(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の定格電流と電動機から検出される電流とを比較して出力電圧を生成する電圧制御器と、
電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較して出力周波数を生成する周波数制御器と、
電動機及びインバータに異常が発生することを防止するために、前記電圧制御器の出力電圧に対応する周波数と前記周波数制御器の出力周波数とを比較していずれか大きい周波数を選択した後で出力する出力周波数選択器と、を含んで構成されることを特徴とする誘導電動機の回転速度検出装置。
【請求項２】
前記電圧制御器は、
定格電流と電動機から検出される検出電流とを比較する第1比較器と、
前記比較された電流の偏差に、周波数の増加速度を増加または減少させる所定常数を掛けて前記電流の偏差に対応する周波数偏差を求め、該周波数偏差に基づき、V/F変換により最終出力電圧を生成する出力電圧生成部と、
前記出力電圧に対応する周波数の現在値より所定時間だけ以前の時点の周波数と前記比較された電流の偏差に対応する周波数偏差とを加算して累積することによって、フィードフォワード制御を行う第2比較器と、から構成されることを特徴とする請求項1に記載の誘導電動機の回転速度検出装置。
【請求項３】
前記第1比較器は、
前記定格電流から前記検出電流を減算することを特徴とする請求項2に記載の誘導電動機の回転速度検出装置。
【請求項４】
前記周波数制御器は、
電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較する第3比較器と、
前記比較された励磁電流の偏差に対してPI制御を行って前記励磁電流の偏差に対応する周波数を出力するPI制御器と、
前記PI制御器から出力された周波数と目標周波数とを比較した後で出力する第4比較器と、から構成されることを特徴とする請求項1に記載の電動機の回転速度検出装置。
【請求項５】
前記第3比較器は、
前記検出励磁電流から前記基準励磁電流を減算することを特徴とする請求項4に記載の誘導電動機の回転速度検出装置。
【請求項６】
前記第4比較器は、
前記目標周波数から前記PI制御器から出力された周波数を減算することを特徴とする請求項4に記載の誘導電動機の回転速度検出装置。
【請求項７】
電動機の定格電流と電動機から検出される検出電流とを比較して出力電圧を生成する電圧制御段階と、
電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較して出力周波数を生成する周波数制御段階と、
前記出力電圧に対応する周波数と前記出力周波数とを比較した後、いずれか大きい周波数を最終出力周波数として選択する出力周波数選択段階と、
前記最終出力周波数をPWM信号に変換した後で電動機に入力することによって、電動機を起動させる段階と、を有することを特徴とする誘導電動機の回転速度検出方法。
【請求項８】
前記電圧制御段階の前記出力電圧は、
電動機の定格電流から検出電流を減算し、前記減算の結果値に常数Kを掛けて求めた前記減算の結果値に対応する周波数偏差に、前記出力電圧に対応する周波数の現在値より所定時間だけ以前の時点の周波数を加算して累積することにより生成されることを特徴とする請求項7に記載の誘導電動機の回転速度検出方法。
【請求項９】
前記周波数制御段階の出力周波数は、
電動機から検出された励磁電流から基準励磁電流を減算し、該減算の結果値に対してPI制御を行い、目標周波数から前記PI制御の行われた結果値を減算することによって生成されることを特徴とする請求項7に記載の誘導電動機の速度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機の回転速度検出装置及びその方法に係るもので、詳しくは、電動機に流れる実際の電流を利用してインバータの電圧を増加させることによって、インバータの出力電圧が最適に上昇して目標電圧に到達し得るようにする誘導電動機の回転速度検出装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インバータにより誘導電動機を駆動する場合、誘導電動機が駆動されている状況でインバータを起動すること(例えば、瞬時停電(instantaneous  power  failure)、故障後の再起動または同一負荷に誘導電動機を並列に連結する場合)が頻繁に発生する。このような場合、インバータにより誘導電動機を無理なく駆動するためには、誘導電動機の回転速度に該当するV(定格電圧)/F(定格周波数)比で電圧及び周波数がインバータから電動機に適切に供給されるべきである。
【０００３】
以下、インバータの正常な動作のために、インバータの出力電圧及び出力周波数を制御するために誘導電動機の速度を検出する装置及びその方法について、図5に基づいて説明する。
