(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータと、インバータと、直流母線間に接続された主回路コンデンサと、直流母線電流検出器と、インバータ出力電流検出用の出力電流検出器と、直流母線電圧の検出用である電圧検出器と、制御回路と、ドライブ回路とを備え、インバータ出力周波数を制御することによって誘導電動機を制動するＰＷＭ制御インバータにおいて、
減速に移る際に減速指令を受けると、
出力周波数指令をステップ状に所定の周波数にまで一旦下げ、
次に、直流母線電圧が減速指令を受ける直前の電圧より高くかつインバータの過電圧レベルより低い値に設定した第１の電圧レベルに達したとき、すべりが小さくなったと判断し、インバータ出力周波数指令を第１の所定幅下げ、
前記第１の電圧レベルより高くかつインバータ過電圧レベルより低い電圧値に第２の電圧レベルを設定し、直流母線電圧が前記第２の電圧に達したときは、すべりが小さくなり過ぎたと判断し、出力周波数指令を第２の所定値幅下げる動作を減速中繰り返し、回生エネルギーを電動機内で消費させることによりインバータ側への回生を抑制しながら電動機の減速を行うことを特徴とするＰＷＭ制御インバータ。
【請求項２】
インバータがインバータ及び誘導電動機の焼損防止の過負荷保護を有して、減速開始から減速終了までの期間中、過負荷またはトルク不足とならないように設定した電流値に、インバータ出力電流が一致するようにインバータのＶ／ｆ設定を上下させることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ制御インバータ。
【請求項３】
前記第２の電圧レベルに直流母線電圧が達すると前記第１の電圧レベルの場合の下げ幅より１から５倍の範囲で設定された所定の幅出力周波数指令を下げることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ制御インバータ。
【請求項４】
直流母線電圧と出力電流を監視して、直流母線電圧の上昇が無く、インバータ出力電流がモータ定格電流値の３０〜９０％の範囲で設定された所定の電流値以下になった場合、誘導電動機のすべりが小さくなったと判断して、Ｖ／ｆパターンを通常に戻し通常減速に切り替えることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ制御インバータ。
【請求項５】
直流母線電圧、出力電流、出力周波数指令を監視して、出力電流が電流制御する為に設定した設定電流値以上で、直流母線電圧の上昇が無く出力周波数指令の変化が一定時間ない場合、アラームを表示してインバータ出力を遮断することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ制御インバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相誘導電動機の速度制御をＰＷＭ方式で行うインバータドライブ(サーボドライブを含む)の制動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導電動機の制動方法としては、誘導電動機を駆動するインバータが電動機を制動する時に発生する回生エネルギーを、処理するための抵抗器等を省くことが可能で、装置を小型化できる制動方法が、例えば、特開平９−９６６１号の「インバータ駆動誘導電動機の制動方法」に提案されている。
図６はインバータ駆動誘導電動機の制動方法の動作のフローチャートである。
つぎに図６のフローチャートを参照して、その動作について説明する。
