JP6276232B2

JP6276232B2 - 高圧インバータ再起動装置及び方法

Info

Publication number: JP6276232B2
Application number: JP2015200099A
Authority: JP
Inventors: ポムソクチェ; ソンチョルチェ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: KR102213786B1; JP2016082871A; KR20160044206A; CN105529913B; US20160111953A1; US9768679B2; EP3010142A1; CN105529913A

Description

本発明は高圧インバータ再起動装置及び方法に関する。

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のことをいう。高圧インバータは、数百ｋＷ乃至数十ＭＷの大容量電動機を駆動するために用いられている。

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（ｉｎｅｒｔｉａ）が大きいので、入力電源の瞬時的な故障また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しない場合にも回転子の速度が大幅に減少しない。

このような理由で、入力電源が故障状態から正常状態に復帰した場合、回転子の速度が零速（ｚｅｒｏｓｐｅｅｄ）になる時まで待って再起動をしなければならないので、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の速度を簡単に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、本発明の一実施形態の再起動装置は、電動機の入力電圧を測定する測定部と、前記入力電圧から、前記電動機の回転子周波数を推定する推定部と、前記入力電圧及び前記回転子周波数を利用して、予め設定された電圧に対する周波数に該当する第１比率に応じて前記インバータの出力電圧又は出力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、前記入力電圧から、前記インバータが前記電動機に印加した第１電圧、及び、第１電圧より位相が実質的に９０度遅れる第２電圧を生成する生成部と、前記電動機の出力電圧の周波数を決めるための制御帯域幅を決める決定部と、前記制御帯域幅をベースに前記回転子周波数を決める第２検出部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記推定部は、前記第１及び第２電圧を正規化する正規化部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第１比率より、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率が小さい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力周波数を維持して出力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、前記制御部は、前記第２比率が前記第１比率に到達した場合、前記第１比率に応じて前記インバータの出力電圧及び出力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、前記制御部は、前記第１比率より、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率が大きい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力電圧を維持して出力周波数を増加させることができる。

また、前記の技術的課題を解決するために、本発明のインバータ再起動方法は、電動機の入力電圧から、インバータが前記電動機に印加した第１電圧、及び、前記第１電圧より位相が実質的に９０度遅れる第２電圧を生成するステップと、前記電動機の出力電圧の周波数を決めるための制御帯域幅を決めるステップと、前記制御帯域幅をベースに前記電動機の回転子周波数を推定するステップと、を含んでもよい。

本発明の一実施形態の再起動方法は、予め設定された電圧に対する周波数に該当する第１比率が、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率より小さい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力周波数を維持して出力電圧を増加させるステップをさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態の再起動方法は、前記第２比率が前記第１比率に到達した場合、前記第１比率に応じて前記インバータの出力電圧及び出力周波数を増加させるステップをさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態の再起動方法は、予め設定された電圧に対する周波数に該当する第１比率が、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率より大きい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力電圧を維持して出力周波数を増加させるステップをさらに含んでもよい。

本発明は、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、回転子速度が零速になる時まで待たなくても良いので、簡単な構成によって再起動にかかる時間が減少する効果がある。

本発明が適用される高圧インバータの一実施形態構成図である。従来の回転子速度推定装置を説明するための図面である。図２の電圧成分抽出部と回転子周波数検出部の詳細構成図である。図２の電圧成分抽出部と回転子周波数検出部の詳細構成図である。本発明の一実施形態による回転子速度推定装置を概略的に説明するための一例示図である。図４の詳細回路構成図である。本発明の高圧インバータのシーケンスを説明するための一例示図である。予め設定された電圧−周波数比率より推定された電圧−周波数比率が小さい場合の制御部の動作を説明するための一例示図である。予め設定された電圧−周波数比率より推定された電圧−周波数比率が大きい場合の制御部の動作を説明するための一例示図である。

本発明は種々の変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができ、特定の実施形態を図面に例示して詳細な説明で詳細に説明する。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のではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、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係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される高圧インバータシステムの一実施形態構成図であり、直列型Ｈ−ブリッジ（ｃａｓｃａｄｅｄＨ−ｂｒｉｄｇｅ）高圧インバータの構造を例として示し、３段の単位電力セルで高圧インバータが構成されたものを示した。ただし、これは例示的なものであり、他の形態の高圧インバータに本発明が適用されてもよく、また、単位電力セルの数も出力電圧に応じて変更されることは本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者には自明である。

