JP3627842B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置、特に電圧形インバータへの回生電力を消費させるための制動抵抗の保護が可能な誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制動状態で運転している誘導電動機から電圧形インバータへの回生電力を消費させるための制動抵抗の損失を知る手段として、従来はオシロスコープ等の測定機器を使用し、電圧形インバータの直流中間電圧の上昇頻度を計測したり、または、回生電力を消費させるための制動抵抗に流れる電流を計測してその損失を求めるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記前者の方法では専用の測定機器が必要になるという問題があり、後者の方法では制動抵抗の損失が許容値内か否かの判断に多大の労力と時間を必要とするという問題がある。
したがって、この発明の課題は、専用の測定機器を必要せず、制動抵抗の損失が許容値内か否かの判断を容易かつ短時間にできるようにすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の発生トルク値を、誘導電動機の等価回路定数と、前記電圧形インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値または出力電圧検出値および出力電流値とから演算するトルク演算器と、
誘導電動機の制動状態を演算された発生トルク値から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
前記発生トルク値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器とを設けるようにしている。
【０００５】
請求項２の発明では、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の有効電力を前記電圧形インバータの出力電圧指令値または出力電圧検出値と出力電流値とから演算する有効電力演算器と、
誘導電動機の制動状態を演算された有効電力から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
前記有効電力演算値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器とを設けるようにしている。
【０００６】
請求項３の発明では、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
前記電圧形インバータの主回路平滑コンデンサ電圧を検出する直流電圧検出回路と、
誘導電動機の制動状態を検出された直流電圧から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
前記直流電圧検出値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器とを設けるようにしている。
【０００７】
請求項４の発明では、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の発生トルク値を、誘導電動機の等価回路定数と、前記電圧形インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値または出力電圧検出値および出力電流値とから演算するトルク演算器と、
誘導電動機の制動状態を演算された発生トルク値から判別するためのレベルを設定する第１の制動状態判別レベル設定器と、
前記発生トルク値を制動状態判別レベルと比較する第１の比較器と、
前記電圧形インバータの主回路平滑コンデンサ電圧を検出する直流電圧検出回路と、
誘導電動機の制動状態を検出された直流電圧により判別するためのレベルを設定する第２の制動状態判別レベル設定器と、
前記直流電圧検出値を制動状態判別レベルと比較する第２の比較器と、
前記第１，第２比較器出力の論理積をとるアンド回路と、
制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記アンド回路の出力を積算する制動期間測定器と、
前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器とを設けるようにしている。
【０００８】
請求項５の発明では、電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の有効電力を前記電圧形インバータの出力電圧指令値または出力電圧検出値と出力電流値とから演算する有効電力演算器と、
誘導電動機から電圧形インバータへの回生電力を消費させるための制動抵抗の消費電力許容値を設定するレベル設定器と、
回生電力測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間の、前記有効電力の平均値を演算する有効電力平均値演算器と、
前記レベル設定器の出力と有効電力平均値演算器にて演算された有効電力平均値とを比較する比較器と設けるようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。同図において、１は商用電源、２は電圧形インバータ、３は誘導電動機（Ｍ）である。
