JP5306268B2 - Power converter and control method of power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換技術に係り、特に、電力変換器の入力側に設けた入力側変圧器に生じる偏磁を抑制することのできる電力変換装置および電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power conversion technique, and more particularly, to a power conversion device and a power conversion method capable of suppressing a bias magnetism generated in an input-side transformer provided on the input side of the power converter.
従来の偏磁抑制装置として特許文献1が知られている。この文献に開示される装置では、変換器交流出力電圧中の直流成分を検出する電圧検出回路、変換器と接続される変圧器2次電流の微分値の極性を検出する電流検出回路、およびこれらで検出した値に応じて変換器交流出力電圧の直流成分の補正ゲインを可変する制御回路を備える。 Patent Document 1 is known as a conventional bias suppression device. In the apparatus disclosed in this document, a voltage detection circuit for detecting a DC component in a converter AC output voltage, a current detection circuit for detecting the polarity of a differential value of a transformer secondary current connected to the converter, and these And a control circuit that varies the correction gain of the DC component of the converter AC output voltage in accordance with the value detected in.
この装置では、検出回路により得られた直流電圧成分および変圧器2次電流より、変圧器2次電流の微分値を演算する。この2次電流微分値を元に補正ゲイン可変手段を用いて補正ゲインを変化させ、変化させた補正ゲインを直流電圧の検出値に乗じることで電圧補正値を得る。変換器の出力電圧指令値は前記電圧補正値により補正され、通常の交流電圧指令に直流成分が重畳した波形となる。このため、この出力電圧波形によって変圧器の偏磁を抑制することが可能となる。この装置では、電流の微分値を演算して制御に用いることで、補正によって過電流となることなく瞬時に偏磁現象を抑制可能である。 In this device, the differential value of the transformer secondary current is calculated from the DC voltage component obtained by the detection circuit and the transformer secondary current. Based on this secondary current differential value, the correction gain is changed by using the correction gain variable means, and the voltage correction value is obtained by multiplying the detected value of the DC voltage by the changed correction gain. The output voltage command value of the converter is corrected by the voltage correction value, and becomes a waveform in which a DC component is superimposed on a normal AC voltage command. For this reason, it becomes possible to suppress the magnetism of the transformer by this output voltage waveform. In this apparatus, by calculating the differential value of the current and using it for the control, the demagnetization phenomenon can be instantaneously suppressed without being overcurrent by the correction.
交流電源に接続された変圧器と、前記変圧器と接続され、前記交流電源の電力を可変電圧可変周波数の電力に変換する電力変換装置において、交流を直流に変換し、そして直流を可変周波数の交流に変換する電力変換器の直流回路に流れる直流電流は、電力変換器の出力周波数のN倍の周波数で変動する。 A transformer connected to an AC power source; and a power converter connected to the transformer for converting the power of the AC power source into a variable voltage variable frequency power. The direct current flowing in the direct current circuit of the power converter that converts to alternating current fluctuates at a frequency N times the output frequency of the power converter.
前記変圧器の電源周波数と前記直流電流の変動周波数が一致する条件では、変圧器の2次巻線に直流分が流れ、この直流分により変圧器の磁束が偏る偏磁現象が生じる。変圧器に偏磁現象が生じると過渡的に大きな励磁電流が流れる。このため、高調波電流の増加、過電流に伴う変圧器の過熱等の問題が生じる。 Under the condition where the power supply frequency of the transformer and the fluctuation frequency of the direct current coincide with each other, a direct current component flows in the secondary winding of the transformer, and this direct current component causes a demagnetization phenomenon in which the magnetic flux of the transformer is biased. When the magnetism phenomenon occurs in the transformer, a large excitation current flows transiently. For this reason, problems such as an increase in harmonic current and overheating of the transformer due to overcurrent occur.
この対策としては一般的に、変換器に検出器を追加することで変圧器の偏磁現象を検出し、その検出値から変換器の出力電圧に対して偏磁抑制制御を行う方式、あるいは別電源から偏磁を解消する直流電圧を印加することで偏磁現象を抑制又は解消する方式が知られている。しかしこららの方式では、変換器を構成する部品の点数が増加し、変換器の容積や費用が増加する。 As a countermeasure, in general, a transformer is detected by adding a detector to the converter, and the magnetism suppression control is performed on the output voltage of the converter from the detected value, or another method. There has been known a method for suppressing or eliminating a magnetic demagnetization phenomenon by applying a DC voltage from the power source to eliminate the magnetic demagnetization. However, in these systems, the number of parts constituting the converter increases, and the volume and cost of the converter increase.
また、変圧器の鉄心に空隙を入れて偏磁耐量を増加させること、あるいは鉄心断面積を大きくして磁束密度を低くすることで自己平衡作用により偏磁を防止することも行われている。しかし、この方式は、変圧器の外形寸法、重量、費用が大となる。また標準品を使用することができなくなる。 In addition, it is also possible to prevent the magnetization by self-equilibrium action by increasing the resistance to demagnetization by inserting a gap in the iron core of the transformer or by increasing the cross-sectional area of the iron core to reduce the magnetic flux density. However, this method increases the external dimensions, weight, and cost of the transformer. Also, standard products cannot be used.
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、検出器、あるいは変圧器に偏磁仕様を追加することなく、偏磁現象を抑制可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and provides a power conversion device and a control method for the power conversion device that can suppress a magnetic demagnetization phenomenon without adding a demagnetization specification to a detector or a transformer. It is to provide.
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
主変圧器、該主変圧器に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する順変換器、および該順変換器に接続されて前記直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する逆変換器を備えた電力変換装置と、出力電圧指令を生成する電圧指令生成器、および該生成器が生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記変換器の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、該制御装置は、前記電力変換器の交流出力の位相をシフトさせる位相シフト信号を生成する位相シフト演算器と、前記変換器の出力が所定の周波数範囲にあることを検出するシフト条件判定器と、シフト条件判定器が、前記電力変換器の出力が所定の範囲内にあることを検出したとき、前記位相シフト演算器の出力を前記電圧指令生成器に供給して、前記電力変換器の出力位相をシフトさせる。 A main transformer, a forward converter connected to the main transformer for converting an AC power supply voltage into a DC voltage, and an inverse converter connected to the forward converter for converting the DC voltage into an AC voltage and supplying the load to a load A power conversion device including a voltage generator, a voltage command generator that generates an output voltage command, and an output voltage command generated by the generator to a pulse generator that controls a switching element included in the power conversion device. A control device that controls an output voltage and an output frequency of the converter, the control device generating a phase shift signal that shifts a phase of an AC output of the power converter; A shift condition determiner that detects that the output is within a predetermined frequency range, and the phase shift calculation when the shift condition determiner detects that the output of the power converter is within a predetermined range. The output of is supplied to the voltage command generator shifts the output phase of the power converter.
