(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆変換部の直流側に制動抵抗と制動スイッチを直列接続した制動回路を設け、可変速駆動するモータからの回生電力で直流側が過電圧レベルに近づいたときに該制動スイッチをオンさせて回生電力を制動抵抗で吸収するインバータにおいて、
前記制動抵抗の短時間電力容量特性を保存しておくデータ記憶手段と、前記制動回路の過負荷を判定して保護する保護演算手段とを有し、
前記保護演算手段は、
前記制動抵抗に印加される瞬時電力ｐと該制動抵抗の電力容量Ｐの比ｐ／Ｐと、前記データ記憶手段から得る前記短時間電力容量特性とから、前記制動抵抗に許容される許容オン積算時間ｔを求めておく手段と、
前記制動スイッチのオン・オフ状態を検出するサンプリング周期で、前記制動抵抗に電圧が印加されるオン時間を積算したオン積算時間を求める手段と、
前記サンプリング周期で、前記制動抵抗に電圧が印加されないオフ状態では前記オン積算時間を一定の比率で減算する手段と、
前記オン積算時間が前記許容オン積算時間ｔを越えたときに前記制動回路の過負荷と判定する手段と、
を備えたことを特徴とするインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータからの回生電力を制動回路で吸収するインバータに係り、特に制動回路の保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、インバータの制動回路とその保護装置を示す。インバータ主回路は、順変換部１で交流電力から直流電力を得、平滑コンデンサ２によって平滑し、電圧形になる逆変換部３によって電圧及び周波数を制御した交流電力を得て負荷となるモータを駆動する。
【０００３】
このインバータによりモータを可変速駆動するにおいて、モータの減速時に発生した回生電力は、逆変換部３のフライホイールダイオードを通して直流側に取り込む。この回生電力は、コンデンサ２の充電電力として回生されるが、回生電力が多い場合にはコンデンサ２の電圧を定格値以上に上昇させてしまう。
【０００４】
そこで、直流側には制動抵抗４と制動スイッチ５の直列回路を設け、直流側電圧が過電圧レベルに近づいたときにスイッチ５をオンさせ、回生電力を制動抵抗４に流して熱エネルギーとして吸収する。制動スイッチ５は、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体素子にされる。
【０００５】
スイッチ５のオン制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により直流側電圧を検出し、この検出電圧が比較器（ヒステリシスコンパレータ）７に設定する過電圧レベルに近い値を越えたときに、該比較器７の反転出力として検出し、この検出信号を駆動回路８で電力増幅してスイッチ５のオンゲート出力を得る。
【０００６】
このような制動回路において、回生電力が設計時に予想されるものよりも大きい場合、制動抵抗４が過負荷で過熱、焼損する恐れがある。また、制動スイッチ５に定格電流以上の電流が流れてその電流破損を起こす恐れがある。さらに、制動スイッチ５が短絡故障した場合にはモータ駆動時にも制動抵抗４に電流が流れつづけ、インバータ機能を喪失させる原因になる。
【０００７】
このような不都合を解消するための制動回路の保護装置は、制動抵抗４と直列に設けるサーマルリレー９又は制動抵抗に直接取り付けるサーモスタット１０で保護シーケンスを構成する。サーマルリレー９は、それに流れる電流から制動抵抗の過負荷の有無を監視し、過負荷を検出したときに順変換部１の交流入力側の電磁接触器１１を遮断する。サーモスタット１０は、制動抵抗４の表面温度を監視し、過負荷を検出したときに電磁接触器１１を遮断する。１２は、制動スイッチ５がオフしたときに制動抵抗が発生するスパイク電圧から制動スイッチ５を保護するフライホイールダイオードである。
【０００８】
電磁接触器１１の遮断は、順変換部１から制動回路に流れる電流分を無くし、制動抵抗や制動スイッチの過負荷状態や短絡状態を解消する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制動回路の保護装置は、インバータ主回路に外付けしたサーマルリレー９やサーモスタット１０と、これらの検出信号で電磁接触器１１を遮断するシーケンス回路を必要とするし、これらを回路接続するための配線、設置スペースを必要とする。
【００１０】
また、サーマルリレー９やサーモスタット１０は、検出感度及び応答性で劣るため、過負荷を確実に検出しようとすると、その過負荷検出レベルを低く設定することになる。このため、制動抵抗４や制動スイッチ５が過負荷状態にない場合でも誤って過負荷として検出してしまい、電磁接触器１１を頻繁に遮断してしまうことがある。電磁接触器の遮断は、インバータの電源停電と同じになり、その停止でモータの運転停止になってしまう。
