JP4422514B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置に係り、特に再起動時の制御特性を改良した電力変換装置に関する。

インバータ等の電力変換装置を運転中に瞬時停電が発生した場合、或いは商用電源による電動機駆動からインバータ駆動へ駆動系の切換を行う場合、電力変換装置を停止状態から再起動状態にスムースに制御することが重要である。例えば、誘導電動機をインバータで駆動中に停電が発生してインバータが停止し、誘導電動機がフリーラン中の所定の時間後に電源が復電し、インバータを再起動して駆動を継続しようとする場合、再投入時の過大な突入電流を防止し、スムースな再起動が行えるようにインバータを制御する必要がある。このため、フリーラン中の電動機の逆起電圧を検出し、その周波数及び位相に合うようにインバータの出力周波数及び位相を合わせた状態で再起動を行う方法が知られている。また最近では、フリーラン中の電動機の逆起電圧の大きさが大きいときは上記再起動方式を採用し、逆起電圧が検出し難い程小さい場合は、所定の電圧を印加したときの電流値から電動機の回転周波数を推定する手法も提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００１−１３６３８７号公報（第３−４頁、図１）

上述のようにフリーラン中の電動機の逆起電圧を検出し、その周波数及び位相に合うようにインバータの出力周波数及び位相を合わせた状態で再起動を行えば、再起動時の過渡現象をある程度抑えることが可能である。然しながら、再起動時の過渡現象は必ずしも位相と周波数だけで決まるものではなく、フリーラン中の電動機の逆起電圧の大きさにも依存することが認識されてきた。一般にフリーラン中の電動機の逆起電圧の大きさは回転速度に比例するが、誘導電動機の磁化状態は停電時の過渡現象に依存するため、停電時の印加電圧の過渡状態によってフリーラン中の電動機の逆起電圧は大きく変化する。

通常、復電再起動時の出力電流が過大に流れることを防止し、また過渡現象の継続時間を短くするため復電後の再起動時に適切な電流制限を設けていたが、電流制限レベルが一定の場合は、高負荷時の電流値を抑制するように電流制限レベルを決定すると、低負荷時の電流が低い場合には過大な電流が流れ、それに対して、低負荷時の電流値に対して設定すると、高負荷時に過度に電流を抑制し、そのため負荷とインバータ回路の位相にずれが生じ、過渡事象が継続する原因となる。この原因は電流制限レベルが再起動時の負荷に対して、適切に選択されていないためである。

このように過渡現象が継続するのは、負荷にとっては好ましい状態ではなく、場合によっては負荷を損傷する恐れもあった。

本発明は以上の点を鑑みて為されたもので、その目的は、再起動時の過渡状態から定常運転状態に速やかに移行可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、交流を直流に変換するコンバータと、前記直流を交流に変換し、その出力で交流電動機を駆動するインバータと、前記コンバータ及び前記インバータを制御するための制御部と、前記インバータの出力電流を検出
する電流検出器と、前記インバータの直流電圧に相当する電圧を検出する第１の電圧検出器と、前記交流電動機の入力電圧を検出する第２の電圧検出器と、から構成され、前記制御部は、前記第１の電圧検出器の検出電圧と、前記第２の電圧検出器の検出電圧を直流レベルに変換した電圧との差電圧を検出する差電圧検出手段と、前記差電圧の大きさに略比例し、オフセット分を加算して再起動時の電流制限レベルを演算する再起動時電流制限レベル演算手段と、前記インバータが停止状態から再起動して定常状態に移行する運転状態において、前記電流検出器の検出電流が前記電流制限レベルを超えたとき、前記インバータを一定期間電流抑制する電流抑制手段とを有することを特徴としている。

本発明によれば、インバータの出力電流を抑制する電流制限レベルを適切に設定したので、再起動時の過渡状態から定常運転状態に速やかに移行可能な電力変換装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。

３相交流電源１の交流電力は、コンバータ２により直流に変換され、直流コンデンサ３により平滑される。平滑された直流はインバータ４に供給され、任意の周波数の交流に変換される。この変換された交流は交流電動機５に供給される。コンバータ２及びインバータ４は、夫々図示しないパワーデバイスをブリッジ接続した主回路で構成され、制御部６から夫々のパワーデバイスのゲートに供給されるゲート制御信号により夫々の出力が制御されている。

インバータ４の出力電圧及び出力電流は夫々電圧検出器７及び電流検出器８で検出され、これらの検出信号は制御部６に供給されている。また、直流コンデンサ３の両端電圧は電圧検出器９で検出され、この検出信号は制御部６に供給されている。

