JP6977601B2

JP6977601B2 - インバータ制御装置及びインバータ制御方法

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Publication number: JP6977601B2
Application number: JP2018024626A
Authority: JP
Inventors: 夢樹小野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2038-02-15
Also published as: JP2019140856A

Description

本発明は、出力周波数が１００Ｈｚを超えるモータドライブ用の交流可変速インバータによりモータを保護するための技術に関する。

インバータにより永久磁石式のモータを駆動制御するシステムとして、モータの運転周波数が数百Ｈｚの高速永久磁石式モータ（２極機の場合、１分あたり数万回転）がブロワの駆動制御に適用されたものが知られている（特許文献１）。

特開２００６−８７１５４号公報特開２０１３−１１２４５８号公報特開２０１２−２５２４４３号公報特開２０１６−１０２１８号公報

ブロワの駆動制御においては、流量の増加とともに圧力が増加する特性点にて、静かに運転していた送風機が、急に管路の圧力と流れに激しい振動と変動を起こし、運転が危険になる現象（サージング現象）が起こることがある。この場合、モータ電流（インバータ電流）に、運転周波数（インバータ出力周波数）とは非同期の周波数成分が含まれる。

前記周波数の三相電流の波形例（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を図４に示した。その電流によるステータからの磁束はシャフトを貫通するように鎖交するので、モータのロータ側に非同期の周波数成分の渦電流が発生する。永久磁石式モータではロータの一部分に磁石が挿入されているため、その渦電流による発熱で磁石が減磁してしまう（いわゆる、アウタロータ式のモータの場合、この事象は同様に起こる）。

また、前記モータ電流に重畳される非同期の周波数成分（図４に相当）は、その周波数が高いため、表皮効果によりロータの外周部に渦電流の経路が偏る。

通常、永久磁石式モータではロータ表面に磁石を貼りつけるタイプや、ロータの内部に磁石を埋め込むタイプがあるが、特に表面貼付式永久磁石モータでは外周部位に磁石が配置されるため、表皮効果によってより一層磁石の発熱を増長する。

これらの磁石の発熱や減磁が発生することで、モータの性能が低下し、最終的には使用に耐えなくなりモータを交換する事態に発展してしまう。

一方、エレベータのモータをインバータにより駆動するシステムにおいて、モータ電流（インバータ電流）の脈動量に基づいてシステムの異常判定を行う先行技術として特許文献２の制御装置が知られている。この制御装置が適用されたインバータシステムにおいては、モータ電流の脈動が大きい時にインバータを停止させれば、モータの磁石の減磁は回避できるが、同文献には電流の脈動量の具体的な計測方法が開示されていない。

電流の脈動量の具体的な計測方法としては、例えば、特許文献３の位相同期検出回路において、各相の電流波形のＡＤ変換を短いサンプリング周期で行い、電流波形瞬時地をメモリに記憶させて、メモリ内の電流波形データに基づいて電流の脈動量を計測する。

しかし、特許文献３の脈動の計測方式は、高速のＡＤ変換器と大容量のメモリが必要となるので、システムが高コスト化し大型化する。

また、サージング現象を回避する先行技術として特許文献４に開示のブロアの駆動制御システムがある。しかし、この制御システムは、モータ制御のパラメータ調整が必要であり、パラメータ調整に失敗した場合は必ずしもサージングを回避できない。その結果、永久磁石の減磁・消磁が起こりうる。その場合、モータの性能を低下させるおそれがある。

本発明は、上記の事情の鑑み、永久磁石式のモータを駆動するインバータの制御にあたり、モータの運転周波数と異なる周波数成分が流れた場合でも低コストに永久磁石の減磁を未然に防止することを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、三相永久磁石式のモータを駆動するインバータを制御するインバータ制御装置であって、前記モータの各相の電流検出値と位相指令値に基づいて、電流ピーク値を検出する検出部と、前記検出された電流ピーク値の最大値と最小値の差に基づき前記インバータの異常を判定して当該インバータを停止させる制御部とを備える。

