JP2002247870A

JP2002247870A - モータ制御方法

Info

Publication number: JP2002247870A
Application number: JP2001040015A
Authority: JP
Inventors: Takao Sakurai; 貴夫桜井; Shinichi Kobayashi; 真一小林; Seiichiro Abe; 誠一郎阿部; Hiroyuki Suzuki; 博幸鈴木; Atsushi Nakao; 敦中尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】入力電源の内部インピーダンスを有効に利用
することにより、回生運転時において入力電圧より高い
発電電圧を発生させ、高い回生トルクを得る。【解決手段】力行運転時において、バッテリＢの正味
電圧からバッテリ内部抵抗Ｒの電圧降下を引いた電源電
圧に到達するまでは、インバータ２が電圧Ｖ/周波数ｆ
を一定にしてＰＷＭ制御を行い、誘導機３を駆動して一
定値の力行トルクを発生させる。電源電圧に到達した以
降は周波数のみを増加させるので力行トルクは減少して
行く。一方、回生運転時は、バッテリＢの正味電圧より
内部抵抗Ｒの電圧降下分だけ高い電圧が誘導機３に発生
して、この発電エネルギーをバッテリＢへ回生する。こ
れにより、回生運転時は力行トルクより高い回生トルク
を発生させる。さらに周波数が下がれば、Ｖ/ｆを一定
制御で一定値の回生トルクとなる。これにより、力行ト
ルクより高い回生トルクを制動作用に利用することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導機などのモー
タを力行運転したり回生運転するときのモータ制御方法
に関し、特に、誘導機を回生運転するときの回生トルク
を大きく発生させるためのモータ制御方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、誘導機などは、直流電源を入力し
インバータ駆動によって交流電力を供給して力行運転を
行ったり、制動時の発電電力を電源側へ帰還する回生運
転を行っている。図４は、従来技術における誘導機制御
回路の概略構成図である。同図において、交流電源１１
より整流機１２によって直流電圧に変換し、さらに、誘
導機１５の励磁電流が一定になるように、インバータ１
４によって電圧Ｖ／周波数ｆを一定値に制御して、誘導
機１５に所定の電力を供給して力行運転を行っている。
つまり、周波数ｆを上げれば誘導機のインピーダンスが
増加するので、電圧Ｖを上げて、Ｖ／ｆが常に一定値に
なるようにＰＷＭ制御を行っている。そして、インバー
タ１４の出力の電圧Ｖが入力電圧値に達した以降は、周
波数ｆのみを上昇させて力行運転を行っている。また、
回生運転時は、誘導機１５の発電電力をインバータ１４
の逆変換制御によって直流変換し、さらに、回生用イン
バータ１６によって交流に変換したのち、交流電源１１
側へ誘導機１５の制動エネルギーを回生している。

【０００３】図５は、図４の回路における特性を示し、
（ａ）はインバータ出力の周波数ｆと電圧Ｖとの関係特
性、（ｂ）は誘導機の周波数ｆとトルクＴとの関係特性
を示している。同図（ａ）に示すように、インバータ出
力の周波数がｆ１（ベース周波数）に上昇するまでは、
Ｖ／ｆの値を一定にするように電圧Ｖを比例的に増加さ
せてＰＷＭ波形のデューティ制御を行い、同図（ｂ）に
示すように、誘導機１５に常に一定のトルク、例えば１
００％のトルクを発生させている。

【０００４】そして、同図（ａ）に示すように、インバ
ータ入力側のコンデンサ１３の充電電圧で決まる最高出
力電圧Ｖｍに達した以降は、周波数が上昇してもインバ
ータ１４の出力電圧は一定である。よって、同図（ｂ）
に示すように、周波数がｆ１以降のトルク特性は、誘導
機１５の周波数が上昇すると共にトルクが下降する、い
わゆる定出力特性となる。このようにして誘導機１５の
周波数を上昇させると、定格周波数ｆｍに達した時点
で、トルクは、例えば５０％まで低下する。このような
特性の現象は、力行運転時のみではなく回生運転時にお
いても同様である。

