(57)【要約】【課題】電力変換装置の出力を位相及び振幅の急激な変動なしに推移させて、併用される商用電源に対して同期した電源投入を可能にした交流電動機の同期運転制御装置を提供する。【解決手段】切替え手段である第１の遮断器４、第２の遮断器５に対して交流電動機３の駆動電源を電力変換装置２から商用電源１へと切替える同期処理が指令されたとき、位相指令演算器１４により位相指令信号を同期処理の開始時に演算された偏差に応じた時間をかけて、位相目標値まで変化させている。したがって、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の出力電圧との位相差が大きい場合でも、電力変換装置２の出力周波数が急激に変化することがない。【選択図】        図１
2005039906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電源を電力変換装置の出力と商用電源とのいずれかに切替えて、交流電動機を運転制御する交流電動機の同期運転制御装置において、
商用電源出力電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した前記商用電源出力電圧の位相値と外部から指令された位相目標値との偏差を演算して、位相指令信号を出力する位相指令演算手段と、
前記位相指令信号により前記電力変換装置の出力電圧位相を調節する位相調節手段と、
前記電力変換装置に対する出力電圧指令信号を調節する電圧調節手段と、
前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置と前記商用電源とに切替える切替え手段と、
を備え、前記切替え手段に対して前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置から前記商用電源へと切替える同期処理が指令されたとき、前記位相指令信号を前記同期処理の開始時に演算された偏差に応じて、前記位相目標値まで変化させるようにしたことを特徴とする交流電動機の同期運転制御装置。
【請求項２】
前記電圧調節手段は、前記切替え手段に対して前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置から前記商用電源へと切替える同期処理が指令されたとき、前記交流電動機の定格電圧から前記検出手段で検出した商用電源出力電圧へと変化させながら、前記電力変換装置への出力電圧指令信号を出力することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の同期運転制御装置。
【請求項３】
前記位相調節手段は、前記切替え手段に対して前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置から前記商用電源へと切替える同期処理が指令されたとき、前記電力変換装置の出力電圧位相を調節することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の同期運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、駆動電源を電力変換装置の出力と商用電源とのいずれかに切替えて、交流電動機を運転制御する交流電動機の同期運転制御装置に関し、特に位相調節と電圧調節とによって電力変換装置の出力電圧を商用電源出力電圧と同期させるようにした交流電動機の同期運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の運転を、例えば商用電源による定速運転（商用運転）からインバータによる可変速運転（インバータ運転）に切替え、あるいは反対にインバータ運転から商用運転に切替えるとき、従来から、商用コンタクタ及びインバータコンタクタが同時にオンしないよう、必ず同時にオフする期間を設けて、インバータ保護のためのインターロックが行われていた。商用電源側の商用コンタクタとインバータ側のインバータコンタクタを同時にオフしたとき、誘導電動機への印加電圧がなくなるため、誘導電動機はフリーラン状態になり、負荷状態によっては周波数、及び位相が著しく変化してしまう。それにより、切替え後の商用電源、又は商用電源に同期しているインバータ出力と周波数、電圧、位相が大きくずれることで、過大な電流が流れるおそれがあった。
