KR100934311B1

KR100934311B1 - 인버터 장치

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Publication number: KR100934311B1
Application number: KR1020077020405A
Authority: KR
Inventors: 토시유키 카이타니; 사토시 아즈마
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2009-12-29
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: US20090052209A1; JPWO2008072348A1; US7791911B2; KR20080067958A; JP4918483B2; DE112006004105T5; CN101331672B; CN101331672A; WO2008072348A1

Abstract

부하를 구동하는 인버터 장치에 있어서, 전원측에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에도, 부하의 운전을 확실하게 계속하는 것이다. 계통 전원(1)으로부터의 교류 출력을 정류하는 다이오드 컨버터(2), 다이오드 컨버터(2)의 정류 출력을 축적하는 평활 컨덴서(3)와, 평활 컨덴서(3)로부터의 직류 출력을 소정의 교류 출력으로 변환하여 출력하는 인버터 메인 회로(4)와, 평활 컨덴서(3)의 전압을 소정의 값으로 제어하는 전압 제어계(15)와, 전압 제어계(15)가 출력하는 전류 지령에 기초하여, 인버터 메인 회로(4)가 출력하는 전류를 제어하기 위한 출력 지령을 생성하는 전류 제어계(16)를 구비하고, 전압 제어계(15)는 계통 전원(1)에 순간적 전압 저하가 발생하고 있는 동안, 평활 컨덴서(3)의 전압 및 인버터 메인 회로(4)로의 출력 지령의 각 정보에 기초하여 전류 제어계(16)로의 전류 지령을 생성한다.

Description

인버터 장치{INVERTER DEVICE}

본 발명은 인버터 장치에 관한 것으로, 특히 계통(系統) 전원측에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하(이하, 이들을 총칭하여 「순간적 전압 저하」라고 함)가 발생한 경우에도, 장치를 정지시키지 않고 부하의 운전을 계속 가능하게 하는 인버터 장치에 관한 것이다.

전력 계통측에서 순간적 전압 저하가 발생한 경우에, 부하측으로의 전력 변환을 계속하도록 한 인버터 장치(인버터 제어 장치)로서, 예를 들어 하기 특허 문헌 1이 존재한다. 이 특허 문헌 1에 개시된 종래 기술에서는 전력 계통측에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에, 검출한 직류 모선(母線) 전압 및 인버터 입력 전류에 기초하여, 인버터 장치의 직류 모선 전압이 원하는 전압으로 되도록 피드백 제어하는 동시에, 인버터 입력 전류가 직류 모선 전압의 컨트롤러 출력에 추종하도록 인버터 장치의 출력 주파수를 조정하여, 인버터 장치를 정지하지 않고 부하의 운전을 계속 가능하게 하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개평 4-317592호 공보

그러나, 상기 특허 문헌 1로 대표되는 종래 기술에서는 직류 모선 전압의 컨트롤러 출력에 기초하여, 인버터 장치의 출력 주파수의 조정을 행하는 한편, 출력 전압의 조정은 행하지 않았었다. 또, 종래 기술에서는 인버터 장치의 출력 전압의 위상 조정은 순간적 전압 저하 발생시의 1회만 실시되고, 그 후는 인버터 장치의 출력 주파수의 제어만이 행해지기 때문에, 직류 모선 전압이나 인버터 입력 전류의 각 지령값에 대한 추종성에 과제가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 계통 전원측에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에도, 부하의 운전을 확실하게 계속할 수 있는 인버터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 인버터 장치는 교류 전원으로부터의 교류 출력을 정류(整流)하는 컨버터 회로부와; 상기 컨버터 회로부의 정류 출력을 축적하는 컨덴서와; 상기 컨덴서로부터의 직류 출력을 소정의 교류 출력으로 변환하여 출력하는 인버터 회로부와; 상기 컨덴서의 전압을 소정의 값으로 제어하는 전압 제어부와; 상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령에 기초하여, 상기 인버터 회로부가 출력하는 전류를 제어하기 위한 상기 인버터 회로부로의 출력 지령을 생성하는 전류 제어부를 구비하고, 상기 전압 제어부는 상기 교류 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 동안, 상기 컨덴서의 전압 및 상기 인버터 회로부로의 출력 지령의 각 정보에 기초하여 상기 전류 제어부로의 전류 지령을 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인버터 장치에 의하면, 계통 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 기간에 있어서, 평활 컨덴서의 전압 및 인버터 메인 회로로의 출력 지령의 각 정보에 기초하여 전류 제어계로의 전류 지령이 생성되므로, 계통 전원측에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에도, 부하의 운전을 확실하게 계속할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 인버터 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 실시 형태 1에 따른 전압 제어계의 구성을 결정하기 위한 원리 구성을 나타내는 도면이다.

도 3은 종래 기술과 비교한 전압 제어계의 응답 상태를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 인버터 장치의 구성을 나타내는 도면이다

도 5는 실시 형태 2에 따른 전압 제어계의 구성을 결정하기 위한 원리 구성을 나타내는 도면이다.

도 6(a)는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 인버터 메인 회로를 포함한 구동부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6(b)는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 피드백 제어계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6(c)은 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 피드백 제어계의 일부를 구성하는 전압 제어계의 구성을 나타내는 도면이다.

