JP4576407B2 - セット並列構成の電力変換装置及びそれを用いたエレベーターシステム - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置に関わり、特に、大容量化を目的に２台の電力変換器を並列接続したセット並列構成の電力変換装置に好適である。

大容量化されたセット並列構成の電力変換装置においては、複数の演算処理装置を使用しており、それぞれにおける異常検出情報やそれに起因した遮断動作の情報を時系列で検出することが行われている。また、エレベーター等で使用する電力変換装置では、異常要因の把握および故障部位の迅速な把握など保守の観点から異常発生時の履歴情報を検出・保存している。しかしながら、通常、１つの異常が発生するとそれが引き金となり連続して他の異常となる。

従来、メインマイコンとサブマイコンの間で通常運転時のデータ通信における異常発生を相互に監視するため、少なくとも一方のマイコンが異常発生を検出した時にはそのマイコンから出力されるリセット信号により双方のマイコンを同時にリセットさせることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

また、２個のマイコン出力を比較し、異常の有無を検知して警報を発することが知られ、特許文献２に記載されている。

さらに、モータ制御演算装置の異常検出装置及び異常検出方法として、モータ制御演算装置に対して監視用マイコンを設け、異常を検出することが特許文献３に記載されている。

さらに、インバータ装置およびそれを備える自動車として、同一のケーブルに複数の電流センサを設置して故障を検知することが特許文献４に記載されている。

さらに、インバータ用平滑コンデンサの劣化検出装置として、平滑コンデンサの放電時間を検出して劣化判定が予め設定されている基準時間と比較することが特許文献５に記載されている。

特開２０００−７０５９０号公報 特開平９−２３４２２７号公報 特開２００４−３２１９３１号公報 特開２００５−１６０１３６号公報 特開平６−１６５５２３号公報

上記従来技術においては、異常要因の履歴、それぞれマイコン間の絶対的な順序が把握できず、正確な異常要因の把握が困難である。

また、セット並列構成の電力変換装置は部品点数が多いので、演算処理自体が複雑であり、コスト高になるばかりでなく、検出の条件によって誤差を生じる恐れがある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、複数の演算処理装置が用いられるセット並列構成の電力変換装置であっても異常情報や遮断動作情報及びそれらの時系列順序を正確に把握することにある。また、他の目的として、電流センサや平滑コンデンサなどの部品に関しても異常などを容易に診断することにある。

上記課題を解決するため本発明は、ＰＷＭ整流器とインバータとを有し並列接続された電力変換器と、前記ＰＷＭ整流器の制御演算を行うＰＷＭ整流器側演算処理装置と、前記インバータの制御演算を行うインバータ側演算処理装置と、を備えたセット並列構成の電力変換装置において、前記ＰＷＭ整流器において異常が発生したことを検出する前記ＰＷＭ整流器側演算処理装置と、前記インバータにおいて異常が発生したことを検出する前記インバータ側演算処理装置と、を備え、前記ＰＷＭ整流器側演算処理装置と前記インバータ側演算処理装置のいずれか一方で異常を検出した場合、その信号を他方へ送信するものである。

本発明によれば、ＰＷＭ整流器側演算処理装置とインバータ側演算処理装置のいずれか一方で異常を検出した場合、その信号を他方へ送信するので、異常情報や遮断動作情報及びそれらの時系列順序を正確に把握することができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は電力変換装置であり、３相の商用電源１，電動機２，１系ＰＷＭ整流器３Ａ，２系ＰＷＭ整流器３Ｂ，１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂ，１系平滑コンデンサ５Ａ，２系平滑コンデンサ５Ｂ，ＰＷＭ整流器側演算処理装置６，インバータ側演算処理装置７，出力側リアクトル８，１系インバータ側電流検出器９Ａ，２系インバータ側電流検出器９Ｂ，１系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ａ，２系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ｂを有している。

