JP6169459B2 - Power converter and control method - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置および制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a control method.
本技術分野の背景技術として、特開平9−84351号公報(特許文献1)がある。この公報には、「前記半導体素子の故障並列数を判別する素子故障判別回路6と、該素子故障判別回路6に応答し前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の電流基準値を下げる電流基準変更回路13と、前記素子故障判別回路6に応答し前記電力変換装置を過電流から保護する過電流保護回路の保護レベルを前記半導体素子の故障並列数に応じて下げる過電流レベル変更回路11ー3を具備し、前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の出力電流を低下させると共に過電流保護レベルも低下させることを特徴とした電力変換装置。」と記載されている(要約参照)。 As background art in this technical field, there is JP-A-9-84351 (Patent Document 1). This publication states that “an element failure determination circuit 6 for determining the number of parallel faults of the semiconductor element, and a current reference value of the power converter according to the number of parallel faults of the semiconductor element in response to the element failure determination circuit 6. An overcurrent level for reducing the protection level of the current reference changing circuit 13 for reducing the overcurrent protection circuit that protects the power converter from overcurrent in response to the element failure determination circuit 6 according to the number of parallel faults of the semiconductor elements A power conversion device comprising a change circuit 11-3, which reduces the output current of the power conversion device according to the number of parallel faults of the semiconductor elements and also reduces the overcurrent protection level. " (See summary).
また、特開2012−125092号公報(特許文献2)がある。この公報には、「インバータ1の主回路を構成する各半導体スイッチ素子(IGBT)のオンオフ制御で負荷2に制御された電力・電流を供給し、電流検出器6でIGBTに流れる電流の検出値がIGBTの過電流判定レベルを超えたときにIGBTを過電流から保護する過電流保護装置であって、 過電流判定レベル可変回路3Aは、主回路の直流電圧Edが低いほど、過電流判定レベルIjを高い値に設定・調節する。比較器3Bは設定・調節した過電流判定レベルIjを検出電流Idetが超えたことを判定しときに、駆動回路4のゲート電圧出力のオフ制御等によって負荷やIGBTの電流を遮断する。」と記載されている(要約参照)。
Moreover, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2012-125092 (patent document 2). In this publication, “the detected value of the current flowing through the IGBT by the current detector 6 by supplying the current / current controlled to the
また、特開平6−105562号公報(特許文献3)がある。この公報には、「演算装置は、初期状態において周波数f1モードを設定する(S1)。適当な演算周期をもって、電流検出値IPとしきい値K1と比較する(S4)。定常時は、周波数f1モードを維持する(S4:N)。過電流時は、周波数f1モードから周波数f2モードに切り替える(S5)。スイッチング損失が低下する。スイッチング素子の発熱が抑えられる。演算装置は、周波数f2モードに切り替えた後、IPの定常範囲への復帰を監視する(S6)。定常状態となると(S6:Y)、周波数f1モードに切り替えて定常運転に戻る(S7)」と記載されている(要約参照)。 There is also JP-A-6-105562 (Patent Document 3). In this publication, “the arithmetic device sets the frequency f1 mode in the initial state (S1). Compares the detected current value IP with the threshold value K1 with an appropriate arithmetic cycle (S4). The mode is maintained (S4: N) When the overcurrent occurs, the mode is switched from the frequency f1 mode to the frequency f2 mode (S5), the switching loss is reduced, the heat generation of the switching element is suppressed, and the arithmetic unit is switched to the frequency f2 mode After the switching, the return of IP to the steady range is monitored (S6) .When the steady state is reached (S6: Y), the frequency f1 mode is switched to return to the steady operation (S7) "(see summary) ).
