JP2010161875A

JP2010161875A - 誘導電動機の減速制御方式

Info

Publication number: JP2010161875A
Application number: JP2009002464A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Hirao; 邦朗平尾
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】厳密な演算と精密な周波数制御を不要にして減速時間を最短にでき、さらに負荷慣性の変化にも対応でき、さらにまた速度センサレス制御装置にも適用できる。
【解決手段】インバータ２の周波数Ｆと電圧Ｖの比を一定として誘導電動機１を可変速制御する装置において、インバータの出力周波数の制御により誘導電動機を減速させる減速シーケンサ１１は、減速制御開始は現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値に制限した最短の減速時間で誘導電動機を減速させ、この減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときの誘導電動機の回転速度がゼロ速度判定値よりも大きければ再び現在速度からゼロ速度に達するまで最短の減速時間で減速動作を行うという減速制御とゼロ速度判定を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機をインバータで駆動する誘導電動機の可変速制御装置に係り、特に減速制御方式に関する。

インバータにより誘導電動機を可変速制御する装置において、誘導電動機の加速・減速制御にはインバータの出力周波数を制御、さらには電圧も制御する。このうち、減速制御方式としては、インバータの出力周波数を現在の周波数からゼロ周波数に向けて下げていく方式がある。

この制御方式では、インバータの容量に対して、誘導電動機とその負荷（コンベア機構やエレベータかごなど）を含めた慣性が大きい場合、インバータの出力可能なトルク（電流）には制限があるため、減速時間を短くしすぎると図５に示すようにインバータの出力周波数に対して誘導電動機の実速度が追従しなくなり、インバータの出力周波数がゼロに到達してインバータのゲート出力をオフしても、誘導電動機がまだ回転しており、かつ負荷慣性が大きいため長時間フリーラン状態で回転し続けることになる。また、その際、直流母線電圧が上昇し、過電圧異常に至り、インバータの保護回路が動作する場合もある。

対策としては、速度指令の減速時間を延ばすことにより誘導電動機の実速度が追従しなくなることは防げるが、インバータの能力で可能な限り早く誘導電動機を減速・停止させる用途があり、幾つかの対策が検討されている。

他の減速方式として、図６に示すように、速度指令がゼロ速度に到達した後、一定の期間直流電圧（電流）をかけて誘導電動機を停止させる方式がある。また、図７に示すように、減速時のインバータの出力周波数を直線でなく、一定期間一定速として実速度が追従するのを待つ方式がある。

これらの方式の問題点としては、直流ブレーキの期間や一定速保持とする時間を調整する必要があり、無駄に長くしてしまうと余計に減速時間がかかることになる。また、コンベアやエレベータなどの負荷（搬送物、乗員）の慣性が変動する用途においては、直流ブレーキの期間や一定速保持とする時間は変化することになり、最大慣性を想定して時間を設定すると、慣性が小さい場合にはやはり余計に減速時間がかかることになる。

他の減速方式として、減速時の回生電力を電動機内部で消費させてインバータの直流側への返還を防止するよう、インバータの出力周波数を制御する方式がある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、誘導機の滑り値に相当する周波数よりインバータ出力周波数を低くすることにより、電動機入力は正となり、直流側への回生電力を抑えることができる。この方式では、電動機の回転速度を得るための速度検出器を必要とし、誘導機の速度センサレス制御には適用できない。

速度センサレス制御への適用を可能とする減速方式として、減速制御開始時にインバータの出力周波数を一旦下げて回転中の誘導電動機のすべりを発電側の負符号とし大きくし、このときの直流母線電圧または直流母線電流を監視しながら、下げた出力周波数を上昇させることによりスリップの絶対値を低下させ、電気エネルギーとして回生される負荷側からの回生エネルギー全量が電動機内の損失と等しくなる動作点を見出し、この動作点を保持させながら電動機の減速速度に応じた下降率で出力周波数を低下させて電動機を減速させる方式がある（例えば、特許文献２参照）。

