(57)【要約】【課題】往復運動負荷を駆動するモータを運転する可変周波数駆動装置に過大電圧が加わらないようし、しかもＤＣ母線電流センサや制動抵抗を必要としないためインバータのサイズと費用が低減できる過大電圧抑制の制御方法を提供する。【解決手段】選択指令周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する指令周波数制御ステップと、負のモータトルク状態の発生を予測する負トルク発生予測ステップと、かつ、前記負トルク発生予測ステップで予測した負のトルク状態に応じて、前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する周波数上昇制御ステップと、で構成した。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動負荷を駆動するモータを運転する可変周波数駆動装置の過大電圧抑制のための制御方法であって、
選択指令周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する指令周波数制御ステップと、
負のモータトルク状態の発生を予測する負トルク発生予測ステップと、
かつ、前記負トルク発生予測ステップで予測した負のトルク状態に応じて、前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する周波数上昇制御ステップと、
で構成したことを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する前記周波数上昇制御ステップを、負のトルク状態が予測されている限り、出力周波数を連続的に増分だけ増加させることで構成したことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
【請求項３】
前記負のモータトルク状態の発生を予測する前記負トルク発生予測ステップを、モータトルクが負の勾配を持っているかどうかを確かめることで構成したことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
【請求項４】
前記負のモータトルク状態の発生を予測する前記負トルク発生予測ステップを、モータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択トルク指令値よりも小さいかどうかを確かめることで構成したことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
【請求項５】
高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴とする請求項３記載の制御方法。
【請求項６】
前記高い前記周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、かつ大きい場合にはシャットダウン状態にすることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
【請求項７】
往復運動負荷を駆動するモータを運転する可変周波数駆動装置の過大電圧抑制のための制御装置であって、
前記可変周波数駆動装置を制御する制御ユニットを備え、前記制御ユニットの制御により前記可変周波数駆動装置が、正常モードでは選択指令周波数で前記モータを運転するようにし、そして、負のモータトルクモードでは前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するようにすることで、前記制御ユニットが前記モータが負のスリップ状態に入るのを阻止することを特徴とする制御装置。
【請求項８】
前記制御ユニットは、前記負のトルクモードで出力周波数を連続的に増分だけ増加させることを特徴とする請求項７記載の制御装置。
【請求項９】
さらに、モータトルクを確かめる手段を備えて、このときモータトルクが負の勾配を持つならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴とする請求項７記載の制御装置。
【請求項１０】
さらに、モータトルクを確かめる手段を備えて、このときモータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択トルク指令値よりも小さいならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴とする請求項７記載の制御装置。
【請求項１１】
高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴とする請求項１０記載の制御装置。
【請求項１２】
前記制御ユニットが、前記高い前記周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、大きい場合にはシャットダウン状態に入ることを特徴とする請求項７記載の制御装置。
【請求項１３】
過大電圧抑制を含む往復運動負荷用のモータ制御装置であって、
前記往復運動負荷を駆動するモータを運転するための電源に接続操作によって接続される可変周波数駆動装置と、
モータトルクを確かめる確認手段と、
前記可変周波数駆動装置と前記確認手段とに接続された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、
正常モードでは選択指令周波数でモータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御し、
