JP2020014329A - 電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用的な電力変換装置では、スイッチング素子の寿命を延命するためには、種々の用途に対し、用途毎に運転パターンと素子条件を設定しなければならない課題がある。【解決手段】電力変換装置であって、複数のスイッチング素子で構成され直流電圧を交流電圧に変換する交流変換部と、交流変換部を制御する演算部を有し、演算部は、交流変換部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出した温度の温度勾配を演算する勾配演算部を備え、勾配演算部は、温度勾配に応じてスイッチング素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するキャリア周波数を決定し、交流変換部の温度勾配を制御するように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

一般に、複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）のＯＮ／ＯＦＦを組み合わせることで、直流電圧をゲートドライブ指令に基づく任意の３相交流電圧に変換する交流変換回路は、スイッチング速度（キャリア周波数）が大きいと、温度上昇が大きくなり、温度が高い状態が続くとスイッチング素子が破壊する可能性が高まる。そのため、スイッチング素子の温度を監視し、温度が所定値を超えたら、キャリア周波数を低くする技術が知られている。

本技術分野の先行技術として、特許文献１がある。特許文献１には、電動モータを駆動するインバータ回路が、圧縮機構が吸入する吸入冷媒により冷却される電動圧縮機であって、スイッチング素子の温度が上昇した後に吸入冷媒により冷却されてスイッチング素子の温度上昇が停止し、制御手段は、温度上昇が停止する前の温度上昇領域では、モータ起動時の素子温度が高いときほどキャリア周波数が低くなるように素子温度に応じてキャリア周波数を変更し、温度上昇停止後領域では、素子温度に係わらず、圧縮機構の駆動回転数が大きいときほどキャリア周波数が低くなるように圧縮機構の駆動回転数に応じてキャリア周波数を変更する点が開示されている。これにより、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することが可能となると記載されている。

特開２０１４−２０２６６号公報

特許文献１に記載された電力変換装置では、圧縮機構による運転条件が前提となっている。そのため、種々の用途に対応し汎用的に電力変換装置を適用する場合、スイッチング素子の寿命を延命するためには用途毎に運転条件と素子条件を設定しなければならない問題があった。

本発明は、これらの課題に鑑みなされたものであって、用途を限定せず、電力変換装置の温度仕様からスイッチング損失を抑制し、スイッチング素子の寿命を延命する電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、電力変換装置であって、複数のスイッチング素子で構成され直流電圧を交流電圧に変換する交流変換部と、交流変換部を制御する演算部を有し、演算部は、交流変換部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出した温度の温度勾配を演算する勾配演算部を備え、勾配演算部は、温度勾配に応じてスイッチング素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するキャリア周波数を決定し、交流変換部の温度勾配を制御するように構成する。

本発明によれば、用途を限定せず、電力変換装置の温度仕様からスイッチング損失を抑制し、素子の寿命を延命する電力変換装置を提供できる。

実施例１および実施例２における電力変換装置の概略構成図である。 実施例１における勾配演算部が演算を行う手順を示すフローチャートである。 実施例１における電力変換装置の出力周波数、出力電流、モジュール温度、モジュールの温度勾配、キャリア周波数の関係を時系列で示した図である。 実施例２における勾配演算部が演算を行う手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１に、本実施例における電力変換装置１００と三相交流電源１０１と交流電動機１０５とを接続した全体構成を示す。

図１において、電力変換装置１００は、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、交流変換部１０４、電流検出器１０６、温度検出器１０７、演算部１１０から構成される。また、演算部１１０は、電流検出部１１１、電流演算部１１２、温度検出部１１３、勾配演算部１１４、制御部１１５、ＰＷＭ出力部１１６、情報蓄積部１１７、外部通信部１１８、温度演算部１１９を有する。

三相交流電源１０１は、例えば電力会社から供給される三相交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、直流変換部１０２に供給される。

直流変換部１０２は、例えばダイオードで構成された直流変換回路やＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた直流変換回路で構成され、三相交流電源１０１から入力された交流電圧を、直流電圧に変換し、平滑コンデンサ１０３に出力する。図１では、一例としてダイオードで構成された直流変換部を示している。