【０００４】
図5は従来の誘導電動機の速度検出装置を示した図で、まず、正常に誘導電動機が加速されている場合、周波数発生部11は使用者の外部入力による目標周波数の入力を受ける。その後、周波数発生部11は、予め設定された所定加速時間の間、上記の目標周波数をランプ波形(ramp  waveform)を有する周波数として出力する。
【０００５】
また、周波数発生部11から出力された出力周波数は、出力周波数変換部13でPWM信号を生成するのに適合した周波数に変換されてPWM(Pulse  Width  Modulation)発生部15に入力される。
【０００６】
一方、周波数発生器11から出力された出力周波数は電圧発生部12に入力され、その後、出力電圧変換部14でPWM信号を生成するのに適合した周波数を有する電圧に変換されて、PWM発生部15に入力される。このとき、出力電圧変換部14に入力される電圧は入力周波数×(V/F比)の値を有する。
【０００７】
次いで、PWM発生部15は、誘導電動機を起動するために上記の出力電圧及び出力周波数の入力を夫々受けて、PWM信号を生成した後、電動機に出力して電動機を起動させる。
【０００８】
このような方式を利用して正常に電動機が起動される場合、V/F比が一定に維持されながら電動機が駆動される。
【０００９】
以下に述べる速度検出方法は、瞬時停電等のような非正常的な状況によって、電動機の速度が"0"でない状態で電動機の速度を検出して起動させる方法を意味する。
【００１０】
以下、非正常的な状況で電動機の速度を検出する方法について、より詳しく説明する。
【００１１】
まず、上記のような速度検出状況が発生すると、目標周波数は周波数発生部11を経ることなく、図示のbのように直接的にPWM発生部15に入力される。即ち、使用者の指令である目標周波数が60Hzの場合、出力周波数は60Hzになる。この時、60Hzに適切な電圧である220Vの電圧が印加されると(60Hz、220V定格の電動機の場合)、電動機が60Hz近くで運転される場合は問題が発生しないが、一般に停電等のような状況の場合で、モータの速度が既に落ちている状況で220Vが直接印加される場合は、過大な電流が流れるため、インバータ及び電動機に無理を与えるようになって、モータが破損する恐れがある。
【００１２】
従って、従来は、上記のような問題点を解決するために、上記のような速度検出状況が発生すると、出力周波数が60Hzであっても、出力電圧は"0"から徐々に増加させることによって、所定加速時間後には220Vがモータに印加されるように制御が行われた。
【００１３】
図6(A)〜(C)は誘導電動機で速度検出をするための動作区間を説明する例を示した図で、図示されたように、誘導電動機で速度検出をするための動作区間は、電動機の運転中停電が生じた後で再び復電(power  recovery)する場合(図6(A))、常用電源をオフさせた後で再び電動機を運転させる場合(図6(B))、回転中の電動機を目標とする回転速度とする場合(図6(C))に分けられる。
【００１４】
前記したように、誘導電動機の速度検出(velocity  search)は、電動機の回転速度を知らない状態でインバータが正常に動作するように、インバータから出力される電圧及び周波数を制御することによって行われる。
【００１５】
図7(A)〜(B)は従来の誘導電動機の速度を検出するための、インバータの出力電圧を単純に制御する方法を説明するための例を示す図で、図示されたように、インバータの出力周波数は時間に対して一定の所定目標周波数を維持しながら(図7(A))、また、インバータの出力電圧は所定加速時間にわたって所定の傾斜を有するように増加させることによって、目標電圧に到達するように制御が行われる(図7(B))。
【００１６】
このとき、加速時間中の時点tnにおけるインバータの出力電圧をnとすると、出力電圧(n)=時点tnより所定時間（ΔT）だけ前の時点tn-1での出力電圧(n-1)+dV、(dV=ΔT × 目標電圧/加速時間)と表現される。このとき、上記の出力電圧は、所定加速時間の間、"0"電圧から目標電圧に所定傾斜を有して増加する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の誘導電動機の速度検出装置及びその方法においては、慣性(inertia)の大きい負荷で加速時間が短いときは過負荷トリップが発生し、負荷の大きい状態で加速時間が長くなるとき、電動機の速度は"0"まで落ちるため、使用者が負荷に合わせて誘導電動機の加速時間を直接設定しなければならないという不都合な点があった。
【００１８】
また、負荷が大きい場合、電動機に印加されるインバータの出力周波数が目標周波数で、電動機スリップ(slip)が"0"に近くなって電動機の発生トルクが少ないため、誘導電動機がうまく起動されないという不都合な点があった。
【００１９】
