JP4976144B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

スイッチング半導体素子をオン／オフ制御することによって正弦波電流を供給し電動機等の負荷を可変速駆動する電力変換装置において、電力変換装置の出力周波数が低周波になった場合、正弦波状の電流が正または負に導通する時間が長くなる。これにより、スイッチング半導体素子の導通時間が長くなり、スイッチング半導体素子のジャンクション温度はこの間上昇し続け最後には過熱で破損する恐れがある。

上記問題に対し、電力変換装置の出力周波数が所定の周波数以下になった場合に出力電流値を制限する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。また、所定の周波数以下になったとき、スイッチング素子のスイッチング周波数を下げて半導体素子の損失を低減する提案も為されている（例えば特許文献２参照。）。更に、スイッチング素子のジャンクション温度をオン／オフの回数や導通時間から推定し、この推定温度が所定の温度以上になった場合に装置を停止する提案も為されている（例えば特許文献３参照。）。
特開平９−１４０１８７号公報（第５頁、図１） 特開平５−３１６７４４号公報（第３頁、図１） 特開平１１−３２４８２号公報（第６−７頁、図１）

特許文献１に示された方法によれば、スイッチング素子の加熱保護は可能となるが、出力周波数がある低周波領域になったとき、ただちに電流制限を行なうため、負荷の要求するトルクを出せなくなり、一定負荷条件での運転継続時間が短くなる。

また、特許文献２の方法によれば、スイッチング素子のオン／オフの回数を減らすことによって、スイッチングによるロス分を減らすことは可能となるが、スイッチング周波数を減少させるため、高精度なオン／オフの時間制御が得られないという問題があるばかりでなく、運転継続時間はやはり制限される。

更に特許文献３の方法によれば、スイッチング素子のジャンクション温度を推定し、また低周波運転可能な時間を予め計算しておき、スイッチング素子のジャンクション温度が保護温度となるか一定時間が経過するまで運転継続することが可能となるが、何れの条件においても装置停止に至るため、その後の運転継続ができないという問題がある。

しかるに、システムから要求される運転速度などの条件が多少合わなくても、装置停止を行なわないで、例えばアラーム等の警報を発するだけにして運転継続を行なうようにするニーズは多い。

本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、出力周波数が低周波になったとき、システムから要求される一定負荷条件での運転継続時間を長くすると共に、システムから要求される負荷条件と相違があっても運転継続可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電力変換装置は、複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより交流電動機に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波になったとき、演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して前記出力周波数を増加させる周波数補正手段を備えてなることを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより交流電動機の１次端子に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波になったとき、演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記交流電動機の速度基準を増加させる速度基準補正手段を備えてなることを特徴としている。

また、本発明の第３の発明である電力変換装置は、巻線型交流電動機の１次端子を交流電源に接続し、複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより前記巻線型交流電動機の２次端子に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波で且つ前記巻線型交流電動機の回転周波数が前記交流電源の周波数より低いとき、演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記線型交流電動機の速度基準を減少させ、前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波で且つ前記巻線型交流電動機の回転周波数が前記交流電源の周波数より高いとき、演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記線型交流電動機の速度基準を増加させる速度基準補正手段を備えてなることを特徴としている。

本発明によれば、出力周波数が低周波になったとき、システムから要求される一定負荷条件での運転継続時間を長くすると共に、システムから要求される負荷条件と相違があっても運転継続可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、本発明に係る電力変換装置の実施例について、図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を、図１乃至図３を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。交流電源１に接続された電力変換器２はスイッチング素子のオン／オフ制御により、可変電圧、可変周波数の交流電力を交流電動機３に供給する。交流電動機３の回転速度は速度検出器４により検出され、制御回路５に与えられる。また、電力変換器２の出力電流は各相の電流を検出する電流検出器６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗによって検出され、制御回路５に与えられる。

電力変換器２は通常は交流電源１からの交流電圧を整流して直流に変換するコンバータとこの直流をスイッチング素子のオン／オフ制御によって再び交流に変換するインバータとから構成されるが、マトリクスコンバータのように交流を直接交流に変換する場合もある。

