JP2015106948A

JP2015106948A - Ｌｃフィルタの異常検知機能を備えた電力変換装置

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Publication number: JP2015106948A
Application number: JP2013246683A
Authority: JP
Inventors: 隆原田; Takashi Harada
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-06-08
Anticipated expiration: 2033-11-28
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Abstract

【課題】本発明は、ＬＣフィルタ部の入出力線の逆接続による装置の動作不具合および装置の破損を防止できる電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の電力変換装置は、交流電源１と、電力変換部２と、交流電源１と電力変換部２との間に配置されるＬＣフィルタ部３と、を有する電力変換装置１００であって、ＬＣフィルタ部３は、ＬＣフィルタ部３を構成する１つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子３３と、を有し、電力変換部２は、温度検出素子３３が検知した温度データを受信する温度検出部２１と、温度検出部２１が受信した温度データに基づいて、１つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従ってＬＣフィルタ部３に異常があるか否かを判定する判定部２２と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源を直流電源に変換、または、直流電源を交流電源に変換する電力変換装置に関し、特に、ＬＣフィルタの異常検知機能を備えた電力変換装置に関する。

モータ駆動装置に使用される交流電源に対して、パルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）によるスイッチング制御を行うことで負荷電流に含まれる高調波電流を抑制し、力率改善を行う装置としてＰＷＭコンバータが知られている（例えば、特許文献１）。

ＰＷＭコンバータは、ＰＷＭによるスイッチング制御を行うため、交流電源との間の経路に、数ｋＨｚ以上の高周波を含む矩形波の交流電圧を出力する。矩形波の交流電圧は電源周波数に含まれない高周波成分を含んでいる。そのため、この種のＰＷＭコンバータでは、一般的に、高周波の矩形波のうち電源周波数成分の交流電圧を通過させるためのローパスフィルタ（ＬＣフィルタ）を交流電源とＰＷＭコンバータとの間に設けて高周波を除去する構成が採用されている。

ＰＷＭコンバータ用のＬＣフィルタとして、Ｔ型フィルタと呼ばれる、コンデンサ（Ｃ）とダンピング抵抗を直列接続した回路の両端にインダクタンス（Ｌ）を装備したフィルタが知られている。このＬＣフィルタは、ＰＷＭコンバータ側から流入する高周波電流のピークを抑制しながら、フィルタ全体の大きさを低減するために、一般的にＰＷＭコンバータ側のインダクタンスが大きく、交流電源側のインダクタンスが小さい、非対称な構成をとる。

また、交流電源側のインダクタンスには高周波電流が流れないため、一般的に高周波電流での発熱対策を不要とし、小型化、低コスト化したインダクタンスが用られている。

特開２００７−２２１８５８号公報

従来の電力変換装置のＬＣフィルタ部は積極的に入出力線の逆接続を検知する仕組みを備えていない。上記の非対称の構成を持つＬＣフィルタにおいて、ＰＷＭコンバータ側と交流電源側を誤って逆に接続した場合（以下、この状態を「入出力線の逆接続」と呼ぶ。）であっても運転が継続され、交流電源側のインダクタンスが小さいため、ＰＷＭコンバータ側から過大な高周波電流が流入する。その結果、交流電源側のインダクタンスから異音が生じたり、交流電源側のインダクタンス、およびダンピング抵抗が過熱したりする問題が生じる。そして、そのまま運転を続けると、最悪の場合には、ＬＣフィルタの部品が破損するという問題があった。

本発明は、ＬＣフィルタ部の入出力線の逆接続による装置の動作不具合および装置の破損を防止できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、交流電源と、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部と、交流電源と電力変換部との間に配置されるＬＣフィルタ部と、を有する電力変換装置であって、ＬＣフィルタ部は、交流電源と接続する交流電源接続部と、電力変換部と接続する電力変換接続部と、ＬＣフィルタ部を構成する１つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子と、を有し、電力変換部は、温度検出素子が検知した温度データを受信する温度検出部と、温度検出部が受信した温度データに基づいて、１つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従ってＬＣフィルタ部に異常があるか否かを判定する判定部と、を有することを特徴とする。

