JP4265932B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力系統の交流電力を変換してモータの可変速駆動制御を行うモータ制御装置に係り、上記電力系統の周波数や電圧に変動が発生した場合に、その変動を抑制する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータ負荷の中で、ファン、ポンプ向けの用途などのように、電力系統の交流電圧を変圧器で変圧して直接モータを駆動しているシステムは、電力系統の周波数や変圧後の交流電圧によってモータの回転数、消費電力が定まる。従って、電力系統の供給能力が低下して例えばその周波数が低下した場合、モータ負荷は、この周波数の低下に伴って低下し、電力系統の周波数低下を抑制する方向に変化することになる。
【０００３】
これに対して近年は、半導体デバイスを用いた電力変換装置によるモータの制御装置が普及し、電力系統の交流電圧を任意の周波数や電圧に変換・出力してモータの可変速駆動制御を行う場合が多く、ここでは、電力系統の周波数、電圧とは無関係に、かつ高速に出力制御を行うため、急激な負荷変動や力率の変化を引き起こし、電力系統に悪影響を及ぼす可能性がある。特に電力系統の定格容量を越えたモータ負荷の駆動や、系統側の事故などに起因する供給電力の低下など、電力系統にとって過負荷となる状況下では、これとは無関係にモータの制御装置が所定の電力をモータへ供給するように動作するため、発電システムの電力供給量が不足して系統周波数や電圧の異常低下を招き、最後には発電システムの停止や保護回路の作動などによって停電が発生してモータが停止し運転を継続することが出来なくなる。
【０００４】
過負荷時における運転継続の技術として、発電機の周波数を検知して負荷出力を抑制し、発電機を駆動するエンジンの回転数を適正に維持する制御方法がある(例えば、特許文献１参照)。これは発電機の出力が増大するのに伴ってエンジンの回転数が低下していく特性を利用するもので、エンジンの回転数または発電機の周波数を検知し、エンジン回転数または周波数が低下した場合に、定電流特性制御手段でトランジスタをスイッチング制御する、いわゆる直流チョッパによって負荷への出力を抑制する。
その結果、負荷への電力供給を止めることなく運転を継続し、エンジンの回転数を適正に維持して発電を行うことができる。
【０００５】
また、上記に類似した技術として、デマンド電力を集計し、ノン・カットでデマンドコントロールを行う方法がある(例えば、特許文献２参照)。これは電力ピークカットを目的に負荷の消費電力逓減を行うもので、発電所と変電所を管理する中央給電指令所においてリアルタイムにデマンド電力を計数し、ピークカット実行時にデマンドコントロール信号を発信する。インバータモータやインバータ照明器の両インバータはリモートターミナルを介してデマンドコントロール信号を受信し、これに従ってインバータモータの周波数を逓減、または照明器の電圧を逓減するようにノン・カットで出力制御を行う。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２６６０７９８号公報（段落０００９、図１、図２）
【特許文献２】
特開平７−２２２３６０号公報（段落０００４、図１、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来技術、例えば、特許文献１のものでは、直流チョッパによる定電流制御が前提であるので、可変速駆動制御を行うモータ制御装置には適用できないという問題点があった。
また、特許文献２のものでは、１個所でデマンド電力を計数するので、複数の発電機や負荷などが電力系統に接続されている場合には、これらの機器の全てとオンラインで情報伝達を行う設備が必要となって装置が全体として複雑高価となり、更に、負荷逓減の制御はリモートコントロールで行うので、発電機や系統に事故が発生した場合やモータの高速出力制御に起因する、急激な負荷変動等には対応できないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電力系統の周波数の異常低下に速やかに応答してモータ負荷を低減し、継続運転を可能とするモータ制御装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るモータ制御装置は、電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるモータ制御装置を示す構成図である。図１において、原動機１は発電機２と連結して発電システムを構成しており、発電システムの出力は変圧器３と遮断器４を介して電力系統５に接続している。電力系統５には、上記のような発電システムが複数接続されている。このような電力系統５に、遮断器６と変圧器７を介してモータ制御装置８とモータ９を接続している。モータ制御装置８は、変圧器７とモータ９との間に接続した電力変換装置１０と、速度検出器１１によって検出したモータ９の回転速度および周波数検出器１２によって検出した電力系統５の周波数を基にモータ９の速度に応じた出力指令値（速度指令値）を電力変換装置１０へ出力する速度制御回路１３と、から構成されている。
