(57)【要約】【課題】簡単な構成で確実に可変速運転範囲内の減速時間を短縮する。【解決手段】２乗トルク特性の機械を駆動する交流電動機２と、これに交流を給電する変換器１と、変換器１のスイッチング素子のゲートにオンオフパルスを供給する制御手段３とで構成する。制御手段３は、速度指令が第１の運転速度から第２の運転速度への減速指令であるとき、所定の減速レートを有する新たな速度指令に変換する速度基準レート手段４と、減速レートを求める減速率演算手段５と、交流電動機２の速度が新たな速度指令に追従するように制御してオンオフパルスを出力する主制御手段６を備える。減速率演算手段５は、交流電動機２をフリーラン減速させたときの減速曲線が、第２の運転速度と交差する点における接線の傾きが前記減速レートとなるように演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２乗トルク特性の機械を駆動する交流電動機と、
前記交流電動機に可変電圧、可変周波数の交流を給電する変換器と、
前記変換器のインバータを構成するスイッチング素子のゲートにオンオフパルスを供給する制御手段と
を具備し、
前記制御手段は、
外部から与えられた速度指令が第１の運転速度から第２の運転速度に減速する指令であるとき、所定の減速レートを有する新たな速度指令に変換する速度基準レート手段と、
前記所定の減速レートを演算によって求める減速率演算手段と、
前記交流電動機の速度が前記新たな速度指令に追従するように制御して前記オンオフパルスを出力する主制御手段と
を有し、
前記減速率演算手段は、
前記交流電動機をフリーラン減速させたときの減速曲線が、前記第２の運転速度と交差する点における接線の傾きが前記減速レートとなるように演算することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記第１の運転速度と前記第２の運転速度の間に少なくとも１つの速度点を設け、
前記減速率演算手段は、
前記第１の運転速度における減速レートを、次の速度点における前記接線の傾きとし、以下順番に各速度点における減速レートを、次の速度点における前記接線の傾きとし、最後の減速点における減速レートを、前記第２の運転速度における前記接線の傾きとなるように演算することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記減速率演算手段は、
前記交流電動機の定格トルク及び負荷率、前記機械と前記交流電動機の慣性モーメントの和、並びに２速度間の減速比から、2乗負荷の運動方程式を用いて得るものとし、前記負荷率の変化に応じて演算結果を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記主制御手段は、電流帰還を備えたベクトル制御手段であり、
トルク指令、トルク電流指令、トルク電流帰還のうち何れかから前記負荷率を検出することを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記主制御手段は、Ｖ／Ｆ制御手段であり、
前記交流電動機の電流値、または有効入力電力のうち何れかから前記負荷率を検出することを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記第１の運転速度から次の速度点までの減速時間と、以下順番に前記次の速度点からその次の速度点までの減速時間と、最後の速度点から前記第２の運転速度までの減速時間とが互いに等しくなるように前記速度点の運転速度を決めるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記第１の運転速度は運転トップ速度であり、前記第２の運転速度は最低運転速度であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業分野の交流電動機を駆動する電動機駆駆動装置に係り、特に、ファン、ブロワ、ポンプ等の２乗トルク特性の機械の減速制御を改良した電動機駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機駆動装置は、駆動する機械設備の要求に応じて決められた可変速運転の運転速度範囲内で加速、減速を行っている。通常は、運転速度範囲内の最低運転速度から運転トップ速度まで、また、運転トップ速度から最低運転速度までを一定の加速率・減速率の直線レートで加速・減速させているが、このうち、減速に関しては、回生機能がない駆動装置の場合には、回生運転とならないように減速率を決めて減速させるために、非常に長い時間で減速させる必要がある。また、この減速をフリーランで行うと、減速時間は速くなる場合が多いが、再び加速するためには再投入による再起動を行う必要があり、制御が複雑となる。