【００１１】
本発明の目的は、サーマルリレーやサーモスタットによる過負荷検出手段を不要にし、制動回路の過負荷を精度良く検出してその確実な保護及び誤った運転停止を無くすことができるインバータ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、上記の課題を解決するため、制動抵抗の抵抗値Ｒとそれに印加される直流電圧Ｖから決まる瞬時電力ｐと制動抵抗の電力容量Ｐの倍率ａ（＝ｐ／Ｐ）を求め、制動抵抗の短時間電力容量特性から倍率ａでの許容オン積算時間ｔを求めておき、制動スイッチのオン・オフ状態をサンプリングで検出し、このサンプリング周期毎に制動抵抗がオン状態にはオン積算時間を求めておき、オフ状態にはオフ積算時間を使用率の割合（積算するときの時間量と減算するときの時間量の比率）で減算する処理を繰り返し、この処理状態でオン積算時間が許容オン積算時間ｔを越えたときに制動回路の過負荷と判定するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１３】
逆変換部の直流側に制動抵抗と制動スイッチを直列接続した制動回路を設け、可変速駆動するモータからの回生電力で直流側が過電圧レベルに近づいたときに該制動スイッチをオンさせて回生電力を制動抵抗で吸収するインバータにおいて、
前記制動抵抗の短時間電力容量特性を保存しておくデータ記憶手段と、前記制動回路の過負荷を判定して保護する保護演算手段とを有し、
前記保護演算手段は、
前記制動抵抗に印加される瞬時電力ｐと該制動抵抗の電力容量Ｐの比ｐ／Ｐと、前記データ記憶手段から得る前記短時間電力容量特性とから、前記制動抵抗に許容される許容オン積算時間ｔを求めておく手段と、
前記制動スイッチのオン・オフ状態を検出するサンプリング周期で、前記制動抵抗に電圧が印加されるオン時間を積算したオン積算時間を求める手段と、
前記サンプリング周期で、前記制動抵抗に電圧が印加されないオフ状態では前記オン積算時間を一定の比率で減算する手段と、
前記オン積算時間が前記許容オン積算時間ｔを越えたときに前記制動回路の過負荷と判定する手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すインバータの制動回路と保護装置の構成図である。同図が図６と異なる部分は、サーマルリレー９やサーモスタット１０による保護装置に代えて、保護演算部２１と短時間電力容量特性テーブル２２を設けた点にある。
【００１６】
制動抵抗４の電力容量には、短時間定格容量特性がある。例えば、あるホーロー抵抗では、３０秒定格容量は連続定格容量の６倍、１８０秒定格容量は連続定格容量の２倍になる。すなわち、抵抗は、それが消費する電力が大きい場合でも短時間であれば過熱、焼損に至ることはなく、連続定格容量に比べて短時間定格容量が大きい。図２は、ホーロー抵抗の短時間電力容量特性を示し、同じ消費電力でもその時間が短くなるほど連続定格容量に対する倍率が高くなる。
【００１７】
データ記憶手段になる特性テーブル２２は、制動抵抗４の短時間電力容量特性をテーブルデータとして保存しておく。
【００１８】
保護演算部２１は、制動スイッチ５の制御状態（オン・オフ状態）を制動スイッチ状態検出回路２３の出力で監視し、この監視により制動抵抗４のオン積算時間検出値が制動抵抗の許容オン積算時間を越えたか否かで制動抵抗及び制動スイッチの過負荷の有無を判定する。保護演算部２１は、過負荷判定が得られたときに過負荷アラームを出力し、さらに電磁接触器１１の遮断を行う。
【００１９】
ここで、制動抵抗の許容オン積算時間は、制動抵抗の電力容量や抵抗値や前記使用率と、短時間電力容量特性を保存するテーブル２２のデータから演算で求める。制動抵抗のオン積算時間は、直流電圧が印加されているオン時間の積算値として求める。
【００２０】
但し、直流電圧が印加されていないオフ状態では、オン積算時間を使用率の割合で減算する。使用率は、オン時間／（オン時間＋オフ時間）で示され、オン時間中で発生する熱量をオフ時間中で放熱できるような時間割合で設定される。
【００２１】
なお、保護演算部２１及び特性テーブル２２からなる制動回路の保護装置は、ハードウェアまたはソフトウェア構成にされ、インバータの制御回路とは別に設けた構成、またはインバータの制御回路に機能付加した構成とすることができる。
【００２２】
図３は、制動回路の保護装置をソフトウェア構成とする場合の制御フローである。以下、各ステップＳ１〜Ｓ８の順に説明する。
【００２３】
（Ｓ１）保護演算部２１の定数設定入力として、その電力容量Ｐと抵抗値Ｒや使用率％ＥＤを入力する。なお、インバータの使用環境に応じた過負荷判定を得る場合には、制動抵抗の周囲温度も設定しておき、制動抵抗の短時間電力容量特性に周囲温度をパラメータとしてもつものを使用する。
【００２４】
（Ｓ２）制動スイッチ５がオンしたときに制動抵抗４で消費する瞬時電力ｐを求める。この演算はｐ＝Ｖ2／Ｒで求められる。Ｖはインバータの直流側電圧（固定値）。
