JP6141818B2 - 並列インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、並列インバータ制御装置に関するものである。

一般に、インバータの容量を拡大するために使う方法で、パワー素子の電圧及び電流容量を増大して新しい製品を設計する方法と既存開発されている製品を並列に構成して設計する方法がある。産業用インバータの場合、パワー素子の制限された電圧及び電流容量により大容量インバータを開発することには限界があるので、最近並列構造インバータが多く設計されている。

並列構造のインバータの場合、出力電圧の同期を正確に合わせることがカギであり、このために様々な技術が開発された。

一般に、並列構造のインバータの運転は、一つのマスター（ｍａｓｔｅｒ）制御器と複数のスレーブ（ｓｌａｖｅ）制御器で構成される。

図１は、従来並列インバータシステムの構成図であり、従来並列インバータシステムの制御部１００は、マスター制御部１１０とスレーブ制御部１２０で構成される。この時、スレーブ制御部１２０は、並列運転時スレーブとして動作するが、インバータＢ３２０を単独運転する場合にはマスター制御部で動作する。

並列構造のインバータで、出力端電圧を同じ大きさと位相で制御することが最も重要で、大きさと位相誤差によって発生する循環電流を防止するために出力端に並列リアクタ４００が用いられる。高圧インバータの場合、リアクタ設置による出力電圧降下の問題を避けるために結合リアクタ（ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅａｃｔｏｒ）４１０が用いられる。

図１のようなインバータシステムで、単位インバータ運転の場合には各々の制御部１１０、１２０が、対応するインバータＡ２００とインバータＢ３００を制御するが、並列運転の場合、マスター制御部１１０が、全体システムを制御して、通信モジュールを介してスレーブ制御部１２０と常時通信する。

マスター制御部１１０は、出力電圧同期のためにスレーブ制御部１２０に同期信号を伝送する。

図２は、図１のマスター制御部１１０がスレーブ制御部１２０に伝送する同期信号と、これによるインバータＡ及びインバータＢのＰＷＭキャリアを示した例示図である。

マスター制御部１１０が伝送した同期信号は、スレーブ制御部１２０が受信し、スレーブ制御部１２０は、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）キャリアカウンターをリセットして同期を合わせる。

６６００Ｖマルチレベル高圧インバータの場合、一つのインバータに１８個の単相インバータであるパワーセル２００、３００で構成される。各々のパワーセルは、セル制御部２１０、３１０が制御部１００から様々な情報（指令の大きさと位相、運転指令など）を受信して運転する。

しかし、図１のようなシステムでは、出力電圧の同期のためにマスター制御部１１０とスレーブ制御部１２０との間に同期信号送受信のためのハードウェアインターフェースを必要とする。この方法は、ＰＷＭ同期が略一致するが、回路上に信号遅延が発生する可能性があって、周辺回路から発生するノイズの影響を受け得る問題点がある。

一方、ソフトウェア同期アルゴリズムによって同期を行うこともできるが、この場合にもＣＰＵの制御周期だけの同期誤差が生じ得る問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、並列構造の高圧インバータにおいて一つの制御部を利用して同期運転を行うことによって、インバータ制御の信頼性を確保する並列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、並列に接続される少なくとも二つ以上のインバータを制御するための本発明の一実施形態の制御装置は、前記少なくとも二つ以上のインバータで一つの同期信号を共有して運転情報を各々伝送する制御部と、前記少なくとも二つ以上のインバータの出力電流を各々検出する検出部と、前記少なくとも二つ以上のインバータで各々前記制御部の運転情報を伝送する少なくとも二つ以上のインターフェース部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記少なくとも二つ以上のインバータの出力電流の誤差に対する比例積分（ＰＩ）制御を行って前記運転情報を修正してもよい。

本発明の一実施形態において、前記運転情報は、電圧指令及び運転指令を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記少なくとも二つ以上のインターフェース部に所定通信方式によって前記運転情報を伝送してもよい。

本発明の一実施形態において、前記所定通信方式は、制御領域ネットワーク（ＣＡＮ）方式であってもよい。

本発明の一実施形態において、各インターフェース部は、前記制御部から伝送される電気信号を光信号に変換して前記インバータに伝達して、前記インバータから受信される光信号を電気信号に変換して前記制御部に伝達してもよい。

本発明の一実施形態において、各インバータは、前記運転情報によりパルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する複数のセル制御部と、前記複数のセル制御部各々に接続されて、前記ＰＷＭ波形によりモータに提供する電圧を生成する複数のパワーセルと、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記セル制御部は、接続されたパワーセルのデータを前記制御部に伝送してもよい。

