JP2009503469A - 電力損失の測定 - Google Patents

Abstract

本発明は電子スイッチの電力損失を測定する方法に関する。本発明によれば以下の方法が提案される。すなわち、物理量の瞬時値が検出され、その瞬時値と関連する数値が第１のメモリーから読み出され、それによって得られた２つの数値が所定の方法によって一緒に処理され、処理操作の結果が出力される。

Description

本発明は、電子スイッチの電力損失を測定する方法と測定するための装置に関する。本発明は、さらに、インバータと、インバータを制御する方法と、風力発電設備に関する。

以下の文献が現状技術を述べるものとして知られている。これらは、アメリカ合衆国特許、第２００４／０１９６６７８号Ａ１、アメリカ合衆国特許、第２００４／０１２５５２３号Ａ１、アメリカ合衆国特許、第５ ８４１ ２６２号Ａ、アメリカ合衆国特許、第２００４／００８５１１７号Ａ１、ドイツ連邦共和国特許、第１０１ ４１ １２５号Ａ１、ドイツ連邦共和国特許、第１０３ １９ ３５４号Ａ１、ドイツ連邦共和国特許、第３５ ２６ ８３６号Ａ１、ドイツ連邦共和国特許、第３９ ０５ ７０１号Ａ１、ヨーロッパ特許、０ ３９７ ５１４号Ａ２、ＷＯ ０２／０８０３４３号Ａ１、ＷＯ ２００４／０１２３２６号Ａ１、ＷＯ ０３／０６５５６７号Ａ１、および、ＷＯ ０２／０７３１５号Ａ１である。

今日、インバータは、直流から交流を作るために、しばしばＩＧＢＴと呼ばれる形式のスイッチを用いている。このインバータの構造自体は、よく知られている。スイッチには極めて必然的にスイッチング損失が生じ、それはよく知られている公式に基づいて算出される。スイッチに関しては、ＩＧＢＴに接続されて用いられるフリーホイーリング（ｆｒｅｅ−ｗｈｅｅｌｉｎｇ）ダイオードも「スイッチ」という言葉の中に含まれることに注意すべきである。

従って、インバータを設計する際に、その動作を表すパラメータが定義できて、それらは、設計する際の計算のための基本量として用いることができる。計算と実際が一致するためには、これらのパラメータは、インバータが動作している間は維持されていなければならない。

インバータの実際の制御は、しばしば、スイッチの温度を監視することによって行われる。この制御は、損失によってスイッチの温度が上昇するという事実に基づいて行われ、従って、温度上昇を知るためにスイッチの電力損失を測定することが行われる。もし、監視している温度が所定の閾値を超えていることが検出されれば、故障を回避するために、インバータは、遮断状態にスイッチされる。さらに、このようなスイッチは、半導体を基本として構成されていて、半導体は、熱の過負荷に対して敏感に反応するという事実がある。そのようなスイッチでは、熱負荷が高ければ、大きな熱エージングを与えることになって、従って、より早い時期の取り替えが必要になることになる。

このようなインバータが風力発電設備の中に用いられた場合には、インバータが止まれば、風力発電設備も停止しなければならないことになる。

電力損失が測定できるためには、例えば、順方向の状態で動作しているときのＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間の電圧を測定する必要がある。その値は１桁の低い値の範囲にあって、非常に高い電流値（数１００アンペア）を扱っている場合に、十分に正確な結果を得るためには、その値を極力正確に検出しなければならない。しかし、スイッチが遮断の状態にあるときには、中間回路の全電圧（数１００ボルト）がこれらの端子にかかる。

従って、本発明の目的は、実際にスイッチの中で発生する電力損失の測定を可能にすることにある。

本発明に従えば、その目的は、電子スイッチの電力損失を測定する、以下の方法により達成される。この方法は、物理量の瞬時値が検出され、その瞬時値に関連した数値が第１のメモリーから読み出され、ある所定の方法でこれらの２つの数値が一緒に処理され、処理された結果が出力される、という工程で特徴づけられる。

その点に関して言えば、本発明は、測定によって求められた測定値に関連づけられた量が、データシートによって公開されているスイッチの既知のデータから取り出すことができる、ということを実現させることに基づいている。この実施例では、スイッチに流れている電流を知ることができれば、データシートから、例えば、コレクタエミッタ間の電圧（Ｖｃｅ）を求めることができる。流れている電流と、こうして求めたコレクタエミッタ電圧との積が、スイッチに流れている電流の瞬時値に対する電力損失を与える。この方法は、スイッチが導通状態になるときのスイッチング損失とスイッチが遮断状態になるときのスイッチング損失も含んでいる。

