(57)【要約】電流計測器に異常が生じた場合にＶ／Ｆ制御系に切り替えて電動機の運転制御を継続する構成では、発生トルクを正確に制御することが困難である。  三相交流で電動機１を駆動するインバータ２と、インバータ２の交流電流を相ごとに計測する電流計測器５ａ〜５ｃと、外部から入力される指令値に基づいて、回転する直交座標系でインバータ２の電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した電圧を出力するようにインバータ２を制御するインバータ制御部４とを備え、電流計測器５ａ〜５ｃに異常がある場合に、インバータ制御部４において、電流フィードバック制御を停止し、電圧演算部１０の出力を電圧指令値とし、電動機１の回路定数に基づいて電流指令値と等しい電流をインバータが出力するような電圧指令値を電圧演算部１０が演算する。
2008026269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流で電動機を駆動するインバータと、
該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、
前記電動機の回転状態を計測する回転センサと、
外部から入力される指令値に基づいて、回転する直交座標系である回転座標系で前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、
所定の条件で、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とし、前記電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような前記電圧指令値を前記電圧演算部が演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電流計測器が正常に電流を計測できているかどうかを監視する電流計測器異常検知部とを備え、
正常に電流を計測できていない前記電流計測器の数が所定個以上の場合に、前記所定の条件が成立する場合とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記インバータを構成するスイッチング素子が過電流に対する自己保護機能を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電流フィードバック制御部の出力とゼロ信号とを切り替えて出力するスイッチと、該スイッチの出力と前記電圧演算部の出力とを加算して前記電圧指令値とする加算器とを前記インバータ制御部が有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電動機を誘導電動機とし、前記回転座標系の一軸を二次磁束軸に一致させ、トルク指令値と二次磁束指令値を外部から入力し、
前記インバータ制御部が、前記電流指令値からすべり角速度指令値を演算するすべり角速度演算部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電流フィードバック制御部が、前記電動機の一次側の電圧降下分を分担してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動制御する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機のベクトル制御技術は、トルクを高精度で高速に制御できるため、産業界で広く利用されている技術である。従来の電力変換装置では、複数の電子部品で構成された電流計測器が、電動機の電流を計測するために設けられている。
電流計測器が故障して、その出力信号が不安定になったり固定されたりなど正常でない値を出力するようになった場合には、電動機に流れている実際の電流を正しく計測できなくなるため、電動機のベクトル制御ができなくなる。例えば、電動機で電気車を駆動する電鉄システムにおいては、電流計測器の故障により電動機の運転ができなくなり、電気車が線路上で立ち往生したりしてしまう。電気鉄道以外でも例えばビル内においても、空気調和装置やエレベータやエスカレータなどに、ベクトル制御された電動機が使用されており、動力源である電動機が運転できなくなると、社会生活に多大な影響を及ぼすものが多くある。
電動機の制御系としてベクトル制御系とＶ／Ｆ制御系を併設した構成とし、電流計測器に異常が生じた場合には、Ｖ／Ｆ制御系に切り替えて、電動機の運転制御を継続する構成が示されている。（例えば、特許文献１を参照。）【０００３】
【特許文献１】特開平７−１１１７０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている従来の構成では、あらかじめ設定したパターンで電圧と周波数を立ち上げてオープンループ的に電動機を駆動するので、必要最低限の電動機の駆動は可能となるが、平常時に用いるベクトル制御が適用できず、その発生トルクを正確に制御することが困難であるという課題があった。
