JP7326440B2 - Converter equipment, industrial machinery - Google Patents

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Description

本発明は、コンバータ装置に関する。 The present invention relates to a converter device.

パワーエレクトロニクスの分野において、直流電圧のレベルを変換するDC/DCコンバータ、トランスで絶縁された1次側と2次側の間で電力を授受する双方向コンバータ、直流電力を交流電力に変換するインバータなど、さまざまな電力変換装置が用いられる。 In the field of power electronics, DC/DC converters that convert the level of DC voltage, bi-directional converters that transfer power between the primary and secondary sides isolated by a transformer, and inverters that convert DC power into AC power. Various power converters are used.

コンバータ装置は、DCリンクバスと、DCリンクバスに接続される平滑コンデンサを備える。またコンバータ装置には、その起動時に平滑コンデンサに突入電流が流れるのを防止するために、突入電流防止抵抗と、突入電流防止抵抗と直列な開閉器が設けられる。 The converter device includes a DC link bus and a smoothing capacitor connected to the DC link bus. Further, the converter device is provided with a rush current prevention resistor and a switch connected in series with the rush current prevention resistor in order to prevent a rush current from flowing through the smoothing capacitor at the start of the converter device.

特開2015-77028号公報JP 2015-77028 A 特開2013-13092号公報JP 2013-13092 A 特開2015-22840号公報JP 2015-22840 A

コンバータ装置の起動時に、二本のDCリンク間の短絡や、いずれかのDCリンクの地絡などの異常が発生していたとする。そうすると、突入電流防止抵抗には電流が流れるにもかかわらず、平滑コンデンサが充電されないため、いつまで経っても初期充電が完了しないという状況に陥り、突入電流防止抵抗の温度が上昇する。突入電流防止抵抗の温度が高くなりすぎると、突入電流防止抵抗自体の信頼性が損なわれ、また周囲の素子にも悪影響を及ぼす。 Assume that an abnormality such as a short circuit between two DC links or a ground fault in one of the DC links occurs when the converter device is started. As a result, the smoothing capacitor is not charged even though a current flows through the inrush current prevention resistor, so that the initial charging is never completed, and the temperature of the inrush current prevention resistor rises. If the temperature of the inrush current prevention resistor becomes too high, the reliability of the inrush current prevention resistor itself is impaired, and the surrounding elements are adversely affected.

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、突入電流防止抵抗やその他の素子を保護可能なコンバータ装置の提供にある。 The present invention has been made in such a situation, and one exemplary object of some aspects thereof is to provide a converter device capable of protecting an inrush current prevention resistor and other elements.

本発明のある態様は、コンバータ装置に関する。コンバータ装置は、入力ラインに直流電圧を受け、出力ラインがDCリンクバスを介してコンデンサと接続されるコンバータと、入力ラインに直列に設けられる突入電流防止抵抗および開閉器と、(i)開閉器をオンした後、所定時間内にDCリンクバスの電圧がしきい値に達しないとき、または(ii)突入電流防止抵抗の温度が所定の第1しきい値より高いときに、開閉器を強制的にオフしてコンバータ装置を停止させるコントローラと、を備える。 One aspect of the present invention relates to a converter device. The converter device includes a converter in which an input line receives a DC voltage and an output line is connected to a capacitor via a DC link bus, an inrush current prevention resistor and a switch provided in series with the input line, (i) a switch when the DC link bus voltage does not reach the threshold within a predetermined time after turning on the switch, or (ii) when the temperature of the inrush current prevention resistor is higher than a predetermined first threshold. and a controller that turns off the converter device to stop the converter device.

この態様によれば、コンバータ装置の出力側において、DCリンクバスの地絡等の異常が発生している場合に、起動、再起動を繰り返すのを防止でき、ひいては突入電流防止抵抗の温度が上がり続けるのを防止でき、信頼性を高めることができる。 According to this aspect, when an abnormality such as a ground fault occurs in the DC link bus on the output side of the converter device, it is possible to prevent the repetition of start-up and restart, thereby increasing the temperature of the inrush current prevention resistor. Continuation can be prevented, and reliability can be improved.

コントローラは、突入電流防止抵抗の温度が、第1しきい値より低い第2しきい値より高いときに、コンバータ装置の再起動を禁止してもよい。 The controller may inhibit restarting of the converter device when the temperature of the inrush current prevention resistor is higher than a second threshold lower than the first threshold.

コントローラは、突入電流防止抵抗に流れる電流にもとづいて、突入電流防止抵抗の温度を計算してもよい。これにより温度センサが不要となる。 The controller may calculate the temperature of the inrush current blocking resistor based on the current flowing through the inrush current blocking resistor. This eliminates the need for a temperature sensor.

本発明の別の態様は産業機械に関する。産業機械は、エンジン発電機と、エンジン発電機の出力を整流する整流器と、DCリンクバスと、DCリンクバスと接続されるコンデンサと、モータと、蓄電手段と、DCリンクバスの電圧にもとづいてモータを駆動するインバータと、入力が整流器の出力と接続され、出力がDCリンクバスと接続される第1コンバータ装置と、入力が蓄電手段と接続され、出力がDCリンクバスと接続される第2コンバータ装置と、を備えてもよい。第1コンバータ装置および第2コンバータ装置はそれぞれ、上述のいずれかのコンバータ装置であってもよい。 Another aspect of the invention relates to industrial machines. The industrial machine includes an engine generator, a rectifier for rectifying the output of the engine generator, a DC link bus, a capacitor connected to the DC link bus, a motor, a storage means, and a voltage based on the voltage of the DC link bus. an inverter for driving the motor; a first converter device whose input is connected to the output of the rectifier and whose output is connected to the DC link bus; and a second converter device whose input is connected to the storage means and whose output is connected to the DC link bus. and a converter device. The first converter device and the second converter device may each be any of the converter devices described above.

