JP4622640B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、誘導電動機を可変速駆動する電力変換装置に関する。

誘導電動機を可変速駆動する電力変換装置において、瞬時停電等の外的要因により誘導電動機がフリーラン状態になった後、電源回復した場合に、一旦停止してから再起動するのではなく、フリーラン状態の誘導電動機の回転数を検出し、電源回復後に、再起動条件が整ったときに、自動同期回転数引込みにより運転継続する自動再起動方法がある。

特許文献１には、残留電圧検出トランスで検出された誘導電動機の残留電圧により誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、残留電圧検出トランスで検出された誘導電動機の残留電圧により誘導電動機の回転方向を検出する回転方向検出回路と、を有するインバータ装置について記載されている。

また、特許文献２には瞬時停電再始動機能を有するインバータにおいて、位相検出器のための電圧検出用トランスあるいはフォトカプラを用いた回路を不要としたインバータ装置について記載されている。

特開平５−１５３７９４号公報 特開平５−２６８７９４号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の従来のインバータ装置は、誘導電動機の残留電圧を検出する残留電圧検出トランスを備える構成のため、コストが上がるという問題点、またトランス外形により装置全体が大きくなるという問題点があった。
また、上述の特許文献２に記載の従来のインバータ装置は、フリーラン状態の期間にインバータ部の上アームあるいは下アームのスイッチング素子を同時に導通させる信号を、この信号がオフされたとき短絡電流が減少しゼロとなるような間隔で与え、このとき流れる電流を電流検出器により検出し、この検出された電流の方向を判別して、残留電圧の位相を検出する構成であり、短絡電流の極性が反転するタイミングにより誘導電動機の回転数、回転方向を検出しているため、スイッチング周期によって短絡電流の反転タイミングの検出に限界があり、回転速度の検出精度に限界があるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、駆動制御対象である誘導電動機の回転数を検出することができる小形、低コストの電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る電力変換装置は、半導体スイッチング素子および半導体スイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードより構成され、直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、このインバータ部を構成する半導体スイッチング素子の任意の１素子にオン信号を出力する制御回路と、この制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる任意の１相のモータ配線と直流電圧との間に接続され、駆動制御対象である誘導電動機の電圧極性を検出する電圧極性検出回路と、この電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、を備えたものである。

この発明の電力変換装置は、インバータ部を構成する半導体スイッチング素子の任意の１素子にオン信号を出力する制御回路と、この制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる任意の１相のモータ配線と直流電圧との間に接続され、駆動制御対象である誘導電動機の電圧極性を検出する電圧極性検出回路と、この電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、を備えたので、駆動制御対象である誘導電動機の回転数を検出することができる小形、低コストの電力変換装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。図１において、電力変換装置の主回路部は、整流ダイオード１８〜２３より構成され交流電力を直流電力に変換するコンバータ部、直流電圧を平滑する平滑主回路コンデンサ２４、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子２５〜３０および半導体スイッチング素子２５〜３０に並列に接続された還流ダイオード３１〜３６より構成され、直流電力を交流電力に変換するインバータ部により構成される。また、３７は電力変換装置が可変速駆動する誘導電動機である。また、３８は直流電圧（負極側）、３９は直流電圧（正極側）である。

また、１ａはインバータ部を構成する半導体スイッチング素子２５〜３０をオン／オフ制御する制御回路で、この発明の実施の形態１においては、瞬時停電等の外的要因により誘導電動機がフリーラン状態にあるときに、半導体スイッチング素子２５〜３０の任意の1素子（図１においては、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子）にオン信号を出力する。
また、５ａは制御回路１ａからオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは相が異なる任意の１相（図１においては、Ｕ相）のモータ配線と直流電圧（負極側）３８または直流電圧（正極側）３９との間に接続され、電圧極性を検出する電圧極性検出回路である。電圧極性検出回路５ａは分圧抵抗９と分圧抵抗９と直列に接続される抵抗１０と抵抗１０の両端電圧の極性を検出する極性判別用コンパレータ１１ａとから構成される。
また、２は電圧極性検出回路５ａの出力に基づいて誘導電動機３７の回転数を検出する回転数検出回路である。

