(57)【要約】  誘導電動機を制御する方法、装置及びコンピュータプログラム製品が開示される。本方法は、ロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、ステータに交流ブレーキ電圧を加えるステップを含み、交流ブレーキ電圧は、およそ−１よりも小さいすべりを提供するように選択された周波数を有する。このようにして、印加交流ブレーキ電圧は、電動機によって生成された電力の大部分が電動機自体の内部で損失することを確保しながら、ロータを遅延させる負のトルクを発生させる。これにより、何れかの駆動回路によって損失する必要がある電力量を削減する一助となる。【選択図】図１
2020528729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ及びステータを有する誘導電動機を制御する方法であって、
前記ロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、前記ステータに交流ブレーキ電圧を加えるステップを含み、前記交流ブレーキ電圧は、およそ−１よりも小さいすべりを提供するように選択された周波数を有する、方法。
【請求項２】
前記交流ブレーキ電圧の周波数は、およそ−３よりも小さい、好ましくはおよそ−３からおよそ−３０のすべりを提供するように選択された周波数を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記交流ブレーキ電圧の周波数は、前記低い動作周波数の半分よりも小さい周波数を有する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ロータの現在の動作周波数に比例して、前記交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるステップを含む、請求項１から３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
前記ロータの現在の動作周波数に比例して前記交流ブレーキ電圧の前記周波数を変化させ、前記誘導電動機の内部で所望の電力損を得るようにするステップを含む、請求項１から４の何れかに記載の方法。
【請求項６】
前記ロータの現在の動作周波数に比例して前記交流ブレーキ電圧の周波数を変化させて所望のすべりを得て、前記誘導電動機の内部で所望の電力損を達成するようにするステップを含む、請求項１から５の何れかに記載の上記の請求に記載の方法。
【請求項７】
前記交流ブレーキ電圧の前記周波数を変化させて、前記誘導電動機によって生成される所望の電流を得るようにするステップを含む、請求項１から６の何れかに記載の方法。
【請求項８】
前記誘導電動機によって生成される電流が前記所望の電流よりも大きいときに、前記交流ブレーキ電圧の前記周波数を上昇させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記誘導電動機によって生成される電流が前記所望の電流よりも小さいときに、前記交流ブレーキ電圧の前記周波数を低下させるステップを含む、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記ロータの前記回転周波数を前記初期動作周波数から前記低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、交流駆動電圧の大きさを縮小することによって、前記交流ブレーキ電圧を加えるステップと組み合わせて、前記誘導電動機を減少した磁束で駆動し続けるステップを含む、請求項１から９の何れかに記載の方法。
【請求項１１】
前記交流駆動電圧の大きさは、およそ半分を超えて縮小される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記交流ブレーキ電圧の大きさは、前記交流駆動電圧の大きさよりも高い、請求項１０から１１の何れかに記載の方法。
【請求項１３】
前記ロータの現在の動作周波数に基づいて、前記交流ブレーキ電圧の大きさを変化させるステップを含む、請求項１から１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
前記交流ブレーキ電圧の大きさを変化させ、前記誘導電動機によって生成された所望の電流を得るようにするステップを含む、請求項１から１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
前記誘導電動機によって生成される電流が前記所望の電流よりも大きいときに、前記交流ブレーキ電圧の前記大きさを縮小するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記誘導電動機によって生成される電流が前記所望の電流よりも小さいときに、前記交流ブレーキ電圧の前記大きさを増大するステップを含む、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ロータの前記回転周波数が前記低い動作周波数を達成するときに、前記交流ブレーキ電圧の印加を停止するステップを含む、請求項１から１６の何れかに記載の方法。
【請求項１８】
前記交流駆動電圧の前記大きさを増大するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
制御ロジックであって、誘導電動機のロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、前記ステータに交流ブレーキ電圧を加えるように動作する制御ロジックを備え、前記交流ブレーキ電圧は、およそ−１よりも小さいすべりを提供するように選択された周波数を有する、装置。
【請求項２０】
