JP2008005624A - 誘導電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一のインバータ装置の故障時に他のインバータ装置に切り替えて誘導電動機を駆動する切り替え時における誘導電動機の出力変動を抑える。
【解決手段】複数のインバータ装置１、２と、複数のインバータ装置の出力を切り替えて一の誘導電動機４に供給する切替開閉器１７、１８ａと、一のインバータ装置１の故障検出信号に基づいて切替開閉器を他のインバータ装置２に切り替えて他のインバータ装置を始動させて誘導電動機を駆動させる切替制御装置を備えて、切替制御装置は、誘導電動機の端子電圧の周波数と位相を常時検出する周波数・位相検出回路２２−２ａと、故障信号が入力されたときの周波数・位相検出回路の検出値に従って他のインバータ装置の始動時の周波数及び位相を制御する始動周波数・位相設定器２５−２を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ装置により誘導電動機を可変速運転する誘導電動機駆動装置に係り、特に、インバータ装置の故障時に他のインバータ装置に切り替えて誘導電動機を駆動する切り替え時の技術に関する。

インバータ装置で誘導電動機を可変速運転する駆動装置は、ファンあるいはポンプなどの各種機械（以下、負荷という。）を可変速駆動するのに広く用いられている。また、故障等による停止が許されない重要負荷の場合には、インバータ装置を二重化し、一方が故障したときに他方のインバータ装置に切り替えて負荷を停止させることなく、継続して可変速駆動するようにしている。

例えば、特許文献１に記載の誘導電動機駆動装置では、故障したインバータ装置の故障信号を他方のインバータ装置に送り、他方のインバータ装置は誘導電動機との間に設けられた開閉器の切り替えを確認した後、運転を開始するようにしている。特に、健全な他方のインバータ装置は、切り替え時に惰性で回転している誘導電動機の速度に合わせて始動周波数を設定することにより、誘導電動機の速度に同期させて円滑に切り替えるようにしている。これにより、一方のインバータ装置が故障しても、他のインバータ装置に切り替えることによって、誘導電動機を停止させることなく、可変速運転を継続することができる。

また、特許文献２には、インバータ装置のインバータ主回路部分のみを二重化し、インバータ制御回路を共通にして両方のインバータ主回路に常時同一のドライブ信号を与え、両インバータ主回路の出力電圧、位相、周波数を同期させておいて切り替えることを提案している。これによれば、切り替え時の負荷の出力変動（トルクショック等）をなくすことができる。

一方、特許文献３には、誘導電動機を群運転する紡績ライン等において、誘導電動機をラインから切り離す場合の急加減速運転時には加減速インバータ装置により運転し、ライン内で通常運転する場合は通常運転用インバータ装置に切り替えて運転する切替運転装置が開示されている。特に、切替後のインバータ装置を予め起動しておき、切替前のインバータ装置の出力電圧の周波数と位相を検出し、これに切替後のインバータ装置の出力電圧の周波数と位相を同期させた後に切替を行うことにより、誘導電動機の速度変動を抑えるとともに、切替時間を短縮することが提案されている。

特開平５−３３６７８７号公報 特開平８−１１６６７５号公報 特開平５−８３９８９号公報

しかしながら、特許文献１では、インバータ装置の出力電圧と誘導電動機の端子電圧との位相を合わせていないことから、位相差によっては誘導電動機の出力が変動し、故障前の状態に戻るまでの切り替え時間が長くなってしまう問題がある。また、一方のインバータ装置の故障信号を受信してから、電源側及び負荷側の開閉器を切り替えて切替後のインバータ装置に初充電を行うと同時に、誘導電動機の速度検出を行ってその検出値に基づいて始動周波数を求めてから、切替後のインバータ装置を始動させるため、切り替え時間が長くなって、その間に誘導電動機の出力及び速度の低下が大きくなるという問題がある。

また、特許文献２では、インバータ制御回路を共通にして両方のインバータ主回路に常時同一のドライブ信号を与える方式であるから、インバータ制御回路が故障した場合には対応できないという問題がある。

さらに、特許文献３に記載された発明は、切り替え時に、切替前のインバータ装置が健全であることが前提であるから、一のインバータ装置が故障した場合に、健全な他のインバータ装置に切り替える故障対応の場合には適用できない。

