KR101279212B1 - 인버터 발전 장치 - Google Patents

Abstract

인버터는 전압 지령 생성부(154)에서, 외부로부터 입력되는 전압 지시값에 기초하여 전압 지령값을 생성하고, PWM 신호 생성부(152)는 전압 지령값에 기초하여 PWM 신호를 생성하여, 스위칭 회로(150)에 출력하고, 상기 스위칭 회로(150)는 이 PWM 신호에 기초하여 3상 교류 전압을 생성한다. 이때, 전압 지령값은 전류값이 증가한 경우에 저감되도록 변화되므로, 엔진의 회전수가 급격하게 변동되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 인버터의 출력 전류가 미리 설정한 전류 상한 임계값을 초과한 경우에는, 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값을 출력한다. 따라서, 전류값이 증대된 경우라도 최저 출력 전압이 확보된다.

Description

인버터 발전 장치{INVERTER POWER GENERATOR}

본 발명은 엔진 등의 원동기에 의해 구동되는 동기 모터로 발전된 교류 전력을 일단 직류 전력으로 변환한 후, 인버터에 의해 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 인버터 발전 장치에 관한다.

엔진 등의 원동기를 구동시켜 전력을 발생시키는 발전기로서, 인버터 발전 장치가 많이 사용되고 있다. 인버터 발전 장치는 엔진의 출력축에 동기 모터의 회전축을 접속하여 상기 동기 모터를 회전 구동시키고, 이 동기 모터로 발전된 교류 전력을 컨버터에 의해 직류 전력으로 변환하고, 또한 이 직류 전력을 인버터에 의해 교류 전력으로 변환하여, 원하는 전압 및 주파수의 전력을 출력한다. 그리고, 인버터의 후단측에 설치되는 모터, 램프 등의 부하에 교류 전력을 공급할 수 있다.

이와 같은 종래의 인버터 발전 장치에서는 부하로서 유도 전동기 등의 모터(이하, 「부하 모터」라고 함)를 접속한 경우에, 부하 모터의 기동 시에 발생하는 돌입 전류에 의해 인버터의 제어 유닛에 설치되는 반도체 소자에 최대 정격 전류를 초과하는 과대 전류가 흘러, 제어 유닛을 손상시킬 가능성이 있다.

따라서, 일본 특허 공개 공보 특허 출원 공개 제2003-111428호(특허 문헌 1)에는 출력 전류의 크기에 따라서 출력 전압을 수직 하강시킴으로써, 부하 전류를 억제하여 제어 유닛에 흐르는 전류를 억제하는 것이 개시되어 있다.

그러나, 상술한 특허 문헌 1에 개시된 관련 기술에서는, 발전기의 출력 전압을 지나치게 저하시키므로, 부하 모터의 기동, 정지를 전환하기 위한 부하 장치 내 콘택터(전자기 개폐기 등)가 차단되거나, 마찬가지로 부하 장치 내의 제어 유닛이 리셋되는 등의 트러블이 발생하여, 부하 모터를 원활하게 기동시킬 수 없게 된다고 하는 문제가 발생하고 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명에 따르면, 부하의 기동 시에 발생하는 돌입 전류를 억제하여 회로를 보호하고, 콘택터가 지나치게 차단되는 것을 방지하는 것이 가능한 인버터 발전 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 기술적 측면에 따르면, 발전 장치는 원동기와, 상기 원동기와 연결한 동기 모터와, 상기 동기 모터와 연결한 컨버터와, 상기 컨버터와 연결한 인버터와, 상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 설치되는 축전 수단을 구비하고, 상기 원동기에 의해 상기 동기 모터를 회전시켜 교류 전력을 출력하고, 상기 동기 모터로 발전된 교류 전력을 상기 컨버터에 의해 직류화하고, 이 직류 전력을 상기 인버터에 의해 원하는 주파수의 교류 전력으로 변환하는 인버터 발전 장치이다. 상기 인버터는 외부로부터 입력되는 전압의 지시값(전압 지시값)에 기초하여, 전압 지령값을 생성하여 출력하는 전압 지령 생성 수단과, 외부로부터 입력되는 주파수의 지시값(주파수 지시값)에 기초하여, 주파수 지령값을 생성하여 출력하는 주파수 지령 생성 수단과, 상기 전압 지령 생성 수단으로부터 출력되는 전압 지령값 및 상기 주파수 지령 생성 수단으로부터 출력되는 주파수 지령값에 기초하여 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 수단과, 복수의 반도체 소자를 갖고, 상기 PWM 신호 생성 수단으로부터 출력되는 PWM 신호에 기초하여 상기 복수의 반도체 소자가 스위칭하여 교류 전력을 생성하는 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단의 출력 전류(선 전류)를 검출하는 전류 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전압 지령 생성 수단은 상기 전류 검출 수단으로 검출되는 출력 전류가 미리 설정한 상한 임계값(전류 상한 임계값) 이하인 통상 시에는 상기 전압의 지시값에 따른 전압 지령값을 생성하여 출력하는 동시에, 상기 출력 전류가 상기 상한 임계값을 초과한 경우에는, 미리 상기 전압의 지시값보다도 낮게 설정한 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값을 출력하는 전압 지령 변경 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 인버터 발전 장치에서는, 스위칭 수단의 출력 전류가 상한 임계값에 도달한 경우에는, 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값에 의해 PWM 신호를 생성하여, 인버터를 구동하므로, 부하 구동 개시 시 등에 전류값이 증대된 경우에 이를 억제할 수 있고, 또한 원동기가 스톨되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 인버터의 상세한 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, PWM 신호 생성부 및 전류 검출 변환부의 상세한 구성을 도시하는 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 전압 지령 생성부의 상세한 구성을 도시하는 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 로우 패스 필터의 상세한 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 주파수 지령 생성부의 상세한 구성을 도시하는 블록도.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치에서 사용되는 회전수 대응 테이블을 도시하는 설명도.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 각 신호의 변화를 나타내는 타이밍차트.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 인버터로부터 출력되는 전류의 변화를 나타내는 타이밍차트로, 전압 지령의 변경을 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 특성을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 인버터로부터 출력되는 전류의 변화를 나타내는 타이밍차트로, 주파수 배율을 변화시킨 경우의 특성을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치의, 스위칭 회로의 상세한 구성을 도시하는 회로도.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치(100)의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이 인버터 발전 장치(100)는 디젤 엔진이나 가솔린 엔진 등의 엔진(원동기)(11)과, 엔진(11)의 회전에 의해 U상, V상, W상의 3상 교류의 유기 전압을 발생하는 동기 모터(13)와, 엔진(11)의 출력축과 동기 모터(13)의 회전축을 결합하는 커플링(12)과, 동기 모터(13)에 접속되어 상기 동기 모터(13)로부터 출력되는 U상, V상, W상의 각 유기 전압을 PN 직류 전압으로 변환하는 컨버터(14)와, 상기 컨버터(14)로부터 출력되는 PN 직류 전압으로부터 R상, S상, T상의 3상 교류 전압을 생성하는 인버터(15)와, 컨버터(14)와 인버터(15)를 접속하는 PN 결선 사이에 개재 설치되는 주회로 콘덴서(19)(축전 수단)와, 상기 인버터에 접속되어 스위칭 노이즈를 경감시키기 위한 LC 필터(16)를 구비한다.

