WO2015097734A1

WO2015097734A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: WO2015097734A1
Application number: PCT/JP2013/084398
Authority: WO
Inventors: 祐介荒尾; 卓也杉本
Original assignee: 株式会社日立産機システム
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-07-02
Also published as: CN105814790A; JPWO2015097734A1; EP3089354B1; CN105814790B; JP6286450B2; EP3089354A1; EP3089354A4

Abstract

　指令電圧位相とそれによって発生する電流位相から脱調を判断するため、低速域で小さくなる誘起電圧の影響を受けず、また負荷による電流変動の影響も受けないため、安定的に脱調を検出することができる　直流電圧を平滑化する直流電圧部と、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部に流れる電流を取得する電流取得部と、前記電流取得部において取得した電流から前記電力変換部の出力電圧を演算する出力演算部と、前記電力変換部に接続された同期電動機の脱調を判定する脱調判定部と、を備え、前記脱調判定部は、前記電流取得部の取得した電流における電流位相と、および前記出力演算部が演算した出力電圧における電圧位相との位相差に基づいて前記同期電動機の脱調を判定する。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置における脱調検出機能に関する。

　本技術分野の背景技術として、特許４１６７８６３号公報（特許文献１）がある。この公報には、「直流電圧を３相交流電圧に変換して同期モータを駆動するインバータ回路と、同期モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、指令速度に従って制御処理を行う制御回路と、前記インバータ回路を駆動するドライバとを具備した同期モータの制御装置において、前記制御回路が、前記電流検出手段により検出したモータ電流から励磁電流を演算する座標変換手段と、励磁電流指令発生手段と、インバータ回路の出力電圧を、モータ定数設定値と、励磁電流指令と前記励磁電流とを用いて決定する電圧指令発生手段と、励磁電流指令と前記励磁電流が一致するように補正後発電定数を作成する発電定数補正演算部とを備え、前記発電定数は、モータ回転時に発生する誘起電圧を決定する定数であって、前記補正後発電定数と予め設定した所定値とを比較して前記同期モータの脱調を検出することを特徴とする同期モータの制御装置。」と記載されている。

特許第４１６７８６３号公報

　同期モータの脱調の検出を行う方法として、特許文献１の開示内容では、同期電動機の誘起電圧を用いて行うため、始動時や速度が低い場合、磁石の回転によって発生する誘起電圧が小さい状態では、検出が困難となる可能性がある。本発明は、特に誘起電圧の小さい低速域でも安定的に脱調を検出する電力変換装置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、直流電圧を平滑化する直流電圧部と、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部に流れる電流を取得する電流取得部と、前記電流取得部において取得した電流から前記電力変換部の出力電圧を演算する出力演算部と、前記電力変換部に接続された同期電動機の脱調を判定する脱調判定部と、を備え、前記脱調判定部は、前記電流取得部の取得した電流における電流位相と、および前記出力演算部が演算した出力電圧における電圧位相との位相差に基づいて前記同期電動機の脱調を判定することを特徴とする。

　本発明によれば、指令電圧位相とそれによって発生する検出電流位相から脱調を判断するため、低速域で小さくなる誘起電圧の影響を受けず、安定的に脱調を検出することができる。

　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１～３における電力変換装置の構成図の例である。実施例１における脱調判定部の判定動作を示したフローチャートの例である。実施例１における脱調判定状態の電流および電圧位相を示した図の例である。実施例１～３における脱調を判断することを示したフローチャートの例である。実施例２における脱調判定部の判定動作を示したフローチャートの例である。実施例２における脱調判定状態の電流位相を示した図の例である。実施例３における脱調判定部の判定動作を示したフローチャートの例である。実施例３における脱調判定状態の電流および電圧位相を示した図の例である。実施例１～３における脱調と判断された後の動作を示したフローチャートの例である。

　以下、実施例を図面を用いて説明する。

　本実施例では、同期電動機の脱調に関する検出例および検出後の動作例を説明する。図１は、本実施例の電力変換装置と同期電動機１０５の構成図の例である。本実施例では、三相交流電源１０１、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、電力変換部１０４、同期電動機１０５、電流検出器１０６、電流取得部１０７、出力演算部１０８、脱調判定部１０９、表示操作部１１０、記憶部１１１を有する。

　三相交流電源１０１は、例えば電力会社から供給される三相交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、直流変換部１０２に出力する。

　直流変換部１０２は、例えばダイオードで構成された直流変換回路やIGBTとフライホイールダイオードを用いた直流変換回路で構成され、三相交流電源１０１から入力された交流電圧を、直流電圧に変換し、平滑コンデンサ１０３に出力する。図１では、ダイオードで構成された直流変換部を示している。

