インバータの並列運転を行う電力変換装置及び電力変換方法
【課題】複数のインバータの並列運転により１台の単巻線の電動機を駆動する場合に、複数のインバータに対するゲート信号を同期させることが可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供する。
【解決手段】電力変換装置１は、２台のインバータの並列運転を行う場合に、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、制御回路４０が電圧指令を生成し、同期信号及び電圧指令を２台のインバータ３０−１，３０−２にシリアル通信により送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令を受信してゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成し、各インバータ３０−１，３０−２からの交流電力を合成して、単巻線の電動機１０２を駆動する。
【解決手段】電力変換装置１は、２台のインバータの並列運転を行う場合に、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、制御回路４０が電圧指令を生成し、同期信号及び電圧指令を２台のインバータ３０−１，３０−２にシリアル通信により送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令を受信してゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成し、各インバータ３０−１，３０−２からの交流電力を合成して、単巻線の電動機１０２を駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭインバータの並列運転方式に関し、特に、直流電力を交流電力に変換する複数のＰＷＭインバータを並列に接続し、該複数のＰＷＭインバータの並列運転により、１台の単巻線の電動機を駆動する電力変換装置及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、１台のインバータの運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置１００は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、１台のインバータ１３０が制御回路３００からゲート信号（ＰＷＭ信号）Ｇを入力して交流電力を生成し、電動機１０２を駆動するものである。電力変換装置１００は、商用交流電源１０１からの３相交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１０、この変換された直流電力を平滑にする平滑用コンデンサ１２０、制御回路３００からのゲート信号Ｇによりスイッチング素子をオン／オフ動作させて直流電力を交流電力に変換するインバータ１３０、ゲート信号Ｇを生成する制御回路３００、及び、インバータ１３０と電動機１０２との間のＵ相の電流フィードバックＩｕ及びＷ相の電流フィードバックＩｗを検出する電流センサ１４０を備えている。
【０００３】
コンバータ１１０は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、３相交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ１２０は、コンバータ１１０により変換された直流電力を平滑する。ここで、平滑用コンデンサ１２０の一端はコンバータ１１０の出力正極端子及びインバータ１３０の入力正極端子に接続され、他端はコンバータ１１０の出力負極端子及びインバータ１３０の入力負極端子に接続される。
【０００４】
インバータ１３０は、ＤＣ−ＡＣ電力変換を行うＰＷＭインバータ回路を備え、半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のスイッチング素子のゲートに入力される制御信号であるゲート信号Ｇにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。すなわち、インバータ１３０は、平滑用コンデンサ１２０により平滑された直流電力を入力し、制御回路３００からゲート信号Ｇを入力し、内在するスイッチング素子のゲートをゲート信号Ｇによりオン／オフ動作させ、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動機１０２へ供給する。
【０００５】
電流センサ１４０は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して、被測定電流を非接触で検出するセンサである。電流センサ１４０は、インバータ１３０から電動機１０２へ供給される負荷電流である電流信号（Ｕ相の電流フィードバックＩｕ及びＷ相の電流フィードバックＩｗ）を検出する。
【０００６】
制御回路３００は、電流センサ１４０から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、速度センサ１０３から速度フィードバックＷｒを入力し、予め設定された速度指令Ｗｒ＊に基づいてゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇをインバータ１３０に出力する。この場合、ゲート信号Ｇは、インバータ１３０に備えた６個のスイッチング素子を制御するために、６個の信号が必要になる。
【０００７】
図２は、図１に示した制御回路３００の構成を示すブロック図である。この制御回路３００は、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１、積分器３１２及びＰＷＭ回路３１３を備えている。以下、制御回路３００について詳細に説明する。
【０００８】
減算器３０１は、予め設定された速度指令Ｗｒ＊から、速度センサ１０３から入力した速度フィードバックＷｒを減算し、速度偏差を得る。速度制御器３０２は、減算器３０１により算出された速度偏差を入力し、速度偏差からトルク指令を算出し、トルク指令からトルク電流指令Ｉｑ＊を算出する。また、図示しない制御器は、電動機１０２のパラメータで決められる磁束指令を算出し、磁束指令から励磁電流指令Ｉｄ＊を算出する。
【０００９】
滑り演算器３０９は、図示しない制御器から励磁電流指令Ｉｄ＊を入力し、速度制御器３０２からトルク電流指令Ｉｑ＊を入力し、滑り演算処理を行い、周波数Ｗｓを算出する。乗算器３１１は、速度フィードバックＷｒを入力し、予め設定された係数を速度フィードバックＷｒに乗算する。
【００１０】
加算器３１０は、滑り演算器３０９により算出された周波数Ｗｓと、乗算器３１１により算出された乗算結果とを加算し、１次角周波数Ｗ１を得る。積分器３１２は、加算器３１０により算出された１次角周波数Ｗ１を入力し、積分処理を行い、位相角θｄを算出する。このように算出された位相角θｄは、座標変換器３０７，３０８に出力される。
【００１１】
座標変換器３０８は、電流センサ１４０により検出された電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、積分器３１２から位相角θｄを入力し、３相軸からｄ軸及びｑ軸への座標変換を行い、励磁電流Ｉｄ及びトルク電流Ｉｑを算出する。
【００１２】
減算器３０３は、図示しない制御器により算出された励磁電流指令Ｉｄ＊から、座標変換器３０８により算出された励磁電流Ｉｄを減算し、励磁電流偏差を得る。電流制御器３０５は、減算器３０３により算出された励磁電流偏差を入力し、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を算出する。
【００１３】
減算器３０４は、速度制御器３０２により算出されたトルク電流指令Ｉｑ＊から、座標変換器３０８により算出されたトルク電流Ｉｑを減算し、トルク電流偏差を得る。電流制御器３０６は、減算器３０４により算出されたトルク電流偏差を入力し、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出する。
【００１４】
座標変換器３０７は、電流制御器３０５からｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を入力し、電流制御器３０６からｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を入力し、積分器３１２から位相角θｄを入力し、ｄ軸及びｑ軸から３相軸への座標変換を行い、電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を算出する。
【００１５】
ＰＷＭ回路３１３は、座標変換器３０７により算出された電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、６個のゲート信号Ｇを生成する。このように、制御回路３００は、予め設定された速度指令Ｗｒ＊と速度フィードバックＷｒとの偏差がゼロになるように、電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を生成する。そして、これらの電圧指令に相当するそれぞれのゲート信号Ｇがインバータ１３０に出力され、電動機１０２の速度制御が行われる。
【００１６】
