(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用の交流電源にインバータ出力を同期制御するインバータの同期制御装置であって、
交流電源の周波数に合わせた周波数指令とインバータの出力周波数との偏差に比例した値を加速レートリミッタで制限し、この値を比例積分演算してインバータの出力周波数指令を得る周波数演算部と、
前記周波数演算部によるインバータの周波数制御において、交流電源とインバータ出力の周波数が一致する到達点での交流電源の位相を演算する商用位相演算部と、
前記周波数演算部によるインバータの周波数制御において、交流電源とインバータ出力の周波数が一致する到達点でのインバータ出力の位相を演算する出力位相演算部と、
前記到達点での交流電源の位相とインバータ出力の位相との誤差に応じて前記周波数演算部の出力周波数の加速レートまたは周波数制御量を調節し、該到達点での位相を同期させる到達点位相レギュレータと、
を備えたことを特徴とするインバータの同期制御装置。
【請求項２】
前記到達点位相レギュレータによる周波数の加速レートまたは周波数制御量の補正が過大になるのを制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項１に記載のインバータの同期制御装置。
【請求項３】
前記到達点位相レギュレータは、前記到達点での交流電源の位相とインバータ出力の位相との誤差に対する加速レートまたは周波数制御量を減らす方向に位相補正量の範囲を変換する位相補正範囲変換部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータの同期制御装置。
【請求項４】
前記周波数演算部の周波数指令と出力周波数との偏差がしきい値を越えたか否かを判定し、この判定結果により前記レギュレータのゲインを切り替える周波数到達判定部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータの同期制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用の交流電源にインバータ出力を同期制御するインバータの同期制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の同期制御は、例えば、インバータで可変速駆動される交流電動機を商用の交流電源へ同期併入する装置に適用される（例えば特許文献１参照）。この同期併入は、交流電動機をインバータで起動および加速し、インバータの出力が交流電源に同期した状態で交流電動機の電源をインバータから交流電源側に切り換える。
【０００３】
このインバータと交流電源の切り替えに際し、インバータの出力電圧／周波数および位相を交流電源に同期させておく同期制御が必要となる。
【０００４】
このインバータの同期制御は、一般的には、インバータの出力周波数、電圧を交流電源に一致させ、さらに位相を比例積分（ＰＩ）演算やＰＬＬ回路等で一致させるようにしている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３６７８７８１号公報
【特許文献２】特開２００１−１９７６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の同期制御方式では、インバータの出力周波数および電圧を商用周波数に一致させた後、位相を調節するが、位相調節に際して出力周波数を大きく変更できないため位相調節に時間がかかる。
【０００６】
例えば、商用周波数とインバータ出力周波数の差が０．１Ｈｚで調節したとすると、１８０°の位相差があると位相調節に５秒かかってしまう。また。切り替えに際して、商用周波数に到達したときの位相によって調節時間が大幅に異なるため、同期切替制御シーケンスが組みにくいという問題も生じる。
【０００７】
図８は、周波数が一致した段階でインバータ出力電圧ベクトル（位相）が、商用電源の位相に対し進んでいる場合について示し、インバータの運転周波数を商用周波数まで加速した後、両者の位相調節には前記のＰＩ制御回路やＰＬＬ回路を用いて周波数変更を行うが、本質として長い位相調節期間が必要となる。この位相調節に遅れが発生すると、鉄鋼プラント等では交流電動機の運転／停止を繰り返すシーケンス制御に支障をきたす。
【０００８】