또한, LC 필터(16)는 차단기(17)를 통해 유도 전동기 등의 부하(18)에 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는 1개의 차단기(17) 및 부하(18)를 기재하고 있지만, 실제로는, LC 필터(16)의 후단측에 복수의 차단기 및 부하가 설치되는 경우가 많다. 또한, 예를 들어 부하가 유도 전동기인 경우에는, 모터의 기동ㆍ정지를 조작하기 위한 콘택터(18a)가 전원 접속의 초단에 설치되어 있는 경우가 많다. 또한, 동기 모터(13)로서, 예를 들어 회전자에 영구 자석이 매립된 IPM 모터를 사용할 수 있다.

또한, 엔진(11)에는 상기 엔진(11)의 회전을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)(20)가 접속되어 있다.

컨버터(14)는 반도체 소자인 트랜지스터, IGBT, 혹은 MOSFET 등의 스위칭 소자 및 다이오드를 복수개 구비하고, 각 스위칭 소자를 스위칭 동작시킴으로써, U상, V상, W상의 3상 교류 전압을 PN 직류 전압으로 변환한다. 또한, 컨버터(14)는 부하(18)의 소비 전력에 따라서, 동기 모터(13)에 적절하게 전류를 흘림으로써, 엔진(11)의 회전수를 빈번하게 변화시키는 일 없이, 원하는 전력을 발생시킨다. 즉, 컨버터(14)는 통상의 정류기와는 달리, 동기 모터(13)로부터 출력되는 3상 교류 전압으로부터 원하는 크기의 PN 직류 전압을 생성하는 동시에, 부하에 출력하는 전력에 따라서 동기 모터(13)에 전류를 흘림으로써, 부하 변동에 따른 안정된 전력을 발생시킨다.

주회로 콘덴서(19)는 PN 직류 전압을 평활화하고, 또한 인버터(15)가 대전력을 출력할 때의 전력을 축적하는 기능을 갖는다.

인버터(15)는 상술한 컨버터(14)와 마찬가지로, 반도체 소자인 트랜지스터, IGBT, MOSFET의 스위칭 소자 및 다이오드를 복수 구비하고, 각 스위칭 소자를 스위칭 동작시킴으로써 R상, S상, T상의 3상 교류 전압을 생성한다. 또한, 각 스위칭 소자의 스위칭의 패턴에 의해, 인버터(15)의 출력 전압 및 출력 주파수를 임의의 값으로 설정할 수 있다.

도 2는 인버터(15)의 상세한 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 인버터(15)는 반도체 소자에 의해 PN 직류 전압을 스위칭하여 3상 교류 전압을 생성하는 스위칭 회로(150)(스위칭 수단)와, 주회로 콘덴서(19)에 발생하는 전압을 검출하는 PN 전압 검출부(151)와, 스위칭 회로(150)에서 생성하는 3상 교류 전압의 주파수 지령값을 출력하는 주파수 지령 생성부(153)(주파수 지령 생성기)와, 스위칭 회로(150)에서 생성하는 3상 교류 전압의 전압 지령값을 출력하는 전압 지령 생성부(154)(전압 지령 생성기)를 갖는다.

또한, 주파수 지령 생성부(153)로부터 출력되는 주파수 지령값과, 전압 지령 생성부(154)로부터 출력되는 전압 지령값 및 PN 전압 검출부(151)에서 검출되는 PN 전압 검출값에 기초하여, PWM 신호를 생성하고, 생성한 PWM 신호를 스위칭 회로(150)에 출력하는 PWM 신호 생성부(152)(PWM 신호 생성기)를 구비한다.

또한, 스위칭 회로(150)로부터 출력되는 R상, S상, T상의 선 전류를 각각 검출하는 전류계(157)(전류 검출기)와, 상기 전류계(157)에서 검출되는 각 상의 선 전류 IR, IS, IT를 취득하고, 또한 PWM 신호 생성부(152)로부터 출력되는 PWM 신호에 기초하여, 3상의 선 전류 IR, IS, IT를 2상(d축, q축)의 축전류 신호로 변환하는 전류 검출 변환부(156)와, 상기 전류 검출 변환부(156)에서 변환된 2상의 축 전류 신호에 기초하여, 부하(18)(도 1 참조)에서 소비되는 소비 전력을 산출하는 소비 전력 계산부(155)(소비 전력 계산기)를 구비한다.

