特許 7048419 インバータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】インバータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220329BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20220329BHJP

   H02P 6/18 20160101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 L

H02P27/06

H02P6/18

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018103506

(22)【出願日】2018-05-30

(65)【公開番号】P2019208333

(43)【公開日】2019-12-05

【審査請求日】2021-03-31

(73)【特許権者】

【識別番号】302038844

【氏名又は名称】東芝シュネデール・インバータ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】特許業務法人 サトー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北岡 幸樹

(72)【発明者】

【氏名】陳 建峰

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－００６４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３４５６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１１１４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５１２１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ６／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路を介して前記モータをセンサレスベクトル制御する制御部と、
駆動条件に応じて定まる前記モータの動作点が、前記センサレスベクトル制御を維持できなくなるおそれがある維持不能領域に至ったか否かを判断する駆動条件判断部と、
この駆動条件判断部が、前記動作点が前記維持不能領域に至ったと判断すると、前記制御部による前記モータの制御を停止させ、一定期間が経過した後に前記モータを再始動させる再始動処理を実行させる再始動処理部とを備えるインバータ装置。

【請求項2】

前記再始動処理部は、前記再始動処理を、前記駆動条件判断部が、前記動作点が前記維持不能領域から脱したと判断するまで繰り返し実行する請求項１記載のインバータ装置

【請求項3】

前記駆動条件判断部は、前記モータに通電される電流が、予め設定された電流制限レベル未満の電流値を超えており、且つ、前記センサレスベクトル制御において推定される前記モータの速度又は一次周波数の符号が駆動方向の符号と異なる状態が、予め設定された一定期間以上観測された際に、前記維持不能領域に至ったと判断する請求項１又は２記載のインバータ装置

【請求項4】

前記一定期間の長さを、ユーザが設定するための設定部を備える請求項１から３の何れか一項に記載のインバータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、インバータ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、インバータ装置において実行されるセンサレスベクトル制御では、駆動周波数がゼロに近くなる領域，図８や例えば特許文献１の図２等に示すように、駆動周波数=０Ｈｚの直線近傍においてトルクが比較的高くなる領域では、原理的にモータの状態が観測不能となり、制御状態を維持できなくなることがある。そして、インバータ装置においては、モータ制御の動作点がセンサレスベクトル制御を維持できなくなる維持不能領域に陥った、又は陥る兆候を検出すると、モータの駆動を遮断する保護を行うものがある。

【0003】

例えばクレーンの横走行駆動に適用されるインバータ装置では、吊荷を吊った状態で横走行するような場合に、特に図７に示すように、吊荷を進行方向に対し引き戻そうとする力が掛かった状態で始動させることがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－１１１４９８号公報

【文献】特開２０１５－１５１２１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この時、インバータ装置の出力可能なトルク又は負荷電流により制約される始動トルクが引き戻そうとする力よりも不足すると、その力が作用する方向に引きずられる状況が想定される。上述した保護動作を行うインバータ装置を適用すると、このような状況では、モータ制御の動作点が維持不能領域に陥ったか陥る兆候を検出することになり、保護動作が行われてモータの駆動が停止される。したがって、モータの始動により長い時間を要してしまう。
そこで、モータを駆動する方向と逆方向の外力が作用している状態でも、保護により駆動を遮断させることなくモータを始動できるインバータ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態のインバータ装置は、モータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路を介して前記モータをセンサレスベクトル制御する制御部と、
駆動条件に応じて定まる前記モータの動作点が、前記センサレスベクトル制御を維持できなくなるおそれがある維持不能領域に至ったか否かを判断する駆動条件判断部と、
この駆動条件判断部が、前記動作点が前記維持不能領域に至ったと判断すると、前記制御部による前記モータの制御を停止させ、一定期間が経過した後に前記モータを再始動させる再始動処理を実行させる再始動処理部とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態であり、運転可否判断部による処理を中心に示すフローチャート

【図2】「運転可否判定」サブルーチンを示すフローチャート

【図3】制御維持不能判定部により実行される動作点判定処理を示すフローチャート

【図4】インバータ装置の動作を示すタイムチャート

【図5】従来のインバータ装置による動作を示すタイムチャート

【図6】インバータ装置の構成を要部に付いて示す機能ブロック図

【図7】クレーン台車より懸垂されるロープの先端に吊下される吊荷を移動させる状態を示す図

【図8】センサレスベクトル制御の制御維持不能領域を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図６は、インバータ装置の構成を要部に付いて示す機能ブロック図である。インバータ装置１は、インバータ回路２及びインバータ制御部３を備えている。インバータ回路２は、６個のスイッチング素子を３相ブリッジ接続してなる周知の構成であり、３相交流電源４より供給される交流電力を内部の整流回路により直流電力に変換し、その直流電力をスイッチングにより交流に変換し、モータ５に出力する。

