JP2010239720A

JP2010239720A - Ｐｍｗインバータの過負荷保護装置及びモータ駆動システム

Info

Publication number: JP2010239720A
Application number: JP2009083965A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Tajima; 清巳田島; Tomofumi Okubo; 智文大久保; Kunihiko Oikawa; 邦彦及川
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5378033B2

Abstract

【課題】
負荷変動や電源ビート現象時において平均負荷電流が定格値内であるにも関わらず加算のみの積算である為、過負荷保護が動作し問題となる場合が想定される。
【解決手段】
上記問題を解決するに当たり、加算のみの積算に、負荷が所定の値より低下したときには積算値を減算するようにする。したがって、平均負荷電流Ｖ_２が定格値より小さい場合に過負荷と判断されることが回避され、安定的な運転が可能なモータ駆動システムを提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過負荷保護技術に関し、特にＰＭＷインバータの過負荷保護装置及びモータ駆動システムに関する。

ＰＷＭインバータの過負荷保護に関する技術は特許文献１、特許文献２に開示がある。特許文献１は、出力電流値を検出し、所定値を超えると、検出した電流値を基にした値を積算し過負荷保護を実施している。特許文献２は、積算した値に所定値の減算値を加え、この積算値がマイナスになると積算値を零にすることによって過負荷保護を実施している。

特開昭５８−１７２９２７号公報特開２００４−１７３３４７号公報

特許文献１では、電流検出器と制御部を用いて、電流検出器から得た電流値が所定値を超えると、検出した電流値を基にした値の積算を開始し、所定期間内で積算値が規定値に達すると過負荷保護する加算方式を採用している。この加算方式の特性を図４に示す。

図４は、加算方式のみでの負荷変動時の負荷電流値と積算値の関係を示すものである。図４（ａ）は、負荷変動時の負荷電流と平均負荷電流Ｖ_２、図４（ｂ）は積算値を示している。負荷電流はモータの運転状況に応じて変動しているが、負荷電流の値がＶ_１よりも大となった場合に加算し、この積算値が過負荷保護値に達すると過負荷と判断される。

しかし、図４（ａ）に示すように加算のみの積算としているため、たとえ平均負荷電流Ｖ_２が定格値内であっても、過負荷保護が動作する場合がある。開始時間ｔ_０からの所定時間の加算値によって過負荷保護を判断しているため、図４の例では、平均負荷電流の如何に関わらず、所定時間の積算値が過負荷保護値に達すると過負荷と判断される。

したがって、インバータの運転において実際は過負荷として停止されるべきではない状況であったとしても、制御上は過負荷と判断される場合が生じていた。

ところで、電源周波数と出力電流が干渉し、負荷電流がうねる現象を電源ビート現象という。この場合も同様に平均負荷電流が定格値内にも関わらず過負荷保護が動作してしまう問題が発生する。

図５に電源ビート現象時の負荷電流波形を示す。電源ビートが発生すると、負荷電流が脈動するため、電流平均値を超える電流が脈動周期ごとに現れる。この電流値が加算を開始する値Ｖ_１より大であれば、ＰＷＭインバータを含むモータ駆動システムの運転上、何ら支障のない場合であっても過負荷と判断されてしまう。

特許文献２は減算を利用しているが、過負荷保護演算の複雑化を招きやすく、より簡単な計算方式で適切な過負荷保護を実現することが望まれていた。

本発明は、この上述のような課題を解決し、ＰＷＭインバータの負荷変動時や電源ビート現象時の過負荷保護を実現することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の構成は、電流検出器を有するＰＷＭインバータにおいて、電流検出器からの電流値情報を制御部に入力し、制御部によって電流値情報を基に加算のみで積算し、過負荷保護をする機能に、ある設定された目標値に向かって減算する機能を付加したＰＷＭインバータの過負荷保護装置である。

上記の過負荷保護装置において、より好適な具体的構成は下記の通りである。
（１）前記減算する機能の計算式を１次遅れフィルタ方式とし、目標値を零とすることで、計算式を簡略化したこと。
（２）加算を開始する値と、減算を開始する値の間に加算も減算もしない領域を持ったこと。

また、本発明のモータ駆動システムは、上記の過負荷保護装置を有することを特徴としている。

具体的な本発明のモータ駆動システムは、交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換するコンバータ部と、このコンバータ部の直流電圧を平滑する平滑部と、前記コンバータ部の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを有するＰＷＭインバータと、
前記ＰＷＭインバータにより回転数制御されて駆動する電動機と、
前記ＰＷＭインバータの出力電流を検出する電流検出器と、
前記電動機に供給される負荷電流に基づいて過負荷を判断する制御部とを備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御部が、前記電流検出器で検出される電流値に基づいて、加算を開始する値Ｖ_１及び減算を開始する値Ｖ_３を基準として前記ＰＷＭインバータ又は前記モータ駆動システムの過負荷を判断することを特徴とする。

上記手段により、従来よりも、より信頼性の高いＰＷＭインバータの過負荷保護装置が提供可能となる。

負荷変動時の負荷電流値と積算値の関係を示す図。本実施例によるＰＷＭインバータの構成を示す図。本実施例によるＰＷＭインバータを使用したモータ駆動システムを示す図。従来の過負荷保護における負荷電流値と積算値の関係を示す図。電源ビートによる負荷電流のうねりを示す図。

本実施形態は、加算のみの積算に、負荷が所定の値より低下したときには積算値を減算する方式を採用したものである。この減算には、１次遅れフィルタを使用し、ある所定の目標に向かって減算を実施するようにし、特に目標値を零とすることで、計算式を簡略化することができ、制御部の計算を軽減することができる。

