JP2007053842A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力欠相状態の誤検出を防止できる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】 出力欠相検出回路２５は、周波数検出部２７および電流異常検出部２８を備えている。周波数検出部２７の各相電流周波数検出回路４０では、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶの周波数が検出され、各相電流周波数判別回路４１では一次周波数指令値に対して一定以上の割合であれば、Ｈレベルの信号を出力する。電流異常検出部２８の各相電流振幅検出回路４２では、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶの振幅が検出され、各相電流振幅異常検出回路４３により各相電流の振幅が正負非対称であれば異常と判断する。タイマ回路４５は、各相電流周波数判別回路４１のＨレベル信号と各相電流振幅異常検出回路４３からの信号とが一定時間継続した場合だけ、制御装置出力欠相判断回路４６に異常信号を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動機の速度を制御する電動機の制御装置に関し、とくに内蔵のパワースイッチングデバイスの一部が故障した場合、あるいはパワースイッチングデバイス駆動回路の一部が故障した場合に速やかにインバータの動作を停止するようにした電動機の制御装置に関する。

図５は、誘導電動機のトルク・速度を制御する従来の電動機制御装置を示すブロック回路図である。
電動機制御装置１００において、交流電源１からの交流電力はインバータ２により所定の電圧と周波数の交流電力に変換され、誘導電動機（ＩＭ）３が所望のトルクで運転される。負荷装置４は誘導電動機３により駆動されるものであって、この誘導電動機３に接続されたパルスエンコーダ５から出力される信号に基づいて、速度演算器６によりモータ回転速度ωｒが検出される。

速度設定器７では誘導電動機３が運転すべき速度設定値ωｒ^#を設定している。また、速度指令演算回路８は、予め定められた加速度にしたがって変化しながら、最終的には速度演算器６から入力する速度設定値ωｒ^#に一致するように、速度指令値ωｒ^*を加算器９に出力する。速度演算器６は、パルスエンコーダ５からフィードバックされた信号を演算処理することでモータ回転速度ωｒを演算するものであって、加算器９においてこの速度指令値ωｒ^*と速度演算器６で検出された速度検出値ωｒとから、運転中の誘導電動機３の速度偏差が演算される。

速度調節器１０に速度偏差が入力されると、調節動作により速度偏差を零にするようにトルク指令τ^*が出力される。一方、磁束指令演算回路１１では速度演算器６により検出されたモータ回転速度ωｒから、二次磁束指令φ２^*を演算している。

第１の演算回路１２は、二次磁束指令φ２^*よりモータ一次電流の二次磁束に平行な電流指令値（以下、Ｍ軸電流指令ｉＭ^*という。）を、下記の式（１）に示す演算式により演算している。また、第２の演算回路１３では、トルク指令τ^*よりモータ一次電流の二次磁束に垂直な電流指令値（以下、Ｔ軸電流指令ｉＴ^*という。）が、下記の式（２）に示す演算式により演算される。

ｉＭ^*＝１／Ｌｍ×φ２^*…（１）
ｉＴ^*＝τ^*／φ２^*…（２）
ただし、Ｌｍはモータ励磁インダクタンスである。

第１の座標変換器１４は、電流検出器１５により検出された相電流ｉＵ，ｉＷを、一次電流の二次磁束に平行な電流成分であるＭ軸電流検出値ｉＭと、二次磁束に垂直な電流成分であるＴ軸電流検出値ｉＴに変換するものである。これらの電流検出値ｉＭ，ｉＴは、Ｕ相巻線とモータ二次磁束とがなす電気角度をψ２とするとき、下記の式（３）および（４）で示される。