本発明は、以上の構成を備えるため、検出器あるいは変圧器に偏磁防止のための仕様を追加することなく、偏磁現象を抑制可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することができる。 The present invention has the above-described configuration, and therefore provides a power conversion device and a control method for the power conversion device that can suppress a magnetic demagnetization phenomenon without adding specifications for preventing magnetic demagnetization to a detector or a transformer. be able to.
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[実施形態1]
図1は、本実施形態にかかる電力変換装置の全体構成を示す図である。図1において、1は交流電源、2は前記交流電源1の電圧を電力変換器の入力電圧に変換する変圧器、3は前記変圧器2から出力される電力を所望の電力に変換する電力変換器、4は前記電力変換器が出力する電力で駆動される交流電動機である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a power conversion device according to the present embodiment. In FIG. 1, 1 is an AC power source, 2 is a transformer that converts the voltage of the AC power source 1 into an input voltage of a power converter, and 3 is a power converter that converts power output from the transformer 2 into desired power. And 4 are AC motors driven by the power output from the power converter.
5は前記交流電動機4の出力トルクあるいは速度が所望の特性を満たすように前記電力変換器3を操作する電力変換器制御装置である。6は電流検出器であり、前記電力変換器3の出力電流を検出し出力する。7は速度検出器であり、前記交流電動機4の速度を検出し出力する。 Reference numeral 5 denotes a power converter control device that operates the power converter 3 so that the output torque or speed of the AC motor 4 satisfies desired characteristics. Reference numeral 6 denotes a current detector that detects and outputs the output current of the power converter 3. Reference numeral 7 denotes a speed detector which detects and outputs the speed of the AC motor 4.
前記電流検出器6および速度検出器7の出力信号は、電力変換器制御装置5に入力され、電力変換器制御装置5は、各種演算処理を行い前記電力変換器3を操作する信号を出力する。 Output signals of the current detector 6 and the speed detector 7 are input to a power converter control device 5, and the power converter control device 5 performs various arithmetic processes and outputs a signal for operating the power converter 3. .
次に、電力変換器制御装置5の動作について説明する。先ず、電力変換器制御装置5では、速度指令発生器51から出力される速度指令値ωrrefと速度検出器7から出力される速度検出値ωrとの偏差が速度制御器52に入力され、速度制御器52では速度検出値が速度指令値に一致するようにトルク電流指令値Iqrefを演算し、出力する。 Next, the operation of the power converter control device 5 will be described. First, in the power converter control device 5, the deviation between the speed command value ωrref output from the speed command generator 51 and the speed detection value ωr output from the speed detector 7 is input to the speed controller 52, and the speed control is performed. The instrument 52 calculates and outputs the torque current command value Iqref so that the speed detection value matches the speed command value.
電流座標変換器53には、電流検出器6から出力される3相交流電流検出値と位相演算器54から出力される位相θが入力され、電流座標変換器53では、位相θを用いて前記3相交流電流検出値から直流電流検出値である励磁電流検出値Idとトルク電流検出値Iqを演算し、出力する。 The current coordinate converter 53 receives the three-phase AC current detection value output from the current detector 6 and the phase θ output from the phase calculator 54. The current coordinate converter 53 uses the phase θ to An excitation current detection value Id and a torque current detection value Iq, which are DC current detection values, are calculated from the three-phase AC current detection values and output.
速度制御器52で演算されたトルク電流指令値Iqrefと電流座標変換器53から出力されるトルク電流検出値Iqとの偏差はトルク電流制御器55に入力され、トルク電流制御器55ではトルク電流検出値Iqがトルク電流指令値Iqrefに一致するようにq軸電圧指令値Vqを演算し、出力する。 The deviation between the torque current command value Iqref calculated by the speed controller 52 and the torque current detection value Iq output from the current coordinate converter 53 is input to the torque current controller 55, and the torque current controller 55 detects the torque current. The q-axis voltage command value Vq is calculated and output so that the value Iq matches the torque current command value Iqref.
励磁電流指令設定器56から出力される励磁電流指令値Idrefと電流座標変換器53から出力される励磁電流検出値Idとの偏差は励磁電流制御器57に入力され、励磁電流制御器57では励磁電流検出値Idが励磁電流指令値Idrefに一致するようにd軸電圧指令値Vdを演算し、出力する。 The deviation between the excitation current command value Idref output from the excitation current command setter 56 and the excitation current detection value Id output from the current coordinate converter 53 is input to the excitation current controller 57, and the excitation current controller 57 The d-axis voltage command value Vd is calculated and output so that the current detection value Id matches the excitation current command value Idref.
トルク電流制御器55から出力されるq軸電圧指令値Vqと励磁電流制御器57から出力されるd軸電圧指令値Vdと位相演算器54から出力される位相θは電圧座標変換器58に入力され、電圧座標変換器58では、位相θを用いてd軸電圧指令値Vdとq軸電圧指令値Vqから3相交流電圧指令値を演算し、出力する。 The q-axis voltage command value Vq output from the torque current controller 55, the d-axis voltage command value Vd output from the excitation current controller 57, and the phase θ output from the phase calculator 54 are input to the voltage coordinate converter 58. Then, the voltage coordinate converter 58 calculates and outputs a three-phase AC voltage command value from the d-axis voltage command value Vd and the q-axis voltage command value Vq using the phase θ.
