JP5930934B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００７−２４４００９号公報（特許文献１）がある。この公報には、「マスターユニットは、速度制御部１から電流制御指令をユニット２Ａに出力およびユニット２Ｂに伝送し、ＰＷＭキャリアの同期基準信号をスレーブユニット２Ｂに伝送する。スレーブユニットは、ＰＬＬ発振回路２０で受信した同期基準信号と自ユニットの同期基準信号との位相比較でマスターユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させ、位相補正回路２１でＰＷＭキャリア信号を同期基準信号の伝送遅れ時間だけ位相を進める。スレーブユニットは、他のユニットのＰＷＭキャリア信号とは、インバータとモータ巻線までの配線によりスイッチング電圧が振動する周波数の１８０°分だけ相互にずらす。」と記載されている（要約参照）。

特開２００７−２４４００９号公報

前記特許文献１では、マスタースレーブ構成にて上位装置不要とした並列運転方法が提供されている。マスタースレーブ間の信号同期についてはＰＬＬ発振回路を利用して伝送遅れ時間を補正しているが、この場合、スレーブ側に伝送遅れ時間を補正する処理が必要となり回路が複雑となる。また、補正のために伝送遅れ時間を把握する必要がある。さらに、スレーブ機の運転はマスター機からの信号に依存する為、マスター機が故障した場合には、スレーブユニットが正常であってもシステム全体が停止となる。また、マスター機とスレーブ機が異なるため、予備機や交換要領といったシステム保守上の検討もそれぞれで必要となる。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

直流部分と、前記直流部分に蓄えられる直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する変換器と、前記変換部により変換した交流電力を電源に回生する回生部と、装置外部の信号または装置内部の運転判定処理から出力される信号を選択できる運転指令選択部と、を備え、前記装置内部の運転判定処理は前記運転指令選択とは独立に実施され、その処理出力信号を外部へ出力することが可能である電力変換装置である。

本発明によれば、並列運転を構成する全ユニットのハードおよび処理動作を等価なものとできるという効果を奏する。

実施例１、２における１２０度通電型回生コンバータとモータ制御インバータの構成例。 実施例１における並列運転の構成例。 実施例１における交流電源波形と電源位相とゲートパルスの関係の例 実施例１における内部運転判定処理の詳細の例 実施例１における並列運転のための制御信号配線の構成例 実施例２における並列運転のための制御信号配線の構成例

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、１２０度通電型回生コンバータでの例を説明する。

図１は、誘導電動機と本１２０度通電型回生コンバータ１００(以下、回生コンバータ)の単機運転の構成例である。

また、図２は同回生コンバータの並列運転の構成例である。

まず、図１にて本回生コンバータの制御方法を説明する。本回生コンバータ１００はリアクトル１０２を介して三相交流電源1と接続される。また、主回路直流部１０５はモータ２を制御するモータ制御用インバータ３の直流部と接続される。負荷の状態によってモータより回生される電力はモータ制御用インバータから逆流防止ダイオード１０７を通して回生コンバータの直流電圧部１０５に入力される。

電源の位相は主回路１０１に設けた位相検出用トランス１０３の信号を制御回路部１１０にあるＰＬＬ(位相同期回路)処理１１１に入力して得られる。尚、このＰＬＬ処理への入力は位相検出用トランスでなくても例えば抵抗分圧した電圧情報や、交流波形から作られたパルス状の位相信号でも構わない。

ゲートパルス波形生成処理１１２部分では、上記で得られた電源の位相を入力として、主回路素子１０４を駆動する為の６つのゲートパルスを作成する。この位相とゲートパルスとの関係例を図３に示す。ここで、Ｔは電源の周期を示す。ここでは、交流電圧として線間電圧実効値が２００Ｖのもので相順が順相のものを示しているが、電圧や相順は任意である。また、電源位相はＲ相のピークを０度と定めているが、任意の位相を０度と定めることが出来る。また、本図では１２０度通電型の連続パルスであるが、電流制御等の目的で上記形状から変えることも可能である。

上記、ゲートパルス信号にて実際に主回路素子が駆動されるのは、ゲートブロック解除信号１１９が与えられた時となる。本条件は運転が可能であって、かつ、運転指令が存在する場合に成立する。本実施例ではＡＮＤ回路１１３を使用し、本処理へ運転可能であることを示す信号である運転可能条件と、運転指令を入力することで本条件の信号を出力として得ている。

運転可能条件はユニット内部の状態を考慮し運転が可能かどうかを判断するものとなる。本実施例では、運転可能判定処理１１８が運転可能条件を出力する。ここで、考慮すべきユニット内部の状態とは、例えば、ＰＬＬの周波数同期状態や各種検出器のオフセット処理状態、各種初期化処理の状態、各種の異常発生状況などとなる。
一方、運転指令はユニット内部の状態とは別に運転が必要、あるいは、望まれる場合に成立する信号である。本実施例では、この運転指令をユニットの内部運転判定処理１１７の出力とするか、或いは、ユニット外部からの信号とするかを運転指令選択１１４によって選択可能とする。

