JP5659330B2

JP5659330B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5659330B2
Application number: JP2011160384A
Authority: JP
Inventors: 祐介荒尾
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN103650334B; EP2736165A1; CN103650334A; WO2013015010A1; EP2736165B1; EP2736165A4; JP2013027179A

Description

本発明は、電動機の加熱保護を行う電力変換装置に関する。

従来、電動機に流れる電流に着目し、その異常電流を検出して電動機の加熱保護を行うものが知られている。しかし、電動機の過励磁による鉄損増加の影響について考慮がなされておらず、電動機の保護ができないという問題があった。これを解決するものとして、過励磁状態で運転した場合に増加する鉄損を考慮して、交流電動機の加熱保護を行う電力変換装置が、特許文献１に示されている。

具体的には、負荷として接続された電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出電流に基づいて、周波数指令または出力電圧指令を補正する周波数電圧演算部と、前記電動機の過熱保護を行う電子サーマル部とを備え、前記電動機の基準となる定格電圧／定格周波数と前記周波数電圧演算部で補正された後の出力電圧指令／周波数指令の比を磁束比として演算し、前記磁束比を用いて前記電動機が過励磁であるかを判断し、過励磁状態に応じて前記検出電流値を補正し、過励磁状態に応じて補正された電流を用いて前記電動機の過熱保護を行うことを特徴とするものである。

特開２００８−１７２９４９号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載のものは、電流検出部で検出された交流電動機に流れる電流の検出値に基いて保護レベルに達したかを判断しているので、正確な判断ができない恐れがある。すなわち、交流電動機に流れる電流はトルク電流等の励磁電流以外も含まれているので、励磁電流以外の電流で過励磁と判断される恐れがある。また、磁束比を用いて電動機の過励磁を検出しており、検出手段が複雑となる。さらに、前記特許文献１に記載のものは、保護レベルに達したことを判断すると運転を停止して過励磁による熱から保護するものであり、保護機能が働いた場合には、運転継続が困難となる。

本発明は、上記従来の問題点にかんがみ、交流電動機の過励磁を正確に検出し、過励磁が検知されたとき過励磁を抑えるように交流電動機を制御する電力変換装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、直流電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部から交流電動機に出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流情報を励磁電流、トルク電流および一次電流に変換する電流変換部と、
前記電流変換部で変換された励磁電流とトルク電流とを比較し、励磁電流がトルク電流より大きいとき、過励磁の判断情報を出力する過励磁判定部と、
前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報と予め設定された設定情報に基いて、電力変換部に制御信号を与えて、電力変換部から交流電動機に供給される出力を制御する制御部を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載の電力変換装置において、前記電力変換部は上アーム及び下アームを備えたスイッチング回路で構成され、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、前記上アーム及び下アームの遮断区間を制御することにより前記電力変換部からの出力電流を抑えることを特徴とする。

また、上記に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部の出力電圧が下がる方向に、励磁電圧指令を補正制御を行うことで、過励磁状態を抑制することを特徴とする。

また、上記に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、交流電動機が停止するように前記電力変換部を制御することを特徴とする。

また、上記に記載の電力変換装置において、さらに電力変換装置の状態を表示する表示部を設け、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報により過励磁状態を上記表示部で表示することを特徴とする。

また、本発明は、直流電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部から交流電動機に出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流を励磁電流に変換する電流変換部と、
励磁電流指令を演算して前記電力変換装置へ供給する制御部と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流を比較し、励磁電流が励磁電流指令より大きいとき、過励磁の判断情報を出力する過励磁判定部を備え、
前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部に制御信号を与えて、電力変換部から交流電動機に供給される出力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、交流電動機の過励磁状態を正確に検出できる。また、過励磁状態を検出したとき交流電動機の焼損を防ぐように運転を継続することができる。

