JPWO2019049321A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

３相の交流電源１を入力とし、直流電圧を出力するコンバータ３１と、コンバータ３１の出力に接続され、出力開閉器４を介して交流電動機５を駆動するインバータ３２と、交流電源１で交流電動機５を直接駆動するための電源開閉器６と、インバータ３２の出力電流を検出する電流検出器１２と、コンバータ３の入力側の電源系統の電圧及び電流を夫々検出する電圧検出器１４及び電流検出器１３と、インバータ３２の３相の出力電圧を３相の電圧指令に基づいて制御するための制御部７とで構成する。制御部７は、交流電動機５をベクトル制御するベクトル制御部と、同期併入制御８３を有し、同期併入制御８３は、電源開閉器６を投入して交流電動機５を交流電源１に同期併入させたあと、制御系を切換えてインバータ３２を電源系統の無効電力制御装置として動作させる。

Description

この発明は電力変換装置に係り、特に同期併入機能と無効電力制御機能を共に備えた電力変換装置に関する。
交流電動機を駆動するには、商用の交流電源による固定周波数駆動と、インバータ装置による可変周波数駆動の２種類がある。前者は、交流電動機の運転速度を変化させることは困難であるが、変換器の損失なく所定の速度で運転可能である。逆に後者は交流電動機を可変速駆動することが可能であるが、変換器の損失が発生する。また、前者の場合、大容量の交流電動機の駆動には起動時の突入電流が大きくなるため、これを防ぐ何らかの工夫が必要であった。このため、両者の長所を生かす構成として、商用の交流電源駆動とインバータ装置による駆動を必要に応じて切換える駆動方式が実用化されている。そしてこのような駆動方式を採用するためには、インバータ装置を短時間商用の交流電源とショックレスで並列運転するという所謂同期併入の機能が必要となる。そして、この同期併入の機能を簡単に且つ合理的に行う方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。また、同期併入時に必要になる交流電源とインバータ装置の同期制御に関しては、交流電源とインバータ装置の電圧、周波数を一致させ、さらに位相を一致させる各種方法が提案されている（例えば特許文献２、特許文献３参照。）。
国際公開第２０１５／１７３８９２号（全体） 特開平８−１８２３８６号公報（全体） 特開２００１−１９７６８３号公報（全体）
特許文献１に示されている電力変換装置は、交流電動機の速度基準をトリガ信号として同期併入を行うものであるが、同期併入を行ってインバータ装置による駆動から商用の交流電源による駆動に切換えた後、インバータ装置は何ら活用されていないという問題点があった。この問題は、特許文献２、特許文献３に関しても同様である。
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、同期併入を行ってインバータ装置による駆動から商用の交流電源による駆動に切換えた後もインバータ装置を有効に活用するようにした電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、３相交流電源を入力とし、直流電圧を出力するコンバータと、前記コンバータの出力に接続され、出力開閉器を介して交流電動機を駆動するインバータと、前記交流電源で前記交流電動機を直接駆動するための電源開閉器と、前記インバータの出力電流を検出する第１の電流検出器と、前記コンバータの入力側の電源系統の電圧及び電流を夫々検出する電圧検出器及び第２の電流検出器と、前記インバータの３相の出力電圧を第１の３相の電圧指令に基づいて制御するための制御部とを具備し、前記制御部は、
与えられた速度基準と前記交流電動機の直接または間接的に求められる速度帰還の偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電流基準を出力する速度制御器と、前記第１の電流検出器で検出された３相電流を第１の基準位相に基づいて第１のＱ軸電流帰還と第１のＤ軸電流帰還に変換する第１の３相―２相変換器と、前記第１のＱ軸電流基準を第１の切換器を介して前記第１のＱ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電圧基準を出力する第１のＱ軸電流制御器と、与えられた磁束基準に見合う第１のＤ軸電流基準を、第２の切換器を介して前記第１のＤ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＤ軸電圧基準を出力する第１のＤ軸電流制御器と、前記第１のＱ軸電圧基準及び第１のＤ軸電圧基準を前記第１の基準位相に基づいて前記第１の３相の電圧指令に変換する第１の２相―３相変換器と、前記速度帰還と前記第１のＱ軸電流基準と前記磁束基準とから演算によって前記インバータの出力周波数を求め、これを積分して前記第１の基準位相を求める演算手段と、前記電圧検出器の出力を入力として第２の基準位相を得る位相同期回路と、前記第１の基準位相と前記第２の基準位相を切換える第３の切換器と、前記電圧検出器及び前記第２の電流検出器から系統の無効電力を検出する無効電力検出手段と、
この無効電力を所定の無効電力基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＤ軸電流基準を出力する無効電力制御器と、前記交流電動機を前記インバータによる駆動から前記交流電源による駆動に切換えるための同期併入制御器とを有し、前記同期併入制御器は、前記交流電動機の速度及び前記インバータの出力電圧を調整して前記交流電源と前記インバータの電圧、出力周波数及び位相を一致させたとき、前記電源開閉器を投入して同期併入し、その後前記第１乃至第３の切換器を切換えて前記インバータで前記交流電動機の駆動系統を含む電力系統の無効電力制御を行うようにしたことを特徴としている。
本発明によれば、同期併入を行ってインバータ装置による駆動から商用の交流電源による駆動に切換えた後もインバータ装置を有効に活用する電力変換装置を提供することができる。