【００１１】
モータ制御装置８は、モータ９の回転速度が所望の値となるようにモータ９の駆動制御を行う。具体的には、速度検出器１１で検出したモータ９の回転速度が所定値になるように速度制御回路１３で出力指令値を演算し、電力変換装置１０に与える。
電力変換装置１０は、変圧器７から交流電力を受電し、出力指令値に基づいてモータ９を駆動する交流電力を出力する。なお、電力変換装置１０としては、例えば交流電力を直流電力に変換するダイオード整流回路または高力率コンバータと、変換された直流電力を平滑する直流コンデンサと、直流電力を交流電力に変換してモータ９を駆動する自励式インバータとから構成されるコンバータ‐インバータ方式の電力変換装置、あるいはマトリクスコンバータによる交流‐交流変換方式の電力変換装置などがある。
【００１２】
図２は、図１の速度制御装置１３の内部制御ブロック図で、以下、この図２および図３〜５のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
図２において、周波数検出器１２で検出された系統周波数ｆが、電力系統５の基準周波数以下で設定された所定の周波数ｆ１以上の場合は、減算器２２の出力は負で周波数制御器２３は出力せず、速度指令値ｗｒｅｆがそのまま速度指令値ｗ＊となって電力変換装置１０に供給される。これによって、モータ９は速度指令値ｗｒｅｆに対応する回転速度、即ち、以下で説明する本発明になる制御が動作する前の回転速度で運転される。
電力系統５が過負荷等になり系統周波数ｆが所定の周波数ｆ１より低くなると、減算器２２の出力が正となり、例えばＰＩ制御系からなる周波数制御器２３の出力が増大してその分減算器２６により速度指令値ｗｒｅｆから低減した速度指令値ｗ＊が電力変換装置１０に供給される。これによって、モータ９は速度指令値ｗｒｅｆより低い回転速度で運転されることになりその分出力が低減する。これは、電力系統５から見ると、負荷量の低減につながり、周波数低下の要因であった過負荷状態が軽減されるので、系統周波数ｆの低下程度が緩和され、やがて系統周波数ｆの低減量とモータ負荷の低減量とがバランスする平衡状態となる。
【００１３】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図３は、本願発明を適用しない場合、即ち、速度制御による負荷逓減を行わない場合で、上から順に、系統周波数ｆ、速度指令値ｗ＊およびモータ回転速度ｗを示す。電力系統５が過負荷等になり系統周波数ｆが下降を始めてもモータ９は速度指令値ｗｒｅｆで定まる回転速度のままで運転を継続する。従って、電力系統５の容量や当該モータ９負荷およびその他の負荷の容量との大小関係にも左右されるが、従来技術の欄で説明したように、系統周波数ｆの下降が進み、電圧を維持できなくなりやがて停電、モータ９が停止するという事態になる可能性がある。
【００１４】
図４は、本願発明を適用しリミッタ２４が動作しない場合、即ち、負荷逓減を行って周波数低下を抑制できる場合である。
系統周波数ｆが下降を始め、所定の周波数ｆ１を切ると周波数制御器２３の出力が立ち上がり、速度指令値ｗ＊が速度指令値ｗｒｅｆから下降を始め、これに伴いモータ回転速度ｗも下降しモータ９の出力も低下する。やがて、系統周波数ｆの低減量とモータ負荷の低減量とがバランスした平衡状態に至る。
【００１５】
図５は、本願発明を適用したが、系統周波数ｆの低下量が大きく、動作途中からリミッタ２４が働いてそれ以上速度指令値ｗ＊の低減が出来ない場合を想定したケースである。即ち、モータ９はその運転負荷特性により、継続運転ができる回転速度の下限値が決まる。リミッタ２４は、減算器がこの下限速度を下回らないよう周波数制御器２３からの出力に制限を加えるものである。
図５では、速度指令値ｗ＊は、リミッタ２４の働きにより（ｗｒｅｆ−ｗｌｍｔ）まで下降した後は一定値を維持している。従って、これ以降は、系統周波数ｆの下降を抑制する効果はなくなり、系統周波数ｆは更に下降を続け、場合によっては電力系統５の停電に至る。もっとも、この場合も、この発明の適用により停電に至る可能性は確率的に減少し、また、停電となっても該停電に至るまでの運転継続時間が長くなるという利点がある。
【００１６】
