JP2013074792A - 高圧インバータの瞬時停電補償方法及びこれを利用した高圧インバータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高圧インバータで瞬時停電が生じる場合、負荷が保存している機械的運動エネルギーを電気的エネルギーに変換して停電区間に対応することによって、高圧インバータが停止せずに運転し続けるようにする瞬時停電補償方法及びこれを利用した高圧インバータシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明では、直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セルを備える高圧インバータにおいて、複数の電力セルの入力電圧が基準値以下の場合、該当時点で前記複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させ、所定の減速勾配で出力周波数を減少させた後、入力電圧が復帰する場合、復帰時出力周波数を所定時間だけ維持する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧インバータにおける瞬時停電補償方法とこれを利用した高圧インバータシステムに関するものである。

一般に、インバータは、入力電源に停電が発生した場合、数ｍｓ以内にパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）出力を遮断する。この時、負荷の慣性が大きい場合、電源が復旧した時に負荷を加速するのに長時間を要する。このような動作は、産業現場で大きい損失に繋がるため、インバータが停止する場合、工程障害によって莫大な被害が予想される所ではインバータの瞬間停電補償技術が適用されている。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来のインバータの瞬時停電補償装置の動作を説明するための一例であり、図１Ａは正常状態の場合、図１Ｂは電源遮断が生じた場合を示した図面である。

一般に、インバータ２００に組み込まれる電解コンデンサ２１０(説明の便宜のためにインバータ２００の外部に図示する)は、正常状態ではインバータ２００から電力を充電し(図１Ａ)、停電によって電源１００が遮断されると、電解コンデンサ２１０に充電された電力を利用して負荷３００を駆動する(図１Ｂ)。この時、一般の電解コンデンサ２１０は、瞬時停電時間が１６ｍｓｅｃの場合には、正常に動作するようにその容量が設計されるため、瞬時停電時間が１６ｍｓｅｃ以内であればインバータ２００は停止せずに負荷３００を駆動することができる。

しかし、電源事情が良くない地域での停電は、１６ｍｓｅｃ以上になる場合があり、この場合インバータ２００は停止する問題があり、これは産業現場の大きい被害を惹き起こす問題がある。

一方、現在エネルギー節減に対する要求が大きくなると同時に高圧インバータの需要が増えている傾向である。このような高圧インバータとして、直列連結Ｈ−ブリッジ（Ｃａｓｃａｅｄｅ Ｈ−Ｂｒｉｄｇｅ、以下、「ＣＨＢ」という)方式が主に利用される。ＣＨＢ方式の高圧インバータは、産業現場で重要設備に設置されるため、信頼性が重要となる。

しかし、図１Ａの従来のインバータの瞬時停電補償装置は、ＣＨＢ方式の高圧インバータに適用する場合、瞬時停電を克服できない問題がある。その理由は、下記の通りである。

第一に、従来の瞬時停電補償装置は、高圧インバータの複数の単位電力セルのＤＣリンクを制御できない。

第二に、従来の瞬時停電補償装置は、フィードバックされた基準電圧をＤＣリンクの電圧指令とするが、高圧インバータで実際適用される場合、各電力セルのＤＣリンク電圧はキャパシタが有する寄生成分によって互いに異なるようになるため、実際駆動時に一つの電圧指令で駆動するのが不可能である。

第三に、従来の瞬時停電補償装置には、ＣＨＢ方式の高圧インバータが取り付けられる大容量負荷の外部環境を考慮した解決策が提示されなかった。

本発明の目的は、高圧インバータにおいて瞬時停電が生じる場合、負荷が保存している機械的運動エネルギーを電気的エネルギーに変換して停電区間に対応することによって、高圧インバータが停止せずに運転し続けるようにする瞬時停電補償方法及びこれを利用した高圧インバータシステムを提供することである。

前述の技術的課題を解決するために、直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セルを備える高圧インバータにおいて、本発明の瞬時停電補償方法は、複数の電力セルの入力電圧が基準値以下の場合、該当時点で複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させる段階、所定の減速勾配で出力周波数を減少させる段階、及び入力電圧が復帰する場合、復帰時出力周波数を所定時間だけ維持する段階を含む。

