JP4572017B2 - インバータ並列運転装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、並列運転されるインバータ間における有効電力の平衡と無効電力の平衡とをはかるようにしたインバータ並列運転装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
並列運転されるインバータ装置は公知であり、当該並列運転されるインバータ相互間で有効電力を平衡させることが行われている(例えば特許第2678991号公報や特開2000−32764号公報参照)。
【0003】
これら公知の技術においては、出力される有効電力が周波数(位相)を進めるあるいは遅らせることによって制御可能であることを利用している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記公知の技術においては、並列運転されるインバータ間での出力無効電力を平衡させることに関しては考慮されていない。
【0005】
本発明は、並列運転されるインバータ相互間において、夫々の出力有効電力と出力無効電力との両者を平衡化するようにすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、並列運転させるインバータ相互間での出力有効電力の平衡に関しては、従来公知の如くいずれかまたはすべてのインバータにおける周波数(位相)を制御することによって平衡化されると共に、出力無効電力の平衡に関してはいずれかまたはすべてのインバータの出力電圧を制御することによって平衡化を行うようにしている。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施例構成を示し、図示の場合には2台のインバータが並列運転させているものとして示されている。
【0008】
図中の符号10,20は夫々インバータ、11−i,21−iは夫々制御素子、12,22は夫々チョーク・コイル(フィルタ)、13,23は夫々コンデンサ(フィルタ)、14−i,24−iは夫々フィルタの出力端、15,25は夫々制御素子制御部、16,26は夫々位相検出部、17,27は夫々PWM制御部、18,28は夫々出力電流検出手段、19,29は夫々内部電圧検出手段、30は共通負荷、40−iはドライブ回路を表している。
【0009】
インバータ10,20は夫々、夫々の制御素子11−i,21−iにおける制御端子(例えば、トランジスタのゲート又はベース)に対して、制御素子制御部15,25とドライブ回路40−1と40−2とを介して、パルス幅変調された制御信号(PWM制御信号)を印加することによって、従来公知の如く、所望の周波数(位相)ので所望の出力電圧を発生する。その出力はチョーク・コイル(12又は22)とコンデンサ(13又は23)よりなるフィルタを介して負荷30に給電する。
【0010】
パルス幅変調された制御信号は、デューティ比と周期とを可変にされた矩形波の信号である。有効電力を平衡化する制御に当たっては、当該制御信号の周期を制御する。また本発明において無効電力を平衡化する制御に当たっては、当該制御信号のデューティ比を制御する。
【0011】
以下、図2ないし図4を参照して、インバータ並列運転の状態について解析する。
【0012】
図2は図1に示すインバータ装置の簡略化された等価回路を示し、図中の符号10,20,30,14,24は図1に対応している。即ち、第1のインバータ10と第2のインバータ20とは、夫々フィルタを介して、フィルタの出力端14と24とを接続されて、共通負荷30に給電している。
【0013】
図3は、図2に関連する記号を列挙した説明図であり、例えばE1 やE2 はインバータ10側やインバータ20側のフィルタへの入力電圧(インバータの内部電圧)、EL1やEL2は夫々のフィルタにかかる電圧……を表している。
【0014】
また図4は、インバータ10、負荷30、インバータ20、インバータ10側のフィルタにおける夫々のベクトル図を表している。
【0015】
Vを基準として式を立てると
【0016】
【数1】
【0017】
インバータ10が供給している有効電力をP1 、無効電力をQ1 とする。
【0018】
遅れ無効電力の符号を正とすると
【0019】
【数2】
【0020】
同様にインバータ20が供給している有効電力をP2 、無効電力をQ2 とすると、
【0021】
【数3】
【0022】
インバータ20、インバータ10が供給している有効電力差P2 −P1 を求めると、
【0023】
【数4】
【0024】
インバータ10と20とは同種のインバータであるから、XL1≒XL2、R1 ≒R2 、ZL1≒ZL2であり、更に、EL1やEL2は小さい値であることからE1 ≒E2 ≒Vでかつほぼ一定値とする。
【0025】
【数5】
【0026】
とおくと
【0027】
【数6】
【0028】
となる。
【0029】
同様にインバータ20とインバータ10とが供給している無効電力差Q2 −Q1 を求めると
【0030】
【数7】
【0031】
となる。
【0032】
ここで、従来公知の如く、並列運転時位相のみを制御した場合の各インバータの電力バランスについて吟味する。
【0033】
インバータの位相制御法は、周波数を微少変化させて行う。つまり、周波数を高くすれば位相が進み、低くすれば遅れる。
【0034】
図5は出力有効電力Pと周波数fとの関係を示す図である。両者の関係は
f=f0 −k・P
