JP4604679B2 - 駆動電源切替えの同期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は駆動電源切替えの同期制御装置に関し、特に交流電動機の駆動電源として商用電源または交流電動機駆動用の電力変換装置を切替える際に商用電源と電力変換装置の出力との同期をとる駆動電源切替えの同期制御装置に関する。

交流電動機を運転する駆動電源として、交流電動機駆動用の電力変換装置のインバータ出力と、商用電源とを切替えて使用する構成をとる設備がある。すなわち、運転切替え装置によって、電力変換装置のインバータ出力が交流電動機に入力されている場合は商用電源と交流電動機の間の接続がオフされ、商用電源に切替えられた場合は電力変換装置と交流電動機の間の接続がオフされる。

運転切替え装置による駆動電源切替え時、電力変換装置側では、出力を商用電源と同期させる処理が行われる。同期制御を行う同期制御装置では、たとえば、駆動電源を電力変換装置から商用電源に切替える場合、電力変換装置側の出力と商用電源の電力変換装置の位相調節器と電圧調節器を用いて、電力変換装置のインバータ出力を商用電源の電圧・周波数に推移させ、位相を同期させる。そして、同期制御装置によって同期が確立された後、運転切替え装置によって駆動電源が切替えられる。

このような電力変換装置と商用電源の運転切替え装置においては、インバータ保護のため、電力変換装置と商用電源の双方の接続が同時にオンしないように構成されるが、同時にオフする期間は、交流電動機がフリーラン状態となってしまい、望ましくない。このため、電力変換装置の位相調整器と電圧調節器とを用いて交流電動機用電力変換装置の出力を商用電源と同期させる制御装置を用い、交流電動機の電流を断続することなく、交流電動機用電力変換装置の出力から商用電源へと切替える運転切替え装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００１−１９００９１号公報（段落番号〔００１０〕〜〔００１４〕、図１）

従来の同期制御装置は、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替える同期投入時および商用電源から電力変換装置へと切替える同期解列時において、位相検出器と電圧検出器が検出する商用電源の検出値に基づき同期制御を行っていた。ところが、位相検出器の誤差や電力変換装置の出力側に接続されるリアクトルのインダクタンス誤差などにより、商用電源電圧検出および位相検出値が実際値と異なる値を示すことがある。

しかしながら、従来の同期制御では、検出値が実際値と異なった値であったとしても検出値に基づいて同期処理が行われていたため、実際値において、電力変換装置の出力電圧が商用電源電圧に対して過大であったり、電力変換装置の出力電圧位相が商用電源電圧位相に対して進みすぎている場合があった。このような場合に検出値によって制御がなされると、電力変換装置の出力電流が過電流となって、最悪の場合には交流電動機の運転が停止する場合があるという問題点がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、商用電源から電力変換装置、または電力変換装置から商用電源への駆動電源切替え時の過電流を抑制する駆動電源切替えの同期制御装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、第１の遮断器を介して交流電動機に接続する商用電源の出力電圧の位相を検出する位相検出手段と、第２の遮断器を介して交流電動機に接続し、商用電源の出力を電力変換する電力変換装置の出力電流を検出する電流検出手段と、第１の遮断器または第２の遮断器の一方を導通状態、他方を開放状態として商用電源または電力変換装置のうちいずれか一方を交流電動機に接続している状態から、第１の遮断器および第２の遮断器の状態を反転して交流電動機の接続先を切替えるときは、切替えの前に、第１の遮断器および第２の遮断器を導通状態とし、電流検出手段によって検出された電力変換装置の出力電流の有効電流値があらかじめ設定された有効電流制限値よりも大きい場合は、出力電流の有効電流値と有効電流制限値との差に基づいて電力変換装置の出力電圧の位相をずらす位相調整量を算出し、算出した位相調整量に基づいて電力変換装置の出力電圧の位相に基づいて決定する該電力変換装置の出力電圧の位相の調整に用いる指令値を補正して補正指令値を設定する位相補正調整手段と、位相補正調整手段によって設定された補正指令値に基づき、電力変換装置の出力電圧の位相を位相検出手段によって検出された商用電源の出力電圧の位相に推移させる位相調整手段と、商用電源の出力電圧の位相と電力変換装置の出力電圧の位相との偏差があらかじめ設定された範囲内にあるか否かを判定し、あらかじめ設定された範囲内にあるときは該電力変換装置の出力電圧の位相を該商用電源の出力電圧の位相に同期させる同期処理を完了する同期完了判断手段と、を具備することを特徴とする駆動電源切替えの同期制御装置、が提供される。

