JP2013223313A

JP2013223313A - 電力変換装置

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Publication number: JP2013223313A
Application number: JP2012092830A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Suzuki; 寛充鈴木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP5952623B2

Abstract

【課題】主制御部とゲート制御部とを絶縁した電力変換装置において、キャリア同期信号用の専用配線を設けることなく、キャリア同期によるゲートパルス生成が可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電源１と、ＰＷＭ制御型変換器２と、電流検出器４と、ゲート制御部２０と、主制御部１０とで構成する。主制御部１０は、速度制御部１２と、電流制御部１４と、速度基準値からキャリア基準を生成するキャリア基準生成部１６と、シリアル送受信部１５とを備える。ゲート制御部２０は、電圧基準値及びキャリア基準をゲート制御部１０から受信すると共に、帰還信号を主制御部１０に送信する。シリアル送受信部２１が受信した電圧基準値をＰＷＭキャリアと比較してゲートパルス指令を生成すると共に受信検出部２２は、シリアル信号が到着したことを検出してＰＷＭキャリアを生成するためのキャリア同期制御信号を生成する。
【選択図】図１

Description

この発明は電力変換装置に関わり、特に主制御部とゲート制御部とを絶縁した電力変換装置に関する。

電力変換装置、例えばインバータによって交流電動機を可変速する電力変換装置において、特に大容量、高電圧の電力変換装置の場合、制御部とインバータとの絶縁が難しくなる。インバータは一般的にゲートパルス指令を制御部から受信し、その指令に従ってインバータを構成するスイッチング素子を駆動する。制御部とインバータとの絶縁を確保するために、例えば主制御部から生成されるゲートパルス指令信号を、光ファイバによる絶縁によって伝送する事が行われている。光ファイバによる絶縁は広く一般的に使用されているものの、ゲートパルス指令信号の数が多くなると、その本数が多くなり問題となる。例えば３相３レベルインバータ装置の場合は最低でも１２本のゲートパルス信号が必要となる。一般的に光ファイバはケーブルの曲げ半径等、慎重な配線が必要なため、光ファイバの本数が多いと装置の製造コストの増大を招く。

また光ファイバに限らず、別の手段でも同様である。例えば絶縁が容易な低圧機器の場合は、上記ゲート指令信号を光ファイバではなく、電気信号によって送信する。この場合でも制御部から変換器への配線はゲート信号の本数だけ必要であり、配線工数が少なくなかった。

このような伝送配線の本数の増大を抑えるために、シリアル伝送を用いた構成が考案されている。この手法によると伝送配線で転送する情報として、ゲートパルス指令信号の代わりに制御量（例えば電流基準）を使用しており、インバータ側で制御量とキャリア同期信号を受信し、ゲートパルスを生成する。（例えば特許文献１参照。）。

特開２００７−２４４００９号公報（全体）

特許文献１に示された手法では、２つ以上の変換器に分散して配置されるインバータ側の制御部に対して、キャリア同期信号用の専用配線が必要となってくる。このキャリア同期信号線は例えば一次側が２巻線の電動機に対して、２つの変換器が同一の出力パルスを供給するような場合には必須となる。また、通常の１巻線電動機の場合でも、インバータのキャリア周波数と出力周波数を同期させる場合、キャリア同期信号は必須となる。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、主制御部とゲート制御部とを絶縁した電力変換装置において、キャリア同期信号用の専用配線を設けることなく、キャリア同期によるゲートパルス生成が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するＰＷＭ制御型変換器と、前記ＰＷＭ制御型変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記ＰＷＭ制御型変換器のスイッチング素子用のゲートパルス指令を生成するゲート制御部と、前記ゲート制御部とは絶縁され、前記交流電動機の速度制御を行う主制御部とを具備し、前記主制御部は、速度基準値と速度帰還値を比較して電流基準値を出力する速度制御部と、前記電流基準値と、前記電流検出器から得られる電流帰還値を比較して電圧基準値を計算する電流制御部と、前記速度基準値からキャリア基準を生成するキャリア基準生成部と、前記電圧基準値及び前記キャリア基準を前記ゲート制御部に送信すると共に、前記ゲート制御部から帰還信号を受信する第１のシリアル送受信部とを有し、前記ゲート制御部は、前記電圧基準値及び前記キャリア基準を前記ゲート制御部から受信すると共に、前記帰還信号を前記主制御部に送信する第２のシリアル送受信部と、前記第２のシリアル送受信部が受信した電圧基準値をＰＷＭキャリアと比較して前記ゲートパルス指令を生成するキャリア比較部と、前記第２のシリアル送受信部にシリアル信号が到着したことを検出してキャリア同期制御信号を生成する受信検出部と、前記キャリア同期制御信号を使用して前記ＰＷＭキャリアの生成タイミングを制御するキャリア同期制御部とを有することを特徴としている。