検出されたモータトルクに基づいて負のモータトルク状態の発生を予測し、
そして、負のモータトルクモードでは選択指令周波数よりもより高い周波数で前記モータを負のモータトルク状態に応じて運転するように前記可変周波数駆動装置を制御するのに、それぞれ適応していることにより、前記モータが負のスリップ状態に陥ることを阻止することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１４】
前記制御ユニットは、負のトルク状態が予測されている限り、負のトルクモードで、出力周波数を連続的に増分だけ増加させることを特徴とする請求項１３記載のモータ制御装置。
【請求項１５】
さらに、モータトルクを確かめる手段を備え、このときモータトルクが負の勾配を持つならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴とする請求項１３記載のモータ制御装置。
【請求項１６】
さらに、モータトルクを確かめる手段を備え、このときモータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択されたトルク指令値よりも小さいならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴とする請求項１３記載のモータ制御装置。
【請求項１７】
高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴とする請求項１６記載のモータ制御装置。
【請求項１８】
前記制御ユニットが、前記高い周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、大きい場合にはシャットダウン状態に入ることを特徴とする請求項１３記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変周波数駆動装置に関するもので、特に、往復運動負荷を運転する可変周波数駆動装置のための過大電圧抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動システムは、公知のものとしては、三相ＡＣ（交流）電力を可変周波数駆動装置（ＶＦＤ：インバータ装置）に供給するＡＣ電源を備えたものがある。このＶＦＤにはＡＣ／ＤＣコンバータが含まれており、このＡＣ／ＤＣコンバータはＤＣ（直流）リンクまたはＤＣ母線によってＤＣ／ＡＣコンバータに接続されている。
そして、そのＤＣ／ＡＣコンバータは、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（以下、ＩＧＢＴ）を複数個使用して成るパルス幅変調のインバータを備えることがある。
【０００３】
多くの産業上の用途は、ＶＦＤによって駆動される往復運動負荷が使用されている。かかる用途のたいていのものには、１サイクルの中の完全な負荷サイクルでのある局面の間、その負荷は、ＶＦＤによって指令された速度よりももっと速い速度でそのモータを加速させる傾向にある。これは、「オーバーホーリング」（ｏｖｅｒｈａｕｌｉｎｇ：昇降機負荷などの後戻り状態）と呼ばれるものに起因している（以下、「オーバーホーリング」という。）。
このような条件下では、そのインバータは回生（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ）されたエネルギーを吸収することが要求される。典型的なものとしては、これは、「ブレーキ・ユニット」として知られる制動抵抗とトランジスタユニットを備えることで解決される。このブレーキ・ユニットは、デューティ・サイクルと負荷に蓄積される回生エネルギーとに従って、そのサイズの大きさが決められる。時には、このブレーキ・ユニットを多重にしてマスタースレーブ法で使うことも必要となることがある。これにより、多大な量の回生エネルギーに対応することができるようになる。
ブレーキ・ユニットの使用は、このように一方では産業界で受け入れられているものの、他方ではコストがかかり、取り付け用の大きなスペースも必要とし、さらに、回生されたエネルギーがその制動抵抗内で熱となって放散されるので、元もと非効率的でもある。
【０００４】
そこで、外部の制動抵抗を使用せずにオーバーホーリング負荷を取り扱うことのできる代替法がいくつか考えられてきた。そのうちの３つは、以下に述べる、（１）高スリップ制動法、（２）オーバーホーリング中の電流のトルク成分を無力化したり縮小化する方法、さらに、（３）ＤＣ母線電圧に基づく出力周波数を増加させる方法である。
【０００５】
（１）高スリップ制動法：
発明者・出願人である久米常生等は米国特許第６，４２９，６１２号明細書において、高スリップ制動法を開示している。この特許は回転する負荷を停止させてしまうものである。オーバーホーリング中に回生されたエネルギーを吸収して、このサイクル中の次の局面でモータリング（モータ駆動）モードで運転を続行させるというものではない。
【０００６】
（２）オーバーホーリング中の電流のトルク成分を無力化したり縮小化する方法：
オーバーホーリングタイプの負荷を取り扱う産業で適用されている他の技術としては、出力電流のトルク発生成分を回生中にゼロにしてしまうものがある。言い換えると、モータをほとんどゼロスリップで運転することである。ゼロスリップでの運転は、回生されたトルクゼロを生じ、かくてこのモータは機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することを阻止される。これは高性能のインバータで実施されてきた。
