JP2016226135A - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
永久磁石内蔵の回転機の脱調検出機能を搭載した電力変換装置及び、それを用いた機器（例えば、回転機駆動機器、冷凍機器など）を提供する。
【解決手段】
モータのいずれか１相に取り付けられた磁極位置センサにて検出された信号に基づき該モータが脱調しているか否かを判断する制御装置を備える電力変換装置である。また、さらに、前記制御装置では、該磁極位置センサにて検出された信号が予め定めた所定時間内に所定条件を満たすかどうかに基づき脱調か否かを判断することを特徴とする電力変換装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

従来の誘導電動機に比べ高効率である永久磁石同期電動機が、産業分野や冷凍機器へ普及している。ここで、永久磁石同期電動機は、回転子内の永久磁石の磁極位置に同期するように回転磁界を入力することで回転する。磁極位置と回転磁界が同期しない状態では回転せず、脱調状態となり制御不能となる。従って永久磁石同期電動機を運転制御するためには磁極位置検出が可能な電力変換装置が必要となる。磁極位置検出の手段としては、例えば磁極位置センサがある。磁極センサはエンコーダ、レゾルバ、ホール素子などがあり、回転子１回転あたり少なくとも２回の位置情報を電力変換装置に入力し磁極位置を認識しながら運転制御している。

一方、近年では磁極位置センサを省いた磁極位置センサレス方式で運転制御している場合もある。磁極位置センサレス方式の場合、磁極位置を例えば検出電流の位相から推定しながら制御しているため、負荷変動や重負荷時に電力変換装置の作る回転磁界に永久磁石同期電動機の回転子が同期できなくなり脱調状態となることがある。磁極位置について推定のみの磁極位置センサレス方式で脱調状態となると、脱調を推定できない場合があるため、磁極位置センサレス方式で確実に脱調を検出可能な電力変換装置が必要である。

従来、脱調の検出方法として「前記磁極位置センサの検出信号に基づき求めた前記回転子の磁気軸の角度位置と前記回転磁界角の角度差が予め定めた設定値を越えたか否かを検出する脱調検出部」を開示する特許文献１（特開２０００−２９５８８６号）や、「該電圧指令と前記電流検出器で検出した電流とに基づいて制御軸と該同期電動機の回転子磁極軸との軸誤差を推定する軸誤差推定器と、前記軸誤差推定器で推定した軸誤差の任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出器と、前記周波数成分抽出器で抽出した周波数成分に基づいて脱調か否かを判断する脱調判断部と、を備える電力変換装置」を開示する特許文献２（特開２０１４−１４７２３９号）がある。

特開２０００−２９５８８６号 特開２０１４−１４７２３９号

しかし、特許文献１の技術は、前述の脱調を検出するために、磁極位置センサからＰｕ、Ｐｖ、Ｐｗの３つの信号を検出しているため三相の磁極位置が検出可能なセンサが必要となりコストアップが避けられない。

また、特許文献２の技術は、例えば印加電圧指令周波数の高調波成分により回転子が少しでも回転している場合、脱調を検出できない可能性がある。

そこで、本願では、三相の磁極位置検出センサを用いることなく、信頼性の高い脱調検出を可能にする電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、モータのいずれか１相に取り付けられた磁極位置センサにて検出された信号に基づき該モータが脱調しているか否かを判断する制御装置を備える。

本発明によれば、三相の磁極位置検出センサを用いることなく、信頼性の高い脱調検出を可能にする電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することができる。

本発明に係る第１の実施例の電力変換装置の概略構成図である。 第１の実施例における速度再現器１１の磁極センサ３相分のタイミングチャートである。 第１の実施例における速度再現器１１の磁極センサ１相分のタイミングチャートである。 第１の実施例における脱調判定器８のブロック図である。 第１の実施例における速度制御器９のブロック図である。 電力変換装置の概略構成図である。 通常処理のフローチャートである。 脱調判定処理のフローチャートである。 脱調保護処理のフローチャートである。

本実施形態の電力変換装置は、例えば回転機駆動機器、冷凍器などに用いることが好適なものである。以下では具体的制御について説明する。

＜第１の実施例＞
図１から図４を用いて第１の実施例を説明する。

図１に電力変換装置の概略構成を示す。本電力変換装置は、交流電源１を直流電源に変換してスイッチング回路４に直流電力を供給し、前記スイッチング回路４がスイッチング動作をすることで、回転機５を運転する装置であり、前記回転機５が脱調した場合は磁極位置センサ６、速度再現器１１、および脱調判定器８にて前記回転機５の脱調を検出し保護動作を行っている。

