JP6462206B2

JP6462206B2 - 電力変換装置および制御方法

Info

Publication number: JP6462206B2
Application number: JP2013203004A
Authority: JP
Inventors: 祐介荒尾
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: WO2015045530A1; JP2015070702A

Description

本発明は、電力変換装置および制御方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−１３１１１８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「出力電流異常判定手段は、出力電流検出手段によって検出されたインバータの出力電流の制御周期毎の変化量と次の制御周期における出力電流の予測値とに基づいて異常か否かの判定を行い、異常と判定した場合にはＰＷＭ演算手段にＰＷＭ信号の生成を停止させる。また電流変化量に応じて過電流と判定する閾値を変更する。電流変化量を求める検出周期は、モータの特性にあわせて減磁保護ができる周期に設定する。」と記載されている（要約参照）。

特開２００９−１３１１１８号公報

前記特許文献１には、直流電力を交流電力に変換してロータに永久磁石を用いたモータを駆動するインバータの直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段と、前記インバータの出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記出力電流の変化量を制御周期毎に演算する出力電流変化量演算手段と、前記出力電流変化量に基づいて次の制御周期の出力電流を予測する出力電流予測値演算手段と、前記出力電流変化量演算手段の出力と、前記出力電流予測値演算手段の出力とに基づいて正常か異常かを判定する出力電流異常判定手段と、外部からの入力に基づいて前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、前記直流母線電圧検出手段の検出値と前記出力電流検出手段の検出値と前記出力周波数設定手段の設定値に基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ演算手段と、前記ＰＷＭ演算手段からのＰＷＭ信号に応じて前記インバータを駆動するインバータ駆動手段と、を備え、前記出力電流異常判定手段は、異常と判定した場合には前記ＰＷＭ演算手段にＰＷＭ信号の生成を停止させることを特徴とするインバータ制御装置の仕組みが記載されている。

しかし、特許文献１の仕組みでは、前回との電流比較により電流を推定するため、検出を行う周期によっては検出情報が遅くなってしまうことや、ノイズなどの影響により、マイクロコンピュータで検出する検出電流が急激に変動した場合、その変動を感知して、電流が成長していないのにもかかわらず、電流が急成長したと判断されてしまう場合、逸脱した電流成長が仮に本当の電流成長であった場合遮断が遅れてしまう場合がある。

本発明は、検出情報の遅れを改善し、かつノイズによる電流跳躍の現象を抑えて過電流を検出する電力変換装置および制御方法を提供することを目的とする。

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。

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、電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、前記電力変換部からの出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器にて検出された出力電流を出力電流データとして取り込む電流検出部と、前記電流検出部にて取り込まれた出力電流データにローパスフィルタ処理を行う電流遅れ演算部と、前記電流検出部にて取り込まれた出力電流データと前記電流遅れ演算部にてローパスフィルタ処理された出力電流データとに基づき前記電力変換部に流れる実電流データを予測する電流予測部と、前記電流予測部にて予測した実電流データに基づきら出力電流を判定する出力電流判定部と、を備え、前記出力電流判定部が前記電流予測部で予測された実電流データが所定の条件を満たす場合に、前記電力変換部の出力を遮断する電力変換装置である。

本発明によれば、実電流が成長したにもかかわらず、ノイズ低減フィルタによって反応が遅い電流から実電流の成長を予測し、予測電流が遮断レベル超えて流れた場合に、出力を遮断し、過電流となるのを抑える仕組みを提供することができる。

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。

実施例1における電力変換装置の構成図の例である。実施例1における電流予測と過電流遮断を判断するフローチャートである。実施例1における予測電流データを得るためのブロック図である。実施例1における電流予測を行った場合の各電流データの様子である。実施例2における電流予測を行った場合の各電流データの様子である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、電流が増大した場合の実電流予測および電流遮断を行う電力変換装置および制御方法の例を説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置１００に交流電動機１０２を接続した構成図の例である。

本実施例では、電力変換部１０１、交流電動機１０２、電流検出器１０３、電流検出部１０４、電流遅れ演算部１０５、電流予測部１０６、出力電流判定部１０７、ノイズフィルタ１０８、を有する。

電力変換部１０１は、例えば電力会社から供給される３相交流電圧や発電機から供給される交流電圧、直流電圧源から供給される直流電圧を変換し、交流電動機１０２に出力する。

電流検出器１０３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１０２に流れる電流を検出し、ノイズフィルタ１０８を通して、電流検出部１０４に電流検出値として出力する。電流検出器１０３は、３相の出力電流を推定、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１０２に流れる電流を検出する例が示されている。

