JP6545900B2 - 電動機システム - Google Patents

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Description

本発明はＰＭ（Permanent Magnet）モータを含む同期電動機を制御するインバータの制御方法および電動機システムに関する。
従来、機械装置の駆動源として誘導電動機が主に使われていたが、現在では省エネ、高効率の観点から、永久磁石を用いた同期電動機が採用されるようになっている。同期電動機の中でも磁極位置センサを備えていない電動機は、磁極位置センサの故障の恐れがなく、またコストも安価に抑えられるメリットがある。
一方で、磁極位置センサなしの同期電動機（以降、電動機と省略する）の場合、電動機を制御するインバータが認識している回転数と、実際の電動機シャフトの回転数が一致しない脱調と呼ばれる現象が発生し、電動機シャフトが回転せず、仕事をしない状態となる恐れがある。
例えば、特開２０１２−６０７８１号公報（特許文献１）によれば、電動機の軸誤差の推定演算より、電動機の回転状態の異常検知が可能であるとしている。
特開２０１２−６０７８１号公報
しかしながら、脱調している状態においても電動機には誘起電圧分の電流が流れ、その電流値は正常回転状態での電流値と区別がつかない場合もある。そのため特許文献１に記載の、電圧指令値と電流検出値から軸誤差を推定する方法では、必ずしも正確に脱調を検出することができない場合もある。
そこで、本発明では用途負荷の特性を利用することにより、脱調の検出を容易にし、必要に応じて電動機を再起動することで、負荷を安定駆動することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、同期電動機と、同期電動機を駆動する電力変換装置を有するインバータと、同期電動機に接続される負荷とを備える電動機システムであって、電力変換装置内の直流電圧に基づいて、同期電動機の脱調を判定する構成とする。
本発明によれば、脱調の検出を容易に行うことができる電動機システムを提供できる。
実施例１における電動機システムの全体構成図である。 実施例１におけるインバータの内部の構成図である。 実施例１における記憶部に記憶する揮発性メモリの内容と不揮発性メモリの内容である。 実施例１に係るポンプの一定速度運転における制御フローである。 実施例１における回転数変化に対する直流電圧変化の説明図である。 実施例１における脱調判定機能の選択確認処理の制御フローである。 実施例１における異常時処理の制御フローである。 実施例２に係るポンプの一定速度運転における制御フローである。 実施例２における回転数変化に対する直流電圧変化の説明図である。 実施例３に係るポンプの一定速度運転における制御フローである。 実施例３における回転数変化に対する直流電圧変化の説明図である。 実施例４に係るポンプの一定速度運転における制御フローの前半部分である。 実施例４に係るポンプの一定速度運転における制御フローの後半部分である。 実施例４における回転数変化に対する負荷電流変化の説明図である。 実施例４、５に係る２乗低減負荷における負荷電流と脱調時の電流の関係の説明図である。 実施例５に係る定トルク負荷における負荷電流と脱調時の電流の関係の説明図である。 実施例５に係る定出力負荷における負荷電流と脱調時の電流の関係の説明図である。 実施例５における正常時の負荷電流と脱調時の電流の差を利用した脱調検出の制御フローである。 実施例６におけるシステムの全体構成図である。 実施例６における正常時の電圧と脱調時の電圧の関係の説明図である。 実施例６における脱調検出の制御フローである。
以下、本発明を適用した実施例を図面を用いて説明する。
本実施例は、負荷を駆動中の同期電動機において、電動機の回転数を下げた際に電力変換装置内の直流電圧の変化により脱調を検出するものである。回転数の変化が所定値以上である場合に電力変換装置内の直流電圧の変化を確認し、その変化量が所定値を超えない場合には脱調していると判断し、電動機を再起動することで再び正常な運転を開始する。
まず、本実施例における装置構成について説明する。図１は、本実施例における、負荷を回転駆動する電動機と、電動機を制御するインバータを有する電動機システムの全体構成図である。図１において、符号１０はポンプを示し、符号２０で示す電動機で駆動されている。さらに電動機２０には符号３０で示すインバータが接続されていて、インバータ３０が出力電流を変化させることで、電動機２０の回転数を変化させ駆動する。自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合においては、ポンプ１０の二次側配管に符号１１で示す圧力検出手段を設け、ポンプ吐出側圧力を検出する。
図２は、本実施例におけるインバータ３０の内部構成図である。図２において、インバータに供給される電源を受ける受電部に符号３１で示す交流−直流変換部が接続され、受電した交流電源は直流電圧に変換される。この直流電圧を符号３２で示す直流−交流変換部で、符号３４で示す演算処理部で指示された周波数の交流電源に再変換する。ここで、交流−直流変換部３１と直流−交流変換部３２を合わせて電力変換装置と呼称する。負荷の回転数を変更する場合には符号３３で示す信号入力部に信号を入力する。入力した信号に応じて演算処理部３４で出力する周波数を決定し、直流−交流変換部３２にその周波数の交流電源を生成するよう指示を出す。演算処理部３４で行なう演算に必要な制御パラメータを符号３５で示す記憶部に予め記憶しておき、演算処理部３４は必要に応じて記憶部３５の記憶内容の読み出し、書き込みを行なう。
次に、記憶部３５の記憶内容について説明する。図３は、本実施例における記憶部３５に記憶する揮発性メモリの内容と不揮発性メモリの内容である。尚、インバータ内部に記憶部を持たず、インバータ外部に記憶装置を取り付けて代用しても差し支えない。
