JP2005328583A - 電動機制御装置および電動ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧が低下しても運転を継続させる。
【解決手段】 逆変換回路１２は、直流電源から入力される直流電圧を所定の周波数と電圧の交流電圧に変換し、モータ（Ｍ）２を駆動している。制御回路１５は、直流電圧検出回路１１から直流電圧値を取得し、直流電圧値が基準電圧値より低下した場合には、逆変換回路１２に設定された周波数値を低下させる。周波数が低下することにより、逆変換回路１２の出力電流は低下する。保護回路１４の監視する電流検出回路１３の検出する出力電流は保護レベルを超えないため、逆変換回路１２の遮断は行われない。このように、入力電圧が低下した場合でも、出力電流が抑制され、保護回路１４による保護動作を抑え、運転が継続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は電動機制御装置および電動ポンプ装置に関し、特に直流電源から入力される直流電圧を電圧と周波数の比が一定の交流電圧に変換出力して電動機を駆動する電動機制御装置および電動ポンプ装置に関する。

従来、たとえば、電動ポンプ装置（以下、ポンプ装置とする）には、ポンプを駆動する交流電動機を制御する電動機制御装置が組込まれている。電動機制御装置では、出力電圧Ｖと出力周波数ｆとの比（Ｖ／ｆ）が常に一定となるように、インバータ制御が行われている。このようにＶ／ｆを一定にし、モータ電流が一定になるように回転速度を制御することによって、モータトルクが一定に制御される。

このようなインバータ制御では、入力側の電圧の変動にかかわらず、所定の出力電圧が保持されるように制御が行われている。通常、電動機制御装置に、昇圧トランスなどを設置することは稀であり、配電系統ラインによって直接入力電圧が供給されている。このため、入力に定格電圧以上の電圧が入力されている場合には、電動機制御装置から定格出力の電圧を出力することが可能であるが、入力電圧の低下に従って電動機制御装置の出力電圧が低下することとなる。

そこで、入力側の電圧の低下に合わせて、インバータの出力電圧と周波数との比を可変として、ＰＷＭパルス信号のパルス数の減少を抑制する電動機制御装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような電動機制御装置では、入力側の電圧が低下しても、インバータの出力電圧に低次高調波成分が増大するのを抑制することができる。
特開平４−１５６２９６号公報（図１）

しかし、従来の電動機制御装置では、入力電圧が低下することにより、運転を継続することができなくなる場合が発生するという問題点があった。
上記のように、従来の電動機制御装置では、入力側の電圧が定格電圧以上であれば定格出力電圧が保持されるが、電源事情の悪化により入力側の電圧が低下した場合には、出力周波数ｆに対する制御は行われず、出力電圧Ｖが入力電圧に比例させて低下、もしくは入力電圧を上限として低下させるだけであった。このように、出力周波数ｆはそのままで電圧Ｖのみが低下するため、Ｖ／ｆ一定制御でありながら出力電圧Ｖが低下することにより、負荷トルクを一定にするため、電流が増大する。このため、最悪の場合、過電流保護回路による遮断が発生し、運転が停止するという問題点がある。

また、上記の入力側の電圧低下に合わせてＰＷＭパルス信号のパルス数の減少を抑制する電動機制御装置では、インバータの出力電圧に低次高調波成分が増大するのを防止するための制御を行うので、電流が増大するのを抑制することは難しい。

特に、ポンプ装置に適用される電動機制御装置では、たとえば、給水装置に適用される場合など、ポンプ装置がライフラインに用いられることが多く、電源に電圧低下が発生しても運転を継続させる必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電圧が低下しても運転を継続させることが可能な電動機制御装置および電動ポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、入力された直流電圧を予め設定された所定の周波数と電圧の交流電圧へ変換する逆変換回路と、直流電圧の電圧値を検出する直流電圧検出回路と、逆変換回路の出力電流を検出する電流検出回路と、検出された出力電流が過電流の場合に逆変換回路を遮断する保護回路と、直流電圧値に応じて周波数を設定する制御回路と、を具備する電動機制御装置が提供される。