ｉＴ＝cosψ２×ｉＵ＋cos（ψ２−１２０°）×ｉＶ＋cos（ψ２＋１２０°）×ｉＷ…（３）
ｉＭ＝sinψ２×ｉＵ＋sin（ψ２−１２０°）×ｉＶ＋sin（ψ２＋１２０°）×ｉＷ…（４）
加算器１６は、Ｔ軸電流指令ｉＴ^*とＴ軸電流検出値ｉＴとから偏差を演算して、Ｔ軸電流調節器１７に入力する。このＴ軸電流調節器１７では、調節動作により入力偏差を零にするようにＴ軸電圧指令ｖＴ^*を出力している。加算器１８は、Ｍ軸電流指令ｉＭ^*とＭ軸電流検出値ｉＭとの偏差を演算してＭ軸電流調節器１９に出力し、Ｍ軸電流調節器１９では、その調節動作により入力偏差を零にするようにＭ軸電圧指令ｖＭ^*を出力する。

第２の座標変換器２０はＴ軸電圧指令ｖＴ^*とＭ軸電圧指令ｖＭ^*を入力し、三相電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を出力するものであり、Ｕ相巻線とモータ二次磁束とがなす電気角度をψ２とするとき、ここではそれぞれ下記の式（５）、（６）および（７）による変換が実行される。

Ｖｕ^*＝cosψ２×ｖＭ^*＋sinψ２×ｖＴ^*…（５）
Ｖｖ^*＝cos（ψ２−１２０°）×ｖＭ^*＋sin（ψ２−１２０°）×ｖＴ^*…（６）
Ｖｗ^*＝cos（ψ２＋１２０°）×ｖＭ^*＋sin（ψ２＋１２０°）×ｖＴ^*…（７）
交流電源１からの電力は、これらの三相電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に基づいて運転されるインバータ２により所定の電圧と周波数の交流電力に変換され、誘導電動機３に供給される。

すべり周波数演算回路２１は、下記の式（８）の演算を行ってすべり周波数ωｓｌを演算する。また、ロータ周波数演算回路２２では下記の式（９）の演算を行い、モータ回転速度ωｒをモータロータ周波数ω２に換算する。

ωｓｌ＝Ｒ２×ＩＴ^*／φ２^*…（８）
ω２＝ωｒ×Ｐ／１２０°…（９）
ただし、Ｒ２はモータ二次時定数、Ｐはモータポール数である。

加算器２３では、このすべり周波数ωｓｌとモータロータ周波数ω２とを加算し、その加算結果ω１を積分器２４で積分することにより、Ｕ相巻線とモータ二次磁束とがなす電気角度ψ２を演算している。なお、磁束指令演算回路１１はモータ回転速度ωｒが基底回転速度ωｂまでは１００％の二次磁束指令φ２^*を指令し、基底回転速度ωｂ以上では速度に反比例して二次磁束指令φ２^*を下げるようにしている。

つぎに、図５のインバータ２の詳細構成について説明する。
図６は、図５の電動機制御装置と同等のインバータ装置の一例を示すブロック図である。

電動機制御演算器３１は速度指令値ωｒ^*、パルスエンコーダ５の出力、および電流検出器１５により検出された相電流ｉＵ，ｉＷにより、三相電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を出力する。ＰＷＭ演算器３２は、三相電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*とキャリア信号ｆｃによりインバータ２における直流−交流変換回路３３へのスイッチング信号を出力している。また、整流器３４は交流電源１の交流電力を直流に変換する。

このような従来の電動機制御装置１００では、インバータ２の一部に故障が発生した場合でも、これを検出する回路を持たなかったので、最悪の場合には、こうした状態で誘導電動機３が長時間運転継続となる可能性があった。

すなわち、直流−交流変換回路３３内のパワースイッチングデバイスの駆動回路が故障し、あるいはパワースイッチングデバイス自体に故障が発生した場合、インバータ２の出力電圧にアンバランスが生じる。これに応じて誘導電動機３の相電流も大きく歪むこととなる。電流の歪みが極端に大きい場合は、回路保護が働いてインバータ２は瞬時に停止する。しかし、電流の歪みが回路保護の動作レベルに至らない場合には、電流が歪んだ状態で誘導電動機３が継続運転される。このように誘導電動機３の電流が歪んだ状態で運転が継続すると、電動機発生トルクが振動的となり、これにより電動機発生損失が増加して電動機温度が上昇する。

とくに、誘導電動機３ではなく同期電動機を制御する場合、回転子永久磁石の温度上昇により不可逆減磁に至って、破損する重大事故が危惧される。また、同期電動機の発生トルクが振動的になるため、負荷装置４の破損など重大事故が危惧される。

