JP6394865B2

JP6394865B2 - 電動機駆動装置

Info

Publication number: JP6394865B2
Application number: JP2014149331A
Authority: JP
Inventors: 崇林
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: JP2016025779A

Description

本発明は、交流電源電圧を整流して得た直流電圧を用いて電動機を駆動する電動機駆動装置に関し、特に、交流電源に停電（瞬時停電や瞬時電圧低下等の、いわゆる「瞬停」を含む）が発生し、その後に復電した際の再突入電流を抑制するための技術に関するものである。

多相交流から簡単に直流電圧を得る手段として、交流電圧をダイオード整流器により整流して直流中間コンデンサに供給することにより、直流電圧を安定化させる手段が広く使われている。この場合、電源投入時において直流中間コンデンサに過大な突入電流が流れるのを防止するため、コンデンサの充電が完了するまで限流抵抗を介して通電し、コンデンサの充電完了後に、開閉手段としてのリレーや半導体スイッチ（以下、これらを充電用リレーという）を閉じることにより、限流抵抗の両端を短絡する突入電流抑制回路が良く用いられている。

図５は、上述した突入電流抑制回路を示す従来技術であり、例えば特許文献１に記載されているものである。
図５において、５１Ｐ，５１Ｎは直流の正側母線，負側母線、５４は直流中間コンデンサ、５２は限流抵抗、５３は充電用リレーである。また、６０は充電用リレー５３の開閉を制御する制御器であり、母線電圧検出器６１、差分電圧設定器６２、演算回路６３及び比較回路６４を備えている。

この従来技術では、直流母線電圧が低下したときに充電用リレー５３を開放するための電圧（差分電圧）ΔＶを差分電圧設定器６２に設定しておく。演算回路６３は、交流電源が正常時の母線電圧ＶをＶ１として記憶し、（Ｖ−ΔＶ）すなわち（Ｖ１−ΔＶ）を演算して比較回路６４の反転入力端子に基準電圧として入力している。

交流電源の健全時には、比較回路６４の非反転入力端子への入力電圧Ｖが反転入力端子への入力電圧（Ｖ１−ΔＶ）より大きいため、比較回路６４の出力は「Ｈｉｇｈ」レベルとなる。このため、充電用リレー５３は閉状態となり、充電抵抗５２は短絡されている。
交流電源の停電時には、比較回路６４の非反転入力端子への入力電圧Ｖが反転入力端子への入力電圧（Ｖ１−ΔＶ）より小さくなり、比較回路６４の出力は「Ｌｏｗ」レベルとなる。これによって充電用リレー５３は開状態となり、交流電源が復電した際には限流抵抗５２を介してコンデンサ５４が充電されるため、突入電流が流入することはない。

この従来技術によれば、差分電圧ΔＶの設定値に応じて、充電用リレー５３を開放するための直流母線電圧の低下分を調整することができる。このため、例えば差分電圧ΔＶを小さい値に設定しておけば、瞬停の発生時にも充電用リレー５３を開状態として復電時の突入電流を防止することが可能である。
しかしながら、負荷への給電中に瞬停が発生して充電用リレー５３が開放され、その状態で復電すると、負荷電流により限流抵抗５２が焼損するおそれがある。

上記課題を解決するものとして、特許文献２に記載された従来技術が知られている。
この従来技術は、突入電流抑制回路を有する空気調和機に関するものであり、図６は、突入電流抑制回路の動作を示すフローチャートである。

図６において、まず、直流中間電圧を検出し、その時の圧縮機回転数に応じた直流電圧設定値を選択する(ステップＳ１１，Ｓ１２)。そして、瞬停の発生により、検出した直流電圧が設定値以下であれば（Ｓ１３Ｙｅｓ）、圧縮機等の負荷が稼働中であるか否かを判断し、稼働中であれば負荷を停止する（Ｓ１４Ｙｅｓ，Ｓ１５）。
その後、充電用リレーを開放した状態で直流電圧を検知し（Ｓ１６，Ｓ１７）、負荷停止からの経過時間や直流電圧が設定値以上になったときに（Ｓ１８Ｙｅｓ）、充電用リレーを閉じて充電抵抗を短絡し、負荷を駆動している（Ｓ１９，Ｓ２０）。
この従来技術では、瞬停が発生したら負荷を停止し、その後、復電して直流電圧が確立したら充電用リレーを閉じて負荷を再駆動するため、復電と同時に大きな負荷電流が限流抵抗に流れることがなく、限流抵抗の焼損を防止することができる。

