JP2007244009A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換ユニット２Ａ、２Ｂの出力を、２相巻線を持つモータの各巻線別に供給する電力変換システムで、ＰＷＭ同期制御の同期ズレを防止し、しかもシステム構築および変更を容易にする。
【解決手段】 マスターユニットは、速度制御部１から電流制御指令をユニット２Ａに出力およびユニット２Ｂに伝送し、ＰＷＭキャリアの同期基準信号をスレーブユニット２Ｂに伝送する。スレーブユニットは、ＰＬＬ発振回路２０で受信した同期基準信号と自ユニットの同期基準信号との位相比較でマスターユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させ、位相補正回路２１でＰＷＭキャリア信号を同期基準信号の伝送遅れ時間だけ位相を進める。スレーブユニットは、他のユニットのＰＷＭキャリア信号とは、インバータとモータ巻線までの配線によりスイッチング電圧が振動する周波数の１８０°分だけ相互にずらす。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台のＰＷＭ電力変換装置の出力を、多相巻線を持つモータの各巻線別に供給してモータを速度制御する電力変換システムに係り、特にＰＷＭ電力変換装置の同期制御に関する。

複数台の電力変換装置を並列運転する電力変換システムとしては、モータを可変速駆動するインバータや交流電力を直流に変換するコンバータを電力変換装置とし、これらの出力を並列多重化することで大容量化を可能にする。さらに、各電力変換装置は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御することで低次高調波抑制や力率改善を可能にする。

複数台のＰＷＭ電力変換装置の出力を並列多重化する方法として、２台のインバータの出力を相間リアクトルで結合したユニット並列運転方式がある。この並列運転方式に対して、本発明は、並列運転する複数台のＰＷＭ電力変換装置の出力を、多相巻線を持つモータの各巻線別に供給してモータの速度やトルクを制御する電力変換システムに適用されるものである。このシステムは、図２に例を示すように、多相巻線とその端子を持つ１台のモータを、それぞれの３相巻線を複数のインバータユニットに接続して運転する方式である。ここでは相間リアクトル方式などとの区別をつけるため、モータ多重方式と呼ぶことにする。

モータ多重方式に近い電力変換システムとしては、複数台の電力変換装置で複数台のモータを個別に駆動するものがある（例えば、特許文献１参照）。この方式の概要は、図７で説明すると、以下のようになる。

（１）多数台のユニットに対して上位指令回路（３０）を用意する。

（２）上位指令回路で速度制御を行ない、複数のユニットに電流指令をシリアル通信で伝送する。また、ＰＷＭ同期用の基準信号を生成して、これも伝送信号として各ユニットに送信する。

（３）主回路ユニット（２０ａ〜２０ｃ）側では、ＰＷＭ同期基準信号とＰＷＭキャリアを同期させるため、ＰＬＬ回路とＰＷＭ発生器を使用している。

上記のような電力変換システムにおいては、各電力変換装置の出力を同期させる必要がある。この同期制御方式として、ディジタル回路でＰＷＭパターンを発生する場合には、ＰＷＭ電圧指令の更新タイミングをＰＷＭ三角波キャリアの頂点時刻に同期させると、１キャリア周期内に２パルス発生するような異常が生じないため都合がよい。そこで、一般的にはキャリア同期信号と電圧指令は同期させている。これに上位の速度演算周期も同期させると、速度演算からＰＷＭパターン出力までの時間を最短にすることができる。つまり、各ユニットのＰＷＭキャリアを同期させることは、速度制御や電流制御の演算タイミングも同期させることができ、演算無駄時間を短縮できる利点がある。

一方、ＰＷＭ電力変換装置の出力の並列多重接続では、モータから大地に高周波電流が漏れる問題がある。この対策としては、相間リアクトルによるユニット並列運転時にＰＷＭパターンに適度なズレを与えることにより、モータ端子のＰＷＭ電圧の立ち上がりや立ち下がり時の振動を抑制する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、モータ多重方式の場合には、巻線が異なるので、端子電圧が打ち消しあう効果はない。しかし、モータの巻線と鉄心間の静電容量を通して大地に流れる高周波漏れ電流については合成されるため、大地に漏れる高周波成分を抑制することができる。
特開２００２−３４５２５２号公報 特開２００３−２０９９７３号公報

