JP5972505B1

JP5972505B1 - インバータ装置

Info

Publication number: JP5972505B1
Application number: JP2016518795A
Authority: JP
Inventors: 貴浩市川; 裕諸井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: US10079556B2; WO2016121113A1; JPWO2016121113A1; CN107258050A; CN107258050B; US20170331391A1

Abstract

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部１１と、コンバータ回路部１１により変換された直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を負荷に供給するインバータ回路部１２と、インバータ回路部１２の出力電流を検出する電流検出部１３と、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、出力周波数を算出する算出部１４と、算出部１４により算出された出力周波数に基づいてパルス信号を出力するパルス信号出力部１５を備え、インバータ回路部１２は、パルス信号出力部１５により出力されるパルス信号に基づいて、負荷の大きさに対応した周波数になるように、コンバータ回路部１１により変換された直流電圧を交流電圧に変換する。負荷変動の影響を受けずに、負荷の大きさに対応した周波数に調整することができる。

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置に関する。

インバータ装置は、電圧と周波数とを調整することにより、昇降機、クレーン、立体駐車場および印刷機械の昇降速度を制御している。

特許文献１には、ウインチの索条を巻き取ったり、巻き戻したりするための誘導電動機が過トルク状態になることを抑制するインバータ装置が開示されている。特許文献１のインバータ装置は、トルク電流検出回路によって検出されたトルク電流が設定レベルを超えて過トルク状態になったときには、速度検出器から出力された誘導電動機の速度に基づいて、インバータで生成する交流電圧の周波数と電圧とを決定している。

特開平１０−１９１６８９号公報

しかしながら、特許文献１のインバータ装置は、過トルク状態のときに、誘導電動機の速度に基づいて周波数を決定しているため、大きな負荷変動が起こり、負荷の大きさに対応した周波数に到達するまで多くの時間を要する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、負荷変動の影響を受けずに、負荷の大きさに対応した周波数に調整することができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部により変換された直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を負荷に供給するインバータ回路部と、インバータ回路部の出力電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出された出力電流に基づいて、出力周波数を算出する算出部と、算出部により算出された出力周波数に基づいてパルス信号を出力するパルス信号出力部を備え、インバータ回路部は、パルス信号出力部により出力されるパルス信号に基づいて、コンバータ回路部により変換された直流電圧を負荷に対応した周波数の交流電圧に変換することを特徴とする。

本発明にかかるインバータ装置は、負荷変動の影響を受けずに、負荷の大きさに対応した周波数に調整することができる。

実施の形態１にかかるインバータ装置の構成図実施の形態１にかかるトルク電流制限値算出部によるトルク電流制限値の算出手順についての説明に供する図実施の形態１にかかる算出部の動作についての説明に供するフローチャート実施の形態１にかかる出力周波数算出部の動作についての説明に供する図実施の形態１にかかる出力周波数とトルク電流との関係についての説明に供する図実施の形態２にかかるインバータ装置の構成図実施の形態２にかかる補正周波数算出部による補正周波数の算出手順についての説明に供する図実施の形態２にかかる算出部の動作についての説明に供するフローチャート実施の形態２にかかる算出部の構成を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態にかかるインバータ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるインバータ装置１の構成を示す図である。図２は、実施の形態１にかかるトルク電流制限値と出力周波数との関係を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる算出部の動作についての説明に供するフローチャートである。図４は、実施の形態１にかかる出力周波数算出部の動作についての説明に供する図である。図５は、実施の形態１にかかる出力周波数とトルク電流との関係についての説明に供する図である。

インバータ装置１は、交流電源２から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を再び交流電圧に変換し、変換した交流電圧をモータ３に供給する。インバータ装置１は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部１１と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路部１２と、インバータ回路部１２の出力電流を検出する電流検出部１３と、出力周波数を算出する算出部１４と、パルス信号を出力するパルス信号出力部１５とを備える。コンバータ回路部１１とインバータ回路部１２との間には、コンバータ回路部１１により変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１６が挿入されている。また、インバータ装置１は、メモリ１７を備えている。詳細は後述するが、メモリ１７は、トルク電流制限基準値とモータ３の定格周波数であるモータ定格周波数とを保持している。

インバータ回路部１２は、パルス信号出力部１５から出力されたパルス信号に基づいて、コンバータ回路部１１により変換された直流電圧を負荷であるモータ３に対応した周波数の交流電圧に変換し、変換後の交流電圧をモータ３に供給する。具体的には、インバータ回路部１２は、ＶＶＶＦ（ＶａｒｉａｂｌｅＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）制御によって交流電圧の周波数と電圧とを可変制御する。

