JP2017028922A - 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】
回転機がフリーラン状態における該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成する周波数検出部と、前記周波数検出部にて生成した前記デジタル信号に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定する速度再現器と、前記速度再現器にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置に基づき該回転機の脱調状態を判定する脱調判定部と、を備え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。磁極位置センサとしてはエンコーダ、レゾルバ、ホール素子などがある。回転子１回転あたり少なくとも２回の位置情報を磁極位置センサにより検出し、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永久磁石同期電動機を制御しているため、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。磁極位置を推定する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を用いる場合には、確実に脱調を検出可能な電力変換装置が必要である。

脱調を検出する従来技術として「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。

また、磁極センサレスの永久磁石同期電動機の起動方法として「始動時に回転子の位置に対して最大のトルクを発生可能な位相の始動励磁パターンを励磁し、回転速度を除々に増大した後に、該通電を前記パルス変調信号のデューティを０％にすることにより停止して前記ブラシレスモータの前記ロータをフリーランさせ、フリーラン中にモータ端子に発生する誘起電圧から回転子位置を検出して励磁タイミングを決定し、大きな加速度を得て回転子を安定して起動する駆動装置」を開示する特許文献３（特開２０１４−３３６１６号）がある。

特開２０００−２９５８８６号 特開２０１４−１４７２３９号 特開２０１４−３３６１６号

しかし、特許文献１に開示した方法によると、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おり、三相の磁極位置が検出可能なセンサが必要なため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。

また、特許文献３の技術は、起動を安定化させるものであって起動時にインパクト負荷が加わった場合や、起動時以外の負荷変動により脱調が発生する可能性があるが、その検出手段を持っていない。また誘起電圧検出回路のコンパレータを３つ要しておりコストアップとなる。

そこで、本願では、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、特許請求の範囲の構成を採用する。

回転機がフリーラン状態における該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成する周波数検出部と、前記周波数検出部にて生成した前記デジタル信号に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定する速度再現器と、前記速度再現器にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置に基づき該回転機の脱調状態を判定する脱調判定部と、を備える電力変換装置である。

本発明によれば、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。

本発明に係る電力変換装置の概略構成図である。 周波数検出回路の概略構成図である。 周波数検出回路のタイミングチャートである。 脱調判定のタイミングチャートである。 脱調判定部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る。また前記回転機５が脱調しているかを判定するために速度制御部１１が前記回転機５の加速時に一度停止状態にすることで前記回転機５をフリーラン状態にし、フリーランとなった前記回転機の誘起電圧より周波数検出部６、速度再現器１２、脱調判定部８、および遮断器９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。ここで脱調せずに運転していた場合には再度、前記回転機５がフリーランで回転している速度から再加速し、運転を継続するものである。また脱調を検出する条件である脱調判定処理設定値群１３は予め記憶部１４に設定、もしくは外部から任意の値を設定できるものであり、その設定値は前記回転機５やそれに接続される負荷の大きさや慣性モーメントにより適宜調整するものとする。
(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、前記スイッチング回路４と回転機５を接続する３本のモータ線にそれぞれ接続された周波数検出部６と、前記周波数検出部６の２つの信号から検出速度を演算し出力する速度再現器１２と、前記速度再現器１２が出力した検出速度と、予めフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである記憶部１４に設定、もしくは外部より設定した脱調判定処理設定値群１３とから脱調を判定し、脱調保護動作を行った後に脱調検出信号を出力する脱調判定部８と、外部より任意の目標速度を設定する速度指令設定器１０と、前記速度指令設定器１０から出力された目標速度と前記速度再現器１２から出力された検出速度と、前記記憶部１４に設定された脱調判定処理設定値群１３より回転速度指令値を演算し、出力する速度制御部１１と、前記周波数指令値を前記脱調判定部８から出力された脱調検出信号に応じて遮断し、ＰＷＭ制御器７の動作を制御する遮断器９と、を備えて構成されている。
(周波数検出部について)
図２は前記周波数検出部６の回路構成図、図３は誘起電圧とデジタル信号のタイミングチャートである。前記周波数検出部６は前記回転機５がフリーランで回転しているときに発生する３相の誘起電圧の大小関係に応じて前記回転機５の回転速度、回転方向、および磁極位置の情報を持った２つのデジタル信号を作成する。具体的には回転機がフリーランで回転している場合は前記回転機５より誘起電圧が発生する、その誘起電圧をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の線間で観測した場合、電圧波形は図３に示す通りであり、それぞれ１２０ｄｅｇずつ位相がずれた三相交流となる。誘起電圧を図２に示す通り、分圧抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃにて分圧することで、誘起電圧の大小関係から前記コンパレータ１７Ａ，１７Ｂの出力はデジタル信号となる。ここで後に説明する前記速度再現器１２では前記コンパレータ１７Ａ，１７Ｂの２つのデジタル信号より、前記回転速度、回転方向、および磁極位置の情報が取得可能であるため、Ｗ相−Ｕ相電圧のコンパレータは削除している。また、入力フィルタ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ、および出力フィルタ１８Ａ、１８Ｂのフィルタ時定数はノイズを取り除くことが可能な時定数になるようにデジタル信号を観測しながら選定するものとする。またプルアップ抵抗１９Ａ、１９Ｂは本装置の電源投入直後、前記コンパレータの電源が立ち上がるまでの間に、デジタル信号がチャタリングしないようデジタル信号をオン状態となるようにしている。(速度再現器について)
図３に示す、前記デジタル信号は前記回転機５がフリーランで回転することで発生する誘起電圧の位相に応じてオン・オフするため前記速度再現器１２により回転速度、回転方向、および磁極位置を推定することができる。

