感應電動機控制裝置及感應電動機組控制系統的製作方法

2023-12-04 10:42:31 3

專利名稱：感應電動機控制裝置及感應電動機組控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及感應電動機控制裝置及感應電動機組控制系統，特別涉及適於實現具有包括感應電動機的負載的電力系統中的無功功率的降低和電壓的穩定化的技術。
背景技術：
電動機中的感應電動機從啟動到進入運行的驅動是比較容易的，而且僅通過直接連接在商用電源上就能夠使用，所以被廣泛地用於各種用途。隨著近年的能量電子學的發展，能夠可變速地驅動感應電動機。即，通過逆變器 (inverter)來驅動感應電動機，該逆變器將交流電力先轉換為直流電力，再通過使半導體開關高頻度地進行切換來將該直流電力逆轉換為頻率不同的交流電力。但是，風扇馬達、壓縮機、以及泵的馬達等大多以一定的轉速來驅動對象物，從而充分滿足它們的使用目的。特別是在工廠等中，由於馬達的設置臺數的多少和容量的大小等理由、逆變器的成本和設置空間等問題，被50Hz或60Hz等電源頻率直接驅動的馬達所佔的比例很大。另一方面，關於無功功率，以感應電動機為代表的產生滯後功率因數的電流的電氣機械較多，由於功率因數較低，因此針對驅動的負載所消耗的有功功率的電流變大。因此，在配電線和配電系統中存在的「以變壓器為代表的送配電設備」的容量和損失增加。此外，一般來講，送配電系統由於配線中存在的電抗或變壓器的漏磁電抗等，從而作為從需求用戶側看到的系統電抗成為電感性。因此，由於滯後功率因數的電流使需求用戶的受電端處的電壓下降。針對因這種滯後功率因數的負載的存在而引起的問題，通過產生無功功率的裝置進行補償。作為進行這種補償的最簡單的方法，有將無功補償電容器與電源並聯連接的方法。該方法中，使用開關階段性地對電力系統接通電力以使得電容器的容量成為適當的值， 由此來產生與負載相對應的無功功率。此外，作為與電力系統連接的大容量的器件，有同步調相機。同步調相機將作為旋轉器的同步機與電力系統連接，通過控制其磁場電流來控制無功功率的產生量。近年來，針對電力系統或變動激烈的負載，為了其電壓的穩定化等而使用應用了半導體功率轉換技術的靜止型無功功率補償裝置(已知有TSC、TCR、SVG或 STATC0M 等)。專利文獻1等中公開的磁能再生雙向電流開關(在此記為「磁能再生開關」)為開關電路，該開關電路具有由4個反嚮導通型半導體開關構成的橋式電路、以及連接在該橋式電路的直流端子間的電容器。作為使用這樣的磁能再生開關來改善負載的功率因數的技術，有專利文獻2中記載的技術。在該專利文獻2中記載的技術中，將磁能再生開關串聯連接在交流電源和交流負載之間，與交流電源的周期相對應地進行切換，從而在磁能再生開關中作用串聯電容器來改善功率因數。此外，在專利文獻3中公開有，通過將這樣的電路應用在電動機或發電機這樣的旋轉器中，來改善這些在內部存在有漏磁電感等電感的旋轉器的功率因數。
通過將磁能再生開關應用於滯後功率因數的交流負載，能夠對電源產生無功功率，能夠通過該無功功率對滯後功率因數的負載所需要的無功功率進行補償。在專利文獻4 中公開有，利用上述原理，在2臺滯後功率因數的交流負載的一臺中應用磁能再生開關，通過使整體的功率因數為1來改善功率因數。通過商用電源直接驅動的感應電動機雖然簡便，但是由於在電氣上不被進行任何控制，所以存在運行時的效率和過大的啟動電流等問題點。另一方面，關於無功功率的補償，廣泛地進行電力系統和需求用戶設備的受電點處的無功功率的補償。但是，在大規模的需求用戶，從受電點到實際的負載的路徑多數情況下會較長。因此，流動功率因數較差的電流對於配電線的損失、設備的容量來講是不利的。 為了在這些配電線的末端附近進行無功功率的補償，需要在負載的附近設置無功功率補償
直O在此，對通過上述的目前被廣泛使用的半導體轉換器進行的靜止型無功功率補償進行描述。TSC是利用晶間管開關對電容器進行切換的器件。因此，通過TSC無法高速且連續地控制無功功率。TCR是固定電容器與用晶閘管控制的電抗器的組合。因此，TCR中存在除了需要電容器之外還需要電抗器的問題。SVG為了進行PWM調製等而使反向截止型半導體開關高速地進行切換。因此，SVG中存在切換損失增加的問題。因此，將這些以往的無功功率補償裝置用於配電系統的末端附近的無功功率的補償並不普遍。在先技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2000-358359號公報專利文獻2 日本特開2004-260991號公報專利文獻3 日本特開2005-57980號公報專利文獻4 日本特開2007-58676號公報專利文獻5 國際公開第2008/3觀55號手冊專利文獻6 美國專利申請公開第2006/152955號說明書

發明內容
