(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第１の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第１の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項２】
周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第１の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第１の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第１の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように定めることを特徴とする交流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、交流電動機の制御装置に係り、特に、可変速駆動される交流電動機を商用電源へ同期併入するのに好適な交流電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置を用いて交流電動機を可変速駆動する場合に、商用電源へ切り換えて運転できるようにした装置がある。
この種の従来の装置を図４に示す。図４において、商用電源１の交流電力はコンバータ２で直流電力に変換され、リアクトル３を介して平滑した直流電流となる。この直流電流はインバータ４で可変周波数の交流電流に変換され、開閉器３１を介して交流電動機５に供給され、交流電動機５は可変速駆動される。
【０００３】
また、交流電動機５は開閉器３２を介して供給される商用電源１により定速駆動される。
可変速駆動する場合の速度は、加減速率制限回路６に入力される速度基準Ｎ* で定まり、加減速率制限回路６で変化率の制限された信号はスイッチ１３a を介して電圧基準Ｖ* として電圧制御回路７へ入力される。電圧制御回路７は電圧基準Ｖ* と電圧検出器４２を介して検出されるインバータ４の出力電圧ＶI を比較し電流基準Ｉ* を出力する。電流制御回路８は電流基準Ｉ* と電流検出器４０を介して検出されるコンバータ２の入力電流ＩS と比較し位相制御信号ＰC を出力し、位相制御回路９を介してコンバータ２の出力電流を制御してインバータ４の出力電圧ＶI を制御する。一方、スイッチ１３a を介して出力される加減速率制限回路６の出力信号は周波数基準ｆ* として周波数制御回路１０へも入力され、周波数制御回路１０は周波数基準ｆ* に応じた転流指令ＰI を出力し駆動部１１を介してインバータ４の交流出力の周波数を制御する。これにより、交流電動機５は速度基準Ｎ* に対応した速度で駆動される。
【０００４】
上述のようにして、インバータ電源により任意の速度で駆動されている交流電動機５を商用電源１による駆動へ切り換えるとき、速度基準Ｎ* を商用電源１の周波数ｆCM以上に設定し、図５に示すように、周波数基準ｆ* （電圧基準Ｖ* ）を加減速率制限回路６で定められた所定の変化率で上昇させる。時刻ｔ0 で、周波数基準ｆ* が同期速度周波数ｆCMより少し低い所定周波数（同期併入制御開始周波数）ｆ0 に達すると、比較器１２からスイッチの切換指令が出力され、スイッチ13a がオフ（開路）してスイッチが13b がオン（閉路）する。これにより、周波数基準ｆ* は図５に示すように時刻ｔ0 から同期併入制御開始周波数ｆ0 で一定となる。また時刻ｔ0 でスイッチ13c がオン（閉路）され、位相差検出器１４から出力される位相差Δθが比較器１５に入力される。位相差検出器１４は、電圧検出器４４と位相検出器４５を介して検出される商用電源１の電圧位相θs と電圧検出器４２と位相検出器４３を介して検出されるインバータ４の出力電圧位相θI を比較し、その位相差をΔθとして出力する。従って、時刻ｔ0 から比較器１５は位相差Δθの監視を開始し、設定された所定の位相差θ1 に一致した時点ｔ1 で、スイッチ１６をオン（閉路）にして位相同期制御回路１７に位相差Δθを入力し、位相同期制御を開始させる。位相同期制御回路１７は比例積分（ＰＩ）制御回路で構成され、位相差Δθをゼロとするように周波数補正信号ｆc を出力して加算器１８を介して周波数基準ｆ* に加えられｆ* の値を補正し、インバータ４の出力電圧位相θI を商用電源１の電圧位相θs に一致させるように追従制御を行う。時点ｔ1 から所定時間経過後に位相差Δθが所定の値以下であることを確認すると、開閉器切換制御部４６は開閉器３１をオフ（開路）して開閉器３２をオン（閉路）とし、交流電動機５の駆動電源をインバータ４から商用電源１へ切り換える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の制御装置は、同期併入制御を開始させる周波数ｆ0 の設定と位相同期制御を開始させる位相差θ1 の設定が難しく自由度が少ない、という問題がある。
【０００６】