本発明の実施例１、２における電力変換装置の構成図である。実施例１における過励磁判定処理を説明するフローチャートである。実施例１における過励磁判定後の制御処理を説明するフローチャートである。実施例２における過励磁判定処理を説明するフローチャートである。実施例２における過励磁判定後の制御処理を説明するフローチャートである。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例１では、過励磁を判断する例を説明する。図１は本実施例の電力変換装置と交流電動機１０５の構成図の例である。

本実施例の電力変換装置は、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、電力変換部１０４、表示部１０６、制御部１０７、記憶部１０８、過励磁判定部１０９、電流検出器１１０、電流検出部１１１、電流変換部１１２で構成される。

１０１は３相交流電源で、例えば電力会社から供給される３相交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、交流電圧を直流変換部１０２に入力する。

直流変換部１０２は、例えば、ダイオード回路やＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いたコンバータ回路で構成され、３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コンバータを示している。

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に平滑化された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、直流変換部１０２を省いて、発電機から直流電圧を直接平滑コンデンサ１０３に入力しても構わない。

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上アーム１０４ａと下アーム１０４ｂを備えたスイッチング回路で構成され、平滑コンデンサ１０３の直流電圧と、制御部１０７から指令された電圧指令とを入力とし、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機１０５に出力し、交流電動機１０５を駆動させる。

表示部１０６は、例えばオペレータ等のＩ／Ｏ装置で構成され、過励磁判定部１０９からの過励磁判定情報を入力とし、情報を判断して外部に警告を表示する。また、表示部１０６は、操作された設定データ等を記憶部１０８に、運転指令情報等を制御部１０７に出力する。

記憶部１０８は、例えば不揮発性メモリで構成され、表示部１０６のＩ／Ｏ装置で設定された規定電流値と、過励磁を検出時のその後の電力変換装置の制御動作を決める設定情報を記憶しておく。

電流検出器１１０は、例えばホールＣＴやシャント抵抗で構成され、電力変換部１０４から交流電動機１０５に流れる電流を検出し、電流検出部１１１に電流検出値として出力する。電流検出器１１０は、３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、交流電動機１０５に流れる電流を直接検出する位置の例について記述している。

電流検出部１１１は、電流検出器１１０から入力された電流検出値を、例えば３相交流電流として取得し、電流変換部１１２へ出力する。

電流変換部１１２は、電流検出部１１１の３相交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗから、（式１）で２軸の固定座標系（ｉ_α、ｉ_β）に変換し、

この固定座標系を（式２）で回転座標系（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）に変換する。

これにより、電動機の励磁に寄与する励磁電流ｉ_ｄと、電動機のトルクに寄与するトルク電流ｉ_ｑを検出することができる。さらに、電流変換部１１２は、検出された励磁電流とトルク電流とから（式３）により、交流電動機１０５に流れる一次電流ｉ_１を求める。

過励磁判定部１０９は、記憶部１０８に記憶された設定情報と、電流変換部１１２での変換で得た電流情報を入力とし、交流電動機１０５が過励磁であるかどうかを判定し、過励磁の判定情報を表示部１０６及び制御部１０７に出力する。その具体的な方法について、図２のフローチャートを用いてステップ（Ｓ）毎に説明する。

まず、過励磁判定部１０９は、電流変換部１１２から出力された電流値として、励磁電流（ｉ_ｄ）、トルク電流（ｉ_ｑ）、１次電流（ｉ_１）を取り込む（Ｓ２０１）。次に、過励磁判定部１０９は、記憶部１０８に予め設定された規定電流値と１次電流（ｉ_１）とを比較する（Ｓ２０２）。記憶部１０８に予め設定される規定電流値は、熱保護のために設けられた電流設定値等であって、例えば電動機定格電流の８０％とする。

上記Ｓ２０２で、１次電流値が規定電流値以上だった場合、過励磁判定部１０９は、励磁電流（ｉ_ｄ）とトルク電流（ｉ_ｑ）を比較する（Ｓ２０３）。そして、励磁電流がトルク電流よりも大きければ過励磁状態と判断する（Ｓ２０４）。

