JP2018046707A - インバータ制御装置およびインバータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機の回転速度を減速する場合において、誘導電動機の回生エネルギーを起因とするインバータの電圧の増加を安全かつ効率的に抑えることが可能なインバータ制御装置を提供する。【解決手段】実施形態のインバータ制御装置１は、誘導電動機ＩＭを駆動するインバータ１００を制御する装置であって、誘導電動機ＩＭの慣性回転中に、減速方向のトルクを発生させる電流である減速トルク電流を誘導電動機ＩＭに断続的に供給するようインバータ１００を制御し、当該減速トルク電流によって誘導電動機ＩＭの回転速度を段階的に減速させる制御部１１を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インバータ制御装置およびインバータ制御方法に関する。

インバータから駆動電力が供給されずに慣性力によって回転している状態（フリーラン状態）の誘導電動機の回転速度を減速する技術が、例えば特許文献１および２に開示されている。特許文献１には、誘導電動機のすべり周波数をインバータの出力周波数に加えることにより誘導電動機の回転速度を減速する手法が開示されている。特許文献２には、誘導電動機の回転速度が、予め定められた制動可能な範囲にある場合に、予め定められた逆相制動用のトルク電流、励磁電流、および、滑り周波数に基づいて誘導電動機を駆動することにより、誘導電動機の回転速度を減速する手法が開示されている。

誘導電動機が減速されると、インバータには、誘導電動機の回生エネルギー（電力）が供給される。そのため、誘導電動機の回生エネルギーを放熱等によって消費する構成（制動用の抵抗器等）や交流電源側に回生エネルギーを返還する構成（回生用の整流器等）がインバータに備えられていないと、誘導電動機の減速によってインバータのＡＣ−ＤＣ変換部（平滑コンデンサ）が過電圧となり、故障等の原因となる。

特許文献１および２に開示されたインバータには、回生エネルギーを消費または返還する処理を行うものが備えられていないため、誘導電動機を減速する場合に、インバータ内部の直流電圧の増加を安全かつ効率的に抑えることができない。一方、回生エネルギーについて上記処理を行う構成をインバータに備える場合、設置スペースの確保や装置の小型化を図ることが困難になる。

特開２０１５−８４６１０号公報 特開２００８−２２６６０号公報

本発明は、誘導電動機の回転速度を減速する場合において、誘導電動機の回生エネルギーに起因するインバータ内部の直流電圧の増加を安全かつ効率的に抑えることが可能なインバータ制御装置およびインバータ制御方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態のインバータ制御装置は、
誘導電動機を駆動するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
前記誘導電動機の慣性回転中に、減速方向のトルクを発生させる電流である減速トルク電流を前記誘導電動機に断続的に供給するよう前記インバータを制御し、前記減速トルク電流によって前記誘導電動機の回転速度を段階的に減速させる制御部を備える。

実施形態１のインバータ制御装置を備えたシステムの構成例を示したブロック図である。 インバータ制御装置が行う制御処理を示したフローチャートである。 実施形態１の励磁電流、減速トルク電流、誘導電動機の回転速度、平滑コンデンサの電圧それぞれの時間的変化を示した図である。 実施形態１の減速制御を示したフローチャートである。 実施形態２のインバータ制御装置を備えたシステムの構成例を示したブロック図である。 実施形態２の励磁電流、減速トルク電流、誘導電動機の回転速度、平滑コンデンサの電圧それぞれの時間的変化を示した図である。 実施形態２の減速制御を示したフローチャートである。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係るインバータ制御装置および方法を説明する。

図１に示すように、インバータ制御装置１は、誘導電動機ＩＭを駆動するインバータ１００を制御する。インバータ制御装置１は、特に、慣性回転中の誘導電動機ＩＭの回転速度を減速する場合において、誘導電動機ＩＭの回生エネルギーに起因するインバータ１００内部の直流電圧の増加を安全かつ効率的に抑えるものである。誘導電動機ＩＭが慣性回転しているとは、インバータ１００から誘導電動機ＩＭに駆動電力が供給されずに、誘導電動機ＩＭが慣性力によって回転している状態、つまりフリーラン（空転中）の状態にあることをいう。