また、電流計測器の故障に備えてＶ／Ｆ制御を行う回路を別途設ける構成であり、ソフトウエア、ハードウエアの規模が大きくなるという課題があった。
本発明は、上記課題を解決するために考案されたものであり、電流計測器が故障してその計測信号が使用できない状態においても、従来よりもトルクを正確に制御可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る電力変換装置は、三相交流で電動機を駆動するインバータと、該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、前記電動機の回転状態を計測する回転センサと、外部から入力される指令値に基づいて、回転する直交座標系である回転座標系で前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、所定の条件で、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とし、前記電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような前記電圧指令値を前記電圧演算部が演算することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置は、三相交流で電動機を駆動するインバータと、該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、前記電動機の回転状態を計測する回転センサと、外部から入力される指令値に基づいて、回転する直交座標系である回転座標系で前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、所定の条件で、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とし、前記電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような前記電圧指令値を前記電圧演算部が演算することを特徴とするものなので、電流計測器で計測されたインバータの電流の計測値が使用できない状態でも、従来よりもトルクを正確に制御可能であるという効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明に係る実施の形態１での電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】この発明に係る実施の形態１の構成での電流計測器異常検知部が正常判定している場合のトルク指令値と電動機のトルク及び電動機のロータ周波数のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】この発明に係る実施の形態１の構成での電流計測器異常検知部が異常判定している場合のトルク指令値と電動機のトルク及び電動機のロータ周波数のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【０００８】
４０：電力変換装置
１：電動機
２：インバータ
３：フィルタコンデンサ
４：インバータ制御部
５ａ：電流計測器
５ｂ：電流計測器
５ｃ：電流計測器
６：回転センサ
７：電流指令値演算部
８：三相ｄｑ軸座標変換器（座標変換部）
９：電流フィードバック制御部
１０：電圧演算部
１１Ｄ：加算器
１１Ｑ：加算器
１２：すべり角速度演算部
１３：角速度位相角演算部
１４：ｄｑ軸三相座標変換器（座標変換部）
１５：パルス発生部
１６：電流計測器異常検知部
１７Ｄ：スイッチ
１７Ｑ：スイッチ
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明に係る実施の形態１における電力変換装置４０の構成例を示す図である。図１に示すように、電力変換装置４０は、直流を任意の周波数の三相交流に変換して電動機１を駆動するインバータ２と、直流電圧の変動を平滑化するためにインバータ２の直流側に接続されたフィルタコンデンサ３と、インバータ２の制御を行うインバータ制御部４とを有する。なお、電動機１としては、以下では誘導電動機を使用した構成例で説明するが、本発明の基本的な構成概念は、同期電動機を使用する場合にも適用できる。
インバータ制御部４には、外部にある制御装置で生成されるトルク指令値Ｔｍ＊と二次磁束指令値Φ２＊、インバータ２の交流電流を相ごとに計測する電流計測器５ａ〜５ｃにより計測されたＵ相電流Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉw、及び電動機１の軸端に取り付けられた回転センサ６の出力である電動機回転角速度ωｒが入力される。インバータ制御部４は、インバータ２が出力すべき三相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、インバータ２が電圧指令値に一致した電圧を出力するように、インバータ２を構成するスイッチング素子（図示せず）へのゲートパルスを発生させる。【００１０】
