JP5056135B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、速度検出器を用いずに電力変換装置により誘導電動機を可変速駆動する制御装置に関し、詳しくは、誘導電動機に印加されていた電圧が電源の瞬停や電力変換装置の故障等により消失した場合に、フリーラン状態の誘導電動機に対して電圧検出器により残留電圧を検出することなく再起動可能とした制御装置に関するものである。

後述する特許文献１には、フリーラン状態にある誘導電動機の回転速度を速度検出器を用いずに検出し、その検出速度に対応する大きさ及び周波数を有する交流電圧をインバータから誘導電動機に印加することにより、電動機をショックレスで再起動するようにした従来技術が記載されている。

この従来技術では、例えば誘導電動機の電流・電圧を直交座標成分（ｄ軸成分及びｑ軸成分）に分離し、フリーラン状態の電動機への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、電動機から上記トリガ電圧に対し９０度の位相差をもって流れるｑ軸電流を検出し、そのｑ軸電流検出値を零に制御する調節動作により電動機の回転速度情報を得ている。そして、この回転速度情報とｄ軸電圧指令値とを用いて、フリーラン状態の誘導電動機を再起動するものである。

また、特許文献２には、インバータの出力側にトランス及び残留電圧検出回路を設け、瞬停後の電源復帰時に誘導電動機の残留電圧の有無を判断し、残留電圧なしと判断し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すると共に、再励磁し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開示されている。

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

上記第１または第２の従来技術において、フリーラン時の誘導電動機に残留電圧が存在する状態で再起動するには、残留電圧検出手段が必要であり、この種の電圧検出手段を用いない場合には残留電圧がなくなるまで電動機を再起動できないという問題があった。また、特許文献２に係る従来技術では、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、速度検出器や電圧検出器を用いることなく、フリーラン状態で残留電圧が存在する誘導電動機の回転速度情報を取得して誘導電動機を再起動可能とし、構成の簡略化、コストの低減及び再起動時間の短縮を図っ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、請求項１に係る発明は、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であって、
前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電力変換装置の出力電圧を零として前記電流検出手段による電流検出値を直交座標変換して得た一方の電流検出値が零となるように一次周波数推定値を出力する電流調節手段と、
前記電流調節手段の出力である一次周波数推定値から前記電動機の回転速度情報を取得する手段と、
前記回転速度情報から前記電力変換装置の出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算手段と、
前記電動機の残留電圧を前記出力電圧指令及び電動機定数から推定する残留電圧演算手段と、
前記残留電圧演算手段により演算された残留電圧推定値が設定値以下になったときに周波数判別中信号をアクティブにして出力する周波数判別手段と、
前記電動機のフリーラン状態において、前記周波数判別中信号がアクティブである期間に、前記出力電圧指令を零にして前記電力変換装置から零電圧を発生させる零電圧発生手段と、
を備え、
前記周波数判別手段は、前記残留電圧推定値が設定値以下になった時点から、前記一方の電流検出値が設定値以下である状態が所定時間継続した時点まで、前記周波数判別中信号をアクティブにして出力し、
前記出力電圧指令演算手段は、前記周波数判別中信号が非アクティブに切り替わったときの前記回転速度情報に基づいて、フリーラン状態の前記電動機を再起動するための出力電圧指令を演算するものである。

本発明においては、誘導電動機がフリーラン状態になると、残留電圧推定値が設定値以下になった時点から電力変換装置により零電圧を発生させ、その際の出力電流検出値に基づいて電動機の回転速度情報を得ることにより、電力変換装置に対する角周波数指令を生成してフリーラン状態の誘導電動機を再起動する。
これにより、誘導電動機の速度検出器や残留電圧を検出する電圧検出器、更には複雑な再起動シーケンスを用いずに誘導電動機を再起動することができ、構成の簡略化、コストの低減、再起動時間の短縮が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、電力変換装置によって誘導電動機を可変速駆動する主回路と、その制御装置とを示したものである。
まず、主回路において、１は交流電源（商用電源）、２は交流−直流変換を行う順変換器、３は直流−交流変換を行う逆変換器、４は誘導電動機であり、前記順変換器２及び逆変換器３によって電力変換装置としてのインバータが構成されている。

