JP2007135311A

JP2007135311A - 電動機制御装置

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Publication number: JP2007135311A
Application number: JP2005326237A
Authority: JP
Inventors: Yozo Ueda; 洋三上田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP4853765B2

Abstract

【課題】瞬時停電時にインバータのＤＣ母線電圧検出をすることなしにＤＣ母線電圧を維持し運転を継続することができるインバータを提供する。
【解決手段】コンバータ部（２）と逆変換部（４）と、速度指令部（７）と力行運転時の電動側トルクリミット部（１１）と、回生運転時の回生側トルクリミット部（９）とトルクリミット回路（１５）と、トルク指令に応じて電流制御する電流制御回路（１６）と電圧指令演算回路（１７）とゲート信号生成回路（１８）と、速度検出回路（１９）と、停電検出回路（６）とを備え、交流電源の停電を検出すると電動機の減速を開始させ、運転継続する電動機制御装置において、停電時に速度指令零を出力する停電時速度指令部（８）と、停電時回生側トルクリミット演算回路（２０）と、停電検出すると速度指令部（７）を停電時速度指令部（８）へ切替えると同時に回生トルクリミット部（９）を停電時回生側トルクリミット演算回路（２０）へ切替える切替えスイッチ（１２ａ、１２ｂ）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライン設備等の主要構成要素をなす交流電動機を駆動制御する電動機制御装置（いわゆるインバータ）の制御において、その交流電源瞬時停電発生時における電動機制御装置の運転継続可能時間の延長を図り、瞬時停電継続期間における前記のライン設備等の停止をできるだけ回避し得る電動機制御装置の制御に関する。

従来のインバータは、ＤＣ母線電圧を維持して停電時運転を継続するために、ＤＣ母線電圧を検出しその検出値を維持することを目標に運転継続していた。
例えば特許文献１においては、ＤＣ母線電圧に関して順次その電圧低下の度合いが大となる第一段と第二段と第三段との三種の制御用電圧を設定し、前記のＤＣ母線電圧が停電の発生により低下して前記第二段の電圧設定値に至ればインバータに対する運転指令信号をＯＦＦとして電動機の減速を行い、該減速に伴う電力回生によって前記ＤＣ母線電圧が増大に転じて前記第一段の電圧設定値に至れば前記運転指令信号を再びＯＮとし、以後前記運転指令信号に対する上記の如きＯＮ・ＯＦＦ制御を繰り返し前記ＤＣ母線電圧の降下率の低減を図ると共に、該直流中間電圧が前記第三段の電圧設定値よりも大であれば前記インバータによる前記電動機の運転を継続させるようにしている。
図３に交流電源を入力とし、複数個の２次巻線を有する変圧器と、２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単相インバータ（３０ｕ１、３０ｕ２、３０ｖ１、３０ｖ２、３０ｗ１、３０ｗ２）を３グループに分割し、グループ毎にその出力を直列接続し、直列接続された一端を中性点Ｎとして接続し、他端から交流出力を得るように構成した３相インバータと、この３相インバータの出力を制御する制御部とを備えた直列インバータが示されている（特許文献２）。図４に単相インバータ３０の構成図を示す。単相インバータ３０はコンバータ部と平滑コンデンサと単相交流を出力する逆変換部から構成される。
特開平０６−１６５５７９号公報、図１参照特開２００５−８６８４４号公報、図１、２参照