本発明の一実施形態において、所定の加速勾配で出力周波数を増加させる段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、出力周波数を増加させる段階は、瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させてもよい。

本発明の一実施形態において、複数の電力セルの直流(ＤＣ)リンクの電圧が上昇する場合、出力周波数を電圧の増加分だけ増加させる段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させる段階は、電動機の速度より小さくなるように出力周波数を減少させてもよい。

本発明の一実施形態において、出力周波数の減少幅はスリップ周波数より大きくてもよい。

本発明の一実施形態において、復帰時出力周波数を所定時間だけ維持する段階は、電動機の速度が出力周波数より小さくなるように出力周波数を維持してもよい。

また、前述の技術的課題を解決するために、直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セルを備える高圧インバータにおいて、本発明の瞬時停電補償方法は、複数の電力セルの入力電圧が基準値以下になってから復電する場合、復電時の出力周波数を所定時間維持することができる。

また、前述の技術的課題を解決するために、本発明の高圧インバータシステムは、直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セル、及び複数の電力セルとネットワークを介して各々連結され、複数の電力セルの入力電圧が基準値以下の場合、該当時点で複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させ、所定の減速勾配で出力周波数を減少させ、入力電圧が復帰する場合、復帰時の出力周波数を所定時間だけ維持する制御部を含む。

本発明の一実施形態において、制御部は、出力周波数を所定時間だけ維持した後、所定の加速勾配で出力周波数を増加させてもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させてもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、所定の減速勾配で出力周波数を減少する間に、複数の電力セルのＤＣリンクの電圧が上昇する場合、出力周波数を電圧の増加分だけ増加させてもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、複数の電力セルの出力周波数を電動機の速度より小さくなるように減少してもよい。

本発明は、高圧インバータにおいて瞬時停電が生じる場合、負荷が保存している機械的運動エネルギーを電気的エネルギーに変換して停電区間に対応することによって、高圧インバータが停止せず運転し続けるようにして、従来のＣＨＢ方式の高圧インバータでは不可能だった１６ｍｓ以上の瞬時停電に対応することができる。
これにより、本発明はインバータが瞬間的に停止することによって生じる被害を防ぐことができ、これによって製品工程の信頼性を確保して製品の品質向上が可能となる。

従来のインバータの瞬時停電補償装置の動作を説明するための一例示図である。 従来のインバータの瞬時停電補償装置の動作を説明するための一例示図である。 本発明が適用されるＣＨＢ方式の高圧インバータの一実施形態の構成図である。 図２の電力セルの一実施形態の詳細構成図である。 本発明に係る瞬時停電補償方法を説明するための一実施形態のフローチャートである。 本発明に係る瞬時停電補償方法を説明するための一実施形態グラフである。 従来のインバータの瞬時停電時入力電圧に対する電動機出力電流を示したグラフである。 本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図である。 本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図である。 本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図である。 本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図である。

本発明は、多様な変更を加えて多様な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むことに理解しなければならない。

本発明は、瞬時停電が生じる場合にも高圧インバータが停止せずに継続的に運転できるようにするものである。即ち、本発明は瞬時停電発生時、高圧インバータを停止せずに停電を認知して継続的な運転のために負荷の機械的運動エネルギーをインバータで回生する。この時、回生量に応じて電力セルのＤＣリンク電圧が変わるため、適正な電圧を維持するインバータ制御を介して停電区間を回避することができる。

以下、添付図を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図２は、本発明が適用されるＣＨＢ方式の高圧インバータの一実施形態の構成図である。

図示したように、本発明が適用される高圧インバータは、ＣＨＢ方式であり、移相変圧器１０、電力セル２０、制御部３０及び電動機４０を含む。

移相変圧器１０は、入力電源の位相を置換してこれを複数の電力セル２０に供給する。これについては本発明の技術分野で広く知られているため、その詳細な説明は省略する。

制御部３０は、複数の電力セル２０とネットワークを介して各々連結され、この時、ネットワークの種類は、例えば、計測制御ネットワーク（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ、ＣＡＮ）であるが、これに限定されるものではない。制御部３０は電力セル２０との通信を介して、電力セル２０を制御して本発明の瞬時停電補償を行う。これについては下記で図面を参照して説明する。