この発明による電力変換装置の実施例１を示す回路構成図。 この発明による電力変換装置の実施例２を示す回路構成図。 この発明による電力変換装置の実施例３を示す回路構成図。 この発明による電力変換装置の実施例４を示す回路構成図。 この発明による電力変換装置の実施例５を示す回路構成図。 この発明による電力変換装置の実施例６を示す回路構成図。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。商用の３相の交流電源１が、電流検出器１３を介して入力開閉器２の交流電源側に接続される。さらに入力開閉器２の電力変換器側は電力変換器３のダイオードコンバータ３１に接続される。電力変換器３は、ダイオードコンバータ３１、直流コンデンサ３３及びインバータ３２より構成される。ダイオードコンバータ３１の直流出力は直流コンデンサ３３で平滑化されインバータ３２に入力される。インバータ３２の交流出力は電流検出器１２を経由し、さらに出力開閉器４を介して交流電動機５を駆動する。また、交流電源１から交流電動機５を直接駆動することができるように開閉器６が設けられている。即ち、開閉器６の交流電源側は入力開閉器２の交流電源側に接続され、開閉器６の交流電動機側は出力開閉器４の交流電動機側に接続されている。
インバータ３２は電圧型のＰＷＭ変換器である。インバータ３２を構成するパワーデバイスは、制御部７から与えられるゲート信号によりオンオフ制御されている。交流電動機５には速度検出器１１が取り付けられており、この出力は制御部７に与えられる。また、インバータ３２の出力側には電流検出器１２が設けられ、この出力も制御部７に与えられる。入力開閉器２の交流電源側は電圧検出器１４が設けられている。電流検出器１３と電圧検出器１４の出力も制御部７に与えられている。
次に制御部７の内部構成について説明する。始めに、開閉器６をオフし、入力開閉器２及び出力開閉器４をオンした状態で交流電動機５を可変速駆動する場合について説明する。ここで開閉器６の操作信号Ｓ６は後述される同期併入制御器８３によって操作される。ここで、交流電動機５を可変速駆動する場合を電動機駆動モードと呼ぶ。
外部から与えられる速度基準は加減算器７１の第１入力に接続される。加減算器７１の第２入力には、後述する同期併入制御器８３の出力である速度微調整信号Δωｓが入力される。交流電動機５を起動して可変速駆動している期間は、同期併入制御器８３の出力である速度微調整信号Δωｓは０となるよう様に設定される。速度検出器１１で得られる速度帰還は、加減算器７１の第３入力に接続される。加減算器７１では第１入力と第２入力の和から第３入力の差分が演算され、速度制御器７２に与えられる。速度制御器７２は例えばＰＩ制御器である。そして速度制御器７２は与えられた差分が最小となるように調節制御してトルク基準を出力する。このトルク基準は除算器７３によって別途設定された磁束基準で除算され、トルク電流基準となる。このトルク電流基準は切換器７４Ａの第１入力に接続されている。また切換器７４Ａの第２入力には０が入力されている。切換器７４Ａの出力は減算器７５Ａに接続されている。切換器７４Ａの切換え信号Ｓ７４Ａは後述する同期併入制御器８３によって操作される。交流電動機５を起動して可変速駆動している電動機駆動モードの期間は、切換器７４Ａの切換え信号Ｓ７４Ａは切換器７４Ａの出力が第１入力を選択する様に設定される。よって、この期間においてはトルク電流基準は切換器７４Ａを介して減算器７５Ａの第１入力に与えられることになる。また、磁束基準を磁束電流変換器７３Ａに与えることによって磁束電流基準を得る。磁束電流変換器７３Ａの出力である磁束電流基準は切換器７４Ｂの第１入力に接続されている。また切換器７４Ｂの第２入力には後述される無効電力制御器８７の出力が接続されている。切換器７４Ｂの出力は加減算器７５Ｂの第１入力に接続されている。切換器７４Ｂの切換え信号Ｓ７４Ｂは後述する同期併入制御器８３によって操作される。電動機駆動モードの期間は、切換器７４Ｂの切換え信号Ｓ７４Ｂは切換器７４Ｂの出力が第１入力を選択する様に設定される。よって、この期間は、磁束電流基準は切換器７４Ｂを介して加減算器７５Ｂに与えられることになる。加減算器７５Ｂの第２入力には後述する同期併入制御器８３の出力である電圧微調整信号Δｖが入力される。また、電動機駆動モードの期間は、同期併入制御器８３の出力である電圧微調整信号Δｖは０となるよう様に設定される。
電流検出器１２で検出された３相の出力電流は３相―２相変換器７９に与えられる。３相―２相変換器７９はこの３相電流を後述する切換器７４Ｃの出力である基準位相θで互いに直交する２軸の直流成分に変換する。基準位相θを適切に選定することによって、この２軸の電流成分を、トルク電流帰還であるＱ軸電流帰還と、これと直交する磁束電流帰還であるＤ軸電流帰還とすることができる。Ｑ軸電流帰還は減算器７５Ａの減算入力として与えられ、減算器７５Ａの第１入力との差分がＱ軸電流制御器７６Ａに与えられる。Ｄ軸電流帰還は加減算器７５Ｂの第３入力として与えられ、加減算器７５Ｂの第１入力と第２入力との和と第３入力との差分がＤ軸電流制御器７６Ｂに与えられる。
Ｑ軸電流制御器７６Ａ及びＤ軸電流制御器７６Ｂは例えばＰＩ制御器であり、夫々の入力が最小となるように調節制御して夫々Ｑ軸電圧指令及びＤ軸電圧指令を出力して２相―３相変換器７７に与える。２相―３相変換器７７は、切換器７４Ｃの出力である基準位相θを用いてＱ軸電圧指令及びＤ軸電圧指令を３相の電圧指令に変換し、その出力をＰＷＭ制御器７８に与える。ＰＷＭ制御器７８はインバータ３２の各相の出力電圧がこの３相の電圧指令となるようにインバータ３２の各パワーデバイスに対して、ＰＷＭ変調されたゲート信号を供給する。
以下、基準位相θについて説明する。交流電動機５が誘導電動機とすると、前述の磁束基準と除算器７３の出力であるトルク電流基準からすべり演算器８０によって誘導電動機のすべりｓを求める。このすべりｓを加算器８１によって速度帰還に加算することによってインバータ３２の出力周波数が求まり、この出力周波数を積分器８２で積分することによって交流電動機Ｍの入力端子電圧の基準位相θＭが得られる。積分器８７の出力である基準位相θＭは切換器７４Ｃの第１入力に接続されている。また切換器７４Ｃの第２入力には、後述されるＰＬＬ制御器８４の出力である交流電源１の電圧に同期した基準位相θＳが入力されている。切換器７４Ｃの出力が基準位相θである。切換器７４Ｃの切換え信号Ｓ７４Ｃは後述する同期併入制御器８３によって操作される。電動機駆動モードの期間は、切換器７４Ｃの切換え信号Ｓ７４Ｃは切換器７４Ｃの出力が第１入力を選択する様に設定される。よって、この期間は、交流電動機Ｍの入力端子電圧の基準位相θＭが基準位相θとなり切換器７４Ｃを介して２相―３相変換器７７と３相―２相変換器７９に与えられる。