本発明の目的は、商用の交流電源とインバータの同期制御に要する時間を短縮し、しかも容易性、安定性に優れた同期制御ができるインバータの同期制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するため、以下の構成としたことを特徴とする。
【００１０】
（１）商用の交流電源にインバータ出力を同期制御するインバータの同期制御装置であって、
交流電源の周波数に合わせた周波数指令とインバータの出力周波数との偏差に比例した値を加速レートリミッタで制限し、この値を比例積分演算してインバータの出力周波数指令を得る周波数演算部と、
前記周波数演算部によるインバータの周波数制御において、交流電源とインバータ出力の周波数が一致する到達点での交流電源の位相を演算する商用位相演算部と、
前記周波数演算部によるインバータの周波数制御において、交流電源とインバータ出力の周波数が一致する到達点でのインバータ出力の位相を演算する出力位相演算部と、
前記到達点での交流電源の位相とインバータ出力の位相との誤差に応じて前記周波数演算部の出力周波数の加速レートまたは周波数制御量を調節し、該到達点での位相を同期させる到達点位相レギュレータと、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
（２）前記到達点位相レギュレータによる周波数の加速レートまたは周波数制御量の補正が過大になるのを制限するリミッタを備えたことを特徴とする。
【００１２】
（３）前記到達点位相レギュレータは、前記到達点での交流電源の位相とインバータ出力の位相との誤差に対する加速レートまたは周波数制御量を減らす方向に位相補正量の範囲を変換する位相補正範囲変換部を備えたことを特徴とする。
【００１３】
（４）前記周波数演算部の周波数指令と出力周波数との偏差がしきい値を越えたか否かを判定し、この判定結果により前記レギュレータのゲインを切り替える周波数到達判定部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明によれば、商用の交流電源とインバータの同期制御に要する時間を短縮できる。
【００１５】
また、周波数到達点での位相誤差を制御するため直流量で位相を扱うことができ、同期制御が容易になる。
【００１６】
また、周波数の加速レートまたは周波数制御量の補正が過大になるのを制限すること、およびレギュレータのゲインを切り替えることにより、安定した同期制御ができる。
【００１７】
また、加速レートまたは周波数制御量を減らす方向に位相補正量の範囲を変換することにより、安定した同期制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す同期制御ブロック図である。波線ブロックで示す周波数演算部１は、商用の交流電源の周波数に合わせた周波数指令と、インバータの出力周波数指令となる出力周波数との偏差に比例した値を加速レートリミッタ１Ａで制限し、この値を比例積分（ＰＩ）演算してインバータの出力周波数制御指令を得る。この出力周波数指令はインバータのＰＷＭ制御回路等の制御回路の出力周波数制御信号にされ、電圧制御信号と共にインバータの出力周波数／電圧制御に供される。
【００１９】
本実施形態では、周波数演算部１の出力周波数により制御されるインバータの出力周波数が商用電源の周波数に一致した時点で同時に位相同期できるよう、商用電源及びインバータ出力の周波数到達点での位相を演算で求め、周波数到達点での位相誤差に応じて出力周波数の加速レートまたは周波数制御量を調節する。このための位相同期制御は、演算要素２〜４によって実現されるもので、以下、詳細に説明する。
【００２０】
（１）用語定義
まず、本実施形態で使用する用語について定義しておく。商用周波数Ｆｓ［Ｈｚ］、現在のインバータ出力周波数Ｆｉ［Ｈｚ］、到達点での出力周波数Ｆｅ［Ｈｚ］、インバータ加速時間（インバータがゼロから商用周波数まで加速する時間）Ｔａ［ｓｅｃ］、インバータ加速レートＫａ［Ｈｚ／ｓｅｃ］＝Ｆｓ／Ｔａ、現在周波数から商用周波数に達するまでの時間ΔＴ［ｓｅｃ］、現在の商用電源電圧位相θｓ［ｒａｄ］、現在のインバータ出力電圧位相θｉ［ｒａｄ］、到違点での商用電源位相θｓｅ［ｒａｄ］、到達点でのインバータ出力電圧位相θｉｅ［ｒａｄ］。
【００２１】
これらの関係を図で示すと図２のようになる。ただし、α−β軸は任意の固定座標軸である。
【００２２】
