JP2007089318A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成で、負荷応答を損なうことなく直流電圧の変動を抑制し得る半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】 コンバータ２と、この出力を交流に変換して交流電動機５を駆動するインバータ４と、インバータ制御手段１０と、トルク電流を検出する電流検出手段８と、速度検出手段１１とで構成し、インバータ制御手段１０は、速度フィードバックを速度基準と比較してトルク基準を出力する速度制御手段３１と、トルク基準を磁束基準で除算して得られるトルク電流基準とトルク電流フィードバックとを比較して電圧基準を出力する電流制御手段３６と、電圧基準からインバータゲート信号を得るスイッチング指令演算手段３７と、トルク電流基準の時間変化率を制限する変化率リミット手段３５とを有し、変化率リミット手段３５のリミット値を、交流電動機が力行運転を行なっているか回生運転を行なっているかによって選択的に切り換えるようにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、コンバータによって直流電圧を制御し、この直流電圧を交流に変換するインバータによって交流電動機を駆動する半導体電力変換装置に関する。

半導体電力変換装置によって交流電動機を駆動するシステムは、従来から広く使用されている。

鉄鋼圧延機などを負荷とする交流電動機を駆動するシステムにおいては、半導体電力変換装置をコンバータとインバータで構成し、コンバータの出力直流電圧を一定値に制御し、インバータは、コンバータによって一定値に制御された直流電圧をＰＷＭ制御等を使用して交流に変換して交流電動機を駆動する場合が多い。この場合、コンバータにもＰＷＭ制御型のコンバータを用い、インバータはその出力電流を交流電動機のトルク軸と励磁軸に変換し、トルク電流と励磁電流を独立して制御する所謂ベクトル制御が用いられていた。

上記のシステム構成を採用したとき、コンバータの出力電圧を全ての運転モードにおいて所定の範囲に制御することは過電圧防止等の観点から重要である。このため、例えばインバータが消費する電力をコンバータ側の電圧制御にフィードフォワード的に加算してコンバータの有効電流基準を補正するなどの対策が実施されていた。

更に、負荷の急激な変動に着目し、負荷の急増及び急減時に応じて、インバータのトルク電流の変化率のリミットを変化させる提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平８−２４２５９４号公報（第７頁、図８）

トルク電流の変化率にリミットを設けるのは、上述のフィードフォワード補正とは逆に、
インバータ側における有効電力の急峻な変化を制限して、直流電圧の変動を抑えようとするものである。しかるに、このトルク電流変化率リミットを行なうと、急峻に変化する負荷に制御が対応できず、インバータ側の制御応答が悪くなってしまう。

特許文献１に示された手法は、負荷の速度変化とトルク変化から負荷急増、負荷急減を判定し、これに応じてトルク電流変化率リミットを変化させるようにして、応答を確保しつつ直流電圧の変動を抑えるようにしている。しかしながら、直流電圧変動抑制という観点から考えると、負荷の増減だけの情報でトルク電流変化率リミットを変化させるのでは不十分であり、また負荷の速度変化とトルク変化から負荷急増、負荷急減を判定する回路は構成が複雑になる。

本発明は上記問題点に鑑み為されたもので、比較的簡単な構成で、負荷応答を損なうことなく直流電圧の変動を抑制し得る半導体電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の半導体電力変換装置は、交流入力を直流電圧に変換し、この直流電圧を所望の値に制御するようにしたコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流電圧に変換して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インバータ制御手段と、前記インバータの出力電流のうち、トルク電流を検出する電流検出手段と、前記交流電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
を具備し、前記インバータ制御手段は、前記速度検出手段によって得られる速度フィードバックを速度基準と比較してトルク基準を出力する速度制御手段と、前記トルク基準を前記速度フィードバックの関数として得られる磁束基準で除算して得られるトルク電流基準を、前記電流検出手段によって得られるトルク電流フィードバックと比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、前記電圧基準に従って前記インバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と、前記トルク基準または前記トルク電流基準の時間変化率にリミットを設ける変化率リミット手段とを有し、前記変化率リミット手段のリミット値を、前記交流電動機が力行運転を行なっているか回生運転を行なっているかによって選択的に切り換えるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な構成で、負荷応答を損なうことなく直流電圧の変動を抑制し得る半導体電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。

交流電源から入力変圧器１を介してコンバータ２に交流電圧が供給され、コンバータ２はこれを直流電圧に変換し、平滑コンデンサ３を介してインバータ４に供給する。インバータ４はこの直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機５を駆動する。交流電動機５の回転軸には直結軸を介して負荷６が機械的に接続されている。