の関係で表され、周波数fを制御することによって、出力有効電力Pが変化する。
【0035】
インバータの並列運転の安定条件は、全てのインバータの周波数が等しくなることだから、ある周波数fで安定することになる。
【0036】
したがって、図6に示す如く、その時の各インバータの出力電力は、式
f=f0 −k・P
で示される有効電力P1 ,P2 が出力されている。よって、インバータ相互間の有効電力平衡化は、このf−Pの関係の下で夫々のインバータの周波数を多少変更する制御を行うことによって達成される。
【0037】
以下、簡単のためフィルタの抵抗分を無視すると、φL =90°となり
P2 −P1 =VIS (θ2 −θ1 ) ……(1)
Q2 −Q1 =VIS (E2 −E1 ) ……(2)
ここで、第(1)式と第(2)式とが共にゼロになることが理想である。(P2 −P1 )の値は、図6に関連して説明した如くいずれか一方あるいは両方のインバータの周波数fを制御することによってゼロになるように制御される。
【0038】
一方周波数fの制御のみでは(Q2 −Q1 )の値は制御できない。したがって、従来公知の場合には、インバータ相互間に非所望な無効電流が流れてしまう。
【0039】
本発明は、この無効電流に対応する出力無効電力Qをも制御できるようにして、前記(Q2 −Q1 )の値をゼロにするようにする。
【0040】
第(2)式から
E2 >E1 のとき
E2 −E1 の差が大きいと、E2 からの遅れの無効電力が多くなり、E2 −E1 の差が小さいと、E2 からの遅れの無効電力が少なくなる。
【0041】
またE2 <E1 のときは、
E2 −E1 の差が大きいと、E2 からの進みの無効電力が多くなり、E2 −E1 の差が小さいと、E2 からの進みの無効電力が少なくなる。
【0042】
よって無効電力に対して内部電圧の差を制御することで無効電力差をゼロに近づけることができる。
【0043】
負荷に流れる無効電力をQ0 とすると
Q2 +Q1 =Q0
第(2)式で
Q2 −Q1 =VIS (E2 −E1 )
であるから
【0044】
【数8】
【0045】
よって無効電力Iq1(インバータ10の無効電流)、Iq2(インバータ20の無効電流)は、E2 −E1 ≡2△Eとおくと、
【0046】
【数9】
【0047】
自機の電圧が、低い時には電流が進み側に多く流れ、高い時には電流が遅れ側に多く流れる。このことから、電圧差△Eを小さくするように、一方または両方のインバータの内部電圧を制御するようにする。
【0048】
図7は本発明の場合におけるインバータの出力電流が制御される状態を示している。
【0049】
インバータ電流I1 又はI2 が定格電流Ir を超えない範囲においてはインバータの内部電圧E1 又はE2 に対する制御を行わず、インバータ電流I1 又はI2 が定格電流Ir を超えるとき
△S1 =α(I1 −Ir )sin φ1
又は
△S2 =α(I2 −Ir )sin φ2
(但し、αは正の係数、φ1 はE1 とI1 との位相差、φ2 はE2 とI2 との位相差)
にしたがう形で、インバータの内部電圧E1 又はE2 を
E1 +△S1 (△S1 は正又は負の数となる)
E2 +△S2 (△S2 は正又は負の数となる)
になるように制御する。
【0050】
なお、上記φ1 やφ2 は、E1 ≒V≒E2 である場合には、出力電圧Vと夫々のインバータの出力電流I1 やI2 との位相差を用いることができる。
【0051】
図7においてIr を定格電流値としたが、電流リミッタ値を超えない範囲の任意の電流値でよく、以下、Ir の代わりにIr’を用いることにする。即ち、
△S1 =α(I1 −Ir’)sin φ1
又は
△S2 =α(I2 −Ir’)sin φ2
にしたがう形で、制御することができる。
【0052】
また一般にsin φ1 やsin φ2 の値は、φ1 やφ2 の値をそのまま用いることができる。したがって、
△S1 =α(I1 −Ir’)φ1
又は
△S2 =α(I2 −Ir’)φ2
にしたがう形で、制御することができる。
【0053】
また、前記sin φ1 やsin φ2 、あるいはφ1 やφ2 を用いる代わりに、当該sin φ1 やsin φ2 、あるいはφ1 やφ2 の絶対値が、所定値未満においては当該sin φ1 やsin φ2 、あるいはφ1 やφ2 をそのまま用い、かつ当該所定値以上の場合には当該所定値におけるsin φ1 やsin φ2 の、あるいはφ1 やφ2 の値を固定してその固定値を用いることもできる。
【0054】
前記図7に関連して、係数αの大きさは+△S1 側への制御の場合と−△S1 側への制御の場合とで同じ値としたが、いずれの側への制御かによって係数αの大きさを異ならしめることもできる。一般には、+△S1 側への制御の場合には、内部電圧を高める方向であることから当該内部電圧を高める側の制御の効き方をゆるやかにすることが望ましいので、+△S1 側での係数をα1 とし、−△S1 側での係数をα2 とした場合に、
α1 <α2
となるようにするのが良い。
【0055】
更に、インバータの内部電圧E1 又はE2 を高める側の制御を行うことが好ましくない場合には、△S1 又は△S2 が負の値の際にのみ制御を行うようにすることができる。逆に、インバータの内部電圧E1 又はE2 を低める側の制御を行うことが好ましくない場合には、△S1 又は△S2 が正の値の際にのみ制御を行うようにすることができる。勿論、△S1 又は△S2 が正負に拘らず、前記制御を行うようにすることができることは言うまでもない。