図３（Ａ）において、揮発性メモリの１０００番地には脱調判定を開始する際の回転数（電動機への指令回転数）ＨｚＮを記録する。１００１番地には脱調判定を開始する際の電力変換装置の内部の直流電圧ＶＮを記録する。１００２番地、１００３番地の制御パラメータは本実施例では使用しない。１００４番地には脱調の発生頻度を確認するためのタイマの残り時間ＴＮ２を記憶する。１００５番地には脱調判定を行なった結果、異常と判断された回数ＣＮを記憶する。１００６番地には、脱調判定で正常／異常を判定する、直流電圧の変化量の基準値ＶＤＧを記憶する。脱調判定処理を行ない直流電圧の変化がＶＤＧ以上となった場合は正常と判断し、変化量がＶＤＧ未満の場合は脱調と判断する。直流電圧は検出部(図示せず)にて検出する。
図３（Ｂ）において、不揮発性メモリの２０００番地には、回転数を下げる場合に脱調判定処理を行なうか否かを判定する回転数減算判断基準値ＨｚＤＧを予め記憶しておく。詳細は後に記述するが、回転数の減少量が小さい場合には電力変換装置内の直流電圧の増加量が大きくなく、脱調の検出が困難であるため、指示された回転数の減少量がＨｚＤＧより小さい場合には脱調判定処理を行なわず、回転数の減少量がＨｚＤＧ以上の場合には脱調判定処理を行なうものとする。
２００１番地には、脱調判定基準値を自動設定する場合の回転数の減少量ＨＤＱを予め記憶しておく。２００２番地には、脱調判定時に回転数を下げる際の、その下げる速さＨＤＳを予め記憶しておく。この速さが速いほど電力変換装置内の直流電圧の変化が大きくなる。２００３番地から２００８番地の制御パラメータは本実施例では使用しないので説明を割愛する。２００９番地には脱調の発生頻度を確認するためのタイマの設定時間ＴＭ２を予め記憶しておく。
２０１０番地には脱調判定機能の実行有無を選択するパラメータＳＬＤを予め記憶しておく。ユーザがＳＬＤを０に設定した場合には脱調判定処理を行なわず、ユーザがＳＬＤを１に設定した場合には条件が成立した時点で脱調判定処理を実行する。２０１１番地には脱調判定の際の判定基準値の設定方法ＤＧＳを予め記憶しておく。ユーザがＤＧＳを１に設定した場合は、３００１番地に予め記憶されているＭＴＴを判定基準値ＶＤＧとする。ユーザがＤＧＳを２に設定した場合は、４００１番地から４００３番地の設定値をもとに、５００１番地から５００Ｎ番地のデータテーブルから脱調判定基準値を算出し、判定基準値ＶＤＧとする。ユーザがＤＧＳを３に設定した場合は、６０００番地に予め記憶されている脱調判定基準値を自動算出（オートチューニング）した結果のＡＴＴを判定基準値ＶＤＧとする。
７００１番地には、脱調判定処理にて異常と判断された回数ＣＮが、予め７００２番地に記憶された回数ＡＬＥに達した場合に故障信号を出力するか否かを選択するパラメータＳＬＡを予め記憶しておく。８００１番地には、脱調判定処理にて異常と判断された場合に電動機の再始動を許可するか否かを選択するパラメータＳＬＲを予め記憶しておく。８００２番地には自動再始動の許可上限回数ＲＳＥを予め記憶しておき、脱調判定処理にて異常と判断された回数ＣＮがＲＳＥを超える場合には電動機の再始動を許可せず、電動機を停止させたままとする。
９００１番地には自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合において、目標とする給水圧力値ＨＳを予め記憶しておき、ポンプ１０の二次側配管に設けた圧力検出手段１１の検出値がＨＳと一致するよう回転数を自動制御する。
次に、本実施例における制御フローについて説明する。図４は、ポンプを一定の速度（回転数、周波数）で運転する場合の本実施例における制御フローである。
図４において、１０１ステップで運転を開始した後、１０２ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。１０４ステップで指定したＨｚＮの回転数に到達した後、１２０ステップで減速の指示が行なわれると信号入力部３３で信号を処理する。
この時、１２１ステップにおいて、減速幅、すなわち現在運転中の回転数に対する減速時の回転数ＨＤＬとの差を、不揮発性メモリ２０００番地に予め記憶しておいたＨｚＤＧと比較し、減速幅がＨｚＤＧより小さい場合、または１０２ステップの脱調判定機能の選択確認処理の中で脱調判定機能の実行が選択されていない場合には、１５５ステップ以下の脱調検出処理を行なわず、１２２ステップで演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻る。
減速幅がＨｚＤＧ以上の場合には、１５５ステップで電力変換装置内の交流−直流変換部３１と直流−交流変換部３２の間の直流電圧ＶＮを揮発性メモリ１００１番地にＶＮとして記憶する。その後、１５６ステップで演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１５７ステップで減速した直後の直流電圧を確認する。
図５に回転数変化に対する直流電圧変化の説明図を示す。図５に示す通り、減速前の回転数ＨｚＮで運転している時刻Ｔ１から減速を終える時刻Ｔ２までの間に直流電圧がＶＮから上昇する。図４の１５５ステップが時刻Ｔ１、１５６ステップが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の時間にあたり、１５７ステップが時刻Ｔ２に該当する。ここで、特にファン用途などの慣性モーメントが大きい負荷の場合は、その上昇量が大きい。上昇量は負荷の慣性モーメントと減速量、減速の速さによって変化する。
図４の１５８ステップにおいて、減速した直後の直流電圧からＶＮを減算した結果が、揮発性メモリ１００６番地に予め記憶しておいたＶＤＧより大きい場合には、回生エネルギーによる直流電圧の上昇が見られるので１６０ステップで正常と判断して、１０４ステップに戻る。