図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置において、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子のゲート信号とＵ相モータ電圧と抵抗１０の両端電圧との関係を示す図である。図２において、（ａ）は直流電圧（負極側）に対するＵ相モータ電圧の波形、（ｂ）は抵抗１０の両端電圧の波形、（ｃ）は瞬時停電等の外的要因により誘導電動機がフリーラン状態にあるときに、オン信号を出力する半導体スイッチング素子の任意の1素子としてのＶ相下アームの半導体スイッチング素子のゲート信号の波形である。
実施の形態１に係る電力変換装置においては、瞬時停電等により誘導電動機がフリーラン状態にあるとき、誘導電動機1次側に発生している残留電圧を半導体スイッチング素子の任意の1素子をオンさせることで、直流電圧部に対して誘導電動機の線間電圧が確定することを利用し、直流電圧部とオンしている半導体スイッチング素子とは相が異なる任意の１相のモータ配線との間の電圧極性のみを検出する回路を有し、電圧極性に応じたパルス信号出力周期を測定することにより、誘導機の回転数に応じた残留電圧周期を検出する。

上記のように、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、任意の半導体スイッチング素子1素子をオンすることにより、フリーラン状態の誘導電動機の線間の電位を直流電圧部に対して確定させ、直流電圧部とモータ配線との間の電圧極性検出回路により、残留電圧極性を検出することができるので、従来使用されていた、線間電圧検出用トランス、出力電流検出器等を不要にすることができ、回路の小形化、低価格化を図ることができる。また、従来使用されていた線間電圧検出用トランス、出力電流検出器による回路と比べ、誘導電動機の回転数検出範囲を広げることができる。

実施の形態２．
図３、図４はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図で、図３は直流電圧（負極側）３８に対しＵ相出力電圧が正となる場合に流れる電流経路Ａを示した図、図４は直流電圧（負極側）３８に対しＵ相出力電圧が負となる場合に流れる電流経路Ｂを示した図である。
図３、図４において、１ａ、２、１１ａ、１８〜２３、２４、２５〜３０、３１〜３６、３７、３８、３９は、図１と同様であり、その説明を省略する。

また、５ｂは制御回路１ａからオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは異なる任意の１相（図３、図４においては、Ｕ相）のモータ配線と直流電圧（負極側）３８または直流電圧（正極側）３９との間に接続され、電圧極性を検出する電圧極性検出回路、６は電圧極性検出回路５ｂと直流電圧部（図３、図４においては、直流電圧（負極側）３８）との間に接続される逆流防止用高耐圧ダイオード、７は制御回路１ａからオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは相が異なる任意の１相（図３、図４においては、Ｕ相）のモータ配線と電圧極性検出回路５ｂとの間に接続される逆流防止用高耐圧ダイオードである。
電圧極性検出回路５ｂは、逆流防止用高耐圧ダイオード６と抵抗１３ａの接続点に抵抗８を介して直流電圧部から所定の電圧を持った低圧電源４０に接続するとともに、逆流防止用高耐圧ダイオード７と抵抗１３ａの接続点に抵抗１２ａを介して直流電圧部から所定の正の電圧を持った低圧電源４０に接続し、抵抗１３ａの両端電圧の極性をコンパレータ１１ａにより検出する。

図３、図４により、実施の形態２に係る電力変換装置における電圧極性検出回路５ｂの動作の説明をする。
瞬停後の復電時あるいは通常の電源投入時に、制御回路１ａは半導体スイッチング素子２５〜３０の任意の1素子（図３、図４においては、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子）にオン信号を出力する。このときＶ相出力は、直流電圧（負極側）３８の電圧として確定することにより、誘導電動機３７の残留電圧に応じてＵ相、Ｗ相の電圧が確定する。

このとき抵抗１３ａを流れる電流方向が、Ｕ相出力電圧に応じて変化することをコンパレータ１１ａで検出し、パルス列周期に変換する。パルス列が反転するタイミングの間隔を回転数検出回路２にて測定することで誘導電動機の回転数がわかる。

実施の形態１に係る電力変換装置における電圧極性検出回路においては、モータ配線と直流電圧部との間に分圧抵抗を挿入する例を説明したが、実施の形態２ではモータ配線と直流電圧部との間に、高耐圧ダイオード６、高耐圧ダイオード７を接続するようにしたものである。
実施の形態２に係る電力変換装置においては、逆流防止用高耐圧ダイオード６、逆流防止用高耐圧ダイオード７により、主回路電流の流れ込みを防止し、電圧極性検出回路５内部を低電圧回路で構成することができる。

また、図５はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置のその他の構成を示す図である。図５において、２、６、７、１２ａ、１３ａ、２５〜３０、３１〜３６、３７、４０は、図３と同様であり、その説明を省略する。５ｃは制御回路１ａ（図示せず）からオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは相が異なる任意の１相（図５においては、Ｕ相）のモータ配線と直流電圧部（直流電圧（負極側）３８または直流電圧（正極側）３９、図示せず）との間に接続され、電圧極性を検出する電圧極性検出回路、４１は抵抗、４２は極性判別用トランジスタである。
上述の図３、図４では、抵抗１３ａの両端電圧の極性をコンパレータ１１ａにより検出する例を示したが、図５はトランジスタ４２により極性判別をするようにしたものである