電流検出部１０４は、電流検出器１０３から入力された電流検出値を、出力電流データとして、電流遅れ演算部１０５と電流予測部１０６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、直流電流換算されたものであっても、電流の増大が判定できればよい。

電流遅れ演算部１０５は、電流検出部１０４が出力した電流情報を入力とし、ローパスフィルタをかけ、得られた出力電流遅れデータを電流予測部１０６に出力する。電流遅れ演算部１０５のローパスフィルタの時定数は、例えばノイズフィルタ１０８に設定された時定数を設定する。

電流予測部１０６は、電流検出部１０４から得られた出力電流データと、電流遅れ演算部１０５から得られた出力電流遅れデータを入力とし、電流予測演算して得られた予測電流データを出力電流判定部１０７に出力する。

出力電流判定部１０７は、電流予測部１０６から得られた予測電流データを入力とし、例えば前記電力変換部１０１の負荷耐量、あるいは前記交流電動機１０２に決められた最大電流から設定された判定レベルと比較し、予測電流データが判定レベルを超えていれば、前記電力変換部１０１に出力遮断指令を与える。判定レベルは、種々の機能で必要となるレベルであれば、どのレベルで設定しても良い。

ノイズフィルタ１０８は、電流検出器１０３から得られた実電流値を電流検出部１０４が取得データとして取り込む際に、ノイズ等の外乱を軽減する目的で設置されている。ノイズフィルタは、ハードウェア回路で実装する、あるいは、ソフトウェアの処理として実装する方法のどちらでも良い。

図２は、電流検出器１０３から電流を検出し、出力電流判定部１０７から電流変換部１０１に出力遮断指令を与えるまでのフローチャート図である。

電流検出器１０３は、交流電動機１０２に流れる電流を検出し、電流検出部１０４は出力電流データとしてデータを取得する（Ｓ２０１）。電流予測部１０６は、得られた出力電流データと電流遅れ演算部１０５で演算された出力電流遅れデータから実電流を予測する（Ｓ２０２）。出力電流判定部１０７は、電流予測部１０６で演算された予測電流データと、設定された判定レベルを比較し（Ｓ２０３）、予測電流データが、判定レベルを超えていれば、電流変換部に対して、出力遮断指令を行う（Ｓ２０４）。

図３は、電流予測部１０６で行われる電流予測（Ｓ２０２）の具体的な方法を示している。電流検出部１０４が得た出力電流データ（Ｓ３０１）は、電流遅れ演算部１０５に送られ、（Ｓ３０２）のローパスフィルタをかけた値を出力する。この時、（Ｓ３０３）では、出力電流データと出力電流遅れデータを計算する。これは、電流検出器１０３で検出した実電流と、ローパスフィルタ１０８を通して得られた出力電流データとの差分を予測したものであり、これを実電流データに加算する（Ｓ３０４）ことで、予測電流データを得る（Ｓ３０５）。

図４は、図３で演算された様子を具体的に示したグラフである。電流予測部１０６は、出力電流データ（Ｓ３０１）と出力電流遅れデータ（Ｓ３０２）の差分（両矢印：Ｓ３０３）をとり、その差分を出力電流データに加算することで実電流を予測している。出力電流判定部１０７は、予測電流が判定レベルを超えた場合に、電力変換部１０１に対して、出力遮断指令を与え、電流成長を遮断する。

本実施例では、実施例１と共通する部分については、説明を省略し、異なる部分についてのみ詳細に説明するものとする。

本実施例では、電流が増大した場合の電流予測および予測電流により実電流が判定値を超えることが予測される場合の遮断の例を説明する。

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。

図１の電流遅れ演算部１０５は、電流検出部１０４が出力した電流情報を入力とし、ローパスフィルタをかけ、得られた出力電流遅れデータを電流予測部１０６に出力する。電流遅れ演算部１０５のローパスフィルタの時定数は、例えばソフトウェアで電流検出を行う際の検出間隔を超える値を設定する。電流遅れ演算部１０５のローパスフィルタの時定数は、過電流を早めに検出するために、ノイズフィルタの時定数やソフトウェアによる電流検出遅れを考慮し、理論値よりも大きな値に設定してもかまわない。

出力電流判定部１０７は、電流予測部１０６から得られた予測電流データを入力とし、例えば電流変換部１０１の負荷耐量、あるいは誘導電動機に決められた最大電流から設定された判定レベルと比較し、予測電流データが判定レベルを超えていれば、電流変換部１０１に出力遮断指令を与える。判定レベルは、種々の機能で必要となるレベルであれば、どのレベルで設定しても良い。

