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JP2019134657A - インバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータを開示する。【解決手段】本発明の一実施形態のインバータは、インバータのＤＣリンク電圧の大きさを調節するスケール部、前記スケール部の出力とインバータの出力電圧との誤差を比例積分（ＰＩ）制御して制御信号を出力するＰＩ制御部、前記インバータの指令周波数と前記制御信号を合算する第１の演算部、及び前記第１の演算部の出力周波数からインバータの出力電圧を決定する電圧決定部を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、インバータに関する。
普通、ホイスト（ｈｏｉｓｔ）とは、電動機を用いて重い物を持ち上げる機能を有する機械装置を意味する。普通、ホイストには、系統電源を直接入力として使用できる誘導電動機が用いられる。
かかるホイスト装置に搭載された誘導電動機を商用電源で直接駆動する場合、大きい突入電流を引き起こして、誘導電動機の寿命を短縮し、単一速度でのみ制御可能であるため、普通、誘導電動機の駆動にはインバータが用いられる。
インバータは、商用電源から供給される電力を提供されて、電圧と周波数を可変して電動機に供給することで、電動機の速度を高効率で利用するように制御する一連の装置を言う。
かかるインバータをホイスト装置に用いる場合、インバータの可変電圧可変周波数（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ）機能を利用して、誘導電動機を所望の速度に駆動することができ、これによって、突入電流を防止することができる。
普通、インバータをホイスト装置に搭載して、誘導電動機を多段速で駆動する場合、低速と高速に分けて駆動する方式と２段階／３段階の運転方式を用いて使用者が所望するだけ速度を調節して駆動する方式を用いてもよい。
誘導電動機は、速度が増加するほど、逆起電力が上昇するため、さらに高い駆動電圧を必要とする。しかし、ホイスト装置を高速駆動する場合、系統の異常などによってインバータの入力電圧が低くなると、インバータから出力可能な電圧も低くなるため、誘導電動機を所望の速度で運転できなくなる問題点がある。
また、ホイストに物が持ち上げられている状態で、インバータの入力電圧が低くなると、インバータのトリップが発生して、持ち上げられていた物が墜落する事故が発生する問題点がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、ホイスト装置においてインバータの入力電圧が低くなる場合も、物が墜落するか停止せずに、所望の速度より多少低い速度で物を持ち上げるようにして、使用者の便宜性を増大して事故を防止するインバータを提供することである。
上記のような技術的課題を解決するため、本発明の一実施形態のインバータは、インバータのＤＣリンク電圧の大きさを調節するスケール部；前記スケール部の出力とインバータの出力電圧との誤差を比例積分（ＰＩ）制御して制御信号を出力するＰＩ制御部；前記インバータの指令周波数と前記制御信号を合算する第１の演算部；及び前記第１の演算部の出力周波数からインバータの出力電圧を決定する電圧決定部を含む。
本発明の一実施形態において、前記スケール部は、ＤＣリンク電圧に
を掛けて出力する第１の掛け算部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態において、前記スケール部は、前記第１の掛け算部の出力に１より小さいゲインＫを掛けて出力する第２の掛け算部をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態のインバータは、前記電圧決定部の出力である同期座標系のＱ軸電圧を静止座標系のＱ軸電圧に変換する第１の変換部；及び静止座標系のＱ軸電圧を３相電圧に変換する第２の変換部をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態のインバータは、前記インバータの出力電流の大きさによってトルクを補償する補償電圧を決定するトルクブースター；及び前記インバータの出力電流の大きさによってスリップを補償する補償周波数を決定するスリップ補償部をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態のインバータは、前記インバータの３相出力電流を静止座標系のＱ軸電流に変換する第３の変換部；及び静止座標系のＱ軸電流を同期座標系のＱ軸電流に変換する第４の変換部をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態のインバータは、前記トルクブースターから出力される補償電圧を前記電圧決定部の出力と合算する第２の演算部をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態のインバータは、前記スリップ補償部から出力される補償周波数を前記インバータの指令周波数と合算する第３の演算部をさらに含んでいてもよい。
