JP5170370B2 - 直列多重インバータと過電圧防止方法 - Google Patents
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Description
本発明は、単相インバータの出力を複数台直列接続して各相を構成し、高圧交流電圧出力を得るようにした直列多重インバータと過電圧防止方法に関する。
一般にインバータの過電圧防止方法は、直流電圧値を監視し、回生エネルギーによる電圧値の上昇を検知したら、モータの減速レートを緩やかにしたり、回生側のトルク制限値を小さくすることで、回生エネルギーを抑制し過電圧を防止している（例えば、非特許文献１参照）。
過電圧防止機能を持った直列多重インバータの構成例を図６に示す。６０２は三相トランスであり、２次側に設けられた巻線に６３１〜６３３、６４１〜６４３、６５１〜６５３の単相インバータが接続されている。前記単相インバータは、６６１コンバータ部の三相全波整流出力を６６２平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を入力し単相を出力する６６３インバータ部により構成され、前記単相インバータの出力を各相３台ずつ直列に接続することで直列多重インバータを構成し、高圧交流電圧を出力して６０６交流電動機を駆動する。
前記交流電動機により回生エネルギーが発生すると、前記平滑コンデンサの両端の直流電圧が上昇する。これを防止するため前記単相インバータ毎に６６４直流電圧検出回路を設け、その出力６６５直流電圧検出値を６６６過電圧防止回路に取り込み回生エネルギーを抑制することで過電圧を防止している。
このように、従来の直列多重インバータでは、単相インバータ毎に直流電圧検出回路を設け、その検出値を使って過電圧を防止する、という手順がとられていた。
株式会社安川電機編「インバータドライブ技術」日刊工業新聞社出版、２００６年３月３１日、ｐ．１６９−１７０
株式会社安川電機編「インバータドライブ技術」日刊工業新聞社出版、２００６年３月３１日、ｐ．１６９−１７０
従来の直列多重インバータの過電圧防止方法では、単相インバータ毎に直流電圧検出回路を設け、その検出値を過電圧防止回路に送るという手順をとっているので、回路構成が複雑となり、装置が高価になってしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、単相インバータごとの直流電圧検出回路がなくとも出力直流電圧が生成でき安価で簡素な回路構成で過電圧を防止できる直列多重インバータと過電圧防止方法を提供することを目的とする。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、単相インバータごとの直流電圧検出回路がなくとも出力直流電圧が生成でき安価で簡素な回路構成で過電圧を防止できる直列多重インバータと過電圧防止方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、３相交流入力電圧から複数の３相交流出力電圧を生成するトランスと、前記３相交流出力電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相交流出力電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータにおいて、前記３相交流入力電圧を検出し入力電圧検出信号を生成する入力電圧検出部と、前記３相交流出力電圧を検出し出力電圧検出信号を生成する出力電圧検出部と、前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算する直流電圧変換部と、前記直流電圧に基づいて過電圧を防止する過電圧防止部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の直列多重インバータにおいて、前記過電圧防止部は、前記直流電圧が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記直流電圧の関数で抑えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記出力電圧検出信号を前記出力電圧指令の比を各相ごとに生成し、それぞれに前記直流電圧指令を乗じて各相ごとの直流電圧を生成し、前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値に基づいて過電圧を防止することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の直列多重インバータにおいて、前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記各相ごとの直流電圧の最大値の関数で抑えることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧の自乗和平方根により生成することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧のｄｑ軸座標変換により生成することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、３相入力交流電圧から複数の３相出力交流電圧を生成するトランスと、前記３相出力交流電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相出力交流電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータの過電圧防止方法において、前記３相入力交流電源の電圧を検出し入力電圧検出信号を生成するステップと、前記３相出力交流電源の電圧を検出し出力電圧検出信号を生成するステップと、前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算するステップと、前記直流電圧に基づいて過電圧を防止するステップと、を備えたことを特徴とするものである。
