特許 7352357 電力変換装置およびその制御方法

(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】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】電力変換装置およびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20230921BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019017120

(22)【出願日】2019-02-01

(65)【公開番号】P2020127260

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2022-01-20

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩瀬 裕太

(72)【発明者】

【氏名】田口 義行

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／０９５６３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－０２８００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３０９８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１９２３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８９１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７８７３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ９／００

Ｈ０２Ｐ ６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電機のモータ定数を記憶する記憶部と、
前記発電機の回転機が回転することで発生する誘起電圧に基づいて再現された前記回転機の回転数と、前記モータ定数とを用いて、基準電圧を算出する算出部と、
前記回転機に接続され、還流ダイオードが並列接続された複数のスイッチング素子と、
コンデンサを備え、前記複数のスイッチング素子を介して供給される誘起電圧を平滑する平滑回路と、
前記コンデンサに印加される電圧に基づいた測定電圧と、前記基準電圧とを比較し差分を検出する比較部と、
前記差分が、所定の閾値を超えているとき、報知する報知部と、
を備え、
前記回転機の回転数は、前記複数のスイッチング素子が動作していない期間において、前記発電機の回転機が回転することで発生する誘起電圧に基づいて再現され、
前記測定電圧は、前記複数のスイッチング素子が動作していない期間において、前記還流ダイオードを流れる電流に基づいて生じる、
電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電力変換装置は、さらに、
供給される信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子を動作させるＰＷＭ制御器と、
前記比較部からの信号に基づいて、前記ＰＷＭ制御器への前記測定電圧に基づいた信号の供給および遮断を行う遮断器と、
を備え、
前記比較部は、起動時に、前記遮断器によって前記測定電圧に基づいた信号の前記ＰＷＭ制御器への供給を遮断し、前記複数のスイッチング素子を非動作の状態にし、
前記複数のスイッチング素子が動作していない期間において、前記差分が前記所定の閾値を超えているとき、前記比較部は、前記期間後も、前記遮断器によって前記測定電圧に基づいた信号の前記ＰＷＭ制御器への供給の遮断を継続し、
前記複数のスイッチング素子が動作していない期間において、前記差分が前記所定の閾値を超えていないとき、前記比較部は、前記期間後に、前記遮断器によって前記測定電圧に基づいた信号を前記ＰＷＭ制御器へ供給させ、前記複数のスイッチング素子を動作させる、
電力変換装置。

【請求項3】

発電機のモータ定数と、前記発電機の回転機が回転することで発生する誘起電圧に基づいて再現された前記回転機の回転数とを用いて、基準電圧を算出する算出部と、
還流ダイオードを備え、前記回転機の回転に応じてスイッチング制御される複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子を介して前記誘起電圧が供給される平滑コンデンサと、
を備え、
前記複数のスイッチング素子を動作させる前に、前記算出部で算出された基準電圧と、前記平滑コンデンサに印加された測定電圧とを比較し、前記基準電圧と前記測定電圧との差分が、所定の閾値を超えているか否かを判定する判定工程を備える、電力変換装置の制御方法。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記判定工程において、前記差分が、前記所定の閾値を超えていると判定されたとき、減磁を報知する、電力変換装置の制御方法。

【請求項5】

請求項４に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記基準電圧は、所定の許容電圧範囲を有し、
前記判定工程では、所定の期間における前記測定電圧が、前記所定の許容電圧範囲を外れているか否かの判定が行われる、電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関し、発電機に接続して用いられる電力変換装置およびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

東日本大震災以降、個々に必要な電力を供給可能な水力、風力などによる小型発電機が普及している。小型発電機は、発電機と、発電機に接続されたコンバータなどの電力変換装置とによって構成されている。発電機としては、例えば永久磁石同期発電機が用いられる。この場合、発電機の回転子が水力、風力により回転し、誘起電圧が発生する。水力、風力が不安定な場合、発生する誘起電圧の周波数が不安定となる。周波数が不安定となっている状態でも、安定した直流電圧に変換し、電力を供給することが可能となるように、電力変換装置が発電機に接続されている。

【0003】

交流電圧を直流電圧に変換する場合、主にダイオード素子を複数用いた整流ダイオードブリッジと電圧を平滑するための平滑コンデンサとにより構成された平滑回路を用いて、交流電圧を直流電圧へ変換するのが一般的である。このような構成では、発電機の回転数が低下すると、安定した直流電圧を供給することが困難となる。そのため、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を備えた電力変換装置が発電機に接続されている。スイッチング素子がスイッチング制御されることにより、力率を改善しながら、直流電圧の昇圧動作が行われる。これにより、電力変換装置は、発電機の回転数が低下した際にも、安定した直流電圧を供給することができる。