逆変換回路は、入力される直流電圧から予め設定された所定の周波数と電圧の交流電圧を生成し、電動機へ出力する。このとき、周波数と電圧の比は一定に制御される。直流電圧検出回路は、逆変換回路に入力される直流電圧の電圧値を測定し、制御回路へ出力する。電流検出回路は、逆変換回路の出力電流を測定し、電流値を保護回路へ出力する。保護回路は、電流検出回路の検出した出力電流値を所定の保護レベル値と比較し、保護レベル値を超えていた場合、過電流が検出されたとして逆変換回路を遮断する。制御回路は、直流電圧値を入力し、基準電圧と比較し、直流電圧値が基準電圧より低下していないかどうかを判定する。基準電圧は、電動機が通常動作可能な直流電圧の第１の下限値と、電動機が運転可能な直流電圧の第２の下限値との間の所定の値に予め設定される。そして、直流電圧値が基準電圧より低下した場合、逆変換回路の周波数を低下させる。

このような電動機制御装置によれば、逆変換回路は、直流電源から入力される直流電圧を所定の周波数と電圧の交流電圧に変換し、電動機を駆動している。制御回路は、直流電圧検出回路から直流電圧値を取得し、直流電圧値の低下を監視している。そして、直流電圧値が基準電圧値より低下した場合には、逆変換回路に設定された周波数値を低下させる。周波数が低下することにより、逆変換回路の出力電流は低下する。保護回路の監視する電流検出回路の検出する出力電流は保護レベルを超えないため、逆変換回路の遮断は行われない。このように、入力電圧が低下した場合でも、出力電流が抑制され、保護回路による遮断が生じない。

また、本発明では、上記の電動機制御装置と同一の構成の電動機制御部と、前記電動機制御部によって出力される交流電圧を電源として動作する電動機と、前記電動機により駆動されるポンプと、を具備する電動ポンプ装置が提供される。

このような電動ポンプ装置によれば、通常状態では、電動機制御部の逆変換回路によって周波数と電圧の比が一定の交流電圧が供給される電動機によってポンプが駆動されている。電動機制御部へ入力する直流電圧が低下し、制御回路が、直流電圧検出回路の測定する直流電圧値が基準電圧値より低下したことを検出すると、逆変換回路に設定された周波数を低下させる。これにより、逆変換回路の出力電流は低下し、保護回路による遮断は発生しない。電動機には、低下はしているが、ポンプは運転の継続が可能な出力電流が供給される。これにより、入力電圧が低下した場合でも電動ポンプ装置の運転が継続される。

本発明の電動機制御装置は、入力電源の電圧が所定値以下に低下したら、入力電圧の低下に合わせて出力周波数を低下させるため、出力電流を抑制することができる。これにより、電源事情が悪化して電圧が低下した場合にも、過電流による保護回路の動作を抑え、運転を継続させることができるという利点がある。

特に、ライフラインに使用される電動ポンプ装置に関し、電圧が低下した場合、電圧低下に合わせて電流を抑制できるため、多少能力は落ちても運転を継続させることが可能となるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態の電動機制御装置が組み込まれたポンプ装置のブロック図である。

本発明の実施の形態のポンプ装置は、入力される直流電圧を検出する直流電圧検出回路１１、直流電圧を所定の交流電圧に変換する逆変換回路１２、逆変換回路の出力電流を検出する電流検出回路１３、保護動作を行う保護回路１４および装置全体を制御する制御回路１５を備えた電動機制御装置１と、電動機制御装置１の出力電流で駆動する電動機（図では、Ｍ）２と、およびポンプ（図ではＰ）３を具備する。以下、電動機はモータ（Ｍ）２と、ポンプはポンプ（Ｐ）３と表記する。

電動機制御装置１について説明する。
直流電圧検出回路１１は、直流電源から電動機制御装置１に入力される直流電圧の値を検出し、制御回路１５へ通知する。

逆変換回路１２は、制御回路１５にしたがって、直流電源から入力する直流電圧を、所定の周波数、電圧の交流電圧に変換し、保護回路１４を経由してモータ（Ｍ）２へ出力する。出力周波数と、出力電圧は、制御回路１５によって設定される。