【０００５】図６は、図４に示す誘導機制御回路におけ
る誘導機のトルク−周波数のティピカル特性である。つ
まり、図５（ｂ）に示すようなトルク−周波数特性は、
力行／回生の正転／逆転時において同様に発生してい
る。したがって、図６では、誘導機の正転／逆転に関わ
らず、力行運転／回生運転共に、所定の周波数までは一
定のトルク（例えば１００％トルク）を発生し、所定の
周波数を超えるとトルクは１００％から所定の値（例え
ば５０％トルク）まで低下している状態の特性を示して
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上述のよう
に、従来の交流電源によるインバータ駆動の誘導機で
は、モータ損失や機械損失を無視した場合、電源側のイ
ンピーダンスが小さいので、力行運転時も回生運転時
も、同一周波数においては誘導機側の入力電圧は同じ値
の電圧となる。よって、誘導機は力行運転時と回生運転
時において、同一周波数では同じ値のトルクを発生させ
ることになる。つまり、回生運転時には、急激なブレー
キ作用によって誘導機は高い発電電圧を発生するけれど
も、誘導機の発電電圧を回生する電源側の内部インピー
ダンスが小さいので、電源側で規定されている最高電圧
Ｖｍまで低下してしまい、誘導機側で高い電圧を維持す
ることができない。このため、回生運転時のトルク特性
は力行運転時と同じ値となってしまう。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、入力電源の内部インピーダン
スを有効に利用することにより、回生運転時において入
力電圧より高い発電電圧を発生させ、もって、高い回生
トルクを発生させるようなモータの制御方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のモータの制御方法は、インバータを駆動
制御し、電動機作用として駆動させる力行運転と、発電
機作用として駆動させる回生運転とを行うモータ制御方
法において、インバータの入力電源の内部インピーダン
スを利用し、回生運転時のモータ入力電圧の最大値を、
力行運転時のモータ入力電圧の最大値より高くしてモー
タの力行／回生運転の制御を行うことを特徴とする。

【０００９】すなわち、本発明のモータの制御方法によ
れば、入力電源が有している内部インピーダンスを利用
することによって、力行運転時は、入力電源の正味電圧
から内部インピーダンスによる電圧降下分を差し引いた
電圧値を最大入力電圧としてモータを駆動する。これに
よって、最大入力電圧に基づくインバータ制御によって
モータにトルクを発生させる。一方、回生運転時は、入
力電源の正味電圧に内部インピーダンスによる電圧降下
分を加算した電圧値を最大電圧として、モータに回生電
圧を発生させ、この回生エネルギーを入力電源側へ回生
する。これによって、回生運転時のモータ入力電圧の最
大値を、力行運転時のモータ入力電圧の最大値より高く
することができる。したがって、力行時トルクより高い
値の回生時トルクを発生させて制動を行うことができる
ので、制動作用を一段と向上させることができる。

【００１０】また、本発明のモータの制御方法は、前記
発明において、インバータの入力電源はバッテリであ
り、内部インピーダンスはこのバッテリの内部抵抗であ
り、力行運転時は、バッテリの正味電圧から内部抵抗の
電圧降下分を減算した入力電圧に基づくインバータ出力
電圧の最大値を、モータ入力電圧の最大値とし、回生運
転時は、バッテリの正味電圧と内部抵抗の電圧降下分と
を加算した電圧値が、最大回生電圧としてモータ入力電
圧の最大値となることを特徴とする。

【００１１】すなわち、本発明のモータの制御方法によ
れば、バッテリを入力電源とすることによって、このバ
ッテリが持つ内部抵抗を利用して、回生運転時にモータ
に発生する回生電圧を高くして、発生トルクを高めるこ
とができる。つまり、力行運転時は、バッテリの正味電
圧から内部抵抗による電圧降下分を差し引いた入力電圧
値に基づいて、モータが力行トルクを発生させるが、回
生運転時は、バッテリの正味電圧に内部抵抗による電圧
降下分を加算した電圧値に基づいて、モータに回生トル
クを発生させることができる。これによって、力行トル
クより高い値の回生トルクを発生させて制動作用を行う
ことができる。