この図５のケースとしては、当該モータ９の容量より大きな容量の負荷が同じ電力系統５に接続されており、その大容量負荷で過負荷が発生して系統周波数ｆが低下する場合等が想定されるが、この大容量負荷を含め電力系統５に接続されるモータ負荷のすべてにこの発明になる負荷逓減手段が施されていれば、これらが一斉に負荷逓減動作を行い、その結果、図４で説明した現象に該当して、即ち、リミッタ２４の動作にかからず、停電等の支障が回避される可能性もある。
【００１７】
以上のように、この発明の実施の形態１においては、電力系統５の周波数ｆを検出する周波数検出器１２、および検出周波数ｆが電力系統５の基準周波数以下の所定の設定周波数ｆ１以下となったとき検出周波数ｆと設定周波数ｆ１との差に応じて速度指令値ｗ＊を低減する速度制御回路１３を備えたので、系統周波数ｆの異常低下に速やかに応答してモータ９の負荷を低減し、モータ９の継続運転が可能となる。
【００１８】
また、速度制御回路１３は、速度指令値ｗ＊の低減量を、モータ９の運転負荷特性から定まる所定の範囲内に制限するリミッタ２４を備えたので、モータ９の運転継続に支障を来すことなく、系統周波数ｆの低下を抑制するための負荷制御が確実になされる。
【００１９】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２におけるモータ制御装置を示す構成図である。
図６において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図６に示すように、モータ制御装置８は、実施の形態１の構成に加えて、電力系統５の系統電圧を検出する電圧検出器１４と、出力指令値を演算して電力変換装置１０へ出力する交流電圧制御回路１５と、から構成されている。
【００２０】
図７は、図６の交流電圧制御回路１５の内部制御ブロック図で、以下、この図７および図８〜１０のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
なお、以下の交流電圧制御回路１５の動作は、実施の形態１で説明した速度制御装置１３の動作と独立して行われる。
図７において、交流電圧制御回路１５は、電圧検出器１４で検出された系統電圧ｖと電力系統５の基準電圧である交流電圧指令値ｖｒｅｆとが等しくなるように無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力して電力変換装置１０に供給する。即ち、系統電圧ｖが交流電圧指令値ｖｒｅｆより低くなると、減算器３２からの電圧差分ｖ＊は正となり電圧制御器３３からは進相無効電流に相当する無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力し系統電圧ｖを上昇させるように動作する。反対に、系統電圧ｖが交流電圧指令値ｖｒｅｆより高くなると、減算器３２からの電圧差分ｖ＊は負となり電圧制御器３３からは遅相無効電流に相当する無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力し系統電圧ｖを下降させるように動作する。これによって、後述するリミッタ３４が動作しない範囲では、系統電圧ｖは交流電圧指令値ｖｒｅｆの値一定に保たれることになる。
【００２１】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図８は、本願発明を適用しない場合、即ち、電力系統５の電圧変動に基づく無効電流制御を行わない場合で、上から順に、系統電圧ｖ、電圧差分ｖ＊、無効電流指令値ｉｑｒｅｆを示す。系統電圧ｖが変化しても、無効電流制御は行わないので、電圧変動がそのまま現れる。
図９は、本願発明を適用し、無効電流制御を行って電力系統５の電圧が一定に保たれている場合を示す。即ち、図では、系統電圧ｖおよび電圧差分ｖ＊はそれぞれ交流電圧指令値ｖｒｅｆおよび零レベルを維持しているように見えるが、実際は、系統電圧ｖが交流電圧指令値ｖｒｅｆから変動して電圧差分ｖ＊が発生しそれに応じて電圧制御器３３が動作して無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力し、系統電圧ｖを交流電圧指令値ｖｒｅｆにほぼ等しい値に留めているわけである。
【００２２】
図１０は、本願発明を適用したが、系統電圧ｖの変化量が大きく、無効電流制御を行っても系統電圧ｖを一定に維持できない場合である。即ち、電力変換装置１０の容量は、本来、モータ９を回転駆動するのに必要な値に設定されている。従って、電力変換装置１０で発生できる無効電力、無効電流は、このモータ９の容量に応じて決められた電力変換装置１０の容量の範囲内に制限される。リミッタ３４は、無効電流指令値ｉｑｒｅｆがこの制限値を越えないよう電圧制御器３３からの出力に制限を加えるものである。
図１０では、系統電圧ｖの一定範囲までの変動に対しては、無効電流による電圧一定制御が実現しているが、リミッタ３４が働き、無効電流指令値ｉｑｒｅｆがリミット値ｉｑｌｍｔに至った後は、電圧一定制御はならず、系統電圧ｖは交流電圧指令値ｖｒｅｆから逸脱している。