なお、過励磁を判断する際には、トルク電流との比較ではなく、あらかじめ設定されたパラメータを用いてもよい。それは例えば、電動機の無負荷状態での励磁電流値の１．５倍の励磁電流を設定値としておき、励磁電流（ｉ_ｄ）がこの設定値を超えた場合に過励磁と判断してもよい。

過励磁判定部１０９は、判定された過励磁の判定情報を表示部１０６及び制御部１０７に出力する（Ｓ２０５）。なお、このとき過励磁判定部１０９は、一旦過励磁状態となってから、再び正常な状態に戻った場合に、過励磁状態から正常励磁状態に戻って動作が不安定になることがあるので、これを防ぐため、励磁状態の変化に時限特性を持たせてもよい。

図２の過励磁状態の判定では、Ｓ２０２とＳ２０３の２段階のステップを経て過励磁を判断している。最初のＳ２０２では、励磁電流とトルク電流を含めた１次電流（ｉ_１）が規定値より大きいか判断し、大きい場合は過励磁の可能性あるとしてＳ２０３に進み、小さい場合は正常励磁と判断してＳ２０５へ進む。１次電流が小さい場合とは、例えば、負荷が小さいためにトルク電流が小さく、励磁電流が大部分を占めている場合である。

次のＳ２０3では、励磁電流とトルク電流を比較し、励磁電流がトルク電流より大きい場合に過励磁と判断し、その逆の場合に正常励磁と判断している。すなわち、Ｓ２０２で１次電流（ｉ_１）が規定値より大きいと判断されても、その原因が負荷の増大に伴うトルク電流の増加の場合には正常励磁と判断し、励磁電流がトルク電流より大きくなった場合にのみ過励磁と判断している。つまり、電動機に必要がないのに励磁電流が過剰に流れている場合のみ過励磁と判断しているので、過励磁を正確に判断することができる。また、過励磁判断の構成は簡単に構成できる。

過励磁と判断された後の制御動作について説明する。制御部１０７は、記憶部１０８に予め設定により格納されている設定情報と、過励磁判定部１０９で過励磁の判断情報を入力として受け、その後の電力変換装置の制御動作を決定し、電力変換部１０４にＰＷＭの制御情報を出力する。

図３で説明すると、まず、制御部１０７は、記憶部１０８に設定された過励磁検出時の電力変換装置の制御動作を決める設定情報と、過励磁判定部１０９からの過励磁情報を取得する（Ｓ３０１）。制御部１０７は、取得した情報が過励磁状態であるかを判定し（Ｓ３０２）、過励磁の場合、記憶部１０８に格納されている設定情報の中から過励磁を抑える設定情報を選択し、電力変換部１０４にＰＷＭの制御信号を与える。電力変換部１０４は、ＰＷＭの制御信号によって制御され、過励磁を抑えるように交流電動機１０５に供給される出力が制御される（過励磁状態駆動）（Ｓ３０３）。過励磁状態でない場合には通常の駆動が継続される（Ｓ３０４）。また、制御動作の一つとして過励磁状態を表示部１０６で表示して警告を発する。

なお、過励磁状態であるかの判断（Ｓ３０２）は、誤判定を防ぐために、複数回判定した結果、例えば連続で３回過励磁と判断された場合に、過励磁状態であると判断してもよい。

図３のＳ３０３で説明した、ＰＷＭの制御信号による電力変換部１０４の制御は、交流電動機１０５へ供給される出力パルスを抑制することで、過励磁を抑えながら交流電動機１０５の運転を継続させる。この制御動作の詳しい一例を挙げる。

図４は、制御部１０７から電力変換部１０４に与える１相分の電圧パルス指令の様子を示している。制御部１０７は、電力変換部１０４の制御用の信号として、スイッチング回路の上アームと１０４ａと下アーム１０４ｂの短絡防止用に、デッドタイムを付加したＰＷＭの制御信号を出力する。具体的には、過励磁判定部１０９が過励磁と判断した場合、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、制御部１０７が上記上アームと下アームの短絡防止用に設定されたデッドタイムを最小値とし、デッドタイム指令値を付加してデッドタイムを可変（増加）させる。このように、デッドタイムを増加させるとＰＷＭの制御信号のパルス幅が減少し、電力変換部１０４から交流電動機１０５に出力される出力電圧及び、交流電動機１０５に流れる電流を抑えることが可能となる。

