JP4756464B2 - 交流電動機駆動用インバータ装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電動機を駆動するインバータ装置とその運転方法に関する。

従来の交流電動機の駆動方法として電動機の運転周波数と端子電圧が比例関係にある特性を利用して、インバータの出力周波数に応じてインバータの出力電圧を決定するものがある（以下従来技術１という）。一般的には、目的の交流電動機の運転周波数に相当する周波数の交流電圧をインバータが出力し、交流電動機はその出力電圧の位相変化に応じて回転するＶ／ｆ制御（例えば、非特許文献１参照）および交流電動機の回転速度や位相および交流電動機に流れるを検出し、それらから交流電動機内の磁束位相を求めてその位相と直角すなわちトルク成分となる電流の大きさを制御して交流電動機を回転させるベクトル制御（例えば、非特許文献２: 以下従来技術２という）がある。

まず従来技術１について説明する。図５はＶ／ｆ制御により交流電動機を駆動するインバータ装置の構成を示すブロック図（従来技術１）である。図において、１は周波数・速度指令器、２はＶ／ｆ演算器、３は位相演算器、４はＶ／ｆ演算器２と位相演算器３を備えたＶ／ｆ制御器、５は電力変換回路、６は交流電動機である。周波数・速度指令器１から出力される指令に基づきＶ／ｆ演算器２は電圧指令Vref_vfを演算し、位相演算器３は電圧の出力位相θ_vfを演算する。Ｖ／ｆ制御器４は、Ｖ／ｆ演算器２と位相演算器３の構成を一つにまとめた構成としたものである。電圧指令およびこの原理は非特許文献１にも記載されているように周知の技術であるのでここでの説明は省略する。電力変換回路５は電圧指令Vref_vfと電圧の出力位相θ_vfに基づいて、交流電圧を交流電動機６に供給する。
次に従来技術２について説明する。図６はベクトル制御により交流電動機を駆動するインバータ装置の構成を示すブロック図（従来技術２）である。図において、１は周波数・速度指令器、５は電力変換回路、６は交流電動機、７はベクトル制御器、８、９は電流検出器、１０は速度・位相検出器である。

交流電動機６の回転速度を与える周波数・速度指令器１と交流電動機６に電圧を供給する電力変換回路５と電力変換回路５から交流電動機６に流れる電流を検出する電流検出器８、９と交流電動機６の回転速度および回転子位相を検出する速度・位相検出器１０と電力変換回路５に電圧指令Vref_vectと出力電圧位相θ_vectを与えるベクトル制御器７によって構成される。速度・位相検出器１０は、図示の交流電動機６に取付ける検出器に限らず、既に周知となっている電圧指令、電流検出値および交流電動機の電気的定数を用いて速度・位相を推定して用いる速度センサレス制御器でもよい。ベクトル制御器７では、交流電動機の磁束を制御する磁束軸電流指令と周波数・速度指令器１から与えられる電動機の回転速度指令と速度・位相検出器１０で検出された交流電動機の回転速度が一致するようにトルク電流成分指令を作成し、これらの電流指令と電流検出器８と電流検出器９によって検出した電流値および速度・位相検出器１０で検出したデータに基づく交流電動機の回転子の位相に基づいて演算した前記電流指令の各成分の電流検出値が一致するように、電圧指令Vref_vectと出力電圧位相θ_vectを演算し、電力変換回路５に出力する。この演算内容の詳細については非特許文献２等にも記載されているように周知の技術であるのでここでの説明は省略する。

さらに、Ｖ／ｆ制御とベクトル制御を組み合わせたものとして、速度センサなしでの同期電動機の駆動において、位相の推定が困難な低速領域をＶ／ｆ制御で運転し、位相の推定が可能な速度の速い領域は制御特性のよいベクトル制御で運転するようにした特許文献１（以下従来技術３という）に示す方法がある。
特開２００４−４８８８６号公報（第６−９頁、図５） 電気学会「電気学会大学講座 電気機器学 ９版」オーム社、ｐ．９６ 電気学会「電気学会大学講座 電気機器学 ９版」オーム社、ｐ．９８−９９

