JP4759356B2

JP4759356B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4759356B2
Application number: JP2005275790A
Authority: JP
Inventors: 勝彦福間
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007089323A

Description

本発明は、交流電源より出力される交流電圧をコンバータ変換器により直流電圧に変換し、その直流電圧をインバータ変換器により可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給する電力変換装置に関する。

従来、可変周波数・可変電圧の交流電圧を電動機に供給して該電動機を駆動制御する電力変換装置としては、図１０に示すような構成のものがある。

図１０に示すように、交流電源１から得た交流電圧をコンバータ変換器により直流電圧に変換し、その直流電圧をインバータ変換器により可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換することで、電動機の駆動に必要な速度・トルクを発生させるシステムである。

なお、上記は三相の主回路構成を単結線にて示したものである。

上記交流電源１とコンバータ変換器３との間の電路に流れる電流を検出してコンバータ変換器３の電流フィードバック信号を得る電流検出器２が設けられ、またインバータ変換器５と電動機７との間の電路に流れる電流を検出してインバータ変換器５の電流フィードバック信号５を得る電流検出器６が設けら、さらにコンバータ変換器３とインバータ変換器５との間の直流電路には各変換器の直流電圧フィードバック信号を得る直流電圧検出器４が設けられる。また、電動機８には速度検出器８が接続され、電動機７の磁極位置あるいは速度を検出する。

一方、コンバータ変換器３の制御系（以下コンバータ制御系と呼ぶ）は、電圧制御器１１によりトルク基準を算出し、電流制御器１２で各相電圧基準を得てＰＷＭ発生器１３にてコンバータ変換器３を制御する。

ここで、上記電圧制御器１１は、図１１に示すように電圧基準１４と電圧検出器４より得られた電圧フィードバック信号１５との偏差を求め、その偏差をＰＩ回路１６にて比例積分した後、外部補償信号を加えて得られた信号をリミッタ−回路１７によりリミットしてトルク基準を得、このトルク基準を電流制御器１２に渡している。

上記電流制御器１２は、図１３に示すように電流検出器２にて検出された電流フィードバック信号３３を３相／ｄｑ軸変換器３４にてｄｑ軸に変換し、その出力をＩＱ・ＩＤ電流基準３１，３２との差分をそれぞれ取り、その差分をＰＩ回路３５にて比例積分してＩＱ・ＩＤ電圧基準を求めた後、リミッタ−回路３６にてリミットしてｄｑ／３相変換器３７にて３相電圧基準を得てＰＷＭ発生器１３に渡し、このＰＷＭ発生器１３によりコンバータ変換器３を制御する。

また、インバータ変換器５側の制御系（以下インバータ制御系と呼ぶ）は、速度制御器２１によりトルク基準を算出し、電流制御器２２で電圧基準を得てＰＷＭ発生器２３にてインバータ変換器５を制御する。

ここで、上記速度制御器２１は、図１２に示すように速度基準２４と速度検出器８より得られた速度フィードバック信号２５との偏差を求め、その偏差をＰＩ回路２６にて比例積分した後、リミッタ−回路２７によりリミットしてトルク基準を得、このトルク基準を電流制御器２２に渡している。

上記電流制御器２２は、前述した図１３と同様の制御を行い、電圧基準を得てＰＷＭ発生器２３に渡し、インバータ変換器５を制御する。

このようにコンバータ変換器３とインバータ変換器５は、それぞれの制御系により別々に制御されている。また、コンバータ及びインバータ制御系に制御リミットを掛けているのは、交流電源１側に設けられている図示しない変圧器並びに負荷側の電動機を保護するためである。

このように従来の電力変換装置において、容量の異なるコンバータ変換器３とインバータ変換器５が選定された状態で、コンバータ変換器３とインバータ変換器５を別々の制御系で制御が行われた場合、一方の制御がその変換器容量のリミットに達しているにも関わらず、他方の変換器がトルクを出し続けると、結果的にリミットされている側の制御を不安定にさせる。さらに、コンバータ変換器３がリミットのままインバータ変換器５がトルクを上げ続けた場合、直流電圧を低下させる。

また、一般的にコンバータ変換器は、交流電源側に設けられた変圧器によりリミット制約されるため、変圧器以上の容量のコンバータ変換器が選定されているが、制御のリミットとしては、コンバータ変換器の容量限界ではなく、変圧器の仕様によりリミットしている。同様にインバータ変換器５も電動機容量以上のものが選定されている。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、一方の変換器がリミットになった場合に、他方の変換器のリミットを変化させることにより、制御の安定性を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