一方、速度検出器7から出力される速度検出値ωrと電流座標変換器53から出力されるトルク電流検出値は周波数演算器59に入力される。周波数演算器59は、例えば負荷として誘導電動機を用いる場合は、速度検出器ωrに電動機負荷に応じたすべり周波数ωsを加算して周波数指令ω1を演算し、出力する。 On the other hand, the speed detection value ωr output from the speed detector 7 and the torque current detection value output from the current coordinate converter 53 are input to the frequency calculator 59. For example, when an induction motor is used as a load, the frequency calculator 59 adds the slip frequency ωs corresponding to the motor load to the speed detector ωr to calculate and output the frequency command ω1.
周波数演算器59で演算した周波数指令ω1は位相演算器54に入力され、位相演算器54では周波数指令ω1を積分して位相θを演算し、出力する。 The frequency command ω1 calculated by the frequency calculator 59 is input to the phase calculator 54. The phase calculator 54 integrates the frequency command ω1 to calculate the phase θ and outputs it.
そして、電圧座標変換器58が出力する前記3相交流電圧指令値はパルス生成器60に入力され、パルス生成器60では、電力変換器3の出力電圧が3相交流出力電圧指令値に一致するように電力変換器3のスイッチング素子をオン・オフするパルス信号を演算し出力する。 The three-phase AC voltage command value output from the voltage coordinate converter 58 is input to the pulse generator 60. In the pulse generator 60, the output voltage of the power converter 3 matches the three-phase AC output voltage command value. Thus, a pulse signal for turning on / off the switching element of the power converter 3 is calculated and output.
以上説明したように、電力変換器は交流電動機4の出力トルクあるいは速度が所望の特性となるように、出力する交流電圧を制御する。 As described above, the power converter controls the output AC voltage so that the output torque or speed of the AC motor 4 has desired characteristics.
図5は、入力変圧器における偏磁現象について説明する図である。図5は電力変換器3として、単相インバータを直列に接続して多レベルの出力電圧を出力するようにしたマルチレベルインバータを用いた例を示したものである。 FIG. 5 is a diagram for explaining the demagnetization phenomenon in the input transformer. FIG. 5 shows an example in which a multi-level inverter in which single-phase inverters are connected in series to output a multi-level output voltage is used as the power converter 3.
図5において、1は交流電源、2は変圧器、3は複数の単相セルインバータ10を直列に接続した電力変換器であり、変圧器2より出力される交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換する。4は前記電力変換器3が出力する電力で駆動される交流電動機である。電力変換器3内の各単相セルインバータ10は、交流電圧を順変換器11で直流電圧に変換し、変換された直流電圧を平滑コンデンサ12で平滑し、逆変換器13でパルス幅変調(PWM)した交流電圧を出力する。 In FIG. 5, 1 is an AC power source, 2 is a transformer, 3 is a power converter in which a plurality of single-phase cell inverters 10 are connected in series, and AC power output from the transformer 2 is converted to AC with variable voltage and variable frequency. Convert to electricity. Reference numeral 4 denotes an AC motor driven by the power output from the power converter 3. Each single-phase cell inverter 10 in the power converter 3 converts the AC voltage into a DC voltage by the forward converter 11, smoothes the converted DC voltage by the smoothing capacitor 12, and performs pulse width modulation ( PWM) AC voltage is output.
各セルインバータ10の出力、すなわちU相セルユニット14u、V相セルユニット14v、W相セルユニット14wの出力は各ユニット内で足し合わされ、3相交流電圧として交流電動機4に出力される。なお、各相のセルユニットには、各相に対応するU相変圧器21u、V相変圧器21v、W相変圧器21wが接続され、前記交流電源1の電圧を電力変換器の入力電圧に変換する。また、電流検出器6、速度検出器7の出力信号は、電力変換器制御装置5に入力され、電力変換器制御装置5は、各種演算処理を行い、前記電力変換器3を操作する信号を出力する。電力変換器制御装置5の主要動作については前述したとおりである。 The outputs of the cell inverters 10, that is, the outputs of the U-phase cell unit 14u, the V-phase cell unit 14v, and the W-phase cell unit 14w are added together in each unit and output to the AC motor 4 as a three-phase AC voltage. Each phase cell unit is connected to a U-phase transformer 21u, a V-phase transformer 21v, and a W-phase transformer 21w corresponding to each phase, and the voltage of the AC power supply 1 is used as the input voltage of the power converter. Convert. The output signals of the current detector 6 and the speed detector 7 are input to the power converter control device 5, and the power converter control device 5 performs various arithmetic processes and outputs signals for operating the power converter 3. Output. The main operation of the power converter control device 5 is as described above.
ここで、単相インバータを用いた場合、単相インバータの電動機1相分のパワーPdcは(1)式で表される。(1)式の第2項に示されるように、1相分のパワーPdcは電力変換器の出力周波数ω1の2倍周波数で大きく変動する。ここに、(1)式中のφは電動機の力率角である。
このため、単相セルインバータの直流回路には前記パワーPdcに比例した直流電流が流れ、パワーPdcと同じく、電力変換器の出力周波数の2倍周波数で変動する。 For this reason, a direct current proportional to the power Pdc flows through the direct current circuit of the single-phase cell inverter, and, like the power Pdc, fluctuates at twice the output frequency of the power converter.
図6は、前記直流回路のパワー変動周波数が電源周波数と一致する条件、例えば電源が50Hzの場合、電力変換器の出力周波数が25Hzで運転した場合における、電力変換器および変圧器に流れる電流・電圧および磁束を示す図である。なお、それぞれ3相分あるが1相分のみ表示する。 FIG. 6 shows the current flowing through the power converter and the transformer when the power fluctuation frequency of the DC circuit matches the power supply frequency, for example, when the power supply is 50 Hz and the output frequency of the power converter is operated at 25 Hz. It is a figure which shows a voltage and magnetic flux. Although there are three phases, only one phase is displayed.