また、特開平11−69830号公報(特許文献4)がある。この公報には、「制御装置10は発振器1,発振器1の出力周波数を1/N1又は1/N2に分周する分周装置2,キャリア波生成回路3,過負荷検出器4等とから構成されている。負荷が定格以内では過負荷検出器4は分周装置2にオフの信号bを送出し、分周装置2は発振器1の信号aを1/N1に分周して信号dを出力し、キャリア波生成回路3は三角波のスイッチング周波数を生成して信号eを出力する。過負荷の場合には過負荷検出器4は、分周装置2にオンの信号bを送出し、分周装置2は発振器1の信号aを1/N2に分周して信号dを出力し、キャリア波生成回路3は信号eを出力する。N1<N2であり、スイッチング周波数を下げることによりスイッチング損失を低減させている。」と記載されている(要約参照)。
There is also JP-A-11-69830 (Patent Document 4). This publication states that “the control device 10 is composed of an
前記特許文献1には、各アームが少なくとも複数個の並列接続された半導体素子から成る電力変換装置において、前記半導体素子の故障並列数を判別する素子故障判別回路と、該素子故障判別回路に応答し前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の電流基準値を下げる電流基準変更回路と、前記素子故障判別回路に応答し前記電力変換装置を過電流から保護する過電流保護回路の保護レベルを前記半導体素子の故障並列数に応じて下げる過電流レベル変更回路を具備し、前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の出力電流を低下させると共に過電流保護レベルも低下させる仕組みが記載されている。
In
前記特許文献1の仕組みは、素子故障が発生すると整流器の故障アームの並列数が減少しているので、素子故障の発生しているアームの健全な半導体素子の電流分担値が大きくなり、健全素子だけでは整流器の定格出力を出力するのは困難である為、1並列数の素子故障時でも定格出力が継続できるように冗長(通常1個の冗長数)を持たせることを目的としている。しかし、特許文献1の方法では、素子が正常である場合に素子を保護しようとすると、運転中に前記電流基準値および過電流レベルを下げるような制御を行う必要があり、モータ駆動の電流特性を制限するため、モータトルクの特性不足やトリップしやすくなる場合がある。このため、特許文献1記載の目的とは異なる場合、すなわち正常状態の電力変換装置の素子を対象とする場合には、別の方法が必要となる。
In the mechanism of
前記特許文献2には、主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオンオフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護装置であって、前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節する過電流判定レベル設定・調節手段を備えたことを特徴とした仕組みが記載されている。
In
前記特許文献2の仕組みは、電力変換装置の主回路の直流電圧が低いほど過電流判定レベルを高い値に設定・調節するため、電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できるとしている。しかし、特許文献2の方法では、素子の温度変化を考慮しておらず、素子破壊を防ぐためには、取り得る環境温度に対して安全な水準での過電流レベルを決定する必要がある。このため、過電流レベルを温度の取り得る安全なレベルになるよう低く設定する必要がある場合があり、モータ駆動の電流特性を制限するため、モータトルクの特性不足やトリップしやすくなる場合がある。
The mechanism of
前記特許文献3には、過電流状態が認識された後にキャリア周波数を低減させることで素子の発熱を防ぐというものである。しかし、特許文献3の仕組みでは、キャリア周波数を下げることにより素子の損失を低減させる方法は記載されているが、素子破壊を防ぐための過電流レベルについては記載がない。電力変換装置が電動機を駆動する場合、キャリア周波数を下げたとしても、スイッチング素子が破壊しないレベルの電流までしか電流を流すことができず、その電流以下で駆動することが前提となる。このため、電力変換装置に流れる電流が急峻に成長した場合には、スイッチング素子の破壊に至る可能性がある。このため、キャリア周波数が下がった場合でも、戻る可能性があるのならば最大キャリア周波数が高ければ余分に耐久力のあるスイッチング素子を使用するため、製品原価が上がってしまう場合がある。 In the above-mentioned Patent Document 3, the heat generation of the element is prevented by reducing the carrier frequency after the overcurrent state is recognized. However, the mechanism of Patent Document 3 describes a method of reducing element loss by lowering the carrier frequency, but does not describe an overcurrent level for preventing element destruction. When the electric power converter drives the electric motor, even if the carrier frequency is lowered, the electric current can only flow up to a current level that does not destroy the switching element, and it is assumed that the electric power converter is driven below that current. For this reason, when the electric current which flows into a power converter device grows sharply, it may lead to destruction of a switching element. For this reason, even if the carrier frequency is lowered, if there is a possibility of returning, if the maximum carrier frequency is high, an extra durable switching element is used, which may increase the product cost.
前記特許文献4には、パルス幅変調(PWM)を制御する制御装置を備えたインバータ装置において、前記制御装置は発振器と、発振器の出力を分周する分周装置と、スイッチング素子のスイッチング周波数を生成するキャリア波生成回路と、インバータ装置の過電流を検出する過負荷検出装置とで構成されており、過負荷検出器からの出力がない通常時には分周装置は予め定められた所定の周波数を出力し、過負荷検出器からの出力がある過負荷時には分周装置は前記所定の周波数よりも低い周波数を出力するものである。しかし、特許文献4の仕組みでは、キャリア周波数を下げることにより素子の損失を低減させる方法は記載されているが、素子破壊を防ぐための過電流レベルについては記載がない。電力変換装置が電動機を駆動する場合、キャリア周波数を下げたとしても、スイッチング素子が破壊しないレベルの電流までしか電流を流すことができず、その電流以下で駆動することが前提となる。このため、電力変換装置に流れる電流が急峻に成長した場合には、スイッチング素子の破壊に至る可能性がある。このため、キャリア周波数が下がった場合でも、戻る可能性があるのならば最大キャリア周波数が高ければ余分に耐久力のあるスイッチング素子を使用するため、製品原価が上がってしまう場合がある。 In Patent Document 4, in an inverter device including a control device that controls pulse width modulation (PWM), the control device includes an oscillator, a frequency dividing device that divides the output of the oscillator, and a switching frequency of a switching element. It is composed of a carrier wave generation circuit that generates and an overload detection device that detects an overcurrent of the inverter device, and in the normal time when there is no output from the overload detector, the frequency divider has a predetermined frequency set in advance. The frequency divider outputs a frequency lower than the predetermined frequency when there is an overload that is output and the output from the overload detector is present. However, although the mechanism of Patent Document 4 describes a method of reducing element loss by lowering the carrier frequency, it does not describe an overcurrent level for preventing element destruction. When the electric power converter drives the electric motor, even if the carrier frequency is lowered, the electric current can only flow up to a current level that does not destroy the switching element, and it is assumed that the electric power converter is driven below that current. For this reason, when the electric current which flows into a power converter device grows sharply, it may lead to destruction of a switching element. For this reason, even if the carrier frequency is lowered, if there is a possibility of returning, if the maximum carrier frequency is high, an extra durable switching element is used, which may increase the product cost.
