JP6438950B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を駆動制御する電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特公平６−４２７６１号公報（特許文献１）がある。この公報には、可変電圧可変周波数インバータにて誘導電動機を駆動制御する電気車制御装置において、定加減速性能を得るために上記インバータの出力電圧／出力周波数（以下、Ｖ／Ｆ特性と称す。）を設定値に保つように制御するにあたり、カ行時と回生時とで上記Ｖ／Ｆ特性の設定値を異ならしめ、回生時のＶ／Ｆ特性をカ行時より小さな値に設定することを特徴とする電気車制御装置の制御方法が記載されている（請求項参照）。

また、特開平１０−１７４４９１号公報（特許文献２）がある。この公報には、「記憶された出力電圧と出力周波数の比であるＶ／Ｆ特性に基づいてモートルを駆動するインバータにおいて、複数のモートル回路定数を記憶する記憶手段と、使用するモートルの機種、出力、極数の少なくとも１つを設定する手段と、加速中、一定速中、減速中などの運転状態を設定する運転状態設定手段と、前記モートルの機種、出力、極数の少なくとも１つと前記運転状態の設定に基づいて前記Ｖ／Ｆ特性を設定する手段を備えたことを特徴とするインバータ。」と記載されている（請求項参照）。

特公平６−４２７６１号公報 特開平１０−１７４４９１号公報

前記特許文献１には、可変電圧可変周波数インバータにおいて回生時のＶ／Ｆ特性をカ行時より小さな値に設定することで高速域での回生性能をアップさせる仕組みが記載されている。

しかし、前記特許文献１に記載の方法では必ずしも回生性能アップに繋がらない場合がある。インバータは、回生時のＶ／Ｆ特性をカ行時より小さな値に設定することで電動機損失が小さくなり、回生トルクを減少させる場合がある。

前記特許文献２には、記憶されたＶ／Ｆ特性に基づいてモートルを駆動するインバータにおいて、モートルの機種、出力、極数の少なくとも１つと加速中、一定速中、減速中などの運転状態の設定に基づいて前記Ｖ／Ｆ特性を設定する仕組みが記載されている。

しかし、前記特許文献２に記載の方法では、ファンの一般的な二乗低減トルク特性を想定し、減速中のＶ／Ｆ特性も二乗低減特性で設定する方法が記載されている。これでは、前記特許文献１同様に回生トルクを減少させる場合がある。

本発明の目的は、電動機を減速させる際、高速域では回生トルクを確保し、かつ低速域では電動機損失を低減させる制御方式を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部により変換された直流電力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサにより平滑された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、前記インバータ部を制御する制御部と、を備えた電力変換装置であって、前記制御部は、回生時の出力電圧／出力周波数の値が、第１の出力周波数の領域では力行時の出力電圧／出力周波数の値より大きく、かつ、前記第１の出力周波数の領域より周波数の小さい第２の出力周波数の領域では、力行時の出力電圧／出力周波数の値より小さくなるように前記インバータ部を制御する構成とする。

本発明によれば、回生能力向上と電動機効率向上を両立させる電力変換装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

Ｖ／Ｆ特性を示した図である。 減速時の負荷トルク例を示した図である。 回生トルク特性例を示した図である。 実施例１における電力変換装置の構成図の例である。 実施例１におけるインバータ装置の記憶内容を示す。 実施例１におけるＶ／Ｆ特性の関係例である。 実施例１におけるＶ／Ｆ特性の関係例である。 実施例１における出力電圧／時間特性の関係例である 実施例２におけるインバータ装置の記憶内容を示す。 実施例３におけるインバータ装置の記憶内容を示す。

