JP5540060B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータを制御する装置に関するものである。

一般に、インバータは、電動機の速度とトルクを制御する装置である。
最近、電力転換装置を利用したインバータにおいて、インバータの性能だけでなく信頼性の問題が産業界で重要となっている。実際、工程自動化設備と半導体設備等の電源品質に敏感な負荷が増加することによって、インバータの信頼性はより一層強調されている。

図１は、従来の誘導電動機駆動システムの構成図であり、図２は、図１のインバータの構成図である。

図２において、３相交流電源は、整流部１１０により直流に整流され、平滑部１２０によりリップルが低減されてインバータ部１３０に印加される。この時、電圧検出部１４０は、平滑部１２０のＤＣリンク電圧で瞬間停電の有無を判断する。

即ち、ＤＣリンク電圧の判断の結果、ＤＣリンク電圧が停電基準電圧以上の場合、周波数発生部１５０は低電圧状態でないことを認識し、速度指令に従って周波数可変信号をインバータ部１３０に出力する。そして、インバータ部１３０は、周波数可変信号によってスイッチングされてＤＣリンク直流電圧を３相交流電圧に変換して誘導電動機２００に印加する。

一方、検出されたＤＣリンク電圧が、停電基準電圧以下の場合、周波数発生部１５０は、電圧検出部１４０から電圧の印加を受けることができず、インバータ部１３０は、誘導電動機２００側に駆動電圧を印加することができない。

この時、誘導電動機２００は、下記[数１]によって一定トルクを発生し、電源が遮断された状態でも一定時間、即ち、負荷３００の慣性エネルギーを摩擦負荷で消尽する時間の間、回転を維持した後、停止する。

正常のインバータ運転状態では、インバータ１００の停止指令によってインバータ出力周波数が徐々に減少して、誘導電動機２００が停止するようになるが、電源事故等予期せぬ停電状態が発生すると、インバータ１００は出力を遮断し、誘導電動機２００の慣性エネルギーによって一定時間回転後に停止する。

既存誘導電動機２００は、電源事故等の予期せぬ停電事故が発生して、平滑部１２０のＤＣリンク電圧が低電圧以下になると、インバータ１００は故障と判断して、出力を遮断する。この時、入力電源を遮断した後、インバータ１００の出力が遮断される時間は、負荷量及びインバータのＤＣリンクキャパシターの容量に応じて決定される。

このようなインバータ１００のＤＣリンク電圧を制御して、負荷３００の慣性エネルギーをＤＣリンクに還元するのを電圧降下補償という。即ち、電圧降下補償は、瞬間停電が発生しても、インバータ１００の制御電源を保障して、出力の遮断なしにインバータ１００を連続運転しようとするものである。

インバータ１００の入力端に停電が発生すると、ＤＣリンク電圧が低くなり、低電圧トリップ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒｉｐ、ＬＶＴ)を引き起こす。それだけでなく、電源が遮断されても負荷３００の慣性エネルギーによって誘導電動機２００の回転が一定時間持続する。この場合、インバータ１００を再起動するためには、インバータ１００が完全に停止するのを待たなければならない。仮に、インバータが工程自動化設備や半導体設備等の重要な負荷に適用された場合には、非常に大きい損失を招く恐れがある。

電圧降下補償は、このような問題を解決するためのものであって、瞬間停電の発生時にインバータの出力遮断を防止するために、ＤＣリンク電圧を停電基準電圧以上に維持するものである。

しかし、負荷が印加されている場合には、ＤＣリンク電圧が急激に減少するため、このような従来の電圧降下補償によってはインバータの制御が不可能となる問題がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、瞬間停電の発生時に電動機を停止しないで運転を可能にし、停電発生後にインバータを安全に遮断するインバータ制御装置を提供することである。

前述のような技術的課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、インバータのＤＣリンク電圧を検出する第１検出部、インバータから電動機に出力された出力電流から負荷量を検出する第２検出部、及び瞬間停電発生時に検出した負荷量を瞬間停電発生時の指令周波数から減算して、電動機を駆動する指令電圧及び指令周波数を出力する制御部を含む。

