JP4591949B2 - Control device for multiphase induction motor - Google Patents
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Description
本発明は、速度検出器を用いずに多相誘導電動機(以下単に誘導電動機と言う。)を起動または再起動するために、誘導電動機の周波数を検出する機能を有する誘導電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to an induction motor control apparatus having a function of detecting the frequency of an induction motor in order to start or restart a multiphase induction motor (hereinafter simply referred to as an induction motor) without using a speed detector.
インバータに駆動されない状態で回転している誘導電動機をインバータで起動または再起動(以下単に起動と言う。)する場合、供給するインバータ出力電圧の周波数、位相及び振幅を、フリーラン状態にある誘導電動機の回転周波数、残留電圧位相及び振幅と一致させることが必要となる。電圧の位相及び振幅に差があれば、インバータに過大な電流が流れ、周波数に差があれば、誘導電動機にインパクトトルクを与える、或いは誘導電動機からインバータへ過大な回生電流が流れる等の不具合を生じる。 When an induction motor that is rotating without being driven by an inverter is started or restarted by an inverter (hereinafter simply referred to as startup), the frequency, phase, and amplitude of the supplied inverter output voltage are set to a free-run state. It is necessary to match the rotation frequency, the residual voltage phase and the amplitude. If there is a difference in voltage phase and amplitude, an excessive current flows through the inverter, and if there is a difference in frequency, an impact torque is applied to the induction motor, or an excessive regenerative current flows from the induction motor to the inverter. Arise.
従来から、誘導電動機の回転周波数、電圧位相及び振幅を演算する手法として、誘導電動機の残留誘起電圧から回転周波数、残留電圧位相を検出する手法がある。誘導電動機は電源が遮断されても、鉄心に残る磁束が回転することにより回転周波数を持つ交流電圧を発生するので、この残留電圧を利用すれば回転速度を検出できる(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, as a method for calculating the rotation frequency, voltage phase and amplitude of an induction motor, there is a method of detecting the rotation frequency and residual voltage phase from the residual induced voltage of the induction motor. Since the induction motor generates an AC voltage having a rotation frequency by rotating the magnetic flux remaining in the iron core even when the power is cut off, the rotation speed can be detected by using this residual voltage (see, for example, Patent Document 1). ).
また、特許文献2によれば、空転中の誘導電動機を所定電圧、所定周波数にて一定時間運転した後、再度遮断したときの残留電圧により周波数検出を行いソフトスタートさせている。
特許文献1に記された従来の装置においては、起動するために残留電圧を検出し、電圧位相周波数を検出していているが、残留磁束が少ない場合や回転数が低い場合には残留電圧が小さくなるので、検出できないという問題点があった。
In the conventional apparatus described in
また、特許文献2の装置では、空転中の誘導電動機を所定電圧、所定周波数にて一定時間運転した後再度遮断したときの残留電圧により周波数検出を行いソフトスタートしており、誘導電動機の磁極の周波数に近い周波数で所定の電圧をかければ、一定の時間後に残留電圧を検出することができるとしている。しかしながら、特許文献2の装置では、所定の周波数をどう決めるかが明確に示されておらず、従って誘導電動機の回転数が分からないので、所定の周波数を適切に定めるのは困難である。例えば、周波数差がありすぎれば、相当大きい電流を流さないと検出できるレベルの電圧まで励磁されないばかりか、返って消磁してしまう場合もある。更に、逆相励磁では磁束が確立しないので、回転方向が不明の場合には、上記操作を2回実施する必要があり、時間がかかるという問題があった。
Further, in the device of
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、誘導電動機の回転数や回転方向によらず、短時間で、回転数を検出し、誘導電動機を起動することができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of detecting the rotation speed and starting the induction motor in a short time regardless of the rotation speed and rotation direction of the induction motor. An object of the present invention is to provide a control device for an electric motor.
