JP2011514128A - モータを制動するための方法およびシステム - Google Patents

モータを制動するための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

本発明に係るモータを制動するためのシステムには、少なくとも1つの抵抗器を有する抵抗器列(230)と、少なくとも1つの抵抗器およびモータに接続された接触器(240)とが含まれている。このシステム(200)には、さらに、交流モータ(210)に電気的に接続された可変周波数駆動装置(220)が含まれており、その可変周波数駆動装置(220)は、接触器(240)に操作可能に接続された制御器(250)を備え、その制御器(250)からのコマンドに応答して、接触器(240)の少なくとも一部が閉じると、少なくとも1つの抵抗器が交流モータ(210)に接続される。可変周波数駆動装置(220)は、モータトルク電流が減少すると、モータ磁束レベルを比較的高レベルに維持するように構成されており、その結果、モータ速度の低下時に一貫して高モータ磁束レベルが得られることになる。
【選択図】 図2

Description

関連出願の引用
本出願は、2008年2月21日に出願された米国仮特許出願第61/030,331号、および2008年2月21日に出願された米国仮特許出願第61/030,342号の優先権の特典を主張するものである。
本出願では全般的に、そして種々の実施形態で、交流モータを制動するための方法およびシステムに関連した発明を開示する。本出願は、特に、可変周波数駆動装置による交流モータの制動に関するものである。
可変周波数駆動装置は、モータに供給される電力の周波数を制御して交流(AC)モータの回転速度を制御するために用いられる装置である。例えば、本出願がここに参照してその全体を援用した先行技術文献の一つには、可変周波数駆動装置、および付属の制御回路が、詳細に記載されている(特許文献1参照)。
図1には、モータ130に電力を供給するための典型的な可変周波数駆動装置100が例示されている。可変周波数駆動装置100には、制御回路110と電源回路115が含まれている。制御回路110は、送られて来た入力コマンド105を受信する。入力コマンド105は、電源回路115によって出力されてモータ130に供給される電力を調整することを可変周波数駆動装置100に要求する、モータ130の速度を上げるかまたは落とす要求とすることができる。制御回路110は、出力される電力からの電流フィードバック120および電圧フィードバック125を監視して、モータ130の状態を調整または維持するために、出力に何らかの変更を加えるべきか否かを判定する。同期モータ用途の場合、可変周波数駆動装置には界磁電源を含むことも可能である。制御回路は、電源回路の動作を制御し、同期モータ用途の場合には、それと関連する界磁電源についても、動作可能/動作不能にする。電源回路は、整流器およびインバータを含むことが可能であり、可変周波数駆動装置100に接続されたモータ130の巻線に電力を供給する。同期モータ用途の場合、界磁電源が、モータ界磁回路の励磁器に電力を供給する。
制御回路110には、一般に、速度調整器、磁束調整器、磁化電流調整器、トルク電流調整器、DQ−3Φ変換部、パルス幅変調器、および、モータモデル部が含まれている。速度調整器は、トルク電流基準を規定し、磁束調整器は、磁化電流基準を規定する。制御回路は、磁化電流基準と測定磁化電流とを比較し、磁化電流調整器は、Q軸電圧基準を決定する。制御回路はまた、トルク電流基準と測定トルク電流とを比較し、トルク電流調整器は、D軸電圧基準を決定する。D軸電圧基準およびQ軸電圧基準にさらにフィードフォワード信号を加えて、動特性をさらに高めるようにすることも可能である。DQ−3Φ変換部は、Q軸電圧基準およびD軸電圧基準を2相の情報から3相値へと変換する。パルス幅変調器は、その3相値を電力回路に送られるスイッチングコマンドに変換する。モータモデル部は、一般に、測定電圧および/または電流信号を利用して、モータ速度、モータ磁束、モータ磁束角等のようなモータパラメータを決定する。低コストがビジネス要件である用途の場合、モータモデル部は、可変周波数駆動装置の出力電流またはモータ電流を利用するだけでモータパラメータを決定することが可能である。モータモデル部は、さらに、測定電流を、磁化電流調整器とトルク電流調整器とにそれぞれ用いられる、磁化電流成分とトルク電流成分とに変換する。D軸は、固定子磁束とのアライメントが取られる。
