JP2013118743A - 並列インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数台のインバータ間における電圧指令値の伝送遅延を解消して横流の発生や半導体スイッチング素子の破壊を防止する。
【解決手段】並列接続されたインバータ2a,2bが、直流/交流変換を行って電動機1に交流電圧を供給する電力変換器4a,4b及びその制御手段をそれぞれ備え、一方のインバータ2aを、電力変換器4aに対する電圧指令値を制御手段が演算するマスターインバータとし、他方のインバータ2bを、前記電圧指令値に従って電力変換器4bを駆動するスレーブインバータとすると共に、前記電圧指令値を伝送する伝送手段18を備え、マスターインバータ2aの制御手段は、演算した電圧指令値をスレーブインバータ2bに伝送する際の伝送時間だけ電圧指令値を遅延させる遅延器15を有し、この遅延器15により遅延させた電圧指令値を自己の電力変換器4aに与える。
【選択図】図1

Description

本発明は、並列接続された複数台のインバータにより交流電動機等の負荷を駆動する並列インバータ装置に関するものである。
一般に、インバータは、電力変換器とこれを制御する制御装置とによって構成される。このインバータにより交流電動機を駆動する場合、制御装置から送られるトルク指令値や電圧指令値を複数台の電力変換器に伝送して各電力変換器を運転することが行われている。
例えば、特許文献1には、複数台のインバータが出力電流の制御系をそれぞれ備え、各インバータが個別に交流電動機を駆動するようにした従来技術が記載されている。
図4は、特許文献1に記載された従来技術の構成図であり、201a,201bはインバータ、202a,202bはインバータ201a,201bによりそれぞれ個別に駆動される交流電動機、203はコントローラ、204はマスタステーション、205a,205b,206a,206bはリモートステーション、207aは速度センサ、208aは速度制御器、209a,209bは電流制御器、210a,210bは電流センサ、211a,211bは半導体スイッチング素子の動作により直流/交流変換を行う電力変換器(インバータ部)、220は伝送ラインである。
この従来技術では、コントローラ203とインバータ201a,201bとの間で情報をシリアル伝送可能となっている。そして、コントローラ203は、算出したトルク指令値を分配すると共に、これらの分配したトルク指令値をシリアル伝送によりインバータ201a,201bにそれぞれ送信し、各インバータ201a,201bが自己のトルク指令値に従って動作することで電動機202a,202bをそれぞれ駆動するように構成されている。
なお、図4において、Nは速度指令値、I ,I はインバータ201a,201bの電流指令値、I,Iは同じく電流検出値である。
一方、大容量の交流電動機を駆動するために、複数台のインバータの出力側を並列接続することにより大容量化を可能にした並列インバータ装置が、例えば特許文献2に記載されている。
図5は、特許文献2に記載された従来技術の構成図であり、100は並列インバータ装置、101は交流電源、102は交流電動機、103は速度センサ、110−1,110−2はコンバータ、120−1,120−2は平滑コンデンサ、130−1,130−2はインバータ、131−1,131−2は通信回路、132−1,132−2はPWM発生回路、133−1,133−2は状態監視回路、134−1,134−2は電力変換器(PWMインバータ部)、140−1,140−2は電流センサ、150は制御回路である。
この従来技術では、交流電源101と電動機102との間に2台のインバータ130−1,130−2が並列に接続されており、制御回路150からシリアル伝送手段を用いて同期信号及び電圧指令値をインバータ130−1,130−2内の通信回路131−1,131−2に送信し、これらのインバータ130−1,130−2が同期信号及び電圧指令値に基づいて動作することにより、2台のインバータ130−1,130−2の出力を合計して単一の電動機102に供給している。
特開平3−159596号公報(第3頁左上欄第8行〜左下欄第13行、第2図等) 特開2008−228548号公報(段落[0031]〜[0040]、図4,図5等)
