(57)【要約】【課題】  誘導電動機の回転数や回転方向によらず、短時間で回転数を検出し、誘導電動機を起動することができる誘導電動機の制御装置を提供する。【解決手段】  誘導電動機２駆動用電力変換器１と、この電力変換器のゲート駆動回路４と、前記電力変換器の出力電圧検出用電圧検出手段３と、誘導電動機の起動時に単相電力を加えるため、前記ゲート駆動回路に信号を与えるゲート信号供給手段と、前記単相電力の周波数を決める周波数設定手段７と、周波数の１周期のうち所定の期間ゲートブロック信号を発生するゲートブロック手段１２とで構成し、ゲートブロック期間中に電圧検出手段により誘導電動機の残留電圧を検出し、残留電圧が所定値未満であれば周波数設定手段により単相電力の周波数を変化させて再度ゲートブロック及び残留電圧検出を行い、残留電圧が所定値以上であれば、検出した電圧から前記誘導電動機の回転数周波数を検出し起動準備を完了させる。【選択図】  図１
2006060962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機を駆動する電力変換器と、
この電力変換器のインバータ部のゲート駆動回路と、
前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記誘導電動機の起動時に単相電力を加えるため、前記ゲート駆動回路に信号を与えるゲート信号供給手段と、
前記単相電力の周波数を所定の範囲で変化させる周波数設定手段と、
前記周波数の１周期のうち所定の期間ゲートブロック信号を発生するゲートブロック手段と
を具備し、
前記ゲートブロック期間中に、前記電圧検出手段により前記誘導電動機の残留電圧を検出し、
この残留電圧が所定値未満であれば前記周波数設定手段により前記単相電力の周波数を変化させて再度前記ゲートブロック及び前記残留電圧検出を行い、
前記残留電圧が所定値以上であれば、前記残留電圧から前記誘導電動機の回転周波数を検出して起動準備を完了するようにしたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
前記ゲート信号供給手段は、パルス状の信号をＰＷＭ変調してゲート信号とすることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
前記ゲート信号供給手段は、正弦波状の信号をＰＷＭ変調してゲート信号とすることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
前記ゲート信号供給手段は、パルス状の信号を直接ゲート信号とし、前記単相電力のパルス幅に応じて前記電力変換器のコンバータ部の電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
前記ゲート信号供給手段は、前記単相電力の指令を電圧指令として供給するようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項６】
前記ゲート信号供給手段は、前記単相電力の指令を電流指令として供給し、必要に応じて電流リミットを設けるようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項７】
前記周波数設定手段は、前記単相電力の周波数のレートを上げながら前記残留電圧検出を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項８】
前記電力変換器が回生機能を持たないとき、前記周波数設定手段は、前記単相電力の周波数のレートを下げながら前記残留電圧検出を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項９】
前記周波数設定手段が設定する周波数の全ての範囲で前記残留電圧が所定値未満であれば、
前記誘導電動機は停止しているものと判断するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度検出器を用いずに誘導電動機を起動または再起動するために、誘導電動機の周波数を検出する機能を有する誘導電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータに駆動されない状態で回転している誘導電動機をインバータで起動または再起動（以下単に起動と言う。）する場合、供給するインバータ出力電圧の周波数、位相及び振幅を、フリーラン状態にある誘導電動機の回転周波数、残留電圧位相及び振幅と一致させることが必要となる。電圧の位相及び振幅に差があれば、インバータに過大な電流が流れ、周波数に差があれば、誘導電動機にインパクトトルクを与える、或いは誘導電動機からインバータへ過大な回生電流が流れる等の不具合を生じる。
【０００３】
