JP4311172B2 - 電動機制御装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、停電時に電動機を確実にすみやかに減速停止させることにより電動機をフリーラン状態にしない電動機制御装置の制御方法に関する。

従来、制御電源を直流母線電圧から取り、停電検出時点での運転状態にかかわらず減速を始め、その減速時間をその時の直流母線電圧値に応じて制御することにより、停電時の停止をすみやかにするものが知られており（例えば、特許文献１参照）、以下に説明する。

図５において、１はインバータ装置の順変換部、２は平滑コンデンサ、３は逆変換部、４は誘導電動機、５は電圧検出回路、６は停電基準電圧設定器、７は比較器、８はホールド回路、１０は出力周波数指令決定回路、１１はＰＷＭ信号作成回路、１３は逆変換部駆動回路、１５は運転モード決定回路で、通常の運転状態の時には、目標速度指令と出力周波数指令を比較して運転モード（加速、定常、減速）を決定するが、ホールド回路８からの停電信号が入力された時は、その時の運転モードにかかわらず減速モード信号を検出する。加減速時間決定回路１６は通常は外部で設定された加速時間、減速時間をそのまま出力周波数指令決定回路１０に出力するが、ホールド回路８からの停電信号が入力された時は、電圧検出回路５から入力される現在の直流母線電圧値とあらかじめ設定された上限基準電圧値および下限基準電圧値とを比較し、直流母線電圧値が上限値より高い場合には設定減速時間を徐々に長くし、直流母線電圧値が下限値より低い場合には、設定減速時間を徐々に短くするようにして、停電時の設定減速時間を決定する加減速時間決定回路である。

なお、１７は、出力周波数指令決定回路１０、ＰＷＭ信号作成回路１１、逆変換部駆動回路１３、運転モード決定回路１５、および加減速時間決定回路１６からなるインバータ制御手段、加減速時間決定回路１６は、電圧検出回路５、停電基準電圧設定器６、比較器７、およびホールド回路８から加減速時間決定回路１６への入力回路と、ホールド回路８から運転モード決定回路１５への入力回路からなる停電時停止手段である。次に停電時における動作を説明する。

まず、停電の発生により、電圧検出回路５が常に直流母線電圧を検出し、適当な電圧レベルまで分圧して、直流母線電圧信号として出力し、比較器７が、停電基準電圧設定器６により設定された基準電圧信号と上記電圧検出回路５により検出された直流母線電圧信号を比較し、直流母線電圧信号が基準電圧信号よりも低くなった時点で停電と判断し、停電信号をホールド回路８に出力する。その状態がそのまま保持され停電信号が出力され、それが運転モード決定回路１５および加減速時間決定回路１６に入力される。

停電信号が入力されると、その時の運転モードにかかわらず、減速モード信号を出力する。一方、加減速時間決定回路１６は、上記停電信号が入力されると、上記電圧検出回路５からの現在の直流母線電圧信号とあらかじめ設定された上限基準電圧値および下限基準電圧値とを比較し、直流母線電圧信号が上限値より高い場合には設定減速時間を初期設定値から徐々に長くし、直流母線電圧が、下限値より低い場合は、設定減速時間を徐々に短くするようにして、停電時の減速時間を決定し出力周波数指令決定回路１０に出力する。

この出力を入力した出力周波数指令決定回路１０は、この加減速時間決定回路１６から入力される設定減速時間データに基づいて、次に出力すべき出力周波数指令を計算し、ＰＷＭ信号作成回路１１に出力する。

以上のように、制御電源を直流母線電圧からとるようにし、停電を検出した時点でその時の運転状態にかかわらず減速を始め、その減速時間をその時の直流母線電圧値に応じて制御し、負荷電動機からの回生電力をほぼ一定に保ち、外部的な回路や機械式ブレーキを付加しなくとも、負荷電動機をすみやかに停止させることができる。
特開昭６３−１４８８８０号公報

しかしながら、主回路と制御回路の電源を同一母線電圧から供給するインバータ装置の場合、停電による減速動作で誘導電動機が発電機となり、回生電力がインバータの直流母線電圧に帰還されるため、停電検出時点での運転状態にかかわらず減速を始めると、回生動作を確実に行わせることができない。

すなわち、回生電力は低速回転時には小さいため、母線電圧が停電直後に低下し、インバータの制御電源が速く遮断され、減速動作の制御ができず、また、高速回転時には瞬時の回生電力が大きすぎるため、過電圧トリップして減速動作が中断され、誘導電動機がフリーラン状態となり、停止させることができなかった。