コンバータ２はスイッチング素子を複数個有しており、コンバータ制御回路７からのゲート信号をこれらのスイッチング素子に与えることによりその出力電圧が制御されている。そしてコンバータ制御回路７には、平滑コンデンサ３の両端の電圧を検出する直流電圧検出器８からの電圧フィードバック信号と、コンバータ２への入力電流を検出して有効電流を出力する電流検出器９による電流フィードバック信号が与えられる。

インバータ４も同様にスイッチング素子を複数個有しており、インバータ制御回路１０からのゲート信号をこれらのスイッチング素子に与えることによりその出力が制御されている。そしてインバータ制御回路７には、交流電動機の速度を検出する速度検出器１１からの速度フィードバック信号と、インバータ４の出力電流を検出してトルク電流を出力する電流検出器１２による電流フィードバック信号が与えられる。

コンバータ制御回路７の内部構成を以下に説明する。与えられた電圧基準と直流電圧検出器８からの電圧フィードバック信号の差分を電圧制御器２１で増幅し、この出力と電力フィードフォワード補正器２２の出力を加算して有効電流基準を得る。この有効電流基準はリミット回路２３を介して電流検出器９から得られる有効電流フィードバック信号と比較され、その偏差を電流制御器２４で増幅して電圧基準を得る。この電圧基準を、スイッチング指令演算回路２５により、例えばPWM変調などを用いてゲートパルスに変換し、コンバータ２のスイッチング素子のゲートに供給する。

次にインバータ制御回路１０の内部構成を以下に説明する。

与えられた速度基準と速度検出器１１からの速度フィードバック信号の差分を速度制御器３１で増幅し、トルク基準を得る。速度フィードバック信号を入力とし、速度基底速度以上のとき弱め界磁を行なう自動界磁弱め器３２により磁束基準を得る。トルク電流基準演算器３３によりトルク基準を磁束基準で除算してトルク電流基準を得、このトルク電流基準はリミット回路３４を介して時間変化リミット回路３５の入力となる。時間変化リミット回路３５の出力は、電流検出器１２から得られるトルク電流フィードバック信号と比較され、その偏差は電流制御器３６で増幅され、電圧基準が得られる。この電圧基準を、スイッチング指令演算回路３７により、例えばPWM変調などを用いてゲートパルスに変換し、インバータ４のスイッチング素子のゲートに供給する。尚、ここでトルク電流フィードバック信号を電流検出器１２から直接得るように説明したが、電流検出器１２は瞬時電流のみを検出し、インバータ制御回路１０内に設けた変換回路によってトルク電流を求めるようにしても良い。

そして、時間変化リミット回路３５のリミット値はトルク基準を入力とする力行／回生検出器３８の出力によって力行時のリミット値と回生時のリミット値が選択されるように構成されている。

次に、この実施例１における動作について説明する。

コンバータ制御回路７は、コンバータ２の出力電圧が所定の電圧基準となるように制御する。そして、負荷側の電力の変動に対しては、電力フィードフォワード補正器２２が変動補正を行なう。しかしながら、このようなコンバータ側だけの制御では、コンバータ２の出力電圧の変動を抑えるには不十分である。そのためにインバータ制御回路１０の内部に時間変化リミット回路３５を設け、トルクの急峻な変化を抑制し、電圧変動を起こさないようにしている。そしてこの時間変化リミット回路３５のリミット値を、力行／回生検出器３８の出力によって、例えば回生時には小さくして回生時の電圧の跳ね上がりを防止し、逆に力行時には大きく設定して力行時の電圧の落ち込みより、トルクの応答性を優先するようにする。ここでリミット値を小さくするということは、単位時間に許容されるトルク電流の変化を小さい値に抑えて変化率を制限するという意味であり、逆に大きくするということは、単位時間に許容されるトルク電流の変化を大きく許容し変化率を開放するという意味である。

以上説明したように、この実施例１によれば、交流電動機５の力行／回生の運転状態に応じて時間変化リミット回路３５のリミット値を変化させることによって、負荷応答を損なうことなく直流電圧の変動を抑制し得る半導体電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置を図２及び図３を参照して説明する。図２は本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図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、トルク基準を入力とするレベル検出ワンショット器３９を設け、この出力によって時間変化リミット回路３５のリミット値を変更するように構成した点である。

この実施例２の動作について図３を参照して以下説明する。図３は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の動作タイムチャートである。

