JP2012130095A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷運転時の更なる負荷急変時の負荷応答を高めた半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】コンバータ１と、直流コンデンサ２と、インバータ３と、電圧制御を行うコンバータ制御部７と、電流検出手段６と、速度検出手段５と、インバータ３の出力を制御するインバータ制御部８とで構成する。インバータ制御部８は、速度制御手段８１と、ベクトル演算手段８２と、トルク電流基準の変化率を制限するトルクレート制限手段８４と、
トルク軸電流制御手段８６と、磁束軸電流制御手段８７と、ゲート制御手段８８、８９と、負荷率検出手段９３と、負荷急変検出手段９２とを有する。交流電動機４の負荷率が所定の閾値以上で且つ負荷急変検出手段９２が負荷急変を検出したとき、トルクレート制限手段８４のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替える。
【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、インバータによってこの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する半導体電力変換装置に関するものである。

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古くから使用されている。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磁束軸に変換し、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。

このような半導体電力変換装置のインバータの制御を行う場合、インバータのトルク電流が急峻に変化することを制限するため、トルク電流の変化率にリミットを設けることが行われる。しかしながら、このリミットを設けると、実際に負荷が急峻に変化したとき、制御が追従できず、インバータ側の制御応答が悪化する場合がある。このため、交流電動機が力行運転を行っているか回生運転を行っているかを検出し、この検出値に応じてトルク電流の変化率のリミット値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２００７−８９３１８号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に示された手法を負荷が急変する圧延機等に適用した場合、トルクがゼロレベルからステップ状に加わる場合、また通常のトルクで運転中にステップ状にゼロレベルに変化する場合には、制御が追従可能であったが、短時間過負荷により負荷運転状態から更なる負荷がインパクト的に掛かり急変した際に、トルク電流基準の変化量が大きく、トルク帰還電流がトルク電流基準に追従できなくなり、過渡的にベクトルずれを生じることによって、直流電圧や速度の変動が生じていた。このために不要な保護動作が働いて運転上好ましくない事象が生じることもあった。

この発明は上記の課題を解決するためのものであり、負荷運転時の更なる負荷急変時の負荷応答を高めた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に、本発明の半導体電力変換装置は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力を平滑する直流コンデンサと、前記コンバータの出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記コンバータの出力電圧である直流帰還電圧が所定の電圧基準となるように制御するコンバータ制御部と、前記インバータの出力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実質的に検出する速度検出手段と、前記インバータの出力を制御するインバータ制御部とを具備し、前記インバータ制御部は、前記速度検出手段によって得られる速度帰還が所定の速度基準となるように制御してトルク基準を出力する速度制御手段と、前記トルク基準と磁束基準からトルク電流基準と磁束電流基準を出力するベクトル演算手段と、前記トルク電流基準の変化率を制限するトルクレート制限手段と、前記トルクレート制限手段の出力のトルク電流基準と、前記電流検出手段から得られるトルク帰還電流とを比較してトルク軸電圧基準を出力するトルク軸電流制御手段と、前記磁束電流基準と、前記電流検出手段から得られる磁束帰還電流とを比較して磁束軸電圧基準を出力する磁束軸電流制御手段と、前記トルク軸電圧基準及び前記磁束軸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出力するゲート制御手段と、前記交流電動機の負荷率を検出する負荷率検出手段と、前記交流電動機の負荷の急変を検出する負荷急変検出手段とを有し、前記交流電動機の負荷率が所定の閾値以上で且つ前記負荷急変検出手段が負荷急変を検出したとき、前記トルクレート制限手段のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替えるようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、負荷運転時の更なる負荷急変時の負荷応答を高めた半導体電力変換装置を提供することができる。

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１に係る半導体電力変換装置の動作タイムチャート。 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１に係る半導体電力変換装置の動作タイムチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２参照して本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を説明する。

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。コンバータ１は交流電源を受け、これを所望の電圧の直流に変換して直流コンデンサ２に与える。直流コンデンサ２で平滑された直流電圧はインバータ３によって交流電圧に変換されて交流電動機４を駆動する。コンバータ１及びインバータ３は、通常パワーデバイスをブリッジ接続した主回路を備えており、コンバータ１のパワーデバイスはコンバータ制御部７からのゲート信号によってオンオフ制御されている。同様にインバータ３のパワーデバイスはインバータ制御部８からのゲート信号によって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、この出力は速度帰還信号としてインバータ制御部８に与えられる。また、インバータ３の出力側には電流検出器６が設けられ、この出力も電流帰還信号としてインバータ制御部８に与えられる。

コンバータ制御部７は直流コンデンサ２の電圧である直流帰還電圧が所定の電圧基準となるように制御する。このため、直流帰還電圧と電圧基準の偏差を電圧制御器７１で増幅し、ゲート制御器７２によってコンバータ１にゲート信号を与え、上記偏差が最小となるようにフィードバック制御を行っている。

