JP6076587B2 - 電力変換システム - 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、特開平１１−１０３５８９号公報（特許文献１）がある。
この公報には、「電力変換装置を用いて直流電動機の運転制御を行う冷蔵庫において、直流電動機の減磁電流保護値を、直流電動機の置かれた温度条件毎に設定する冷蔵庫の運転制御装置を提供する。冷蔵庫箱体と、直流電動機と、電力変換装置と、電力変換装置を構成する電力変換装置回路と、電流検出回路と、間接式減磁電流設定回路と、比較回路と、制御回路と、インターフェイスとを備えた冷蔵庫の運転制御装置であり、直流電動機の減磁電流保護に温度特性を持たせ、減磁電流保護値が温度条件毎に無段階に変化できる。」と記載されている。

特開平１１−１０３５８９号公報

直流電動機の減磁電流値は永久磁石の温度によって変化する特性がある。前記特許文献１では、直流電動機の減磁電流保護設定値を、冷蔵庫の置かれる温度条件によって無段階に設定でき、温度特性を持った減磁電流保護ができる。また、圧縮機の吐出部分に取付けた吐出温度センサと、前記吐出温度センサにより検出した吐出温度を制御回路に入力する吐出温度検出回路と、前記吐出温度検出回路により得た温度毎に減磁電流保護値を設定できる直接式減磁電流設定回路とを備えるため、直流電動機の温度に近い状態の温度検出ができ、安価に精度良く、直流電動機の減磁電流の温度特性に合わせた減磁電流保護値を設定でき、直流電動機の使用可能範囲を温度別に最大にできる。

しかし、特許文献１の電力変換装置では適用する直流電動機が決まっている場合であり、1つの電力変換装置で任意の直流電動機を運転制御する場合が考慮されていない。このような電力変換装置では、例えば、適用する直流電動機を温度特性の異なる直流電動機に変える場合、減磁電流値および減磁電流値の温度特性が変わるため、直流電動機に合わせて電力変換装置の過電流保護値およびその特性を変更する必要がある。
また、制御する直流電動機の温度特性情報が得られない場合、または磁石温度を検出できない場合には、直流電動機が減磁してしまう場合がある。

本発明の目的は、任意の交流電動機を制御する場合でも、適用する交流電動機の特性および得られる特性情報に応じた減磁保護を行うことを可能とする電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば、電源から供給される電力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサからの直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器とを備え、当該変換した所望周波数の交流電力を交流電動機に供給する電力変換装置において、前記逆変換器の動作を停止させる保護回路と、三相交流電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器による検出値と、前記保護回路を動作させるために予め設定した基準値と、前記検出値と前記基準値とを比較する比較器とを有し、前記比較器の出力によって前記保護回路を動作させ、前記基準値を外部から変更可能とする構成をとる。

本発明によれば、１つの電力変換装置で任意の交流電動機の運転制御を行う場合でも、交流電動機の特性を電力変換装置に設定することで、交流電動機の減磁保護を行うことができる。

実施例１の電力変換装置の構成図の例である。 交流電動機の減磁電流値の温度特性および実施例１で設定する減磁電流値を説明するグラフの例である。 実施例２の構成図の例である。 実施例３の構成図の例である。 実施例４の構成図の例である。 実施例５の電力変換装置の構成図の例である。 交流電動機の減磁電流値の温度特性および実施例５で設定する減磁電流値を説明するグラフの例である。 実施例６の構成図の例である。 実施例７の構成図の例である。 実施例８の電力変換装置の構成図の例である。 実施例９の構成図の例である。 実施例１０の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、予め電力変換装置に設定した適用する交流電動機の減磁電流値の値で、電力変換装置の出力電流を遮断するように制御することで、交流電動機の減磁保護を行う例を説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置の構成図の例である。電力変換装置１００は、コンバータ部１０１、平滑コンデンサ１０２、インバータ部１０３、電流検出部１０４、演算部１０５、制御部１０６、保護部１０７、表示・操作部１０８、記憶部１０９、交流電源１１０、交流電動機１１１、比較部１１２、設定減磁電流値１１３を有する。

