(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機を駆動するインバータ変換器と、このインバータ変換器を制御する制御部を具備した半導体電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記交流電動機の速度が速度基準に追従するようにトルク基準を出力する速度制御部と、
前記インバータ変換器の出力電流が前記トルク基準に追従するように電圧基準を出力する電流制御部と、
前記インバータ変換器の出力電圧が前記電圧基準となるように前記インバータ変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御部と
から構成され、
前記速度制御部は、
前記交流電動機の速度フィードバックと前記速度基準の偏差を入力とし、この偏差が小さくなるようにトルク基準を出力する比例制御器及び積分制御器からなる速度制御手段と、
前記交流電動機が無負荷状態のとき、前記速度基準に所定の速度かさ上げ量を加算して保持する速度かさ上げ手段と、
前記速度フィードバックを微分する微分手段と、
この微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ手段の出力をゼロに低下させるリセット手段と
を有し、
前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、
前記積分制御器の出力に前記比例制御器の出力を加算するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項２】
交流電動機を駆動するインバータ変換器と、このインバータ変換器を制御する制御部を具備した半導体電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記交流電動機の速度が速度基準に追従するようにトルク基準を出力する速度制御部と、
前記インバータ変換器の出力電流が前記トルク基準に追従するように電圧基準を出力する電流制御部と、
前記インバータ変換器の出力電圧が前記電圧基準となるように前記インバータ変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御部と
から構成され、
前記速度制御部は、
前記交流電動機の速度フィードバックと前記速度基準の偏差を入力とし、この偏差が小さくなるようにトルク基準を出力する比例制御器及び積分制御器からなる速度制御手段と、
前記交流電動機が無負荷状態のとき、前記速度基準に所定の速度かさ上げ量を加算して保持する速度かさ上げ手段と、
前記速度フィードバックを微分する微分手段と、
この微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ手段の出力をゼロに低下させるリセット手段と
を有し、
前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、
前記積分制御器の出力に前記微分手段の出力を加算するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記リセット手段は、
前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ量を１次遅れ伝達関数を介してゼロに低下させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記リセット手段は、
前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ量を微分伝達関数を介してゼロに低下させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体電力変換装置。
【請求項５】
前記リセット手段は、
前記微分手段の出力が所定値を超え、且つ外部からロードリレーのオン信号が与えられたとき動作するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体電力変換装置に係り、特に負荷急変時の速度制御応答を改善した電動機駆動用の半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機を速度制御して負荷機械を駆動する半導体電力変換装置においては、従来から所謂フィードバック速度制御が採用され、負荷外乱に強い安定した制御を行うため、電流マイナーループ或いはトルクマイナール−プを有する制御が行われている。
【０００３】
しかるに、負荷機械が鉄鋼圧延機械のようにインパクト負荷を持つ場合には、インパクト負荷がかかったとき、電動機の速度が一時低下してしまう。この電動機の速度低下（以下、インパクトドロップと称する。）を緩和し、リカバリ応答を改善するため、無負荷時にインパクト負荷に相当するエネルギーを予め速度基準に加算補正しておく方法が考えられている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−１８０５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている速度基準加算方式においては、速度のかさ上げ量の加算指令及びインパクト負荷が生じたあと、このかさ上げ量を元の状態に戻す指令は何れも通常の速度基準と同様に半導体電力変換装置の外部、例えばシステム制御装置から与えられるのが普通である。
【０００５】
