JP7226370B2

JP7226370B2 - 電動機駆動システム

Info

Publication number: JP7226370B2
Application number: JP2020026094A
Authority: JP
Inventors: 拓未松本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JP2021132456A

Description

本開示は、電動機駆動システムに関するものである。

従来、例えば特開昭５８－１９５４３３号公報に記載された無効電力補償装置が知られている。上記公報にかかる無効電力補償装置は、第一の主回路と第二の主回路とを備えている。第一の主回路は、無効電力を連続的に制御可能であり、電力用コンデンサとリアクトルと電力制御器とで構成されている。電力制御器は、例えば逆並列のサイリスタである。第二の主回路は、無効電力を段階的に制御可能であり、電力系統が要求する無効電力量が第一の主回路の補償能力を超えた場合に電力系統に投入される。第二の主回路は、複数の電力用コンデンサと、これらを選択的に電力系統に接続する開閉器とを含んでいる。これにより主回路にかかる費用と定常時の電気的損失を大幅に低下できる利点が上記公報で説明されている。

特開昭５８－１９５４３３号公報

上記従来の技術は、電力系統に接続した専用の無効電力補償装置である。一方、電力系統などの交流電源に電動機駆動システムが接続された場合において、電動機駆動システムに無効電力補償機能が要求されることがある。電動機駆動システムは、ドライブ装置を備えている。ドライブ装置は、電動機を駆動するための有効電力を電力系統側から入力し電動機へ出力する役割を持つ。その一方で、ドライブ装置は電力系統へ無効電力を出力することで無効電力補償を行うことも可能である。ただしその無効電力補償運転は、電動機の駆動と両立可能な範囲で実施されることが求められる。本願発明者は、これらの事項に着目しつつ鋭意検討を行うことで、電動機駆動システムに無効電力補償を搭載させる新規な技術を見出した。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、無効電力補償機能を搭載した電動機駆動システムを提供することを目的とする。

本開示にかかる電動機駆動システムは、
交流電源からの交流電力を変換して電動機に供給する電力変換回路と、前記電力変換回路が出力する有効電力および無効電力を制御する電力変換制御回路と、を含むドライブ装置と、
開閉器を介して前記交流電源に接続された電力用コンデンサと、
前記電動機の駆動中に前記電力変換回路で出力可能な無効電力量である可能補償無効電力量と前記電力用コンデンサの無効電力補償容量とに基づいて無効電力補償を実施するように前記開閉器の開閉を制御する無効電力調整器と、を備え、
前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた前記可能補償無効電力量で補償しきれない進相容量の余剰分により、電動機駆動システムの無効電力が進相容量とならない様に無効電力目標値を決定し、前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を前記可能補償無効電力量で補償しきれない場合に、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じて前記可能補償無効電力量で補償しきれない余剰分が設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とにそれぞれ割り振られるタイミングで前記開閉器を制御するように構築される。
また、本開示にかかる他の電動機駆動システムは、
交流電源からの交流電力を変換して電動機に供給する電力変換回路と、前記電力変換回路が出力する有効電力および無効電力を制御する電力変換制御回路と、を含むドライブ装置と、
開閉器を介して前記交流電源に接続された電力用コンデンサと、
前記電動機の駆動中に前記電力変換回路で出力可能な無効電力量である可能補償無効電力量と前記電力用コンデンサの無効電力補償容量とに基づいて無効電力補償を実施するように前記開閉器の開閉を制御する無効電力調整器と、を備え、
前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた前記可能補償無効電力量で補償しきれない進相容量の余剰分により、電動機駆動システムの無効電力が進相容量とならない様に無効電力目標値を決定し、前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を前記可能補償無効電力量で補償しきれない場合に、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じて前記可能補償無効電力量で補償しきれない余剰分が設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とにそれぞれ割り振られるタイミングで前記開閉器を制御するように構築される。

無効電力調整器は、無効電力補償を行う際にドライブ装置の可能補償無効電力量を算入した上で制御内容を決定する。これにより、電動機の駆動に配慮しつつドライブ装置と無効電力調整器とを協働させる。電力用コンデンサである程度大きな量の無効電力補償（進相無効電力補償）を実施するとともに、ドライブ装置で細かく連続的に無効電力を補償することができる。

第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムの構成図である。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムの構成図である。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムの構成図である。電源系統の電圧とコンバータの交流電圧との関係を示すベクトル図である。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される制御動作のフローチャートである。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される制御動作のフローチャートである。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される動作を示すタイミングチャートである。第１の実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される動作を示すタイミングチャートである。第２の実施の形態の変形例にかかる電動機駆動システムの構成図である。第２の実施の形態の変形例にかかる電動機駆動システムにおいて実行される動作を示すタイミングチャートである。

以下の実施の形態の説明においては、便宜上、交流電源１の電圧位相に対し、原則として進みの無効電力を正、遅れの無効電力を負として取り扱う。

図１～図３は、第１の実施の形態にかかる電動機駆動システム１０の構成図である。電動機駆動システム１０は３相の交流電源１から電力の供給を受ける。電動機駆動システム１０は電流センサ１１、電圧センサ１２、電動機４、ドライブ装置３０、電力用コンデンサ５Ａ，５Ｂ、開閉器６Ａ，６Ｂ、無効電力調整器２０を備える。