【０００３】
このため、減速指令が与えられたとき、所定の電流指令値となるように電流を制御すると共に、変換器の出力電力が所定の電力指令値となるように電動機駆動装置の変換器の出力周波数を制御する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０８４６号公報（第４−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された手法によれば、フリーラン減速より更に速い減速制御が可能となるが、装置が複雑になるばかりでなく、制御の乱れなどにより回生運転となってしまい、変換器の直流電圧が過電圧となってしまう恐れがあった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、回生機能を有さない電動機駆動装置において、簡単な構成で確実に可変速運転範囲内の減速時間を短縮することが可能な電動機駆動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】
上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動装置は、２乗トルク特性の機械を駆動する交流電動機と、前記交流電動機に可変電圧、可変周波数の交流を給電する変換器と、前記変換器のインバータを構成するスイッチング素子のゲートにオンオフパルスを供給する制御手段とを具備し、前記制御手段は、外部から与えられた速度指令が第１の運転速度から第２の運転速度に減速する指令であるとき、所定の減速レートを有する新たな速度指令に変換する速度基準レート手段と、前記所定の減速レートを演算によって求める減速率演算手段と、前記交流電動機の速度が前記新たな速度指令に追従するように制御して前記オンオフパルスを出力する主制御手段とを有し、前記減速率演算手段は、前記交流電動機をフリーラン減速させたときの減速曲線が、前記第２の運転速度と交差する点における接線の傾きが前記減速レートとなるように演算することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、回生機能を有さない電動機駆動装置において、簡単な構成で確実に可変速運転範囲内の減速時間を短縮することが可能な電動機駆動装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る電動機駆動装置の回路構成図。
【図２】図１における主制御回路の内部構成図。
【図３】本発明の実施例２に係る電動機駆動装置の回路構成図。
【図４】実施例２における減速制御の説明図。
【図５】本発明の実施例３に係る電動機駆動装置の回路構成図。
【図６】実施例３における減速制御の説明図。
【図７】本発明の実施例４に係る電動機駆動装置の回路構成図。
【図８】実施例４における減速制御の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る電動機駆動装置を、図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電動機駆動装置のブロック構成図である。
【００１２】
図１において変換器１は、電源から与えられる電力を、交流電動機２を駆動するための交流電力に変換する。変換器１の通常の構成は、交流電源から与えられる交流電圧を、コンバータによって一度直流電圧に変換し、これをインバータによって再度交流電圧に変換する。変換器１のインバータを制御部３が制御する。具体的には、変換器１の出力電圧が電圧指令の値となるように、インバータを構成するスイッチング素子を、制御部３から与えられるゲート信号によってオンオフ制御する。
【００１３】