図面に示したように、本発明が適用されるシステムは、電源供給部１から電源を受信して、３相電動機３に電源を供給する本発明が適用される高圧インバータ２は、位相置換変圧器２１、複数の単位電力セル２２及び電圧測定部２３を含んで構成され、また、本発明が適用されるシステムは、高圧インバータ２で必要な電流、電圧情報を受信してモーターの回転子速度を推定する推定部４とこれを利用して高圧インバータ２を制御する制御部５を含んでもよい。

電源供給部１は、電動機３に線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である３相電源を供給する。また、本発明が適用される電動機３は、高圧の３相電動機であり、例えば誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ）または同期電動機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍａｃｈｉｎｅ）であってもよいが、これらに限定されるのではなく、多様な形式の電動機に適用される。

高圧インバータ２の位相置換変圧器２１は、電源供給部１と高圧インバータ２との間の電気的絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を提供し、また同時に入力端の高調波を低減して単位電力セル２２に適切な入力３相電源を提供することができる。位相置換変圧器２１の位相置換角は単位電力セル２２の数によって決められてもよい。

単位電力セル２２は、位相置換変圧器２１から電源の入力を受けて電動機３に提供する相電圧を出力する。各単位電力セル２２は、電動機３の各三相電圧に対応して三つのグループからなり、図１の例では単位電力セルＡ１、Ａ２、Ａ３が直列連結されて、直列連結された単位電力セルから出力される電圧が合成されて電動機３のａ相電圧で提供される。同様に、単位電力セルＢ１、Ｂ２、３Ｂが直列連結されて、直列連結された単位電力セルから出力される電圧が合成されて電動機３のｂ相電圧で提供され、また、単位電力セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３が直列連結されて直列連結された単位電力セルから出力される電圧が合成されて電動機３のｃ相電圧で提供される。合成されたｂ相電圧とａ相電圧は、１２０度の位相差を有し、ｃ相とｂ相電圧も１２０度の位相差を有する。

電圧測定部２３は、電動機３に入力される電圧を測定して、電圧センサーまたは抵抗などで構成された受動素子で構成されてもよい。

このような高圧インバータでの回転子速度推定と関連して、まず従来技術に対して議論した後本発明を詳細に説明する。

図２は、従来の回転子速度推定装置を説明するためのものであって、電圧成分抽出部４１０と回転子周波数検出部４２０で構成される。図３Ａ及び図３Ｂは各々図２の電圧成分抽出部と回転子周波数検出部の詳細構成図である。

電圧成分抽出部４１０は、電動機３の入力相電圧または線間電圧から電動機３の入力電圧の周波数を測定するものであり、第１部４１１は、電動機３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交流（ＡＣ）信号であるＶ’とＶ’に位相角が９０度遅れる信号であるｑＶ’を生成し、第２部４１２は、電動機３の入力電圧の周波数を検出し、第３部４１３は、電動機の出力相電圧の周波数検出時の制御帯域幅を決める。

図３Ｂの回転子周波数検出部４２０は、第１部４２１が回転座標変換を行いて、第２部４２２が比例−積分補償をして第１部４２１の出力Ｖ^e _dを０にする。第３部４２３は第２部４２２の出力に初期周波数を加え、第４部４２４がこれを積分すると推定された位相角（Θ_est）が出力される。また、第３部４２５の出力を低域通過して最終推定された周波数（ω_est）を出力する。

この時、従来の回転子周波数検出部４２０では、座標変換されて出力されたＶ^e _dを０にするために比例−積分補償のための第２部４２２が用いられたが、通常これを位相同期ループ（ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ、ＰＬＬ）という。

しかし、このようなＰＬＬ回路は、推定部４で推定時間が長く掛かるので、制御部５の応答性が遅くなり、実現が複雑であるという短所がある。

本発明は、このように従来技術で用いられるＰＬＬ回路を除去して、より簡単な回路で電動機３の回転子周波数を推定するためのものである。

図４は、本発明の一実施形態に係る回転子速度推定部４を概略的に説明するための一例示図であり、図５は、図４の詳細回路構成図である。本発明の説明では、推定部４が単相の電圧情報を持ってくる場合を示したが、三相電圧に対して各々本発明の推定装置が用いられることは本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者にとって自明である。

図面に示したように、本発明の装置は、信号生成部４１、制御帯域幅決定部４２及び周波数検出部４３を含んでもよく、また、正規化部４４をさらに含んでもよい。

信号生成部４１は、電動機３の入力相電圧または線間電圧であるＶｍｅａｓを電圧測定部２３から受信して、高圧インバータ２が印加した周波数に該当する交流信号であるＶ’と、Ｖ’に位相角が９０度遅れる信号であるｑＶ’を生成することができる。