ところで、大容量の電動機をインバータにより駆動するために、複数のインバータを並列に接続して運転する場合がある。図３は、２台のインバータの並列運転を行う場合における、従来の電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置２００は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、２台のインバータ１３０−１，１３０−２が制御回路４００からゲート信号Ｇを入力して交流電力を生成し、これらのインバータ１３０−１，１３０−２の並列運転により、１台の単巻線の電動機１０２を駆動するものである。
【００１７】
電力変換装置２００は、コンバータ１１０−１，１１０−２、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、インバータ１３０−１，１３０−２、電流センサ１４０−１，１４０−２及び制御回路４００を備えている。
【００１８】
図３において、コンバータ１１０−１，１１０−２はそれぞれ図１に示したコンバータ１１０と同一であり、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２はそれぞれ平滑用コンデンサ１２０と同一であり、インバータ１３０−１，１３０−２はそれぞれインバータ１３０と同一であり、電流センサ１４０−１，１４０−２はそれぞれ電流センサ１４０と同一である。また、制御回路４００は、図２に示した制御回路３００の各回路に加えて、電流センサ１４０−１，１４０−２により検出されたそれぞれの電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを統合する（例えば、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗをそれぞれ平均する）統合部を備え、この統合部により統合された電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを座標変換器３０８に出力する。また、制御回路４００は、図２に示したＰＷＭ回路３１３の代わりに、入力した電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を分配する分配機能を有する新たなＰＷＭ回路を備え、この新たなＰＷＭ回路の分配機能により分配した電圧指令に基づいて、インバータ１３０−１，１３０−２用のゲート信号Ｇをそれぞれ生成する。このように構成された電力変換装置２００では、制御回路４００により生成されたゲート信号Ｇを用いることにより、インバータ１３０−１，１３０−２の並列運転を実現している。
【００１９】
また、複数のインバータを並列に接続して運転する例として、特許文献１，２に記載のものがある。特許文献１の電力変換装置は、制御回路と複数のインバータとがシリアル通信により接続される構成の下で、制御回路が、算出したトルク指令を分配し、この分配したトルク指令をシリアル通信により複数のインバータへそれぞれ送信するものである。
【００２０】
また、特許文献２の電力変換装置は、複数のインバータにより複数巻線の電動機を駆動するものであり、複数のインバータに対応した制御回路をそれぞれ備える。マスタの制御回路は、自ら算出したトルク指令等の各信号をスレーブの制御回路へ送信し、スレーブの制御回路は、マスタの制御回路から受信したトルク指令等の各信号に基づいてゲート信号を生成し、インバータにより電動機を駆動する。
【００２１】
【特許文献１】特開２００５−８６９１８号公報、段落１４−１６、図２、図３、図７
【特許文献２】特開２００３−１０２１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
図３に示した従来の電力変換装置２００では、インバータ１台に対してゲート信号Ｇ及び電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの８個の信号が必要になるから、並列運転するインバータが増える毎にこれらの信号の数も増え、配線が複雑になるという問題があった。ここで、ゲート信号Ｇを生成する際に、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗも必要とする電力変換装置では、さらに配線が複雑になってしまう。
【００２３】
また、ゲート信号Ｇ及び電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの各信号はアナログ信号であるから、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比等により、並列運転が可能なインバータの数が制限されるという問題があった。さらに、制御回路４００とインバータ１３０−１，１３０−２との間の配線距離及びこれらの設置場所が制限され、許容範囲内で配線距離を延ばした場合にはノイズの影響を受けやすいという問題もあった。この場合、制御回路４００とインバータ１３０−１，１３０−２との間は、配線距離ができる限り制限されないことが望ましい。また、一般に、並列運転するインバータ１３０−１，１３０−２は同一の制御盤内に格納されるから、設置場所ができる限り制限されないことが望ましい。
【００２４】
また、図３に示した従来の電力変換装置２００において、インバータ１３０−１，１３０−２が入力するそれぞれのゲート信号Ｇのタイミングがズレて同期しない場合には、各インバータ１３０−１，インバータ１３０−２が電動機１０２へ供給する交流電力のタイミングがズレることになり、電動機１０２を効率的に駆動することができないだけでなく、インバータ１３０−１，１３０−２間に横流が発生してしまう。これにより、場合によってはインバータ１３０−１，１３０−２の許容範囲を超え、素子が破損してしまう可能性がある。
【００２５】
前述した配線が複雑になるという問題、及びインバータの数が制約を受けるという問題を解決するため、特許文献１，２の電力変換装置を用いることができる。しかしながら、特許文献１の電力変換装置では、トルク指令をシリアル通信により送信しているに過ぎないから、ゲート信号が同期しているとは限らない。また、特許文献２に記載された電力変換装置では、複数巻線の電動機を駆動するものであり、ゲート信号の同期を考慮する必要がないことから、単巻線の電動機には適用することができない。
【００２６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数のインバータの並列運転により１台の単巻線の電動機を駆動する場合に、複数のインバータに対するゲート信号を同期させることが可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明は、単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置において、前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力し、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する回路、及び、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により、前記複数のインバータへそれぞれ送信する回路を有する制御回路と、前記制御回路から電圧指令値と同期信号とを受信する回路、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する回路、及び、前記ゲート信号により交流電力を生成するスイッチング素子を有するインバータと、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記インバータが、該インバータと電動機との間の電流を検出する電流センサから電流フィードバック値を入力し、該電流フィードバック値をシリアル通信により前記制御回路へ送信する回路を有することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置による電力変換方法において、前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力する工程と、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する工程と、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により前記複数のインバータへそれぞれ送信する工程と、前記インバータにより、前記電圧指令値と同期信号とを受信する工程と、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する工程と、前記ゲート信号により交流電力を生成し、該交流電力を電動機へ供給する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、複数のインバータの並列運転により１台の単巻線の電動機を駆動する場合に、複数のインバータに対するゲート信号を同期させることが可能な電力変換装置及び電力変換方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明の実施の形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置１は、２台のインバータの並列運転を行う場合の電力変換装置であり、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、制御回路４０がゲート信号Ｇの生成元の電圧指令を生成し、同期信号及び電圧指令を２台のインバータ３０−１，３０−２にシリアル通信により送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令を受信してゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成し、各インバータ３０−１，３０−２からの交流電力を合成して、１台の単巻線の電動機１０２を駆動するものである。