図6(a)に示す変換器出力電圧指令、および図6(b)に示す変換器出力電流の出力周波数が25Hzの場合、図6(c)に示す単相インバータの直流回路に流れる直流電流は2倍の50Hzで変動する。電源周波数50Hzと一致する条件では、図6(d)に示すように変圧器の2次側電流が片側に偏り直流成分が含まれる。このように直流電流成分が流れ場合には、図6(e)に示すように変圧器の磁束が偏る偏磁現象が生じる、偏磁現象がが生じた場合には、過渡的に過大な励磁電流が流れ、高調波の増加、変圧器の騒音(うなり)の増加、損失増加による熱的な問題を引起こすことがある。 When the converter output voltage command shown in FIG. 6 (a) and the output frequency of the converter output current shown in FIG. 6 (b) are 25 Hz, the direct current flowing in the DC circuit of the single-phase inverter shown in FIG. 6 (c) Fluctuates at twice 50 Hz. Under the condition that coincides with the power supply frequency of 50 Hz, as shown in FIG. 6D, the secondary current of the transformer is biased on one side and a DC component is included. When a DC current component flows in this way, as shown in FIG. 6E, a demagnetization phenomenon in which the magnetic flux of the transformer is deviated occurs. When the demagnetization phenomenon occurs, transiently excessive excitation is caused. Current may flow, causing higher harmonics, increased transformer noise (beats), and thermal problems due to increased losses.
図7は、図6(d)に示す変圧器の2次側電流に流れる直流成分の大きさと、変換器出力電圧の位相との関係を示す図である。なお、図7ではU、V、Wの3相分を表示する。 図7に示すように、直流電流の大きさおよび極性は変換器出力の位相により変化する。またU、V、W相で変化する位相が異なる。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the magnitude of the DC component flowing in the secondary current of the transformer shown in FIG. 6D and the phase of the converter output voltage. In FIG. 7, three phases U, V, and W are displayed. As shown in FIG. 7, the magnitude and polarity of the direct current vary with the phase of the converter output. Moreover, the phase which changes with U, V, and W phases differs.
本発明は、この特性に着目し、U,V,Wの全ての相の直流電流量が正側と負側で相殺し平均的に零となるように、出力の位相を+90度と−90度の範囲内においてシフトすることにより直流偏磁を防止するものである。 The present invention pays attention to this characteristic, and the phase of the output is +90 degrees and −90 degrees so that the DC current amounts of all phases U, V, and W cancel each other on the positive side and the negative side and become zero on average. The DC bias is prevented by shifting within the range.
図1は、本実施形態に係る電力変換器の制御動作を説明する図である。図7に示すように変圧器の2次側に流れる直流電流量を平均的に零とするには、変換器の出力位相を+90度と−90度の間でシフトすればよい。 FIG. 1 is a diagram illustrating a control operation of the power converter according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, in order to average the amount of direct current flowing on the secondary side of the transformer to zero, the output phase of the converter may be shifted between +90 degrees and -90 degrees.
そこで、図1に示すように、位相シフト演算器100と位相シフト条件判定器101と位相シフト切換器102を設置する。位相シフト演算器は+90度と−90度の間を設定した周期で時間に比例して変化する位相シフト量Δθを演算し、出力する。 Therefore, as shown in FIG. 1, a phase shift computing unit 100, a phase shift condition determining unit 101, and a phase shift switching unit 102 are installed. The phase shift calculator calculates and outputs a phase shift amount Δθ that changes in proportion to time in a cycle set between +90 degrees and −90 degrees.
位相シフト条件判定器101は出力周波数指令ω1を入力し、偏磁が生じる出力周波数を中心として設定したバンド幅内に出力周波数指令が入ったとき位相シフト条件成立の判定フラグを出力する。出力された判定フラグは位相シフト切換器102に入力され、位相シフト切換器102は、前記判定フラグに基づき、位相シフト演算器100から出力される位相シフト量Δθを位相シフト量Δθ=0に換えて出力する。位相シフト切換器102の出力は位相演算器54の出力位相θに加算され、加算後のθ+Δθが電流座標変換器53と電圧座標変換器58に入力され、各座標変換器は直流電流検出値Id,Iqと交流電圧指令を演算し、出力する。 The phase shift condition determiner 101 receives the output frequency command ω1, and outputs a determination flag indicating that the phase shift condition is satisfied when the output frequency command is within the bandwidth set around the output frequency at which the demagnetization occurs. The output determination flag is input to the phase shift switch 102, and the phase shift switch 102 changes the phase shift amount Δθ output from the phase shift calculator 100 to the phase shift amount Δθ = 0 based on the determination flag. Output. The output of the phase shift switch 102 is added to the output phase θ of the phase calculator 54, and θ + Δθ after the addition is input to the current coordinate converter 53 and the voltage coordinate converter 58, and each coordinate converter has a DC current detection value Id. , Iq and AC voltage command are calculated and output.
このように電力変換器の出力位相をシフトすることで、偏磁が生じる運転状態においても、変圧器の2次側に流れる直流電流成分を相殺して平均的に零とすることができる。このため、電源と電力変換器の間に変圧器を設置し、電動機を可変速駆動する電力変換器において、特定周波数での運転時に生じる入力側変圧器の偏磁現象に対して、変圧器に偏磁耐量を増加させるための特別の対策を施すことなく、また偏磁を抑制するための検出器を追加することなく、変圧器の偏磁現象を抑制することができる。 By shifting the output phase of the power converter in this way, the DC current component flowing on the secondary side of the transformer can be canceled out and averaged to zero even in the operating state in which the bias is generated. For this reason, in a power converter that installs a transformer between the power source and the power converter and drives the motor at a variable speed, the transformer is designed to prevent the input side transformer from being demagnetized during operation at a specific frequency. The magnetic demagnetization phenomenon of the transformer can be suppressed without taking any special measures for increasing the magnetic demagnetization tolerance and without adding a detector for suppressing the magnetic demagnetization.
[実施形態2]
図2は、他の実施形態を示す図である。この例では、位相シフトによる電動機トルクの変動(急変)を抑制するために、位相シフト量の変化パターンを図1とは変更している。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment. In this example, the change pattern of the phase shift amount is changed from that in FIG. 1 in order to suppress the fluctuation (rapid change) of the motor torque due to the phase shift.