【0004】

スイッチング素子を制御する場合、発電機のモータ定数と発電機の減磁電流値(閾値)情報が必要であり、これらの情報がないと、電力変換装置は発電機を制御することができない。通常、モータ定数としては、モータの極数、コイルの抵抗成分、インダクタ成分等の設計値やオートチューニング機能で調整した調整値が、電力変換装置に設定される。また、減磁電流値は、その電流値を超えないように、電力変換装置において過電流保護がかけられて、発電機等の保護が行われている。

【0005】

しかしながら、例えば地絡や誤配線により発電機に減磁電流以上の電流が流れて、発電機内の磁石が非可逆減磁されてしまう可能性がある。一度減磁してしまった発電機は、誘起電圧が下がり、減磁前と同じ回転数で回転しても誘起電圧は低くなってしまい、設計通りの電力を供給することができなくなる。また、減磁によりモータ定数の特性も変わってしまうため、電力変換装置の制御が不安定になる場合が多く、発電機の振動、騒音、発熱などが発生し、思わぬ事故が発生する可能性がある。地絡や誤配線によって、発電機が減磁しないようにするのは物理的に困難であるため、発電機が減磁した場合にその現象を早期に発見し、電力変換装置の表示部、もしくは上位装置に通信などの手段により、異常情報を報知することで、減磁の進行を防ぐシステムの構築が必要である。

【0006】

減磁の有無は誘起電圧の値、もしくは電圧波形をオシロスコープやパワーメータなどの測定器を用いて測定することで判断できるが、稼働しているシステムに測定器を持ち込んで調査をするのは現実的ではない。

【0007】

誘起電圧を推定する技術としては、例えば特許文献１および特許文献２に記載された技術がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１３－４２６３０号公報

【文献】特開２０１４－１９２９０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１および２に記載されている技術においては、誘起電圧を推定するために、電力変換装置を構成しているスイッチング素子が動作している状態が前提となっており、発電機に流れる電流の情報が必要とされている。すなわち、減磁が発生し、電力変換装置の制御が不安定になっている状態が、誘起電圧を推定するための前提となっている。そのため、誘起電圧を推定する際には、振動や騒音を避けることができない。また、特許文献１および２には、物体を駆動するモータが記載されているが、発電機は記載されていない。

【0010】

本発明の目的は、振動、騒音等の発生を防ぐことが可能で、減磁を検知することが可能な電力変換装置を提供することにある。

【0011】

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】

【0012】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

【0013】

すなわち、電力変換装置は、発電機のモータ定数を記憶する記憶部と、モータ定数と、回転機の回転数とを用いて、基準電圧を算出する算出部と、回転機が回転中に測定した測定電圧と、基準電圧とを比較し差分を検出する比較部と、差分が、所定の閾値を超えているときに報知する報知部とを備える。

【発明の効果】

【0014】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

【0015】

振動、騒音等の発生を防ぐことが可能で、減磁を検知することが可能な電力変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施の形態１に係わる電力変換装置の構成を示すブロック図である。

【図2】実施の形態１に係わる周波数検出回路の構成を示す回路図である。

【図3】実施の形態１に係わる周波数検出回路および回転数再現器を説明するためのタイミングチャート図である。

【図4】実施の形態１に係わる電力変換装置の起動シーケンスを示す電圧波形図である。

【図5】実施の形態１に係わる電力変換装置の起動シーケンスを示す電圧波形図である。

【図6】実施の形態２に係わる電力変換装置の起動シーケンスを示す電圧波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、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。

【0018】

さらに、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。

【0019】

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原則として省略する。また、以降では、例えば水車、風車等の回転機駆動機器に接続される電力変換装置、ガスやガソリンなどの内燃機関により回転する回転機駆動機器に接続されるエンジン発電機に用いられる電力変換装置を例として、説明する。

【0020】

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係わる電力変換装置の構成を示すブロック図である。同図において、１００は電力変換装置を示し、１は電力変換装置１００に結合された回転機（発電機部）を示し、１０４は電力変換装置１００に結合された上位装置を示している。電力変換装置１００は、回路部１０１と、マイコン部１０２と、操作部１０３とを備えている。回路部１０１、マイコン部１０２および操作部１０３のそれぞれは、複数の回路ブロックによって構成されているが、図面が複雑になるのを避けるために、同図には、それぞれの回路ブロックの機能または処理が描かれている。

【0021】

回転機１は、例えば水車、風車あるいはエンジン等で外部から回転させられるモータによって構成されている。回転機１が回転することにより、回転機１は、三相交流の誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷを発生する。発生した誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷは、電力変換装置１００に供給される。電力変換装置１００においては、誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷは、回路部１０１に供給される。

