(57)【要約】【課題】  瞬停などの短時間停電時においても、誘導電動機の回転数を保持して継続運転する。【解決手段】  交流電源５から入力される交流を直流に変換する順変換器１と、順変換器により変換された直流を交流に変換して誘導電動機８に出力する逆変換器３と、逆変換器の交流出力の周波数を誘導電動機の速度指令に応じて制御する逆変換器制御手段２０とを有し、逆変換器制御手段は、交流電源の電圧低下に応じてベクトル制御の励磁電流成分を低下させて弱め界磁制御することにより、誘導電動機の誘起電圧を低下させ、交流電源の電圧が低下しても誘導電動機に十分な電流を供給する一方、逆変換器の出力周波数を速度指令に応じた値に保持することにより、瞬停などの短時間停電の場合であっても、誘導電動機によって駆動される設備機器９の回転数を指令値に保持する。【選択図】  図１
2005348551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から入力される交流を直流に変換する順変換器と、該順変換器により変換された直流を交流に変換して誘導電動機に出力する逆変換器と、該逆変換器の交流出力の周波数を誘導電動機の速度指令に応じて制御する逆変換器制御手段とを有してなる誘導電動機の速度制御装置において、
前記逆変換器制御手段は、前記交流電源の電圧低下時に、該電圧低下に応じて前記誘導電動機を弱め界磁制御することを特徴とする誘導電動機の速度制御装置。
【請求項２】
前記逆変換器制御手段は、前記速度指令に基づいて前記誘導電動機の励磁電流とトルク電流を制御するベクトル制御手段を備え、前記交流電源の電圧低下に応じて前記励磁電流を低減補正することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の速度制御装置。
【請求項３】
前記逆変換器制御手段は、前記速度指令に基づいて前記誘導電動機の端子電圧と該端子電圧の周波数を一定に制御する電圧／周波数一定制御手段を備え、前記交流電源の電圧低下に応じて前記端子電圧を低減補正することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の速度制御装置。
【請求項４】
前記順変換器は、出力段に直流を平滑するリアクトルを備えた電流型変換器であることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の速度制御装置。
【請求項５】
前記順変換器は、出力段に直流を平滑するコンデンサとリアクトルを備えた電圧型変換器であることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の速度制御装置。
【請求項６】
請求項１において順変換器入力電圧に変動が有った場合、交流電圧変動量を検出し、この検出量を逆変換器への指令値に補正量として加えることを特徴とする速度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機の速度制御装置に係り、特に、瞬停などの短時間停電時においても誘導電動機の速度を保持するのに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機を用いて種々の設備機器を可変速駆動することが行われている。一般に、誘導電動機の速度制御装置は、半導体スイッチング素子を用いて形成された順変換器により入力交流電圧を所定の直流電圧に変換し、変換された直流電圧を半導体スイッチング素子を用いて形成された逆変換器により可変周波数の交流電圧に変換する構成が採用されている。このような構成の速度制御装置において、入力交流電圧が低下した場合、順変換器は直流電圧を所定値に保持するように制御している。
【０００３】
しかし、瞬停などのような比較的短時間であっても停電の場合のように、入力交流電圧の低下が大きい場合は、順変換器による制御では直流電圧を所定値に保持できないことから、速度制御装置の運転を停止することが一般であった。
【０００４】
これに対し、設備機器の観点から誘導電動機の継続運転が要請される場合は、速度制御装置の運転を継続する方法が種々提案されている（特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献1には、入力交流電圧の低下に応じて順変換器を制御して直流電圧を低下させるとともに逆変換器の出力周波数を低下させることにより、誘導電動機の速度を低減して運転を継続する速度制御装置が開示されている。特許文献2〜４にも、同様に、誘導電動機の速度を低減して運転を継続する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３５４３９６号公報
【特許文献２】特開２０００−１０２２９１号公報
【特許文献３】特開平８−６６０９０号公報