仮に、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４１を介して決められるＶ’とｑＶ’は各々下記数式のとおりである。Ｖ’とｑＶ’は正規化された正弦波関数であるため、本発明の推定装置は、従来の図２でのΘ_estの代わりに座標変換にＶ’とｑＶ’を用いることができる。

数式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、数式２から数式１で検出した成分に位相が９０度遅れた信号を決めることができる。

制御帯域幅決定部４２は、電動機の出力相電圧の周波数を決めるための制御帯域幅を決めることができ、周波数検出部４３は、制御帯域幅をベースに電動機入力電圧の周波数を検出することができる。

制御帯域幅決定部４２と周波数検出部４３の動作を説明する。

信号生成部４１の４１Ａ及び４１Ｂの出力をそれぞれx１、x２で定義すると、下記のとおりである。

この時、次の数式５のように決めることができ、正常状態では数式６の条件を満たす。

数式６の条件を利用して数式３をまとめると次の数式７のとおりになる。

前記数式７をまとめると数式８のとおりになる。

図５で、各変数の平均を利用すると次の数式９及び数式１０の関係を得ることができる。

数式１１から、所望の周波数を決めるための制御帯域幅は、周波数検出部４２内の増幅部４２Ａの利得によって決められることがわかる。従って、増幅部４２Ａの利得（ｋ２）は、電動機３の運転周波数より高い値に決められることが好ましい。

周波数検出部４３は、制御帯域幅決定部４２と信号生成部４１の出力を受信して、電動機入力電圧の周波数を検出することができる。

一方、正規化部４４は、信号生成部４１から生成されるＶ’、ｑＶ’を正規化することができる。

正規化部４４の出力は、三角関数sinθ、cosθである。すなわち、正規化部４４の出力は、正規化された正弦波関数である。

従来の図２と図３Ａ及び図３Ｂの再起動装置によると、回転子周波数検出部４２０のＰＬＬ回路を経なければならないので、応答性が遅くなり、実現が複雑であるという短所があるが、本発明によると、ＰＬＬ回路を除去することによって、応答性が早く実現が簡単であるという長所がある。

図６は、本発明の高圧インバータのシーケンスを説明するための一例示図である。

図６で、６Ａは電源供給部１からの高圧インバータ２に入力される入力電源を図式的に示したもので、６Ｂは、高圧インバータ２の出力電圧を示したものである。また、６Ｃと６Ｇは各々電源供給部１と高圧インバータ２が共に正常動作する領域で、６Ｄは入力電源に異常が発生して高圧インバータ２の出力電圧が減少する領域、６Ｅは本発明の推定部４が電動機３の回転子周波数と電動機３の入力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３の回転子周波数と電圧の大きさから制御部５が高圧インバータ２を再起動する領域を示したものである。

制御部５の動作を説明する。

一般に、高圧インバータ２は、Ｖ／Ｆ運転のように一定磁束運転（ｃｏｎｓｔａｎｔｆｌｕｘ）を行っている場合、電圧と周波数比率が予め決められたパターンによって駆動する。仮に、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比率が予め設定された値（Ｖｓｅｔ／Ｆｓｅｔ）に比べて小さいか大きい場合には、制御部５は予め設定された電圧と周波数に到達する時まで電圧または周波数の大きさを変動することがある。

図７は、予め設定された電圧−周波数比率より推定された電圧−周波数比率が小さい場合の制御部の動作を説明するための一例示図であり、図６の６Ｆ区間での動作を細分化したものである。

図７で、７Ａは高圧インバータ２の出力電圧を、７Ｂは高圧インバータ２の出力周波数を示す。また、７Ｃ区間で高圧インバータ２の出力電圧である初期電圧（Ｖｉｎｉｔ）は電圧測定部２３から受信することができ、高圧インバータ２の出力周波数である初期周波数（Ｆｉｎｉｔ）は図４の周波数検出部４３の出力と同じである。

図７の７Ｄ領域で、制御部５は、予め設定された電圧−周波数比率に到達するまで周波数を維持して、電圧を増加させることができる。また、７Ｅで制御部５は予め設定された電圧−周波数比率に応じて電圧と周波数を同時に増加させることができる。これによって７Ｆ領域では、正常動作時に選定された電圧（Ｖｔａｒｇｅｔ）と周波数（Ｆｔａｒｇｅｔ）で高圧インバータ２が作動され得る。

