JP2007295648A - モータの可変速制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの頻繁な運転停止をなくし、モータの回生電力効率を高め、安定した制御状態を継続できる。
【解決手段】停電発生時にインバータの周波数調節によってモータを回生運転し、制御状態の継続を図る電源電圧調節装置は、停電検出器１１でインバータの直流電圧が停電レベルまで電圧低下したことを検出し、周波数指令調節部１４で維持レベルと直流電圧検出値との偏差信号の比例積分演算によって周波数調節出力Δｆを求めて周波数指令を調節してインバータの直流電圧を維持レベルに維持する。
調節部は停電検出時に比例項の出力をステップ的に高めた周波数調節出力Δｆを得ること、復電時にその入力および出力をリセットしておくこと、直流電圧が停止レベルに達したときにモータを機械ブレーキにより停止させることも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータによってモータを可変速制御する装置に係り、特に停電発生時にインバータの周波数調節によってモータを回生運転し、制御状態の継続を図る技術に関する。

一般に、インバータによるモータの可変速制御装置は、交流電源の交流電力を整流器またはコンバータで直流電力に変換し、これを直流電源とするインバータにより周波数と電圧を制御した交流出力でモータを駆動し、モータの速度制御、さらにはトルクを制御する。

この種の装置では、停電発生時にインバータの直流電圧が低下し、インバータの制御電源も落ちてインバータの制御不能、さらにモータで駆動する機械負荷を異常停止させてしまうおそれがある。

この停電対策として、バッテリ等により無停電電源化を図るのでは、装置のコストアップ、大型化になる。このバッテリ等の予備電源を不要にする方式として、停電発生時にモータを発電機として動作させ、モータの発電電力をインバータの直流側に回生し、制御装置の電源を確保しながらモータを減速制御し、さらには短時間停電の場合には復電でモータ運転の回復制御を可能とする方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３７４７００号公報

特許文献１では、停電発生を検出したときにモータの速度制御機能および制御状態を確保することによって、減速制御による減速時間を短縮し、停電回復時にモータ速度を速やかに回復させる。

このような停電対策を施した装置において、停電検出は、電源電圧があるレベル以下に低下したか否かで検出している。しかし、電源電圧が低下する要因には回路遮断によるものの他に、電源電圧の変動による一時的なものもある。このような場合にも一律に停電発生としてモータの減速制御を開始するのではモータの運転停止を頻繁に起こしてしまう。

また、モータ負荷によってはモータの連続運転が要求される装置もあるため、短時間の電圧低下には運転を継続できる制御技術が必要となっている。

また、特許文献１のように、電源電圧低下時に設定値による一律の減速制御を行うと、回生電力のロスが大きいため、より効率的に制御できる技術が要望される。

本発明の目的は、上記の課題を解決したモータの可変速制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、インバータの直流電圧を監視し、停電レベルまでの電圧低下で停電を検出し、この時点からＰＩ制御によってインバータの周波数出力を下げることでモータを回生運転し、これによりモータの回生電力を利用して直流電圧を維持レベルに維持し、この状態で直流電圧が復帰レベルまで上昇したときに復電を検出し、この復電検出によりモータを通常運転状態に戻し、長時間停電状態が継続して直流電圧が維持できなくなるモータ速度（停止レベル）に達したときにモータを停止させるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）制御装置への周波数指令に応じた周波数および電圧出力を得るインバータによってモータを可変速制御し、停電発生時にインバータの周波数調節によってモータを回生運転し、制御状態の継続を図る電源電圧調節装置を備えたインバータの可変速制御装置であって、
前記電源電圧調節装置は、
インバータの直流電圧が停電レベルまで電圧低下したときに停電発生を検出する停電検出器と、
前記停電レベルよりも高い電圧にした維持レベルとインバータの直流電圧検出値との偏差を検出する偏差検出器と、
前記停電検出器が停電検出したときに、前記偏差検出器の偏差信号を入力し、この偏差信号の比例積分演算によって周波数調節出力Δｆを求める周波数指令調節部を備え、
前記周波数指令を前記周波数調節出力Δｆで調節してインバータの直流電圧を前記維持レベルに維持することを特徴とする。

（２）前記周波数指令調節部は、周波数調節出力Δｆを制限するリミッタを設け、前記停電検出時に比例項の出力をステップ的に高めた前記周波数調節出力Δｆを得ることを特徴とする。

（３）インバータの直流電圧が前記維持レベルより高い復帰レベルまで上昇したことを前記停電検出器が検出したとき、この検出で前記周波数指令調節部の入力および出力をリセットしておくリセットスイッチを備え、
このリセット状態で前記制御装置によりモータを通常運転状態に戻すことを特徴とする。

