KR101354294B1

KR101354294B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR101354294B1
Application number: KR1020117024674A
Authority: KR
Inventors: 마사키 고노; 게이타 하타나카
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2014-01-23
Also published as: US8736206B2; CN102414978B; MX2011011289A; JP4459301B1; KR20120011013A; EP2426814A4; AU2009345453A1; EP2426814B1; WO2010125637A1; US20120001587A1; EP2426814A1; JPWO2010125637A1; CA2760288C; ZA201107802B; CA2760288A1; CN102414978A; AU2009345453B2; RU2481693C1

Abstract

직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 회전기(1)에 인가하는 전력 변환기(2)와, 외부로부터의 운전 지령(PB)에 기초하여 전력 변환기(2)를 제어하는 제어부(60)를 구비한 전력 변환 장치로서, 교류 회전기(1)에서 검출된 d축 전류 검출값(id), q축 전류 검출값(iq)과 운전 지령(PB)에 기초한 전류 지령값(id*1, iq*1)으로부터, 전력 변환기(2)에 대한 제1 전압 지령값(Vd*1, Vq*1)과, 교류 회전기(1)의 자속(φds, φdr)과, 각주파수(ω1)를 연산 출력하는 제1 연산부(9)와; 제1 연산부(9)로부터 입력되는 자속(φds, φdr)과 각주파수(ω1) 중 적어도 하나를 초기값으로 하여, 전력 변환기(2)에 대한 제2 전압 지령값(Vd*2, Vq*2)과, 각주파수(ω2)를 연산 출력하는 제2 연산부(10)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 속도 검출기를 이용하는 일 없이 교류 회전기를 재기동하는 것이 가능한 전력 변환 장치에 관한 것이며, 특히 타행(惰行)으로부터 재기동에 도달하는 과정이나 운전 중에 정전 등에 의해 전력 변환 장치의 교류 출력이 중단되고, 자유 회전(프리 런(free-run)) 상태에 있는 교류 회전기를 재기동하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

전력 변환 장치에 의해 구동되고 있지 않은 프리 런 상태의 교류 회전기를 재기동하는 경우, 전력 변환 장치로부터 공급하는 출력 전압의 주파수, 위상, 및 진폭을, 프리 런 상태의 교류 회전기의 회전 주파수, 잔류 전압 위상, 및 진폭과 일치시키는 것이 필요하게 된다. 만약, 전압 위상 및 진폭에 차가 있으면 전력 변환 장치에 큰 전류가 흐르고, 주파수에 차가 있으면 교류 회전기에 급격한 토크를 발생시키게 된다.

이와 같은 문제를 해소하는 수단으로서 하기 특허 문헌 1에 나타나는 종래 기술은 자속 추정값을 연산하는 유도 전동기 모델부와, 유도 전동기 모델부로부터의 자속 추정값을 입력하여 전류 추정값을 연산하는 모터 전류 추정부의 사이에, 전기차가 타행으로부터 재기동에 도달하는 과정에서 자속 추정값의 증가를 보정하는 자속 추정값 보정부를 마련하는 것에 의해, 프리 런 상태에 있는 교류 회전기를 재기동할 때의 불안정성을 저감시키고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개 2002-374699호 공보

그렇지만 상기 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에서는 1차, 2차 d축 자속 추정값에 자속 지령 등으로부터 산출한 적당한 값을 설정하고 있기 때문에, 재기동 시에 속도 추정값이 약간 저하하는 것에 의해, 직류측의 전압이 상승하는 경우가 있다고 하는 과제가 있었다. 또, 상기 특허 문헌 1의 종래 기술에는 2개의 속도 추정 수단을 이용한 계속성에 대해 기재되어 있지 않다.

