JP2008054467A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期速度を越えて運転することが可能であり、また電動機軸に速度検出器を設けることなく同期速度近辺であっても電動機の速度検出が可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源２に接続された巻線型誘導電動機１の２次巻線に直列インピーダンス３Ａを介して接続されたコンバータ４と、直流を平滑するコンデンサ５と、直流部と交流電源２との間に設けられたインバータ６と、巻線型誘導電動機１の２次周波数検出手段と、巻線型誘導電前動機１の１次周波数と２次周波数から回転速度を検出する速度検出手段と、巻線型誘導電動機１の２次電流検出手段と、インバータ６の１次電流検出手段と、コンバータ４の有効電力を調整して速度制御を行うコンバータ制御手段と、インバータ６の有効電流を調整して、直流電圧が所定値となるように電圧制御を行なうインバータ制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプやファンなどを負荷とする巻線形誘導電動機を可変速駆動するための電力変換装置に関する。

巻線形誘導電動機の２次電力を調整して電動機の速度制御を行うものとして、２次回路の交流電力をダイオードコンバータで整流して直流電力に変換し、この直流電力をサイリスタ変換器等のインバータにより交流電源に回生する所謂静止セルビウス装置や、２次回路の交流電力をダイオードコンバータ整流し、このダイオードコンバータの出力である直流電圧を昇圧チョッパで昇圧した後にインバータにより交流電源に回生する装置などが知られている。

近年、後者の装置に更に改良を加え、巻線形誘導電動機に速度制御用のセンサを取り付けることなく速度制御を可能とする技術が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００１−２３８４７８号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、巻線形誘導電動機の２次側の交流電力をダイオードコンバータで整流したあと昇圧チョッパで昇圧し、インバータによって交流電源に回生する構成となっているので、電力の流れが一方向となる。このため、巻線形誘導電動機は同期速度を越えて運転することができないという問題があった。また、巻線形誘導電動機の１次周波数と２次回路の周波数との差を巻線形誘導電動機の回転速度として検出しているが、この周波数の差をそのまま回転周波数検出回路の入力としているため、すべり周波数が小さい同期速度近辺では２次側に発生する電圧が小さくなることに起因して、２次回路の周波数の検出が困難になるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、同期速度を越えて運転することが可能であり、また電動機軸に速度検出器を設けることなく同期速度近辺であっても電動機の速度検出が可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電力変換装置は、交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に直列インピーダンスを介して接続されたコンバータと、このコンバータの直流出力を平滑するコンデンサと、前記コンバータの直流出力部と前記交流電源との間に設けられたインバータと、前記巻線型誘導電動機の２次回路の周波数を検出する２次周波数検出手段と、記巻線型誘導電前動機の１次回路の周波数を検出し、この１次周波数から前記２次周波数検出手段によって検出された２次周波数を減算して前記巻線型誘導電前動機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する２次電流検出手段と、前記インバータの交流出力電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する１次電流検出手段と、前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して２次有効電流基準を発生する速度制御手段と、
前記２次電流検出手段から得られる有効電流が前記２次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記コンバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するコンバータ制御手段と、前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して１次有効電流基準を発生する電圧制御手段と、前記１次電流検出手段から得られる有効電流が前記１次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記インバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するインバータ制御手段とを具備する構成としている。

また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に直列インピーダンスを介して接続されたコンバータと、このコンバータの直流出力を平滑するコンデンサと、前記コンバータの直流出力部と前記交流電源との間に設けられたインバータと、前記巻線型誘導電動機の２次回路の周波数を検出する２次周波数検出手段と、記巻線型誘導電前動機の１次回路の周波数を検出し、この１次周波数から前記２次周波数検出手段によって検出された２次周波数を減算して前記巻線型誘導電前動機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する２次電流検出手段と、前記第２のインバータの交流出力電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する１次電流検出手段と、前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して１次有効電流基準を発生する速度制御手段と、前記１次電流検出手段から得られる有効電流が前記１次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記インバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するインバータ制御手段と、
前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して２次有効電流基準を発生する電圧制御手段と、前記２次電流検出手段から得られる有効電流が前記２次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記コンバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するコンバータ制御手段とを具備する構成としている。

