JPH03150083A - インバータの回生処理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利川分野〕 本発明は、直流電圧中間回路をもつ電力変換器つまり電
圧形インバータにおける電力回生を行う処理回路に関す
る。

［従来の技術］ 一般に、小容量の直流および交流電動機の電力変換器に
は、パワートランジスタ、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなど
のスイッチング素子を使用したＰＷＭ（パルス幅変、１
１）制御方式または直流電圧中間回路方式が多く用いら
れている。

そして、回生電力は直流電圧中間回路に設けた回生抵抗
によって、ジュール熱として消費して処理している。

従って、大きな慣性負荷や頻繁に加減速運転をする用途
には、この回生電力が太きくなり、電力を消費させる回
生抵抗部の発熱や回生抵抗の焼損などを引き起こしてい
た。

従来、この回生抵抗の過熱防止として、抵抗体の表面に
サーモスイッチを取り付けて、回生抵抗の設定温度を越
えると回生処理機能を止めるだけではなく、インバータ
を停止して、回生抵抗の焼損や破壊を防止していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、回生抵抗が過熱して設定温度を越えると
、サーモスイッチにより故障を検出し、インバータは停
止する。

このため、電動機駆動システム全体がストップしてまい
、生産設備の生産性が悪くなるという問題点があった。

また、半導体スイッチング素子が破壊した場合は、回生
抵抗が常に導適状態となり、回生抵抗の発火やそれから
の火災の原因になるという問題点もあった。

そこで本発明は、回生抵抗の温度上昇をフー１１Ｌ、過
熱に至る前にインバータの減速時間を伸ばして回生抵抗
の過熱を未然に防止し、電動機駆動システム全体を停止
することなく、加減速運転を続けることができるインバ
ータの同生処理回路を提供す乞ことを、その目的とする
。

〔４項を解決するための手段〕 上記間頂点を解決するために、本発明は、回生抵抗と並
列に接続されたホトカプラと、そのホトカプラにより絶
縁された回生抵抗の導通検出信号による導通時間を測定
するカウンタ回路と、導通時間から回生抵抗の温度上昇
を一次遅れ関数として推定する演算処理と、電動機の回
生電力を制御するマイクロプロセッサ（以後、ｒｃＰＵ
ｊという）を有する。

さらに、回生抵抗の導通検出信号と、回生制御用のスイ
ッチング素子の駆動信号の排他的論理和を備える。

〔作　用〕

本発明は、上記のように構成されているので、回生抵抗
の導通期間から回生抵抗の温度上昇を推定し、回生電力
を制御することができる。

また、回生抵抗の導通検出信号と回生制御用のスイッチ
ング素子の駆動信号の排他的論理和により、スイッチン
グ素子の破壊の６無を検出することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の説明図である。

第１図（ａ）は本発明を適用した電力変換器の全体構成
を表すブロック図、第１図（ｂ）はその一部の詳細図、
第１図（Ｃ）は制御演算を示すフローチャートである。

第１図（ａ）おいて、商用交流電源４０からの交流電圧
は整流器アームをブリッジ接続したコンバータ１におい
て直流電圧に変換され、・１之滑コンデンサ２ならびに
インバータの回生駆動のときに作動させる回生抵抗３と
スイッチング素子４の直列接続を直流電圧のプラス・マ
イナス間に並列接続した直流電圧中間回路を経て、口ｆ
制御半導体素子をブリッジ接続して構成されインバータ
フに加えられ、任意周波数の交流電圧に逆変換されて電
動機８を駆動される。その電動機８への運転指令［起動
・正転・逆転・停止・加速・減速・制動などのすべての
指令を含む］５１がインバータ制御回路５０へ与えられ
、図示しない交流電源４０からコンバータ１への電カス
イッチがオンされ、コンバータ１は稼働を始め、インバ
ータフへインバータ駆動信号５４が加わり、電動機８は
運転指令５１どおりの回転を行う。

そして、電動機８が回生動作に入った場合、平滑コンデ
ンサ２の両端電圧を検出−し、電力Ｕ生処理回路が動作
する。

このとき、スイッチング素子４ヘスイツチング素子駆動
指令５３が与えられ、スイッチング素子４はオンとなり
、電動機８が蓄積する回生エネルギが回生電流となり回
生抵抗３に流れて、ジュール熱となり放散される。

ところで、本発明では、回生抵抗３に電流制限抵抗６と
ホトカプラ５の直列接続回路を並列に接続して、導通期
間計測回路５５を伴う回生処理によりスイッチング素子
４の過熱・破壊を未然に防止している。

