JP2007236102A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリーラン状態の誘導電動機の回転速度や残留電圧を検出せずに、回転方向を取得して誘導電動機を再起動可能とする。
【解決手段】フリーラン状態の誘導電動機３の入力電流を検出する電流検出器１０１，座標変換器１０２と、電動機３にトリガ電圧を印加するためのトリガ電圧発生器１０８，切替器１１２，座標変換器１０９，ＰＷＭ制御器１１０，電力変換装置２と、トリガ電圧の印加時に検出した前記入力電流のうちトリガ電圧と９０度位相がずれた成分の極性から誘導電動機の回転方向を検出する極性判別器１０３と、電動機３の回転方向に応じて電力変換装置２に対する角周波数指令ω_１ ^＊を演算する演算器１０５と、この角周波数指令ω_１ ^＊に基づいて出力電圧指令を演算する演算器１０６とを備え、角周波数指令と出力電圧指令との比が所定値に達した時点で電動機３を通常運転する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機の速度検出器を持たず、周波数指令値に応じた交流電圧を電力変換装置から供給して誘導電動機を可変速駆動する制御装置に関し、詳しくは、電源の瞬停等によりフリーラン状態になった誘導電動機の回転方向を判別して再起動を行うようにした誘導電動機の制御装置に関するものである。

フリーラン状態の誘導電動機を再起動する場合、基本的には電動機の回転速度を検出する必要があるが、パルスジェネレータ等の速度検出器のコストや取付作業の点で不利な点が多いため、この種の速度検出器を用いずに回転速度を検出することが望まれている。上記の点に鑑み、速度検出器を用いない誘導電動機の回転速度検出方法及び再起動方法の従来技術として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

上記特許文献１に係る回転速度検出方法は、例えば、誘導電動機の電流・電圧を相互に直交するｄ軸成分及びｑ軸成分に分離し、フリーラン状態の誘導電動機へのｑ軸電圧指令値が零の状態でｄ軸方向にステップ状のトリガ電圧を与え、誘導電動機から前記トリガ電圧との９０度の位相差をもって流れるｑ軸電流を検出し、このｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作から誘導電動機の回転速度情報を得るものである。
また、再起動方法としては、ｄ軸電圧指令値と上記回転速度検出方法により得た回転速度情報とを使用してフリーラン状態の誘導電動機を再起動するものである。

更に、速度検出器を用いずに誘導電動機の残留電圧を監視しておき、瞬停後の電源復帰時に残留電圧の有無を判断し、残留電圧なしと判断された場合には誘導電動機を一時的に再励磁して残留電圧の有無を再度判断し、その際に残留電圧がある場合には電動機がフリーラン状態であると判断して残留電圧の周波数に応じて再起動を行うと共に、再励磁によっても残留電圧がない場合には電動機が停止していると判断して零ソフトスタートするようにした誘導電動機の運転制御方法が、特許文献２に記載されている。

特開２００２−３６９５９７号公報（請求項２，３、［００１４］〜［００１６］、図２等） 特開平７−２７４５８８号公報（段落［００１８］，［００１９］、図２，図３等）

特許文献１に記載された従来技術では、誘導電動機を再起動する場合に、ｄ軸方向にトリガ電圧を印加した際のｑ軸電流を零にするような調節動作により電流調節器から回転速度情報を得る必要があり、前記調節器の定数を調整する必要があるという問題があった。
また、特許文献２に記載された従来技術によれば、速度検出器が不要になる反面、残留電圧検出回路が必要であると共に、残留電圧の有無を複数回判断してその判断結果に応じた再起動シーケンスを実行しなくてはならない煩雑さがあった。

そこで本発明の解決課題は、フリーラン状態の誘導電動機の回転速度情報を取得するために調節器を調整したり残留電圧を検出する等の方法によらず、簡単な方法により回転方向を判別して誘導電動機を再起動可能とした誘導電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電力変換装置により誘導電動機を可変速駆動するための制御装置において、
フリーラン状態の誘導電動機の入力電流を検出する手段と、
フリーラン状態の誘導電動機にトリガ電圧を印加する手段と、
前記トリガ電圧の印加時に検出した前記入力電流のうち前記トリガ電圧と９０度位相がずれた成分の極性から誘導電動機の回転方向を検出する手段と、
前記回転方向に応じて前記電力変換装置に対する角周波数指令を演算する手段と、
を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記角周波数指令に基づいて前記電力変換器の出力電圧指令を演算する手段を備えたものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記入力電流の検出値が所定の値を超えた場合に前記角周波数指令を変化させる手段を備えたものである。

請求項４に記載した発明は、請求項２または３に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記角周波数指令と前記出力電圧指令との比が所定値に達した時点で前記電力変換装置により誘導電動機を外部から入力される角周波数指令に従い加減速運転するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記トリガ電圧を、誘導電動機の定格励磁電流と一次抵抗値との積としたものである。