（装置構成について）
本電力変換装置は、交流電源１に接続された整流器２と、前記整流器２の直流側に直列接続された平滑コンデンサ３と、交流電力を直流電力に変換するスイッチング回路４と、スイッチング回路４を制御するＰＷＭ制御器７と、回転機５に接続された磁極位置センサ６と、前記磁極位置センサ６の何れか１相の信号から検出速度を作成する速度再現器１１と、外部等より任意の速度を入力された速度指令１０と、前記速度指令１０と前記速度再現器１１が作成した検出速度から脱調を判定し、脱調検出信号を出力する脱調判定器８と、前記速度指令１０と脱調検出信号からＰＷ制御器７にＰＷＭ制御信号を出力する速度制御器９とを備えて構成されている。

（磁極位置センサについて）
図２は前記回転機５の回転子角度と前記磁極センサ６が前記回転子角度に応じて前記速度再現器１１に出力する磁極センサ信号（三相分）との関係を示したタイミングチャートである。従来技術として、三相分の磁極センサ信号を利用して前記回転機５の回転速度、回転方向、磁極位置を検出して可変速制御する技術は多く知られているが、脱調を検出するためには三相分ではなく、一相分の磁極センサ信号が検出できれば良い。そこで、従来の磁極センサ信号の三相分のうち、一相分のみを検出して脱調を判定する。もしくは一相分のみを出力する磁極センサを利用して脱調を判定しても問題ない。

（速度再現器について）
図３は、前記回転機５の回転子角度と前記磁極センサ６が前記回転子角度に応じて前記速度再現器１１に出力する磁極センサ信号（一相分）との関係を示したタイミングチャートである。前記磁極位置センサ６は前記回転機５の回転子が回転し永久磁石が前記磁極センサ６の近くを通過する毎に信号をオン、オフさせるため、前記速度再現器１１は前記回転機５の回転子の回転に合わせて、例えば、オフする信号の立下りを毎回検出し、前回検出したところから今回検出したところまでの時間差Δｔを測定する。ここでオンする信号の立上り、または立下りと立上りの両方で時間差を測定しても問題ない。立上りと立下り両方で時間差を測定した場合は、前記回転機５の回転子が１回転する際の検出回数が２倍となるため、前記速度再現器１１の検出精度を上げることができる。測定した時間差Δｔより周波数を算出し前記回転機５の検出速度として出力する。

（脱調判定について）
図４は、前記脱調判定器８のブロック図である。脱調判定器８は、絶対値計算部１２と、絶対値計算部１２からの出力結果に基づき脱調を判定する脱調判定部１３とを備えて構成される。

前記速度指令１０より入力された速度指令Ｆｒｅｆから前記速度再現器１１より入力された検出速度Ｆｆｂを減算し、速度偏差Δｆを算出する。ここで急に負荷が軽くなった場合や減速時に検出速度Ｆｆｂが速度指令Ｆｒｅｆより大きくなることを考慮し、速度偏差Δｆは絶対値計算部１２で絶対値演算することで速度偏差絶対値ΔＦａｂｓとする。算出した速度偏差絶対値ΔＦａｂｓは脱調判定部１３にて予めマイコンに設定、もしくはフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに設定した閾値とする任意の所定時間と比較し、所定時間内であれば正常、所定時間外であれば脱調と判断し、脱調検出信号Ｅｒｒを出力する。逆に閾値未満の場合は脱調検出信号を出力しない。

（速度制御器について）
図５は速度制御器９のブロック図である。速度制御器９は、速度指令部１０から出力された速度指令Ｆｒｅｆに基づき速度制御信号Ｆｓｉｇを出力する。速度制御信号生成部１４と、速度制御信号生成部１４より入力されたＦｓｉｇを脱調判定器８より入力された脱調検出信号Ｅｒｒの有無に応じてＰＷＭ制御器７へＦｓｉｇを出力、もしくは遮断する遮断器１５とを備えて構成される。

通常、速度制御器９は速度指令１０に基づき速度制御信号ＦｓｉｇをＰＷＭ制御器７に出力するが、前記脱調判定器８より脱調検出信号Ｅｒｒが入力されている場合は、遮断器１５にて速度制御信号Ｆｓｉｇを出力しないように遮断する。ここで前記ＰＷＭ制御器７に速度制御信号Ｆｓｉｇを出力しない場合、前記ＰＷＭ制御器７は前記スイッチング回路４に対して、前記スイッチング回路４がオン、オフするためのゲート信号を常にオフとして、前記回転機５に電力が供給しないように保護動作を行う。保護動作の後は予め電力変換装置に脱調発生時にはどの動作を行うかの設定を行い、任意で設定した一定時間後に前記脱調判定器８より出力される脱調検出信号Ｅｒｒを解除し、前記回転機５の運転を再始動する動作をする場合や、再始動せずエラー状態として外部インタフェース、例えば液晶画面、７セグの表示パネル、ＬＥＤの点灯または点滅、外部機器との通信等の手段により外部に脱調状態という情報を伝える動作を行う。また再始動を複数回行った後、エラー状態の動作をする場合もある。