본 발명은 상기에 감안하여 이루어진 것으로서, 회전 검출기를 이용하는 일 없이, 프리 런 상태에 있는 교류 회전기를 재기동할 때에 있어서 토크 쇼크의 추가 저감이 가능한 전력 변환 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 회전기에 인가하는 전력 변환기와, 외부로부터의 운전 지령에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 제어부를 구비한 전력 변환 장치로서, 상기 교류 회전기에서 검출된 전류 정보와 상기 운전 지령에 기초한 전류 지령값으로부터, 상기 전력 변환기에 대한 제1 전압 지령값과, 상기 교류 회전기의 자속과, 상기 교류 회전기의 프리 런 속도인 제1 속도를 연산 출력하는 제1 연산부와; 상기 제1 연산부로부터 입력되는 상기 제1 속도와 상기 교류 회전기의 자속 중 적어도 하나를 초기값으로 하여, 상기 전력 변환기에 대한 제2 전압 지령값과, 상기 교류 회전기의 구동 속도인 제2 속도를 연산 출력하는 제2 연산부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 교류 회전기가 정지 또는 자유 회전 중의 여하에 관계없이, 제어 모드 신호에 따라 전압 지령의 값을 판단하고, 당해 판단 결과에 따라 전압 지령을 전환하도록 했으므로, 프리 런 상태에 있는 교류 회전기를 재기동할 때에 있어서 토크 쇼크의 추가 저감을 실현할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치에 의한 각 신호의 동작을 설명하는 타임차트이다.
도 3은 제1 연산부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 전류 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 제2 연산부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 전압 지령 전환부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 속도 전환부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 실시 형태 2에 의한 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 구성도이다.
도 9는 실시 형태 2에 의한 제2 연산부를 나타내는 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 속도 보정부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 블록도이며, 도 2는 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치에 의한 각 신호의 동작을 설명하는 타임차트이다. 도 1에 있어서, 전력 변환 장치는 주된 구성으로서, 제어부(60)로서 기능하는 제어 전환부(12), 전류 지령부(11), 제1 연산부(9), 제2 연산부(10), 속도 전환부(7), 전압 지령 전환부(8), 위상 연산부(6), 3상(相)/dq 변환부(4), dq/3상 변환부(5), 및 전력 변환기(2)를 가지고 구성되어 있다.

교류 회전기인 유도기(1)는 직류를 임의의 주파수의 교류로 변환하는 전력 변환기(2)에 접속되고, 전력 변환기(2)는 유도기(1)에 3상의 전압을 인가한다. 교류측의 전류 검출부(3a, 3b, 3c)는 유도기(1)에 발생하는 3상의 상전류(iu, iv, iw)를 검출한다. 이 상전류(iu, iv, iw)는 dq/3상 변환부(5)에 주어진다.

또한, 도 1에서는 전력 변환기(2)와 유도기(1)를 접속하는 3개의 결선(結線)에, 교류측의 전류 검출부(3a, 3b, 3c)로서의 CT 등(전류 변성기)을 기재하고 있지만, 다른 공지된 수법을 이용하여 상전류를 검출해도 좋다. 또, iu+iv+iw=0인 관계가 성립되므로, 예를 들어 u상과 v상의 2개 결선에 CT를 배치하면, w상의 상전류(iw)는 u, v 2상분의 검출 전류로부터 구할 수도 있으므로, w상의 전류 검출부(3c)를 생략해도 좋다.

또, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에서는 일례로서 교류 회전기를 유도기(1)로 하여 제어한 경우의 실시 형태로서 그 효과를 설명하지만, 유도기(1)는 동기기(同期機)에서도 동일한 효과를 기대할 수 있는 것은 물론이다. 또, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는 교류 회전기 외에, 예를 들어 리니어 인덕션 모터, 리니어 동기 모터나 솔레노이드 등의 전자 액추에이터를 구동 제어하는 전력 변환 장치로서도 적용하는 것도 가능하다.

또, 공지한 대로, 3상 전압 또는 3상 전류를 회전 직교 2축으로 좌표 변환할 때에, 제어 좌표축이 필요하지만, 소정의 각주파수(ω)에 기초하여 회전 2축 좌표인 제어 좌표축의 위상을 θ로 한다. 이 위상(θ)은 소정의 각주파수를 위상 연산부(6)에서 적분한 값이다. 위상 연산부(6)는 소정의 각주파수(ω)를 적분하고, 위상(θ)으로서 3상/dq 변환부(4) 및 dq/3상 변환부(5)에 출력한다.

dq/3상 변환부(5)는 위상 연산부(6)로부터 입력하는 위상(θ)에 기초하여, 전류 검출부(3a, 3b, 3c)로부터 얻어진 상전류(iu, iv, iw)를, 전류 정보인 dq좌표축 상에서의 d축 전류 검출값(id) 및 q축 전류 검출값(iq)으로 변환하고, d축 전류 검출값(id) 및 q축 전류 검출값(iq)을 제1 연산부(9) 및 제2 연산부(10)에 각각 출력한다.

본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치가 예를 들어 전철에 탑재되어 있는 경우, 가속을 나타내는 역행(力行) 지령(P) 또는 브레이크 지령(B)을 나타내는 노치 지령 등을 의미하는 운전 지령(PB)이 운전대로부터 제어 전환부(12)에 입력된다. 제어 전환부(12)는 운전 지령(PB)의 입력에 의해, 제어 모드 신호(chsg)를 생성한다.

제어 전환부(12)는 외부로부터의 운전 지령(PB)이 입력되면, 우선 제어 모드 신호(chsg)를 제1 제어 신호인 제어 모드 1 신호로 하고, 다음에 운전 지령(PB)이 입력되고 나서 소정의 시간이 경과하고 나서, 제어 모드 신호(chsg)를 제2 제어 신호인 제어 모드 2 신호로 한다. 제어 모드 1 신호는 유도기(1)의 속도 추정을 개시하는 트리거로서 기능하고, 제어 모드 2 신호는 제어 모드 1 신호 대신에 제어를 전환하기 위한 신호로서 기능한다.

