JP2011166954A

JP2011166954A - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP2011166954A
Application number: JP2010027496A
Authority: JP
Inventors: Junichi Aoki; 淳一青木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】交流電源の電源変動が大きい場合であっても、より大きな装置容量を得ることができ、抵抗制動の誤動作を防止可能な制動抵抗回路を有する電動機制御装置を提供する。
【解決手段】交流電源１の交流を直流に変換し、出力側に平滑コンデンサ３を有するコンバータ２と、直流電圧を交流電圧に変換して電動機５を駆動するインバータ４と、抵抗器６１とスイッチング素子６２の直列回路により構成される制動抵抗回路６と、インバータ制御手段２０と、制動制御手段１０とで構成する。制動制御手段１０は、コンバータ３の出力電圧が、交流電源１の電源電圧の最大時の直流電圧より低い第１の所定の電圧以上となり、且つ、インバータ制御手段２０のトルク基準またはトルク電流基準の極性が負となったとき、スイッチング素子６２を作動させて、電動機５から供給される回生電力を抵抗器６１に吸収させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機制御装置に係り、特に電動機から供給される回生電力を吸収する制動抵抗回路を有する電動機制御装置に関する。

従来、電動機から供給される回生電力を処理するために、制動抵抗回路を有する電動機制御装置が使用されている。通常、この場合の電動機制御装置はコンバータにダイオード整流器が採用され、回生電力を交流電源側に戻すことができない。この制動抵抗回路の制御として、直流電圧を検出してこの検出電圧が所定の設定値を超えたときに制動抵抗に直列に接続されたスイッチング素子を導通させる方法が用いられている。また、制動抵抗回路の動作遅れによる過電圧トリップを防止するために、減速指令をトリガとして、所定時間制動抵抗回路が動作を開始する直流電圧レベルを下げる方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１５１８０号公報（第２−３頁、図１）

一般に、電動機制御装置のコンバータがダイオード整流器の場合、電動機で発生した回生電力を電源側に戻すことができないため、発生した回生電力を抵抗器で消費させるための制動抵抗回路を設置する。しかし、電源電圧が上昇したときに、制動動作が必要ないのに誤動作してしまうという問題がある。また、直流電圧は一般的にインバータとコンバータの素子電圧から設定するが、通常は電源電圧を低くし、直流電圧が回生時に電源電圧の最大値を超えたとき回生が開始するように動作点を設定している。そのため、交流電源が発電機などのように電源容量が小さく電源電圧の変動が大きい場合には、電動機制御装置の装置容量を小さくせざるを得ない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流電源の電源変動が大きい場合であっても、より大きな装置容量を得ることができるとともに、抵抗制動の誤動作を防止可能な制動抵抗回路を有する電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動機制御装置は、交流電源の交流を直流電圧に変換し、出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換して電動機を駆動するインバータと、前記コンバータの出力に並列に接続され、抵抗器とスイッチング素子の直列回路により構成される制動抵抗回路と、前記インバータを制御するインバータ制御手段と、前記制動抵抗回路を制御する制動制御手段とを具備し、前記制動制御手段は、前記コンバータの出力電圧が、前記交流電源の電源電圧の最大時の直流電圧より低い第１の所定の電圧以上となり、且つ、前記インバータ制御手段のトルク基準またはトルク電流基準の極性が負となったとき、前記スイッチング素子を作動させて、前記電動機から供給される回生電力を前記抵抗器に吸収させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、交流電源の電源変動が大きい場合であっても、より大きな装置容量を得ることができるとともに、抵抗制動の誤動作を防止可能な制動抵抗回路を有する電動機制御装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図。本発明の実施例１におけるインバータ制御回路の内部構成図。本発明の実施例１に係る電動機制御装置の動作概念説明図。本発明の実施例２に係る電動機制御装置の動作モードの説明図。本発明の実施例３に係る電動機制御装置のブロック構成図。本発明の実施例４に係る電動機制御装置の主回路のブロック構成図。本発明の実施例５に係る電動機制御装置の主回路のブロック構成図。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電動機制御装置を、図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図である。図１において、電動機制御装置は交流電源１から給電される交流電力で電動機５を駆動する装置であり、コンバータ２、平滑コンデンサ３、インバータ４、制動抵抗回路６、電圧検出器７、制動制御回路１０、インバータ制御回路２０から構成される。

