JPS6348190A - 可変電圧可変周波数電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可変電圧可変周波数電源装置に係り、特に電
動機の速度制御に好適な可変電圧可変周波数電源装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、電動機の速度制御を行う場合には、例えば、
特開昭５７−２２３２７号公報等に開示されるように、
商用電源を可変電圧可変周波数電源装置（以下、インバ
ータと略記する）により、電動機の指定された速度に見
合った出力電圧、出力周波数に変換して速度制御を行っ
ている。ところで、負荷が電動機の場合、その入力電力
は回転数の３乗に比例するので、インバータに対する速
度指令が大きくなるとインバータの出力電力が急激に大
きくなる。−従って、インバータに対する速度（周波数
）指令が大きくなりすぎると、電動機の入力電力がイン
バータの電源容量（過負荷耐量）を超えてしまい、過電
流によって保護機能が働き、インバータは停止すること
になる。通常は、このような事態に至らないようにする
ため、電動機の速度（周波数）指令信号の処理部に信号
値上下限設定器（リミッタ）を設け、電動機の速度指令
信号がインバータの電源容量を超える場合には、その速
度指令信号値をリミッタで制限して、インバータの出力
が電源容量具」二になることを防止していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述のようにリミッタで電動機の速度指
令信号（インバータ出力周波数）を制限する場合、従来
は速度指令信号の一］；下限制限値を予め所定の運転条
件を基準にして常に一定に設定しているため、次のよう
な問題を有していた。以下、問題点を一例を挙げて説明
する。

例えば、沸騰水型原子炉の再循環ポンプを駆動させる電
動機をインバータ制御する場合、従来の制御方式によれ
ば、原子炉冷却水の温度が定格点の時の運転条件を基準
にして、電動機の速度（インバータ出力周波数）指令の
上・下限値をリミッタで制限することになるが、冷却水
温度が定格温度よりも低い時には、以下の理由によりイ
ンバータの過負荷防止機能が充分に働かない不具合が生
じる。すなわち、ポンプ所要出力Ｐは、Ｐ＜ｒ−Ｑ−Ｈ （ここで■゛ば冷却水の比重、Ｑはポンプ流量、Ｈは全
揚程を示す） で表わされるが、比重ｒば温度に依存する。従って、原
子炉冷却水の温度が定格点よりも低い温度の場合には、
ポンプの電動機負荷が大きくなり、上記インバータの出
力周波数が上記周波数−Ｌ限値以内の周波数の時でもイ
ンバータは過負荷状態になることもあり、そのため、電
動機は停止してしまう不具合が生じる。そうなると、本
ポンプは原子力発電所の運転に重−要な役割を有してい
るため、その影響が大きく好ましくない。

また、」二記再循環ポンプの他に、電動機でファンを駆
動さセる場合においても、制御対象となる気体の温度に
よって負荷の大きさが変化するため、設計時に定めた温
度以外の条件下においては、定格時と同じ制御信号で制
御していると、一定領域以−１−でインバータが電源容
量（過負荷耐量）以−１−の運転となってしまうことが
ありえる。

第６図は、沸騰水型原子炉における再＠環流量の制御を
行っている再循環インターナルポンプの電源として、イ
ンバータを用いた時の回路図である（再循環インターナ
ルポンプは複数台設けられているが第６図では］−回路
台を示している）。図中、６０は原子炉容器、６１．６
２はインターナルポンプ、６３ば流量計測器、６４は再
循環流量制御装置、６５はインバータ、６Ｇはインバー
タ制御装置、６７は商用電源からインバータ出力周波数
に見合った電圧に降圧する入力変圧器、６８は順変換（
交流−直流変換）器、６９は逆変換（直流−交渣変換）
器、７０は出力変圧器である。