電力変換装置では、大容量化を図るために２組のＰＷＭ整流器（コンバータＣＮＶ）とインバータ（ＩＮＶ）からなる電力変換器を並列接続し、出力側リアクトル８を介して電動機２に接続している。１系ＰＷＭ整流器３Ａおよび２系ＰＷＭ整流器３Ｂは、商用電源１より得られる交流電力を直流に変換する。１系ＰＷＭ整流器３Ａおよび２系ＰＷＭ整流器３Ｂの制御演算は、それぞれ、１系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ａ，２系ＰＷＭ整流器側電流検出器１０Ｂより検出される入力電流などを基にＰＷＭ整流器側演算処理装置６によって行われる。１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂは、それぞれ１系平滑コンデンサ５Ａ，２系平滑コンデンサ５Ｂを介して得られる直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機２を駆動する。１系インバータ４Ａ，２系インバータ４Ｂの制御演算は、それぞれ、１系インバータ側電流検出器９Ａ，２系インバータ側電流検出器９Ｂより検出される出力電流や電動機２の磁極位置情報を基にインバータ側演算処理装置７によって行われる。ここでの演算処理装置はマイコン，ＤＳＰあるいはＡＳＩＣなどの演算装置である。

図２は、図１に記載した演算処理装置を示す。ＰＷＭ整流器側演算処理装置６では、各系のＰＷＭ整流器において、過電流，過電圧，不測電流，不測電流，短絡，開放などの異常が発生したことを検出した場合、各系のＰＷＭ整流器を異常モードで運転させ、かつ、インバータも異常モードで運転させるためにインバータ側演算処理装置７に対して異常検知信号１１を送信する。同様に、インバータ側演算処理装置７では、各系のインバータにおいて、過電流，過電圧，不測電流，不測電流，短絡，開放などの異常が発生したことを検出した場合、各系のインバータを異常モードで運転させ、かつ、ＰＷＭ整流器も異常モードで運転させるためにＰＷＭ整流器側演算処理装置６に対して異常検知信号１２を送信する。また、商用電源１や電動機２および図示していない周辺機器の異常に関しても、いずれかの演算処理装置において検出し、あるいは検出信号を受け電力変換器の異常モードの処理を実施する。

図３は演算処理装置が伝送する信号１１，１２の例である。図３（ａ）は、運転開始時に他方の演算処理装置にＯＮ信号を送信する。さらに、異常を検出した場合は信号をＯＦＦする。他方の演算処理装置では信号がＯＮからＯＦＦに変位するエッジやＯＦＦの連続状態を割込みとして検出して異常を判断し、停止等の処理を実施する。

図３（ｂ）は、信号発生器そのものの異常も加味して定期的にＯＦＦ信号を含ませた形のパルス信号を送受信する。この場合はＯＦＦ状態の期間が規定値よりも大きい場合を異常状態と判断し、停止等の処理を実施する。図３（ｂ）では、定期的に他方の演算処理装置の健全性を確かめることができる。また、図３（ａ）（ｂ）では、制御信号そのものを送信する訳ではなく、ＯＮ／ＯＦＦ信号のみを送信するため、処理は極めて単純であり、誤動作を抑制できる。

図４は演算処理装置に保存される情報の例である。ＰＷＭ整流器側演算処理装置６およびインバータ側演算処理装置７では、異常要因の把握および故障部位の迅速な把握など保守の観点から、異常発生時に検出した信号を履歴情報として図２の記憶部６Ａ，７Ａに保存する。この場合、それぞれの演算処理装置が独立に検出情報を保存するため、各演算処理装置内での保存情報は時系列で把握できるが、相方の相対的な順序を把握することは困難である。特に、図１の電力変換装置では、１つの故障が発生するとそれが引き金となって他の異常も連続して発生する。例えば、インバータ側の任意の相が短絡故障した場合には、出力電流の過電流異常や平滑コンデンサ電圧の不足電圧異常あるいは零相電流異常などが連続して発生し、ＰＷＭ整流器においても異常として検出される。

そこで、図４のように検出履歴の中に異常検知信号の送信情報や受信時の割込み情報を履歴として残す。これにより、異常検知信号の送受信時間を照らし合わせることによって相方の相対的な順序を把握でき、保守等を迅速化できる。また、通信伝送に時間を有する場合もあるが、割込み等の所用時間は予め把握できるため、相方の履歴情報の順序を並べる際に該時間を調整すればよい。また、図２では、演算処理装置６，７の内部に記憶部６Ａ，６Ｂを設けているが、装置外に周辺機器として記憶部を接続しても良い。

