JP6001617B2

JP6001617B2 - 高圧インバータ再起動装置

Info

Publication number: JP6001617B2
Application number: JP2014212772A
Authority: JP
Inventors: アンノヨ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: ES2823981T3; US20150108932A1; KR20150045072A; CN104578745A; KR101736531B1; CN104578745B; EP2874305A1; JP2015080405A; EP2874305B1

Description

本発明は、高圧インバータの再起動装置に関するものである。

一般に、マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力線間電圧の実効値が６００Ｖ以上で、出力相電圧がマルチレベルであるインバータをいう。高圧インバータは、数百ｋＷ〜数十ＭＷの大容量電動機を駆動するのに用いられている。

高圧インバータによって駆動される高圧電動機（ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅｍｏｔｏｒ）は、通常慣性が大きいため、入力電源の瞬時的な故障又は瞬時停電などによって高圧インバータのインバータ部が瞬間的に正常な動作を行わない場合においても回転子の速度が大幅に減らない。

このような理由から、入力電源が故障状態から正常状態に復帰した場合、回転子速度が０速度（ｚｅｒｏｓｐｅｅｄ）になるまで待った後、再起動をしなければならないため、再起動のための時間が長くかかる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、入力電源が瞬時的な故障状態から正常状態に復帰した場合、高圧電動機の回転子速度を推定して安定的に再起動するための、高圧インバータ再起動装置に関するものである。

上記のような技術的課題を解決するために、入力される電源を電動機に提供するインバータを再起動する本発明の一実施形態の装置は、電動機の入力電圧を測定する測定部と、測定部が測定した電動機の入力電圧から、電動機の回転子速度を推定する推定部と、電動機の入力電圧と電動機の回転子速度から、予め設定された電圧−周波数比に応じてインバータが電動機に出力する電圧又は周波数を変更するように制御する制御部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、推定部は、電動機の入力電圧から、一定周波数に該当する第１電圧及び第１電圧より位相が９０度遅れる第２電圧を抽出する抽出部と、第１電圧及び第２電圧を利用して、電動機の回転子周波数を検出する第１検出部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、抽出部は、電動機の入力電圧から、インバータが印加した周波数に該当する第１電圧及び第１電圧より位相が９０度遅れる第２電圧を生成する生成部と、第１電圧の周波数成分を検出する第２検出部と、電動機の回転子周波数の帯域幅を決める決定部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、第１検出部は、抽出部から入力される第１及び第２電圧を回転座標に変換する第１変換部と、第１変換部の出力を比例積分形式で補償する補償器と、補償器の出力と初期周波数を加算する加算部と、加算部の出力を積分する積分部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、第１検出部は、積分部の出力を低帯域ろ波するローパスフィルタ（ＬＰＦ）を更に含んでもよい。

本発明の一実施形態において、推定部は、電動機の３相入力電圧を正規化する正規化部を更に含んでもよい。

本発明の一実施形態において、第１検出部は、正規化部から入力される３相入力電圧の座標を変換する第２変換部を更に含んでもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が小さい場合、予め設定された電圧−周波数比に到達するまでインバータの周波数を維持して電圧を増加させることができる。

本発明の一実施形態において、制御部は、予め設定された電圧−周波数比に到達した場合、該当電圧−周波数比に応じてインバータの電圧及び周波数を増加させることができる。

本発明の一実施形態において、制御部は、予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が大きい場合、予め設定された電圧−周波数比に到達するまでインバータの電圧を維持して周波数を増加させることができる。

本発明によれば、入力電源が異常状態から正常状態に復帰する場合、高圧電動機の回転子速度を推定して再起動することによって、回転子速度が０になるまで待機しなくてもよいため、再起動に所要する時間を減らす効果がある。

本発明の一実施形態による高圧インバータシステムの構成図である。図１の推定部の詳細構成図である。図１の推定部の詳細構成図である。図２Ａの電圧成分抽出部の詳細構成図である。図２Ａの回転子周波数検出部の詳細構成図である。図２Ａの電圧成分抽出部の詳細構成図である。本発明のインバータのシーケンスを説明する図である。予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が小さい場合、制御部の動作を説明するための図面である。予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が大きい場合、制御部の動作を説明するための図面である。

本発明は、多様な変更を加えることができて、多様な実施形態を有し、特定実施形態を図面に例示して詳細な説明に詳細に説明する。

しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるいずれの変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

以下、添付図面を参照して本発明による好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による高圧インバータシステムの構成図である。

図示したように、本発明の高圧インバータシステムは、高圧インバータ１に３相電源を供給する電源部２と、高圧インバータ１によって駆動される高圧の３相電動機３とで構成される。

