JP4488415B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電動機を駆動する電力変換装置に係り、特に制御特性を改善した電力変換装置に関する。

電動機負荷を安定に制御するための方法にはいくつかある。例えば、交流電動機を駆動するインバータの出力電流を検出し、この電流の変化に着目し、電流が増加したとき交流電動機を減速方向に、電流が減少したとき交流電動機を加速方向に補正することが考えられる。ただ、この場合、例えば電流が増加したときは加速しようとしているのか、それとも減速しようとしているのかの区別をしないと誤った制御を行う恐れがあった。このため、インバータの３相の出力電流を３相２相変換して、有効電流と無効電流に変換して、有効電流が増加したとき減速方向に補正する提案が為されている。即ち、有効電流の増加は、トルクの増加を意味し、負荷を加速する方向に作用するため、有効電流が増加したとき周波数基準を下げて、交流電動機速度を抑制する方向に補償する（例えば特許文献１参照。）。
特開平２−２７６４９０号公報（第２−３頁、第１図）

上記の特許文献１に示された補正の場合、起動して加速が低速で完了する場合や低速域で再起動する場合に制御の安定性が問題となる場合がある。起動して加速が完了すると、加速分の有効電流がなくなるため、制御回路は加速方向に補正する。その後、制御回路内の時定数によって、補正量は減少していく。この減少量による減速率が交流電動機のフリーラン特性よりも速い場合は、交流電動機は力行モードから回生モードになる。インバータに回生機能がない場合、回生分のエネルギーを消費できずに不安定な状態となる。

また、低速域で瞬時停電等の理由で再起動する場合、再起動直後は位相ずれの影響により電流が流れ、直流電圧及び出力電圧が低下する。その電流によって、制御回路は減速方向に補正されて、その後、補正量は制御回路内の時定数で減少していくため、加速する方向になる。このとき、出力電圧が低下して、周波数基準が増大するため、電圧／周波数の比は低下する。特に低速域はケーブルの電圧降下分や交流電動機の内部インピーダンス降下による影響を受けやすいため、電圧／周波数の比が下がると、トルクが不足して不安定となる。

本発明は以上の点を鑑みて為されたものであり、再起動などの過渡運転を行う場合に安定に交流電動機を制御することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である電力変換装置は、交流を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流を検出してこれを有効電流と無効電流に変換する電流検出手段と、前記インバータを制御する制御手段と、前記制御手段の制御を補正する安定化制御手段とを備え、前記安定化制御手段は、前記有効電流と前記無効電流の差分にゲインを掛けた信号から、この信号の出力を積分した信号を減算する擬似微分回路と、この擬似微分回路の出力変化率が、前記交流電動機の速度に応じて減速率の上限値を定めた変化率制限値より大きくなったとき、前記擬似微分回路の出力を前記変化率制限値に制限し、且つ前記擬似微分回路の積分値をホールドするようにした変化率リミット回路とを有し、前記変化率リミット回路の出力を前記制御手段の周波数基準に加算補正するようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、交流を直流に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流を検出してこれを有効電流と無効電流に変換する電流検出手段と、前記インバータの出力電圧または直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータを制御する常用系及び待機系の２組の制御手段と、前記制御手段の制御を補正する安定化制御手段とを備え、前記安定化制御手段は、前記有効電流と前記無効電流の差分にゲインを掛けた信号から、この信号の出力を積分した信号を減算してその演算結果で前記制御手段の周波数基準を補正する擬似微分回路と、前記擬似微分回路の積分値をホールドする積分ホールド手段とを有し、前記制御手段を常用系から待機系に切換えて再起動するとき、前記積分ホールド手段をセットし、前記電圧検出手段の出力が所定値以上となったとき前記積分ホールド手段をリセットするようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、制御特性が安定するように改善したので、再起動などの過渡運転を行う場合に安定に交流電動機を制御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。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明に係る電力変換装置の実施例１を示す回路構成図である。

３相交流電源１から供給される交流は、コンバータ２及び平滑コンデンサ３により直流に変換され、インバータ４に供給される。インバータ４はこの直流を再び交流に変換して交流電動機５を駆動する。インバータ４の出力側には電流検出器６が設けられ、また、直流リンク部には電圧検出器７が設けられている。

