(57)【要約】【課題】制動巻線付き永久磁石電動機を、Ｖ／ｆ一定制御方式の電圧形ＰＷＭインバータで制御し、低速運転時やフリーランしている電動機の再始動にインバータの過電流を防止する。【解決手段】インバータ２の出力電圧と電動機３の誘導起電力の差が大きく、インバータ出力電流絶対値が設定値を超過したことをコンパレータ１７で検出し、ゲートブロック回路１６でインバータの全ゲートを一時的に遮断することで、インバータが過電流故障となる現象を抑制する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ／ｆ一定制御方式の電圧形ＰＷＭインバータで制動巻線付き永久磁石電動機を駆動する電動機の制御装置において、
インバータの出力周波数を始動周波数Ｆ０に設定し、インバータの出力電圧設定値Ｖｓｅｔを０から設定値Ｖ０まで徐々に上昇させるモード０と、
インバータの出力電圧が設定値Ｖ０になる前にインバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔが、設定値Ｉｌｉｍに到達した場合はその時点から、また、Ｉｏｕｔ＜Ｉｌｉｍのままの場合は設定値Ｖ０に達した時点から、電圧設定値Ｖｓｅｔを一定として周波数設定値Ｆ１まで上昇させるモード１と、
インバータの周波数が設定値Ｆ１となった時点から、電圧設定値ＶｓｅｔをＶ／ｆ一定制御での設定電圧Ｖ１まで上昇させるモード２と、
電流設定値Ｖｓｅｔが設定電圧Ｖ１となった時点から、Ｖ／ｆ一定制御で設定周波数まで加速するモード３とからなる始動制御手段を備え、
前記モード０〜２の期間または電動機の低速運転時において、インバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔがインバータの過電流制限値Ｉｌｉｍを越えたときにインバータのゲートを一時的に遮断してインバータ出力電流を抑制する電流制限手段を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
前記電流制限手段は、前記モード０において、インバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔが設定値Ｉｌｉｍを超過した時点で、フリーランしていた電動機の回転数を、インバータ出力周波数に相当する回転数にできるだけ近づけることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
インバータの出力電流に対して、インバータ出力周波数を基本周波数とするＤＦＴ演算を行ってｎ次高調波を演算し、この高調波の大きさを設定値と比較することによって、電動機のフリーラン状態を把握することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧形ＰＷＭインバータ装置で制動巻線付き永久磁石電動機を駆動する電動機の制御装置に係り、特に電動機の始動方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電圧形ＰＷＭインバータ装置（以下、ＰＷＭインバータと略記〉で、制動巻線付き永久磁石電動機（以下ＰＭモータと略記）を駆動する場合のシステム構成を図７に示す。
【０００３】
同図の主回路は、順変換回路（整流回路）１と逆変換回路（ＰＷＭインバータ）２で構成され、ＰＷＭ波形の電流供給でＰＭモータ３を駆動する。制御装置は、マイクロコンピュータやロジックＩＣを用いたディジタル回路でＶ／ｆ一定制御方式の回路構成にされ、電圧と周波数のＰＷＭ制御には三角波と正弦波の比較方式としている。
【０００４】
Ｖ／ｆ設定部４は周波数信号に対する一定比率の電圧設定値を得、位相積分部５は周波数信号の積分で位相信号を得て位相設定値を得る。三相正弦波発生部６は、位相設定値に合致した位相の三相正弦波を発生し、乗算部７はこの三相正弦波を電圧設定値にしたがって振幅を調整した三相正弦波を得る。コンパレータ回路８は、乗算部７からの三相正弦波と、三角波（キャリア信号）発生回路９とのレベル比較によりＰＷＭ波形のゲート信号を発生する。デッドタイム作成回路１０は、ＰＷＭ波形のゲート信号からデッドタイムをもたせたＰＷＭインバータの各アームのゲート信号Ｇｕ〜Ｇｚを作成する。
【０００５】
