JP3678781B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、交流電動機の制御装置に係り、特に、可変速駆動される交流電動機を商用電源へ同期併入するのに好適な交流電動機の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力変換装置を用いて交流電動機を可変速駆動する場合に、商用電源へ切り換えて運転できるようにした装置がある。
この種の従来の装置を図4に示す。図4において、商用電源1の交流電力はコンバータ2で直流電力に変換され、リアクトル3を介して平滑した直流電流となる。この直流電流はインバータ4で可変周波数の交流電流に変換され、開閉器31を介して交流電動機5に供給され、交流電動機5は可変速駆動される。
【0003】
また、交流電動機5は開閉器32を介して供給される商用電源1により定速駆動される。
可変速駆動する場合の速度は、加減速率制限回路6に入力される速度基準N* で定まり、加減速率制限回路6で変化率の制限された信号はスイッチ13a を介して電圧基準V* として電圧制御回路7へ入力される。電圧制御回路7は電圧基準V* と電圧検出器42を介して検出されるインバータ4の出力電圧VI を比較し電流基準I* を出力する。電流制御回路8は電流基準I* と電流検出器40を介して検出されるコンバータ2の入力電流IS と比較し位相制御信号PC を出力し、位相制御回路9を介してコンバータ2の出力電流を制御してインバータ4の出力電圧VI を制御する。一方、スイッチ13a を介して出力される加減速率制限回路6の出力信号は周波数基準f* として周波数制御回路10へも入力され、周波数制御回路10は周波数基準f* に応じた転流指令PI を出力し駆動部11を介してインバータ4の交流出力の周波数を制御する。これにより、交流電動機5は速度基準N* に対応した速度で駆動される。
【0004】
上述のようにして、インバータ電源により任意の速度で駆動されている交流電動機5を商用電源1による駆動へ切り換えるとき、速度基準N* を商用電源1の周波数fCM以上に設定し、図5に示すように、周波数基準f* (電圧基準V* )を加減速率制限回路6で定められた所定の変化率で上昇させる。時刻t0 で、周波数基準f* が同期速度周波数fCMより少し低い所定周波数(同期併入制御開始周波数)f0 に達すると、比較器12からスイッチの切換指令が出力され、スイッチ13a がオフ(開路)してスイッチが13b がオン(閉路)する。これにより、周波数基準f* は図5に示すように時刻t0 から同期併入制御開始周波数f0 で一定となる。また時刻t0 でスイッチ13c がオン(閉路)され、位相差検出器14から出力される位相差Δθが比較器15に入力される。位相差検出器14は、電圧検出器44と位相検出器45を介して検出される商用電源1の電圧位相θs と電圧検出器42と位相検出器43を介して検出されるインバータ4の出力電圧位相θI を比較し、その位相差をΔθとして出力する。従って、時刻t0 から比較器15は位相差Δθの監視を開始し、設定された所定の位相差θ1 に一致した時点t1 で、スイッチ16をオン(閉路)にして位相同期制御回路17に位相差Δθを入力し、位相同期制御を開始させる。位相同期制御回路17は比例積分(PI)制御回路で構成され、位相差Δθをゼロとするように周波数補正信号fc を出力して加算器18を介して周波数基準f* に加えられf* の値を補正し、インバータ4の出力電圧位相θI を商用電源1の電圧位相θs に一致させるように追従制御を行う。時点t1 から所定時間経過後に位相差Δθが所定の値以下であることを確認すると、開閉器切換制御部46は開閉器31をオフ(開路)して開閉器32をオン(閉路)とし、交流電動機5の駆動電源をインバータ4から商用電源1へ切り換える。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の制御装置は、同期併入制御を開始させる周波数f0 の設定と位相同期制御を開始させる位相差θ1 の設定が難しく自由度が少ない、という問題がある。
【0006】
すなわち、図5に示すように、時点t0 で周波数基準f* を同期併入制御開始周波数f0 で一定とし、位相差Δθが位相同期制御開始位相θ1 に一致するまで待ち時間TW があり、最大で式(1) に示す待ち時間TW を必要とする。
【0007】
【数1】
TW =1/(fCM−f0 ) (1)
この待ち時間TW は、f0 がfCMに近いほど長くなるという問題がある。
また、周波数基準f* を増加させ、加速させながら位相同期制御を行うため、θ1 は遅れ位相に設定しなければならず、且つ、位相同期制御に入った時点t1 から位相差Δθが180°以上遅れるとΔθの極性が反転することから、θ1 は−180°より十分大きく選定しなければならない。このように、同期併入制御開始周波数f0 と位相同期制御開始位相θ1 は設定値を決めるのが難しく自由度が少ないという問題点がある。
【0008】
更に、時点t1 で位相差Δθがθ1 という初期値を持ちf0 からfCMまで加速することから、図5に示すように、PI制御による周波数基準f* が急増し、加速度aが過渡的に非常に大きくなりショックが発生し、制御の安定を乱すという問題がある。
【0009】
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交流電動機の駆動電源をインバータ電源から商用電源へ切り換える同期併入制御の所用時間を短縮し、制御パラメータの設定の自由度を高め、ショックを発生して制御を乱すことなく、安定した同期併入制御を行うことのできる交流電動機の制御装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のような手段を備える。
請求項1の発明として、周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第1の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第1の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備える。
【0011】
