特許 7049963 電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2022-03-30

(45)【発行日】2022-04-07

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220331BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018154678

(22)【出願日】2018-08-21

(65)【公開番号】P2020031468

(43)【公開日】2020-02-27

【審査請求日】2021-06-07

(73)【特許権者】

【識別番号】302038844

【氏名又は名称】東芝シュネデール・インバータ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】特許業務法人 サトー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】李 占強

(72)【発明者】

【氏名】有馬 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】計良 尚志

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－４２０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２５２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－４７０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２５９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－４６１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２０５０９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブリッジ接続されたスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電圧源の直流電圧を任意の振幅及び周波数の相電圧に変換し、ケーブルを介して接続されている電動機に出力するインバータと、
前記相電圧と前記直流電圧との電圧比である変調率を演算して出力する変調率演算部と、
前記変調率と前記相電圧の位相とに基づいて３相の指令信号を出力する指令信号生成部と、
前記指令信号と搬送波信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御する信号を発生させる信号発生部と、
前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、
前記インバータの出力電圧値と前記電流検出器により検出された電流値との関係から、前記ケーブルの長さを予測するケーブル長予測部と、
前記インバータが出力する線間電圧が一方の極性から他方の極性に反転するまでに確保すべき時間である最小離間時間と前記ケーブルの長さとの関係が、予め記憶されている記憶部と、
前記ケーブル長予測部により予測されたケーブルの長さと前記記憶部に記憶されている関係とに基づいて、前記最小離間時間を決定する時間決定部とを備える電力変換装置。

【請求項2】

ブリッジ接続されたスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電圧源の直流電圧を任意の振幅及び周波数の相電圧に変換し、ケーブルを介して接続されている電動機に出力するインバータと、
前記相電圧と前記直流電圧との電圧比である変調率を演算して出力する変調率演算部と、
前記変調率と前記相電圧の位相とに基づいて３相の指令信号を出力する指令信号生成部と、
前記指令信号と搬送波信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御する信号を発生させる信号発生部と、
前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、
前記インバータの出力電圧値と前記電流検出器により検出された電流値との関係から、前記ケーブルの長さを予測するケーブル長予測部と、
前記ケーブルを介して出力される電圧の波高値が許容値まで低下する時間である減衰時間を演算するための減衰比定数及び減衰振動周波数定数と前記ケーブルの長さとの関係が予め記憶されている記憶部と、
前記ケーブル長予測部により予測されたケーブルの長さと前記記憶部に記憶されている減衰比定数及び減衰振動周波数定数とに基づいて、ケーブル減衰時間を演算するケーブル時間演算部と、
前記ケーブル減衰時間に基づいて、前記インバータが出力する線間電圧が一方の極性から他方の極性に反転するまでに確保すべき最小離間時間を決定する最小離間時間決定部とを備える電力変換装置。

【請求項3】

前記ケーブル長予測部は、
前記インバータと前記電動機とが、長さが基準配線長よりも十分短い第１ケーブルで接続された状態で、前記電流検出器により検出された電流値に基づいて測定された電流値から第１抵抗値を測定し、
前記インバータと前記電動機とが、前記基準配線長よりも長い第２ケーブルで接続された状態で、前記電流検出器により検出された電流値に基づいて測定された電流値から第２抵抗値を測定し、
前記第１抵抗値と前記第２抵抗値とから前記ケーブルの長さを予測する請求項１又は２記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記基準配線長は３０ｍであり、前記第１ケーブルの長さは１０ｍ未満である請求項３記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記最小離間時間と前記変調率とに基づいて、前記搬送波信号の周波数の最大値を決定する周波数決定部を備える請求項１から４の何れか一項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記最小離間時間に基づいて、前記搬送波信号の周波数の最大値を決定する周波数決定部を備える請求項１から４の何れか一項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記最小離間時間と前記周波数の最大値とに基づいて、前記変調率の最大値を決定する変調率決定部を備える請求項６記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記ケーブル長に応じた電圧降下値を算出する電圧降下算出部を備え、
前記指令信号生成部は、前記指令信号に、前記電圧降下値に相当する指令値を加算する請求項１から７の何れか一項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