特開２００７−７４８８４号公報（段落［０００８］，[０００９]、図２，図３等）特開２０１３−１３５４９５号公報（段落［００２５］〜［００２８］、図４等）

瞬停により充電用リレーの開閉動作を伴う場合、その動作時間とリレー開放中に復電したときの充電時間とによって、復電してから負荷への電力供給を再開するまでに少なくとも数１０ミリ秒から数１００ミリ秒の遅れが発生する。しかし、負荷としての電動機の用途によっては、復電後、ただちに電力供給されれば瞬停再起動可能な場合であっても、上記のような時間遅れを伴うことにより再起動が不可能となってしまう場合がある。

そこで、本発明の解決課題は、瞬停・復電時に発生し得る突入電流を抑制しつつ、瞬停発生時における運転継続または瞬停再起動性能の確保を可能とした電動機駆動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、交流電源に接続された整流器と、前記整流器の出力側の直流中間回路に接続された直流中間コンデンサと、前記直流中間回路の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備え、前記インバータにより交流電動機を駆動する電動機駆動装置であって、前記整流器の出力側と前記直流中間コンデンサの一端との間に、限流抵抗と開閉手段との並列接続回路からなる突入電流抑制回路を備えた電動機駆動装置において、
前記直流中間回路の直流電圧瞬時値を検出する手段と、前記直流電圧瞬時値の平均値を演算する平均値演算手段と、を備え、
前記交流電源が健全である通常運転時には、前記開閉手段を閉じて前記限流抵抗を短絡状態とし、
前記交流電源の停電時には、前記直流電圧瞬時値と前記平均値との偏差が所定の基準値を下回った時点で前記開閉手段を閉じたまま前記交流電動機への電力供給を停止し、
前記交流電動機を直ちに再起動可能な状態で前記交流電源が復電した場合に前記交流電動機を再起動すると共に、前記交流電動機の再起動が不可能である場合には、復電後の再起動を無効にしたままで、前記開閉手段を開いて前記限流抵抗により突入電流を抑制することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、交流電源に接続された整流器と、前記整流器の出力側の直流中間回路に接続された直流中間コンデンサと、前記直流中間回路の直流電圧を用いて直流電動機を駆動する電動機駆動装置であって、前記整流器の出力側と前記直流中間コンデンサの一端との間に、限流抵抗と開閉手段との並列接続回路からなる突入電流抑制回路を備えた電動機駆動装置において、
前記直流中間回路の直流電圧瞬時値を検出する手段と、前記直流電圧瞬時値の平均値を演算する平均値演算手段と、を備え、
前記交流電源が健全である通常運転時には、前記開閉手段を閉じて前記限流抵抗を短絡状態とし、
前記交流電源の停電時には、前記直流電圧瞬時値と前記平均値との偏差が所定の基準値を下回った時点で前記開閉手段を閉じたまま前記直流電動機への電力供給を停止し、
前記直流電動機を直ちに再起動可能な状態で前記交流電源が復電した場合に前記直流電動機を再起動すると共に、前記直流電動機の再起動が不可能である場合には、復電後の再起動を無効にしたままで、前記開閉手段を開いて前記限流抵抗により突入電流を抑制することを特徴とする。

なお、請求項３に記載するように、請求項１に記載した電動機駆動装置において、前記直流電圧瞬時値の平均値は、交流電源の停電時間が、前記交流電動機への電力供給を停止する必要がない時間、または、復電後に前記交流電動機の再起動可能な条件を維持可能な時間である場合に、前記交流電源の停電中に低下する前記直流電圧瞬時値に追随しない程度の時定数を有することが望ましい。
また、請求項４に記載するように、請求項２に記載した電動機駆動装置において、前記直流電圧瞬時値の平均値は、交流電源の停電時間が、前記直流電動機への電力供給を停止する必要がない時間、または、復電後に前記直流電動機の再起動可能な条件を維持可能な時間である場合に、前記交流電源の停電中に低下する前記直流電圧瞬時値に追随しない程度の時定数を有することが望ましい。
更に、請求項５に記載するように、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、前記基準値を、前記直流中間コンデンサより前記交流電源側のインダクタンス値と前記直流中間コンデンサの容量値との比に基づいて決定することが望ましい。

