JP6626431B2 - 放電機能を有する電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電機能を有する電力変換装置、特に、その放電異常検出技術に関する。

大容量のインバータ、サーボドライバ等の電力変換装置においては、運転停止後、安全のために即座に充電した電力を放電する必要がある。そのため、放電回路が設けられているが、放電回路等に異常があった場合などに保護動作を行う必要がある。

この問題を解決する背景技術として、特許文献１には、「蓄電器が出力する直流電圧を異なるレベルの直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に印加するインバータと、コンバータ及びインバータと並列に設けられた平滑コンデンサと、平滑コンデンサからの放電電流が流れる抵抗と、放電電流が流れる電流経路を開閉するスイッチング素子と、を有する放電回路と、平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧センサーとを備えたシステムにおける、放電回路の故障を検知する放電回路故障検知装置は、スイッチング素子による電流経路の開閉動作を、２つの異なるデューティ比でのＰＷＭ制御で段階的に行い、低デューティ比でのＰＷＭ制御の段階で得られる両端電圧の変化率及び高デューティ比でのＰＷＭ制御の段階で得られる両端電圧の変化率に基づいて、放電回路の故障の有無を検知する。」と記載されている（要約参照）。

特開２０１５−１１６０９７号公報

近年、大容量のインバータやサーボドライバにおいては、運転サイクル中のピークカットのためにＤＣバスに大容量のコンデンサを追加したり、省エネのために共通コンバータ方式を採用し、１つのコンバータ部に対しインバータ部を複数備えたりするなど、ＤＣバス上のコンデンサ容量が設備によって様々な値になる。またコンデンサ容量に合わせて放電抵抗も選定されるため、放電の様子は設備によって異なり、放電動作や放電回路の異常検出は困難になる。

特許文献１に記載された方法では、あらかじめ決まった放電回路でかつ、あらかじめ決まった２つの異なる放電動作時の平滑コンデンサ両端電圧の電圧変化率を正常値と比較して放電回路異常を判定するため、上記のように設備によりコンデンサ容量、放電抵抗値が多様で一律に決まらない場合、それぞれのシステム毎に正常値を決めておくことができない。さらにコンデンサの容量が変化することにより保護動作の基準となる電圧は予め決められた値では装置に対し適当でない場合もあると考えられる。

本発明は、コンデンサ容量や放電抵抗値の異なる様々な放電機能を有する電力変換装置において、装置ごとに異常判定値を設定することなく、同一の手順にて放電異常の検出を行うことを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、放電動作中のある一定時間のＤＣバスの電圧変化率を求めて回路時定数相当の値を作り出し、その値の変動によって回路の異常を検出する。

本発明の電力変換装置の一例を挙げるならば、入力された交流を直流に変換するコンバータ部と、該直流を平滑する平滑コンデンサと、該直流を交流に変換しモータに出力するインバータ部と、前記平滑コンデンサに充電した電荷を装置の停止時に放電する放電回路とを有する放電機能を備える電力変換装置であって、前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器で検出した検出電圧に基づいて放電異常を検出する放電異常検出部と、を備え、前記放電異常検出部は、所定時間前後の検出電圧の比率である電圧変化率を求める電圧変化率検出部と、求めた電圧変化率と基準値とを比較して異常判定を行う異常判定部と、を備えるものである。

本発明によれば、コンデンサ容量や放電抵抗値の異なる様々な放電機能を有する電力変換装置において、装置ごとに異常判定値を設定することなく、同一の手順にて放電異常の検出を行うことができる。また、回路時定数そのものを求めないことで、計算のコストを削減することができる。

本発明の実施例１の電力変換装置の概略図である。 実施例１の放電回路の等価回路を示す図である。 図２の放電回路の放電時の電圧変化を示す図である。 実施例１の放電回路異常時の電圧変化を示す図である。 実施例１の電圧変化率検出部を示す図である。 実施例１の異常判定部を示す図である。 本発明の実施例２の放電回路異常時の電圧変化を示す図である。 本発明の実施例３の異常判定部を示す図である。 本発明の実施例４の電力変換装置の概略図である。 実施例４の異常判定部を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素にはなるべく同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図1は、本発明の実施例１の電力変換装置の概略図である。電力変換装置１は、平滑コンデンサ４、放電回路５、電圧検出回路６、コンバータ部７、インバータ部８、回路制御部１０を内蔵し、外部コンデンサ２、外部放電抵抗３が接続されている。図１の構成は、ピークカットのために外部コンデンサ２と外部放電抵抗３が接続されたものである。前述した共通コンバータ方式であっても、インバータ部８からモータ９までが並列に複数接続されるのみで、基本構成は同一である。また、図１内で放電回路５、インバータ部８およびコンバータ部７にダイオードやトランジスタの記号を用いているが一例であり、同様の機能を提供するものであれば種類は問わない。なお、回路制御部１０は、インバータ部８のスイッチ素子や放電回路５のスイッチ素子１３等を制御する。