従来から、誘導電動機の回転周波数、電圧位相及び振幅を演算する手法として、誘導電動機の残留誘起電圧から回転周波数、残留電圧位相を検出する手法がある。誘導電動機は電源が遮断されても、鉄心に残る磁束が回転することにより回転周波数を持つ交流電圧を発生するので、この残留電圧を利用すれば回転速度を検出できる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、特許文献２によれば、空転中の誘導電動機を所定電圧、所定周波数にて一定時間運転した後、再度遮断したときの残留電圧により周波数検出を行いソフトスタートさせている。
【特許文献１】特開昭５４−５０８１２号公報（第４頁、第３図）
【特許文献２】特開平８−３３６２９６号公報（第５頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記された従来の装置においては、起動するために残留電圧を検出し、電圧位相周波数を検出していているが、残留磁束が少ない場合や回転数が低い場合には残留電圧が小さくなるので、検出できないという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献２の装置では、空転中の誘導電動機を所定電圧、所定周波数にて一定時間運転した後再度遮断したときの残留電圧により周波数検出を行いソフトスタートしており、誘導電動機の磁極の周波数に近い周波数で所定の電圧をかければ、一定の時間後に残留電圧を検出することができるとしている。しかしながら、特許文献２の装置では、所定の周波数をどう決めるかが明確に示されておらず、従って誘導電動機の回転数が分からないので、所定の周波数を適切に定めるのは困難である。例えば、周波数差がありすぎれば、相当大きい電流を流さないと検出できるレベルの電圧まで励磁されないばかりか、返って消磁してしまう場合もある。更に、逆相励磁では磁束が確立しないので、回転方向が不明の場合には、上記操作を２回実施する必要があり、時間がかかるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、誘導電動機の回転数や回転方向によらず、短時間で、回転数を検出し、誘導電動機を起動することができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の誘導電動機の制御装置は、誘導電動機を駆動する電力変換器と、この電力変換器のインバータ部のゲート駆動回路と、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記誘導電動機の起動時に単相電力を加えるため、前記ゲート駆動回路に信号を与えるゲート信号供給手段と、前記単相電力の周波数を所定の範囲で変化させる周波数設定手段と、前記周波数の１周期のうち所定の期間ゲートブロック信号を発生するゲートブロック手段とを具備し、前記ゲートブロック期間中に、前記電圧検出手段により前記誘導電動機の残留電圧を検出し、この残留電圧が所定値未満であれば前記周波数設定手段により前記単相電力の周波数を変化させて再度前記ゲートブロック及び前記残留電圧検出を行い、前記残留電圧が所定値以上であれば、前記残留電圧から前記誘導電動機の回転周波数を検出して起動準備を完了するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、残留電圧を検出するために誘導電動機に印加する電力を単相として構成したので、誘導電動機の回転数や回転方向によらず、短時間で、回転数を検出し、誘導電動機を起動することができる誘導電動機の制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例１を図１乃至図４を用いて説明する。図１は本発明に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。
【００１２】
図１において、交流入力を受けた電力変換器１はこれを任意の電圧／周波数の交流に変換して誘導電動機２を駆動している。図示を省略しているが、電力変換器１は、通常は交流を直流に変換するコンバータ部と、得られた直流を交流に変換するインバータ部で構成されている。電力変換器１のインバータ部を構成するパワーデバイスはゲート駆動回路４からのゲート信号により制御されている。このゲート駆動回路４は、ＰＷＭ変調回路５の出力信号が入力されており、通常運転時には図示しない通常の電圧基準がＰＷＭ変調回路５に与えられている。以下、誘導電動機２を空転中に起動するための構成を中心に説明する。
【００１３】
