TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2021044956
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019165891
出願日20190912
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人特許業務法人筒井国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210219BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】アクティブコンバータを用いずに交流電源の電源不平衡を検出可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電圧検出器12は、平滑コンデンサ3の充放電電圧Vcdを検出し、不平衡検出部8aは、当該充放電電圧Vcdに基づいて交流電源5における各相間の電源不平衡の有無を検出する。不平衡検出部8aは、リプル周波数検出部31と、不平衡判定部32とを有する。リプル周波数検出部31は、充放電電圧Vcdに含まれるリプル成分のリプル周波数を検出する。不平衡判定部32は、検出されたリプル周波数と、交流電源5の電源周波数および相数に基づいて定まる基準周波数とを比較し、リプル周波数が基準周波数でない場合に電源不平衡有りと判定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
ブリッジ状に接続される複数のダイオードを含み、入力された複数相の交流電源を直流電源に変換する整流器と、
前記整流器からの前記直流電源を平滑化する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの充放電電圧を検出する直流電圧検出器と、
前記充放電電圧に基づいて前記複数相の交流電源における各相間の電源不平衡の有無を検出する不平衡検出部と、
前記直流電源が供給され、内部に含まれるスイッチング素子のスイッチングを行うことで負荷に電力を供給するスイッチング回路と、
を有する電力変換装置であって、
前記不平衡検出部は、
前記充放電電圧に含まれるリプル成分のリプル周波数を検出する周波数検出部と、
前記リプル周波数と、前記複数相の交流電源の電源周波数および相数に基づいて定まる基準周波数とを比較し、前記リプル周波数が前記基準周波数でない場合に電源不平衡有りと判定する不平衡判定部と、
を有する、
電力変換装置。
続きを表示(約 1,600 文字)【請求項2】
請求項1記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、
前記充放電電圧に含まれる前記リプル成分の振幅を検出する振幅検出部と、
前記振幅と予め設定される振幅閾値とを比較し、前記振幅が前記振幅閾値よりも大きい期間を対象に前記不平衡判定部に判定を行わせる判定期間設定部と、
を有する、
電力変換装置。
【請求項3】
請求項1記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、前記不平衡判定部によって電源不平衡有りと判定されている状態の継続時間を監視し、前記継続時間が予め設定される運転可能時間を超えた場合に、前記負荷への電力供給を遮断する遮断部を有する、
電力変換装置。
【請求項4】
請求項1記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、前記不平衡判定部によって電源不平衡有りと判定されている状態の継続時間を監視し、前記継続時間が予め設定される運転可能時間を超えた場合に、前記負荷へ供給する電力を予め定めた上限値に制限する保護部を有する、
電力変換装置。
【請求項5】
請求項2〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは、アルミ電解コンデンサである、
電力変換装置。
【請求項6】
ブリッジ状に接続される複数のダイオードを含み、入力された複数相の交流電源を直流電源に変換する整流器と、
前記整流器からの前記直流電源を平滑化する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの充放電電圧を検出する直流電圧検出器と、
基準電圧と、前記複数相の交流電源における各相の電圧値との差分をそれぞれ積分することで、各相の積分値をそれぞれ出力する相電圧積分器と、
前記相電圧積分器で検出された前記各相の積分値に基づいて前記複数相の交流電源における各相間の電源不平衡の有無を検出する不平衡検出部と、
前記直流電源が供給され、内部に含まれるスイッチング素子のスイッチングを行うことで負荷に電力を供給するスイッチング回路と、
を有する電力変換装置であって、
