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WO2012032571A1 - 交流電動機の回転方向検出方法及びそれを利用した交流電動機の電力変換装置 - Google Patents

交流電動機の回転方向検出方法及びそれを利用した交流電動機の電力変換装置 Download PDF

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Publication number
WO2012032571A1
WO2012032571A1 PCT/JP2010/005486 JP2010005486W WO2012032571A1 WO 2012032571 A1 WO2012032571 A1 WO 2012032571A1 JP 2010005486 W JP2010005486 W JP 2010005486W WO 2012032571 A1 WO2012032571 A1 WO 2012032571A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
motor
power
converter
timing
phase
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/005486
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
荒尾祐介
井堀敏
Original Assignee
株式会社日立産機システム
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立産機システム filed Critical 株式会社日立産機システム
Priority to JP2012532730A priority Critical patent/JP5503008B2/ja
Priority to EP10856924.5A priority patent/EP2615734B1/en
Priority to PCT/JP2010/005486 priority patent/WO2012032571A1/ja
Priority to CN201080068673.0A priority patent/CN103053109B/zh
Priority to TW100121994A priority patent/TWI469499B/zh
Publication of WO2012032571A1 publication Critical patent/WO2012032571A1/ja

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/025Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being a power interruption
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/188Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using the voltage difference between the windings

Definitions

  • the present invention relates to a power converter for converting AC power from a commercial power source into desired AC power and supplying the AC power to an AC motor, and in particular, can accurately detect the rotation direction of the AC motor at the time of restart.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for detecting the rotation direction of an alternating current motor, and a power conversion device for an alternating current motor using the same.
  • Patent Document 1 describes a method for restarting an induction motor.
  • Patent Document 2 discloses a method for converting an induced voltage from a motor into a pulse by a conversion circuit, obtaining a rotation frequency of the motor from the cycle of the converted pulse, and restarting the motor with the rotation frequency. Is described.
  • JP-A-58-99286 Japanese Utility Model Publication No. 60-038089 JP 2001-161094 A JP 2004-153911 A
  • the rotation direction output from the power converter to the AC motor when the instantaneous power failure occurs for example, a nonvolatile memory provided in the power converter, etc.
  • the rotational direction of the AC motor can be identified at the time of power recovery.
  • This method does not require the use of a plurality of pulse converters as described above, and can easily obtain the rotation speed of the AC motor, so that the AC motor can be restarted with an inexpensive circuit configuration. Is possible.
  • Patent Document 3 When the method described in the above is applied, the current command is controlled to 0 (zero) as described in Patent Document 4 above. It is difficult to control to (zero), so that restarting becomes difficult.
  • equipment such as air conditioning or water supply
  • the motor for driving a fan / pump attached to such equipment when the power is restored due to a power failure such as an instantaneous power failure, the motor In some cases, it is required to quickly return to normal operation, and the waiting time may be a problem.
  • a plurality of pulse information can be obtained.
  • the rotation frequency of the motor is determined from the pulse period of each phase
  • the voltage phase is determined from the timing of switching each pulse
  • the rotation direction of the motor is determined from the switching order of each pulse.
  • examples of the situation where the power conversion device cannot acquire the rotation direction of the AC motor include the following cases. That is, (1) This is a case where the AC motor rotates by inertia, and in this case, the power converter cannot determine the rotation direction of the AC motor. (2) Also, when an AC motor is driving a fan pump load and an abnormality such as an instantaneous power failure occurs, in this case, the AC motor is rotated in the direction opposite to the rotation direction before the instantaneous power failure May occur. In this case, even if the power conversion device stores the rotation direction command before the momentary power failure, the rotation direction of the AC motor and the rotation direction command of the power conversion device are reversed.
  • the present invention has been achieved in view of the above-described problems and problems in the prior art, and the purpose thereof is, in particular, in restarting an AC motor after an abnormality such as the instantaneous power failure described above occurs. It is an object of the present invention to provide a method of detecting the rotation direction of an AC motor that can quickly and accurately detect the rotation direction of the AC motor, and to provide a power converter for the AC motor that uses the method.
  • a smoothing capacitor that smoothes power supplied from a power source, and an inverse converter that converts DC power from the smoothing capacitor into three-phase AC power having a desired frequency.
  • a control drive unit for driving and controlling the switching elements constituting the inverse converter, and a power converter for an AC motor that supplies the converted AC power of the desired frequency to the AC motor, and an AC motor
  • a rotational direction detection method comprising: means for detecting a timing at which an alternating voltage for at least two phases selected from three-phase alternating current induced electromotive force from the alternating current motor crosses each other; and the control drive The unit configures the inverse converter according to the detected timing when supplying three-phase AC power to the AC motor again after the output of the power converter is stopped.
  • the control drive unit outputs the output of the power converter according to the magnitude of the return current detected at the timing. It is preferable to determine the rotation direction after stopping, and further, when the control driving unit drives the inverse converter at the timing, the switching element of the upper arm or the lower arm constituting the inverse converter is selected. It is preferable to drive selectively. Further, when the control drive unit drives the inverse converter at the timing, the control drive unit further corresponds to the selected two phases among the switching elements for three phases constituting the upper arm or the lower arm.
  • the switching element to be turned on is turned on and the other one-phase switching element is turned off to form a flow path for the return current only between the inverse converter and the AC motor.
  • the said control drive part drives the said reverse converter in the said timing, it respond
  • the return current detection It is preferable that a resistor for performing the above is provided in the inverse converter, and further, a resistor for detecting the return current is a shunt resistor provided in the inverse converter.
  • the control drive unit detects the magnitude of the return current at a plurality of the timings. It is preferable to determine the rotation direction after stopping the output of the power converter, or the control drive unit determines the rotation direction after stopping the output of the power converter according to the direction of the return current detected at the timing. It is preferable to determine. Further, when the control drive unit drives the inverse converter at the timing, the control drive unit may drive all the switching elements of the upper arm or the lower arm constituting the inverse converter.
  • a plurality of alternating current detectors are provided in a plurality of current flow paths between the inverter and the control converter, and the control drive unit outputs the power converter according to the direction of the return current detected by the detector at the timing. Determining the rotation direction after the stop, and the control drive unit determines the rotation direction after the output stop of the power converter according to the combination of the directions of the return currents detected in the plurality of current flow paths at the timing. It is preferable to determine.
  • the rotation direction detection of the AC motor that can quickly and accurately detect the rotation direction of the AC motor when the AC motor is restarted after an abnormality such as a momentary power failure occurs.
  • the method, and further, an AC motor power conversion device using the method can be provided, and an extremely excellent effect can be exhibited practically.
  • FIG. 1 For explaining the detection principle is an operation explanatory view showing a switching element driven at a timing t A, the current flowing through the inverter (inverter) from the motor at that time.
  • FIG. t A For explaining the detection principle is an operation explanatory view showing a switching element driven at a timing t B, the current flowing through the inverter (inverter) from the motor at that time.
  • FIG. 1 It is a flowchart figure which shows an example of the detection method of the rotation direction of the electric motor in the said Example 1.
  • FIG. It is a flowchart figure which shows an example of the determination process of the rotation direction in the detection method of the rotation direction of the electric motor shown in the said FIG.
  • It is a block diagram which shows a partial structure of the power converter device used as the modification of the said Example 1.
  • FIG. It is a block diagram which shows a partial structure of the power converter device used as the modification of the said Example 1.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram showing a switching element driven at timing t A and a current at that time in order to explain a detection principle of a modified example of the first embodiment.
  • a switching element driven at a timing t B is an operation explanatory view showing the current at that time. It is a figure which shows the modification of the current detector in the modification of the said Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the further another modification of the current detector in the modification of the said Example 1.
  • FIG. It is a block diagram which shows schematic structure of the power converter device which becomes Example 2 of this invention.
  • FIG. 9 is an operation explanatory diagram showing a switching element driven at timing t A and current at that time in order to explain the detection principle of a modification of the second embodiment.
  • FIG. 9 is an operation explanatory diagram showing a switching element driven at timing t B and a current at that time in order to explain a detection principle of a modification of the second embodiment.
