JP2006094646A - 誘導電動機のベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機の回路定数と実測値とから算出した磁束指令値により、回転速度が低い場合でも、出力電圧のＳＮ比を高くして、一次角周波数演算値の演算誤差を抑制し、低速運転時でも、短い調整時間で、安定した回転を得ることができる誘導電動機のベクトル制御装置を提供する。
【解決手段】外部から入力されるトルク指令値Ｔｍｒ、誘導電動機の回路定数および誘導電動機に関する実測値に基づいて、磁束指令値を選択して出力する磁束指令値演算手段１１と、磁束指令値演算手段１１から出力された磁束指令値と誘導電動機８の回路定数とに基づいて、インバータ装置３を制御するベクトル制御手段１０とを備え、磁束指令値演算手段１１は、誘導電動機８に印可する電圧が、不安定領域に対応した設定値以上となるように磁束指令演算値Ｆ２ＲＢを算出する磁束指令値逆算演算部２１を有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、特に速度センサなどの回転速度検出手段を用いなくても、低速運転時の不安定領域を大幅に低減できるようにした誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置に関するものである。

ベクトル制御とは、交流電動機の電流を磁界（磁束）方向および磁界と直交するトルク方向に分離することにより、磁束分電流とトルク分電流を独立して制御することができ、発生トルクを直流電動機と同様に瞬時制御することができるものである。

ベクトル制御において、磁束を測定するには速度センサが必要である。しかし、速度センサには通常電子回路が内蔵されており、その電子回路の使用温度範囲は、速度センサを取り付ける交流電動機の使用温度範囲よりも狭い。
また、電動機が両軸端を使用する場合や、電動機の設置箇所に制約がある場合などは、速度センサを取り付けることができない。また、取り付けることが可能であっても、電動機とのカップリング部が衝撃に弱いことや、低レベル信号配線が必要となることから、設備の信頼性確保のために、速度センサの取り付けは避けた方がよい。

そこで、速度センサを用いずに、速度以外の情報から速度推定を行うベクトル制御装置が提案されている。
しかし、低速運転時においては、出力電圧値が非常に小さくなるため、出力角周波数に誤差が生じ、回転速度が不安定になる領域が存在する。

この問題に対処するため、従来の誘導電動機のベクトル制御装置は、低速運転時の不安定領域を低減するために、磁束指令曲線を一次角周波数指令で参照して磁束指令値を設定するテーブルなどを有した磁束発生回路を備えている（例えば、特許文献１参照）。
この場合、磁束発生回路から磁束指令曲線を発生する構成にすることで、低速運転時でも誘起電圧トルク軸成分が所定値以下になることを防ぎ、ＳＮ比を高くして誘起電圧トルク軸成分と一次角周波数の演算値の演算誤差を小さく抑制している。
しかしながら、上記の方法でベクトル制御を行う際、インバータ装置を介して制御する誘導電動機が変更されると、誘導電動機毎に磁束発生回路の設定値を変更する必要がある。

特開平８−９６９７号公報

従来の誘導電動機のベクトル制御装置は、誘導電動機を変更すると、誘導電動機毎に磁束発生回路の設定値および制御系を構成しているソフトウエアのテーブルデータの変更などが必要となるため、不安定領域を回避するための調整が困難であるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、誘導電動機の回路定数と実測値とから算出した磁束指令値により、誘導電動機の回転速度が低い場合でも、出力電圧のＳＮ比を高くして、一次角周波数演算値の演算誤差を小さく抑制しているので、低速運転時でも、短い調整時間で、安定した回転を得ることができる誘導電動機のベクトル制御装置を提供することである。

この発明に係る誘導電動機のベクトル制御装置は、インバータ装置を介して誘導電動機を駆動するためのベクトル制御装置であって、外部システムからの入力信号に基づいてトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、誘導電動機の回路定数および誘導電動機に関する実測値に基づいて、磁束指令値を選択して出力する磁束指令値演算手段と、磁束指令値演算手段から出力された磁束指令値と誘導電動機の回路定数とに基づいて、インバータ装置を制御するベクトル制御手段とを備え、磁束指令値演算手段は、誘導電動機に印可する電圧が、不安定領域に対応した設定値以上となるように磁束指令演算値を算出する磁束指令値逆算演算部を有しているものである。