しかしながら、このためには閉ループの次のようなベクトル制御方法で運転する能力のあるインバータが要求される。すなわち、モータの現在速度を検出できて、かつ回生局面の間中ゼロスリップで運転を維持できて、しかもそのサイクル中のこの局面がいったん完全になったらこのモードから抜け出ることのできるベクトル制御方法である。このようなインバータには、目的に特化されたデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）チップ上で運転する微細な制御アルゴリズムが必要となる。
【０００７】
（３）ＤＣ母線電圧に基づく出力周波数を増加させる方法：
石油産業界で現在使用されている他の代替方法としては、ワトソンの米国特許第６，４１４，４５５号明細書に記載されているものがある。この米国特許第６，４１４，４５５号明細書では、オーバーホーリング型負荷を取り扱うための可変速度駆動装置を運転する３つのモードについて論じられている。これら３つのモードとは、「ＴＭ」モード（定トルクモード）と「ＢＳＭ」モード（基本速度モード）と「ＤＭ」モード（デュアルモード）である。
ＴＭモードでは、一定のトルク指令を維持するために速度を変化させることが許される。
ＢＳＭモードでは、所望の設定速度を維持するために下限と上限のトルク範囲内でトルクを変化させることが許される。
ＤＭモードでは、制御器に２つの速度指令値（Ｆｒｅｆ）と２つのトルク指令値（Ｔｒｅｆ）が与えられる。そうすると、ユーザは２つの速度指令値のうちの１つか２つのトルク指令値のうちの１つかのどちらかを選択する。
この制御の基本的な考え方は、インバータによってモータに与えられるトルクを周期的負荷の上向き行程（アップ・ストローク）中に制限することである。これを行うことで下向き行程（ダウン・ストローク）中に生じる回生トルクが、低減ないし除去される。このことによりこのインバータには制動抵抗ユニットが必要なくなるので、システム全体の効率が向上して、インバータの大きさと費用が低減できる。
【特許文献１】米国特許第６，４２９，６１２号号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４１４，４５５号号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、この３番目の出力周波数増加法にもいくつかの欠点がある。それは、ＤＣ母線電圧センサとＤＣ母線電流センサとが必要となることである。というのも、たいていのインバータにはＤＣ母線電流センサが所望の位置に備わっていないし、またコンデンサに流れ込むＤＣ電流は信頼できないからである。なぜなら、ＤＣ電流は、コンデンサ電圧が入力ＡＣ電圧の瞬時値を下回ったときにしか流れないため、負荷の瞬時のトルク曲線を正確に反映していないからである。
さらに悪いことには、ＤＣ母線コンデンサの両端のＤＣ電圧は、非常にゆっくりと変化するパラメータであり、したがってＤＣ電圧を用いるとあまりに遅れるので、正確な動作を行うにはＤＣ電圧は信頼できない。
もしトルク指令が、モータ駆動動作中は必要な値に維持されていてかつ回生動作中は変化しないのであれば、この制御の基本的な考え方は、回生エネルギーの大きさを制限するのに失敗するであろう。失敗するとＤＣ母線電圧は上昇し、ついにはインバータが故障状態になることもありうる。
本発明は上述した問題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、往復運動負荷を運転する可変周波数駆動装置のための過大電圧抑制技術が提供される。以下に、本発明の実施の形態に従って、制御方法等について記述する。
請求項１記載の制御方法の発明は、往復運動負荷を駆動するモータを運転する可変周波数駆動装置の過大電圧抑制のための制御方法であって、選択指令周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する指令周波数制御ステップと、負のモータトルク状態の発生を予測する負トルク発生予測ステップと、かつ、前記負トルク発生予測ステップで予測した負のトルク状態に応じて、前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する周波数上昇制御ステップと、で構成したことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の制御方法において、前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御する前記周波数上昇制御ステップを、負のトルク状態が予測されている限り、出力周波数を連続的に増分だけ増加させることで構成したことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の制御方法において、前記負のモータトルク状態の発生を予測する前記負トルク発生予測ステップを、モータトルクが負の勾配を持っているかどうかを確かめることで構成したことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の制御方法において、前記負のモータトルク状態の発生を予測する前記負トルク発生予測ステップを、モータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択トルク指令値よりも小さいかどうかを確かめることで構成したことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の制御方法において、高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の制御方法において、前記高い前記周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、かつ大きい場合にはシャットダウン状態にすることを特徴としている。