このように、一定範囲までの電圧変動抑制効果となるが、電力変換装置１０が過負荷となることが無く、安定した動作が補償されるという利点がある。
【００２３】
以上のように、この発明の実施の形態２においては、電力系統５の交流電圧ｖを検出する電圧検出器１４、および上記検出電圧ｖと所定の設定電圧ｖｒｅｆとの差に応じ、上記差が低減するように電力変換装置１０の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路１５を備えたので、電力系統５の電圧変動を抑制して、より安定したモータ９の継続運転が可能となる。
【００２４】
また、交流電圧制御回路１５は、制御する発生無効電力を、電力変換装置１０がモータ９を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ３４を備えたので、電力変換装置１０が過負荷となることなく、安定した動作が補償される。
【００２５】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３におけるモータ制御装置を示す構成図である。
図１１において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図１１に示すように、モータ制御装置８は、実施の形態１の構成に加えて、電力系統５の系統電圧を検出する電圧検出器１４と、電力系統５の系統電圧の経時変化量である振動成分を取り出すフィルタ１６と、出力指令値を演算して電力変換装置１０へ出力する交流電圧制御回路１７と、から構成されている。
【００２６】
図１２は、図１１の交流電圧制御回路１７の内部制御ブロック図で、以下、この図１２および図１３〜１５のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
なお、以下の交流電圧制御回路１７の動作は、実施の形態１で説明した速度制御装置１３の動作と独立して行われる。
図１２において、フィルタ１６は、電圧検出器１４で得られた系統電圧ｖから直流分を除去し、経時変化量で有る振動成分ｖ＊のみを交流電圧制御回路１７へ出力する。交流電圧制御回路１７では、電圧制御器４３が系統電圧ｖの振動成分から無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力して電力変換装置１０に供給する。
即ち、系統電圧ｖは必ずしも基準電圧値でなくても、定常状態であれば直流となり、フィルタ１６は直流成分を除去するので、無効電流指令値ｉｑｒｅｆは出力されない。
【００２７】
しかし、事故等で系統電圧ｖが経時的に変動すると、フィルタ１６はその振動成分ｖ＊を出力しこの振動成分が低減するよう電圧制御器４３が無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力する。電圧制御器４３の出力側には、電力変換装置１０へ供給する無効電流指令値ｉｑｒｅｆを、電力変換装置１０がモータ９を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ４４が設けられている。
【００２８】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図１３は、本願発明を適用しない場合、即ち、電力系統５の電圧振動成分に基づく無効電流制御を行わない場合で、上から順に、系統電圧ｖ、電圧振動成分ｖ＊、無効電流指令値ｉｑｒｅｆを示す。振動成分ｖ＊が発生しても、無効電流制御は行わないので、電圧の振動成分がそのまま現れる。
図１４は、本願発明を適用し、無効電流制御を行って電力系統５の電圧振動成分がほぼ零のレベルに保たれている場合を示す。即ち、図では、系統電圧ｖおよび振動成分ｖ＊はそれぞれ一定値および零レベルを維持しているように見えるが、実際は、系統電圧ｖが変動して振動成分が発生しそれに応じて電圧制御器４３が動作して無効電流指令値ｉｑｒｅｆを出力し、系統電圧ｖの経時変化をほぼ零に留めているわけである。
【００２９】
図１５は、本願発明を適用したが、系統電圧ｖの経時変化量が大きく、リミッタ４４が動作し、系統電圧ｖを一定に維持できない場合である。即ち、振動成分ｖ＊の一定範囲までの値に対しては、無効電流による電圧振動成分抑制制御が実現しているが、リミッタ４４が働き、無効電流指令値ｉｑｒｅｆがリミット値ｉｑｌｍｔに至った後は、振動成分抑制制御はならず、振動成分は発生し系統電圧ｖも経時的に変動している。
このように、一定範囲までの電圧振動成分抑制効果となるが、電力変換装置１０が過負荷となることが無く、安定した動作が補償されるという利点がある。
【００３０】
