JP4912688B2 - 交流電動機用速度制御機の直流バス上の電圧管理方法およびシステム - Google Patents

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Description

本発明は、配電網に接続された交流電流電動機用速度制御機の直流バス上の電圧の管理方法およびシステムに関し、上記速度制御機は、V/F型の電圧制御法則に従って動作する。
既知のように、従来の電動機用速度制御機は、電動機を配電網につなぐ直流バスを有する。この直流バスは、特に、ダイオード整流ブリッジ、コンデンサフィルタ、トランジスタ・ダイオードインバータブリッジを有する。
通常動作時は、電気エネルギーは配電網から電動機へと送られる。しかしながら、ある種の状況下では、電動機のエネルギーが直流バスのコンデンサへと回生されることがある。このような状況とは、以下のような状況である。
過剰で急激な電動機の制動(減速時間が短すぎる、又は制動トルクが高すぎる)、
一定電動機速度における、負荷による電動機の駆動、
配電網の故障(切断)
これらの特別な状況下では、直流バスのコンデンサは、損傷の危険のある過電圧の状態にさらされることがある。
現状の技術では、これらの状況は、次のような方法で対処されている。
図2を参照すると、ベクトル型の制御法則に従って動作する従来の速度制御機には、一般的に速度ループや電流ループがある。基準周波数Wrefは、入力で与えられ、出力で得られる推定周波数Westと比較される。二つの周波数の差異は、出力で電流基準Iqrefを供給する速度レギュレータによって増幅される。電動機上で測定された電流値Iqと電流基準Iqrefとの差異は、推定周波数Westを供給する電流レギュレータによって増幅され、推定周波数Westを提供する。電動機の固定子に送られる制御周波数Wstatは、推定周波数Westと、すべり補償Wslipとの合計である。
上記状況下では、コンデンサを過電圧から守るために、電圧調整回路Cが使用されている。この電圧調整回路Cは、まず、直流バス上で測定された電圧値Vbusを所定の制限値Vlimと比較する。この制限値は、それ以上になると直流バスのコンデンサが損傷の危険のある過電圧にさらされる値に相当する。
電動機の過剰制動時には、電圧調整回路Cの出力は、電動機から直流バスに帰還される電流を減少させ、直流バス上で測定された電圧Vbusが制限値Vlimをさらに下回るように、電流基準Iqrefを低下させる。
一定速度において電動機が負荷により駆動された時には、電圧調整回路Cは、推定周波数Westと電動機の速度を上げ、又、直流バス上の電圧を制限するように、電流基準Iqrefを増大させる。
配電網で電流の停止が生じた時には、制限値Vlimを下げ、電圧調整回路Cは、使用可能な電流の消費を最適化しつつ、ゆっくりと電動機を減速するのに適切な電流基準Iqrefを与える。
上述したようなベクトル型ではなくV/F型の電圧制御法則に従って動作する速度制御機には、いかなる速度、電流ループも、許容されていない。このような速度制御機は、確かに、性能は劣るが、はるかに頑健性があることは明らかであり、特に、変圧器、又は送風機等の製品に使用が可能である。
電動機の過剰制動時には、特許文献1により、直流バスのコンデンサを守るために、速度制御機の直流バス上の電圧を管理することが知られている。比較装置は、コンデンサの端子で測定された電圧値を制限値と比較する役割を担っている。コンデンサの端子で測定された電圧値が制限値を上回った場合、比較装置の出力信号が減速中止を指示する。従って、固定子の周波数は、一定値に維持される。またコンデンサの端子で測定された電圧値が制限値を下回った場合、比較装置は周波数への働きかけをやめ、周波数は再び、所定の傾き値を持つランプ波に従って減少可能となる。このような装置では、過剰制動時に直流バスのコンデンサがさらされる過電圧を制限することが可能となる。しかしながら、ランプ波へ比較装置が作用した後、減速の再開は、直接減速ランプ波の公称傾きに従って行われる。電動機の減速は、従って、将来的に電動機の機能を悪化させる危険のある断続的な減速の連続によって行われる。