（２）現在から到違点までの時間ΔＴ
現在周波数から商用周波数に達するまでの時間ΔＴは、インバータの加速レート及び現在の周波数、到達周波数（＝商用周波数）から求めることができる。つまり、出力周波数＝加速レート×時間であるから、
【００２３】
【数１】
0004702094.tif 000002
【００２４】
として求めることができる。
【００２５】
（３）到違点での商用電源電圧位相θｓｅ
次に、到違点Ａでの商用電源位相を求める。ここでは便宜上、商用電源の周波数を固定と仮定して扱う。この場合、現時点から到違点までに変化する位相は、
【００２６】
【数２】
0004702094.tif 000003
【００２７】
となる。よって、
【００２８】
【数３】
0004702094.tif 000004
【００２９】
ここで、（１）式を代入すると、
【００３０】
【数４】
0004702094.tif 000005
【００３１】
となる。これらΔＴとθｓおよびＫａの関係は図３および図４に示す。
【００３２】
（４）到達点でのインバータ出力電圧位相θｉｅ
次に、到達点Ａでのインバータ出力電圧位相を求める。現時点から到達点までに変化する位相は、
【００３３】
【数５】
0004702094.tif 000006
【００３４】
（１）式より
【００３５】
【数６】
0004702094.tif 000007
【００３６】
よって、
【００３７】
【数７】
0004702094.tif 000008
【００３８】
とできる。
【００３９】
（５）到達点での商用電源電圧位相とインバータ出力電圧位相の一致制御
上記（４）式と（７）式によるθｓｅとθｉｅを一致させるように制御すれば、到違点に達した段階で、商用電源とインバータの出力電圧位相を一致させることができる。そこで、インバータの出力周波数を一定加速する際、その加速レートから上記到違点での時刻が推測できるため、到達点での商用電源位相、インバータ出力電圧位相を演算し、その誤差がゼロになるように加速中の出力周波数の加速レートまたは周波数制御量をレギュレータにより制御することで、インバータの加速が完了した段階で位相を一致させる。
【００４０】
この制御を実現するため、図１において、位相演算部２は周波数演算部１の出力周波数指令によって制御されるインバータの出力電圧の現在位相θｉを求める。
【００４１】
また、商用位相演算部３は、前記（４）式を基に、現在のインバータ出力周波数Ｆｉ、到達点での出力周波数Ｆｅ、インバータ加速レートＫａ、現在の商用電源電圧位相θｓから到違点Ａでの商用電源位相θｓｅを求める。
【００４２】
また、出力位相演算部４は、前記（７）式を基に、インバータ加速レートＫａ、現在のインバータ出力周波数Ｆｉ、到達点での出力周波数Ｆｅ、現在のインバータ出力電圧位相θｉから到違点Ａでのインバータの出力電圧位相θｉｅを求める。
【００４３】
到達点位相レギュレータ５は、両演算部３，４の出力になる商用電源位相θｓｅとインバータの出力電圧位相θｉｅの誤差分が到達時に零になる補正量を、周波数演算部１の加減速レートリミッタの出力に加減算、または補正量を乗じる。
【００４４】
したがって、本実施形態の同期制御によれば、以下の作用効果を得ることができる。
【００４５】
・到達点Ａでの位相を求めて制御するため、到達していない段階から位相の調節が可能であり、周波数が一致した時点でほぼ位相同期させて同期時間を短縮できる。
【００４６】
・到違点Ａでの位相を制御するため、静止した位相で扱うことができる（レギュレータを組む事ができる）。
【００４７】
・ΔＴを（Ｆｅ−Ｆｉ）Ｋａとして表現しているため、到達後（Ｆｅ＝Ｆｉ）は位相推測分の係数が自動的にゼロとなり、それ以外の位相を一致させる制御は連続的に動作することが可能。すなわち、到達点で制御を切り換える必要がなく、サンプルタイミングの関係上、連続であることはメリットとなる。
【００４８】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態を示す同期制御ブロック図であり、同図が図１と異なる部分は、到達点位相レギュレータ５の出力を補正周波数リミッタ６で制限して加速レートまたは周波数制御量を補正する点にある。
【００４９】