次にインバータ制御部８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、速度検出器５からの速度帰還信号と比較され、両者の偏差が速度制御器８１の入力となる。速度制御器８１においてはこの偏差が最小となるように調節制御し、その出力をトルク基準としてベクトル制御器８２に与える。ベクトル制御器８２は、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、トルク制限器８３及びトルクレート制限器８４を介してトルク電流制御器８６に与えられる。トルク電流制御器８６は、このトルク軸電流基準と、前述の電流帰還信号を３相−２相変換器８５で変換して得られたトルク帰還電流との偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。ここで、トルク制限器８３は必ずしも必要ではなく必要に応じて設ければ良い。同様に、磁束電流制御器８７は、磁束軸電流基準と、電流帰還信号を３相−２相変換器８５で変換して得られた磁束帰還電流の偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。トルク軸電流制御器８６及び磁束電流制御器８７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８８に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてＰＷＭ回路８９に与えられる。ＰＷＭ回路８９は所定のキャリア信号で各相の電圧基準を変調してインバータ３のパワーデバイスに与えるゲート信号を出力する。すなわち、ここで３相電圧基準発生器８８とＰＷＭ回路８９はインバータ３に対するゲート制御手段を構成している。

この実施例１においては交流電動機４が誘導電動機の場合を想定している。トルク軸電流基準と磁束基準からすべり演算器９０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で積分することによって、インバータ３に対する交流電動機４の位相基準を求めている。この位相基準は前述の３相−２相変換器８５及び３相電圧基準発生器８８の変換位相基準となる。また、交流電動機４が誘導電動機の場合には速度の上昇に応じて界磁弱めを行う場合が多いので、ベクトル制御器８２に速度帰還信号を与え、この信号に応じて磁束軸電流基準を変化させるようにする。

電圧制御器７１に与えられる電圧基準と直流電圧の電圧偏差は負荷急変検出器９２の絶対値検出器９２１に与えられて絶対値変換される。この出力は比較演算器９２２に与えられる。比較演算器９２２は入力が所定の閾値Ｃ以上であるときに１を出力してＡＮＤ回路９５に与える。

トルク制限器８３の出力は比較演算器９３を介してＡＮＤ回路９５に与えられる。比較演算器９３は入力が所定の閾値Ａ以上であるときに１を出力する。すなわち、比較演算器９３は交流電動機４の負荷率が所定値以上であるとき１を出力する。

ベクトル制御器８２の出力である磁束電流基準は比較演算器９４を介してＡＮＤ回路９５に与えられる。比較演算器９４は入力が所定の閾値Ｂ１以下であるときに１を出力する。

そしてＡＮＤ回路９５の出力はレート制限切替器９６に与えられ、レート制限切替器９６はＡＮＤ回路９５から１の出力があるとトルクレート制限器８４のレート制限値を標準値から切替値に切替える。尚、レート制限切替器９６の出力はタイマ９７によって所定時間ホールドされるようにするのが好ましい。

以下、図２も参照して実施例１の動作を説明する。図２は実施例１に係る半導体電力変換装置の動作タイムチャートであり、上段から速度、直流電圧、負荷、励磁電流、トルク基準の動作が模式的に示されている。

時刻ｔ＝Ｔ１でインバータ３を立ち上げ、負荷を加速し、時刻ｔ＝Ｔ２で最高速度に到達する。時刻ｔ＝Ｔ３に例えば圧延材料などの負荷が発生し、負荷運転状態で更に、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの間例えば圧延材料の継ぎ目部分のように更なる負荷が加わり、時刻ｔ＝Ｔ６で負荷が消滅する。

このとき、直流電圧の変化は図示したようになり、負荷急変検出回路９２は、図示したように負荷が急変する全ての点で作動し１を出力する。また、比較演算器９３の出力はトルク基準がＡ以上で１となり、更に比較演算器９４の出力は、励磁電流すなわち磁束軸電流がＢ１以下で１となるので、ＡＮＤ回路９５は時刻Ｔ４及び時刻Ｔ５でのみ１を出力することになる。

以上によって、時刻ｔ＝Ｔ４におけるレート制限値は標準値から切替値に切替わり、図２に示すようにトルク基準は破線の標準値から実線の切替値のようになる。すなわち、より急峻な変化率を許容するレート制限値に切り替わって制御の追従性が向上する。これは時刻ｔ＝Ｔ５における立下り動作の場合も同様となる。

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、交流電動機４が同期電動機であり、界磁制御装置９によって交流電動機４の界磁巻線に界磁電流を与える構成とした点、速度検出器５に代えて位置検出器５Ａを設け、この出力を微分器９８で微分して速度帰還信号とした点、すべり演算器９０と積分器９１を省略し、位置検出器５Ａの出力を位相基準θとして３相−２相変換器８５及び３相電圧基準発生器８８に与える構成とした点である。