  • It is a flowchart figure which shows an example of the detection method of the rotation direction of the electric motor in the said Example 2.
  • FIG. It is a block diagram which shows a partial structure of the modification of the power converter device of the electric motor used as the said Example 2.
  • this Example 1 is provided in order to detect the magnitude
  • the rotational direction of the AC electric motor is detected by using the generated resistance, that is, the shunt resistance.
  • FIG. 1 attached is a block diagram showing a circuit configuration of a power conversion apparatus according to the present invention.
  • reference numeral 1 indicates, for example, a commercial three-phase AC power supply, which is the present invention.
  • the power conversion device 2 converts power having a predetermined frequency from the power source 1 into three-phase AC power having a variable frequency, and converts the converted three-phase AC power into a power conversion device (a so-called motor, a synchronous motor). 3).
  • this power conversion device is a three-phase AC motor using a permanent magnet as a rotor.However, the motor is an example, and the present invention is not limited to this. For example, it will be apparent that the present invention is widely applicable including a three-phase AC motor by arranging a permanent magnet on the stator side.
  • the power converter 2 includes a forward converter (converter) 21 composed of a plurality of (six in this example) diodes, a smoothing capacitor 22, An inverse converter (inverter) 23 is provided.
  • the inverse converter 23 includes two IGBTs arranged corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase, that is, a total of six IGBTs, which are an upper arm 24 and a lower arm 25. As shown.
  • the shunt resistor 26 described above is connected as a current detector between the lower arm 25 and the negative (N) line constituting the power converter 2, and the power converter 2 Voltage detectors 27 and 27 are provided in part of the line for supplying three-phase AC power from the power converter 3 to the power converter 3, in this example, the U phase and the V phase.
  • control drive part 4 for driving
  • the control drive unit 4 includes a current acquisition unit 41 that detects a current flowing through the shunt resistor 26 that is the current detector, and detection signals from the voltage detection units 27 and 27 provided in the U phase and the V phase, respectively.
  • the voltage comparison part 42 for comparing these is provided.
  • the output signal from the voltage comparison unit 42 is indicated by a symbol “Pc” in the figure, and the drive unit 4 further includes a management unit to which a voltage comparison unit and a voltage comparison unit are connected.
  • the current flowing through the shunt resistor 26 is a voltage generated at both ends of the resistor, for example, via an A / D converter or the like mounted on a microcomputer (MCU) constituting the control unit or the like. After being taken in 41, it is sent to the management unit 43 as a detection value. This detected value is sent to the storage unit 46 and stored therein, for example.
  • the power conversion apparatus 2 having the detailed configuration described above normally configures the inverse converter (inverter) 23 according to a command given from the control unit 44 by, for example, vector control or the like when driving the motor 3.
  • a command given from the control unit 44 By controlling on / off of a plurality of IGBTs, AC power from the power source 1 is converted into three-phase AC power of variable frequency and supplied to the motor 3, so that the motor 3 can be driven at a desired rotational speed and torque.
  • the present invention relates to restarting of an AC motor after an abnormality such as an instantaneous power failure occurs in the power source, and in particular, rotation of the AC motor capable of quickly and accurately detecting the rotation direction of the AC motor. This relates to a technique for detecting the direction, and therefore, the description of the operation of the power conversion device 2 during the normal operation is omitted here.
  • FIG. 2A an abnormality such as a momentary power failure occurs in the power supply, and as a result, after the output of the power conversion device 2 is temporarily stopped, when the AC motor is restarted, for example,
  • the induced voltage (Vu, Vv, Vw) from the motor in a state where the AC motor 3 is rotating forward (rotation in the same direction as the rotation direction at the time of rotation driving) due to inertia immediately after the stop The waveform of the output signal Pc from the voltage comparison unit 42 is shown.
  • FIG. 2B for example, the AC motor 3 is reversely rotated (rotated in the direction opposite to the rotation direction during the rotation drive) due to reverse rotation of the fan attached to the motor.
  • the waveforms of the induced voltage (Vu, Vv, Vw) from the electric motor and the output signal Pc from the voltage comparison unit 42 are shown. In these figures, time is shown on the horizontal axis.
  • the voltage comparison unit 42 when the U-phase voltage Vu is larger than the V-phase voltage Vv (Vu> Vv), the voltage comparison unit 42 outputs a “High” level signal, while the U-phase voltage Vu is V It is assumed that it is configured in advance to output a “Low” level signal when it is smaller than the phase voltage Vv (Vu ⁇ Vv).
  • the configuration of the voltage comparison unit 42 is not limited to this, and conversely to the above, when Vu> Vv, a “Low” level signal is output, and when Vu ⁇ Vv, the “High” level is set. You may comprise so that a signal may be output.
  • the induced voltages (Vu, Vv, Vw) from the motor change to sine waves with the passage of time, respectively, and the output signal Pc of the voltage comparison unit 42
  • the induced voltages (Vu, Vv, Vw) in “forward rotation” in FIG. 2A and “reverse rotation” in FIG. 2B are the U-phase voltage Vu and V-phase voltage Vv.
  • the W-phase voltage Vw has different phases in opposite directions (that is, in the “forward rotation” state, the U-phase voltage Vu is 2 ⁇ / 3 of the V-phase voltage Vv).
  • Delay "When reversing", advance by 2 ⁇ / 3).
  • the time (timing) when the level of the output signal Pc changes from “High” to “Low” (Vu> Vv to Vu ⁇ Vv) is “t A ”.
  • the time point (timing) when changing from “Low” to “High” is defined as “t B ”.
  • FIGS. 3 (A) and 3 (B) attached show the power conversion device together with the induced voltages (Vu, Vv, Vw) and currents (Iu, Iv, Iw) of the electric motor 3 at the timing t A.
  • FIG. 3A shows a state during normal rotation of the electric motor.
  • FIG. 3 (B) shows a state of the motor during reverse rotation.
  • FIGS. 4A and 4B attached show the power conversion device 2 together with the induced voltage (Vu, Vv, Vw) and current (Iu, Iv, Iw) of the electric motor 3 at the timing t B.
  • the lower arm 25 constituting the inverse converter (inverter) 23 of the power converter 2 is shown in FIG. 3 and / or FIG. 4 at the timing t A and / or the timing t B described above.
  • it is selectively driven (hereinafter referred to as “the drive pattern of FIG. 3” or “the drive pattern of FIG. 4”), and at that time, whether or not the return current from the motor 3 flows through the shunt resistor 26. Is determined to determine whether the electric motor 3 is in a normal rotation state or a reverse rotation state.
  • the forward rotation or reverse rotation of the electric motor 3 can be determined only by one timing (timing t A or timing t B ) after the operation of the power converter 2 is resumed.
  • timing t A or timing t B the rotational speed of the electric motor 3 is easily fluctuated, so that the magnitude of the reflux current flowing through the shunt resistor 26 is also likely to change greatly. From this, it is possible to more reliably determine whether the electric motor is rotating forward or reverse by performing the above determination at a plurality of times. Note that this time, the above judgment, for example, only the timing t A or timing t B, a plurality of times, be carried out, or, including both timing t A and the timing t B, a plurality of times You may make it perform.
  • ⁇ Rotation direction detection method> a method of actually detecting (determining) the rotation direction (forward / reverse rotation) of the electric motor based on the detection principle described in detail above will be described below with reference to the attached flowchart.
  • the processing described below is executed by a microcomputer (MCU) or the like that constitutes the control unit of the drive unit 4 shown in FIG. 1, and the software for that is configured in advance for the microcomputer (or an external device). ) It shall be stored in memory.
  • MCU microcomputer
  • the timing t A or the timing t B it is determined whether the timing is the timing t A or the timing t B. That is, when the level (“High” or “Low”) of the output Pc from the voltage comparison unit 42 stored above is read and the level of the stored output Pc is “High”, the timing t A , If, on the other hand, if the level of stored Pc is "Low” will determine the timing t B. Then, the determination process of the rotation direction of the electric motor shown in FIG. 7 is executed, and the value of n is increased by one (n ⁇ n + 1) (S53).