図３は、時刻ｔ＝Ｔ１で速度基準を立ち上げ、時刻ｔ＝Ｔ２で加速を完了し、時刻ｔ＝Ｔ３でインパクト負荷がかかり、更に時刻ｔ＝Ｔ４でこのインパクト負荷が消滅するような例えば鉄鋼の圧延機を駆動するときの動作タイムチャートである。

時刻Ｔ１近傍の加速開始時、時刻Ｔ２近傍の加速完了時、そして時刻Ｔ３近傍の負荷急減時の時間変化リミット回路３５のリミット値は、実施例１で述べたように力行／回生検出器３８が検出した運転状態に応じて、例えば時刻Ｔ４のあとの直流電圧が過電圧レベルに到達しない程度の大きさに選定されている。

これに対し、時刻Ｔ３の負荷急増時には、レベル検出ワンショット器３９がトルク基準の急増を検出し、所定値以上の増加率を検出したとき、時間変化リミット回路３５のリミット値を開放するような短時間のワンショット信号を出力する。

このようにすれば、負荷急増時の制御応答を改善し、速度の落ち込みを最低限に抑えることが可能となる。

更に、軸振動などの影響で力行と回生が繰り返されるような運転モードの場合、このワンショットのリミット値開放時間を適切に選定することによって安定した制御が可能となる。尚、軸振動などの影響が懸念される場合は上述のトルク基準急増の増加率のレベル検出を軸振動などで発生するトルク変動成分より低く設定しておくことが好ましい。

図４は本発明の実施例３に係る半導体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３の実施例２に係る半導体電力変換装置のブロック構成図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２と異なる点は、時間変化リミット回路３５Ａをトルク電流基準の出力側ではなく、トルク基準の出力側に配置し、力行／回生検出器３８の検出値に応じてトルク基準の時間変化のリミットを変更するようにした点、またレベル検出ワンショット器３９の出力及び自動界磁弱め器３２の出力を入力とする開放レベル設定器４０を設け、この開放レベル設定器４０の設定値に従って時間変化リミット回路３５Aのリミット値を変更するように構成した点である。

磁束基準が一定の条件であれば、トルク基準とトルク電流基準は比例関係にあるが、弱め界磁領域になるとその関係は崩れる。この弱め界磁領域を考慮したとき、時間変化リミットは、トルク電流基準ではなく、トルク電流に対して作用させるようにする。このようにすれば、速度応答特性がトルクと速度との関係の上で成り立つため弱め界磁領域の応答性と電圧変動のトレードオフが考え易くなる。そして、弱め界磁領域においては、電圧変動を支配する電力変化量が速度の関数となるため、単位時間あたりの電流の変化量の制限は全領域に於いてコンバータの電圧制御に影響のない範囲となるように低減する必要がある。

本実施例によれば、単位時間あたりの変化量制限をトルクに対して実施するようにしたので、全速度領域についての速度応答性は均一にすることができ、かつ制限開放量を最適化することができる。

開放レベル設定器４０の動作は、磁束基準を入力し、現在の界磁弱め量を検出して開放するレベルを決定する。計算方式は、電力の変化量を一定とする場合には、所定の電力変化量に対して磁束基準を乗ずることにより、磁束が低い場合にはトルク変化率を開放する方向とし、磁束が強い場合はトルク変化率を制限する方向とする。この動作によって、負荷インパクト時に開放する電力変化量が磁束条件によらず一定となり、直流の電圧変動を許容範囲に抑えることが可能となる。

図５は本発明の実施例４に係る半導体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４の実施例３に係る半導体電力変換装置のブロック構成図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３と異なる点は、速度フィードバック信号を入力とする電圧演算器４１を設け、この電圧演算器４１の出力を開放レベル計算器４０Aに与える構成とした点である。

実施例３の場合は、前述したように弱め界磁状態においては負荷インパクト時に開放する電力量が一定となる。しかるに、弱め界磁となる前の基底速度以下においては、速度の低下と共に交流電動機の端子電圧が低下し、上記電力量が低下する。

このため本実施例においては、開放レベル設定器４０Aの入力に、実施例３で説明した磁束基準に加えて、交流電動機５の端子電圧の推定値を入力し、この逆数を乗ずることによって、交流電動機５の端子電圧が低い場合にはトルク変化率を開放方向とし、電動機電圧が高い場合はトルク変化率を制限するようにする。交流電動機５の端子電圧の推定値は電圧演算器４１によって、速度フィードバックを入力とした関数で求める。この動作によって、負荷インパクト時に開放する電力変化量が交流電動機の電圧条件によらず一定となる。