特開昭56−066189号公報
本発明の目的は、過剰制動時に、過剰制動により引き起こされた過電圧から直流バスのコンデンサを守りつつ電動機の減速が円滑に行われる、V/F型の電圧制御法則に従って動作する交流電動機用速度制御機の直流バス上の電圧の管理方法を提案することである。
この目的は、配電網に接続された交流電流電動機用速度制御機の直流バス上の電圧の管理方法により実現され、上記速度制御機は直流バス上に電子回路を有し、所定の初期の傾き値を有する電動機の加速/減速内部ランプ波が、上記の速度制御機の制御法則の入力で与えられ基準周波数とこの制御法則の出力で得られる固定子の周波数との間に挿入されるV/F型の電圧制御法則に従って動作する。上記の方法は、
直流バス上で測定された電圧値を所定の制限値と比較するステップと、
直流バス上で測定された電圧値が制限値より大きい場合、固定子に一定周波数を与えるよう、内部ランプ波の傾きを強制的にゼロにするステップと、
また直流バス上で測定された電圧値が制限値よりも小さい場合、内部ランプ波の傾きの値を、例えば所定の時定数に従い、徐々に増大させるステップと、備えたことを特徴とする。
本発明によれば、このような方法では、電動機の減速を制限すること、従って、直流バスの過電圧を回避することが可能となる。
一つの特徴によれば、内部ランプ波の傾きの段階的な増加は、ゼロの値と初期値の間で実現される。内部ランプ波の傾きの段階的な増加時には、この傾きが初期値に達する前に、直流バス上で測定された電圧が、再び制限値を上回ることもある。この場合、内部ランプ波の傾きは、電動機に一定の速度を与え、又、直流バス上で測定された電圧が新たに低下するのを待つために、再びゼロに等しい値に戻されなければならない。
もう一つの特徴によれば、基準周波数の減少が検出されるとすぐに、内部ランプ波の傾き値はゼロにされる。この場合、電動機の過剰制動を場合によっては先読みする意味がある。
もう一つの特徴によれば、基準周波数が一定で、直流バス上で測定された電圧値が制限値以上である時には、本方法は、積分器を用いて固定子周波数への修正値の計算や、固定子の周波数へこの算出された値の付加も実行する。このような特徴により、特に、負荷により電動機がされた場合に、過電圧を管理することが可能となる。
もう一つの特徴によれば、直流バス上で測定された電圧が制限値未満の値である時には、固定子の周波数にいかなる修正も行わないように、積分器の出力はゼロにされる。
もう一つの特徴によれば、配電網の切断が検出された場合には、制限値を、直流バスの電子回路に給電を行うのに充分な電圧値であると定義された最小値まで下げることも行う。配電網の切断時には、基準周波数は極端に減少する。この場合、電動機の減速を制限するだけでなく、配電網の迅速な修復を期待し、電動機をできるだけ長く稼働状態に維持する意味もある。このために、残された電流の消費を最適化する。
本発明の目的は、上述の方法が実装でき上述の様々な状況に対処できる、交流電流電動機用速度制御機の直流バス上の電圧の管理システムを提案することでもある。
本システムは、特に
直流バス上で測定された電圧値を制限値と比較するための手段、及び直流バス上で測定された電圧値が制限値より大きい場合、固定子の周波数を一定値に維持するために内部ランプ波の傾きを強制的にゼロの値にする手段を有する電圧調整回路と、
直流バス上で測定された電圧値が制限値より小さい場合、内部ランプ波の傾き値の段階的な増大を、例えば規定の時定数に従い、指令するための制御令手段と
を有することを特徴とする。
本発明によれば、調整回路は、例えば、直流バス上で測定された電圧値を制限値と比較するための比較装置、及び、内部ランプ波をゼロにする指令を出すためのレギュレータを有する。
一つの特徴によれば、このシステムは、固定子の周波数の減速が指令されるとすぐに、内部ランプ波の傾きをゼロに等しい値にする手段も有する。
もう一つの特徴によれば、電圧調整回路は、基準周波数が一定で、直流バス上で測定された電圧が制限値以上の値である時に、固定子の周波数に指定する修正周波数が計算できる積分器も有する。
