JP6072194B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

高圧インバータ（ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である入力電源を用いるインバータであって、定格電力容量は、数百Ｋｗ〜数十ＭＷまでであり、ファン、ポンプ、圧縮機等の応用分野に主に用いられている。このような高圧インバータとしては、主に出力相電圧が３レベル以上の出力電圧を発生する直列型マルチ−レベルインバータ（ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）が用いられている。マルチ−レベルインバータは、これを構成する電力セルの個数によって出力電圧レベルの大きさと個数が決定され、各電力セルは、絶縁された入力電圧を用いる。

高圧インバータが駆動する高圧の電動機は、一般的に慣性が非常に大きいので、入力電源の故障または停電等が発生した場合、再起動（ｒｅｓｔａｒｔｉｎｇ）のために電動機が完全に止まるまで長時間がかかる。このような再起動の時間を減らすために、電動機の回転中に電圧／周波数（Ｖ／ｆ）比に応じて電圧を印加すると、大きな突入電流が生じて、インバータまたは電動機に故障が発生し得る。

従って、再起動時間を減らし、インバータまたは電動機の故障危険を減らすために、電圧測定装置を用いる。

従来の電圧測定装置は、制御をしていない状態で回転中の電動機の誘起起電力を測定し、再起動のための電動機の電圧と速度情報が分かるように構成された。一方、インバータが出力を発生させる場合、電圧測定装置は、インバータ出力を測定することになるので、それ以上、電動機の状態情報が分からなくなる。

電圧／周波数運転をするインバータは、電動機の相電流を制御せず、自由回転中に測定された電動機電圧の周波数をインバータの出力周波数として用いる場合、負荷の大きさによって電動機の電流の大きさが決定される。

入力電源の故障への保護動作で発生する電動機の自由回転状態で負荷が小さければ、誘起起電力の大きさと周波数の減少量が小さく、再起動のための電圧を出力した後、スリップ周波数（ｓｌｉｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が小さいので、発生する電流の大きさが小さい。しかし、負荷の大きさが大きい場合は、誘起起電力の大きさと周波数の減少量が大きく、再起動のための電圧を出力した後、スリップ周波数が大きいので、発生する電流の大きさが大きい。

このように、負荷が大きいほど、誘起起電力の減少によって再起動のための可溶電圧の大きさが小さく、スリップによって大きな電流容量が要求される問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、出力周波数の補償を通じて、電動機の再起動の際、スリップ周波数により発生する電流を減少させ、安定的に電動機を再起動するインバータ制御装置を提供することである。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明は、インバータ制御装置において、入力電源が定格以下に減少した時点の前記電動機の入力電圧の周波数を決定し、入力電源が回復した場合、再起動時点の前記電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を決定する第１決定部と、前記再起動時点からインバータが所定の出力電圧に達する時点までの再起動領域において、指令電圧を決定して前記インバータに印加する第２決定部とを含み、
前記第２決定部は、入力電源が定格以下に減少した時点の前記電動機の入力電圧の周波数、再起動時点の前記電動機の入力電圧の周波数、及び、適切なトルクの発生に要する時間である補償値に基いて、当該適切なトルクが発生する時点の指令周波数を決定するとともに、前記指令周波数及び再起動時点の前記電動機の入力電圧の位相に基いて、再起動領域での前記指令電圧の位相を決定する、インバータ制御装置を提供する。

前記のような本発明は、再起動時点の電動機出力周波数で負荷によるトルクを発生させるためのスリップ周波数に該当する誤差を補償することにより、電動機の突入電流を防止して安定的にインバータを再起動させる効果がある。

本発明の実施例に係るインバータ制御装置が備えられる高圧インバータシステムの一例示図である。 図１の電力セルの詳細構成図である。 本発明の一実施例に係るインバータ制御装置を示した構成図である。 従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。 従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。 従来技術に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフである。 本発明の一実施例によって再起動領域において指令電圧の周波数を決定する方式を説明するための例示図である。 本発明の一実施例によって再起動領域において指令電圧の位相を決定する方式を説明するための例示図である。 本発明の実施例に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフである。

本発明は、様々な変更を加えることができ、種々の実施例を有することができるが、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明により詳しく説明される。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に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全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るインバータ制御装置が備えられる高圧インバータシステムの一例示図である。

図示されているように、本発明が適用されるシステムにおいて、インバータ２は、三相の電源部１から印加された線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である三相電源を変換して高圧の三相電動機３に提供するものである。このとき、三相電動機３は、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）または同期電動機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）であってよいが、その他の電動機であってもよい。

