特許 7421645 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】2024-01-16

(45)【発行日】2024-01-24

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240117BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022536089

(86)(22)【出願日】2020-07-17

(86)【国際出願番号】 JP2020027818

(87)【国際公開番号】W WO2022014034

(87)【国際公開日】2022-01-20

【審査請求日】2022-12-02

(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】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】荒尾 祐介

【審査官】麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２１６８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－５３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－３２４０１（ＪＰ，Ａ）

(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】

交流電力を出力する交流変換部と、
前記交流変換部を制御する制御部を有し、
前記制御部は、
前記交流変換部の運転出力状態に基づき、運転時間を計測し、
前記運転時間と、可動率算出時間から可動率を算出する電力変換装置において、
前記可動率算出時間が、運転が指令されている時間である電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
表示部を有し、
前記表示部は、前記可動率を表示する電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記運転が指令されている時間が複数サイクルから構成される場合に、サイクル数により可動率を計算する電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部が前記交流変換部に対する出力指令に基づいて、前記制御部が前記運転時間を計測する電力変換装置。

【請求項5】

請求項４に記載の電力変換装置において、
前記出力指令は、ＰＷＭ出力指令である電力変換装置。

【請求項6】

交流電力を出力する交流変換部と、
前記交流変換部を制御する制御部を有し、
前記制御部は、
前記交流変換部の運転出力状態に基づき、運転時間を計測し、
前記運転時間と、可動率算出時間から可動率を算出する電力変換装置において、
表示部を有し、
前記制御部は、
前記可動率が低下した要因を取得し、
前記表示部は、
前記可動率を表示し、前記要因を、前記可動率とともに表示する電力変換装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電力変換装置において、
直流電圧を平滑化する平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出器を有し、
前記制御部は、
前記電圧検出器からの信号に基づいて、前記可動率算出時間を計測する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電解コンデンサを内蔵した電力変換装置の寿命時間を推定する技術として、特許文献１がある。特許文献１には、「実施形態によれば、容量変化推定手段は、電解コンデンサについて、基準時点における静電容量に対する変化を推定し、記憶手段には、前記電解コンデンサについて予め付与されている、基準とする特定条件下における静電容量の経時変化を示すデータが経時変化データとして記憶される。そして、寿命推定手段は、経時変化データにおいて規定されている寿命時間と、容量変化推定手段が基準時点から時間ｔが経過した時点で推定を行った静電容量の変化に対応する経時変化データにおける経過時間と、前記推定を行った時間ｔとの関係から、電解コンデンサの実際の寿命時間を推定し、情報出力手段は、前記寿命時間の推定に関する情報を外部に出力する。」と記載されている。（要約参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２０５３９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、電力変換装置自体の寿命予測を行っており、電力変換装置の故障を早期に発見するため、サービスを提供する際の指標とするとともに、故障による停止時間を短くすることは可能である。

【0005】

しかし、特許文献１では、電力変換装置を組み込んだ実際の生産ラインが、どの程度効率的に動いているか、意図しない停止がどの程度発生しているかが分からず、生産効率を示す可動率を把握することができないという課題がある。

【0006】

本発明の目的は、可動率を算出する電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の好ましい一例としては、交流電力を出力する交流変換部と、前記交流変換部を制御する制御部を有し、
前記制御部は、
前記交流変換部の運転出力状態に基づき、運転時間を計測し、前記運転時間と、可動率算出時間から可動率を算出する電力変換装置において、前記可動率算出時間が、運転が指令されている時間である電力変換装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、可動率を算出する電力変換装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１および実施例２における電力変換装置の構成図である。

【図2】実施例１における可動率演算部のフローチャートである。

【図3】実施例２における可動率演算部のフローチャートである。

【図4】実施例１における可動率演算部が演算する状態を示した図である。

【図5】実施例２における可動率演算部が演算する状態を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施例を図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0011】

本実施例では、ユーザシステムにつながれた交流電動機を駆動する電力変換装置において、エラー発生時に無駄な時間が発生した場合の可動率演算動作を説明する。

【0012】

図１は、本実施例の電力変換装置とユーザステムにつながれた交流電動機１０５の構成図の例である。

【0013】

図１に示す全体システムは、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、交流電動機１０５、電流検出器１０６、入出力部１１１、運転管理部１１２、可動率演算部１１３、記憶部１１４、表示・操作部１１５、電流検出部１１６、電源検出部１１７を有する。