コンピュータで実行されたときに、請求１から１８の何れかに記載の方法を実行するよう動作するコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機を制御する方法、装置及びコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機は、公知であり、トルクを発生するために必要なロータの電流がステータ巻線の磁場から電磁誘導によって得られる電気電動機である。誘導電動機の使用により、多くの利点をもたらすことができるが、これらの使用はまた、予期せぬ結果をもたらす可能性がある。従って、誘導電動機を制御するための改良された手法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００３】
第１の態様によれば、ロータ及びステータを有する誘導電動機を制御する方法が提供され、方法は、ロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、ステータに交流ブレーキ電圧を加え、交流ブレーキ電圧の周波数は、およそ−１よりも小さいすべりを提供するように選択されたステップを含む。
【０００４】
第１の態様は、誘導電動機の問題は、特に大きい慣性の負荷を駆動するときに、減速するのが難しい可能性があることを認識している。誘導電動機を減速する各種手法があるが、これらの各々には、複雑度が高い、損失電力のための追加部品が必要である、電動機に高い衝撃が加わる、電動機が逆方向に再起動する危険があるなど、独自の欠点がある。従って方法が提供される。方法は、誘導電動機を制御することができる。誘導電動機はロータ及びステータを有することができる。方法は、ロータの回転周波数又は速度を、初期又は現在の動作周波数又は速度から、低下した又は低い動作周波数又は速度に低下させ又は変化させる指示又は信号にあるいはこの受け取りに応答して、ステータに交流ブレーキ電圧を加えるステップを含むことができる。交流ブレーキ電圧の周波数は、再生電力が誘導電動機内で損失されるように選択又は設定することができる。交流ブレーキ電圧の周波数は、およそ−１よりも小さい又はより負のすべりを提供するように選択又は設定することができる。このように、印加交流ブレーキ電圧は、ロータの慣性によって再生する電力の大部分が電動機自体内で損失することを保証しながら、ロータを減速する負のトルクを発生する。これは、あらゆる駆動回路によって損失する必要がある電力の量を削減する。
【０００５】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧は、およそ−３よりも小さい、好ましくはおよそ−３からおよそ−３０のすべりを提供するように選択された周波数を有する。ブレーキ電圧の周波数を高い負のすべりを提供するように設定することにより、電動機によって損失される再生電力の割合が増大する。
【０００６】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数の半分よりも小さい。
【０００７】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、０ヘルツよりも大きい。従って、交流ブレーキ電圧は、ＤＣブレーキ電圧以外である。
【０００８】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数のおよそ１％よりも大きい。
【０００９】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数のおよそ３％である。これは、多量の負のすべりの発生を保証するのに役立つ。
【００１０】
一実施形態において、方法は、ロータの現在の動作周波数に比例して、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の周波数は、ロータの瞬間速度に応じて必要なすべりを加え続けるために、調整することができる。
【００１１】
一実施形態において、方法は、ロータの現在の動作周波数に比例して、誘導電動機の内部で所望の電力損を得るように、及び駆動ＤＣリンクへの電力フィードバックを回避するように、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の周波数は、電動機の速度が変動するにつれて調整されて、誘導電動機によって損失する電力を調整することができる。
【００１２】
一実施形態において、方法は、ロータの現在の動作周波数に比例して、所望のすべりを得て誘導電動機の内部で所望の電力損を達成するように、及び好ましくはロータ及びステータの少なくとも一方によって駆動ＤＣリンク内の電力損を回避するように、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の周波数は、すべりを調整して誘導電動機内で必要な電力損を行うように調整することができる。
【００１３】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって発生する所望の電流を得るように、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるステップを含む。
【００１４】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも大きいときに、交流ブレーキ電圧の周波数を上昇させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の周波数は、誘導電動機内で発生した電流量を減少させるために上昇することができる。
【００１５】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも小さいときに、交流ブレーキ電圧の周波数を低下させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の周波数は、誘導電動機によって生成される電流を上昇させるために低下させることができる。