また、図６はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置のその他の構成を示す図である。図６において、２、６、７、１２ａ、１３ａ、２５〜３０、３１〜３６、３７、４０は、図３と同様であり、その説明を省略する。５ｄは制御回路１ａ（図示せず）からオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは異なる任意の１相（図６においては、Ｕ相）のモータ配線と直流電圧部（直流電圧（負極側）３８または直流電圧（正極側）３９、図示せず）との間に接続され、電圧極性を検出する電圧極性検出回路、４３は絶縁電源、４４は抵抗、４５は絶縁電源コモン、４６は極性判別用フォトカプラ、４７はフォトカプラ逆耐圧破損防止用ダイオードである。
上述の図３、図４では、抵抗１３ａの両端電圧の極性をコンパレータ１１ａにより検出する例を示したが、図６はフォトカプラ４６により極性判別をするようにしたものである。

上記のように、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置における電圧極性検出回路においては、直流電圧部と任意にオンさせるスイッチング素子とは異なる任意の１相のモータ配線との間に、高耐圧ダイオード６、高耐圧ダイオード７を接続するようにしたので、実施の形態１に係る電力変換装置の電圧極性検出回路における分圧抵抗が不要となり、抵抗の信頼性および熱容量の問題点が改善され、さらに回路の小形化、回路内の低電圧化ができる。
また、回路の小形化、回路内の低電圧化が可能となるので、トランジスタ、フォトカプラ、コンパレータ等を用いた小型、低価格で、低耐圧部品により構成することができる。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図７において、２、６、７、８ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１８〜２３、２４、２５〜３０、３１〜３６、３７、３８、３９、４０は、図３、図４と同様であり、その説明を省略する。
１ｂはインバータ部を構成する半導体スイッチング素子２５〜３０をオン／オフ制御する制御回路で、この発明の実施の形態３においては、瞬時停電等の外的要因により誘導電動機がフリーラン状態にあるときに、半導体スイッチング素子２５〜３０の任意の１素子（図７においては、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子）にオン信号を出力する。３は回転方向検出回路、４は瞬停検出回路である。

また、５ｅは制御回路１ｂからオン信号を送られた半導体スイッチング素子の1素子とは相が異なる２相（図７においては、Ｕ相およびＷ相）のモータ配線と直流電圧（負極側）３８または直流電圧（正極側）３９との間に接続され、電圧極性を検出する電圧極性検出回路である。８ｂは抵抗、１２ｂは抵抗、１３ｂは抵抗、１１ｂは抵抗１３ｂの両端電圧の極性を検出する極性判別用コンパレータである。また、１４は逆流防止用高耐圧ダイオード、１５逆流防止用高耐圧ダイオードである。
電圧極性検出回路５ｅは、図３、図４に記載のＵ相のモータ配線に接続した電圧極性検出回路５ｂにＷ相のモータ配線に接続するために同様の回路構成の電圧極性検出回路を追加した構成である。

また、図８、図９はこの発明の実施の形態３に係る電力変換装置において電圧極性検出回路５ｅにおける抵抗１３ａおよび抵抗１３ｂの両端電圧の残留電圧波形を示す図で、図８は誘導電動機が正転時の残留電圧波形、図９は誘導電動機が逆転時の残留電圧波形である。図８、図９において、（ａ）は直流電圧（負極側）に対するＵ相モータ電圧の波形、（ｂ）は抵抗１３ａの両端電圧の波形、（ｃ）は直流電圧（負極側）に対するＷ相モータ電圧の波形、（ｄ）は抵抗１３ｂの両端電圧の波形、（ｅ）は瞬時停電等の外的要因により誘導電動機がフリーラン状態にあるときに、オン信号を出力する半導体スイッチング素子の任意の1素子としてのＶ相下アームの半導体スイッチング素子のゲート信号の波形である。
Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子のゲート信号入力後、残留電圧が確定し、Ｕ相モータ電圧と抵抗１３ａの両端電圧との関係およびＷ相モータ電圧と抵抗１３ｂの両端電圧との関係は、誘導電動機が正転時の場合は図８、誘導電動機が逆転時の場合は図９に示すものとなる。