【００１２】また、本発明のモータの制御方法は、前記
発明において、インバータは、力行運転時において、バ
ッテリの正味電圧から内部抵抗による電圧降下分を減算
した力行時の入力電圧に到達するまでは、出力電圧Ｖと
出力周波数ｆとの関係が、Ｖ/ｆ＝一定値となるように
出力電圧Ｖと出力周波数ｆとを増減させてＰＷＭ制御を
行い、力行時の入力電圧に到達した以降は、出力電圧Ｖ
を一定にして出力周波数ｆを可変制御してモータに電力
を供給する。そして、回生運転時において、バッテリの
正味電圧と内部抵抗による電圧降下分とを加算した電圧
を最大回生電圧としてバッテリへ回生し、最大回生電圧
が減少を開始した時点より、Ｖ/ｆ＝一定値となるよう
に出力電圧Ｖと出力周波数ｆとを減少させてＰＷＭ制御
を行い、回生エネルギーをバッテリへ回生することを特
徴とする。

【００１３】すなわち、本発明のモータの制御方法によ
れば、バッテリの内部抵抗を利用することによって、回
生運転時のモータ入力電圧を力行運転時のモータ入力電
圧より高くすることができる。これによって、回生運転
時は力行運転時より高い周波数範囲までＶ/ｆを一定値
に制御して、トルクを１００％に維持することができ
る。したがって、回生運転時にモータ入力電圧を上昇さ
せた分だけの回生エネルギーがブレーキ力として増加す
ることになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明にお
けるモータ制御方法について説明する。図１は、本発明
の一実施の形態における誘導機制御回路の概略構成図で
ある。この誘導機制御回路は、バッテリパック１と三相
のインバータ２と三相の誘導機３とが接続された構成と
なっている。そして、バッテリパック１を入力電源と
し、所定の周波数までは、インバータ２の出力の電圧Ｖ
／周波数ｆが常に一定値になるようにしてＰＷＭ制御を
行い、誘導機３に所定の電力を供給して力行運転を行っ
ている。そして、インバータ２の出力の電圧Ｖが入力電
圧値に達した以降は、周波数のみを上昇させて力行運転
を行っている。また、回生運転時は、誘導機３の発電電
力をインバータ２の逆変換制御によって直流変換し、バ
ッテリパック１へ誘導機３の発電エネルギーを回生して
いる。

【００１５】バッテリパック１の等価回路は、バッテリ
Ｂとその内部抵抗Ｒとによって構成されている。また、
三相のインバータ２は、６個のバイポーラトランジスタ
Ｔ１〜Ｔ６及び各々のバイポーラトランジスタに逆並列
に接続されている６個のダイオードＤ１〜Ｄ６による三
相ブリッジ回路の構成となっている。誘導機３の力行運
転時におけるインバータ２の動作は、インバータ２の各
相毎の上下アームのバイポーラトランジスタが、たすき
掛けのルートで交互にスイッチング動作しながらＰＷＭ
制御を行っている。これにより、インバータ２より三相
の誘導機３に電力を供給し、誘導機３の励磁電流が一定
になるように制御して一定値のトルクを発生させてい
る。

【００１６】また、制動時における回生運転時は、誘導
機３が交流発電機として動作し、インバータ２における
各相毎のマイナス側（下側）のバイポーラトランジスタ
Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６の位相制御と、各相毎に逆並列に接続
されたダイオードＤ１〜Ｄ６の整流動作とによって、バ
ッテリＢ側へ誘導機３の発電エネルギーを回生してい
る。このようなインバータの力行運転／回生運転時の動
作は、従来より一般的に行われている技術であるので詳
細な説明は省略する。尚、バイポーラトランジスタＴ１
〜Ｔ６は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴやＧＴＯサイリスタ
などに置き代えてもインバータ動作は全く同じである。

【００１７】上述のようなインバータ２の動作によっ
て、力行運転時においては、バッテリＢの内部抵抗Ｒに
よる電圧降下によって、インバータ２の入力側のコンデ
ンサＣの電圧、つまり誘導機３の入力電圧は低下する。
また、回生運転時においては、誘導機３の発電電圧は、
バッテリＢの内部抵抗Ｒによる電圧降下分だけ高い電圧
を発生させて、発電エネルギーをバッテリＢへ回生させ
ることができる。したがって、回生運転時においては、
力行運転時よりも大きなトルクを発生させることができ
る。

【００１８】図２は、図１の回路における特性を示し、
（ａ）はインバータ出力の周波数ｆと電圧Ｖとの関係特
性、（ｂ）は誘導機の周波数ｆとトルクＴとの関係特性
を示している。すなわち、同図（ａ）に示すように、力
行運転時においては、インバータ出力の周波数がｆ１に
上昇するまで、Ｖ／ｆの値を一定にするように電圧Ｖと
周波数ｆを比例的に増加させてＰＷＭ波形のデューティ
制御を行い、同図（ｂ）に示すように、周波数がｆ１に
上昇するまでは、誘導機３に常に一定トルク、例えば１
００％のトルクを発生させている。