【００１０】
請求項７記載の制御装置の発明は、往復運動負荷を駆動するモータを運転する可変周波数駆動装置の過大電圧抑制のための制御装置であって、前記可変周波数駆動装置を制御する制御ユニットを備え、前記制御ユニットの制御により前記可変周波数駆動装置が、正常モードでは選択指令周波数で前記モータを運転するようにし、そして、負のモータトルクモードでは前記選択指令周波数よりも高い周波数で前記モータを運転するようにすることで、前記制御ユニットが前記モータが負のスリップ状態に入るのを阻止することを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の制御装置において、前記制御ユニットが、前記負のトルクモードで出力周波数を連続的に増分だけ増加させることを特徴としている。
請求項９記載の発明は、請求項７記載の制御装置において、さらに、モータトルクを確かめる手段を備えて、このときモータトルクが負の勾配を持つならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴としている。
請求項１０記載の発明は、請求項７記載の制御装置において、さらに、モータトルクを確かめる手段を備えて、このときモータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択トルク指令値よりも小さいならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴としている。
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の制御装置において、高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴としている。
請求項１２記載の発明は、請求項７記載の制御装置において、前記制御ユニットが、前記高い前記周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、大きい場合にはシャットダウン状態に入ることを特徴としている。
【００１１】
請求項１３記載のモータ制御装置の発明は、過大電圧抑制を含む往復運動負荷用のモータ制御装置であって、前記往復運動負荷を駆動するモータを運転するための電源に接続操作によって接続される可変周波数駆動装置と、モータトルクを確かめる確認手段と、前記可変周波数駆動装置と前記確認手段とに接続された制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、正常モードでは選択指令周波数でモータを運転するように前記可変周波数駆動装置を制御し、検出されたモータトルクに基づいて負のモータトルク状態の発生を予測し、そして、負のモータトルクモードでは選択指令周波数よりもより高い周波数で前記モータを負のモータトルク状態に応じて運転するように前記可変周波数駆動装置を制御するのに、それぞれ適応していることにより、前記モータが負のスリップ状態に陥ることを阻止することを特徴としている。
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のモータ制御装置において、前記制御ユニットが、負のトルク状態が予測されている限り、負のトルクモードで、出力周波数を連続的に増分だけ増加させることを特徴としている。
請求項１５記載の発明は、請求項１３記載のモータ制御装置において、さらに、モータトルクを確かめる手段を備え、このときモータトルクが負の勾配を持つならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴としている。
請求項１６記載の発明は、請求項１３記載のモータ制御装置において、さらに、モータトルクを確かめる手段を備え、このときモータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択されたトルク指令値よりも小さいならば、前記制御ユニットは前記負のトルクモードで運転することを特徴としている。
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載のモータ制御装置において、高い周波数の大きさが前記負の勾配の大きさに依存していることを特徴としている。  請求項１８記載の発明は、請求項１３記載のモータ制御装置において、前記制御ユニットが、前記高い周波数が最大周波数より大きいかどうかを確かめ、大きい場合にはシャットダウン状態に入ることを特徴としている。
その他本発明の特徴的な構成とその長所については、以下の説明と図面から容易に明らかとなるであろう。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、ＤＣ母線電流センサを必要とせず、しかもインバータに制動抵抗ユニットを必要としないため、インバータのサイズの大きさと費用が低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１には、モータ駆動システム１０が描かれている。このモータ駆動システム１０にはＡＣ（交流）電源１２と、可変周波数駆動装置（略してＶＦＤ）１４と、インダクションモータ１８を駆動する制御ユニット（又は単に制御器）１６とが含まれている。