このようなＶ／ｆ一定制御方式で単純に運転する場合、ＰＷＭインバータや電動機の過負荷保護の目的で出力電流を検出することが一般的であり、図示のように電流検出装置を設ける。
【０００６】
この電流検出装置は、運転周波数範囲の広い電動機駆動用途のＰＷＭインバータでは、直流電流の検出可能なホール素子を用いた電流検出器１１ｕ〜１１ｗが使われ、出力電流の基本波成分を比較的低速なＡ／Ｄ変換器１３で変換処理できるようにサンプルアンドホールド回路１２ｕ〜１２ｗを用意し、三角波の頂点（山ｏｒ谷）のタイミングで各相の出力電流をサンプリングし、次の頂点が来る前までにＡ／Ｄ変換を実行する。
【０００７】
これは、Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗの上側３素子が全ＯＮ状態か、Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚの下側３素子が全ＯＮ状態となる、出力電圧が零の状態の電流値を取り込もうとするもので、出力電流経路にインバータ直流電圧源が入らないため、スイッチングに伴う電流の脈動成分が小さく、基本波成分を良好に抽出することが可能である。また、出力周波数や電圧の演算処理も、同様のタイミングで割込みをかけて実行されることが一般的である。絶対値演算回路１４は、電流検出データの絶対値Ｉｏｕｔを求める。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＭモータの始動方法の一つに、下記に示す手順がある。この手順での電圧と周波数のシーケンスを図８に示す。
【０００９】
１）出力周波数（Ｆｓｅｔ）を始動周波数（Ｆ０：３Ｈｚ程度）とし、スイッチ１５を電圧設定側に切り替え、出力電圧（Ｖｓｅｔ）を０Ｖから設定値（Ｖ０）まで、Ｔ０の時間をかけて徐々に上昇させる。（モード０）
２）Ｖｓｅｔ＝Ｖ０となる前にインバータ出力電流絶対値（Ｉｏｕｔ）が、設定値（Ｉｌｉｍ）に到達した場合はその時点から、また、Ｉｏｕｔ＜ＩｌｉｍのままＴ０が経過した場合はＴ０の時点から、Ｖｓｅｔを一定とし、Ｆｓｅｔを次の設定値（Ｆ１：５Ｈｚ程度）まで、Ｔ１の時間をかけて上昇させる。（このときＩｏｕｔは減少する。（モード１）
３）Ｆｓｅｔ＝Ｆ１となった時点から、Ｖｓｅｔを本来のＶ／ｆ設定電圧（Ｖ１：Ｖｂａｓｅ／Ｆｂａｓｅ＊Ｆ１）まで、Ｔ２の時間をかけて上昇させる。（モード２）
４）Ｖｓｅｔ＝Ｖ１となった時点から、スイッチ１５を戻し、通常のＶ／ｆ設定で、本来の周波数設定まで加速する。（モード３）
しかし、上記の始動方式を、完全に停止していないモータの始動に適用すると、モータの誘導起電力をインバータで短絡することになるため、インバータが過電流故障となる場合がある。
【００１０】
ＰＭモータ駆動システムでフリーランしているＰＭモータを再始動させるには、ＰＭモータの誘導起電力の周波数と振幅を計測した後、位相を合わせてインバータを動作させる方式が一般的である。しかし、低速運転時や長時間のフリーラン後の再始動においては、モータ回転数の低下と共に誘導起電力が減少することによって、一部のデータが計測不能となると、上記始動モードに切換えざるを得ないため、誘導起電力が０でない状態で始動することとなり、上記現象の発生が懸念される。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題を解決した電動機の制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、低速運転時やフリーランしている電動機を再始動させる場合に、インバータ出力電圧と電動機の誘導起電力の差が大きく、インバータ出力電流絶対値が設定値を超過した場合に、インバータの全ゲートを一時的に遮断し、インバータが過電流故障となる現象を抑制するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１３】
（１）Ｖ／ｆ一定制御方式の電圧形ＰＷＭインバータで制動巻線付き永久磁石電動機を駆動する電動機の制御装置において、
インバータの出力周波数を始動周波数Ｆ０に設定し、インバータの出力電圧設定値Ｖｓｅｔを０から設定値Ｖ０まで徐々に上昇させるモード０と、
