュレーションし、その結果を用いて交流電動機２の発生する熱を推定演算し、保護判定部２１に入力する。保護判定部２１では、熱推定部２２の出力値が交流電動機２の保護レベルに達しているかを判断し、達していればＰＷＭ演算部６に運転停止指令を出力する。
このようにして、熱推定部２２を用いて、過励磁状態であることを考慮した電動機保護を行う。

次に、電力変換装置に制動抵抗を接続せずに、電動機のロスを増加させて減速時間を短くするために、電動機を過励磁にして運転する方法へ適用した場合の実施例を説明する。
図５は、本発明における第３実施例を実施する電力変換装置３０”の構成を示すブロック図である。図１に示した電力変換装置３０から、電圧補正部５、電力変換部の直流部９、第１フィルタ１０、第２フィルタ１１、電圧比演算部１２を追加し、磁束比演算部８を削除している。図１に示した電力変換装置３０と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

電圧補正部５は、電力変換部１の直流部９の直流中間電圧値Vpnを用い、入力された出力電圧指令の大きさV1*を補正する。これは、PWM制御方式により電圧指令を出力する場合に行われる補正の１例であり、これにより直流中間電圧の大きさに影響されないで電圧を出力することができるようになる。直流中間電圧値Vpnの検出の際、通常、ノイズ除去の時定数の極めて小さい第1フィルタ１０を付加して検出するが、ここでは第１フィルタ１０より時定数の大きい第２フィルタ１１を付加して検出する。これにより、直流中間電圧値Vpnが急激に上昇する程、交流電動機２は過励磁状態になる。
電圧比演算部１２は、第１フィルタ１０の出力と第２フィルタ１１の出力の比を電圧比KVとして出力する。

交流電動機２が減速され始めると、回生エネルギーが電力変換部１の直流部９に回生され、直流中間電圧Vpnは上昇し始める。第２フィルタ１１の時定数は第１フィルタ１０の時定数より大きく設定しているので、電圧補正部５では、実際よりも低い直流中間電圧Vpnを用いて補正した電圧指令を出力することになり、この結果、第１フィルタ出力に対する第２フィルタ出力の比、つまり電圧比KVだけ大きな出力電圧で電動機は減速する。このようにして電動機を過励磁状態で減速させる。

図６は、第３実施例の方法を実施する電力変換装置３０’の電子サーマル部７”のブロック図である。図６で示す電子サーマル部７”では、電圧比KVを用いて電流検出値Iacを補正し電流検出値Iac’を演算し、電圧比KVと出力周波数foutに基づいて電流検出値交流電動機２の保護判定をするようにしている。電子サーマル部７との違いは、磁束比KΦに代えて電圧比KVを用いるようにしただけで、その他の部分は同一であるので、動作説明は省略する。
このようにして、電動機のロスを増加させて減速時間を短くする方法に適用した場合にでも過励磁状態であることを考慮した電動機保護を行う。

上記においては、過励磁状態であることを磁束比演算部８出力の磁束比KΦ、あるいは電圧比演算部１２出力の電圧比KVの一方で判断し、電子サーマル部で補正するようにしたが、磁束比演算部８と電圧比演算部１２の両方を動作させ、電流検出部３からの電流検出値Iacに対し、KΦとKVの両方で補正するようにしても、同様に過励磁状態であることを考慮した電動機保護を行うことができる。
また、第２の実施例として示した熱推定部２２を内蔵する図４の電子サーマル７’は、図５に示した本発明の第３の実施例における電力変換装置３０”や、KΦとKVの両方で電流検出値Iacを補正するようにした電力変換装置に組み合わせても、本発明は実施できる。

本発明を実施する電力変換装置３０の構成を示すブロック図（第１実施例） 本発明における電力変換装置３０の電子サーマル部７のブロック図 本発明の他の実施例における電力変換装置３０’の構成を示すブロック図（第２実施例） 本発明における電子サーマル７’のブロック図 本発明の他の実施例における電力変換装置３０”の構成を示すブロック図（第３実施例） 本発明における電子サーマル７”のブロック図 従来の電力変換装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ 電力変換部
２ 交流電動機
３ 電流検出部
４ 出力周波数・電圧演算部
５ 電圧補正部
６ ＰＷＭ演算部
７、７’、７”、７００ 電子サーマル部
８ 磁束比演算部
９ 電力変換部１の直流部
１０ 第１フィルタ
１１ 第２フィルタ
１２ 電圧比演算部
１３、１４、１６，１９ 乗算部
１５ 周波数係数演算部
１７ 鉄損係数演算部
１８ 加算部
２０ 積分部
２１ 保護判定部
２２ 熱推定部
３０、３０’、３０”、３００ 電力変換装置

Claims (8)

1. 負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、
   前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置の電動機保護方法において、
   前記電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と前記周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、
   前記磁束比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、
   過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、
   過励磁状態に応じて補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うことを特徴とする電力変換装置の電動機保護方法。
2. 負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、
   電力変換部の直流中間電圧を検出する直流電圧検出部と、
   前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置の電動機保護方法において、
   前記直流中間電圧に第1のフィルタ処理を施して第１の直流中間電圧検出値を演算し、
   前記直流中間電圧に第２のフィルタ処理を施して第２の直流中間電圧検出値を演算し、
   前記第１の直流中間電圧検出値と前記第２の直流中間電圧検出値から電圧比を演算し、
   前記電圧比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、
   過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、
   過励磁状態に応じて補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うことを特徴とする電力変換装置の電動機保護方法。
3. 前記電子サーマル部では、前記電動機で発生する熱を推定演算することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電力変換装置の電動機保護方法。
4. 前記過励磁状態に応じて行われる前記検出電流値の補正は、前記電動機の定格周波数、定格磁束時の鉄損と定格電流時の銅損の大きさに基づいて行われることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電力変換装置の電動機保護方法。
5. 負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、
   前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置において、
   磁束比演算部と過励磁判断部とを備え、
   前記磁束演算部では、前記電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と前記周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、
   前記過励磁判断部では、前記磁束比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、
   前記電子サーマル部では、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うことを特徴とする電力変換装置。
6. 負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、
   電力変換部の直流中間電圧を検出する直流電圧検出部と、
   前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備えた電力変換装置において、
   第１のフィルタと第２のフィルタと電圧比演算部と過励磁判断部とを備え、
   前記第１のフィルタでは、前記直流中間電圧に第1のフィルタ処理を施して第１の直流中間電圧検出値を演算し、
   前記第２のフィルタでは、前記直流中間電圧に第２のフィルタ処理を施して第２の直流中間電圧検出値を演算し、
   前記電圧比演算部では、前記第１の直流中間電圧検出値と前記第２の直流中間電圧検出値から電圧比を演算し、
   前記過励磁判断部では、前記電圧比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、
   前記電子サーマル部では、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うことを特徴とする電力変換装置。
7. 前記電子サーマル部では、前記電動機の発生する熱を推定演算することを特徴とする請求項５あるいは６に記載の電力変換装置力変換装置。
8. 前記電子サーマル部では、前記電動機の定格周波数、定格磁束時の鉄損と定格電流時の銅損の大きさに基づいて前記検出電流値を補正することを特徴とする請求項５あるいは６に記載の電力変換装置。

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