特許文献1に係る従来技術は、各インバータ201a,201bが出力電流を制御する電流制御器209a,209bをそれぞれ備えており、これらが個別に応答する結果、電流制御器209a,209bの出力としての電圧指令値にばらつきを生じるおそれがある。このため、各インバータ201a,201bの出力電圧に誤差が生じてインバータ間で横流や循環電流(以下、これらを総称して横流という)が流れることがある。
この対策としては、電力変換器211a,211bの電流容量マージンとして横流分を余計に確保する必要があり、その電流値が大きい場合には、電力変換器の容量が増大し、コストが高くなるという問題がある。
また、瞬間的な横流を抑制するためにはACリアクトルや相間リアクトルを設置しなくてはならず、これが装置全体の大型化や重量化、コスト上昇を招いていた。
特許文献2に記載された従来技術では、制御回路150から各インバータ130−1,130−2の通信回路131−1,131−2にシリアル伝送手段を用いて電圧指令値を送り、各インバータ130−1,130−2は、受信した電圧指令値に従って電力変換器134−1,134−2を駆動するため、制御回路150から通信回路131−1,131−2への伝送遅延時間が等しくなるように各インバータ130−1,130−2の接続形態(トポロジ)を構成する必要がある。
この接続形態としては、例えば、複数台のインバータが主従関係を持たないリング型の接続形態や、1台のインバータの制御部が自ら電圧指令値を演算して自己の電力変換器を直接駆動するマスターインバータとなり、残りのインバータが伝送手段を介して前記電圧指令値に基づきそれぞれの電力変換器を駆動するスレーブインバータとなる形態、すなわちマスター・スレーブ型の接続形態等がある。
しかし、これらの接続形態をとったとしても、制御信号の伝送遅延によって全てのインバータの電圧指令値が時間的に一致しない場合があり、各インバータの出力電圧に誤差が生じることがある。この場合、並列接続された電力変換器の出力ケーブルが有する配線インダクタンスを介して過大な横流が電力変換器間に流れ、半導体スイッチング素子が破壊される等の問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、複数台のインバータ間における電圧指令値の伝送遅延を解消して横流の発生や半導体スイッチング素子の破壊を未然に防止するようにした並列インバータ装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、並列接続された複数台のインバータにより単一の負荷に交流電圧を供給する並列インバータ装置において、
前記インバータは、半導体スイッチング素子の動作により直流/交流変換を行って前記負荷に交流電圧を供給する電力変換器と、その制御手段と、をそれぞれ備え、
複数台のインバータのうち1台のインバータを、当該1台のインバータ内の電力変換器に対する電圧指令値を制御手段が演算するマスターインバータとし、他のインバータを、前記電圧指令値に従って当該他のインバータ内の電力変換器を駆動するスレーブインバータとすると共に、
マスターインバータの制御手段が演算した電圧指令値をスレーブインバータに伝送する伝送手段を備え、
マスターインバータの制御手段は、演算した電圧指令値をスレーブインバータに伝送する際の伝送時間だけ電圧指令値を遅延させる遅延手段を有し、この遅延手段により遅延させた電圧指令値を自己の電力変換器に与えるものである。
請求項2に係る発明は、並列接続された3台以上のインバータにより単一の負荷に交流電圧を供給する並列インバータ装置において、
前記インバータは、半導体スイッチング素子の動作により直流/交流変換を行って前記負荷に交流電圧を供給する電力変換器と、その制御手段と、をそれぞれ備え、
3台以上のインバータのうち1台のインバータを、当該1台のインバータ内の電力変換器に対する電圧指令値を制御手段が演算するマスターインバータとし、他のインバータを、前記電圧指令値に従って当該他のインバータ内の電力変換器を駆動するスレーブインバータとすると共に、
前記電圧指令値をマスターインバータからスレーブインバータに伝送する伝送手段を備え、
マスターインバータ内の制御手段は、演算した電圧指令値を伝送時間が最長となるスレーブインバータに伝送する際の伝送時間だけ電圧指令値を遅延させる遅延手段を有し、この遅延手段により遅延させた電圧指令値を自己の電力変換器に与え、