電流検出部１３は、インバータ回路部１２から出力されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の相電流を検出する。なお、当該相電流の総称を出力電流と称する。

算出部１４は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、出力周波数を算出する。なお、算出部１４の詳細な構成については後述する。

パルス信号出力部１５は、算出部１４により算出された出力周波数に基づいて、パルス信号をインバータ回路部１２に出力する。パルス信号は、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された信号である。なお、出力周波数は、周波数指令値とも称されている。

ここで、算出部１４の構成について説明する。算出部１４は、トルク電流を検出するトルク電流検出部２１と、トルク電流制限値を算出するトルク電流制限値算出部２２と、負荷の加速を中断するか、負荷の加速を再開するかを判断する判断部２３と、出力周波数を算出する出力周波数算出部２４とを備える。

トルク電流検出部２１は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、トルク電流を検出する。具体的には、トルク電流検出部２１は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、ｄｑ座標変換を行い、トルク電流を検出する。

トルク電流制限値算出部２２は、出力周波数に基づいて、トルク電流制限値を算出する。ここで、トルク電流制限値算出部２２によるトルク電流制限値の算出手順について説明する。なお、トルク電流制限値は、図２に示すように、出力周波数が上昇すると減少する。

トルク電流制限値算出部２２は、メモリ１７から読み出したトルク電流制限基準値およびモータ定格周波数と、出力周波数算出部２４から入力された出力周波数とを式（１）に代入して、トルク電流制限値を算出する。なお、トルク電流制限値は、モータ３の磁束の減少に従って小さくなる値である。
トルク電流制限値＝トルク電流制限基準値×モータ定格周波数／出力周波数・・・（１）

判断部２３は、トルク電流とトルク電流制限値とに基づいて、負荷の加速を中断するか、負荷の加速を再開するかを判断する。具体的には、判断部２３は、トルク電流がトルク電流制限値以上の場合には、加速を中断する信号を出力周波数算出部２４に出力し、トルク電流がトルク電流制限値未満の場合には、加速を再開する信号を出力周波数算出部２４に出力する。また、以下では、加速を中断する信号は、「０」であり、加速を再開する信号は、「１」であるとするが、判断の結果を区別して出力周波数算出部２４に出力できればよく、「０」および「１」に限られない。

出力周波数算出部２４は、判断部２３の判断に基づいて、出力周波数を算出する。出力周波数算出部２４は、算出した出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。

ここで、算出部１４の具体的な動作について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳＴ１において、トルク電流検出部２１は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、トルク電流を検出する。

ステップＳＴ２において、トルク電流制限値算出部２２は、出力周波数に基づいて、トルク電流制限値を算出する。

ステップＳＴ３において、判断部２３は、トルク電流がトルク電流制限値以上かどうかを判断する。トルク電流がトルク電流制限値以上であると判断した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ４に進み、トルク電流がトルク電流制限値以上ではない、すなわちトルク電流がトルク電流制限値未満であると判断した場合（Ｎｏ）には、ステップＳＴ５に進む。

ステップＳＴ４において、判断部２３は、加速を中断する信号を出力周波数算出部２４に出力する。

ステップＳＴ５において、判断部２３は、加速を再開する信号を出力周波数算出部２４に出力する。

ステップＳＴ６において、出力周波数算出部２４は、判断部２３の判断に基づいて、出力周波数を算出する。

ここで、出力周波数算出部２４の具体的な動作について説明する。なお、以下では、加速を中断する信号が時刻ｔ１に入力され、加速を再開する信号が時刻ｔ２に入力されたものとする。

出力周波数算出部２４は、判断部２３からの信号が入力されていないときおよび、加速を再開する信号が入力されているときには、図４に示すように、目標とする出力周波数ｆｍに到達するまで、一定の時間間隔で一定の割合で増加させた出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。なお、図４中のＡは、加速を中断させずに目標とする出力周波数ｆｍまで増加させていったときの出力周波数の波形を示している。図４中のＢは、加速の中断と再開を行って目標とする出力周波数ｆｍまで増加させていったときの出力周波数の波形を示している。

出力周波数算出部２４は、時刻ｔ１において、判断部２３から加速を中断する信号が入力された場合、出力周波数を増加させずに、同じ値の出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。出力周波数算出部２４は、時刻ｔ２において、判断部２３から加速を再開する信号が入力された場合、一定の割合で増加させた出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。

