JP6609058B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１１−１０１４４５号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、「線間電圧検出回路から検出された電圧から回転数と位相を検出し，制御器内で制御による位相遅れ分と回路による位相遅れ分とを補正し再始動を行う。さらに、検出された回転数から推測された誘起電圧と、実際に検出した誘起電圧との差に着目し、且つその差に一定値以上の差異が生じた場合に、検出された周波数の誤検出もしくは停止中と判断し、再始動を変更する手段を備える。」と記載されている。

特開２０１１−１０１４４５号公報

特許文献１には、ＭＣＵの持つＡＤ変換器に電圧検出回路の出力を、ＭＣＵの持つ入力ポートにパルス変換回路の電圧パルス出力を入力させることにより、誘起電圧の回転数、位相、大きさをＭＣＵに認識させる点、及び、ＭＣＵは、電圧検出回路及びパルス変換回路から検出した同期電動機の現在の回転数と電圧位相から、出力周波数と出力電圧を演算する点、が記載されている。

汎用的な電力変換装置では、特許文献１で示されたような方法を用いて、例えば電力変換装置とは別に、外部接続されているシステムが出力した交流電流、交流電圧あるいはパルス列出力、あるいは、異なる電力変換装置が駆動している電動機のフィードバック信号などから、その周波数を取得し、電動機駆動用の指令周波数として用いる場合がある。その場合、汎用的な電力変換装置では、例えば、上記で示した信号の周期が、0.1Hzで入力した場合、10s間も更新できず、周波数の更新周期が伸びてしまうという課題がある。また、例えば、二つの電力変換装置が電動機を制御する際、マスタとなった電力変換装置が駆動する電動機の回転信号を用いてスレーブとなった電力変換装置の出力周波数を制御する場合、マスタが0.09Hz以下となった場合に出力を遮断したとしても、10s以上パルスが来ないために、同期が取り難くなるという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、電力変換を行う交流変換部と、交流変換部を制御する演算部とを有した電力変換装置であって、演算部は、入力信号を周期信号に変換する周期変換部と、周期信号から取得周波数を演算する周期演算部と、取得周波数に従い出力指令を出力する制御部を備え、周期演算部は、周期変換部から前回取得した周期信号の周期を超えて周期信号が取得できなかった場合、周期信号が取得できない期間を演算して取得周波数として出力するように構成する。

本発明によれば、取り込み周期が長くなった場合でも、周期判断タイミングよりも早いタイミングで更新情報を取り込むことができる電力変換装置を提供できる。

実施例１における電力変換装置の構成図の例である。 実施例１における周期演算部が演算を行う手順を示すフローチャートである。 実施例１における周期演算部が判断する周期入力と取得周波数の関係図である。 実施例１における低周波数の周期入力の場合に、取得周波数をパルスエッジ取得前に予測する処理の説明図である。 実施例２における電力変換装置の構成図の例である。 実施例２における取得周波数と指令範囲との関係図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、外部装置の出力したパルス列出力に対し、接続された電力変換装置が、指令周波数として取り込み、電動機に出力を行う動作例を説明する。

図１は、本実施例における外部装置１２０が接続された電力変換装置１００と交流電動機１０５の構成図の例である。

本実施例における電力変換装置１００は、三相交流電源１０１に接続された、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、交流変換部１０４、演算部１１０で構成される。演算部１１０は、周期変換部１１１、周期演算部１１２、周波数取得部１１３、制御部１１４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、１例として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、交流変換部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。

交流変換部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、制御部１１４の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、変換した所望周波数の交流電圧を交流電動機１０５に供給する。また、交流変換部１０４は、平滑コンデンサ１０３を介さず、交流−交流変換を行うような交流変換回路で構成されている場合には、交流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力してもよい。

周期変換部１１１は、外部装置１２０が出力したパルス列出力もしくは交流電流、あるいは、交流電圧を入力とし、入力した信号を周期信号に変換して、周期演算部１１２に出力する。

周期演算部１１２は、周期変換部１１１が変換した周期信号から周波数を演算して、周波数取得部１１３に出力する。周期演算部１１２は、周期信号が前回の信号周期よりも長い間信号変化がない場合、周期が広がったと判断して、周波数を演算する。

周波数取得部１１３は、周期演算部１１２から出力された周波数を入力とし、指令値として周波数を取得後、取得周波数として制御部１１４に出力する。

制御部１１４は、交流電動機１０５を駆動するために与えられた指令から演算された出力指令に従い、交流変換部１０４にＰＷＭ出力指令を与える。

外部装置１２０は、例えば、ＰＬＣ、外部システムの動作を取り込むエンコーダ、パルス列出力装置、交流電圧源などで、電力変換装置１００に周期的に指令を与えるためのものであり、周期変換部１１１に入力される。