図６は本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。

この実施例５の各部について、図４の実施例３に係る半導体電力変換装置のブロック構成図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５が実施例３と異なる点は、レベル検出ワンショット器３９に代え、コンバータ制御回路７の電圧偏差を入力とするレベル検出ワンショット器３９Ａを設け、このレベル検出ワンショット器３９Ａの出力を入力とする開放レベル設定器４０Ｂの設定値に従って時間変化リミット回路３５のリミット値を変更するように構成した点である。

実施例２乃至４においては、トルク基準の急峻な力行方向の立ち上がりを検出し、そのとき変化率リミットを開放して速度応答を確保していた。従って、通常は所定の変化率リミットがかかった状態で動作し、負荷インパクトのタイミングでだけ変化率リミットを開放するようになっている。このため、通常時は速度応答特性が悪くなっていることになる。しかるに本実施例においては、レベル検出ワンショット器３９Ａにより直流電圧の大きさを監視し、この電圧が所定のレベル以上となったとき、所定の変化率リミットをかけるようにする。

このようにして、本実施例５によれば、必要時にだけ所定の変化率リミットをかけ、通常は速度応答特性を良い状態に保って運転を行なうことが可能となる。

尚、この実施例５における電圧レベルの検出は、電圧偏差で行なっているが、電圧フィードバックを用いても良いことは明らかである。

以上の説明において、実施例１ではトルク電流基準の時間変化にリミットを設け、実施例２乃至実施例５においてはトルク基準の時間変化に対してリミットを設けるように説明したが、トルク基準はトルク電流基準と磁束基準を乗算した関係にあるので、磁束基準の状態が分かっていれば、何れの時間変化に対してリミットを設けても良いことは明らかである。

また、以上の説明において、速度検出器１１によって速度フィードバック信号を得るように説明したが、所謂センサレスベクトル制御の手法を用い、速度検出器１１によらず、速度フィードバック信号を演算によって間接的に求めるようにしても良い。

本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例２を説明するためのタイムチャート。 本発明の実施例３に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 入力変圧器
２ コンバータ
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 交流電動機
６ 負荷
７ コンバータ制御回路
８ 電圧検出器
９ 有効電流検出器
１０ インバータ制御回路
１１ 速度検出器

２１ 電圧制御器
２２ パワー計算器
２３ リミット回路
２４ 電流制御器
２５ スイッチング指令演算器

３１ 速度制御器
３２ 自動界磁弱め器
３３ トルク電流基準演算器
３４ リミット回路
３５、３５A 時間変化リミット回路
３６ 電流制御器
３７ スイッチング指令演算器
３８ 力行／回生検出器
３９、３９Ａ レベル検出ワンショット器
４０、４０Ａ、４０Ｂ 開放レベル設定器
４１ 電圧演算器

Claims (6)

1. 交流入力を直流電圧に変換し、この直流電圧を所望の値に制御するようにしたコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流電圧に変換して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インバータ制御手段と、
   前記交流電動機のトルク電流を検出可能な電流検出手段と、
   前記交流電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
   を具備し、
   前記インバータ制御手段は、
   前記速度検出手段によって得られる速度フィードバックと速度基準とを比較してトルク基準を出力する速度制御手段と、
   前記トルク基準を前記速度フィードバックの関数として得られる磁束基準で除算して得られるトルク電流基準と、前記電流検出手段によって得られるトルク電流フィードバックとを比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、
   前記電圧基準に従って前記インバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と、
   前記トルク基準または前記トルク電流基準の時間変化率にリミットを設ける変化率リミット手段と
   を有し、
   前記変化率リミット手段のリミット値を、前記交流電動機が力行運転を行なっているか回生運転を行なっているかによって選択的に切り換えるようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 前記インバータ制御手段は、
   トルクの急増を検出するトルク急増検出手段を有し、
   前記トルク急増検出手段による検出値が所定値以上のとき、
   所定期間だけ前記変化率リミット手段のリミット値を第１の所定の開放値とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
3. 前記第１の所定の開放値は、前記磁束基準の大きさに応じて変化させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換装置。
4. 前記第１の所定の開放値は、前記磁束基準の大きさと前記交流電動機の端子電圧に応じて変化させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換装置。
5. 前記交流電動機の端子電圧は、前記速度フィードバックから演算によって求めるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の半導体電力変換装置。
6. 前記コンバータの出力電圧を直接または間接的に検出する電圧検出手段を備え、
   前記インバータ制御手段は、
   前記電圧検出手段による検出値が所定値以上のとき、
   所定期間だけ前記変化率リミット手段のリミット値を第２の所定の開放値とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。

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