【０００３】
下記の特許文献１には、位相調節器と電圧調節器を用いてその出力を商用電源と同期させる運転切替装置の記載がある。この運転切替装置によれば、インバータなどの電力変換装置で交流電動機への電流を断続することなく、インバータ出力から商用電源へと切替えることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１９００９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来技術の運転切替装置では、電力変換装置から商用電源へと電動機の入力を切替える同期投入時において、電力変換装置の出力電圧と商用電源電圧との位相差とは関係なしに、位相目標値を位相調節器の指令値として与えていた。このため、電力変換装置の出力電圧と商用電源電圧との位相差が大きい場合、位相調節器の出力が大きくなり、電力変換装置の出力周波数が急激に変化してしまう。
【０００６】
また、電動機又は電動機に接続されている負荷装置の慣性モーメントが大きい場合には、電力変換装置の出力周波数が急激に変化することに対して電動機の回転数が追従できなくなる。したがって、電力変換装置に電力回生機能のない場合、直流過電圧によるトリップが発生し、また、過電流制限機能のない場合、出力過電流によるトリップが発生して、電動機が運転停止状態になる問題点があった。
【０００７】
この発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電力変換装置の出力を位相及び振幅の急激な変動なしに推移させて、併用される商用電源に対して同期した電源投入を可能にした交流電動機の同期運転制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、駆動電源を電力変換装置の出力と商用電源とのいずれかに切替えて、交流電動機を運転制御する交流電動機の同期運転制御装置が提供される。この同期運転制御装置は、前記商用電源出力電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出した商用電源出力電圧の位相値と外部から指令された位相目標値との偏差を演算して、位相指令信号を出力する位相指令演算手段と、前記位相指令信号により前記電力変換装置の出力電圧位相を調節する位相調節手段と、前記電力変換装置に対する出力電圧指令信号を調節する電圧調節手段と、前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置と前記商用電源とに切替える切替え手段と、から構成される。
【０００９】
この交流電動機の同期運転制御装置では、前記切替え手段に対して前記交流電動機の駆動電源を前記電力変換装置から前記商用電源へと切替える同期処理が指令されたとき、同期処理開始時の電力変換装置の出力電圧と商用電源出力電圧との位相差に応じて初期値を設定して、位相調節器への位相指令値を電動機の回転数が追従できるように緩やかに変化させることで、電力変換装置の出力と商用電源出力とを確実に同期できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、この発明の第１の実施の形態に係る同期運転制御装置の制御ブロックを示す図である。
【００１１】
図１において、同期運転制御装置１００は商用電源１の電圧を検出して、例えばインバータなどの電力変換装置２を制御することにより交流電動機３を可変速制御するものである。この交流電動機３は、定速運転を行う場合には、第１の遮断器４を介して商用電源１と直結される。すなわち、電力変換装置２はリアクトルＬを介して第２の遮断器５と接続され、第１の遮断器４が導通状態となった後に、この第２の遮断器５を開放状態に切替える。これにより、電動機３の電流が断続することなく可変速運転から商用運転へ切替えられて、電動機３を定速駆動することができる。
【００１２】
同期運転制御装置１００において、交流電動機３を可変速駆動する場合の速度は、端子Ｔ１から加減速演算器６に入力される周波数指令Ｎにより定まる。加減速演算器６は、出力電圧演算器７及び加算器Ａ１と接続され、そこから出力される速度指令信号ω＊は出力電圧演算器７へ入力される。また、速度指令信号ω＊は加算器Ａ２にも入力され、加算器Ａ２の出力端子は積分器８に接続されている。