スレーブインバータ内の制御手段は、前記遅延手段により遅延させた電圧指令値に同期した電圧指令値を自己の電力変換器にそれぞれ与えるように、マスターインバータまたは他のスレーブインバータから伝送された電圧指令値を遅延させる遅延手段を備えたものである。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した並列インバータ装置において、
前記スレーブインバータは、自己の電力変換器のスイッチングタイミングを前記マスターインバータの電力変換器のスイッチングタイミングに同期させる同期手段を備えたものである。
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した並列インバータ装置において、前記マスターインバータは、自己の電力変換器のスイッチングタイミングに同期して電圧指令値を一定周期で送信すると共に、前記マスターインバータによる電圧指令値の送信開始から送信完了までの時間と、前記スレーブインバータによる電圧指令値の受信開始から受信完了までの時間と、が等しくなるように制御するものである。
請求項5に係る発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載した並列インバータ装置において、前記遅延手段は、前記マスターインバータに対する電圧指令値の大きさと前記スレーブインバータに対する電圧指令値の大きさとが等しくなるように遅延時間を調整するものである。
本発明によれば、並列接続される複数台のインバータにおいて、各電力変換器に与える電圧指令値を同期させてその大きさを等しくすることにより、各インバータの出力電圧の誤差を極力小さくすることができ、横流の発生や半導体スイッチング素子の破壊を防止することができる。また、電力変換器の容量を必要以上に大きくする必要もなく、横流を抑制するためのACリアクトル等の小容量化または省略が可能であるから、装置全体の小型軽量化、コスト低減が可能になる。
本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態の動作説明図である。 本発明の他の実施形態の概略的な構成図である。 特許文献1に記載された従来技術の構成図である。 特許文献2に記載された従来技術の構成図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本実施形態の構成を示すブロック図であり、この並列インバータ装置は、並列に接続された2台のインバータ2a,2bがその出力を合計して1台の誘導電動機等の交流電動機1を駆動するためのものである。なお、インバータ2a,2b及び交流電動機1は三相構成であるが、図1では単線図にて表してある。
図1において、電動機1には、回転角情報を得るためのパルスエンコーダ等の回転位置検出部3が接続されている。また、電動機1を駆動するインバータ2a,2bのうち、一方のインバータ2aはマスターインバータ、他方のインバータ2bはスレーブインバータとして機能しており、後述するように、マスターインバータ2aにより生成した電圧指令値vur,vvr,vwrは自己の電力変換器4aの制御に用いられるほか、スレーブインバータ2bにも伝送されて当該インバータ2b内の電力変換器4aの制御に用いられるようになっている。
なお、インバータの並列数は、電動機1及びインバータの定格電流に応じて決まるものである。
インバータ2a,2bは、IGBT等の半導体スイッチング素子をオンオフさせて直流/交流変換を行う電力変換器4a,4bをそれぞれ備えている。電力変換器4a,4bの構成の詳細な説明は省略するが、上記スイッチング素子からなる主回路と、主回路を駆動するゲート駆動回路及び制御手段を備えており、上記制御手段は、マイコン等の演算処理装置(プログラムを含む)や電子回路によって実現される。