本発明は、一のインバータ装置の故障時に他のインバータ装置に切り替えて誘導電動機を駆動する切り替え時における誘導電動機の出力変動を抑えることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、インバータ主回路と該インバータ主回路を制御するインバータ制御回路をそれぞれ備えてなる複数のインバータ装置と、該複数のインバータ装置の出力を切り替えて一の誘導電動機に供給する切替開閉器と、一のインバータ装置の故障検出信号に基づいて前記切替開閉器を他のインバータ装置に切り替えて該他のインバータ装置を始動させて前記誘導電動機を駆動させる切替制御装置を備えてなる誘導電動機駆動装置において、前記切替制御装置は、前記誘導電動機の端子電圧の周波数と位相を常時検出する周波数・位相検出回路を備え、前記故障検出信号が入力されたときの前記周波数・位相検出回路により検出された前記端子電圧の周波数と位相の検出値に従って、前記他のインバータ装置の始動時の周波数及び位相を制御することを特徴とする。

すなわち、誘導電動機の端子電圧の周波数は、一のインバータ装置の故障により誘導電動機への駆動電力の供給が停止し、誘導電動機が惰性で回転しているときの回転数（速度）を表している。したがって、誘導電動機の端子電圧を常時検出することにより、一のインバータ装置が故障して他のインバータ装置に切り替えられるまでの間であっても、誘導電動機の端子電圧の周波数と位相を検出できる。この検出値に切替後のインバータ装置の切替始動時の周波数と位相を設定することにより、インバータ装置の出力電圧の周波数と位相を誘導電動機の端子電圧に同期させることができるから、切り替え時における誘導電動機の速度変動などの出力変動を抑えることができる。また、誘導電動機の端子電圧の周波数及び位相を常時検出するようにしているから、故障検出信号が入力されるのと同時に、切替始動時の周波数と位相を設定することができ、切替時間を短縮することができる。その結果、誘導電動機の速度の低下が大きくならないうちに切替始動でき、誘導電動機のトルク変動などの出力変動を最小化できる。

また、上記の場合において、各インバータ装置を交流電源に接続する遮断器が開放されているとき、すなわちインバータ装置が待機状態にあるときに、当該インバータ装置を交流電源に接続する開閉器を有する初充電回路を設けることが好ましい。つまり、一般に、インバータ装置の始動は、インバータ装置の直流回路の平滑コンデンサを充電するのに必要な時間を待って行っている。しかし、本発明の初充電回路を設けることにより、切替後のインバータ装置の電路などの導体を充電する時間が不要になるから、その分だけ切替後のインバータ装置の始動タイミングを速めることができる。その結果、誘導電動機のトルク変動などの出力変動を一層最小化できる。

本発明によれば、一のインバータ装置の故障時に他のインバータ装置に切り替えて誘導電動機を駆動する切り替え時における誘導電動機の出力変動を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１に、本発明の一実施形態の誘導電動機駆動装置のブロック構成図を示す。図１に示すように、本実施形態の誘導電動機駆動装置は、３台のインバータ装置１、２、３を備えて構成されている。通常時は、インバータ装置１、３によりそれぞれ誘導電動機４、５を駆動し、インバータ装置１、３の一方が故障したときに、共通の予備機であるインバータ装置２に切り替え可能に構成されている。また、誘導電動機４、５の一方をインバータ装置２により駆動している状態で、インバータ装置２が故障したときは、インバータ装置２が駆動している誘導電動機４、５に対応するインバータ装置１、３に切り替え可能に構成されている。

インバータ装置１、２、３はそれぞれ同一に構成されていることから、インバータ装置１について詳細構成を説明し、他のインバータ装置については説明を省略する。インバータ装置１は、入力される交流電圧を変圧する変圧器６と、変圧器６により電圧が調整された交流を直流に変換する整流器７と、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ８と、平滑された直流を設定される電圧と周波数と位相を有する交流電圧に変換して出力するインバータ主回路９を備えて構成されている。また、図示を省略したが、インバータ装置１、２、３の各インバータ主回路９には、入力される指令に基づいてインバータ主回路９を制御するインバータ制御回路が設けられている。また、変圧器６には、初充電回路１０が接続された巻線が備えられている。

インバータ装置１、２の入力端はそれぞれ遮断器１１、１２ａを介して共通の交流電源母線１３に接続され、インバータ装置２、３はそれぞれ遮断器１２ｂ、１４を介して共通の交流電源母線１５に接続されている。また、インバータ装置１、２の出力端はそれぞれ遮断器１７、１８ａを介して誘導電動機４に共通に接続され、インバータ装置２、３の出力端はそれぞれ遮断器１８ｂ、１９を介して誘導電動機５に共通に接続されている。

次に、本発明の特徴部に係る切替制御装置の構成について説明する。インバータ装置１、２、３の遮断器１７、１８ａ、１８ｂ、１９の負荷側の電路に、それぞれ電圧変成器２１（２１−１、２１−２ａ、２ｂ、２１−３）が設けられている。それぞれの電圧変成器２１の出力は、それぞれ周波数・位相検出回路２２（２２−１、２２−２ａ、２ｂ、２２−３）に入力されている。周波数・位相検出回路２２は、周知のＰＬＬ回路により構成されており、電圧変成器２１により検出された誘導電動機４又は５の端子電圧に相当する電圧の周波数及び位相を、常時検出している。なお、位相は周波数を積分して検出するようになっている。