このため、回生制動の能力不足をカバーするには、通常減速動作に必要な回生制動回路の能力を超えた回路構成にする必要があり、回生過電流に耐えるように、通常減速動作に必要なインバータ制御部の定格電流を超えた回路構成にする必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、外部回路や機械式ブレーキを用いず、停電検出時の回転速度に応じて、すみやかに電動機を停止させることができる電動機制御装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、主回路と制御回路の電源を同一母線電圧から供給する電動機制御装置において、前記主回路は、順変換部と平滑コンデンサと逆変換部および回生制動動作回路を並列に接続して構成され、前記制御回路は、ＰＷＭ信号を生成するマイコンと、前記マイコンからのＰＷＭ信号によって前記逆変換部を駆動する逆変換部駆動回路と、前記主回路の直流母線電圧レベルを検出する電圧検出回路と、前記主回路の停電を検出する基準電圧レベルを設定した停電基準電圧設定器と、検出した直流母線電圧レベルと基準電圧レベルの比較結果を前記マイコンに出力する比較器とで構成され、あらかじめ複数の減速レートからなる減速パターンを記憶させた前記マイコンは、前記主回路の直流母線電圧レベルが基準電圧レベルより低くなったときに停電を検出するステップ１と、停電直前の電動機の回転速度に応じた初期減速レートを選択してＰＷＭ信号を生成するステップ２と、初期減速によって前記電動機から回生電力が帰還されて直流母線電圧レベルが停電検出レベルを超え、前記回生制動動作回路によって回生制動動作に突入するまでの間に、次の減速レートを選択してＰＷＭ信号を生成するステップ３を備え、ステップ２において、高速回転時ほど小さく、低速回転時には極端に大きい初期減速レートの減速パターンを選択し、確実な回生動作により前記平滑コンデンサで制御電源を確保し、ステップ３において、初期減速レートより小さい減速レートの減速パターンを選択し、前記回生制動動作回路で回生電力を消費させ、前記電動機をすみやかに停止させる。

本発明によれば、停電直前の回転速度に応じた２つ以上の減速レートからなる減速パターンによって、電動機をすみやかに減速停止させるため、初期減速レートを回転速度に応じて選択することにより、初期の回生動作により制御電源を確保し、電源確保後は、回生電力と回生制動動作回路の消費電力をほぼ一定に保つことで過電圧トリップを防止できる
。

また、負荷イナーシャを減速させるのに必要な回生制動能力を超えた回路構成、定格電流を超えた回路構成にする必要がなくなる。

したがって、外部回路や機械式ブレーキを用いることなく、停電検出時の回転速度に応じて、すみやかに電動機を停止させることができる。

上記の課題を解決するために本発明の電動機制御装置の制御方法は、停電を検出すると２つ以上の減速レートからなる減速パターンにより電動機をすみやかに減速停止させるものであり、減速パターンの初期減速レートは、回転速度に応じて選択され、高速回転時ほど小さくし、低速回転時には極端に大きくすることで、回転速度に応じた回生動作を確実にするものである。

また、初期減速レートにより減速を開始し、電動機からの回生電力が帰還され直流母線電圧が停電検出レベルを超えてから回生制動動作に突入するまでの間に、次の減速レートへの切替えを行うことで、負荷イナーシャを減速停止させるのに最適な回生動作を行うものである。

初期減速レートには２つの役目がある。１つ目は、減速停止するまでの間、回生制動動作回路を制御する電力が保たれるよう、停電直後に必ず回生動作させることにある。特に低速回転時に、初期の減速レートが緩やかであれば電動機からの回生電力が小さく直流母線電圧が急に低下し、減速停止するまで回生制動動作回路を制御できなくなり、電動機がフリーラン状態になるのを防止する。

２つ目は、電動機制御装置が過電圧トリップしないように、回生電力を抑えることにある。特に高速回転時に、初期減速レートが急であれば回生電力が大きくなり、減速直後に通常減速動作で想定している瞬時の回生制動能力を超え、電動機からの回生電力を電動機制御装置内部で消費できず、直流母線電圧がさらに上昇して過電圧トリップし電動機がフリーラン状態になるのを防止する。

このため、運転中は、常に出力周波数（回転速度）に応じた初期減速レートを更新し、停電信号を検知すると直前の初期減速レートを適用する。この初期減速レートは、２つの役目を満足すように停電直後の初期減速レートを高速回転時には小さく、低速回転時には極端に大きくする。

後期の減速レートの役目は、初期減速レートにより回転速度に応じた適切な回生動作をさせた後、電動機が減速停止するまで、回生制動動作回路による消費電力と電動機からの回生電力とがほぼ等しくなるようにして、直流母線電圧を回生制動動作レベルで一定に保ち、電動機をすみやかに減速停止することにあり、この減速レートは負荷イナーシャにより決定する。

特に、初期減速レートから次の減速レートへの切替えタイミングが重要である。初期減速レートで減速を開始して直流母線電圧が上昇し、回生抵抗器による回生制動動作中に次の減速レートに切替えた場合、初期減速レートは次の減速レートより急であり、回生制動動作開始時の瞬時回生電力は減速レートに比例することから、回生制動動作開始時から次の減速レートに切り替わるまでの間、負荷イナーシャを減速停止させるのに必要な回生電力とは別に無駄な瞬時電力を回生抵抗器にて消費することになる。すなわち、負荷イナーシャを減速停止させる回生電力を超えた回生制動能力が必要となってくる。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１において、１はインバータ装置の順変換部、２は平滑コンデンサ、３は逆変換部、４は誘導電動機、５は電圧検出回路、６は停電基準電圧設定器、７は比較器、１３は逆変換部駆動回路で、従来例と同様のものである。９はマイコン、１２は回生制動動作回路で、誘導電動機４からの回生電力を消費させる。