図２は、周期演算部１１２が行う演算判断の手順を示すフローチャートである。また、図３は、周期入力と周期演算部１１２が演算した取得周波数の出力例である。

図２において、周期演算部１１２は、前回演算した周波数を保持または取得する（Ｓ２０１）。そして、周期演算部１１２は、周期間隔が前回よりも長いかどうか判断する（Ｓ２０２）。周期演算部１１２は、前回取得した周期よりも現在取得した周期が短い場合は、周期が確定した段階で取得周波数として周波数を演算する（Ｓ２１３）。すなわち、パルスの立ち上がりもしくは立ち下がりのエッジ毎に取得周波数を演算し、例えば、図３の（Ａ）の時点で周期が確定した後、（Ｂ）の時点で周期入力が変化した際に、取得周期として確定する。

具体的には、パルスの立ち上がりから立ち下がり、もしくは立ち下がりから立ち上がりを1周期Ｔedgeとし、周期Ｔのパルス列入力がある場合、周期演算部１１２は、下記の式（１）で周波数ｆを演算する。

ｆ＝１／（２×Ｔedge） …（１）
周期Ｔは、パルス列の立ち上がりから次の立ち上がりを定義しても良いし、交流電圧の０クロスから次の０クロス、ピークから次のピークを指定しても良い。この場合、下記の式（２）で周波数ｆを演算する。

ｆ＝１／Ｔ …（２）
周期演算部１１２は、前回取得した周期よりも現在取得した周期が長い場合は、次の周期が更新されるまで前回周期で待機せずに、予測周波数を更新する予測周波数演算を行う（Ｓ２０３）。すなわち、図３の（Ｃ）の時点で周期が確定した後、同じ周期で立ち上がりが来ると予想される（Ｄ）の時点以降で周期入力が変化しない場合に、変化しない時間を計測しておき、少なくとも変化しないとして計測した時点よりも周期が長くなっていると予測して、その時点を取得周期として確定する。例えば、（Ｅ）の時点では、前回パルスの立ち上がりから立ち下がり周期をＴpreとし、Ｔpre経過後からＴover経過したとすると、周期演算部１１２は、下記の式（３）で周波数ｆを演算し、低周波数のパルス列入力指令をパルスエッジ取得前に予測する。

ｆ＝１／（２×（Ｔpre＋Ｔover）） …（３）
図４に、本実施例における、低周波数のパルス列入力の場合に、取得周波数をパルスエッジ取得前に予測する処理の説明図を示す。図４において、（Ａ）がパルスの立ち上がりもしくは立ち下がりのエッジ毎に取得周波数を演算する場合の周期入力と取得周波数との例であり、低周波数のパルス列の場合は、そのエッジが来る時間が長くなるので、取得周波数の更新タイミングも遅くなる。これに対して、（Ｂ）はパルスエッジ取得前に予測する処理を行う場合の周期入力と取得周波数との例であり、前回取得した周期よりも現在取得した周期が長い場合、すなわち、次のエッジが来ると予想されるタイミングでエッジが来ない場合は、パルス列は低速であると判断し、その時点で予測周波数を演算し取得周波数を更新する。言い換えれば、直前の周期入力よりも現在の周期入力が長いとき、現在の周期入力のエッジが来る前に取得周波数が低下するように更新する。よって、取得周波数の更新タイミングを早くすることが出来る。すなわち、更新情報の更新タイミングを早くすることが出来る。

また、図３の（Ｆ）のタイミングのように、外部指令が０となると、周期入力がなくなる。このため、予測演算された取得周波数が予め最低指令値として設定した周波数を下回った場合に、周期入力がない状態と同等として、出力を遮断することができる。

そして、図２において、周期演算部１１２は、最終的な取得周波数として演算結果を出力する（Ｓ２０４）。

以上のように、指令周波数として、通常パルスを認識する際、パルスの周波数が低くなるほどパルスのエッジが来る間隔は長くなる。パルス間隔が長くなると、認識までの時間が長くなり、応答性が下がり、指令が保持されると、低速な指令を出すほどに反応が遅くなる。そのため、パルス幅が長くなったとき、同じパルスが来ると予想した間隔を超えてパルスが来ない場合に、指令が低速になっているとして指令を予測する。これにより、急にパルス周期が長くなった場合に、パルス取得の反応を早くすることが出来る。すなわち、周期信号が来る前に指令周波数の低下を検出することができる。

以上のように、本実施例は、電力変換を行う交流変換部と、交流変換部を制御する演算部とを有した電力変換装置であって、演算部は、入力信号を周期信号に変換する周期変換部と、周期信号から取得周波数を演算する周期演算部と、取得周波数に従い出力指令を出力する制御部を備え、周期演算部は、周期変換部から前回取得した周期信号の周期を超えて周期信号が取得できなかった場合、周期信号が取得できない期間を演算して取得周波数として出力するように構成する。

また、電力変換を行う交流変換部と、交流変換部を制御する演算部とを有した電力変換装置であって、演算部は、入力信号を周期信号に変換する周期変換部と、周期信号から取得周波数を演算する周期演算部と、取得周波数に従いPWM出力指令を出力する制御部を備え、周期演算部は、周期変換部から取得した周期信号の周期間隔が前回よりも長い場合、前回周期間隔よりも長くかつ周期入力が変化しない時点を取得周期として取得周波数を演算し出力するように構成する。

