JP5491259B2

JP5491259B2 - Power converter

Info

Publication number: JP5491259B2
Application number: JP2010087770A
Authority: JP
Inventors: 勝彦福間
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: JP2011223677A

Description

本発明は、電動機を駆動し、その速度及び出力トルクを制御する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that drives an electric motor and controls its speed and output torque.

例えば、鉄鋼の圧延ライン駆動用の電力変換装置においては、速度制御をアウターループで行い、トルク制御をマイナーループで行うようにするのが普通である。そしてトルク制御に使用するトルクフィードバックは、所謂ベクトル制御を行った場合のトルク軸に変換された電流を用いる。 For example, in a power converter for driving a steel rolling line, speed control is normally performed by an outer loop and torque control is generally performed by a minor loop. The torque feedback used for torque control uses the current converted to the torque axis when so-called vector control is performed.

そして、このトルク制御においては、トルクの絶対値が所定値を超えないように制御するトルクリミットと、トルクの変化率が所定値を超えないように制御するトルク変化率リミットを設けることが多い。このようなトルクリミット、トルク変化率リミットを設ける一つの理由は、電力変換装置が電圧型である場合、その直流電圧の変動を抑制するためである。 In this torque control, a torque limit for controlling the absolute value of the torque not to exceed a predetermined value and a torque change rate limit for controlling the rate of change of the torque not to exceed a predetermined value are often provided. One reason for providing such a torque limit and a torque change rate limit is to suppress fluctuations in the DC voltage when the power conversion device is a voltage type.

上記のようなトルクリミット、トルク変化率リミットは、負荷が急変したときに当然ながらリミットにかかるため、直流電圧の変動は緩和されるが、速度制御の追従が遅れる結果となる。この点を考慮して、負荷急変時にトルクリミットの値を変化させ、速度変動を抑制する提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。 The torque limit and torque change rate limit as described above are naturally applied when the load suddenly changes, so that fluctuations in the DC voltage are alleviated, but tracking of the speed control is delayed. In consideration of this point, a proposal has been made to suppress the speed fluctuation by changing the value of the torque limit at the time of sudden load change (see, for example, Patent Document 1).

特開平８−２４２５９４号公報（第５−６頁、図１）JP-A-8-242594 (page 5-6, FIG. 1)

特許文献１に示されている手法は、鉄鋼圧延において圧延材料がロールに噛みこんだ場合のような大きい負荷変動に対しては有効であるが、高速な速度応答が要求される例えばシート圧延材のウエルド点の通過時において、負荷変動自体は小さいが、トルク変化率リミットにかかって速度応答が遅れるような場合の対策としては必ずしも有効ではない。 The technique disclosed in Patent Document 1 is effective for large load fluctuations such as when a rolled material is caught in a roll in steel rolling, but for example a sheet rolled material that requires a high speed response. When the weld point passes, the load fluctuation itself is small, but it is not always effective as a countermeasure when the speed response is delayed due to the torque change rate limit.

この発明は、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、負荷変動があっても直流電圧を維持し、且つ速度応答が遅くならないような電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power converter that maintains a DC voltage even when there is a load fluctuation and does not slow down the speed response. To do.