その導通期間計測回路５５が第１図（ｂ）に図示されて
いる。

電流制限抵抗６とホトカプラ５の直列接続回路を流れる
側路電流も回生抵抗３を流れる回生電流の一部であるか
ら、両者の通電期間は等しい。

ホトカプラ５で発生した光は電気的に完全絶縁されて、
さらに電気信号となり整形Ｕ路１１を介して一つのオン
・オフを表すパルス状の回生抵抗導通信号２５となり、
ナンド回路１２と反転−１路１４を経たナンド回路１３
の一つの人力となり、一定のパルスを発振するクロック
発振器１７からのパルスをそれぞれカウンタ１５．１６
で計数し、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１９へ送る回
生抵抗３の導通時間および非導通時間のデータを保持す
る。

ＣＰＵ１９は、一定周期毎に、このデータを受信した後
、カウンタ１５．１６をクリアする信号１８をアンサー
バックする。さらにＣＰＵ１９はこの受信データをもと
に回生抵抗３の温度上昇を推定し、設定値以上になると
、減速時間を長くする等の回生電力を小さくする制御信
号をインバータ制御ｌｕ路５０へ加え、回生抵抗３で消
費される電力を制限し、回生抵抗３は保護され運転は継
続される。また、インバータ制御回路５０において回生
電力が制御できないとき（例えば、一定速度運転時の連
続回生モード等）、回生抵抗３の温度上昇推定値がその
限界値を越えた場合はインバータフを停＋Ｌ　Ｌ、回生
抵抗３を保護する。

この回生抵抗３の温度上昇予測について、さらに訝しく
説明する。

回転中の電動機８を減速すると、回転エネルギが回生さ
れ、平滑コンデンサ２の電圧が上昇する。

このコンデンサ電圧が設定電圧を越えると、平滑コンデ
ンサ２の電圧検出回路からの検出電圧５２がインバータ
制御回路５０へ人力しているので、インバータ制御回路
５０からのスイッチング素子駆動指令５３が出力され、
スイッチング素Ｔ４がオン状態となり、回生抵抗３に回
生電流が流れて回生エネルギが消費される。

これにより、平滑コンデンサ２の電圧が減少し、設定値
以下になると、スイッチング素子４はオフする。

この回生抵抗３が通電中にホトカプラ５も同時にオン状
態となる。したがって、整形回路１１の人力はＬｏｗレ
ベルとなり、ナンド回路１２はクロック発振器１７のク
ロックパルスをカウンタ１５へ出力する。

カウンタ１５はホトカプラ５がオンしている期間中、つ
まり回生抵抗３が通電中はクロックパルスを計測する。

この計測値をＯＮをＣＰＵＩ　９で読み取る。

また、回生抵抗３が通電を中１トすると、ホトカプラ５
はオフし、整形回路１１の人力はＨｉｇｈレベルとなり
、ナンド回路１３がカウンタ１６ヘクロックパルスを出
力する。

カウンタ１６は回生抵抗３がオフ状態（非導通）のクロ
ックパルスを計７１Ｐ３　Ｌ、この計測値を　ＯＦＦを
ＣＰＵ１９で読み取る。

このように、カウンタ１５は１ｔ！１生抵抗３が１−１
生エネルギを消費して温度上昇する期間を示し、カウン
タ１６は回生抵抗３が非導通となって冷却している期間
を表す。

この計測値を　ＯＮ、　　ｔ　０１Ｐを一定周期毎に読
取り（カウンタ１５．１６は毎回リセットする）、そレ
ソレハａ算値）：　ｔ　ＯＮ、　Ｉ　ｔ　ＯＦＦ　ｇ、
：、にり、次ノ（１）式から回生抵抗３の温度上昇Ｔを
推定する。

Ｔ−ＴＯ［１−ｅｘｐ（−Σｔ　ＯＮ／　Ｔ　ＯＮ）＋
ｅｘｐ（−Σｔ　ＯＦＦ　／ＴＯＦＦ　）　］・・・・
・−・・・（１）式 ただし、 ＴＯは回生抵抗３の温度飽和時の温度。

ＴＯＮは回生抵抗３の温度上昇時定数。

７０１Ｐは回生抵抗３の冷却時定数である。

この温度上昇が一定値（設定値１）を越えると、電動機
８の減速速度を低重させ、また外部の機器へアラーム信
号２０を出力し、エネルギを小さくする。

この回生抵抗３の温度推定の処理フローを第１図（ｃ）
に示す。

ステップ１０１で運転開始をし、ステップ１０２でイン
バータとしての制御が行われ、ステップ１０３で回生抵
抗３の通電期間計測値をＯＮをＣＰＵ１９に読み込み、
ＣＰＵＩ　Ｑからはカウンタ１５をカウンタクリアさせ
る。