스위칭 회로(150)는, 도 11에 도시한 바와 같이 6개의 트랜지스터(Tr1 내지 Tr6)와, 각 트랜지스터(Tr1 내지 Tr6)에 대해 병렬로 접속되는 다이오드(D1 내지 D6)를 구비하고 있다. 그리고, 트랜지스터(Tr1과 Tr2)는 직렬 접속되고, 트랜지스터(Tr1)의 일단부(콜렉터)는 플러스측 전극(P극)에 접속되고, 트랜지스터(Tr2)의 일단부(에미터)는 마이너스측 전극(N극)에 접속된다. 그리고, 각 트랜지스터(Tr1과 Tr2)의 접속점은 R상 전압(Vr)의 출력점으로 되어 있다. 마찬가지로, 트랜지스터(Tr3과 Tr4)는 직렬로 접속되고, 그 접속점은 S상 전압(Vs)의 출력점으로 되고, 트랜지스터(Tr5와 Tr6)는 직렬로 접속되고, 그 접속점은 T상 전압(Vt)의 출력점으로 된다.

또한 스위칭 회로(150)는 6개의 AND 게이트(AND1 내지 AND6)를 구비하고 있고, 각 AND 게이트(AND1 내지 AND6)의 한쪽의 입력 단자에는 전력 공급을 제어하기 위한 게이트 신호가 공급되고, 다른 쪽의 입력 단자에는 AND 게이트(AND1 내지 AND6)에 대해 각각 PWM 신호 생성부(152)로부터 출력되는 PWM 신호, 즉 SigRu, SigSu, SigTu, SigRd, SigSd, SigTd가 공급된다. 따라서, 게이트 신호가 온(「H」 레벨)인 경우에는, 각 PWM 신호에 의해 각 트랜지스터(Tr1 내지 Tr6)가 구동되어, 3상 교류 전압이 생성되어 출력되게 된다. 또한, 게이트 신호가 오프(「L」 레벨)인 경우에는, PWM 신호에 관계없이, 각 트랜지스터(Tr1 내지 Tr6)는 구동되지 않는다. 또한, 이하에서는 상측의 트랜지스터(Tr1, Tr3, Tr5) 및 다이오드(D1, D3, D5)를 상측 아암, 하측의 트랜지스터(Tr2, Tr4, Tr6) 및 다이오드(D2, D4, D6)를 하측 아암이라고 칭한다.

도 2에 도시하는 소비 전력 계산부(155)는 소비 전력과 엔진 회전수의 대응 관계를 나타내는 회전수 대응 테이블(155a)을 구비하고 있고, 상기 소비 전력 계산부(155)에서는 소비 전력을 산출하면, 이 소비 전력에 기초하여, 회전수 대응 테이블(155a)을 참조하여 엔진(11)의 회전수 데이터를 구한다. 그리고, 구한 회전수 데이터를 엔진(11)의 ECU(20)로 송신한다. 엔진(11)은 ECU(20)의 제어에 의해, 구해진 회전수로 되도록 제어된다.

회전수 대응 테이블은, 도 7에 도시한 바와 같이 엔진(11)의 연비 곡선에 기초하여, 소비 전력에 소정의 여유값을 더한 전력을 발생시키기 위해 가장 적은 연료 소비량으로 되는 소비 전력과 엔진(11)의 회전수 지시값의 관계가 설정되어 있고, 아이들 회전수, 최고 회전수에 기초하여, 소비 전력이 낮거나 또는 0인 경우에는, 엔진(11)의 회전수가 아이들 회전수로 되도록 설정되고, 그 후, 본 실시 형태에서는 소비 전력이 증가함에 따라서 엔진(11)의 회전수가 직선적으로 증가하여, 최고 회전수로 클램프되도록 설정된다.

도 2에 도시하는 PWM 신호 생성부(152) 및 전류 검출 변환부(156)의 상세에 대해, 도 3에 도시하는 블록도를 참조하여 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, PWM 신호 생성부(152)는 인버터(15)의 외부로부터 입력되는 2상(d축, q축)의 전압 지령값 중 q축 전압을 보정하는 전압 보정부(31)와, 2상ㆍ3상 변환부(32)와, R상, S상, T상의 각 전압 신호에 기초하여, 3상의 PWM 신호를 생성하는 PWM 파형 변환부(33)와, 전기각 생성부(34)를 구비한다.

전압 보정부(31)는 전압 지령값에, PN 설정 전압과 PN 전압의 피드백값의 비율(PN 전압 설정값/PN 전압 검출값)을 곱함으로써, 상기 q축 전압을 보정하고, 보정 후의 q축 전압을 2상ㆍ3상 변환부(32)에 출력한다.

2상ㆍ3상 변환부(32)는 d축 전압 및 보정 후의 q축 전압에 기초하여 2상ㆍ3상 변환을 행하고, 3상(R상, S상, T상)에서 6아암의 PWM 신호를 생성한다. 상기 PWM 신호 생성부(152)에서 생성되는 PWM 신호는 도 2에 도시하는 스위칭 회로(150)에 출력되어, 도 11에 도시한 각 트랜지스터(Tr1 내지 Tr6)의 구동에 사용된다.

전기각 생성부(34)는 도 2에 도시하는 주파수 지령 생성부(153)로부터 출력되는 주파수 지령값에 기초하여, 3상 전압(R상, S상, T상의 각 전압)의 전기각을 구하고, 이 전기각을 2상ㆍ3상 변환부(32) 및 전류 검출 변환부(156)에 출력한다. 전기각은 전기적인 1주기가 0 내지 360deg로 되도록 설정한다. 예를 들어, 주파수 지령값이 50㎐인 경우에는 전기적인 1주기는 20msec로 되므로, 전기각은 20msec에서 0 내지 360deg로 되도록 생성한다.