ここで、出力周波数とトルク電流との関係について説明する。出力周波数は、図５（ａ）に示すように、トルク電流がトルク電流制限値以上になるまで増加してゆく。なお、トルク電流は、図５（ｂ）に示すように、負荷トルク電流と加速トルク電流とを合わせたものである。

判断部２３は、トルク電流がトルク電流制限値以上になった場合には、加速を中断する。トルク電流は、加速が中断されたことによって、加速トルク電流の分だけ減少する。

判断部２３は、トルク電流が減少したことにより、トルク電流がトルク電流制限値未満になった場合には、加速を再開する。出力周波数は、加速の再開によって上昇する。

加速トルク電流がなくなり、加速を中断してもトルク電流が減少しなくなった場合には、出力周波数が上昇しなくなる。つまり、出力周波数が一定になった周波数が目標とする出力周波数ｆｍである。出力周波数算出部２４は、出力周波数が目標とする出力周波数ｆｍに到達した場合、当該出力周波数ｆｍを維持するように一定の出力周波数をパルス信号出力部１５に出力し続ける。

インバータ装置１は、トルク電流がトルク電流制限値以上となった場合に、加速を中断して出力周波数を一定にして、加速トルクを小さくしてトルク電流を減少させ、また、トルク電流がトルク電流制限値未満になった場合に、加速を再開して出力周波数を上昇することにより、最終的に、トルク電流をトルク電流制限値と同一にする。

よって、インバータ装置１は、加速中の負荷変動の影響を受けずに、負荷に対応した出力周波数に調整することができる。

実施の形態２．
つぎに、出力周波数が目標とする出力周波数ｆｍに到達した後のインバータ装置１の構成と動作について説明する。なお、実施の形態２にかかるインバータ装置１は、実施の形態１の構成に補正周波数算出部２５を追加したものである。補正周波数算出部２５以外の構成は、実施の形態１で説明したものと同一であるため、同一の符号を付し、説明を省略する。なお、詳細は後述するが、メモリ１７は、トルク電流制限基準値と、モータ定格周波数と、補正係数とを保持している。

図６は、実施の形態２にかかるインバータ装置１の構成を示す図である。図７は、実施の形態２にかかる補正周波数算出部２５による補正周波数の算出手順についての説明に供する図である。図８は、実施の形態２にかかる算出部１４の動作についての説明に供するフローチャートである。図９は、実施の形態２にかかる算出部１４の構成を示すブロック図である。

算出部１４は、図６に示すように、さらに、トルク電流とトルク電流制限値とに基づいて、補正周波数を算出する補正周波数算出部２５を備える。

トルク電流検出部２１は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、トルク電流を検出し、検出したトルク電流を補正周波数算出部２５に出力する。

トルク電流制限値算出部２２は、出力周波数に基づいて、トルク電流制限値を算出し、算出したトルク電流制限値を補正周波数算出部２５に出力する。

判断部２３は、負荷であるモータ３の加速を中断してもトルク電流が減少しなくなった場合、すなわちトルク電流がトルク電流制限値以上ではないと判断した場合には、トリガー信号を補正周波数算出部２５に出力する。

補正周波数算出部２５は、判断部２３からトリガー信号が入力された場合に、トルク電流とトルク電流制限値とに基づいて、算出した補正周波数を出力周波数算出部２４に出力する。

出力周波数算出部２４は、補正周波数に基づいて、出力周波数を算出し、算出した出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。

ここで、補正周波数算出部２５による補正周波数の算出手順について説明する。なお、以下では、図７に示すように、時刻ｔ３において、判断部２３から補正開始のトリガー信号が入力され、時刻ｔ４において、判断部２３から補正終了のトリガー信号が入力された場合を想定して説明する。また、図７中のＣは、トリガー信号の入力がなかった場合の出力周波数の波形を示している。図７中のＤは、トリガー信号の入力があった場合の出力周波数の波形を示している。

補正周波数算出部２５は、加速の中断後、一定の速度でモータ３を運転中に、負荷が大きくなった場合、トルク電流の上昇を抑制するために、出力周波数を補正する。具体的には、補正周波数算出部２５は、メモリ１７からトルク電流制限基準値と、モータ定格周波数と、補正係数とを読み出す。補正周波数算出部２５は、トルク電流制限基準値と、モータ定格周波数と、補正係数と、トルク電流検出部２１から入力されたトルク電流と、トルク電流制限値算出部２２から入力されたトルク電流制限値とを式（２）に代入して、補正周波数を算出する。
補正周波数＝（（トルク電流−トルク電流制限値）／トルク電流制限基準値）×モータ定格周波数×補正係数・・・（２）