また、インバータ回路の各相の交流電流波形あるいは各相の交流電圧波形を検出して、交流電流波形のプラス側とマイナス側の電流ピーク値の差あるいは電圧ピーク値の差が規定値以上となった状態が規定時間を超過した場合に、インバータ回路を保護動作するようにした欠相検出方法の発明が、後述する特許文献１に記載されている。
特開２００３−１６４１６２号公報（段落番号［０００５］〜［０００９］）

ところが、従来技術の欠相検出方法では、電動機制御が零周波数付近となる運転停止動作の最中や、電流周波数が急激に変動する瞬時停電からの自動再始動の最中には、出力欠相状態の誤検出が生じるおそれがあった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、インバータの故障状態を検出して速やかにインバータを停止させて電動機や負荷装置の破損を起こさないようにするとともに、出力欠相状態の誤検出を防止できる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、一次電流を二次磁束と平行な成分と垂直な成分とに分離し、それぞれの成分の電流指令通りに電流を流すことによって速度制御する電動機の制御装置において、各相電流の周波数を検出する周波数検出手段と、前記各相電流の振幅を検出して前記各相電流の振幅が正負非対称であれば異常信号を出力する電流異常検出手段と、からなる出力欠相検出回路を備え、前記出力欠相検出回路では、前記周波数検出手段により検出された周波数信号が電動機速度と電動機極数により決定される一次周波数指令値に対して一定以上の割合である場合に、前記電流異常検出手段から出力される異常信号によって電動機の運転を停止するようにしたことを特徴とする電動機の制御装置が提供される。

本発明によれば、電動機制御装置に出力欠相が発生した場合に、電動機の各相電流の挙動変化から判断して、内蔵のパワースイッチングデバイスが一部故障し、あるいはパワースイッチングデバイス駆動回路の一部が故障したか否かを検出することによって、電動機や負荷装置が破損に至る前に、しかも誤検出なく、電動機の運転停止が可能である。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る電動機制御装置を示す回路図である。ここでは、従来装置（図５）の各回路構成に対応する部分には、同一の符号を付けている。

この電動機制御装置１００の特徴は、図５に示す従来装置と比較したとき、出力欠相検出回路２５が追加して設けられている点である。出力欠相検出回路２５では、電流検出器１５により検出された誘導電動機３のＵ相電流ｉＵおよびＷ相電流ｉＷの相電流波形の、電動機速度（速度検出値ωｒ）と電動機極数（モータポール数Ｐ）により決定される基本正弦波波形からの乖離状況に基づいて出力欠相が判断される。図１の電動機制御装置１００には詳細な記載を省いているが、出力欠相検出回路２５で出力欠相状態が検出されれば、誘導電動機３の運転は直ちに停止され、さらに出力欠相の発生を表示するなどして、装置外部に対して欠相通知信号などを出力するようにしている。

つぎに、上述した出力欠相検出回路２５の詳細構成の一例について説明する。
図２は、図１の出力欠相検出回路の詳細構成を示すブロック図である。
加算器２６では、電流検出器１５により検出した誘導電動機３のＵ相電流ｉＵおよびＷ相電流ｉＷからＶ相電流ｉＶを演算している。これらの各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶは、それぞれ周波数検出部２７および電流異常検出部２８に供給される。周波数検出部２７は、各相電流周波数検出回路４０と各相電流周波数判別回路４１とから構成されるもので、後述する図３にその一例を示す。電流異常検出部２８は、各相電流振幅検出回路４２と各相電流振幅異常検出回路４３とから構成されるもので、後述する図４にその一例を示している。

各相電流周波数検出回路４０では、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶの周波数が検出され、各相電流周波数判別回路４１により電動機速度と電動機極数により決定される一次周波数指令値に対して一定以上の割合であるか否かを判断して、ＨレベルあるいはＬレベルの信号を出力する。また、各相電流振幅検出回路４２では、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶの振幅が検出され、各相電流振幅異常検出回路４３により各相電流の振幅が正負非対称であれば異常と判断し、異常信号を出力する。アンド回路４４では、各相電流周波数判別回路４１からのＨレベルあるいはＬレベルの信号に応じて、各相電流振幅異常検出回路４３の異常信号が出力され、あるいは阻止される。