【００３２】
電力変換装置１は、コンバータ１１０−１，１１０−２、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、インバータ３０−１，３０−２、電流センサ１４０−１，１４０−２、及び制御回路４０を備えている。インバータ３０−１，３０−２と制御回路４０と間は、それぞれ３本の光ファイバケーブルにより接続され、シリアル通信により情報の送受信が行われる。インバータ３０−１と制御回路４０との間において、１本目の光ファイバーケーブルは、制御回路４０からインバータ３０−１へ同期信号を送信するための通信線であり、２本目の光ファイバケーブルは、制御回路４０からインバータ３０−１へ電圧指令を送信するための通信線であり、３本目の光ファイバケーブルは、インバータ３０−１から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を送信するための通信線である。詳細については後述する。
【００３３】
図３に示した従来の電力変換装置２００と図４に示す電力変換装置１とを比較すると、２台のコンバータ１１０−１，１１０−２、２台の平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、２台の電流センサ１４０−１，１４０−２を備えている点で同一であるが、電力変換装置１は、従来の制御回路４００及びインバータ１３０−１，１３０−２と異なる制御回路４０及びインバータ３０−１，３０−２を備えている点、インバータ３０−１，３０−２と制御回路４０との間でシリアル通信により情報を送受信する点で相違する。また、従来の電力変換装置２００では、制御回路４００がゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇをインバータ１３０−１，１３０−２に出力するのに対し、電力変換装置１では、制御回路４０が同期信号及び電圧指令をシリアル通信によりインバータ３０−１，３０−２に送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令に基づいてゲート信号Ｇを生成する点で相違する。また、従来の電力変換装置２００では、制御回路４００が電流センサ１４０−１，１４０−２から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを直接的に入力するのに対し、電力変換装置１では、制御回路４０が、インバータ３０−１，３０−２及びシリアル通信を介して間接的に入力する点で相違する。尚、図４において、図３と共通する部分には図３と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００３４】
制御回路４０は、速度センサ１０３から速度フィードバックＷｒを入力し、インバータ３０−１からシリアル通信により電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を受信し、インバータ３０−２からシリアル通信により電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−２の状態を受信し、予め設定された速度指令Ｗｒ＊に基づいて電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を生成し、同期信号及び電圧指令を、予め設定された周期の同一タイミングにて、それぞれのインバータ３０−１，３０−２に送信する。
【００３５】
ここで、インバータ３０−１から受信する電流フィードバックＩｕ，Ｉｗは、電流センサ１４０−１により検出された電流信号であり、インバータ３０−２から受信する電流フィードバックＩｕ，Ｉｗは、電流センサ１４０−２により検出された電流信号である。また、同期信号は、各インバータ３０−１，３０−２において同一タイミングのゲート信号Ｇを生成するための信号であり、この同期信号により、ゲート信号Ｇを生成するために必要な三角波が生成される。電圧指令は、インバータ３０−１，３０−２においてＵ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成するための信号である。詳細については後述する。
【００３６】
図５は、図４に示した制御回路４０の構成を示すブロック図である。この制御回路４０は、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１、積分器３１２及び通信回路４１を備えている。
【００３７】
図２に示した従来の制御回路３００と図５に示す制御回路４０とを比較すると、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１及び積分器３１２を備えている点で同一であるが、制御回路４０は、ＰＷＭ回路３１３を備えておらず、通信回路４１を備えている点、この通信回路４１によりインバータ３０−１，３０−２との間でシリアル通信により情報を送受信する点で相違する。以下、制御回路４０について詳細に説明する。尚、図５において、図２と共通する部分には図２と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００３８】
通信回路４１は、座標変換器３０７により算出された電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、この電圧指令をデジタル信号に変換してインバータ３０−１，３０−２毎に分配し、予め設定された周期にて、同期信号及び電圧指令をそれぞれのインバータ３０−１，３０−２に送信する。
【００３９】
また、通信回路４１は、インバータ３０−１から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を受信し、インバータ３０−２から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−２の状態を受信し、それぞれの電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの平均を算出する等して統合し、統合した電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを座標変換器３０８に出力する。また、インバータ３０−１，３０−２の状態を示す各情報は、異常処理等に用いられる。
【００４０】
図４に戻って、インバータ３０−１，３０−２は、それぞれ、通信回路３１−１，３１−２、ＰＷＭ回路３２−１，３２−２、状態監視回路３３−１，３３−２及びＰＷＭインバータ回路３４−１，３４−２を備えている。インバータ３０−１，３０−２は、制御回路４０から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）をシリアル通信により受信し、同期信号及び電圧指令に基づいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成して電動機１０２へ供給する。以下、インバータ３０−１について詳細に説明する。尚、インバータ３０−２は、インバータ３０−１と同一の構成を有するので、説明を省略する。
【００４１】
図６は、図４に示したインバータ３０−１における信号処理を説明する図である。通信回路３１−１は、制御回路４０から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を受信し、これらの信号をシリアルデータからパラレルデータに変換してＰＷＭ回路３２−１に出力する。また、通信回路３１−１は、電流センサ１４０−１から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、状態監視回路３３−１からインバータ状態を入力し、これらの信号をシリアルデータに変換して制御回路４０に送信する。状態監視回路３３−１は、インバータ３０−１の運転状態を監視し、その状態を通信回路３１−１に出力する。
【００４２】
ＰＷＭ回路３２−１は、通信回路３１−１から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成して、ＰＷＭインバータ回路３４−１に出力する。ＰＷＭインバータ回路３４−１は、このゲート信号Ｇに基づいて交流電力を生成し、電動機１０２へ供給する。
【００４３】
図７は、ＰＷＭ回路３２−１において、同期信号及び電圧指令からゲート信号Ｇを生成するまでの各信号のタイミングを示すタイムチャート図である。図７に示すように、同期信号（１）は、三角波（３）を生成するための信号であり、２種類の同期信号が、予め設定された周期（１２５μｓｅｃ）にて交互に繰り返して送信される。第１の同期信号は、三角波（３）の信号点（カウント値０〜８０００）を下降から上昇に切り替える折り返し点（谷の最も低い部分）を生成するための上昇を示す信号であり、第２の同期信号は、三角波（３）の信号点を上昇から下降に切り替える折り返し点（山の頂点の部分）を生成するための下降を示す信号である。このような同期信号（１）は、制御回路４０の通信回路４１において生成される。また、この同期信号（１）によりＰＷＭ回路３２−１において生成される三角波（３）は、カウント値０〜８０００を繰り返す。
【００４４】