本発明の一態様は、前記制御部は、前記差が所定値以上である場合に前記異常と判定して前記インバータを停止させる。

本発明の一態様は、前記制御部は、前記差が所定値以上であり且つ前記最大値のときの時刻と前記最小値のときの時刻との時刻差が所定値以上である場合に前記異常と判定して前記インバータを停止させる。

本発明の一態様は、前記制御部は、前記差が所定値を超えた状態が複数回連続的に生じた場合に前記インバータを停止させる。

本発明の一態様は、前記制御部は、前記差が所定値以上であり且つ前記最大値のときの時刻と前記最小値のときの時刻との時刻差が所定値以上である状態が複数回連続的に生じた場合に前記インバータを停止させる。

本発明の一態様は、三相永久磁石式のモータを駆動するインバータを制御するインバータ制御方法であって、前記モータの各相の電流検出値と位相指令値に基づいて、電流ピーク値を検出する検出過程と、前記検出された電流ピーク値の最大値と最小値の差に基づき前記インバータの異常を判定して当該インバータを停止させる制御過程と有する。

以上の本発明によれば、永久磁石式のモータを駆動するインバータの制御にあたり、モータの運転周波数と異なる周波数成分が流れた場合でも低コストに永久磁石の減磁を未然に防止できる。

（ａ）は本発明の実施形態であるインバータ制御装置のブロック構成図、（ｂ）は当該インバータ制御装置の検出部のブロック構成図。本発明の実施形態１におけるインバータ制御を説明したフローチャート。本発明の実施形態２におけるインバータ制御を説明したフローチャート。インバータの運転周波数及び脈動周波数の一例を示した波形図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された本実施形態のインバータ制御装置１は、三相永久磁石式のモータ３を駆動するインバータ２を制御する。すなわち、インバータ制御装置１は、先ず、インバータ２にて検出する電流の実効値に比例する値の変動を分析する。そして、運転周波数と異なる周波数成分になりうる電流の変動の有無を簡易な演算処理をインバータ２の演算器にて実行することで検出し、電流の変動成分の大小に対して保護レベルを超過したらインバータ２を停止させ、故障情報を発報して使用者に異常を通知する。

インバータ制御装置１は以下の検出部１０及び制御部２０を実装する。

（検出部１０）
検出部１０は、モータ３の各相の電流ピーク値を検出する。

検出部１０は、インバータ２の各相電流検出値（三相インバータとした場合）である電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは一定周期且つ出力電流の周期（＝１／周波数）よりも数百〜数千倍速いサンプリング周期でインバータ２からサンプリングされる。次いで、電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値（ＡＢＳ）を算出し、各相電流の瞬時値がピークとなるような位相指令値（θ^*）の時の絶対値を各相の電流ピーク値として保存（Latch）する。例えば、ｓｉｎ波として考えると、Ｕ相電流瞬時値は位相指令値（θ^*）が９０°の時に正のピーク、２７０°の時に負のピークであり、Ｖ相電流はそれから１２０°づつ、Ｗ相電流はそれから２４０°づつ、位相がずれる。この場合、Ｕ相電流ではθ^*＝９０°、２７０°、Ｖ相電流ではθ^*＝３０°、２１０°、θ^*＝１５０°、３３０°の時に保存される。尚、絶対値の算出は、正負の符号を判別する煩雑さを回避して後段の制御部２０での演算負担を軽減するためものであり、必須の過程ではない。

図１を参照して検出部１０の各機能部について説明する。

電流検出器１１はインバータ２から各相の電流検出値Ｉｘ（ｘ＝ｕ，ｖ，ｗ）を検出する。電流検出器１１の出力で、プリント基板回路上やＳ／Ｗ（ソフトウェア）にてノイズ除去のフィルタを設けるのが一般的である。Ｓ／Ｗや論理集積回路で演算するために、アナログデジタル変換をするのが一般的である。

絶対値算出部１２は、電流検出器１１から供された電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値（ＡＢＳ）を算出する。

位相指令値指定部１３は、インバータ２の位相指令値θ^*を指定する。この位相指令値θ^*は、インバータ２の出力電圧指令の位相や、検出した電流の直交座標変換に用いられている。

一致検出器１４は、位相指令値θ^*と相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）毎に指定した位相とが一致した際にラッチ指令信号を出力する。

