JP2008154335A

JP2008154335A - インバータ装置と過電圧抑制方法

Info

Publication number: JP2008154335A
Application number: JP2006338184A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Karanihara; 博孝唐仁原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】インバータ直流電圧の上昇の誤検出、及び過電圧の抑制動作の誤動作を防止できるインバータ装置と過電圧抑制方法を提供する。
【解決手段】過電圧抑制部（１６）は、電源電圧を設定する電源電圧設定部（１７）と、電源電圧から第１過電圧値を生成する第１過電圧値生成部（１８）と、直流電圧信号が第１過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和する回生抑制部（１９）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧を抑制できるインバータ装置と過電圧抑制方法に関する。

従来の過電圧を抑制するインバータ装置は特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているインバータ装置は、直流電圧の検出値と検出レベルの比較結果から、検出値が検出レベルを超えていれば直流電圧が上昇しているとして、減速時に、検出値に応じて回生側のトルク制限部のリミットを小さくしたり、あるいは出力周波数の減少量を変化させるというものである。
特開平１０−２５７７８８号公報

しかしながら、従来のインバータ装置は、直流電圧の上昇を直流電圧の検出値と検出レベルの比較結果から検出しているため、電動機からの回生エネルギーでインバータ直流電圧が上昇したのか、それとも、電源電圧が元々大きいので常に直流電圧が検出レベルより大きくなっているのか判断できず、後者の場合、インバータ直流電圧の上昇を誤検出し、過電圧の抑制動作が誤動作す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、インバータ直流電圧の上昇を検出する検出レベルを電源電圧の大きさに合わせたレベルにすることにより、インバータ直流電圧の上昇の誤検出、及び過電圧の抑制動作の誤動作を防止できるインバータ装置と過電圧抑制方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１に記載の発明は、交流電源から直流電源を生成するコンバータと、前記直流電源を平滑するコンデンサと、前記直流電源から３相交流電源を生成するインバータと、前記直流電源の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電圧検出部と、前記直流電圧が異常上昇するのを抑制する過電圧抑制部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令を所定のトルク制限値に制限し新たなトルク指令を生成するトルク制限部と、前記トルク指令と前記速度信号からｄ−ｑ軸電流指令を生成する電流指令生成部と、前記ｄ−ｑ電流指令とｄ−ｑ軸電流信号からｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と位置信号から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を増幅してゲート信号を生成するゲートドライバと、前記ゲート信号により電動機を駆動する前記インバータ部と、前記電動機の電流を検出して３相電流信号を生成する電流検出部と、前記３相電流信号から前記ｄ−ｑ軸電流信号を生成する座標変換部と、電動機に結合した位置検出器の生成する位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えるインバータ装置において、前記過電圧抑制部は、電源電圧を設定する電源電圧設定部と、前記電源電圧から第１過電圧値を生成する第１過電圧値生成部と、前記直流電圧信号が前記第１過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和する回生抑制部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第１過電圧値以上になるとトルク制限値を小さくすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記過電圧抑制部は、前記速度指令が減速モードに入る時の直流電圧信号を記憶する直流電圧記憶部と、記憶された直流電圧信号から第２過電圧値を生成する第２過電圧値生成部と、を備え、前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第２過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載のインバータ装置において、前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第２過電圧値以上になるとトルク制限値を小さくすることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記過電圧抑制部は、前記直流電圧信号がインバータ構成部品の耐圧限界の第３過電圧値以上になると過電圧警報信号を生成して電源を遮断する過電圧警報生成部を備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記回生抑制部は、前記速度指令が減速モードでないときに、前記直流電圧信号が第１過電圧値または第２過電圧値以上になると過電圧信号を生成することを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記過電圧抑制部は、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成する過電圧警報生成部を備えることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項７記載のインバータ装置において、前記過電圧警報生成部は、前記過電圧信号により電源を遮断する電源遮断信号を生成することを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記位置信号と前記速度信号は、推定により生成することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、交流電源から直流電源を生成するコンバータと、前記直流電源を平滑するコンデンサと、前記直流電源から３相交流電源を生成するインバータと、前記直流電源の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電源電圧検出部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令を所定のトルク制限値に制限し新たなトルク指令を生成するトルク制限部と、前記トルク指令と前記速度信号からｄ−ｑ軸電流指令を生成する電流指令生成部と、前記ｄ−ｑ電流指令とｄ−ｑ軸電流信号からｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と位置信号から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を増幅してゲート信号を生成するゲートドライバと、前記ゲート信号により電動機を駆動する前記インバータ部と、前記電動機の電流を検出して３相電流信号を生成する電流検出部と、前記３相電流信号から前記ｄ−ｑ軸電流信号を生成する座標変換部と、電動機に結合した位置検出器の生成する位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えるインバータ装置の過電圧抑制方法において、電源電圧を設定するステップと、前記電源電圧から第１過電圧値を生成するステップと、前記直流電圧信号が前記第１過電圧よりも大きいか比較するステップと、前記直流電圧が前記第１過電圧値よりも大きい場合は前記速度指令が減速モードか確認するステップと、、前記速度指令が減速モードであるときは減速率を緩和するステップと、前記速度指令が減速モードでないときは過電圧信号を生成するステップと、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のインバータ装置の過電圧抑制方法において、電源電圧を設定するステップと、前記速度指令が減速モードになる直流電圧信号を記憶するステップと、前記記憶されて直流信号から第２過電圧値を生成するステップと、前記直流電圧信号が前記第２過電圧よりも大きいか比較するステップと、前記直流電圧が前記第２過電圧値よりも大きい場合は前記速度指令が減速モードか確認するステップと、、前記速度指令が減速モードであるときは減速率を緩和するステップと、前記速度指令が減速モードでないときは過電圧信号を生成するステップと、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１乃至９記載の発明によると、電源電圧を設定する電源電圧設定部と、電源電圧から第１過電圧値を生成する第１過電圧値生成部と、速度指令が減速寸前の電源電圧信号から第２過電圧値を生成する第２過電圧値生成部と、速度指令が減速時は直流電圧信号が前記第１過電圧値または第２過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和し減速時以外は過電圧信号を生成する回生抑制部と、を備えるので、直流電圧の上昇の誤検出、及び過電圧の抑制動作の誤動作を防止できるインバータ装置を提供できる。
請求項１０および１１記載の発明によると、直流電圧信号が第１過電圧または第２過電圧値よりも大きいか比較するステップと、前記直流電圧が前記第１過電圧値または前記第２過電圧値よりも大きい場合は前記速度指令が減速モードか確認するステップと、、前記速度指令が減速モードであるときは減速率を緩和するステップと、前記速度指令が減速モードでないときは過電圧信号を生成するステップと、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成するステップと、を備えるので、直流電圧の上昇の誤検出、及び過電圧の抑制動作の誤動作を防止できる過電圧抑制方法を提供できる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施例の構成を示すブロック図である。図１において、１は交流電源を直流電源に変換するコンバータ、２は平滑コンデンサ、３はインバータ、４はソフトスタータ、５は速度制御部、６はトルク指令制限部、７は電流指令生成部、８は電流制御部、９は電圧指令生成部、１０はＰＷＭ信号生成部、１１はゲートドライバ、１２は直流電圧検出部、１３は電流検出部、１４は電動機、１５は位置検出器、１６は過電圧抑制部、１７は電源電圧設定部、１８は第１過電圧設定部、１９は回生抑制部、２０は直流電圧信号記憶部、２１は第２過電圧値生成部、２２は過電圧警報生成部、２３は座標変換部、２４は速度信号生成部、２５は開閉器であり、第１実施例では点線部の直流電圧記憶部２０と第２過電圧値生成部は使用しない。