本発明は、通常運転中のモータの電磁音を抑えながらも、安価なスイッチング素子を利用する場合には、素子の破壊を防ぎかつトリップレスで駆動する仕組み、あるいは、余裕のあるスイッチング素子を利用するのであれば、素子の破壊を防ぎかつ電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながらトリップレスで駆動させる仕組みを提供することを目的とする。 In the case of using an inexpensive switching element while suppressing the electromagnetic noise of the motor during normal operation, the present invention uses a mechanism that prevents the element from being destroyed and drives in a tripless manner, or uses a switching element with a margin. If it does, it aims at providing the mechanism which drives without a trip, preventing destruction of an element and utilizing the power conversion performance of a power converter device to the maximum.
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。 In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする。 The present application includes a plurality of means for solving the above-described problems. For example, a power converter that converts a DC voltage into a desired AC voltage, and a current output from the power converter are detected. A current detector and a control circuit for controlling on / off of the switching element of the power converter, the control circuit controls the carrier frequency based on the current detected by the current detector, and sets the carrier frequency to The overcurrent level is set on the basis of this.
本発明によれば、スイッチング素子の破壊を防ぎつつ電力変換装置の使用範囲を広げることを可能とした電力変換装置および制御方法を提供する。 上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power converter device and control method which made it possible to extend the use range of a power converter device, preventing destruction of a switching element are provided. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
本実施例では、電力変換装置が検出した電流が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に過電流レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う例を説明する。 In the present embodiment, when the current detected by the power converter increases, carrier reduction is performed to suppress the heat generation of the element, and at the same time, the overcurrent level setting is changed to maximize the usage range of the element, An example will be described in which when an overcurrent occurs instantaneously, a cutoff is performed to prevent destruction of the element.
図1は、本実施例の電力変換装置に交流電動機103を接続した構成図の例である。
FIG. 1 is an example of a configuration diagram in which an
本実施例では、直流平滑部101、電力変換部102、交流電動機103、電流検出器104、制御回路部105、電流検出部106、電圧検出部107、制御指令部108、電圧検出器109を有する。
In the present embodiment, a
直流平滑部101は、例えば平滑コンデンサで構成され、例えば電力会社から供給される3相交流電圧に変換器を通した直流電圧や発電機から供給される直流電圧を平滑化し、直流電圧を電力変換部102に供給する。また、直流平滑部101は、直流電圧値を制御回路105の電圧検出部107に出力する。
The
電力変換部102は、例えばIGBT、MOSFET、GTO等のスイッチング素子で構成され、直流平滑部101の直流電圧を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機103に出力する。交流電動機103は、誘導電動機でも同期電動機でもよく、交流電源につないでもよい。
The
電流検出器104は、例えばホールCTやシャント抵抗で構成され、電力変換装置の出力部に配置されることにより交流電動機103に流れる電流を検出し、制御回路部105の電流検出部106に電流検出値として出力する。電流検出器104は、スイッチング素子に流れるコレクタ電流Icを推定、又は直接検出できる箇所に配置されているならば、どこに配置されていてもよい。図1では、交流電動機103に流れる電流を検出する例が示されている。
The
制御回路部105は、例えばMCUに実装されたソフトウェアおよびハードウェア回路で構成される。制御回路部105は、ハードウェアのみで構成されていてもよく、記憶素子やその他のIC素子で構成されていても良い。
The
電流検出部106は、電流検出器104から入力された電流検出値を、出力電流データとして、制御指令部108に出力する。電流検出部104が出力するデータは、三相電流であっても、1次電流として直流電流換算されたものであってもよい。
The
電圧検出器109は、例えば抵抗を用いて直流電圧を分圧しMCUに入力するような電圧検出回路であって、直流平滑部を直流平滑部101から入力された電圧検出値を、直流電圧データとして、電圧検出部107に出力する。電圧検出器109は、直接スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Vceを検出しても良い。
The
電圧検出部107は、電圧検出器109から入力された電圧検出値を、直流電圧データとして、制御指令部108に出力する。
The
制御指令部108は、電流検出部106から電流データを、電圧検出部107から直流電圧データを入力とし、電流情報に基づきキャリア周波数を決定し、素子のオンオフ情報を電力変換部102に出力する。また、制御指令部108は、キャリア周波数および直流電圧データから過電流レベルを決定し、電流データと過電流レベルを比較し、電流データが過電流レベルを超えた場合には素子の出力遮断を行う。
The
