JP2020078096A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の状態に関わらず、高精度に電力変換装置と電動機との未接続を検出することを可能とする。【解決手段】電力変換装置であって、整流器およびスイッチング回路を有する電力変換部と、前記スイッチング回路を制御する制御部と、を備え、制御部は、電力変換部からの情報を用いて電動機の各相に流れる電流値を演算し、三相電流値を出力する電流再現部と、外部から入力される速度指令と三相電流値とを比較して、ＰＷＭ制御指令を出力する速度制御部と、速度制御部からの指令に基づいて前記スイッチング回路にスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、電流再現部の電流値の絶対値が、所定の判定時間内に所定の閾値を下回った場合に、エラーを出力する未接続判定部とを有し、判定時間は、電力変換部に電力が投入されてから位置決め動作が終了するまでのうち、増加時間が経過した後であるもの。【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機を制御する電力変換装置に係り、特に電動機と電力変換装置の接続の有無を検出する電力変換装置に関する。

近年、産業用機械や家庭用電化製品等の機器に電力変換装置で速度制御を可能とする同期電動機を使用する例が増加している。これらの機器に同期電動機を使用する場合、通常は電力変換装置を接続した状態で同期電動機を機器に搭載される。電力変換装置はＰＷＭ信号を制御することで電動機への三相駆動電流を制御し、電動機の回転速度を制御しているが、電力変換装置と同期電動機の未接続状態で機器に組み込まれた同期電動機は、電源を投入しても三相駆動電流がない状態では回転を開始することができない。このような場合、その原因を究明するために、電力変換装置と同期電動機とを機器から取り外すことにより、これらが未接続の状態にあるか否かの確認もすることができるが、このような確認方法では、非常な手間と時間が掛かる作業が強いられることになる。そこで、このような未接続を検出する技術が提案されている。

特許文献１には、同期電動機の起動時に、磁極位置検出をすることなく未接続を検出する技術が開示されている。

特開２００９−１９５０４２号公報

特許文献１に記載の技術は、同期電動機の起動時、電力変換装置により、同期電動機の電機子巻線による所定の通流経路に徐々に増加する直流電流を流す位置決めモードと、位置決めモードに続いて、可変電圧，可変周波数の交流電流を電機子巻線に供給する同期運転モードとを設定する永久磁石同期電動機の制御方法であって、位置決めモードにあるとき、永久磁石同期電動機の電機子巻線に流れる電流値を検出し、電流値が予め設定されて閾値以下のとき、同期電動機が電力変換装置と未接続であると判定し、警報を発生することを特徴とするものであるため、同期電動機の起動開始とともに、同期電動機と電力変換装置との未接続を、同期電動機に流れる電流の有無を検出することにより、検出するものであるため、この未接続を迅速に検出することができることを特徴とするものである。

しかし、負荷の状態や必要な加速時間によってはさらに精度よく未接続を検出する技術が望まれる。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の発明を適用する。一例をあげるならば、電力変換装置であって、整流器およびスイッチング回路を有する電力変換部と、スイッチング回路を制御する制御部と、を備え、制御部は、電力変換部からの情報を用いて電動機の各相に流れる電流値を演算し、三相電流値を出力する電流再現部と、外部から入力される速度指令と前記三相電流値とを比較して、ＰＷＭ制御指令を出力する速度制御部と、速度制御部からの指令に基づいて前記スイッチング回路にスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、電流再現部の電流値の絶対値が、所定の判定時間内に所定の閾値を下回った場合に、エラーを出力する未接続判定部とを有し、判定時間は、前記電力変換部に電力が投入されてから位置決め動作が終了するまでのうち、増加時間が経過した後であるもの。

本発明によれば、高精度に同期電動機と電力変換装置の未接続を検出できる電力変換装置を提供することができる。

本発明の他の課題・構成・効果は以下の記載から明らかになるであろう。

本発明を適用した実施例１に係る電力変換装置の概略構成図である。 モータ接続時のモータに流れる電流波形である。 本発明を適用した実施例２に係る電力変換装置の概略構成図である。 本発明を適用した実施例３に係る電力変換装置の概略構成図である。