インバータ１００は、交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣインバータとを組み合わせた電力変換装置である。インバータ１００は、順変換回路１０１と、平滑コンデンサ１０２と、逆変換回路１０３とを備える。なお、インバータ１００には、誘導電動機ＩＭの回生エネルギーを放熱等によって消費する構成（制動用の抵抗器等）や交流電源側に回生エネルギーを返還する構成（回生用の整流器等）は備えられていない。

ＡＣ−ＤＣコンバータは、順変換回路１０１および平滑コンデンサ１０２から構成される。順変換回路１０１は、複数の整流素子から構成され、交流電源ＡＣから供給される交流電力を整流する。

平滑コンデンサ１０２は、順変換回路１０１によって整流された電力を平滑化し、直流電力を得る。

ＤＣ−ＡＣインバータは、逆変換回路１０３から構成される。逆変換回路１０３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチを複数備えたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータ回路から構成される。

また、逆変換回路１０３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応する３本の電源線を介して誘導電動機ＩＭに接続されている。逆変換回路１０３は、インバータ制御装置１から供給される制御信号（ゲート信号）に基づいて、平滑コンデンサ１０２に充電された直流電力を任意の周波数および大きさを有する交流電力に変換する。逆変換回路１０３は、変換した交流電力を誘導電動機ＩＭに供給し、誘導電動機ＩＭを駆動する。

誘導電動機ＩＭは、３相交流によって変速可能に動作するモータから構成される。具体的には、誘導電動機ＩＭは、回転軸であるシャフト、シャフトとともに回転する回転子（ロータ）、回転子にトルクを発生させる固定子（ステータ）、回転子とともにシャフトを支持する軸受け（ベアリング）、固定子および軸受けを支持するブラケット等を備える。

インバータ制御装置１は、制御部１１と、電流検出部１２と、回転速度検出部１３とを備える。

電流検出部１２は、例えば、ホール電流センサ等から構成される。電流検出部１２は、インバータ１００と誘導電動機ＩＭとに接続された３本の電源線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電源線）のうち任意の２本もしくは３本全てに装備される。電流検出部１２は、電源線に流れている電流を検出し、検出した電流値を表す信号を制御部１１に供給する。制御部１１は、電流検出部１２から受け取った信号を基に、３本の電源線それぞれに流れている電流を演算する。

回転速度検出部１３は、例えば、エンコーダ等の回転速度センサから構成される。回転速度検出部１３は、誘導電動機ＩＭのシャフトの回転速度を検出し、検出した速度値を表す信号を制御部１１に供給する。

制御部１１は、例えば、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＣＰＵのメインメモリとして機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、タイマ等から構成される。なお、制御部１１は、一部がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の専用回路から構成されてもよい。制御部１１は、インバータ制御装置１全体を制御する。

制御部１１は、電流検出部１２から受け取る各電流値、回転速度検出部１３から受け取る回転速度値に基づいて、インバータ１００を用いて誘導電動機ＩＭのベクトル制御を行う。

具体的には、制御部１１は、誘導電動機ＩＭの回転子（ロータ）に磁界を発生させる電流（励磁電流）と、誘導電動機ＩＭにトルクを発生させる電流(トルク電流)とをそれぞれ演算する。制御部１１は、各電流のベクトル和である電流の値を、インバータ１００から誘導電動機ＩＭに供給するモータ電流の指令値として求める。制御部１１は、当該指令値に基づく制御信号（ゲート信号）をインバータ１００の逆変換回路１０３に供給し、逆変換回路１０３から誘導電動機ＩＭにモータ電流を供給させる。