図2は、スイッチング素子のトランジスタに流れるコレクタ電流Icとコレクタ−エミッタ間電圧Vce、およびその時の素子の損失Pの関係を示している。例えば、トランジスタに流れるコレクタ電流Icは、検出した電流データを用いる。また、例えば、トランジスタに流れるコレクタ−エミッタ間電圧Vceは、直流電圧データを半分にしたデータを用いる。損失Pは、スイッチング損失Pswと定常損失Psatを用いて以下の式で表される。 FIG. 2 shows the relationship between the collector current Ic flowing through the transistor of the switching element, the collector-emitter voltage Vce, and the element loss P at that time. For example, the detected current data is used as the collector current Ic flowing through the transistor. For example, the collector-emitter voltage Vce flowing through the transistor uses data obtained by halving the DC voltage data. The loss P is expressed by the following equation using the switching loss Psw and the steady loss Psat.
また、スイッチング損失Pswは、キャリア周波数fsw、キャリア1周期T、ターンオン電流ion(t)、ターンオン電圧von(t)、ターンオフ電流ioff(t)、ターンオフ電圧voff(t)、を用いて以下の式で表される。 The switching loss Psw is expressed by the following equation using the carrier frequency fsw, the carrier period T, the turn-on current ion (t), the turn-on voltage von (t), the turn-off current ioff (t), and the turn-off voltage voff (t). It is represented by
また、定常損失Psatは、キャリア1周期T、オン電流i(t)、オン電圧v(t)、オンデューティDを用いて以下の式で表される。 The steady loss Psat is expressed by the following equation using one carrier cycle T, on-current i (t), on-voltage v (t), and on-duty D.
定常損失の計算において、スイッチング素子がオフでも、漏れ電流等の影響で損失が発生しているが、微小なためここでは考えていない。 In the calculation of steady loss, even though the switching element is turned off, loss occurs due to the influence of leakage current or the like, but this is not considered here because it is minute.
図3は、前記式を元に損失Pを一定にした場合のキャリア周波数fswとコレクタ電流Icの関係を示した図である。電力変換装置のスイッチング素子であるIGBT、MOSFET、GTO等は、損失Pが増大すると、素子の温度が上昇し、素子の絶対定格である最大ジャンクション温度を超えて熱破壊に至る、あるいは、熱破壊に至らないまでも素子の温度勾配の発生により寿命が縮み、パワーサイクル寿命に至る。定常損失Psatは、キャリア周波数fswに対して、キャリア周波数fswに依らないため、コレクタ電流Ic,satとコレクタ−エミッタ電圧Vce,satにより一定値となる。スイッチング損失Pswは、キャリア周波数fswおよび、スイッチング素子のターンオン時のコレクタ電流Ic,onとコレクタ−エミッタ電圧Vce,on、スイッチング素子のターンオフ時のコレクタ電流Ic,offとコレクタ−エミッタ電圧Vce,offにより、キャリア周波数fswが低下するほど、許容できるコレクタ電流Icは上昇する。また、コレクタ−エミッタ電圧Vceが増大した場合は、図で示すように、それに応じてコレクタ電流Icの許容レベルは低下し、コレクタ−エミッタ電圧Vceが低下した場合は、図で示すように、それに応じてコレクタ電流Icの許容レベルは増加する。これら素子の寿命・耐量にかかわる条件は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the carrier frequency fsw and the collector current Ic when the loss P is made constant based on the above equation. IGBT, MOSFET, GTO, etc., which are switching elements of power converters, increase the temperature of the element when the loss P increases, resulting in thermal breakdown exceeding the maximum junction temperature, which is the absolute rating of the element, or thermal breakdown Even if not, the lifetime is shortened due to the generation of the temperature gradient of the element, leading to the power cycle life. Since the steady loss Psat does not depend on the carrier frequency fsw with respect to the carrier frequency fsw, the steady loss Psat becomes a constant value due to the collector current Ic, sat and the collector-emitter voltage Vce, sat. The switching loss Psw depends on the carrier frequency fsw, the collector current Ic, on and the collector-emitter voltage Vce, on when the switching element is turned on, the collector current Ic, off and the collector-emitter voltage Vce, off when the switching element is turned off. The allowable collector current Ic increases as the carrier frequency fsw decreases. When the collector-emitter voltage Vce increases, the allowable level of the collector current Ic decreases accordingly, and when the collector-emitter voltage Vce decreases, the collector-emitter voltage Vce decreases accordingly. Accordingly, the allowable level of collector current Ic increases. The conditions relating to the lifetime and withstand capability of these elements may be calculated from element information obtained from the switching element manufacturer, or may be actually measured.