前記電力変換装置の設定は例えばシステムに応じて行い、前記回転機５が止まることが許されないシステムでは脱調しても自動で再始動を行う。また脱調した場合は前記回転機５を止めて作業員がメンテナンスを実施するシステムではエラー状態として再始動は行わないようにする。

＜第２の実施例＞
図３、図６から図９を用いて第２の実施例を説明する。

図６に電力変換装置の概略構成を示す。本電力変換装置は、交流電源１を直流電源に変換してスイッチング回路４に直流電力を供給し、前記スイッチング回路４がスイッチング動作をすることで、回転機５を運転する装置であり、前記回転機５が脱調した場合は磁極位置センサ６、速度再現器１１、および脱調判定器８にて前記回転機５の脱調を検出し保護動作を行っている。

（通常処理について）
図７に通常処理のフローチャートを示す。図７は図６に示した通常処理の範囲についてのフローチャートである。通常処理では例えば一定の処理周期にて定期的に演算を行い速度指令からＰＷＭ信号出力までの処理を行う。具体的には図６に示す速度制御信号生成部１４にて図７に示す速度指令監視１７を行い、速度指令Ｆｒｅｆを取得する。そして速度制御信号生成１８にて速度制御信号Ｆｓｉｇを生成する。図６に示す遮断器１５では図７に示す判定１９にて脱調検出信号Ｅｒｒの有無により速度制御信号Ｆｓｉｇの遮断を行う、ここで脱調検出信号Ｅｒｒは後に説明する「脱調判定処理」より取得する。脱調検出信号Ｅｒｒが有る場合は脱調状態として図７に示すＦｓｉｇ遮断２１の通り速度制御信号Ｆｓｉｇを遮断し、脱調検出信号Ｅｒｒが無い場合は正常状態としてＦｓｉｇ出力２０の通り速度制御信号Ｆｓｉｇを出力する。図６に示すＰＷＭ制御器７では図７に示すＰＷＭ信号出力２２にて予めマイコンに設定、もしくはフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに設定した周波数のキャリア波と速度制御信号Ｆｓｉｇを比較してＰＷＭ処理を行いスイッチング回路４にＰＷＭ制御信号を出力する。ここでキャリア波はスイッチング回路４の損失や回転機５との共振による振動、騒音に応じて外部インタフェース、例えば液晶画面、７セグの表示パネル、外部機器との通信等の手段により外部から周波数を変更することができるものとする。

（脱調判定処理）
図８に脱調判定処理のフローチャートを示す。図８は図６に示した脱調判定処理の範囲についてのフローチャートである。脱調処理では例えば図３に示す磁極位置センサ６の磁極センサ信号（一相分）がオンからオフする立ち下がり毎に処理を行い磁極センサ信号の検出から脱調保護までを行う。具体的には、図６に示す磁極位置センサ６より出力される磁極センサ信号（一相分）がオンからオフする立ち下がりを速度再現器１１の図８に示すセンサ信号検出２３にて、検出し、検出した時間を毎回記憶する。そして速度再現２４にて前回記憶していた磁極センサ信号の立ち下がりから今回の立ち下がりまでの時間をマイコンにて演算し、回転機５の検出速度Ｆｆｂを算出する。次に図８に示す速度指令監視２５を行い、速度指令Ｆｒｅｆを取得する。そしてΔｆ算出２６にて速度指令Ｆｒｅｆから前記速度再現２４より演算した検出速度Ｆｆｂと減算し、速度偏差Δｆを算出する。ここで急に負荷が軽くなった場合や減速時に検出速度Ｆｆｂが速度指令Ｆｒｅｆより大きくなることを考慮し、速度偏差Δｆは絶対値演算２７にて絶対値とし、速度偏差絶対値ΔＦａｂｓを算出する。次に設定値読込２８にて脱調判定値Ａを読込み、判定２９にて速度偏差絶対値ΔＦａｂｓと脱調判定値Ａを比較し、速度偏差絶対値ΔＦａｂｓの方が大きい場合にはＥｒｒ信号出力３０にて脱調検出信号Ｅｒｒを出力する。逆にΔＦａｂｓの方が小さい場合には脱調検出信号Ｅｒｒは出力しない。