インバータ２は、位相置換変圧器１０、複数の電力セル２０、電圧検出部３０及び制御部４０を含むことができる。

位相置換変圧器１０は、電源部１から入力される電源を絶縁し、複数の電力セル２０の要求に応じて電圧の位相と大きさを変換して複数の電力セル２０に提供することができる。このような位相置換を通じて、入力電流の全高調波ひずみ率（ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ＴＨＤ）を向上させることができる。

複数の電力セル２０は、位相置換変圧器１０の出力電圧を受信し、高圧インバータ２の出力電圧は、各相に該当する電力セルの出力の和で合成（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）され得る。

即ち、図１の場合、インバータ２のａ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ａ１及び２０ａ２の出力電圧の和であり、ｂ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ｂ１及び２０ｂ２の出力電圧の和であり、ｃ相の出力電圧は、直列接続された電力セル２０ｃ１及び２０ｃ２の出力電圧の和である。ここで、図１には、説明の簡素化のために、２つの電力セルが直列接続される場合を挙げて示したが、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、インバータ２の出力電圧によって直列接続された電力セルの個数が決定され得ることは、通常の技術者にとって自明であるだろう。複数の電力セルは、同一の構造で構成され、以下の説明においては、全ての電力セルの図面符号を「２０」と示すこととする。

合成されたインバータ２のそれぞれの出力相電圧は、大きさは同一であるが、位相は１２０度の差を有する。また、インバータ２を構成する電力セル２０の個数の増加や様々なスイッチング方式等により電動機３に印加する出力電圧の全高調波ひずみ率（ＴＨＤ）や電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）等が改善できることは当然である。

電圧検出部３０は、正常な動作状態で電動機３に入力される電圧、即ち、インバータ２の出力電圧を検出することができる。このように検出された出力電圧は、同期切替（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｂｙｐａｓｓ）、出力電力演算及び電動機３の再起動等のために用いられ得る。

制御部４０は、本発明の実施例に係るインバータ制御装置により構成され得、電圧検出部３０の電圧を受信した後、これに対応するように、複数の電力セル２０を制御するための制御信号を生成することができる。制御部４０の詳細な構成及び機能等については、以後、別途の図面を通じて説明する。

図２は、図１の電力セルの詳細構成図である。

図示されているように、本発明が適用される高圧インバータシステムに備えられる電力セル２０は、整流部２１、直流端キャパシタ２２、インバータ部２３、及びセル駆動部２４を含むことができる。

整流部２１は、６個のダイオードで構成され、位相置換変圧器（図１の１０）からそれぞれ入力される交流電圧を直流に整流することができる。整流された直流端電圧の大きさは、整流部２１の入力電力と電力セル２０の出力電力との差の関係から決定され得る。即ち、位相置換変圧器１０から供給される入力電力が負荷で消費される出力電力より大きい場合は、直流端電圧が増加し、逆の場合は、直流端電圧が減少する。直流端キャパシタ２２は、入出力端の瞬時な電力不均衡を解消することができる。

単相フルブリッジ方式インバータ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）等で構成されるインバータ部２３は、直流端電圧から複数の電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄを通じて出力電圧を合成することができる。

セル駆動部２４は、各電力セル２０毎に独立して配置され、インバータ部２３の電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄのスイッチング状態を決定するゲーティング信号（ｇａｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ）を生成して、インバータ部２３の各電力スイッチ２３ａ乃至２３ｄに提供することができる。このとき、セル駆動部２４は、制御部（図１の４０）の制御信号によって動作できる。

このように構成されるインバータシステムにおいて、制御部４０は、正常動作の際、電圧と周波数の関係により指令電圧を生成して各セル駆動部２４に提供し、入力電源が瞬時に停電した後、復電すると、制御部４０は、復電時に電力セル２０に所定の大きさと位相の電圧を印加することによって電動機を再起動することができる。

図３は、本発明の一実施例に係るインバータ制御装置を示した構成図であって、図１の制御部４０に関する詳細な構成を示している。

図示されているように、制御部４０は、変換部４１、電圧大きさ及び位相決定部４２、再起動指令電圧決定部４３、指令電圧決定部４４、フラグ設定部４５、及び選択部４６を含むことができる。

指令電圧決定部４４は、指令周波数ω_ｒｅｆによって指令電圧を決定することができる。インバータ２の駆動において、電圧と周波数の比は一定しており、従って、指令周波数が入力されると、それに対応する指令電圧が決定され得る。