【0009】

インバータ制御部３は、ベクトル制御部６，運転可否判断部７，制御維持不能判断部８，ブレーキ制御部９，メモリ部１０及びパラメータ設定部１１等を備えている。インバータ制御部３には、図示しない上位の制御装置より運転指令及び周波数指令が入力される。運転可否判断部７は、運転指令が入力された際に、その時点の駆動系の状態に応じて運転の可否を判断し、判断結果を制御維持不能判断部８及びブレーキ制御部９に出力する。ブレーキ制御部９は、メカブレーキ１２の開閉を制御し、必要に応じてモータ５を拘束させる。運転可否判断部７は、再始動処理部に相当する。

【0010】

ベクトル制御部６は、インバータ回路２において検出される駆動用電源の直流電圧Ｖｄｃ及びモータ５に通電される相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいてセンサレスベクトル制御を行い、モータ５の速度を推定する。そして、ベクトル制御部６は、３相ＰＷＭ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成してインバータ回路２に出力する。

【0011】

制御維持不能判断部８は、ベクトル制御部６より与えられる制御情報に基づいて、センサレスベクトル制御を維持不能な状態にあるか否かを判断し、判断結果をベクトル制御部６及び運転可否判断部７に出力する。また、制御維持不能判断部８は、上記の判断に必要なデータをメモリ部１０より読み出して使用する。制御維持不能判断部８は、駆動条件判断部に相当する。パラメータ設定部１１は、インバータ装置１の制御パラメータをユーザが入力設定するためのインターフェイスである。尚、インバータ制御部３における各機能ブロックの機能は、ソフトウェア若しくはハードウェア，又はソフトウェアとハードウェアとの協働により実現される。

【0012】

ここでモータ５は、例えば図７に示すように、クレーン台車１３より懸垂されるロープ１４の先端に吊下される吊荷１５を横方向に移動させるクレーンシステムに適用され、クレーン台車１３を走行させるための駆動力を与える。図７は、吊荷１５が振り子状態で揺れている状況において、吊荷１５を進行方向へ移動させるためにクレーン台車１３を駆動するときのイメージを示している。

【0013】

振り子状態の吊荷１５の位置が進行方向とは逆の方向にある場合、クレーン台車１３には進行方向と逆方向の力が加わる。このような状態でクレーン台車１３を始動させようとすると、吊荷１５の荷重及び位置によっては、インバータ装置１が出力可能な進行方向の力以上に、逆方向の力が加わることがある。その結果として、図８に示すように、モータ５の動作点が、ベクトル制御部６がセンサレスベクトル制御を維持できなくなるような領域に陥る場合が想定される。

【0014】

次に、本実施形態の作用について説明する。図１は、運転可否判断部７による処理を中心に示すフローチャートである。先ず、インバータ装置１が、保護動作が実行されたトリップ中か否かを判断し（Ｓ１）、トリップ中であれば（ＹＥＳ）そのトリップ状態を継続する（Ｓ１０）。このとき、メカブレーキ１２は閉状態を維持させて、モータ５を拘束しておく。一方、インバータ装置１がトリップ中でなければ（ＮＯ）、「運転可否判定」のサブルーチンをコールする（Ｓ２）。

【0015】

上記判定の結果、運転可の場合（Ｓ３；ＹＥＳ）、運転指令が入力されており運転要求があれば（Ｓ４；ＹＥＳ）、モータ５を加速して所定の速度に到達させるための周波数指令を演算し（Ｓ５）、その周波数指令に基づいてモータ５の始動を開始し、運転状態とする（Ｓ６）。

【0016】

一方、運転可の場合でも、運転指令が入力されておらず運転要求がなければ（Ｓ４；ＮＯ）、モータ５を減速して所定の速度に到達させるための周波数指令を演算する（Ｓ７）。そして、モータ５の停止条件に到達していなければ（Ｓ８；ＮＯ）ステップＳ６に移行し、停止条件に到達していれば（ＹＥＳ）運転を停止し、併せてメカブレーキ１２を閉とする（Ｓ９）。また、ステップＳ３において運転不可の場合は（ＮＯ）ステップＳ９に移行する。