前記不平衡検出部は、前記各相の積分値を比較し、前記各相の積分値が同等でない場合に電源不平衡有りと判定する不平衡判定部を有する、
電力変換装置。
【請求項7】
請求項6記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、
前記充放電電圧に含まれるリプル成分の振幅を検出する振幅検出部と、
前記振幅と予め設定される振幅閾値とを比較し、前記振幅が前記振幅閾値よりも大きい期間を対象に前記不平衡判定部に判定を行わせる判定期間設定部と、
を有する、
電力変換装置。
【請求項8】
請求項6記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、前記不平衡判定部によって電源不平衡有りと判定されている状態の継続時間を監視し、前記継続時間が予め設定される運転可能時間を超えた場合に、前記負荷への電力供給を遮断する遮断部を有する、
電力変換装置。
【請求項9】
請求項6記載の電力変換装置において、
前記不平衡検出部は、さらに、前記不平衡判定部によって電源不平衡有りと判定されている状態の継続時間を監視し、前記継続時間が予め設定される運転可能時間を超えた場合に、前記負荷へ供給する電力を予め定めた上限値に制限する保護部を有する、
電力変換装置。
【請求項10】
請求項7〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記直流電圧検出器は、前記充放電電圧を平滑化することで前記相電圧積分器で用いる前記基準電圧を生成するロウパスフィルタを備える、
電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関し、複数相の交流電源を直流電源に変換する電力変換装置に関する。
続きを表示(約 7,200 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、交流電源をリアクトル、およびスイッチング素子を含むコンバータ回路を介して直流電源に変換し、平滑コンデンサで平滑化する電力変換装置が示される。当該装置では、コンバータ回路の出力直流電圧および直流母線電流が検出され、その各検出値の変動分に基づいて、交流電源電圧の一時低下、一時上昇といった電源異常が検出される。
【0003】
特許文献2には、交流電源を整流器、およびスイッチング素子を含む昇圧コンバータ回路を介して直流電源に変換し、平滑コンデンサで平滑化する電力変換装置が示される。当該装置では、昇圧コンバータ回路内のスイッチング素子に対するデューティ比指令値の変動に基づいて、交流電源の電圧不平衡および電圧変動の少なくとも一方が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2009−171651号公報
特開2013−219985号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
例えば、3相(R相、S相、T相)の交流電源を直流電源に変換する電力変換装置では、一般的に、電源欠相、不足電圧、過電圧といった交流電源の異常が検出され、適切な保護が行われる。一方、電力インフラの環境等によっては、交流電源の異常として、各相の電圧値が不平衡となる電源不平衡が生じる場合がある。このような電源不平衡が生じた場合、平滑コンデンサとして広く用いられるアルミ電解コンデンサに、単相電源供給時と同じような充電リプル電流が流れる。その結果、交流電源の正常時と比べて平滑コンデンサの温度が上昇し、コンデンサ寿命が低下する恐れがある。
【0006】
このような電源不平衡を検出し、適切な保護を行うため、特許文献2に示されるような方式や、場合によっては特許文献1に示されるような方式を用いることが考えられる。これらの方式は、スイッチング素子を含むコンバータ回路(すなわちアクティブコンバータ)の情報(電流情報、電圧情報、PWMデューティ比等)に基づいて、各種電源異常を検出している。しかし、このようにアクティブコンバータを用いることを前提とすると、コストの増大を招く恐れがある。
【0007】
本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、アクティブコンバータを用いずに交流電源の電源不平衡を検出可能な電力変換装置を提供することにある。
【0008】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【0010】