電流検出回路１３は、逆変換回路１２の出力電流の値を検出し、保護回路１４へ通知する。
保護回路１４は、電流検出回路１３の検出した出力電流と、予め設定された保護レベルに相当する出力電流値とを比較し、検出された出力電流が保護レベルを超えていた場合、過電流からモータ（Ｍ）２を保護するため、逆変換回路１２の出力信号を遮断する。検出された出力電流が保護レベルを超えていない場合、逆変換回路１２の出力信号は、モータ（Ｍ）２へ出力される。

制御回路１５は、上記各部を制御する。入力される直流電圧が定格以上の通常状態では、出力電圧（Ｖ）と出力周波数（ｆ）の比が一定となるように、逆変換回路１２を制御する。これにより、直流電圧が変動した場合であっても、Ｖ／ｆ一定制御が行われ、モータ（Ｍ）２へ出力されるモータ電流が一定になる。

また、制御回路１５は、直流電圧検出回路１１が検出する直流電圧の変化を監視している。基準電圧値は、逆変換回路１２が、モータ（Ｍ）２が所望の回転数でモータ回転が可能な通常動作を行うことができる交流電圧に変換可能な直流電圧値の下限値（第１の下限値とする）より小さく、かつ、逆変換回路１２が、モータ（Ｍ）２の運転が継続するために最低限必要な交流電圧に変換可能な直流電圧値の下限値（第２の下限値とする）より大きい、任意の値が設定される。すなわち、基準電圧値は、逆変換回路１２が、モータ（Ｍ）２を通常動作させることができないが、性能は多少落ちても運転の継続は可能な交流電圧に変換可能な直流電圧範囲内にある。

そして、直流電圧値が基準電圧値より低下した場合には、逆変換回路１２の周波数を低下させる、たとえば、予め、周波数低下率を設定しておき、その周波数低下率を用いて周波数を減少させていく。なお、減少させる周波数の下限値は、モータ（Ｍ）２が運転可能な直流電圧の第２の下限値に基づき、第２の下限値を逆変換回路１２で逆変換した交流電圧を出力する際に、設定される周波数とする。このように、周波数を低下させることにより、逆変換回路１２の出力電流は低下する。周波数が固定のままで、出力電圧だけが低下すると、モータ（Ｍ）２の負荷トルクが同じであれば、出力電流が増大していき、最悪の場合、保護回路１４による逆変換回路１２の遮断が発生し、モータ（Ｍ）２に出力電流が供給されず、モータ（Ｍ）２は停止する。このため、電圧の低下に合わせて、周波数を低下させ、出力電流の増大を抑制する。これにより、保護回路１４は、働かず、モータ（Ｍ）２には、入力側の電圧に応じた出力電流が供給される。

さらに、直流電源が復帰し、直流電圧が上昇し、第１の下限値を超えた場合には、周波数を予め設定されていた元の値に戻し、通常の動作を再開させる。
モータ（Ｍ）２は、電動機制御装置１の出力電流に応じて駆動し、ポンプ（Ｐ）３を回転させる。このときの回転数は、電動機制御装置１の出力周波数に応じて決まる。

このような構成の電動機制御装置の動作について説明する。
直流電源が正常で、定格以上の直流電圧を保っている状態では、直流電圧検出回路１１によって検出される直流電圧値は第１の下限値を越えており、制御回路１５は、逆変換回路１５をＶ／ｆ一定制御する。この状態では、電流検出回路１３の検出する出力電流は、保護レベルを下回っており、保護回路１４は出力電流をそのままモータ（Ｍ）２へ出力する。電動機制御装置１は、出力電流が一定となるように制御を行っており、モータ（Ｍ）２の回転が制御され、ポンプ（Ｐ）３が運転される。

直流電源が悪化し、直流電圧が第１の下限値より低下し、基準電圧値より低下した場合、制御回路１５は、逆変換回路１２に設定する周波数を所定の周波数低下率で減少させる。これにより、逆変換回路１２の出力電流は低下する。周波数を減少させる下限は、第２の下限値に応じて決まる。さらに、直流電圧が低下し、第２の下限値より低下した場合は、逆変換回路１２を停止させる。

