JP6262624B2

JP6262624B2 - 電動機駆動装置

Info

Publication number: JP6262624B2
Application number: JP2014187705A
Authority: JP
Inventors: 隼人山田; 将生森田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: JP2016063562A

Description

この発明は、複数のインバータで複数の巻線を有する交流電動機を駆動する電動機駆動装置に関する。

近年、インバータによる交流電動機駆動において、交流電動機の軸出力トルクのトルクリプルを低減させるため、又は冗長化のため、交流電動機に複数の巻線を設け、その巻線の各々に１対１で対応する形でインバータ駆動する手法が用いられている。そして、インバータを各巻線に接続して交流電力を供給することで駆動する多重電動機に対して、負荷量に応じて所定数のインバータを動作させることによって低負荷時の効率を向上し、また、一部のインバータまたは巻線異常時にトルク低下等の不具合を抑制するために全体の負荷量を前記のインバータに分担させるように制御する提案も為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００１−１５７４８７号公報（全体）

上記のごとき従来の電動機駆動装置では、インバータ運転台数を変更するとき、負荷量を各々のインバータへ分配する際にトルク基準が瞬時に切換るようになっていた。そのため、トルク基準切換時に電動機の電流がステップ応答となり、また、ハード的信号遅延などによってトルク基準切換えタイミングにズレが生じて、電動機の振動および騒音が発生するという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するために為されたものであり、インバータの運転台数変更時の電動機の振動および騒音の発生を抑制することのできる電動機駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動装置は、複数の巻線を有する交流電動機と、前記各巻線に対応して設けられ、交流電力を出力する複数台のインバータと、前記各々のインバータの運転指令に応じて、与えられた全体のトルク基準を各々のインバータに分配する信号分配処理手段とを具備し、前記信号分配処理手段は、前記全体のトルク基準に各々のインバータに対応したトルク分配比率を乗算してトルク基準を分配すると共に、前記運転指令の何れかが変化したとき、前記各々のトルク分配比率の変化に対して全体のトルク基準の値を保持するようにレートを付加するレート付加手段を各々有し、前記各々のインバータは、前記全体のトルク基準と前記レート付加手段の出力の乗算値に応じて電流制御を行うことを特徴としている。

本発明によれば、インバータの運転台数変更時の電動機の振動および騒音の発生を抑制することのできる電動機駆動装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電動機駆動装置の回路構成図。実施例１に係る電動機駆動装置のレート回路のブロック構成図と動作説明図。他のレート回路のブロック構成図。実施例１に係る電動機駆動装置のトルク基準分配器の動作フローチャート。実施例１に係る電動機駆動装置の動作例の説明図。本発明の実施例２に係る電動機駆動装置の回路構成図。実施例２に係る電動機駆動装置のトルク基準分配器の動作フローチャート。本発明の実施例３に係る電動機駆動装置の回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電動機駆動装置を図１乃至図４を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機駆動装置の回路構成図である。

多重電動機５は各巻線の相互間が電気的に絶縁され、インバータ１１乃至１Ｎ（図のＩＮＶ１乃至ＩＮＶｎに相当）の各々を各巻線に接続して交流電力を供給することによって駆動される。インバータ１１乃至１Ｎは夫々、変換器２１乃至２Ｎを有し、例えばＤＣ電源から供給される直流電力を交流電力に変換している。これらの変換器２１乃至２Ｎの変換回路を構成するスイッチング素子には、夫々電流制御器３１乃至３Ｎの出力から制御信号が与えられている。電流制御器３１乃至３Ｎは、変換器２１乃至２Ｎの出力電流を検出する電流検出器４１乃至４Ｎからのフィードバック信号が夫々与えられた電流基準となるように制御を行う。尚、電流制御器３１乃至３Ｎの出力とスイッチング素子の間には電流制御器３１乃至３Ｎの直接の出力である電圧基準を複数のスイッチング素子の制御信号であるゲート信号に変換するための、例えばＰＷＭ制御器などが介在するが、ここではそれらの図示を省略している。また、図１における多重電動機５は、電気的に絶縁された複数の単相巻線から成る多相電動機、或いは出力軸が機械的に接続された複数台の交流または直流電動機等に置き換え可能である。