以上説明した構成によって、入力開閉器２及び出力開閉器４をオンした状態で交流電動機５を可変速駆動することが可能となる。また、以上説明した構成は、切換器７４Ａ、７４Ｂ及び７４Ｃ等を除き、交流電動機５を所謂ベクトル制御するための構成要件から成っている。 尚、本実施例においては、外部から与られる速度基準は所定のレートをもって回転速度がゼロから交流電動機５が交流電源１で直接駆動された場合の回転速度相当まで上昇するように設定することにより、インバータ３２の基本波出力周波数を交流電源１と同一の周波数にすることができる。
次に同期併入と、同期併入後の無効電力制御に係る構成を説明する。電圧検出器１４で検出された交流電源１の電圧の位相は、ＰＬＬ制御器８４によって検出され、基準位相θＳを得る。ＰＬＬ制御器８４とはフェーズロックドループを使用した位相同期回路であり、交流電源１の電圧に同期した基準位相θＳを出力する。ここで交流電源の電圧位相と同相分がｑ軸、それと直交する成分がｄ軸となるように基準位相θＳを定めるものとする。同期併入制御器８３には、監視入力として、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧と、ＰＬＬ制御器８４の出力である交流電源１の電圧に同期した基準位相θＳと、２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令と、積分器８２の出力である交流電動機Ｍの入力端子電圧の基準位相θＭが入力される。３相の電圧指令はインバータ３２の基本波電圧出力に相当する信号である。同期併入制御器８３は交流電動機５が交流電源１で直接駆動された場合の回転速度相当まで上昇し、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧の周波数と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令の周波数の差分が所定の範囲内になると、交流電源１の電圧とインバータ３２の出力電圧の基本波との、電圧と周波数と位相を一致させるための、いわゆる揃速制御をおこなう。ここで揃速制御を行う場合を揃速モードと呼ぶ。すなわち交流電動機５が交流電源１で直接駆動された場合の回転速度相当まで上昇し、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧の周波数と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令の周波数との差分が所定の範囲内になると、電動機駆動モードから揃速モードに移行する。
揃速モードになると、上記の２信号の周波数と電圧及び位相を一致させるため、本実施例においては、同期併入制御器８３が速度微調整信号Δωｓを出力し、加減算器７１の第２入力に加える、さらに電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令（インバータ３２の出力電圧の基本波に相当）の偏差を調整するための電圧微調整信号Δｖを出力し、ｄ軸補正電流として、減算器７５Ｂの第２入力に与える。そして、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧の周波数と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令の電圧、周波数、位相（基準位相θＳと基準位相θＭ）が一致する（厳密には偏差が所定の許容範囲内になる。）と同期併入指令を出力し、開閉器６をオンさせるように操作信号Ｓ６を出力する。同期併入制御器８３の揃速制御機能の詳細については例えば特許文献２、特許文献３に記されているのでその説明は省略する。
開閉器６をオンするとインバータ３２は交流電源１と並列運転を行うことになる。開閉器６をオン後、同期併入制御器８３は制御切換え信号を発し、電力変換器３の動作を揃速運転モードから無効電力制御モードに切換える。すなわち同期併入制御器８３は切換信号Ｓ７４Ａを変更し、切換器７４Ａの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、切換信号Ｓ７４Ｂを変更し、切換器７４Ｂの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、切換信号Ｓ７４Ｃを変更し、切換器７４Ｃの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、さらに速度微調整信号Δωｓおよび電圧微調整信号Δｖの出力を０にする。すなわち切換器７４Ａの出力を除算器７３の出力から０へ、切換器７４Ｂの出力を磁束電流変換器７３Ａの出力から無効電力制御器８７の出力へ、更に切換器７４Ｃの出力を積分器８２の出力からＰＬＬ制御器８４の出力へ夫々切換える。ここで入力開閉器２はオンの状態を維持する。
以上により、無効電力制御モードでは切換器７４Ａの出力は０となる。切換器７４Ａの出力はトルク電流基準相当であり、インバータ３２のｑ軸電流制御ループに於いてｑ軸電流基準になる。インバータ３２の出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、インバータ３２から出力されるｑ軸電流成分、即ち有効電流成分は０となる。