例えば、定格電圧２００Ｖ、６０Ｈｚ、４極、３．７ｋＷのインバータ駆動の誘導電動機が定速回転中に減速指令が入力されると、先ず、出力周波数指令を所定の周波数（５Ｈｚ等）まで一旦下げ（Ｓ１０３）、次に、直流母線電流または直流母線電圧を検出し監視しながら、例えば、［ｖｄｃ（直流母線電圧）＞３１０Ｖで、ｖｄｃ−ｖｄｃｎ（１０ｍｓ前のｖｄｃ）＞２Ｖ］の条件が成立していれば即、直流制動を掛けるが、上の条件が成立していない場合は（Ｓ１０４）、出力周波数指令を所定の上昇率（１Ｈｚ／１０ｍｓ）で上昇させて行く（Ｓ１０５）。
上昇させて行って、直流母線電流の流れる方向の検出か、又は、直流母線電圧が上昇して、上のＳ１０４の条件が成立した時点で、誘導機からインバータへのエネルギーの回生が行われ始めたことを検出したとして（Ｓ１０６）、出力周波数指令を所定の下降率（例えば、下降率×Ｋ１倍）に従って低下させ減速させる（Ｓ１０７）。
また、減速途中で、エネルギーが回生され直流母線電圧が上昇するようであれば（Ｓ１０８）、直線母線電圧の上昇率に応じて一時的に周波数指令の低下を速める（Ｓ１０９）〜（Ｓ１１３）。
逆に、直流母線電圧が低くなって、インバータ出力周波数が過剰に低下している場合は周波数指令の低下を中断して（Ｓ１１４）（Ｓ１１５）、再び、直流母線電圧が上昇し始めてから周波数指令の低下を再開する（Ｓ１１７）。というように、常に、インバータ周波数指令を電動機の実際の減速速度に追従して低下させ、回生エネルギをすべて電動機内で消費させることによって、インバータ側への回生を抑制しながら電動機の減速を行ない、最終的に直流制動周波数である５Ｈｚに周波数指令を低下させた段階で直流制動をかけて（Ｓ１１９）、電動機を停止させている（Ｓ１２０）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、以下の３つの問題点がある。
（１）、減速レートを直流母線電圧やその変化分もしくは直流電流等の検出値から変化させる方法では、ソフトウエアの負担が重く、また、誘導電動機回路定数等により、各定数の調整が必要であり、調整されていない場合は周波数指令の下げすぎ等により減速トルクを有効に使えなくなるという問題があった。
（２）、減速指令完了時には誘導電動機がすべりが負符号で大きな状態から直流制動とするために、減速指令終了時に誘導電動機が停止せずに速度が残るという問題があった。
（３）、誘導電動機が何らかの要因により減速しない場合、過電流が流れつづける為に誘導電動機やインバータの破損を招く恐れがあるという問題があった。
そこで、本発明は、ソフトウェアの負担が軽く機械に合った調整が容易であって、減速指令終了時に誘導電動機の速度が残らずに制動に要する時間短縮が可能で、過電流による誘導電動機およびインバータの焼損を防止できるインバータ駆動誘導電動機の制動方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載のＰＷＭ制御インバータの発明は、コンバータと、インバータと、直流母線間に接続された主回路コンデンサと、直流母線電流検出器と、インバータ出力電流検出用の出力電流検出器と、直流母線電圧の検出用である電圧検出器と、制御回路と、ドライブ回路とを備え、インバータ出力周波数を制御することによって誘導電動機を制動するＰＷＭ制御インバータにおいて、減速に移る際に減速指令を受けると、出力周波数指令をステップ状に所定の周波数にまで一旦下げ、次に直流母線電圧が減速指令を受ける直前の電圧より高く、インバータの過電圧レベルより低い値に設定した第１の電圧レベルに達したとき、すべりが小さくなったと判断し、インバータ出力周波数指令を第１の所定幅下げ、前記第１の電圧レベルより高く、またインバータ過電圧レベルより低い電圧値に第２の電圧レベルを設定し、直流母線電圧がその電圧に達したときは、すべりが小さくなり過ぎたと判断し、出力周波数指令を第２の所定値幅下げる動作を減速中繰り返し、回生エネルギーを電動機内で消費させることによりインバータ側への回生を抑制しながら電動機の減速を行うことを特徴としている。