電流センサ１１は、交流電源１から電動機駆動システム１０へ供給される交流電流を検出する。電圧センサ１２は、交流電源１から電動機駆動システム１０へ供給される交流電圧を検出する。

負荷９は交流電源１から電力の供給を受ける遅れ力率の負荷である。負荷９の消費電力（有効電力や無効電力）は時間とともに変動する。電力用コンデンサ５Ａ，５Ｂは各々開閉器６Ａ，６Ｂを経由して交流電源１に接続されている。

無効電力調整器２０は、開閉器６Ａ，６Ｂの開閉制御を行うことにより、電力用コンデンサ５Ａ，５Ｂの投入／開放の制御および、無効電流指令値Ｉｄ＊をドライブ装置３０に出力し、電動機駆動システム１０の力率を力率目標値に追従するように、制御する。

無効電力調整器２０は、電動機駆動システム１０の力率を目標力率に追従するように、開閉器６Ａ，６Ｂへの開閉制御信号およびドライブ装置３０への無効電流指令値Ｉｄ＊を出力する。

無効電力調整器２０は、電流センサ１１および電圧センサ１２の信号にもとづき、電力演算器７にて電動機駆動システム１０の皮相電力測定値と無効電力測定値を演算する。力率目標設定回路２２は力率目標値を設定し出力する。無効電力目標値演算器２３は、力率目標設定回路２２の出力と皮相電力測定値から無効電力目標値を演算する。減算器２４は無効電力目標値と無効電力測定値の差分を行い第一無効電力指令値Ｑ１＊を投入開放制御回路２５およびリミッタ２６に出力する。リミッタ２６は第一無効電力指令値Ｑ１＊を電圧センサ１２の信号にもとづき、電流値に変換し、さらに制限値演算回路２７の出力であるｄ軸電流制限値Ｉｄｌｉｍで制限された無効電流指令値Ｉｄ＊をドライブ装置３０へ出力する。ｄ軸電流制限値Ｉｄｌｉｍとは後述の最小ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍｉｎと最大ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍａｘであり、リミッタ２６の出力である無効電流指令値Ｉｄ＊は最小ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍｉｎと最大ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍａｘで設定された範囲内の値となる。

制限値演算回路２７はドライブ装置内のコンバータ制御回路内のｄ／ｑ変換回路３３からのｑ軸電流値Ｉｑから、ｄ軸電流制限値Ｉｄｌｉｍを演算する。投入開放制御回路２５は、第一無効電力指令値Ｑ１＊、ｄ軸電流制限値Ｉｄｌｉｍ、ドライブ装置内のコンバータ制御回路内のｄ／ｑ変換回路３３からのｄ軸電流値Ｉｄおよび電圧センサ１２の信号にもとづき、開閉器６Ａ，６Ｂの開閉制御信号を出力する。

ドライブ装置３０は交流電源１から変圧器８経由で供給される商用周波の電力をコンバータ２で直流電力に変換する。インバータ３はコンバータ２と直流リンクで接続されている。

インバータ３の出力は電動機４に接続されている。インバータ３は電圧型ＰＷＭ変換器であり、図示されない制御回路により、電動機４を所望の回転速度になるように制御する。

コンバータ２は３相入力の電圧型ＰＷＭ変換器であり、コンバータ制御回路３１によって制御される。コンバータ制御回路３１がコンバータ２の交流電圧と位相をコントロールすることにより、交流電源１とドライブ装置３０間の有効電力と無効電力が制御される。変圧器８とコンバータ２の間には電流センサ４０が設けられ、その出力であるコンバータ入力電流はｄ／ｑ変換回路３３に入力される。

ＰＬＬ回路３２は電圧センサ１２からの信号により交流電源１の基準位相信号を生成し、ｄ／ｑ変換回路３３や逆ｄ／ｑ変換回路３８に出力する。ｄ／ｑ変換回路３３はコンバータ入力電流を基準位相信号にもとづき、交流電源１の位相と同相成分であるｑ軸電流Ｉｑと、交流電源１の位相と直交する成分であるｄ軸電流Ｉｄとに変換し、各々ｑ軸電流制御回路３７とｄ軸電流制御回路３６に入力する。

直流電圧制御回路３４には直流リンクの電圧信号が入力され、直流リンクの電圧が直流電圧基準３５の設定値に追従するようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をｑ軸電流制御回路３７に出力する。ｄ軸電流制御回路３６はｄ軸電流Ｉｑが無効電流指令値Ｉｄ＊に追従するようにｄ軸電圧指令値を生成し逆ｄ／ｑ変換回路３８に出力する。ｑ軸電流制御回路３７はｑ軸電流Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に追従するようにｑ軸電圧指令値を生成し逆ｄ／ｑ変換回路３８に出力する。

逆ｄ／ｑ変換回路３８はｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値および基準位相信号にもとづき３相の電圧指令信号を生成し、ＰＷＭ回路３９に出力する。ＰＷＭ回路３９は３相の電圧指令信号にもとづきコンバータ２にゲート指令信号を与え、コンバータ２はゲート指令信号にもとづき、交流電圧を制御する。

