JP2006197715A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流中間電圧調節手段の出力をトルク指令値とし、交流電源の停電時に上記トルク指令値を用いて直流中間電圧を制御することで、従来よりも応答性を向上させた交流電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】インバータを用いてベクトル制御を行う交流電動機の制御装置であって、交流電源の停電時に、電動機または負荷の慣性エネルギーをインバータへ回収してインバータの直流中間電圧の低下を抑制する交流電動機の制御装置に関する。直流中間電圧が所定の運転継続レベルにまで低下した時に交流電源の停電を検出して判別信号を出力する直流電圧判別手段１１と、前記判別信号により起動され、直流中間電圧を運転継続レベルに維持するためのトルク指令値を演算して出力する直流中間電圧調節器１４と、非停電時における電動機３のトルク指令値を、前記判別信号により直流中間電圧調節器１４からのトルク指令値に切り換える切換スイッチ１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータを用いてベクトル制御によりトルク制御、速度制御を行う交流電動機の制御装置に関し、詳しくは、停電発生時にも交流電動機の運転を継続できるようにした制御装置に関するものである。

従来より、インバータにより交流電動機を駆動するベクトル制御システムにおいて、停電発生時に電動機や負荷の慣性エネルギーをインバータへ回収し、直流中間電圧の低下を抑制しながら電動機の運転を継続させるようにしたものが知られている。
図２は、この種のシステムにおける従来の制御装置を示すブロック図である。

図２において、交流電源１から供給される交流電力は、交流−直流変換部２１、直流中間回路のコンデンサ２３及び直流−交流変換部２２を備えたインバータ２により所定の電圧と周波数を有する交流電力に変換され、交流電動機３を所望のトルクで運転する。４は電動機３によって駆動される負荷である。また、５は電動機３の回転速度Ｎを検出する速度検出器である。

速度設定器６は、電動機３が運転するべき速度Ｎ＃を設定する。また、速度指令演算回路７は、予め定めた加速度により変化して最終的には前記速度設定値Ｎ＃に一致するような速度指令値Ｎ^＊＊を生成して出力する。

速度調節器８は、加算器１７によって求められた速度指令値Ｎ^＊と前記速度検出値Ｎとの偏差を入力し、調節動作によって入力偏差を零にするようなトルク指令値τ^＊を出力する。
ベクトル制御回路９は、トルク指令値τ^＊と磁束指令値φ^＊とを入力してインバータ２をベクトル制御するための制御信号を出力するため、前述したように交流電動機３は所望のトルクで運転することができる。
なお、ベクトル制御の詳細については周知であるため、ここでは詳述を省略する。

一方、１０はインバータ２の直流中間電圧を検出する直流中間電圧検出器である。また、１１は、停電発生によって前記直流中間電圧が予め設定した直流中間電圧運転継続レベルにまで低下したことを判別する直流電圧判別手段であり、この判別手段１１により直流中間電圧の低下を検出した場合に判別信号を出力するように構成されている。

１６は直流中間電圧運転継続レベルと直流中間電圧検出値との偏差を求める加算器であり、その偏差は直流中間電圧調節器１２に入力されている。この調節器１２は例えばＰＩ（比例・積分）調節器等により構成され、調節動作により入力偏差を０にするように速度指令Ｎ^＊＊を生成して出力する。
また、１３は、直流電圧判別手段１１から出力された判別信号により切換動作する切換スイッチであり、直流中間電圧が運転継続レベルより低下した際に、加算器１７に入力される速度指令値Ｎ^＊を、速度指令値演算回路７の出力Ｎ^＊＊から直流中間電圧調節器１２の出力Ｎ^＊＊＊に切り換えるように動作するものである。

上述した構成において、交流電源１に停電が発生していない場合は、電動機３は、速度設定値Ｎ＃に基づく速度指令値Ｎ^＊＊（＝Ｎ^＊）に従って運転されている。
交流電源１に停電が発生し、インバータ２への供給電源が遮断されると、インバータ２内の直流中間電圧は低下し始める。そして、この電圧が予め設定された直流中間電圧運転継続レベルにまで低下すると、直流電圧判別手段１１が停電発生を検出して直流中間電圧調節器１２を動作させる。
同時に、切換スイッチ１３が直流中間電圧調節器１２側に切り換えられて直流中間電圧調節器１２から出力される速度指令値Ｎ^＊＊＊がＮ^＊として加算器１７に入力されるため、電動機３は、この速度指令値Ｎ^＊＊＊（＝Ｎ^＊）に従って運転を継続することになる。