再循環流量制御装置６４は、流量目標に苅【、２、流量
計測器６３で実測される流量を下１７７、インバータ制
御装置６Ｇにポンプの回転速度指令信号６４ａを出力し
、この回転速度指令信号６４−　ａに基づきインバータ
制御回路６６がインバータ６５の出力電圧・周波数を制
御し、このようにしてインターナルポンプが目標流量を
確保する回転速度で運転を行なうものである。また、イ
ンバータ制御回路６６に、前述した如きリミッタ（図示
せず）を設りてインバータの設定最大周波数を設計時点
で一定に定め、ポンプ６１の速度要求がインバータの設
定最大周波数以上となった場合でも、過負荷運転防止の
ためにインバータの設定最大周波数以内におさえて運転
を行なうようにしていた。このような制御方式でポンプ
運転を行う場合には、既述したように運転条件によって
同一回転速度でもインバータの出力電力が異なり、イン
バータにどっては電源容量以上の速度要求となる可能性
があり、再循環流量制御装置６４ば、それを関知しない
ためインバータが停止Ｉ−シてしまうことがある。

特に、このような問題は、原子炉運転に際しで、誤操作
等で原子炉冷却水が定格時の温度に至らないうちにポン
プを駆動させると生じる可能性がある。

本発明の目的は、停止するとその影響が大きく運転の継
続が望ましい可変速電動機を駆動するインバータにおい
て、電動機で回転するポンプ、ファン等を設Ｈ時の運転
条件と異なる条件で運転しても、常に電動機の速度指令
が電源容量以内に制御されて、インバータが停止するこ
となく運転を行い得る可変電圧可変周波数電源装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、インバータに対する速度（周波数）指令の
上限値を、常に現在の電動機（負荷）運転状況に合わせ
て、好ましい速度指令上限値に可変制御することにより
達成される。そして、本発明は、以上の見地から、イン
バータの出力状態を検出する検出手段と、この出力状態
の出力周波数と出力電力或いは出力周波数と出力電流と
の関係から電動機（負荷）の運転条件により変動するイ
ンバータの負荷特性をとらえ、負荷特性に応じてインバ
ータの電源容量に見合う現在の許容最大出力周波数を求
める演算手段と、求められた許容最大出力周波数値を超
えないように電動機の運転速度要求信号の上限値を設定
し、この設定上限値を前記許容最大出力周波数の変化に
応じて変更調整する速度要求信号制限手段（リミッタ）
とを設けてなるものである。

〔作用〕

このような構成よりなる本発明によれば、インバータの
出力状態を検出して、現在の出力周波数と出力電力或い
は出力周波数と出力電流との関係からインバータ負荷特
性をとらえることができる。

インバータの負荷特性は、既述したようにポンプ。

ファン等の駆動用電動機の制御対象となる流体温度によ
り変化するものであり、例えば、第４図に示すように、
流体温度が低い時の電動機運転（運転Ａ）と、これより
も流体温度が高い時の運転（運転Ｂ）とを比較した場合
、インバータの出力電力（電動機の入力電力）の最大許
容出力電力Ｐ　ｍａｘに至る出力周波数（電動機の回転
数）ｆ’ｍａｘが異なる。しかして、本発明では、イン
バータの現在の負荷特性を演算手段でとらえ、負荷特性
に応じてインバータの電源容量に見合う現在の許容最大
出力周波数を求め、この許容最大出力周波数に基づいて
、リミッタの速度要求信号上限値が変更調整される。従
って、本発明によれば、電動機の制御対象である流体が
温度変化した場合でも、常に電源容量に見合う現在の許
容最大出力周波数値以内でインバータ運転をさせること
ができるので、インバータが過負荷状態に至る事態を確
実に防止し、電動機が停止してしまうような不具合を防
止することができる。なお、第４図の負荷特性は、イン
バータの出力周波数と出力電力との関係で表わしている
が、出力周波数と出力型＞Ｊとの関係においても同様の
負荷特性を求めることができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図ないし第４図に基づき説明す
る。第１図は、本発明の一実施例であるインバータの制
御ブロック図であり、図中、１は原子炉の再循環ポンプ
駆動用の電動機を出力制御するインバータである。イン
バータ１は、商用型源からの入力を入力変圧器２で順変
換器３に適した電圧に降圧し、順変換器３でインバータ
出力周波数に見合った電圧になるよう制御して直流に交
換し、逆変換器４でこの直流を指令された周波数になる
よう制御しながら交流に変換するもので、この交流出力
を出力変圧器５により最適な電圧まで昇圧して電動機６
に供給するものである。