上記目的を達成するため、本発明の多相誘導電動機の制御装置は、誘導電動機を駆動する電力変換器と、この電力変換器のインバータ部のゲート駆動回路と、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記誘導電動機の起動時に、前記多相誘導電動機の固定子巻線に交番磁界を生じさせるような単相電力を加えるため、前記ゲート駆動回路に信号を与えるゲート信号供給手段と、前記単相電力の周波数を所定の範囲で変化させる周波数設定手段と、前記周波数の1周期のうち所定の期間ゲートブロック信号を発生するゲートブロック手段とを具備し、前記ゲートブロック期間中に、前記電圧検出手段により前記誘導電動機の残留電圧を検出し、この残留電圧が所定値未満であれば前記周波数設定手段により前記単相電力の周波数を変化させて再度前記ゲートブロック及び前記残留電圧検出を行い、前記残留電圧が所定値以上であれば、前記残留電圧から前記多相誘導電動機の回転周波数を検出して起動準備を完了するようにしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a control device for a multiphase induction motor according to the present invention includes a power converter that drives an induction motor, a gate drive circuit of an inverter unit of the power converter, and an output voltage of the power converter. Voltage detection means for detecting and supplying a gate signal for supplying a signal to the gate drive circuit to apply a single-phase power that generates an alternating magnetic field in the stator winding of the multiphase induction motor when the induction motor is started Means, frequency setting means for changing the frequency of the single-phase power within a predetermined range, and gate block means for generating a gate block signal for a predetermined period of one period of the frequency, during the gate block period In addition, the residual voltage of the induction motor is detected by the voltage detection means, and if the residual voltage is less than a predetermined value, the frequency of the single-phase power is determined by the frequency setting means. Performed again the gate block and the residual voltage detected by changing the residual voltage is equal to or greater than a predetermined value, and to complete the start preparation from the residual voltage by detecting the rotational frequency of the polyphase induction motor It is characterized by that.
本発明によれば、残留電圧を検出するために誘導電動機に印加する電力を単相として構成したので、誘導電動機の回転数や回転方向によらず、短時間で、回転数を検出し、誘導電動機を起動することができる誘導電動機の制御装置を提供することができる。 According to the present invention, since the electric power applied to the induction motor to detect the residual voltage is configured as a single phase, the rotation speed is detected in a short time regardless of the rotation speed and the rotation direction of the induction motor. It is possible to provide an induction motor control device capable of starting an electric motor.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例1を図1乃至図4を用いて説明する。図1は本発明に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。 A first embodiment of the control apparatus for an induction motor according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram of a control device for an induction motor according to the present invention.
図1において、交流入力を受けた電力変換器1はこれを任意の電圧/周波数の交流に変換して誘導電動機2を駆動している。図示を省略しているが、電力変換器1は、通常は交流を直流に変換するコンバータ部と、得られた直流を交流に変換するインバータ部で構成されている。電力変換器1のインバータ部を構成するパワーデバイスはゲート駆動回路4からのゲート信号により制御されている。このゲート駆動回路4は、PWM変調回路5の出力信号が入力されており、通常運転時には図示しない通常の電圧基準がPWM変調回路5に与えられている。以下、誘導電動機2を空転中に起動するための構成を中心に説明する。
In FIG. 1, a
電力変換器1の交流入力が停電後復電したとき、誘導電動機2の端子電圧を電圧検出器5で検出し、詳細は後述するゲートブロック信号発生器12からの指令信号が与えられたとき、レベル判定器6で電圧検出可能な電圧かどうかを判別し、電圧検出が可能でなければ、周波数設定器7で誘導電動機1に印加する電圧の周波数を設定する。設定された周波数に応じて、パルス幅設定器8でパルス幅を設定し、パルス振幅設定器9からの信号を合成してパルス発生器10により励磁用パルスを作成する。作成されたパルスを反転器11にて反転し、信号を3相分に変換した後、PWM変調回路4によって電力変換器1のゲート指令を作成し、ゲート駆動回路4経由電力変換器1のパワーデバイスを制御する。ここで、反転器11の出力を3相のうち2相同時に与えるようにしているので、電力変換器1の出力は単相相当となる。
When the AC input of the
周波数設定回路7及びパルス振幅設定器8の信号に応じて、ゲートブロック信号発生器12はゲートブロック信号を作成する。即ち、このゲートブロック信号がゲート駆動回路4に与えられている期間はPWM変調回路5で作成された信号はゲート駆動回路4でブロックされる。
In response to the signals from the
また、レベル判定器6で電圧検出可能なレベルであると判定されれば、ゲートブロック信号発生器12でゲートブロック信号を発生させると共に、周波数検出器14にて周波数及び位相を検出して起動の準備を完了する。
If the
次に、図2に基づいて、周波数設定器7の動作について説明する。図2は本発明の実施例1に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図である。
Next, the operation of the
電力変換器1の交流入力が復電したとき、周波数設定器7はまず、所定の周波数f1でパルスを出力する。この状態でゲートブロック信号発生器12によりゲートブロックを行う。ゲートブロック中の残留電圧が検出できなければ、上記の動作を繰り返しながら周波数設定器7は所定の周波数f2まで所定のレートで上げていく。ここで所定のレートとは、誘導電動機2の磁束を確立する時間を考慮し、誘導電動機2の2次時定数に見合う予め定められたレートとする。また、周波数f1およびf2は、誘導電動機の運転周波数f0からftopの間の値とする。
When the AC input of the
次に、図3に示すタイミングチャートで、周波数設定器7、パルス幅設定器8、パルス発生器10及びゲートブロック信号発生器12の関係を説明する。周波数設定器7で設定された周波数指令を元に、パルス幅設定器8では周期Tを決定し、その1周期を期間A、B、C、D及びEに分割する。この分割された夫々の期間に応じてパルス発生器10ではパルスXを作成する。パルスXは図示したように、例えば期間Bで1、期間Dでマイナス1、その他の期間ではゼロとする。同様にして、ゲートブロック信号発生器12ではパルス幅設定器8が設定した期間Tに応じて、ゲートブロック信号Yを作成する。例えばゲートブロック信号Yは図示したように、期間Bと期間Dでゼロ、他の期間では1とする。
Next, the relationship among the
次に以上の構成における詳細な動作について説明する。図4は本発明に係る誘導電動機の制御装置の動作を示すフローチャートである。 Next, a detailed operation in the above configuration will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the control apparatus for the induction motor according to the present invention.