この発明によれば、主制御部とゲート制御部とを絶縁した電力変換装置において、キャリア同期信号用の専用配線を設けることなく、キャリア同期によるゲートパルス生成が可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。本発明のシリアル伝送に送信されるビット列の一例。本発明の基準キャリア生成の説明図。図１におけるキャリア同期制御器の詳細図。本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の実施例１に係る電力変換装置を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。直流電源１から供給される直流電圧を変換器２に入力し、主制御部１０経由ゲート制御部２０からのパルス指令信号に従って変換器２を構成するスイッチング素子をオン／オフする事により、出力周波数を可変制御して交流電動機３を駆動する。変換器２はＰＷＭ制御型の変換器である。後述する制御のために、変換器２の出力電流を電流検出４で検出し、ゲート制御部２０経由主制御部１０へ帰還信号としてフィードバックする。交流電動機２は変換器２が出力する電圧に従って駆動される。直流電源１は一般的に交流電源の交流電圧を入力とするダイオード整流器であったり、ＰＷＭコンバータであったりするが、本発明では直流電源の方式はどの方式でも差し支えない。また変換器２もさまざまな方式が広く一般的に知られているが、本発明ではどの方式であっても差し支えない。

制御部は主制御部１０と、この主制御部１０と絶縁されたゲート制御部２０の２つの部分に分割される。これは主制御部１０に対して、変換器２を距離的に離して配置するニーズに応えるためである。この分割を行わず、主制御部１０だけでゲートパルス指令信号まで生成すると、例えば変換器２が３相３レベルインバータであった場合は、最低でも１２本の光ファイバを長距離に亘って配線接続する必要があり、これはファイバや工数のコスト増につながる。本発明ではこの長距離の光ファイバ本数を最低限の１本とするために、制御部を分割している。

主制御部１０では、速度指令値と速度帰還値を減算器１１に入力し、減算器１１の出力である両者の差分（速度偏差）を速度制御部１２に入力する。ここで速度帰還値は交流電動機３に接続された図示しない速度検出器の出力値、または交流電動機３の特性から制御部が推定する速度推定値のどちらであっても良い。速度検出器の出力値を用いる場合は、ゲート制御部２０経由主制御部１０へ速度帰還信号としてフィードバックする。速度制御部２１は上記速度偏差が最小となるような制御を行い、電流基準値を生成して減算器１３に与える。減算器１３の他方の入力は電流帰還値であり、減算器１３の出力である両者の差分（電流偏差）を電流制御部１４に入力する。ここで電流帰還値は、電流検出器４が検出した信号をゲート制御部２０内部でアナログ／デジタル変換し、シリアル送受信器２１を経由して主制御部１０に転送される信号である。電流制御部１４は上記電流偏差が最小となるような制御を行い、電圧基準値を出力する。この電圧基準値はシリアル送受信器１５のシリアル送信部からシリアル送受信器２１のシリアル受信部にシリアル転送される。これと並行して、速度基準を入力とするキャリア基準生成部１５が基準キャリア信号を生成し、後述するように基準キャリア信号が発生した瞬間に、シリアル送受信器１５はゲート制御部２０のシリアル送受信器２１にデータをシリアル転送する。