従来技術に基づく停電時運転継続方法では、ＤＣ母線電圧を検出する必要が有るため、これを単相インバータ（単位インバータ）を直列多重結合したインバータに適用しようとすると各単位インバータのＤＣ母線電圧を検出する必要を生じ、検出回路及び制御方法が複雑になるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、瞬時停電時にインバータのＤＣ母線電圧検出をすることなしにＤＣ母線電圧を維持し運転を継続することができるインバータを提供することを目的とする。また、単相インバータを直列多重結合したインバータの瞬時停電時の運転継続に適用できるようにすることにある。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
交流電源を直流電圧に変換するコンバータ部（２）と前記コンバータ部電圧を可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換する逆変換部（４）と、交流電源正常時に速度指令を出力する速度指令部（７）と力行運転時の電動側トルクリミット部（１１）と回生運転時の回生側トルクリミット部（９）と、速度制御回路（１４）から出力されるトルク指令に所定のトルク制限を与えるトルクリミット回路（１５）と、トルク指令に応じて電流制御する電流制御回路（１６）と電圧指令演算回路（１７）と前記逆変換部（４）へゲート信号を出力するゲート信号生成回路（１８）と、電動機速度を検出する速度検出回路（１９）と、停電検出回路（６）とを備え、交流電源の停電を検出すると電動機の減速を開始させ、運転継続する電動機制御装置において、停電時に速度指令零を出力する停電時速度指令部（８）と、停電時回生側トルクリミット演算回路（２０）と、停電検出すると前記速度指令部（７）を前記停電時速度指令部（８）へ切替えると同時に前記回生トルクリミット部（９）を停電時回生側トルクリミット演算回路（２０）へ切替える切替えスイッチ（１２ａ、１２ｂ）とを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項１において前記電動機制御装置が単相インバータを直列多重結合したインバータであることを特徴とするものである。
また、請求項１において前記速度制御回路（１４）の入力前段にソフトスタータ部（１３）を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、瞬時停電時にインバータのＤＣ母線電圧検出をすることなしにＤＣ母線電圧を維持しインバータの運転を継続することができる。また、単相インバータを直列多重結合したインバータの瞬時停電時の運転継続が単相インバータのＤＣ母線電圧検出をすることなしにできる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明によるインバータの構成図である。図において、１は三相交流電源、２は三相整流回路、３は平滑コンデンサ、４は逆変換回路、５は電動機、６は停電検出回路、７は速度指令部、８は停電時速度指令部、９は回生側トルクリミット部、１０はインバータ内部損失演算部、１１は力行運転時の電動側トルクリミット部、１２ａ、１２ｂは切替スイッチ、１３はソフトスタータ部、１４は速度制御回路、１５はトルクリミット回路、１６は電流制御回路、１７は電圧指令演算回路、１８はゲート信号生成回路、１９は速度検出回路、２０は停電時回生側トルクリミット演算回路、２７は速度検出器である。また制御回路２８は停電検出回路６〜停電時回生側トルクリミット演算回路２０により構成される。
なお、ソフトスタータ部１３出力は、インバータの加減速を決める機能（ソフトスタート）の出力である。ソフトスタータ部１３の機能は、設定周波数（指令周波数）を入力し、設定された加減速レートに従った周波数を出力する機能である。指令周波数まで、加減速レートで分割された周波数が、スキャンレートごとに加算される積分器で構成することができる。ソフトスタータ部１３は例えば、エレベータの起動、停止の際の衝撃をなくすために滑らかな速度指令パターン（Ｓ字パターン）を用いる場合に使用できる。

次に動作を説明する。１は三相電源であり、そこから出力される三相電圧は三相整流回路２に入力されて整流されＤＣ母線電圧となって平滑コンデンサ３側へ出力される。このＤＣ母線電圧は平滑コンデンサ３により平滑化されＩＧＢＴで構成された逆変換回路４にて可変周波数・可変電圧の三相電圧となって電動機５に供給されている。切替スイッチ１２ａ、１２ｂは電源正常時は両方ともａ側になっており、停電検出回路の６からの停電検出信号を受けるとスイッチのａ側からｂ側へと同時に切替える。
可変周波数・可変電圧の三相電圧を出力するための制御回路は、速度指令部７から出力される速度指令を加減速度を調整するソフトスタータ部１３に入力しさらにその出力を速度制御回路１４に入力してトルク指令を作り出している。
トルクリミット回路１５は、電動運転時及び回生運転時別々にトルク指令を制限する回路である。トルクリミット回路１５で制限されたトルク指令は電流制御回路１６に入力され電圧指令の補正信号に変換され電圧指令演算回路１７に入力される。電圧指令演算回路１７にて可変周波数・可変電圧の三相電圧の電圧指令が演算される。こうして作り出された電圧指令はゲート信号生成回路１８に入力されて逆変換回路４のＩＧＢＴを駆動するためのゲート信号に変換され逆変換回路４に入力される。逆変換回路４は本ゲート信号によりＩＧＢＴをスイッチングさせ可変周波数・可変電圧の三相電圧を電動機５へ出力する。

制御回路には三相整流回路２の入力電圧を監視し、停電かどうかを判断する停電検出回路６を有している。停電検出回路６は、停電を検知したら切替スイッチ１２ａ、１２ｂを同時にａ側からｂ側へと切替える。この切替スイッチ１２ａ、１２ｂは速度指令及び回生側トルクリミット値を各々停電時速度指令部８及び停電時回生側トルクリミット演算回路２０の出力に切替える。
停電時回生側トルクリミット演算回路２０は、速度検出器による直接検出あるいは出力電流検出値、出力電圧検出値から演算で求める間接検出といった手法により電動機の速度を検出する速度検出回路１９の出力である速度検出値ωと、あらかじめ駆動電動機の内部損失ＰＬＯＳＳを設定してあるインバータ内部損失演算部１０とを用いて停電時にＤＣ母線電圧を維持するためのトルクリミット値ＴＬを演算するものである。トルクリミット値ＴＬは比例定数ｋを用いて

ＴＬ＝ｋ×ＰＬＯＳＳ／ω ・・・（１）
（１）式から求めることができる。求めたトルクリミット値ＴＬはトルクリミット回路１５へ出力される。許容できる損失は一定であるため、電動機の速度検出値ωの低下に反比例して停電発生時のトルクリミット値は大きくすることができる。また速度検出値ωに依存させずに停電発生時にも求めたトルクリミット値に固定することもできる。
本発明が従来技術と大きく異なる部分は、ＤＣ母線電圧を検出するＤＣ母線電圧検出回路が存在せず、代わりに三相整流回路２の入力電圧を検出する検出回路を備えた部分と、
停電時運転継続させるための停電時速度指令部８、インバータ内部損失演算部１０、停電時回生側トルクリミット演算回路２０、切替スイッチ１２ａ、１２ｂを備えた部分である。