図８は、予め設定された電圧−周波数比率より推定された電圧−周波数比率が大きい場合の制御部の動作を説明するための一例示図であり、図６の６Ｆ区間での動作を細分化したものである。

図８で、８Ａは高圧インバータ２の出力電圧を、８Ｂは高圧インバータ２の出力周波数を示す。また、８Ｃ区間でインバータの出力電圧である初期電圧（Ｖｉｎｉｔ）は、電圧測定部２３から受信することができ、高圧インバータ２の出力周波数である初期周波数（Ｆｉｎｉｔ）は、図４の周波数検出部４３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−周波数比率に到達する時まで電圧を維持して周波数の大きさを増加させることができる。また、８Ｅで制御部５は、予め設定された電圧−周波数比率に応じて電圧と周波数を同時に増加させることができる。これによって８F領域では、正常動作時に選定された電圧（Ｖｔａｒｇｅｔ）と周波数（Ｆｔａｒｇｅｔ）で高圧インバータ２が作動され得る。

先述のように本発明は、高圧電動機３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周波数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時までインバータの出力電圧または出力周波数を増加させて、電圧また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と出力周波数を同時に増加させて再起動することができる。

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、当該分野で通常の知識を有する者ならば、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、次の特許請求の範囲によって定まらなければならない。

１電源供給部
２高圧インバータ
２１位相置換変圧器
２２単位電力セル
２３電圧測定部
３３相電動機
４推定部

Claims

電動機の入力電圧を測定する測定部と、
前記入力電圧から、前記電動機の回転子周波数を推定する推定部と、
前記回転子周波数を利用して、予め設定された電圧に対する周波数に該当する第１比率に応じてインバータの出力電圧又は出力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、
前記入力電圧から、前記インバータが前記電動機に印加した周波数に該当する第１電圧、及び、第１電圧より位相が実質的に９０度遅れる第２電圧を生成する生成部と、
前記第１電圧及び前記第２電圧を正規化する正規化部と、
前記電動機の出力電圧の周波数を決めるための制御帯域幅を決める決定部と、
前記正規化部の正規化された出力を利用して前記制御帯域幅をベースに前記回転子周波数を決める第２検出部と、を含み、
前記決定部は、正規化された前記第１電圧及び前記第２電圧と、前記第２検出部の増幅利得とに基づいて前記制御帯域幅を決定し、
前記制御部は、再起動領域において、
前記第１比率より、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率が小さい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力周波数を維持して出力電圧を増加させ、
前記第１比率より前記第２比率が大きい場合、前記第１比率に到達する時まで出力電圧を維持して出力周波数を増加させ、
前記第１比率と前記第２比率とが同一になる時から、前記インバータの出力電圧及び出力周波数を同時に増加させる、再起動装置。
前記制御部は、
前記第１比率と前記第２比率とが同一になる時から、前記第１比率に応じて前記インバータの出力電圧及び出力周波数を増加させる、請求項１に記載の再起動装置。
電動機の入力電圧から、インバータが前記電動機に印加した周波数に該当する第１電圧、及び、前記第１電圧より位相が実質的に９０度遅れる第２電圧を生成するステップと、
前記第１電圧及び前記第２電圧を正規化するステップと、
前記電動機の出力電圧の周波数を決めるための制御帯域幅を決めるステップと、
正規化された前記第１電圧及び前記第２電圧を利用して前記制御帯域幅をベースに前記電動機の回転子周波数を推定するステップと、
前記入力電圧と前記回転子周波数とを利用して、予め設定された電圧に対する周波数に該当する第１比率に応じて前記インバータの出力電圧又は出力周波数を変更するように制御するステップと、を含み、
前記制御帯域幅を決めるステップは、正規化された前記第１電圧及び前記第２電圧と、前記回転子周波数を推定する時の増幅利得とに基づいて前記制御帯域幅を決定し、
前記制御するステップは、再起動領域において、
前記第１比率より、前記入力電圧に対する前記回転子周波数に該当する第２比率が小さい場合、前記第１比率に到達する時まで前記インバータの出力周波数を維持して出力電圧を増加させ、
前記第１比率より前記第２比率が大きい場合、前記第１比率に到達する時まで出力電圧を維持して出力周波数を増加させ、
前記第１比率と前記第２比率とが同一になる時から、前記インバータの出力電圧及び出力周波数を同時に増加させる、インバータ再起動方法。
前記第１比率と前記第２比率とが同一になる時から、前記第１比率に応じて前記インバータの出力電圧及び出力周波数を増加させるステップをさらに含む、請求項３に記載のインバータ再起動方法。