【0022】

＜回路部＞
回路部１０１は、複数のスイッチング素子２と、平滑コンデンサ３と、直流電圧検出回路４と、周波数検出回路５と、検出回路ＤＴ＿ＵおよびＤＴ＿Ｗとを備えている。スイッチング素子２は、ＩＧＢＴＴＲと、ＩＧＢＴのコレクター・エミッタ経路と並列接続された還流ダイオードＤＤとを備えている。スイッチング素子２は、図１に示すように、誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷが供給される配線ＬＵ、ＬＶおよびＬＷと、配線ＬＰ、ＬＮとの間に接続されている。

【0023】

配線ＬＵ、ＬＶおよびＬＷには、周波数検出回路５が接続されている。周波数検出回路５は、回転機１によって発生した三相交流の誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷを基にして、回転機１の回転子の位相情報を持ったデジタル信号を出力する。

【0024】

また、回転機１と配線ＬＵとの間には、検出回路ＤＴ＿Ｕが接続され、回転機１と配線ＬＷとの間には、検出回路ＤＴ＿Ｗが接続されている。検出回路ＤＴ＿ＵおよびＤＴ＿Ｗは、配線ＬＶ、ＬＷにおける電流波形を検出し、検出した電流波形を、アナログ信号に変換してマイコン部１０２に供給する。

【0025】

マイコン部１０２は、スイッチング素子２に対して、スイッチング素子２を制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を供給する。ＰＷＭ信号によってスイッチング素子２内のＩＧＢＴＴＲがスイッチング制御されることにより、スイッチング素子２と平滑コンデンサ３とにより、三相交流の誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷは、直流電圧に変換され、昇圧されて、電力変換装置１００から外部に電力として供給される。

【0026】

スイッチング素子２が、ＰＷＭ信号によってスイッチング動作をしていない場合、スイッチング素子２内のＩＧＢＴＴＲは、例えばオフ状態となる。この場合でも、還流ダイオードＤＤを介して、配線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷと配線ＬＰ、ＬＮとの間を電流が流れる。この場合、還流ダイオードＤＤが整流ダイオードとして動作するため、平滑コンデンサ３と還流ダイオードＤＤによって、平滑回路を備えた三相全波整流回路が構成されていると見なすことができる。すなわち、スイッチング素子２内のＩＧＢＴＴＲが動作していない（非動作の）場合には、三相交流の誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷは、三相全波整流回路によって、直流電圧に変換されることになる。一方、スイッチング素子２内のＩＧＢＴＴＲを、スイッチング動作させることにより、三相交流の誘起電圧Ｕ、ＶおよびＷの力率の改善と、直流電圧の昇圧動作を行わせならが、三相交流の誘起電圧を、直流電圧へ変換することができる。

【0027】

直流電圧検出回路４は、平滑コンデンサ３の両端における直流電圧を検出し、検出した直流電圧をアナログ信号としてマイコン部１０２に供給する。すなわち、三相交流から変換された直流電圧が検出され、検出された直流電圧がマイコン部１０２に供給される。

【0028】

＜操作部＞
操作部１０３は、パラメータ設定器１０と、表示部１５とを備えている。表示部１５は、マイコン部１０２から供給された情報を表示する。パラメータ設定器１０は、電力変換装置１００を動作させるために必要なパラメータを後で説明する記憶部１１に設定するものである。設定するパラメータとしては、誘起電圧定数、減磁判定閾値、目標電圧、起動電圧である。これらのパラメータは、例えばユーザが、パラメータ設定器１０を操作することにより、記憶部１１に記憶される。なお、図１では省略しているが、操作部１０３は、電力変換側通信部を備えている。この電力変換側通信部は、上位装置１０４内の上位装置側通信部１６との間で通信を行う。例えば、上位装置１０４からの指示が、通信によって、電力変換装置１００に通知される。また、減磁の状況等に係わる情報が、電力変換側通信部から、上位装置１０４へ報知される。

【0029】

＜マイコン部＞
図１には、マイコン部１０２おいて実行される処理が、回路ブロックとして示されている。マイコン部１０２は、直流電圧検出部６、回転数再現器７、直流電圧再現器（算出部）８、判定部（比較部）９、記憶部１１、直流電圧制御部１２、遮断器１３、ＰＷＭ制御器１４、スイッチ２３およびベクトル制御部２４を備えている。

【0030】

直流電圧検出部６は、直流電圧検出回路４から供給されたアナログ信号の直流電圧をデジタル信号に変換して、直流電圧情報として出力する。記憶部１１は、例えば、フラッシュメモリ等の電気的に書き換え可能な不揮発性を備えている。記憶部１１は、パラメータ設定器１０によって設定されたパラメータを記憶するとともに、表示部（報知部）１５で表示されたり、上位装置（報知部）１０４に通知される情報を記憶する。