スイッチだけでなく完全なインバータとしての電力損失を求めることを可能にするために、本発明は、複数のスイッチの物理量が検出されて、それに対応して関連した複数の数値がメモリーから読み出されるという形で、さらなる発展形を得ることができる。

さらに詳細にいうならば、測定結果と処理中の中間数値が記憶されることが望ましい。この特徴によって、例えば、統計的な評価などを行うために、後にアクセスをすることも可能になる。

本発明を実行するために、電子スイッチの電力損失を測定するための装置が提供される。この装置は、電子スイッチの少なくとも１つの物理量の瞬時値を検出するためのデータ入力と、これらの物理量と関連したデータが記憶される第１のメモリーと、これらの物理量とメモリーから呼び出された数値とを所定の方法で一緒に処理する処理ユニットと、処理操作の結果を出力するためのデバイスとによって特徴づけられる。

本発明による解決策によって、スイッチの実際の電力損失が測定できるという利点を享受することができる。電力損失は、スイッチに流れている電流とスイッチの特性量に依存しているばかりではない。さらに、周囲温度のような周囲の影響もまた役割を分担する。従って、本発明に従う装置により、希望する瞬時の実際の電力損失を検出することが可能になる。従って、この方法では、スイッチの実際の負荷の測定が、従来技術で知られている計算予測の手法と比べて、ずっと高い確度で行うことができる。

本装置の好ましい発展形では、複数の入力を含み、この複数の入力は、複数のスイッチの物理量の瞬時値を検出するのに用いられる。この方法で、本装置を用いて、例えば、インバータ全体の電力損失を検出することができる。

電力損失の長時間にわたる変動の評価を可能にするための、特に好ましい形態は、測定値と中間結果を記憶する第２のメモリーを設備することである。しかしこの第２のメモリーは、第１のメモリーと結合した構成になっている。

電子スイッチは動作に関して、ある所定の限界値を持っているので、その限界値を超えて動作させてはならない。従って、この装置は、処理操作の結果と所定の限界値とを比較し、処理操作の結果が限界値に達したか、または限界値を超えたときに信号を出力するデバイス、によって特徴づけられることが望ましい。その場合、装置は、必要に応じて、用いるそれぞれの場所にたやすく移送できる、独立したユニットの形をしていることができれば有利である。もしくは代替として、装置はインバータや風力発電設備の制御部の中に集積されてもよい。

このようなユニットの使用者、例えば、操作者または操作機関に対する報知のために用いられる信号の出力の他に、インバータや風力発電設備の制御部に、所定のやり方で制御に影響を与える信号が出力されることが可能であれば、特に好ましい。

インバータが、許容範囲を設けて動作させる手順に従って動作しているときには、もし、限界値を超したという信号を装置が出力した場合には、その影響がその許容範囲の幅を拡大する方向に働くことが望ましい。従ってその場合には、スイッチの電力損失が過度に増加したときには、許容範囲の幅が拡大されることになる。それは以下のことを意味する。すなわち、スイッチ周波数と、それに伴うスイッチのスイッチオン損失とスイッチオフ損失、従って、スイッチ全体（フリーホイーリングダイオードも含む）の電力損失が低下することになる。

特に好ましい形態は、風力発電設備に、少なくとも１つのこのようなインバータを適用した場合である。風力発電設備を制御する方法は、所定の限界値を超したことを示す信号によって、風力発電設備により生成される電力が低減されることを特徴としている。それによって、インバータにより処理される電力も減少し、スイッチの中での電力損失がそれに従って低減されるのである。

