JP4698312B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数台の電動機が用いられるプロセスラインに使用される電動機を駆動するための電力変換装置に関する。

従来、プロセスラインに使用する電動機を駆動する電力変換装置は、直流電圧をインバータによって交流に変換し、この交流出力で電動機を駆動し、必要な速度及びトルクを発生させる構成が採用されている。プロセスラインは複数台のスタンドから構成されているので、上記のような電力変換装置が複数台用いられる。各々の電動機には、速度センサが接続されていて、電動機の磁極位置、あるいは速度を検出する。

そして上記の速度センサから得られる速度帰還信号を与えられた速度基準と比較し、その偏差を速度制御器によってＰＩ（比例積分）制御し、この出力をトルク基準或いは電流基準として電動機のトルクを制御するように構成するのが通常であった。

ここで、上記の速度基準は、プロセスライン全体の速度を決めるための基準であり、全体を制御するコントローラから各電力変換装置に共通に与えられ、プロセスラインの各スタンドの揃速性を保持するようにしている。これに対し、各スタンド固有の制御が必要となる場合、例えば、２スタンド間のストリップの張力を制御するような場合、各スタンドのトルク基準乃至電流基準に外部から補正用のトルク指令乃至電流指令を加算して補正を行っている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２７２１４０９号公報（第２−３頁、図１）

上記特許文献１に示された手法は、プロセスラインにおける個別のスタンドに使用される電動機のトルクを速度制御の応答より速い応答で制御するニーズに対して有効である。しかしながら、プロセスライン全体が共通の速度基準で制御された状態で、且つこの共通の速度制御応答より速い応答で速度補正を行いたい場合には適用することが困難である。

例えば、プロセスラインにおいて、スタンドのロールと電動機と軸とで決まる機械系の共振により、１つのスタンドだけ低い応答にする必要があるような場合、その他のスタンドにおいても、その低い応答に合わせる必要がある。このため、共通の速度基準に上記の速度補正を加算する方式を使用すると、外部からの速度補正信号の入力に対して、高い速度応答の取れるスタンドであっても、低い応答となってしまう。従って、共通の速度基準に上記の速度補正を加算する方式では、速度補正が特に必要となる加速時又は減速時においても、低い応答での制御となってしまい、プロセスライン全体の生産性が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、プロセスラインにおいて、速度補正に対する応答を、共通の速度基準に対する応答より速くしてプロセスラインの生産性を向上させる電力変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、本発明の電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段とから構成され、前記制御部は、外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、前記速度モデルと外部から与えられる速度補正指令と前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御またはセンサレスベクトル制御手段とを備えたことを特徴としている。

この発明によれば、速度制御器の入力に速度モデル演算を追加した構成にしたので、速度補正に対する応答を共通の速度基準に対する応答より速くすることができ、プロセスラインの生産性を向上させる電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２を参照して本発明の実施例１を説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。

インバータ１は直流電源を受け、これを所望の電圧及び周波数の交流に変換し、その出力で電動機２を駆動する。このインバータ１はパワーデバイスをブリッジ接続した主回路を備えており、各々のパワーデバイスは制御部３からのゲート信号によってオンオフ制御されている。電動機２には速度検出器４が取り付けられており、この出力は速度帰還信号として制御部３に与えられる。また、インバータ１の出力側には電流検出器５が設けられ、この出力も電流帰還信号として制御部３に与えられる。以下制御部３の内部構成について説明する。

外部から与えられた速度基準は、速度モデル演算器３１に与えられる。この速度モデル演算器３１の出力と前述の速度帰還信号及び外部から与えられる速度補正信号が速度制御器３２の入力となる。速度制御器３２においてはこれらの信号を演算制御し、その出力をトルク基準としてベクトル制御器３３に与える。ベクトル制御器３３は、予め設定された磁束基準信号を用いて上記トルク基準を磁束軸電流基準とトルク軸電流基準に分解する。

トルク軸電流基準は、前述の電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られたトルク帰還電流と比較され、トルク軸電流制御器３５はその偏差を演算して電流制御を行う。また同様に、磁束軸電流基準は、電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られた磁束帰還電流と比較され、磁束電流制御器３６はその偏差を演算して電流制御を行う。トルク軸電流制御器３５及び磁束電流制御器３６の出力は夫々トルク軸電圧基準、磁束軸電圧基準となるが、これらは３相電圧基準発生器３７に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてＰＷＭ回路３８に与えられる。ＰＷＭ回路３８は所定のキャリア信号で各相の電圧基準を変調してインバータ１のパワーデバイスに与えるゲート信号を出力する。

また、電動機２が誘導電動機の場合、トルク軸電流基準と磁束基準からすべり演算器３９によって電動機２のすべり周波数を演算し、この演算結果と速度帰還信号とを加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器４０で積分してインバータ１の出力位相基準を求めている。この出力位相基準は前述の３相−２相変換器３４及び３相電圧基準発生器３７の変換位相基準となる。尚、電動機２が同期電動機の場合は電動機２のすべり周波数はゼロとなるので上記のすべり周波数演算は省略できる。