ＬＣフィルタの動力線の入出力を逆に接続していることを、温度検出素子により積極的に検知することにより、入出力線の逆接続による構成部品に生じる不具合（異音または過熱）を防止することができ、正常接続時の過負荷や冷却部異常を防止できる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成図である。ＬＣフィルタ部の入力部及び出力部における電圧及び電流の波形を示す図である。ＬＣフィルタ部の接続を交流電源側と電力変換部側を逆に接続したときに、リアクトルＡ部に流れる電流の波形を示す図である。本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例２に係る電力変換装置の構成図である。本発明の実施例２に係る電力変換装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例３に係る電力変換装置の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

［実施例１］
本発明の実施例１に係る電力変換装置１００の構成図を図１に示す。実施例１に係る電力変換装置１００は、交流電源１と、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部２と、交流電源１と電力変換部２との間に配置されるＬＣフィルタ部３と、を有する電力変換装置であって、ＬＣフィルタ部３は、交流電源１と接続する交流電源接続部３１と、電力変換部２と接続する電力変換接続部３２と、ＬＣフィルタ部３を構成する１つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子３３と、を有し、電力変換部２は、温度検出素子３３が検知した温度データを受信する温度検出部２１と、温度検出部２１が受信した温度データに基づいて、１つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従ってＬＣフィルタ部３に異常があるか否かを判定する判定部２２と、を有することを特徴とする。

本発明の実施例１に係る電力変換装置１００は、ＰＷＭコンバータ２３を備えた電力変換部２と、３相の交流電源１との間にＴ型のＬＣフィルタ部３を備え、温度検出素子３３を交流電源１側に接続されたインダクタンスＬ_a1〜Ｌ_a3を備えたリアクトルＡ部３４１の１箇所に配置した構成としている。ここで、ＬＣフィルタ部３は、交流電源接続部３１と接続されたリアクトル部（リアクトルＡ部３４１）を有し、リアクトル部Ａ３４１は、温度検出素子３３を具備している。温度検出素子３３として、サーミスタあるいはサーモスタットを用いることができるが、これには限られない。

図１に示したＬＣフィルタ部３は、非対称の構成を有している。即ち、３相交流である交流電源１に接続されるリアクトルＡ部３４１のインダクタンスの値Ｌ_a1〜Ｌ_a3は、電力変換部２に接続されるリアクトルＢ部３４２のインダクタンスの値Ｌ_b1〜Ｌ_b3よりも小さい。

ＬＣフィルタ部３は、交流電源１と接続する交流電源接続部３１と、電力変換部２と接続する電力変換接続部３２とを備えており、交流電源１が交流電源接続部３１に接続され、電力変換部２が電力変換接続部３２に接続された状態が正常な接続状態である。一方、交流電源１が電力変換接続部３２に接続され、電力変換部２が交流電源接続部３１に接続された状態を「逆接続状態」という。動力線の逆接続が行われた場合、正常に接続した場合と比較して、ＬＣフィルタ部３の部品の温度上昇箇所が正常な接続状態における温度上昇個所と異なる。即ち、正常に接続された場合には温度上昇が小さい部品において、逆接続状態では温度上昇が大きくなる場合がある。そこで本発明では、ＬＣフィルタ部３の部品の１つ又は複数に温度検出素子３３を設け、温度検出部２１により検知した温度上昇の値が、正常に接続した場合よりも高いことを検知した場合、動力線の逆接続の可能性があると判定する判定部２２を設け、ＰＷＭコンバータ２３を停止するようにしている。

次に、交流電源１と電力変換部２との間にＬＣフィルタ部３を正常に接続した場合と逆接続した場合のそれぞれの場合における電圧及び電流の波形について説明する。図２は、正常に接続された場合における、図１のＡ部及びＢ部での電圧及び電流の波形を示す。正常に接続された場合は、図２に示す様に、ＬＣフィルタ部３のＡ部には正弦波の電圧がかかり（図２（ａ））、Ｂ部には高周波成分を含む矩形波状の電圧がかかる（図２（ｃ））。そのため、ＬＣフィルタ部３のＢ部には、リプル分（高周波分）を含む電流が流れる（図２（ｄ））。しかしながら、ＬＣフィルタ部３のローパスフィルタ効果によりＬＣフィルタ部３のＡ部にはリプル分が低減された略正弦波の電流が流れる（図２（ｂ））。