또, 상술한 소정의 시간은 제1 연산부(9)의 동작 시간 특성을 고려하여, 제1 속도인 유도기(1)의 프리 런 속도(이하 「각주파수」라고 칭함; ω1)를 정확하게 연산하는데 필요 충분한 시간으로서 설정한다. 본 실시 형태에서는 제어 모드 1 신호의 시간은 운전 지령(PB)이 입력되고 나서, 0.1초보다 짧은 시간으로 한다. 이에 의해, 운전수가 운전 지령(PB)을 입력하고 나서, 전력 변환기(2) 및 유도기(1)의 가감 속도 동작의 지연을 신경쓸 일이 없어진다고 하는 효과가 얻어진다. 예를 들어, 이 시간이 길면, 역행 지령(P)이 입력되어도 전력 변환기 및 유도기(1)가 좀처럼 가속되지 않기 때문에 운전수가 위화감을 느끼지만, 제어 모드 1을 짧게 하면, 그러한 운전수의 위화감을 해소할 수 있다.

제어 전환부(12)로부터 출력된 제어 모드 신호(chsg)는 전류 지령부(11), 전압 지령 전환부(8), 속도 전환부(7), 및 제1 연산부(9)에 각각 입력된다. 전류 지령부(11)는 유도기(1)에 대응한 전류 지령값인 자속축 전류 지령(이하 「d축 전류 지령」이라고 칭함; id*1) 및 토크축 전류 지령(이하 「q축 전류 지령」이라고 칭함; iq*1)을 생성하고, 제어 모드 1 신호와 동기하여 출력한다. 또, 전류 지령부(11)는 자속축 전류 지령(id*2) 및 토크축 전류 지령(iq*2)을 생성하고, 제어 모드 2 신호와 동기하여 출력한다.

도 2에 있어서, d축 전류 지령(id*1)은 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1일 때에 소정의 값을 출력하고, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 2로 됐을 때에 0의 값으로 된다. 즉, 제어 모드 1일 때에 소정의 값을 출력하고, 그 이외는 0을 출력한다. 또, q축 전류 지령(iq*1)은 제어 모드 1, 2에 관계없이 0을 출력한다.

d축 전류 지령(id*2)은 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1일 때는 영이며, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 2로 됐을 때에 소정의 값을 출력한다. q축 전류 지령(iq*2)은 d축 전류 지령(id*2)과 동일하게, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1일 때는 영이며, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 2로 됐을 때에 소정의 값을 출력한다.

(제1 연산부)

도 3은 제1 연산부(9)의 구성을 나타내는 블록도이다. 제1 연산부(9)는 주된 구성으로서, 전류 제어부(16), 2차 d축 자속 연산부(13), 저항값 게인부(곱셈기; 17a, 17b), 감산기(14a, 14b), 적분부(18), 및 나눗셈기(15)를 가지고 구성되어 있다.

제1 연산부(9)는 d축 전류 지령(id*1), q축 전류 지령(iq*1), d축 전류 검출값(id), q축 전류 검출값(iq), 및 제어 모드 신호(chsg)를 입력으로 하고, 출력 전압의 각주파수에 동기하여 회전하는 회전 2축(d-q축) 상의 d축 전압으로부터 d축 저항 강하를 감산한 값에 기초하여 자속 진폭을 연산하고, q축 전압으로부터 q축 저항 강하를 감산한 값을, 상술한 자속 진폭으로 나눗셈하고, 자유 회전 중인 유도기(1)의 각주파수(ω1)를 연산한다.

이하, 제1 연산부(9)에 의한 각주파수(ω1)의 연산에 대해서 설명한다. 회전 2축(d-q축)이 소정의 각주파수(ω)에서 회전하고 있는 경우, 유도기(1)의 전기자(1차) 자속의 d축 성분과 q축 성분은 (1), (2)식으로 표현할 수 있다.

여기서, Rs는 전기자 저항이다. 또, 유도기(1)가 출력하는 토크(τm)는 전기자 자속과 전기자 전류의 외적(外積)의 크기에 비례하여, (3)식으로 표현할 수 있다. 또한, Pm은 모터의 극대수(極對數)를 나타낸다.

회전 2축의 d축 방향과 전기자 자속의 방향이 일치하고 있는 경우, φqs=0으로 된다. 그래서 (1), (2)식에 φqs=0을 대입하면, (4), (5)식을 얻는다.

