JP6280976B2 - インバータ - Google Patents

Description

本発明は、インバータに関し、より詳細には、モータの最小運転電圧と直流リンクに印加される直流リンク電圧との大小比較結果に基づいてモータに出力される三相電圧の出力周波数を調節するインバータに関する。

太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電システムは、未来の代替エネルギー源のうち最も脚光を浴びているエネルギー源であり、太陽電池を介して太陽光を集光し、これによる電荷差を用いて電気を発生させ蓄電池に貯蔵する。貯蔵された電力は、インバータを介して直流電力から交流電力に変換され負荷に供給される。

かかる太陽光発電システムは、最初施設費が多くかかる点はあるが、一旦設置すれば、別の燃料がなくても太陽光だけで高いエネルギー効率が得られることは言うまでもなく、半永久的な使用が可能であるという利点がある。

これにより、太陽光発電システムは、電力需給が困難な隔奥地などにおいて、奥地の飲料水および農業用水、牧畜業のために必要な水を供給するために設置されたポンプの電力供給システムとして使用されている。

一方、太陽電池から発電される電気エネルギーは、既存の電気エネルギーとは相当異なる電気的な特性を有している。より具体的には、既存の電気エネルギーは、線形電圧源（Ｌｉｎｅａｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ）の特性を有していることから、負荷端に線形や非線形の負荷がかかっても、常に一定の電圧を保持し、安定して動作する。

また、一つの動作点のみを有することから、如何なる入力および出力条件でも常に安定した装置として動作する。すなわち、線形電圧源を有する電気エネルギーを使用するときには、負荷条件に関係なく所望の動作条件を得ることができる。

しかし、太陽電池から発電される電気エネルギーは、非線形電圧源としてインバータを介して負荷に出力される電力に応じて電圧および電流が非線形的に変更する特性を有している。

そのため、従来、太陽電池の出力を最大に制御するために、最大電力点追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ；ＭＰＰＴ）アルゴリズムを使用して太陽電池の出力電圧を制御した。

より具体的には、従来、ＭＰＰＴアルゴリズムを駆動できる制御装置をインバータとは別に備え、太陽電池の出力電圧と出力電流をＭＰＰＴアルゴリズムに入力して、太陽電池の出力を最大に制御するための制御電圧値を生成した。

次に、ＰＩＤモジュールを用いて、実際の太陽電池の出力電圧と制御電圧値との誤差に基づいて出力電圧が制御電圧値を保持するようにフィードバック制御を行った。

しかし、上述のＭＰＰＴアルゴリズムを太陽光発電システムから電力の供給を受けるポンプのインバータに適用する場合、太陽電池の出力を最大に制御するための制御値である制御電圧値を演算するために、インバータの他に高価の制御装置を別に備えなければならないという問題点がある。

また、ポンプに変換された電力を供給するインバータの内部に備えられたＰＩＤモジュールを用いて太陽電池の出力電圧を制御電圧値で制御する場合、インバータの内部に備えられたＰＩＤモジュールの限定された性能で出力電圧の制御の他、流量および圧力などのポンプの駆動に必要な変数の制御をともに行わなければならないという問題点がある。

本発明は、直流リンクに印加される直流リンク電圧とモータの最小運転電圧との大小を比較し、比較結果に基づいて、モータに出力される三相電圧の出力周波数を制御することにより、モータの出力を最大に駆動させることができるインバータを提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない本発明の他の目的および利点は、下記の説明により理解され、本発明の実施例によってより明らかに理解される。また、本発明の目的および利点は、特許請求の範囲に示されている手段およびその組み合わせにより実現可能であることを容易に分かることができる。

かかる目的を達成するためのインバータは、直流リンクに印加される直流リンク電圧を測定する測定部と、前記直流リンク電圧を三相電圧に変換して前記モータに出力する変換部と、前記直流リンク電圧と前記モータの最小運転電圧との大小を比較し、前記比較結果に基づいて、前記三相電圧の出力周波数を調節する制御部と、を含むことを特徴とする。

上述のような本発明によれば、直流リンクに印加される直流リンク電圧とモータの最小運転電圧との大小を比較し、比較結果に基づいて、モータに出力される三相電圧の出力周波数を制御することにより、モータの出力を最大に駆動させることができるという効果がある。

また、本発明によれば、モータの出力を最大に駆動させるために最大電力点追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ；ＭＰＰＴ）アルゴリズムを演算する別の制御装置を必要としないことから、インバータだけでモータの出力を最大に駆動させることができ、制御装置によって必要な設置空間および製造コストを減少させることができるという効果がある。

さらに、本発明によれば、ＰＩＤモジュールを用いることなく、インバータだけでモータの出力を最大に駆動させることができることから、流量および圧力などのモータの駆動に必要な変数の制御にＰＩＤモジュールを活用することができるという効果がある。