電圧指令（２）における電圧指令値（ａ１，ａ２，・・・）は、コンパレータ出力信号（４）をオンからオフへ切り替える点、及びオフからオンへ切り替える点を決定するための値である。例えば、ａ１＝４０００の場合、三角波（３）の信号点（カウント値０〜８０００）において、カウント値が４０００になったタイミングで、ＰＷＭインバータ回路３４−１における上側のスイッチング素子に対応するコンパレータ出力信号（４）がオンからオフに切り替わり、同様に下側のスイッチング素子に対応するコンパレータ出力信号（４）がオフからオンに切り替わる。そして、コンパレータ出力信号（４）に対してオンディレイ処理（５）を施すことにより、ゲート信号Ｇ（６）が生成される。このような処理がＵ相、Ｖ相及びＷ相毎に行われる。
【００４５】
このように、ＰＷＭ回路３２−１は、入力した同期信号（１）から三角波（３）を生成し、コンパレータにより、三角波（３）及び入力した電圧指令（２）における電圧指令値（ａ１，ａ２，・・・）を用いて比較処理を行ってコンパレータ出力信号（４）のオン／オフ切り替えを行い、遅延回路により、コンパレータ出力信号に対して、予め設定された時間によるオンディレイ処理（５）を施す。これによりゲート信号Ｇ（６）が生成される。
【００４６】
以上のように、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、２台のインバータ３０−１，３０−２の並列運転により１台の単巻線の電動機１０２を駆動する場合に、制御回路４０は、ゲート信号Ｇを同期させるための同期信号を、電圧指令と共にシリアル通信によりそれぞれ同一のタイミングにてインバータ３０−１，３０−２に送信するようにした。インバータ３０−１，３０−２は、それぞれ同じタイミングの同期信号を基準にしてゲート信号Ｇを生成するから、インバータ３０−１，３０−２のそれぞれのゲート信号Ｇのオン／オフタイミングを一致させることができる。したがって、ゲート信号Ｇが同期するから、横流が発生することはない。
【００４７】
また、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、制御回路４０は、ゲート信号Ｇを生成するための同期信号及び電圧指令をシリアル通信によりインバータ３０−１，３０−２に送信し、インバータ３０−１，３０−２は、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗをシリアル通信により制御回路４０に送信するようにした。この場合、制御回路４０とインバータ３０−１，３０−２との間の通信線はそれぞれ３本で済むから、インバータが増える毎に３本の通信線を増やすだけで良い。このため、図３に示した従来の電力変換装置２００ではインバータが増える毎に８個の信号を増やす必要があるのに対し、電力変換装置１では配線が複雑にならないという利点があり、省配線を実現することができる。ここで、ゲート信号Ｇを生成する際に、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗも必要とする場合には、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、インバータ３０−１，３０−２は、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗもシリアル通信により制御回路４０に送信する。この場合、同じ通信線を使用することができるから、配線の複雑さを一層緩和することができる。
【００４８】
また、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、制御回路４０とインバータ３０−１，３０−２との間は光ファイバケーブルにより接続するようにした。これにより、アナログ信号ではなく、シリアル通信によるデジタル信号によって送受信を行うから、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比等によるインバータの数が制限されるという問題を解消することができる。また、配線距離及び設置場所の制限を緩和することができると共に、耐ノイズ性の向上を図ることができる。このように、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、電力変換装置１として大容量ユニットを実現することができるから、生産数量の増加及びコスト低減を実現することができる。
【００４９】
以上、実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、図４に示した電力変換装置１では、２台のインバータ３０−１，３０−２による並列運転の例を示したが、インバータの数はこれに限定するものではなく、３台以上のインバータによる並列運転にも適用することができる。
【００５０】
また、図４に示した電力変換装置１では、インバータ３０−１，３０−２から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを送信するようにしたが、インバータ３０−１，３０−２と電動機１０２との間に電圧センサを設け、インバータ３０−１，３０−２がその電圧センサから電圧フィードバックＶｕｗを入力し、、インバータ３０−１，３０−２から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗを送信するようにしてもよい。この場合、制御回路４０は、受信した電圧フィードバックＶｕｗを、電圧指令の補正のために用いる。
【００５１】
また、図４に示した電力変換装置１は、コンバータ１１０−１，１１０−２を備えるようにしたが、必ずしもこれに限定するものではない。コンバータ１１０−１，１１０−２の代わりに、ＡＣ−ＤＣ整流器、平滑用コンデンサ及びＤＣ−ＤＣ電力変換器を備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】１台のインバータの運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の、２台のインバータの並列運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】図４の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図６】図４のインバータにおける信号処理を説明する図である。
【図７】同期信号及び電圧指令からゲート信号を生成するまでの各信号のタイミングを示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，１００，２００ 電力変換装置
３０−１，３０−２，１３０，１３０−１，１３０−２ インバータ
４０，３００，４００ 制御回路
３１−１，３１−２，４１ 通信回路
３２−１，３２−２，３１３ ＰＷＭ回路
３３−１，３３−２ 状態監視回路
３４−１，３４−２ ＰＷＭインバータ回路
１０１ 商用交流電源
１０２ 電動機
１０３ 速度センサ
１１０，１１０−１，１１０−２ コンバータ
１２０，１２０−１，１２０−２ 平滑用コンデンサ
１４０，１４０−１，１４０−２ 電流センサ
３０１，３０３，３０４ 減算器
３０２ 速度制御器
３０５，３０６ 電流制御器
３０７，３０８ 座標変換器
３０９ 滑り演算器
３１０ 加算器
３１１ 乗算器
３１２ 積分器
Ｉｕ，Ｉｗ 電流フィードバック
Ｗｒ 速度フィードバック
Ｇ ゲート信号
Ｗｒ＊ 速度指令
Ｉｄ 励磁電流
Ｉｑ トルク電流
Ｉｄ＊ 励磁電流指令
Ｉｑ＊ トルク電流指令
Ｖｄ＊ ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊ ｑ軸電圧指令
Ｖｕ＊ Ｕ相電圧指令
Ｖｖ＊ Ｖ相電圧指令
Ｖｗ＊ Ｗ相電圧指令
Ｗｓ 周波数
Ｗ１ １次角周波数
θｄ 位相角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭインバータの並列運転方式に関し、特に、直流電力を交流電力に変換する複数のＰＷＭインバータを並列に接続し、該複数のＰＷＭインバータの並列運転により、１台の単巻線の電動機を駆動する電力変換装置及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、１台のインバータの運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置１００は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、１台のインバータ１３０が制御回路３００からゲート信号（ＰＷＭ信号）Ｇを入力して交流電力を生成し、電動機１０２を駆動するものである。電力変換装置１００は、商用交流電源１０１からの３相交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１０、この変換された直流電力を平滑にする平滑用コンデンサ１２０、制御回路３００からのゲート信号Ｇによりスイッチング素子をオン／オフ動作させて直流電力を交流電力に変換するインバータ１３０、ゲート信号Ｇを生成する制御回路３００、及び、インバータ１３０と電動機１０２との間のＵ相の電流フィードバックＩｕ及びＷ相の電流フィードバックＩｗを検出する電流センサ１４０を備えている。
【０００３】
