JP4143496B2

JP4143496B2 - 電圧形インバータ装置

Info

Publication number: JP4143496B2
Application number: JP2003279504A
Authority: JP
Inventors: 美博永瀧; 雅博木下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP2005045973A

Description

本発明は、電圧形インバータ装置に係り、特に瞬時電圧低下発生時に装置を停止することなく誘導電動機の運転を可能とする電圧形インバータ装置の改良に関する。

交流電源で駆動される一般的な電圧形インバータ装置においては、停電時、直流部コンデンサに蓄積されているエネルギーは数十ｍｓ程度の時間しか供給能力がない。従って、誘導電動機を運転中に交流電源に瞬時電圧低下（以下瞬低と略す）が生じて交流電源から電力の供給が行われなくなった場合には、所望の運転周波数ｆｒにて運転を行おうとすると瞬時に直流電圧が降下し正常な運転ができなくなる。

これを防止するため、直流電圧レベル検出器により電圧低下が検出されると所定の瞬時位相シフトを行うとともに、電流検出信号から算出した瞬時停電時回生運転用滑り周波数ｆｓを演算出力し運転周波数から減算する。これにより電圧形インバータは回生運転に移行し、電動機の慣性エネルギーにより直流電圧が回復され運転が継続される（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−２３１６８５号公報（明細書の第９頁第１４行〜第１０頁第５行及び第１図）

従来の電圧形インバータ装置は以上のように構成され、直流電圧レベル検出器を必要とし、特に高電圧の装置になると直流電圧レベル検出器には高い絶縁レベルのものが必要となり、電圧形インバータ装置が高価になるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、直流電圧の検出器を設けなくても、瞬時停電など交流電源の電圧の一時的な低下が発生しても装置を停止することなく誘導電動機の運転を可能とする安価な電圧形インバータ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電圧形インバータ装置においては、交流電源から電力の供給を受けて直流に変換する順変換装置と直流を交流に変換する逆変換装置と順変換装置の直流側に接続されたコンデンサとを有し逆変換装置の出力により誘導電動機を駆動する電圧形インバータ装置本体、出力周波数指令信号に基づいて逆変換装置の出力電圧指令値を発生する電圧基準信号発生手段、交流電源の電圧を検出する電圧検出手段、逆変換装置の出力電流を検出する電流検出手段、出力電圧指令値と逆変換装置の出力電流とに基づいて逆変換装置の出力を求める出力算出手段、逆変換装置の出力と予め定められた電圧低下時電力指令値との出力偏差を求める偏差検出手段、電圧検出手段が交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき出力偏差が零になるように出力周波数指令信号を制御する周波数制御手段を備えたものである。

この発明は以上説明したように、交流電源から電力の供給を受けて直流に変換する順変換装置と直流を交流に変換する逆変換装置と順変換装置の直流側に接続されたコンデンサとを有し逆変換装置の出力により誘導電動機を駆動する電圧形インバータ装置本体、出力周波数指令信号に基づいて逆変換装置の出力電圧指令値を発生する電圧基準信号発生手段、交流電源の電圧を検出する電圧検出手段、逆変換装置の出力電流を検出する電流検出手段、出力電圧指令値と逆変換装置の出力電流とに基づいて逆変換装置の出力を求める出力算出手段、逆変換装置の出力と予め定められた電圧低下時電力指令値との出力偏差を求める偏差検出手段、電圧検出手段が交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき出力偏差が零になるように出力周波数指令信号を制御する周波数制御手段を備えたものであるので、順変換装置の直流側の電圧を検出する検出器を設けなくても出力算出手段により出力電圧指令値と逆変換装置の出力電流とに基づいて逆変換装置の出力を求めることができ、瞬時停電など交流電源の電圧の一時的な低下が発生しても装置を停止することなく誘導電動機の運転を可能とする安価な電圧形インバータ装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電圧形インバータ装置の構成を示す構成図である。図１において、三相交流電源１に三相ブリッジ結線されたダイオードを有する整流器２が接続され、この整流器２の直流出力側に直流平滑コンデンサ３が接続されている。整流器２の直流出力側に三相ブリッジ構成された出力電圧及び周波数が可変であるインバータユニット４が接続されている。インバータユニット４の三相交流の出力側に誘導電動機（ＩＭ）５が接続され、誘導電動機５に負荷２２が連結されている。三相交流電源１には停電検出器６が接続されており、三相交流電源１の電圧が所定値以下に低下すると電圧低下信号を発し、上記所定値よりも高い別の所定値以上に復帰すると電圧復帰信号を発する。

