JP2013176255A - コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンチングが発生する前に、未然にハンチングを抑制することが可能なコンバータ装置を提供する。
【解決手段】各々入力部に開閉器３１及び平滑コンデンサ３２を有する複数台のインバータ３に直流電圧を供給する主回路ブリッジ２Ｓと、主回路ブリッジ２Ｓの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器２１、電流検出器２２と、主回路ブリッジ２Ｓを制御する制御部２Ｃとで構成する。制御部２Ｃは、電圧検出器２２が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、電流基準を出力する電圧制御器２４と、電流検出器２２が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、主回路ブリッジ２Ｓの電圧指令を出力する電流制御器２５と、インバータ３の運転台数を検出する台数検出器２６と、この運転台数情報に応じて、予め設定された電圧制御器２４の複数個の比例ゲインのうち最適な比例ゲインを選択するゲイン選択器２７とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、改良された制御特性を有するコンバータ装置に関する。

交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置は、主に半導体主回路ブリッジ、出力電圧が電圧指令値に一致するように制御する制御器から構成される。制御器はコンバータの直流電圧フィードバック信号と交流電流フィードバック信号を用い、指令値と比較、増幅など処理を行い、コンバータの出力は指令値を追従するような信号を出力する。コンバータ装置において、例えば、負荷インバータに平滑コンデンサが含まれる場合、負荷インバータの負荷量の加減により、コンバータ装置の負荷量も変動し、平滑コンデンサの充放電動作を行うため、コンバータ装置の出力直流電圧が変動する。制御器の制御定数はコンデンサの容量と負荷量などに応じで、直流電圧が安定するように設定される。しかし、負荷が急激に変動する場合、オーバシュートとアンダーシュートとを繰り返して出力電圧ハンチングが発生する。ハンチングが発生するとリップル電流によりコンデンサの温度が上昇し破損する恐れがある。

上述したような直流電圧ハンチング継続を防止するために、ハンチング検出器、判定器と制御器ゲイン補正器などから構成される制御保護装置を追加したコンバータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特許第３３８８２７７号公報（全体）

特許文献１の手法は、コンバータの出力直流電圧をハンチング振動電圧判定値と比較し、直流電圧が振動電圧判定値を設定時間以上継続して超える場合は、ハンチング発生と判定し、制御器の比例ゲインを低減させ、コンバータの出力直流電圧ハンチングを抑える手法となっている。

このような従来の手法では、コンバータの出力直流電圧のハンチング発生から制御器の比例ゲインを低減し、コンバータの出力直流電圧のハンチングを抑えるまでの間、ハンチングが発生するため、コンデンサのリップル電流が増加して、ストレスが掛かり、コンデンサの寿命を短縮する恐れがある。

本発明は、上述したような課題を解決するために為されたもので、ハンチングが発生する前に、未然にハンチングを抑制することが可能なコンバータ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、本発明のコンバータ装置は、各々直流入力部に開閉器及び平滑コンデンサを有する複数台のインバータに直流電圧を並列供給する主回路ブリッジと、
前記主回路ブリッジの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器、電流検出器と、前記主回路ブリッジの出力電圧を制御する制御部とを具備し、前記制御部は、前記電圧検出器が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように電流基準を出力する電圧制御器と、前記電流検出器が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように前記主回路ブリッジの電圧指令を出力する電流制御器と、前記インバータの運転台数を検出する台数検出器と、この運転台数情報に応じて、予め設定された前記電圧制御器の複数個の比例ゲインのうち最適な比例ゲインを選択するゲイン選択器とを備えたことを特徴としている。

この発明によれば、ハンチングが発生する前に、未然にハンチングを抑制することが可能なコンバータ装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係るコンバータ装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係るコンバータ装置の回路構成図。 本発明の実施例３に係るコンバータ装置の回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は本発明の実施例１に係るコンバータ装置の回路構成図である。コンバータ装置２は、商用交流電源１から与えられた３相交流電力を直流電力に変換する半導体の主回路ブリッジ２Ｓを備え、主回路ブリッジ２Ｓから出力した直流電力は、平滑コンデンサ２Ｐによって無負荷時の平滑動作が行われたあと、負荷インバータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃに並列に供給される。負荷インバータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの入力側には、運転選択のための入力開閉器３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが夫々設けられ、これらの入力開閉器３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの出力は夫々平滑コンデンサ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを介して夫々インバータブリッジ３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃに接続されている。インバータブリッジ３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃの交流出力は電動機などの負荷に接続されているが、この部分の図示は省略している。

以下にコンバータ装置２の内部構成を説明する。

主回路ブリッジ２Ｓは制御器２Ｃから与えられる電圧指令によって主回路ブリッジ２Ｓを構成するスイッチング素子が制御される。主回路ブリッジ２Ｓの入力側には電流検出器２１が設けられ、出力側には出力直流電圧を検出する電圧検出器２２が設けられている。