コンバータ２は交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、平滑コンデンサ３が接続された直流回路に直流電力を供給する。インバータ４はその直流回路の直流電圧を交流電圧に変換し、電動機５に交流電力を供給する。減速時等で電動機５から回生電力がインバータ４を介して直流回路に供給されると、制動抵抗回路６のスイッチング素子６２をオンにして、抵抗器６１でその回生電力を熱として消費させる。

以下、制動制御回路１０の内部構成について説明する。

電圧検出器７によって検出された直流回路（平滑コンデンサ３の端子間）の電圧を比較回路１１に与える。比較回路１１ではこの直流電圧と所定の設定値とを比較し、直流電圧がこの設定値を超えたときに論理出力１を出力してＡＮＤ回路１２の一方の入力とする。

インバータ４は、その詳細を後述するインバータ制御回路２０によって制御されている。インバータ制御回路２０内のトルク基準信号を正負判定回路１３に与える。正負判定回路１３はトルク基準信号が負であるときに論理出力１を出力してＡＮＤ回路１２の他方の入力とする。ＡＮＤ回路１２の出力は駆動回路１４に与えられ、駆動回路１４はＡＮＤ回路１２の出力を受けてスイッチング素子６２をオンさせる。

インバータ制御回路２０の内部構成の一例を図２に示す。図２に示すように、外部から与えられた速度基準と交流電動機の速度フィードバックの偏差を速度制御器２１に与え、速度制御器２１の出力がトルク基準となる。このトルク基準に対して除算器２２によって界磁弱めを考慮した演算を行って電流基準を求める。そしてこの電流基準と電流フィードバックの偏差を電流制御器２３に与え、電流制御器２３の出力が電圧基準となる。この電圧基準に基づいてＰＷＭ制御器２４でゲート信号を発生してインバータ４を構成するスイッチング素子のゲートに与える。尚、図１においては速度フィードバック及び電流フィードバックの図示を省略している。また、図２においては所謂ベクトル制御を行っているかどうかを明示していないが、ベクトル制御の場合にはトルク電流と磁束電流に分離して制御を行う。この場合は図１の正負判定回路１３にトルク電流基準を与えても良い。

以上説明したように制動抵抗回路６のスイッチング素子６２をオンする条件として、直流電圧が所定値以上で且つインバータ制御回路２０のトルク基準またはトルク電流基準が負のときとした理由と効果について図３を参照して説明する。

交流電源１の容量が比較的小さいシステム（例えば、交流発電機など）では、負荷による電圧変動が大きく、直流電圧の変動範囲が通常の制動抵抗回路の動作範囲と重なる場合がある。図３は、電源電圧変動と制動抵抗回路の動作開始点の関係概念図を示す。図３に示すように直流電圧の最大値が、無負荷時はＶＮＬ１〜ＶＮＬ２の範囲で、負荷時にはＶＬＤ１〜ＶＬＤ２の範囲で変動するとき、通常は制動抵抗回路が動作開始する電圧設定値を、電源電圧変動範囲の最大値よりも大きく、過電圧検出レベルよりも小さくする。従って、同図のＶＮＬ２〜ＶＤＢ２という範囲に設定することが必要となる。しかしながら制動抵抗回路の動作電圧が通常運転時における回生運転時の電圧上昇レベルよりも高くなってしまうので、通常の負荷運転時には、回生運転状態にもかかわらず、動作開始点に達するまで直流電圧が上昇し続けてしまう。このため、制動抵抗回路の動作が遅れた場合、過電圧を検出してしまう恐れがある。

一方、定格通電時の電圧に合わせて動作点を設定すると、制動抵抗回路の動作開始点が直流電圧より低い場合が生じてしまい、制動抵抗回路を動作させる必要がないのに、動作してしまうという問題が生じる。

