(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度基準相関値に基づいて出力電圧と出力周波数を決める出力周波数電圧制御装置と、
前記出力電圧と前記出力周波数に基づいて電動機に出力する出力電力を制御する可変速電源装置と、
前記電動機が消費した消費電流を測定する変流器と、
前記電動機の内部で発生した発生損失を、各時刻の銅損および鉄損の合計値を平均して算出する内部発生損失演算装置と、
前記発生損失が許容発生損失よりも大きい場合に過負荷信号を出力する比較器と、
前記過負荷信号を入力して前記速度基準相関値を低減する過負荷保護手段と、
を備え、
前記銅損は前記消費電流の２乗に比例する関係式で表され、
前記鉄損はヒステリシス損と渦電流損の合計であり、該ヒステリシス損は前記出力電圧と前記出力周波数を含む関係式（１）で表され、該渦電流損は前記出力電圧を含む関係式（２）で表されること、
を特徴とする可変速電動機の過負荷保護装置。
【数１】
0006390528.tif 000014
ここで、
Ｋｈ’は定数、
Ｅは前記出力電圧、
ｆは前記出力周波数である。
【数２】
0006390528.tif 000015
ここで、
Ｋe’は定数、
ｔは鉄板の厚さ、
Ｅは前記出力電圧、
ρは磁性体の抵抗率である。
【請求項２】
前記電動機は、電動機の回転速度に応じて自身を冷却する自己冷却ファンを更に備え、
前記内部発生損失演算装置は、前記出力周波数に基づく前記電動機の回転速度に基づいて前記自己冷却ファンによる放熱量を算出し、
前記許容発生損失は、前記放熱量であること、
を特徴とする請求項１に記載の可変速電動機の過負荷保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可変速運転される電動機の過負荷保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示すように可変速運転される電動機が知られている。また、従来、電動機の過負荷保護装置において、インバータ等の電源装置から出力される電流の２乗平均値（ＩＲＭＳ）から電動機内部で発生する損失すなわち発生熱量を推測し、電動機の過負荷に対する保護を行うことが知られている。２乗平均値（ＩＲＭＳ）は次式により算出される。図５は、電動機が消費する電流と時間との関係を示す図である。従来の過負荷保護装置では、２乗平均値（ＩＲＭＳ）が所定の値を超える場合に過負荷であると判断していた。
【０００３】
【数１】
0006390528.tif 000002
ここで、
Ｉｉ：電流値
Ｔ：時間（Ｉ１〜Ｉｎ間の時間）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１４９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電動機の過負荷保護装置は、インバータ等の電源装置より出力される電流のみから電動機内部で発生する損失を推測していた。そのため、電圧や周波数に依存する損失は一定値としなければならず、安全方向（実際発生する損失より高い値を使用していた）で保護する必要があり、また電動機回転速度の変化に伴う冷却特性も安全方向（即ち、冷却効率が最も悪い条件）で過負荷保護をしなければならないという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、可変速電動機の内部に発生する発生損失を精度高く把握することで、適正な過負荷保護を実現する過負荷保護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】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するため、可変速電動機の過負荷保護装置であって、
速度基準相関値に基づいて出力電圧と出力周波数を決める出力周波数電圧制御装置と、
前記出力電圧と前記出力周波数に基づいて電動機に出力する出力電力を制御する可変速電源装置と、
前記電動機が消費した消費電流を測定する変流器と、
前記消費電流、前記出力電圧、および前記出力周波数に基づいて前記電動機の内部で発生した発生損失を演算する内部発生損失演算装置と、
前記発生損失が許容発生損失よりも大きい場合に過負荷信号を出力する比較器と、
前記過負荷信号を入力して前記速度基準相関値を低減する過負荷保護手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記発生損失は前記電動機の内部の鉄損および銅損の合計値であること、を特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記電動機は、電動機の回転速度に応じて自身を冷却する自己冷却ファンを更に備え、
前記内部発生損失演算装置は、前記電動機の回転速度に基づいて前記自己冷却ファンによる放熱量を算出し、
前記許容発生損失は、前記放熱量であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電流のみでなく、電流、電圧、周波数、回転速度に基づいて、可変速電動機の内部に発生する発生損失や外部への放熱量を精度高く把握することができ、これらに基づいて、可変速電動機の適正な過負荷保護を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る過負荷保護装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係るシステム構成を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る過負荷保護装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】電動機が消費する電流と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、電動機１、可変速電源装置２、変流器３、出力周波数電圧制御装置４、電流制御装置５、速度制御装置６、内部発生損失演算装置７、および比較器８を備える。このうち、電動機１の過負荷保護装置は、可変速電源装置２、変流器３、出力周波数電圧制御装置４、電流制御装置５、内部発生損失演算装置７、比較器８により構成される。