本発明によれば、誘導電動機が回転速度検出器を持たず、また、誘導電動機の残留電圧が零の状態においても、フリーラン状態にある誘導電動機の回転方向を判別して容易に再起動することが可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態の構成及び作用を説明する。
図１はこの実施形態を示すブロック図であり、請求項１〜４に係る発明に相当するものである。図１において、１は三相交流電源であり、この電源電圧はインバータ等からなる電力変換装置２により所定の周波数及び大きさの三相交流電圧に変換され、誘導電動機３に供給されるようになっている。

電力変換装置２に対して外部から入力される角周波数指令ω_０ ^＊は加減速演算器１０５に入力されており、後述する回転方向信号ａに応じた角周波数指令ω_１ ^＊が切替器１１１を介して出力電圧演算器１０６及び積分器１０７に入力されている。なお、誘導電動機２の通常運転時には、図示のように加減速演算器１０５の出力が出力電圧演算器（Ｖ／ｆ変換器）１０６に入力されるように切替器１１１の接点が切り替えられている。
角周波数指令ω_１ ^＊が入力される出力電圧演算器１０６ではｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊が演算され、このｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は座標変換器１０９に入力されている。また、積分器１０７により角周波数指令ω_１ ^＊を積分して得た位相角θ_１は、座標変換器１０２，１０９にそれぞれ入力されている。

一方、無効電圧指令が切替器１１２を介しｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊として座標変換器１０９に入力されており、このｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊及び前記ｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は位相角θ_１に基づいて各相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊に変換される。
ＰＷＭ制御器１１０では、各相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊，に従った各相電圧を電力変換装置２から発生させるようにＰＷＭ信号を演算し、電力変換装置２を構成する半導体スイッチング素子に出力する。

また、電流検出器１０１により検出した誘導電動機３の各相入力電流が座標変換器１０２に入力されており、座標変換器１０２により三相成分から変換して得たｑ軸電流ｌ_ｑが極性判別器１０３に入力されている。この極性判別器１０３は、ｑ軸電流ｌ_ｑに基づいて回転方向信号ａまたは回転方向判別中信号ｂを生成し、これらの信号ａ，ｂを加減速演算器１０５に出力すると共に、回転方向判別中信号ｂにより切替器１１１，１１２の接点を切り替えるように構成されている。

ここで、極性判別器１０３は、座標変換器１０２から出力されるｑ軸電流ｌ_ｑの立ち上がりが図３のように予め設定した負の極性判別レベルを下回って−側に振れた場合に回転方向を“正転”と判別し、ｑ軸電流ｌ_ｑの立ち上がりが図４のように予め設定した正の極性判別レベルを超えて＋側に振れた場合に回転方向を“逆転”と判別する。そして、これらの回転方向を回転方向信号ａとして出力する。なお、ｑ軸電流ｌ_ｑが正負の極性判別レベルを超えない場合には“停止中”と判断し、これを回転方向信号ａとして出力する。

回転方向判別中信号ｂは、ｑ軸電流ｌ_ｑの値に応じて「１」または「０」に切り替わるものであり、通常運転時は「０」、フリーラン状態での再起動時には「１」となる。
切替器１１１，１１２は、回転方向判別中信号ｂが「０」の時、すなわ通常運転時に非動作状態（図１に示す接続状態）となり、回転方向判別中信号ｂが「１」の時、すなわちフリーラン状態で再起動する際に動作状態（切替器１１１，１１２内の各接点が切り替わり、切替器１１１では出力電圧演算器１０６に「０」が入力され、切替器１１２ではトリガ電圧発生器１０８からのトリガ電圧が座標変換器１０９に入力される状態）となる。

いま、フリーラン状態で再起動を行うために誘導電動機３の回転方向を判別する場合には、前述の如く極性判別器１０３から出力される回転方向判別中信号ｂが「１」となる。これによって切替器１１１，１１２が図１の状態から切り替わり、ω_１ ^＊＝０が切替器１１１を介して積分器１０７及び出力電圧演算器１０６に入力されると共に、トリガ電圧発生器１０８から出力される任意の大きさのトリガ電圧（図２参照）が、切替器１１２を介しｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊として座標変換器１０９に入力される。このとき、出力電圧演算器１０６はＶ_ｑ ^＊＝０を出力する。