位相シフトパターンにおいて、Δθが増加から減少に転じるポイント、またはΔθが減少から増加に転じるポイントでは位相変化が急激に生じるため、電動機トルクに変動が生じる。この変動量を抑制するには、位相シフトパターンの急変を緩和させればよい。その一つの方法としては一次遅れなどのフィルタを付加することが考えられる。 In the phase shift pattern, the phase change occurs abruptly at the point where Δθ turns from increasing to decreasing, or at the point where Δθ turns from decreasing to increasing, so that the motor torque fluctuates. In order to suppress this fluctuation amount, it is only necessary to mitigate sudden changes in the phase shift pattern. One method is to add a filter such as a first-order lag.
しかし、図7に示したように位相シフトにより直流電流量を正側と負側で相殺するためには、+90度と−90度の範囲で位相がシフトするパターンに近づけることが必要であり、このためのフィルタ時定数やシフト幅の設定は煩雑となってしまう。そこで、位相と周波数の関係に着目し、次のように位相シフトパターンを演算して生成する。 However, as shown in FIG. 7, in order to cancel the DC current amount between the positive side and the negative side by the phase shift, it is necessary to approximate the pattern in which the phase shifts in the range of +90 degrees and −90 degrees. Therefore, setting the filter time constant and the shift width is complicated. Therefore, paying attention to the relationship between the phase and the frequency, the phase shift pattern is calculated and generated as follows.
すなわち、位相は周波数の積分で表されるので、理想の位相シフトパターンθと周波数fの関係は図8(a)となる。すなわち、位相シフトの急変を防止することは、正側から負側および負側から正側への周波数変化にレートリミッタなどで変化率制限を加えることと等価となる。但し、周波数の変化率に制限をつけただけでは、+90度と−90度間での位相シフトとならないため、図8(a)に示す周波数の積分値の面積S1と図8(b)に示す周波数の積分値S2が一致するように、変化率制限量に応じて周波数の変化幅を変更(増大)するとよい。 That is, since the phase is represented by the integration of the frequency, the relationship between the ideal phase shift pattern θ and the frequency f is as shown in FIG. That is, preventing a sudden change in phase shift is equivalent to limiting the rate of change with a rate limiter or the like to frequency changes from the positive side to the negative side and from the negative side to the positive side. However, only by limiting the frequency change rate, a phase shift between +90 degrees and -90 degrees does not occur. Therefore, the area S1 of the integral value of the frequency shown in FIG. 8A and FIG. It is preferable to change (increase) the change width of the frequency according to the change rate limit amount so that the integral value S2 of the frequency shown matches.
次に、偏磁を抑制するために用いる図8(b)に示す周波数パターンの生成について説明する。シフト周期Tと周波数の変化幅Δh1ω1の関係は、位相シフト幅が90度(π/2)であることから(2)式で表される。また、許容できるトルク変動量Δτは、許容できる速度変化dωr/dtを周波数変化dω1/dtで近似し、電動機を含む機械系のイナーシャJを用いると変化率制限値βは(3)式で表される。
ここで、シフト周期Tは偏磁抑制の観点から、偏磁が生じる時定数より小さくすることが望ましい。一方、許容できるトルク変動量Δτから決まる周波数の変化率制限の範囲がシフト周期Tの大半を占めると、時間に比例して増減させる理想パターンからのずれが大きくなるため、正側と負側の相殺効果が劣化する。 Here, it is desirable that the shift period T be smaller than the time constant at which the demagnetization occurs from the viewpoint of suppressing the demagnetization. On the other hand, if the frequency change rate limit range determined by the allowable torque fluctuation amount Δτ occupies most of the shift cycle T, the deviation from the ideal pattern that increases or decreases in proportion to time increases. The offset effect is degraded.
従って、許容できるトルク変動量Δτから決まる変化率制限βにより定まる図8(b)に示すΔTのシフト周期Tに占める割合αを、α=ΔT/Tと定義し、図8(a)と(b)の周波数の面積が一致する条件から、図8(b)の周波数変化幅Δhω1を求めると(4)式で表される(トルク変動を考慮した時の増分をΔh2ω1とする)。
そして、(4)式で得られたΔhω1とΔTから演算される周波数変化率と(2)式よりΔTは(5)式で表される。
図2は、以上の関係を前提にして、本実施形態における電力変換装置の制御動作を説明する図である。この例においては、位相シフトパラメータ演算器200、周波数シフト演算器201、および積分器202を設置する。 FIG. 2 is a diagram for explaining the control operation of the power conversion device according to the present embodiment based on the above relationship. In this example, a phase shift parameter calculator 200, a frequency shift calculator 201, and an integrator 202 are installed.
位相シフトパラメータ演算器200は、トルク変動許容値設定器203からの設定値Δτとシフト周期割合設定器204からの割合率αが入力される。 The phase shift parameter calculator 200 receives the set value Δτ from the torque fluctuation allowable value setter 203 and the ratio rate α from the shift cycle ratio setter 204.
位相シフトパラメータ演算器200では、トルク変動量許容値Δτと電動機を含む機械系のイナーシャJより周波数変化率βを(3)式で演算し、周波数変化率βと割合αよりΔTを(5)式で演算し、次にΔTと割合率αより、周波数変化幅Δhω1を(4)式で演算し、そして、ΔTと割合率αより、シフト周期TをT=ΔT/αで演算し、出力する。 周波数シフト演算器201には、演算した周波数変化率β、シフト周期TとΔT、周波数変化幅Δhω1が入力され、入力されたパラメータを用いて得られる周波数シフトパターンより周波数シフト量Δω1を演算し、出力する。 In the phase shift parameter calculator 200, the frequency change rate β is calculated by the equation (3) from the torque fluctuation allowable value Δτ and the inertia J of the mechanical system including the motor, and ΔT is calculated from the frequency change rate β and the ratio α as (5). Next, the frequency change width Δhω1 is calculated from the equation (4) from ΔT and the rate α, and the shift period T is calculated from ΔT and the rate α by T = ΔT / α. To do. The frequency shift calculator 201 receives the calculated frequency change rate β, the shift periods T and ΔT, and the frequency change width Δhω1, and calculates the frequency shift amount Δω1 from the frequency shift pattern obtained using the input parameters. Output.