この発明の誘導電動機のベクトル制御装置によれば、低速運転時に不安定ならないように、外部システムからの入力信号に基づいてトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、誘導電動機の回路定数および誘導電動機に関する実測値に基づいて磁束指令値を逆算し、出力電圧のＳＮ比を高くすることにより、特に速度センサなどの回転速度検出手段を用いなくても、低速運転時の不安定領域を大幅に低減できるという効果がある。
また、誘導電動機が変更されたときも、低速運転時に出力電圧のＳＮ比を高く設定できるよう磁束指令値を自動的に逆算することにより、不安定領域を回避でき、制御調整なしで適用できるという効果がある。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。
なお、実施の形態１においては、直流電気車を例に挙げて説明するが、交流電気車の場合も同様に適用できる。

図１において、電気車の主回路は、電気車に直流電力を供給する架線１と、架線１から直流電力を集電するパンタグラフ２と、架線１から集電した直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するＶＶＶＦインバータ３と、ＶＶＶＦインバータ３の直流側に接続された直流リアクトル４とフィルタコンデンサ５とフィルタコンデンサ５のマイナス側に接続された車輪６と、車輪６を介してフィルタコンデンサ５の一端を接地するレール７と、ＶＶＶＦインバータ３の交流側に接続された誘導電動機８とから構成されている。
ここで、フィルタコンデンサ５には、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器９が設けられている。

また、図１において、ベクトル制御装置は、ＶＶＶＦインバータ３を制御するベクトル制御手段１０と、磁束指令値を算出する磁束指令値演算手段１１とを備えている。
ベクトル制御手段１０は、誘導電動機８に流れる１次電流を検出する電流検出器１２と、電流検出器１２で検出した１次電流を磁束軸（ｄ軸）とトルク軸（ｑ軸）の回転座標系の２軸に変換し、ｄ軸電流とｑ軸電流とを出力する座標変換器１３と、磁束指令値とトルク指令値とに基づいて、磁束軸電流指令とトルク軸電流指令とを演算する電流指令値演算部１４と、電流指令値演算部１４の出力である磁束軸電流指令とトルク軸電流指令とに基づいて、滑り角周波数を演算する滑り角周波数演算部１５と、電流指令値演算部１４の出力である磁束軸電流指令とトルク軸電流指令と出力角周波数とに基づいて、ｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とを演算する電圧ベクトル制御演算部１６と、出力角周波数と磁束指令値とｄ軸電流とｑ軸電流とｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とに基づいて、ロータ回転角周波数推定値を演算するロータ回転角周波数演算部１７と、滑り角周波数とロータ回転角周波数推定値とを加算して、出力角周波数を演算する加算器１８と、出力角周波数を積分して、位相角を演算する積分器１９と、位相角とｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とに基づいて、ＶＶＶＦインバータ３のゲートを制御するゲート制御部２０とを備えている。

図２は、図１に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段１１を示すブロック図である。
図２において、磁束指令値演算手段１１は、ｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令と出力角周波数とフィルタコンデンサ電圧と外部システムからの入力信号に基づいてトルク指令値演算部（図示せず）で演算されるトルク指令値とに基づいて、磁束指令値を算出する磁束指令値逆算演算部２１を備えている。
また、磁束指令値演算手段１１は、第１の磁束指令切り替え手段である、ロータ回転角周波数を比較する比較器２２と、比較器２２の結果によって、磁束指令値を切り替える切り替え器２３とを備えている。
また、磁束指令値演算手段１１には、磁束指令基準値Ｆ２ＲＭとロータ回転角周波数設定値Ｗｒ１２Ｍが与えられている。

図３は、図１に示した誘導電動機の等価回路を示す回路図である。
図３において、誘導電動機８の回路定数である、相互インダクタンスＭと、１次インダクタンスＬ１と、２次インダクタンスＬ２と、１次抵抗Ｒ１と、２次抵抗Ｒ２とがベクトル制御手段１０に与えられる。
なお、誘導電動機８の極対数をＰとする。

図４は、この発明の実施の形態１に関連した、誘導電動機の速度センサレスベクトル
制御装置における不安定領域を示すグラフである。
図４において、斜線を付した箇所が、低速運転時における不安定領域である。