図５は演算処理装置部の第二の例であり、一方あるいは両方の演算処理装置にデュアルＣＰＵのマイコンを使用している。さらに、デュアルＣＰＵのうち一方を変換器の駆動演算に割り当て、他方を異常検出の履歴取得に割り当てる。これによって、相互のマイコンの異常検出情報を履歴取得用ＣＰＵの絶対時間で管理できるため、異常検出の検出順序を容易に把握することができる。

図６は演算処理装置部の例であり、第３の演算処理装置１３を新たに設け、異常検出の履歴取得用に割り当てる。これにより、図５の例と同様に相互のマイコンの異常検出情報を第３の演算処理装置１３の絶対時間で管理できるため、異常検出の検出順序を容易に把握することができる。特に、第３の演算処理装置１３を割込み信号等を基に履歴取得をすることに特化させた場合は、処理内容自体は通常の制御演算処理よりもはるかに小さく安価な演算処理装置で実現できる。

図７は電力変換装置における電流検出器調整法の例を説明する図であり、１系インバータ側電流検出器９Ａ，２系インバータ側電流検出器９Ｂの調整方法を例として説明する。

各系の少なくとも２相以上に設置される電流検出器にばらつきがある場合は、電動機２のトルク脈動等の原因になる。このため、少なくとも各系の電流検出器同士のばらつきは低減させる必要がある（絶対値精度についても重要であるが、下記に示す和成分と差成分の制御である程度補正される。このため、少なくとも相対的なばらつきは低減させる必要がある。）。

セット並列構成の電力変換器では、それぞれのインバータ出力電流の和成分と差成分を制御することにより、電動機２を駆動するための電流とインバータ間を循環する電流を独立に制御できる。すなわち、１系インバータ４Ａの各相の電流をｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１、２系インバータ４Ｂの電流をｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２とした場合、

と座標変換することができ、電動機２の磁極をθとすると、和成分の励磁電流成分（ｄ軸成分）ｉｄｗ，トルク電流成分（ｑ軸成分）ｉｑｗ，差成分の励磁電流成分（ｄ軸成分）ｉｄｓ，トルク電流成分（ｑ軸成分）ｉｑｓはそれぞれ、

となる。ここで、和成分が電動機２を駆動するための電流に、差成分が各インバータ間を循環する電流にそれぞれ相当する。

図８は和差制御演算方式における和電流・差電流の制御ブロック図である。和成分，差成分はそれぞれＰＩ制御をした後、さらに和および差を取る処理を実施して３相／２相変換をすることで指令値を生成する。通常の制御では、各インバータ間を循環する電流は不要な電流であるため、差成分のｄ軸電流指令値ｉｄｓ^*，ｑ軸電流成分ｉｑｓ^*は零に設定される。この差成分の電流を積極的に利用して電流検出器の診断を実施する。

図９は電流検出器調整法の流れ図である。ブロック１７により診断用電流の指令値として差成分のｄ軸電流あるいは差成分のｑ軸電流に指令を与える。次にブロック１８によりインバータを駆動させて診断用電流を出力させる。ここで、指令値として差成分しか与えなければ、診断用電流は図７のように各インバータ間を循環する。次にブロック１８により、１系インバータ側電流検出器９Ａおよび２系インバータ側電流検出器９Ｂを用いて診断用電流を測定し、条件分岐２０により、検出した電流と所望の指令電流とのばらつきを比較する。このばらつきが予め設定した規定値よりも小さい場合は調整が完了したとして終了する。

規定値よりも大きい場合にはブロック２１により、１系インバータ側電流検出器を補正するゲイン１４および２系インバータ側電流検出器を補正するゲイン１５を調整し、ブロック１７の処理に戻る。この処理を繰り返すことにより、電流検出器のばらつきを補正することができ、電動機２のトルク脈動を抑制することができる。

図１０は電流検出器調整法の他の例を説明する図である。

図１０では差電流の代わりに零相電流ｉｏ１を用いて調整する。零相電流ｉｏ１は、各相から同振幅・同位相で流れる電流であり（１）式あるいは（２）式により求められる。この電流も各インバータ間を循環する電流となるため電流検出器の調整に採用することができる。この場合、図１０のように指令値ｉｏ^*との差分をＰＩ制御演算した後、その値を各相の電圧指令値に加算することにより、所望の零相電流を流すことができる。調整の順序は差電流の場合と同様に図９の流れ図となる。図１０では１系インバータ４Ａの出力電流から検出した零相電流ｉｏ１を例に説明しているが２系インバータ４Ｂの出力電流から検出した零相電流ｉｏ２を用いて同様の処理を実施した場合も同様である。