コンバータ２及びインバータ４はパワーデバイスをブリッジ接続して成る主回路で構成されており、これらのパワーデバイスは主制御部８からのゲートパルスによりオン／オフ動作を行っている。

主制御部８は、外部からの速度指令を受け、これを加算器８１の一方の入力とする。加算器８１の他方の入力は、後述する安定化制御回路９から与えられる。加算器８１の出力は、交流電動機５の周波数基準となって位相演算器８２の入力となる。位相演算器８２では交流電動機５を安定に駆動するためのインバータ４の出力位相を演算する。そして位相演算器８の出力はゲート制御回路８３を介してインバータ４のパワーデバイスをゲート駆動する。

また、速度指令はＶ／ｆ変換器８４を介して電圧基準を作り、この電圧基準が差分器８５により電圧検出器７からの直流電圧と比較され、その誤差出力は位相演算器８６の入力となる。位相演算器８６の出力はゲート制御回路８７を介してコンバータ２のパワーデバイスをゲート駆動する。

電流検出器６の出力は３相／２相変換器１０に与えられる。３相／２相変換器１０は位相演算器８２で定められた位相基準に従ってインバータ４の出力電流を有効電流と無効電流に変換して出力する。この有効電流と無効電流は安定化制御回路９の入力となる。

以下、安定化制御回路９の内部構成について説明する。

前述の有効電流と無効電流は差分器９１によりその差分が演算され、ゲイン９２でＫ倍される。ゲイン９２の出力は差分器９３の加算入力となり、差分器９３の出力を積分器９４で積分した値が差分器９３の減算入力となっている。ここでゲイン９２、差分器９３及び積分器９４は擬似微分回路を構成し、ステップ入力に対し、瞬時にＫ倍の出力で応答し、積分器９４の積分時定数によって元の値に戻るような特性を持っている。

この擬似微分回路の出力は変化率リミット回路９５を介して前述した加算器８１の入力となる。変化率リミット回路９５は変化率制限値設定回路９６により前述の周波数基準の値に応じて設定された減速レートの上限値を超える入力があったときは、出力をこの上限値に固定し、且つその時点で積分回路９４の出力を保持するように動作する。

上記回路構成により、有効電流の減少に対して加速方向、有効電流の増加に対して減速方向の安定化補正を行うことができ、且つその減速方向の補正信号の変化率が所定値を超えないようにスムースに安定化制御を行うことが可能となる。また、無効電流を逆極性で安定化制御回路９の入力としたことにより、通常時はこの無効電流をほぼ一定に保ち、制御切換え時などの過渡時には安定な制御を行うことを可能としている。

尚、図１においては、コンバータ２を位相制御することによって電圧制御を行う方式を示したが、コンバータ２をダイオードコンバータとし、インバータ４をＰＷＭ制御することによって出力電圧を制御するようにしても良い。

本発明に係る電力変換装置の実施例２を図２及び図３を参照して説明する。図２は本発明の電力変換装置の実施例２を示す回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、変化率制限値設定回路９６Ａの設定を交流電動機５のフリーラン減速特性に合わせて設定するようにしたである。

このようにして変化率制限値設定回路９６Ａの変化率制限値を得るようにすれば、負荷機械と交流電動機５のフリーラン減速率以上の減速量が補正加算されることがなくなり、従って制御上の問題を生ずることはない。尚、交流電動機５のフリーラン減速率が運転状況によって変動するような場合は最も減速率が小さくなる安全サイドに変化率制限値設定回路９６Ａの設定を行うようにすれば良い。

この場合の起動時の動作と効果について図３を参照して説明する。図３は、起動時の出力電流と安定化制御回路９の出力である補正量を示すタイムチャートである。図３に示したように、負荷投入起動時は起動電流が流れ、従って補正量はマイナス側に振れる。しかしながら起動時の周波数基準は起動周波数に固定して行うため、この補正量によって減速することはない。