<부호의 설명>

1 계통 전원

2 다이오드 컨버터

3 평활 컨덴서

4 인버터 메인 회로

5 모터

6a, 6b 전류 검출기

7 제어부

8a, 8b, 33a, 33b 좌표 변환부

9, 12, 24, 34, 38 감산기

10 전압 제어기

11, 29, 70 승산기

28, 41, 43, 72 적분기

61, 62 연산기

13 전류 제어기

14 계수(係數)기

15, 25 전압 제어계

16, 31 전류 제어계

19 전압 검출기

30 회전 속도 검출기

32 슬립(slip) 제어부

35 d축 전류 제어부

36, 4O, 41, 74 가산기

39 q축 전류 제어부

42 전압 보상부

이하에, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 인버터 장치를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 인버터 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 동일 도면에 나타내는 실시 형태 1에 따른 인버터 장치에서는 입력단에는 계통 전원(1)이, 출력단에는 부하인 모터(5)가 각각 접속되는 동시에, 모터(5)를 제어하기 위한 구성으로서, 다이오드 컨버터(2), 평활 컨덴서(3), 인버터 메인 회로(4), 전류 검출기(6a, 6b), 전압 검출기(19) 및 전류 검출기(6a, 6b)와 전압 검출기(19)의 검출 출력에 기초한 피드백 제어계가 구성된다. 또, 피드백 제어계에는 전압 제어계(15), 전류 제어계(16), 적분기(28), 좌표 변환부(8a, 8b) 및 제어부(7)가 구비되고, 제어부(7)의 출력에 의해 인버터 메인 회로(4)가 제어되는 구성으로 된다.

(인버터 장치의 각 구성부의 기능)

다음으로, 인버터 장치를 구성하는 각 부의 기능에 대하여 설명한다.

도 1에 있어서, 다이오드 컨버터(2)는 6개의 다이오드가 풀 브리지(full-bridge) 회로를 구성하여 계통 전원(1)의 3상(相) 교류 출력을 직류 출력으로 변환한다. 평활 컨덴서(3)는 다이오드 컨버터(2)에 의한 직류 변환 출력을 축적한다. 인버터 메인 회로(4)는 스위칭 소자와 다이오드를 역병렬 접속한 회로부(스위치부)를 직렬로 상하 2회로분 접속한 한 쌍의 스위치부가 각 병렬로 3상분 접속된 브리지 회로를 구성하고, 평활 컨덴서(3)에 축적된 직류 출력을 교류 출력으로 변환한다. 전압 검출기(19)는 평활 컨덴서(3)의 양단 전압을 적절히 모니터한다. 전류 검출기(6a, 6b)는 인버터 메인 회로(4)의 출력(이하 「인버터 출력」이라고 함)에 기초하는 부하 전류(상 전류)를 적절히 모니터한다. 또한, 도 1에서는 W상의 전류를 검출하는 구성은 나타내지 않으나, W상의 전류는 U상 및 V상의 검출 전류의 벡터 연산에 의해 산출할 수 있다.

좌표 변환부(8a)는 UVW 3상 정지 좌표계의 출력값인 인버터 출력을, 인버터 출력의 출력 주파수와 동기하여 회전하는 회전 좌표계(dq 직교 2축 회전 좌표계)의 출력값으로 변환하는 처리를 행한다. 보다 상세하게 설명하면, 좌표 변환부(8a)는 후술하는 적분기(28)에 의해 산출된 기준 위상 θ에 기초하여, 전류 검출기(6a, 6b)에 의해 검출 및 산출된 UVW의 각 상의 검출 전류(i_u, i_v, i_w)로부터, 모터(5)의 토크(torque)에 관한 q축 전류 성분 i_q를 연산하여 출력한다. 또한, q축에 대하여 90도 쳐진 d축의 전류 성분인 d축 전류 i_d를 연산해도 되나, 이 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이 q축 전류 i_q만을 이용한다.

전압 제어계(15)는 감산기(9), 비례 제어기인 전압 제어기(10), 승산기(11) 및 연산기(61)를 구비하고, 전압 검출기(19)가 검출한 평활 컨덴서(3)의 양단 전압(V_dc), 모터(5)의 운전을 계속하기 위해 필요하게 되는 평활 컨덴서(3)의 목표값 전압(V_dc ^*) 및 후술하는 전류 제어계(16)의 출력에 기초하여 q축 전류 지령(i_q ^*)을 생성한다. 또한, 전압 제어기(10)는 비례 적분 제어기를 이용하여 구성해도 된다.

전류 제어계(16)는 감산기(12), 비례 제어기인 전류 제어기(13) 및 계수기(14)를 구비하고, 전압 제어계(15)의 제어 출력(q축 전류 지령 : i_q ^*) 및 좌표 변환부(8a)의 출력(q축 전류 : i_q)에 기초하여 q축 전압 지령(V_q ^*)을 생성한다. 또한, 전류 제어기(13)는 비례 적분 제어기를 이용하여 구성해도 된다.

좌표 변환부(8b)는 dq 직교 2축 회전 좌표계의 출력값을 UVW 3상 정지 좌표계의 출력값으로 변환하는 처리를 행한다. 보다 상세하게 설명하면, 좌표 변환부(8b)는 적분기(28)로부터 출력되는 기준 위상 θ를 고려하여, 전류 제어계(16)의 제어 출력(q축 전압 지령 : V_q ^*) 및 설정값으로서 입력되는 d축 전압 지령(V_d ^*)에 기초하여 인버터 출력 전압의 지령값(인버터 출력 전압 지령 : v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)를 생성한다. 또한, 이 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이 q축 전압 지령 V_q ^*만을 이용하여 (즉, d축 전압 지령 V_d ^*= 0 으로 하여), 모터(5)에 대한 인버터 출력 전압 지령(v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)을 생성한다.