マスターインバータとして動作するインバータ2aは、電動機1の加減速パターン等の速度指令値ωを生成する速度指令生成部5と、回転位置検出部3から得られた回転角情報から電動機速度ωを得る回転速度検出部6と、速度指令値ω及び電動機速度ωから電動機1に対するq軸電流指令値iqrを生成する速度制御部7と、インバータ2aの出力電流iu1,iv1,iw1を検出する電流検出器8aと、これらの出力電流iu1,iv1,iw1及びスレーブインバータ2bの出力電流iu2,iv2,iw2の和から電動機1に供給される総電流iua,iva,iwaを求める総電流検出部9と、総電流iua,iva,iwa及び電気角θからd軸電流i、q軸電流iを得る座標変換部10と、d軸電流i、q軸電流iから求めたすべり周波数ω及び電動機速度ωに基づいて1次周波数ωを演算する1次周波数演算部11と、1次周波数ωから電気角θを求める電気角演算部12と、d軸電流指令値idr及びd軸電流iから各インバータ2a,2bのd軸電圧指令値vdrを得るd軸電流制御部13aと、q軸電流指令値iqr及びq軸電流iから各インバータ2a,2bのq軸電圧指令値vqrを得るq軸電流制御部13bと、d軸電圧指令値vdr及びq軸電圧指令値vqr並びに電気角θから各相の電圧指令値vur,vvr,vwrを得る座標変換部14と、電圧指令値vur,vvr,vwrを所定の時間だけ遅延させる遅延器15と、各インバータ2a,2bの出力電流がバランスするように、遅延器15により遅延させた電圧指令値を総電流iua,iva,iwa及びインバータ2aの出力電流iu1,iv1,iw1に基づいて補正する横流制御部16aと、横流制御部16aから出力された電圧指令値から電力変換器4a内のスイッチング素子のゲート駆動信号を生成するゲート駆動信号生成部17aと、を備えている。
ここで、速度制御部7、d軸電流制御部13a、q軸電流制御部13bは、例えばPI(比例−積分)調節器により構成されている。
また、座標変換部10は三相電流成分を回転座標上のd,q軸電流成分に変換し、座標変換部14はd,q軸電圧成分を三相電圧成分に変換するものであるが、これらの構成及び動作は周知であるため、詳述を省略する。
他方、スレーブインバータとして動作するインバータ2bは、電力変換器4b及びゲート駆動信号生成部17bのほか、出力電流iu2,iv2,iw2を検出する電流検出器8bと、各インバータ2a,2bの出力電流がバランスするように、電圧指令値vur,vvr,vwrを総電流iua,iva,iwa及びインバータ2bの出力電流iu2,iv2,iw2に基づいて補正する横流制御部16bと、を備えている。
ここで、スレーブインバータ2bにおける機能の一部は、マスターインバータ2aの機能を用いて実現しても良い。
なお、18は、インバータ2a,2b間で電圧指令値vur,vvr,vwr、総電流iua,iva,iwa及びスレーブインバータ2bの出力電流iu2,iv2,iw2をシリアル伝送する伝送手段であり、ケーブル等のハードウェアと所定の通信プロトコル等を含んでいる。
次に、この実施形態の動作を説明する。
マスターインバータ2aにおいて、速度指令生成部5は、電動機1が停止状態から加速して目的の速度まで到達し、所定の条件に従って減速停止するまでの速度指令値ωを生成する。速度制御部7は、速度指令値ωと電動機の速度ωとの偏差を比例−積分演算して電動機1の発生トルク分のq軸電流指令値iqrを出力する。
電流制御部13a,13bは、座標変換部10から出力されたd軸電流i、q軸電流iがd軸電流指令値idr、q軸電流指令値iqrに追従するように、比例−積分演算によってd軸電圧指令値vdr、q軸電圧指令値vqrをそれぞれ出力する。座標変換部14は、これらの電圧指令値vdr,vqrを、電気角θに基づいて三相の電圧指令値vur,vvr,vwrに変換する。
電圧指令値vur,vvr,vwrは、マスターインバータ2a内の電力変換器4aだけでなく、スレーブインバータ2b内の電力変換器4bにも伝送手段18を介して伝送される。
一般的に、伝送手段18としてシリアル伝送を適用した場合、電圧指令値vur,vvr,vwrがマスターインバータ2aからスレーブインバータ2bのマイコン内のメモリに転送されるまでに一定の時間が必要になる。通常、電力変換器のスイッチング周波数は数[kHz]であるのに対し、マイコンは数10[μs]から数100[μs]の更新周期で各種の制御演算を実行している。