図５は、この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置における、速度
推定値と誘導電動機電圧との関係を示すグラフである。

以下、上記構成の誘導電動機８のベクトル制御装置についての動作を説明する。
まず、電流検出器１２は、誘導電動機８に流れる１次電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。検出された１次電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、座標変換器１３に入力され、次式（１）により、磁束軸（ｄ軸）とトルク軸（ｑ軸）の回転座標系の２軸に変換されて、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとなって出力される。

また、電流指令値演算部１４では、磁束指令値演算部の出力である磁束指令値Ｆ２Ｒと、電気車の運転台などから得られるノッチ指令などから決定するトルク指令値Ｔｍｒとを入力として、次式（２）により、ｄ軸電流指令Ｉｄｒとｑ軸電流Ｉｑｒとを演算する。

滑り角周波数演算部１５においては、電流指令値演算部１４からの出力であるｄ軸電流指令Ｉｄｒとｑ軸電流指令Ｉｑｒとに基づいて、与えるべき滑り角周波数ωｓを次式（３）により演算する。

滑り角周波数演算部１５で演算された滑り角周波数ωｓと、ロータ回転角周波数演算部１７で演算されたロータ回転角周波数Ｗｒ１とは、加算器１８において加算され、ＶＶＶＦインバータ３の出力角周波数ωｉ（インバータ角周波数）となる。
ここで、ロータ回転角周波数Ｗｒ１の演算方法としては、例えば特開平１１−４５９９号公報に示された、回転角速度推定手段等を用いることができる。

電圧ベクトル制御演算部１６においては、ｄ軸電流指令Ｉｄｒとｑ軸電流指令Ｉｑｒと、座標変換器１３の出力であるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑと、出力角周波数ωｉを入力して、次式（４）により、ｄ軸電圧指令Ｖｄｒとｑ軸電圧指令Ｖｑｒとを演算する。

ただし、σは漏れインダクタンス（＝１−（Ｍ×Ｍ／（Ｌ１×Ｌ２）））、Ｋｐ：電流制御比例ゲイン、Ｋｉ：電流制御積分ゲイン、ｇ：ラプラス演算子を示す。

また、出力角周波数ωｉは、積分器１９に入力されて、その積分値がゲート制御部２０に出力される。この積分器１９の出力は静止座標系のａ軸から回転座標系ｄ軸までの位相角θである。
ゲート制御部２０においては、電圧指令演算部からの出力であるｄ軸電圧指令Ｖｄｒとｑ軸電圧指令Ｖｑｒと積分器１９からの出力である位相角θとに基づいて、ＶＶＶＦインバータ３を制御するゲート信号を作成する。

磁束指令値演算手段１１に設けられた磁束指令値逆算演算部２１では、電圧検出器９により検出されたフィルタコンデンサ電圧Ｅｆｃ、電圧ベクトル制御演算部１６の出力であるｄ軸電圧指令Ｖｄｒ、ｑ軸電圧指令Ｖｑｒおよび出力角周波数ωｉに基づいて、与えるべき磁束指令値Ｆ２ＲＢを演算する。
まず、定常状態では、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑは、ｄ軸電流指令Ｉｄｒ及びｑ軸電流指令Ｉｑｒに一致するため、上述した式（４）は、次式（５）になる。

また、式（３）は、式（２）により次式（６）に変形する。

なお、式（２）より、２次磁束指令値Ｆ２Ｒ、トルク指令値Ｔｍｒは、次式（７）および（８）で表すことができる。

式（４）より、ｑ軸電流指令Ｉｑｒを次式（９）に変形する。

ここで、誘導電動機電圧をＶとおき、ｄ軸電圧指令Ｖｄｒとｑ軸電圧指令Ｖｑｒより次式（１０）の関係が成り立つ。

式（１０）に式（５）、式（６）、式（７）および式（８）を代入することにより、２次磁束指令値Ｆ２Ｒについて、次式（１１）が求められる。

式（１１）を用いることにより、誘導電動機８の回路定数（Ｒ１、Ｌ１、Ｍ、Ｌ２、Ｐ）、出力角周波数ωｉと、誘導電動機電圧Ｖと、トルク指令値Ｔｍｒとを入力することにより、２次磁束指令値Ｆ２Ｒを一意的に決めることができる。
また、誘導電動機電圧Ｖとフィルタコンデンサ電圧Ｅｆｃとの関係は、以下の式（１２）で表される。