１５８ステップにおいて、減速した直後の直流電圧からＶＮを減算した結果が、ＶＤＧ以下の場合には脱調により回生エネルギーを得られていないと判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１０４ステップに戻る。
次に、図４の１０２ステップの脱調判定機能の選択確認処理について説明する。図６は、１０２ステップの脱調判定機能の選択確認処理の詳細である。図６において、２０１ステップで不揮発性メモリ２０１０番地に予め記憶しておいた脱調判定機能の実行有無を選択するパラメータＳＬＤを確認し、ＳＬＤが０に設定されている場合には２０２ステップで選択なしとして脱調判定処理を行なわず、図４の１０４ステップに進む。ＳＬＤが１に設定されている場合には２０３ステップで選択ありとして、次に２０４ステップで判定基準値の設定方法を確認する。
２０４ステップで不揮発性メモリ２０１１番地に予め記憶しておいた判定基準値の設定方法ＤＧＳを確認し、ＤＧＳが１に設定されている場合には２０５ステップで判定基準値を手動設定として、３００１番地に予め記憶しておいた手動設定値ＭＴＴを読み出し、揮発性メモリ１００６番地のＶＤＧに判定基準値として記憶し、図４の１０４ステップに進む。
２０４ステップで、ＤＧＳが２に設定されている場合には２１０ステップで負荷種別を選択する。２１０ステップでは、不揮発性メモリ４００１番地に予め記憶しておいた負荷種別ＲＤＭを確認し、１が設定されている場合には、２１１ステップで５００１番地に予め記憶しておいた負荷種別１に対応する判定定数ＲＤ１を定数ＲＤとする。ＲＤＭが２に設定されている場合には、２１２ステップで５００２番地に予め記憶しておいた負荷種別２に対応する判定定数ＲＤ２を定数ＲＤとする。同様にＲＤＭがＮに設定されている場合には、２１Ｎステップで５００Ｎ番地に予め記憶しておいた負荷種別Ｎに対応する判定定数ＲＤＮを定数ＲＤとする。ここで、ＲＤは慣性モーメントや定格回転数などの負荷用途特有の特性を含む定数とする。さらに２２０ステップで不揮発性メモリ４００４番地に予め記憶しておいた電動機の定格電流値ＫＷＡ、２２１ステップで４００３番地に予め記憶しておいた電動機の定格出力電圧ＶＬＴを確認する。２２２ステップで定数ＲＤ、容量ＫＷ、電圧ＶＬＴより判定基準値ＶＤＧを下記式１により、
ＶＤＧ＝Ｆ（ＲＤ、ＫＷＡ、ＶＬＴ） ・・・式１
負荷用途ごとの特性に合わせて作成した換算式によって求め、揮発性メモリ１００６番地のＶＤＧに判定基準値として記憶し、図４の１０４ステップに進む。
２０４ステップで、ＤＧＳが３に設定されている場合には、２３１ステップで指定した速度に到達した後、２３２ステップで電力変換装置内の交流−直流変換部３１と直流−交流変換部３２の間の直流電圧ＶＮを揮発性メモリ１００１番地にＶＮとして記憶する。２３３ステップで演算処理部３４において出力周波数をＨＤＱ下げるための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、２３４ステップで減速した直後の直流電圧を確認する。この時の直流電圧変化の半分を２３５ステップで、自動設定による判定基準値ＡＴＴとして不揮発性メモリ６０００番地に記憶し、２３６ステップでＡＴＴを揮発性メモリ１００６番地のＶＤＧに判定基準値として記憶し、指定速度を判定開始前の速度に戻し、１０４ステップに進む。
ステップ２３１から２３５ステップについては、脱調判定機能の選択確認処理の度に確認をしなくとも、不揮発性メモリ６０００番地に既に自動設定値ＡＴＴとして０以外の値が記憶されている場合には、２３６ステップでＡＴＴを揮発性メモリ１００６番地のＶＤＧに判定基準値として記憶し、１０４ステップに進むだけでも良い。
前述の通り、直流電圧の上昇量は負荷の慣性モーメント以外にも減速量、減速の速さによって変化するため、判定基準値にも減速量、減速の速さを考慮し、下記式２のように、
ＶＤＧ’＝ＶＤＧ×（減速量）×（減速の速さ） ・・・式２
として判定基準値ＶＤＧ’としても良いが、本実施例では脱調判定を行なう条件として、運転中に一定の減速量以上であることを設けており、さらに脱調時には直流電圧の上昇がないため、減速量や減速の速さを考慮していない判定基準値ＶＤＧであっても、運転中に判定に必要な減速量があったとき、十分に脱調判定を行なうことができる。
次に、図４の１７０ステップの異常時処理について説明する。図７は、１７０ステップの異常時処理の詳細である。図７において、３００ステップで異常（脱調）と判断した後、３０１ステップで現在の脱調検出回数を更新し、揮発性メモリ１００５番地の記憶値に１を加え、３０２ステップでポンプを停止させる。３０３ステップで不揮発性メモリ７００１番地に予め記憶しておいた故障信号の出力有無を選択するパラメータＳＬＡを確認し、ＳＬＡが０に設定されている場合には３０６ステップで故障信号の出力なしとして３０７ステップに進む。ＳＬＡが１に設定されている場合には、３０４ステップで不揮発性メモリ７００２番地に予め記憶しておいた故障信号を出力開始する脱調検出回数ＡＬＥと、揮発性メモリ１００５番地に記憶されている現在の脱調検出回数ＣＮを比較し、ＡＬＥがＣＮ以上である場合には３０５ステップで故障信号を出力する。ＡＬＥがＣＮ未満である場合には３０６ステップで故障信号の出力なしとして３０７ステップに進む。
３０７ステップで再始動の許可を確認する。再始動許可の条件は脱調の回数や頻度、或いは機器の特性や使用用途によって変えるのが望ましい。不揮発性メモリ８００１番地に予め記憶しておいた自動再始動の許可を選択するパラメータＳＬＲを確認し、再始動を許可する場合は３０８ステップに進み、許可しない場合には３０９ステップに進む。３０８ステップで不揮発性メモリ８００２番地に予め記憶しておいた自動再始動の許可上限回数ＲＳＥと、揮発性メモリ１００５番地に記憶されている現在の脱調検出回数ＣＮを比較し、ＲＳＥがＣＮ以下である場合には図４の１８０ステップに進み、ＲＳＥがＣＮを超過する場合には３０９ステップに進む。３０９ステップで手動操作にてリセット指示が入力されるのを待ち、リセット指示が入力されるまでは再起動させない。リセット指示が入力された後に、図４の１８０ステップに進み、運転を開始する。
