JPWO2015186203A1 - 電力変換装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

高精度の周波数制御が可能な電力変換装置の意図しない用途への転用を防止しつつ、必要以上に停止させないようにする電力変換装置を提供する。例えば、直流電圧を平滑化する直流電圧部と、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部の出力を制御する出力制御部と、前記出力制御部に周波数指令を出力する周波数指令部とを備え、前記出力制御部は、前記周波数指令部が出力する指令周波数が所定の周波数以上となった場合、前記指令周波数を変動させた周波数を出力周波数として、前記電力変換部を制御する構成とする。

Description

本発明は、電力変換装置及びその制御方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００６−１９７８８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「電気機器２に電力線を接続する接続部３１と、電気機器２が接続されているか否かを判定する接続検出部３４と、電気機器２が当該ＡＣ電源装置３から電力を受給する機器であることを示す認証情報を電気機器２から受信する通信部３３２と、認証情報を記憶する認証機器情報記憶部３３４と、受信された認証情報が認証機器情報記憶部３３４の認証情報と一致した場合にその電気機器２を電力を受給できる電気機器であると認証する機器認証部３３３と、電気機器２が認証されなかった場合に、電気機器２への電力の供給を停止する切替制御部３３５及び電力供給切替部３２と、電力供給切替部３２を動作させるか否かを切り替えるオンオフ切替部３３６とをＡＣ電源装置３に備える。」と記載されている（要約参照）。

特開２００６−１９７８８号公報

近年、電力変換装置において、高精度に高い周波数を一定出力できるものは、例えば軍事用途などの意図しない用途への転用の恐れがある。これを防ぐ手段として、例えば特許文献１の仕組みを採用し、電力変換装置が組み合わされたシステムとの認証動作を行い、結果が認証されなければ電力変換装置は出力しないようにすることができる。しかしながら、特許文献１の仕組みを採用すると、例えば、電力変換装置が壊れた場合や電力変換装置の入れ替えを行う場合には、どのような場合においても、改めて認証動作の設定が必要となり、再稼働までに時間がかかる等の弊害が出てしまう。

そこで、本発明は、意図しない用途への転用を防止しつつ、必要以上に停止させないようにする電力変換装置を提供することを目的とする。

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構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば直流電圧を平滑化する直流電圧部と、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部の出力を制御する出力制御部と、前記出力制御部に周波数指令を出力する周波数指令部とを備え、前記出力制御部は、前記周波数指令部が出力する指令周波数が所定の周波数以上となった場合、前記指令周波数を変動させた周波数を出力周波数として、前記電力変換部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、高周波数領域における高精度の出力を制限しながら、低周波数領域や低精度での駆動を確保することができ、意図しない用途への転用を防止しつつ、必要以上に停止させることのない電力変換装置を提供することができる。

上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１および２における電力変換装置の構成図である。 実施例１〜３における出力制御部の動作を示すフローチャートである。 実施例１におけるゆらぎ成分の例を示した図である。 実施例１における周波数制御の様子を示した図である。 実施例２におけるゆらぎ成分の例を示した図である。 実施例３における電力変換装置の構成図である。 実施例３における出力制御部の動作を示すフローチャートである。 実施例３における認証判断時のデータを示す。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、高周波数指令となった場合に、一定以上の精度が出ないように、出力周波数をランダムに揺らがせる周波数制御の例を説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置と交流電動機１０５の構成図の例であり、三相交流電源１０１、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、交流変換部１０４、速度指令部１０６、出力制御部１０７、周波数変動生成部１０８を有する。

３相交流電源１０１は、例えば電力会社から供給される３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、３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、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の直流電圧を入力とし、出力制御部１０７から入力されたPWM出力波形により、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力する。本実施例における電力変換装置は、高周波数の領域において高精度での出力が可能であり、約0.05％以下の変動（例えば1800Hzの駆動時に±1Hz未満の変動）での制御が可能である。 速度指令部１０６は、例えばユーザが指定した周波数目標値を入力とし、目標値に向かって増加あるいは減少する指令周波数を演算し、出力制御部１０７および周波数変動生成部１０８に出力する。