  • the determination process of the rotation direction of the electric motor will be described in accordance with the flow of FIG. 6 attached.
  • the lower arm 25 of the inverter when it becomes a timing t A is driven by a driving pattern of FIG 3 (S61). That is, the IGBTs 251 and 252 are turned on, and the W-phase IGBT 253 is turned off.
  • a voltage appearing at both ends of the shunt resistor 26 is detected (S62), and then, for example, by comparing this voltage with a predetermined value, the return current from the electric motor exceeds the predetermined value and is applied to the shunt resistor 26. It is determined whether it has flowed (S63).
  • the current value of the shunt resistor 26 (specifically, the voltage value at both ends thereof) may be temporarily stored in a memory or the like.
  • N 3 times (S54)
  • the determination of the rotation direction of the electric motor is not limited to the above-described method, and other configurations and methods can be similarly adopted.
  • a current detector 34 or a plurality of current detectors 35 connected in parallel are used, that is, as shown in FIG.
  • the rotation direction of the electric motor can be determined in the same manner as described above by arranging it at the position of the lower arm of the inverse converter.
  • the timing for executing the determination process of the rotation direction of the electric motor is set by using the induced voltages of the U phase and the V phase.
  • the present invention is not limited to this.
  • Part of the three phases for example, the U phase and the W phase, or the V phase and the W phase may be used.
  • the switching element (IGBT) of the upper arm 24 or the lower arm 25 of the inverse converter that is selectively driven to detect the reflux current is also set appropriately according to the phase to be used. It will be obvious to those skilled in the art.
  • FIGS. 9 to 12 a modification of the first embodiment described above is shown in FIGS. 9 to 12 attached hereto.
  • this modified example first, as clearly shown in FIG. 9, in the configuration shown in FIG. 1, in particular, in the lower arm 25 of the inverse converter (inverter) 23 constituting the power converter 2. Instead, the upper arm 24 is used, and therefore the current detector (shunt resistor) 28 is connected to the upper arm 24 side.
  • Other configurations are substantially the same as described above, and detailed description thereof is omitted here.
  • the U-phase IGBTs 241 and 242 constituting the upper arm 24 are turned on, and the W-phase IGBT 243 in particular, at the timing t A described above.
  • FIGS. 11A and 11B particularly show the flow of current at the timing t B described above.
  • the upper arm 24 that constitutes the inverse converter (inverter) 23 of the power conversion device 2 is replaced with the pattern shown in FIG. ) Or a pattern shown in FIG. 11 (corresponding to the driving pattern in FIG. 5), and by detecting the current flowing in the current detector (shunt resistor) 28 at that time, In the same manner as described above, it is possible to determine the rotation state of the electric motor 3 when the power conversion device 2 is restarted, that is, whether it is a normal rotation state or a reverse rotation state.
  • the detection (determination) of the rotation direction (forward / reverse rotation) of the electric motor may be performed only once or may be performed a plurality of times.
  • the detection (determination) of the rotation direction (forward / reverse rotation) of the electric motor may be performed only once or may be performed a plurality of times.
  • FIGS. 12 and 13 attached instead of the shunt resistor 28, a current detector 54 or a plurality of current detectors 55 connected in parallel are used. As also shown, the rotation direction of the electric motor can be determined in the same manner as described above by disposing it at the position of the upper arm of the inverter.
  • one of the upper arm 24 and the lower arm 25 constituting the reverse converter (inverter) 23 of the power converter 2 is restarted when the AC motor is restarted after an abnormality such as a momentary power failure occurs.
  • the rotation direction due to the inertia of the AC motor is detected from the direction of the current flowing from the motor.
  • FIG. 14 attached herewith shows a block diagram showing a circuit configuration of the power conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the current detector (shunt resistor) 26 that constitutes a part of the inverse converter (inverter) 23 is removed and replaced with an alternating current.
  • AC current detectors 64 and 64 are provided for detecting the current flowing between the electric motor 3 and the reverse converter (inverter) 23, in particular, the U-phase and V-phase currents and their directions, and these detectors.
  • the detection signal from is input to the current acquisition unit 41.
  • this alternating current detector 64 may be comprised, for example by Hall CT or may be comprised by shunt resistance, and is arrange
  • the value is taken into the current acquisition unit 41 via, for example, an A / D converter mounted on a microcomputer (MCU) constituting the control unit, and then It is sent to the management unit 43 and the like.
  • MCU microcomputer
  • the current flowing from the inverter 23 toward the AC motor 3 is the forward current, and on the other hand, from the AC motor 3.
  • the current flowing toward the inverse converter 23 is defined as a current in the reverse direction.
  • FIGS. 15 and 16 ⁇ Principle of detecting the direction of rotation based on the direction of current from the motor>
  • FIGS. 15 and 16 the detection principle of the rotation direction in the power conversion device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
  • FIGS. 15 and 16 only one of all the switching elements of the upper arm 24 connected to the P side (+ side) or all of the switching elements of the lower arm 25 connected to the N side ( ⁇ side) is shown. Is a method for detecting the rotation direction of the electric motor.
  • FIG. 15A shows a state where the switching elements of the lower arm 25 connected to the N side are turned on at the timing t A detailed in FIG. , Represents a state in which all the switching elements of the upper arm 24 connected to the P side are turned off.
  • FIG. 15A shows a state where the switching elements of the lower arm 25 connected to the N side are turned on at the timing t A detailed in FIG. , Represents a state in which all the switching elements of the upper arm 24 connected to the P side are turned off.
  • FIG. 16A shows that at a timing t B different from the above, particularly in a state where the electric motor is rotating forward, all the switching elements of the upper arm 24 connected to the P side are turned on, This represents a state in which all the switching elements of the lower arm 25 connected to the N side are turned off.
  • FIG. 16B shows a state in which the electric motor is reversed.
  • the second embodiment attention is paid to the change in polarity of the alternating current flowing between the above-described electric motor and the inverter, and by using this, the abnormality of the alternating-current motor after an abnormality due to an instantaneous power failure occurs.
  • the direction of rotation can be detected. That is, at the timing t A or the timing t B , all the switching elements of the upper arm 24 or the lower arm 25 constituting the inverse converter 24 are turned on. At this time, the direction of the current flowing in the U phase and the direction of the current flowing in the W phase is detected by the pair of AC current detectors 64 and 64, so that the rotation direction of the motor can be detected. .
  • timing t A or timing t B the determination of the forward or reverse rotation of the motor 3 even once timing after restarting the operation of the power conversion apparatus 2
  • timing t A or timing t B the determination of the forward or reverse rotation of the motor 3 even once timing after restarting the operation of the power conversion apparatus 2
  • this is performed at a plurality of times, it will be possible to make a more reliable determination.
  • the rotation direction of the electric motor is determined based on the combination of the detected U-phase and W-phase current directions (polarity). That is, as described above, when the detected U-phase current is negative ( ⁇ ) and the W-phase current is positive (+) (“Yes” in S73), the rotation direction of the motor is positive.
  • FIG. 18 attached shows a modified example of the second embodiment.
  • the AC current detector 71 is also provided for the V phase.
