JP2009038959A - 永久磁石同期電動機用の一つ以上の相の欠相検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転中または停止時に、トルク制御に影響を及ぼすことなく、すなわち、付加的な振動やトルク低下を起こすことなく、電動機の一つ以上の相の欠相を検出する方法を提供することを可能にする。
【解決手段】本発明は、閉ループで機能する制御を実行する可変速駆動装置１において実施され、運転中または停止状態で固定されている三相永久磁石同期電動機ＰＭＳＭで一相、二相または三相の欠相を検出する方法である。この方法は、可変速駆動装置１の制御に基準磁束電流Ｉｄｒｅｆを与えて、各種の条件によって一つ以上の相の欠相を判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期電動機において一相、二相または三相の欠相を検出するための、可変速駆動装置において実行する方法に関する。この方法は、閉ループで、すなわち、電動機における速度または位置の測定によって実行する。また、本発明は上記の方法を実行できる可変速駆動装置にも関する。

電動機と可変速駆動装置から構成されるシステムにおいて、一つ以上の相の欠相は無作為に起こる。欠相は運転中または停止中に起こり、例えば振動によるネジのゆるみ、ケーブルの断線、接続忘れ、またはコンタクタが制御されていないことなどによって起こることがある。一つ以上の相を欠相することは、重大な障害を引き起こしかねないので、電動機において一つ以上の相の欠相を自動的に検出できることは重要となる。

特許文献１は、開ループで機能する永久磁石電動機の一相の欠相を検出する方法を記載する。この方法を実行するには、電動機が最初に停止状態である必要があり、該方法は電動機のコイルにトルク電流を注入して電動機の一つの相で電流を測定し、測定された電流値を算出した値と比較して、測定電流と算出電流との差分が所定値より大きい場合に欠相と判断することからなる。この特許の解決手段では、全ての相における欠相を同時に検出することはできない。また検出は、停止している電動機を一定の位置に合わせてから、電動機を起動する段階で実行する。
米国特許第７１６１３７５号明細書

本発明の目的は、運転中または停止時に、トルク制御に影響を及ぼすことなく、すなわち、付加的な振動やトルク低下を起こすことなく、電動機の一つ以上の相の欠相を検出する方法を提供することにある。

この目的は、閉ループで機能する制御を実行する可変速駆動装置で実施され、運転中または停止状態で固定されている相永久磁石同期電動機において一相、二相または三相の欠相を検出する方法によって達せられ、該方法は、
電動機に与える基準速度および電動機において測定された速度または位置に基づいて算出された基準トルク電流に応じて、基準磁束電流を求める工程と、
電流を電動機の各相に注入するために基準磁束電流を与える工程と、
少なくとも二相で電流を測定し、測定された電流に基づいて一相、二相または三相の欠相を判断する工程と、を備えている。

一態様によれば、所定の時間が経過した時点で一相、二相または三相の欠相を判断する。

他の態様によれば、基準磁束電流は、前記所定の時間より短い制御勾配に従って与えられる。

他の態様によれば、基準トルク電流を与えない場合、最小基準磁束電流を与えて欠相を検出する。

他の態様によれば、基準トルク電流が最終値を下回っている間、基準磁束電流は制御勾配に従って前記最終値に到達するまで増分される。

他の態様によれば、基準トルク電流が最終値を上回る時点から、基準磁束電流は制御勾配に従ってゼロまで減少する。

本発明によれば、電動機の運転中に三相の欠相を検出するには、前記方法はさらに、
三相に注入される電流の実効電流値を求める工程と、
求めた実効電流値を所定値と比較する工程と、
実効電流値が所定の時間の間前記所定値を下回っている状態になると、電動機の三相の欠相を判断する工程と、を備えている。

電動機が停止状態で固定されている時に一つ以上の相の欠相を検出するために、前記方法は、
電動機に与える実効電圧値を求める工程と、
実効電圧値と所定値とを比較する工程と、
実効電圧値が所定の時間の間前記所定値を下回っている状態になると、停止状態で固定されている電動機の一つ以上の相の欠相を判断する工程と、
を備えている。

電動機が停止状態で固定されている時は、各相に注入される電流に基づいて磁束電流を求める工程および所定角度で該磁束電流を与える工程を備えている。

電動機の運転中に欠相を検出するために、前記方法は、
制御の回転座標系の角度を得る工程と、
各相に与える実効電流値を所定値と比較する工程と、
該比較に応じて、電動機の各相に注入される電流の各角度を回転座標系の角度とするか、またはしない工程と、
経時で各角度の変化を監視し、この監視に応じて運転中の電動機の欠相を判断する工程と、
を備えている。