制御回路110によって実施される機能の多くは、ソフトウェアで実施される。ソフトウェアは、プロセッサの実行時間を節約するため、計算が2つ以上の異なる速度で実施されるように書かれる。一般に、パルス幅変調器は、最も高速度で動作し、通常はハードウェアで実施される。磁化電流調整器、トルク電流調整器、および、DQ−3Φ変換部の各ブロックは、負荷または出力回路に急激な変化がある場合に、可変周波数駆動装置の出力電流を制限することによって制御の高速応答を実現するために、一般に1〜10キロヘルツのデータ転送速度で実行される。モータ速度およびモータ磁束は、両方とも、磁化電流およびトルク電流よりも遥かに低い速度で変化するので、速度調整器および磁束調整器は一般に、100〜1000Hzの、より低い速度で動作する。モータモデル部もまた、通常はこの速度で計算される。外部装置への通信(コンピュータからの)を含む、制御回路から外界への通信は、一般に1〜10Hzの速度で行われる。
頻繁ではないが素早くモータを制動することが必要とされる用途の場合には、モータに接続された4象限駆動装置を用いて制動を実現することが可能である。しかしながら、4象限駆動装置に関連した比較的高いコストのため、このアプローチは、こうした用途のいくつかにとって実行不可能なものとなる。
米国特許第7,327,111号明細書
本方法の説明の前に理解されるべきは、本発明は、ここに説明する特定のシステム、方法論、および、プロトコルのみには制限されるものではなく、なぜならそれらは変化する可能性があるから、ということである。また、本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態の説明のみを目的としたものであって、付属の請求項による制限だけしか受けない本開示の範囲を制限することを意図したものではないという点についても、理解されるべきである。
本明細書および付属の請求項において用いられる場合、文脈において明確な特段の指定がない限り、単数形の「ある〜」、「1つの〜」、および、「その〜」なる文言には複数形のものもその言及対象に含まれるという点に留意されなければならない。従って、例えば、1つの「モータ」への言及は、1つ以上のモータ、および当業者にとって既知の、その同等物などへの言及でもある、ということなどである。別段の規定がない限りは、本明細書で用いられる全ての技術用語および科学用語は、通常の当業者が一般に理解しているものと同じ意味を有している。例えば本明細書で用いられる「含む」という用語は、「含んでいるが、それのみには制限されない」ということを表している。
1つの一観点において、本発明に係る実施形態は全般に、モータを制動するためのシステムを開示している。種々の実施形態によれば、このシステムには、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つの抵抗器およびモータに接続された接触器が含まれている。このシステムには、さらに、前述のモータに電気的に接続された可変周波数駆動装置が含まれており、その可変周波数駆動装置には、接触器に操作可能に接続された制御器が含まれ、その制御器からのコマンドに応答して接触器の少なくとも一部が閉じて、少なくとも1つの抵抗器をモータに接続する。
もう1つ別の観点において、本発明に係る実施形態は全般に、モータを制動するための方法を開示する。種々の実施形態によれば、この方法には、可変周波数駆動装置によって減速要求を検出するステップが含まれ、この減速要求によってモータの減速が開始される。この方法には、可変周波数駆動装置によって少なくとも1つの接触器を閉じるコマンドを出すステップであって、接触器を閉じると抵抗器列がモータに接続されるステップと、モータが発生する減速電流を抵抗器列によって吸収するステップとを含み得る。
もう1つ別の観点において、本発明に係る実施形態は全般に、モータを制動するためのシステムを開示する。種々の実施形態によれば、このシステムには、複数の位相を有する抵抗器列と、その抵抗器列に接続された接触器と、モータとが含まれており、接触器が複数の位相を有しており、その接触器の各位相は、抵抗器列の位相の1つずつにそれぞれ接続されている。このシステムにはさらに、モータに電気的に接続された可変周波数駆動装置が含まれており、その可変周波数駆動装置には、接触器に操作可能に接続された制御器が含まれ、その接触器の少なくとも一部は、制御器からのコマンドに応答して閉じて、少なくとも1つの抵抗器をモータに接続する。
本明細書では、本発明の種々の実施形態を、例証として下記の図と関連して説明する。
