JP2002223592A - 順変換共通型インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 順変換共通型インバータにおいて、回生エネ
ルギーが過大になると発電制動による対応でしかなかっ
た。 【解決手段】 回生エネルギーでコンデンサ電圧が上昇
したことをコンパレータ４６で検出し、さらに力行運転
状態にある電動機をトルク検出器４７の検出から判定
し、電圧偏差ΔＶに応じた値でＶ／ｆ係数設定器４４の
設定値を加算補正し、電動機２０Ａの電圧指令Ｖｓを高
めることでその電力ロスにより回生エネルギーを消費さ
せる。加算補正値は、リミッタ回路５５により電動機の
定格電流を基にした制限をする。制御ゲイン設定器５２
は他の電動機との消費分担比を均一や電動機容量等に応
じて調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１台の順変換装置
を共通の直流電源とし、複数台の逆変換装置によって複
数台の電動機を力行／回生運転する順変換共通型インバ
ータに係り、特に電動機からの回生エネルギーの処理方
式に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のインバータは、順変換装置を共
通電源とする複数台の逆変換装置に電動機の力行と回生
運転が発生するとき、一部の逆変換装置で運転する電動
機の回生エネルギーを残りの逆変換装置で運転する電動
機の力行エネルギーとして有効利用することができる。

【０００３】また、１台の逆変換装置の電力容量に対す
る順変換装置の電力容量が比較的大きいため、一部の逆
変換装置に瞬時的な過負荷が発生した場合に過負荷に耐
えるに十分な直流電力を供給できるというメリットがあ
る。

【０００４】図５は、紡糸システム用の順変換共通型イ
ンバータの例を示し、１台の順変換装置を５台の逆変換
装置の直流電源とし、各逆変換装置で駆動される電動機
により紡糸システムのメタリングポンプ２１、オイラー
２２、ゴデッドロール２３、２４、ワインダー２５等を
連携させて運転する場合である。

【０００５】順変換装置１は、交流入力を直流に変換す
る整流器２と、この整流器２の整流出力を平滑する平滑
コンデンサ３と、整流器２からコンデンサ３への突入電
流を抑制して電源投入をする電源スイッチ回路４と、逆
変換装置側からの回生エネルギーが余剰になったときに
それを熱エネルギーとして発散させるためのダイナミッ
クブレーキ回路５とを備える。

【０００６】５台の逆変換装置１０は、順変換装置１を
共通の直流電源とし、各アームが半導体素子をスイッチ
ング素子として電圧制御形に構成され、各スイッチング
素子がＰＷＭ逆変換制御されることで各電動機２０Ａ〜
２０Ｅに周波数ｆと電圧Ｖが制御された交流電流を供給
する主回路１１Ａ〜１１Ｅと、各主回路１１Ａ〜１１Ｅ
別にされた周波数ｆと電圧Ｖの指令信号に応じたＰＷＭ
ゲート信号を生成し、各電動機２０Ａ〜２０Ｅの力行／
回生制御に合わせた位相のＰＷＭゲート信号を主回路１
１Ａ〜１１Ｅに供給するＰＷＭ制御モジュール１２Ａ〜
１２Ｅとを備える。

【０００７】共通制御モジュール３０は、順変換装置１
に対しては、電源スイッチ回路４の投入／開放制御と、
コンデンサ３の電圧検出によるダイナミックブレーキ回
路５の監視・制御等を行う。

【０００８】また、共通制御モジュール３０は、５台の
逆変換装置１０に対しては、オペレーションパネル３１
で手動設定された運転指令やホストコンピュータ３２か
ら与えられるプログラムされた運転指令に応じて各電動
機２０Ａ〜２０Ｅ別の周波数ｆと電圧Ｖの指令信号を生
成及びＰＷＭ制御モジュール１２Ａ〜１２Ｅにバス結合
で伝送する。

