(57)【要約】【課題】負荷応答を損なうことなく直流電圧のオーバーシュートを抑制し得る電力変換装置を提供する。【解決手段】交流入力を直流に変換するコンバータ２と、コンバータ２の直流を交流に変換して交流電動機５を駆動するインバータ４と、コンバータ制御手段６と、電力フィードフォワード補正手段７６を有するインバータ制御手段７とで構成する。コンバータ制御手段６は、電圧指令とコンバータ２の直流出力である電圧フィードバックの電圧偏差を入力とし、比例増幅器６１１と積分増幅器６１２の和を出力する電圧制御手段６１と、電圧制御手段６１の出力に電力フィードフォワード補正手段７６の出力を加算した有効電流基準とコンバータ２の入力電流を比較して電圧基準を出力する電流制御手段６２と、スイッチング指令演算手段６３と、電圧偏差の絶対値が所定の閾値以下のとき積分増幅器６１２の積分値をゼロにリセットする積分リセット手段６５とを有する。【選択図】  図１
2015100152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入力を直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記コンバータの出力電圧を制御するコンバータ制御手段と、
前記インバータの出力を制御すると共に、その出力電力を検出して前記コンバータ制御手段に与える電力フィードフォワード補正手段を有するインバータ制御手段と
を具備し、
前記コンバータ制御手段は、
電圧指令から前記コンバータの直流出力である電圧フィードバックを減算した電圧偏差を入力とし、比例増幅器と積分増幅器の和を出力する電圧制御手段と、
前記電圧制御手段の出力に前記電力フィードフォワード補正手段の出力を加算した有効電流基準と前記コンバータの入力電流を比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、
前記電圧基準に従って前記コンバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と、
前記電圧偏差の絶対値が所定の閾値以下のとき前記積分増幅器の積分値をゼロにリセットする積分リセット手段と
を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
交流入力を直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記コンバータの出力電圧を制御するコンバータ制御手段と、
前記インバータの出力を制御すると共に、その出力電力を検出して前記コンバータ制御手段に与える電力フィードフォワード補正手段を有するインバータ制御手段と
を具備し、
前記コンバータ制御手段は、
電圧指令から前記コンバータの直流出力である電圧フィードバックを減算した電圧偏差を入力とし、比例増幅器と積分増幅器の和を出力する電圧制御手段と、
前記積分増幅器の正負の出力を各々リミットする出力リミット手段と、
前記電圧制御手段の出力に前記電力フィードフォワード補正手段の出力を加算した有効電流基準と前記コンバータの入力電流を比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、
前記電圧基準に従って前記コンバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と
を有し、
前記電圧偏差が正の状態で所定の閾値以下になったとき、前記出力リミット手段の正側のリミット値をゼロとし、前記電圧偏差が負の状態でその大きさが所定の閾値以下になったとき、前記出力リミット手段の負側のリミット値をゼロと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】
前記電圧偏差の絶対値が所定時間以上前記所定の閾値を超えたとき、前記積分リセット手段を動作させ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】
前記電圧偏差の絶対値が所定時間以上前記所定の閾値を超えたとき、前記出力リミット手段のリミット値をゼロと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】
前記インバータ制御手段は、
前記交流電動機の速度を直接または間接的に検出して得られる速度フィードバックと速度指令とを比較してトルク基準を出力する速度制御手段と、
前記トルク基準を前記速度フィードバックの関数として得られる磁束基準で除算して得られるトルク電流基準と、前記インバータの出力電流を検出して得られるトルク電流フィードバックとを比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、