請求項１に対応する発明は、交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、前記コンバータ制御系に電圧制御器のリミット手段により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、前記インバータ制御系に前記コンバータ制御系から電圧制御又は電流制御の少なくとも一方のリミット信号を受けると前記速度制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段のリミット値を前記コンバータ制御系からのリミット信号が止むまでステップ的に下げ、前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御のリミットが解消すると該リミット手段のリミット値を予め設定されたリミット値に戻す機能を持たせる。

請求項２に対応する発明は、交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、前記コンバータ制御系に電圧制御器のリミット手段により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、前記インバータ制御系に前記コンバータ制御系からリミット信号を受けていないとき前記速度制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段により速度制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになると前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御がリミットになったことを受けるまで、前記速度制御器又は電流制御器のリミット手段のリミット値をステップ的に上げ、前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御の少なくとも一方がリミット値に達すると該リミット手段のリミット値をそのときのリミット値にホールドする機能を持たせる。

請求項３に対応する発明は、交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、前記インバータ制御系に速度制御器のリミット手段により速度制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をコンバータ制御系に伝達する手段を設け、前記コンバータ制御系に前記インバータ制御系からリミット信号を受けていないとき前記電圧制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段により電圧制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになると前記電圧制御器又は電流制御器のリミット手段のリミット値をステップ的に上げ、前記インバータ制御系の速度制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになったことを受けるとそのときのリミット値にホールドする機能を持たせる。

本発明によれば、一方の変換器がリミットになった場合に、他方の変換器のリミットを変化させることにより、制御の安定性を図ることができる。

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は本発明による電力変換装置の第１の実施形態を示すブロック回路図であり、また図２は同実施形態のリミッター回路の機能ブック図である。

なお、システム全体としては、図１０と同一であり、電圧制御器、速度制御器及び電流制御器の構成についても図１１乃至図１３と同一部分には同一符号を付して説明する。

第１の実施形態では、図１に示すようにコンバータ制御系に図１１に示す電圧制御器１１のリミッタ−回路１７により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器１２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、またインバータ制御系の速度制御器２１にコンバータ制御系から電圧制御又は電流制御のリミット信号を受けると図２に示すような機能を持たせたリミッター回路４１を設けるものである。

このリミッタ−回路４１は、通常のリミット機能に加えて、図２に示すようにコンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットであるか否かを判定し、リミットであると判定すると該リミッタ−回路４１のリミット値をコンバータ変換器３側からリミット信号を受けた時点でのＰＩ回路２６の出力値に変更し、コンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットでないと判定すると該リミッタ−回路４１のリミット値を通常のリミット値に戻す機能を持たせたものである。

このような構成とすれば、コンバータ制御系において、電圧制御又は電流制御がリミット値に達しても、インバータ制御系における速度制御器２１内のリミッター回路４１のリミット値をコンバータ変換器３側からリミット信号を受けた時点でのＰＩ回路２６の出力値に変更してトルク制御するようにしたので、コンバータ変換器３側の制御の安定性を図ることができる。

なお、上記ではインバータ制御系における速度制御器２１内のリミッター回路４１のリミット値を変更する場合について述べたが、電流制御器２２内のリミッター回路３６のリミット値を変更する場合も同様である。

図３は本発明による電力変換装置の第２の実施形態を示すブロック回路図であり、また図４は同実施形態のリミッター回路の機能ブック図である。

第２の実施形態では、図３に示すようにコンバータ制御系に図１１に示す電圧制御器１１のリミッタ−回路１７により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器１２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、またインバータ制御系の速度制御器２１にコンバータ制御系から電圧制御又は電流制御のリミット信号を受けると図４に示すような機能を持たせたリミッター回路４２を設けるものである。

このリミッタ−回路４２は、通常のリミット機能に加えて、図４に示すようにコンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットであるか否かを判定し、リミットであると判定すると該リミッタ−回路４２のリミット値を数％ずつステップ的にリミット値を減らして行き、コンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットでないと判定すると該リミッタ−回路４２のリミット値を通常のリミット値に戻す機能を持たせたものである。

このような構成とすれば、コンバータ制御系において、電圧制御又は電流制御がリミット値に達しても、インバータ制御系における速度制御器２１内のリミッター回路４２のリミット値をコンバータ変換器３側からのリミット信号が止むまで下げてトルク制御するようにしたので、コンバータ変換器３の制御の安定性を図ることができる。