また、目標周波数が現在の誘導電動機の運転速度より低い場合、誘導電動機が回生領域にあるため、上記のようなインバータの単純電圧制御方法では誘導電動機が運転されないという不都合な点があった。
【００２０】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、上記のようなインバータの単純電圧制御方法を利用して誘導電動機の回転速度を検出及び制御することから発生する問題点を解決するために、如何なる状況でもインバータに無理がいかない状態で誘導電動機を駆動し得る誘導電動機の回転速度検出装置及びその方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る速度検出装置は、電動機の定格電流と電動機から検出される電流とを比較して出力電圧を生成する電圧制御器と、電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較して出力周波数を生成する周波数制御器と、前記電圧制御器の出力電圧に対応する周波数と前記周波数制御器の出力周波数とを比較して最終出力周波数を選択する出力周波数選択器と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００２２】
このとき、前記電圧制御器は、定格電流と電動機から検出される電流とを比較する第1比較器と、前記比較された電流の偏差に、周波数の増加速度を増加または減少させる所定常数を掛けて周波数偏差を求め、該周波数偏差に基づいてV/F変換により最終出力電圧を生成する出力電圧生成部と、前記出力電圧に対応する周波数の所定時点以前の周波数と前記比較された電流の偏差に対応する周波数偏差との和を累積することによって、フィードフォワード制御(feed-forward  control)を行う第2比較器と、から構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、前記周波数制御器は、電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較する第3比較器と、前記比較された励磁電流偏差に対してPI制御を行った後で該励磁電流偏差に対応する周波数を出力するPI制御器と、前記PI制御器から出力された周波数と目標周波数とを比較した後で出力する第4比較器と、から構成されている。また、前記出力周波数選択器は、前記周波数制御器の出力周波数と前記電圧制御器の出力電圧に対応する周波数とを比較して、より大きい周波数を選択した後で出力することによって、電動機及びインバータに異常が発生することを防止することを特徴とする。
【００２４】
尚、本発明の他の目的、特性及び利点は、図面を含んだ実施形態に従った説明により明白になるはずである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２６】
図1は本発明に係る速度検出装置を示した図で、図示されたように、本発明に係る速度検出装置は、電動機の定格電流と電動機から検出される電流とを比較して出力電圧を生成する電圧制御器43と、電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較して出力周波数を生成する周波数制御器44と、電圧制御器43の出力電圧に対応する周波数と周波数制御器44の出力周波数とを比較して最終出力周波数を選択する出力周波数選択器64と、を含んで構成されている。なお、図1の参照番号41, 42, 45, 46, 47は図5の参照番号11, 12, 13, 14, 15の構成要素にそれぞれ対応するものであるので、ここでは説明を省略する。
【００２７】
電圧制御器43は、図2に示すように、定格電流と電動機から検出される検出電流とを比較する第1比較器51と、この比較器の出力(電流の偏差)に、周波数の増加速度を増加または減少させる所定の常数(K)を掛けて周波数偏差を得た後、加算器53を介して上記の定格電流と検出電流の偏差に対応する周波数1を得て、V/F変換により周波数1に対応する最終出力電圧を生成する出力電圧生成部52と、この出力電圧に対応する周波数1の現在の値より所定時間だけ以前の時点の周波数1と上記の比較された電流の偏差に上記常数(K)を掛けて得られた周波数偏差とを加算して累積することによって上記周波数1の現在の値を得て、フィードフォワード制御を行う第2加算器53と、から構成されている。
【００２８】
また、周波数制御器44は、図3に示すように、電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較する第3比較器61と、上記の比較された電流の偏差に対してPI制御を行って上記の励磁電流の偏差に対応する周波数を出力するPI制御器62と、このPI制御器62から出力された周波数と目標周波数とを比較した後で周波数2を出力する第4比較器63と、から構成されている。また、出力周波数選択器64は、上記の周波数制御器44の出力周波数2と電圧制御器43の出力電圧に対応する周波数1とを比較して、これらのうちでより大きい周波数を選択した後で出力することによって、電動機及びインバータに異常が発生することを防止する。