ここで、無効電力制御器８７について説明する。電流検出器１３の出力と電圧検出器１４の出力が無効検出器８５に入力され無効電力検出器８５は電流検出器１３を通過する無効電力を検出する。即ち、本実施例では交流電動機５と電力変換器３の合計の無効電力を検出する。無効電力検出器８５の出力は減算器８６の減算端子に入力される。減算器８６の加算端子には外部で設定された無効電力基準が入力される。無効電力基準と無効電力検出器８５の差分は無効電力制御器８７に入力される。無効電力制御器８７は例えばＰＩ制御器である。そして与えられた差分か最小になる様に調節制御してその出力を切換器７４Ｂの第２入力へ出力する。無効電力制御モードでは切換器７４Ｂの出力は第２入力となる。切換器７４Ｂの出力である即ち無効電力制御器８７の出力が、インバータ３２のｄ軸電流制御ループに於いてｄ軸電流基準になる。インバータの出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、インバータ３２から出力されるｄ軸電流成分は即ち無効電流成分となる。よって、無効電力制御モードにおいてインバータ３２が出力する有効電流であるｑ軸電流は０となり、無効電流であるｄ軸電流は無効電力制御器８７の出力になるように制御される。言い換えれば、電力変換器３で消費される電力損失はダイオードコンバータ３１から給電され、電力変換器３は電流検出器１３が接続された交流電動機５を含んだ電力系統全体として、外部から与えられる無効電力基準となるような無効電流を出力する無効電力制御装置として機能することになる。
たとえば、減算器８６に外部から与えられる無効電力基準を０に設定すれば、無効電力制御モードにおいて、電流検出器１３の接続されている電力系統で発生する無効電力が０になるようにインバータ３１は無効電力を発生する。即ち、交流電動機５を駆動する電力と電力変換器３の入力電力の合計の力率が１となる運転をすることができる。
さらに、交流電源１に接続された、図示されていない別の負荷Ｌが接続されている他の電力系統で発生する無効電力を検出する無効電力検出器の出力を、減算器８６の減算端子に接続するように構成すると、無効電力制御モードにおいて、電力変換装置３は、他の電力系統の無効電力を制御することができる。他の電力系統に交流電動機５の駆動系が接続されていれば、電力変換装置３は、交流電動機５の駆動系の無効電力のみではなく負荷Ｌの無効電力も補償する運転を行う事ができる。
図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１において、設置されていた電流検出器１３を省略すると共に、制御部７Ａにおいて、実施例１で制御部７に設けられていた無効電力検出器８５、減算器８６及び無効電力制御器８７も省略し、本実施例の制御部７Ａにおいて保持回路９５を追加し、保持回路９５の信号入力は３相―２相変換器７９の出力であるＤ軸電流帰還とし、保持回路９５の信号出力は切換器７４Ｂの第２入力に接続し、保持回路９５の信号保持動作は、同期併入制御器８３から出力される保持制御信号Ｓ９５に従う様にした点である。
この実施例２の動作について以下説明する。電動機駆動モード及び揃速運転モードまでは実施例１と同様である。ただし、これらのモードにおいては同期併入制御器８３から出力される保持制御信号Ｓ９５は保持回路９５が入力を保持しない状態とする。揃速モード中では実施例１と同様に、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令の２信号の周波数と位相を一致させるため、同期併入制御器８３が速度微調整信号Δωｓを出力し、加減算器７１の第２入力に加える、さらに電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令（インバータ３２の出力電圧の基本波に相当）の偏差に相当する電圧微調整信号Δｖを出力し、ｄ軸補正電流として、減算器７５Ｂの第２入力に与える。そして、電圧検出器１４で検出される交流電源１の電圧の周波数と２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令の周波数、電圧、位相（基準位相θＳと基準位相θＭ）が一致する（厳密には偏差が所定の許容範囲内になる。）と同期併入指令を出力し、保持制御信号Ｓ９５を変化させ保持回路９５がその入力信号を保持し、保持した入力信号と等しい信号を出力する。同時に開閉器６をオンさせるように操作信号Ｓ６を出力する。開閉器６をオンするとインバータ３２は交流電源１と並列運転を行うことになる。開閉器６をオン後、同期併入制御器８３は制御切換え信号を発し、電力変換器３の動作を揃速運転モードから無効電力制御モードの特例である磁束電流補償モードに切換える。すなわち同期併入制御器８３は切換信号Ｓ７４Ａを変更し、切換器７４Ａの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、切換信号Ｓ７４Ｂを変更し、切換器７４Ｂの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、切換信号Ｓ７４Ｃを変更し、切換器７４Ｃの出力信号を第１入力から第２入力に切換え、さらに速度微調整信号Δωｓおよび電圧微調整信号Δｖの出力を０にする。
ここで、開閉器６のオフ動作は機械的な動作を伴うので操作信号Ｓ６の切換えから実際には数ｍｓ以上の遅延を伴う。これにし、保持制御信号Ｓ９５を変化させ保持回路９５がその入力信号を保持させる動作は電子回路レベルの動作であり高速である。制御部７Ａは例えばマイクロプロセッサによって構成されるので、その遅延時間はマイクロプロセッサの演算時間程度であり１ｍｓ以下で実現することは容易である。したがって、保持制御信号Ｓ９５と操作信号Ｓ６の切換えを同時に実施した場合、保持回路９５は同期併入される直前の３相―２相変換器７７の出力であるｄ軸電流帰還を保持することになる。尚マイクロプロセッサの演算時間が１ｍｓ以上の場合や開閉器６が半導体スイッチを使用しており、遅延関係が逆転の可能性がある場合には、操作信号Ｓ６の切換え発信時に遅延を持たせ、最終的には遅延関係を満足するようにすることができる。
このようにして切換器７４Ａの出力を除算器７３の出力から０へ、切換器７４Ｂの出力を磁束電流変換器７３Ａの出力から保持回路９５の出力へ、更に切換器７４Ｃの出力を積分器８２の出力からＰＬＬ制御器８４の出力へ夫々切換える。ここで入力開閉器２はオンの状態を維持する。