速度モデル演算器３１及び速度制御器３２の内部構成を図１（ｂ）に示す。速度基準は速度モデル演算器３１のＰＩ制御器３１１に与えられ、その出力は電動機２の負荷の慣性モーメントＪを持つ積分回路３１２を介してＰＩ制御器３１の入力に負帰還される。そして、積分回路３１２の出力は擬似微分回路３１３を介して積分回路３１２の入力側に負帰還される。この積分回路３１２の出力が速度モデル信号、そして積分回路３１２の入力がトルク基準１となる。

上記の速度モデル信号は、速度制御部３２の内部において外部から与えられる速度補正信号に加算され、この補正された速度モデル信号から上記速度帰還信号が減算され、この偏差をＰＩ制御器３２１でＰＩ制御する。そして、速度帰還信号は擬似微分回路３２２に与えられ、この擬似微分回路３２２の出力はＰＩ制御器３２１の出力から減算され、この減算された出力に前述のトルク基準１が加算され、結果としてベクトル制御器３３の入力となるトルク基準が得られる。

以上の構成における作用効果について以下に説明する。

速度モデル演算器３１の入力は、速度基準と速度モデルの偏差であり、これをＰＩ制御して得られるトルク基準１は、電動機２が加減速に必要なトルク分を表している。そして、このトルク基準１乃至速度モデルは、ＰＩ制御器３１１の出力から速度モデルを擬似微分した量が減算されているので、この擬似微分量だけ信号が遅れ、信号の変化に対するオーバーシュートを抑えられるようになっている。そして、積分回路３１３で使用される慣性モーメントＪとして、電動機２の回転子と負荷の合計の慣性モーメントを使用すれば、速度モデル演算器３１の出力である速度モデルは、擬似微分量だけ信号が遅れた電動機２の推定速度を表すことになる。尚、擬似微分回路とは、高周波域でそのゲインが無限大とはならない所謂不完全微分回路を意味している。

上記の速度モデルに外部から与えられる速度補正信号を加算した補正速度モデルと速度帰還信号との偏差を速度制御器３２内のＰＩ制御器３２１でＰＩ制御し、その出力に上記トルク基準１を加算することによりベクトル制御器３３の入力となるトルク基準を得る。尚、擬似微分回路３２２は、速度モデル演算器３１で用いた擬似微分回路３１２と同様の動作を行い、擬似微分量だけ出力信号が遅れるが、入力信号の変化に対する出力のオーバーシュートを抑制する。

以上のような動作において、擬似微分回路３１３、３２２などの各制御要素の制御パラメータを適切に選定することにより、全体の速度基準に対しては比較的遅い応答で動作し、速度補正に対してはそれよりも速い応答で動作する電力変換装置を実現することができる。尚、図１（ｂ）に示した各制御要素においては、ゲイン定数の図示を省略している。

この電力変換装置を実際のプロセスラインに適用したときのシステム構成図を図２に示す。図２において、プロセスラインを構成するスタンド６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは夫々電動機２Ａ、２Ｂ及び２Ｃによって駆動され、電動機２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、制御部３Ａ、３Ｂ及び３Ｃによって夫々制御されたインバータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃによって駆動されている。プロセスラインの共通の速度基準は制御部３Ａ、３Ｂ及び３Ｃの夫々の速度モデル演算部に与えられ、各スタンド６Ａ、６Ｂ及び６Ｃ固有の速度補正は制御部３Ａ、３Ｂ及び３Ｃの夫々の速度制御器に直接与えられる。

この図２の構成により、速度基準に対しては、速度モデルの制御定数で決まる遅い応答で動作し、速度補正に対しては上記速度モデルの応答遅れをバイパスしたより速い応答で動作するような電力変換装置が実現可能となる。

尚、この図２において、スタンド６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに適用される電力変換装置は全て図１に示した本発明の電力変換装置であるものとしたが、必ずしも全てがそうなっている必要はない。例えば、速度応答の比較的遅い電力変換装置で構成された既設のプロセスラインの特定の一部のスタンドに速い応答の速度補正が必要となったときなどは、その特定の一部のスタンドのみに図１に示した本発明の電力変換装置を適用すれば良い。

以上の本発明の実施例１については、図１に示したように電動機２には速度検出器４が取り付けられ、この速度検出器４の速度帰還信号によって所謂ベクトル制御を行う例を説明したが、速度検出器４が無い場合においても演算によって速度を推定することが可能であり、この場合、所謂センサレスベクトル制御を行うことができるのは明らかである。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図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、速度制御部３２Ａの擬似微分回路３２２の入力に速度モデルを減算する減算器３２３を追加した点である。

