高圧インバータの瞬時停電補償方法

本発明は、高圧インバータの瞬時停電補償方法に関し、より詳細には、直列連結H−ブリッジ(CHB)方式の大容量高圧インバータにおいて用いるための瞬時停電補償方法に関する。

一般に、インバータは、入力電源に停電が発生した場合、数ms内にパルス幅変調(Pulse Width Modulation;PWM)出力を遮断する。このとき、電動機のように負荷の慣性が大きい場合は、電源が復旧したとき、加速するのに長時間を要求する。このように、電源復旧に長時間がかかるようになると、産業現場で大きな損失につながることがある。従って、インバータが停止した場合、多大な被害が予想される所ではインバータの瞬間停電補償技術が適用される。

図1は、従来の瞬時停電補償方法を説明する一実施例のグラフである。

図1に示されたように、t1で入力電圧が第1臨界電圧以下に低くなると、出力周波数を所定値だけ減少させ、以後、復旧時点であるt2まで予め設定された減速傾きで出力周波数を減少させる。出力周波数をこのように減少させることによって、停電初期に停電区間を制御することのできる回生エネルギーが得られる。このような従来の瞬時停電補償方法では、負荷が有している機械的運動エネルギーを電気的エネルギーに変換して停電区間に対応することにより、従来のCHB方式の高圧インバータでは不可能な16ms以上の瞬時停電に対応することができる。

しかし、図1のような従来のインバータ瞬時停電補償技術によると、下記のような問題が存在する。

第一に、従来のインバータ瞬時停電補償技術によると、電源の復旧時点t2で電動機による回生エネルギー及び電源が同時に供給され、それにより、DCリンクの電圧が増加して過電圧トリップが発生する。

第二に、電動機の実際の速度は、電動機の容量または負荷の大きさによって線形的に変化しない。即ち、電動機の速度の非線形性によって滑り周波数が一定値以上に大きくなる場合は、出力電流が増加し、過電流トリップにつながることがある。

本発明は、入力電圧が第1臨界電圧以上である場合、インバータの出力周波数を増加させ、電動機の出力電流が臨界電流以上である場合、インバータの出力周波数を減少させるように制御することによって、電源の復旧時点で発生する過電圧トリップ及び滑り周波数が大きくなるにつれて発生する過電流トリップを防止して高圧インバータの信頼性を向上させ、従来に比べて増加した連続稼働時間を保障することのできる瞬時停電補償方法を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上において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及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施例によりさらに明らかに理解されるだろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせにより実現できることが容易に分かるだろう。

このような目的を達成するための本発明の瞬時停電補償方法は、複数の電力セルを含むインバータの瞬時停電補償方法において、前記複数の電力セルの入力電圧が第1臨界電圧以下であるか否かを判断するステップと、前記入力電圧が前記第1臨界電圧以下であるとき、前記インバータの出力周波数を減少させるステップと、前記複数の電力セルの直流(DC)リンクの電圧が第2臨界電圧以上であるか否かを判断するステップと、前記直流(DC)リンクの電圧が前記第2臨界電圧以上であるとき、前記インバータの出力周波数を増加させるステップと、を有することを特徴とする。

前述したような本発明によると、電源の復旧時点で発生する過電圧トリップ及び滑り周波数が大きくなるにつれて発生する過電流トリップを防止して高圧インバータの信頼性を向上させ、従来に比べて増加した連続稼働時間を保障することのできる長所がある。

従来の瞬時停電補償方法を説明する一実施例のグラフ。

本発明の実施例に係るCHB方式の高圧インバータの構成図。

本発明の実施例に係る電力セルの構成図。

本発明の実施例に係る制御部の構成図。

本発明の実施例に係る瞬時停電補償方法のフローチャート。

本発明の実施例に係る瞬時停電補償方法を説明するためのグラフ。

前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって、本発明の属する技術の分野における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だろう。本発明を説明するにあたって、本発明と係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要に濁す可能性があると判断される場合は、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を詳細に説明する。図面において同じ参照符号は、同一または類似した構成要素を示すものと用いられる。