  • a reflux current is generated between the electric motor and the inverse converter, and the direction of these currents (Polarity) is detected by the alternating current detector 71, and thereby the rotational direction of the electric motor is determined in the same manner as described above.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

 瞬時停電発生後の交流電動機の再起動時において、回転方向を迅速かつ正確に検出するための交流電動機の回転方向検出方法と電力変換装置を提供する。 順変換器21と、平滑コンデンサ22と、順変換器からの直流電力を所望周波数の三相交流電力に変換する逆変換器23と、当該逆変換器を構成するスイッチング素子を駆動制御するための制御駆動部4とを備え、当該変換した所望周波数の交流電力を交流電動機に供給するための交流電動機の電力変換装置における回転方向検出方法では、交流電動機からの三相の交流誘導起電力のうちU相及びV相の交流電圧が互いに交差するタイミングt又はtを検出し、当該電力変換装置の出力停止後、再度、三相交流電力を交流電動機に供給する際、検出したタイミングにより逆変換器を構成するスイッチング素子の一部を選択的に駆動して逆変換器と交流電動機との間に還流電流の流路を形成し、そして、検出した還流電流により電動機の回転方向を判定する。

Description

交流電動機の回転方向検出方法及びそれを利用した交流電動機の電力変換装置
 本発明は、商用電源からの交流電力を所望の交流電力に変換して交流電動機に供給するための電力変換装置に関し、特に、再起動時における交流電動機の回転方向を正確に検出することが可能な交流電動機の回転方向検出方法、及び、それを利用した交流電動機の電力変換装置に関する。
 従来、入力電源である商用電源からの交流電力を、電力変換装置により、所望の交流電力に変換して供給することにより交流電動機を運転している状況において、例えば、瞬時停電等の異常が発生し、その結果、当該電力変換装置から交流電動機への交流電力の出力を停止(遮断)場合、当該交流電動機を前記電力変換装置により再起動する必要がある。そして、かかる状態にある交流電動機を前記電力変換装置で再起動する際、前記電力変換装置は、惰性回転状態にある電動機の状態、例えば、電動機の回転数、誘起電圧の位相、回転方向などの情報を検出する必要がある。
 即ち、このことは、電力変換装置が、交流電動機の回転数等を含む情報が分からない状態で再起動し、その出力を交流電動機へ出力すると、当該交流電動機の回転速度が急激に変動し、又は、当該交流電動機の制御が不安定になり、その結果、過大な電流が交流電動機や電力変換装置に流れ、前記電力変換装置が過電流トリップして制御不能の状態に陥ること等の要因によるものである。
 そのため、従来では、一般に、電力変換装置への入力電源に瞬時停電等の電源異常が発生し、そのため、一旦、電力変換装置が交流電動機への出力を遮断した後において、惰性回転状態にある交流電動機を前記電力変換装置により再起動する際には、当該交流電動機の上述した回転数等の情報を正確に取得し、もって、当該交流電動機の状態に同期させて、前記電力変換装置の出力を行う必要がある。
 なお、以下の特許文献1には、誘導電動機の再始動についての方法が記載されている。また、以下の特許文献2には、電動機からの誘起電圧を変換回路によりパルスに変換し、当該変換したパルスの周期から電動機の回転周波数を得、もって、当該回転周波数により電動機を再始動する方法が記載されている。
 また、以下の特許文献3では、速度検出器や電圧検出器を用いることなく、電動機の回転数、誘起電圧の位相、そして、電動機の回転方向を検出し、もって、電力変換装置による誘導電動機の再始動を行う方法が記載されている。更に、以下の特許文献4では、上記特許文献3に記載された方法では再起動が困難となった状況において、電力変換装置が再起動可能となるまで待機し、その後、当該再起動を行う(待機時間が必要である)ことが記載されている。
特開昭58-99286号公報 実開昭60-038089号公報 特開2001-161094号公報 特開2004-153911号公報
 しかしながら、上述した従来技術においては、なお、以下に述べる課題が指摘される。
 まず、上述した瞬時停電の時間が比較的短い場合、当該瞬時停電発生時において電力変換装置が交流電動機に出力していた回転方向を、例えば、前記電力変換装置の内部に設けた不揮発性メモリ等に記憶しておくことによれば、復電時において、当該交流電動機の回転方向を識別できる。かかる方式は、上記のように複数個のパルス変換器を使用する必要はなく、簡単に、交流電動機の回転数を取得することが出来るため、安価な回路構成により、交流電動機の再起動を実現することが可能である。
 しかしながら、瞬時停電の時間が長い場合、交流電動機の誘起電圧が消滅し、前記パルス変換器により交流電動機の回転数を検出できない状況下では、交流電動機を精度よく再起動することができないという問題がある。
 また、特に、その惰性回転中においても、回転数に比例した誘起電圧(速度起電圧)を常に発生し、かつ、当該回転数の増加と共に、前記誘起電圧を増大する同期電動機において上記特許文献3に記載された方法を適用しようとする場合、上記特許文献4にも記載されているように、電流指令を0(零)に制御するため電流制御系の応答が遅い場合、実際の電流を0(零)に制御することは難しく、そのため、再起動が困難となってしまう。しかし、空調又は水道などの設備では、より具体的には、かかる設備に取り付けられたファン・ポンプを駆動するための電動機では、瞬時停電等の電源異常から復電した際には、当該電動機は、速やかに、正常動作に戻ることが要求され、前記の待機時間が問題となる場合もある。
 また、上記特許文献4に記載の方法を用いても、ファンなどの大きな慣性負荷を同期電動機で駆動する場合には、再始動が困難となる可能性がある。より具体的には、電力変換装置への入力電源に上述した瞬時停電等の電源異常が発生し、その結果、電力変換装置が同期電動機への出力を停止した後は、例えば、連結するファンにより回転されて惰性回転状態にある同期電動機は、特に、その回転数が大きな場合には、所謂、慣性負荷の効果により、その回転数が下がり難い状態となっており、かかる用途では、再始動が困難となる。かかる状態は、電動機に大きな慣性負荷が取り付けられている場合であり、例えばファン・ポンプ等の用途において、交流電動機が常に回されている場合である。また、電力変換装置内部の電流制御系の応答等が遅い場合には、誤差が大きくなる可能性がある。
 また、電動機の各相間に発生する誘起電圧を、例えば、電力変換装置内部に設けたパルス変換器によりパルスに変換することによれば、複数のパルス情報が得られる。例えば、各相のパルスの周期からは、電動機の回転周波数を、各パルスの切り替るタイミングからは、電圧の位相を、そして、各パルスの切り替る順番からは、電動機の回転方向を、それぞれ判定することができる。しかしながら、かかる方式によれば、複数個のパルス変換器が必要になることなどから、回路構成が複雑化してしまうという問題がある。
 即ち、上述した従来技術においては、電力変換装置が交流電動機の回転方向を取得できない状況として、例えば以下の場合が挙げられる。即ち、(1)交流電動機が惰性で回転している場合であり、この場合には、電力変換装置は交流電動機の回転方向を判別できない。(2)また、交流電動機がファンポンプ負荷を駆動していた状態で瞬時停電などの異常が発生した場合であり、この場合、交流電動機が瞬時停電以前の回転方向とは逆に回される状態が発生する可能性がある。なお、この場合には、電力変換装置が瞬時停電前における回転方向指令を記憶しても、交流電動機の回転方向と電力変換装置の回転方向指令は逆となってしまう。
 そこで、本発明は、上述した従来技術における課題・問題点に鑑みて達成されたものであり、その目的は、特に、上述した瞬時停電等の異常が発生した後の交流電動機の再起動において、当該交流電動機の回転方向を、迅速かつ正確に、検出することが可能な交流電動機の回転方向検出方法、更には、それを利用した交流電動機の電力変換装置を提供することをその目的とする。
 上述した目的を達成するために、本発明によれば、電源から供給された電力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサからの直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器を構成するスイッチング素子を駆動制御するための制御駆動部とを備え、当該変換した所望周波数の交流電力を交流電動機に供給する交流電動機の電力変換装置、及び、交流電動機の回転方向検出方法であって、前記交流電動機からの三相の交流誘導起電力のうちの選択された少なくとも二相分の交流電圧が互いに交差するタイミングを検出する手段を備えており、前記制御駆動部は、当該電力変換装置の出力停止後、再度、三相交流電力を前記交流電動機に供給する際、当該検出したタイミングにより前記逆変換器を構成するスイッチング素子の一部を選択的に駆動することにより、前記交流電動機の誘導起電力により、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成し、そして、当該検出した還流電流により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定する交流電動機の回転方向検出方法、及び、交流電動機の電力変換装置が提案される。