すなわち、図５に示すように、時点ｔ0 で周波数基準ｆ* を同期併入制御開始周波数ｆ0 で一定とし、位相差Δθが位相同期制御開始位相θ1 に一致するまで待ち時間ＴW があり、最大で式(1) に示す待ち時間ＴW を必要とする。
【０００７】
【数１】
ＴW ＝１／（ｆCM−ｆ0 ）                                      (1)
この待ち時間ＴW は、ｆ0 がｆCMに近いほど長くなるという問題がある。
また、周波数基準ｆ* を増加させ、加速させながら位相同期制御を行うため、θ1 は遅れ位相に設定しなければならず、且つ、位相同期制御に入った時点ｔ1 から位相差Δθが１８０°以上遅れるとΔθの極性が反転することから、θ1 は−１８０°より十分大きく選定しなければならない。このように、同期併入制御開始周波数ｆ0 と位相同期制御開始位相θ1 は設定値を決めるのが難しく自由度が少ないという問題点がある。
【０００８】
更に、時点ｔ1 で位相差Δθがθ1 という初期値を持ちｆ0 からｆCMまで加速することから、図５に示すように、ＰＩ制御による周波数基準ｆ* が急増し、加速度ａが過渡的に非常に大きくなりショックが発生し、制御の安定を乱すという問題がある。
【０００９】
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交流電動機の駆動電源をインバータ電源から商用電源へ切り換える同期併入制御の所用時間を短縮し、制御パラメータの設定の自由度を高め、ショックを発生して制御を乱すことなく、安定した同期併入制御を行うことのできる交流電動機の制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のような手段を備える。
請求項１の発明として、周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第１の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第１の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備える。
【００１１】
請求項２の発明として、周波数基準に応じて交流電動機を可変速駆動する電力変換装置と、商用電源の電圧と前記電力変換装置の出力電圧との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差をゼロとするように前記電力変換装置の出力周波数を制御して前記交流電動機の駆動電源を前記商用電源へ切り換える同期併入制御手段を備えた交流電動機の制御装置において、前記同期併入制御手段は、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が前記商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、前記位相差を保持するメモリと、保持された位相差と前記第１の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第１の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力する加速率制御手段と、前記第１の時点で前記周波数指令を周波数基準とする周波数基準切換手段と、切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとするように前記周波数基準の補正制御を開始する位相同期制御手段を備える。
【００１２】
請求項３の発明として、更に、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように定める。
【００１４】
【作用】
請求項１の発明において、交流電動機の駆動電源を電力変換装置から商用電源へ切り換えるとき、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、商用電源の電圧と電力変換装置の出力電圧の位相差が前記メモリに保持される。前記加速率制御手段は保持された位相差と前記第１の周波数と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数の増加率を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力し、前記周波数基準切換手段は前記第１の時点でこの周波数指令を周波数基準として出力する。前記位相同期制御手段は切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとする位相同期制御を開始する。
【００１５】