以上により、磁束電流補償モードでは切換器７４Ａの出力は０となる。切換器７４Ａの出力はトルク電流基準相当であり、インバータ３２のｑ軸電流制御ループに於いてｑ軸電流基準になる。インバータの出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、インバータ３２から出力されるｑ軸電流成分、即ち有効電流成分は０となる。
保持回路９５は同期併入される直前の３相―２相変換器７７の出力であるｄ軸電流帰還を保持しているので、保持回路９５の出力は同期併入される直前のｄ軸電流帰還の値となる。即ち同期併入される直前のｄ軸電流帰還の値が、インバータ３２のｄ軸電流制御ループに於いてｄ軸電流基準になる。同期併入直前のインバータ３２のｄ軸電流は交流電動機５の励磁電流に相当する成分である。インバータの出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、インバータ３２から出力されるｄ軸電流成分は即ち交流電動機５の励磁電流成分となる。よって、交流電動機５の負荷条件が変化しなければ、磁束電流補償モードにおいてインバータ３２が出力する有効電流であるｑ軸電流は０となり、無効電流であるｄ軸電流は励磁電流を補償する様に制御される。
図３は本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、制御部７Ｂにおいて、ダイオードコンバータ３１の出力である直流電圧を検出する直流電圧検出器３４、この検出電圧と設定された電圧基準との差分を演算する減算器８８、及びこの差分が最小となるように制御してｑ軸電流基準を出力し、その出力を切換器７４Ａの第２入力に与える電圧制御器８９を設けた点であり、更に入力開閉器２が同期併入制御器８３からの切換え信号Ｓ２によって操作されるようにした点である。
この実施例３の動作について以下説明する。まず、入力開閉器２は閉状態であり、電動機駆動モードを経て、揃速運転モードとなった後、同期併入制御器８３が制御切換え信号を発し、電力変換器３を揃速運転モードから無効電力制御モードに切換える動作は実施例１と同様である。実施例１と異なるのは、無効電力制御モードに切り換わったとき、同期併入制御器８３は切換え信号Ｓ２を変更し、入力開閉器２をオフする点、また、切換器７４Ａが、第２入力として、０ではなく、電圧制御器８９の出力であるｑ軸電流基準を選択する点である。ここで、例えば減算器８８に与えられる設定された電圧基準は、揃速運転モードにおけるダイオードコンバータ３１の直流出力に相当する電圧に設定する。このようにすれば、直流コンデンサ３３に印加される電圧が、設定された電圧基準となるようにインバータ３２が回生運転され、電力変換器３内の電力損失分に見合う有効電流が交流電源１からインバータ３２に流入することになる。尚、無効電力制御については実施例１と全く同様の制御となるのでその説明は省略する。
図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図２の本発明の実施例２に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例２と異なる点は、制御部７Ｃにおいて、ダイオードコンバータ３１の出力である直流電圧を検出する直流電圧検出器３４、この検出電圧と設定された電圧基準との差分を演算する減算器８８、及びこの差分が最小となるように制御してｑ軸電流基準を出力し、その出力を切換器７４Ａの第２入力に与える電圧制御器８９を設けた点であり、更に入力開閉器２が同期併入制御器８３からの切換え信号Ｓ２によって操作されるようにした点である。また、例えば減算器８８に与えられる設定された電圧基準は、揃速運転モードにおけるダイオードコンバータ３１の直流出力に相当する電圧に設定する。
この実施例４の動作については、実施例２と実施例３の組み合わせ動作であるのでその説明は省略する。この実施例４によれば、無効電力制御モードにおいて、電力変換器３の無効電流は磁束電流補償モードで制御され、有効電流は直流コンデンサ３３に印加される電圧が、設定された電圧基準となるように制御されることになる。
図５は本発明の実施例５に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例５の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例１と異なる主な点は、電力変換器３Ａにおいて、ダイオードコンバータ３１を自励コンバータ３１Ａに変更し、制御部７Ｄにこの自励コンバータ３１Ａの制御回路を追加した点である。また、自励コンバータ３１Ａの電流制御を行うため、自励コンバータ３１Ａの入力に電流検出器１５を設けている。
自励コンバータ３１Ａにおけるｑ軸の有効電流制御は、実施例３でインバータ３２が行ったように、直流電圧検出器３４で検出された電圧を減算器８８で電圧基準と比較し、その差分が最小となるように電圧制御器８９が有効電流基準を出力することによって行う。また、ｄ軸の無効電流制御は、実施例１でインバータ３２が行ったように、無効電力検出器８５で検出された無効電力を減算器８６で無効電力基準と比較し、その差分が最小となるように無効電力制御器８７が無効電流基準を出力することによって行う。３相−２相変換器９１はＰＬＬ制御器８４が検出した基準位相θＳに従って３相の帰還電流をｑ軸及びｄ軸の帰還電流に変換する。そして電圧制御器８９が出力する有効電流基準は減算器９０Ａによってｑ軸帰還電流との差分がとられ、ｑ軸電流制御器９２Ａはこの差分が最小となるようにｑ軸電圧指令を出力して２相―３相変換器９３に与える。同様に無効電力制御器８７が出力する無効電流基準は減算器９０Ｂによってｄ軸帰還電流との差分がとられ、ｄ軸電流制御器９２Ｂはこの差分が最小となるようにｄ軸電圧指令を出力して２相―３相変換器９３に与える。２相―３相変換器９３はＰＬＬ制御器８４が検出した基準位相θＳに従って２相の電圧指令を３相の交流電圧指令に変換してＰＷＭ制御器９４に与える。ＰＷＭ制御器９４は自励コンバータ３１Ａの各相の入力電圧がこの３相の電圧指令となるように自励コンバータ３１Ａの各パワーデバイスに対して、ＰＷＭ変調されたゲート信号を供給する。