前記電圧基準に従って前記インバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力フィードフォワード補正手段は、前記トルク電流基準と前記電圧基準から、演算によってその出力を得るようにしたことを特徴とする請求項５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、コンバータによって直流電圧を制御し、この直流電圧を交流に変換するインバータによって交流電動機を駆動する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置によって交流電動機を駆動するシステムは、従来から広く使用されている。
【０００３】
鉄鋼圧延機などを負荷とする交流電動機を駆動するシステムにおいては、電力変換装置をコンバータとインバータで構成し、コンバータの出力直流電圧を一定値に制御し、インバータは、コンバータによって一定値に制御された直流電圧を、ＰＷＭ制御等を使用して交流に変換して交流電動機を駆動する場合が多い。この場合、コンバータにもＰＷＭ制御型のコンバータを用い、インバータはその出力電流を交流電動機のトルク軸と励磁軸に変換し、トルク電流と励磁電流を独立して制御する所謂ベクトル制御が用いられていた。
【０００４】
上記のシステム構成を採用したとき、コンバータの出力電圧を全ての運転モードにおいて所定の範囲に制御することは過電圧防止等の観点から重要である。このため、例えばインバータが消費する電力をコンバータ側の電圧制御にフィードフォワード的に加算してコンバータの有効電流基準を補正するなどの対策が実施されていた（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８１８６号公報（第５−７頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示された手法は、通常の電圧制御に対して、負荷の急増時または急減時における応答の遅れによる電圧変動を抑制するため、インバータが消費する電力をコンバータ側の電圧制御にフィードフォワード的に加算してコンバータの有効電流基準を補正している。この補正をパワー補償と呼称する。しかしながら、通常の電圧制御に加えてこのようなパワー補償を行うと、負荷応答は改善されるが、負荷の急増時には直流電圧がオーバーシュート、急減時にはアンダーシュートし、返って電圧変動が大きくなってしまうことがあった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み為されたもので、負荷応答を損なうことなく直流電圧のオーバーシュートなどの変動を抑制し得る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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、交流入力を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記コンバータの出力電圧を制御するコンバータ制御手段と、前記インバータの出力を制御すると共に、その出力電力を検出して前記コンバータ制御手段に与える電力フィードフォワード補正手段を有するインバータ制御手段とを具備し、前記コンバータ制御手段は、電圧指令から前記コンバータの直流出力である電圧フィードバックを減算した電圧偏差を入力とし、比例増幅器と積分増幅器の和を出力する電圧制御手段と、前記電圧制御手段の出力に前記電力フィードフォワード補正手段の出力を加算した有効電流基準と前記コンバータの入力電流を比較して電圧基準を出力する電流制御手段と、前記電圧基準に従って前記コンバータを構成するスイッチング素子へのゲート信号を得るスイッチング指令演算手段と、前記電圧偏差の絶対値が所定の閾値以下のとき前記積分増幅器の積分値をゼロにリセットする積分リセット手段とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、負荷応答を損なうことなく直流電圧のオーバーシュートなどの変動を抑制し得る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】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図２】負荷急増時の直流電圧の挙動を説明する図。
【図３】本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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】
【００１２】
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ブロック構成図である。
【００１３】
交流電源から入力変圧器１を介してコンバータ２に交流電圧が供給され、コンバータ２はこれを直流電圧に変換し、平滑コンデンサ３を介してインバータ４に供給する。インバータ４はこの直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機５を駆動する。交流電動機５の回転軸には速度検出器１０が機械的に接続されている。