本発明の一実施形態において、前記パワーセルのデータは、前記パワーセルの出力電流、ＤＣ−リンク電圧及びトリップ情報を含んでもよい。

このような本発明の一実施形態によると、一つのマスター制御部を利用することによって同期信号を授受する別途のハードウェアなしに複数のインバータの並列運転ができる。

また、本発明は、電流誤差を最小化して並列運転時に発生し得る循環電流を減少させることができる。

従来並列インバータシステムの構成図である。 図１のＰＷＭ同期を示す例示図である。 本発明の一実施形態に係る並列インバータシステムを概略的に説明するための構成図である。 図３のマスター制御部とインバータを詳細に説明するための一例示図である。 本発明のマスター制御部から各インバータに伝送する同期信号を説明するための一例示図である。 図３のインバータシステムの出力電流波形を説明するための一例示図である。

本発明は、多様な変更を加えることができて種々の実施形態を持つことができるが、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あらゆる変更、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係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る並列インバータシステムを概略的に説明するための構成図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態のシステムは、単一制御装置１０によりインバータＡ２０及びインバータＢ３０を制御することができる。並列に接続されたインバータＡ２０とインバータＢ３０の出力は、モータ５０に伝達され、モータ５０を駆動することができる。

インバータ２０、３０の出力端とモータ５０の入力端との間にはリアクタ４０が配置されて、インバータ２０、３０の大きさと位相の誤差によって発生する循環電流を防止することができる。高圧インバータの場合、リアクタ４０の設置による出力電圧降下の問題を避けるために、結合リアクタ４１が並列に配置されて用いられる。

図４は、図３のマスター制御部とインバータを詳細に説明するための一例示図である。

図面に示したように、本発明の制御装置１０は、マスター制御部１１と電流検出部１５、及び光インターフェース部１６、１７を含んでもよい。

マスター制御部１１は、中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）１２及びＣＡＮ通信部１３、１４を含んでもよい。

インバータＡ、Ｂ２０，３０は、複数のパワーセル２２、３２で構成されて、各パワーセル２２、３２は、セル制御部２１、３１により制御できる。

インバータＡ２０とインバータＢ３０は、別途の同期線なしに制御領域ネットワーク（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ、ＣＡＮ）通信でマスター制御部１１と常時通信することができる。ただし、これは例示的なもので、インバータＡ２０とインバータＢ３０が、ＣＡＮ通信方式によって通信することに限定されるのではなく、種々の通信方式が適用される。

インバータＡ２０とインバータＢ３０が、マスター制御部１１から運転情報（指令電圧の大きさと位相及び運転指令など）を受信すると、各々のセル制御部２１、３１は、内部演算を通じてＰＷＭ波形を出力することになる。

尚、セル制御部２１、３１は、セルで収集した各種データ（出力電流、ＤＣ−リンク電圧、各種トリップ情報を含む）をマスター制御部１１に制御周期毎に伝送することができる。

また、マスター制御部１１は、セル制御部２１、３１から受信した情報を集めて並列運転に必要な機能を行うことができる。

各々のパワーセル２２、３２は、マスター制御部１１と光ケーブルに接続されてＣＡＮ通信を行うことができる。ＣＡＮ通信部１３、１４は、ＣＰＵ１２とインバータＡ、Ｂ２０、３０との間のデータを送受信し、光インターフェース部１６、１７は、マスター制御部１１からインバータＡ、Ｂ２０，３０に伝送されるＣＡＮ通信のためのデータを光信号に変換し、インバータＡ、Ｂ２０，３０からマスター制御部１１に伝送されるＣＡＮ通信のための光信号を電気信号に変換することができる。

従来の並列構造のインバータでは、ＰＷＭ同期のためにマスター制御部１１０からスレーブ制御部１２０に別途の同期線を利用して同期信号を伝送し、スレーブ制御部１２０では受信した同期信号を利用してマスター制御部１１０と同期しているが、本発明では単一マスター制御部１１を用いるため、別途の同期線を必要とせずＣＡＮ通信部１３、１４に一つの同期信号を共有してセル制御部２１、３１に指令電圧の大きさと位相を同時に伝送することができる。セル制御部３１は、光ケーブルを介して受信した同期信号を利用してインバータＢ３０のＰＷＭカウンターをリセットして同期することができる。

図５は、本発明のマスター制御部から各インバータに伝送する同期信号を説明するための一例示図である。

図５において、Ｐはマスター制御部１１からＣＡＮ通信部１３、１４を介してインバータＡ２０とインバータＢ３０のセル制御部２１、３１に伝送するデータの波形を示し、この時、データは、同期信号と各種指令情報を含む。