또한, 도 3에 도시하는 전류 검출 변환부(156)는 전류계(157)(도 2 참조)에서 검출되는 R상, S상, T상의 각 상 전류 IR, IS, IT 및 전기각 생성부(34)로부터 출력되는 전기각에 기초하여, R상, S상, T상의 3상 전류를, d축, q축의 2상 전류로 변환하는 3상ㆍ2상 변환부(35)를 구비하고, 변환 후의 d축 전류 및 q축 전류를 도 2에 도시하는 소비 전력 계산부(155)에 출력한다.

다음에, 도 2에 도시한 소비 전력 계산부(155)에 있어서의 소비 전력의 계산 수순에 대해 설명한다. 인버터(15)의 외부로부터 입력되는 전압 지시값을 Va, 전압 지령 생성부로부터 출력되는 전압 지령값[인버터(15)의 출력 전압]을 Vb, 3상의 선 전류를 I1, q축 전류를 Iq, d축 전류를 Id로 하면, 순시의 소비 전력 P1은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

그리고, 수학식 1의 우변의 분모는 유효 전력의 임피던스를 나타내므로, 상기 임피던스를 Z로 하면, 수학식 1은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.

수학식 2에 나타낸 바와 같이, 부하(18)의 순시의 소비 전력 P1을 연산할 때에, 외부로부터 입력되는 전압 지시값 Va 및 유효 전력의 임피던스 Z를 사용한다. 따라서, 부하의 구동 시 등에 돌입 전류가 발생하여, 인버터(15)의 출력 전압이 급격하게 저하된 경우라도, 소비 전력 계산부(155)에서 구해지는 소비 전력이 급격하게 저하되는 일이 없다. 즉, 출력 전압이 급격하게 변동된 경우라도, 엔진(11)의 회전수가 급격하게 변동되는 것을 방지하여, 상기 엔진(11)을 안정적으로 운전할 수 있게 된다. 또한, 소비 전력 P1의 연산에 스위칭 회로(150)의 전압 출력값을 사용하지 않으므로, 리플의 영향을 받는 일이 없다.

도 2에 도시하는 전압 지령 생성부(154)의 상세한 구성에 대해, 도 4에 도시하는 블록도를 참조하여 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 전압 지령 생성부(154)는 인버터(15)의 외부로부터 전압 지시값, 최저 출력 전압, 인버터(15)로부터 출력되는 선 전류[즉, (Iq²＋Id²)^1/2로 구해지는 전류] 및 전류 상한 임계값이 입력된다. 그리고, 상기 전압 지령 생성부(154)는 외부로부터 부여되는 전압 지시값에 대해 계수 G1을 곱하는 승산부(41)와, 승산부(41)의 출력 신호에 대해 계수 G2를 곱하는 승산부(42)(보정 수단)와, 연산부(43)(전압 지령 변경 수단) 및 로우 패스 필터(44)(필터)를 구비하고 있다.

여기서, 최저 출력 전압은 전압 지시값보다도 낮은 값이며 부하에 부속되어, 예를 들어 모터의 기동이나 정지를 제어하는 콘택터가 차단되지 않는 전압으로 설정된다.

승산부(41)는 인버터(15)의 외부로부터 입력된 전압 지시값에 대해, 다음의 수학식 3으로 나타내는 계수 G1을 곱하는 연산을 행한다.

수학식 3은 스위칭 회로(150)가 갖는 각 상의 상측 아암, 즉 도 11에 도시하는 트랜지스터(Tr1, Tr3, Tr5) 및 하측 아암, 즉 트랜지스터(Tr2, Tr4, Tr6)가 구동할 때의 데드 타임을 보정하기 위한 계수를 나타내고 있다. 즉, 상측 아암 및 하측 아암은 양쪽이 동시에 온으로 되는 것을 방지하기 위해, 온, 오프의 전환 시에 양쪽을 동시에 오프로 하는 데드 타임을 마련하고 있고, 그만큼의 전압을 보정하기 위해 전압 지시값에 계수 G1을 곱하고 있다. 또한, 상기한 데드 타임에는 상측 아암 및 하측 아암에 사용하는 트랜지스터의 온과 오프의 시간차를 포함시키도록 해도 좋다.

또한, 승산부(42)는 승산부(41)의 출력 신호에 대해, 다음의 수학식 4로 나타내는 계수 G2를 곱하는 연산을 행한다.

단, 0≤G₂≤1.

수학식 4에 나타내는 PN 전압 검출값은 주회로 콘덴서(19)에 발생하는 전압값(전압 검출값)이고, PN 전압 설정값은 주회로 콘덴서(19)에 충전하는 전압의 설정값(전압 설정값)이다. 그리고, 수학식 4로부터 산출하는 계수 G2는 주회로 콘덴서(19)에 발생하는 PN 전압의 검출값이, PN 전압 설정값에 대해 크게 감소한 경우에 작은 값으로 된다. 따라서, PN 전압 검출값이 저하되어 있을 때에, 부하(18)의 소비 전력이 증가한 경우라도, 계수 G2를 곱함으로써, 전압 지시값이 급격하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.

즉, 주회로 콘덴서(19)에 발생하는 전압(PN 전압)이 저하되어 있을 때에, 인버터(15)가 부하 변동에 따른 전력을 그대로 출력하면, 주회로 콘덴서(19)에 전력을 공급하기 위해 컨버터(14)의 부하가 증대되어, 엔진(11)이 스톨되는 원인으로 되는 경우가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 전압 지시값에 계수 G2를 곱함으로써, PN 전압 검출값이 PN 전압 설정값에 대해 저하되어 있는 경우에는, 승산부(42)의 출력 신호를 저하시킴으로써, 인버터(15)의 출력 전압을 저하시켜, 엔진(11)이 스톨되는 것을 방지한다.

