(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とし、所望の周波数／電圧を出力して交流電動機を駆動し、出力側に出力開閉器及び電圧検出器を備えたインバータ装置と、
交流電源から直接前記交流電動機を駆動するように設けられたバイパス開閉器と、
前記バイパス開閉器を閉路して交流電動機を運転している状態から前記インバータ装置による運転に切り替えるとき、前記交流電動機の位相に追従して前記インバータ装置の内部位相を一致させるためのＰＬＬ制御手段と
を具備し、
前記ＰＬＬ制御手段は、
前記電圧検出器の検出電圧と前記インバータ装置の内部位相から互いの位相差を検出する位相差検出手段と、
この位相差をＰＩ制御器によって比例積分制御し、第一の切り替え器を介して補正前内部位相として出力するＰＩ制御手段と、
前記位相差検出手段の出力を第二の切り替え器を介して出力し、これを前記補正前内部位相に加えて内部位相とする位相補正手段と、
前記位相差検出手段の出力を微分し、開閉器を介して前記ＰＩ制御手段の積分初期値とする積分初期値設定手段と、
前記出力開閉器が投入された信号を受けこれを所定時間遅らせる遅延手段と
を有し、
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号によって、
前記第一の切り替え器の入力を０から前記ＰＩ制御器の出力に切り替え、
且つ前記第二の切り替え器の入力を短期間０から前記位相差検出手段の検出する位相差に切り替えた後再び０に戻し、
且つ前記積分初期値設定手段の出力の開閉器を閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
交流電源を入力とし、所望の周波数／電圧を出力して交流電動機を駆動し、出力側に出力開閉器及び電圧検出器を備えた常用インバータ装置と、
交流電源を入力とし、所望の周波数／電圧を出力して交流電動機を駆動し、出力側に出力開閉器及び電圧検出器を備えた待機インバータ装置と、
前記常用インバータ装置によって交流電動機を運転している状態から前記待機インバータ装置による運転に切り替えるとき、前記交流電動機の位相に追従して前記待機インバータ装置の内部位相を一致させるためのＰＬＬ制御手段と
を具備し、
前記ＰＬＬ制御手段は、
前記待機インバータ装置の前記電圧検出器の検出電圧と前記待機インバータ装置の内部位相から互いの位相差を検出する位相差検出手段と、
この位相差をＰＩ制御器によって比例積分制御し、第一の切り替え器を介して補正前内部位相として出力するＰＩ制御手段と、
前記位相差検出手段の出力を第二の切り替え器を介して出力し、これを前記補正前内部位相に加えて内部位相とする位相補正手段と、
前記位相差検出手段の出力を微分し、開閉器を介して前記ＰＩ制御手段の積分初期値とする積分初期値設定手段と、
前記出力開閉器が投入された信号を受けこれを所定時間遅らせる遅延手段と
を有し、
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号によって、
前記第一の切り替え器の入力を０から前記ＰＩ制御器の出力に切り替え、
且つ前記第二の切り替え器の入力を短期間０から前記位相差検出手段の検出する位相差に切り替えた後再び０に戻し、
且つ前記積分初期値設定手段の出力の開閉器を閉路するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号が発せられた後、所定時間後に前記インバータ装置の出力を開始するようにした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】
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号が発せられた後、所定時間後に前記待機インバータ装置の出力を開始するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号が発せられた後、所定時間以降に前記位相差が所定値以下であれば、前記インバータ装置の出力を開始するようにした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】