【００１３】
出力電圧演算器７は、第１の乗算器Ｍ１を介して電圧指令値Ｖ＊を第１の座標変換器９に電圧基準として出力している。第１の座標変換器９は積分器８と接続され、第１の乗算器Ｍ１からの電圧指令値Ｖ＊と積分器８からの位相指令値θ１とに基づいてＰＷＭ制御器１０を制御し、電力変換装置２における出力電圧の大きさを制御するように構成されている。
【００１４】
また、同期運転制御装置１００は商用電源１の電圧を検出するための電圧検出器１１を備えている。この電圧検出器１１は、第２の座標変換器１２と接続され、この第２の座標変換器１２において商用電源１の電圧位相θｓと振幅の大きさＶ１とを求めている。第２の座標変換器１２において商用電源のある相を基準に検出された電圧位相θｓは、加算器Ａ３を介して位相調節器１３に出力されるとともに、切替えスイッチｓ１を介して位相指令演算器１４にも出力される。位相指令演算器１４は、端子Ｔ２と接続され、電圧位相θｓの検出値と位相目標値θｓ＊に基づく演算結果θｓｃ＊は、加算器Ａ３の＋側入力端子に出力される。ここで、第２の座標変換器１２は、出力端子が加算器Ａ３の−側入力端子と直接に接続されるとともに、切替えスイッチｓ２を介して加算器Ａ３の＋側入力端子と接続されている。
【００１５】
商用周波数判定部１５は、端子Ｔ１と接続されるとともに、加算器Ａ１と接続され、後述するような判定動作に基づいて、切替えスイッチｓ１，ｓ２への切替え信号を出力するものである。また、この切替え信号は、位相調節器１３にも出力されている。
【００１６】
第２の座標変換器１２において検出された振幅の大きさＶ１は、第２の乗算器Ｍ２に出力される。第２の乗算器Ｍ２は、交流電動機３の定格電圧を記憶する記憶回路１６と接続され、商用電源１の電圧検出値Ｖｓ（＝Ｖ１／定格電圧）の演算が行われる。
【００１７】
振幅演算器１７には第２の乗算器Ｍ２からの電圧検出値Ｖｓと、切替えスイッチｓ５を介して接続された第１の乗算器Ｍ１からの電圧指令値Ｖ＊とが入力される。この振幅演算器１７の出力端子は、切替えスイッチｓ４を介して第１の乗算器Ｍ１と接続されている。また、定数回路１８が切替えスイッチｓ３を介して、同じ第１の乗算器Ｍ１と接続されている。これらの切替えスイッチｓ３〜ｓ５への切替え信号は、前述した切替えスイッチｓ１，ｓ２と同様に、商用周波数判定部１５から供給されるものである。
【００１８】
なお、電力変換装置２にはインバータのみならずサイクロコンバータ等、種々のものが使用可能であり、電力変換の相数（三相、単相等）も特に限定されない。
【００１９】
つぎに、上記構成の同期運転制御装置１００による制御動作を説明する。
交流電動機３を可変速運転する場合、所定の周波数指令Ｎを加減速演算器６に入力して、加減速演算器６で速度指令信号ω＊を演算して出力電圧演算器７に入力する。一方、商用電源１の電圧は、電圧検出器１１に入力され、この電圧検出器１１の出力と積分器８の出力θ１とがそれぞれ第２の座標変換器１２に入力される。
【００２０】
位相指令演算器１４には、切替えスイッチｓ１を通して第２の座標変換器１２から出力された商用電源１の電圧位相θｓと、端子Ｔ２からの位相指令θｓ＊が入力され、新たな位相指令値θｓｃ＊が出力される。また、第２の座標変換器１２からの電圧位相θｓは、加算器Ａ３により位相指令演算器１４の位相指令値θｓｃ＊との差分が演算され、その演算結果は位相調節器１３に入力される。加減速演算器６の出力である速度指令信号ω＊は、加算器Ａ２により位相調節器１３の出力と加算され、その加算結果は積分器８に入力される。第２の座標変換器１２の出力であるＶ１には、第２の乗算器Ｍ２で定格電圧の逆数が乗算され、目標電圧値Ｖｓとして振幅演算器１７に入力される。この振幅演算器１７の出力Ｖｓｃは、切替えスイッチｓ４を通して第１の乗算器Ｍ１に入力され、そこで出力電圧演算器７からの出力Ｖ１＊と乗算され、電圧指令値Ｖ＊が第１の座標変換器９に入力される。
【００２１】
