JP2016167966A

JP2016167966A - 負荷適応型ブースト電圧を供給するインバータ

Info

Publication number: JP2016167966A
Application number: JP2016017823A
Authority: JP
Inventors: ヒョチンキム; Hyojin Kim
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2016-09-15
Also published as: CN105978438B; KR101750609B1; ES2899725T3; CN105978438A; KR20160109136A; EP3068036A1; US20160268946A1; EP3068036B1; US9685899B2

Abstract

【課題】負荷量及び負荷状態によってインバータ駆動時の出力電圧を自動で調整し、初期運転時に過電流により発生し得る故障や事故を予防することができるインバータを提供する。【解決手段】本発明による負荷適応型ブースト電圧を供給して誘導電動機３を駆動するインバータ２は、所定の電圧・周波数関係に基づいて指令周波数に応じて指令電圧を決定する指令電圧決定部２１０と、指令電圧により誘導電動機３を駆動するインバータ部２３０と、インバータ部２３０から誘導電動機３への出力電流の大きさに応じて、自動トルクブースト電圧値を決定する自動トルクブースト電圧演算部２５０とを含み、指令電圧決定部２１０は、指令電圧に予め設定されたマニュアルブースト電圧値と自動トルクブースト電圧値を追加加算して最終指令電圧として出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷適応型ブースト電圧を供給するインバータに関する。より詳細には、本発明は、負荷量及び負荷状態によってインバータ駆動時の出力電圧を自動で調整し、初期運転時に過電流により発生し得る故障や事故を予防することができるインバータに関する。

インバータは、供給された直流電源をスイッチング素子により交流電源に変換してその交流電源を誘導電動機に供給して誘導電動機を駆動する手段である。

インバータは、パルス幅変調（Pulse Width Modulation: PWM）信号を発生し、パルス幅変調信号によりスイッチング素子を制御して交流電源を生成し、パルス幅変調信号のパルス幅を制御して交流電源の電圧及び周波数を変化させることにより、誘導電動機のトルク及び回転速度を自由に変換する。

一方、誘導電動機は、ファンやポンプなどの分野からクレーンやエレベータなどの巻き上げ負荷に至るまで、様々な分野で用いられる電動機である。

図５は一般的なインバータシステムの概略図である。

インバータ２は、三相電源１から電源が供給され、供給された電源を所定の電圧及び周波数に変換して誘導電動機３を駆動する。

インバータ２は、例えば、２レベルインバータであってもよく、３レベル以上のマルチレベルインバータであってもよい。

インバータを用いてエレベータ負荷を駆動する上で、開ループ（open loop）制御方法でインバータを制御する場合は、初期駆動時に出力電圧が不足してインバータに過電流が流れることでインバータに故障が発生したり、瞬間的にエレベータが揺れてエレベータに搭乗した乗客に不安感を与えることがある。

このような問題を防止するためにマニュアルブースト方法が提案されている。

マニュアルブースト方法は、使用者が設定した値をブースト値にして運転する方式であって、図６に示すように、低速領域ではブーストする量を多くし、高速領域ではブーストする量を少なくする方法であり、ブースト電圧量が出力周波数に反比例するように設定してもよい。

しかし、このようなマニュアルブースト方法においては、低速領域でトルクが不足したり、使用者の設定量によっては必要以上のトルクが加わることがある。また、マニュアルブースト方法においては、ブースト電圧の印加が負荷量に関係なく行われるので、負荷量によっては出力電圧が不足したり過剰になることがある。

本発明の技術的課題は、負荷適応型ブースト電圧を供給するインバータを提供することにある。

本発明の他の技術的課題は、負荷状態によってインバータ初期駆動時の出力電圧量を自動で調整し、初期運転時に過電流により発生し得る故障や事故を予防することにある。

本発明のさらに他の技術的課題は、エレベータ負荷に適用される場合、初期駆動時にエレベータかごが揺れるなどの現象を防止し、エレベータ搭乗者の不安感を和らげることにある。