インバータ制御部４の構成を以下に説明する。電動機１の二次磁束軸に一致して回転する軸であるｄ軸と、前記ｄ軸に直交する軸であるｑ軸とにより定義されるｄｑ軸回転座標系上で制御を行ういわゆるベクトル制御を行う構成である。インバータ制御部４は、従来と同様な電流フィードバックによるベクトル制御を実現する部分と、インバータ２の交流電流が計測できない場合にフィードフォワード的に電圧指令値を演算する場合に使用する部分とに分けられる。【００１１】
まず、従来のベクトル制御と同様な構成の部分について説明する。インバータ制御部４は、トルク指令値Ｔｍ＊と二次磁束指令値Φ２＊からｄ軸及びｑ軸の電流指令値を演算する電流指令値演算部７、Ｕ相電流Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉwをｄｑ軸回転座標系での値に変換する三相ｄｑ軸座標変換器８、三相ｄｑ軸座標変換器８により変換されたｄ軸及びｑ軸の電流計測値と電流指令値との偏差をとって偏差が小さくなるようにｄ軸とｑ軸に分離してフィードバック制御を行う電流フィードバック制御部９、電流指令値から電動機の回路定数を用いてｄ軸及びｑ軸の電圧を演算する電圧演算部１０、ｄ軸とｑ軸のそれぞれについて電流フィードバック制御部９の出力と電圧演算部１０の出力との和を取りインバータ２の電圧指令値とする加算器１１Ｄ、１１Ｑ、電流指令値から電動機の回路定数を用いてすべり角速度を演算するすべり角速度演算部１２、すべり角速度と電動機回転角速度ωｒとからｄｑ座標軸の回転角速度ωとｄｑ座標軸上の電圧指令ベクトルの位相角θを演算する角速度位相角演算部１３、加算器１１Ｄ、１１Ｑの出力であるインバータ２のｄｑ軸座標系上での電圧指令値を三相交流に変換するｄｑ軸三相座標変換器１４、ｄｑ軸三相座標変換器１４で変換された三相の電圧指令値に基づきインバータ２の出力電圧がこの電圧指令値に一致するようにゲートパルスを発生させてインバータ２を制御するパルス発生部１５を有する。なお、座標変換部である三相ｄｑ軸座標変換器８及びｄｑ軸三相座標変換器１４では、角速度位相角演算部１３が演算する位相角θを使用して座標変換を行う。また、電圧演算部１０は、角速度ωも使用して電圧を演算する。【００１２】
インバータ２の交流電流が計測できない場合にフィードフォワード的に電圧指令値を演算する場合に使用する部分は、以下である。電流計測器５ａ〜５ｃにより計測される電流を監視して異常を検出する電流計測器異常検知部１６と、電流計測器異常検知部１６の出力信号ＣＳにより、ｄ軸とｑ軸のそれぞれについて電流フィードバック制御部９の出力を加算器１１Ｄ、１１Ｑに入力するかどうかを切り替えるスイッチ１７Ｄ、１７Ｑが追加されている。ここで、スイッチ１７Ｄ、１７Ｑは、電流フィードバック制御部９の出力とゼロ信号とを切り替えるものである。また、電流計測器異常検知部１６の出力信号ＣＳが電圧演算部１０にも入力されて、電流計測器異常検知部１６が異常を検出する場合には電圧演算部１０が出力を変化させる。【００１３】
なお、インバータ２は公知技術である電圧形三相ＰＷＭインバータであるが、内蔵されるスイッチング素子は、過電流に対する自己保護機能を有するスイッチング素子が適用される。自己保護機能を有するスイッチング素子とは、例えば、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）や過電流保護機能を有するゲートドライバーと組み合わせたパワーモジュールなどである。なお、過電流に対する自己保護機能を有するスイッチング素子は、電動機１や配線の短絡や地絡等により過電流が流れた場合に、スイッチング素子に内蔵されている計測回路によりこれを検知し、自動的にスイッチング動作をオフした後、外部システム（本発明では、インバータ制御部４に相当）に通知する機能を有しており、電流計測器５ａ〜５ｃとインバータ制御部４を介さずに高速に過電流に対しての保護動作が可能となる。【００１４】
次に動作を説明する。電流指令値演算部７では、外部のシステムより入力されるトルク指令値Ｔｍ＊、二次磁束指令値Φ２＊、電動機１の回路定数から、次式（１）及び（２）にてｑ軸（トルク分）電流指令値Ｉｑ＊、ｄ軸（励磁分）電流指令値Ｉｄ＊を演算する。なお、微分演算子をｐで表現する。
Ｉｑ＊＝（Ｔｍ＊／（Φ２＊×ＰＰ））×（Ｌ２／Ｍ）              （１）
Ｉｄ＊＝Φ２＊／Ｍ＋Ｌ２／（Ｍ×Ｒ２）×ｐΦ２＊                （２）【００１５】
ここに、誘導電動機の回路定数として、以下を使用する。Ｍ：相互インダクタンス値。ｌ１：一次漏れインダクタンス値。Ｌ１：一次自己インダクタンス値。Ｌ１＝Ｍ＋ｌ１が成立する。ｌ２：二次漏れインダクタンス値。Ｌ２：二次自己インダクタンス値。Ｌ２＝Ｍ＋ｌ２が成立する。σ：漏れ係数。σ＝１−Ｍ２／(Ｌ１×Ｌ２)。Ｒ１：一次抵抗値。Ｒ２：二次抵抗値。ＰＰ：極対数。【００１６】