従来技術１のＶ／ｆ制御による方法では、インバータから出力される電圧の周波数、大きさに追従して交流電動機が回転するので制御方法は簡便であるが、運転周波数の変化や交流電動機の負荷の変化による速度変動に対する応答性が悪く、回転速度を精密に制御できないといった課題がある。
また、従来技術２のベクトル制御においては交流電動機の回転速度や位相および交流電動機に流れる電流を検出し、トルク成分の電流を制御可能なため、速度応答に対する応答性がよく、回転速度精度も良い。しかし、検出したデータを交流電動機の位相に応じて演算し、出力する電圧も交流電動機の位相に合わせる必要がある。このため交流電動機の回転速度が速くなるとデータサンプリング間隔あたりの位相の変化量が大きくなるため、演算周期も速くする必要があり、演算器の性能の制約で高回転速度では運転性能が劣化するという課題がある。
また、従来技術３に記載の方法は低速でベクトル制御できない領域をＶ／ｆ制御で運転するというものであり、該特許文献で対象としている回転速度より更に高い回転速度において生じる前記のベクトル制御に対する課題が残されていた。
また、マシニングセンタ等の工作機械では、加工工具に依存して電動機の回転速度が切り替り、低速で回す工具の方が高速で回す工具よりも回転精度を要求される。従来は一つの制御方式（モード）で使える速度範囲で使用するか、制御方式切替えの設定操作が必要であった。さらに制御方式を実速度変化に基づいて切替えると、負荷の変化などによる速度変動のような外部要因で制御方式が突然に切替わり、切替え時の速度やトルク変動を生じることがあり、安定した運転ができなかった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、使用者が制御方式の原理などの専門的な知識を必要とせずに、広い速度範囲で安定に交流電動機を駆動することができる交流電動機駆動用インバータ装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明の第１の観点によるインバータ装置は、交流電動機を駆動するための速度指令を与える周波数・速度指令器と、速度指令を入力し、Ｖ／ｆ一定制御により第１の電圧指令を出力するＶ／ｆ制御器と、速度指令を入力し、ベクトル制御により第２の電圧指令を出力するベクトル制御器と、交流電動機を運転する前に、速度指令が切替レベル以上だと第１の電圧指令を選択し、速度指令が切替レベルより小さいと第２の電圧指令を選択する選択信号を生成する切替えレベル設定部と、選択信号に従い、第１の電圧指令と第２の電圧指令のうちいずれか一方を電力変換回路へ送出する制御方式切替え器とを備える。

この発明の第２の観点によるインバータ装置の運転方法は、交流電動機を駆動するための速度指令を与えるステップと、速度指令を入力し、Ｖ／ｆ一定制御を行い、第１の電圧指令を出力するステップと、速度指令を入力し、ベクトル制御を行い、第２の電圧指令を出力するステップと、交流電動機を運転する前に、速度指令と切替レベルを比較するステップと、速度指令が切替レベル以上だと第１の電圧指令を選択し、速度指令が切替レベルより小さいと第２の電圧指令を選択するステップとを備える。