電動機３は、例えば、誘導電動機又は同期電動機であってもよいが、これに限定されるのではない。

高圧インバータ１は、位相置換変圧器１１及び複数の単位電力セル１２を含む。

位相置換変圧器１１は、電源部２と高圧インバータ１との間の電気的絶縁を提供して、入力端の高調波を低減して、単位電力セル１２に入力３相電源を提供することができる。位相置換変圧器１１の位相置換角は、単位電力セル１２の数によって決定されうる。

単位電力セル１２は、位相置換変圧器１１から電源を受信して、電動機３の相電圧を出力する。各単位電力セル１２を３つのグループで構成して、図１では各グループ当り３つの電力セル１２が含まれる例を説明するが、これに限定されない。各々の単位電力セル１２は、整流部、平滑部及びインバータ部で構成されて、電動機３に相電圧を出力する。単位電力セル１２の構成は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者には自明であり、その詳細な説明は省略する。

従来のシステムにおいて、高圧インバータ１は、入力電源が故障状態から正常状態に復帰した場合、電動機３の回転子速度が０になるまで待った後、再起動をすることになるため、時間が長くかかる問題点を有する。

このような問題点を改善するために、本発明の高圧インバータ１は、入力電源が正常な状態に復帰した場合、高圧インバータ１の回転子速度を推定して再起動するために用いる。

したがって、前記のように構成されるシステムにおいて、本発明の再起動装置は、測定部４、推定部５及び制御部６を含む。

測定部４は、電動機３の入力電圧を測定する。測定部４は、例えば、電圧センサ（ｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）であってもよいし、又は、抵抗などで構成された受動素子であってもよいが、これに限定されることなく、電圧を測定できるいずれの素子が用いられる。

推定部５は、測定部４の測定結果によって、電動機３の回転子の速度を推定する。制御部６は、測定部４の測定結果と、推定部５の推定結果とを利用して、各単位電力セル１２の動作を制御する信号を高圧インバータ１に出力することができる。制御部６の動作については後に詳細に説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１の推定部５の詳細構成図であり、図２Ａは、測定部４から単相電圧を受信する場合、図２Ｂは、測定部４から３相電圧を受信する場合を示す。

図２Ａを参照すると、本発明の推定部５は、電圧成分抽出部５１及び回転子周波数検出部５２を含む。

電圧成分抽出部５１は、測定部４によって測定された電動機３の入力電圧から、一定周波数に該当する成分及び位相が９０度遅れる（ｌａｇｇｉｎｇ）成分を抽出する。回転子周波数検出部５２は、電圧成分抽出部５１の出力から周波数成分を検出する。

図３は、図２Ａの電圧成分抽出部の詳細構成図であり、本発明の電圧成分抽出部５１は、信号生成部５１１、周波数検出部５１２及び制御帯域幅決定部５１３を含む。

信号生成部５１１は、測定部４によって測定された電動機３の入力電圧から、高圧インバータ１が印加した周波数に該当する交流信号のＶ'と、Ｖ'に位相角が９０度遅れる信号であるｑＶ'とを生成する。

電動機３の入力電圧の周波数がω'と与えられた場合、信号生成部５１１を介して決定されるＶ'及びｑＶ'は、各々下記の式のとおりである。

式（１）で測定された電動機の入力電圧から、ω'周波数成分だけを抽出することができ、式（２）によって、式（１）で検出した成分に位相が９０度遅れる信号を決めることができる。

図３の周波数検出部５１２の動作を調べる。

信号生成部５１１の５１１Ａ及び５１１Ｂの出力を各々ｘ₁、ｘ₂と定義すると、下記のとおりである。

このとき、下記の式（５）のように決定され、正常状態では式（６）の条件を満たす。

式（６）の条件を利用して式（３）をまとめると、下記の式（７）のとおりになる。

上記の式（７）をまとめると式（８）のとおりになる。

一方、制御帯域幅決定部５１３の動作を調べれば、下記のとおりになる。

図３において、各変数の平均を利用すれば下記式（９）及び式（１０）の関係が得られる。

上記の式（１０）において、

に簡略化することができ、このとき、制御帯域幅決定部５１３を利用すると、推定周波数は下記のような制御帯域幅を有するようになる。

式（１１）から、望む周波数を探す制御帯域幅は、周波数検出部５１２内の増幅部５１２Ａの利得によって決定されることがわかる。したがって、増幅部５１２Ａの利得（ｋ２）は、電動機３の運転周波数より高い値に決定しなければならない。