図２は瞬時停電時の各部の動作信号を表している。図において、２１は入力電圧、２２はＤＣ母線電圧、２３は停電検出回路出力信号、２４は速度指令、２５は電動機速度、２６はトルクリミット回路１５が出力するトルク指令である。図において（ａ）は逆変換回路４の入力電圧振幅である。停電検出回路６は停電が発生すると所定電圧振幅以下になった時点ｔ１で停電を検出することができる。（ｂ）はＤＣ母線電圧を示す。停電検出時刻t1後はＤＣ母線電圧はほぼ一定に保たれている。（ｃ）は停電検出回路６が出力する停電検出回路信号である。（ｄ）は速度指令を表している。停電検出時刻t1後は速度指令が零となる。（ｅ）は電動機速度を示している。ｔ1後はトルク指令２６に従い減速する。（ｆ）はトルクリミット回路１５が出力するトルク指令２６を示す。

停電が発生し三相整流回路２の入力電圧振幅２１が低下するのを停電検出回路６が検出する。停電検出回路６は２３に示す出力を切替スイッチ１２ａ、１２ｂに伝達し速度指令値とトルクリミット値を同時に切替えるために、スイッチ１２ａ、１２ｂをａ側からｂ側へと同時に切替える。これにより速度指令２４がゼロに落ちることにより電動機の減速が始まる。しかしながらトルクリミット回路１５が出力するトルク指令２６は停電時回生側トルクリミット演算回路２０の出力値で制限されているため、実際の電動機速度２５はトルクリミット回路１５が出力するトルク指令２６で定まる減速レートで減速する。これによりＤＣ母線電圧２２は一定値を維持することになり、インバータを継続して運転することができる。

本発明を単相インバータを直列多重結合したインバータに適用する場合は、停電検出回路６への入力を変圧器２９の一次側電圧とし、速度検出回路１９を速度検出器による直接検出あるいは出力電流検出値、多重出力電圧検出値から演算で求める間接検出といった手法により電動機の速度を検出するものとして構成すれば、全く同じ構成で実現できる。
ＤＣ母線電圧を検出せず入力電圧の検出のみで運転継続することができるので、直列多重インバータにも複雑な電圧検出回路無しで適用できる。

本発明の実施例を示すインバータの構成図本発明のインバータの動作を示すタイムチャート従来の単相インバータを用いた直列多重インバータの構成図従来の直列多重インバータの単相インバータの構成図

符号の説明

１三相交流電源
２三相整流回路
３平滑コンデンサ
４逆変換回路
５電動機
６停電検出回路
７速度指令部
８停電時速度指令部
９回生側トルクリミット部
１０インバータ内部損失演算部
１１電動側トルクリミット部
１２ａ、１２ｂ切替スイッチ
１３ソフトスタータ部
１４速度制御回路
１５トルクリミット回路
１６電流制御回路
１７電圧指令演算回路
１８ゲート信号生成回路
１９速度検出回路
２０停電時回生側トルクリミット演算回路
２１入力電圧
２２ＤＣ母線電圧
２３停電検出回路出力信号
２４速度指令
２５電動機速度
２６トルクリミット回路が出力するトルク指令
２７速度検出器
２８制御回路
２９変圧器
３０、３０ｕ１、３０ｕ２、３０ｖ１、３０ｖ２、３０ｗ１、３０ｗ２単相インバータ

Claims

交流電源を直流電圧に変換するコンバータ部（２）と前記コンバータ部電圧を可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換する逆変換部（４）と、交流電源正常時に速度指令を出力する速度指令部（７）と力行運転時の電動側トルクリミット部（１１）と回生運転時の回生側トルクリミット部（９）と、速度制御回路（１４）から出力されるトルク指令に所定のトルク制限を与えるトルクリミット回路（１５）と、トルク指令に応じて電流制御する電流制御回路（１６）と電圧指令演算回路（１７）と前記逆変換部（４）へゲート信号を出力するゲート信号生成回路（１８）と、電動機速度を検出する速度検出回路（１９）と、停電検出回路（６）とを備え、交流電源の停電を検出すると電動機の減速を開始させ、運転継続する電動機制御装置において、
停電時に速度指令零を出力する停電時速度指令部（８）と、停電検出すると前記速度指令部（７）を前記停電時速度指令部（８）へ切替えると同時に前記回生トルクリミット部（９）を停電時回生側トルクリミット演算回路（２０）へ切替える切替えスイッチ（１２ａ、１２ｂ）とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
前記電動機制御装置が単相インバータを直列多重結合したインバータであることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記速度制御回路（１４）の入力前段にソフトスタータ部（１３）を設けたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。