（４）停電状態が長時間継続してインバータの直流電圧が維持できなくなる停止レベルに達したとき、前記周波数指令調節部および制御装置を停止させ、モータを機械ブレーキにより停止させる制御手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。

（１）停電レベルまでの電圧低下で停電を検出するため、電源電圧の変動による一時的な電圧低下には通常運転を維持することができ、モータ負荷の頻繁な運転停止を起こすことはない。

（２）電源電圧低下時に設定値による一律の減速制御を行うことがなくなり、モータの回生電力を効率良く利用できる。

（３）維持レベルと電圧検出値の差分により、必要な周波数調節量を随時求めるため、設定値による減速停止よりも安定した制御状態を継続できる。

（４）停電より復帰した場合、元の周波数指令及び出力周波数値に戻るので、極力停止を避けたい用途の装置に効果を発揮する。

（５）停電復帰までモータを制御しながら回転低下を行うので、停電複帰できなくても安全にモータを停止させることができる。

図１は、本発明の実施形態を示す可変速制御装置の回路構成図である。交流電源１の交流電力を整流器（またはコンバータ）２で直流電力に変換し、これを直流電源とするインバータ３およびその制御装置４により周波数と電圧を制御した交流出力を得てモータ５の速度制御、さらにはトルクを制御する。

モータ５の速度制御には、制御装置４に周波数指令（速度指令）ｆとモータ５の速度検出器６による検出速度とを取り込み、両者の偏差に応じた比例積分（ＰＩ）演算を行う速度制御系、さらには電流制御系等を有してインバータ３のスイッチング制御を行い、モータ５の速度を周波数指令ｆに追従させる。

なお、モータ５は誘導機に限らず同期機とする構成、モータ速度をその電流から推定するセンサレス制御装置とする構成、制御装置４はＰＷＭ制御方式とする構成など、種々の異なる構成にされる。

ここで、本実施形態では、停電発生時の電源電圧調節装置を設ける。この調節装置は、電源電圧が低下したときにインバータの動作周波数を操作してモータを発電機として回生運転し、この回生電圧を利用して制御状態の継続を図るもので、停電検出器１１と偏差検出器１２とリセットスイッチ１３および破線ブロックで示す周波数指令調節部１４で構成する。

停電検出器１１は、インバータ３の直流電圧検出値が停電レベル以下になるときに停電発生を検出し、その後に復電レベルを超えたときに復電を検出する。この停電検出時にはリセットスイッチ１３および周波数指令調節部１４内のリセットスイッチ１５を図示の状態に切換える。リセットスイッチ１３および１５は、通常時および復電時にはリセット入力信号（０％入力信号）に保持される。

偏差検出器１２は、モータ５の回生運転時にインバータ３の直流電圧を一定に維持するための維持レベル信号と、インバータ３の直流電圧検出値との偏差を検出し、リセットスイッチ１３を通して周波数指令調節部１４への周波数調節信号として出力する。

周波数指令調節部１４は、リミッタ付きＰＩ制御回路に構成し、入力される周波数調節信号に応じた周波数調節出力Δｆを得、この周波数調節出力Δｆで制御装置４の周波数指令ｆを調節（減算）して制御装置４の周波数指令とする。周波数指令調節部１４において、Ｋｐは比例項のゲイン、Ｋｉは積分項のゲイン、ｚ^-1は積分項の一次遅れ要素、Ｋはフィードバックゲイン、１６はリミッタを示す。

以上の構成になるモータの回生制御装置の動作を図２を参照して詳細に説明する。

図２は、停電発生時のインバータの出力周波数と直流電圧の波形図を示す。停電発生前の通常運転中は、インバータの直流電圧は通常レベルに維持され、停電検出器１１は直流電圧値を常に監視しておく。このとき、リセットスイッチ１３および１５をリセット信号（０％）に保持しておき、周波数指令調節部１４の入力および出力は「０」にリセットしておく。

停電発生で、インバータの直流電圧が最も低い停電レベルまで低下したとき（時刻ｔ１）、これを停電検出器１１が検出し、リセットスイッチ１３および１５を図示の状態に切り換える。この切り替えによって、調節部１４には維持レベルと電圧検出値の偏差分が入力される。この入力により、調節部１４ではその比例項が直ちに応答し、周波数調節出力Δｆを発生し、インバータの出力周波数をリミッタ１６で制限してステップ的に下げ、モータからの回生運転が直ちに開始され、直流電圧が停電レベル以下に低下するのを抑制する。さらに、この時点から一次遅れで積分項の出力も上昇し、これらの協働によって直流電圧を停電レベルよりも高い維持レベルまで上昇させる（時刻ｔ２）。