典型的な可変周波数駆動装置を例示した図である。 交流モータを制動するためのシステムに係る種々の実施形態の一例を示した図である。 図1の可変周波数駆動装置の種々の実施形態を示した図である。 交流モータを制動するための方法に係る種々の実施形態の一例を示した図である。 交流モータの減速中に発生する典型的な波形を例示した図である。 図5に対応する減速中の位相の1つを流れる抵抗器電流をプロットして示す図である。
図2には、交流モータ210を制動するためのシステム200の種々の実施形態の一例が示されている。このシステム200には、可変周波数駆動装置220、抵抗器列230、および、可変周波数駆動装置220に接続された3相の接触器240が含まれている。上述のように、可変周波数駆動装置220は、交流モータに供給される電力の周波数を制御することによって交流モータ210の回転を制御するように構成されることが可能である。可変周波数駆動装置220は、接触器240に接続された制御器250を含むことが可能である。可変周波数駆動装置220としては、ここに論じられるモータ制御アルゴリズムを備える任意の3相交流駆動装置を用いることが可能である。可変周波数駆動装置220は、低速でモータ磁束を増して、抵抗器列230で散逸するエネルギを増加させることが可能であり、それによって、より速い減速を可能にする。種々の実施形態において、制動が必要な際には、3相の接触器240を用いて、抵抗器列230を交流モータ210に接続することが可能である。接触器240の制御は、可変周波数駆動装置220を介して実行されることが可能である。
図3には、図2の可変周波数駆動装置220の種々の実施形態の一例が示されている。可変周波数駆動装置220は、速度調整器300、磁束調整器305、磁化電流調整器310、トルク電流調整器315、DQ−3Φ変換部320、パルス幅変調器325、および、モータモデル部330を含むことが可能である。各構成要素については、より詳細に後述する。
図に例示したように、可変周波数駆動装置220は、入力として磁束要求340および速度要求345を受信することが可能である。種々の実施形態において、磁束調整器305は、磁束基準と磁束フィードバックとの差を補償する。磁束要求340と、モータモデル部330によって示される実際のモータ磁束360とを、磁束調整器305によって、比較することが可能である。磁束要求340と実際のモータ磁束360の比較に基づいて定まる磁束調整器305の出力は、モータ磁化電流基準350とすることが可能である。
種々の実施形態において、速度調整器300は、速度要求345とモータモデル部330によって示されるモータ速度365とを比較して、モータトルク電流基準355を、出力として発生する。速度要求345が実際のモータ速度365未満であり、従って、交流モータ210を制動したいという要望を示す幾つかの実施形態の場合には、速度調整器300は、トルク電流基準355を出力し、それによってモータに送られる電圧コマンドを抑制するべく指示して、モータの制動を容易に行うようにすることが可能である。
種々の実施形態において、モータモデル部330は、可変周波数駆動装置220の出力からの電圧フィードバック395および電流フィードバック397を用いて、モータ磁束360、モータ速度365、およびモータ磁束角370を推定する。さらに、モータモデル部330は、磁化電流375およびトルク電流380を推定することも可能である。モータモデル部330は、命令セットを記憶したメモリを備えるプロセッサとすることが可能である。受信した電圧フィードバック395および電流フィードバック397に基づいて、モータモデル部330は、記憶されている命令に従ってフィ−ドバック情報に処理を施し、交流モータ210の種々の態様、とりわけ、この一例ではモータ磁束360、モータ速度365、モータ磁束角370、磁化電流375、およびトルク電流380に関する推定値を生成することが可能である。
磁化電流調整器310は、磁化電流基準350とモータモデル部330によって示される磁化電流375とを比較して、D軸電圧基準390を定める。同様に、トルク電流調整器315は、トルク電流基準355とモータモデル部330によって出力されるトルク電流380とを比較して、Q軸電圧基準385を定める。D軸電圧基準390とQ軸電圧基準385は、両方ともDQ−3Φ変換部320において単相電圧信号に変換されることが可能である。DQ−3Φ変換部320は、モータ磁束370、磁化電流375、およびトルク電流380に基づいて、各電流信号をモータ磁束(D軸)に対して平行で、モータ磁束(Q軸に)に対して直交する成分に分解する働きをするようにプログラムされた、ソフトウェアで実施される数学的アルゴリズムとすることが可能である。DQ−3Φ変換部320は、さらに、モータ磁束角370に基づいて、単相電圧信号を3相電圧信号に変換することが可能である。その3相電圧信号をパルス幅変調器325の基準として用いて、電源回路335の半導体デバイスを制御するためのパルス幅変調器電圧コマンドを発生することが可能である。