図５は本発明による電力変換装置の第３の実施形態を示すブロック回路図であり、また図６は同実施形態のリミッター回路の機能ブック図である。

第３の実施形態では、図５に示すようにコンバータ制御系に図１１に示す電圧制御器１１のリミッタ−回路１７により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器１２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、またインバータ制御系の速度制御器２１に図６に示すような機能を持たせたリミッタ−回路４３を設けるものである。

このリミッタ−回路４３は、通常のリミット機能に加えて、図６に示すようにインバータ変換器５側の速度制御がリミットに掛かった場合、コンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットに掛かっているか否かを判定し、リミットに掛かっていないと判定すると該リミッタ−回路４３のリミット値を数％ずつステップ的に上昇させ、コンバータ変換器３側の電圧制御又は電流制御がリミットに掛かったと判定されるとその時点でのリミット値にホールドする機能を持たせたものである。

このような構成とすれば、インバータ制御系における速度制御がリミットにかかった場合、コンバータ制御系における電圧制御器又は電流制御器がリミットに掛かっていなければ、インバータ制御系における速度制御器のリミット値をコンバータ変換器側の電圧制御器又は電流制御器がリミットに掛かるまでリミット値を上げ、リミットに掛かかるとそのときのリミット値にホールドしてトルク制御するようにしたので、コンバータ変換器３の制御の安定性を図ることができる。

なお、上記ではインバータ制御系における速度制御がリミットにかかった場合について述べたが、電流制御がリミットにかかった場合も同様である。

図７は本発明による電力変換装置の第４の実施形態を示すブロック回路図であり、また図８は同実施形態のリミッター回路の機能ブック図である。

第４の実施形態では、図７に示すようにインバータ制御系に図１２に示す速度制御器２１のリミッタ−回路２７により速度制御がリミットになるか、又は電流制御器２２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をコンバータ制御系に伝達する手段を設け、またコンバータ制御系の電圧制御器１１にインバータ制御系から速度制御又は電流制御のリミット信号を受けると図８に示すような機能を持たせたリミッター回路４４を設けるものである。

このリミッター回路４４は、通常のリミット機能に加えて、図８に示すようにインバータ変換器５側の速度制御又は電流制御がリミットであるか否かを判定し、リミットでないと判定すると該リミッタ−回路４４のリミット値を数％ずつステップ的に上昇させ、インバータ変換器５側の速度制御又は電流制御がリミットであると判定するとその時点のリミット値にホールドする機能を持たせたものである。

このような構成とすれば、インバータ制御系における速度制御がリミットにかかった場合、コンバータ制御系における電圧制御器又は電流制御器がリミットに掛かっていなければ、インバータ制御系における速度制御器のリミット値をコンバータ制御系の電圧制御器又は電流制御器がリミットに掛かるまでリミット値を上げ、リミットに掛かかるとそのときのリミット値にホールドしてトルク制御するようにしたので、コンバータ変換器３の制御の安定性を図ることができる。

このような構成とすれば、コンバータ制御系における電圧制御器がリミットに掛かった場合、インバータ制御系がリミットに掛かっていないとき、コンバータ制御系に余裕があればその変換器の装置容量まで、リミットを上げて制御することができる。

なお、上記ではコンバータ制御系における速度制御がリミットにかかった場合について述べたが、電流制御がリミットにかかった場合も同様である。

図９は本発明による電力変換装置の第５の実施形態を示すブロック回路図である。

第５の実施形態では、図９に示すようにインバータ制御系に図１２に示す速度制御器２１のリミッタ−回路４２により速度制御がリミットになるか、又は図１３に示す電流制御器２２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をコンバータ変換器３側の制御系に伝達する手段を設け、またコンバータ制御系にも図１１に示す電圧制御器１１のリミッタ−回路１７により電圧制御がリミットになるか、又は図１３に示す電流制御器１２のリミッタ−回路３６により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ変換器５側の制御系に伝達する手段を設ける。

そして、コンバータ制御系の電圧制御器１１にインバータ制御系から速度制御又は電流制御のリミット信号を受けると図８に示すような機能を持たせたリミッタ−回路４４を設け、またインバータ制御系の速度制御器２１にコンバータ制御系から電圧制御又は電流制御のリミット信号を受けると図４に示すような機能を持たせたリミッター回路４２を設けるものである。

