JP2014225972A

JP2014225972A - 電力変換装置およびその制御方法

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Publication number: JP2014225972A
Application number: JP2013103837A
Authority: JP
Inventors: 秀人馬庭; Hideto Maniwa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP5697713B2

Abstract

【課題】通常の制御に使用されている電力変換装置の入出力のそれぞれの電圧センサ、電流センサの値から求めた電力変換効率に基づき、電力変換回路のパワー素子や磁性部品の熱破壊防止をする制御を行う電力変換装置等を提供する。【解決手段】入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、入力電圧測定部と、入力電流測定部と、出力電圧測定部と、出力電流測定部と、各測定部の測定値に基づいて電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、電力変換効率演算部からの電力変換効率が第一の閾値未満又は以下となった場合に、電力変換効率が第二の閾値より大きく又は以上となるように電力変換装置を制御する制御部と、を備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に係り、特に高負荷によるパワー素子および磁性部品等の破壊防止に関する。

従来、特に大電力を取り扱うような電力変換装置において高負荷状態が継続すると、電力変換装置の電力変換回路を構成するパワー素子や磁性部品が高温になり、最悪熱破壊に至るため、電力変換装置の出力電流を制限することが行われている(例えば下記特許文献１参照)。

また、パワー素子や磁性部品の温度を温度センサにて検出し、温度がある所定値以上になると、電力変換装置の出力電流を制限する手法も行われている。

特開平５−２６０７６１号公報

しかしながら、高負荷状態が継続したことによる出力電流制限は、出力制限がかからない程度の高負荷付近の状態で継続動作した場合、累積的な発熱により、パワー素子や磁性部品が熱破壊に至る可能性が高い。また、温度センサによる出力制限は、直接的にパワー素子や磁性部品の温度を検出しているため、熱破壊至ることは無いが、素子や磁性部品に対応した温度センサが必要になることと、各素子や磁性部品に対する温度の閾値設定、及び複数の閾値に対する出力制限への処理が複雑になるという問題があった。また、高負荷状態が継続した場合等には、電力変換装置を冷却する冷却器も高出力状態が続き冷却器のポンプやファンの破損も起こり得る。

この発明は、上記のような問題点を解決するために成されたものであって、通常の制御に使用されている電力変換装置の入出力のそれぞれの電圧センサ、電流センサの値から求めた電力変換効率に基づき、電力変換回路のパワー素子や磁性部品の熱破壊防止、又、冷却器の負荷軽減、のための制御を行う電力変換装置等を提供することを目的としている。

この発明は、入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、前記入力電圧を測定する入力電圧測定部と、前記電力変換回路への入力電流を測定する入力電流測定部と、前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、前記電力変換回路からの出力電流を測定する出力電流測定部と、前記入力電圧測定部、前記入力電流測定部、前記出力電圧測定部、及び前記出力電流測定部の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、前記電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、前記電力変換効率演算部からの電力変換効率が第一の閾値未満又は以下となった場合に、前記電力変換効率が第二の閾値より大きく又は以上となるように電力変換装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする電力変換装置等にある。

この発明では、既存のセンサから得られる電力変換装置入出力それぞれの電圧および電流から求めた電力変換効率に基づき、パワー素子や磁性部品の熱破壊を防止する制御を行う電力変換装置等を提供できる。

この発明による電力変換装置の構成の一例を示す構成図である。この発明の実施の形態１における電力変換効率の経時変化と効率低下に伴う制御閾値との関係を示した図である。この発明の実施の形態１における出力電流制限状態での出力電流の制限電流値の経時変化を示した図である。この発明の実施の形態２における電力変換効率の経時変化と効率上昇に伴う制御閾値との関係を示した図である。この発明の実施の形態３における電力変換効率の経時変化と効率変動に伴う制御目標値との関係を示した図である。

以下、この発明による電力変換装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明による電力変換装置の構成の一例を示す構成図である。図１において、電力変換装置１００は、電力変換回路３、冷却器６、演算部７、制御部８、入力電圧センサ１、入力電流センサ２、出力電圧センサ９、出力電流センサ１０よりなり、入力側に電源(ここでは交流電源として示されている)１１、入力側に出力負荷１２が接続されている。