【００２９】
以下、このように構成された本発明に係る速度検出装置の動作原理について説明する。
【００３０】
まず、正常にモータが加速される場合は、図5に示されたような動作を行う。この過程は、従来の電動機の速度検出過程と同様である。
【００３１】
然し、非正常的な速度検出状況が発生すると、従来と異なり、上記の速度検出過程とは独立的に(independently)新しい2つの制御器、即ち、周波数制御器44及び電圧制御器43によって電動機が起動される。即ち、この場合は、使用者の外部入力による目標周波数が周波数発生部41及び電圧発生部42を経ることなく、上記の電圧制御器43及び周波数制御器44を経て出力電圧変換部46、出力周波数変換部45からPWM発生部47に入力される。その後、PWM発生部47は、周波数制御器44及び電圧制御器43から出力周波数選択器64を介して出力された最終出力周波数をPWM信号に変換した後で電動機に入力することによって、電動機のモータを起動させる。
【００３２】
以下、電動機の速度検出過程について、図2〜図4に基づいてより詳しく説明する。
【００３３】
図2は、図1で、本発明に係る電圧制御器43の動作を説明する例を示した図で、まず、第1比較器51は、定格電流と電動機から検出される電流とを比較する。このとき、第1比較器51は、上記の比較過程を通して、上記の定格電流から検出電流を減算する演算を行う。
【００３４】
その後、出力電圧生成部52は、上記の比較された電流の偏差に、周波数の増減の速度を示す所定の常数Kを掛けて上記の電流の偏差に対応する周波数偏差とした後、加算器53を介して上記の電流の偏差に対応する周波数1を得て、V/F変換により最終出力電圧を生成する。このとき、上記の所定の常数Kは任意の利得値(gain  value)の比例値であって、上記の第1比較器51の出力値に掛けられる常数であり、電圧制御器43で最終的に算出される出力電圧に対応する周波数1の増加速度を増加または減少させる役割をする。
【００３５】
次いで、第2比較器(加算器)53は、出力電圧生成部52の出力電圧に対応する周波数1の現在の時点より所定時間だけ以前の時点の周波数と上記の比較された電流の偏差に対応する周波数偏差とを加算して累積する(積分動作)ことによって周波数1の現在の値を得て、フィードフォワード制御を行う。
【００３６】
その結果、出力電圧は"0"から目標電圧まで上昇するようになるが、現在電動機に流れる検出電流と設定された定格電流(設定可能)との差を利用することによって、電圧上昇の大きさが制御される。即ち、上記の検出電流と定格電流との差が大きい場合(実際の電流が少ない場合)は電圧上昇を大きくし、上記の差が少ない場合(実際の電流が大きい場合)は電圧上昇を少なくすることによって、最短時間内に上記の出力電圧を目標電圧まで上昇させることができる。
【００３７】
また、出力電圧は"0"から速度検出発生前の電圧まで上昇するが、現在電動機に流れる検出電流が設定された定格電流(設定可能)以内になりながら、上記の出力電圧が最短時間で目標電圧に到達するように出力電圧が上昇される。
【００３８】
従って、インバータ及び電動機に無理を与えずに出力電圧を上昇させることができ、負荷状態によって自動的に電動機が加速されるため、使用者が予め加速時間を設定する必要がなくなる。
【００３９】
図3は、図1で、本発明に係る周波数制御器44、出力周波数選択器64及び出力周波数の動作を説明する例を示す図で、まず、第3比較器61は、電動機の基準励磁電流と電動機から検出される励磁電流とを比較した後でPI制御器62に出力する。このとき、第3比較器61は、上記の比較過程を通して、上記の検出励磁電流から基準励磁電流を減算する演算を行う。
【００４０】
その後、PI制御器62は、上記の出力された励磁電流の偏差値に対してPI制御を行った後で第4比較器63に出力し、この第4比較器63は上記のPI制御器62から出力された周波数と目標周波数とを比較した後で周波数2を出力する。このとき、第4比較器63は、上記の比較過程を通して、上記の目標周波数からPI制御器62の出力周波数を減算する演算を行う。
【００４１】
その後、出力周波数選択器64は、電動機の過励磁状況によって電動機及びインバータに異常が発生することを防止するために、最終的に、電圧制御器43の最終出力電圧に対応する周波数1と周波数制御器44の最終出力周波数2とを比較することにより、それらのうちのいずれか大きい周波数を選択した後で出力する。
【００４２】