本発明によれば、同期速度を越えて運転することが可能であり、また電動機軸に速度検出器を設けることなく同期速度近辺であっても電動機の速度検出が可能な電力変換装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置について図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に係る電力変換装置の回路構成図である。

巻線型誘導電動機１は交流電源２からその１次巻線に電力が供給され、その２次巻線に誘起される２次電力は、リアクトル３A及び自己消弧型素子で構成されたコンバータ４を介して平滑コンデンサ５に供給される。平滑コンデンサ５の両端の直流電圧は自己消弧型素子で構成されたインバータ６によって交流電圧に変換される。そしてインバータ６の出力は、リアクトル３Bを介して交流電源２に回生される。

尚、以上の主回路構成において、起動用及びバックアップ運転用の２次抵抗及びその切替回路が付属される場合があるが、これらの図示を省略している。

コンバータ４及びインバータ６を夫々構成する自己消弧型素子は、制御回路９から与えられるゲート信号Ｇ２及びＧ１によって夫々オンオフ制御されている。

巻線型誘導電動機１の２次電圧Ｖ２ｕ、Ｖ２ｖ及びＶ２ｗは、電圧検出器７Ａによって検出され制御回路９に与えられる。また、巻線型誘導電動機１の２次電流Ｉ２ｕ、Ｉ２ｖ及びＩ２ｗは、電流検出器８Ａによって検出され制御回路９に与えられる。同様に、巻線型誘導電動機１の１次電圧Ｖ１ｕ、Ｖ１ｖ及びＶ１ｗは電圧検出器７Ｂによって、インバータの交流側電流Ｉ１ｕ、Ｉ１ｖ及びＩ１ｗは電流検出器８Ｂによって夫々検出されて制御回路９に与えられる。また、平滑コンデンサ５に印加される直流電圧Ｖｄｃは電圧検出器７Ｃによって検出され制御回路９に与えられる。制御回路９は上記で検出された各部の電圧、電流に基づいてコンバータ４及びインバータ６の夫々のゲート信号Ｇ２及びＧ１を生成する。

次に制御回路９の内部構成を説明する。図２は制御回路９の内部構成図である。

２次電圧Ｖ２ｕ、Ｖ２ｖ及びＶ２ｗは、電圧位相周波数検出器１０Ａに与えられ、電圧位相周波数検出器１０Ａは２次電圧振幅V２を出力する。また、１次電圧Ｖ１ｕ、Ｖ１ｖ及びＶ１ｗは、電圧位相周波数検出器１０Ｂに与えられ、電圧位相周波数検出器１０Ｂは１次電圧振幅Ｖ１、１次電圧位相θ１及び１次周波数ｆ１を出力する。

２次電流Ｉ２ｕ、Ｉ２ｖ及びＩ２ｗは、後述する積分器１９の出力として得られる２次電圧位相θ２を基準とし、３相ｄｑ変換器１１Ａにより２次電圧ベクトルと同相の２次有効電流Ｉｑ２と、２次電圧ベクトルと直交する２次無効電流Ｉｄ２とに変換される。同様にインバータ６の交流側電流Ｉ１ｕ、Ｉ１ｖ及びＩ１ｗは、１次電圧位相θ1を用いて３相ｄｑ変換器１１Ｂにより１次電圧ベクトルと同相の１次有効電流Ｉｑ１と、１次電圧ベクトルと直交する１次無効電流Ｉｄ１とに変換される。

以下、コンバータ４用のゲート信号Ｇ２によって巻線型誘導電動機１を速度制御するための回路構成について説明する。

１次周波数ｆ１から、後述する積分器１９の入力である２次周波数ｆ２を減算すると巻線型誘導電動機２の回転速度ＳＰが得られる。この回転速度ＳＰと速度基準ＳＰ＊の偏差を速度制御器１２に与える、速度制御器１２はこの偏差がゼロになるようにその出力である２次有効電流基準Ｉｑ２＊を調整する。この２次有効電流基準Ｉｑ２＊は３相ｄｑ変換器１１Ａによって得られた２次有効電流Ｉｑ２と比較され、その偏差がゼロとなるように２次ｑ軸電流制御器１５Ａ１によってその出力である２次有効電圧基準Ｖｑ２＊を調整する。