このようにして、ドライブ装置３０は、交流電源１から必要な有効電力を得るとともに、無効電力調整器２０からの無効電流指令値Ｉｄ＊にしたがって、連続的に必要な無効電力を得たり、供給したりすることができる。

図４は電源系統１の電圧とコンバータ２の交流電圧の関係を示すベクトル図である。

コンバータ２の変圧器８の１次側（交流電源１側）に換算した交流電圧をＶｃとする。コンバータ２の変圧器８の１次側（交流電源１側）に換算した入力電流をＩｃとする。変圧器８のインピーダンスをＸｔとする。変圧器８のインピーダンスにおける抵抗分が無視できるとする。この場合、下式（１）となる。

円イは点Ｓを中心とした半径Ｘ_ｔ・Ｉ_ｃｍａｘの円である。Ｉ_ｃｍａｘはコンバータ２の最大出力電流である。

円弧ロは点Ｓを中心とした半径をコンバータ２の最大出力電圧とした円の一部である。点Ａの取りえる位置は、円イの円内且つ円弧ロの左側の領域に限られる。また、コンバータ２が順変換器運転のみの場合は直線Ｈより下部の領域に限られる。

ここで、コンバータ２を交流電流Ｉ_ｃｍａｘで、力率１で運転した場合のコンバータ２は交流電圧Ｖ_ｃｐ１の絶対値はＩ_ｃｍａｘとＶ_ｓは同位相すなわちＸ_ｔ・Ｉ_ｃはＶ_ｓと直交するので、下記式（２）となる。

また、コンバータ２を進み力率０で運転をした場合のコンバータ２の交流電圧Ｖ_ｃｐ２の絶対値は下記式（３）となる。

電圧型のコンバータの出力可能な最大交流電圧の実効値は直流電圧に比例する。ここで、コンバータの変調率と出力電流Ｉｃを同じとして、式（２）の運転が可能なコンバータと式（３）の運転が可能なコンバータとで比較すると、式（３）を行うコンバータは式（２）が可能なコンバータより、直流電圧を高くする必要がある。例えば、変圧器の抵抗分を無視して、インピーダンスがコンバータ容量の５％とした場合、式（３）を行うコンバータは式（２）が可能なＰＷＭコンバータより、直流電圧を約２．５％高くしなければならず、コストＵＰとなる。

本実施の形態では、電力用コンデンサの組み合わせにより、式（２）のコンバータでも、式（３）のコンバータでも効果的な無効電力補償が可能なシステムを提供可能である。

これは線分ＢＣより上部では有効電力が不足し、線分ＢＣより下部では有効電力が余剰し、線分ＢＣの延長線上でＢ点より左側では出力電流がＩ_ｃｍａｘを超えてしまい、線分ＢＣの延長線上でＣ点より右側は直流電圧から決定されるコンバータ２の交流電圧の最大値を超える領域になるので運転ができない。

ここで、点Ｂにおけるコンバータ２の無効電力および無効電流を各々運転点Ａの有効電力における最小の可能補償無効電力量Ｑｄｍｉｎ，最小の可能補償無効電流量Ｉｄｍｉｎとし、点Ｃにおけるコンバータ２の無効電力をおよび無効電流を各々運転点Ａの有効電力における最大の可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ，最大の可能補償無効電流量Ｉｄｍａｘとする。すなわち、コンバータ２の調整可能な無効電力の範囲はＱｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎであり、コンバータ２の調整可能な無効電流の範囲はＩｄｍａｘ－Ｉｄｍｉｎである。
また、下記の式（４）が成り立つ。

なお、図４の円弧ロ（円弧ロは点Ｓを中心とした半径をコンバータ２の最大出力電圧とした円の一部）が、円弧ハまたは円弧ニとなるようにシステム構成が変更される場合もある。この場合にも、点Ａの取りえる位置は、円イの円内であって、且つ円弧ハまたは円弧ニの左側の領域に限られる。制限値演算回路２７は運転点がこの範囲を逸脱しない様に最大ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍａｘおよび最小ｄ軸電流量リミット値Ｉｄｍｉｎを演算する。

図５および図６は、本実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される制御動作のフローチャートである。図５および図６は、主として投入開放制御回路２５および制限値演算回路２７等を含む回路構成の動作をあらわすフローチャートである。

図５のルーチンでは、まず、ステップＳ００１で交流電源電圧の読み込みとともに第一無効電力補償指令値Ｑ１＊の読み込みが行われる。続いて、ステップＳ００２で、制限値演算回路２７において、有効電流Ｉｑおよび無効電流Ｉｄが読み込まれるとともに、最小ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍｉｎ、最大ｄ軸電流リミット値Ｉｄｍａｘが演算される。

次に、ステップＳ００３で、交流電源電圧と電流値Ｉｄとから現在のコンバータ補償無効電力Ｑ１が演算される。次に、ステップＳ００４で、交流電源電圧とＩｄｍｉｎ、Ｉｄｍａｘとから、コンバータ２の最大の可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ（一般的なコンバータ設計では最大有効電力で運転したときに力率１で運転可能であるので、この値は進み無効効電力となる）が演算されるとともに、コンバータ２の最小の可能補償無効電力量Ｑｄｍｉｎ（この値は零または遅れ無効電力すなわちゼロまたは負の値となる）が演算される。さらに、ステップ００５で、次投入予定電力用コンデンサの無効電力補償容量Ｑｃｏｎが演算されるとともに、次開放予定電力用コンデンサの無効電力補償容量Ｑｃｏｆｆが演算される。これらの演算処理を実行するための演算プログラムは、例えば、予め設定して投入開放制御回路２５の内部における不揮発性記憶媒体等に実行可能な形態で記憶されていてもよい。