その結果、出力周波数は非正常的な速度検出状況発生前の目標周波数から始めて、電動機に流れるd軸成分電流(励磁電流)の検出値が基準励磁電流以上であると、周波数2が減少して電動機速度が推定され、また上記d軸成分電流が基準励磁電流以下になると、再び出力周波数2が増加することによって、出力周波数を可変制御して起動トルクを増大させ、負荷と関係なしに電動機を加速させることができる。
【００４３】
図4は本発明に係る出力周波数選択器64の出力周波数決定方法を説明するために示されたグラフで、電圧制御器43の出力電圧で最小出力周波数が決定され、また、周波数制御器44の出力周波数が最小周波数以下になると、電圧制御器43で決定された最小周波数が最小出力周波数として出力されるようにする過程を説明するためのもので、以下、これについてより詳しく説明する。
【００４４】
一般に、誘導電動機はV/F比が一定(例えば、220V/60Hz)であるため、それ以上の電圧(例えば、60Hz、300V)を印加すると、誘導電動機が焼損するか、インバータに過電流が流れるようなる。このような問題点を解決するために、電圧制御器43から求められた電圧で最小出力周波数が決定され、周波数制御器44の出力周波数が最小周波数以下になると、最終出力周波数として電圧制御器43で決定された最小出力周波数が出力される。
【００４５】
一般に、最小周波数はV/F変換方式に使用されるV/F比によって決定されるが、最小周波数を単純にV/F制御方式で使用されるV/F比を利用して決定すると、低周波数領域では電動機の抵抗成分による電圧降下によって所望のトルクを発生することができないため、これを補完するために、図4に示したように、定格スリップ(slip)周波数に該当する電圧が補正される。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る誘導電動機の回転速度検出装置及びその方法においては、電動機に流れる実際の電流を利用して出力電圧を増加させるため、外部で加速時間を別途に設定する必要がなく、如何なる状況でも出力電圧が最適に上昇して目標電圧に到達するという効果がある。
【００４７】
また、負荷が大きい場合は出力周波数が減少するため、電動機のスリップ(slip)が最大トルクを発生するスリップに移動して、誘導電動機の起動が可能になるという効果がある。
【００４８】
また、現在運転中の電動機の速度が目標周波数より大きい場合は出力周波数を増加させることで、誘導電動機の回生領域でも運転が可能になるという効果がある。
【００４９】
また、既存のアルゴリズムの問題点を解決し、特に、ファンまたはポンプ負荷のように、一つの負荷に様々な電動機を接続して、電動機の起動を行うとき、電動機が回転している負荷に簡単に適用し得るという効果がある。
【００５０】
また、既存のインバータで電動機を駆動するアルゴリズムと独立的に具現することができるため、その適用分野が広いという効果がある。
【００５１】
以上の内容を通して、当業者なら本発明の技術思想を離脱しない範囲で、多様な変更及び修正が可能である。従って、本発明の技術的範囲は、前記の実施形態の内容に限定されず、特許請求範囲によって定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る速度検出装置を示した図である。
【図２】図1で、本発明に係る電圧制御器の動作を説明する実施例を示す図である。
【図３】図1で、本発明に係る周波数制御器及び出力周波数選択器の動作を説明する実施例を示す図である。
【図４】本発明に係る出力周波数選択器の出力周波数決定方法を説明するためのグラフを示す図である。
【図５】従来の誘導電動機の速度検出装置を示した図である。
【図６】  (A)〜(C)は誘導電動機で速度を検出するための動作区間を説明する例を示す図で、(A)は電動機の運転中停電した後で再び復電する場合、(B)は常用電源をオフさせた後で再び電動機を運転させる場合、(C)は回転中の電動機を目標とする回転速度で運転させる場合を夫々示す図である。
【図７】  (A)、(B)は従来の誘導電動機の速度を検出するために、インバータの出力電圧を単純に制御する方法を説明するための例を示す図で、(A)はインバータの出力周波数が時間に対して所定目標周波数を有するように維持すること、(B)はインバータの出力電圧が所定加速時間にわたって所定の傾斜を有するように増加させること、によって、目標電圧に到達するように制御が行われることを夫々示す図である。
【符号の説明】
11…周波数発生部
12…電圧発生部
13…出力周波数変換部
14…出力電圧変換部
15…PWM発生部
41…周波数発生部
42…電圧発生部
43…電圧制御器
44…周波数制御器
45…出力周波数変換部
46…出力電圧変換部
47…PWM発生部
64…出力周波数選択器
【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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