電力変換装置１００の入力端子間には，入力電圧値Ｖ１を検出する入力電圧センサ１が挿入され、一方の入力端子と電力変換回路３の間には、入力電流値Ｉ１を検出する入力電流センサ２が挿入されている。電力変換装置１００の出力端子間には、出力電圧値Ｖ２を検出する出力電圧センサが挿入され、一方の出力端子と電力変換回路３の間には、出力電流値Ｉ２を検出する出力電流センサ１０が挿入されている。

電力変換効率演算部を構成する演算部７は、それぞれ測定部である各センサ１，２，９，１０で検出された入力電圧値Ｖ１、入力電流値Ｉ１、出力電圧値Ｖ２、及び出力電流値Ｉ２に従って、所定の演算を行う。そして制御部８が、電力変換回路３内のパワー素子のスイッチング制御により、電力変換回路３の通常の電力変換制御を行うと共に、演算部７での演算結果に従って電力変換回路３を制御し、電源１１の電圧Ｖ１１を所望の出力電圧、又は出力電流、又はその両方となるように変換し、出力負荷１２に供給する。この際、この発明による制御部８は後述するように冷却器６の制御も行う。

ここで、例えば入力電圧センサ１からの入力電圧値Ｖ１への変換は、通常、センサよりアナログ値をＡ／Ｄ(Analog-to-Digital)変換器にてディジタル値に変換し、所定の換算式により入力電圧値Ｖ１へ変換することにより行われる。

また、上記Ａ／Ｄ変換器を含めた入力電圧値Ｖ１への変換、演算部７での演算、及び制御部８での制御は、通常、１つのＭＰＵ(Micro-Processing Unit)で行われる。例えば、各センサ１，２，９、１０からのアナログ信号のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部(図示省略)、演算部７、制御部８が１つのＭＰＵで構成されている。

電力変換回路３は、ダイオード、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)、又はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー素子４、及びリアクトル、又はトランス等の磁性部品５を有する。特に大電力を取り扱う電力変換装置において、パワー素子４、又は磁性部品５は、電力損失による発熱量が大きく、最悪熱破壊につながるため、冷却器６により冷却される。冷却方式には、水冷方式と空冷方式とがある。

電力変換装置１００の電力損失は、入力電力から出力電力を引いたものであり、

電力変換効率Ｅ＝(Ｖ２×Ｉ２)／(Ｖ１×Ｉ１)

によりあらわすことができる。電力変換効率Ｅは、入力電圧Ｖ１、入力電流Ｉ１、出力電圧Ｖ２、及び出力電流Ｉ２を演算部７で演算することにより容易に求めることができる。

図２は、電力変換効率の経時変化と効率低下に伴う制御閾値との関係を示した図である。ここで、
Ｅ_ＴＬ１：制御開始閾値１Ｅ_ＴＨ１：制御解除閾値１
Ｅ_ＴＬ２：制御開始閾値２Ｅ_ＴＨ２：制御解除閾値２
Ｅ_ＴＬ３：制御開始閾値３Ｅ_ＴＨ３：制御解除閾値３
である。各制御開始閾値を第１の閾値、各制御解除閾値を第２の閾値とする。

演算部７で算出した電力変換効率Ｅが、制御開始閾値１(Ｅ_ＴＬ１)を下回った、又は以下の場合(Ｅ＜Ｅ_ＴＬ１、又はＥ≦Ｅ_ＴＬ１)、電力変換効率Ｅを上げようと制御部８が制御を行う。具体的な例としては、出力電流、又は入力電流を制限し(所定値に下げる、又は所定値以上上げない)、電力変換装置の損失を低減するか、冷却器６の冷却性能を上げる(冷却器を流れる、水、又は空気の流量を上げる)ことを行う。

制御部８による電流制限、又は冷却性能向上は、電力変換効率Ｅが制御解除閾値１(Ｅ_ＴＨ１)を上回った、又は以上の場合(Ｅ＞Ｅ_ＴＨ１、又はＥ≧Ｅ_ＴＨ１)まで継続する。