インバータ１の出力周波数制御系は、指令変換器７．電
圧−周波数変換器８．リングカウンタ９゜パルス増幅器
１０からなり、出力電圧制御系は指令変換器７．電圧制
御器１−１．電流制御器１２゜位相制御器１３．パルス
増幅器１４からなる。しかして、速度指令信号Ａ（速度
指令信号Ａは例えば第６図に示すような流量計測器６３
から出力される）がリミッタ１５を介して指令変換器７
に入力すると、電圧／周波数比一定の条件の下で周波数
指令信号Ｂと電圧信号Ｃとに変換される。周波数指令信
号Ｂは電圧信号であり、この信号Ｂが電圧−周波数変換
器８でパルス変換され、リングカウンタ９、パルス増幅
器１０を通して逆変換器４を構成するサイリスタのゲー
ト回路へ制御信号として送られ、指定の出力周波数が得
られる。一方。

電圧指令信号Ｃは、出力フィードバック信号りとの偏差
により作動する電圧制御器］１を経て、入力電流フィー
ドバック信号Ｅと比較されて電流制御器１２を通り、位
相角制御器］３でパルス変換され、パルス増幅器１４を
通して順変換器３を構成しているサイリスタのゲートに
送ら九、このようにして順変換器３から必要な出力電圧
を得ている。

１５は速度指令信号Ａを上・下限設定値内に制限するリ
ミッタ、１６はリミッタ１５に速度指令信号の制限設定
値を与える速度指令制限値設定器であり、このリミッタ
１５及び速度指令制限値設定器１６が本実施例の要部と
なるものである。第２図は速度指令制限値設定器１６の
具体例を示すブロック図である。本例における速度指令
制限値設定器１６は、サンプリング装置１７，１８．電
圧／周波数信号変換器１９．電流・電圧−電力信号変換
器２０．演算器２１よりなり、次のようにして速度指令
信号Ａの上限値を定める。先ず、インバータの出力電圧
信号り及び出力電流信号Ｆの夫々を各サンプリング装置
１７．１８にて一定時間間隔でサンプリングする。サン
プリングされた出力電圧信号り、は、インバータが電圧
／周波数比一定制御を行っているため、電圧／周波数変
換器１９でインバータ１の出力周波数に対応する周波数
信号Ｄ２に変換される。一方、サンプリングされた出力
電流信号Ｆ１は、出力電圧信号Ｄ１と共に信号変換器２
０に入力して、インバータ１の出力電力に対応する電力
信号Ｆ２　に変換される。しかして、この電力信号Ｆ２
　と周波数信号Ｄ２　に基づき演算器２１がインバータ
１の運転可能な過負荷耐量（許容）最大周波数を演算し
、これに対応する速度指令」二限設定信号Ｇを発生させ
る。演算器２］は電力信号（インバータ出力電力）Ｆ２
　と周波数信号（インバータ出力周波数）Ｄ２　からイ
ンバータ１の許容最大周波数を演算するが、演算は次の
ようにしてなされる。これを第３図及び第４図を参照し
ながら説明する。

第３図はポンプの負荷を例にしてポンプの同一回転数に
おける流量Ｑと全揚程Ｈの関係及びその時に要するポン
プ軸動力Ｐを示すものである。同図における実線は液体
温度が高温時のＱ−Ｈ特性及び軸動力Ｐ特性、破線は低
温時のＱ　−Ｈ特性及び軸動力Ｐ特性であり、同図に示
すようにポンプ（電動機）の回転数（ポンプ流量Ｑ）が
同一である場合において、流体温度が異なると必要なポ
ンプ軸動力Ｐの値に大幅な差が生じ、低温流体を流量制
御する場合の方が大きなポンプ軸動力Ｐを要する。