本発明によれば、瞬停・復電時に発生し得る突入電流を抑制しつつ、瞬停発生時の運転継続または瞬停再起動性能の確保が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電動機駆動装置の構成図である。本発明の第１実施形態における瞬停再起動可能時のタイムチャートである。本発明の第１実施形態における瞬停再起動不可時（充電用リレー開放時）のタイムチャートである。本発明の第２実施形態に係る電動機駆動装置の構成図である。特許文献１に記載された従来技術の主要部の構成図である。特許文献２に記載された従来技術の動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、交流電動機９Ａを駆動する電動機駆動装置に関するものである。
図１において、三相交流電源１の交流電圧はダイオードブリッジからなる整流器２により直流電圧に変換され、直流中間コンデンサ７によって平滑化される。この直流中間コンデンサ７の両端には、直流電圧検出手段６が接続されている。
また、直流中間コンデンサ７の両端にはインバータ８が接続されており、このインバータ８により、直流電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電動機９Ａに供給する。

整流器２の正側出力端子と直流中間コンデンサ７の一端との間には、突入電流抑制回路としての、限流抵抗３と充電用リレー４との並列接続回路が接続されている。ここで、充電用リレー４は、請求項における開閉手段に相当しており、前述したようにリレーや半導体スイッチによって構成されている。なお、５は直流中間コンデンサ７より電源側の配線に存在するインダクタンスである。

一方、電動機９Ａには例えば回転速度を検出するセンサ１０が設けられ、その出力は再起動可否判定手段１１に入力されている。再起動可否判定手段１１はセンサ１０の出力に基づいて、復電後の電動機９Ａの再起動の可否を判定し、再起動不可である場合には充電用リレー４の開放信号を出力する。

電動機９Ａの再起動可否の判定は、例えば、インバータ８への電力供給停止によって減速中の電動機９Ａの回転速度を直接検出し、その速度検出値に基づいて復電後ただちに運転再開可能か否かを判定する。なお、回転速度を直接検出する代わりに、位相検出値や誘起電圧検出値に基づいて回転速度を推定しても良い。
多くの場合、復電時に回転速度が所定値以上であれば再起動すべきであり、回転速度が所定値を下回る場合には復電しても直ちに再起動することは許されなくなる。

直流電圧検出手段６により検出された直流電圧瞬時値は平均値演算手段１２に入力され、直流電圧平均値が演算される。前記直流電圧瞬時値と直流電圧平均値との偏差ΔＶが減算器１３により算出され、比較器１４の負入力端子（反転入力端子）に入力されている。
比較器１４の正入力端子（非反転入力端子）には、電動機９Ａへの電力供給停止のトリガとして作用する基準値として、（−ΔＶ_ｍａｘ）が入力されている。減算器１３から出力される偏差ΔＶが基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）を下回ると、比較器１４から「Ｈｉｇｈ」レベルの停止要求信号が出力され、インバータ８の運転を停止させて交流電動機９Ａへの電力供給を停止する。

平均値演算手段１２は、三相交流電源１の瞬停時間が、電動機９Ａへの電力供給を停止する必要がない程度の時間、または、復電後に電動機９Ａの再起動可能な条件を維持できる程度の時間のように、ごく短い時間である場合を想定し、瞬停中に低下する直流電圧瞬時値に追随しない程度の時定数により平均値を演算する。これにより、直流電圧平均値は瞬停発生前の直流電圧瞬時値を示す値となる。
また、基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）については、以下に述べるごとく、直流中間コンデンサ７より電源側のインダクタンス５のインダクタンス値と直流中間コンデンサ７の容量値との比に基づいて決定する。

ここで、上記基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）の決定方法について説明する。
まず、瞬停から復電したときの電源電圧は、瞬停発生前の電源電圧に近い大きさになると想定される。このことは、復電時に、瞬停発生前の直流電圧と復電直後の直流電圧との偏差（＝ΔＶ）だけ、インダクタンス５に電圧が印加されることを意味する。このため、インダクタンス５のインダクタンス値をＬ、直流中間コンデンサ７の容量値をＣとすると、復電時に直流母線に流れる突入電流のピーク値Ｉ_ｐは、ΔＶ√（Ｃ／Ｌ）と見積もられる。