図２に電力変換器２の代表的主回路構成図を示す。図２（ａ）に示すのは、コンバータ２１に通常の全波整流ブリッジを適用し、インバータ２２は２レベルインバータを適用した例である。そして図２（ｂ）に示すのは、インバータ２２Ａに３レベルインバータを適用した例である。何れのインバータでも複数個のスイッチング素子をブリッジ接続して主回路が構成されている。

そしてこの電力変換器２のスイッチング素子は制御回路５から与えられる各相の電圧基準Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを電力変換器２が出力するように制御されている。ここで各相の電圧基準Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗは、通常正弦波となるように制御される。各相の電圧基準Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗに従った電力変換器２の出力電圧または出力電流には高周波の変調周波数などが含まれて厳密な正弦波とは言えないが、本明細書においては電力変換器２は正弦波電流を供給するものとする。制御回路５は、速度検出器４により検出された回転速度ωｒが、与えられた速度基準ωｒ＊になるように制御を行うがこの詳細については後述する。

速度基準補正回路７は、制御回路５で演算される出力周波数ω１と、電流検出器６Ｕ、６Ｖ及び６Ｗで夫々検出された３相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗから得られる電流振幅値Ｉ１とから、速度補正量ωｃを演算し速度基準ωｒ*を加算補正する。

図１（ｂ）に速度基準補正回路７の内部回路構成を示す。速度基準補正回路７においては、電流積算器７１によって出力電流振幅値Ｉ１を所定時間分積算保存し、合計の加算値Ｉｓを演算する。この加算値Ｉｓに対して、出力周波数に比例した許容レベルＩｓｍａｘを設定する積算電流許容値設定器７２を設け、超過分演算器７３によって加算値Ｉｓがこの許容レベルＩｓｍａｘを超過した量Ｉｓｄｔを求める。そしてこの超過した量Ｉｓｄｔに比例して速度補正量ωｃを決定する。尚、電流積算器７１によって出力電流振幅値Ｉ１を積算保存する時間は、通常はスイッチング素子の熱時定数に見合う値とする。

また、速度基準補正回路７の出力側に極性切替器７３を設け、出力周波数ω１の極性によってその極性を切替える。すなわち出力周波数ω１が負の場合は、速度補正量ωｃが負になるように極性を切り替える。

図３に示すのは積算電流許容値設定器７２の設定特性である。出力周波数ω１の絶対値は出力電流の制限が必要となる低周波電流制限必要周波数を超えるときは一定の電流制限の許容レベルＩｓｍａｘを出力するが、低周波電流制限必要周波数以下の周波数に対しては、出力周波数ω１の低減とともにこの許容レベルＩｓｍａｘを低減させる。

図４（ａ）に示すのは、他の速度基準補正回路の内部回路構成例である。この速度基準補正回路７Ａは、電力変換器２の瞬時の出力電流Ｉ１に対して、出力周波数ω１に比例した許容電流レベルＩｍａｘを設定する電流許容値設定器７２Ａを設け、出力電流Ｉ１が許容電流レベルＩｍａｘを超過した量を積算器７１Ａによって積算し、積算量Ｉｄｔに比例して速度補正量ωｃを決定する。極性切替器７４によって出力周波数ω１の極性に応じて速度補正量ωｃの極性を切替えることは図１（ｂ）に示した速度基準補正回路７の場合と同一である。

図４（ｂ）に電流許容値設定器７２Ａの設定特性を示す。図２に示した積算電流許容値設定器７２と同様、出力周波数ω１の絶対値は、出力電流の制限が必要となる低周波電流制限必要周波数を超えるときは一定の瞬時の電流制限の許容レベルＩｍａｘを出力するが、低周波電流制限必要周波数以下の周波数に対しては、出力周波数ω１の低減とともにこの許容レベルＩｍａｘを低減させるようにする。

図５に示すのは制御回路５の内部回路構成例である。この図５における制御回路５は、交流電動機３の電流をトルク電流とこのトルク電流と直交する励磁電流とに分解し、これらを独立して制御する所謂ベクトル制御を行っている。