【００１９】そして、同図（ａ）に示すように、インバ
ータ入力側のコンデンサＣの充電電圧が、バッテリＢの
正味電圧から内部抵抗Ｒの電圧降下分を差し引いた電圧
で決まる力行時最高出力電圧Ｖｍ１に達した以降は、周
波数が上昇しても出力電圧は一定値Ｖｍ１である。よっ
て、同図（ｂ）に示すように、誘導機３の周波数がｆ１
以降は周波数の上昇と共に力行時トルクは下降してゆ
く、いわゆる定出力特性となる。このようにして、力行
運転時に誘導機３の周波数を上昇させてゆくと、定格周
波数ｆｍに達した時点で、力行運転時のトルクは、例え
ば５０％まで低下する。

【００２０】一方、回生運転時においては、誘導機３
は、バッテリＢの正味電圧より内部抵抗Ｒの電圧降下分
だけ高い電圧を回生電圧として発生させることができる
ので、図２（ａ）に示すように、回生時の最高出力電圧
はＶｍ２まで上昇する。これによって、制動によって周
波数が低下して行く回生運転時においては、定格周波数
ｆｍから周波数ｆ２までは、回生時最高電圧Ｖｍ２を維
持するので、誘導機３の回生運転時には、同図（ｂ）に
示すように、定格周波数ｆｍから周波数ｆ２までは、力
行時トルクより高い値の回生時トルクを発生する定出力
特性となる。そして、周波数がｆ２より下がると、同図
（ａ）に示すようなＶ/ｆが一定値となる周波数−電圧
制御の特性によって、回生時トルクは、同図（ｂ）に示
すような一定トルク、例えば１００％のトルク特性とな
る。

【００２１】図３は、図１に示す誘導機制御回路におけ
る誘導機のトルク−周波数の特性曲線である。すなわ
ち、図２で説明したように、回生運転時は力行運転時よ
り誘導機の入力電圧が上昇するので、回生運転時におい
ては力行運転時より高い周波数範囲まで１００％のトル
クを発生させることができる。したがって、図３に示す
ように、回生正転時のトルク及び回生逆転時のトルク
を、図の斜線の部分だけ高くすることができる。つま
り、図の斜線の部分に相当する面積のエネルギーがブレ
ーキ力として増加することになる。

【００２２】このようにして、バッテリの内部抵抗を利
用することによって、力行運転時と回生運転時とで、高
速回転時におけるＶ/ｆ一定制御と、Ｖを一定としてｆ
を増加させる定出力制御とを切り替える周波数を変える
ことができる。これにより、回生運転時におけるトルク
を力行運転時におけるトルクより大きくすることができ
る。また、このような回生運転時のトルクはブレーキ力
となるので、トルクが大きくなった分だけ制動作用を高
めることができる。また、Ｖ/ｆ一定制御と定出力制御
とを切り替える周波数は入力電圧に応じて切り替えるこ
とができるので、例えば、力行運転時は入力電圧４８Ｖ
に達するまでＶ/ｆ一定制御を行って１００％トルクを
出力し、回生運転時は誘導機の発電電圧６０Ｖ以下でＶ
/ｆ一定制御を行って１００％トルクを出力することが
できる。これによって、高速回転時における回生運転時
の発生トルクを、力行運転時の発生トルクに比べて大幅
に増やすことができる。

【００２３】以上述べた実施の形態は本発明を説明する
ための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定
されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が
可能である。例えば、上記の実施の形態では、誘導機の
入力電圧がゼロ（実際にはブースト電圧）から最高電圧
まではＶ/ｆ一定制御を行う場合について述べたが、こ
れに限ることはなく、すべり周波数制御やベクトル制御
を行う場合においても、インバータの入力側の電源イン
ピーダンスを利用して、回生運転時のトルクを力行運転
時より増加させることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のモータ制
御方法によれば、インバータ入力の電源インピーダンス
を利用することによって、回生運転時におけるモータの
発電電圧を力行運転時のモータ入力電圧より高くするこ
とができる。これによって、回生運転時の発生トルクを
力行運転時より大きくすることができるので、回生時の
発電エネルギーを制動作用として有効且つ効果的に利用
することができる。特に、インバータ入力電源をバッテ
リにすれば、このバッテリの内部抵抗を利用して回生運
転時の発電電圧を高めることができるので、高い回生ト
ルクを発生させてブレーキ力として使うことができる。
例えば、バッテリ駆動のフォークリフトなどに本発明の
モータ制御方法を適用すれば、国内標準仕様である４８
Ｖのバッテリを用いて、回生時には６０Ｖ程度の発電電
圧を発生させることができる。これによって、力行トル
クに比べてかなり大きな回生トルクを発生させることが
できるので、フォークリフトの制動作用に大いに寄与す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における誘導機制御回
路の概略構成図である。

