JP7312718B2

JP7312718B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7312718B2
Application number: JP2020060239A
Authority: JP
Inventors: 研一高橋; 茂俊八木原
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021158896A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、交流電圧を直流電圧に変換し、交流電圧に再変換することで、商用電源周波数の変更を行うことが可能な装置である。電力変換装置を例えば誘導電動機の回転数制御に使用する場合、電力変換装置から出力される周波数から想定される回転数が、実際の電動機の回転数よりも遅い状態(以後、回生状態と表記)が発生しうる。この状態においては誘導電動機が誘導発電機となる為、装置が回生エネルギーを受け取りその直流部電圧を上昇させる。

直流部電圧が装置の許容範囲を超えると一般的な電力変換装置においては直流部過電圧異常と判断しその出力を停止させる。この回生エネルギーは、前述の速度差が大きくなるほどに増大する。つまり速度変化の傾き(特に減速時)が大きい、または誘導電動機に接続された負荷機の慣性モーメントが大きい場合に過電圧異常が発生しやすいということになる。

しかし、電力変換装置の実使用上において異常と判断されない限界またはそれ以上の性能を要求される場合が多々存在する。こういった場合、電力変換装置自体では回生エネルギーを受け止めきれなくなる為、直流部電圧が一定値を超えたことを検知すると電力変換装置内部または外部に接続された抵抗器(制動抵抗器)にて回生エネルギーを熱として消費する機能が存在する。

特許文献１には、直流電源から交流電源に変換してモータへ供給・制御するインバータブリッジ回路を含んだモータ制御装置において、回生電力処理回路上の回生抵抗と制動電力処理回路上の制動抵抗を兼用し装置の小型化または低コスト化を図る方法が開示されている。

特開2012-196143

特許文献１では、回生時及び制動時に装置が受け取るエネルギーを処理するためにどちらの用途としても使用可能な抵抗器を回路上に追加している。しかし、通常このような用途で用いられる抵抗器は高容量なものであり、基板上の広い実装面積または設置のための空間が必要となるため小型化という点においては大きな課題となる。

また、電力変換装置は一般的に電源投入時の突入電流を抑制する抵抗器(限流抵抗器)を保有している。制動抵抗器や限流抵抗器は、その役割上どちらも定格容量の大きい抵抗器が選定される。こういった抵抗器は得てしてその寸法値が大きくなり、電力変換装置または制御盤内に広い空間が必要となる。

電力変換装置に必須の限流抵抗器に加えて制動抵抗器も内蔵とした場合、電力変換装置の基本性能向上は見込めるが電力変換装置自体の外形寸法の増大は避けられない。また、外部に制動抵抗器を接続する場合は電力変換装置自体に加えて制動抵抗器を設置する空間が必要となり盤設計を行う顧客に対して負担とコストを強いることとなる。

特許文献１には、限流抵抗器に加えて制動抵抗器を備える電力変換装置の小型化・低コスト化については、配慮がなされていない。

本発明の目的は、小型化・低コスト化が可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、電源投入の際の突入電流を抑制する限流抵抗器と、サイリスタまたはコンタクタと、回生状態で動作する回生制動回路と、前記直流電力を前記交流電力へ変換する逆変換回路と、制御部とを有し、前記限流抵抗器と切り離し装置が、前記サイリスタまたはコンタクタと並列に接続され、前記限流抵抗器の整流回路側および逆変換回路側とが前記回生制動回路と接続し、前記回生状態では、前記限流抵抗器は、前記整流回路から切り離され、制動抵抗の役割をする電力変換装置である。

本発明によれば、小型化・低コスト化が可能となる。

第１の比較例としての電力変換装置の構成を示す図である。第２の比較例としての電力変換装置の構成を示す図である。実施例１における電力変換装置の構成を示す図である。実施例２における電力変換装置の構成を示す図である。

まず、本発明の理解をしやすくするために産業用機器である電力変換装置１００の比較例について説明を行う。

図１は、第１の比較例としての電力変換装置１００の基本的な構成を示す図である。電力変換装置１００は、交流電力を受け、受けた交流電力を整流回路にて直流電力に変換し、その直流電力を交流電力に再変換したものによりモータの回転を制御する。

電力変換装置１００は、整流回路１０１、限流抵抗器１０２、サイリスタ（またはコンタクタ）１０３、電解コンデンサ１０４、回生制動回路１０５と逆変換回路１０６を備えて構成されている。

整流回路１０１は入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔを介して３相交流電力ＡＣを受け取る。複数のダイオードで構成された整流回路１０１では受け取った交流電力に対して全波整流を行い直流電力に変換する。電源投入直後の急激な電圧変動により発生する突入電流は、限流抵抗器１０２により抑制される。限流抵抗器１０２を通過した直流電力は電解コンデンサ１０４にて平滑化され逆変換回路１０６へと供給される。この電源投入時には、同時に制御電源も立ち上がりサイリスタ１０３へ電力が供給され、サイリスタ１０３が作動し限流抵抗器１０２を流れていた電流はサイリスタ１０３へと流路を変更する。