産業機械は、門型クレーンであってもよい。 The industrial machine may be a portal crane.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that arbitrary combinations of the above-described constituent elements and mutually replacing the constituent elements and expressions of the present invention in methods, devices, systems, etc. are also effective as embodiments of the present invention.

さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、すべての欠くべからざる特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。 Furthermore, the description in this Summary of the Invention does not describe all the essential features, and thus sub-combinations of those described features can also be the invention.

本発明によれば、突入電流防止抵抗やその他の素子を保護できる。 According to the present invention, the inrush current prevention resistor and other elements can be protected.

実施の形態に係るコンバータ装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a converter device according to an embodiment; FIG. 図1のコンバータ装置の起動動作を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the startup operation of the converter device of FIG. 1; 図1のコンバータ装置のDCリンクの短絡時の動作を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the converter device of FIG. 1 when a DC link is short-circuited; 異常状態における温度上昇を説明する図である。It is a figure explaining the temperature rise in an abnormal state. 図1のコンバータ装置の温度異常にもとづく強制終了を説明する動作波形図である。FIG. 2 is an operation waveform diagram for explaining forced termination based on a temperature abnormality in the converter device of FIG. 1; 変形例1に係るコンバータ装置の動作を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the converter device according to Modification 1; 変形例3に係るスイッチングコンバータの回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of a switching converter according to Modification 3; コンバータ装置を備える産業機械のブロック図である。1 is a block diagram of an industrial machine with a converter device; FIG.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, and that member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。 The vertical and horizontal axes of the waveform diagrams and time charts referred to in this specification are enlarged or reduced as appropriate for ease of understanding, and each waveform shown is also simplified for ease of understanding. or exaggerated or emphasized.

図1は、実施の形態に係るコンバータ装置100の回路図である。コンバータ装置100は、突入電流防止抵抗104、開閉器MC1,MC2、電流センサ108、スイッチングコンバータ130およびコントローラ200を備える。 FIG. 1 is a circuit diagram of a converter device 100 according to an embodiment. Converter device 100 includes inrush current prevention resistor 104 , switches MC<b>1 and MC<b>2 , current sensor 108 , switching converter 130 and controller 200 .

コンバータ装置100には、図示しない直流電源から直流電圧VINを受ける。直流電源は、電池やキャパシタなどの蓄電手段、あるいはエンジン発電機と整流器の組み合わせである。あるいは直流電源は、エンジンにより駆動される発電機と整流器の組み合わせを含んでもよい。直流電圧VINは、スイッチ6を介してコンバータ装置100の入力端子Pに供給される。Converter device 100 receives a DC voltage V IN from a DC power supply (not shown). The DC power supply is a storage means such as a battery or a capacitor, or a combination of an engine generator and a rectifier. Alternatively, the DC power supply may include a generator and rectifier combination driven by the engine. DC voltage V IN is supplied to input terminal P 1 of converter device 100 via switch 6 .

コンバータ装置100は、直流の入力電圧VINを昇圧し、出力端子P,Nに接続されるDCリンクバスL,Lの間に、DCリンク電圧(出力電圧)VDCを発生する。The converter device 100 boosts a DC input voltage V IN to generate a DC link voltage (output voltage) V DC between DC link buses L P and L N connected to output terminals P 2 and N 2 . .

N極ラインLは、N極側の入力端子NとN極側の出力端子Nの間を接続する。またP極ラインLは、出力端子Pと接続されている。平滑コンデンサ102は、P極ラインLとN極ラインLの間に設けられる。平滑コンデンサ102は直列に接続される2個のコンデンサC11,C12を含む。放電抵抗110は、平滑コンデンサ102と並列に接続されており、コンバータ装置100の停止状態において、平滑コンデンサ102の電荷を放電する。放電抵抗110はコンデンサC11,C12それぞれと並列に接続される抵抗R11,R12を含む。ダイオードD11,D12は回路保護のために設けられる。The N-pole line LN connects between the N-pole side input terminal N1 and the N-pole side output terminal N2 . The P-pole line LP is also connected to the output terminal P2 . A smoothing capacitor 102 is provided between the P-polarity line LP and the N-polarity line LN . Smoothing capacitor 102 includes two capacitors C 11 and C 12 connected in series. Discharging resistor 110 is connected in parallel with smoothing capacitor 102 and discharges the electric charge of smoothing capacitor 102 when converter device 100 is stopped. Discharge resistor 110 includes resistors R11 and R12 connected in parallel with capacitors C11 and C12 , respectively. Diodes D11 and D12 are provided for circuit protection.

スイッチングコンバータ130は昇圧コンバータ(Boostコンバータ)であり、入力電圧VINを昇圧し、直流電圧VDCを発生する。スイッチングコンバータ130は、リアクトルL~L、スイッチング素子MH1~MH3,ML1~ML3、平滑コンデンサ102を含む。The switching converter 130 is a boost converter that steps up the input voltage VIN to generate a DC voltage VDC. Switching converter 130 includes reactors L 1 to L 3 , switching elements M H1 to M H3 and M L1 to M L3 , and smoothing capacitor 102 .

電流センサ108は、コンバータ装置100の動作時において、入力ラインおよびリアクトルL~Lに流れるリアクトル電流Iを検出するために設けられる。コントローラ200は、DCリンク電圧VDCが所定の目標電圧と一致するように、DCリンク電圧VDCの検出値およびリアクトル電流Iの検出値にもとづいてスイッチングコンバータ130をフィードバック制御する。Current sensor 108 is provided to detect reactor current I L flowing through input lines and reactors L 1 to L 3 during operation of converter device 100 . Controller 200 feedback-controls switching converter 130 based on the detected value of DC link voltage VDC and the detected value of reactor current IL so that DC link voltage VDC matches a predetermined target voltage.