すべり角速度演算部１２では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と電動機１の回路定数から、次式（３）より、電動機１が発生すべきすべり角速度指令値ωｓ＊を演算する。
ωｓ＊＝（Ｉｑ＊／Ｉｄ＊）×（Ｒ２／Ｌ２）                      （３）【００１７】
この式（３）により算出したすべり角速度指令値ωｓ＊と、電動機１の軸端に取り付けられた回転センサ６の出力である電動機回転角速度ωｒとが角速度位相角演算部１３に入力されて、以下のようにしてインバータ２が出力する交流電圧の角速度であるインバータ角速度ωと位相角θを計算する。
すべり角速度とは、２次磁束の回転角速度（インバータ角速度ωと同じ）と電動機回転角速度ωｒとの差であり、以下が成立する。
ω＝ωｓ＊＋ωｒ                                                （４）
位相角θは角速度ωを積分したものであるから、以下が成立する。なお、位相角θはＵ相を基準とする。
θ＝∫ωｄｔ                                                    （５）【００１８】
三相ｄｑ軸座標変換器８では、電流計測器５ａ〜５ｃにより計測されたＵ相電流Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉwを、次式（６）により算出するｄｑ座標上のｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄとに変換する。
【数１】
2008026269.tif 000003
【００１９】
電流フィードバック制御部９では、ｑ軸とｄ軸で独立に指令値と計測値の間の偏差に対して同じゲインで比例積分制御を行う。電流フィードバック制御部９の出力であるｄ軸制御量ΔＩｄ０とｑ軸制御量ΔＩｑ０は、以下の式（７）、（８）で表現される。ここに、Ｋ１は比例ゲインであり、Ｋ２は積分ゲインである。
ΔＩｑ０＝（Ｋ１＋Ｋ２／ｐ）×（Ｉｑ＊−Ｉｑ）                    （７）
ΔＩｄ０＝（Ｋ１＋Ｋ２／ｐ）×（Ｉｄ＊−Ｉｄ）                    （８）
なお、電流フィードバック制御部９を用いたベクトル制御の制御動作は、公知のベクトル制御と同様であり、詳細な説明は割愛する。【００２０】
電流計測器異常検知部１６では、各相の電流を監視して、各相ごとに電流値が不安定になったり固定されたりなど正常でない状態が発生しているかどうかを検出する。正常でない相が１個でもある場合は、電流計測器異常検知部１６は出力信号ＣＳとして異常を出力し、すべての相が正常の場合には正常を出力する。
三相交流電流の和はゼロになるので、電流計測器５ａ〜５ｃの中で正常でない相の数が１個の場合は、他の相の電流から正常でない相の電流を計算するようにすれば、正常でない相の数が２個以上の場合を異常と判断するようにしてもよい。【００２１】
電流計測器異常検知部１６の出力信号ＣＳが正常の場合は、スイッチ１７Ｄ、１７Ｑは、電流フィードバック制御部９のｄ軸及びｑ軸の出力をそれぞれ加算器１１Ｄ、１１Ｑに出力する。なお、スイッチ１７Ｄの出力をｄ軸電圧補償値と呼び、変数ｄｅで表現する。同様に、スイッチ１７Ｑの出力をｑ軸電圧補償値ｑｅとする。そして、信号ＣＳが異常な場合は、スイッチ１７Ｄ、１７Ｑは、ゼロ信号を加算器１１Ｄ、１１Ｑに出力する。
以上をまとめると、スイッチ１７Ｄ、１７Ｑは、以下のように、ｄ軸電圧補償値ｄｅとｑ軸電圧補償値ｑｅを切り替える。
（電流計測器が正常な時）
ｑｅ＝ΔＩｑ０                                            （９−１）
ｄｅ＝ΔＩｄ０                                            （１０−１）
（電流計測器が異常な時）
ｑｅ＝０                                                  （９−２）
ｄｅ＝０                                                  （１０−２）
なお、ｑ軸電圧補償値ｑｅとｄ軸電圧補償値ｄｅは瞬時にゼロとすることで問題ないが、この際のトルク変動を軽減するためには、徐々にゼロに絞る機能を設けることがより望ましい。【００２２】
電圧演算部１０では、電流計測器異常検知部１６からの出力信号ＣＳに応じて、以下の２種類の演算式を切り替えて、ｑ軸フィードフォワード電圧Ｅｑ＊、ｄ軸フィードフォワード電圧Ｅｄ＊を演算して出力する。
（電流計測器が正常な時）
Ｅｑ＊＝ω×Ｌ1×σ×Ｉｄ＊＋（ω×Ｍ）／（Ｌ２×Φ２＊）    （１１−１）
Ｅｄ＊＝−ω×Ｌ1×σ×Ｉｑ＊＋（Ｍ／Ｌ２）×ｐΦ２＊        （１２−１）