誘導電動機５の運転速度（運転周波数）ωｒを設定する速度設定器９の出力は、誘導電動機５の負荷に応じて加減速時間を算出する加減速ランプ発生器１０に入力される。加減速ランプ発生器１０の出力及び後述の積分器１８の出力である周波数補正分ωｓは、加算器２０に入力され、加算器２０にて加算され出力周波数指令ωｏとしてＶ／Ｆ制御器１２及び後述の除算器１７に与えられる。Ｖ／Ｆ制御器１２は加算器２０の出力周波数指令ωｏに基づいて所定の電圧指令Ｖｓを演算し、相電圧基準信号発生器１３に発信する。

相電圧基準信号発生器１３は、加算器２０の出力周波数指令ωｏとＶ／Ｆ制御器１２の電圧指令Ｖｓとに基づき三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗを演算し、インバータユニット４及び電力演算器１５に出力する。また、インバータユニット４から誘導電動機５に流れるインバータユニット４の出力電流としての電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを電流検出器１４ａ，１４ｂ，１４ｃによりおのおの検出する。電力演算器１５は、相電圧基準信号発生器１３の三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗと電流検出器１４ａ，１４ｂ，１４ｃの検出した電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗからインバータユニット４の出力Ｐを演算し、偏差検出器１６に出力する。

偏差検出器１６は、図示しない電力設定器からの電圧低下時電力指令値である電力指令値Ｐｓと電力演算器１５にて演算された出力Ｐとの電力偏差ΔＰを求め、除算器１７に出力する。除算器１７は、偏差検出器１６にて求められた電力偏差△Ｐを、出力周波数指令ωｏで除してトルク指令Ｔを演算する。ゲインＧを持つ積分器１８は、除算器１７からのトルク指令Ｔと負荷２２を含んだ誘導電動機５の慣性エネルギーＪとに基づいて周波数補正分ωｓを算出する。判定器１９に停電検出器６から電圧低下信号及び電圧復帰信号な入力され、積分器１８から周波数補正分ωｓが入力され、これらに基づきスイッチ１１の開閉制御を行う。

復帰装置２５は、停電検出器６から電圧復帰信号を受けて積分器１８の蓄積電荷を一定速度で放電させる。
なお、速度設定器９とスイッチ１１と偏差検出器１６と除算器１７と積分器１８と判定器１９と加算器２０とがこの発明の周波数制御手段、速度設定器９が運転周波数を設定する運転周波数設定手段、積分器１８が周波数補正分算出手段、スイッチ１１と積分器１８と復帰装置２５とが電圧回復時復帰手段である。

次に動作について説明する。三相交流電源１に瞬低が発生した場合、停電検出器６から電圧低下信号が判定器１９に対して発信されるので、判定器１９は直ちにスイッチ１１を閉とする。電力指令値Ｐｓには直流平滑コンデンサ３に蓄積されているエネルギーを消費しないようにするために予めＰｓ＝０が与えられている。電力演算器１５は下記（１）式の関係を用いてインバータユニット４の出力Ｐを算出する。
Ｐ＝Ｖｕ×Ｉｕ＋Ｖｖ×Ｉｖ＋Ｖｗ×Ｉｗ（１）

除算器１７では電力指令値Ｐｓと演算された出力Ｐとの偏差△Ｐから、出力周波数指令ωｏとモータ極数ｐとを用いて次の（２）式によりトルク指令値Ｔを演算する。
Ｔ＝９７４×△Ｐ／（１２０×ωｏ／ｐ）（２）
さらに負荷２２を含んだ誘導電動機５の慣性エネルギーＪ（以下、単に誘導電動機５の慣性エネルギーＪという、負荷の慣性エネルギーが小さいときは誘導電動機５でけでよい）と速度Ｎは、その運動方程式から次の（３）式の関係
Ｎ∝∫（１／Ｊ）・Ｔ・ｄｔ（３）
にあるので、除算器１７の出力であるトルク指令値Ｔを誘導電動機５の慣性エネルギーＪに対応した積分器１８（ゲインＧ）に入力して積分器１８の出力として周波数補正分ωｓを得る。つまり、積分器１８は入力されたトルク指令Ｔと誘導電動機５の慣性エネルギーＪのモデルに基づき周波数補正分ωｓを得る。

