JP2011223677A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動があっても直流電圧を維持し、且つ速度応答が遅くならないような電力変換装置を提供する。
【解決手段】出力側に平滑コンデンサを有するコンバータ１と、交流電動機４を駆動するインバータ２と、インバータ２を制御する制御手段３と、電流検出器６とで構成する。制御手段３は、交流電動機４の速度制御を行ってトルク軸電流基準を出力する速度制御手段３１、３２と、トルク軸電流基準の変化率にリミットをかけるトルク変化率リミット手段３３と、トルク軸電流制御を行ってトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段３５と、３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段３７と、ＰＷＭ手段３８とを有し、トルク軸電流基準の変化率が、上記トルク変化率リミット手段３３のリクット値以下の所定値を越えたとき、トルク変化率リミット手段３３を所定時間だけ開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動し、その速度及び出力トルクを制御する電力変換装置に関する。

例えば、鉄鋼の圧延ライン駆動用の電力変換装置においては、速度制御をアウターループで行い、トルク制御をマイナーループで行うようにするのが普通である。そしてトルク制御に使用するトルクフィードバックは、所謂ベクトル制御を行った場合のトルク軸に変換された電流を用いる。

そして、このトルク制御においては、トルクの絶対値が所定値を超えないように制御するトルクリミットと、トルクの変化率が所定値を超えないように制御するトルク変化率リミットを設けることが多い。このようなトルクリミット、トルク変化率リミットを設ける一つの理由は、電力変換装置が電圧型である場合、その直流電圧の変動を抑制するためである。

上記のようなトルクリミット、トルク変化率リミットは、負荷が急変したときに当然ながらリミットにかかるため、直流電圧の変動は緩和されるが、速度制御の追従が遅れる結果となる。この点を考慮して、負荷急変時にトルクリミットの値を変化させ、速度変動を抑制す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５−６頁、図１）

特許文献１に示されている手法は、鉄鋼圧延において圧延材料がロールに噛みこんだ場合のような大きい負荷変動に対しては有効であるが、高速な速度応答が要求される例えばシート圧延材のウエルド点の通過時において、負荷変動自体は小さいが、トルク変化率リミットにかかって速度応答が遅れるような場合の対策としては必ずしも有効ではない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、負荷変動があっても直流電圧を維持し、且つ速度応答が遅くならないような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、本発明の電力変換装置は、出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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制御手段と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器とを備え、前記制御手段は、前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、前記トルク軸電流基準の変化率が第１の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク変化率リミット手段と、前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルク変化率リミット手段の出力と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、前記トルク軸電圧基準を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段とを有し、前記トルク軸電流基準の変化率が、前記第１の所定値以下の第２の所定値を越えたとき、前記トルク変化率リミット手段を所定時間だけ開放するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、負荷変動があっても直流電圧を維持し、且つ速度応答が遅くならないような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１に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置のブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明に係る電力変換装置の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ１は出力側に平滑コンデンサを有している。このコンバータ１の直流出力をインバータ２によって交流に変換し、交流電動機４を駆動する。インバータ２は制御装置３からのゲート信号によってその主回路のスイッチング素子がオンオフ制御されている。交流電動機４には速度検出器５が取り付けられており、この出力は速度フィードバック信号として制御装置３に与えられる。インバータ２の出力電流は電流検出器６によって検出され、電流帰還信号として制御装置３に与えられる。