インバータを備える電力変換装置には、線間電圧の極性を切り換える際にスイッチング電圧よりも高いサージ電圧が発生するため、電動機の絶縁特性を劣化させるという課題がある。図１１は、特許文献１の図４相当図であり、線間電圧の極性を切り換えるタイミングで、スイッチング電圧の約４倍となるサージ電圧が発生している。

【0003】

この問題点を解決するため、特許文献１では、ＰＷＭ指令に基づくパルス幅が最小パルス幅の設定値より短い場合に、そのパルス幅を拡げる構成を採用している。最小パルス幅の設定は、インバータと電動機とを接続するケーブルの長さに応じた最小離間時間により定めている。また、最小離間時間は、ケーブルの長さによる電圧減衰時間の１／２としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－４２０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の発明では、インバータと電動機とを接続するケーブルの長さを事前に測定しておくことで最小離間時間を設定している。しかしながら、例えば、インバータが室内に設置され電動機が室外に設置されている場合のように、両者が同じ場所に設置されておらずケーブルの長さが未知の場合には、その長さを測定することが困難になり最小離間時間が設定できない場合がある。
そこで、サージ電圧を抑制するための最小離間時間の決定に必要な、インバータと電動機とを接続するケーブルの長さを演算できる電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の電力変換装置は、ブリッジ接続されたスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電圧源の直流電圧を任意の振幅及び周波数の相電圧に変換し、ケーブルを介して接続されている電動機に出力するインバータと、前記相電圧と前記直流電圧との電圧比である変調率を演算して出力する変調率演算部と、前記変調率と前記相電圧の位相とに基づいて３相の指令信号を出力する指令信号生成部と、前記指令信号と搬送波信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御する信号を発生させる信号発生部と、前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、前記インバータの出力電圧値と前記電流検出器により検出された電流値との関係から、前記ケーブルの長さを予測するケーブル長予測部と、前記インバータが出力する線間電圧が一方の極性から他方の極性に反転するまでに確保すべき時間である最小離間時間と前記ケーブルの長さとの関係が、予め記憶されている記憶部と、前記ケーブル長予測部により予測されたケーブルの長さと前記記憶部に記憶されている関係とに基づいて、前記最小離間時間を決定する時間決定部とを備える。

【0007】

請求項２記載の電力変換装置は、ブリッジ接続されたスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電圧源の直流電圧を任意の振幅及び周波数の相電圧に変換し、ケーブルを介して接続されている電動機に出力するインバータと、前記相電圧と前記直流電圧との電圧比である変調率を演算して出力する変調率演算部と、前記変調率と前記相電圧の位相とに基づいて３相の指令信号を出力する指令信号生成部と、前記指令信号と搬送波信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御する信号を発生させる信号発生部と、前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、前記インバータの出力電圧値と前記電流検出器により検出された電流値との関係から、前記ケーブルの長さを予測するケーブル長予測部と、前記ケーブルを介して出力される電圧の波高値が許容値まで低下する時間である減衰時間を演算するための減衰比定数及び減衰振動周波数定数と前記ケーブルの長さとの関係が予め記憶されている記憶部と、前記ケーブル長予測部により予測されたケーブルの長さと前記記憶部に記憶されている減衰比定数及び減衰振動周波数定数とに基づいて、ケーブル減衰時間を演算するケーブル時間演算部と、前記ケーブル減衰時間に基づいて、前記インバータが出力する線間電圧が一方の極性から他方の極性に反転するまでに確保すべき最小離間時間を決定する最小離間時間決定部とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態であり、電力変換装置の構成を示す機能ブロック図