本発明は、電源の復旧時点でインバータの出力周波数の減少による回生エネルギー及び復旧した入力電圧に起因する過電圧トリップと滑り周波数が大きくなるにつれて発生する過電流トリップを防止して高圧インバータの信頼性を向上させ、従来に比べて増加した連続稼働時間を保障することのできる瞬時停電補償方法を提供することを目的とする。

図2は、本発明の実施例に係るCHB方式の高圧インバータの構成図である。

図2を参照すると、本発明の実施例に係る高圧インバータは、CHB方式で具現することができ、位相置換変圧器10、電力セル20、制御部30及び電動機40を備えたものとできる。

位相置換変圧器10は、入力電源の位相を置換して複数の電力セル20に供給する機能を担う。位相置換変圧器10の一実施例として、三相Y結線の形態を有する一次側巻線(primary winding)と、一次側巻線と対比して所定の位相差を有する二次側巻線とで構成することができる。ここで、二次側巻線の構造は、複数の電力セル20の数によって決定することができる。以下では、位相置換変圧器10は、本発明の技術の分野において知られているとおりであり、詳細な説明は省略する。

制御部30は、複数の電力セル20とネットワークを介してそれぞれ連結され、好ましくは、ネットワークは計測制御ネットワーク(Controller Area Network;CAN)で構成することができる。ただし、これに限定されるものではなく、本発明の技術の分野において知られているネットワークを適用できることは、当業者にとって明らかであるだろう。また、制御部30は、電力セル20との通信を通じて電力セル20を制御し、瞬時停電補償を行う。これに関して、以後、図面を参照して詳細に説明する。

電力セル20は単相インバータであって、直列に連結されて電動機40に供給する一つの相電圧を構成する。即ち、電力セル20全体は、高圧出力が得られる三相インバータとして動作可能である。以下においては、単相インバータである電力セル20が18個で構成された実施例に基づいて説明する。しかし、電力セル20の構成がこれに限定されるものではないことは、当業者にとって自明であり、電力セル20の数が多いほど電動機40に大きな電力を供給することができる。

また、電力セル20は、制御部30とネットワークを介して通信し、制御部30の制御によって瞬時電力の補償を行うことができる。このために、電力セル20の内部に制御部30と通信する電力セル制御部24を設けることができる。

図3は、本発明の実施例に係る電力セルの構成図である。例えば、図2に示された複数の電力セルのそれぞれは、図3のように構成することができる。また、複数の電力セル20のそれぞれは、相互同一に構成することができる。

図3を参照すると、本発明の実施例に係る電力セル20は、整流部21、DCリンク部22、インバータ部23及び電力セル制御部24を備えたものとできる。

整流部21は、三相の交流である入力電圧を直流に変換する機能を担う。また、DCリンク部22は、整流部21によって直流に変換された電圧を貯蔵する機能を担う。ここで、DCリンク部22は、整流された波形を平滑キャパシタにより安定した直流に変換することができる。即ち、以下では、入力電圧は、整流部21を通じてDCリンク部22に供給される電圧を意味し、直流(DC)リンクの電圧は、DCリンク部22に貯蔵された電圧を意味する。

インバータ部23は、整流された直流をスイッチングして交流を生成する機能を担う。インバータ部23は、電力セル制御部24の出力周波数によってトランジスタをスイッチングして交流を生成し、これにより電動機40を駆動することができる。ここで、トランジスタは、絶縁ゲート両極性トランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)であってよい。

整流部21、DCリンク部22及びインバータ部23のそれぞれの動作は、既に当業者に知られているとおりであるので、その詳細な説明は省略する。

電力セル制御部24は、DCリンク部22の電圧情報を制御部30に伝送し、制御部30の制御によるインバータ部23の出力周波数を伝達する機能を担う。即ち、制御部30のスイッチング制御によってインバータ部23の出力周波数及び電圧を調整することができる。このように、電力セル制御部24は、制御部30の制御信号によって電力セルを制御する機能を担う。

前述したような構成によると、本発明の瞬時停電補償方法は、下記のような過程で行われる。

先ず、電力セル制御部24は、電力セル20に入力される入力電圧をモニタリングし、予め定められた第1臨界電圧以下の入力電圧が電力セル20に入力されると、瞬時停電が発生したと判断可能となっている。また、電力セル制御部24は、電圧情報を制御部30に報知することができる。ここで、瞬時停電は、電力供給が中断することによる一般的な停電と瞬間的な電圧降下とを全て含んだものである。