本発明に従った装置は、風力発電設備の制御部に接続されることができて、インバータを通してではなく直接に、風力発電設備の制御に影響を与えることができる。

本発明は、図面を用いて、以下でさらに詳細に説明される。

本発明に従った装置の概観図を図１に示す。図１において、参照番号１０は、スイッチ１２（例えばＩＧＢＴのような素子）に接続され、生成された交流を運ぶ導体を示す。スイッチは制御ユニット１４によって駆動される。導体１０を流れる電流は測定トランスデューサ１６を用いて検出され、処理ユニット１８に供給される。処理ユニット１８はまた、それぞれのスイッチングを行う瞬時を正確に測定できるように、トリガーイベントとして、制御ユニット１４から駆動情報を受け取る。導体１０と結合する測定トランスデューサ１６によって求められた電流値に従って、対応するコレクタエミッタ間の電圧値が表２０から呼び出されて、それらの数値からスイッチ１２の実際の電力損失が算出される。結果は、例えば、表示器２２の上に表示されてもよい。これらの数値はメモリー（図には示されていない）の中に記憶されてもよいと理解される。このメモリーにより、データが収集されて、それらのデータは例えばインタフェース（これも図には示されていない）を通して、評価の目的のためにコンピュータに転送されてもよい。

図２に示す外観図は本質的には図１に示すものに対応している。図２はさらに、制御装置２６を中に持つ風力発電設備２４のポッドを示す。図２において、処理ユニット１８における算出操作の結果は、表示器２２に送られて表示器の上で表示することができる。またそればかりではなく、風力発電設備２４の制御装置２６にも送られて、制御装置２６はその結果を受けて、限界値を超えることに反応した信号を出力するというような動作を行うこともできる。表示器２２と制御装置２６とへの報知は同時でもよいし、かわるがわるでもよい。従って、風力発電設備は、生成する電力を下げる方向に働きかけられることができる。ピッチ制御の風力発電設備の場合には、これまでに知られている方法によって回転翼のピッチ角を変化させることにより、そのことが可能である。

図３は図２の構成に、測定トランスデューサと駆動装置を加えた構成を示す。図３には、複数の導体１００、１０１、１０２を示す。それぞれの導体を流れる電流は、それぞれ測定トランスデューサ１６１、１６２、１６３を用いて検出される。追加されるべきスイッチは、図をより明確にするために、図には示されていない。必然的に複数の測定トランスデューサが処理ユニット１８に接続されてよいであろう。結線１６９はその様子を示し、１例として、例えば、ある物理量を検出するために張られた線を表している。

結線の数に従って、それに相当した数の駆動装置１４１、１４２、１４３もまた設備される。１本の結線は、それぞれの駆動装置から処理ユニット１８に張られていて、導体１００、１０１、１０２の一つに接続された各スイッチに対してトリガパルスを供給できるようになっている。上記で説明したように、検出したそれぞれの電流値に関して、スイッチの対応したコレクタエミッタ電圧が表２０から呼び出され、それらから電力損失の瞬時値を算出することができる。結果は、以前と同様に再び、表示器２２の上で表示することができるし、または、風力発電設備２４の制御装置２６に出力されることもできる。対応した信号は、対応した通報を行うために、その他の装置、例えば、移動電話機、遠隔監視センタ局などへ送られることもできると理解されるであろう。

図４は本発明に従った方法のフローチャートを示す。開始の後に、最初に、スイッチの測定値が求められる。次のステップでは、その測定値に基づいて、関連づけられたデータ値が表から読み出され、その後に、これら２つのデータが処理される。従ってこの場合には、これらの２つの数値が乗算されてスイッチの電力損失の瞬時値が算出される。その後に、測定された数値が所定の限界以内であるかどうかを確認の操作により確認することができる。もし限界内でなければ信号が出力されてよい。代替として、またはさらに加えてに、結果を表示することも可能であると理解される。次いで、測定は、繰り返し行われてもよいし、行われなくてもよい。この点に関しては、繰り返し測定は、同じスイッチに対して行ってもよいし、他のスイッチに対して行ってもよい。

図５は、２つのスイッチ１２ａと１２ｂの構成を示す概観図である。これらのスイッチを用いて単相の電流を生成することができる。フリーホイーリングダイオード１２ｃと１２ｄもスイッチの中に入っている。位相のタッピングは２つのスイッチ１２ａと１２ｂの中間点に配置されている。そして導体１０は、図１から図２に示す導体１０に対応している。測定トランスデューサ１６が、導体１０の中を流れる電流を検出し、それは処理ユニット１８に供給される。

制御ユニット１４は、スイッチ１２ａとスイッチ１２ｂとを制御する。制御ユニット１４は、同時に、対応する駆動信号を処理ユニット１８に出力する。これらの駆動信号には、スイッチ１２ａとスイッチ１２ｂを動作させるためのクロックを含めることができる。