演算された周波数シフト量Δω1は、積分器202に入力され、積分器202では周波数シフト量を積分して、位相シフト量Δθを演算し、出力する。位相シフト条件判定器101には出力周波数指令ω1が入力され、偏磁が生じる出力周波数を中心とした設定したバンド幅内に出力周波数指令が入ったとき位相シフト条件成立の判定フラグを出力する。出力された判定フラグは位相シフト切換器102に入力され、位相シフト切換器では、判定フラグに基づき、積分器202から出力される位相シフト量Δθと位相シフト量Δθ=0を切換えて出力する。位相シフト切換器102の出力は位相演算器54の出力位相θに加算され、加算後のθ+Δθが電流座標変換器53と電圧座標変換器58に入力され、各座標変換器により直流電流検出値Id,Iqと交流電圧指令を演算し、出力する。 The calculated frequency shift amount Δω1 is input to the integrator 202, and the integrator 202 integrates the frequency shift amount to calculate and output the phase shift amount Δθ. The output frequency command ω1 is input to the phase shift condition determiner 101, and when the output frequency command enters within the set bandwidth centered on the output frequency at which the demagnetization occurs, a determination flag for establishment of the phase shift condition is output. The output determination flag is input to the phase shift switch 102. The phase shift switch switches between the phase shift amount Δθ and the phase shift amount Δθ = 0 output from the integrator 202 based on the determination flag and outputs them. The output of the phase shift switch 102 is added to the output phase θ of the phase calculator 54, and θ + Δθ after the addition is input to the current coordinate converter 53 and the voltage coordinate converter 58, and the DC current detection value Id is input by each coordinate converter. , Iq and AC voltage command are calculated and output.
図9は、図6と同じ条件において、本発明を適用して電力変換器の出力位相をシフトさせた場合の波形を示したものであり、本発明の適用により、変圧器の偏磁が生じる条件においても偏磁現象は抑制されている。 FIG. 9 shows a waveform when the output phase of the power converter is shifted by applying the present invention under the same conditions as in FIG. 6. By applying the present invention, the transformer is demagnetized. Even in the conditions, the demagnetization phenomenon is suppressed.
このように、本実施形態によれば、位相シフトによるトルク変動を許容範囲に抑制しつつ、変圧器の偏磁現象を抑制できる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to suppress the magnetism phenomenon of the transformer while suppressing the torque fluctuation due to the phase shift within the allowable range.
[実施形態3]
図3は、本発明装置の更に他の実施形態を説明する図である。トルク変動許容値演算器205を設置し、負荷状態に応じて許容できるトルク変動量Δτを増減させる点で図2の例とは異なる。
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a view for explaining still another embodiment of the apparatus of the present invention. 2 is different from the example of FIG. 2 in that a torque fluctuation allowable value calculator 205 is installed to increase or decrease the allowable torque fluctuation amount Δτ according to the load state.
実施形態2では許容できるトルク変動量を固定値で与えていたが、運転状態によりトルク変動量の許容値は変化する場合がある。例えば、順変換器が図5に示すようなダイオード整流器で構成される場合において、位相シフトによるトルク変動が負側に大きくなると、回生状態となり直流電圧が増加し過電圧保護装置が動作したり、過電圧によりスイッチング素子が破損することがある。 In the second embodiment, the allowable torque fluctuation amount is given as a fixed value. However, the allowable torque fluctuation amount may vary depending on the operation state. For example, in the case where the forward converter is configured with a diode rectifier as shown in FIG. 5, when the torque fluctuation due to the phase shift increases to the negative side, the regenerative state occurs, the DC voltage increases, the overvoltage protection device operates, As a result, the switching element may be damaged.
特に負荷が小さい場合には位相シフトによる回生が生じやすくなる。そこで、負荷状態に応じて許容できるトルク変動量Δτを増減させる。 In particular, when the load is small, regeneration due to phase shift tends to occur. Therefore, the allowable torque fluctuation amount Δτ is increased or decreased according to the load state.
図3は、以上の関係を前提にして、本発明の第3の実施形態を説明する図である。図3に示すように、トルク変動許容値演算器205を設置する。トルク変動許容値演算器205にはトルク電流が入力され、トルク変動許容値演算器205は、入力されたトルク電流の大きさにより許容トルク変動量を演算し、出力する。具体的には、トルク電流が負側に振れないように現在のトルク電流にマージンをとりトルク変動許容値を演算する。なお、磁束は一定であると仮定して、トルク[%]≒トルク電流[%]としているが、界磁弱めを行う場合は磁束の弱め比率を係数として乗算すればよい。演算された許容トルク変動量Δτは、位相シフトパラメータ演算器200に、シフト周期割合設定器204からの割合率と共に入力され、以降は実施形態2で説明した制御動作を行う。 FIG. 3 is a diagram for explaining the third embodiment of the present invention on the assumption of the above relationship. As shown in FIG. 3, a torque fluctuation allowable value calculator 205 is installed. Torque fluctuation allowable value calculator 205 receives a torque current, and torque fluctuation allowable value calculator 205 calculates and outputs an allowable torque fluctuation amount based on the magnitude of the input torque current. Specifically, a torque fluctuation allowable value is calculated by taking a margin for the current torque current so that the torque current does not swing to the negative side. Note that torque [%] ≈torque current [%] assuming that the magnetic flux is constant. However, when field weakening is performed, the magnetic flux weakening ratio may be multiplied as a coefficient. The calculated allowable torque fluctuation amount Δτ is input to the phase shift parameter calculator 200 together with the ratio rate from the shift cycle ratio setter 204, and thereafter the control operation described in the second embodiment is performed.
本実施形態によれば、電動機の運転状態(負荷状態)に応じて位相シフトによるトルク変動の許容範囲を可変するため、システムの不具合(例えば回生による過電圧など)を防止しつつ、変圧器の偏磁現象を抑制することができる。 According to the present embodiment, the allowable range of torque fluctuation due to phase shift is varied according to the operating state (load state) of the motor, so that the malfunction of the transformer (for example, overvoltage due to regeneration, etc.) can be prevented and Magnetic phenomenon can be suppressed.