コンバータ部１０１は、交流電源１１０より供給された交流電圧を入力とし、交流電圧を整流し、直流電圧に変換し平滑コンデンサ１０２に出力する。平滑コンデンサ１０２は、コンバータ部１０１で整流された直流電圧を入力とし、前記直流電圧を平滑しインバータ部１０３に出力する。インバータ部１０３は、制御部１０６からのPWM信号を入力とし、平滑コンデンサ１０２から入力された直流電圧をＰWMパルスに変換し、交流電動機１１１にPWMパルスを出力する。また、インバータ部１０３は、保護部１０７からの出力遮断指令を入力とし、前記出力遮断指令が入力された場合はPWMパルス変換動作を停止し、直流電動機１１１へのPWMパルスの供給を停止する。

電流検出部１０４は、例えばシャント抵抗やホールCTであって、インバータの出力部に配置されることにより、交流電動機１１１に流れる電流を検出し、その電流値を比較部１１２および演算部１０５に出力する。比較部１１２は、設定減磁電流値からの基準値と電流検出部１０４からの検出電流値とを比較し、前記検出電流値が前記基準値よりも大きい場合は、保護部１０７に対し遮断信号を出力する。

保護部１０７は、比較部１１２からの入力により、インバータ部１０３に対して出力遮断指令を出力する。設定減磁電流値１１３は、演算部１０５より設定された減磁電流値を入力とし、比較部１１２に前記減磁電流値に対応した値を基準値として出力する。制御部１０６は、演算部１０５からの周波数指令および電圧指令等を入力とし、それら入力をPWM信号に変換し、インバータ部１０３へ出力する。

演算部１０５は、電流検出部１０４からの出力電流値を入力とし、制御部１０６へ周波数指令および電圧指令等を出力する。また、演算部１０５は、記憶部１０９に記憶された減磁電流値を入力とし、前記減磁電流値を設定減磁電流値に出力する。また、表示・操作部１０８で設定されたデータを入力とし、記憶部１０９に前記データを出力する。

記憶部１０９は、例えば不揮発メモリで構成され、表示・表示操作分１０８で設定されたデータを、演算部１０５を通し入力とし、メモリに記憶しておく。また、記憶部１０９は演算部１０９に設定されたデータを出力する。

表示・操作部１０８は、設定されたデータを入力とし、演算部１０５に出力する。

設定減磁電流値１１３として設定する値について以下図２を用いて説明する。図２は、交流電動機の減磁電流値の永久磁石温度による変化の例である。モータの減磁特性は様々であるが、ここで例えば交流電動機の減磁電流値が、図２中で減磁電流値温度特性と記された曲線のように、温度上昇に対し単調減少する場合を考える。

この場合例えば交流電動機の実使用温度範囲が図２の点線で表す温度80[℃]以下である場合、その温度範囲内で最も低い減磁電流値となるのは永久磁石の温度が80[℃]の時である。この80[℃]での減磁電流値をIa[A]とすると、使用温度範囲内においては電力変換装置１００の出力電流をIa[A]以下で遮断することにより、温度にかかわらず交流電動機の減磁保護を行うことが可能である。

このため実施例１では、回転制御を行う交流電動機の実使用温度範囲内で最も低いIa[A]にあたる減磁電流値を予め設定減磁電流値として電力変換装置１００に設定する。このように、設定減磁電流値を適用する交流電動機毎に変更・設定することにより、交流電動機の温度情報が得られない場合においても、適用する交流電動機の減磁保護を行うことができる。

以下に図１中の点線部で示す電流比較部1の他の実施例を挙げる。

図３は図１の電流比較部1をソフトウェアのみ、つまりMCU内部処理のみで構成する例である。この場合、図2のIa[A]にあたる減磁電流値はデジタルデータとして表示・操作部１０８より設定され、記憶部１０９に記憶される。

電力変換装置１００の出力電流は電流検出部１０４で検出され、MCUに入力される。

MCU内部の設定減磁電流値１１３は、記憶部１０９に記憶された前記減磁電流値を演算部１０５を介して取得し、比較部１１２に対し比較基準値として出力する。

比較部１１２は、前記出力電流値が前記基準値よりも大きくなった場合、図１に記載の保護部１０７に遮断信号を出力する構成となっている。

この構成では、ソフトウェアで設定減磁電流値を管理するため、容易に設定減磁電流値の変更が可能であり、ハードウェアの構成が少なくてすむため安価に構成できることを特徴とする。