このような駆動電源切替えの同期制御装置によれば、交流電動機の駆動電源を商用電源から電力変換装置出力、もしくは電力変換装置出力から商用電源へ切替える際に、電力変換装置の出力電圧と商用電源の電圧との位相および電圧の同期をとる同期処理が開始される。位相補正調整手段は、第１の遮断器または第２の遮断器の一方を導通状態、他方を開放状態として商用電源または電力変換装置のうちいずれか一方を交流電動機に接続している状態から、第１の遮断器および第２の遮断器の状態を反転して交流電動機の接続先を切替えるときは、切替えの前に、第１の遮断器および第２の遮断器を導通状態とする。このとき、電流検出手段によって検出された電力変換装置の出力電流の有効電流値があらかじめ設定された有効電流制限値よりも大きい場合は、出力電流の有効電流値と有効電流制限値との差に基づいて電力変換装置の出力電圧の位相をずらす位相調整量を算出する。そして、算出した位相調整量に基づいて電力変換装置の出力電圧の位相に基づいて決定する電力変換装置の出力電圧の位相の調整に用いる指令値を補正して補正指令値を設定する。位相調整手段は、補正指令値に基づき、電力変換装置の出力電圧の位相を位相検出手段によって検出された商用電源の出力電圧の位相に推移させる。同期完了判断手段は、商用電源の出力電圧の位相と電力変換装置の出力電圧の位相との偏差があらかじめ設定された範囲内にあるか否かを判定する。そして、あらかじめ設定された範囲内にあるときは電力変換装置の出力電圧の位相を商用電源の出力電圧の位相に同期させる同期処理を完了する。

本発明では、電力変換装置の出力電流があらかじめ設定された電流を超えた場合、電力変換装置の電流を減少させるように位相調整手段の指令値を変化させ、過電流の抑制制御を行うように構成した。これにより、電圧検出器および位相検出器の出力誤差や出力リアクトルのインダクタンス誤差などが生じた場合にも、過電流によるトリップが発生することなく駆動電源の切替えを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明による同期制御装置の原理的な構成を示すブロック図である。同期制御装置１０は、商用電源１と電力変換装置２とを遮断器４、５によって切替えて交流電動機（以下、電動機とする）３を運転する設備に適用され、電力変換装置２から商用電源１へ切替える同期投入時および商用電源１から電力変換装置２へと切替える同期解列時において、電力変換装置２の出力を商用電源１に同期させる同期制御を行う。電力変換装置２の出力は、第１の遮断器４を開放状態、第２の遮断器５を導通状態として電動機３を駆動する。一方、第１の遮断器４が導通状態で第２の遮断器５が開放状態のとき、電動機３は商用電源１によって駆動される。また、切替え時に第１の遮断器４と第２の遮断器５が同時にオンになる期間が存在するが、商用電源１と電力変換装置２の出力電圧の落差で流れる電流は、電力変換装置２と電動機３の間に設けられたリアクトル６によって抑制される。

同期制御装置１０は、電力変換装置２に接続された電流検出部１１、商用電源１に接続された位相検出部１２と電圧検出部１３の各検出部を備えている。また、電流検出部１１の出力と位相調整指令値とを受ける位相補正調整部１４、位相補正調整部１４の出力と位相検出部１２の出力とを受ける位相調整部１５と同期完了判断部１６、電圧検出部１３の出力を受ける電圧調整部１７および位相調整部１５と電圧調整部１７の出力を受けるＰＷＭ（pulse-width modulation）制御部１８を有する。なお、ＰＷＭ制御部１８の出力は電力変換装置２に接続されている。

電流検出部１１は、電力変換装置２の出力電流を検出し、位相検出部１２は商用電源１の位相を検出し、電圧検出部１３は商用電源１の電圧値を検出する。位相補正調整部１４は、電流検出部１１によって検出された電力変換装置２の出力電流値とあらかじめ設定された電流値との差分に応じて位相補正調整量を算出し、位相調整指令値から位相補正調整量を減算して位相調整指令値を補正して補正指令値を設定する。これにより、電力変換装置２の出力電流が定格電流値を超えた場合、電力変換装置２の出力電流を抑制するような位相補正調整量が算出され、位相調整指令値が補正される。なお、位相調整指令値は、電力変換装置２の出力電圧位相に応じて演算された値である。位相調整部１５は、位相補正調整部１４によって設定された補正指令値と位相検出部１２の検出した商用電源１の位相との偏差に基づき、電力変換装置２の出力電圧の位相を商用電源１の位相に推移させるように位相調整を行う。同期完了判断部１６は、位相補正調整部１４によって設定された補正指令値と位相検出部１２の検出した商用電源１の位相との偏差が所定の範囲内であるかどうかを判定し、範囲内であれば同期が完了したと判定する。電圧調整部１７は、電力変換装置２の出力電圧が電圧検出部１３の検出した商用電源１の電圧に等しくなるように調整する。ＰＷＭ制御部１８は、位相調整部１５と電圧調整部１７の出力に応じて、電力変換装置２を制御する。なお、実際の同期制御では周波数の調整も行われるが、直接には課題に関係しないので詳細は省略する。