この構成において、同期併入制御器８３は、同期併入を行って電力変換器３を揃速運転モードから無効電力制御モードに切換えるとき、切換器７４Ａの入力を第１入力である除算器７３の出力のＱ軸電流基準から第２入力である０に切換え、切換器７４Ｂの入力を第１入力である磁束電流変換器７３Ａの出力のＤ軸電流基準から、第２入力である無効電力制御器８７の出力であるＤ軸電流基準に切換え、切換器７４Ｃの入力を第１入力である積分器８２の出力である基準位相θＭから第２入力であるＰＬＬ制御器８４の出力である基準位相θＳに切換える。
以上の構成によれば、交流電動機５をインバータ３２で駆動している電動機駆動モードであっても自励コンバータ３１Ａによって電源系統の無効電力制御が可能となる。通常、自励コンバータ３１Ａはインバータ３２とほぼ同一の容量であるので、交流電動機５を同期併入したあとの制御の切換えによって、倍の容量の無効電力制御を行うことが可能となる。
図６は本発明の実施例６に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例６の各部について、図５の本発明の実施例５に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が実施例５と異なる主な点は、
制御部７Ｅにおいて、保持回路９５を追加し、保持回路９５の信号入力は３相―２相変換器７９の出力であるＤ軸電流帰還とし、保持回路９５の信号出力は切換器７４Ｂの第２入力に接続し、保持回路９５の信号保持動作は、同期併入制御器８３から出力される保持制御信号Ｓ９５に従う様にした点である。
この実施例６の動作については、実施例６と実施例２の組み合わせ動作であるのでその説明は省略する。この実施例６によれば、自励コンバータ３１Ａは駆動モードに拘わらず無効電力制御及び直流電圧一定制御を行い、インバータ３２は無効電力制御モードにおいて、無効電流は磁束電流補償モードで制御され、有効電流は０となるように制御されることになる。
以上本発明の実施例を説明したが、これは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、各実施例における、速度検出器１１は、位置検出器であっても良く、その場合は位置を微分して速度を求めれば良い。また、速度検出器を設けずに速度を演算によって間接的に求めるようにしても良い。
また、各実施例における無効電力制御は、電力系統の無効電力を所望の値に制御すると説明したが、電力系統の力率を制御することも、また高調波を抑制制御することも可能である。力率を制御する場合は無効電力検出器８５を力率検出器に置き換えれば良く、高調波抑制制御の場合は、電力系統に入力される高調波電流を検出し、検出された高調波電流を最小化するような高調波抑制御器を無効電力制御器８７に代えて設ける。尚、無効電力制御器８７の制御ループを活かしたまま上記高調波抑制御器を並列に設ける構成としても良い。
また、各実施例においては、開閉器６を投入して同期併入を行ったあと、出力開閉器４はオン状態のままインバータ３２を無効電力制御に切換えると説明したが、同期併入したあと、一旦出力開閉器４をオフし、切換器７４Ａ、７４Ｂ及び７４Ｃによって制御系を無効電力制御モードに切換えたあと、出力開閉器４を再投入しても良い。
また、開閉器６を投入して同期併入を行ったあと、インバータ３２を無効電力制御に切換えるタイミングは、例えばタイマーによって行う。タイマーの設定時間は少なくともインバータ３２の制御系の時定数より大きくすることが好ましい。また、タイマーに拠らず、インバータ３２の出力電流の過渡変化が落ち着いたことを検出して切換えるようにしても良い。
また、制御系を無効電力制御モードに切換えるとき、過渡擾乱を防ぐため、制御系にソフトスタート機能を追加するようにしても良い。
また、各実施例では、交流電源１とインバータ３２の電圧の一致を検出するのにインバータ３２側について、２相―３相変換器７７の出力を用いたが、インバータ３２の出力電圧を直接検出するように構成しても良い。
また、各実施例において、電圧微調整信号Δｖをｄ軸補正電流として、加減算器７５Ｂの第２入力に与える構成としたが、インバータ３２の出力電圧を補正可能であれば、ｑ軸補正電流としても良く、またＰＷＭ制御器７８の入力または出力に加えるようにしても良い。
また、例えば無効電力制御の動作において、無効電流基準Ｉｄがインバータ３２の能力を超える場合を考慮し、無効電流基準Ｉｄにリミタを設けるようにしても良い。
また、各実施例においては、電動機駆動モードから無効電力制御モードに切換える説明のみを行ったが、制御の手順を逆にすれば、無効電力制御モードから電動機制御モードに切換えることが可能なことは明らかである。
また、各実施例において、電動機駆動モードにおけるインバータ３２はベクトル制御で運転されると説明したが、同期併入が問題なく行われる条件が満たされていれば、ベクトル制御の必要はなく、Ｖ／ｆ一定制御であっても良い。
また、実施例５、６において、無効電力制御モードになると、自励コンバータ３１Ａとインバータ３２は同一機能を有する状態で２台が並列運転することになる。従って、例えば、互いの制御を入れ替えるような切換えを行うことも可能となる。
更に、各実施例において、交流電動機５と電力変換器３は１：１で対応するものと記載したが、例えば１台の電力変換器で複数台の交流電動機を順次起動して同期併入するようなシステム構成であっても、全ての電動機駆動モードが完了したあと、インバータ３２を無効電力制御モードに切換えて運転することも可能である。
１ 交流電源
２ 入力開閉器
３、３Ａ 電力変換器
４ 出力開閉器
５ 交流電動機
６ 開閉器
７、７Ａ、７Ｂ 制御部
１１ 速度検出器
１２ 電流検出器
１３ 電流検出器
１４ 電圧検出器
３１ ダイオードコンバータ
３１Ａ 自励コンバータ
３２ インバータ
３３ 直流コンデンサ
３４ 直流電圧検出器
７１、７５Ｂ 加減算器
７２ 速度制御器
７３ 除算器
７３Ａ 磁束電流変換器
７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃ 切換器
７５Ａ 減算器
７６Ａ、７６Ｂ 電流制御器
７７ ２相―３相変換器
７８ ＰＷＭ制御器
７９ ３相―２相変換器
８０ すべり演算器
８１ 加算器
８２ 積分器
８３ 同期併入制御器
８４ ＰＬＬ制御器
８５ 無効電力検出器
８６ 減算器
８７ 無効電力制御器