以上述べたように、ゲート制御部２０では主制御部１０からシリアル転送された電圧基準値および基準キャリア信号を受信する。電圧基準値はキャリア比較器２５に与えられる。キャリア比較器２５において、この電圧基準値と後述する手法によって生成されたＰＷＭキャリアとを比較することによってゲートパルス指令値を作成しこれをゲート回路部２６に与える。ゲート回路部２６ではゲートパルス指令値をスイッチング素子駆動用の信号に変換して変換器２に出力する。

次に、基準キャリア信号を生成し、ＰＷＭキャリアに反映する手法について図２乃至図４も参照して説明する。本発明の特徴は基準キャリアをシリアル通信で送信する手段として、シリアル通信のデータビット列が到着したことを検出して、基準キャリアを生成することにある。この信号処理は受信検出部２２で行われる。シリアル通信のプロトコルとして、広く知られたイーサネット（Ｒ）のＵＤＰを使用した場合を例に挙げて説明する。図２はＵＤＰを使用した場合に、シリアル通信の伝送路に送出されるビット列の内訳を示したものである。図中のデータ（Data）に電圧基準値が収納されている。本方式ではこのビット列のうち、プリアンブル（Preamble）のビットパターンが到着したことを、受信検出部２２内のロジック回路で検出し、それを基準キャリア信号とすることを特徴としている。プリアンブル信号は通常、「10」というビット列が28回繰り返される構成となっている。受信を検出したらキャリア同期信号を出力し、それをキャリア同期制御部２３に入力する。キャリア同期制御部２３ではキャリア同期信号が入力されたタイミングが、基準キャリアの位相が０のタイミングとし、キャリア同期制御３４の内部のキャリア位相と比較し、偏差が０になるように制御を行う事でキャリア同期制御を実現している。制御の結果、キャリア生成部２４から三角波のＰＷＭキャリアがキャリア比較器２５へと出力される。

キャリア基準生成部１６の詳細を図３によって説明する。図示の通り、変換器２が出力する正弦波に対して、キャリア周波数が１０倍になっていることが判る。この倍率は任意であるが、ここでは一例として１０倍としている。キャリア基準生成部１６はキャリアの三角波の位相が０のとき、キャリア基準信号を出力する。この信号が発生した瞬間に、シリアル送受信器１５はデータを送信するので、キャリア基準信号発生のタイミングをゲート制御部２０に伝送することができる。

キャリア同期制御部２３の詳細構成を図４に示す。キャリア同期信号が入力された瞬間の、ゲート制御部２０内のキャリア位相の値をラッチするのがゲート制御部キャリア位相器２３１である。つまりゲート制御部キャリア位相器２３１の出力は、主制御部１０のキャリア位相が０のとき、ゲート制御部２０のキャリア位相がどこにあるかを示す信号となる。この信号と基準キャリア位相を減算器２３２で比較し、偏差を制御器２３３に与え、制御器２３３はこの偏差が最小となるような調整信号をキャリア周波数調整器２３４に与える。キャリア周波数調整器２３４の出力から基準キャリア位相検出器２３５が上記の基準キャリア位相を検出することによって、前記キャリア位相の偏差を０にすることができる。このようにしてキャリア同期制御部２３はキャリア生成部２４が生成するＰＷＭキャリアの生成タイミングを制御する。

以上説明したように、基準キャリア信号をシリアル通信のビット列到着を以って伝送することにより、新たな伝送経路を追加することなく、基準キャリア信号の伝送が可能となる。なお、シリアル送受信２１に使用するＩＣの種類によっては、伝送信号が到着した事を外部に出力する機能を所持しているものもある。これを使用しても本実施例の範囲内であるが、一般的にこの機能は伝送情報の受信が完了してから出力される場合が多く、伝送情報量が異なると出力されるタイミングも変化するため、伝送情報量が一定の場合にだけに適用できる。前述したプリアンブルを使用する事によってこのような伝送情報量が異なっても、常に同じタイミングで信号を検出することが可能となる。