ここで、電動機３を電力変換装置２で運転される可変速運転から商用電源１で駆動される商用運転へ切替える同期投入、および商用運転から可変速運転へ切替える同期解列を行う場合、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の電圧との位相および電圧を同期させる同期処理が開始される。同期処理中は、電流検出部１１の検出する電力変換装置２の出力電流に基づいて、位相補正調整部１４で位相調整指令値が補正される。位相補正調整部１４では、電力変換装置２の出力電流とあらかじめ設定された電流との差分に応じた位相調整補正量を位相調整指令値から減算し、補正指令値を設定する。すなわち、位相検出部１２の誤差や、リアクトル６のインダクタンス誤差などにより電力変換装置２の出力電圧位相画商用電源１の位相より進むなどして電力変換装置２の出力電流が設定電流より大きくなった場合は、電力変換装置２の出力電圧位相を位相調整指令値より遅らせたり進ませるようにする。これにより、電力変換装置２の出力電圧位相が指令値より遅く、または進み、電力変換装置２の出力電流が抑制される。位相調整部１５は、位相補正調整部１４によって設定された補正指令値と位相検出部１２の検出した商用電源１の位相に基づいて、電力変換装置２の出力電圧位相を調整する。同期完了判断部１６は、補正指令値と位相検出部１２の検出した商用電源１の位相の偏差が所定の範囲内であれば、同期完了と判断する。同期完了判断部１６によって同期完了と判断されると、同期投入の場合は第１の遮断器４を導通状態としてから、第２の遮断器５を開放状態として、電動機３の電流を断続することなく可変速運転から商用運転へ切替え、同期解列の場合は第２の遮断器５を導通状態としてから、第１の遮断器４を開放状態として、電動機３の電流を断続することなく商用運転から可変速運転へ切替える。

次に、同期制御装置１０の具体的な構成例について説明する。図２は、第１の実施の形態の同期制御装置の構成例を示すブロック図である。図１に示した構成要素と同じまたは同等の要素については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

電動機３を可変速運転する場合には任意の周波数で、駆動電源の切替えを行う際には商用電源１と同じ周波数の周波数指令が加減速演算器７１に入力され、加減速演算器７１の出力ω＊は出力電圧演算器７２に入力される。また、商用電源１の電圧は電圧検出器２１に入力され、電圧検出器２１の出力と積分器７３の出力が座標変換器２２に入力される。電流検出器１１ａの出力は、積分器７３の出力とともに、座標変換器４１に入力される。そして、座標変換器４１の出力である有効電流検出値ｉｑから有効電流制限値ｉｑｍａｘを引いた値が位相補正調整器４２に入力される。位相補正調整器４２では、位相指令θｓ＊の補正量が算出される。そして、位相指令θｓ＊から位相補正調整器４２の出力を引いた値θｓｃ＊と座標変換器２２の出力θｓとの差分が位相調整器５１および同期完了判断部１６に入力される。

一方、加減速演算器７１の出力は位相調整器５１の出力が加算され、積分器７３に入力される。また、座標変換器２２の出力に定格電圧の逆数を乗算し、切替え器７４を通じた値と、出力電圧演算器７２の出力とを乗算した値Ｖ＊が座標変換器７５へ入力される。積分器７３の出力も座標変換器７５へ入力される。座標変換器７５の出力は、ＰＷＭ制御器１８ａに入力され、ＰＷＭ制御器１８ａは商用電源１を電源とする電力変換装置２を制御する。

ここで、電動機３を電力変換装置２の出力によって可変速運転する場合、周波数指令が加減速演算器７１に入力し、加減速演算器７１が算出する周波数指令に応じたω＊が出力電圧演算器７２に入力される。また、加減速演算器７１は、同期処理信号を生成し、位相調整器５１および切替え器７４へ出力する。同期処理信号は、周波数指令が商用電源１と同じ周波数、すなわち、加減速演算器７１の出力ω＊が商用電源１の周波数と一致したとき１を出力し、一致していないとき０を出力する。位相調整器５１と切替え器７４は、同期処理信号が１で動作、０で非動作となる。

