JP2006087155A - インバータ駆動ブロワ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＭＳＭをインバータで駆動するブロワ装置で、電源供給が停止した状況でも、保護に至らずブロワ装置を運転継続させ、復電した時点で迅速かつ確実に定常運転へと移行できるようにする。
【解決手段】 停電状態では、フィルタコンデンサ２の電圧Ｖｄｃを電圧検出器１１により検出し、直流電圧制御部１３へ入力し、直流電圧指令と検出値が一致するようにＱ軸電流指令を算出する。Ｄ軸電流指令は所定の値とする。座標変換器２１では、３相電流値を磨耗変換しＤＱ軸の電流値へする。Ｄ軸電流指令とＤ軸電流と、Ｑ軸電流指令とＱ軸電流指令とが電流制御器１５へと入力されＤＱ軸出力電圧指令が演算される。軸ずれ補正部２２ではＤ軸電圧指令を入力とし、それが０になるようにインバータ出力周波数への補正量を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ駆動ブロワ制御装置に関する。

電車向けの電気機器では、車両の高速化の目的から搭載機器の軽量化が、また、省エネルギー化の観点から機器の効率向上が求められている。主モータを冷却するブロワ装置には、これまで単相誘導モータが使用されてきたが、小型軽量化が図れ、効率にも優れた永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の適用が期待されている。

しかしながら、ＰＭＳＭを用いる場合、従来に比べインバータを備えなければならないことになり高コストのシステムになる。また、同システムでは、各々のＰＭＳＭに位置検出器あるいは回転数検出器などのセンサを備えることは、一層のコスト増や信頼性低下につながるために好ましくなく、同検出器を用いないセンサレス方式での実現が望まれている。

センサレス方式の場合、装置を始動する際の確実性が低下するために、定格風量を出力できない時間が増加し、風量低下によるシステム信頼性を損なう可能性がある。センサレス方式においても、一旦、安定に駆動できればその後安定な動作が継続できるが、ブロワ装置を初めて動作する際、あるいは、なんらかの保護の後、装置を再始動する際など、迅速に運転を開始することが困難である。

現在の交流電車では、デッドセクションとよばれる電源供給を停止させる区間が数１０ｋｍ間隔程度に存在する。このデッドセクションを通過する間電源供給が数秒間停止することから、ブロワ装置のインバータが頻繁に保護停止することが想定され、上記のような状況が頻繁に発生する。

上述のように、ＰＭＳＭを使ったブロワ装置ではコスト増になりがちであるため、１台のインバータで複数台のＰＭＳＭを直列に接続して駆動する方式がコスト増を抑える点で有利である。ところがそのようなシステムにした場合、複数台のＰＭＳＭのロータの位置や速度がセンサレス方式であるが故に不明であるとともに、２台のＰＭＳＭの負荷がアンバランスである状況を考えれば、それぞれのロータ磁石の位置あるいはロータ回転数が不一致である状況が起こり得る。
特開２００３−１８８８７号公報

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、永久磁石モータをインバータで駆動することで発生するコスト増加を抑制し、小型軽量かつ高効率を達成でき、その上、電源供給が停止した状況でも保護に至らずにブロワの運転を継続させ、復電した時点で迅速かつ確実に定常運転へ移行することができ、システムの信頼性が高いインバータ駆動ブロワ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明のインバータ駆動ブロワ制御装置は、交流電源から電力供給され、交流を直流に変換する変換器と、前記変換器の出力側の電圧を平滑するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに接続されたインバータと、ブロワを回転駆動させるために当該インバータに接続された永久磁石モータと、前記インバータに所定の出力周波数と出力電圧とを出力させるインバータ制御手段と、前記交流電源の停電を検知する停電検知手段と、前記インバータの直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記停電検知手段が停電を検知した場合に、前記直流電圧検出手段の検出する直流電圧に基づき、当該直流電圧が所定電圧に一致するように前記永久磁石モータのトルクを制御するトルク制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置において、前記永久磁石モータは、複数台直列に接続したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置において、前記停電検知手段が停電を検知したときに前記インバータの出力電圧に直交する電流値をプラスに流す手段を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、主モータを強制冷却するためのブロワを回転駆動するための永久磁石モータに対して、電源からの給電が停止した状態においても安定な駆動を継続することを可能とし、システムの信頼性を向上することができるインバータ駆動ブロワ制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態のインバータ駆動ブロワ制御装置のブロック図である。変電所より給電される単相交流を、パンタグラフ７と車輪８とで集電している。集電された単相交流電力は、主変圧器９により架線の高圧からを低圧へと変換され、整流器１０へ入力される。整流器１０の直流側には、フィルタコンデンサ２とインバータ１が備えられている。インバータ１の負荷としては、２台の永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）３，４が直列に接続されている。これらのＰＭＳＭ３，４は、ブロワ２６，２７の駆動源である。