【００１６】
一実施形態において、ロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、方法は、誘導電動機を、交流駆動電圧の大きさを縮小することによって、交流ブレーキ電圧を加えるステップと組み合わせて、減少した磁束で駆動し続けるステップを含む。誘導電動機を交流ブレーキ電圧の印加と同時に駆動し続けることにより、誘導電動機駆動回路は、誘導電動機の減速速度と同期した状態を保つことができる。交流駆動電圧の大きさを縮小すると、電動機の磁束が減り、ひいては交流ブレーキ電圧を加えるとき交流駆動電圧に応じてロータによって発生するトルクが減る。これは、交流駆動電圧が交流ブレーキ電圧に抗して機能するのを防ぐ上で役立つ。
【００１７】
一実施形態において、交流駆動電圧の大きさはおよそ半分以上に縮小する。
【００１８】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の大きさは交流駆動電圧の大きさよりも高い。
【００１９】
一実施形態において、方法は、ロータの現在の動作周波数に基づいて、交流ブレーキ電圧の大きさを変化させるステップを含む。従って、交流ブレーキ電圧の振幅は、電動機の瞬間速度に基づいて調整することができる。
【００２０】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって発生する所望の電流を得るように、交流ブレーキ電圧の大きさを変化させるステップを含む。
【００２１】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも大きいときに、交流ブレーキ電圧の大きさを縮小するステップを含む。
【００２２】
一実施形態において、方法は、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも小さいときに、交流ブレーキ電圧の大きさを増大するステップを含む。
【００２３】
一実施形態において、方法は、ロータの回転周波数が減少動作周波数を達成するときに、交流ブレーキ電圧の印加を停止するステップを含む。従って、低下速度が達成されると、交流ブレーキ電圧は取り除くことができる。
【００２４】
一実施形態において、方法は、交流駆動電圧の大きさを増大するステップを含む。従って、誘導電動機は、その後、低い動作周波数で駆動し続けることができる。
【００２５】
第２の態様によれば、装置が提供され、装置は、制御ロジックであって、誘導電動機のロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して、ステータに交流ブレーキ電圧を加えるように動作する制御ロジックを備え、交流ブレーキ電圧は、およそ−１よりも小さいすべりを生じるように選択された周波数を有する。
【００２６】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、およそ−３よりも小さい、好ましくはおよそ−３からおよそ−３０のすべりを提供するように選択される。
【００２７】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数の半分よりも小さい。
【００２８】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、０ヘルツより大きい。
【００２９】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数のおよそ１％よりも大きい。
【００３０】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の周波数は、低い動作周波数のおよそ３％である。
【００３１】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの現在の動作周波数に比例して交流のブレーキ電圧の周波数を変化させるように動作可能である。
【００３２】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの現在の動作周波数に比例して、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるように動作可能であり、それにより誘導電動機の内部で所望の電力損を達成し、及び好ましくはロータ及びステータの少なくとも一方によって駆動ＤＣリンク内の電力損を回避する。
【００３３】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの現在の動作周波数に比例して、交流ブレーキ電圧の周波数を変化させるように動作可能であり、それにより所望のすべりを得て誘導電動機の内部で所望の電力損を達成し、及び好ましくはロータおおびステータの少なくとも一方によって駆動ＤＣリンクの電力損を回避する。
【００３４】
一実施形態において、制御ロジックは、交流ブレーキ電圧の周波数を変動させ、誘導電動機によって生成された所望の電流を得るように動作可能である。
【００３５】
一実施形態において、制御ロジックは、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも大きいときに、交流ブレーキ電圧の周波数を上昇させるように動作可能である。
【００３６】
一実施形態において、制御ロジックは、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも小さいときに、交流ブレーキ電圧の周波数を低下させるように動作可能である。
【００３７】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの回転周波数を初期動作周波数から低い動作周波数に低下させるという指示に応答して動作可能であり、これにより誘導電動機を、交流駆動電圧の大きさを縮小することによって交流ブレーキ電圧を加えることと組み合わせて、減少した磁束で駆動し続ける。
