JP4733948B2

JP4733948B2 - インバータ駆動ブロワ制御装置

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Publication number: JP4733948B2
Application number: JP2004266208A
Authority: JP
Inventors: 和明結城; 洋介中沢; 敏菊野; 宏和加藤
Original assignee: Toshiba Corp; Central Japan Railway Co
Current assignee: Toshiba Corp; Central Japan Railway Co
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006087154A

Description

本発明は、インバータ駆動ブロワ制御装置に関する。

電車向けの電気機器では、車両の高速化の目的から搭載機器の軽量化が、また、省エネルギー化の観点から機器の効率向上が求められている。主モータを冷却するブロワ装置には、これまで単相誘導モータが使用されてきたが、小型軽量化が図れ、効率にも優れた永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の適用が期待されている。

しかしながら、ＰＭＳＭを用いる場合、従来に比べインバータを備えなければならないことになり高コストのシステムになる。同システムでは、各々のＰＭＳＭに位置検出器あるいは回転数検出器などのセンサを備えることは、一層のコスト増や信頼性低下につながり、好ましくなく、上述の検出器を用いないセンサレス方式での実現が望まれる。

しかし、センサレス方式の場合、装置を始動する際の確実性が低下するため、定格風量を出力できない時間が増加し、風量低下などシステム信頼性を損なう可能性があった。また、センサレス方式の場合、一旦、安定に駆動できればその後安定な動作が継続できるが、ブロワ装置を初めて動作する際、あるいは、なんらかの保護の後、装置を再始動する際など、安定かつ迅速に運転を開始することが困難であった。
特開２００３−１８８８７号公報

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、インバータで駆動されるブロワを始動する際に迅速かつ確実に始動できるインバータ駆動ブロワ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明のインバータ駆動ブロワ制御装置は、交流電源から電力供給され、交流を直流に変換する変換器と、前記変換器の直流出力側の電圧を平滑するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに接続されたインバータと、外部から与えられるインバータ出力周波数に一致する電流を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御手段と、前記モータが脱調状態にあることを検出するための脱調検出手段であって、前記脱調を検出することを目的として、前記インバータの出力電流が所定値Ｉａより過大になったことを検出する過電流検出手段と、前記インバータの直流入力電圧が所定値Ｖａより過大になったことを検出する過電圧検出手段とを有する脱調検出手段と、前記過電流検出手段により過電流を検出した場合あるいは前記過電圧検出手段により過電圧を検出した場合に、一定のディレイ時間の後に前記インバータの動作を停止する指令を出力する停止指令出力手段と、当該停止指令の出力時点でのインバータ出力周波数を記憶する手段と、前記停止指令の出力後の所定時間経過後に前記インバータ装置を再始動させる指令を出力し、かつその再始動指令時のインバータ出力周波数の初期値を前記記憶されたインバータ周波数以下に設定する運転指令生成手段と、通常に外部から与えられるインバータ出力周波数指令に一致するようなインバータ出力周波数を演算して前記インバータ制御手段に与え、前記脱調検出手段が脱調状態を検出した場合、前記インバータ出力周波数指令を強制的に０に切り替え、かつ、モータのロータ回転数の検出値にも推定値にも依存しないで前記０のインバータ出力周波数指令に向かって一定の変化率で徐々に低減するインバータ出力周波数を前記インバータ制御手段に与える脱調復帰手段と、前記インバータを停止するための保護機能として、インバータ出力電流が所定値Ｉｂより過大になったことで直ちに保護動作をかける過電流保護手段と、前記インバータを停止するための保護機能として、インバータ直流入力電圧が所定値Ｖｂより過大になったことで直ちに保護動作をかける過電圧保護手段とを備え、前記２つの過電流の設定値をＩａ＜Ｉｂとし、前記２つの過電圧の設定値をＶａ＜Ｖｂとしたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１のインバータ駆動ブロワ制御装置において、前記インバータ制御手段は、前記インバータの出力電流が所定値になるように制御する電流制御手段であり、前記脱調検出手段は、前記インバータの出力電圧と出力周波数とに基づき、ロータ回転周波数の推定値を演算するロータ回転周波数推定手段と、当該ロータ回転周波数推定値と前記インバータ出力周波数とを比較することで脱調か否かを検出する判定手段とを有すことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２のインバータ駆動ブロワ制御装置において、前記モータは、永久磁石同期モータを複数台直列に接続したものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、インバータによって駆動されるブロワに対して、その脱調を検出し、迅速に同期引き込みへと移行することができ、システムの信頼性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態のインバータ駆動ブロワ装置のブロック図である。図１において、変電所より給電される単相交流は、パンタグラフ７と車輪８とで集電される。この単相交流は、主変圧器９により架線の高圧から低圧へと変換されて整流器６への入力となる。整流器６の直流側には、フィルタコンデンサ２とインバータ１が備えられている。インバータ１の負荷として、直列に接続された永久磁石モータ（ＰＭＳＭ）３，４が接続されている。これらの永久磁石モータ（ＰＭＳＭ）３，４は、ブロワ１０，１１の駆動源である。

