JP2014068500A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、例えばホイスト用巻上電動機などが発生する回生電力を三相交流電源へ戻す回生装置を備えた電動機制御装置に関するもので、三相交流電源電圧に同期させるための検出器の数を少なくできる電動機制御装置を提供することである。
【解決手段】電動機４が発生する回生エネルギー（回生電力）を三相交流電源１に戻すための回生装置５は、三相交流電源１の相間１箇所に設けた電圧検出器５１としてのフォトカプラの出力と、一相に設けた電流検出器５２の出力から、回生信号生成部５３で三相交流電源１の各相の電圧波形を推定して保持しており、回生電力の発生を電圧検出部５４で検出すると、回生信号生成部５３は保持している電圧波形になるようにコンバータ５５を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばホイスト用の巻上電動機などを駆動制御するとともに、該電動機からの回生電力を電源に戻す回生装置を備えた電動機制御装置に関するものである。

従来の電動機制御装置においては、電動機が発生する回生エネルギー（回生電力）を制動抵抗器で熱に変えて消費したり、キャパシタ（外部バッテリー）に蓄電して電動機駆動時に再利用したり、回生コンバータ使用の回生装置で電源周波数の電力に変換して電源に返したり、電動機の駆動周波数と電源周波数を同期させて直接電源に返すなどの方法が実施されていた。（例えば特許文献１）

特開２００９−２４０１０８号公報

従来の電動機制御装置における回生電力の処理方法は上記のように数々あるが、制動抵抗器を使用する方法は回生電力を熱に変えて無駄に消費するうえ発生する熱対策が必要である。キャパシタに蓄電する方法は大容量のキャパシタが必要である。直接電源に返す方法は電動機の起動停止時の可変速領域では使用できないため制動抵抗やキャパシタを使用する方法と併用する必要がある。回生装置を使用する方法は省エネルギーとなるため最も優れた方法であるが、電源電圧位相と同期した制御をする必要があるため三相交流電源の各相の電圧や電流を検出するため多数の検出器が必要となり価格が高くなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、回生装置からの出力を電源電圧位相に同期させるための検出器の数を少なくできる電動機制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機制御装置は、三相交流電源を整流した直流電源でインバータを可変周波数駆動して電動機を駆動制御するとともに、該電動機からの回生電力を前記三相交流電源に戻す回生装置を備えた電動機制御装置において、前記回生装置は前記三相交流電源の相間１箇所に設けられた電圧検出器の出力と一相に設けられた電流検出器の出力から前記三相交流電源の電圧波形を推定し、該推定した電圧波形に同期した出力を導出するようコンバータを駆動制御する回生信号生成部を備えたことを特徴とするものである。

この発明の電動機制御装置によれば、回生装置が三相交流電源の相間１箇所に設けられた電圧検出器の出力と一相に設けられた電流検出器の出力から前記三相交流電源の電圧波形を推定し、該推定した電圧波形に同期した出力を導出するようコンバータを駆動制御する回生信号生成部を備えているため、検出器の数を少なく低価格化できる効果がある。

この発明の実施の形態１における電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における電動機制御装置で制御している電動機の運転パターンと回生エネルギーの関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機制御装置の電圧検出器としてのフォトカプラの出力と電圧波形との関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機制御装置の電源電圧、電源相間電圧および電源電流の関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２における電動機制御装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における電動機制御装置を図１から図４にもとづいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１における電動機制御装置の構成を示すブロック図、図２はこの発明の実施の形態１における電動機制御装置で制御している電動機の運転パターンと回生エネルギーの関係を示す説明図、図３はこの発明の実施の形態１における電動機制御装置の電圧検出器としてのフォトカプラの出力と電圧波形との関係を説明する説明図、図４はこの発明の実施の形態１における電動機制御装置の電源電圧、電源相間電圧および電源電流の関係を説明する説明図である。

図１において、商用の三相交流電源１は直流に変換（整流）されて平滑用のコンデンサ２の両端に与えられて直流電源となる。この直流電源を使用してインバータ３を図示していない制御装置で駆動制御して可変周波数の電力を出力し、ホイストなどの巻上機に使用される電動機４を駆動する。このときの電動機４の運転パターンと回生エネルギーの関係を図２に示す。図２において、電動機４が駆動されている状態では高速巻上運転から回転数が下がって停止するまでの間と、巻下げ運転中の全駆動範囲で回生エネルギー（回生電力）が発生して、コンデンサ２の両端の直流電圧が上昇する。この発生した回生電力を後で詳しく説明する回生装置５により、三相交流電源１に同期した交流電圧を発生させて三相交流電源１に戻すものである。