多重電動機５には速度検出器５１が接続されており、この検出信号はフィードバック信号として速度制御器６に与えられる。速度制御器６においては、与えられた速度指令にこの速度フィードバック信号が追従するようにトルク基準を出力する。そしてこのトルク基準は信号分配処理回路７を介してインバータ１１乃至１Ｎに夫々トルク基準１乃至トルク基準ｎとして分配される。通常、インバータ１１乃至１Ｎにおいてはこのトルク基準と別途定められた磁束基準とからトルク成分電流基準を演算し、電流検出器４１乃至４Ｎからのフィードバック信号のトルク成分とを比較することによってトルク軸の電流制御を行う。また、励磁軸については、例えば与えられた励磁成分電流基準となるようにフィードバック信号の励磁成分を分離制御する。多重電動機５が同期電動機の場合は励磁成分電流基準を０に設定する場合がある。これらの制御はベクトル制御として知られている。

以下、信号分配処理回路７の内部構成について説明する。速度制御器６の出力であるトルク基準をインバータ１１乃至１Ｎに夫々対応する乗算器８１乃至８Ｎに与える。乗算器８１乃至８Ｎは、この全体のトルク基準に、以下に述べるトルク分配比率を夫々掛け合わせ、その結果をレート回路９１、・・・、９Ｎに与える。そしてレート回路９１、・・・、９Ｎの出力が前述のトルク基準１乃至トルク基準ｎとなる。

運転信号判別器７１は各インバータ１１乃至１Ｎのｎ台のインバータの各々の運転指令を確認する。そしてこの情報に基づいて、乗数演算器７２は与えられた運転台数ｍに従ってトルク分配比率１／ｍを演算して出力し、信号選択器７３に与える。信号選択器７３にはこのトルク分配比率１／ｍの他０が与えられており、運転信号判別器７１によって確認されたインバータ１１乃至１Ｎの各々の運転指令が運転であればトルク分配比率１／ｍを、停止であればトルク分配比率０を選択する。このような選択を行えば、全体のトルク基準が運転するインバータｍ台に均等に分配される。

次にレート回路９１乃至９Ｎの内部構成及び動作について図２を参照して説明する。図２（ａ）はレート回路９１の内部構成の一例を示すブロック構成図である。分配されたトルク基準信号をレート関数発生器９１３の一方の入力に与えると共に、ディレイ回路９１１を介して短時間Δｔ遅延させた信号を他方の入力に与える。そしてこれら二つの信号を比較回路９１２にも与える。比較回路９１２において、両者の信号差が所定の閾値を超えたとき、比較回路９１２はレート関数発生器９１３にトリガ信号を与える。このトリガ信号が与えられたときのトルク基準信号をｒＡ、ディレイ回路９１１を介した信号をｒＢとしたとき、レート関数発生器９１３は、ｙ（ｔ）＝ｒＢ＋（ｒＡ−ｒＢ）ｔ／ΔＴで演算されるレート信号をΔＴの期間切替器９１４に出力する。切替器９１４は、通常はレート回路９１の入力信号をそのまま選択して出力するが、上記レート信号が入力される期間、すなわち、トリガ信号が与えられてからΔＴの期間だけレート関数発生器９１３の出力を選択するように切替制御される。このレート回路の入出力特性を図２（ｂ）に示す。入力信号は破線で示すように時刻Ｔ０でｒＡからｒＢにステップ的に変化する。そして時刻Ｔ０でトリガ信号が得られ、実線で示す出力信号は時刻Ｔ０から時刻（Ｔ０＋ΔＴ）まで、上記レート信号に置き換わる。

