特許第5792268号(P5792268)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許5792268LCフィルタの異常検知機能を備えた電力変換装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5792268
(24)【登録日】2015年8月14日
(45)【発行日】2015年10月7日
(54)【発明の名称】LCフィルタの異常検知機能を備えた電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/12 20060101AFI20150917BHJP
   H02M 1/00 20070101ALI20150917BHJP
   H02M 1/12 20060101ALI20150917BHJP
【FI】
   H02M7/12 H
   H02M1/00 R
   H02M1/12
【請求項の数】2
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2013-246683(P2013-246683)
(22)【出願日】2013年11月28日
(65)【公開番号】特開2015-106948(P2015-106948A)
(43)【公開日】2015年6月8日
【審査請求日】2014年12月18日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】390008235
【氏名又は名称】ファナック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100151459
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 健一
(72)【発明者】
【氏名】原田 隆
【審査官】 中里 翔平
(56)【参考文献】
【文献】 特開2009−219317(JP,A)
【文献】 特開2011−193614(JP,A)
【文献】 特開昭62−226707(JP,A)
【文献】 特開2006−317112(JP,A)
【文献】 特開平08−066036(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/00−7/98
H02M 1/00−1/44
H02M 3/00−3/44
H03H 7/00−7/54
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源と、
交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部と、
前記交流電源と前記電力変換部との間に配置されるLCフィルタ部と、
を有する電力変換装置であって、
前記LCフィルタ部は、
前記交流電源と接続する交流電源接続部と、
前記電力変換部と接続する電力変換接続部と、
前記LCフィルタ部を構成する1つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子と、を有し、
前記電力変換部は、
前記温度検出素子が検知した温度データを受信する温度検出部と、
前記温度検出部が受信した前記温度データに基づいて、前記1つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または前記複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従って前記LCフィルタ部に異常があるか否かを判定する判定部と、を有し、
前記LCフィルタ部は、
前記交流電源接続部と接続されたリアクトルA部と、
前記電力変換接続部と接続されたリアクトルB部と、を備え、
前記リアクトルA部は、第1温度検出素子を備え、
前記リアクトルB部は、第2温度検出素子を備え、
前記判定部は、前記リアクトルB部の温度上昇値より、前記リアクトルA部の温度上昇値が大きい場合は、前記交流電源接続部に前記電力変換部が接続され、前記電力変換接続部に前記交流電源が接続された、接続異常が生じたものと判定する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
交流電源と、
交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部と、
前記交流電源と前記電力変換部との間に配置されるLCフィルタ部と、
を有する電力変換装置であって、
前記LCフィルタ部は、
前記交流電源と接続する交流電源接続部と、
前記電力変換部と接続する電力変換接続部と、
前記LCフィルタ部を構成する1つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子と、を有し、
前記電力変換部は、
前記温度検出素子が検知した温度データを受信する温度検出部と、
前記温度検出部が受信した前記温度データに基づいて、前記1つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または前記複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従って前記LCフィルタ部に異常があるか否かを判定する判定部と、を有し、