【００１４】
電動機１は可変速電源装置２によって可変速駆動される可変速電動機である。例えば、三相誘導電動機である。電動機１を駆動する速度は、速度制御装置６により決められた速度基準に基づく。速度制御装置６は速度基準を決める。電流制御装置５は速度基準を入力し、速度基準に基づいて電流基準（速度基準相関値）を決める。出力周波数電圧制御装置４は、電流基準を入力し、電流基準に基づいて電圧基準（出力電圧および出力周波数）を決める。可変速電源装置２は主電源から供給される電力と、出力電圧および出力周波数とを入力し、出力電圧と出力周波数に従って出力電力を制御し、電動機１を可変速駆動する。
【００１５】
（過負荷保護装置の特徴的構成）
変流器３は、電動機１が消費した消費電流の実効値（電流フィードバック値）を測定する。内部発生損失演算装置７は、電動機１の内部で発生した発生損失を算出する。内部発生損失演算装置７は、変流器３により測定された電流フィードバック値と、出力周波数電圧制御装置４により決められた出力電圧および出力周波数とに基づいて、電動機１の内部で発生した発生熱量、すなわち電動機１の内部で発生した発生損失（銅損、鉄損）を算出する。
【００１６】
比較器８は、発生損失を入力し、予め設定された許容発生損失と比較する。比較器８は、発生損失が許容発生損失よりも大きい場合に過負荷信号を出力する。上述した電流制御装置５は、さらに過負荷保護手段としての過負荷保護機能を備え、過負荷信号を入力すると、電動機１が過負荷により発熱・損傷するのを防ぐために、速度基準相関値に制限をかける（速度基準相関値を低減する）。具体的には、電流制御装置５は、負荷制限、アラーム出力、トリップ実行により電動機１を保護する。
【００１７】
次に動作について説明する。内部発生損失演算装置７は、電動機１の内部で発生した発生損失を算出する。電動機１の内部で発生する発生損失には、銅損、鉄損、機械損、漂遊負荷損等があるが、主な発生損失は、銅損と鉄損である。実施の形態１では、電動機１の内部で発生する発生損失として、銅損と鉄損を算出する。
【００１８】
銅損は負荷（トルク）に依存し、電流の２乗に比例する。銅損は、式１で表わされる。
【００１９】
【数２】
0006390528.tif 000003
ここで、
ＷＣ：銅損［ＫＷ］
ＫＣ：定数
Ｉ：電流［Ａ］
【００２０】
鉄損は主にヒステリシス損と渦電流損からなる。ヒステリシス損は式２で表される。
【００２１】
【数３】
0006390528.tif 000004
ここで、
Ｗｈ：ヒステリシス損［ＫＷ］
Ｋｈ：定数
ｆ：周波数［Ｈｚ］
Ｂ：最大磁束密度［Ｔ］
【００２２】
ここで、鉄心の最大磁束密度は式３で表わされる。
【００２３】
【数４】
0006390528.tif 000005
ここで、
Ｅ：電圧［Ｖ］
ｋ：定数
Ａ：鉄心の断面積
【００２４】
式２および式３より、ヒステリシス損は式４で表わされる。
【００２５】
【数５】
0006390528.tif 000006
【００２６】
次に、渦電流損は式５で表わされる。
【００２７】
【数６】
0006390528.tif 000007
ここで、
Ｗｅ：渦電流損［ＫＷ］
Ｋｅ：定数
ｔ：鉄板の厚さ
ρ：磁性体の抵抗率
【００２８】
式３を式５に代入することにより、渦電流損は式６で表わされる。
【００２９】
【数７】
0006390528.tif 000008
【００３０】
式４および式６により、鉄損はヒステリシス損と渦電流損の合計値として式７で表わされる。
【００３１】
【数８】
0006390528.tif 000009
ここで、
ＷＩ：鉄損［ＫＷ］
【００３２】
本実施の形態では、電動機１の内部で発生するとして、式１および式７で算出された損失の平均値を用いる。発生損失の平均値は式８で表わされる。なお、本発明は、発生損失の平均値に限定されるものではなく、発生損失を用いても良い。
【００３３】
【数９】
0006390528.tif 000010
【００３４】
（フローチャート）
図２を用いて実施の形態１の動作を説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る過負荷保護装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本制御ルーチンは、電動機１の稼働中に常に動作している。
【００３５】
まず、ステップＳ１００において、内部発生損失演算装置７は、電動機１に出力された電流のフィードバック値、電動機１に出力指示された電圧値、周波数値を常時入力し、サンプリングする。
【００３６】
ステップＳ１１０において、内部発生損失演算装置７は、これらの値を常時入力し、式１〜７により電動機１の内部で発生した発生損失を常時計算する。各種定数値は使用する電動機１に応じて事前に設定しておく。
【００３７】
ステップＳ１２０において、内部発生損失演算装置７は、電動機１の内部で発生した発生損失の平均値（内部発生損失平均値ＷＭ）を算出する。内部発生損失平均値ＷＭは、一定時間、例えば５分間や２０分間における発生損失の移動平均値であり、式８を用いて算出される。
【００３８】
ステップＳ１３０において、比較器８は、内部発生損失平均値ＷＭを入力し、内部発生損失平均値ＷＭが、使用する電動機１に応じて予め設定された許容発生損失よりも大きいか否かを比較する。