請求項１に記載の発明は、３相交流入力電圧から複数の３相交流出力電圧を生成するトランスと、前記３相交流出力電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相交流出力電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータにおいて、前記３相交流入力電圧を検出し入力電圧検出信号を生成する入力電圧検出部と、前記３相交流出力電圧を検出し出力電圧検出信号を生成する出力電圧検出部と、前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算する直流電圧変換部と、前記直流電圧に基づいて過電圧を防止する過電圧防止部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の直列多重インバータにおいて、前記過電圧防止部は、前記直流電圧が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記直流電圧の関数で抑えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記出力電圧検出信号を前記出力電圧指令の比を各相ごとに生成し、それぞれに前記直流電圧指令を乗じて各相ごとの直流電圧を生成し、前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値に基づいて過電圧を防止することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の直列多重インバータにおいて、前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記各相ごとの直流電圧の最大値の関数で抑えることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧の自乗和平方根により生成することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータにおいて、前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧のｄｑ軸座標変換により生成することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、３相入力交流電圧から複数の３相出力交流電圧を生成するトランスと、前記３相出力交流電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相出力交流電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータの過電圧防止方法において、前記３相入力交流電源の電圧を検出し入力電圧検出信号を生成するステップと、前記３相出力交流電源の電圧を検出し出力電圧検出信号を生成するステップと、前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算するステップと、前記直流電圧に基づいて過電圧を防止するステップと、を備えたことを特徴とするものである。
本発明によれば、各単相インバータの直流電圧検出回路を設けることなく、入力電圧と出力電圧の検出値から直流電圧を算出するので過電圧の発生を防止する直列多重インバータと過電圧防止方法を提供できる。
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図１〜５に基づいて説明する。
図１は、本発明の方法を実施する直列多重インバータ装置の構成を示す回路図である。図１において三相交流電源１０１が三相トランス１０２の１次巻線１２０の端子Ｒ，Ｓ，Ｔに入力されている。前記三相トランスの２次巻線１２１〜１２９から各単相インバータ１３１〜１３３、１４１〜１４３、１５１〜１５３に電力を供給している。前記単相インバータを３台一組としてその出力を直列に接続し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成し、高圧交流電圧を発生し、交流電動機１０７を駆動している。
前記１次巻線に入力される電圧を入力電圧検出回路１０６を用いて検出する。出力側も同様に出力電圧検出回路１０９を用いて検出し、前記入力電圧検出値とともに直流電圧演算回路１０８に入力する。前記直流電圧演算回路にて算出した直流電圧値を過電圧防止回路１１０に入力し、過電圧防止を行う。
図２は、本発明の方法の実施形態１を示す直流電圧演算回路である。出力電圧Ｖｏｕｔは、出力電圧指令Ｖｒｅｆに対して、次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ×Ｖｄｃ／Ｖｄｃｒｅｆ （１）
ここで、Ｖｄｃは実際の直流電圧値、Ｖｄｃｒｅｆは、入力電圧Ｖｉｎから演算される直流電圧指令である。前記三相トランスの巻線比を
とすると直流電圧指令は次式にて演算される。
Ｖｄｃｒｅｆ＝１．３５×ａ×Ｖｉｎ （２）
以上から、直流電圧は既知の数値を用いて次式にて演算できる。
Ｖｄｃ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆ （３）
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ×Ｖｄｃ／Ｖｄｃｒｅｆ （１）