本実施の形態のブロワ装置では、一般的なＤＱ軸回転座標系上で、所定のＤＱ軸電流指令に一致した電流が流れるようにインバータ出力電圧を制御することを特徴とする。ＤＱ軸電流指令は、例えばＤ軸電流指令ＩｄＲｅｆ＝０、Ｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆ＝Ｉ^＊（Ｉ^＊は所定値）のように設定する。一方、電流検出器５によって検出された永久磁石モータ３，４に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｗは座標変換器１５へ入力され、ＤＱ軸座標系の位相角θに基づき、ＤＱ軸座標系上の電流値Ｉｄ，Ｉｑへと変換される。

電流制御部１２では、ＤＱ軸電流指令ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆがＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに一致するようにＰＩ制御によって、ＤＱ軸出力電圧が出力される。これはＰＩ制御部によって実現される。ただし、他の制御方式を利用することもできる。

座標変換器１３では、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊に基づく、３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する。ゲート指令演算部１４では、３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に一致した３相出力電圧が得られるようにＰＷＭ制御によってゲート指令を生成出力する。これは他の方式でもよい。

インバータの出力周波数ωＩｎｖは、インバータ出力周波数指令ωＩｎｖＲｅｆに一致するように、インバータ出力周波数演算部２０によって演算出力される。積分器１６へは、インバータ出力周波数ωＩｎｖが入力され、それを積分することで、静止座標系Ｕ相からＤ軸までの位相角θとして出力する。

脱調検出器１７には、電流制御部１２の出力であるＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊、及び、インバータ出力周波数ωＩｎｖとが脱調検出器１７に入力される。脱調検出器１７は、上述の入力に基づき、脱調状態にあるか否かを判定し、脱調検出フラグ（０：正常、１：脱調）を生成し、インバータ出力周波数演算部２０に入力する。

図２は脱調検出器１７のブロック図である。電圧ベクトル長演算部２１では、Ｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ^＊とを入力し、それぞれを２次元ベクトルの要素と見なした場合のベクトル長、すなわち、出力電圧の大きさＶ１を数１式のように求める。

除算器２２では、数２式によりＶ１をある比例定数Ｋで除算し、ロータ回転周波数推定値ωＲＨとして出力する。

比例定数Ｋは、予め健全状態における出力電圧の大きさＶ１とインバータ出力周波数ωＩｎｖから、数３式のように決めておく。概略は、永久磁石モータ３および４の磁石磁束の和になる。

減算器２３は、ロータ回転周波数推定値ωＲＨからインバータ出力周波数ωＩｎｖを減算した値を入力し、その結果を比較器２４に入力する。比較器２４は、例えば数４式の判定式により、脱調検出フラグを生成する。

