JP6186496B2

JP6186496B2 - インバータ試験装置

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Publication number: JP6186496B2
Application number: JP2016506057A
Authority: JP
Inventors: 直人新村; 岡　利明; 利明岡; 鈴木　寛充; 寛充鈴木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: EP3116117B1; CN105723233A; WO2015132960A1; US10509079B2; US20160377687A1; JPWO2015132960A1; EP3116117A4; CN105723233B; EP3116117A1

Description

本発明は、インバータを試験するインバータ試験装置に関する。

一般に、インバータを試験する様々な方法が知られている。

例えば、試験対象のインバータの交流側に交流電源を接続して試験する方法がある。また、単相インバータの負荷側にリアクトルが接続された自励式変換器の試験方法において、単相インバータの任意の１相を所定の運転状態におけるスイッチング状態に設定し、残りの１相を前記１相の電圧に対し電流の位相が−１８０°〜１８０°になるように位相及び振幅を調整することが開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、インバータの交流側に交流電源を接続すると、試験装置に掛かるコストが増える。また、インバータの交流側に交流電源を接続しない場合、インバータを本来の通電条件で試験することが困難になる。例えば、前述の試験方法では、電力変換回路を構成する２レグのうち一方が力行となり、もう片方が回生となる特殊な通電条件下での試験となる。

特開平１１−２８５２６５号公報

本発明の目的は、現実に近い通電条件で、インバータを試験することのできるインバータ試験装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったインバータ試験装置は、第１の単相インバータの試験をするインバータ試験装置であって、前記第１の単相インバータに直流電力を供給する直流電源と、前記第１の単相インバータの直流側に接続される第２の単相インバータと、前記第１の単相インバータの交流側と前記第２の単相インバータの交流側との間に接続されるインダクタと、前記第１の単相インバータの交流電圧を一定振幅で一定周波数に制御する第１の制御手段と、前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流を電流振幅指令値に追従させるように、前記第２の単相インバータの位相指令値を演算する位相指令値演算手段と、前記位相指令値演算手段により演算された前記位相指令値に基づいて、前記第２の単相インバータの位相を制御する第２の制御手段とを備える。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るインバータ試験装置の構成を示す構成図である。図２は、第１の実施形態に係るインバータの試験回路の等価回路を示す回路図である。図３は、第１の実施形態に係る制御装置の制御部の構成を示す構成図である。図４は、第１の実施形態に係るインバータの試験回路におけるＶ１ｒ＝Ｖ２ｒで力行時のフェーザ図である。図５は、第１の実施形態に係るインバータの試験回路におけるＶ１ｒ＝Ｖ２ｒで回生時のフェーザ図である。図６は、第１の実施形態に係るインバータの試験回路におけるＶ１ｒ＞Ｖ２ｒで力行時のフェーザ図である。図７は、第１の実施形態に係るインバータの試験回路におけるＶ１ｒ＞Ｖ２ｒで回生時のフェーザ図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る制御部の構成を示す構成図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインバータ試験装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して重複する説明を適宜省略し、異なる部分について主に述べる。

インバータ試験装置１０は、インバータ１を試験するための装置である。インバータ試験装置１０は、試験設備インバータ２、制御装置３、２つのインダクタ４ａ，４ｂ、ダイオード整流器５、交流電源６、及び電流検出器７を備える。

インバータ１は、単相インバータであり、中性点クランプ型の３レベルインバータである。インバータ１は、ＰＷＭ(pulse width modulation)制御されることにより、電力変換動作をする。

インバータ１は、８つのスイッチング素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、４つの中性点クランプダイオード１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、及び２つのコンデンサ１４ａ，１４ｂを備える。８つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ，１２ａ〜１２ｄには、それぞれ還流ダイオードが接続されている。

８つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ，１２ａ〜１２ｄは、２つのレグを構成する。第１のレグは、４つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄが直列に接続された構成である。スイッチング素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの順に、正極側に位置する。第２のレグは、４つのスイッチング素子１２ａ〜１２ｄが直列に接続された構成である。スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの順に、正極側に位置する。第１のレグと第２のレグは、並列に接続されている。直列に接続された２つのコンデンサ１４ａ，１４ｂは、２つのレグと並列に接続されている。第１のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子１１ｂ，１１ｃの接続点と第２のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子１２ｂ，１２ｃの接続点は、インバータ１の単相交流側端子となる。