基準回路２３で設定された電圧基準は、電圧検出器２２で検出されたフィードバック電圧と共に電圧制御器２４に与えられる。電圧制御器２４は電圧基準とフィードバック電圧の偏差を増幅し、この偏差が最小となるような電流基準を出力する。この電流基準は電流検出器２１で検出されたフィードバック電流と共に電流制御器２５に与えられる。電流制御器２５は電流基準とフィードバック電流の偏差を増幅し、この偏差が最小となるような電圧指令を出力する。この電圧指令に従って主回路ブリッジ２Ｓは直流電圧を出力する。尚、この電圧指令によって主回路ブリッジ２Ｓを構成するスイッチング素子のゲート信号を発生するゲート回路の図示は省略している。

電圧制御器２４は所謂ＰＩ制御器であるが、この比例ゲインはゲイン選択器２７から与えられるようになっている。ゲイン選択器２７には台数検出器２６からコンバータ装置２の負荷であるインバータ３の運転台数情報が与えられ、この運転台数情報によって選択すべき比例ゲインが一意に決まるように予め設定されている。そして、台数検出器２６にはインバータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの各々から運転中かどうかの信号が与えられ、台数検出器２６によってインバータ３の運転台数情報が把握できるように構成されている。

コンバータ装置２は、平滑コンデンサ３２を有するインバータ３に直流電力を供給し、その負荷変動に対しては、出力直流電圧が電圧基準の値になるように制御している。負荷インバータ３の負荷量が変化したときには、コンデンサ３２を充放電することにより、直流電圧を増減する。電圧制御器２４の比例ゲイン（増幅率）は、インバータ３のコンデンサ３２の容量に基づいて算出され、直流電圧の制御系が安定するように設定されている。例えば、インバータ３３Ａを切り離したとき、コンデンサ３２の容量は減少するが、電圧制御器２４インバータ３３Ａを切り離す前に設定された比例ゲインを使用するので、電圧制御器２４の増幅率がコンデンサ３２の容量に対して相対的に高くなり、オーバシュート及びアンダーシュートのハンチングを発生し、コンデンサ３２のリプル電流が増加してしまう。このような事象を防止するために、台数検出器２６はコンバータ装置２の負荷であるインバータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの運転情報を取得し、インバータの台数情報を出力する。ゲイン選択器２７は、台数検出器２６から与えられた運転台数情報により、事前に設定したインバータ３の運転台数に応じて計算された比例ゲインを選択し、電圧制御器２４の比例ゲインとして出力する。ゲイン選択器２７はインバータ３の運転台数が減少したときには上述したようにより小さな比例ゲインとなるよう比例ゲインを選択し、増加したときにはより大きな比例ゲインとなるよう比例ゲインを選択する。

このように構成すれば電圧制御器２４は主回路動作前にコンバータ装置２の負荷となるインバータ３の運転台数に対応する最適な比例ゲインを使用することができ、インバータ３の運転台数の増減により発生する直流電圧のオーバシュートとアンダーシュートに起因するハンチングの発生を防止することができる。

図２は本発明の実施例２に係るコンバータ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の本発明の実施例１に係るコンバータ装置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、ゲイン選択器２７に代え、負荷量演算器２８及びゲイン生成器２９を設けた点である。

コンバータ装置２の制御器２Ｃ１内の負荷量演算器２８は、台数検出器２６から与えられたインバータ３の運転台数情報を取得し、この台数情報と総台数の比から負荷量を演算し、負荷量割合をゲイン生成器２９に与える。ゲイン生成器２９は、この負荷量割合から電圧制御器２４の最適な比例ゲインを生成する。最適な比例ゲインは負荷量割合に基準ゲインを乗算し、無負荷補正ゲインを加える演算によって生成される。ここで、無負荷補正ゲインは、主回路ブリッジ２Ｓの出力に接続された平滑コンデンサ２Ｐに対応するものであり、基準ゲインは全てのインバータ３が運転されていた場合に対応するものである。

例えば、一般的に同じインバータ容量ならインバータの平滑コンデンサ容量は同じであるため、インバータ３がインバータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの３台で構成される場合は、総負荷台数は３とし、１台だけ運転するとき、負荷量演算器２８は１／３の負荷量割合を出力し、２台運転するときは２／３の負荷量割合を出力し、３台全て運転するときは１の負荷量割合を出力する。ゲイン生成器２９は上述したような演算を行い比例ゲインを生成し、電圧制御器２４に入力する。

このように構成すれば、実施例１の場合と同様、コンバータ装置２の負荷であるインバータ３に含まれる平滑コンデンサ３２の量が変化するとき、コンバータ装置２の主回路が通電する前に、負荷量に対応する最適な比例ゲインを生成することができ、直流電圧のオーバシュートとアンダーシュートによるハンチングの発生を防止でき、コンデンサ３２のリップル電流による寿命の短縮や破損の恐れを防止することができる。

図３は本発明の実施例３に係るコンバータ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の本発明の実施例１に係るコンバータ装置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３が実施例１と異なる点は、台数検出器２６を省略し、代わりに運転操作盤４を設け、運転操作盤４から直接ゲイン選択器２７に運転台数信号を与える構成とした点である。