この脱調検出フラグは０で健全状態を、１で脱調状態を表す。なお、Γは所定の設定値である。

インバータ周波数演算部２０は、以上のように生成された脱調検出フラグに基づき、インバータ出力周波数ωＩｎｖを演算する。このインバータ出力周波数演算部２０のブロック図を図３に示す。インバータ出力周波数演算部２０は、元来、すなわち脱調検出フラグ＝０の場合、インバータ出力周波数ωＩｎｖをインバータ出力周波数指令ωＩｎｖＲｅｆまで変化率αで増加させる手段である。この変化率αは、切替器２６によって選択されたものである。本実施の形態では、脱調検出フラグが１の場合、切替器２６によって変化率をβに置き換える。更に、インバータ出力周波数の目標値は、脱調検出フラグの値によって切り替わる切替器２５によって、インバータ出力周波数指令ωＩｎｖＲｅｆから０へと置き換えられる。

以上のように構成された本実施の形態のブロワ装置によれば、以下のような作用効果が得られる。脱調検出部１７では、出力電圧の大きさＶ１とインバータ出力周波数ωＩｎｖの比率から脱調か否かを判定している。２台の永久磁石モータ３，４がインバータ出力周波数と同期して運転している健全状態では、出力電圧の大きさは、２台の永久磁石モータの磁束の和とインバータ出力周波数との積で概ね表される。よって、１台以上が脱調状態にあると、出力電圧の大きさが減少するため、数２式のように演算した回転周波数の推定値をインバータ出力周波数ωＩｎｖと比較し、その（絶対値）の差が大きいことで脱調状態を検出することが可能である。

脱調を検出した場合、インバータ出力周波数を０に向かって低下させる。ブロワ装置では、脱調しているモータの回転数は外力である風圧によって回転数が低下するはずであることから、インバータ出力周波数を低下させていくことで、脱調しているモータの回転数にやがて一致し、同期引き込みが可能になる。同期した正常な運転状態になると、前記の脱調検出フラグは正常（健全）を表す０となり、再度、インバータ出力周波数指令ωＩｎｖＲｅｆを目標値とし、変化率αで増加していく。よって、ブロワを始動した後、迅速かつ確実な脱調検出が可能になり、システムの信頼性が向上する。

インバータ出力周波数ωＩｎｖ、ロータ回転周波数推定値ωＲＨ、インバータ出力電圧の大きさＶ１の関係を図４、図５に示す。図４は健全時、図５は一旦脱調する場合である。図４の健全時には、インバータ出力周波数とインバータ出力電圧はほぼ比例し、インバータ出力周波数ωＩｎｖとロータ回転周波数ωＲＨとは常時ほぼ一致するのに対し、図５のように脱調時にはインバータ出力電圧の大きさＶ１が低下し、インバータ出力周波数に対する電圧の比率が低下することからインバータ出力周波数ωＩｎｖとロータ回転周波数ωＲＨとに差異が生じ、脱調検出が可能になる。脱調検出によって、上述した方法でインバータ出力周波数ωＩｎｖを徐々に引き下げ、同期引き込みさせる。同期運転すると、再度、インバータ出力周波数ωＩｎｖとロータ回転周波数ωＲＨとがほぼ一致することになり、脱調検出を解除し、インバータ出力周波数ωＩｎｖを漸増していく。

なお、本実施の形態での脱調検出は、インバータ出力電圧とインバータ出力周波数とに基づき行うが、モータ電流に基づく方法など他の適切な方法を利用することもでき、特に限定されるものではない。

例えば，永久磁石同期モータの磁石軸がＤＱ軸座標系上で静止している、すなわち、同期した運転状態には、数５式の関係が成り立つ。

ただし、Ｖｄ：Ｄ軸電圧、Ｖｑ：Ｑ軸電圧、Ｒ：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φ：磁石磁束、θＭ：Ｄ軸から磁石軸までの角度である。