즉, 회전 2축(d-q축)을, (4), (5)식에 따라서 연산한 각주파수(ω1)에 동기하여 회전하도록 하면, 회전 2축의 d축 방향과 전기자 자속의 방향은 일치한다. 그래서 제1 연산부(9)는 곱셈기(17a), 감산기(14a), 적분부(18)에 의해, (4)식 우변의 연산을 행하고, 곱셈기(17b), 감산기(14b), 나눗셈기(15)에 의해 (5)식 우변의 연산을 행하여 얻은 각주파수(ω1)에 동기하여 회전하도록, 회전 2축(d-q축)을 정했으므로, d축 방향과 전기자 자속의 방향을 일치시켜서 q축 전기자 자속(φqs)=0을 유지할 수 있다.

또, 전류 제어부(16)에는 q축 전류 지령(iq*1)에 0을 주는 것에 의해, q축 전류(iq)를 영으로 유지할 수 있어, 불필요한 토크를 발생시키는 일 없이, 자유 회전 중인 유도기(1)의 속도를 추정할 수 있는 효과가 있다. 또한, d축 전류 지령(id*1)은 소정의 값을 주면 좋으며, 예를 들어, 계단적인 소정 값이나 1차 지연시켜서 소정의 값을 주어도 좋다.

제1 연산부(9)는 운전 지령(PB)이 입력되고, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1일 때, 미리 설정된 소정의 시간(초기 속도 추정 시간)만큼 동작한다. 그 소정의 시간은 전차용의 유도기(1)에서 30msec 이상에서 100msec(0.1초)보다 짧은 시간이다. 또한, 하한값을 30msec로 한 이유는 예를 들어, 전차용 모터(정격 전력: 100kW ~ 600kW)의 경우, 모터의 2차 시정수가 300msec보다 길고, 제1 연산부(9) 내 전류 제어부(16)의 전류 제어 응답을 고려하면, 2차 시정수 300msec의 1/10인 시간보다도 긴 제어 응답밖에 실현될 수 없다는 것을 발명자가 발견했기 때문이다. 이 때문에, 모터의 2차 시정수 300msec로부터, 30msec 이상의 초기 속도 추정 시간이 필요하게 된다.

이와 같이 설정된 소정의 시간에 의해, 프리 런 중인 유도기(1)의 속도(회전수)를 정확하게 검출할 수 있다는 점이 제1 연산부(9)의 특징이다. 또, 0.1초보다 짧은 시간에서 제어하는 것에 의해, 초기 속도 추정 기간에 의한 운전수가 가속, 감속에 위화감을 가지지 않는다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 전류 제어부(16)의 구성을 나타내는 블록도이다. 전류 제어부(16)는 감산기(19a, 19b), 전류 전환부인 전환부(20a, 20b), 전류 제어 비례 게인(Kp)을 곱하는 곱셈기(21a, 21b), 전류 제어 적분 게인(KI)을 곱하는 곱셈기(22a, 22b), 및 적분부(23a, 23b)를 가지고 구성되어 있다.

전류 제어부(16)는 d축 전류 지령(id*1), q축 전류 지령(iq*1), d축 전류 검출값(id), q축 전류 검출값(iq), 및 제어 모드 신호(chsg)를 입력으로 하여, q축 전압 지령(Vq*1) 및 q축 전압 지령(Vq*1)을 연산한다.

전환부(20a, 20b)는 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1인 경우, 접점(B)과 접점(C)을 접속하고, 제어 모드 1 이외일 때, 접점(A)과 접점(C)을 접속한다. 접점(A)에는 id*1, iq*1 이외의 값으로서, 예를 들어 영이 입력되고 있기 때문에, 제어 모드 1로부터 제어 모드 2로 이행했을 때, d축 전압 지령(Vd*1) 및 q축 전압 지령(Vq*1)의 값은 적분부(23a, 23b)의 값이 출력되게 된다. 즉, 적분부(23a, 23b)에 모인 값이, 가산기(24a, 24b)를 통하여, 전류 제어부(16)로부터 그대로 출력된다. 또한, 접점(A)에 입력되는 값이 영으로 한정되는 것은 아니다.

또, 도 3에 있어서, 제1 연산부(9)의 2차 d축 자속 연산부(13)는 이하에 나타내는 (6)식으로부터 2차 d축 자속(φdr)을 연산한다. 또한, Rr: 2차 저항, M: 상호 인덕턴스, Lr: 2차 인덕턴스를 나타낸다.

다음에, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1로부터 제어 모드 2로 이행했을 때, 즉 제1 연산부(9)에 의해 프리 런 중인 유도기(1)의 속도를 정확하게 검출한 후, 제1 연산부(9)의 출력인 제1 전압 지령값(Vd*1, Vq*1)으로부터 제2 연산부(10)의 출력인 제2 전압 지령값(Vd*2, Vq*2)으로 이행시키는 수단에 대해서 설명한다.