次に制御部６の内部構成について説明する。

与えられた周波数基準をＶ／Ｆ変換回路１１で電圧基準に変換し、この電圧基準と電圧検出器９で検出されたフィードバック電圧とを比較し、その偏差がゼロとなるように電圧制御回路１２がゲート制御回路１３のゲートパルスを決定し、このゲートパルスによってコンバータ２を制御する。また、ゲート制御回路１３は前記周波数基準を受け、インバータ４の出力周波数を制御する。

３相交流電源１が短時間停電し、復電したとき、制御部６は一連の制御動作を行う。通常停電検出した時点で、コンバータ２及びインバータ４の動作を停止させ、復電を検出した時点でこれ等の運転を再開させるようにするが、この部分の制御回路は図示を省略している。図１に示されているのは復電時の位相同期制御と電流制限制御の部分であり、以下この構成を説明する。

復電時にインバータ４が動作する前に電圧検出器７で検出された信号は、フリーラン中の交流電動機５の逆起電圧に相当する。この信号は位相演算回路１４に供給され、位相演算回路１４は前記逆起電圧に周波数及び位相が一致するようにゲート制御回路１５を制御し、この位相差が収束した状態でインバータ４の運転を再開する。

一方、電圧検出器７で検出された信号は、電圧変換回路１６に入力され、直流電圧に相当するフィードバック値に変換される。このフィードバック値と電圧検出器９で検出された直流電圧を比較し、必要に応じてリミット回路を介して電流制限ゲイン１７の入力とする。電流制限ゲイン１７の出力と、電流制限オフセット１８の出力を加え、リミット回路１９を介して復電再起動時の電流制限レベルを決定する。この電流制限レベルは電流検出器８で検出されたフィードバック電流値と比較回路２０で比較され、フィードバック電流値が電流制限レベルを超えたとき、タイマ回路２１により、一定時間ゲート制御回路１５の出力をブロックしインバータ４の出力電流を抑制する。

以上の構成を採用すれば、インバータ４の出力位相を交流電動機５の逆起電圧位相に合わせた状態で再起動を行い、且つインバータ４の出力電圧と交流電動機５の逆起電圧の電圧差に応じて電流制限レベルを変えるようにしているので、再起動時に必要以上の電流が流れたときには、この電流を抑制し、定常状態への移行を速やかに行うことが可能となる。

尚、上記説明は停電後の復電時の制御について説明したが、交流電動機５を商用電源駆動からインバータ運転に駆動系を切換える場合についても同様である。

また、図１においては、コンバータ２で電圧制御を行い、インバータ４で周波数制御を行う電力変換装置の例で説明しているが、コンバータをダイオードコンバータとし、インバータを所謂ＰＷＭ制御形インバータとしてインバータで電圧制御を行う電力変換装置でも良い。この場合は、例えば電圧検出器９の出力をＰＷＭパターンで補正してインバータの直流電圧に相当する等価電圧を検出するような構成とする。

図２は、本発明の実施例２を示す電力変換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の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、電流検出器８で検出された各相の電流値を夫々比較器２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃにより電流制限レベルと比較し、比較器２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃの夫々の出力をタイマ回路２１Ａ、２１Ｂ及び２１Ｃを介してゲート制御回路１５に並列入力するように構成した点である。

以上のように構成することにより、電流制限レベルに到達した相を素早く見つけ出し、その該当する相に接続されるパワーデバイスのみをゲートブロックすることが可能となるので、より合理的に再起動時から定常状態への移行を速やかに行うことが可能となる。

更に、インバータ４がゼロ電圧出力可能な３レベルインバータである場合は、上記のゲートブロックを行う代わりに当該相の出力電圧をゼロにするように、即ち当該相のパワーデバイスの内側の２素子をオンしてゼロ電圧に固定するように制御するようにすれば、ゲートブロックを行って電流抑制する手法に比べて、再起動に要する過渡時間を更に短縮することが可能となる。

図３は、本発明の実施例３を示す電力変換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の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電動機定数設定回路２２及びオフセット演算回路２３を設け、電動機定数設定回路２２からの信号で電流制御ゲイン１７の出力を決め、電動機定数設定回路２２の出力とＶ／Ｆ演算器１１の出力及び位相演算回路１４から得られる位相オフセットΔθとから電流制限オフセット１８の出力を決めるように構成した点である。