上記のような本発明は、インバータの入力電圧が非正常に低くなる状況においても、ホイストシステムで物を持ち上げるように出力周波数を自動調整することによって、システムの安全性を確保して、使用者に便宜を提供する効果がある。
本発明の一実施形態のインバータが適用されるホイストシステムを説明するための一例示図である。 本発明の一実施形態のインバータの詳細構成を説明するための構成図である。 図２の電圧決定部が入力周波数に対応して電圧を決定することを説明するための一例示図である。 図２のスケール部の一実施形態の詳細構造図である。 本発明の一実施形態のインバータの動作を説明するためのグラフである。
本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、多様な変更を加えることができる。但し、本実施形態に対する説明は、本発明の開示を完全にして、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。
「第１」、「第２」などの用語は、多様な構成要素を説明するに使われるが、前記構成要素は、上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、当該技術分野における通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈される。
以下では、図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態によるインバータを説明する。
図１は、本発明の一実施形態のインバータが適用されるホイストシステムを説明するための一例示図である。
図面に示されているように、ホイストシステム１は、制御箱６の内部の巻上用誘導電動機２の駆動によって、ワイヤロープ４が解放されるか巻き取られてフック５が昇降または下降し、これによって、フック５に吊り下げられた物が昇降または下降するようになる。
ホイストシステム１に搭載される誘導電動機２を商用電源で直接駆動する場合、商用電源を印加する時に大きい突入電流を引き起こして、電動機２の寿命を短縮し、単一速度でのみ制御できるようになる。このため、ホイストシステム１にインバータ３が提供されて、電源供給がインバータ３によって行われるようになる。インバータ３によって電動機２に電源を供給する場合、インバータ３の可変電圧可変周波数（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ）制御方式によって、電動機２を所望の速度に駆動することができ、突入電流も防止することができる。
ホイストシステム１でインバータ３によって電動機２を多段速で駆動することは、低速と高速に分けて駆動してもよいし、又は、２段階／３段階の運転方式を用いて使用者が所望するだけ速度を調節して駆動してもよく、これは、使用者の設定によって決定することができる。このため、インバータ３とネットワークを介して繋がれる人間−機械インターフェース（ＨＭＩ）がホイストシステム１にさらに備えてもよい。
普通、電動機２は、速度が増加するほど、逆起電力が上昇するため、さらに大きい駆動電圧が要求される。もし電動機が高速駆動される場合、系統の異常などによってインバータ３の入力電圧が小さくなると、インバータ３から出力可能な電圧も低くなるため、電動機２を所望の速度に運転することができなくなる。また、インバータ３の入力電圧が低くなった場合も、同一の周波数が電動機２に印加されるため、電動機２に過負荷が発生して、フック５によって持ち上げられた物が墜落するか、又は昇下降が停止することが発生し得る。
従って、本発明は、インバータ３の入力電圧が小さくなる場合も、物が墜落するか昇下降が停止することなく、所望の速度より多少低い速度で物を昇下降させる方法を提供して、これによって、使用者の便宜性及びシステムの安全性を高めることができる。
一方、本発明の一実施形態において、電動機２とインバータ３は、簡略化して示されており、本発明は、かかる電動機２とインバータ３の配置及び形状に限定されるものではなく、ホイストシステム１の構造によって多様に構成されてもよい。
図２は、本発明の一実施形態のインバータの詳細構成を説明するための構成図である。
図面に示されているように、本発明の一実施形態のインバータ３は、周波数生成部３１、電圧決定部３２、第１〜第４の変換部３３〜３６、トルクブースター３７、スリップ補償部３８、比例積分（ＰＩ）制御部４０、スケール部４１、第１〜第４の演算部４２〜４５及びセンサー部４６を含んでいてもよい。
周波数生成部３１は、使用者が設定した電動機２の速度である指令周波数を生成する。電圧決定部３２は、入力される周波数に対応する電圧を決定する。