【0017】

図２は、「運転可否判定」サブルーチンを示すフローチャートである。インターバルタイマは運転可否判断部７が使用するタイマであり、先ずそのタイマが停止しているか否かを判断する（Ｓ１１）。インターバルタイマが停止している場合は（ＹＥＳ）、運転自体が停止中か、又は後述するように動作点が制御維持不能領域になかった状態にあり、ステップＳ１２に移行する。また、インターバルタイマが計時を開始しており（Ｓ１１；ＮＯ）、予め設定された時間Ｔ２を計時していれば（Ｓ１５；ＹＥＳ）、同タイマの計時を停止してから（Ｓ１６）ステップＳ１２に移行する。

【0018】

ステップＳ１２では、現在の運転又は停止状態が、センサレスベクトル制御状態を維持できなくなるような制御維持不能領域にあるか否かの動作点判定を行う。この判定については後述する。動作点が制御維持不能領域に無ければ（ＮＯ）、運転可否判断部７が使用する制御維持不能タイマをリセットし（Ｓ１３）、ステータス「イネーブル；運転又は継続可」を返す（Ｓ１４）。

【0019】

一方、ステップＳ１２において、動作点が制御維持不能領域にあると（ＹＥＳ）、制御維持不能タイマをインクリメントする（Ｓ１７）。そして、制御維持不能タイマが予め設定される一定時間Ｔ１を計時すると（Ｓ１８；ＹＥＳ）インターバルタイマの計時を開始し（Ｓ１９）、ステータス「ディセーブル；運転又は継続不可」を返す（Ｓ２０）。また、制御維持不能タイマが一定時間Ｔ１を計時していなければ（Ｓ１８；ＮＯ）、ステップＳ１４に移行する。尚、一定時間Ｔ１の長さについては、ユーザがパラメータ設定部１１より適宜設定しても良い。

【0020】

ステップＳ１５において、インターバルタイマが時間Ｔ２を計時していなければ（ＮＯ）、同タイマをインクリメントしてから（Ｓ２１）ステップＳ２０に移行する。このインターバルタイマは、予め設定される時間に限らず、吊荷１５を吊った状態で横走行運転を行った際の吊荷１５の動きを振り子の単振動に近似させて、下記の（１）式に示す単振動の周期Ｔの２分の１又は４分の１を目安として設定することもできる。
Ｔ＝２π√（Ｌ／ｇ） …（１）
Ｌ：ロープ１４の長さ
ｇ：重力加速度

【0021】

図３は、ステップＳ１２において、制御維持不能判定部８により実行される動作点判定処理を示すフローチャートである。先ず、インバータ装置１が運転中でなければ（Ｓ３１；ＮＯ）、動作点は制御維持不能領域に無いのでステップＳ１２では「ＮＯ」となる（Ｓ３５）。一方、インバータ装置１が運転中であれば（Ｓ３１；ＹＥＳ）、負荷電流の値が予め設定された電流制限レベルに「１」未満の係数Ｋを乗じた値より大きいか否かを判断する（Ｓ３２）。係数Ｋは誤判定を防止するため、例えば「０．８」程度に設定する。負荷電流値が前記値より大きければ（ＹＥＳ）ステップＳ３３に移行し、前記値未満であれば（ＮＯ）ステップＳ３５に移行する。

【0022】

ステップＳ３３では、ベクトル制御部６においてセンサレスベクトル制御で推定された速度であるモータ５の１次周波数の符号が、ベクトル制御部６が制御結果として出力する速度指令の符号と異なるか否かを判断する。両者の符号が異なれば（ＹＥＳ）動作点は制御維持不能領域にあることになり、ステップＳ１２では「ＹＥＳ」となる（Ｓ３４）。また、両者の符号が一致していれば（ＮＯ）ステップＳ３５に移行する。尚、図１及び図２に示す処理は、「再始動処理」に相当する。

【0023】

ここで、従来の制御では、図１に示すステップＳ３で「ＮＯ」と判断すると、ステップＳ１０に移行してインバータ装置をトリップさせている。この場合の動作について図５を参照して説明する。時刻ｔ０以前には、吊荷側からの力がクレーン台車に加わっているが、モータはメカブレーキにより拘束されている。時刻ｔ０にてインバータ装置を始動させると共にメカブレーキを開放させると、クレーン台車の加速度は、インバータ装置の出力トルクと負荷側トルクとの差分により決定される。そして、後者の方が大きい場合には、進行方向と逆方向に加速し始める。また、仮に吊荷の振り子の作用からクレーン台車の進行方向と逆方向のトルクが下がっていない場合には、再度図４の時刻ｔ０から時刻ｔ３までの処理を繰り返すことで、運転を継続できる。

