JP4380089B2 - 自由回転中の誘導電動機の回転速度検出方法と再起動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、運転中に停電などによって電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転状態にある誘導電動機の回転速度の検出方法と再起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機は構造が簡単で頑丈であることから多用されているが、回転速度を変化させるのが困難であったため、例えば長尺材を巻き取る巻取機の駆動や電気車のように可変速運転をさせる必要がある用途には、従来は直流電動機を採用していたが、この直流電動機は整流子などの構造上の弱点を抱えていることや高価であるなどの欠点があるし、ブラシなどの消耗品の交換や、整流子の保守・点検に手間がかかるなど、いろいろな不都合があった。
【０００３】
一方で半導体スイッチ素子の性能とこれの利用技術はますます向上しており、電力変換装置としてのインバータ装置が出力する交流電力の電圧と周波数を適切に制御することにより、誘導電動機を所望のトルクと回転速度で運転させるのは極めて容易になってきている。それ故近年では、可変電圧・可変周波数の交流電力を出力するインバータ装置を電源にした誘導電動機の可変速運転が、一般に採用されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このインバータ装置は商用電力を電源にしていることから、落雷や配電線路の切り換えなどでインバータ装置への電力供給が一時的に中断されることがあると、その間は誘導電動機への電力供給が中断されることになるし、インバータ装置が故障した場合も誘導電動機への電力供給は中断となる。この電力供給中断期間中では誘導電動機は自由回転状態となるため、その回転速度は徐々に低下する。やがて電源が回復すれば、当該誘導電動機は再び交流電力の供給を受けて運転を再開することができるが、実際には電源が回復したからといって直ちに運転を再開させることはできない。何故ならば、インバータ装置が出力する交流電力の周波数と電圧が、その時点での電動機の回転速度に対応した値よりも大であると、インバータ装置から電動機へ大きな突入電流が流れる不具合を生じる。また、これとは逆にインバータ装置の出力電圧と周波数が、その時点での電動機の回転速度に対応した値よりも小であるならば、電動機からインバータ装置へ大きな回生電流が流れる不具合を生じる。それ故、誘導電動機の運転を再開するにあたっては、先ず当該誘導電動機のその時点での回転速度を検出しておく必要がある。
【０００５】
誘導電動機は電源が遮断されてもその巻線に電圧が残留するので、この残留電圧を利用すれば回転速度を検出できる。しかしこの残留電圧は極く短時間で消滅してしまうから、残留電圧消滅後でも当該誘導電動機の時々刻々の回転速度が検出できるようにするために、速度発電機やパルスジェネレータなどの回転速度検出手段を電動機に結合しておく必要がある。しかしながら、このような回転速度検出手段を誘導電動機に取り付けるためには、電動機の軸端を加工しなければならない不具合があるし、これらを取り付けるスペースを確保するのが困難な場合も多い。そこで速度発電機やパルスジェネレータを備えることができない場合は、停電により自由回転状態になった電動機を一旦停止させてから運転を再開させることになる。しかしごく短時間の停電であっても、その都度電動機が停止するまで待つのでは、運転再開までの無駄時間が多くなって装置の稼働効率が低下する不都合がある。特に遠心分離機のようにはずみ車効果が大きい負荷を結合している場合は、停止までに長時間を要するので実際的ではないし、手間もかかる不都合がある。
【０００６】
そこでこの発明の目的は、自由回転中の誘導電動機の回転速度を、電動機に速度検出手段を結合せずに検出し、検出した回転速度に対応した周波数と電圧の交流電力を電動機に与えることで、ショックなしで運転を再開出来るようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の自由回転中の誘導電動機の回転速度検出方法と再起動方法は、