突入電流防止抵抗104および開閉器MC2,MC1は、コンバータ装置100の起動時の突入電流を抑制するために設けられる。起動直後の初期充電状態において、開閉器MC1がオフされ、開閉器MC2がオンとなり、突入電流防止抵抗104および保護回路であるダイオードD11,D12を介して、平滑コンデンサ102が充電される。これにより突入電流を抑制しつつ、平滑コンデンサ102を充電し、入力電圧VINの近傍までDCリンク電圧VDCを上昇させる。Inrush current prevention resistor 104 and switches MC2 and MC1 are provided to suppress an inrush current when converter device 100 is started. In the initial charging state immediately after startup, switch MC1 is turned off, switch MC2 is turned on, and smoothing capacitor 102 is charged via inrush current prevention resistor 104 and diodes D11 and D12 , which are protection circuits. As a result, the inrush current is suppressed, the smoothing capacitor 102 is charged, and the DC link voltage VDC is increased to near the input voltage VIN .

そしてDCリンク電圧VDCが入力電圧VIN付近まで上昇すると、初期充電状態が終了し、開閉器MC2がオフ、開閉器MC1がオンされ、突入電流防止抵抗104がバイパスされる。そしてスイッチングコンバータ130の動作が開始し、DCリンク電圧VDCがその目標電圧に安定化される。When the DC link voltage VDC rises to near the input voltage VIN , the initial charging state ends, the switch MC2 is turned off, the switch MC1 is turned on, and the inrush current prevention resistor 104 is bypassed. The switching converter 130 then begins to operate and the DC link voltage VDC is stabilized to its target voltage.

電流センサ108は、たとえばカレントトランスであり、フィードバック制御において参照されるリアクトル電流Iの経路であって、かつ初期充電状態における平滑コンデンサ102への充電電流ICHGの経路の上に設けられる。電流センサ108は、センス抵抗とセンス抵抗の電圧降下を増幅するアンプを含むセンサであってもよい。電流センサ108が生成する電流検出値DCSは、スイッチングコンバータ130の動作状態において、リアクトル電流Iの検出値IL(MEAS)を示し、初期充電状態において充電電流ICHGの測定値ICHG(MEAS)を示す。Current sensor 108 is, for example, a current transformer, and is provided on the path of reactor current IL referred to in feedback control and on the path of charging current ICHG to smoothing capacitor 102 in the initial charging state. Current sensor 108 may be a sensor that includes a sense resistor and an amplifier that amplifies the voltage drop across the sense resistor. The current detection value DCS generated by the current sensor 108 indicates the detection value I L (MEAS) of the reactor current I L in the operating state of the switching converter 130, and the measured value I CHG (MEAS) of the charging current I CHG in the initial charging state . MEAS) .

またコントローラ200には、平滑コンデンサ102の電圧(DCリンク電圧)VDCに応じた電圧検出値DVSが入力されている。コントローラ200は、電圧検出値DVSにもとづくフィードバック制御により、DCリンク電圧VDCを目標電圧に安定化させる。The controller 200 also receives a voltage detection value DVS corresponding to the voltage (DC link voltage) VDC of the smoothing capacitor 102 . The controller 200 stabilizes the DC link voltage VDC to the target voltage through feedback control based on the voltage detection value DVS.

開閉器MC1およびMC2は、電磁接触器(MC:Electromagnetic Contactor)や電磁開閉器(MS:Electromagnetic Switch)、電磁リレーなどの機械的な接点を有するスイッチ素子である。 The switches MC1 and MC2 are switch elements having mechanical contacts, such as electromagnetic contactors (MC), electromagnetic switches (MS), and electromagnetic relays.

図2は、図1のコンバータ装置100の起動動作を説明する図である。時刻tに、コンバータ装置100の起動が指示される。起動指示に応答して、開閉器MC2がオンとなる。これにより開閉器MC2および突入電流防止抵抗104を介して充電電流ICHGが流れ、平滑コンデンサ102が充電され、DCリンク電圧VDCが上昇する。時刻tにDCリンク電圧VDCが、入力電圧VIN付近のしきい値VTHに達すると、初期充電が完了し、開閉器MC2がオフとなる。そして開閉器MC1がオンとなり、スイッチングコンバータ130の動作が開始すると、スイッチングコンバータ130の昇圧動作によって、DCリンク電圧VDCが上昇し、その後、目標電圧VREFに維持される。FIG. 2 is a diagram for explaining the startup operation of converter device 100 of FIG. At time t1 , the activation of converter device 100 is instructed. In response to the activation instruction, the switch MC2 is turned on. As a result, charging current ICHG flows through switch MC2 and inrush current prevention resistor 104, smoothing capacitor 102 is charged, and DC link voltage VDC rises. When the DC link voltage V DC reaches a threshold V TH near the input voltage V IN at time t2 , initial charging is completed and the switch MC2 is turned off. When the switch MC1 is turned on and the switching converter 130 starts operating, the DC link voltage VDC rises due to the step-up operation of the switching converter 130, and is then maintained at the target voltage VREF .

図3は、図1のコンバータ装置100のDCリンクの短絡時の動作を説明する図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of converter device 100 in FIG. 1 when the DC link is short-circuited.

時刻tに、コンバータ装置100の起動が指示され、開閉器MC2がオンとなる。これにより開閉器MC2および突入電流防止抵抗104を介して充電電流ICHGが流れるが、DCリンクが地絡していると、平滑コンデンサ102が充電されず、DCリンク電圧VDCが0V付近を維持する。At time t1 , an instruction to start converter device 100 is given, and switch MC2 is turned on. As a result, the charging current ICHG flows through the switch MC2 and the inrush current prevention resistor 104, but if the DC link is grounded, the smoothing capacitor 102 is not charged and the DC link voltage V DC maintains around 0V. do.