再始動許可の条件に頻度を加える場合には、脱調を検出した時点で不揮発性メモリ２００９番地に予め記憶しておいた脱調頻度の確認用タイマＴＭ２の設定値を、揮発性メモリ１００４番地のタイマ２残り時間ＴＮ２に記憶し、ＴＮ２をカウントダウンする。ＴＮ２が０になる前に、再び脱調を検出した場合には再起動を許可しないという条件を加えれば良い。
以上は、一定速度運転する場合の制御フローについて説明したが、自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合にも適用できる。すなわち、吐出側圧力の低下を検出すると図４の１０１ステップにおいて運転を開始し、１０２，１０３のステップの処理後、１０４ステップで、指定したＨｚＮの回転数に到達した後、圧力検出手段１１が検出した吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより低いか判断し、吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には、加速の指示を行ない、信号入力部３３において信号を処理し、演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻るように制御する。また、逆に吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には、図４の１２０ステップで減速の指示を行なうように処理し、以下、図４の１２１ステップ以降の処理ステップを行えば良い。
以上のように、本実施例は、負荷を回転駆動する同期電動機を制御するインバータであって、同期電動機の回転数を決定する演算処理部と、演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、同期電動機の電機子に駆動電流を供給する電力変換装置とを有し、演算処理部において、同期電動機の運転中に回転数を変化させ、電力変換装置内の直流電圧の変化量が所定値以下のとき脱調と判定するように構成する。
また、負荷を回転駆動する同期電動機と、同期電動機を制御するインバータを有する同期電動機システムであって、インバータは上記構成とする。
また、同期電動機の回転数の変化量が所定値以上である場合に脱調の判定を行なう。
これにより、脱調が発生し、負荷が回転駆動せず仕事をしない状態となった場合に、その状態を検出して速やかに電動機を再起動することで、負荷を駆動させ仕事を継続することができる。
本実施例は、負荷を駆動中の同期電動機において、一定の周期で意図的に回転数を変化させ、電動機の回転数を下げた際の電力変換装置内の直流電圧の変化により脱調を検出するものである。電力変換装置内の直流電圧の変化量が所定値を超えない場合には脱調していると判断し、電動機を再起動することで再び正常な運転を開始する。
本実施例における装置構成は、実施例１の図１、図２と同様である。
また、記憶部３５の記憶内容は、図３（Ａ）において、揮発性メモリの１００３番地には脱調判定処理を行なう周期を設定するタイマの残りカウント時間ＴＮ１を記憶する。不揮発性メモリの２００１番地には脱調判定基準値を自動設定する場合や、脱調判定時に回転数を減少させる減少量ＨＤＱを予め記憶しておく。２００２番地には脱調判定時に回転数を下げる、その下げる速さＨＤＳを予め記憶しておく。２００３番地には脱調判定時に回転数を増加させる増加量ＨＡＱを予め記憶しておく。２００４番地には脱調判定時に回転数を上げる、その上げる速さＨＡＳを予め記憶しておく。２００８番地には脱調判定処理を行なう周期ＴＭ１を予め記憶しておく。その他の使用する揮発性メモリ、不揮発性メモリの内容は実施例１と同様であるため、説明を割愛する。
次に、本実施例における制御フローについて説明する。図８は、ポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合の本実施例における制御フローである。
図８において、１０１ステップにおいて運転を開始した後、１０２ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。脱調判定機能の選択確認処理は、実施例1と同様で、図６において説明済みであるため、その説明は割愛する。脱調判定機能の選択確認処理の後に１０３ステップで不揮発性メモリ２００８番地に予め記憶しておいた脱調判定の周期用タイマＴＭ１の設定値を、揮発性メモリ１００３番地のタイマ１残り時間ＴＮ１に記憶し、ＴＮ１のカウントダウンを開始する。１０４ステップで指定したＨｚＮの回転数に到達した後、１３０ステップで脱調判定機能が選択されていない場合またはタイマＴＮ１のカウントが終了していない場合はタイマＴＮ１のカウント終了を待ち、脱調判定機能が選択されていてタイマＴＮ１のカウントが終了している場合は、１４０ステップで電力変換装置内の交流−直流変換部３１と直流−交流変換部３２の間の直流電圧ＶＮを揮発性メモリ１００１番地にＶＮとして記憶する。その後、１４１ステップで演算処理部３４において出力周波数を、揮発性メモリ１０００番地に記憶されている回転数ＨｚＮに判定時の回転数加算量ＨＡＱを加えた値に変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、判定時の回転数加算速度ＨＡＳの速度で指令回転数を変更する。１４２ステップで演算処理部３４において出力周波数をＨｚＮに戻すための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、判定時の回転数減算速度ＨＤＳの速度で指令回転数を変更する。１４４ステップで減速した直後の直流電圧を確認する。