제어부(7)는 인버터 출력 전압 지령(v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)에 기초하여, 인버터 출력이 원하는 전압, 원하는 주파수 및 원하는 위상으로 되는 제어 신호를 생성하여 인버터 메인 회로(4)에 출력한다.

(인버터 장치의 동작)

다음으로, 실시 형태 1에 따른 인버터 장치의 동작을 도 1의 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 계통 전원(1)이 건전한 상태에서는 계통 전원(1)으로부터 다이오드 컨버터(2)를 통하여 축적된 평활 컨덴서(3)의 출력이 이용되고, 주지된 제어에 의해 인버터 메인 회로(4)로부터 원하는 교류 전압이 모터(5)에 공급된다.

한편, 계통 전원(1)에 순간적 전압 저하가 발생하면, 계통 전원(1)과 평활 컨덴서(3)는 다이오드 컨버터(2)의 작용에 의해 전위적으로 분리되어 버려서, 인버터 메인 회로(4)가 계속 운전하려고 하면 평활 컨덴서(3)의 전압이 저하하고, 이 상태인 채로는 인버터 메인 회로(4)의 정지를 피할 수 없게 된다.

그러나, 순간적 전압 저하의 발생은 전압 검출기(19)에 의해 검지되는 동시에, 검출된 평활 컨덴서(3)의 전압 V_dc는 전압 제어계(15)에 입력된다.

전압 제어계(15)에 입력된 검출 전압 Vdc는 감산기(9)에서 목표값 전압 V_dc ^*와의 사이에서 감산 처리된다. 감산기(9)의 감산 결과(= V_dc ^*-V_dc)는 전압 제어기(10)에 입력되고, 평활 컨덴서(3)에 흐르게 해야 할 전류 지령 i_dc ^*가 생성 출력된다. 한편, 연산기(61)에는 검출 전압 V_dc와 전류 제어계(16)의 제어 출력인 q축 전압 지령 V_q ^*가 입력되고, 「V_dc/V_q ^*」의 연산 처리가 실행된다. 승산기(11)에서는 전류 지령 i_dc ^*와 연산기(61)의 출력이 승산되고, 이 승산 출력이 전압 제어계(15)의 출력으로 된다. 또한, 전압 제어계(15)의 출력은 q축 전류 지령 i_q ^*로서 다음 단의 전류 제어계(16)에 입력된다.

전류 제어계(16)에 입력된 q축 전류 지령 i_q ^*는 감산기(12)에서 q축 전류 i_q와의 사이에서 감산 처리된다. 감산기(12)의 감산 결과(= i_q ^*-i_q)는 전류 제어기(13)에 입력되어 인버터 출력의 주파수 지령 f^*로 변환되고, 다시 계수기(14)에 입력되어 q축 전압 지령 V_q ^*가 생성된다. 또한, 계수기(14)는 인버터 출력의 출력 주파수와 출력 전압과의 관계에 기초하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 주지된 V/f 제어에 따른 것으로 하면, 그 계수는 일정값의 Kvf로 된다. 또, 감산기(12)에 입력되는 q축 전류 i_q는 좌표 변환부(8a)에 의해 생성되나, q축 전류 i_q의 생성에 필요한 위상 정보(기준 위상 θ)는 전류 제어기(13)의 출력(주파수 지령 f^*)을 적분기(28)를 통과시켜서 얻을 수 있다. 또한, 그 후의 동작은 상술한 바와 같으며, 여기서의 설명은 생략한다.

그런데, 본 실시 형태에서는 전압 제어계(15)에 있어서, 연산기(61)에 의해 연산된 「V_dc/V_q ^*」와 평활 컨덴서(3)에 흐르게 해야 할 전류 지령 i_dc ^*를 승산기(11)에서 승산 처리함으로써, q축 전류 지령 i_q ^*를 구하도록 하고 있으나, 그 이유는 도 2를 이용하여 설명한다. 또한, 도 2는 실시 형태 1에 따른 전압 제어계의 구성을 결정하기 위한 원리 구성을 나타내는 도면이다.

도 2에서는 승산기(70) 및 적분기(72)가 도시되어 있다. 여기서, 적분기(72)에 있어서 「s」 및 「C」는 각각 라플라스(laplace) 연산자(s 함수) 및 평활 컨덴서(3)의 용량값으로, 본 구성부가 적분기로서 기능하는 것을 나타내고 있다.

다음으로, 평활 컨덴서(3)로부터 공출(供出)되는 에너지와 인버터 출력의 에너지와의 관계에 대하여 설명한다. 우선, 평활 컨덴서(3)로부터 공출되는 에너지(전력)는 「V_dc×i_dc」로 된다. 한편, 인버터 출력의 에너지(전력)는 「V_d×i_d+V_q×i_q」로 된다. 여기서, 인버터 메인 회로(4) 자신은 에너지의 공급원을 가지고 있지 않기 때문에, 양쪽의 에너지는 동일한 관계에 있다. 또, 본 실시 형태에서는 상기와 같이 V_d ^*= 0(즉, V_d = 0) 으로 하고 있으므로 i_dc와 i_q의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

i_dc = i_q×V_q/V_dc ㆍㆍㆍ (1)

도 2는 상기 (1) 식의 관계를 제어계로 표현한 것으로, i_q에 계수 「V_q/V_dc」가 승산되어 i_dc가 산출된다. 또, 이 i_dc가 평활 컨덴서 용량 C를 충전함으로써 V_dc가 얻어진다.

