JP2019216564A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の可変速駆動装置の直流リンクの直流電圧変動を抑制する電力変換システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換システムは、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換して第１電動機に供給し前記第１電動機によって第１負荷を駆動する第１インバータと、前記コンバータが出力する前記直流電圧を制御する制御装置と、上位計算機システムから提供された、前記第１負荷の駆動トルクおよび速度パターンを含む第１設定データ情報にもとづいて、前記第１インバータ部の動作のために必要となる必要電力値を演算し、前記必要電力値にもとづいて、前記直流電圧を補償するための補償電力値を生成し前記制御装置に供給する補償電力演算部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流リンクを介した交流−交流電力変換装置を含む電力変換システムに関する。

製鐵所や非鉄金属、製紙、石油化学、医薬品等のプラントでは、直流−交流電力変換器（インバータ）と交流−直流電力変換器（コンバータ）とを直流リンクにより接続して電動機を可変速駆動することがある。このような電動機の可変速駆動装置では、コンバータが直流リンクの直流電圧を一定にするよう制御する。

コンバータの直流電圧制御にはフィードバック制御が用いられるので、その応答は、インバータ、電動機およびこれらの負荷の変動に対して遅れる。そのため、負荷変動が急激な場合には、直流電圧が大きく変動して、インバータの入力電圧が不足したり、過大になったりすることがある。インバータの入力電圧が不足したり、過大になったりすると、インバータの動作が停止するばかりでなく、インバータの破損にもつながるおそれがある。インバータが停止したり、破損したりした場合には、インバータによって駆動されている電動機が停止し、ラインダウンし、修復に多大な時間と費用が発生するおそれがある。

負荷の急増時または急減時における応答遅れによる電圧変動を抑制するため、インバータが消費する電力をコンバータ側の有効電力指令値に加算して補正する手法が知られている（たとえば特許文献１参照）。

特許第３１７０１１９号公報

特許文献１に示された手法では、インバータの負荷の急変に応じてコンバータの制御を行うフィードバック制御を利用するため、制御系の遅延などの影響によって制御遅れが発生することに変わりない。たとえば、鉄鋼プラントの圧延機のロール駆動において、圧延材の先端の噛み込み時や尾端の排出時の急激な負荷変動が発生した際にフィードバック制御が追いつかず、直流リンクの直流電圧が大きく変動することがある。また、直流電圧制御をデジタル制御によって行う場合には、サンプリング周期ごとにデータを取得し、信号を伝送するので、経済性等の理由でサンプリング周期を短くできない場合には、制御遅れが顕著となる。

本発明の実施形態は、上記問題点を解決するためになされたもので、電動機の可変速駆動装置の直流リンクの直流電圧変動を抑制する電力変換システムを提供する。

実施形態に係る電力変換システムは、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換して第１電動機に供給し前記第１電動機によって第１負荷を駆動する第１インバータと、前記コンバータが出力する前記直流電圧を制御する制御装置と、上位計算機システムから提供された、前記第１負荷の駆動トルクおよび速度パターンを含む第１設定データ情報にもとづいて、前記第１インバータ部の動作のために必要となる必要電力値を演算し、前記必要電力値にもとづいて、前記直流電圧を補償するための補償電力値を生成し前記制御装置に供給する補償電力演算部と、を備える。

本実施形態では、電動機の可変速駆動装置の直流リンクの直流電圧変動を抑制する電力変換システムが実現される。

第１の実施形態に係る電力変換システムを例示する模式的なブロック図である。 第１の実施形態の電力変換システムの動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る電力変換システムを例示する模式的なブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態に係る電力変換システムを例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態に係る電力変換システム１０は、交流の電力系統１と電動機３との間に設けられる。電力系統１は、たとえば、三相交流であり、電力変換システム１０は、この例のように、入力変圧器２を介して電力系統１に接続されてもよい。

電動機３は、交流電動機であり、たとえば同期電動機や誘導電動機等である。電動機３は、たとえば、鋼板や非鉄金属を圧延する圧延機のロールや抄紙機のロール等を駆動する同期電動機である。電力変換システム１０は、電力系統１から供給される交流電力を、電動機３を可変速駆動するように電力変換して電動機３に供給する。