このピーク値Ｉ_ｐが装置の損傷を招かないように、突入電流をピーク値Ｉ_ｐ以下に抑制するためには、ΔＶが、ΔＶ_ｍａｘ＝Ｉ_ｐ√（Ｌ／Ｃ）以下にとどまるようにすればよい。言い換えれば、充電用リレー４が閉じられたままの状態で復電後に電動機９Ａを再起動する場合、ΔＶが（−ΔＶ_ｍａｘ）を上回ることで比較器１４からインバータ８に停止要求信号が出力されないように、基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）を決定することが必要である。

次に、この第１実施形態の動作を、図２，図３を参照しつつ説明する。なお、図２は瞬停後の復電時に交流電動機９Ａの再起動が可能な場合、図３は再起動が不可能な場合の動作を示すタイムチャートである。

始めに、図２に基づいて、復電後に交流電動機９Ａの再起動が可能な場合について説明する。
まず、三相交流電源１の健全時には、充電用リレー４が閉じられており、インバータ８は直流−交流変換動作により交流電動機９Ａに交流電力を供給している。
図２の時刻ｔ_１において、瞬停により電源電圧が低下すると、直流電圧瞬時値は次第に低下していく。そして、前述したように直流電圧瞬時値と直流電圧平均値との偏差ΔＶが基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）を下回ると、比較器１４から停止要求信号が出力され、時刻ｔ_３においてインバータ８は運転を停止する。この時点から再起動可否判定手段１１は復電後の再起動可否判定動作を開始する。また、インバータ８の停止後も充電用リレー４は閉じたままとする。

ここで、図２には示されていないが、偏差ΔＶがΔＶ＜ΔＶ_ｍａｘを満たしている期間に復電した場合、再突入電流はピーク値Ｉ_ｐ以下にとどまり、装置を損傷することなく運転を継続することができる。
また、図２における時刻ｔ_２のように、瞬停中に直流中間コンデンサ７からの電力供給によって偏差ΔＶがΔＶ_ｍａｘに達するまで直流電圧瞬時値が低下した場合、直後の時刻ｔ_３で電動機９Ａへの電力供給を停止することにより、直流電圧の低下率は激減する。よって、その後の時刻ｔ_４で復電したとしても、再突入電流がやはりピーク値Ｉ_ｐ以下にとどまる上、充電用リレー４は閉じられたままであるから、時刻ｔ_５において再起動可否判定手段１１が再起動条件を満たしていると判定したら、ただちに電動機９Ａを再起動することができる。なお、再起動可能な場合には、再起動可否判定手段１１から開放信号が出力されることはなく、充電用リレー４は閉じられた状態を引き続き維持する。

次に、図３に基づいて、復電後に交流電動機９Ａの再起動が不可能な場合について説明する。
図３において、時刻ｔ_３までの動作は図２と同様である。時刻ｔ_３から復電する時刻ｔ_４までの間、すなわち、インバータ８が停止していて電動機９Ａへの電力供給が停止している期間に、時刻ｔ_３１において再起動条件を満たさなくなった場合、再起動可否判定手段１１は、復電時の再起動を不可能と判定して時刻ｔ_３２に開放信号を出力し、充電用リレー４を開放する。これにより、整流器２の出力側と直流中間コンデンサ７との間には限流抵抗３が挿入されるため、その後、更に時間が経過して直流電圧が大幅に低下してから復電した場合でも、直流中間コンデンサ７に対する突入電流を抑制することができる。
上記のように、第１実施形態によれば、復電時に発生し得る突入電流を抑制しつつ、瞬停発生時の運転継続または瞬停再起動性能を確保することができる。

次いで、本発明の第２実施形態を、図４を参照しつつ説明する。この第２実施形態は、直流電動機９Ｄを駆動する電動機駆動装置に関するものである。
図４において、図１のインバータ８がチョッパ１５に置き換わっていること、交流電動機９Ａが直流電動機９Ｄに置き換わっていること以外は、第１実施形態と同一の構成である。なお、直流電動機９Ｄへの印加電圧が整流器２により得た直流電圧のままで良く、その大きさを制御する必要がなければ、チョッパ部分は単純なスイッチだけであってもよい。

