CN102362426A - 感应电动机控制装置及感应电动机组控制系统 - Google Patents

感应电动机控制装置及感应电动机组控制系统 Download PDF

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成泽英夫
岛田隆一
矶部高范
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Abstract

感应电动机群控制系统中，在用商用电源直接驱动的感应电动机(2)上串联连接磁能再生开关(3)，使用多台能够进行感应电动机(2)的电压控制和无功功率控制的感应电动机控制装置(10)，控制无功功率的发生，以使包含该感应电动机的多个交流负载整体的功率因数为最大，或补偿交流电源(1)的电压变动。

Description

感应电动机控制装置及感应电动机组控制系统
技术领域
本发明涉及感应电动机控制装置及感应电动机组控制系统，特别涉及适于实现具有包括感应电动机的负载的电力系统中的无功功率的降低和电压的稳定化的技术。
背景技术
电动机中的感应电动机从启动到进入运行的驱动是比较容易的，而且仅通过直接连接在商用电源上就能够使用，所以被广泛地用于各种用途。
随着近年的能量电子学的发展，能够可变速地驱动感应电动机。即，通过逆变器(inverter)来驱动感应电动机，该逆变器将交流电力先转换为直流电力，再通过使半导体开关高频度地进行切换来将该直流电力逆转换为频率不同的交流电力。但是，风扇马达、压缩机、以及泵的马达等大多以一定的转速来驱动对象物，从而充分满足它们的使用目的。特别是在工厂等中，由于马达的设置台数的多少和容量的大小等理由、逆变器的成本和设置空间等问题，被50Hz或60Hz等电源频率直接驱动的马达所占的比例很大。
另一方面，关于无功功率，以感应电动机为代表的产生滞后功率因数的电流的电气机械较多，由于功率因数较低，因此针对驱动的负载所消耗的有功功率的电流变大。因此，在配电线和配电系统中存在的“以变压器为代表的送配电设备”的容量和损失增加。此外，一般来讲，送配电系统由于配线中存在的电抗或变压器的漏磁电抗等，从而作为从需求用户侧看到的系统电抗成为电感性。因此，由于滞后功率因数的电流使需求用户的受电端处的电压下降。
针对因这种滞后功率因数的负载的存在而引起的问题，通过产生无功功率的装置进行补偿。
作为进行这种补偿的最简单的方法，有将无功补偿电容器与电源并联连接的方法。该方法中，使用开关阶段性地对电力系统接通电力以使得电容器的容量成为适当的值，由此来产生与负载相对应的无功功率。此外，作为与电力系统连接的大容量的器件，有同步调相机。同步调相机将作为旋转器的同步机与电力系统连接，通过控制其磁场电流来控制无功功率的产生量。近年来，针对电力系统或变动激烈的负载，为了其电压的稳定化等而使用应用了半导体功率转换技术的静止型无功功率补偿装置(已知有TSC、TCR、SVG或STATCOM等)。
专利文献1等中公开的磁能再生双向电流开关(在此记为“磁能再生开关”)为开关电路，该开关电路具有由4个反向导通型半导体开关构成的桥式电路、以及连接在该桥式电路的直流端子间的电容器。作为使用这样的磁能再生开关来改善负载的功率因数的技术，有专利文献2中记载的技术。在该专利文献2中记载的技术中，将磁能再生开关串联连接在交流电源和交流负载之间，与交流电源的周期相对应地进行切换，从而在磁能再生开关中作用串联电容器来改善功率因数。此外，在专利文献3中公开有，通过将这样的电路应用在电动机或发电机这样的旋转器中，来改善这些在内部存在有漏磁电感等电感的旋转器的功率因数。
通过将磁能再生开关应用于滞后功率因数的交流负载，能够对电源产生无功功率，能够通过该无功功率对滞后功率因数的负载所需要的无功功率进行补偿。在专利文献4中公开有，利用上述原理，在2台滞后功率因数的交流负载的一台中应用磁能再生开关，通过使整体的功率因数为1来改善功率因数。
通过商用电源直接驱动的感应电动机虽然简便，但是由于在电气上不被进行任何控制，所以存在运行时的效率和过大的启动电流等问题点。
另一方面，关于无功功率的补偿，广泛地进行电力系统和需求用户设备的受电点处的无功功率的补偿。但是，在大规模的需求用户，从受电点到实际的负载的路径多数情况下会较长。因此，流动功率因数较差的电流对于配电线的损失、设备的容量来讲是不利的。为了在这些配电线的末端附近进行无功功率的补偿，需要在负载的附近设置无功功率补偿装置。
在此，对通过上述的目前被广泛使用的半导体转换器进行的静止型无功功率补偿进行描述。TSC是利用晶闸管开关对电容器进行切换的器件。因此，通过TSC无法高速且连续地控制无功功率。TCR是固定电容器与用晶闸管控制的电抗器的组合。因此，TCR中存在除了需要电容器之外还需要电抗器的问题。SVG为了进行PWM调制等而使反向截止型半导体开关高速地进行切换。因此，SVG中存在切换损失增加的问题。因此，将这些以往的无功功率补偿装置用于配电系统的末端附近的无功功率的补偿并不普遍。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-358359号公报