太陽電池およびモータポンプと、本発明の一実施例に係るインバータとの間における連結構成を示す図である。 本発明の一実施例に係るインバータの構成を示す図である。 本発明の一実施例に係るインバータからモータに出力される三相電圧の出力周波数を時間に対して示すグラフである。 本発明の一実施例に係るインバータの直流リンクに印加される直流リンク電圧を時間に対して示すグラフである。 本発明の一実施例に係るインバータから三相電圧の供給を受けて駆動されるモータの出力を時間に対して示すグラフである。

上述の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して詳細に後述しており、これにより、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明に関連する公知の技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断した場合には、詳細な説明を省略する。以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい実施例について詳細に説明する。図面において、同一の参照符号は、同一または類似の構成要素を指すものとして使用される。

図１は太陽光発電装置１０およびモータポンプ２０と、本発明の一実施例に係るインバータ１００との間における連結構成を示す図であり、図２は本発明の一実施例に係るインバータ１００の構成を示す図である。

図１を参照すると、本発明の一実施例に係るインバータ１００は、太陽光発電装置１０から生成された直流電力を直流リンク（ＤＣ‐Ｌｉｎｋ）ＤＣＰ、ＤＣＮに印加され、印加された直流電力を三相電圧の交流電力に変換し、モータ２０に出力する。より具体的には、インバータ１００の一側に形成された直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮは、太陽光発電装置１０と連結されて直流リンク電圧Ｖ_dcが印加され、インバータ１００の他側においては、三相電圧の交流電力がモータ２０に出力され得る。

この際、太陽光発電装置１０は、複数の太陽電池が直列および並列に連結された太陽電池アレイ（ＰＶ‐ａｒｒａｙ）を含み、太陽電池アレイ（ＰＶ‐ａｒｒａｙ）から発電される直流電力をインバータ１００に供給する発電装置であり得る。

また、モータ２０は、低いところに位置する水を高いところにすくい上げる揚水用ポンプに使用される電動機であり得る。

ここで、太陽光発電装置１０およびモータ２０それぞれの具体的な種類は、産業全般において汎用的に使用される種類であり、特に限定されないことに留意する。

図２を参照すると、本発明の一実施例に係るインバータ１００は、測定部１１０と、変換部１２０と、制御部１３０と、を含んでなり得る。図２に示されているインバータ１００は、一実施例に係るものであり、その構成要素が、図２に示されている実施例に限定されるものではなく、必要に応じて、一部の構成要素が付加、変更または削除されてもよい。

測定部１１０は、太陽光発電装置１０から直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮに印加される直流リンク電圧Ｖ_dcを測定する。この際、インバータ１００の直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮには、太陽光発電装置１０から生成された直流電力を平滑化して直流リンク電圧Ｖ_dcとして貯蔵する直流リンクキャパシタが連結され得る。

ここで、太陽光発電装置１０から供給され、直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮに印加される直流リンク電圧Ｖ_dcは、モータ２０の出力Ｗに応じて非線形的に変更される。

より具体的には、インバータ１００から変換されてモータ２０に供給される三相電圧の出力周波数ｆがインバータ１００の制御により増加する場合、モータ２０の出力Ｗは、増加された出力周波数ｆの二乗に比例して増加し得る。また、モータ２０の出力Ｗの増加に応じて測定部１１０に測定される直流リンク電圧Ｖ_dcは減少し得る。

一方、測定部１１０は、直流リンクキャパシタに貯蔵された直流リンク電圧Ｖ_dcを電圧センサを介して測定し、測定された直流リンク電圧Ｖ_dcを後述する制御部１３０に送信することができる。

変換部１２０は、直流リンク電圧Ｖ_dcを三相電圧に変換し、モータ２０に出力する。より具体的には、変換部１２０は、直流リンクキャパシタに平滑化して貯蔵された直流リンク電圧Ｖ_dcをスイッチングさせて三相電圧に変換し、変換された三相電圧をモータ２０に供給してモータ２０を駆動させることができる。

このために、一実施例に係る変換部１２０は、複数のスイッチング素子と、ダイオードが結線されたスイッチング回路と、を含むことができる。変換部１２０は、スイッチング回路に直流リンク電圧Ｖ_dcを印加し、複数のスイッチング素子のオンまたはオフを制御して、直流リンク電圧Ｖ_dcを三相電圧に変換することができる。

ここで、スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＩＧＢＴ）であってもよく、これに限定されないことに留意する。

一実施例に係る変換部１２０は、スイッチング回路を用いて直流リンク電圧Ｖ_dcを三相電圧に変換するものと説明している。しかし、他の実施例に係る変換部１２０の電圧変換方式は、直流リンク電圧Ｖ_dcを三相電圧に変換する限り、電圧基準インバーティング方式、ベクトル制御およびＶＦ制御方式のいずれか一つ以上であってもよい。

