JP5753770B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明はモータの駆動制御を行う電圧型電力変換装置に関するもので、モータ減速時の制御方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平７−７９８１(特許文献１)や特開平７−２６７５２５(特許文献２)がある。この公報には、「誘導電動機を駆動する電圧形電力変換装置の直流中間回路に設置された制動抵抗などの小容量化或いはその不要化により前記電力変換装置の小形低廉化を図る。
インバータ部を経由しコンデンサに吸収される誘導電動機からの回生電力を検出する回生電力検出器を設け、この検出器の検出信号をインバータ制御回路における関数発生器に加え、電圧指令発生器にて生成される力行運転時のインバータ出力電圧指令値に対し加算する電圧指令補正値を前記関数発生器において演算生成し、制動制御時のインバータ出力電圧指令値の対周波数指令値率をその力行運転時の値に比して大として前記電動機を過励磁状態となし、その内部熱損失の増大による前記電動機の減速を図る。」
また「回生モード時にインバータの出力電圧安定制御を切り替えて回生電力量を減少させ、回生電力消費用抵抗を不要又は小容量のものとする。ＣＰＵが出力電圧指令を演算してインバータ出力電圧の安定制御をするエレベータ装置において、主回路の直流電圧検出回路の検出値が主回路直流電圧の基準値より高くなった場合にＣＰＵがエレベータシステムの回生モードと判断し、出力電圧の安定化制御を解除し、出力電圧指令を演算方式で演算してインバータの出力電圧を制御する。この制御により回生モード時に回生電力により主回路電圧が上昇すると、電動機ＩＭの励磁電流が増加し電動機の電力損失が増加して回生電力量が減少するので、回生電力消費用抵抗Ｒ１を不要又は小容量とすることが可能となる。」と記載されている

特開平７−７９８１号公報 特開平７−２６７５２５号公報

前記特許文献１や特許文献２では、接続されている回生制動抵抗の許容電力容量に関係なく、出力電圧を高くしモータの消費電力を増やす動作を行うため、回生制動抵抗に余裕があるにもかかわらず不用意にモータでの損失を増やしてしまったり、逆に回生制動抵抗の許容電力容量以上に抵抗に電力を消費させてしまったりする問題があった。

本発明は、予め接続している回生制動抵抗の許容電力容量値とその抵抗値に応じてモータへの出力電圧や減速時間を自動調整し、回生制動抵抗で消費される電力容量を効果的に使用できるような電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、例えば、回生電力消費用回路と、回生制動抵抗と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記回生制動抵抗の許容電力容量値とその抵抗値に応じて減速時に前記モータへの出力電圧を変化させる。

本発明によれば、回生制動抵抗の許容電力容量値とその抵抗値に応じてモータの出力電圧を変化させることにより、減速時に回生制動抵抗に消費される電力が適正に調整されるインバータを提供することができる。

実施例１のブロック図である。 実施例１のフローチャート図である。 実施例１の動作タイミングチャート例である。 未実施の場合の動作タイミングチャート例である。 実施例２のフローチャート図である。 実施例２の動作タイミングチャート例である。

図１が本実施例の構成図である。コンバータ部１とコンデンサ２によって交流電源を整流し直流電圧に変換する。インバータ部３は前記直流電圧を所要の交流電圧に変換し、モータへ出力を行う。トランジスタ６は、回生制動抵抗４を動作させるためのスイッチの役割をはたす。モータの減速運転時における回生運転状態により、インバータにエネルギーが回生された場合にオン動作し、回生制動抵抗４でこの回生エネルギーを熱として消費させる。

電圧検出器７は、直流部２０の電圧を常時監視し制御回路５に直流電圧信号Ｖpnを送る。設定器１０はインバータの出力周波数などの各種設定を行う装置であり、各種設定値を制御回路５に送る。制御回路５に実装された図示していないＭＣＵが、直流電圧信号、設定値などを元に回生制動抵抗動作やＰＷＭなどの各種演算を行い、回生制動ドライブ回路８、インバータ部ドライブ回路９に動作信号を送る。回生制動ドライブ回路８は回生制動抵抗用トランジスタ６を、インバータ部ドライブ回路９はインバータ部を制御回路からの動作信号に従い駆動する回路である。