本発明の一実施形態において、制御部は、瞬間停電発生時のＤＣリンク電圧が、停電基準電圧以下で低電圧トリップレベル以上を維持するように負荷量を制御できる。
本発明の一実施形態において、制御部は、電動機のスリップ周波数を０に近づけるように制御できる。

本発明の一実施形態において、制御部は、ＤＣリンク電圧が復電基準電圧以下に降下する場合、指令周波数と指令電圧の比(Ｖ／Ｆ)を調節して、電動機の回転速度を減少することができる。

本発明の一実施形態において、制御部は、ＤＣリンク電圧がＬＶＴレベル以下に減少する前に出力を遮断することができる。

本発明は、瞬間停電発生時、ＤＣリンク電圧だけでなく、負荷量を検出して、インバータを連続的に運転できるようにし、制御特性を向上して、インバータシステムの性能を改善することができる。
従って、本発明は、工程自動化ラインや半導体設備等の信頼性が求められる重要設備の信頼性を向上できる。

従来の誘導電動機駆動システムの構成図である。 図１のインバータの構成図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置が適用されたインバータシステムの一実施形態の構成図である。 本発明のインバータ制御によって瞬間停電発生後の、復電時ＤＣリンク電圧と出力周波数との関係を説明するための一実施形態のグラフである。 本発明のインバータ制御によって停電時のＤＣリンク電圧と出力周波数との関係を説明するための一実施形態のグラフである。 本発明のインバータ制御方法を説明するための一実施形態のフローチャートである。 本発明のインバータ制御によって瞬間停電発生後の、復電時ＤＣリンク電圧と出力周波数の試験波形の一例示図である。 本発明のインバータ制御によって停電時ＤＣリンク電圧と出力周波数の試験波形の一例示図である。

本発明は、種々の変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができ、特定の実施形態を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態について限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置が適用されたインバータシステムの一実施形態の構成図である。

図示したように、本発明が適用されるインバータシステムは、インバータ１０、本発明のインバータ制御装置２０、誘導電動機３０及び負荷４０で構成され、インバータ１０に３相交流電源が印加される。

インバータ１０は、印加される３相交流電源を直流電圧に変換する整流部１１、変換した直流電圧のリップルを低減する平滑部１２、直流電圧を可変した３相出力に変換するインバータ部１３を含む。ＤＣリンク電圧とは、平滑部１２に印加される直流電圧をいう。

また、本発明のインバータ制御装置２０は、電圧検出部２１、ゲート駆動部２２、負荷量検出部２３及び制御部２４を含む。
電圧検出部２１は、ＤＣリンク電圧を検出する。
負荷量検出部２３は、インバータ部１３の出力電流を介して負荷量を検出する。

制御部２４は、誘導電動機３０を駆動する指令電圧及び指令周波数を計算してゲート駆動部２２を提供し、ゲート駆動部２２は、制御部２４の制御によって、インバータ部１３に指令電圧及び指令周波数に応じたゲート(ｇａｔｉｎｇ)信号を出力する。

本発明のインバータ制御装置２０は、瞬間電圧降下／瞬間停電時のＤＣリンク電圧を利用して、インバータの連続運転を行い、停電発生時に電動機２０を停止した後、インバータ１０を停止して、ユーザの安全を保障する。

本発明のインバータ制御装置２０の動作を説明すると下記の通りである。
インバータ制御装置２０は、瞬間停電が発生した場合、電動機３０の連続運転が可能となるように、電圧検出部２１がＤＣリンク電圧を検出し、負荷量検出部２３が停電時インバータ１０の出力電流を受信して負荷量を検出する。負荷量は、例えば、電動機３０に印加されるｑ軸電流である。

制御部２４は、停電発生時に印加されている負荷量に応じて、ＤＣリンク電圧が急激に低くならないように、ＤＣリンク電圧を制御し、電動機３０のスリップ周波数を「０」に近づけるため負荷量を制御する。
即ち、制御部２４は、正確な速度で停電する瞬間の負荷量を検出して現在の指令周波数から減算する。

一般に、誘導電動機３０の回転速度は、指令周波数からスリップ周波数を減算したものである。従来のインバータシステムにおいては、瞬間停電が発生した場合、指令周波数が一定に維持され、実際に誘導電動機３０の回転速度が減少することによって、スリップ周波数が大きくなる。スリップ周波数が大きくなる場合、ＤＣリンクに保存されているエネルギーが瞬間的に消費されて、制御が不可能な場合が生じる。