このようにトルク基準のレートを制御することで、レート信号出力中もトータルのトルク基準は一定にすることができる。トルク基準のレートの傾き（ｒＡ−ｒＢ）／ΔＴは、電流制御器の電流応答時間より十分大きくして電動機の電流がランプ応答となるようにして、電動機の振動および騒音を抑制する。また、トルク基準のレートは直線としているが、全体のトルク基準が一定のとき、この一定値が変化しないようなレート出力であれば、トルクの変化率を滑らかにする所謂Ｓ字カーブなどの形状であっても置き換え可能である。ここで一定値が変化しないとはその変動率が所定の閾値以下という意味である。また、ディレイ回路９１１の遅延時間は通常はΔｔ≪ΔＴとしておく。

図２（ａ）のレート回路は、レート信号出力中に新たに運転台数切替などによってトルク分配比率が変化しない場合には有効であるが、レート信号出力中に入力信号の変化があったときの対応ができない。そこで、図３（ａ）のレート回路９１Ａに示すように、レート関数発生器９１３の他方の入力には切替器９１４の出力にディレイ回路９１５を介した信号ｒＢを与えるようにする。このようにすれば、レート信号出力中に入力信号の変化があったときのｒＢの値は切替器９１４の出力すなわちレート回路９１Ａの出力となっているので、この値を初期値としてレート演算を行うことによって、レート信号出力中に変化した入力値ｒＡにスムースに移行することが可能となる。尚、図３（ｂ）に示すように、図２（ａ）のレート関数発生器９１３の他方の入力の前段に切替器９１６を設け、レート信号出力中にはこの他方の入力には切替器９１４の出力を与えるようにレート回路９１Ｂを構成しても図３（ａ）と等価なレート回路を実現することが可能となる。

次に、運転信号判別器７１、トルク分配比率演算器７２及び信号選択器７３によるトルク分配比率決定の動作の詳細について図４のフローチャートに基づいて説明する。このフローチャートは、このトルク分配比率決定の動作をコンピュータのソフトウエアで実現可能であることも示している。まず、ＩＮＶ１乃至ＩＮＶｎの全ての運転指令を読み込む（ＳＴ１）。そして次にこれらの運転指令の何れかが前回から変化したかどうか確認し（ＳＴ２）、変化していなければフローを抜ける。ＳＴ２で変化が確認された場合は、その変化後の運転台数ｍを求め、トルク分配比率１／ｍを演算する（ＳＴ３）。そして次のステップＳＴ４からステップＳＴ９において各インバータのトルク分配比率を定める。まずｋ＝１をセットし（ＳＴ４）、ＩＮＶｋは運転かどうかチェックし（ＳＴ５）、運転していなければトルク分配比率０とし（ＳＴ６）、運転していればトルク分配比率を１／ｍとする（ＳＴ７）。そしてｋ＝ｋ＋１とし（ＳＴ８）、ｋ＝ｎとなったかチェックし（ＳＴ９）、ｋ＜ｎであればＳＴ５に戻って同じ動作を繰り返し、ｋ＝ｎでフローを抜ける。これらの動作を所定の短時間の周期で繰り返すことによって運転指令が変化したときのＩＮＶ１からＩＮＶｎすなわちインバータ１１乃至１Ｎのトルク分配比率を決定し、トルク基準をすべてのインバータに適切に分配することができる。

ここで、ステップＳＴ２の出力を前述した比較回路９１２の出力であるトリガ信号の代わりに用いることができる。このステップＳＴ２の出力をレート回路９１乃至９Ｎ全てのトリガ信号として用いれば、比較回路９１２を省略できる。但しこの場合は、全体のトルク基準が急変したとき、レート回路９１乃至９Ｎを作動させることができない。通常は、全体のトルク基準の急変に対してレートを付加するようにするので図２または図３のレート回路を使用する。