従来の高圧インバータによると、第1臨界電圧以下の入力電圧が電力セル20に入力されると、インバータの動作が停止する。これは、一般的に、負荷である電動機40の容量が電力セル20のDCリンク部22のキャパシタ容量に比べて大きいため、制御ループが行われる前に低電圧トリップが発生するからである。

本発明の瞬時停電補償方法によると、低電圧トリップを防止するために、第1臨界電圧以下の電圧が入力されて瞬時停電が発生すると、これと同時にインバータ部23の出力周波数を減少させる。このように、出力周波数を減少させることによって、停電初期に停電区間を制御するための回生エネルギーを得ることができる。ここで、出力周波数は、電動機40の実際の速度より小さく減少させることが好ましい。

次いで、負荷または電動機40に合う所定の減速傾きを有するようにインバータ部23の出力周波数を減少させる。電動機40の速度は、インバータ部23で出力する出力周波数に比べて滑り周波数(slip frequency)だけ小さくてよい。

電力セル制御部24は、回生エネルギーによる電圧の上昇と対比してDCリンク部22の電圧情報をモニタリングして制御部30に伝送することができる。それによって、DCリンク部22の電圧が上昇する場合、出力周波数を電圧の上昇分だけ増加させて回生エネルギーを消費することができる。これにより、DCリンク部22の電圧上昇による過電圧トリップを防止することができる。

その後、停電区間から外れて入力電圧が上昇して復旧すると、制御部30は、復旧した時点の出力周波数を維持することができる。これは、出力周波数を上昇させると、電動機40の慣性が大きいため、復旧の際、滑りが過度に拡がり過電流トリップが発生することを防止するためである。

本発明の制御部30は、復旧モードでインバータの出力電流が臨界電流を超えないように、所定時間の間、復旧時の出力周波数を維持させることができる。ここで、出力周波数を維持させる時間は、電動機40の負荷量によって予め決定することができる。

最後に、制御部30は、電動機40が瞬時停電前の速度に復帰するように、予め設定された加速傾きで出力周波数を増加させる。ここで、加速傾きは、ユーザの設定によって予め定められるか、または負荷量を考慮して定めることができる。それによって、電動機40の速度は、出力周波数が増加するにつれて増加し、瞬時停電前の速度に復帰できる。

一方、電動機40の実際の速度は、電動機の容量または負荷の大きさによって線形的に変化しない。即ち、電動機40の速度の非線形性によって滑り周波数が一定値以上に大きくなる場合は、出力電流が増加し、過電流トリップにつながり得る。

また、前述したインバータ瞬時停電補償方法によると、復旧時点で電動機40による回生エネルギー及び電源が同時にDCリンク部22に供給され、それによって、DCリンク部22の電圧が増加し、過電圧トリップが発生し得る。

図4は、本発明の実施例に係る制御部30の構成図である。図4を参照すると、制御部30は、過電圧抑制制御部31及び過電流抑制制御部32を備えたものとできる。

過電圧抑制制御部31は、DCリンク部22の電圧をモニタリングし、DCリンク部22の入力電圧が第1臨界電圧以上であるとき、出力周波数を所定値だけ増加させる機能を担う。このために、過電圧抑制制御部31は、インバータ部23と連結可能となっている。好ましくは、過電圧抑制制御部31は、複数の電力セルの入力電圧が復旧した時点で、回生エネルギーと復旧した入力電圧に起因するDCリンク部22の電圧上昇をモニタリングすることができる。また、過電圧抑制制御部31は、電圧上昇分だけ出力周波数を増加させることができる。具体的に、過電圧抑制制御部31は、複数の電力セルのDCリンク部22の入力電圧が第2臨界電圧以上であるか否かを判断し、入力電圧が第2臨界電圧以上であるとき、インバータの出力周波数を増加させることができる。

過電流抑制制御部32は、出力電流をモニタリングし、出力電流が臨界電流以上である場合、インバータ部23の出力周波数を所定値だけ減少させる機能を担う。好ましくは、過電流抑制制御部32は、DCリンク部22の電圧上昇による出力電流をモニタリングし、複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させることができる。