 また、本発明では、上述した交流電動機の回転方向検出方法、及び、交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて検出した還流電流の大きさにより、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することが好ましく、更には、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームのスイッチング素子を選択的に駆動することが好ましい。更には、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオンにし、他の一相のスイッチング素子をオフにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することが好ましい。又は、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオフにし、他の一相のスイッチング素子をオンにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することが好ましく、或いは、前記還流電流の検出を行うための抵抗を、前記逆変換器内に設けることが、更には、前記還流電流の検出を行うための抵抗を、前記逆変換器内に設けたシャント抵抗とすることが好ましい。
 加えて、本発明では、上述した交流電動機の回転方向検出方法、及び、交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記還流電流の大きさの検出を、複数の前記タイミングにおいて行って、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することが好ましく、又は、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて検出した還流電流の方向により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することが好ましい。更には、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームの全スイッチング素子を駆動することが、更に、前記交流電動機と前記逆変換器との間の複数の電流流路に複数の交流電流検出器を設け、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて当該検出器により検出した還流電流の方向により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することが、そして、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて複数の電流流路で検出された還流電流の方向の組み合わせにより当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することが好ましい。
 上述した本発明によれば、瞬時停電等の異常が発生した後の交流電動機の再起動において、当該交流電動機の回転方向を、迅速かつ正確に、検出することが可能な交流電動機の回転方向検出方法、更には、それを利用した交流電動機の電力変換装置が提供されると言う、実用的にも極めて優れた効果を発揮することが可能となる。
本発明の実施例1になる電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。 上記実施例1における電動機の回転方向の検出原理を説明するため、電動機の誘起電圧と電圧比較部からの出力信号Pcを示す波形図である。 検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時に電動機から逆変換器(インバータ)を介して流れる電流を示す動作説明図である。 検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時に電動機から逆変換器(インバータ)を介して流れる電流を示す動作説明図である。 上記実施例1における電動機の回転方向の検出方法の一例を示すフローチャート図である。 上記図5に示した電動機の回転方向の検出方法における回転方向の判定処理の一例を示すフローチャート図である。 上記実施例1の変形例になる電力変換装置の一部構成を示すブロック図である。 上記実施例1の変形例になる電力変換装置の一部構成を示すブロック図である。 更に、上記実施例1の変形例になる電力変換装置の構成を示すブロック図である。 上記実施例1の変形例の検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時の電流を示す動作説明図である。 上記実施例1の変形例の検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時の電流を示す動作説明図である。 上記実施例1の変形例における電流検出器の変形例を示す図である。 上記実施例1の変形例における電流検出器の更に他の変形例を示す図である。 本発明の実施例2になる電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。 上記実施例2の変形例の検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時の電流を示す動作説明図である。 上記実施例2の変形例の検出原理を説明するため、タイミングtにおいて駆動されるスイッチング素子と、その時の電流を示す動作説明図である。 上記実施例2における電動機の回転方向の検出方法の一例を示すフローチャート図である。 上記実施例2になる電動機の電力変換装置の変形例の一部構成を示すブロック図である。
 以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながらその詳細を説明する。
 本発明の第一の実施例(実施例1)の詳細について、以下に、添付の図1~図13を用いて説明する。なお、この実施例1は、瞬時停電等の異常が発生した後の交流電動機の再起動において、当該交流電動機に交流電力を供給する電力変換装置において、供給電流の大きさを検出するために設けられた抵抗、即ち、シャント抵抗を利用することにより、当該交流電動機の回転方向を検出するものである。
 まず、添付の図1は、本発明になる電力変換装置の回路構成を示すブロック図であり、この図において、符号1は、例えば、商用の三相交流電源を示しており、本発明になる電力変換装置2は、当該電源1からの所定の周波数の電力を可変の周波数の三相交流電力に変換し、当該変換した三相交流電力を電力変換装置(所謂、モータであり、同期電動機を含む)3に供給する。なお、この電力変換装置は、図からも明らかなように、永久磁石を回転子とした三相交流電動機であるが、しかしながら、当該電動機は一例であり、本発明はこれに限られることなく、例えば、固定子側に永久磁石を配置して三相交流電動機等をも含め、広く適用可能であることは明らかであろう。
 そして、図からも明らかなように、本発明になる電力変換装置2は、複数(本例では、6個)のダイオード等で構成された順変換器(コンバータ)21と、平滑コンデンサ22と、逆変換器(インバータ)23を備えている。なお、逆変換器23は、U相、V相、W相に対応して配置されたそれぞれ2個、即ち、総計6個のIGBTから構成されており、これらは上側アーム24と下側アーム25として図示されている。また、この電力変換装置2を構成する下側アーム25と負(N)側のラインとの間には、電流検出器として、上述したシャント抵抗26が接続されており、また、電力変換装置2から電力変換装置3へ三相交流電力を供給するラインの一部、本例では、U相及びV相には、それぞれ、電圧検出部27、27が設けられている。
 そして、上述した電力変換装置2を運転、即ち、逆変換器23を構成するスイッチング素子であるIGBTのオン・オフを制御するための制御駆動部4が設けられており、図からも明らかなように、当該制御駆動部4は、上記電流検出器であるシャント抵抗26に流れる電流を検出する電流取得部41と、U相及びV相にそれぞれ設けられた電圧検出部27、27からの検出信号を比較するための電圧比較部42を備えている。なお、この電圧比較部42からの出力信号は、図中に符号「Pc」で示されており、また、この駆動部4には、更に、電圧比較部と電圧比較部が接続された管理部43が設けられると共に、当該管理部には制御部44が接続されている。更に、当該管理部3には、表示・操作部45や記憶部46が接続されている。なお、シャント抵抗26を流れる電流は、当該抵抗の両端に発生する電圧として、例えば、上記制御部などを構成するマイコン(MCU)に搭載されたA/D変換器等を介して、電流取得部41に取り込まれた後、検出値として管理部43に送られる。この検出値は、例えば、記憶部46に送られて内部に記憶される。
 上記に詳細な構成を説明した電力変換装置2は、通常、電動機3を駆動する場合には、例えば、ベクトル制御などにより制御部44から与えられる指令により上記逆変換器(インバータ)23を構成する複数のIGBTのオン/オフを制御することにより、電源1からの交流電力を可変の周波数の三相交流電力に変換して電動機3に供給することにより、電動機3を所望の回転数やトルクで駆動・制御する。しかしながら、本発明は、上述したように、電源に瞬時停電等の異常が発生した後の交流電動機の再起動に関し、特に、当該交流電動機の回転方向を迅速かつ正確に検出可能な交流電動機の回転方向検出するための技術に関しており、そのため、ここでは、上記した通常動作時における電力変換装置2の動作の説明については省略する。
<電力変換装置を流れる電流値による回転方向の検出原理>
 続いて、本発明になる交流電動機の回転方向検出方法、即ち、電源に瞬時停電等の異常が発生した後における交流電動機の再起動時の挙動について、添付の図2~図4により説明する。
 まず、図2(A)には、電源に瞬時停電等の異常が発生し、その結果、電力変換装置2の出力が、一旦、停止した後において、交流電動機の再起動を行う際、例えば、停止直後の惰性等により、当該交流電動機3が正転(転駆動時の回転方向と同じ方向への回転であり)している状態における、電動機からの誘起電圧(Vu、Vv、Vw)と、そして、上記電圧比較部42からの出力信号Pcの波形を示している。一方、図2(B)には、例えば、電動機に取り付けられたファンの逆回転等を原因として、当該交流電動機3が逆転(転駆動時の回転方向と反対方向への回転)している状態における電動機からの誘起電圧(Vu、Vv、Vw)と、上記電圧比較部42からの出力信号Pcの波形を示している。なお、これらの図では、その横軸に時間を示す。また、本例では、上記電圧比較部42は、U相の電圧VuがV相の電圧Vvより大きい(Vu>Vv)時に、”High”レベルの信号を、他方、U相の電圧VuがV相の電圧Vvより小さい(Vu<Vv)時に、”Low”レベルの信号を出力するように予め構成されているものとする。なお、この電圧比較部42の構成は、これに限定されることなく、上記とは逆に、Vu>Vv時に、”Low” レベルの信号を、他方、Vu<Vv時に、”High” レベルの信号を出力するように構成してもよい。