【0031】

直流電圧制御部１２は、直流電圧検出部６から出力された直流電圧情報と、パラメータ設定器１０によって設定された目標電圧との間の偏差が、“０”となるような制御を実行する。

【0032】

回転数再現器７は、周波数検出回路５から供給される回転機１内の回転子の位相情報から、回転機１の回転数等を再現する。直流電圧再現器８は、パラメータ設定器１０によって設定された誘起電圧定数と、回転数再現器７によって再現された回転機１の回転数とを演算することによって、再現された回転数に応じた直流電圧の値を算出し、算出された直流電圧の値を、直流電圧再現値として出力する。

【0033】

判定部９には、パラメータ設定器１０によって設定された目標電圧、起動電圧および減磁判定閾値が記憶部１１から供給され、直流電圧再現値が直流電圧再現器８から供給され、再現された回転機１の回転数が回転数再現器７から供給され、直流電圧情報が直流電圧検出部６から供給される。判定部９は、スイッチ２３によって直流電圧制御部１２と遮断器１３との間が電気的に接続されているとき、供給されている電圧値および情報に基づいて、直流電圧制御部１２の出力を、ＰＷＭ制御器１４へ伝達するか遮断するかの判定を行う。

【0034】

ベクトル制御部２４には、検出回路ＤＴ＿Ｕ、ＤＴ＿Ｗから電流波形が供給され、ＰＷＭ制御器１４を制御するための制御信号を出力する。

【0035】

遮断器１３は、スイッチ２３を介して、直流電圧制御部１２またはベクトル制御部２４に接続される。遮断器１３は、スイッチ２３によって、直流電圧制御部１２と遮断器１３とが接続されているとき、判定部９の判定結果に従って、直流電圧制御部１２の出力をＰＷＭ制御器１４へ伝達または遮断するように動作する。ＰＷＭ制御器１４は、遮断器１３からの信号に基づいたＰＷＭ信号を、スイッチング素子２に供給する。

【0036】

後で図４および図５を用いて説明するが、実施の形態１に係わる電力変換装置１００においては、スイッチング素子２を動作させる起動の前に、回転機１内の磁石が減磁しているか否かの判定が行われる。減磁しているか否かを判定している期間、スイッチ２３は、直流電圧制御部１２と遮断器１３とを電気的に接続するように動作する。一方、スイッチング素子２を動作させている期間においては、スイッチ２３は、ベクトル制御部２４と遮断器１３とを電気的に接続するように動作する。また、スイッチング素子２を動作させている期間においては、遮断器１３は、ベクトル制御部２４からの制御信号をＰＷＭ制御器１４へ伝達するように動作する。そのため、スイッチング素子２を動作させている期間においては、配線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷにおける電圧波形に応じた、ＰＷＭ信号が、ＰＷＭ制御器１４によって出力され、スイッチング素子２は、適切にスイッチング制御される。

【0037】

次に、主要な回路ブロックについて個々に説明する。

【0038】

＜＜周波数検出回路＞＞
図２は、実施の形態１に係わる周波数検出回路の構成を示す回路図である。周波数検出回路５は、分圧回路１７Ａ～１７Ｃと、フィルタ回路１８Ａ～１８Ｃと、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂと、プルアップ回路２０Ａ、２０Ｂと、フィルタ回路２１Ａ、２１Ｂとを備えている。特に制限されないが、分圧回路１７Ａ～１７Ｃは、互いに同じ構成を有しており、フィルタ回路１８Ａ～１８Ｃも、互いに同じ構成を有しており、フィルタ回路２１Ａおよび２１Ｂも、互いに同じ構成を有している。

【0039】

ここでは、分圧回路１７Ａ、フィルタ回路１８Ａおよび２１Ａを代表として、分圧回路およびフィルタ回路を説明する。分圧回路１７Ａは、入力と基準電圧Ｖｓとの間に直列接続された抵抗Ｒ１とＲ２とを備え、抵抗Ｒ１とＲ２との間の接続ノードｎ１が、分圧回路１７Ａの出力となっている。フィルタ回路１８Ａは、入力と基準電圧との間に直列接続された抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１とを備え、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１との間の接続ノードｎ２が、フィルタ回路１８Ａの出力となっている。同様に、フィルタ回路２１Ａは、入力と基準電圧との間に直列接続された抵抗Ｒ５とコンデンサＣ２とを備え、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ２との間の接続ノードｎ４が、フィルタ回路２１Ａの出力となっている。