本実施例では、電流が増大した場合に、素子のスイッチング損失が増えるのをキャリア低減により抑え、キャリア低減に従い過電流レベルを変更することで、電流を流す必要のある場合、例えば交流電動機のトルク等が必要の場合には、素子の耐えられる寿命・破壊に関わる損失曲線に応じて過電流レベルが上がるため、素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には、素子の熱破壊を防ぐために遮断を行う方法を説明する。 In this embodiment, when the current increases, the switching loss of the element is suppressed by reducing the carrier, and when the current needs to flow by changing the overcurrent level according to the carrier reduction, for example, the torque of the AC motor When the device is required, the overcurrent level increases according to the loss curve related to the lifetime and breakdown of the device, so that the device can be used to the maximum extent and when an overcurrent occurs instantaneously. Describes a method of blocking in order to prevent thermal destruction of the element.
図4は、制御指令部109が、キャリア周波数を変更し、過電流判断を行う方法を表している。制御指令部109は、まず電流検出部106から電流データを取得し(S201)、キャリア周波数の変更が必要かどうかを判断する(S202)。キャリア周波数変更が必要だと判断された場合、電流データに応じてキャリア周波数を変更し(S203)、電流変換部102のスイッチング素子に指令として出力すると共に、変更されたキャリア周波数および取得した直流電圧データに応じて過電流レベルを変更する(S204)。これにより、スイッチング素子の損失を低減し、すなわち素子の温度上昇を抑制しつつ、電流の制御範囲を最大にする。電流データに応じてキャリア周波数を変更、および、キャリア周波数に応じて過電流レベルを変更する方法としては、例えばROM等の記憶素子を用意し、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をMCU等に演算させて変更しても良い。次に、制御指令部109は、瞬間的に電流が跳ね上がりからスイッチング素子を保護するとともに、急激に損失が増えることによる温度上昇を防ぐために、出力電流データと変更された過電流レベルを比較し(S205)、出力電流データが過電流レベルを超えていれば、電力変換部に指令として遮断を行う(S206)。
FIG. 4 illustrates a method in which the
図5では、制御指令部109が、図4(S202)で判断する方法を表している。制御指令部109は、まず電流検出部106から電流データを取得する(S301)。制御指令部109は、取得した電流データをキャリア周波数fc判定レベルaと比較し(S302)、取得した電流データがキャリア周波数fc判定レベルaを超えていれば、キャリア周波数を下げていく(S303)。次に、取得した電流データをキャリア周波数fc判定レベルbと比較し(S304)、取得した電流データがキャリア周波数fc判定レベルbを下回っていれば、キャリア周波数を上げていく(S305)。電流データと比較するキャリア周波数fc判定レベルa、bは、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をMCU等に演算させて変更しても良い。また、キャリア周波数fc判定レベルa、bを分けている意図は、出力電流が変動したことによりキャリア周波数が変動した場合の影響を考慮したもので、キャリア周波数fc判定レベルはa>bとなるようにヒステリシスを設けている。キャリア周波数fc判定レベルの関係をa=bとしてもよい。
FIG. 5 illustrates a method in which the
図6は、直流電圧データがほぼ一定とし、電流検出部106が取得する電流データI(ここでは例えば1次電流とする)が上昇した場合の動作を示している。制御指令部109は、予め演算しておいた素子の寿命・破壊に関わる損失曲線から瞬時的な電流増加((1))及び定常的な電流増加((2))に必要な寿命を確保することのできる曲線データに従い、電流データIを監視しながらキャリア周波数fcを下げていく様子を示している(点線)。これら素子の寿命・破壊に関わる損失曲線は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。制御指令部109は、電力変換装置として流すことのできる最大電流が10Aである場合、キャリア周波数設定が20kHzの状態から電流が上昇していくと、点線に沿うようにキャリア周波数を下げていくことで最大電流まで使用することが可能となる(図6中の(3)まで到達する)。また、制御指令部109は、例えばMCUの演算能力が低い場合等、電流成長に対してキャリアの低減速度が遅い場合は、素子を保護する目的で、その時のキャリア周波数に応じた過電流レベルに到達した時点で過電流と判断し、電力変換部102に遮断指令を送る(図6中の(4))。また、制御指令部109は、電流データが過電流レベルに達する前に減少に向かえば、それに応じてキャリア周波数を元に戻し、す。
FIG. 6 shows an operation when the DC voltage data is substantially constant and the current data I acquired by the current detection unit 106 (here, for example, the primary current) increases. The
以上のようにして、電流が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に過電流レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には素子の破壊を防ぐために遮断を行う。 As described above, when the current increases, the carrier is reduced to suppress the heat generation of the element, and at the same time, the overcurrent level setting is changed to maximize the usage range of the element and instantaneously overcurrent. If this happens, it is shut off to prevent destruction of the device.