(제2 연산부)

도 5는 제2 연산부(10)의 구성을 나타내는 블록도이다. 제2 연산부(10)는 주된 구성으로서, 전압 지령 연산부(25), 슬립 주파수 연산부(26), 및 모터 주파수 추정부(28)를 가지고 구성되어 있다.

전압 지령 연산부(25)는 벡터 제어로서 이하의 (7), (8)식을 이용하여, d축 전압 지령(Vd*2) 및 q축 전압 지령(Vq*2)을 연산한다.

주파수 연산부(26)는 d축 전류 지령(id*2), q축 전류 지령(iq*2)을 입력으로 하고, 모터 정수로부터 벡터 제어로서 이하의 (9)식을 이용하여, 슬립 주파수(ωs)를 연산한다.

가산기(27)는 슬립 주파수 연산부(26)에서 연산된 슬립 주파수(ωs)와 후술 하는 모터 각주파수(ωr)를 가산한다. 모터 주파수 추정부(28)는 자속 추정부(30), 적분부(31a, 31b, 31c, 31d), 및 로터 회전 주파수 추정부(29)를 가지고 구성되어 있다.

자속 추정부(30)는 d축 전압 지령(Vd*2) 및 q축 전압 지령(Vq*2)을 입력으로 하고, 추가로 피드백 신호로서 1차 d축 자속 추정값(pds), 1차 q축 자속 추정값(pqs), 2차 d축 자속 추정값(pdr), 2차 q축 자속 추정값(pqr), 제2 속도인 인버터 각주파수(ω2), 및 로터 회전 주파수 추정부(29)의 출력인 모터 각주파수(ωr)를 입력으로 한다. 자속 추정부(30)는 이들 입력에 기초하여, 각 자속 추정값의 미분값(dpds, dpqs, dpdr, dpqr)을 (10)식으로 연산한다.

적분부(31a, 31b, 31c, 31d)는 다음의 (11)식에 의해, 각 자속 추정값의 미분값(dpds, dpqs, dpdr, dpqr)을 적분하여, 각 자속 추정값(pds, pqs, pdr, pqr)을 연산한다.

(11)식에 나타내는 바와 같이, 1차 d축 자속 추정값(pds)은 제1 연산부(9)에서 연산된 1차 d축 자속(φds)을 초기값으로 하고, 2차 자속 추정값(pdr)은 제1 연산부(9)에서 연산된 2차 d축 자속(φdr)을 초기값으로 한다. 이에 의해, 모터 주파수 추정부(28)에서 연산되는 모터 각주파수(ωr)의 거동(擧動)을, 실모터 각주파수에 신속하게 일치시킬 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

로터 회전 주파수 추정부(29)는 각 자속 추정값(pds, pqs, pdr, pqr)을 입력으로 하여, d축 전류 추정값(ids) 및 q축 전류 추정값(iqs)을 (12)식으로 연산한다.

또, 로터 회전 주파수 추정부(29)는 dq축의 전류 추정값(ids, iqs)과 dq축의 전류 검출값(id, iq)으로부터, d축 전류 오차 벡터(eid) 및 q축 전류 오차 벡터(eiq)를 (13)식으로 연산한다.

또, 로터 회전 주파수 추정부(29)는 dq축의 전류 오차 벡터(eid, eiq)와 2차 d축 자속 추정값(pdr), 2차 q축 자속 추정값(pqr)을 입력으로 하여, 로터 회전 가감 속도 연산값(aωr)을 (14)식으로 연산한다. 단, kap: 로터 회전 가감 속도 연산 비례 게인, Tapi: 로터 회전 가감 속도 적분 시정수, s:라플라스 연산자이다.

또, 로터 회전 주파수 추정부(29)는 (14)식으로 연산한 로터 회전 가감 속도 연산값(aωr)을 적분하고, 모터 주파수 추정부(28)에서 연산되는 모터 각주파수(ωr)를 (15)식으로 연산한다.

모터 각주파수(ωr)는 자속 추정값의 연산과 동일하게, 제1 연산부(9)에서 연산된 각주파수(ω1)를 초기값으로 한다. 연산된 모터 각주파수(ωr)는 (16)식에서 나타나는 바와 같이, 가산기(27)에서 슬립 주파수(ωs)와 가산되어, 인버터 각주파수(ω2)로 된다.

(전압 지령 전환부)

도 6은 전압 지령 전환부(8)의 구성을 나타내는 블록도이다. 전압 지령 전환부(8)는 주된 구성으로서, 제1 전압 지령 전환 판단부(50), 제2 전압 지령 전환 판단부(51), 및 전압 전환부인 전환부(32a, 32b)를 가지고 구성되어 있다. 제1 전압 지령 전환 판단부(50)는 비교기(33a) 및 논리곱부(34a)를 가지고, 제2 전압 지령 전환 판단부(51)는 비교기(33b) 및 논리곱부(34b)를 가지고 있다.