８８ 減算器
８９ 電圧制御器
９０Ａ、９０Ｂ 減算器
９１ ３相―２相変換器
９２Ａ、９２Ｂ 電流制御器
９３ ２相―３相変換器
９４ ＰＷＭ制御器
９５ 保持回路

Claims (8)

  1. ３相交流電源を入力とし、直流電圧を出力するコンバータと、
    前記コンバータの出力に接続され、出力開閉器を介して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記交流電源で前記交流電動機を直接駆動するための電源開閉器と、
    前記インバータの出力電流を検出する第１の電流検出器と、
    前記コンバータの入力側の電源系統の電圧及び電流を夫々検出する電圧検出器及び第２の電流検出器と、
    前記インバータの３相の出力電圧を第１の３相の電圧指令に基づいて制御するための制御部と
    を具備し、
    前記制御部は、
    与えられた速度基準と前記交流電動機の直接または間接的に求められる速度帰還の偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電流基準を出力する速度制御器と、
    前記第１の電流検出器で検出された３相電流を第１の基準位相に基づいて第１のＱ軸電流帰還と第１のＤ軸電流帰還に変換する第１の３相―２相変換器と、
    前記第１のＱ軸電流基準を第１の切換器を介して前記第１のＱ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電圧基準を出力する第１のＱ軸電流制御器と、
    与えられた磁束基準に見合う第１のＤ軸電流基準を、第２の切換器を介して前記第１のＤ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＤ軸電圧基準を出力する第１のＤ軸電流制御器と、
    前記第１のＱ軸電圧基準及び第１のＤ軸電圧基準を前記第１の基準位相に基づいて前記第１の３相の電圧指令に変換する第１の２相―３相変換器と、
    前記速度帰還と前記第１のＱ軸電流基準と前記磁束基準とから演算によって前記インバータの出力周波数を求め、これを積分して前記第１の基準位相を求める演算手段と、
    前記電圧検出器の出力を入力として第２の基準位相を得る位相同期回路と、
    前記第１の基準位相と前記第２の基準位相を切換える第３の切換器と、
    前記電圧検出器及び前記第２の電流検出器から系統の無効電力を検出する無効電力検出手段と、
    この無効電力を所定の無効電力基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＤ軸電流基準を出力する無効電力制御器と、
    前記交流電動機を前記インバータによる駆動から前記交流電源による駆動に切換えるための同期併入制御器と
    を有し、
    前記同期併入制御器は、前記交流電動機の速度及び前記インバータの出力電圧を調整して前記交流電源と前記インバータの電圧、出力周波数及び位相を一致させたとき、前記電源開閉器を投入して同期併入し、その後前記第１乃至第３の切換器を切換えて前記インバータで前記交流電動機の駆動系統を含む電力系統の無効電力制御を行うようにしたことを特徴とする電力変換装置。
  2. ３相交流電源を入力とし、直流電圧を出力するコンバータと、
    前記コンバータの出力に接続され、出力開閉器を介して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記交流電源で前記交流電動機を直接駆動するための電源開閉器と、
    前記インバータの出力電流を検出する第１の電流検出器と、
    前記コンバータの入力側の電源系統の電圧を電圧検出器と、
    前記インバータの３相の出力電圧を第１の３相の電圧指令に基づいて制御するための制御部と
    を具備し、
    前記制御部は、
    与えられた速度基準と前記交流電動機の直接または間接的に求められる速度帰還の偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電流基準を出力する速度制御器と、
    前記第１の電流検出器で検出された３相電流を第１の基準位相に基づいて第１のＱ軸電流帰還と第１のＤ軸電流帰還に変換する第１の３相―２相変換器と、
    前記第１のＱ軸電流基準を第１の切換器を介して前記第１のＱ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＱ軸電圧基準を出力する第１のＱ軸電流制御器と、
    与えられた磁束基準に見合う第１のＤ軸電流基準を、第２の切換器を介して前記第１のＤ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第１のＤ軸電圧基準を出力する第１のＤ軸電流制御器と、
    前記第１のＱ軸電圧基準及び第１のＤ軸電圧基準を前記第１の基準位相に基づいて前記第１の３相の電圧指令に変換する第１の２相―３相変換器と、
    前記速度帰還と前記第１のＱ軸電流基準と前記磁束基準とから演算によって前記インバータの出力周波数を求め、これを積分して前記第１の基準位相を求める演算手段と、
    前記電圧検出器の出力を入力として第２の基準位相を得る位相同期回路と、
    前記第１の基準位相と前記第２の基準位相を切換える第３の切換器と、
    前記第１のＤ軸電流帰還を所定のタイミングで保持して第３のＤ軸電流基準を出力する保持手段と、
    前記交流電動機を前記インバータによる駆動から前記交流電源による駆動に切換えるための同期併入制御器と
    を有し、