また、電圧指令値Ｖ＊は切替えスイッチｓ５を通して振幅演算器１７に入力される。積分器８から出力される位相信号θ１は、第１の座標変換器９に入力される。第１の座標変換器９では、その出力Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ制御器１０に入力し、ＰＷＭ制御器１０の出力によって商用電源１を電源とする電力変換装置２を制御する。
【００２２】
電力変換装置２の出力は、第２の遮断器５が導通状態となったとき電動機３に供給され、電動機３を可変速運転する。このとき、第１の遮断器４は開放状態となっている。商用周波数判定部１５には、端子Ｔ１から直接に周波数指令Ｎ、及び周波数指令Ｎと加減速演算器６の速度指令信号ω＊との差分信号が、加算器Ａ１から入力される。
【００２３】
図２は、商用周波数判定部に入力された周波数指令の判定動作を説明する図である。商用周波数判定部１５は、図１の同期運転制御装置１００における切替えに際して、つぎのような判定動作を行う。
【００２４】
交流電動機３を可変速運転から商用運転へ切替えるように、同期投入を指令する場合、端子Ｔ１からは商用電源１と同じ周波数の周波数指令Ｎを与える。このとき、図２に示すように、加減速演算器６から出力される速度指令信号ω＊が商用電源１の周波数Ｆｓ（＝Ｎ）に対して（Ｆｓ±α）Ｈｚ範囲内に入れば、商用周波数判定部１５の出力が「１」となり、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の電圧との間で、それらの位相及び電圧の同期を行う同期処理が開始される。
【００２５】
商用周波数判定部１５からは、位相調節器１３及び切替えスイッチｓ１〜ｓ５の動作信号を出力している。すなわち、商用周波数判定部１５では、端子Ｔ１から入力された周波数指令Ｎが商用周波数Ｆｓに等しいとき、動作信号「１」を出力することにより切替えスイッチｓ１，ｓ５，ｓ４をオンするとともに位相調節器１３を動作させ、周波数指令Ｎが商用周波数（Ｆｓ±α）Ｈｚ以外となるときには、動作信号「０」を出力することで切替えスイッチｓ２，ｓ３をオンするとともに位相調節器１３を非動作とする。
【００２６】
この同期処理開始時には、商用電源１の電圧位相θｓを第２の座標変換器１２の出力として検出して、位相指令演算器１４に入力し、その後は同期処理中に位相指令演算器１４を動作させる。また、同じく同期処理開始時において、電力変換装置２に対する電圧指令値Ｖ＊を振幅演算器１７にも入力して、その後は振幅演算器１７で演算動作を行うことで電圧指令値Ｖ＊を制御している。
【００２７】
図３は、位相指令演算器から出力される位相指令の時間変化を示す動作特性図である。この位相指令演算器１４では、この図３に示すように、同期処理開始時の商用電源１の電圧位相θｓから、例えばｔ１秒かけて、端子Ｔ２に入力する位相目標値θｓ＊と等しくなるよう、一定の変化率で位相指令θｓｃ＊を出力している。
【００２８】
図４は、振幅演算器から出力される電圧指令の時間変化を示す動作特性図である。
この図に示すように、振幅演算器１７では、交流電動機３に入力される電圧を急激に変化させないべく、同期処理開始時の電力変換装置２に対する電圧指令値Ｖ＊から、一定の変化率（ｄＶｓ／ｄｔ）で商用電源１の電圧検出値Ｖｓに到達するように、電圧目標値Ｖｓｃを出力する。同期処理中、位相調節器１３と振幅演算器１７を動作させることで、電力変換装置２の出力が商用電源１と同じ電圧値であって、かつ商用電源１と同じ周波数、および同じ電圧位相まで変化した後に、第１の遮断器４を導通状態にしてから第２の遮断器５を開放状態に切替えている。したがって、交流電動機３の電流が断続することなく可変速運転から商用運転へ切替えることができる。
【００２９】
以上に説明した交流電動機の同期運転制御装置では、切替え手段である第１の遮断器４、第２の遮断器５に対して交流電動機３の駆動電源を電力変換装置２から商用電源１へと切替える同期処理が指令されたとき、位相指令信号を同期処理の開始時に演算された偏差に応じた時間をかけて、位相目標値まで変化させるようにしたので、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の出力電圧との位相差が大きい場合でも、電力変換装置２の出力周波数が急激に変化することがない。
【００３０】