この周波数補正分ωｓは、加算器２０に出力される加減速ランプ発生器１０の指令値と加算され出力周波数指令ωｏとしてＶ／Ｆ制御器１２に与えられる。Ｖ／Ｆ制御器１２は与えられた加算器２０から出力周波数指令ωｏに基づいて所定の電圧指令Ｖｓを演算し、相電圧基準信号発生器１３へ発信する。相電圧基準信号発生器１３はＶ／Ｆ制御器１２から与えられた電圧指令Ｖｓに基づいて三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗを求め、インバータユニット４に与え、インバータユニット４はこの三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗに基づいて三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力し誘導電動機５を駆動する。

ここで、運転周波数ωｒに周波数補正分ωｓが加算された出力周波数指令ωｏはインバータユニット４から供給される電力が０となるよう動作する。従って、出力周波数指令ωｏに基づいて演算された三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗにより運転される誘導電動機５に対して電力の供給を必要としないため、停電時も直流平滑コンデンサに蓄積されているエネルギーは消費されることなく保持され、直流電圧が低下せず、誘導電動機５を継続して安定に運転できることになる。

すなわち、停電検出器６が三相交流電源１の電圧低下を検出すると、スイッチ１１を直ちに切り換え、電力演算器１５が相電圧基準信号発生器１３の発生する電圧基準信号と誘導電動機５の入力電流とに基づいてインバータユニット４の出力（電力）を演算し、インバータユニット４の出力が電力指令値Ｐｓ（０に設定）と同じになるように、誘導電動機５の制御を電圧制御から電力制御に移行させて回生運転とし、直流平滑コンデンサ３の蓄積電荷の消費により直流側の電圧低下を招くことを防止し、誘導電動機５の運転を継続できるようにする。

次に復電後の動作について説明する。電圧が回復した後（復電後）は誘導電動機５は電力制御から本来の速度制御に戻す必要がある。ショックレスに速度制御に移行させるために、停電検出器６は三相交流電源１の電圧が上記別の所定値以上に回復したことすなわち複電を検出すると復帰装置２５に電圧復帰信号を発信する。復帰装置２５は電圧復帰信号を受信すると、そのランプ出力により周波数補正分ωｓを積分器１８の入力に関わらず加減速ランプ発生器１０の出力と同じ傾きで減少するよう積分器１８の放電を制御する。

積分器１８の積分出力である周波数補正分ωｓが減少して行き、周波数補正分ωｓが所定値以下（ほぼ０）になった時点で、判定器１９は電圧の回復が完了したと判断しスイッチ１１を開とし、積分器１８の周波数補正分ωｓの加算を中止する。前記一連の動作にて、見かけ上誘導電動機５は通常の加速と同じ動作をするため、安定かつ速やかに誘導電動機５の速度は本来の速度設定値ωｒに回復し、速度制御に復帰する。

なお、上記実施の形態では、相電圧基準信号発生器１３の三相正弦波電圧基準Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗと電流検出器１４ａ，１４ｂ，１４ｃの検出した誘導電動機５に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗからインバータユニット４の出力Ｐを演算するとしているが、誘導電動機５以外の負荷がある場合は、誘導電動機５に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの代わりにらインバータユニット４から出力される電流を測定し、この電流に基づきインバータユニット４の出力Ｐを演算するする。

以上のように、この実施の形態によれば、交流電源から電力の供給を受けて直流に変換する順変換装置と直流を交流に変換する逆変換装置と順変換装置の直流側に接続されたコンデンサとを有し逆変換装置の出力により誘導電動機を駆動する電圧形インバータ装置本体、出力周波数指令信号に基づいて逆変換装置の出力電圧指令値を発生する電圧基準信号発生手段、交流電源の電圧を検出する電圧検出手段、逆変換装置の出力電流を検出する電流検出手段、出力電圧指令値と逆変換装置の出力電流とに基づいて逆変換装置の出力を求める出力算出手段、逆変換装置の出力と予め定められた電圧低下時電力指令値との出力偏差を求める偏差検出手段、電圧検出手段が交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき出力偏差が零になるように出力周波数指令信号を制御する周波数制御手段を備えた。