一方、制御装置において、１１は角周波数指令ω_０ ^＊、一次角周波数推定値ω_１＾及び後述の周波数判別中信号ａが入力され、一次角周波数指令ω_１ ^＊を演算する加減速演算器、１２は一次角周波数指令ω_１ ^＊から出力電圧指令Ｖ^＊を演算する出力電圧指令演算器、２２は後述する周波数判別器１９からの周波数判別中信号ａにより出力電圧指令Ｖ^＊と０とを切り替える切替器、１３は出力電圧指令Ｖ^＊を位相角θ_１に基づいて三相電圧指令Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊に変換する座標変換器、１４は三相電圧指令Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊に従ってＰＷＭ制御を行い、逆変換器３の半導体スイッチング素子に対する駆動パルスを生成するＰＷＭ制御器、１６は誘導電動機４の電流を検出する電流検出器、１７は三相電流検出値Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗを位相角θ_１に基づいて直交座標上の有効電流検出値（ｑ軸電流検出値）Ｉ_ｑに変換する座標変換器、１８は有効電流検出値Ｉ_ｑが０となるように調節動作して回転速度情報としての一次角周波数推定値ω_１＾を出力する電流調節器、２１は一次角周波数推定値ω_１＾と一次角周波数指令ω_１ ^＊とを周波数判別中信号ａによって切り替える切替器、１５は切替器２１の出力信号を積分して位相角θ_１を演算する積分器である。
また、２３は切替器２２の出力に基づいて残留電圧推定値Ｅ＾を演算する残留電圧演算器、１９は残留電圧推定値Ｅ＾及び前記有効電流検出値Ｉ_ｑに基づいて周波数判別中信号ａを出力する周波数判別器である。

なお、通常運転時は切替器２１，２２が図示の状態であり、このときの周波数判別中信号ａは論理が「０」である。また、フリーラン状態において誘導電動機４の回転速度情報を得る場合には周波数判別中信号ａの論理が「１」となり、切替器２１，２２をそれぞれ逆側に切り替えるようになっている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
まず、誘導電動機４の通常運転時には、角周波数指令ω_０ ^＊に基づき加減速演算器１１により演算された一次角周波数指令値ω_１ ^＊が出力電圧指令演算器１２に入力され、同時に、切替器２１を介して積分器１５に入力される。このとき、前述した如く、周波数判別中信号ａは「０」であり、切替器２１，２２は図１に示す状態になっている。

積分器１５から出力された位相角θ_１は、座標変換器１３，１７に入力されている。
また、出力電圧指令演算器１２により一次角周波数指令値ω_１ ^＊から演算された出力電圧指令Ｖ^＊は、切替器２２を介して残留電圧演算器２３及び座標変換器１３に入力される。

座標変換器１３では、出力電圧指令Ｖ^＊及び位相角θ_１に基づいて三相電圧指令Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊を生成する。ＰＷＭ制御器１４は、上記三相電圧指令Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊に従いＰＷＭ演算を行って逆変換器３の半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成し、逆変換器３では半導体スイッチング素子をオンオフさせて上記電圧指令通りの三相交流電圧を誘導電動機４に印加する。

ここで、図２は、残留電圧演算器２３の動作を示している。
残留電圧演算器２３は、出力電圧指令Ｖ^＊及び電動機定数を用いて電動機４の残留電圧（誘導電動機４の逆起電圧）を推定演算しており、例えば図２の時刻ｔ_０において交流電源１の瞬停等によりフリーラン状態になると、フリーラン開始時刻ｔ_０から徐々に減少していく値を残留電圧推定値Ｅ＾として出力する。この残留電圧推定値Ｅ＾は、周波数判別器１９に入力される。

図３は、周波数判別器１９の動作を示している。
フリーラン状態における誘導電動機４の回転速度情報は、周波数判別中信号ａが「１」である期間に取得する。すなわち、図３の下段に示すように、周波数判別器１９に入力される残留電圧推定値Ｅ＾が時刻ｔ_１において予め設定した残留電圧上限レベルＥ_０を下回ると、図３の中段に示す如く、周波数判別器１９から出力される周波数判別中信号ａは「１」となる。これにより、切替器２１，２２が切り替えられて積分器１５には一次角周波数推定値ω_１＾が入力されると共に、座標変換器１３に入力される出力電圧指令Ｖ^＊を０、すなわち逆変換器３から零電圧を出力させるようにして逆変換器３をパルスオン状態とする。
これに伴い、座標変換器１７からは図３の上段に示すような有効電流検出値Ｉ_ｑが出力され、この有効電流検出値Ｉ_ｑは、後段の電流調節器１８の動作により、やがて零となるように収束していく。