図３は、電流予測部１０６で行われる電流予測（Ｓ２０２）の具体的な方法を示している。電流検出部１０４が得た出力電流データ（Ｓ３０１）は、電流遅れ演算部１０５に送られ、（Ｓ３０２）のローパスフィルタをかけた値を出力する。この時、（Ｓ３０３）では、出力電流データと出力電流遅れデータを計算する。これは、電流検出部１０４で検出した出力電流データと、次の検出周期で検出されるデータの差分を予測したものであり、これを出力電流データに加算する（Ｓ３０４）ことで、予測電流データを得る（Ｓ３０５）。

図５は、図３で演算された様子を具体的に示したグラフである。電流予測部１０６は、出力電流データ（Ｓ３０１）と出力電流遅れデータ（Ｓ３０２）の差分（両矢印：Ｓ３０３）をとり、その差分を出力電流データに加算することで実電流を予測している。出力電流判定部１０７は、予測電流が判定レベルを超えた場合に、電力変換部１０１に対して、出力遮断指令を与え、電流成長を遮断する。図５には、（１）〜（５）の検出タイミングが記載されている。実電流が（４）と（５）の間で判定レベルを超える場合、出力電流判定部１０７が、ハードウェアのフィルタ等により遅れた出力電流データを用いて過電流と判断すると、電力変換部１０１に遮断指令を出すタイミングが、検出タイミングである図５の（５）あるいはそれ以降になり、実電流が判定レベルを大きく超過してしまう。出力電流判定部１０７は、予測電流データを用いて過電流を判定することで、検出タイミングである図５の（４）のタイミングで遮断を行うことができ、実電流が判定レベルを超える前に遮断できる。

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。

１００・・・電力変換装置、１０１・・・電力変換部、１０２・・・交流電動機、１０３・・・電流検出器、１０４・・・電流検出部、１０５・・・電流遅れ検出部、１０６・・・電流予測部、１０７・・・出力電流判定部、１０８・・・ノイズフィルタ

Claims

電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力電流のノイズを軽減するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタによりノイズが軽減された出力電流値を検出する電流検出器と、
前記電流検出器にて検出された出力電流を出力電流データとして取り込む電流検出部と、
前記電流検出部にて取り込まれた出力電流データにローパスフィルタ処理を行う電流遅れ演算部と、
前記電流検出部にて取り込まれた出力電流データと前記電流遅れ演算部にてローパスフィルタ処理された出力電流データとの差分を、前記電力変換部に流れる実電流データと前記出力電流データの差分として前記出力電流データに補正することで、前記電力変換部に流れる実電流データを予測する電流予測部と、
前記電流予測部にて予測した実電流データに基づき出力電流を判定する出力電流判定部と、を備え、
前記出力電流判定部が、前記電流予測部で予測された実電流データが、前記電力変換部の負荷耐量、あるいは接続された交流電動機に決められた最大電流から設定された判定レベルを超えた場合に、前記電力変換部の出力を遮断する電力変換装置。
前記電流遅れ演算部は、前記電流検出部の経路に生じる遅れ分を用いて前記ローパスフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記電流検出部は、検出周期で電流検出を行う検出手段を備え、
前記電流遅れ演算部は、前記検出周期を用いて前記ローパスフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
電力変換部により電力を所望の交流電力に変換する電力変換工程と、
前記電力変換部からの出力電流のノイズをローパスフィルタで軽減するとノイズ軽減工程と、
前記ローパスフィルタによりノイズが軽減された出力電流値を検出する電流検出工程と、
前記電流検出工程にて検出された出力電流を出力電流データとして取り込む電流取り込み工程と、
前記電流取り込み工程にて取り込まれた出力電流データにローパスフィルタ処理を行う電流遅れ演算工程と、
前記電流取り込み工程にて取り込まれた出力電流データと前記電流遅れ演算工程にてローパスフィルタ処理された出力電流データとの差分を実電流データと前記出力電流データの差分として、前記出力電流データに補正することで前記実電流データを予測する電流予測工程と、
前記電流予測工程にて予測した実電流データに基づき出力電流を判定する出力電流判定工程と、を備え、
出力電流判定工程が、前記電流予測工程で予測された実電流データが前記電力変換部の負荷耐量、あるいは前記出力電流が出力される交流電動機に決められた最大電流から設定された判定レベルを超えた場合に、前記電力変換部の出力を遮断することを特徴とする制御方法。
前記電流遅れ演算工程では、前記電流取り込み工程の経路に生じる遅れ分を用いて前記ローパスフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項４記載の制御方法。
前記電流取り込み工程では、検出周期で電流検出を行い、
前記電流遅れ演算工程では、前記検出周期を用いて前記ローパスフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項４記載の制御方法。