专利文献2：日本特开2004-260991号公报
专利文献3：日本特开2005-57980号公报
专利文献4：日本特开2007-58676号公报
专利文献5：国际公开第2008/32855号手册
专利文献6：美国专利申请公开第2006/152955号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于，在连接于交流电源的电力系统而驱动感应电动机时，控制与配电系统的末端连接的一台或大量的感应电动机而实现配电系统的末端付近的无功功率的降低及电压的稳定化。
解决问题的技术手段
本申请的发明者对感应电动机的驱动等进行了锐意研究，结果想到了：在配电线的末端大量连接的感应电动机上连接磁能再生开关，使感应电动机的端子电压的控制成为可能，并且能够使用多个该磁能再生开关来进行配电系统的末端付近的无功功率的补偿，从而完成了本发明。
为解决所述技术问题，根据本发明的一个观点，提供一种感应电动机控制装置，用于控制基于从三相交流电源供给的电力进行动作的感应电动机，其特征在于，具备：上述交流电源；3个磁能再生开关，每个磁能再生开关在各自的相中串联连接在所述交流电源和所述感应电动机之间，分别具有4个自消弧元件；第一电压检测单元，配设在所述磁能再生开关和所述感应电动机之间，测定对该感应电动机施加的各相的端子电压；第二电压检测单元，配设在所述交流电源和所述磁能再生开关之间，测定该交流电源的电压；电流检测单元，测定对所述感应电动机供给的电流；以及栅极控制单元，生成栅极信号，该栅极信号用于控制所述各相的磁能再生开关中分别包含的各个自消弧元件的导通/截止；所述栅极控制单元根据从所述第一电压检测单元输入的端子电压的测定值、从所述电流检测单元输入的电流的测定值和从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值，设定上述栅极信号的切换相位(switching phase)以控制无功功率的产生量，从而控制对所述感应电动机施加的电压。
此外，上述栅极控制单元还可以具备：端子间电压运算部，根据从所述第一电压检测单元输入的端子电压的测定值，连续地运算作为瞬态电压有效值的端子电压测定值；无功功率控制部，基于从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值和从所述电流检测单元输入的电流的测定值，计算所述无功功率的测定值，以使该无功功率的测定值成为指令值的方式输出所述端子电压的指令值；控制部，基于由所述端子间电压运算部运算出的端子电压测定值与从所述无功功率控制部输出的端子电压的指令值之间的偏差，进行比例控制或比例积分控制，生成所述栅极信号的切换相位量；以及相位控制部，生成以从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值为基准而移位了由所述控制部生成的切换相位量的量的栅极信号，将该栅极信号分别输出给所述各相的磁能再生开关。
此外，为了解决所述技术问题，根据本发明的另一观点，提供一种感应电动机组控制系统，使用多台所述感应电动机控制装置，来控制基于从一个三相交流电源供给的电力进行动作的多个感应电动机，其特征在于，具备：多个所述感应电动机控制装置，分别控制所述多个感应电动机；计测装置，测定基于合成电流的无功功率，所述合成电流是在所述交流电源所连接的所述多个感应电动机控制装置和其他负载中流动的电流的合成电流；以及组控制装置，根据由所述计测装置测定出的无功功率，以使该无功功率成为规定值的方式生成针对所述多个感应电动机控制装置各自的无功功率的指令值，并将该无功功率的指令值分别输出给所述多个感应电动机控制装置，由此，控制所述多个感应电动机所产生的无功功率量；所述感应电动机组控制系统对具有多个负载的系统整体的功率因数进行控制，所述负载包含被所述交流电源驱动的多个感应电动机。
此外，为了解决所述技术问题，根据本发明的另一观点，提供一种感应电动机组控制系统，使用多台所述感应电动机控制装置，来控制基于从一个三相交流电源供给的电力进行动作的多个感应电动机，其特征在于，具备：多个所述感应电动机控制装置，分别控制上述多个感应电动机；计测装置，测定基于合成电流的无功功率，该合成电流是在所述交流电源所连接的所述多个感应电动机控制装置和其他负载中流动的电流的合成电流；电压计测装置，测定所述交流电源的电压；以及组控制装置，根据由所述计测装置测定出的无功功率和由所述电压计测装置测定出的电压，以使该无功功率成为基于该电压的无功功率的方式生成针对所述多个感应电动机控制装置各自的无功功率的指令值，并将该无功功率的指令值分别输出给所述多个感应电动机控制装置，由此，控制所述多个感应电动机所产生的无功功率量，并且降低所述交流电源的电压的变动。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的感应电动机控制装置的结构例的框图。
图2是表示磁能再生开关的结构例的图。
图3是表示磁能再生开关的各个自消弧元件的控制方法的示意图。