【図2】制御装置による処理内容を示すフローチャート

【図3】ケーブルの種類に応じた導体抵抗Ｒ_Ｌの一例を示す図

【図4】ケーブル長Ｌと最小離間時間Ｔminとの関係を示す図

【図5】第２実施形態であり、電力変換装置の構成を示す機能ブロック図

【図6】制御装置による処理内容を示すフローチャート

【図7】時間の経過に伴いサージ電圧が減衰する状態を示す図

【図8】第３実施形態であり、電力変換装置の構成を示す機能ブロック図

【図9】第４実施形態であり、電力変換装置の構成を示す機能ブロック図

【図10】第５実施形態であり、電力変換装置の構成を示す機能ブロック図

【図11】特許文献１の図４相当図

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、インバータ２及び制御装置３を備えている。インバータ２は、スイッチング素子である例えばＩＧＢＴ４を三相ブリッジ接続して構成されている。ＩＧＢＴ４には、フリーホイールダイオード５が逆並列に接続されている。インバータ２には、直流電源６より駆動用電源が供給される。インバータ２の各相出力端子は、ケーブル７を介して電動機８の各相巻線端子にそれぞれ接続されている。

【0010】

電流検出器９は、例えば電流センサであり、インバータ２より電動機８の各相巻線に通電される相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出して、制御装置３のケーブル長演算部１０に入力する。ケーブル長演算部１０は、インバータ３が電動機８に印加する相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗや、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ等からケーブル７の長さＬを演算して記憶部１１に入力する。

【0011】

記憶部１１には、図４に示すように、ケーブル７の長さＬと、インバータ２が出力する線間電圧が正極性のＶdcから負極性の－Ｖdcに反転するまでに確保すべき最小離間時間Ｔminとの関係を示すデータが予め書き込まれている。そして、ケーブル長演算部１０よりケーブル７の長さＬが入力されると、上記データに従い決定した最小離間時間Ｔminを駆動信号生成部１２に出力する。記憶部１１は時間決定部にも相当する。

【0012】

変調率演算部１３は、直流電源６の電圧と、外部より入力される相電圧振幅指令値とに基づいて変調率αを演算し、指令信号生成部１４に出力する。指令信号生成部１４は、外部より入力される相電圧位相と変調率αとに基づいて三相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を生成し、駆動信号生成部１２に出力する。駆動信号生成部１２は、例えば三角波である搬送波信号と三相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊とを比較してＰＷＭ信号を駆動信号として生成する。駆動信号は、ドライブ回路１５を介してインバータ２の各ＩＧＢＴ４のゲートに出力される。

【0013】

次に、本実施形態の作用について説明する。図２は、制御装置３におけるケーブル長演算部１０による処理内容を中心に示すフローチャートである。先ず、ＰＷＭ信号の最小出力パルス幅を制限する動作モードか否かを判断し（Ｓ１）、パルス幅を制限しない場合は（ＮＯ）そのまま電力変換装置１としての通常の操作を行う（Ｓ２）。最小出力パルス幅を制限する場合は（ＹＥＳ）ステップＳ３に移行する。

【0014】

ステップＳ３では、使用されているケーブル７の種類を初期設定する。図３に３心シールド線の一例を示すように、ケーブルの導体抵抗Ｒ_Ｌ［Ω／ｍ］は製品に応じて異なる。ケーブル長演算部１０は、図３に示すテーブルを予め記憶しており、そのテーブルに基づいてケーブル７の種類に対応した導体抵抗Ｒ_Ｌを設定する。それから、ケーブル７の抵抗値Ｒ_Ｅの演算を開始する（Ｓ４）。

【0015】

抵抗値Ｒ_Ｅは、以下のようにして求める。
（１）先ず、電動機８の巻線抵抗Ｒ_Ｍを求めるため、インバータ２と電動機８との間を、基準配線長よりも十分短いケーブルで接続する。例えば基準配線長を３０ｍとすると、ケーブル長を１０ｍ未満にする。
（２）インバータ２により、電動機８の例えばＵ－Ｖ相間に一定の直流電圧を印加し、この時得られた相電流と前記直流電圧とから求める。
（３）インバータ２と電動機８との間をケーブル７で接続する。ケーブル７の長さは、基準配線長以上とする。

【0016】

（４）インバータ２によって（２）と同様に一定の直流電圧を印加し、この時得られた相電流と前記直流電圧とから、抵抗Ｒ_ＬＭを求める。
（５）抵抗値Ｒ_Ｅを、抵抗Ｒ_ＬＭより巻線抵抗Ｒ_Ｍを減じて求める。
抵抗値Ｒ_Ｅを求めると（Ｓ５：ＹＥＳ）、ケーブル７の長さＬを次式により算出する（Ｓ６）。
Ｌ＝Ｒ_Ｅ／Ｒ_Ｌ …（１）

