JP5948219B2 - 電力変換装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に電力を供給する電力変換装置の制御装置に関する。

一般に、オゾン発生装置は、オゾンを発生させるためにキャパシタンスを有している。また、オゾン発生装置に電力を供給するために電力変換装置が用いられる。例えば、インバータの出力無効電力が最小となるように電圧形インバータの出力周波数を調整することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、投入電力を変化させた場合でも常に安定に動作させるためのプラズマ発生用電源装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、オゾン発生器のガラス電極管が破損して短絡した場合に、高速に短絡を検出して電源を停止させる構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特許第３５４０２２７号公報 特許第４１０８１０８号公報 特開２０１０−１５９１７８号公報

しかしながら、キャパシタンスを有する負荷（例えば、オゾン発生装置）を保護するために、短絡などの故障を検出するための機器を負荷に設けると、負荷の大型化又は製造コストの増加を招く。

そこで、本発明の目的は、負荷で故障を検出しなくても、負荷を故障から保護することのできる電力変換装置の制御装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置の制御装置は、キャパシタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置の制御装置であって、前記負荷のキャパシタンスとインダクタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換装置の動作周波数を制御する動作周波数制御手段と、前記動作周波数制御手段により制御された前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限する保護制御手段とを備える。

本発明によれば、負荷で故障を検出しなくても、負荷を故障から保護することのできる電力変換装置の制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。 本実施形態に係るインバータの動作周波数と出力電流との関係を示す特性図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力変換装置１は、交流電源３から供給される交流電力を電力変換して、オゾン発生装置２に電源として電力を供給する。

オゾン発生装置２は、無声放電を利用した装置である。オゾン発生装置２は、無声放電のためのキャパシタンスＣｔを有する。オゾン発生装置２は、複数のガラス管電極及び複数のヒューズを含む回路を備える。ガラス管電極は、並列に接続されている。ヒューズは、ガラス管電極にそれぞれ設けられている。

オゾン発生装置２に有するキャパシタンスＣｔについて説明する。

キャパシタンスＣｔは、オゾン発生装置２の総和のキャパシタンスを表している。キャパシタンスＣｔは、ガラス管電極のキャパシタンス及び回路構成により生じる空間に有するキャパシタンスなどのオゾン発生装置２に有する総和のキャパシタンスである。キャパシタンスＣｔは、様々な要因で変化する。例えば、キャパシタンスＣｔは、オゾン発生装置２が放電している（オゾンを発生させている）場合と、放電していない（オゾンを発生させていない）場合とで異なる。また、放電量（オゾン発生量）が変化すると、キャパシタンスＣｔは、変化する。また、ヒューズの溶断又ガラス管電極の短絡などの故障が生じた場合にも、キャパシタンスＣｔは、変化する。

電力変換装置１は、コンバータ１１、コンデンサ１２、インバータ１３、昇圧変圧器１４、インバータ制御装置１５、電圧検出器１６、電流検出器１７、及びリアクトル１８を備える。

コンバータ１１の交流側は、交流電源３に接続されている。コンバータ１１は、交流電源３から供給される交流電力をコンバータ回路により直流電力に変換して、インバータ１３に供給する。

コンデンサ１２は、コンバータ１１とインバータ１３との直流側同士を接続する配線に設けられている。

インバータ１３の直流側は、コンバータ１１の直流側に接続されている。インバータ１３は、コンバータ１１から供給された直流電力をインバータ回路によりオゾン発生装置２に供給するための交流電力に変換する。インバータ１３は、昇圧変圧器１４及びリアクトル１８を介して、インバータ回路により変換した交流電力をオゾン発生装置２に供給する。

昇圧変圧器１４は、インバータ１３から出力された交流電圧を昇圧する。

リアクトル１８は、オゾン発生装置２のキャパシタンスＣｔと共振回路を形成するためのインダクタンスを有する素子である。なお、共振回路は、昇圧変圧器１４のインダクタンスなどの他のインダクタンスも影響するが、ここでは、説明の便宜上、リアクトル１８以外のインダクタンスは無視するものとする。