第４図は、インバータの出力電力（電動機の所要電力）
と出力回転数（電動機の回転数）の関係を表わすもので
、同図における運転Ａは流体が低温時、運転Ｂは流体が
高温時のポンプ運転を表わすものである。運転Ａ、Ｂの
いずれも所要電力が回転数の３乗に比例するため、回転
数が上がると所要電力は急激に増加するが、流量制御す
べき流体温度が異なることから負荷特性が異なる。すな
わち、低温運転Ａと高温運転Ｂを比較すると、ボンプの
所要電力が〔発明が解決しようとする問題点〕゛の項で
も既述したように流体温度依存性を有するから、低温運
転Ａの方が運転Ｂよりも電動機負荷が同一出力周波数条
件下でも大きくなる。ここで、所要電力Ｐは、 Ｐ＝αｆ３　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
と近似的に関数化できる。二＼で、αは流体温度等の運
転条件によってきま・る比例定数、ｆは電動機の回転数
又はインバータの出力周波数である。

上式によりインバータの定格耐量をＰ　ｍａｘ　とする
と、それに対応する許容最大周波数ｆ　ｍａｘが求まる
。この許容最大周波数ｆ　ｍ　ａ　ｘは比例定数α、す
なわち流体温度条件が変ることにより変動する。

従って、比例定数αを求めれば、その時の負荷（電動機
）運転状態時の許容最大周波数ｆ　ｍａｘを割り出すこ
とができる。各運転条件下において変動する比例定数α
は、インバータの出力電力（電動機動力）Ｐ及び出力周
波数（電動機回転数）ｆを実測することにより求められ
る。

すなわち、実測した周波数ｆ１における出力電力がＰｌ
とすると、比例定数αは、 α”　Ｐ　１　／　ｆ　３１　　　　　　　　　　　・
・・（２）として求められる。

前述した速度指令制限値設定器１６の演算器２１は以上
の計算式に基づき、インバータ１の出力電力Ｆ２　と出
力周波数Ｄ２　とを演算して比例定数αを求め、且つ比
例定数αの時に出力電力Ｐが定格耐量をＰ　ｍａｘとな
る許容最大周波数ｆ　ｍａｘを演算するものである。ま
た、速度指令制限値設定器１６は、許容最大周波数９　
ｍａｙに対応する速度指令上限設定信号Ｇを発生させて
、この信号Ｇをリミッタ１５に送る。リミッタ１５は、
インバータ１の許容出力周波数の上・下限設定値に基づ
いて速度指令信号Ａが許容出力周波数の範囲を超えない
ように制限するもので、特に、本実施例の場合には、設
定器１６から送られてきた速度指令上限設定信号Ｇによ
って速度指令設定値の上限設定値が変更調整できるよう
に設定しである。

しかして、このよう構成よりなる本実施例によれば、例
えば、第４図に示す如く流体温度条件の異なるポンプ運
転Ａ、Ｂのいずれの場合にも現在のインバータの出力状
態Ｐ１から、その時の負荷運転条件に応じた許容最大周
波数ｆ　ｍａｘを求めて、この許容最大周波数＋″ｍａ
ｘに対応する速度（インバータ出力周波数）指令上限値
をリミッタ１５に可変的に設定できる。従って、どのよ
うな流体温度条件の下でも、この速度指令上限値は、常
にインバータの出力が定格耐量を超えない速度指令値と
なるため、インバータに対して過大な速度要求が発生し
た場合にも、その指令を確実に制限することによりイン
バータ及び負荷の過負荷運転を防止し、またインバータ
の保護機能が働いてインバータが停止してしまうような
不具合を解消することができる。その結果インバータに
よって駆動されている電動機が運転に重要な役割を果た
している場合、不測の運転停止が生じるような事態を防
止し、運転の安全性、信頼性を向上させることができる
。また、本実施例では、速度指令がリミッタ１５で制限
された場合、リミッタ１５が警報信号Ｈを制御室に発す
るようにしである。これによす、運転員に注意を促し適
切な操作をガイドすることができる。