図２は、制御閾値を３段階にした例を示しており、電流制限値、又は冷却性能向上値(流量値)が異なるだけで、制御開始閾値２(Ｅ_ＴＬ２)、制御解除閾値２(Ｅ_ＴＨ２)、制御開始閾値３(Ｅ_ＴＬ３)、制御解除閾値３(Ｅ_ＴＨ３)の動作は、上記制御開始閾値１(Ｅ_ＴＬ１)、制御解除閾値１(Ｅ_ＴＨ１)の動作と同様である。尚、制御閾値の段階数は、特に３段に限定するものではなく、１段階を含む、任意の段階数でよい。

図３を用いて、上記出力電流制限を説明する。
図３は、出力電流制限状態における出力電流の制限電流値の経時変化を示した図である。電力変換効率Ｅが、制御開始閾値１(Ｅ_ＴＬ１)を下回った、又は以下の場合(Ｅ＜Ｅ_ＴＬ１、又はＥ≦Ｅ_ＴＬ１)に出力制限状態１に移行する。本出力制限状態１においては、本来の所望とする出力電流値が予め設定された出力制限状態１の制限電流値１を上回った場合は、制限電流値１に制限する。

他の出力制限状態２，３に関しても同様であり、制限電流値２、又は制限電流値３に出力電流を制限する。尚、図３において、出力制限値３は０Ａであり、電力変換装置の出力が停止している状態を例として示している。

図３は出力電流制限についての例であるが、入力電流を制限する場合は、出力電流制限に対して制御対象が入力電流になり、冷却器性能を向上させる場合は、出力電流制限に対して制御対象が冷却器を流れる、水、冷却液、又は空気の流量になるだけであり、流量を上げると冷却性能が向上する。

このようにこの実施の形態では、各センサ１，２，９，１０で検出された入出力電圧および電流の検出値に基づき演算部７で演算された電力変換効率が降下して第１の閾値未満又は以下となった際には、制御部８は、電力変換回路３内のパワー素子４及び磁性部品５が過負荷状態にあり機能低下しているものと判断して、演算される電力変換効率が第２の閾値より大きく又は以上になるように、冷却器６の機能を上げることで冷却効果を上げたり、入力電流又は出力電流の制限を行うことで過負荷状態を回避して、パワー素子４及び磁性部品５の機能を回復させる。

以上のようにこの発明の実施の形態１によれば、電力変換効率Ｅを、電力変換装置１００に使用されている、入力電圧センサ１、入力電流センサ２、出力電圧センサ９、及び出力電流センサ１０の値を用いて算出し、算出した電力変換効率Ｅによりパワー素子４や磁性部品５の熱破壊を出力電流制限等により防止するため、パワー素子４や磁性部品５へ温度センサを追加する必要がない。

また、基板間やトランス等部品と端子台間等の接続部に接触抵抗の増大、接続配線の配線抵抗増加なども損失増加となるので、電力変換効率に基づいて検出可能である。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２における電力変換装置について図に基づいて説明する。この発明の実施の形態に係わる電力変換装置は、図１に示した実施の形態１と同様の構成である。

図４は、電力変換効率の経時変化と効率上昇に伴う制御閾値との関係を示した図である。ここで、Ｅ_ＴＨ４は制御開始閾値４、Ｅ_ＴＬ４は制御解除閾値４である。図２の開始閾値の方が解除閾値より大きい。制御開始閾値を第１の閾値、制御解除閾値を第２の閾値とする。

演算部７で算出した上記電力変換効率Ｅが、制御開始閾値４(Ｅ_ＴＨ４)を上回った、又は以上の場合(Ｅ＞Ｅ_ＴＨ４、又はＥ≧Ｅ_ＴＨ４)、電力変換効率Ｅを下げようと制御部８が制御を行う。具体的な例としては、冷却器６の冷却性能を下げる(冷却器を流れる、水、冷却液、又は空気の流量を下げる)ようにする。

以上のようにこの発明の実施の形態２によれば、電力変換効率Ｅを、電力変換装置１００に使用されている、入力電圧センサ１、入力電流センサ２、出力電圧センサ９、及び出力電流センサ１０の値を用いて算出し、算出した電力変換効率Ｅが制御開始値を上回った、又は以上になった場合は。冷却器６の冷却性能を下げるため、冷却器６に使用されているポンプやファン(図示省略)の寿命を延ばすことができる。なお、別の観点からすれば、省エネルギーにもなる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３における電力変換装置について図に基づいて説明する。この発明の実施の形態に係わる電力変換装置は、図１に示された実施の形態１と同様の構成である。