發明所要解決的技術問題本發明的目的在於，在連接於交流電源的電力系統而驅動感應電動機時，控制與配電系統的末端連接的一臺或大量的感應電動機而實現配電系統的末端付近的無功功率的降低及電壓的穩定化。解決問題的技術手段本申請的發明者對感應電動機的驅動等進行了銳意研究，結果想到了 在配電線的末端大量連接的感應電動機上連接磁能再生開關，使感應電動機的端子電壓的控制成為可能，並且能夠使用多個該磁能再生開關來進行配電系統的末端付近的無功功率的補償， 從而完成了本發明。為解決所述技術問題，根據本發明的一個觀點，提供一種感應電動機控制裝置，用於控制基於從三相交流電源供給的電力進行動作的感應電動機，其特徵在於，具備上述交流電源；3個磁能再生開關，每個磁能再生開關在各自的相中串聯連接在所述交流電源和所述感應電動機之間，分別具有4個自消弧元件；第一電壓檢測單元，配設在所述磁能再生開關和所述感應電動機之間，測定對該感應電動機施加的各相的端子電壓；第二電壓檢測單元，配設在所述交流電源和所述磁能再生開關之間，測定該交流電源的電壓；電流檢測單元，測定對所述感應電動機供給的電流；以及柵極控制單元，生成柵極信號，該柵極信號用於控制所述各相的磁能再生開關中分別包含的各個自消弧元件的導通/截止；所述柵極控制單元根據從所述第一電壓檢測單元輸入的端子電壓的測定值、從所述電流檢測單元輸入的電流的測定值和從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值，設定上述柵極信號的切換相位(switching phase)以控制無功功率的產生量，從而控制對所述感應電動機施加的電壓。此外，上述柵極控制單元還可以具備端子間電壓運算部，根據從所述第一電壓檢測單元輸入的端子電壓的測定值，連續地運算作為瞬態電壓有效值的端子電壓測定值；無功功率控制部，基於從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值和從所述電流檢測單元輸入的電流的測定值，計算所述無功功率的測定值，以使該無功功率的測定值成為指令值的方式輸出所述端子電壓的指令值；控制部，基於由所述端子間電壓運算部運算出的端子電壓測定值與從所述無功功率控制部輸出的端子電壓的指令值之間的偏差，進行比例控制或比例積分控制，生成所述柵極信號的切換相位量；以及相位控制部，生成以從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值為基準而移位了由所述控制部生成的切換相位量的量的柵極信號，將該柵極信號分別輸出給所述各相的磁能再生開關。此外，為了解決所述技術問題，根據本發明的另一觀點，提供一種感應電動機組控制系統，使用多臺所述感應電動機控制裝置，來控制基於從一個三相交流電源供給的電力進行動作的多個感應電動機，其特徵在於，具備多個所述感應電動機控制裝置，分別控制所述多個感應電動機；計測裝置，測定基於合成電流的無功功率，所述合成電流是在所述交流電源所連接的所述多個感應電動機控制裝置和其他負載中流動的電流的合成電流；以及組控制裝置，根據由所述計測裝置測定出的無功功率，以使該無功功率成為規定值的方式生成針對所述多個感應電動機控制裝置各自的無功功率的指令值，並將該無功功率的指令值分別輸出給所述多個感應電動機控制裝置，由此，控制所述多個感應電動機所產生的無功功率量；所述感應電動機組控制系統對具有多個負載的系統整體的功率因數進行控制， 所述負載包含被所述交流電源驅動的多個感應電動機。此外，為了解決所述技術問題，根據本發明的另一觀點，提供一種感應電動機組控制系統，使用多臺所述感應電動機控制裝置，來控制基於從一個三相交流電源供給的電力進行動作的多個感應電動機，其特徵在於，具備多個所述感應電動機控制裝置，分別控制上述多個感應電動機；計測裝置，測定基於合成電流的無功功率，該合成電流是在所述交流電源所連接的所述多個感應電動機控制裝置和其他負載中流動的電流的合成電流；電壓計測裝置，測定所述交流電源的電壓；以及組控制裝置，根據由所述計測裝置測定出的無功功率和由所述電壓計測裝置測定出的電壓，以使該無功功率成為基於該電壓的無功功率的方式生成針對所述多個感應電動機控制裝置各自的無功功率的指令值，並將該無功功率的指令值分別輸出給所述多個感應電動機控制裝置，由此，控制所述多個感應電動機所產生的無功功率量，並且降低所述交流電源的電壓的變動。


圖1是表示本發明的第一實施方式的感應電動機控制裝置的結構例的框圖。圖2是表示磁能再生開關的結構例的圖。圖3是表示磁能再生開關的各個自消弧元件的控制方法的示意圖。圖4是表示磁能再生開關所產生的電壓的相位與負載端子電壓和功率因數之間的關係的一例的圖。圖5是表示該實施方式的感應電動機控制裝置中的為了控制無功功率而使用的、 柵極控制裝置的內部的控制模塊的一例的圖。圖6是表示通過該實施方式的感應電動機控制裝置來控制感應電動機的端子電壓時的、流入感應電動機的端子的電流、消耗有功功率和產生無功功率的變化的圖。圖7是表示用於實現對該實施方式的感應電動機控制裝置所產生的無功功率進行的控制的控制流程的一例的流程圖。圖8是表示本發明的第二實施方式的感應電動機組控制裝置的結構例的框圖。圖9是表示在該實施方式中、用於對多臺感應電動機控制裝置所產生的無功功率的合計進行控制的控制模塊的一例的圖。圖10是表示在該實施方式中、用於對多臺感應電動機控制裝置所產生的無功功率的合計進行控制以補償電源電壓的變動的控制模塊的一例的圖。
