JP6532099B2 - 電流推定回路、ac−dcコンバータ、電力制御装置、電流推定方法及びプログラム - Google Patents
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Description
特許文献1には、関連する技術として、PWM整流回路及びPWMインバータを備える装置において、電流に基づいてPWM整流回路への供給電圧に異常の有無を判定し、異常があると判定した場合に、PWMインバータの出力周波数またはデューティを小さくすることで回路を保護する技術が記載されている。
そのため、三相交流電源のR相、S相、T相のそれぞれの電圧が不平衡状態になった場合に、システムにおける異常な状態を容易に検出することができ、システムを保護することのできる技術が求められていた。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
まず、本実施形態による整流回路100を備える電力制御装置1の構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による整流回路100を備える電力制御装置1の構成の一例を示す図である。
図1で示すように、本実施形態による電力制御装置1は、交流電源10と、AC(Alternative Current)−DC(Direct Current)コンバータ20と、インバータ30と、モータ40と、を備える。
整流回路100は、整流部101と、電流検出抵抗110と、電流推定回路111と、を備える。
整流部101は、交流電源10が出力する交流電圧を整流する。例えば、整流部101は、6つのダイオードD1〜D6を備える。ダイオードD1のアノードは、ダイオードD2のカソードに接続されている。また、ダイオードD3のアノードは、ダイオードD4のカソードに接続されている。また、ダイオードD5のアノードは、ダイオード6のカソードに接続されている。交流電源10は、R相の交流電圧をこのダイオードD1のアノードに出力する。また、交流電源10は、S相の交流電圧をこのダイオードD3のアノードに出力する。また、交流電源10は、T相の交流電圧をこのダイオードD5のアノードに出力する。そして、整流部101は、交流電源10が整流部101に出力する交流電圧を全波整流する。
電流検出抵抗110は、AC−DCコンバータ20に流れるコンバータ電流を検出する抵抗である。
電流推定回路111が備える位相特定部102は、交流電源10から出力される複数の交流電圧の各位相を特定する。例えば、位相特定部102は、ゼロクロス検出回路を備える。位相特定部102が備えるゼロクロス検出回路は、線間電圧または相電圧を用いてゼロクロス点を検出する。なお、ゼロクロス点とは、交流電圧の振幅ゼロを示すバイアス電圧と交流電圧とが交差する点である。
電流推定部105は、電流特定部103が特定した複数の交流電圧の整流後の電圧に対応する電流に基づいて、複数の交流電圧のそれぞれに対応するそれぞれの電流を推定する。
電流判定部106は、電流推定部105が推定したそれぞれの電流が電流異常検出しきい値を超えるか否かを判定する。なお、電流異常検出しきい値は、これ以上の電流が流れると電力制御装置1が通常とは異なる状態であると電流判定部106が判定する基準となる電流値である。電流異常検出しきい値は、例えば、回路シミュレーションにより決定すればよい。
電流制限部107は、電流が電流異常検出しきい値を超えたと電流判定部106が判定した場合に、当該判定に対応する電流の上限を制限する。
モータ40は、インバータ30が出力する交流電圧に応じて動作する。
図2は、三相(R相、S相、T相)交流電圧が平衡状態の場合の電圧及び電流のシミュレーション波形の一例を示す図である。
シミュレーション条件は、三相交流電圧の周波数が50ヘルツである。また、三相交流電圧の振幅が380ボルトである。
R−S電圧、S−T電圧、T−R電圧のそれぞれのシミュレーション波形は、位相が互いに120度ずつずれている。また、三相交流電圧が平衡状態であるため、R−S電圧、S−T電圧、T−R電圧のそれぞれのシミュレーション波形は、振幅が同一である。
コンバータ電流は、三相交流電圧の整流後の電圧に対応する電流の総和であり、電流特定部103が特定した電流である。
三相交流電圧が平衡状態であり、R−S電圧、S−T電圧、T−R電圧のそれぞれがほぼ同一である。そのため、三相交流電圧の整流後の電圧に対応する電流の総和であるコンバータ電流は、バイアス電流にわずかな上下変動がみられるが、一定周期の正弦波に近い波形の電流変動を示している。
R相、S相、T相のそれぞれに対応する電流は、三相交流電圧が平衡状態であるため、位相が互いに120度ずつずれているが、それぞれの電流波形はほぼ同一である。
シミュレーション条件は、三相交流電圧の周波数が50ヘルツである。また、三相交流電圧の振幅が380ボルトである。ただし、三相交流電圧が不平衡状態の場合の電圧及び電流のシミュレーションでは、不平衡率として3パーセントのばらつきを持たせている。(S相とT相の交流電圧の振幅は、R相の交流電圧の振幅に比べて3パーセント大きくしている。)