그러나, 전압 제어기(10)의 출력은 i_dc ^*이나, 전류 제어기에서는 토크량에 직접적으로 관계하는 q축 전류 성분 i_q를 제어하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는 상술한 바와 같이, 전압 제어계(15) 내에 「V_dc/V_q ^*」의 연산을 행하는 연산기(61) 및 연산기(61)의 출력과 「i_dc ^*」를 승산하는 승산기(11)를 설치하도록 하여, 전압 제어계(15)로부터 전류 제어계(16)에 대하여 q축 전류 지령 i_q ^*가 출력되는 구성으로 하고 있다.

즉, (1) 식은 i_q = i_dc×V_dc/V_q 로 변형할 수 있기 때문에, 「V_dc/V_q ^*」의 연산을 행하는 연산기(61)의 출력과 입력되는 i_dc를 승산기(11)에서 승산함으로써 전류 제어계(16)에 대하여 q축 전류 지령 i_q ^*를 출력하도록 하고 있다.

도 3은 종래 기술과 비교한 전압 제어계의 응답 상태를 나타내는 도면이다. 동일 도면에 있어서, 상단부 (a)는 계통의 상태, 중상 단부 (b)는 V_q의 파형, 중하단부 (c)는 종래예에 의한 직류 모선 전압, 하단부 (d)는 본 발명에 의한 직류 모선 전압의 각 상태를 나타내고 있다. 계통 상태가 건전 상태에서 순간적 전압 저하 상태로 되면(상단부 (a)), 예를 들어 부하인 모터의 회전수의 저하에 수반하여 q축 전압 성분 V_q가 저하한다(중상 단부 (b)).

여기서, 종래 기술에서는 전압 제어계의 제어가 일정한 증폭을 행할 뿐이었기 때문에, 결과적으로 V_q의 값에 따라 전압 제어계의 응답이 변화를 초래하게 되고, V_q의 값 여하(如何)에 의해 응답 과대로 되거나 응답 부족으로 되어서, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이 직류 모선 전압에 혼란이 생기게 된다.

한편, 본 실시 형태에서는 승산기(11)에서 V_q ^*의 항을 미리 반영시키는 제어를 행하고 있으므로, V_q의 값에 의존하여 전압 제어계의 응답이 불안정하게 되는 일이 없고, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이 전압 제어계의 응답이 일정하게 되고, 직류 모선 전압의 추종성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태에서는 모터(5)에 흐르는 전류를 검출하도록 하고 있으나, 인버터 메인 회로(4)로의 입력 전류나, 인버터 메인 회로(4)의 각 아암(arm)에 흐르는 전류를 검출해도 된다. 단, 본 실시 형태와 같이 모터(5)에 흐르는 전류를 검출하는 것으로 이하에 나타내는 효과가 발생한다.

우선, 인버터 메인 회로(4)로의 입력 전류는 일반적으로 펄스폭 변조에 기초한 직사각형 파형 상태 전류가 연속적으로 흐르는 형태로 되므로, 의미 있는 정보를 얻으려면, 이 직사각형 파형 상태 전류를 로우 패스 필터 등을 이용하여 필터링할 필요가 있다. 이 때문에, 전류 제어계의 응답을 높게 할 수 없다고 하는 문제점이나, 입력 전류 계측용의 전류 검출기를 설치하기 위해 인버터 메인 회로(4)와 평활 컨덴서(3) 사이의 선로 임피던스가 커지게 되고, 결과적으로 인버터 메인 회로(4)를 구성하는 스위치부의 동작에 의해 서지(surge) 전압이 커지게 된다고 하는 문제점이 존재하고 있었다.

한편, 본 실시 형태와 같이 모터(5)에 흐르는 전류를 검출하도록 하면, 검출 전류가 의사(擬似) 정현파이어서 검출 전류에 대한 필터링이 불필요하게 되므로, 인버터 장치를 용이하게 구성할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다. 또, 인버터 메인 회로(4)와 평활 컨덴서(3) 사이의 배선 길이를 극히 짧게 할 수 있기 때문에, 큰 서지 전압이 발생하지 않는다고 하는 효과도 얻어진다.

이와 같이 본 실시 형태에서는 전류 제어계가 필요로 하는 q축 전류 지령 i_q ^*를 얻는데 있어서, 평활 컨덴서로의 전류 지령 i_dc ^*에 대하여 소정의 승산 처리를 행함으로써, 전압 제어계가 필요로 하는 평활 컨덴서 전류 i_dc를 확실하게 얻도록 하여, 원하는 값으로 안정된 V_dc를 얻도록 하고 있으므로, 계통 전원에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에도, 인버터 장치의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

또, 이와 같은 제어가 행해질 때, 모터(5)의 회전이 모터(5)에 접속된 부하에 의해 감속된 경우에도, 평활 컨덴서(3)의 전압이 일정값으로 유지되도록 인버터 메인 회로(4)의 제어가 이루어지기 때문에, 결과적으로 모터(5)의 회전수와 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수가 대체로 동일하게 되도록 제어된다. 또한, 여기서 말하는 「대체로」가 의미하는 것은 인버터 메인 회로(4)에 있어서 변환 손실분의 존재나 모터(5)에 있어서 손실분의 존재에 의한 것이다. 모터(5)의 감속에 수반하여 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수 및 출력 전압 V_q도 저하하게 되나, 전압 제어계(15)의 승산기(11)에 V_q의 항을 반영시키고 있기 때문에, 감속시에 있어서도 전압 제어계(15)의 응답이 원하는 값으로 확보되고, 모터(5)가 정지할 때까지의 동안 인버터 메인 회로(4)의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 인버터 장치에 의하면, 계통 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 기간에 있어서, 평활 컨덴서의 전압 및 인버터 메인 회로로의 출력 지령의 각 정보에 기초하여 전류 제어계로의 전류 지령이 생성되므로, 계통 전원측에 순간적 전압 저하가 발생한 경우에도 부하의 운전을 확실하게 계속하는 것이 가능하게 된다.