インバータ２の負荷力率＝１（出力電圧と出力電流の位相差＝０）の場合、上記の「指定した位相」（絶対値算出部１２から出力された絶対値を保持させる位相）を、以下の表１のように設定する。

インバータ２の負荷力率が１でない場合、力率角に応じて表１の「指定した位相」の値は補正される。

保持部１５は、一致検出器１４からラッチ指令信号の位相のタイミングでの絶対値算出部１２から供された前記電流絶対値を保持する。前記電流絶対値は相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）毎に指定した位相のタイミングでの電流ピーク値（Ｉｘ_ｐｅｅｋ）として出力される。

（制御部２０）
制御部２０は検出部１０にて検出された電流ピーク値（Ｉｘ_ｐｅｅｋ）の最大値と最小値の差に基づきインバータ２の異常を判定してインバータ２を停止させる。具体的には、前記差が所定値（磁石の減磁を引き起こしうる値）以上である場合に前記異常と判定してインバータ２を停止させる（図２）。または、前記差が前記所定値を超えた状態が複数連続的に生じた場合にインバータ２を停止させる。

（動作例）
図２を参照しながら本実施形態のインバータ制御装置１（制御部２０）の動作例（制御過程）について説明する。以下に述べるインバータ２の制御の過程はモータ３のいずれかの相の瞬時値の正負のいずれかのピーク値が検出される毎に実行する。

Ｓ１０１：検出部１０は、インバータ２の各相電流を所定のサンプリング周期で経時的に検出する。そして、検出部１０（検出過程）で検出されたインバータ２の各相電流の更新された最新の電流ピーク値が読み込まれる。

Ｓ１０２：電流ピーク値の前回値との差分を演算する。

例えば、Ｕ→Ｖ→Ｗの順に電流ピーク値が出力されている場合、今回Ｖ相電流のピーク値が検出されると、一つ前の電流ピーク値はＵ相なので、Ｖ相とＵ相とのそれぞれの電流ピーク値の絶対値の差分を演算する。尚、最初から２番目のＳ１０２の処理では後述のＳ１０３の判定ができないので、Ｓ１０２が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。したがって、Ｓ１０３以降の処理が実行されるのは、電流ピーク値の前回値と前々回値が存在する最初から３番目以降の処理となる。

Ｓ１０３：電流ピーク値の増減方向に変化があったか否かを判別する。

前記変化がある場合（True）にはＳ１０４に移行し、前記変化がない場合（False）にはＳ１０１の処理に戻る。

Ｓ１０４：電流ピーク値が増加に転じたか減少に転じたかを判別する。

前記ピーク値が増加に転じた場合（True）はＳ１０５（１）に移行し、当該ピーク値が減少に転じた場合（False）はＳ１０５（２）に移行する。

Ｓ１０５（１）：電流ピーク値の直近の最小値をラッチする。

Ｓ１０５（２）：電流ピーク値の直近の最大値をラッチする。

Ｓ１０６：前記最大値と前記最小値の差分が所定値（磁石の減磁を引き起こしうる値）以上であるかを判別する。前記差分が所定値以上である場合（True）はＳ１０７に移行する。一方、前記差分が所定値未満である場合（False）にはＳ１０１の処理に戻る。

Ｓ１０７：前記最大値と前記最小値の差分が、前記所定値以上である場合（True）、インバータ２の出力電流にモータ３の減磁を引き起こしうる異常な脈動が発生していると判定し、インバータ２を停止させ、異常を知らせる信号を出力する。尚、Ｓ１０７の処理が実行されない場合、再びＳ１０１からの処理が繰り返し実行される。

以上のように、図２のフローにおいて、１番最初のＳ１０１の処理では電流ピーク値の前回値がないので、Ｓ１０１の処理が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。また、最初から２番目の処理ではＳ１０３の判定ができないため、Ｓ１０２の処理が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。そして、Ｓ１０３以降の処理が実行されるのは、電流ピーク値の前回値と前々回値が存在する最初から３番目以降の処理となる。

したがって、本実施形態のインバータ２の制御方法及びインバータ制御装置１によればモータ３の運転周波数と異なる周波数成分が流れた場合でも永久磁石の減磁を未然に防止できる。