また、制御部１１は、誘導電動機ＩＭを減速させる制御処理を行う。制御部１１は、誘導電動機ＩＭが慣性回転しているときに、外部から入力される減速指令に従って、後述する減速制御を行う。

以下、図２から図４を参照して、インバータ制御装置１が行う制御処理を説明する。

制御部１１は、誘導電動機ＩＭの運転状態を監視する。制御部１１は、電流検出部１２から受け取る各電流値、回転速度検出部１３から受け取る回転速度値に基づいて、誘導電動機ＩＭが慣性回転中であるか否かを判別する（ステップＳ１０）。

誘導電動機ＩＭが慣性回転中であると判別した場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、制御部１１は、ユーザの操作等によって減速指令を受け付けたか否かを判別する（ステップＳ２０）。減速指令を受け付けたと判別した場合（ステップＳ２０；ＹＥＳ）、制御部１１は、減速制御を行う（ステップＳ３０）。

一方、誘導電動機ＩＭが慣性回転中でない場合や（ステップＳ１０；ＮＯ）、減速指令を受け付けていない場合は（ステップＳ２０；ＮＯ）、制御部１１は待機状態となり、インバータ１００の制御を行わない。つまり、制御部１１は、誘導電動機ＩＭが慣性回転中で、ユーザの操作等によって外部から減速指令を受け付けた場合に限り、減速制御を行う（ステップＳ３０）。

減速制御は、インバータ１００から誘導電動機ＩＭに、減速方向のトルクを発生させる電流（減速トルク電流）を励磁電流とともに供給する処理と、励磁電流のみを供給する処理とから構成される。つまり、減速制御は、断続的な減速トルク電流の供給と、連続的な励磁電流の供給を行う処理である。

図３に示すように、減速トルク電流が誘導電動機ＩＭに供給されると、誘導電動機ＩＭの回転速度が減速される。また、平滑コンデンサ１０２の電圧は、誘導電動機ＩＭの減速に応じて発生する回生エネルギーによって増加する。誘導電動機ＩＭの減速によって平滑コンデンサ１０２の電圧が過電圧とならないようにするため、制御部１１には、減速トルク電流の供給開始および供給停止のタイミング、減速トルク電流および励磁電流の大きさに係る各設定値が予め定められ、記憶されている。

各設定値は、誘導電動機ＩＭの特性や平滑コンデンサ１０２の容量等に基づいて定められる。より具体的には、各設定値は、減速トルク電流の供給によって増加する平滑コンデンサ１０２の電圧の増加分と、励磁電流のみの供給によって減少する平滑コンデンサ１０２の電圧の減少分とが相殺されるように定められる。つまり、各設定値は、断続的な減速トルク電流の供給および連続的な励磁電流の供給によって、平滑コンデンサ１０２の電圧が一定以上（過電圧）とならず、当該電圧の変化（増加および減少）が周期的に繰り返されるように定められる。

このような各設定値が定められた制御部１１が減速制御を行う場合（ステップＳ３０）、図４に示すように、制御部１１は、はじめに、減速トルク電流の供給開始タイミングが到来したか否かを判別する（ステップＳ３０１）。

制御部１１は、当該タイミングが到来するまで待機状態となり（ステップＳ３０１；ＮＯ）、当該タイミングが到来した場合には（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）、予め定められた大きさの減速トルク電流および励磁電流の供給を開始するようインバータ１００を制御する（ステップＳ３０２）。つまり、制御部１１は、予め定められた大きさの減速トルク電流および励磁電流から構成されるモータ電流が誘導電動機ＩＭに供給されるよう、インバータ１００の逆変換回路１０３を制御する。当該モータ電流が供給されている間は、図３に示したように、誘導電動機ＩＭの回転速度は減速し、平滑コンデンサ１０２の電圧は増加する。