図２が実施例のフローチャートである。設定器１０より運転指令が入り運転が開始され
る(Ｓ１)。設定器１０から運転周波数を取込み(Ｓ２)運転が開始される。運転周波数に応
じて出力電圧が演算される(Ｓ３)。

制御回路５に実装されたＭＣＵが前記設定器１０より運転周波数の取込値に従い、出力運転周波数と前記出力電圧を演算出力する働きをしている。このため、前記ＭＣＵは前記出力運転周波数が、加速状態か、一定速状態か、減速状態かを正確に認識している。

制御回路５に実装されたＭＣＵが減速でないと判断した場合は、制御回路５は運転周波数と出力電圧からＰＷＭ演算(Ｓ１３)を行い、インバータ部駆動回路９によりインバータ部３を駆動し所要の交流電圧を出力する(Ｓ１４)。

制御回路５に実装されたＭＣＵが減速と判断した場合は、制御回路５は、電圧検出器７から直流電圧Ｖpnを取込み(Ｓ５)、予め設定されている回生制動回路の動作電圧Ｖbrと比較する(Ｓ６)。制御回路５が、Ｖpn＜Ｖbrと判断した場合には、制御回路５に実装されたＭＣＵが減速運転でない場合と同様にＰＷＭ演算を実行し(Ｓ１３)、その後、所要の交流電圧がモータに出力(Ｓ１４)される。

制御回路５がＶpn≧Ｖbrと判断した場合には、回生制動ドライブ回路８に動作信号が送られトランジスタ６がオンする(Ｓ７)。その後、制御回路５に実装されたＭＣＵは、予め設定されている接続回生制動抵抗４の抵抗値ＲとＶbrから制動抵抗で消費される電力Ｐｂｒの演算を行う(Ｓ８)。

この場合、図４から、回生制動抵抗４で消費される電力Ｐｂｒ１は、下式で表される。
（数１）
Ｐｂｒ１＝（Ｖb^２／Ｒ）＊ｔ1／ｔｄ1
ここで、Ｖbは回生制動抵抗の印加電圧であり、ｔ1は、図１に記載した回生制動ドライブ回路８が動作した時間であり、ｔｄ1は次に回生制動ドライブ回路８が動作するまでの時間である。

前記回生制動抵抗４で消費される電力Ｐｂｒ１を正確に演算する場合、放電抵抗スイッチ用トランジスタ６の電圧降下ΔＶを直流電圧Ｖpnから差し引きいた値(Ｖb＝Ｖpn−ΔＶ)を用いて、
（数２）
Ｐｂｒ１＝｛(Ｖpn−ΔＶ)^２／Ｒ｝＊ｔ1／ｔｄ1
となるが、一般にスイッチ用トランジスタ６の導通時電圧降下ΔＶは1Ｖ〜3Ｖ程度であり、直流電圧Ｖpn(数百Ｖ)に比べて極めて小さく無視できる値である。

このため、前記回生制動抵抗４で消費される電力Ｐｂｒ１とＰｂｒｎは、
（数３）
Ｐｂｒ１＝｛(Ｖpn−ΔＶ)^２／Ｒ｝＊ｔ1／ｔｄ1
≒（Ｖpn^２／Ｒ）＊ｔ1／ｔｄ1 （∵Ｖpn−ΔＶ≒Ｖpn）
Ｐｂｒｎ≒（Ｖpn^２／Ｒ）＊ｔｎ／ｔｄｎ（∵Ｖpn−ΔＶ≒Ｖpn）
となることは自明である。