以上の主回路構成に対する制御側の構成を説明する。制御装置は、３つの切替器１６，１７，２４を備えていて、通常の制御状態と停電中の制御状態とを切り替える。電圧検出器６は主変圧器９の出力電圧Ｖｃを検出し、停電検知部１２はこの電圧検出器６の検出した検出電圧Ｖｃに基づいて健全状態か停電状態かを判断する。例えば、次のように停電検知フラグＦｌｇ＿ＮｏＶｓを決定する。

ただし、ＶｃＲｍｓはＶｃの実効値（ＲＭＳ）であり、α，βはβ＞α＞０の関係があるセット値であり、停電検知フラグＦｌｇ＿ＮｏＶｓ＝１は停電状態を、Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝０は電源健全状態を表す。

停電検知部１２の出力する停電検知フラグＦｌｇ＿ＮｏＶｓに応じて、停電検知状態と健全状態とで回路が切り替わる。ここではまず、健全状態（Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝０）について説明する。このとき、切替器１６，１７の出力は０にセットされる。この切替器１６の出力はＤ軸電圧指令Ｖｄ^＊となる。加算器１８では、切替器１７の出力（ここでは０）にＱ軸電圧フィードフォワード値ＶｑＦＦを加算してＱ軸出力電圧指令Ｖｑ^＊として出力する。ここにＶｑＦＦは健全状態における出力電圧であり、インバータ出力周波数ωＩｎｖに比例して次式で決定する。

ここでＫは、概ね２台のＰＭＳＭ３，４の磁石磁束の和とほぼ一致する係数である。ブロワ２６，２７の回転数を指定するインバータ出力周波数指令ωＩｎｖは、積分器２３に入力される。積分器２３は、インバータ出力周波数指令ωＩｎｖを積分し、出力位相角基準Θ^＊を出力する。電源健全状態では、この出力位相角基準Θ^＊は加算器２５で補正されることなく、つまり０を加算されて位相角θとして出力される。このθは、Ｕ相から回転座標系Ｄ軸までの位相角を表す。座標変換器１９では、この位相角θを用いて、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊を３相静止座標系の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に変換する。座標変換器２１は、電流検出器５が検出した相電流Ｉｕ，Ｉｗをこのθを用いてＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに座標変換する。ゲート指令演算部２０では、座標変換器１９の求めた３相静止座標系の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に一致した３相出力電圧が得られるようにＰＷＭ制御によってゲート指令を生成してインバータ１に対して出力する。

次に、停電状態（Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝１）での動作を説明する。停電状態では、ＤＱ軸の電流指令ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに対し、ＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが一致するように電流制御器１５が作用する。そこではまず、フィルタコンデンサ２の電圧Ｖｄｃを電圧検出器１１により検出し、直流電圧制御部１３へ入力する。直流電圧制御部１３では、直流電圧指令Ｖｄｃ^＊と検出直流電圧Ｖｄｃとが一致するように、例えば、ＰＩ制御を用いてＱ軸電流指令ＩｑＲｅｆを算出する。

ここに、ＫｐＶｄｃ：比例ゲイン、ＫｉＶｄｃ：積分ゲイン、ｓ：ラプラス演算子である。一方、Ｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆは所定の値である。また、インバータ１の負荷である、直列接続されたＰＭＳＭ３，４に流れる電流Ｉｕ，Ｉｗが電流検出器５によって検出される。座標変換器２１では、電流検出器５が検出する３相静止座標上の電流値Ｉｕ，Ｉｗを３相／ＤＱ変換によってＤＱ軸回転座標系上での電流値Ｉｄ，Ｉｑへと変換する。

Ｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆとＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆとＱ軸電流Ｉｑとが電流制御部１５へ入力され、それぞれの電流がその指令値に一致するように、例えば、次式のようにＰＩ制御によりＤＱ軸出力電圧指令ＶｄＡＣＲ，ＶｑＡＣＲが演算される。

ここに、ＫｐＡＣＲ：比例ゲイン、ＫｉＡＣＲ：積分ゲイン、ｓ：ラプラス演算子である。切替器１６，１７では、停電状態（Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝１）の場合、電流制御部１５の出力電圧指令ＶｄＡＣＲ，ＶｑＡＣＲを電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊として出力する。

軸ずれ補正部２２では、Ｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊を入力とし、それが０になるように、例えばＰＩ制御によってインバータ出力周波数への補正量θｃｍｐを出力する。

ここに、Ｋｐθｃｍｐ：比例ゲイン、Ｋｉθｃｍｐ：積分ゲイン、ｓ：ラプラス演算子である。

切替器２４では、前記θｃｍｐを出力し、加算器２５において位相角基準Θ^＊を補正して、位相角θとして出力する。座標変換器１９では、この位相角θを用いて、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊を３相静止座標系の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に変換する。座標変換器２１は、電流検出器５が検出した相電流Ｉｕ，Ｉｗをこのθを用いてＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに座標変換する。ゲート指令演算部２０では、座標変換器１９の求めた３相静止座標系の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に一致した３相出力電圧が得られるようにＰＷＭ制御によってゲート指令を生成してインバータ１に対して出力する。