图4是表示磁能再生开关所产生的电压的相位与负载端子电压和功率因数之间的关系的一例的图。
图5是表示该实施方式的感应电动机控制装置中的为了控制无功功率而使用的、栅极控制装置的内部的控制模块的一例的图。
图6是表示通过该实施方式的感应电动机控制装置来控制感应电动机的端子电压时的、流入感应电动机的端子的电流、消耗有功功率和产生无功功率的变化的图。
图7是表示用于实现对该实施方式的感应电动机控制装置所产生的无功功率进行的控制的控制流程的一例的流程图。
图8是表示本发明的第二实施方式的感应电动机组控制装置的结构例的框图。
图9是表示在该实施方式中、用于对多台感应电动机控制装置所产生的无功功率的合计进行控制的控制模块的一例的图。
图10是表示在该实施方式中、用于对多台感应电动机控制装置所产生的无功功率的合计进行控制以补偿电源电压的变动的控制模块的一例的图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的优选实施方式。另外，在本说明书及附图中，对实质上具有相同的功能及结构的结构要素赋予相同的符号并省略重复说明。
<1.第一实施方式的感应电动机控制装置的结构例等>
(1-1.整体结构)
图1表示本发明的第一实施方式的感应电动机控制装置的结构的一例的概略。
感应电动机控制装置10构成为包含如下部分：3个磁能再生开关3(磁能再生开关3-1～3-3)、栅极控制装置6、电压检测装置7、电流检测装置8、电压检测装置9。
磁能再生开关3被称为MERS(Magnetic Energy Recovery Switch)。在本实施方式中，三相感应电动机2作为负载被使用，并且使用三相交流电源1，所以磁能再生开关3(磁能再生开关3-1～3-3)在各相中各设1个。
磁能再生开关3的结构及动作除专利文献1～4外，在专利文献5、6中也有记载。通过参照这些全部专利文献的说明书及附图中记载的事项，能够实现磁能再生开关3。因此，以下说明磁能再生开关3的概略。
图2是表示磁能再生开关3-1的结构的一例的图。另外，磁能再生开关3-2、3-3的结构与磁能再生开关3-1相同，所以在此省略磁能再生开关3-2、3-3的详细说明。
如图2所示，磁能再生开关3-1包含桥式电路和电容器C。桥式电路包含第一路径，该第一路径是将与交流电源1连接的交流端子a(以下称为端子a)和与感应电动机2连接的交流端子d(以下称为端子d)经由端子b连结的路径。在该第一路径中，在端子d和端子b之间配置有反向导通型半导体开关V，在端子b和端子a之间配置有反向导通型半导体开关U。
此外，桥式电路包含第二路径，该第二路径是将端子a和端子d经由端子c连结的路径。在该第二路径中，在端子d和端子c之间配置有反向导通型半导体开关Y，在端子c和端子a之间配置有反向导通型半导体开关X。
电容器C配置在端子b和端子c之间。
各个反向导通型半导体开关V、Y、X、U是在半导体开关S1～S4截止时通过二极管D1～D4在规定的一方向(以下称为正向)上导通，在半导体开关S1～S4导通时在另一方向上也导通的开关。在图2所示的例子中，反向导通型半导体开关V、Y、X、U分别包含1个二极管D1～D4和与二极管D1～D4并联连接的1个半导体开关S1～S4。但是，只要是前述的进行导通的结构即可，反向导通型半导体开关V、Y、X、U不限定于前述的结构。例如，也可以将功率MOSFET、反向导通型GTO晶闸管等用于反向导通型半导体开关V、Y、X、U。此外，也可以将IGBT等半导体开关和二极管并联连接而构成反向导通型半导体开关V、Y、X、U。
在此，反向导通型半导体开关V、X配置为正向为相同方向。此外，反向导通型半导体开关Y、U配置为正向为相同方向。并且，反向导通型半导体开关V、X与反向导通型半导体开关Y、U配置为正向相互反向。
反向导通型半导体开关V、X(半导体开关S1、S3)在相同定时进行导通/截止。此外，反向导通型半导体开关Y、U(半导体开关S2、S4)在相同定时进行导通/截止。并且，在反向导通型半导体开关V、X(半导体开关S1、S3)导通(截止)时，反向导通型半导体开关Y、U(半导体开关S2、S4)截止(导通)。
以上这样的磁能再生开关3(磁能再生开关3-1～3-3)串联连接在交流电源1和感应电动机2之间。
回到图1的说明，栅极控制装置6对磁能再生开关3的各个自消弧元件(相当于4个反向导通型半导体开关V、Y、X、U)的导通/截止的定时进行控制。
电压检测装置7检测三相交流电源1的电压的时间波形。电流检测装置8检测三相交流电源1的电流的时间波形。电压检测装置9测定感应电动机2的端子电压的时间波形。
另外，在以下的说明中设交流电源1的频率为50Hz，但是在其他一般使用的电源频率和特殊的电源频率时也显然同样可以实施本发明。
(1-2.磁能再生开关)
本发明的发明者们对专利文献2及3等记载的磁能再生开关等进行了锐意研究，结果发现下面的事项。即，使磁能再生开关3的各个自消弧元件与交流电源1的相位同步地在交流电源1的电源波形的1个周期中进行1次导通/截止(切换)，来控制交流电源1的相位和磁能再生开关3的各个自消弧元件的切换的定时之间的相位差(切换相位)。由此，能够控制供给至感应电动机2的电压的大小和电流的相位。在此，电压检测装置7是为了控制该切换相位而被使用的。