以上説明したとおり、本実施例に係る電力変換装置においては、電力変換装置の検出した電流あるいは直流電圧が低い状態では、キャリア周波数を高く保つことで、モータ電磁音を低く抑え、モータ制御の電圧更新周期を速くすることでモータ制御を安定化し、電流あるいは直流電圧が高い状態では、キャリア周波数を下げ、かつ、過電流レベルあるいは過電圧レベルを上げることで、スイッチング素子の破壊を防ぎつつ電力変換装置の使用範囲を広げることを可能とすることができるという効果を奏する。また、安価なスイッチング素子を最大限利用することができ原価を抑えることができるという効果を奏する。 As described above, in the power conversion device according to the present embodiment, in a state where the current or DC voltage detected by the power conversion device is low, the motor electromagnetic noise is suppressed low by keeping the carrier frequency high, and the motor control voltage Power conversion device that stabilizes motor control by speeding up the update cycle, lowers the carrier frequency and increases the overcurrent level or overvoltage level in a state where the current or DC voltage is high, and prevents the destruction of the switching element There is an effect that it is possible to widen the use range of. In addition, an inexpensive switching element can be used to the maximum, and the cost can be suppressed.
本実施例では、電力変換装置が検出した電流または直流電圧あるいは電流および直流電圧の両者が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に素子にかかる損失を判断して遮断するレベルを変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に損失が増えた場合、例えば過電流または過電圧が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う例を説明する。尚、本実施例では、実施例1の図面と同一の符号の付いた構成についての説明は省略し、実施例1とは異なる作用を備える構成についてのみ説明する。 In this embodiment, when the current or DC voltage detected by the power converter or both the current and DC voltage increases, the carrier is reduced to suppress the heat generation of the element, and at the same time, the loss applied to the element is judged and cut off. Explains an example in which the maximum operating range of the element can be achieved by making changes, and when loss increases instantaneously, for example, when overcurrent or overvoltage occurs, the element is shut down to prevent element destruction To do. In the present embodiment, the description of the components with the same reference numerals as those in the drawings of the first embodiment is omitted, and only the configuration having an operation different from that of the first embodiment will be described.
実施例2は実施例1同様、例えば図1の構成をとる。 The second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, for example, as shown in FIG.
本実施例では、実施例1の図面と同一の符号の付いた構成についての説明は省略し、実施例1とは異なる作用を備える構成についてのみ説明する。 In the present embodiment, the description of the components with the same reference numerals as those in the drawing of the first embodiment is omitted, and only the configuration having an action different from that of the first embodiment will be described.
制御指令部108は、電流検出部106から電流データ、および、電圧検出部107から直流電圧データを入力とし、電流情報および電圧情報に基づきキャリア周波数を決定し、素子のオンオフ情報を電力変換部102に出力する。また、制御指令部108は、キャリア周波数あるいは電流データあるいは直流電圧データを選択的に採用した結果から、過電流レベルあるいは過電圧レベルを決定し、電流データと過電流レベルおよび直流電圧データと過電圧レベルを比較し、電流データが過電流レベルを超えた場合または直流電圧データが過電圧レベルを超えた場合には素子の出力遮断を行う。
The
本実施例では、電流あるいは直流電圧が増大した場合に、素子のスイッチング損失が増えるのをキャリア低減により抑え、キャリア低減および参照したデータに従い過電流レベルあるいは過電圧レベルを変更することで、電流を流す必要のある場合、例えば交流電動機のトルク等が必要の場合、あるいは直流電圧が上昇する場合、例えば交流電動機から回生電力が戻ってきた場合には、素子の耐えられる寿命・破壊に関わる損失曲線に応じて過電流レベルあるいは過電圧レベルが上がるため、素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流あるいは瞬時的な過電圧が起きた場合には、素子の熱破壊を防ぐために遮断を行う方法を説明する。 In this embodiment, when the current or DC voltage increases, the increase in switching loss of the element is suppressed by the carrier reduction, and the current is passed by changing the overcurrent level or the overvoltage level according to the carrier reduction and the referenced data. When necessary, for example, when the torque of the AC motor is required, or when the DC voltage rises, for example, when regenerative power returns from the AC motor, the loss curve related to the lifetime and breakdown of the element can be obtained. The overcurrent level or overvoltage level rises accordingly, so that the device can be used to the maximum extent, and when an overcurrent or instantaneous overvoltage occurs instantaneously, the device is shut down to prevent thermal destruction of the device. A method will be described.