（電流計測器が異常な時）
Ｅｑ＊＝（ｐＬ１×σ＋Ｒ１）×Ｉｑ＊
＋ω×Ｌ1×σ×Ｉｄ＊＋（ω×Ｍ）／（Ｌ２×Φ２）  （１１−２）
Ｅｄ＊＝（ｐＬ１×σ＋Ｒ１）×Ｉｄ＊
−ω×Ｌ1×σ×Ｉｑ＊＋（Ｍ／Ｌ２）×ｐΦ２        （１２−２）【００２３】
電流計測器が異常な時の式（１２−２）、（１１−２）は、電流指令値Ｉｄ＊とＩｑ＊を電動機１に供給するために必要なインバータ２のｄｑ座標系での出力電圧を意味している。こうすることにより、電流計測器が異常な時は、電流フィードバック制御は停止しているが、フィードフォワード的にベクトル制御を実施し、電動機１を駆動できる。【００２４】
ここで、式（１１−２）の右辺と（１１−１）の右辺との差を変数ΔＥｑ＊で表現し、式（１２−２）の右辺と（１２−１）の右辺との差を変数ΔＥｄ＊で表現すると、以下のようになる。
ΔＥｑ＊＝（ｐＬ１×σ＋Ｒ１）×Ｉｑ＊                        （１３）
ΔＥｄ＊＝（ｐＬ１×σ＋Ｒ１）×Ｉｄ＊                        （１４）
式（１３）、（１４）は、電流計測器が正常な場合と異常な場合との電圧演算部１０の出力の差が、電動機１の１次側回路での電圧降下に相当することを意味する。【００２５】
電流計測器が正常であり電流フィードバック制御部９が動作している場合は、ΔＥｑ＊とΔＥｄ＊とを電流フィードバック制御部９が分担する。つまり、以下の式が成立する。なお、ここで、「≒」の記号は、外乱や制御誤差や電流指令値の変動がない場合には一致し、外乱などがある場合でも差が僅かであることを意味する。
ΔＩｑ０≒ΔＥｑ＊                                            （１５）
ΔＩｄ０≒ΔＥｄ＊                                            （１６）【００２６】
式（１３）、（１４）に示すように、ΔＥｑ＊が電流指令値Ｉｑ＊だけから決まり、ΔＥｄ＊が電流指令値Ｉｄ＊だけから決まるので、電流フィードバック制御部９では、ｄ軸とｑ軸とを原理的に分離して制御できることになる。そのため、電流フィードバック制御部９では、ｄ軸とｑ軸で独立に指令値と計測値の間の偏差に対して比例積分制御を行う。式（７）、（８）における比例ゲインＫ１と積分ゲインＫ２は、電流フィードバック制御部９が分担して補償する電圧成分の大きさと実現すべき応答特性などを考慮して適切に設定する。なお、電流フィードバック制御部９が分担して補償する電圧成分は、ｑ軸が電流指令値Ｉｑ＊により決まる項と定数項（無くても可）の和であり、ｄ軸が電流指令値Ｉｄ＊により決まる項と定数項（無くても可）の和であれば、式（１３）、（１４）とは異なる式で計算してもよい。【００２７】
加算器１１Ｄ、１１Ｑの出力が、それぞれ電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊である。加算器１１Ｄは電圧演算部１０のｄ軸分出力とスイッチ１７Ｄの出力の和を取り、加算器１１Ｑは電圧演算部１０のｑ軸分出力とスイッチ１７Ｑの出力の和を取るので、電圧指令値Ｖｑ＊、Ｖｄ＊は次式で計算される。
Ｖｑ＊＝Ｅｑ＊＋ｑｅ                                          （１７）
Ｖｄ＊＝Ｅｄ＊＋ｄｅ                                          （１８）【００２８】
電圧指令値Ｖｑ＊、Ｖｄ＊は、ｄｑ軸三相座標変換器１４により三相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換されて、パルス発生部１５に入力される。パルス発生部１５では、三相の電圧指令値に基づきインバータ２の出力電圧がこの電圧指令値に一致するようにゲートパルスを発生させてインバータ２を制御する。【００２９】
以上のように説明した動作による効果を、電動機のトルク指令値Ｔｍ＊をステップ状に変化させた場合のシミュレーション結果により示す。図２は、実施の形態１の構成での電流計測器異常検知部１６が正常判定している場合のトルク指令値Ｔｍ＊と電動機１のトルクＴｍ及び電動機１のロータ周波数ＦＭのシミュレーション結果を示す図である。図３は、実施の形態１の構成での電流計測器異常検知部１６が異常判定している場合のトルク指令値Ｔｍ＊と電動機１のトルクＴｍ及び電動機１のロータ周波数ＦＭのシミュレーション結果を示す図である。なお、ロータ周波数ＦＭは、回転角速度ωｒとの間に、ＦＭ＝ωｒ／２πの関係が有る。【００３０】
図２と図３を比較すると、電流が計測できなくて電流フィードバック制御が停止している場合の図３でも、電流フィードバック制御が動作している場合の図２とほぼ同様な制御が可能であることが分かる。