在此，如上所述，将构成将各相(R相、S相、或T相)的电力施加给感应电动机2的磁能再生开关3的4个自消弧元件的名称如图2所示那样定义为U、V、X、Y。
图3是用于说明磁能再生开关的各个自消弧元件U、V、X、Y的控制方法(流程)的示意图。具体而言，图3是表示交流电源1的电源电压的时间波形和各个自消弧元件(V、X或U、Y)的栅极信号的导通/截止(High/Low)的时间变化的曲线图。
各相的磁能再生开关3分别按照V和X的对、U和Y的对同时地导通或截止。各相的磁能再生开关分别在交流电源1的1个周期中进行1次导通和截止。如图3所示，各相的磁能再生开关3的各个自消弧元件U、V、X、Y同步于与磁能再生开关3对应的“交流电源1的相”的相电压(R相电压31、S相电压32、T相电压33)而被控制。在以各相电压31～33从负转为正的时刻为基准而超前了相位超前时间δ的时间(切换相位)的时刻(例如时刻T1、T2、T3)，将V及X导通，将U及Y截止。同样地，在以各相电压31～33从正转为负的时刻为基准而超前了相位超前时间δ的时间的时刻，将U及Y导通，将V及X截止。另外，在图3中，线间电压34表示R相与S相的线间电压。
图4是表示磁能再生开关3所产生的电压的相位、与负载端子电压及功率因数之间的关系的曲线图。在此，“负载端子电压”是指各个磁能再生开关3的输出端子(负载侧端子)侧的电压。此外，“功率因数”是关于交流电源1的电压和从交流电源1流出的电流的功率因数。图4所示的曲线图示出了在对由滞后功率因数0.8的电阻和线圈构成的理想负载施加了通过磁能再生开关3控制了相位的交流电压时的、理论上的负载端子电压(曲线41)和功率因数(曲线42)。在此，“磁能再生开关3所产生的电压的相位”是指交流电源1的电压与磁能再生开关3所产生的交流电压之间的相位差。在此设定为，磁能再生开关3所产生的电压是超前时相位为正。如图4所示，通过控制各个自消弧元件U、V、X、Y的切换的定时、即控制相位超前时间δ，能够控制磁能再生开关3所产生的电压的相位。
根据图4，在磁能再生开关3所产生的电压的相位为90度时，功率因数成为1。而且，作为用于控制负载端子电压的运行区域，存在2个运行区域。其中的1个是功率因数成为滞后的区域，另1个是功率因数成为超前的区域。
如上所述可知，若改变各个自消弧元件U、V、X、Y的切换的定时、即改变相位超前时间δ，则能够控制功率因数，由此，能够控制负载端子电压。
根据感应电动机2的特性，磁能再生开关3作为串联电容器动作，从而由该串联电容器和感应电动机2的电感构成LC电路。这样，由于感应电动机2的自励磁现象而使感应电动机2的端子电压和电流振动，从而感应电动机2的动作有时变得不稳定。因此，在本实施方式中，通过连接在磁能再生开关3和感应电动机2之间的电压检测装置9来测定施加到感应电动机2的电压并向栅极控制装置6反馈。然后，通过栅极控制装置6对切换相位量(相位超前时间δ)进行反馈控制，从而避免该不稳定现象。
(1-3.详细结构)
图5是进一步详细表示图1所示的感应电动机控制装置10的栅极控制装置6的一例的图。即，图5是为了控制感应电动机2的端子电压而使用的栅极控制装置6的内部的控制模块的结构的一例的图。栅极控制装置6内的端子间电压运算部21，首先根据由电压检测装置9连续或逐次测定的感应电动机2的三相各自的端子电压的瞬态值，来求出线间电压的值(Vrs、Vst、Vtr)。然后，端子间电压运算部21通过对线间电压的值(Vrs、Vst、Vtr)进行三相/二相转换从而求出二相的瞬态电压值(Vα、Vβ)。接着，端子间电压运算部21计算二相的瞬态电压值(Vα、Vβ)的平方和的平方根，从而求出瞬态的电压有效值。该瞬态的电压有效值中包含有感应电动机2的端子电压中包含的“因比电源频率高的频率成分即高次谐波成分产生的信号”。因此，端子间电压运算部21可以将该信号通过低通滤波器(LPF)除去，从而计算端子电压测定值Vrms。但是，并不是一定要使用低通滤波器(LPF)。
另一方面，由电压检测装置7测定的三相交流电源1的电源电压波形被输入到栅极控制装置6内的无功功率控制部22。此外，由电流检测装置8测定的三相交流电源1的电源电流波形也被输入到无功功率控制部22。无功功率控制部22基于这些电源电压波形和电源电流波形，求出从电源被供给的无功功率(以下根据需要简称为无功功率)的当前值。然后，无功功率控制部22从预先设定的无功功率的指令值中减去无功功率的当前值而得到减法值，将该减法值换算成电压值。然后，无功功率控制部22将该电压值作为感应电动机2的端子电压的指令值V*(以下称为端子电压指令值)输出。