回生装置５の詳細構成は、図１に示すように、三相交流電源１の相間１箇所のＲ相とＳ相間に電圧検出器５１としてのフォトカプラが接続されており、三相交流電源１の一相のＲ相に電流検出器５２が設けられている。これらの電圧検出器５１および電流検出器５２からの出力は回生信号生成部５３に入力され、回生信号生成部５３はこれらの入力から三相交流電源１の電圧波形を推定して保持している。また、回生信号生成部５３にはコンデンサ２の両端の電圧を検出する電圧検出部５４からの出力が入力されており、コンデンサ２の両端の電圧が所定値以上に上昇した場合には回生電力が発生しているものとして、回生信号生成部５３は前記保持している電圧波形の位相に同期した出力が発生するようにコンバータ５５を駆動する。コンバータ５５はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング半導体６個をブリッジ接続して構成されている。コンバータ５５からの出力は三相交流電源１の各相に挿入されたリアクトル５６により平滑な交流電力となって三相交流電源１に戻される。

次に、回生信号生成部５３での動作について説明する。図３に示すように、三相交流電源１の相間の１箇所に接続された電圧検出器５１としてのフォトカプラから出力される矩形波から、任意の半周期のＨ（ハイ）レベル時間およびＬ（ロウ）レベル時間をそれぞれ測定し、次の半周期も同等としてＨレベルの中央が電源電圧波形のピークであり、Ｌレベルの中央が電源電圧波形のゼロクロスであると推定する。さらに、巻上機の始動時が力行運転であることから交流電源電圧と電流は図４の関係になっているため、巻上機の始動時の電流検出器５２の出力信号から電圧の正負および上記のゼロクロスまたはピークを推定する。商用の三相交流電源１の電圧位相や電圧ピーク値は図４に示す関係で固定的なため１箇所の電圧の波形が推定できれば、三相の各相全ての電圧の正負およびゼロクロスまたはピークが推定でき、この情報を保持しておく。回生信号生成部５３にはコンデンサ２の両端の直流電圧が電圧検出部５４で検出されて入力されており、この直流電圧が所定値を超えた場合には回生エネルギーが発生しているとして、回生信号生成部５３は上記推定保持している交流電源の電圧波形になるようにスイッチングパターンを生成して、コンバータ５５を構成するスイッチング半導体のゲートに与えることで、三相交流電源１の電圧位相に同期させてコンバータ５５を駆動し、回生エネルギーを三相交流電源１へ回生する。以上のように三相の全ての電圧波形を検出しないで、電圧検出器５１と電流検出器５２が各１個で電源電圧位相を推定できるため、検出器数を少なくして低価格化できる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では三相交流電源１の相順が既知で固定の場合について説明したが、相順が不明または入れ替わる可能性がある場合を図５に示す。図５はこの発明の実施の形態２における電動機制御装置を示すブロック図であり、実施の形態１の図１と同一または同様部分には同一符号を付している。図５に示すように電流検出器５２を二相に挿入して、巻上機始動時の二相の電流検出器５２の出力信号から図４に示す関係を用いて回生信号生成部５３で三相の相順を推定する。このように三相交流電源１の相順が不明確な場合であっても、電流検出器５２を２個にするだけで相順の推定が可能となる。他の部分については実施の形態１と同一であり、説明を省略する。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 三相交流電源、２ コンデンサ、３ インバータ、４ 電動機、５ 回生装置、５１
電圧検出器、５２ 電流検出器、５３ 回生信号生成部、５４ 電圧検出部、５５ コンバータ、５６ リアクトル。

Claims (4)

1. 三相交流電源を整流した直流電源でインバータを可変周波数駆動して電動機を駆動制御するとともに、該電動機からの回生電力を前記三相交流電源に戻す回生装置を備えた電動機制御装置において、前記回生装置は前記三相交流電源の相間１箇所に設けられた電圧検出器の出力と一相に設けられた電流検出器の出力から前記三相交流電源の電圧波形を推定し、該推定した電圧波形に同期した出力を導出するようコンバータを駆動制御する回生信号生成部を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 三相交流電源を整流した直流電源でインバータを可変周波数駆動して電動機を駆動制御するとともに、該電動機からの回生電力を前記三相交流電源に戻す回生装置を備えた電動機制御装置において、前記回生装置は前記三相交流電源の相間１箇所に設けられた電圧検出器の出力と二相に設けられた電流検出器の出力から前記三相交流電源の電圧波形および相順を推定し、該推定した電圧波形および相順に同期した出力を導出するようコンバータを駆動制御する回生信号生成部を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
3. 上記電圧検出器はフォトカプラであることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 上記電動機はホイスト用の巻上電動機であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。