 これらの図に示す波形からも明らかなように、電動機からの誘起電圧(Vu、Vv、Vw)は、それぞれ、時間の経過と共に、正弦波に変化し、そして、電圧比較部42の出力信号Pcは、U相の電圧VuとV相の電圧Vvが互いに交差(Vu=Vv)する時点を境にして、信号レベルを”High”から”Low”へ、そして、”Low”から”High”へと、順次、変化させる。なお、図2(A)の「正転時」と図2(B)の「逆転時」における誘起電圧(Vu、Vv、Vw)は、V相の電圧Vvに対し、U相の電圧VuとW相の電圧Vwは、互いに逆の方向に、その位相を異ならせている(即ち、「正転時」には、U相の電圧Vuが、V相の電圧Vvに対し、2π/3だけ遅れ、「逆転時」には、2π/3だけ進む)。
 その結果、電圧比較部42の出力信号Pcは、それぞれ、誘起電圧VuとVvとが交差(Vu=Vv)する時点で、”High”から”Low”へ、又は、”Low”から”High”へとそのレベルを変化させており、ここで、特に、出力信号Pcのレベルが、”High”から”Low”へ(Vu>VvからVu<Vv)へ変わる時点(タイミング)を「t」、そして、”Low”から”High”へ(Vu<VvからVu>Vvへ)変わる時点(タイミング)を「t」とする。
 次に、添付の図3(A)及び(B)には、上記タイミングtにおける、上記電動機3の誘起電圧(Vu、Vv、Vw)と電流(Iu、Iv、Iw)と共に、電力変換装置2の逆変換器(インバータ)23を構成する下側アーム25、特に、当該アームを構成する3個のスイッチング素子であるIGBT251、252、253が、シャント抵抗26と共に示されている。
 特に、図3(A)は、電動機の正転時の状態を示している。この場合、上述したタイミングtでは、上記電動機からの誘起電圧(Vu、Vv、Vw)は、Vu=Vv>Vwとなっており、そのため、下側アーム25を選択的に制御した場合、具体的には、U相及びV相のIGBT251、252をオンし、残りW相のIGBTをオフした場合、図に矢印で示すように、還流電流が、逆変換器(インバータ)23共に、シャント抵抗26を介して流れる。
 一方、図3(B)は、電動機の逆転時の状態を示しており、この場合、上述したタイミングtでは、上記電動機からの誘起電圧(Vu、Vv、Vw)は、Vu=Vv<Vwとなっており、そのため、上述と同様に、U相及びV相のIGBT251、252をオンし、残りW相のIGBTをオフしても、還流電流は流れず、シャント抵抗26の両端には電圧が発生しない。
 また、添付の図4(A)及び(B)には、上記タイミングtにおける、上記電動機3の誘起電圧(Vu、Vv、Vw)と電流(Iu、Iv、Iw)と共に、電力変換装置2の逆変換器(インバータ)23を構成する下側アーム25、特に、当該アームを構成する3個のIGBT251、252、253が、シャント抵抗26と共に示されている。
 即ち、このタイミングtでは、図4(A)に示すように、正転時に、U相及びV相のIGBT251、252をオフし、W相のIGBT253をオンすることによれば、還流電流が逆変換器(インバータ)23共にシャント抵抗26を介して流れるが、しかしながら、逆転時には、当該電流は流れない(図4(B))。
 そこで、本発明では、上述したタイミングt及び/又はタイミングtにおいて、電力変換装置2の逆変換器(インバータ)23を構成する下側アーム25を、上記図3及び/又は図4に示すパターンにより、選択的に駆動し(以下、「図3の駆動パターン」又は「図4の駆動パターン」と言う)、その時に、電動機3からの還流電流がシャント抵抗26を介して流れるか否かを判断することにより、当該電動機3が正転状態であるか、又は、逆転状態であるかを判定する。なお、上記の原理によれば、電力変換装置2の動作を再開した後の1回のタイミング(タイミングt又はタイミングt)だけでも電動機3の正転又は逆転の判定は可能であるが、しかしながら、駆動電流の停止時においては、当該電動機3の回転数は容易に変動され易く、そのため、シャント抵抗26を介して流れる還流電流の大きさも大きく変化し易い。このことから、上記の判定を、特に、複数回のタイミングで行うことによれば、電動機が正転しているか、又は、逆転しているかを、より確実に判定することが可能となる。なお、その際、上記の判定を、例えば、タイミングt又はタイミングtだけで、複数回、行うようにしても、或いは、タイミングt及びタイミングtの両者を含め、複数回に亘って行なうようにしてもよい。
 なお、上記の検出動作では、N側に接続された下側アーム25を構成するスイッチング素子(3個のIGBT251、252、253)のみを選択的に動作させ、電動機3と下側アーム25を還流する電流の大きさで、電動機の回転方向を検出するものであり、この時には、P(正)側に接続された上側アーム24を動作させないことが重要である。これは、P側に接続された上側アーム24をも同時に動作させた場合、電動機に大きな制動力がかかり、平滑コンデンサ22を介して過大な電流が電動機に流れてしまうことにより。即ち、N側に接続された下側アーム25のみを動作させるのは、平滑コンデンサ22を介さずに、電動機から下側アーム25を経由して還流する電流を、電流検出器26によって検出するためである。
<回転方向の検出方法>
 続いて、上記にその詳細を述べた検出原理により、実際に、電動機の回転方向(正転・逆転)を検出(判定)する方法について、以下に、添付のフローチャート図を使用して説明する。なお、以下に示す方法では、その一例として、上記の判定を、タイミングt及びタイミングtで3回行って、電動機の回転方向(正転・逆転)を判定(検出)する例について説明する。また、以下に述べる処理は、上記図1に示した駆動部4の制御部などを構成するマイコン(MCU)等により実行され、そのためのソフトウェアは、予め、当該マイコンを構成する(又は、外部の)メモリ内に格納されているものとする。
 まず、電力変換装置2の出力が、一旦、停止した後、再起動を行う際、図5に示すフローに従って、以下の処理を行う。なお、ここでは、説明を簡単にするため、逆変換器の下側アーム25を、上記図3の駆動パターンで駆動する場合について、以下に説明する。
 処理を開始すると、まず、電力変換装置2がその運転を再開する状態(再起動)であることを確認し(S51)、次に、上記電動機3のU相及びV相を検出する電圧検出部27、27からの検出信号を比較する電圧比較部42からの出力Pcのレベル(”High”又は”Low”)を、例えば、マイコンを構成する(又は、外部の)メモリ内に格納し、更には、処理の回数「n」を零(0)に設定して(S52)処理を終了する。
 その後、上記電圧比較部42からの出力Pcのレベルが反転した時点で、そのタイミングがタイミングt、又は、タイミングtであるかを判定する。即ち、上記で格納した電圧比較部42からの出力Pcのレベル(”High”又は”Low”)を読み出し、この格納された出力Pcのレベルが”High”である場合には、タイミングt、と、他方、格納されたPcのレベルが”Low”の場合には、タイミングtと決定する。そして、以下、図7に示す電動機の回転方向の判定処理を実行し、そして、nの値を1つだけ増加させる(n→n+1)(S53)。
 ここで、電動機の回転方向の判定処理を、添付の図6のフローに従って説明する。処理が開始すると、まず、タイミングtとなった時点で逆変換器の下側アーム25を上記図3の駆動パターンにより駆動する(S61)。即ち、IGBT251、252をオンし、W相のIGBT253をオフする。次に、シャント抵抗26の両端に現れる電圧を検出し(S62)、その後、例えば、この電圧が所定の値と比較することにより、電動機からの還流電流が所定の値を越えてシャント抵抗26に流れたか否かを判定する(S63)。その結果、シャント抵抗26に電流が流れた(図の「Yes」)場合には、電動機は正転状態であると判定し(S64)、他方、シャント抵抗26には電流が流れない(図の「No」)場合には、電動機は逆転状態であると判定し(S65)、処理を終了する。または、上記の判定に代え、シャント抵抗26の電流値(具体的には、その両端の電圧値)を、一旦、メモリ等に保存してもよい。
 そして、再び、図5に戻り、上述した図6の処理を、複数回、例えば、N=3回、繰り返す(S54)ことにより、電動機の回転方向を判定して処理を終了する。なお、本発明では、電動機の回転方向の判定は、上述した方法に限定されることなく、その他の構成や方法も、同様にして採用することが出来る。
 例えば、添付の図7及び図8には、上記のシャント抵抗26に代えて、電流検出器34を、又は、複数の並列に接続した電流検出器35を利用し、即ち、図にも示すように、逆変換器の下側アームの位置に配置することにより、上記と同様にして、電動機の回転方向を判定を行うことが出来る。
 なお、以上の説明においては、特に、電動機の回転方向の判定処理を実行するタイミングは、U相とV相の誘起電圧を利用して設定されているが、しかしながら、本発明ではこれに限らず、三相の一部、例えば、U相とW相を、又は、V相とW相を利用してもよい。なお、その場合、還流電流を検出するため選択的に駆動される逆変換器の上側アーム24又は下側アーム25のスイッチング素子(IGBT)も、当該利用される相に対応して、適宜、設定されることは、当業者であれば自明であろう。
<変形例>
 加えて、上記に述べた実施例1の変形例を、添付の図9~図12により示す。なお、この変形例では、まず、図9にも明らかなように、上記図1に示した構成において、特に、その電力変換装置2を構成する逆変換器(インバータ)23の下側アーム25に代えて、上側アーム24を利用するものであり、そのため、電流検出器(シャント抵抗)28は、上側アーム24側に接続されている。なお、その他の構成については上述したとほぼ同様であり、ここでは、その詳細な説明は省略する。