このような構成の同期制御装置１０の動作について説明する。電動機３を可変速運転から商用運転へ切替える同期投入および商用運転から可変速運転へと切替える同期解列の場合とも、まず、周波数指令に商用電源１と同じ周波数を与え、周波数指令と加減速演算器７１の出力ω＊を一致させる処理が行われる。周波数を一致させる制御が行われている間は、同期処理信号は０であり、位相調整器５１および切替え器７４とも非動作であり、加減速演算器７１、出力電圧演算器７２および積分器７３によって制御が行われる。

商用電源１の周波数と加減速演算器７１の出力ω＊が一致後、加減速演算器７１の出力である同期処理信号が１となり、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の電圧との間の位相および電圧の同期処理が開始される。同期処理信号が１となったことにより、位相調整器５１と切替え器７４が動作を開始する。

座標変換器４１の出力である検出電流の有効電流検出値ｉｑから有効電流制限値ｉｑｍａｘを引いた差分に応じて、位相補正調整器４２が位相補正調整量を算出する。図３は、位相補正調整器の動作を示した図である。図３の横軸は、調整器の入力である有効電流と有効電流制限値の差分を示しており、縦軸は調整器出力の位相補正調整量を示している。ここで、調整器出力は、電力変換装置２の出力電圧の位相の遅延量に応じた値であり、調整入力量が大きくなるのに比例して位相補正調整器４２出力が大きくなる。すなわち、検出電流が定格電流より大きいほど、遅延量が大きくなる。

このようにして算出された位相補正調整量が位相指令θｓ＊から引かれた値θｓｃ＊と座標変換器２２が出力する商用電源１の位相θｓとの偏差が算出され、位相調整器５１と同期完了判断部１６に入力される。位相調整器５１では、補正された位相指令θｓｃ＊と商用電源１の位相θｓとの偏差がなくなるように調整量を算出する。位相調整器５１の出力は加減速演算器７１の出力と加算され、積分器７３に入力される。そして、積分器７３による演算後、座標変換器７５へ入力される。一方、座標変換器２２の出力に定格電圧の逆数が乗算され、切替え器７４を通じて出力電圧演算器７２の出力と乗算された値Ｖ＊も座標変換器７５へ入力される。こうして、電圧および位相を商用電源１に同期させるための制御量が算出され、ＰＷＭ制御器１８ａによって電力変換装置２が制御される。

以上の処理手順が繰り返され、補正された位相指令θｓｃ＊と商用電源１の位相θｓとの偏差が所定の範囲内になると、同期完了判断部１６が同期完了を判定する。図４は、同期完了判断部の動作を示した図である。図４の横軸は、商用電源の位相θｓと補正された位相指令θｓｃ＊との差分を示しており、縦軸は同期完了判断部１６の出力を示している。同期完了判断部１６では、差分が所定の範囲（図では、±α）外のときには０（同期未完了）が出力され、差分が所定の範囲内であれば１（同期完了）が出力される。

こうして同期完了判断部１６の出力が１（同期完了）となることにより、同期投入の場合は第１の遮断器４を導通状態としてから第２の遮断器５を開放状態として可変速運転から商用運転へ切替え、同期解列の場合は第２の遮断器５を導通状態としてから第１の遮断器４を開放状態として商用運転から可変速運転へ切替える。

このように、切替え時の同期処理において電力変換装置２の出力電流に応じて位相の調整が行われることによって過電流の抑制制御が行われる。
具体例で説明する。図５は、商用電源と電力変換装置の関係を示す電圧ベクトルおよび電流ベクトル図である。（Ａ）は、電力変換装置２の出力電圧位相が商用電源１の位相に対して進み位相になった場合を示している。（Ｂ）は、（Ａ）の状態から電力変換装置の出力電圧位相を遅らせた場合を示している。ここで、Ｖｏｕｔは電力変換装置の出力電圧、Ｖｓは商用電源の電圧を現している。Ｉｏｕｔは電力変換装置の出力電流、Ｉｑは電力変換装置出力の有効電流、Ｉｄは電力変換装置出力の無効電流を表している。そして、Ｘは電力変換装置に出力リアクトルのインダクタンス、θは電力変換装置の出力電圧と商用電源電圧との位相差を表している。