【0040】

回転機１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれから誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが、分圧回路１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの入力に供給されている。分圧回路１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃに供給された誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは、抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗比で定まる分圧比で分圧され、降圧される。降圧された誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは、ノイズの除去を目的としたフィルタ回路１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを介して、コンパレータ１９Ａおよび１９Ｂに供給されている。降圧された誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは、コンパレータ１９Ａおよび１９Ｂによって、電圧値の比較が行われ、デジタル信号としてフィルタ回路２１Ａ、２１Ｂに供給されている。フィルタ回路２１Ａ、２１Ｂは、入力したデジタル信号からノイズを除去し、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号として出力する。なお、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂの出力における接続ノードｎ３と電源電圧Ｖｄとの間には抵抗Ｒ４が接続されている。この抵抗Ｒ４によって、プルアップ回路２０Ａ、２０Ｂが構成されている。

【0041】

＜＜周波数検出回路および回転数再現器＞＞
図３は、実施の形態１に係わる周波数検出回路および回転数再現器を説明するためのタイミングチャート図である。

【0042】

周波数検出回路５は、回転機１が回転しているときに発生する３相の誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大小関係に応じて、回転機１の回転速度、回転方向、および磁極位置の情報を持ったＵ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号を形成する。

【0043】

具体的に述べると、スイッチング素子２が動作していない状態で回転機１が回転している場合、回転機１から誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが発生する。誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを、回転機１の線間電圧で観測した場合の電圧波形が、図３において誘起電圧波形として示されている。図３において、Ｕ－ＶはＵ線とＶ線間の線間電圧、Ｖ－ＷはＶ線とＷ線間の線間電圧、Ｗ－ＵはＷ線とＵ線間の線間電圧を示している。同図に示すように、線間電圧は、それぞれ１２０ｄｅｇずつ位相がずれた三相交流となる。

【0044】

周波数検出回路５においては、図２で示したように、分圧回路１７Ａ～１７Ｃによって誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは降圧され、降圧された誘起電圧の電圧値の大小関係が、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂによって比較され、２つのデジタル信号、すなわちＵ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号が形成される。降圧された誘起電圧ＷとＵを比較するコンパレータを、周波数検出回路５に設けるようにしてもよいが、後で説明する回転数再現器７では、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂによって得られる２つのデジタル信号から、回転速度、回転方向、および磁極位置の情報が取得可能であるため、誘起電圧ＷとＵとを比較するコンパレータは削除されている。

【0045】

また、フィルタ回路１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、およびフィルタ回路２１Ａ、２１Ｂのフィルタ時定数はノイズを取り除くことが可能な時定数になるように、それぞれのフィルタ回路に入力されるデジタル信号を観測しながら、時定数を選定すればよい。またプルアップ回路２０Ａ、２０Ｂは、電力変換装置１００に対する電源の投入直後に、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂの電源が立ち上がるまでの間に、コンパレータ１９Ａ、１９Ｂからのデジタル信号がチャタリングしないようにデジタル信号を論理値“１”（オン状態）となるようにしている。

【0046】

周波数検出回路５により形成されているＵ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号を用いることにより、スイッチング素子２が動作していない状態で、回転機１が回転しているときの回転速度、回転方向および磁極位置を推定することが可能である。すなわち、スイッチング素子２が動作していなくても、回転機１が回転することにより、誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが発生する。これにより、発生する誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの位相に応じて、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号は、論理値“１”、“０”（オン状態、オフ状態）となるため、回転数再現器７によって、回転機１の回転速度、回転方向および磁極位置を推定することが可能である。

【0047】

先ず回転機１の回転速度は、例えばＵ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がり（オン）タイミングを毎回検出し、図３に示すように、前回検出したタイミングから今回検出したタイミングまでの時間差ΔＴを観測する。勿論、Ｕ－Ｖ間デジタル信号の立ち下がり（オフ）間の時間差、または立ち上がりと立ち下がりの両方の時間差を測定するようにしてもよい。例えば、Ｕ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりと立ち下がりの両方の時間差を測定するようにした場合、回転機１が１回転したときの検出回数が２倍となるため、回転数再現器７の検出精度を向上させることが可能である。

【0048】

回転数再現器７は、測定により得た時間差ΔＴを周期として、誘起電圧の周波数を算出し、回転機１の検出速度Ｆｆｂとして出力する。この検出速度Ｆｆｂが、回転機１の回転速度に該当する。

【0049】

次に、回転方向の推定を説明する。Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミングの時間を測定することで、回転方向は推定することが可能である。

【0050】

例えば、Ｕ－Ｖ間デジタル信号の立ち上りタイミングを起点とすると、回転機１が正転の場合には、次に検出するＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち下りタイミングまでの時間差Δｔ１と、Ｗ－Ｖ間デジタル信号の立ち下りタイミングから、次に検出するＵ－Ｖ間デジタル信号の立ち下りタイミングまでの時間差Δｔ２との間の関係は、時間差Δｔ１＞時間差Δｔ２となる。

