JP5226203B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機を駆動するための電力変換装置に関する。

従来、プロセスライン等に使用する電動機を駆動する電力変換装置は、直流電圧をインバータによって交流に変換し、この交流出力で電動機を駆動し、必要な速度及びトルクを発生させる構成が採用されている。電動機には、速度センサが接続されていて、電動機の磁極位置、あるいは速度が検出される。そして上記の速度センサから得られる速度帰還信号を与えられた速度基準と比較し、その偏差を速度制御器によってＰＩ（比例積分）制御し、この出力をトルク基準或いは電流基準として電動機のトルクを制御するように構成するのが通常であった。

しかしながら、電動機の負荷が振動的である場合、また制御特性を高速化する必要がある駆動系においては、上記の制御系では不十分な場合もある。この対策として、駆動系の慣性モーメントを用いた速度モデル演算部を制御系の中に用意し、その速度モデルと速度帰還信号との偏差をＰＩ（比例積分）制御してトルク基準を求めると共に、速度モデルのトルク基準出力を上記トルク基準に加算補正して振動を抑制する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特公平５−４０５５５号公報（全体）

上記特許文献１に示された手法は、電動機の駆動系の慣性モーメント、即ち機械系及び電動機自身の慣性モーメントの和が入力条件として必要である。この慣性モーメントは通常は固定値として設定される。従って、一度設定されたら変更を行うことは少ないが、電動機あるいは駆動ロール等を交換した場合には再設定が必要となる。また、運転中の経年変化、例えば駆動ロールの表面磨耗などによって負荷の慣性モーメントが変化した場合にも本来は設定変更が必要となる。このような設定変更は煩雑であるばかりでなく、その煩雑さのため設定変更が必要な状況であるにも拘わらずこれが行われない場合があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、自動的に慣性モーメントの同定を行うことが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段とから構成され、
前記制御部は、外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、前記速度モデルと前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力である補正前トルク基準に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御手段と、前記速度モデル演算部で用いる前記電動機の駆動系の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定手段とを備え、前記速度モデル演算部は、前記速度基準と前記速度モデルの偏差を入力とし、これを最小化するようにその出力である前記加減速用トルク基準を調節する第１のＰＩ制御器と、前記第１のＰＩ制御器の出力に前記電動機の駆動系の慣性モーメントの逆数を乗算する乗算器と、この乗算器の出力を積分して前記速度モデルを得る積分器とを具備し、前記慣性モーメント同定手段は、前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
前記補正前トルク基準と前記加減速用トルク基準の偏差を入力とする第２のＰＩ制御器とを有し、前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第２のＰＩ制御器の出力に置き換えて所定時間前記電動機を加速または減速運転し、このときの前記第２のＰＩ制御器の出力を新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、自動的に慣性モーメントの同定を行うことが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１乃至図３を参照して本発明の実施例１を説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。

インバータ１は直流電源を受け、これを所望の電圧及び周波数の交流に変換し、その出力で電動機２を駆動する。このインバータ１はパワーデバイスをブリッジ接続した主回路を備えており、各々のパワーデバイスは制御部３からのゲート信号によってオンオフ制御されている。電動機２には速度検出器４が取り付けられており、この出力は速度帰還信号として制御部３に与えられる。また、インバータ１の出力側には電流検出器５が設けられ、この出力も電流帰還信号として制御部３に与えられる。以下制御部３の内部構成について説明する。

外部から与えられた速度基準は、速度モデル演算器３０に与えられる。この速度モデル演算器３０の出力と前述の速度帰還信号が速度制御器３２の入力となる。速度制御器３２においてはこれらの信号の偏差が最小となるように調節制御し、その出力をトルク基準としてベクトル制御器３３に与える。ベクトル制御器３３は、予め設定された磁束基準信号を用いて上記トルク基準を磁束軸電流基準とトルク軸電流基準に変換する。