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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を制御する制御手段と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、前記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、前記制御手段は、前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、前記トルク軸電流基準の変化率が第１の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク変化率リミット手段と、前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルク変化率リミット手段の出力と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、前記トルク軸電圧基準を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段とを有し、前記トルク軸電流基準の変化率が、前記第１の所定値以下の第２の所定値を越えたとき、前記トルク変化率リミット手段を開放し、前記電圧検出器で検出した直流電圧が第３の所定値以下になったとき、前記トルク変化率リミット手段を復活するようにしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a power converter of the present invention includes a converter having a smoothing capacitor on an output side, an inverter that converts the DC output of the converter into AC and drives an AC motor, and controls the output of the inverter Control means, a current detector for detecting the output current of the inverter, and a voltage detector for detecting the output voltage of the converter , the control means so that the speed of the AC motor matches a speed reference. A speed control means for controlling the torque shaft current reference to output a torque shaft current reference, a torque change rate limit means for limiting the change rate of the torque shaft current reference so as not to exceed a first predetermined value, and the current detector Current control means for controlling the obtained torque shaft current to match the output of the torque change rate limit means and outputting a torque shaft voltage reference; Three-phase voltage reference generating means for generating a three-phase voltage reference using the torque axis voltage reference; PWM means for converting the output of the three-phase voltage reference generating means into a gate signal of a switching element constituting the inverter; The torque axis current reference change rate exceeds a second predetermined value less than the first predetermined value, the torque change rate limit means is opened, and the direct current detected by the voltage detector is The torque change rate limiting means is restored when the voltage becomes equal to or lower than a third predetermined value .

本発明によれば、負荷変動があっても直流電圧を維持し、且つ速度応答が遅くならないような電力変換装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the power converter device which maintains a DC voltage even if there is load fluctuation, and a speed response does not become slow.

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。The block block diagram of the power converter device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。The block block diagram of the power converter device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例３に係る電力変換装置のブロック構成図。The block block diagram of the power converter device which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例４に係る電力変換装置のブロック構成図。The block block diagram of the power converter device which concerns on Example 4 of this invention.

以下、図面を参照して本発明に係る電力変換装置の実施例を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a power converter according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１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。 FIG. 1 is a block diagram of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ１は出力側に平滑コンデンサを有している。このコンバータ１の直流出力をインバータ２によって交流に変換し、交流電動機４を駆動する。インバータ２は制御装置３からのゲート信号によってその主回路のスイッチング素子がオンオフ制御されている。交流電動機４には速度検出器５が取り付けられており、この出力は速度フィードバック信号として制御装置３に与えられる。インバータ２の出力電流は電流検出器６によって検出され、電流帰還信号として制御装置３に与えられる。 The converter 1 that converts AC voltage into DC voltage has a smoothing capacitor on the output side. The direct current output of the converter 1 is converted into alternating current by the inverter 2 and the alternating current motor 4 is driven. In the inverter 2, the switching element of the main circuit is on / off controlled by a gate signal from the control device 3. A speed detector 5 is attached to the AC motor 4 and this output is given to the control device 3 as a speed feedback signal. The output current of the inverter 2 is detected by the current detector 6 and given to the control device 3 as a current feedback signal.

以下、制御装置３の内部構成について説明する。 Hereinafter, the internal configuration of the control device 3 will be described.

外部から与えられた速度基準は、上記の速度フィードバック信号と比較されてその偏差が速度制御器３１の入力となる。速度制御器３１はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理してその出力をトルク基準としてベクトル制御器３２に与える。ベクトル制御器３２は、速度フィードバック信号と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変換する。トルク軸電流基準は、その変化率が所定値を超えないように制限するトルク変化率リミット回路３３に与えられる。そしてトルク変化率リミット回路３３の出力は、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、その偏差がトルク電流制御器３５に与えられる。トルク電流制御器３５はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理を行う。また同様に、ベクトル制御器３２の出力である磁束軸電流基準は、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、その偏差が磁束電流制御器３６に与えられる。磁束電流制御器３６はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理を行う。トルク電流制御器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を各相の電圧基準で変調してインバータ２のスイッチング素子に与えるゲート信号を出力する。 The speed reference given from the outside is compared with the speed feedback signal described above, and the deviation becomes an input to the speed controller 31. The speed controller 31 performs proportional / integral control processing so that this deviation is minimized, and gives the output to the vector controller 32 as a torque reference. The vector controller 32 converts the torque reference into a magnetic flux axis current reference and a torque axis current reference using a speed feedback signal and a preset magnetic flux reference signal. The torque shaft current reference is given to a torque change rate limit circuit 33 that limits the change rate so as not to exceed a predetermined value. The output of the torque change rate limit circuit 33 is compared with the torque feedback current obtained by converting the current feedback signal by the three-phase to two-phase converter 34, and the deviation is given to the torque current controller 35. . The torque current controller 35 performs a proportional / integral control process so that this deviation is minimized. Similarly, the magnetic flux axis current reference, which is the output of the vector controller 32, is compared with the magnetic flux feedback current obtained by converting the current feedback signal by the three-phase to two-phase converter 34, and the deviation is the magnetic flux current control. Is provided to the container 36. The magnetic flux current controller 36 performs a proportional / integral control process so that this deviation is minimized. The outputs of the torque current controller 35 and the flux current controller 36 are a torque axis voltage reference and a flux axis voltage reference, respectively, which are input to a three-phase voltage reference generator 37, where they are converted into voltage references for each phase. And supplied to the PWM circuit 38. The PWM circuit 38 modulates a predetermined carrier signal with the voltage reference of each phase and outputs a gate signal to be applied to the switching element of the inverter 2.