また、モータが停止するまでに前記回生制動抵抗４で消費された全電力Ｐｂｒは、下式で表される。
（数４）
Ｐｂｒ≒（Ｖpn^２／Ｒ）＊Σ（ｔｎ／ｔｄｎ）
ここで、前記回生制動抵抗４で消費される電力をＰｂｒｎとして毎回演算し、許容電力容量Ｐｒと比較してもよいし、全電力Ｐｂｒとして演算し、許容電力容量Ｐｒと比較してもよい。もちろん、上記放電抵抗スイッチ用トランジスタ６の電圧降下ΔＶを直流電圧Ｖpnから差引いて制動抵抗で消費される電力ＰｂｒｎあるいはＰｂｒを演算しても、本発明の意図は何も変わらない。

また、前記回生制動抵抗４に流れる電流の実効値Ｉｒｍｓを検出し、下式で回生制動抵抗４の制動抵抗で消費される電力Ｐｂｒを求めることもできる。
（数５）
Ｐｂｒ１＝（Ｉｒｍｓ^２＊Ｒ）＊ｔ1／ｔｄ1
Ｐｂｒ１＝（Ｉｒｍｓ^２＊Ｒ）＊Σ（ｔｎ／ｔｄｎ）
前記回生制動抵抗４で消費される電力Ｐｂｒは、前記直流電圧Ｖpnを用いても、前記電流の実効値Ｉｒｍｓを用いても演算することができる。
さらには、前記Σｔｄｎは、設定器１０より予め設定されたインバータの減速時間としてもよい。

本実施例は、前記電圧Ｖpnを用いて制動抵抗で消費される電力Ｐｂｒを演算した例であるが、電圧に限定したものではない。

次いで、予め設定されている接続回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒと前記Ｐｂｒと比較を行う(Ｓ９)。制御回路５に実装されたＭＣＵがＰｒ＞Ｐｂｒと判断した場合には、加算電圧Ｖ＋を増加させ(Ｓ１１)、制御回路５に実装されたＭＣＵがＰｒ≦Ｐｂｒと判断した場合には、加算電圧Ｖ＋を減少させる(Ｓ１０)。その後出力電圧Ｖoに加算電圧Ｖ＋を加算{Ｖo＋(Ｖ＋)}あるいは減算{Ｖo−(Ｖ＋)}し、(Ｓ１３)、(Ｓ１４)が実行されインバータから所要の交流電圧が出力される。

ここで、接続回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒを回生制動抵抗４の許容電力値として設定器１０から予め設定しておけば、制動抵抗で消費される電力Ｐｂｒが、このＰｒ値以下で動作するように自動的にインバータの出力電圧Ｖoを制御する。

出力電圧Ｖoに対し、加算電圧Ｖ＋を加算した場合{Ｖo＋(Ｖ＋)}、前記モータの出力端子電圧が加算電圧Ｖ＋分高くなるため、モータ内部の巻線抵抗などで消費される損失電力が大きくなる。

ここで、出力電圧Ｖoに対し、加算電圧Ｖ＋が加算{Ｖo＋(Ｖ＋)}された場合(Ｓ１１)、前記モータは過励磁状態となり、モータ内部の巻線抵抗などで消費される電力(モータ内部で発生する損失)と前記回生制動抵抗４で消費される電力の双方が増大することになる。

つまり、モータからの回生電力から前記モータ内部の巻線抵抗などで消費される電力を差引いた分がモータ端子からインバータに帰還される電力となるため、モータ内部の巻線抵抗などで消費された電力を差引いた分を前記回生制動抵抗４で電力消費すればよいことになる。

すなわち、モータの減速時に回生制動抵抗４の電力容量値とその抵抗値に応じてモータの出力電圧Ｖoに加算電圧Ｖ＋を加算{Ｖo＋(Ｖ＋)}することにより、前記モータ内部の巻線抵抗などで消費される電力分だけ回生制動抵抗４の電力容量Ｐｒを低減することが可能である。