従来の特許文献１による同期制御方式では、ＰＷＭキャリア同期信号を異なったユニット間を伝送させているが、伝送路には伝播時間の遅延があり、またフォトカプラなどの信号絶縁素子にも遅延時間が存在する。この遅延時間は製品によりバラツキがあり、ＰＬＬ（ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）制御で同期させてもこの遅延分だけＰＷＭキャリアに同期ズレが発生してしまう。

この同期ズレの調整手法として、特許文献２のようにＰＷＭのズレ時間を遅延回路により発生させる方法があるが、特許文献１のようにユニットが異なる場合には信号の伝送遅れのバラツキが存在するため、ＰＷＭパターンのズレを調整することは困難である。

本発明の目的は、モータ多重方式におけるＰＷＭ同期制御における同期ズレを防止し、しかもシステム構築および変更を容易にする電力変換システムを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、以下のシステム構成としたことを特徴とする。

（１）複数台のＰＷＭ電力変換装置の出力を、多相巻線を持つ１台のモータの各巻線別に供給してモータを速度制御する電力変換システムであって、
電流制御部とＰＷＭ制御部およびインバータとを有して該インバータの出力をモータの１つの巻線に供給し、速度指令とモータの速度検出値とから前記電流制御部に電流制御指令を出力する速度制御部を実装したマスターユニットと、
前記速度制御部から電流制御指令を受信する電流制御部と、ＰＷＭ制御部およびインバータとを有して該インバータの出力をモータの他の巻線に供給するスレーブユニットとを備え、
前記マスターユニットは、ＰＷＭキャリアの同期基準信号を発生する手段を備え、
前記スレーブユニットは、前記同期基準信号を受信して自ユニットのＰＷＭキャリアの同期基準信号との位相比較で前記マスターユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させる手段と、該ＰＷＭキャリア信号を前記同期基準信号の伝送遅れ時間だけ位相を進める位相補正手段とを備えたことを特徴とする。

（２）前記スレーブユニットは、自ユニットのＰＷＭキャリア信号を、前記マスターユニットまたは他のスレーブユニットのＰＷＭキャリア信号に対して、前記インバータとモータの巻線までの配線によりスイッチング電圧が振動する周波数の１８０°分だけ相互にずらし、モータの大地に漏れる高周波電流成分を減少させる手段を設けたことを特徴とする。

（３）前記マスターユニットおよびスレーブユニットは、他のユニットから前記同期基準信号を受信して自ユニットのＰＷＭキャリアの同期基準信号との位相比較で他のユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させる手段を設け、操作パネルからマスターまたはスレーブの選択指令を与えることによりマスターユニットまたはスレーブユニットとして運転する構成にしたことを特徴とする。

（４）前記速度制御部は、前記スレーブユニットへの電流制御指令をＰＷＭのキャリア周期に同期して伝送し、該スレーブユニットで電流制御指令をＰＷＭのキャリア周期に同期して更新することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、モータ多重方式におけるＰＷＭ同期制御における同期ズレを防止し、しかもシステム構築および変更を容易にする効果がある。具体的には、以下の効果がある。

（１）ＰＷＭ同期信号によるユニット並列（多重）システムを構築することの利点
・量産されている単一ユニットをそのまま使用でき、改造は通信オプションを追加するだけでよい。そのため、システムが安価に構築できる。ユニット毎に専用のプリント板が不要になる。

・ユニットの並列数が増加しても、ユニット数と伝送路数を増やしてソフトウエアの設定を変更するだけでよく、並列数に応じた専用の制御プリント板を使用しなくて良い。これは、故障時に交換するための予備品の在庫量を削減することができる。

（２）ＰＷＭキャリアの同期信号を転送し、ＰＬＬ制御する方式による利点
・実施形態１のように、ＰＬＬ同期方式を適用することにより、単発的なノイズが発生しても大きな影響が発生しない。

・同期信号にはどうしても伝送遅れが発生するが、ＰＬＬ部に伝送遅延分に相当する位相補正を行なうことにより、伝送遅れ時間のバラツキを補正することができる。

・実施形態２のようにすると、マスターユニットまたは他のスレーブユニットのＰＷＭキャリア信号に対して、インバータとモータの巻線までの配線によりスイッチング電圧が振動する周波数の１８０°分だけ相互にずらすことにより、モータから大地に漏れる高周波電流成分を低減できる。