또, 전압 지령 전환부(8)는 제1 연산부(9)에서 연산된 d축 전압 지령(Vd*1) 및 q축 전압 지령(Vq*1)과, 제2 연산부(10)에서 연산된 d축 전압 지령(Vd*2) 및 q축 전압 지령(Vq*2)과, 제어 모드 신호(chsg)를 입력으로 한다.

이 전압 지령 전환부(8)는 본 실시 형태의 특징이며, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1로부터 제어 모드 2로 전환되어도, Vd*2가 Vd*1보다 작으면, Vd*1을 d축 전압 지령(Vd*)으로 하는 것이다. 이 동작은 비교기(33a), 논리곱부(34a), 및 전환부(32a)에 의해 실현되어 있고, 동일한 동작을 q축 전압 지령(Vq*2, Vq*1, Vq*)에 대해서도 행한다.

이 동작을 도 2를 이용하여 상세하게 설명하면, 예를 들어, 비교기(33b) 및 논리곱부(34b)는 제어 모드 1이 제어 모드 2로 전환된 시점(t2)에서, Vq*2의 값이 Vq*1보다 작다고 판단한 경우, 전환부(32b)는 접점(B)과 접점(C)을 접속하여 Vq*1을 Vq*로서 출력한다. 그리고 Vq*2의 값이 Vq*1과 거의 일치한 시점(t3)에서, 전환부(32b)는 접점(A)과 접점(C)을 접속하여 Vq*2를 Vq*로서 출력한다. 또한, 도 2에 있어서, 변조율(PMF)의 변화는 인버터 출력 전압 지령의 크기를 인버터가 출력 가능한 최대 전압에 대한 비율로 나타낸 것이지만, q축 전압 지령(Vq*)과 거의 동일하게 변화한다.

(속도 전환부)

도 7은 속도 전환부(7)의 구성을 나타내는 블록도이다. 속도 전환부(7)는 제1 연산부(9)에서 연산된 각주파수(ω1)와, 제2 연산부(10)에서 연산된 인버터 각주파수(ω2)와, 제어 모드 신호(chsg)를 입력으로 하는 전환부(35)를 가지고 구성되어 있다.

전환부(35)는 제어 모드 신호(chsg)가 제어 모드 1로부터 제어 모드 2로 전환되면, 접점(A)과 접점(C)을 접속한다. 그 결과, 제2 연산부(10)에서 연산된 인버터 각주파수(ω2)가 ω로 되어, 위상 연산부(6)에 ω가 입력된다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는 전류 검출부(3a ~ 3c)에서 검출된 전류에 기초하여 유도기(1)의 속도 정보인 q축 전압 지령(Vq*1) 및 d축 전압 지령(Vd*1)을 연산하는 제1 연산부(9)와, 제1 연산부(9)에서 연산된 1차 d축 자속(φds)과 2차 d축 자속(φdr) 및 속도 추정값(ω1)을 초기값으로 하여 q축 전압 지령(Vq*2)과 d축 전압 지령(Vd*2) 및 인버터 각주파수(ω2)를 출력하는 제2 연산부(10)를 구비하도록 했으므로, 모터 각주파수의 거동을 실모터 각주파수에 신속하게 일치시키는 것이 가능하다. 또, 제어 모드 신호(chsg)에 따라, q축 전압 지령(Vq*1) 및 q축 전압 지령(Vq*2)의 값을 판단하고, d축 전압 지령(Vd*1) 및 d축 전압 지령(Vd*2)의 값을 판단하여 전압 지령을 출력하는 전압 지령 전환부(8)와, 제어 모드 신호(chsg)에 따라 속도 추정값(ω1) 또는 인버터 각주파수(ω2)를 전환하여 위상 연산부(6)에 출력하는 속도 전환부(7)를 구비하도록 했으므로, 종래 기술에 비교하여 유도기(1)가 재기동했을 때의 토크 쇼크를 경감하는 것이 가능하다. 또, 제어 모드 1 신호의 시간이 0.1초 이하로 설정된 제어 전환부(12)를 구비하도록 했으므로, 운전 지령(PB)이 입력되고 나서 전력 변환기(2) 및 유도기(1)가 가감 속도 동작을 개시할 때까지의 지연이 억제되므로, 운전수에 대한 위화감을 해소하는 것이 가능하다.

실시 형태 2.

본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는 제1 연산부(9)에서 연산된 속도 추정값(ω1)에, 소정의 게인인 보정 게인을 주는 것에 의해, 실제의 모터 주파수보다 높은 값의 속도 추정값을 연산하고, 직류측의 전압 상승을 회피할 수 있도록 구성되어 있다. 이하, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 제어 장치의 구성 및 동작을 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 같은 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 다른 부분에 대해서만 설명한다.