第５図は、上記実施例における速度指令制限値設定器１
６の別の構成例を示すものである。同図における速度指
令制限値設定器１６は、インバータ１の出力電圧信号り
及び出力電流信号Ｆをサンプリング装置２２．２３でサ
ンプリングした後、各信号をアナログ−デジタル変換器
２４．２５にてデジタル信号に変換し、ディジタル演算
装置２６に入力さ娠るものである。ディジタル演算装置
２６は記憶装置２７を備えており、演算装置２６で受は
取った信号をデータとして一定期間記憶しておくと共に
速度指令制限値の演算に必要なプログラムを格納してい
る。ディジタル演算装置２６は記憶装置２７のデータ及
びプログラムにより必要な演算を行い、その結果を速度
指令制限値設定信号Ｇとしてデジタル−アナログ変換器
２８を介してリミッタ１５に発する。しかして、本実施
例では記憶装置２７を備えているため、速度指令演算に
必要な複数のサンプリング点のデータを蓄えることがで
きる。従って、インバータの出力と周波数の関係式とし
て、（１）式よりも精度の高い実験式を用いる場合でも
、蓄えられたデータの統計処理により過負荷運転となら
ないインバータ出力最大周波数を精度良く求めることが
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、インバータにより駆動
する電動機の負荷特性が運転条件により変化した場合で
も、その変化に対応して常にインバータの許容最大周波
数を補正し、適正な速度指令制限値を変更調整できるの
で、インバータに許容値以上の運転が要求された場合で
も、過負荷耐量以上の負荷運転を確実に防止し、過電流
の発生によってインバータ停止、電動機の停止が生じる
といった不具合を起こすことなく運転を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるインバータのブロッ
ク回路図、第２図は、上記実施例に使用する速度指令制
限値設定器の具体例を示すブロワり回路図、第３図、ポ
ンプのＧ　−Ｈ特性及び軸動力の関係を示す線図、第４
図は、インバータの出力周波数と出力電力との関係を示
す線図、第５図は、上記実施例に使用する速度指令制限
値設定器の他の具体例を示すブロック回路図、第６図は
、沸騰水型原子炉における再循環インターナルポンプの
電源装置として静止形インバータを用いた場合の従来例
を示す回路図である。 １・・・可変電圧可変周波数電源装置（インバータ）、
６・・・電動機、７・・・速度指令変換器、１５・・・
速度要求信号制限手段（リミッタ）、１６・・・演算手
段（速度指令制限値設定器）、１７．１８・・・インバ
ータ出力状態検出手段（サンプリング装置）、Ａ・・・
速度指令（要求）信号、Ｂ・・・周波数指令信号、Ｃ・
・・電圧指令信号、Ｄ、Ｆ・・・インバータ出力検出信
号、Ｄ２・・・出力周波数信号、Ｆ２・・・出力電力信
号、Ｇ・・・速度指令上限設定信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、商用電源の電圧、周波数を電動機の運転速度要求信
   号に応じた出力電圧、出力周波数に変換して前記電動機
   の運転速度制御を行う可変電圧可変周波数電源装置にお
   いて、前記可変電圧可変周波数電源装置の出力状態を検
   出する検出手段と、前記出力状態における出力周波数と
   出力電力、或いは出力周波数と出力電流との関係から、
   前記電動機の運転条件により変動する前記可変電圧可変
   周波数電源装置の負荷特性をとらえ、該負荷特性に応じ
   て前記可変電圧可変周波数電源装置の電源容量に見合う
   許容最大出力周波数を求める演算手段と、求められた前
   記許容最大出力周波数値を超えないように前記電動機の
   運転速度要求信号の上限値を設定し、且つこの設定上限
   値を前記許容最大出力周波数の変化に応じて変更調整す
   る速度要求信号制限手段とを設けてなることを特徴とす
   る可変電圧可変周波数電源装置。