補正された速度基準ωｒ**と回転速度ωｒの偏差がゼロになるように速度制御器５１を用いてトクル指令Ｔ*を調節する。また、励磁指令Φ*は磁束設定器５２で設定される。これらの値は所定の演算を行なうことによって、励磁成分を表すｄ軸と、このｄ軸と直交しトルク成分を表すｑ軸の各電流指令iｄ*，iｑ*に変換される。そして、電流指令iｄ*、iｑ*はフィードバック電流iｄ、iｑと夫々比較され、各々の偏差がゼロになるように電流制御器５３Ａ、５３Ｂを用いてｄ軸およびｑ軸の電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを夫々調節する。

一方、トルク指令Ｔ*と励磁指令Φ*から演算によりすべり周波数ωｓを求め、このすべり周波数ωｓに回転速度ωｒを加えることによって電力変換器２の出力周波数ω１を決定する。そして３相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを、出力周波数ω１を積分して得られる出力位相θ１を基準として３相２相変換器５４によってｄ軸、ｑ軸の各々に変換することによってフィードバック電流iｄ、iｑが夫々求められている。また、同じ出力位相θ１を基準として２相３相変換器５５によってｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ、Ｖｑから出力電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを求めて電力変換器２に与える。更に、フィードバック電流iｄ、iｑの２乗平均値から電流振幅値Ｉ１を得る。

図１（ａ）に示した実施例１の構成においては、回転速度ωｒは速度検出器４を用いて検出しているが、所謂センサレスベクトル制御方式で行われているように、電圧及び電流値から演算によって求めた速度推定値を用いても良い。また、図１（ａ）においては電流検出器を３相分備えているが、２相分を検出し、残りの１相分はゼロから２相分を減算して求めるようにしても良い。また、制御回路５はトルク電流、磁束電流をベースとしたベクトル制御で交流電動機３の制御を行っているが、図６の制御回路５Ａに示すように、与えられた速度基準ωｒ*に比例した電圧振幅を持つ電圧で制御するＶ／ｆ制御を用いても良い。更に、速度基準補正回路７は電流の積算値を用いて模擬的に素子ジャンクション温度相当の保護を実現させるようにしているが、スイッチング素子の熱負荷相当量を等価的に求める手法であれば必ずしも電流の積算値を用いなくても良い。例えば一次遅れを用いたジャンクション温度推定演算等を用いても同様の効果がある。

この実施例１によれば、電流の積算値を用いているため、積算値が許容値まで到達するまで所望の電流を流し続けること可能となる。積算値が許容値まで到達した後は徐々に速度基準を上昇させるが、電力変換器の出力周波数が上昇すれば、スイッチング素子の熱負荷相当量が低減して出力可能な電流値も多く許容できるので、積算値の許容値を速度が上がるに従い開放することによって、負荷が必要とする電流量を許容する周波数で自動的に運転継続することが可能となる。

以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置を図７及び図８を参照して説明する。

図７（ａ）は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１（ａ）の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、交流電動機３Ａは巻線型交流電動機であり、交流電動機３Ａの１次巻線が交流電源１に接続され、電力変換器２が交流電動機３Ａの２次巻線に接続されている点、速度基準補正回路７Ｂの入力がω１に代わり、すべり周波数ωｓに置き換えられている点、速度検出器４に代わる位置検出器４Ａによって交流電動機３のロータ位置θｒを制御回路５Ｂに入力している点及び交流電動機３の１次電圧位相θ１を検出する電圧位相検出器８を設けた点である。

図７（ｂ）は図７（ａ）における速度基準補正回路７Ｂの内部構成図である。この速度基準補正回路７Ｂが図１（ｂ）に示した速度基準補正回路７と異なる点は、入力がすべり周波数ωｓに置き換えられている点及び極性切替回路７３Ａの極性条件が異なる点である。

図８に示すのは制御回路５Ｂの内部回路構成例である。この制御回路５Ｂが図５に示した実施例１における制御回路５と異なる点は、交流電動機３Ａの１次電圧位相θ１と交流電動機３Ａのロータ位置θｒの差分からすべり位置θｓを求め、このすべり位置θｓを微分してすべり周波数ωｓを得ている点、またこのすべり位置θｓを３相２相変換器５４及び２相３相変換器５５の変換基準位相としている点である。