[実施形態4]
図4は、本発明装置の更に他の実施形態であって、図3の例とは、周波数シフト切換器206を設置し、周波数シフト演算器201で演算されたΔω1を周波数指令演算器59で演算されたω1に加算する点で異なる。
[Embodiment 4]
FIG. 4 shows still another embodiment of the apparatus of the present invention. In the example of FIG. 3, a frequency shift switching unit 206 is installed, and Δω1 calculated by the frequency shift calculating unit 201 is changed by a frequency command calculating unit 59. It differs in that it is added to the calculated ω1.
図3の例では、は周波数シフト量Δω1を積分して得られる位相シフト量Δθを位相演算器54で演算されたθに加算しているが、周波数ω1に周波数シフト量Δω1を加算した信号を積分しても、同じ位相シフト動作を得ることができる。 In the example of FIG. 3, the phase shift amount Δθ obtained by integrating the frequency shift amount Δω1 is added to θ calculated by the phase calculator 54, but a signal obtained by adding the frequency shift amount Δω1 to the frequency ω1 is obtained. Even if integration is performed, the same phase shift operation can be obtained.
そこで、図4の例では、位相シフト条件判定器101には出力周波数指令ω1が入力され、偏磁が生じる出力周波数を中心とした設定したバンド幅内に出力周波数指令が入ったとき位相シフト条件成立の判定フラグを出力し、出力した判定フラグを周波数シフト切換器206に入力する。周波数シフト切換器206では、判定フラグに基づき、周波数シフト演算器201から出力される周波数シフト量Δω1と周波数シフト量Δω1=0を切換えて出力する。 Therefore, in the example of FIG. 4, when the output frequency command ω1 is input to the phase shift condition determining unit 101 and the output frequency command is within the set bandwidth centering on the output frequency at which the bias is generated, the phase shift condition is determined. An establishment determination flag is output, and the output determination flag is input to the frequency shift switch 206. Based on the determination flag, the frequency shift switch 206 switches between the frequency shift amount Δω1 and the frequency shift amount Δω1 = 0 output from the frequency shift calculator 201 and outputs the result.
周波数シフト切換器206の出力は周波数演算器59の出力周波数ω1に加算され、加算後のω1+Δω1が位相演算器54で積分され、積分された位相は、電流座標変換器53と電圧座標変換器58に入力され、各座標変換器により直流電流検出値Id,Iqと交流電圧指令を演算し、出力する。 The output of the frequency shift switch 206 is added to the output frequency ω1 of the frequency calculator 59, and ω1 + Δω1 after the addition is integrated by the phase calculator 54. The integrated phase is determined by the current coordinate converter 53 and the voltage coordinate converter 58. And the DC current detection values Id and Iq and the AC voltage command are calculated and output by each coordinate converter.
以上の実施形態では、変換器の出力位相を、+90度と−90度の間で位相シフトするようにしたが、図7が示すように180度の整数倍の間で位相シフトしても直流電流を平均値として零にすることができる。速度検出器を用いた制御系を示したが、交流電動機4の回転速度を推定演算して用いる速度センサレス制御系などにおいても、電力変換器の出力電圧の周波数、位相を制御するシステムであれば、本発明を適用して変圧器の偏磁を抑制することができる。 In the above embodiment, the output phase of the converter is phase-shifted between +90 degrees and -90 degrees. However, even if the phase is shifted between integer multiples of 180 degrees as shown in FIG. The current can be zero as an average value. Although a control system using a speed detector has been shown, even in a speed sensorless control system that uses an estimated calculation of the rotational speed of the AC motor 4, any system that controls the frequency and phase of the output voltage of the power converter can be used. By applying the present invention, it is possible to suppress the magnetism of the transformer.
以上説明したように、本発明によれば、電源と電力変換器の間に変圧器を設置し、前記電力変換器により電動機を可変速駆動する電力変換装置において、位相シフト演算器、位相シフト条件判定器、位相シフト切換器2を設置し、位相シフト演算器は+90度と−90度の間を設定した周期で変化する位相シフト量Δθを演算し出力する。位相シフト条件判定器には出力周波数指令ω1が入力され、偏磁が生じる出力周波数を中心とした設定したバンド幅内に出力周波数指令が入った条件で位相シフト条件成立の判定フラグを出力する。出力された判定フラグは位相シフト切換器に入力され、位相シフト切換器では、判定フラグに基づき、位相シフト演算器から出力される位相シフト量Δθと位相シフト量Δθ=0を切換えて出力する。位相シフト切換器の出力は位相演算器の出力位相θに加算され、加算後のθ+Δθが電流座標変換器と電圧座標変換器に入力され、各座標変換器により直流電流検出値と交流電圧指令を演算し出力する。 As described above, according to the present invention, in a power conversion device in which a transformer is installed between a power source and a power converter and the electric motor is driven at a variable speed by the power converter, the phase shift computing unit, the phase shift condition The determination unit and the phase shift switching unit 2 are installed, and the phase shift computing unit computes and outputs a phase shift amount Δθ that changes in a cycle set between +90 degrees and −90 degrees. The output frequency command ω1 is input to the phase shift condition determiner, and a determination flag for establishment of the phase shift condition is output under the condition that the output frequency command is within the set bandwidth centered on the output frequency at which the demagnetization occurs. The output determination flag is input to the phase shift switch, and the phase shift switch switches and outputs the phase shift amount Δθ and the phase shift amount Δθ = 0 output from the phase shift calculator based on the determination flag. The output of the phase shift switch is added to the output phase θ of the phase calculator, and θ + Δθ after the addition is input to the current coordinate converter and the voltage coordinate converter, and the DC current detection value and the AC voltage command are sent by each coordinate converter. Calculate and output.
これにより、特定周波数での運転時に生じる変換器の入力側変圧器の偏磁現象に対して偏磁耐量を増加させるための対策や偏磁を抑制するための検出器を追加することなく偏磁現象を抑制することができる。 This makes it possible to demagnetize without adding a measure for increasing the demagnetization resistance and a detector for suppressing the demagnetization against the demagnetization phenomenon of the input side transformer of the converter that occurs during operation at a specific frequency. The phenomenon can be suppressed.