マイコン９には、外部からの停止指令により通常停止する１つの減速パターンと停電時に回転速度に応じて選択する複数の減速パターンをあらかじめ記憶させており、一方の減速パターンを選択後、ＰＷＭ信号を作成する。

誘導電動機４の回転速度は出力周波数で代用できるため、運転中に約２ｍｓｅｃごとに記憶更新させ、停電時に適用する初期減速レートの最新情報を常に更新させている。

以下、停電時における減速停止動作について図１から図４を参照して説明する。

電圧検出回路５は常に直流母線電圧を検出し、適当な電圧レベルまで分圧して、直流母線電圧信号として出力する。この直流母線電圧信号と停電基準電圧設定器６により設定された基準電圧信号とを比較器７により比較し、直流母線電圧信号が基準電圧信号よりも低くなった時点で停電と判断し、停電信号をマイコン９に出力する。

マイコン９が停電信号を検知すると、その状態をホールドし、出力周波数（回転速度）に応じた直前の初期減速レートを適用する。この初期減速レートによりＰＷＭ信号を作成し、そのＰＷＭ信号を逆変換駆動回路部１３にて逆変換部３に伝え、誘導電動機４を減速させる。

一方、通常の停止指令が入力されれば、マイコン９はあらかじめ記憶させた通常の減速パターンを選択する（図２）。

減速パターンは、初期減速レートと減速レートの少なくとも２つの減速レートで構成され、初期減速レートによる回生動作で、回生制動動作回路を制御する電力を確保する。その後、誘導電動機４からの回生電力と回生制動動作回路１２にて消費される消費電力がほぼ一定になるよう減速レートを選択する。減速レートは、負荷イナーシャに依存し、初期減速レートから減速レートへの切替えタイミングは、初期減速レートにより回生動作し、回生制動動作に突入する前に減速レートへの切替えを行う。

停電を検出した後、回転速度に応じた初期減速レートを選択すると、まず、初期減速レートに応じて回転速度が低下する。同時に回生電力により直流母線電圧が上昇する。直流母線電圧が上昇して停電検出レベルを超えてから回生制動動作に突入するまでの間に減速レートに切り替える。このあと回生電力は回生制動動作回路１２で消費されるので過電圧トリップすることもなく、誘導電動機４はすみやかに停止する（図３）。

停電直後の回転速度に応じた回生制動を確実にするため、初期減速レートは高速回転時ほど小さく、低速回転時ほど極端に大きくする（図４）。

なお、誘導電動機を制御するインバータ装置について述べたが、同期電動機を制御するサーボドライバやブラシレスドライバにも本願発明が適用できることは言うまでもない。

本発明の電動機制御装置の制御方法は、停電時に電動機を確実ですみやかに停止させるのに有効であり大きなイナーシャを有するスピンドル設備等の用途などに有用である。

本発明の実施例１におけるインバータ装置の回路構成図 本発明の実施例１における減速停止のフローチャート 本発明の実施例１における減速停止の説明図 本発明の初期減速レートと回転速度の説明図 従来のインバータの回路構成図

１ 順変換部
２ 平滑コンデンサ
３ 逆変換部
４ 誘導電動機
５ 電圧検出回路
６ 停電基準電圧設定器
７ 比較器
９ マイコン
１２ 回生制動動作回路
１３ 逆変換部駆動回路

Claims (1)

1. 主回路と制御回路の電源を同一母線電圧から供給する電動機制御装置において、
   前記主回路は、順変換部と平滑コンデンサと逆変換部および回生制動動作回路を並列に接続して構成され、
   前記制御回路は、ＰＷＭ信号を生成するマイコンと、前記マイコンからのＰＷＭ信号によって前記逆変換部を駆動する逆変換部駆動回路と、前記主回路の直流母線電圧レベルを検出する電圧検出回路と、前記主回路の停電を検出する基準電圧レベルを設定した停電基準電圧設定器と、検出した直流母線電圧レベルと基準電圧レベルの比較結果を前記マイコンに出力する比較器とで構成され、
   あらかじめ複数の減速レートからなる減速パターンを記憶させた前記マイコンは、
   前記主回路の直流母線電圧レベルが基準電圧レベルより低くなったときに停電を検出するステップ１と、
   停電直前の電動機の回転速度に応じた初期減速レートを選択してＰＷＭ信号を生成するステップ２と、
   初期減速によって前記電動機から回生電力が帰還されて直流母線電圧レベルが停電検出レベルを超え、前記回生制動動作回路によって回生制動動作に突入するまでの間に、次の減速レートを選択してＰＷＭ信号を生成するステップ３を備え、
   ステップ２において、高速回転時ほど小さく、低速回転時には極端に大きい初期減速レートの減速パターンを選択し、確実な回生動作により前記平滑コンデンサで制御電源を確保し、
   ステップ３において、初期減速レートより小さい減速レートの減速パターンを選択し、前記回生制動動作回路で回生電力を消費させ、前記電動機をすみやかに停止させる電動機制御装置の制御方法。