そして、再び、直流電源が復帰し、直流電圧が第１の下限値を超えて定格以上となった場合、制御回路１５は、周波数を元に戻す。
以上の説明の直流電圧変化に応じた周波数制御を図を用いて説明する。

図２は、本発明の実施の形態の電動機制御装置における入力電圧と出力周波数との関係を示した図である。
図では、モータ（Ｍ）２が通常動作可能な第１の下限値をＶＬ１、モータ（Ｍ）２が運転可能な第２の下限値をＶＬ２、周波数を減少させる基準電圧値をＶＬｒと表記している。以下の説明でも同様に表記する。

時刻ｔ１までは、直流電源は正常であり、定格以上の電圧値が保たれている。この状態では、出力周波数も、予め設定された所定の値で制御が行われている。
時刻ｔ１を経過し、直流電源が悪化し、電源電圧が降下していく。この状態でも、直流電圧が基準電圧ＶＬｒを超えていれば、そのままの出力周波数で制御が行われる。

時刻ｔ２を経過し、直流電圧がＶＬｒより低下すると、制御回路１５は、周波数を所定の周波数低下率で減少させる。
そして、直流電源が復帰し、直流電圧が上昇し、時刻ｔ３を経過し、直流電圧がＶＬ１を超えると、制御回路１５は、周波数を元に設定値に戻す。

上記のように入力電圧の低下に応じて出力周波数を低下させることにより、トルク負荷一定の場合の出力電流の増加を抑制することができる。
図３は、本発明の実施の形態の電動機制御装置における入力電圧と出力電流および出力電圧との関係を示した図である。図２と同じものには同じ番号を付す。

時刻ｔ１までは、直流電源は正常であり、定格以上の電圧値が保たれている。この状態では、出力周波数も、予め設定された所定の値で制御が行われ、それに伴って、出力電流も一定値に保持されており、モータ（Ｍ）２は所望の回転数でポンプ（Ｐ）３を運転している。

時刻ｔ１を経過し、直流電源が悪化し、電源電圧が降下していくが、直流電圧が基準電圧ＶＬｒより上であるので、出力周波数は保持されている。直流電圧の低下に伴って出力電圧は低下するが、出力周波数を保持されているため、出力電流は増加していく。

時刻ｔ２を経過し、直流電圧がＶＬｒより低下すると、制御回路１５は、周波数を所定の周波数低下率で減少させる。出力電圧は、直流電圧の低下に伴って低下するが、出力周波数が減少するため、出力電流も減少していく。このように、出力周波数を減少させることによって、出力電流の増加を抑制し、保護回路１４が逆変換回路１２を遮断するのを防ぐことができる。この状態では、モータ（Ｍ）２は、性能は低下するが、ポンプ（Ｐ）３の運転を継続している。

直流電源が復帰し、直流電圧が上昇するが、ＶＬ１より下の直流電圧値の間は、出力周波数が減少し、出力電流および出力電圧が減少する。
そして、直流電圧がＶＬ１より上昇すると、制御回路１５は、出力周波数を元に戻すため、出力電流および出力電圧ともに元の状態に復帰する。

以上のように、本発明によれば、電源事情の悪化による電圧低下に対して出力周波数を低下させることにより、出力電流の増加を防止し、過電流によって保護回路１４が逆変換回路１２を遮断することを防止することができる。これにより。電圧低下が発生してもポンプ３は運転を継続することができる。ポンプ装置は、ライフラインに用いられることが多いため、多少能力が落ちても停止しないことが求められており、本発明はこれを可能にする。

次に、上記の構成の電動機制御装置の制御回路における処理手順について説明する。図４は、本発明の実施の形態の電動機制御装置における周波数制御の処理手順を示したフローチャートである。

制御回路１５では、所定の周期で、周波数制御が開始される。
［ステップＳ１］ 直流電圧検出回路１１の検出した直流電圧とＶＬ２（ポンプが運転可能な下限値）を比較する。直流電圧がＶＬ２より下であれば、処理をステップＳ７へ進める。

［ステップＳ２］ 直流電圧とＶＬ１（ポンプが通常運転可能な下限値）を比較する。直流電圧がＶＬ１より上であれば処理をステップＳ６へ進める。
［ステップＳ３］ 直流電圧値が、ＶＬ２＜直流電圧＜ＶＬ１である場合、直流電圧をＶＬｒ（周波数を低下させる基準電圧値）と比較する。直流電圧がＶＬｒより低い場合、処理をステップＳ５へ処理を進める。