図９に、本実施例における回転数変化に対する直流電圧変化の説明図を示す。図９に示す通り、減速前のＨｚＮにＨＡＱを加えた回転数で運転している時刻Ｔ３から減速を終える時刻Ｔ４までの間に直流電圧がＶＮから上昇する。図８の１４０ステップが時刻Ｔ１、１４１ステップが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の時間、１４２ステップが時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の時間にあたり、１４４ステップが時刻Ｔ４に該当する。
図８の１４５ステップで、減速した直後の直流電圧からＶＮを減算した結果が、揮発性メモリ１００６番地に予め記憶しておいたＶＤＧより大きい場合には、回生エネルギーによる直流電圧の上昇が見られるので１６０ステップで正常と判断して、１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１０４ステップに戻る。
１４５ステップで、減速した直後の直流電圧からＶＮを減算した結果が、ＶＤＧ以下の場合には、脱調により回生エネルギーを得られていないと判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１０４ステップに戻る。１７０ステップの異常時処理は、実施例1と同様で、図７において説明済みであるため、その説明は割愛する。
本実施例は、実施例１と同様に、負荷の慣性モーメントにより直流電圧の上昇値が異なるため、直流電圧判定基準値ＶＤＧ、加算量ＨＡＱ、減算量ＨＤＱや減算速度ＨＤＳは負荷によって変えることが望ましい。
本実施例では、一切回転速度が変わらない負荷であっても、タイマ設定による一定の周期で脱調検出が可能である点で優れている。
また、本実施例においては、ポンプ用途の２乗低減トルク特性を持つ負荷（以降、２乗低減負荷と省略する）を例に説明しているが、必ずしもこの負荷に限られるものではない。
以上は、一定速度運転する場合の制御フローについて説明したが、自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合にも適用できる。すなわち、吐出側圧力の低下を検出すると図８の１０１ステップにおいて運転を開始し、１０２，１０３、１０４のステップの処理後、１３０ステップで脱調判定機能が選択されていない場合またはタイマＴＮ１のカウントが終了していない場合は、従来の圧力一定制御を行う。すなわち、圧力検出手段１１が検出した吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより低いか判断する。吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には加速の指示を行なう。加速の指示が行なわれると信号入力部３３で信号を処理し、演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻るように制御する。また。逆に吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には減速の指示を行なう。減速の指示が行なわれると信号入力部３３で信号を処理し、演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻るように制御する。以下、図８の１４０ステップ以降のポンプ一定速度運転の場合と同様の処理ステップを行えば良い。
以上のように、本実施例は、同期電動機の回転数を上げた後、下げることによって脱調の判定を行なう。
実施例２では、タイマのカウント終了後、まず回転数を上げてから、回転数を戻すことで直流電圧の上昇から脱調の有無を判断した。これに対し、本実施例では、タイマのカウント終了後、先に回転数を下げ、脱調の有無を判断してから、正常な場合は回転数を元に戻すものである。
図１０は、ポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合の本実施例における制御フローである。
図１０において、図８と異なるステップは、ステップ１４１，１４２に代えてステップ１４３を設けた点、また、ステップ１６１を設けた点であり、他は図８と同じステップであり、同じ符号を付し、その説明は省略する。
図１０において、１４０ステップで電力変換装置内の交流−直流変換部３１と直流−交流変換部３２の間の直流電圧ＶＮを揮発性メモリ１００１番地にＶＮとして記憶する。その後、１４３ステップで回転数を下げ、１４４ステップで減速した直後の直流電圧を確認する。１６０ステップで正常と判断された場合には、１６１ステップで演算処理部３４において出力周波数をＨｚＮに戻すための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、判定時の回転数加算速度ＨＡＳの速度で指令回転数を変更する。
図１１に、本実施例における回転数変化に対する直流電圧変化の説明図を示す。図１１において、図１０の１４０ステップが時刻Ｔ１、図１０の１４３ステップが時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の時間にあたり、図１０の１４４ステップが時刻Ｔ２に該当する。
実施例２の特徴は、常に一定以上の圧力や流量をかける必要がある機器において、必要な仕事量を確保しつつ脱調を検出することが出来る点である。一時的に必要以上の出力を行なうことになるが、その量は微々たるものであり、出力過剰となる心配はない。それに対し、本実施例の特徴は、圧力や流量が一定値を超えてはいけない機器において、制限を超えることなく脱調を検出できる点である。これにより、過剰な圧力などによって２次側設備に負担をかける恐れがない。