コンバータ１１０は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、３相交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ１２０は、コンバータ１１０により変換された直流電力を平滑する。ここで、平滑用コンデンサ１２０の一端はコンバータ１１０の出力正極端子及びインバータ１３０の入力正極端子に接続され、他端はコンバータ１１０の出力負極端子及びインバータ１３０の入力負極端子に接続される。
【０００４】
インバータ１３０は、ＤＣ−ＡＣ電力変換を行うＰＷＭインバータ回路を備え、半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のスイッチング素子のゲートに入力される制御信号であるゲート信号Ｇにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。すなわち、インバータ１３０は、平滑用コンデンサ１２０により平滑された直流電力を入力し、制御回路３００からゲート信号Ｇを入力し、内在するスイッチング素子のゲートをゲート信号Ｇによりオン／オフ動作させ、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動機１０２へ供給する。
【０００５】
電流センサ１４０は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して、被測定電流を非接触で検出するセンサである。電流センサ１４０は、インバータ１３０から電動機１０２へ供給される負荷電流である電流信号（Ｕ相の電流フィードバックＩｕ及びＷ相の電流フィードバックＩｗ）を検出する。
【０００６】
制御回路３００は、電流センサ１４０から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、速度センサ１０３から速度フィードバックＷｒを入力し、予め設定された速度指令Ｗｒ＊に基づいてゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇをインバータ１３０に出力する。この場合、ゲート信号Ｇは、インバータ１３０に備えた６個のスイッチング素子を制御するために、６個の信号が必要になる。
【０００７】
図２は、図１に示した制御回路３００の構成を示すブロック図である。この制御回路３００は、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１、積分器３１２及びＰＷＭ回路３１３を備えている。以下、制御回路３００について詳細に説明する。
【０００８】
減算器３０１は、予め設定された速度指令Ｗｒ＊から、速度センサ１０３から入力した速度フィードバックＷｒを減算し、速度偏差を得る。速度制御器３０２は、減算器３０１により算出された速度偏差を入力し、速度偏差からトルク指令を算出し、トルク指令からトルク電流指令Ｉｑ＊を算出する。また、図示しない制御器は、電動機１０２のパラメータで決められる磁束指令を算出し、磁束指令から励磁電流指令Ｉｄ＊を算出する。
【０００９】
滑り演算器３０９は、図示しない制御器から励磁電流指令Ｉｄ＊を入力し、速度制御器３０２からトルク電流指令Ｉｑ＊を入力し、滑り演算処理を行い、周波数Ｗｓを算出する。乗算器３１１は、速度フィードバックＷｒを入力し、予め設定された係数を速度フィードバックＷｒに乗算する。
【００１０】
加算器３１０は、滑り演算器３０９により算出された周波数Ｗｓと、乗算器３１１により算出された乗算結果とを加算し、１次角周波数Ｗ１を得る。積分器３１２は、加算器３１０により算出された１次角周波数Ｗ１を入力し、積分処理を行い、位相角θｄを算出する。このように算出された位相角θｄは、座標変換器３０７，３０８に出力される。
【００１１】
座標変換器３０８は、電流センサ１４０により検出された電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、積分器３１２から位相角θｄを入力し、３相軸からｄ軸及びｑ軸への座標変換を行い、励磁電流Ｉｄ及びトルク電流Ｉｑを算出する。
【００１２】
減算器３０３は、図示しない制御器により算出された励磁電流指令Ｉｄ＊から、座標変換器３０８により算出された励磁電流Ｉｄを減算し、励磁電流偏差を得る。電流制御器３０５は、減算器３０３により算出された励磁電流偏差を入力し、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を算出する。
【００１３】
減算器３０４は、速度制御器３０２により算出されたトルク電流指令Ｉｑ＊から、座標変換器３０８により算出されたトルク電流Ｉｑを減算し、トルク電流偏差を得る。電流制御器３０６は、減算器３０４により算出されたトルク電流偏差を入力し、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出する。
【００１４】
座標変換器３０７は、電流制御器３０５からｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を入力し、電流制御器３０６からｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を入力し、積分器３１２から位相角θｄを入力し、ｄ軸及びｑ軸から３相軸への座標変換を行い、電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を算出する。
【００１５】
ＰＷＭ回路３１３は、座標変換器３０７により算出された電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、６個のゲート信号Ｇを生成する。このように、制御回路３００は、予め設定された速度指令Ｗｒ＊と速度フィードバックＷｒとの偏差がゼロになるように、電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を生成する。そして、これらの電圧指令に相当するそれぞれのゲート信号Ｇがインバータ１３０に出力され、電動機１０２の速度制御が行われる。
【００１６】
ところで、大容量の電動機をインバータにより駆動するために、複数のインバータを並列に接続して運転する場合がある。図３は、２台のインバータの並列運転を行う場合における、従来の電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置２００は、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、２台のインバータ１３０−１，１３０−２が制御回路４００からゲート信号Ｇを入力して交流電力を生成し、これらのインバータ１３０−１，１３０−２の並列運転により、１台の単巻線の電動機１０２を駆動するものである。
【００１７】
電力変換装置２００は、コンバータ１１０−１，１１０−２、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、インバータ１３０−１，１３０−２、電流センサ１４０−１，１４０−２及び制御回路４００を備えている。
【００１８】
図３において、コンバータ１１０−１，１１０−２はそれぞれ図１に示したコンバータ１１０と同一であり、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２はそれぞれ平滑用コンデンサ１２０と同一であり、インバータ１３０−１，１３０−２はそれぞれインバータ１３０と同一であり、電流センサ１４０−１，１４０−２はそれぞれ電流センサ１４０と同一である。また、制御回路４００は、図２に示した制御回路３００の各回路に加えて、電流センサ１４０−１，１４０−２により検出されたそれぞれの電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを統合する（例えば、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗをそれぞれ平均する）統合部を備え、この統合部により統合された電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを座標変換器３０８に出力する。また、制御回路４００は、図２に示したＰＷＭ回路３１３の代わりに、入力した電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を分配する分配機能を有する新たなＰＷＭ回路を備え、この新たなＰＷＭ回路の分配機能により分配した電圧指令に基づいて、インバータ１３０−１，１３０−２用のゲート信号Ｇをそれぞれ生成する。このように構成された電力変換装置２００では、制御回路４００により生成されたゲート信号Ｇを用いることにより、インバータ１３０−１，１３０−２の並列運転を実現している。
【００１９】
また、複数のインバータを並列に接続して運転する例として、特許文献１，２に記載のものがある。特許文献１の電力変換装置は、制御回路と複数のインバータとがシリアル通信により接続される構成の下で、制御回路が、算出したトルク指令を分配し、この分配したトルク指令をシリアル通信により複数のインバータへそれぞれ送信するものである。
【００２０】
また、特許文献２の電力変換装置は、複数のインバータにより複数巻線の電動機を駆動するものであり、複数のインバータに対応した制御回路をそれぞれ備える。マスタの制御回路は、自ら算出したトルク指令等の各信号をスレーブの制御回路へ送信し、スレーブの制御回路は、マスタの制御回路から受信したトルク指令等の各信号に基づいてゲート信号を生成し、インバータにより電動機を駆動する。
【００２１】
【特許文献１】特開２００５−８６９１８号公報、段落１４−１６、図２、図３、図７