電力変換システム１０は、高速の制御系ネットワーク１０３に接続される。制御系ネットワーク１０３には、計算機システム１０１やプログラマブルコントローラ（Programmable Logic Controller、ＰＬＣ）１０２が接続されている。電力変換システム１０は、制御系ネットワーク１０３を介して、計算機システム１０１から負荷の設定データに関する情報を入力することができる。ここで、負荷とは電動機３によって駆動される負荷をいう。たとえば、負荷は、製品およびその製品を加工する加工装置である。加工装置は、たとえば圧延機のロールであり、製品は、圧延機のロールによって圧延される圧延材である。電力変換システム１０は、制御系ネットワーク１０３を介して、負荷の位置に関するトラッキング情報を入力することができる。

電力変換システム１０は、設定データ情報およびトラッキング情報を入力し、これらの情報にもとづいて、負荷の必要とする電力を予測演算する。電力変換システム１０は、必要電力の予測演算結果にもとづいて、直流リンクの直流電圧変動を抑制するように補償動作を行う。

電力変換システム１０は、補償電力演算部２０と、制御装置３０と、コンバータ４０と、インバータ５０と、を備える。インバータ５０は、コンバータ４０の直流出力に接続され、コンバータ４０とインバータ５０との間には、図示しないが、コンバータ４０が出力する直流電圧を保持する直流リンクをなすコンデンサが設けられている。コンデンサは、負荷変動にともなう電力の急変に対して、電荷の充電および放電によって直流電圧の変動を抑制する。電力変換システム１０は、インバータ５０およびその負荷の必要電力にもとづいて、コンデンサ両端の直流電圧を補償して、直流電圧の過度な低下や上昇を抑制する。

補償電力演算部２０は、インバータ部必要電力予測演算部２１と、コンバータ部補償電力演算部２２と、補償電力タイミング制御部２３と、スイッチ２４と、を含む。以下では、特に断らない限り、電力変換システム１０は、鉄鋼プラントの圧延機のロール駆動に用いられるものとして説明する。

インバータ部必要電力予測演算部２１は、制御系ネットワーク１０３を介して、設定データ情報を入力する。設定データ情報は、たとえば、製造する鋼板製品ごとに割り当てられた識別番号（以下、コイル番号ともいう）に関連付けられて、計算機システム１０１によって管理されている。圧延機の場合には、負荷が圧延機のロールおよび圧延材であり、それらに関する設定データ情報には、圧延トルクおよび速度パターンのデータが含まれている。速度パターンのデータは、たとえば、回転速度の時系列データとして設定されている。

負荷の必要電力は、圧延トルクと回転速度との積に比例するので、インバータ部必要電力予測演算部２１は、設定データ情報の圧延トルクおよび速度パターンを用いて、必要電力を演算する。演算された必要電力は、コイル番号に関連付けられる。なお、必要電力の演算に際しては、必要電力に対するインバータ５０の変換効率を考慮するようにしてもよい。

コンバータ部補償電力演算部２２は、インバータ部必要電力予測演算部２１から必要電力のデータを入力して、補償すべき電力の値を演算する。たとえば、コンバータ部補償電力演算部２２は、必要電力がステップ状に変化するタイミングの前後の必要電力の差にもとづいて、補償すべき電力値を演算する。

より具体的には、コンバータ部補償電力演算部２２は、圧延機が圧延材の先端を噛み込む前後、および、圧延機が圧延材の尾端を排出する前後の必要電力差を演算する。また、コンバータ部補償電力演算部２２は、圧延機の速度パターンが変化する前後の必要電力差を演算する。

後に詳述する補償電力を供給する所定時間との関係で、コンバータ部補償電力演算部２２は、必要電力差に係数を乗じて補償電力値を求めるようにしてもよい。また、この係数は、必要電力の変化時間に応じて変化させるようにしてもよい。たとえば、必要電力の変化時間が短い（変化が速い）場合には、大きな係数とし、必要電力の変化時間が長い（変化が遅い）場合には、小さな係数とすることができる。変化時間に対する係数値は、シミュレーションや実測等によってあらかじめ設定される。係数の必要電力の時間変化に対する特性は、コンバータ４０、インバータ５０のおよびコンデンサのインピーダンスを考慮して、たとえばシミュレーションや実測等によってあらかじめ設定される。

コンバータ部補償電力演算部２２は、必要電力が増加してコンバータ４０の出力する直流電圧が低下する場合には、正の補償電力を出力し、必要電力が減少してコンバータ４０の出力する直流電圧が上昇する場合には、負の補償電力を出力する。