特に、本態様のインバータ制御方法及びインバータ制御装置においては電流ピーク値の最大値と最小値をそれぞれ検出可能な電流の脈動の半周期〜１周期分のみのデータで判定しているが、本発明の制御方法及び制御装置はこの態様に限定されるものではない。例えば、Ｓ１０６でのTrueの判定後も、図２のフロー処理を継続実施し、同図のＳ１０６のTrueの判定条件が複数回連続的に満たされている場合に異常と判定し、インバータ２を停止させるようにしてもよい。脈動の数周期分のデータを持って判別することになり、誤検出防止の手段とすることもできる。

また、本態様は、モータ３の負荷変動（すなわち、インバータ２の負荷変動）は緩やかであることを前提とする。よって、サージング現象によって発生する電流脈動の一周期中（例えば、図４の（２））には、サージング現象以外でのモータ３の負荷変動に起因するインバータ２の電流実効値の変動は生じないと想定する。

さらに、本態様は、電流脈動の周期（図２のＳ１０２）は、インバータ２電流の周期（図４の（１））の５倍以下であることを想定する。ここで、図２の処理の過程で電流脈動（つまり、図２のＳ１０５の処理での最小値と最大値の両方）を検出されなかった場合を考慮し、図２のフローチャートの処理はインバータ２電流の周期（図４の（１））の５倍の周期でリセット（ラッチされている電流ピーク値や増減方向にある電流ピーク値のデータのクリア）させるとよい。このリセットにより、モータ３の負荷変動による周期の長い電流脈動（サージング現象とは無関係な電流脈動）がサージング現象により発生する電流脈動と誤って判断されるおそれを回避できる。したがって、サージング現象によって発生する電流脈動の最大値と最小値を確実に検出できる。

以上のように本実施形態のインバータ制御装置１によれば、電流の異常な脈動（例えば、ブロワのサージング現象に起因するような脈動）による磁石の減磁を未然防止する。したがって、モータ３の性能低下が回避されるので、システムの信頼性を向上できる。

また、前記磁石の減磁の防止機能は、インバータ２に簡易な演算命令を追加するのみで達成できる。さらに、離散フーリエ級数のような繰り返し加算処理がないので、安価な演算器でかつ演算負荷を著しく増加させない方法で達成している。したがって、本発明の機能の追加によるシステムの大型化やコストアップを回避できる。

さらに、インバータ制御装置１は、モータ３の電流検出値のみを利用するので、速度センサのないモータ３を運転するインバータ２にも適用可能である。

また、特許文献４の従来技術においては、パラメータ調整に失敗した場合にサージング現象を回避できないおそれがあるが、インバータ制御装置１は、確実にサージング現象による磁石の減磁を回避できるので、システムの信頼性を向上できる。

［実施形態２］
モータ３の電流周波数とは大きく異なる周波数の電流成分による鎖交磁束が問題であるため、例えば制御のハンチングによるような電流周波数と近い周波数の電流成分では減磁は起こりにくい。減磁が発生しない条件時に不要な動作停止を引き起こすと、設備稼働率の低下につながる。

そこで、実施形態２のインバータ制御方法及びインバータ制御装置は、電流の脈動に加えて時刻も考慮し、電流の変動幅とその変動周波数の双方を用いる。すなわち、モータ３の各相の電流ピーク値の最大値と最小値の差が所定値以上であり且つ前記最大値と前記最小値の時刻差が所定値以上である場合に前記異常と判定してインバータ２を停止させる。

図３を参照しながら本実施形態のインバータ制御装置１（制御部２０）の動作例（制御過程）について説明する。

Ｓ２０１：検出部１０は、インバータ２の各相電流を所定のサンプリング周期で経時的に検出する。そして、検出部１０で検出されたインバータ２の各相電流の最新の電流ピーク値が読み込まれる。

Ｓ２０２：前記電流ピーク値の前回値との差分を演算する。差分の演算は実施形態１のＳ１０１と同じである。尚、最初から２番目のＳ２０２の処理では後述のＳ２０３の判定ができないので、Ｓ２０２が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。したがって、Ｓ２０３以降の処理が実行されるのは、電流ピーク値の前回値と前々回値が存在する最初から３番目以降の処理となる。

