JP4082060B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置を構成するパワートランジスタを保護するための保護機能およびこの電力変換装置から交流電源を供給され可変速駆動される誘導電動機を保護するための保護機能を備えた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の電力変換装置の構成を示す図である。
図において、１０は電力変換装置、１１は運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する演算手段としてのマイクロコントローラ（以下、マイコンと記す）、１２はマイコン１１から出力される制御信号によりＰＷＭのスイッチング信号を作成し、後述のスイッチング回路１３に出力する駆動回路、１３はパワートランジスタを有し、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号に基づきパワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を所定の周波数および所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路、１４はスイッチング回路１３から後述の誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出する電流検出回路である。また、１５は可変速駆動する対象の後述の誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【０００３】
また、１６は保護手段、１７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout によりスイッチング回路１３が過電流となったか否かを判定する過電流保護手段、１８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout により出力電流を抑制する電流制限手段、１９は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout により誘導電動機２３が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル手段、２０は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout によりスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【０００４】
また、２１は過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。
また、２２ｂは過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の内、保護機能選択手段２１で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout とを比較し、出力電流Ｉout が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【０００５】
また、２３はスイッチング回路１３で変換された交流電力を供給される負荷装置としての誘導電動機である。また、Ｒ、Ｌは誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数である。また、ｆc はＰＷＭの高周波スイッチングを行うキャリア周波数、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、Ｖout は出力電圧、Ｉout は出力電流である。
【０００６】
従来の電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2 ，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3，Ｉc4 ）にキャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算することで保護機能の基準レベルを算出する。
過電流保護手段１７の基準レベル： Ｉb1 ＝Ｉc1 ×η
電流制限手段１８の基準レベル： Ｉb2 ＝Ｉc2 ×η
負荷サーマル手段１９の基準レベル： Ｉb3 ＝Ｉc3 ×η
トランジスタサーマル手段２０の基準レベル： Ｉb4 ＝Ｉc4 ×η
【０００７】
図５は従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【０００８】
図４、図５により従来の電力変換装置の動作について説明する。
電力変換装置１０において、マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。
駆動回路１２は、マイコン１３から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。
スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【０００９】
従来の電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段１７）、電流制限（電流制限手段１８）、負荷サーマル（負荷サーマル手段１９）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段２０）などの保護機能を有しており、運転中に、図１５に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００１０】
ステップＳ２１で、キャリア周波数ｆc を設定する。
ステップＳ２２で、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）にキャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算して、出力電流Ｉout と比較する基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を算出する。
【００１１】
ステップＳ２３で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出し、比較器２２ｂに出力する。
【００１２】
比較器２２ｂは、ステップＳ２４で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２６へ飛ぶ。
ステップＳ２４で過電流保護が有効と選択されている場合は、出力電流Ｉoutと過電流保護手段１７の基準レベルＩb1 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２６へ進む。また、ステップＳ２５で出力電流Ｉout が基準レベルＩb1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１３】
比較器２２ｂは、ステップＳ２６で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２９へ飛ぶ。
ステップＳ２６で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ２８で出力電流Ｉout と電流制限手段１８の基準レベルＩb2 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２９へ進む。また、ステップＳ２８で出力電流Ｉout が基準レベルＩb2 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１４】
比較器２２ｂは、ステップＳ２９で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ３１へ飛ぶ。
