(57)【要約】【課題】ブレーキが開放されたときに高い起動トルクと速い応答特性が要求されるシステムにおける電圧／周波数制御時の電圧降下による起動トルクの不足を改善することにより安定した起動を可能にしたインバータ制御装置を提供する。【解決手段】本発明によるインバータ制御装置は、電動機１を駆動するインバータ２を制御する装置において、初期起動時に予め定められた第１補償電圧を指令電圧として決定してインバータ２に印加する指令電圧決定部１０と、インバータ２の出力電流を同期座標系（synchronous reference frame）上のｑ軸電流（トルク軸電流、トルク分電流）に変換する変換部３０と、前記ｑ軸電流から第２補償電圧を決定して指令電圧決定部１０に印加する補償電圧決定部４０とを含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動するインバータを制御する装置において、
初期起動時に予め定められた第１補償電圧を指令電圧として決定して前記インバータに印加する指令電圧決定部と、
前記インバータの出力電流を同期座標系（synchronous reference frame）上のｑ軸電流（トルク軸電流、トルク分電流）に変換する変換部と、
前記ｑ軸電流から第２補償電圧を決定して前記指令電圧決定部に印加する補償電圧決定部と、を含むことを特徴とする、インバータ制御装置。
【請求項２】
前記指令電圧決定部は、前記第１補償電圧を前記第２補償電圧で補償して決定した指令電圧を前記インバータに印加するように構成される、請求項１に記載のインバータ制御装置。
【請求項３】
前記指令電圧決定部は、前記インバータの指令周波数が目標周波数に到達すると、目標指令電圧を固定して出力するように構成される、請求項１又は２に記載のインバータ制御装置。
【請求項４】
前記補償電圧決定部は、前記ｑ軸電流をゲインで増幅して前記第２補償電圧を出力し、前記ゲインが固定子抵抗に対応するように構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
【請求項５】
前記補償電圧決定部は、
予め設定された定格トルク分電流を第１ゲインで増幅し、増幅した定格トルク分電流を出力する第１増幅器と、
前記ｑ軸電流から、前記第１増幅器からの前記増幅した定格トルク分電流を減算して出力する減算器と、
前記減算器の出力と所定の基準電流値とを比較し、前記減算器の出力が前記所定の基準電流値より小さくない場合にロジックハイを出力する比較器と、
前記比較器の出力と前記ｑ軸電流を乗算し、前記比較器の出力がロジックハイの場合に前記ｑ軸電流を出力する乗算器と、
前記ｑ軸電流のリップル成分を減衰させ、前記リップル成分が減衰したｑ軸電流を出力するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタからの前記リップル成分が減衰したｑ軸電流を第２ゲインで増幅して前記第２補償電圧を出力する第２増幅器と、を含む、請求項４に記載のインバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、インバータは、商用交流電源を入力とし、それを直流電源に変換し、さらに電動機（モータ）に適した交流電源に変換して電動機に供給する電力変換装置である。このようなインバータは、電動機を効率的に制御することにより、電動機の消費電力を低減し、エネルギー効率を高める。
【０００３】
産業界の様々な応用負荷において電圧／周波数（Ｖ／Ｆ）制御方式でインバータを制御するが、電圧／周波数制御方式は、定格速度以下の運転領域では速い動特性（dynamic characteristic）が要求されないファン、ポンプ、ブロワなどの分野に主に用いられている。
【０００４】
一方、エレベータやクレーンなどの昇降負荷においては、電動機の絶対位置又は電動機の回転状態に応じた相対位置を測定するための位置センサであるエンコーダを用いて速度を精密に制御し、それにより高い起動トルク性能（starting torque performance）を発揮させるが、一部のシステムではエンコーダのメンテナンスにかかるコストを考慮して電圧／周波数制御を行っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電圧／周波数制御によりインバータを制御する場合、インバータの出力電圧の低い低速運転領域では電動機の固定子抵抗（stator impedance）及び漏れインダクタンスによる電圧降下により起動トルクの不足が生じるという問題があり、その起動トルクの不足による起動失敗は過度な電流を発生させてインバータの故障や電動機の故障を引き起こすという問題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ブレーキが開放されたときに高い起動トルクと速い応答特性が要求されるシステムにおける電圧／周波数制御時の電圧降下による起動トルクの不足を改善することにより安定した起動を可能にしたインバータ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記技術的課題は、電動機を駆動するインバータを制御する装置において、初期起動時に予め定められた第１補償電圧を指令電圧として決定して前記インバータに印加する指令電圧決定部と、前記インバータの出力電流を同期座標系（synchronous reference frame）上のｑ軸電流（トルク軸電流、トルク分電流）に変換する変換部と、前記ｑ軸電流から第２補償電圧を決定して前記指令電圧決定部に印加する補償電圧決定部とを含む、本発明によるインバータ制御装置を提供することにより解決することができる。