前記LCフィルタ部は、
前記交流電源接続部と接続されたリアクトルA部と、
前記電力変換接続部と接続されたリアクトルB部と、を備え、
前記リアクトルA部は、第1温度検出素子を備え、
前記リアクトルB部は、第2温度検出素子を備え、
前記判定部は、前記リアクトルA部の温度上昇値または前記リアクトルB部の温度上昇値が正常時より高く、かつ、前記リアクトルA部の温度上昇値より、前記リアクトルB部の温度上昇値が大きい場合は、前記電力変換部の過負荷、または前記LCフィルタ部の冷却異常が生じていると判定する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流電源を直流電源に変換、または、直流電源を交流電源に変換する電力変換装置に関し、特に、LCフィルタの異常検知機能を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
モータ駆動装置に使用される交流電源に対して、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)によるスイッチング制御を行うことで負荷電流に含まれる高調波電流を抑制し、力率改善を行う装置としてPWMコンバータが知られている(例えば、特許文献1)。
【0003】
PWMコンバータは、PWMによるスイッチング制御を行うため、交流電源との間の経路に、数kHz以上の高周波を含む矩形波の交流電圧を出力する。矩形波の交流電圧は電源周波数に含まれない高周波成分を含んでいる。そのため、この種のPWMコンバータでは、一般的に、高周波の矩形波のうち電源周波数成分の交流電圧を通過させるためのローパスフィルタ(LCフィルタ)を交流電源とPWMコンバータとの間に設けて高周波を除去する構成が採用されている。
【0004】
PWMコンバータ用のLCフィルタとして、T型フィルタと呼ばれる、コンデンサ(C)とダンピング抵抗を直列接続した回路の両端にインダクタンス(L)を装備したフィルタが知られている。このLCフィルタは、PWMコンバータ側から流入する高周波電流のピークを抑制しながら、フィルタ全体の大きさを低減するために、一般的にPWMコンバータ側のインダクタンスが大きく、交流電源側のインダクタンスが小さい、非対称な構成をとる。
【0005】
また、交流電源側のインダクタンスには高周波電流が流れないため、一般的に高周波電流での発熱対策を不要とし、小型化、低コスト化したインダクタンスが用られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−221858号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来の電力変換装置のLCフィルタ部は積極的に入出力線の逆接続を検知する仕組みを備えていない。上記の非対称の構成を持つLCフィルタにおいて、PWMコンバータ側と交流電源側を誤って逆に接続した場合(以下、この状態を「入出力線の逆接続」と呼ぶ。)であっても運転が継続され、交流電源側のインダクタンスが小さいため、PWMコンバータ側から過大な高周波電流が流入する。その結果、交流電源側のインダクタンスから異音が生じたり、交流電源側のインダクタンス、およびダンピング抵抗が過熱したりする問題が生じる。そして、そのまま運転を続けると、最悪の場合には、LCフィルタの部品が破損するという問題があった。
【0008】
本発明は、LCフィルタ部の入出力線の逆接続による装置の動作不具合および装置の破損を防止できる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】
【0009】
本発明の電力変換装置は、交流電源と、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部と、交流電源と電力変換部との間に配置されるLCフィルタ部と、を有する電力変換装置であって、LCフィルタ部は、交流電源と接続する交流電源接続部と、電力変換部と接続する電力変換接続部と、LCフィルタ部を構成する1つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子と、を有し、電力変換部は、温度検出素子が検知した温度データを受信する温度検出部と、温度検出部が受信した温度データに基づいて、1つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従ってLCフィルタ部に異常があるか否かを判定する判定部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
LCフィルタの動力線の入出力を逆に接続していることを、温度検出素子により積極的に検知することにより、入出力線の逆接続による構成部品に生じる不具合(異音または過熱)を防止することができ、正常接続時の過負荷や冷却部異常を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の実施例1に係る電力変換装置の構成図である。
