(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機と接続される出力端子の各線間のうち、二相間の線間電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器から検出された線間電圧に基づく信号を周波数成分に変換するパルス変換器と、
前記パルス変換器により変換された周波数成分に基づき推測した誘起電圧の大きさと、前記電圧検出器により検出した誘起電圧の大きさとを比較し、該比較結果に基づき同期電動機の始動の方法を決定する制御回路と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記制御回路では、前記パルス変換器により変換された周波数成分に基づき推測した誘起電圧の大きさと、前記電圧検出器により検出した該線間電圧の半周期内に検出されたピークの誘起電圧の大きさとを比較し、該比較結果に基づき同期電動機の始動の方法を決定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電力変換装置であって、
前記制御回路では、前記パルス変換器により変換された周波数成分に基づき推測した誘起電圧の大きさと前記電圧検出器により検出した誘起電圧の大きさとの差が所定の範囲内である場合に同期電動機の始動を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の電力変換装置であって、
前記制御回路では、前記パルス変換器により変換された周波数成分に基づき推測した誘起電圧の大きさと前記電圧検出器により検出した誘起電圧の大きさとの差が所定の範囲内でない場合には、前記電圧検出器による検出を再度行う、または、該同期電動機の始動を停止する、または該同期電動機の始動を0Hzから行うことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機を駆動するインバータ装置に関し、特に同期電動機の惰行状態からインバータ装置による運転にスムーズに移行させる再始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンコーダ等のパルス発生器を持たない電動機を可変速駆動する電力変換装置において、瞬時停電等の外的要因または電力変換装置の操作により電動機がフリーラン状態になった後、一旦停止してから始動するのではなく、電動機の回転中に再始動させる場合、電動機の回転数と、電力変換装置の出力周波数が一致していないと、過大な電流が流れ、再始動失敗状態となる。それを回避するため、電力変換装置では、フリーラン状態の電動機の回転数を検出し、電動機の回転状態と同期させ自動で再始動させる方法が知られている。
【０００３】
特許文献１、２、３には、誘導電動機の再始動方法が記載されている。瞬時停電発生により誘導電動機の周波数数は慣性に従って減少する。周波数の減少は、誘導電動機の残留電圧の周波数として反映される。従って、この残留電圧の周波数を監視しておき、電源回復後、電力変換装置では、それを元に所定の周波数になるべく制御を行って再始動を行う。電動機の誘起電圧の周波数を検出するためには、その誘起電圧をパルスに変換し、その周期を電力変換装置で検出することにより、回転数と誘起電圧とその位相を検出し、電動機の回転状態から再始動を行うことが開示されている。
【０００４】
エンコーダ等のパルス発生器を持つ電動機では、特許文献４にある方法で、パルス発生器の発生パルスの周波数により電動機回転数及び位相を検出し、再始動を行わせる方法が開示されている。しかしながらパルス取得手段のない電動機では、前記誘起電圧を検出する方法など、別の方法が必要となる。また、同期電動機では、再始動時の位相と回転数（出力電圧）の誤差が大きい場合には過大電流となるため、精度の良い再始動方法が必要となる。
【０００５】
また、電動機の誘起電圧の検出方法として、電動機の線間に現れる誘起電圧をパルス状に変換する電力変換器内蔵の回路を複数設け、得られたパルスから電動機回転数と位相及び回転方向を検出し、（電力変換装置の出力周波数及び位相、さらには回転方向まで）を電動機に同期させて始動する方法が用いられる場合もある。回転数を検出するパルスは、Vuv、Vvw、Vuwの各電動機線間電圧から変換され、2つ以上の線間電圧パルスを取得することで回転方向を判断することができ、精度よく回転数検出ができることが知られている。
【０００６】
