JP2016093101A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの出力電圧の測定誤差を考慮して出力電圧を決定することで、安定的に電動機を再起動させるためのインバータ制御装置を提供する。【解決手段】本発明は、インバータ制御装置に関する。本発明のインバータ制御装置は、インバータシステムに備えられるインバータ制御装置において、前記インバータシステムに備えられる電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を決定する第１決定部と、前記インバータシステムが再起動される場合、前記第１決定部により決定された前記入力電圧の大きさを利用して、前記電動機の残留電圧より大きなインバータ駆動電圧の生成のための再起動指令電圧を決定する第２決定部とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

高圧インバータ（ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である入力電源を用いるインバータであって、定格電力容量は、数百Ｋｗ〜数十ＭＷまでであり、ファン、ポンプ、圧縮機等の応用分野に主に用いられている。このような高圧インバータとしては、主に出力相電圧が３レベル以上の出力電圧を発生する直列型マルチ−レベルインバータ（ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）が用いられている。マルチ−レベルインバータは、これを構成する電力セルの個数によって出力電圧レベルの大きさと個数が決定され、各電力セルは、絶縁された入力電圧を用いる。

高圧インバータが駆動する高圧の電動機は、一般的に慣性が非常に大きいので、入力電源の故障または停電等が発生した場合、再起動（ｒｅｓｔａｒｔｉｎｇ）のために電動機が完全に止まるまで長時間がかかる。このような再起動の時間を減らすために、電動機の回転中に電圧／周波数（Ｖ／ｆ）比に応じて電圧を印加すると、大きな突入電流が生じて、インバータまたは電動機に故障が発生し得る。

従って、再起動時間を減らし、インバータまたは電動機の故障危険を減らすために、電圧測定装置を用いる。しかし、コスト節減のために、電圧測定装置を抵抗のような受動素子で構成する場合、抵抗の誤差によって測定電圧の誤差が発生する問題点がある。また、インバータは、出力電圧のパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）及びデッドタイム（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）のような電圧降下要因を持っており、特に、高圧インバータの場合、スイッチング周波数が低いため、精密な出力電圧が分かりにくい。

このような要因により、測定電圧をインバータの出力電圧として用いて再起動する場合、電圧大きさの誤差によって再起動が難しい問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、インバータの出力電圧の測定誤差を考慮して出力電圧を決定することで、安定的に電動機を再起動させるためのインバータ制御装置を提供することである。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明は、インバータシステムに備えられるインバータ制御装置において、前記インバータシステムに備えられる電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を決定する第１決定部と、前記インバータシステムが再起動（ｒｅｓｔａｒｔｉｎｇ）される場合、前記第１決定部により決定された前記入力電圧の大きさを利用して、前記電動機の残留電圧より大きなインバータ駆動電圧の生成のための再起動指令電圧を決定する第２決定部とを含む、インバータ制御装置を提供することができる。

前記のような本発明は、再起動時点で電動機の残留電圧の大きさより大きな電圧がインバータに印加され得るようにすることで、電流の逆流によるインバータの回生動作と突入電流の発生を防ぎ、安定的にインバータを再起動させる効果がある。

併せて、抵抗のような受動素子を用いた電圧検出部の具備を通じて、インバータシステムの構成コストを節減させながらも、効率的かつ安定したインバータシステムの動作を可能とするといったさらなる長所を提供することができる。

本発明の実施例に係るインバータ制御装置が備えられる高圧インバータシステムの構成を示した一例示図である。 図１の電力セルの詳細構成図である。 本発明の一実施例に係るインバータ制御装置を示した構成図である。 従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。 従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。 従来技術に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフである。 本発明の実施例によって指令電圧の大きさを決定する方式を説明するための例示図である。 本発明の実施例によって指令電圧の大きさを決定する方式を説明するための例示図である。 本発明の実施例に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフである。

本発明は、様々な変更を加えることができ、種々の実施例を有することができるが、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳しく説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、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ものと理解されるべきである。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るインバータ制御装置が備えられる高圧インバータシステムの一例示図である。

図示されているように、本発明が適用されるシステムにおいて、インバータ２は、三相の電源部１から印加された線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である三相電源を変換して高圧の三相電動機３に提供するものである。このとき、三相電動機３は、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）または同期電動機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）であってよいが、その他の電動機であってもよい。