平滑コンデンサ１０３は、直流変換部１０２から入力された直流電圧を平滑化し、交流変換部１０４に直流電圧を出力する。例えば発電機の出力が直流電圧の場合、平滑コンデンサ１０３は、直流変換部１０２を介さず、直接発電機から直流電圧を入力されても構わない。

交流変換部１０４は、例えばＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路で構成され、平滑コンデンサ１０３の直流電圧と、制御部１１５の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力する。また、交流変換部１０４は、平滑コンデンサ１０３を介さず、交流−交流変換を行うような交流変換回路で構成されている場合には、交流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力してもよい。

電流検出器１０６は、ホールＣＴやシャント抵抗で構成され、交流電動機に出力される電流を検出し、電流検出部１１１に出力する。また、電流検出器１０６の位置は、図１の位置に限定されることはなく、電流波形を再現可能な場所、例えば交流変換部１０４の内部、あるいは、直流変換部１０２と交流変換部１０４の間であってもよい。

演算部１１０は、ＭＣＵやＦＰＧＡなどの演算器であって、ソフトウェアあるいはハードウェアの演算回路で構成される。

電流検出部１１１は、ＡＤ変換器などの変換部であって、電流検出器１０６が出力した信号を入力とし、演算用データに変換して、電流演算部１１２に出力する。

電流演算部１１２は、電流検出部１１１の出力した電流データを入力とし、電流データとして例えば実効値電流を計算し、勾配演算部１１４に出力する。

温度検出器１０７は、サーミスタ、測温抵抗体等で構成され、交流変換部１０４などの電力変換装置の中で温度が高くなる地点での温度を検出し、信号を出力する。なお、温度検出器１０７の位置は、図１の位置に限定されることはなく、出力による温度上昇が検出できる場所であればいずれでもよい。

温度検出部１１３は、ＡＤ変換器などの変換部であって、温度検出器１０７が出力した信号を入力とし、演算用データに変換して、温度演算部１１９に出力する。

温度演算部１１９は、温度検出部１１３の出力した温度データを入力とし、温度データとして例えば摂氏温度を計算し、勾配演算部１１４に出力する。

勾配演算部１１４は、電流演算部１１２の電流データと温度演算部１１９の温度データを入力とし、素子の熱勾配が一定値以上にならないようキャリア周波数を演算し、キャリア周波数の指令値を制御部１１５に出力する。また、勾配演算部１１４は、情報蓄積部１１７に格納された温度勾配最大値を取得し、素子の熱勾配が一定値以上にならないようキャリア周波数を演算する。すなわち、勾配演算部１１４は、温度勾配に応じてキャリア周波数を調整し決定するキャリア周波数調整部である。

制御部１１５は、勾配演算部１１４が出力したキャリア周波数の指令値と、電力変換装置に入力された速度指令などの運転関連データに基づいて、ＰＷＭ出力を行うためのパルス出力指令を演算し、ＰＷＭ出力部１１６に出力する。

ＰＷＭ出力部１１６は、制御部１１５から入力したパルス出力指令を信号に変換し、交流変換部１０４に出力するＰＷＭ信号生成部である。

情報蓄積部１１７は、勾配演算部１１４が演算した勾配データや、温度および電流データを取得し、種々のデータをモニタリングしてデータを記憶する。記憶したデータは、外部通信部１１８に出力する。

外部通信部１１８は、情報蓄積部１１７から入力したデータを外部のクラウドサービスや管理端末、あるいはスマートフォンやタブレットなどの端末に出力する。外部通信部１１８は、上位装置で演算された基準値、例えば、温度勾配が一定値以上で素子の故障頻度が上がる等の情報から定められた温度勾配の最大値を取得し、情報蓄積部１１７に出力する。

