JP4831530B2 - 交流電動機のインバータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、回生エネルギーによる平滑コンデンサの端子電圧の上昇による過電圧を防止することが出来る交流電動機のインバータ制御装置とその制御方法に関する。

第１の従来技術は、交流電源を一旦直流電源に変換し、この直流電源を任意の周波数を有する交流電源に変換するインバータ装置において、出力周波数を低下させ電動機を減速するときに主回路電圧（平滑コンデンサの端子電圧に相当）を検出し、この電圧検出手段により検出された電圧検出値に応じて、減速時間を決定する減速時間決定手段により、前記電圧検出値が所定の第１の電圧検出値より高い場合には電圧検出値に応じて減速時間を長くし、また前記第１の電圧検出値よりさらに高い第２の電圧検出値では減速を停止するように、前記電動機の減速時間を制御するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
また、第２の従来技術は、検出された直流電圧（平滑コンデンサの端子電圧に相当）が過電圧として可変速装置をトリップさせる直流母線電圧過電圧レベルより低く設定された基準値を超えた場合に、上昇させる出力周波数を前記検出された直流電圧値と前記基準値との差に一定の比例ゲインをかけて求めて、出力周波数を上昇させるように制御するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

図４は、第２の従来技術における交流電動機を駆動するインバータ制御装置が、例えばプレス機のような下死点で回生エネルギーが大きくなる負荷条件で使用された場合の動作を示す図である。図において、ｆは出力周波数、Ｖｄｃは直流母線電圧、Ｖｄｃ０は直流母線電圧基準レベル、Ｖｄｃ２は過電圧トリップレベルである。

減速指令により出力周波数ｆを下げ（ｐ１）、誘導電動機を減速させると、誘導電動機からの回生エネルギーにより、直流母線電圧Ｖｄｃが上昇する。直流母線電圧Ｖｄｃが、直流母線電圧基準レベルＶｄｃ０以上になれば（ｐ２、ｐ４）、過電圧トリップを防ぐため、出力周波数ｆを上昇させる。出力周波数ｆが上昇したことにより、回生エネルギーは低減され、直流母線電圧Ｖｄｃが低下し、直流母線電圧基準レベルＶｄｃ０以下になれば（ｐ３、ｐ５）、誘導電動機を再度減速させる。

このように、従来の交流電動機のインバータ制御装置は、回生状態となる減速運転において、直流母線電圧が予め決められた電圧以上に上昇すると、減速時間を長く、あるいは減速を停止させたり、出力周波数を上昇させて、直流母線電圧の上昇を抑えるという手順を繰り返して行うことにより、直流母線電圧の上昇による過電圧トリップを防止することが出来るのである。
特許第３０９５０８３号公報（第２頁、図１） 特許第３５３６６９５号公報（第２−３頁、図３）

第１の従来技術では、例えばプレス機のように下死点で回生エネルギーが大きい負荷条件で使用した場合、回生エネルギーが非常に大きく、急激に直流母線電圧が上昇するときには、直流母線電圧の上昇を見て出力周波数を上昇させる処理を行っても、処理が間に合わず、直流母線電圧は過電圧トリップレベルまで上昇し、運転継続できなくなる。このため、従来は平滑コンデンサを増やしたり、回生エネルギーの一部を制動抵抗器で消費させるようにしたりする必要があるという問題点があった。
また、第２の従来技術では、直流母線電圧が上昇した場合に速度を上昇させ、直流母線電圧が下がれば減速させるという手順を繰り返し行うので、加速、減速あるいは減速、減速停止を繰り返してトルクリップルを発生させるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回生運転状態において、トルクリップルを発生させること無く、直流母線電圧の上昇による過電圧トリップの防止を確実に行うことができる交流電動機のインバータ制御装置、およびその過電圧防止方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、交流電動機を負荷とし、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧に変換するインバータと、周波数指令設定器からの周波数指令１を基に出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算回路と、を備え、前記インバータは前記出力電圧指令に基づいた電圧を前記交流電動機に印加するインバータ制御装置であって、前記インバータのパワー出力値を演算するパワー出力演算回路と、前記平滑コンデンサの端子電圧の目標値およびその検出値を用いてパワー出力目標値を演算し、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差に基づき周波数指令２を演算する周波数指令演算回路と、前記平滑コンデンサの端子電圧が基準値を越えると、前記出力電圧指令演算回路に入力する周波数指令を、前記周波数指令１から前記周波数指令２に切り替えるシーケンス回路とを有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力値の符号に基づいて、前記インバータでのパワー損失分を加算あるいは減算してパワー出力目標値を補正演算することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値の符号に基づいて、前記交流電動機を含む機械でのパワー損失分を加算あるいは減算してパワー出力目標値を補正演算することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差および前回出力した周波数指令値を用いてトルク目標値を演算し、前記トルク目標値を用いて前記周波数指令２を演算することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、特に前記交流電動機が誘導電動機である場合に、前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差および前回出力した周波数指令値を用いてトルク目標値を演算し、前記トルク目標値を用いてすべり周波数指令を演算し、すべり補償することを特徴とするものである。