注目されるべきは、可変周波数駆動装置220の構成要素は、モータの制動方法に関連した種々の命令を記憶するためのメモリに操作可能に接続された単一のプロセッサで実施することができる、という点である。具体的には、可変周波数駆動装置は、入力として磁束要求340および速度要求345を受信し、上述のように情報を処理して、3相電圧信号を生じさせ、この信号の値に基づいて、メモリからの適合する命令をロードして、交流モータ210の動作を変化させることができる。
図4には、交流モータを制動するための方法400の種々の実施形態の一例が示されている。図1に示した既述のシステム200および図2に示した既述の可変周波数駆動装置220を用いて、この方法400を実施することが可能である。方法400のプロセスの流れは、ユーザ入力に応答して、速度要求345を抑制し(405)、交流モータ210の減速要求を開始することが可能になったときから開始される。速度要求345を抑制すると(405)、可変周波数駆動装置220は、モータ速度365と速度調整器300によってなされる速度要求との比較結果として、速度要求の変化を検出することとなる(410)。この比較の結果、負のトルク電流基準355が生じ、適合する命令を生成するかまたはメモリからロードして、交流モータ210の制動を開始すべきであることが指示されることとなる。速度要求345とモータ速度365との差の規模に基づいて、コマンド(例えば、パルス幅変調変調器325の出力)が生成されて、可変周波数駆動装置220から接触器240へと送られることとなる。
速度要求345における抑制410を検出してコマンドを生成した後、可変周波数駆動装置220は、そのコマンドを3相の接触器240に送出して(415)、抵抗器列230を交流モータ210に接続させる。注目されるべきは、ほぼ平衡のとれた抵抗器列230を用いて、位相間におけるモータトルクの変動を制限することができる、という点である。制動中に、高レベルの潜在的モータトルク変動を許容できる可能性のある幾つかの用途の場合、3相の接触器240の2相を閉じ、それによって抵抗器列230の一部が交流モータ210に接続されるだけにすることも可能である。
3相の接触器240によって抵抗器列230が交流モータ210に接続されると、可変周波数駆動装置220もまた、トルク電流380をその逆再生限界まで減少させ始めることが可能になる。注目されるべきは、トルク電流380が減少し、モータ速度365が落ち始めると、可変周波数駆動装置220は、モータトルクがほぼゼロに達するまでモータ磁束360を高い値に維持することが可能になる、という点である。種々の実施形態において、制御器によって駆動電流が素早く調整されて、減速プロセス中はモータ磁束が維持される場合には、他の2象限駆動装置を用いることが可能である。
接触器240にコマンドを出して(415)抵抗器ブロック230を交流モータ210に接続すると、その抵抗器が、交流モータ210に操作可能に接続されてその交流モータによって発生する電流を吸収し(420)、その交流モータの減速が生じることになる。可変周波数駆動装置220は、小さい値の再生電流で動作可能であるが、抵抗器230は、かなりの量の逆転トルク電流を吸収することが可能であり、交流モータ210を急減速させることができる。可変周波数駆動装置220は、減速プロセス中、モータ磁束360を維持することができるので、モータ電圧は、速度に応じて線形的に低下することが可能である。
図5には、交流モータの減速中に発生する典型的な波形が例示されており、より詳細には、図3に示した既述のモータ磁束360、モータ速度365、磁化電流375、およびトルク電流380が例示されている。これを実施するための交流モータは、4160V、600hpの誘導モータとし、減速は2象限可変周波数駆動装置および3相抵抗器列を用いて行った。抵抗器列は、定格モータ電圧における90%の電流(例えば67アンペア)で動作するようなサイズとし、全速からゼロへの減速を9秒未満で完了させた。可変周波数駆動装置は、抵抗器の接続によって生じるインピーダンスの変化並びにトルク電流380の変化にもかかわらず、減速中、(モータ磁束360の安定した値に示されている如く)安定した動作を維持することができた。可変周波数駆動装置は、磁化電流375およびトルク電流380に関する比較的安定した値によって示されるように、セルに過電圧トリップを生じることなく、出力電流を十分に制限しつつ、モータ磁束365およびモータ速度370を急速に低下させることができたが、これは、可変周波数駆動装置が、その通常能力を超える電力を吸収することなしに、モータからの追加制動電力を抵抗器にて消散せしめたことを示している。