具體實施例方式以下參照附圖詳細說明本發明的優選實施方式。另外，在本說明書及附圖中，對實質上具有相同的功能及結構的結構要素賦予相同的符號並省略重複說明。<1.第一實施方式的感應電動機控制裝置的結構例等〉(1-1.整體結構)圖1表示本發明的第一實施方式的感應電動機控制裝置的結構的一例的概略。感應電動機控制裝置10構成為包含如下部分3個磁能再生開關3 (磁能再生開關3-1 3- 、柵極控制裝置6、電壓檢測裝置7、電流檢測裝置8、電壓檢測裝置9。磁能再生開關3被稱為MERS (Magnetic Energy Recovery Switch)。在本實施方式中，三相感應電動機2作為負載被使用，並且使用三相交流電源1，所以磁能再生開關3 (磁能再生開關3-1 3-3)在各相中各設1個。磁能再生開關3的結構及動作除專利文獻1 4外，在專利文獻5、6中也有記載。 通過參照這些全部專利文獻的說明書及附圖中記載的事項，能夠實現磁能再生開關3。因此，以下說明磁能再生開關3的概略。圖2是表示磁能再生開關3-1的結構的一例的圖。另外，磁能再生開關3-2、3_3 的結構與磁能再生開關3-1相同，所以在此省略磁能再生開關3-2、3-3的詳細說明。如圖2所示，磁能再生開關3-1包含橋式電路和電容器C。橋式電路包含第一路徑，該第一路徑是將與交流電源1連接的交流端子a (以下稱為端子a)和與感應電動機2連接的交流端子d(以下稱為端子d)經由端子b連結的路徑。在該第一路徑中，在端子d和端子b之間配置有反嚮導通型半導體開關V，在端子b和端子a之間配置有反嚮導通型半導體開關U。
此外，橋式電路包含第二路徑，該第二路徑是將端子a和端子d經由端子c連結的路徑。在該第二路徑中，在端子d和端子c之間配置有反嚮導通型半導體開關Y，在端子c 和端子a之間配置有反嚮導通型半導體開關X。電容器C配置在端子b和端子c之間。各個反嚮導通型半導體開關V、Y、X、U是在半導體開關Sl S4截止時通過二極體Dl D4在規定的一方向(以下稱為正向)上導通，在半導體開關Sl S4導通時在另一方向上也導通的開關。在圖2所示的例子中，反嚮導通型半導體開關V、Y、X、U分別包含 1個二極體Dl D4和與二極體Dl D4並聯連接的1個半導體開關Sl S4。但是，只要是前述的進行導通的結構即可，反嚮導通型半導體開關V、Y、X、U不限定於前述的結構。例如，也可以將功率M0SFET、反嚮導通型GTO晶閘管等用於反嚮導通型半導體開關V、Y、X、U。 此外，也可以將IGBT等半導體開關和二極體並聯連接而構成反嚮導通型半導體開關V、Y、 X、U。在此，反嚮導通型半導體開關V、X配置為正向為相同方向。此外，反嚮導通型半導體開關Y、u配置為正向為相同方向。並且，反嚮導通型半導體開關v、x與反嚮導通型半導體開關Y、U配置為正向相互反向。反嚮導通型半導體開關V、X(半導體開關S1、S3)在相同定時進行導通/截止。此外，反嚮導通型半導體開關Y、u(半導體開關S2、S4)在相同定時進行導通/截止。並且，在反嚮導通型半導體開關V、X(半導體開關S1、S3)導通(截止)時，反嚮導通型半導體開關 ￥』(半導體開關32、糾)截止(導通)。以上這樣的磁能再生開關3 (磁能再生開關3-1 3-3)串聯連接在交流電源1和感應電動機2之間。回到圖1的說明，柵極控制裝置6對磁能再生開關3的各個自消弧元件(相當於 4個反嚮導通型半導體開關V、Y、X、U)的導通/截止的定時進行控制。電壓檢測裝置7檢測三相交流電源1的電壓的時間波形。電流檢測裝置8檢測三相交流電源1的電流的時間波形。電壓檢測裝置9測定感應電動機2的端子電壓的時間波形。另外，在以下的說明中設交流電源1的頻率為50Hz，但是在其他一般使用的電源頻率和特殊的電源頻率時也顯然同樣可以實施本發明。(1-2.磁能再生開關)本發明的發明者們對專利文獻2及3等記載的磁能再生開關等進行了銳意研究， 結果發現下面的事項。即，使磁能再生開關3的各個自消弧元件與交流電源1的相位同步地在交流電源1的電源波形的1個周期中進行1次導通/截止(切換)，來控制交流電源1 的相位和磁能再生開關3的各個自消弧元件的切換的定時之間的相位差(切換相位)。由此，能夠控制供給至感應電動機2的電壓的大小和電流的相位。在此，電壓檢測裝置7是為了控制該切換相位而被使用的。在此，如上所述，將構成將各相(R相、S相、或T相)的電力施加給感應電動機2的磁能再生開關3的4個自消弧元件的名稱如圖2所示那樣定義為U、V、X、Y。圖3是用於說明磁能再生開關的各個自消弧元件U、V、X、Y的控制方法(流程)的示意圖。具體而言，圖3是表示交流電源1的電源電壓的時間波形和各個自消弧元件(V、X或U、Y)的柵極信號的導通/截止(High/Low)的時間變化的曲線圖。各相的磁能再生開關3分別按照V和X的對、U和Y的對同時地導通或截止。各相的磁能再生開關分別在交流電源1的1個周期中進行1次導通和截止。