JP4720619B2

JP4720619B2 - モータの可変速駆動装置

Info

Publication number: JP4720619B2
Application number: JP2006149119A
Authority: JP
Inventors: 康弘山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007325322A

Description

本発明は、モータの可変速駆動装置に係り、特に負荷トルクが目標トルクを超えたときにインバータの速度指令を低減して過負荷保護を図る技術に関する。

一般に、モータの可変速駆動には、出力周波数および電圧／電流を制御したインバータが使用される。このインバータの制御装置は、速度制御系によってモータ速度指令に応じた出力周波数になるようインバータを制御し、トルク制御系（電流制御系）によってトルク指令に応じた出力電圧または出力電流になるようインバータを制御する。

一方、モータで駆動する機械負荷としては、モータを動力源とする各種の機械設備や運搬設備があるが、速度上昇に応じて負荷トルクが二乗特性で上昇するものがある。例えば、コンプレッサは、図３に速度―トルク特性を示すように、速度の上昇にはトルクが二乗特性を有して上昇する。さらに、この二乗特性自体もコンプレッサの過渡変動のなどにより変化する。

図３のパターンＡのように、速度に対して負荷が大きな二乗特性をもつ機械負荷をモータで可変速駆動する場合、速度指令またはトルク指令に応じてインバータの出力電圧や出力電流を高めようとすると、インバータに過負荷を起こすおそれがある。

この過負荷保護対策として、インバータの制御装置には出力電流を監視し、定格電流を越えた場合にはその超過電流量を積算し、（電流×時間）の積算値（電流の二乗×時間の積算値）が一定レベルになると過負荷故障と判定してインバータの運転を停止する過負荷保護機能（ＯＬＴ）が設けられる。しかし、この保護機能による過負荷保護では、過負荷発生で機械負荷の運転停止になってしまう。

他の過負荷保護対策として、トルク制御系の比例積分演算出力段にリミッタを設け、モータに印加する電圧／電流を制限することで過負荷を回避し、運転を継続可能とするものがある。この過負荷保護方式では、速度制御の応答性が問題となる（例えば、特許文献１参照）。

他の過負荷保護対策として、負荷トルクが目標トルクを超えたときに速度指令を低減して過負荷状態を回避する方式を本願出願人は既に提案している（例えば、非特許文献１参照）。この方式は、コンプレッサのトルク一定制御方式として、目標トルクを定格トルクに設定しておき、負荷の速度−トルク特性が変化して定格速度運転中に過負荷になった場合、トルク一定制御機能で自動的に速度指令を低減し、目標トルクとインバータの出力トルク指令が一致する状態で運転を継続することにより、インバータを過負荷から保護する。

具体的には、例えば、図４に示す制御回路をインバータの制御装置に追加した構成とする。同図において、クッション関数発生器１はクッション特性をもたせて速度指令ω＊を発生する。速度制御部２は通常の速度制御ではクッション関数発生器１からの速度指令ω＊とモータ速度検出信号との偏差を比例積分（ＰＩ）演算した結果をトルク指令として出力する。破線ブロックで示すトルク一定制御部３は、上記の過負荷防止のために調節した速度指令を得る。電流制御部４はトルク指令とモータ電流検出信号との偏差を比例積分演算してモータ５の駆動電流を制御する。

トルク一定制御部３は離散系の演算器で構成する場合を示す。積分器３Ａは、トルク指令Ｔ＊とトルク検出値（速度制御系の出力）のトルク偏差を求め、このトルク偏差に前回の積分値を加算することで積分動作し、この積分値を零にするのに必要な周波数補償指令Δω＊として得る。絶対値演算器３Ｂは速度指令ω＊の絶対値（大きさ）を求め、加算器３Ｃはこの速度指令に周波数補償指令Δω＊を加算することでトルク偏差を零にするのに必要な速度指令ω＊’を求める。可変上下限リミッタ３Ｄは速度指令や負荷が変化してトルク一定制御の動作範囲外に切り替わった場合でも、速度指令が急変しないように連続的に切り替えるものであり、速度指令ω＊’を制限して速度制御系２の速度指令ω＊’’を得る。この可変上下限リミッタ３Ｄによる制限値は、上限リミッタ値は固定値でなく速度指令ω＊自体とし、下限リミッタ値は速度指令ω＊の絶対値を下限リミッタ関数器３Ｅで設定する下限リミッタω_Lを通して得る。なお、トルク一定制御部３は速度指令が負の場合でも動作させるために、絶対値演算器３Ｄでは速度指令の極性に影響されないように絶対値を求めて補償速度指令の演算を可能にし、また乗算器３Ｆでは極性判定器３Ｇで判定する速度指令の極性を補償速度指令に乗じて切り替える。
特開平６−３３９２９４号公報発明協会公開技報公技番号２００３−５００８２２号

