JP2013165638A

JP2013165638A - インバータ制御方法

Info

Publication number: JP2013165638A
Application number: JP2013023273A
Authority: JP
Inventors: Min Hun Chi; ミンフンチ
Original assignee: LSIS Co Ltd; LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: EP2627000A2; US9246430B2; EP2627000B1; CN103248309A; US20130207582A1; JP5886772B2; KR101272393B1; EP2627000A3; ES2807504T3; CN103248309B

Abstract

【課題】本発明は、弱界磁運転領域以下の範囲でも負荷に応じて最大速度を決めて、最適の出力で電動機を制御するためのインバータ制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の方法は、最適速度を演算して、指令速度が電動機の定格速度レベルより高い場合には、最終速度を前記最適速度に決め、指令速度が前記定格速度レベルより低いか同じで、予め設定された最適速度レベルより高い場合には、最終速度を前記指令速度に決める。
【選択図】図４

Description

本発明はインバータ制御方法に関するものである。

一般に、インバータは、３相交流常用電源に連結され、交流電源を直流電源に変換し、これをパルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）スイッチングを介して周波数と電圧を可変して所望の出力を生成して電動機に供給する装置である。このようなインバータによって制御される電動機は、トルクを発生させて負荷を駆動する。

一般に、電動機駆動用インバータシステムが適用される負荷は、大きくブロワー負荷と巻き上げ負荷、牽引負荷及び張力制御負荷に分かれる。

この中、巻き上げ負荷は、クレーンやホイスト（ｈｏｉｓｔ）及びエレベータ等の上下に動く機械システムのことをいい、特にクレーンやホイストは、電動機の駆動速度により作業能率が変わる。即ち、クレーンやホイストを駆動する電動機を電動機の定格に許容する範囲で最大速度に運転すると、クレーンやホイストの作業能率を向上することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来のインバータ制御方法を説明するためのフローチャートであり、電動機を最大速度で運転するためにインバータを制御する方法を示した図面である。

従来のインバータ制御では、インバータの出力最適化機能を設定する（Ｓ１１０）。巻き上げ負荷電動機の加減速時には、正速度運行時に必要なトルクの５０〜２００％に達する加減速トルクを要求し、このような場合、電動機とその駆動システムは、加減速時間の間定格トルクの１５０％以上のトルクを供給すべきである。

巻き上げ負荷では、電動機のトルクが正方向のトルクだけでなく負方向のトルクが発生するが、トルク方向を確認して（Ｓ１２０）、正方向トルクの制限を設定し（Ｓ１３０）、逆方向トルクの制限を設定する（Ｓ１４０）。電動機がシステムの加減速のために、正方向トルクだけでなく逆方向トルクを発生すべきで、電動機の回転方向も正方向または逆方向に変更できる必要がある。そこで、正方向と逆方向によるトルクの制限を設定する必要があり、これをＳ１２０〜Ｓ１４０で行う。

以後、負荷にかかるトルクを累積し（Ｓ１５０）、設定された時間が経過した場合には（Ｓ１６０）、設定された時間の間に累積したトルクの数と累積したトルクを演算して、平均トルクを演算する（Ｓ１７０）。

以後、演算された平均トルクとＳ１３０及びＳ１４０で設定された正方向トルク制限及び逆方向トルク制限と、インバータの定格速度を利用して、最適速度を演算する（Ｓ１８０）。また、Ｓ１８０で演算された最適速度を最大周波数範囲内に制限する（Ｓ１９０）。このように、最適速度を演算することができる。図１Ａの全体動作は図１ＢのＳ１００で表される。

図１Ｂは、電動機の最終速度指令の設定を説明するフローチャートである。

Ｓ１００で最適速度を演算すると、最適速度を最終速度指令に適用するか否かを確認して（Ｓ２１０）、最終速度指令に適用する場合にはＳ１００で演算した最適速度を最終速度指令と決定し（Ｓ２２０）、最終速度指令に適用しない場合には指令速度を最終速度指令と決める（Ｓ２３０）。以後、最終速度を出力する（Ｓ２４０）。