以上のように、この発明の実施の形態３においては、電力系統５の交流電圧ｖを検出する電圧検出器１４、上記検出電圧ｖからその経時変化量を出力するフィルタ１６、および上記経時変化量に応じ、上記経時変化量が低減するように電力変換装置１０の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路１７を備えたので、電力系統５の電圧振動成分を抑制して、より安定したモータ９の継続運転が可能となる。
【００３１】
また、交流電圧制御回路１５は、制御する発生無効電力を、電力変換装置１０がモータ９を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ４４を備えたので、電力変換装置１０が過負荷となることなく、安定した動作が補償される。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るモータ制御装置は、電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたので、系統周波数の異常低下に速やかに応答してモータの負荷を低減し、モータの継続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図２】 図１の速度制御装置１３の内部制御ブロック図である。
【図３】 本願発明を適用しない場合の、電力系統５の周波数変動を示すタイミングチャートである。
【図４】 負荷逓減を行って周波数低下を抑制する動作を示すタイミングチャートである。
【図５】 リミッタ２４が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】 この発明の実施の形態２におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図７】 図６の交流電圧制御回路１５の内部制御ブロック図である。
【図８】 本願発明を適用しない場合の、電力系統５の電圧変動を示すタイミングチャートである。
【図９】 無効電流制御を行って交流電圧を一定に維持する動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】 リミッタ３４が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】 この発明の実施の形態３におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図１２】 図１１の交流電圧制御回路１７の内部制御ブロック図である。
【図１３】 本願発明を適用しない場合の、電力系統５の電圧変動を示すタイミングチャートである。
【図１４】 無効電流制御を行って交流電圧の振動成分を抑制する動作を示すタイミングチャートである。
【図１５】 リミッタ４４が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
５ 電力系統、８ モータ制御装置、９ モータ、１０ 電力変換装置、
１１ 速度検出器、１２ 周波数検出器、１３ 速度制御装置、
１４ 電圧検出器、１５ 交流電圧制御回路、１６ フィルタ、
１７ 交流電圧制御回路、２３ 周波数制御器、２４ リミッタ、
３３ 電圧制御器、４３ 電圧制御器、４４ リミッタ。

Claims (5)

1. 電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
   上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 上記速度制御回路は、上記速度指令値の低減量を、上記モータの運転負荷特性から定まる所定の範囲内に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 上記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器、および上記検出電圧と所定の設定電圧との差に応じ、上記差が低減するように上記電力変換装置の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 上記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器、上記検出電圧からその経時変化量を出力するフィルタ、および上記経時変化量に応じ、上記経時変化量が低減するように上記電力変換装置の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
5. 上記交流電圧制御回路は、制御する発生無効電力を、上記電力変換装置が上記モータを回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項３または４に記載のモータ制御装置。

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