前記のトルク一定制御機能によりインバータを過負荷から保護する制御装置において、目標トルクをモータ定格（１００％）に設定した場合には、過負荷時は速度を変化させながらこの１００％トルクでの運転を維持する。しかし、トルク指令が１００％の時の電流は１００％付近にはなるが、ちょうど１００％には一致せず、多少のバラツキがある。

そのため、目標トルク＝１００％設定では電流が１００％を越えることがあり、この超過量により過負荷保護機能（ＯＬＴ）の積分値がゆっくりと増加して、時間が経過すると過負荷保護動作が発生し、運転を停止することになる。これでは、過負荷時でも運転を継続するトルク一定制御の当初の目的を達成できない。

そのため、トルク一定制御の目標トルクを過負荷保護機能（ＯＬＴ）が動作しないように余裕をもって低めに設定する必要があったが、これでは、モータやインバータの定格を１００％利用できない。

本発明の目的は、トルク指令とモータ電流に差がある場合にも１００％に近い目標トルクでモータを運転でき、しかも過負荷保護機能（ＯＬＴ）の不要な動作を防止できるモータの可変速駆動装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、定格電流を超過したモータ電流を積算し、この積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を設けたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）インバータの出力周波数制御によってモータを可変速駆動する手段と、インバータの出力電流がその定格電流を越えたときの超過電流量の積算値が一定値に達したときにインバータの運転を停止する過負荷保護手段を備えたモータの可変速駆動装置において、
前記積算値がインバータの運転停止より低いレベルにおいて、その積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を備えたことを特徴とする。

（２）インバータの出力周波数制御によってモータを可変速駆動する手段と、インバータの目標トルクに対してインバータの出力トルク指令が超過したときのトルク偏差に応じてモータ速度指令を低減することで目標トルクと出力トルク指令を一致させるトルク一定制御手段と、インバータの出力電流がその定格電流を越えたときの超過電流量の積算値が一定値に達したときにインバータの運転を停止する過負荷保護手段とを備えたモータの可変速駆動装置において、
前記積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を備えたことを特徴とする。

（３）前記速度指令補正手段は、速度指令補正値が零以下にならないように制限する手段と、速度指令補正を力行時のみ行う手段と、速度指令が上限または下限範囲を逸脱しないように速度指令補正値を制限する手段とを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、定格電流を超過したモータ電流を積算し、この積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を設けたため、トルク指令とモータ電流に差がある場合にも１００％に近い目標トルクでモータを運転でき、しかも過負荷保護機能（ＯＬＴ）の不要な動作を防止できる。

特に、トルク一定制御手段を搭載した装置において、トルク目標値を、過負荷保護（ＯＬＴ）が動作しないように、定格トルクよりも余裕を持たせて低く設定することなく、目標トルクを１００％に設定でき、モータやインバータの定格まで有効にした可変速駆動ができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すブロック図であり、図４と同等の部分は同一符号で示す。

図１において、トルク一定制御部３は、図４と同様に、インバータの目標トルクに対してインバータの出力トルク指令が超過したときのトルク偏差に応じてモータ速度指令を低減することで目標トルクと出力トルク指令を一致させ、インバータを過負荷から保護する。

本実施形態では、トルク一定制御部３による速度指令調節機能に加えて、速度指令補正機能を設ける。この速度指令補正機能は、過負荷保護機能（ＯＬＴ）の積分値を利用して過負荷状態を検出し、この過負荷状態に応じて速度指令を低減する。ただし、速度指令補正値は零以下にならないように制限する。また、過負荷保護の積分値による速度指令補正は力行時のみ行い、回生時は行わない。また、トルク一定制御による速度低減量と速度指令補正量を加算した後も、速度指令が上限または下限範囲を逸脱しないように速度指令補正値を制限する。以下、速度指令補正手段を詳細に説明する。

ＯＬＴ演算部１１は、過負荷保護機能（ＯＬＴ）がもつ積分機能を利用するもので、検出電流Ｉ１から定格電流を減算し、それをＯＬＴ積分器１１Ａで積分し、この積分値が負値にならないようにリミッタ１１Ｂで制限を加えている。なお、過負荷保護機能はこの積分器１１Ａの出力を監視し、一定量に達すると過負荷保護動作を行うが、この部分は図示を省略している。

速度低減量演算部１２は、ＯＬＴ演算部１１の出力に保護ゲインを乗算し、過負荷保護に必要な速度低減量を求める。

駆動／回生判定部１３は、回生時は過負荷保護動作しないように、速度指令または速度検出と、トルク指令またはトルク電流検出を乗算器１３Ａで乗算して駆動または回生電力相当の値を求め、その正負から極性判定部１３Ｂによって駆動／回生を判定する。

切り替えスイッチ１４は、駆動／回生判定部１３で判定する電力の正負の極性により、駆動時には速度低減量演算部１２の出力を選択し、回生時は速度補正をしないように零を選択する。