特公昭６３−２０１１６号公報特開平０９−００９６６１号公報

直流ブレーキによる減速方式（図６）や、出力周波数保持による減速方式（図７）では、直流ブレーキ時間や減速パターン時間の厳密な調整を必要とする。また、誘導機とその負荷がもつ慣性が変化する装置には厳密な調整ができない。

特許文献２の方式は、厳密な調整を不要にし、負荷の変化にも対応できる。また、誘導機の速度センサレス制御装置にも適用可能である。しかし、特許文献２の方式は、電動機の減速度に応じた下降率でインバータの出力周波数を低下させることになり、誘導機の負荷が大きいほど減速度も小さくなり、誘導機とその負荷がもつ慣性の大きさで減速時間が決まり、それ以上の時間短縮ができない。

また、制御機構としては、減速制御開始時にインバータの出力周波数を一旦下げる制御、このときの直流母線電圧または直流母線電流の監視、下げた出力周波数を再び上昇させる制御、負荷側からの回生エネルギー全量が電動機内の損失と等しくなる動作点を求める厳密な演算、この動作点を保持させながら電動機の減速速度に応じた下降率でインバータの出力周波数を低下させる精密な制御を必要とし、厳密な演算と精密な周波数制御が必要となる。

本発明の目的は、厳密な演算と精密な周波数制御を不要にして減速時間を最短にでき、さらに負荷慣性の変化にも対応でき、さらにまた速度センサレス制御装置にも適用できる誘導電動機の減速制御方式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、減速制御開始は現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値に制限した最短の減速時間で誘導電動機を減速させ、この減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときの誘導電動機の回転速度がゼロ速度判定値よりも大きければ再び現在速度からゼロ速度に達するまで最短の減速時間で減速動作を行うという減速制御とゼロ速度判定を繰り返して減速・停止させるようにしたもので、以下の方式を特徴とする。

（１）誘導電動機をインバータで駆動する誘導電動機の可変速制御装置において、
インバータの出力周波数の制御により誘導電動機を減速させる減速シーケンサは、
減速制御開始は現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値に制限した最短の減速時間で誘導電動機を減速させる減速制御手段と、
前記減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときの誘導電動機の回転速度がゼロ速度判定値以下に達したか否かを判定するゼロ速度判定手段を備え、
前記判定がゼロ速度判定値以下になるまで前記減速制御とゼロ速度判定を繰り返すことを特徴とする。

（２）空転中の誘導電動機に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加し、この単相交流電圧印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換し、２軸上での電流リサージュ波形の描く楕円の短軸／長軸の比率で前記誘導電動機の回転速度を推定する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、減速制御開始は現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値に制限した最短の減速時間で誘導電動機を減速させ、この減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときの誘導電動機の回転速度がゼロ速度判定値よりも大きければ再び現在速度からゼロ速度に達するまで最短の減速時間で減速動作を行うという減速制御とゼロ速度判定を繰り返して減速・停止させるようにしたため、以下の効果がある。

（１）従来の減速制御方式で必要とした直流ブレーキ時間や減速パターン時間の厳密な調整を不要にして減速時間を最短にできる。

（２）減速シーケンサによる減速制御は、最短の減速時間での減速制御と、誘導電動機への交流電圧印加と、ゼロ速度判定結果に応じた再減速制御の実行または終了で済み、特許文献２のような厳密な演算と精密な周波数制御が不要となる。

（３）減速時間が固定でなく、負荷慣性に応じて再減速動作を行うため、負荷慣性が変動する制御対象においても同一の方式で負荷に応じて最短の減速時間で停止させることができる。

（４）誘導電動機の減速速度に応じたインバータの厳密な周波数制御が不要になり、回転速度の推定値からゼロ速度判定で済むため、速度センサレス制御装置に適用して確実な減速ができる。

本発明の実施形態を示す誘導電動機の可変速制御装置の構成図。単相交流電圧印加時のαβ軸上の電流リサージュ波形。減速シーケンサ１１を中枢とする減速制御フロー。減速制御時の各部の周波数、速度、電圧、電流波形。誘導電動機の慣性大の場合の減速特性例。直流ブレーキによる減速波形。出力周波数保持による減速波形。