電圧検出器１６は、インバータ１３の出力電圧Ｖｉを検出する。電圧検出器１６は、検出した出力電圧Ｖｉをインバータ制御装置１５に出力する。

電流検出器１７は、インバータ１３の出力電流Ｉｉを検出する。電流検出器１７は、検出した出力電流Ｉｉをインバータ制御装置１５に出力する。

インバータ制御装置１５は、上位制御系から受信する電力指令値Ｐｒ、電圧検出器１６により検出された出力電圧Ｖｉ、及び電流検出器１７により検出された出力電流Ｉｉに基づいて、インバータ１３の出力電圧および動作周波数を制御する。また、インバータ制御装置１５は、オゾン発生装置２を保護するために、インバータ１３を制御する。インバータ制御装置１５は、ゲート信号を出力してインバータ１３を構成するスイッチング素子を駆動する。これにより、インバータ制御装置１５は、インバータ１３を制御する。

次に、インバータ制御装置１５の動作について具体的に説明する。

インバータ制御装置１５は、インバータ１３から出力される無効電力が最小（力率が１）になるように、インバータ１３の動作周波数を制御する。このように制御された動作周波数は、リアクトル１８のインダクタンスとオゾン発生装置２のキャパシタンスＣｔで形成される共振回路の共振周波数に近い周波数になる。これにより、共振回路が共振することで、インバータ１３から出力される電力の力率が向上する。インバータ１３から出力された交流電圧は、オゾン発生装置２のガラス管電極などから構成される回路に印加される。オゾン発生装置２は、交流電圧が印加された回路が放電することで、オゾンを発生させる。

また、インバータ制御装置１５は、電力指令値Ｐｒに基づいて、インバータ１３から出力される電圧の振幅を制御する。例えば、電力指令値Ｐｒは、上位制御系により、オゾン発生装置２の現在のオゾン発生量に基づいて決定される。このように電力指令値Ｐｒが決定されることで、インバータ制御装置１５は、オゾン発生装置２のオゾン発生量に基づいて、インバータ１３をフィードバック制御する。また、インバータ１３の出力電流をリミッタに従って抑制させる場合も、インバータ制御装置１５は、インバータ１３の出力電圧の振幅を制御する。

図２を参照して、オゾン発生装置２を保護するためのインバータ制御装置１５の動作について説明する。

図２は、インバータ１３の動作周波数と出力電流Ｉｉとの関係を示す特性図である。曲線Ｇ１は、正常時の電流・周波数特性を示している。曲線Ｇ２は、故障時（オゾン発生装置２のヒューズ溶断時）の電流・周波数特性を示している。折れ線Ｌ１は、インバータ１３の出力電流Ｉｉのリミット値を示している。

インバータ１３は、通常運転モード、出力電流抑制モード、運転停止モードの３つの運転モードで動作する。

まず、インバータ１３の動作周波数とオゾン発生装置２の故障との関係について説明する。

オゾン発生装置２のガラス管電極が短絡してヒューズが溶断した場合、オゾン発生装置２のキャパシタンスＣｔは減少する。これにより、共振周波数は増加する。共振周波数が増加すると、インバータ制御装置１５の制御により、インバータ１３の動作周波数も増加する。従って、オゾン発生装置２が正常であれば、動作周波数は、予め想定される周波数および電流以下で変化するが、オゾン発生装置２が故障した場合、予め想定される周波数および電流を超えることがある。

通常運転モードでは、図２の折れ線Ｌ１の運転範囲内で、インバータ１３は制御される。即ち、オゾン発生装置２が正常である場合、インバータ１３は、出力電流を抑制することなく、上位制御系による電力指令値Ｐｒに従って、通常運転する。