先ず、図２および図３を用いて、本発明の原理を説明する。
一般に放電時の回路は電源遮断後に動作させるため、図２のようなコンデンサ２１、放電抵抗２２、スイッチ２３が直列に接続された等価回路で表される。この回路は、スイッチ２３がオンしてコンデンサ２１に充電された電荷が放電抵抗２２を介して放電される。図２のコンデンサ２１は図１の内部コンデンサ１４と外部コンデンサ２を合わせたもの、放電抵抗２２は外部放電抵抗３、スイッチ２３は放電回路５のスイッチ素子１３に相当する。
この時、回路が正常に放電可能である場合、tを時間とすると、コンデンサ２１の両端電圧V(t)は
V(t)＝V0・exp(−t/τ) [V]
で表される。

ここで、
V0：t＝0のときの電圧
exp：自然指数関数
τ：回路時定数で、図２の等価回路ではτ＝CR
C ：コンデンサ２１の静電容量
R ：放電抵抗２２の抵抗値
である。

次にある時刻t1と、dt時間後のt2＝t1+dtにおけるコンデンサの両端電圧は
V(t1)＝V0・exp(−t1/τ)
V(t2)＝V0・exp(−t2/τ) ＝V0・exp(−(t1+dt)/τ)
となり、
dtの間の電圧変化率Ａは
Ａ＝V(t2)/ V(t1)＝exp(−dt/τ)
となる。τは回路時定数なので一定であり、dtを一定としたとき、変化率Ａは時刻tによらず一定となる。
したがって、図３に示したとおり、放電時間中においてはdtをどの時点で取っても変化率Ａの割合で電圧が減少する。

次に、回路上に異常が起きた場合について考える。図４に、放電期間中に回路に異常が発生した場合のＤＣ電圧変化のグラフを示す。例えば並列に接続された放電抵抗３のうちいくつかが焼損などして抵抗値が大きくなる場合、つまり、上記の計算でＲが大きくなり時定数τが大きくなる場合に、電圧変化率Ｂ１を求めると、正常時の電圧変化率Ａに対して、
Ｂ１＞Ａ
となる。図４中では破線(異常時(時定数 大))のような場合である。特に、抵抗器がすべて開放状態で故障した場合や回路上で断線が発生した場合には、ＤＣ電圧は一定の値となる。

逆に、放電抵抗が内部で短絡したりして抵抗値が小さくなる場合、つまり上記の計算でＲが小さくなり時定数τが小さくなる場合に、電圧変化率Ｂ２を求めると
Ｂ２＜Ａ
となる。図４中では一点鎖線(異常時(時定数 小))のような場合である。

また、図２の等価回路上に表れない要素、例えば図１中の電源１２とコンバータ部７の間に設けた遮断器１１の動作が不十分であった場合や、電力変換装置１の動作停止後であるにもかかわらずモータ９が外力で駆動され発電状態になった場合なども、追加で平滑コンデンサ４が充電されることになるので、電圧の変化は図４上では正常放電時の曲線から破線(異常時(時定数 大))よりの曲線になる。上記の計算方法で求めた電圧変化率は正常時の電圧変化率Ａと比較して異なる値となる。

以上のように、正常時の電圧変化率Ａと異常時の電圧変化率Ｂ１，Ｂ２は異なる値となるため、それぞれを比較することで放電回路の異常検出が可能となる。
ここで、dtの大きさや電圧を取得するタイミング、頻度などは電力変換装置や電力変換装置を含むシステムの設計によるため、ここでは特に問わない。
また、上記で電圧変化率Ａは異常判定の基準値になっているが、回路設計上の電圧検出誤差や設計上のマージンを以って、いくらかの幅を持っていても問題ない。

図２〜４で説明した原理に基づいて、回路の放電異常を検出する構成を説明する。図１において、電力変換装置は放電異常検出部１５を備えており、放電異常検出部１５は、電圧変化率検出部１６、異常判定部１７、出力部１８、基準値を記憶する記憶部１９を備えている。

電圧変化率検出部１６は、例えば図５に示すように、サンプリング部５１と除算部５２で構成される。電圧検出回路６で検出したＤＣバスの直流電圧は、サンプリング部５１で所定時間ｄｔ毎にサンプリングされる。そして、除算部５２で、ｄｔ時間前後の直流電圧の比、すなわちｄｔ時間後の直流電圧値を除算することにより電圧変化率Ｂを求める。

