(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流に変換する第１の変換器と、
第１の変換器の直流出力を交流に変換し、その出力で交流電動機を駆動する電流形の第２の変換器と、
前記交流電動機の回転位相を検出する位置検出手段と、
前記交流電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記第１の変換器の入力電流を検出する電流検出手段と、
前記速度検出手段の速度帰還が速度指令となるように制御して電流指令を出力する速度制御器と、前記電流検出手段の電流帰還が前記電流指令となるように前記第１の変換器のゲートパルスの制御角指令αを出力する電流制御器と、を有する第１の制御手段と、
前記位置検出手段の検出位相に応じて前記第２の変換器のゲートパルス位相を制御する第２の制御手段と、
前記電流制御器の入出力信号から前記第１の変換器を構成するサイリスタが失弧したことを検出する失弧検出手段と
を具備し、
前記失弧検出手段は、
前記制御角指令αが第１の所定値以下となり、
且つ、前記電流指令から前記電流帰還を減算した偏差に第１の定数を乗じて遅延手段によって遅延させた信号から、前記電流指令に第２の定数を乗じた値を減算した値が第２の所定値以上となったとき、
失弧発生とみなすようにしたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項２】
前記電流検出手段の電流帰還が第３の所定値以上で且つ前記速度検出手段の速度帰還が第４の所定値以上のとき、前記失弧検出手段による失弧検出を開始するようにした請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項３】
前記遅延手段は１次遅れ特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項４】
前記交流電動機は界磁巻線を有する同期電動機であり、電機子反作用を打ち消すように界磁電流を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項５】
前記電流指令と前記電流帰還のうち大きい方の信号と、前記交流電動機の力率角の指令値と、前記交流電動機の無負荷時の端子電圧とを入力とするベクトル演算回路を具備し、
負荷変動による前記交流電動機の力率角及び端子電圧の変動を抑制するように前記界磁電流を制御すると共に前記第２の変換器のゲートパルス位相を制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の交流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はサイリスタ電力変換器により駆動される交流電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年電力変換装置は、蒸気タービンに変わって、１０ＭＷ以上の可変速モータが駆動機として採用されるようになってきている。しかし可変速モータでは、電気・機械練成問題に起因するトルク変動問題がある。この問題はモータの軸や、カップリングを破損させるため、さまざまな対策が採られてきている（たとえば非特許文献１参照。）。
【０００３】
またＬＣＩ装置（Load Commutated Inverter）、またはサイリスタモータ用インバータは電流形インバータであり、電圧形インバータに対し、大型化が容易でロバストな製品として広く採用されている。
【０００４】
このようなＬＣＩ装置を運転中、ＬＣＩ装置で用いられる変換器のサイリスタが点弧不能となる現象が生じることがある。これを失弧と呼称するが、この失弧現象に対する対策として、直列接続されたサイリスタの１つが部分失弧した場合に、サイリスタの両端電圧に過電圧が発生することを抑制する手法が提案されている（たとえば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】中村、「大容量ＶＳＤの技術動向とエンジニアリング上の留意点」、ターボ機械、日本工業出版、２００９年３月、第３７巻３号