ステップＳ００３、Ｓ００４、Ｓ００５で無効電力の演算を行っているのは、同一電流値でも、交流電源１の電圧値で無効電力の値が変わるからである。交流電源１の電圧変動が無視しうる場合は、電流値あるいはコンデンサ容量と係数で無効電力を求めてもよい。

尚、電力用コンデンサは一般に直列リアクトルが接続されるＳ００５にて演算するＱｏｎ、Ｑｏｆｆは直列リアクトルを考慮した容量となる。

「次投入予定電力用コンデンサ」あるいは「次開放予定電力用コンデンサ」は、図１の電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂのうち、次に投入（接続）あるいは次に開放（非接続）とされるいずれかの電力用コンデンサを意味する。例えば、現時点で電力用コンデンサ５Aが電源系統１に接続されている場合、残りの電力用コンデンサ５Ｂが次投入予定電力用コンデンサとされる。一方、現時点で電力用コンデンサ５Aが電源系統１に接続されている場合、次開放予定電力用コンデンサは、この電力用コンデンサ５Aである。

ここで、無効電力Ｑは、進みを正とし、遅れを負とする。Ｑｃｏｎ、Ｑｃｏｆｆはそれぞれ正の値である。Ｑｄｍｉｎは負の値である。Ｑ＊、Ｑ１は、ゼロを含む正または負どちらの値も取りうる。ΔＱｍ１およびΔＱｍ２は設定マージンであり、正の値である。

次に、ステップＳ０１０は、次投入予定電力用コンデンサを投入した場合にコンバータ２で変動する無効電力をすべて補償できるか否かを判断している。ＹＥＳの場合はステップＳ０１１に進み、ＮＯの場合はステップＳ０２０に進む。

ステップＳ０１１においてコンバータ２の補償無効電力Ｑ１が第一所定値以上であれば、電力用コンデンサを投入するステップＳ０１２に進む。第一所定値は「Ｑｄｍａｘ－ΔＱｍ２」である。ＮＯの場合はステップＳ０２０に進む。

ステップＳ０２０は、次開放予定電力用コンデンサを開放した場合にコンバータ２で変動無効電力をすべて補償できるか否かを判断している。ＹＥＳの場合はステップＳ０２１に進み、ＮＯの場合はステップＳ０３１に進む。

ステップＳ０２１においてコンバータ２の補償無効電力Ｑ１が第二所定値以下であれば、電力用コンデンサを開放するステップＳ０２２に進む。第二所定値は、「Ｑｄｍｉｎ＋ΔＱｍ２」である。ステップＳ０２１においてコンバータ２の補償無効電力Ｑ１が第二所定値を超える場合はステップ３１に進む。

ステップＳ０３１、Ｓ０４１は、電力用コンデンサの投入または開放時における無効電力変動をコンバータ２が補償しきれない場合の処理である。この場合、可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ、Ｑｄｍｉｎで補償しきれない無効電力変動が、開放または投入時において正側と負側にそれぞれ割り振られるように、ステップＳ０３１，Ｓ０４１の処理が作動する。

この割り振りの量は必ずしも正側と負側とに均等でなくともよい。しかし、後述の様に割り振り量を決定する値であるＫ１およびＫ２をＫ１＝０．５としＫ２＝０．５とすると、正側と負側とに均等とすることでばらつき量をちょうど半分にできるので、全体として見たときのばらつきの程度を小さくできるという利点がある。

実施の形態では、ステップＳ０３１では、第一無効電力補償指令値Ｑ１＊が第三所定値以上となったときに、電力用コンデンサを投入するステップＳ０１２に進む。第三所定値は、下記の式（５）で計算されるＱｘ１である。
Ｑｘ１＝｛Ｑｃｏｎ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝×Ｋ１・・・（５）
ここでＫ１はゼロから１までの値である。
ステップＳ０３１で、第一無効電力補償指令値Ｑ１＊が第三所定値以上とならないときにはステップＳ０４１に進む。

ステップＳ０４１では、第一無効電力補償指令値Ｑ１＊が、第四所定値以下となったときに、電力用コンデンサを開放するステップＳ０２２に進む。第四所定値は、マイナスＱｘ２である。Ｑｘ２は、下記の式（６）で与えられる。
Ｑｘ２＝｛Ｑｃｏｆｆ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝×Ｋ２・・・（６）
ここでＫ２はゼロから１までの値である。

図７および図８は、実施の形態にかかる電動機駆動システムにおいて実行される動作を示すタイミングチャートである。図７と図８は、負荷９の無効電力量と電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂによる無効電力量とコンバータ２の無効電力補償可能量を模式的に表したタイムチャートである。図７と図８は、図１において力率目標設定回路２２の設定力率を１（無効電力目標値を零）とした例である。