R−S電圧、S−T電圧、T−R電圧のそれぞれのシミュレーション波形は、位相が互いに120度ずつずれている。また、不平衡率が3パーセントであり、三相交流電圧が不平衡状態であるため、S−T電圧のシミュレーション波形は、R−S電圧、T−R電圧のそれぞれのシミュレーション波形に比べて、振幅が大きい。
三相交流電圧が不平衡状態であり、S−T電圧のシミュレーション波形は、R−S電圧、T−R電圧のそれぞれのシミュレーション波形に比べて、振幅が大きい。そのため、三相交流電圧の整流後の電圧に対応する電流の総和であるコンバータ電流は、三相交流電圧が平衡状態である場合に見られた一定周期の正弦波に近い波形とは異なり、一定周期ではあるが、大きな電流を流す期間と、あまり電流を流さない期間とから成る波形である。また、三相交流電圧が不平衡状態である場合のコンバータ電流は、三相交流電圧が平衡状態である場合のコンバータ電流に比べてピーク値が大きい。
三相交流電圧が不平衡状態であるため、R相、S相、T相のそれぞれに対応する電流は、三相交流電圧が不平衡状態である場合とは異なり、互いに異なる電流波形である。
期間1と期間4は、図3(3)に示すように、三相交流電圧のT相に対応する電流が流れない期間である。したがって、図3(2)に示すコンバータ電流の期間1と期間4における電流は、三相交流電圧のR相とS相に対応する電流に基づいて流れる電流である。
また、期間2と期間5は、図3(3)に示すように、三相交流電圧のS相に対応する電流が流れない期間である。したがって、図3(2)に示すコンバータ電流の期間2と期間5における電流は、三相交流電圧のR相とT相に対応する電流に基づいて流れる電流である。
また、期間3と期間6は、図3(3)に示すように、三相交流電圧のR相に対応する電流が流れない期間である。したがって、図3(2)に示すコンバータ電流の期間3と期間6における電流は、三相交流電圧のS相とT相に対応する電流に基づいて流れる電流である。
したがって、期間1〜期間6のコンバータ電流のそれぞれは、三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれに対応する電流に基づいて流れる電流である。期間1〜期間6のコンバータ電流のそれぞれは、三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれに対応する電流に相関があり、三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれに対応する電流が増加すると対応する期間1〜期間6のコンバータ電流も増加することがわかっている。そのため、電流推定部105は、コンバータ電流に基づいて三相交流電圧のR相、S相、T相に対応する電流を推定することができる。
より具体的には、電流推定部105は、三相交流電圧の各相に対応する電流の大小を、その電流が流れる期間に電流特定部103が特定したコンバータ電流を平均して推定する。例えば、三相交流電圧が不平衡状態であり、図3で示した電圧と電流である場合、電流推定部105は、三相交流電圧のR相に対応する電流を(期間1+期間2+期間4+期間5)におけるコンバータ電流の平均値として推定する。また、電流推定部105は、三相交流電圧のS相に対応する電流を(期間1+期間3+期間4+期間6)におけるコンバータ電流の平均値として推定する。また、電流推定部105は、三相交流電圧のT相に対応する電流を(期間2+期間3+期間5+期間6)におけるコンバータ電流の平均値として推定する。
そして、電流判定部106は、電流推定部105が推定したそれぞれの電流が電流異常検出しきい値を超えるか否かを判定する。
電流制限部107は、電流が電流異常検出しきい値を超えたと電流判定部106が判定した場合に、当該判定に対応する電流の上限を制限する。
こうすることで、電力制御装置1は、三相交流電圧が不平衡状態である場合に流れる過大な電流を検出し装置を保護することができる。
なお、ここでは、図1で示した電力制御装置1を例に処理について説明する。
図4は、本実施形態による電力制御装置1の通常状態の処理フローの一例を示す図である。
電力制御装置1が備える交流電源10は、互いに位相が120度ずつずれた三相(R相、S相、T相)交流電圧をAC−DCコンバータ20に出力する。
整流部101は、入力した三相交流電圧を全波整流する(ステップS2)。そして、整流部101は、整流後の電圧をリアクトル108に出力する。
モータ40は、インバータ30から交流電圧を入力すると、入力した交流電圧に応じて動作する(ステップS5)。
以上、電力制御装置1が通常状態である場合の処理について説明した。電力制御装置1は、通常状態では上述のような処理を行うことでモータ40を動作させる。
図5は、本実施形態による電力制御装置1の異常状態を検出する処理フローの一例を示す図である。
AC−DCコンバータ20が交流電源10から三相交流電圧を入力すると、AC−DCコンバータ20が備える位相特定部102は、交流電源10から三相交流電圧を入力する。