実施形態１において加速レートまたは周波数制御量を補正する場合、補正量が過大になるとインバータが過電流、過負荷ないしは過電圧により故障停止してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、周波数の加速レートまたは周波数制御量の補正範囲をリミッタ６で制限し、想定内の加速レートまたは周波数制御量の変化で収まるようにすることで、故障停止を防止する。
【００５０】
（実施形態３）
実施形態１または２において、レギュレータの入力の位相範囲をどう定義するかで、周波数を増やす方向で補正するのか、減らす方向で補正するのかが決まる。位相には３６０°の周期性があるため、レギュレータの入力範囲として、０°〜３６０°ともできるし、−１８０°〜＋１８０°とすることもできる。一般に商用同期切換えを行う場合、慣性が大きいため周波数を増やす方向に補正すると過電流や過負荷でトリップする方向に作用する。
【００５１】
よって、初期（制御開始時）のレギュレータ内の差分演算の結果がマイナス（加速レートまたは周波数制御量を減らす方向）になるように周波数補正量を減らす方向のみで同期制御を得ることができる。
【００５２】
例えば、制御開始時の商用到達位相が２７０°で、インバータ到達位相が１２０°だったとする。すると位相差は２７０°−１２０°＝１５０°でプラスになり周波数を増やす方向になってしまう。そこで、商用到達位相を２７０°から−９０°にすることで、（−９０°）−１２０°＝−２１０°でマイナスになり、周波数を減らす方向で補正が可能となる。この例ではレギュレータの入力を０〜−３６０°の範囲としたが、実際には、０°を目標とするので０〜−３６０°では収束しない。実際には、＋１０〜−３５０°のようなプラス側も若干含んだ範囲に補正する必要がある。
【００５３】
以上のことから、本実施形態では、位相制御の入力位相を制御することで、補正量を減らす方向で加速レートまたは周波数制御量を補正し、過電流または過負荷を防止する。このための同期制御ブロック図を図６に示し、レギュレータ５におけるθｓｅとθｉｅの誤差演算結果を基にした位相補正量を＋１０〜−３５０°の範囲に変換する位相補正範囲変換部７を設ける。
【００５４】
（実施形態４）
上記までの実施形態１〜３において、周波数が到達する前は商用周波数とインバータ周波数が異なっているため、位相同期の応答が速くなる。これに対し、インバータの周波数が到達してからの位相補正は、周波数が一致しているため位相同期の応答は遅くなる。
【００５５】
よって、本実施形態では、周波数が到達点に近いか、否かでレギュレータのゲインを変更することで、全域安定でかつ均一な応答特性となる同期制御を可能にする。
【００５６】
このための同期制御ブロック図を図７に示し、周波数到達判定部８は周波数指令と出力周波数との偏差がしきい値を越えたか否かを判定し、この判定結果によりレギュレータ５のゲインを切り替える。
【００５７】
なお、周波数到達判定部８とレギュレータ５によるゲイン切り替えは、１段階の切り替えに限らず、複数段の切り替えとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態１を示す同期制御ブロック図。
【図２】実施形態における同期制御の用語関係図。
【図３】実施形態における到達点での商用位相の説明図。
【図４】実施形態における到達点でのインバータ出力位相の説明図。
【図５】本発明の実施形態２を示す同期制御ブロック図。
【図６】本発明の実施形態３を示す同期制御ブロック図。
【図７】本発明の実施形態４を示す同期制御ブロック図。
【図８】同期制御におけるインバータ出力周波数の加速と位相調整の説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１  周波数演算部
２  出力位相演算部
３  商用位相演算部
４  インバータ出力位相演算部
５  到達点位相レギュレータ
６  補正周波数リミッタ
７  位相補正範囲変換部
８  周波数到達判定部
【図１】
0004702094.tif 000009
【図２】
0004702094.tif 000010
【図３】
0004702094.tif 000011
【図４】
0004702094.tif 000012
【図５】
0004702094.tif 000013
【図６】
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【図７】
0004702094.tif 000015
【図８】
0004702094.tif 000016