以下、本発明を適用した実施例１について図１から図２を用いて説明する。

図１に、本実施例の電力変換装置１００と電動機６、交流電源１とを接続した全体構成を示す。

電力変換装置１００は、整流器２、平滑コンデンサ３、電流検出器５およびスイッチング回路４を備える電力変換部１１０と、スイッチング回路内のスイッチング素子（例えばトランジスタ等）のＯＮ／ＯＦＦを制御しスイッチング動作をさせる制御部１２０とから構成される。

外部の交流電源１から電力変換部１１０に入力される電流は、整流器２と平滑コンデンサ３により直流電流に変換され、スイッチング回路４に直流電流として供給される。スイッチング回路４がスイッチング動作をすることで、電動機６の固定子巻線に電流が流れて回転磁界を発生させることにより、電動機６の回転子が回転する。

制御部１２０には、外部の速度指令等を格納する記憶部１１、速度指令と電力変換部内の電流値とを比較してＰＷＭ制御指令を出力する速度制御部１０、ＰＷＭ制御指令を受けてスイッチング回路のスイッチング動作を行うためのスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部１４、遮断部１２、未接続判定部１３、電流検出器５で検出された電流値に基づき、電動機６の各相の電流値を算出する電流再現部１５などが含まれる。本実施例では、平滑コンデンサ３とスイッチング回路４との間に設けたシャント抵抗を電流検出器５として用いている。

次に、電力変換装置１００の動作について説明する。

外部から入力された速度指令８は一度記憶部１１に格納される。速度制御部１０は記憶部１１に格納された速度指令８に対応する電流値に、電流再現部１５から得られる電流値が近づくように電動機６を回転させるためのＰＷＭ制御指令を出力する。ＰＷＭ制御指令は遮断部１２を介してＰＷＭ制御部１４へ送信される。ＰＷＭ制御部１４は、ＰＷＭ制御指令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ＯＮ／ＯＦＦするスイッチング信号を出力することで、電力変換部１１０を流れる電流を所望の大きさ、および周波数に変換する。

電流再現部１５は算出した電流値を速度制御部１０へ送信するとともに未接続判定部１３にも送信する。

未接続判定部１３は、あらかじめ設定された判定時間の間に、電流再現部１５から電流値を受け取り、記憶部１１に記憶された各相の閾値と比較する。閾値よりも電流の絶対値が低い相が一相でもある場合には、その相が断線（あるいはモータ内部の絶縁破壊による短絡）していると判断し、遮断部１２へモータ未接続信号を送信し、操作パネル等のユーザーインターフェースにエラー信号を送信する。エラー信号を受けた操作パネルは、モータ未接続と判断されたためモータの運転を停止する旨を表示する。

モータ未接続信号を受信した遮断部１２は速度制御部１０からＰＭＷ制御部１４への信号を遮断する。

なお、各相の電流値の絶対値がいずれも閾値を超えていた場合には、モータ未接続判定部１３は、各相とも正常に接続されていると判定し、遮断部１２や操作パネル等への信号は出力しない。

次に判定時間について、図２を用いて説明する。

図２に、電流再現部１５が算出した電流値と時間との関係を示す。図中の３本の線はそれぞれＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流値を示し、それぞれの相ごとに閾値が設定されている。この閾値は記憶部１１に格納されている。

電動機６の運転を開始する際は、まず磁極の位置決め動作を行う。その後加速動作で一定の回転速度まで上げ、外部の速度指令に基づいた回転速度制御が可能な状態となる。

位置決め動作では、各相の電流値を目標値まで上げ、電流値が安定するように電流を一定に保つ制御を行う。この間に固定子の回転磁界に回転子が追従し、磁極位置が決まるのを待つ。図２に示すように、増加時間１６経過した段階で目標値には到達しているものの、電流値に電流脈動が発生している。脈動の程度は負荷の状況や目標値の大きさや増加時間１６の長さによっても変わってくるが、時間が経てば脈動は減衰し、電流値は安定する。増加時間後、安定するまでの時間を安定時間１７と呼び、この時間に未接続判定を行う点が、本発明の特徴の一つである。

