JP5797357B1

JP5797357B1 - 半導体電力変換器

Info

Publication number: JP5797357B1
Application number: JP2015520740A
Authority: JP
Inventors: 弘淳福岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: WO2015173955A1; JPWO2015173955A1

Abstract

モータ駆動中の回生電力による過電圧を回避する制動抵抗値を推定することを目的として、回生電力を生じる負荷（駆動用モータ（６））と交流電源（２）の間に配される半導体電力変換器（インバータ装置（１））において、出力電力値を検出する出力電力検出手段と、直流母線電圧検出値を検出する直流母線電圧検出器と、負荷（駆動用モータ（６））を駆動中の回生電力により、直流母線電圧検出値が設定された過電圧保護レベルを超えないように、出力電力値と直流母線電圧検出値とから接続すべき制動抵抗の制動抵抗値を算出する演算処理部（１５）と、制動抵抗値を報知する報知手段と、を備える半導体電力変換器とする。

Description

本発明は、半導体電力変換器に関する。

従来、半導体電力変換器を用いてモータを駆動する場合、モータで発生した回生電力がモータから半導体電力変換器に入力されることがある。回生電力が大きいと、直流母線電圧が過電圧になり半導体電力変換器の保護機能によりモータ駆動を継続することができなくなる。モータからの回生電力を減らせばモータ駆動を継続することができるが、モータからの回生電力を減らせない場合には、半導体電力変換器に取り付けられた制動装置により電力を消費させ、または半導体電力変換器に取り付けられた電源回生装置により電力を電源に返すことでモータ駆動を継続することができる。このような制動装置または電源回生装置は、回生電力を把握した上で選定されるべきであるが、駆動環境によって回生電力は常に変化するため把握することが困難であり、選定には試行錯誤が伴う。例えば、特許文献１には、モータを減速停止させるのに必要な制動抵抗値及び回生電力量を推測することが可能な技術が開示されている。

特開２００８−３０６９０１号公報

しかしながら、上記技術によれば、モータを減速停止させるのに必要な制動抵抗値及び回生電力量を推測することは可能であるが、モータ駆動中の回生電力による過電圧を回避する制動抵抗値を推定することはできない。そのため、モータ駆動中の回生電力に対する対策を講じることができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータ駆動中の回生電力による過電圧を回避する制動抵抗値を推定することが可能な半導体電力変換器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回生電力を生じる負荷と交流電源の間に配される半導体電力変換器において、出力電力値を検出する出力電力検出手段と、直流母線電圧検出値を検出する直流母線電圧検出器と、前記負荷を駆動中の回生電力により、前記直流母線電圧検出値が設定された過電圧保護レベルを超えないように、前記出力電力値と前記直流母線電圧検出値とから接続すべき制動抵抗の制動抵抗値を算出する演算処理部と、前記制動抵抗値、接続すべき制動装置、電源回生装置及び回生電力量のいずれか１つまたは複数を報知する報知手段と、を備え、前記出力電力値が負になった時点から前記直流母線電圧検出値が前記過電圧保護レベルに達するまでの時間と、前記時間における回生電力量と、前記出力電力値が負になった時点の電圧レベルと、を用いて前記制動抵抗値を算出することを特徴とする。

本発明にかかる半導体電力変換器は、モータ駆動中の回生電力による過電圧を回避する制動抵抗値を推定することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図である。図２は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例であって、制動装置を接続した構成を示す図である。図３は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、出力電流検出器を備える構成を示す図である。図４は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、出力電流検出器及び出力電圧検出器を備える構成を示す図である。図５は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、直流母線電圧検出器及び直流母線電流検出器を備える構成を示す図である。図６は、本発明にかかる半導体電力変換器の運転時の時間に対するパラメータの変化を示す図である。図７は、本発明にかかる半導体電力変換器が有する制御及び演算処理部の動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図である。図１に示す半導体電力変換器（インバータ装置１）の入力端は交流電源２に接続されており、出力端は駆動用モータ６に接続されている。交流電源２としては３相交流電圧を出力する交流電源を例示することができ、駆動用モータ６としては３相交流電圧で駆動されるモータを例示することができる。ただし、本発明はこれらに限定されず、単相であってもよい。