電動機３が正常に動作する場合、インバータ１が印加する電圧の周波数と同じ電流周波数が出力されなければならない。

下記図４は、図２Ａの回転子周波数検出部５２の詳細構成図である。本発明の回転子周波数検出部５２は、座標変換部５２１、比例積分補償器５２２、加算部５２３、積分部５２４及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）５２５を含む。

座標変換部５２１は、入力される信号を回転座標に変換して、下記のように定義される。

比例積分補償器５２２は、座標変換部５２１の出力

を０に収束するためのもので、加算器５２３は、初期周波数を比例−積分補償器５２２の出力と加算する。

加算部５２３の出力は、積分部５２４が積分して、再び座標変換部５２１の座標変換に利用でき、ＬＰＦ５２５を経て最終周波数を推定するために用いることができる。ただし、ＬＰＦ５２５の使用は選択的である。

再び図２Ｂの構成について説明する。

図面に示したように、本発明の推定部５は、正規化部５３、電圧成分抽出部５４及び回転子周波数検出部５５を含んでもよい。

正規化部５３は、電動機３の入力３相電圧を受信してこれを正規化するが、これは選択的である。電動機３の入力電圧は下記式（１４）〜（１６）のように定義される。

ここで、高圧電動機３が３相均等化された（ｂａｌａｎｃｅｄ）状態のときは、式（１７）の関係から１相の電圧情報は計算で代替できる。

これから、下記の式（１８）のように定義される。

式（１８）は、電動機３の入力電圧の大きさを決めるための一例であり、測定された入力電圧の大きさを探す方法は多様であるため、本発明はこれに限定されない。

式（１４）〜（１８）の関係を利用して、正規化部５３の出力は下記のように定義される。

次に、図２Ａの電圧成分抽出部５４について説明する。図５は、図２Ｂの電圧成分抽出部の詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の電圧成分抽出部５４は、座標変換部５４１、抽出部５４２、５４３及び正常分抽出部５４４を含む。

座標変換部５４１は、正規化部５３から入力される３相電圧の座標を下記の式によって変換する。

抽出部５４２、５４３は、座標変換部５４１から入力される電圧情報から、一定周波数に該当する成分及び位相が９０度遅れる成分を抽出する。抽出部５４２、５４３の各動作は、図３の電圧成分抽出部５１と同じであるため、その詳細な説明は省略する。

また、正常分抽出部５４４の動作は下記のように定義される。

図２Ｂにおいて回転子周波数検出部５５の動作は、図２Ａの回転子周波数検出部５２の動作と同じであるため、その詳細な説明は省略する。

このとき、回転子周波数検出部５５の入力は、図５の

であり、出力は図１４での出力と同じである。

図４の構成の回転子周波数検出部５２によって電動機電圧の周波数が推定されると、高圧インバータ１は、推定された周波数に該当する電圧を印加して再び再起動する。このとき、電圧の大きさは、式（１８）を基準に印加することになる。

図６は、本発明のインバータのシーケンスを説明するためで図である。

図６において、６Ａはインバータ１の電源部２からの入力電源を図式的に示した図であり、６Ｂはインバータの出力電圧を示した図である。さらに、６Ｃ及び６Ｇは電源部２及びインバータ１が全部正常動作する領域であり、６Ｄは入力電源に異常が発生してインバータ１の出力電圧を減らす領域、６Ｅは本発明の推定部５が回転子速度及び電動機電圧の大きさを推定する領域であり、６Ｆは本発明によって推定された電動機の回転子速度及び電圧の大きさから制御部６がインバータを再起動する領域を示す。

制御部６の動作を説明する。

一般に、インバータ１は、Ｖ／Ｆ運転のように一定磁束（ｃｏｎｓｔａｎｔｆｌｕｘ）運転をしている場合、電圧及び周波数比が予め決定されたパターンによって運転をすることになる。

入力電源に異常が発生して本発明で推定した出力電圧と出力周波数との比が、予め設定された値（Ｖｓｅｔ／Ｆｓｅｔ）と比べて小さいか大きい場合には、制御部６は予め設定された電圧及び周波数に到達するまで電圧又は周波数の大きさを変化させる。

図７は、予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が小さい場合、制御部の動作を説明するための図であり、図６の６Ｆ区間での動作を細分化した図である。

図７において、７Ａはインバータ１の出力電圧を、７Ｂはインバータ１の出力周波数を示す。また、７Ｃ区間でインバータ出力電圧の初期電圧（Ｖｉｎｉｔ）は式（１８）のとおりであり、インバータ出力周波数の初期周波数（Ｆｉｎｉｔ）は、図４のＬＰＦ５２５の出力のとおりである。