如圖3所示，各相的磁能再生開關3的各個自消弧元件U、V、X、Y同步於與磁能再生開關3對應的「交流電源 1的相」的相電壓(R相電壓31、S相電壓32、T相電壓33)而被控制。在以各相電壓31 33從負轉為正的時刻為基準而超前了相位超前時間δ的時間(切換相位)的時刻(例如時刻Τ1、Τ2、Τ3)，將V及X導通，將U及Y截止。同樣地，在以各相電壓31 33從正轉為負的時刻為基準而超前了相位超前時間S的時間的時刻，將U及Y導通，將V及X截止。另外，在圖3中，線間電壓34表示R相與S相的線間電壓。圖4是表示磁能再生開關3所產生的電壓的相位、與負載端子電壓及功率因數之間的關係的曲線圖。在此，「負載端子電壓」是指各個磁能再生開關3的輸出端子(負載側端子)側的電壓。此外，「功率因數」是關於交流電源1的電壓和從交流電源1流出的電流的功率因數。圖4所示的曲線圖示出了在對由滯後功率因數0.8的電阻和線圈構成的理想負載施加了通過磁能再生開關3控制了相位的交流電壓時的、理論上的負載端子電壓(曲線41)和功率因數(曲線42)。在此，「磁能再生開關3所產生的電壓的相位」是指交流電源1的電壓與磁能再生開關3所產生的交流電壓之間的相位差。在此設定為，磁能再生開關3所產生的電壓是超前時相位為正。如圖4所示，通過控制各個自消弧元件U、V、X、Y的切換的定時、即控制相位超前時間S，能夠控制磁能再生開關3所產生的電壓的相位。根據圖4，在磁能再生開關3所產生的電壓的相位為90度時，功率因數成為1。而且，作為用於控制負載端子電壓的運行區域，存在2個運行區域。其中的1個是功率因數成為滯後的區域，另1個是功率因數成為超前的區域。如上所述可知，若改變各個自消弧元件U、V、X、Y的切換的定時、即改變相位超前時間S，則能夠控制功率因數，由此，能夠控制負載端子電壓。根據感應電動機2的特性，磁能再生開關3作為串聯電容器動作，從而由該串聯電容器和感應電動機2的電感構成LC電路。這樣，由於感應電動機2的自勵磁現象而使感應電動機2的端子電壓和電流振動，從而感應電動機2的動作有時變得不穩定。因此，在本實施方式中，通過連接在磁能再生開關3和感應電動機2之間的電壓檢測裝置9來測定施加到感應電動機2的電壓並向柵極控制裝置6反饋。然後，通過柵極控制裝置6對切換相位量(相位超前時間S)進行反饋控制，從而避免該不穩定現象。(1-3.詳細結構)圖5是進一步詳細表示圖1所示的感應電動機控制裝置10的柵極控制裝置6的一例的圖。即，圖5是為了控制感應電動機2的端子電壓而使用的柵極控制裝置6的內部的控制模塊的結構的一例的圖。柵極控制裝置6內的端子間電壓運算部21，首先根據由電壓檢測裝置9連續或逐次測定的感應電動機2的三相各自的端子電壓的瞬態值，來求出線間電壓的值(Vrs、Vst、Vtr)。然後，端子間電壓運算部21通過對線間電壓的值(Vrs、Vst、 Vtr)進行三相/ 二相轉換從而求出二相的瞬態電壓值(Va、νβ )。接著，端子間電壓運算部21計算二相的瞬態電壓值(να、νβ)的平方和的平方根，從而求出瞬態的電壓有效值。 該瞬態的電壓有效值中包含有感應電動機2的端子電壓中包含的「因比電源頻率高的頻率成分即高次諧波成分產生的信號」。因此，端子間電壓運算部21可以將該信號通過低通濾波器(LPF)除去，從而計算端子電壓測定值Vrms。但是，並不是一定要使用低通濾波器(LPF)。另一方面，由電壓檢測裝置7測定的三相交流電源1的電源電壓波形被輸入到柵極控制裝置6內的無功功率控制部22。此外，由電流檢測裝置8測定的三相交流電源1的電源電流波形也被輸入到無功功率控制部22。無功功率控制部22基於這些電源電壓波形和電源電流波形，求出從電源被供給的無功功率(以下根據需要簡稱為無功功率)的當前值。然後，無功功率控制部22從預先設定的無功功率的指令值中減去無功功率的當前值而得到減法值，將該減法值換算成電壓值。然後，無功功率控制部22將該電壓值作為感應電動機2的端子電壓的指令值以下稱為端子電壓指令值)輸出。另外，如本實施方式這樣，多數情況下只能觀測三相電源配線的線間電壓。這時， 如圖3所示，需要假定相對於線間電壓(例如RS線間電壓34)滯後了與30度相當的時間的相電壓來控制自消弧元件U、V、X、Y的柵極。在此，例如，無功功率控制部22將三相的交流電源電壓的周期視為固定，檢測各相的電壓的零點，用計時器對從該零點起的時間進行計時，從而能夠求出相對於線間電壓滯後了與30度相當的時間的相電壓。此外，用電壓檢測裝置7連續地檢測三相交流電源電壓的瞬態電壓，通過PLUphase lock loop:鎖相環) 生成與該瞬態電壓的波形同步的信號。然後，用移相器將該信號的相位移動與30度相當的時間，通過該方法，也能夠更有效地得到相對於線間電壓滯後了與30度相當的時間的相電壓。這樣，無功功率控制部22基於三相交流電源1的電源電壓波形和電源電流波形，運算用於驅動作為感應電動機2的基準信號即端子電壓指令值r,並將其輸出。在柵極控制裝置6中，通過上述端子間電壓運算部21進行用於使根據線間電壓的測定值運算出的端子電壓測定值Vrms (瞬態的電壓有效值)與從無功功率控制部22輸出的端子電壓指令值壙相一致的運算。