ここで、Ｖｄｃは実際の直流電圧値、Ｖｄｃｒｅｆは、入力電圧Ｖｉｎから演算される直流電圧指令である。前記三相トランスの巻線比を
とすると直流電圧指令は次式にて演算される。
Ｖｄｃｒｅｆ＝１．３５×ａ×Ｖｉｎ （２）
以上から、直流電圧は既知の数値を用いて次式にて演算できる。
Ｖｄｃ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆ （３）
（３）式を使って直流電圧を演算するため、まず、入力電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを入力電圧検出部１０６を介して取り込み、入力電圧演算部２０１にて入力電圧Ｖｉｎを演算し、その値から直流電圧指令生成部２０２により直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆを生成する。次に、出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力電圧検出部１０９を介して取り込み、出力電圧演算部２０３にて出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力電圧指令Ｖｒｅｆとの比を演算し、先に演算した直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆと乗ずることで直流電圧Ｖｄｃを算出する。
図４は、本発明の実施例１の過電圧防止回路である。直流電圧算出値が直流電圧指令を超えると回生エネルギーが発生していることになるので回生エネルギーを抑制するために減速レートを緩くする。ここでは、前記直流電圧演算値が直流電圧指令を超えた量に応じて減速レートを緩くするための補正係数を演算する。ここでは、減速レートを緩くするための係数を演算しているが、直流電圧の上昇量に応じて回生側のトルク制限値を小さくすることでも同様に過電圧を防止することが可能である。
図３は、本発明の方法の実施例２を示す直流電圧変換回路である。インバータが出力する３相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、３相電圧指令Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆに対して次式にて表される。
Ｖｕ＝Ｖｕｒｅｆ×Ｖｄｃｕ／Ｖｄｃｒｅｆ
Ｖｖ＝Ｖｖｒｅｆ×Ｖｄｃｖ／Ｖｄｃｒｅｆ
Ｖｗ＝Ｖｗｒｅｆ×Ｖｄｃｗ／Ｖｄｃｒｅｆ （４）
Ｖｄｃｒｅｆは（２）式にて演算されるので、各相の直流電圧値、Ｖｄｃｕ、Ｖｄｃｖ、Ｖｄｃｗは次式により演算できる。
Ｖｄｃｕ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｕ／Ｖｕｒｅｆ
Ｖｄｃｖ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｖ／Ｖｖｒｅｆ
Ｖｄｃｗ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｗ／Ｖｗｒｅｆ （５）
Ｖｕ＝Ｖｕｒｅｆ×Ｖｄｃｕ／Ｖｄｃｒｅｆ
Ｖｖ＝Ｖｖｒｅｆ×Ｖｄｃｖ／Ｖｄｃｒｅｆ
Ｖｗ＝Ｖｗｒｅｆ×Ｖｄｃｗ／Ｖｄｃｒｅｆ （４）
Ｖｄｃｒｅｆは（２）式にて演算されるので、各相の直流電圧値、Ｖｄｃｕ、Ｖｄｃｖ、Ｖｄｃｗは次式により演算できる。
Ｖｄｃｕ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｕ／Ｖｕｒｅｆ
Ｖｄｃｖ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｖ／Ｖｖｒｅｆ
Ｖｄｃｗ＝Ｖｄｃｒｅｆ×Ｖｗ／Ｖｗｒｅｆ （５）
（５）式を使って直流電圧を演算するため、まず、入力電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを入力電圧検出部１０６を介して取り込み、入力電圧演算部３０１にて入力電圧Ｖｉｎを演算し、直流電圧指令生成部３０２により直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆを生成する。次に、出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力電圧検出回路１０９を介して取り込み、各相電圧検出値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと各相電圧指令Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆとの比を演算し、先に演算した直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆを乗ずることで各相の直流電圧Ｖｄｃｕ、Ｖｄｃｖ、Ｖｄｃｗを算出する。
図５は、本発明の方法の実施例２を示す過電圧防止回路である。前記各相の直流電圧のうち最大値選択回路５０２により一番上昇値が大きい相を選択し、その値を用いて過電圧防止処理を行う。過電圧防止回路５０１については、実施例１にて記載したものと同様である。直流電圧を相毎に演算することで各相のばらつきに対する過電圧防止効果を大きくすることができる。
直流電圧に変換するには、（６）式のように３相電圧の自乗和平方根をもとめてもよい。
Ｖｉｎ＝√（Ｖｒ２＋Ｖｓ２＋Ｖｔ２）
Ｖｏｕｔ＝√（Ｖｕ２＋Ｖｖ２＋Ｖｗ２） （６）
また、直流電圧に変換するには、（７）式のようにｄｑ軸座標変換などの座標変換を用いてもよい。ここでθはモータロータの電気角である。
Ｖｉｎ＝√（Ｖｒ２＋Ｖｓ２＋Ｖｔ２）
Ｖｏｕｔ＝√（Ｖｕ２＋Ｖｖ２＋Ｖｗ２） （６）