また、インバータ装置１、２、３に対応させて、それぞれ故障検出回路２３（２３−１、２３−２、２３−３）が設けられ、インバータ装置１、２、３の故障を検出したときに、故障信号を切替機として設定されたインバータ装置の故障信号受信回路２４に出力するようになっている。つまり、故障検出回路２３−１は故障信号受信回路２４−２ａに、故障検出回路２３−２は故障信号受信回路２４−１に、故障検出回路２３−３は故障信号受信回路２４−２ｂに、それぞれ故障信号を出力するようになっている。また、故障検出回路２３は、自己のインバータ装置の故障を検出したとき、自己のインバータ装置の交流電源側の遮断器と負荷側の遮断器を開放するようになっている。また、故障信号受信回路２４は、故障信号を受信したとき、自己のインバータ装置の交流電源側の遮断器と負荷側の遮断器を投入するようになっている。

故障信号受信回路２４は、故障信号を受信すると、それぞれ切替機として設定されたインバータ装置の周波数・位相検出回路２２にトリガ信号を出力するようになっている。つまり、故障信号受信回路２４−１は周波数・位相検出回路２２−１に、故障信号受信回路２４−２ａは周波数・位相検出回路２２−２ａに、故障信号受信回路２４−２ｂは周波数・位相検出回路２２−２ｂに故障信号受信回路２４−３は周波数・位相検出回路２２−３に、それぞれトリガ信号を出力するようになっている。

これにより、それぞれの周波数・位相検出回路２２は、トリガ信号が入力されたときの周波数及び位相の検出値を、自己のインバータ装置の始動周波数・位相設定器２５に出力するようになっている。つまり、周波数・位相検出回路２２−１は始動周波数・位相設定器２５−１に、周波数・位相検出回路２２−２ａ及び２ｂは始動周波数・位相設定器２５−２に、周波数・位相検出回路２２−３は始動周波数・位相設定器２５−３に、それぞれ周波数及び位相の検出値を出力するようになっている。

始動周波数・位相設定器２５（２５−１、２５−２、２５−３）は、それぞれ対応するインバータ装置１〜３のインバータ制御回路に、始動時の周波数及び位相の指令値を出力するようになっている。これにより、各インバータ制御回路はインバータ主回路を制御して、指令値に応じた始動周波数及び位相の出力電圧を遮断器１７又は１８ａ、あるいは遮断器１８ｂ又は１９を介して、それぞれ誘導電動機４、５に供給するようになっている。

このように構成される実施形態の動作を、図２に示した本実施形態の動作タイミングチャートを参照しながら説明する。説明を簡単にするため、インバータ装置１を構成する整流器７、インバータ主回路９あるいはインバータ制御回路等に故障が発生した場合を例に説明する。周波数・位相検出回路２２−２ａは、誘導電動機４の端子電圧に相当する検出電圧を電圧変成器２１−２ａから常に取込み、その検出電圧の周波数及び位相を常時検出している。

故障検出回路２３−１により、時刻ｔ０においてインバータ装置１の故障が検出されると、遮断器１１、１７が同時に遮断される。また、待機中にインバータ装置２を初充電していた初充電回路１０のスイッチが開放される。その後、時刻ｔ１において切替先のインバータ装置２の遮断器１２ａ、１８ａが同時に投入される。また、周波数・位相検出回路２２−２ａは、故障検出回路２３−１から出力される故障信号によりトリガされて、そのときの周波数及び位相の検出値を始動周波数・位相設定器２５−２に出力する。始動周波数・位相設定器２５−２は入力された周波数及び位相の検出値に従って、インバータ装置２のインバータ制御回路に始動時の周波数及び位相の指令値を出力する。これにより、インバータ装置２は、既に初期充電が完了しているので、直ちに始動することが可能になる。

次いで、時刻ｔ２において、インバータ制御回路は、始動周波数・位相設定器２５−１から出力される始動時の周波数及び位相の指令値に従って、インバータ主回路９を始動する。これにより、誘導電動機４の端子電圧に応じた周波数及び位相の出力電圧が遮断器１８ａを介して誘導電動機４に供給され、惰性で回転していた誘導電動機４が円滑に加速され、速やかに故障前の出力に回復される。

このとき誘導電動機４の出力変化を、図３の曲線３０に示す。図３に示すように、インバータ装置１の故障により時刻ｔ０にて遮断器１７が開放されると、誘導電動機４は惰性の回転力のみになるから出力が減少し始める。その後、時刻ｔ２において、インバータ装置２がそのときの誘導電動機４の端子電圧に応じた周波数及び位相で始動されると、誘導電動機４は円滑に加速されて、時刻ｔ３において速やかに故障前の出力に回復される。