インバータ２は、位相置換変圧器１０、複数の電力セル２０、電圧検出部３０及び制御部４０を含むことができる。

位相置換変圧器１０は、電源部１から入力される電源を絶縁し、複数の電力セル２０の要求に応じて電圧の位相と大きさを変換して複数の電力セル２０に提供することができる。このような位相置換を通じて、入力電流の全高調波ひずみ率（ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ＴＨＤ）を向上させることができる。

複数の電力セル２０は、位相置換変圧器１０の出力電圧を受信し、高圧インバータ２の出力電圧は、各相に該当する電力セルの出力の和で合成（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）され得る。

即ち、図１の場合、インバータ２のａ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ａ１及び２０ａ２の出力電圧の和であり、ｂ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ｂ１及び２０ｂ２の出力電圧の和であり、ｃ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ｃ１及び２０ｃ２の出力電圧の和である。ここで、図１には、説明の簡素化のために、２つの電力セルが直列連結される場合を例示したが、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、インバータ２の出力電圧によって直列接続された電力セルの個数が決定され得ることは、通常の技術者にとって自明であるだろう。複数の電力セルは、同一の構造で構成され、以下の説明においては、全ての電力セルの図面符号を「２０」と示すこととする。

合成されたインバータ２のそれぞれの出力相電圧は、大きさは同一であるが、位相は１２０度の差を有する。また、インバータ２を構成する電力セル２０の個数の増加や様々なスイッチング方式により、電動機３に印加する出力電圧の全高調波ひずみ率（ＴＨＤ）や電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）等が改善できることは当然である。

電圧検出部３０は、正常な動作状態で電動機３に入力される電圧、即ち、インバータ２の出力電圧を検出することができる。このように検出された出力電圧は、同期切替（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｂｙｐａｓｓ）、出力電力演算及び電動機３の再起動等のために用いられ得る。

制御部４０は、本発明の実施例に係るインバータ制御装置により構成され得、電圧検出部３０の電圧を受信した後、これに対応するように、複数の電力セル２０を制御するための制御信号を生成することができる。制御部４０の詳細な構成及び機能等については、以後、別途の図面を通じて説明する。

図２は、図１の電力セルの詳細構成図である。

図示されているように、本発明が適用される高圧インバータシステムに備えられる電力セル２０は、整流部２１、直流端キャパシタ２２、インバータ部２３、及びセル駆動部２４を含むことができる。

整流部２１は、６個のダイオードで構成され、位相置換変圧器（図１の１０）からそれぞれ入力される交流電圧を直流に整流することができる。整流された直流端電圧の大きさは、整流部２１の入力電力と電力セル２０の出力電力との差の関係から決定され得る。即ち、位相置換変圧器１０から供給される入力電力が負荷で消費される出力電力より大きい場合は、直流端電圧が増加し、逆の場合は、直流端電圧が減少する。直流端キャパシタ２２は、入出力端の瞬時な電力不均衡を解消することができる。

単相フルブリッジ方式インバータ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）等で構成されるインバータ部２３は、直流端電圧から複数の電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄを通じて出力電圧を合成することができる。

セル駆動部２４は、各電力セル２０毎に独立して配置され、インバータ部２３の電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄのスイッチング状態を決定するゲーティング信号（ｇａｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ）を生成して、インバータ部２３の各電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄに提供することができる。このとき、セル駆動部２４は、制御部（図１の４０）の制御信号によって動作できる。

このように構成されるインバータシステムにおいて、制御部４０は、正常動作の際、電圧と周波数の関係により指令電圧を生成して各セル駆動部２４に提供し、入力電源が瞬時に停電した後、復電すると、制御部４０は、復電時に電力セル２０に所定の大きさと位相の電圧を印加することによって電動機を再起動することができる。

図３は、本発明の一実施例に係るインバータ制御装置を示した構成図であって、図１の制御部４０に関する詳細な構成を示している。

図示されているように、制御部４０は、変換部４１、電圧大きさ及び位相決定部４２、再起動指令電圧決定部４３、指令電圧決定部４４、フラグ設定部４５、及び選択部４６を含むことができる。