以上の零相電流は装置の異常検出の観点から見ても重要になる。すなわち、零相電流は定常状態ではほとんど流れないが短絡、開放など多く異常時には無視できない大きさの零相電流が発生する。つまり、零相電流検出部が正常に動作するか否かが異常検出に大きな影響を与える。そこで、本電力変換装置では零相電流検出部を診断する処理を実施する。

図１１は電力変換装置における零相電流検出部の診断方法の流れ図である。

ブロック２２により診断用零相電流の指令値として与え、ブロック２３によりインバータを駆動させて診断用零相電流を出力する。次にブロック２３により零相電流を検出し、条件分岐２０により検出した電流値を予め設定した規定値と比較する。検出値が規定値よりも小さい場合は処理を終了する。規定値よりも大きい場合には、例えばエレベーターを対象とした電力変換装置の場合、ブロック２６により電力変換装置を休止状態として保守センターに発報する。この零相電流検出部の診断を定期的に実施することにより、システムの安全性を向上できる。また、この処理はインバータ側のみならずＰＷＭ整流器側において同様の処理を実施しても同様の効果が得られる。以上の電流検出器の調整あるいは零相電流検出部の診断は、電動機の休止中などに実施すればよく、例えばエレベーターなどでは、昇降動作をしていない待機時間に実施すればよい。

図１２は電力変換器における平滑コンデンサ診断法の第一の例を説明する図である。

平滑コンデンサ５Ａ，５Ｂは、電力変換器の運転が終了して電磁接触器等で電力供給を遮断した場合には、図示していない放電用抵抗の効果により充電電圧が低下する。放電時の電圧値Ｖｃは概ね、
Ｖｃ∝ＥＸＰ（−Ｃ・Ｒ・ｔ） …（５）
として表される。ここで、Ｃは静電容量値、Ｒは抵抗分（コンデンサの内部抵抗＋放電回路の抵抗）、ｔは時間をそれぞれ表す。平滑コンデンサが劣化した場合には静電容量値Ｃが小さくなるため、一般的に放電時間は短くなる。一方、静電容量値Ｃや内部抵抗値は、周辺温度や変換器駆動による内部温度の上昇などにも依存するため、検出の条件によって放電時間に誤差が発生する恐れがある。

そこで、図１２の平滑コンデンサ診断法では、各系の平滑コンデンサ５Ａ，５Ｂの放電量を相対比較することにより平滑コンデンサの交換時期の予兆を把握する。この方式によると、相対比較を実施することにより、周辺温度の特性の影響を相殺して無視できる。

図１３は、平滑コンデンサ診断の流れ図である。まず、ブロック２７により、電力変換器の電力供給を電磁接触器等により遮断する。次に、ブロック２８により、ｔ０秒後の各系の平滑コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧値を検出する。次に条件分岐２９により検出した電圧値の比較を実施する。ここで、平滑コンデンサが正常であれば、図１２の実線のように各系の電圧はほぼ同じ時定数で放電するため、
ｖ１−ｖ２≒０ …（６）
となる。一方、片側の平滑コンデンサに劣化が見られる場合、例えば１系のコンデンサ５Ａに劣化が生じている場合は、図１２の点線のように放電速度が高まるため、ｖ１′とｖ２の差分は大きくなる。すなわち、条件分岐２９では各系の電圧の差をとり、その値を予め規定されている値と比較して、規定値よりも小さい場合は処理を終了する。また、規定値よりも大きい場合には、例えば第一実施例がエレベーターを対象とした電力変換装置の場合、ブロック３０により保守センターに連絡する処理を実施する。