【００３８】
一実施形態において、制御ロジックは、交流駆動電圧の大きさをおよそ半分以上に縮小するように動作可能である。
【００３９】
一実施形態において、交流ブレーキ電圧の大きさは交流駆動電圧の大きさよりも高い。
【００４０】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの現在の動作周波数に基づいて、交流ブレーキ電圧の大きさを変化させるように動作可能である。
【００４１】
一実施形態において、制御ロジックは、誘導電動機によって生成された所望の電流を得るために交流ブレーキ電圧の大きさを変化させるように動作可能である。
【００４２】
一実施形態において、制御ロジックは、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも大きいときに、交流ブレーキ電圧の大きさを縮小するように動作作可能である。
【００４３】
一実施形態において、制御ロジックは、誘導電動機によって生成される電流が所望の電流よりも小さいときに、交流ブレーキ電圧の大きさを増大させるように動作可能である。
【００４４】
一実施形態において、制御ロジックは、ロータの回転周波数が低い動作周波数を達成したときに、交流ブレーキ電圧の印加を停止するように動作可能である。
【００４５】
一実施形態において、制御ロジックは、交流駆動電圧の大きさを増大するように動作可能である。
【００４６】
一実施形態において、装置は誘導電動機を備えている。
【００４７】
第３の態様によれば、コンピュータで実行されると動作して、第１の態様の方法を実行するコンピュータプログラム製品が提供される。
【００４８】
更に特定の好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、必要に応じて、独立請求項の特徴と組み合わせて、及び特許請求の範囲において明示的に記載されたもの以外と組み合わせて組み合わせることができる。
【００４９】
装置の特徴が機能を提供するように動作可能であると記載される場合、この特徴は、当該機能を提供する、又は当該機能を提供するように適合又は構成された装置特徴を含むことを理解されたい。
【００５０】
本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】１つの実施形態によるコントローラを示す図である。
【図２】誘導電動機におけるすべりとトルクの関係を示すグラフである。
【図３（Ａ）】１つの実施形態による、誘導電動機の減速時の制御変数変化の動作例を示す図である。
【図３（Ｂ）】１つの実施形態による、誘導電動機の減速時の制御変数変化の動作例を示す図である。
【図３（Ｃ）】１つの実施形態による、誘導電動機の減速時の制御変数変化の動作例を示す図である。
【図４】１つの実施形態による、相Ａのモータリング及びブレーキ電圧、並びに２つの電圧の実際の合計を示す図である。
【図５】１つの実施形態による、ブレーキ動作中の三相電圧を示す図である。
【図６】実施形態の手法を適用しない、既存の制御回路における減速電流波形及びＤＣリンク電圧波形を示す図である。
【図７】一実施形態による減速波形及び直流リンク電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
実施形態についてより詳細に検討する前に、最初に概要を説明する。実施形態は、誘導電動機を制御するための手法を提供する。詳細には、実施形態は、誘導電動機にブレーキを作動させること（すなわち、回転速度を低下させること）に関する。速度の低下が必要になる前に電動機に与えていた交流駆動（モータリング）電圧を通常は維持しながら、電動機を減速するために交流ブレーキ電圧を加えるようにするコントローラが提供される。通常は、電動機の磁束を減らして駆動トルクを低下させるために、交流駆動電圧の大きさが縮小される。交流駆動電圧を引き続き加えると、電動機の速度を確実に追跡可能にするのに役立ち、その結果、交流駆動電圧の周波数は、電動機の周波数に継続して一致し（すなわち、交流駆動電圧を発生する回路は、電動機と同期したままになる）、そのため低下した動作速度が達成されると、必要に応じて交流駆動電圧を再び加えることができる。これは、交流駆動電圧を再印加する際に、電力スパイク又は回転ストレスが確実に発生しないようにすることの一助となる。
【００５３】
上述したように、電動機を減速し又は電動機にブレーキトルクを加えるために、電動機に交流ブレーキ電圧が加えられる。交流ブレーキ電圧は、一般に、交流駆動電圧と同時に、一斉に、又は重畳して加えられる。交流ブレーキ電圧の周波数は、負のすべりを発生するように選択される。誘導電動機のすべりの概念は、誘導電動機の分野で公知であることを理解されたい。詳細には、すべりは、磁場の速度とロータの回転速度との差、詳細にはすべり＝（Ｆstator−Ｆrotor）／Ｆstatorとして定義することができる。ステータ周波数を調整して負のすべりを発生させると、誘導電動機内で発電が生じる。すべり０〜−１に対して最大のブレーキトルクが発生するが、そのすべりで電動機によって生成された電力の大部分は、パワーエレクトロニクス駆動装置内に伝達され、パワーエレクトロニクス駆動装置の損傷を防ぐために損失する必要がある。しかしながら、すべりが−１よりもより負の場合、パワーエレクトロニクス駆動装置内よりも電動機自体内でより多くの電力が損失され、電動機内で損失する電力の比率は、すべりがより負になるにつれて増大する。交流ブレーキ電圧の周波数（及び一般に大きさ）を変化させることによって、電動機の速度を低下させて、交流ブレーキ電圧がないときよりも速く電動機の速度を低下させながら、電動機駆動回路に伝達される電力の量を制御することができる。
コントローラ