座標変換器１０９では、各軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊，Ｖ_ｑ ^＊（＝０）に基づいて各相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊を出力し、ＰＷＭ制御器１１０を介して電力変換装置２から所定の電圧を出力させ、誘導電動機３の入力電流を生じさせる。この電流は電流検出器１０１及び座標変換器１０２によりｑ軸電流ｌ_ｑに変換され、極性判別器１０３によって前述した図３，図４の回転方向判別動作が実行される。
すなわち、再起動するための回転方向判別時には、その判別動作に用いるためのｑ軸電流ｌ_ｑを、ｌ_ｑとは９０度位相が異なるｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊（＝トリガ電圧）を与えることで生じさせるものである。

上記の回転方向判別時には、加減速演算器１０５が、回転方向信号ａによる正負の回転方向に応じて角周波数指令ω_１ ^＊を演算している。
そして、回転方向判別中信号ｂが「１」から「０」へ切り替わると、再び加減速演算器１０５からの角周波数指令ω_１ ^＊が切替器１１１を介して出力電圧演算器１０６に入力されると同時に、出力電圧演算器１０６では、出力周波数−電圧変換に用いるＶ／ｆ係数を０から徐々にω_１ ^＊に応じた所定値まで上昇させてｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を出力する。なお、誘導電動機３の入力電流として座標変換器１０２から出力された電流Ｉ_ｍｉｎが予め設定した値を超えた場合には、出力電圧演算器１０６におけるＶ／ｆ係数の上昇動作を停止させる。

なお、電流制限調節器１０４は、電流Ｉ_ｍｉｎが予め設定した値との大小関係に基づいて加減速演算器１０５に信号を送出して角周波数指令ω_１を変化させるものであり、電動機駆動時は、電流Ｉ_ｍｉｎが設定値を超えた場合に加減速演算器１０５に信号を送出してその出力ω_１ ^＊を低下させる処理を行い、再起動時の過電流を防止するためのものである。
また、電動機制動時は、電流Ｉ_ｍｉｎが設定値を超えた場合に加減速演算器１０５に信号を送出してその出力ω_１ ^＊を上昇させる処理を行うものである。

出力電圧演算器１０６により演算されるＶ／ｆ係数が所定値に到達するまでの間は、再起動中信号ｃを「１」として加減速演算器１０５に出力し、上記Ｖ／ｆ係数が所定値まで到達した時に再起動中信号を「０」とする。この時点で、加減速演算器１０５から出力される角周波数指令ω_１ ^＊が通常運転時の角周波数指令として確立し、外部から入力される角周波数指令ω_０ ^＊に従って加減速運転を行い、フリーラン状態での再起動が完了する。

以上のようにこの実施形態では、フリーラン状態の誘導電動機３の回転速度を検出しなくても、トリガ電圧を印加して検出した回転方向による角周波数指令ω_１ ^＊のもとで電動機の入力電流を検出し、この入力電流の大きさに応じて角周波数指令ω_１ ^＊の上昇を抑制しているので、再起動時に過電流による故障停止のおそれもない。また、残留電圧検出回路や複雑な運転シーケンスも不要になる。

なお、上記実施形態では図２のトリガ電圧のレベルを任意の値としたが、請求項５に記載するように、誘導電動機３の定格励磁電流値に誘導電動機３の一次抵抗値Ｒ_１を乗じた値をトリガ電圧として設定しても良い。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 図１におけるトリガ電圧発生器の動作説明図である。 誘導電動機の正転時に図１の極性判別器に入力されるｑ軸電流の波形図である。 誘導電動機の逆転時に図１の極性判別器に入力されるｑ軸電流の波形図である。

符号の説明

１：三相交流電源
２：電力変換装置
３：誘導電動機
１０１：電流検出器
１０２：座標変換器
１０３：極性判別器
１０４：電流制限調節器
１０５：加減速演算器
１０６：出力電圧演算器
１０７：積分器
１０８：トリガ電圧発生器
１０９：座標変換器
１１０：ＰＷＭ制御器
１１１，１１２：切替器

Claims (5)

1. 電力変換装置により誘導電動機を可変速駆動するための制御装置において、
   フリーラン状態の誘導電動機の入力電流を検出する手段と、
   フリーラン状態の誘導電動機にトリガ電圧を印加する手段と、
   前記トリガ電圧の印加時に検出した前記入力電流のうち前記トリガ電圧と９０度位相がずれた成分の極性から誘導電動機の回転方向を検出する手段と、
   前記回転方向に応じて前記電力変換装置に対する角周波数指令を演算する手段と、
   を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記角周波数指令に基づいて前記電力変換器の出力電圧指令を演算する手段を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 請求項１または２に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記入力電流の検出値が所定の値を超えた場合に前記角周波数指令を変化させる手段を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
4. 請求項２または３に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記角周波数指令と前記出力電圧指令との比が所定値に達した時点で前記電力変換装置により誘導電動機を外部から入力される角周波数指令に従い加減速運転することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記トリガ電圧を、誘導電動機の定格励磁電流と一次抵抗値との積としたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。

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