運転指令選択として外部が選択された場合、端子入力処理１１５を通して外部運転指令入力端子の情報が取り込まれる。ここで端子入力処理は入力に関係する電気回路上のフィルタや絶縁回路、ソフトウェア上のポート処理などを含んだものである。

また、内部運転判定処理は運転が必要とされる状況を自ユニット内の処理にて判断する部分である。本実施例では、図４に示すように直流電圧によって運転と停止を判定している。具体的にはヒステリシスを持たせた運転の開始と停止電圧の閾値を定めておき、直流電圧とこの閾値との関係にて運転と停止を判定する。結果、モータからの回生電力が発生した場合、主回路直流部の電圧が上昇するので、運転へと遷移することとなる。尚、本実施例とは異なる判定方法も考えられる。例えば、主回路直流部へ入力される電力が測定可能な場合には、入力電力が閾値を超えた場合に運転開始とし、入力電力が閾値を下回る場合に停止とするといった方法がある。

この内部運転判定処理は運転指令選択とは独立に処理を実行可能とした上で、本処理の出力信号をユニット外部へ出力可能としておく。この信号は端子出力処理１１６を通して、内部運転判定出力端子１２１へ伝達される。ここで端子出力処理は出力に関係する電気回路上のフィルタや絶縁回路、ソフトウェア上のポート処理を含んだものである。

これら制御回路１１０に含まれる処理部分は一部または全てを電気回路で実装してもよいしマイクロコンピュータとプログラムで実装してもよい。

次に、単機運転の方法を述べる。単機運転の接続例として図１を用いる。単機で運転を行なう場合は、運転指令選択として内部運転判定処理を選択する。この場合、外部からの信号に依らずユニット単体での運転が可能である。

次に、複数台による並列運転を行なう場合を述べる。接続例として図２を用いる。ここでは、一台のモータ制御用インバータの直流部に複数の回生コンバータが並列に接続されている。この回生コンバータの詳細は、運転指令選択の他は図１の回生コンバータと同一となり、本図より省略されている。

複数台による並列運転の際、運転を同期させず各ユニットそれぞれの内部運転判定処理の出力を運転指令選択として利用した場合（運転指令選択を内部とした場合）、全てのユニットで図４に示されるような内部運転判定処理を行なった場合でも、ユニット間で直流電圧検出の誤差があり、ユニット間の運転判定の時間差が発生する。よって、各ユニットで個別に運転／停止を判定するのは信号遅延と同様の不都合を発生し、運転／停止の同期が望ましい。

そこで、本実施例では運転指令選択として外部を選択し同一の信号を入力することで本目的を達成する。図２の例では、一番下の回生コンバータの内部運転判定出力を任意に選択し、同端子出力の信号を全ユニットの外部運転指令入力端子へ並列に入力する。このような接続とすることで、一台の内部判定処理の出力が、全ユニットの外部運転指令入力端子へ入力される。特に、伝送路については、選択されたユニットも含め同一となっている。

図２に示すように、並列運転時はユニット外部との信号の送受信が必要となる。ところで、産業用に量産される電力変換機の多くは多様なアプリケーションに対応するために、ソフトウェア設定等でカスタマイズ可能な汎用的な入出力回路を備えている。この汎用入出力がそのまま、或いは、軽微な改造にて使用できれば、実績と信頼性のある回路を採用でき、さらに、回路や部品の共有化によって開発コストや製造原価の削減が可能となる。

図５は上記で述べる汎用の入出力回路によって図２で示す並列運転のための制御信号配線を実際に構成した例である。図２における各回生コンバータへの配線の例を示している。
ここで、OTPとOTNは内部運転判定出力を出力する為の端子となる。INPとINNは外部運転指令入力を入力する為の端子となる。これらの端子はフォトカプラによって絶縁されている。フォトカプラの前後の論理については、反転して回路を構成することも可能である。

また、産業用に量産される電力変換機の多くは汎用の入出力回路と同様に直流電圧源を備えている。図５では２４Ｖの直流電圧源を持つ例を示している。Ｐ２４とＣＭ１はこの２４Ｖ電源のそれぞれ正極とグランドとなる。

図５では一番下に位置する任意に選ばれた回生コンバータの内部運転判定出力を全ユニットの外部運転指令へ入力している。この時、フォトカプラを駆動する為の電源が必要となるが、該回生コンバータの内部運転判定出力を利用している。選ばれた回生コンバータの内部運転判定出力によってOTP-OTN間のフォトカプラが駆動される。これによって全ユニットのINP-INN間のフォトカプラが駆動され、外部運転指令入力が為される。これは、任意に選ばれたユニットを含め同時刻となっている。