図２は、電動機速度による最大トルク曲線を説明するグラフである。

図面において、ａは電動機定格速度以下において一定トルクが持続する領域を示し、ｂは電動機定格速度以上の領域を示す。

図面において定格速度以上領域であるｂでは、電動機が出力できるトルクが、電動機の速度が増加することによって反比例して減少する。

前記説明のように、電動機は加減速時に加減速トルクが必要であるため、このような加減速度を維持しながら指令速度を超えて加速し続けた場合、最大速度は加減速した時に生じた加減速トルクを維持できる速度となる。これを式で表現すると下記の通りである。

前記式（１）で演算された最適速度を利用して、図１Ｂのように最適速度または指令速度を最終速度指令に設定し、最終速度を出力することによって、出力を最適化する。

しかし、図２を参照すると、定格速度以上の運転時に出力最適化を介して最適速度を決定し、定格速度以下では一定速度を与するため、定格速度以下では出力最適化が不可能な問題がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、弱界磁運転領域以下の範囲でも負荷により最大速度を決定して最適出力で電動機を制御するためのインバータ制御方法を提供することである。

前記技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、最適速度を演算する段階、指令速度が電動機の定格速度レベルより高い場合には、最終速度を前記最適速度に決める段階、及び指令速度が前記定格速度レベルより低いか同じであり、かつ予め設定された最適速度レベルより高い場合には、最終速度を前記指令速度に決める段階を含む。

本発明の一実施形態において、指令速度が前記最適速度レベルより低いか同じ場合には、前記電動機が手動モードであるか否か確認する段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記電動機が手動モードである場合には、最終速度を前記指令速度に決める段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記電動機が手動モードでない場合には、最終速度を前記最適速度に決める段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記最適速度を演算する段階は、トルク制限を設定する段階、設定された時間の間トルクを累積する段階、平均トルクを演算する段階、前記トルク制限、前記平均トルク及び前記電動機の定格速度を利用して前記最適速度を演算する段階を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記最適速度は、前記定格速度と前記トルク制限との積を前記平均トルクで割って求められる。

本発明の一実施形態において、前記トルク制限は、正方向トルク制限及び逆方向トルク制限を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記最適速度を演算する段階は、演算された最適速度を最大周波数範囲内に制限する段階をさらに含んでもよい。

本発明は、定格速度以上の区間でも出力最適化を行い、定格速度以下の区間でもユーザによって定義される最適速度レベル以上では出力最適化を行うことによって、定格速度より低い領域でも負荷に応じて電動機を最大速度に駆動して、作業能率を向上することができる。

また、本発明は定格速度と最適速度レベルの２種類の基準に電動機を駆動して、電動機と負荷の特性により電動機の駆動を最適化することができる。

従来のインバータ制御方法を説明するためのフローチャートである。従来のインバータ制御方法を説明するためのフローチャートである。電動機速度による最大トルク曲線を説明するグラフである。本発明が適用されるインバータシステムの構成図である。本発明に係るインバータ制御方法を説明するための一実施形態フローチャートである。図４の最適速度演算を説明するための一実施形態詳細フローチャートである。本発明の制御によるシーケンスを説明するための一例示図である。

本発明は、種々の変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態について限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明が適用されるインバータシステムの構成図である。

図面に示したように、インバータ１０は、電動機２０を駆動するためのものであって、３相電源を直流電源に変換し、これを電圧と周波数を可変して交流電源に変換して電動機２０に出力する。本発明が適用されるシステムにおいて、電動機２０は巻き上げ負荷３０を駆動するものを挙げて示したが、これに限定されるのではなく、種々のタイプの負荷に適用されてもよい。