電圧形インバータの例を図２に示す。図２の符号２１は整流回路、２２は平滑コンデンサ、２３はインバータ（主）回路、２４は制動抵抗、２５は直流電圧検出回路、２６は制動抵抗制御回路、２７は制動トランジスタ駆動回路、２８は制動用トランジスタ、２９はインバータ駆動回路を示す。
【００１０】
すなわち、電圧形インバータ２は図２に示されるように、商用電源１から供給される交流電圧を整流回路２１で直流電圧に変換し、平滑コンデンサ２２で平滑した後、インバータ主回路２３により指定された周波数，電圧の交流電力を出力する。このとき、直流電圧検出回路２５により検出される平滑コンデンサ２２の直流電圧Ｅｄｃを、制動抵抗制御回路２６で予め選定された動作レベルＥｄｃ^＊ と比較し、ＥｄｃがＥｄｃ^＊ 以上であれば、制動トランジスタ駆動回路２７に動作信号を出力する。なお、この動作信号にはヒステリシスを設け、異常発振を防止する。制動用トランジスタ２８は制動トランジスタ駆動回路２７からの信号によってオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御され、ＯＮのとき誘導電動機３からの回生電力を制動抵抗２４で消費させるようにする。インバータ駆動回路２９は制御回路から与えられる周波数指令値ｆ^＊ ，電圧指令値ｖ^＊ にもとづき、３相ＰＷＭ信号を生成し、インバータ主回路２３を駆動する。
【００１１】
図１について説明する。
通常、外部から指令される周波数設定値ｆｓを、図示されない加速，減速時間設定値にもとづき、加減速演算器５により所定の加減速時間で追従する周波数指令値ｆ^＊ を求め、この周波数指令値ｆ^＊ を電圧形インバータ２に入力して出力周波数を決定し、周波数・電圧変換器６に入力された周波数指令値ｆ^＊ から電圧指令値ｖ^＊ に変換し、この電圧指令値ｖ^＊ を電圧形インバータ２に入力してその出力電圧を決定することで、誘導電動機３が駆動される。
【００１２】
運転中に電圧形インバータ２で駆動される速度以上に誘導電動機３が負荷により駆動されると、誘導電動機３は発電機として作用し、電圧形インバータ２へ電力を回生する。通常、この回生電力は図２の制動抵抗２４で消費させる。ところで、この制動抵抗２４は構造的に決まる一定電力以上の損失では破損するので、制動抵抗２４に消費させる電力を一定値以上にしないことが必要である。
【００１３】
そこで、図１では、トルク演算器７を設け、ここで誘導電動機３の発生トルクτ（∧）（文字等の横または上に∧印を付して検出値または演算値を示す）を、誘導電動機等価回路定数（一次巻線抵抗）Ｒ_１ ，周波数指令値ｆ^＊ ，電圧指令値ｖ^＊ （文字等の横または上に＊印を付して指令値を示す），電流検出器（ＣＴ）４により検出されるインバータの出力電流ｉ（∧）等から、次式の如き関係式を用いて演算する。なお、（・）は内積を示す。電圧指令値ｖ^＊ の代わりに、電圧検出値ｖを用いることができ、これはトルク演算，有効電力演算の場合に共通である。
τ（∧）＝｛ｖ^＊ ・ｉ（∧）−Ｒ_１ ｉ（∧）^２ ｝／ｆ^＊ …（１）
ｉ（∧）：一次電流ベクトル（＝ｉ_１ｄ＋ｊｉ_１ｑ）
Ｒ_１ ：誘導電動機一次巻線抵抗
ｖ^＊ ：図１に示すインバータ電圧指令値（＝ｖ_１ｄ＋ｊｖ_１ｑ）
ｆ^＊ ：図１に示すインバータ周波数指令値
【００１４】
トルク演算器７の出力は、誘導電動機３が制動状態であることを上記発生トルクから知るための制動状態判別レベルを設定している設定器８１の出力と制動状態比較器９１において比較され、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９１から出力する。そして、測定期間設定器１０から測定期間中なら“１”、測定期間中でなければ“０”の信号を出力し、この信号が“１”の間、制動状態比較器９１からの出力を制動期間測定器１１で積算し、その結果を出力する。制動頻度演算器１２は、制動期間測定器１１の出力と測定期間設定器１０の出力とから、測定期間中の制動状態の割合を演算し、制動頻度として出力する。制動頻度演算器１２の出力を、たとえば図示されないアナログ回路等を用いて外部へ出力すれば、制動抵抗の使用頻度が擬似的に得られることになる。
【００１５】
図３に制動状態比較器９１と測定期間設定器１０の各出力波形例を示す。
Ｔは測定期間、Ｔ_Ｂ は制動期間を示し、制動頻度Ｂｒを、
Ｂｒ＝Ｔ_Ｂ ／Ｔ
と定義し、この値が許容値以上の場合はインバータ２を停止し、制動抵抗２４の保護を図るようにする。
【００１６】
図４にこの発明の第２の実施の形態を示す。有効電力演算器２０、制動判別レベル設定器８３および制動状態比較器９３を設けた点が特徴である。なお、図１と同一の機能を有するものには同じ符号を付して、その説明は省略する。
有効電力演算器２０は誘導電動機３の有効電力Ｗ（∧）を、電圧指令値ｖ^＊ と、電流検出器４を介して検出した電圧形インバータ２の出力電流ｉ（∧）とから、次式の如き演算式で演算する。なお、（・）は内積を示す。
Ｗ（∧）＝ｖ^＊ ・ ｉ（∧）（＝ｖ_１ｄｉ_１ｄ＋ｖ_１ｑｉ_１ｑ） …（２）
【００１７】
有効電力演算器２０の出力は、誘導電動機３が制動状態であることを上記有効電力から知るための制動状態判別レベルを設定している設定器８３の出力と制動状態比較器９３において比較され、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９３から出力する。そして、測定期間設定器１０から測定期間中なら“１”、測定期間中でなければ“０”の信号を出力し、この信号が“１”の間、制動状態比較器９３からの出力を制動期間測定器１１で積算し、その結果を出力する。制動頻度演算器１２は、制動期間測定器１１の出力と測定期間設定器１０の出力とから、測定期間中の制動状態の割合を演算し、制動頻度として出力する。