また、上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項６記載の発明は、交流電動機を負荷とし、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧に変換するインバータと、周波数指令設定器からの周波数指令１を基に出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算回路と、を備え、前記インバータは前記出力電圧指令に基づいた電圧を前記交流電動機に印加するインバータ制御装置の制御方法であって、
パワー出力演算回路では、前記インバータのパワー出力値を演算し、周波数指令演算回路では、前記平滑コンデンサの端子電圧の目標値およびその検出値を用いてパワー出力目標値を演算し、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差に基づき周波数指令２を演算し、シーケンス回路では、前記平滑コンデンサの端子電圧が基準値を越えると、前記出力電圧指令演算回路に入力する周波数指令を、前記周波数指令１から前記周波数指令２に切り替えるという手順をとったのである。

請求項１と６に記載の発明によると、平滑コンデンサの端子電圧の目標値と検出値で周波数指令を演算するループの内側に、インバータ制御装置のパワー出力を制御するマイナーループを構成できるので、平滑コンデンサの端子電圧を目標値に速く、確実に収束させることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、交流電動機のインバータ制御装置でのパワー損失分を考慮したパワー出力目標値を演算することができ、請求項３に記載の発明によると、交流電動機を含む機械でのパワー損失分を考慮したパワー出力目標値を演算することができるので、平滑コンデンサの端子電圧の目標値とその検出値が一致した状態でも、スムーズに運転することができ、不必要な加減速や減速停止を繰り返すことがなくなる。
また、請求項４に記載の発明によると、トルク目標値を制限することができ、過度なトルクの発生を防止できるので適用機械を保護することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、負荷である交流電動機が誘導電動機である場合、すべり周波数を補償することができるので、目論見のパワー出力になるまでの遅れ時間を短縮できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の交流電動機のインバータ制御装置全体を示す概要構成図である。図１において、１は交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する整流回路、２は整流回路１からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、３は平滑コンデンサ２を介して送られる直流電圧を任意の周波数に変換するＰＷＭインバータ回路、４はインバータ出力電流を検出する電流検出回路、５は平滑コンデンサ２の端子電圧を検出する電圧検出回路である。２１はインバータのパワー出力を演算するパワー出力演算回路、７は電圧検出回路５とパワー出力演算回路２１の出力に基づいて周波数指令２（ｆｒｅｆ２）を演算する周波数指令演算回路、６は電圧検出回路５の出力が基準値を超えたことを検出し周波数指令演算回路７の出力（ｆｒｅｆ２）を周波数指令（ｆｒｅｆ）として設定するシーケンス回路、８はシーケンス回路６から送出される周波数指令（ｆｒｅｆ）を基に出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算回路、９は出力電圧指令演算回路８から送出される出力信号を基にベースドライバへの信号を出力するＰＷＭ制御回路、１０はＰＷＭ制御回路９からの出力信号を基にＰＷＭインバータ回路３を駆動するべ一スドライブ回路から構成される。
なお、１１は通常運転時の周波数指令である周波数指令１（ｆｒｅｆ１）を出力する周波数指令設定器、１２は負荷である誘導電動機である。なお、周波数指令設定器１１には周波数指令を加減速レート付きで指令するように変換するソフトスタータ機能を内蔵している。

図２は、シーケンス回路６のブロック図である。図２を用い、シーケンス回路６の動作を説明する。
図２において、１３はスイッチ、１４は比較器、１５は係数器である。ここで、係数器１５には平滑コンデンサ端子電圧基準値を設定する。平滑コンデンサ端子電圧基準値は、通常運転を行うか、過電圧防止運転を行うかの閾値を決める基準値である。したがって、この基準値は通常運転時での平滑コンデンサ端子電圧値より大きな値を設定することが望ましい。
比較器１４は、平滑コンデンサ電圧検出値Ｖｐｎと係数器１５の設定値を比較し、Ｖｐｎの値が係数器１５の設定値より小さければ、スイッチ１３はＡ側を選択して、シーケンス回路６は周波数指令設定器１１の出力である周波数指令１（ｆｒｅｆ１）を、逆に大きければスイッチ１３はＢ側を選択して、シーケンス回路６は周波数指令演算回路７の出力である周波数指令２（ｆｒｅｆ２）を周波数指令（ｆｒｅｆ）として出力する。
このようにして、平滑コンデンサの端子電圧が基準値を越えているか否かで、周波数指令演算回路７および出力電圧指令演算回路８に入力する周波数指令（ｆｒｅｆ）を切り替える。