電力セル２０は、単相インバータであり、直列連結されて電動機４０に供給する一つの相電圧を構成するもので、全体的に高圧出力を得ることができる三相インバータとなる。本発明の一実施形態を説明するために、単相インバータの電力セル２０が１８個(各相当り６個)備えられたものを挙げて説明するが、これに限定されないことは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者には自明である。電力セル２０の数が多いほど、電動機４０により大きい電力を出力できる。

また、電力セル２０は、制御部３０とネットワークを介して通信し、制御部３０の制御によって瞬時電力補償を行う。これのために、その内部に制御部３０と通信する電力セル制御部を含む。以下、電力セルの詳細な構成を説明する。

図３は、図２のセルの一実施形態の詳細構成図であり、複数の各電力セル２０の構成は互いに同一であることは自明である。

図示したように、本発明に係る電力セル２０は、整流部２１、ＤＣリンク部２２、インバータ部２３及び電力セル制御部２４を含む。

整流部２１は、３相の交流入力電圧を直流に変換し、ＤＣリンク部２２は、整流部２１により直流に変換された電圧を保存する。また、ＤＣリンク部２２は、整流された波形を平滑キャパシタを介して安定した直流に変換することもできる。

インバータ部２３は、整流された直流をスイッチングして交流を生成して、電動機４０に印加する。インバータ部２３は、電力セル制御部２４の出力周波数によりスイッチングを行い、インバータ部２３のトランジスタは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）であってもよいが、これに限定されるものではない。

整流部２１、ＤＣリンク部２２及びインバータ２３の動作については、すでに本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に広く知られているため、その詳細な説明は省略する。

電力セル制御部２４は、ＤＣリンク部２２の電圧を制御部３０に伝送し、制御部３０の制御によってインバータ部２３の出力周波数を伝達する。制御部３０のスイッチング制御によって、インバータ部２３の出力周波数と電圧を調整できる。即ち、電力セル制御部２４は、制御部３０の制御によって制御信号を伝達する。

図２のような複数の電力セルを含む高圧インバータにおいて、従来の瞬時停電補償装置では複数の電力セル２０のＤＣリンク部２２を同一にすることが不可能であったが、本発明によると可能になる。以下、本発明の補償方法を図面を参照して説明する。

図４は、本発明に係る瞬時停電補償方法を説明するための一実施形態のフローチャートであり、図３の制御部３０で行われることは説明済みである。

図示したように、電力セル制御部２４は、電力セル２０に入力される入力電圧を確認して、基準値以下の入力電圧が電力セル２０に入力されると（Ｓ４１）、これは停電と判断して、これを制御部３０に知らせる。

従来の高圧インバータでは、このような状況が生じると、直ちにインバータが停止する。これは、負荷である電動機４０の容量が、電力セル２０のＤＣリンク部２２のキャパシタの容量に比べて大きいため、制御ループが作動する前に低電圧トリップが生じるためである。

本発明の制御部３０は、このような低電圧トリップを防止するために、基準値以下の電源が入力される場合（Ｓ４１）、即ち、瞬時停電が発生する場合、これと同時に回生手続きが始まるようにインバータ部２３の出力周波数を減少させる（Ｓ４２）。このような出力周波数の減少によって、停電初期に停電区間を制御できる回生エネルギーを得ることができる。この時、好ましくは出力周波数が、電動機４０の実際速度より小さくなるように減少させる。

以後、負荷(電動機４０)の負荷量に適当な所定の減速勾配でインバータ部２３の出力周波数を減少させる（Ｓ４３）。電動機４０の速度は、インバータ部２３から出力する出力周波数よりスリップ周波数（ｓｌｉｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）だけ小さいため、これによって電動機４０の速度もインバータ部２３の出力周波数が減速勾配に比例して減速される。

この時、電力セル制御部２４は、継続的にＤＣリンク部２２の電圧を確認して、これを制御部３０に伝送する。これは過電圧トリップが発生しないようにするためである。

即ち、回生量が多くてＤＣリンク部２２の電圧が上昇する場合には（Ｓ４４）、制御部３０は減少させた出力周波数を電圧の増加分だけ増加してエネルギーを消費するようにする（Ｓ４５）。