次に、以上の動作例を運転チャート例として図５に示す。図５はインバータ台数ｎ＝６台の場合であり、同一のトルク基準に対してこれを各インバータの電流基準に変換した波形を上側６段に、各インバータの運転指令を下側６段に示している。そして時刻Ｔ０からＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９と進むに連れて順に運転台数を１（ＩＮＶ１）、２（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２）、３（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３）、４（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ４、ＩＮＶ５）、６（全ＩＮＶ）、５（ＩＮＶ６を除くＩＮＶ）、３（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３）、２（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２）、１（ＩＮＶ１）、０と順次変化させた場合を示している。この図から、トルク基準が一定の状態で運転指令を変化させたとき、レート回路が変化後のトルク基準（トルク分配比率）に向けて適切に動作していることが分かる。

尚、図５において例えば時刻Ｔ９で停止操作を行ったとき、Ｔ９＋ΔＴの時刻までインバータ１１は運転を続行する必要があることが分かる。すなわち、停止時のトルク急変を防止するため、インバータ１１乃至１Ｎの各々に与える運転指令がオフした後、ΔＴだけ遅延させて各々のインバータを停止させるようにしている。この場合、非常停止などが必要な場合は遅延させないような別信号を設ければ良い。

図６は本発明の実施例２に係る電動機駆動装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動装置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、各インバータの容量が異なる場合を考慮し、信号分配処理回路７Ａ内に各インバータの定格容量を予め記憶しておくメモリ回路７４を設け、トルク分配比率演算器７２Ａにおいて、容量の異なるインバータ毎に対応するトルク分配比率を演算して出力するように構成した点である。

この実施例２のトルク分配比率の決定手法について図７のフローチャートに従って以下説明する。尚、図４の実施例１のフローチャートと同一部分については説明を省略する。ステップＳＴ３で運転／停止の指令の何れかが前回から変化している場合は、運転指令のあるｍ台のインバータについてメモリ回路７４からその定格容量を読み込み、これらの容量の総和ＰＴを演算する。そして、ステップＳＴ５で運転指令のあるインバータＩＮＶｋについては、そのトルク分配比率を、総容量ＰＴに対する当該インバータＩＮＶｋの容量Ｐｋの割合すなわちＰｋ／ＰＴとする。

以上のようにすれば、信号分配処理回路７Ａはｎ台のインバータ１１乃至１Ｎの容量が同一でなくても、与えられたトルク基準に対して各インバータの負荷率が同一となるようにトルク基準を各インバータに対して分配することが可能となる。

図８は本発明の実施例３に係る電動機駆動装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動装置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３が実施例１と異なる点は、信号分配処理回路７Ｂにおいては、レート回路９１乃至９Ｎを、乗算器８１乃至８Ｎの各々の出力側でなく、信号選択回路７３の出力である各々のトルク分配比率に対して設ける構成とした点である。このように各々のインバータのトルク基準ではなくトルク分配比率に対してレートを設ける構成とすることにより、図２（ａ）乃至図３の構成を持つレート回路を用いた場合であっても、運転指令が変化したときのみレート回路９１乃至９Ｎが動作する。この実施例３によれば、レート回路９１乃至９Ｎが作動中に全体のトルク基準が変化しても、分配されたトルク基準は、その総和が全体のトルク基準と一致した状態で全体のトルク基準に追従することが可能となる。尚、この実施例３に図２（ａ）のレート回路９１を適用した場合は、トルク基準ｒＡ、ｒＢに代えてトルク分配比率ｄＡ、ｄＢを用いれば良いことは明らかである。

以上本発明の実施例を説明したが、これは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、速度制御器６を省略し、全体のトルク指令を直接信号分配処理回路７に与える構成としても良い。

また、図１におけるトルク基準を電流基準に置き換え、電流基準を信号分配処理回路７で各々のインバータに分配し、これをそのまま電流制御器３１乃至３Ｎの入力とするように構成しても良い。このような電流制御を行えば、ベクトル制御などの精密な制御が不要な用途では構成が簡単で有効である。