以上は、一定速度運転する場合の制御フローについて説明したが、自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合にも適用できる。すなわち、吐出側圧力の低下を検出すると図１０の１０１ステップにおいて運転を開始し、１０２，１０３、１０４のステップの処理後、１３０ステップで脱調判定機能が選択されていない場合またはタイマＴＮ１のカウントが終了していない場合は、従来の圧力一定制御を行う。すなわち、圧力検出手段１１が検出した吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより低いか判断する。吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には加速の指示を行なう。加速の指示が行なわれると信号入力部３３で信号を処理し、演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻るように制御する。また。逆に吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には減速の指示を行なう。減速の指示が行なわれると信号入力部３３で信号を処理し、演算処理部３４において出力周波数を変更するための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０４ステップに戻るように制御する。以下、図１０の１４０ステップ以降のポンプ一定速度運転の場合と同様の処理ステップを行えば良い。
以上のように、本実施例は、同期電動機の回転数を下げた後、上げることによって脱調の判定を行なう。
本実施例は、負荷を駆動中の同期電動機において、一定の周期で意図的に回転数を変化させ、電動機の回転数を変化させる前後の負荷電流値を予め記憶しておいた負荷電流値と比較することで脱調を検出するものである。負荷電流値の実測値と記憶値の差が所定値を超えた場合には脱調していると判断し、電動機を再起動することで再び正常な運転を開始する。
本実施例における装置構成は、実施例１の図１、図２と同様である。また、記憶部３５の記憶内容は、既に説明した内容は割愛し、新規事項についてのみ説明する。
図３（Ａ）において、揮発性メモリの１００２番地には脱調判定を開始する際の負荷電流値ＡＮを記録する。また図３（Ｂ）において、不揮発性メモリの２００５番地には脱調判定時に負荷電流値の実測値と記憶値の誤差として許容する範囲ＡＤＱを予め記憶しておく。２００６番地には１つめの判定条件（回転数）における負荷電流値ＡＤＧ１を予め記憶しておく。２００７番地には２つめの判定条件（回転数）における負荷電流値ＡＤＧ２を予め記憶しておく。
次に、本実施例における制御フローについて説明する。図１２は、ポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合の本実施例における制御フローである。なお、図１２は紙面の都合上、図１２Ａと図１２Ｂに分割しているが、符号Ａ、Ｂで連続している。以下の説明は、図１２Ａと図１２Ｂをまとめて図１２として説明する。
図１２において、１０１ステップにおいて運転を開始した後、１０２ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。１０５ステップで指定した速度に到達した後、１０６ステップで現在の電力変換装置内の直流−交流変換部３２の出力側の電流値である二次側の負荷電流値を不揮発性メモリ２００６番地に判定基準値ＡＤＧ１として記憶する。その後、１０７ステップで演算処理部３４において出力周波数をＨＤＱ下げるための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１０９ステップで電力変換装置内の直流−交流変換部３２の二次側の負荷電流値を不揮発性メモリ２００７番地に判定基準値ＡＤＧ２として記憶し、１１０ステップで指定速度を判定開始前の速度に戻す。
ステップ１０６から１１０ステップについては、運転開始の度に確認をしなくとも、不揮発性メモリ２００６番地、２００７番地に既に判定基準値ＡＤＧ１，ＡＤＧ２として０以外の値が記憶されている場合には省略し、１１１ステップに進むだけでも良い。
１１１ステップで不揮発性メモリ２００８番地に予め記憶しておいた脱調判定の周期用タイマＴＭ１の設定値を、揮発性メモリ１００３番地のタイマ１残り時間ＴＮ１に記憶し、ＴＮ１のカウントダウンを開始する。１１２ステップで指定した速度に到達した後、１３０ステップで脱調判定機能が選択されていない場合またはタイマＴＮ１のカウントが終了していない場合はタイマＴＮ１のカウント終了を待ち、脱調判定機能が選択されていてタイマＴＮ１のカウントが終了している場合は、１４６ステップで現在の電力変換装置内の直流−交流変換部３２の二次側の負荷電流値を揮発性メモリ１００２番地に負荷電流値ＡＮとして記憶する。
１４７ステップでＡＮとＡＤＧ１の値を比較し、その差が不揮発性メモリ２００５番地に予め記憶しておいた脱調判定時に負荷電流値の実測値と記憶値の誤差として許容する範囲ＡＤＱ以内である場合には１４８ステップに進み、ＡＤＱを超えている場合には１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１１２ステップに戻る。
図１３に、本実施例における回転数変化に対する負荷電流変化の説明図を示す。図１３において、図１２の１４７ステップが時刻Ｔ１に該当する。