可変電圧・可変周波数の交流電力を出力して誘導電動機を駆動する電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転中の前記誘導電動機の回転速度を検出する方法において、
自由回転中の前記誘導電動機へステップ状のトリガ電圧を与え、この誘導電動機から該トリガ電圧との位相が９０度異なる電流を検出し、調節動作によりこの９０度位相が異なる検出電流を零に制御することにより、当該誘導電動機の回転速度情報を得る。
【０００８】
または、誘導電動機の電流・電圧を相互に直行するｄ軸成分とｑ軸成分とに分離し、自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値を零にしてｄ軸方向にステップ状のトリガ電圧を与え、前記誘導電動機から該トリガ電圧と位相が９０度異なって流れるｑ軸電流を検出し、このｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作を行うことで、当該誘導電動機の回転速度情報を得る。
【０００９】
または、ｄ軸電流指令値と当該誘導電動機の一次抵抗との積からｄ軸電圧指令値を演算し、自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態で、ステップ状の前記ｄ軸電圧指令値をトリガ電圧として与え、これとは位相が９０度異なって流れるｑ軸電流を零に制御する調節動作により回転速度情報を求め、当該誘導電動機の再起動にこれらｄ軸電圧指令値と回転速度情報を使用する。
【００１０】
または、誘導電動機の電流・電圧を相互に直行するｄ軸成分とｑ軸成分とに分離し、ｄ軸電流指令値と当該誘導電動機の一次抵抗との積からｄ軸電圧指令値を演算し、自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態で、ステップ状の前記ｄ軸電圧指令値をトリガ電圧として与えることで検出されるｑ軸電流を零に制御する調節動作を行うことで当該誘導電動機の回転速度情報を求め、これらｄ軸電圧指令値と回転速度情報を当該誘導電動機の再起動に使用し、この回転速度情報を所定の時間遅れと変化速度で、設定した回転速度指令値へ切り換える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の作用原理を以下に記述する。すなわち、誘導電動機がω₂ なる角周波数で回転しているとき、その定常状態での電流電圧方程式は下記の数式１に示す行列式で表すことができる。
【００１２】
【数１】

但し、 Ｖ_d ：一次電圧（ｄ軸） Ｖ_q ：一次電圧（ｑ軸）
Ｉ_d ：一次電流（ｄ軸） Ｉ_q ：一次電流（ｑ軸）
φ_2d：二次磁束（ｄ軸） φ_2q：二次磁束（ｑ軸）
Ｒ₁ ：一次抵抗 Ｒ₂ ：二次抵抗
Ｌσ：漏れインダクタンス Ｌｍ：励磁インダクタンス
ω₁ ：一次周波数 ω₂ ：回転速度
ω_S ：滑り周波数（ω_S ＝ω₁ −ω₂ ）
この数式１で表される特性方程式の近似解は、−（Ｒ₂ ／Ｌｍ）＋ｊω₂ とな
る。従ってω₂ を周波数成分として含んでいる電圧を印加すると、電流波形はこ
のω₂ で振動する。よって検出した一次電流Ｉ_d またはＩ_q が零となるように座
標軸を回転させれば、その回転周期から誘導電動機の回転速度情報を得ることが
できる。
【００１３】
図１は本発明の第１実施例を表したフローチャートである。この図１において、電動機へステップ状のトリガ電圧を印加（処理２１）することにより、この電動機からトリガ電圧とは位相が９０度異なる電流を検出（判断１７）する。この９０度位相が異なる電流を零にする調節動作（処理２３）の結果から、回転速度情報（判断１８）を得ることができる。
【００１４】
図２は本発明の第２実施例を表したブロック回路図である。この図２の回路において、三相交流電源１からの三相交流電力は順変換器２で直流電力に変換され、この直流電力は平滑コンデンサ３で平滑された後、電圧形インバータ４で可変電圧・可変周波数の三相交流電力に変換され、誘導電動機５を所望の回転速度で駆動する。符号３１は、別途に設定する周波数指令値ω₁ ^* を電圧指令値に変換するＶ／Ｆ変換器であり、第１座標変換器３２は、直流座標系の相互に直交する電圧指令値Ｖ_q ^* とＶ_d ^* を、交流座標系の電圧指令値Ｖ_U ^* ，Ｖ_V ^* ，Ｖ_W ^* に変換する。符号３３はこの三相電圧指令値を電圧形インバータ４のゲート信号に変換するＰＷＭ（パルス幅変調）制御器であり、このＰＷＭ制御器３３で電圧形インバータ４を制御することで、誘導電動機５を所望のトルクと回転速度で駆動することができる。