図2】LCフィルタ部の入力部及び出力部における電圧及び電流の波形を示す図である。
図3】LCフィルタ部の接続を交流電源側と電力変換部側を逆に接続したときに、リアクトルA部に流れる電流の波形を示す図である。
図4】本発明の実施例1に係る電力変換装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
図5】本発明の実施例2に係る電力変換装置の構成図である。
図6】本発明の実施例2に係る電力変換装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
図7】本発明の実施例3に係る電力変換装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【0013】
[実施例1]
本発明の実施例1に係る電力変換装置100の構成図を図1に示す。実施例1に係る電力変換装置100は、交流電源1と、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部2と、交流電源1と電力変換部2との間に配置されるLCフィルタ部3と、を有する電力変換装置であって、LCフィルタ部3は、交流電源1と接続する交流電源接続部31と、電力変換部2と接続する電力変換接続部32と、LCフィルタ部3を構成する1つまたは複数の部品に設けられた温度検出素子33と、を有し、電力変換部2は、温度検出素子33が検知した温度データを受信する温度検出部21と、温度検出部21が受信した温度データに基づいて、1つまたは複数の部品のうちの所定の部品の温度上昇値、または複数の部品間の温度差を計算し、計算結果に従ってLCフィルタ部3に異常があるか否かを判定する判定部22と、を有することを特徴とする。
【0014】
本発明の実施例1に係る電力変換装置100は、PWMコンバータ23を備えた電力変換部2と、3相の交流電源1との間にT型のLCフィルタ部3を備え、温度検出素子33を交流電源1側に接続されたインダクタンスLa1〜La3を備えたリアクトルA部341の1箇所に配置した構成としている。ここで、LCフィルタ部3は、交流電源接続部31と接続されたリアクトル部(リアクトルA部341)を有し、リアクトル部A341は、温度検出素子33を具備している。温度検出素子33として、サーミスタあるいはサーモスタットを用いることができるが、これには限られない。
【0015】
図1に示したLCフィルタ部3は、非対称の構成を有している。即ち、3相交流である交流電源1に接続されるリアクトルA部341のインダクタンスの値La1〜La3は、電力変換部2に接続されるリアクトルB部342のインダクタンスの値Lb1〜Lb3よりも小さい。
【0016】
LCフィルタ部3は、交流電源1と接続する交流電源接続部31と、電力変換部2と接続する電力変換接続部32とを備えており、交流電源1が交流電源接続部31に接続され、電力変換部2が電力変換接続部32に接続された状態が正常な接続状態である。一方、交流電源1が電力変換接続部32に接続され、電力変換部2が交流電源接続部31に接続された状態を「逆接続状態」という。動力線の逆接続が行われた場合、正常に接続した場合と比較して、LCフィルタ部3の部品の温度上昇箇所が正常な接続状態における温度上昇個所と異なる。即ち、正常に接続された場合には温度上昇が小さい部品において、逆接続状態では温度上昇が大きくなる場合がある。そこで本発明では、LCフィルタ部3の部品の1つ又は複数に温度検出素子33を設け、温度検出部21により検知した温度上昇の値が、正常に接続した場合よりも高いことを検知した場合、動力線の逆接続の可能性があると判定する判定部22を設け、PWMコンバータ23を停止するようにしている。
【0017】
次に、交流電源1と電力変換部2との間にLCフィルタ部3を正常に接続した場合と逆接続した場合のそれぞれの場合における電圧及び電流の波形について説明する。図2は、正常に接続された場合における、図1のA部及びB部での電圧及び電流の波形を示す。正常に接続された場合は、図2に示す様に、LCフィルタ部3のA部には正弦波の電圧がかかり(図2(a))、B部には高周波成分を含む矩形波状の電圧がかかる(図2(c))。そのため、LCフィルタ部3のB部には、リプル分(高周波分)を含む電流が流れる(図2(d))。しかしながら、LCフィルタ部3のローパスフィルタ効果によりLCフィルタ部3のA部にはリプル分が低減された略正弦波の電流が流れる(図2(b))。
【0018】
図3は、LCフィルタ部3を正常に接続した場合、及び逆に接続した場合における、LCフィルタ部3のA部に流れる電流を示す。
【0019】
リアクトルA部とリアクトルB部を正常に接続した場合は、図2(b)に示した様に、A部のインダクタンスにはリプル分が低減された略正弦波の電流が流れる(図3(a))。一方、A部とB部を逆に接続した場合は、A部のインダクタンスにはリプル分を含む電流が流れ、かつ、リプル成分の大きさは、図2(d)の正常に接続した場合にB部に流れる電流より数倍大きな電流となっている(図3(b))。