為此，首先，減法器沈計算端子電壓測定值Vrms與端子電壓指令值V*之間的偏差值。然後，PI控制部23通過進行基於該偏差值的比例積分控制，對相位超前時間δ進行反饋控制。在本實施方式中，通過該反饋控制來控制施加到感應電動機2的端子電壓。此外，通過該反饋控制，即使感應電動機2的電路常數因該感應電動機2的負載狀態而變化，也能夠將該感應電動機2的端子電壓控制為由無功功率控制部22指令的端子電壓指令值V*。此外，通過適當地選定該反饋控制的反饋增益，能夠避免如前所述的因感應電動機2的自勵磁現象引起的不穩定現象。另外，圖5所示的柵極控制裝置6具備電壓限制器(Iimiter) 24，作為來自電壓上述PI控制部23的輸出信號過大時的對策。即，電壓限制器M在從PI控制部23輸出的表示相位超前時間S的信號過大時，將該信號限制為規定的值。如果這樣設置電壓限制器對，則能夠防止來自PI控制部23的過大的信號從柵極控制裝置6輸出，因此是優選的。但是，不是必須設置電壓限制器24。相位控制器25基於由電壓檢測裝置7測定的三相交流電源1的電源電壓的相位， 生成表示以該電源電壓的規定的定時(在此為零點)為基準的相位超前時間S的信號，作為對磁能再生開關3的柵極信號G。然後，相位控制器25將生成的柵極信號G向磁能再生開關3輸出。在圖5中示出了為了通過比例積分控制法對相位超前時間δ進行反饋控制，而具有PI (比例積分)控制部23作為控制部的一例的情況。但是，在通過比例控制法對相位超前時間δ進行反饋控制的情況下，當然也可以取代該PI控制部23而使用Ρ(比例)控制部。進而，在通過比例積分微分控制法對相位超前時間δ進行反饋控制的情況下，可以取代該PI控制部23而使用PID控制部。但是，即使進行微分動作，反饋控制的速度也不太會上升，而且微分動作會成為反饋控制中的不穩定因素，所以優選使用比例控制法或比例積分控制法。如以上所述，柵極控制裝置6如用圖3所說明的那樣，生成與電源電壓同步且超前了相位超前時間δ的相位的柵極信號G，並將該柵極信號G賦予給磁能再生開關3 (3-1 3-2)。由此，如圖3所示，在相對於電源電壓的零點超前了相位超前時間δ的時刻，自消弧元件U禾Π Y、V禾Π X的柵極導通/截止(U和Y導通時V和X截止、V和X導通時U禾Π Y截止)。<2.由第一實施方式所涉及的感應電動機控制裝置進行的感應電動機的控制例等
>圖6是表示感應電動機2的端子電壓、與從感應電動機2的端子流入的電流(曲線61)、消耗有功功率(曲線63)、產生無功功率(曲線62)之間的關係的一例的圖。圖6 示出了通過本實施方式的感應電動機驅動裝置10對自消弧元件U和Y、V和X的柵極的切換相位(相位超前時間S )進行控制，從而控制額定規格為400V、5. 5kff的感應電動機2的端子電壓時的測定結果。另外，這時的負載的功率因數是0.7(滯後)。此外，感應電動機2 的端子電壓的控制是在磁能再生開關3的功率因數成為超前的運行區域中進行的。如圖4 所示，通過對相位超前時間δ進行控制，能夠控制感應電動機2的端子電壓。而且，如圖6 所示，感應電動機控制裝置10對交流電源1產生無功功率。而且，通過感應電動機2的端子電壓的控制，能夠控制無功功率的產生量。因此可知，通過控制相位超前時間、能夠控制無功功率的產生量。基於以上的實驗結果(圖4、圖6)，柵極控制裝置6根據由電流檢測裝置8和電壓檢測裝置7分別測定的交流電源1側的電流測定值和交流電源1側的電壓測定值，運算無功功率的當前值。然後，柵極控制裝置6控制感應電動機2的端子電壓(相位超前時間δ) 以使運算出的無功功率的當前值成為期望的值，由此來控制無功功率的產生量。即，如前所述，在本實施方式中，如圖5所示那樣構成柵極控制裝置6。而且，將電流檢測裝置8及電壓檢測裝置7的測定值輸入到無功功率控制部22，無功功率控制部22來運算感應電動機控制裝置10對交流電源1產生的無功功率的測定值(即當前值)。然後， 無功功率控制部22控制端子電壓指令值V*，以使無功功率的當前值與從外部輸入的無功功率的指令值一致。在圖4中，例如，使柵極信號G的相位從約130度逐漸向180度變化，使感應電動機控制裝置10在功率因數成為超前的區域中運行。這種情況下，如圖6所示，所產生的無功功率具有如下的特性，即，所產生的無功功率在感應電動機2的端子電壓為某一值時成為下限，無論使端子電壓比該某個值上升還是下降，所產生的無功功率都增加(參照曲線62)。另外，在無功功率控制部22中也可以設置輸入輸出部(未圖示)，輸出無功功率的測定值，並輸入無功功率的指令值。圖7是表示用於控制成在功率因數成為超前的範圍內無功功率的測定值接近無功功率的指令值的無功功率控制部22的控制流程的一例的流程圖。另外，在此，以感應電動機2的端子電壓與無功功率之間的關係是以圖6所示的關係(無功功率在感應電動機2的端子電壓為某一值時成為下限，無論使端子電壓比該某一值上升還是下降，無功功率都增加的關係)為前提進行說明。在該控制流程中，首先無功功率控制部22將下降的方向設定為感應電動機2的端子電壓的搜索方向(電壓搜索方向)(步驟S101)。