図5は、本発明の実施例に係る瞬時停電補償方法のフローチャートである。前述したように、図5の瞬時停電補償方法は、制御部30の制御によって行うことができる。

図5を参照すると、先ず、電力セル制御部24は、電力セル20に入力される入力電圧をモニタリングする。予め定められた第1臨界電圧以下の入力電圧が電力セル20に入力されると(S41)、電力セル制御部24は、停電が発生したと判断し、これを制御部30に報知可能になっている。

制御部30は、電動機40の容量が電力セル20のDCリンク部22のキャパシタの容量に比べて大きいことによって発生する低電圧トリップを防止するために、瞬時停電が発生すると、インバータ部23の出力周波数を一定大きさだけ減少させる(S42)。出力周波数がこのように減少することによって、停電初期に停電区間を制御できる回生エネルギーを得ることができる。

その後、制御部30は、予め定められた減速傾きを有するようにインバータ部23の出力周波数を減少させる(S43)。一方、電動機40の実際の速度は、電動機40の容量または負荷の大きさによって線形的に変化しない。即ち、電動機40の速度の非線形性によって滑り周波数が一定値以上に大きくなる場合は、出力電流が増加し、過電流トリップにつながり得る。このために、過電流抑制制御部32は、出力電流が臨界電流以上に増加して過電流トリップが発生すると(S44)、出力周波数を所定値だけ減少させる(S45)。

その後、停電区間から外れて電源が復旧すると(S46)、過電圧抑制制御部31は、DCリンク部22の電圧をモニタリングして過電圧トリップが発生したか否かを判断する(S47)。即ち、入力電圧が復旧した時点で、回生エネルギーと復旧した入力電圧に起因するDCリンク部22の電圧上昇をモニタリングする。また、過電圧トリップが発生すると、電圧上昇分だけ出力周波数を増加させる(S48)。

DCリンク部22の電圧をモニタリングした結果、過電圧トリップが発生しない場合、回生エネルギーが消耗されたか否かを判断する(S49)。回生エネルギーが全て消耗されると、DCリンク部22の電圧は、瞬時停電発生以前の電圧レベルに維持される。

その後、制御部30は、回生エネルギーが全て消耗されて回生エネルギーに起因する電圧上昇分が除去されると、所定時間の間、復旧時の出力周波数を維持する(S50)。ここで、出力周波数を維持する所定の時間は、電動機40の負荷量を考慮して予め定めることができる。

最後に、制御部30は、電動機40が瞬時停電前の速度に復帰するように、予め設定された加速傾きで出力周波数を増加させる(S51)。それによって、電動機40の速度は、出力周波数が増加するにつれ、瞬時停電以前の出力周波数まで増加し、電動機40の速度が瞬時停電前の速度に復帰できる(S52)。

図6は、本発明の実施例に係る瞬時停電補償方法を説明するためのグラフである。図6を参照すると、停電発生時の出力周波数、電動機40の速度、入力電圧及び電動機40のエネルギーの一実施例が示される。

図6を参照すると、入力電圧が一定の値を維持しながらt1まで入力される。ここで、一般に、入力電圧は交流であるが、図6においては、その実効値で示す。図6において、インバータ部23の出力周波数と電動機40の実際の速度に該当する周波数との差を「滑り周波数」という。

t1で入力電圧が第1臨界電圧以下に低くなると、制御部30は、出力周波数を所定値だけ減少させ(A)、続いて、予め設定された減速傾きで出力周波数を減少させる。出力周波数は、入力電圧の復旧時点であるt2まで減少する。

過電圧抑制制御部31は、入力電圧が復旧した時点であるt2で、回生エネルギーと復旧した入力電圧に起因するDCリンク部22の電圧上昇をモニタリングし、電圧上昇分だけ出力周波数を増加させる(C)。より詳細には、入力電圧が復旧した時点であるt2で、回生エネルギーと復旧した入力電圧によってDCリンク部22の電圧が上昇する。DCリンク部22の電圧が上昇して過電圧レベルを超える場合、過電圧トリップが発生し得る。また、DCリンク部22の電圧上昇は、出力電流の瞬間的な上昇につながり、それによって、過電流トリップを発生させ得る。