ＡＣ電源１２は、三相ＡＣ電力を給電線Ｒ，Ｓ，Ｔに発生させる駆動装置又はそれに類するもので構成されている。ＡＣ電源１２は接地されている。
可変周波数駆動部１４は、特に図２に示すように、給電線Ｒ，Ｓ，ＴからのＡＣ（交流）電力をＤＣ（直流）電力に変換し、そしてそのＤＣ電力を選定周波数のＡＣ電力に逆変換して端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間に印加している。端子Ｕ，Ｖ，Ｗは３本の給電線２０，２１，２２に接続されて、インダクションモータ１８を駆動している。
【００１４】
図２は、可変周波数駆動部（ＶＦＤ）１４を実現する典型的な回路の概略図を示している。この可変周波数駆動部１４にはＡＣ／ＤＣコンバータ２４が含まれており、このＡＣ／ＤＣコンバータ２４にはＤＣ母線２６を介してＤＣ／ＡＣコンバータ２８が接続されている。特に本発明の実施例にしたがうと、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４は、三相ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する汎用の全波ブリッジ整流回路で構成されている。ＤＣ母線２６には汎用のフィルタ３０が含まれている。ＤＣ母線２６は、「＋」と「−」で印したレール状のもの（棒）を備えている。
ＤＣ／ＡＣコンバータ２８はインバータ部を構成している。特に、このインバータ部２８は絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）２９を複数個使用したパルス幅変調型（ＰＷＭ）インバータで構成されている。６個のＩＧＢＴ２９は三相ブリッジ構成をしてＤＣ母線２６に接続されて、端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電力を発生している。
ＩＧＢＴ２９は信号線３２上の信号によってパルス幅変調され、その信号は汎用の制御回路を用いてなる制御器１６（図１参照）から信号線３２上に与えられる。特に、ＰＷＭインバータ２８はインダクションモータ１８用の正弦波形を作り出すように制御される。このパルスの周波数は固定であり、パルスの幅は種々の正弦波周波数に変えられる。
【００１５】
図１に戻って、制御器１６は種々のパラメータを検知する。このパラメータは信号線３２上の信号を介してＩＧＢＴ２９を制御するのきに用いられる。検知されるパラメータのいくつかはよく知られたものであり、また、ここで述べる過大電圧抑制技術に関係ないので説明は割愛する。電圧センサ３３はＤＣ母線電圧を検知し、信号線３６を介して制御器１６に接続されている。電流センサ３８は給電線２０，２１，２２のそれぞれを流れる電流を検知し、信号線群４０を介して同様に制御器１６に接続されている。
【００１６】
制御器１６としては、制御プログラムに従って動作するプログラム処理システムで実現するのがよい。この制御器１６はパルス幅変調をＩＧＢＴに行って、正弦波周波数を変化させてインダクションモータの速度を制御する。この技術はよく知られているので、ここでは言及しない。本発明は特に往復運動負荷用の制御アルゴリズムに関するものであり、かつ過大電圧抑制を含んでいる。
【００１７】
可変周波数駆動装置はたいていインダクションモータを２つ以上の制御モードで運転することができる。２つの制御モードとは、ボルト／ヘルツモード法とベクトル制御モードである。
ポンプ用に最も広範に行われる制御モードは、ボルト／ヘルツ（電圧／周波数）モード法である。この方法では、インダクションモータに印加される出力電圧は、出力運転周波数と密接に関係している。出力電圧と出力周波数との間の線形関係は結果的に定トルク運転となる。これに対して、予め非線形関係をプログラムしておくと、負荷による電力消費を最適化することができるので、結果的に可変トルク運転となる。
インダクションモータはまた、他の制御モードであるベクトル制御モードでも運転されることができる。この方法は、次のような高度な作業レベルが要求されるシステムに対して使用される。すなわち、高度な作業レベルとしては、例えば、低速度で高トルクといったものや、インバータ・モータの組合せのトルク比内での命令速度を、それも特に超低速を維持する能力といったものが含まれている。
この実施例では、インバータは、ボルト／ヘルツモード法かベクトル制御モード法かのいずれかで運転される。
【００１８】
往復運動負荷のための上記技術は過大電圧抑制を含んでおり、これは負荷に蓄積されたエネルギーを取り出してそれを負荷サイクル中のモータ駆動局面に使用するという点で、独特の技術である。
長所のひとつは、ブレーキユニットを使用する必要がないことである。このことはシステムとメンテナンスの費用を低減することにつながる。
もうひとつの長所は、全体のシステムをより効率化することである。その理由は、蓄えられたエネルギーのほとんどが回収されて、負荷サイクル中のモータ駆動局面に役立つからである。この考え方から得られる典型的な用途としては、振動テーブルであり、往復運動するポンプであり、プレス機であり、ハンマーであり、さらに石油産業界でポンプ・ジャッキとして知られるビームポンプがある。
しかしながら、この考え方はこのような負荷に対してしか使用できないと限定されるものではなく、負荷サイクル中の一局面においてオーバーホーリング特性を、そして同じ負荷サイクル中の残りの局面においてモータ駆動特性を周期的に繰り返す負荷であれば、どのような負荷にでも適用することができる。