つぎに、算出部１４の具体的な動作について、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳＴ１１において、トルク電流検出部２１は、電流検出部１３により検出された出力電流に基づいて、トルク電流を検出する。

ステップＳＴ１２において、トルク電流制限値算出部２２は、出力周波数に基づいて、トルク電流制限値を算出する。

ステップＳＴ１３において、判断部２３は、トルク電流とトルク電流制限値とに基づいて、加速状態を読み込む処理を行う。

ステップＳＴ１４において、判断部２３は、加速状態を読み込む処理に基づいて、加速を中断するかどうかを判断する。加速を中断する場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ１５に進み、加速を中断しない場合（Ｎｏ）には、一連の処理を終了する。

ステップＳＴ１５において、判断部２３は、トルク電流がトルク電流制限値以上かどうかを判断する。トルク電流がトルク電流制限値以上であると判断した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ１６に進み、トルク電流がトルク電流制限値以上ではない、すなわちトルク電流がトルク電流制限値未満であると判断した場合（Ｎｏ）には、一連の処理を終了する。なお、判断部２３は、本工程において、トルク電流がトルク電流制限値以上であると判断した場合には、トリガー信号を補正周波数算出部２５に出力する。

ステップＳＴ１６において、補正周波数算出部２５は、判断部２３からトリガー信号が入力された場合に、トルク電流とトルク電流制限値とに基づいて補正周波数を算出し、当該補正周波数を出力周波数算出部２４に出力する。

ステップＳＴ１７において、出力周波数算出部２４は、補正周波数に基づいて、出力周波数を算出し、算出した出力周波数をパルス信号出力部１５に出力する。

インバータ装置１は、トルク電流がトルク電流制限値と同一になって加速が中断された後の一定の速度によりモータ３を運転しているときに、補正周波数に基づいて出力周波数を算出するので、負荷変動を抑制でき、過負荷によってモータ３が停止してしまうことを防止することができる。

なお、上述した実施の形態１および実施の形態２にかかる算出部１４は、図９に示すように、演算を行うＣＰＵ１０１と、ＣＰＵ１０１により読み取られるプログラムが保存されるＲＯＭ１０２と、ＲＯＭ１０２に保存されているプログラムが展開されるＲＡＭ１０３と、信号の入出力を行うインターフェイス１０４とから構成されてもよい。算出部１４の各構成要素は、プログラム化され、ＲＯＭ１０２に保存されている。インターフェイス１０４は、電流検出部１３から出力信号が入力され、パルス信号出力部１５に出力周波数を出力する。

ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に保存されているプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ１０３に展開し、電流検出部１３から入力された出力信号と、メモリ１７に保存されているデータとに基づいて演算を行い、上述した出力周波数を算出する。ＣＰＵ１０１によって算出された出力周波数は、インターフェイス１０４を介してパルス信号出力部１５に出力される。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１インバータ装置、２交流電源、３モータ、１１コンバータ回路部、１２インバータ回路部、１３電流検出部、１４算出部、１５パルス信号出力部、１６平滑コンデンサ、１７メモリ、２１トルク電流検出部、２２トルク電流制限値算出部、２３判断部、２４出力周波数算出部、２５補正周波数算出部。

Claims

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部と、
前記コンバータ回路部により変換された直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を負荷に供給するインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の出力電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された出力電流に基づいて、トルク電流を検出するトルク電流検出部と、
出力周波数に基づいて、トルク電流制限値を算出するトルク電流制限値算出部と、
前記トルク電流と前記トルク電流制限値とに基づいて、前記負荷の加速を中断するか、前記負荷の加速を再開するかを判断する判断部と、
前記判断部の判断に基づいて、前記出力周波数を算出する出力周波数算出部と、
前記出力周波数算出部により算出された出力周波数に基づいて、パルス信号を出力するパルス信号出力部と、を備え、
前記インバータ回路部は、前記パルス信号出力部により出力されるパルス信号に基づいて、前記コンバータ回路部により変換された直流電圧を前記負荷に対応した周波数の交流電圧に変換することを特徴とするインバータ装置。
前記トルク電流と前記トルク電流制限値とに基づいて、補正周波数を算出する補正周波数算出部をさらに備え、
前記判断部は、前記負荷の加速を中断し、トルク電流がトルク電流制限値以上であると判断した場合、トリガー信号を前記補正周波数算出部に出力し、
前記補正周波数算出部は、前記トリガー信号が入力された場合に、前記補正周波数を前記出力周波数算出部に出力し、
前記出力周波数算出部は、前記補正周波数に基づいて、出力周波数を算出する請求項１記載のインバータ装置。