    前記同期併入制御器は、前記交流電動機の速度及び前記インバータの出力電圧を調整して前記交流電源と前記インバータの電圧、出力周波数及び位相を一致させたとき、前記電源開閉器を投入して同期併入し、その後前記第１乃至第３の切換器を切換えて前記インバータで前記交流電動機の励磁電流を補償するような無効電力制御を行うようにすると共に、前記所定のタイミングは前記同期併入の直前のタイミングとしたことを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記コンバータはダイオードコンバータであり、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から０に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第２のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記コンバータはダイオードコンバータであり、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から０に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第３のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  5. 前記コンバータはその入力側に入力開閉器を備えたダイオードコンバータであり、前記コンバータの出力電圧を検出する直流電圧検出器と、この検出電圧を所定の電圧基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＱ軸電流基準を出力する電圧制御器とを更に具備し、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記入力開閉器をオフし、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から前記第２のＱ軸電流基準に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第２のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 前記コンバータはその入力側に入力開閉器を備えたダイオードコンバータであり、前記コンバータの出力電圧を検出する直流電圧検出器と、この検出電圧を所定の電圧基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＱ軸電流基準を出力する電圧制御器とを更に具備し、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記入力開閉器をオフし、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から前記第２のＱ軸電流基準に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第３のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  7. 前記コンバータは入力側に入力電流検出器を備えた自励コンバータであり、
    前記制御部は、
    前記自励コンバータの３相の出力電圧を第２の３相の電圧指令に基づいて制御するために、
    前記入力電流検出器で検出された３相電流を前記第２の基準位相に基づいて第２のＱ軸電流帰還と第２のＤ軸電流帰還に変換する第２の３相―２相変換器と、
    前記自励コンバータの出力電圧を検出する直流電圧検出器と、
    この検出電圧を所定の電圧基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＱ軸電流基準を出力する電圧制御器と
    前記第２のＱ軸電流基準を前記第２のＱ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第２のＱ軸電圧基準を出力する第２のＱ軸電流制御器と
    前記第２のＤ軸電流基準を、前記Ｄ第２の軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第２のＤ軸電圧基準を出力する第２のＤ軸電流制御器と、
    前記第２のＱ軸電圧基準及び第２のＤ軸電圧基準を前記第２の基準位相に基づいて前記自励コンバータの前記第２の３相の電圧指令に変換する第２の２相―３相変換器と
    を更に具備し、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から０に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第２のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 前記コンバータは入力側に入力電流検出器を備えた自励コンバータであり、
    前記制御部は、
    前記自励コンバータの３相の出力電圧を第２の３相の電圧指令に基づいて制御するために、
    前記入力電流検出器で検出された３相電流を前記第２の基準位相に基づいて第２のＱ軸電流帰還と第２のＤ軸電流帰還に変換する第２の３相―２相変換器と、
    前記自励コンバータの出力電圧を検出する直流電圧検出器と、
    この検出電圧を所定の電圧基準と比較しその偏差が最小となるように制御して第２のＱ軸電流基準を出力する電圧制御器と
    前記第２のＱ軸電流基準を前記第２のＱ軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第２のＱ軸電圧基準を出力する第２のＱ軸電流制御器と
    前記第２のＤ軸電流基準を、前記Ｄ第２の軸電流帰還と比較し、その偏差が最小になるように制御して第２のＤ軸電圧基準を出力する第２のＤ軸電流制御器と、
    前記第２のＱ軸電圧基準及び第２のＤ軸電圧基準を前記第２の基準位相に基づいて前記自励コンバータの前記第２の３相の電圧指令に変換する第２の２相―３相変換器と
    を更に具備し、
    前記同期併入制御器は、前記同期併入のあと、
    前記第１の切換器の入力を前記第１のＱ軸電流基準から０に切換え、
    前記第２の切換器の入力を前記第１のＤ軸電流基準から前記第３のＤ軸電流基準に切換え、
    前記第３の切換器の入力を前記第１の基準位相から前記第２の基準位相に切換えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
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