本発明のさらに他の技術的課題は、負荷量によってインバータ駆動時の出力電圧量を自動で調整すると共に、自動出力電圧ブースト制御器の負荷分担率を下げることにある。

上記技術的課題を解決するために、本発明による負荷適応型ブースト電圧を供給して誘導電動機を駆動するインバータは、所定の電圧・周波数関係に基づいて指令周波数に応じて指令電圧を決定する指令電圧決定部と、前記指令電圧により前記誘導電動機を駆動するインバータ部と、前記インバータ部から前記誘導電動機への出力電流の大きさに応じて、自動トルクブースト電圧値を決定する自動トルクブースト電圧演算部とを含み、前記指令電圧決定部は、前記指令電圧に予め設定されたマニュアルブースト電圧値と前記自動トルクブースト電圧値を追加加算して最終指令電圧として出力する。

一実施形態において、前記インバータは、前記指令電圧決定部の出力電圧を静止座標系上の電圧に変換して前記インバータ部に供給する静止座標系変換部をさらに含むことが好ましい。

一実施形態において、前記インバータは、前記インバータ部から前記誘導電動機への出力電流の大きさを検出する電流検出部をさらに含むことが好ましい。

一実施形態において、前記自動トルクブースト電圧値（Ｖｂｏｏｓｔ＿ａｕｔｏ）は、下記数式１により演算されることが好ましい。

ここで、Ｖｐ＿ｒａｔｅｄはモータ定格スリップによる相電圧値、Ｇｂｏｏｓｔはブースト電圧ゲイン、｜ｉｏ｜は出力電流の大きさ、｜ｉｒａｔｅｄ＿ｍｏｔｏｒ｜はモータ定格出力電流である。

一実施形態において、前記インバータは、前記誘導電動機が力行モードであるか回生モードであるかを検知する負荷状態検知部をさらに含むことが好ましい。

一実施形態において、前記誘導電動機が前記力行モードの場合は、前記ブースト電圧ゲインが力行用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｍｏｔｏｒ）に設定されることが好ましい。

一実施形態において、前記誘導電動機が前記回生モードの場合は、前記ブースト電圧ゲインが回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）に設定されることが好ましい。

このような本発明においては、負荷量によってインバータ駆動時の出力電圧量を自動で調整できるという利点がある。

これにより、本発明は、インバータ初期運転時に過電流により発生し得る故障や事故を予防することができ、インバータのトリップや誘導電動機のストールなどを防止することができる。

また、本発明は、エレベータ負荷などに適用される場合、初期駆動時にエレベータかごが揺れるなどの現象を防止し、エレベータ搭乗者の不安感を和らげることができる。

本発明の一実施形態による負荷適応型ブースト電圧を供給するインバータの構成図である。負荷力行状態におけるインバータ出力電圧と周波数の関係を示すグラフである。負荷回生状態におけるインバータ出力電圧と周波数の関係を示すグラフである。本発明の一実施形態によるインバータ制御方法を示すフローチャートである。一般的なインバータシステムの概略図である。インバータのマニュアルブースト制御方法を説明するための図である。一般的なインバータ運転における出力電圧と周波数の関係を示すグラフである。

本発明は、様々な変更が可能であり、様々な実施形態を有するが、特定の実施形態を図面に示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい一実施形態について詳細に説明する。図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付す。

図１は本発明の一実施形態による負荷適応型ブースト電圧を供給するインバータ２の構成図である。図１に示すように、本実施形態によるインバータ２は、指令電圧決定部２１０、静止座標系変換部２２０、インバータ部２３０及び自動トルクブースト電圧演算部２５０を含む。

指令電圧決定部２１０は、指令周波数から同期座標系上のインバータ２の指令電圧を決定する。このとき、指令電圧決定部２１０は、図７のように予め定められた電圧・周波数関係に基づいて指令電圧を決定し、所定の場合（例えば、大きな起動トルクが要求される場合、負荷変動が大きい場合など）、自動トルクブースト電圧演算部２５０の動作によって指令電圧を決定するようにしてもよい。

静止座標系変換部２２０は、指令電圧決定部２１０の出力電圧を静止座標系上の出力電圧に変換する。インバータ２は、電圧型インバータであって、静止座標系上の指令電圧により誘導電動機３に三相電圧を印加するようにしてもよい。