補償電力タイミング制御部２３は、制御系ネットワーク１０３を介して、トラッキング情報を入力する。トラッキング情報は、プロセスラインにおける圧延材の位置を表すデータを含んでいる。トラッキング情報は、圧延材の先端や尾端の位置を表すデータを含む。圧延のプロセスラインには、複数の位置センサや回転速度センサ等が設けられており、これらからのデータにもとづいて、ＰＬＣ（プロセス制御装置）１０２は、圧延材の位置や搬送速度のデータを収集する。トラッキング情報は、コイル番号に関連付けられており、補償電力タイミング制御部２３は、コイル番号に関連付けられた圧延材の先端および尾端の位置および搬送速度等を正確に計算することができる。補償電力タイミング制御部２３は、トラッキング情報にもとづいて、コンバータ部補償電力演算部２２と制御装置３０との間に設けられたスイッチ２４の開閉を制御する。

コンバータ４０の直流電圧制御において、圧延材の先端が圧延機に投入される瞬間や、圧延材の尾端が圧延機から排出される瞬間等の必要電力が変化する瞬間に補償動作を開始するのでは、直流電圧値が低下しすぎたり、上昇しすぎたりするおそれがある。そのため、補償電力タイミング制御部２３は、トラッキング情報によって認識された圧延材の先端が圧延機に噛み込まれる時刻の所定時間前に、スイッチ２４を閉じて、すでに演算された補償電力を制御装置３０に供給する。また圧延材の尾端が圧延機から排出される所定時間前に、スイッチ２４を閉じて、すでに演算された補償電力を制御装置３０に供給する。補償電力タイミング制御部２３は、噛み込みのタイミングおよび排出のタイミングから所定時間経過後にスイッチ２４を開放する。

トラッキング情報および設定データ情報は、各コイル番号に関連付けられているので、補償電力演算部２０は、対象のコイル番号の圧延材を適切なタイミングで、適切な補償電力を制御装置３０に供給することができる。

スイッチ２４を開閉する所定時間は、適切な値を任意に設定することができる。たとえば、所定時間は、制御系ネットワーク１０３に設定された定周期時間に制御装置３０の制御系回路の応答遅れを加えた時間を目安に設定され、より詳細には、シミュレーションや実測等を用いて、適切な値が選定される。

制御装置３０は、補償電力演算部２０から出力された補償電力のデータを入力する。制御装置３０は、あらかじめ設定された直流電圧指令値と出力のコンデンサの両端の電圧値との偏差をＰＩ制御して、有効電力指令値を生成する。制御装置３０は、生成した有効電力指令値に補償電力値を加算して、たとえば入力される交流電流の有効電力が最大になる（力率を改善する）ようにＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は、新たな有効電力指令値が元の有効電力指令値よりも大きいときには、コンバータ４０によってより高い直流電圧とするように生成される。ＰＷＭ信号は、新たな有効電力指令値が元の有効電力指令値よりも小さいときには、コンバータ４０によってより低い直流電圧とするように生成される。

コンバータ４０は、電力系統１に接続されている。コンバータ４０は、電力系統１から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ５０に供給する。コンバータ４０は、制御装置３０から供給される直流電圧指令値にしたがう直流電圧を出力する。直流電圧指令値は、たとえば主幹制御装置によってあらかじめ設定され制御装置３０に供給される。

インバータ５０は、コンバータ４０の出力に接続されている。インバータ５０は、コンバータ４０から出力される直流電圧を入力して、交流電圧に変換して電動機３に供給する。インバータ５０は、図示しないが、インバータ５０のための制御装置（制御装置３０内に実装されていてもよい）から供給される速度指令値にしたがって動作する。

本実施形態の電力変換システム１０の動作について、タイミングチャートを参照して説明する。
図２は、本実施形態の電力変換システムの動作を説明するためのフローチャートの例である。
図２の最上段の図は、圧延機に設けられたロードセルが出力する圧力信号の時間変化を表している。
図２の２段目の図は、負荷トルクの時間変化を表している。
図２の最下段の図は、補償電力値の時間変化を表している。

図２の最上段および２段目の図に示すように、時刻ｔ１において、圧延材の先端は圧延機に噛み込まれ、時刻ｔ２において、圧延材の尾端が圧延機から排出される。時刻ｔ１〜ｔ２の期間では、圧延材が圧延機によって一定の負荷トルクで圧延されているものとする。なお、圧延機の速度パターンは、全時刻にわたって一定であるものとする。

図２の最下段の図に示すように、補償電力演算部２０は、時刻ｔ１よりΔｔだけ前のタイミングで演算された補償電力値を出力する。なお、Δｔは、適切な値があらかじめ設定されている。時刻（ｔ１−Δｔ）において、正の補償電力値が制御装置３０に供給される。制御装置３０は、時刻（ｔ１−Δｔ）において、有効電力指令値に正の補償電力値を加算して、コンバータ４０に新たな有効電力指令値として供給する。