ステップＳ２９で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３０で出力電流Ｉout と負荷サーマル手段１９の基準レベルＩb3 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ３１へ進む。また、ステップＳ３０で出力電流Ｉout が基準レベルＩb3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１５】
比較器２２ｂは、ステップＳ３１で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２３へ戻る。
ステップＳ３１でトランジスタサーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３２で出力電流Ｉout とトランジスタサーマル手段２０の基準レベルＩb4 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２３へ戻る。また、ステップＳ３２で出力電流Ｉout が基準レベルＩb4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１６】
また、図６は電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図で、（ａ）は駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号の波形、（ｂ）は出力電流の波形である。図において、ｆc はキャリア周波数、Ｉout は出力電流、Ｉo は出力電流Ｉout の基本波成分、ＩR はＰＷＭの高周波スイッチングにより生じた出力電流Ｉout のリップル成分である。
出力電流のリップル成分ＩR は、ＰＷＭの高周波スイッチングにより変動し、ＰＷＭのスイッチング信号の波形がプラス側の時に増加し、マイナス側の時に減少する。
【００１７】
また、図７は電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。図において、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、ＩR は出力電流のリップル成分、ＩRmaxはリップル成分の最大値、ｆc はキャリア周波数である。
負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌとすると、リップル成分ＩR の最大値ＩRmax は、式（１）で表すことができる。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
式（１）に示すように、リップル成分の最大値ＩRmax は、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、誘導電動機２３の抵抗Ｒ、リアクタンスＬの値によって変化する。
【００１８】
また、スイッチング回路１３の損失をＰ、パワートランジスタのゲートをオン／オフするスイッチングによって生じる損失をＰsw、パワートランジスタに電流が流れることによって生じる損失をＰconとすると、Ｐ、Ｐsw、Ｐconは、式（２）〜式（４）で表すことができる。
Ｐ＝ｆc ×Ｐsw＋Ｐcon・・・・・・・・・（２）
Ｐsw ∝ Ｖpn・（Ｉo ＋ＩR ）・・・・・（３）
Ｐcon ∝（Ｉo ＋ＩR ）・・・・・・・・・（４）
スイッチング回路１３の損失Ｐは、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnと出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）の値によって変化する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電力変換装置は、可変速駆動する対象の誘導電動機の定格電流、加速・減速時間などの運転パターンなどを基準として選定されており、従来の電力変換装置の保護機能においては、上述のように出力電流と比較する保護機能の基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2 ，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を、電力変換装置の定格電流または誘導電動機の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc（Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）に、キャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算して求め（Ｉb ＝Ｉc ×η）、パワートランジスタおよび誘導電動機を保護するようにしていた。
【００２０】
また、出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）は、誘導電動機の特性を決める基本波成分Ｉo とリップル成分ＩR とで表され（Ｉout ＝Ｉo ＋ＩR ）、リップル成分ＩR の最大値ＩRmax は、上述の式（１）に示されるように、負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌにより変化する。
電力変換装置と可変速駆動する対象の誘導電動機とが離れている場合には、電力変換装置と誘導電動機とを接続するケーブルの抵抗、リアクタンスの影響により、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、実際の電流リップルの最大値は、誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値ＩRmax と異なることになる。
【００２１】
また、従来の電力変換装置における保護機能では、試験で回路定数を確認していない誘導電動機を可変速駆動する場合には、定格電流の値が同等であっても、誘導電動機の抵抗、リアクタンスが必ずしも同じではないため、実際のリップル成分の最大値が、回路定数を確認した誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値ＩRmax と異なることになる。
【００２２】
したがって、誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc 以下であっても、リップル成分ＩR が大きい場合には、出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）が保護機能の基準レベルＩb を越えて保護機能が働いてしまうので、最適な保護が出来ないという問題点、また特性を十分引き出すことができないという問題点があった。また、逆にリップル成分ＩR が小さい場合には、出力電流の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えて、保護機能の基準レベルＩb 付近まで上昇した時点で、保護機能が働くことになり、最適な保護が出来ないという問題点があった。
【００２３】
また、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正すること、試験で回路定数を確認していない誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正することが困難であるという問題点もあった。
【００２４】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、保護機能の基準レベルを、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、前記スイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、前記オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。図において、１１〜１４、２３、ｆc 、Ｖpn、Ｖout 、Ｉout は、図３と同様であり、その説明を省略する。また、１は電力変換装置、２は可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【００２７】