【特許文献２】特開２００３−１０２１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
図３に示した従来の電力変換装置２００では、インバータ１台に対してゲート信号Ｇ及び電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの８個の信号が必要になるから、並列運転するインバータが増える毎にこれらの信号の数も増え、配線が複雑になるという問題があった。ここで、ゲート信号Ｇを生成する際に、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗも必要とする電力変換装置では、さらに配線が複雑になってしまう。
【００２３】
また、ゲート信号Ｇ及び電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの各信号はアナログ信号であるから、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比等により、並列運転が可能なインバータの数が制限されるという問題があった。さらに、制御回路４００とインバータ１３０−１，１３０−２との間の配線距離及びこれらの設置場所が制限され、許容範囲内で配線距離を延ばした場合にはノイズの影響を受けやすいという問題もあった。この場合、制御回路４００とインバータ１３０−１，１３０−２との間は、配線距離ができる限り制限されないことが望ましい。また、一般に、並列運転するインバータ１３０−１，１３０−２は同一の制御盤内に格納されるから、設置場所ができる限り制限されないことが望ましい。
【００２４】
また、図３に示した従来の電力変換装置２００において、インバータ１３０−１，１３０−２が入力するそれぞれのゲート信号Ｇのタイミングがズレて同期しない場合には、各インバータ１３０−１，インバータ１３０−２が電動機１０２へ供給する交流電力のタイミングがズレることになり、電動機１０２を効率的に駆動することができないだけでなく、インバータ１３０−１，１３０−２間に横流が発生してしまう。これにより、場合によってはインバータ１３０−１，１３０−２の許容範囲を超え、素子が破損してしまう可能性がある。
【００２５】
前述した配線が複雑になるという問題、及びインバータの数が制約を受けるという問題を解決するため、特許文献１，２の電力変換装置を用いることができる。しかしながら、特許文献１の電力変換装置では、トルク指令をシリアル通信により送信しているに過ぎないから、ゲート信号が同期しているとは限らない。また、特許文献２に記載された電力変換装置では、複数巻線の電動機を駆動するものであり、ゲート信号の同期を考慮する必要がないことから、単巻線の電動機には適用することができない。
【００２６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数のインバータの並列運転により１台の単巻線の電動機を駆動する場合に、複数のインバータに対するゲート信号を同期させることが可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明は、単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置において、前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力し、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する回路、及び、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により、前記複数のインバータへそれぞれ送信する回路を有する制御回路と、前記制御回路から電圧指令値と同期信号とを受信する回路、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する回路、及び、前記ゲート信号により交流電力を生成するスイッチング素子を有するインバータと、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記インバータが、該インバータと電動機との間の電流を検出する電流センサから電流フィードバック値を入力し、該電流フィードバック値をシリアル通信により前記制御回路へ送信する回路を有することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置による電力変換方法において、前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力する工程と、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する工程と、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により前記複数のインバータへそれぞれ送信する工程と、前記インバータにより、前記電圧指令値と同期信号とを受信する工程と、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する工程と、前記ゲート信号により交流電力を生成し、該交流電力を電動機へ供給する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、複数のインバータの並列運転により１台の単巻線の電動機を駆動する場合に、複数のインバータに対するゲート信号を同期させることが可能な電力変換装置及び電力変換方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明の実施の形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。この電力変換装置１は、２台のインバータの並列運転を行う場合の電力変換装置であり、商用交流電源１０１から３相交流電力を入力し、制御回路４０がゲート信号Ｇの生成元の電圧指令を生成し、同期信号及び電圧指令を２台のインバータ３０−１，３０−２にシリアル通信により送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令を受信してゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成し、各インバータ３０−１，３０−２からの交流電力を合成して、１台の単巻線の電動機１０２を駆動するものである。
【００３２】
電力変換装置１は、コンバータ１１０−１，１１０−２、平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、インバータ３０−１，３０−２、電流センサ１４０−１，１４０−２、及び制御回路４０を備えている。インバータ３０−１，３０−２と制御回路４０と間は、それぞれ３本の光ファイバケーブルにより接続され、シリアル通信により情報の送受信が行われる。インバータ３０−１と制御回路４０との間において、１本目の光ファイバーケーブルは、制御回路４０からインバータ３０−１へ同期信号を送信するための通信線であり、２本目の光ファイバケーブルは、制御回路４０からインバータ３０−１へ電圧指令を送信するための通信線であり、３本目の光ファイバケーブルは、インバータ３０−１から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を送信するための通信線である。詳細については後述する。
【００３３】
図３に示した従来の電力変換装置２００と図４に示す電力変換装置１とを比較すると、２台のコンバータ１１０−１，１１０−２、２台の平滑用コンデンサ１２０−１，１２０−２、２台の電流センサ１４０−１，１４０−２を備えている点で同一であるが、電力変換装置１は、従来の制御回路４００及びインバータ１３０−１，１３０−２と異なる制御回路４０及びインバータ３０−１，３０−２を備えている点、インバータ３０−１，３０−２と制御回路４０との間でシリアル通信により情報を送受信する点で相違する。また、従来の電力変換装置２００では、制御回路４００がゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇをインバータ１３０−１，１３０−２に出力するのに対し、電力変換装置１では、制御回路４０が同期信号及び電圧指令をシリアル通信によりインバータ３０−１，３０−２に送信し、インバータ３０−１，３０−２が同期信号及び電圧指令に基づいてゲート信号Ｇを生成する点で相違する。また、従来の電力変換装置２００では、制御回路４００が電流センサ１４０−１，１４０−２から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを直接的に入力するのに対し、電力変換装置１では、制御回路４０が、インバータ３０−１，３０−２及びシリアル通信を介して間接的に入力する点で相違する。尚、図４において、図３と共通する部分には図３と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００３４】
制御回路４０は、速度センサ１０３から速度フィードバックＷｒを入力し、インバータ３０−１からシリアル通信により電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を受信し、インバータ３０−２からシリアル通信により電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−２の状態を受信し、予め設定された速度指令Ｗｒ＊に基づいて電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を生成し、同期信号及び電圧指令を、予め設定された周期の同一タイミングにて、それぞれのインバータ３０−１，３０−２に送信する。