変換部４１は、電圧検出部（図１の３０）により検出された電動機３の入力電圧を同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧に変換し、電圧大きさ及び位相決定部４２は、前記ｄ軸及びｑ軸電圧から電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を検出することができる。位相検出は、通常のＰＬＬ（ｐｈａｓｅ ｌｏｏｐ ｌｏｃｋ）等を通じて具現できる。

再起動指令電圧決定部４３は、電圧大きさ及び位相決定部４２により決定された電動機の入力電圧の大きさと位相を利用して、再起動領域での再起動指令電圧を決定することができる。

フラグ設定部４５は、入力電源に異常が発生した場合、フラグを１に設定し、正常運転が可能である場合、またフラグを０に設定して選択部４６に提供することができる。

選択部４６は、入力電源が正常に受信され、フラグが１である場合、即ち、再起動領域において、再起動指令電圧決定部４３の指令電圧を選択して複数の電力セル２０に指令電圧を提供する。一方、フラグが０である場合は、指令電圧決定部４４の指令電圧を複数の電力セル２０に提供することができる。

以下においては、従来のインバータシステムの再起動指令電圧決定部で指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明し、これと対比して本発明のインバータ制御装置に備えられる再起動指令電圧決定部４３の動作を詳細に説明する。

図４及び図５は、従来の指令電圧の大きさと位相を決定する方式を説明するための概念図である。

図示されているように、再起動領域での指令電圧の大きさは、傾き決定部４Ａが決定した時間による電圧の変化量の大きさに、電圧大きさ及び位相決定部が決定した電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇを足した値であって、指令電圧の大きさを数式で示すと、次のとおりである。

このとき、ａは、時間による電圧の変化量を示す。

また、再起動領域での指令電圧の位相は、電圧大きさ及び位相決定部が決定した電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔを積分部５Ａにより積分した位相に、電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔを足した値であって、指令電圧の位相を数式で示すと、次のとおりである。

図６は、従来技術に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフであって、図４及び図５の方式により決定された指令電圧の大きさと位相を利用してなるインバータの再起動シーケンスを示している。

図６を参照すると、電源部から供給される入力電源がＡ時点で中断し、Ｂ時点で復電することを確認することができる。しかし、Ｂ時点で復電がなされても、電動機が所定時間以後であるＣ時点で再起動を開始し、Ｄ時点以後に正常運転するようになることは、図示されたとおりである。即ち、Ｅ領域及びＨ領域は、正常運転領域であり、Ｆ領域は、入力電源故障領域であり、Ｇ領域が再起動領域である。

図５のように決定される再起動指令電圧の位相を利用する場合、負荷量による周波数変動を考慮しないため、負荷によるスリップ周波数の影響で電動機の速度とインバータの出力周波数との間に誤差Ｊが発生し、再起動時点で電動機の入力電流に突入電流Ｉが発生する問題点がある。

従って、以下において説明される本発明の実施例に係るインバータ制御装置により構成される制御部４０は、自由回転中の電動機の測定相電圧または線間電圧の周波数を基準に予測された負荷量による周波数を補償し、これによってインバータ２の指令電圧の位相を決定することで、再起動時に発生し得る電動機相電流の大きさを減少させ、安定的に再起動できるようにする構成を提供する。

図７は、本発明の一実施例によって再起動領域において指令電圧の周波数を決定する方式を説明するための例示図であり、図８は、本発明の一実施例によって再起動領域において指令電圧の位相を決定する方式を説明するための例示図である。また、図９は、本発明の実施例に係るインバータ再起動シーケンスを説明するためのグラフである。図９には、従来のシーケンスとの容易な比較のために、図６と同じ符号を用いた。

図９を参照すると、電源部（図１の１）から供給される入力電源がＡ時点で中断した後、Ｂ時点で復電することを確認することができる。Ｂ時点で復電がなされても、電動機が所定時間以後であるＣ時点で再起動を開始し、Ｄ時点以後には正常運転するようになることは、図示されたとおりである。即ち、Ｅ領域及びＨ領域は、正常運転領域であり、Ｆ領域は、入力電源故障領域であり、Ｇ領域が再起動領域である。再起動領域は、再起動時点からインバータが定格以上に復帰する時点までである。