従って、伝送手段18による情報伝送時間がマイコンによる制御演算周期を超える場合、スレーブインバータ2bが受信する電圧指令値vur,vvr,vwrは、マスターインバータ2aに対して時間遅延が生じることになる。電圧指令値は、ゲート駆動信号生成部17b及び電力変換器4bを介してPWM制御された電圧として出力されるため、電圧指令値vur,vvr,vwrの伝送遅延による影響は電力変換器4bの出力電圧に現れ、マスターインバータ2aの出力電圧とスレーブインバータ2bの出力電圧との間には誤差が発生する。これにより、両インバータ2a,2b間に横流が流れることになり、その最大値は、インバータ2a,2b間のケーブルに含まれるインダクタンス成分に応じて決定される。
そこで、本実施形態では、マスターインバータ2aの座標変換部14の出力側に遅延器15を設け、その遅延時間を、電圧指令値vur,vvr,vwrがスレーブインバータ2bに伝送される際の伝送時間(マスターインバータ2aから送られた電圧指令値vur,vvr,vwrがスレーブインバータ2bの横流制御部16bに到達するまでの時間)に等しく設定することとした。
これにより、マスターインバータ2aの横流制御部16aに入力される電圧指令値vur,vvr,vwrと、スレーブインバータ2bの横流制御部16bに入力される電圧指令値vur,vvr,vwrとの間に時間遅延が生じなくなり、マスターインバータ2aとスレーブインバータ2bとの出力電圧誤差を極めて小さくすることができる。
次に、各インバータ2a,2bの電力変換器4a,4bのスイッチングタイミングについて、図2を参照しつつ説明する。
伝送手段18は、インバータ2a,2b内のマイコン等による割り込み制御により、定周期Tにて電圧指令値vur,vvr,vwrを送受信する。周期Tは電力変換器4a,4bのスイッチング周期Tの整数倍(図示例では8倍)とし、マスターインバータ2aからの電圧指令値vur,vvr,vwrの送信開始のタイミングとスイッチングのタイミングが同時になるようにする。ここで、電力変換器4a,4bのスイッチング周期Tは同一とする。
図2において、マスターインバータ2a側のマイコンでは、送信割込み処理により、電圧指令値vur,vvr,vwrの送信開始から終了までの時間Twmを記録し、伝送周期Tを経過した次のタイミングでスレーブインバータ2bに伝送する。スレーブインバータ2b側のマイコンでは、割込み開始のタイミングから受信終了までの時間Twsを計測すると共に、前述した時間Twmとの偏差(Twm−Tws)を求め、この偏差を同期誤差T(=Twm−Tws)としてメモリに記憶する。
そして、マスターインバータ2aから電圧指令値vur,vvr,vwrが送信されたタイミングにスレーブインバータ2bの割込み開始のタイミングが一致するようにスイッチングのタイミングを調整して同期誤差Tをゼロにすることで、マスターインバータ2aから特別な同期信号を送信しなくとも、両インバータ2a,2bのスイッチングタイミングを同期させることができる。
なお、この実施形態では、2台のインバータを並列接続して1台をマスターインバータとし、他の1台をスレーブインバータとする場合につき説明したが、本発明は、図3に示すように、1台のマスターインバータ2aに対して2台以上のスレーブインバータ2b,2c,2d,……が並列接続された並列インバータ装置であって、マスターインバータ2aから各スレーブインバータ2b,2c,2d,……への伝送時間が異なる場合にも適用可能である。
このような場合には、マスターインバータ2aと、伝送時間が最長となるスレーブインバータ(例えば2d)を除くスレーブインバータ(同じく2b,2c)とに遅延器をそれぞれ設け、各遅延器による遅延時間をマスターインバータ2aからの伝送時間に応じて調整することにより、全てのインバータの電圧指令値を同期させて出力電圧誤差を最も小さくすることができる。
また、各インバータ内の電力変換器におけるスイッチング素子のばらつきによる電圧誤差に対しては、全てのスレーブインバータの出力電流を、伝送手段18を介してマスターインバータ2aに送り、この出力電流を総電流検出部9にてマスターインバータ2aの出力電流と加算することにより総電流を算出する。そして、この総電流を横流制御部16aにてインバータの並列数により除算した値に各インバータの出力電流が追従するように、各インバータの電圧指令値を制御してマスターインバータ及びスレーブインバータの出力電流がバランスするようにすれば、各インバータの出力電流誤差を一層少なくすることができる。
なお、上述した実施形態は、交流電動機1としての誘導電動機をすべり周波数形ベクトル制御により駆動する場合のものであるが、インバータの制御方式としては、例えばV/f制御を適用しても良い。