式（１２）において、ａは変調率もしくは、電圧利用率と称される値である。

また、式（１２）を式（１１）に代入することにより、式（１１）は、次式（１３）のようになる。

ここで、式（１３）に示す誘導電動機８の回路定数（Ｒ１、Ｌ１、Ｍ、Ｌ２、Ｐ）、ｄ軸電圧指令Ｖｄｒ、ｑ軸電圧指令Ｖｑｒ、出力角周波数ωｉ、フィルタコンデンサ電圧Ｅｆｃ、トルク指令値Ｔｍｒは入力変数である。
式（１３）において、誘導電動機８に印可される電圧がある値以上を確保して、図４の不安定領域を回避できるように変調率ａを決めることにより、低速運転時の不安定領域を低減することができる。
すなわち、低速運転時の不安定領域を回避できるように、誘導電動機８に印可する最低電圧Ｖｍを設定することにより、式（１２）のように変調率ａが決まる。
この変調率ａを式（１３）に代入することにより、以下の式（１４）のように、磁束指令値Ｆ２ＲＢを得ることができる。

式（１４）で得られた磁束指令値Ｆ２ＲＢを用いることにより、低速運転時においても誘導電動機８の出力電圧は、設定した最低電圧Ｖｍを確保することができる。

なお、ロータ回転角周波数演算部１７は、適応オブザーバ付センサレス制御による速度推定方法など、速度推定方法に関わらず適用可能である。

ここで、磁束指令値演算手段１１における動作について説明する。
まず、切り替え設定値に設定されたロータ回転角周波数設定値Ｗｒ１２Ｍと、ロータ回転角周波数Ｗｒ１とを比較器２２で比較する。
ここで、ロータ回転角周波数Ｗｒ１がロータ回転角周波数設定値Ｗｒ１２Ｍよりも低い値である場合、切り替え器２３は、磁束指令値逆算演算部２１側に切り替わる。そして、磁束指令値逆算演算部２１で算出されたＦ２ＲＢを磁束指令値として出力する。
また、ロータ回転角周波数Ｗｒ１がロータ回転角周波数設定値Ｗｒ１２Ｍよりも高い値である場合、切り替え器２３は、磁束指令基準値Ｆ２ＲＭ側に切り替わる。そして、磁束指令基準値Ｆ２ＲＭを磁束指令値として出力する。

このとき、速度に対する誘導電動機８の電圧は、図５のグラフの実線で示す値となり、ロータ回転角周波数がロータ回転角周波数設定値Ｗｒ１２Ｍよりも低い、低速運転時においては、誘導電動機８に印可する最低電圧として設定した、最低電圧Ｖｍが出力される。

この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置によれば、変調率ａを決めることにより算出した２次磁束指令値Ｆ２ＲＢを用いることにより、誘導電動機８の回転速度が低い場合でも最低電圧Ｖｍを確保し、出力電圧のＳＮ比を高くできる。そのため、一次角周波数演算値の演算誤差を小さく抑制でき、低速運転時においても安定した回転を得ることができる。
また、演算する必要のある値は、変調率ａのみであるため、従来のものと比べ、調整要素を簡略化でき、調整時間を短縮することもできる。
また、速度推定方法にかかわらず適用可能であり、低速運転時に不安定領域を回避でき、調整方法も低減できる効果がある。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、磁束指令値演算手段において、ロータ回転角周波数のみを考慮して、磁束指令の切り替えをしたが、さらに、ブレーキ指令を考慮してもよい。
実施の形態２は、上記実施の形態１にブレーキ指令によって磁束指令値を切り替える手段を追加したものである。
図６は、この発明の実施の形態２に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。
図６において、ベクトル制御装置には、磁束指令値演算手段１１にブレーキ指令Ｂが入力される。その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