制御部１０７がデッドタイムを可変させる場合、例えば最少デッドタイムが３μｓ、可変範囲を１０μｓと決めたとすると、交流電動機１０５が過励磁となった時に、即座にデッドタイムを１０μｓにしてもよいし、徐々に１０μｓに近づけてもよい。また、交流電動機１０５が過励磁状態から復帰した際に、デッドタイムを最小値に戻す過程も同様である。また、デッドタイムを可変させる際に、１次電流あるいは励磁電流が、規定電流値を超えた量に連動して、デッドタイムを広げてもよい。

次に、過励磁状態となった場合に、制御部１０７が交流電動機１０５への出力電圧を制御して運転継続させる他の例について説明する。ここでは、電力変換部１０４の出力電圧を制御するために、制御部１０７から電力変換部１０４に励磁電圧指令が供給されるが、この励磁電圧指令を利用している。

交流電動機１０５が過励磁状態になった場合、制御部１０７は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部１０４の出力電圧が下がる方向に、励磁電圧指令を補正制御を行い、交流電動機１０５の運転を継続する。補正制御は、例えば、励磁電流が規定電流値以上になって過励磁となった場合に、規定電流値を目標値として励磁電圧指令を下げる方向（負の方向）にＰＩ制御する。そして、下げる方向に制御した負の積算項が、正（負からゼロを超えて正）になった場合（ＰＩ制御で励磁電流が規定電流値まで低下した場合）、励磁電流が過励磁状態から抜け出したと判断する。

また、運転を停止する例としては、過励磁状態になった場合、制御部１０７の指令が交流電動機１０５を減速停止させるか、または、電力変換部１０４の出力を遮断させる制御を行う。これは例えば、制御部１０７が交流電動機１０５を制御する際に、制御に用いるパラメータ設定が適切でない等の理由で過励磁となった場合は、パラメータ設定の変更が伴うので、交流電動機１０５を停止させて過励磁状態の警告を発生させる。標準品でなく想定外の電動機が接続された状態で過励磁が発生した場合に、この制御が必要となる。

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と同様である。

電流変換部１１２は、実施例１と同様に、電流検出部１１１から入力した３相交流電流から、前記した（式１）で２軸の固定座標系に変換し、それを（式２）で回転座標系に変換する。これにより、電動機の励磁に寄与する励磁電流と、電動機のトルクに寄与するトルク電流を検出することができる。また、変換した励磁電流とトルク電流とから、（式３）により交流電動機１０５に流れる一次電流を求める。

過励磁判定部１０９は、記憶部１０８に記憶された設定情報、および電流変換部１１２が変換して得た電流情報、制御部１０７が演算した励磁電流指令を入力とし、交流電動機１０５が過励磁であるかどうかを判定し、その判定情報を表示部１０６及び制御部１０７に出力する。その具体的な制御について、図５を用いて説明する。

まず、過励磁判定部１０９は、電流変換部１１２で出力した励磁電流値（検出励磁電流）と制御部１０７で演算された励磁電流指令（励磁電流比較値）を取り込む（Ｓ５０１）。次に、過励磁判定部１０９は、検出励磁電流と演算された励磁電流比較値とを比較する（Ｓ５０２）。この時の励磁電流比較値は、電動機の標準の励磁電流指令値から計算された値であって、例えば無負荷状態での励磁電流指令値の１５０％とする。このように、本実施例では、電流変換部１１２で出力した励磁電流値と、制御部１０７で演算された励磁電流指令（励磁電流比較値）とを比較して、過励磁を判断している。