또한, 도 4에 도시하는 연산부(43)는 입력 단자(IN1 내지 IN4) 및 출력 단자(OUT1)를 구비하고 있고, 입력 단자(IN1)에는 승산부(42)의 출력 신호 d1이 입력되고, 입력 단자(IN2)에는 인버터(15)가 출력 가능한 최저 전압인 최저 출력 전압 d2가 입력되고, 입력 단자(IN3)에는 부하(18)에 흐르는 선 전류 d3이 입력되고, 입력 단자(IN4)에는 과전류의 발생을 정의하는 전류 상한 임계값 d4가 입력된다. 그리고, 연산부(43)는 이들 각 데이터에 기초하여, 「d3＞d4」의 관계가 성립된 경우에 출력 단부(OUT1)로부터 최저 출력 전압 d2를 출력하고, 그 이외의 경우에는 신호 d1을 출력한다.

상기의 처리에서는, 선 전류 d3이 전류 상한 임계값 d4를 상회한 경우, 바꾸어 말하면, 부하(18)에 흐르는 전류가 증대되어 과전류에 도달한 경우에는, 최저 출력 전압 d2에 기초하는 전압 지령값을 출력함으로써, 부하(18)에 공급하는 전압을 저하시켜, 과전류가 흐르는 것을 방지한다.

그리고, 연산부(43)의 출력 신호(d1 또는 d2)는 게인(후술하는 계수 G3, G4)을 변경 가능한 로우 패스 필터(44)에 공급된다.

로우 패스 필터(44)는 부하(18)에 기동 시 등의 돌입 전류를 억제하기 위해 설치되어 있고, 돌입 전류가 발생했을 때에는 인버터(15)의 출력 전압을 즉시 저하시키고, 그 후, 저하된 출력 전압을 전압 지시값으로 상승시킬 때에는 완만하게 전압을 상승시키는 전압 지령값을 출력한다. 그리고, 상기 로우 패스 필터(44)로부터 출력된 전압 지령값은 도 2에 도시하는 PWM 신호 생성부(152) 및 소비 전력 계산부(155)에 출력되게 된다.

이하, 로우 패스 필터(44)에 대해 상세하게 설명한다. 도 5는 로우 패스 필터(44)의 상세한 구성을 도시하는 블록도이다. 상기 로우 패스 필터(44)는 연산부(43)의 출력 신호(d1 또는 d2) 및 최저 출력 전압 d2에 기초하여, 전압 지령값을 필터 처리하여 출력한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 로우 패스 필터(44)는 계수 G3(제1 계수)을 곱하는 승산부(51)(승산기)와, 계수 G4(제2 계수)를 곱하는 승산부(52)(승산기)와, 연산부(53)(연산기)와, 지연부(54)와, 감산부(55)와, 가산부(56)(가산기) 및 스위치(SW1)를 구비하고 있다. 여기서, G4＞G3의 관계가 성립되는 것으로 하고, G4는 G3의 10 내지 30배 정도로 한다.

감산부(55)는 입력 신호[도 4에 도시하는 연산부(43)의 출력 단자(OUT1)의 출력 신호]와 피드백 신호[전회의 연산부(53)의 출력]의 차분을 연산하고, 이를 편차(오차)로서 출력한다.

승산부(51)는 편차 Err에 계수 G3을 곱하여 스위치(SW1)의 단자(T1)에 출력한다. 승산부(52)는 편차 Err에 계수 G4를 곱하여 단자(T2)에 출력한다.

스위치(SW1)는 편차 Err이 플러스의 값(Err＞0)인 경우에는 스위치(SW1)를 단자(T1)측에 접속함으로써, 승산부(51)의 출력 신호를 출력 단자(OUT2)로부터 출력하고, 편차 Err이 제로 또는 마이너스의 값(Err≤0)인 경우에는 스위치(SW1)를 단자(T2)측에 접속함으로써, 승산부(52)의 출력 신호를 출력 단자(OUT2)로부터 출력한다. 그리고, 출력 단자(OUT2)는 가산부(56)에 접속되고, 또한 상기 가산부(56)는 연산부(53)의 입력 단자(IN5)에 접속되어 있다. 또한, 연산부(53)의 입력 단자(IN6)에는 도 4에 도시하는 최저 출력 전압 d2가 입력된다.

가산부(56)는 스위치(SW1)의 출력 단자(OUT2)로부터 출력되는 신호와, 지연부(54)로부터 출력되는 전회의 출력값을 가산하고, 가산한 신호 d5를 연산부(53)의 입력 단자(IN5)에 출력한다.

연산부(53)는, d5 ＜d2의 경우에는 출력 단자(OUT3)로부터 d2를 출력한다. 한편, d5≥d2의 경우에는 출력 단자(OUT3)로부터 d5를 출력한다. 즉, 출력 신호를 최저 출력 전압 d2에 클램프한다. 그리고, 이 출력 신호는 전압 지령값으로서 도 2에 도시하는 PWM 신호 생성부(152) 및 소비 전력 계산부(155)에 출력된다. 또한, 이 출력 신호는 피드백 신호로서 도 5에 도시하는 지연부(54)에 공급된다.

지연부(54)로부터 출력되는 일 샘플링 지연 신호는 감산부(55) 및 가산부(56)에 출력된다. 그리고, 상술한 바와 같이 스위치(SW1)는, 편차 Err이 플러스의 값인 경우(Err＞0)에는 상기 편차 Err에 대해 계수 G3을 곱하고, 편차 Err이 제로 또는 마이너스의 값인 경우(Err≤0)에는 상기 편차 Err에 대해 계수 G4(G4＞G3)를 곱하므로, 전압 지령값이 증가 경향이 있는 경우에는, 감소 경향이 있는 경우보다도, 보다 작은 계수를 곱하여 출력 단자(OUT2)로부터 출력하게 된다. 이로 인해, 돌입 전류가 흐른 후의 경우 등에 있어서, 전압 지령값(OUT1)이 증가하는 경우에는 그 증가 속도를 느리게 할 수 있다.