電圧位相周波数検出器１０Aが動作可能な電圧振幅の下限値を電圧下限値Ｖｍｉｎとする。この電圧下限値Ｖｍｉｎと電圧位相周波数検出器１０Aの出力である２次電圧振幅Ｖ２との偏差をとり、下限リミッタ１３によって、偏差が正になった場合にだけその偏差を２次電圧制御器１４に入力する。２次電圧制御器１４は、その出力である２次無効電流基準Ｉｄ２＊を調整し、２次電圧振幅Ｖ２が電圧下限値Ｖｍｉｎ以下にならないように制御する。２次無効電流基準Ｉｄ２＊は、３相ｄｑ変換器１１Ａの出力である２次無効電流Ｉｄ２と比較され、その偏差を２次ｄ軸電流制御器１５Ａ２に入力する。２次ｄ軸電流制御器１５Ａ２は、この偏差がゼロとなるように２次ｄ軸電流制御器１５Ａ２の出力である２次無効電圧基準Ｖｄ２＊を調整する。

２次有効電圧基準Ｖｑ２＊及び２次無効電圧基準Ｖｄ２＊は２軸３相変換器１６Ａの入力となり、この２軸３相変換器１６Ａによってこれらを３相の電圧基準Ｖｕ２＊、Ｖｖ２＊及びＶｗ２＊に変換してPWM制御回路１７Ａに与える。そしてPWM制御回路１７Ａはコンバータ４の入力電圧が３相の電圧基準Ｖｕ２＊、Ｖｖ２＊及びＶｗ２＊になるようなゲート信号Ｇ２を生成する。PWM制御回路１７Ａの内部構成はコンバータ４の回路方式、制御方式により様々である。このＰＷＭ制御の詳細は、例えばオーム社刊のパワーエレクトロニクス回路（２０００年１１月３０日初版発行）の第５章「自励インバータ」などで解説されているので、ここではその説明を省略する。

次に２次周波数ｆ２と２次電圧位相θ２を決定するための回路構成を説明する。

巻線型誘導電動機１の２次電圧振幅Ｖ２は、停止時の２次電圧振幅最大値をＶ２ｍａｘとすると、Ｖ２＝Ｓ×Ｖ２ｍａｘとなる。ここで、Ｓはすべりである。従って、２次電圧振幅Ｖ２に演算ゲインＧ１＝１／Ｖｍａｘを乗算して概略のすべりＳを求める。このすべりＳにすべり補正器２０のすべり補正量Ｓｃｍｐを加算して２次周波数ｆ２を求め、この２次周波数ｆ２を積分器１９で積分して２次電圧位相θ２を求める。すべり補正器２０の入力には２次無効電圧基準Ｖｄ２＊が与えられており、積分器１９の出力である２次電圧位相θ２は３相ｄｑ変換器１１Ａの基準位相となっているので、すべり補正器２０は２次無効電圧基準Ｖｄ２＊がゼロとなるようにすべり補正量Ｓｃｍｐを調整する。

次に、インバータ６用のゲート信号Ｇ１によって直流電圧Ｖｄｃを所定値に制御する回路構成を説明する。

直流電圧Ｖｄｃと直流電圧基準Ｖｄｃ＊の偏差を電圧制御器１８に与える。電圧制御器１８はこの偏差がゼロになるようにその出力である１次有効電流基準Ｉｑ１＊を調整する。１次有効電流基準Ｉｑ１＊は前述した３相ｄｑ変換器１１Ｂの出力である１次有効電流Ｉｑ１と比較され、その偏差は電流制御器１５Ｂ１に与えられる。電流制御器１５Ｂ１はこの偏差がゼロとなるようにその出力である１次有効電圧基準Ｖｑ２＊を調整する。