図３は本発明の一実施例に係るインバータ１００からモータ２０に出力される三相電圧の出力周波数ｆを時間に対して示すグラフである。図４は本発明の一実施例に係るインバータ１００の直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮに印加される直流リンク電圧Ｖ_dcを時間に対して示すグラフである。図５は本発明の一実施例に係るインバータ１００から三相電圧の供給を受けて駆動されるモータ２０の出力を時間に対して示すグラフである。

以下、図３〜図５をさらに参照して、制御部１３０について説明する。

制御部１３０は、直流リンク電圧Ｖ_dcとモータ２０の最小運転電圧Ｖ_minとの大小を比較し、比較結果に基づいて、三相電圧の出力周波数ｆを調節する。

この際、制御部１３０は、調節しようとする三相電圧の出力周波数ｆに対応して変換部１２０に含まれた複数のスイッチング素子のオンまたはオフを制御することにより、三相電圧の出力周波数ｆを調節することができる。

一方、制御部１３０は、モータ２０の運転開始の際に三相電圧の出力周波数ｆを最小運転周波数ｆ_minに調節する。

ここで、最小運転周波数ｆ_minは、モータ２０が駆動されるためにモータ２０に供給される三相電圧の最小周波数値であり得る。すなわち、モータ２０に供給される三相電圧の出力周波数ｆが最小運転周波数ｆ_min以上である場合にモータ２０の駆動が開始され得る。

この際、最小運転周波数ｆ_minは、モータ２０の定格仕様に応じて相違する設定を有し得る。

図３に示されているように、三相電圧の出力周波数ｆが最小運転周波数ｆ_min未満である三相電圧がモータ２０に供給される０秒からｔ₁の区間には、図５に示されているように、モータ２０が駆動されないことからモータ２０の出力Ｗが「０」であり得る。

また、図４に示されているように、０秒からｔ₁の区間には、相電圧の出力周波数ｆが最小運転周波数ｆ_min未満である三相電圧がモータ２０に供給され、モータ２０が駆動されないことから直流リンク電圧Ｖ_dcは変化しないことがある。

次に、制御部１３０が、三相電圧の出力周波数ｆを最小運転周波数ｆ_minに調節したｔ₁時点では、モータ２０の駆動が開始されてモータ２０の出力Ｗが増加し得る。モータ２０の出力Ｗが増加するに伴い、直流リンク電圧Ｖ_dcが減少し始める。

この際、制御部１３０は、モータ２０に供給される三相電圧の出力周波数ｆを予め設定された時間の間に保持してモータ２０を駆動させることにより、モータ２０で作動するポンプの水圧を所定の水圧以上に制御することができる。

ここで、予め設定された時間は、ポンプが設置された設置環境に応じて変更され得る。

次に、制御部１３０は、予め設定された時間後、直流リンク電圧Ｖ_dcとモータ２０の最小運転電圧Ｖ_minとを比較し、比較結果に基づいて、三相電圧の出力周波数ｆを第１周波数だけ上昇させるか第２周波数だけ減少させる。

より具体的には、制御部１３０は、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較結果、直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_minを超えると、三相電圧の出力周波数ｆを第１周波数だけ上昇させることができる。

一方、制御部１３０は、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較結果、直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_min以下であると、三相電圧の出力周波数ｆを第２周波数だけ減少させることができる。

ここで、最小運転電圧Ｖ_minは、モータ２０が駆動されるために供給される電圧の最小電圧値であり得る。最小運転電圧Ｖ_minは、モータ２０の定格仕様に応じて相違する設定を有し得る。

すなわち、直流リンクＤＣＰ、ＤＣＮに印加される直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_minより大きい場合に、モータ２０が駆動され得る。

一方、第１周波数は、出力周波数ｆの調節により直流リンク電圧Ｖ_dcの急激な変化を最小化する周波数値に設定され得る。例えば、第１周波数は、５Ｈｚであり得る。

また、第１および第２周波数は、予め設定された定数に比例する周波数値であり得る。例えば、第１周波数は、第２周波数の２倍であり得る。

制御部１３０は、三相電圧の出力周波数ｆの調節後、予め設定された待機時間の間に調節された出力周波数ｆを保持することにより、出力周波数ｆの変化によるモータ２０の出力Ｗおよび直流リンク電圧Ｖ_dcの変化時間を遅延することができる。

図３に示されているように、制御部１３０は、ｔ₁からｔ₂の区間まで三相電圧の出力周波数ｆを第１周波数だけ上昇させ、三相電圧の出力周波数ｆの上昇に伴い減少する直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとを比較する。