また、脱調状態であると、インバータ出力周波数の成分に対しては、数６式になる。

数５式の右辺最終項は磁石磁束によって生じる誘起電圧項Ｅであるが、脱調状態になると、基本波成分（インバータ出力周波数の成分）には現れなくなる。

よって、ＤＱ軸電圧のＶｄ，Ｖｑをその指令値Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊に置き換え、数７式によってＤＱ軸の誘起電圧Ｅｄ，Ｅｑを演算し、続いて数８式のようにその直流分（インバータ出力周波数を周波数とする成分）を使ってロータ回転周波数ωＲＨを推定すれば、第１の実施の形態と同様な構成をとることができる。

ここで、Φ^＊：磁石磁束基準値とする。

（第２の実施の形態）図６は、本発明の第２の実施の形態のインバータ駆動ブロワ装置のブロック図である。第１の実施の形態では、ブロワ装置の運転状態を前提にしていたが、本実施の形態では、ブロワ装置を動作させるか停止させるかにも関与することを特徴とする。なお、図６において図１の構成要素と共通するものには図１で用いた符号と共通する符号を用いて表している。

本ブロワ装置を動作させるか否かを表す運転指令フラグＲＵＮ＿ＣＭＤが、運転指令生成部１９へ入力される。運転指令生成部１９では、同運転指令フラグＲＵＮ＿ＣＭＤの他、インバータ１の出力電流Ｉｕ，Ｉｗと電圧検出器１８にて検出したインバータ１の直流側電圧Ｖｄｃが入力される。運転指令生成部１９では、上記信号に基づき、以下２つの検出を行う。

Ａ）ブロワ装置が破壊する危険性があるため、保護停止する
Ｂ）脱調を検出し、一時的なゲートブロックをする
運転指令生成部１９の出力の一つは、ゲート指令の許可信号ＧＡＴＥＯＮであり、ＧＡＴＥＯＮ＝０でゲートブロック、ＧＡＴＥＯＮ＝１でゲートオンである。ゲート指令演算部１４では、ゲート許可信号ＧＡＴＥＯＮに基づき、ゲートオンするかゲートオフするかを処理する。

運転指令生成部１９の出力のもう一つは、脱調検出フラグＳｏｆｔＢｌｏｃｋである。メモリ３０は、ＳｏｆｔＢｌｏｃｋ＝１の場合に、インバータ出力周波数ωＩｎｖを記憶し、また、その記憶された値ωＩｎｖＭｅｍｏを出力する。

インバータ出力周波数演算部２０は図３の構成であり、その積分器２９では、ゲート許可信号ＧＡＴＥＯＮが０の場合に、メモリ３０に記憶されたインバータ出力周波数ωＩｎｖＭｅｍｏを初期値としてプリセットする。

次に運転指令生成部１９の詳細を図７を用いて説明する。まず、インバータ１の保護にかかわる部分を説明する。インバータ出力電流Ｉｕ，Ｉｗと、Ｖ相電流演算部３１によって演算されたＶ相電流Ｉｖに基づき、絶対値演算部３２では、それぞれの相電流の絶対値を算出する。最大値演算部３３では、３相３つの相電流の絶対値の中から最大のものを選択し出力する。すなわち、３相電流の中で最も絶対値の大きい値Ｉｍａｘを出力する。比較器３４では、所定値ＩｂとＩｍａｘを比較し、Ｉｍａｘ＞Ｉｂである場合には、過電流を表す１を、それ以外は０を、過電流フラグＯＣとして出力する。

比較器３６では、インバータ直流入力電圧を所定値Ｖｂと比較し、Ｖｄｃ＞Ｖｂである場合には、過電圧を表す１を、それ以外は０を過電圧フラグＯＶとして出力する。

ＯＲ回路３９によって、過電流フラグＯＣと過電圧フラグＯＶとのＯＲが取られ、ＲＳフリップフロップ４０のリセット条件に入力される。同セット条件は、運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤの反転出力である。ＲＳフリップフロップ４０の出力は、ＡＮＤ回路４１を経て、ＡＮＤ回路４２へと入力される。ＡＮＤ回路４１の役割については後述する。ＡＮＤ回路４２では、運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤとのＡＮＤをとり、ゲート許可フラグＧＡＴＥＯＮとして出力する。