以下、制御部３の内部構成を説明する。速度基準レート回路４には速度指令が外部から与えられる。この速度指令が減速指令のとき、速度基準レート回路４はその詳細を後述する減速率演算回路５の演算結果に従った減速レートを持つ新たな速度指令を出力し、主制御回路６に与える。主制御回路６は交流電動機２の速度がこの新たな速度指令となるように速度制御を行う。このため、速度検出器７によって交流電動機２の速度を検出して速度帰還として主制御回路６に与えると共に、電流検出器８によって交流電動機２の３相電流のうち少なくとも２相分の電流を検出して電流帰還として主制御回路６に与える。
【００１４】
図２に主制御回路６の内部構成の一例を示す。この例は所謂ベクトル制御の例であるが、通常のＶ／Ｆ制御の場合であっても本発明は成立する。
【００１５】
上記の新たな速度指令と速度検出器７によって検出された速度帰還（電動機速度）の偏差が最小となるように速度制御器６１によって調節制御し、その出力をトルク指令Ｔ*としてベクトル演算器６２に与える。ベクトル制御器６２は、設定値として与えられた磁束指令を用いて上記トルク指令Ｔ*をトルク電流指令ｉq*と磁束電流指令ｉｄ*とに変換する。トルク電流指令ｉq*は、前述の電流帰還信号を３相−２相変換器６４で変換して得られたトルク電流帰還ｉqと突き合わされ、電流制御器６３内の図示しないトルク電流制御器はその偏差が最小となるように調節してトルク電流制御を行う。また同様に、磁束電流指令ｉｄ*は、電流帰還信号を３相−２相変換器６４で変換して得られた磁束電流帰還ｉｄと突き合わされ、電流制御器６３内の図示しない磁束電流制御器はその偏差が最小となるように調節して磁束電流制御を行う。電流制御器６３内のトルク電流制御器及び磁束電流制御器の出力は夫々トルク電圧指令、磁束電圧指令となるが、これらは２相−３相変換器６５に入力され、ここでＵ、Ｖ、Ｗ各相の電圧指令に変換されてスイッチング指令演算回路６６に与えられる。スイッチング指令演算回路３５は、例えば所定のキャリア信号を各相の電圧指令によって変調するＰＷＭ制御を行って変換器１のインバータのスイッチング素子に与えるゲート信号を出力する。
【００１６】
図１に示す交流電動機２は通常は誘導電動機であるので、トルク電流指令ｉq*と磁束指令φ*からすべり周波数演算器６７によって交流電動機２のすべり周波数を演算する。この演算結果に、速度帰還を加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器６８で積分して上記インバータの位相基準θを求めている。この位相基準θは前述の３相−２相変換器６４及び２相−３相変換器６５の変換位相基準となる。
【００１７】
尚、図１において、速度検出器７を用いない所謂センサレスベクトル制御を使用する場合は、電圧、電流の信号から速度を推定する速度推定器を用いれば良い。
【００１８】
また、交流電動機２が同期電動機の場合は、速度検出器７に代えて位置センサを設け、この出力を微分して速度を求めれば良い。この場合、交流電動機２のすべり周波数はゼロとなるので、すべり周波数演算器６７と積分器６８を省略し、位置センサの出力を位相基準θとして３相−２相変換器６４及び２相−３相変換器６５に与える構成とする。
【００１９】
次に、以上の構成における減速率演算回路５の動作について説明する。図１に示したように、交流電動機２の電動機速度を、毎秒Nｔｏｐ（運転トップ速度）の状態からＮｍｉｎ（最低運転速度）の状態へ減速する場合を考える。このときの減速レートは2乗負荷の運動方程式から以下の演算によって求めることができる。
【００２０】
ｄｎ／ｄｔ＝−（ｋＴｍ／２πＪ）・（Ｎｍｉｎ／Nｔｏｐ）2  ・・・（１）
ただしここで、Ｔｍは定格トルク、Ｊは回転体の慣性モーメント、ｋは負荷率である。
【００２１】
この（１）式は、図１に図示したフリーラン減速曲線と電動機速度ｎ＝Ｎｍｉｎの交点Ｔｐにおけるフリーラン減速曲線の傾きを示していることが分かる。すなわち、（１）式より傾きの大きい減速レートで減速させると、電動機速度がＮｍｉｎになる前に回生運転状態となってしまう。尚、上記（１）式において、機械系の摩擦損失は微小であるので無視している。
【００２２】