도 8은 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 블록도이며, 도 9는 실시 형태 2에 따른 제2 연산부(36)의 구성을 나타내는 블록도이다. 제2 연산부(36)는 제1 연산부(9)에서 연산된 속도 추정값(ω1)에 보정 게인을 곱하고, 그 보정 게인을 곱한 각주파수(ω1h)를, 로터 회전 주파수 추정부(29)의 속도의 초기값으로서 설정하는 테이블인 속도 보정부(37)를 구비하고 있다.

이하, 속도 추정값(ω1)에 보정 게인을 주는 이유로 대해 설명한다. 제1 연산부(9)에 의해 추정된 ω1이, 도 2의 t1로부터 t2로 나타낸 실선과 같이 추정된 경우에, 이 ω1의 값(실선)이, 실제 유도기(1)의 회전 속도보다도 작을 때, 유도기(1)는 회생 모드로 된다. 이와 같이, 유도기(1)가 회생 모드로 된 경우, 회생된 전력은 전력 변환기(2)에 인가되고, 전력 변환기(2)의 1차측에 설치되어 있는 컨덴서(38)의 전압이 상승하게 된다. 이와 같은 사태를 회피하는 수단으로서, 속도 보정부(37)는 제1 연산부(9)에서 연산된 속도 추정값(ω1)의 값에 따라, 속도 추정값(ω1)에 소정의 보정 게인을 곱하여 ω1h로 한다.

도 10은 속도 보정부(37)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그래프의 횡축은 제1 연산부(9)에서 연산된 속도 추정값(ω1)을 나타내고, 종축은 보정 후의 속도 추정값(ω1h)이다. 또, 도 10에는 속도 추정값(ω1)에 1.00배의 보정 게인을 곱한 경우의 특성과, 속도 추정값(ω1)에 소정의 보정 게인을 곱한 경우의 특성이 나타나 있다.

속도 보정부(37)는 모터 주파수가 낮은 영역에서는 속도 추정값(ω1)에, 예를 들어 1.05배의 게인을 주고, 모터 주파수가 높은 영역에서는 예를 들어 1.01배의 게인을 준다. 이와 같이, 속도 보정부(37)는 모터 주파수의 값에 따라 속도 추정값(ω1)에 주는 게인이 바뀌도록 구성되어 있다. 또한, 게인의 값은 일례를 나타내는 것이며, 이러한 값으로 한정되는 것은 아니다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는 로터 회전 주파수 추정부(29)에서 설정되는 초기값에 소정의 게인을 부가하는 속도 보정부(37)를 구비하도록 했으므로, 실제 유도기(1)의 모터 주파수보다 높은 값을 설정할 수 있으므로, 회생 전력이 컨덴서(38)에 인가되는 일 없이, 직류측의 전압 상승을 회피하는 것이 가능하다.

또한, 제2 연산부(10)는 d축 자속(φds, φdr) 및 각주파수(ω1) 중 적어도 하나를 초기값으로 하여 연산하도록 구성해도 좋다. 또, 실시 형태 1 및 2에 나타낸 전력 변환 장치는 본 발명의 내용에 대한 일례를 나타내는 것이며, 또다른 공지된 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 일부를 생략하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능하다는 것은 물론이다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명은 속도 검출기를 이용하는 일 없이 교류 회전기를 재기동하는 것이 가능한 전력 변환 장치에 적용 가능하고, 특히 프리 런 상태에 있는 교류 회전기를 재기동할 때에 있어서 토크 쇼크나 직류측의 전압 상승을 더욱 저감 하는 발명으로서 유용하다.