以上は、インバータの保護シーケンスである。すなわち、インバータ出力電流の過電流あるいはインバータ直流入力電圧の過電圧を検出し、インバータ装置を停止する、すなわち、ゲートを停止するように、ゲート許可フラグＧＡＴＥＯＮ＝０となるように作用する。

次に脱調であることを検出する処理を説明する。比較器３５では、所定値ＩａとＩｍａｘを比較し、Ｉｍａｘ＞Ｉａである場合には、脱調による過電流を表す１を、それ以外は０を脱調過電流フラグＳｏｆｔＯＣとして出力する。なお、脱調検出用過電流レベルＩａ＜過電流保護レベルＩｂとなるように設定している。

また、比較器３６によって、インバータ直流入力電圧Ｖｄｃと所定値Ｖａを比較し、Ｖｄｃ＞Ｖａである場合には脱調による過電圧を表す１を、それ以外は０を脱調過電圧フラグＳｏｆｔＯＶとして出力する。なお、脱調検出過電圧レベルＶａ＜過電圧保護レベルＶｂとなるように設定している。

脱調過電流フラグＳｏｆｔＯＣと脱調過電圧フラグＳｏｆｔＯＶは、ＯＲ回路４４によって、そのオアが演算され、オフディレイ（ＯＦＦＤＬＹ）４５へと入力される。オフディレイ４５は、その入力信号がオフしてもディレイ時間ＴＤの間は、オン状態を保持する機能を有する。よって、一瞬、脱調過電流フラグＳｏｆｔＯＣあるいは脱調過電圧フラグＳｏｆｔＯＶが１、すなわち、脱調状態を検出すると所定時間１だけ維持する作用をする。オフディレイ（ＯＦＦＤＬＹ）４５の出力は、脱調による一時的なゲートブロック状態を表す信号ＳｏｆｔＢＬＯＣＫである。

ＳｏｆｔＢＬＯＣＫ信号は、ＮＯＴ回路４３において反転され、前記ＡＮＤ回路４１への入力となる。すなわち、ＳｏｆｔＢＬＯＣＫ＝１の間は、ゲート許可フラグＧＡＴＥＯＮが０、すなわち、ゲート停止状態となる。
インバータを保護するため過電流や過電圧検出は必要であるが、同様に脱調状態を過電流や過電圧によって検出することも可能である。過電流や過電圧の検出方法は、両者に差異はないが、第２の実施の形態によれば、そのレベルに差異を設け、まず、脱調検出するための検出設定があり、更にそれ以上の保護検知のための検出設定を設けている。よって、実際にインバータ装置が破壊したなど急激な電流や電圧の増加が生じ場合には保護としてブロワ装置を停止することができ、従来の保護機能は維持できる。

また本実施の形態によれば、脱調状態を検出した場合、運転指令生成部１９によって一時的にゲートを止め、保護レベルに至ることを回避している。オフディレイ４５によって所定時間の間、ゲートを停止した後、インバータを再始動するが、インバータ出力周波数演算部２０の図３に示した積分器２９が、ゲート停止時のインバータ出力周波数をメモリ３０に記憶したωＩｎｖＭｅｍｏにプリセットされているため、このインバータ周波数演算部２０の出力するインバータ出力周波数ωＩｎｖは、ωＩｎｖＭｅｍｏを初期値として始動することになる。

前述のとおり、ブロワ１０，１１は、インバータが動作停止した場合、外部から風圧によって回転速度が低下していく。よって、インバータ出力周波数ωＩｎｖを、脱調検出した時点での回転周波数と同等ないしは小さい値を初期値として始動することで、同期引き込みの可能性を上げ、定常運転に至るまでの所要時間を短縮することができる。よって、システムの信頼性を向上したブロワ装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態のインバータ駆動ブロワ装置を示すのブロック図。脱調検出器のブロック図。インバータ出力周波数演算部の詳細ブロック図。健全時の波形図。脱調時の波形図。本発明の第２の実施の形態のインバータ駆動ブロワ装置を示すブロック図。運転指令生成部の詳細ブロック図。