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１１２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されている従来のサイリスタ失弧を検出し、自己点弧させる回路を、従来のＬＣＩ装置の変換器に適用した場合、たとえば、コンバータ側を直列接続したサイリスタで構成し、アームを形成するサイリスタの一方が失弧したとき、自己点弧によって運転継続可能となるが、両方のサイリスタのゲート線が外れるなどして何れかのアームのサイリスタがすべて失弧したときには自己点弧はできない。このような場合はコンバータ出力の直流電流はリプルを持った電流となり、モータへの電機子電流もリプルを持った電流となる。この結果、モータトルクは脈動することとなり、非特許文献１に記載されているようにトルク変動が発生し、モータの軸や、カップリングを破損させる危険性が高まる。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、変換器のアームを構成するサイリスタのすべてが失弧しても、トルク脈動を発生させることなく装置を停止させることが可能な交流電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の交流電動機の制御装置は、交流を直流に変換する第１の変換器と、第１の変換器の直流出力を交流に変換し、その出力で交流電動機を駆動する電流形の第２の変換器と、前記交流電動機の回転位相を検出する位置検出手段と、前記交流電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記第１の変換器の入力電流を検出する電流検出手段と、前記速度検出手段の速度帰還が速度指令となるように制御して電流指令を出力する速度制御器と、前記電流検出手段の電流帰還が前記電流指令となるように前記第１の変換器のゲートパルスの制御角指令αを出力する電流制御器と、を有する第１の制御手段と、前記位置検出手段の検出位相に応じて前記第２の変換器のゲートパルス位相を制御する第２の制御手段と、前記電流制御器の入出力信号から前記第１の変換器を構成するサイリスタが失弧したことを検出する失弧検出手段とを具備し、前記失弧検出手段は、前記制御角指令αが第１の所定値以下となり、且つ、前記電流指令から前記電流帰還を減算した偏差に第１の定数を乗じて遅延手段によって遅延させた信号から、前記電流指令に第２の定数を乗じた値を減算した値が第２の所定値以上となったとき、失弧発生とみなすようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変換器のアームを構成するサイリスタのすべてが失弧しても、トルク脈動を発生させることなく装置を停止させることが可能な交流電動機の制御装置を提供すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置の失弧検出を説明するタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る交流電動機の制御装置における失弧検出回路の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置を図１及び図２を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置の回路構成図である。図２は本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置の各部の波形を示したタイミングチャートである。
【００１５】
図１（ａ）において、商用交流電源からの交流をコンバータ１（第１の変換器）によって直流に変換し、インバータ２（第２の変換器）によってその直流を可変周波の交流に変換している。インバータ２の出力で界磁巻線Ｆを有する同期電動機３を駆動している。同期電動機３の回転部分には、回転軸の回転角位置に応じた位相の位置信号を出力する位置検出器４が取り付けられ、更に速度検出器５が取り付けられている。
【００１６】