このように、誘導電動機の特性を利用して、制動時に負荷および回転子の有する機械エネルギーが電気エネルギーとして回生される回生エネルギーの全量を電動機内での損失として消費させ、駆動用インバータ側へ回生させないことにより、インバータの直流母線電圧の上昇を防止するものである。即ち、減速に移る際に減速指令を受けると、まず出力周波数指令を減速指令を受ける直前の周波数指令の１／２以下である所定の周波数にまで一旦下げ、次にインバータ直流母線電圧検出値が減速指令を受ける直前の電圧より高い値でインバータの過電圧レベルより低い所に設けた第１の電圧レベルに達したときのみ出力周波数指令を所定の幅下げる。また第１の電圧レベルより高く、また、インバータ過電圧レベルより低い電圧値に第２の電圧レベルを設定し、その電圧に達したときには、出力周波数指令を第１の電圧レベルの場合の幅より大きい所定幅下げる。減速中この動作を繰り返し回生エネルギーを電動機内で消費させることによりインバータ側への回生を抑制しながら電動機の減速を行う。また、減速中はインバータ出力電流が所定の値になるように、Ｖ／ｆ設定を上下させ、トルク不足や過負荷にならないようにインバータ出力電流を制御する。この間、インバータ母線電圧検出値とインバータ母線電流検出値により誘導電動機が減速しているかを判断し、ある一定時間減速指令が減速しない場合はアラームを表示してインバータ出力を遮断する。また減速終了直前に母線電圧検出値と出力電流検出値から誘導電動機のすべりの大きさを判断し、すべりが小さければ通常減速に戻して電動機を停止させる手段を用いている。このインバータ駆動誘導電動機の制動方法によれば、、図２に示す、電動機のすべりＳに対するトルクＴ、出力Ｐｏｕｔ、電動機内損失Ｗ、入力Ｐｉｎおよび線電流Ｉの関係を表す公知の誘導電動機特性図では、横軸のすべりＳ＝０の左側は電動側を、また、右側は回生側をそれぞれ表しており、基本的には本願発明は制動時に誘導発電機として回生側の領域の特性を利用するものである。すなわち、インバータで出力周波数指令を低下させながら減速する場合、動作傾域は図の回生側の領域となる。この回生側においては、電動機は発電機となり機械的出力Ｐｏｕｔは（−）符号をとる。図中、すべりＳ＝０の点より動作点ａまでの区間では、負荷および電動機回転子から返還される機械的エネルギーＰｏｕｔから電動機内損失Ｗ（主として銅損）を差し引いた残りの入力Ｐｉｎも（−）符号を示しており、電気エネルギーとしてインバータ側へ回生される。動作点ａよりもすべりの絶対値が大きい傾域（右よりの方向）では、回生エネルギーよりも誘導電動機内における損失Ｗが大きくなり、インバーヘのエネルギーの回生が行われなくなって、逆にインバータ側から入力Ｐｉｎが電動機内に供給され消費される。本願発明は、インバータ母線電圧検出値が設定電圧を越えたときのみ周波数指令を一定幅下げるようにし、それを２段階持つだけの単純な構成とし、すべりを動作点ａの近傍に保持するようにして回生エネルギーを電動機内で消費させてインバータ側へ返還せず減速する。また、単純な構成により定数の調整を少なくする事ができ、ソフトウエアの負担も軽くすることができる。更に、減速終了直前インバータ母線電圧検出値とインバータ出力電流検出値より、すべりが動作点ａ付近より十分に小さくなったと判断できる場合は、誘導電動機を通常の減速方法に戻してから減速を行うため、減速完了時に誘導電動機回転速度を０にして減速を終了できる。更に、インバータ母線電圧検出値と出力電流検出値の変化により誘導電動機が減速していないことを検知して、アラームを表示させると共にインバータ出力を遮断することにより、誘導電動機やインバータの損傷を防ぐことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るインバータ駆動誘導電動機の制動方法が実証されるＰＷＭ制御インバータ回路構成図である。