正常時においてDCリンク電圧VDCがしきい値VTHに到達するはずの時刻tを過ぎても、DCリンク電圧VDCは0Vを維持し続ける。突入電流防止抵抗104の両端間には、VINが印加されるため、突入電流防止抵抗104には、電流ICHG=VIN/Rが流れ続ける。Rは突入電流防止抵抗104の抵抗値である。Even after the time t2 when the DC link voltage VDC should reach the threshold value V TH in the normal state, the DC link voltage VDC continues to maintain 0V. Since V IN is applied across the inrush current prevention resistor 104 , the current I CHG =V IN /R continues to flow through the inrush current prevention resistor 104 . R is the resistance value of the inrush current prevention resistor 104 .

初期充電状態が長引いて、開閉器MC2がオンし続けると、突入電流防止抵抗104に、電流が流れ続けると、異常発熱を引き起こす。突入電流防止抵抗104の温度Tが高くなりすぎると、突入電流防止抵抗104自体の信頼性が損なわれ、また周囲の素子にも悪影響を及ぼす。 If the initial charging state is prolonged and the switch MC2 continues to be turned on, current will continue to flow through the inrush current prevention resistor 104, causing abnormal heat generation. If the temperature T of the inrush current prevention resistor 104 becomes too high, the reliability of the inrush current prevention resistor 104 itself is impaired, and the surrounding elements are adversely affected.

この問題を解決するために、コンバータ装置100には、起動開始から(あるいは開閉器MC2のオンから)所定時間τ経過しても、DCリンク電圧VDCがしきい値VTHに到達しない場合(タイムアウト)、システムをシャットダウン(異常終了)させる保護機能が実装される。In order to solve this problem, the converter device 100 is provided with a function ( timeout), and a protection function that shuts down the system (abnormal termination) is implemented.

この保護機能によって、突入電流防止抵抗104に流れる電流を遮断することで、温度Tが上昇し続けるのを防止することができる。突入電流防止抵抗104の温度Tは、時間とともに低下していく。 This protection function can prevent the temperature T from continuing to rise by interrupting the current flowing through the inrush current prevention resistor 104 . The temperature T of the inrush current prevention resistor 104 decreases with time.

ところがユーザが、異常終了の時刻tから十分な時間が経過する前、すなわち突入電流防止抵抗104の温度Tが十分低くなる前の時刻tに、再びコンバータ装置100を起動したとする。そうすると、同じ動作が繰り返され、突入電流防止抵抗104の温度Tはさらに上昇する。However, suppose that the user restarts converter device 100 again at time t4 before a sufficient amount of time has passed since time t3 of abnormal termination, that is, before temperature T of inrush current prevention resistor 104 has become sufficiently low. Then, the same operation is repeated, and the temperature T of the inrush current prevention resistor 104 further rises.

図4は、異常状態における温度上昇を説明する図である。時刻tに起動指示が発生する。突入電流防止抵抗104に電流が流れることにより突入電流防止抵抗104の温度Tが上昇する。FIG. 4 is a diagram for explaining temperature rise in an abnormal state. An activation instruction is generated at time t0 . The temperature T of the inrush current prevention resistor 104 rises due to the current flowing through the inrush current prevention resistor 104 .

時刻tに、タイムアウトとなり、異常停止する。停止期間の間、温度Tは緩和する。そして温度Tが十分に緩和するより前の時刻tにユーザが装置をリセットし、再起動する。そうすると突入電流防止抵抗104に再度、電流が流れることにより温度Tが上昇する。そして時刻tにタイムアウトとなり、異常停止する。At time t1 , a timeout occurs and the system stops abnormally. During the rest period the temperature T relaxes. Then, at time t2 , before temperature T has sufficiently relaxed, the user resets and restarts the device. Then, the current flows through the inrush current prevention resistor 104 again, and the temperature T rises. At time t3 , a time-out occurs and the system stops abnormally.

タイムアウトによる異常停止から再起動までのインターバルが短いと、図4に示すように温度Tは上昇し続け、やがて突入電流防止抵抗104自体あるいは周辺の素子の信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。以下、図4の動作モードに陥るのを防止するための技術を説明する。 If the interval from abnormal stop due to timeout to restart is short, the temperature T continues to rise as shown in FIG. A technique for preventing falling into the operation mode of FIG. 4 will be described below.

図1に戻る。コントローラ200は、制御部210、異常判定器220、表示装置230、シーケンサ240、操作部250、温度監視部260を備える。 Return to FIG. The controller 200 includes a control section 210 , an abnormality determiner 220 , a display device 230 , a sequencer 240 , an operation section 250 and a temperature monitoring section 260 .

異常判定器220、シーケンサ240、パルス発生器212等は、コンピュータやプロセッサなどのハードウェアとソフトウェアの組み合わせで実装してもよいし、FPGAやロジック回路などのハードウェアで実装してもよい。 The abnormality determiner 220, the sequencer 240, the pulse generator 212, etc. may be implemented by a combination of hardware such as a computer or processor and software, or may be implemented by hardware such as an FPGA or logic circuit.

操作部250は、ユーザからの起動指示START、終了指示SHTDWN、リセット指示RSTなどを受け付けるインタフェースである。操作部250が受け付けた指示START,SHTDWN,RSTは、シーケンサ240に入力される。 The operation unit 250 is an interface that receives a start instruction START, an end instruction SHTDWN, a reset instruction RST, and the like from the user. Instructions START, SHTDWN, and RST received by operation unit 250 are input to sequencer 240 .