즉, 전압 지령값(OUT1)이 저하되는 경향으로 변화되는 경우에는, 계수 G4를 곱함으로써, 전압 지령값을 제1 추종 속도로 변화시키고, 전압 지령값(OUT1)이 증가하는 경향으로 변화되는 경우에는 계수 G3을 곱함으로써, 전압 지령값을 제1 추종 속도보다도 느린 제2 추종 속도로 변화시키게 된다.

또한, 연산부(53)는 가산부(56)의 출력 신호 d5와 최저 출력 전압 d2를 비교하여, d5가 d2보다도 낮은 경우, 즉 가산부(56)의 연산 결과가 최저 출력 전압 d2보다도 낮은 경우에는 출력 단자(OUT3)로부터 출력하는 전압 지령값을 최저 출력 전압 d2로 한다. 따라서, 전압 지시값이 최저 출력 전압 d2에 클램프되므로, 예를 들어 부하에 부속되어 모터의 기동이나 정지를 제어하는 콘택터의 차단을 방지할 수 있다.

도 6에 도시하는 블록도를 참조하여, 도 2에 도시한 주파수 지령 생성부(153)의 상세에 대해 설명한다. 도 6에 도시한 바와 같이 주파수 지령 생성부(153)는 주파수 지시값을 소정의 범위 내에서 스위프하는 스위프 연산부(61)(배율 연산기)와, 소정의 계수 K(0＜K≤1의 범위의 수치)를 곱하는 승산부(62)와, 감산부(63)를 구비하고 있다.

스위프 연산부(61)는 인버터(15)의 외부로부터 입력되는 주파수 지시값에 기초하여, 하기의 수학식 5에 나타내는 연산에 의해 배율 B를 산출하고, 산출한 배율 B를 승산부(62)에 출력한다.

또한, 출력하는 주파수 지령값[감산부(63)의 출력]은 이하의 수학식 6에 의해 구해진다.

단, 수학식 6에 있어서 「f1」은 입력되는 주파수 지령값, 「K」는 승산부(62)에 설정되어 있는 계수이고 0＜K≤1의 관계를 만족시킨다.

수학식 5에 있어서, 예를 들어 전압 지시값 V1이 200볼트, 전압 지령값 V2가 140볼트이고, 입력되는 주파수 지시값이 f1인 경우에는 B＝0.3으로 되고, 스위프 연산부(61)의 출력 신호는 0.3*f1로 된다. 또한, 승산부(62)에서 설정되는 계수 K가 0.5인 경우에는, 상기 승산부(62)의 출력 신호는 0.15*f1로 되고, 감산부(63)에 공급된다. 따라서, 감산부(63)의 출력 신호는 0.85*f1로 되고, 외부로부터 입력되는 주파수 지시값 f1보다도 15％ 낮은 주파수가 주파수 지령값으로 되어 출력된다.

그 후, 전압 지령값 V2가 상승하여 전압 지시값 V1과 일치하면, 수학식 5에서 규정되는 B가 제로로 되므로, 주파수 지시값 f1은 감산부(63)에서 감산되는 일 없이, 그대로 출력되게 된다. 즉, 「0.85*f1」 내지 「f1」의 범위에서 주파수 지령값이 스위프되게 된다. 이와 같이, 주파수 지령값을 스위프시키면서 주파수 지령값 f1까지 증가시킴으로써, 예를 들어 유도 전동기와 같은 유도 부하의 경우, 효율적으로 부하에 에너지를 주입할 수 있으므로, 기동 시간을 짧게 할 수 있어, 컨버터나 엔진의 부담의 경감에 기여한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치(100)의 작용에 대해 설명한다.

도 8은 시간 경과에 수반하는 각 파형의 변화를 나타내는 타이밍차트로, 도 8의 (a)는 부하(18)에 접속되는 전선에 흐르는 선 전류를 도시하고, (b)는 PN 전압[주회로 콘덴서(19)의 단자간 전압]의 변화를 도시하고, (c)는 인버터(15)의 출력 전압을 도시하고, (d)는 인버터(15)로부터 출력되는 전압의 주파수를 도시하고, (e)는 소비 전력 추정값을 도시한다. 또한, 이하에서는 부하(18)로서, 유도 전동기를 사용한 경우에 대해 설명한다.

도 8에 있어서, 시각 t1에서 유도 전동기의 기동 스위치(도시 생략)를 온으로 하면, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이 q축 전류 Iq 및 d축 전류 Id가 흐른다. 또한, 선 전류는 q축 전류 Iq와 d축 전류 Id를 벡터적으로 가산한 전류로 되고, 기동 스위치의 온 직후에 전류 상한 임계값을 초과한다. 즉, 도 4에 도시한 d3＞d4가 성립되므로, 연산부(43)의 출력 단자(OUT1)는 출력 신호로서 최저 출력 전압을 출력하게 된다. 그 결과, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, PN 전압은 PN 전압 설정값에 대해 약간 저하되고, 또한 도 8의 (c)에 도시한 바와 같이, 인버터(15)의 출력 전압은 최저 출력 전압까지 저하된다.

또한, 전압 지시값에 대해 전압 출력값은 작아지므로, 도 6에 도시한 스위프 연산부(61)의 출력 신호는, 예를 들어 「0.3*f1」정도의 신호를 출력하게 되고, 감산부(63)의 출력 신호는 「0.85*f1」 정도로 되므로, 도 8의 (d)에 도시한 바와 같이 인버터(15)의 출력 주파수는 주파수 지시값 f1보다도 약간 낮은 수치(예를 들어, 15％ 낮은 수치)로 된다.