本発明のインバータ制御方法は、制御部１１で行われる。以下、本発明の制御方法を説明する。

図４は、本発明に係るインバータ制御方法を説明するための一実施形態フローチャートである。

図面に示したように、本発明の制御方法は、先に、ユーザによって定義される最適速度レベルを設定する（Ｓ４１）。本発明の最適速度レベルは、ユーザによって定義され、ユーザは人間−機械インターフェース（Ｈｕｍａｎ−ＭａｃｈｉｎｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ、ＨＭＩ）等を利用して最適速度レベルを入力することができる。

以後、制御部１１は、最適速度を演算する。図５は、図４の最適速度演算を説明するための一実施形態の詳細フローチャートである。

図５を参照すると、制御部１１は、電動機２０のトルク方向を確認して（Ｓ５１）、正方向の場合、正方向トルク制限を設定し（Ｓ５２）、逆方向の場合、逆方向トルク制限を設定する（Ｓ５３）。

以後、制御部１１は、設定された所定時間の間（Ｓ５５）のトルクを累積して（Ｓ５４）、設定された時間の間に累積したトルクの数と累積したトルクを利用して、平均トルクを演算する（Ｓ５６）。

以後、Ｓ５６において演算した平均トルク、正方向トルク制限及び逆方向トルク制限、及び電動機２０の定格速度を利用して、式（１）のように最適速度を演算する（Ｓ５７）。また、演算された最適速度を最大周波数範囲内に制限する（Ｓ５８）。

また、図４において、制御部１１は、入力される電動機２０の指令速度と定格速度レベルを比較して（Ｓ４３）、指令速度が定格速度レベルより高い場合には、最終速度を最適速度に設定する（Ｓ４４）。

Ｓ４３において指令速度が定格速度レベルより低いか同じ場合には、指令速度と最適速度レベルを比較して（Ｓ４５）、指令速度が最適速度レベルより高い場合には、最終速度を指令速度に設定する（Ｓ４６）。

Ｓ４５において指令速度が最適速度レベルより低いか同じ場合には、手動モードであるか否か確認して（Ｓ４７）、手動モードである場合、最終速度を指令速度に設定し（Ｓ４６）、手動モードでない場合には、最終速度を最適速度に設定する（Ｓ４５）。

以後、制御部１１は、設定された最終速度を速度指令に出力する（Ｓ４８）。

図６は、本発明の制御によるシーケンスを説明するための一例示図であり、巻き上げ負荷３０としてクレーンのホイストが使われた場合を示したものである。

図６において、Ａは電動機２０の運転状態を示した運転指令信号、Ｂは励磁電流の波形を示した励磁電流信号、Ｃはクレーンのスプレダーがコンテナのラッチにかかってホイストロープがコンテナに固定されたことを知らせるアンロック（ｕｎｌｏｃｋ）／ロック（ｌｏｃｋ）信号、Ｄはユーザが手動モードに切り替えたことを示す手動モード信号、Ｅは電動機２０の運転速度を示す電動機速度、Ｆは外部指令速度、Ｇは図５によって演算された最適速度、Ｈは図４によって選定された最終速度を示すグラフである。

また、ａは電動機２０を磁化するのにかかる時間、ｂは励磁電流が維持される区間を示し、ｃは最適速度を演算するために負荷トルクを累積する区間（Ｓ５４）である。

一方、ｔ１乃至ｔ８は、シーケンスの動作により定義されるもので、ｔ１は、最適速度の演算が完了した時点、ｔ２は、手動モードのためにユーザが信号を印加した時点、ｔ３は、指令速度が定格速度レベルより大きくなる時点、ｔ４は、指令速度がｔ３時点の指令速度より高くなる時点、ｔ５は、指令速度が定格速度レベルより低くなる時点、ｔ６は手動モードがオフになる時点、ｔ７は、指令速度が最適速度レベルより低くなる時点、ｔ８は、電動機の運転指令信号がオフになる時点を示す。