また、周波数制御手段は、運転周波数を設定する運転周波数設定手段及び出力偏差と誘導電動機の回転エネルギーとに基づいて周波数補正分を算出する周波数補正分算出手段を有し、運転周波数を出力周波数指令信号として出力するとともに電圧検出手段が交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき運転周波数を周波数補正分にて補正を行うことにより出力偏差が零になるように出力周波数指令信号を制御するものとした。

さらに、電圧検出手段が交流電源の電圧が予め定められた所定の値以上に復帰したことを検出したとき周波数補正分を一定速度で減少させるとともに周波数補正分が減少して運転周波数との差が所定値以下になったとき運転周波数に対する周波数補正分による補正を中止する電圧回復時復帰手段を設けた。

従って、順変換装置の直流側の電圧を検出する検出器を設けなくても出力算出手段により出力電圧指令値と逆変換装置の出力電流とに基づいて逆変換装置の出力を求めることができ、瞬時停電など交流電源の電圧の一時的な低下が発生しても装置を停止することなく誘導電動機の運転を可能とする安価な電圧形インバータ装置を得ることができる。また、交流電源の電圧が回復した後に、誘導電動機の制御を電力制御から速度制御にショックレスに移行させることができる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２である電圧形インバータ装置の構成を示す構成図である。図２に示すように、スイッチ３１、積分器３８、復帰装置４５を設け、スイッチ３１によりＶ／Ｆ制御器１２に与える信号を、加減速ランプ発生器１０からの出力信号と、積分器３８からの出力信号とを切換えて、これを出力周波数指令ωｏとしてＶ／Ｆ制御器１２に与えるようにすることもできる。この場合、予め三相交流電源１の電圧が正常で電圧形インバータ装置が加減速ランプ発生器１０のからの出力信号により運転しているときに（ωｏ＝ωｒ）、すなわち判定器１９によりスイッチ３１を介して加減速ランプ発生器１０側が選択されているときに、積分器３８には加減速ランプ発生器１０の出力と同じ充電量を初期値として与えておく。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

通常、スイッチ３１は速度設定器９側に切り換えられており、速度設定器９の速度指令ωｒが出力周波数指令ωｏとしてＶ／Ｆ制御器１２に与えられ、誘導電動機５は通常の速度制御がなされている。三相交流電源１に瞬低が発生した場合、停電検出器６からの電圧圧低下信号を受けて判定器１９は直ちにスイッチ３１を切り換え、積分器３８の出力を出力周波数指令ωｏとしてＶ／Ｆ制御器１２に与える。なお、積分器３８は、除算器１７からのトルク指令Ｔを誘導電動機５の慣性エネルギーＪを考慮して積分して電圧低下時周波数指令値ωｃを算出する。Ｖ／Ｆ制御器１２は電圧低下時周波数指令値ωｃに基づいて電圧指令Ｖｓを算出し、相電圧基準信号発生器１３を介してインバータユニット４から誘導電動機５に供給される電力が０となるように制御する。これにより、直流側の出電圧低下を来すことなく、誘導電動機２を継続して安定に運転できる。

復電後は、復帰装置４５が停電検出器６から電圧復帰信号を受けて積分器３８の積分値である電圧低下時周波数指令値ωｃがその入力に関わらず加減速ランプ発生器１０の出力と同値となるよう一定のランプで充電して行く、すなわち積分器１８の出力を一定の速度で増加して行く。そして判定器１９は、積分器３８の出力である電圧低下時周波数指令値ωｃと加減速ランプ発生器１０の出力である運転周波数指令値ωｒとの差が所定の値以下（ほぼ０）になった時点で電圧の回復が完了したと判断し、スイッチ３１を元の状態に切り換える。これにより、複電後、電力制御から速度制御にショックレスに戻すことができる。

なお、速度設定器９と偏差検出器１６と除算器１７と判定器１９と加算器２０とスイッチ３１と積分器３８とがこの発明の周波数制御手段、速度設定器９が運転周波数を設定する運転周波数設定手段、積分器３８が電圧低下時周波数指令値算出手段、判定器１９とスイッチ３１と積分器３８と復帰装置４５とが電圧回復時復帰手段である。

以上のようにこの実施の形態によれば、周波数制御手段は、運転周波数を設定する運転周波数設定手段及び出力偏差と誘導電動機の回転エネルギーとに基づいて電圧低下時周波数指令値を算出する電圧低下時周波数指令値算出手段を有し、運転周波数を出力周波数指令信号として出力するとともに電圧検出手段が交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき出力周波数指令信号を運転周波数から電圧低下時周波数指令値に切り換えることにより出力偏差が零になるように出力周波数指令信号を制御するものとした。

