JP5929537B2

JP5929537B2 - インバータの共通電源装置

Info

Publication number: JP5929537B2
Application number: JP2012135605A
Authority: JP
Inventors: 尚石田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: JP2014003741A

Description

この発明は、インバータの共通電源装置に関するものである。

鉄鋼、紙パルプ等の産業プラントにおいては、アクチュエータとして数多くの交流電動機が使用される。当該電動機の仕様（容量、回転数、過負荷耐量等）は、用途によって異なる。通常、高圧主機・準主機以外の低圧可変速電動機の駆動装置は、各電動機をそれぞれ駆動する複数のインバータと、これらのインバータの共通直流母線に直流電力を供給する共通電源装置（順変換器）を備える（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３６７７３４号公報

当該駆動装置によれば、各インバータには、１つの共通電源装置から直流電力が供給される。このため、同時駆動されていない電動機の容量を共通電源装置の必要容量から省くことができる。また、回生動作する電動機の電力は力行電力と打ち消しあう。このため、各インバータに対応して順変換器を設ける場合に比べて、共通電源装置の容量とその上位の変圧器の容量とを低減することができる。

上記共通電源装置を用いると必然的にそれに接続されるインバータの直流電圧は同じとなる。このため、異なる電圧クラスの電動機が混在する場合、電動機の電圧クラス毎に共通電源装置７を設ける必要があり、不経済である。また、サージ耐量の異なる電動機が混在する場合、低い方のサージ耐量に合わせて全てのインバータの直流電圧を設定する必要があり、インバータの容量を十分に活用できない。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、異なる電圧レベルの複数の直流母線を持つことができるインバータの共通電源装置を提供することである。

この発明に係るインバータの共通電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する共通電源部と、第１電動機を駆動する第１インバータに接続され、前記共通電源部が出力した直流電力を前記第１インバータに供給する第１直流母線部と、前記第１電動機とは異なる電圧クラスの第２電動機を駆動する第２インバータに接続され、前記第２インバータに直流電力を供給する第２直流母線部と、前記第１直流母線部と前記第２直流母線部との間で直流電力変換を行う電流可逆チョッパ部と、前記第２直流母線部の電圧を検出する電圧検出部と、前記第２直流母線部の電圧に基づいて、前記電流可逆チョッパ部の運転状態を力行運転及び回生運転のどちらにするべきかを判定する判定部と、前記第２直流母線部の電圧が所望の値になるように、前記電流可逆チョッパ部の運転状態に応じて、前記電流可逆チョッパ部の通流率を調整する通流率調整部と、を備え、前記共通電源部は、前記第１直流母線部と前記第２直流母線部のうち、対応した電動機の消費電力の合計値が大きい直流母線部側に接続されたものである。

この発明によれば、異なる電圧レベルの複数の直流母線を持つことができる。

この発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置の構成図である。この発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される電流可逆チョッパ部の主回路の図である。この発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される力行／回生モード判定部の動作を説明するための図である。この発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される通流率調整部と電流可逆チョッパ部との動作を説明するための図である。この発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される通流率調整部と電流可逆チョッパ部との動作を説明するための図である。この発明の実施の形態２におけるインバータの共通電源装置の力行運転時におけるＰＩ制御を説明するための構成図である。この発明の実施の形態２におけるインバータの共通電源装置の回生運転時におけるＰＩ制御を説明するための構成図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置の構成図である。

図１において、１は複数の第１電動機である。２は複数の第２電動機である。例えば、第１電動機１と第２電動機２とは、鉄鋼、紙パルプ等の産業プラントのアクチュエータとして数多く使用される。第１電動機１の電圧クラスと第２電動機２の電圧クラスとは異なる。例えば、第１電動機１の電圧クラスは４６０Ｖである。第２電動機２の電圧クラスは６９０Ｖである。

３は第１インバータ群である。第１インバータ群３には、複数のインバータが設けられる。各インバータの出力側には、対応した第１電動機１の入力側が接続される。４は第２インバータ群である。第２インバータ群４には、複数のインバータが設けられる。各インバータの出力側には、対応した第２電動機２の入力側が接続される。