図３の上段に示す如く、周波数判別器１９には、座標変換器１７から入力される有効電流検出値Ｉ_ｑのレベルに関して正負の周波数判別完了レベルが設定されており、有効電流検出値Ｉ_ｑが正負の周波数判別完了レベル以下である時間が予め設定した時間Ｔ_１だけ継続した時点で、周波数判別中信号ａを「０」に反転させる。周波数判別中信号ａが「０」になると、切替器２１，２２は再び図１の状態に切り替えられる。

図４は、電流調節器１８の動作を示している。周波数判別開始時刻ｔ_１以後（周波数判別中信号ａが「１」の期間）、電流調節器１８の出力は図４のように変化していき、有効電流検出値Ｉ_ｑの変化に伴って一次角周波数推定値ω_１＾に収束していく。この一次角周波数推定値ω_１＾は切替器２１を介して積分器１５に入力され、その積分結果である位相角θ_１が座標変換器１３，１７に入力されることになる。

その後、周波数判別中信号ａが「１」から「０」に切り替わると、加減速演算器１１では、その入力を電流調節器１８からの一次角周波数推定値ω_１＾によりプリセットして通常運転時の一次角周波数指令値ω_１ ^＊を演算する。この一次角周波数指令値ω_１ ^＊は接点が図１の状態に切り替わった切替器２１を介して積分器１５に入力されると共に、一次角周波数指令値ω_１ ^＊から出力電圧指令演算器１２により演算された出力電圧指令Ｖ^＊は、接点が図１の状態に切り替わった切替器２２を介して座標変換器１３に入力されることになり、誘導電動機４のフリーラン状態での再起動が完了する。

なお、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、交流電源１を入力とする順変換器２を用いず、直流電源の電圧を直接、逆変換器３に入力しても良い。また、上記実施形態ではいわゆる電圧／周波数制御方式の制御装置について説明したが、本発明はベクトル制御方式の制御装置にも適用することができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 図１における残留電圧演算器の動作説明図である。 図１における周波数判別器の動作説明図である。 図１における電流調節器の動作図である。

符号の説明

１：交流電源
２：順変換器
３：逆変換器
４：誘導電動機
１１：加減速演算器
１２：出力電圧指令演算器
１３，１７：座標変換器
１４：ＰＷＭ制御器
１５：積分器
１６：電流検出器
１８：電流調節器
１９：周波数判別器
２１，２２：切替器
２３：残留電圧演算器

Claims (1)

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であって、
   前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記電力変換装置の出力電圧を零として前記電流検出手段による電流検出値を直交座標変換して得た一方の電流検出値が零となるように一次周波数推定値を出力する電流調節手段と、
   前記電流調節手段の出力である一次周波数推定値から前記電動機の回転速度情報を取得する手段と、
   前記回転速度情報から前記電力変換装置の出力電圧指令を演算する出力電圧指令演算手段と、
   前記電動機の残留電圧を前記出力電圧指令及び電動機定数から推定する残留電圧演算手段と、
   前記残留電圧演算手段により演算された残留電圧推定値が設定値以下になったときに周波数判別中信号をアクティブにして出力する周波数判別手段と、
   前記電動機のフリーラン状態において、前記周波数判別中信号がアクティブである期間に、前記出力電圧指令を零にして前記電力変換装置から零電圧を発生させる零電圧発生手段と、
   を備え、
   前記周波数判別手段は、前記残留電圧推定値が設定値以下になった時点から、前記一方の電流検出値が設定値以下である状態が所定時間継続した時点まで、前記周波数判別中信号をアクティブにして出力し、
   前記出力電圧指令演算手段は、前記周波数判別中信号が非アクティブに切り替わったときの前記回転速度情報に基づいて、フリーラン状態の前記電動機を再起動するための出力電圧指令を演算することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
   

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