【0014】

実施例１もしくは実施例２における電力変換装置は、直流変換部１０２、平滑コンデンサ１０３、交流変換部１０４、電流検出器１０６、入出力部１１１、運転管理部１１２、可動率演算部１１３、記憶部１１４、表示・操作部１１５、電流検出部１１６、電源検出部１１７を有する。本実施例では、電流センサなどの電流検出器１０６は電力変換装置内に配置しているが、電流検出器１０６を電力変換装置の外部に配置してもよい。

【0015】

電力変換装置を制御する制御部は、入出力部１１１、運転管理部１１２、可動率演算部１１３、記憶部１１４、電流検出部１１６、電源検出部１１７を有する。

【0016】

制御部は、マイコンなどのＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶部１１４を有し、ＣＰＵが記憶部１１４からプログラムを読み出して図２や図３のフローチャートに従った処理を実行する。

【0017】

三相交流電源１０１は、例えば電力会社から供給される三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。

【0018】

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(Insulated Gate Bipolar Transistor)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る。直流変換部１０２は、三相交流電源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、１例としてダイオードで構成された直流変換部を示している。

【0019】

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。

【0020】

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の直流電圧と、運転管理部１１２の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力する。また、交流変換部１０４は、平滑コンデンサ１０３を介さず、交流－交流変換を行うような交流変換回路で構成されている場合には、交流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０５に出力してもよい。

【0021】

電流検出器１０６は、例えばホールＣＴやシャント抵抗で構成される。電流検出器１０６は、交流変換部１０４と交流電動機１０５の間に位置する電力変換装置の出力部に配置される。電流検出器１０６は、交流電動機１０５に流れる電流を検出し、電流検出部１１６に電流検出値を出力する。

【0022】

電流検出器１０６は、交流変換部１０４に流れる出力電流を推定、又は直接検出できる箇所に配置されているならば、どこに配置されていてもよい。図１では、交流電動機１０５に流れる電流を検出する例が示されている。

【0023】

入出力部１１１は、例えばＨｉｇｈとＬｏｗを入出力、あるいは、上位装置と通信により接続する通信部であって、外部からの運転指令や演算指令を入力とし、可動率演算部１１３に指令を出力し、可動率演算部１１３が出力した可動率を外部に出力する。入出力部１１１と接続するモニタなどのユーザインターフェースから利用者が指示した運転指令が、入出力部１１１から入力される場合がある。または、入出力部１１１と接続するＰＬＣ（programmable logic controller）などの上位装置から受けた電力変換装置への運転指令が入出力部１１１から入力される場合がある。

【0024】

運転管理部１１２は、交流変換部１０４を制御する。運転管理部１１２は交流電動機１０５を駆動するために与えられた指令から演算された出力指令に従い、交流変換部１０４に運転出力状態を表すＰＷＭ（Pulse Width Modulation）出力指令を与える。

【0025】

可動率演算部１１３は、運転管理部１１２が出力した可動率算出時間、例えば、電源が入力されている状態や、運転指令が入力されている状態と、運転出力状態を入力とし、各々の時間をカウントする。ここで、可動率は、定めた運転すべき状態、例えば、電源が入力されている状態や、運転指令が入力されている状態に対して、実際に運転した状態、例えば、運転状態や出力状態が、どれくらいの割合となるかを示した指標である。可動率算出時間は、ユーザが電力変換装置を組み込んだシステムを動かす場合に、システムの動作するべき時間である。

【0026】

また、可動率演算部１１３は、電源が入力されている状態、運転指令が入力されている状態、および運転出力状態をカウントした時間から、可動率を演算し、入出力部１１１に出力する。また、可動率演算部１１３は、可動率が低くなった要因を取得しておき、記憶部１１４に記憶させ、表示・操作部１１５に出力して、要因を表示する。運転管理部１１２が電流検出部１１６から過大な電流が発生したことについての信号を受けた場合や、電源検出部１１７から過大な電圧が発生したことについての信号を受けた場合には、運転管理部１１２がエラーとして交流変換部１０４を停止させる場合がある。運転管理部１１２もしくは可動率演算部１１３は、過大電流などの可動率が低くなった要因を記憶部１１４に記憶させる。可動率演算部１１３は、その要因を記憶部１１４から取得して、可動率などとともに可動率が低くなった要因を表示・操作部１１５に表示させることができる。