５は遮断器である。例えば、遮断器５の入力側には、商用電源が接続される。遮断器５の出力側には、上位の変圧器６が接続される。変圧器６の出力側には、共通電源装置７の入力側が接続される。共通電源装置７の出力側には、第１インバータ群３の入力側と第２インバータ群４の入力側とが接続される。

共通電源装置７は、共通電源部７ａ、第１直流母線部７ｂ、第２直流母線部７ｃ、電流可逆チョッパ部７ｄ、第１直流電圧検出部７ｅ、第２直流電圧検出部７ｆ、力行／回生モード判定部７ｇ、通流率調整部７ｈを備える。

共通電源部７ａの入力側は、上記変圧器６の出力側に接続される。第１直流母線部７ｂは、共通電源部７ａの出力側に接続される。第１直流母線部７ｂは、第１インバータ群３の入力側に接続される。第２直流母線部７ｃは、第２インバータ群４の入力側に接続される。電流可逆チョッパ部７ｄは、第１直流母線部７ｂと第２直流母線部７ｃとの間に接続される。

第１直流電圧検出部７ｅは、第１直流母線部７ｂの直流電圧Ｖｄｃ＿１を検出する機能を備える。第２直流電圧検出部７ｆは、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２を検出する機能を備える。力行／回生モード判定部７ｇは、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２の値に基づいて、電流可逆チョッパ部７ｄの運転状態を力行運転及び回生運転のどちらにするべきかを判定する機能を備える。通流率調整部７ｈは、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２が所望の指令値Ｖｄｃ＿２^＊になるように、電流可逆チョッパ部７ｄの通流率を調整する機能を備える。

上記共通電源装置７においては、共通電源部７ａは、変圧器６から出力された交流電力を交流−直流変換（順変換）する。その結果、第１直流母線部７ｂには、直流電圧Ｖｄｃ＿１が発生する。この第１直流母線部７ｂの直流電力により、第１インバータ群３が各第１電動機１を駆動する。

電流可逆チョッパ部７ｄは、第１直流母線部７ｂの直流電力を直流‐直流変換する。その結果、第２直流母線部７ｃに直流電圧Ｖｄｃ＿２が発生する。この第２直流母線部７ｃの直流電力により、第２インバータ群４が第２電動機２を駆動する。

この際、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２の値は、力行／回生モード判定部７ｇへ入力される。直流電圧Ｖｄｃ＿２の値に基づいて、力行／回生モード判定部７ｇは、電流可逆チョッパ部７ｄの運転状態を力行運転及び回生運転のどちらにするべきかを判定する。

第１直流母線部７ｂの直流電圧Ｖｄｃ＿１の値、第２直流母線部７ｃの電圧Ｖｄｃ＿２の値、力行／回生モード判定部７ｇによる判定結果は、通流率調整部７ｈへ入力される。これらの情報に基づいて、通流率調整部７ｈは、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２が所望の指令値Ｖｄｃ＿２^＊になるように、電流可逆チョッパ部７ｄへスイッチング指令を出力する。

次に、図２を用いて、電流可逆チョッパ部７ｄの構成を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される電流可逆チョッパ部の主回路の図である。

図２に示すように、第１直流母線部７ｂの一方と第２直流母線部７ｃの一方とは、電流可逆チョッパ部７ｄを介して接続される。電流可逆チョッパ部７ｄは、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、リアクトルＬ、コンデンサＣを備える。

第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２とは、第２直流母線部７ｃの双方間に直列に接続される。第１ダイオードＤ１は、第１スイッチＳ１と並列に接続される。第２ダイオードＤ２は、第２スイッチＳ２と並列に接続される。

リアクトルＬの一端は、第１直流母線部７ｂの他方に接続される。リアクトルＬの他端は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との間に接続される。コンデンサＣは、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２よりも、第２インバータ群４側で第２直流母線部７ｃの双方間に接続される。

次に、図３を用いて、力行／回生モード判定部７ｇの動作を説明する。
図３はこの発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される力行／回生モード判定部の動作を説明するための図である。

図３に示すように、力行／回生モード判定部７ｇは、第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊と電圧Ｖｄｃ＿２の値との偏差ΔＶｄｃ＿２に基づいて、電流可逆チョッパ部７ｄが行うべき運転状態を判定する。