【０００９】さらに、共通制御モジュール３０は、イン
バータの運転中に各種の事故／異常に対する検出とその
保護制御手段を設ける。例えば、交流電源の瞬時停電発
生やコンデンサ３の電圧不足／過大、各電動機電流過大
などを検出する保護リレーと、それらに対応した運転継
続制御や電源遮断、運転停止等の保護回路と、各運転モ
ードと保護動作状態の表示・報知回路を備える。

【００１０】共通制御モジュール３０による瞬時停電時
の運転継続制御方式としては、例えば、ＫＥＢ（Kinema
tic Energy Buffering：運動エネルギー緩衝動作）制御
方式がある。

【００１１】このＫＥＢ制御方式は、停電発生時に各逆
変換装置の出力周波数を同じ減速比で下げて行き、電動
機およびその機械負荷の慣性エネルギーを逆変換装置に
帰還することによって、逆変換装置の直流電圧を一定値
に保ちながら電動機の揃速運転を継続しておき、この間
に電源復旧すれば各逆変換装置の出力周波数を正規の周
波数まで揃速運転で上げて行くものであり、紡糸システ
ムでは瞬時停電発生時の糸切れを防止できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図５に構成例を示すよ
うに、順変換共通型インバータは、各逆変換装置の直流
電源を共通とするため、ある逆変換装置からの回生電力
が直流側に帰還された場合、この電力は残りの逆変換装
置での電動機の力行電力と電動機のロス（無効分電力）
として消費させることができる。

【００１３】また、回生電力が他の電動機での消費電力
を上回った場合、その余剰分は直流側のコンデンサ３の
充電電圧を上昇させるが、この直流電圧の上昇がある一
定のレベルを越えたとき、ダイナミックブレーキ回路５
により発電制動することにより、直流電源の過電圧発生
を防止できる。

【００１４】したがって、余剰回生電力の最終的な消費
は発電制動でなされており、これを上回る回生電力の発
生や回路異常（ダイナミックブレーキ回路の抵抗の断線
など）が発生した場合には共通制御モジュール３０によ
る過電圧検出と保護リレーによる装置全体の運転停止
（システムダウン）になってしまう。これを防止するに
は、ダイナミックブレーキ回路構成を確実なものにし、
その消費可能電力を極端に大きくしておく必要があり、
大型で高価な装置になる。

【００１５】また、ある逆変換装置からの回生電力を他
の逆変換装置の駆動電力または電動機ロスで消費できる
場合においても、ある決められたパターンもしくはシス
テム特有のモード（力行と回生が同時に発生するような
モード）においてのみ期待できるものであり、回生電力
の消費を積極的に制御できるものではなかった。

【００１６】本発明の目的は、上記の課題を解決した順
変換共通型インバータを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、回生エネルギーが逆変換装置の直流電源
電圧を上昇させるまで増加したとき又はダイナミックブ
レーキ回路を動作させるまで増加したときに、力行運転
状態にある電動機の電圧指令を加算補正することで回生
エネルギーの余剰分を電動機の電力ロスとして消費させ
るようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

【００１８】（１）１台の順変換装置を共通の直流電源
とし、複数台の逆変換装置によって複数台の電動機を力
行運転および電動機からの回生エネルギーを直流電源に
回生運転する順変換共通型インバータにおいて、回生運
転状態にある電動機からの回生エネルギーの余剰分を力
行運転状態にある電動機の電力ロスとして消費させる制
御回路を設けたことを特徴とする。

【００１９】（２）前記制御回路は、電動機の回生エネ
ルギーが逆変換装置の直流電源電圧を上昇させるまで増
加したとき又はダイナミックブレーキ回路を動作させる
まで増加したときに力行運転状態にある電動機の電圧指
令を加算補正する電圧補正回路を備えたことを特徴とす
る。

【００２０】（３）前記電圧補正回路は、力行運転状態
にある電動機の電力ロスを均一にして分担させる構成、
電動機の容量に応じて分担させる構成、電動機の検出ト
ルクに応じて分担させる構成、電動機の検出電流に応じ
て分担させる構成のいずれか１つの構成にしたことを特
徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
要部回路図であり、図５の共通制御モジュール３０にお
いて、１台の逆変換装置（主回路１１ＡとＰＷＭモジュ
ール１２Ａで示す）に対する電圧Ｖｓと周波数ｆｓの指
令信号の発生回路部分のみを示す。