【００１４】
コンバータ２はスイッチング素子を複数個有しており、コンバータ制御回路６からのゲート信号をこれらのスイッチング素子に与えることによりその出力電圧が制御されている。そしてコンバータ制御回路６には、平滑コンデンサ３の両端の電圧を検出する直流電圧検出器８からの電圧フィードバック信号と、コンバータ２への入力電流を検出して有効電流を出力する電流検出器９による電流フィードバック信号が与えられる。
【００１５】
インバータ４も同様にスイッチング素子を複数個有しており、インバータ制御回路７からのゲート信号をこれらのスイッチング素子に与えることによりその出力が制御されている。そしてインバータ制御回路７には、速度検出器１０からの速度フィードバック信号と、インバータ４の出力電流を検出してトルク電流を出力する電流検出器１１による電流フィードバック信号が与えられる。
【００１６】
コンバータ制御回路６の内部構成を以下に説明する。与えられた電圧指令と直流電圧検出器８からの電圧フィードバック信号の電圧偏差を電圧制御器６１で増幅し、この出力とインバータ制御回路７内に設けられた電力フィードフォワード補正器７６の出力を加算して有効電流基準を得る。この有効電流基準は電流検出器９から得られる有効電流フィードバック信号と比較され、その偏差を電流制御器６２で増幅して電圧基準を得る。この電圧基準を、スイッチング指令演算回路６３により、例えばPWM変調などを用いてゲートパルスに変換し、コンバータ２のスイッチング素子のゲートに供給する。電圧制御器６１及び電流制御器６２は夫々アウターループ及びマイナーループのフィードバック制御を行っているので、上記制御を行うことによって前者は電圧指令と電圧フィードバック信号の偏差が最小となるように制御され、後者は有効電流基準と有効電流フィードバック信号の偏差が最小となるように制御される。電圧制御器６１は所謂ＰＩ制御器であり、図示したように入力される電圧偏差に比例した出力を得るための比例増幅器６１１と、入力される電圧偏差を積分した出力を得るための積分増幅器６１２の合成出力が得られる構成となっている。
【００１７】
電圧制御器６１の入力となる電圧偏差は、偏差確認器６４に与えられる。偏差確認器６４においては、入力された電圧偏差の絶対値が所定の閾値以下になったとき指令信号を積分リセット器６５に与える。積分リセット器６５はこの指令信号が与えられたとき、積分増幅器６１２の積分値をゼロにリセットする。すなわち、積分増幅器６１２が積分コンデンサを用いた回路構成のものであれば、この積分コンデンサの電荷を短絡放電させることによって積分値をリセットする。そして、偏差確認器６４に入力された電圧偏差の絶対値が所定の閾値を超えたときに積分リセット器６５への指令信号がなくなって再び積分増幅器６１２は通常の積分動作を行う。
【００１８】
次にインバータ制御回路７の内部構成を以下に説明する。
【００１９】
与えられた速度指令と速度検出器１０からの速度フィードバック信号の差分を速度制御器７１で増幅し、トルク基準を得る。速度フィードバック信号を入力とし、速度が基底速度以上のとき弱め界磁を行なう自動界磁弱め器７２により磁束基準を得る。トルク電流基準演算器７３によりトルク基準を磁束基準で除算してトルク電流基準を得る。このトルク電流基準は、電流検出器８から得られるトルク電流フィードバック信号と比較され、その偏差は電流制御器７４で増幅され、電圧基準が得られる。この電圧基準を、スイッチング指令演算回路７５により、例えばPWM変調などを用いてゲートパルスに変換し、インバータ４のスイッチング素子のゲートに供給する。尚、ここでトルク電流フィードバック信号を電流検出器８から直接得るように説明したが、電流検出器８は瞬時電流のみを検出し、インバータ制御回路７内に設けた変換回路によってトルク電流を求めるようにしても良い。トルク電流基準演算器７３の出力であるトルク電流基準と電流制御器７４の出力である電圧基準は電力フィードフォワード補正器７６に与えられる。電力フィードフォワード補正器７６はインバータ４が交流電動機５に与える瞬時電力を演算し、パワー補償フィードフォワード信号としてコンバータ制御回路６に与える。
【００２０】
次に、この実施例１における制御動作について、図２を参照して以下説明する。
【００２１】
コンバータ制御回路６は、コンバータ２の出力電圧が所定の電圧指令となるように制御する。そして、負荷側の電力の変動に対しては、電力フィードフォワード補正器７６が変動補正を行なうことによって応答を改善する。
【００２２】