【0056】
更に、△S1 や△S2 に上限値や下限値を設定しておくことができ、勿論、上限値と下限値との両方を設定しておくことができる。この場合には、上限値あるいは下限値に達した後ではそれを超えての制御が行われないようにされることになる。
【0057】
図1に示す位相検出部16(26)は夫々電圧E1 (E2 )と出力電流I1 (I2 )との位相差φ1 (φ2 )を検出してPWM制御部17(27)に供給する。PWM制御部17(27)は、電圧E1 (E2 )と出力電流I1 (I2 )と位相差φ1 (φ2 )とを受け取って上述のPWM制御信号を発生する。勿論、必要に応じてPWM制御部17とPWM制御部27との間で、情報の授受が行われる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明によれば、複数個のインバータを並列運転して共通負荷に給電する際に、有効電力のみでなく無効電力についても、平衡化をはかることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例構成を示す図である。
【図2】図1に示すインバータ装置の簡略化された等価回路を示す図である。
【図3】図2に関連する記号を列挙した説明図である。
【図4】インバータのフィルタにおけるベクトル図である。
【図5】出力有効電力Pと周波数fとの関係を示す図である。
【図6】夫々のインバータが出力する有効電力を説明する図である。
【図7】本発明によって出力無効電力を制御する態様を説明する図である。
【符号の説明】
10,20:インバータ
11,21:制御素子
12,22:チョーク・コイル(フィルタ)
13,23:コンデンサ(フィルタ)
14,24:フィルタの出力端
15,25:制御素子制御部
16,26:位相検出部
17,27:PWM制御部
18,28:出力電流検出手段
19,29:内部電圧検出手段
30 :共通負荷
Claims (6)
- 第1のインバータが、当該インバータを構成する制御素子を制御することによって、出力電圧と出力位相とを制御可能に構成されると共に、
第2以降のインバータが、当該インバータを構成する制御素子を制御することによって、出力電圧と出力位相とを制御可能に構成されてなり、
前記第1のインバータの出力側に設けたフィルタの出力側端と、前記第2以降のインバータの出力側に設けたフィルタの出力側端とが接続された上で、共通の負荷に給電するインバータ並列運転装置において、
前記第1のインバータおよび/または前記第2以降のインバータの出力位相を制御することによって、両者インバータからの夫々の有効電力を平衡化するよう制御すると共に、
前記第1のインバータおよび/または前記第2以降のインバータの内部電圧を制御することによって、両者インバータからの夫々の無効電力を平衡化するよう制御し、
当該両者インバータからの夫々の無効電力を平衡化するよう制御するに当って、制御が行われるインバータの出力電流をI、任意の設定電流値をIr’、当該インバータでの内部電圧Eまたは出力電圧Vと出力電流Iとの位相差をφ、任意の係数をαとした際に、制御が行われるインバータの内部電圧Eを
△S =α(I−Ir’)sin φ
または
△S =α(I−Ir’)φ
(但し φ≒0の場合)
だけ変化するようにしたことを特徴とするインバータ並列運転装置。 - 両者インバータからの夫々の無効電力を平衡化するよう制御するに当って、制御が行われるインバータの出力電流をI、任意の設定電流値をIr' 、当該インバータでの内部電圧Eまたは出力電圧Vと出力電流Iとの位相差をφ、任意の係数をαとした際に、制御が行われるインバータの内部電圧Eを
△S =α(I−Ir' )×β
(但しβはsin φ又はφの絶対値が任意の所定値未満においてはsin φ又はφの値をそのまま用いかつ当該絶対値が前記所定値以上の場合には当該所定値におけるsin φ又はφ値を固定してその固定値を用いる)
だけ変化するようにしたことを特徴とする請求項1記載のインバータ並列運転装置。 - 内部電圧Eを変化させるに当って、内部電圧Eを小にする方向の制御の場合にのみ、当該制御を行うことを特徴とする請求項1または2のいずれか記載のインバータ並列運転装置。
- 内部電圧Eを変化させるに当って、内部電圧Eを大にする方向の制御の場合にのみ、当該制御を行うことを特徴とする請求項1または2のいずれか記載のインバータ並列運転装置。
- 内部電圧Eを変化させるに当って、内部電圧Eを大にする方向の制御の場合と内部電圧Eを小にする方向の制御の場合とで、制御の効き方を異ならしめることを特徴とする請求項1または2のいずれか記載のインバータ並列運転装置。
- 内部電圧Eを変化させるに当って、当該内部電圧Eの変化量に限界値を設定することを特徴とする請求項1または2のいずれか記載のインバータ並列運転装置。
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JPH01255475A (ja) * | 1988-04-04 | 1989-10-12 | Toshiba Corp | 定電圧定周波電源装置の並列運転制御装置 |
JPH04299027A (ja) * | 1991-03-27 | 1992-10-22 | Toshiba Corp | インバータ装置 |
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