図２の最上段および２段目の図に示すように、時刻ｔ１までは、圧延機は圧延材を圧延していないため、ロードセルの出力はほぼゼロであり、負荷トルクは、ロール駆動のためのトルクＴ１である。

時刻ｔ１において、圧延材の先端が圧延機に噛み込まれる。このため、ロードセルの出力が圧延時のレベルに上昇するとともに、負荷トルクがトルクＴ１よりも大きいＴ２に変化する。なお、ロールの回転速度は一定であるため、時刻ｔ１〜ｔ２では、必要電力は、一定である。

時刻ｔ１においては、必要電力がステップ状に変化するため、コンバータ４０とインバータ５０との間のコンデンサは、制御装置３０によるフィードバック制御の制御遅れや、制御系ネットワーク１０３の定周期時間には、インバータ５０に電荷を供給し続けるため、その両端電圧が低下する。しかし、補償電力演算部２０は、これらの期間中に放電する電荷に応じて低下するコンデンサの両端電圧を正方向にオフセットさせるように制御装置３０が生成する有効電力指令値を補償する。そのため、コンバータ４０は、元の有効電力指令値および電圧指令値に対応して出力されていた直流電圧から低下した最小の電圧値の大きさよりも高い電圧値を出力することができる。

制御装置３０は、時刻（ｔ１＋Δｔ）まで、補償電力値を加算した新たな有効電力指令値を出力することによって、コンバータ４０の出力電圧をインバータ５０の動作最低電圧よりも高い電圧とすることができる。その後は、制御装置３０は、元の有効電力指令値とすることによって、コンバータ４０およびインバータ５０は、最適な変換効率で動作することができる。

時刻（ｔ２−Δｔ）において、演算された補償電力値が制御装置３０に供給される。この場合の補償電力値は、コンデンサの充電による直流電圧の上昇を抑制するために、負の値を有する。したがって、負の補償電力値が加算された新たな有効電力指令値は、元の有効電力指令値よりも小さい値を有する。制御装置３０は、時刻（ｔ２−Δｔ）において、コンバータ４０に新たな有効電力指令値を供給する。

時刻ｔ２において、圧延材の尾端が圧延機から排出される。このため、ロードセルの出力が圧延材を圧延していないときのレベルに低下するとともに、負荷トルクがトルクＴ２からＴ１に変化する。

時刻ｔ２においては、必要電力がステップ状に変化する。そのため、コンバータ４０とインバータ５０との間のコンデンサは、時刻ｔ１の場合と同様に、制御装置３０による制御遅れ時間や、制御系ネットワーク１０３の定周期時間では、インバータ５０側に電荷を供給できないず、その両端電圧が上昇する。本実施形態の電力変換システム１０では、補償電力演算部２０は、負の補償電力値を出力して、有効電力指令値を負方向に補償し、この期間中に充電する電荷に対応して上昇するコンデンサの両端電圧を負方向にオフセットさせる。そのため、コンバータ４０は、元の有効電力指令値および電圧指令値に対応して出力されていた直流電圧から上昇した最大の電圧値よりも低い電圧値を出力することができる。

制御装置３０は、時刻（ｔ２＋Δｔ）まで、新たな有効電力指令値を出力することによって、インバータ５０の最大定格電圧よりも低い電圧とすることができる。その後、制御装置３０は、元の有効電力指令値とすることによって、コンバータ４０およびインバータ５０は、最適な変換効率で動作することができる。

必要電力が変化するタイミングの前後の補償電力を印加し、除去する所定の時間Δｔは、変化の前後で同一の値としてもよいし、変化タイミング前と変化タイミング後で異なる値としてもよい。

本実施形態の電力変換システム１０の効果について説明する。
本実施形態の電力変換システム１０では、計算機システム１０１が有する圧延材に関する設定データ情報を用いて、電動機３の負荷側の必要電力を演算することができる。そして、その必要電力にもとづいて、直流リンクを構成するコンデンサの充放電によるコンデンサの直流電圧低下、上昇を補償するように、新たな有効電力指令値を演算することができる。制御装置３０に演算された補償電力を供給することによって、フィードバックによらず、あらかじめ直流リンクの直流電圧を上下にシフトさせることができる。したがって、必要電力がステップ状に変化したときでも、過少な電圧や過大な電圧がインバータ５０に印加されることなく、電力変換システム１０は、安全に可変速駆動システムの運転を継続させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本実施形態に係る電力変換システムを例示する模式的なブロック図である。
図３に示すように、本実施形態の電力変換システム２１０は、複数のインバータ２５０ａ，２５０ｂ，…，２５０ｘを備える。複数のインバータ２５０ａ，２５０ｂ，…，２５０ｘは、１つのコンバータ２４０に接続されており、コンバータ２４０から直流電力を供給されて、電動機３ａ，３ｂ，…，３ｘに交流電力をそれぞれ供給する。