電力変換器１の交流入力が停電後復電したとき、誘導電動機２の端子電圧を電圧検出器５で検出し、詳細は後述するゲートブロック信号発生器１２からの指令信号が与えられたとき、レベル判定器６で電圧検出可能な電圧かどうかを判別し、電圧検出が可能でなければ、周波数設定器７で誘導電動機１に印加する電圧の周波数を設定する。設定された周波数に応じて、パルス幅設定器８でパルス幅を設定し、パルス振幅設定器９からの信号を合成してパルス発生器１０により励磁用パルスを作成する。作成されたパルスを反転器１１にて反転し、信号を３相分に変換した後、ＰＷＭ変調回路４によって電力変換器１のゲート指令を作成し、ゲート駆動回路４経由電力変換器１のパワーデバイスを制御する。ここで、反転器１１の出力を３相のうち２相同時に与えるようにしているので、電力変換器１の出力は単相相当となる。
【００１４】
周波数設定回路７及びパルス振幅設定器８の信号に応じて、ゲートブロック信号発生器１２はゲートブロック信号を作成する。即ち、このゲートブロック信号がゲート駆動回路４に与えられている期間はＰＷＭ変調回路５で作成された信号はゲート駆動回路４でブロックされる。
【００１５】
また、レベル判定器６で電圧検出可能なレベルであると判定されれば、ゲートブロック信号発生器１２でゲートブロック信号を発生させると共に、周波数検出器１４にて周波数及び位相を検出して起動の準備を完了する。
【００１６】
次に、図２に基づいて、周波数設定器７の動作について説明する。図２は本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図である。
【００１７】
電力変換器１の交流入力が復電したとき、周波数設定器７はまず、所定の周波数ｆ１でパルスを出力する。この状態でゲートブロック信号発生器１２によりゲートブロックを行う。ゲートブロック中の残留電圧が検出できなければ、上記の動作を繰り返しながら周波数設定器７は所定の周波数ｆ２まで所定のレートで上げていく。ここで所定のレートとは、誘導電動機２の磁束を確立する時間を考慮し、誘導電動機２の２次時定数に見合う予め定められたレートとする。また、周波数ｆ１およびｆ２は、誘導電動機の運転周波数ｆ０からｆｔｏｐの間の値とする。
【００１８】
次に、図３に示すタイミングチャートで、周波数設定器７、パルス幅設定器８、パルス発生器１０及びゲートブロック信号発生器１２の関係を説明する。周波数設定器７で設定された周波数指令を元に、パルス幅設定器８では周期Ｔを決定し、その１周期を期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥに分割する。この分割された夫々の期間に応じてパルス発生器１０ではパルスＸを作成する。パルスＸは図示したように、例えば期間Ｂで１、期間Ｄでマイナス１、その他の期間ではゼロとする。同様にして、ゲートブロック信号発生器１２ではパルス幅設定器８が設定した期間Ｔに応じて、ゲートブロック信号Ｙを作成する。例えばゲートブロック信号Ｙは図示したように、期間Ｂと期間Ｄでゼロ、他の期間では１とする。
【００１９】
次に以上の構成における詳細な動作について説明する。図４は本発明に係る誘導電動機の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００２０】
停電発生後復電したとき（ＳＴ１）、電圧検出回路３により電圧検出を行う（ＳＴ２）。レベル判定器６により電圧検出回路３で検出された残留電圧が検出できるレベルか否かを判断し（ＳＴ３）、残留電圧が検出できない場合は、励磁用の単相電圧を印加するため、単相電圧の周波数を設定する（ＳＴ４）。その周波数が所定の周波数範囲内であるか否か判断し（ＳＴ５）、所定の範囲内であればパルス幅やパルス振幅のパルス条件を設定し（ＳＴ６）、単相電力のパルスを誘導電動機２に印加する（ＳＴ７）。次にゲートブロック信号発生器１２からのゲートブロック信号が１となったとき（ＳＴ８）、その期間内にステップＳＴ２と同様に電圧検出器３により電圧を検出する（ＳＴ９）。そしてステップＳＴ３と同様に、レベル判定器６により残留電圧を検出することができたか判断し（ＳＴ１０）、検出できなければ、ステップＳＴ４に戻り、所定のレートに応じて周波数設定器７により周波数を変更し、ステップＳＴ５でその周波数が所定の周波数内かどうか判断する。
【００２１】
以上の動作を、ステップＳＴ１０で残留電圧が検出できるまで、もしくは、ステップＳＴ５で周波数が所定の周波数を超えるまで繰り返す。ステップＳＴ３またはステップＳＴ１０で残留電圧が検出できた場合は、その残留電圧に基づいて周波数検出器１３により周波数及び位相を検出し（ＳＴ１１）、この状態で起動準備が完了する（ＳＴ１２）。また残留電圧が検出できないまま、ステップＳＴ５で周波数が所定の周波数範囲を超えた場合は、誘導電動機２は停止しているものと判断する。
【００２２】
なお、上記の実施例１では、単相電圧をパルス状で与えたため、固定子巻線に生じる磁界は回転磁界ではなく交番磁界となり、何れの回転方向であっても検出が可能となるというメリットがある。