第１の遮断器４および第２の遮断器５がともに導通状態において、座標変換器２２の出力θｓが電圧検出器２１の出力誤差やリアクトル６のインダクタンス誤差により、電力変換装置２の出力電圧位相が商用電源１の位相に対して進み位相となったとする。この場合、（Ａ）に示したように、座標変換器４１の出力である有効電流検出値ｉｑが大きくなり、有効電流検出値ｉｑが有効電流制限値ｉｑｍａｘに対して過大となる。このとき、位相補正調整器４２の出力が０以上となり、位相指令値θｓ＊から位相補正調整器４２の出力を引いた値θｓｃ＊が位相調整器５１に入力され、電力変換装置２の出力電圧位相を遅らせる。これにより、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の出力電圧の位相差θが小さくなり、（Ｂ）に示した状態となる。

このように、電力変換装置２の出力電流が設定された電流より過大となると、第１の実施の形態の同期制御装置はこれを検出して、電力変換装置２の出力電流が抑制されるように動作する。

第２の実施の形態について説明する。図６は、第２の実施の形態の同期制御装置の構成例を示すブロック図である。図２に示した構成要素と同じまたは同等の要素については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態の同期制御装置は、基本的な部分は図２に示した第１の実施の形態と同一であるが、位相調整器５１の入力、位相補正調整器４２の出力および位相指令値として、座標変換器２２の出力Ｖｄを基準とした値を設定する。すなわち、位相指令θｓ＊はＶｄｓ＊が設定され、位相補正調整器４２は有効電流検出値ｉｑと有効電流制限値ｉｑｍａｘの差分に応じた電圧補正量が算出される。また、位相調整器５１には、位相指令値Ｖｄｓ＊から位相補正調整器４２の出力を引いたＶｄｓｃ＊と、座標変換器２２の出力Ｖｄに定格電圧の逆数を乗算したＶｄｓとの偏差が入力される。同期完了判断部１６にも同じ値が入力される。位相調整器５１は、補正された位相指令Ｖｓｃ＊と商用電源１の位相に応じたＶｄｓとの偏差がなくなるように調整量を算出する。

このように、第２の実施の形態においても、電力変換装置２の出力電流が定格電流より過大となると、電力変換装置２の出力電流が抑制されるように制御が行われる。

本発明による同期制御装置の原理的な構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態の同期制御装置の構成例を示すブロック図である。 位相補正調整器の動作を示した図である。 同期完了判断部の動作を示した図である。 商用電源と電力変換装置の関係を示す電圧ベクトルおよび電流ベクトル図である。 第２の実施の形態の同期制御装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 商用電源
２ 電力変換装置
３ 交流電動機
４ 第１の遮断器
５ 第２の遮断器
６ リアクトル
１０ 同期制御装置
１１ 電流検出部
１２ 位相検出部
１３ 電圧検出部
１４ 位相補正調整部
１５ 位相調整部
１６ 同期完了判断部
１７ 電圧調整部
１８ ＰＷＭ制御部

Claims (1)

1. 第１の遮断器を介して交流電動機に接続する商用電源の出力電圧の位相を検出する位相検出手段と、
   第２の遮断器を介して前記交流電動機に接続し、前記商用電源の出力を電力変換する電力変換装置の出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記第１の遮断器または前記第２の遮断器の一方を導通状態、他方を開放状態として前記商用電源または前記電力変換装置のうちいずれか一方を前記交流電動機に接続している状態から、前記第１の遮断器および前記第２の遮断器の状態を反転して前記交流電動機の接続先を切替えるときは、切替えの前に、前記第１の遮断器および前記第２の遮断器を導通状態とし、前記電流検出手段によって検出された前記電力変換装置の出力電流の有効電流値があらかじめ設定された有効電流制限値よりも大きい場合は、該出力電流の有効電流値と前記有効電流制限値との差に基づいて前記電力変換装置の出力電圧の位相をずらす位相調整量を算出し、算出した位相調整量に基づいて前記電力変換装置の出力電圧の位相に基づいて決定する該電力変換装置の出力電圧の位相の調整に用いる指令値を補正して補正指令値を設定する位相補正調整手段と、
   前記位相補正調整手段によって設定された補正指令値に基づき、前記電力変換装置の出力電圧の位相を前記位相検出手段によって検出された前記商用電源の出力電圧の位相に推移させる位相調整手段と、
   前記商用電源の出力電圧の位相と前記電力変換装置の出力電圧の位相との偏差があらかじめ設定された範囲内にあるか否かを判定し、前記あらかじめ設定された範囲内にあるときは該電力変換装置の出力電圧の位相を該商用電源の出力電圧の位相に同期させる同期処理を完了する同期完了判断手段と、
   を具備することを特徴とする駆動電源切替えの同期制御装置。

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