【００５４】
図１には、一実施形態によるコントローラが全体的に１００で示される。制御装置１００は、インバータの電力及び制御システムを備えている。通常のモータリング動作の下で、三相交流（ＡＣ）電源電圧Ｖst、Ｖss、Ｖsrは、ダイオード整流器１０によって直流（ＤＣ）電圧Ｖdcに変換される。コンデンサバンク１１は、ＤＣ電圧Ｖdcを保存及び平滑化し、次いでインバータ１２は、ＤＣ電圧Ｖdcを三相電圧に変換して誘導電動機２１に供給し、電動機負荷を駆動する。
【００５５】
電動機速度は速度動作制御１７によって制御され、これにより、通常のモータリング電圧及び周波数がモータリング電圧制御及び変換ブロック１８に提供され、静止した基準フレームにおいて二相モータリング電圧Ｖma及びＶmbに変換される。通常のモータリング動作中、ブレーキ電圧Ｖbra及びＶbrbはゼロである。従って、合計ロジック１５は、モータリング電圧Ｖma及びＶmbに等しい２つの合計電圧Ｖsa及びＶsbを出力する。合計電圧Ｖsa及びＶsbは、二相−三相コンバータ１４によって三相合計電圧Ｖu、Ｖv及びＶwに変換され、次いでこれらは、パルス幅変調器１３によってパルス幅変調（ＰＷＭ）されてＰＷＭ信号Ｓu、Ｓv、Ｓwを発生し、パルス幅変調器１３は、インバータ１２をゲート制御し、電動機２１に所望の電圧及び周波数を出力する。
すべり特性
【００５６】
図２は、誘導電動機におけるすべりとトルクとの関係を示すグラフである。理解できるように、すべりゼロではトルクは発生しない。正のすべりは、電動機を駆動するが、負のすべりは電動機に発電させる。すべりが負になるにつれて、電動機によって電力が発生し、当初はコントローラ１００に伝達される。すべりが−１に達すると（印加電圧の周波数がロータの現在の回転速度の周波数の半分であることを意味する）、電動機によって生成された電力のおよそ半分が電動機内で損失される。すべりがより負になるにつれて、電動機によって損失する電力の割合が増加し、コントローラ１００に伝達される電力の量が減少する。
ブレーキ動作
【００５７】
図３Ａ及び３Ｂは、一実施形態による、誘導電動機２１の減速時における制御回路１００の動作例を例示する。制御回路は、コンピュータプログラムの制御の下で動作できることを理解されたい。
【００５８】
実施形態のＡＣ発電ブレーキプロセスは、４つの主な段階、すなわち脱磁束段階、ブレーキ段階、ブレーキ解除段階及びモータリング回復段階を生じる、可変周波数及び電圧ブレーキ作動プロセスである。幾つかの実施形態での動作条件はまた、実施可能な過電圧抑制段階を有する。
【００５９】
図３Ａ及び３Ｂにおいて、Ｖmはモータリング電圧であり、Ｖm1は減速前の高周波数Ｆref_highにおける公称モータリング電圧であり、Ｖm2は減速後の低周波数Ｆref-lowにおける公称モータリング電圧であり、Ｖm_deflux_minは減速時の最小電動機電圧であり、Ｖm_pre_refluxは、ブレーキ解除段階前の還流前モータリング電圧であり、Ｖbはブレーキ電圧であり、Ｖbr1は初期減速時の高回転周波数におけるブレーキ電圧であり、Ｖbr2は減速終了近くの低回転周波数におけるブレーキ電圧であり、Ｖdclinkはｄｃリンク電圧である。
【００６０】
時間ｔ1より以前では、誘導電動機２１は、選択された動作速度で駆動される。
【００６１】
脱磁束段階
段階１：ｔ1からｔ2−電動機脱磁束段階。この段階時間は段階２と重なっており、モータリング電圧の振幅は、Ｖm1から減少して誘導電動機２１を脱磁束する。
【００６２】
ブレーキ段階
段階２：ｔ2からｔ3−ブレーキ電圧の振幅はＶbr1に増加し、制御ロジックは電流制限をより高いレベルに増加させる。
【００６３】
段階３：ｔ3からｔ4−モータリング減速は安定しており、ブレーキ電圧は一定であり、振幅Ｖbr1で安定しており、モータリング電圧は、周波数につれて予め設定された脱磁束振幅Ｖm_deflux_minまで減少する。
【００６４】
段階４：ｔ4からｔ5−ブレーキ電圧は振幅Ｖbr2に減少するが、モータリング電圧の振幅は、最小磁束レベルを維持してブレーキ後のモータリングの回復を助長するために、予め設定された最小振幅Ｖm_deflux_minに保たれる。
【００６５】
段階５：ｔ5からｔ6−モータリング電圧の振幅はＶm_pre_refluxに増加し、ブレーキモードからモータリングモードへの移行を助長する。
【００６６】
段階６：ｔ6からｔ7−ロータ速度が低下して誘導電動機２１によって正のエネルギが引き出されるのを待機する。
【００６７】
ブレーキ解除段階
段階７：ｔ7からｔ8−目標速度が事前に設定された範囲内に近づき、電動機が正のエネルギを引き出すと、ブレーキ電圧の振幅は、モータリング回復の前にゼロにまで減少する。図示するように、パラメータ値によっては、ｔ3とｔ6との間にＶbr1からＶbr2へのブレーキ解除があり得る。
【００６８】
モータリング回復段階
段階８：ｔ8からｔ9−モータリング電圧の振幅は、減速後の目標速度において、その電圧Ｖdeflux_minからその公称電圧Ｖm2に向かって増加する。
【００６９】
段階９：ｔ9からｔ10−ｄｃリンク電圧がＶdecelstopよりも予想外に高く、リンクアイドル電圧の１１５％上昇した場合、過電圧トリップ又は過電流トリップを抑制するために、再ブレーキがあり得る。これが発生すると、ブレーキ電圧の振幅が増加する。
【００７０】
段階１０：ｔ10からｔ11−ブレーキ電圧の振幅は、ｄｃリンク電圧がＶdecelstopよりも小さくなるまで維持される。
【００７１】
段階１１：ｔ11からｔ12−過電圧抑制においてブレーキを解除し、再ブレーキを終了する。ブレーキ電圧の振幅はゼロまで減少する。
【００７２】
段階１２：ｔ12からｔ13−フル磁束へのモータリング回復を続け、ブレーキ期間を終了する。モータリング電圧の振幅はＶm2に増加する。
【００７３】