この実施例２の場合、ベクトル制御器８２が出力する磁束軸電流基準は常にゼロとし、トルク軸電流基準の値に応じて電機子反作用を打ち消す制御を界磁制御装置９によって行う。

以下、図４も参照して実施例２の動作を説明する。図４は実施例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り、実施例１における図２相当図である。

図２に示すように、交流電動機４が界磁巻線を持つ同期電動機の場合、界磁電流の条件が異なってくる。すなわち、図３にも示したように、界磁電流がＢ２以上であるとき、比較演算器９４の出力が１となるようにする。

以上の説明によって、この実施例２においても負荷運転状態からの短時間過負荷による負荷急増時、または短時間過負荷状態からの負荷急減時において高い負荷応答が得られることが分かる。

以上、実施例１及び実施例２について説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図２及び図４から分かるように、励磁電流または界磁電流の条件はＡＮＤ回路９５の入力条件として必ずしも必要とは限らない。また、励磁電流または界磁電流の条件に代えて、速度が所定値以上の条件を用いることができる。

また、図２及び図４から分かるように、負荷急変検出器９２の入力の電圧基準と直流電圧の電圧偏差に代えて、速度基準と速度帰還の速度偏差を用いることができる。更にこれらの負荷急変検出に代えて、トルク軸電流の微分値の絶対値が所定値以上であることを用いることもできる。

更に、例えば図１において、速度検出器５を用いない所謂センサレスベクトル制御を採用することもできる。この場合は、速度検出器５代えて電圧、電流の信号から速度を推定する速度検出手段を用いれば良い。

１ コンバータ
２ 直流コンデンサ
３ インバータ
４ 交流電動機
５ 速度検出器
５Ａ 位置検出器
６ 電流検出器
７ コンバータ制御部
８ インバータ制御部
９ 界磁制御器
７１ 電圧制御器
７２ ゲート制御器
８１ 速度制御器
８２ ベクトル制御器
８３ トルク制限器
８４ トルクレート制限器
８５ ３相−２相変換器
８６ トルク電流制御器
８７ 磁束電流制御器
８８ ３相電圧基準発生器
８９ ＰＷＭ回路
９０ すべり演算器
９１ 積分器
９２ 負荷急変検出器
９３ 比較演算器
９４ 比較演算器
９５ ＡＮＤ回路
９６ レート制限切替器
９７ タイマ
９８ 微分器
９２１ 絶対値回路
９２２ 比較演算器

Claims (7)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   このコンバータの出力を平滑する直流コンデンサと、
   前記コンバータの出力電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
   前記コンバータの出力電圧である直流帰還電圧が所定の電圧基準となるように制御するコンバータ制御部と、
   前記インバータの出力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実質的に検出する速度検出手段と、
   前記インバータの出力を制御するインバータ制御部と
   を具備し、
   前記インバータ制御部は、
   前記速度検出手段によって得られる速度帰還が所定の速度基準となるように制御してトルク基準を出力する速度制御手段と、
   前記トルク基準と磁束基準からトルク電流基準と磁束電流基準を出力するベクトル演算手段と、
   前記トルク電流基準の変化率を制限するトルクレート制限手段と、
   前記トルクレート制限手段の出力のトルク電流基準と、前記電流検出手段から得られるトルク帰還電流とを比較してトルク軸電圧基準を出力するトルク軸電流制御手段と、
   前記磁束電流基準と、前記電流検出手段から得られる磁束帰還電流とを比較して磁束軸電圧基準を出力する磁束軸電流制御手段と、
   前記トルク軸電圧基準及び前記磁束軸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出力するゲート制御手段と、
   前記交流電動機の負荷率を検出する負荷率検出手段と、
   前記交流電動機の負荷の急変を検出する負荷急変検出手段と
   を有し、
   前記交流電動機の負荷率が所定の閾値以上で且つ前記負荷急変検出手段が負荷急変を検出したとき、
   前記トルクレート制限手段のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替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. 前記速度検出手段によって検出された前記交流電動機の速度が所定の閾値以上のとき、
   前記トルクレート制限手段のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替え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. 前記交流電動機は誘導電動機であり、
   前記磁束電流基準が所定の閾値以下であるとき、前記トルクレート制限手段のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替え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。
4. 前記交流電動機は界磁巻線を有する同期電動機であり、
   前記界磁巻線に与える界磁電流が所定の閾値以上であるとき、前記トルクレート制限手段のトルクレート制限値を標準値から切替値に切替え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。
5. 前記負荷率検出手段は、前記トルク電流基準または前記トルク帰還電流の大きさによって前記交流電動機の負荷率を検出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。
6. 前記負荷急変検出手段は、
   前記コンバータの電圧基準と前記直流帰還電圧の偏差の絶対値が所定の閾値以上のとき、負荷急変を検出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。
7. 前記負荷急変検出手段は、
   前記速度基準と前記速度帰還の偏差の絶対値が所定の閾値以上のとき、負荷急変を検出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。

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