従って、本発明の制御部２４は、瞬間停電が発生した場合、指令周波数を任意に減少して、スリップを最小化し、ＤＣリンクのエネルギーを最大限利用するものである。

図４Ａは、本発明のインバータ制御によって瞬間停電の発生後、復電時のＤＣリンク電圧と指令周波数との関係を説明するための一実施形態のグラフである。
図示したように、停電基準電圧以下及びＬＶＴレベル以上で負荷量の推定を介して最大限安定的に復電されるまで負荷量を利用してインバータを連続運転する。

また、制御部２４は、瞬間停電発生後の復電時、ＤＣリンク電圧が停電基準電圧まで上昇する場合、電動機の回転速度が上昇するように指令周波数を制御することができる。

一方、インバータシステムに停電が発生した場合、インバータ１０の出力が遮断されても誘導電動機３０は慣性によって回転する。従って、制御部２４は慣性エネルギーを利用して、インバータ１０の停止なしに指令周波数と指令電圧の比(Ｖ／Ｆ比)を調節して、最小エネルギーで運転するように減速する。

これによって、ＤＣリンク電圧は減少し、ＬＶＴレベル以下にＤＣリンク電圧が減少すると、制御部２４がインバータ１０の出力を遮断して、誘導電動機３０が停止した状態でインバータ１０の電源を遮断することができる。

図４Ｂは、本発明のインバータ制御によって停電時のＤＣリンク電圧と指令周波数との関係を説明するための一実施形態のグラフである。
図示したように、本発明の制御部２４は、瞬間停電時間が長くなる場合、ＤＣリンク電圧の慣性エネルギーが全部消尽されるまで出力周波数を減少させて、ＤＣリンク電圧がＬＶＴレベル以下になる前にインバータ１０を停止するように制御する。

従来は、ＤＣリンク電圧制御だけを行ったため、負荷量と加減速速度に応じてＤＣリンク電圧及び電流が激しく振動(ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ)して、安定した制御が難しい場合が生じた。しかし、本発明によると、負荷量の推定を利用した制御を行うことによって、より安定してインバータを制御して停止することができ、誘導電動機３０が停止した状態でインバータ１０の電源を遮断して、ユーザの安全を保障できる。

図５は、本発明のインバータ制御方法を説明するための一実施形態のフローチャートであり、図３の制御部２４の制御を示した図である。
図示したように、本発明の制御方法において、制御部２４は、ＤＣリンク電圧を検出して、ＤＣリンク電圧と既設定された停電基準電圧及び復電基準電圧との比較を行って、正常モード、停電モード及び復電モードを決める。

先に、電圧検出部２１がＤＣリンク電圧を検出して(Ｓ５１)、ＤＣリンク電圧が停電基準電圧より大きくない場合には(Ｓ５２)、停電モード制御を行う（Ｓ５３)。
即ち、制御部２４は、誘導電動機３０の慣性エネルギーがインバータで回復されるように、指令周波数と指令電圧との比(Ｖ／Ｆ比)を変更して、インバータ部１３に指令周波数を出力し、誘導電動機３０が停止すると、インバータ１０を停止させる。

一方、ＤＣリンク電圧が停電基準電圧より大きい場合(Ｓ５２)、一定時間が経過すると、復電基準電圧以上に成るか否か判断する(Ｓ５４)。この場合、制御部２４は、正常モード制御を行う(Ｓ５５)。

Ｓ５４において、一定時間が経過しても復電基準電圧より大きくない場合には、復電時間をカウントする(Ｓ５６)。カウントした復電時間が復電基準時間より長くなると(Ｓ５７)、慣性エネルギー、即ち回生量を演算して(Ｓ５８)、慣性エネルギーがある場合には(Ｓ５９)、停電モード制御を行う(Ｓ６０)。 即ち、制御部２４は、誘導電動機３０の慣性エネルギーがインバータで回生されるように指令周波数と指令電圧との比(Ｖ／Ｆ比)を変更して、インバータ部１３に指令周波数を出力し、誘導電動機３０が停止すると、インバータ１０を停止させる。