このような構成とすれば、コンバータ制御系における電圧制御器がリミットになり、インバータ制御系がリミットに掛かっていなければ、コンバータ変換器に余裕があるときコンバータ制御系のリミット値を第４の実施形態と同様に数％ずつ上昇させ、コンバータ変換器に余裕がなければ、インバータ制御系のリミット値を第２の実施形態のように下げるようにしたので、コンバータ変換器及びインバータ変換器側共に制御の安定化を図ることができる。

なお、上記ではインバータ制御系の速度制御器及びコンバータ制御系の電圧制御器のリミット値を変更する場合について述べたが、両制御系の電流制御器のリミット値についても同様の手段により変更できることは言うまでもない。

本発明による電力変換装置の第１の実施形態を示すブロック回路図。同実施形態のリミッター回路の機能ブック図。本発明による電力変換装置の第２の実施形態を示すブロック回路図。同実施形態のリミッター回路の機能ブック図。本発明による電力変換装置の第３の実施形態を示すブロック回路図。同実施形態のリミッター回路の機能ブック図。本発明による電力変換装置の第４の実施形態を示すブロック回路図。同実施形態のリミッター回路の機能ブック図。本発明による電力変換装置の第５の実施形態を示すシステム全体のブロック回路図。従来の電力変換装置のシステム全体を示す構成図。図１０の電圧制御器の内部構成を示すブロック回路図。同じく速度制御器の内部構成を示すブロック回路図。同じく電流制御器の内部構成を示すブロック回路図。

符号の説明

１…交流電源、２，６…電流検出器、３…コンバータ変換器、４…電圧検出器、５…インバータ変換器、７…電動機、８…速度検出器、１１…電圧制御器、１２…電流制御器、１３…ＰＷＭ発生器、１４…電圧基準、１５…電圧フィードバック信号、１６，２６，３５…ＰＩ回路、１７，２７，３６４１，４２，４３，４４…リミッター回路、２４…速度基準、２５…速度フィードバック信号、３１…ＩＱ基準、３２…ＩＤ基準、３３…電流フィードバック信号、３４…３相／ｄｑ変換器、３７…ｄｑ／３相変換器

Claims

交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、
前記コンバータ制御系に電圧制御器のリミット手段により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、
前記インバータ制御系に前記コンバータ制御系から電圧制御又は電流制御の少なくとも一方のリミット信号を受けると前記速度制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段のリミット値を前記コンバータ制御系からのリミット信号が止むまでステップ的に下げ、前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御のリミットが解消すると該リミット手段のリミット値を予め設定されたリミット値に戻す機能を持たせたことを特徴とする電力変換装置。
交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、
前記コンバータ制御系に電圧制御器のリミット手段により電圧制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をインバータ制御系に伝達する手段を設け、
前記インバータ制御系に前記コンバータ制御系からリミット信号を受けていないとき前記速度制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段により速度制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになると前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御がリミットになったことを受けるまで、前記速度制御器又は電流制御器のリミット手段のリミット値をステップ的に上げ、前記コンバータ制御系の電圧制御又は電流制御の少なくとも一方がリミット値に達すると該リミット手段のリミット値をそのときのリミット値にホールドする機能を持たせたことを特徴とする電力変換装置。
交流電源より出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ変換器と、このコンバータ変換器から出力される直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して電動機へ供給するインバータ変換器と、電圧基準と前記直流電圧の検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る電圧制御器及びこの電圧制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記コンバータ変換器を制御するコンバータ制御系と、速度基準と前記電動機の速度検出信号との偏差をリミット手段によりリミットしてトルク基準を得る速度制御器及びこの速度制御器より得られるトルク基準をもとに求められる電流基準をリミット手段によりリミットして電圧基準に変換する電流制御器により前記インバータ変換器を制御するインバータ制御系とを備え、
前記インバータ制御系に速度制御器のリミット手段により速度制御がリミットになるか、又は電流制御器のリミット手段により電流制御がリミットになると、その旨の信号をコンバータ制御系に伝達する手段を設け、
前記コンバータ制御系に前記インバータ制御系からリミット信号を受けていないとき前記電圧制御器又は電流制御器の少なくとも一方のリミット手段により電圧制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになると前記電圧制御器又は電流制御器のリミット手段のリミット値をステップ的に上げ、前記インバータ制御系の速度制御又は電流制御の少なくとも一方がリミットになったことを受けるとそのときのリミット値にホールドする機能を持たせたことを特徴とする電力変換装置。