Ｑは、セル制御部２１、３１からマスター制御部１１に伝送するセルのデータ（出力電流、ＤＣ−リンク電圧、各種トリップ情報を含む）を示す。この時、Ｒは、インバータＡ２０の信号で、Ｓは、インバータＢ３０の信号である。また、Ｔ及びＵは、各々ＲとＳを拡大した拡大波形を示す。

インバータＡ２０とインバータＢ３０のＰＷＭ出力が同じ値を出力する場合にも、ハードウェア的な偏差によって出力電流に誤差が発生する可能性があるが、この場合、電流検出部１５がインバータＡ２０及びインバータＢ３０の最終出力電流（Ｉ）を検出してマスター制御部１１に提供することができる。

マスター制御部１１は、二つの電流誤差に対して比例積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御を行って、最終ＰＷＭ波形を出力することができる。このような本発明によって電流誤差を最小化して並列運転時発生し得る循環電流を減少することができる。

図６は、図３のインバータシステムの出力電流波形を説明するための一例示図である。図面で、Ｍは各インバータ２０、３０の電流で、Ｎはインバータの電流を合わせた最終電流である。

本発明の単一マスター制御部１１を利用した並列インバータ運転を通じて、従来の並列構造のインバータ制御での信頼性及びコスト上昇に対する問題点を解決することができる。

即ち、本発明では、一つのマスター制御部１１を利用することによって、同期信号を授受する別途のハードウェアなしに複数のインバータの並列運転ができる。マスター制御部１１のＣＡＮ通信部１３、１４を利用して複数のセル制御部２１、３１に電圧指令及び運転指令を伝送すると、各々のセル制御部２１、３１は自らの演算によってＰＷＭ波形を生成して電力セル２２、３２を駆動することができる。

この時、同じＰＷＭを出力してもハードウェア的な偏差によって出力電流に誤差が発生する可能性があるが、この場合、インバータＡ２０とインバータＢ３０の出力電流を検出して、二つの出力電流の電流誤差に対するＰＩ制御を行って、電圧指令及び運転指令を修正することによって、各々のセル制御部２１、３１が最終ＰＷＭ波形を出力することができる。

即ち、本発明は、電流誤差を最小化して並列運転時発生し得る循環電流を減少させることができる。

以上では、二つのインバータ（インバータＡ２０、インバータＢ３０）が並列に接続される構造に対して説明したが、本発明がこれに限定されるのではない。即ち、２つ以上のインバータの並列構造に対して本発明が適用できる。

以上、本発明に係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、当分野で通常の知識を有する者であれば、これら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点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定まらなければならない。

１０ 制御装置
１１ マスター制御部
１２ 中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）
１３、１４ ＣＡＮ通信部
１５ 電流検出部
１６、１７ 光インターフェース部
２０、３０ インバータ
２１、３１ セル制御部
２２、３２ パワーセル
４０ リアクタ
４１ 結合リアクタ
５０ モータ

Claims (7)

1. 並列に接続される少なくとも二つ以上のインバータを制御するための制御装置において、
   前記少なくとも二つ以上のインバータで一つの同期信号を共有して運転情報を各々伝送する制御部と、
   前記少なくとも二つ以上のインバータの出力電流を各々検出する検出部と、
   前記少なくとも二つ以上のインバータに各々前記制御部の運転情報を伝送する少なくとも二つ以上のインターフェース部と、を含み、
   各前記インターフェース部は、
   前記制御部から伝送される電気信号を光信号に変換して前記インバータに伝達して、前記インバータから受信される光信号を電気信号に変換して前記制御部に伝達し、
   前記制御部は、前記インターフェースを介して各々の前記インバータに同期信号を共有する運転情報を同時に伝送し、前記検出部により検出される各々の前記インバータの出力電流の誤差に対して比例積分（ＰＩ）制御を行うことを特徴とする、制御装置。
2. 前記運転情報は、電圧指令及び運転指令を含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記少なくとも二つ以上のインターフェース部に所定通信方式によって前記運転情報を伝送することを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記所定通信方式は、制御領域ネットワーク（ＣＡＮ）方式であることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置。
5. 各々のインバータは、
   前記運転情報によりパルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する複数のセル制御部と、
   前記複数のセル制御部各々に接続されて、前記ＰＷＭ波形によりモータに提供する電圧を生成する複数のパワーセルと、を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記セル制御部は、接続されたパワーセルのデータを前記制御部に伝送することを特徴とする、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記パワーセルのデータは、前記パワーセルの出力電流、ＤＣ−リンク電圧、及びトリップ情報を含むことを特徴とする、請求項６に記載の制御装置。

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