本発明の代表的な実施の形態による電力変換装置は、整流器と、平滑コンデンサと、直流電圧検出器と、不平衡検出部と、スイッチング回路とを有する。整流器は、ブリッジ状に接続される複数のダイオードを含み、入力された複数相の交流電源を直流電源に変換する。平滑コンデンサは、整流器からの直流電源を平滑化する。直流電圧検出器は、平滑コンデンサの充放電電圧を検出し、不平衡検出部は、当該充放電電圧に基づいて複数相の交流電源における各相間の電源不平衡の有無を検出する。スイッチング回路は、直流電源が供給され、内部に含まれるスイッチング素子のスイッチングを行うことで負荷に電力を供給する。ここで、不平衡検出部は、周波数検出部と、不平衡判定部とを有する。周波数検出部は、充放電電圧に含まれるリプル成分のリプル周波数を検出する。不平衡判定部は、検出されたリプル周波数と複数相の交流電源の電源周波数および相数に基づいて定まる基準周波数とを比較し、リプル周波数が基準周波数でない場合に電源不平衡有りと判定する。
【発明の効果】
【0011】
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、アクティブコンバータを用いずに交流電源の電源不平衡を検出可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の実施の形態1による電力変換装置を含んだ産業システムの主要部の構成例を示す概略図である。
図1における直流電圧検出器の構成例を示す回路図である。
図1において、交流電源に電源不平衡が無く、かつモータが定格出力を行っている場合で、直流電圧検出器によって検出される充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。
図1において、交流電源に電源不平衡が有り、かつモータが定格出力を行っている場合で、直流電圧検出器によって検出される充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。
図3と比較して、モータが低出力の場合における充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。
図4と比較して、モータが低出力の場合における充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。
図1における不平衡検出部の処理内容の一例を示すフロー図である。
本発明の実施の形態2による電力変換装置を含んだ産業システムの主要部の構成例を示す概略図である。
図8における不平衡検出部の処理内容の一例を示すフロー図である。
本発明の実施の形態3による電力変換装置を含んだ産業システムの主要部の構成例を示す概略図である。
図10における相電圧積分器および直流電圧検出器の構成例を示す回路図である。
(a)〜(d)は、図10および図11の相電圧積分器において、電源不平衡が無い場合の模式的な動作例を示す図である。
(a)〜(d)は、図10および図11の相電圧積分器において、1相に電源不平衡が有る場合の模式的な動作例を示す図である。
(a)〜(d)は、図10および図11の相電圧積分器において、2相に電源不平衡が有る場合の模式的な動作例を示す図である。
図10における不平衡検出部の処理内容の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【0014】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】
(実施の形態1)
《電力変換装置の構成》
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置を含んだ産業システムの主要部の構成例を示す概略図である。図1に示す産業システムは、複数相(例えば3相)の交流電源5と、電力変換装置1と、電力変換装置1の負荷となる回転機(モータ)MTと、モータMTによって駆動されるモータ負荷LDと、上位装置6とを備える。モータ負荷LDは、例えば、液体ポンプまたは空気圧縮機等である。上位装置6は、モータ負荷LDの各種状態(例えば、流量、圧力等)を各種センサを介して監視し、監視結果に応じた指令値を電力変換装置1へ出力する。
【0016】
電力変換装置1は、例えば、1個の筐体によって構成され、筐体内に、整流器2、平滑コンデンサ3、スイッチング回路4、直流電圧検出器12、ユーザインタフェースUIFおよび制御装置MCU等を備える。制御装置MCUは、代表的には、マイクロコントローラ等である。ただし、制御装置MCUは、これに限らず、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等の各種ハードウェア処理や、CPU(Central Processing Unit)を用いたソフトウェア処理や、あるいは、これらの組み合わせを用いて適宜構成されればよい。
【0017】
整流器2は、ブリッジ状に接続される複数のダイオードを含み、入力された複数相(3相)の交流電源5を直流電源に変換する。平滑コンデンサ3は、整流器2からの直流電源を平滑化する。直流電圧検出器12は、平滑コンデンサ3の充放電電圧Vcdを検出する。スイッチング回路4は、例えば、3相インバータ等であり、整流器2からの直流電源が供給され、内部に含まれるスイッチング素子のスイッチングを行うことで負荷(すなわちモータMT)に電力を供給する。