もう一つの特徴によれば、積分器は、直流バス上で測定された電圧値が制限値を下回る値である時に、出力をゼロに等しい値に制限するための手段を有する。
もう一つの特徴によれば、システムは、配電網の故障を検出し、又、その状況下で、制限値を、速度制御機の直流バスの電子回路に給電を行うのに充分な電圧値であると定義された最小値まで下げるための手段を有する。
従って、本発明によれば、直流バス上に過電圧、従って、このバス上にあるコンデンサの損傷を引き起こす可能性のある様々な状況に対処することが可能となる速度制御機の直流バス上の電圧の管理システム全般を提案することとなる。
この他の特性や利点は、添付図面に図示され、例として示された実施の態様を参照した以下の詳細な説明から明らかになる。
図2は、先行技術に関し、すでに上で記述されている。
図1を参照すると、交流電動機用速度制御機は、電動機Mを配電網Rdに接続する直流バス上に電子回路、特にダイオード整流ブリッジ20、コンデンサフィルタ21、及び、トランジスタ・ダイオードインバータブリッジ22を有する。インバータ22は、例えば通常の、PWMと呼ばれるパルス幅変調制御の電圧インバータである。このようなPWMインバータは、電圧制御法則によって、電動機Mに、一連の幅変調、及び正又は負の一定振幅パルスを送出する。インバータの電子スイッチは、特にマイクロコントローラを有する制御回路により操作される。
V/F型の電圧制御法則によって機能する速度制御機には、いかなる電流ループも、使用されない。従って、この制御法則によれば、速度制御機の入力で与えられた基準周波数Wrefは、常に、速度制御機の出力における固定子の制御周波数Wstatに等しい。
既に説明した通り、ある種の状況下では、通常、配電網Rdから電動機Mへと速度制御機の直流バスが有する電子回路を通して送られるエネルギーが、直流バスのコンデンサ21へと回生されることがある。特に、電動機Mの過剰制動時、電動機Mが負荷により駆動された場合、又は、配電網Rdの電流の停止時がこれにあたる。
従って、コンデンサ21を過電圧から守るために、適当なシステムに実装された速度制御機の直流バスの電圧管理方法を用意する必要がある。
図3を参照すると、本発明による直流バス電圧管理システムにおいて、電動機の加速/減速内部ランプ波Rは、V/F型の電圧制御法則に導入されている。この内部ランプ波Rは、それに従うと、減速時に、出力で得られた固定子の周波数Wstatが入力で与えられた基準周波数Wrefに追従する、規定の初期の(Pi)の傾き値を有する。通常動作時、このランプ波は、充分に高速であり、速度指令とそれに対応する電動機Mの反応の間にいかなる遅延も認められることはない。
計測手段が、常に直流バス上における電圧の計測を担っている。この測定された電圧値Vbusは、次に、レギュレータ11と比較装置10とを有する電圧調整回路1により処理される。この比較装置10は、速度制御機の直流バス上で測定された電圧値Vbusを、記憶されている制限値Vlimと比較する。
電圧Vbusが制限値Vlimを下回った時、比較装置10の出力は負であり、レギュレータ11は、従って、ターンオンされておらず、内部ランプ波Rにいかなる作用も及ぼすことのない負出力を送出する。
電動機Mの過剰制動(減速時間が短すぎる、又は制動トルクが高すぎる)時には、基準周波数Wrefが極端に減少し(48、図4)、直流バス上で測定された電圧Vbusが、制限値Vlimを上回るまで極端に増大する。このような状況では、比較装置10の出力は正であり、これにより、レギュレータ11がターンオンされる。そして、レギュレータ11が、正の出力を送出し、その傾きにゼロに等しい値を与えることで、内部ランプ波Rに作用しかける(40、図4)。
このようにして、ゼロの値の傾きを有する減速ランプ波により、固定子の周波数Wstatは減少を止め(41、図4)、電動機Mは以降一定速度で機能する。速度制御機の直流バス上で測定された電圧Vbusが、制限値Vlimを上回っている間は、レギュレータ11の正の出力が内部ランプ波Rの傾きの値をゼロにとどめる(40)。一定の時間、電動機Mを一定速度に維持しながら、直流バス上に回生されたエネルギーは徐々に減少する。直流バス上で測定された電圧値Vbusが再び制限値Vlimを下回った時、比較装置10の出力は、再び負となり、その結果、レギュレータ11は、ターンオフされる。そして、レギュレータ11は、内部ランプ波Rを解放する負の出力を送出する。内部ランプ波Rは、それにより、減速を続けるため、初期の傾き(Pi)に戻ることもある。