次に一般的な動作について説明する。コンバータ１は３相交流電圧を直流電圧に変換し、平滑コンデンサ２は直流電圧を平滑する。インバータ３は直流電圧を３相交流電圧に変換しモータを駆動する。ソフトスタータ４は速度指令に直線加減速や指数加減速、Ｓ字加減速など速度プロファイルに傾斜をつけて新たな速度指令を生成する。速度制御部５は速度指令から速度信号を減算して速度偏差を生成、さらにＰＩ処理またはＰＩＤ処理をしてトルク指令を生成する。トルク制限部６は設定可能な所定値にトルク指令を制限し新たなトルク指令を生成する。電流指令生成部７は、トルク指令と速度信号からｄ−ｑ軸電流指令を生成する。電流制御部８はｄ−ｑ軸電流指令からｄ―ｑ軸電流信号を減算してｄ―ｑ軸電流偏差を生成、さらにＰＩ処理またはＰＩＤ処理をしてｄ―ｑ軸電圧指令を生成する。電圧指令生成部はｄ−ｑ軸電圧指令と位置信号から３相電圧指令を生成する。ＰＷＭ信号生成部１０は３相電圧指令からＰＷＭ信号を生成し、ゲートドライバはＰＷＭ信号を絶縁増幅してインバータ３を構成するパワーデバイスをドライブする。位置検出器１５は位置信号を生成し、速度信号生成部２４は位置信号から速度信号を生成する。電流検出器１３は、３相電流のうち２相の電流を検出し電流信号を生成する。座標変換部２３は２相の電流信号からｄ−ｑ軸電流信号を生成する。
また、速度信号と位置信号は、速度推定器と位置推定器を用いてセンサレスにすることもできる。