그 결과, 도 8의 (e)에 도시한 바와 같이, 소비 전력 계산부(155)에서 연산되는 소비 전력(소비 전력 추정값)은 소비 전력의 실측값보다도 커진다. 그리고, 이 소비 전력 추정값에 기초하여, 회전수 대응 테이블(155a)(도 7 참조)을 참조하여 엔진(11)의 회전수를 결정한다. 즉, 실제의 부하(18)의 소비 전력보다도 큰 값으로 되는 소비 전력 추정값을 사용하여, 엔진(11)의 회전수를 제어하므로, 부하(18)가 기동을 개시한 직후에는 실제의 소비 전력에 대응하는 회전수보다도 높은 회전수로 엔진(11)이 회전 구동하게 되어, 엔진(11)의 스톨을 방지할 수 있다.

그 후, 유도 전동기에 흐르는 전류(선 전류)가 저하되고, 예를 들어 시각 t2에 있어서 전류 상한 임계값을 하회한다. 그러면, 인버터(15)의 출력 전압이 전압 지시값으로 되는 방향으로 변화된다.

그러나, 이때, 급준하게 전압을 복귀시키면, 유도 전동기에서의 소비 전력이 급격하게 증가하고, 선 전류가 다시 전류 상한 임계값을 상회할 가능성이 있다. 또한, PN 전압도 부하(18)의 기동 종반에서는, 아직 PN 전압 설정값에 도달하고 있지 않고, 낮은 전압에 머물러 있다[도 8의 (b) 참조]. 따라서, 본 실시 형태에서는 인버터(15)의 출력 전압을 서서히 복귀시키기 위해, 도 4에 도시한 승산부(42)(계수 G2)를 사용하고 있다. 즉, 승산부(41)의 출력 신호에 계수 G2(상술한 수학식 5 참조)를 곱함으로써, PN 전압의 상승에 따라서, 출력 전압을 전압 지시값으로 복귀시키므로, 선 전류가 급격하게 상승하는 것을 방지하고, 유도 전동기에 접속되어 있는 콘택터가 차단되는 것을 방지할 수 있다.

도 9는 시간 경과에 대한 선 전류의 변화를 나타내는 타이밍차트[도 8의 (a)에 대응]이고, 곡선 S1은 구동 개시 시에 출력 전압을 저하시킨 경우이고, 곡선 S2는 출력 전압을 저하시키지 않았던 경우를 도시하고 있다. 곡선 S1, S2를 대비하면, 곡선 S1은 S2보다도 최대값이 작게 억제되어 있는 것이 이해된다. 즉, 부하(18)의 기동 시에 인버터(15)의 출력 전압을 저하시킴으로써, 부하(18)에 흐르는 전류값(선 전류)의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 인버터의 제어 유닛에 설치되는 반도체 소자의 소형화에 기여한다.

도 10은 인버터(15)의 출력 주파수를 스위프시켰을 때의 돌입 전류의 변화를 나타내는 타이밍차트를 도시하고 있다. 도 10에 도시하는 곡선 S11은, 도 6에 도시하는 주파수 지시값 f1에 전압 지령값 V2과 전압 지령값 V1의 비로 결정되는 B를 곱한 것에, 승산부(62)에서 설정되는 계수 K를 1.0으로 한 경우를 나타내고, 곡선 S12는 계수 K를 0.5로 한 경우를 도시하고, 곡선 S13은 계수 K를 0.3으로 한 경우의 특성을 나타내고 있다.

그리고, 각 곡선 S11 내지 S13으로부터 이해되는 바와 같이, 계수 K가 큰 경우에는, 부하(18)의 기동 시간은 빨라지지만, 그 반면, 돌입 전류는 커진다. 한편, 계수 K가 작은 경우에는, 돌입 전류는 작지만, 기동 시간은 늦어진다. 본 실시 형태에서는, 계수 K를 적절하게 설정함으로써, 부하(18)의 기동 시에 있어서의 돌입 전류를 억제할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 인버터 발전 장치(100)에서는, 부하 모터를 구동할 때에, PWM 신호 생성부(152)에 출력하는 전압 지령값을 작은 값으로 설정하고, 인버터(15)로부터 출력하는 교류 전압을 저하시킨다. 이때, 부하(18)에 부속되는 콘택터가 차단되지 않도록 설정한 최저 출력 전압(도 4 참조)을 유지한다.

또한, 부하(18)에 흐르는 전류의 급격한 상승을 방지할 수 있고, 과전류의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 반도체 소자 등의 구성 부품의 내전류 특성을 낮게 설정할 수 있으므로, 스위칭 회로(150)에 사용하는 트랜지스터 등의 반도체 소자를 소형화할 수 있다.

또한, 부하(18)의 기동 개시 시에 있어서 주파수 지령값을 스위프시키므로, 부하(18)로서 유도 전동기 등이 설치되어 있는 경우에는 상기 유도 전동기의 기동 시간을 단축할 수 있다. 기동 시간이 짧아진다고 하는 것은, 효율적으로 부하에 에너지가 전파되어 있게 되고, 에너지를 공급하는 컨버터나 엔진으로의 부하의 저감으로 연결된다.

이상, 본 발명의 인버터 발전 장치(100)를 도시한 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 각 부의 구성은 동일한 기능을 갖는 임의의 구성의 것으로 치환할 수 있다.

예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 각 상마다 전류계(157)를 설치하는 구성으로 하였지만, 2개의 상에만 전류계를 설치하는 구성으로 하는 것도 가능하다.

본 발명은 인버터 발전 장치의 효율을 향상시키는 데 이용할 수 있다.