図１は、本発明の実施形態を示す誘導電動機の可変速制御装置の構成図である。本実施形態は、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御方式で速度センサレス制御する装置に適用したもので、空転中の誘導電動機の一次電流の特徴量を監視してその回転速度・回転方向を推定し、この推定値をインバータの出力周波数の初期値として周波数をゼロ速度まで低下させ、このときの周波数変化率をインバータの電流リミット値内に制限した減速制御を行う。

図１において、誘導電動機１をＰＷＭインバータ２で駆動し、インバータ２をＶ／Ｆ一定制御装置で制御する。制御装置はＶ／Ｆ制御部３では周波数指令（周波数ｆの正弦波）ｆ^*に比例したαβ軸の電圧指令Ｖα^*とＶβ^*を求め、位相変換部４では周波数指令ｆ^*の周波数を積分して位相指令θ^*を求め、２相／３相変換器５では電圧指令Ｖα^*とＶβ^*から周波数指令ｆ^*で位相指令θ^*に合わせた３相の電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に変換し、これら電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*でインバータ２の出力電圧を制御する。

この構成において、前記の図５に示すように、慣性の大きな誘導電動機１に対してインバータ２の減速時間を短くした場合、インバータ２の出力周波数に対して誘導電動機１の実速度が追従しなくなる。この状態で、インバータ２の出力周波数がゼロに到達してゲート出力をオフとした場合、誘導電動機１は空転状態となる。このとき、誘導電動機１には速度センサが付いていないため実回転速度が分からない状態となる。

本実施形態では、誘導電動機１に周波数をスイープした単相電圧を印加し、この電圧印加で誘導電動機１に流れる電流により空転中の誘導電動機の回転速度、回転方向を推定し、ゼロ速度判定値以上の場合にはこの速度から再減速することにより減速時間の短縮を行う。

誘導機１の回転速度・回転方向の推定方式を説明する。推定に際して、切換スイッチ６により電圧指令Ｖα^*（または電圧指令Ｖβ^*）から交流電圧発振器７側に切換え、発振器７では最高周波数からゼロ方向へ周波数をスイープした単相交流電圧を発生させ、これによりインバータ２からは空転中の誘導機に周波数を最高周波数からゼロ方向へスイープした３相電圧を印加する。この電圧を印加したとき、誘導機１に流れるｕ、ｗ相の一次電流Ｉｕ、Ｉｗを変流器８で検出し、一次電流Ｉｕ、Ｉｗから演算で求めた電流Ｉｖを含めた３相電流から３相／２相変換器９でα、β軸の２相の電流Ｉα^*，Ｉβ^*を求め、これら電流Ｉα^*，Ｉβ^*のリサージュ波形から誘導機１の回転位相さらには回転速度を求める。

図２はαβ軸上の電流リサージュ波形を示し、同図の（ａ）は誘導機が正転中に単相交流電圧を印加した場合を示し、（ｂ）は逆転中に単相交流電圧を印加した場合を示したものであり、この電流リサージュ波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向から空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向を推定する。

上記の推定方式は、本願出願人が既に提案しているものである（特開２００７−２６７４６８号公報）。なお、変流器８や変換器９などは過電流監視等に使用されているものを利用することができる。装置構成の変形例は、交流電圧発振器７の電圧は周波数に比例して振幅を下げることで過電流を防止することができる。また、周波数ゼロ付近の交流電圧をブーストすること、または周波数のスイープを指数関数波形とすることで、低速回転領域での速度・方向の推定を確実になる。

図１に戻って、速度・位相推定部１０は、変換器９で求めた電流Ｉα^*，Ｉβ^*で描く電流リサージュ波形から誘導電動機１の回転速度と回転方向および位相を推定する。減速シーケンサ１１は、周波数指令ｆ＊を制御することで誘導電動機１を減速および停止させる。

減速シーケンサ１１を中枢とした減速制御フローを図３に、各部の周波数、速度、電圧、電流波形を図４に示す。減速シーケンサ１１は、最初の減速開始制御には、現在の速度からゼロ速度にスイープさせた周波数指令ｆ^*を発生し、この周波数スイープでの変化率はインバータの電流リミット値で制限する最短の減速時間設定での減速動作を開始する（図３のＳ１、図４の時刻ｔ１）。