図6は、図5に対応する減速中の1つの位相の抵抗器電流をプロットして示している。種々の実施形態によれば、モータが減速すると、その端子間電圧も低下し、その結果、抵抗器を通る電流が減少して、制動トルクが弱まることとなる。そこで、減速プロセス中も、可変周波数駆動装置をモータに接続することで、その可変周波数駆動装置を制御して、モータ速度が低下すると、そのモータにさらなる電圧を供給し得るようにする。例えば、典型的なモータは、定格速度で10%高い電圧に耐えることができる。定格値未満の全ての速度において10%高い電圧を印加すると、モータは21%(すなわち1.12=1.21)大きい制動トルクを生じることとなる。低速においては、モータ鉄心損失は、銅損失に比べて比較的小さい。このように、モータ磁束は、より強い制動トルクを生じさせるために、典型的な値を10%超えた大きさに増大させるようにすればよい。制動トルクが増すと、モータの停止に必要な全時間を大幅に短縮することが可能となる。注目されるべきは、上述の例は、低頻度の制動中に用いられる場合、モータの過熱を生じることなしに、制動の持続期間中ずっとモータ磁束を顕著に増大させることができるようになる、という点である。
本明細書では、本発明に係る幾つかの実施形態を例証として説明してきたが、当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、既述の実施形態についての種々の修正、変更、および応用を実施することが可能である。例えば、方法400は、特定のシーケンスを含むものとして説明したが、当業者にとって明らかなように、幾つかのステップは、それとは異なったシーケンスで行われることが可能であり、幾つかのステップは、他のステップと同時に行われることが可能であり、幾つかのステップは、周期的にまたは連続して行われることが可能である。
200 制動システム
210 交流モータ
220 可変周波数駆動装置
230 抵抗器列
240 接触器
250 制御器
300 速度調整器
305 磁束調整器
310 磁化電流調整器
315 トルク電流調整器
320 DQ−3Φ変換部
325 パルス幅変調器
330 モータモデル部
335 電源回路

Claims (16)

  1. モータを制動するためのシステムであって、
    少なくとも1つの抵抗器と、
    前記少なくとも1つの抵抗器およびモータに接続された接触器と、
    前記モータに電気的に接続された可変周波数駆動装置とが含まれており、前記可変周波数駆動装置が、前記接触器に操作可能に接続された制御器を含み、前記接触器の少なくとも一部が、前記制御器からのコマンドに応答して閉じて、前記少なくとも1つの抵抗器を前記モータに接続する
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  2. 請求項1記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、前記可変周波数駆動装置からの電圧フィードバックおよび電流フィードバックを受信して、前記電圧フィードバックおよび前記電流フィードバックに処理を施し、モータ磁束、モータ速度、磁化電流、トルク電流、およびモータ磁束角を出力するモータモデル部を含む
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  3. 請求項2記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、前記モータ速度を処理して、基準トルク電流を生じるように構成された速度調整器を含む
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  4. 請求項3記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、前記モータ磁束を処理して、基準磁化電流を生じるように構成された速度調整器を含むことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  5. 請求項4記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、前記基準トルク電流と前記トルク電流の両方を処理して、基準Q軸電圧を生じるように構成されたトルク電流調整器と、前記基準磁化電流および前記磁化電流の両方を処理して、基準D軸電圧を生じるように構成された磁化電流調整器とを含む