そして、電圧検出手段が交流電源の電圧が予め定められた所定の値以上に復帰したことを検出したとき電圧低下時周波数指令値を一定速度で増加させるとともに電圧低下時周波数指令値が増加して運転周波数との差が所定値以下になったとき出力周波数指令信号を電圧低下時周波数指令値から運転周波数に切り換える電圧回復時復帰手段を設けた。

上記各実施の形態において、電力指令値Ｐの図示しない設定器、積分器１８は、アナログ回路であればボリューム、デジタル回路であればメモリまたは自己消去可能な不揮発メモリなどによって構成することができ、容易にその設定値やゲインを変更できる。なお、各構成要素は必要に応じてアナログ回路を用いたり、マイクロプロセッサやデジタル回路を用いたり、またこれらを適宜混ぜて用いることにより実現できる。

この発明の実施の形態１である電圧形インバータ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態２である電圧形インバータ装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１三相交流電源、２整流器、３直流平滑コンデンサ、
４インバータユニット、５誘導電動機、６停電検出器、９速度設定器、
１０加減速ランプ発生器、１１，３１スイッチ、１２Ｖ／Ｆ制御器、
１３相電圧基準信号発生器、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ電流検出器、
１５電力演算器、１６偏差検出器、１７除算器、１８，３８積分器、
１９，３９判定器、２０加算器、２５，４５復帰装置。

Claims

交流電源から電力の供給を受けて直流に変換する順変換装置と上記直流を交流に変換する逆変換装置と上記順変換装置の直流側に接続されたコンデンサとを有し上記逆変換装置の出力により誘導電動機を駆動する電圧形インバータ装置本体、出力周波数指令信号に基づいて上記逆変換装置の出力電圧指令値を発生する電圧基準信号発生手段、上記交流電源の電圧を検出する電圧検出手段、上記逆変換装置の出力電流を検出する電流検出手段、上記出力電圧指令値と上記逆変換装置の出力電流とに基づいて上記逆変換装置の出力を求める出力算出手段、上記逆変換装置の出力と予め定められた電圧低下時電力指令値との出力偏差を求める偏差検出手段、上記電圧検出手段が上記交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき上記出力偏差が零になるように上記出力周波数指令信号を制御する周波数制御手段を備えた電圧形インバータ装置。
上記周波数制御手段は、運転周波数を設定する運転周波数設定手段及び上記出力偏差と上記誘導電動機の回転エネルギーとに基づいて周波数補正分を算出する周波数補正分算出手段を有し、上記運転周波数を上記出力周波数指令信号として出力するとともに上記電圧検出手段が上記交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき上記運転周波数を上記周波数補正分にて補正を行うことにより上記出力偏差が零になるように上記出力周波数指令信号を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記電圧検出手段が上記交流電源の電圧が予め定められた所定の値以上に復帰したことを検出したとき上記周波数補正分を一定速度で減少させるとともに上記周波数補正分が減少して上記運転周波数との差が所定値以下になったとき上記運転周波数に対する上記周波数補正分による補正を中止する電圧回復時復帰手段を設けたものであることを特徴とする請求項２に記載の電圧形インバータ装置。
上記周波数制御手段は、運転周波数を設定する運転周波数設定手段及び上記出力偏差と上記誘導電動機の回転エネルギーとに基づいて電圧低下時周波数指令値を算出する電圧低下時周波数指令値算出手段を有し、上記運転周波数を上記出力周波数指令信号として出力するとともに上記電圧検出手段が上記交流電源の電圧が所定値以下に低下したことを検出したとき上記出力周波数指令信号を上記運転周波数から上記電圧低下時周波数指令値に切り換えることにより上記出力偏差が零になるように上記出力周波数指令信号を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記電圧検出手段が上記交流電源の電圧が予め定められた所定の値以上に復帰したことを検出したとき上記電圧低下時周波数指令値を一定速度で増加させるとともに上記電圧低下時周波数指令値が増加して上記運転周波数との差が所定値以下になったとき上記出力周波数指令信号を上記電圧低下時周波数指令値から上記運転周波数に切り換える電圧回復時復帰手段を設けたものであることを特徴とする請求項４に記載の電圧形インバータ装置。