本発明はさらに、永久磁石同期電動機を制御するために閉ループで機能する制御を実行できる可変速駆動装置であって、該可変速駆動装置は上記に記載の方法を実行できる装置にも関する。

本発明の本旨は、トルクの制御に影響を及ぼすことなく、すなわち、付加的な振動やトルク低下を起こすことなく、磁束方向に電流を与えることである。

エレベータや昇降機などの用途では、電動機は停止状態でブレーキがかかって固定されている状態になる。この場合、ブレーキを解除する前に、電動機が確実に接続されているか非かを確認することが重要であるが、これは、接続されていない場合、負荷を落とし得るためである。従って、加速を開始する以前に、可変速駆動装置の一つ以上の相の欠相の検知を行う必要がある。

また別の特徴と利点については、例として示す実施形態を参照しながら詳細な説明で明らかになる。

本発明によれば、運転中または停止時に、トルク制御に影響を及ぼすことなく、すなわち、付加的な振動やトルク低下を起こすことなく、電動機の一つ以上の相の欠相を検出する方法を提供することができる。

本発明は、運転中または停止中の永久磁石同期電動機ＰＭＳＭにおいて、一つ以上の相の欠相を検出することによりなる。検出は、閉ループで機能する制御を実行すること、すなわち、電動機ＰＭＳＭ内における速度または位置を検出することによって、可変速駆動装置において実行する。

図１を参照すると、永久磁石同期電動機ＰＭＳＭ用の可変速駆動装置１において実行する制御において、基準速度Ｗｒｅｆを送信して、使用される速度制御則ＬＣおよび例えば閉ループで機能する場合は位置返信に基づく計算で得られたＷｍｅｓの速度測定値の返信に基づいて基準トルク電流Ｉｑｒｅｆを求めることは周知である。このように求めた基準トルク電流Ｉｑｒｅｆを制御ユニット１０へ送信することによって、制御電圧Ｖｑ、Ｖｄが求められる。この制御電圧Ｖｄ、Ｖｑは、制御ユニット１１に与えられ、制御ユニット１１では例えばパーク変換によって、永久磁石電動機ＰＭＳＭの三相に与える制御電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に変換される。

本発明は、求められた基準トルク電流Ｉｑｒｅｆに依存する基準磁束電流Ｉｄｒｅｆを電動機制御に注入することからなる。この基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは、電動機ＰＭＳＭの磁石の永久磁束方向、すなわち、磁束軸と呼ばれる制御軸に従って与えられる。これは、電動機のトルク電流が電動機の欠相を検知するには不十分である場合のみに与えられる。かくの如く、磁束電流Ｉｄｒｅｆは、 最終値ＩｄＯＰＦ_contに到達するまで、所定の制御勾配に従って与えられる。基準トルク電流Ｉｑｒｅｆがこの最終値ＩｄＯＰＦ_contを下回っている間、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは、その最終値ＩｄＯＰＦ_contに到達するまで、その制御勾配に従って増分される。基準トルク電流ＩｑｒｅｆがＩｄＯＰＦ_cont値を超えなければ、基準磁束電流ＩｄｒｅｆはＩｄＯＰＦ_cont値のままとなる。ＩｄＯＰＦ_contは、例えば電動機Ｍの定格電流の１０％に相当する。この値は、使用される可変速駆動装置の動力に合わせて調整できる。逆に、基準トルク電流ＩｑｒｅｆがＩｄＯＰＦ_cont値を上回っている間は、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは同じ制御勾配に従い、ゼロになるまで減少する。図１において、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆの管理は、略図の制御ユニット１３で行う。

基準磁束電流の制御勾配は、欠相検出のシーケンス時間よりも短くなるように設定する。場合によるが、制御勾配は例えば１００ミリ秒または２０ミリ秒である。検出シーケンスの予め決められた時間は、例えば５００ミリ秒である。

本発明によれば、磁石の磁束方向に電流を与えるため、運転中の電動機に対して外乱を発生させない。これは、システム動作と比較すると長く、異常検知時間と比較すると短い勾配に従って電流を与えるため、磁束電流の注入によって付加的なトルク振動が発生しないからである。また、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは、基準トルク電流Ｉｑｒｅｆが低い時のみに与えられるため、トルクは低下しない。

本発明によれば、運転中または停止状態に固定されている時に、一相、二相または三相の欠相を検出するために、可変速駆動装置は各種所定条件を考慮に入れて各種工程を実行する。

一つ以上の相の欠相の判断は、電動機の三相に注入された電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を測定することによって行われる。また、二相のみで電流を測定し、第三電流を求めることもできる。