この動作により、減速時の回生エネルギーを回生制動抵抗４の設定許容電力容量に応じて出力電圧が自動的に調整されるため、回生制動抵抗４の許容電力容量内で十分効果的に使用することもできる。

図３に本実施例の動作タイムチャート例、図４に未実施の場合の動作タイムチャート例を示す。これはインバータの出力周波数を加速、一定速、減速の順に運転した場合の例である。

まず本実施例にかかる発明を用いない場合について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。ｔ１で設定器１０より運転指令がはいり加速が始まり、ｔ２で目的の運転周波数に達し一定速運転状態となる。ｔ３で設定器１０より停止の指令が入り減速運転を始めるとモータは発電機動作となり、モータからの回生電力により、コンデンサの両端直流電圧Ｖpnが上昇する。Ｖpnが予め設定されている回生制動回路動作電圧Ｖbrを超えると放電抵抗スイッチ用トランジスタ６が動作し、回生制動抵抗４により回生電力を熱として消費することによりＶpnが上昇するのを抑えつつ減速運転を行う。

ここで、上記放電抵抗スイッチ用トランジスタ６が動作し、回生制動抵抗４により回生電力を熱として消費することを回生制動抵抗動作として、以下ＢＲと表記する。
モータの電力は、回転数とトルクの積に比例する(Ｐ∝Ｎ*Ｔ)ため、減速トルクが一定の条件の場合、周波数に対し比例の関係がある。

本制御では減速時のモータ内部で消費される電力Ｐｌは、周波数に関係なくほぼ一定となるため、回生制動抵抗４で消費される電力Ｐｂｒは、周波数が高い(回転数が高い)領域で大きく、周波数の低下とともに小さくなるような動作となる。

次に図３の本実施例について説明する。
ｔ３で減速が入りＢＲが働くと、回生制動抵抗４により回生電力を熱として消費するまでは未実施と同じ動作であるが、ここでフローのＳ８以降が実行され、回生制動抵抗の消費電力Ｐｂｒと予め設定された回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒに応じて出力電圧の加算が行われる。

すなわち、前記回生制動抵抗４で消費される電力演算値Ｐｂｒが、予め設定器１０で設定された回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒと比較し、Ｐｒ＞Ｐｂｒ場合には、出力電圧ＶoにＶ＋が加算{Ｖo＋(Ｖ＋)}されてインバータから所要の交流電圧が出力される。
この加算電圧Ｖ＋が、図３における時間ｔ３以降の減速期間中にインバータ出力電圧Ｖo（破線部分）に上乗せされた実線で描かれた部分に相当する。

本実施例では、減速時の出力周波数の低下とともに前記加算電圧Ｖ＋も小さくしているが、モータの容量、負荷率、回生制動抵抗４の許容電力容量に依存しており、加算電圧Ｖ＋を一定にし、出力周波数の低下とともに一定値として加算電圧Ｖ＋を常に加算しても本発明の意図を損なうものではない。

これによりモータの端子電圧が上昇するためモータは過励磁状態となり、モータ内で消費される電力Ｐｌ(モータ内部の巻線抵抗などで消費された損失電力)が増え、この電力Ｐｌを前記回生電力から差引いた分がモータ端子からインバータに回生される電力であり、
この電力を回生制動抵抗４で消費すればよいことになる。

すなわち、前記回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒを効果的に使用しようとすれば、回生電力の内、前記電力Ｐｌ分をモータ内で熱として消費負担するため、モータの減速時間はＴｄｄ２となり、図４と比較し、ΔＴｄｄだけ短くすることができコンベアなどの生産設備のタクトタイムを短縮することが可能であり生産性を向上することができる。