【００２２】周波数設定器４１は手動設定やプログラム
された周波数設定値を出力し、この設定値の変化をクッ
ション回路４２により一定の時定数を持たせて周波数指
令ｆｓ及び電圧指令Ｖｓとして発生する。ただし、電圧
指令Ｖｓは乗算器４３によって電圧Ｖと周波数ｆの比例
係数を乗じ、Ｖ／ｆ一定指令にされる。この比例係数
は、電動機２０Ａとその機械負荷に依存するもので、係
数設定器４４であらかじめ設定される。

【００２３】ここで、本実施形態では、電動機側からの
回生エネルギーを力行運転状態の電動機のロスとして吸
収するため、係数設定器４４からのＶ／ｆ係数を加算
（電圧指令Ｖｓの加算）調節する機能を備える。この調
節機能を実現するための構成と作用を以下に詳細に説明
する。

【００２４】動作基準レベル設定器４５は、逆変換装置
１０の共通の直流電源電圧の動作基準値Ｖｅｎを設定す
る。コンパレータ４６は、５台の逆変換装置１０の共通
の直流電源電圧検出値として、平滑コンデンサ３の電圧
Ｖｄｃを比較入力とし、動作基準レベル設定器４５の設
定値Ｖｅｎを比較基準としてそれらの大小を比較し、Ｖ
ｄｃ≧Ｖｅｎ（直流電圧増加）を検出する。これら設定
器４５とコンパレータ４６は、各逆変換装置の加算調節
機能に共通のものである。

【００２５】ＰＷＭモジュール１２Ａに搭載されるトル
ク検出回路４７は、電動機２０Ａの電機子電流からその
発生トルクを検出し、電動機２０Ａの電流制御でのトル
ク検出手段として使用される。論理素子構成の極性判定
回路４８は、トルク検出回路４７を利用し、その検出ト
ルク極性から電動機２０Ａの力行／回生状態の判定信号
を得る。なお、トルク検出回路４７が設けられない場合
には、極性判定回路４８は電動機２０Ａの電流検出器や
速度検出器を利用した判定ができる回路構成にする。

【００２６】条件一致回路４９は、コンパレータ４６に
よる直流電圧増加の検出と、極性判定回路４８による電
動機２０Ａの力行状態の判定が得られたことを条件にし
て、Ｖ／ｆ係数の加算調節入力スイッチ５０を投入す
る。

【００２７】スイッチ５０への入力、つまりＶ／ｆ係数
値の加算分は、偏差検出器５１により検出する動作基準
レベルＶｅｎとコンデンサ３の電圧Ｖｄｃとの偏差ΔＶ
を基準値とする。さらに、この基準値に対して、制御ゲ
イン設定器５２で設定するゲインを乗算器５３で乗じ
る。さらに、電動機定格電流設定器５４で設定する定格
電流に相当する値でリミッタ値が設定され変化率制限機
能をもつリミッタ回路５５によって制限する。

【００２８】以上の構成により、電動機２０Ａとは別の
電動機が回生状態になり、コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが
動作基準レベルＶｅｎを越え、かつ電動機２０Ａが力行
運転されているとき、条件一致回路４９がスイッチ５０
を投入制御し、電圧ＶｅｎとＶｄｃの差分ΔＶを基にし
た値でＶ／ｆ比例係数の加算補正を行う。この補正によ
り、電動機２０Ａの力行運転は、周波数指令ｆｓは同じ
でその回転数は変化しないが、それに対する電圧指令Ｖ
ｓの増大が電動機２０Ａで電力ロスを発生させる。した
がって、電力ロスの発生により回生運転の電動機からの
回生エネルギーの余剰分が電動機２０Ａで吸収され、こ
れによりコンデンサ３の電圧上昇を抑制し、それを動作
基準レベルＶｅｎに保持することができる。