【０００８】
本発明の好ましい一態様によれば、前記指令電圧決定部は、前記第１補償電圧を前記第２補償電圧で補償して決定した指令電圧を前記インバータに印加するように構成される。
【０００９】
本発明の好ましい他の態様によれば、前記指令電圧決定部は、前記インバータの指令周波数が目標周波数に到達すると、目標指令電圧を固定して出力するように構成される。
【００１０】
本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記補償電圧決定部は、前記ｑ軸電流をゲインで増幅して前記第２補償電圧を出力し、前記ゲインが固定子抵抗に対応するように構成される。
【００１１】
本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記補償電圧決定部は、予め設定された定格トルク分電流を第１ゲインで増幅し、増幅した定格トルク分電流を出力する第１増幅器と、前記ｑ軸電流から、前記第１増幅器からの前記増幅した定格トルク分電流を減算して出力する減算器と、前記減算器の出力と所定の基準電流値とを比較し、前記減算器の出力が前記所定の基準電流値より小さくない場合にロジックハイを出力する比較器と、前記比較器の出力と前記ｑ軸電流を乗算し、前記比較器の出力がロジックハイの場合に前記ｑ軸電流を出力する乗算器と、前記ｑ軸電流のリップル成分を減衰させ、前記リップル成分が減衰したｑ軸電流を出力するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタからの前記リップル成分が減衰したｑ軸電流を第２ゲインで増幅して前記第２補償電圧を出力する第２増幅器とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、固定子抵抗による電圧降下を改善するために、速い動特性が要求される昇降負荷において初期起動時に不足電圧を予め設定された電圧で補償し、その後負荷の変化に応じた補償電圧を決定して補償することにより、インバータが行う電動機の駆動を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一般的な電圧／周波数制御方式のインバータシステムを概略的に示す構成図である。
【図２】図１の指令電圧生成部で指令周波数によって指令電圧が決定されることを説明する図である。
【図３】従来のインバータ制御装置を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態によるインバータ制御装置を示す構成図である。
【図５】本発明の一実施形態により決定される電圧と周波数の関係を説明する図である。
【図６】図４の補償電圧決定部の一例の詳細構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の構成及び効果を十分に理解できるように、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１５】
まず、従来のインバータ制御装置について説明し、その後本発明の一実施形態によるインバータ制御装置について説明する。
【００１６】
図１は一般的な電圧／周波数制御方式のインバータシステムを概略的に示す構成図である。
【００１７】
使用者から指令周波数ωrefが入力されると、指令電圧生成部１１０は、指令周波数ωrefに対応するインバータ１２０の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを決定する。インバータ１２０は、指令電圧生成部１１０により決定されたインバータ１２０の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを用いて３相パルス幅変調（pulse width modulation, PWM）電圧Ｖas，Ｖbs，Ｖcsを生成し、電動機（誘導電動機）１３０を駆動する。
【００１８】
図２は図１の指令電圧生成部で指令周波数によって指令電圧が決定されることを説明する図であり、インバータ１２０の指令周波数は指令電圧に比例することが分かる。
【００１９】
図２を参照すると、初期起動時、指令周波数ωrefは０から始まって増加し、インバータの指令電圧Ｖrefも電圧と周波数の関係から分かるように０から始まって増加する。すなわち、指令周波数ωrefが増加すると指令電圧Ｖrefもそれに比例して増加する。指令周波数ωrefが目標周波数に到達すると、インバータ１２０は電動機１３０を定速度（一定の速度）で運転する。
【００２０】
図２のような方法で電動機１３０を駆動する場合、初期起動時、低速運転領域では周波数に比例して出力電圧が生成されるので出力電圧が低いだけでなく、電動機１３０の固定子抵抗及び漏れインダクタンスによる電圧降下により実質的に電動機１３０の駆動のために印加される電圧が減少し、起動電流を大きく増加させ、インバータ１２０及び電動機１３０の故障や起動失敗を引き起こす。
【００２１】
これを防止するためには、低速運転領域で固定子抵抗による電圧降下を考慮して電圧をブースト（boost）しなければならない。