直流電力を受け取った逆変換回路１０６は直流電力を交流電力へと再変換し出力端子Ｕ，Ｖ、ＷよりモータＭへ供給しモータＭを駆動させる。この交流電力の周波数を任意の値に変化させることによりモータＭの回転速度を制御することが可能となる。

前述の通り電力変換装置１００は、モータへと任意の周波数を持つ電力を供給し駆動させるが、供給する交流電力の周波数の急激な変化またはモータに接続された装置、物体の慣性モーメントが大きい場合、電力変換装置１００が出力する周波数がもたらすモータの回転速度よりも実際のモータ回転速度よりも速い状態が発生しうる。

この回生状態ではモータが発電機となり、電力変換装置１００が回生エネルギーという形で電力を受け取ることとなる。回生エネルギーを受け取った電力変換装置１００の直流電力部電圧(以下、直流電圧)は上昇し、エネルギー量次第では過電圧により電力変換装置１００が異常と判断する。

電力変換装置１００が異常と判断することを避けるために、直流電圧が一定の値を超えた際には回生制動回路１０５が動作する。直流電圧の上昇を電力変換装置１００が検知すると、第２の比較例を示した図２における回生制動回路上の端子ＲＢと端子Ｐとに接続された制動抵抗器１０７に直流電圧がパルス状にかかり始める。その結果、過剰なエネルギーが熱として消費され直流電圧の上昇が抑制されることとなる。

限流抵抗器１０２及び制動抵抗器１０７は、どちらも過剰なエネルギーを熱として消費し回路の保護等を行う役目を持つ。その動作タイミングは前者が起動時のみであるのに対して、後者は主にモータの減速動作により回生状態になった場合である。

制動抵抗器は直流部電圧が一定値を超えたことを検知すると回生エネルギーを熱として消費する。また、限流抵抗器は電源投入の際の突入電流を抑制する。本実施例では、一つの抵抗器に、その動作タイミングが全く異なる、限流抵抗器及び制動抵抗器の２種類の抵抗器としての役割を持たせる構成とする。

実施例１により、通常であれば制動抵抗器を必要とするエネルギーを電力変換装置１００が受け取った状態にあっても、内蔵の抵抗器で熱として消費することが可能となる。電力変換装置１００自体の基本性能の向上という効果と、外部機器を使用する必要がなくなることでシステムとしての設置面積の削減という効果を奏する。

実施例１の詳細について、図３を用いて説明する。図３は実施例１における電力変換装置１００の構成を示す図である。電力変換装置１００は、交流電力を直流電力に変換する整流回路１０１、電源投入の際の突入電流を抑制する限流抵抗器１０２、サイリスタ（またはコンタクタ）１０３、切り離し装置１１０、電解コンデンサ１０４、ダイオードとトランジスタを有し回生状態で動作する回生制動回路１０５、直流電力を交流電力へ変換する逆変換回路１０６、電力変換装置１００を制御する制御回路（制御部）１１１を備える。制御回路は、マイコンなどのＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、サイリスタ（またはコンタクタ）１０３の制御や、切り離し装置１１０の切り離しの制御を実行する。

実施例１では、外部に制動抵抗器１０７を接続するための端子ＲＢが分岐し、限流抵抗器の整流回路１０１側に接続され、なおかつその接続部よりさらに整流回路１０１側に、スイッチなどの、ｂ接点の切り離し装置１１０が取り付けられている。サイリスタ１０３と並列に、整流回路１０１側から切り離し装置１１０と限流抵抗器１０２が接続されている。また、限流抵抗器１０２において整流回路１０１に接続する側および逆変換回路１０６（電力変換装置の出力側）に接続する側の両方が、回生制動回路１０５と接続する。端子ＰＤと端子Ｐとは電線で接続され、必要に応じて素子を接続できる。

図１及び図２に示す構成では、回生制動回路１０５を動作させる際に制動抵抗器１０７が必須であったが、図３に示した本実施例における電力変換装置１００では端子ＲＢの分岐した先に存在する限流抵抗器１０２が、回生状態においては制動抵抗器の役割を兼ねることができるようになる。

ただし、単純に２点間を接続してしまった場合、回生制動回路１０５が作動した際に直流電力部の短絡による重大事故を引き起こしてしまう。

そこでｂ接点の切り離し装置１１０を用意し、サイリスタ１０３の導通を許可するように制御回路１１１が、サイリスタ１０３を制御する。その制御と同時または若干の遅延をもって限流抵抗器１０２の１次側と整流回路１０１を遮断するように、制御回路１１１が、導通状態（切り離されていない状態）から切り離し状態に切り離し装置１１０を制御する。