 なお、図10(A)及び(B)には、この変形例において、特に、上述したタイミングtAにおいて、上側アーム24を構成するU相のIGBT241と242をオンさせ、他方、W相のIGBT243をオフにした状態を表している。このタイミングtAでは、上述したように、正転時には、電動機の三相の起電圧は、Vu=Vv>Vwであるから、図10(A)に示すように、オン状態のIGBT241と242を介して、電流は同期電動機3のU相とV相からW相へ流れようとするが、しかしW相のIGBTがオフ状態にあるため、還流電流は流れず、即ち、電流検出器(シャント抵抗)28に流れる電流は、ほぼ0(零)となる。他方、逆転時には、図10(B)に示すように、電流は、電動機3のU相及びV相からW相へ向かって流れる。また、図11(A)及び(B)には、特に、上述したタイミングtにおける電流の流れが示されている。
 このように、この変形例においても、タイミングt及び/又はタイミングtにおいて、電力変換装置2の逆変換器(インバータ)23を構成する上側アーム24を、上記図10のパターン(上記図4の駆動パターンに対応)又は図11に示すパターン(上記図5の駆動パターンに対応)により選択的に駆動し、その時に電流検出器(シャント抵抗)28に流れる電流を検出することによれば、上記と同様にして、電力変換装置2の再起動時における電動機3の回転状態、即ち、正転状態であるか、又は、逆転状態であるかを判定することが可能となる。
 なお、この変形例においても、上記と同様、電動機の回転方向(正転・逆転)の検出(判定)を、唯1回だけ行ってもよく、又は、これを複数回行なうようにしてもよい。また、その際の具体的な検出(判定)方法としては、上記図3及び図4に示したと同様の処理を利用することが可能である。
 加えて、添付の図12及び図13には、上記のシャント抵抗28に代えて、電流検出器54を、又は、複数の並列に接続した電流検出器55を利用したものであり、即ち、図にも示すように、逆変換器の上側アームの位置に配置することにより、上記と同様にして、電動機の回転方向を判定を行うことが出来る。
 次に、本発明の他の実施例(実施例2)ついて、以下に、添付の図14~図18を用いて説明する。なお、この実施例2は、瞬時停電等の異常が発生した後の交流電動機の再起動において、電力変換装置2の逆変換器(インバータ)23を構成する上側アーム24と下側アーム25の一方を駆動した時、電動機から流れる電流の方向により、当該交流電動機の惰性などによる回転方向を検出するものである。
 添付の図14は、本発明の実施例2になる電力変換装置の回路構成を示すブロック図を示しており、この図においても、上記図1に示したと同様の構成要件については、同一の参照符号が付されており、その説明は、ここでは省略する。そして、図からも明らかなように、この実施例2になる電力変換装置では、逆変換器(インバータ)23の一部を構成する電流検出器(シャント抵抗)26を取り除き、それに替えて、交流電動機3と逆変換器(インバータ)23との間を流れる電流、特に、U相及びV相の電流とその方向を検出するための交流電流検出器64、64が設けられると共に、これらの検出器からの検出信号を電流取得部41へ入力する構成となっている。
 なお、この交流電流検出器64は、例えば、ホールCTにより構成され、或いは、シャント抵抗により構成されてもよく、同期電動機3のU相とW相の電流を検出する回路上に配置されている。これにより検出された電流の方向と共に、その値は、例えば、上記制御部を構成するマイコン(MCU)に搭載されたA/D変換器等を介して、電流取得部41に取り込まれ、その後、管理部43等に送られる。なお、かかる構成による電力変換装置としての動作や機能については上記図1に示した装置と同様であり、ここでは省略する。また、以下の説明において、交流電動機3と逆変換器23との間を流れる電流については、逆変換器23から交流電動機3へ向かって流れる電流を正方向の電流と、他方、交流電動機3から逆変換器23へ向かって流れる電流を逆方向の電流とする。
<電動機からの電流の方向による回転方向の検出原理>
 ここで、本発明の実施例2になる電力変換装置における回転方向の検出原理について、図15及び図16を参照しながら説明する。なお、これらの図では、P側(+側)に接続された上側アーム24の全スイッチング素子、又は、N側(-側)に接続された下側アーム25の全スイッチング素子の何れか一方のみを動作(オン)させ、電動機の回転方向を検出する方法を示す。
 なお、この時、上側アーム24のスイッチング素子を動作させた場合には下側アーム25のスイッチング素子を動作させないことが重要である。これは、上側アームと下側アームを同時に動作させた場合、電動機に大きな制動力がかかり、また、平滑コンデンサ22を介して過大な電流が電動機に流れてしまうからである。そして、P側に接続された上側アーム24のスイッチング素子、或いは、N側に接続された下側アーム25のスイッチング素子のうち、何れか一方のみを駆動させることにより、平滑コンデンサ22を介さずに、電動機と逆変換器との間に還流する電流を、交流電流検出器64、64によって検出することが可能となるためである。
 図15(A)は、上記図2に詳述したタイミングtにおいて、特に、電動機が正転している状態で、N側に接続された下側アーム25の全スイッチング素子をオンさせ、他方、P側に接続された上側アーム24の全スイッチング素子をオフにした状態を表している。このタイミングtでは、Vu=Vv>Vwであるから、図に矢印で示すように、電流は、電動機3のU相及びV相から流れ出し、そして、W相へ向かって流れ込む。すなわち、このタイミングtでは、電動機と逆変換器との間に流れる交流電流の極性は、U相及びV相では負の電流(電動機から流出)、そして、W相では正の電流(電動機へ流入)となる。一方、図15(B)は、電動機が逆転している状態を示し、この時には、Vu=Vv<Vwであることから、図に矢印で示すように、電流は、電動機3のW相から流れ出し、そして、U相及びV相と通って流れ込む。即ち、U相及びV相では正の電流、そして、W相では負の電流となる。
 続いて、図16(A)は、上記とは異なるタイミングtにおいて、特に、電動機が正転している状態で、P側に接続された上側アーム24の全スイッチング素子をオンさせ、他方、N側に接続された下側アーム25の全スイッチング素子をオフにした状態を表している。このタイミングtでは、Vu=Vv<Vwであるから、図に矢印で示すように、電流は、電動機3のW相から流れ出し、そして、U相及びV相へ向かって流れ込む。すなわち、このタイミングtでは、電動機と逆変換器との間に流れる交流電流の極性は、U相及びV相では正の電流(電動機へ流入)、そして、W相では負の電流(電動機から流出)となる。一方、図16(B)は、電動機が逆転している状態を示し、この時には、Vu=Vv>Vwであることから、図に矢印で示すように、電流は、電動機3のU相及びV相から流れ出し、そして、W相を通って流れ込む。即ち、U相及びV相では負の電流、そして、W相では正の電流となる。
 そこで、本実施例2では、上述した電動機と逆変換器との間に流れる交流電流の極性の変化に注目し、これを利用することにより、瞬時停電による異常が発生した後における当該交流電動機の回転方向を検出することが出来る。即ち、タイミングt又はタイミングtにおいて、逆変換器24を構成する上側アーム24又は下側アーム25のの全スイッチング素子をオンする。そして、この時にU相に流れる電流とW相に流れる電流の方向を、上記一組の交流電流検出器64、64によって検出することによれば、電動機の回転方向を検出することが可能となる。なお、上記の原理によれば、電力変換装置2の動作を再開した後の1回のタイミング(タイミングt又はタイミングt)だけでも電動機3の正転又は逆転の判定は可能であるが、しかしながら、これを複数回のタイミングで行うことによれば、より確実に判定することが可能となろう。なお、その際、上記の判定を、例えば、タイミングt又はタイミングtだけで、複数回、行うようにしても、或いは、タイミングt及びタイミングtの両者を含め、複数回行なうことも、当業者にとっては自明であろう。
<回転方向の検出方法>
 更に、上述した本実施例2になる回転方向の検出方法を採用した場合にも、上述したと同様にして(上記図5及び図6のフローを参照)実行することは可能であるが、ここでは、特に、上記図6で示した処理に替わる処理ついて、以下に、図17を参照しながら、より詳細に説明する。
 なお、本例でも、処理が開始すると、上記図5に示したフローに従い、運転再開状態(再起動)を確認し(S51)、電圧比較部42からの出力Pcのレベル(”High”又は”Low”)をメモリ内に格納し、そして、回数「n」を零(0)に設定する(S52)。その後、ステップS53においてタイミングt又はタイミングtを判定するが、その後には、以下の図17に示す処理を実行する。
 即ち、例えばタイミングtにおいて、上記逆変換器24の下側アームを構成するIGBT251~253をオンする(S71)。続いて、上記一組の交流電流検出器64、64によって検出されたU相及びW相の電流の方向(極性)を検出する(S72)。その後、これら検出されたU相及びW相の電流の方向(極性)の組み合わせにより、電動機の回転方向を判定する。即ち、上述したように、検出されたU相の電流が負(-)であり、W相の電流が正(+)の場合(S73で、「Yes」)には、電動機の回転方向は正転(S74)と、他方、U相の電流が正(+)であり、W相の電流が負(-)である場合(S75で、「Yes」)には逆転(S76)と判定して処理を終了する。即ち、複数の電流流路で検出された還流電流の方向の組み合わせにより、電動機の回転方向を、確実に、判定(検出)することが可能となる。
 加えて、添付の図18には、上記実施例2の変形例が示されており、この変形例では、図にも明らかなように、電動機3と逆変換器24との間の電流路において、上述したU相とW相に加え、更に、V相にも上記の交流電流検出器71を設けたものである。なお、この変形例においても、上記逆変換器24を構成する上側アーム又は下側アームを選択的に駆動することにより、電動機と逆変換器との間に還流電流を生成し、それら電流の方向(極性)を交流電流検出器71により検出して、それにより、電動機の回転方向を判定することは、上記と同様である。
 1…交流電源、2…電力変換装置、21…順変換器、22…平滑コンデンサ、23…逆変換器、24…上側アーム、25…下アーム、26…電流検出部(シャント抵抗)、27…電圧検出部、3…交流電動機、4…制御駆動部、41…電流取得部、42…電圧比較部、43…管理部、44…制御部、45…表示・操作部、46…記憶部、34、35、54、55…電流検出部、64、71…交流電流検出器。