次に本発明に係る動作について説明する。直流電圧検出部１２は、直流の直流電圧を検出し、直流電圧信号を生成する。電源電圧設定部１７は、使用現場において仕様となる電源電圧を設定することができる。第１過電圧値生成部は、設定された電源電圧に係数を乗算して第１過電圧値を生成する。回生抑制部１９は、直流電圧信号を第１過電圧値と比較し、直流電圧信号が第１過電圧値以上になるとソフトスタータの速度指令の減速率を緩和するか、トルク制限値を小さくするか、あるいは両方とも行う。

図２は本発明の第２実施例の構成を示すブロック図で、図１同じであるが点線のブロック部が削除される。第１過電圧値を使用するかわりに、第２過電圧値を使用する。過電圧抑制部１６の直流電圧記憶部は、速度指令が減速モードに入る時の直流電圧信号を記憶する。第２過電圧生成部は、記憶された直流電圧信号に係数を乗算して第２過電圧値を生成する。回生制御部１９の動作を第１実施例と同じである。

図３は、本発明のインバータ装置の過電圧抑制方法を示すフローチャートである。図３において、ステップＳＴ１で電源電圧を設定し、ステップＳＴ２で電源電圧から第１過電圧値を生成し、ステップＳＴ３で直流電圧信号が第１過電圧値よりも大きいかどうか比較し、ステップＳＴ４で速度指令が減速モードかどうか確認し、ステップＳＴ５で減速モードであれば速度指令の減速率を緩和し、ステップＳＴ６で減速モードでないときは過電圧信号を生成し、ステップＳＴ７で過電圧警報信号を生成する。

図４は減速時、回生によりコンデンサ電圧が上昇し、直流電圧信号が第１過電圧値よりも大きくなり速度指令の減速率を緩和したときのシミュレーションである。条件は、速度制御比例ンＫｖ＝５Ｎｍｓ／ｒ、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝１００ｍｓ、電流制御比例ゲインＫｘ＝５ｖ／Ａ：電流制御積分時定数Ｔｃｉ＝１ｍｓ、モータ誘起電圧定数０．３Ｖｓ／ｒ、抵抗Ｒ＝０．１Ω、インダクタンスＬ＝１ｍＨ、慣性モーメントＪ＝０．００５ｋｇｍ２、最大トルクＴｑｍ＝３０Ｎｍ、コンデンサＣ＝１０００μＦ、インバータロス＝Ｐｌ＝５００Ｗ、第１過電圧Ｖｍｘ＝３９０Ｖ、キャリア周波数ｆｃ＝１ｋＨｚ、加速定数５ｒ／ｓ／ｍｓ／ｍｓである。
図５は、トルク制限値を緩和したときのシミュレーションで、条件は図４と同じである。

本発明のインバータ装置は、インバータ直流電圧の過電圧誤検出や過電圧抑制誤動作を防止できるので、一般産業用途に幅広い適用が期待できる。

本発明のインバータ装置の第１実施例の構成を示すブロック図本発明のインバータ装置の第２実施例の構成を示すブロック図本発明のインバータ装置の過電圧抑制方法を示すフローチャート本発明のインバータ装置の過電圧抑制を速度指令で実施した場合のシミュレーションタイムムチャート本発明のインバータ装置の過電圧抑制をトルク制限で実施した場合のシミュレーションタイムチャート

符号の説明

１コンバータ
２コンデンサ
３インバータ
４ソフトスタータ
５速度制御器
６トルク制限部
７電流指令演算部
８電流制御器
９電圧指令生成部
１０ＰＷＭ生成部
１１ゲートドライバ
１２直流電圧検出部
１３電流検出器
１４電動機
１５位置検出器
１６過電圧抑制部
１７電源電圧設定部
１８第１過電圧設定部
１９回生抑制部
２０直流電圧信号記憶部
２１第２過電圧値生成部
２２過電圧警報生成部
２３座標変換部
２４速度信号生成部
２５開閉器