請求項2の発明として、周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第1の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第1の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第1の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備える。
【0012】
請求項3の発明として、更に、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように定める。
【0014】
【作用】
請求項1の発明において、交流電動機の駆動電源を電力変換装置から商用電源へ切り換えるとき、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、商用電源の電圧と電力変換装置の出力電圧の位相差が前記メモリに保持される。前記加速率制御手段は保持された位相差と前記第1の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力し、前記周波数基準切換手段は前記第1の時点でこの周波数指令を周波数基準として出力する。前記位相同期制御手段は切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとする位相同期制御を開始する。
【0015】
請求項2の発明は、交流電動機の駆動電源を電力変換装置から商用電源へ切り換えるとき、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、商用電源の電圧と電力変換装置の出力電圧の位相差が前記メモリに保持される。前記加速率制御手段は保持された位相差と前記第1の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第1の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力し、前記周波数基準切換手段は前記第1の時点でこの周波数指令を周波数基準として出力する。前記位相同期制御手段は切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとする位相同期制御を開始する。
【0016】
請求項3の発明は、更に、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加した第2の時点で、検出される位相差がほぼゼロになるように定め、ショックの無い同期併入制御を行う。
【0018】
【実施例】
本発明の請求項1〜3に対応する実施例の構成を図1に示す。
図1は、要部構成を示したもので、コンバータとインバータを含む制御回路は従来と同様であり、加減速率制限回路6、比較器12、スイッチ13a、13b、16、位相差検出器14、位相同期制御回路17は従来のものを適用することができる。
【0019】
通常のインバータ電源による可変速運転は、スイッチ13a がオン(スイッチ13b がオフ)して、加減速率制限回路6の出力がコンバータとインバータに電圧基準V* と周波数基準f* として与えられ、速度基準N* に基づいて、従来と同様に行われる。
【0020】
インバータで駆動されている交流電動機を商用電源による駆動へ切り換えるとき、速度基準N* を商用電源の周波数fCMに設定し、図2に示すように、周波数基準f* (電圧基準V* )を加減速率制限回路6で定められた所定の変化率で増加させる。周波数基準f* が商用電源の周波数(同期速度)fCMより少し低い所定周波数(同期併入制御開始周波数)f0 に達すると、比較器12はスイッチの切換指令を出力して、スイッチ13b をオン(閉路)させ、スイッチ13a をオフ(開路)させる。また、この時点t0 で位相差検出器14から出力される位相差Δθ(=θ0 )をメモリ19に記憶させる。加速率制御回路20は、メモリ19に記憶された位相差θ0 と、その時点t0 の周波数基準f* (=同期併入制御開始周波数f0 )と、商用電源の周波数fCMとから所定の加速関数を決定し、この加速関数に基づいて、時点t0 後、周波数基準f* (=f0 )から商用電源の周波数fCMまで増加する周波数指令f1 * を出力し、これが新たな周波数基準f* として用いられる。この周波数基準f* が商用電源の周波数fCMに達すると、比較器21はスイッチ16をオン(閉路)して位相差検出器14から出力される位相差Δθを位相同期制御回路17に入力する。加速率制御回路20は、この時点t1 で位相差Δθがほぼゼロとなるように周波数指令f1 * を出力するので、位相同期制御回路17は僅かな位相差Δθをゼロとするように周波数補正信号fc を出力して周波数基準f* の値を補正し、インバータ4の出力電圧位相θI を商用電源1の電圧位相θs にショックを与えることなく短時間で一致させるように位相同期制御を行う。
【0021】
時点t1 から所定時間後に、位相差Δθが所定の値以下であることを確認すると、従来と同様に、開閉器切換制御部46は開閉器31をオフ(開路)して開閉器32をオン(閉路)し、交流電動機5の駆動電源をインバータ4から商用電源1へ切り換える。
【0022】
加速率制御回路20の作用について更に詳細に説明する。
加速率制御回路20で定められる加速関数には種々のものが考えられるが、ショック低減を主眼とする場合、図2に示すように、加速度変化率を一定にして、f0 からfCMまで加速したとき、丁度、位相差Δθがほぼゼロになるように加速度変化率を定めることができる。(請求項1、請求項2)
この場合、周波数基準f*が同期併入制御開始周波数f0に到達した時点t0で、加速率制御回路20は、周波数基準f*がf0に到達する直前の周波数基準変化率df*/dtから加速度a0を検出し、加速度a0、商用電源の周波数fCM、同期併入制御開始周波数f0、メモリ19に記憶された位相差θ0をパラメータとして、周波数指令f1 *がfCMに到達するときに位相差Δθをほぼゼロとするように加速関数を設定する。すなわち、時点t0の加速度a0を初期加速度とし、f0からfCMに到達するまでの時間をT0、このT0の期間に回転する位相差Δθの回転数をnとしたとき、(2.1)〜(2.5)式の条件を同時に満たすように加速度変化率kを定める。