また、３は保護手段、４はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を基に式（１）によりリップル成分の最大値ＩRmax を演算する電流リップル演算手段である。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
【００２８】
また、５は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基にスイッチング回路１３が過電流か否かを判定する過電流保護手段、６は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基に出力電流を抑制する電流制限手段、７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基に誘導電動機２３が過負荷か否かを判定する負荷サーマル手段、８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基にスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷か否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【００２９】
また、９は過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８の保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。また、２２ａは過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８などの保護機能の内、保護機能選択手段９で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流とを比較し、出力電流が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【００３０】
実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）にリップル成分の最大値ＩRmax を加算して、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を算出する。
過電流保護手段５の基準レベル： Ｉa1 ＝Ｉc1 ＋Ｋ1 ・ＩRmax
電流制限手段６の基準レベル： Ｉa2 ＝Ｉc2 ＋Ｋ2 ・ＩRmax
負荷サーマル手段７の基準レベル： Ｉa3 ＝Ｉc3 ＋Ｋ3 ・ＩRmax
トランジスタサーマル手段８の基準レベル：Ｉa4 ＝Ｉc4 ＋Ｋ4 ・ＩRmax
ここで、Ｋ（Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 ）は保護機能の種類によって異なる係数で、リップル成分の影響が大きい過電流保護機能、電流制限機能ではＫ1 ＝１、Ｋ2 ＝１とし、リップル成分の影響が小さい負荷サーマル機能、トランジスタサーマル機能ではＫ3 ＝０．５、Ｋ4 ＝０．５とする。
【００３１】
図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図で、（ａ）は配線長が短い場合、（ｂ）は配線長が長い場合のものである。図において、Ｉout は出力電流、Ｉo は出力電流Ｉout の基本波成分、ＩR は出力電流Ｉout のリップル成分であり、Ｉout ＝Ｉo ＋ＩR である。また、
Ｉa は実施の形態１に係る電力変換装置における出力電流Ｉout のリップル成分の最大値ＩRmax を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉb は従来の電力変換装置におけるキャリア周波数ｆc を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉc は電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値である。
【００３２】
出力電流Ｉout のリップル成分の振幅が大きい場合は、出力電流Ｉout の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えるあたりで、出力電流Ｉout が実施の形態１における保護機能の基準レベルＩa 又は従来の保護機能の基準レベルＩb を越えるようになっている（図（ａ））。しかし、出力電流Ｉout のリップル成分の振幅が小さい場合は、出力電流Ｉout の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えるあたりで、出力電流Ｉoutが実施の形態１における保護機能の基準レベルＩa を越えるようになっているが、従来の保護機能の基準レベルＩb を下回っており保護機能が働かない（図（ｂ））。
【００３３】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩa を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc に、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌおよびキャリア周波数ｆc によって算出したリップル成分の最大値ＩRmax を、加算して求める（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax ）ようにしたので、
可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができ、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉc と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo とを比較することができる。
【００３４】
図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【００３５】
図１〜図３により実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。
実施の形態１に係る電力変換装置において、マイコン１１、駆動回路１２、スイッチング回路１３、誘導電動機２３は、従来例と同様の動作である。マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。駆動回路１２は、マイコン１１から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【００３６】
実施の形態１に係る電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段５）、電流制限（電流制限手段６）、負荷サーマル（負荷サーマル手段７）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段８）などの保護機能を有しており、運転中に、図３に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００３７】
ステップＳ１で、キャリア周波数ｆc を設定する。
ステップＳ２で、オートチューニング手段２は誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌを推定する。
ステップＳ３で、電流リップル演算手段２はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を使用して、式（１）でリップル成分の最大値ＩRmax を演算する。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
【００３８】
ステップＳ４で、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、保護機能の基準レベルの初期値Ｉc にリップル成分の最大値ＩRmax を加算して（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax）、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を算出する。