図１４は平滑コンデンサ診断法の他の例を説明する図であり、各系の平滑コンデンサ５Ａ，５Ｂの放電時間を相対比較することにより、平滑コンデンサの交換時期の予兆を把握する。図１５はその流れ図である。まず、ブロック３１により、電力変換器の電力供給を電磁接触器等により遮断する。次に、ブロック３２により、各系の平滑コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧値がｖ０になる時間を検出する。次に条件分岐３３により検出した時間の比較を実施する。ここで、平滑コンデンサが正常であれば、図１４の実線のように各系の電圧はほぼ同じ時定数で放電するため、
ｔ１−ｔ２≒０ …（７）
となる。一方、片側の平滑コンデンサに劣化が見られる場合、例えば１系のコンデンサ５Ａに劣化が生じている場合は、図１４の点線のように放電速度が高まるため、ｔ１′とｔ２の差分は大きくなる。すなわち、条件分岐３３では各系が同一電圧まで放電する時間の差をとり、その値を予め規定されている値と比較して、規定値よりも小さい場合は処理を終了する。また、規定値よりも大きい場合には、例えばエレベーターを対象とした電力変換装置の場合、ブロック３４により保守センタに連絡する処理を実施する。

本発明による一実施の形態である電力変換装置を示すブロック図。 図１における演算処理装置部を示すブロック図。 一実施の形態における演算処理装置部が伝送する信号を示すタイムチャート。 一実施の形態における演算処理装置に保存される情報を示す図。 他の実施の形態における演算処理装置部を示すブロック図。 さらに、他の実施の形態における演算処理装置部を示すブロック図。 一実施の形態における電流検出器調整法を説明するブロック図。 一実施の形態における和差制御演算方式を説明する制御ブロック図。 一実施の形態における電流検出器調整を示すフローチャート。 他の実施の形態における電流検出器調整を説明制御ブロック図。 一実施の形態における零相電流検出を示すフローチャート。 一実施の形態における平滑コンデンサ診断を説明するタイムチャート。 一実施の形態における平滑コンデンサ診断を示すフローチャート。 他の実施の形態における平滑コンデンサ診断を説明するタイムチャート。 他の実施の形態における平滑コンデンサ診断を示すフローチャート。

符号の説明

１ ３相の商用電源
２ 電動機
３ ＰＷＭ整流器
３Ａ １系ＰＷＭ整流器
３Ｂ ２系ＰＷＭ整流器
４ インバータ
４Ａ １系インバータ
４Ｂ ２系インバータ
５Ａ １系平滑コンデンサ
５Ｂ ２系平滑コンデンサ
６ ＰＷＭ整流器側演算処理装置
６Ａ ＰＷＭ整流器側演算処理装置の記憶部
７ インバータ側演算処理装置
７Ａ インバータ側演算処理装置内の記憶部
８ 出力側リアクトル
９Ａ １系インバータ側電流検出器
９Ｂ ２系インバータ側電流検出器
１０Ａ １系ＰＷＭ整流器側電流検出器
１０Ｂ ２系ＰＷＭ整流器側電流検出器
１１，１２ 演算処理装置部の伝送信号
１３ 第３の演算処理装置

Claims (3)

1. 第１のＰＷＭ整流器と第１のインバータとを有する第１の電力変換器と、
   第２のＰＷＭ整流器と第２のインバータとを有し、前記第１の電力変換器に並列接続された第２の電力変換器と、
   前記第１，第２のＰＷＭ整流器の制御演算を行うＰＷＭ整流器側演算処理装置と、
   前記第１，第２のインバータの制御演算を行うインバータ側演算処理装置とを備えたセット並列構成の電力変換装置において、
   前記ＰＷＭ整流器側演算処理装置および前記インバータ側演算処理装置は、一方が前記一方の制御する対象についての異常を検出した場合、異常検知信号を他方に送信するとともに、検出した前記一方の制御する対象についての異常に関する情報と前記異常検知情報を送信したこととを時間の情報とともに時系列の履歴情報として保存し、前記異常検知信号を受信した他方は、前記他方の制御する対象についての異常に関する情報とともに前記異常検知信号を受信したことを時間の情報とともに時系列の履歴情報として保存することを特徴とするセット並列構成の電力変換装置。
2. 前記異常検知信号を受信した他方は、前記他方の制御する対象の運転を停止することを特徴とする請求項１に記載のセット並列構成の電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載のセット並列構成の電力変換装置を用いたエレベーターシステム。

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