図１に示すインバータ装置１は、コンバータ部３と、平滑コンデンサ４と、インバータ部５と、制御及び演算処理部１６とを備える。コンバータ部３は、交流電源２の交流電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサ４は、コンバータ部３の出力側に接続されており、電圧を平滑化する。インバータ部５は、コンバータ部３が出力した直流電圧を可変電圧及び可変周波数の交流電圧に変換する。制御及び演算処理部１６は、制御部１４及び演算処理部１５を備える。制御部１４は、出力電圧指令値を算出してインバータ部５に出力する。演算処理部１５は、制動抵抗の制動抵抗値を算出する。

図１において、駆動用モータ６からインバータ装置１に回生されると、回生エネルギーは平滑コンデンサ４に蓄積されるため、コンバータ部３とインバータ部５との間を接続する一対の直流母線７，８の電圧（直流母線電圧）が上昇する。ここで、直流母線７，８の電圧が過度に上昇して過電圧となるとインバータ装置１が破損してしまう。そのため、直流母線７，８の電圧がある一定レベル（過電圧保護レベル）以上になると、過電圧保護機能によりインバータ部５の出力を停止し、回生エネルギーを遮断する。具体的には、制御部１４がインバータ部５の出力を停止させるように制御を行う。

なお、図１には示していないが、インバータ装置１は出力電力検出手段及び直流母線電圧検出器を含む。演算処理部１５は、駆動用モータ６を駆動中の回生電力により、インバータ装置１内の直流母線電圧検出値が（設定された）過電圧保護レベルを超えないように、出力電力値及び直流母線電圧検出値から接続すべき制動抵抗の制動抵抗値を算出する。算出した制動抵抗値は、インバータ装置１の報知手段（図示しない）によりユーザに報知される。接続すべき制動抵抗のデータベースは、制御部１４が有するメモリまたは外部接続されたメモリに記憶され、算出された制動抵抗値に基づいて制動抵抗の選択が行われればよい。

なお、報知手段としては、インバータ装置１に備えるモニタ（表示部）またはインバータ装置１の外部に接続されたモニタ（表示装置）を例示することができる。ただし、本発明における報知手段はこのような視覚的手段に限定されず、音声によって報知する聴覚的手段であってもよい。

図２は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例であって、制動装置９を接続した構成を示す図である。制動装置９は、内部に抵抗器等を有し、回生エネルギーを他のエネルギー（例えば熱エネルギー）に変換して消費することで直流母線電圧の上昇を抑制する。図２に示すように、直流母線７，８の間に（回生）制動装置９を並列に接続すると、直流母線電圧の上昇を抑制することができる。また、制動装置９はインバータ１の内部ではなく、インバータ１の外部に接続されていてもよい。なお、制動装置９に代えて、電源回生装置または制動抵抗が設けられていてもよい。制動装置９に代えて、電源回生装置が設けられる場合には、電源回生装置は交流電源２に接続してインバータ１の外部に配すればよい。

図３は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、出力電力検出手段として出力電流検出器を備える構成を示す図である。図３に示すインバータ装置１は、出力端に出力電流検出器１１を備え、出力電圧指令値と、出力電流検出器１１が検出する出力電流検出値との積から出力電力値を算出する。

すなわち、本発明にかかる半導体電力変換器においては、出力電力検出手段は、出力電流検出値を検出する出力電流検出器を含み、出力電力値は、半導体電力変換器の出力電圧指令値及び出力電流検出値から算出されてもよい。

図４は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、出力電力検出手段として出力電流検出器及び出力電圧検出器を備える構成を示す図である。図４に示すインバータ装置１は、出力端に出力電流検出器１１及び出力電圧検出器１０を備え、出力電圧検出器１０が検出する出力電圧検出値と、出力電流検出器１１が検出する出力電流検出値との積から出力電力値を算出する。

すなわち、本発明にかかる半導体電力変換器においては、出力電力検出手段は、出力電圧検出値を検出する出力電圧検出器及び出力電流検出値を検出する出力電流検出器を含み、出力電力値は、半導体電力変換器の出力電圧検出値及び出力電流検出値から算出されてもよい。

なお、ここでは例として３相交流を用いているため、図３，４においてインバータ部５と駆動用モータ６の間は３本の配線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）により接続されており、出力電圧検出器１０及び出力電流検出器１１は、１つまたは複数設けられていればよい。