図３は、図２の電圧決定部３２が入力周波数に対応して電圧を決定することを説明するための一例示図である。
図面に示されているように、本発明の一実施形態の電圧決定部３２は、ＶＶＶＦ制御によって入力周波数に対する出力電圧を決定する。
図２において、第１の変換部３３は、第３の演算部４４の出力である同期座標系のＱ軸電圧ＶｑｓｅＲＥＦを静止座標系に変換して、第２の変換部３４は、静止座標系のＱ軸電圧を３相電圧に変換する。第２の変換部３４から出力される３相電圧は、インバータ３の出力として電動機２に入力される。
センサー部４６は、例えばＣＴ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）としてインバータ３から電動機２に出力される電流を検出することができる。
第３の変換部３５は、インバータ３から電動機２に出力されて、センサー部４６によって検出される３相電流を静止座標系のＱ軸電流に変換して、第４の変換部３６は、静止座標系のＱ軸電流を同期座標系のＱ軸電流に変換する。
第１の変換部３３が同期座標系のＱ軸電圧を静止座標系に変換する場合と、第４の変換部３６が静止座標系のＱ軸電流を同期座標系に変換する場合、第１の変換部３３及び第４の変換部２６は、電圧決定部３２の入力である入力周波数を積分部３９の積分した値（角）を利用してそれぞれ座標系の変換を行う。静止座標系の物理量である
及び
を同期座標系の物理量である
及び
に変換する数式は、次のとおりである。

このとき、
であり、
は、電圧決定部３２に印加される入力周波数を表す。
トルクブースター３７は、周波数が低い場合、電動機２の固定子抵抗による電圧降下によって、電動機２の磁化インダクタンスに電圧が小さく印加されて、これによって、回転子にも小さい電流が流れるようになり、大きいトルクを出せない問題点を解決するための構成であり、トルクブースター３７は、Ｑ軸電流の大きさによって補償電圧を決定して、これを第３の演算部４４に提供する。この補償電圧によってトルクが増加する。
トルクブースター３７が決定する補償電圧Ｖboostは、次の式によって決定される。
このとき、Ｖratedは定格電圧、Ｉratedは定格電流、Ｆratedは定格周波数、Ｆsl,ratedは定格スリップ周波数であり、Ｉqsは第４の変換部３６から提供されるＱ軸電流である。
スリップ補償部３８は、第４の変換部３６からＱ軸電流を受信して、Ｑ軸電流の大きさによって補償周波数を決定する。普通、電動機２に負荷が印加されると、電動機２の回転子の周波数が低くなるが、この低くなった周波数をスリップ周波数と言う。スリップ周波数の大きさは、負荷の大きさに比例して、負荷の大きさは、電流の大きさにおよそ比例する。従って、スリップ補償部３８は、下記の数式２のように、補償周波数を決定して、周波数生成部３１から出力される周波数を補償する。
このとき、Ｆcompは補償周波数である。
スケール部４１は、インバータ３のＤＣリンク電圧を受信して、インバータ３から出力可能な最大電圧に大きさを変換することができる。インバータ３は、商用電源７を受信して整流部４８がこれを整流し、整流した電圧をＤＣリンクキャパシター（未図示）に貯蔵するが、本発明の一実施形態のＤＣリンク電圧測定部４７は、このようなＤＣリンクキャパシターに貯蔵されるＤＣリンク電圧を測定して、スケール部４１に提供する。
図４は、図２のスケール部の一実施形態の詳細構造図である。
図面に示されているように、本発明の一実施形態のスケール部４１は、第１の掛け算部４１１及び第２の掛け算部４１２を含んでいてもよい。
インバータ３の線形変調の最大値は
である。従って、第１の掛け算部４１１は、入力されるＤＣリンク電圧に
を掛けて
を出力することができる。
第２の掛け算部４１２は、第１の掛け算部４１１の出力に微細調整のためのゲインＫを掛けて出力する。Ｋは、インバータ３の内部素子の電圧降下などによるマージンを考慮して使用者が設定できる値であり、１より小さい値である。
第４の演算部４５は、スケール部４１の出力とＱ軸電圧指令を受信して、スケール部４１の出力からＱ軸電圧指令を差し引くことができる。Ｖ／Ｆ制御でＤ軸電圧指令は０であるため、Ｑ軸電圧指令は、インバータ３の出力電圧と同様である。
ＰＩ制御部４０は、第４の演算部４５の出力を受信して、制御信号を出力することができる。具体的には、ＰＩ制御部４０は、第４の演算部４５から出力されるＤＣリンク電圧とＱ軸電圧指令の誤差信号（すなわち、第４の演算部４５の出力）を積分して、誤差に対する比例積分制御値を出力する。
本発明の一実施形態のインバータ３の動作を説明する。
第４の演算部４５は、ＤＣリンク電圧測定部４７により測定されたＤＣリンク電圧をスケーリングした値（スケール部４１の出力）からＱ軸電圧指令（インバータの出力電圧）を差し引いた値を出力してＰＩ制御部４０に提供する。
このとき、商用電源７の非正常動作によってインバータ３の入力電圧が低くなった場合、ＤＣリンク電圧測定部４７により測定されるＤＣリンク電圧が低くなる。これによって、スケール部４１の出力がインバータの出力電圧であるＱ軸電圧指令より小さくなる場合、ＰＩ制御部４０の出力制御信号は負となる。