インバータの出力電圧が設定値Ｖ０になる前にインバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔが、設定値Ｉｌｉｍに到達した場合はその時点から、また、Ｉｏｕｔ＜Ｉｌｉｍのままの場合は設定値Ｖ０に達した時点から、電圧設定値Ｖｓｅｔを一定として周波数設定値Ｆ１まで上昇させるモード１と、
インバータの周波数が設定値Ｆ１となった時点から、電圧設定値ＶｓｅｔをＶ／ｆ一定制御での設定電圧Ｖ１まで上昇させるモード２と、
電流設定値Ｖｓｅｔが設定電圧Ｖ１となった時点から、Ｖ／ｆ一定制御で設定周波数まで加速するモード３とからなる始動制御手段を備え、
前記モード０〜２の期間または電動機の低速運転時において、インバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔがインバータの過電流制限値Ｉｌｉｍを越えたときにインバータのゲートを一時的に遮断してインバータ出力電流を抑制する電流制限手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
（２）前記電流制限手段は、前記モード０において、インバータ出力電流の絶対値Ｉｏｕｔが設定値Ｉｌｉｍを超過した時点で、フリーランしていた電動機の回転数を、インバータ出力周波数に相当する回転数にできるだけ近づけることを特徴とする。
【００１５】
（３）インバータの出力電流に対して、インバータ出力周波数を基本周波数とするＤＦＴ演算を行ってｎ次高調波を演算し、この高調波の大きさを設定値と比較することによって、電動機のフリーラン状態を把握することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態のシステム構成を図１に示す。同図が図７と異なる部分は、全ゲート信号Ｇｕ〜Ｇｚをブロックできるゲートブロック回路１６と、絶対値電流Ｉｏｕｔがリミッタ値Ｉｌｉｍを越えたときにゲートブロック信号を作成（発生）するヒステリシスコンパレータ１７を設けた点にある。
【００１７】
本実施形態では、モータの始動には、図８に示したのと同様のシーケンスで動作させるが、モード０〜２の期間のみ、下記動作を実行する。
【００１８】
インバータ出力電流絶対値（Ｉｏｕｔ）と設定値（Ｉｌｉｍ）をコンパレータ１７で比較し、Ｉｏｕｔ＞Ｉｌｉｍの場合は、デッドタイム作成回路１０からのゲート指令を強制的にブロック（遮断）し、更なる電流の増加を抑制する。
【００１９】
ゲートブロックの解除はＩｏｕｔ≦Ｉｌｉｍの場合に行う、ヒステリシス方式を適用している。
【００２０】
本実施形態によれば、低速運転時や長時間のフリーラン後の再始動においては、モータ回転数の低下と共に誘導起電力が減少することによって、始動モードに切換えたとき、誘導起電力が０でない状態で始動することでモータの誘導起電力をインバータで短絡し、インバータが過電流故障となるのを防止できる。
【００２１】
図２は、本実施形態の変形例を示し、電流検出装置が電流検出器１１ｕ〜１１ｗと全波整流回路１４Ａで構成する場合に適用したもので、全波整流回路１４Ａの出力電流Ｉｏｕｔをコンパレータ１７の比較入力とする。
【００２２】
なお、本実施形態による始動制御には、Ｓ／Ｗで実施しても、Ｈ／Ｗのヒステリシスコンパレータを設けて実施しても良い。
【００２３】
（実施形態２）
本実施形態のシステム構成を図３に示す。本実施形態が実施形態１と異なる部分は、ヒステリシスコンパレータ１７に代えて、ヒステリシス特性をもたないコンパレータ１７Ａとした点にある。ただし、本実施形態では、Ｓ／Ｗでのみ実施可能な方式であり、コンパレータ１７ＡもＳ／Ｗ構成とする。
【００２４】
図３において、ヒステリシス設定が不要となる理由は、実施形態１と同様に、三角波の頂点信号をトリガとして、電流検出値がサンプリングされているため、電流の比較動作はキャリア周期内で１回だけ実行されていることになり、ゲートブロック動作の最小動作周期が限定されるため、インバータ出力電流絶対値（Ｉｏｕｔ）と設定値（Ｉｌｉｍ）を比較し、Ｉｏｕｔ＞Ｉｌｉｍの場合は、前段からのゲート指令を強制的にブロックし、Ｉｏｕｔ≦Ｉｌｉｍの場合にはゲートブロック動作を無効にすることが可能である。
【００２５】
（実施形態３）
実施形態１，２では、モード３に移行した段階で、ゲートブロック制御が無効となるため、負荷の慣性が大きく、モード２終了時点でフリーランしていたモータの回転数が、設定周波数Ｆ１に相当する回転数まで減速できなかった場合には、誘導起電力とインバータ出力電圧の差が犬きく、再びインバータが過電流故障となってしまうことが考えられる。