【００２２】
図３は従来のインバータ制御装置を示す構成図であり、図１のシステムに変換部１５０と補償電圧計算部１６０を追加したものである。
【００２３】
図１と同様に、指令電圧生成部１１０は、指令周波数ωrefに対応するインバータ１２０の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを決定し、インバータ１２０は、インバータ１２０の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを用いて３相ＰＷＭ電圧Ｖas，Ｖbs，Ｖcsを生成し、電動機１３０を駆動する。
【００２４】
変換部１５０は、測定部１４０により測定された電動機１３０の３相電流を同期座標系上のｄ軸電流（磁束軸電流、磁束分電流）Ｉdse及びｑ軸電流（トルク軸電流、トルク分電流）Ｉqseに変換し、補償電圧計算部１６０は、ｑ軸電流Ｉqseを用いて補償電圧を決定する。Ｉqseへの座標変換は次のように決定される。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
ここで、θは指令電圧の位相角θrefである。
【００２７】
Ｉqseは、インバータ１２０の出力電圧と同相（in-phase）であり、負荷トルクに比例するトルク分電流（torque current）に対応する。よって、Ｉqseの大きさから負荷トルクの大きさが分かる。電動機１３０は、負荷が大きければ大きいほど高い起動トルクが要求されるので、補償電圧計算部１６０においては、図２の電圧と周波数の関係における電圧を、トルク分電流Ｉqseに比例する電圧で補償して起動トルクを増加させる。
【００２８】
しかし、上記方式は、起動（スタート）時に摩擦負荷のみ動作するファン、ポンプ、ブロワなどの負荷においては、応答特性が遅いので使用上の問題がないが、エレベータやクレーンなどの昇降負荷において、ブレーキが開放されたときに高い起動トルクが要求されるシステム、すなわちブレーキが開放されたときに瞬間的なステップ負荷（step load）が加わるシステムでは適切でない。
【００２９】
つまり、ブレーキが開放されたときに高い起動トルクが要求されるシステムでは、初期起動時に迅速な電圧補償が行われないと正常な起動ができないが、補償電圧計算部１６０は、電動機１３０が起動された後にトルク分電流Ｉqseを用いて補償電圧を決定するので、その応答特性が遅くなる。また、適切な電圧補償が行われないので、起動トルクの不足による起動失敗により過度な電流が流れ、インバータ１２０及び電動機１３０の故障を引き起こす。
【００３０】
本発明においては、エレベータやクレーンなどのようにブレーキが開放されたときに高い起動トルクと速い応答特性が要求されるシステムにおいて、固定子抵抗による電圧降下を補償して起動トルクを改善するインバータ制御装置を提供する。
【００３１】
図４は本発明の一実施形態によるインバータ制御装置を示す構成図である。
【００３２】
同図に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ制御装置は、予め定められた大きさ及び周波数の電圧を電動機１に出力するインバータ２を制御するためのものであり、指令電圧決定部１０、出力電流検出部２０、変換部３０及び補償電圧決定部４０を含む。
【００３３】
使用者からインバータ２のハウジングに配置されるキーボードなどの入力部（図示せず）により指令周波数ωrefが入力されると、指令電圧決定部１０は、指令周波数ωrefに対応するインバータ２の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを決定する。
【００３４】
インバータ２は、指令電圧決定部１０により決定されたインバータ２の指令電圧Ｖref及び位相角θrefを用いて電動機１の指令電圧に対応する３相ＰＷＭ電圧Ｖas，Ｖbs，Ｖcsを生成し、電動機１を駆動する。
【００３５】
図５は本発明の一実施形態により決定される電圧と周波数の関係を説明する図であり、５Ａ線は図２の従来における電圧と周波数の関係を示すものであり、５Ｂ線は本発明の一実施形態における電圧と周波数の関係を示すものである。
【００３６】
従来は、５Ａ線で示すように、指令周波数ωrefは０から始まって増加し、インバータの指令電圧Ｖrefも０から始まって増加していたが、本発明の一実施形態の指令電圧決定部１０は、５Ｂ線の電圧と周波数の関係から分かるように、指令周波数ωrefは０から始まって増加し、インバータ２の指令電圧ＶrefはＶminから始まって増加するように構成される。指令周波数ωrefが目標周波数に到達すると、それ以上周波数を変化させずに定速度で運転し、それによりインバータ２の指令電圧Ｖrefが固定される。図５から分かるように、指令周波数ωrefが目標周波数に到達すると指令電圧Ｖrefも目標指令電圧に到達する。つまり、本発明の一実施形態においては、指令周波数ωrefが０である初期起動では指令電圧がＶminに決定されるが、５Ｂ線の傾きは５Ａ線の傾きより緩やかであるので、指令周波数が増加するにつれて指令電圧が従来より小さい傾きで増加する。
【００３７】
指令周波数ωrefが０である場合に指令電圧決定部１０により決定される指令電圧Ｖminは、使用者により電動機１の特性に応じて予め決定されるようにしてもよい。ここで、電圧が大きすぎる値に設定された場合は、トリップ（自動回路遮断）が発生することがあり、電圧が小さすぎる値に設定された場合は、負荷の移動が不可能になることがある。