インバータ部２３０は、指令電圧により誘導電動機３を駆動する。インバータ部２３０は、ＰＷＭ変調部（図示せず）を含み、ＰＷＭ変調部は、ＰＷＭ信号を演算する制御部と、制御部により演算されたＰＷＭ信号を用いて誘導電動機３への出力電圧をスイッチングするスイッチング部とを含むようにしてもよい。また、インバータ部２３０は、ＳＭＰＳ（Switch Mode Power Supply）（図示せず）をさらに含んでもよい。ＳＭＰＳは、所定の駆動電圧以上となると動作を開始し、半導体素子のスイッチングプロセッサを用いて電力の流れを制御することにより、インバータの駆動、保護及び／又は検知などに用いられる電源を生成する。

一方、本実施形態によるインバータ２は、電流検出部２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃをさらに含んでもよい。電流検出部２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃは誘導電動機３とインバータ２間の相電流を検出し、電流検出部２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃにより検出された電流は自動トルクブースト電圧演算部２５０に供給される。

自動トルクブースト電圧演算部２５０は、インバータ出力電流ｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓから自動トルクブースト電圧値Ｖｂｏｏｓｔ＿ａｕｔｏを決定する。

以下、自動トルクブースト電圧演算部２５０の動作を中心に説明する。

自動トルクブースト電圧演算部２５０は、インバータ出力電流の大きさに基づいて自動トルクブースト電圧値を決定するが、具体的には下記数式１により自動トルクブースト電圧値を決定する。

ここで、Ｖｂｏｏｓｔ＿ａｕｔｏは自動トルクブースト電圧値、Ｖｐ＿ｒａｔｅｄはモータ定格スリップによる相電圧値、Ｇｂｏｏｓｔはブースト電圧ゲイン、｜ｉｏ｜は出力電流の大きさ、｜ｉｒａｔｅｄ＿ｍｏｔｏｒ｜はモータ定格出力電流である。Ｇｂｏｏｓｔには、負荷の動作状態によって力行用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｍｏｔｏｒ）と回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）が選択的に適用される。

これに関連して、本実施形態によるインバータ２は、負荷状態検知部（図示せず）をさらに含んでもよい。負荷状態検知部は、エレベータ負荷のように、力行（モータリング）状態と回生（ジェネレーティング）状態の両方を有する負荷に適用され、負荷が力行状態であるか回生状態であるかを検知する。負荷状態検知部により検知された負荷状態によって、力行状態の場合は上記数式１に力行用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｍｏｔｏｒ）が適用され、回生状態の場合は上記数式１に回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）が適用され、負荷状態によって出力電圧及び制御方法が異なる。

図２は負荷力行状態（モータリング領域）におけるインバータ出力電圧と周波数の関係を示すグラフである。図２においては、負荷がなく、ブースト量が設定されていない場合（ａ）、負荷がなく、マニュアルブースト電圧が設定されている場合（ｂ）、及び本発明によりモータ定格電流に相当する負荷が印加され、自動トルクブースト電圧値が適用された場合（ｃ）における電圧と周波数の関係を示すグラフが示されている。また、インバータ運転指令信号（ｄ）、出力電流（ｅ）及び自動トルクブースト電圧（ｆ）のグラフが示されている。

負荷がなく、ブースト量が設定されていない場合（ａ）は、周波数が高くなるにつれて電圧が線形に増加する。また、負荷がなく、マニュアルブースト電圧が設定されている場合（ｂ）は、低速において所定の電圧比率による出力電圧値に使用者の設定によるマニュアルブースト電圧値が加算され、周波数が高くなるにつれて加算されるマニュアルブースト電圧値が減少し、基底周波数ｆｂに到達すると加算されるマニュアルブースト電圧値が０となる。

それに対して、モータ定格電流に相当する負荷が印加され、自動トルクブースト電圧値が適用された場合（ｃ）は、負荷に応じて自動で演算された自動トルクブースト電圧値が出力電圧値に加算される。図２の実施形態においては、自動トルクブースト電圧値が使用者の設定によるマニュアルブースト電圧値に加えられて出力電圧値に加算されて出力される例を示しているが、使用者の設定によっては自動トルクブースト電圧値のみ出力電圧値に加算されるようにしてもよい。