停電発生後復電したとき(ST1)、電圧検出回路3により電圧検出を行う(ST2)。レベル判定器6により電圧検出回路3で検出された残留電圧が検出できるレベルか否かを判断し(ST3)、残留電圧が検出できない場合は、励磁用の単相電圧を印加するため、単相電圧の周波数を設定する(ST4)。その周波数が所定の周波数範囲内であるか否か判断し(ST5)、所定の範囲内であればパルス幅やパルス振幅のパルス条件を設定し(ST6)、単相電力のパルスを誘導電動機2に印加する(ST7)。次にゲートブロック信号発生器12からのゲートブロック信号が1となったとき(ST8)、その期間内にステップST2と同様に電圧検出器3により電圧を検出する(ST9)。そしてステップST3と同様に、レベル判定器6により残留電圧を検出することができたか判断し(ST10)、検出できなければ、ステップST4に戻り、所定のレートに応じて周波数設定器7により周波数を変更し、ステップST5でその周波数が所定の周波数内かどうか判断する。
When power is restored after the occurrence of a power failure (ST1), voltage detection is performed by the voltage detection circuit 3 (ST2). It is determined whether or not the residual voltage detected by the
以上の動作を、ステップST10で残留電圧が検出できるまで、もしくは、ステップST5で周波数が所定の周波数を超えるまで繰り返す。ステップST3またはステップST10で残留電圧が検出できた場合は、その残留電圧に基づいて周波数検出器13により周波数及び位相を検出し(ST11)、この状態で起動準備が完了する(ST12)。また残留電圧が検出できないまま、ステップST5で周波数が所定の周波数範囲を超えた場合は、誘導電動機2は停止しているものと判断する。
The above operation is repeated until the residual voltage can be detected in step ST10 or until the frequency exceeds a predetermined frequency in step ST5. If the residual voltage can be detected in step ST3 or step ST10, the
なお、上記の実施例1では、単相電圧をパルス状で与えたため、固定子巻線に生じる磁界は回転磁界ではなく交番磁界となり、何れの回転方向であっても検出が可能となるというメリットがある。 In the first embodiment, since the single-phase voltage is applied in the form of pulses, the magnetic field generated in the stator winding is an alternating magnetic field, not a rotating magnetic field, and can be detected in any rotational direction. There is.
また、周波数を可変にしているので、回転子の回転速度に近い周波数を与えて残留電圧を発生させることができる。さらに、その可変の周波数は、低い周波数から開始しているということに意味がある。これは、回転子の速度が低い場合に残留電圧が小さくなることから、図4に示した周波数の設定を繰り返す動作中に誘導電動機2の回転速度が低下し、残留電圧が検出できなくなることを防止するためである。
Further, since the frequency is variable, it is possible to generate a residual voltage by giving a frequency close to the rotational speed of the rotor. Furthermore, the variable frequency makes sense that it starts from a lower frequency. This is because the residual voltage decreases when the rotor speed is low, so that the rotational speed of the
図5は本発明の実施例1に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図である。 FIG. 5 is a characteristic diagram of the frequency setter of the control device for the induction motor according to the first embodiment of the present invention.