請求項２の発明は、交流電動機の駆動電源を電力変換装置から商用電源へ切り換えるとき、所定の変化率で増加する周波数基準が与えられ、この周波数基準が商用電源の周波数より少し低い第１の周波数に達した第１の時点で、商用電源の電圧と電力変換装置の出力電圧の位相差が前記メモリに保持される。前記加速率制御手段は保持された位相差と前記第１の周波数と所定の変化率で増加する周波数基準が前記第１の周波数に到達する直前の加速度と前記商用電源の周波数とをパラメータとして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで一定の加速度変化率で増加したとき、前記位相差がほぼゼロとなるように加速関数を定め、前記加速関数に基づいて前記第１の周波数から増加する周波数指令を出力し、前記周波数基準切換手段は前記第１の時点でこの周波数指令を周波数基準として出力する。前記位相同期制御手段は切り換えられた周波数基準が前記商用電源の周波数に達した第２の時点で、前記位相差検出手段から出力される位相差をゼロとする位相同期制御を開始する。
【００１６】
請求項３の発明は、更に、前記加速関数の増加率は、加速度を一定にして、前記第１の周波数から前記商用電源の周波数まで増加した第２の時点で、検出される位相差がほぼゼロになるように定め、ショックの無い同期併入制御を行う。
【００１８】
【実施例】
本発明の請求項１〜３に対応する実施例の構成を図１に示す。
図１は、要部構成を示したもので、コンバータとインバータを含む制御回路は従来と同様であり、加減速率制限回路６、比較器１２、スイッチ１３ａ、１３ｂ、１６、位相差検出器１４、位相同期制御回路１７は従来のものを適用することができる。
【００１９】
通常のインバータ電源による可変速運転は、スイッチ１３a がオン（スイッチ１３b がオフ）して、加減速率制限回路６の出力がコンバータとインバータに電圧基準Ｖ* と周波数基準ｆ* として与えられ、速度基準Ｎ* に基づいて、従来と同様に行われる。
【００２０】
インバータで駆動されている交流電動機を商用電源による駆動へ切り換えるとき、速度基準Ｎ* を商用電源の周波数ｆCMに設定し、図２に示すように、周波数基準ｆ* （電圧基準Ｖ* ）を加減速率制限回路６で定められた所定の変化率で増加させる。周波数基準ｆ* が商用電源の周波数（同期速度）ｆCMより少し低い所定周波数（同期併入制御開始周波数）ｆ0 に達すると、比較器１２はスイッチの切換指令を出力して、スイッチ13b をオン（閉路）させ、スイッチ13a をオフ（開路）させる。また、この時点ｔ0 で位相差検出器１４から出力される位相差Δθ（＝θ0 ）をメモリ１９に記憶させる。加速率制御回路２０は、メモリ１９に記憶された位相差θ0 と、その時点ｔ0 の周波数基準ｆ* （＝同期併入制御開始周波数ｆ0 ）と、商用電源の周波数ｆCMとから所定の加速関数を決定し、この加速関数に基づいて、時点ｔ0 後、周波数基準ｆ* （＝ｆ0 ）から商用電源の周波数ｆCMまで増加する周波数指令ｆ1 * を出力し、これが新たな周波数基準ｆ* として用いられる。この周波数基準ｆ* が商用電源の周波数ｆCMに達すると、比較器２１はスイッチ１６をオン（閉路）して位相差検出器１４から出力される位相差Δθを位相同期制御回路１７に入力する。加速率制御回路２０は、この時点ｔ1 で位相差Δθがほぼゼロとなるように周波数指令ｆ1 * を出力するので、位相同期制御回路１７は僅かな位相差Δθをゼロとするように周波数補正信号ｆc を出力して周波数基準ｆ* の値を補正し、インバータ４の出力電圧位相θI を商用電源１の電圧位相θs にショックを与えることなく短時間で一致させるように位相同期制御を行う。
【００２１】
時点ｔ1 から所定時間後に、位相差Δθが所定の値以下であることを確認すると、従来と同様に、開閉器切換制御部４６は開閉器３１をオフ（開路）して開閉器３２をオン（閉路）し、交流電動機５の駆動電源をインバータ４から商用電源１へ切り換える。
【００２２】
加速率制御回路２０の作用について更に詳細に説明する。
加速率制御回路２０で定められる加速関数には種々のものが考えられるが、ショック低減を主眼とする場合、図２に示すように、加速度変化率を一定にして、ｆ０  からｆＣＭまで加速したとき、丁度、位相差Δθがほぼゼロになるように加速度変化率を定めることができる。（請求項１、請求項２）
この場合、周波数基準ｆ＊が同期併入制御開始周波数ｆ０に到達した時点ｔ０で、加速率制御回路２０は、周波数基準ｆ＊がｆ０に到達する直前の周波数基準変化率ｄｆ＊／ｄｔから加速度ａ０を検出し、加速度ａ０、商用電源の周波数ｆＣＭ、同期併入制御開始周波数ｆ０、メモリ１９に記憶された位相差θ０をパラメータとして、周波数指令ｆ１＊がｆＣＭに到達するときに位相差Δθをほぼゼロとするように加速関数を設定する。すなわち、時点ｔ０の加速度ａ０を初期加速度とし、ｆ０からｆＣＭに到達するまでの時間をＴ０、このＴ０の期間に回転する位相差Δθの回転数をｎとしたとき、（２．１）〜（２．５）式の条件を同時に満たすように加速度変化率ｋを定める。
【００２３】
【数２】
0003678781.tif 000002
（但し、ｎは任意に定めることのできる正の整数）
この連立方程式から、(3.1) 式のように、加速度変化率ｋの値を既知のパラメータで求めることができる。
【００２４】
【数３】