図３は、ＬＣフィルタ部３を正常に接続した場合、及び逆に接続した場合における、ＬＣフィルタ部３のＡ部に流れる電流を示す。

リアクトルＡ部とリアクトルＢ部を正常に接続した場合は、図２（ｂ）に示した様に、Ａ部のインダクタンスにはリプル分が低減された略正弦波の電流が流れる（図３（ａ））。一方、Ａ部とＢ部を逆に接続した場合は、Ａ部のインダクタンスにはリプル分を含む電流が流れ、かつ、リプル成分の大きさは、図２（ｄ）の正常に接続した場合にＢ部に流れる電流より数倍大きな電流となっている（図３（ｂ））。

Ａ部とＢ部を逆に接続した状況（動力線の逆接続）を放置した場合、リアクトルＡ部３４１は元々リプル分を含まない電流が流れることを想定した設計のため、インダクタンスのコア部からの異音、またはコア部の異常発熱が生じるとともに、リプル分の増加により、リプル分が流れ込む図１のダンピング抵抗３５、コンデンサ３６にもダメージを与える可能性がある。

しかしながら、図３（ｂ）に示したような電流が流れた場合、リアクトルＡ部３４１のインダクタンスの温度は、正常に接続した場合の温度より必ず高くなる。そのため、リアクトルＡ部３４１に取り付けた温度検出素子３３が検出した温度データを、電力変換部２に予め記憶させた、正常に接続した場合における運転開始時からの温度上昇値と比較することにより、検出した温度が正常時の温度を超えている場合には、動力線は逆接続されていると判断し、ＰＷＭコンバータ２３のスイッチングを停止することで、ＬＣフィルタ部３の異常発熱、ダメージを防止できる。

次に、本発明の実施例１に係る電力変換装置における異常の有無の検出方法について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１において、図１に示すように交流電源１と電力変換部２との間にＬＣフィルタ部３を接続する。さらに、ＬＣフィルタ部３のリアクトルＡ部３４１に設けられた温度検出素子３３と電力変換部２に設けられた温度検出部２１とを接続する。

次に、ステップＳ１０２において、電力変換装置１００を動作させる。このとき、温度検出部２１は運転開始時から継続的に温度検出素子３３から温度データを受信し、運転開始時からの温度上昇値ΔＴを計算する。

次に、ステップＳ１０３において、判定部２２が、リアクトルＡ部３４１の温度上昇値ΔＴが予めメモリ（図示せず）に記憶された正常接続時における温度上昇値ΔＴ₀を超えているか否かを判断する。

温度上昇値ΔＴがΔＴ₀を超えている場合（ΔＴ＞ΔＴ₀）には、ステップＳ１０４において、判定部２２は、ＬＣフィルタ部３が逆接続されていると判断して、ＰＷＭコンバータ２３の動作を停止させる。一方、温度上昇値ΔＴがΔＴ₀以下となっている場合（ΔＴ≦ΔＴ₀）には、判定部２２は、ＬＣフィルタ部３には異常が生じていないものと判断して、ステップＳ１０２に戻って、ＰＷＭコンバータ２３の動作を継続させる。

以上のようにして、ＬＣフィルタ部のリアクトルの温度上昇値から逆接続の有無を判断することができる。

以上の実施例１に係る電力変換装置において、ＬＣフィルタ部内に温度検出素子を１つのみ設けた構成を示したが、これには限られず２つ以上設けるようにしてもよい。

また、実施例１においては、リアクトルＡ部の温度を検出することによりＬＣフィルタ部の異常を検出する例を示したが、これには限られず、リアクトル部以外のダンピング抵抗やコンデンサ等、他の部品の温度を測定することにより、ＬＣフィルタ部の異常を検出するようにしてもよい。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係る電力変換装置について説明する。実施例２に係る電力変換装置２００の構成図を図５に示す。実施例２に係る電力変換装置２００が、実施例１に係る電力変換装置１００と異なっている点は、リアクトルＡ部３４１にだけでなくリアクトルＢ部３４２にも温度検出素子を設けている点である。即ち、ＬＣフィルタ部３は、交流電源接続部３１と接続されたリアクトルＡ部３４１と、電力変換接続部３２と接続されたリアクトルＢ部３４２と、を備え、リアクトルＡ部３４１は、第１温度検出素子３３１を備え、リアクトルＢ部３４２は、第２温度検出素子３３２を備えている。その他の構成は、実施例１に係る電力変換装置１００と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施例２の電力変換装置２００においては、ＬＣフィルタ部３に第１温度検出素子３３１及び第２温度検出素子３３２からなる２つの温度検知素子が設けられている。このため、検知されたリアクトルＡ部３４１及びリアクトルＢ部３４２のそれぞれの温度データの絶対値のみでなく、検知されたそれぞれの温度データ間の相対値を用いて、リアクトルＢ部３４２の温度が、リアクトルＡ部３４１の温度よりも規定値以上高いことに基づいて、動力線の逆接続を検知することができる。この場合は、周囲温度の影響を排除することができ、より鋭敏な検知を実現することができる。