第１のレグの正極側に位置する２つのスイッチング素子１１ａ，１１ｂの接続点と第１のレグの負極側に位置する２つのスイッチング素子１１ｃ，１１ｄの接続点とを接続するように、直列に接続された２つの中性点クランプダイオード１３ａ，１３ｂが接続されている。中性点クランプダイオード１３ａ，１３ｂのカソード側は、正極側に接続され、アノード側は、負極側に接続されている。

第２のレグの正極側に位置する２つのスイッチング素子１２ａ，１２ｂの接続点と第２のレグの負極側に位置する２つのスイッチング素子１２ｃ，１２ｄの接続点とを接続するように、直列に接続された２つの中性点クランプダイオード１３ｃ，１３ｄが接続されている。中性点クランプダイオード１３ｃ，１３ｄのカソード側は、正極側に接続され、アノード側は、負極側に接続されている。

第２のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子１２ｂ，１２ｃの接続点と、第１のレグに設けられた２つの中性点クランプダイオード１３ａ，１３ｂの接続点と、２つのコンデンサ１４ａ，１４ｂの接続点は、電圧の中性点として短絡されている。２つのレグの正極側が正極端子となり、２つのレグの負極側が負極端子となる。

ダイオード整流器５は、インバータ１の直流側に、正極端子、中性点端子、及び負極端子の３点で接続されている。ダイオード整流器５は、インバータ１に直流電力を供給する直流電源である。ダイオード整流器５は、交流電源６から供給される三相交流電力を直流電力に変換して、インバータ１に出力する。交流電源６は、商用電源などである。なお、直流電力を出力するものであれば、ダイオード整流器５及び交流電源６の代わりに、発電機、電池、又は電力変換装置などを設けてもよい。

試験設備インバータ２は、単相インバータであり、中性点クランプ型の３レベルインバータである。試験設備インバータ２は、ＰＷＭ制御されることで、電力変換動作をする。インバータ１がインバータ試験装置１０に接続されることで、試験設備インバータ２の直流側は、インバータ１の直流側に接続される。なお、試験設備インバータ２は、試験対象のインバータ１と同様の構成であるため、詳しい説明を省略する。

試験設備インバータ２は、８つのスイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、４つの中性点クランプダイオード２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ、及び２つのコンデンサ２４ａ，２４ｂを備える。８つのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄには、それぞれ還流ダイオードが接続されている。

第３のレグは、４つのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄで構成される。第４のレグは、４つのスイッチング素子２２ａ〜２２ｄで構成される。第３のレグ、第４のレグ、及び直列に接続された２つのコンデンサ２４ａ，２４ｂは、並列に接続されている。第３のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子２１ｂ，２１ｃの接続点と第４のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子２２ｂ，２２ｃの接続点は、インバータ２の単相交流側端子となる。第３のレグに設けられた２つの中性点クランプダイオード２３ａ，２３ｂの接続点と、第４のレグに設けられた２つの中性点クランプダイオード２３ｃ，２３ｄの接続点と、２つのコンデンサ２４ａ，２４ｂの接続点は、電圧の中性点として短絡されている。２つのレグの正極側が正極端子となり、２つのレグの負極側が負極端子となる。

インバータ１の第１のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子１１ｂ，１１ｃの接続点と、試験設備インバータ２の第３のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子２１ｂ，２１ｃの接続点は、インダクタ４ａを介して接続されている。インバータ１の第２のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子１２ｂ，１２ｃの接続点と、試験設備インバータ２の第４のレグの中央に位置する２つのスイッチング素子２２ｂ，２２ｃの接続点は、インダクタ４ｂを介して接続されている。インバータ１と試験設備インバータ２の直流側同士は、正極、中性点及び負極のそれぞれで接続されている。

電流検出器７は、インダクタ４ａが設けられている電線に、インダクタ４ａよりもインバータ１側に設けられている。電流検出器７は、インダクタ４ａに流れる通電電流ｉを検出し、制御装置３に出力する。