　平滑コンデンサ１０３は、直流変換部１０２から入力された直流電圧を平滑化し、電力変換部１０４に直流電圧を出力する。例えば発電機の出力が直流電圧の場合、平滑コンデンサ１０３は、直流変換部１０２を介さず、直接発電機から直流電圧を入力されても構わない。

　電力変換部１０４は、例えばIGBTとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路で構成され、平滑コンデンサ１０３の直流電圧と、出力演算部１０８の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、同期電動機１０５に出力する。

　電流検出器１０６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同期電動機１０５に流れる電流を検出し、電流取得部１０７に電流検出値として出力する。電流検出器１０６は、三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、同期電動機１０５に流れる電流を検出する例が示されている。

　電流取得部１０７は、電流検出器１０６から入力された電流検出値を、例えば磁石軸をd軸、それと直交する軸をq軸とした二軸座標系の電流データId、Iqに変換し、出力演算部１０８、脱調判定部１０９に出力する。電流検出部１０７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、電流の位相が演算できればよい。

　出力演算部１０８は、電流取得部１０７が出力した電流データ、脱調判定部１０９が出力した脱調判定状態後動作と、表示・操作部１１０からの運転指令を入力とし、例えば同期電動機のトルク特性を最適に制御できるよう出力電圧を演算し、例えば磁石軸をd軸、それと直交する軸をq軸とした二軸座標系の出力電圧データVd*、Vq*に変換し、電力変換部１０４および脱調判定部１０９に出力する。

　脱調判定部１０９は、電流取得部１０７が取得した電流データ、例えばIdおよびIqと、出力演算部１０８が演算した出力電圧データ、例えばVd*およびVq*を入力とし、例えば磁石軸を基準位相として、取得電流の位相δIと出力電圧のδVを演算し、脱調判定状態を判定する。脱調判定状態の判定方法については、後で詳しく説明する。脱調判定部１０９は、脱調後の動作を記憶部１１１から取得し、脱調と判断した後、出力演算部１０８に脱調後の動作を出力する。

　表示操作部１１０は、例えば操作盤の操作パネルまたは電力変換装置に接続されたオペレータのようなユーザーインターフェースで構成され、操作者に選択された脱調後の動作を記憶部１１１に出力する。また、表示操作部１１０は、例えば脱調判定部１０９から入力した脱調判定状態を現在脱調判定状態であることを警告表示する。

　記憶部１１１は、例えばEEPROMやRAM等で構成され、表示操作部１１０から入力される脱調後動作データを入力とし記憶しておき、脱調判定部１０９に脱調後動作データを出力する。

　次に本実施例の脱調検出原理を説明する。

　定常状態における永久磁石同期電動機のモデルでは以下の（数１）が成り立つ。

　ここで、R：同期電動機の抵抗値、Ld：同期電動機のd軸インダクタンス値，Lq：同期電動機のq軸インダクタンス値、ω：回転速度、Id：d軸電流、Iq：q軸電流、Ke：同期電動機の誘起電圧係数、Vd：d軸電圧、Vq：q軸電圧である。

　例えば、出力演算部１０８は、出力すべき電圧を演算する際に(数１)を元にして、例えば(数２)のように電圧を計算する。

　ここで、ω*：回転速度指令、Id*：d軸電流指令、Iq*：q軸電流指令、Vd*：d軸電圧指令、Vq*：q軸電圧指令である。

　同期電動機１０５は、脱調した場合、回転が止まってしまうと誘起電圧が発生しない。(数１)は、回転速度がほぼ０だと考え、(数３)のように近似できる。ただし、同期電動機１０５には、電力変換装置から出力があるため、（数３）の左辺と右辺は完全には一致しない。

　（数３）の状態は、電流と電圧の比率がほぼ同じ割合となることを示しており、電力変換装置の出力があった場合には、出力電圧に従い、検出電流と出力電圧の関係は(数４)に示す状態となる。

　電流位相δIは、d軸を基準軸として、（数５）に従って計算される。

　電圧位相δVは、d軸を基準軸として、（数６）に従って計算される。

　すなわち、電流位相および電圧位相の関係は、(数７)となる。

　本実施例は、この状態を用いて脱調を検出する。

　図２は、実施例１における脱調判定部１０９が脱調を判定するまでのフローチャートである。電力変換装置の起動後は常時当該フローチャートの判定を行っている。図３は、実施例１における位相の関係図である。