また、電力変換を行う交流変換部と、交流変換部を制御する指令を出力する演算部とを有した電力変換装置であって、指令は、周期入力から指令周波数が生成され、指令周波数を低下させる指令動作のとき、周期入力のエッジが来る前に指令周波数が低下するように構成する。

これにより、取り込み周期が長くなった場合でも、周期判断タイミングよりも早いタイミングで更新情報を取り込むことができる電力変換装置を提供できる。

本実施例は、電流検出器を具備した電力変換装置が、自己診断のために出力周波数を取り込み、電動機の出力を遮断する動作例について説明する。

図５は、本実施例における電力変換装置１００と交流電動機１０５の構成図の例である。図５において、既に説明した図１と同一の機能を有する構成には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。図５において、電流検出器４０１は、ホールＣＴやシャント抵抗で構成され、交流変換部に流れる電流を検出する。電流検出器４０１は、交流変換部１０４の電流を検出可能であれば、電力変換装置のどの部分に配置されていても良い。電流検出器４０１は、少なくとも１相の電流を取得し、電流検出部４０２に出力する。

電流検出部４０２は、電流検出器４０１の出力を入力とし、例えば、交流電流の０クロスを基準にパルス変換し、周期変換部１１１に出力する。

外部装置４２０は、電力変換装置１００に周期的に指令を与えるためのものであり、指令出力部４１５にその信号が入力される。指令出力部４１５は、外部装置４２０からの入力信号を出力指令周波数に変換し、制御部１１４に入力する。

図６は、周期変換部１１１が、実施例１と同様に、交流電流の周期を入力として、周波数を取得した場合に、制御部１１４が出力した指令に対して、検出した取得周波数が異常である場合にＰＷＭ出力を遮断する様子を示している。図６において、取得周波数として、実施例１の予測周波数演算を実施しない場合を破線で、予測周波数演算を実施した場合を実線で示している。図６に示すように、制御部１１４が、予め周波数を低下させる指令動作をしている場合に、検出した取得周波数（実線）が、ハッチングで示す指令範囲を逸脱した場合（丸で示した（Ｇ）の時点）にＰＷＭ出力を遮断している。これは、ある程度減速した後に止めたい場合、すなわち、本来下げたい周波数まで減速して止めることが出来る機能安全の面で有効である。予測周波数演算を実施しない場合は、検出した取得周波数（破線）は、更新が遅れることにより指令範囲をすぐに逸脱してしまう（丸で示した（Ｈ）部分）が、本実施例により予測周波数演算を実施した場合は取得周波数の更新が速くでき（実線）、指令範囲を狭く、精度よく自己診断が可能になる。

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。

１００：電力変換装置、１０１：三相交流電源、１０２：直流変換部、１０３：平滑コンデンサ、１０４：交流変換部、１０５：交流電動機、１１０：演算部、１１１：周期変換部、１１２：周期演算部、１１３：周波数取得部、１１４：制御部、１２０、４２０：外部装置、４０１：電流検出器、４０２：電流検出部、４１５：指令出力部

Claims (6)

1. 電力変換を行う交流変換部と、該交流変換部を制御する演算部とを有した電力変換装置であって、
   前記演算部は、入力信号を周期信号に変換する周期変換部と、
   前記周期信号から取得周波数を演算する周期演算部と、
   前記取得周波数に従い出力指令を出力する制御部を備え、
   前記周期演算部は、前記周期変換部から前回取得した前記周期信号の周期を超えて前記周期信号が取得できなかった場合、該周期信号が取得できない期間を演算して前記取得周波数として出力することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記入力信号はパルス入力または交流信号であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記交流変換部に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器が取得した電流をパルス変換して検出し前記周期変換部に入力する電流検出部と、
   前記入力信号を出力指令周波数に変換し前記制御部に入力する指令出力部を備え、
   前記制御部は、前記取得周波数が前記出力指令の範囲を逸脱した場合に、出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記取得周波数が所定の値を下回った場合に、出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
5. 電力変換を行う交流変換部と、該交流変換部を制御する演算部とを有した電力変換装置であって、
   前記演算部は、入力信号を周期信号に変換する周期変換部と、
   前記周期信号から取得周波数を演算する周期演算部と、
   前記取得周波数に従いPWM出力指令を出力する制御部を備え、
   前記周期演算部は、前記周期信号の周期間隔が前回よりも長い場合、前回周期間隔よりも長くかつ周期入力が変化しない時点を取得周期として前記取得周波数を演算し出力することを特徴とする電力変換装置。
6. 電力変換を行う交流変換部と、該交流変換部を制御する指令を出力する演算部とを有した電力変換装置であって、
   前記指令は、周期入力から指令周波数が生成され、直前の周期入力よりも現在の周期入力が長いとき、該現在の周期入力のエッジが来る前に前記指令周波数が低下することを特徴とする電力変換装置。

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