Claims (8)

1. 원동기(11)와, 상기 원동기와 연결한 동기 모터(13)와, 상기 동기 모터와 연결한 컨버터(14)와, 상기 컨버터와 연결한 인버터(15)와, 상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 설치되는 축전기(19)를 구비하고, 상기 원동기에 의해 상기 동기 모터를 회전시켜 교류 전력을 출력하고, 상기 동기 모터로 발전된 교류 전력을 상기 컨버터에 의해 직류화하고, 이 직류 전력을 상기 인버터에 의해 원하는 주파수의 교류 전력으로 변환하는 인버터 발전 장치에 있어서,
   상기 인버터는,
   외부로부터 입력되는 전압의 지시값에 기초하여, 전압 지령값을 생성하여 출력하는 전압 지령 생성기(154)와,
   외부로부터 입력되는 주파수의 지시값에 기초하여, 주파수 지령값을 생성하여 출력하는 주파수 지령 생성기(153)와,
   상기 전압 지령 생성기로부터 출력되는 전압 지령값 및 상기 주파수 지령 생성기로부터 출력되는 주파수 지령값에 기초하여 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성기(152)와,
   복수의 반도체 소자를 갖고, 상기 PWM 신호 생성 수단으로부터 출력되는 PWM 신호에 기초하여 상기 복수의 반도체 소자가 스위칭하여 교류 전력을 생성하는 스위칭 수단(150), 및
   상기 스위칭 수단의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기(156)를 포함하고,
   상기 전압 지령 생성기는,
   상기 전류 검출기에서 검출되는 출력 전류가 미리 설정한 상한 임계값 이하인 통상 시에는 상기 전압의 지시값에 따른 전압 지령값을 생성하여 출력하는 동시에, 상기 출력 전류가 상기 상한 임계값을 초과한 경우에는, 미리 상기 전압의 지시값보다도 낮게 설정한 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값을 출력하는 전압 지령 변경 수단(43)을 구비하는, 인버터 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 최저 출력 전압은 전압 지시값보다도 낮은 값이며 부하의 기동이나 정지를 제어하는 콘택터가 차단되지 않은 전압값으로 설정되는, 인버터 발전 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 지령 생성기는 상기 축전기에 충전된 PN 전압의 검출값과, 상기 축전기에 충전하는 PN 전압의 설정값의 비율인 (PN 전압 검출값)/(PN 전압 설정값)을 구하는 보정 수단을 더 구비하고,
   상기 통상 시에는, 상기 전압의 지시값에, 상기 보정 수단으로 구해진 비율을 곱하여, 상기 전압 지령값을 산출하는, 인버터 발전 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 지령 생성기는 상기 전압 지령 변경 수단의 후단에 설치되는 필터를 더 구비하고,
   상기 필터는 상기 전압 지령 변경 수단으로부터 공급되는 전압 지령값이 저하되는 방향으로 변화된 경우에는, 상기 전압 지령값을 제1 추종 속도로 변화시켜 출력하고,
   상기 전압 지령 변경 수단으로부터 공급되는 전압 지령값이 상승하는 방향으로 변화된 경우에는, 상기 전압 지령 변경 수단으로부터 공급되는 전압 지령값을, 상기 제1 추종 속도보다도 느린 제2 추종 속도로 변화시켜 출력하는, 인버터 발전 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 필터는
   시계열적으로 입력되는 전압 지령값에 대해, 금회 입력되는 전압 지령값으로부터 전회 출력한 전압 지령값을 감하여 얻어지는 편차를 구하여, 이 편차가 플러스의 값인 경우에는 상기 편차에 제1 계수를 곱하고, 상기 편차가 마이너스의 값인 경우에는 상기 제1 계수보다도 큰 제2 계수를 곱하는 승산기와,
   상기 승산기로부터 출력되는 신호에, 전회 출력한 전압 지령값을 가산하여 금회의 전압 지령값을 생성하는 가산기와,
   상기 금회의 전압 지령값(d5)과 상기 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값(d2)을 대비하여, 금회의 전압 지령값이 상기 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값 이상인 경우에는 금회의 전압 지령값을 출력하고, 금회의 전압 지령값이 상기 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값 미만인 경우에는 출력하는 전압 지령값을 상기 최저 출력 전압에 대응하는 전압 지령값에 클램프하여 출력하는 연산 장치를 포함하는, 인버터 발전 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주파수 지령 생성기는,
   외부로부터 입력되는 전압 지시값 V1과 상기 전압 지령 생성기로부터 출력되는 전압 지령값 V2의 비율에 기초하여, 연산식 「1－(V2/V1)」을 사용하여 배율 B를 구하는 배율 연산기와,
   외부로부터 입력되는 주파수 지시값 f1에 대해, f1×(1－K×B)(단, K는 계수)로 규정되는 연산식에 의해, 출력하는 주파수 지령값을 생성하는, 인버터 발전 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 지령 생성기로부터 출력되는 전압 지령값 및 상기 전류 검출기에서 검출되는 출력 전류값에 기초하여, 부하의 소비 전력을 산출하는 소비 전력 계산기를 더 구비하고,
   상기 소비 전력 계산기는 산출한 소비 전력과 상기 원동기의 회전수의 대응 관계를 나타내는 대응 테이블을 구비하고,
   상기 소비 전력이 산출되었을 때에, 상기 소비 전력에 기초하여 상기 대응 테이블을 참조하여 상기 원동기의 회전수를 결정하고,
   결정한 회전수의 데이터를 원동기측으로 전달하여, 상기 원동기가 그 회전수로 회전하도록 제어되는, 인버터 발전 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 소비 전력 계산기는 상기 전류 검출기에서 검출되는 q축 전류 및 d축 전류 및 선간 전류와, 상기 인버터의 출력 전압에 기초하여 유효 전력의 임피던스 Z를 산출하고, 또한 외부로부터 입력되는 전압 지시값에 기초하여 하기 식에 의해 소비 전력 P1을 산출하는, 인버터 발전 장치.
   

   

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