図２は図１に示す誘導電動機の特性図である。
図３および図４は図１に示すインバータ駆動誘導電動機の制動方法の動作のフローチャートである。
図５は図１に示す誘導電動機の減速時の誘導電動機回転速度とインバータ直流母線電圧および出力周波数指令の推移を示す図である。
図１において、ここで使用している誘導電動機４は定格電圧２００Ｖ、６０Ｈｚ、４極、３．７ＫＷの誘導電動機で、負荷の慣性モーメントＪＬは電動機回転子慣性モーメントＪＭの９倍の大きさとし、Ｖ／ｆ一定制御で駆動しており、インバータの直流母線電圧は定格運転時で２８０Ｖ、過電圧検出レベルは４００Ｖである。３相電源からの入力をコンバータ１で直流に変換し、インバータ３により可変電圧、可変周波数の出力を誘導電動機４に与えている。
電動機４には慣性モーメントＪＬを持つ負荷９がつながれている。主回路コンデンサ５は直流母線間に接続され、電圧検出器１０は直流母線電圧の検出用である。電流検出器６は直流母線電流検出用、電流検出器７、８はインバータ出力電流（＝電動機線電流）の検出用である。制御回路１１は電圧検出器１０より直流母線電圧値を、また、電流検出器６、７、８から得た直流母線電流値および出力電流値をそれぞれ入力して出力周波数値および出力電圧値を演算し、ドライブ回路１２を介してインバータ３の各パワー素子をＰＷＭ制御することにより減速における誘導電動機４の速度制御を行う。
【０００６】
つぎに図３および図４のフロ−チャートを用いて動作を説明する。
以下、文中のＳ番号は動作のステップ番号を示すものとする。
先ず、プログラムの開始により電源周波数６０Ｈｚで電動機４が定速回転中に減速指令が入力されると、制御回路１１は先ず、ドライブ回路１２を介して、インバータ３の各パワー素子にベースブロックをかけ、インバータ出力を遮断する（Ｓ１）。
一定時間（ここでは３００ｍｓ）経過後に、出力周波数指令を制動開始周波数である３０Ｈｚとし、同時にインバータ３の出力電圧指令を０Ｖにする。なお、減速開始時にかける出力遮断の時間は電動機の残留電圧の減少に応じて設定する。同時にｔｉｍｅｒとｔｉｍｅｒ＿ｏｌの２つのタイマを同時に開始する（Ｓ２）。又、ｆｌａｇ、ｆｌａｇ＿ｏｌｄを初期値０に設定する。
そして、ｔｉｍｅｒが所定時間(ここでは２００ｍｓ）以上で、且つ、インバータ出力電流検出値が誘導電動機定格電流の７０％以下の場合は、通常減速処理に入る（Ｓ３）。ここでは、ｔｉｍｅｒが所定時間以上の判断を設け出力遮断解除後、電流が設定電流値になるまでは通常減速（Ｓ２３）へ入らないようにしている。ｔｉｍｅｒが２００ｍｓ以上、且つ、インバータ出力電流検出値が誘導電動機定格電流の７０％以下でない場合は次の下降ステップ（Ｓ４）に移る。
電圧検出器１０により母線電圧ｖｄｃを検出し、所定の電圧レベルＶ＿２（例えば、３８０Ｖ）以上であれば（Ｓ４）、ｆｌａｇに２を代入する（Ｓ８）。母線電圧ｖｄｃが所定の電圧レベルＶ＿１（例えば、３６０Ｖ）以上であれば（Ｓ５）、ｆｌａｇに１を代入する（Ｓ７）。母線電圧ｖｄｃがＶ＿２且つ、Ｖ＿１以上でなければｆｌａｇに０を代入する（Ｓ６）。次に、ｆｌａｇの値を前回値ｆｌａｇ＿ｏｌｄと比較して（Ｓ９）、ｆｌａｇの値が大きい場合はＳ１０に進み、小さい場合はＳ１３に進む。