図３は、周波数指令演算回路７とパワー出力演算回路２１のブロック図である。図３を用い、周波数指令演算回路７とパワー出力演算回路２１の動作を説明する。
図３において、１６、１７は係数器、１８はエネルギー目標値演算回路、１９はエネルギー演算回路、２０は減算器、２１はリミット回路、２２は係数器、２３はパワー出力演算回路、２４は加減算器、２５は係数器、２６は除算器、２７はトルクリミット回路、２８は係数器、２９は加算器、３０は加算器、３１は減算器、３２はすべり演算器、３３は遅延回路である。
ここで、係数器１６には平滑コンデンサ２の端子電圧の目標値Ｖｐｎｃ、係数器１７には平滑コンデンサ２のコンデンサ容量Ｃ、係数器２２には減算器２０の出力値を０に制御するための制御ゲイン、係数器２５にはインバータ制御装置での損失量と誘導電動機を含む機械での損失量の合計値、係数器２８には１／Ｊ（Jは誘導電動機１２を含む負荷全体の慣性モーメント値）を設定している。
また、係数器１６の設定値であるＶｐｎｃは、係数器１５の設定値である平滑コンデンサ端子電圧基準値（通常運転を行うか、過電圧防止運転を行うかの閾値を決める基準値）
と同値かそれより大きな値を設定することが望ましい。

エネルギー目標値演算回路１８では、係数器１６と１７の設定値を用いて平滑コンデンサ２で蓄積されるエネルギー目標値（Ｃ×Ｖｐｎｃ^２）／２を演算し、エネルギー演算回路１９では係数器１７の出力値と電圧検出回路５から送出される平滑コンデンサ２の端子電圧検出値Ｖｐｎを用いて平滑コンデンサ２で蓄積されているエネルギー値（Ｃ×Ｖｐｎ^２）／２を演算する。
減算回路２０では、エネルギー演算回路１９の出力値からエネルギー目標値演算回路２０の出力値を減算してエネルギー偏差を出力し、リミット回路２１では減算器２０の出力値を下限値ゼロでリミットし、リミット回路２１の出力値は係数器２２の設定値と乗算されてパワー出力目標値Ｐｒｅｆとなる。なお、リミット回路２１で上記エネルギー偏差を下限値ゼロでリミットするのは、平滑コンデンサの端子電圧の変動等で減速方向に動作することを防止するためである。
パワー出力演算回路２３では、電流検出器４で得られたインバータ出力電流検出値と、出力電圧指令演算回路８から送出された出力電圧指令値を用いてインバータ制御装置のパワー出力値Ｐを演算する。
加減算器２４では、上記パワー出力目標値Ｐｒｅｆと上記パワー出力値Ｐの減算し、さらに、係数器２５の設定値を減算して、パワー偏差ΔＰを出力する。

除算器２６では，上記パワー偏差ΔＰを後述する誘導電動機１２の速度ｆで除算してトルク目標値を演算する。トルクリミット回路２７では、このトルク目標値を機械保護を考慮した値でリミットする。トルクリミット回路２７の出力値は係数器２８の設定値と乗算されて加速度目標値となる。
また、すべり演算回路３２では、トルクリミット回路２７の出力値を用いてすべり周波数を演算する。減算器３１では、遅延器３３により出力された前回の周波数指令（ｆｒｅｆ）からすべり周波数を減算して、誘導電動機１２の速度ｆを出力する。
加算器２９では、誘導電動機１２の速度ｆと係数器２８から出力された加速度目標値を加算し、さらに、すべり演算回路３２から出力されたすべり周波数を加算して周波数指令２（ｆｒｅｆ２）を演算する。

なお、パワー出力値Ｐと減算器２２から出力されたエネルギー偏差の符号によっては、誘導電動機１２は回生動作だけでなく、電動（カ行）動作となり得る。加減算器２４は、パワー出力値Ｐが電動（カ行）として演算される場合には、係数器２５出力を加算するように動作させると、なお効果的に本発明を実施できる。
また、ここでは、インバータ制御装置や誘導電動機を含む機械での損失分を、係数器２５の設定値として一定としたが、厳密にインバータ出力電流等の関数にして内蔵するようにしてもよいのは言うまでもない。