図５は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、交流電動機３Ａを２巻線の電動機とし、追加された巻線に対して変換器２Ａから給電する構成とした点、ゲート制御部２０と同一の内部構成である変換器２Ａ用のゲート制御部２０Ａを設けた点、主制御部１０Ａにおいて、速度制御部１２及びキャリア基準生成器１６の出力から分岐してゲート制御部２０Ａに信号を伝送するための減算器１３Ａ、電流制御部１４Ａ及びシリアル送受信器１５Ａを設ける構成とした点である。また、変換器２Ａの出力電流を電流検出器４Ａで検出し、帰還信号としてゲート制御部２０Ａ経由主制御部１０Ａに与えている。

このような実施例２の構成によれば、ゲート制御部２０とゲート制御部２０Ａに対して
同じタイミングでシリアル送受信１５及び１５Ａを使ったキャリア基準信号を送信する事が可能であり、その結果、２巻線の交流電動機３Ａに対して、２巻線間で同期した電圧を印加することが可能となる。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、直流電源１と変換器２は、複数個のものを使用した直列多重構成のものであっても良い。また、実施例２では交流電動機３Ａの巻線が２巻線の場合を説明したが、３巻線以上であっても良い。

また、図４におけるキャリア周波数調整器２３４はキャリア生成部２４側に設けるように構成しても良い。

また、実施例２において、電流検出器４Ａ、減算器１３Ａ及び電流制御部１４Ａを省き、電流検出器４、減算器１３及び電流制御部１４によって変換器２Ａを制御するようにしても良い。

１直流電源
２、２Ａ変換器
３交流電動機
４、４Ａ電流検出器
１０、１０Ａ主制御部
１１減算器
１２速度制御部
１３、１３Ａ減算器
１４、１４Ａ電流制御部
１５、１５Ａシリアル送受信器
１６キャリア基準生成器
２０、２０Ａゲート制御部
２１、２１Ａシリアル送受信器
２２、２２Ａ受信検出部
２３、２３Ａキャリア同期制御器
２４、２４Ａキャリア生成部
２５、２５Ａキャリア比較器
２６、２６Ａゲート回路
２３１ゲート制御部キャリア位相器
２３２減算器
２３３キャリア同期制御器
２３４キャリア周波数調整器
２３５基準キャリア位相検出器

Claims

直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するＰＷＭ制御型変換器と、
前記ＰＷＭ制御型変換器の出力電流を検出する電流検出器と、
前記ＰＷＭ制御型変換器のスイッチング素子用のゲートパルス指令を生成するゲート制御部と、
前記ゲート制御部とは絶縁され、前記交流電動機の速度制御を行う主制御部と
を具備し、
前記主制御部は、
速度基準値と速度帰還値を比較して電流基準値を出力する速度制御部と、
前記電流基準値と、前記電流検出器から得られる電流帰還値を比較して電圧基準値を計算する電流制御部と、
前記速度基準値からキャリア基準を生成するキャリア基準生成部と、
前記電圧基準値及び前記キャリア基準を前記ゲート制御部に送信すると共に、前記ゲート制御部から帰還信号を受信する第１のシリアル送受信部と
を有し、
前記ゲート制御部は、
前記電圧基準値及び前記キャリア基準を前記ゲート制御部から受信すると共に、前記帰還信号を前記主制御部に送信する第２のシリアル送受信部と、
前記第２のシリアル送受信部が受信した電圧基準値をＰＷＭキャリアと比較して前記ゲートパルス指令を生成するキャリア比較部と、
前記第２のシリアル送受信部にシリアル信号が到着したことを検出してキャリア同期制御信号を生成する受信検出部と、
前記キャリア同期制御信号を使用して前記ＰＷＭキャリアの生成タイミングを制御するキャリア同期制御部と
を有することを特徴とする電力変換装置。
前記キャリア基準生成部は、
前記ＰＷＭ制御型変換器の出力周波数と前記キャリア基準の周波数が同期するように生成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記帰還信号は、前記電流帰還値及び前記速度帰還値であり、
前記速度帰還値は、前記交流電動機に取り付けた速度検出器から得るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記交流電動機は２巻線以上の多巻線電動機であり、
前記ＰＷＭ制御型変換器は、各々の前記巻線を駆動するために複数台有するとともに、各々のＰＷＭ制御型変換器に対応して前記ゲート制御部及び前記主制御部の前記第１のシリアル送受信部を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。