位相特定部102は、入力した三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれの電圧の位相を特定する(ステップS11)。例えば、位相特定部102は、ゼロクロス検出回路を備える。そして、位相特定部102が備えるゼロクロス検出回路は、線間電圧R−S電圧のゼロクロス点を検出する。位相特定部102は、ゼロクロス検出回路が検出したR−S電圧のゼロクロス点をR−S電圧のゼロクロスタイミングと特定する。また、位相特定部102は、特定したR−S電圧のゼロクロスタイミングを+120度の位相に相当するタイミングの分(+3分の1周期分)だけずらしたタイミングをS−T電圧のゼロクロスタイミングと特定する。また、位相特定部102は、特定したS−T電圧のゼロクロスタイミングを+120度の位相に相当するタイミングの分だけずらしたタイミングをT−R電圧のゼロクロスタイミングと特定する。なお、位相特定部102が備えるゼロクロス検出回路は、相電圧を用いてゼロクロス点を検出するものであってもよい。
なお、位相特定部102は、三相交流電圧の1相(相電圧を用いてゼロクロス点を検出する場合にはR相の交流電圧のゼロクロス点、線間電圧を用いてゼロクロス点を検出する場合にはR−S電圧のゼロクロス点)を検出するものに限定するものではない。例えば、ゼロクロス検出回路は、三相交流電圧の2相を検出するものであってもよい。また、ゼロクロス検出回路は、三相交流電圧の3相を検出するものであってもよい。なお、ゼロクロス検出回路は、三相交流電圧のうち位相を検出する電圧の数を増加すると、ノイズや検出誤差による位相検出結果への影響を低減することができる。
位相特定部102は、特定した三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれの電圧の位相を電流特定部103に出力する。例えば、位相特定部102は、図3について説明した、三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれの電圧の位相を示す特定線間電圧(R−S電圧、S−T電圧、T−R電圧)のそれぞれのゼロクロスタイミングを電流特定部103に出力する。
電流推定部105は、三相交流電圧のR相、S相、T相のそれぞれについて推定したコンバータ電流の平均値を電流判定部106に出力する。
電流制限部107は、電流判定部106から異常報知信号を入力すると、異常状態であると判定したコンバータ電流の最も大きい平均値に対応するR相、S相、T相の何れかについての電流の上限を制限する(ステップS15)。例えば、電流制限部107は、電流判定部106から入力した異常報知信号に基づいて、最も大きいコンバータ電流の平均値に対応するR相、S相、T相の何れかを特定する。そして、電流制限部107は、特定したR相、S相、T相の何れかの交流電圧に対応する電流の上限を制限することにより、インバータ30に流れる電流の上限を制限する。例えば、電流制限部107は、インバータ30よりも前段に配置された電流の上限を決定するウィンドウコンパレータのしきい値を変更してインバータ30に流れる電流の上限を制限する。なお、インバータ30に流れる電流の上限を制限することは、電流の上限をゼロにすることを含んでいる。また、インバータ30に流れる電流の上限を制限することは、電力制御装置1を停止することも含んでいる。
モータ40は、インバータ30から交流電圧を入力すると、入力した交流電圧に応じて動作する(ステップS17)。そして、ステップS11へ戻る。
このようにすれば、三相交流電源のR相、S相、T相のそれぞれの電圧が不平衡状態になった場合に、推定したR相、S相、T相のそれぞれの電圧に対応する電流に基づいて、電力制御装置1(システム)における異常な状態を容易に検出することができ、電力制御装置1を保護することができる。
また、本発明の実施形態による電流特定部103は、電流検出抵抗110の代わりに配置されたカレントトランスなどの電流センサが検出する電流に基づいて、コンバータ電流を検出するものであってもよい。
また、本発明の実施形態による電力制御装置1の処理フローは、三相交流電圧についての処理を例に説明したが、それに限定するものではない。例えば、電力制御装置1の処理フローは、二相交流電圧や四相以上の交流電圧についての処理であってもよい。ただし、電力制御装置1が二相交流電圧や四相以上の交流電圧についての処理を行う場合、各電圧の位相差は、三相交流電圧の位相差120度とは異なる。
10・・・交流電源
20・・・AC−DCコンバータ
30・・・インバータ
40・・・モータ
100・・・整流回路
101・・・整流部
102・・・位相特定部
103・・・電流特定部
104・・・マイクロコンピュータ
105・・・電流推定部
106・・・電流判定部
107・・・電流制限部
108、108a、108b、108c・・・リアクトル
109・・・キャパシタ
110・・・電流検出抵抗
111・・・電流推定回路
D1、D2、D3、D4、D5、D6・・・ダイオード
Claims (9)
- 整流回路の電流推定回路であって、
電源から出力され第1位相、第2位相、第3位相を含む3つの交流電圧の各位相を特定する位相特定部と、
前記位相特定部が特定した前記各位相に基づいて決定した時間間隔において、前記3つの交流電圧の整流後の電圧に対応する電流を特定する電流特定部と、
前記電流特定部が特定した整流後の電圧に対応する電流に基づいて、前記3つの交流電圧のそれぞれに対応するそれぞれの電流を推定する電流推定部と、
前記電流推定部が推定したそれぞれの電流が電流異常検出しきい値を超えるか否かを判定する電流判定部と、