【００３９】
ステップＳ５で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出し、比較器２２ａに出力する。
【００４０】
比較器２２ａは、ステップＳ６で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ８へ飛ぶ。
ステップＳ６で過電流保護が有効と選択されている場合は、ステップＳ７で検出した出力電流Ｉout と過電流保護手段５の基準レベルＩa1 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ８へ進む。
また、ステップＳ７で出力電流Ｉout が基準レベルＩa1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４１】
比較器２２ａは、ステップＳ８で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１１へ飛ぶ。ステップＳ８で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ１０で出力電流と電流制限手段６の基準レベルＩa2 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１１へ進む。
また、ステップＳ１０で出力電流Ｉout が基準レベルＩa2 を越えたと判定した場合には、マイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４２】
比較器２２ａは、ステップＳ１１で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１３へ飛ぶ。
ステップＳ１１で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ１２で出力電流Ｉout と負荷サーマル手段７の基準レベルＩa3 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１３へ進む。
また、ステップＳ１２で出力電流Ｉout が基準レベルＩa3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４３】
比較器２２ａは、ステップＳ１３で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ５へ戻る。
ステップＳ１３でトランジスタサーマルの有効が選択されている場合は、ステップＳ１４で出力電流Ｉout とトランジスタサーマル手段８の基準レベルＩa4とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ５へ戻る。
また、ステップＳ２４で出力電流Ｉout が基準レベルＩa4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４４】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）に、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと直流母線電圧とキャリア周波数ｆc とから算出した出力電流のリップル成分ＩRmax を、加算して求める（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax）ようにしたので、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉc と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo とを比較することができ、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、最適の保護をすることができる。
【００４５】
また、オートチューニング手段２で、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを推定し、電流リップル演算手段４でオートチューニング手段２の推定したＲ、Ｌとキャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとを基に式（１）により出力電流のリップル成分の最大値ＩRmax を演算するようにしたので、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。
【００４６】
ところで、上記説明では、オートチューニング手段２の推定した誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を使用して、リップル成分の最大値ＩRmax を演算し、保護機能の基準レベルを算出する例について述べたが、電流検出回路１４が検出する出力電流Ｉout より直接リップル成分を検出し、保護機能の基準レベルを算出するようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４８】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、このスイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたので、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。ができ、さらに特性を十分引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図４】 従来の電力変換装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図６】 電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図である。
【図７】 電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。
【符号の説明】
１ 電力変換装置、 ２ オートチューニング手段、 ３ 保護手段、 ４ 電流リップル演算手段、 ５ 過電流保護手段、 ６ 電流制限手段、 ７ 負荷サーマル手段、 ８ トランジスタサーマル手段、 ９ 保護機能選択手段、１０ 電力変換装置、 １１ マイクロコントローラ、 １２ 駆動回路、 １３ スイッチング回路、 １４ 電流検出回路、 １５ オートチューニング手段、 １６ 保護手段、 １７ 過電流保護手段、 １８ 電流制限手段、 １９ 負荷サーマル手段、 ２０ トランジスタサーマル手段、 ２１ 保護機能選択手段、 ２２ａ，２２ｂ 比較器、 ２３ 誘導電動機、 Ｒ 可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、 Ｌ 可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置のリアクタンス、 ｆc キャリア周波数、 Ｖpn 直流母線電圧の振幅、 Ｖout 出力電圧、 Ｉout 出力電流、 Ｉo 出力電流Ｉoutの基本波成分、 ＩR 出力電流Ｉout のリップル成分、 ＩRmax リップル成分の最大値、 Ｉa 保護機能の基準レベル、 Ｉb 保護機能の基準レベル、 Ｉc 電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値。
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置を構成するパワートランジスタを保護するための保護機能およびこの電力変換装置から交流電源を供給され可変速駆動される誘導電動機を保護するための保護機能を備えた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の電力変換装置の構成を示す図である。