【００３５】
ここで、インバータ３０−１から受信する電流フィードバックＩｕ，Ｉｗは、電流センサ１４０−１により検出された電流信号であり、インバータ３０−２から受信する電流フィードバックＩｕ，Ｉｗは、電流センサ１４０−２により検出された電流信号である。また、同期信号は、各インバータ３０−１，３０−２において同一タイミングのゲート信号Ｇを生成するための信号であり、この同期信号により、ゲート信号Ｇを生成するために必要な三角波が生成される。電圧指令は、インバータ３０−１，３０−２においてＵ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成するための信号である。詳細については後述する。
【００３６】
図５は、図４に示した制御回路４０の構成を示すブロック図である。この制御回路４０は、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１、積分器３１２及び通信回路４１を備えている。
【００３７】
図２に示した従来の制御回路３００と図５に示す制御回路４０とを比較すると、減算器３０１，３０３，３０４、速度制御器３０２、電流制御器３０５，３０６、座標変換器３０７，３０８、滑り演算器３０９、加算器３１０、乗算器３１１及び積分器３１２を備えている点で同一であるが、制御回路４０は、ＰＷＭ回路３１３を備えておらず、通信回路４１を備えている点、この通信回路４１によりインバータ３０−１，３０−２との間でシリアル通信により情報を送受信する点で相違する。以下、制御回路４０について詳細に説明する。尚、図５において、図２と共通する部分には図２と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００３８】
通信回路４１は、座標変換器３０７により算出された電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、この電圧指令をデジタル信号に変換してインバータ３０−１，３０−２毎に分配し、予め設定された周期にて、同期信号及び電圧指令をそれぞれのインバータ３０−１，３０−２に送信する。
【００３９】
また、通信回路４１は、インバータ３０−１から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−１の状態を受信し、インバータ３０−２から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗ及びインバータ３０−２の状態を受信し、それぞれの電流フィードバックＩｕ，Ｉｗの平均を算出する等して統合し、統合した電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを座標変換器３０８に出力する。また、インバータ３０−１，３０−２の状態を示す各情報は、異常処理等に用いられる。
【００４０】
図４に戻って、インバータ３０−１，３０−２は、それぞれ、通信回路３１−１，３１−２、ＰＷＭ回路３２−１，３２−２、状態監視回路３３−１，３３−２及びＰＷＭインバータ回路３４−１，３４−２を備えている。インバータ３０−１，３０−２は、制御回路４０から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）をシリアル通信により受信し、同期信号及び電圧指令に基づいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成し、このゲート信号Ｇにより交流電力を生成して電動機１０２へ供給する。以下、インバータ３０−１について詳細に説明する。尚、インバータ３０−２は、インバータ３０−１と同一の構成を有するので、説明を省略する。
【００４１】
図６は、図４に示したインバータ３０−１における信号処理を説明する図である。通信回路３１−１は、制御回路４０から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を受信し、これらの信号をシリアルデータからパラレルデータに変換してＰＷＭ回路３２−１に出力する。また、通信回路３１−１は、電流センサ１４０−１から電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを入力し、状態監視回路３３−１からインバータ状態を入力し、これらの信号をシリアルデータに変換して制御回路４０に送信する。状態監視回路３３−１は、インバータ３０−１の運転状態を監視し、その状態を通信回路３１−１に出力する。
【００４２】
ＰＷＭ回路３２−１は、通信回路３１−１から同期信号及び電圧指令（Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊，Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊）を入力し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のゲート信号Ｇを生成して、ＰＷＭインバータ回路３４−１に出力する。ＰＷＭインバータ回路３４−１は、このゲート信号Ｇに基づいて交流電力を生成し、電動機１０２へ供給する。
【００４３】
図７は、ＰＷＭ回路３２−１において、同期信号及び電圧指令からゲート信号Ｇを生成するまでの各信号のタイミングを示すタイムチャート図である。図７に示すように、同期信号（１）は、三角波（３）を生成するための信号であり、２種類の同期信号が、予め設定された周期（１２５μｓｅｃ）にて交互に繰り返して送信される。第１の同期信号は、三角波（３）の信号点（カウント値０〜８０００）を下降から上昇に切り替える折り返し点（谷の最も低い部分）を生成するための上昇を示す信号であり、第２の同期信号は、三角波（３）の信号点を上昇から下降に切り替える折り返し点（山の頂点の部分）を生成するための下降を示す信号である。このような同期信号（１）は、制御回路４０の通信回路４１において生成される。また、この同期信号（１）によりＰＷＭ回路３２−１において生成される三角波（３）は、カウント値０〜８０００を繰り返す。
【００４４】
電圧指令（２）における電圧指令値（ａ１，ａ２，・・・）は、コンパレータ出力信号（４）をオンからオフへ切り替える点、及びオフからオンへ切り替える点を決定するための値である。例えば、ａ１＝４０００の場合、三角波（３）の信号点（カウント値０〜８０００）において、カウント値が４０００になったタイミングで、ＰＷＭインバータ回路３４−１における上側のスイッチング素子に対応するコンパレータ出力信号（４）がオンからオフに切り替わり、同様に下側のスイッチング素子に対応するコンパレータ出力信号（４）がオフからオンに切り替わる。そして、コンパレータ出力信号（４）に対してオンディレイ処理（５）を施すことにより、ゲート信号Ｇ（６）が生成される。このような処理がＵ相、Ｖ相及びＷ相毎に行われる。
【００４５】
このように、ＰＷＭ回路３２−１は、入力した同期信号（１）から三角波（３）を生成し、コンパレータにより、三角波（３）及び入力した電圧指令（２）における電圧指令値（ａ１，ａ２，・・・）を用いて比較処理を行ってコンパレータ出力信号（４）のオン／オフ切り替えを行い、遅延回路により、コンパレータ出力信号に対して、予め設定された時間によるオンディレイ処理（５）を施す。これによりゲート信号Ｇ（６）が生成される。
【００４６】
以上のように、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、２台のインバータ３０−１，３０−２の並列運転により１台の単巻線の電動機１０２を駆動する場合に、制御回路４０は、ゲート信号Ｇを同期させるための同期信号を、電圧指令と共にシリアル通信によりそれぞれ同一のタイミングにてインバータ３０−１，３０−２に送信するようにした。インバータ３０−１，３０−２は、それぞれ同じタイミングの同期信号を基準にしてゲート信号Ｇを生成するから、インバータ３０−１，３０−２のそれぞれのゲート信号Ｇのオン／オフタイミングを一致させることができる。したがって、ゲート信号Ｇが同期するから、横流が発生することはない。
【００４７】
また、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、制御回路４０は、ゲート信号Ｇを生成するための同期信号及び電圧指令をシリアル通信によりインバータ３０−１，３０−２に送信し、インバータ３０−１，３０−２は、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗをシリアル通信により制御回路４０に送信するようにした。この場合、制御回路４０とインバータ３０−１，３０−２との間の通信線はそれぞれ３本で済むから、インバータが増える毎に３本の通信線を増やすだけで良い。このため、図３に示した従来の電力変換装置２００ではインバータが増える毎に８個の信号を増やす必要があるのに対し、電力変換装置１では配線が複雑にならないという利点があり、省配線を実現することができる。ここで、ゲート信号Ｇを生成する際に、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗも必要とする場合には、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、インバータ３０−１，３０−２は、電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗもシリアル通信により制御回路４０に送信する。この場合、同じ通信線を使用することができるから、配線の複雑さを一層緩和することができる。