界磁巻線Ｆには、界磁電流指令Ｉｆｐによって制御された界磁電流が界磁電流制御ユニット８から与えられる。コンバータ１及びインバータ２は、主制御ユニット７から各々に個別に与えられる位相制御パルスによって位相制御されている。位置検出器４の位置信号と速度検出器５の速度信号は主制御ユニット７に与えられる。また、コンバータ１の入力電流は電流検出器６によって検出され主制御ユニット７に与えられる。以下、主制御ユニット７の内部構成について説明する。
【００１７】
速度指令回路７１の出力と速度検出器５で検出された速度帰還信号は速度制御器７２に与えられる。速度制御器７２は前記両者の信号の偏差が最小となるようにＰＩ制御を行い、電流指令を出力し、電流制御器７３の一方の入力とする。電流制御器７３の他方の入力には、電流検出器６によって検出された電流帰還（Ｉ＿ＦＢＫ）が与えられる。電流制御器７３は前記両者の信号の偏差が最小となるようにＰＩ制御を行い、リミッタを介して制御角指令αを出力する。この制御角指令αはゲートパルス位相器７４に与えられ、ゲートパルス位相器７４はコンバータ１を構成する各サイリスタの点弧位相を制御する。ここで、速度制御器７２、電流制御器７３及びゲートパルス位相器７４はコンバータ１を制御する第１の制御手段を構成している。また、電流検出器６で検出された電流帰還は、インバータ２が電流形変換器であるので、直流電流または交流電動機３の電機子電流を検出していることと等価である。
【００１８】
電流帰還（Ｉ＿ＦＢＫ）と速度制御器７２の出力である電流指令（Ｉ＿ＲＥＦ）は最大値選択回路７５に与えられ、この最大値選択回路７５は電流帰還と電流指令のうち大きい方を選択してベクトル演算器７６に与える。
【００１９】
ベクトル演算器７６は、上記信号のほか、交流電動機３の端子電圧に対する電機子電流の進み角θ（力率角）を指令する力率角指令回路７７及び交流電動機３の無負荷時の端子電圧Ｖｏを指令する無負荷端子電圧指令回路７８の各信号から、演算によって界磁ユニット８に対する界磁電流指令信号Ｉｆｐ及びインバータ２の位相指令βを出力する。そして位相指令βは、位置検出器４の位置信号と位相制御器７９で突き合わされ、その偏差を最小とするような位相指令がゲートパルス位相器８０に出力される。ゲートパルス位相器８０はインバータ２を構成する各サイリスタの点弧位相を制御する。ここで、位相制御器７９及びゲートパルス位相器８０はインバータ２を制御する第２の制御手段を構成している。
【００２０】
ベクトル演算器７６の内部演算を適切に行えば、負荷変動等による交流電動機３の端子電圧や力率角θの変動を抑制することができる。また、電機子反作用を打ち消すように界磁電流を制御することができる。尚、電機子反作用を打ち消すように界磁電流を制御する為には必ずしもベクトル演算器７６を用いる必要はない。
【００２１】
電流制御器７３の入出力周辺部に失弧検出回路９が接続されている。以下にこの失弧検出回路９の構成について図１（ｂ）を参照して説明する。
【００２２】
電流制御器７３の出力である制御角指令α（以下単に制御角αという。）は比較器９１（ＣＭＰ１）の減算入力として与えられ、設定器９２によって比較器９１に加算入力された比較値Ａから減算される。そしてこの減算結果が所定の閾値を超えたとき、比較器９１は論理信号１をＡＮＤ回路９７に出力する。
【００２３】
電流制御器７３の入力の偏差信号である{電流指令（I＿ＲＥＦ）−電流帰還（Ｉ＿ＦＢＫ）}は、乗算器９３でＫ１倍され、１次遅れ回路９４を介して比較器９６（ＣＭＰ２）の加算入力として与えられる。比較器９６の減算入力には電流指令（I＿ＲＥＦ）を乗算器９５によってＫ２倍した値が与えられる。そしてこの減算結果が所定の閾値を超えたとき、比較器９６は論理信号１をＡＮＤ回路９７に出力する。
【００２４】
制御角αは、図１の速度制御器７３の出力信号である電流指令（Ｉ＿ＲＥＦ）と電流検出器６電流帰還（Ｉ＿ＦＢＫ）を突き合わせＰＩ制御を行っているため、（Ｉ＿ＲＥＦ）＞（Ｉ＿ＦＢＫ）の場合、すなわち、出力電流を増やそうとする場合、減少する。また（Ｉ＿ＲＥＦ）＜（Ｉ＿ＦＢＫ）の場合、すなわち、出力電流を減らそうとする場合、制御角αは増加する。失弧が生じた場合は、（Ｉ＿ＲＥＦ）＞（Ｉ＿ＦＢＫ）が当てはまり、制御角αは１相分の電流が流れない分さらに減少し、最小側のリミッタに張り付く動作となる。そこで、設定器９２の比較値Ａを最小側リミッタの値より若干大きめの固定値としておけば、失弧が生じた場合の最小値となるαを検出することができる。即ち図１（ｂ）のＣＭＰ１の場合はＡ＞αとなったとき、ＣＭＰ１はＨｉｇｈ（論理信号１）を出力する。