電力変換システム２１０は、複数の補償電力演算部２２０ａ，２２０ｂ，…，２２０ｘを備える。補償電力演算部２２０ａ，２２０ｂ，…，２２０ｘは、インバータ２５０ａ，２５０ｂ，…，２５０ｘにそれぞれ対応するように設けられている。すなわち、補償電力演算部２２０ａは、インバータ２５０ａおよびその負荷の必要電力に応じて、制御装置２３０に対して補償電力値を演算して供給する。補償電力演算部２２０ｂは、インバータ２５０ｂおよびその負荷の必要電力に応じて、制御装置２３０に対して補償電力値を演算して供給する。同様にして、補償電力演算部２２０ｘは、インバータ２５０ｘおよびその負荷の必要電力に対して補償電力値を演算して供給する。

設定データ情報およびトラッキング情報は、コイル番号に関連付けられている。そのため、複数の補償電力演算部２２０ａ，２２０ｂ，…，２２０ｘは、コイル番号によって負荷を識別して、適切な位置で適切な負荷に対する直流電圧オフセットを制御装置２３０に供給することができる。

本実施形態の電力変換システム２１０では、複数のインバータ、それらに対応する複数の電動機、およびそれらの負荷の位置に応じて、補償電力値を制御装置に対して供給するので、複数のインバータのすべてに対して、過大な電圧や過少な電圧が印加されることなく、安全に運転を継続することができる。

上述の具体例においては、圧延機のロールの可変速駆動の場合について主として説明したが、いずれの実施形態においても、電動機の負荷（圧延材や紙等の製品および圧延ロールや抄紙機の巻き取りロール等を含む加工装置）は、適切な任意の対象に適用することができるのはいうまでもない。

以上説明した実施形態によれば、電動機の可変速駆動装置の直流リンクの直流電圧変動を抑制する電力変換システムを実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これら実施形態やその変形は、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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電力系統、２ 入力変圧器、３，３ａ，３ｂ，３ｘ 電動機、１０ 電力変換システム、２０，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｘ 補償電力演算部、２１ インバータ部必要電力予測演算部、２２ コンバータ部補償電力演算部、２３ 補償電力タイミング制御部、２４ スイッチ、３０，２３０ 制御装置、４０，２４０ コンバータ、５０，２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｘ インバータ、１０１ 計算機システム、１０２ プログラマブルコントローラ、１０３ 制御系ネットワーク

Claims (3)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   前記直流電圧を交流電圧に変換して第１電動機に供給し前記第１電動機によって第１負荷を駆動する第１インバータと、
   前記コンバータが出力する前記直流電圧を制御する制御装置と、
   上位計算機システムから提供された、前記第１負荷の駆動トルクのデータおよび速度パターンのデータを含む第１設定データ情報にもとづいて、前記第１インバータ部の動作のために必要となる必要電力値を演算し、前記必要電力値にもとづいて、前記直流電圧を補償するための補償電力値を生成し前記制御装置に供給する補償電力演算部と、
   を備えた電力変換システム。
2. 前記第１負荷は、製品および前記製品を加工する加工装置を含み、
   前記補償電力演算部は、前記加工装置を制御するプロセス制御装置から提供された、前記製品の位置に関するトラッキング情報にもとづいて、前記補償電力値を前記制御装置へ供給し、遮断するタイミングを切り換える補償電力タイミング制御部を含み、
   前記補償電力タイミング制御部は、前記トラッキング情報によって判断される前記製品の位置よりも早いタイミングで前記補償電力値を前記制御装置に供給する請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記第１インバータと直流側で接続され、前記コンバータによって供給される直流電力の少なくとも一部を入力する第２インバータ部をさらに備え、
   前記補償電力演算部は、
   前記第２インバータの負荷に関する第２設定データ情報にもとづいて、前記第２インバータ部で必要となる電力値を演算し、
   前記補償電力値は、前記第１インバータおよび前記第２インバータのそれぞれに対して演算される請求項１または２に記載の電力変換システム。

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