【特許文献４】特開平７−１７０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術は、いずれも、短時間停電時に誘導電動機の速度を低減して運転を継続する方式であり、誘導電動機により駆動される設備機器の回転数が低下することにより生ずる問題ついては配慮されていない。例えば、原子力発電プラントにおける冷却材再循環ポンプは、発電量に応じた量の冷却材を循環しなければならないが、所内電力の瞬停などにより冷却材再循環ポンプの回転数を下げてしまうと、発電出力が低下してしまう問題がある。同様に、化学工業などの設備機器においても、回転数を下げてしまうと、生産量が変動したり、製品の品質が劣化するなどの問題が生ずる。
【０００７】
そこで、本発明は、瞬停などの短時間停電時においても、誘導電動機の回転数を保持することができる速度制御装置を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の誘導電動機の速度制御装置は、交流電源から入力される交流を直流に変換する順変換器と、該順変換器により変換された直流を交流に変換して誘導電動機に出力する逆変換器と、該逆変換器の交流出力の周波数を誘導電動機の速度指令に応じて制御する逆変換器制御手段とを有し、前記逆変換器制御手段は、前記交流電源の電圧低下時に、該電圧低下に応じて前記誘導電動機を弱め界磁制御することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、交流電源電圧の低下により逆変換器の入力直流電圧が低下しても、弱め界磁制御によって誘導電動機の誘起電圧が低下することから、逆変換器の出力電圧が低下しても誘導電動機に十分な電流を供給できる。その結果、逆変換器の出力周波数を速度指令に応じた値に保持することにより、瞬停などの短時間停電の場合であっても、誘導電動機によって駆動される設備機器の回転数を指令値に保持できる。なお、弱め界磁制御により、誘導電動機を短時間停電以前と同じ速度で運転すると、誘導電動機の負荷電流が増加することになる。しかし、瞬停などの短時間停電は一般に極めて短時間であり、かつ一般に、設備機器は定格負荷に対して一定の余裕を見込んだ範囲で運転されている。したがって、誘導電動機の負荷電流の増加は、順変換器および逆変換器の過負荷耐量の範囲内に収めることができる。
【００１０】
ここで、ベクトル制御により誘導電動機の速度制御を行う逆変換器制御手段の場合は、交流電源電圧の低下に応じてベクトル制御の励磁電流を低減補正することにより、弱め界磁制御を実現できる。また、速度指令に基づいて誘導電動機の端子電圧とその端子電圧の周波数を一定に制御する逆変換器制御手段の場合は、端子電圧の周波数を一定に保持したまま、交流電源の電圧低下に応じて端子電圧を低減補正することにより、弱め界磁制御を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、瞬停などの短時間停電時においても、誘導電動機の回転数を保持することができるから、その誘導電動機により駆動される設備機器の機能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１に、本発明が適用された一実施形態の誘導電動機の速度制御装置を含む速度制御システムの全体構成図を示す。速度制御装置は、順変換器を構成するサイリスタ整流回路１と、このサイリスタ整流回路１の出力に接続された平滑回路２と、この平滑回路２の出力に接続された逆変換器を構成するインバータ主回路３と、このインバータ主回路３の出力に接続されたＡＣフィルタ４を備えて構成されている。サイリスタ整流回路１には、交流電源設備５から入力変圧器６を介して交流電力が入力されている。一方、ＡＣフィルタ４から出力される交流電力は出力変圧器７を介して所定の電圧に昇圧されて、誘導電動機８に入力されている。誘導電動機８は、例えば原子力プラントの冷却材再循環系のポンプ９を駆動するようになっている。サイリスタ整流回路１は整流器制御回路１０によって制御され、インバータ主回路３は逆変換器制御回路を構成するインバータ制御回路２０によって制御されるようになっている。ここで、インバータ主回路３は、電圧形ＰＷＭ制御方式が採用されている。そのため、インバータ主回路３は、入力される直流電圧から任意の電圧／周波数の交流電圧を発生することができる。したがって、サイリスタ整流回路１は、インバータ主回路３の定格直流電圧を出力する機能を備えていれば足りる。
【００１４】
また、入力変圧器６は、例えば、原子力プラントの所内の交流電源設備５の交流電圧をサイリスタ整流回路１の所定の入力電圧に変圧する。この所定の入力電圧は、サイリスタ整流回路１の所定の出力直流電圧Ｅｄに応じて設定される。平滑回路２は、直流リアクトルと平滑コンデンサから構成され、サイリスタ整流回路１の直流出力電圧を滑らかな直流にする。ＡＣフィルタ４は、例えばリアクトルとコンデンサから構成され、インバータ主回路３の交流出力に含まれる高調波成分を取り除く。