Ｓ５９において、慣性エネルギーがない場合には、復電モード制御を行うが(Ｓ６１)、制御部２４は、停電以前と同様に、正常にインバータ１０を制御することとなる。

図６Ａは、本発明のインバータ制御によって瞬間停電発生後の復電時ＤＣリンク電圧と指令周波数の試験波形の一例示図であり、図６Ｂは、本発明のインバータ制御によって停電時ＤＣリンク電圧と指令周波数の試験波形の一例示図であって、負荷４０として空調用ファンを用いた場合を示した図である。

図６Ａに示したように、２秒以内の瞬間停電後の復電時に正常目標周波数に安定的に復帰することが分かる。また、図６Ｂに示したように、停電時間が長くなる場合にも負荷量を推定して安定的にＤＣリンク電圧を制御して、指令周波数が０になって誘導電動機３０が停止するまでＤＣリンクの制御が可能となる。

本発明は、インバータの入力端に瞬間停電が発生する場合、システムの信頼性確保のために、電圧降下補償を介して瞬間停電を補償する。
このような本発明の制御は、瞬間停電の発生時、ＤＣリンク電圧だけでなく、負荷量を検出して、インバータを連続的に運転可能にし、制御特性を向上させ、インバータシステムの性能を改善することができる。これにより、工程自動化ラインや半導体設備等の信頼性が求められる重要設備の信頼性を向上することができる。

一方、本発明の多様な実施形態は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータが読み込み可能なプログラムコードを記録して実現することができる。本発明の多様な実施形態がソフトウェアを利用して実行される場合、本発明の構成手段は必要な作業を実行する複数のコードセグメントである。また、複数のプログラムまたはコードセグメントは、コンピュータのプロセッサで読み取り可能な媒体に保存され、または、伝送媒体または通信網を介して搬送波と結合したコンピュータデータ信号として転送できる。

コンピュータで読み取り可能な記録媒体として、コンピュータシステムが読み込み可能なデータを保存する全種類の記録装置を含んでもよい。例えば、コンピュータで読み取可能な能記録媒体としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ‐ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ保存装置等が含まれる。また、ネットワークに連結されたコンピュータシステムにコンピュータで読み取り可能な記録媒体を分散配置して、コンピュータが読み込み可能なコードが分散方式で保存されて実行できるようにしてもよい。

以上、代表的な実施形態により、本発明を詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前述した実施形態に対し本発明の範囲から逸脱しない限り多様な変形ができることを理解するだろう。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて決まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物によって定まらなければならない。

１０、１００ インバータ
１１、１１０ 整流部
１２、１２０ 平滑部
１３、１３０ インバータ部
２０ インバータ制御装置
２１、１４０ 電圧検出部
２２ ゲート駆動部
２３ 負荷量検出部
２４ 制御部
３０、２００ 誘導電動機
４０、３００ 負荷

Claims (5)

1. インバータのＤＣリンク電圧を検出する電圧検出部と、
   前記インバータから電動機に出力された出力電流から負荷量を検出する負荷量検出部と、
   瞬間停電発生時に前記負荷量検出部が検出した負荷量に対応する周波数を、瞬間停電発生時の指令周波数から減算して指令周波数を補正し、前記の補正された指令周波数と前記補正された指令周波数に対応する補正された指令電圧を出力する制御部と、
   前記補正された指令周波数と前記補正された指令電圧に応じて前記インバータを制御するゲート信号を出力するゲート駆動部と、を含むことを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記制御部は、瞬間停電発生時の前記ＤＣリンク電圧が停電基準電圧以下で低電圧トリップレベル（ＬＶＴ）以上を維持するように負荷量を制御する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記制御部は、前記電動機のスリップ周波数を０に近づけるように制御する、請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記制御部は、前記ＤＣリンク電圧が復電基準電圧以下に降下する場合、指令周波数と指令電圧との比(Ｖ／Ｆ)を調節して、前記電動機の回転速度を減少させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
5. 前記制御部は、ＤＣリンク電圧がＬＶＴレベル以下に減少する前に出力を遮断する、請求項４に記載の制御装置。

Images