以下、制御装置３の内部構成について説明する。

外部から与えられた速度基準は、上記の速度フィードバック信号と比較されてその偏差が速度制御器３１の入力となる。速度制御器３１はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理してその出力をトルク基準としてベクトル制御器３２に与える。ベクトル制御器３２は、速度フィードバック信号と予め設定された磁束基準信号を用いて、上記トルク基準を磁束軸電流基準とトルク軸電流基準に変換する。トルク軸電流基準は、その変化率が所定値を超えないように制限するトルク変化率リミット回路３３に与えられる。そしてトルク変化率リミット回路３３の出力は、前述の電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られたトルク帰還電流と比較され、その偏差がトルク電流制御器３５に与えられる。トルク電流制御器３５はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理を行う。また同様に、ベクトル制御器３２の出力である磁束軸電流基準は、電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られた磁束帰還電流と比較され、その偏差が磁束電流制御器３６に与えられる。磁束電流制御器３６はこの偏差が最小となるように比例・積分制御処理を行う。トルク電流制御器３５及び磁束電流制御器３６の出力は夫々トルク軸電圧基準、磁束軸電圧基準となるが、これらは３相電圧基準発生器３７に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてＰＷＭ回路３８に与えられる。ＰＷＭ回路３８は所定のキャリア信号を各相の電圧基準で変調してインバータ２のスイッチング素子に与えるゲート信号を出力する。

また、交流電動機４が誘導電動機の場合、トルク軸電流基準と磁束基準を入力とするすべり演算器３９によって交流電動機４のすべり周波数を演算し、この演算結果と速度帰還信号とを加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器４０で積分してインバータ１の出力位相基準を求めている。この出力位相基準は前述の３相−２相変換器３４及び３相電圧基準発生器３７の変換位相基準となる。尚、交流電動機４が同期電動機の場合は、そのすべり周波数はゼロとなるので上記のすべり周波数演算は省略できる。

また、トルク変化率リミット回路３３の入力であるトルク軸電流基準は、変化率検出回路４１で検出され比較回路４２に与えられる。比較回路４２はトルク軸電流基準の変化率が所定の閾値を越えるとタイマ４３に出力指令を与え、タイマ４３は設定された所定の時間だけトルク変化率リミット回路３３を開放する。ここで開放するとは、トルク変化率リミット回路３３の入力と出力を短絡して無効化するという意味である。尚、上記所定の閾値は、トルク変化率リミット回路３３のリミット値と同等か若干このリミット値より低い値に設定する。

以上の実施例１の構成によれば、交流電動機４の負荷が変動してベクトル制御器３２の出力であるトルク軸電流基準が変化したとき、その変化率がトルク変化率リミット回路３３のリミットにかかる前にトルク変化率リミット回路３３を開放すなわち無効化するので速度応答が損なわれない。ここで重要な点はタイマ４３の時間設定である。すなわち、コンバータ１の直流出力電圧が所定値以下に落ちこまないように適切に時間設定する必要がある。

図２は本発明の実施例２に係る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に係る電力変換装置の各部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、タイマ４３に代えて、コンバータ１の出力電圧を検出する電圧検出器４４、この電圧検出器４４の検出値が所定値以上であるとき１を出力する比較回路４５、この比較回路４５の出力と比較回路４２の出力を入力とし、その出力でトルク変化率リミット回路３３を開放するＡＮＤ回路４６を設けた点である。

上述したように、実施例１におけるタイマ４３の設定は、長すぎるとコンバータ１の直流出力電圧が所定値以下に落ちこむ恐れがあり、短すぎるとトルク変化率リミットが動作して速度応答が上がらず、本発明の目的を達成できない恐れがある。従ってこの実施例２においては、コンバータ１の出力電圧が所定値以上あることを比較回路４５で検出し、その状態では比較回路４２の出力でトルク変化率リミット回路３３を開放するようにし、コンバータ１の出力電圧が所定値以下となったとき、トルク変化率リミット回路３３の開放を停止して正常に復帰させる。

このようにすれば実施例１より更に合理的な電力変換装置を提供することが可能となる。

図３は本発明の実施例３に係る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１の実施例１に係る電力変換装置の各部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１と異なる点は、トルク変化率リミット回路３３に代えて、トルク軸電流制御器３５の出力側にトルク電圧変化率リミット回路３３Ａを設け、タイマ４３の出力によってトルク電圧変化率リミット回路３３Ａを所定時間開放する構成とした点である。この場合、変化率検出回路４１の入力はトルク電圧変化率リミット回路３３Ａの入力となる。