【００３９】
ステップＳ１４０において、比較器８は、内部発生損失平均値ＷＭが許容発生損失よりも大きい場合に、過負荷と判断し、過負荷信号を出力する。電流制御装置５の過負荷保護機能は、過負荷信号を入力し、負荷制限を掛け、場合により警報を出力し、電動機１を緊急停止させる。
【００４０】
本実施形態のシステムの優位性について説明する。従来は電流Ｉの２乗平均値を用いて過負荷保護を行っていた。これは、鉄損は一定とし、銅損のみを考慮していたためである。これに対して、本実施形態のシステムでは、式４、式６の通り、鉄損は周波数、電圧をパラメータとした関数で表わされる。従来の過負荷保護において、鉄損分は一定としていたため、安全方向で保護するしかなく、最大の鉄損発生量を用いて、過負荷保護を行っていた。本実施形態のシステムでは、出力電圧、出力周波数に応じて鉄損を演算するため、周波数が低い領域で、これまで最大の鉄損発生量で保護していたものを実際に発生した鉄損で保護することが可能となるため、電動機の容量を最大限活用することが可能となる。
【００４１】
実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図３を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図３に示す構成において、過負荷保護装置に後述する図４のルーチンを実施させることで実現することができる。
【００４２】
［実施の形態２における特徴的制御］
上述した実施の形態１では、電動機１の放熱量が電動機１の回転速度に依らず一定である場合（他力通風による冷却方式等）について述べた。しかしながら、自己冷却ファンにより電動機１を冷却する場合には、電動機１の回転速度により放熱量が変化する。そこで、本実施形態のシステムでは、放熱量を考慮した電動機１の過負荷保護を実現する。
【００４３】
図３は、本発明の実施の形態２に係るシステム構成を説明するための図である。図３に示す構成は、電動機１の回転速度に応じて自身を冷却する自己冷却ファン９を備えている点を除き、図１と同様である。
【００４４】
放熱量Ａ［ＫＷ］は、電動機１の回転速度Ｎ［ＲＰＭ］をパラメータとした関数Ｆ（Ｎ）として、式９のように表すことができる。関数の計算式は使用する電動機１に応じて予め設定される。電動機の回転速度は、出力周波数電圧制御装置４から出力される出力周波数に基づいて算出することができる。
【００４５】
【数１０】
0006390528.tif 000011
【００４６】
内部発生損失演算装置７は、放熱量Ａの平均値を、式１０を用いて算出する。
【００４７】
【数１１】
0006390528.tif 000012
ここで、
ＡＭ：放熱量平均値
【００４８】
実施の形態２に係る過負荷保護装置は、電動機１の内部の発生損失の平均値（内部発生損失平均値ＷＭ）が許容発生損失としての放熱量平均値ＡＭを超えた場合、すなわち、式１１が成立する場合に過負荷と判定し、電動機の保護を行う。
【００４９】
【数１２】
0006390528.tif 000013
【００５０】
（フローチャート）
図４を用いて実施の形態２の動作を説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る過負荷保護装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本制御ルーチンは、電動機１の稼働中に常に動作している。
【００５１】
このルーチンは、ステップＳ１２０の処理の後に、ステップＳ２２５の処理が追加されている点、およびステップＳ１３０の処理がステップＳ２３０に置き換えられている点を除き、図２に示すルーチンと同様である。以下、図４において、図２に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００５２】
ステップＳ１１０の処理後、ステップＳ２２５において、内部発生損失演算装置７は、式９、１０を用いて自己冷却ファンによる放熱量平均値ＡＭを算出する。式９における電動機１の回転速度Ｎは、出力周波数電圧制御装置４から出力さる出力周波数と相関がある。
【００５３】
ステップＳ２２５の処理後、ステップＳ２３０において、比較器８は、内部発生損失平均値ＷＭが、許容発生損失としての放熱量平均値ＡＭよりも大きいか否かを比較する。
【００５４】
ステップＳ２３０の処理後、ステップＳ１４０において、比較器８は、内部発生損失平均値ＷＭが許容発生損失よりも大きい場合に、過負荷と判断し、過負荷信号を出力する。電流制御装置５の過負荷保護機能は、過負荷信号を入力し、負荷制限を掛け、場合により警報を出力し、電動機１を緊急停止させる。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態２に係る過負荷保護装置によれば、電流のみでなく、電圧、周波数、回転速度から電動機内部の発生損失と外部への放熱量を演算し、実施の形態１と同様に好適な過負荷保護を実現することができる。特に、自己冷却ファン９による放熱量を考慮した過負荷保護を実現することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  電動機
２  可変速電源装置
３  変流器
４  出力周波数電圧制御装置
５  電流制御装置
６  速度制御装置
７  内部発生損失演算装置
８  比較器
９  自己冷却ファン
Ｗｃ  銅損
ＷＩ  鉄損
ＷＭ  内部発生損失平均値
ＡＭ  放出量平均値
【図１】
0006390528.tif 000016
【図２】
0006390528.tif 000017
【図３】
0006390528.tif 000018
【図４】
0006390528.tif 000019
【図５】
0006390528.tif 000020