しかるに、システム制御装置においては、速度基準あるいは上記速度かさ上げ量の指令を与えるサンプリング周期がインパクトドロップを回復すべき時間に対して長く設定されている場合が多く、加算指令を出すタイミングは問題となることはないが、これを元の状態に戻す指令のタイミングが遅れる場合があり、そのためリカバリ応答を改善することが困難であった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためのものであり、速度基準加算方式において負荷が急変した時にリカバリ応答が高応答となる半導体電力変換装置を得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、本発明の第１の発明である半導体電力変換装置は、交流電動機を駆動するインバータ変換器と、このインバータ変換器を制御する制御部を具備した半導体電力変換装置において、前記制御部は、前記交流電動機の速度が速度基準に追従するようにトルク基準を出力する速度制御部と、前記インバータ変換器の出力電流が前記トルク基準に追従するように電圧基準を出力する電流制御部と、前記インバータ変換器の出力電圧が前記電圧基準となるように前記インバータ変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御部とから構成され、前記速度制御部は、前記交流電動機の速度フィードバックと前記速度基準の偏差を入力とし、この偏差が小さくなるようにトルク基準を出力する比例制御器及び積分制御器からなる速度制御手段と、前記交流電動機が無負荷状態のとき、前記速度基準に所定の速度かさ上げ量を加算して保持する速度かさ上げ手段と、前記速度フィードバックを微分する微分手段と、この微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ手段の出力をゼロに低下させるリセット手段とを有し、前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記積分制御器の出力に前記比例制御器の出力を加算するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の第２の発明である半導体電力変換装置は、交流電動機を駆動するインバータ変換器と、このインバータ変換器を制御する制御部を具備した半導体電力変換装置において、前記制御部は、前記交流電動機の速度が速度基準に追従するようにトルク基準を出力する速度制御部と、前記インバータ変換器の出力電流が前記トルク基準に追従するように電圧基準を出力する電流制御部と、前記インバータ変換器の出力電圧が前記電圧基準となるように前記インバータ変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御部とから構成され、前記速度制御部は、前記交流電動機の速度フィードバックと前記速度基準の偏差を入力とし、この偏差が小さくなるようにトルク基準を出力する比例制御器及び積分制御器からなる速度制御手段と、前記交流電動機が無負荷状態のとき、前記速度基準に所定の速度かさ上げ量を加算して保持する速度かさ上げ手段と、前記速度フィードバックを微分する微分手段と、この微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記速度かさ上げ手段の出力をゼロに低下させるリセット手段とを有し、
前記微分手段の出力が所定値を超えたとき、前記積分制御器の出力に前記微分手段の出力を加算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、速度基準加算方式において負荷が急変した時にリカバリ応答が高応答となる半導体電力変換装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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】
【００１０】
以下、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を図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に係る半導体電力変換装置の回路構成図である。
【００１１】
図１（ａ）において、インバータ変換器１は、交流または直流電力を交流に変換して交流電動機２を駆動する。交流電動機２にはその回転速度を検出するための速度検出器３が取り付けられている。ここで、インバータ変換器１は例えばスイッチング素子をブリッジ接続して直流を交流に変換する構成となっており、各々のスイッチング素子は制御部４から与えられるゲートパルスによってオンオフ制御されている。
【００１２】
制御部４は、外部から与えられる指令のうち、速度基準と速度検出器３から得られる速度フィードバックとの偏差が小さくなるようにトルク基準信号を出力する速度制御部５と、この速度制御部５から与えられるトルク基準と、インバータ変換器１の出力電流のトルク成分を比較し、その偏差が小さくなるように電圧基準を出力する電流制御部６と、この電流制御部６からの電圧基準に応じて例えばＰＷＭ制御によってインバータ変換器１のスイッチング素子に与えるゲートパルスを作り出すＰＷＭ制御部７とから構成されている。
【００１３】
交流電動機２が誘導電動機の場合、電流制御部６は上記トルク成分に係る電流を流すための電圧基準に加え、励磁電流を与えるための励磁軸の電圧基準も必要となる。このため、電流制御部６はインバータ変換器１の出力電流の励磁成分と与えられた励磁基準との差分が小さくなるように励磁軸の電圧基準を出力し、前述のトルク軸に係る電圧基準とこの励磁軸の電圧基準を合成して３相の電圧基準に変換してＰＷＭ制御部７に与える。このような制御は所謂ベクトル制御として周知である。
【００１４】
次に、図１（ｂ）に従って速度制御部５の内部構成について説明する。外部から与えられる速度基準は加減算器５１に与えられ、ここで速度検出器３から得られる速度フィードバックが減算されてその差分が速度制御器５２に与えられる。速度制御器５２において、比例制御器５２１の出力は加算器５２２に与えられる。そして、積分ゲイン５２３の出力を加算器５２４に与え、積分ゲイン５２３の出力と積分器５２５によって得られる前回出力値を加算器５２４で加算するように構成した積分制御器の出力を加算器５２２に加算し、この加算器５２２の出力がトルク基準となるように比例積分系を構成する。