【００２３】
また、周波数を可変にしているので、回転子の回転速度に近い周波数を与えて残留電圧を発生させることができる。さらに、その可変の周波数は、低い周波数から開始しているということに意味がある。これは、回転子の速度が低い場合に残留電圧が小さくなることから、図４に示した周波数の設定を繰り返す動作中に誘導電動機２の回転速度が低下し、残留電圧が検出できなくなることを防止するためである。
【実施例２】
【００２４】
図５は本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図である。
【００２５】
この実施例２においては、図２に示した実施例１の場合とは周波数設定器７の動作が異なる。パルスの周波数として、まず所定の周波数ｆ２を選定し、ゲートブロック中の残留電圧が検出できなければ、周波数ｆ１まで所定のレートで下げていく。ここで所定のレートとは実施例１の場合と同様、誘導電動機２の２次時定数に見合う予め定められたレートとする。また、周波数ｆ１およびｆ２は、誘導電動機の運転周波数ｆ０からｆｔｏｐの間の値とする。
【００２６】
電力変換器１が回生機能を持たない構成の場合は、実施例１の図２に示したようにｆ１から周波数を上げていく方法によると、フリーラン状態の回転子の回転周波数よりｆ１が低いときには回生モードとなり、電力変換器１が過電圧になる恐れがある。従って、実施例２のようにｆ２から周波数を下げていくようにすれば上記問題を防ぐことが可能となる。
【実施例３】
【００２７】
図６は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例３を示す回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例１と異なる点は、パルス発生回路１０の出力に電流制御器２０を設け、この電流制御器２０の出力を電圧指令としてＰＷＭ変調を行うようにした点、また、電流検出器２１を設け、この検出電流が一定になるように電流制御器２０を制御するようにした点である。
【００２８】
この実施例３のように、電力変換器１の出力電流を制御するようにすれば、電流制御器２０の内部に電流リミッタを設け、所定の電流以上電流を流さないようにして、過電流を保護しながら周波数検出をしていくことが可能となる。尚、この実施例３における周波数設定器７の周波数設定方法は、実施例１の加速方式と実施例２の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
【実施例４】
【００２９】
以下に本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例４を図７乃至図９を参照して説明する。図７は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例４を示す回路構成図である。
【００３０】
この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、パルス発生回路１０に代え、正弦波発生回路３０を設け、周波数設定回路７の出力を直接正弦波発生回路３０の入力とするようにした点、パルス振幅設定器９に代え振幅設定器９Ａを設けた点、また正弦波発生回路３０の出力をゲートブロック信号発生回路１２に与えるようにした点である。
【００３１】
この実施例４に係る誘導電動機の制御装置は、誘導電動機２に与える単相電力をパルス状ではなく、正弦波とすることが特徴である。周波数設定器７で設定した周波数と振幅設定器９Ａで設定した振幅を元に、正弦波発生器３０で正弦波指令を作成する。そして正弦波のタイミングに応じてゲートブロック信号発生器１２でゲートブロック信号を発生させる。尚、この実施例４における周波数設定器７の周波数設定方法は、実施例１の加速方式と実施例２の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
【００３２】
この実施例４において、正弦波からゲートブロック信号を作成する仕組みの１例を、図８に示す。正弦波発生器３０で作成した正弦波Ｚは周波数設定器７により周期Ｔが分かっているので、１周期を所定の期間Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ及びＪに分割し、図示したように励磁が終了したと考えられる期間Ｆ、Ｈ及びＪの間にゲートブロック信号Ｙを発生させる。
【００３３】
また、実施例４において、正弦波からゲートブロック信号を作成する他の例を、図９に示す。図９の場合は、正弦波発生器３０で作成した正弦波Ｚが所定の振幅±Ｋより小さい範囲であればその期間ゲートブロック信号Ｙを発生させるようにしている。
【００３４】