실시 형태 2.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 인버터 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 실시 형태 1에 따른 인버터 장치에서는 인버터 메인 회로(4)에 출력하는 제어 지령을 V_d ^*= 0 으로 하여 산출하였으나, 본 실시 형태에 따른 인버터 장치에서는 인버터 메인 회로(4)에 출력하는 제어 지령을 V_d ^*≠ O 으로 하여 산출한다. 구체적으로, 도 1에 나타낸 전압 제어계(15) 대신에, d축 전압 지령 V_d ^*(설정값)와 q축 전압 지령 V_q ^*에 의한 「V_d ^*/V_q ^*」의 연산을 행하는 연산기(62)와, 연산기(62)의 출력과 d축 전류 i_d를 승산하는 승산기(29)와, 승산기(11)의 출력과 승산기(29)의 출력을 감산하는 감산기(24)를 추가로 구비한 전압 제어계(25)가 구성되어 있다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는 도 1에 나타낸 실시 형태 1의 구성과 동일 또는 동등하며, 각 구성부에는 동일 부호를 부여하는 나타내는 동시에, 그 상세한 설명을 생략한다.

다음으로, 전압 제어계(25)의 구성 및 동작에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 또한, 도 5는 실시 형태 2에 따른 전압 제어계의 구성을 결정하기 위한 원리 구성을 나타내는 도면이다.

실시 형태 2에 있어서, 평활 컨덴서(3)로부터 공출되는 에너지(전력)는 실시 형태 1과 동양(同樣)으로 「V_dc×i_dc」로 된다. 또, 인버터 출력의 에너지(전력)에 대해서도 실시 형태 1과 동양으로 「V_d×i_d+V_q×i_q」로 되나, 본 실시 형태에서는 V_d ^* ≠ 0 으로 하는 제어를 행하기 때문에 V_d의 항이 남으며, i_dc와 i_q의 관계식은 다음 식으로 나타난다.

i_dc = (i_q×V_q+i_d×V_d)/V_dc

= i_q×V_q/V_dc+V_d×i_d/V_dc ㆍㆍㆍ (2)

도 5는 상기 (2) 식의 관계를 제어계로 표현한 것으로, 승산기(70)에서 i_q와 계수 「V_q/V_dc」가 승산되고, 또한 가산기(74)에서 「V_d×i_d/V_dc」가 가산되어서 i_dc가 산출된다. 또, 이 i_dc가 평활 컨덴서 용량 C를 충전하는 것으로 V_dc가 얻어진다.

그러나, 일반적인 전압 제어기의 출력은 i_dc ^*이나(예를 들어, 도 1의 전압 제어계(15)에 있어서 전압 제어기(10)를 참조), 전류 제어기에서는 토크량에 직접적으로 관계하는 q축 전류 성분 i_q를 제어하는 것이 바람직하다. 이 점은 실시 형태 1과 동양이다. 한편, 본 실시 형태에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 전압 제어계(25)내에 「V_dc/V_q ^*」의 연산을 행하는 연산기(61), 연산기(61)의 출력과 「i_dc ^*」를 승산하는 승산기(11), 「V_d ^*/V_q ^*」의 연산을 행하는 연산기(62), 연산기(62)의 출력과 「i_d」를 승산하는 승산기(29) 및 승산기(11)의 출력과 승산기(29)의 출력을 감산하는 감산기(24)를 설치하도록 하여, 전압 제어계(25)로부터 전류 제어계(16)에 대하여 q축 전류 지령 i_q ^*가 출력되는 구성으로 하고 있다.

즉, (2) 식은

i_q = i_dc×V_dc/V_q-i_d×V_d/V_q ㆍㆍㆍ (3)

로 변형할 수 있기 때문에, 도 4에 나타내는 전압 제어계(25)를 구성하는 것으로, 전류 제어계(16)에 대하여 q축 전류 지령 i_q ^*를 출력하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이 본 실시 형태에서는 인버터 출력의 d축 전압 지령 V_d ^* 및 q축 전압 지령 V_q ^*의 양쪽이 주어진 때에도, 전류 제어계가 필요로 하는 q축 전류 지령 i_q ^*를 얻는데 있어서, 평활 컨덴서로의 전류 지령 i_dc ^*에 대하여 소정의 승산 처리 및 가감산 처리를 행함으로써 전압 제어계가 필요로 하는 평활 컨덴서 전류 i_dc를 확실하게 얻도록 하여, 원하는 값으로 안정된 V_dc를 얻도록 하고 있으므로, 계통 전원에 순간적 전압 저하가 발생하는 경우에도, 인버터 장치의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상술한 바와 같은 제어를 할 때, 모터(5)의 회전이 모터(5)에 접속된 부하에 의해 감속된 경우에도, 평활 컨덴서(3)의 전압이 일정값으로 유지되도록 인버터 메인 회로(4)의 제어가 이루어지기 때문에, 결과적으로 모터(5)의 회전수와 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수가 대체로 동일하게 되도록 제어된다. 이 때, 모터(5)의 감속에 수반하여 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수 및 출력 전압 V_q, V_d도 저하하게 되나, 전압 제어계(25)의 승산기(11, 29) 및 감산기(24)에서 V_d 및 V_q의 항을 반영시키고 있기 때문에, 감속시에 있어서도 전압 제어계(25)의 응답이 원하는 값으로 확보되고, 모터(5)가 정지하기까지의 동안 인버터 메인 회로(4)의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시 형태에서는 d축 전압 지령 V_d ^* 및 q축 전압 지령 V_q ^*를 각각 독립하여 부여하는 것이 가능하므로, 모터의 여자(勵磁) 상태와 토크 출력을 각각 개별적으로 제어하는 것이 가능하게 되고, 통상 운전시에 있어서 모터(5)의 운전 성능도 향상시킬 수 있다.