図２は負荷急増時の直流電圧の挙動を示したものである。交流電動機５が負荷一定且つ一定速度で運転されている状態において、時刻ｔ＝T1でインパクト負荷がかかったとき、トルク基準はほぼステップ状に変化し、図示しない速度フィードバックは低下を開始する。図１において、電力フィードフォワード補正器７６によるパワー補償がなく、また偏差確認器６４による積分リセット器６５も設けない場合は、このとき直流電圧は大きく落ち込み実線の波形Ａのようになる。これに対して電力フィードフォワード補正器７６によるパワー補償のみを追加すると、落ち込みは大きく改善され、一点鎖線Ｂのようになる。しかしながらこの場合、図示したように直流電圧に制御によるオーバーシュートが生じる。このオーバーシュートは、直流電圧がインパクト負荷による落ち込みから回復しても、積分増幅器６１２の積分値が残っているために生じている。このオーバーシュートを除去するため、偏差確認器６４及び積分リセット器６５を設け、直流電圧の電圧偏差が所定の閾値以下となったことを偏差確認器６４で検出し、積分リセット器６５にリセット指令を与える。このようにすれば、図２の時刻Ｔ２において積分増幅器６１２の積分値がリセットされてゼロとなり、図２の実線矢印Ｃで示したように直流電圧は静定制御され、オーバーシュートによる過電圧は生じなくなる。
【００２３】
また、直流電圧の電圧偏差の絶対値が所定の閾値以下となったことを偏差確認器６４で検出するようにすれば、図２に示した負荷急増時ではなく、負荷急減時においても、積分リセット器６５の動作によって積分リセットを行うことが可能となり、直流電圧の変動を抑制できることは明らかである。
【実施例２】
【００２４】
本発明の実施例２に係る電力変換装置を図３を参照して説明する。図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図である。
【００２５】
この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、積分増幅器６１２の出力側に出力リミッタ６１３を設けた点、偏差確認器６４Ａの出力をリミット処理器６６に与え、このリミット処理器６６の出力で出力リミッタ６１３のリミット値を変化させるように構成した点である。
【００２６】
この実施例２における偏差確認器６４Ａは、直流電圧の電圧偏差すなわち電圧基準−電圧フィードバックの値が正の状態で所定の閾値以下になったときと、負の状態でその大きさが所定の閾値以下となった状態で異なる指令をリミット処理器６６に与える。そして、前者の場合にリミット処理器６６は出力リミッタ６１３の正側リミット値をゼロにし、後者の場合には出力リミッタ６１３の負側リミット値をゼロにする。このようにすれば、電圧偏差の符号に応じて負荷急増が生じたのか負荷急減が生じたのかを判定し、その結果に応じて必要となるリミット処理を行うことが可能となるので、より正確な制御が可能となる。
【００２７】
以上、本発明の実施例について説明したが、こ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。この新規な実施例は、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。この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。
【００２８】
例えば、制御外乱等による誤動作を防止するために、実施例１においては、電圧偏差の絶対値が所定時間以上所定の閾値を超えたあと所定の閾値以下になったときに限り、積分リセット器６５を動作させるようにしても良い。同様に実施例２においても、電圧偏差の絶対値が所定時間以上所定の閾値を超えたあと所定の閾値以下になったときに限り、リミット処理器６６が出力リミッタ６１３のリミット値をゼロとするようにしても良い。
【００２９】
また、インバータ制御器７は速度制御器７３と電流制御器７４を有する構成として説明したが、速度制御器７３が無く、トルク制御のみを行う応用であっても良い。また速度制御を行う場合であっても必ずしも速度検出器１０によって速度フィードバック信号を得る必要は無く、所謂センサレスベクトル制御の手法を用い、速度フィードバック信号を演算によって間接的に求めるようにしても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１  入力変圧器
２  コンバータ
３  平滑コンデンサ
４  インバータ
５  交流電動機
６、６Ａ  コンバータ制御回路
７  インバータ制御回路
８、９  電流検出器
１０  速度検出器
６１  電圧制御器
６２  電流制御器
６３  スイッチング指令演算器
６４、６４Ａ  偏差確認器
６５  積分リセット器
６６  リミット処理器
７１  速度制御器
７２  自動界磁弱め器
７３  除算器
７４  電流制御器
７５  スイッチング指令演算器
７６  電力フィードフォワード補正器
６１１  比例制御器
６１２  積分制御器
６１３  出力リミッタ
【図１】
2015100152.tif 000003
【図２】
2015100152.tif 000004
【図３】
2015100152.tif 000005