得られた電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は制御ユニット１２で処理変換して、成分ｄの電流と成分ｑの電流を得る。こうして求めた二つの電流 Ｉｄ、 Ｉｑは制御ユニット１０に与えられ、基準トルク電流Ｉｑｒｅｆおよび基準磁束電流Ｉｄｒｅｆに基づいて制御電圧Ｖｄ、Ｖｑを求めるために使用される。

電動機の運転中に三相の欠相を検出するには、下記の条件が適用される。電動機の三相に与えられる、

となる実効電流値Ｉｅｆｆが、例えば５００ミリ秒の所定時間の間基準磁束電流Ｉｄｒｅｆの限定値ＩｄＯＰＦ_diagを下回っている状態であれば、三相の欠相異常と同定する。

この機能を実現するには、時間カウンターが使用できる。条件に合致する度にカウンターは増分し、条件に合致しないとカウンターは減少する。時間カウンターが所定の時間に達すると、電動機の三相すべてが可変速駆動装置に接続されていないということになる。

本発明によれば、ＩｄＯＰＦ_diagはＩｄＯＰＦ_contと等しくてもよいが、検出におけるロバスト性の面から、ＩｄＯＰＦ_diagはＩｄＯＰＦ_contより高く設定し、例えばＩｄＯＰＦ_diag＝１．５xＩｄＯＰＦ_contとして設定する。

電動機が停止状態で固定されている時、すなわち、ブレーキがかかっている状態では、三相の欠相を判断するための条件は異なったものになる。この場合、電動機に与えられる実効電圧値Ｖｅｆｆは、例えば可変速駆動装置の直流バスで供給される電圧の３７．５％である、以下ＵＯＰＦと呼ばれる所定限定値と比較される。周知のように、実効電圧値Ｖｅｆｆは

となり、ここでトルク電圧Ｖｑと磁束電圧Ｖｄは、電流Ｉｄｒｅｆ、ＩｑｒｅｆおよびＩ１、Ｉ２、Ｉ３の電流測定（図２）から得られる電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて求められる。かくの如く、電動機に与えられる実効電圧値Ｖｅｆｆが限定値ＵＯＰＦを上回ると、電動機ＰＭＳＭの三相すべてが可変速駆動装置１に接続されていないということになる。

欠相していても電動機には常に電流が流れるため、一相または二相の欠相を判断するためには、判断条件は異なったものになる。

電動機ＰＭＳＭが運転中である時、欠相検知は測定電流の角度変動を監視することによって行う。

各相ごとに、各相Ｉ１、Ｉ２またはＩ３で測定された電流値がＩＯＰＦ₁₂₃値を上回ると、各電流の角度θ１、θ２、θ３は制御の回転座標系の角度 θの測定値を取る。角度θは、公知の方法によって電動機にて測定された速度または位置から求める（図１）。逆に、各相にて測定された電流値がＩＯＰＦ₁₂₃値を下回ると、各電流の角度θ１、θ２、θ３は以前の値、すなわち各相にて測定された電流値がＩＯＰＦ₁₂₃値を上回った時の最後の値となる。ＩＯＰＦ₁₂₃は、電動機の定格電流に基づく一定値であってもよく、またはロバスト性向上のために、実効電流値Ｉｅｆｆに基づく、測定電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３から算出した変数であってもよい。後者の場合、ＩＯＰＦ₁₂₃は例えば実効電流値Ｉｅｆｆの４分の１に等しい。

その後、各角度θ１、θ２、θ３のθに対する経時変化を監視する。角度θ１、θ２、θ３がθに対して、例えば５００ミリ秒の一定の時間の間ほとんど変化しないか全く変化しない場合は、相１、相２または相３の欠相が同定される。上記のように、各相には時間カウンターが使用できる。このカウンターは、条件に合致するか否かによって、増分または減少される。

すなわち、
｜Ｉ₁₂₃｜＞ＩＯＰＦ₁₂₃｜の場合は、 θ１、θ２またはθ３はθに等しくなり、
｜Ｉ₁₂₃｜≦ＩＯＰＦ₁₂₃｜の場合は、 θ１、θ２またはθ３はその以前の値のままとなる。

例えば５００ミリ秒の一定の時間の間、｜θ１−θ｜または ｜θ２−θ｜または｜θ３−θ｜＞θｍｉｎである場合、相１、相２または相３の欠相が同定される。θｍｉｎは例えばπ／２とする。

図３は、相当する測定電流Ｉ１、Ｉ２またはＩ３に応じた角度θ１、θ２またはθ３の変化を示す。この図３では、電流が低い時には、相当する角度θ１、θ２またはθ３が一定となる。