【0027】

記憶部１１４は、例えば一時的に記憶される素子、例えばＲＡＭなどや、電源遮断でも記憶を保持するＥＥＰＲＯＭやデータフラッシュＲＯＭで構成され、可動率演算部１１３から出力された種々の時間カウント情報と可動率、可動率が低くなった場合の要因を記憶する。

【0028】

表示・操作部１１５は、例えば操作パネル、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット端末、パーソナルコンピュータなどのユーザインターフェースを示しており、可動率演算部１１３へ指示された種々のデータを出力する。また、表示・操作部１１５は、可動率演算部１１３からデータを入力し、表示・操作部１１５にて表示を行う。

【0029】

電流検出部１１６は、電流検出器１０６が検出した電流データを取得し、データとして、運転管理部１１２に出力する。

【0030】

電源検出部１１７は、例えば平滑コンデンサ１０３に電源が入力されたことを判断し、電源入力状態を運転管理部１１２に出力する。平滑コンデンサ１０３の電圧を検出する電圧検出器を電源検出部１１７に接続するように配置してもよい。電源検出部１１７は電圧検出器で検出する電圧が所定電圧を超えた場合は電源が入力されたオン状態と判定し、所定電圧以下の場合は電源が入力されていないオフ状態と判定する。

【0031】

電源検出部１１７は、直流変換部１０２に電源が入力されたことを検出するようにしてもよい。その場合、電源検出器を三相交流電源１０１と直流変換部１０２の間に配置する。そしてし、電源検出器からの信号に基づいて電源検出部１１７は、電力変換装置に三相交流電源１０１から電力が供給された（オン状態）か、電力が供給されていないか（オフ状態）を検出する。

【0032】

図２は、可動率演算部１１３が行う処理手順を示すフローチャートである。

【0033】

可動率演算部１１３は、例えば、電源検出部１１７から電源が入力されたことを判断する。あるいは、可動率演算部１１３は、記憶部１１４に予めパラメータとして設定されたデータを読み出す。あるいは、可動率演算部１１３は、入出力部１１１を通してユーザが指定した可動率演算の許可指令を判断するなどの処理をする。

【0034】

ここでパラメータとしては、図４もしくは図５に示すような可動率を算出する可動率算出時間や運転時間を、どのような時間とするかを指示するデータとする場合がある。または閾値以上なら表示・操作部１１５から可動率を表示するようにする場合の、その閾値をパラメータとする場合もある。

【0035】

そして、可動率演算部１１３が可動状況の取得が可能であるかを判断する（Ｓ２０１）。可動状況の取得が可能であると判断した場合（Ｓ２０１でＹｅｓ）には、可動率算出時間を取得し、その時間を積算する（Ｓ２０２）。可動状況の取得が可能では無いと判断した場合（Ｓ２０１でＮｏ）には、本処理フローは終了する（ＥＮＤ）。

【0036】

可動率算出時間は、例えば、電源検出部１１７が電源投入されていると判定した時間、あるいは、入出力部１１１を通して外部から運転指令が入力されている時間であると可動率演算部１１３が判定した時間である。可動率演算部１１３は、運転管理部１１２が交流変換部１０４に対して出力指令を指令している場合を運転時間とし、その時間を積算する（Ｓ２０３）。

【0037】

図４は、電源投入時間と運転時間を示している図であり、電力変換装置のエラーが発生し、再び復帰して動き出した事象を示している。矢印は時間の長さ示す。可動率演算部１１３は、運転時間を可動率算出時間で割ることにより算出する。例えば図４に示したように、電源投入時間が１００時間であるのに対し、実際に運転した時間が８０時間だとすると、１００時間経過した時点での可動率は、８０％と計算できる（Ｓ２０４）。

【0038】

可動率の計算は、電源投入時から常に計算してもよく、図４においてエラーが発生するまでは、可動率１００％であって、動作復帰時点では、４０時間／６０時間×１００として約６７％の計算となる。可動率演算部１１３は、運転が停止した内容と可動率の演算結果を、表示・操作部１１５あるいは入出力部１１１、記憶部１１４にそれぞれ出力する（Ｓ２０５）。