図において、１０は電力変換装置、１１は運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する演算手段としてのマイクロコントローラ（以下、マイコンと記す）、１２はマイコン１１から出力される制御信号によりＰＷＭのスイッチング信号を作成し、後述のスイッチング回路１３に出力する駆動回路、１３はパワートランジスタを有し、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号に基づきパワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を所定の周波数および所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路、１４はスイッチング回路１３から後述の誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出する電流検出回路である。また、１５は可変速駆動する対象の後述の誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【０００３】
また、１６は保護手段、１７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout によりスイッチング回路１３が過電流となったか否かを判定する過電流保護手段、１８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout により出力電流を抑制する電流制限手段、１９は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout により誘導電動機２３が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル手段、２０は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout によりスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【０００４】
また、２１は過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。
また、２２ｂは過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の内、保護機能選択手段２１で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout とを比較し、出力電流Ｉout が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【０００５】
また、２３はスイッチング回路１３で変換された交流電力を供給される負荷装置としての誘導電動機である。また、Ｒ、Ｌは誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数である。また、ｆc はＰＷＭの高周波スイッチングを行うキャリア周波数、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、Ｖout は出力電圧、Ｉout は出力電流である。
【０００６】
従来の電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2 ，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3，Ｉc4 ）にキャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算することで保護機能の基準レベルを算出する。
過電流保護手段１７の基準レベル： Ｉb1 ＝Ｉc1 ×η
電流制限手段１８の基準レベル： Ｉb2 ＝Ｉc2 ×η
負荷サーマル手段１９の基準レベル： Ｉb3 ＝Ｉc3 ×η
トランジスタサーマル手段２０の基準レベル： Ｉb4 ＝Ｉc4 ×η
【０００７】
図５は従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【０００８】
図４、図５により従来の電力変換装置の動作について説明する。
電力変換装置１０において、マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。
駆動回路１２は、マイコン１３から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。
スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【０００９】
従来の電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段１７）、電流制限（電流制限手段１８）、負荷サーマル（負荷サーマル手段１９）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段２０）などの保護機能を有しており、運転中に、図１５に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００１０】
ステップＳ２１で、キャリア周波数ｆc を設定する。
ステップＳ２２で、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）にキャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算して、出力電流Ｉout と比較する基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を算出する。
【００１１】
ステップＳ２３で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出し、比較器２２ｂに出力する。
【００１２】
比較器２２ｂは、ステップＳ２４で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２６へ飛ぶ。
ステップＳ２４で過電流保護が有効と選択されている場合は、出力電流Ｉoutと過電流保護手段１７の基準レベルＩb1 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２６へ進む。また、ステップＳ２５で出力電流Ｉout が基準レベルＩb1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１３】
比較器２２ｂは、ステップＳ２６で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２９へ飛ぶ。
ステップＳ２６で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ２８で出力電流Ｉout と電流制限手段１８の基準レベルＩb2 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２９へ進む。また、ステップＳ２８で出力電流Ｉout が基準レベルＩb2 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１４】
比較器２２ｂは、ステップＳ２９で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ３１へ飛ぶ。
ステップＳ２９で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３０で出力電流Ｉout と負荷サーマル手段１９の基準レベルＩb3 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ３１へ進む。また、ステップＳ３０で出力電流Ｉout が基準レベルＩb3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１５】
比較器２２ｂは、ステップＳ３１で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２３へ戻る。