１次無効電流基準Ｉｄ１＊は通常は０となるように設定し、３相ｄｑ変換器１１Ｂの出力である１次無効電流Ｉｄ１と比較する。この偏差がゼロとなるように電流制御器１５Ｂ２はその出力である１次無効電圧基準Ｖｄ２＊を調整する。

１次有効電圧基準Ｖｑ２＊及び１次無効電圧基準Ｖｄ２＊は２軸３相変換器１６Ｂの入力となり、この２軸３相変換器１６Ｂによってこれらを３相の電圧基準Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊及びＶｗ１＊に変換してPWM制御回路１７Ｂに与える。そしてPWM制御回路１７Ｂはインバータ６の入力電圧が３相の電圧基準Ｖｕ２＊、Ｖｖ２＊及びＶｗ２＊になるようなゲート信号Ｇ１を生成する。PWM制御回路１７Ｂの内部構成についてもここでは説明を省略する。

以上の構成により、１次周波数と２次周波数の偏差を計算することにより電動機軸に速度センサを設けることなく巻線型誘導電動機１の回転速度を検出することが可能となる。このように検出した回転速度を用いてコンバータ４は、巻線型誘導電動機１が必要とする２次有効電流Ｉｑ２を調整することによって巻線型誘導電動機１の回転速度を制御することができる。

２次電圧が低下するような同期速度近辺では、無効電流Ｉｄ２を積極的に流すことにより、無効電流Ｉｄ２とリアトクル３Ａのインピーダンスドロップにより２次電圧振幅Ｖ２を確立し、２次周波数ｆ２を検出することが可能となる。また、下限値Ｖｍｉｎを調整することにより同期速度を超えた運転が可能となる。同期速度を超えた運転を行なう場合は、２次回路の電力の流れが逆転し、コンバータ４はインバータとして動作し、インバータ６はコンバータとして動作する。

インバータ６は直流電圧Ｖｄｃが一定となるように制御するとともに、１次無効電流Ｉｄ１が０になるように制御しているため、インバータ６の力率を１にすることができ、電源力率の良い電力変換装置を提供することが可能となる。

ここで、すべり補正量Ｓｃｍｐの演算に電流制御器１５Ａ２の出力である２次電圧基準Ｖｄ２＊を使用したが、電圧位相周波数検出器１０Ａから２次電圧位相量を出力するようにしてこの２次電圧位相量を用いることもできる。また、２次無効電力量（Ｖｑ２×Ｉｄ２−Ｖｄ２×Ｉｑ２)等を制御することによっても同様に求めることができる。

また、巻線型誘導電動機１の２次巻線とコンバータ４間に挿入したリアクトル３Ａを、抵抗等の受動素子に置き換えても電圧降下分による電圧検出について同様の効果が得られる。更に、すべりＳの検出についても、電圧位相周波数検出器１０Ａから２次周波数を出力するようにしてこの２次周波数を用いて検出しても良い。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、図２におけるコンバータ４を制御するための速度制御器１２とインバータ６を制御するための電圧制御器１８を入れ替え、コンバータ４側で直流電圧基準Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃの突合せによる電圧制御を電圧制御器１８Aを使用して行うようにし、インバータ６側で速度基準ＳＰ＊と回転速度ＳＰの突合せによる速度制御を速度制御器１２Aを使用して行うように構成した点である。

この実施例２ように、実施例１においてはコンバータ４側で速度制御を行い、インバータ６側で電圧制御を行っていたのを、逆にコンバータ４側で電圧制御を行い、インバータ側６で速度制御を行うようにしても実施例１と同一の効果が得られる。これは、コンバータ側、インバータ側共、自己消弧型素子を用いた自励インバータを用いているため、各々を独立して制御することが可能であるからである。

図４は本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、下限リミッタ１３に与える電圧下限値Ｖｍｉｎと２次電圧振幅Ｖ２との偏差に代えて、２次周波数下限値ｆ２ｍｉｎとすべりＳとの偏差を与えるように構成した点である。