【００１５】
一方、整流器制御回路１０は、減算器１２と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１３と、減算器１５と、自動電流調整器（ACR）１６と、ゲート回路１７を有して構成されている。減算器１２は、サイリスタ整流回路１の出力直流電圧のフィードバック値である平滑回路２の出力直流電圧Ｅｄと、直流電圧指令値Ｅｄ＊との差ΔＥｄを求めてＡＶＲ１３に出力する。ＡＶＲ１３は、入力されるΔＥｄを低減する電流指令値Ｉ＊を発生するようになっている。減算器１５は、電流指令値Ｉ＊と電流変成器１４により検出される整流回路入力電流Iのフィードバック値との差ΔＩを求めて、ＡＣＲ１６に出力する。ＡＣＲ１６は、入力されるΔＩを低減するサイリスタの制御信号を発生して、ゲート回路１７に出力するようになっている。ゲート回路１７は、入力される制御信号に基づいて、サイリスタ整流回路１を構成するサイリスタの点弧角を制御するゲートパルスを出力するように構成されている。
【００１６】
また、インバータ制御回路２０は、誘導電動機８をベクトル制御するベクトル制御部２３を備えて構成される。ベクトル制御部２３は、上位制御系３０から入力されるポンプ９の回転数指令に応じた周波数指令値２１と、励磁電流指令値２２と、ＡＣフィルタ４の出力電流を検出する電流変成器２４から入力されるインバータ出力電流のフィードバック値とに基づいて、交流電圧指令値を発生するようになっている。ベクトル制御部２３から出力される交流電圧指令値は、ＰＷＭ制御部２６に入力される。ＰＷＭ制御部２６は、搬送波発生器２５から出力される搬送波と交流電圧指令値とを比較して、ＰＷＭパルスからなるゲートパルスを生成してインバータ主回路３の半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）のゲートを制御する。特に、本実施の形態では、サイリスタ整流回路１の出力直流電圧のフィードバック値を入力し、その出力直流電圧のフィードバック値に応じて励磁電流指令値２２を補正する補正回路２７を備えている点が特徴である。
【００１７】
このように構成される本実施形態の動作について、交流入力電源の電圧低下時の挙動を中心に説明する。サイリスタ整流回路１の入力電圧が低下すると、直流電圧Ｅｄが低下し、直流電圧指令値Ｅｄ＊との偏差ΔＥｄが増大する。偏差ΔＥｄが増大すると、ＡＶＲ１３から出力される電流指令値Ｉ＊が増加し、これによりＡＣＲ１６から出力される制御信号も増加し、ゲート回路１７から出力されるゲートパルスの位相角が変化して、サイリスタ制御回路１から出力される直流電圧を直流電圧指令値Ｅｄ＊に一致させるように動作する。
【００１８】
つまり、サイリスタ制御回路１の入力電圧をＶｉとすると、直流電圧Ｅｄは次式（１）で表せる。
【００１９】
Ｅｄ＝１．３５×Ｖｉ×ｃｏｓα                              （１）
ここで、αは、サイリスタゲートパルスの位相角であり、入力電圧Ｖｉが低下すると位相角αが小さくなって直流電圧Ｅｄを指令値Ｅｄ＊に一致させるように、ＡＶＲ１３およびＡＣＲ１６が動作する。
【００２０】
しかし、入力電圧Ｖｉがさらに低下すると位相角αが０°になって、直流電圧Ｅｄを指令値Ｅｄ＊に保持制御できなくなる。また、整流回路１の主回路素子にダイオードを使用した場合は、位相角α＝０°で一定のため、入力電圧Ｖｉが低下すると、それに比例して直流電圧Ｅｄが低下してしまう。
【００２１】
このように入力交流電圧の低下により直流電圧Ｅｄが低下すると、ベクトル制御部２３の演算結果である交流電圧指令値によるＰＷＭ制御が、実際の誘導電動機８の動きに追従しなくなり、正常な制御が行われなくなる。最悪の場合は、過電流等になり、装置がトリップすることになる。そこで、入力交流電圧の低下の許容度を高めるために、サイリスタ整流回路１およびインバータ主回路３の容量を定格より大きくすることが考えられるが、経済性が低下するだけでなく、サイリスタ整流回路１の通常運転時の入力力率が低下してしまうという問題がある。
【００２２】
そこで、本実施形態は、サイリスタ整流回路１およびインバータ主回路３の容量を定格より大きくすることなく、瞬停などの短時間停電時においても、停電前の誘導電動機の回転数を保持することを狙いとして、補正回路２７を設けたことを特徴とする。つまり、一般的なベクトル制御では、励磁電流は一定であるが、補正回路２７は交流入力電圧の低下によって低下する直流電圧Ｅｄのフィードバック値に応じて、ベクトル制御の励磁電流指令値２２を補正して、弱め界磁制御することを特徴とする。
【００２３】