【0039】

可動率演算部１１３は、Ｓ２０５の後、Ｓ２０１の処理に戻り、演算処理を行う。可動率演算部１１３は、例えばＳ２０１で可動状況の取得が不可となった場合には、積算した情報を０にクリアし、再度開始されるのを待つ。

【0040】

上記のようにして、可動率をユーザに報知するとともに、可動率が下がって原因と一緒に報知することで、生産性の下がった理由を通知するとともに、電力変換装置が改善提案を行ってもよい。

【0041】

本実施例によれば、ユーザが電力変換装置を組み込んだシステムを動かす場合に、システムの動作するべき時間である可動率算出時間と運転時間から可動率を算出できる。また動作できなかった時間割合を算出することで、時間の無駄が起きている状況をユーザに報知することが可能である仕組みを提供する。

【実施例2】

【0042】

本実施例は、実施例１の変形例であって、実施例２の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する。実施例１と同じ内容についての説明は省略する。

【0043】

実施例２では、可動率演算部１１３が、外部装置から、例えば生産設備における不良品の発生等を入力とし、生産の成功失敗判断を反映することができる。

【0044】

図３は、可動率演算部１１３が行う処理手順を示すフローチャートである。

【0045】

可動率演算部１１３は、例えば、電源検出部１１７から電源が入力されたことを判断する。あるいは、記憶部１１４に予めパラメータ設定されたデータを読み出す。あるいは、入出力部１１１を通してユーザが指定した可動率演算の許可指令を判断するといった処理を実行する。そして、可動率演算部１１３は、可動状況が取得可能であるかを判断する（Ｓ３０１）。可動状況が取得可能だと判断した場合（Ｓ３０１でＹＥＳ）には、可動率算出時間を取得し、その時間を積算する（Ｓ３０２）。可動状況が取得可能では無いと判断した場合（Ｓ３０１でＮｏ）には本処理フローは終了する（ＥＮＤ）。

【0046】

可動率算出時間は、例えば、電源検出部１１７が電源投入されている時間、あるいは、入出力部１１１を通して外部から運転指令が入力されている時間である。可動率演算部１１３は、運転管理部１１２が交流変換部１０４に対して出力指令を指令している場合を運転時間として取得しておく（Ｓ３０３）。

【0047】

可動率演算部１１３は、例えば入出力部１１１を通して、外部機器の生産成功失敗情報を取得し（Ｓ３０４）、運転時間に加算すべきかどうかの判断を行う（Ｓ３０５）。可動率演算部１１３は、生産が成功した場合、正常に運転がなされたので運転時間に加算すべきと判断（Ｓ３０５でＹｅｓ）して、運転時間の積算を行う（Ｓ３０６）。生産が不良品となったなどの理由で失敗した場合には、運転時間の積算は行わない。運転時間に加算すべきではないと判断した場合（Ｓ３０５でＮｏ）には、Ｓ３０７に進む。

【0048】

図５は、運転指令時間と運転時間を示している図であり、不良発生の情報が外部から監視もしくは観察された場合の様子を示している。矢印は時間の長さ示す。可動率演算部１１３は、例えば図５に示したように、運転指令時間があらかじめ決まったサイクルを１サイクルとしたときに、不良と判断した信号を受けて、失敗したサイクルの運転時間を加算しない場合、３サイクルのうち２サイクル成功したとすると、可動率は約６７％と計算できる（Ｓ３０７）。電力変換装置の出力が提供される生産システムの管理者が決める各工程を１サイクルとしてよい。

【0049】

可動率演算部１１３は、運転が停止した内容と可動率演算結果を、表示・操作部１１５あるいは入出力部１１１、記憶部１１４にそれぞれ出力する（Ｓ３０８）。可動率演算部１１３は、Ｓ３０８の後、Ｓ３０１の処理に戻り、演算処理を行う。可動率演算部１１３は、例えばＳ３０１で可動状況の取得が不可となった場合には、積算した情報を０にクリアし、再度開始されるのを待つ。

【0050】

上記のようにして、１サイクルの時間が決まっていれば、サイクル数によって可動率を計算することもできる。このため、生産数と不良数の出力も可能である。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。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。

【0054】

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。

【符号の説明】

【0055】

１０１・・・三相交流電源、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・・・電流検出器、１１１・・・入出力部、１１２・・・運転管理部、１１３・・・可動率演算部、１１４・・・記憶部、１１５・・・表示・操作部、１１６・・・電流検出部、１１７・・・電源検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】