また、誘導電動機では、その検出回路を安価なものとするために、前記電動機線間電圧のうち1つのみを使用し、それをパルスに変換し、回転数を検出する方法を用いる場合がある。これは、誘導電動機の誘起電圧は、フリーラン状態に移行すると時間とともに減衰する特性をもっており、回転方向が変るほど回転が変化するまで誘起電圧が残留していることはあまりなく、直前の回転方向がわかっていれば事足りるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−９９２８６号公報
【特許文献２】特開昭５５−８２５０号公報
【特許文献３】特開昭５８−１２７５９２号公報
【特許文献４】特開昭５８−１０３６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記技術を同期電動機に適用する場合、同様の方法で回路を安価かつコンパクトなものとするために、線間電圧を1つのみ用いて回転数を検出する方法を用いることが考えられる。この場合、誘導電動機とは異なり同期電動機には永久磁石による回転子に固定された磁極があり、位相情報がずれた場合には、ただちにその検出誤差が電流の増大となって現れる。また、フリーラン後の誘起電圧が、時間とともに減衰する誘導電動機の場合と異なり、同期電動機の場合は電動機の回転子が少しでも回転していれば発生するため、電動機停止時の回転数がゼロ付近に低下していても、機械振動やコギングトルクの影響による軸の振動での正転、逆転の繰り返す状況において、誘起電圧が発生してしまう。
【０００９】
この場合、線間電圧を2相以上検出していればそれらの相順より回転方向が判別できるため、特に問題は発生しないが、前記のように線間電圧1相のみの検出であると、回転方向がわからないため、高い周波数で回転しているように誤検出してしまう場合がある。この場合、ほぼ停止状態にある電動機に高い周波数及びそれに相当する電圧を印加するため、過大な電流跳躍が発生し、電力変換装置は保護のため直ちに出力を遮断し、再始動できない状況となる。
【００１０】
本発明の目的は、再始動時の回転数ゼロ付近での誘起電圧後検出による再始動失敗を防止するようにした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、例えば、同期電動機と接続される出力端子の各線間のうち、二相間の線間電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器から検出された線間電圧に基づく信号を周波数成分に変換するパルス変換器と、前記パルス変換器により変換された周波数成分に基づき推測した誘起電圧の大きさと、前記電圧検出器により検出した誘起電圧の大きさとを比較し、該比較結果に基づき同期電動機の始動の方法を決定する制御回路と、を備える構成をとる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、少なくとも１相の線間電圧が検出できれば、位相検出精度と、低速での誤動作を防止することが可能となり、電流跳躍なく再始動できるため、安価かつコンパクトな出力回路で精度の良い再始動方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１にかかる電力変換器の概略構成図である。
【図２】誘起電圧からのパルス変換の一例である。
【図３】電圧検出回路からＭＣＵまでの一例である。
【図４】フィルタ回路による線間電圧検出遅れの一例である。
【図５】コンパレータのヒステリシスによる線間電圧検出遅れの一例である。
【図６】本発明の誤動作防止説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細を、図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例の説明を、図１から図5を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明による一実施形態を示すブロック回路図である。
平滑コンデンサ３に充電された直流電圧をインバータ回路２により交流電圧に変換し、同期電動機１に印加し駆動される。
【００１７】
また、電圧検出回路４は、同期電動機１がフリーラン状態にあるとき、任意の相（図１においては、Ｕ相とＶ相）の間に発生する誘起電圧を線間電圧とし、分圧して出力する回路である。また、パルス変換回路５は電圧検出回路４で検出された電圧を回転数に同期したパルス波に変換して出力させ回転数を検出する回転数検出回路である。