Claims

交流電源から直流電源を生成するコンバータと、前記直流電源を平滑するコンデンサと、前記直流電源から３相交流電源を生成するインバータと、前記直流電源の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電圧検出部と、前記直流電圧が異常上昇するのを抑制する過電圧抑制部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令を所定のトルク制限値に制限し新たなトルク指令を生成するトルク制限部と、前記トルク指令と前記速度信号からｄ−ｑ軸電流指令を生成する電流指令生成部と、前記ｄ−ｑ電流指令とｄ−ｑ軸電流信号からｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と位置信号から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を増幅してゲート信号を生成するゲートドライバと、前記ゲート信号により電動機を駆動する前記インバータ部と、前記電動機の電流を検出して３相電流信号を生成する電流検出部と、前記３相電流信号から前記ｄ−ｑ軸電流信号を生成する座標変換部と、電動機に結合した位置検出器の生成する位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えるインバータ装置において、
前記過電圧抑制部は、電源電圧を設定する電源電圧設定部と、前記電源電圧から第１過電圧値を生成する第１過電圧値生成部と、前記直流電圧信号が前記第１過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和する回生抑制部と、を備えることを特徴とするインバータ装置。
前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第１過電圧値以上になるとトルク制限値を小さくすることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記過電圧抑制部は、前記速度指令が減速モード寸前の直流電圧信号を記憶する直流電圧記憶部と、記憶された直流電圧信号から第２過電圧値を生成する第２過電圧値生成部と、を備え、前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第２過電圧値以上になると速度指令の減速率を緩和することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記回生抑制部は、前記直流電圧信号が前記第２過電圧値以上になるとトルク制限値を小さくすることを特徴とする請求項３記載のインバータ装置。
前記回生抑制部は、前記直流電圧信号がインバータ構成部品の耐圧限界の第３過電圧値以上になると過電圧信号を生成することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記回生抑制部は、前記速度指令が減速モードでないときに、前記直流電圧信号が第１過電圧値または第２過電圧値以上になると過電圧信号を生成することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記過電圧抑制部は、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成する過電圧警報生成部を備えることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記過電圧警報生成部は、前記過電圧信号により電源を遮断する電源遮断信号を生成することを特徴とする請求項７記載のインバータ装置。
前記位置信号と前記速度信号は、推定により生成することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
交流電源から直流電源を生成するコンバータと、前記直流電源を平滑するコンデンサと、前記直流電源から３相交流電源を生成するインバータと、前記直流電源の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電源電圧検出部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令を所定のトルク制限値に制限し新たなトルク指令を生成するトルク制限部と、前記トルク指令と前記速度信号からｄ−ｑ軸電流指令を生成する電流指令生成部と、前記ｄ−ｑ電流指令とｄ−ｑ軸電流信号からｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と位置信号から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を増幅してゲート信号を生成するゲートドライバと、前記ゲート信号により電動機を駆動する前記インバータ部と、前記電動機の電流を検出して３相電流信号を生成する電流検出部と、前記３相電流信号から前記ｄ−ｑ軸電流信号を生成する座標変換部と、電動機に結合した位置検出器の生成する位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えるインバータ装置の過電圧抑制方法において、
電源電圧を設定するステップと、前記電源電圧から第１過電圧値を生成するステップと、前記直流電圧信号が前記第１過電圧よりも大きいか比較するステップと、前記直流電圧が前記第１過電圧値よりも大きい場合は前記速度指令が減速モードか確認するステップと、、前記速度指令が減速モードであるときは減速率を緩和するステップと、前記速度指令が減速モードでないときは過電圧信号を生成するステップと、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするインバータ装置の過電圧抑制方法。
電源電圧を設定するステップと、前記速度指令が減速モードになる直流電圧信号を記憶するステップと、前記記憶されて直流信号から第２過電圧値を生成するステップと、前記直流電圧信号が前記第２過電圧よりも大きいか比較するステップと、前記直流電圧が前記第２過電圧値よりも大きい場合は前記速度指令が減速モードか確認するステップと、、前記速度指令が減速モードであるときは減速率を緩和するステップと、前記速度指令が減速モードでないときは過電圧信号を生成するステップと、前記過電圧信号により過電圧警報信号を生成するステップと、特徴とする請求項９記載のインバータ装置の過電圧抑制方法。