符号の説明

１インバータ
２フィルタコンデンサ
３永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）
４永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）
５電流検出器
６整流器
７パンタグラフ
８車輪
９変圧器
１０ブロワ
１１ブロワ
１２電流制御部
１３座標変換部
１４ゲート指令演算部
１５座標制御部
１６積分器
１７脱調検出部
１８直流電圧検出器
１９運転指令生成部
２０インバータ出力周波数基準演算部
２１電圧ベクトル長演算部
２２除算器
２３減算器
２４比較器
２５切替器
２６切替器
２７減算器
２８リミッタ
２９積分器
３０メモリ
３１Ｖ相電流演算
３２絶対値演算部
３３最大値演算部
３４比較器
３５比較器
３６比較器
３７比較器
３８ＮＯＴ回路
３９ＯＲ回路
４０ＲＳフリップフロップ
４１ＡＮＤ回路
４２ＡＮＤ回路
４３ＮＯＴ回路
４４ＯＲ回路
４５オフディレイ

Claims

交流電源から電力供給され、交流を直流に変換する変換器と、
前記変換器の直流出力側の電圧を平滑するフィルタコンデンサと、
当該フィルタコンデンサに接続されたインバータと、
外部から与えられるインバータ出力周波数に一致する電流を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御手段と、
前記モータが脱調状態にあることを検出するための脱調検出手段であって、前記脱調を検出することを目的として、前記インバータの出力電流が所定値Ｉａより過大になったことを検出する過電流検出手段と、前記インバータの直流入力電圧が所定値Ｖａより過大になったことを検出する過電圧検出手段とを有する脱調検出手段と、
前記過電流検出手段により過電流を検出した場合あるいは前記過電圧検出手段により過電圧を検出した場合に、一定のディレイ時間の後に前記インバータの動作を停止する指令を出力する停止指令出力手段と、
当該停止指令の出力時点でのインバータ出力周波数を記憶する手段と、
前記停止指令の出力後の所定時間経過後に前記インバータ装置を再始動させる指令を出力し、かつその再始動指令時のインバータ出力周波数の初期値を前記記憶されたインバータ周波数以下に設定する運転指令生成手段と、
通常に外部から与えられるインバータ出力周波数指令に一致するようなインバータ出力周波数を演算して前記インバータ制御手段に与え、前記脱調検出手段が脱調状態を検出した場合、前記インバータ出力周波数指令を強制的に０に切り替え、かつ、モータのロータ回転数の検出値にも推定値にも依存しないで前記０のインバータ出力周波数指令に向かって一定の変化率で徐々に低減するインバータ出力周波数を前記インバータ制御手段に与える脱調復帰手段と、
前記インバータを停止するための保護機能として、インバータ出力電流が所定値Ｉｂより過大になったことで直ちに保護動作をかける過電流保護手段と、
前記インバータを停止するための保護機能として、インバータ直流入力電圧が所定値Ｖｂより過大になったことで直ちに保護動作をかける過電圧保護手段とを備え、
前記２つの過電流の設定値をＩａ＜Ｉｂとし、前記２つの過電圧の設定値をＶａ＜Ｖｂとしたことを特徴とするインバータ駆動ブロワ制御装置。
前記インバータ制御手段は、前記インバータの出力電流が所定値になるように制御する電流制御手段であり、
前記脱調検出手段は、前記インバータの出力電圧と出力周波数とに基づき、ロータ回転周波数の推定値を演算するロータ回転周波数推定手段と、当該ロータ回転周波数推定値と前記インバータ出力周波数とを比較することで脱調か否かを検出する判定手段とを有すことを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置。
前記モータは、永久磁石同期モータを複数台直列に接続したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ駆動ブロワ制御装置。