電動機にブレーキがかかり停止状態で固定され、かつ一相または二相は正しく接続されていない時、制御電圧Ｖｄ、Ｖｑは直ちに許容値を超えてしまう。このように、運転中の電動機の三相の欠相検出と同様に、実効電圧値Ｖｅｆｆは所定値ＵＯＰＦを上回る。この条件が、例えば５００ミリ秒の所定時間の間満たされれば、一相の欠相と判断できる。この場合、注入される電流は正弦波であるので、一相の電流を誤ってゼロとし、欠相と誤判断することを避ける必要がある。本発明によれば、制御ユニット１０に注入される磁束電流Ｉｄは、例えばゼロ値などの所定の角度に従うため、三相が正しく接続されている場合、必ず電流を得られる。検出方法を実行する間、該角度はこの値を維持する。

ブレーキがかかっているため、基準磁束電流の動態がトルクの動態に影響を及ぼさないので、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは運転中の電動機の場合よりも短い、例えば２０ミリ秒の制御勾配に従ってＩｄＯＰＦ_contの電流レベルに到達することができる。ＩｄＯＰＦ_contをより高い値、例えば電動機の定格電流程度の値に設定することも可能である。

言うまでもなく、本発明の範囲にそむくことなく、他の変形や変更または均等手段の使用を想像することができる。

永久磁石同期電動機を制御するための可変速駆動装置において実行する制御の略図。 電動機の一つ以上の相の欠相を検出するために使用する条件を示す図。 電動機の一つ以上の相の欠相を検出するために使用する条件を示す図。

符号の説明

１０ 制御ユニット
１１ 制御ユニット
１３ 制御ユニット

Claims (11)

1. 閉ループで機能する制御を実行する可変速駆動装置１において実施され、運転中または停止状態で固定されている三相永久磁石同期電動機ＰＭＳＭにおいて一相、二相または三相の欠相を検出する方法であって、
   電動機に与える基準速度Ｗｒｅｆおよび電動機において測定された速度Ｗｍｅｓまたは位置に基づいて算出した基準トルク電流Ｉｑｒｅｆに応じて基準磁束電流Ｉｄｒｅｆを求める工程と、
   電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を電動機ＰＭＳＭの各相に注入するために基準磁束電流Ｉｄｒｅｆを与える工程と、
   少なくとも二相で電流を測定し、測定された電流に基づいて一相、二相または三相の欠相を判断する工程と、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 所定の時間が経過した時点で一相、二相または三相の欠相を判断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 基準磁束電流は、前記所定時間より短い制御勾配に従って与えられることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 基準トルク電流を与えない場合は、最小基準磁束電流を与えて欠相を検出することを特徴とする請求項１乃至３の一項に記載の方法。
5. 基準トルク電流Ｉｑｒｅｆが最終値ＩｄＯＰＦ_contを下回っている間、基準磁束電流Ｉｄｒｅｆは制御勾配に従って前記最終値ＩｄＯＰＦ_contに到達するまで増分することを特徴とする請求項１乃至４の一項に記載の方法。
6. 基準トルク電流が最終値ＩｄＯＰＦ_contを上回る時点から、基準磁束電流は制御勾配に従ってゼロまで減少することを特徴とする請求項１乃至５の一項に記載の方法。
7. 三相に注入される電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の実効電流値Ｉｅｆｆを求める工程と、
   求めた実効電流値Ｉｅｆｆを所定値ＩｄＯＰＦ_diagと比較する工程と、
   実効電流値Ｉｅｆｆが所定の時間の間前記所定値ＩｄＯＰＦ_diagを下回っている状態である時、電動機の三相の欠相を判断する工程と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 電動機ＰＭＳＭに与える実効電圧値Ｖｅｆｆを求める工程と、
   実効電圧値Ｖｅｆｆと所定値ＵＯＰＦとを比較する工程と、
   実効電圧値Ｖｅｆｆが所定の時間の間前記所定値ＵＯＰＦを上回っている状態である時、停止状態で固定されている電動機の一つ以上の相の欠相を判断する工程と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 電動機が停止状態で固定されている時、各相に注入される電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に基づいて磁束電流Ｉｄを求める工程および所定角度で磁束電流を与える工程を備えていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 制御の回転座標系の角度θを得る工程と、
    各相に与える実効電流値Ｉｅｆｆを所定値ＩＯＰＦ₁₂₃と比較する工程と、
    該比較に応じて、電動機の各相に注入される電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の各角度θ１、θ２、θ３を回転座標系の角度θとするか、またはしない工程と、
    経時で各角度θ１、θ２、θ３の変化を監視し、この監視に応じて、運転中の電動機の欠相を判断する工程と、
    を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 永久磁石同期電動機ＰＭＳＭを制御するために閉ループで機能する制御を実行できる可変速駆動装置１であって、該可変速駆動装置は請求項１乃至１０の一項に記載の方法を実行する装置。

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