図7は、制御指令部109が、キャリア周波数を変更し、過電流および過電圧判断を行う方法を表している。制御指令部109は、まず電流検出部106から電流データを、電圧検出部107から直流電圧データを取得し(S401)、キャリア周波数の変更が必要かどうかを判断する(S402)。キャリア周波数の変更が必要になった要因が、電流データなのか直流電圧データなのか、あるいは両者なのかを、例えばRAM等の記憶素子に、記憶しておく。次に制御指令部109は、キャリア周波数を変更し(S403)、キャリア周波数の変更が必要になった要因から、例えば電流データによりキャリア周波数が変更になった場合は過電圧レベルを、直流電圧データによりキャリア周波数が変更になった場合は過電流レベルを、あるいは直流電流データと電流データの積を負荷電力データとし、損失胸腺から演算した遮断レベルを決定する(S404)。あるいは、制御指令部109は、キャリア周波数に応じて、損失が増大した場合に遮断できるよう各遮断レベルを決定しても良い。制御指令部109は、変更された過電流レベルと電流データ、あるいは変更された過電圧レベルと直流電圧レベル、あるいは負荷電力と遮断レベルを比較し(S405)、電流データが過電流レベルを超えた、あるいは直流電圧データが過電圧レベルを超えた、あるいは負荷電力が遮断レベルを超えた場合に電力変換部102の出力を遮断する(S406)。
FIG. 7 shows a method in which the
図8では、制御指令部109が、図7(S402)で判断する方法として損失データからキャリア周波数判断をする例を表している。制御指令部109は、まず電流検出部106から電流データを、電圧検出部107から直流電圧データを取得し、負荷電力データとして電流データおよび直流電圧データの積を計算する(S501)。制御指令部109は、計算した負荷電力データをキャリア周波数fc判定レベルcと比較し(S502)、計算した負荷電力データがキャリア周波数fc判定レベルcを超えていれば、キャリア周波数を下げていく(S503)。次に、計算した負荷電力データをキャリア周波数fc判定レベルdと比較し(S504)、計算した負荷電力データがキャリア周波数fc判定レベルdを下回っていれば、キャリア周波数を上げていく(S505)。負荷電力データと比較するキャリア周波数fc判定レベルc、dは、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をMCU等に演算させて変更しても良い。また、キャリア周波数fc判定レベルc、dを分けている意図は、計算した負荷電力データが変動したことによりキャリア周波数が変動した場合の影響を考慮したもので、キャリア周波数fc判定レベルはc>dとなるようにヒステリシスを設けている。キャリア周波数fc判定レベルの関係をc=dとしてもよい。図7(S402)で判断する方法は、実施例1の図5のように電流データのみを判断し、図5の電流・過電流部分を直流電圧・過電圧レベルに相当する値に置き換えて、同様に直流電圧データのみを判断するようにしてもかまわないし、それぞれの判定を同時に判断してもかまわない。
FIG. 8 illustrates an example in which the
図9は、電流検出部106が取得する電流データI(ここでは例えば1次電流とする)と電圧検出部107が取得する直流電圧データの積である電力損失Wが上昇した場合の動作を示している。制御指令部109は、予め演算しておいた素子の寿命・破壊に関わる損失曲線から瞬時的な損失増加((1))及び定常的な損失増加((2))に必要な寿命を確保することのできる曲線データに従い、電力損失Wを監視しながらキャリア周波数fcを下げていく様子を示している(点線)。これら素子の寿命・破壊に関わる損失曲線は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。制御指令部109は、電力変換装置として流すことのできる最大損失が2kWである場合、キャリア周波数設定が20kHzの状態から電力損失Wが上昇していくと、点線に沿うようにキャリア周波数を下げていくことで最大電流まで使用することが可能となる(図9中の(3)まで到達する)。また、制御指令部109は、例えばMCUの演算能力が低い場合等、電流成長あるいは直流電圧成長に対してキャリアの低減速度が遅い場合は、素子を保護する目的で、その時のキャリア周波数に応じ、損失電力が損失遮断レベルを超えた時点で、電力変換部102に遮断指令を送る(図9中の(4))。なお、制御指令部109は、例えば図6のように、キャリア周波数と直流電圧データから出した過電流レベルと電流データとを比較判断し、電力変換部102に遮断指令を送ってもよく、直流電圧と電流の関係を入れかえ、キャリア周波数と電流データから出した過電圧レベルと直流電圧データとを比較判断し、電力変換部102に遮断指令を送ってもよい。
FIG. 9 shows the operation when the power loss W, which is the product of the current data I acquired by the current detection unit 106 (here, for example, the primary current) and the DC voltage data acquired by the
以上のようにして、電流あるいは直流電圧が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に、損失レベル、過電流レベル、過電圧レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に異常が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う。 As described above, when the current or DC voltage increases, the carrier is reduced to suppress the heat generation of the element, and at the same time the element usage range is maximized by changing the loss level, overcurrent level, and overvoltage level settings. In the event that an abnormality occurs instantaneously, the device is shut down to prevent element destruction.