図３Ｂは、電動機基準周波数がＦref_highからＦref_lowに変化するときの発電ブレーキ中の電圧周波数軌跡を示し、誘導電動機２１は、その周波数を段階的に低下させ、その電圧／周波数比を予め定めた速度で低下させ、これは、これらがＦm_deflux及びＶm_defluxに達するまで続く。
【００７４】
誘導電動機２１がその周波数をＦm_deflux_minに達するまで低下させ続ける間、一定の電圧／周波数比が維持される一方、モータリング電圧の振幅はＶm_deflux_minに保たれる。電動機周波数が更にＦm_lowまで低下すると、電動機電圧の振幅はＶm_pre_refluxまで上昇してそこにとどまり、これは、電動機周波数がおよそＦref_lowであり電動機電圧の振幅が公称電圧Ｖm2に回復するときに、ブレーキ電圧が取り除かれるまで起こる。
【００７５】
ブレーキ電圧周波数は、一定であることができ、又は一定の周波数比Ｎbrで変動し、Ｎbrは、モータリング周波数に対して８又は４であるため、結果としてその周波数は、Ｆref_high／Ｎbrから始まり、次いで電圧が上昇するにつれて低下する（すなわち、Ｎbr＝ｆm／ｆbr＝８又は４である）。その電圧は、一定Ｖbrに保たれ、その最低周波数はＦbr_minに保たれる。モータリング電圧が公称値に回復する前に、Ｖbrは、Ｆbr_minよりも大きい場合は、Ｆbr_min又はＦref_low／Ｎbrにおいてゼロに低下させることによって取り除かれる。
【００７６】
図３Ｂは、リンク電圧がＶdecelstopよりも高く充電されず、図３Ａに示した例よりも簡単な例を提示する。図３Ｂの軌跡は、図３Ａに示すように、リンク電圧がモータリング回復段階で過剰に充電されていると、より複雑になる。
【００７７】
電動機が初期目標速度Ｆref_lowに減速する前に電動機周波数がＦmot_changeにあるときに、基準速度が急にＦref_highに戻った場合、駆動装置は、電動機の磁束を増やす電動機の電圧／周波数比を公称値に上昇させることによって即座に加速し、周波数は、Ｆref_highに向けて予め定めたステップで上昇する。
【００７８】
換言すれば、減速プロセス又は停止プロセス中に、速度動作制御１７は、通常のモータリング電圧を低下させて電動機２１内の磁束レベルを減衰させ、ブレーキ機能１６が低周波数のブレーキ電圧Ｖbra及びＶbrbを発生可能にし、その結果電動機２１への実際の出力電圧は、Ｖsa＝Ｖma＋Ｖbra及びＶsb＝Ｖmb＋Ｖbrbである（図４に示すように、これはＡ相モータリング、ブレーキ、及び両方の電圧の合計を示す−図４に示すブレーキの定常状態では、モータリング電圧はブレーキ電圧よりも低い）。図５に、二相から三相への変換１４の後、パルス幅変調器１３に供給される実際の三相基本電圧を示す。
【００７９】
図３Ｃは、リンク電圧がＶdecelstopよりも高く充電されていない例を示すための、減速試験中のモータリング、ブレーキ電圧及び周波数のデータログである。分かるように、コールドポンプでの試験中、その無負荷電力はおよそ３ｋＷである。減速は滑らかであり、リンク電圧には過電圧がない。Ｉrmsはステータ電流であり、Ｖdcはｄｃリンク電圧であり、Ｆmは電動機周波数であり、Ｖm_llは電動機のライン間電圧であり、Ｖbr_llは、ブレーキのライン間電圧であり、Ｐmは駆動装置によって推定される電動機電力である。
【００８０】
従って、実施形態は速度を低下させ、これは、外部のエネルギ放出装置を必要とせずに、駆動過電圧を避けることなく、電動機内部の運動エネルギを損失して実行することが分かる。実施形態により、モータリングからブレーキへのはるかに速い状態変化が得られ、次いで回復して低速で周期的にモータリングを続ける。
【００８１】
実施形態により、ステータ周波数が変化しない場合でも、ｄｃリンク過電圧が抑制されるが、ロータは、ステータ周波数よりも速く回転している。これが起こるのは、例えば真空ポンプ内のガス圧力差「風車効果」によってロータが強制的により速く回転されるときであり、またステータ周波数がその目標値に達して安定するとき速い加速の終了時にも起こるが、ロータ速度は、大きい負荷慣性のおかげで依然として上昇する。
【００８２】
それ故、実施形態において、ブレーキ電圧は、ｄｃリンク過電圧を抑制するために調整される。実施態様では、脱磁束駆動電圧成分の周波数変化率は、追跡するロータ速度に合わせて調整される。実施態様では、脱磁束駆動電圧成分の周波数変化率は、減速時間を制御するように調整され、駆動ｄｃリンク過電圧を回避する。
【００８３】
図６は、実施形態の手法を適用しない、既存の制御回路における減速電流波形及びＤＣリンク電圧波形を示す。分かるように、１００Ｈｚから５０Ｈｚまで減速するためにおよそ１３秒かかり、ＤＣリンク電圧を通常の動作電圧よりも２２０Ｖ高い８２０Ｖまで充電し、過電圧トリップの危険がある。最大ＤＣリンク電圧が低い値に設定された場合、更に長い時間がかかる。生産推奨パラメータセットに基づいて、１つのポンプは一秒あたり３．５Ｈｚであり、他のポンプは一秒あたり１．２Ｈｚである。これらのパラメータを使用すると、速度を１００Ｈｚから５０Ｈｚまで低下させるのに、１つのポンプは１４．３秒かかり、他のポンプは４２秒かかる。
【００８４】
図７は、同じポンプに対する減速を示すが、実施形態のＡＣブレーキを使用している。１つのポンプでは、１００Ｈｚから５０Ｈｚまで減速するのに７秒かかり、時間は４６％短縮され、そのＤＣリンク電圧は、幾つかの小さなリップルは別として、通常の動作電圧よりも高く充電されず、過電圧トリップの危険はない。
【００８５】
実施形態には幾つかの利点があり、これらは、モータリング電圧を除去することなく発電ブレーキを可能にすること、ブレーキ中に通常のモータリング電圧をオフにするために外部装置を必要としないこと、外部エネルギ放出装置を必要としないこと、これにより空間及び費用を節約すること、ブレーキ動作中にロータ速度を制御及び追跡すること、結果としてモータリングからブレーキへの変化、及びモータリングへの戻りが滑らかであること、ｖ／ｆ制御又はＦＯＣ制御の何れかに適用可能なことである。