また、交流電動機４が誘導電動機の場合、トルク軸電流基準と磁束基準を入力とするすべり演算器３９によって交流電動機４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、交流電動機４が同期電動機の場合は、そ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。 When the AC motor 4 is an induction motor, the slip frequency of the AC motor 4 is calculated by the slip calculator 39 that receives the torque axis current reference and the magnetic flux reference, and the calculation result and the speed feedback signal are added to the inverter. The output frequency is obtained and integrated by the integrator 40 to obtain the output phase reference of the inverter 1. This output phase reference becomes the conversion phase reference of the above-described three-phase to two-phase converter 34 and three-phase voltage reference generator 37. When the AC motor 4 is a synchronous motor, the slip frequency is zero, so that the above slip frequency calculation can be omitted.

また、トルク変化率リミット回路３３の入力であるトルク軸電流基準は、変化率検出回路４１で検出され比較回路４２に与えられる。比較回路４２はトルク軸電流基準の変化率が所定の閾値を越えるとタイマ４３に出力指令を与え、タイマ４３は設定された所定の時間だけトルク変化率リミット回路３３を開放する。ここで開放するとは、トルク変化率リミット回路３３の入力と出力を短絡して無効化するという意味である。尚、上記所定の閾値は、トルク変化率リミット回路３３のリミット値と同等か若干このリミット値より低い値に設定する。 Further, the torque axis current reference, which is an input of the torque change rate limit circuit 33, is detected by the change rate detection circuit 41 and given to the comparison circuit 42. The comparison circuit 42 gives an output command to the timer 43 when the change rate of the torque axis current reference exceeds a predetermined threshold value, and the timer 43 opens the torque change rate limit circuit 33 for a set predetermined time. Here, opening means that the input and output of the torque change rate limit circuit 33 are short-circuited and invalidated. The predetermined threshold value is set to a value that is equal to or slightly lower than the limit value of the torque change rate limit circuit 33.

以上の実施例１の構成によれば、交流電動機４の負荷が変動してベクトル制御器３２の出力であるトルク軸電流基準が変化したとき、その変化率がトルク変化率リミット回路３３のリミットにかかる前にトルク変化率リミット回路３３を開放すなわち無効化するので速度応答が損なわれない。ここで重要な点はタイマ４３の時間設定である。すなわち、コンバータ１の直流出力電圧が所定値以下に落ちこまないように適切に時間設定する必要がある。 According to the configuration of the first embodiment described above, when the load of the AC motor 4 fluctuates and the torque axis current reference that is the output of the vector controller 32 changes, the rate of change becomes the limit of the torque change rate limit circuit 33. Before the torque change rate limit circuit 33 is opened, that is, invalidated, the speed response is not impaired. The important point here is the time setting of the timer 43. That is, it is necessary to set the time appropriately so that the DC output voltage of the converter 1 does not fall below a predetermined value.

図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図である。 FIG. 2 is a block diagram of the power conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention.