指令電圧決定部４４は、指令周波数ω_ｒｅｆによって指令電圧を決定することができる。インバータ２の駆動において、電圧と周波数の比は一定しており、従って、指令周波数が入力されると、それに対応する指令電圧が決定され得る。

変換部４１は、電圧検出部（図１の３０）により検出された電動機の入力電圧（インバータの出力電圧）を同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧に変換し、電圧大きさ及び位相決定部４２は、前記ｄ軸及びｑ軸電圧から電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を検出することができる。位相検出は、通常のＰＬＬ（ｐｈａｓｅ ｌｏｏｐ ｌｏｃｋ）等を通じて具現できる。

再起動指令電圧決定部４３は、電圧大きさ及び位相決定部４２により決定された電動機の入力電圧の大きさと位相等を利用して、再起動領域での再起動指令電圧を決定することができる。

フラグ設定部４５は、入力電源に異常が発生した場合、フラグを１に設定し、正常運転が可能である場合、またフラグを０に設定して選択部４６に提供することができる。

選択部４６は、入力電源が正常に受信され、フラグが１である場合、即ち、再起動領域に属する場合、再起動指令電圧決定部４３の指令電圧を選択して複数の電力セル２０に指令電圧を提供する。一方、フラグが０である場合は、指令電圧決定部４４の指令電圧を複数の電力セル２０に提供することができる。

以下においては、従来のインバータシステムの再起動指令電圧決定部で指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明し、これと対比して本発明のインバータ制御装置４０に備えられる再起動指令電圧決定部４３の動作を詳細に説明する。

図４及び図５は、従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。

図示されているように、再起動領域での指令電圧の大きさＶ_{ｒｅｆ＿ｆｌｙ}は、傾き決定部４Ａが決定した時間による電圧の変化量の大きさに、電圧大きさ及び位相決定部が決定した電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇを足した値からなる。即ち、指令電圧の大きさを数式で示すと、次のとおりである。

このとき、ａは、時間による電圧の変化量を示し、既設定された値であってよい。

また、再起動領域での指令電圧の位相θ_{ｒｅｆ＿ｆｌｙ}は、電圧大きさ及び位相決定部が決定した電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔを積分部５Ａが積分した位相に、電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔを足した値からなる。即ち、指令電圧の位相を数式で示すと、次のとおりである。

しかし、このように、一般的な抵抗等の受動素子を利用して構成された電圧検出部の測定値によって決定された指令電圧の大きさと位相は、抵抗値誤差による測定電圧誤差、インバータの出力の電圧降下及びデッドタイム等のような様々な影響により、突入電流の発生等のような問題を誘発し得る。

図６は、従来技術に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフであって、図４及び図５の方式により決定された指令電圧の大きさと位相を利用してなるインバータの再起動シーケンスを示している。

図６を参照すると、電源部から供給される入力電源がＡ時点で中断し、Ｂ時点で復電することを確認することができる。しかし、Ｂ時点で復電がなされても、電動機が所定時間（Ｂ−Ｃ）以後であるＣ時点で再起動が開始されて始めてＤ時点に達して正常運転するようになることは、図示されたとおりである。即ち、Ｅ領域及びＨ領域は、正常運転領域であり、Ｆ領域は、入力電源故障領域であり、Ｇ領域が再起動領域である。

図４のように決定される再起動指令電圧の大きさを利用する場合、デッドタイム及び電圧降下等によって電圧検出部で検出される電圧が実際の電動機の入力電圧の大きさより小さく、電動機の入力電流に突入電流Ｉが発生する問題点がある。即ち、電動機の残留電圧よりインバータの出力電圧が小さい場合、電動機に流れる電流がインバータに逆流することとなり、回生運転や突入電流等のような問題が発生し得る。

従って、本発明の実施例に係るインバータ制御装置は、電圧検出部の測定誤差を考慮して、突入電流の発生なしに安定的に電動機を再起動させることができるようにするための構成を提供する。

図７及び図８は、それぞれ本発明の実施例によって再起動領域において指令電圧の大きさを決定する方式を説明するための例示図である。

図７は、本発明の第１実施例によるものであって、再起動領域での指令電圧の大きさＶ_ｒｅｆは、傾き決定部７Ａが決定した時間による電圧の変化量の大きさに、電圧大きさ及び位相決定部（図３の４２）が決定した電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇとオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}を足した値からなることが確認できる。言い換えると、図７のような本発明の実施例は、電動機の再起動初期に電圧検出部（図１の３０）から測定される電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇの測定誤差補償のために、オフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}が付加される構成を提供する。