図４は図１中の電流比較部1をソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成する例である。

この場合、図2のIa[A]にあたる減磁電流値はデジタルデータとして表示・操作部１０８より設定され、記憶部１０９に記憶される。

設定減磁電流値１１３は、MCU内部に構成されるため、デジタルデータとしてD/A変換器１１８に前記減磁電流値を出力する。

D/A変換器１１８は、設定減磁電流値からのデジタル入力をアナログに変換し、比較器１１２に比較基準値として出力する。

電力変換装置１００の出力電流は電流検出部１０４で検出され、比較器１１２に出力される。

比較器１１２は、たとえばコンパレータなどのハードウェアで構成されており、前記出力電流が前記減磁電流値を超えた場合、図１に記載の保護部１０７に遮断信号を出力する構成となっている。

この構成では、ソフトウェアで設定減磁電流値を管理するため、容易に設定減磁電流値の変更が可能である。また、ハードウェアで比較部を構成するため、出力電流の急峻な変化に対しても対応可能である。

図５は図１中の電流比較部１をハードウェアのみで構成する例である。

図１中に示す設定減磁電流値１１３は、例えば、図５中の抵抗器aおよび抵抗器b、可変抵抗器cによって構成され、DC電源を分圧することで比較器１１２に比較基準電位を出力するように構成される。

減磁電流値は、前記可変抵抗器cの抵抗値を変更し、比較器基準電位を前記前記図２中のIa[A]に対応する値に変更することにより設定を行う。

電力変換装置１００の出力電流は電流検出部１０４で検出され、アナログ電圧に変換されて比較器１１２に出力される。

比較器１１２は、前記出力電流値が前記基準値を超えた場合、図１に記載の保護部１０７に遮断信号を出力する構成となっている。

この構成では、ハードウェアで比較部を構成するため、出力電流の急峻な変化に対しても対応可能である。また、基準電位も高い精度で設定可能である。

本実施例では、適用する交流電動機の減磁電流値の温度特性に応じて、電力変換装置の出力遮断電流値を変化させることで、交流電動機の減磁保護を行う例を説明する。

図６は、本実施例における電力変換装置２００を示す図である。

電力変換装置２００は、コンバータ部１０１、平滑コンデンサ１０２、インバータ部１０３、電流検出部１０４、演算部１０５、制御部１０６、保護部１０７、表示・操作部１０８、記憶部１０９、交流電源１１０、交流電動機１１１、比較部１１２、温度センサー１１４、入力端子１１５、温度対応減磁電流値演算部１１６を有する。

温度センサー１１４は、例えば交流電動機の温度情報を検出し、入力端子１１５より温度対応減磁電流値演算部１１６に出力する。

入力端子１１５は、温度センサー１１４からの温度情報を入力とし、その情報を温度対応減磁電流値演算部１１６に出力する。

温度対応減磁電流値演算部１１６は、入力端子１１５より入力された温度情報と、演算部１０５からの減磁電流温度特性データの比較を行い、温度情報に対応した減磁電流値を演算し、基準値として比較器１１２へ出力する。

図６中の点線で囲まれた、比較部１１２と温度対応減磁電流値演算部１１６を含む部分を電流比較部２と呼ぶこととする。

その他の構成は、実施例１で既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

以下に、減磁電流値温度特性データ、および、温度対応減磁電流値演算部１１６でどのように比較部１１２の基準値を決定するかについて説明する。

モータの減磁特性は様々であるが、ここで例えば交流電動機の減磁電流値が、図７中で減磁電流値温度特性と記された曲線のように、温度上昇に対し単調減少する場合を考える。

交流電動機の減磁電流値温度特性データとは、永久磁石温度によって変化する減磁電流値の集合であり図７に示すｂレベルとして記載する。

この減磁電流値温度特性データは、例えば離散データもしくは関数として表示・操作部１０８で設定し記憶部１０９に記憶される。

ここで、例えば図７中に示すように、永久磁石温度が７０[℃]の場合、図7中のグラフより減磁電流値は25[A]であることがわかる。

このように、温度対応減磁電流値演算部１１６では、取得した前記温度情報を、記憶部１０９に記憶されたbレベルに照らし合わせ、温度に対応する減磁電流値を算出し、比較部１１２に出力する。