【0017】

このように、ケーブル７の抵抗値測定は直流電圧を印加して実施するので、高周波電流が発生せず、自己インダクタンスとケーブルの交流減衰率の関係から、（１）式で求めた長さＬは自己インダクタンスによる影響を受けない。そして、ケーブル７の長さＬを求めると、ケーブル長演算部１０は、その長さＬを記憶部１１に入力して、最小離間時間Ｔminを出力させる（Ｓ７）。

【0018】

以上のように本実施形態によれば、ケーブル７を介して接続されている電動機８に相電圧を印加するインバータ２と、変調率αを演算して出力する変調率演算部１３と、変調率αと相電圧の位相とに基づいて３相の指令信号を出力する指令信号生成部１４と、前記指令信号と搬送波信号とを比較して、インバータ２を構成するＩＧＢＴ４をスイッチング制御するＰＷＭ信号を発生させる駆動信号生成部１２とを備える。

【0019】

ケーブル長演算部１０は、インバータ２の出力電圧値と電流検出器９により検出された電流値との関係からケーブル７の長さＬを予測する。記憶部１１には、最小離間時間Ｔminとケーブル７の長さＬとの関係が予め記憶されており、記憶部１１は、長さＬが入力されると最小離間時間Ｔminを決定して出力する。これにより、インバータ２と電動機８とを接続するケーブル７の長さＬを自動的に演算することができる。そして、長さＬに基づいて、電動機８を駆動する際の最小離間時間Ｔminを最適的に設定できる。

【0020】

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示すように、第２実施形態の電力変換装置２１は、記憶部１１に替えて、記憶部２２及び減衰時間演算部２３を備えている。減衰時間演算部２３は、ケーブル時間演算部及び最小離間時間決定部に相当する。

【0021】

図７に示すように、サージ電圧が発生すると、その振幅は時間の経過に伴って次第に減衰する。この場合の減衰比定数ζ及び減衰振動周波数定数ωは、ケーブル７の長さＬに依存する。そして、減衰時間をｔ（ｓ）とすると、これらには（２）式の関係がある。

【0022】

【数1】

【0023】

尚、許容電圧レベルは、電源電圧の１０％に設定される。（２）式における各パラメータの値を決定すれば、減衰時間ｔを求めることができる。
ｔ＝－ｌｎ（Ｖ_{ｔｏｌｅｒａｎｃｅ}／Ｖ_{ｓｕｒｇｅ}）／（ζω） …（２ａ）
この場合、最小離間時間Ｔminは（３）式で求める。
Ｔmin＝ｔ／２ …（３）

【0024】

記憶部２２には、ケーブル７の長さＬに応じた減衰比定数ζ及び減衰振動周波数定数ωが、予めテーブルとして記憶されている。そして、ケーブル長演算部１０よりケーブル長Ｌが与えられると、定数ζ及びωを読み出して減衰時間演算部２３に入力する。減衰時間演算部２３は、（２），（３）式より最小離間時間Ｔminを求めると（図６，Ｓ８）、駆動信号生成部１２に入力する。

【0025】

以上のように第２実施形態によれば、記憶部２２に、ケーブル７を介して出力されるサージ電圧の波高値Ｖ_{ｓｕｒｇｅ}が許容値Ｖ_{ｔｏｌｅｒａｎｃｅ}まで低下する時間である減衰時間ｔを演算するための減衰比定数ζ及び減衰振動周波数定数ωとケーブル７の長Ｌさとの関係を予め記憶し、減衰時間演算部２３は、ケーブル長予測部１０により予測されたケーブル長Ｌと記憶部２２に記憶されている定数ζ及びωに基づいて、ケーブル減衰時間ｔを演算すると、減衰時間ｔに基づいて最小離間時間Ｔminを決定する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0026】