まず回転速度は例えば、前記デジタル信号の立上り（オン）タイミングを毎回検出し、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。ここで信号の立下り（オフ）、または立上りと立下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１２の検出精度を上げることができる。ここで測定した時間差ΔＴより周波数を算出し前記回転機５の検出速度Ｆｆｂとして出力する。次に回転方向の推定は、２つの前記デジタル信号の立上り（オン）および立下り（オフ）タイミングの時間を測定することで推定する。例えば、Ｕ−Ｖ間デジタル信号の立上り（オン）タイミングを起点とすると、正転の場合は次に検出するＷ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）までの時間差Δｔ１と、Ｗ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）からその次に検出するＵ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）までの時間差Δｔ２では、時間差Δｔ１＞時間差Δｔ２となる。一方、逆転の場合にはＵ−Ｖ間デジタル信号の立上り（オン）タイミングを起点とすると、次に検出するＷ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）までの時間差Δｔ１’とＷ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）からその次に検出するＵ−Ｖ間デジタル信号の立下り（オフ）までの時間差Δｔ２’では時間差Δｔ１’＜時間差Δｔ２’となる。前記速度再現器１２では時間差Δｔ１、時間差Δｔ２もしくはΔｔ１’時間差Δｔ２’の大小関係により、回転方向を推定する。