以下の実施例は、本発明によるコンセプトから得られる典型的な用途を説明している。
【００１９】
図３は往復運動負荷にとっての典型的な用途を示している。
このシステムにはＶＦＤ１４（インバータ）が含まれており、このＶＦＤ１４はギアボックス５０の駆動用モータ１８を制御している。図から判るように、他の制御要素はここでの図示は省略している。プーリ５２はギヤボックス５０によって駆動されて、フライホイール５４を駆動する。このフライホイール５４にはクラッチドカム（クラッチ付きカム）５６が取り付けられている。このクラッチドカム５６は、スプリング６０によってクラッチドカム５６方向に常時付勢されるカム従動部５８と連動している。
【００２０】
この典型的な用途は、モータ１８が強制的に回生されることのできる２つの方法を説明している。
その１つの方法は、カムクラッチ（図示なし）が連動していないときである。このときはモータ１８は加速してフライホイール５４を駆動することができる。モータ１８の速度が減じるまでは問題はない。フライホイール５４からのこの慣性はモータ１８をオーバーホーリングして、モータ１８はＶＦＤ１４内のインバータ２８に強制的に回生させる。
２つめの方法は、クラッチドカムが関与しているときである。このときはモータ１８はフライホイール５４を駆動することとなり、この駆動で半回転の間スプリング６０を圧縮させる。クラッチドカム５６の取りうる最も高い部位がカム従動部５８の中心を通過した後、スプリング６０は蓄積されたエネルギーをフライホイール５４に放出し始める。これは、モータ１８をオーバーホーリングして、モータ１８はＶＦＤ１４内のインバータ２８に強制的に回生させる。
【００２１】
図４は往復運動負荷にとっての典型的な負荷トルク曲線を示す図で、横軸は時間（秒）、縦軸は負荷トルクを単位（ｐｅｒ−ｕｎｉｔ）法で表している。
負荷トルクの正の部分はモータ駆動動作を示し、一方、負の部分は、負荷が指令速度よりも速く動く傾向となる期間であるオーバーホーリング状態を示している。このような状態はしばしば生じうる。例えば、ビームポンプにおいて下方へのストローク中において生じる。バケットやアームは下方へのストローク中では重力によって急降下するので、このことによってモータシャフトはインバータによって指令される速度よりも速く回転することとなる。
【００２２】
下方へのストローク中には、回生されたエネルギーはアウトレットに与えられることとなる。汎用ＶＦＤでは、この回生エネルギーは熱としてブレーキユニットで放散するが、ブレーキユニットがないときはこのＶＦＤは過大電圧状態に陥ることとなって、障害が発生してビームポンプの制御を行なわなくなる。
【００２３】
上記のような過大電圧となる理由は、インダクションモータが負のスリップ運転に入り、インダクションジェネレータ（誘導発電機）として機能するからである。回生されたエネルギーの一部は負荷内での摩擦によって消費され、また他の一部はモータ内で熱として銅損および鉄損となって放散する。残りのエネルギーはそのＶＦＤのインバータ部にあるフライホイールダイオードによって整流されて、ＤＣ母線にあるコンデンサーを充電する。このコンデンサーに貯まった戻りエネルギーを扱う手段が存在しないと、そのインバータは過電圧に陥り、障害状態を呈することとなるので、典型的なブレーキユニットでは、このエネルギーを放散することが行われている。
【００２４】
このような条件下にあるモータを運転するヒントが、図５の典型的なモータ運転曲線に見い出される。
上述した技術において、インダクションモータを運転するヒントは、インダクションモータがインダクションジェネレータとして動作しないように操作されることである。言い換えると、インダクションモータが、蓄積された機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを妨げられるようにしている。この変換プロセスが停止したりまたは厳しく縮小されるならば、回生されたエネルギーを放散する必要がなくなる。
これを成し遂げる１つの方法は、モータをゼロスリップやゼロスリップに極めて近いスリップ領域で運転することであり、それも図５のＡ領域で示される狭い正のスリップ領域で運転することである。
【００２５】
図５で提起したような領域Ａでの運転範囲を実現するために必要なことは、トルクが負になりつつある時点を検出して、増加していくロータ速度に追いつくように指令周波数を変えて指令周波数が常にロータ速度よりも高いかその直近になるようにすることである。これによりインダクションモータが運転の負のスリップモード（発電モード）に入るのが阻止される。
【００２６】
本発明は、負のトルク状態の発生を予測し、これに応答して指令周波数を増加させて、自由落下するか、あるいは駆動からフリーへと解放された負荷に追いつくようにする方法を含んでいる。指令周波数が変わる割合および指令周波数の最大絶対値は、学習しながら決めるかあるいはこのシステムの事前の知識を持つことによってすべて決められる。
【００２７】
本発明を図示した図１の実施例において、出力電流は電流センサ３８を用いて常にモニタされている。ベクトル制御運転のために常に基礎となるトルク成分（Ｉｑ）と磁束成分（Ｉｄ）を導出するために、既知の制御の考え方が用いられる。それ故、出力電流におけるトルク成分は簡単に利用できるので、制御器１６において出力電流のトルク成分を常時モニタしている。そしてもしトルク成分の勾配が負ならば、指令周波数を増加させる必要な時点に関して決定が行われる。