出力電流抑制モードは、オゾン発生装置２で故障が発生していると推定されるときの運転モードであり、図２の折れ線Ｌ１に沿ってインバータ１３は制御される。出力電流抑制モードでは、インバータ制御装置１５は、動作周波数が周波数ｆａを超えた度合いに応じてリミット値を決定する。即ち、動作周波数が高くなるほど、出力電流Ｉｉのリミット値は低くする。また、インバータ１３の動作周波数が周波数ｆａ以下のときは、インバータ制御装置１５は、リミット電流値Ｉａ以下になるように、出力電流Ｉｉを制限する。リミット電流値Ｉａは、オゾン発生装置２が正常であれば、出力電流Ｉｉが超えることのない電流値に設定される。リミット電流値Ｉａは、例えば、インバータ１３又はその他の機器の最大容量などに基づいて決定される。このように、インバータ制御装置１５は、決定された折れ線Ｌ１で示すリミット値以下になるように、出力電流Ｉｉを制限する。

ここで、オゾン発生装置２の内部で、ガラス管電極に設けられたヒューズが溶断した場合について説明する。

複数のガラス管電極が並列に接続されている場合、ガラス管電極に設けられたヒューズが溶断すると、健全なガラス管電極１本あたりに流れる電流が上昇する。従って、インバータ１３の出力電流Ｉｉが一定の場合、１本のヒューズが溶断すると、他のヒューズが連鎖的に溶断する可能性がある。

一方、溶断したヒューズの本数に従って、オゾン発生装置２のキャパシタンスＣｔは減少し、インバータ１３の動作周波数も変化(上昇)する。従って、出力電流抑制モードでは、動作周波数の変化の度合いに応じて、オゾン発生装置２での故障状態（ヒューズ溶断状況）を推定し、出力電流Ｉｉのリミット値を下げることで、ガラス管電極の故障又はヒューズの溶断の連鎖的な発生を防止する。

運転停止モードは、インバータ１３の動作周波数が周波数ｆｂを超えたときの運転モードである。動作周波数が周波数ｆｂを超える場合は、オゾン発生装置２で運転継続が困難な故障が発生していることが推定される。従って、インバータ制御装置１５は、周波数ｆｂを超えた場合は、インバータ１３をゲートブロックして非常停止する。

ここで、オゾン発生装置２のヒューズが溶断し、インバータ１３の運転点が、運転点Ｐ１から運転点Ｐ２に移った場合のインバータ制御装置１５の動作について説明する。

運転点Ｐ１から運転点Ｐ２に移ることで、インバータ制御装置１５は、通常運転モードから出力電流抑制モードに移行する。厳密には、運転点Ｐ２に移る過程でリミット値を示す折れ線Ｌ１と交差し、出力電流抑制モードに移行する。運転点Ｐ２は、リミット値を示す折れ線Ｌ１を超えた位置にある。このため、インバータ制御装置１５は、リミット値を超えないように出力電圧および動作周波数を変更する。これにより、インバータ１３は、運転点Ｐ３で運転をする。

本実施形態によれば、オゾン発生装置２で故障を検出しなくても、インバータ１３の動作周波数からオゾン発生装置２の状態を推定することで、オゾン発生装置２を故障から保護することができる。

また、インバータ１３の動作周波数に応じて出力電流Ｉｉのリミット値を変化させる出力電流抑制モードを設けることで、オゾン発生装置２の運転継続性を高めることができる。

さらに、インバータ１３の動作周波数が周波数ｆｂを超えると、インバータ１３を停止させることで、オゾン発生装置２の重大な故障を防止することができる。

なお、本実施形態では、出力電流抑制モードを設けたが、出力電流抑制モードを設けずに、インバータ１３の運転範囲が折れ線Ｌ１を超える場合に、インバータ１３を停止させてもよい。

また、本実施形態では、交流電源３及びコンバータ１１により、インバータ１３に直流電力を供給する構成としたが、インバータ１３には、どのように直流電力を供給してもよい。