図４に示されているように、制御部１３０は、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較結果、ｔ₂時点までは直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_minを超えるため、ｔ₂時点まで三相電圧の出力周波数ｆを第１周波数だけ上昇させる。

次に、ｔ₂時点からは、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較結果、直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_min以下であるため、制御部１３０は、三相電圧の出力周波数ｆを第２周波数だけ減少させる。

制御部１３０は、上述の直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較を繰り返して、比較結果に応じて三相電圧の出力周波数ｆを調節することができる。これにより、制御部１３０は、ｔ₂時点後の区間のように直流リンク電圧Ｖ_dcが最小運転電圧Ｖ_minを超える運転状態を保持し、且つ三相電圧の出力周波数ｆを最大に調節することができる。これにより、図５に示されているように、ｔ₂時点後の区間では、モータ２０の出力Ｗが最大に保持され得る。

すなわち、本発明の一実施例に係るインバータ１００は、最大電力点追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ；ＭＰＰＴ）アルゴリズムを演算する別の制御装置とＰＩＤモジュールを用いることなく、太陽光発電装置１０の電気エネルギーで駆動されるモータ２０を最大出力で駆動させることができる。

これにより、本発明の一実施例に係るインバータ１００は、ＭＰＰＴアルゴリズムを演算する制御装置により求められる設置空間および製造コストを減少させ、流量および圧力などのポンプに使用される変数の制御にＰＩＤモジュールを活用することができる。

他の実施例に係る制御部１３０は、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとの比較結果、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minが一致する場合、予め設定された保持時間の間に三相電圧の出力周波数ｆを現在の周波数に保持させることができる。

他の実施例に係る制御部１３０は、予め設定された保持時間の間に三相電圧の出力周波数ｆを現在の周波数に保持させた後、直流リンク電圧Ｖ_dcと最小運転電圧Ｖ_minとを再比較することができる。

これにより、他の実施例に係る制御部１３０は、モータ２０が最大出力で駆動される時間を増加させることができる。

上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の技術者にとって本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能であるため、上述の実施例および添付の図面により限定されるものではない。
なお、本発明は一側面において以下の発明を包含する。
（発明１）
電力を変換してモータに供給するインバータであって、
直流リンク（ＤＣ‐Ｌｉｎｋ）に印加される直流リンク電圧を測定する測定部と、
前記直流リンク電圧を三相電圧に変換して前記モータに出力する変換部と、
前記直流リンク電圧と前記モータの最小運転電圧との大小を比較し、前記比較結果に基づいて、前記三相電圧の出力周波数を調節する制御部と、を含む、インバータ。
（発明２）
前記制御部は、
前記モータの運転開始の際に前記出力周波数を前記モータの最小運転周波数に調節する、発明１に記載のインバータ。
（発明３）
前記制御部は、
前記出力周波数が前記最小運転周波数に至ると、予め設定された時間の間に前記出力周波数を前記最小運転周波数に保持する、発明２に記載のインバータ。
（発明４）
前記制御部は、
前記比較結果、前記直流リンク電圧が前記最小運転電圧を超えると、前記出力周波数を第１周波数だけ増加させる、発明１から３のいずれか１つに記載のインバータ。
（発明５）
前記制御部は、
前記比較結果、前記直流リンク電圧が前記最小運転電圧以下であると、前記出力周波数を第２周波数だけ減少させる、発明４に記載のインバータ。

Claims (5)

1. 電力を変換してモータに供給するインバータであって、
   直流リンク（ＤＣ‐Ｌｉｎｋ）に印加される直流リンク電圧を測定する測定部と、
   前記直流リンク電圧を三相電圧に変換して前記モータに出力する変換部と、
   前記直流リンク電圧と前記モータの最小運転電圧との大小を比較し、前記比較結果に基づいて、前記直流リンク電圧が前記最小運転電圧を超える状態を保持している間、前記三相電圧の出力周波数を最大に調節する制御部と、を含む、インバータであり、
   前記最小運転電圧は、前記モータに供給される電圧の最小電圧値である、該インバータ。
2. 前記制御部は、
   前記モータの運転開始の際に前記出力周波数を前記モータの最小運転周波数に調節する、請求項１に記載のインバータ。
3. 前記制御部は、
   前記出力周波数が前記最小運転周波数に至ると、予め設定された時間の間に前記出力周波数を前記最小運転周波数に保持する、請求項２に記載のインバータ。
4. 前記制御部は、
   前記比較結果、前記直流リンク電圧が前記最小運転電圧を超えると、前記出力周波数を第１周波数だけ増加させる、請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ。
5. 前記制御部は、
   前記比較結果、前記直流リンク電圧が前記最小運転電圧以下であると、前記出力周波数を第２周波数だけ減少させる、請求項４に記載のインバータ。