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、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、タイマ４３に代えて、コンバータ１の出力電圧を検出する電圧検出器４４、この電圧検出器４４の検出値が所定値以上であるとき１を出力する比較回路４５、この比較回路４５の出力と比較回路４２の出力を入力とし、その出力でトルク変化率リミット回路３３を開放するＡＮＤ回路４６を設けた点である。 About each part of this Example 2, the same part as each part of the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, instead of the timer 43, a voltage detector 44 that detects the output voltage of the converter 1 and outputs 1 when the detected value of the voltage detector 44 is equal to or greater than a predetermined value. The comparison circuit 45 is provided with an AND circuit 46 that receives the output of the comparison circuit 45 and the output of the comparison circuit 42 and opens the torque change rate limit circuit 33 with the output.

上述したように、実施例１におけるタイマ４３の設定は、長すぎるとコンバータ１の直流出力電圧が所定値以下に落ちこむ恐れがあり、短すぎるとトルク変化率リミットが動作して速度応答が上がらず、本発明の目的を達成できない恐れがある。従ってこの実施例２においては、コンバータ１の出力電圧が所定値以上あることを比較回路４５で検出し、その状態では比較回路４２の出力でトルク変化率リミット回路３３を開放するようにし、コンバータ１の出力電圧が所定値以下となったとき、トルク変化率リミット回路３３の開放を停止して正常に復帰させる。 As described above, if the setting of the timer 43 in the first embodiment is too long, the DC output voltage of the converter 1 may fall below a predetermined value, and if it is too short, the torque change rate limit operates and the speed response does not increase. The object of the present invention may not be achieved. Therefore, in the second embodiment, the comparison circuit 45 detects that the output voltage of the converter 1 is equal to or higher than a predetermined value. In this state, the torque change rate limit circuit 33 is opened by the output of the comparison circuit 42, and the converter 1 When the output voltage becomes equal to or lower than a predetermined value, the opening of the torque change rate limit circuit 33 is stopped and returned to normal.

このようにすれば実施例１より更に合理的な電力変換装置を提供することが可能となる。 In this way, it is possible to provide a more efficient power conversion device than in the first embodiment.

図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置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、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、トルク変化率リミット回路３３に代えて、トルク軸電流制御器３５の出力側にトルク電圧変化率リミット回路３３Ａを設け、タイマ４３の出力によってトルク電圧変化率リミット回路３３Ａを所定時間開放する構成とした点である。この場合、変化率検出回路４１の入力はトルク電圧変化率リミット回路３３Ａの入力となる。 FIG. 3 is a block diagram of a power conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. About each part of this Example 3, the same part as each part of the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The third embodiment differs from the first embodiment in that instead of the torque change rate limit circuit 33, a torque voltage change rate limit circuit 33A is provided on the output side of the torque shaft current controller 35, and the torque voltage is output by the output of the timer 43. The change rate limit circuit 33A is configured to be opened for a predetermined time. In this case, the input of the change rate detection circuit 41 is the input of the torque voltage change rate limit circuit 33A.

本実施例によれば、トルク軸電流制御器３５の出力の変化率が所定値以上となったとき、トルク電圧変化率リミット回路３３Ａを開放させることによって実施例１と同様に速度応答を確保することが可能となる。 According to the present embodiment, when the change rate of the output of the torque shaft current controller 35 becomes equal to or greater than a predetermined value, the speed response is ensured as in the first embodiment by opening the torque voltage change rate limit circuit 33A. It becomes possible.

図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置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、その説明を省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、速度基準を訛らせる機能を持つ遅れ回路４７を設け、この出力と速度フィードバック信号とを比較してその偏差を速度制御器３１に与える構成とした点である。 FIG. 4 is a block diagram of a power conversion apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. About each part of this Example 4, the same part as each part of the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The fourth embodiment is different from the first embodiment in that a delay circuit 47 having a function of increasing the speed reference is provided, the output is compared with the speed feedback signal, and the deviation is given to the speed controller 31. This is the point.