この実施例2においては、図2に示した実施例1の場合とは周波数設定器7の動作が異なる。パルスの周波数として、まず所定の周波数f2を選定し、ゲートブロック中の残留電圧が検出できなければ、周波数f1まで所定のレートで下げていく。ここで所定のレートとは実施例1の場合と同様、誘導電動機2の2次時定数に見合う予め定められたレートとする。また、周波数f1およびf2は、誘導電動機の運転周波数f0からftopの間の値とする。
In the second embodiment, the operation of the
電力変換器1が回生機能を持たない構成の場合は、実施例1の図2に示したようにf1から周波数を上げていく方法によると、フリーラン状態の回転子の回転周波数よりf1が低いときには回生モードとなり、電力変換器1が過電圧になる恐れがある。従って、実施例2のようにf2から周波数を下げていくようにすれば上記問題を防ぐことが可能となる。
In the case where the
図6は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例3を示す回路構成図である。この実施例3の各部について、図1の実施例1に係る誘導電動機の制御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、パルス発生回路10の出力に電流制御器20を設け、この電流制御器20の出力を電圧指令としてPWM変調を行うようにした点、また、電流検出器21を設け、この検出電流が一定になるように電流制御器20を制御するようにした点である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a third embodiment of the control apparatus for an induction motor according to the present invention. The same parts of the third embodiment as those of the control device for the induction motor according to the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The third embodiment is different from the first embodiment in that a
この実施例3のように、電力変換器1の出力電流を制御するようにすれば、電流制御器20の内部に電流リミッタを設け、所定の電流以上電流を流さないようにして、過電流を保護しながら周波数検出をしていくことが可能となる。尚、この実施例3における周波数設定器7の周波数設定方法は、実施例1の加速方式と実施例2の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
If the output current of the
以下に本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例4を図7乃至図9を参照して説明する。図7は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例4を示す回路構成図である。
A fourth embodiment of the induction motor control apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 7 is a circuit
この実施例4の各部について、図1の実施例1に係る誘導電動機の制御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4が、実施例1と異なる点は、パルス発生回路10に代え、正弦波発生回路30を設け、周波数設定回路7の出力を直接正弦波発生回路30の入力とするようにした点、パルス振幅設定器9に代え振幅設定器9Aを設けた点、また正弦波発生回路30の出力をゲートブロック信号発生回路12に与えるようにした点である。
The same parts of the fourth embodiment as those of the control unit for the induction motor according to the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The fourth embodiment is different from the first embodiment in that a sine
この実施例4に係る誘導電動機の制御装置は、誘導電動機2に与える単相電力をパルス状ではなく、正弦波とすることが特徴である。周波数設定器7で設定した周波数と振幅設定器9Aで設定した振幅を元に、正弦波発生器30で正弦波指令を作成する。そして正弦波のタイミングに応じてゲートブロック信号発生器12でゲートブロック信号を発生させる。尚、この実施例4における周波数設定器7の周波数設定方法は、実施例1の加速方式と実施例2の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
The induction motor control device according to the fourth embodiment is characterized in that the single-phase power supplied to the
この実施例4において、正弦波からゲートブロック信号を作成する仕組みの1例を、図8に示す。正弦波発生器30で作成した正弦波Zは周波数設定器7により周期Tが分かっているので、1周期を所定の期間F、G、H、I及びJに分割し、図示したように励磁が終了したと考えられる期間F、H及びJの間にゲートブロック信号Yを発生させる。
FIG. 8 shows an example of a mechanism for creating a gate block signal from a sine wave in the fourth embodiment. Since the period T of the sine wave Z created by the
また、実施例4において、正弦波からゲートブロック信号を作成する他の例を、図9に示す。図9の場合は、正弦波発生器30で作成した正弦波Zが所定の振幅±Kより小さい範囲であればその期間ゲートブロック信号Yを発生させるようにしている。
FIG. 9 shows another example of creating a gate block signal from a sine wave in the fourth embodiment. In the case of FIG. 9, if the sine wave Z created by the
以上にように正弦波による励磁を行えば、正弦波磁束によりスムースに誘導電動機2を励磁することが可能となる。
If excitation with a sine wave is performed as described above, the
以下に本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例5を図10及び図11を参照して説明する。図10は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例5を示す回路構成図である。
A fifth embodiment of the induction motor control apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 10 is a circuit configuration
この実施例5の各部について、図1の実施例1に係る誘導電動機の制御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5が、実施例1と異なる点は、PWM変調回路5及びパルス振幅設定回路9を省き、PWM変調による電圧の平均値制御を新たに設けたコンバータ電圧制御回路40により行うようにした点、またゲートブロック信号発生回路12を省いた点である。