ついで、ステップ１０４で回生抵抗３の非通電期間計測
値を　ｏｐｐをＣＰＵＩ　９に読み込みＣＰＵ１９から
はカウンタ１６をカウンタクリアさせ、ステップ１０５
で計測値を　ＯＮ、　　ｔ　ＯＦＦの積算値Σｔ　ＯＮ
、　Σｔ　ＯＦＦをＣＰＵ１９で演算し、ステップ１０
６で（１）式の演算をＣＰＵで行い、ステップ１０７で
回生抵抗３の温度上昇推定値Ｔが設定値１の温度Ｔｌと
比較して大きい［等しいは含まない］か小さいか判断し
、大きい［等しいは含まない］ときはステップ１０８へ
進み電動機８の減速速度を変更するとともに、ステップ
１０９でアラーム信号２０を出力して、再びステップ１
０２に戻り回生が終わるまで続行する。

なお、ステップ１０７で回生抵抗３の温度上昇Ｔが温度
Ｔｌ　　（設定値１）より小さいか等しいときは、ステ
ップ１０１へ進み電動ａｌ１８の減速速度を初期の減速
度にもどしてから、ステップ１０２に戻り回生が終わる
まで続行することになる。

この電動機減速速度を制御するブロック図を第４図に示
す。

ＣＰＵ１９からの回生抵抗温度上昇推定値Ｔが信号２１
としてインバータ＄１　ａｌｌ　１４１路５０内に配設
された関数発生器５０２へ導入されており、関数発生器
５０２は図示のような入力に対応した出力、つまり回生
抵抗温度上昇による制８ｒＡ姶点Ｔ１までは出力係数α
は設定値１を出力し、それを越え回生抵抗温度上昇限界
点Ｔ２までは直線的に減少して零に至り、インバータフ
は停止させる。

一方、設定された単位時間当りの減速量Δｆ　ＤＥＣが
インバータ制御回路５０内の乗算器５０１へ与えられて
いるので、関数発生器５０２の出力係数αと乗算されて
実際に出力する単位時間当りの減速量Δｆ　ＤＥＣを導
出して、インバーク駆動信号５４としてインバータフへ
与えられる。

第２図は本発明の他の実施例を表し、第２図（ａ）はそ
の要部の回路構成図を示し、第２図（ｂ）は動作を表す
フローチャートである。

第２図（ａ）において、３１はＲＳフリップフロップ、
３２は回生抵抗３の通電中の信号、３３はＲＳフリップ
フロップのリセット信号である。

この他の実施例は、第１図の構成をＣＰＵＩ　９のソフ
トウェア処理におきかえたものであり、回生抵抗３の通
電中の計測をＣＰＵの処理サイクルの繰り返し時間を単
位として行う。

第２図（ｂ）において、１０は繰り返し時間を表し、回
生抵抗３の導通期間にｎ回だけＣＰＵが処理サイクルを
繰り返せば、導通期間はｔＯＮ−ｔＯ・ｎとして求める
。

非導通期間についても、同様にｔｏｒｐ−ｔｏ　・ｍと
なる。なお、ｍは非導通期間でのＣＰＵの処理サイクル
口数である。

これが、ステップ２０１ないしステップ２１３に表示し
である。

第３図は本発明の別の実施例を示し、第３図（ａ）はそ
の一部を表す回路構成図、第３図（１１）は回路信号の
論理演算を示す論理図である。

この別の実施例はスイッチング素子４の異常検出回路で
あり、第３図（ａ）において、インバータ駆動回路５０
からのスイッチング素子４の駆動信号５３がホトカブラ
２２を介して、スイッチング素子４の駆動回路２３へ与
えられてスイッチング素子４をオンするが、そのときに
回生抵抗３の導通を検出した回生抵抗導通検出信号２５
が、排他的論理和回路２４にスイッチング素子４の駆動
信号５３とともに与えられ、これら二つの信号が同レベ
ルのときにしｏｗレベルを出力し、異なるレベルのとき
にＨｉｇｈレベルを出力するようにしである。

第３１１ｌ　（ｂ）は、スイッチング素子４の駆動信号
５３と、回生抵抗３の導通を検出した回生抵抗導通検出
信号２５、及び排他的論理和回路２４の出力２６の信号
関係を示したものである。