ここで、オフセット電圧は、インバータや電動機の駆動特性等を考慮して決定された所定の固定値であるか、または、予め設定された時間による変化値等からなり得る。

言い添えると、前記オフセット電圧は、インバータシステムの構成段階でインバータ及び／又は電動機の種々の特性を考慮して特定値を有するように設計されることも可能であり、または、時間による電圧の変化特性を考慮して設定された電圧変化値がリアルタイムオフセット電圧に印加されるように構成されることも可能である。

このようなオフセット電圧が、インバータが安定した出力電圧に達する時点まで再起動時点の指令電圧の大きさに付加される方式で供給可能であることは、先に説明している。

即ち、このようなオフセット電圧が付加された指令電圧によってインバータの駆動電圧が決定されることで、インバータシステムの再起動の際、電動機内の残留電圧より大きなインバータ駆動電圧の供給が可能であり、本発明のインバータ制御装置が備えられる場合、インバータの回生動作と、それに伴う突入電流の発生等を防止できるといった効果の提供が可能となる。

このとき、傾き決定部７Ａが決定する時間による電圧の変化量の大きさは、電動機の容量等を考慮して予め設定された値であるか、またはユーザにより入力される値であってよい。

即ち、本発明の第１実施例によって決定される指令電圧の大きさを数式で示すと、次のとおりである。

このとき、ａは、時間による電圧の変化量を示し、インバータ（図１の２）の特性等によって予め決定され得る。

このような方式によると、従来の方式より大きな指令電圧を生成することができ、電圧大きさの誤差による突入電流の発生等を防止できるという長所を提供することができる。

図８は、本発明の第２実施例によるものであって、再起動領域での指令電圧の大きさＶ_ｒｅｆは、傾き決定部８Ａが決定した時間による電圧の変化量の大きさに比例制御器８Ｂの出力値を付加して求められることを確認することができる。ここで、比例制御器８Ｂの出力値が、電圧大きさ及び位相決定部（図３の４２）が決定した電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇを比例制御器８Ｂの入力として得られた値であることは、図示されたとおりである。

このとき、傾き決定部８Ａが決定する時間による電圧の変化量の大きさが、電動機の容量等を考慮して予め設定された値であるか、またはユーザにより入力される値であってよいことは、前述している。

電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇを比例制御器８Ｂの入力とすると、比例制御器８Ｂの出力は、電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇより大きくなり、従って、従来の方式に比べてより大きな指令電圧を生成することができるようになる。このとき、比例制御器８Ｂの比例定数Ｋが電動機またはインバータの性能特性等を考慮して決定され得ることは、当然である。

従って、本発明の制御部４０では、電動機３の残留電圧よりインバータの出力電圧が大きくなるので、回生運転及び突入電流が発生しない。

図９は、本発明の実施例に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフであって、図６の従来技術に係るインバータ再起動シーケンスとの比較のために、同じ符号を用いた。

図９を参照すると、電源部（図１の１）から供給される入力電源がＡ時点で中断した後、Ｂ時点で復電することを確認することができる。Ｂ時点で復電がなされても、電動機が所定時間（Ｂ−Ｃ）以後であるＣ時点で再起動を開始し、Ｄ時点から正常運転を行うようになることは、図示されたとおりである。即ち、Ｅ領域及びＨ領域は、正常運転領域であり、Ｆ領域は、入力電源故障領域であり、Ｇ領域が再起動領域である。

フラグ設定部（図３の４５）は、（ａ）のように入力電源の故障が発生するＡ時点でフラグを１（ＯＮ）に設定し、再起動領域Ｇが終了するＤ時点でまたフラグを０（ＯＦＦ）に設定することができる。

入力電源の故障が発生すると、保護動作により、インバータ（図１の２）は出力が停止する。従って、（ｂ）で示されるように、インバータの出力電圧は、直ちに０となる。しかし、入力電源故障領域（Ｆ領域）で測定される電動機（図１の３）の入力電圧は、電動機３の誘起起電力により直ちに０とならず、一定水準を維持して減少することが確認できる。