シーケンサ240は、操作部250からの入力に応じて、コンバータ装置100の起動シーケンスや終了シーケンスを制御する。たとえばシーケンサ240は、起動指示STARTを受けると、開閉器MC2をオンし、入力電圧VINによって平滑コンデンサ102を充電する(初期充電状態)。そしてDCリンク電圧VDCがあるしきい値に達すると、初期充電状態を終了し、通常動作状態に移行する。通常状態では開閉器MC1がオンとなり、スイッチングコンバータ130によってDCリンク電圧VDCが目標電圧に安定化される。Sequencer 240 controls the startup sequence and termination sequence of converter device 100 according to an input from operation unit 250 . For example, when sequencer 240 receives activation instruction START, it turns on switch MC2 and charges smoothing capacitor 102 with input voltage VIN (initial charge state). When the DC link voltage VDC reaches a certain threshold value, the initial charging state is ended and the normal operating state is entered. In a normal state, the switch MC1 is turned on, and the switching converter 130 stabilizes the DC link voltage VDC to the target voltage.

またシーケンサ240は、終了指示SHTDWNを受けると、スイッチングコンバータ130の動作を停止させ、開閉器MC1、開閉器MC2をオフとする。 Also, upon receiving the end instruction SHTDWN, the sequencer 240 stops the operation of the switching converter 130 and turns off the switches MC1 and MC2.

制御部210は、通常状態において電圧検出値DVSおよび電流検出値DCSにもとづいてスイッチングコンバータ130を制御する。制御部210は、パルス発生器212およびドライバ214を含む。パルス発生器212はたとえばパルス幅変調器あるいはパルス周波数変調器を含む。パルス発生器212の構成は特に限定されず、公知技術を用いて構成すればよい。Control unit 210 controls switching converter 130 in a normal state based on detected voltage value DVS and detected current value DCS . Control unit 210 includes pulse generator 212 and driver 214 . Pulse generator 212 includes, for example, a pulse width modulator or a pulse frequency modulator. The configuration of the pulse generator 212 is not particularly limited, and may be configured using a known technique.

一例としてパルス発生器212は、電圧制御器と、電流制御器と、パルス変調器と、を含んでもよい。電圧制御器は、PI(比例・積分)コントローラやPID(比例・積分・微分)コントローラであり、DCリンク電圧VDCの検出値DVSと目標値の誤差に応じた電流指令値を生成する。電流制御器は、電流検出値IL(MEAS)と電流指令値IREFの誤差に応じたデューティ指令値を生成する。パルス変調器は、デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号SPWMを生成する。As an example, pulse generator 212 may include a voltage controller, a current controller, and a pulse modulator. The voltage controller is a PI (proportional/integral) controller or a PID (proportional/integral/differential) controller, and generates a current command value according to the error between the detected value DVS of the DC link voltage VDC and the target value. The current controller generates a duty command value according to the error between the current detection value I L (MEAS) and the current command value I REF . The pulse modulator generates a pulse signal SP PWM having a duty ratio according to the duty command value.

ドライバ214は、パルス信号SPWMに応じて、スイッチングコンバータ130のスイッチング素子MH1~MH3,ML1~ML3を駆動する。Driver 214 drives switching elements M H1 to M H3 and M L1 to M L3 of switching converter 130 according to pulse signal S PWM .

表示装置230は、ユーザに対して、コンバータ装置100の動作状態や異常の有無を視覚的に提示する。 Display device 230 visually presents the operating state of converter device 100 and the presence or absence of an abnormality to the user.

温度監視部260は、突入電流防止抵抗104の温度Tを監視する。温度監視部260は、突入電流防止抵抗104に流れる電流I(すなわち電流検出値DCS)を監視し、電流にもとづいて突入電流防止抵抗104の温度Tを推定してもよい。温度Tは、突入電流防止抵抗104における発熱と放熱のバランスで決まる。突入電流防止抵抗104の発熱は、ジュール熱であり、R×Iで与えられる。一方、突入電流防止抵抗104の放熱は、突入電流防止抵抗104の熱環境をモデル化することにより計算することができる。コンバータ装置100は、温度管理された環境下に設置される場合、突入電流防止抵抗104の初期温度は、管理温度となる。この管理温度を初期値として、発熱量と放熱量を時々刻々と計算することにより、突入電流防止抵抗104の温度Tをトレースすることができる。温度監視部260により検出される温度Tは、表示装置230に表示してもよい。Temperature monitoring unit 260 monitors temperature T of inrush current prevention resistor 104 . Temperature monitoring unit 260 may monitor current I flowing through inrush current prevention resistor 104 (that is, current detection value D CS ), and estimate temperature T of inrush current prevention resistor 104 based on the current. The temperature T is determined by the balance between heat generation and heat radiation in the rush current prevention resistor 104 . The heat generated by the inrush current prevention resistor 104 is Joule heat and is given by R×I 2 . On the other hand, the heat dissipation of the inrush current prevention resistor 104 can be calculated by modeling the thermal environment of the inrush current prevention resistor 104 . When converter device 100 is installed in a temperature-controlled environment, the initial temperature of inrush current prevention resistor 104 is the controlled temperature. The temperature T of the inrush current prevention resistor 104 can be traced by calculating the amount of heat generation and the amount of heat dissipation from time to time using this control temperature as an initial value. The temperature T detected by the temperature monitor 260 may be displayed on the display device 230 .

異常判定器220は、コンバータ装置100の異常を検出する。本実施の形態において、異常判定器220は、コンバータ装置100の回路異常と、温度異常の二種類の異常を検出可能に構成される。回路異常は、DCリンクバスのショートなどの異常である。温度異常は、突入電流防止抵抗104の温度が高温となる異常である。 Abnormality determiner 220 detects an abnormality in converter device 100 . In the present embodiment, abnormality determiner 220 is configured to be capable of detecting two types of abnormality, that is, circuit abnormality and temperature abnormality of converter device 100 . A circuit abnormality is an abnormality such as a short circuit of the DC link bus. A temperature abnormality is an abnormality in which the temperature of the inrush current prevention resistor 104 becomes high.