トルク軸電流基準は、前述の電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られたトルク帰還電流と比較され、トルク軸電流制御器３５はその偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。また同様に、磁束軸電流基準は、電流帰還信号を３相−２相変換器３４で変換して得られた磁束帰還電流と比較され、磁束電流制御器３６はその偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。トルク軸電流制御器３５及び磁束電流制御器３６の出力は夫々トルク軸電圧基準、磁束軸電圧基準となるが、これらは３相電圧基準発生器３７に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてＰＷＭ回路３８に与えられる。ＰＷＭ回路３８は所定のキャリア信号で各相の電圧基準を変調してインバータ１のパワーデバイスに与えるゲート信号を出力する。

また、電動機２が誘導電動機の場合、トルク軸電流基準と磁束基準からすべり演算器３９によって電動機２のすべり周波数を演算し、この演算結果と速度帰還信号とを加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器４０で積分してインバータ１の出力位相基準を求めている。この出力位相基準は前述の３相−２相変換器３４及び３相電圧基準発生器３７の変換位相基準となる。尚、電動機２が同期電動機の場合は電動機２のすべり周波数はゼロとなるので上記のすべり周波数演算は省略できる。

速度モデル演算器３０の内部定数として駆動系の慣性モーメントＪを用いるが、この慣性モーメントＪを同定するためにＪ同定器３２が設けられている。

速度モデル演算器３０、速度制御器３１及びＪ同定器３２の詳細構成を図１（ｂ）に示す。速度基準は速度モデル演算器３０のＰＩ制御器３０１に加算入力として与えられ、その出力は電動機２の駆動系の慣性モーメントＪの逆数が記憶された記憶回路３０５の記憶値に乗算され、更に積分回路３０３を介してＰＩ制御器３０１の入力に負帰還される。この積分回路３０３の出力が速度モデル信号であり、この速度モデル信号と速度基準とを選択的に切り換えるための切換器３０６を介して出力される。そしてＰＩ制御器３０１の出力が加減速トルク基準となり、この加減速トルク基準をオフするように構成された切換器３０６を介して出力される。

尚、上記構成において切換器３０６を速度モデル演算器３０の内部に設けているが、これをＪ同定器３２の内部に設ける構成としても良い。

速度制御部３１の内部において、上記の速度モデル信号から速度帰還信号が減算され、この偏差が最小となるようにＰＩ制御器３１１でＰＩ制御する。そしてこのＰＩ制御器３１１の出力である補正前トルク基準に前述の加減速トルク基準が加算され、結果としてベクトル制御器３３の入力となるトルク基準が得られる。

ＰＩ制御器３１１の出力はＰＩ制御器３０１の出力から減算されてＰＩ制御器３０４に与えられる。そしてＰＩ制御器３０４はこの出力を乗算器３０２の乗算数として与えることが可能であると共に、この出力が記憶回路３０５に慣性モーメントＪの逆数として記憶可能な構成となっている。尚、この構成において速度モデル演算器３０の内部に設けられたＰＩ制御器３０４は、Ｊ同定器３２の内部に設ける構成としても良い。

以上の構成における作用効果について図２及び図３を参照して以下に説明する。

図２は、慣性モーメントＪを同定するための手順の一例を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１において、Ｊ同定器３２は切換器３０６を測定側に選択する。こうすると、前述したとおり速度制御器３１への速度に関する入力は速度基準そのものとなり、加減速トルク基準の補正信号は切り離される。更に、ＰＩ制御器３０４の出力が乗算器３０２の乗算数となる。

上記状態で、速度基準をランプ状に変化させ、例えば所定の加速レートで所定時間運転を行う（ＳＴ２）。このとき、加速レートと加速運転時間を適切に選定すれば、速度モデル演算器側の閉ループ制御系において、ＰＩ制御器３０４の出力は、その入力であるＰＩ制御器３０１の出力である加減速トルク基準とＰＩ制御器３１１の出力の偏差が最小となるように調節される。乗算器３０２に与える乗算数が駆動系の慣性モーメントＪの逆数となったとき、上記偏差は最小化されることになるので、このときのＰＩ制御器３０４の出力を慣性モーメントＪの逆数として記憶回路３０５において記憶する（ＳＴ３）。