本発明によると、周波数・速度指令によって高性能なベクトル制御が可能な速度領域ではベクトル制御、ベクトル制御が困難な高速領域ではＶ／ｆ制御で交流電動機を駆動するインバータ内の処理で自動的に行うので、使用者が制御方式の原理などの専門的な知識を必要とせずに、広い速度範囲で安定に交流電動機を駆動することができる。
また、周波数・速度指令に基づいて切替えるため負荷の変化などによる速度変動のような外部要因で制御方式が切替わることがないので安定した運転ができる。
また、マシニングセンタ等の工作機械に適用すると制御方式切替えの設定操作が不要となり安定した運転ができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の構成を示すブロック図である。図において１は周波数・速度指令器、４はＶ／ｆ演算器２と位相演算器３を備えたＶ／ｆ制御器、５は電力変換回路、６は交流電動機、７はベクトル制御器、８と９は電流検出器、１０は速度・位相検出器、１１は制御方式切替え器、１２は切替えレベル設定部、１３はインバータ装置全体を制御する制御部である。制御方式切替え器１１は、Ｖ／ｆ制御方式の場合にはスイッチＳＷ１、ＳＷ２は共にａ側に接続される。制御方式切替え器１１は、ベクトル制御方式の場合にはＳＷ１、ＳＷ２は共にｂ側に接続される。ベクトル制御方式からＶ／ｆ制御方式へ切替える場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は共にｂ側からａ側へと同時に切替える。従来技術と同一名称には同一符号を付け重複説明を省略する。
本発明が従来技術と大きく異なる部分は、制御方式切替え器１１と速度指令と比較する切替えレベル設定部１２とを備えた部分である。即ち、Ｖ／ｆ制御器４の出力である電圧指令Vref_vfとベクトル制御器７の出力である電圧指令Vref_vectおよびＶ／ｆ制御器４の出力である出力電圧の位相θ_vfとベクトル制御器７の出力であるθ_vectを周波数・速度指令器１の出力である周波数・速度指令値の絶対値によって切替えて電力変換回路５に与える制御方式切替え器１１を設けた部分である。運転周波数・速度指令を設定するとこの運転周波数・速度指令値の設定値が所定値以上かどうかを判別し、所定値よりも小さければベクトル制御器７の出力Vref_vectとθ_vect、所定値以上であればＶ／ｆ制御器４の出力Vref_vfとθ_vfを電力変換回路５へ入力される電圧指令Vrefと出力電圧位相θとして選択するように制御方式切替え器１１のスイッチを切替える構成としたものである。制御方式切替え器１１はハードスイッチにかぎらずソフトスイッチでもよい。切替えレベル設定部１２の設定値は、インバータの一連の入力設定値パラメータとして設定することができる。
図２は本発明２つの制御方式を切替える条件を示す図である。横軸は周波数・速度指令を示しており、図に記載の”絶対値”というのは、交流電動機には正転・逆転の方向があるので、回転方向に関係なくその大きさで示しているという意味である。周波数・速度指令が０すなわち停止した状態から所定の切替えレベルの場合はベクトル制御で運転し、所定の切替えレベル以上の場合はＶ／ｆ制御で運転するようにしたものである。
切替えの判定は切替えレベルの設定値と周波数・速度指令の大きさ（絶対値）の比較で行うので、運転中に負荷条件の変動などで交流電動機の速度が変化しても制御方式は切替わらない。この切替えレベルは別途定めて事前に設定した値であり、その決定方法は、実際の装置における電流検出や各制御器のサンプリング・演算周期に応じてベクトル制御が可能な範囲内でＶ／ｆ制御に切替わるように設定する。

交流電動機の運転中に運転周波数・速度指令の設定が変更されると、運転周波数・速度指令値の設定値が所定値以上かどうかを判別し、所定値よりも小さければベクトル制御器７の出力が、所定値以上であればＶ／ｆ制御器４の出力が電力変換器５に与えられるように制御方式切替え器１１のスイッチを切替える構成としたものである。
図３は、本発明の第一実施例の処理方法を示す。まず実際に電動機を運転する前に、ベクトル制御からＶ／ｆ制御へ運転切替えする切替えレベルを運転周波数・速度指令値として設定する(STEP101)。インバータの演算処理ではこの運転周波数・速度指令値の設定値が所定値以上かどうかを両者比較することで判別し(STEP102)、所定値よりも小さければ制御方式をベクトル制御とし(STEP103)、所定値以上であればＶ／ｆ制御とする(STEP104)。運転開始の指令を受け付けたら決定した制御方式で運転を開始する(STEP105)。