（第３実施形態）
図８に示すように、第３実施形態の電力変換装置３１は、補償電圧演算部３２を備えている。補償電圧演算部３２は、ステップＳ５で求めたケーブル７の抵抗値Ｒ_Ｅに基づいて、ケーブル７において発生する電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐを推定し、指令信号生成部３３に入力する。指令信号生成部３３は、電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐを用いてＰＷＭ信号の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を補償する。これにより、特に低速域において制御性能が悪化することを防止する。補償電圧演算部３２は、電圧降下算出部に相当する。

【0027】

電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐは、下記の（４）式により演算する。
Ｖ_ｄｒｏｐ＝Ｋ×Ｉ×Ｌ×Ｚ …（４）
Ｉ：電流（Ａ）
Ｚ:ケーブル７のインピーダンス（Ω／ｍ）
Ｋ：係数（単相の場合は「２」，三相の場合は「√３」）

【0028】

以上のように第３実施形態によれば、補償電圧演算部３２は、ケーブル７の長さＬに応じた電圧降下値Ｖ_ｄｒｏｐを算出し、指令信号生成部３３は、電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に、電圧降下値Ｖ_ｄｒｏｐに相当する指令値を加算して補償する。これにより、制御性能が悪化することを防止できる。

【0029】

（第４実施形態）
図９に示すように、第４実施形態の電力変換装置４１は、搬送波周波数制限部４２を備えている。搬送波周波数制限部４２は、最小離間時間Ｔminと、変調率αとに基づきＰＷＭ制御に用いる搬送波周波数の最大値ｆｃを、下記の（５）式で決定する。
ｆｃ≦（１－α）／（４Ｔmin） …（５）
そして、最大値ｆｃで規定した周波数の搬送波信号を駆動信号生成部１２に入力する。搬送波周波数制限部４２は、周波数決定部に相当する。

【0030】

以上のように第４実施形態によれば、搬送波周波数制限部４２は、最小離間時間Ｔminと変調率αとに基づいて搬送波信号の周波数の最大値ｆｃを決定するので、ＰＷＭ制御に用いる搬送波の周波数を適切に制限できる。

【0031】

（第５実施形態）
図１０に示すように、第５実施形態の電力変換装置５１は、搬送波周波数制限部４２に替わる搬送波周波数制限部５２と、変調率制限部５３とを備えている。搬送波周波数制限部５２は、最小離間時間Ｔminに基づき搬送波周波数の最大値ｆｃを、下記の（６）式で決定する。
ｆｃ≦１／（２Ｔmin） …（６）
そして、変調率決定部に相当する変調率制限部５３は、周波数の最大値ｆｃに基づき、（５）式より変調率αの最大値α_ｍａｘを決定する。
α_ｍａｘ≦１－４Ｔmin×ｆｃ …（７）

【0032】

以上のように第５実施形態によれば、搬送波周波数制限部５２は、最小離間時間Ｔminに基づいて、ＰＷＭ制御における搬送波周波数の最大値ｆｃを決定し、変調率制限部５３は、最小離間時間Ｔminと周波数の最大値ｆｃとに基づいて変調率αの最大値α_ｍａｘを決定する。これにより、変調率αを適切に制限できる。

【0033】

（その他の実施形態）
配線基準長は、３０ｍに限らない。
第１実施形態において、巻線抵抗Ｒ_Ｍを求めて抵抗Ｒ_ＬＭより減じる処理は、要求される制度に応じて行えば良い。
ＰＷＭ制御の搬送波は、三角波に限らない。
スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限ることなく、ＭＯＳＦＥＴ等でも良い。
各実施形態を、適宜組み合わせて実施しても良い。

【0034】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

図面中、１は電力変換装置、２はインバータ、３は制御装置、４はＩＧＢＴ、７はケーブル、８は電動機、９は電流検出器、１０はケーブル長演算部、１２は駆動信号生成部、１３は変調率演算部、１４は指令信号生成部、２１は電力変換装置、２２は記憶部、２３は減衰時間演算部、３１は電力変換装置、３２は補償電圧演算部、３３は指令信号生成部、４１は電力変換装置、４２は搬送波周波数制限部、５１は電力変換装置、５２は搬送波周波数制限部、５３は変調率制限部を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】