（３）ＰＷＭキャリアに同期して、電流指令を伝送する方式の利点
・ＰＷＭのキャリア周期に同期して、電流指令を伝送することにより、電流制御の動作も２つのユニットがほぼ同じ動作をするようになり、電流のアンバランスが発生しにくい。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の電力変換システムのブロック構成図を示し、ＰＷＭキャリア信号の位相調整機能を有するＰＬＬ同期制御方式としている。同図は、図２のように、３相交流モータの巻線２多重モータを負荷とする場合であるが、巻線を３多重以上とする場合には電力変換ユニットを３台以上設ける構成で適用できる。

図２のモータ多重運転システムは、３相巻線が２組存在し、それらの３相巻線の中性点は接続されていないものとする。この２組の巻線をユニットＡとユニットＢの２台のＰＷＭ電力変換ユニットで駆動する。ユニットＡ、Ｂは、共に、電流制御部とＰＷＭ制御部およびインバータとを有して該インバータの出力をモータの１つの巻線に供給する。この制御機能の一部をブロック図で表したものが図１であり、図２とは速度制御部１およびＰＷＭ電力変換ユニット２Ａ、２Ｂとして対応付けて示す。

（１）速度制御
速度制御部１は、ユニット２Ａの付属機能として同じ制御基板に実装される。巻線多重モータ３の回転角を計測するエンコーダ４の信号はユニット２Ａ内の速度制御アンプ１０に速度検出信号として入力される。速度制御アンプ１０は速度指令とこの速度検出の偏差により電流指令を出力するが、これは最終的には交流電流指令に変換されたものを出力する。

（２）電流制御（ＡＣＲ）
ユニット２Ａとユニット２Ｂは、それぞれ電流制御アンプ１１と電流検出器１２を設け、個別に電流制御演算を行っている。この電流制御によりインバータ１３の電圧指令が出力される。

ユニット２Ａの速度制御の出力である電流指令は、直接ユニット２Ａ内の電流制御アンプ１１に与えられるが、後述のように、ユニット２Ｂへの伝送遅れ時間に相当するサンプル遅延を挿入する。また、ユニット２Ａの速度制御の出力である電流指令は、シリアル送信回路１４とシリアル受信回路１５によるシリアル通信などによりユニット２Ｂの電流指令として伝送される。

このように、複数台のうち１台をマスターユニットとして速度制御を行わせ、他のユニットはスレーブユニットとして電流制御（ＡＣＲ）演算とＰＷＭ制御によってインバータの出力を制御する構成とする。実際には、マスターユニットおよびスレーブユニットにＰＬＬ同期制御回路を実装したものを標準の電力変換ユニットとして製作しておき、操作パネルからマスターまたはスレーブの選択指令を与えることによりマスターユニットまたはスレーブユニットとして動作する構成にしておく。こうすると、標準ユニットと通信オプションさえあればよく、特許文献１のような上位の制御装置が不要になる利点がある。

（３）ＰＷＭ同期制御
ＰＷＭ制御には、ユニット２Ａ、２Ｂ共に、ＰＷＭキャリア発生回路１６とＰＷＭパターン発生回路１７により、電流制御アンプ１１からの電圧指令に応じたＰＷＭパターンを生成し、このＰＷＭパターンにデッドタイム回路１８によりデッドタイム補正を行い、ゲート駆動回路１９にインバータ１３のＰＷＭパターンのゲート出力を得る。

ＰＷＭキャリア発生回路１６は、ユニット２Ａ側では、図３のように通常の三角波発生機能によるキャリア信号と、そのカウントアップ／カウントダウンの状態を示す２値信号のＰＷＭキャリア同期基準信号の２種類の信号を出力する。ユニット２Ｂは、ユニット２Ａから伝送されるＰＷＭキャリア同期基準信号と、自分のＰＷＭキャリア発生回路１６のカウントアップ／ダウン信号（ＰＷＭキャリア同期信号）を比較し、これが同期するようにＰＬＬ発振回路２０でＰＬＬ同期制御を行い、キャリアの発振周波数を微調整する。

このＰＬＬ部をさらに詳細に展開したものが図４である。２つのアップ／ダウン信号の位相を比較する位相比較器２０Ａ、この位相差Δθより補正周波数Δｆｃを計算する補償ゲイン部２０Ｂ、この補正周波数Δｆｃを積分してキャリア周波数ｆｃを出力する積分器２０Ｃ、および図３に相当するキャリア発生回路１６で構成される。