Ｓ１３に進んだ場合、ｔｉｍｅｒ＿ｏｌを積算後（Ｓ１３）、ｔｉｍｅｒ＿ｏｌの値を所定の値（ここでは４０秒)と比較し（Ｓ１４）、所定の値より大きい場合は、電動機が減速されていないと判断し、インバータの出力をベースブロックしてアラームを表示する（Ｓ１５）。Ｓ１４でｔｉｍｅｒ＿ｏｌの値が所定の値より小さい場合は、Ｓ１６に進みｆｌａｇをｆｌａｇ＿ｏｌｄに格納する（Ｓ１６）。
このようにＳ４〜Ｓ９ではインバータ母線電圧Ｖｄｃが設定電圧レベルＶ＿１（第１の電圧  レベル）、Ｖ＿２（第２の電圧レベル）を越えたときのみ、その設定電圧に応じた出力周波数指令の下げ幅を決めている。また設定電圧レベルを現状から増やすことにより１つの設定電圧レベルをインバータ母線電圧Ｖｄｃが越えたとき低下させる周波数幅を小さくすることができるので、出力周波数をよりリニアにすることができる。
【０００７】
Ｓ１０に進んだ場合は、それぞれの所定幅（ここでは、第２の所定幅＝第１の所定幅×２等のレートとなる）周波数降下を行なう。具体的には、現在の出力周波数指令ｆｒｅｆより(ゲイン×ｆｌａｇ×誘導電動機最高周波数)を引く。それをインバータの最低出力周波数によりリミットして（Ｓ１１）インバータ出力周波数指令とする。次にｔｉｍｅｒ＿ｏｌに０を代入して（Ｓ１２）、Ｓ１６に進みｆｌａｇをｆｌａｇ＿ｏｌｄに格納する（Ｓ１６）。
続いて、電流検出器７、８によりインバータ出力電流ｉａｃを監視して、それが所定の電流(ここでは誘導電動機定格電流の１５０％）より大きいときは（Ｓ１７）、Ｖ／ｆパターンを０．５％下げる（Ｓ１８）。
次に、インバータ出力電流ｉａｃが所定の電流(ここでは誘導電動機定格電流の１４５％）より小さい時は（Ｓ１９）、Ｖ／ｆパターンを０．５％上げる（Ｓ２０）。この設定電流値は、予めユーザーにより設定された設定値とｔｉｍｅｒにより積算された時間、誘導電動機保護の積算値により変化させる（Ｓ２１）、（Ｓ２２）。
ここでＶ／ｆパターンは１００％でインバータ出力周波数指令６０Ｈｚのときインバータ出力電圧が２００Ｖと設定している。つまりＶ／ｆパターンが５０％となれば６０Ｈｚで１００Ｖとなる。Ｖ／ｆパターンは６０％を上限としてリミットする。リミットする値は減速時のインバータ出力電流値と誘導電動機の定数などにより定める。
以上、Ｓ３の条件が成り立つまでＳ３に戻って動作を繰り返す。
【０００８】
次に、Ｓ３の条件が成り立った場合は、図２に示す、すべりが動作点ａ付近で小さいと判断して、３００ｍｓでＶ／ｆパターンを通常に戻す、その間はインバータの出力周波数指令は固定する（Ｓ２３）。Ｖ／ｆパターンを通常に戻す時間は運転の安定性等を考慮して設定する。続いて、通常減速に入り（Ｓ２４）、出力周波数が設定された最低周波数ＦＭＩＮになると（Ｓ２５）、周波数指令をある一定時間固定して（Ｓ２６）、その後、直流制動をかけ（Ｓ２７）、電動機を停止させて動作を終了する。
ここで、図６に示した従来例の場合の周波数低下処理の回数と、本発明の周波数低下処理の回数を単純に比較すると、
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となり、従来例ではインバータ周波数指令を低下させる減速レートを、インバータ直流母線電圧検出値を中心にその変化に追従しながら、上昇させたり下降させたり連続的に略７ステップを要しているのに対し、本発明は母線電圧の２電圧レベルＶ＿１、Ｖ＿２の設定値による判断だけで、Ｓ１０において周波数低下処理を行い、減速するので、ソフトウェアの負担を軽減し制動に要する時間を短縮できる。
また、すべりの大小から回生状態を判断して、通常減速に移行して直流制動をかけるので、減速指令終了時誘導電動機の速度残留等を無くすことができる。
また、母線電圧と電流の判断から一定時間電動機が減速していないと判断された場合は、アラームを表示し、インバータ出力を遮断することにより電動機保護が行われるように設定したので（Ｓ１５）、過電流などによる障害、機器破損が防止され、図６の従来例より大幅に制動動作が改善された。