以下、本実施例２の動作について説明する。

交流電動機３Ａの１次周波数と２次周波数の関係はすべり周波数ωｓを用いて以下で表せる。

ωｓ＝ω１−ωｒ
電力変換器２の出力周波数であるすべり周波数ωｓが正の場合には回転速度ωｒは１次周波数ω１を下回る。この場合には、電力変換器２の出力周波数ωｓが所定の周波数以下の低周波になったとき、電流の時間積算値を用いて速度基準を下げることによって、電力変換器２の出力周波数ωｓが低周波領域から抜けるようにすることが可能となる。

一方、電力変換器２の出力周波数ωｓが負の場合、回転速度ωｒは１次周波数ω１を上回る速度となる。この場合には、電力変換器２の出力周波数ωｓが所定の周波数以下の低周波になったとき、電流の時間積算値を用いて速度基準を上げることによって、電力変換器２の出力周波数ωｓが低周波領域から抜けるようにすることが可能となる。

この実施例２においては、電力変換器２は交流電動機３Ａの２次電力を制御する所謂２次励磁方式である為、交流電動機３Ａのすべり周波数ωｓの電圧及び電流を制御する点が実施例１とは異なるが、電力変換器２が出力するすべり周波数ωｓと電力変換器２の出力電流Ｉ１によって、電動機の速度基準ωｒを補正することによって、実施例１と同様な効果を得ることが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置及びその速度基準補正回路の回路構成図。 本発明の実施例１に用いられる電力変換器の回路構成図。 速度基準補正回路に用いられる積算電流許容値設定器の設定特性図。 実施例１における他の速度基準補正回路の内部回路構成図と電流許容値設定器の設定特性図。 本発明の実施例１に用いられる制御回路の回路構成図。 本発明の実施例１に用いられる他の制御回路の回路構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置及びその速度基準補正回路の回路構成図。 本発明の実施例２に用いられる制御回路の回路構成図。

符号の説明

１…交流電源
２…電力変換器
２１…コンバータ
２２、２２Ａ…インバータ

３…交流電動機
４…速度検出器
４Ａ…位置検出器
５、５Ａ、５Ｂ…制御回路
５１…速度制御器
５２…磁束設定器
５３Ａ、５３Ｂ…電流制御器
５４…３相２相変換器
５５…２相３相変換器

６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ…電流検出器
７、７Ａ、７Ｂ…速度基準補正回路
７１…電流積算器
７２…積算電流許容値設定器
７３…超過分演算器
７４、７４Ａ…極性切替器

８…電圧位相検出器

Claims (7)

1. 複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより交流電動機に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、
   前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波になったとき、
   演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して前記出力周波数を増加させる周波数補正手段を備えてなることを特徴とする電力変換装置。
2. 複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより交流電動機の１次端子に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、
   前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波になったとき、
   演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記交流電動機の速度基準を増加させる速度基準補正手段を備えてなることを特徴とする電力変換装置。
3. 巻線型交流電動機の１次端子を交流電源に接続し、
   複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより前記巻線型交流電動機の２次端子に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、
   前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波で且つ前記巻線型交流電動機の回転周波数が前記交流電源の周波数より低いとき、
   演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記巻線型交流電動機の速度基準を減少させ、
   前記電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波で且つ前記巻線型交流電動機の回転周波数が前記交流電源の周波数より高いとき、
   演算で求めた前記スイッチング素子の熱負荷相当量に比例して、前記線型交流電動機の速度基準を増加させる速度基準補正手段を備えてなることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記スイッチング素子の熱負荷相当量を、
   前記正弦波電流の所定時間の積分値が所定の第１の許容レベルを超過した量とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記スイッチング素子の熱負荷相当量を、
   前記正弦波電流の瞬時値が所定の第２の許容レベルを超過した量の積算値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１の許容レベルは、
   前記出力周波数の低減に応じて低減させることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
7. 前記第２の許容レベルは、
   前記出力周波数の低減に応じて低減させることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

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