本発明の実施例を以下、図面を用いて説明する。図１は本実施例における負荷変動時の負荷電流値と積算値との関係を示す図であり、図２は本実施例の構成を説明する図である。

図２に示すＰＷＭインバータの構成を説明する。本実施例のインバータは、商用電源１０から交流電力をコンバータ部２０で直流電力に変換し、平滑部３０にて平滑後、インバータ部４０にて、交流電力に変換し、負荷である電動機５０に出力する。制御部１１０は、インバータ部４０が直流電力を交流電力に変換する際の制御を行う。例えば、ＰＷＭ制御であり、インバータ部４０のスイッチング素子を制御し、所望の周波数の交流電力を電動機５０に出力する。

また、図２に示すように、電流検出器９０にて検出された電流値情報が制御部１１０に入力される。本実施例では、入力された電流値情報を受け、制御部１１０は、電流値が加算を開始する値Ｖ_１になったら、電流値に基づく値を加算による積算を開始する。加算は電流値がＶ_１を超えている間は継続する。また、負荷電流が減少し、減算を開始する値Ｖ_３になったら減算を開始する。減算も電流値がＶ_３を下回っている間は継続する。

減算時の積算値をcountΣ、tを減算時間、Τを時定数とし、目標値を零とすると、本実施例の減算式は
countΣ＝countΣ×e(-t/T)
で計算される。

この減算式を使用し、積算値を示したのが、図１（ｃ）である。対比のため、従来の加算方式を図１（ｂ）に示す。図１（ａ）は図４（ａ）で説明した負荷条件と同じである。図１に示すように、従来方式では時間ｔ_１にて過負荷保護値に達するため、過負荷と判断されるのに対し、本実施例の方式では不要な過負荷保護が機能せず、安定的にインバータの運転が可能となる。

また、本実施例では減算時の目標値を零としているので、減算値はマイナスにはならず、零に近づいていくのみであり、積算値の正負を判断する必要はない。本実施例の方式によれば、平均負荷電流Ｖ_２が定格以下である場合に過負荷と判断されることを回避でき、安定した運転を実現することができる。

なお、本方式においても一定時間経過後に積算値のリセットを行うことは問題ないが、負荷がＶ_３より小さい状況が継続すると、積算値が零に近づいていくため、リセット時間自体を考慮しなくても過負荷保護が可能となる。

加算を開始する値Ｖ_１と減算を開始する値Ｖ_３について説明する。本実施例ではこれらの両値を異なる値として保持し（Ｖ_１≠Ｖ_３）、両値の関係をＶ_１＞Ｖ_３としている。すなわち、減算条件を加えるに伴い、加算及び減算のいずれも実施しない領域を有するように設定されている。この領域はいわゆる不感帯として機能することになり、これにより安定的な運転を可能としている。

また、時定数に放熱フィン８０の熱時定数をいれることによって、インバータの放熱を考慮した過負荷保護も可能である。この熱時定数数には、予め決められた値を用いてもよいが、ＰＷＭインバータに備えられる温度検出器８５から得られた情報をもとに制御部１１０で計算した値を設定してもよい。この場合、温度検出値及び放熱特性を考慮した過負荷保護が可能となる。さらに、この時定数に電動機５０の熱時定数を用いることで、電動機の保護も可能である。

図３は、本実施例のモータ駆動システムを示すものであり、圧縮機やポンプ装置等、負荷変動の存在する負荷１５０を電動機５０の負荷として使用した例を示している。その他の構成は図１と同様であるが、本実施例では負荷の種類／数によらず、簡易な方法で過負荷保護と負荷の安定的な運転とを両立することができる。また、ＰＷＭインバータやモータ駆動システムの信頼性の向上が可能となる。

なお、上記説明では、計算式の簡略化が容易な一次遅れフィルタを使用した減算を前提として説明したが、減算には、加算時と同様に電流値に基づく値を使用し減算してもよい。

10：商用電源 20：コンバータ部 30：平滑部 40：インバータ部 50：電動機
80：放熱フィン 85：温度検出器 90：電流検出器 110：制御部 150：圧縮機

Claims

電流検出器を有するＰＷＭインバータにおいて、
電流検出器からの電流値情報を制御部に入力し、制御部によって電流値情報を基に加算のみで積算し、過負荷保護をする機能に、ある設定された目標値に向かって減算する機能を付加したことを特徴とするＰＷＭインバータの過負荷保護装置。
請求項１の過負荷保護装置において、前記減算する機能の計算式を１次遅れフィルタ方式とし、目標値を零とすることで、計算式を簡略化したことを特徴とする過負荷保護装置。
請求項１の過負荷保護装置において、加算を開始する値と、減算を開始する値の間に加算も減算もしない領域を持ったことを特徴とする過負荷保護装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の過負荷保護装置を有することを特徴とするモータ駆動システム。
交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換するコンバータ部と、このコンバータ部の直流電圧を平滑する平滑部と、前記コンバータ部の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを有するＰＷＭインバータと、
前記ＰＷＭインバータにより回転数制御されて駆動する電動機と、
前記ＰＷＭインバータの出力電流を検出する電流検出器と、
前記電動機に供給される負荷電流に基づいて過負荷を判断する制御部とを備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御部は、前記電流検出器で検出される電流値に基づいて、加算を開始する値Ｖ_１及び減算を開始する値Ｖ_３を基準として前記ＰＷＭインバータ又は前記モータ駆動システムの過負荷を判断することを特徴とするモータ駆動システム。