　脱調判定部１０９は、例えば、電流取得部１０７からId、Iqを、出力演算部１０８からVd*、Vq*をそれぞれ取得する（Ｓ２０１）。脱調判定部１０９は、(数５)(数６)を用いて、各位相δIとδVを求め、位相差ΔをδIとδVから(数８)を用いて計算する（Ｓ２０２）。

　脱調判定部１０９は、位相差Δが所定の範囲、例えば±30°（位相A＝-30°、位相B＝30°）の範囲に入ったかどうかを判定し（Ｓ２０３）、範囲内に入った場合には脱調判定状態（１）だと判定し（Ｓ２０４）、範囲外の場合には継続して監視を続ける。

　図４は、脱調判定が行われた場合の脱調判定部１０９の動作を示している。

　脱調判定部１０９は、脱調判定状態かどうかを判定し（Ｓ３０１）、脱調判定状態であればタイマを加算していく（Ｓ３０２）、脱調判定状態でないならばタイマをクリアし脱調判定状態判定に戻る（Ｓ３０３）。脱調判定部１０９は、タイマが所定の判定時間以上になったかどうかを判定し（Ｓ３０４）、例えば５秒以上になった場合、脱調と判断し、記憶部１１１から予め設定された脱調後動作の設定値を読み出す（Ｓ３０５）。脱調判定部１０９は、タイマが所定の秒数以内であれば、再び脱調判定状態を監視する。これは、脱調判定状態が誤検出された場合に、電力変換装置が誤動作することを回避するものであり、脱調判定状態と判断された直後に記憶部１１１から予め設定された脱調後動作の設定値を読み出してもよい。脱調判定部１０９は、脱調後の動作を出力演算部１０８に指令する（Ｓ３０６）。

　図９は、脱調判定部１０９からの指令を受けた後の、出力演算部１０８の動作を示したフローチャートである。

　出力演算部１０８は、脱調後動作設定を記憶部１１１から取得し（Ｓ９０１）、設定値が出力遮断を行うか、再始動を行うかを判定し（Ｓ９０２）、出力遮断を行うのであれば、電力変換部１０４に出力遮断指令を出力し（Ｓ９０３）、再始動を行うのであれば、電力変換部１０４に再始動指令を出力する。

　尚、本発明は、特に、始動してからセンサレスベクトル制御に至るまでの速度の低い領域（例えば、基底周波数の１０％以下の速度）においても安定的に脱調検出を行うことができる点が有効である。センサベクトル制御を行う速度の領域における脱調検出は、制御を切り替えて他の方式で行ってもよい。また、センサレスベクトル制御を行う速度の領域においても引き続き本発明の脱調検出方式を適用してもよい。

　本実施例では実施例１と、共通する部分については同様の符号を用いて説明し、異なる部分について詳細に説明するものとする。本実施例の構成は、実施例１にて説明した図１と同様であり、三相交流電源１０１、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、電力変換部１０４、同期電動機１０５、電流検出器１０６、電流取得部１０７、出力演算部１０８、脱調判定部１０９、表示操作部１１０、記憶部１１１を有する。

　次に本実施例の脱調検出原理を説明する。
図６は、本実施例の脱調判定状態の位相関係を示した図である。例えば、同期電動機の規定するトルク特性が、同期電動機の定格電流の２００％であるとした場合、例えば磁石軸をd軸、それと直交する軸をq軸とした二軸座標系の電流データId、Iqにおいて、トルクに寄与する電流Iqが力行トルクで２００％以上あるいは回生トルクで－２００％以下となる状態は制御範囲外となるため、異常と判断できる。例えば（数２）におけるIq*の最大電流値IqLを２００％、Id*の最大指令値IdLを１０%とすると、位相の最大δILはおよそ87°となり、電流位相δIが例えば87°から180°の範囲に入った場合、脱調判定状態と判断する。

　上記の決め方の例は、一例であって、脱調と判断できる位相範囲があれば、どの範囲に設定してもかまわない。

　本実施例は、この状態を用いて脱調を検出する。図５は、実施例２における脱調判定部１０９が脱調を判定するまでのフローチャートである。

　脱調判定部１０９は、例えば、電流取得部１０７からId、Iqを取得する（Ｓ５０１）。脱調判定部１０９は、(数５)を用いて、位相δIを求める（Ｓ５０２）。脱調判定部１０９は、例えば、図５の位相Cを87°、位相Dを180°に設定し、位相δIが位相Cおよび位相Dの範囲に入ったかどうか判定し（Ｓ５０３）、範囲に入っていれば脱調判定（２）の状態とし（Ｓ５０４）、範囲に入っていなければ電流位相の監視を継続する。

　脱調判定部１０９は、脱調と判断した場合、実施例１同様、図４のフローチャートに従い、脱調判定状態を判定する。さらに出力演算部１０８は、実施例１同様、図９のフローチャートに従い、脱調と判定された後の動作を決定する。