図１２の１４８ステップで演算処理部３４において出力周波数をＨＤＱ下げるための指示を直流−交流変換部３２に対して行ない、１５０ステップで指定した速度に到達した後、１５１ステップで電力変換装置内の直流−交流変換部３２の二次側の負荷電流値を揮発性メモリ１００２番地に負荷電流値ＡＮとして記憶する。
図１２の１５２ステップでＡＮとＡＤＧ２の値を比較し、その差が不揮発性メモリ２００５番地に予め記憶しておいた脱調判定時に負荷電流値の実測値と記憶値の誤差として許容する範囲ＡＤＱ以内である場合には１６０ステップで正常と判断して、１６２ステップで指定速度を判定開始前の速度に戻す。１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１１２ステップに戻る。ＡＤＱを超えている場合には１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１１２ステップに戻る。１５２ステップが図１３の時刻Ｔ３に該当する。
なお、１０２ステップ脱調判定機能の選択確認処理、及び、１７０ステップの異常時処理は、実施例1と同様で図６及び図７で説明済みであるため、その説明は割愛する。
図１４は２乗低減負荷の場合の正常電流と脱調時の負荷電流の関係の一例である。図１４に示すように、脱調している状態においても電動機には誘起電圧分の電流が流れ、その電流値は正常回転状態での電流値と同等である場合もある。従って、事前に予測し、設定をすることは難しいが、本実施例を用いることで正常回転状態の電流値と脱調状態での電流値の差を明確にし、簡易的に脱調を検出することができる。
本実施例は、予め電動機の脱調時において誘起電圧のみによって流れる電流と用途の正常負荷時に流れる電流の関係が判っている場合は、負荷の特性を利用して脱調を判断することができる例について説明する。
図１４は２乗低減負荷の場合の正常電流と脱調時の負荷電流の関係であるが、回転数Ｎ１においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が大きくなり、回転数Ｎ２においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が小さくなる。また、回転数Ｎ３においては正常時の負荷電流と脱調時の負荷電流は同一となる。ここで、正常時の負荷電流は、例えば、この２乗低減負荷がポンプ用途であった場合は、ポンプの種類・容量やバルブの開度等の設置現場の状況によって負荷電流の特性曲線は異なる。また、脱調時の電流については永久磁石同期電動機の誘起電圧や巻線抵抗等によってその特性が異なる。従って、ポンプ等の用途機器の種類、設置現場の負荷状況、同期電動機の種類が異なる場合、図１４のＮ１、Ｎ２、Ｎ３は変化する。
図１５は定トルク負荷の場合の正常電流と脱調時の負荷電流の関係である。回転数Ｎ４においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が小さくなり、回転数Ｎ５においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が大きくなる。また、回転数Ｎ６においては正常時の負荷電流と脱調時の負荷電流は同一となる。用途機器の種類、設置現場の負荷状況、同期電動機の種類が異なる場合、図１５のＮ４、Ｎ５、Ｎ６は変化する。
図１６は定出力負荷の場合の正常電流と脱調時の負荷電流の関係である。回転数Ｎ７においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が小さくなり、回転数Ｎ８においては正常時の負荷電流より脱調時の電流の方が大きくなる。また、回転数Ｎ９においては正常時の負荷電流と脱調時の負荷電流は同一となる。用途機器の種類、設置現場の負荷状況、同期電動機の種類が異なる場合、図１６のＮ７、Ｎ８、Ｎ９は変化する。
図１４、図１５、図１６特性を利用することで、図１７のフローチャートに従って脱調を検出することができる。
図１７は、正常時の負荷電流と脱調時の電流の差を利用した脱調検出の制御フローである。図１７において、１０１ステップで運転開始後に、１０２ステップで脱調判定機能の選択確認を行い、２０１ステップで予め設定した負荷特性の選択判別で２乗低減負荷、定トルク負荷、定出力負荷の判定を行う。次に２０２、２０３、２０４ステップにおいて、判定した負荷特性に応じて脱調時の電流と正常時の負荷電流が等しくなる速度（回転数、周波数）ＨｚＣの判定を行う。
２０２ステップの２乗低減負荷の場合において、例えばポンプ等ではバルブの開度等が確定した後であればＨｚＣは一定値とすることもできる。または、運転開始後の加速中に回転数と電流の実測からＨｚＣを測定して保存してもよい。
２０３ステップの定トルク負荷の場合、例えば圧縮機等であれば圧力によってＨｚＣが決まるため、予め定格圧力などの特定の圧力におけるＨｚＣの一定値を保持しておき、その圧力のときのみ判定することで脱調が検出できる。または、圧力を入力変数としたＨｚＣの算出式を使用することもできる。この場合は、現在の圧力におけるＨｚＣによって常時脱調の検出ができる。
２０４ステップの定出力負荷の場合、例えば糸巻機等であれば糸種によりＨｚＣを一定値とすることもできる。または、運転開始後の加速中に回転数と電流の実測からＨｚＣを測定して保存してもよい。その後、２５１、２５２ステップで脱調の判定を行う。
２乗低減負荷の２５１ステップの場合、現在の回転数ＨｚＮが正常時の負荷電流と脱調時の負荷電流は同一となるＨｚＣよりも大きく、かつ、現在の負荷電流値ＡＮが図１４における脱調時の電流値よりも大きい場合は正常と判断し、小さい場合は脱調と判断する。実際の判定にあたっては、検出誤差等を考慮し判定値に一定程度の幅を持たせる。
定トルク負荷と低出力負荷の２５２ステップの場合、現在の回転数ＨｚＮが正常時の負荷電流と脱調時の負荷電流は同一となるＨｚＣよりも大きく、かつ、現在の負荷電流値ＡＮがそれぞれ図１５、図１６における脱調時の電流値よりも小さい場合は正常と判断し、大きい場合は脱調と判断する。異常と判断された場合は１７０ステップの異常時処理を行う。