直流中間電圧調節器１２は、直流中間電圧を前記運転継続レベルに維持するように速度指令値Ｎ^＊＊＊を制御するものであり、速度指令値の大きさを徐々に低下させ、負荷４や電動機３の慣性エネルギーをインバータ２に回収して直流中間電圧の低下を抑制する。

交流電源１の停電が瞬時であり、上述した制御の実行中に電源１が復電した場合には、切換スイッチ１３が元の状態に切り換わって速度指令演算回路７からの速度指令値Ｎ^＊＊による運転に復帰するため、インバータ２の運転を停止することなく電動機３の駆動を継続することができる。
また、停電状態が長く、電動機３の速度が低下して負荷４や電動機３の慣性エネルギーによって直流中間電圧を前記運転継続レベルに維持できなくなった場合には、その時点でインバータ２の運転が停止することになる。

なお、交流電源の瞬停により直流中間電圧が不足電圧トリップレベルまでに低下したときに、インバータ等の電力変換器の出力を遮断するようにした交流電動機の制御装置において、負荷の軽重に関わらず電力変換器の出力遮断を防止して電動機を零速まで制御可能とした制御装置が、下記の特許文献１に記載されている。

特開平１１−３４１８８２号公報（段落［０００６］〜［０００８］、図２，図３等）

図２に示した従来技術において、停電により直流中間電圧が低下した場合には直流中間電圧調節器１２から出力される速度指令値Ｎ^＊＊＊に従って電動機３が制御される。
すなわち、この従来技術では、上記速度指令値に基づいて速度調節器８により電動機３に与えるトルクを演算し、そのトルク指令値によって電動機３を駆動しているため、直流中間電圧の制御応答が遅いという問題がある。特に、停電前に重負荷を駆動していた場合には、直流中間電圧制御が実行される前に直流中間電圧が低下してしまい、インバータ２が停止することもある。

また、前記特許文献１に記載された従来技術では、直流中間電圧がトリップレベルまでに低下したときに所定時間にわたりトリップ動作を禁止することで電力変換器の出力遮断を防いでいるが、直流中間電圧の制御遅れという根本的な問題を解決するものではない。

そこで本発明の解決課題は、直流中間電圧調節手段の出力をトルク指令値とし、交流電源の停電時に上記トルク指令値を用いて直流中間電圧を制御することで、従来よりも応答性を向上させた交流電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、インバータを用いてベクトル制御により交流電動機のトルク及び速度を制御する交流電動機の制御装置であって、前記インバータに給電する交流電源の停電時に、電動機または負荷の慣性エネルギーを前記インバータへ回収して前記インバータの直流中間電圧の低下を抑制するようにした交流電動機の制御装置において、
前記直流中間電圧が所定の運転継続レベルにまで低下した時に交流電源の停電を検出して判別信号を出力する直流電圧判別手段と、
前記判別信号により起動され、前記直流中間電圧を前記運転継続レベルに維持するための電動機のトルク指令値を演算して出力する直流中間電圧調節手段と、
交流電源の非停電時における速度制御系からのトルク指令値を、前記判別信号により前記直流中間電圧調節手段からのトルク指令値に切り換える切換手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した制御装置において、前記直流中間電圧調節手段から出力されるトルク指令値により、電動機の速度を徐々に低下させるものである。

本発明によれば、交流電源の停電時に交流電動機に対する適切なトルク指令値を直接演算してベクトル制御を行うことにより、直流中間電圧の制御系の遅れをできる限り少なくして直流中間電圧の低下を抑制し、インバータによる電動機の運転を長期にわたって継続させることができる。また、停電が瞬時であれば、復電後に速度制御系からのトルク指令値に復帰させることによってインバータを停止させずに電動機の運転を継続することが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態を示すブロック図であり、図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、速度指令演算回路７から出力される速度指令値Ｎ^＊は加算器１７に入力され、この加算器１７には、速度検出器５からの速度検出値Ｎも入力されている。加算器１７により演算された速度偏差は速度調節器８に入力され、この速度調節器８によりトルク指令値τ^＊＊が演算されて切換スイッチ１５側に出力される。