回路異常について説明する。異常判定器220は、起動指示に応じて開閉器MC2をオンしたにもかかわらず、DCリンク電圧VDCが上昇しないときに回路異常と判定する。たとえばシーケンサ240は、起動開始からの経過時間を測定し、所定時間の経過後に、DCリンク電圧VDCがしきい値より低いときに、回路異常と判定してもよい(タイムアウト)。異常判定器220が回路異常を検出すると、表示装置230にその旨を表示してもよい。A circuit abnormality will be explained. The abnormality determiner 220 determines that the circuit is abnormal when the DC link voltage VDC does not rise even though the switch MC2 is turned on in response to the activation instruction. For example, the sequencer 240 may measure the elapsed time from the start of activation, and determine that the circuit is abnormal (timeout) when the DC link voltage VDC is lower than the threshold value after a predetermined time has elapsed. When the abnormality determiner 220 detects a circuit abnormality, the display device 230 may display the fact.

回路異常の情報は、シーケンサ240に与えられる。シーケンサ240は、回路異常が検出されると、コンバータ装置100の動作を強制終了する。 Information on the circuit abnormality is provided to the sequencer 240 . Sequencer 240 forcibly terminates the operation of converter device 100 when a circuit abnormality is detected.

異常判定器220は、温度監視部260が検出した温度Tが、所定のしきい値Taを超えると、温度異常と判定する。温度異常が検出されると、表示装置230にその旨を表示してもよい。 The abnormality determiner 220 determines that the temperature is abnormal when the temperature T detected by the temperature monitoring unit 260 exceeds a predetermined threshold value Ta. When a temperature abnormality is detected, the display device 230 may display the fact.

温度異常の情報はシーケンサ240に与えられる。シーケンサ240は、温度異常が検出されたときも、コンバータ装置100の動作を強制終了する。 Information on the temperature abnormality is provided to the sequencer 240 . Sequencer 240 forcibly terminates the operation of converter device 100 even when a temperature abnormality is detected.

以上がコンバータ装置100の構成である。続いてその動作を説明する。図5は、図1のコンバータ装置100の温度異常にもとづく強制終了を説明する動作波形図である。時刻t~tまでの動作は図4と同様である。時刻tにリセットおよび再起動がかかると、温度Tが上昇し始める。The above is the configuration of the converter device 100 . Next, the operation will be explained. FIG. 5 is an operation waveform diagram for explaining forced termination based on temperature abnormality in converter device 100 of FIG. The operation from time t 0 to t 3 is the same as in FIG. When the reset and restart occurs at time t4 , the temperature T begins to rise.

時刻tに温度Tがしきい値Taに達すると、温度異常が検出され、強制終了する。その後、時刻tに再びリセットおよび再起動がかかると、温度Tが上昇し始め、時刻tに再度、温度異常が検出され、強制終了する。When the temperature T reaches the threshold value Ta at time t5 , a temperature abnormality is detected and the process is forcibly terminated. After that, when the reset and restart are applied again at time t6 , the temperature T begins to rise, and the temperature abnormality is detected again at time t7 , and the process is forcibly terminated.

このように実施の形態に係るコンバータ装置100によれば、温度異常を検出すると、強制終了することにより、温度Tが、しきい値Taを超えて上昇し続けるのを防止することができる。 As described above, according to the converter device 100 according to the embodiment, when a temperature abnormality is detected, it is possible to prevent the temperature T from continuing to rise beyond the threshold value Ta by forcibly terminating the operation.

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。 The present invention has been described above based on the examples. It should be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments, and that various design changes and modifications are possible, and that such modifications are within the scope of the present invention. By the way. Such modifications will be described below.

(変形例1)
実施の形態では、温度異常あるいは回路異常(タイムアウト)により強制終了した後は、ユーザが異常のリセットRSTを行った後に、起動指示STARTを与えることにより、再起動が可能であった。これに対して変形例1において、シーケンサ240は、温度異常が検出されている間は、リセットRSTによる異常解除を禁止し、再起動不能とする。
(Modification 1)
In the embodiment, after forced termination due to temperature abnormality or circuit abnormality (timeout), the user can restart by giving the activation instruction START after resetting the abnormality RST. On the other hand, in Modified Example 1, the sequencer 240 prohibits the abnormality removal by the reset RST while the temperature abnormality is being detected, and makes the restart impossible.

上述の温度異常の判定しきい値Taを、第1しきい値と称する。異常判定器220には、第1しきい値Taより低い第2しきい値Tbが定められている。そして異常判定器220は、突入電流防止抵抗104の温度Tが、第2しきい値Tbより高い状態において、コンバータ装置100の再起動を禁止する。 The temperature abnormality determination threshold value Ta described above is referred to as a first threshold value. A second threshold value Tb lower than the first threshold value Ta is set in the abnormality determiner 220 . Abnormality determiner 220 prohibits restart of converter device 100 when temperature T of inrush current prevention resistor 104 is higher than second threshold value Tb.

図6は、変形例1に係るコンバータ装置100の動作を説明する図である。時刻t~tは、図5と同様である。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of converter device 100 according to Modification 1. As shown in FIG. Times t 0 to t 3 are the same as in FIG.

温度Tは、第2しきい値Tbと比較され、T>Tbのときがリセット禁止である。T>Tbである時刻tに、ユーザがリセットおよび再起動を試みるが、シーケンサ240により禁止され、停止状態が維持される。時刻tに温度Tが第2しきい値Tbより低くなると、再起動可能な状態となる。そして、時刻tにユーザがリセットおよび再起動を行うと、コンバータ装置100が再起動を始める。そして時刻tに温度Tが第1しきい値Taに達すると、温度異常となり停止する。The temperature T is compared with a second threshold value Tb, and reset is prohibited when T>Tb. At time t4 when T>Tb, the user attempts to reset and restart, but is inhibited by sequencer 240 and remains suspended. When the temperature T becomes lower than the second threshold value Tb at time t5 , the restart is possible. Then, when the user resets and restarts at time t6 , converter device 100 starts restarting. When the temperature T reaches the first threshold value Ta at time t7 , the temperature becomes abnormal and the operation is stopped.