以上にように正弦波による励磁を行えば、正弦波磁束によりスムースに誘導電動機２を励磁することが可能となる。
【実施例５】
【００３５】
以下に本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例５を図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施例５を示す回路構成図である。
【００３６】
この実施例５の各部について、図１の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例１と異なる点は、ＰＷＭ変調回路５及びパルス振幅設定回路９を省き、ＰＷＭ変調による電圧の平均値制御を新たに設けたコンバータ電圧制御回路４０により行うようにした点、またゲートブロック信号発生回路１２を省いた点である。
【００３７】
このように、コンバータ電圧制御回路４０で電力変換器１Ａのコンバータ部を制御することにより周波数設定器７で設定された周波数乃至パルス幅設定器８で設定したパルス幅に応じて直流電圧の大きさを制御し、パルス幅設定器８経由パルス発生器１０で作成した単相電力を与えるためのパルス状の信号を変調することなく、直接電力変換器１のインバータ部の指令とすることが可能となる。
【００３８】
上記の動作について図１１に示すタイミングチャートで説明する。図１１に示したように、周波数設定回路７の出力により、１周期Ｔを求め、この１周期を期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥに分割する。そして、実施例１の場合と同様にパルス発生回路１０は、期間Ｂで１、期間Ｄでマイナス１、他の期間ではゼロになるようにパルスＸを発生させる。
【００３９】
この実施例５の場合はＰＷＭ変調を行わない為、期間ＢまたはＤの時には電力変換器１のインバータ部のパワーデバイスがＯＮしているが、期間Ａ、Ｃ及びＥの時は電力変換器１のインバータ部の全てのパワーデバイスがＯＦＦしているためゲートブロックを行ったことと等価になり、残留電圧の検出を行うことが可能となる。従って本実施例では、コンバータ電圧制御回路４０が必要となるが、ゲートブロック信号発生器１２を省略できるという特徴がある。尚、この実施例５における周波数設定器７の周波数設定方法は、実施例１の加速方式と実施例２の減速方式を、場合に応じて選択すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図。
【図３】本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の動作を示すタイミングチャート。
【図４】本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の動作フローチャート。
【図５】本発明の実施例２に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の特性図。
【図６】本発明の実施例３に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図。
【図７】本発明の実施例４に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図。
【図８】本発明の実施例４に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の動作の一例を示すタイミングチャート。
【図９】本発明の実施例４に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の動作の他の一例を示すタイミングチャート。
【図１０】本発明の実施例５に係る誘導電動機の制御装置のブロック構成図。
【図１１】本発明の実施例５に係る誘導電動機の制御装置の周波数設定器の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１、１Ａ  電力変換器
２  誘導電動機
３  電圧検出器
４  ゲート駆動回路
５  ＰＷＭ変調回路
６  レベル判定回路
７  周波数設定器
８  パルス幅設定器
９  パルス振幅設定器
９Ａ  振幅設定器
１０  パルス発生器
１１  反転器
１２  ゲートブロック信号発生器
１３  周波数検出器
２０  電流制御器
２１  電流検出器
３０  正弦波発生器
４０  コンバータ電圧制御回路
【図１】
2006060962.tif 000003
【図２】
2006060962.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006060962.tif 000011
【図１０】
2006060962.tif 000012
【図１１】
2006060962.tif 000013