【0051】

これに対して、回転機１が逆転の場合には、Ｕ－Ｖ間デジタル信号の立ち上りタイミングを起点とすると、次に検出するＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングまでの時間差Δｔ１’と、Ｗ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングから、次に検出するＵ－Ｖ間デジタル信号の立ち下りタイミングまでの時間差Δｔ２’との間の関係が、時間差Δｔ１’＜時間差Δｔ２’となる。

【0052】

回転数再現器7は、時間差Δｔ１、時間差Δｔ２もしくは時間差Δｔ１’、時間差Δｔ２’の大小関係により、回転方向を推定する。

【0053】

次に、回転機１の磁極位置の推定について説明する。回転機1が発生する誘起電圧の位相は、回転機１における磁極位置と連動する。一方、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミングは、誘起電圧の位相と連動している。そのため、図３において、磁極位置角度として示すように、回転機１の回転子が電気角で１回転する間に、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミングの合計数は、４回である。例えば、磁極位置の検出タイミングが、回転機１の磁極位置角度３０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇ、２１０ｄｅｇ、３３０ｄｅｇの場合、回転数再現器７は、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上りもしくは立ち下りのタイミングで、演算している内部位置情報をダイレクトに更新するように処理を行う。

【0054】

この場合、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミング以外の時間では、先に説明した検出速度Ｆｆｂに応じた値の位置更新量θｓｔｅｐを、任意の演算周期で内部位置情報に加算して、内部位置情報を更新する。これにより、回転数再現器７は、回転機１の磁極位置と同期した内部位置情報を、取得し、更新することができる。

【0055】

任意の演算周期で内部位置情報を更新しているとき、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上りもしくは立ち下りのタイミングで、内部位置情報をダイレクトに更新する処理が発生すると、演算周期で更新していた内部位置情報と、ダイレクトに更新する内部位置情報との間で、位置偏差Δθが発生する場合がある。この場合には、位置偏差Δθが“０”となるように、回転数再現器７においては、ＰＩ制御により位置更新量θｓｔｅｐが補正される。

【0056】

スイッチング素子２が動作している状態でも、回転数再現器７は、磁極位置を推定している。しかしながら、この状態においては、回転数再現器７は、演算周期で更新した内部位置情報を磁極位置として推定する。例えば動作させていたスイッチング素子２を停止させると、前記した位置偏差Δθが発生することが考えられる。この場合、回転数再現器７は、前記したように位置更新量θｓｔｅｐを補正する。

【0057】

このように、スイッチング素子２が動作している状態では、回転数再現器７は、Ｕ－Ｖ間デジタル信号およびＷ－Ｖ間デジタル信号の立ち上りもしくは立ち下りのタイミングで、演算している内部位置情報をダイレクトに更新して、磁極位置を推定する動作は実行しない。これは、スイッチング素子２が動作している場合、回転機１の誘起電圧を、図１に示した配線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷで観測することができないためである。すなわち、スイッチング素子２が動作している状態では、配線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷにおける電圧波形は、スイッチング素子２が動作することにより発生する電圧波形（ＰＷＭ電圧波形）となる。このＰＷＭ電圧波形に基づいて、図１に示したベクトル制御部２４およびＰＷＭ制御器１４が、ＰＷＭ信号により、スイッチング素子２をスイッチング制御することで、スイッチング素子２が動作している状態においては、適切な電力が電力変換装置１００から出力される。

【0058】

＜直流電圧再現器＞
パラメータ設定器１０によって設定される誘起電圧定数は、回転機１の回転数（ｍｉｎ^－１）と発生する誘起電圧（Ｖ）との関係を定める定数である。直流電圧再現器８には、回転数再現器７において推定された回転機１の回転速度と記憶部１１から誘起電圧定数が供給されている。直流電圧再現器８は、供給された回転速度から回転数を求め、求めた回転数と誘起電圧定数とから、回転機１で発生する誘起電圧を推定し、直流電圧再現値として出力する。例えば、直流電圧再現器８は、求めた回転数と誘起電圧定数との間で演算を実行することにより、誘起電圧を推定する。

【0059】

＜判定部＞
判定部９による判定を、図面を用いて説明する。図４および図５は、実施の形態１に係わる電力変換装置の起動シーケンスを示す電圧波形図である。図４には、回転機１内の磁石、例えば回転子の磁石が減磁されていない場合の起動シーケンスが示され、図５には、磁石が減磁されている場合の起動シーケンスが示されている。図４および図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。

【0060】

＜＜起動時のシーケンス＞＞
先ず、減磁されていない正常な場合の起動シーケンスを、図４を参照して述べる。回転機１が回転し、回転数が最高回転数に到達した後、図１に示したスイッチング素子２を動作させる。スイッチング素子２が動作することにより、昇圧動作が行われ、電力変換装置１００から出力される電圧が上昇する。出力される電圧が、目標電圧に到達すると、電力変換装置１００においては、出力される電圧が目標電圧を維持するように、ＰＷＭ信号によって、スイッチング素子２のスイッチング動作が制御される。