その後、制御部１１は、減速トルク電流の供給停止タイミングが到来したか否かを判別する（ステップＳ３０３）。制御部１１は、当該タイミングが到来するまでは減速トルク電流および励磁電流の供給を継続して行う（ステップＳ３０３；ＮＯ）。一方、当該タイミングが到来した場合には（ステップＳ３０３；ＹＥＳ）、制御部１１は、減速トルク電流の供給を停止し、励磁電流のみの供給を行う（ステップＳ３０４）。これにより、誘導電動機ＩＭの減速は中断され、平滑コンデンサ１０２の電圧は減少し始める。

減速トルク電流の供給を停止した後、制御部１１は、回転速度検出部１３から受け取る回転速度値に基づいて、予め定められた目標値に達したか否かを判別する（ステップＳ３０５）。例えば、外部から入力される減速指令に目標の減速速度が含まれる場合、当該減速速度に誘導電動機ＩＭの回転速度が達したか否かを判別する。

誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達していない場合（ステップＳ３０５；ＮＯ）、制御部１１は、再度の減速トルク電流の供給開始タイミングが到来したか否かを判別する（ステップＳ３０６）。制御部１１は、当該供給開始タイミングが到来しないうちは（ステップＳ３０６；ＮＯ）、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達するまで励磁電流のみの供給を継続して行う。これにより、平滑コンデンサ１０２の電圧は減少し続ける。

再度の供給開始タイミングが到来した場合には（ステップＳ３０６；ＹＥＳ）、制御部１１は、上記ステップＳ３０２と同様、励磁電流とともに減速トルク電流を供給する処理を行う（ステップＳ３０７）。つまり、制御部１１は、減速トルク電流および励磁電流から構成されるモータ電流が誘導電動機ＩＭに供給されるよう逆変換回路１０３を制御する。これにより、誘導電動機ＩＭは再び減速し始め、平滑コンデンサ１０２の電圧は増加し始める。

その後、制御部１１は、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達するまで、ステップＳ３０３からＳ３０７の処理を繰り返し行う。また、制御部１１は、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達した場合には（ステップＳ３０５；ＹＥＳ）、ステップＳ３０１から連続的に供給し続けた励磁電流の供給を停止する（ステップＳ３０８）。
以上のステップＳ３０１からＳ３０８により一連の減速制御が終了する。その後、制御部１１は、図２に示したステップＳ１０に戻り、制御処理を繰り返し行う。

以上、実施形態１に係るインバータ制御装置１によれば、誘導電動機ＩＭの慣性回転中に、減速トルク電流を誘導電動機ＩＭに断続的に供給するよう逆変換回路１０３（インバータ１００）を制御し、減速トルク電流によって誘導電動機ＩＭの回転速度を段階的に減速させる。これにより、誘導電動機ＩＭの減速時に、誘導電動機ＩＭの回生エネルギーに起因するインバータ１００内部の直流電圧の増加を安全かつ効率的に抑えることができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２に係るインバータ制御装置および方法を説明する。実施形態２では、実施形態１で説明した供給開始タイミングおよび供給停止タイミングを定める代わりに、平滑コンデンサ１０２の電圧の状態を監視する構成を備え、平滑コンデンサ１０２の電圧に基づいて誘導電動機ＩＭへの減速トルク電流の供給を断続的に行う例を説明する。なお、実施形態１で説明した構成と同一の構成については同一の符号を付し、適宜、説明を省略するものとする。

図５に示すように、インバータ制御装置１’は、制御部１１、電流検出部１２、回転速度検出部１３に加えて、電圧検出部１４を新たな構成として備える。

電圧検出部１４は、分圧抵抗等から構成される。電圧検出部１４は、平滑コンデンサ１０２の電圧を検出し、検出した電圧値を表す信号を制御部１１に供給する。

また、制御部１１には、減速トルク電流の供給を停止させるか否かを判別する基準（第１の基準）となる閾値（Ｖｈ）、減速トルク電流の供給を開始させるか否かを判別する基準（第２の基準）となる閾値（Ｖｌ）が予め定められ、記憶されている。その他、制御部１１には、減速トルク電流および励磁電流の大きさに係る各設定値が予め定められ、記憶されている。