速度基準が大きく急変したときには、実施例１乃至実施例３の制御を行っても速度応答の確保と直流電圧確保の両者を同時に満足できない場合がある。このような場合、上記遅れ回路４６の効果によって速度応答の確保と直流電圧確保の両者を同時に満足できるように改善することが可能となる。尚遅れ回路４６はステップ入力を訛らせる機能があればどのような回路でも適用可能である。例えば、１次遅れ回路を用いることができる。 When the speed reference changes greatly and suddenly, even if the control in the first to third embodiments is performed, both of ensuring the speed response and securing the DC voltage may not be satisfied at the same time. In such a case, the effect of the delay circuit 46 can be improved so as to satisfy both the securing of the speed response and the securing of the DC voltage at the same time. The delay circuit 46 can be applied to any circuit as long as it has a function of increasing the step input. For example, a primary delay circuit can be used.

１コンバータ
２インバータ
３制御装置
４交流電動機
５速度検出器
６電流検出器
３１速度制御器
３２ベクトル制御器
３３トルク変化率リミット回路
３３Ａトルク電圧変化率リミット回路
３４３相−２相変換器
３５トルク電流制御器
３６磁束電流制御器
３７３相電圧基準発生器
３８ＰＷＭ制御器
３９すべり演算器
４０積分器
４１変化率検出器
４２比較回路
４３タイマ
４４電圧検出器
４５比較回路
４６ＡＮＤ回路
４７遅れ回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Converter 2 Inverter 3 Control apparatus 4 AC motor 5 Speed detector 6 Current detector 31 Speed controller 32 Vector controller 33 Torque change rate limit circuit 33A Torque voltage change rate limit circuit 34 3 phase-2 phase converter 35 Torque current Controller 36 Magnetic flux current controller 37 Three-phase voltage reference generator 38 PWM controller 39 Slip calculator 40 Integrator 41 Change rate detector 42 Comparison circuit 43 Timer 44 Voltage detector 45 Comparison circuit 46 AND circuit 47 Delay circuit

Claims

出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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を制御する制御手段と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、
前記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器と
を備え、
前記制御手段は、
前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、
前記トルク軸電流基準の変化率が第１の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク変化率リミット手段と、
前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルク変化率リミット手段の出力と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、
前記トルク軸電圧基準を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、
前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段と
を有し、
前記トルク軸電流基準の変化率が、前記第１の所定値以下の第２の所定値を越えたとき、前記トルク変化率リミット手段を開放し、前記電圧検出器で検出した直流電圧が第３の所定値以下になったとき、前記トルク変化率リミット手段を復活するようにしたことを特徴とする電力変換装置。 A converter having a smoothing capacitor on the output side;
An inverter that converts the DC output of the converter into AC and drives the AC motor;
Control means for controlling the output of the inverter;
A current detector for detecting the output current of the inverter;
A voltage detector for detecting the output voltage of the converter,
The control means includes
Speed control means for controlling the speed of the AC motor to match the speed reference and outputting a torque shaft current reference;
Torque change rate limit means for limiting the torque shaft current reference change rate so as not to exceed a first predetermined value;
Current control means for controlling the torque axis current obtained from the current detector to match the output of the torque change rate limit means and outputting a torque axis voltage reference;
Three-phase voltage reference generating means for generating a three-phase voltage reference using the torque axis voltage reference;
PWM means for converting the output of the three-phase voltage reference generating means into a gate signal of a switching element constituting the inverter,
When the change rate of the torque axis current reference exceeds a second predetermined value that is equal to or less than the first predetermined value, the torque change rate limit means is opened, and the DC voltage detected by the voltage detector is third. The power conversion device is characterized in that the torque change rate limit means is restored when the value becomes equal to or less than a predetermined value.

前記速度基準は、
その変化を訛らせるような遅れ回路を介して前記速度制御手段に与え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。 The speed criterion is
2. The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the speed control means is supplied to the speed control means through a delay circuit that causes the change.