JP6219907B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

インバータとは、入力される交流電源を直流に変換し、これを再び、電動機にて要求される大きさ及び周波数を有する電圧に変換して、電動機に出力する電力変換装置である。

従来、一般に用いられるインバータの起動制御は、空隙磁束を基底周波数以下、全周波数領域で一定に制御する方式であって、固定子電流の磁束成分の電流を制御するものである。低速で、固定子抵抗による電圧降下の影響で全体的な電流が増加するが、初期に大きな起動トルクが必要な場合、一般の電圧／周波数の関係のみで制御することよりも、その性能が優れている。

しかし、このような制御方式を産業用インバータの起動に使用しようとする場合、オートチューニングで得られた電動機パラメータ（固定子抵抗、固定子インダクタンス、無負荷電流）に大きく依存し、該当パラメータの誤差に起因するトルクブースト補償電圧に誤差が生じ、大きな起動トルクで運転が失敗する場合が発生する問題点がある。

特に、一定の電圧／周波数の制御は、予め設定された電圧と周波数の比率に応じて要求される周波数に該当する電圧を出力するものであるため、低速で大きな起動トルクを要求したり、または大きな負荷変動がある場合、起動に失敗する場合が発生する問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、インバータの起動時、大きな起動トルクが要求されたり、大きな負荷変動がある場合でも、安定してインバータを動作させるインバータ制御装置を提供することである。

上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の制御装置は、指令周波数から電圧指令を生成する第１の生成部と、インバータの出力電流を同期座標系上のトルク電流に変換する第１の変換部と、及び前記トルク電流と電動機の情報を用いて、前記指令電圧を補償する補償電圧を生成する第２の生成部と、を含み、前記補償電圧は、前記第１の生成部に印加される。

本発明の一実施形態の制御装置は、前記電圧指令を停止座標系上の電圧指令に変換する第２の変換部と、前記停止座標系上の電圧指令を電動機の定格に応じて調整する調整部と、及び調整された前記停止座標系上の電圧指令に基づいて、前記インバータの複数の電力用のスイッチング素子を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する第３の生成部と、をさらに含む。

本発明の一実施形態の制御装置は、前記のトルク電流の高調波成分を制御する低帯域フィルタ（ＬＰＦ）をさらに含む。

本発明の一実施形態において、前記第２の生成部は、前記電動機の情報と、予め設定された電圧利得に応じてブースト電圧を生成する第４の生成部と、前記トルク電流のＫ−ファクターと前記ブースト電圧を乗じて補償電圧を生成する第１の乗算部とを含む。

本発明の一実施形態において、前記第２の生成部は、前記トルク電流と、トルク電流基準とを比較する比較部をさらに含む。

本発明の一実施形態において、前記比較部は、前記トルク電流が前記トルク電流基準よりも大きい場合、１を出力し、前記トルク電流が前記トルク電流基準よりも大きくない場合、０を出力する。

本発明の一実施形態において、前記第２の生成部は、前記比較部の出力と前記第４の生成部の出力を乗じる第２の乗算部をさらに含む。

本発明の一実施形態において、前記第２の生成部は、前記補償電圧を所定の電圧以下に制限する制限部をさらに含む。

本発明の一実施形態において、前記電動機の情報は、前記電動機のスリップ周波数と、前記電動機の容量とを含む。

上記のような本発明は、大きな起動トルクが要求されたり、負荷変動が大きい場合でも、負荷の状況に応じて補償電圧が決定されるため、インバータを安定して駆動させる効果がある。

本発明が適用されるインバータシステムの構成を説明するための一例示図である。 従来のインバータシステムにおいて、制御部を説明するための構成図である。 図１のインバータシステムにおいて、本発明の一実施形態の制御部を説明するための一例示図である。 図３の補償電圧生成部を説明するための一実施形態の詳細構成図である。

本発明は、様々な変更を加えることができ、種々の実施形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。

本発明で説明する「第１の」及び「第２の」などのような序数の表現は、その表現が使用される構成要素を区別するために印加される表現であって、本発明の構成要素が、これに限定されるものではない。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されるインバータシステムの構成を説明するための一例示図である。