【０００９】
その改善度は図５からも明らかである。図５は図３および図４に示すフローチャートの動作を、横軸を時間軸に取って時系列に示したもので、インバータ駆動誘導電動機を減速させた時の直流母線電圧検出値とインバータ出力周波数指令および電動機回転速度の推移を示したグラフであり、インバータ出力周波数指令の低下処理は、先ず、減速指令によりＢＢ（ベースブロック）時間（略３００ｍｓ）経過後に、半分の３０Ｈｚに低下し（ａ点）、母線電圧ｖｄｃが設定電圧レベルＶ＿１を超えると（ゲイン×最高周波数×１）だけ低下させ（ｂ点）、母線電圧ｖｄｃがＶ＿２を超えると、Ｖ＿１の場合の２倍（ゲイン×最高周波数×２）だけ低下させる（ｃ点）。（あるいは電流制御の場合、１〜５倍の範囲で低下させる）。
【００１０】
また、インバータ出力電流ｉａｃが、設定値Ｉに従いＶ／ｆパターン調整が行われ、Ｓ３の条件が成立すると通常減速に入り（ｄ点）、電動機４が低速領域に入ると、電動機４に直流電流（周波数０Ｈｚ）を流して静止磁界を作り、回転子内に誘導電流を発生させて電動機内で熱として消費させる、直流制動ＤＢを掛け（ｅ点）、電動機４を停止させる（ｆ点）。
この間、電動機４は電動機回転速度（点線ライン）カーブに示されるように、その減速カーブが従来例の場合の上下動の多いカーブに比較してリニアとなり、短時間に円滑に減速停止できることが分かる。加えて、上述のようにアラームによる保護機能が追加され、速度残留も無くなるので、従来より制動動作が著しく改善されている。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、減速指令とともに、先ずインバータ出力周波数指令を所定の低い周波数にまで低下させ、次にインバータ母線電圧を監視して設定電圧を越えたときのみ周波数指令をある幅だけ低下させることにより、回生エネルギーの流入が始まる動作点近傍を保持しながら出力周波数指令を低下させて電動機を減速させるため、高速域において直流制動以上の制動トルクを得ることができるので、減速に要する時間が短縮され、構成が簡単のためにソフトウエアの負担が軽減可能になり、機械に合った調整が簡単にできるという効果がある。
更に、減速中は誘導電動機が減速しているかどうかを判断して保護処理をすることにより、過電流によって誘導電動機やインバータが焼損するのを防ぐことができるという効果がある。
更に、減速指令完了直前には通常減速に戻すので、誘導電動機の速度残留をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るインバータ駆動誘導電動機の制動方法が実証されるＰＷＭインバータ回路構成図である。
【図２】図１に示す誘導電動機の特性図である。
【図３】図１に示すインバータ駆動誘導電動機の制動方法の動作を示すフローチャートの前半である。
【図４】図３の後半のフローチャートである。
【図５】図１に示す誘導電動機の減速時のインバータ直流母線電圧検出値および出力周波数指令および電動機回転速度検出値の推移を示す図である。
【図６】従来のインバータ駆動誘導電動機の制動方法の動作のフローチャートである。
【符号の説明】
１  コンバータ
３  インバータ
４  電動機
５  主回路コンデンサ
６  直流母線電流検出器
７、８  出力電流検出器
９  負荷
１０  直流母線電圧検出器
１１  制御回路
１２  ドライブ回路
【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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