無功功率控制部22測定因按照電壓搜索方向使感應電動機2的當前的端子電壓上升或下降而引起的無功功率的產生的變化(步驟S102、S103 S105，或者是，步驟S102、SllO S112)。無功功率控制部22在無功功率的當前值(測定值)比預先設定的指令值小時，使感應電動機2的端子電壓減小(在步驟 S106處理後未進行步驟S108處理的步驟S102、S103 S109，或者是，在步驟Sl 15處理後的步驟 S102、S103 S109)。另一方面，無功功率控制部22在無功功率的當前值(測定值)比指令值大時，使感應電動機2的端子電壓增加(在步驟S108處理後的步驟S102、S110 S116，或者是，在步驟S113處理後未進行步驟S115處理的步驟S102、SllO S116)。這時，雖然由於感應電動機2的端子電壓的下降而電流增加，但是無功功率控制部22能夠在該電流不成為過大的範圍內使無功功率增加(步驟S107、S109及步驟Sl 14、Sl 16)。在本實施方式中，在無功功率控制部22中預先設定有無功功率的指令值。但是， 也可以是在無功功率控制部22中不預先設定無功功率的指令值，而是無功功率控制部22 使柵極信號G的相位變化來搜索最小值。此外，無功功率控制部22能夠使無功功率成為最小的端子電壓，或使無功功率減少至端子電壓所容許的上限電壓。此外，無功功率的控制範圍是由感應電動機2的常數或負載狀態等決定的。因此， 在無功功率的指令值脫離了該控制範圍的情況下，無功功率的當前值成為該控制範圍的上限或下限值，與指令不一致。此外，在圖7中，在步驟SlOl中，無功功率控制部22首先將感應電動機2的端子電壓的搜索方向設定為下降，來進行步驟S102以後的處理。但是當然也可以是，在步驟SlOl 中，無功功率控制部22首先將感應電動機2的端子電壓的搜索方向設定為上升來進行步驟 S102以後的處理。此外，即使是單相的感應電動機，也能夠應用本實施方式的感應電動機控制裝置。 這種情況下，磁能再生開關為1個即可。此外，端子間電壓運算部21省略三相/ 二相轉換， 根據電壓檢測裝置8的測定值求出單相電壓的有效值。另外，在本實施方式中，例如，通過使用電壓檢測裝置9來實現第一電壓檢測單元的一例。此外，例如，通過使用電壓檢測裝置7來實現第二電壓檢測單元的一例，通過使用電流檢測裝置8來實現電流檢測單元的一例。此外，例如，通過使用柵極控制裝置6來實現柵極控制單元的一例。此外，例如，通過使用PI控制部23來實現控制部的一例，通過使用相位控制器25來實現相位控制部的一例。<3.第二實施方式的感應電動機組控制系統〉圖8是表示本發明的第二實施方式的感應電動機組控制系統的結構例的圖。感應電動機組控制系統利用第一實施方式的感應電動機控制裝置10。感應電動機組控制系統 100構成為包含有多個感應電動機控制裝置10 (10-1、10-2、…)、組控制裝置11、功率因數 /電壓計測裝置12。多個感應電動機控制裝置10 (10-1、10-2、…)與交流電源1連接，相對於多個感應電動機W2-l、2-2、…)的每1個進行配置，單獨控制多個感應電動機20-1、2-2、…)
的每一個。組控制裝置11對各感應電動機控制裝置10 (10-1、10-2、…)指令無功功率的產生量。功率因數/電壓計測裝置12在與向多個感應電動機2的分支配線連接的基幹配線中測定交流電源1的功率因數和電壓。在交流電源1上也可以連接未使用感應電動機控制裝置10的1臺或多臺感應電動機13-1、13-2、…、以及1個或多個除感應電動機以外的負載14-1、14-2、…中的至少任何一方。但是，這些感應電動機13-1、13-2、…、負載14-1、14-2、…也可以不連接於交流電源1。另外，作為負載14-1、14-2、…可以舉出照明裝置或電磁閥等。通常感應電動機2是滯後功率因數的負載。另一方面，在被第一實施方式的感應電動機控制裝置10驅動的情況下，感應電動機2若從交流電源1側來看則能夠成為超前功率因數的負載。但是，即使是使用第一實施方式的感應電動機控制裝置10的情況下，通過該控制也能夠在滯後功率因數的範圍內控制感應電動機2。在圖8的結構例中，通過功率因數/電壓計測裝置12計測從交流電源取得的電流的功率因數，計測無功功率的當前值。然後，組控制裝置11基於由功率因數/電壓計測裝置12計測的無功功率的當前值，對各感應電動機控制裝置10-1、10-2、…指令應產生的無功功率(輸出無功功率的指令值)。由此，能夠控制感應電動機2-1、2-2、…，以使從交流電源1供給的電流整體的功率因數成為最大。這時，根據使用了感應電動機控制裝置10的感應電動機2的臺數、未使用感應電動機控制裝置10的感應電動機13的臺數、以及除了感應電動機以外的負載14的狀沉，一部分感應電動機控制裝置10控制感應電動機2以使其成為滯後功率因數。作為一例，感應電動機控制裝置10-1、10_2、…的柵極控制裝置6如圖5所示那樣構成。而且，通過圖7所示的控制方法，使各個感應電動機控制裝置10-1、10-2、…所產生的無功功率的控制成為可能。