次に磁極位置の推定について説明する。前記回転機５の誘起電圧位相は磁極位置と連動するため、図３に示す通り、誘起電圧の位相と連動する前記２つのデジタル信号の立上りおよび立下りのタイミングは前記回転機５の回転子が電気角で１回転する間に計４回のある。例えば、この検出タイミングが前記回転機５の磁極位置角度３０ｄｅｇ，１５０ｄｅｇ，２１０ｄｅｇ，３３０ｄｅｇ，の場合、マイコンは該当する立上りもしくは立下りのタイミングでダイレクトにマイコン内部で演算している内部位置情報の更新処理を行う。そして、立上りおよび立下りのタイミング以外の時間ではマイコンは前記検出速度Ｆｆｂに応じて任意の演算周期で内部位置情報を更新する位置更新量θｓｔｅｐを毎周期加算することで、前記回転機５の磁極位置と同期した内部位置情報を常に更新している。また、立上りもしくは立下りのタイミングでダイレクトに内部位置情報を更新する場合、マイコンが任意の演算周期内部で更新していた内部位置情報との位置偏差Δθが発生する場合がある。その場合は位置偏差Δθを「0」にするようにＰＩ制御にて位置更新量θｓｔｅｐを補正するものとし、フリーラン中は常に磁極位置を推定している。フリーラン中ではない運転中は磁極位置は推定しない。理由は前記スイッチング回路４が動作しているため、前記回転機５の誘起電圧が観測できなくなるからである。
(速度制御部について)
図４に示す、回転機のタイミングチャートは前記速度制御部１１が前記速度指令設定器１０より出力された速度指令Ｆｒｅｆと前記速度再現器１２より出力された検出速度Ｆｆｂに応じて前記回転機５を前記速度指令設定器１０にて設定された回転速度まで停止状態から加速させる過程を示したものである。前記回転機５は停止状態から設定された回転速度(設定周波数)まで徐々に加速するが、加速時、減速時、および一定速運転時に急な負荷変動などの影響で本電力変換装置が前記スイッチング回路４を制御して作り出している回転磁界と前記回転機５の磁極が外れ制御ができなくなる状態(脱調状態)となる場合がある。そのため、前記速度制御部１１では加速時に一度、予め記憶部１４もしくは外部より前記記憶部１４に設定した脱調判定処理設定値群１３の脱調判定周波数に到達した段階で前記スイッチング回路４をＯＦＦとし、前記回転機５をフリーランの状態にする。その後、同じく前記記憶部１４もしくは外部より前記記憶部に設定した脱調判定処理設定値群１３の脱調判定時間経過後に再度フリーランで回転している回転数より加速を開始し、前記設定周波数まで加速することで、加速途中にフリーランになる時間帯を作り出す。これにより前記速度再現器１２より、回転速度、回転方向、および磁極位置を推定することができる。ここでフリーランではなく、前記スイッチング回路４がスイッチングを行っている前記回転機５の運転中の場合は、前記速度再現器１２は正しく動作することができないため、前記回転機５がフリーランのときのみ動作している。ここで前記脱調判定周波数および前記脱調判定時間は前記回転機５、およびそれに接続されている負荷の大きさや慣性モーメントに応じて適宜設定するとよい。例えば、前記脱調判定周波数は負荷が大きく、慣性モーメントが小さい場合には高く設定しないと一度フリーランするとすぐに止まってしまう。逆に負荷が軽く、慣性モーメントが大きい場合には前記脱調判定周波数を低くしてもフリーランの時間帯を確保できる。一方、前記脱調判定時間は最低でも前記デジタル信号の立上りおよび立下りタイミングが計５回確保できるように設定する必要がある。その理由としては、前記回転方向を推定するためには磁極位置角度を１周期させる必要があるため、例えば、Ｕ−Ｖ間デジタル信号の立上り（オン）タイミングを起点(１回目)とすると、次に１周期後のＵ−Ｖ間デジタル信号の立上り（オン）タイミングを検出するのは５回目となるからである。また、逆に前記脱調判定時間は長く設定すればデジタル信号の検出回数は増えるが、フリーランになる時間帯が長くなるため、前記回転機５が停止してしまう場合があるため、設定には注意が必要である。
(脱調判定部について)
図５に脱調判定部のフローチャートを示す。図５は図１に示した脱調判定部８の範囲についてのフローチャートである。脱調判定部８では例えば図１に示す周波数検出部６のデジタル信号がオンからオフする立上りを検出して脱調を判定し、前記スイッチング回路４を停止させたり、動作させたりする機能を持つ。具体的にはまず、図５の設定値読込２０にて前記記憶部１４に設定された前記脱調判定周波数Ａ、リトライ有無設定Ｂ、リトライ復帰時間設定Ｃ、およびリトライ許容回数設定Ｄを読込む、次に回転速度換算２１にて前記速度再現器１２が出力した回転速度を周波数に換算し、その後、前記回転機５が逆転している場合でも正転と同様に処理が行えるように絶対値演算を行う。そして前記脱調判定周波数Ａから許容値ａを減算した閾値と比較を行い回転速度の方が大きい場合には何もせず、回転速度の方が小さい場合には前記回転機５が脱調して回転していないと判断してＥｒｒ出力２３にて脱調信号を出力する。ここで前記許容値実ａは、前記回転機５がフリーランとなった時間から前記判定２２の処理までの間に減速していることを考慮して予め設定しているものとする。次に判定２４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２５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２５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３１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３２にてクリアし、エラー状態リセット待ち３３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２６にてリトライ時間カウント２５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２５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２７にてクリアする。次にリトライ回数カウント２８にてリトライ回数をカウントする。次に判定２９にてリトライ回数カウント２８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３０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３２にてクリアし、エラー状態リセット待ち３３にてエラー状態リセット待ちの状態にする。これにより、磁極位置センサを付けることなく、信頼性の高い脱調検出が可能な電力変換装置及び電力変換装置の制御方法を提供することが可能となる。