【0024】

始動後に、速度指令により加速を行っても、センサレス制御において推定された実速度が追従しないため、出力トルク要求は上昇する。時刻ｔ１において、予め設定したトルクτ１に到達したことを検出すると、動作点が制御維持不能領域に滞留している時間を計時するタイマの計時を開始する。この状態が、予め設定した時間Ｔ１の継続を検出した時刻ｔ２において、インバータ装置はトリップを発報して運転を停止し、メカブレーキを閉にすることになる。

【0025】

これに対して、本実施形態の動作を図４のタイムチャートで説明する。時刻ｔ２までの挙動は、図３と同様である。そして、制御維持不能タイマが一定時間Ｔ１を計時し、時刻ｔ２において運転可否判断部７がステータス「ディスエーブル」を検出すると、運転指令がインバータ装置１に運転を要求していても運転を停止して、メカブレーキ１２を閉にする。同時に、インターバルタイマが計時を開始し、時間Ｔ２経過後の時刻ｔ３でステータスが「イネーブル」になる。これにより、インバータ装置１が再始動してメカブレーキ１２を開放する。このとき、吊荷１５の振り子の作用からクレーン台車１３の進行方向と逆方向のトルクが下がってくることが期待できるため、運転を継続することができる。

【0026】

以上のように本実施形態によれば、ベクトル制御部６は、インバータ回路２を介してモータ５をセンサレスベクトル制御する。制御維持不能判断部８は、駆動条件に応じて定まるモータ５の動作点が、センサレスベクトル制御を維持できなくなるおそれがある維持不能領域に至ったか否かを判断する。運転可否判断部７は、制御維持不能判断部８が、モータ５の動作点が維持不能領域に至ったと判断すると、ベクトル制御部６によるモータ５の制御を停止させ、一定期間が経過した後にモータ５を再始動させる再始動処理を実行させる。

【0027】

このように構成すれば、ロープ１４に吊り下げられた吊荷１５が振り子のように振動しているため、モータ５の動作点が維持不能領域に至った場合でも、従来のように直ちにインバータ装置をトリップさせることなく再始動処理を行うので、クレーン台車１３を始動させて吊荷１５の移送を効率的に行うことができる。

【0028】

また、運転可否判断部７は、再始動処理を、制御維持不能判断部８が、動作点が維持不能領域から脱したと判断するまで繰り返し実行する。したがって、クレーン台車１３を確実に再始動させることができる。尚、ここで言う「動作点が維持不能領域から脱したと判断する」とは、図２に示すステップＳ１２で「ＹＥＳ」と判断してステップＳ１７に至った後に、その状態が解消され、ステップＳ１２で「ＮＯ」と判断してステップＳ１３に至ること、つまり図３に示すステップＳ３３で「ＹＥＳ」と判断してステップＳ３４に至った後に、ステップＳ３３で「ＮＯ」と判断してステップＳ３５に至ることを意味する。

【0029】

また、制御維持不能判断部８は、モータ５に通電される電流が、予め設定された電流制限レベル未満の電流値を超えており、且つ、センサレスベクトル制御において推定されるモータ一次周波数の符号が駆動方向の符号と異なる状態が、予め設定された一定期間Ｔ１以上観測された際に維持不能領域に至ったと判断する。これにより、吊荷１５が振動していることで維持不能領域に至ったことを確実に判断できる。
そして、パラメータ設定部１１により、一定期間Ｔ１の長さをユーザが設定可能としたので、適用されるシステムに応じて最適な時間を設定できる。

【0030】

（その他の実施形態）
インバータ装置は、クレーン台車１３を走行させるものに限らない。
パラメータ設定部１１により、一定期間Ｔ１の長さをユーザが設定可能とする構成は、必要に応じて採用すれば良い。
再始動処理を、１回のみ行っても良い。

【0031】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0032】

図面中、１はインバータ装置、２はインバータ回路、２はインバータ制御部、６はベクトル制御部、７は運転可否判断部、８は制御維持不能判断部、１１はパラメータ設定部を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】