図２は、本実施例における勾配演算部１１４が行う演算の手順を示すフローチャートである。図２において、勾配演算部１１４は、情報蓄積部１１７から初期データを取得する（Ｓ２０１）。初期データは、温度勾配の最大値のみでも良いし、温度勾配と電流、キャリア周波数の相関関係を演算したデータでも良く、温度勾配の制御に使用できるデータであればいずれでも良い。初期データがない場合は、温度勾配の目標値を０に設定し開始してもよく、ユーザによるパラメータ設定でもよい。勾配演算部１１４は、温度演算部１１９から温度データを取得し（Ｓ２０２）、あらかじめ定めた時間当たりの温度変化量である温度勾配、例えば１秒当たりの温度勾配ΔＴを演算する（Ｓ２０３）。また、勾配演算部１１４は、温度変化が安定しているかを演算する（Ｓ２０４）。例えば、１秒当たりの変化量である温度勾配が規定値として０．５℃以下であれば温度は安定していると判断しても良いし、温度の長期的な揺らぎを見て、例えば６０秒間の温度が２℃以内で上下している場合には、安定時の揺らぎと判断し、その差分を温度勾配の限界値として設定し、判断してもよい（Ｓ２０５）。

勾配演算部１１４は、温度が安定していると判断した場合、温度勾配演算を行わずに、再び温度を監視するためＳ２０２に戻る。勾配演算部１１４は、温度が安定していないと判断した場合、例えば１秒当たりの温度勾配ΔＴを用い、ΔＴが正方向に大きいほどキャリア周波数を低くする、または、ΔＴが負方向に大きいほどキャリア周波数を高くする、あるいはΔＴをフィードバック値としてキャリア周波数をＰＩ制御してもよい（Ｓ２０６）。

次に、勾配演算部１１４は、出力すべきキャリア周波数を決定し、制御部１１５にキャリア周波数指令を出力する（Ｓ２０７）。また、勾配演算部１１４は、運転を開始してからキャリア周波数が設定可能な最低値に到達したかどうかを監視し（Ｓ２０８）、最低値であれば温度勾配目標値ΔＴを更新し、この時点での１秒当たりの温度勾配ΔＴを設定する（Ｓ２０９）。なお、上記の温度変化量やキャリア周波数最低値は、調整のためのユーザパラメータとして設定されてもよいし、外部の情報を元に自動で設定されてもよい。

上記の方法により、例えばスイッチング素子としてＩＧＢＴモジュールを採用した場合、温度変化による急激な熱収縮によって起きるＩＧＢＴ素子自体の破壊やワイヤボンディングのはんだ接合部の寿命破壊を、温度勾配によってキャリア周波数を制御することで延命する事ができる。また、温度上昇が激しくなる加減速時やインパクト負荷に対し、温度上昇を低減することで、到達温度自体を低くし、また定常時のモータ騒音を低減することが可能である。

図３は、上記方法による、電力変換装置の出力周波数と出力電流、モジュール温度、モジュールの温度勾配ΔＴ、キャリア周波数の関係を時系列で示した図である。図３において、（１）で示す丸で囲った部分はモータ加速時を示しており、それに対応して、（２）で示すように出力電流が増加する。そのため、（３）で示すようにモジュール温度も増加する。したがって、モジュールの温度勾配ΔＴも（４）で示すように大きくなり、これを受けて、上記方法により（５）で示すようにキャリア周波数を低くする。これにより、温度上昇を抑え、しいては、温度勾配を制御することで温度変化を抑えモジュールの寿命を延ばすことができる。

また、（６）で示す定常時は、（７）、（８）で示すように出力電流は大きく、モジュール温度も高いが、（９）で示すように温度勾配ΔＴは小さく、そのため（１０）で示すようにキャリア周波数を高くする。キャリア周波数を高くすることで、高周波数は人間の耳には聞こえにくいので、キャリア騒音を低減できる。

なお、（１１）で示す出力電流の増加は負荷が大きくなった場合を示しており、これも加速時と同様に、温度勾配ΔＴが大きくなることで（１２）で示すようにキャリア周波数を低くし、モジュールの寿命を延ばすことができる。また、（１３）で示す減速時も、（１４）、（１５）で示すように出力電流の増加に伴い温度勾配ΔＴが大きくなりキャリア周波数を低くする。