出力指令周波数の増加量とその効果を発揮させるべき瞬間は、負の勾配の大きさに依存している。負の勾配が大きくなればなるほど、指令周波数をますます早めてかつ増加量を大きくすることが必要となる。
この方法を実行するためのアルゴリズムが、制御器１６（図１）で実行される制御プログラムを記述した図６のフロー図で説明されている。
【００２８】
図６で示そうとしていることは、新しい出力指令周波数がインバータの最大限界値より大きくなったならば、かかる大きなオーバーホーリングの慣性負荷はその特殊なインバータによっては適応することができず、より高級なインバータを指向しなければならないか、又は、回生された過剰エネルギーを吸収するために最適数の制動抵抗をインバータＤＣ母線に加えるか、のどちらかを選択しなければならないのである。
【００２９】
上述したように、この過大電圧抑制方法は、Ｖ／Ｆ制御法かベクトル制御法のどちらかを用いるのがよい。大きな慣性負荷を備えたモータが、図４に示した負荷トルク曲線で運転されると想定すると、過大電圧への傾倒となる条件を生じないように、モータと駆動装置の組み合わせによる仕事が要求される。
【００３０】
この制御プログラムは初期化ブロック１００で開始される。本システムと方法は、モータ始動をさせる前に所定のパラメータをプリセットすることを要求している。最大出力周波数「Ｆｍａｘ」は、高速を取り扱う本システムの用途と能力によって決まる運転周波数限界値「Ｆｌｉｍｉｔ」にセットされる。また、所望の指令運転周波数「Ｆｒｅｆ」もセットされる。また、もし必要ならば必要なときに、この減速停止法を無力化して、制御器１６が惰力運転法だけを頼りに全体のシステムを停止させるようにしてもよい。減少トルクの発生を予測するのに必要な指令トルクレベル「Ｔｒｅｆ」を選択する。トルクを検出すると、そのトルク信号をフィルタリングすることが必要となり、そこで従来のフィルタ・パラメータもこのときセットする。減少トルク値が検出されたとき、このアルゴリズムは周波数を増加させて、モータが回生モードに行かないようにする。
周波数中の増分増加量ΔＦもこのブロック１００中にセットされる。
【００３１】
その後、このサイクルのオーバーホーリング局面かどうかが判定ブロック１０２で確認される。これはフイルタリングされたトルクのフィードバック信号Ｔｇｆｄｂｋを計算することによって決定される。上述したように、トルクのフィードバック信号Ｔｇｆｄｂｋは、電流センサ３８（図１）によって検知された出力電流中のトルク成分を含んでいる。
もしその勾配が負（図５参照）であるならば、このサイクルのオーバーホーリング局面が始まったことになる。
また、勾配が負という条件が満たされないときは、ブロック１０４へ進んで出力運転周波数ｆｏｕｔが指令運転周波数Ｆｒｅｆにセットバックされてこのアルゴリズムは直前の判定ブロック１０２に戻る。これは運転の「正常」モードである。このアルゴリズムは、次のスキャンサイクルで再び判定ブロック１０２を通って、その勾配を計算する。
【００３２】
出力運転周波数ｆｏｕｔは、運転を制御器１６（図１）に命ずるために用いられる。特に、制御器１６は慣用方法で運転され、上述したように出力電圧は出力運転周波数と密接に関係しているので、インダクションモータ１８（図１）に印加される出力電圧を制御するようにしている。
【００３３】
このサイクルのオーバーホーリング局面であることが判定ブロック１０２で確認されたなら、判定ブロック１０６へ進んで、フイルタリングされたトルクフィードバック信号Ｔｑｆｄｂｋの絶対値が指令トルクレベルＴｒｅｆよりも低いかどうかを調べるチェックが行われる。このことは、モータトルクが提起された運転範囲Ａ（図５参照）内にあるかどうかを確かめるために行われる。この目的は、負のスリップ運転を阻止することにある。
フイルタリングされたトルクフィードバック信号Ｔｑｆｄｂｋが指令トルクレベルＴｒｅｆよりも低いならば、このアルゴリズムは判定ブロック１０８に進む。  また、そうでないときは、ブロック１１０へ進んで出力運転周波数ｆｏｕｔが指令運転周波数Ｆｒｅｆにセットバックされて、このアルゴリズムは前の判定ブロック１０２に戻る。このループはスキャンサイクル毎に何回も繰り返される。そしてこのループが終了するのは、判定ブロック１０２において負のトルク勾配の条件が満たされ、かつ判定ブロック１０６においてトルクフィードバック信号Ｔｑｆｄｂｋで示される全体のトルクが指令トルクレベルＴｒｅｆより低くなる大きなオーバーホーリングトルクの条件が満たされたときである。
【００３４】
ブロック１０８では、制御ユニット１６（図１）は負のモータトルク状態を予測する。特に、モータ１８（図１）が回生モードに突入しようとしている。その影響を低減するため、制御ユニット１６は、選択指令周波数よりも高い周波数Ｆｒｅｆでそのモータを運転させる「負のモータトルク」モードに入り、それによって制御ユニット１６はモータ１８が負のスリップ状態に陥ることを阻止している。このことは増分増加量を出力運転周波数に指令することによって達成される。
その増加量はΔＦ周波数の現在のレベルである。
周波数の急増が指令されると、このアルゴリズムは判定ブロック１１２へ進み、出力運転周波数Ｆｏｕｔがこの用途において許容される最大周波数Ｆｍａｘを超えたかどうかを確かめる。
もし超えているのであれば、インバータユニットが過大電圧状態にある可能性があるのでこのシステムはこのアルゴリズムから出て、インバータユニットはシャットダウン（運転停止）ノード１１４で欠陥状態に入る。欠陥状態はこの問題を解決するためにセッティングの変更が必要であることを意味している。