そこで、インバータ制御回路２０のトルク基準またはトルク電流基準の極性が負、すなわち回生動作のときのみ制動抵抗回路６を動作させ、それ以外のときは不動作とするインタロックを設けることにより、電源電圧の変動が大きく、力行時に電源電圧が制動抵抗回路の動作点より高くなる場合においても、制動抵抗回路の動作開始点を問題なく設定することが可能となる。

従って、電動機制御装置の電源電圧を高く選定でき、同じ定格の素子を用いてより大きな装置容量を得ることができるとともに、抵抗制動の誤動作を防止できる。

図４は、本発明の実施例２に係る制動抵抗回路の動作モードの概念図である。

直流電圧が０〜ＶＤＢ１の範囲のとき、制動抵抗回路６のスイッチング素子６２を常時オフ状態とし、この状態を第１の動作モードとする。直流電圧がＶＤＢ２を超えるとき、制動抵抗回路６のスイッチング素子６２を常時オンとし、この状態を第２の動作モードとする。

そして、直流電圧がＶＤＢ１〜ＶＤＢ２の範囲にあるとき、制動抵抗回路６のスイッチング素子６２をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御とし、この状態を第３の動作モードとする。

すなわち、図４の縦軸をＰＷＭのパルス幅のオンデューティにとると、図４の実線３１に示したように直流電圧がＶＤＢ１まではオンデューティ０％、ＶＤＢ２超のときオンデューティ１００％、そしてＶＤＢ１〜ＶＤＢ２の範囲においてオンデューティは０％から１００％に変化する。

このように、電動機５から回生電力が供給され、直流電圧が徐々に上昇し、制動抵抗回路６のスイッチング素子６２が常時オンとなる前にＰＷＭ制御する期間を設けることにより、回生電力を一度に処理せずに、徐々に処理を行うことが可能となる。これによって、制動抵抗回路６を動作させた直後の急激な電圧変動を抑えることができる。

図５は、本発明の実施例３に係る電動機制御装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、動作レベル設定回路１５を設け、その出力を比較回路１１に与えるように構成した点である。

この実施例３は、実施例２において、各々の動作モードの設定、すなわち、ＶＤＢ１、ＶＤＢ２、および第２の動作モードにおけるパルスのオンデューティのリミット値についての設定を動作レベル設定回路１５において任意に設定できるようにしたものである。以下パルスのオンデューティのリミット値について図４を参照して説明する。

第２の動作モードにおけるスイッチング素子６２は常時オンであるが、これを言い換えると、パルスのオンデューティが図４における実線３１のように１００％ということである。これを図４の破線３２のようにパルスのオンデューティをＤＴＭＡＸでリミットをかけることにすれば、制動抵抗回路６の動作時は常にＰＷＭ制御を行うことになる。このようにすると、常時オンに比べて抵抗器６１の導通損失が減り発熱を抑えることができるので、抵抗器６１の電力容量を小さくすることが可能となる。

図６は、本発明の実施例４に係る電動機制御装置の主回路のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、インバータ４に代えて３レベルインバータ４Ａを設けた点、コンバータ２をコンバータ２Ａ、２Ｂの２組に分割した点、同様に平滑コンデンサ３および制動抵抗回路６を夫々２組の平滑コンデンサ３Ａ、３Ｂ、２組の制動抵抗回路６Ａ、６Ｂに分割した点、また、コンバータ２Ａ、２Ｂを絶縁するための変圧器８Ａ、８Ｂを設けた点である。

この実施例４における、制動抵抗回路６Ａ、６Ｂの動作は実施例１乃至実施例３と基本的に同様であり、制動抵抗回路６Ａ、６Ｂの動作点を定めるための直流電圧検出箇所は、中性点をコモンとして夫々平滑コンデンサ３Ａ、３Ｂの端子間となる。

ここで、Ｐ側の制動抵抗回路６ＡとＮ側の制動抵抗回路６ＢのＰＷＭ制御を同期させることにより、Ｐ側とＮ側の直流回路の瞬時電圧レベルを等しく保つことができる。このようにスイッチング素子６２Ａと６２ＢのＰＷＭ制御を同期させれば、直流過電圧などの保護動作が片側だけ先に動作するのを防止できる。また、Ｐ側とＮ側の直流電圧をバランスさせることで、中性点の電位変動を抑制することも可能となる。