複数台のインバータ３のうち運転すべきインバータを自動選択する場合、通常は図３に示したような運転操作盤４を設け、与えられた条件に従って運転すべきインバータを選択し、それらのインバータに運転指令を与える。従って、運転操作盤４はコンバータ装置２を含む全体のシステムの運転を管理する機能を有することになり、運転操作盤４は全体のインバータ３のうち何台のインバータが運転されているかの情報を有している。このため、このような場合は態々各々のインバータから運転情報を検出する必要はない。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、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、実施例においてインバータ３の台数は３台として説明したが、２台以上の任意の台数でもよいことは明らかである。

また、実施例２における台数検出器２６を省略し、代わりに実施例３運転操作盤４を設け、運転操作盤４から直接ゲイン選択器２７に運転台数信号を与える構成としても良いことも明らかである。

また、平滑コンデンサ２Ｐは省略することも可能である。

また、インバータ３の各々の容量が異なる場合には運転台数の検出に代えて、各々のインバータの入力電流等の検出によって負荷量割合を検出し、これを合算して総負荷割合を求める構成としても良い。

更に、万一に備え、電圧検出器２２のリプル電圧を検出する手段を設け、このリプル電圧が所定値を超えたとき、比例ゲインを低減させるような保護手段を追加するようにしても良い。

１ 商用交流電源
２ コンバータ装置
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ インバータ
４ 運転操作盤
２Ｓ 主回路ブリッジ
２Ｐ 平滑コンデンサ
２１ 電流検出器
２２ 電圧検出器
２Ｃ 制御器
２３ 基準回路
２４ 電圧制御器
２５ 電流制御器
２６ ゲイン選択器
２７ 台数検出器
２８ 負荷量演算器
２９ ゲイン生成器
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ 入力開閉器
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 平滑コンデンサ
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ インバータブリッジ

Claims (5)

1. 各々直流入力部に開閉器及び平滑コンデンサを有する複数台のインバータに直流電圧を並列供給する主回路ブリッジと、
   前記主回路ブリッジの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器、電流検出器と、
   前記主回路ブリッジの出力電圧を制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   前記電圧検出器が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように電流基準を出力する電圧制御器と、
   前記電流検出器が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるようにコンバータの電圧指令を出力する電流制御器と、
   前記インバータの運転台数を検出する台数検出器と、
   この運転台数情報に応じて、予め設定された前記電圧制御器の複数個の比例ゲインのうち最適な比例ゲインを選択するゲイン選択器と
   を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
2. 各々直流入力部に開閉器及び平滑コンデンサを有する複数台のインバータに直流電圧を並列供給する主回路ブリッジと、
   前記主回路ブリッジの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器、電流検出器と、
   前記主回路ブリッジの出力電圧を制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   前記電圧検出器が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように電流基準を出力する電圧制御器と、
   前記電流検出器が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように前記主回路ブリッジの電圧指令を出力する電流制御器と、
   前記インバータの運転台数を検出する台数検出器と、
   この運転台数情報から負荷量割合を演算する負荷量演算器と、
   この負荷量割合から前記電圧制御器の最適な比例ゲインを演算によって求めた値に変更するゲイン生成器と
   を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
3. 各々直流入力部に開閉器及び平滑コンデンサを有する複数台のインバータに直流電圧を並列供給する主回路ブリッジと、
   前記主回路ブリッジの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器、電流検出器と、
   前記主回路ブリッジの出力電圧を制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   前記電圧検出器が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように電流基準を出力する電圧制御器と、
   前記電流検出器が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように前記主回路ブリッジの電圧指令を出力する電流制御器と、
   外部の運転操作盤から与えられる前記インバータの運転台数情報に応じて、予め設定された前記電圧制御器の複数個の比例ゲインのうち最適な比例ゲインを選択するゲイン選択器と
   を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
4. 各々直流入力部に開閉器及び平滑コンデンサを有する複数台のインバータに直流電圧を並列供給する主回路ブリッジと、
   前記主回路ブリッジの出力電圧、入力電流を夫々検出する電圧検出器、電流検出器と、
   前記主回路ブリッジの出力電圧を制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   前記電圧検出器が検出するフィードバック電圧と電圧基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように電流基準を出力する電圧制御器と、
   前記電流検出器が検出するフィードバック電流と前記電流基準の偏差を増幅し、この偏差が最小となるように前記主回路ブリッジの電圧指令を出力する電流制御器と、
   外部の運転操作盤から与えられる前記インバータの運転台数情報から負荷量割合を演算する負荷量演算器と、
   この負荷量割合から前記電圧制御器の最適な比例ゲインを演算によって求めた値に変更するゲイン生成器と
   を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
5. 前記負荷量演算器による演算は、
   前記インバータの運転台数がゼロのときの前記比例ゲインを無負荷補正ゲイン、前記インバータが全て運転されているときの前記比例ゲインを基準ゲインとしたとき、基準ゲインに前記負荷量割合を乗算した値に無負荷補正ゲインを加算する演算であることを特徴とする請求項２または請求項４に記載のコンバータ装置。

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