並且，通過功率因數/電壓計測裝置12，計測從交流電源1 取得的電流的功率因數，計測無功功率的當前值。此外，通過組控制裝置11，控制感應電動機控制裝置10-1、10-2、…各自產生的無功功率。(3-1.第一控制方法)圖9是詳細地示出本實施方式的第一例的組控制裝置Ila的結構的一例的圖。組控制裝置Ila如圖9所示那樣生成無功功率的指令值，由此能夠控制多臺感應電動機控制裝置10-1、10-2、…所產生的無功功率的合計。在圖9所示的控制方法中，進行使從功率因數/電壓計測裝置12得到的整體的無功功率的當前值Q(在此設滯後功率因數的情況下的無功功率為負)接近0的控制。組控制裝置Ila通過減法器91求出所需要的無功功率AQ( = 0-Q)。然後，組控制裝置Ila與被感應電動機控制裝置10-1、10-2、…驅動的感應電動機2-1、2-2、…的容量相對應地將求出的無功功率AQ按比例分配。在圖9中，設按比例分配給感應電動機控制裝置10-1、 10-2、…的無功功率分別為AQU AQ2、…。然後，加法器92-1、92_2···在從各個感應電動機控制裝置10_1、10_2…得到的無功功率的當前值Q1、Q2、…上加上無功功率AQ1、AQ2、…。由此，得到賦予給各個感應電動機控制裝置10-1、10-2、…的無功功率指令值Qr、Q2\ ...、。組控制裝置Ila將無功功率指令值Q1*、Q2*、…賦予給感應電動機控制裝置10-1、10-2、…。(3-2.第二控制方法)圖10是詳細說明本實施方式的第二例的組控制裝置lib的結構的一例的圖。組控制裝置lib如圖10所示那樣生成無功功率的指令值，由此能夠將交流電源1 的電壓控制為一定。特別是，在與交流電源1直接連接的感應電動機2啟動時，在感應電動機2中流過較大的啟動電流。因此，由於交流電源1的電源阻抗而使交流電源1的電壓降低。因此，在圖10所示的控制方法中，控制無功功率的產生，以補償由與交流電源1直接連接的感應電動機等負載引起的交流電源1的電壓的降低。在圖10的結構例中，通過功率因數/電壓計測裝置12計測交流電源1的電壓和無功功率的當前值。然後，組控制裝置lib基於由功率因數/電壓計測裝置12計測的交流電源1的電壓和無功功率的當前值，對各個感應電動機控制裝置10-1、10-2、…指令應產生的無功功率(輸出無功功率的指令值)。由此，能夠進行反饋控制以使交流電源1的電壓為一定。作為一例，將組控制裝置lib如圖10所示那樣構成。而且，從功率因數/電壓計測裝置12將無功功率的當前值和交流電源1的電源電壓V都賦予給組控制裝置lib。組控制裝置lib的減法器101從交流電源1的額定電壓中減去交流電源1的電源電壓V。P 控制部102對從交流電源1的額定電壓中減去交流電源1的電源電壓V後的電壓進行比例控制，從而求出無功功率的指令值。減法器103從無功功率的指令值中減去由功率因數/ 電壓計測裝置12得到的整體的無功功率的當前值Q (設滯後功率因數的情況下的無功功率為負)，從而求出所需要的無功功率八Q0然後，組控制裝置lib與被感應電動機控制裝置 10-1,10-2,…驅動的感應電動機2-1、2-2、· · 的容量相對應地按比例分配該無功功率 AQ0在圖10中，設按比例分配給感應電動機控制裝置10-1、10-2、…的無功功率分別為 AQU AQ2、…。然後，加法器92-1、92_2、…在從各個感應電動機控制裝置10_1、10_2、…得到的無功功率的當前值Q1、Q2…上加上無功功率AQ1、AQ2、···。由此，得到對各個感應電動機控制裝置10-1、10-2…賦予的無功功率指令值Qf、Q2\…。組控制裝置lib將無功功率指令值Qf、Q2\…賦予給感應電動機控制裝置10-1、10-2、…。這樣，在交流電源1的電源電壓V降低時，在無功功率Q增加的方向上進行控制，由此，即使是感應電動機2啟動時那樣的負載暫時變大的情況下，也能夠期待對電源電壓V的降低進行補償的效果。另外，在組控制裝置11可以設置輸入部，用於設定所述功率因數或額定電壓；以及輸出部，用於顯示控制結果。此外，在本實施方式中，例如，通過使用功率因數/電壓計測裝置12來實現計測裝置和電壓計測裝置的一例。但是，在第二控制方法中，也可以通過單獨的裝置來對交流電源1的電壓和無功功率的當前值進行計測。以上參照附圖詳細說明了本發明的優選實施方式，但是本發明顯然不限定於該例。作為本領域技術人員，在權利要求記載的技術思想的範圍內，當然可以想到各種變形例或修改例，這些也當然屬於本發明的技術範圍。另外，在上述的第一、二實施方式中，例如能夠使用PLC(Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器)或序列發生器，來構成端子間電壓運算部21、無功功率控制部22、組控制裝置11。這種情況下，也可以是，製作控制用程序並由PLC或序列生成器基於這些程序執行數位訊號處理，從而實現端子間電壓運算部21、無功功率控制部22、組控制裝置11的功能。此外，也可以使用DSP(Digital Signal Processor 數位訊號處理器) 來構成無功功率控制部22、組控制裝置11。除此之外，也可以使用硬體(運算電路)來構成無功功率控制部22、組控制裝置11。另外，在本說明書中，在流程圖中記述的步驟不僅包含按照記載的順序時序地進行的處理，也包含不進行時序地處理、而是並行或單獨地執行的處理。此外，當然時序地處理的步驟當然也可以根據情況不同而變更為合適的順序。工業實用性根據本發明，能夠將在需求用戶設備中較多設置的感應電動機用作無功功率補償裝置。因此，能夠對與配電系統的末端連接的大量的感應電動機進行控制從而實現配電系統的末端附近的功率因數改善和電源電壓的穩定化。
