(57)【要約】【課題】  温度センサを用いることなく、低周波運転領域においてもストール運転等を回避可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータ１と、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部３と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段を具備し、前記制御部は、前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流を演算処理する電流演算手段４２と、前記インバータの出力電流またはその指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段４１とを有し、前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流またはその指令値が前記リミット値にかかっているとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流を演算処理する電流演算手段と、
前記インバータの出力電流またはその指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段と
を有し、
前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流またはその指令値が前記リミット値にかかっているとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流またはトルク電流を演算処理する電流演算手段と、
前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段と
を有し、
前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値が前記リミット値にかかっているとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流を演算処理する電流演算手段と、
前記インバータの出力電流またはその指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段と
を有し、
前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ外部からのリミット解除指令を受けたとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流またはトルク電流を演算処理する電流演算手段と、
前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段と
を有し、
前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ外部からのリミット解除指令を受けたとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流またはトルク電流を演算処理する電流演算手段と、
前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段と
を有し、
前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流の変化率、トルク電流の変化率またはその何れかの指令値の変化率が所定値を超えたとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記電流演算手段は、
電流の実効値を演算するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電流演算手段の演算値に応じて、前記リミット低減手段を解除する所定時間を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動するための電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機を駆動する電力変換装置は次に示すようなシステム構成が採用されている。即ち、直流電源からインバータによって交流出力を得、その交流で電動機を駆動して必要な速度及びトルクを発生させるシステムである。通常電動機には、速度センサが接続されていて、帰還制御用に電動機の磁極位置、あるいは速度を検出する。この速度帰還信号と速度基準との偏差を速度制御器により求め、所望のトルク基準を算出し、一方、速度帰還信号より磁束基準を求め、トルク基準と磁束基準とからトルク電流基準を求める。
【０００３】
また、インバータ装置の出力には電流センサが取り付けられて、この電流帰還信号に基づいてトルク電流帰還信号が得られる。上記トルク電流基準とトルク電流帰還信号との偏差を電流制御器に入力することによって電圧基準を得、この電圧基準をＰＷＭ変調器に入力して、インバータを構成する各パワーデバイスを駆動する。
【０００４】
このようなシステムにおいては、インバータのパワーデバイスの発熱などを考慮して、トルク電流基準を制限する機能が速度制御器内のトルクリミッタで構成される場合がある。この入力として電流制限値が用いられるが、インバータの出力周波数の低下に応じてこの電流制限値を下げるように設定することがある。
【０００５】
このようにインバータ装置の出力周波数の低下に応じて制限値を下げるのは以下の理由による。
【０００６】
いまインバータのパワーデバイス単体毎の発熱と冷却について考える。インバータ装置が実効値Ｉｒｍｓ＝１の電流を流している場合、各相にはこの実行値Ｉｒｍｓの√２倍のピーク電流が流れることになる。更に、電流が正の場合と負の場合とで通電するパワーデバイスが異なる為、素子単体の発熱に寄与する電流は、その半分のＩｄｒｍｓ＝０．５となっていることが分かる。インバータが出力する正弦波の周期がパワーデバイスの冷却時定数よりも速い場合は、この計算の通りであり、１つのパワーデバイスに電流が集中することが無い。しかし、出力正弦波の周期が遅い時、即ち低周波数になった時は、パワーデバイスの冷却時定数が無視できなくなり、１つのパワーデバイスに電流が集中する時間が長くなる。直流に近いような極低周波を出力する場合が最も厳しい状態となるが、この場合の発熱に寄与する電流は、前述のＩｄｒｍｓ＝０．５に比べ、ピーク電流を通電しているパワーデバイスには、Ｉｄｒｍｓ＝√２と非常に大きい電流が流れることになる。よって、この場合の素子単体の発熱は非常に大きくなる。
【０００７】
以上の理由から、前述の速度制御器内のトルクリミッタは、周波数を関数としてある周波数以下の場合は、出力周波数の低下に応じてそのリミット値を低減する機能を持たせることになる。
【０００８】