図５は、本発明にかかる半導体電力変換器の実施の形態の構成の一例を示す図であって、出力電力検出手段として直流母線電圧検出器及び直流母線電流検出器を備える構成を示す図である。図５に示すインバータ装置１は、直流母線７，８に接続された直流母線電圧検出器１２と直流母線７に接続された直流母線電流検出器１３とを備え、直流母線電圧検出器１２が検出する直流母線電圧検出値と、直流母線電流検出器１３が検出する直流母線電流検出値との積から出力電力値が算出される。

すなわち、本発明にかかる半導体電力変換器においては、出力電力検出手段は、直流母線電流検出値を検出する直流母線電流検出器を含み、出力電力値は、半導体電力変換器の直流母線電圧検出値及び直流母線電流検出値から算出されてもよい。

なお、図３〜５に示す形態においても、接続すべき制動抵抗の制動抵抗値の算出には、出力電力値及び直流母線電圧検出値を用いる。算出した制動抵抗値は、インバータ装置１の報知手段（図示しない）によりユーザに報知される。

図６は、本発明にかかる半導体電力変換器の運転時の時間に対するパラメータの変化を示す図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図１に示すインバータ装置１（制動装置９の接続なし）で駆動用モータ６を運転したときの時間に対する運転周波数（Ａ）と、出力電力（Ｂ）と、直流母線電圧（Ｃ）と、回生電力量（Ｄ）とを例示する図である。運転中に駆動用モータ６からインバータ装置１に回生エネルギーが返ってくることで、出力電力が負になっている（ｔ_３，ｔ_７）。出力電力が正である期間（ｔ_１〜ｔ_３，ｔ_５〜ｔ_７）には、直流母線電圧は、コンバータ部３で交流電源２の電圧最大値相当である通常電圧レベルＶ_ｓｔに整流される。出力電力が負である期間（ｔ_３〜ｔ_５，ｔ_７〜ｔ_８）には、回生エネルギーが平滑コンデンサ４に蓄積されるため、直流母線電圧が上昇する。直流母線電圧が過電圧保護レベルＶ_ｏｖ以上になると、過電圧保護機能によりインバータ部５の出力が停止し、出力電力がゼロになり、直流母線電圧の上昇が止まる。

図６（Ｄ）の回生電力量は、出力電力の符号を反転して時間積算したものである。ただし、回生電力量はゼロが下限である。出力電力が負になったときから直流母線電圧が過電圧保護レベルＶ_ｏｖに達するまでの時間（ｔ_３〜ｔ_８）を許容時間Ｔ_ｐｅｒとし、このときの回生電力量を許容回生電力量Ｑ_ｐｅｒとする。

図７は、本発明にかかる半導体電力変換器が有する制御及び演算処理部１６の動作を示すフローチャートである。まず、ユーザが過電圧保護レベルＶ_ｏｖを入力して設定する（ステップＳ０）と、制御及び演算処理部１６は、入力設定された過電圧保護レベルＶ_ｏｖをインバータ装置１内のメモリ（図示しない）に格納する（ステップＳ１）。なお、ここで、メモリはインバータ装置１内のものに限定されず、外部メモリであってもよい。

次に、制御及び演算処理部１６は、出力電力の演算を開始し（ステップＳ２）、出力電力が負であるか否かを判定し（ステップＳ３）、出力電力が負でない場合（ステップＳ３においてＮｏに分岐する場合）には出力電力が負になるまで判定を続ける。換言すると、出力電力が負になるまで待機する（ステップＳ３）。出力電力が負になると（ステップＳ３においてＹｅｓに分岐すると）、制御及び演算処理部１６は、出力電力が負になったときの通常電圧レベルＶ_ｓｔをメモリに格納する（ステップＳ４）。

次に、制御及び演算処理部１６は、回生電力量の算出と、許容時間Ｔ_ｐｅｒの計測と、を開始し（ステップＳ５）、回生電力量が正であるか否かの判定を行う（ステップＳ６）。回生電力量が正でない場合（ステップＳ６においてＮｏに分岐する場合）にはステップＳ３に戻り、出力電力が負であるか否かを判定する（ステップＳ３）。換言すると、出力電力値が負になるまで待機する。回生電力量が正になると（ステップＳ６においてＹｅｓに分岐すると）、制御及び演算処理部１６は、直流母線電圧検出値がメモリに格納されている過電圧保護レベルＶ_ｏｖ以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ７）。直流母線電圧検出値がメモリに格納されている過電圧保護レベルＶ_ｏｖ以上でない場合（ステップＳ７においてＮｏに分岐する場合）にはステップＳ６に戻り、回生電力量が正であるか否かを判定する（ステップＳ６）。