前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号が発せられた後、所定時間以降に前記位相差が所定値以下であれば、前記待機インバータ装置の出力を開始するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改良された位相追従特性を有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電源で駆動されていた交流電動機を素早くインバータ装置の出力での駆動に切り替える場合、或いは、複数台のインバータ装置を用いて冗長システムを構成することによって信頼性の高い電力変換装置による駆動システムを構築し、１台のインバータ装置が故障したとき、素早く待機中のインバータ装置に切り替える場合、インバータ装置の出力周波数及びその位相を空転中の交流電動機に素早く一致させて切り替える必要がある。
【０００３】
このために所謂ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路を使用してインバータ装置の出力周波数及び位相を空転中の交流電動機に一致させる制御を行うことが一般的であるが、位相追従特性、すなわち位相一致の精度、及び応答速度については必ずしも性能が十分とは言えなかった。位相の一致が不十分の状態で切り替え運転を行ったときの過電流を防止するために、切り替え運転を行ったときの有効電流の極性によって位相を補正する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１２３７８２号公報（第３−４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された手法によれば、ＰＬＬ回路の位相検出誤差や動作遅れによる位相誤差が生じた場合の対策がある程度は可能である。しかしながら、切り替え運転時の過電流が瞬間的には生じてしまうこと、また制御を行って安定にインバータ装置で運転するまでに時間遅れが生じること等の問題があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑みて為されたものであり、ＰＬＬ回路の位相誤差を素早く補正して切り替え運転時の過電流の発生を抑えることが可能な電力変換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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、交流電源を入力とし、所望の周波数／電圧を出力して交流電動機を駆動し、出力側に出力開閉器及び電圧検出器を備えたインバータ装置と、交流電源から直接前記交流電動機を駆動するように設けられたバイパス開閉器と、前記バイパス開閉器を閉路して交流電動機を運転している状態から前記インバータ装置による運転に切り替えるとき、前記交流電動機の位相に追従して前記インバータ装置の内部位相を一致させるためのＰＬＬ制御手段とを具備し、前記ＰＬＬ制御手段は、
前記電圧検出器の検出電圧と前記インバータ装置の内部位相から互いの位相差を検出する位相差検出手段と、この位相差をＰＩ制御器によって比例積分制御し、第一の切り替え器を介して補正前内部位相として出力するＰＩ制御手段と、前記位相差検出手段の出力を第二の切り替え器を介して出力し、これを前記補正前内部位相に加えて内部位相とする位相補正手段と、前記位相差検出手段の出力を微分し、開閉器を介して前記ＰＩ制御手段の積分初期値とする積分初期値設定手段と、前記出力開閉器が投入された信号を受け、これを所定時間遅らせる遅延手段とを有し、前記遅延手段の出力であるＰＩ制御動作開始信号によって前記第一の切り替え器の入力を０から前記ＰＩ制御器の出力に切り替え、且つ前記第二の切り替え器の入力を短期間０から前記位相差検出手段の検出する位相差に切り替えた後再び０に戻し、且つ前記積分初期値設定手段の出力の開閉器を閉路するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ＰＬＬ回路の位相誤差を素早く補正して切り替え運転時の過電流の発生を抑えることが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る電力変換装置のＰＬＬ制御回路の動作タイムチャート。
【図３】本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００１２】