図面に示されたように、インバータ２は、３相の電源提供部１から３相の電源を受信し、これを所定の大きさ及び周波数を有する電圧に変換して電動機３に提供し、整流部１０、直流端キャパシタ２０、インバータ部３０、及び制御部４０を含む。

整流部１０は、入力される交流電圧を直流電圧に変換するものであって、通常、複数のダイオードで構成できる。

電源側から供給される入力電力が負荷にて消費される出力電力よりも大きい場合、直流端電圧が増加し、逆の場合は、直流端電圧が減少する。直流端キャパシタ２０は、入出力端の瞬時的な電力の不均衡を解消するために用いることができる。

また、インバータ部３０は、複数の電力用のスイッチング素子で構成され、制御部４０のパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）信号により複数の電力用のスイッチング素子のオンオフが制御され、所定の大きさ及び周波数を有する電圧を電動機３に出力することができる。このとき、電力用のスイッチング素子は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）であってもよいが、本発明は、これに限定されるものではなく、様々な電力用のスイッチング素子が用いられてもよい。

電流検出部４は、インバータ２の出力、すなわち電動機３の入力電流を検出するものであって、電流検出部４が検出する電流は、電動機３の保護動作のために用いられる。電流検出部４は、例えば、変流器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＣＴ）であってもよいが、本発明は、これに限定されるものではなく、このような機能を行う様々なデバイスが適用され得る。

以下では、従来の制御部の構成を説明し、本発明の制御部の構成を図面を参照して説明する。

図２は、従来のインバータシステムにおいて、制御部を説明するための構成図である。

図面に示されたように、従来のインバータを制御する制御部４００は、電圧指令生成部４１０、座標変換部４２０、調整部４３０、ＰＷＭ生成部４４０、及び補償電圧生成部４５０を含み、電圧−周波数の一定制御のための制御装置であって、回転子位置センサが構成されていない場合、インバータを制御する。

電圧指令生成部４１０は、指令周波数から電圧指令を生成し、座標変換部４２０は、電圧指令生成部４１０から受信する電圧指令を座標変換して、停止座標系上の３相の電圧指令に変換する。

調整部（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ＡＶＲ）４３０は、直流端電圧に変化がある場合でも、電動機の定格に合わせて座標変換部４２０の電圧を調整し、ＰＷＭ生成部４４０は、電圧指令に基づいてインバータ部３０の複数の電力用のスイッチング素子を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。

このとき、低速で固定子抵抗による電圧降下により、電圧／周波数の一定制御をすると、空隙磁束が減少し、出力トルクが減少することになる。これを補償するために、低速で電圧を上昇させることをトルクブースト（ｔｏｒｑｕｅ ｂｏｏｓｔｅｒ）といい、補償電圧生成部４５０は、電動機パラメータ（固定子抵抗、固定子インダクタンス、無負荷電流）を用いて、トルクブーストの量を計算して補償電圧を生成し、これを指令電圧生成部４１０に提供することにより、大きな起動トルクが必要な場合、電圧指令を補償する。

しかし、従来の補償電圧生成部が生成する補償電圧は、電動機パラメータに大きく依存し、この誤差により、補償電圧の誤差が生じ、大きな起動トルクで運転が失敗する問題点がある。

本発明の制御部４０は、このような問題点を解決するためのものであって、インバータ出力電流のトルク成分から補償電圧を生成することにより、大きな起動トルクが要求されたり、大きな負荷変動が発生した場合でも、安定してインバータを運転するためのものである。

図３は、図１のインバータシステムにおいて、本発明の一実施形態の制御部４０を説明するための一例示図である。

図面に示されたように、本発明の一実施形態のインバータの制御部４０は、電圧指令生成部４１、第１の座標変換部４２、調整部４３、ＰＷＭ生成部４４、第２の座標変換部４５、低帯域フィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；ＬＰＦ）４６、及び補償電圧生成部４７を含む。