直流母線電圧検出値がメモリに格納されている過電圧保護レベルＶ_ｏｖ以上である場合（ステップＳ７においてＹｅｓに分岐する場合）には、許容時間Ｔ_ｐｅｒと許容回生電力量Ｑ_ｐｅｒとをメモリに格納し（ステップＳ８）、直流母線電圧検出値が過電圧保護レベルＶ_ｏｖを超えないようにするために必要な最大の制動抵抗値Ｒ_ｂｒを下記の式（１）で算出し、メモリに格納する（ステップＳ９）。

次に、制動抵抗値Ｒ_ｂｒから対応可能な制動装置または電源回生装置を選定してメモリに格納する（ステップＳ１０）。

そして、インバータ装置１に必要な最大の制動抵抗値Ｒ_ｂｒ、接続すべき制動装置若しくは電源回生装置または許容回生電力量Ｑ_ｐｅｒをインバータ装置１に備えるモニタ（表示部）、またはインバータ装置１の外部に接続されたモニタ（表示装置）に表示する（ステップＳ１１）。なお、ここで表示する情報は、必要な最大の制動抵抗値Ｒ_ｂｒ、接続すべき制動装置及び電源回生装置並びに許容回生電力量Ｑ_ｐｅｒのうちいずれか１つまたは複数であってもよい。また、表示する形態に限定されず、他の報知手段が用いられていてもよい。

以上説明したように、必要な最大の制動抵抗値Ｒ_ｂｒ、接続すべき制動装置、電源回生装置、許容回生電力量Ｑ_ｐｅｒをユーザに報知することが可能であるため、制動装置や電源回生装置の選定を容易に行うことができる。

以上のように、本発明にかかる半導体電力変換器は、回生電力が大きいモータに有用である。

１インバータ装置、２交流電源、３コンバータ部、４平滑コンデンサ、５インバータ部、６駆動用モータ、７，８直流母線、９制動装置、１０出力電圧検出器、１１出力電流検出器、１２直流母線電圧検出器、１３直流母線電流検出器、１４制御部、１５演算処理部、１６制御及び演算処理部。

Claims

回生電力を生じる負荷と交流電源の間に配される半導体電力変換器において、
出力電力値を検出する出力電力検出手段と、
直流母線電圧検出値を検出する直流母線電圧検出器と、
前記負荷を駆動中の回生電力により、前記直流母線電圧検出値が設定された過電圧保護レベルを超えないように、前記出力電力値と前記直流母線電圧検出値とから接続すべき制動抵抗の制動抵抗値を算出する演算処理部と、
前記制動抵抗値、接続すべき制動装置、電源回生装置及び回生電力量のいずれか１つまたは複数を報知する報知手段と、を備え、
前記出力電力値が負になった時点から前記直流母線電圧検出値が前記過電圧保護レベルに達するまでの時間と、前記時間における回生電力量と、前記出力電力値が負になった時点の電圧レベルと、を用いて前記制動抵抗値を算出することを特徴とする半導体電力変換器。
前記制動抵抗値は、前記過電圧保護レベルをＶ _ｏｖとし、前記直流母線電圧検出値が前記過電圧保護レベルに達するまでの前記時間をＴ _ｐｅｒとし、前記時間における回生電力量をＱ _ｐｅｒとし、前記出力電力値が負になった時点の電圧レベルＶ _ｓｔとすると、下記の式（１）により算出されることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記出力電力検出手段は、出力電流検出値を検出する出力電流検出器を含み、
前記出力電力値は、前記半導体電力変換器の出力電圧指令値及び前記出力電流検出値から算出されることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記出力電力検出手段は、出力電圧検出値を検出する出力電圧検出器及び出力電流検出値を検出する出力電流検出器を含み、
前記出力電力値は、前記半導体電力変換器の前記出力電圧検出値及び前記出力電流検出値から算出されることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記出力電力検出手段は、直流母線電流検出値を検出する直流母線電流検出器を含み、
前記出力電力値は、前記半導体電力変換器の前記直流母線電圧検出値及び前記直流母線電流検出値から算出されることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記過電圧保護レベルは、設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記報知手段が報知する情報を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体電力変換器。
前記報知手段は、報知する情報を外部の表示装置に表示することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体電力変換器。