本発明によれば、ゼロにとどまった後、内部ランプ波Rの傾きは、すぐには初期の値(Pi)に戻らず、所定の時定数(42)に従った、段階的な増大を続ける。内部ランプ波Rの傾き値の増大は、従って、ゼロ値と初期の傾き値Piとの間の一定で線形な増大を続ける。速度制御機の指令手段が、このランプ波が解放されている時、この段階的な内部ランプ波Rの傾き値の段階的な増大を指令することができる。このようにして、電動機の減速が緩やかに円滑に再開される(44)。内部ランプ波Rの傾きの段階的な増大は、傾きが初期の値Piに戻るまで行われてもよい。しかしながら、傾き値の段階的な増大時に、直流バス上で測定された電圧値Vbusが再び制限値Vlimを上回ることが明らかである場合、比較装置10の正の出力は、再びレギュレータ11をターンオンする。上述の場合と同じように、レギュレータ11の正の出力が、これにより、その傾き値を無効にすることで、再び内部ランプ波Rに作用しかける(43)。固定子の周波数Wstatは、こうして再び一定値に維持される(45)。
内部ランプ波Rの解放は、直流バス上で測定された電圧Vbusが、再び制限値Vlimを下回った時、実行される。そして、内部ランプ波Rの傾きは、再び、ゼロ値から最大で初期値Piまで段階的な増大を続ける(46)。
電動機Mの過剰制動時には、電動機Mに可能な限り線形に近いカーブに従った緩徐な減速をさせるように、上述のさまざまな過程が次々と行われてもよい(図4)。
配電網Rdの切断時には、基準周波数Wrefも、極端に減少し、きわめて短時間でゼロとなる(50、図5)。この状況は電動機の過剰制動時に似通い、前記の場合と同様に、速度制御機の直流バスのコンデンサ上に過電圧を引き起こすこともある。しかしながら、この状況では、配電網Rdが電流を全く供給できなくなっていることから、配電網Rdの修復の可能性に備え、できる限り長い時間、電動機Mを稼働状態に維持するために、電動機Mの減速を制御する。電動機Mが短時間で完全に停止してしまうのを防ぐために、直流バス上の電圧Vbusを、直流バスの有する電子回路に給電を行うのに充分な値に維持しつつ、管理する必要がある。配電網Rdの切断が検出された場合は、従って、制限値Vlimを、直流バス上にある電子回路に給電を行うための最小の電圧値に相当するより小さな値(51、Vlimab)まで下げる。制限値Vlimが下げられると、上述の、電動機Mの過剰制動時に実行される、直流バス上の電圧Vbusの管理方法が、同様に行われる。この方法によれば、固定子の周波数Wstatが減少し(52)、従って、電動機Mの段階的で緩やかな減速が実現される。直流バス上で測定される電圧Vbusを、減少制限値Vlimabにほぼ等しい値に制限することで、配電網Rdの修復の可能性に備え、電動機Mをできる限り長い時間稼働状態に維持するために使用可能な電流消費を最適化する。
本発明によれば、コンデンサの保護効果を向上させるため、減速開始直後から、従って、基準周波数Wrefの低下が検出されるとすぐに、たとえ、直流バス上で測定される電圧Vbusがまだ増大していなくても、内部ランプ波Rの傾きを自動的にゼロ(47)に等しい値にしてもよい。
本発明によるシステムでは、電動機Mが負荷により駆動された時、直流バス上の過電圧を管理することも可能となる。本発明によるシステムの電圧調整回路1では、レギュレータ11の出力に設けられた積分器12(図3)が使用される。レギュレータ11は、従って、積分器12を通して、固定子の周波数Wstatへ修正を行う。この積分器12により、固定子の修正周波数Wstatcを得るための、固定子の周波数Wstatに直接適用する修正値の計算が可能となる。