処理ユニット１８は、電流値に関連づけられた、コレクタエミッタ電圧の値を表２０から読み出し、結果を出力１９から出力する。この出力は、例えば、表示器のような監視の手段への信号であってもよいし、および／または、インバータまたは風力発電設備の動作に影響を与えるための信号であってもよい。

以下に述べる説明を理解するためには、スイッチ１２ａとフリーホイーリングダイオード１２ｃとが、または、スイッチ１２ｂとフリーホイーリングダイオード１２ｄとが、それぞれ共同に動作する様子を考察することが助けになる。これは、スイッチ１２ａとフリーホイーリングダイオード１２ｃの場合を例として、図５の左側の部分に示してある。３つのスイッチングパタンが上下に描かれている。下に示すスイッチングパタンは、矩形波の左側の端（エッジ）で識別されるとして、これがＩＧＢＴ１２ａに対するスイッチングのクロックになると仮定とする。クロックは、制御ユニット１４により出力される。この点に関連してさらに議論を進めると、クロックの立ち下がりの端によってＩＧＢＴが導通の状態にスイッチされ、立ち上がりの端によってＩＧＢＴが遮断の状態にスイッチされてフリーホイーリングダイオードは導通の状態にスイッチされる。初めのうち、制御ユニットからのクロックがハイレベルにある間は、ＩＧＢＴはそれに応じて遮断の状態にあり、フリーホイーリングダイオードは、導通の状態にある。従って、そこには導通による電力損失（導通損失）が生ずる。時刻ｔ１おいて、制御信号は、立ち下がり端になる。ＩＧＢＴは導通状態にスイッチされ、ダイオードは、遮断状態にスイッチされる。図面の中央の図を見て理解できるように、それにより、導通損失がスイッチに生ずる。完璧性を期するために、ダイオードの遮断時の漏れ電流によって生ずる漏れ電流損失も挙げなければならない。

時刻ｔ２においてクロック信号は、立ち上がり端になる。従ってＩＧＢＴ１２ａは、遮断状態にスイッチされ、フリーホイーリングダイオード１２ｃは、導通状態になる。時刻ｔ３においてクロック信号は、立ち下がり、ＩＧＢＴ１２ａは、導通状態にスイッチされ、ダイオードは遮断状態にスイッチされる。この繰り返しの様子が時刻ｔ８まで示されている。

図６はクロックパルスと導体１０に流れる電流との関係を示す。ここに、クロックパルスは、再び矩形波パルスで示されている。時刻ｔａにおいてクロック信号は立ち下り端になる。従ってスイッチは、導通状態にスイッチされ、電流は上昇し始め、時刻ｔｂにスイッチが遮断状態にスイッチされるまで、許容範囲の範囲内で上昇する。スイッチ１２ａが遮断状態にスイッチされたことでスイッチ１２ｂが導通状態になり、電流は再びある程度下がり、低い値に到達する。スイッチ１２ａは、次いで、クロック信号の立ち下がり端によって再び導通状態にスイッチされる。スイッチ１２ｂは、次いで、遮断状態にスイッチされ、電流は再び上昇することが理解されるであろう。これらのスイッチング動作が、全体として正弦波電流が生成されるまで続く。

スイッチング時間は、対応する許容範囲がどこまで到達できるかに依存するので、状況によって常に一定の固定した形のパタンとはならない。と言うよりも、スイッチング時間は、それぞれの達成すべき限界値から、正確に結果として決まるのである。

スイッチが導通状態にスイッチされている２５μｓ（マイクロ秒）（この値は１つの例であって、場合によってこの値より長くも短くもなり得る）の間に、導体を流れる電流が測定され、対応するコレクタエミッタ電圧が表から呼び出される。従って、流れる電流の瞬時値に対する損失を正確に捉えることができる。

ＩＧＢＴにおける損失として、全体として３種類の損失を区別して導出することができる。スイッチが導通状態にスイッチされるときにスイッチングオン損失が生じる。それらは検出される。また、スイッチが遮断状態にスイッチされるときにスイッチングオフ損失が生じる。それらも検出される。一方、トランジスタが導通状態のときには、トランジスタの導通損失が生じ、これらも検出される。これらの損失は、加え合わせることができて、ＩＧＢＴの損失として計上される。