６はインバータ回路２を構成する半導体スイッチング素子をPWM制御する制御回路で、この発明の実施例１においては、瞬時停電等の外的要因およびユーザーの操作により電動機がフリーラン状態、かつインバータ回路の出力を遮断した状態のとき、再始動の指令によりPWM出力を開始する。制御回路６は例えばMCUで構成され、MCUの持つAD変換器に電圧検出回路４の出力を、MCUの持つ入力ポートにパルス変換回路５の電圧パルス出力を入力させることにより、誘起電圧の回転数、位相、大きさをMCUに認識させる。図２は、誘起電圧と変換されたパルスの対応を示した図である。MCUは、電圧検出回路４及びパルス変換回路５から検出した同期電動機の現在の回転数と電圧位相から、出力周波数と出力電圧を演算する。
【００１８】
検出回転数、すなわち回転周波数は図２のパルス1周期を用いて（数1）から求めることができる。
（数１）    f＝1/T      
ここで、回転周波数ｆ，パルス１周期Tである。
また、フリーラン状態における誘起電圧の大きさは（数２）から計算できる。
（数２）    Ｖ＝２πｆ×Ｋｅ×√３／√２      
ここで、線間電圧V、周波数ｆ、電動機固有の誘起電圧定数Keである。
【００１９】
図３は誘起電圧のを検出してから、ＭＣＵに信号が入力されるまでの経路を示したものである。通常、誘起電圧の位相を入力する場合はパルス状に変換し、ＭＣＵのポートに入力させＭＣＵに認識させる。実際の誘起電圧の位相と、出力指令としての位相では回路及び処理上の遅れが生じてしまう。
【００２０】
回路の遅れとして、例えば、図4のように線間電圧の周波数が高い場合には、ノイズ除去用のフィルタ回路により位相のずれが大きくなっていくため、位相遅れが発生する。
例えばRC回路のようなローパスフィルタの時定数は、（数３）から計算できる。
（数３）    Tc=R×C
ここで、時定数Tc、抵抗値R、コンデンサ容量Cである。
【００２１】
ローパスフィルタによる位相誤差、すなわち位相角は（数４）から計算できる。
（数４）    Φ=−arctan(ωTc)
ここでΦは位相角、Tcは回路時定数、ωは角周波数であり、周波数fとはω=2πｆの関係にある。
フィルタによる位相誤差は、回路時定数と駆動周波数で決まり、arctan関数を線形近似もしくは多項式近似することにより補正することができる。
【００２２】
また、図５のように、線間電圧が小さい場合には、パルス変換の誤動作を防止するコンパレータによるヒステリシス成分で遅れが発生する。これは、線間電圧が小さい時に誤差として大きくなるが、式（２）から求められる線間電圧の変動は周波数の変動にのみ依存するため、線形近似もしくは多項式近似により精度よく補正できる。これら回路による遅れは、回路設計時にあらかじめ決まるものであるから、設計時に遅れ分を計算しておき補正を行う。
また、処理上の遅れとして、ＭＣＵ内部ではポート情報による位相データと処理速度によって出力の際の動作遅れが生じる。これは主にソフトウエアのタスク間の受け渡しやレジスタの更新等の遅れで、遅れる時間がほぼ決まるので補正が可能となる。これらの遅れを補正し出力を行うことで、少なくとも１相の線間電圧から位相ずれによる電流増大なく再始動を行うことが可能となる。
【００２３】
また、図６のように、低速域で軸が振動し、線間電圧となって現れる場合には、検出された回転周波数から推測される誘起電圧と、線間電圧半周期内に検出されたピークの誘起電圧とを比較し、その差異が所定値（例えば計算された差異が誘起電圧に対して±１０％の範囲内）である場合には、始動指令により始動させ、上記範囲外にある場合には再度検出を行い、条件を満たすまでタイミングを遅らせる、もしくは始動を停止する、始動を0Hzから行うことで、誤再始動を防止することが可能となる。
【００２４】
また、図１の変換パルス回路は、ＭＣＵに取り込んでいる誘起電圧値からＭＣＵ内部でパルス情報を作り回転数としてもよい。このとき、回路同様ノイズ対策としてフィルタとヒステリシスをつける必要があるため、同様に補正するものとする。
【符号の説明】
【００２５】
１…交流電動機、２…インバータ部、３…平滑コンデンサ、４…線間電圧検出回路、５…パルス変換回路、６…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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