回転方向検出回路３は、図８および図９に示す残留電圧波形の位相差により回転方向を検出する。

実施の形態３に係る電力変換装置においては、２相分の電圧極性を検出する電圧極性検出回路５ｅを備え、誘導電動機がフリーラン状態にあるときに、制御回路１ｂは半導体スイッチング素子２５〜３０の任意の1素子にゲート信号入力した後、確定した残留電圧を電圧極性検出回路５ｅで残留電圧極性をパルス信号に変換し、ゲート信号入力した半導体スイッチング素子の相と異なる２相のパルスの立上り、立下りを検出することで回転方向を検出するようにしたものである。

上記のように、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる２相のモータ配線と直流電圧との間に接続され、駆動制御対象である誘導電動機の電圧極性を検出する電圧極性検出回路と、この電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、前記電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転方向を検出する回転方向検出回路と、を備えたので、フリーラン状態にある誘導電動機の回転数および回転方向を検出することができる小形、低コストの電力変換装置を得ることができる。

この発明の電力変換装置は、電圧極性検出回路、回転数検出回路および回転方向検出回路を備えたので、誘導電動機の回転数検出において従来必要であった線間電圧検出用トランス、出力電流検出器等を使用することなく、誘導電動機の回転数を検出でき、さらに従来より広範囲の回転数検出ができるので、誘導電動機の信頼性の高い回転数検出の機能が、汎用の電力変換装置からこの発明の電力変換装置に置き換えることで容易に実現できる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置において、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子のゲート信号とＵ相モータ電圧と抵抗１０の両端電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図で、直流電圧（負極側）３８に対しＵ相出力電圧が正となる場合に流れる電流経路Ａを示した図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図で、直流電圧（負極側）３８に対しＵ相出力電圧が負となる場合に流れる電流経路Ｂを示した図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のその他の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のその他の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置において電圧極性検出回路５ｅにおける抵抗１３ａおよび抵抗１３ｂの両端電圧の残留電圧波形を示す図で、誘導電動機が正転時の残留電圧波形である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置において電圧極性検出回路５ｅにおける抵抗１３ａおよび抵抗１３ｂの両端電圧の残留電圧波形を示す図で、誘導電動機が逆転時の残留電圧波形である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 制御回路、 ２ 回転数検出回路、 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ 電圧極性検出回路、 ６ 逆流防止用高耐圧ダイオード、 ７ 逆流防止用高耐圧ダイオード、 ８ａ，８ｂ 抵抗、 ９ 分圧抵抗、 １０ 抵抗、 １１ａ，１１ｂ 極性判別用コンパレータ、 １２ａ，１２ｂ 抵抗、 １３ａ，１３ｂ 抵抗、 １４ 逆流防止用高耐圧ダイオード、 １５ 逆流防止用高耐圧ダイオード、 １８〜２３ 整流ダイオード、 ２４ 平滑主回路コンデンサ、 ２５〜３０ 半導体スイッチング素子、 ３１〜３６ 還流ダイオード、 ３７ 誘導電動機、 ３８ 直流電圧（負極側）、 ３９ 直流電圧（正極側）、 ４０ 低圧電源、 ４１ 抵抗、 ４２ 極性判別用トランジスタ、 ４３ 絶縁電源、 ４４ 抵抗、 ４５ 絶縁電源コモン、 ４６ 極性判別用フォトカプラ、 ４７ フォトカプラ逆耐圧破損防止用ダイオード。

Claims (4)

1. 半導体スイッチング素子および半導体スイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードより構成され、直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
   このインバータ部を構成する半導体スイッチング素子の任意の１素子にオン信号を出力する制御回路と、
   この制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる任意の１相のモータ配線と直流電圧との間に接続され、駆動制御対象である誘導電動機の電圧極性を検出する電圧極性検出回路と、
   この電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる任意の１相のモータ配線と前記電圧極性検出回路との間および前記直流電圧と前記電圧極性検出回路との間に高耐圧ダイオードを接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 半導体スイッチング素子および半導体スイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードより構成され、直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
   このインバータ部を構成する半導体スイッチング素子の任意の１素子にオン信号を出力する制御回路と、
   この制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる２相のモータ配線と直流電圧との間に接続され、駆動制御対象である誘導電動機の電圧極性を検出する電圧極性検出回路と、
   この電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転数を検出する回転数検出回路と、
   前記電圧極性検出回路の出力に基づき前記誘導電動機の回転方向を検出する回転方向検出回路と、
   を備えた電力変換装置。
4. 前記制御回路からオン信号を出力されたスイッチング素子とは相が異なる２相のモータ配線と前記電圧極性検出回路との間および前記直流電圧と前記電圧極性検出回路との間に高耐圧ダイオードを接続するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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