また、直流電圧に変換するには、（７）式のようにｄｑ軸座標変換などの座標変換を用いてもよい。ここでθはモータロータの電気角である。
図７は本発明の過電圧防止方法を示すフローチャートである。図７において、ステップＳＴ１で３相入力交流電源の電圧を検出し入力電圧検出信号を生成し、ステップＳＴ２で３相出力交流電源の電圧を検出し出力電圧検出信号を生成し、ステップＳＴ３で入力電圧検出信号と出力電圧検出信号をそれぞれ入力電圧直流信号と出力電圧直流信号に変換し、ステップＳＴ４で入力電圧直流信号と出力電圧直流信号に基づいて過電圧を防止する。
このように、入力電圧と出力電圧の検出値から直流電圧値を算出することで過電圧を防止することが可能となり、単相インバータ毎に直流電圧を検出するための回路を設ける必要がなく、安価で簡素な回路構成で過電圧の防止ができるのである。
１０１ 三相交流電源
１０２ 三相トランス
１０３ Ｕ相ユニット
１０４ Ｖ相ユニット
１０５ Ｗ相ユニット
１０６ 入力電圧検出部
１０７ 交流電動機
１０８ 直流電圧変換部
１０９ 出力電圧検出部
１１０ 過電圧防止部
１２０ １次巻線
１２１〜１２９ ２次巻線
１３１〜１５３ 単相インバータ
Ｒ，Ｓ，Ｔ 三相トランス１次側入力端子
ｒ，ｓ，ｔ 単相インバータ入力端子
ａ，ｂ 単相インバータ出力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ 出力端子
２０１ 入力電圧演算部
２０２ 直流電圧指令生成部
２０３ 出力電圧演算部
３０１ 入力電圧演算部
３０２ 直流電圧指令生成部
４０１ 過電圧防止部
５０１ 過電圧防止部
５０２ 最大値選択部
１０２ 三相トランス
１０３ Ｕ相ユニット
１０４ Ｖ相ユニット
１０５ Ｗ相ユニット
１０６ 入力電圧検出部
１０７ 交流電動機
１０８ 直流電圧変換部
１０９ 出力電圧検出部
１１０ 過電圧防止部
１２０ １次巻線
１２１〜１２９ ２次巻線
１３１〜１５３ 単相インバータ
Ｒ，Ｓ，Ｔ 三相トランス１次側入力端子
ｒ，ｓ，ｔ 単相インバータ入力端子
ａ，ｂ 単相インバータ出力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ 出力端子
２０１ 入力電圧演算部
２０２ 直流電圧指令生成部
２０３ 出力電圧演算部
３０１ 入力電圧演算部
３０２ 直流電圧指令生成部
４０１ 過電圧防止部
５０１ 過電圧防止部
５０２ 最大値選択部
Claims (7)
- ３相交流入力電圧から複数の３相交流出力電圧を生成するトランスと、前記３相交流出力電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相交流出力電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータにおいて、
前記３相交流入力電圧を検出し入力電圧検出信号を生成する入力電圧検出部と、
前記３相交流出力電圧を検出し出力電圧検出信号を生成する出力電圧検出部と、
前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算する直流電圧変換部と、
前記直流電圧に基づいて過電圧を防止する過電圧防止部と、
を備えたことを特徴とする直列多重インバータ。 - 前記過電圧防止部は、前記直流電圧が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記直流電圧の関数で抑えることを特徴とする請求項１記載の直列多重インバータ。
- 前記直流電圧変換部は、前記出力電圧検出信号と前記出力電圧指令の比を各相ごとに生成し、それぞれに前記直流電圧指令を乗じて各相ごとの直流電圧を生成し、前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値に基づいて過電圧を防止することを特徴とする請求項１に記載の直列多重インバータ。
- 前記過電圧防止部は、前記各相ごとの直流電圧の最大値が前記直流電圧指令を超えたときに前記交流電動機の減速率を前記各相ごとの直流電圧の最大値の関数で抑えることを特徴とする請求項３に記載の直列多重インバータ。
- 前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧の自乗和平方根により生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータ。
- 前記直流電圧変換部は、前記入力電圧信号と前記出力電圧信号を３相電圧のｄｑ軸座標変換により生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直列多重インバータ。
- ３相入力交流電圧から複数の３相出力交流電圧を生成するトランスと、前記３相出力交流電圧から単相交流電圧を生成する複数の単相インバータを備え、前記単相インバータを直列接続し出力電圧指令に基づいて３相出力交流電圧を生成し交流電動機を駆動する直列多重インバータの過電圧防止方法において、
前記３相入力交流電源の電圧を検出し入力電圧検出信号を生成するステップと、
前記３相出力交流電源の電圧を検出し出力電圧検出信号を生成するステップと、
前記入力電圧検出信号から入力電圧信号を生成し、前記入力電圧信号から直流電圧指令を生成し、前記出力電圧検出信号から出力電圧信号を生成し、前記出力電圧指令に対する前記出力電圧信号の比を前記直流電圧指令に乗じて直流電圧を演算するステップと、
前記直流電圧に基づいて過電圧を防止するステップと、
を備えたことを特徴とする直列多重インバータの過電圧防止方法。
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