この減速制御で、インバータ２の出力周波数がゼロに到達したとき（図３のＳ２、図４の時刻ｔ２）、減速シーケンサ１１は、切換スイッチ６を交流電圧発振器７側に切換えると共に発振器７を最高周波数からゼロ速度にスイープさせた発振動作をさせ、誘導電動機１には最高周波数からゼロ速度までスイープさせた交流電圧を印加する（図３のＳ３、図４の時刻ｔ２）。

減速シーケンサ１１は、交流電圧スイープの印加により、速度・位相推定部１０が誘導電動機１の回転速度を推定できたときにその推定値を取得する（図３のＳ４、図４の時刻ｔ３）。減速シーケンサ１１は、取得した推定速度がゼロ速度判定値以下であるか否かを判定し、ゼロ速度判定値以下でないときは今回推定された速度から最短の減速時間設定での減速動作に戻って再減速制御を開始する（図３のＳ５、図４の時刻ｔ３）。

減速シーケンサ１１は、再減速制御を開始してインバータの出力周波数がゼロに到達したとき（図３のＳ２、図４の時刻ｔ４）、再度、交流電圧スイープにより誘導電動機の回転速度推定値を求め、推定した速度がゼロ速度判定値より大きければ再減速制御に移行する（図３のＳ４、図４の時刻ｔ５）。

減速シーケンサ１１は、上記の減速制御と速度判定および再減速制御を電動機速度がゼロ速度になるまで繰り返し、推定速度がゼロ速度判定値以下であれば停止とみなし、動作を完了する（図４の時刻ｔ７）。

したがって、誘導電動機の減速制御には、現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値で制限した最短の減速時間で減速制御を行い、この減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときに誘導電動機の回転速度を推定し、この推定速度がゼロ速度判定値よりも大きければ再び現在速度からゼロ速度に達するまで最短の減速時間で減速動作を行うという回転速度推定とゼロ速度判定および再減速制御を繰り返し、推定速度がゼロ速度判定値以下になったときに減速制御を停止する。これにより、従来の減速制御方式で必要とした直流ブレーキ時間や減速パターン時間の厳密な調整を不要にして減速時間を最短にでき、さらに負荷慣性の変化にも対応でき、さらにまた速度センサレス制御装置にも適用できる。

また、減速シーケンサによる減速制御は、最短の減速時間での減速制御と、誘導電動機への交流電圧印加と、ゼロ速度判定結果に応じた再減速制御の実行または終了で済み、特許文献２のような厳密な演算と精密な周波数制御が不要となる。

なお、実施形態では、Ｖ／Ｆ一定制御方式の可変速制御装置に適用した場合を示すが、Ｖ／Ｆ一定制御に代えて速度制御系と電流制御系をもつ制御装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。また、速度推定方式として、速度オブザーバにより速度推定を行う方式でもよい。

１誘導電動機
２ＰＷＭインバータ
３Ｖ／Ｆ制御部
４位相変換部
５２相／３相変換器
６切換スイッチ
７交流電圧発振器
８変流器
９３相／２相変換器
１０速度・位相推定部
１１減速シーケンサ

Claims

誘導電動機をインバータで駆動する誘導電動機の可変速制御装置において、
インバータの出力周波数の制御により誘導電動機を減速させる減速シーケンサは、
減速制御開始は現在速度からゼロ速度に達するまでインバータの電流リミット値に制限した最短の減速時間で誘導電動機を減速させる減速制御手段と、
前記減速制御でインバータの出力周波数がゼロ速度に到達したときの誘導電動機の回転速度がゼロ速度判定値以下に達したか否かを判定するゼロ速度判定手段を備え、
前記判定がゼロ速度判定値以下になるまで前記減速制御とゼロ速度判定を繰り返すことを特徴とする誘導電動機の減速制御方式。
空転中の誘導電動機に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加し、この単相交流電圧印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換し、２軸上での電流リサージュ波形の描く楕円の短軸／長軸の比率で前記誘導電動機の回転速度を推定する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の減速制御方式。