또한, 상기의 특징은 실시 형태 1에 따른 전압 제어계(15)의 구성과, 실시 형태 2에 따른 전압 제어계(25)의 구성을 비교함으로써 설명할 수 있다.

예를 들어, 전압 제어계(15)는 상기 (3) 식의 제2항(-i_d×V_d/V_q)을 보상하는 구성부(도 4에 있어서 감산기(24), 승산기(29) 및 연산기(62)에 상당하는 구성부)를 가지고 있지 않기 때문에, 본래 필요로 하는 i_q의 지령값(q축 전류 지령 i_q ^*)를 전류 제어계(16)에 출력할 수 없다. 특히, 전압 제어계(15)에서는 평활 컨덴서(3)의 양단 전압 V_dc가 일정하게 되는 상태에 있어서, i_dc ^*가 대체로 제로로 제어되므로, 전압 제어계(15)의 출력이 제로로 되어, 「-i_d×V_d」 항의 영향이 크게 잔류해 버리게 된다.

한편, 전압 제어계(25)는 상기 (3) 식의 제2항(-i_d×V_d/V_q)을 보상하기 위한 감산기(24), 승산기(29) 및 연산기(62)의 각 구성부를 가지고 있으므로, 원하는 지령값(q축 전류 지령 i_q ^*)를 전류 제어계(16)에 출력할 수 있고, 직류 모선 전압의 추종성을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 따른 인버터 장치에 의하면, 계통 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 기간에 있어서, 평활 컨덴서의 전압, 인버터 메인 회로로의 출력 지령 및 인버터 메인 회로의 출력 전류의 각 정보에 기초하여 전류 제어부로의 전류 지령이 생성되므로, 실시 형태 1의 효과에 더하여, 추가로 통상 운전시 부하의 운전 성능을 향상시킬 수 있다고 하는 효과도 얻어진다.

실시 형태 3.

도 6(a), 도 6(b) 및 도 6(c)는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 보다 상세하게, 도 6(a)는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 인버터 메인 회로를 포함하는 구동부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6(b)는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 피드백 제어계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6(c)는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 피드백 제어계의 일 부를 구성하는 전압 제어계의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6(a)에 나타내는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 구동부에는 부하인 모터(5)의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출기(30)가 구비되어 있고, 회전 속도 검출기(30)의 검출 속도는 도 6(b)에 나타내는 피드백 제어계에 입력된다. 또, 도 6(c)에 나타내는 전압 제어계(25)의 출력도, 도 6(b)에 나타내는 피드백 제어계에 입력된다. 또한, 도 6(a)에 있어서, 회전 속도 검출기(30) 이외의 구성에 대해서는 도 1, 4에 각각 나타낸 실시 형태 1, 2의 구성과 동일 또는 동등하고, 또, 도 6(c)에 나타내는 전압 제어계의 구성은 도 4에 나타낸 실시 형태 2에 따른 전압 제어계의 구성과 동일 또는 동등하다. 이 때문에, 도 1 및 도 4의 구성과 동일 또는 동등한 구성부에는 동일 부호를 부여하여 나타내는 동시에, 그 상세한 설명을 생략한다.

한편, 도 6(b)에 나타내는 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 피드백 제어계는 회전 속도 검출기(30)가 검출한 모터(5)의 회전 속도 ω_r, 전류 검출기(6a, 6b)가 검출한 검출 전류 i_u, i_v 및 전압 검출기(19)가 검출한 평활 컨덴서(3)의 양단 전압 V_dc가 입력되는 전류 제어계(31), UVW 3상 정지 좌표계의 검출값을 dq 직교 2축 회전 좌표계의 검출값으로 변환하여 전류 제어계(31)에 출력하는 좌표 변환부(33b), 전류 제어계(31)의 출력(q축 전압 지령 V_q ^*, d축 전압 지령 V_d ^*)을 좌표 변환함으로써 얻어지는 인버터 출력 전압 지령(v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)을 생성하는 좌표 변환부 (33a), 및 좌표 변환부(33a, 33b)에 기준 위상의 정보를 출력하는 적분기(43)를 구비하여 구성된다. 또한, 전류 제어계(31)는 슬립 제어부(32), 감산기(34, 38), d축 전류 제어부(35), q축 전류 제어부(39), 가산기(36, 40, 41) 및 전압 보상부(42)의 각 구성부를 구비하여 구성된다.