本発明の制御部30は、過電圧抑制制御部31及び過電流抑制制御部32を通して入力電圧とDCリンク部22の電圧上昇をそれぞれモニタリングし、過電圧トリップと過電流トリップから保護することができる。

復旧した時点であるt2でDCリンク部22の電圧が上昇することを防止するためには、回生エネルギーを消費して正常レベルの電圧を維持させることが重要である。即ち、回生エネルギーを消費するために、過電圧抑制制御部31は、DCリンク部22の電圧をモニタリングし、出力周波数を増加させることができる。ここで、出力周波数は、予め設定された傾きで増加させることができる。また、これと同時に、過電流抑制制御部32は、出力電流をモニタリングし、過電流トリップが発生しないように出力周波数を調節する。

それによって、回生エネルギーが全て消費されると、DCリンク部22の電圧は正常レベルに維持され、回生エネルギーに起因する電圧上昇分が除去されると、出力周波数を所定時間だけ維持する。

最後に、制御部30は、所定の加速傾きで出力周波数を増加させ、瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させることができる。

本発明によると、電源の復旧時点で発生する過電圧トリップ及び滑り周波数が大きくなるにつれて発生する過電流トリップを防止して高圧インバータの信頼性を向上させ、従来に比べて増加した連続稼働時間を保障することができる。

前述した本発明は、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって、本発明の技術的思想を外れない範囲内で種々の置換、変形及び変更が可能であるので、前述した実施例及び添付の図面により限定されるものではない。 本発明は一側面において以下の発明を包含する。 (発明1) 複数の電力セルを含むインバータの瞬時停電補償方法であって、 前記複数の電力セルの入力電圧が第1臨界電圧以下であるか否かを判断するステップと、 前記入力電圧が前記第1臨界電圧以下であるとき、前記インバータの出力周波数を減少させるステップと、 前記直流(DC)リンクの電圧が第2臨界電圧以上であるか否かを判断するステップと、 前記直流(DC)リンクの電圧が前記第2臨界電圧以上であるとき、前記インバータの出力周波数を増加させるステップと、 を有する、瞬時停電補償方法。 (発明2) 前記インバータの出力電流が臨界電流以上であるとき、前記複数の電力セルの出力周波数を減少させるステップをさらに有する、発明1に記載の瞬時停電補償方法。 (発明3) 前記直流(DC)リンクの電圧が前記第2臨界電圧以上であるとき、前記インバータの出力周波数を増加させるステップは、 前記複数の電力セルの入力電圧が前記第2臨界電圧以上に復旧した時点で、前記複数の電力セルが負荷から供給を受ける回生エネルギー及び復旧した入力電圧に起因する前記直流(DC)リンクの電圧変化をモニタリングし、前記直流(DC)リンクの電圧上昇分だけ出力周波数を増加させるステップを有することを特徴とする、発明1に記載の瞬時停電補償方法。 (発明4) 前記複数の電力セルの入力電圧が前記第2臨界電圧以上に復旧した時点で、前記出力周波数の傾きは、負荷量によって予め決定されていることを特徴とする、発明3に記載の瞬時停電補償方法。 (発明5) 前記インバータの出力電流が臨界電流以上であるとき、前記複数の電力セルの出力周波数を減少させるステップは、 前記直流(DC)リンクの電圧上昇による出力電流をモニタリングし、前記複数の電力セルの出力周波数を所定値だけ減少させるステップを有することを特徴とする、発明2に記載の瞬時停電補償方法。 (発明6) 前記回生エネルギー及び前記復旧した入力電圧に起因する直流(DC)リンクの電圧上昇をモニタリングし、前記電圧上昇分だけ出力周波数を増加させるステップより後に、 前記回生エネルギーに起因する電圧上昇分が除去されてから、出力周波数を所定時間だけ維持するステップをさらに有する、発明3に記載の瞬時停電補償方法。 (発明7) 前記出力周波数を所定時間だけ維持するステップより後に、 所定の加速傾きで出力周波数を増加させるステップをさらに有する、発明6に記載の瞬時停電補償方法。 (発明8) 前記所定の加速傾きで出力周波数を増加させるステップは、 瞬時停電以前の出力周波数まで出力周波数を増加させるステップを含む、発明7に記載の瞬時停電補償方法。