また、誘導電動機１２の速度ｆを、前回の周波数指令（ｆｒｅｆ）を用いて得るようにしたが、速度を検出あるいは推定する回路を内蔵する場合は、その速度検出値あるいは推定値を用いてもよい。
また、上記では誘導電動機を用いて説明したが、誘導電動機の代わりに同期電動機を用いても本発明は同様に実施できる。その場合はすべり演算回路３２の出力をゼロとすればよい。
また、インバータ制御装置での損失や交流電動機を含む機械での損失、機械保護の考慮、および誘導電動機適用時のすべり周波数補償についての考慮を含む構成として説明したが、これら考慮はどれか１つだけでも、複数個の任意の組み合わせで実施してもよい。また、その場合でもそれぞれの効果に変わりはない。

このように、平滑コンデンサの端子電圧の目標値Ｖｐｎｃ、その検出値Ｖｐｎを用いてパワー出力目標値Ｐｒｅｆを演算し、インバータ制御装置や交流電動機を含む機械でのパワー損失分をパワー出力目標値Ｐｒｅｆに補正し、パワー出力目標値Ｐｒｅｆとパワー出力値Ｐとの偏差ΔＰが０になるように周波数指令２（ｆｒｅｆ２）を演算するパワー出力を制御するマイナーループを構成し、さらにはトルク目標値を所定値で制限し、すべり周波数補償を行う構成をしているので、平滑コンデンサの端子電圧を目標値に速く、確実に収束させ、不必要な加減速や減速停止を繰り返すことがなくスムーズに運転ができ、過度なトルクの発生の防止により適用機械を保護することができ、目論見のパワー出力になるまでの遅れ時間を短縮することができる。

本発明の交流電動機のインバータ制御装置全体を示す概要構成図 本発明のシーケンス回路６のブロック図 本発明の周波数指令演算回路７とパワー出力演算回路２１のブロック図 従来技術の動作説明するためのタイムチャート

符号の説明

１ 整流回路
２ 平滑コンデンサ
３ ＰＷＭインバータ回路
４ 電流検出回路
５ 電圧検出回路
６ シーケンス回路
７ 周波数指令演算回路
８ 出力電圧指令演算回路
９ ＰＷＭ制御回路
１０ ベースドライブ回路
１１ 周波数指令設定器
１２ 誘導電動機
１３ スイッチ
１４ 比較器
１５、１６、１７、２２、２５、２８ 係数器
１８ エネルギー目標値演算回路
１９ エネルギー演算回路
２０、３１ 減算器
２１ パワー出力演算回路
２３ リミット回路
２４ 加減算器
２６ 除算器
２７ トルクリミット回路
２９、３０ 加算器
３２ すべり演算回路
３３ 遅延回路

Claims (6)

1. 交流電動機を負荷とし、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧に変換するインバータと、周波数指令設定器からの周波数指令１を基に出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算回路と、を備え、
   前記インバータは前記出力電圧指令に基づいた電圧を前記交流電動機に印加するインバータ制御装置であって、
   前記インバータのパワー出力値を演算するパワー出力演算回路と、
   前記平滑コンデンサの端子電圧の目標値およびその検出値を用いてパワー出力目標値を演算し、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差に基づき周波数指令２を演算する周波数指令演算回路と、
   前記平滑コンデンサの端子電圧が基準値を越えると、前記出力電圧指令演算回路に入力する周波数指令を、前記周波数指令１から前記周波数指令２に切り替えるシーケンス回路とを有することを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力値の符号に基づいて、前記インバータでのパワー損失分を加算あるいは減算してパワー出力目標値を補正演算することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
3. 前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値の符号に基づいて、前記交流電動機を含む機械でのパワー損失分を加算あるいは減算してパワー出力目標値を補正演算することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
4. 前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差および前回出力した周波数指令値を用いてトルク目標値を演算し、前記トルク目標値を用いて前記周波数指令２を演算することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
5. 特に前記交流電動機が誘導電動機である場合に、前記周波数指令演算回路では、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差および前回出力した周波数指令値を用いてトルク目標値を演算し、前記トルク目標値を用いてすべり周波数指令を演算し、すべり補償することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
6. 交流電動機を負荷とし、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧に変換するインバータと、周波数指令設定器からの周波数指令１を基に出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算回路と、を備え、
   前記インバータは前記出力電圧指令に基づいた電圧を前記交流電動機に印加するインバータ制御装置の制御方法であって、
   パワー出力演算回路では、前記インバータのパワー出力値を演算し、
   周波数指令演算回路では、前記平滑コンデンサの端子電圧の目標値およびその検出値を用いてパワー出力目標値を演算し、前記パワー出力目標値と前記パワー出力値との偏差に基づき周波数指令２を演算し、
   シーケンス回路では、前記平滑コンデンサの端子電圧が基準値を越えると、前記出力電圧指令演算回路に入力する周波数指令を、前記周波数指令１から前記周波数指令２に切り替えることを特徴とするインバータ制御装置の制御方法。

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