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 周波数検出部
７ ＰＷＭ制御器
８、 脱調判定部
９、 遮断器
１０、 速度指令設定器
１１、 速度制御部
１２ 速度再現器
１３ 脱調判定処理設定値群
１４ 記憶部
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ 分圧抵抗
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 入力フィルタ
１７Ａ、１７Ｂ コンパレータ
１８Ａ、１８Ｂ 出力フィルタ
１９Ａ、１９Ｂ プルアップ抵抗
２０ 設定値読込
２１ 回転速度絶対値演算
２２ 判定(回転速度＜Ａ−ａ？)
２３ Ｅｒｒ出力
２４ 判定(B=有？)
２５ リトライ時間カウント
２６ 判定(リトライ時間＞Ｃ？)
２７ リトライ時間カウントクリア
２８ リトライ回数カウント
２９ 判定(リトライ回数＞Ｄ？)
３０ Ｅｒｒ出力クリア
３１ リトライ時間カウント値クリア
３２ リトライ回数カウント値クリア
３３ エラー状態リセット待ち

Claims (12)

1. 回転機がフリーラン状態における該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成する周波数検出部と、
   前記周波数検出部にて生成した前記デジタル信号に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定する速度再現器と、
   前記速度再現器にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置に基づき該回転機の脱調状態を判定する脱調判定部と、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、
   前記周波数検出部では、該回転機と該電力変換装置との間の三相の誘起電圧の大小関係に基づき前記デジタル信号を生成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、
   前記速度再現器では、前記デジタル信号のオンまたはオフ状態に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記速度再現器では、前記デジタル信号のオンオフタイミングの時間差に基づき回転速度または回転方向または磁極位置のいずれかを推定することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記周波数検出部では、該回転機が第一の周波数に到達した後にスイッチング回路をＯＦＦにし、その後第一の時間経過後に再度該回転機を加速させた場合の該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記脱調判定部では、予め定めた閾値と前記速度再現器にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置とを比較することにより脱調状態を判定することを特徴とする電力変換装置。
7. 回転機がフリーラン状態における該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成する周波数検出工程と、
   前記周波数検出工程にて生成した前記デジタル信号に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定する速度再現工程と、
   前記速度再現工程にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置に基づき該回転機の脱調状態を判定する脱調判定工程と、を備える電力変換装置の制御方法。
8. 請求項７記載の電力変換装置の制御方法であって、
   前記周波数検出工程では、該回転機と該電力変換装置との間の三相の誘起電圧の大小関係に基づき前記デジタル信号を生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
9. 請求項７記載の電力変換装置の制御方法であって、
   前記速度再現工程では、前記デジタル信号のオンまたはオフ状態に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
10. 請求項７記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記速度再現工程では、前記デジタル信号のオンオフタイミングの時間差に基づき回転速度または回転方向または磁極位置のいずれかを推定することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
11. 請求項７記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記周波数検出工程では、該回転機が第一の周波数に到達した後にスイッチング回路をＯＦＦにし、その後第一の時間経過後に再度該回転機を加速させた場合の該回転機の誘起電圧に基づき該回転機の回転速度、回転方向及び磁極位置の情報を持つデジタル信号を生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
12. 請求項７記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記脱調判定工程では、予め定めた閾値と前記速度再現器にて推定した回転速度、回転方向及び磁極位置とを比較することにより脱調状態を判定することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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