以上で慣性モーメントの同定は終了する。次に切換器３０６を実運転側に選択する（ＳＴ４）。この状態で速度基準をランプ状に変化させ、例えば所定レートで減速させる。そしてそのときの速度制御器３１から与えられる速度偏差が所定値以内であることを確認する（ＳＴ５）。このステップＳＴ５においては、乗算器３０２に与えられる乗算数は記憶回路３０５に記憶された値となっている。従ってこの記憶された値が確かに駆動系の慣性モーメントＪの逆数となっていれば、実運転の加減速時に加減速トルクの補償が行われている状況となる。この加減速トルクの補償が適切に行われていれば、上記の速度偏差は常に所定値以内となるので、慣性モーメントＪの同定が適切に行えたことになる。

図３は、慣性モーメントＪを同定するための手順の他の一例を示すフローチャートである。

この図３に示す例の場合も、Ｊ同定器３２は切換器３０６を測定側に選択し（ＳＴ１）、速度基準をランプ状に変化させる（ＳＴ２）。この状態で速度偏差が所定値以下となったかどうかチェックする（ＳＴ２Ａ）。このステップＳＴ２Ａにおいては、速度偏差が所定値以下となるまで加速または減速運転を行う。そして速度偏差が所定値以下となったとき、ＰＩ制御器３０４の出力を慣性モーメントＪの逆数として記憶する（ＳＴ３）。そしてここで慣性モーメントの同定を完了し、切換器３０６を運転側に選択して実運転に備える（ＳＴ６）。

この図３に示した同定法によれば、図２に示したステップＳＴ５の確認手順の省略が可能となる。

以上の本発明の実施例１については、図１に示したように電動機２には速度検出器４が取り付けられ、この速度検出器４の速度帰還信号によって所謂ベクトル制御を行う例を説明したが、速度検出器４が無い場合においても演算によって速度を推定することが可能であり、この場合、所謂センサレスベクトル制御を行うことができるのは明らかである。

また、この実施例１において、慣性モーメント同定用の測定を行ったあと、この慣性モーメントの逆数を記憶回路に保存し、その保存たれた値を実運転時に使用する構成としたが、用途によっては、この記憶回路を省略し、常に上記同定用の測定回路であるＰＩ制御器の出力を慣性モーメントの逆数として使用することも可能である。

更に、速度モデル演算器は、加減速時に慣性モーメントによる加減速トルクが支配的となるような通常の例の場合の構成を示したが、用途によっては負荷の機械損などが無視できない場合もあるので、この場合には補償要素を加えた構成とする。また、そのような場合には、加速時に得られる慣性モーメントと減速時に得られる慣性モーメントの平均値を用いて駆動系の慣性モーメントを同定することも可能である。

図４は本発明の実施例２に係る電力変換装置の速度モデル演算器、速度制御器及びＪ同定器の詳細構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の速度モデル演算器、速度制御器及びＪ同定器の詳細構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、速度モデル演算器３０ＡのＰＩ制御器３０４の加算入力を速度モデル信号とし、減算入力を速度帰還信号とした点である。

この実施例２に示したように、トルク基準ベースではなく、速度モデル演算器３０Ａの速度モデル出力が速度帰還と一致するように動作させて慣性モーメントＪを同定することが可能であることは明らかである。また、この実施例２の速度偏差ベースの慣性モーメントの同定手法においても、実施例１の図２及び図３で示した同定手法を使用することが可能であることも明らかである。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図並びに速度モデル演算器、速度制御器及びＪ同定器の詳細構成図。 慣性モーメントＪを同定するための手順の一例を示すフローチャート。 慣性モーメントＪを同定するための手順の他の一例を示すフローチャート。 本発明の実施例２に係る電力変換装置における速度モデル演算器、速度制御器及びＪ同定器の詳細構成図。