【0020】
A部とB部を逆に接続した状況(動力線の逆接続)を放置した場合、リアクトルA部341は元々リプル分を含まない電流が流れることを想定した設計のため、インダクタンスのコア部からの異音、またはコア部の異常発熱が生じるとともに、リプル分の増加により、リプル分が流れ込む図1のダンピング抵抗35、コンデンサ36にもダメージを与える可能性がある。
【0021】
しかしながら、図3(b)に示したような電流が流れた場合、リアクトルA部341のインダクタンスの温度は、正常に接続した場合の温度より必ず高くなる。そのため、リアクトルA部341に取り付けた温度検出素子33が検出した温度データを、電力変換部2に予め記憶させた、正常に接続した場合における運転開始時からの温度上昇値と比較することにより、検出した温度が正常時の温度を超えている場合には、動力線は逆接続されていると判断し、PWMコンバータ23のスイッチングを停止することで、LCフィルタ部3の異常発熱、ダメージを防止できる。
【0022】
次に、本発明の実施例1に係る電力変換装置における異常の有無の検出方法について、図4に示すフローチャートを用いて説明する。
【0023】
まず、ステップS101において、図1に示すように交流電源1と電力変換部2との間にLCフィルタ部3を接続する。さらに、LCフィルタ部3のリアクトルA部341に設けられた温度検出素子33と電力変換部2に設けられた温度検出部21とを接続する。
【0024】
次に、ステップS102において、電力変換装置100を動作させる。このとき、温度検出部21は運転開始時から継続的に温度検出素子33から温度データを受信し、運転開始時からの温度上昇値ΔTを計算する。
【0025】
次に、ステップS103において、判定部22が、リアクトルA部341の温度上昇値ΔTが予めメモリ(図示せず)に記憶された正常接続時における温度上昇値ΔT0を超えているか否かを判断する。
【0026】
温度上昇値ΔTがΔT0を超えている場合(ΔT>ΔT0)には、ステップS104において、判定部22は、LCフィルタ部3が逆接続されていると判断して、PWMコンバータ23の動作を停止させる。一方、温度上昇値ΔTがΔT0以下となっている場合(ΔT≦ΔT0)には、判定部22は、LCフィルタ部3には異常が生じていないものと判断して、ステップS102に戻って、PWMコンバータ23の動作を継続させる。
【0027】
以上のようにして、LCフィルタ部のリアクトルの温度上昇値から逆接続の有無を判断することができる。
【0028】
以上の実施例1に係る電力変換装置において、LCフィルタ部内に温度検出素子を1つのみ設けた構成を示したが、これには限られず2つ以上設けるようにしてもよい。
【0029】
また、実施例1においては、リアクトルA部の温度を検出することによりLCフィルタ部の異常を検出する例を示したが、これには限られず、リアクトル部以外のダンピング抵抗やコンデンサ等、他の部品の温度を測定することにより、LCフィルタ部の異常を検出するようにしてもよい。
【0030】
[実施例2]
次に、本発明の実施例2に係る電力変換装置について説明する。実施例2に係る電力変換装置200の構成図を図5に示す。実施例2に係る電力変換装置200が、実施例1に係る電力変換装置100と異なっている点は、リアクトルA部341にだけでなくリアクトルB部342にも温度検出素子を設けている点である。即ち、LCフィルタ部3は、交流電源接続部31と接続されたリアクトルA部341と、電力変換接続部32と接続されたリアクトルB部342と、を備え、リアクトルA部341は、第1温度検出素子331を備え、リアクトルB部342は、第2温度検出素子332を備えている。その他の構成は、実施例1に係る電力変換装置100と同様であるので詳細な説明は省略する。
【0031】
実施例2の電力変換装置200においては、LCフィルタ部3に第1温度検出素子331及び第2温度検出素子332からなる2つの温度検知素子が設けられている。このため、検知されたリアクトルA部341及びリアクトルB部342のそれぞれの温度データの絶対値のみでなく、検知されたそれぞれの温度データ間の相対値を用いて、リアクトルB部342の温度が、リアクトルA部341の温度よりも規定値以上高いことに基づいて、動力線の逆接続を検知することができる。この場合は、周囲温度の影響を排除することができ、より鋭敏な検知を実現することができる。
【0032】
さらに、LCフィルタ部は動力線の逆接続以外の要因でも異常な温度上昇が生じる場合がある。電力変換装置の負荷が過大であった場合にリアクトルA部およびB部を流れる電流が過大となり異常な温度上昇を生じる。また、冷却ファンによりリアクトルA部およびB部を強制冷却し温度上昇を抑制している場合は冷却ファンが異常となり停止した結果、リアクトルA部およびB部に異常な温度上昇を生じる。電力変換装置の負荷が過大、冷却ファンの異常いずれの要因でもリアクトルA部またはリアクトルB部の温度上昇が正常な値を超えることで電力変換装置側で異常を検知できるが、異常を取り除く際の作業性を良くするため要因を切り分けて検知できることが望ましい。温度検出素子が複数ある場合、異常の種類により温度上昇パターンが異なることを利用し、保護に加えて異常要因の切り分けを行うことができる。