図５は、電力変換効率の経時変化と効率変動に伴う制御目標値との関係を示した図である。ここで、Ｅ_Ｔは制御目標値である。

演算部７で算出した上記電力変換効率Ｅが、制御目標値(Ｅ_Ｔ)に追従するように制御部８が動作する。具体的な例としては、電力変換効率Ｅが制御目標値(Ｅ_Ｔ)を上回った、又は以上になった場合は、冷却器６の冷却性能を下げ(冷却器を流れる、水、冷却液、又は空気の流量を下げる)、電力変換効率Ｅが制御目標値(Ｅ_Ｔ)を下回った、又は以下になった場合は、冷却器６の冷却性能を上げる(冷却器を流れる、水、冷却液、又は空気の流量を上げる)ようにする。

以上のようにこの発明の実施の形態３によれば、電力変換効率Ｅを、電力変換装置１００に使用されている、入力電圧センサ１、入力電流センサ２、出力電圧センサ９、及び出力電流センサ１０の値を用いて算出し、算出した電力変換効率Ｅが制御目標値に追従するように冷却器６の冷却性能を必要とされる最適な性能に制御するため、冷却器６に使用されているポンプやファンの寿命を延ばすことができる。なお、別の観点からすれば、省エネルギーにもなる。

なお、図１における電力変換装置１００は、この発明を説明する上で最低限必要な構成を記載したもので、この発明の構成を限定するものでない。また、電源１１は、直流でも交流でもよく、出力電圧も直流でも交流でもよく、出力負荷１２もインバータ、モータ、電気・電子回路、二次電池等でもよい。また、入力電圧センサ１、入力電流センサ２、出力電圧センサ９、又は出力電流センサ１０は、電力変換装置１００の外部にあってもよい。この場合においても、例えば、各センサとそのＡ／Ｄ変換器等の部分が測定部となる。

また、各実施の形態に関し例えば、図２及び図４おいて、各制限開始閾値と制限解除閾値とは、電流制限又は冷却器性能の向上による電力変換効率Ｅの変動が急峻である場合に異なる値であった方が、電力変換装置の制御を安定させる上で好ましいのであって、同じ値であってもよい(Ｅ_ＴＬ１＝Ｅ_ＴＨ１、Ｅ_ＴＬ２＝Ｅ_ＴＨ２、Ｅ_ＴＬ３＝Ｅ_ＴＨ３、Ｅ_ＴＬ４＝Ｅ_ＴＨ４)。

また図３において、出力電流制限値は各出力制限状態において、一定値となっているが、電力変換効率Ｅに応じて変化する形でもよい(例えば、電力変換効率Ｅに比例して変化)。入力電流制限値および冷却性能向上量の場合も同様に電力変換効率Ｅに応じて変化する形でもよい。

以上のようにこの発明に係る電力変換装置において、電力変換装置を構成するパワー素子や磁性部品の温度が上昇しているということは、パワー素子や磁性部品の損失が増加していることに他ならない。また、パワー素子や磁性部品の損失が増加しているということは、電力変換効率が低下しているということである。よって、電力変換効率をモニタすることにより、パワー素子や磁性部品の温度が上昇したことを検出することが可能である。

また、電力変換効率は、電力変換装置の電力変換回路を制御するのに通常使用される、入力電圧センサ、入力電流センサ、出力電圧センサ、及び出力電流センサの値を用いて算出可能であり、パワー素子や磁性部品へ温度センサを追加する必要がない。また、基板間やトランス等部品と端子台間等の接続部に接触抵抗の増大、接続配線の配線抵抗増加なども損失増加となるので、電力変換効率に基づいて検出可能である。

なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。例えば、制御部は、測定値に基づいて演算された電力変換効率と閾値との関係に基づき、電力変換回路を冷却する冷却器の冷却能力、電力変換回路への入力電流、出力電流の少なくとも１つを制御することにより、電力変換効率を所望の範囲の値になるようにする。電力変換回路の入力電流と出力電流を同時に制御する場合には、それぞれに上記の閾値を設定する。