電動機Mが負荷により駆動された時には、いかなる減速も指令されないため、内部ランプ波Rはターンオンされず、基準周波数Wrefは一定である。しかしながら、この状況では、直流バス上で測定される電圧Vbusが、制限値Vlimを上回る値をとってもよい。直流バス上で測定される電圧Vbusが制限値Vlimを上回る場合、比較装置10の正の出力が、レギュレータ11をターンオンする。レギュレータ11の正の出力も、下流に位置し修正値を算出する積分器12をターンオンする。この修正値は、直流バス上で測定される電圧Vbusが制限値Vlim以下の値まで低下するように、固定子の周波数に適用する周波数の利得に相当する。この周波数の利得は、従って、直流バス上で測定される電圧Vbusと制限値Vlimとの差異から積分器12により算出される。
直流バス上で測定される電圧Vbusが制限値を下回る時、レギュレータ11の出力は負となり、この場合にはいかなる修正も固定子の周波数Wstatに適用することのないよう、積分器12の出力はゼロに制限される。これに対し、バス上で測定された電圧(Vbus)が制限値Vlimと等しい時、たとえ入力がゼロであっても、積分器12はゼロでない出力を送出するという特性を有する。従って、これにより、たとえバス上で測定された電圧Vbusが制限値Vlimと等しい場合でも、固定子の周波数Wstatに修正を適用することが可能となる。
本発明の範囲を逸脱することなく、他の様態や細部改良の発想、均等手段の利用も考案可能であることはいうまでもない。
交流電動機につながれた速度制御機の一部を概略的に示す図。 先行技術による、速度制御機の直流バス上の過電圧が管理可能な従来の速度制御機の機能を示す機能ブッロク図。 速度制御機の直流バス上の過電圧が管理可能な、V/F型の制御法則に従って動作する速度制御機の本発明による機能を示す機能ブロック図。 電動機の過剰制動時の、本発明による電圧管理システム用いた速度制御機の機能を示す図。 配電網切断時の、本発明による電圧管理システム用いた速度制御機の機能を示す図。
符号の説明
1 電圧調整回路
10 比較装置
11 レギュレータ
12 積分器
20 ダイオード整流ブリッジ
21 コンデンサフィルタ
22 トランジスタ・ダイオードインバータブリッジ

Claims (13)

  1. 配電網(Rd)に接続された交流電流電動機(M)用速度制御機の直流バス上の電圧(Vbus)を管理する方法において、前記速度制御機は直流バス上に電子回路(20、21、22)を有し、所定の初期傾き値(Pi)を有する前記電動機の加速/減速の内部ランプ波(R)が、前記速度制御機の電圧制御法則の入力として与えられ基準周波数(Wref)と、前記電圧制御法則の出力として得られ固定子の周波数(Wstat)との間に挿入されて、前記固定子の周波数(Wstat)が前記入力として与えられる基準周波数(Wref)に追従するV/F型の電圧制御法則に従って前記速度制御機は動作し、上記方法は、
    前記直流バス上で測定された電圧値(Vbus)を所定の制限値(Vlim)と比較するステップと、
    前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)よりも大きい場合、前記固定子に一定の周波数(Wstat)を与えるよう、前記内部ランプ波(R)の傾きを強制的にゼロの値にするステップと、
    また前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)よりも小さい場合、前記内部ランプ波(R)の傾きの値を段階的に増大させるステップと、
    を備えたことを特徴とする方法。
  2. 前記内部ランプ波(R)の傾きの値における段階的な増大は、所定の時定数に従って起こることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記内部ランプ波(R)の傾きの値における段階的な増大は、ゼロの値と初期値(Pi)の間で生じることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記基準周波数(Wref)の低下が検出されるとすぐに、前記内部ランプ波(R)の傾き値が、ゼロに設定されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の方法。