図４は、本発明の第二実施例の処理方法を示す。運転周波数・速度指令を設定し（STEP201）、運転開始指令を与える。インバータの演算処理では、運転開始指令を受け付けると運転を開始し(STEP202)、先に設定した運転周波数・速度指令値の設定値が所定値（運転切替えする切替えレベル）以上かどうかを両者比較することで判別し(STEP203)、所定値よりも小さければ制御方式にベクトル制御を選択し(STEP204)、所定値以上であればＶ／ｆ制御を選択して(STEP205)運転を継続する。
運転中に運転周波数・速度指令の設定を変更した場合(STEP206)、インバータの演算処理が運転周波数・速度指令値が変更されたことを検出したら(STEP207)、再び(STEP203)の処理へ戻り、制御方式の切替えの判定および切替え処理を行う。

以上のように、出力電圧の周波数に対して電流検出のサンプリング時間や制御演算の周期が速くベクトル制御が可能な領域では、高性能なベクトル制御で運転し、ベクトル制御が困難な出力電圧の周波数が高い回転速度が高い領域はＶ／ｆ制御に切替えて運転する操作を、周波数・速度指令に応じてインバータ内の処理で判断して行うので、使用者が制御方式の原理などの専門的な知識を必要とせずに、広い速度範囲で交流電動機を駆動することができる。

本発明の構成を示すブロック図 本発明の要部である切替え条件を示す図 本発明の実施例の処理手順を示すフローチャート 本発明の実施例の処理手順を示すフローチャート 従来のＶ／ｆ制御の構成を示すブロック図（従来技術１） 従来のベクトル制御の構成を示すブロック図（従来技術２）

符号の説明

１ 周波数・速度指令器
２ Ｖ／ｆ演算器
３ 位相演算器
４ Ｖ／ｆ制御器
５ 電力変換回路
６ 交流電動機
７ ベクトル制御器
８ 電流検出器
９ 電流検出器
１０ 速度・位相検出器
１１ 制御方式切替え器
１２ 切替えレベル設定部
１３ 制御部

Claims (4)

1. 交流電動機（６）を駆動するための速度指令を与える周波数・速度指令器（１）と、
   前記速度指令を入力し、Ｖ／ｆ一定制御により第１の電圧指令を出力するＶ／ｆ制御器（４）と、
   前記速度指令を入力し、ベクトル制御により第２の電圧指令を出力するベクトル制御器（７）と、
   前記交流電動機（６）を運転する前に、前記速度指令が切替レベル以上だと前記第１の電圧指令を選択し、前記速度指令が前記切替レベルより小さいと前記第２の電圧指令を選択する選択信号を生成する切替えレベル設定部（１２）と、
   前記選択信号に従い、前記第１の電圧指令と前記第２の電圧指令のうちいずれか一方を電力変換回路（５）へ送出する制御方式切替え器（１１）と、を備えることを特徴とする交流電動機駆動用インバータ装置。
2. 前記切替えレベル設定部（１２）は、運転中に前記速度指令が設定変更されると、変更された速度指令を用いて前記選択信号を再生成することを特徴とする請求項１記載の交流電動機駆動用インバータ装置。
3. 交流電動機を駆動するための速度指令を与えるステップと、
   前記速度指令を入力し、Ｖ／ｆ一定制御を行い、第１の電圧指令を出力するステップと、
   前記速度指令を入力し、ベクトル制御を行い、第２の電圧指令を出力するステップと、
   前記交流電動機を運転する前に、前記速度指令と切替レベルを比較するステップと、
   前記速度指令が前記切替レベル以上だと前記第１の電圧指令を選択し、前記速度指令が前記切替レベルより小さいと前記第２の電圧指令を選択するステップと、を備えることを特徴とする交流電動機駆動用インバータ装置の運転方法。
4. 運転中に前記速度指令が設定変更されると、変更された速度指令を用いて前記選択するステップを実行することを特徴とする請求項３記載の交流電動機駆動用インバータ装置の運転方法。

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