以下、図６および図７を参照して、インバータ制御装置１’が行う制御処理を説明する。

制御部１１が減速制御を行う場合（ステップＳ３０）、制御部１１は、はじめに、予め定められた大きさの減速トルク電流および励磁電流の供給を開始するようインバータ１００を制御する（ステップＳ３１１）。つまり、制御部１１は、予め定められた大きさの減速トルク電流および励磁電流から構成されるモータ電流が誘導電動機ＩＭに供給されるよう、インバータ１００の逆変換回路１０３を制御する。当該モータ電流が供給されている間は、図６に示すように、誘導電動機ＩＭの回転速度は減速し、平滑コンデンサ１０２の電圧は増加する。

制御部１１は、平滑コンデンサ１０２の電圧が第１の基準を満たしたか否かを判別する（ステップＳ３１２）。具体的には、制御部１１は、電圧検出部１４から受け取る電圧値が、予め定められた閾値（Ｖｈ）に達した場合に第１の基準を満たしたと判別し、閾値（Ｖｈ）に達していない場合には第１の基準を満たしていないと判別する。

制御部１１は、第１の基準を満たすまで減速トルク電流および励磁電流の供給を継続して行う（ステップＳ３１２；ＮＯ）。一方、第１の基準を満たした場合には（ステップＳ３１２；ＹＥＳ）、制御部１１は、減速トルク電流の供給を停止し、励磁電流のみの供給を行う（ステップＳ３１３）。これにより、誘導電動機ＩＭの減速は中断され、平滑コンデンサ１０２の電圧は減少し始める。減速トルク電流の供給を停止した後、制御部１１は、回転速度検出部１３から受け取る回転速度値に基づいて、予め定められた目標値に達したか否かを判別する（ステップＳ３１４）。

誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達していない場合（ステップＳ３１４；ＮＯ）、制御部１１は、平滑コンデンサ１０２の電圧が第２の基準を満たしたか否かを判別する（ステップＳ３１５）。具体的には、制御部１１は、電圧検出部１４から受け取る電圧値が、予め定められた閾値（Ｖｌ）に達した場合に第２の基準を満たしたと判別し、閾値（Ｖｌ）に達していない場合には第２の基準を満たしていないと判別する。

制御部１１は、第２の基準を満たさないうちは（ステップＳ３１５；ＮＯ）、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達するまで励磁電流のみの供給を継続して行う。これにより、平滑コンデンサ１０２の電圧は減少し続ける。

第２の基準を満たした場合には（ステップＳ３１５；ＹＥＳ）、制御部１１は、上記ステップＳ３１１と同様、励磁電流とともに減速トルク電流を供給する処理を行う（ステップＳ３１６）。つまり、制御部１１は、減速トルク電流および励磁電流から構成されるモータ電流が誘導電動機ＩＭに供給されるよう逆変換回路１０３を制御する。これにより、誘導電動機ＩＭは再び減速し始め、平滑コンデンサ１０２の電圧は増加し始める。

その後、制御部１１は、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達するまで、ステップＳ３１２からＳ３１６の処理を繰り返し行う。また、制御部１１は、誘導電動機ＩＭの回転速度が目標値に達した場合には（ステップＳ３１４；ＹＥＳ）、ステップＳ３０１から連続的に供給し続けた励磁電流の供給を停止する（ステップＳ３１７）。
以上のステップＳ３１１からＳ３１７により一連の減速制御が終了する。

以上、実施形態２に係るインバータ制御装置１’によれば、電圧検出部１４によって検出された平滑コンデンサ１０２の電圧の値に基づいて、減速トルク電流を断続的に供給させる。これにより、誘導電動機ＩＭの減速時に、誘導電動機ＩＭの回生エネルギーに起因するインバータ１００内部の直流電圧の増加を安全かつ効率的に抑えることができる。