タイマ回路４５は、上述したアンド回路４４の出力信号を受け取って、出力欠相状態の誤検出を防ぐために、各相電流周波数判別回路４１のＨレベル信号と各相電流振幅異常検出回路４３の異常信号とが一定時間継続した場合だけ、制御装置出力欠相判断回路４６に異常信号を出力する。制御装置出力欠相判断回路４６には、制御装置緊急停止回路４７と制御装置出力欠相発生表示回路４８が接続されている。制御装置緊急停止回路４７では制御装置の運転を直ちに停止させるとともに、制御装置出力欠相発生表示回路４８では出力欠相の発生を表示するなどして外部に欠相通知信号などを出力する。

このように、制御装置出力欠相判断回路４６では電動機制御装置１００の運転状況を踏まえて出力欠相を判断しているので、出力欠相状態の検出条件に周波数判別を付加することにより、電動機制御の運転停止動作の最中や瞬時停電自動再始動時での誤検出が確実に防止できる。

つぎに、周波数検出部２７および電流異常検出部２８について説明する。
図３は、図２の周波数検出部に係る詳細構成を示すブロック図である。ここでは、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶが入力される各相電流周波数検出回路４０と各相電流周波数判別回路４１のうちＵ相分について説明するが、いずれの相についても同様に構成されているので、それらの図示を省く。

Ｕ相電流周波数検出回路４０ｕは、ゼロクロスコンパレータ４０１と周波数検出器４０２とから構成される。このうちゼロクロスコンパレータ４０１では、Ｕ相電流ｉＵの交流信号波形を矩形波信号に変換している。また、周波数検出器４０２では、矩形波信号の立ち上がり間隔を検出することで、Ｕ相電流の周波数を演算してＵ相電流周波数判別回路４１ｕに出力している。

Ｕ相電流周波数判別回路４１ｕでは、周波数判別器４１０によってＵ相電流ｉＵの周波数が、たとえば電動機定格一次周波数の２５％以上であると判断したときには、オア回路４１１にＨレベル信号を出力し、それ以外の場合にはＬレベル信号を出力する。

各相電流周波数判別回路４１の出力信号は、いずれもオア回路４１１を介して検出端子４１２に出力される。したがって、各相電流周波数判別回路４１ｕ，４１ｖ，４１ｗにおいてそれぞれ３相検出電流の周波数信号が処理される結果、何れかひとつの相の周波数信号が電動機定格一次周波数の２５％以上であると判断されると、検出端子４１２から電流周波数検出信号が出力されることになる。

図４は、図２の電流異常検出部に係る詳細構成を示すブロック図である。ここでも、各相電流ｉＵ，ｉＷおよびｉＶが入力される各相電流振幅検出回路４２と各相電流振幅異常検出回路４３のうちＵ相分についてだけ説明するが、いずれの相の回路も同様に構成されているので、それらの図示を省く。

Ｕ相電流振幅検出回路４２ｕは、それぞれ最大値と最小値を検出するピークホールド回路４２１，４２２および加算回路４２３から構成され、最大値と最小値の検出値、および加算回路４２３で演算されたそれら出力の偏差（最大値と最小値との差）から、Ｕ相電流ｉＵの電流振幅値が出力される。Ｕ相電流振幅異常検出回路４３ｕは、たとえば「電流振幅値×１２．５％」の大きさに相当する基準信号ＳＡを出力する増幅回路４３１と、各相電流の最大値と最小値との絶対値信号ＳＢ，ＳＣをそれぞれ出力する絶対値回路４３２，４３３を備えている。

比較回路４３４，４３５では、これらの基準信号ＳＡと絶対値信号ＳＢ、および基準信号ＳＡと絶対値信号ＳＣを比較し、ＨレベルあるいはＬレベルの信号をオア回路４３６に出力している。比較回路４３７には、Ｕ相電流振幅検出回路４２ｕからＵ相電流ｉＵの電流振幅値ＳＤが入力され、この電流振幅値ＳＤが電動機定格電流の２５％に相当する電流振幅値ＳＥと比較される。