図７は、本発明の実施例５に係る電動機制御装置の主回路のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図６の本発明の実施例４に係る電動機制御装置の主回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例４と異なる点は、Ｐ側の抵抗器６２ＡとＮ側の抵抗器６２Ｂを一体化して１個の抵抗器６３とし、その中点を３レベルの中性点に接続する構成とした点である。

このように抵抗器を一体化して１個にすることにより、抵抗器が小型化され、装置のコストを下げることが可能となる。

１交流電源（交流発電機）
２、２Ａ、２Ｂコンバータ
３、３Ａ、３Ｂ平滑コンデンサ
４インバータ
４Ａ３レベルインバータ
５電動機
６、６Ａ、６Ｂ制動抵抗回路
７電圧検出器
８Ａ、８Ｂ変圧器
１０制動制御回路
１１比較回路
１２ＡＮＤ回路
１３正負判定回路
１４駆動回路
１５動作レベル設定回路
２０インバータ制御回路
２１速度制御器
２２除算器
２３電流制御器
２４ＰＷＭ制御器
６１、６１Ａ、６１Ｂスイッチング素子
６２、６２Ａ、６２Ｂ抵抗器
６３抵抗器

Claims

交流電源の交流を直流電圧に変換し、出力側に平滑コンデンサを有するコンバータと、
前記直流電圧を交流電圧に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記コンバータの出力に並列に接続され、抵抗器とスイッチング素子の直列回路により構成される制動抵抗回路と、
前記インバータを制御するインバータ制御手段と、
前記制動抵抗回路を制御する制動制御手段と
を具備し、
前記制動制御手段は、
前記コンバータの出力電圧が、前記交流電源の電源電圧の最大時の直流電圧より低い第１の所定の電圧以上となり、且つ、前記インバータ制御手段のトルク基準またはトルク電流基準の極性が負となったとき、
前記スイッチング素子を作動させて、前記電動機から供給される回生電力を前記抵抗器に吸収させるようにしたことを特徴とする電動機制御装置。
前記制動制御手段は、
前記コンバータの出力電圧が、前記交流電源の電源電圧の最大時の直流電圧より低く前記第１の所定の電圧より高い第２の所定の電圧以上になったとき、前記制動抵抗回路のスイッチング素子を常時オンとし、
前記コンバータの出力電圧が、前記第１の所定の電圧以上で前記第２の所定の電圧未満のとき、前記制動抵抗回路のスイッチング素子を前記コンバータの出力電圧に応じてパルス幅変調制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記制動制御手段は、
前記コンバータの出力電圧が、前記交流電源の電源電圧の最大時の直流電圧より低く前記第１の所定の電圧より高い第２の所定の電圧以上になったとき、前記制動抵抗回路のスイッチング素子を所定のオンデューティでＰＷＭ制御し、
前記コンバータの出力電圧が、前記第１の所定の電圧以上で前記第２の所定の電圧未満のとき、前記制動抵抗回路のスイッチング素子を前記コンバータの出力電圧に応じて、０から前記所定のオンデューティの間でパルス幅変調制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記第１の所定の電圧及び前記第２の所定の電圧のうち少なくとも一方の電圧を任意に設定可能な動作レベル設定手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電動機制御装置。
前記インバータを３レベルインバータとし、
前記コンバータを正側及び負側の２台のコンバータとし、これら２台のコンバータの出力を直列接続してその中点を前記３レベルインバータの中性点とし、
前記制動抵抗回路が、前記正側及び負側のコンバータの出力に並列に夫々備えられ、
前記正側の制動抵抗回路のＰＷＭ制御と前記負側の制動抵抗回路のＰＷＭ制御とを同期して行うようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の電動機制御装置。
前記正側の制動抵抗回路の抵抗器と前記負側の制動抵抗回路の抵抗器を一体化して１台とし、その中点を前記３レベルインバータの中性点に接続するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。