另外，如本实施方式这样，多数情况下只能观测三相电源配线的线间电压。这时，如图3所示，需要假定相对于线间电压(例如RS线间电压34)滞后了与30度相当的时间的相电压来控制自消弧元件U、V、X、Y的栅极。在此，例如，无功功率控制部22将三相的交流电源电压的周期视为固定，检测各相的电压的零点，用计时器对从该零点起的时间进行计时，从而能够求出相对于线间电压滞后了与30度相当的时间的相电压。此外，用电压检测装置7连续地检测三相交流电源电压的瞬态电压，通过PLL(phase lock loop：锁相环)生成与该瞬态电压的波形同步的信号。然后，用移相器将该信号的相位移动与30度相当的时间，通过该方法，也能够更有效地得到相对于线间电压滞后了与30度相当的时间的相电压。这样，无功功率控制部22基于三相交流电源1的电源电压波形和电源电流波形，运算用于驱动作为感应电动机2的基准信号即端子电压指令值V*，并将其输出。
在栅极控制装置6中，通过上述端子间电压运算部21进行用于使根据线间电压的测定值运算出的端子电压测定值Vrms(瞬态的电压有效值)与从无功功率控制部22输出的端子电压指令值V*相一致的运算。为此，首先，减法器26计算端子电压测定值Vrms与端子电压指令值V*之间的偏差值。然后，PI控制部23通过进行基于该偏差值的比例积分控制，对相位超前时间δ进行反馈控制。在本实施方式中，通过该反馈控制来控制施加到感应电动机2的端子电压。此外，通过该反馈控制，即使感应电动机2的电路常数因该感应电动机2的负载状态而变化，也能够将该感应电动机2的端子电压控制为由无功功率控制部22指令的端子电压指令值V*。此外，通过适当地选定该反馈控制的反馈增益，能够避免如前所述的因感应电动机2的自励磁现象引起的不稳定现象。
另外，图5所示的栅极控制装置6具备电压限制器(limiter)24，作为来自电压上述PI控制部23的输出信号过大时的对策。即，电压限制器24在从PI控制部23输出的表示相位超前时间δ的信号过大时，将该信号限制为规定的值。如果这样设置电压限制器24，则能够防止来自PI控制部23的过大的信号从栅极控制装置6输出，因此是优选的。但是，不是必须设置电压限制器24。
相位控制器25基于由电压检测装置7测定的三相交流电源1的电源电压的相位，生成表示以该电源电压的规定的定时(在此为零点)为基准的相位超前时间δ的信号，作为对磁能再生开关3的栅极信号G。然后，相位控制器25将生成的栅极信号G向磁能再生开关3输出。
在图5中示出了为了通过比例积分控制法对相位超前时间δ进行反馈控制，而具有PI(比例积分)控制部23作为控制部的一例的情况。但是，在通过比例控制法对相位超前时间δ进行反馈控制的情况下，当然也可以取代该PI控制部23而使用P(比例)控制部。进而，在通过比例积分微分控制法对相位超前时间δ进行反馈控制的情况下，可以取代该PI控制部23而使用PID控制部。但是，即使进行微分动作，反馈控制的速度也不太会上升，而且微分动作会成为反馈控制中的不稳定因素，所以优选使用比例控制法或比例积分控制法。
如以上所述，栅极控制装置6如用图3所说明的那样，生成与电源电压同步且超前了相位超前时间δ的相位的栅极信号G，并将该栅极信号G赋予给磁能再生开关3(3-1～3-2)。由此，如图3所示，在相对于电源电压的零点超前了相位超前时间δ的时刻，自消弧元件U和Y、V和X的栅极导通/截止(U和Y导通时V和X截止、V和X导通时U和Y截止)。
<2.由第一实施方式所涉及的感应电动机控制装置进行的感应电动机的控制例等>
图6是表示感应电动机2的端子电压、与从感应电动机2的端子流入的电流(曲线61)、消耗有功功率(曲线63)、产生无功功率(曲线62)之间的关系的一例的图。图6示出了通过本实施方式的感应电动机驱动装置10对自消弧元件U和Y、V和X的栅极的切换相位(相位超前时间δ)进行控制，从而控制额定规格为400V、5.5kW的感应电动机2的端子电压时的测定结果。另外，这时的负载的功率因数是0.7(滞后)。此外，感应电动机2的端子电压的控制是在磁能再生开关3的功率因数成为超前的运行区域中进行的。如图4所示，通过对相位超前时间δ进行控制，能够控制感应电动机2的端子电压。而且，如图6所示，感应电动机控制装置10对交流电源1产生无功功率。而且，通过感应电动机2的端子电压的控制，能够控制无功功率的产生量。因此可知，通过控制相位超前时间δ，能够控制无功功率的产生量。
基于以上的实验结果(图4、图6)，栅极控制装置6根据由电流检测装置8和电压检测装置7分别测定的交流电源1侧的电流测定值和交流电源1侧的电压测定值，运算无功功率的当前值。然后，栅极控制装置6控制感应电动机2的端子电压(相位超前时间δ)以使运算出的无功功率的当前值成为期望的值，由此来控制无功功率的产生量。
即，如前所述，在本实施方式中，如图5所示那样构成栅极控制装置6。而且，将电流检测装置8及电压检测装置7的测定值输入到无功功率控制部22，无功功率控制部22来运算感应电动机控制装置10对交流电源1产生的无功功率的测定值(即当前值)。然后，无功功率控制部22控制端子电压指令值V*，以使无功功率的当前值与从外部输入的无功功率的指令值一致。在图4中，例如，使栅极信号G的相位从约130度逐渐向180度变化，使感应电动机控制装置10在功率因数成为超前的区域中运行。这种情况下，如图6所示，所产生的无功功率具有如下的特性，即，所产生的无功功率在感应电动机2的端子电压为某一值时成为下限，无论使端子电压比该某个值上升还是下降，所产生的无功功率都增加(参照曲线62)。