即ち、電動機３の入力電圧の大きさと電動機の速度は、（ｂ）及び（ｃ）から確認することができるように、負荷と電動機３の時定数によって徐々に減少する。電動機の電流の場合、経路を形成しないので、図示されているように、０となる。

Ｂ時点で入力電源がまた印加されると、Ｂ時点以後、所定時間が経過したＣ時点で電圧検出部（図１の３０）の検出値により、電圧大きさ及び位相決定部（図３の４２）は、電動機３の入力電圧の大きさと位相を決定する。そして、再起動指令電圧決定部４３が決定した再起動指令電圧の大きさと位相によってインバータ２が再起動される。言い換えると、フラグ設定部４５の動作によって、再起動領域（Ｇ領域）においては、再起動指令電圧決定部４３が決定する指令電圧がインバータ２に提供される。

即ち、再起動指令電圧の大きさは、時間による電圧の変化量の大きさに、電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇとオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}を足すことで決定されるか（図７）、または、電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇに対する比例制御を行った結果と時間による電圧の変化量の大きさを足すことで決定（図８）され得る。

このとき、再起動指令電圧の位相として、時間による電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔを積分した位相に、再起動時点の電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔを足して決定された値が利用され得ることは、図５を通して説明している。

再起動領域（Ｇ領域）は、インバータの出力電圧が所定の大きさに達するＤ時点で終了する。これによって、フラグは０に設定され、選択部４６は、再起動指令電圧決定部４３の代わりに指令電圧決定部４４で決定した指令電圧をインバータ２に提供することとなり、インバータシステムの正常動作がなされ得る。

また、インバータの出力周波数は、Ｃ時点で電圧大きさ及び位相決定部４２が決定した周波数がＧ領域で同様に印加され、Ｄ時点以後に、電圧−周波数の関係によって増減し得る。

以上において説明したような本発明の実施例に係るインバータ制御装置が適用される場合、インバータ及び電動機等を備えるインバータシステムの再起動時点で電動機の残留電圧の大きさより大きな電圧をインバータに印加することで、回生により発生する突入電流等を防止することができ、安定したインバータの再起動が可能となるといった長所を有する。

併せて、このようなインバータ制御装置を具現することにより、抵抗等の受動素子を用いた電圧検出装置を利用しても、抵抗値誤差による電圧誤差等の問題解決が可能となって、より安価なコストで、効率的かつ安定したインバータシステムを構成できるといったさらなる長所を提供することができる。

以上、本発明に係る実施例が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これより様々な変形及び均等な範囲の実施例が可能であるという点が理解できるだろう。従って、本発明の正しい技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定められるべきである。

Claims (6)

1. インバータシステムに備えられるインバータ制御装置において、
   前記インバータシステムに備えられる電動機の入力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された前記電動機の入力電圧を同期座標系上のｄ軸及びｑ軸電圧に変換し、第１決定部に提供する変換部と、
   前記変換部から提供された情報を利用して、前記電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を決定する第１決定部と、
   前記インバータシステムが再起動（ｒｅｓｔａｒｔｉｎｇ）される場合、前記第１決定部により決定された前記入力電圧の大きさを利用して、前記電動機の残留電圧より大きなインバータ駆動電圧の生成のための再起動指令電圧を決定する第２決定部とを含む、インバータ制御装置。
2. 前記第２決定部は、前記電動機の入力電圧の大きさに所定のオフセット電圧を印加して、前記再起動指令電圧の大きさを決定する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記第２決定部は、前記電動機の入力電圧の大きさに対して比例制御を行った結果値を利用して、前記再起動指令電圧の大きさを決定する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
4. 前記第２決定部は、前記インバータが所定の出力電圧に達する時点まで、予め設定された時間による電圧の変化値の印加によって前記再起動指令電圧の大きさを決定する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
5. 前記第２決定部は、前記第１決定部により決定された前記電動機の入力電圧の位相に対応するように前記指令電圧の位相を決定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
6. 前記第２決定部は、前記インバータが所定の出力電圧に達する時点まで、前記指令電圧の位相に、時間によって前記電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔを積分した位相を足すことで前記再起動指令電圧の位相を決定する、請求項５に記載のインバータ制御装置。

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