さらに、ＬＣフィルタ部は動力線の逆接続以外の要因でも異常な温度上昇が生じる場合がある。電力変換装置の負荷が過大であった場合にリアクトルＡ部およびＢ部を流れる電流が過大となり異常な温度上昇を生じる。また、冷却ファンによりリアクトルＡ部およびＢ部を強制冷却し温度上昇を抑制している場合は冷却ファンが異常となり停止した結果、リアクトルＡ部およびＢ部に異常な温度上昇を生じる。電力変換装置の負荷が過大、冷却ファンの異常いずれの要因でもリアクトルＡ部またはリアクトルＢ部の温度上昇が正常な値を超えることで電力変換装置側で異常を検知できるが、異常を取り除く際の作業性を良くするため要因を切り分けて検知できることが望ましい。温度検出素子が複数ある場合、異常の種類により温度上昇パターンが異なることを利用し、保護に加えて異常要因の切り分けを行うことができる。

図１に示す実施例１に係る電力変換装置１００では、温度検出素子が１つのため冷却ファン（図示せず）の故障、過負荷運転、動力線の逆接続による温度上昇の異常を切り分けることが出来ない。一方、図５に示す実施例２に係る電力変換装置２００では、リアクトルＢ部３４２にも温度検出素子を取り付けることにより、リアクトルＢ部３４２が正常時よりも温度が高くなる場合は冷却ファンの故障、過負荷運転が生じているものと判断でき、リアクトルＡ部３４１のみの温度が高くなる場合は、動力線の逆接続がなされているものと判断できる。このように、温度検出素子をリアクトルＡ部及びリアクトルＢ部の両方に設けることにより、異常が生じている個所を正確に検出することができる。

次に、本発明の実施例２に係る電力変換装置における異常の有無の検出方法について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１において、図５に示すように交流電源１と電力変換部２との間にＬＣフィルタ部３を接続する。さらに、ＬＣフィルタ部３のリアクトルＡ部３４１に設けられた第１温度検出素子３３１及びリアクトルＢ部３４２に設けられた第２温度検出素子３３２と電力変換部２に設けられた温度検出部２１とを接続する。

次に、ステップＳ２０２において、電力変換装置２００を動作させる。温度検出部２１は運転開始時から継続的に第１温度検出素子３３１からの温度データＴ₁、及び第２温度検出素子３３２からの温度データＴ₂を受信し、Ｔ₁の運転開始時からの温度上昇値ΔＴ₁、及びＴ₂の運転開始時からの温度上昇値ΔＴ₂の差分ΔＴ_1-2を計算する。

次に、ステップＳ２０３において、判定部２２が、ΔＴ_1-2が正の値となるか判断する。ただし、完全冷却においてΔＴ_1-2の正常値はゼロとなるため判断の閾値は正の値方向に若干のマージンを設け誤検出を防止する。本判定でΔＴ_1-2が閾値を超えていた場合には、ステップＳ２０４において、ＬＣフィルタ部３が逆接続された状態、即ち、交流電源接続部３１に電力変換部２が接続され、電力変換接続部３２に交流電源１が接続された、接続異常が生じたものと判定する。

次に、ステップＳ２０５において、判定部２２が、リアクトルＢ部３４２の温度上昇値ΔＴ₂が予めメモリ（図示せず）に記憶された正常接続時における温度上昇値ΔＴ₀₂を超えているか判定する。その結果ΔＴ₂がΔＴ₀₂を超えていると判断した場合には、ステップＳ２０６において、電力変換部２の過負荷、またはＬＣフィルタ部３の冷却異常が生じていると判定する。

一方、ステップＳ２０３またはステップＳ２０５のいずれでも異常と判断されない場合は、判定部２２は、ＬＣフィルタ部３には異常が生じていないものと判断して、ステップＳ２０２に戻って、ＰＷＭコンバータ２３の動作を継続させる。