뒤이어, 실시 형태 3에 따른 인버터 장치의 동작을 도 6(a) ~ 도 6(c)의 각 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 전류 제어계(31)에는 전원측이 건전(健全)한 때는 소정의 지령값으로서 주어지는 동시에, 전원측에 순간적 전압 저하가 발생했을 때에는 전압 제어계(25)로부터 입력되는 q축 전류 지령 i_q ^*, 설정값인 d축 전류 지령 i_d ^*, 및 회전 속도 검출기(30)가 검출한 모터(5)의 회전 속도 ω_r, 및 좌표 변환부(33b)에 의해 변환된 d축 전류 i_d, q축 전류 i_q가 각각 입력된다. 또, 전류 제어계(31)는 q축 전류 지령 i_q ^*, d축 전류 지령 i_d ^* 및 회전 속도 ω_r에 기초하여, 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수 ω₁을 생성하여 적분기(43)에 출력하는 동시에, q축 전류 지령 i_q ^*, d축 전류 지령 i_d ^*, d축 전류 i_d 및 q축 전류 i_q에 기초하여 q축 전압 지령 V_q ^*및 d축 전압 지령 V_d ^*를 생성하여 좌표 변환부(33a)에 출력한다.

좌표 변환부(33b)는 전류 검출기(6a, 6b)의 검출 전류(i_u, i_v) 및 적분기(43)의 출력(기준 위상 θ)에 기초하여 d축 전류 성분 i_d 및 q축 전류 성분 i_q를 연산하여 전류 제어계(31)에 출력한다. 또, 좌표 변환부(33a)는 적분기(43)로부터 출력되는 기준 위상 θ를 고려하고, 전류 제어계(31)의 제어 출력(d축 전압 지령 V_d ^*, q축 전압 지령 V_q ^*)에 기초하여 인버터 출력 전압 지령 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*를 각각 생성하여 제어부(7)(도 1, 4 참조)에 출력한다. 또한, 전류 제어계(31)의 내부에 있어서 제어 처리는 주지된 사항이며, 여기서 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 실시 형태 3의 인버터 장치에 있어서 제어 처리를 실시 형태 2의 제어 처리와 비교하면, 양 장치는 이하의 점에서 상위하다. 우선, d축 전류 지령 i_d ^* 및 q축 전류 지령 i_q ^*에 기초하여, 각각 d축 전류 제어부(35)와 q축 전류 제어부(39)의 각 구성부마다 각각의 전류를 피드백 제어하고 있는 점이 실시 형태 1, 2의 제어 처리와는 상위하다. 또, 좌표 변환에 이용하는 기준 위상 θ가 모터 회전 속도 ω_r(즉, 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수)에 따라 변화한다(실시 형태 1, 2에서는 기준 위상 θ는 임의)고 하는 것도 상위한 점이다.

그러나, 본 실시 형태와 같이, 회전 속도 검출기(30)의 검출 속도를 이용하여 인버터 장치를 제어하는 것과 같은 제어계에도 상기 (2) 식이 성립하기 때문에, 실시 형태 2에서 설명한 전압 제어계(25)를 이용할 수 있다. 즉, 도 6(b)의 전류 제어계(31)에 입력되는 q축 전류 지령 i_q ^*로서, 실시 형태 2에서 설명한 전압 제어계(25)의 출력으로 대체함으로써, 순간적 전압 저하가 발생하고 있는 기간에 있어서 평활 컨덴서(3)의 전압 V_dc를 원하는 값으로 제어하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 모터 회전수(또는 모터 회전 속도)에 기초하여 d축 전류 및 q축 전류를 개별적으로 피드백 제어하는 제어계에 있어서, 인버터 출력의 d축 전압 지령 V_d ^* 및 q축 전압 지령 V_q ^*의 양쪽이 주어진 때에도, 전류 제어계에 입력시키는 q축 전류 지령 i_q ^*를 얻을 때에, 평활 컨덴서(3)의 전류 지령 i_dc ^*에 대하여 소정의 승산 처리 및 가감산 처리를 행함으로써, 전압 제어계가 필요로 하는 평활 컨덴서 전류 i_dc를 확실히 얻도록 하여, 원하는 값으로 안정된 V_dc를 얻도록 하고 있으므로, 계통 전원에 순간적 전압 저하가 발생하는 경우에도, 인버터 장치의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

또, 이와 같은 제어가 행해질 때, 모터(5)의 회전이 모터(5)에 접속된 부하에 의해 감속한 경우에도, 평활 컨덴서(3)의 전압이 일정값으로 유지되도록 인버터 메인 회로(4)의 제어가 이루어지기 때문에, 결과적으로 모터(5)의 회전수와 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수가 대체로 동일하게 되도록 제어된다. 이 때, 모터(5)의 감속에 수반하여 인버터 메인 회로(4)의 출력 주파수 및 출력 전압 V_q, V_d도 저 하하게 되나, 전압 제어계(25)의 승산기(11) 및 감산기(24)에서 V_d 및 V_q의 항을 반영시키고 있기 때문에, 감속시에 있어서도 전압 제어계(25)의 응답이 원하는 값으로 확보되고, 모터(5)가 정지하기까지의 동안 인버터 메인 회로(4)의 운전을 안정적으로 계속하는 것이 가능하게 된다.

또한, 인버터 출력의 주파수 지령은 모터 회전수 및 슬립 주파수에 기초하여 주어지기 때문에, q축 전류를 모터의 토크로서 확실하게 반영할 수 있고, 평활 컨덴서의 전압을 보다 안정적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 피드백 제어계의 일부를 구성하는 전압 제어계로서, 도 4에 나타내는 전압 제어계(25)를 이용하였으나, 도 1에 나타내는 전압 제어계(15)를 이용하는 것도 가능하여, 실시 형태 1과 같은 효과가 얻어진다.