制御装置３は、インバータ１及び試験設備インバータ２を制御する装置である。制御装置３は、制御部３１、ＰＷＭ制御部３２、ＰＷＭ制御部３３を備える。制御部３１は、電流検出器７により検出された通電電流ｉに基づいて、制御を行う。制御部３１は、インバータ１に対する電圧指令値ｖ１ｒ及び試験設備インバータ２に対する電圧指令値ｖ２ｒを演算する。ＰＷＭ制御部３２は、制御部３１により演算されたインバータ１に対する電圧指令値ｖ１ｒに従って、インバータ１をＰＷＭ制御する。ＰＷＭ制御部３３は、制御部３１により演算された試験設備インバータ２に対する電圧指令値ｖ２ｒに従って、試験設備インバータ２をＰＷＭ制御する。これにより、インバータ１の通電試験が行われる。

次に、制御装置３による制御について説明する。

図２は、インバータ１の試験回路の等価回路を示す回路図である。Ｌはインダクタ４ａ，４ｂのインダクタンスを示している。

制御装置３は、インバータ１の単相交流電圧ｖ１及び試験設備インバータ２の単相交流電圧ｖ２を制御する。インバータ１に対する電圧指令値ｖ１ｒ及び試験設備インバータ２に対する電圧指令値ｖ２ｒを、次式のように与える。

ｖ１ｒ＝Ｖ１ｒ×ｃｏｓ（ωｒ・ｔ） …式（１）
ｖ２ｒ＝Ｖ２ｒ×ｃｏｓ（ωｒ・ｔ＋θ２ｒ） …式（２）
ここで、Ｖ１ｒ、Ｖ２ｒは電圧振幅指令値、ωｒは角速度指令値、θ２ｒは位相指令値である。

制御装置３は、通電電流ｉに依らず、インバータ１の交流電圧を一定振幅で一定周波数に制御する。制御装置３は、試験設備インバータ２の交流電圧の振幅を基本的に一定に制御し、位相指令値θ２ｒを通電電流ｉにより変化させることで、電流制御を行う。

図３は、制御装置３の制御部３１の構成を示す構成図である。

制御部３１は、実効値演算部３１１、減算器３１２、ＰＩ(proportional-plus-integral control)制御（比例積分制御）部３１３、極性決定部３１４、及び電圧指令値演算部３１５を備える。

実効値演算部３１１は、電流検出器７により検出された通電電流ｉ（瞬時値）から実効値を演算する。実効値演算部３１１は、実効値から求まる通電電流振幅Ｉを減算器３１２に出力する。

減算器３１２は、予め設定された電流振幅指令値Ｉｒから実効値演算部３１１により演算された通電電流振幅Ｉを減算する。減算器３１２は、演算結果をＰＩ制御部３１３に出力する。ＰＩ制御部３１３は、減算器３１２による演算結果がゼロになるように、比例積分制御を行う。即ち、ＰＩ制御部３１３は、通電電流振幅Ｉを電流振幅指令値Ｉｒに追従させるように制御する。ＰＩ制御部３１３は、演算結果を極性決定部３１４に出力する。

極性決定部３１４は、ＰＩ制御部３１３による演算結果に極性を決める係数Ｋを掛ける。インバータ１の力行試験をする場合は、係数Ｋ＝１とする。インバータ１の回生試験をする場合は、係数Ｋ＝−１とする。極性決定部３１４は、演算結果を位相指令値θ２ｒとして電圧指令値演算部３１５に出力する。係数Ｋの設定値は、予め決められた試験スケジュールに従って自動的に切り替えてもよいし、手動で切り替えるようにしてもよい。

電圧指令値演算部３１５は、極性決定部３１４により演算された位相指令値θ２ｒに基づいて、式（２）を用いて、試験設備インバータ２に対する電圧指令値ｖ２ｒを演算する。電圧指令値演算部３１５は、演算した電圧指令値ｖ２ｒを、試験設備インバータ２を制御するＰＷＭ制御部３３に出力する。

次に、制御装置３による制御の原理について説明する。図４〜図７は、インバータ１の試験回路の試験条件別のフェーザ図である。

図４は、Ｖ１ｒ＝Ｖ２ｒで力行時のフェーザ図である。図５は、Ｖ１ｒ＝Ｖ２ｒで回生時のフェーザ図である。通電電流振幅Ｉは、インバータ１の電圧ｖ１と試験設備インバータ２の電圧ｖ２のベクトル差により決まる。図４及び図５により、力行時は位相が遅れるほど通電電流振幅Ｉが大きくなり、回生時は位相が進むほど通電電流振幅Ｉが大きくなる。従って、極性決定部３１４により、力行と回生で極性を変化させている。