本発明の再起動指令電圧決定部（図３の４３）は、図７のように、補償された指令電圧の周波数（以下、「指令周波数」という）であるω_{ｒｅｆ＿ｆｌｙ}を決定することができ、このように決定された指令周波数を利用して、図８のように、再起動指令電圧の位相を決定することができる。

具体的に、再起動指令電圧決定部４３は、入力電源の故障により正常運転が終了するＡ時点で測定された電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔ１と、再起動が開始されるＣ時点で測定された電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔ２とを、電圧大きさ及び位相決定部（図３の４２）から受信することができる。このために、電圧大きさ及び位相決定部４２は、Ａ時点で電圧検出部（図１の３０）により測定された電動機の入力電圧から周波数を決定して、それを再起動指令電圧決定部４３に提供し、Ｃ時点で電圧検出部３０により測定された電動機の入力電圧から周波数を決定して、それを再起動指令電圧決定部４３に提供することができる。

以後、再起動指令電圧決定部４３は、減算部７Ａが決定した二つの周波数ω_ｅｓｔ１、ω_ｅｓｔ２の誤差を除算部７Ｂにより両時点間の時間Ｔ＿ｆａｕｌｔで分けて、減少する周波数の傾きω_ｇｒａｄを決定することができる。このとき、減少する周波数の傾きは、負荷量により決定されるが、負荷が大きいほど周波数の傾きは大きくなり、負荷が小さいほど周波数の傾きは小さくなる。従って、負荷による周波数の変化を下記式のように近似化できる。

再起動のために指令電圧を発生する場合、電圧／周波数（Ｖ／ｆ）動作する誘導電動機の場合は、適切なトルクを発生するために、約数十〜数百ｍｓｅｃ程度の時間が要求される。即ち、電動機の適切なトルクの発生のために要求される時間は電動機毎に異なるが、本発明の実施例においては、これを補償値Ｔ＿ｃｏｍｐとして使用できるようにした。より具体的には、このような補償値Ｔ＿ｃｏｍｐとして、誘導電動機の回転子時定数の約１／４〜１／３の範囲の値が用いられ得る。

再起動指令電圧決定部４３は、乗算部７Ｃが周波数傾きとＴ＿ｃｏｍｐとを乗算し、また減算部７Ｄが、再起動が開始される図９のＣ時点で測定された電動機の入力電圧の周波数ω_ｅｓｔ２から乗算部７Ｃの出力を減算して、下記数式のように、適切なトルクが発生する時点の周波数を指令周波数ω_{ｒｅｆ＿ｆｌｙ}として決定することができる。

一方、誘導電動機の回転子時定数は、下記数式のように定義される。

前記数式４のＴ＿ｃｏｍｐは、数式５の回転子時定数を考慮して決定されるものであり、このとき、Ｌｒは、誘導電動機の回転子インダクタンスであり、Ｒｒは、回転子抵抗である。

このように指令周波数が決定されると、再起動指令電圧決定部４３は、図８のように位相を決定することができる。即ち、再起動領域での指令電圧の位相は、積分部８Ａが指令周波数ω_{ｒｅｆ＿ｆｌｙ}を積分した位相に、電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔを足した値で決定され得る。指令電圧の位相を数式で示すと、次のとおりである。

図９を参照すると、フラグ設定部４５は、（ａ）のように入力電源の故障が発生するＡ時点でフラグを１に設定し、再起動領域が終わるＤ時点で、またフラグを０に設定できる。

入力電源の故障が発生すると、保護動作によりインバータ２は出力が停止する。従って、（ｂ）で示されるように、インバータの出力電圧は直ちに０となり、電圧検出部３０は、Ａ時点での電動機の入力電圧を測定し、電圧大きさ及び位相決定部４２が該当入力電圧の周波数を決定することができる。

入力電源故障領域であるＦ領域において測定される電動機３の入力電圧は、電動機３の誘起起電力であって、電動機３の入力電圧の大きさと電動機の速度は、（ｂ）及び（ｃ）から確認できるように、負荷と電動機３の時定数によって減少し、電動機の電流の経路を形成しないので、電動機３から出力される電流は、０である。

Ｂ時点で入力電源がまた印加されると、Ｂ時点以後、所定時間が経過したＣ時点で、電圧検出部３０の測定により、電圧大きさ及び位相決定部４２は、電動機３の入力電圧の大きさと位相及び周波数を決定し、再起動指令電圧決定部４３が決定した再起動指令電圧の大きさと、指令電圧の位相及び指令周波数によってインバータ２を再起動することができる。再起動領域であるＧ領域において、再起動指令電圧決定部４３が決定する指令電圧がインバータ２に提供され得る。