以下、実施例を図面を用いて説明する。
図４に本発明のインバータ装置を含む制御システムの一例を示す。

三相交流電源１よりインバータ装置２に電源が供給され交流電動機３を駆動する。交流電動機３にはファンおよびコンベア等の機械に用いられる負荷４が接続されている。インバータ装置２の内部はコンバータ部５と平滑コンデンサ６とインバータ部７とドライブ回路８とマイクロコンピュータ等で構成された制御回路９で構成されている。コンバータ部５は、三相交流電源や発電機から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサ６で平滑された直流電圧をインバータ部７で交流電力に変換する。ドライブ回路８は、制御回路９より出力される駆動制御信号に応じて、インバータ部７の各スイッチング素子を駆動する。また、出力周波数や加減速時間や運転、停止などの運転状態の情報はオペレータ１０により設定できる。インバータ装置内の運転状態信号はオペレータ１０から制御回路９に伝達される。

図１はインバータ部で制御する出力電圧と出力周波数の関係（Ｖ／Ｆ特性）を示す。最も基本的なＶ／Ｆ特性であり、カ行時などは出力電圧／出力周波数の比が一定で出力される。これに対し、回生時においては、本発明では、Ｖ／Ｆ特性を力行時とは異ならせて駆動する。回生時のＶ／Ｆ特性の値が、出力周波数の高い領域では力行時の値より大きくし、出力周波数の小さい領域では、力行時の値より小さくなるようにする。

回生時、減速中でＶ／Ｆ特性が高いといわゆる過励磁状態になり、電動機の励磁電流が増えると同時に電動機損失が増加する。電動機損失の増加により回生エネルギーは減り、相対的にインバータの回生トルクは増加することとなる。

一方、回生時のＶ／Ｆ特性をカ行時より小さな値の場合は、Ｖ／Ｆ特性が高い状態とは逆に回生トルクは減少する。
以上のように電動機の定格周波数以内ではむしろ出力電圧を増加させた方が、すなわちＶ／Ｆ特性をカ行時より大きな値に設定した方が回生トルクを増大させることができる。しかし反面、電動機損失が大きくなりすぎると効率面では不利になる。繰り返し運転の場合、全ての出力周波数で、出力電圧を増加させることは効率が低下し、また、電動機焼損の危険度の増加することになる。

図１のＶ／Ｆ特性で減速した場合に要求される負荷トルクの一例が図２で示される。慣性負荷の場合、減速時の負荷トルクは減速時間の長さにもよるが、駆動周波数全域にわたってほぼ一定のトルクを要求する場合が多い。一方、図３はインバータ駆動時の周波数毎の回生トルク特性の一例を実線で示している。最大回生トルクは、インバータの定格電流、平滑コンデンサのコンデンサ容量、過電圧トリップ閾値、電動機損失などの特性によって決まり周波数毎に変化する。この例で回生トルクは高速から低速に行くに従い、トルクが増大する特性にある。

図２と図３を比較すれば明らかなように、減速時の負荷トルクは駆動周波数全域にわたって一定であるためインバータに要求される回生トルクは高速域の回生能力でほぼ決まってしまう。したがって、低速域の高い回生トルクは不必要である。これに鑑み、低速域で出力電圧を低減させれば、低速域を通過する際の消費電流を抑制することができ、効率良く駆動できる。なお負荷トルクに対しインバータの回生トルクは十分な余裕があるため、出力電圧を下げても所望のトルクが得られる。

以上の理由により、本発明では、回生時のＶ／Ｆ特性の値が、出力周波数の高い領域では力行時の値より大きくし、出力周波数の小さい領域では、力行時の値より小さくなるように制御する。

図５は第１の実施例のＶ／Ｆ特性を示す。テーブルＡには加速中、一定速中のＶ／Ｆ特性、及びテーブルＢとテーブルＣには減速中のＶ／Ｆ特性がそれぞれ設定されている。テーブルＡは、出力電圧／出力周波数比が一定（所定値）で出力される。図６、図７からそれぞれ分かるようにテーブルＢとテーブルＣは、Ｖ／Ｆ特性の値がテーブルＡの示す一定値よりも高速域（第１の周波数領域）で高く、低速域（第２の周波数領域）で低く設定されている。