図１（ｂ）に示した速度制御部３２の制御特性は、前述したとおり擬似微分回路３２２の制御定数で決まる遅れ要素を有している。従ってこの遅れ要素を、擬似微分回路３２２が持つオーバーシュート抑制の機能を生かした状態で補償するためには、速度モデルを擬似微分回路３２２と同一の制御定数を有する擬似微分回路に与えてその出力を擬似微分回路３２２の出力に加算して補償すれば良い。これは即ち、擬似微分回路３２２の入力側で速度モデルを減算するのと同一となるので、図３に示した結局速度制御部３２Ａを採用することによってこれを実現することが可能となる。

この実施例２によれば、擬似微分回路３２２の制御遅れを補償するようにしたので、加減速時の速度偏差を低減することが可能となる。

図４は本発明の実施例３に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図３の実施例２に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図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、速度制御部３２Ｂにおいて、速度モデルをフィルタ３２４を介して減算器３２３に与えるように構成した点である。

フィルタ３２４は高周波成分をカットするので、このフィルタ３２４を介して上述した擬似微分回路３２２の制御遅れを補償すれば、ノイズ等に対し安定した制御特性を得ることができる。

図５は本発明の実施例４に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図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、速度制御部３２Ｃ内に、速度モデルと速度帰還信号の差を演算する減算器３２５を設け、この減算器３２５の出力をフィルタ３２６を介してトルク基準に加算するように構成した点である。

速度モデルは、機械系の共振による軸振動などを考慮しない理想的な推定速度を表しており、この速度モデルと実際の速度帰還信号との偏差によってトルク基準を補正するようにすれば、機械系の共振による振動などを抑制するように動作する。尚、フィルタ３２６によって高調波分を除去し、制御の安定化を図っている。

図６は本発明の実施例５に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図５の実施例４に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図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５が実施例４と異なる点は、速度制御部３２Ｄ内のフィルタ３２６の入力部に微分回路３２７を設ける構成とした点である。

この実施例５によれば、微分回路３２７の効果により、軸振動に対する応答を速くしてより強力に機械系の共振による振動などを抑制することが可能になる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。 実施例１の電力変換装置を実際のプロセスラインに適用したときのシステム構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図。 本発明の実施例５に係る電力変換装置の速度モデル演算部及び速度制御部のブロック構成図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ インバータ
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 電動機
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 制御部
４ 速度センサ
５ 電流検出器
６ 電流制御器
３１ 速度モデル演算器
３１１ ＰＩ制御器
３１２ 擬似微分回路
３１３ 積分器
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ 速度制御部
３２１ ＰＩ制御器
３２２ 擬似微分回路
３２３ 減算器
３２４ フィルタ
３２５ 減算器
３２６ フィルタ
３２７ 微分回路
３３ ベクトル演算器
３４ ３相−２相電流変換器
３５ トルク電流制御器
３６ 磁束電流制御器
３７ ３相電圧基準変換器
３８ ＰＷＭ制御回路
３９ すべり演算器
４０ 積分器

Claims (7)

1. 直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
   から構成され、
   前記制御部は、
   外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、
   前記速度モデルと外部から与えられる速度補正指令と前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、
   前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御またはセンサレスベクトル制御手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記速度制御部は、
   前記速度モデルと前記速度補正指令との加算値と、前記速度帰還信号の偏差をＰＩ制御器でＰＩ制御し、
   前記ＰＩ制御器の出力から、前記速度帰還信号を入力とした擬似微分回路の出力を減算してその出力を得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。
3. 前記速度制御部は、
   前記速度モデルと前記速度補正指令との加算値と、前記速度帰還信号の偏差をＰＩ制御器でＰＩ制御し、
   前記ＰＩ制御器の出力から、前記速度帰還信号と前記速度モデルの偏差を入力とした擬似微分回路の出力を減算してその出力を得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. 前記速度制御部は、
   前記速度基準と前記速度補正指令との加算値と、前記速度帰還信号の偏差をＰＩ制御器でＰＩ制御し、
   前記ＰＩ制御器の出力から、前記速度帰還信号と前記速度モデルをフィルタ処理した信号の偏差を入力とした擬似微分回路の出力を減算してその出力を得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。
5. 前記速度モデルと前記速度帰還信号の偏差を入力とするフィルタ回路の出力を前記速度制御部の出力に加算するようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記フィルタ回路の入力に微分回路を設けたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記速度モデル演算部は、
   前記速度基準と前記速度モデルとの偏差をＰＩ制御器でＰＩ制御し、
   前記ＰＩ制御器の出力から、前記速度モデルを入力とした擬似微分回路の出力を減算して加減速用トルク基準を得、
   前記速度モデルは、前記加減速用トルク基準に前記電動機及びその負荷の慣性モーメントを有する積分回路を乗算して得るようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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