　次に本実施例の脱調検出原理を説明する。本実施例では、実施例１の脱調判定（１）および脱調判定（２）の結果を併用して、脱調判定状態を検出する。実施例1の方法では、（数２）を用いた制御演算上、正常な場合でも（数７）の状態が起こり得るため、図４における脱調検出時間を長めに設定する必要がある可能性がある。一方で実施例２の方法では、トルク電流が高いレベルにある場合に、正常な状態でトルク電流が流れている場合もあり、図４における脱調検出時間を長めに設定する必要がある可能性がある。本実施例では、実施例１および実施例２を併用することで、脱調判定状態を確実なものにし、短時間で脱調を検出することができる。

　図７は、実施例３における脱調判定状態の判定のフローチャートである。
脱調判定部１０９は、図２および図５のフローチャートを用いて、脱調判定を行い、各々の脱調判定状態を取得する（Ｓ７０１）。脱調判定部１０９は、脱調判定状態（１）かつ脱調判定状態（２）となっているかどうかを判断し（Ｓ７０２）、脱調判定状態（１）かつ脱調判定状態（２）となっていたら脱調判定状態（３）とする。脱調判定部１０９は、どちらか一方の脱調判定状態が無効となっていれば、再び脱調判定状態の監視を継続する。

　脱調判定部１０９は、脱調と判断された場合、実施例１同様、図４のフローチャートに従い、脱調判定状態を判定する。さらに出力演算部１０８は、実施例１同様、図９のフローチャートに従い、脱調と判定された後の動作を決定する。

　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。

１０１・・・三相交流電圧、１０２・・・直流変換部、１０３・・・平滑コンデンサ、１０４・・・電力変換部、１０５・・・同期電動機、１０６・・・電流検出器、１０７・・・電流取得部、１０８・・・出力演算部、１０９・・・脱調判定部、１１０・・・表示操作部、１１１・・・記憶部、

Claims

　直流電圧を平滑化する直流電圧部と、
　直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、
　前記電力変換部に流れる電流を取得する電流取得部と、
　前記電流取得部において取得した電流から前記電力変換部の出力電圧を演算する出力演算部と、
　前記電力変換部に接続された同期電動機の脱調を判定する脱調判定部と、
を備え、
　前記脱調判定部は、前記電流取得部の取得した電流における電流位相と、前記出力演算部が演算した出力電圧における電圧位相との位相差に基づいて前記同期電動機の脱調を判定することを特徴とする電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記位相差が所定の範囲内に入った状態が所定時間以上経過した場合に脱調の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記電流位相と前記電圧位相との位相差が所定の範囲内であり、かつ、前記電流位相が所定の範囲内である場合に脱調の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調を判定した場合は、前記出力演算部に遮断指令を与え、前記電力変換部の出力を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調を判定した場合、前記出力演算部に再始動指令を与え、前記電力変換部を自動的に再始動させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　所定のデータを記憶する記憶部と、
　データを表示し、ユーザが操作を受付ける表示操作部と、
を備え、
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調が判定された場合に、前記電力変換部の出力の遮断を行うか、前記電力変換部の再始動を行うかを、前記表示操作部の操作に応じて選択的に前記記憶部に記憶させ、前記同期電動機の脱調が判定された場合に、前記記憶部からデータを読み出し、前記出力演算部の動作を決定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　直流電圧を平滑化する直流電圧部と、
　直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、
　前記電力変換部に流れる電流を取得する電流取得部と、
　前記電流取得部において取得した電流から前記電力変換部の出力電圧を演算する出力演算部と、
　前記電力変換部に接続された同期電動機の脱調を判定する脱調判定部と、
を備え、
　前記脱調判定部は、前記電流取得部の取得した電流における電流位相が所定の範囲内に入った場合に脱調の判定をすることを特徴とする電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調を判定した場合は、前記出力演算部に遮断指令を与え、前記電力変換部の出力を遮断することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調を判定した場合、前記出力演算部に再始動指令を与え、前記電力変換部を自動的に再始動させることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
　所定のデータを記憶する記憶部と、
　データを表示し、ユーザが操作を受付ける表示操作部と、
を備え、
　前記脱調判定部は、前記同期電動機の脱調が判定された場合に、前記電力変換部の出力の遮断を行うか、前記電力変換部の再始動を行うかを、前記表示操作部の操作に応じて選択的に前記記憶部に記憶させ、前記同期電動機の脱調が判定された場合に、前記記憶部からデータを読み出し、前記出力演算部の動作を決定することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。