【0018】
制御装置MCUは、不平衡検出部8aと、PWM(Pulse Width Modulation)制御器7と、速度制御器10と、演算器14と、記憶部15とを備える。演算器14は、上位装置6からの指令値(例えば圧力値等)に基づいて、モータMTの目標速度を算出する。速度制御器10は、モータMTの実際の速度を検出し、当該検出速度と演算器14からの目標速度との誤差に基づいてPWMデューティ比を算出する。PWM制御器7は、速度制御器10からのPWMデューティ比に基づいて、スイッチング回路4内の各スイッチング素子をPWM信号で制御する。
【0019】
不平衡検出部8aは、リプル周波数検出部31と、不平衡判定部32と、遮断部33と、リプル振幅検出部34と、判定期間設定部35とを備え、詳細は後述するが、直流電圧検出器12からの充放電電圧Vcdに基づいて交流電源5における各相間の電源不平衡の有無を検出する。記憶部15は、揮発性メモリまたは不揮発性メモリであり、不平衡検出部8aで使用する各種設定情報11aを保持する。当該設定情報11aは、例えば、操作パネル、キーボード、または外部通信インタフェース等のユーザインタフェースUIFを介してユーザによって定められ、記憶部15に格納される。
【0020】
図2は、図1における直流電圧検出器の構成例を示す回路図である。図2の直流電圧検出器12は、抵抗分圧回路20aと、コンデンサ21とを備える。抵抗分圧回路20aは、平滑コンデンサ3に印加される直流電源の出力電圧Voを所定の抵抗比で分圧することで平滑コンデンサ3の充放電電圧Vcdを検出する。コンデンサ21は、例えば、当該充放電電圧Vcdに含まれる高周波ノイズ等を除去する。コンデンサ21は、検出した充放電電圧Vcdが平滑化されないように、小さい容量値を備えることが望ましい。また、場合によっては、コンデンサ21を削除し、例えば、制御装置MCU内にソフトウェア処理によるノイズフィルタ等を設けることも可能である。
【0021】
《不平衡検出部の詳細》
図3は、図1において、交流電源に電源不平衡が無く、かつモータが定格出力を行っている場合で、直流電圧検出器によって検出される充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。図4は、図1において、交流電源に電源不平衡が有り、かつモータが定格出力を行っている場合で、直流電圧検出器によって検出される充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。
【0022】
図3および図4では、3相(R相、S相、T相)の交流電源5の電源周波数が50Hzまたは60Hzである場合を想定する。直流電圧検出器12によって検出される充放電電圧Vcd(すなわち、整流器2の出力電圧Vo)は、整流器2と平滑コンデンサ3の動作に伴い、図3および図4に示されるようなリプル成分を有する。当該リプル成分は、最大電圧Vmaxと最小電圧Vminとの間のリプル振幅ΔVで周期的に変化する。
【0023】
ここで、電源不平衡が無い場合、リプル成分のリプル周波数frは、図3に示されるように、電源周波数の6倍の周波数である300Hzまたは360Hzになる。一方、電源不平衡が有る場合、リプル成分のリプル周波数frは、図4に示されるように、電源周波数の6倍の周波数とは異なる値になる。図4の例では、S相に電源不平衡が生じており、これに伴い、リプル周波数frは、電源周波数の2倍の周波数である100Hzまたは120Hzになる。
【0024】
これにより、図3の場合には、平滑コンデンサ3に対して、300Hzまたは360Hzの周波数で瞬時的な充電電流が流れるのに対して、図4の場合には、平滑コンデンサ3に対して、100Hzまたは120Hzの周波数で瞬時的な充電電流が流れる。その結果、図4の場合には、図3の場合と比較して充電電流のピーク値が増大するため、平滑コンデンサ3の内部温度はより上昇する。例えば、平滑コンデンサ3として一般的に使用されるアルミ電解コンデンサは、内部に電解液が入っており、温度上昇が生じると電解液が気化することで容量が低下し、寿命が短くなる。
【0025】
そこで、図1の不平衡検出部8aにおいて、リプル周波数検出部31は、直流電圧検出器12で検出された充放電電圧Vcdに含まれるリプル成分のリプル周波数frを検出する。具体的には、リプル周波数検出部31は、例えば、充放電電圧Vcdを所定のサンプリング周期でディジタル値に変換し、その中から最大電圧Vmaxを検出すると共に、最大電圧Vmaxの発生周期を検出すること等でリプル周波数frを検出する。または、リプル周波数検出部31は、例えば、充放電電圧Vcdを所定のサンプリング周期でディジタル値に変換し、当該ディジタル値に対して、FFT(Fast Fourier Transform)等の周波数解析を行うことでリプル周波数frを検出してもよい。