変化率制限部１５は、切り替えスイッチ１４を通した速度低減量の変化率を制限してトルク一定制御部３の速度指令出力との加算量とする。この変化率制限部１５は、出力電流が大幅に超過すると、モータ速度も急激に低減されることを考慮し、速度の急変が許容されないような負荷設備を保護する目的のため、速度補償量の変化率を制限するものである。

リミッタ部１６は、変化率制限部１５の出力とトルク一定制御部３の速度低減量とを加算した速度補正量の上下限の制限を行い、速度制御部２の速度指令とする。

以上のように、本実施形態では、駆動状態のモータ電流が定格電流を超過したときの超過量を積算し、この積算値に応じて速度指令を低減することにより、トルク指令とモータ電流に差がある場合にも１００％に近い目標トルクでモータを運転でき、しかも過負荷保護機能（ＯＬＴ）の不要な動作を防止できる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示すブロック図であり、Ｖ／Ｆ制御方式によるモータ可変速駆動装置に適用した場合である。

同図において、Ｖ／Ｆ制御部６は、与えられる周波数指令に応じた周波数制御信号（Ｆ）と、これと一定の比率にした電圧制御信号（Ｖ）を発生し、この周波数信号（Ｆ）と電圧制御信号（Ｖ）をインバータの制御装置に出力周波数指令および出力電圧指令として与える。

本実施形態は、トルク一定制御部３を通してＶ／Ｆ制御部６に与える周波数指令ω＊を、速度指令補正手段により補正する。この速度指令補正手段は、実施形態１と同じ演算要素１１〜１６で構成し、過負荷保護機能（ＯＬＴ）の積分値を利用して検出する過負荷状態に応じて速度指令を低減する。ただし、速度指令補正値は零以下に制限、速度指令補正は力行時のみとし、モータ速度指令に上限と下限を設ける。ここで、トルク検出信号は、出力電流と出力電圧の積である電力を回転速度で除したものを使用することもできる。

本実施形態においても、駆動状態のモータ電流が定格電流を超過したときの超過量を積算し、この積算値に応じてモータ速度指令を低減することにより、トルク指令とモータ電流に差がある場合にも１００％に近い目標トルクでモータを運転でき、しかも過負荷保護機能（ＯＬＴ）の不要な動作を防止できる。

なお、以上までの実施形態では、過負荷保護対策としてトルク一定制御手段を搭載したモータの可変速駆動装置に、演算要素１１〜１６による速度指令補正機能を設ける場合を示すが、トルク一定制御手段を搭載していない装置、例えばリミッタにより過負荷保護対策を施した装置に速度指令補正機能を設けた構成とすることができる。このような場合にも、１００％に近い目標トルクでモータ運転中に、モータ電流が定格電流を越えて過負荷保護機能（ＯＬＴ）が不要に動作するのを防止できる。

また、実施形態では、過負荷保護機能（ＯＬＴ）の積分器を利用して過負荷状態を検出するが、この積分器とは別構成にした速度指令補正機能専用のＯＬＴ演算部１１を設けることでもよい。

本発明の実施形態１を示す可変速駆動装置の構成図。本発明の実施形態２を示す要部構成図。コンプレッサの速度―トルク特性の例。従来のトルク一定制御方式の制御ブロック図。

符号の説明

１クッション関数発生器
２速度制御部
３トルク一定制御部
４電流制御部
５モータ
６Ｖ／Ｆ制御部
１１ＯＬＴ演算部
１２速度低減量演算部
１３駆動／回生判定部
１４切り替えスイッチ
１５変化率制限部
１６リミッタ部

Claims

インバータの出力周波数制御によってモータを可変速駆動する手段と、インバータの出力電流がその定格電流を越えたときの超過電流量の積算値が一定値に達したときにインバータの運転を停止する過負荷保護手段を備えたモータの可変速駆動装置において、
前記積算値がインバータの運転停止より低いレベルにおいて、その積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を備えたことを特徴とするモータの可変速駆動装置。
インバータの出力周波数制御によってモータを可変速駆動する手段と、インバータの目標トルクに対してインバータの出力トルク指令が超過したときのトルク偏差に応じてモータ速度指令を低減することで目標トルクと出力トルク指令を一致させるトルク一定制御手段と、インバータの出力電流がその定格電流を越えたときの超過電流量の積算値が一定値に達したときにインバータの運転を停止する過負荷保護手段とを備えたモータの可変速駆動装置において、
前記積算値に応じてモータ速度指令を低減する速度指令補正手段を備えたことを特徴とするモータの可変速駆動装置。
前記速度指令補正手段は、速度指令補正値が零以下にならないように制限する手段と、速度指令補正を力行時のみ行う手段と、速度指令が上限または下限範囲を逸脱しないように速度指令補正値を制限する手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のモータの可変速駆動装置。