この変形例によれば、温度Tを、第2しきい値Tbまで確実に低下させることができる。図5の場合は、リセット・再起動のインターバルが短くなると、温度Tの平均値がしきい値Taに近づくことになるが、変形例1の制御を行うと、平均温度を下げることができる。 According to this modification, the temperature T can be reliably lowered to the second threshold value Tb. In the case of FIG. 5, when the reset/restart interval is shortened, the average value of the temperature T approaches the threshold value Ta.

(変形例2)
実施の形態では、突入電流防止抵抗104に流れる電流にもとづいて、突入電流防止抵抗104の温度を推定したが、より直接的に突入電流防止抵抗104の温度を検出してもよい。たとえば突入電流防止抵抗104の近傍に、サーミスタや熱電対などの温度センサを配置し、温度センサの出力を監視してもよい。
(Modification 2)
In the embodiment, the temperature of inrush current preventing resistor 104 is estimated based on the current flowing through inrush current preventing resistor 104, but the temperature of inrush current preventing resistor 104 may be detected more directly. For example, a temperature sensor such as a thermistor or thermocouple may be arranged near the inrush current prevention resistor 104 to monitor the output of the temperature sensor.

(変形例3)
スイッチングコンバータ130の構成は、図1のそれに限定されない。図7は、変形例3に係るスイッチングコンバータ130Aの回路図である。スイッチングコンバータ130Aは、1個のリアクトルLと、1組のハイサイドトランジスタMH1,ローサイドトランジスタML1、平滑コンデンサ102を備える。
(Modification 3)
The configuration of switching converter 130 is not limited to that of FIG. FIG. 7 is a circuit diagram of a switching converter 130A according to Modification 3. As shown in FIG. The switching converter 130A includes one reactor L 1 , a set of high side transistor M H1 , low side transistor M L1 and smoothing capacitor 102 .

スイッチングコンバータ130や130Aにおいて、ハイサイドトランジスタMおよびローサイドトランジスタMは、バイポーラトランジスタに限定されず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やFETを用いることができる。In the switching converters 130 and 130A, the high-side transistor MH and the low-side transistor ML are not limited to bipolar transistors, and may be IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or FETs.

(用途)
続いて、コンバータ装置100の用途を説明する。図8は、コンバータ装置100を備える産業機械のブロック図である。産業機械は、作業機械、工作機械、作業車両、建設機械であり、各種クレーンやショベル、二次電池の充放電検査装置などが例示される。
(Application)
Next, applications of the converter device 100 will be described. FIG. 8 is a block diagram of an industrial machine including the converter device 100. As shown in FIG. Industrial machines include working machines, machine tools, working vehicles, and construction machines, and examples thereof include various cranes, shovels, and charging/discharging inspection devices for secondary batteries.

産業機械300は、バッテリと油圧のハイブリッド型であり、エンジン発電機302、スイッチ304、整流器306、エンジンコンバータ308、蓄電手段312、スイッチ314、バッテリコンバータ316、インバータ318、モータ320を備える。 The industrial machine 300 is a battery-hydraulic hybrid type, and includes an engine generator 302 , a switch 304 , a rectifier 306 , an engine converter 308 , a storage means 312 , a switch 314 , a battery converter 316 , an inverter 318 and a motor 320 .

エンジン発電機302はエンジンによって駆動される発電機であり、三相交流電力を発生する。整流器306は、スイッチ304を介して三相交流電力を受け、直流電圧VIN1に変換する。エンジンコンバータ308は直流電圧VIN1を受け、それを昇圧した電圧VDCをDCリンクバス310に発生させ、その電圧レベルを安定化する。The engine generator 302 is a generator driven by the engine and generates three-phase AC power. A rectifier 306 receives the three-phase AC power via switch 304 and converts it to a DC voltage VIN1 . Engine converter 308 receives DC voltage VIN1 , boosts it to generate voltage VDC on DC link bus 310, and stabilizes the voltage level.

蓄電手段312は、バッテリあるいはキャパシタであり、直流電圧VIN2を生成する。バッテリコンバータ316の出力は、エンジンコンバータ308の出力と共通のDCリンクバス310と接続される。バッテリコンバータ316は、スイッチ314を介して直流電圧VIN2を受け、それを昇圧して、DCリンクバス310の直流電圧VDCを安定化する。インバータ318は、DCリンクバス310のDCリンク電圧VDCを受け、交流電力に変換し、モータ320を駆動する。The storage means 312 is a battery or a capacitor and generates a DC voltage VIN2 . The output of battery converter 316 is connected to DC link bus 310 common to the output of engine converter 308 . Battery converter 316 receives DC voltage V IN2 via switch 314 and boosts it to stabilize DC voltage V DC on DC link bus 310 . Inverter 318 receives the DC link voltage VDC of DC link bus 310 and converts it to AC power to drive motor 320 .

モータ320が回生動作する際には、モータ320からの回生電流が、インバータ318を介してDCリンクバス310に流れ込む。バッテリコンバータ316は、モータ320の回生動作時には充電モードとなり、DCリンクバス310側を入力、蓄電手段312側を出力とする降圧コンバータとして動作する。これにより余った電力を、蓄電手段312に回収することができる。 When motor 320 regenerates, a regenerated current from motor 320 flows into DC link bus 310 via inverter 318 . The battery converter 316 is in a charge mode when the motor 320 is in regenerative operation, and operates as a step-down converter with an input on the DC link bus 310 side and an output on the storage means 312 side. As a result, surplus electric power can be recovered to the storage means 312 .