【００１５】
電流検出器６で検出された交流電流検出値Ｉ_U ，Ｉ_W は、第２座標変換器３４で直流座標系の電流検出値に変換される。符号３５はｑ軸電流検出値Ｉ_q を、別途に設定するｑ軸電流指令値Ｉ_q ^* に一致させる電流調節器であり、周波数切換器３６は電流調節器３５の調節動作により得られる回転速度情報ωと、前述の周波数指令値ω₁ ^* との切り換えを行う。また積分器３７は積分演算により周波数を角度θへ変換する。
【００１６】
本発明ではトリガ電圧発生器３８が設けられており、Ｖ／Ｆ変換器３１が出力するｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^* が零のときに、トリガ電圧発生器３８によりｄ軸方向にステップ状のトリガ電圧Ｖ_d ^* を発生させる。このトリガ電圧Ｖ_d ^* により、これとは位相が９０度ずれたｑ軸方向の電流Ｉ_q を第２座標変換器３４から取り出すことができ、このｑ軸電流指令値Ｉ_q ^* ＝０とすることで、電流調節器３５は、その調節動作によりｑ軸電流検出値Ｉ_q を零にする。このときの電流調節器３５の出力値ωが、その時点での誘導電動機５の回転速度情報である。
【００１７】
図３は本発明の第３実施例を表した動作波形図であって、図２で既述の第２実施例回路に記載のトリガ電圧発生器３８が出力する電圧波形を表している。すなわちトリガ電圧Ｖ_d ^* として、ｄ軸方向の電流指令値Ｉ_d ^* に誘導電動機５の一次抵抗Ｒ₁ を乗じた値を採用する。これにより、自由回転中の電動機の回転速度検出状態と、通常の運転状態における無効電圧指令値Ｖ_d ^* とを同一にすることができる。
【００１８】
図４は本発明の第４実施例を表したブロック回路図であるが、この第４実施例回路は、図２で既述の第２実施例回路に第２周波数切換器４１を付加しているのが異なるが、それ以外は全て第２実施例回路と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
誘導電動機５が自由回転中でその回転速度を演算しているとき、周波数切換器３６は電流調節器３５が出力する回転速度情報ωを出力し、回転速度演算から通常運転へは第２周波数切換器４１が出力する周波数指令値ω₁ ^* に切り換わって、これを出力する。ここで回転速度演算中は回転速度情報ωが第２周波数切換器４１へも与えられており、回転速度演算から通常運転への切り換え時のショックを緩和するために、第２周波数切換器４１に内蔵されているフィルタや加減速度演算器にこの回転速度情報ωをセットする。またＶ／Ｆ変換器３１には誘導電動機５の磁束モデルを内蔵させていて、その変換係数を誘導電動機５の二次時定数で変化させている。それ故回転速度演算から通常運転への切り換え時には回転速度情報ωを元にして起動することになり、自由回転中の誘導電動機５にショックを与えること無しに起動させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
力行運転中の誘導電動機へ電力を供給している電源が停電すると、停電期間中にその回転速度が低下するので、電源が復旧したときの誘導電動機の回転速度が不明だと、適切な値の電圧と周波数の交流電力を誘導電動機に与えることができない。そこで従来は、誘導電動機にパルスジェネレータなどの回転速度検出手段を結合しておく必要があった。しかしパルスジェネレータを取り付けるために電動機軸端の加工や取り付けスペースを確保する必要があった。これに対して本発明では、自由回転中の誘導電動機へステップ状のトリガ電圧を与えて、このトリガ電圧とは位相が９０度異なる電流を前記誘導電動機から検出する。調節動作により位相が９０度異なる前記検出電流を零に制御することにで、当該誘導電動機の回転速度情報を得ることができるので、自由回転中の誘導電動機の残留電圧が零であっても、パルスジェネレータなどを使用せずにその回転速度が容易に検出できる効果が得られるし、回転速度検出演算から通常運転へショックを与えずに切り換えることができる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したフローチャート
【図２】本発明の第２実施例を表したブロック回路図