ステップＳ３１でトランジスタサーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３２で出力電流Ｉout とトランジスタサーマル手段２０の基準レベルＩb4 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩb4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２３へ戻る。また、ステップＳ３２で出力電流Ｉout が基準レベルＩb4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１６】
また、図６は電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図で、（ａ）は駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号の波形、（ｂ）は出力電流の波形である。図において、ｆc はキャリア周波数、Ｉout は出力電流、Ｉo は出力電流Ｉout の基本波成分、ＩR はＰＷＭの高周波スイッチングにより生じた出力電流Ｉout のリップル成分である。
出力電流のリップル成分ＩR は、ＰＷＭの高周波スイッチングにより変動し、ＰＷＭのスイッチング信号の波形がプラス側の時に増加し、マイナス側の時に減少する。
【００１７】
また、図７は電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。図において、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、ＩR は出力電流のリップル成分、ＩRmaxはリップル成分の最大値、ｆc はキャリア周波数である。
負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌとすると、リップル成分ＩR の最大値ＩRmax は、式（１）で表すことができる。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
式（１）に示すように、リップル成分の最大値ＩRmax は、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、誘導電動機２３の抵抗Ｒ、リアクタンスＬの値によって変化する。
【００１８】
また、スイッチング回路１３の損失をＰ、パワートランジスタのゲートをオン／オフするスイッチングによって生じる損失をＰsw、パワートランジスタに電流が流れることによって生じる損失をＰconとすると、Ｐ、Ｐsw、Ｐconは、式（２）〜式（４）で表すことができる。
Ｐ＝ｆc ×Ｐsw＋Ｐcon・・・・・・・・・（２）
Ｐsw ∝ Ｖpn・（Ｉo ＋ＩR ）・・・・・（３）
Ｐcon ∝（Ｉo ＋ＩR ）・・・・・・・・・（４）
スイッチング回路１３の損失Ｐは、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnと出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）の値によって変化する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電力変換装置は、可変速駆動する対象の誘導電動機の定格電流、加速・減速時間などの運転パターンなどを基準として選定されており、従来の電力変換装置の保護機能においては、上述のように出力電流と比較する保護機能の基準レベルＩb （Ｉb1 ，Ｉb2 ，Ｉb3 ，Ｉb4 ）を、電力変換装置の定格電流または誘導電動機の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc（Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）に、キャリア周波数ｆc に対応した係数ηを乗算して求め（Ｉb ＝Ｉc ×η）、パワートランジスタおよび誘導電動機を保護するようにしていた。
【００２０】
また、出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）は、誘導電動機の特性を決める基本波成分Ｉo とリップル成分ＩR とで表され（Ｉout ＝Ｉo ＋ＩR ）、リップル成分ＩR の最大値ＩRmax は、上述の式（１）に示されるように、負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌにより変化する。
電力変換装置と可変速駆動する対象の誘導電動機とが離れている場合には、電力変換装置と誘導電動機とを接続するケーブルの抵抗、リアクタンスの影響により、キャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、実際の電流リップルの最大値は、誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値ＩRmax と異なることになる。
【００２１】
また、従来の電力変換装置における保護機能では、試験で回路定数を確認していない誘導電動機を可変速駆動する場合には、定格電流の値が同等であっても、誘導電動機の抵抗、リアクタンスが必ずしも同じではないため、実際のリップル成分の最大値が、回路定数を確認した誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値ＩRmax と異なることになる。
【００２２】
したがって、誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc 以下であっても、リップル成分ＩR が大きい場合には、出力電流Ｉout （＝Ｉo ＋ＩR ）が保護機能の基準レベルＩb を越えて保護機能が働いてしまうので、最適な保護が出来ないという問題点、また特性を十分引き出すことができないという問題点があった。また、逆にリップル成分ＩR が小さい場合には、出力電流の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えて、保護機能の基準レベルＩb 付近まで上昇した時点で、保護機能が働くことになり、最適な保護が出来ないという問題点があった。
【００２３】
また、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正すること、試験で回路定数を確認していない誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正することが困難であるという問題点もあった。
【００２４】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、保護機能の基準レベルを、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、前記スイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、前記オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。図において、１１〜１４、２３、ｆc 、Ｖpn、Ｖout 、Ｉout は、図３と同様であり、その説明を省略する。また、１は電力変換装置、２は可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【００２７】
また、３は保護手段、４はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を基に式（１）によりリップル成分の最大値ＩRmax を演算する電流リップル演算手段である。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
【００２８】