The same parts of the fifth embodiment as those of the control device for the induction motor according to the first embodiment of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The fifth embodiment is different from the first embodiment in that the
このように、コンバータ電圧制御回路40で電力変換器1Aのコンバータ部を制御することにより周波数設定器7で設定された周波数乃至パルス幅設定器8で設定したパルス幅に応じて直流電圧の大きさを制御し、パルス幅設定器8経由パルス発生器10で作成した単相電力を与えるためのパルス状の信号を変調することなく、直接電力変換器1のインバータ部の指令とすることが可能となる。
As described above, the converter
上記の動作について図11に示すタイミングチャートで説明する。図11に示したように、周波数設定回路7の出力により、1周期Tを求め、この1周期を期間A、B、C、D及びEに分割する。そして、実施例1の場合と同様にパルス発生回路10は、期間Bで1、期間Dでマイナス1、他の期間ではゼロになるようにパルスXを発生させる。
The above operation will be described with reference to a timing chart shown in FIG. As shown in FIG. 11, one cycle T is obtained by the output of the
この実施例5の場合はPWM変調を行わない為、期間BまたはDの時には電力変換器1のインバータ部のパワーデバイスがONしているが、期間A、C及びEの時は電力変換器1のインバータ部の全てのパワーデバイスがOFFしているためゲートブロックを行ったことと等価になり、残留電圧の検出を行うことが可能となる。従って本実施例では、コンバータ電圧制御回路40が必要となるが、ゲートブロック信号発生器12を省略できるという特徴がある。尚、この実施例5における周波数設定器7の周波数設定方法は、実施例1の加速方式と実施例2の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
In the case of the fifth embodiment, since PWM modulation is not performed, the power device of the inverter unit of the
1、1A 電力変換器
2 誘導電動機
3 電圧検出器
4 ゲート駆動回路
5 PWM変調回路
6 レベル判定回路
7 周波数設定器
8 パルス幅設定器
9 パルス振幅設定器
9A 振幅設定器
10 パルス発生器
11 反転器
12 ゲートブロック信号発生器
13 周波数検出器
20 電流制御器
21 電流検出器
30 正弦波発生器
40 コンバータ電圧制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
この電力変換器のインバータ部のゲート駆動回路と、
前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記多相誘導電動機の起動時に、前記多相誘導電動機の固定子巻線に交番磁界を生じさせるような単相電力を加えるため、前記ゲート駆動回路に信号を与えるゲート信号供給手段と、
前記単相電力の周波数を所定の範囲で変化させる周波数設定手段と、
前記周波数の1周期のうち所定の期間ゲートブロック信号を発生するゲートブロック手段と
を具備し、
前記ゲートブロック期間中に、前記電圧検出手段により前記多相誘導電動機の残留電圧を検出し、
この残留電圧が所定値未満であれば前記周波数設定手段により前記単相電力の周波数を変化させて再度前記ゲートブロック及び前記残留電圧検出を行い、
前記残留電圧が所定値以上であれば、前記残留電圧から前記多相誘導電動機の回転周波数を検出して起動準備を完了するようにしたことを特徴とする多相誘導電動機の制御装置。 A power converter for driving a multiphase induction motor;
A gate drive circuit of an inverter part of the power converter;
Voltage detection means for detecting the output voltage of the power converter;
At the start of the multi-phase induction motor, for applying a single-phase power, such as to cause an alternating magnetic field in the stator windings of the polyphase induction motor, and the gate signal supply means for providing a signal to said gate drive circuit,
Frequency setting means for changing the frequency of the single-phase power in a predetermined range;
Gate block means for generating a gate block signal for a predetermined period of one period of the frequency,
During the gate block period, the voltage detection means detects the residual voltage of the multiphase induction motor,
If this residual voltage is less than a predetermined value, the frequency setting means changes the frequency of the single-phase power and performs the gate block and the residual voltage detection again,
A control device for a multi-phase induction motor, wherein if the residual voltage is equal to or greater than a predetermined value, the rotational frequency of the multi-phase induction motor is detected from the residual voltage and the start-up preparation is completed.
前記多相誘導電動機は停止しているものと判断するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の多相誘導電動機の制御装置。 If the residual voltage is less than a predetermined value in the entire frequency range set by the frequency setting means,
2. The control apparatus for a multi-phase induction motor according to claim 1, wherein the multi-phase induction motor is determined to be stopped.
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