JP4759356B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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、その旨の信号をンバータ制御系に伝達する手段を設け、
    前記ンバータ制御系に前記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。
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