另外，在无功功率控制部22中也可以设置输入输出部(未图示)，输出无功功率的测定值，并输入无功功率的指令值。
图7是表示用于控制成在功率因数成为超前的范围内无功功率的测定值接近无功功率的指令值的无功功率控制部22的控制流程的一例的流程图。另外，在此，以感应电动机2的端子电压与无功功率之间的关系是以图6所示的关系(无功功率在感应电动机2的端子电压为某一值时成为下限，无论使端子电压比该某一值上升还是下降，无功功率都增加的关系)为前提进行说明。
在该控制流程中，首先无功功率控制部22将下降的方向设定为感应电动机2的端子电压的搜索方向(电压搜索方向)(步骤S101)。无功功率控制部22测定因按照电压搜索方向使感应电动机2的当前的端子电压上升或下降而引起的无功功率的产生的变化(步骤S102、S103～S105，或者是，步骤S102、S110～S112)。无功功率控制部22在无功功率的当前值(测定值)比预先设定的指令值小时，使感应电动机2的端子电压减小(在步骤S106处理后未进行步骤S108处理的步骤S102、S103～S109，或者是，在步骤S115处理后的步骤S102、S103～S109)。
另一方面，无功功率控制部22在无功功率的当前值(测定值)比指令值大时，使感应电动机2的端子电压增加(在步骤S108处理后的步骤S102、S110～S116，或者是，在步骤S113处理后未进行步骤S115处理的步骤S102、S110～S116)。这时，虽然由于感应电动机2的端子电压的下降而电流增加，但是无功功率控制部22能够在该电流不成为过大的范围内使无功功率增加(步骤S107、S109及步骤S114、S116)。
在本实施方式中，在无功功率控制部22中预先设定有无功功率的指令值。但是，也可以是在无功功率控制部22中不预先设定无功功率的指令值，而是无功功率控制部22使栅极信号G的相位变化来搜索最小值。此外，无功功率控制部22能够使无功功率成为最小的端子电压，或使无功功率减少至端子电压所容许的上限电压。
此外，无功功率的控制范围是由感应电动机2的常数或负载状态等决定的。因此，在无功功率的指令值脱离了该控制范围的情况下，无功功率的当前值成为该控制范围的上限或下限值，与指令不一致。
此外，在图7中，在步骤S101中，无功功率控制部22首先将感应电动机2的端子电压的搜索方向设定为下降，来进行步骤S102以后的处理。但是当然也可以是，在步骤S101中，无功功率控制部22首先将感应电动机2的端子电压的搜索方向设定为上升来进行步骤S102以后的处理。
此外，即使是单相的感应电动机，也能够应用本实施方式的感应电动机控制装置。这种情况下，磁能再生开关为1个即可。此外，端子间电压运算部21省略三相/二相转换，根据电压检测装置8的测定值求出单相电压的有效值。
另外，在本实施方式中，例如，通过使用电压检测装置9来实现第一电压检测单元的一例。此外，例如，通过使用电压检测装置7来实现第二电压检测单元的一例，通过使用电流检测装置8来实现电流检测单元的一例。此外，例如，通过使用栅极控制装置6来实现栅极控制单元的一例。此外，例如，通过使用PI控制部23来实现控制部的一例，通过使用相位控制器25来实现相位控制部的一例。
<3.第二实施方式的感应电动机组控制系统>
图8是表示本发明的第二实施方式的感应电动机组控制系统的结构例的图。感应电动机组控制系统利用第一实施方式的感应电动机控制装置10。感应电动机组控制系统100构成为包含有多个感应电动机控制装置10(10-1、10-2、…)、组控制装置11、功率因数/电压计测装置12。
多个感应电动机控制装置10(10-1、10-2、…)与交流电源1连接，相对于多个感应电动机2(2-1、2-2、…)的每1个进行配置，单独控制多个感应电动机2(2-1、2-2、…)的每一个。
组控制装置11对各感应电动机控制装置10(10-1、10-2、…)指令无功功率的产生量。
功率因数/电压计测装置12在与向多个感应电动机2的分支配线连接的基干配线中测定交流电源1的功率因数和电压。
在交流电源1上也可以连接未使用感应电动机控制装置10的1台或多台感应电动机13-1、13-2、…、以及1个或多个除感应电动机以外的负载14-1、14-2、…中的至少任何一方。但是，这些感应电动机13-1、13-2、…、负载14-1、14-2、…也可以不连接于交流电源1。另外，作为负载14-1、14-2、…可以举出照明装置或电磁阀等。
通常感应电动机2是滞后功率因数的负载。另一方面，在被第一实施方式的感应电动机控制装置10驱动的情况下，感应电动机2若从交流电源1侧来看则能够成为超前功率因数的负载。但是，即使是使用第一实施方式的感应电动机控制装置10的情况下，通过该控制也能够在滞后功率因数的范围内控制感应电动机2。