図４及び図５は、Ｖ１ｒ＝Ｖ２ｒの場合の場合だが、Ｖ１ｒ＞Ｖ２ｒとすることで、通電電流ｉの力率を変更することができる。

図６は、Ｖ１ｒ＞Ｖ２ｒで力行時のフェーザ図である。図７は、Ｖ１ｒ＞Ｖ２ｒで回生時のフェーザ図である。力行時は遅れ力率、回生時は進み力率となるが、Ｖ１ｒ＝Ｖ２ｒの場合に比べて力率が低下した定格電流が得られる。即ち、試験対象であるインバータ１にとっては、試験設備インバータ２の電圧振幅指令値Ｖ２ｒを減少させることで、任意の力率の定格電圧で定格電流の力行又は回生試験が可能になることを示している。

本実施形態によれば、インダクタ４ａに流れる通電電流ｉに基づいて、試験設備インバータ２の位相を変化させることで、インバータ１の定格電圧で定格電流の通電試験において、力行と回生の切り替えと、力率調整をすることができる。

また、インバータ試験装置１０による試験では、通電電流ｉは、インバータ１と試験設備インバータ２の間を循環するため、ダイオード整流器５は、損失分を供給するだけの容量でよい。

さらに、インバータ１及び試験設備インバータ２が単相インバータであるため、試験を実施するには、単相回路の電流制御が必要となる。従って、一般的なｄｑ変換を用いた三相回路の電流制御をすることはできない。これに対して、制御装置３は、通電電流ｉのみをフィードバック量として、単相回路で電流制御をすることができる。例えば、インバータ１が三相インバータ回路を構成する３つのユニットのうちの１つである場合でも、インバータ１を単体で、単相回路で試験をすることができる。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る制御部３１Ａの構成を示す構成図である。

本実施形態に係るインバータ試験装置１０は、第１の実施形態において、図３に示す制御装置３の制御部３１を、制御部３１Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

制御部３１Ａは、第１の実施形態に係る制御部３１において、極性決定部３１４を取り除き、電圧指令値演算部３１５を電圧指令値演算部３１５Ａに代え、力率値演算部３１６、減算器３１７、ＰＩ制御部３１８、及び減算器３１９を追加したものである。その他の点は、第１の実施形態に係る制御部３１と同様である。

制御部３１Ａにおいて、位相指令値θ２ｒを演算する方法については、第１の実施形態において、極性決定部３１４による係数Ｋの掛け算がなく、ＰＩ制御部３１３の出力をそのまま位相指令値θ２ｒとする。演算された位相指令値θ２ｒは、電圧指令値演算部３１５Ａに入力される。

次に、制御部３１Ａによる試験設備インバータ２に対する電圧振幅指令値Ｖ２ｒの演算方法について説明する。

力率演算部３１６には、電流検出器７により検出された通電電流ｉが入力される。力率演算部３１６は、通電電流ｉに基づいて予め決められた関数により力率ｃｏｓφを演算する。演算された力率ｃｏｓφは、現在の力率の測定値として扱われる。力率演算部３１６は、演算した力率ｃｏｓφを減算器３１７に出力する。なお、ここでは、力率演算部３１６は、通電電流ｉのみで力率を求めたが、インバータ１の電圧ｖ１を検出して求めてもよい。

減算器３１７は、予め設定された力率指令値ｃｏｓφｒから力率演算部３１６により演算された力率ｃｏｓφを減算する。減算器３１７は、演算結果をＰＩ制御部３１８に出力する。ＰＩ制御部３１８は、減算器３１２による演算結果がゼロになるように、比例積分制御を行う。即ち、ＰＩ制御部３１８は、力率ｃｏｓφを力率指令値ｃｏｓφｒに追従させるように制御する。ＰＩ制御部３１８は、演算結果を減算器３１９に出力する。減算器３１９は、予め設定されたインバータ１に対する電圧振幅指令値Ｖ１ｒからＰＩ制御部３１８による演算結果を減算する。減算器３１９は、演算結果を試験設備インバータ２に対する電圧振幅指令値Ｖ２ｒとして電圧指令値演算部３１５Ａに出力する。