また、直流中間電圧調節器１４には、従来と同様に加算器１６からの直流電圧偏差が入力されているが、本実施形態の直流中間電圧調節器１４は、交流電源１の停電時に直流中間電圧を直流中間電圧運転継続レベルに維持するべく調節動作（例えばＰＩ調節動作）を行い、直流電圧偏差を０にするようなトルク指令値τ^＊＊＊を出力する。そして、このトルク指令値τ^＊＊＊は切換スイッチ１５側に出力される。
切換スイッチ１５は、図２に示した切換スイッチ１３と同様に、直流中間電圧が運転継続レベルより低下した際に直流電圧判別手段１１からの判別信号によって切換動作するものであり、交流電源１の健全時には速度調節器８側に接続され、停電による直流中間電圧の低下時には前記判別信号により直流中間電圧調節器１４側に接続される。
切換スイッチ１５を経たトルク指令値τ^＊＊＊またはτ^＊＊は、磁束指令値φ^＊と共にベクトル制御回路９に入力されている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
交流電源１の非停電時には、切換スイッチ１５が速度調節器８側に接続されているので、速度指令演算回路７から出力される速度指令値Ｎ^＊に応じたトルク指令値τ^＊＊（＝τ^＊）により、電動機３が所定の速度及びトルクで運転されている。

交流電源１が停電すると、インバータ２内の直流中間電圧は低下し始める。そして、この電圧が予め設定された直流中間電圧運転継続レベルにまで低下すると、直流電圧判別手段１１から判別信号が出力され、直流中間電圧調節器１４を起動させると共に、切換スイッチ１５を直流中間電圧調節器１４側に切り換える。
これにより、直流中間電圧調節器１４から出力されるトルク指令値τ^＊＊＊がτ^＊としてベクトル制御回路９に入力される。

上記トルク指令値τ^＊＊＊（＝τ^＊）は、直流中間電圧を直流中間電圧運転継続レベルに維持するために電動機３の速度を徐々に低下させるように作用し、これによって負荷４や電動機３の慣性エネルギーをインバータ２へ回収して直流中間電圧の低下を抑制する。
交流電源１の停電が瞬時であり、上述した制御を行っている間に電源１が復電した場合には、直流中間電圧の復帰に伴う判別信号の消失により切換スイッチ１５が切り換わって速度調節器８からのトルク指令値τ^＊＊に従った制御に戻り、インバータ２を停止することなく電動機３を継続して駆動する。
また、停電が長期にわたり、電動機３の速度が更に低下して負荷４や電動機３の慣性エネルギーにより直流中間電圧をその運転継続レベルに維持できなくなった場合には、その時点でインバータ２は運転を停止することになる。

上記のように本実施形態によれば、交流電源１の停電時に、速度指令値を演算することなく電動機３の速度を徐々に低下させるような適切なトルク指令値を直接演算してベクトル制御を行うことにより、直流中間電圧の制御系の遅れをできる限り少なくして直流中間電圧の低下を抑制し、インバータ２による電動機３の運転を長期にわたって継続させることが可能になる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。

符号の説明

１：交流電源
２：インバータ
２１：交流−直流変換部
２２：直流−交流変換部
２３：コンデンサ
３：交流電動機
４：負荷
５：速度検出器
６：速度設定器
７：速度指令演算回路
８：速度調節器
９：ベクトル制御回路
１０：直流中間電圧検出器
１１：直流電圧判別手段
１４：直流中間電圧調節器
１５：切換スイッチ
１６，１７：加算器

Claims (2)

1. インバータを用いてベクトル制御により交流電動機のトルク及び速度を制御する交流電動機の制御装置であって、前記インバータに給電する交流電源の停電時に、電動機または負荷の慣性エネルギーを前記インバータへ回収して前記インバータの直流中間電圧の低下を抑制するようにした交流電動機の制御装置において、
   前記直流中間電圧が所定の運転継続レベルにまで低下した時に交流電源の停電を検出して判別信号を出力する直流電圧判別手段と、
   前記判別信号により起動され、前記直流中間電圧を前記運転継続レベルに維持するための電動機のトルク指令値を演算して出力する直流中間電圧調節手段と、
   交流電源の非停電時における速度制御系からのトルク指令値を、前記判別信号により前記直流中間電圧調節手段からのトルク指令値に切り換える切換手段と、
   を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した交流電動機の制御装置において、
   前記直流中間電圧調節手段から出力されるトルク指令値により、電動機の速度を徐々に低下させることを特徴とする交流電動機の制御装置。

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