負荷率ｋが一定であれば、減速率演算回路５内に（１）式の各定数を記憶させておけば、減速レートを瞬時に演算可能となる。また、速度指令と速度帰還を減速率演算回路５に与える構成としておけば、速率演算回路５は任意の第１の所定速度から任意の第２の所定速度に減速するときの減速レートを演算することも可能となる。尚、（１）式から得られる速度Nｔｏｐから速度Nｍｉｎまでの減速時間Ｄｃｃは以下の（２）式で与えられる。
【００２３】
Ｄｃｃ＝（Nｔｏｐ−Ｎｍｉｎ）／{（２πｋＴｍ）（Ｎｍｉｎ／Nｔｏｐ）2}
・・・（２）
また、電動機速度を、Nｔｏｐの状態からＮｍｉｎに減速させることだけを考えるなら、速度基準レート回路４の減速レートを（１）式によって計算しておくことにより、減速率演算回路５を省略することも可能である。
【実施例２】
【００２４】
図３は本発明の実施例２に係る電動機駆動装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動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２が実施例１と異なる点は、負荷率ｋを検出する負荷率検出器９を設け、この負荷率検出器９の出力によって減速率演算回路５Ａの演算を変更する構成とした点である。
【００２５】
機械と接続された交流電動機２の運転トップ速度Ｎｔｏｐからのフリーラン減速曲線は、電動機の負荷の大きさにより変化し、フリーラン減速時間も変化する。図４に示したように、負荷率ｋが小さくなれば、この減速曲線は緩やかになり、減速曲線と運転最低速度Ｎｍｉｎとの交点における接線の傾きもより緩やかになる。従って、負荷率検出器９によって主制御回路６の下記に示すような状態量から、運転トップ速度での交流電動機２の負荷の大きさを推定検出し、これを減速率演算回路５Ａに入力し、交流電動機２のトップ速度における負荷に応じて、この減速曲線と運転最低速度Ｎｍｉｎ点との交点における接線の傾き演算して、速度基準レート回路４の減速レートを変化させる。
【００２６】
ここで負荷率検出器９は、主制御器６が図２に示したベクトル制御である場合には、トルク指令、トルク電流指令、トルク電流帰還のうちの何れかを入力として負荷率ｋを推定する。また、主制御器６がＶ／Ｆ制御の場合は交流電動機２の電流値、または、交流電動機２への有効入力電力を用いて負荷率ｋを推定する。
【００２７】
尚、本実施例では、速度基準レート回路の減速レートを、負荷率検出器９の推定する負荷率ｋに従って、減速率演算回路５Ａで演算して与えているが、機械のダンパの開度などの情報から予め負荷率が分かっている場合は、減速率演算回路５Ａ内の演算定数である負荷率ｋをプリセットするようにしても良く、また、減速率演算回路５Ａを省略し、速度基準レート回路４の減速レートを（１）式によって予め計算しておくようにしても良い。
【実施例３】
【００２８】
図５は本発明の実施例３に係る電動機駆動装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動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、減速率演算回路５Ｂにおいて、運転トップ速度と最低運転速度の間に減速レートを変える速度点を少なくとも１点設け、各々の速度点における減速レートを演算して速度基準レート回路４に与える構成とした点である。
【００２９】
図６に示したように、上記速度点を、速度の高い順に速度ＮＧ１、速度ＮＧ２の２点とする。図示したように、フリーラン減速曲線と、速度ＮＧ１、速度ＮＧ２及び運転最低速度Ｎｍｉｎが交差する点を夫々交点Ｔｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐとし、これらの交点におけるフリーラン減速曲線の接線の傾きが夫々、傾きＧ１、傾きＧ２、傾きＧｍｉｎとなる場合、減速率演算回路５Ｂは、速度NｔｏｐでＧ１、速度ＮＧ１でＧ２、速度ＮＧ２でＧｍｉｎとなる減速レートを演算して速度基準レート回路４に与える。すなわち、各速度点での減速レートは、次の速度点でのフリーラン減速曲線の接線の傾きとなるようにする。ここで次のという意味は減速を行っていったとき次に通過する速度点ということである。
【００３０】
以上説明した実施例３によれば、減速時に回生運転になることなく、実施例１に比べてより短時間で減速を行うことが可能となる。この実施例３の場合も、運転トップ速度は任意の第１の運転速度として良く、また最低速度はこの第１の運転定速度より低い任意の第２の運転速度としても良いことは実施例１の場合と同様である。