クレーンのスプレダーがコンテナのラッチにかかってホイストロープがコンテナに固定されると、Ｃのアンロック／ロック信号がオンとなり、Ａの運転指令信号が印加されると、Ｂの励磁電流信号が印加されてｔｅ１区間の間電動機２０が励磁される。

Ｅの電動機速度は、Ｆの外部指令速度を最終速度として徐々に増加する。

Ｓ５４の負荷トルクの累積は、最適速度レベルに到達する約０．２０〜０．２５秒前であるｔｔ区間の間行われる。

負荷トルク累積が完了すると、ｔ１で最適速度が演算され、これはＧの最適速度グラフに反映される。以後、電動機速度は、最適速度を最終速度指令として駆動される。

ｔ２において、手動モード信号が印加された場合、電動機速度は、Ｓ４３、Ｓ４５及びＳ４７により、指令速度が定格速度レベルより低く、最適速度レベルより高いため、指令速度を最終速度にして設定して駆動される。

ｔ３及びｔ４においては、指令速度が定格速度レベルより高いため、最適速度が最終速度に設定されて電動機２０が駆動される。

ｔ５においては、指令速度が、定格速度レベルより低く、最適速度レベルより高いため、指令速度が最終速度に設定されて電動機２０が駆動される。

ｔ６においては、Ｓ４３、Ｓ４５及びＳ４７により指令速度が、定格速度レベルより低く、最適速度レベルより高く、手動モードがオフとなった場合であるため、最適速度を最終速度に設定して電動機２０が駆動される。

ｔ７において、Ｓ４３、Ｓ４５及びＳ４７により指令速度が最適速度レベルより低いため、指令速度を最終速度にして電動機２０が駆動される。

このように、本発明は、定格速度以上の区間でも出力最適化を行い、定格速度以下の区間でもユーザによって定義される最適速度レベル以上では出力最適化を行うことによって、定格速度より低い領域でも負荷に応じて電動機を最大速度に駆動して、作業能率を向上することができる。

また、定格速度と最適速度レベルの２種類の基準に電動機を駆動して、電動機と負荷の特性に応じて電動機の駆動を最適化することができる。

以上、代表的な実施形態を持って、本発明を詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対して、本発明の範囲から逸脱しない限り多様な変形ができることを理解するだろう。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物によって定まらなければならない。

１０インバータ
１１制御部
２０電動機
３０巻き上げ負荷

Claims

最適速度を演算する段階、
指令速度が、電動機の定格速度レベルより高い場合には、最終速度を前記最適速度に決める段階、及び
指令速度が、前記定格速度レベルより低いか同じで、かつ予め設定された最適速度レベルより高い場合には、最終速度を前記指令速度に決める段階を含むことを特徴とする、インバータ制御方法。
指令速度が、前記最適速度レベルより低いか同じ場合には、前記電動機が手動モードであるか否か確認する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のインバータ制御方法。
前記電動機が、手動モードの場合には、最終速度を前記指令速度に決める段階をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載のインバータ制御方法。
前記電動機が、手動モードでない場合には、最終速度を前記最適速度に決める段階をさらに含むことを特徴とする、請求項２または３に記載のインバータ制御方法。
前記最適速度を演算する段階は、
トルク制限を設定する段階、
設定された時間の間トルクを累積する段階、
平均トルクを演算する段階、及び
前記トルク制限、前記平均トルク、及び前記電動機の定格速度を利用して、前記最適速度を演算する段階を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインバータ制御方法。
前記最適速度は、前記定格速度と前記トルク制限との積を前記平均トルクで割って求められることを特徴とする、請求項５に記載のインバータ制御方法。
前記トルク制限は、
正方向トルク制限及び逆方向トルク制限を含むことを特徴とする、請求項５または６に記載のインバータ制御方法。
前記最適速度を演算する段階は、
演算された最適速度を最大周波数範囲内に制限する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載のインバータ制御方法。