比較部１１２では、前記出力電流値が温度対応減磁電流値演算部１１６から入力された減磁電流値を超えた場合、保護部１０７に遮断信号を出力することで、交流電動機１１１の減磁保護を行うことができる。

上記のように減磁電流値に温度特性を持たせることにより、実施例１の場合よりも直流電動機の使用可能範囲を温度別に広くする制御ができる。

その理由を説明する。

交流電動機１１１は一般的に入力電流が大きくなるに従い出力トルクも高くなる。ここで、交流電動機１１１の温度が低い場合を考えると、実施例１では電力変換装置１００の出力電流がIa[A]に達すると出力を遮断するように制御を行う。それに対し実施例５ではIa[A]より高い電流値であるbレベルに達した際に出力遮断を行う。そのため、永久磁温度が低い場合においては、交流電動機の減磁電流値の温度特性に対応したｂレベルで出力を遮断することにより、実施例１で用いたIa[A]で遮断するよりも高い出力トルクを得ることができる。

このように、減磁電流値を温度に応じて変更することにより、実施例１よりも直流電動機の使用可能範囲を温度別に広く制御することができる。

以下に図６の電流比較部２の他の実施例を挙げる。

図８は図６の電流比較部２をソフトウェアのみ、つまりMCU内部処理のみで構成する例である。図7のｂレベルにあたる、適用する交流電動機の減磁電流値温度特性データは温度対応減磁電流値として表示・操作部１０８より設定され、記憶部１０９に記憶される。電力変換装置２００の出力電流は電流検出部１０４で検出され、MCU内部に取得される。

電力変換装置の入力端子１１５より入力された交流電動機の温度情報は、MCU内部に入力され、温度対応減磁電流値演算部１１６に出力される。温度対応減磁電流値演算部１１６は、入力された前記温度情報と、記憶部１０９に記憶されたbレベルに照らし合わせ、温度に対応する減磁電流値を算出し、ＭＣＵ内部の比較部１１２に出力する。

比較部１１２では、前記出力電流が前記減磁電流値を超えた場合、図６に記載の保護部１０７に遮断信号を出力する構成となっている。

この構成では、ソフトウェアで設定減磁電流値を管理するため、容易に設定減磁電流値の変更が可能であり、ハードウェアの構成が少なくてすむため安価に構成できることを特徴とする。

図９は図６中の電流比較部２をソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成する例である。図7のｂレベルにあたる、適用する交流電動機の減磁電流値温度特性データは温度対応減磁電流値として表示・操作部１０８より設定され、記憶部１０９に記憶される。電力変換装置２００の出力電流は電流検出部１０４で検出され、比較部１１２に出力される。電力変換装置の入力端子１１５より入力された交流電動機の温度情報は、MCU内部に入力され、温度対応減磁電流値演算部１１６に出力される。

温度対応減磁電流値演算部１１６は、入力された前記温度情報と、記憶部１０９に記憶されたbレベルを用いて、前述のように検出温度に対応した減磁電流値を算出する。温度対応減磁電流値演算部１１６は、MCU内部に構成されるため、デジタルデータとしてＭＣＵ外部のD/A変換器１１８に出力する。D/A変換器１１８は、デジタルデータをアナログデータに変換し、比較部１１２に比較基準値として出力する。比較部１１２では、前記出力電流が前記基準値を超えた場合、図６に記載の保護部１０７に遮断信号を出力する構成となっている。この構成では、ソフトウェアで設定減磁電流値を管理するため、容易に設定減磁電流値の変更が可能である。また、ハードウェアで比較部を構成するため、出力電流の急峻な変化に対しても対応可能である。

本実施例では、適用する交流電動機に応じて実施例１の図１の電流比較部1の機能と実施例５の図６の電流比較部２の機能を併せ持つ電流比較部３を備えた電力変装置の例を説明する。