この実施例３のように、図２に示した２次電圧振幅Ｖ２が電圧下限値Ｖｍｉｎ以下にならないようにＩｄ２＊を制御する代わりに、すべりＳ即ち２次周波数ｆ２が２次周波数下限値ｆ２ｍｉｎ以下にならないようにＩｄ２＊を制御するようにしても実施例１と同様の効果を得ることができる。

尚、この実施例３は、インバータとコンバータの機能を入れ替えた実施例２の電力変換装置に適用しても良いことは明らかである。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の制御回路の内部構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の制御回路の内部構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の制御回路の内部構成図。

符号の説明

１ 巻線形誘導電動機
２ 交流電源
３Ａ、３Ｂ リアクトル
４ コンバータ
５ 平滑コンデンサ
６ インバータ
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 電圧検出器
８Ａ、８Ｂ 電流検出器
９ 制御回路
１０Ａ、１０Ｂ 電圧位相周波数検出器
１１Ａ、１１Ｂ ３相ｄｑ変換器
１２、１２Ａ 速度制御器
１３ 下限リミッタ
１４ ２次電圧制御器
１５Ａ、１５Ｂ 電流制御器
１６Ａ、１６Ｂ ｄｑ３相変換器
１７Ａ、１７Ｂ ＰＷＭ制御回路
１８、１８Ａ 電圧制御器
１９ 積分器
２０ すべり補正器

Claims (5)

1. 交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に直列インピーダンスを介して接続されたコンバータと、
   このコンバータの直流出力を平滑するコンデンサと、
   前記コンバータの直流出力部と前記交流電源との間に設けられたインバータと、
   前記巻線型誘導電動機の２次回路の周波数を検出する２次周波数検出手段と、
   記巻線型誘導電前動機の１次回路の周波数を検出し、この１次周波数から前記２次周波数検出手段によって検出された２次周波数を減算して前記巻線型誘導電前動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
   前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する２次電流検出手段と、
   前記インバータの交流出力電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する１次電流検出手段と、
   前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して２次有効電流基準を発生する速度制御手段と、
   前記２次電流検出手段から得られる有効電流が前記２次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記コンバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するコンバータ制御手段と、
   前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して１次有効電流基準を発生する電圧制御手段と、
   前記１次電流検出手段から得られる有効電流が前記１次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記インバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するインバータ制御手段と
   を具備して成る電力変換装置。
2. 交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に直列インピーダンスを介して接続されたコンバータと、
   このコンバータの直流出力を平滑するコンデンサと、
   前記コンバータの直流出力部と前記交流電源との間に設けられたインバータと、
   前記巻線型誘導電動機の２次回路の周波数を検出する２次周波数検出手段と、
   記巻線型誘導電前動機の１次回路の周波数を検出し、この１次周波数から前記２次周波数検出手段によって検出された２次周波数を減算して前記巻線型誘導電前動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
   前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する２次電流検出手段と、
   前記第２のインバータの交流出力電流を検出して有効電流及び無効電流を出力する１次電流検出手段と、
   前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して１次有効電流基準を発生する速度制御手段と、
   前記１次電流検出手段から得られる有効電流が前記１次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記インバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するインバータ制御手段と、
   前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して２次有効電流基準を発生する電圧制御手段と、
   前記２次電流検出手段から得られる有効電流が前記２次有効電流基準となるように電流制御し、その出力で前記コンバータを構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御するコンバータ制御手段と
   を具備して成る電力変換装置。
3. 前記２次電流検出手段における前記無効電流は、前記巻線型誘導電動機の２次電流を基準位相によって２軸変換して得るようにし、
   前記２次周波数検出手段における2次周波数は、
   前記巻線型誘導電動機の２次電圧から求めたすべり周波数に、前記コンバータ制御手段における無効電圧基準を増幅して得たすべり補正量を加算して得るようにし、
   前記コンバータ制御手段は、
   前期２次周波数を積分して前記基準位相を得ることによって、前記無効電圧基準がゼロになるようにすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記巻線型誘導電動機の２次電圧振幅が所定値以下とならないように、前記コンバータの無効電力を調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記２次周波数検出手段によって検出された２次周波数が所定値以下とならないように、前記コンバータの無効電力を調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
   

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