本発明は、複数台のインバータにより交流電動機以外の交流負荷を駆動する並列インバータ装置にも利用することができる。
1:交流電動機
2a,2b,2c,2d:インバータ
3:回転位置検出部
4a,4b:電力変換器
5:速度指令生成部
6:回転速度検出部
7:速度制御部
8a,8b:電流検出器
9:総電流検出部
10,14:座標変換部
11:一次周波数演算部
12:電気角演算部
13a:d軸電流制御部
13b:q軸電流制御部
15:遅延器
16a,16b:横流制御部
17a,17b:ゲート駆動信号生成部
18:伝送手段

Claims (5)

  1. 並列接続された複数台のインバータにより単一の負荷に交流電圧を供給する並列インバータ装置において、
    前記インバータは、半導体スイッチング素子の動作により直流/交流変換を行って前記負荷に交流電圧を供給する電力変換器と、その制御手段と、をそれぞれ備え、
    複数台のインバータのうち1台のインバータを、当該1台のインバータ内の電力変換器に対する電圧指令値を制御手段が演算するマスターインバータとし、他のインバータを、前記電圧指令値に従って当該他のインバータ内の電力変換器を駆動するスレーブインバータとすると共に、
    マスターインバータの制御手段が演算した電圧指令値をスレーブインバータに伝送する伝送手段を備え、
    マスターインバータの制御手段は、演算した電圧指令値をスレーブインバータに伝送する際の伝送時間だけ電圧指令値を遅延させる遅延手段を有し、この遅延手段により遅延させた電圧指令値を自己の電力変換器に与えることを特徴とする並列インバータ装置。
  2. 並列接続された3台以上のインバータにより単一の負荷に交流電圧を供給する並列インバータ装置において、
    前記インバータは、半導体スイッチング素子の動作により直流/交流変換を行って前記負荷に交流電圧を供給する電力変換器と、その制御手段と、をそれぞれ備え、
    3台以上のインバータのうち1台のインバータを、当該1台のインバータ内の電力変換器に対する電圧指令値を制御手段が演算するマスターインバータとし、他のインバータを、前記電圧指令値に従って当該他のインバータ内の電力変換器を駆動するスレーブインバータとすると共に、
    前記電圧指令値をマスターインバータからスレーブインバータに伝送する伝送手段を備え、
    マスターインバータ内の制御手段は、演算した電圧指令値を伝送時間が最長となるスレーブインバータに伝送する際の伝送時間だけ電圧指令値を遅延させる遅延手段を有し、この遅延手段により遅延させた電圧指令値を自己の電力変換器に与え、
    スレーブインバータ内の制御手段は、前記遅延手段により遅延させた電圧指令値に同期した電圧指令値を自己の電力変換器にそれぞれ与えるように、マスターインバータまたは他のスレーブインバータから伝送された電圧指令値を遅延させる遅延手段を備えたことを特徴とする並列インバータ装置。
  3. 請求項1または2に記載した並列インバータ装置において、
    前記スレーブインバータは、自己の電力変換器のスイッチングタイミングを前記マスターインバータの電力変換器のスイッチングタイミングに同期させる同期手段を備えたことを特徴とする並列インバータ装置。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載した並列インバータ装置において、
    前記マスターインバータは、自己の電力変換器のスイッチングタイミングに同期して電圧指令値を一定周期で送信すると共に、
    前記マスターインバータによる電圧指令値の送信開始から送信完了までの時間と、前記スレーブインバータによる電圧指令値の受信開始から受信完了までの時間と、が等しくなるように制御することを特徴とする並列インバータ装置。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載した並列インバータ装置において、
    前記遅延手段は、前記マスターインバータに対する電圧指令値の大きさと前記スレーブインバータに対する電圧指令値の大きさとが等しくなるように遅延時間を調整することを特徴とする並列インバータ装置。
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