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。
In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
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。 Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
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。 Further, the control lines and information lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
101・・・直流平滑部、102・・・電力変換部、103・・・交流電動機、104・・・電流検出器、105・・・制御回路部、106・・・電流検出部、107・・・電圧検出部、108・・・制御指令部、109・・・電圧検出器
DESCRIPTION OF
Claims (10)
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流または前記電圧検出器にて検出された電圧あるいは前記検出された電流および検出された電圧の両者に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数あるいは前記検出された電流あるいは前記検出された電圧を選択的に採用した結果に基づき、過電圧レベルあるいは過電流レベルを設定することを特徴とする電力変換装置。 A DC smoothing unit for smoothing the DC voltage;
A power converter that converts a DC voltage into a desired AC voltage;
A current detector for detecting a current output from the power converter;
A voltage detector for detecting the voltage of the DC smoothing unit;
A control circuit for controlling on / off of the switching element of the power converter;
With
The control circuit controls a carrier frequency based on the current detected by the current detector, the voltage detected by the voltage detector, or both the detected current and the detected voltage, and the carrier frequency or An overvoltage level or an overcurrent level is set based on a result of selectively adopting the detected current or the detected voltage.
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出した電流値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 ,
The control circuit reduces the carrier frequency when the current value detected by the current detector exceeds a predetermined value.
前記制御回路は、前記電圧検出器にて検出した電圧値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする電力変換装置。 The power converter according to claim 1 or 2 ,
The control circuit reduces the carrier frequency when the voltage value detected by the voltage detector exceeds a predetermined value.
前記制御回路は、前記キャリア周波数が下がった場合、それに応じて過電流レベルを上昇させることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 3 ,
When the carrier frequency is lowered, the control circuit raises an overcurrent level accordingly.
前記制御回路は、前記検出された電流、前記検出された電圧、前記キャリア周波数、前記過電流レベルおよび前記過電圧レベルの各々の関係を予め記憶することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 4 ,
The control circuit stores in advance the relationship between the detected current, the detected voltage, the carrier frequency, the overcurrent level, and the overvoltage level.
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備える電力変換装置における制御方法であって、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流または前記電圧検出器にて検出された電圧あるいは前記検出された電流および検出された電圧の両者に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数あるいは前記検出された電流あるいは前記検出された電圧を選択的に採用した結果に基づき、過電圧レベルあるいは過電流レベルを設定することを特徴とする制御方法。 A DC smoothing unit for smoothing the DC voltage;
A power converter that converts a DC voltage into a desired AC voltage;
A current detector for detecting a current output from the power converter;
A voltage detector for detecting the voltage of the DC smoothing unit;
A control circuit for controlling on / off of the switching element of the power converter;
A control method in a power converting apparatus Ru provided with,
The control circuit controls a carrier frequency based on the current detected by the current detector, the voltage detected by the voltage detector, or both the detected current and the detected voltage, and the carrier frequency or An overvoltage level or an overcurrent level is set based on a result of selectively adopting the detected current or the detected voltage.
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出した電流値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする制御方法。 The control method according to claim 6 , comprising:
The control method, wherein the control circuit lowers the carrier frequency when the current value detected by the current detector becomes a predetermined value or more.
前記制御回路は、前記電圧検出器にて検出した電圧値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする制御方法。 The control method according to claim 6 or 7 , comprising:
The control method, wherein the control circuit lowers a carrier frequency when a voltage value detected by the voltage detector becomes a predetermined value or more.
前記制御回路は、前記キャリア周波数が下がった場合、それに応じて過電流レベルを上昇させることを特徴とする制御方法。 A control method according to any one of claims 6 to 8 ,
The control circuit, when the carrier frequency is lowered, the control method characterized by increasing the over-current level accordingly.
前記制御回路は、前記検出された電流、前記検出された電圧、前記キャリア周波数、前記過電流レベルおよび前記過電圧レベルの各々の関係を予め記憶することを特徴とする制御方法。 A control method according to any one of claims 6 to 9 ,
The control circuit stores in advance a relationship between the detected current, the detected voltage, the carrier frequency, the overcurrent level, and the overvoltage level.
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