一般的に、汎用入出力回路はノイズ耐量の向上や絶縁のため、フォトカプラ等が外部の回路との間に挿入されている。このフォトカプラの遅れは例えば１００マイクロ秒といったものとなる。よって、並列運転時における、内部運転判定処理から伝送路の遅れは端子出力処理と端子入力処理のそれぞれでフォトカプラを経由することから、例えば２００マイクロ秒といったものとなる。

回生コンバータの運転において、上記に述べた信号遅延がユニット間に発生した場合、先に運転を開始したユニットによる回生電力が、後に運転を開始したユニットによる回生電力を上回る場合がある。この結果、電流アンバランスがユニット間で発生する。この電流アンバランスは回路上の直流電圧、交流電圧、リアクトルのインダクタンスにも依存するが、定格電流に匹敵するものとなる可能性がある。結果として、システムの安定な稼働に支障をきたす。或いは、発生するアンバランスを小さくするため、リアクトルのインダクタンスの調整等が必要となる。

本実施例では、図２に示す通り全ユニットの伝送経路を等しくしている為に、上記のような伝送速度の遅いフォトカプラを経路にもつ場合でも、ユニット間での信号遅延を最小限に抑えることが可能となる。

実施例２では、どのユニットが故障しても残りのユニットでの運転が可能な並列運転の構成例を示す。

図６は本実施例における制御信号配線の例である。実施例１の図５の配線例と比較すると、全てのユニットの内部運転判定出力が利用されており、並列で外部運転指令入力に入力されている。また、実施例１の図５では２４Ｖ電源を特定のユニットの内部電源に依存していたが、ここでは外部に安定した安定電源１３０を設けている。この直流２４Ｖの安定電源は、前実施例と同様に必ずしも直流２４Ｖである必要はない。また、この安定電源は電源を三相交流としているが、入力電圧や入力相数は任意でよい。

この場合、外部運転指令入力はいずれかのユニットの内部運転判定出力が運転と判断した場合となる。いずれユニットが故障等で仕様不可となった場合でも、ＯＴＰとＯＴＮが短絡される等共通回路部分に影響するような故障モードでなければ、残りのユニットにて同じ処理が継続可能となっている。

これまで述べてきたとおり、実施例１および実施例２に示した発明により、マスター／スレーブといった機能的な違いを無くし、並列運転を構成する全ユニットのハードおよび処理動作を等価なものとできる。同期が望まれる信号についても、信号源から実際の信号処理部分までの伝送経路が等しくなり、伝送速度を特段に考慮しない廉価な伝送回路であっても、各ユニット間の信号遅延が短縮される。さらに、構成される任意のユニットに故障が発生しても正常なユニットのみで運転が可能なシステムが容易に構築できる。また、並列運転を構成する全ユニットが同じであるため、システムの保守や維持管理でも好都合となる。さらに、単機運転と複数台運転を簡単に設定可能なため、システムの拡張が容易となる。

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、処理手段等は、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、上記の各構成、機能等は、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。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 三相交流電源
２ 誘導電動機
３ モータ制御インバータ
１００ １２０度通電型回生コンバータ
１０１ 主回路部
１０２ 交流リアクトル
１０３ 位相検出用トランス
１０４ 主回路素子
１０５ 主回路直流部
１０６ 電圧検出部
１０７ 逆流防止ダイオード
１１０ 制御回路部
１１１ ＰＬＬ回路
１１２ ゲートパルス生成回路
１１３ ＡＮＤ回路
１１４ 運転指令選択
１１５ 端子入力処理
１１６ 端子出力処理
１１７ 内部運転判定処理
１１８ 運転可能判定処理
１１９ ゲートブロック解除信号
１２０ 外部運転指令入力端子
１２１ 内部運転指令出力端子
１３０ 安定電源

Claims (3)

1. 直流部と、
   前記直流部に蓄えられる直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する変換部と、
   前記直流部に並列に接続され、前記変換部により変換した交流電力を電源に回生する複数の回生部と、を備え、
   前記複数の回生部それぞれは、装置外部の信号または装置内部の運転判定処理から出力される信号を選択できる運転指令選択部を備え、
   前記複数の回生部が運転を行う際、前記複数の回生部それぞれの前記運転指令選択部は、運転指令選択として前記装置外部の信号を選択し、
   任意に選択された回生部は、前記装置内部の運転判定処理の信号を外部に出力し、
   前記出力された装置内部の運転判定処理の信号を、前記任意に選択された回生部を含む前記複数の回生部に入力することにより、前記複数の回生部を運転可能と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、
   運転指令選択として、前記装置内部の運転判定処理から出力される信号を選択することで単機運転が可能な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、
   前記装置内部の運転判定処理の信号を入出力するための端子は、フォトカプラによって絶縁されていることを特徴とする電力変換装置。

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