ＩＧＢＴを流れる電流と交互に、ダイオードにも電流が流れる。これにより、ダイオードにも順方向の導通損失と、ダイオードが遮断状態にあるときの漏れ電流損失が生じる。これらの数値はやはり検出され、加え合わされて、さらにＩＧＢＴに対して求められた数値と合計されて総合的なスイッチング損失になる。

これらのスイッチング損失は、例えば、商用周波数の周期に対して算出することができる。または、その他の、事前に設定し得る時間周期に対して算出することもできる。その時間周期を、例えば１秒とすれば、その１秒の周期に対するスイッチング損失を示すことになるし、またそれは、たとえば、毎秒ごとの変換効率を表現するものになり、変換効率をより簡単に示すものになる。

しかし、これまでの議論は単相（図５参照）の交流に対するスイッチを考慮したものであった。この技術によれば、さらに、３相交流のスイッチに関する検出も可能あり、また、例えば、中間回路における昇圧コンバータ（ブーストコンバータ）またはチョッパに用いるスイッチに対しても適用可能である。

本発明に従った装置の概略図である。 本発明に従った装置を風力発電設備に関連して使用する１つの例を示した図である。 本発明を風力発電設備に関連して使用する第２の例を示した図である。 本発明に従った方法の概略図である。 インバータの位相を決めるスイッチブリッジでの概略図である。 本発明に従った方法を示した図である。

符号の説明

１０、１００、１０１、１０２ 導体
１２ スイッチ
１４ 制御ユニット
１８ 処理ユニット
２４ 風力設備
１４１、１４２、１４３ 駆動装置
１６１、１６２、１６３ 測定トランスデューサ

Claims (15)

1. 電子スイッチの電力損失を測定する方法であって、物理量の瞬時値が検出され、前記瞬時値と関連する数値が第１のメモリーから読み出され、前記２つの数値が、所定の方法によりともに処理され、前記処理操作の結果が出力されることを特徴とする方法。
2. 複数のスイッチの前記物理量が検出され、対応して関連した複数の数値が前記メモリーから読み出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記測定結果と前記処理の中間値が記憶されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 電子スイッチの電力損失を測定するための装置であって、前記電子スイッチの少なくとも１つの物理量の瞬時値を検出するためのデータ入力と、前記物理量と関連するデータを記憶する第１のメモリーと、前記物理量と前記メモリーから呼び出した数値とを、所定の方法によりともに処理するための処理ユニットと、前記処理操作の結果を出力するためのデバイスとによって特徴づけられる装置。
5. 複数のスイッチの物理量の前記瞬時値を検出するための複数の入力によって特徴づけられる請求項４に記載の装置。
6. 測定値と中間結果とを記憶するための第２のメモリーによって特徴づけられる請求項５に記載の装置。
7. 前記処理操作の前記結果を所定の限界値と比較し、前記結果が前記限界値に到達したかまたは限界値を超えたときに、信号を出力するためのデバイスによって特徴づけられる請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の装置。
8. 独立ユニットの形をしていることを特徴とする請求項４から請求項７までに記載の装置。
9. 風力発電設備のインバータの制御部に集積されることを特徴とする請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
10. 前記信号の前記出力が、前記インバータの前記制御部または前記風力発電設備の前記制御部に対して出力され、所定の方法により前記制御部に影響を与えることを特徴とする請求項４から請求項９までのいずれか１項に記載の装置。
11. 許容範囲処理に従って動作するインバータを制御する方法であって、請求項４から請求項１０までのいずれか１項に従った前記装置が、前記限界値が超えられたことを示す信号を出力するときには、前記許容範囲の幅が拡大されることを特徴とする方法。
12. 請求項１１に従う前記方法を実行するためのインバータであって、前記インバータが前記許容範囲処理に従って制御されており、所定の限界値が超えられた場合に請求項４から請求項１０までのいずれか１項に従う装置によって出力される信号が、前記インバータに加えられるときに、前記許容範囲の幅が拡大されることを特徴とするインバータ。
13. 請求項１２に従う少なくとも１つのインバータを備えることを特徴とする風力発電設備。
14. 風力発電設備を制御する方法であって、所定の限界値が超えられたことを明示する前記信号によって、前記風力発電設備により生成される電力が低減されることを特徴とする方法。
15. 請求項４から請求項１０までのいずれか１項に従った装置であって、前記制御部に接続された装置、を備えることを特徴とする風力発電設備。

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