電圧変換回路１６の出力と電圧検出器９の出力の電圧差によって流れる電流は、交流電動機５のインピーダンスによって決まる。従って、リミット回路１９の出力である電流制限レベルは上記電圧差をインピーダンスで除し、余裕分を加えた値とするのが妥当である。

また、電流制限オフセット１８の出力は、上記電圧差がゼロのとき流れる電流に設定すべき性質のものである。この値は、位相演算器１４の制御誤差である位相オフセットΔθとコンバータ２の電圧基準Ｖｒと交流電動機５のインピーダンスＺを用いて、ΔＩ＝ＶｒsinΔθ／Ｚで近似可能となる。尚、上記電圧基準Ｖｒを使用する代わりに、電圧検出器７で得られた逆気電圧を使用しても良い。

以上のように電動機定数から電流制限ゲインと電流制限オフセットを決めるようにすれば、再起動時の過大電流を合理的に抑制し定常状態への移行を速めることが可能となる。

図４は、本発明の実施例４を示す電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、速度補正回路２４を設け、周波数基準から求められた速度に応じて電流制限レベルに補正を加える構成とした点である。

電圧変換回路１６の出力と電圧検出器９の出力の電圧差が生じる原因は、停電時の過渡電圧が交流電動機５の励磁状態を変化させるためであるが、その電圧差の最大値を考えると交流電動機５が消磁された状態、即ち電圧変換回路１６の出力がゼロとなった状態である。従って電圧差の最大値は運転速度に比例する。これは低速時には過渡電流が流れにくいことを意味する。このため、低速時には電流制限レベルを下げるような補正を加えれば、電流制限レベルが更に合理的になり、再起動時の過大電流を抑制しながら速やかに定常状態への移行が可能となる。

本発明の実施例１を示す電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例２を示す電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例３を示す電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例４を示す電力変換装置の回路構成図。

符号の説明

１ ３相交流電源
２ コンバータ
３ 直流コンデンサ
４ インバータ
５ 交流電動機
６ 制御部
７ 電圧検出器
８ 電流検出器
９ 電圧検出器
１１ Ｖ／Ｆ変換回路
１２ 電圧制御回路
１３ ゲート制御回路
１４ 位相演算回路
１５ ゲート制御回路
１６ 電圧変換回路
１７ 電流制御ゲイン
１８ 電流制限オフセット
１９ リミット回路
２０、２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃ 比較回路
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ タイマ回路
２２ 電動機定数設定回路
２３ オフセット演算回路
２４ 速度補正回路

Claims (5)

1. 交流を直流に変換するコンバータと、
   前記直流を交流に変換し、その出力で交流電動機を駆動するインバータと、
   前記コンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、
   前記インバータの直流電圧に相当する電圧を検出する第１の電圧検出器と
   前記交流電動機の入力電圧を検出する第２の電圧検出器と、
   から構成され、
   前記制御部は、
   前記第１の電圧検出器の検出電圧と、前記第２の電圧検出器の検出電圧を直流レベルに変換した電圧との差電圧を検出する差電圧検出手段と、
   前記差電圧の大きさに略比例し、オフセット分を加算して再起動時の電流制限レベルを演算する再起動時電流制限レベル演算手段と、
   前記インバータが停止状態から再起動して定常状態に移行する運転状態において、前記電流検出器の検出電流が前記電流制限レベルを超えたとき、前記インバータを一定期間電流抑制制御する電流抑制手段と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電流抑制手段は、
   前記電流検出器により検出された各相の検出電流を夫々前記再起動時電流制限レベル演算手段で求められた電流制限レベルと比較し、
   何れかの相の前記検出電流が前記電流制限レベルを超えたとき、
   前記インバータの当該相を一定期間ゲートブロックするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータはゼロ電圧出力が可能な３レベルインバータであり、
   前記電流抑制手段は、
   前記電流検出器により検出された各相の検出電流を夫々前記再起動時電流制限レベル演算手段で求められた電流制限レベルと比較し、
   何れかの相の前記検出電流が前記電流制限レベルを超えたとき、
   前記インバータの当該相を一定期間ゼロ電圧出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記再起動時電流制限レベル演算手段は、更に電動機定数設定手段を有し、
   前記電流制限レベルを前記電動機定数設定手段で設定された定数に応じて変化させ、
   前記電流制限オフセットを、
   前記インバータと前記交流電動機の位相オフセットにより流れる電流値から決定するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載した電力変換装置。
5. 前記再起動時電流制限レベル演算手段は、更に速度補正手段を有し、
   再起動時の前記交流電動機の速度に応じて前記電流制限レベルを補正するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載した電力変換装置。

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