また、加減速演算器６からＰＷＭ制御器１０の間に設けた出力電圧演算器７、第１の乗算器Ｍ１、積分器８、第１の座標変換器９などにより電圧調節を行うことで、第１の遮断器４、第２の遮断器５に対して交流電動機３の駆動電源を電力変換装置２から商用電源１へと切替える同期処理が指令されたとき、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の出力電圧との同期処理開始における位相差に応じて、電力変換装置２への出力電圧指令信号を出力することができ、交流電動機３やそこに接続された負荷装置の慣性モーメントが大きい場合でも、電力変換装置２の出力周波数が急激に変化しない。したがって、電力回生機能のない電力変換装置の場合の直流過電圧や過電流制限機能のない電力変換装置の場合の過電流によりトリップし、運転が停止してしまうなどの不都合が回避できる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る同期運転制御装置の制御ブロックを示す図である。図６、図７は、図５の同期運転制御装置の位相指令値による同期処理を説明する動作特性図である。
【００３２】
ここで、図５の制御ブロック図の構成は、第１の実施の形態として示す図１のものと、基本は同一のものであるから、同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
この実施の形態において、図１のものと異なるのは、位相調節器１３の入力信号、及び位相指令演算器１４の入出力信号である。すなわち、位相指令演算器１４の入力信号については、図５に示す第２の座標変換器１２より出力される積分器８からの出力値θ１から９０°位相遅れの出力値Ｖｄに、記憶回路１６で記憶している定格電圧の逆数を乗算したＶｄｓを入力しており、また、その出力信号が位相調節器１３に対する指令値Ｖｄｓｃ＊として加算器Ａ３から位相調節器１３に入力することにより、電力変換装置２の電圧位相の制御及び検出を行っている。
【００３４】
商用電源１の周波数Ｆｓと電力変換装置２の出力周波数との間に一定の差がある場合は、第３の乗算器Ｍ３の出力信号Ｖｄｓは正弦波となる。また、位相指令演算器１４の動作特性は、図６と図７において細線にて示している。この同期運転制御装置において、同期処理を開始するとき、電力変換装置２の出力周波数が商用電源周波数に対して小さい場合は、図６に示すようにＶｄｓが正、かつＶｄｓの変化率が負となるタイミングで同期処理を開始して、インバータ出力の位相を進ませる方向で商用電源１の位相に合わせている。これにより、交流電動機３を制動運転させないで、常に駆動運転とすることができるから、電力回生機能のない電力変換装置で直流過電圧によりトリップして、運転が停止してしまうなどの不都合を回避できる。
【００３５】
反対に、電力変換装置２の出力周波数が商用電源周波数に対して大きい場合は、図７に示すようにＶｄｓが負、かつＶｄｓの変化率が正となるタイミングで同期処理を開始し、インバータ出力の位相を遅らせる方向で商用電源１に位相を合わせている。これにより、交流電動機３を制動運転させず、常に駆動運転することができるから、前述した電力回生機能のない電力変換装置における不具合を回避できる。
【００３６】
同期処理の開始時に切替えスイッチｓ１をオン、切替えスイッチｓ２をオフにして、位相調節器１３に対する指令値Ｖｄｓｃ＊を同期処理開始時のＶｄｓ０に置き換えることにより、位相指令演算器１４を動作させる。位相指令演算器１４では、商用電源１の出力Ｖｄｓと位相目標値Ｖｄｓ＊を下記の（１）式に代入して、商用電源と位相目標値との位相θｓｓの演算を行っている。
【００３７】
【数１】
θｓｓ＝ｃｏｓ−１（Ｖｄｓ）−ｃｏｓ−１（Ｖｄｓ＊）      …（１）
また、同期処理開始時のＶｄｓと同期処理開始時の商用電源周波数ωｓ、及び電力変換装置２の出力周波数ω１を下記の（２）式に代入して、同期処理開始時でのＶｄｓの接線Ｋ１を演算する。
【００３８】
【数２】
Ｋ１＝−（ωｓ−ω１）×ｓｉｎ（ｃｏｓ−１（Ｖｄｓ））      …（２）
（１）式で求めたθｓｓ及び（２）式で求めたＫ１を、それぞれ下記の（３）式に代入して、位相指令演算器１４の出力Ｖｄｓｃ＊が演算できる。これにより、同期処理開始時での電力変換装置２の出力周波数の急激な変化を押さえると同時に、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の電圧の位相差が小さくなるにしたがって、電力変換装置２の出力周波数変化が小さくなる。