図７の７Ｄ領域において、制御部６は予め設定された電圧−周波数比に到達するまで周波数は維持して、電圧を増加させる。また、７Ｅで制御部６は予め設定された電圧−周波数比に応じて電圧及び周波数を同時に増加させる。これによって、７Ｆ領域では、正常動作時に選ばれた電圧（Ｖｔａｒｇｅｔ）及び周波数（Ｆｔａｒｇｅｔ）でインバータ１を運転することができる。

図８は予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が大きい場合、制御部の動作を説明するための図であり、図６の６Ｆ区間での動作を細分化した図である。

図８で、８Ａはインバータ１の出力電圧を、８Ｂはインバータ１の出力周波数を示す。また、８Ｃ区間でインバータ出力電圧である初期電圧（Ｖｉｎｉｔ）は式（１８）のとおりであり、インバータ出力周波数である初期周波数（Ｆｉｎｉｔ）は、図４のＬＰＦ５２５の出力と同じである。

図８の８Ｄ領域で、制御部６は予め設定された電圧−周波数比に到達するまで電圧は維持して周波数の大きさを増加させる。また、８Ｅで制御部６は予め設定された電圧−周波数比に応じて電圧及び周波数を同時に増加させる。これによって、８Ｆ領域では、正常動作時選ばれた電圧（Ｖｔａｒｇｅｔ）及び周波数（Ｆｔａｒｇｅｔ）でインバータ１を運転することができる。

上記のように、本発明は、高圧電動機の入力電圧を測定して、測定された電圧の周波数成分を抽出して高圧電動機の回転子速度を推定することができ、予め設定された電圧−周波数比に到達するまでインバータの出力電圧又は出力周波数を増加させて、電圧又は周波数が予め設定された電圧−周波数比に到達した場合には、出力電圧及び出力周波数を同時に増加して再起動することができる。

以上、本発明による実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当分野において通常的知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であることを理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は本願の特許請求の範囲によって定めなければならない。

１高圧インバータ
２電源部
３電動機
５１、５４電圧成分抽出部
５２、５５回転子周波数検出部
５３正規化部

Claims

入力される電源を電動機に提供するインバータを再起動する装置において、
前記電動機の入力電圧を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記電動機の入力電圧から、前記電動機の回転子速度を推定する推定部と、
前記電動機の入力電圧及び前記電動機の回転子周波数から、予め設定された電圧−周波数比に応じて、前記インバータが前記電動機に出力する電圧又は周波数を変更するように制御する制御部と、を含み、
前記推定部は、
前記電動機の入力電圧から、一定周波数に該当する第１電圧と、前記第１電圧より位相が９０度遅れる第２電圧とを抽出する電圧成分抽出部と、
前記第１電圧及び前記第２電圧を利用して、前記電動機の回転子周波数を検出する第１検出部を含み、
前記電圧成分抽出部は、
前記電動機の入力電圧から、前記インバータが印加した周波数に該当する第１電圧と、第１電圧より位相が９０度遅れる第２電圧とを生成する生成部と、
前記第１電圧の周波数成分を検出する第２検出部と、
前記電動機の回転子周波数の帯域幅を決める決定部を含み、
前記第１検出部は、
前記電圧成分抽出部から入力される第１電圧及び第２電圧を回転座標に変換する第１変換部と、
前記第１変換部の出力を比例積分形式で補償する補償器と、
前記補償器の出力と初期周波数とを加算する加算部と、
前記加算部の出力を積分する積分部と、を含むことを特徴とする、再起動装置。
前記第１検出部は、
前記積分部の入力を低帯域ろ波するローパスフィルタ（ＬＰＦ）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の再起動装置。
前記推定部は、
電動機の３相入力電圧を正規化する正規化部を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の再起動装置。
前記電圧成分抽出部は、
前記正規化部から入力される３相入力電圧の座標を変換する第２変換部を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の再起動装置。
前記制御部は、
前記予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が小さい場合、予め設定された電圧−周波数比に到達するまで前記インバータの周波数を維持して電圧を増加させることを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の再起動装置。
前記制御部は、
予め設定された電圧−周波数比に到達した場合、該当電圧−周波数比に応じて前記インバータの電圧及び周波数を増加させることを特徴とする、請求項５に記載の再起動装置。
前記制御部は、
前記予め設定された電圧−周波数比よりも推定された電圧−周波数比が大きい場合、予め設定された電圧−周波数比に到達するまで前記インバータの電圧を維持して周波数を増加させることを特徴とする、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の再起動装置。
前記制御部は、
予め設定された電圧−周波数比に到達した場合、該当電圧−周波数比に応じて前記インバータの電圧及び周波数を増加させることを特徴とする、請求項７に記載の再起動装置。