この第２実施形態においても、直流電圧瞬時値と直流電圧平均値との偏差を求め、その偏差ΔＶが基準値（−ΔＶ_ｍａｘ）を下回ると、充電用リレー４を閉じたままチョッパ１５の運転を停止（スイッチを用いる場合にはスイッチを開放）して直流電動機９Ｄへの電力供給を停止する。
直流電動機９Ｄへの電力供給を停止してからは、図２，図３と同様に、復電時の再起動の可否を判定し、可能である場合には、図２に従って復電後ただちに再起動動作を行い、不可能である場合には、図３に従って復電後の再起動動作を無効にした上で充電用リレー４を開放する。
この場合も、復電時に発生し得る突入電流を抑制しつつ、瞬停発生時の運転継続または瞬停再起動性能を確保することができる。

本発明は、突入電流抑制回路及び瞬停再起動機能を有するあらゆる種類の電動機制御装置に適用することができる。

１：三相交流電源
２：整流器
３：限流抵抗
４：充電用リレー
５：リアクトル
６：直流電圧検出手段
７：直流中間コンデンサ
８：インバータ
９Ａ：交流電動機
９Ｄ：直流電動機
１０：センサ
１１：再起動可否判定手段
１２：平均値演算手段
１３：減算器
１４：比較器
１５：チョッパ

Claims

交流電源に接続された整流器と、前記整流器の出力側の直流中間回路に接続された直流中間コンデンサと、前記直流中間回路の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備え、前記インバータにより交流電動機を駆動する電動機駆動装置であって、前記整流器の出力側と前記直流中間コンデンサの一端との間に、限流抵抗と開閉手段との並列接続回路からなる突入電流抑制回路を備えた電動機駆動装置において、
前記直流中間回路の直流電圧瞬時値を検出する手段と、前記直流電圧瞬時値の平均値を演算する平均値演算手段と、を備え、
前記交流電源が健全である通常運転時には、前記開閉手段を閉じて前記限流抵抗を短絡状態とし、
前記交流電源の停電時には、前記直流電圧瞬時値と前記平均値との偏差が所定の基準値を下回った時点で前記開閉手段を閉じたまま前記交流電動機への電力供給を停止し、
前記交流電動機を直ちに再起動可能な状態で前記交流電源が復電した場合に前記交流電動機を再起動すると共に、前記交流電動機の再起動が不可能である場合には、復電後の再起動を無効にしたままで、前記開閉手段を開いて前記限流抵抗により突入電流を抑制することを特徴とする電動機駆動装置。
交流電源に接続された整流器と、前記整流器の出力側の直流中間回路に接続された直流中間コンデンサと、前記直流中間回路の直流電圧を用いて直流電動機を駆動する電動機駆動装置であって、前記整流器の出力側と前記直流中間コンデンサの一端との間に、限流抵抗と開閉手段との並列接続回路からなる突入電流抑制回路を備えた電動機駆動装置において、
前記直流中間回路の直流電圧瞬時値を検出する手段と、前記直流電圧瞬時値の平均値を演算する平均値演算手段と、を備え、
前記交流電源が健全である通常運転時には、前記開閉手段を閉じて前記限流抵抗を短絡状態とし、
前記交流電源の停電時には、前記直流電圧瞬時値と前記平均値との偏差が所定の基準値を下回った時点で前記開閉手段を閉じたまま前記直流電動機への電力供給を停止し、
前記直流電動機を直ちに再起動可能な状態で前記交流電源が復電した場合に前記直流電動機を再起動すると共に、前記直流電動機の再起動が不可能である場合には、復電後の再起動を無効にしたままで、前記開閉手段を開いて前記限流抵抗により突入電流を抑制することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項１に記載した電動機駆動装置において、
前記直流電圧瞬時値の平均値は、交流電源の停電時間が、前記交流電動機への電力供給を停止する必要がない時間、または、復電後に前記交流電動機の再起動可能な条件を維持可能な時間である場合に、前記交流電源の停電中に低下する前記直流電圧瞬時値に追随しない程度の時定数を有することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項２に記載した電動機駆動装置において、
前記直流電圧瞬時値の平均値は、交流電源の停電時間が、前記直流電動機への電力供給を停止する必要がない時間、または、復電後に前記直流電動機の再起動可能な条件を維持可能な時間である場合に、前記交流電源の停電中に低下する前記直流電圧瞬時値に追随しない程度の時定数を有することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、
前記基準値を、前記直流中間コンデンサより前記交流電源側のインダクタンス値と前記直流中間コンデンサの容量値との比に基づいて決定することを特徴とする電動機駆動装置。