このリミット値は、インバータの定格容量を考える場合の制約項目となる。この制約が問題となる一例として以下にストール現象について説明する。いま、低周波電流制限の開始周波数よりわずかに高い周波数で、電動機の負荷が急激に増大した場合を想定する。一般にこの状態を負荷インパクトと称する。負荷インパクトの後、速度が低周波電流制限領域まで落ちない場合、速度によらず一定の制御を行うことが可能となる。しかし、負荷インパクトが大きく速度が低周波電流制限領域まで下がった場合、トルク電流はリミット値までしか出力できなくなり電動機が停止することがある。この現象を、一般にストール現象と呼ぶ。このストール現象が発生すると、トルク不足状態となり、速度基準を与えてはいるが、トルクあるいは電流リミットにより速度基準に見合ったトルクを発生することができないため、速度基準より速度帰還信号が小さくなる。このため、ストール運転のとき、インバータの容量に見合った出力が出せずストール状態を回避できない結果となってしまう。尚、インバータの容量に余裕があれば良いがこれは経済的ではない。
【０００９】
上記のように低周波におけるストール運転を極力避けるため、低周波における電流制限を行わず、パワーデバイスの温度を直接または間接的に精度良く検出し、その温度（パワーデバイスの接合部分）が所定値以上になったとき、装置保護を行うようにする提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−３３３４６９号公報（第３−５頁、図１及び図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に示されている手法によれば、低周波領域においてもインバータ装置としてパワーデバイスの許容温度限度までの運転を行うことが可能となるが、各パワーデバスが実装された近傍に温度センサを設ける必要があり、装置が複雑な構成となる。
【００１１】
本発明は上記に鑑みて為されたもので、温度センサを用いることなく、低周波運転領域においてもストール運転等を回避可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段とを具備し、
前記制御部は、前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流を演算処理する電流演算手段と、前記インバータの出力電流またはその指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段とを有し、前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流またはその指令値が前記リミット値にかかっているとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段とを具備し、前記制御部は、前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流またはトルク電流を演算処理する電流演算手段と、前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段とを有し、前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ前記インバータの出力電流、トルク電流またはその何れかの指令値が前記リミット値にかかっているとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の第３の発明である電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段とを具備し、前記制御部は、前記電流検出手段によって得られた所定時間前の所定期間の電流を演算処理する電流演算手段と、前記インバータの出力電流またはその指令値のリミット値を、前記インバータの出力周波数の低減に従って低減させるリミット低減手段とを有し、前記電流演算手段の演算値が所定値以下で且つ外部からのリミット解除指令を受けたとき、所定時間だけ前記リミット低減手段を解除、または前記リミット値を非常リミット値に変更するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、温度センサを用いることなく、低周波運転領域においてもストール運転等を回避可能な電力変換装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の電力変換装置の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。
【００１８】
インバータ１は直流電源を受け、これを所望の電圧及び周波数の交流に変換し、その出力で電動機２を駆動する。このインバータ１はパワーデバイスをブリッジ接続した主回路を備えており、各々のパワーデバイスは制御部３からのゲート信号によってオンオフ制御されている。電動機２には速度検出器４が取り付けられており、この出力は速度帰還信号として制御部３に与えられる。また、インバータ１の出力側には電流検出器５が設けられ、この出力も制御部３に与えられる。以下制御部３の内部構成について説明する。
【００１９】
外部から与えられた速度基準と前述の速度帰還信号が比較され、速度制御器３１はその誤差信号をＰＩＤ制御し、その出力を電流基準としてベクトル制御器３２に与える。ベクトル制御器３２は、予め設定された磁束基準信号と速度帰還信号とから上記電流基準を磁束軸電流基準とトルク軸電流基準に分解する。
【００２０】
トルク軸電流基準は、トルクリミッタ３３を介して、電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られたトルク帰還電流と比較され、トルク軸電流制御器３５でＰＩＤ制御を行う。また、磁束軸電流基準は、電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られた磁束帰還電流と比較され、磁束電流制御器３６でＰＩＤ制御される。トルク軸電流制御器３５及び磁束電流制御器３６の出力は夫々トルク軸電圧基準、磁束軸電圧基準となるが、これらは３相電圧基準発生器３７に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてＰＷＭ回路３８に与えられる。ＰＷＭ回路３８は所定のキャリア信号で各相の電圧基準を変調してインバータ１のパワーデバイスに与えるゲート信号を出力する。
【００２１】
また、トルク軸電流基準と磁束基準からすべり演算器３９によって電動機２のすべり周波数を演算し、この演算結果と速度帰還信号とを加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器４０で積分してインバータ１の出力位相基準を求めている。この出力位相基準は前述の３相−２相変換器３４及び３相電圧基準発生器３７の変換位相基準となる。
【００２２】
上記の過程で求められたインバータ出力周波数を低周波域リミット低減演算器４１に入力し、トルクリミッタ３３のトルクリミット値が周波数の低下とともに低減されるようにしている。