具体的には、偏差ΔＶｄｃ＿２が正の閾値Ｔｈ＿１を超えた場合、電流可逆チョッパ部７ｄは力行運転すべきと判定される。偏差ΔＶｄｃ＿２が負の閾値Ｔｈ＿２を下回った場合、電流可逆チョッパ部７ｄは回生運転すべきと判定される。偏差ΔＶｄｃ＿２が閾値Ｔｈ＿２と閾値Ｔｈ＿１との間の場合は、電流可逆チョッパ部７ｄは現状の運転状態を維持すべきと判定される。

次に、図４を用いて、力行運転時における通流率調整部７ｈと電流可逆チョッパ部７ｄとの動作を説明する。
図４はこの発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される通流率調整部と電流可逆チョッパ部との動作を説明するための図である。

図４の上段は、力行運転時における電流可逆チョッパ部７ｄの図である。図４の中段は、力行運転時に通流率調整部７ｈが出力するスイッチング指令の図である。図４の下段は、力行運転時における電流可逆チョッパ部７ｄの電流の図である。

この場合、第１直流母線部７ｂから第２直流母線部７ｃに電力を供給する必要がある。すなわち、図４の上段に示すように、第１直流母線部７ｂ側から第２直流母線部７ｃ側に向かって、電流ｉ_Ｌを流す必要がある。

この際、図４の中段に示すように、通流率調整部７ｈは、第１スイッチＳ１にＯＦＦ指令を出力する。通流率調整部７ｈは、第２スイッチＳ２にＯＮ指令とＯＦＦ指令とを交互に出力する。ＯＮ指令とＯＦＦ指令の１周期に占めるＯＮ指令の期間を通流率αとすると、通流率αと第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊との関係は、以下の（１）式で表される。

（１）式より通流率αは、以下の（２）式で表される。

通流率調整部７ｈからのスイッチング指令に基づいて、第２スイッチＳ２は、ＯＮとＯＦＦとを繰り返す。その結果、図４の下段に示すように、第２スイッチＳ２の動作に応じて、電流ｉ_Ｌは、所定の範囲内で増減する。

次に、図５を用いて、回生運転時における通流率調整部７ｈと電流可逆チョッパ部７ｄとの動作を説明する。
図５はこの発明の実施の形態１におけるインバータの共通電源装置に利用される通流率調整部と電流可逆チョッパ部との動作を説明するための図である。

図５の上段は、回生運転時における電流可逆チョッパ部７ｄの図である。図５の中段は、回生運転時に通流率調整部７ｈが出力するスイッチング指令の図である。図５の下段は、回生運転時における電流可逆チョッパ部７ｄの電流の図である。

この場合、第２直流母線部７ｃから第１直流母線部７ｂに電力を供給する必要がある。すなわち、図５の上段に示すように、第２直流母線部７ｃ側から第１直流母線部７ｂ側に向かって、電流ｉ_Ｌを流す必要がある。

この際、図５の中段に示すように、通流率調整部７ｈは、第２スイッチＳ２にＯＦＦ指令を出力する。通流率調整部７ｈは、第１スイッチＳ１にＯＮ指令とＯＦＦ指令とを交互に出力する。ＯＮ指令とＯＦＦ指令の１周期に占めるＯＮ指令の期間を通流率αとすると、通流率αと第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊との関係は、以下の（３）式で表される。

（３）式より通流率αは、以下の（４）式で表される。

通流率調整部７ｈからのスイッチング指令に基づいて、第１スイッチＳ１は、ＯＮとＯＦＦとを繰り返す。その結果、図５の下段に示すように、第１スイッチＳ１の動作に応じて、電流ｉ_Ｌは、所定の範囲内で増減する。

以上で説明した実施の形態１によれば、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２が所望の値になるように、電流可逆チョッパ部７ｄの運転状態に応じて、電流可逆チョッパ部７ｄの通流率αが調整される。このため、異なる電圧レベルの複数の直流母線を持つことができる。

その結果、例えば、４６０Ｖ系と６９０Ｖ系のインバータに１つの共通電源装置７で直流電圧を供給することができる。このため、遮断器５、変圧器６、共通電源部７ａを省略することができる。また、異なるサージ耐量の電動機が混在する場合でも、サージ耐量毎に適切な直流電圧を供給することができる。このため、インバータの容量を十分に活用することができる。