さらに、本実施形態では、オゾン発生装置２のキャパシタンスＣｔと共振回路を形成するためのインダクタンスをリアクトル１８に持たせたが、電力変換装置１にインダクタンスを有する要素があれば、どのような構成にしてもよい。インダクタンスを有する要素は、リアクトル１８に限らず、変圧器を用いてもよいし、その他どのように構成で、インダクタンスを持たせてもよい。

また、本実施形態において、インバータ制御装置１５における無効電力を最小（力率を１）にする制御は、どのようにしてもよいし、無効電力の求め方も、どのように求めてもよい。例えば、インバータ１３の出力電圧Ｖｉを主回路から検出する代わりに、インバータ１３を駆動するゲート信号からインバータ１３の出力電圧Ｖｉを模擬的に求めてもよい。このように模擬的に求めた出力電圧Ｖｉの９０度遅れの電圧と、検出した出力電流Ｉｉとを乗算することにより、無効電力を求めることができる。また、有効電力についても、無効電力と同様にどのように求めてもよい。

さらに、本実施形態では、負荷のキャパシタンスＣｔが変化する場合の電力変換装置１の構成について説明したが、電力変換装置が共振型変換器であれば、これに限らない。例えば、負荷のインダクタンスが変化する場合の共振型の電力変換装置も、電力変換装置に負荷のインダクタンスと共振させるようなキャパシタンスを設け、負荷のインダクタンスとこのキャパシタンスが共振するように制御することで、実施形態と同様の電力変換装置を構成することができる。従って、負荷のインダクタンスが変化する場合の共振型の電力変換装置も、動作周波数に基づいて、負荷を保護するように制御することで、実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電力変換装置、２…オゾン発生装置、３…交流電源、１１…コンバータ、１２…コンデンサ、１３…インバータ、１４…昇圧変圧器、１５…インバータ制御装置、１６…電圧検出器、１７…電流検出器、１８…リアクトル。

Claims (9)

1. キャパシタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置の制御装置であって、
   前記負荷のキャパシタンスとインダクタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換装置の動作周波数を制御する動作周波数制御手段と、
   前記動作周波数制御手段により制御された前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限する保護制御手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
2. インダクタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置の制御装置であって、
   前記負荷のインダクタンスとキャパシタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換装置の動作周波数を制御する動作周波数制御手段と、
   前記動作周波数制御手段により制御された前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限する保護制御手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
3. 前記保護制御手段は、前記動作周波数が第２の周波数を超えると、前記電力変換装置を停止させること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置の制御装置。
4. キャパシタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置であって、
   電力変換回路と、
   インダクタンスを有するインダクタンス要素と、
   前記負荷のキャパシタンスと前記インダクタンス要素のインダクタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換回路の動作周波数を制御する動作周波数制御手段と、
   前記動作周波数制御手段により制御された前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限する保護制御手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
5. インダクタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置であって、
   電力変換回路と、
   キャパシタンスを有するキャパシタンス要素と、
   前記負荷のインダクタンスと前記キャパシタンス要素のキャパシタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換回路の動作周波数を制御する動作周波数制御手段と、
   前記動作周波数制御手段により制御された前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限する保護制御手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 前記保護制御手段は、前記動作周波数が第２の周波数を超えると、前記電力変換回路を停止させること
   を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電力変換装置。
7. キャパシタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置の制御方法であって、
   前記負荷のキャパシタンスとインダクタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換装置の動作周波数を制御し、
   制御した前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
8. インダクタンスが変化する負荷に交流電力を供給する電力変換装置の制御方法であって、
   前記負荷のインダクタンスとキャパシタンスで形成される共振回路が共振するように、前記電力変換装置の動作周波数を制御し、
   制御した前記動作周波数が第１の周波数を超えた度合いに応じて、前記電力変換装置の出力電流を制限すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
9. 前記負荷を保護するための前記制御は、前記動作周波数が第２の周波数を超えると、前記電力変換装置を停止させること
   を特徴とする請求項７又は請求項８に記載の電力変換装置の制御方法。

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