【００８６】
ブレーキ周波数及び電圧は、一般に、電動機のステータ及びロータが周期的な減速−加速動作によって過熱しないように、しかもインバータのパワーエレクトロニクス装置がその低周波電流によって過熱しないように選択する必要があり、その理由は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの熱インピーダンスは、より低い基本周波数では非常に高く、その熱容量は高い周波数よりも減少するためであることが理解されよう。
【００８７】
従って、実施形態により誘導電動機のＡＣ発電ブレーキが提供され、再生の利点を減速時間の短縮と組み合わせる一方、大きなルート真空ポンプ、又は最高の圧力において長くて遅い減速動作が過電圧トリップの危険がある他の用途のような、大きな慣性の負荷を駆動することに起因する過電圧障害の危険を防止可能である。
【００８８】
大きいルート型ブーストポンプ又はその他の用途で使用されるような一部の誘導電動機は、慣性が大きく、動作速度の変化が遅い。例えば、既存の６０００ｍ3／時の機械的ブーストポンプでは、現在速度１００Ｈｚから目標速度５０Ｈｚに変化するのに４５秒かかり、減速が速ければ駆動ＤＣリンクで過電圧トリップを生じる危険があり、結果的に目標速度に到達するまでに更に長い時間がかかる。この性能により、短期間の負荷ロックポンプサイクル又は他の状況などのより素早く減速するための要件を満たすことが困難になる。
【００８９】
既存のＤＣリンク発電ブレーキには、環境によっては適合させるのが難しく費用が増大する可能性がある、大型のエネルギ放出装置が必要である。実施形態は、代わりに運動エネルギを電動機内に内部的に放出し、それにより電動機がより素早くブレーキを作動させることが可能になる。通常のモータリング電圧が取り除かれロータが惰性運転しているときに、単相電圧又はＤＣ電圧のみを加えるブレーキとは異なり、実施形態は、低周波数のブレーキ電圧を加え、それによりロータを減速するために大きい負のすべり及びトルクが発生する一方、モータリング電圧は磁束減衰レベルで依然として加える。これは、ロータ速度を追跡し目標速度に達したときに、通常のモータリングモードに素早く回復可能にするのに役立つ。実施形態により、エネルギ放出のために回路トポロジ変化が必要となるどのような追加の外部装置を必要もなしに、簡単な制御が提供される。ブレーキ電流、トルク及び電力は、ブレーキ電圧の周波数及び大きさを変化させることにより調整され、ハードブレーキ中の不要な振動及び騒音を低減させる。
【００９０】
既存の取り組みとは異なり、実施形態では通常のモータリング電圧を取り除かず、代わりにそれを低いモータリング電圧に低下させて（一般に、その前ブレーキレベルの半分よりも低く下げて）、ブレーキ中に磁束を減衰させる。一般に、この低下は、依然として電動機が再生モードになること、及びＤＣリンクを過充電にすることを妨げず、その理由は、通常のモータリング電圧成分とロータとの間のすべりは小さく、負の量、一般におよそ−３％であるためである。再生エネルギがＤＣリンクコンデンサバンクを過充電するのを防ぐのに役立つように、負のすべりは、およそ−３００％からおよそ−３０００％であり、一般には低下したモータリング電圧成分にとって非常に重要な低周波のブレーキ電圧成分は、低下モータリング電圧成分に重ね合わせて加える。この大きな負のすべりブレーキは、再生エネルギの出力先を変え、電動機の内部で損失し、ロータに素早くブレーキをかけ、電動機を強制的に発電ブレーキモードにもたらす。
【００９１】
モータリング周波数が低い目標速度設定値に近づくときに、ブレーキ電圧成分は低下して取り除かれ、電動機はモータリングモードを滑らかに再開する。モータリング電圧の大きさが縮小すると、これは、その通常の大きさに回復する。また、モータリング電圧とロータとの間のすべりは、小さな正の量、一般におよそ３％に回復する。
【００９２】
それ故、実施形態によりＡＣ発電ブレーキが提供され、再生及びＡＣ発電ブレーキの利点を組み合わせ、ＡＣ発電ブレーキの利点は、減速時間を短縮し、最大圧力において長く遅い減速動作が過電圧トリップを危険にさらす、大きいルート真空ポンプのような大きな慣性負荷を駆動する際の過電圧障害を防ぐことが分かる。
【００９３】
モータリング電圧が取り除かれ、ロータが惰行運転しているときに、単相電圧又は直流電圧を加える他の発電ブレーキとは異なり、実施形態により低周波三相電圧が加えられ、電動機を減速するために大きな負のすべり及びトルクを発生する一方、モータリング電圧が、依然として減少した磁束レベルで、すなわち磁束を減衰させて加える。これは、ロータ速度を追跡する制御に役立ち、目標速度に達したとき通常のモータリングモードへの急速な回復が得られる。この取り組みにより、どのような外部デバイス及び／又は回路トポロジの変更やエネルギ放出もなしに、簡単な制御が得られる。ブレーキの電流、トルク及び電力は、ブレーキ周波数及び電圧の変動によって調整され、ハードブレーキに関連する不要な加熱、振動及び騒音を最小限に抑えることができる。
【００９４】
実施形態によりパワーエレクトロニクスインバータ駆動式誘導電動機のためのブレーキ方法が提供され、通常のモータリングとブレーキ成分との混合を適用して、再生と発電ブレーキとの組み合わせを発生して減速時間を短縮し、それによりＤＣリンクへのフィードバック運動エネルギ及びコンデンサバンクの電圧の過充電を回避する。実施形態において、通常のモータリング電圧成分は、電動機内の磁束を減衰させるために減少され、いくらかの容量をブレーキ電圧成分に渡すことが必要である。その平均すべりは負であるが−１０％よりも小さくなく、ブレーキ成分が取り除かれた後、通常のモータリングフル磁束動作に回復する。実施形態において、ブレーキ成分周波数は、通常のモータリング成分及び最終目標速度よりもはるかに低く、その平均の負のすべりは−１よりも小さく、その電圧の大きさは通常のモータリング成分よりも大きくなく、モータリング成分と同じ相シーケンスである。ブレーキ成分周波数は、ブレーキトルクを平滑化し、負荷に対する不要な機械的な影響を避けるために、上下に傾斜している。実施態様では、通常のモータリング電圧成分及びブレーキ電圧成分は、静止基準フレーム内で代数的に合計して混合される。実施形態では、通常のモータリング電圧成分及びブレーキ成分を発生させて、二相又は三相基準フレーム内の何れかで混合することができる。