以後、入力電圧が上昇して停電区間を抜けるように復電すると（Ｓ４６）、従来のインバータでは既存の速度指令に復帰するように出力周波数を上昇させるが、本発明の制御部３０は、電動機４０の慣性が大きくて復電時にスリップが過度に広がって過電流トリップが発生するのを防止するために、復電時の出力周波数を維持する（Ｓ４７）。

即ち、本発明の制御部３０は、復電モードでインバータの過電流限界値を越えないように所定時間復電時の出力周波数を維持する（Ｓ４７）。出力周波数を維持する時間は、電動機４０の負荷量に応じて予め決定されるのが好ましい。

以後、制御部３０は、電動機４０が瞬時停電前の速度に復帰するように、設定された加速勾配で出力周波数が増加するようにする（Ｓ４８）。この時の加速勾配は、ユーザによってあらかじめ設定される。これによって、電動機４０の速度は、出力周波数の加速勾配と同じ勾配で増加して、瞬時停電前の速度に復帰することができる（Ｓ４９）。
本発明の制御部３０の瞬時停電補償シーケンスを、次のグラフを参照して説明するとより明確になる。

図５は、本発明に係る瞬時停電補償方法を説明するための一実施形態グラフであり、停電発生時の出力周波数、電動機速度、入力電圧及び電動機のパワーの関係を示した一例示図である。図５のグラフを図４の各段階と対比して説明する。

図示したように、入力電圧が一定値を維持しながらｔ１まで入力される。一般に、入力電圧は交流であるが、図５では実効値（ｒｍｓ）を示した。正常状態で、インバータ部２３の出力周波数と電動機４０の実際速度の差を「スリップ周波数」という。

ｔ１で入力電圧が基準値以下になると（Ｓ４１）、制御部３０は、停電と判断して、出力周波数を所定値だけ減少させる（Ｓ４２）（Ａ部分）。

以後、復電時点のｔ２まで制御部３０は、予め設定された減速勾配で出力周波数を減少させる（Ｓ４３）。このような出力周波数の減少は、復電時点のt２まで繰り返される。

ｔ２で入力電圧が復帰して（Ｓ４６）、復電された場合には、所定時間（ｔ２からｔ４まで）復電時の出力周波数を維持する（Ｓ４７）。所定時間が経過したt４では、設定された加速勾配で出力周波数が増加するようにし（Ｓ４８）、ｔ５で停電以前の状態に復帰する（Ｓ４９）。以後、出力周波数は一定に維持されることが分かる。

この時、t３時点は、インバータ部２３の出力周波数と電動機４０の実際速度が同じになる時点である。即ち、出力周波数が維持される時間は、インバータ部２３の出力周波数と電動機４０の実際の速度が同じになる時間以後と設定されてもよい。

これをエネルギーの側面から説明する。ｔ１で瞬時停電が始まると、電動機４０のエネルギーは、インバータ側に回生されるため、エネルギーが減少する。この時、回復エネルギーが多いと、過電圧トリップが発生しうるため、電圧対周波数（Ｖｏｌｔａｇｅ ｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、以下、「Ｖ／Ｆ」という）比を減少しなければならない。

ｔ２で復電すると、ｔ３までは入力電圧と回復エネルギーが同時にインバータ部２３に供給されるため、t３までエネルギーは抑制される。

図６は、従来のインバータの瞬時停電時入力電圧に対する電動機出力電流を示したグラフである。

図示したように、電力セルに入力される入力電圧が１６ｍｓｅｃ以上停電される場合、高圧インバータの出力電流が０となって、電動機が停止する。

図７Ａ及び図７Ｂは、本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図であり、電動機４０が４０００Ｖ負荷量を有する場合に、電動機４０が各々５４Ｈｚ及び５６Ｈｚの周波数で動作する場合を示したものである。

図７Ａに示したように、停電時間が１７７ｍｓである場合にも、即ち、電力セル２０に１７７ｍｓの間入力電圧が印加されない場合でも、高圧インバータの出力電流は安定的に停止せずに駆動し、電動機４０で電流を出力していることが分かる。

また、図７Ｂに示したように、停電時間が１７３ｍｓである場合にも、即ち、電力セル２０に１７３ｍｓの間入力電圧が印加されない場合でも、高圧インバータの出力電流は安定的に停止せずに駆動し、電動機４０で電流を出力していることが分かる。