【図２】図１の回路における特性を示し、（ａ）はイ
ンバータ出力の周波数ｆと電圧Ｖとの関係特性、（ｂ）
は誘導機の周波数ｆとトルクＴとの関係特性を示す。

【図３】図１に示す誘導機制御回路における誘導機の
トルク−周波数の特性曲線である。

【図４】従来技術における誘導機制御回路の概略構成
図である。

【図５】図４の回路における特性を示し、（ａ）はイ
ンバータ出力の周波数ｆと電圧Ｖとの関係特性、（ｂ）
は誘導機の周波数ｆとトルクＴとの関係特性を示す。

【図６】図４に示す誘導機制御回路における誘導機の
トルク−周波数のティピカル特性である。

【符号の説明】

１バッテリパック２、１４インバータ３、１５誘導機１１交流電源１２整流器１３、Ｃコンデンサ１６回生用インバータＢバッテリＲ内部抵抗Ｔ１〜Ｔ６バイポーラトランジスタＤ１〜Ｄ６ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部誠一郎神奈川県相模原市田名3000番地三菱重工業株式会社汎用機・特車事業本部内 (72)発明者鈴木博幸神奈川県相模原市田名3000番地三菱重工業株式会社汎用機・特車事業本部内 (72)発明者中尾敦神奈川県相模原市田名3000番地三菱重工業株式会社汎用機・特車事業本部内Ｆターム(参考） 5H530 AA05 BB24 CC30 CE16 DD03 DD05 DD13 5H576 AA06 CC04 DD02 DD04 EE04 EE09 EE11 HA03 HA04 HA07 HB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インバータを駆動制御し、電動機作用と
して駆動させる力行運転と、発電機作用として駆動させ
る回生運転とを行うモータ制御方法において、前記インバータの入力電源の内部インピーダンスを利用
し、回生運転時のモータ入力電圧の最大値を、力行運転
時のモータ入力電圧の最大値より高くしてモータの力行
／回生運転の制御を行うことを特徴とするモータ制御方
法。
【請求項２】前記インバータの入力電源はバッテリで
あり、前記内部インピーダンスは前記バッテリの内部抵
抗であり、力行運転時は、前記バッテリの正味電圧から前記内部抵
抗の電圧降下分を減算した入力電圧に基づくインバータ
出力電圧の最大値を、モータ入力電圧の最大値とし、回生運転時は、前記バッテリの正味電圧と前記内部抵抗
の電圧降下分とを加算した電圧値が、最大回生電圧とし
てモータ入力電圧の最大値となることを特徴とする請求
項１に記載のモータの制御方法。
【請求項３】前記インバータは、力行運転時において、前記バッテリの正味電圧から前記
内部抵抗による電圧降下分を減算した力行時の入力電圧
に到達するまでは、出力電圧Ｖと出力周波数ｆとの関係
が、Ｖ/ｆ＝一定値となるように出力電圧Ｖと出力周波
数ｆとを増減させてＰＷＭ制御を行い、力行時の入力電
圧に到達した以降は、出力電圧Ｖを一定にして出力周波
数ｆを可変制御してモータに電力を供給し、回生運転時において、前記バッテリの正味電圧と前記内
部抵抗による電圧降下分とを加算した電圧を最大回生電
圧として前記バッテリへ回生し、前記最大回生電圧が減
少を開始した時点より、Ｖ/ｆ＝一定値となるように出
力電圧Ｖと出力周波数ｆとを減少させてＰＷＭ制御を行
い、回生エネルギーを前記バッテリへ回生することを特
徴とする請求項２に記載のモータの制御方法。