一方、図３における減速時間Ｔｄｄ２を図４で示した減速時間Ｔｄｄ１と同じにした場合、出力電圧Ｖoに対し、加算電圧Ｖ＋が加算された場合(Ｓ１１)、前記モータは過励磁状態となり、モータ内部の巻線抵抗などで消費される電力(モータ内部で発生する損失)が増大する。このため、モータからの回生電力から前記モータ内部の巻線抵抗などで消費される増大した電力を差引いた分がモータ端子からインバータに帰還される電力となるため、モータ内部の巻線抵抗などで消費された電力を差引いた分を前記回生制動抵抗４で電力消費すればよい訳であるから、この分だけ回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒの小さい抵抗器を使用することが可能であり、抵抗器の小型化を実現することもできる。

本実施例では、予め設定されている回生制動抵抗４の抵抗値Ｒと直流電圧Ｖpnの取込み値から回生制動抵抗４に消費されている電力Ｐｂｒを演算し、予め設定されている回生制動抵抗４の許容電力容量Ｐｒと比較し、これを超えていなければ(Ｐｒ＞Ｐｂｒ)出力電圧を上昇させる動作を行う。これはモータに印加する電圧を高くすることにより、モータは過励磁状態となりモータ内の損失電力が増大する。このため、前記のように回生回路が動作している最中に出力電圧Ｖoを上昇{Ｖo＋(Ｖ＋)}させると、回生電力のうちモータ内部の巻線抵抗などで消費される電力が増え、回生電力の一部を熱としてモータが負担するため、モータ端子からインバータに戻ってくる電力が減り、回生制動抵抗４で消費すべき電力が低減することになる。この作用を利用して、前記方法により出力電圧を変化させることにより、回生制動抵抗４の消費電力Ｐｂｒを制御することができる。

従って、予め回生制動抵抗４の抵抗値Ｒと許容電力容量Ｐｒを設定しておけば、回生制動抵抗４の許容電力容量内で効率よく使用することができ、回生制動抵抗４のオーバーロードによる過熱などを防ぐことができる。

出力電圧を上昇させる値を大きくし過ぎると、モータの発熱がさらに大きくなりモータ自体を焼損させる恐れがでてくる。このため、電圧加算Ｖ＋にはモータの特性に応じてリミットを設ける必要がある。

実施例１において、回生量が多く出力電圧Ｖoがリミット値に達してしまった場合、回生電力が回生制動抵抗４では消費しきれなくなり、直流部２０の電圧Ｖpnが上昇し最終的には過電圧の保護がかかってインバータが停止に至ることになる。

前記回生制動抵抗４には、一般的に温度センサが内蔵されており、過度の回生量を熱として消費する場合には抵抗エレメントの温度が急激に上昇し、前記温度センサが動作し、回生制動抵抗４を異常発熱から保護する目的で前記トランジスタ６を停止する構成になっている。このため、回生電力が回生制動抵抗４で消費しきれない場合、トランジスタ６を停止するため、インバータの直流部２０の電圧がさらに上昇し最終的には過電圧の保護がかかって停止することになる訳である。

このような状態においても、過電圧の保護を回避するようにしたフローチャートが図５である。
Ｓ１２までの動作は実施例１と同一であるが、出力電圧Ｖoに予めリミット値を設定しておきＶ＋とΔＶoｌｉｍの比較を行う(Ｓ１５)。Ｖ＋＜ΔＶoｌｉｍだった場合、減速動作停止フラグＬＩをＯＦＦ(Ｓ１８)、Ｖ＋≧ΔＶoｌｉｍだった場合、減速動作停止フラグＬＩをＯＮにする(Ｓ１６)。Ｓ１３、Ｓ１４で出力が実行された後、ＬＩのフラグがＯＦＦの場合、引き続き運転周波数に応じて減速動作を行い、ＬＩのフラグがＯＮの場合、運転周波数の取込みは行わず、現在の運転周波数を継続(一時的に停止)し、交流電圧の出力動作を実行する。