【００３９】
【数３】
2005039906.tif 000003
【００４０】
以上に説明した交流電動機の同期運転制御装置では、切替え手段である第１の遮断器４、第２の遮断器５に対して交流電動機３の駆動電源を電力変換装置２から商用電源１へと切替える同期処理が指令されたとき、位相調節器１３では位相指令信号を同期処理の開始時に演算された偏差に応じた時間をかけて、電力変換装置２の出力電圧位相を調節して位相目標値まで変化させるようにしたので、電力変換装置２の出力電圧と商用電源１の出力電圧との位相差が大きい場合でも、電力変換装置２の出力周波数が急激に変化しない。したがって、過電流抑制機能又は電力回生機能のない電力変換装置の場合であっても、直流過電圧によりトリップし、運転が停止してしまうなどの不都合が回避できる。
【００４１】
以上、第１、第２の実施の形態により説明したこの発明の交流電動機の同期運転制御装置では、位相指令演算器１４での出力調節に一定変化率の直線による指令値を適用している。しかし、この発明は、例えば、（ａ）位相指令演算器１４の出力調節にＳ字曲線を用いることもできる。また、（ｂ）位相指令演算器１４の出力調節に２次曲線を用いてもよい。さらに、（ｃ）位相指令演算器１４の出力調節に複数本の直線による折線を用いることも可能である。
【００４２】
さらに、商用電源１の位相の検出についても、（ｄ）Ｖｑによる位相の検出方法でもよいし、（ｅ）ゼロクロスカウンタを用いた位相の検出方法であってもよい。したがって、この発明は上述した実施の形態に限定されないことはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の交流電動機の同期運転制御装置によれば、可変速運転から商用運転へ切替える同期投入制御において、同期投入時に、位相指令信号を同期処理の開始時に演算された偏差に応じた時間をかけて、位相目標値まで変化させるように交流電動機を運転制御することができる。したがって、電力変換装置によって制御される電動機、又はその電動機に接続されている負荷装置の慣性モーメントの大きさとは関係なしに、過電流抑制機能又は電力回生機能のない電力変換装置であっても、その直流過電圧によるトリップを発生させずに同期投入が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る同期運転制御装置の制御ブロックを示す図である。
【図２】商用周波数判定部に入力された周波数指令の判定動作を説明する図である。
【図３】位相指令演算器から出力される位相指令の時間変化を示す動作特性図である。
【図４】振幅演算器から出力される電圧指令の時間変化を示す動作特性図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態に係る同期運転制御装置の制御ブロックを示す図である。
【図６】位相指令演算器の位相指令値による同期処理を説明する動作特性図である。
【図７】位相指令演算器の位相指令値による同期処理を説明する動作特性図である。
【符号の説明】
１  商用電源
２  電力変換装置
３  交流電動機
４  第１の遮断器
５  第２の遮断器
Ｔ１，Ｔ２  端子
６  加減速演算器
７  出力電圧演算器
Ａ１〜Ａ３  加算器
Ｍ１〜Ｍ３  乗算器
８  積分器
９  第１の座標変換器
１０  ＰＷＭ制御器
１１  電圧検出器
１２  第２の座標変換器
１３  位相調節器
ｓ１〜ｓ５  切替えスイッチ
Ｌ  リアクトル
１４  位相指令演算器
１５  商用周波数判定部
１６  記憶回路
１７  振幅演算器
１８  定数回路
１００  同期運転制御装置
【図１】
2005039906.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005039906.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005039906.tif 000008
【図６】
2005039906.tif 000009
【図７】
2005039906.tif 000010