交流電源から入力しゃ断器１を介しインバータ装置２に交流電圧が供給される。インバータ装置２はこの商用周波数の交流電圧を所望の周波数、電圧を有する交流電圧に変換し、交流電動機３を駆動する。また、入力しゃ断器１の出力から直接交流電動機３を駆動するためにバイパス開閉器２５が設けられている。このバイパス開閉器２５は、例えば、インバータ装置２によって交流電動機３を定格速度まで加速したあと、インバータ装置２の損失を低減するために交流電源によって交流電動機３を直接駆動する場合に用いられる。
【００１３】
インバータ装置２は入力側に入力開閉器２１を有し、必要に応じてＡＣリアクトル、変圧器等を介して適切な電圧が電力変換器２２に給電される。電力変換器２２の内部回路の図示は省略するが、通常はコンバータによって交流を直流に変換したあと、インバータによって直流を再び交流電動機３を駆動するための交流に変換する。インバータは複数個のスイッチング素子によって構成され、図示しない制御部からのスイッチング指令によってこれらのスイッチング素子がオンオフ制御される。この制御には所謂ＰＷＭ制御が採用されることが多い。そして交流電動機３は出力開閉器２４を介して駆動される。
【００１４】
電力変換器２２の出力（インバータ装置２の出力）は電圧検出器２３によって検出され、ＰＬＬ制御回路４に与えられる。ＰＬＬ制御回路４は、バイパス開閉器２５による交流電動機３の直接駆動から再びインバータ装置２による駆動に素早く切り替えるときに、電力変換器２２のインバータと交流電動機３の周波数及び位相を素早く一致させる機能を有する。以下この内部回路の構成について説明する。
【００１５】
電圧検出器２３によって検出されたＵ、Ｖ、Ｗ各相の電圧は直交座標変換器４１に与えられる。この直交座標変換器４１には、後述する電力変換器２２のインバータの内部位相が与えられており、交流電動機３とこの内部位相の位相差をΔθとすると、直交座標変換器４１はＶｓｉｎΔθとＶｃｏｓΔθを求めることができる。ここでＶは各相の電圧振幅である。このＶｓｉｎΔθとＶｃｏｓΔθを位相差検出器４２に入力することによってΔθを求めることができる。すなわち、位相差検出器４２においてＶｓｉｎΔθとＶｃｏｓΔθからｔａｎΔθを求め、Δθ＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΔθ）からΔθを求める。
【００１６】
位相差検出器４２で得られた位相差ΔθはＰＩ制御回路４３に与えられる。そして、ＰＩ制御回路４３の出力は切り替え器４４を介して積分回路４５に与えられ、この積分回路４５の出力と後述する切り替え器４６の補正出力の加算値が前述した内部位相となる。ＰＩ制御回路４３の入力である位相差Δθは微分演算器４７によって微分され、交流電動機３の速度が求められる。この交流電動機３の速度を、開閉器４８を介してＰＩ制御回路４３の積分初期値として与えることができる構成としている。
【００１７】
交流電動機３の直接駆動状態から再びインバータ装置２による駆動に切り替えるときは、パイパス開閉器２５を開放して交流電動機３をフリーランさせた状態で出力開閉器２４を投入する。この投入信号時の過渡擾乱を遅れ回路４９により回避し、遅れ回路４９の出力によってＰＩ制御回路４３の動作を開始する。この動作開始前は、切り替え器４４、切り替え器４６共入力「０」が選択されており、従って内部位相は０の状態となっている。この状態から遅れ回路４９の出力であるＰＩ制御動作開始信号によって、切り替え器４４をＰＩ制御回路４３の出力側に、切り替え器４６をＰＩ制御回路４３の入力である位相差Δθ側に切り替える。尚、切り替え器４６の切り替えはワンショット回路５０経由で行う。すなわち、デジタル制御の場合、１回だけ補正を行い、直ぐに０に戻す。また、前述のとおり、ＰＩ制御動作開始信号によって開閉器４８を閉路し、交流電動機３のそのときの速度を、ＰＩ制御回路４３の積分初期値として与える。
【００１８】
以上の構成における詳細動作について図２のＰＬＬ制御回路の動作タイムチャートに従って説明する。図２（ａ）はＰＩ制御開始時点からのＵ相電圧と内部位相の時間推移を示したものである。図２（ｂ）にはＰＩ制御開始時点からの内部位相の時間推移を拡大して示す。すなわち図２（ｂ）は図２（ａ）の領域Ｐに対応する。以下図２（ｂ）に従って動作説明を行う。
【００１９】