以上の処理を行うことにより、出力電圧の電圧加算Ｖ＋にリミット値(Ｖ＋＜ΔＶoｌｉｍ)を設けることができ、減速時に出力電圧が上昇し、電圧加算Ｖ＋が予め設定されたリミット値ΔＶoｌｉｍを超えた場合、減速動作を一時的に停止させることができる。減速動作が一時的に停止すると、減速による回生電力が減少し直流電圧Ｖpnが低下するため再び減速動作が実行される。

図６が本実施例の動作タイムチャートの例である。ｔ４までは実施例１と同じ動作であ
るが、減速動作にはいりＢＲが働くと共にＶoが上昇し、ｔ４でＶoの値がリミッタ値ΔＶoｌｉｍを超える(電圧加算Ｖ＋≧ΔＶoｌｉｍ)と減速動作が一時的に停止し、その後、ｔ５でリミッタ値Ｖoｌｉｍ未満(電圧加算Ｖ＋＜ΔＶoｌｉｍ)になれば再び減速を開始し、Ｖoｌｉｍを超える(電圧加算Ｖ＋≧ΔＶoｌｉｍ)と減速動作が一時的に停止するという動作を繰返しながら減速停止を継続的に実行することになる。

この結果、実際の減速時間Ｔｄｄ３は、図４における減速時間Ｔｄｄ１よりは短い時間でモータを減速停止することができる。
これにより、モータに過度の電圧を印加し極端な過励磁状態を行うことなく、モータへの過大電圧印加を防止しながら回生制動抵抗４での消費電力Ｐｂｒを許容電力容量Ｐｒ内で効率よく使用し、インバータが過電圧保護動作に陥ることなく減速停止を行うことができることになる。
また、前記リミット値ΔＶoｌｉｍは、減速時の出力周波数の低下とともにΔＶoｌｉｍ値を可変してもよいし、出力周波数の低下に無関係に一定値としても本発明の意図を損なうものではない。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置換ることが可能であり、さらには、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除あるいは置換えをすることが可能である。

さらに、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、上記の各構成、機能などは、マイクロプロセッサ(ＭＣＵ)がそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全
ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続さ
れていると考えてもよい。

以上のように、本実施例にかかる発明に拠れば、電力変換装置を使用してモータを駆動
する用途において、モータの減速時に回生電力が発生し、その回生電力を回生制動抵抗４を使用して消費させる場合に、接続する回生制動抵抗４の許容電力容量内で効果的に使用できる。

１…コンバータ部、２…コンデンサ、３…インバータ部、４…回生制動抵抗、５…制御回路、６…放電抵抗スイッチ用トランジスタ、７…直流電圧検出器、８…回生制動ドライブ回路、９…インバータ部ドライブ回路、１０…設定器、２０…直流部、ｆｏ…インバータ出力周波数、Ｖpn…インバータ直流電圧、Ｖo…インバータ出力基本波実効値電圧、ＢＲ…回生制動抵抗動作、Ｐｂｒ…回生制動抵抗の消費電力、Ｐｌ…モータ内部で消費される電力、ＬＩ…減速動作停止、Ｖbr…回生制動回路の動作電圧、Ｖb…回生制動抵抗の印加電圧、Ｐr…回生制動抵抗の許容電力容量

Claims (3)

1. モータからの回生電力を消費する回生制動抵抗と、
   前記回生制動抵抗の動作を制御する回生制動ドライブ回路と、
   前記回生制動ドライブ回路を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記回生制動ドライブ回路の動作量から前記回生制動抵抗における消費電力値を算出し、前記算出された消費電力値に応じて減速時の前記モータへの出力電圧値の増加分を決定することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、算出された前記回生制動抵抗における消費電力値と、予め設定された回生制動抵抗の許容電力容量値とを比較し、前記消費電力値が前記許容電力容量値より小さければ前記出力電圧値の増加分を増加させ、前記消費電力値が前記許容電力容量値以上であれば前記出力電圧値の増加分を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記出力電圧値の増加分が、予め設定された上限値以上である場合には、前記モータの減速動作を一時的に停止させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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