このあと、加速開始の条件により、周波数を所定レートで上昇させると、一定の加速電流が流れる。この加速状態においては、擬似微分回路の出力は積分器９４の時定数でゼロに向かって減少していく。そして加速が完了した時点で出力電流は減少し、補正量はプラス側に振れる。交流電動機５は加速完了で減速が可能な状態となるが、何らかの制御上の外乱などにより交流電動機５のフリーラン特性で決まる減速率以上の減速率になると、図示したように補正量はプラスの状態でホールドされ、周波数基準を加速方向に補正するので、制御上不安定となるような問題は生じない。

図４は本発明の電力変換装置の実施例３を示す回路構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例２に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例２と異なる点は、主制御回路から与えられる減速中の信号で、同じく主制御回路から与えられる減速レートを選択する切換回路９７と、差分器９８を設け、変化率制限値設定回路９６Ａの出力である変化率制限値から前記切換回路９７の出力を差分器９８により減算し、この出力を変化率制限値として変化率リミット回路９５に与えるようにした点である。

上記のような構成とすれば、交流電動機５が減速中であっても、変化率リミット回路９５の変化率制限値は、変化率制限値設定回路９６Ａで決まる値からこの減速率を差し引いて決められることになるので、実施例２の場合と同様、制御が不安定になることを防止することが可能となる。

本発明に係る電力変換装置の実施例４を図５及び図６を参照して説明する。図５は本発明の電力変換装置の実施例４を示す回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、変化率リミット回路９５及び変化率制限値設定回路９６を省き、差分器９３の補正出力を直接加算器８１の入力とするようにした点、インバータ４の出力電圧を検出する電圧検出器１１を設けた点、また比較回路９９とフリップフロップ１００を設け、主制御回路８から与えられる再起動中の信号でフリップフロップ１００をセットして積分器９４の積分値をホールドし、その積分ホールド値に見合うレベルと上記電圧検出器１１の出力電圧を比較器９９で比較し、出力電圧の方が大きくなったとき積分器９４の積分ホールドを解除するようにした点である。

上記のように再起動時には積分ホールド信号をセットし、出力電圧が所定値以上になったとき、この積分ホールド信号をリセットするようにすれば、再起動時の電圧／周波数の比が低下して不安定になることを防止することができる。

尚、上述した再起動は、停電再起動の場合と、制御系を常用系及び待機系と２重に持ち、常用系から待機系に切換える場合がある。前者の場合には主制御回路８は停電検出を行ってインバータ４を停止させ、復電検出で適位相投入して再起動する機能を有しているが、図５では図示を省略している。後者の場合には主制御回路８が常用系と待機系の２重構成となってこれを切換えることが可能な構成となっているが、同じく図示を省略している。常用系と待機系の２重構成とするのは主制御回路８7だけでなく、安定化制御回路９や３相／２相変換器１０を含めても良い。

この実施例４の再起動時の動作と効果について図６を参照して説明する。図６は、再起動時の周波数基準、出力電圧及び出力電流を示すタイムチャートである。図６に示したように停電または常用の制御系に故障が発生した場合はインバータ４を停止し、出力電圧から交流電動機５の回転位相を計算して、再起動に備える。そして復電あるいは待機系への切換が可能となり再起動できる状態になったとき、推定した交流電動機の位相にインバータ４の出力位相を合わせて再起動を行う。再起動直後には、交流電動機５とインバータ４の僅かの位相ずれによる影響と、直流電圧と出力電圧の差分による影響で電流が流れる。その後、交流電動機５が回転することにより、直流回路のエネルギーが消費されて、直流電圧が低下する。このとき、無効電流は減少方向になるため、周波数基準は減速方向に補正される。

本発明によれば、上記状態で出力電圧が積分ホールドレベル以下の場合、積分器９４をホールドして、周波数基準を一定にして、再起動時の電圧／周波数の比が低下して不安定になることを防止する。このような対策を施さない場合には、補正量は積分器９４の積分時定数で減少、すなわち加速方向に補正されることになるので電圧は低下して、周波数基準は加速方向となるため、電圧／周波数の比は低下して出力電流が大きく脈動するなど不安定となる恐れがある。