制御回路９の記憶エリアは、図５で示された複数個のＶ／Ｆ特性と運転状態信号を記憶できるように設定してある。制御回路９が運転状態信号に基づいて、加速中、一定速中はテーブルＡを、減速中はテーブルＢまたはテーブルＣを選択する。減速中のテーブルＢまたはテーブルＣの選択は、予めオペレータ１０により設定できる。制御回路９は減速中、加速中、一定速中を示す運転状態信号と記憶されたＶ／Ｆ特性に基づいて出力周波数毎に出力電圧を決定する。これにより電動機は、設定された加減速時間に従い逐次増減速される。

テーブルＢはテーブルＡのＶ／Ｆ直線を高速域の一部で上方に推移させ、低速域の一部で下方に推移させて繋げたものである。テーブルＢは直線により構成されており、ソフト上簡単に作成可能で、推移幅や折れ点を設定可能とう利点がある。

一方、テーブルＣはテーブルＢを曲線状にしたものである。折れ点部分を無くすことにより、乱調等不安定現象が出る可能性を減少させるという利点がある。

図８は、減速中出力電圧が上がった状態から、一定速（又は加速）に切り替わった際の時間ヒステリシスの様子を示している。制御回路９は、加速中、一定速中、減速中の運転情報を取得し、この情報に応じて、出力電圧／出力周波数のテーブルを変更して制御する。テーブルの変更に伴う出力電圧の変更は、図８では、ΔＴの時間を使って緩やかに切り替える。これにより、交流電動機の出力電流の成長を抑えて駆動することができる。

また、減速中から一定速中又は加速中への切り替えの時間と、一定速中又は加速中から減速中への切り替えの時間とを異ならせることができる。減速中から一定速中又は加速中への切り替えは、切り替わりで乱調等の不安定現象が残ることがあり、また、一定速中又は加速中から減速中への切り替えは、主に速く切り替えないとトリップしやすいことがある（乱調等の不安定現象が残ることもある）。従って、回転を安定させるとともにトリップを起こしにくくするため、切り替えの速度をそれぞれ調整することが望ましい、例えば、一定速中又は加速中から減速中への切り替えの時間を減速中から一定速中又は加速中への切り替えの時間よりも速くすることができる。

図９は第２の実施例のＶ／Ｆ特性を示す。

主たる相違点は、加速中、一定速中のＶ／Ｆ特性は図５テーブルＡを設定し、減速中のＶ／Ｆ特性はテーブルＤを設定する点にある。テーブルＤのＶ／Ｆ特性は、高速域で高く、低速域で低く設定されている点は同様であるが、高速域周波数範囲ＦＨ（第１の周波数領域）と低速域周波数範囲ＦＬ（第２の周波数領域）の割合を変更した点が異なる。ＦＨとＦＬの割合は、予めオペレータ１０により設定できる。それに基づいて制御回路９はテーブルＤを設定し、記憶エリアに保存しておく。図９はＦＨ＞ＦＬの特性である。この場合は、電動機損失による回生エネルギーが減少することで回生トルクをモータ効率より優先することとなる。回生トルクを確保できれば過電圧および過電流トリップしにくくなるという効果がある。また、ＦＨ＜ＦＬの特性であれば、高速域での電動機損失を抑えることができるのでモータ効率を優先することができる。

図１０は第３の実施例のＶ／Ｆ特性を示す。

主たる相違点は、加速中、一定速中のＶ／Ｆ特性は図５テーブルＡを設定し、減速中のＶ／Ｆ特性はテーブルＥを設定する点にある。テーブルＥのＶ／Ｆ特性は、高速域で高く、低速域で低く設定されている点は同様であるが、高速域の出力電圧レベルＶＨと低速域の出力電圧レベルＶＬを変更した点が異なる。ＶＨとＶＬは、予めオペレータ１０によりそれぞれ設定できる。それに基づいて制御回路９はテーブルＥを設定し、記憶エリアに保存しておく。図１０はＶＨ、ＶＬを正の値で設定してある。テーブルＥの方が第１の周波数領域でより過電圧および過電流トリップしにくく、第２の周波数領域でよりモータ効率を低減させられる。また、ＶＨ、ＶＬを負側に設定できれば、逆の効果を得られる。このような設定を行うことで、要求される負荷トルクやモータ効率に応じた制御を行うことが可能となる。