【００１５】
加減算器５１には外部から与えられる速度かさ上げ指令が切換器５３を介して与えられる。従って、切換器５３が速度かさ上げ側に選択されていれば、速度かさ上げ指令のかさ上げ量だけ速度基準は加算補正される。以下、切換器５３を「０」側に切換えてこの速度かさ上げ指令をリセットする機能について説明する。
【００１６】
速度検出器３から得られる速度フィードバックは微分器５４に与えられる。そしてこの微分器５４の出力は比較判定器５５において所定値Ａを超えているかどうか比較され、所定値Ａを超えていれば論理値１を出力してＡＮＤ回路５６の一方の入力とする。ＡＮＤ回路５６の他方の入力には、外部からロードリレー信号が与えられる。このロードリレー信号は、負荷がかかっているとき論理値１を出力する。
【００１７】
このような実施例１の構成における作用効果について図２に示す動作タイムチャートを参照して以下説明する。
【００１８】
図２の動作タイムチャートにおいて、時刻ｔ＝Ｔ１より前の段階においては、既に速度基準に速度かさ上げ量が加算された状態で無負荷運転されている。そして時刻ｔ＝Ｔ１にインパクト負荷がかかる。このインパクト負荷によってインパクトドロップが発生し、速度フィードバックは急激に低下する。そして、微分器５４の出力である速度ｄ／ｄｔはマイナス方向に振れる。そして時間が経過していくと、閉ループ制御によってトルク基準が増大して速度フィードバックの低下に歯止めがかかる。そして時刻ｔ＝Ｔ２において微分器５４の出力である速度ｄ／ｄｔがプラスに転じる。これが所定値を超えたことを検出して比較判定器５５は論理値１を出力する。このとき既に時刻ｔ＝Ｔ１においてロードリレー信号の出力は１となっているので切換器５３は速度かさ上げ信号をオフする。このようにすると、時刻ｔ＝Ｔ２以降は、速度かさ上げ量がない従来の速度基準に向かい速度フィードバックは収束し、時刻ｔ＝Ｔ３においてほぼ整定する。
【００１９】
以上説明したように、この実施例１によれば、インパクトドロップの発生している間の適切なタイミングで速度かさ上げ信号をオフすることが可能となるので、オーバーシュート等による整定時間の遅れを未然に回避しリカバリ応答を高めることが可能になる。
【００２０】
尚、上記説明において、速度かさ上げ信号は外部から得るものとして説明したが、外部からはそのタイミング指令を受け取り、速度かさ上げの量は自らの半導体電力変換装置内で生成しても良い。
【００２１】
また、速度検出器３は必ずしも設ける必要はなく、演算等によって速度を推定するようにしても良い。
【実施例２】
【００２２】
以下、本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置を図３及び図４を参照して説明する。図３は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図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、速度制御部５Ａにおいて切換器５３の出力を１次遅れ伝達器５７を介して加減算器５１に加算するように構成した点である。
【００２３】
図４は実施例２における動作タイムチャートである。この動作タイムチャートは基本的に図２の実施例１の動作タイムチャートと同様であるが、時刻ｔ＝Ｔ２において速度かさ上げ信号をオフしても１次遅れ伝達器５７の出力は図示したように１次遅れ関数に従ってゆるやかに元の速度基準に向かう。
【００２４】
従ってこの実施例２によれば、速度基準が急減することによるトルク基準の擾乱を防ぎ、よりスムースに元の速度基準に向かって整定することが可能となる。
【実施例３】
【００２５】
以下、本発明の実施例３に係る半導体電力変換装置を図５及び図６を参照して説明する。図５は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図である。この実施例３の各部について、図３の本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図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３が実施例２と異なる点は、速度制御部５Ｂにおいて１次遅れ伝達器５７に代えて微分伝達器５８を設け、この微分伝達器５８を介して切換器５３の出力を加減算器５１に加算するように構成した点である。
【００２６】
図６は実施例３における動作タイムチャートである。この動作タイムチャートは基本的に図４の実施例２の動作タイムチャートと同様であるが、時刻ｔ＝Ｔ２において速度かさ上げ信号をオフしたとき微分伝達器５８の出力は図示したように緩やかに元の速度基準に向かう。
【００２７】
従ってこの実施例３によっても、速度基準が急減することによるトルク基準の擾乱を防ぎ、よりスムースに元の速度基準に向かって整定することが可能となる。尚、この実施例３における微分伝達器５８に用いられる微分関数の伝達特性は厳密な微分特性ではなく、時定数の短い１次遅れ要素と組み合わせた所謂実用的微分特性を有しているものとするのが普通である。
【実施例４】
【００２８】
以下、本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置を図７及び図８を参照して説明する。図７は本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１（ａ）の本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図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４が実施例１と異なる点は、速度制御部５Ｃの速度制御器５２Ａにおいてトルク基準から積分器５２５の出力を減算する減算器５２６を設け、この減算器５２６の出力を切換器５２７を介して加算器５２４に加算する構成とした点である。ここで切換器５２７は、比較判定器５５の出力で動作させる。即ち、速度の微分値が所定値Ａを超えたとき、トルク基準から積分器５２５の出力を減算した値である比例制御器５２１の出力を積分器５２５の出力に加算する。