（脱調保護処理）
図９に脱調保護処理を示す。図９は図６の脱調保護処理１６の詳細についてのフローチャートである。図９の判定３１にて前記脱調検出信号Ｅｒｒの有無を判定し、有の場合に予めマイコンに設定、もしくはフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに設定したリトライ有無設定Ｂ、リトライ回数設定Ｃ、リトライ復帰時間設定Ｄに応じて、前記スイッチング回路４を動作させたり、停止させたりする機能を持つ。前記脱調検出信号Ｅｒｒ無の場合には何もしない。具体的には、前記脱調検出信号Ｅｒｒが有の場合、設定値読込３２にてリトライ有無設定Ｂ、リトライ回数設定Ｃ、リトライ復帰時間設定Ｄを読み込む、次に判定３３にてリトライ設定の有無を判定し、有の場合にはリトライ時間カウント３４にてリトライ時間カウント値をカウントする。リトライ設定が無の場合には前回以前の処理周期で行ったリトライ時間カウント３４にてカウントしたリトライ時間カウント値をリトライ時間カウント値クリア４０にてクリアする、そしてリトライ回数カウント値をリトライ回数カウント値クリア４１にてクリアし、エラー状態リセット待ち４２にてエラー状態リセット待ちの状態にする。ここでエラー状態リセット待ちとはシステムの主電源をＯＦＦし、再度ＯＮするか、外部よりリセット命令を入力しエラーを解除するまで他の処理に遷移しないというものである。次に判定３５にてリトライ時間カウント３４にてカウントした、リトライ時間カウント値とリトライ復帰時間設定Ｃを比較し、リトライ復帰時間設定Ｃの方が大きい場合には何もしない。逆にリトライ復帰時間設定Ｃの方が小さい場合にはリトライ時間カウント３４にてカウントした、リトライ時間カウント値をリトライ時間カウント値クリア３６にてクリアする。次にリトライ回数カウント３７にてリトライ回数をカウントする。次に判定３８にてリトライ回数カウント３７にてカウントしたリトライ回数カウント値をリトライ許容回数設定Ｄと比較し、リトライ許容回数設定Ｄの方が大きい場合にはＥｒｒ出力クリア３９にて脱調検出信号Ｅｒｒ出力をクリアする。逆にリトライ許容回数設定Ｄの方が小さい場合にはリトライ回数カウント値をリトライ回数カウント値クリア４１にてクリアし、エラー状態リセット待ち４２にてエラー状態リセット待ちの状態にする。

１ 交流電源
２ 整流器３ 平滑コンデンサ４ スイッチング回路５ 回転機
６ 磁極位置センサ
７ ＰＷＭ制御器
８ 脱調判定器
９ 速度制御器１０ 速度指令１１ 速度再現器１２ 絶対値演算部１３ 脱調判定部１４ 速度制御信号生成部１５ 遮断器
１６ 脱調保護処理
１７ 速度指令監視
１８ 速度制御信号生成
１９ 判定（Ｅｒｒ信号有？）
２０ Ｆｉｇ出力
２１ Ｆｉｇ遮断
２２ ＰＷＭ信号出力
２３ センサ信号検出
２４ 速度再現
２５ 速度指令監視
２６ Δｆ算出
２７ 絶対値演算
２８ 設定値読込
２９ 判定（ΔＦａｂｓ＞Ａ？）
３０ Ｅｒｒ信号出力
３１ 判定（Ｅｒｒ信号出力＝有？）
３２ 設定値読込
３３ 判定（Ｂ＝有？）
３４ リトライ時間カウント
３５ 判定（リトライ時間＞Ｃ？）
３６ リトライ時間カウント値クリア
３７ リトライ回数カウント
３８ 判定（リトライ回数＞Ｄ？）
３９ Ｅｒｒ出力クリア
４０ リトライ時間カウント値クリア
４１ リトライ回数カウント値クリア
４２ エラー状態リセット待ち

Claims (6)

1. モータのいずれか１相に取り付けられた磁極位置センサにて検出された信号に基づき該モータが脱調しているか否かを判断する制御装置を備える電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記制御装置では、該磁極位置センサにて検出された信号が予め定めた所定時間内に所定条件を満たすかどうかに基づき脱調か否かを判断することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記制御装置では、該磁極位置センサにて検出された信号がオンする信号の立上り、または、オフする信号の立下り、または立上りと立下りの両方を用いて行うことを特徴とする電力変換装置。
4. モータのいずれか１相に取り付けられた磁極位置センサにて検出された信号に基づき該モータが脱調しているか否かを判断する制御工程を備える電力変換装置の制御方法。
5. 請求項４記載の電力変換装置の制御方法であって、
   前記制御工程では、該磁極位置センサにて検出された信号が予め定めた所定時間内に所定条件を満たすかどうかに基づき脱調か否かを判断することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
6. 請求項４記載の電力変換装置の制御方法であって、
   前記制御工程では、該磁極位置センサにて検出された信号がオンする信号の立上り、または、オフする信号の立下り、または立上りと立下りの両方を用いて行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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