【００２５】
比較器９６（ＣＭＰ２）は、ＰＩ制御の入力から引き出した信号を元に、乗算器９３で比例ゲインＫ１を乗算し、これを１次遅れフィルタ９４によってω／（ｓ＋ω）だけ遅らせた信号を一方の入力にもち、電流指令Ｉ＿ＲＥＦにゲインＫ２を乗じた値と比較している。図１（ｂ）のＣＭＰ２の場合は１次遅れフィルタ９４の出力＞Ｋ２＊Ｉ＿ＲＥＦとなった場合、ＣＭＰ２はＨｉｇｈになる。
【００２６】
図２のタイミングチャートにより図１の動作を以下に説明する。尚、図２において、図２（ａ）は電源の相電圧、図２（ｂ）は相電流、図２（Ｃ）は電流指令と直流電流、図２（ｄ）は制御角α、比較値Ａ、１次遅れフィルタ９４の出力及び乗算器９５の出力、図２（ｅ）はＡＮＤ回路９７の出力、図２（ｆ）は比較器９６の出力、図２（ｇ）は比較器９１の出力を夫々示す。
【００２７】
図２の装置は起動開始後、時刻ｔ１までは１００％出力状態、時刻ｔ１からｔ２までは１０％の低出力状態、時刻ｔ２からは再度１００％出力状態になるようにしている。時刻ｔ１まで図１のＩ＿ＲＥＦに相当する電流指令に従い、コンバータ１の出力である直流電流は１００％を出力している。この直流電流は前述したように図１のＩ＿ＦＢＫに相当する。時刻ｔ１になり、出力が１００％の高出力から１０％の低出力に変化すると、制御角αは電流を絞る方向に増加する。よって、ＣＭＰ１では比較値Ａとは乖離する方向となり、ＣＭＰ１が動作することはない（ＣＭＰ１＝Ｌｏｗ）。しかし、ＣＭＰ２の入力である１次遅れフィルタ９４の出力がＫ２＊Ｉ＿ＲＥＦより高いため、ＣＭＰ２が短時間動作（＝Ｈｉｇｈ）してしまう。ＣＭＰ２の動作は装置の出力状態が、高出力と低出力を繰り返す状態において、高出力状態から低出力状態に遷移するときに現れる。これは１次遅れ作用で起こりえることである。しかしながら、時刻ｔ１の装置の出力が高出力から低出力状態の遷移期間においてＣＭＰ１はＬｏｗ、ＣＭＰ１はＨｉｇｈとなるため、後段のＡＮＤ回路９７で失弧と判定されることはない。
【００２８】
時刻ｔ２において、装置は低出力１０％から高出力１００％に遷移する。このとき、制御角αは電流を増加させる方向（α＝０方向）に動作する。たとえば、制御角αのリミットが０、ＣＭＰ１の比較値Ａを５ｄｅｇとしておけば、制御角αがゼロリミットにあたるような出力急変（特に低出力から高出力への遷移）を行う場合、ＣＭＰ１はＨｉｇｈレベルを出力してしまう。すなわち、図２のｔ３以降のＣＭＰ１出力はＨｉｇｈ状態となる。このＨｉｇｈ状態は、短時間継続し、制御角αの変動によっては図示したようにＨｉｇｈとＬｏｗを繰り返す場合もある。しかしながら、ＣＭＰ２の入力となる１次遅れフィルタ９４の出力は電流指令Ｉ＿ＲＥＦにより可変される乗算器９５の出力Ｋ２＊Ｉ＿ＲＥＦより常に小さくなる。よって、時刻ｔ２における低出力から高出力状態への遷移においてＣＭＰ１はＨｉｇｈ、ＣＭＰ２はＬｏｗとなるため、後段のＡＮＤ回路９７で失弧と判定されることはない。
【００２９】
時刻ｔ４において、例えばｓ相の失弧が発生したとすると、ｒ相電流はｒ相のサイリスタ主電流があるため、サイリスタは保持電流以上となり、しばらくは主電流が流れ続けるが、コンバータ１側の失弧の場合、故障相の電流は自然減流する。
【００３０】
ｓ相失弧のためｒ相減流後、３相交流入力電流がなくなるので、制御角αは電流を増加させる方向（α＝０方向）に動作する。よって、ＣＭＰ１はＨｉｇｈレベルを出力する。また、ＣＭＰ２の入力となる１次遅れフィルタ９４の出力もＫ２＊Ｉ＿ＲＥＦより大きな値を出力することにより、１次遅れフィルタ９４の時定数に相当する時間だけ遅れた時刻ｔ５でＣＭＰ２はＨｉｇｈレベルを出力する。よって、時刻ｔ４で検出されたＣＭＰ１出力のＨｉｇｈレベル、時刻ｔ５で検出されたＣＭＰ２出力のＨｉｇｈレベルの結果を受け、時刻ｔ５でＡＮＤ回路９７の出力はＨｉｇｈレベルとなり、失弧を検出できることになる。
【００３１】
このように失弧検出回路９が失弧検出したとき、コンバータ１の動作を停止するようにすればトルク脈動を発生させることなく装置を停止させることが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