【００２９】
図８は実施例４における動作タイムチャートである。この動作タイムチャートが図２に示した実施例１の動作タイムチャーと異なる点は、時刻ｔ＝Ｔ２において比例制御器５２１の出力が積分器５２５の出力に加算されたため、トルク基準がステップ状に上昇している点である。
【００３０】
従ってこの実施例４によれば、時刻ｔ＝Ｔ２においてトルクの立ち上がりを早め、整定に要する時間（Ｔ２−Ｔ３）を短縮することが可能となる。
【実施例５】
【００３１】
以下、本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置を図９及び図１０を参照して説明する。図９は本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図である。この実施例５の各部について、図７の本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図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５が実施例４と異なる点は、速度制御部５Ｄにおいて切換器５３の出力を１次遅れ伝達器５７を介して加減算器５１に加算するように構成した点である。
【００３２】
図１０は実施例５における動作タイムチャートである。この動作タイムチャートが図８に示した実施例４の動作タイムチャーと異なる点は、時刻ｔ＝Ｔ２における比例制御器５２１の出力の急減が緩和され、トルク基準がより大きくなっている点である。
【００３３】
従ってこの実施例５によれば、時刻ｔ＝Ｔ２においてトルクの立ち上がりを更に早め、整定に要する時間（Ｔ２−Ｔ３）を短縮することが可能となる。
【００３４】
この実施例５は実施例４と実施例２との組み合わせであるが、実施例４と実施例３との組み合わせ、即ち１次遅れ伝達器５７に代えて微分伝達器５８を設けるように構成しても同様の効果が得られることは明らかである。
【実施例６】
【００３５】
図１１は本発明の実施例６に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図である。この実施例６の各部について、図９の本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図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６が実施例５と異なる点は、速度制御部５Ｅの速度制御器５２Ｂにおいて切換器５２８と加算器５２９を設け、切換器５２７の切換え加算と同一のタイミングで微分器５４の出力を積分器５２５の出力に加算する構成とした点である。
【００３６】
このように速度の微分値が所定値Ａを超えたとき、速度の微分値を積分器５２５の出力に加算するようにすれば、図１０における時刻ｔ＝Ｔ２においてトルクの立ち上がりを更に早め、整定に要する時間（Ｔ２−Ｔ３）を更に短縮することが可能となる。
【００３７】
尚、この実施例６においては、実施例５の構成に速度の微分値を積分器５２５の出力に加算する補正を追加したが、他の実施例と組み合わせても同様の効果があることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図。
【図２】実施例１の動作タイムチャート。
【図３】本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図。
【図４】実施例２の動作タイムチャート。
【図５】本発明の実施例３に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図。
【図６】実施例３の動作タイムチャート。
【図７】本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図。
【図８】実施例４の動作タイムチャート。
【図９】本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図。
【図１０】実施例５の動作タイムチャート。
【図１１】本発明の実施例６に係る半導体電力変換装置の速度制御部の回路構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１  インバータ変換器
２  交流電動機
３  速度検出器
４  制御部
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ  速度制御部
６  電流制御部
７  ＰＷＭ制御器
５１  加減算器
５２、５２Ａ、５２Ｂ  速度制御器
５３  切換器
５４  微分器
５５  比較判定器
５６  ＡＮＤ回路
５２１  比例制御器
５２２  加算器
５２３  積分ゲイン
５２４  加算器
５２５  積分器
５２６  減算器
５２７  切換器
５２８  切換器
５２９  加算器
【図１】
0005192225.tif 000002
【図２】
0005192225.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005192225.tif 000009
【図９】
0005192225.tif 000010
【図１０】
0005192225.tif 000011
【図１１】
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