実施例１によれば、複数の大電力用抵抗器が必要な場合において、必要とされる瞬間を適切に切り分けることにより、単一の抵抗器に複数の機能を兼用させることが可能となる。また、制動抵抗としての機能を備えることから電力変換装置の回生エネルギー耐量を増加させ、モータ減速時間の短縮といった基本性能を向上させる。そして、外部制動抵抗器を必要としない構成による電力変換装置を含んだシステム全体としての小型化・低コスト化に寄与する。

実施例１では限流抵抗器１０２が常に回生制動回路１０５に接続されている状態であった。しかし、整流回路１０１と限流抵抗器１０２との間に接続された切り離し装置１１０が何らかの要因で正常に切り離し状態に動作しなかった場合、または限流抵抗器を制動抵抗器として使用せず外部に用意した制動抵抗器のみを使用する用途を考慮した構成が実施例２の構成である。

本実施例では、限流抵抗器１０２と回生制動回路１０５との間にもう一段、第２の切り離し装置１２０を追加している。

本実施例の詳細について図４を用いて説明する。図４は実施例２における電力変換装置１００の回路構成を示す図である。実施例２では、サイリスタ１０３と並列に、整流回路側から切り離し装置１１０と電流検出器１２１と限流抵抗器１０２が接続されている。実施例１と同じ構成については、説明は省略する。

第２の切り離し装置１２０の稼働は、切り離し装置１１０の不調の場合及び任意の場合のいずれの設定でも可能とする。電流検出器１２１が切り離し装置１１０の後段（逆変換回路側）に追加され、切り離し装置１１０の不調の検出をする。サイリスタ１０３が導通し切り離し装置１１０が動作すべき状況にも関わらず、電流検出器１２１により電流が確認された場合は、制御回路１１１は、第２の切り離し装置１２０を起動し、切り離し状態に制御し、限流抵抗器１０２を回生制動回路１０５から遮断する。

また、第２の切り離し装置１２０の動作状態に関しては、電力変換装置１００の操作画面上に装置の動作停止を伴わない警告と動作を停止させるエラー検出とを選択可能とする。

図４では、電流検出器１２１を使う例を示したが、電流検出器１２１の替わりに正側の直流母線１３０、負側の直流母線１３１と接続された電解コンデンサ１０４の電圧を検出する電圧検出器を配置するようにしてもよい。サイリスタ１０３が導通し切り離し装置１１０が動作すべき状況にも関わらず、電圧が変化しない場合には、電流が流れているのと同じ状況で切り離し装置１１０が不調と考えられるので、制御回路１１１は、第２の切り離し装置１２０を起動し、切り離し状態に制御し、限流抵抗器１０２を回生制動回路１０５から遮断する。

実施例２によれば、切り離し装置１１０の不調を検出して、第２の切り離し装置１２０が動作することで、限流抵抗器１０２を回生制動回路１０５から遮断するため、直流電力部の短絡による重大事故を避けることが出来る。

１０１・・・整流回路
１０２・・・限流抵抗器
１０３・・・サイリスタ
１０４・・・電解コンデンサ
１０５・・・回生制動回路
１０６・・・逆変換回路
１１０・・・切り離し装置
１１１・・・制御回路
１２０・・・第２の切り離し装置

Claims

交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
電源投入の際の突入電流を抑制する限流抵抗器と、
サイリスタまたはコンタクタと、
回生状態で動作する回生制動回路と、
前記直流電力を前記交流電力へ変換する逆変換回路と、
制御部とを有し、
前記限流抵抗器と切り離し装置が、前記サイリスタまたはコンタクタと並列に接続され、
前記限流抵抗器の整流回路側および逆変換回路側とが前記回生制動回路と接続し、
前記回生状態では、前記限流抵抗器は、前記整流回路から切り離され、制動抵抗の役割をする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記サイリスタまたはコンタクタの導通を許可する際に、
切り離されていない状態から切り離し状態に、
前記切り離し装置を制御する電力変換装置。
交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
電源投入の際の突入電流を抑制する限流抵抗器と、
サイリスタまたはコンタクタと、
回生状態で動作する回生制動回路と、
前記直流電力を前記交流電力へ変換する逆変換回路と、
制御部を有し、
前記限流抵抗器と切り離し装置と電流検出器が、前記サイリスタまたはコンタクタと並列に接続され、
前記限流抵抗器と前記回生制動回路との間に、第２の切り離し装置を備え、
前記回生状態では、
前記限流抵抗器は、前記整流回路から切り離され、制動抵抗の役割をする電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記サイリスタが導通している際に、前記電流検出器が電流を検知した場合には、前記第２の切り離し装置を切り離し状態に制御する電力変換装置。
請求項１又は請求項３に記載の電力変換装置において、
前記回生制動回路は、
ダイオードとトランジスタとを有する電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記電流検出器の替わりに、直流母線の正側と負側との間に接続されたコンデンサの電圧を検出する電圧検出器を備え、
前記制御部は、前記サイリスタまたは前記コンタクタが導通している際に、前記電圧検出器の電圧が変化しない場合には、前記第２の切り離し装置を切り離し状態に制御する電力変換装置。