［ステップＳ４］ 直流電圧値が、ＶＬｒ＜直流電圧＜ＶＬ１である場合、前回と同じ処理、すなわち、設定されている周波数値を継続させ、処理を終了する。
［ステップＳ５］ 直流電圧値が、ＶＬ２<直流電圧＜ＶＬｒである場合、周波数を周波数低下率で低下させ、処理を終了する。

［ステップＳ６］ 直流電圧値が、ＶＬ１＜直流電圧である場合、周波数を予め設定された元の周波数に戻し、処理を終了する。
［ステップＳ７］ 直流電圧値が、直流電圧＜ＶＬ２である場合、逆変換回路１２を停止させてポンプを停止し、処理を終了する。

以上の処理手順が実行されることにより、直流電圧に応じた性能でポンプ装置の運転が継続される。

本発明の実施の形態の電動機制御装置が組み込まれたポンプ装置のブロック図である。 本発明の実施の形態の電動機制御装置における入力電圧と出力周波数との関係を示した図である。 本発明の実施の形態の電動機制御装置における入力電圧と出力電流および出力電圧との関係を示した図である。 本発明の実施の形態の電動機制御装置における周波数制御の処理手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 電動機制御装置
２ モータ（電動機）
３ ポンプ
１１ 直流電圧検出回路
１２ 逆変換回路
１３ 電流検出回路
１４ 保護回路
１５ 制御回路

Claims (5)

1. 直流電源から入力される直流電圧を電圧と周波数の比が一定の交流電圧に変換出力して電動機を駆動する電動機制御装置において、
   入力された前記直流電圧を予め設定された所定の周波数と電圧の前記交流電圧へ変換する逆変換回路と、
   前記逆変換回路へ入力される前記直流電圧の電圧値を検出する直流電圧検出回路と、
   前記逆変換回路の出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路により検出された電流値が所定の保護レベルを超えていたら前記逆変換回路を遮断する保護回路と、
   前記直流電圧に関し前記電動機が通常動作可能な第１の下限電圧値と前記電動機が運転可能な第２の下限電圧値との間の値に設定される基準電圧値と、前記直流電圧検出回路により検出された前記直流電圧の値を比較し、前記直流電圧の値が前記基準電圧値より低下した場合に前記周波数を低下させる制御回路と、
   を具備することを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記制御回路は、
   前記直流電圧の電圧値が前記基準電圧値より低下した場合、予め設定された周波数低下率で前記周波数を減少させることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記制御回路は、
   前記周波数を減少させる際に、前記周波数が前記第２の下限電圧値に基づく前記交流電圧に応じた周波数値を下限とすることを特徴とする請求項２記載の電動機制御装置。
4. 前記制御回路は、
   前記直流電圧検出回路によって検出された前記直流電圧が前記第１の下限電圧値を超えて上昇したことを検出すると、予め設定された前記所定の周波数に戻すことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
5. 直流電圧から変換される電圧と周波数の比が一定の交流電圧によって動作する電動機によって駆動される電動ポンプ装置において、
   入力された前記直流電圧を予め設定された所定の周波数と電圧の前記交流電圧へ変換する逆変換回路と、前記逆変換回路へ入力される前記直流電圧の電圧値を検出する直流電圧検出回路と、前記逆変換回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された電流値が所定の保護レベルを超えていたら前記逆変換回路を遮断する保護回路と、前記直流電圧に関し前記電動機が通常動作可能な第１の下限電圧値と前記電動機が運転可能な第２の下限電圧値との間の値に設定される基準電圧値と、前記直流電圧検出回路により検出された前記直流電圧の値を比較し、前記直流電圧の値が前記基準電圧値より低下した場合に、前記周波数を低下させる制御回路と、を備えた電動機制御部と、
   前記電動機制御部によって出力される交流電圧を電源として動作する電動機と、
   前記電動機により駆動されるポンプと、
   を具備することを特徴とする電動ポンプ装置。
   

Images