【００２９】このように、力行運転の電動機のロスとし
て行われる回生エネルギーの余剰分の吸収（消費）は、
回生運転状態にない各電動機で分担してなされる。この
ときの分担率は、制御ゲイン設定器５２の設定値で決定
され、この設定値は各電動機に共通とするのを基本とす
るが、各電動機毎の容量に応じて決めることもできる。
但し、その上限は、設定器５４で設定する定格電流設定
値によって制限する。

【００３０】また、比例係数の加算補正は、コンデンサ
３の電圧ＶｄｃがＶｅｎを越えると同時になされるが、
この偏差がある値を越えたときに行うには、コンパレー
タ４６の比較基準にバイアス分を持たせる。これによ
り、コンデンサ３の電圧が定常時の電圧よりもバイアス
分だけ上昇したときに初めて回生エネルギーの吸収処理
がなされる。

【００３１】上記のバイアスレベルとしては、ダイナミ
ックブレーキ回路５が動作開始する保護レベルと同程度
にすれば、ダイナミックブレーキ回路５による回生電力
の吸収と並行した回生エネルギーの吸収がなされ、ダイ
ナミックブレーキ回路５の負担を軽減し、その抵抗器の
小型化やコストダウン等を図ることができる。

【００３２】また、バイアスレベルをダイナミックブレ
ーキ回路５が動作開始する保護レベルよりも低い値とす
れば、過電圧発生発生に対する予防が充実される。

【００３３】図２は、本発明の他の実施形態としての要
部構成を示し、図１の破線で囲んだ調節機能制御部分の
回路に代えるものである。比例積分（ＰＩ）制御アンプ
６０は、その入力として図１の場合と同様に偏差ΔＶに
相当する信号が与えられる。また、制御アンプ６０は、
入出力間にリセットスイッチ６１が設けられ、このスイ
ッチ６１は条件一致判定回路４９による条件一致判定で
開放入される。また、制御アンプ６０の出力は比例係数
の加算補正分として設定器４４の出力に加算される。

【００３４】本実施形態においては、Ｖｄｃ≧Ｖｅｎで
かつ電動機の力行運転状態ではスイッチ６１が開放され
て比例係数の加算補正がなされる。また、これら条件の
一致判定が得られない通常時にはスイッチ６１が投入さ
れ、制御アンプ６０による制御が遮断される。したがっ
て、本実施形態においても図１のものと同様の機能構成
を実現できる。

【００３５】図３は、本発明の他の実施形態としての要
部構成を示す。図中の総和演算回路７１は、図１におけ
る乗算器５３の入力信号になるΔＶとして、各電動機か
ら極性（回生／力行）を持たせて検出したトルク検出値
の総和を演算したもの、もしくは回生運転状態の電動機
でのトルク検出値の総和を演算したものとする。

【００３６】本実施形態においては、コンデンサ３の電
圧の上昇検出に代えて、各電動機のトルク検出値の総和
から回生エネルギーによる直流電圧の上昇を予測するこ
とで早期の回生エネルギーの吸収を可能とするものであ
り、図１の場合と同等以上の作用効果を得ることができ
る。

【００３７】図４、本発明の他の実施形態としての要部
構成を示し、図１の制御ゲイン設定器５２に代えるもの
である。図４において、比率演算回路８１は、電動機の
電機子電流の検出値と設定器５４で設定する電動機の定
格電流設定値との差分からその百分率を求める。共通ゲ
イン設定器８２は各逆変換装置に共通の補正ゲインを設
定しておく。乗算器８３は、設定器８２からの共通の補
正ゲインを比率演算回路８１からの百分率を乗じて各電
動機別の補正ゲインを求め、これを制御ゲインＧ１とす
る。これにより、回生エネルギーの各電動機での消費バ
ランスを取ることができる。