一方、最終的な周波数がこの用途において許容される最大周波数を超えていなければ、このアルゴリズムは判定ブロック１０２へ戻り、次のサイクルで状態を評価する。このプロセスは、モータ１８がこのサイクル局面から出て、純粋にモータ駆動モードに入るまで続けられる。
上記方法を用いると、モータ／負荷のこの組み合わせが原因でインバータ２８（図２）が過大電圧障害に陥ることはなくなる。
【００３５】
ＶＦＤ１４（図１）の過大電圧抑制のための制御方法を、図３の往復運動負荷５４の駆動用モータ１８を運転する例を基にして以下に説明する。
この制御方法は、選択指令周波数でモータを運転するようにＶＦＤを制御すること、負のモータトルク状態の発生を予測すること、そして予測した負のトルク状態に応じて、その選択指令周波数よりも高い周波数でモータを運転するようにＶＦＤを制御することで構成される。
この方法は制御ユニット１６において、正常モードでは選択指令周波数でモータを運転するようにＶＦＤ１４を制御し、また、負のモータトルクモードでは選択指令周波数よりも高い周波数でモータを運転するようにＶＦＤ１４を制御するように制御ユニット１６を適応させることで実行できる。このことにより、制御ユニット１６は駆動用モータ１８が負のスリップ状態に陥ることを阻止している。負のモータトルク状態の発生を予測することは、モータトルクが負の勾配を持ち、かつモータトルクが選択されたトルク指令値よりも小さいかどうかを確かめることで構成される。選択指令周波数よりも高い周波数でモータ１８を運転するようにＶＦＤ１４を制御することは、負のトルク状態が予測されている間中、出力周波数を増分だけ連続的に増加させることで構成される。
【００３６】
本発明についてフローチャートとブロックダイアグラムを用いてこれまで述べてきた。フローチャートの各ブロックとブロックダイアグラムはコンピュータプログラム命令によって実行されることができる。
これらのプログラム命令が、機械を生産するためのプロセッサに与えられると、その結果、そのプロセッサ上で実行する命令は各ブロックで説明し各機能を実現する手段を創出することとなる。
コンピュータプログラム命令群がプロセッサによって実行されると、一連の運転ステップがそのプロセッサによって実行され、そのプロセッサ実行プロセスを生成し、その結果、そのプロセッサ上で実行する命令は、各ブロックにおいて説明された各機能を実現するステップに与えられることとなる。
それ故、実施例は、説明された１つの機能を実行するための手段の組合せと、説明された各機能を実行するための各ステップの組合せとを示している。
各ブロックおよびブロックの組み合わせは、上記の機能とステップとを実行する特別な目的のハードウエアに基づくシステムによって実行でき、または、特別な目的のハードウエアとコンピュータ命令との組み合わせによっても実行できることも、明らかである。
【００３７】
本発明の典型的な実施例に関連してこれまで述べてきたが、本発明から外れることなく種々の変更と改良を行なうことが可能なことは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明の真の精神とそれが見える範囲内での変更と改良は、すべて従属請求項でカバーされているところである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
往復運動負荷は産業上の多くの用途において使用されているところであり、本発明はこのような往復運動負荷を駆動するＶＦＤのための過大電圧抑制技術を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】往復運動負荷用の制御を含みかつ過大電圧抑制を含む本発明に係るモータ駆動システムの一般化されたブロック図である。
【図２】図１の本発明に係るモータ駆動システムの可変周波数駆動部の概略図である。
【図３】モータ駆動システムの操作サイクル中の一部における回生モードを示す振動テーブルの概略図である。
【図４】ビームポンプの用途に用いたときに観察される典型的なトルク図である。
【図５】典型的なインダクションモータについてのトルク対スリップ、および回転子出力Ｐrotor対スリップを描いたグラフである。
【図６】オーバーホーリング中の負荷を取り扱う本発明により提案される技術のフロー図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  モータ駆動システム
１２  ＡＣ（交流）電源
１４  可変周波数駆動装置（ＶＦＤ：インバータ）
１６  制御ユニット（又は、制御器）
１８  インダクションモータ（誘導電動機）
２０，２１，２２  給電線
２４  ＡＣ／ＤＣコンバータ
２６  ＤＣ（直流）母線
２８  ＤＣ／ＡＣコンバータ（インバータ）
２９  絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）
３０  フィルタ
３２  信号線
３３  電圧センサ
３６  信号線
３８  電流センサ
４０  信号線群
５０  ギアボックス
５２  プーリ
５４  フライホイール
５６  クラッチドカム
５８  カム従動部
６０  スプリング
【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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【国際調査報告】
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