【００２６】
そこで、本実施形態では、図４に始動シーケンスを示すように、基本シーケンスであるＩｏｕｔ＞Ｉｌｉｍでモード１に移行する動作をなくし、Ｔ０の時間をかけてＶｓｅｔ＝Ｖ０となるようにし、フリーランしているモータの回転数をインバータ出力周波数Ｆ０に相当する回転数まで、できるだけ近づける。
【００２７】
なお、Ｔ０やＶ０の設定は、負荷の慣性や、通常のフリーラン再始動制御の実行可能周波数の下限に応じて、インバータが過電流故障とならない値を適宜設定する。
【００２８】
（実施形態４）
実施形態３の制御方式における、モード０の期間のインバータ出力電流波形は図５に示すようなもので、その前半期間ではインバータ出力周波数の電流に、フリーランしているモータの回転数に相当する周波数の電流が重畳された波形となり、後半期間ではインバータ周波数とモード回転数が近づき、高調波成分が低減してきている。
【００２９】
そこで、本実施形態では、インバータの出力電流に対して、インバータ出力周波数を基本周波数とするＤＦＴ演算を行ってｎ次高調波を演算し、この高調波の大きさを設定値と比較することによって、モータのフリーラン状態を把握するようにしたものである。
【００３０】
基本的には実施形態３の動作としておき、図６に示すように、モード０の期間で電流検出データｉｕ，ｉｖ，ｉｗから回転座標変換部１８によりインバータ出力電圧に同期した回転座標系での瞬時電流成分ｉｄ，ｉｑに変換し、ローパスフィルタ１９１、１９２により基本波成分（直流量となる）を除去した交流成分（高調波成分）を求め、この高調波成分の絶対値を絶対値演算回路２０１により得、この高調波に対応した直流分（Ｉｏｕｔ＿ｈａｒｍ）をローパスフィルタ２１１に得、これをコンパレータ２２により高調波設定値（Ｉｏｕｔ＿ｈａｒｍ＿ｌｉｍ）と比較し、設定値未満となった時点で、フリーランしているモータの回転数が速度な値まで低下したと判断し、モード１へ移行させる。
【００３１】
絶対値演算回路２０２とローパスフィルタ２１２は、電流ｉｄ，ｉｑからインバータの絶対値電流Ｉｏｕｔを得る。
【００３２】
なお、時間Ｔ０の設定は十分大きな値としておき、本実施形態での判定処理が正常に行われなかった場合のリミッタ的存在とする。
【００３３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、低速運転時やフリーランしている電動機を再始動させる場合に、インバータ出力電圧とモータの誘導起電力の差が大きく、インバータ出力電流絶対値が設定値を超過した場合に、インバータの全ゲートを一時的に遮断するようにしたため、インバータが過電流故障となるのを防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すシステム構成図。
【図２】本発明の実施形態１の変形例を示すシステム構成図。
【図３】本発明の実施形態２を示すシステム構成図。
【図４】本発明の実施形態３のＰＭモータの始動シーケンス。
【図５】実施形態１〜３におけるモード０期間のインバータ出力電流波形の一例。
【図６】本発明の実施形態４を示すシステム構成図。
【図７】電圧形ＰＷＭインバータでＰＭモータをＶ／ｆ一定制御方式で運転する場合のシーケンス構成図。
【図８】従来のＰＭモータの始動シーケンスの一例。
【符号の説明】
１…順変換回路
２…逆変換回路
３…ＰＭモータ
１４…絶対値演算回路
１４Ａ…全波整流回路
１５…スイッチ
１６…ゲートブロック回路
１７…ヒステリシスコンパレータ
１７Ａ…コンパレータ
１８…回転座標変換回路
１９１、１９２…ローパスフィルタ
２０１、２０２…絶対値演算回路
２１１、２１２…ローパスフィルタ
２２…コンパレータ
【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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【図７】
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【図８】
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