【0026】
不平衡判定部32は、リプル周波数検出部31で検出されたリプル周波数frと、予め定められる基準周波数とを比較し、リプル周波数frが基準周波数でない場合に電源不平衡有りと判定し、不平衡検出信号UBDを出力する。基準周波数は、複数相の交流電源5の電源周波数および相数に基づいて定まる値であり、図3および図4の例では300Hzまたは360Hzである。この際に、電源周波数および相数の情報は、図1の記憶部15内の設定情報11aによって得られる。
【0027】
遮断部33は、不平衡判定部32によって電源不平衡有りと判定されている状態(不平衡検出信号UBDが定期的に出力されている状態)の継続時間を監視し、当該継続時間が予め設定される運転可能時間を超えた場合に、負荷(すなわちモータMT)への電力供給を遮断する。図1の例では、遮断部33は、PWM制御器7へ遮断信号SDを出力することで、PWM制御器7を介してスイッチング回路4のスイッチング動作を停止する。
【0028】
このように、遮断部33は、電源不平衡有りと判定された場合に、負荷への電力供給を即座に遮断するのではなく、電源不平衡有りの状態が平滑コンデンサ3の寿命に影響を及ぼす時間(すなわち運転可能時間)継続した場合に、負荷への電力供給を遮断する。これにより、例えば、瞬時的な電源不平衡の発生によって産業システムが停止するような事態を防止でき、稼働率の低下を抑制すること等が可能になる。なお、図1に示されるように、運転可能時間Eは、記憶部15内の設定情報11aによって得られる。運転可能時間Eは、平滑コンデンサ3の仕様、交流電源5の仕様、定格出力の大きさ等に応じて適宜定められる。
【0029】
図5は、図3と比較して、モータが低出力の場合における充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。図6は、図4と比較して、モータが低出力の場合における充放電電圧の時系列変化の一例を示す波形図である。図5および図6では、それぞれ、図3および図4の場合と比較して、モータMTの出力(すなわち、モータ負荷LDの消費電力)が小さくなっており、これに伴い、平滑コンデンサ3の充放電電流が小さくなることからリプル振幅ΔVも小さくなっている。
【0030】
図5および図6のような場合、平滑コンデンサ3の充放電電流が小さいことから、平滑コンデンサ3の寿命に影響が生じない。さらに、図5および図6のような場合には、リプル振幅ΔVが小さいため、リプル周波数検出部31および不平衡判定部32で誤判定が生じる可能性がある。そこで、図1の不平衡検出部8aにおいて、リプル振幅検出部34は、直流電圧検出器12で検出された充放電電圧Vcdに含まれるリプル成分のリプル振幅ΔVを検出する。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

株式会社日立産機システム
遮断器
株式会社日立産機システム
開閉器
株式会社日立産機システム
圧縮機
株式会社日立産機システム
圧縮機
株式会社日立産機システム
遮断器
株式会社日立産機システム
回転電機
株式会社日立産機システム
伝送装置
株式会社日立産機システム
軸流ファン
株式会社日立産機システム
空気圧縮機
株式会社日立産機システム
静止誘導機器
株式会社日立産機システム
静止誘導機器
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
静止誘導電機
株式会社日立産機システム
流体機械装置
株式会社日立産機システム
静止誘導機器
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
静止誘導機器
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
スイッチギヤ
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
電力変換装置
株式会社日立産機システム
立体鉄心変圧器
株式会社日立産機システム
エアシャワー装置
株式会社日立産機システム
飼料提供システム
株式会社日立産機システム
スクリュー圧縮機
株式会社日立産機システム
スクリュー圧縮機
株式会社日立産機システム
固定子及び回転電機
株式会社日立産機システム
モータ制御システム
株式会社日立産機システム
スクロール式流体機械
株式会社日立産機システム
コントロールシステム
株式会社日立産機システム
給液式スクリュー圧縮機
株式会社日立産機システム
給液式スクリュー圧縮機
株式会社日立産機システム
電力変換装置およびプレス装置
株式会社日立産機システム
スクリューロータ及び流体機械
株式会社日立産機システム
アキシャルギャップ型回転電機
続きを見る