図７は、互いに時間軸を対応させて図示された上段の図７（Ａ）と下段の図７（Ｂ）とを含んでいる。図８も同様に、互いに時間軸を対応させて図示された上段の図８（Ａ）と下段の図８（Ｂ）とを含んでいる。

図７（Ａ）および図８（Ａ）において、各線は下記の値を表している。太実線は、電力用コンデンサによる無効電力量である。細破線は、負荷９の無効電力量である。二点鎖線は、負荷９の無効電力量にＱｄｍａｘを加算した値である。一点鎖線は、負荷９の消費無効電力量にＱｄｍｉｎを加算した値である。

視覚的に比較を容易にするために電力用コンデンサによる無効電力量は進みを上方向とし、負荷９の無効電力量,ＱｄｍａｘおよびＱｄｍｉｎは遅れを上方向としている。ここで、Ｑｄｍａｘは遅れの値とし、Ｑｄｍｉｎは進みの値としている。したがって、図７（Ａ）および図８（Ａ）において、二点鎖線は細破線より上となり、一点鎖線は細破線より下となっている。図７（Ａ）および図８（Ａ）の縦軸において、ＱＡは電力用コンデンサ５Ａの無効電力量であり、ＱＢは電力用コンデンサ５Ｂの無効電力量である。

図７（Ｂ）および図８（Ｂ）の太実線は、電動機駆動システム１０の無効電力量であり、進みを上方向としている。

図７は、図６のステップＳ０１１およびＳ０２１でＹＥＳの場合に実施される制御動作を表すタイムチャートである。時刻ｔ１でＳ０１１がＹＥＳとなり、開閉器６Ａの閉指令が出力され、開閉器６Ａが閉となり、電力用コンデンサ５Ａ投入される。よって電力用コンデンサの無効電力量はＱＡとなる。時刻ｔ２で再度Ｓ０１１がＹＥＳとなり、開閉器６Ｂの閉指令が出力され、開閉器６Ｂが閉となり、電力用コンデンサ５Ｂ投入される。よって電力用コンデンサの無効電力量はＱＡ＋ＱＢとなる。

時刻ｔ３でＳ０２１がＹＥＳとなり、開閉器６Ｂの開指令が出力され、開閉器６Ｂが開となり、電力用コンデンサ５Ｂが開放される。よって電力用コンデンサの無効電力量はＱＡとなる。時刻ｔ４でＳ０２１が再びＹＥＳとなり、開閉器６Ａの開指令が出力され、開閉器６Ａが開となり、電力用コンデンサ５Ａが開放される。よって電力用コンデンサの無効電力量はなくなる。

図７のタイミングチャートで記された範囲では、電力用コンデンサの無効電力量と負荷９の消費無効電力量の差分は、コンバータ２の補償可能な無効電力量の範囲内である。従って、図７（Ｂ）に示す電動機駆動システム１０の無効電力量は零となっている。

図８は、図６のＳ０３１またはＳ０４１でＹＥＳの場合に実施される制御動作を表すタイムチャートである。時刻ｔ７以前は開閉器６Ａ，６Ｂともに開である。時刻ｔ６において、負荷９の無効電力がコンバータ２の補償可能な無効電力の範囲を超えている。したがって図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ６以降かつ時刻ｔ７までは、電動機駆動システム１０の消費無効電力は負の値（遅れ）を示す。

さらに、負荷９の消費無効電力量が増加し、時刻ｔ７においてＳ０３１の条件がＹＥＳとなる。Ｓ０３１の条件がＹＥＳということは、つまり、第一無効電力補償指令値Ｑ１＊が、次投入予定コンデンサの補償無効電力とコンバータ２の無効電力の可変無効電力量の差のＫ１倍の値以上である。そうすると、開閉器６Ａの閉指令が出力され、開閉器６Ａが閉となり、電力用コンデンサ５Ａが投入される。よって電力用コンデンサの無効電力量はＱＡとなる。

電力用コンデンサ５Ａが投入されると、Ｑ１＊は正の値から負の値にかわり、コンバータ２は進み力率運転から遅れ力率運転にかわる。しかし、負荷９の無効電力量（遅れ）とコンバータ２の無効電力量（遅れ）の合計の絶対値より電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）が大きいので、電動機駆動システム１０の無効電力は正の値（進み）となる。すなわち時刻ｔ７において電動機駆動システム１０の無効電力は－Ｑｘ１（遅れ）から＋Ｑｘ１´（進み）にかわる。ここでＱｘ１´は以下の式（７）で計算される値である。
Ｑｘ１´＝｛Ｑｃｏｎ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝×（１－Ｋ１）・・・（７）

さらに負荷９の無効電力量が増加すると、電動機駆動システム１０の無効電力量（進み）は減少してゆく。やがて時刻ｔ８において、電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）と負荷９の無効電力（遅れ）との合計の絶対値がコンバータ２の発生可能な遅れ無効電力の値になる。そうすると、図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ８で電動機駆動システム１０の無効電力量は零となる。

時刻ｔ８から時刻ｔ９までの間は、電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）と負荷９の無効電力（遅れ）の合計の無効電力を、コンバータ２の発生無効電力で補償可能である。従って、この期間では、図８（Ｂ）に示すように電動機駆動システム１０の無効電力量は零となっている。