在图8的结构例中，通过功率因数/电压计测装置12计测从交流电源取得的电流的功率因数，计测无功功率的当前值。然后，组控制装置11基于由功率因数/电压计测装置12计测的无功功率的当前值，对各感应电动机控制装置10-1、10-2、…指令应产生的无功功率(输出无功功率的指令值)。由此，能够控制感应电动机2-1、2-2、…，以使从交流电源1供给的电流整体的功率因数成为最大。这时，根据使用了感应电动机控制装置10的感应电动机2的台数、未使用感应电动机控制装置10的感应电动机13的台数、以及除了感应电动机以外的负载14的状沉，一部分感应电动机控制装置10控制感应电动机2以使其成为滞后功率因数。
作为一例，感应电动机控制装置10-1、10-2、…的栅极控制装置6如图5所示那样构成。而且，通过图7所示的控制方法，使各个感应电动机控制装置10-1、10-2、…所产生的无功功率的控制成为可能。并且，通过功率因数/电压计测装置12，计测从交流电源1取得的电流的功率因数，计测无功功率的当前值。此外，通过组控制装置11，控制感应电动机控制装置10-1、10-2、…各自产生的无功功率。
(3-1.第一控制方法)
图9是详细地示出本实施方式的第一例的组控制装置11a的结构的一例的图。
组控制装置11a如图9所示那样生成无功功率的指令值，由此能够控制多台感应电动机控制装置10-1、10-2、…所产生的无功功率的合计。
在图9所示的控制方法中，进行使从功率因数/电压计测装置12得到的整体的无功功率的当前值Q(在此设滞后功率因数的情况下的无功功率为负)接近0的控制。组控制装置11a通过减法器91求出所需要的无功功率ΔQ(＝0-Q)。然后，组控制装置11a与被感应电动机控制装置10-1、10-2、…驱动的感应电动机2-1、2-2、…的容量相对应地将求出的无功功率ΔQ按比例分配。在图9中，设按比例分配给感应电动机控制装置10-1、10-2、…的无功功率分别为ΔQ1、ΔQ2、…。
然后，加法器92-1、92-2…在从各个感应电动机控制装置10-1、10-2…得到的无功功率的当前值Q1、Q2、…上加上无功功率ΔQ1、ΔQ2、…。由此，得到赋予给各个感应电动机控制装置10-1、10-2、…的无功功率指令值Q1*、Q2*、…、。组控制装置11a将无功功率指令值Q1*、Q2*、…赋予给感应电动机控制装置10-1、10-2、…。
(3-2.第二控制方法)
图10是详细说明本实施方式的第二例的组控制装置11b的结构的一例的图。
组控制装置11b如图10所示那样生成无功功率的指令值，由此能够将交流电源1的电压控制为一定。特别是，在与交流电源1直接连接的感应电动机2启动时，在感应电动机2中流过较大的启动电流。因此，由于交流电源1的电源阻抗而使交流电源1的电压降低。因此，在图10所示的控制方法中，控制无功功率的产生，以补偿由与交流电源1直接连接的感应电动机等负载引起的交流电源1的电压的降低。
在图10的结构例中，通过功率因数/电压计测装置12计测交流电源1的电压和无功功率的当前值。然后，组控制装置11b基于由功率因数/电压计测装置12计测的交流电源1的电压和无功功率的当前值，对各个感应电动机控制装置10-1、10-2、…指令应产生的无功功率(输出无功功率的指令值)。由此，能够进行反馈控制以使交流电源1的电压为一定。
作为一例，将组控制装置11b如图10所示那样构成。而且，从功率因数/电压计测装置12将无功功率的当前值和交流电源1的电源电压V都赋予给组控制装置11b。组控制装置11b的减法器101从交流电源1的额定电压中减去交流电源1的电源电压V。P控制部102对从交流电源1的额定电压中减去交流电源1的电源电压V后的电压进行比例控制，从而求出无功功率的指令值。减法器103从无功功率的指令值中减去由功率因数/电压计测装置12得到的整体的无功功率的当前值Q(设滞后功率因数的情况下的无功功率为负)，从而求出所需要的无功功率ΔQ。然后，组控制装置11b与被感应电动机控制装置10-1、10-2、…驱动的感应电动机2-1、2-2、···的容量相对应地按比例分配该无功功率ΔQ。在图10中，设按比例分配给感应电动机控制装置10-1、10-2、…的无功功率分别为ΔQ1、ΔQ2、…。
然后，加法器92-1、92-2、…在从各个感应电动机控制装置10-1、10-2、…得到的无功功率的当前值Q1、Q2…上加上无功功率ΔQ1、ΔQ2、…。由此，得到对各个感应电动机控制装置10-1、10-2…赋予的无功功率指令值Q1*、Q2*、…。组控制装置11b将无功功率指令值Q1*、Q2*、…赋予给感应电动机控制装置10-1、10-2、…。这样，在交流电源1的电源电压V降低时，在无功功率Q增加的方向上进行控制，由此，即使是感应电动机2启动时那样的负载暂时变大的情况下，也能够期待对电源电压V的降低进行补偿的效果。
另外，在组控制装置11可以设置：输入部，用于设定所述功率因数或额定电压；以及输出部，用于显示控制结果。此外，在本实施方式中，例如，通过使用功率因数/电压计测装置12来实现计测装置和电压计测装置的一例。但是，在第二控制方法中，也可以通过单独的装置来对交流电源1的电压和无功功率的当前值进行计测。
以上参照附图详细说明了本发明的优选实施方式，但是本发明显然不限定于该例。作为本领域技术人员，在权利要求记载的技术思想的范围内，当然可以想到各种变形例或修改例，这些也当然属于本发明的技术范围。