実線で示した位相推移は実際のＵ相電圧の電圧位相の推移である。これに対して、破線で示した位相推移は、通常のＰＬＬ回路動作を行ったときの内部位相の推移である。通常のＰＬＬ回路動作とは、図１においてＰＬＬ回路のＰＩ制御動作開始信号が与えられたとき、切り替え器４４のみをＰＩ制御回路４３の出力側に切り替え、切り替え器４６は０のまま、且つ開閉器４８も閉路しない状態の動作を意味している。ここではＰＩ制御動作開始の内部位相を便宜上９０°としている。この時点で直ぐに切り替え器４６がＰＩ制御回路４３の入力である位相差Δθに切り替わる。すると内部位相は図示したように位相差Δθだけシフトして図２（ｂ）のＡ点に到達し、実線の電圧位相と瞬時に一致する。そして、開閉器４８を閉路しない状態においては、ＰＩ制御回路４３の動作による内部位相は、図の一点鎖線の位相推移となってＢ点に向かおうとする。ところが、開閉器４８も切り替え器４４、４６の切り替え動作と同時に閉路してＰＩ制御回路４３の積分初期値が交流電動機３の速度と一致するため、位相の変化の傾きが修正され、その結果実際の電圧位相の変化と一致することになる。デジタル制御を行っている場合は、微分器４７が位相の変化すなわち速度を検出するのには最低１サンプリング時間要するので、最短でデジタル制御の１サンプリング時間あれば電力変換器２２のインバータと交流電動機３の位相と周波数を一致させることが可能となる。尚、１サンプリング期間だけではその間の速度変動が問題となるような場合には２サンプリング期間速度を検出することによって加速度を検出し、加速度によって補正された速度を求めるようにしても良い。
【００２０】
以上説明したように、この実施例１によれば、ＰＩ制御動作開始の直後に電力変換器２２のインバータのゲートブロックを解除して通電すればＰＬＬ回路の位相誤差を素早く補正して切り替え運転時の過電流の発生を抑えることが可能となる。ここで、ＰＩ制御動作開始の直後とは、例えば上記の１サンプリング時間後または２サンプリング時間後とすれば良い。また、このときの位相差Δθが所定値以内であることを確認してインバータ装置２の出力を開始するようにしても良い。
【実施例２】
【００２１】
図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置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、バイパス開閉器２５に代えて常用インバータ装置２Ａを設ける構成とした点、インバータ装置２を待機インバータ装置２Ｂに代える構成とした点である。
【００２２】
常用インバータ装置２Ａ、待機インバータ装置２Ｂは共に実施例１で説明したインバータ装置２と同一の内部構成であるのでこれらの説明は省略する。
【００２３】
この実施例２におけるＰＬＬ制御回路４は実施例１のものと全く同一の構成であり、その動作も同一である。従って、この実施例２の場合もＰＩ制御動作開始の直後に電力変換器２２のインバータのゲートブロックを解除して通電すればＰＬＬ回路の位相誤差を素早く補正して切り替え運転時の過電流の発生を抑えることが可能となる。
【００２４】
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。
【００２５】
例えば、実施例２では常用インバータ装置から待機インバータ装置に切り替える説明を行ったが、これは常用インバータ装置が故障した場合とは限らない。常用インバータ装置の保守のためにこの切り替えを行っても良い。また、常用インバータ装置の電圧検出器２３Ａの出力で作動するＰＬＬ制御回路を準備しておけば、待機インバータ装置から常用インバータ装置への逆の切り替えも可能である。従ってこの実施例２は常用、待機という用語に拘らず、２台のインバータ装置間の駆動切り替えが可能であることを意味している。
【符号の説明】
【００２６】
１  入力しゃ断器
２  インバータ装置
２Ａ  常用インバータ装置
２Ｂ  待機インバータ装置
３  交流電動機
４  ＰＬＬ制御回路
２１、２１Ａ、２１Ｂ  入力開閉器
２２、２２Ａ、２２Ｂ  電力変換器
２３、２３Ａ、２３Ｂ  電圧検出器
２４、２４Ａ、２４Ｂ  出力開閉器
２５  バイパス開閉器
４１  直交座標変換器
４２  位相差演算器
４３  ＰＩ制御回路
４４  切り替え器
４５  積分器
４６  切り替え器
４７  微分演算器
４８  開閉器
４９  遅延回路
５０  ワンショット回路
【図１】
0005883276.tif 000002
【図２】
0005883276.tif 000003
【図３】
0005883276.tif 000004