また、５は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基にスイッチング回路１３が過電流か否かを判定する過電流保護手段、６は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基に出力電流を抑制する電流制限手段、７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基に誘導電動機２３が過負荷か否かを判定する負荷サーマル手段、８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉout を基にスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷か否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【００２９】
また、９は過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８の保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。また、２２ａは過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８などの保護機能の内、保護機能選択手段９で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流とを比較し、出力電流が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【００３０】
実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）にリップル成分の最大値ＩRmax を加算して、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を算出する。
過電流保護手段５の基準レベル： Ｉa1 ＝Ｉc1 ＋Ｋ1 ・ＩRmax
電流制限手段６の基準レベル： Ｉa2 ＝Ｉc2 ＋Ｋ2 ・ＩRmax
負荷サーマル手段７の基準レベル： Ｉa3 ＝Ｉc3 ＋Ｋ3 ・ＩRmax
トランジスタサーマル手段８の基準レベル：Ｉa4 ＝Ｉc4 ＋Ｋ4 ・ＩRmax
ここで、Ｋ（Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 ）は保護機能の種類によって異なる係数で、リップル成分の影響が大きい過電流保護機能、電流制限機能ではＫ1 ＝１、Ｋ2 ＝１とし、リップル成分の影響が小さい負荷サーマル機能、トランジスタサーマル機能ではＫ3 ＝０．５、Ｋ4 ＝０．５とする。
【００３１】
図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図で、（ａ）は配線長が短い場合、（ｂ）は配線長が長い場合のものである。図において、Ｉout は出力電流、Ｉo は出力電流Ｉout の基本波成分、ＩR は出力電流Ｉout のリップル成分であり、Ｉout ＝Ｉo ＋ＩR である。また、
Ｉa は実施の形態１に係る電力変換装置における出力電流Ｉout のリップル成分の最大値ＩRmax を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉb は従来の電力変換装置におけるキャリア周波数ｆc を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉc は電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値である。
【００３２】
出力電流Ｉout のリップル成分の振幅が大きい場合は、出力電流Ｉout の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えるあたりで、出力電流Ｉout が実施の形態１における保護機能の基準レベルＩa 又は従来の保護機能の基準レベルＩb を越えるようになっている（図（ａ））。しかし、出力電流Ｉout のリップル成分の振幅が小さい場合は、出力電流Ｉout の基本波成分Ｉo が保護機能の基準レベルの初期値Ｉc を越えるあたりで、出力電流Ｉoutが実施の形態１における保護機能の基準レベルＩa を越えるようになっているが、従来の保護機能の基準レベルＩb を下回っており保護機能が働かない（図（ｂ））。
【００３３】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩa を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc に、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌおよびキャリア周波数ｆc によって算出したリップル成分の最大値ＩRmax を、加算して求める（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax ）ようにしたので、
可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができ、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉc と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo とを比較することができる。
【００３４】
図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【００３５】
図１〜図３により実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。
実施の形態１に係る電力変換装置において、マイコン１１、駆動回路１２、スイッチング回路１３、誘導電動機２３は、従来例と同様の動作である。マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。駆動回路１２は、マイコン１１から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【００３６】
実施の形態１に係る電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段５）、電流制限（電流制限手段６）、負荷サーマル（負荷サーマル手段７）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段８）などの保護機能を有しており、運転中に、図３に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００３７】
ステップＳ１で、キャリア周波数ｆc を設定する。
ステップＳ２で、オートチューニング手段２は誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌを推定する。
ステップＳ３で、電流リップル演算手段２はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を使用して、式（１）でリップル成分の最大値ＩRmax を演算する。
ＩRmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆc ））・・・・・（１）
【００３８】
ステップＳ４で、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、保護機能の基準レベルの初期値Ｉc にリップル成分の最大値ＩRmax を加算して（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax）、出力電流Ｉout と比較する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を算出する。
【００３９】
ステップＳ５で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉout を検出し、比較器２２ａに出力する。
【００４０】
比較器２２ａは、ステップＳ６で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ８へ飛ぶ。