図３は本発明の実施例２に係る交流電動機の制御装置における失弧検出回路の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る交流電動機の制御装置の失弧検出回路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、失弧検出開始信号９８を設け、この出力をＡＮＤ回路９７Ａに与え、失弧検出開始信号が入力されたときに、はじめて失弧検出回路の動作を開始する構成とした点である。
【００３３】
ここで、失弧検出回路９Ａに使用される失弧検出開始信号９８は、低出力時のコンバータ１の電流断続動作時の誤検出を回避するために設けられている。図２において、時刻ｔ１からｔ２の期間において、コンバータ１の出力である直流電流は断続電流となっている。その間、ＣＭＰ１側の入力となる制御角αと比較値Ａは乖離し、安定しているが、ＣＭＰ２側の入力となる１次遅れフィルタ９４の出力は、断続電流のためＫ２＊Ｉ＿ＲＥＦとの差が小さくなってきていることがわかる。図２では時刻ｔ２でコンバータ１を低出力から高出力へ切り替えているのでＣＭＰ２の出力がＨｉｇｈレベルになることはないが、断続電流領域（低出力）が長時間続き、ＣＭＰ２がＨｉｇｈ出力をしてしまうと、その後にコンバータ１が低出力から高出力に切り替わる際に、ＣＭＰ１がＨｉｇｈレベルになる可能性がある。このとき失弧検出回路９は失弧誤検出をしてしまう。本実施例の失弧検出開始信号９８はこのような誤検出を防ぐために存在する。
【００３４】
尚、この誤検出は、強制的に電流を断続させて始動する始動時にも生ずる。従って、所定の負荷電流以上で且つ所定の速度以上のとき上記失弧検出開始信号９８を与えるようにすることが好ましい。
【００３５】
以上の実施例ではコンバータ１側の動作を説明したが、通常のＬＣＩ装置は力行動作が主である。この場合、インバータ２側の失弧は転流失敗につながる。従って、インバータ２側の出力電流を検知していれば、コンバータ１側との差分を検出することによって異常検知できるため、コンバータ１側の失弧検出ができれば、トルク変動の発生によって、モータの軸やカップリングを破損させる危険性は下がる。
【００３６】
実施例で示した失弧検出回路９、９Ａは、電流制御部に機能を追加するだけで済むため、通常のＬＣＩ装置にソフトウエア処理を追加すればよい。従って、主回路や、制御回路に追加するハード用品は不要であることはいうまでもない。
【００３７】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例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。これら新規な実施例は、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。
【００３８】
例えば、交流電動機１の界磁電流制御やインバータ２の位相指令βの制御は必ずしも行わなくても良い。また、図２から明らかなように、１次遅れフィルタ９４は必ずしも１次遅れである必要はなく、単純な遅延回路であっても良い。また同期電動機３は必ずしも同期電動機である必要はなく、誘導電動機にコンデンサを並列接続したものであっても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１  コンバータ
２  インバータ
３  同期電動機
４  位置検出器
５  速度検出器
６  電流検出器
７  主制御ユニット
８  界磁制御ユニット
９、９Ａ  失弧検出回路
７１  速度指令回路
７２  速度制御器
７３  電流制御器
７４  ゲートパルス位相器
７５  最大値選択回路
７６  ベクトル演算器
７７  力率角指令回路
７８  無負荷端子電圧指令回路
７９  位相制御器
８０  ゲートパルス位相器
９１  比較器
９２  設定器
９３  乗算器
９４  １次遅れフィルタ
９５  乗算器
９６  比較器
９７、９７Ａ  ＡＮＤ回路
９８  失弧検出開始信号
【図１】
0005629618.tif 000002
【図２】
0005629618.tif 000003
【図３】
0005629618.tif 000004