図２を参照して、補正回路２７の機能を説明する。補正回路２７は、直流電圧Ｅｄが定格電圧として設定した直流電圧指令値Ｅｄ＊あるいはそれ以上の場合は、励磁電流指令値２２は一定とする。しかし、直流電圧Ｅｄが、交流入力電圧の電圧低下時により低下した場合、励磁電流指令値２２を直流電圧Ｅｄに比例させて減少させるようにしている。これにより、誘導電動機８の励磁電流成分が減少して、弱め界磁制御になる。弱め界磁制御を行うと、誘導電動機８の誘起電圧が低下するから、直流電圧Ｅｄが低下してもインバータ主回路３は誘導電動機８に十分な電流を流すことができ、ベクトル制御を継続できる。
【００２４】
すなわち、誘導電動機８の誘起電圧Ｖｍは、励磁電流Ｉｍと回転速度ｎに比例し、比例係数をＫｍとすると、次式で表せる。
【００２５】
Ｖｍ＝Ｋｍ×ｎ×Ｉｍ                                      （２）
一方、インバータ主回路３の出力電圧Ｖｏは、ベクトル制御部２３から出力される交流電圧指令値と直流電圧Ｅｄに比例し、比例係数をＫｉとすると、次式で表せる。
【００２６】
Ｖｏ＝Ｋｉ×Ｅｄ                                          （３）
また、ベクトル制御による誘導電動機８の速度制御が正常に動作するためには、  Ｖｍ＝Ｖｏとする必要がある。これらの関係式より、次式（４）が得られる。
【００２７】
Ｉｍ＝（Ｋｉ×Ｅｄ）／（Ｋｍ×ｎ）                        （４）
式（４）から明らかなように、交流入力電圧が低下した場合には、励磁電流Ｉｍを直流電圧Ｅｄに比例して減少させればよいことが判る。
【００２８】
本実施形態の補正回路２７により、瞬停などの短時間停電時においても、誘導電動機８の回転数を保持することができるから、その誘導電動機８により駆動される設備機器であるポンプ９の機能を維持することができる。
【００２９】
ところで、本実施形態の弱め界磁制御の実行により、誘導電動機８を停電以前と同じ速度で運転しようとすれば、励磁電流Ｉｍが減少した分に応じてトルク電流が増加することになる。しかし、瞬停などによる交流電源の電圧低下は一般に短時間であるから、サイリスタ整流回路１およびインバータ主回路３の過負荷耐量の範囲内に収めることができる。
【００３０】
したがって、本実施形態によれば、サイリスタ整流回路１およびインバータ主回路３の容量を増大させずに、かつ通常時の入力力率を低下させることなく、交流電源の短時間停電による誘導電動機８の運転可能な電圧低下の範囲を拡大することができる。
【００３１】
ここで、図１の実施形態においては、直流電圧Ｅｄのフィードバック値により励磁電流指令値２２を補正するようにしたが、本発明はこれに限られるものではない。要は、交流電源の短時間停電により低下する交流入力電圧の低下に応じて、励磁電流指令値２２を補正するようにすればよい。したがって、例えば、図３に示すように、サイリスタ整流回路１の交流入力電圧を電圧変成器１８により検出し、図４に示すように、その交流入力電圧が整流器が制御できる限界電圧以下に低下したときに、その低下に比例させて励磁電流指令値２２を補正するようにしてもよい。つまり、サイリスタ制御により直流電圧Ｅｄを指令値Ｅｄ＊に維持できる整流器の限界電圧までは励磁電流を定格の指令値に一定に保持する。そして、交流入力電圧が整流器の限界電圧以下に低下した場合には、励磁電流を減少させて弱め界磁制御を行なうことにより誘導電動機８の回転数を保持した運転を継続する。
【００３２】
上記の図１および図３に示した実施形態では、誘導電動機８をベクトル制御する場合を例にして本発明を説明したが、本発明の弱め界磁制御は、速度指令に基づいて誘導電動機の端子電圧とその端子電圧の周波数を一定に制御する周知のＶ／Ｆ一定制御方式の誘導電動機の速度制御装置にも適用することができる。この場合は、インバータ主回路３の出力周波数を一定に保持しつつ、直流電圧Ｅｄまたは交流入力電圧の低下に応じて、インバータ主回路３の出力電圧（端子電圧）を低減補正することにより、弱め界磁制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態の誘導電動機の速度制御装置を用いた速度制御システムの全体構成図である。
【図２】図１の実施形態の補正回路の機能を説明する図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の誘導電動機の速度制御装置を用いた速度制御システムの全体構成図である。
【図４】図３の実施形態の補正回路の機能を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  サイリスタ整流回路
２  平滑回路
３  インバータ主回路
４  ＡＣフィルタ
５  交流電源設備
８  誘導電動機
９  ポンプ
１０  整流器制御回路
２０  インバータ制御回路
２３  ベクトル制御部
２２  励磁電流指令値
２７  補正回路
【図１】
2005348551.tif 000003
【図２】
2005348551.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005348551.tif 000006