周波数生成部３１の出力である指令周波数とスリップ補償部３８の出力である補償スリップ周波数との和が、第１の演算部４２によって決定されて、ＰＩ制御部４０の出力制御信号が、第２の演算部４３によって第１の演算部４２の出力と合算されて出力周波数が決定されると、電圧決定部３２は、当該第２の演算部４３の出力周波数に対応する出力電圧を決定してもよい。このように、決定した出力電圧が、第１及び第２の変換部３３、３４によって３相電圧に変換されて電動機２に印加される。
すなわち、ＰＩ制御部４０の負の制御信号によって電圧決定部３２に印加される出力周波数が小さくなり、これによって、出力電圧が小さくなると、図３のようなＶ／ｆパターンによって電動機２に印加される電圧も小さくなる。
従って、本発明の一実施形態によれば、インバータ３の出力電圧を
以内に制御することができる。
図５は、本発明の一実施形態のインバータの動作を説明するためのグラフであって、チャンネル１（５Ａ）は、インバータの入力電圧、チャンネル２（５Ｂ）は、周波数生成部３１の出力、チャンネル３（５Ｃ）は、第２の演算部４３の出力、チャンネル４（５Ｄ）は、インバータ３の出力のＱ軸電流を表すものである。
チャンネル１を確認すると、インバータ３の入力電圧が定格電圧（２２０Ｖ）より小さい電圧（１８７Ｖ）に低くなった場合も（５Ａ）、周波数生成部３１の出力は、一定して維持することが分かる（５Ｂ）。
本発明のＰＩ制御部４０の出力制御信号によって第２の演算部４３の出力周波数が小さくなり（５Ｃ）、これは、周波数生成部３１によって生成された指令周波数より出力周波数が小さくなることが分かる。
チャンネル４のＱ軸電流指令を確認すると、インバータ３の入力電圧が小さくなると、電動機２の過負荷によってインバータ３のＱ軸電流が大きくなるが、本発明の一実施形態によれば、Ｑ軸電流が一定水準を維持することが分かる。
すなわち、本発明のインバータ３によれば、高速でも電圧不足によるＱ軸電流の増加なしに、出力周波数を減少して、インバータ３の入力電圧に合わせて出力周波数を調整することで、円滑な運転が可能であることが分かる。
このように、本発明の一実施形態によれば、インバータ３の入力電圧が非正常に低くなる状況においても、ホイストシステム１で物を持ち上げるように出力周波数を自動調整することによって、システムの安全性を確保して、使用者に便宜を提供する。
以上にて、本発明による実施形態を説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解することができる。従って、本発明の真の技術的な保護範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。

Claims (8)

  1. インバータのＤＣリンク電圧の大きさを調節するスケール部；
    前記スケール部の出力とインバータの出力電圧との誤差を比例積分（ＰＩ）制御して制御信号を出力するＰＩ制御部；
    前記インバータの指令周波数と前記制御信号を合算する第１の演算部；及び、
    前記第１の演算部の出力周波数から前記インバータの出力電圧を決定する電圧決定部を含むインバータ。
  2. 前記スケール部は、
    前記ＤＣリンク電圧に
    を掛けて出力する第１の掛け算部を含む、請求項１に記載のインバータ。
  3. 前記スケール部は、
    前記第１の掛け算部の出力に１より小さいゲインＫを掛けて出力する第２の掛け算部をさらに含む、請求項２に記載のインバータ。
  4. 前記電圧決定部の出力である同期座標系のＱ軸電圧を静止座標系のＱ軸電圧に変換する第１の変換部；及び、
    前記静止座標系のＱ軸電圧を３相電圧に変換する第２の変換部をさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のインバータ。
  5. 前記インバータの出力電流の大きさによってトルクを補償する補償電圧を決定するトルクブースター；及び、
    前記インバータの出力電流の大きさによってスリップを補償する補償周波数を決定するスリップ補償部をさらに含む、請求項４に記載のインバータ。
  6. 前記インバータの３相出力電流を静止座標系のＱ軸電流に変換する第３の変換部；及び、
    前記静止座標系のＱ軸電流を同期座標系のＱ軸電流に変換する第４の変換部をさらに含む、請求項５に記載のインバータ。
  7. 前記トルクブースターから出力される前記補償電圧を前記電圧決定部の出力と合算する第２の演算部をさらに含む、請求項５又は請求項６に記載のインバータ。
  8. 前記スリップ補償部から出力される前記補償周波数を前記インバータの指令周波数と合算する第３の演算部をさらに含む、請求項５〜請求項７のいずれかに記載のインバータ。
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