【００３１】
また、この実施例では、速度基準レート回路４の減速レートを、減速率演算回路５Ｂで演算して与えているが、予め、運転トップ速度、速度ＮＧ１、速度ＮＧ２、運転最低速度、運転トップ速度における負荷率ｋ、機械と電動機の慣性モーメントから各速度における減速レートを演算し、速度基準レート回路４の内部にプリセットしておいても同様の効果が得られる。
【００３２】
ところで、（２）式の減速時間の計算式は任意の２速度間について成立するので、例えば、速度ＮＧ１からＮＧ２までの減速時間Ｄｃ１は、Ｄｃ１＝（NＧ１−ＮＧ２）／{（２πｋＴｍ）（ＮＧ２／NＧ１）2}となる。すなわち、減速時間は２速度間の差に比例し、２速度間の比の2乗に反比例する。従って、図６に示したように、速度点間の速度差（Ｎｔｏｐ−ＮＧ１）、（ＮＧ１−ＮＧ２）、（ＮＧ２−Ｎｍｉｎ）は同一とするのではなく、次第に速度点間の間隔を狭めていくようにすると全体の減速時間をより短縮することができる。このための最適な速度点の間隔は、（２）式から求められる減速時間の総和を最小化する様に求めれば良いが、基本的には各々の速度点間の減速時間が互いに等しくなるように速度点の間隔を求めれば良い。
【実施例４】
【００３３】
図７は本発明の実施例４に係る電動機駆動装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図５の本発明の実施例３に係る電動機駆動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３と異なる点は、負荷率ｋを検出する負荷率検出器９を設け、この負荷率検出器９の出力によって減速率演算回路５Ｃの演算を変更する構成とした点である。
【００３４】
実施例２で説明したように、機械と接続された交流電動機２の運転トップ速度からのフリーラン減速曲線は、電動機の負荷の大きさにより変化し、フリーラン減速時間も変化する。図８に示したように、負荷率ｋが小さくなれば、この減速曲線は緩やかになり、減速曲線と各速度点Ｎｔｏｐ、ＮＧ１、ＮＧ２、Ｎｍｉｎとの交点における接線の傾きもより緩やかになる。破線で示したフリーラン減速曲線と、速度ＮＧ１、速度ＮＧ２及び運転最低速度Ｎｍｉｎが交差する点を夫々交点Ｔｐ１Ｌ、Ｔｐ２Ｌ、ＴｐＬとし、これらの交点におけるフリーラン減速曲線の接線の傾きが夫々、傾きＧ１Ｌ、傾きＧ２Ｌ、傾きＧｍｉｎＬとなる場合、減速率演算回路５Ｃは、実施例３で説明したように、速度NｔｏｐでＧ１Ｌ、速度ＮＧ１でＧ２Ｌ、速度ＮＧ２でＧｍｉｎＬとなる減速レートを演算して速度基準レート回路４に与える。また、負荷率検出器９に与える状態量は、実施例２の場合と同様、主制御器６が図２に示したベクトル制御である場合には、トルク指令、トルク電流指令、トルク電流帰還のうちの何れかとし、主制御器６がＶ／Ｆ制御の場合は交流電動機２の電流値、または、交流電動機２への有効入力電力を用いれば良い。本実施例によれば、運転トップ速度での負荷が小さくなった場合でも、減速時に回生運転になることなく減速時間をより短縮することができる。
【００３５】
尚、本実施例では、速度基準レート回路４の減速レートを、負荷率検出器９の推定する負荷率ｋに従って、減速率演算回路５Ｃで演算して与えているが、実施例２の場合と同様、予め負荷率が分かっている場合は、減速率演算回路５Ｃ内の演算定数である負荷率ｋをプリセットするようにしても良く、また、減速率演算回路５Ｃを省略し、速度基準レート回路４の各速度点における減速レートを（１）式によって予め計算しておくようにしても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１  変換器
２  交流電動機
３  制御部
４  速度基準レート回路
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  減速率演算回路
６  主制御回路
７  速度検出器
８  電流検出器
９  負荷率検出器
【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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