電圧指令値演算部３１５Ａには、ＰＩ制御部３１３により演算された位相指令値θ２ｒ及び減算器３１９により演算された電圧振幅指令値Ｖ２ｒが入力される。電圧指令値演算部３１５Ａは、電圧振幅指令値Ｖ２ｒ及び位相指令値θ２ｒに基づいて、式（２）を用いて、試験設備インバータ２に対する電圧指令値ｖ２ｒを演算する。電圧指令値演算部３１５Ａは、演算した電圧指令値ｖ２ｒを、試験設備インバータ２を制御するＰＷＭ制御部３３に出力する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、力率ｃｏｓφが力率指令値ｃｏｓφｒに追従するように、通電試験をすることができる。例えば、力率指令値ｃｏｓφｒを時間とともに変化させるようにプログラミングをすることで、力率ｃｏｓφが時間とともに変化するような試験を実施することができる。

なお、第１の実施形態では、制御装置３に極性決定部３１４を設けたが、力行試験又は回生試験のいずれか一方しか実施しない場合には、極性決定部３１４を省略してもよい。

インバータ１及び試験設備インバータ２は、各実施形態で説明したものに限らず、単相インバータであれば、どのようなインバータでもよい。

各実施形態において、予め設定されているパラメータは、試験条件などに応じて設定又は変更することができる。これらのパラメータは、予め決められた試験のスケジュールに従って、自動的に更新されるようにしてもよいし、手動で更新する作業をしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims

第１の単相インバータの試験をするインバータ試験装置であって、
前記第１の単相インバータに直流電力を供給する直流電源と、
前記第１の単相インバータの直流側に接続される第２の単相インバータと、
前記第１の単相インバータの交流側と前記第２の単相インバータの交流側との間に接続されるインダクタと、
前記第１の単相インバータの交流電圧を一定振幅で一定周波数に制御する第１の制御手段と、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流を電流振幅指令値に追従させるように、前記第２の単相インバータの位相指令値を演算する位相指令値演算手段と、
前記位相指令値演算手段により演算された前記位相指令値に基づいて、前記第２の単相インバータの位相を制御する第２の制御手段と
を備えることを特徴とするインバータ試験装置。
前記位相指令値演算手段は、前記第１の単相インバータの力行と回生で、前記位相指令値の極性を変えること
を特徴とする請求項１に記載のインバータ試験装置。
前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記第１の単相インバータの力率を制御するように、前記第２の単相インバータの電圧振幅指令値を演算する電圧振幅指令値演算手段を備え、
前記第２の制御手段は、前記電圧振幅指令値演算手段により演算された前記電圧振幅指令値に基づいて、前記第２の単相インバータの電圧振幅を制御すること
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試験装置。
第１の単相インバータの試験をするインバータ試験方法であって、
前記第１の単相インバータの直流側に第２の単相インバータを接続し、
前記第１の単相インバータの交流側と前記第２の単相インバータの交流側との間にインダクタを接続し、
前記第１の単相インバータの交流電圧を一定振幅で一定周波数に制御し、
前記インダクタに流れる電流を検出し、
検出した電流を電流振幅指令値に追従させるように、前記第２の単相インバータの位相指令値を演算し、
演算した前記位相指令値に基づいて、前記第２の単相インバータの位相を制御すること
を含むことを特徴とするインバータ試験方法。
第１の単相インバータの直流側に第２の単相インバータが接続され、前記第１の単相インバータの交流側と前記第２の単相インバータの交流側との間にインダクタが接続され、前記第１の単相インバータの試験をするインバータ試験装置の制御装置であって、
前記第１の単相インバータの交流電圧を一定振幅で一定周波数に制御する第１の制御手段と、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流を電流振幅指令値に追従させるように、前記第２の単相インバータの位相指令値を演算する位相指令値演算手段と、
前記位相指令値演算手段により演算された前記位相指令値に基づいて、前記第２の単相インバータの位相を制御する第２の制御手段と
を備えることを特徴とするインバータ試験装置の制御装置。