另外，在上述的第一、二实施方式中，例如能够使用PLC(ProgrammableLogic Controller：可编程逻辑控制器)或序列发生器，来构成端子间电压运算部21、无功功率控制部22、组控制装置11。这种情况下，也可以是，制作控制用程序并由PLC或序列生成器基于这些程序执行数字信号处理，从而实现端子间电压运算部21、无功功率控制部22、组控制装置11的功能。此外，也可以使用DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)来构成无功功率控制部22、组控制装置11。除此之外，也可以使用硬件(运算电路)来构成无功功率控制部22、组控制装置11。
另外，在本说明书中，在流程图中记述的步骤不仅包含按照记载的顺序时序地进行的处理，也包含不进行时序地处理、而是并行或单独地执行的处理。此外，当然时序地处理的步骤当然也可以根据情况不同而变更为合适的顺序。
工业实用性
根据本发明，能够将在需求用户设备中较多设置的感应电动机用作无功功率补偿装置。因此，能够对与配电系统的末端连接的大量的感应电动机进行控制从而实现配电系统的末端附近的功率因数改善和电源电压的稳定化。

Claims (4)

1.一种感应电动机控制装置，用于控制基于从三相交流电源供给的电力进行动作的感应电动机，其特征在于，具备：
3个磁能再生开关，每个磁能再生开关在各自的相中串联连接在所述交流电源和所述感应电动机之间，分别具有4个自消弧元件；
第一电压检测单元，配设在所述磁能再生开关和所述感应电动机之间，测定对该感应电动机施加的各相的端子电压；
第二电压检测单元，配设在所述交流电源和所述磁能再生开关之间，测定该交流电源的电压；
电流检测单元，测定对所述感应电动机供给的电流；以及
栅极控制单元，生成栅极信号，该栅极信号用于控制所述各相的磁能再生开关中分别包含的各个自消弧元件的导通/截止；
所述栅极控制单元根据从所述第一电压检测单元输入的端子电压的测定值、从所述电流检测单元输入的电流的测定值和从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值，设定上述栅极信号的切换相位以控制无功功率的产生量，从而控制对所述感应电动机施加的电压。
2.如权利要求1所述的感应电动机控制装置，其特征在于，
所述栅极控制单元具备：
端子间电压运算部，根据从所述第一电压检测单元输入的端子电压的测定值，连续地运算作为瞬态电压有效值的端子电压测定值；
无功功率控制部，基于从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值和从所述电流检测单元输入的电流的测定值，计算所述无功功率的测定值，以使该无功功率的测定值成为指令值的方式输出所述端子电压的指令值；
控制部，基于由所述端子间电压运算部运算出的端子电压测定值与从所述无功功率控制部输出的端子电压的指令值之间的偏差，进行比例控制或比例积分控制，生成所述栅极信号的切换相位量；以及
相位控制部，生成以从所述第二电压检测单元输入的交流电源的电压的测定值为基准而移位了由所述控制部生成的切换相位量的量的栅极信号，将该栅极信号分别输出给所述各相的磁能再生开关。
3.一种感应电动机组控制系统，使用多台权利要求1或2所述的感应电动机控制装置，来控制基于从一个三相交流电源供给的电力进行动作的多个感应电动机，其特征在于，具备：
多个所述感应电动机控制装置，分别控制所述多个感应电动机；
计测装置，测定基于合成电流的无功功率，所述合成电流是在所述交流电源所连接的所述多个感应电动机控制装置和其他负载中流动的电流的合成电流；以及
组控制装置，根据由所述计测装置测定出的无功功率，以使该无功功率成为规定值的方式生成针对所述多个感应电动机控制装置各自的无功功率的指令值，并将该无功功率的指令值分别输出给所述多个感应电动机控制装置，由此，控制所述多个感应电动机所产生的无功功率量；
所述感应电动机组控制系统对具有多个负载的系统整体的功率因数进行控制，所述负载包含被所述交流电源驱动的多个感应电动机。
4.一种感应电动机组控制系统，使用多台权利要求1或2所述的感应电动机控制装置，来控制基于从一个三相交流电源供给的电力进行动作的多个感应电动机，其特征在于，具备：
多个所述感应电动机控制装置，分别控制上述多个感应电动机；
计测装置，测定基于合成电流的无功功率，该合成电流是在所述交流电源所连接的所述多个感应电动机控制装置和其他负载中流动的电流的合成电流；
电压计测装置，测定所述交流电源的电压；以及
组控制装置，根据由所述计测装置测定出的无功功率和由所述电压计测装置测定出的电压，以使该无功功率成为基于该电压的无功功率的方式生成针对所述多个感应电动机控制装置各自的无功功率的指令值，并将该无功功率的指令值分别输出给所述多个感应电动机控制装置，由此，控制所述多个感应电动机所产生的无功功率量，并且降低所述交流电源的电压的变动。
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