第３図（ｂ）でスイッチング素子駆動信号５３がＨｉｇ
ｈレベル（Ｈ）、回生抵抗導通検出信号２５がＨｉｇｈ
レベル（Ｈ）または逆の場合［共にしｏｗレベル（Ｌ）
のとき］は、正常動作時であり、両信号が異なるレベル
の場合はスイッチング素子４の異常時である。

このとき、排他的論理和回路２４はＨｉｇｈレベルとな
り、アラーム信号（異常検出信号）２０となる。

回生処理用のスイッチング素子４の異常の場合は、事故
の警報を出すとともに、インバータフの入力端のコンタ
クタ［図示せず］をオフさせて、インバータフと交流電
源４０を切り離して、インバータフを保護するようにし
である。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、回生抵抗の過熱を回生抵抗の
通電期間から推定することにより、回生抵抗が過熱し焼
損する前に自動的に、減速速度を低下させることができ
る。

したがって、インバータと電動機の組み合わせ時の容量
の選定ミスなどによる回生抵抗の過熱して焼損すること
を防止できるとともに、回生抵抗の過熱による電動機駆
動システムの停止を防ぐことができる。

さらに、回生処理用のスイッチング素子の異常検出をす
ることが可能となり、インバータの焼損を早期に防ぐこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図で、第１図（ａ）は
本発明を適用した電力変換器の全体構成を表すブロック
図、第１図（ｂ）はその一部の詳細図。 第１図（ｃ）は制御演算を示すフローチャート、第２図
は本発明の他の実施例を表し、第２図（ａ）はその要部
の回路構成図を示し、第２図（ｂ）は動作を表すフロー
チャート、第３図は本発明の別の実施例を示し、第３図
（ａ）はその一部を表す回路構成図、第３図（ｂ）は回
路信号の論理演算を示す論理図、第４図は回生電力の制
御例を示す図である。 １・・・コンバータ ２・−・平滑コンデンサ ３−・−回生抵抗 ４・・・スイッチング素子 ５．２２・・−ホトカプラ ６・−電流制限抵抗 ７・・・インバータ ８・・・電動機 １１・・・整形回路 １２．１３・・・ナンド回路 １４．２１・・・反転Ｈ路 １５．１６・・−カウンタ １７・・・クロック発振器 １８・・・クリア信号 １９・−マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２０・・−アラ
ーム信号 ２１・−回生抵抗温度上昇推定値Ｔの信号２３・・・ス
イッチング素子４駆動回路２４・・・排他的論理和回路 ２５・−・回生抵抗導通検出信号 ２６・・・排他的論理和回路出力 ５０・・−インバータ制御回路 ５１−・・運転指令 ５２・・・検出電圧（直流中間電圧回路）５３・−・駆
動信号（スイッチング素子４）５４・−インバータ駆動
信号 ５０１・・・乗算器 ５０２・・・関数発生器。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 電流制限抵抗 Ｊアラ舊ちＩ １　　−　−−ｊ　／ ｌｆｉ［ｉｉｉａｔ！よ　　ｒ” （Ｃ） 第１図 直見（＋） ｆ←］−一５゜ 託 ｔ　　　　　　　　　１１１１ １　　　ｔ：ｊ１ １｝ｆｌＨＩＬｌ １　　　ＨＬＩ　　　Ｈ１ １Ｌ　　　　　Ｉ　　　　　Ｌ　　　　　　ｌ　　　　
　し　　　　ｊエ コ　７５０２関数発生器 Ｔ−Ｌ−ｌｌ　　：＼　１ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電源からの交流電圧を受け入れ直流電圧に変換
   する整流器アームをブリッジ接続したコンバータと、変
   換された直流電圧をインバータへ加える直流電圧中間回
   路と、直流電圧中間回路からの直流電圧を任意の周波数
   の交流電圧に逆変換して電動機に与える可制御半導体素
   子をブリッジ接続したインバータから構成される電力変
   換器の電力回生処理回路において、 直流電圧中間回路のプラス側からマイナス側に向かって
   回生抵抗とスイッチング素子を直列接続した回路を設け
   、 電流制限抵抗とホトカプラの直列接続回路を、回生抵抗
   と並列に接続し、 回生抵抗の通電期間を計測して、回生抵抗の温度上昇を
   推定しインバータの回生電力を制御することを特徴とす
   るインバータの回生処理回路。 ２、スイッチング素子のオンを行う駆動信号と回生抵抗
   導通検出信号との論理積により、スイッチング素子の破
   壊の有無を検出する 請求項１記載のインバータの回生処理回路。