1 交流電源
2 変圧器
3 電力変換器
4 交流電動機
5 電力変換器制御装置
6 電力変換器出力電流検出器
7 速度検出器
51 速度指令発生器
52 速度制御器
53 電流座標変換器
54 位相演算器
55 トルク電流制御器
56 励磁電流指令設定器
57 励磁電流制御器
58 電圧座標変換器
59 周波数指令演算器
100 位相シフト演算器
101 位相シフト条件判定器
102 位相シフト切換器
200 位相シフトパラメータ演算器
201 周波数シフト演算器
202 積分器
203 トルク変動許容値設定器
204 シフト周期割合設定器
205 トルク変動許容値演算器
206 周波数シフト切換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC power supply 2 Transformer 3 Power converter 4 AC motor 5 Power converter control apparatus 6 Power converter output current detector 7 Speed detector 51 Speed command generator 52 Speed controller 53 Current coordinate converter 54 Phase calculator 55 Torque current controller 56 Excitation current command setter 57 Excitation current controller 58 Voltage coordinate converter 59 Frequency command calculator 100 Phase shift calculator 101 Phase shift condition determiner 102 Phase shift switcher 200 Phase shift parameter calculator 201 Frequency shift Arithmetic unit 202 Integrator 203 Torque fluctuation allowable value setting unit 204 Shift cycle ratio setting unit 205 Torque fluctuation allowable value calculation unit 206 Frequency shift switching unit
Claims (11)
出力電圧指令を生成する電圧指令生成器、および該生成器が生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記変換器の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、
前記電力変換器の交流出力の位相をシフトさせる位相シフト信号を生成する位相シフト演算器と、
前記変換器の出力が所定の周波数範囲にあることを検出するシフト条件判定器と、
シフト条件判定器が、前記電力変換器の出力が所定の範囲内にあることを検出したとき、前記位相シフト演算器の出力を前記電圧指令生成器に供給して、前記電力変換器の出力位相をシフトさせることを特徴とする電力変換装置。 A main transformer, a forward converter connected to the main transformer for converting an AC power supply voltage into a DC voltage, and an inverse converter connected to the forward converter for converting the DC voltage into an AC voltage and supplying the load to a load A power conversion device equipped with a device;
A voltage command generator that generates an output voltage command, and an output voltage command generated by the generator to a pulse generator that controls a switching element that constitutes the power converter, and an output voltage and an output frequency of the converter A control device for controlling
The control device
A phase shift calculator for generating a phase shift signal for shifting the phase of the AC output of the power converter;
A shift condition determiner for detecting that the output of the converter is in a predetermined frequency range;
When the shift condition determiner detects that the output of the power converter is within a predetermined range, the output of the phase shift calculator is supplied to the voltage command generator, and the output phase of the power converter The power converter characterized by shifting.
出力電圧指令を生成する電圧指令生成器、および該生成器が生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記変換器の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、
前記電力変換器の交流出力の位相をシフトさせる位相シフト信号を、周波数シフト信号を生成する周波数シフト演算器出力を積分して演算する積分器と、
前記変換器の出力が所定の周波数範囲にあることを検出するシフト条件判定器と、
シフト条件判定器が、前記電力変換器の出力が所定の範囲内にあることを検出したとき、前記位相シフト演算器の出力を前記電圧指令生成器に供給して、前記電力変換器の出力位相をシフトさせる位相シフト切換器を備えたことを特徴とする電力変換装置。 A main transformer, a forward converter connected to the main transformer for converting an AC power supply voltage into a DC voltage, and an inverse converter connected to the forward converter for converting the DC voltage into an AC voltage and supplying the load to a load A power conversion device equipped with a device;
A voltage command generator that generates an output voltage command, and an output voltage command generated by the generator to a pulse generator that controls a switching element that constitutes the power converter, and an output voltage and an output frequency of the converter A control device for controlling
The control device
An integrator for calculating a phase shift signal for shifting the phase of the AC output of the power converter by integrating a frequency shift calculator output for generating a frequency shift signal;
A shift condition determiner for detecting that the output of the converter is in a predetermined frequency range;
When the shift condition determiner detects that the output of the power converter is within a predetermined range, the output of the phase shift calculator is supplied to the voltage command generator, and the output phase of the power converter A power conversion device comprising a phase shift switching device for shifting the power.
前記電力変換器の交流出力電圧の位相をシフトさせる位相シフト信号を生成する位相シフト演算器を備え、
前記変換器の出力が所定の周波数範囲にあるとき、前記位相シフト演算器の出力を前記電圧指令生成器に供給して、前記電力変換器の出力位相をシフトさせることを特徴とする電力変換装置の制御方法。 A main transformer, a forward converter connected to the main transformer for converting an AC power supply voltage into a DC voltage, and an inverse converter connected to the forward converter for converting the DC voltage into an AC voltage and supplying the load to a load In the control method of the power converter, the output voltage command is supplied to a pulse generator that controls the switching elements constituting the power converter, and the output voltage and the output frequency of the converter are controlled.
A phase shift calculator for generating a phase shift signal for shifting the phase of the AC output voltage of the power converter;
When the output of the converter is within a predetermined frequency range, the output of the phase shift calculator is supplied to the voltage command generator to shift the output phase of the power converter. Control method.
前記電力変換器の交流出力電圧の位相をシフトさせる位相シフト信号を、周波数シフト信号を生成する周波数シフト演算器出力を積分して演算する積分器を備え、
前記変換器の出力が前記変圧器に偏磁が生じる所定の周波数範囲にあるとき、前記位相シフト演算器の出力を前記電圧指令生成器に供給して、前記電力変換器の出力位相をシフトさせることを特徴とする電力変換装置の制御方法。 A main transformer, a forward converter connected to the main transformer for converting an AC power supply voltage into a DC voltage, and an inverse converter connected to the forward converter for converting the DC voltage into an AC voltage and supplying the load to a load In the control method of the power converter, the output voltage command is supplied to a pulse generator that controls the switching elements constituting the power converter, and the output voltage and the output frequency of the converter are controlled.
A phase shift signal that shifts the phase of the AC output voltage of the power converter, an integrator that integrates and calculates a frequency shift calculator output that generates a frequency shift signal;
When the output of the converter is in a predetermined frequency range in which the transformer is biased, the output of the phase shift calculator is supplied to the voltage command generator to shift the output phase of the power converter A method for controlling a power conversion device.
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