ステップＳ６で過電流保護が有効と選択されている場合は、ステップＳ７で検出した出力電流Ｉout と過電流保護手段５の基準レベルＩa1 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ８へ進む。
また、ステップＳ７で出力電流Ｉout が基準レベルＩa1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４１】
比較器２２ａは、ステップＳ８で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１１へ飛ぶ。ステップＳ８で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ１０で出力電流と電流制限手段６の基準レベルＩa2 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１１へ進む。
また、ステップＳ１０で出力電流Ｉout が基準レベルＩa2 を越えたと判定した場合には、マイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４２】
比較器２２ａは、ステップＳ１１で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１３へ飛ぶ。
ステップＳ１１で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ１２で出力電流Ｉout と負荷サーマル手段７の基準レベルＩa3 とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１３へ進む。
また、ステップＳ１２で出力電流Ｉout が基準レベルＩa3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４３】
比較器２２ａは、ステップＳ１３で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ５へ戻る。
ステップＳ１３でトランジスタサーマルの有効が選択されている場合は、ステップＳ１４で出力電流Ｉout とトランジスタサーマル手段８の基準レベルＩa4とを比較し、出力電流Ｉout が基準レベルＩa4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ５へ戻る。
また、ステップＳ２４で出力電流Ｉout が基準レベルＩa4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４４】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩa （Ｉa1 ，Ｉa2 ，Ｉa3 ，Ｉa4 ）を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉc （Ｉc1 ，Ｉc2 ，Ｉc3 ，Ｉc4 ）に、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと直流母線電圧とキャリア周波数ｆc とから算出した出力電流のリップル成分ＩRmax を、加算して求める（Ｉa ＝Ｉc ＋Ｋ・ＩRmax）ようにしたので、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉc と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉo とを比較することができ、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、最適の保護をすることができる。
【００４５】
また、オートチューニング手段２で、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを推定し、電流リップル演算手段４でオートチューニング手段２の推定したＲ、Ｌとキャリア周波数ｆc と直流母線電圧の振幅Ｖpnとを基に式（１）により出力電流のリップル成分の最大値ＩRmax を演算するようにしたので、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。
【００４６】
ところで、上記説明では、オートチューニング手段２の推定した誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆc を使用して、リップル成分の最大値ＩRmax を演算し、保護機能の基準レベルを算出する例について述べたが、電流検出回路１４が検出する出力電流Ｉout より直接リップル成分を検出し、保護機能の基準レベルを算出するようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４８】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、このスイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたので、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。ができ、さらに特性を十分引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図４】 従来の電力変換装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図６】 電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図である。
【図７】 電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。
【符号の説明】
１ 電力変換装置、 ２ オートチューニング手段、 ３ 保護手段、 ４ 電流リップル演算手段、 ５ 過電流保護手段、 ６ 電流制限手段、 ７ 負荷サーマル手段、 ８ トランジスタサーマル手段、 ９ 保護機能選択手段、１０ 電力変換装置、 １１ マイクロコントローラ、 １２ 駆動回路、 １３ スイッチング回路、 １４ 電流検出回路、 １５ オートチューニング手段、 １６ 保護手段、 １７ 過電流保護手段、 １８ 電流制限手段、 １９ 負荷サーマル手段、 ２０ トランジスタサーマル手段、 ２１ 保護機能選択手段、 ２２ａ，２２ｂ 比較器、 ２３ 誘導電動機、 Ｒ 可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、 Ｌ 可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置のリアクタンス、 ｆc キャリア周波数、 Ｖpn 直流母線電圧の振幅、 Ｖout 出力電圧、 Ｉout 出力電流、 Ｉo 出力電流Ｉoutの基本波成分、 ＩR 出力電流Ｉout のリップル成分、 ＩRmax リップル成分の最大値、 Ｉa 保護機能の基準レベル、 Ｉb 保護機能の基準レベル、 Ｉc 電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値。
Claims (1)
- 運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、
この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、
パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、
可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、
前記スイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、
この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、
前記保護手段は、前記オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
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