【００２５】
さらに、瞬時電力ｐと電力容量Ｐの倍率ａ（＝ｐ／Ｐ）を求め、特性テーブル２２から読み出した制動抵抗４の短時間電力容量特性（図２）から倍率ａでの許容オン積算時間ｔを求める。
【００２６】
（Ｓ３）制動スイッチ状態検出回路２３の出力状態（制動スイッチ５のオン・オフ状態）をサンプリングする。このサンプリング周期は、制動スイッチ５に予測されるオン・オフ周波数の数十から数百倍にしてオン時間とオフ時間を精度よく求める。なお、サンプリングは、比較器７の出力になるゲート電圧に対して行うことができる。
【００２７】
（Ｓ４）各サンプリング周期でのサンプリング結果から制動スイッチ５のオン・オフ状態を判定する。
【００２８】
（Ｓ５）サンプリング結果がオン（制動スイッチ５がオン）の場合、サンプリング周期に相当する時間だけオン積算時間を加算する。
【００２９】
（Ｓ６）現在のオン積算時間値と処理Ｓ２で求めておいた許容オン積算時間との大小を比較する。
【００３０】
（Ｓ７）オン積算時間が許容オン積算時間以上になるとき、過負荷アラームを出力、さらには電磁接触器１１の遮断出力を得る。
【００３１】
（Ｓ８）サンプリング結果がオフ（制動スイッチ５がオフ）の場合、サンプリング周期に相当する時間に使用率％ＥＤを掛けた時間をオン積算時間から減算する。
【００３２】
以上の制御を図４にタイムチャートで示す。制動スイッチのオンが長い時間連続したりオン時間比率が高いオン・オフ繰り返しになって、オン制動時間が許容オン積算時間にまで達すると、過負荷アラームを発生する。
【００３３】
したがって、制動回路の保護は、制動抵抗の抵抗値等と短時間電力容量特性から許容オン積算時間を求めておき、制動スイッチのオン・オフ状態をサンプリング周期で検出し、サンプリング周期毎に制動抵抗がオン状態にはオン積算時間を積算し、またオフ状態にはオン積算時間を使用率の割合で減算する処理を繰り返し、オン積算時間が許容オン積算時間を越えたか否かで制動抵抗及び制動スイッチの過負荷状態を監視する。これにより、制動抵抗の過負荷状態を確実に検出して保護することができる。さらに、制動スイッチの短絡故障にもオン積算時間と制動スイッチに許容されるオン時間の比較判定によって検出することができる。
【００３４】
また、制動抵抗の短時間電力容量は、その連続定格容量よりも数倍の大きさになること、及び過負荷状態を短時間電力容量を基に判定するため、従来のサーマルリレーやサーモスタット方式に比べて、短時間電力容量特性で許容される容量まで拡大した正確な過負荷判定を得ることができる。
【００３５】
以上の実施形態では、制動抵抗の種類が予め決められている場合の保護方式を示すが、制動回路に使用される制動抵抗にはホーロー、スチール、セメントなど数種類のものがあり、これら抵抗の短時間電力容量特性は図５に示すように異なる特性になる。この使用される制動抵抗が異なる制動回路の場合、図１の特性テーブル２２には抵抗の種類別の特性を保存しておき、図３のステップＳ１の入力として制動抵抗の種類を設定することにより、制動抵抗の種類別のテーブルデータを読み込んでその過負荷保護を行うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、制動抵抗の短時間電力容量特性からその許容オン積算時間を求めておき、制動スイッチのオン・オフ状態をサンプリングで検出し、このサンプリング周期毎に制動抵抗のオン積算時間を積算または減算することにより、短時間耐量および使用率を監視し、オン積算時間が許容オン積算時間を越えたときに制動回路の過負荷と判定するようにしたため、制動抵抗の短時間電力容量特性で許容される容量まで拡大して制動回路の過負荷状態を確実に検出して保護及びインバータの誤った運転停止を無くすことができる。
【００３７】
また、保護装置の構成としては、インバータの制御回路等に機能追加した構成で済み、従来のサーマルリレーやサーモスタットによる保護装置に比べて簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すインバータの制動回路と保護装置。
【図２】制動抵抗の短時間電力容量特性。
【図３】実施形態における保護演算部の制御フロー。
【図４】実施形態における保護装置の制御タイムチャート。
【図５】制動抵抗の種類別の短時間電力容量特性。
【図６】従来のインバータの制動回路と保護装置。
【符号の説明】
１…順変換部
３…逆変換部
４…制動抵抗
５…制動スイッチ
６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
７…比較器
８…駆動回路
１１…電磁接触器
２１…保護演算部
２２…短時間電力容量特性テーブル
２３…制動スイッチ状態検出回路
【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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