以上の実施例２に係る電力変換装置の説明においては、リアクトルＡ部とリアクトルＢ部の温度差に基づいてＬＣフィルタ部の異常の有無を検出する例を示したが、これには限られず、リアクトル以外の他の部品、例えば、複数のダンピング抵抗の間や複数のコンデンサの間の温度差に基づいてＬＣフィルタ部の異常の有無を検出するようにしてもよい。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係る電力変換装置について説明する。図７は、本発明の実施例３に係る電力変換装置３００の構成図である。実施例３に係る電力変換装置３００が、実施例２に係る電力変換装置２００と異なっている点は、図５に示した実施例２に係る電力変換装置の構成に加え、ＬＣフィルタ部３を１つの筐体で構成するとともに、冷却ファン３７、ＬＣフィルタ部３の正常接続時の温度上昇値を電力変換部２が識別するためのＩＤ３９をＬＣフィルタ部３に装備し、それに関係する信号を１つのコネクタ２４とケーブル５で一括して電力変換部２に接続している点である。その他の構成は、実施例２に係る電力変換装置２００と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施例３に係る電力変換装置においては、ＬＣフィルタ部３と電力変換部２が、相互に信号を通信する。ここで、信号は、温度検出素子３３１、３３２の検出結果、ＬＣフィルタ部３の冷却ファン３７の電源４、ＬＣフィルタ部３の識別情報（ＩＤ）のうちの少なくとも１つ含む。

実施例３に記載の電力変換装置によれば、ＬＣフィルタ部３の正常接続時の温度上昇がＬＣフィルタのモデル毎に異なった場合であっても、ＬＣフィルタ部３に設けられたＩＤ３９を参照し、このＩＤに基づいて正常時の温度上昇値を読み出すことにより、最適な温度上昇の検知のための閾値を設定することが可能となる。

１交流電源
２電力変換部
２１温度検出部
２２判定部
２３ＰＷＭコンバータ
３ＬＣフィルタ部
３１交流電源接続部
３２電力変換接続部
３３温度検出素子
３３１第１温度検出素子
３３２第２温度検出素子
３４１リアクトルＡ部
３４２リアクトルＢ部

Claims

交流電源と、
交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部と、
前記交流電源と前記電力変換部との間に配置されるＬＣフィルタ部と、
を有する電力変換装置であって、
前記ＬＣフィルタ部は、
前記交流電源と接続する交流電源接続部と、
前記電力変換部と接続する電力変換接続部と、
前記ＬＣフィルタ部を構成する１つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子と、を有し、
前記電力変換部は、
前記温度検出素子が検知した温度データを受信する温度検出部と、
前記温度検出部が受信した前記温度データに基づいて、前記１つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または前記複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従って前記ＬＣフィルタ部に異常があるか否かを判定する判定部と、を有する、
ことを特徴とする電力変換装置。
前記ＬＣフィルタ部は、前記交流電源接続部と接続されたリアクトル部をさらに有し、
前記リアクトル部は、前記温度検出素子を具備する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記ＬＣフィルタ部は、
前記交流電源接続部と接続されたリアクトルＡ部と、
前記電力変換接続部と接続されたリアクトルＢ部と、を備え、
前記リアクトルＡ部は、第１温度検出素子を備え、
前記リアクトルＢ部は、第２温度検出素子を備える、請求項１に記載の電力変換装置。
前記判定部は、前記リアクトルＢ部の温度上昇値より、前記リアクトルＡ部の温度上昇値が大きい場合は、前記交流電源接続部に前記電力変換部が接続され、前記電力変換接続部に前記交流電源が接続された、接続異常が生じたものと判定する、請求項３に記載の電力変換装置。
前記判定部は、前記リアクトルＡ部の温度上昇値または前記リアクトルＢ部の温度上昇値が正常時より高く、かつ、前記リアクトルＡ部の温度上昇値より、前記リアクトルＢ部の温度上昇値が大きい場合は、前記電力変換部の過負荷、または前記ＬＣフィルタ部の冷却異常が生じていると判定する、請求項３に記載の電力変換装置。
前記ＬＣフィルタ部と前記電力変換部が、前記温度検出素子の検出結果、前記ＬＣフィルタ部の冷却ファンの電源、前記ＬＣフィルタ部の識別情報のうちの少なくとも１つ含む信号を相互に通信する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記交流電源は、３相交流である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記温度検出素子は、サーミスタあるいはサーモスタットである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記電力変換部は、ＰＷＭコンバータを備えている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電力変換装置。