【0061】

＜＜減磁されていない場合＞＞
回転機１は、遮断器１３が判定部９によって遮断されている状態で、回転を始める。回転機１が回転を始めることにより、誘起電圧が発生し、回転数の上昇に応じて誘起電圧も上昇する。このとき、スイッチング素子２は動作していない、すなわちスイッチング素子２内のＩＧＢＴＴＲはオフ状態となっているが、スイッチング素子２内の還流ダイオードＤＤと平滑コンデンサ３により構成された三相全波整流回路によって、三相交流の誘起電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは直流電圧に変換される。この変換された直流電圧も、回転機１の回転数の上昇に応じて、図４の実線で示すように上昇する。

【0062】

判定部９は、直流電圧再現器８から出力されている直流電圧再現値が、パラメータ設定器１０によって設定された起動電圧に到達したか否かを判定する。判定部９は、直流電圧再現値がパラメータ設定器１０によって設定された起動電圧に到達したと判定したタイミングを、判定タイミングとし、判定タイミングから所定の期間を待機時間とする。この待機期間おいて、判定部９は、直流電圧検出部６から出力されている直流電圧情報によって表される直流電圧と誘起電圧とを比較する。実施の形態１においては、誘起電圧を中心とした所定の電圧範囲が、誘起電圧の許容範囲として設定されている。この許容範囲の値は、特に制限されないが、パラメータ設定器１０によって設定された減磁判定閾値によって定まる。例えば、誘起電圧を中心として、その上下に減磁判定閾値を加えることにより、許容範囲が設定されている。

【0063】

待機期間において、直流電圧情報によって表される直流電圧が、誘起電圧の許容範囲に入っていれば、判定部９は、減磁は発生していないと判定する。すなわち、直流電圧情報によって表される直流電圧と誘起電圧との差分が、減磁判定閾値を超えていないため、判定部９は、減磁が発生していないと判定する。この場合、判定部９は、待機時間経過後に、遮断器１３の遮断を解除する。これにより、スイッチ２３を介して、直流電圧制御部１２からの信号が、ＰＷＭ制御器１４に供給され、ＰＷＭ制御器１４はＰＷＭ信号によってスイッチング素子２を動作させる。その結果、電力変換装置１００から出力されている電圧が上昇する。その後、スイッチ２３が、ベクトル制御部２４と遮断器１３とを接続するように切り替えられる。以降、ＰＷＭ制御器１４は、ベクトル制御部２４からの制御信号に応じたＰＷＭ信号を出力して、スイッチング素子２を動作させる。

【0064】

＜＜減磁されている場合＞＞
図５の場合、減磁しているため、回転機１の回転数が上昇しても、回転機１によって発生する誘起電圧は低い状態となっている。

【0065】

図４と同様に、判定部９は、直流電圧再現器８によって推定された誘起電圧が、パラメータ設定器１０によって設定された誘起電圧に到達したタイミングを、判定タイミングとする。減磁しているため、直流電圧検出部６から出力されている直流電圧情報によって表される直流電圧は、図５の実線で示すように、待機時間において、誘起電圧の許容範囲に入っておらず、誘起電圧の許容範囲よりも下回っている。すなわち、直流電圧情報によって表される直流電圧と誘起電圧との差分が、減磁判定閾値を超えている。図５において、ｔｍは、判定部９が、回転機１の回転数が最高回転数に達したと判定したタイミングを示している。判定部９は、回転機１の回転数が、最高回転数に達しているのにもかかわらず、直流電圧情報によって表される直流電圧が、待機時間において、誘起電圧の許容範囲に一度も入っていない状態が継続している場合、減磁が発生していると判定し、減磁が発生している旨の報知情報を記憶部１１に格納する。記憶部１１に格納された報知情報は、図１に示した表示部１５に表示される。また、報知情報は、上位装置１０４に通信で送信され、上位装置１０４も減磁が発生していることを把握することができる。

【0066】

判定部９が、減磁が発生していると判定した場合、判定部９は、待機時間が経過した後も遮断器１３の遮断状態を維持する。これにより、ＰＷＭ制御器１４には信号が供給されないため、スイッチング素子２は動作していない非動作状態を継続することになる。

【0067】

報知情報によって、減磁の発生がユーザに通知されるため、ユーザは例えば回転機１および電力変換装置１００を停止する。これにより、振動や騒音の発生を防ぐことが可能となる。

【0068】

なお、判定部９には、回転数再現器７において推定された回転機１の回転速度が供給されている。回転機１の回転数が、最高回転数に到達したか否かは、回転数再現器７から判定部９に供給されている推定回転速度から、判定することが可能である。