前記電流判定部が前記推定したそれぞれの電流が前記電流異常検出しきい値を超えたと判定した場合に、当該判定に対応する前記推定したそれぞれの電流の上限を制限する電流制限部と、
を備え、
前記第1位相は、
クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相、及び、前記クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相のうちの一方であり、
前記第2位相は
前記第1位相に対して位相を+120度ずらした位相であり、
前記第3位相は、
前記第2位相に対して位相を+120度ずらした位相である、
電流推定回路。 - 前記第1位相は、
クロスタイミングが前記3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相、及び、前記クロスタイミングが前記3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相のうち、前記クロスタイミングが前記3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相である、
請求項1に記載の電流推定回路。 - 前記第1位相は、
クロスタイミングが前記3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相、及び、前記クロスタイミングが前記3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相のうち、前記クロスタイミングが前記3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相である、
請求項1に記載の電流推定回路。 - 前記電流特定部は、
前記整流後の抵抗に流れる電流に基づいて、前記整流後の電圧に対応する電流を特定する、
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電流推定回路。 - 前記電流特定部は、
前記整流後のカレントトランスが検出する電流に基づいて、前記整流後の電圧に対応する電流を特定する、
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電流推定回路。 - 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の電流推定回路と、
前記整流回路が出力する電圧を平滑化する平滑化回路と、
を備えるAC−DCコンバータ。 - 請求項6に記載のAC−DCコンバータと、
前記AC−DCコンバータが出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
を備える電力制御装置。 - 電源から出力される3つの交流電圧であって、クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相、及び、前記クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相のうちの一方である第1位相、前記第1位相に対して位相を+120度ずらした位相である第2位相、前記第2位相に対して位相を+120度ずらした位相である第3位相を含む3つの交流電圧の各位相を特定することと、
特定した前記各位相に基づいて決定した時間間隔において、前記3つの交流電圧の整流後の電圧に対応する電流を特定することと、
特定した整流後の電圧に対応する電流に基づいて、前記3つの交流電圧のそれぞれに対応するそれぞれの電流を推定することと、
推定したそれぞれの電流が電流異常検出しきい値を超えるか否かを判定することと、
前記推定したそれぞれの電流が前記電流異常検出しきい値を超えたと判定した場合に、当該判定に対応する前記推定したそれぞれの電流の上限を制限することと、
を含む電流推定方法。 - コンピュータに、
電源から出力される3つの交流電圧であって、クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの線間電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相、及び、前記クロスタイミングが前記3つの交流電圧における3つの相電圧のうちの1つに関して規定されるときの位相のうちの一方である第1位相、前記第1位相に対して位相を+120度ずらした位相である第2位相、前記第2位相に対して位相を+120度ずらした位相である第3位相を含む3つの交流電圧の各位相を特定することと、
特定した前記各位相に基づいて決定した時間間隔において、前記3つの交流電圧の整流後の電圧に対応する電流を特定することと、
特定した整流後の電圧に対応する電流に基づいて、前記3つの交流電圧のそれぞれに対応するそれぞれの電流を推定することと、
推定したそれぞれの電流が電流異常検出しきい値を超えるか否かを判定することと、
前記推定したそれぞれの電流が前記電流異常検出しきい値を超えたと判定した場合に、当該判定に対応する前記推定したそれぞれの電流の上限を制限することと、
を実行させるプログラム。
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