即ち、再起動指令電圧の大きさは、時間による電圧の変化量の大きさに、再起動時点の電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇを足すことで決定できる。

また、再起動指令電圧の位相は、時間による周波数の減少傾きω_ｇｒａｄにトルクの発生のための時間をかけた値を、再起動時点の周波数から差し引いて求めた指令周波数を時間によって積分した位相に、再起動時点の電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔを足すことで決定できる。

即ち、再起動時点であるＤ時点にインバータ２に印加される指令電圧の大きさは、電動機の入力電圧の大きさＶ_ｍａｇであり、指令電圧の位相は、電動機の入力電圧の位相θ_ｅｓｔであってよく、このとき、再起動領域であるＧ領域において指令電圧の位相は、時間による周波数の減少傾きω_ｇｒａｄにトルクの発生のための時間をかけた値を再起動時点の周波数から差し引いて求めた指令周波数を利用して求めることができる。

再起動領域であるＧ領域は、インバータの出力電圧が所定の大きさに達するＤ時点で終了し、フラグは、０に設定され得る。これにより、選択部４６は、指令電圧決定部４４で決定した指令電圧をインバータ２に提供することとなり、インバータ２は、正常動作することができる。

また、インバータの出力周波数は、Ｃ時点で電圧大きさ及び位相決定部４２が決定した周波数がＧ領域で同一に印加され、Ｄ時点以後に、電圧−周波数の関係によって増加し得る。

これにより、本発明の実施例に係るインバータ制御装置によると、再起動領域において電動機の電流の突入電流が除去されたことを確認することができる。また、図９の（ｃ）において、電動機の速度とインバータの出力周波数とを比較すると、図６とは異なり、電動機３の速度とインバータ２の出力周波数が全運転領域においてほぼ一致することが分かる。実際は、負荷によるトルクを発生させるためのスリップ周波数に該当する誤差が存在するが、本発明のインバータ制御装置は、それを補償してスリップ周波数を小さく維持することができ、従って、再起動に必要な電流の大きさを減少させることができる。

以上、本発明に係る実施例が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これより様々な変形及び均等な範囲の実施例が可能であるという点が理解できるだろう。従って、本発明の正しい技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定められるべきである。

Claims (7)

1. インバータシステムに備えられるインバータ制御装置において、
   入力電源が定格以下に減少した時点の電動機の入力電圧の周波数を決定し、入力電源が回復した場合、再起動時点の前記電動機の入力電圧の大きさ、位相及び周波数を決定する第１決定部と、
   前記再起動時点からインバータが所定の出力電圧に達する時点までの再起動領域において、指令電圧を決定して前記インバータに印加する第２決定部とを含み、
   前記第２決定部は、入力電源が定格以下に減少した時点の前記電動機の入力電圧の周波数、再起動時点の前記電動機の入力電圧の周波数、及び、適切なトルクの発生に要する時間である補償値に基いて、当該適切なトルクが発生する時点の指令周波数を決定するとともに、前記指令周波数及び再起動時点の前記電動機の入力電圧の位相に基いて、再起動領域での前記指令電圧の位相を決定する、インバータ制御装置。
2. 前記電動機の入力電圧を測定する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が測定した電動機の入力電圧を同期座標系上のｄ軸及びｑ軸電圧に変換し、前記第１決定部に提供する変換部とをさらに含む、請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記第２決定部は、再起動時点での前記電動機の入力電圧の周波数から、再起動時点と入力電源が定格以下に減少した時点との間の電圧周波数の傾きにトルクの発生のための時間補償値をかけた値を差し引くことで再起動時点の指令周波数を決定する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
4. 前記時間補償値は、前記電動機の時定数の１／４〜１／３の範囲内で決定される、請求項３に記載のインバータ制御装置。
5. 前記第２決定部は、再起動時点の前記電動機の入力電圧の位相に対して、指令周波数を時間によって積分した積分値を更に足すことで得られた値を前記指令電圧の位相として決定する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
6. 前記第２決定部は、再起動時点の前記電動機の入力電圧の大きさに対応するように再起動時点の前記指令電圧の大きさを決定する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
7. 前記第２決定部は、再起動時点の前記電動機の入力電圧の大きさに対して、予め設定された時間による電圧変化量を足すことで、再起動領域での前記指令電圧の大きさを決定する、請求項６に記載のインバータ制御装置。

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