  5. 前記基準周波数(Wref)が一定でかつ前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)以上である場合、積分器(12)を用いて前記固定子の周波数(Wstat)に対する修正値を計算するステップと、前記計算された値を前記固定子の周波数(Wstat)に加えるステップと、を備えていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の方法。
  6. 前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)より小さい場合には、前記固定子の周波数(Wstat)にいかなる修正も行わないように、前記積分器(12)の出力がゼロに設定されることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 前記配電網の故障が検出された場合に、前記制限値(Vlim)を、前記直流バスの電子回路(20、21、22)に給電を行うのに充分な電圧値であると定義された最小値まで下げるステップも備えたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の方法。
  8. 配電網に接続された前記交流電流電動機(M)用速度制御機の直流バス上の電圧管理システムにおいて、前記速度制御機は前記直流バス上に電子回路を有し、所定の初期の傾き値(Pi)を有する電動機の加速/減速の内部ランプ波(R)が、電圧制御法則の入力として決定される基準周波数(Wref)と前記電圧制御法則の出力として得られる固定子の周波数(Wstat)との間に挿入されて、前記出力として得られる固定子の周波数(Wstat)が前記入力として決定される基準周波数(Wref)に追従するV/F型の電圧制御法則に従って前記速度制御機は動作し、上記システムは、
    前記直流バス上で測定された電圧(Vbus)値を制限値と比較するための手段(10)、及び前記直流バス上で測定された前記電圧値が前記制限値より大きい場合に前記固定子の周波数(Wstat)を一定値に維持するために前記内部ランプ波(R)の傾きを強制的にゼロの値にする手段(11)を有する電圧調整回路(1)と、
    前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)より小さい場合、前記内部ランプ波(R)の傾き値の段階的な増大を指示するための制御手段と、
    を備えたことを特徴とするシステム。
  9. 前記制御手段は、所定の時定数を有し、この時定数に従って前記内部ランプ波の傾き値の段階的な増大が生成されることを特徴とする請求項8記載のシステム。
  10. 前記固定子の周波数(Wstat)の減速が指令されるとすぐに、前記内部ランプ波の傾きをゼロの値にする手段も有することを特徴とする請求項8または9記載のシステム。
  11. 前記電圧調整回路(1)は、前記基準周波数が一定でかつ前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)以上の値である時に、前記固定子の周波数に与えられた修正周波数が計算できる積分器(12)も有することを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一つに記載のシステム。
  12. 前記積分器(12)は、前記直流バス上で測定された前記電圧値(Vbus)が前記制限値(Vlim)よりも小さい時に、その出力をゼロに等しい値に制限する手段を有することを特徴とする請求項11に記載のシステム。
  13. 前記配電網(Rd)の故障を検出しかつこの状況下で前記制限値(Vlim)を、前記速度制御機の前記直流バスの前記電子回路(20、21、22)に給電を行うのに充分な電圧値であると定義された最小値(Vlimab)まで下げるための手段を有することを特徴とする請求項8乃至12のいずれか一つに記載のシステム。
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