Ｓ２０３：電流ピーク値の増減方向に変化があったか否かを判別する。

前記変化がある場合（True）にはＳ２０４に移行し、前記変化がない場合（False）にはＳ２０１の処理に戻る。

Ｓ２０４：電流ピーク値が増加に転じたか減少に転じたかを判別する。前記ピーク値が増加に転じた場合（True）はＳ２０５（１）に移行し、当該ピーク値が減少に転じた場合（False）はＳ２０５（２）に移行する。

Ｓ２０５（１）：電流ピーク値の直近の最小値及びその時刻をラッチする。

Ｓ２０５（２）：電流ピーク値の直近の最大値及びその時刻をラッチする。

Ｓ２０６：前記最大値と前記最小値の差分が磁石の減磁を引き起こしうる値以上であり、かつ、その時刻差すなわち周波数と同質の値が出力電流の周波数と異常を引き起こしうる値以上であるかの判別を行う。前記差分及び時刻差が所定値以上である場合（True）はＳ２０７に移行し、当該差分及び時刻差が所定値未満である場合（False）はＳ２０１に戻る。

Ｓ２０７：出力電流に、永久磁石式のモータ３の減磁を引き起こしうる異常な周波数での脈動が発生していると判定し、インバータ２を停止させ、異常を知らせる信号を出力する。尚、Ｓ２０７の処理が実行されない場合、再びＳ２０１からの処理が繰り返し実行される。

以上のように、実施形態１と同様に、図３のフローにおいて、１番最初のＳ２０１の処理では電流ピーク値の前回値がないので、Ｓ２０１の処理が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。また、最初から２番目の処理ではＳ２０３の判定ができないため、Ｓ２０２の処理が実行された後に処理が終了（待機状態）となる。そして、Ｓ２０３以降の処理が実行されるのは、電流ピーク値の前回値と前々回値が存在する最初から３番目以降の処理となる。

図３のフローチャートでは、最大値と最小値を検出可能な電流の脈動の半周期〜１周期分のみのデータで判定しているが、本発明はこの態様に限定されるものではない。例えば、Ｓ２０６のTrueの判定後も同図のフロー処理を継続実施し、Ｓ２０６のTrueの判定条件が複数回連続的に満たされることにより、インバータ２の異常と判定し、インバータ２を停止させてもよい。このように電流値の脈動の数周期分のデータに基づき判別を行うことにより、誤検出防止を図ることができる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲内で様々な態様で実施が可能である。

１…インバータ制御装置
２…インバータ
３…モータ
１０…検出部
２０…制御部

Claims

三相永久磁石式のモータを駆動するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
前記モータの各相の電流検出値の絶対値と位相指令値とに基づいて電流ピーク値を検出する検出部と、
前記電流ピーク値の最大値と最小値の差に基づき前記インバータの異常を判定して当該インバータを停止させる制御部と、
を備え、
前記インバータの異常は、前記モータの減磁を引き起こし得る異常であること
を特徴とするインバータ制御装置。
前記制御部は、前記差が所定値以上である場合に前記異常と判定して前記インバータを停止させることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
前記制御部は、前記差が所定値以上であり且つ前記最大値のときの時刻と前記最小値のときの時刻との時刻差が所定値以上である場合に前記異常と判定して前記インバータを停止させることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
前記制御部は、前記差が所定値を超えた状態が複数回連続的に生じた場合に前記インバータを停止させることを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。
前記制御部は、前記差が所定値以上であり且つ前記最大値のときの時刻と前記最小値のときの時刻との時刻差が所定値以上である状態が複数回連続的に生じた場合に前記インバータを停止させることを特徴とする請求項３に記載のインバータ制御装置。
三相永久磁石式のモータを駆動するインバータを制御するインバータ制御方法であって、
前記モータの各相の電流検出値の絶対値と位相指令値とに基づいて電流ピーク値を検出する検出過程と、
前記検出された電流ピーク値の最大値と最小値の差に基づき前記インバータの異常を判定して当該インバータを停止させる制御過程と、
有し、
前記インバータの異常は、前記モータの減磁を引き起こし得る異常であること
を特徴とするインバータ制御方法。