図３では、電流計測器５ａ〜５ｃの信号を制御に使用しないため、トルク指令値Ｔｍ＊の立ち上げ時（ｔ＝０．８ｓ付近）は、電動機１のトルクＴｍは、トルク指令値Ｔｍ＊と若干遅れて立ち上がるが、その立ち上がり時定数は３０ｍｓ程度であり、これはＶ／Ｆ制御で一般に実現可能な時定数である数百ｍｓの約１／１０の数値であり、高速応答が得られていることが分かる。これは、Ｖ／Ｆ制御では２次磁束を一定にするという考慮をしておらず、２次磁束が一定に落ち着くまでに数百ｍｓかかるためである。
定常状態（ｔ＝１．５ｓ以降）では電動機１のトルクＴｍは、トルク指令値Ｔｍ＊から若干の誤差を有するが、実用上問題のないものであり、電動機１のロータ周波数ＦＭは直線状に増加しており、安定に加速可能であることが分かる。【００３１】
さらに、インバータ２に内蔵されるスイッチング素子は、過電流に対する自己保護機能を有するスイッチング素子を適用しているので、電動機１や配線の短絡や地絡等により過電流が流れた場合にこれを検知し、自動的にスイッチング動作をオフすることが可能となる。このため、電流計測器５ａ〜５ｃからの信号が使用できない場合でも、インバータ２を保護停止することが可能となり、インバータ２を損傷することがない。【００３２】
電流フィードバック制御を停止することにより、インバータ２のスイッチング素子のオン電圧やスイッチングタイミングの誤差等により発生する制御誤差を補償できなくなるため、電動機１が発生するトルクＴｍはトルク指令値Ｔｍ＊から多少の誤差を生じるが、電流が正しく計測できない場合でも電動機１の運転継続は可能となり、電力変換装置４０が停止する事態は避けることが可能となる。
なお、電流フィードバック制御を停止しても、すべり角速度演算部１２と電圧演算部１０の出力信号から、フィードフォワード的にベクトル制御を実施するため、電動機１の発生するトルクＴｍの制御性能は、従来例よりも良くなる。その理由は、フィードフォワード的なベクトル制御においても、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊からベクトル制御条件（ｄ軸を二次磁束軸と一致させる条件）が成立するすべり角速度指令値ωｓ＊がすべり角速度演算部１２にて算出され、その上でｄ軸フィードフォワード電圧Ｅｄ＊、ｑ軸フィードフォワード電圧Ｅｑ＊を電動機１に印加できる構成となり、電動機１への印加電圧振幅と位相が瞬時値ベースで制御可能であるためである。【００３３】
以上に示したとおり、本発明に係る実施の形態１の構成によれば、電流計測器が故障してその計測信号が使用できない状態で電動機を駆動可能とする電力変換装置に関し、部品の追加やコストの増加、ソフトウエア、ハードウエアの規模の増大を招くことが無く、電流計測器の信号を使用しない状態でも発生トルクを従来例よりも正確かつ高速に制御可能である。
また、電動機で電気車を駆動する電鉄システムにおいては、電流計測器の故障により電流計測器からの信号が使用できない場合においても、実用上十分な性能で電動機の運転が可能となるので、電気車が線路上で立ち往生する事態を避けることが可能となり、安定な電鉄システムを構成することができる。
インバータが同期電動機を駆動する場合には、同期電動機は電源周波数に同期して回転し回転磁界と印加電圧の間の位相差によりトルクが決まるので、回転センサは同期電動機の位相角を計測することになる。回転速度や位相角のことを回転状態と呼ぶ。【００３４】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略、変更する等して構成することも可能である。
さらに、本明細書では、電鉄分野への電力変換装置を考慮して発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、自動車、エレベータ、電力システム等、種々の関連分野への応用が可能である。
【図１】
2008026269.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年7月23日(2007.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流で誘導電動機を駆動するインバータと、
該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、
前記誘導電動機の回転状態を計測する回転センサと、
外部から入力される指令値に基づいて、前記誘導電動機の二次磁束軸に一致するｄ軸とこれに直交するｑ軸とによる回転座標系における電圧ベクトルとして前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記誘導電動機の二次磁束軸にｄ軸が一致するようなすべり角速度を前記電流指令値と前記誘導電動機の回路定数とを用いて常に演算するすべり角速度演算部と、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記誘導電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、