異常判定部１７は、例えば図６に示すように、上限比較部６１と下限比較部６２から構成される。電圧変化率検出部１６で求めた電圧変化率信号Ｂは、上限比較部６１と下限比較部６２に加えられる。上限比較部６１では、電圧変化率信号Ｂと基準値とを比較し、電圧変化率信号Ｂが基準値を越えた場合に、異常判定信号を出力する。基準値として、電圧変化率の正常値Ａのα倍（ここで、α＞１）であるαＡを用いることにより、図４における時定数が大となる異常を検出することができる。逆に、下限比較部６２では、電圧変化率信号Ｂと基準値とを比較し、電圧変化率信号Ｂが基準値を下まわった場合に、異常判定信号を出力する。基準値として、電圧変化率の正常値Ａのβ倍（ここで、β＜１）であるβＡを用いることにより、図４における時定数が小となる異常を検出することができる。

記憶部１９は、基準値を記憶し、異常判定部１７に供給する。また、電圧変化率検出部で求めた電圧変化率Ｂを随時記憶するようにしても良い。

出力部１８は、異常判定部１７で得られた異常判定信号に基づいて、異常状態を表示或いは警報する。また、通信手段を備え、外部のタブレット端末などに送信するようにしても良い。

図４に示すように、放電期間中に回路に異常が発生すると、放電途中で電圧変化率が変化する。放電開始時の電圧変化率Ａを求め、この値に基づいて異常判定部１７の基準値αＡ，βＡを設定する。そして、異常判定部１７で、その後求めた電圧変化率信号Ｂと順次比較することにより、放電期間中の回路の異常を検出することができる。
なお、基準値は、予め求めておいた先の正常な放電時の電圧変化率から作成しても良い。

本実施例によれば、正常な放電時の電圧変化率を基準値とすることにより、コンデンサ容量や放電抵抗値の異なる様々な放電機能を有する電力変換装置において、装置ごとに異常判定値を設定することなく、同一の手順にて放電異常の検出を行うことができる。また、回路時定数そのものを求めないことで、計算のコストを削減することができる。さらに、放電開始時に求めた電圧変化率に基づいて基準値を設定することにより、一放電期間中の異常を確実に検出することもできる。

図７に、放電開始前から回路に異常が発生していた場合のＤＣ電圧変化のグラフを示す。図１に示す電力変換装置において、例えば放電動作開始前に放電抵抗３の抵抗値が大きくなっていたり、或いは、小さくなったりしていた場合、放電動作開始時より電圧変化率Ｂ１、Ｂ２が異常判定レベルとなる。実施例２は、この回路の異常を検出するものである。

本実施例では、図１および図６に示す異常判定部１７において、基準値αＡ、βＡに用いる電圧変化率Ａとして前回の放電時の正常な電圧変化率を用いる。前回の放電時の正常な電圧変化率Ａは、記憶部１９に記憶しておき異常判定部１７に送る。前回の放電時の正常な電圧変化率Ａを用いて異常判定することにより、放電開始時から異常判定が可能になる。

図１の電力変換装置において、例えば内部コンデンサ１４や外部コンデンサ２の周囲温度が想定より高い場合、加速、減速が頻繁に起こるような厳しい運転パターンで使用されると経年変化によりコンデンサの容量が次第に低下することがある。実施例３は、このような故障の予兆を検出するものである。

図８（ａ）に本実施例の異常判定部を、また、図８（ｂ）に異常判定部に用いる基準値を示す。上限比較部６１では、比較の基準値としてα１Ａおよびα２Ａ（ここで、α１，α２＞１、α１＞α２）を用いる。そして、電圧変化率信号Ｂが基準値α２Ａを越えて基準値α１Ａ以下の場合に、故障予兆信号を出力する。また、電圧変化率信号Ｂが基準値α１Ａを越えた場合には、異常判定信号を出力する。同様に、下限比較部６２では、比較の基準値としてβ１Ａおよびβ２Ａ（ここで、β１，β２＜１、β１＜β２）を用いる。そして、電圧変化率信号Ｂが基準値β２Ａを下まわり基準値β１Ａ以上の場合に、故障予兆信号を出力する。また、電圧変化率信号Ｂが基準値β１Ａを下まわった場合には、異常判定信号を出力する。

コンデンサの容量が低下すると放電の時定数が小さくなるので、電圧変化率が所定の基準値よりも小さくなったことを検出することにより、故障の予兆を検出することができる。また、上限比較部に基準値α２Ａを設けることにより、時定数が大きくなる故障の予兆を検出することができる。