また、実施例１乃至３では各インバータの負荷率が一定になるようにトルク基準（トルク分配比率）を分配したが、必ずしもそうする必要はなく、任意の定められた負荷率の割合になるような演算を行っても良い。

また、図２（ａ）、（ｂ）のレート関数発生器はトリガ信号が入ったときにΔＴ後のレート信号出力を一括して求めているが、デジタル制御を行う場合には、サンプリングのタイミング毎にレート信号出力を得るようにしても良い。例えば図７の場合、信号選択回路７３から与えられる前回サンプリングのトルク分配比率と今回サンプリングのトルク分配比率、及び当該インバータの運転指令の変化から、演算によってレート関数の傾き、更にレート信号出力を求めれば良い。

また、速度制御器６の出力を全体のトルク基準としたが、これを全てのインバータ台数Ｎ台を使用したときの１台当たりのトルク基準としても良い。この場合は、トルク分配比率演算器７２で演算されるトルク分配比率はＮ／ｍとなる。

また、実施例３と実施例２は組み合わせて適用可能であることは明らかである。

更に、インバータ１１乃至１Ｎの出力は単相であっても３相以上の多相であっても良い。

１１、・・・、１Ｎインバータ
２１、・・・、２Ｎ変換器
３１、・・・、３Ｎ電流制御器
４１、・・・、４Ｎ電流検出器
５多重電動機
５１速度検出器
６速度制御器
７、７Ａ、７Ｂ信号分配処理回路
７１運転信号判別器
７２、７２Ａトルク分配比率演算器
７３、７３Ａ信号選択器
７４メモリ回路
８１、・・・、８Ｎ乗算器
９１、・・・、９Ｎ、９１Ａ、９１Ｂレート回路
９１１ディレイ回路
９１２比較回路
９１３レート関数発生器
９１４切替器
９１５ディレイ回路
９１６切替器

Claims

複数の巻線を有する交流電動機と、
前記各巻線に対応して設けられ、交流電力を出力する複数台のインバータと、
前記各々のインバータの運転指令に応じて、与えられた全体のトルク基準を各々のインバータに分配する信号分配処理手段と
を具備し、
前記信号分配処理手段は、
前記全体のトルク基準に各々のインバータに対応したトルク分配比率を乗算してトルク基準を分配すると共に、前記運転指令の何れかが変化したとき、前記各々のトルク分配比率の変化に対して全体のトルク基準の値を保持するようにレートを付加するレート付加手段を各々有し、
前記各々のインバータは、
前記全体のトルク基準と前記レート付加手段の出力の乗算値に応じて電流制御を行うことを特徴とする電動機駆動装置。
前記信号分配処理手段は、
前記複数台のインバータが同一容量のとき、運転指令が停止のインバータに対しては前記トルク分配比率を０とし、運転指令が運転のインバータに対しては前記トルク分配比率を（１／運転台数）としたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
前記信号分配処理手段は、
前記各々のインバータの定格容量を記憶する記憶手段を有すると共に、運転指令が停止のインバータに対しては前記トルク分配比率を０とし、運転指令が運転のインバータに対しては前記トルク分配比率を（当該インバータ容量／運転するインバータの容量の総和）としたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
前記レート付加手段は、
前記運転指令の何れかが変化する前に分配された前記トルク分配比率と、変化後のトルク分配比率とから、変化のトリガ信号を得たあとΔＴ時間だけの期間の出力を演算によって求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記演算は、
前記運転指令の何れかが変化する前の前記レート付加手段の出力をｄＢ、変化後の前記トルク分配比率をｄＡとしたとき、{ｄＢ＋（ｄＡ−ｄＢ）ｔ／ΔＴ}であることを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
前記各々のインバータの停止指令は、前記運転指令がオフになってからΔＴだけ遅らせるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
前記交流電動機の速度を検出する速度検出器を有し、
与えられた速度指令に前記速度検出器で検出された速度が一致するように前記全体のトルク基準を出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
前記トルク基準を電流基準に置き換えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電動機駆動装置。