以上の構成によれば、電源健全状態においては、インバータ出力周波数ωＩｎｖと出力電圧とが比例関係となる、いわゆるＶ／Ｆ制御系によって安定な運転状態を維持することができる。一方、停電した場合、整流器９の入力電圧を監視することで、停電状態であるか（Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝１）健全状態であるか（Ｆｌｇ＿ＮｏＶｓ＝０）を判定し、停電状態ではＶ／Ｆ制御から電流制御に置き換える。この場合、Ｑ軸電流はインバータ１への直流電圧が所定値を維持するように制御される。一方、Ｄ軸電流は所定の値に制御される。また、Ｄ軸電圧が０になるように軸ずれ補正部２２が位相を調整する。この結果、出力電圧はＤ軸成分を持たず、Ｑ軸成分のみを持つことになる。これは、インバータ出力（パワー）が、Ｄ軸電流でなく、Ｑ軸電流によって制御できる状態を保証している。

以上のように、停電状態では、直流電圧が低下し運転不能にならないように所定の値に維持すればよい。これは、非常に弱い回生状態、すなわち微小なＩｑを流す状態を作り出すことで実現できる。本実施の形態ではＤ軸電圧を０にすることで、このＱ軸電流によってインバータのパワーを制御できる状態にしている。この結果、停電状態においても直流電圧が確定し、また、インバータ負荷である永久磁石同期モータ３，４の回転数あるいは磁石位置を見失わず、安定に運転継続することが可能になる。よって、復電した際に速やかに定常運転状態へと移行することが可能になる。このため、ブロワ２６，２７が冷却風を吹き付ける対象である主モータ（図示せず）への風力低下という状態を極力軽減することができ、主モータの温度上昇による焼損等、システム信頼性を劣化させることを回避することができる。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態においてＤ軸電流を所定の値に維持することを特徴とする。したがって機能構成は図１と共通である。第１の実施の形態は、インバータ負荷である永久磁石同期モータが１台しか接続されない場合に確実な方法である。一方、永久磁石同期モータが２台接続された場合、第１の実施の形態の制御では２台の平均的な磁石位置あるいは速度を軸ずれ補償として制御するにすぎない。よって、２台のブロワ負荷がアンバランスな状態であった場合、２台のロータの動きが振動的になり、やがて発散する可能性がある。これに対し、本実施の形態のようにＤ軸電流を正の値として維持することにより、これらの不安定現象を抑制できる。すなわち、インバータ負荷として、２台以上の永久磁石同期モータを接続した場合において、モータ間のアンバランスな動きを抑制し、停電状態での安定な運転継続が可能になる。よって、第１の実施の形態と同様な理由により、システム信頼性を向上することが可能になる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の構成により実施した実験結果である。電源中断時間５［ｓｅｃ］〜１５［ｓｅｃ］などの状況に対し、電源中断中も保護停止することなく、直流電圧を所定値に維持することで運転が継続できている。そして復電とともに所定の回転数へと速やかに移行することできている。これにより、本実施の形態では、電源中断におけるブロワの風量低下を極力抑えられることが確認できた。

本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態のインバータ駆動ブロワ制御装置のブロック図。 本発明の第２の実施の形態の構成による実験結果を示すグラフ。

符号の説明

１ インバータ
２ フィルタコンデンサ
３ 永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）
４ 永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）
５ 電流検出器
６ 電圧検出器
７ パンタグラフ
８ 車輪
９ 変圧器
１０ 整流器
１１ 電圧検出器
１２ 停電検知部
１３ 直流電圧制御部
１５ 電流制御部
１６，１７ 切替器
１８ 加算器
１９ 座標変換器
２０ ゲート指令演算部
２１ 座標変換器
２２ 軸ずれ補正部
２３ 積分器
２４ 切替器
２５ 加算器
２６，２７ ブロア

Claims (3)

1. 交流電源から電力供給され、交流を直流に変換する変換器と、
   前記変換器の直流出力側の電圧を平滑するフィルタコンデンサと、
   当該フィルタコンデンサに接続されたインバータと、
   ブロワを回転駆動させるために当該インバータに接続された永久磁石モータと、
   前記インバータに所定の出力周波数と出力電圧とを出力させるインバータ制御手段と、
   前記交流電源の停電を検知する停電検知手段と、
   前記インバータの直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記停電検知手段が停電を検知した場合に、前記直流電圧検出手段の検出する直流電圧に基づき、当該直流電圧が所定電圧に一致するように前記永久磁石モータのトルクを制御するトルク制御手段とを備えたことを特徴とするインバータ駆動ブロワ制御装置。
2. 前記永久磁石モータは、複数台直列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置。
3. 前記停電検知手段が停電を検知したときに前記インバータの出力電圧に直交する電流値をプラスに流す手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置。
   
   

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