本実施例によれば、異常判定の判定値よりも小さい判定値を設けることで故障の予兆判定を行い、故障予兆信号に基づいてメンテナンス時期を通知することができる。

図１の電力変換装置において、放電動作時にモータ９が外部力で強制的に回転させられた場合、モータ９が発電機になり、平滑コンデンサ４や外部コンデンサ２に回生エネルギーが充電される。そのため、図４や図７の放電電圧を示す図において、ＤＣ電圧の変化は異常時（時定数大）の電圧変化率Ｂ１の曲線のようになる。実施例４は、外部力によりモータが発電機になることによる異常判定か、それ以外の異常判定かを検出できるようにするものである。

図９に、実施例４の電力変換装置の概略図を、図１０に、実施例４の異常判定部１７を示す。

本実施例では、図９に示すように、モータ軸に位置検出器２０を接続しモータ軸角度信号Ｄを求め、異常判定部１７へ送る。図１０（ａ）に示すように、異常判定部１７には回転数演算部６３および回転数異常判定部６４を設ける。モータ軸角度信号Ｄから回転数演算部６３によりモータ回転数を算出し、回転数異常判定部６４へ送る。回転数異常判定部６４では、モータ回転数と基準値γＣおよびδＣ（ここで、γ＞１、δ＜−１）と比較することで、モータの回転、すなわち放電動作時のモータ回転異常を検出する。図１０（ｂ）に、回転数異常判定部６４で用いる基準値を示す。

判定部６５で、上限比較部６１および下限比較部６２で得られた異常判定信号と、回転異常判定部６４で得られたモータの回転異常信号とを合わせて判定することにより、外部放電抵抗３、平滑コンデンサ４、外部コンデンサ２などによる時定数の変化による異常判定であるか、外部力によりモータが発電機になることによる異常判定であるかを区別することが可能になる。
なお、上記ではモータ回転数を、位置検出器２０のモータ軸角度信号から回転数演算部６３により演算しているが、モータ軸に速度検出器（タコジェネレータ）を接続して測定しても良い。

本実施例によれば、放電動作時のモータの回転異常を合わせて異常判定を行うことにより、外部力によりモータが発電機になることによる異常判定であるか、外部放電抵抗３、平滑コンデンサ４などによる時定数の変化による異常判定であるかを区別することができる。

本発明は上記した各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。

１ 電力変換装置
２ 外部コンデンサ
３ 外部放電抵抗
４ 平滑コンデンサ
５ 放電回路
６ 電圧検出回路
７ コンバータ部
８ インバータ部
９ モータ
１０ 回路制御部
１１ 遮断器
１２ 交流電源
１３ スイッチ素子
１４ 内部コンデンサ
１５ 放電異常検出部
１６ 電圧変化率検出部
１７ 異常判定部
１８ 出力部
１９ 記憶部（基準値）
２０ 位置検出器
２１ コンデンサ
２２ 放電抵抗
２３ スイッチ
５１ サンプリング部
５２ 除算部
６１ 上限比較部
６２ 下限比較部
６３ 回転数演算部
６４ 回転数異常判定部
６５ 判定部

Claims (5)

1. 入力された交流を直流に変換するコンバータ部と、該直流を平滑する平滑コンデンサと、該直流を交流に変換しモータに出力するインバータ部と、前記平滑コンデンサに充電した電荷を装置の停止時に放電する放電回路とを有する放電機能を備える電力変換装置であって、
   前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器で検出した検出電圧に基づいて放電異常を検出する放電異常検出部と、
   を備え、
   前記放電異常検出部は、
   所定時間前後の検出電圧の比率である電圧変化率を求める電圧変化率検出部と、
   求めた電圧変化率と基準値とを比較して異常判定を行う異常判定部と、
   を備え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において、
   前記異常判定部は、放電期間中の一定期間に求めた電圧変化率を比較の基準値とし、同一放電期間中に再度求めた電圧変化率と比較して、異常判定を行う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において、
   前記異常判定部は、予め求めた正常時の電圧変化率を比較の基準値とし、放電期間中に求めた電圧変化率と比較して、異常判定を行うことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   前記異常判定部は、更に、異常判定を行う比較の基準値よりも正常値に近い電圧変化率を予兆判定の比較の基準値とし、放電期間中に求めた電圧変化率と比較して、異常の予兆判定を行うことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   更に、モータの回転検出手段を備え、
   前記異常判定部は、モータの回転異常を検出し、電圧変化率の変化から求めた異常が、回路の異常によるものか、モータの回転による異常かを区別することを特徴とする電力変換装置。

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