또한, 모터(5)로서 슬립 제어부(32)를 필요로 하는 모터(예를 들어, 유도 모터)를 예로 본 실시 형태를 설명하였으나, 다른 모터(예를 들어, 동기 모터)를 이용하는 것도 가능하다. 또한, 예를 들어 동기 모터 등을 이용하는 경우에는 도 6(b)의 전류 제어계(31)에 있어서 슬립 제어부(32)는 불필요하여, 회전 속도 검출기(30)의 검출 출력을 전압 보상부(42) 및 적분기(43)에 입력하면 된다.

또한, 실시 형태 1 ~ 3에 따른 인버터 장치는 3상의 교류 전원에 접속되며, 공급되는 3상 교류 전압을 정류하는 3상 컨버터의 구성에 대하여 나타내었으나, 3 상 이외의 교류 전원에 접속되어 있어도 된다. 이 경우, 교류 전원의 종류에 따른 적합한 컨버터를 이용하도록 하면 된다.

또, 실시 형태 1 ~ 3에서는 부하로서 3상의 교류 출력을 필요로 하는 모터(5)가 접속되는 구성에 대하여 나타냈으나, 3상 이외의 교류 출력을 필요로 하는 부하를 접속하는 것도 가능하다. 이와 같은 경우에도, 부하의 종류에 따른 적합한 인버터 메인 회로를 이용하도록 하면 된다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 인버터 장치는 전원측에 순간적 전압 저하가 발생한 상황하에 있어서 부하의 운전을 확실하게 계속할 수 있는 인버터 장치로서 유용하다.

Claims

교류 전원으로부터의 교류 출력을 정류하는 컨버터 회로부와,

상기 컨버터 회로부의 정류 출력을 축적하는 컨덴서와,

상기 컨덴서로부터의 직류 출력을 소정의 교류 출력으로 변환하여 출력하는 인버터 회로부와,

상기 컨덴서의 전압을 소정의 값으로 제어하는 전압 제어부와,

상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령에 기초하여, 상기 인버터 회로부가 출력하는 전류를 제어하기 위한 상기 인버터 회로부로의 출력 지령을 생성하는 전류 제어부를 구비하고,

상기 전압 제어부는 상기 컨덴서의 전압(컨덴서 전압)과 상기 전류 제어부가 생성하는 상기 인버터 회로부로의 출력 지령에 대한 전압의 비를 연산하여 출력하는 연산기와, 이 연산기의 출력과 상기 컨덴서에 흐르게 해야 할 전류 지령(컨덴서 전류 지령)을 승산하여 출력하는 승산기를 구비하여, 상기 교류 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 동안, 상기 컨덴서의 전압 및 상기 인버터 회로부로의 출력 지령의 각 정보에 기초하여 상기 전류 제어부로의 전류 지령을 생성하도록 구성되고,

상기 컨덴서 전류 지령은 상기 컨덴서 전압 및 상기 컨덴서의 목표값 전압(컨덴서 목표값 전압)에 기초하여 생성되고,

상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령은

상기 컨덴서 전류 지령과, 상기 컨덴서 전압과 상기 전류 제어부가 생성하는 상기 인버터 회로부로의 출력 지령에 대한 전압의 비를 승산한 승산 출력인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
삭제
교류 전원으로부터의 교류 출력을 정류하는 컨버터 회로부와,

상기 컨버터 회로부의 정류 출력을 축적하는 컨덴서와,

상기 컨덴서로부터의 직류 출력을 소정의 교류 출력으로 변환하여 출력하는 인버터 회로부와,

상기 컨덴서의 전압을 소정의 값으로 제어하는 전압 제어부와,

상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령에 기초하여, 상기 인버터 회로부가 출력하는 전류를 제어하기 위한 상기 인버터 회로부로의 출력 지령을 생성하는 전류 제어부를 구비하고,

상기 전압 제어부는 상기 교류 전원에 순간적인 정전이나 순간적인 전압 저하가 발생하고 있는 동안, 상기 컨덴서의 전압, 상기 인버터 회로부로의 출력 지령 및 상기 인버터 회로부의 출력 전류의 각 정보에 기초하여 상기 전류 제어부로의 전류 지령을 생성하도록 구성되고,

상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령은

상기 컨덴서의 전압(컨덴서 전압) 및 상기 컨덴서의 목표값 전압(컨덴서 목표값 전압)에 기초하여 생성된 상기 컨덴서에 흐르게 해야 할 전류 지령(컨덴서 전류 지령)과, 상기 컨덴서 전압과 상기 전류 제어부가 생성하는 상기 인버터 회로부로의 출력 지령에 대한 전압의 비를 승산한 제1 승산 출력과,

상기 인버터 회로부의 출력 전류와, 상기 인버터 회로부로의 d축 전압 지령으로서 설정된 설정값과 상기 전류 제어부가 생성하는 상기 인버터 회로부로의 q축 전압 지령에 대한 전압의 비를 승산한 제2 승산 출력의 감산 출력인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
삭제
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

상기 전압 제어부가 출력하는 전류 지령은 상기 인버터 회로부가 출력하는 교류 출력의 출력 주파수에 따라 변화하는 기준 위상을 이용하여 상기 인버터 회로부의 출력 전류를 좌표 변환하여 얻어진 전류에 대한 지령값인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.