なお、誘導電動機ＩＭに供給される励磁電流は、誘導電動機ＩＭの回転を加速するときよりも減速するときの方が大きくなるように、制御部１１に励磁電流の設定値が定められてもよい。これにより、誘導電動機ＩＭの減速時に平滑コンデンサ１０２の電圧の増加を効率的に抑えつつ１周期当たりの減速可能時間を延ばし、結果的に全体の減速時間を短縮することができる。

また、誘導電動機ＩＭに供給される励磁電流は、減速トルク電流が励磁電流とともに供給されているときよりも、減速トルク電流が供給されず励磁電流が供給されているときの方が大きくなるように、制御部１１に励磁電流の設定値が定められてもよい。これにより、誘導電動機ＩＭの減速が中断されているときに平滑コンデンサ１０２の電圧を効率的に減少させることができ、１周期当たりの減速可能時間を延ばし、結果的に全体の減速時間を短縮することができる。

以上、いくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，１’…インバータ制御装置
１１…制御部
１２…電流検出部
１３…回転速度検出部
１４…電圧検出部
１００…インバータ
１０１…順変換回路
１０２…平滑コンデンサ
１０３…逆変換回路
ＩＭ…誘導電動機
ＡＣ…交流電源

Claims (9)

1. 誘導電動機を駆動するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記誘導電動機の慣性回転中に、減速方向のトルクを発生させる電流である減速トルク電流を前記誘導電動機に断続的に供給するよう前記インバータを制御し、前記減速トルク電流によって前記誘導電動機の回転速度を段階的に減速させる制御部を備える、
   インバータ制御装置。
2. 前記誘導電動機の回転速度を検出する回転速度検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記回転速度検出部によって検出された前記回転速度の値が予め定められた目標値に達するまで、前記減速トルク電流を断続的に供給するよう前記インバータを制御する、
   請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記インバータと前記誘導電動機とを接続する電源線に接続され、前記インバータから前記電源線を介して前記誘導電動機に供給されている電流を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記回転速度検出部によって検出された前記回転速度の値、および、前記電流検出部によって検出された前記電流の値に基づいて、前記誘導電動機が慣性回転しているか否かを判別し、慣性回転していると判別した場合に、前記減速トルク電流を断続的に供給するよう前記インバータを制御する、
   請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記制御部は、予め定められた第１のタイミングに従って、前記減速トルク電流の供給を開始させ、予め定められた第２のタイミングに従って、前記減速トルク電流の供給を停止させる、
   請求項１から３の何れか１項に記載のインバータ制御装置。
5. 前記インバータに設けられた平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された前記電圧の値に基づいて、前記減速トルク電流を断続的に供給させる、
   請求項１から３の何れか１項に記載のインバータ制御装置。
6. 前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された前記電圧の値が、予め定められた第１の基準を満たした場合に前記減速トルク電流の供給を停止させ、予め定められた第２の基準を満たした場合に前記減速トルク電流の供給を開始させる、
   請求項５に記載のインバータ制御装置。
7. 前記制御部は、前記誘導電動機の回転速度を加速するときよりも減速するときの方が、前記誘導電動機に供給される励磁電流が大きくなるように前記インバータを制御する、
   請求項１から６の何れか１項に記載のインバータ制御装置。
8. 前記制御部は、前記減速トルク電流が励磁電流とともに供給されているときよりも、前記減速トルク電流が供給されず前記励磁電流が供給されているときの方が、前記誘導電動機に供給される励磁電流が大きくなるように前記インバータを制御する、
   請求項１から７の何れか１項に記載のインバータ制御装置。
9. 誘導電動機を駆動するインバータを制御するインバータ制御方法であって、
   減速方向のトルクを発生させる電流である減速トルク電流を、前記誘導電動機に断続的に供給するよう前記インバータを制御し、前記トルク電流によって前記誘導電動機の回転速度を段階的に減速させる制御ステップを有する、
   インバータ制御方法。

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