Claims (24)

  1.  電源から供給される電力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサからの直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器とを備え、当該変換した所望周波数の交流電力を交流電動機に供給する電力変換装置において、当該電力変換装置の出力停止後、再度、三相交流電力を前記交流電動機に供給する際、当該交流電動機の回転方向を検出するための検出方法であって、
     前記交流電動機からの三相の交流誘導起電力のうちの選択された少なくとも二相分の交流電圧が互いに交差するタイミングを検出し、
     当該検出したタイミングにより前記逆変換器を構成するスイッチング素子の一部を選択的に駆動することにより、前記交流電動機の誘導起電力により、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成し、
     当該形成された流路に流れる還流電流を検出し、その後、
     当該検出した還流電流により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  2.  前記請求項1に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて検出した還流電流の大きさにより、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  3.  前記請求項2に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームのスイッチング素子を選択的に駆動することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  4.  前記請求項3に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオンにし、他の一相のスイッチング素子をオフにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  5.  前記請求項3に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオフにし、他の一相のスイッチング素子をオンにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  6.  前記請求項1に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記還流電流の検出を、前記逆変換器内に設けられた抵抗により行うことを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  7.  前記請求項1に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記還流電流の検出を行う抵抗として、前記逆変換器内に設けられたシャント抵抗により行うことを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  8.  前記請求項1に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記還流電流の大きさの検出を、複数の前記タイミングにおいて行って、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  9.  前記請求項1に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて検出した還流電流の方向により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  10.  前記請求項9に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームの全スイッチング素子を駆動することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  11.  前記請求項9に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて検出した還流電流を、前記交流電動機と前記逆変換器との間の複数の電流流路において行うことを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  12.  前記請求項11に記載した交流電動機の回転方向検出方法において、前記タイミングにおいて複数の電流流路で検出された還流電流の方向の組み合わせにより当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の回転方向検出方法。
  13.  電源からの電力を平滑する平滑コンデンサと、
     前記平滑コンデンサの直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器と、
     前記逆変換器を構成するスイッチング素子を駆動制御するための制御駆動部とを備え、当該変換した所望周波数の交流電力を交流電動機に供給する交流電動機の電力変換装置であって、更に
     前記交流電動機からの三相の交流誘導起電力のうちの選択された少なくとも二相分の交流電圧が互いに交差するタイミングを検出する手段を備えており、
     前記制御駆動部は、当該電力変換装置の出力停止後、再度、三相交流電力を前記交流電動機に供給する際、当該検出したタイミングにより前記逆変換器を構成するスイッチング素子の一部を選択的に駆動することにより、前記交流電動機の誘導起電力により、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成し、そして、当該検出した還流電流により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  14.  前記請求項13に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて検出した還流電流の大きさにより、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  15.  前記請求項14に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームのスイッチング素子を選択的に駆動することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  16.  前記請求項15に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオンにし、他の一相のスイッチング素子をオフにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  17.  前記請求項15に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、更に、当該上側アーム又は下側アームを構成する三相分のスイッチング素子のうち、前記選択された二相に対応するスイッチング素子をオフにし、他の一相のスイッチング素子をオンにして、当該逆変換器と当該交流電動機との間にだけ還流電流の流路を形成することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  18.  前記請求項13に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記還流電流の検出を行うための抵抗を、前記逆変換器内に設けたことを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  19.  前記請求項18に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記還流電流の検出を行うための抵抗を、前記逆変換器内に設けたシャント抵抗とすることを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  20.  前記請求項13に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記還流電流の大きさの検出を、複数の前記タイミングにおいて行って、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  21.  前記請求項13に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて検出した還流電流の方向により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  22.  前記請求項21に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて前記逆変換器を駆動する際、当該逆変換器を構成する上側アーム又は下側アームの全スイッチング素子を駆動することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  23.  前記請求項22に記載した交流電動機の電力変換装置において、更に、前記交流電動機と前記逆変換器との間の複数の電流流路に複数の交流電流検出器を設け、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて当該検出器により検出した還流電流の方向により、当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
  24.  前記請求項23に記載した交流電動機の電力変換装置において、前記制御駆動部は、前記タイミングにおいて複数の電流流路で検出された還流電流の方向の組み合わせにより当該電力変換装置の出力停止後の回転方向を判定することを特徴とする交流電動機の電力変換装置。
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