1 유도기(교류 회전기)
2 전력 변환기
3a, 3b, 3c 전류 검출부
4 3상/dq 변환부
5 dq/3상 변환부
6 위상 연산부
7 속도 전환부
8 전압 지령 전환부
9 제1 연산부
10 제2 연산부
11 전류 지령부
12 제어 전환부
13 2차 d축 자속 연산부
14a, 14b 감산기
15 나눗셈기
16 전류 제어부
17a, 17b 저항값 게인부
18, 31a, 31b, 31c, 31d 적분부
19a, 19b 감산기
20a, 20b 전환부(전류 전환부)
21a, 21b, 22a, 22b 곱셈기
23a, 23b 적분부
24a, 24b, 27 가산기
25 전압 지령 연산부
26 슬립 주파수 연산부
28 모터 주파수 추정부
29 로터 회전 주파수 추정부
30 자속 추정부
32a, 32b 전환부(전압 전환부)
35 전환부
33a, 33b 비교기
34a, 34b 논리곱부
36 제2 연산부
37 속도 보정부
38 컨덴서
50 제1 전압 지령 전환 판단부
51 제2 전압 지령 전환 판단부
60 제어부
chsg 제어 모드 신호
dpds, dpqs, dpdr, dpqr 미분값
id d축 전류 검출값(전류 정보)
iq q축 전류 검출값(전류 정보)
iu, iv, iw 상전류(전류 정보)
id*1 제1 연산부용 d축 전류 지령(전류 지령값)
iq*1 제1 연산부용 q축 전류 지령(전류 지령값)
id*2 제2 연산부용 d축 전류 지령(전류 지령값)
iq*2 제2 연산부용 q축 전류 지령(전류 지령값)
ids d축 전류 추정값
iqs q축 전류 추정값
Kp 전류 제어 비례 게인
KI 전류 제어 적분 게인
PB 운전 지령
PMF 변조율
pds 1차 d축 자속 추정값
pqs 1차 q축 자속 추정값
pdr 2차 d축 자속 추정값
pqr 2차 q축 자속 추정값
Vd* d축 전압 지령(전압 지령값)
Vq* q축 전압 지령(전압 지령값)
Vd*1 제1 연산부에서 연산된 d축 전압 지령(제1 전압 지령값)
Vq*1 제1 연산부에서 연산된 q축 전압 지령(제1 전압 지령값)
Vd*2 제2 연산부에서 연산된 d축 전압 지령(제2 전압 지령값)
Vq*2 제2 연산부에서 연산된 q축 전압 지령(제2 전압 지령값)
φds 1차 d축 자속
φdr 2차 d축 자속
ω1 자유 회전 중인 유도기의 각주파수(제1 속도)
ω2 인버터 각주파수(제2 속도)
ωr 모터 각주파수
ωs 슬립 주파수

Claims

직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 회전기에 인가하는 전력 변환기와,
외부로부터의 운전 지령에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 제어부를 구비한 전력 변환 장치로서,
상기 교류 회전기에서 검출된 전류 정보와 상기 운전 지령에 기초한 전류 지령값으로부터, 상기 전력 변환기에 대한 제1 전압 지령값과, 상기 교류 회전기의 자속과, 상기 교류 회전기의 프리 런(free-run) 속도인 제1 속도를 연산 출력하는 제1 연산부와,
상기 제1 연산부로부터 입력되는 상기 제1 속도와 상기 교류 회전기의 자속 중 적어도 하나를 초기값으로 하여, 상기 전력 변환기에 대한 제2 전압 지령값과, 상기 교류 회전기의 구동 속도인 제2 속도를 연산 출력하는 제2 연산부와,
상기 운전 지령이 입력되면 제1 제어 신호를 생성 출력하고, 상기 운전 지령의 입력으로부터 소정 시간 후에 상기 제1 제어 신호 대신에 제2 제어 신호를 생성 출력하는 제어 전환부와,
상기 제1 제어 신호로부터 상기 제2 제어 신호로 전환된 시점에서, 상기 제1 속도를 상기 제2 속도로 전환하는 속도 전환부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 연산부는 상기 제1 제어 신호에 기초하여 상기 제1 전압 지령값과, 상기 교류 회전기의 자속과, 상기 제1 속도를 연산 출력하고,
상기 제2 연산부는 상기 제2 제어 신호에 기초하여 상기 제2 전압 지령값과, 상기 제2 속도를 연산 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전압 지령값과 상기 제2 전압 지령값에 기초하여, 상기 전력 변환기의 전압 지령값을 연산 출력하는 전압 지령 전환부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 전압 지령값과 상기 제1 전압 지령값이 일치한 시점에서, 상기 제1 전압 지령값으로부터 상기 제2 전압 지령값으로 전환하는 전압 지령 전환부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 전압 지령 전환부는
상기 제2 전압 지령값과 상기 제1 전압 지령값이 일치하는지의 여부를 판단하는 전압 지령 전환 판단부와,
상기 판단의 결과에 따라서 상기 제1 전압 지령값으로부터 상기 제2 전압 지령값으로 전환하는 전압 전환부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 연산부는 상기 제1 제어 신호와 상기 교류 회전기에서 검출된 전류 정보와 상기 운전 지령에 기초한 전류 지령값으로부터, 상기 제1 전압 지령값을 생성 출력하는 전류 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 전류 제어부는 상기 제1 제어 신호로부터 상기 제2 제어 신호로 전환된 경우, 상기 전류 지령값을 영으로 전환하여 출력하는 전류 전환부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 제1 연산부는 d축 자속을 연산할 때에 q축 자속을 0으로 하여 산출하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 연산부는 상기 제1 속도에 소정의 게인을 곱하는 속도 보정부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 소정 시간은 0.1초보다 짧은 시간인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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