本実施例によれば、トルク軸電流制御器３５の出力の変化率が所定値以上となったとき、トルク電圧変化率リミット回路３３Ａを開放させることによって実施例１と同様に速度応答を確保することが可能となる。

図４は本発明の実施例４に係る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１の実施例１に係る電力変換装置の各部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１と異なる点は、速度基準を訛らせる機能を持つ遅れ回路４７を設け、この出力と速度フィードバック信号とを比較してその偏差を速度制御器３１に与える構成とした点である。

速度基準が大きく急変したときには、実施例１乃至実施例３の制御を行っても速度応答の確保と直流電圧確保の両者を同時に満足できない場合がある。このような場合、上記遅れ回路４６の効果によって速度応答の確保と直流電圧確保の両者を同時に満足できるように改善することが可能となる。尚遅れ回路４６はステップ入力を訛らせる機能があればどのような回路でも適用可能である。例えば、１次遅れ回路を用いることができる。

１ コンバータ
２ インバータ
３ 制御装置
４ 交流電動機
５ 速度検出器
６ 電流検出器
３１ 速度制御器
３２ ベクトル制御器
３３ トルク変化率リミット回路
３３Ａ トルク電圧変化率リミット回路
３４ ３相−２相変換器
３５ トルク電流制御器
３６ 磁束電流制御器
３７ ３相電圧基準発生器
３８ ＰＷＭ制御器
３９ すべり演算器
４０ 積分器
４１ 変化率検出器
４２ 比較回路
４３ タイマ
４４ 電圧検出器
４５ 比較回路
４６ ＡＮＤ回路
４７ 遅れ回路

Claims (5)

1. 出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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制御手段と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、
   前記トルク軸電流基準の変化率が第１の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク変化率リミット手段と、
   前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルク変化率リミット手段の出力と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、
   前記トルク軸電圧基準を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、
   前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段と
   を有し、
   前記トルク軸電流基準の変化率が、前記第１の所定値以下の第２の所定値を越えたとき、前記トルク変化率リミット手段を所定時間だけ開放するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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制御手段と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、
   前記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、
   前記トルク軸電流基準の変化率が第１の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク変化率リミット手段と、
   前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルク変化率リミット手段の出力と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、
   前記トルク軸電圧基準を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、
   前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段と
   を有し、
   前記トルク軸電流基準の変化率が、前記第１の所定値以下の第２の所定値を越えたとき、前記トルク変化率リミット手段を開放し、前記電圧検出器で検出した直流電圧が第３の所定値以下になったとき、前記トルク変化率リミット手段を復活するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
3. 出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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制御手段と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、
   前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルクトルク軸電流基準と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、
   前記トルク軸電圧基準の変化率が第４の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク電圧変化率リミット手段と、
   前記トルク電圧変化率リミットの出力を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、
   前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段と
   を有し、
   前記トルク軸電圧基準の変化率が、前記第４の所定値以下の第５の所定値を越えたとき、前記トルク電圧変化率リミット手段を所定時間だけ開放するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
4. 出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換し、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制御手段と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、
   前記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の速度が速度基準に一致するように制御してトルク軸電流基準を出力する速度制御手段と、
   前記電流検出器から得られるトルク軸電流が前記トルクトルク軸電流基準と一致するように制御してトルク軸電圧基準を出力する電流制御手段と、
   前記トルク軸電圧基準の変化率が第４の所定値以上にならないようにリミットをかけるトルク電圧変化率リミット手段と、
   前記トルク電圧変化率リミットの出力を用いて３相電圧基準を生成する３相電圧基準生成手段と、
   前記３相電圧基準生成手段の出力を、前記インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号に変換するＰＷＭ手段と
   を有し、
   前記トルク軸電圧基準の変化率が、前記第４の所定値以下の第５の所定値を越えたとき、前記トルク電圧変化率リミット手段を開放し、前記電圧検出器で検出した直流電圧が第３の所定値以下になったとき、前記トルク電圧変化率リミット手段を復活するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
5. 前記速度基準は、
   その変化を訛らせるような遅れ回路を介して前記速度制御手段に与えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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