【００２３】
３相−２相変換器３４で得られたトルク軸帰還電流は、信号遅延機能を有する実効値演算回路４２によって過去の所定の期間分の実効値が演算される。トルク軸帰還電流の実効値は比較回路４３によって所定の上限値と比較され、その差が所定値以下であるときＡＮＤ回路４４の一方の入力に１を与える。ＡＮＤ回路４４の他方の入力には、トルクリミッタ３３がリミットにかかったとき１の信号が与えられる。そして、上記のＡＮＤ条件が成立したとき、ＡＮＤ回路４４はワンショット回路４５を介して低周波域リミット低減演算器４１に短時間のリミット解除指令を与える。
【００２４】
以上の構成における作用効果について以下述べる。まず、実効値演算回路４２は、インバータ１に用いられているパワーデバイスの冷却時定数と同等以上の過去に遡った期間について実効値を演算するようにすれば、この電流はそのときのパワーデバイスの温度に略比例することになる。また比較回路４３の比較基準となる上限値は、パワーデバイスの限界温度を表すことになる。従って比較回路４３における比較の差分はパワーデバイスの温度余裕に略比例することになるので、この差分が所定値以上あれば短時間だけ低周波低減リミット４１のリミット動作を解除してパルス電流を許容することが可能となる。
【００２５】
尚、この実施例においては、制御部３は所謂ベクトル制御を行う場合について説明したが、必ずしもベクトル制御である必要はない。また、トルクリミッタ３３はトルク電流基準にリミットを設けるようにしたが、これを速度制御器３１の出力部の電流基準に設けるようにしても良い。また、電動機２は誘導電動機として説明したが、これは同期電動機であっても良い。更に、実効値演算回路４２で過去の電流の実効値を演算するように説明したが、この演算は必ずしも実効値である必要はなく、例えば平均値であってもその基本的効果は変わらない。
【実施例２】
【００２６】
図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、トルク軸帰還電流に代え、電流検出器５で検出した電流を実効値演算回路４２Ａに与えるようにした点である。
【００２７】
このようにトルク軸帰還電流に加え、磁束軸帰還電流も含む帰還電流をパワーデバイスの温度推定のための入力とすることによって、より精度の高い温度推定が可能となる。
【実施例３】
【００２８】
図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、比較回路４３Ａの比較差分に応じてワンショット回路４５が出力するリミット解除信号のオン時間を変えるようにした点である。
【００２９】
前述したように比較回路４３Ａでの比較差分はパワーデバイスの温度余裕に略比例する。従って、この温度余裕が小さいときは上記オン時間を短縮し、逆にこの温度余裕が大きいときは上記オン時間を大きくするようにすれば、より合理的なリミット解除制御が可能となる。
【実施例４】
【００３０】
図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、トルク軸電流基準の変化率が所定値を超えたとき１を出力するトルク変化率検出器４６を設け、この出力をAND回路４４の他方の入力とするように構成した点である。
【００３１】
トルクそのものでなくその変化率に着目すると、起動時あるいはインパクト負荷時の電流増加状態をより速く検出することが可能となる。従って、トルク軸電流基準の変化率が所定値を超えたとき、低周波域のリミット低減を解除するようにすれば、より速いリミット解除制御を行うことが可能となる。
【実施例５】
【００３２】
図５は本発明の実施例５に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例５が実施例１と異なる点は、ＡＮＤ回路４４の他方の入力信号をトルクリミッタ３３からのリミット信号でなく、外部からのリミット解除指令とした点である。
【００３３】
外部からのリミット指令を、例えば起動条件、加速条件、負荷の噛み込みあるいはトルク不足状態等の検出信号等から得るようにすれば、システムの運転状態に応じてより速いリミット解除制御を行うことが可能となる。
【実施例６】
【００３４】
図６は本発明の実施例６に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例６の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例６が実施例１と異なる点は、ワンショット回路４５の出力でリミット解除を行うのではなく、この出力を非常リミット設定回路４７に与えこの非常リミット設定回路４７の出力により、短時間だけトルクリミッタ３３のリミット値を所定の非常リミット値に変更するように構成した点である。
【００３５】
前述したようなストール運転の回避、或いは起動トルク確保の場合、単に低周波域での低減リミットを解除して、高周波域での通常リミット値に戻すだけでは瞬時トルクが不足する場合がある。従って本実施例で非常リミット値を例えば高周波域での通常リミット値より大きく設定すれば、瞬時トルクを短時間だけ増大させることが可能となる。また電動機の負荷特性に応じて非常リミット値を高周波域での通常リミット値以下に設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図２】本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図３】本発明の実施例３に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図４】本発明の実施例４に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図５】本発明の実施例５に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図６】本発明の実施例６に係る電力変換装置のブロック構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１  インバータ
２  電動機
３  制御部
４  速度検出器
５  電流検出器
３１  速度制御器
３２  ベクトル演算器
３３  トルクリミッタ
３４  ３相−２相電流変換器
３５  トルク電流制御器
３６  磁束電流制御器
３７  ３相電圧基準変換器
３８  ＰＷＭ制御回路
３９  すべり演算器
４０  積分器
４１  低周波域リミット低減器
４２、４２Ａ  実効値演算器
４３  比較回路
４４  ＡＮＤ回路
４５  ワンショット回路
４６  トルク変化率検出器
４７  非常リミット設定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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