【0069】

減磁が発生していると判定するために、回転機１が最高回転数に到達したか否かも判定する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、直流電圧情報で表される直流電圧が、待機時間において、誘起電圧の許容範囲に何度か入った場合、直流電圧情報で表される直流電圧の待機時間における平均電圧が、誘起電圧の許容範囲に入っていない場合、判定部９は減磁が発生していると判定するようにしてもよい。

【0070】

前記したように、判定部９では、直流電圧情報で表される直流電圧と誘起電圧との比較を行う。この場合、直流電圧情報で表される直流電圧が、回転機１が回転しているときに測定した測定値に該当し、誘起電圧が、比較を行うための基準値に該当する。実施の形態１では、基準値である誘起電圧としては、直流電圧再現器８から出力されている直流電圧再現値が用いられている。しかしながら、基準値として、パラメータ設定部１０によって設定された誘起電圧を用いるようにしてもよい。

【0071】

＜直流電圧検出回路、直流電圧検出部および直流電圧検出部＞
直流電圧検出回路４は、平滑コンデンサ３の両端の電圧を、図２で説明した分圧回路１７Ａと同様な構成の分圧回路によって降圧し、降圧により得られた電圧を、オペアンプ等を介して出力するように構成されている。降圧することにより、平滑コンデンサ３の両端の電圧は、マイコン部１０２の入力電圧範囲に整合したアナログ信号に変換される。

【0072】

直流電圧検出部６は、供給されたアナログ信号の直流電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と演算器を備えており、アナログ信号の直流電圧に対応したデジタル信号を直流電圧情報として出力する。

【0073】

直流電圧制御部１２は、パラメータ設定器１０に設定された目標電圧と直流電圧検出部６からの直流電圧情報との偏差が“０”となるようにＰＩＤ制御、もしくＰＩ制御を行い、ＰＷＭ制御器１４に、信号によってＰＷＭ指令を出力し、スイッチング素子２を制御する演算器である。

【0074】

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係わる電力変換装置の起動シーケンスを示す電圧波形図である。実施の形態２では、回転機１の回転数のバラツキを考慮した電力変換装置が提供される。

【0075】

回転機１の回転数が、起動時において、所定の時間、一定の値となるように制御される。この所定の時間が、判定時間とされ、判定時間において、判定部９が、直流電圧情報で表される直流電圧が、誘起電圧の許容範囲に入っているか否かの判定を複数回実行する。

【0076】

図６では、判定開始タイミングにおいて、回転機１が、所定の回転数となるように制御され、判定時間の間、所定の回転数を維持するように制御される。これにより、回転機１の回転数にバラツキがあっても、減磁判定の精度を向上させることが可能である。

【0077】

（実施の形態３）
実施の形態３に係わる電力変換装置においては、回転機１の減磁前後の誘起電圧が比較され、比較により求めた差が所定の閾値を超えている場合に、減磁が発生していると判定する。具体的に述べると、減磁前の誘起電圧は、発電機を設置した際の試運転時等で測定する。この場合、回転機の回転数も測定する。測定した減磁前の誘起電圧と回転数は、電力変換装置に搭載されている電気的に書き換え可能な不揮発性メモリに記録しておく。

【0078】

発電機が運用を開始した後、任意のタイミングで、誘起電圧と回転機の回転数が測定される。すなわち、減磁前に測定した回転数と同じ回転数のときの誘起電圧が測定される。運用時に測定した誘起電圧と不揮発性メモリに記録されている誘起電圧とを、判定部で比較し、誘起電圧の差が閾値を超えた場合、判定部は減磁が発生しているとして、報知する。

【0079】

ここでは、減磁前の誘起電圧と回転数を測定する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、誘起電圧および回転数は、発電機を設計したときの設計値を、予め電気的に書き換え可能な不揮発性メモリに記録してもよい。これにより、減磁前の誘起電圧および回転数の測定を割愛することが可能である。

【0080】

実施の形態１～３によれば、電力変換装置が動作していない状態、すなわちスイッチング素子が動作していない状態でも、回転機が回転している状態であれば、回転機内の磁石が減磁されているか否かを検知することが可能である。そのため、スイッチング素子が動作する前に、電力変換装置の表示部または／および上位装置によって、ユーザ等の外部に減磁の異常を報知することが可能である。報知を受けたユーザが、例えば発電機を停止することにより、減磁に伴う騒音や振動の発生を防ぐことが可能である。

【0081】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0082】

１ 回転機
２ スイッチング素子
３ 平滑コンデンサ
１００ 電力変換装置
１０１ 回路部
１０２ マイコン部
１０３ 操作部
１０４ 上位装置
Ｕ、Ｖ、Ｗ 誘起電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】