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  6. 請求項5記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、前記基準Q軸電圧と前記基準D軸電圧の両方を処理して、3相電気出力を生じるように構成されたDQ−3Φ変換部を含むことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  7. 請求項6記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記可変周波数駆動装置が、さらに、パルス幅変調電圧コマンドを生じるように構成されたパルス幅変調器を含む
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  8. 請求項1記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記接触器が、3相接触器である
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  9. 請求項8記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記少なくとも1つの抵抗器が、3相抵抗器列である
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  10. 請求項1記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    制御器コマンドが、前記接触器に閉じるように命じ、それによって前記抵抗器列を前記モータに接続させる
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  11. モータを制動するための方法であって、
    可変周波数駆動装置によって、モータの減速を開始させる速度要求の抑制を検出するステップと、
    前記可変周波数駆動装置によって、少なくとも1つの接触器を閉じるコマンドを出して、その閉じた前記接触器によって抵抗器列が前記モータに接続されるようにするステップと、
    前記抵抗器列によって、前記モータが発生する減速電流を吸収するステップとを含む
    ことを特徴とする、モータを制動するための方法。
  12. 請求項11記載のモータを制動するための方法において、
    前記コマンドを出すステップに、前記可変周波数駆動装置によって、3相接触器の少なくとも2相を閉じるコマンドを出すステップが含まれること、および前記3相接触器の前記少なくとも2つの相が閉じると、抵抗器列の少なくとも2相が前記モータに接続されること
    を特徴とする、モータを制動するための方法。
  13. 請求項12記載のモータを制動するための方法において、
    前記3相接触器を閉じる決定が、検出された速度要求の抑制に基づいて、前記可変周波数駆動装置によって行われる
    ことを特徴とする、モータを制動するための方法。
  14. モータを制動するためのシステムであって、
    複数の相を有する抵抗器列と、
    前記抵抗器列およびモータに接続されて、複数の相を有しており、その各相が前記抵抗器列の1つの相に接続されている接触器と、
    前記モータに電気的に接続された可変周波数駆動装置とが含まれており、前記可変周波数駆動装置が、前記接触器に操作可能に接続された制御器を備えており、前記制御器からのコマンドに応答して、前記接触器の少なくとも一部が閉じると、前記少なくとも1つの抵抗器が前記モータに接続される
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  15. 請求項14記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記接触器が、3相接触器である
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
  16. 請求項15記載のモータを制動するためのシステムにおいて、
    前記抵抗器列が、3相抵抗器列である
    ことを特徴とする、モータを制動するためのシステム。
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