所定の条件では、前記誘導電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような電圧を前記電圧演算部が演算し、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電流計測器が正常に電流を計測できているかどうかを監視する電流計測器異常検知部とを備え、
正常に電流を計測できていない前記電流計測器の数が所定個以上の場合に、前記所定の条件が成立する場合とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記インバータを構成するスイッチング素子が過電流に対する自己保護機能を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電流フィードバック制御部の出力とゼロ信号とを切り替えて出力するスイッチと、該スイッチの出力と前記電圧演算部の出力とを加算して前記電圧指令値とする加算器とを前記インバータ制御部が有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
トルク指令値と二次磁束指令値を外部から入力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記所定の条件が成立する場合に前記電圧演算部が演算する電圧値は、前記誘導電動機の一次側の電圧降下分を含む点で、前記所定の条件が成立しない場合の電圧値と比較して異なることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
この発明に係る電力変換装置は、三相交流で誘導電動機を駆動するインバータと、該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、前記誘導電動機の回転状態を計測する回転センサと、外部から入力される指令値に基づいて、前記誘導電動機の二次磁束軸に一致するｄ軸とこれに直交するｑ軸とによる回転座標系における電圧ベクトルとして前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記誘導電動機の二次磁束軸にｄ軸が一致するようなすべり角速度を前記電流指令値と前記誘導電動機の回路定数とを用いて常に演算するすべり角速度演算部と、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記誘導電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、所定の条件では、前記誘導電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような電圧を前記電圧演算部が演算し、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とすることを特徴とするものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置は、三相交流で誘導電動機を駆動するインバータと、該インバータの交流電流を相ごとに計測する電流計測器と、前記誘導電動機の回転状態を計測する回転センサと、外部から入力される指令値に基づいて、前記誘導電動機の二次磁束軸に一致するｄ軸とこれに直交するｑ軸とによる回転座標系における電圧ベクトルとして前記インバータの電圧指令値を求めこの電圧指令値に一致した交流電圧を出力するように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部が、前記回転センサの計測値を用いて前記回転座標系と三相の間で座標変換を行う座標変換部と、外部から入力される指令値に基づいて前記インバータが出力すべき電流の指令値である電流指令値を演算する電流指令値演算部、前記誘導電動機の二次磁束軸にｄ軸が一致するようなすべり角速度を前記電流指令値と前記誘導電動機の回路定数とを用いて常に演算するすべり角速度演算部と、前記電流計測器で計測された電流計測値と前記電流指令値との差が小さくなるように制御する電流フィードバック制御部、該電流フィードバック制御部の出力との和が前記電圧指令値となる電圧を前記誘導電動機の回路定数と前記電流指令値とを用いて演算する電圧演算部、前記電圧指令値を出力するように前記インバータを制御するゲートパルスを発生させるパルス発生部を有し、所定の条件では、前記誘導電動機の回路定数に基づいて前記電流指令値と等しい電流を前記インバータが出力するような電圧を前記電圧演算部が演算し、前記電圧演算部の出力を前記電圧指令値とすることを特徴とするものなので、電流計測器で計測されたインバータの電流の計測値が使用できない状態でも、フィードフォワード的にベクトル制御を実施し電動機を駆動でき、従来よりもトルクを正確に制御可能であるという効果が有る。
【国際調査報告】
2008026269.tif 000007
2008026269.tif 000008