【0033】
図1に示す実施例1に係る電力変換装置100では、温度検出素子が1つのため冷却ファン(図示せず)の故障、過負荷運転、動力線の逆接続による温度上昇の異常を切り分けることが出来ない。一方、図5に示す実施例2に係る電力変換装置200では、リアクトルB部342にも温度検出素子を取り付けることにより、リアクトルB部342が正常時よりも温度が高くなる場合は冷却ファンの故障、過負荷運転が生じているものと判断でき、リアクトルA部341のみの温度が高くなる場合は、動力線の逆接続がなされているものと判断できる。このように、温度検出素子をリアクトルA部及びリアクトルB部の両方に設けることにより、異常が生じている個所を正確に検出することができる。
【0034】
次に、本発明の実施例2に係る電力変換装置における異常の有無の検出方法について、図6に示すフローチャートを用いて説明する。
【0035】
まず、ステップS201において、図5に示すように交流電源1と電力変換部2との間にLCフィルタ部3を接続する。さらに、LCフィルタ部3のリアクトルA部341に設けられた第1温度検出素子331及びリアクトルB部342に設けられた第2温度検出素子332と電力変換部2に設けられた温度検出部21とを接続する。
【0036】
次に、ステップS202において、電力変換装置200を動作させる。温度検出部21は運転開始時から継続的に第1温度検出素子331からの温度データT1、及び第2温度検出素子332からの温度データT2を受信し、T1の運転開始時からの温度上昇値ΔT1、及びT2の運転開始時からの温度上昇値ΔT2の差分ΔT1-2を計算する。
【0037】
次に、ステップS203において、判定部22が、ΔT1-2が正の値となるか判断する。ただし、完全冷却においてΔT1-2の正常値はゼロとなるため判断の閾値は正の値方向に若干のマージンを設け誤検出を防止する。本判定でΔT1-2が閾値を超えていた場合には、ステップS204において、LCフィルタ部3が逆接続された状態、即ち、交流電源接続部31に電力変換部2が接続され、電力変換接続部32に交流電源1が接続された、接続異常が生じたものと判定する。
【0038】
次に、ステップS205において、判定部22が、リアクトルB部342の温度上昇値ΔT2が予めメモリ(図示せず)に記憶された正常接続時における温度上昇値ΔT02を超えているか判定する。その結果ΔT2がΔT02を超えていると判断した場合には、ステップS206において、電力変換部2の過負荷、またはLCフィルタ部3の冷却異常が生じていると判定する。
【0039】
一方、ステップS203またはステップS205のいずれでも異常と判断されない場合は、判定部22は、LCフィルタ部3には異常が生じていないものと判断して、ステップS202に戻って、PWMコンバータ23の動作を継続させる。
【0040】
以上の実施例2に係る電力変換装置の説明においては、リアクトルA部とリアクトルB部の温度差に基づいてLCフィルタ部の異常の有無を検出する例を示したが、これには限られず、リアクトル以外の他の部品、例えば、複数のダンピング抵抗の間や複数のコンデンサの間の温度差に基づいてLCフィルタ部の異常の有無を検出するようにしてもよい。
【0041】
[実施例3]
次に、本発明の実施例3に係る電力変換装置について説明する。図7は、本発明の実施例3に係る電力変換装置300の構成図である。実施例3に係る電力変換装置300が、実施例2に係る電力変換装置200と異なっている点は、図5に示した実施例2に係る電力変換装置の構成に加え、LCフィルタ部3を1つの筐体で構成するとともに、冷却ファン37、LCフィルタ部3の正常接続時の温度上昇値を電力変換部2が識別するためのID39をLCフィルタ部3に装備し、それに関係する信号を1つのコネクタ24とケーブル5で一括して電力変換部2に接続している点である。その他の構成は、実施例2に係る電力変換装置200と同様であるので詳細な説明は省略する。
【0042】
実施例3に係る電力変換装置においては、LCフィルタ部3と電力変換部2が、相互に信号を通信する。ここで、信号は、温度検出素子331、332の検出結果、LCフィルタ部3の冷却ファン37の電源4、LCフィルタ部3の識別情報(ID)のうちの少なくとも1つ含む。
【0043】
実施例3に記載の電力変換装置によれば、LCフィルタ部3の正常接続時の温度上昇がLCフィルタのモデル毎に異なった場合であっても、LCフィルタ部3に設けられたID39を参照し、このIDに基づいて正常時の温度上昇値を読み出すことにより、最適な温度上昇の検知のための閾値を設定することが可能となる。
【符号の説明】
【0044】
1 交流電源
2 電力変換部
21 温度検出部
22 判定部
23 PWMコンバータ
3 LCフィルタ部
31 交流電源接続部
32 電力変換接続部
33 温度検出素子
331 第1温度検出素子
332 第2温度検出素子
341 リアクトルA部
342 リアクトルB部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7