權利要求
1.一種感應電動機控制裝置，用於控制基於從三相交流電源供給的電力進行動作的感應電動機，其特徵在於，具備3個磁能再生開關，每個磁能再生開關在各自的相中串聯連接在所述交流電源和所述感應電動機之間，分別具有4個自消弧元件；第一電壓檢測單元，配設在所述磁能再生開關和所述感應電動機之間，測定對該感應電動機施加的各相的端子電壓；第二電壓檢測單元，配設在所述交流電源和所述磁能再生開關之間，測定該交流電源的電壓；電流檢測單元，測定對所述感應電動機供給的電流；以及柵極控制單元，生成柵極信號，該柵極信號用於控制所述各相的磁能再生開關中分別包含的各個自消弧元件的導通/截止；所述柵極控制單元根據從所述第一電壓檢測單元輸入的端子電壓的測定值、從所述電流檢測單元輸入的電流的測定值和從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值，設定上述柵極信號的切換相位以控制無功功率的產生量，從而控制對所述感應電動機施加的電壓。
2.如權利要求1所述的感應電動機控制裝置，其特徵在於， 所述柵極控制單元具備端子間電壓運算部，根據從所述第一電壓檢測單元輸入的端子電壓的測定值，連續地運算作為瞬態電壓有效值的端子電壓測定值；無功功率控制部，基於從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值和從所述電流檢測單元輸入的電流的測定值，計算所述無功功率的測定值，以使該無功功率的測定值成為指令值的方式輸出所述端子電壓的指令值；控制部，基於由所述端子間電壓運算部運算出的端子電壓測定值與從所述無功功率控制部輸出的端子電壓的指令值之間的偏差，進行比例控制或比例積分控制，生成所述柵極信號的切換相位量；以及相位控制部，生成以從所述第二電壓檢測單元輸入的交流電源的電壓的測定值為基準而移位了由所述控制部生成的切換相位量的量的柵極信號，將該柵極信號分別輸出給所述各相的磁能再生開關。
3.—種感應電動機組控制系統，使用多臺權利要求1或2所述的感應電動機控制裝置， 來控制基於從一個三相交流電源供給的電力進行動作的多個感應電動機，其特徵在於，具備多個所述感應電動機控制裝置，分別控制所述多個感應電動機； 計測裝置，測定基於合成電流的無功功率，所述合成電流是在所述交流電源所連接的所述多個感應電動機控制裝置和其他負載中流動的電流的合成電流；以及組控制裝置，根據由所述計測裝置測定出的無功功率，以使該無功功率成為規定值的方式生成針對所述多個感應電動機控制裝置各自的無功功率的指令值，並將該無功功率的指令值分別輸出給所述多個感應電動機控制裝置，由此，控制所述多個感應電動機所產生的無功功率量；所述感應電動機組控制系統對具有多個負載的系統整體的功率因數進行控制，所述負載包含被所述交流電源驅動的多個感應電動機。
4. 一種感應電動機組控制系統，使用多臺權利要求1或2所述的感應電動機控制裝置， 來控制基於從一個三相交流電源供給的電力進行動作的多個感應電動機，其特徵在於，具備多個所述感應電動機控制裝置，分別控制上述多個感應電動機； 計測裝置，測定基於合成電流的無功功率，該合成電流是在所述交流電源所連接的所述多個感應電動機控制裝置和其他負載中流動的電流的合成電流； 電壓計測裝置，測定所述交流電源的電壓；以及組控制裝置，根據由所述計測裝置測定出的無功功率和由所述電壓計測裝置測定出的電壓，以使該無功功率成為基於該電壓的無功功率的方式生成針對所述多個感應電動機控制裝置各自的無功功率的指令值，並將該無功功率的指令值分別輸出給所述多個感應電動機控制裝置，由此，控制所述多個感應電動機所產生的無功功率量，並且降低所述交流電源的電壓的變動。
全文摘要
感應電動機群控制系統中，在用商用電源直接驅動的感應電動機(2)上串聯連接磁能再生開關(3)，使用多臺能夠進行感應電動機(2)的電壓控制和無功功率控制的感應電動機控制裝置(10)，控制無功功率的發生，以使包含該感應電動機的多個交流負載整體的功率因數為最大，或補償交流電源(1)的電壓變動。
文檔編號H02P27/06GK102362426SQ20108001282
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月10日 優先權日2009年3月30日
發明者北原忠幸, 島田隆一, 成澤英夫, 磯部高範, 福谷和彥 申請人:國立大學法人東京工業大學, 新日本制鐵株式會社