この調節後は、モータの速度低下に伴ってインバータの出力周波数は徐々に低下していくが、直流電圧は維持レベルに保持される。この調節動作中に、交流電源が復電したとき（時刻ｔ３）、インバータの直流電圧が上昇を始める。この直流電圧が維持レベルよりも高い復帰レベルにまで上昇したとき（時刻ｔ４）、停電検出器１１が復電を検出し、リセットスイッチ１３および１５を切り替えて調節部１４の入出力をリセットし、周波数調節出力Δｆを「０」にする。

このリセットにより、復電時の安定化制御を得る。すなわち、復電時に継続して調節動作を行うと維持レベルと検出値差分が影響してΔｆにより周波数指令が大幅に変動、上昇する場合がある。これを防ぐために復帰レベルを設定し、検出値がこの値を超えた場合は停電状態からの復帰とみなし、Δｆによる周波数調節動作を停止する。このときの周波数指令は停電前の数値に戻り、低下した周波数値の復帰は通常の運転と同様の動作を用いて復帰する。

以上のように、本実施形態によれば、周波数指令調節部１４のＰＩ制御の動作開始は、維持レベルと直流電圧値が偏差を持った停電レベルから動作させる。これにより、動作開始時に（維持レベル−停電レベル）×比例項のゲイン分だけ周波数をステップ的に下げ、直流電圧が停電レベル以下にまで低下するのを防ぐ。この制御を行わない場合には、直流電圧のアンダーシュートが大きくなり、電源電圧を確保できない場合がある。この場合には故障停止してしまう。

また、復電時には維持レベルよりも高い復帰レベルまでの電圧上昇で復電を確認し、調節部１４のリセットで通常運転に戻すため、復電時の安定化を図ることができる。

なお、図２は、停電発生から復電した場合の動作例を示すが、停電が長期間にわたる場合、図３に示すように、周波数値が別途定義した停止レベルを下回った時点で周波数指令調節部１４および制御装置４を停止させ、モータを機械ブレーキによって停止させる（時刻ｔ５）。この停止制御には、例えば、直流電圧検出値を出力周波数の停止レベルに相当する電圧と比較するコンパレータによってブレーキ動作指令を発生することで実現される。なお、この停止制御には、モータの回転数が十分に低いため、機械ブレーキの負担は極めて小さい。

本発明の実施形態を示す可変速制御装置の回路構成図。 実施形態におけるインバータの出力周波数と直流電圧の波形図（その１）。 実施形態におけるインバータの出力周波数と直流電圧の波形図（その２）。

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流器
３ インバータ
４ 制御装置
５ モータ
６ 速度検出器
１１ 停電検出器
１３、１５ リセットスイッチ
１４ 周波数指令調節部
１６ リミッタ

Claims (4)

1. 制御装置への周波数指令に応じた周波数および電圧出力を得るインバータによってモータを可変速制御し、停電発生時にインバータの周波数調節によってモータを回生運転し、制御状態の継続を図る電源電圧調節装置を備えたインバータの可変速制御装置であって、
   前記電源電圧調節装置は、
   インバータの直流電圧が停電レベルまで電圧低下したときに停電発生を検出する停電検出器と、
   前記停電レベルよりも高い電圧にした維持レベルとインバータの直流電圧検出値との偏差を検出する偏差検出器と、
   前記停電検出器が停電検出したときに、前記偏差検出器の偏差信号を入力し、この偏差信号の比例積分演算によって周波数調節出力Δｆを求める周波数指令調節部を備え、
   前記周波数指令を前記周波数調節出力Δｆで調節してインバータの直流電圧を前記維持レベルに維持することを特徴とするモータの可変速制御装置。
2. 前記周波数指令調節部は、周波数調節出力Δｆを制限するリミッタを設け、前記停電検出時に比例項の出力をステップ的に高めた前記周波数調節出力Δｆを得ることを特徴とする請求項１に記載のモータの可変速制御装置。
3. インバータの直流電圧が前記維持レベルより高い復帰レベルまで上昇したことを前記停電検出器が検出したとき、この検出で前記周波数指令調節部の入力および出力をリセットしておくリセットスイッチを備え、
   このリセット状態で前記制御装置によりモータを通常運転状態に戻すことを特徴とする請求項１または２に記載のモータの可変速制御装置。
4. 停電状態が長時間継続してインバータの直流電圧が維持できなくなる停止レベルに達したとき、前記周波数指令調節部および制御装置を停止させ、モータを機械ブレーキにより停止させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータの可変速制御装置。
   

Images