以上説明したように、停電発生時または制御系の切換時に、周波数基準の補正量を一定値にホールドするようにすれば、安定な制御を行うことができる。

尚、電圧検出器１１によるインバータ４の出力電圧に代えて、電圧検出器７による直流電圧を用いても良いことは明らかである。

本発明に係る電力変換装置の実施例１を示す回路構成図。 本発明に係る電力変換装置の実施例２を示す回路構成図。 実施例２の動作を説明するためのタイムチャート。 本発明に係る電力変換装置の実施例３を示す回路構成図。 本発明に係る電力変換装置の実施例４を示す回路構成図。 実施例４の動作を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１ ３相交流電源
２ コンバータ
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 交流電動機
６ 電流検出器
７ 電圧検出器
８ 主制御回路
８１ 加算器
８２ 位相演算器
８３ ゲート制御器
８４ Ｖ／ｆ変換器
８５ 差分器
８６ 位相演算器
８７ ゲート制御器
９ 安定化制御回路
９１ 差分器
９２ ゲイン
９３ 差分器
９４ 積分器
９５ 変化率リミット回路
９６、９６Ａ 変化率制限値設定回路
９７ 切換器
９８ 差分器
９９ 比較器
１００ フリップフロップ
１０ ３相／２相変換器
１１ 電圧検出器

Claims (5)

1. 交流を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの出力を平滑する平滑コンデンサと、
   この平滑された直流を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータの出力電流を検出してこれを有効電流と無効電流に変換する電流検出手段と、
   前記インバータを制御する制御手段と、
   前記制御手段の制御を補正する安定化制御手段と
   を備え、
   前記安定化制御手段は、
   前記有効電流と前記無効電流の差分にゲインを掛けた信号から、この信号の出力を積分した信号を減算する擬似微分回路と、
   この擬似微分回路の出力変化率が、前記交流電動機の速度に応じて減速率の上限値を定めた変化率制限値より大きくなったとき、前記擬似微分回路の出力を前記変化率制限値に制限し、且つ前記擬似微分回路の積分値をホールドするようにした変化率リミット回路と
   を有し、
   前記変化率リミット回路の出力を前記制御手段の周波数基準に加算補正するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記変化率制限値は、前記交流電動機のフリーラン特性で決まる減速率としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記安定化制御手段は、
   前記制御手段から得られる減速中信号及びそのときの減速レートに応じて、
   減速中は前記交流電動機のフリーラン特性で決まる減速率から前記減速レートを減算した値を前記変化率制限値とし、
   それ以外のときは前記交流電動機のフリーラン特性で決まる減速率を前記変化率制限値とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 交流を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの出力を平滑する平滑コンデンサと、
   この平滑された直流を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータの出力電流を検出してこれを有効電流と無効電流に変換する電流検出手段と、
   前記インバータの出力電圧または直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記インバータを制御する常用系及び待機系の２組の制御手段と、
   前記制御手段の制御を補正する安定化制御手段と
   を備え、
   前記安定化制御手段は、
   前記有効電流と前記無効電流の差分にゲインを掛けた信号から、この信号の出力を積分した信号を減算してその演算結果で前記制御手段の周波数基準を補正する擬似微分回路と、
   前記擬似微分回路の積分値をホールドする積分ホールド手段と
   を有し、
   前記制御手段を常用系から待機系に切換えて再起動するとき、
   前記積分ホールド手段をセットし、
   前記電圧検出手段の出力が所定値以上となったとき
   前記積分ホールド手段をリセットするようにしたことを特徴とする電力変換装置。
5. 相交流を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの出力を平滑する平滑コンデンサと、
   この平滑された直流を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータの出力電流を検出してこれを有効電流と無効電流に変換する電流検出手段と、
   前記インバータの出力電圧または直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記インバータを制御し、停電再起動機能を有する制御手段と、
   前記制御手段の制御を補正する安定化制御手段と
   を備え、
   前記安定化制御手段は、
   前記有効電流と前記無効電流の差分にゲインを掛けた信号から、この信号の出力を積分した信号を減算してその演算結果で前記制御手段の周波数基準を補正する擬似微分回路と、
   前記擬似微分回路の積分値をホールドする積分ホールド手段と
   を有し、
   前記制御手段により停電再起動するとき、
   前記積分ホールド手段をセットし、
   前記電圧検出手段の出力が所定値以上となったとき
   前記積分ホールド手段をリセットするようにしたことを特徴とする電力変換装置。

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