出力制御部１０７は、速度指令部１０６から指令された指令周波数および周波数変動生成部１０８が出力した変動周波数（変動指令）を入力とし、演算された指令周波数を用いて演算したPWM出力波形を電力変換部１０４に出力する。

周波数変動生成部１０８は、速度指令部１０６から指令された指令周波数を入力とし、例えばランダムに増加減するデータを演算し、その演算幅が、例えば規格等で定められた指令周波数の±０．１％となるように値を調整し、出力制御部１０７に出力する。

図２は、出力制御部１０７が、周波数指令値を演算する際の処理を示したものである。まず、出力制御部１０７は、速度指令部１０６から指令された指令周波数を入力として取り込む（Ｓ２０１）。出力制御部１０７は、指令周波数と、予め定めた比較周波数（６００Hz）とを比較し（Ｓ２０２）、指令周波数が比較周波数以上である場合、周波数変動生成部１０８から出力された変動周波数と指令周波数とを演算し、演算後の指令周波数を用いて出力電圧の演算を行う（Ｓ２０３）。なお、出力電圧の演算は、指令周波数を用いて演算を行った後に、変動周波数の演算を行っても、その意図は変わらない。出力制御部１０７は、指令周波数が比較周波数未満である場合、指令周波数のみから出力電圧の演算を行い、変動周波数は加味しない（Ｓ２０４）。

尚、速度指令部１０６、出力制御部１０７及び周波数変動生成部１０８における図２のフローは、マイクロコントローラにプログラムを書き込むことで実現される。第三者による意図しない転用を防止するためには、上記のフローを保護し、プログラムの書き換えを行えなくすることが有効である。例えば、マイクロコントローラの書き込みボードのピンを折る等物理的に破壊することにより、書き込みを物理的に不可能にすることでプログラムの保護が実現できる。

図３は、周波数変動生成部１０８が演算する変動周波数データの例を示した図である。図３の（３０１）に示した波形は、異なる振幅及び周波数で演算した複数の正弦波が記載されている。（３０２）に示した波形は、（３０１）で示された波形をすべて重畳した結果を示している。（３０２）に示した波形は、自然界でも見られる１/ｆゆらぎに近い波形であり、例えば以下の式で得られる。

Fratio：変動周波数割合、ω：角周波数、t：時間、X・Y・Z・W：ゲイン。

図３の（３０１）は、（数１）のそれぞれの項を別々に示しており、（３０２）は（数１）の結果であるFratioを示している。（数１）では、角周波数にそれぞれゲインをかけることで、周期的に決まったゆらぎを持つ波形が現れないようにしている。また、（数１）は、５次までの項を考慮しているが、それ以上の項、あるいは項を減らしても、ゆらぎ成分がランダムに近ければ、その意図するところは変わらない。また、（数１）は、２の累乗値に固定されることなく、各項に任意の係数を乗算しても良い。

図４は、出力制御部１０７が、速度指令部１０６から出力された指令周波数と、指令周波数に変動周波数（変動指令）を演算した出力周波数の時間変化を示した図である。図４（Ａ）は、電力変換装置が、目標周波数を１０００Hzとして、交流電動機１０５を徐々に加速していく際の、指令周波数と出力周波数の変化の様子を示している。また、図４（Ｂ）では、指令周波数が６００Hzを超えた場合に、出力制御部１０７が周波数の変動を行っている様子を示している。

出力制御部１０７が演算する出力周波数は、例えば以下の式で表される。

Fout：出力周波数、Fcommand：指令周波数、Fratio：数１で得られた係数、G：変動率。

図４（Ｂ）に示した指令周波数に対する偏差割合は、（数２）のFratio×G（例としてG=3%）を示している。出力制御部１０７は、演算された出力周波数Foutを用いてPWM出力波形を生成し、電力変換部を制御する。