【図３】本発明の第３実施例を表した動作波形図
【図４】本発明の第４実施例を表したブロック回路図
【符号の説明】
１ 三相交流電源
２ 順変換器
３ 平滑コンデンサ
４ 電圧形インバータ
５ 誘導電動機
６ 電流検出器
１７，１８ 判断
２１，２３ 処理
３１ Ｖ／Ｆ変換器
３２ 第１座標変換器
３３ ＰＷＭ制御器
３４ 第２座標変換器
３５ 電流調節器
３６ 周波数切換器
３７ 積分器
３８ トリガ電圧発生器
４１ 第２周波数切換器

Claims (4)

1. 可変電圧・可変周波数の交流電力を出力して誘導電動機を駆動する電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転中の前記誘導電動機の回転速度を検出する方法において、
   自由回転中の前記誘導電動機へステップ状のトリガ電圧を与え、
   前記誘導電動機から該トリガ電圧との位相が９０度異なる電流を検出し、
   この位相が９０度異なる検出電流を零に制御する調節動作を行い、
   この調節動作から当該誘導電動機の回転速度情報を得ることを特徴とする自由回転中の誘導電動機の回転速度検出方法。
2. 可変電圧・可変周波数の交流電力を出力して誘導電動機を駆動する電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転中の前記誘導電動機の回転速度を検出する方法において、
   誘導電動機の電流・電圧を相互に直行するｄ軸成分とｑ軸成分とに分離し、
   自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態で、ｄ軸方向にステップ状のトリガ電圧を与え、
   前記誘導電動機から該トリガ電圧と位相が９０度異なって流れるｑ軸電流を検出し、
   このｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作を行うことで、当該誘導電動機の回転速度情報を得ることを特徴とする自由回転中の誘導電動機の回転速度検出方法。
3. 可変電圧・可変周波数の交流電力を出力して誘導電動機を駆動する電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転中の前記誘導電動機を再起動させる方法において、
   誘導電動機の電流・電圧を相互に直行するｄ軸成分とｑ軸成分とに分離し、
   ｄ軸電流指令値と当該誘導電動機の一次抵抗との積からｄ軸電圧指令値を演算し、
   自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態で、ステップ状の前記ｄ軸電圧指令値をトリガ電圧として与え、
   前記誘導電動機から該トリガ電圧と位相が９０度異なって流れるｑ軸電流を検出し、
   このｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作を行うことで当該誘導電動機の回転速度情報を求め、
   当該誘導電動機の再起動にこれらｄ軸電圧指令値と回転速度情報を使用することを特徴とする自由回転中の誘導電動機の再起動方法。
4. 可変電圧・可変周波数の交流電力を出力して誘導電動機を駆動する電力変換装置の交流出力が中断されて自由回転中の前記誘導電動機を再起動させる方法において、
   誘導電動機の電流・電圧を相互に直行するｄ軸成分とｑ軸成分とに分離し、
   ｄ軸電流指令値と当該誘導電動機の一次抵抗との積からｄ軸電圧指令値を演算し、
   自由回転中の前記誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態で、ステップ状の前記ｄ軸電圧指令値をトリガ電圧を与え、
   前記誘導電動機から該トリガ電圧と位相が９０度異なって流れるｑ軸電流を検出し、
   このｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作を行うことで当該誘導電動機の回転速度情報を求め、
   これらｄ軸電圧指令値と回転速度情報を当該誘導電動機の再起動に使用し、
   この回転速度情報を所定の時間遅れと変化速度で、設定した回転速度指令値へ切り換えることを特徴とする自由回転中の誘導電動機の再起動方法。

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