【0023】
【数2】
(但し、nは任意に定めることのできる正の整数)
この連立方程式から、(3.1) 式のように、加速度変化率kの値を既知のパラメータで求めることができる。
【0024】
【数3】
k=f(a0 ,f0 ,fCM,θ0 ,n) (3.1)
加速率制御回路20は、(2.1) 式に基づいた加速度aでT0 の時間でf0 からfCMまで加速する。
【0025】
図2は、n=1として同期併入制御を行った場合の動作波形図である。
一定の加速率a0 で周波数基準f* が増加し、時点t0 で同期併入制御開始周波数f0 に達すると、加速度aをa0 から次第に減少させながら周波数基準f* を増加させ、T0 の時間が経過した時点t1 で周波数基準f* が商用電源の周波数fCMに達するとともに位相差Δθがほぼゼロになり、スムーズに位相同期制御が開始される。
【0026】
また、別の方法として、図3に示すように、一定の加速度でT0の時間でf0からfCMまで加速したとき、丁度、位相差Δθがゼロになるような加速度a1を定めることができる。(請求項1、請求項3)
すなわち、一定の加速度a1で、f0からfCMに到達するまでの時間をT0としたとき、(4.1)〜(4.4)式の条件を同時に満たす加速度a1を定める。
【0027】
【数4】
(但し、nは任意に定めることのできる正の整数)
この連立方程式を解いて、(5.1) 式のように、加速度a1 の値を既知のパラメータで求めることができる。
【0028】
【数5】
a1 =2π2 (fCM 2 −f0 2 )/(2nπ−Δθ) (5.1)
加速率制御回路20は、一定の加速度a1 でT0 の時間でf0 からfCMまで加速する。
【0029】
図3は、n=1として同期併入制御を行った場合の動作波形図である。
一定の加速率a0 で周波数基準f* が増加し、時点t0 で同期併入制御開始周波数f0 に達すると、加速度aをa0 からa1 に変更して周波数基準f* を一定の変化率で増加させ、T0 の時間が経過した時点t1 で周波数基準f* が商用電源の周波数fCMに達するとともに位相差Δθがほぼゼロになり、スムーズに位相同期制御が開始される。
【0030】
この実施例によれば、加速率制御回路20における計算の負担が軽減されるという利点がある。
これらの実施例によれば、位相同期制御を開始する前に周波数基準を一定とする期間がなくなり、商用電源の周波数まで連続して加速を行うことができ、短時間で位相同期制御に入れることが可能となる。更に、位相同期制御に入る時点での商用電源の電圧位相と電力変換装置の出力電圧位相の位相差をほぼゼロにすることができ、ショックを与えることなく位相同期制御を開始させることが可能となり、安定した位相同期制御を行うことができる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、交流電動機の駆動電源をインバータ電源から商用電源へ切り換える同期併入制御における不要な待ち時間をなくし、ショックを与えて制御の安定を乱すことなく、短時間で安定した位相同期制御を行うことができ、制御パラメータの設定の自由度を高め、高性能の同期併入制御を行うことのできる交流電動機の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1〜3に対応する実施例の構成図。
【図2】本発明の請求項1、2に対応する実施例の動作波形図で、加速度変化率を一定とした場合の動作波形図。
【図3】本発明の請求項1、3に対応する実施例の動作波形図で、加速度を一定とした場合の動作波形図。
【図4】従来装置の構成図。
【図5】従来装置の問題点を説明するための動作波形図。
【符号の説明】
1・・商用電源 2・・コンバータ
3・・リアクトル 4・・インバータ
5・・交流電動機 6・・加減速制限回路
7・・電圧制御回路 8・・電流制御回路
9・・位相制御回路 10・・周波数制御回路
11・・駆動部 12・・比較器
13a,13b,13c・・スイッチ 14・・位相差検出器
15・・比較器 16・・スイッチ
17・・位相同期制御回路 18・・加算器
19・・メモリ 20・・加速率制御回路
21・・比較器 31、32・・開閉器
40・・電流検出器 42、44・・電圧検出器
43、45・・位相検出器 46・・開閉器切換制御回路
Claims (3)
- 周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第1の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第1の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
- 周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第1の周波数に達した第1の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第1の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第1の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて 前記第1の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第1の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第2の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
- 請求項1に記載の交流電動機の制御装置において、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第1の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように定めることを特徴とする交流電動機の制御装置。
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