エンジンコンバータ308およびバッテリコンバータ316はそれぞれ、上述のコンバータ装置100と同様の構成を有する。これにより、突入電流防止抵抗104の温度上昇を抑制し、信頼性を高めることができる。 Engine converter 308 and battery converter 316 each have the same configuration as converter device 100 described above. Thereby, the temperature rise of the inrush current prevention resistor 104 can be suppressed, and the reliability can be improved.

産業機械300は、たとえば門型クレーンである。門形クレーンは、コンテナを昇降させ、あるいは水平方向に移動させる。コンテナを上昇させるときには、モータが力行動作となり、エンジンの出力をアシストする。コンテナを下降させるときには、モータが回生動作となり、バッテリコンバータ316は、モータ320の回生電流を、蓄電手段312に回収する。 Industrial machine 300 is, for example, a portal crane. The gantry crane raises and lowers the container or moves it horizontally. When the container is lifted, the motor is powered and assists the output of the engine. When the container is lowered, the motor is in regenerative operation, and the battery converter 316 recovers the regenerated current of the motor 320 to the storage means 312 .

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、コンバータ装置に関する。 The present invention relates to a converter device.

100 コンバータ装置
102 平滑コンデンサ
104 突入電流防止抵抗
MC1,MC2 開閉器
108 電流センサ
110 放電抵抗
120 保護回路
130 スイッチングコンバータ
200 コントローラ
210 制御部
212 パルス発生器
214 ドライバ
220 異常判定器
230 表示装置
240 シーケンサ
250 操作部
260 温度監視部
入力端子
出力端子
11,C12 コンデンサ
11,R12 抵抗
300 産業機械
302 エンジン発電機
304 スイッチ
306 整流器
308 エンジンコンバータ
310 DCリンクバス
312 蓄電手段
314 スイッチ
316 バッテリコンバータ
318 インバータ
320 モータ
100 converter device 102 smoothing capacitor 104 inrush current prevention resistor MC1, MC2 switch 108 current sensor 110 discharge resistor 120 protection circuit 130 switching converter 200 controller 210 control section 212 pulse generator 214 driver 220 abnormality determiner 230 display device 240 sequencer 250 operation Part 260 Temperature Monitoring Part P1 Input Terminal P2 Output Terminal C11 , C12 Capacitor R11 , R12 Resistor 300 Industrial Machine 302 Engine Generator 304 Switch 306 Rectifier 308 Engine Converter 310 DC Link Bus 312 Storage Means 314 Switch 316 Battery Converter 318 Inverter 320 Motor

Claims (5)

コンバータ装置であって、
入力ラインに直流電圧を受け、出力ラインがコンデンサと接続されるスイッチングコンバータと、
前記入力ラインに直列に設けられる突入電流防止抵抗および開閉器と、
(i)前記開閉器をオンした後、所定時間内に前記コンデンサの電圧がしきい値に達しないとき、または(ii)前記突入電流防止抵抗の温度が所定の第1しきい値より高いときに、前記開閉器を強制的にオフして前記コンバータ装置を異常停止させるコントローラと、
を備えることを特徴とするコンバータ装置。
A converter device,
a switching converter in which an input line receives a DC voltage and an output line is connected to a capacitor;
an inrush current prevention resistor and a switch provided in series with the input line;
(i) when the voltage of the capacitor does not reach the threshold value within a predetermined time after turning on the switch, or (ii) when the temperature of the inrush current prevention resistor is higher than a predetermined first threshold value. a controller that forcibly turns off the switch to abnormally stop the converter device;
A converter device comprising:
前記コントローラは、前記突入電流防止抵抗の温度が、前記第1しきい値より低い第2しきい値より高いときに、前記コンバータ装置の再起動を禁止することを特徴とする請求項1に記載のコンバータ装置。 2. The controller according to claim 1, wherein the controller prohibits restarting of the converter device when the temperature of the inrush current prevention resistor is higher than a second threshold lower than the first threshold. converter device. 前記コントローラは、前記突入電流防止抵抗に流れる電流にもとづいて、前記突入電流防止抵抗の温度を計算することを特徴とする請求項1または2に記載のコンバータ装置。 3. The converter device according to claim 1, wherein said controller calculates the temperature of said inrush current prevention resistor based on the current flowing through said inrush current prevention resistor. エンジン発電機と、
前記エンジン発電機の出力を整流する整流器と、
DCリンクバスと、
前記DCリンクバスと接続されるコンデンサと、
モータと、
蓄電手段と、
前記コンデンサの電圧にもとづいて前記モータを駆動するインバータと、
入力が前記整流器の出力と接続され、出力が前記DCリンクバスと接続される第1コンバータ装置と、
入力が前記蓄電手段と接続され、出力が前記DCリンクバスと接続される第2コンバータ装置と、
を備え、
前記第1コンバータ装置および前記第2コンバータ装置はそれぞれ、請求項1から3のいずれかに記載のコンバータ装置であることを特徴とする産業機械。
an engine generator;
a rectifier that rectifies the output of the engine generator;
a DC link bus;
a capacitor connected to the DC link bus;
a motor;
a storage means;
an inverter that drives the motor based on the voltage of the capacitor;
a first converter device having an input connected to the output of the rectifier and having an output connected to the DC link bus;
a second converter device having an input connected to the storage means and having an output connected to the DC link bus;
with
An industrial machine, wherein the first converter device and the second converter device are each the converter device according to any one of claims 1 to 3.
門型クレーンであることを特徴とする請求項4に記載の産業機械。 5. The industrial machine according to claim 4, which is a portal crane.
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