図７は、図６に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段１１を示すブロック図である。
図７において、磁束指令値演算手段１１は、第２の磁束指令切り替え手段である切り替え器２４を備えている。その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の誘導電動機のベクトル制御装置についての動作を説明する。
まず、ベクトル制御手段１０は、ブレーキ指令によらず実施の形態１と同様の動作をしており、その説明は省略する。
磁束指令値演算手段１１においては、切り替え器２４は、ブレーキ指令Ｂが生成されたときのみ、実施の形態１と同様の動作を行い、ブレーキ指令Ｂが生成されないときは、常に磁束指令基準値Ｆ２ＲＭを出力するよう切り替えを行う。

この発明の実施の形態２に係る誘導電動機のベクトル制御装置によれば、一般的に、低速運転時の不安定領域は、ブレーキ時にのみ発生するため、ブレーキ時のみ磁束指令値逆算演算部２１が動作するため、ブレーキと力行との機能を分離することができる。

なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、この発明の用途として速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置の場合を例に説明したが、その他の汎用インバータの場合や電気自動車の分野にも利用できる。

この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。 図１に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段を示すブロック図である。 図１に示した誘導電動機の等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に関連した、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置における不安定領域を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置における、速度と誘導電動機電圧との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。 図６に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段を示すブロック図である。

符号の説明

１ 架線、２ パンタグラフ、３ ＶＶＶＦインバータ、４ 直流リアクトル、５ フィルタコンデンサ、６ 車輪、７ レール、８ 誘導電動機、９ 電圧検出器、１０ ベクトル制御手段、１１ 磁束指令値演算手段、１２ 電流検出器、１３ 座標変換器、１４ 電流指令値演算部、１５ 滑り角周波数演算部、１６ 電圧ベクトル制御演算部、１７ ロータ回転角周波数演算部、１８ 加算器、１９ 積分器、２０ ゲート制御部、２１ 磁束指令値逆算演算部、２２ 比較器、２３ 切り替え器、２４ 切り替え器。

Claims (4)

1. インバータ装置を介して誘導電動機を駆動するためのベクトル制御装置であって、
   外部システムからの入力信号に基づいてトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、前記誘導電動機の回路定数および前記誘導電動機に関する実測値に基づいて、磁束指令値を選択して出力する磁束指令値演算手段と、
   前記磁束指令値演算手段から出力された前記磁束指令値と前記誘導電動機の回路定数とに基づいて、前記インバータ装置を制御するベクトル制御手段と
   を備え、
   前記磁束指令値演算手段は、前記誘導電動機に印可する電圧が、不安定領域に対応した設定値以上となるように磁束指令演算値を算出する磁束指令値逆算演算部を有していること
   を特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
2. 前記実測値は、前記誘導電動機の１次電流と前記インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサのコンデンサ電圧とを含み、
   前記ベクトル制御手段は、前記回路定数と前記１次電流とから、電圧指令値、前記誘導電動機の滑り角周波数およびロータ回転角周波数を求めるとともに、前記滑り角周波数と前記ロータ回転角周波数とを加えて出力角周波数を求め、
   前記磁束指令値逆算演算部は、前記電圧指令値と、前記出力角周波数と、前記コンデンサ電圧と、前記トルク指令値と
   から前記磁束指令演算値を算出することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
3. 前記ベクトル制御手段は、前記回路定数と前記１次電流とから、前記誘導電動機のロータ回転角周波数を求め、
   前記磁束指令値演算手段は、前記ロータ回転角周波数に基づく第１の磁束指令切り替え手段を含み、
   前記第１の磁束指令切り替え手段は、前記ロータ回転角周波数が、所定の周波数以下のときは、前記磁束指令演算値を前記磁束指令値として出力し、所定の周波数よりも大きいときは、前記磁束指令値演算手段に与えられた磁束指令基準値を前記磁束指令値として出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
4. 前記磁束指令値演算手段は、ブレーキ指令に応答する第２の磁束指令切り替え手段を含み、
   前記第２の磁束指令切り替え手段は、ブレーキ指令に基づいて、ブレーキ指令が生成されたときは、前記磁束指令演算値を前記磁束指令値として出力し、ブレーキ指令が生成されないときは、前記磁束指令値演算手段に与えられた磁束指令基準値を前記磁束指令値として出力することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。

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