符号の説明

１ インバータ
２ 電動機
３ 制御部
４ 速度センサ
５ 電流検出器

３０、３０Ａ 速度モデル演算器
３１ 速度制御器
３２ Ｊ同定器
３３ ベクトル演算器
３４ ３相−２相電流変換器
３５ トルク電流制御器
３６ 磁束電流制御器
３７ ３相電圧基準変換器
３８ ＰＷＭ制御回路
３９ すべり演算器
４０ 積分器

３０１ ＰＩ制御器
３０２ 乗算器
３０３ 積分器
３０４、３０４Ａ ＰＩ制御器
３０６ 切換器
３１１ ＰＩ制御器

Claims (5)

1. 直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
   から構成され、
   前記制御部は、
   外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、
   前記速度モデルと前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力である補正前トルク基準に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、
   前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御手段と、
   前記速度モデル演算部で用いる前記電動機の駆動系の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定手段と
   を備え、
   前記速度モデル演算部は、
   前記速度基準と前記速度モデルの偏差を入力とし、これを最小化するようにその出力である前記加減速用トルク基準を調節する第１のＰＩ制御器と、
   前記第１のＰＩ制御器の出力に前記電動機の駆動系の慣性モーメントの逆数を乗算する乗算器と、この乗算器の出力を積分して前記速度モデルを得る積分器と
   を具備し、
   前記慣性モーメント同定手段は、
   前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
   前記補正前トルク基準と前記加減速用トルク基準の偏差を入力とする第２のＰＩ制御器と
   を有し、
   前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第２のＰＩ制御器の出力に置き換えて所定時間前記電動機を加速または減速運転し、このときの前記第２のＰＩ制御器の出力を新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
   前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
   から構成され、
   前記制御部は、
   外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、
   前記速度モデルと前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力である補正前トルク基準に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、
   前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御手段と、
   前記速度モデル演算部で用いる前記電動機の駆動系の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定手段と
   を備え、
   前記速度モデル演算部は、
   前記速度基準と前記速度モデルの偏差を入力とし、これを最小化するようにその出力である前記加減速用トルク基準を調節する第１のＰＩ制御器と、
   前記第１のＰＩ制御器の出力に前記電動機の駆動系の慣性モーメントの逆数を乗算する乗算器と、この乗算器の出力を積分して前記速度モデルを得る積分器と
   を具備し、
   前記慣性モーメント同定手段は、
   前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
   前記速度モデルと前記速度帰還信号の偏差を入力とする第３のＰＩ制御器と
   を有し、
   前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第３のＰＩ制御器の出力に置き換えて所定時間前記電動機を加速または減速運転し、このときの前記第３のＰＩ制御器の出力を新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記切換手段を運転側に選択して前記電動機を加速または減速運転したときの前記速度モデルと前記速度帰還信号との偏差が所定値以下であることを以って、前記慣性モーメントの測定の完了を判定するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記慣性モーメント同定手段は、
   前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換器と
   前記補正前トルク基準と前記加減速用トルク基準の偏差を入力とする第２のＰＩ制御器と
   を有し、
   前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第２のＰＩ制御器の出力に置き換えて前記電動機を加速または減速運転し、前記速度基準と前記速度帰還信号との偏差が所定値以下となったときの前記第２のＰＩ制御器の出力を、新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記慣性モーメント同定手段は、
   前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換器と
   前記速度モデルと前記速度帰還信号の偏差を入力とする第３のＰＩ制御器とを有し、
   前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第３のＰＩ制御器の出力に置き換えて前記電動機を加速または減速運転し、前記速度基準と前記速度帰還信号との偏差が所定値以下となったときの前記第３のＰＩ制御器の出力を、新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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