以上のように、本実施例によれば、加減速やインパクト負荷時などで温度上昇が急激となりそうな状況の場合に温度勾配によってキャリア周波数を低減させ、その結果、温度勾配を制御することができ、温度変化を抑え、モジュールの寿命を延ばすことができる。言い換えれば、用途を限定せず、電力変換装置の温度仕様からスイッチング損失を抑制し、素子の寿命を延命する電力変換装置を提供できる。また、定常運転時はキャリア騒音を低減できる。

本実施例は、実施例１の変形例であって、本実施例における電力変換装置の構成は、既に説明した図１と同一であるので、その説明は省略する。

本実施例は、温度および電流量から、キャリア周波数の上限値を決めた場合の例である。

図４は、本実施例における勾配演算部１１４が行う演算の手順を示すフローチャートである。図４において、図２と同じ機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。

図４において、Ｓ２０１で初期データを取得した後、温度及び電流値を取得する（Ｓ３０２）。勾配演算部１１４は、温度基準値を例えば４０℃以上とし、温度が基準値以下ならば、キャリア周波数制御は行わず、温度の検出を継続し、温度が基準値を超えていればキャリア周波数制御を行う（Ｓ３０３）。勾配演算部１１４は、取得した温度および電流と、定格温度と定格電流の関係から、キャリア周波数の上限を設定する（Ｓ３０４）。

その後、温度勾配ΔＴ演算（Ｓ２０３）を行い、キャリア周波数演算（Ｓ２０６）、出力キャリア周波数変更（Ｓ２０７）、キャリア周波数最低値監視（Ｓ２０８）、ΔＴ目標値記憶（Ｓ２０９）を行う。

なお、図２と同様に、勾配演算部１１４は、温度安定領域演算（Ｓ２０４）、温度安定判断（Ｓ２０５）を、Ｓ２０３の後に行ってもよい。

以上のように、本実施例によれば、実施例１と同様に、素子や接合部の寿命を延命し、定常時のモータ騒音を低減することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１００：電力変換装置、１０１：三相交流電源、１０２：直流変換部、１０３：平滑コンデンサ、１０４：交流変換部、１０５：交流電動機、１０６：電流検出器、１０７：温度検出器、１１０：演算部、１１１：電流検出部、１１２：電流演算部、１１３：温度検出部、１１４：勾配演算部、１１５：制御部、１１６：ＰＷＭ出力部、１１７：情報蓄積部、１１８：外部通信部、１１９：温度演算部

Claims (6)

1. 複数のスイッチング素子で構成され直流電圧を交流電圧に変換する交流変換部と、
   前記交流変換部を制御する演算部を有し、
   前記演算部は、前記交流変換部の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部の検出した温度の温度勾配を演算する勾配演算部を備え、
   前記勾配演算部は、前記温度勾配に応じて前記スイッチング素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するキャリア周波数を決定し、前記交流変換部の温度勾配を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記勾配演算部は、前記温度勾配が上昇下降する際、前記温度勾配が規定値以下の変化量になるよう前記キャリア周波数を制御することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記勾配演算部は、前記温度勾配が大きいほど前記キャリア周波数を低くし、前記温度勾配が小さいほど前記キャリア周波数を高くすることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記勾配演算部は、前記温度勾配に応じてキャリア周波数を決定しキャリア周波数指令を出力し、
   前記演算部は、前記勾配演算部が出力したキャリア周波数指令値と前記電力変換装置の運転関連データでＰＷＭ信号を生成するためのパルス出力指令を演算する制御部と、該制御部からのパルス出力指令を信号に変換し前記交流変換部にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力部を有することを特徴とする電力変換装置。
5. 複数のスイッチング素子で構成され直流電圧を交流電圧に変換する交流変換部と、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
   入力される電圧指令とキャリア周波数に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記キャリア周波数を調整するキャリア周波数調整部とを備え、
   前記キャリア周波数調整部は、前記スイッチング素子の温度の変化に応じて前記キャリア周波数を調整することを特徴とする電力変換装置。
6. 複数のスイッチング素子で構成され直流電圧を交流電圧に変換する交流変換部を有する電力変換装置の制御方法であって、
   前記交流変換部の温度の温度勾配を演算し、
   該温度勾配に応じて前記スイッチング素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するキャリア周波数を決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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