図８Ａ及び図８Ｂは、本発明に係る瞬時停電補償方法によって高圧インバータの出力電流が補償されたことを説明するための一例示図であり、電動機４０が３０００Ｖ負荷量を有する場合に、電動機４０が各々４９Ｈｚ及び５１Ｈｚの周波数で動作している場合を示したものである。

図８Ａ及び図８Ｂに示したように、各々停電時間が１３０ｍｓの場合でも、即ち、電力セル２０に１３０ｍｓの間入力電圧が印加されない場合でも、高圧インバータの出力電流は安定的に停止せずに駆動し、電動機４０で電流を出力していることが分かる。

本発明の補償方法は、複数の電力セルを同時に制御して、従来のＣＨＢ方式の高圧インバータでは不可能であった１６ｍｓ以上の瞬時停電に対応することができる。

前述の本発明の補償方法は、インバータが瞬間的に停止することによって生じる被害を防ぎ、これによって製品工程の信頼性を確保して製品の品質向上することを目的とする。

以上、代表的な実施形態を持って本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、前述の実施形態に対して本発明の範囲から逸脱しない限度内で多様な変形ができることを理解するだろう。従って、本発明の権利範囲は説明された実施形態に限定されて定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等物等によって定まらなければならない。

１０ 移相変圧器
２０ 電力セル
２１ 整流部
２２ ＤＣリンク部
２３ インバータ部
２４ 電力セル制御部
３０ 制御部
４０ 電動機
１００ 電源
２００ インバータ
２１０ 電解コンデンサ
３００ 負荷

Claims (13)

1. 直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セルを備える高圧インバータの瞬時停電補償方法において、
   前記複数の電力セルの入力電圧が基準値以下の場合、該当時点で前記複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させる段階、
   所定の減速勾配で出力周波数を減少させる段階、及び
   入力電圧が復帰する場合、復帰時の出力周波数を所定時間だけ維持する段階を含むことを特徴とする、瞬時停電補償方法。
2. 所定の加速勾配で出力周波数を増加させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の瞬時停電補償方法。
3. 前記出力周波数を増加させる段階は、瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させることを特徴とする、請求項２に記載の瞬時停電補償方法。
4. 前記複数の電力セルの直流(ＤＣ)リンクの電圧が上昇する場合、出力周波数を電圧の増加分だけ増加させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の瞬時停電補償方法。
5. 前記複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させる段階は、前記電動機の速度より小さくなるように出力周波数を減少させることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の瞬時停電補償方法。
6. 前記出力周波数の減少幅は、スリップ周波数より大きいことを特徴とする、請求項５に記載の瞬時停電補償方法。
7. 前記復帰時出力周波数を所定時間だけ維持する段階は、前記電動機の速度が出力周波数より小さくなるように出力周波数を維持することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の瞬時停電補償方法。
8. 直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セルを備える高圧インバータの瞬時停電補償方法において、
   前記複数の電力セルの入力電圧が基準値以下となってから復電する場合、復電時の出力周波数を所定時間維持することを特徴とする、瞬時停電補償方法。
9. 直列連結されて電動機に供給する一つの相電圧を構成する複数の電力セル、及び
   前記複数の電力セルとネットワークを介して各々連結され、前記複数の電力セルの入力電圧が基準値以下の場合、該当時点で前記複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させ、所定の減速勾配で出力周波数を減少させ、入力電圧が復帰する場合、復帰時の出力周波数を所定時間だけ維持する制御部を含むことを特徴とする、高圧インバータシステム。
10. 前記制御部は、出力周波数を所定時間だけ維持した後、所定の加速勾配で出力周波数を増加させることを特徴とする、請求項９に記載の高圧インバータシステム。
11. 前記制御部は、瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させることを特徴とする、請求項１０に記載の高圧インバータシステム。
12. 前記制御部は、所定の減速勾配で出力周波数を減少する間に、前記複数の電力セルのＤＣリンクの電圧が上昇する場合、出力周波数を電圧の増加分だけ増加させることを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の高圧インバータシステム。
13. 前記制御部は、前記複数の電力セルの出力周波数を前記電動機の速度より小さくなるように減少することを特徴とする、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の高圧インバータシステム。

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