また、安定時間１７の前半で発生する電流値の乱れの程度によっては、電流値が判定のための閾値を下回ってしまう場合があり、そのような場合には電動機６の各相が正しく接続され欠相していないにもかかわらず、未接続と判定されてしまう虞がある。このような電流脈動が激しい場合でも、増加時間と加速動作開始との間に安定時間１７を設け、さらに安定時間１７の後半に未接続の判定処理を行うことで、負荷の状況にかかわらず誤判定の虞をさらに低減することができる。即ち、判定精度を向上させた電力変換装置を提供することが可能となる。

増加時間１６、安定時間１７、未接続判定を開始するまでの判定待機時間１８、判定処理を行う判定時間１９のそれぞれの長さはあらかじめ設定され、操作器７を介して記憶部１１に格納される。その他、判定時間１９内に何回判定処理を行うかといった判定回数や各相の電流の目標値、閾値も同様に記憶部に格納される。

本実施例では、判定時間１９を安定時間１７の後ろ１／２としているが、２／３や１／４等としても構わない。装置構成や負荷の用途によって求められる増加時間・安定時間も異なり、回路を構成するＣＰＵの信号処理能力によっても変わってくる。少なくとも、判定時間１９は安定時間１７と同じあるいは判定時間よりも短ければよい。判定時間１９の方が短い場合には、判定開始時刻が、安定時間１７の開始時刻より遅い時刻であればよい。

本実施例によれば、位置決め動作中に増加時間と安定時間とを設け、脈動が減衰した後に未接続判定を行うことで、負荷の状況に関わらず高精度に判定を行うことが可能となる。

本実施例では、電流検出器５として、スイッチング回路４と電動機６とを繋ぐ三相の線のうち二相に取り付けられたホールセンサ（あるいは電流センサ）を用いた例を示す。

図３に本実施例の電力変換装置の構成図を示す。実施例１とは電流検出器５を設ける位置が異なっている。本実施例の位置に電流検出器を設けても、三相のうち二相の電流値が分かれば残り一相の電流値を計算できるため、実施例１と同様に電流再現部５が三相の電流値を算出可能である。

その他の構成および動作については実施例１と同様であるため説明を省略する。

本実施例では、遮断器の機能を速度制御部に持たせた場合の構成を説明する。

図４に本実施例の電力変換装置の構成図を示す。本実施例では、未接続判定部１３は、未接続フラグを速度制御部１０へ送信し、速度制御部１０はフラグ受信後に送信するＰＷＭ速度指令を０に変更し、ＰＷＭ制御部１４へ出力する。

その他の構成および動作については他の実施例と同様であるため説明を省略する。

１：交流電源、２：整流器、３：平滑コンデンサ、４：スイッチング回路、５：電流検出器、６：電動機、８：速度指令、１０：速度制御部、１１：記憶部、１２：遮断部、１３：未接続判定部、１４：ＰＷＭ制御部、１５：電流再現部、１００：電力変換装置、１１０：電力変換部、１２０：制御部。

Claims (2)

1. 整流器およびスイッチング回路を有する電力変換部と、前記スイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記電力変換部からの情報を用いて電動機の各相に流れる電流値を演算し、三相電流値を出力する電流再現部と、
   外部から入力される速度指令と前記三相電流値とを比較して、ＰＷＭ制御指令を出力する速度制御部と、
   前記速度制御部からの指令に基づいて前記スイッチング回路にスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、
   前記電流再現部の電流値の絶対値が、所定の判定時間内に所定の閾値を下回った場合に、エラーを出力する未接続判定部とを有し、
   前記判定時間は、前記電力変換部に電力が投入されてから位置決め動作が終了するまでのうち、増加時間が経過した後であるものである電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記増加時間とは、前記電力変換部に電力が投入されてから電流値が前記速度指令と対応する電流値に達するまでの時間である電力変換装置。

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