本発明の制御部４０は、電動機３の回転子位置センサが無い場合に用いてもよいが、これに限定されるものではなく、回転子位置センサがある場合でも用いることができる。

電圧指令生成部４１は、設定された指令周波数から電圧指令を生成することができる。座標変換部４２は、電圧指令生成部４１が生成した電圧指令を座標変換して、停止座標系上の３相電圧指令を出力することができる。

調整部（ＡＶＲ）４３は、直流端電圧に変化がある場合でも、電動機の定格に合わせるように、座標変換部４２の出力である電圧を調整することができる。また、ＰＷＭ生成部４４は、電圧が調整された電圧指令に基づいて、インバータ部３０の複数の電力用のスイッチング素子を制御するためのＰＷＭ信号を生成することができる。調整部４３とＰＷＭ生成部４４の具体的な動作については、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者にとって自明な事項であるため、省略することにする。

第２の座標変換部４５は、電流検出部４からインバータ２の出力電流を受信して、同期座標系上のｄ軸電流とｑ軸電流に変換することができる。このとき、ｄ軸電流は、インバータ２の出力電流の磁束成分（磁束電流）であり、ｑ軸電流は、インバータ２の出力電流のトルク成分（トルク電流）である。

ＬＰＦ４６は、トルク電流をフィルタリングして高調波を除去することができる。以後、補償電圧生成部４７は、電動機３のスリップ周波数（ｓｌｉｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）、電動機の容量情報を受信し、受信されたスリップ周波数と容量情報、及び既設定されるブースト電圧利得を考慮して、補償電圧を生成し、これを電圧指令生成部４１に提供することができる。

補償電圧生成部４７は、電動機３でスリップ周波数が大きくなると、初期過電流が大きく流れるため、これに伴う適切な補償電圧を生成することができ、また、汎用インバータ２の場合、電動機３の容量ごとに出力電流が異なるため、デフォルト（ｄｅｆａｕｌｔ）利得を有するようにする電動機の容量情報に基づいて補償電圧を生成することができ、また、電圧利得まで考慮して、従来の電圧／周波数の一定制御に比べて、より大きな電圧を補償することができるため、本発明の一実施形態は、大きな起動トルクが必要な場合や、自動調整機能を用いるときに有用である。

図４は、図３の補償電圧生成部を説明するための一実施形態の詳細構成図である。

図面に示されたように、本発明の一実施形態の補償電圧生成部４７は、比較部４７Ａ、ブースト電圧生成部４７Ｂ、メモリ４７Ｃ、第１及び第２の乗算部４７Ｄ ，４７Ｆ、Ｋ−ファクター（Ｋ−ｆａｃｔｏｒ）決定部４７Ｅ、及び制限部４７Ｇを含む。本発明の一実施形態では、補償電圧生成部４７が、メモリ４７Ｃを含み、メモリ４７Ｃに既設定された電圧利得を予め格納する例を説明するが、これに限定されるものではなく、外部に構成されるメモリから電圧利得を受信することを排除するものではないことは、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者にとって自明であるだろう。

図３の第２の座標変換部４５からのトルク電流を出力し、ＬＰＦ４６によってトルク電流に含まれている高調波成分がフィルタリングできる。

比較部４７Ａは、高調波成分がフィルタリングされたトルク電流と、電流補償の基準になるトルク電流基準とを比較することができる。トーク電流基準は、既設定されていてもよい。したがって、比較部４７Ａの比較により、トルク電流がトルク電流基準以上である場合、補償電圧が生成されるようにすることができる。つまり、比較部４７Ａは、トルク電流がトルク電流基準以上である場合、１が出力され、トルク電流がトルク電流基準以下である場合、０が出力される。

一方、スリップ周波数は、電動機３ごとに異なり、誘導電動機の場合、スリップ周波数が大きいほど、初期起動電流が大きいため、起動電流の急激な上昇から保護するために、本発明のブースト電圧生成部は、スリップ周波数を考慮して決定される。また、電動機３の容量によって、定格出力電流が異なるため、電動機３のパラメータも異なるようになる。したがって、ブースト電圧の利得にも影響を与えるため、電動機３の容量情報からブースト電圧を決定することができる。