【００３８】さらには、この制御ゲインＧ１に各逆変換
装置がもつ各電動機の定格電流に対する余裕度をパラメ
ータとして、または各電動機の容量をパラメータとして
調整することができる。この調整は、パラメータ演算回
路８４でなされ、全電動機の容量の総和または定格電流
値の総和に対して、ゲイン調整対象となる電動機の容量
または定格電流値の比率として求め、これを乗算器８５
によって制御ゲインＧ１に乗じることでパラメータ調整
した制御ゲインＧ１’を得る。

【００３９】これらパラメータ調整により、回生エネル
ギーの各電動機での消費バランスを一層正確に取ること
ができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、回生エ
ネルギーが逆変換装置の直流電源電圧を上昇させるまで
増加したとき又はダイナミックブレーキ回路を動作させ
るまで増加したときに、力行運転状態にある電動機の電
圧指令を加算補正することで回生エネルギーの余剰分を
電動機の電力ロスとして消費させるようにしたため、回
生エネルギーがダイナミックブレーキ回路による発電制
動を上回るのを確実に抑制でき、過電圧検出と保護リレ
ーによる装置全体の運転停止を防止できる。

【００４１】また、ダイナミックブレーキ回路を小型化
してそのコストダウンを図ることができる。

【００４２】また、直流電源電圧が上昇し始める段階で
力行運転状態の電動機側で回生エネルギーを消費させる
ことができ、ダイナミックブレーキ回路の異常等にも対
応できる。

【００４３】また、回生エネルギーの消費は、各電動機
の運転パターンやシステムの運転モードに影響されるこ
ともない。

【００４４】また、各電動機の電力消費の分担は、その
容量や運転状態により決定することで、適確な分担が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す順変換共通型インバー
タの要部回路図。

【図２】本発明の他の実施形態を示す要部回路図。

【図３】本発明の他の実施形態を示す要部回路図。

【図４】本発明の他の実施形態を示す要部回路図。

【図５】従来の紡糸システムの順変換共通型インバータ
の構成図。

【符号の説明】

１…順変換装置 ２…整流器 ３…平滑コンデンサ ４…電源スイッチ投入回路 ５…ダイナミックブレーキ回路 １０…逆変換装置 １１Ａ〜１１Ｅ…主回路 １２Ａ〜１２Ｅ…ＰＷＭ制御モジュール ２０Ａ〜２０Ｅ…電動機 ３０…共通制御モジュール ４１…周波数設定器 ４４…係数設定器 ４５…動作基準レベル設定器 ４６…コンパレータ ４７…トルク検出器 ４８…極性判定回路 ４９…条件一致回路 ５０…加算調節入力スイッチ ５２…制御ゲイン設定器 ５５…リミッタ回路 ６０…制御アンプ ７１…総和演算回路 ８１…比率演算回路 ８２…共通ゲイン設定器 ８４…パラメータ演算回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １台の順変換装置を共通の直流電源と
   し、複数台の逆変換装置によって複数台の電動機を力行
   運転および電動機からの回生エネルギーを直流電源に回
   生運転する順変換共通型インバータにおいて、 回生運転状態にある電動機からの回生エネルギーの余剰
   分を力行運転状態にある電動機の電力ロスとして消費さ
   せる制御回路を設けたことを特徴とする順変換共通型イ
   ンバータ。
2. 【請求項２】 前記制御回路は、電動機の回生エネルギ
   ーが逆変換装置の直流電源電圧を上昇させるまで増加し
   たとき又はダイナミックブレーキ回路を動作させるまで
   増加したときに力行運転状態にある電動機の電圧指令を
   加算補正する電圧補正回路を備えたことを特徴とする請
   求項１に記載の順変換共通型インバータ。
3. 【請求項３】 前記電圧補正回路は、力行運転状態にあ
   る電動機の電力ロスを均一にして分担させる構成、電動
   機の容量に応じて分担させる構成、電動機の検出トルク
   に応じて分担させる構成、電動機の検出電流に応じて分
   担させる構成のいずれか１つの構成にしたことを特徴と
   する請求項１または２に記載の順変換共通型インバー
   タ。