【００１８】
図５にこの発明の第３の実施の形態を示す。
電圧形インバータ２で駆動される速度以上に誘導電動機３が負荷により駆動され、誘導電動機３が発電機として作用した場合、電圧形インバータ２へ電力を回生し、その結果、電圧形インバータ２の主回路直流電圧が上昇する。
この主回路直流電圧は直流電圧検出回路３０で検出され、その出力は誘導電動機３が制動状態であることを前記主回路直流電圧から知るための制動状態判別レベルを設定している設定器８２の出力と制動状態比較器９２において比較され、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９２から出力する。そして、測定期間設定器１０から測定期間中なら“１”、測定期間中でなければ“０”の信号を出力し、この信号が“１”の間、制動状態比較器９２からの出力を制動期間測定器１１で積算し、その結果を出力する。制動頻度演算器１２は、制動期間測定器１１の出力と測定期間設定器１０の出力とから、測定期間中の制動状態の割合を演算し、制動頻度として出力する。
【００１９】
図６にこの発明の第４の実施の形態を示す。
誘導電動機３の発生トルクτ（∧）を、誘導電動機等価回路定数Ｒ_１ ，周波数指令値ｆ^＊ ，電圧指令値ｖ^＊ ，電流検出器４により検出されるインバータの出力電流ｉ（∧）等から図１の場合と同様に演算するトルク演算器７の出力と、誘導電動機３が制動状態であることを上記発生トルクから知るための制動状態判別レベルを設定している設定器８１の出力と制動状態比較器９１において比較され、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９１から出力する。
【００２０】
一方、電圧形インバータ２の主回路直流電圧は直流電圧検出回路３０で検出され、その出力は誘導電動機３が制動状態であることを前記主回路直流電圧から知るための制動状態判別レベルを設定している設定器８２の出力と制動状態比較器９２において比較され、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９２から出力する。制動状態比較器９１，９２がともに制動状態と判断している場合に、アンド回路１３は、例えば制動状態ならば“１”、制動状態でないなら“０”の信号を制動状態比較器９２から出力する。そして、測定期間設定器１０から測定期間中なら“１”、測定期間中でなければ“０”の信号を出力し、この信号が“１”の間、アンド回路１３からの出力を制動期間測定器１１で積算し、その結果を出力する。制動頻度演算器１２は、制動期間測定器１１の出力と測定期間設定器１０の出力とから、測定期間中の制動状態の割合を演算し、制動頻度として出力する。
【００２１】
図７にこの発明の第５の実施の形態を示す。
有効電力演算器２０は誘導電動機３の有効電力Ｗ（∧）を、電圧指令値ｖ^＊ と、電流検出器４を介して検出した電圧形インバータ２の出力電流ｉ（∧）とから、図４の場合と同様に演算し、リミッタ回路１７により負の有効電力を抽出し（有効電力演算器の出力Ｗ（∧）が正のときは０とする）、測定期間設定器１０から測定期間中なら“１”、測定期間中でなければ“０”の信号を出力し、この信号が“１”の期間に対する回生電力の平均値を回生電力平均値演算回路１４で演算する。回生電力平均値演算回路１４の出力を、比較器１６において制動抵抗保護レベル設定器１５からの保護レベルと比較し、その結果を保護信号として出力する。
【００２２】
図８，図９，図１０は図４，図５，図７の各場合の測定期間，制動期間説明図である。図６の場合は図３と図５を合わせたものとなるので図示を省略した。
すなわち、図８，図９は図３と同じく制動頻度を求める例であり、これが一定値以上となればインバータを停止して、制動抵抗の破損を防止する。これに対し図１０の場合は、制動抵抗が消費する電力を間接的に求めるもので、この電力が一定となったらインバータを停止して、保護をするというものである。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、電圧形インバータを介して駆動される誘導電動機が発電機となり、そのエネルギーが電圧形インバータへ回生されることで発生する制動抵抗の制動頻度または損失が、特別な測定機器を用いることなく得られるので、制動抵抗の容量選定の判断が容易となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す電圧形インバータの具体例を示す構成図である。
【図３】図１における測定期間，制動期間説明図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図６】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図７】この発明の第５の実施の形態を示す構成図である。
【図８】図４における測定期間，制動期間説明図である。
【図９】図５における測定期間，制動期間説明図である。
【図１０】図７における測定期間，制動期間説明図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…電圧形インバータ、３…誘導電動機（Ｍ）、４…電流検出器（ＣＴ）、５…加減速演算器、６…周波数・電圧変換器、７…トルク演算器、８１，８２，８３…制動状態判別レベル設定器、９１，９２，９３…制動状態比較器、１０…測定期間設定器、１１…制動期間測定器、１２…制動頻度演算器、１３…アンド回路、１４…回生電力平均値演算回路、１５…制動抵抗保護レベル設定器、１６…比較器。