また、ブースト電圧生成部４７Ｂは、メモリ４７Ｃに格納された電圧利得もまた考慮して、ブースト電圧を生成することができる。

このように生成されたブースト電圧は、トルク電流がトルク電流基準よりも大きい場合、比較器４７Ａが出力する１と、第１の乗算部４７Ｄによって乗算され、第２の乗算部４７Ｆに提供され得る。もし、トルク電流がトルク電流基準よりも小さければ、比較部４７Ａは０を出力するため、補償電圧が出力されないこともある。

ただし、これは例示的なものであって、ブースト電圧生成部４７Ｂは、電動機のスリップ周波数、電動機の容量情報、及び電圧利得のほか、他のパラメータを考慮して、ブースト電圧を決定することが可能である。

Ｋ−ファクター決定部４７Ｅは、ＬＰＦ４６を介してフィルタリングされたトルク電流からＫ−ファクターを決定することができ、第２の乗算部４７Ｆは、Ｋ−ファクターと、ブースト電圧生成部４７Ｂによって生成されたブースト電圧を乗じて補償電圧を生成することができる。 Ｋ−ファクターは、トルク電流に基づいて決定されるものであり、制限部４７Ｇは、補償電圧が大きすぎる場合、これを制限することができる。制限される値に対しては、予め設定することができる。

このように、本発明の補償電圧生成部４７は、インバータ２の出力電流のトルク電流が所定の基準以上である場合に限り、電動機３のスリップ周波数と容量情報、及び既設定された電圧利得を考慮して、ブースト電圧を出力することができ、このように出力されたブースト電圧を、トルク電流のＫ−ファクターを考慮して決定することにより、大きな起動トルクが必要であったり、負荷変動が大きい場合でも、負荷の状況によって補償電圧が決定されるため、インバータを安定して駆動することができる。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野において通常の知識を有する者であれば、これから、様々な変形及び均等な範囲の実施例が可能であるという点を理解することができる。したがって、本発明の真の技術的保護の範囲は、次の特許請求の範囲によって定められるべきである。

１ 電源提供部
３ 電動機
１０ 整流部
２０ 直流端キャパシタ
３０ インバータ部
４０ 制御部

Claims (5)

1. 指令周波数から電圧指令を生成する第１の生成部と、
   インバータの出力電流を同期座標系上のトルク電流に変換する第１の変換部と、
   前記トルク電流と電動機のスリップ周波数及び電動機の容量に関する情報を用いて、前記指令電圧を補償する補償電圧を生成する補償電圧生成部と、
   を含み、
   前記補償電圧生成部は、
   前記トルク電流と予め設定されたトルク電流基準を比較する比較部と、
   前記情報と、予め設定された電圧利得によりブースト電圧を生成するブースト電圧生成部と、
   前記比較部の出力と前記ブースト電圧を乗じる第１の乗算部と、
   トルク電流からＫ−ファクターを決めるＫ−ファクター決定部と、
   前記Ｋ−ファクターと前記第１の乗算部の出力を乗じて補償電圧を生成する第２の乗算部と、
   を含み、
   前記補償電圧は、前記第１の生成部に印加されることを特徴とする制御装置。
2. 前記電圧指令を停止座標系上の電圧指令に変換する第２の変換部と、
   前記停止座標系上の電圧指令を電動機の定格に応じて調整する調整部と、
   調整された前記停止座標系上の電圧指令に基づいて、前記インバータの複数の電力用のスイッチング素子を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する第３の生成部と、をさらに含む、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記トルク電流の高調波成分を制御する低帯域フィルタ（ＬＰＦ）をさらに含む、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記比較部は、前記トルク電流が前記トルク電流基準よりも大きい場合、１を出力し、前記トルク電流が前記トルク電流基準よりも大きくない場合、０を出力する、請求項１に記載の制御装置。
5. 前記補償電圧生成部は、前記補償電圧を所定の電圧以下に制限する制限部をさらに含む、請求項１に記載の制御装置。

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