本実施例では、実施例５と同様に、予め電動機の脱調時において誘起電圧のみによって発生する電圧と正常運転時に発生する電圧との関係が分かっている場合において、脱調を判断することができる例について説明する。
図１８に、システム構成の具体例として圧縮機に適用した例を示す。電動機２０は負荷側の圧縮機本体４０と機械的に接続され、圧縮機本体４０は電動機２０から動力を得て空気を圧縮する。インバータ３０は制御部５０からの指令を受けて電動機２０を制御する。制御部５０は、Ｉ／Ｆ６０を介してインバータ３０からの情報や圧縮機本体からの情報を受けとり、それぞれに必要な指令を出力する。動作の一例としては、制御部５０は圧縮機本体４０から出力している空気圧の値を受け取り、ユーザの所望する空気圧と比較し、インバータ３０に対して電動機２０を制御するための周波数の値を指令として出力する。
なお、図１８ではＩ／Ｆ６０がネットワーク７０を介して制御部５０と接続されている例を示すが、両者がネットワークを介さずに接続されていても良い。また、制御部５０がＩ／Ｆ６０を介さずに直接、圧縮機本体４０やインバータ３０と接続されていても良い。
図１９は負荷電圧(出力電圧)の正常時電圧と脱調時電圧の関係である。正常時は負荷の状態により高負荷時には低負荷時よりも一般に電圧値は大きくなり、正常時電圧は負荷の状態により一定の幅をもって回転数に比例して分布する。また。脱調時はトルク電流や無負荷電流が正常に検出できなくなり出力電圧が正常時より低くなる。
図２において、検出部（図示せず）が出力電流を検出し、演算処理部３４へ検出した出力電流値を送る。演算処理部３４は出力電流値をもとに出力電圧値を計算する。この出力電圧値と図１９に例示した特性を利用し、正常時の電圧分布と脱調時の電圧の間に回転数に比例した閾値電圧を設定することで脱調の判定を行うことができる。
図２０は脱調検出を実施する際の処理の流れを示す。インバータが電動機の運転を開始（Ｓ１０１）した後、３０１ステップでは演算処理部がその回転数における出力電圧を算出する。次に３０２ステップでは、演算処理部において、出力電圧値が閾値以上か下回っているかを判断し、出力電圧値が閾値を下回っていれば脱調状態と判定して異常時処理を行い、閾値以上であれば正常と判断して運転を継続する。
異常時処理の例としては、インバータ３０から制御部へ脱調していることを示す信号を送信することが考えられる。あるいは、脱調を示す信号を送信した後、制御部から脱調から回復する指令を受け取り、当該指令に基づいて電動機の運転を停止する或いは停止後に再始動する制御を実施しても良い。また、制御部は脱調を示す信号を受け取った後、外部のディスプレイに脱調していることを示すアイコンを表示してユーザに注意喚起しても良い。
正常時の出力電圧分布は電動機定数や用途の負荷の幅によって異なるため、その用途において正常時の高負荷時の出力電圧と低負荷時の出力電圧を実測して、回転数に比例した脱調判定を行う閾値を決めることが望ましい。
尚、上記実施例では、直流電圧による脱調検出方法、正常負荷電流と脱調電流の差による脱調検出方法および正常負荷電圧と脱調電圧の差による脱調検出方法について説明したが、これらは併用して使用することもできる。
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
１０：ポンプ、２０：電動機、３０：インバータ、１１：圧力検出手段、３１：交流−直流変換部、３２：直流−交流変換部、３３信号入力部、３４：演算処理部、３５：記憶部、４０：圧縮機本体、５０：制御部、６０：Ｉ／Ｆ、７０：ネットワーク

Claims (9)

  1. 同期電動機と、
    前記同期電動機を駆動する電力変換装置とを備える電動機システムであって、
    前記同期電動機の運転中に、前記同期電動機の回転数を所定量変化させて元の値に戻したときの前記電力変換装置内部の直流電圧値あるいは出力電流値の変化量に基づいて、脱調を判定する電動機システム。
  2. 請求項１に記載の電動機システムであって、
    前記電力変換装置が前記同期電動機の運転中に回転数を変化させ、前記直流電圧値の変化量が所定の値以下のときに脱調と判定するものである電動機システム。
  3. 請求項２に記載の電動機システムであって、
    前記電力変換装置が変化させる回転数の変化量が所定値以上であるものである電動機システム。
  4. 請求項１に記載の電動機システムであって、
    前記電力変換装置が、前記同期電動機の運転中に回転数を変化させ、前記出力電流値の変化量が所定の値を超えたときに脱調と判定するものである電動機システム。
  5. 請求項４に記載の電動機システムであって、
    前記電力変換装置が変化させる回転数の変化量が所定値以上であるものである電動機システム。
  6. 同期電動機と、
    前記同期電動機を駆動する電力変換装置とを備える電動機システムであって、
    前記電力変換装置が、前記同期電動機の出力電圧値が閾値未満であれば脱調と判定し、
    前記閾値が回転数に対応して変化するものである電動機システム。
  7. 請求項６に記載の電動機システムであって、
    前記閾値は前記回転数に比例するものである電動機システム。
  8. 請求項７に記載の電動機システムであって、
    前記電力変換装置が脱調と判定した場合、前記同期電動機を停止させるものである電動機システム。
  9. 請求項６に記載の電動機システムであって、
    外部と通信する通信I/Fをさらに有し、
    前記電力変換装置が脱調と判定した場合に、外部へその旨を知らせる信号を出力するものである電動機システム。
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