時刻ｔ９から時刻ｔ１２までの間は、時刻ｔ６から時刻ｔ１２までと同様であるので説明を省略する。ただし、時刻ｔ１０において、開閉器６Ｂの閉指令が出力され、開閉器６Ｂが閉となり、電力用コンデンサ５Ｂが投入され、電力用コンデンサの無効電力量はＱＡ+ＱＢとなっている。

負荷９の遅れの無効電力量が減少して、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までは、電力用コンデンサの進みの無効電力量ＱＡ+ＱＢが、負荷９とコンバータ２が消費する遅れの無効電力量を超えるので、電動機駆動システム１０の無効電力は正の値（進み）となる。さらに、負荷９の消費無効電力量が減少し、時刻ｔ１３においてＳ０４１の条件がＹＥＳ（第一無効電力補償指令値Ｑ１＊が、コンバータ２の無効電力の可変無効電力量と次開放予定コンデンサの補償無効電力の差のＫ２倍の値以下、すなわちＱ１＊≦－Ｑ２）となると、開閉器６Ｂの開指令が出力され、開閉器６Ｂが開となり、電力用コンデンサ５Ｂが開放される。よって電力用コンデンサの無効電力量はＱＡとなる。

電力用コンデンサ５Ｂが開放されると、Ｑ１＊は正の値から負の値にかわり、コンバータ２は遅れ力率運転から進み力率運転にかわる。しかし、負荷９の無効電力量（遅れ）とコンバータ２の無効電力量（進み）の合計の絶対値より電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）が小さいので、電動機駆動システム１０の無効電力は負の値（遅れ）となる。すなわち時刻ｔ１３において電動機駆動システム１０の無効電力はＱｘ２（進み）から－Ｑｘ２´（遅れ）にかわる。ここでＱｘ２´は以下の式（８）で計算される値である。
Ｑｘ２´＝｛Ｑｃｏｆｆ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝×（１-Ｋ２）・・・（８）

さらに負荷９の無効電力量（遅れ）が減少すると、電動機駆動システム１０の遅れの無効電力量は減少してゆき、時刻ｔ１４において、電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）と負荷９の無効電力（遅れ）の合計の絶対値がコンバータ２の発生可能な進み無効電力の値になると、電動機駆動システム１０の無効電力量は零となる。時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの間は、電力用コンデンサの無効電力量ＱＡ（進み）と負荷９の無効電力（遅れ）の合計の無効電力を、コンバータ２の発生無効電力で補償可能であるので、電動機駆動システム１０の無効電力量は零となっている。

時刻ｔ１５から時刻ｔ１８までの間は、時刻ｔ１２から時刻ｔ１５までと同様であるので説明を省略する。ただし、時刻ｔ１６において、開閉器６Ａの開指令が出力され、開閉器６Ａが開となり、電力用コンデンサ５Ａが開放され、電力用コンデンサの無効電力量は零となっている。

よって、第１の実施の形態によれば、コンバータ２の発生する無効電力の可変範囲が電力用コンデンサの開閉による無効電力のステップ状の変化量以内の場合は、図７（Ｂ）に示すように、電動機駆動システム１０の無効電力量を目標値に追従させ、コンバータ２の発生する無効電力の可変範囲が電力用コンデンサの開閉による無効電力のステップ状の変化を超えた場合でも、図８（Ｂ）に示すように、開閉時の無効電力の変化を、Ｑｘ１とＱｘ１′およびＱｘ２とＱｘ２′、すなわちＫ１と（１－Ｋ１）およびＫ２と（１－Ｋ２）という目標値を中心に所望の割合とすることができる。

もし仮に目標値から正側または負側の片方のみにばらついたとすると、目標値から最大ばらつき点までの距離が大きくなりすぎる恐れがある。この点、実施の形態によれば、目標値からのばらつきが正側と負側と所望の割合に割り当てられる。これにより、目標値からの最大のばらつきを抑制することができる。その結果、目標値に追従可能な無効電力調整器を提供することができる。

さらに第１の実施の形態において、Ｋ１およびＫ２を０．５とすると、目標値からのばらつきが正側と負側とを均等に割り当てられる。これにより、目標値からの最大のばらつきを１／２に抑制することができる。その結果、より目標値に追従可能な無効電力調整器を提供することができる。

図９は、第２の実施の形態にかかる電動機駆動システムの構成図であり、特に無効電力調整器２０１の内部構成図である。図１０は第２の実施の形態において実行される動作を示すタイミングチャートである。第２の実施の形態は第１の実施の形態の無効電力調整器２０を無効電力調整器２０１に置き換えた形態である。第１の実施の形態の無効電力調整器２０との差異は力率目標設定回路２２，無効電力目標値演算器２３と投入開放制御回路２５の代わりに最大値選択回路９１,極性反転回路９２、減算回路９３と投入開放制御回路２５１を設ける点である。