ｋ＝ｆ（ａ0 ，ｆ0 ，ｆCM，θ0 ，ｎ）                        （3.1)
加速率制御回路２０は、(2.1) 式に基づいた加速度ａでＴ0 の時間でｆ0 からｆCMまで加速する。
【００２５】
図２は、ｎ＝１として同期併入制御を行った場合の動作波形図である。
一定の加速率ａ0 で周波数基準ｆ* が増加し、時点ｔ0 で同期併入制御開始周波数ｆ0 に達すると、加速度ａをａ0 から次第に減少させながら周波数基準ｆ* を増加させ、Ｔ0 の時間が経過した時点ｔ1 で周波数基準ｆ* が商用電源の周波数ｆCMに達するとともに位相差Δθがほぼゼロになり、スムーズに位相同期制御が開始される。
【００２６】
また、別の方法として、図３に示すように、一定の加速度でＴ０の時間でｆ０からｆＣＭまで加速したとき、丁度、位相差Δθがゼロになるような加速度ａ１を定めることができる。（請求項１、請求項３）
すなわち、一定の加速度ａ１で、ｆ０からｆＣＭに到達するまでの時間をＴ０としたとき、（４．１）〜（４．４）式の条件を同時に満たす加速度ａ１を定める。
【００２７】
【数４】
0003678781.tif 000003
（但し、ｎは任意に定めることのできる正の整数）
この連立方程式を解いて、(5.1) 式のように、加速度ａ1 の値を既知のパラメータで求めることができる。
【００２８】
【数５】
ａ1 ＝２π2 （ｆCM2 −ｆ0 2 ）／（２ｎπ−Δθ）            (5.1）
加速率制御回路２０は、一定の加速度ａ1 でＴ0 の時間でｆ0 からｆCMまで加速する。
【００２９】
図３は、ｎ＝１として同期併入制御を行った場合の動作波形図である。
一定の加速率ａ0 で周波数基準ｆ* が増加し、時点ｔ0 で同期併入制御開始周波数ｆ0 に達すると、加速度ａをａ0 からａ1 に変更して周波数基準ｆ* を一定の変化率で増加させ、Ｔ0 の時間が経過した時点ｔ1 で周波数基準ｆ* が商用電源の周波数ｆCMに達するとともに位相差Δθがほぼゼロになり、スムーズに位相同期制御が開始される。
【００３０】
この実施例によれば、加速率制御回路２０における計算の負担が軽減されるという利点がある。
これらの実施例によれば、位相同期制御を開始する前に周波数基準を一定とする期間がなくなり、商用電源の周波数まで連続して加速を行うことができ、短時間で位相同期制御に入れることが可能となる。更に、位相同期制御に入る時点での商用電源の電圧位相と電力変換装置の出力電圧位相の位相差をほぼゼロにすることができ、ショックを与えることなく位相同期制御を開始させることが可能となり、安定した位相同期制御を行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、交流電動機の駆動電源をインバータ電源から商用電源へ切り換える同期併入制御における不要な待ち時間をなくし、ショックを与えて制御の安定を乱すことなく、短時間で安定した位相同期制御を行うことができ、制御パラメータの設定の自由度を高め、高性能の同期併入制御を行うことのできる交流電動機の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１〜３に対応する実施例の構成図。
【図２】本発明の請求項１、２に対応する実施例の動作波形図で、加速度変化率を一定とした場合の動作波形図。
【図３】本発明の請求項１、３に対応する実施例の動作波形図で、加速度を一定とした場合の動作波形図。
【図４】従来装置の構成図。
【図５】従来装置の問題点を説明するための動作波形図。
【符号の説明】
１・・商用電源                      ２・・コンバータ
３・・リアクトル                    ４・・インバータ
５・・交流電動機                    ６・・加減速制限回路
７・・電圧制御回路                  ８・・電流制御回路
９・・位相制御回路                １０・・周波数制御回路
１１・・駆動部                      １２・・比較器
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ・・スイッチ  １４・・位相差検出器
１５・・比較器                      １６・・スイッチ
１７・・位相同期制御回路            １８・・加算器
１９・・メモリ                      ２０・・加速率制御回路
２１・・比較器                      ３１、３２・・開閉器
４０・・電流検出器                  ４２、４４・・電圧検出器
４３、４５・・位相検出器            ４６・・開閉器切換制御回路
【図１】
0003678781.tif 000004
【図２】
0003678781.tif 000005
【図３】
0003678781.tif 000006
【図４】
0003678781.tif 000007
【図５】
0003678781.tif 000008