このように、本実施例では、励磁電流同士を直接比較しているので、より正確にかつ簡単な構成で、過励磁を判定することができる。

過励磁判定部１０９は、励磁電流値が励磁電流比較値よりも大きければ過励磁状態と判断する（Ｓ５０３）。過励磁判定部１０９は、判定された過励磁情報を表示部１０６及び制御部１０７に出力する（Ｓ５０４）。この時、過励磁判定部１０９は、一旦過励磁状態となってから、再び正常な状態に戻った場合に、過励磁から正常励磁になり動作が不安定になるので、これを防ぐ目的で、状態の変化に時限特性を持たせてもよい。

過励磁を抑える動作制御の詳しい例を挙げる。過励磁状態となった場合に、制御部１０７から電力変換部１０４へのＰＷＭの制御信号を制御することで、電力変換部１０４から交流電動機１０５への出力パルスを制御しながら運転を継続させる。実施例１と同様に、図４に示すようにパルス幅を制御することで、電力変換部１０４から交流電動機１０５に出力される出力電圧及び、交流電動機１０５に流れる電流を抑えることが可能となる。

また、過励磁状態となった場合に、制御部１０７が交流電動機１０５への出力電圧を制御しながら、運転を継続させる他の例についても、実施例１と同様に制御を行うものである。さらに、運転を停止する一例としては、過励磁状態になった場合に、制御部１０７が、交流電動機１０５を減速停止させるか、または電力変換部の出力を遮断させる。これは例えば、制御部１０７が、交流電動機１０５を制御する際に、制御に用いるパラメータ設定が適切でない等の理由で過励磁となった場合に、パラメータの設定変更に備えて、交流電動機１０５を停止させて、過励磁状態の警告を発生させる。

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（ＳＯＬＩＤＳＴＡＴＥＤＲＩＶＥ）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…３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、１０４ａ…上アーム、１０４ｂ…下アーム、１０５…交流電動機、１０６…表示部、１０７…制御部、１０８…記憶部、１０９…過励磁判定部、１１０…電流検出器、１１１…電流検出部、１１２…電流変換部。

Claims

直流電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部から交流電動機に出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流情報を励磁電流、トルク電流および一次電流に変換する電流変換部と、
前記電流変換部で変換された励磁電流とトルク電流とを比較し、励磁電流がトルク電流より大きいとき、過励磁の判断情報を出力する過励磁判定部と、
前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報と予め設定された設定情報に基いて、電力変換部に制御信号を与えて、電力変換部から交流電動機に供給される出力を制御する制御部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、前記電力変換部は上アーム及び下アームを備えたスイッチング回路で構成され、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、前記上アーム及び下アームの遮断区間を制御することにより前記電力変換部からの出力電流を抑えることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部の出力電圧が下がる方向に、励磁電圧指令を補正制御を行うことで、過励磁状態を抑制することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、交流電動機が停止するように前記電力変換部を制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに電力変換装置の状態を表示する表示部を設け、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報により過励磁状態を上記表示部で表示することを特徴とする電力変換装置。
直流電力を所望の交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部から交流電動機に出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流を励磁電流に変換する電流変換部と、
励磁電流指令を演算して前記電力変換装置へ供給する制御部と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流を比較し、励磁電流が励磁電流指令より大きいとき、過励磁の判断情報を出力する過励磁判定部を備え、
前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部に制御信号を与えて、電力変換部から交流電動機に供給される出力を制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項６に記載の電力変換装置において、前記電力変換部は上アーム及び下アームを備えたスイッチング回路で構成され、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、前記上アーム及び下アームの遮断区間を制御することにより前記電力変換部からの出力電流を抑えることを特徴とする電力変換装置。
請求項６または７に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、電力変換部の出力電圧が下がる方向に、励磁電圧指令を補正制御を行うことで、過励磁状態を抑制することを特徴とする電力変換装置。
請求項６に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報に基いて、交流電動機が停止するように前記電力変換部を制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項６〜９のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに電力変換装置の状態を表示する表示部を設け、前記過励磁判定部からの過励磁の判断情報により過励磁状態を上記表示部で表示することを特徴とする電力変換装置。