このように、比較回路４３４，４３５の比較結果からオア回路４３６を介してＵ相電流ｉＵの正負非対称が判断され、比較回路４３７では、Ｕ相電流ｉＵの電流振幅値がたとえば電動機定格電流の２５％以上か否かの判断がなされる。したがって、Ｕ相電流振幅異常検出回路４３ｕからはこれらの信号がオア回路４３８，４３９に出力されるとともに、各相検出電流の電流振幅値が処理される結果、各相電流振幅異常検出回路４３では、何れかひとつの相の電流振幅が電動機定格電流の２５％以上であると判断され、同時に何れかひとつの相の振幅が正負非対称であることを検出している。そして、アンド回路４４０ではこれらのオア回路４３８，４３９からともにＨレベルの検出信号が出力されたとき、検出端子４４１から電流振幅異常信号が出力されることになる。

以上説明したように、本発明の電動機の制御装置によれば、電動機制御装置１００に出力欠相検出回路２５を追加したことによって、インバータ２のパワースイッチングデバイス駆動回路の故障やパワースイッチングデバイスの故障を速やかに検出することができ、しかも誤検出なく運転停止が可能である。

なお、ここでは誘導電動機のベクトル制御について説明したが、本発明は誘導電動機のＶ／ｆ制御、同期電動機のベクトル制御、あるいは同期電動機のＶ／ｆ制御のいずれについても適用できる。

実施の形態に係る電動機制御装置を示す回路図である。 図１の出力欠相検出回路の詳細構成を示すブロック図である。 図２の周波数検出部に係る詳細構成を示すブロック図である。 図２の電流異常検出部に係る詳細構成を示すブロック図である。 誘導電動機のトルク・速度を制御する従来の電動機制御装置を示すブロック回路図である。 図５の電動機制御装置と同等のインバータ装置の一例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
３ 誘導電動機
４ 負荷装置
５ パルスエンコーダ
６ 速度演算器
７ 速度設定器
８ 速度指令演算回路
９ 加算器
１０ 速度調節器
１１ 磁束指令演算回路
１２ 第１の演算回路
１３ 第２の演算回路
１４ 第１の座標変換器
１５ 電流検出器
１６ 加算器
１７ Ｔ軸電流調節器
１８ 加算器
１９ Ｍ軸電流調節器
２０ 第２の座標変換器
２１ すべり周波数演算回路
２２ ロータ周波数演算回路
２３ 加算器
２４ 積分器
２５ 出力欠相検出回路
２６ 加算器
２７ 周波数検出部
２８ 電流異常検出部
４０ 各相電流周波数検出回路
４１ 各相電流周波数判別回路
４２ 各相電流振幅検出回路
４３ 各相電流振幅異常検出回路
４４ アンド回路
４５ タイマ回路
４６ 制御装置出力欠相判断回路
４７ 制御装置緊急停止回路
４８ 制御装置出力欠相発生表示回路
１００ 電動機制御装置

Claims (3)

1. 一次電流を二次磁束と平行な成分と垂直な成分とに分離し、それぞれの成分の電流指令通りに電流を流すことによって速度制御する電動機の制御装置において、
   各相電流の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記各相電流の振幅を検出して前記各相電流の振幅が正負非対称であれば異常信号を出力する電流異常検出手段と、
   からなる出力欠相検出回路を備え、
   前記出力欠相検出回路では、前記周波数検出手段により検出された周波数信号が電動機速度と電動機極数により決定される一次周波数指令値に対して一定以上の割合である場合に、前記電流異常検出手段から出力される異常信号によって電動機の運転を停止するようにしたことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記出力欠相検出回路では、前記異常信号が一定時間継続して出力された場合だけ、前記電動機の運転を停止するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
3. 前記出力欠相検出回路は、欠相通知信号を回路外部に出力するとともに、出力欠相の発生を表示する出力欠相発生表示手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。

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