投入開放制御回路２５と投入開放制御回路２５１の差異は、投入開放制御回路２５１はＱｘ１′を演算する機能を備え、Ｑｘ１′とＱｘ２を最大値選択回路９１へ出力する点である。その他は投入開放制御回路２５と投入開放制御回路２５１は同様である。最大値選択回路９１はＱｘ１′とＱｘ２の大きいほうの値を選択し極性反転回路９２に出力する。極性反転回路９２は入力値の極性を反転し、減算回路９３に出力する。減算回路は極性反転回路の出力にマージンΔＱｍ３を減算し、その値を無効電力目標値Qｒｅｆ０とする。以下の動作は第１の実施例と同様である。

第２の実施の形態では電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ、Ｑｄｍｉｎで補償しきれないことが検出される場合がある。この場合接続したときには、無効電力目標値に対し進相容量Ｑｘ１′変動する。また、非接続直前には無効電力目標値に対し進相容量Ｑｘ２ずれが生じる。投入開放制御回路２５１にてＱｘ１′とＱｘ２を演算し、最大値選択回路９１にて大きいほうの値を選択し、さらに極性反転回路にて極性を反転することにより、進相容量を遅相容量に置き換え、減算回路にてマージンΔＱｍ３を考慮し、これを無効電力目標値Qｒｅｆ０とすることで、投入開放制御回路２５１はコンバータ２の有効電力に応じた遅相の無効電力目標値を設定できる。その結果、図９に示すように、電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂの接続と非接続との切り替え前後の無効電力目標値と電動機駆動システム１０の無効電力の差が進相方向にずれても、常に電動機駆動システム１０の無効電力を遅相で運転できるので、目標値からのばらつき抑制効果が得られるとともに、交流電源１のバックインピーダンスが大きい場合に発生の可能性のある進相容量に起因する過電圧発生の問題を抑制することができる。さらに、最大値選択回路９１の出力側に1次遅れ回路等を設け、無効電力目標値の急変を抑制してシステムを安定に運転できるようにしてもよい。さらに無効電力調整器２０と同様に力率目標設定回路２２と無効電力目標値演算器２３を加え、その無効電力目標値演算器２３の出力と減算回路９３の出力を最小値選択回路に入力し、無効電力目標値演算器２３の出力と減算回路９３の出力の小さいほうの値を無効電力目標値として減算器２４に入力するようにしてもよい。尚、第１の実施の形態で、力率目標設定回路２２の目標力率の設定を遅相に設定することでも第２の実施形態と同様な効果が得られるが、第２の実施形態のほうが、電力用コンデンサの投入開放の前後以外の時点の無効電力量を低減できる可能性がある。

なお、実施の形態では、三つ以上の電力用コンデンサが設けられてもよく、この場合においても複数の電力用コンデンサを電源系統１に接続する順番および交流電源１から開放する順番をそれぞれ予め設定しておけばよい。また、複数の電力用コンデンサは、互いに同じ容量であってもよく、あるいは容量が互いに異なっていてもよい。また、電力用コンデンサは一つのみでもよく、この場合には、電力用コンデンサが電源系統１に接続中である場合には次投入予定電力用コンデンサが無いものとみなされればよく、電力用コンデンサが電源系統１に対して非接続中である場合には次開放予定電力用コンデンサが無いものとみなされればよい。尚、実施の形態において、すべての電力用コンデンサが非接続中である場合は次開放予定電力用コンデンサの無効電力補償容量Ｑｃｏｆｆは零とみなし、すべての電力用コンデンサが接続中である場合は次投入予定電力用コンデンサの無効電力補償容量Ｑｃｏｎは零とみなすことでよい。

第１の実施の形態および第２の実施の形態についての構成及び効果の概略を以下に述べる。

ドライブ装置３０は有効電力と無効電力とを出力可能に構築されている。ドライブ装置３０は、無効電力量を調節することで、無効電力補償を実施することもできる。無効電力調整器２０は、交流電源の側に対して電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂを選択的に接続する。無効電力調整器２０は、無効電力補償の処理に、ドライブ装置３０の可能補償無効電力量を算入する。これにより、無効電力調整器２０は、可能補償無効電力量を考慮に入れつつ、電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂの選択的な接続／非接続を実施することができる。電動機駆動との両立を確保しつつドライブ装置３０と無効電力調整器２０とを協働させることにより、電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂによりある程度大きな量の無効電力補償（進相補償）を実施するとともに、ドライブ装置３０でより細かく連続的に無効電力補償量を調節することができる。このような役割分担により、ドライブ装置３０の無効補償負担分を小さくできる利点があり、電動機駆動に必要な容量に対してドライブ装置３０を大きくしすぎなくともよい利点もある。

また、図６のステップＳ０１０、Ｓ０２０の判定処理により、電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ、Ｑｄｍｉｎで補償しきれないことが検出される場合がある。この場合に、無効電力調整器２０は、電力用コンデンサ５Ａ、５Ｂの接続と非接続との切り替えに応じて、「可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ、Ｑｄｍｉｎで補償しきれない余剰分」が、設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とにそれぞれ割り振られるタイミングで開閉器６Ａ、６Ｂを制御してもよい。ここでいう割り振るタイミングとは、式（５）の右辺のＫ１と（１－Ｋ１）および式（６）のＫ２および（１－Ｋ２）できまるタイミングに相当している。