一方、図３は負荷回生状態（ジェネレーティング領域）におけるインバータ出力電圧と周波数の関係を示すグラフである。図３においては、負荷がなく、ブースト量が設定されていない場合（ａ）、負荷がなく、マニュアルブースト電圧が設定されている場合（ｂ）、及び本発明によりモータ定格電流に相当する負荷が印加され、自動トルクブースト電圧値が適用された場合（ｃ）における電圧と周波数の関係を示すグラフが示されている。

ジェネレーティング領域での動作は、モータリング領域での動作に類似しているが、ブースト電圧ゲインとして回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）が適用される。以下、図４を参照して本発明の一実施形態によるインバータ制御方法について説明する。

図４に示すように、まず、誘導電動機へのインバータ出力電流を検出する（Ｓ１００）。次に、検出されたインバータ出力電流の大きさに応じて、自動トルクブースト電圧値を計算する（Ｓ１１０）。次に、計算された自動トルクブースト電圧値をインバータの指令電圧に加算して最終指令電圧（補償指令電圧）を生成する（Ｓ１２０）。ここで、使用者により予め設定されたマニュアルブースト電圧をさらに加算して最終指令電圧を生成するようにしてもよい。最終指令電圧が生成されると、ＰＷＭ変調して誘導電動機に出力する（Ｓ１３０）。

ここで、下記数式１により、出力電流の大きさに応じて自動トルクブースト電圧値を計算することができる。

一方、本発明の一実施形態によるインバータ制御方法は、誘導電動機が力行モードであるか回生モードであるかを検知するステップをさらに含んでもよい。誘導電動機が力行モードの場合は、上記数式１のブースト電圧ゲインを力行用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｍｏｔｏｒ）に設定し、誘導電動機が回生モードの場合は、上記数式１のブースト電圧ゲインを回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）に設定するようにしてもよい。

このような本発明においては、負荷量及び負荷状態によってインバータ駆動時の出力電圧を自動で調整し、初期運転時に過電流により発生し得る故障や事故を予防することができ、エレベータ負荷などに適用される場合、エレベータかごが揺れるなどの現象を防止し、エレベータ搭乗者の不安感を和らげることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これは単なる例示にすぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であればこれから様々な変形及び均等な実施形態が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により定められるべきである。

２インバータ
２１０指令電圧決定部
２２０静止座標系変換部
２３０インバータ部
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ電流検出部
２５０自動トルクブースト電圧演算部
３誘導電動機

Claims

負荷適応型ブースト電圧を供給して誘導電動機を駆動するインバータにおいて、
所定の電圧・周波数関係に基づいて指令周波数に応じて指令電圧を決定する指令電圧決定部と、
前記指令電圧により前記誘導電動機を駆動するインバータ部と、
前記インバータ部から前記誘導電動機への出力電流の大きさに応じて、自動トルクブースト電圧値を決定する自動トルクブースト電圧演算部と、を含み、
前記指令電圧決定部は、前記指令電圧に予め設定されたマニュアルブースト電圧値と前記自動トルクブースト電圧値を追加加算して最終指令電圧として出力する、インバータ。
前記指令電圧決定部の出力電圧を静止座標系上の電圧に変換して前記インバータ部に供給する静止座標系変換部をさらに含む、請求項１に記載のインバータ。
前記インバータ部から前記誘導電動機への出力電流の大きさを検出する電流検出部をさらに含む、請求項１に記載のインバータ。
前記自動トルクブースト電圧値（Ｖｂｏｏｓｔ＿ａｕｔｏ）は、下記数式

により演算され、ここで、Ｖｐ＿ｒａｔｅｄはモータ定格スリップによる相電圧値、Ｇｂｏｏｓｔはブースト電圧ゲイン、｜ｉｏ｜は出力電流の大きさ、｜ｉｒａｔｅｄ＿ｍｏｔｏｒ｜はモータ定格出力電流である、請求項１に記載のインバータ。
前記誘導電動機が力行モードであるか回生モードであるかを検知する負荷状態検知部をさらに含む、請求項４に記載のインバータ。
前記誘導電動機が前記力行モードの場合は、前記ブースト電圧ゲインが力行用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｍｏｔｏｒ）に設定される、請求項５に記載のインバータ。
前記誘導電動機が前記回生モードの場合は、前記ブースト電圧ゲインが回生用ブースト電圧ゲイン（Ｇｂｏｏｓｔ＿ｇｅｎ）に設定される、請求項５に記載のインバータ。