図１０は、本実施例における電力変換装置３００を示す図である。電力変換装置３００は、コンバータ部１０１、平滑コンデンサ１０２、インバータ部１０３、電流検出部１０４、演算部１０５、制御部１０６、保護部１０７、表示・操作部１０８、記憶部１０９、交流電源１１０、交流電動機１１１、比較部１１２、設定減磁電流値１１３、温度センサー１１４、入力端子１１５、温度対応減磁電流値演算部１１６、切り替え部１１７を有する。

実施例１の設定減磁電流値１１３と実施例５の温度対応減磁電流値演算部１１６および入力端子１１５を共に兼ね備えており、それらの機能を切り替えるための切り替え部１１７を追加したものである。

その他の構成は、実施例１および実施例５で既に説明した図1および図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。演算部１０５は、操作部１０８によってユーザーが実施例１で説明を行った設定減磁電流値を用いるか、もしくは実施例５で説明を行った温度特性減磁電流値を用いるかを選択することで、切り替え部１１７を用いそれぞれの切り替えを行う。

上記切り替え後の動作については、実施例１と実施例２で説明した内容と同一なため省略する。

本実施例では、上記のように２つの制御法を設定で切り替えることにより、交流電動機の内部温度が検出できない場合でも交流電動機の減磁保護が可能である。

また内部温度が検出でき、且つ減磁電流値の温度特性データが利用可能な場合は、直流電動機の減磁電流値の温度特性に合わせた減磁電流値を設定でき、永久磁石の使用可能範囲を温度別に広く制御することができる。

以下に図１０の点線部の変形例を挙げる。

図１１は図１０の電流比較部３をソフトウェアのみ、つまりMCU内部処理のみで構成する例である。演算部１０５は、切り替部１１７を切り替えることによって、比較部１１２の基準値として、実施例１で説明を行った設定減磁電流値を用いるか、もしくは実施例５で説明を行った温度特性減磁電流値を用いるかを切り替えを行う。切り替え後の動作については、実施例２と実施例７と同一のため、説明は省略する。

図１２は図１０の電流比較部３をソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成する例である。演算部１０５は、切り替部１１７を切り替えることによって、比較部１１２の基準値として、実施例１で説明を行った設定減磁電流値を用いるか、もしくは実施例５で説明を行った温度特性減磁電流値を用いるかを切り替えを行う。切り替え後の動作については、実施例３と実施例７と同一のため、説明は省略する。

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。

Claims (4)

1. 永久磁石を備える交流電動機と、
   電源から供給される電力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサからの直流
   電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器とを備え、前記変換した所望周波
   数の交流電力を前記交流電動機に供給する電力変換装置と、を有する電力変換システムで
   あって、
   前記永久磁石の減磁電流値温度特性が、温度上昇に対し単調減少するものであり、
   前記電力変換装置は、
   前記逆変換器の動作を停止させる保護回路と、
   三相交流電流を検出する電流検出器と、
   予め定めた前記交流電動機の実使用温度に基づき、前記永久磁石の温度と減磁電流値と
   の関係を用いて決定した、前記実使用温度以下の温度での減磁電流値の最小値を電流基準
   値として記憶する記憶部と、
   前記電流検出器により検出された検出値と前記電流基準値とを比較する比較器とを有し、
   前記比較器の遮断信号の出力によって前記保護回路を動作させ、前記電流基準値は外部
   から前記交流電動機ごとに変更可能であることを特徴とする電力変換システム。
2. 請求項１に記載の電力変換システムであって、
   前記保護回路を動作させるための基準電圧値を複数生成するための分圧回路を有し、
   前記分圧回路の出力を切り替えることによって，前記保護回路の動作基準電圧値を切り
   替えることを特徴とする電力変換システム。
3. 請求項１に記載の電力変換システムであって、
   前記電流基準値を設定値に演算するための演算部と、
   前記設定値を前記保護回路の動作基準電圧値に変換するD/A変換器とを有し、
   前記電流基準値が変更されることによって、前記保護回路の動作基準電圧値を変更することを特徴とする電力変換システム。
4. 請求項１に記載の電力変換システムであって、
   前記電流基準値を設定値に演算するための演算部と、
   前記検出値をデジタル値に変換するA/D変換器とを有し、
   前記電流基準値が変更されることによって、前記保護回路の動作基準電圧値を変更することを特徴とする電力変換システム。

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