また、所望の値と第１直流母線部７ｂの直流電圧Ｖｄｃ＿１の値とに基づいて、通流率αが調整される。このため、簡単な構成で、異なる電圧レベルの複数の直流母線を持つことができる。

また、所望の値と第２直流母線部７ｃの電圧Ｖｄｃ＿２の値の偏差が所定の範囲内の場合には、電流可逆チョッパ部７ｄは、現状の運転状態に維持される。このため、電流可逆チョッパ部７ｄの運転状態の切り替えが頻繁に発生することを防止することができる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２におけるインバータの共通電源装置の力行運転時におけるＰＩ制御を説明するための構成図である。図７はこの発明の実施の形態２におけるインバータの共通電源装置の回生運転時におけるＰＩ制御を説明するための構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１においては、（１）式、（２）式のように、第１直流母線部７ｂの電圧Ｖｄｃ＿１の値と第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊とに基づいて、通流率αが求められる。この場合、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２はいずれ整定される。

しかしながら、第２直流母線部７ｃに繋がる第２電動機２の負荷変動が激しいと、第２直流母線部７ｃの直流電圧Ｖｄｃ＿２が追従できない場合がある。

この場合、図６、図７に示すように、第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊と電圧Ｖｄｃ＿２の値との偏差をＰＩ制御器８によってＰＩ制御して、通流率αを求めてもよい。この際、αが０と１との間に収まるように、リミッタ９で調整すればよい。

以上で説明した実施の形態２によれば、第２直流母線部７ｃの指令値Ｖｄｃ＿２^＊と電圧Ｖｄｃ＿２の値との偏差をＰＩ制御することにより、通流率αが求められる。このため、電圧制御の追従性を向上することができる。

なお、電流可逆チョッパ部７ｄの運転状態の切り替えは頻繁に発生しない方が好ましい。このため、第１直流母線部７ｂと第２直流母線部７ｃのうち、対応した複数の電動機の消費電力の合計値が大きい直流母線部側に共通電源部７ａを接続した方が好ましい。

１第１電動機、２第２電動機、３第１インバータ群、
４第２インバータ群、５遮断器、６変圧器、７共通電源装置
７ａ共通電源部、７ｂ第１直流母線部、７ｃ第２直流母線部、
７ｄ電流可逆チョッパ部、７ｅ第１直流電圧検出部、
７ｆ第２直流電圧検出部、７ｇ力行／回生モード判定部、
７ｈ通流率調整部、８ＰＩ制御器、９リミッタ

Claims

交流電圧を直流電圧に変換する共通電源部と、
第１電動機を駆動する第１インバータに接続され、前記共通電源部が出力した直流電力を前記第１インバータに供給する第１直流母線部と、
前記第１電動機とは異なる電圧クラスの第２電動機を駆動する第２インバータに接続され、前記第２インバータに直流電力を供給する第２直流母線部と、
前記第１直流母線部と前記第２直流母線部との間で直流電力変換を行う電流可逆チョッパ部と、
前記第２直流母線部の電圧を検出する電圧検出部と、
前記第２直流母線部の電圧に基づいて、前記電流可逆チョッパ部の運転状態を力行運転及び回生運転のどちらにするべきかを判定する判定部と、
前記第２直流母線部の電圧が所望の値になるように、前記電流可逆チョッパ部の運転状態に応じて、前記電流可逆チョッパ部の通流率を調整する通流率調整部と、
を備え、
前記共通電源部は、前記第１直流母線部と前記第２直流母線部のうち、対応した電動機の消費電力の合計値が大きい直流母線部側に接続されたことを特徴とするインバータの共通電源装置。
前記第１直流母線部の電圧を検出する電圧検出部、
を備え、
前記通流率調整部は、前記所望の値と前記第１直流母線部の電圧の値とに基づいて、前記通流率を調整することを特徴とする請求項１記載のインバータの共通電源装置。
前記判定部は、前記所望の値と前記第２直流母線部の電圧の値の偏差が所定の範囲内の場合には、前記電流可逆チョッパ部の運転状態を現状の運転状態に維持すべきと判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインバータの共通電源装置。
前記通流率調整部は、前記所望の値と前記第２直流母線部の電圧の値との偏差をＰＩ制御することにより、前記通流率を調整することを特徴とする請求項１記載のインバータの共通電源装置。