尚、標準の誘導電動機が５０／６０Ｈｚで駆動されることから、１００Ｈｚまでの駆動を高精度に行えばよい場合が多い。従って、本実施例では比較周波数を６００Ｈｚとしたが、実用上は１００Ｈｚ〜６００Ｈｚのいずれかの周波数を比較周波数として予め設定しておけばよい。

本実施例では実施例１と共通する部分については、同様の符号を用い、異なる部分について詳細に説明するものとする。構成は、実施例１にて説明した図１と同様である。本実施例では、周波数変動生成部１０８が演算する変動周波数データの別例を示す。

図５は、周波数変動生成部１０８が演算する変動周波数データの例を示した図である。図５の（５０１）に示した波形は、異なる振幅及び周波数で演算した複数の三角波が記載されている。（５０２）に示した波形は、（５０１）で示された波形をすべて重畳した結果を示している。（５０２）に示した波形は、自然界でも見られる１/ｆゆらぎに近い波形であり、単純なカウント加減算を行うことで三角波を生成している。図５では、三角波の加減算を行う際、それぞれの三角波の加減算の幅が一致しないようにして三角波の傾きを変え、周期的に決まったゆらぎを持つ波形が現れないようにしている。三角波を用いることで、正弦波を用いる場合に比べて演算の負荷が小さくなるという利点がある。

周波数変動生成部１０８は、図５のように演算された変動周波数を、出力制御部１０７に出力する。

本実施例では実施例１と共通する部分については、同様の符号を用い、異なる部分について詳細に説明するものとする。

図６は、本実施例の電力変換装置と交流電動機１０５の構成図の例である。外部Ｉ／Ｏ６０１は、回路端子、通信端子等のユーザインターフェースで構成され、外部接続された機器と信号の入出力を行い、得られた信号を認証部６０２に出力する。認証部６０２は、外部Ｉ／Ｏ６０１から出力された情報を入力とし、予め決められた認証方法によって照合し、照合結果を出力制御部６０３に出力する。

出力制御部６０３は、認証部６０２から入力された認証結果、速度指令部１０６から指令された指令周波数および周波数変動生成部１０８が出力した変動周波数を入力とし、演算された指令周波数を用いて演算したPWM出力波形を電力変換部１０４に出力する。

図７は、出力制御部６０３が、認証判断を行う処理を示したものである。まず、出力制御部６０３は、認証部６０２から出力された照合結果を判定し、電力変換装置が認証されているかどうかを判定する(Ｓ７０１)。認証されていない場合、実施例１で示された図２（Ｓ２０３）の変動周波数制御を行う(Ｓ７０２)。認証されている場合は、周波数精度の変動は不要のため、指令周波数のみから出力電圧の演算を行い、変動周波数（変動指令）は加味しない。

図８は、認証部６０２が、認証を行う例を示している。図８では、外部Ｉ／Ｏ６０１が入力端子１〜４で構成しているとした場合に、入力されたHigh/Low信号をデータと時間の関係を示している。図８では、例えば端子２の入力をトリガとし、等間隔の時間でデータを取り込んでいる。認証部６０２は、図８のデータ１として、端子のHigh/Lowを端子４、３、２、１の状態として並べ、2進数表現すると００１０となり、16進数に変換すると、２となる。認証部６０２は、各データを同様にして取り込み、例えばデータを１から４に並べた16進数の値、２１ＦＢとして取り込む。このデータが、予め決められたデータと合致していれば、認証済みとして、出力制御部６０３に結果を出力する。また、この認証は、電源投入時に毎回行っても良いし、一度認証されたものを内部メモリ等に記憶しても良い。また、認証部６０２は、外部Ｉ／Ｏ６０１から入力される種々の信号、例えば一般的な通信方式による入力、によって、暗号鍵方式による認証や、ライセンス管理により与えられたユーザ権限を照合するなどして行っても良い。