【００４８】
また、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、制御回路４０とインバータ３０−１，３０−２との間は光ファイバケーブルにより接続するようにした。これにより、アナログ信号ではなく、シリアル通信によるデジタル信号によって送受信を行うから、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比等によるインバータの数が制限されるという問題を解消することができる。また、配線距離及び設置場所の制限を緩和することができると共に、耐ノイズ性の向上を図ることができる。このように、本発明の実施の形態による電力変換装置１によれば、電力変換装置１として大容量ユニットを実現することができるから、生産数量の増加及びコスト低減を実現することができる。
【００４９】
以上、実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、図４に示した電力変換装置１では、２台のインバータ３０−１，３０−２による並列運転の例を示したが、インバータの数はこれに限定するものではなく、３台以上のインバータによる並列運転にも適用することができる。
【００５０】
また、図４に示した電力変換装置１では、インバータ３０−１，３０−２から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗを送信するようにしたが、インバータ３０−１，３０−２と電動機１０２との間に電圧センサを設け、インバータ３０−１，３０−２がその電圧センサから電圧フィードバックＶｕｗを入力し、、インバータ３０−１，３０−２から制御回路４０へ電流フィードバックＩｕ，Ｉｗに加えて電圧フィードバックＶｕｗを送信するようにしてもよい。この場合、制御回路４０は、受信した電圧フィードバックＶｕｗを、電圧指令の補正のために用いる。
【００５１】
また、図４に示した電力変換装置１は、コンバータ１１０−１，１１０−２を備えるようにしたが、必ずしもこれに限定するものではない。コンバータ１１０−１，１１０−２の代わりに、ＡＣ−ＤＣ整流器、平滑用コンデンサ及びＤＣ−ＤＣ電力変換器を備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】１台のインバータの運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の、２台のインバータの並列運転を行うための電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】図４の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図６】図４のインバータにおける信号処理を説明する図である。
【図７】同期信号及び電圧指令からゲート信号を生成するまでの各信号のタイミングを示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，１００，２００ 電力変換装置
３０−１，３０−２，１３０，１３０−１，１３０−２ インバータ
４０，３００，４００ 制御回路
３１−１，３１−２，４１ 通信回路
３２−１，３２−２，３１３ ＰＷＭ回路
３３−１，３３−２ 状態監視回路
３４−１，３４−２ ＰＷＭインバータ回路
１０１ 商用交流電源
１０２ 電動機
１０３ 速度センサ
１１０，１１０−１，１１０−２ コンバータ
１２０，１２０−１，１２０−２ 平滑用コンデンサ
１４０，１４０−１，１４０−２ 電流センサ
３０１，３０３，３０４ 減算器
３０２ 速度制御器
３０５，３０６ 電流制御器
３０７，３０８ 座標変換器
３０９ 滑り演算器
３１０ 加算器
３１１ 乗算器
３１２ 積分器
Ｉｕ，Ｉｗ 電流フィードバック
Ｗｒ 速度フィードバック
Ｇ ゲート信号
Ｗｒ＊ 速度指令
Ｉｄ 励磁電流
Ｉｑ トルク電流
Ｉｄ＊ 励磁電流指令
Ｉｑ＊ トルク電流指令
Ｖｄ＊ ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊ ｑ軸電圧指令
Ｖｕ＊ Ｕ相電圧指令
Ｖｖ＊ Ｖ相電圧指令
Ｖｗ＊ Ｗ相電圧指令
Ｗｓ 周波数
Ｗ１ １次角周波数
θｄ 位相角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置において、
前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力し、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する回路、及び、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により、前記複数のインバータへそれぞれ送信する回路を有する制御部と、
前記制御部から電圧指令値と同期信号とを受信する回路、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する回路、及び、前記ゲート信号により交流電力を生成するスイッチング素子を有するインバータと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、該インバータと電動機との間の電流を検出する電流センサから電流フィードバック値を入力し、該電流フィードバック値をシリアル通信により前記制御部へ送信する回路を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置による電力変換方法において、
前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力する工程と、
該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する工程と、
前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により前記複数のインバータへそれぞれ送信する工程と、
前記インバータにより、前記電圧指令値と同期信号とを受信する工程と、
前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する工程と、
前記ゲート信号により交流電力を生成し、該交流電力を電動機へ供給する工程とを含むことを特徴とする電力変換方法。
【請求項１】
単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置において、
前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力し、該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する回路、及び、前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により、前記複数のインバータへそれぞれ送信する回路を有する制御部と、
前記制御部から電圧指令値と同期信号とを受信する回路、前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する回路、及び、前記ゲート信号により交流電力を生成するスイッチング素子を有するインバータと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、該インバータと電動機との間の電流を検出する電流センサから電流フィードバック値を入力し、該電流フィードバック値をシリアル通信により前記制御部へ送信する回路を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
単巻線の電動機を駆動するための交流電力をゲート信号により生成するインバータを備え、該インバータが複数並列して構成された電力変換装置による電力変換方法において、
前記電動機の速度を検出する速度センサから速度フィードバック値を入力する工程と、
該速度フィードバック値が所定の速度指令値になるように、電圧指令値を生成する工程と、
前記電圧指令値と、複数のインバータにおいて同期したゲート信号を生成させるための同期信号とをシリアル通信により前記複数のインバータへそれぞれ送信する工程と、
前記インバータにより、前記電圧指令値と同期信号とを受信する工程と、
前記同期信号のタイミングにて、前記電圧指令値に基づいてゲート信号を生成する工程と、
前記ゲート信号により交流電力を生成し、該交流電力を電動機へ供給する工程とを含むことを特徴とする電力変換方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２２８５４８（Ｐ２００８−２２８５４８Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６７８１６（Ｐ２００７−６７８１６）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（３９００１４３８４）日本リライアンス株式会社 (58)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（３９００１４３８４）日本リライアンス株式会社 (58)
【Ｆターム（参考）】
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