１入力電圧センサ、２入力電流センサ、３電力変換回路、４パワー素子、５磁性部品、６冷却器、７演算部、８制御部、９出力電圧センサ、１０出力電流センサ、１１電源、１２出力負荷、１００電力変換装置。

この発明は、入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、前記入力電圧を測定する入力電圧測定部と、前記電力変換回路への入力電流を測定する入力電流測定部と、前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、前記電力変換回路からの出力電流を測定する出力電流測定部と、前記電力変換回路を冷却する冷却器と、前記入力電圧測定部、前記入力電流測定部、前記出力電圧測定部、及び前記出力電流測定部の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、前記電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、前記電力変換効率演算部からの電力変換効率が第一の閾値未満又は以下となった場合に、前記電力変換効率が第二の閾値より大きく又は以上となるように前記入力電流の制限、前記出力電流の制限、および前記冷却器の冷却性能を上げる制御のうち少なくとも１つを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記入力電流および出力電流の場合に電流を所定値に下げる又は所定値以上に上げないことで電流を制限し、前記冷却器の場合に流れる水又は空気の流量を上げることで冷却性能を上げる、ことを特徴とする電力変換装置等にある。

Claims

入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、
前記入力電圧を測定する入力電圧測定部と、
前記電力変換回路への入力電流を測定する入力電流測定部と、
前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
前記電力変換回路からの出力電流を測定する出力電流測定部と、
前記入力電圧測定部、前記入力電流測定部、前記出力電圧測定部、及び前記出力電流測定部の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、
前記電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、前記電力変換効率演算部からの電力変換効率が第一の閾値未満又は以下となった場合に、前記電力変換効率が第二の閾値より大きく又は以上となるように電力変換装置を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換回路を冷却する冷却器を備え、
前記制御部は、前記冷却器の冷却能力を上げることにより、前記電力変換効率が前記第二の閾値より大きく又は以上になるように制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記制御部は、前記入力電流を制限することにより、前記電力変換効率が前記第二の閾値より大きく又は以上になるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記制御部は、前記出力電流を制限することにより、前記電力変換効率が前記第二の閾値より大きく又は以上になるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記第一の閾値と前記第二の閾値とが等しいことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、
前記入力電圧を測定する入力電圧測定部と、
前記電力変換回路への入力電流を測定する入力電流測定部と、
前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
前記電力変換回路からの出力電流を測定する出力電流測定部と、
前記入力電圧測定部、前記入力電流測定部、前記出力電圧測定部、及び前記出力電流測定部の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、
前記電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、前記電力変換効率演算部からの電力変換効率が第一の閾値より大きく又は以上となった場合に、前記電力変換効率が第二の閾値未満又は以下となるように電力変換装置を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換回路を冷却する冷却器を備え、
前記制御部は、前記冷却器の冷却能力を下げることにより、前記電力変換効率が前記第二の閾値未満又は以下になるように制御することを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
前記第一の閾値と前記第二の閾値とが等しいことを特徴とする請求項６又は７に記載の電力変換装置。
入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路と、
前記入力電圧を測定する入力電圧測定部と、
前記電力変換回路への入力電流を測定する入力電流測定部と、
前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
前記電力変換回路からの出力電流を測定する出力電流測定部と、
前記入力電圧測定部、前記入力電流測定部、前記出力電圧測定部、及び前記出力電流測定部の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算する電力変換効率演算部と、
前記電力変換回路の電力変換制御を行うと共に、前記電力変換効率演算部からの電力変換効率が目標値に追従するように電力変換装置を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換回路を冷却する冷却器を備え、
前記制御部は、前記冷却器の冷却能力を制御することにより、前記電力変換効率が目標値に追従するように制御することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
入力電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換回路を備えた電力変換装置において、前記電力変換回路の前記入力電圧、入力電流、前記出力電圧および出力電流の測定値に基づいて、前記電力変換回路での電力変換効率を演算し、演算された電力変換効率と閾値との関係に基づき、前記電力変換回路を冷却する冷却器の冷却能力、前記電力変換回路への前記入力電流、前記出力電流の少なくとも１つを制御することにより、前記電力変換効率を所望の範囲の値になるようにすることを特徴とする電力変換装置の制御方法。