【００９５】
実施形態は、モータリング制御を減速し次いで再開することを記載しているが、実施形態ではまた、停止するためにブレーキを作動させることもでき、その場合通常のモータリング電圧は、ブレーキ電圧よりもはるかに小さく設定する必要があり、減速速度は、より迅速に停止させるために大きくする必要がある。
【００９６】
実施形態において、三相ＡＣ発電ブレーキが実行されるが、実施形態はまた、その周波数及び角度を変化させることによってＤＣインジェクションブレーキを設けることもできる。
【００９７】
以上で示唆したように、様々な既存のブレーキ技術がある。多くの場合、要求は、電動機ロータブレーキをかけて時々停止させることであり、解決法では、ロータ速度の追跡が失われるため、長い再起動プロセスなしで、モータリングモードに再び滑らかに戻ることはできない。幾つかの方法は速度を追跡するが、これらは、高度で高性能な駆動装置で使用されるフィールド用制御でのみ使用され、より安価な一般的なＶ／Ｆ比制御と互換性がない。この実施形態により、急速な減速及び過電圧防止が得られる。実施形態により、速度追跡及び、モータリングからブレーキへ及びモータリングモードに戻るスムーズな変更が提供される。
【００９８】
幾つかの既存のブレーキ技術は、
１．ＤＣリンクエネルギ放出、チョッパーが外部エネルギ放出熱電流を調整することによってブレーキトルクを制御する。
２．ＤＣインジェクションブレーキ、電動機が駆動装置から切断された後、電動機ステータの二相にＤＣ電圧を加える。
３．単相ＡＣブレーキ方法１、単相電源を二相に加え、電動機が駆動装置から切断された後第３相は開放している。
４．単相ＡＣブレーキ方法２、単相電源を二相に加え、第３相は、三相がスター接続の場合、二相の一方と平行である。
５．単相ＡＣブレーキ方法３、単相電源をデルタで接続された開放三相の２つの端子に適加えて実際には三相は、直列接続であり単相によって給電される。
６．コンデンサブレーキ、ステータ電源を取り除き、１つ又は複数のコンデンサを、誘導発電機のような自励式の電動機端子に接続し、ロータにブレーキをかけて減速する。
７．高い負のすべりブレーキ、５５％よりも低い周波数又はおよそ−８０％のすべりを電動機に加えて停止させる。
８．二重周波数ブレーキ、一定の周波数差において、より高い逆シーケンスを加える。
９．ゼロトルク、ＦＯＣ制御における磁束脈動ブレーキ。
しかしながら、主な問題は、これらは全てのロータ速度が把握できず、ロータに１〜７で停止するためにブレーキを作動させることのみを目標とし、高速の減速目的には適さないことである。８は、速度を追跡するが、トルク及び磁石の動向が正確に分離されるＦＯＣ制御にのみ適用可能である。９は、差し込みブレーキを好み、ロータを、多くのタイプのポンプ機構で許可されていない逆方向に再始動する危険がある。
【００９９】
発明の例示的な実施形態が、添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示されたが、発明は正確な実施形態に限定されず、当業者であれば、実施形態において、添付した特許請求の範囲及びこれらの均等物によって定まる発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正が実施可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１００】
１０  ダイオード整流器
１１  コンデンサバンク
１２  インバータ
１３  パルス幅変調器
１４  二相−三相コンバータ
１５  合計ロジック
１７  速度動作制御
１８  モータリング電圧制御及び変換ブロック
２１  誘導電動機
１００  コントローラ
Ｖｓｔ、Ｖｓｓ、Ｖｓｒ  電源電圧
Ｖｄｃ  直流電圧
Ｖｍ、Ｖｍａ、Ｖｍｂ  二相モータリング電圧
Ｖｍ１、Ｖｍ＿ｄｅｆｌｕｘ＿ｍｉｎ、Ｖｍ＿ｐｒｅ＿ｒｅｆｌｕｘ、Ｖｍ２  モータリング電圧振幅
Ｆｒｅｆ＿ｈｉｇｈ、Ｆｍ＿ｄｅｆｌｕｘ、Ｆｍ＿ｃｈａｎｇｅ、Ｆｍ＿ｄｅｆｌｕｘ＿ｍｉｎ、Ｆｍ＿ｌｏｗ、Ｆｍ＿ｌｏｗ、Ｆｒｅｆ＿ｌｏｗ  モータリング電圧周波数
Ｖｂｒ、Ｖｂｒａ、Ｖｂｒｂ  ブレーキ電圧
Ｖｂｒ１、Ｖｂｒ２  ブレーキ電圧振幅
Ｆｂｒ、Ｆｂｒ＿ｍｉｎ  ブレーキ電圧周波数
Ｖｓ、Ｖｓａ、Ｖｓｂ  合計電圧
Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ  三相合計電圧
Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ  ＰＷＭ信号
【図１】
2020528729.tif 000003
【図２】
2020528729.tif 000004
【図３（Ａ）】
2020528729.tif 000005
【図３（Ｂ）】
2020528729.tif 000006
【図３（Ｃ）】
2020528729.tif 000007
【図４】
2020528729.tif 000008
【図５】
2020528729.tif 000009
【図６】
2020528729.tif 000010
【図７】
2020528729.tif 000011
【国際調査報告】
2020528729.tif 000012
2020528729.tif 000013
2020528729.tif 000014