ここでいう「余剰分」は、式（５）の右辺の｛Ｑｃｏｎ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝あるいは式（６）の右辺の｛Ｑｃｏｆｆ－（Ｑｄｍａｘ－Ｑｄｍｉｎ）｝に相当している。また、「設定力率で決まる無効電力目標値」は、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）における無効電力＝０の軸に相当している。

また、実施の形態では、K１=０．５およびＫ２＝０．５とすることで、Ｑｘ１＝Ｑｘ１′、Ｑｘ２＝Ｑｘ２′となり設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とに均等な割り振りができ、目標値に対するずれが均等になり、追従性が良くなる。また、Ｋ１＝０．５およびＫ２＝０．５でなく均等な割り振りがではなくとも、進みまたは遅れの一方にのみ余剰分を割り振ることに比べれば、目標値からのばらつき抑制効果が得られるからである。

また、図９、図１０に示した第２の実施例では、無効電力調整器２０１は、電力用コンデンサ接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分の可能補償無効電力量Ｑｄｍａｘ、Ｑｄｍｉｎで補償しきれない余剰分の進相容量分を考慮して、遅相容量の無効電力目標値が設定されるよう構成される、その結果、目標値からのばらつき抑制効果が得られるとともに、交流電源１のバックインピーダンスが大きい場合に発生する進相容量に起因する過電圧発生の問題を抑制することができる。

１交流電源（電力系統）、２コンバータ、３インバータ、４電動機、５Ａ、５Ｂ電力用コンデンサ、６Ａ、６Ｂ開閉器、７電力演算器、８変圧器、９負荷、１０電動機駆動システム、１１,４０電流センサ、１２電圧センサ、２０無効電力調整器、２２力率目標設定回路、２３無効電力目標値演算器、２４減算器、２５投入開放制御回路、２６リミッタ、２７制限値演算回路、３０ドライブ装置、３１制御回路、３２ＰＬＬ回路、３３ｄ／ｑ変換回路、３４直流電圧制御回路、３５直流電圧基準、３６ｄ軸電流制御回路、３７ｑ軸電流制御回路、３８逆ｄ／ｑ変換回路、３９ＰＷＭ回路、Ｑ_ｒｅｆ０無効電力目標値、２０１無効電力調整器、９１最大値選択回路，９２極性反転回路，９３減算回路，２５１投入開放制御回路

Claims

交流電源からの交流電力を変換して電動機に供給する電力変換回路と、前記電力変換回路が出力する有効電力および無効電力を制御する電力変換制御回路と、を含むドライブ装置と、
開閉器を介して前記交流電源に接続された電力用コンデンサと、
前記電動機の駆動中に前記電力変換回路で出力可能な無効電力量である可能補償無効電力量と前記電力用コンデンサの無効電力補償容量とに基づいて無効電力補償を実施するように前記開閉器の開閉を制御する無効電力調整器と、を備え、
前記無効電力調整器は、予め設けられた設定力率を有する力率目標設定部を含み、
前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を前記可能補償無効電力量で補償しきれない場合に、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じて前記可能補償無効電力量で補償しきれない余剰分が前記設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とにそれぞれ割り振られるタイミングで前記開閉器を制御するように構築された電動機駆動システム。
前記可能補償無効電力量は、進相を正とし且つ遅相を負とした場合における最大可能補償無効電力量と最小可能補償無効電力量との差分で決まる大きさを持ち、
前記無効電力調整器は、現在接続されていない前記電力用コンデンサを接続することに応じて予測される無効電力変動が前記最大可能補償無効電力量を逸脱する場合に、前記余剰分が前記無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とに均等に割り振られるタイミングで前記電力用コンデンサが接続されるように、前記開閉器を投入する請求項１に記載の電動機駆動システム。
前記可能補償無効電力量は、進相を正とし且つ遅相を負とした場合における最大可能補償無効電力量と最小可能補償無効電力量との差分で決まる大きさを持ち、
前記無効電力調整器は、現在接続されている前記電力用コンデンサを非接続することに応じて予測される無効電力変動が前記最小可能補償無効電力量を逸脱する場合に、前記余剰分が前記無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とに均等に割り振られるタイミングで前記電力用コンデンサを非接続とするように、前記開閉器を開放する請求項１に記載の電動機駆動システム。
交流電源からの交流電力を変換して電動機に供給する電力変換回路と、前記電力変換回路が出力する有効電力および無効電力を制御する電力変換制御回路と、を含むドライブ装置と、
開閉器を介して前記交流電源に接続された電力用コンデンサと、
前記電動機の駆動中に前記電力変換回路で出力可能な無効電力量である可能補償無効電力量と前記電力用コンデンサの無効電力補償容量とに基づいて無効電力補償を実施するように前記開閉器の開閉を制御する無効電力調整器と、を備え、
前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた前記可能補償無効電力量で補償しきれない進相容量の余剰分により、電動機駆動システムの無効電力が進相容量とならない様に無効電力目標値を決定し、前記無効電力調整器は、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じた無効電力変動分を前記可能補償無効電力量で補償しきれない場合に、前記電力用コンデンサの接続と非接続との切り替えに応じて前記可能補償無効電力量で補償しきれない余剰分が設定力率で決まる無効電力目標値を基準として進相側と遅相側とにそれぞれ割り振られるタイミングで前記開閉器を制御するように構築された電動機駆動システム。