以上説明したように、本実施形態によれば、周波数・位相検出回路２２−２ａにより、誘導電動機４の端子電圧に相当する検出電圧の周波数及び位相を常時検出していることから、故障による切替時に、切替後のインバータ装置２の始動周波数及び位相を直ちに設定することができる。つまり、インバータ装置の切替後に改めて始動周波数及び位相を設定する時間を必要としないから、その分だけ切替時間を短縮できる。

また、一般に、インバータ装置は、その始動に初充電を必要とするが、本実施形態によれば初充電回路１０を設けて、待機中のインバータ装置の初充電を切替前から行うようにしているから、切替後に初充電を行う場合に比べて、その分だけインバータ装置の切替時間を短縮できる。

さらに、従来は、一般に、インバータ装置の交流電源側の遮断器（例えば、１１）と、負荷側の遮断器（１７）を開操作する場合、電源側の遮断器を開放した後に、負荷側の遮断器を開放するというように、また、投入操作する場合は逆の手順で投入するというように、開閉のタイミングに手順を設けていた。この点、本実施形態によれば、図２に示したように、交流電源側の遮断器と負荷側の遮断器の開閉動作を同時に行うようにしていることから、この点からも切替時間の遅れを短縮することができる。

このように、本実施形態によれば、一のインバータ装置が故障した際、健全な他のインバータ装置に最短で運転を切替えることができ、インバータ装置切替えの際の誘導電動機の出力を低下を最小化できるから、誘導電動機の出力低下によってプラント等のシステム全体の運転に影響を及ぼしてしまうことを回避でき、プラント等の信頼性を向上することができる。

その結果、インバータ装置の故障時の影響を考えると、インバータ装置の適用が問題であったプラントヘのインバータ装置による省エネルギー運転等の適用も可能になる。また、誘導電動機の軸に速度検出器を直接装備する必要がないから、本発明の適用が容易である。

なお、本実施形態では、誘導電動機２台に対して、２台のインバータ装置と１台の予備インバータ装置により冗長系を構成したが、本発明はこれに限らず、誘導電動機Ｎ台に対してＮ台のインバータ装置と１台の予備インバータ装置により、Ｎ対１の冗長系を構成することも可能となる。これによって、システムの冗長化を図る際のコストダウンにも繋げることができる。

本発明の一実施形態の誘導電動機駆動装置のブロック構成図である。 本発明の特徴部に係る切替制御動作のタイミングチャートである。 本発明の効果を説明する切替時の誘導電動機の出力変化を示す図である。

符号の説明

１、２、３ インバータ装置
４、５ 誘導電動機
９ インバータ主回路
１０ 初充電回路
１１、１２ａ、１２ｂ、１４、１７、１８ａ、１８ｂ、１９ 遮断器
２１−１、２１−２ａ、２ｂ、２１−３ 電圧変成器
２２−１、２２−２ａ、２ｂ、２２−３ 周波数・位相検出回路
２３−１、２３−２、２３−３ 故障検出回路
２４−１、２４−２ａ、２ｂ、２４−３ 故障信号受信回路
２５−１、２５−２、２５−３ 始動周波数・位相設定器

Claims (3)

1. インバータ主回路と該インバータ主回路を制御するインバータ制御回路をそれぞれ備えてなる複数のインバータ装置と、該複数のインバータ装置の出力を切り替えて一の誘導電動機に供給する切替開閉器と、一のインバータ装置の故障検出信号に基づいて前記切替開閉器を他のインバータ装置に切り替えて該他のインバータ装置を始動させて前記誘導電動機を駆動させる切替制御装置を備えてなる誘導電動機駆動装置において、
   前記切替制御装置は、前記誘導電動機の端子電圧の周波数と位相を常時検出する周波数・位相検出回路を備え、前記故障検出信号が入力されたときの前記周波数・位相検出回路により検出された前記端子電圧の周波数と位相の検出値に従って、前記他のインバータ装置の始動時の周波数及び位相を制御することを特徴とする誘導電動機駆動装置。
2. 請求項１に記載の誘導電動機駆動装置において、
   前記各インバータ装置は、交流電源に接続される遮断器が開放されているときに、当該インバータ装置を交流電源に接続する開閉器を有する初充電回路が設けられてなることを特徴とする誘導電動機駆動装置。
3. 請求項１に記載の誘導電動機駆動装置において、
   前記周波数・位相検出回路は、端子電圧の検出値を入力とするＰＬＬ回路であることを特徴とする誘導電動機駆動装置。

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