Claims (5)

1. 電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の発生トルク値を、誘導電動機の等価回路定数と、前記電圧形インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値または出力電圧検出値および出力電流値とから演算するトルク演算器と、
   誘導電動機の制動状態を演算された発生トルク値から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
   前記発生トルク値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
   制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
   この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
   前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の有効電力を前記電圧形インバータの出力電圧指令値または出力電圧検出値と出力電流値とから演算する有効電力演算器と、
   誘導電動機の制動状態を演算された有効電力から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
   前記有効電力演算値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
   制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
   この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
   前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
   前記電圧形インバータの主回路平滑コンデンサ電圧を検出する直流電圧検出回路と、
   誘導電動機の制動状態を検出された直流電圧から判別するためのレベルを設定する制動状態判別レベル設定器と、
   前記直流電圧検出値を制動状態判別レベルと比較する比較器と、
   制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
   この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記比較器の出力を積算する制動期間測定器と、
   前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
4. 電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の発生トルク値を、誘導電動機の等価回路定数と、前記電圧形インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値または出力電圧検出値および出力電流値とから演算するトルク演算器と、
   誘導電動機の制動状態を演算された発生トルク値から判別するためのレベルを設定する第１の制動状態判別レベル設定器と、
   前記発生トルク値を制動状態判別レベルと比較する第１の比較器と、
   前記電圧形インバータの主回路平滑コンデンサ電圧を検出する直流電圧検出回路と、
   誘導電動機の制動状態を検出された直流電圧により判別するためのレベルを設定する第２の制動状態判別レベル設定器と、
   前記直流電圧検出値を制動状態判別レベルと比較する第２の比較器と、
   前記第１，第２比較器出力の論理積をとるアンド回路と、
   制動状態測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
   この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間、前記アンド回路の出力を積算する制動期間測定器と、
   前記測定期間設定器から測定指令が発せられる期間に対する、前記制動期間測定器の出力結果より得られる時間の割合を求める制動頻度演算器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
5. 電圧形インバータにより駆動される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の有効電力を前記電圧形インバータの出力電圧指令値または出力電圧検出値と出力電流値とから演算する有効電力演算器と、
   誘導電動機から電圧形インバータへの回生電力を消費させるための制動抵抗の消費電力許容値を設定するレベル設定器と、
   回生電力測定の開始指令と終了指令とを与える測定期間設定器と、
   この測定期間設定器から測定指令が発せられる期間の、前記有効電力の平均値を演算する有効電力平均値演算器と、
   前記レベル設定器の出力と有効電力平均値演算器にて演算された有効電力平均値とを比較する比較器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。

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