また、本実施例では、認証されていない場合、変動周波数制御を行う(Ｓ７０２)こととした。この場合の変動周波数制御は、実施例１のように、指令周波数が比較周波数以上の場合にのみ変動周波数を演算し出力周波数としてもよいし、また、指令周波数の値に拘わらず全周波数領域において、変動周波数を演算し出力周波数としてもよい。後者の制御を行う電力変換装置の場合、周波数全域において高精度の制御が要求されないような用途であれば、認証なしで使用を継続することができる。

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。

１０１・・・３相交流電圧、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、１０６・・・速度指令部、１０７・・・出力制御部、１０８・・・周波数変動生成部、６０１・・・外部Ｉ／Ｏ、６０２・・・認証部、６０３・・・出力制御部

Claims (15)

1. 直流電圧を平滑化する直流電圧部と、
   直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力を制御する出力制御部と、
   前記出力制御部に周波数指令を出力する周波数指令部と、
   を備え、
   前記出力制御部は、前記周波数指令部が出力する指令周波数が所定の周波数以上となった場合、前記指令周波数を変動させた周波数を出力周波数として、前記電力変換部を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記出力制御部は、前記指令周波数が所定の周波数未満の場合、前記指令周波数により前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数の周期の異なる波形を重畳して所定の変動範囲以上となる変動指令を生成する周波数変動生成部を備え、
   前記指令周波数を変動させた周波数は、前記指令周波数と前記変動指令とを演算することにより生成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記周波数変動生成部は、周波数変動の範囲を、前記指令周波数の±０．１％以上とすることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記所定の周波数が１００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲において設定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 外部からの信号または入力を受信して認証を行う認証部と、
   を備え、
   前記出力制御部は、前記認証部において予め決められた認証方法により、認証がなされた場合には、前記周波数指令部が出力する指令周波数が所定の周波数以上となった場合であっても、前記指令周波数により前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記認証部に接続され、前記外部からの信号または入力を受信する外部Ｉ／Ｏを備え、
   前記外部Ｉ／Ｏは複数の端子により構成され、前記複数の端子に入力される信号の変化に基づいて、前記認証部は認証を行うことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記出力制御部は、前記電力変換装置に設けられたマイクロコントローラにプログラムを書き込むことにより実現され、前記マイクロコントローラの書き込みボードは、プログラムが書き込まれた後に物理的にプログラムの書き換えが不可能とされることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
9. 直流電圧を平滑化する直流電圧部と、
   直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力を制御する出力制御部と、
   前記出力制御部に周波数指令を出力する周波数指令部と、
   外部からの信号または入力を受信して認証を行う認証部と、
   を備え、
   前記出力制御部は、前記認証部において予め決められた認証方法により認証がなされなかった場合には、前記指令周波数を変動させた周波数を出力周波数として、前記電力変換部を制御することを特徴とする電力変換装置。
10. 前記出力制御部は、前記認証部において予め決められた認証方法により、認証がなされた場合には、前記指令周波数により前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 複数の周期の異なる波形を重畳して所定の変動範囲以上となる変動指令を生成する周波数変動生成部を備え、
    前記指令周波数を変動させた周波数は、前記指令周波数と前記変動指令とを演算することにより生成されることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
12. 直流電圧を平滑化する直流電圧部と、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部の出力を指令周波数に基づいて制御する出力制御部と、を備える電力変換装置の制御方法であって、
    前記指令周波数が所定の周波数以上の場合には、前記指令周波数を変動させた周波数を出力周波数として前記電力変換部を制御するステップと、
    取得した前記周波数指令が所定の周波数未満の場合には、前記指令周波数を出力周波数として前記電力変換部を制御するステップと、
    を備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
13. 前記指令周波数を変動させた周波数は、前記指令周波数と、複数の周期の異なる波形を重畳して所定の変動範囲以上とする変動指令とにより演算される周波数であることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法。
14. 前記所定の周波数が１００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲において設定されることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法。
15. 外部からの信号又は入力を受信し、
    受信した信号又は入力に基づいて、予め決められた認証方法により認証がなされた場合には、前記指令周波数が所定の周波数以上となった場合であっても、前記指令周波数を出力周波数として前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法。

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