本実施形態では、上記のＰＬＬ機能に、位相調整用の値を設定する位相補正回路２１と、この設定値を位相差検出Δθに加算する加算器２２を追加する。この位相調整値は下記のように設定する。

ユニット２Ａからユニット２Ｂに同期信号を伝送するには、伝送路の伝播遅れ時間や、信号絶縁用のフォトカプラなどの遅延時間が存在する。そこで、この２つのユニットのアップ／ダウン信号が一致するように、位相補正回路２１での位相調整値を設定する。具体的には、ユニット２Ｂ側の位相を遅延分だけ進めるように調整すると、実際のＰＷＭキャリアを同期させることができる。

また、ユニット２Ａの電流制御（ＡＣＲ）演算は、一般的にはＰＷＭのキャリア周期に同期して実行される。そこで、電流指令の伝送もこのＰＷＭに同期して更新すると、ユニット２Ａ，２Ｂに同一の電流指令を送信することも可能になる。

これにより、２つのユニットは図５のように一致し、あたかも同じキャリア信号を使用しているものとみなすことができる。

（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１の回路構成において、ＰＬＬ発振回路２０での位相調整量を、インバータからモータまでの配線ケーブル長のインダクタンスとモータの静電容量成分により発生する振動周波数の１８０°分の時間に相当するキャリア位相分だけずれるように設定する。図６がそのずれた例である。

これにより、モータから大地に流れる漏れ電流成分の高調波が相殺されて減少させることができる。

本発明におけるＰＷＭキャリア信号の位相調整機能を有するＰＬＬ同期制御方式。 モータ多重運転システムの構成例。 マスターユニットＡのキャリア信号発生信号。 ＰＷＭキャリア信号のＰＬＬ同期制御のブロック図。 ＰＷＭキャリア信号の同期状態の例。 ＰＷＭキャリア信号の位相補正の例。 モータの個別駆動方式の例。

符号の説明

１ 速度制御部
２Ａ、２Ｂ 電力変換ユニット
３ 巻線多重モータ
４ エンコーダ
１０ 速度制御アンプ
１１ 電流制御アンプ
１３ インバータ
１４ シリアル送信回路
１５ シリアル受信回路
１６ ＰＷＭキャリア発生回路
１７ ＰＷＭパターン発生回路
２０ ＰＬＬ発振回路
２１ 位相補正回路

Claims (4)

1. 複数台のＰＷＭ電力変換装置の出力を、多相巻線を持つ１台のモータの各巻線別に供給してモータを速度制御する電力変換システムであって、
   電流制御部とＰＷＭ制御部およびインバータとを有して該インバータの出力をモータの１つの巻線に供給し、速度指令とモータの速度検出値とから前記電流制御部に電流制御指令を出力する速度制御部を実装したマスターユニットと、
   前記速度制御部から電流制御指令を受信する電流制御部と、ＰＷＭ制御部およびインバータとを有して該インバータの出力をモータの他の巻線に供給するスレーブユニットとを備え、
   前記マスターユニットは、ＰＷＭキャリアの同期基準信号を発生する手段を備え、
   前記スレーブユニットは、前記同期基準信号を受信して自ユニットのＰＷＭキャリアの同期基準信号との位相比較で前記マスターユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させる手段と、該ＰＷＭキャリア信号を前記同期基準信号の伝送遅れ時間だけ位相を進める位相補正手段とを備えたことを特徴とする電力変換システム。
2. 前記スレーブユニットは、自ユニットのＰＷＭキャリア信号を、前記マスターユニットまたは他のスレーブユニットのＰＷＭキャリア信号に対して、前記インバータとモータの巻線までの配線によりスイッチング電圧が振動する周波数の１８０°分だけ相互にずらし、モータの大地に漏れる高周波電流成分を減少させる手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記マスターユニットおよびスレーブユニットは、他のユニットから前記同期基準信号を受信して自ユニットのＰＷＭキャリアの同期基準信号との位相比較で他のユニットとのＰＷＭキャリア位相を同期させる手段を設け、操作パネルからマスターまたはスレーブの選択指令を与えることによりマスターユニットまたはスレーブユニットとして運転する構成にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換システム。
4. 前記速度制御部は、前記スレーブユニットへの電流制御指令をＰＷＭのキャリア周期に同期して伝送し、該スレーブユニットで電流制御指令をＰＷＭのキャリア周期に同期して更新することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
   

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