また、インバータ装置における本発明の適用の可否をユーザがオペレータにより設定するようにしてもよい。例えば、ユーザがオペレータから負荷の種類を選択することにより、回生時に適用されるテーブルが選択されるようにしてもよい。例えば負荷がファン等の本発明の対象となる負荷の場合は、回生時のＶ／Ｆ特性をテーブルＢ〜テーブルＥの中から適切なテーブルが設定され、それ以外の負荷の場合は、回生時も力行時と同様のテーブルを使用するようにしてもよい。また、ユーザが負荷の種類や特性をオペレータにより選択することにより、図９におけるＦＬ、ＦＨの割合や、図１０におけるＶＨ、ＶＬの値が自動的に選択されるようにしてもよい。また、負荷の種類に加え制御の優先項目（回生トルク優先、モータ効率優先等）を指定することで、自動的にテーブルが選択されるようにしてもよい。

尚、上記の実施例は力行時（加速中、一定速中）のＶ／Ｆ特性を図１に示す基本的な特性の一種類としたが、必ずしもこれに限られるものではなく、他のＶ／Ｆ特性であってもよい。

以上のように、本発明では、電力変換装置において、減速時の高速域ではＶ／Ｆ特性を高く設定することにより回生トルクを増大させることで過電流トリップおよび過電圧トリップを防止できる。また、低速域ではＶ／Ｆ特性を低く設定することにより電動機を焼損することなく繰り返し運転できるようになり効率面でも効果がある。

１・・・三相交流電源
２・・・インバータ装置
３・・・交流電動機
４・・・負荷
５・・・コンバータ部
６・・・平滑コンデンサ
７・・・インバータ部
８・・・ドライブ回路
９・・・制御回路
１０・・・オペレータ

Claims (7)

1. 入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部により変換された直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサにより平滑された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御する制御部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記制御部は、回生時の出力電圧／出力周波数の値が、出力周波数が所定周波数より大きい第１の出力周波数の領域では、力行時の出力電圧／出力周波数の値として一定で出力される所定の値より大きく、かつ、出力周波数が前記所定周波数より小さい第２の出力周波数の領域では、前記力行時の出力電圧／出力周波数の値として一定で出力される所定の値より小さくなるように前記インバータ部を制御し、
   前記制御部は、出力電圧／出力周波数の特性データを複数記憶しており、回生時と、力行時とは異なる出力電圧／出力周波数の特性データに基づいて前記インバータ部を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、加速中、一定速中、減速中の運転情報に応じて、前記出力電圧／出力周波数の特性データを変更して制御し、当該特性データに伴う出力電圧の変更は、所定の時間をかけて緩やかに行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記特性データに伴う出力電圧の変更にかける時間は、一定速中又は加速中から減速中への切り替えと、減速中から一定速中又は加速中への切り替えとで異ならせることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記第１の出力周波数の領域と前記第２の出力周波数の領域の大きさの割合を変更して制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記第１の出力周波数の領域における出力電圧と、前記第２の出力周波数の領域における出力電圧を、それぞれ個別に変更して制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 回生時における前記出力電圧／出力周波数の特性データは、複数から、外部より選択されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. ユーザが前記電力変換装置の操作を行うためのオペレータを備え、
   前記オペレータは、制御対象となる負荷の種類または制御の優先項目を選択可能であり、
   前記制御部は、前記オペレータによって選択された負荷の種類または用途に対応した出力電圧／出力周波数の特性データにより前記インバータ部の制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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