【００３８】
よって、本発明の一実施形態において、電動機１を駆動したときに固定子抵抗及び漏れインダクタンスによる電圧降下に起因する起動失敗は、Ｖminにより一次的に補償が行われ、その後補償電圧決定部４０により負荷に応じた補償が行われるようにする。
【００３９】
変換部３０は、出力電流検出部２０により測定されたインバータ２の３相出力電流（静止座標系電流（static reference frame current）、例えばＩas、Ｉbs、Ｉcs）を同期座標系上のｄ軸電流Ｉdse及びｑ軸電流Ｉqseに変換し、補償電圧決定部４０は、ｑ軸電流Ｉqseを用いて補償電圧Ｖcompを決定する。
【００４０】
ｑ軸電流Ｉqseは、インバータ２の出力電圧と同相であり、負荷トルクに比例するトルク分電流に対応する。よって、ｑ軸電流Ｉqseの大きさから負荷トルクの大きさが分かることは前述した通りである。電動機１は、負荷が大きければ大きいほど高い起動トルクが要求されるので、補償電圧決定部４０においては、図５の電圧と周波数の関係における電圧を、トルク分電流Ｉqseに比例する電圧で補償して起動トルクを増加させる。
【００４１】
図６は図４の補償電圧決定部の一例の詳細構成図である。
【００４２】
同図に示すように、本発明の一実施形態の補償電圧決定部４０は、第１増幅器４１、減算器４１−１、比較器４２、乗算器４３、ローパスフィルタ（low pass filter, LPF）４４及び第２増幅器４５を含む。
【００４３】
第１増幅器４１は、予め設定された定格トルク分電流Ｉqs_rateを第１ゲインＫ1で増幅するように構成される。すなわち、第１増幅器４１は、定格トルク分電流Ｉqs_rateに第１ゲインＫ1を乗算して出力する。
【００４４】
減算器４１−１は、測定されたトルク分電流Ｉqseから、第１増幅器４１における定格トルク分電流Ｉqs_rateに第１ゲインＫ1を乗算した値を減算してその差値を出力するように構成される。
【００４５】
減算器４１−１は、２つの入力端のうち一方の入力端が変換部３０の出力端に接続され、他方の入力端が第１増幅器４１の出力端に接続される。
【００４６】
補償電圧決定部４０は、補償電圧Ｖcompを決定する前に、比較器４２を用いて電圧補償の有無を決定するようにしてもよい。つまり、補償電圧決定部４０の乗算器４３は、比較器４２の出力がイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）（すなわち、ロジックハイ）の場合、トルク分電流Ｉqseをローパスフィルタ４４に出力するように構成してもよい。
【００４７】
乗算器４３は、２つの入力端のうち一方の入力端が比較器４２の出力端に接続され、他方の入力端が変換部３０の出力端に接続される。
【００４８】
比較器４２は、減算器４１−１から入力された差値と小さい基準電流値（例えば、ゼロ）とを比較し、差値が小さい基準電流値より小さくない場合、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）（すなわち、ロジックハイ）を出力する。
【００４９】
比較器４２は、２つの入力端のうち一方の入力端が減算器４１−１の出力端に接続され、他方の入力端は接地に接続されてゼロ値が入力されるようにしてもよい。他の例として、比較器４２の他方の入力端は、接地ではなく他の基準値入力部（例えば、定電流源と抵抗とから構成される入力回路部）に接続され、ゼロではない他の小さい基準電流値が入力されるようにしてもよい。
【００５０】
前述したように、本発明の一実施形態の補償電圧決定部４０においては、第１増幅器４１の第１ゲインＫ1を乗算した定格トルク分電流Ｉqs_rateと測定されたトルク分電流Ｉqseとを比較し、無負荷（loadless）又は軽負荷（light load）の場合（差値がゼロであるか、小さい基準電流値より小さい場合）には補償電圧Ｖcompを出力せず、トルクが不足した場合（差値が小さい基準電流値より小さくない場合）には補償電圧Ｖcompを出力する。
【００５１】
第１ゲインＫ1としては、１より小さい値が適切に選択される。
【００５２】
ローパスフィルタ４４は、トルク分電流Ｉqseのリップル成分（脈動成分）を減衰させて安定度を改善する。
【００５３】
ローパスフィルタ４４は、入力端が乗算器４３の出力端に接続され、出力端が第２増幅器４５の入力端に接続される。
【００５４】
第２増幅器４５は、ローパスフィルタ４４を通過したトルク分電流Ｉqseに第２ゲインＫ2を乗算して補償電圧Ｖcompを出力する。第２ゲインＫ2は、固定子抵抗に相当する値に予め設定されてもよく、適用分野（クレーン、エレベータなど）によってその値が異なるように予め設定されてもよい。
【００５５】
指令電圧決定部１０により決定された指令電圧は補償電圧決定部４０により決定された補償電圧Ｖcompで補償され、補償された指令電圧がインバータ２に出力される。
【符号の説明】
【００５６】
１    電動機
１０  指令電圧決定部
２    インバータ
２０  出力電流検出部
３０  変換部
４０  補償電圧決定部
【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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