JP2006187172A - 誘導電動機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 速度検出器および高性能な制御装置を必要とせず、回転数が不明である誘導電動機を過電流無く駆動することができる誘導電動機の制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】 推定モードでインバータ回路２１を制御すると、インバータ回路２１の出力電圧の周波数が変化し、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値が変化し、誘導電動機３のすべりが零になると、誘導電動機３に供給される電力の瞬時値も零となる。推定モードでインバータ回路２１を制御している状態で、出力電力演算部２６によって取得された電力の瞬時値が零となるインバータ回路２１の出力電圧の周波数を検出したとき、この周波数から、駆動モードでインバータ回路２１を制御することによって、誘導電動機３が過電流となることが防止され、誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導電動機の制御装置および制御方法に関する。

たとえば慣性によって回転子が減速回転中であったり、外部からの負荷によって回転子が誘転していたりする誘導電動機を、インバータ装置によって駆動する場合、誘導電動機における回転速度が不明であるため、インバータ装置によって始動を行うと滑りが過大となり、過電流を引き起こしてしまい、この過電流によってインバータ装置が停止し、さらには破損してしまうおそれがある。

このような問題に鑑み第１の従来の技術では、回転数検出器によって電動機の回転数を検出し、インバータの出力周波数と電動機の回転数の関係が、すべり０の時点において、商用電源からインバータ側に切替えて回転中の誘導電動機を再駆動することによって、電動機に過電流が流れてしまうことを防止している（たとえば特許文献１参照）。

また第２の従来の技術では、誘導電動機の印加電圧に対し直行する電流ベクトルを検出し、この電流ベクトル成分が零となるように調整することによって、誘導電動機の回転速度を検出して、この検出した回転速度に基づいて、誘導電動機を再起動している（たとえば特許文献２参照）。

特開昭５６−１７８８号公報 特開２００２−３６９５９７号公報

第１の従来の技術では、誘導電動機の回転数を検出する回転検出器を備える必要があるという問題がある。このような回転検出器を誘導電動機に取付けるためには、誘導電動機の軸端を加工する必要があったり、取付けスペースを確保することが困難であったりするという問題がある。

第２の従来の技術では、回転検出器を備える必要はないが、ベクトル制御を用いて誘導電動機の回転速度を検出しており、このようなベクトル制御を用いる場合には、誘導電動機の制御が複雑となり、このため高性能な制御装置が必要となるという問題がある。

したがって本発明の目的は、速度検出器および高性能な制御装置を必要とせず、回転数が不明である誘導電動機を過電流無く駆動することができる誘導電動機の制御装置および制御方法を提供することである。

請求項１記載の本発明は、直流電圧を交流電圧に変換して、誘導電動機に供給するインバータ回路と、
インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値を取得する電力取得手段と、
電力取得手段によって取得された電力の瞬時値が零となったときの、インバータ回路の出力電圧の周波数を取得する周波数取得手段と、
インバータ回路の出力電圧を、予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、前記出力電圧の周波数を変化させ、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第１制御モードでインバータ回路を制御し、第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、周波数取得手段によって前記周波数が取得されたとき、この取得された周波数から、予め定める回転速度指令に基づいて、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第２制御モードでインバータ回路を制御するインバータ回路制御手段とを含むことを特徴とする誘導電動機の制御装置である。

請求項１記載の本発明に従えば、インバータ回路制御手段が、第１の制御モードでインバータ回路を制御することによって、インバータ回路の出力電圧を予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、この出力電圧の周波数を変化させて、誘導電動機の回転速度を推定することができる。予め定める電圧値は、たとえば誘導電動機が停止状態であっても、過電流とならないように選ばれる。

インバータ回路制御部が、第１制御モードでインバータ回路を制御すると、インバータ回路の出力電圧の周波数が変化する。このようにインバータ回路の出力電圧の周波数が変化すると、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が変化する。誘導電動機のすべりが零になると、誘導電動機に供給される電力の瞬時値も零となる。これによって電力の瞬時値が零となったとき、誘導電動機のすべりが零であると推定することができる。

インバータ回路制御部が第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、電力検出手段によって取得された電力の瞬時値が零となるインバータ回路の出力電圧の周波数を周波数取得手段によって取得したとき、誘導電動機の回転速度と、インバータ回路の出力周波数との関係がすべり零となる。したがって、電力取得手段によって取得された電力の瞬時値が零となるインバータ回路の出力電圧の周波数を、周波数取得手段によって取得したときに、この周波数から、インバータ回路制御手段が第２制御モードでインバータ回路を制御することによって、誘導電動機が過電流となることが防止され、予め定める回転速度指令が表す回転速度となるように誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御することができる。このように、電力の瞬時値に基づいてすべりが零となる周波数を取得することによって、回転速度を検出する検出装置を設ける必要がなく、誘導電動機の回転速度に応じたインバータ出力電圧を誘導電動機に与えて、予め定める回転速度となるように誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御することができる。

請求項２記載の本発明は、前記インバータ回路制御手段は、インバータ回路の制御に用いられ、インバータ回路の出力電圧を決定する指令電圧値を表す電圧情報を生成し、
前記電力取得手段は、インバータ回路の出力電流を計測し、この出力電流の電流値を表す電流情報を生成する電流計測部と、前記電圧情報および前記電流情報とに基づいて電力の瞬時値を求める電力演算部とを有することを特徴とする。

請求項２記載の本発明に従えば、電力計測部によってインバータ回路の出力電流を実際に計測し、電力演算部が、この電流計測部によって計測されたインバータ回路の出力電流を表す電流情報と、インバータ回路の制御に用いられ、インバータ回路の出力電圧を決定する指令電圧値を表す電圧情報とに基づいて、電力の瞬時値を求める。インバータ回路の出力電圧を実測せず、インバータ回路の出力電圧を決定する指令電圧値を表す電圧情報を用いることによって、指令電圧値が表す電圧値は、インバータ回路の出力電圧値と等しいので、電圧計を省略して装置構成を簡略化することができるとともに、電圧計によって実測する場合に発生する測定に伴うノイズの影響を加味して、処理する必要が無い。

請求項３記載の本発明は、前記インバータ回路制御手段は、第１制御モードにおいて、インバータ回路の出力電圧の周波数が、誘導電動機の定格周波数から小さくなるようにインバータ回路を制御することを特徴とする。

請求項３記載の本発明に従えば、インバータ回路制御手段は、第１制御モードにおいて、まずインバータ回路の出力電圧の周波数を、誘導電動機の定格周波数に合せて、この定格周波数から小さくなるようにインバータ回路を制御するので、定格周波数を超える周波数の出力電圧が誘導電動機に印加されることがなく、またインバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が零となるような周波数を、周波数検出手段によって効率的に取得することができる。

請求項４記載の本発明は、直流電圧を交流電圧に変換して、誘導電動機に供給するインバータ回路の出力電圧を予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、前記出力電圧の周波数を変化させ、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第１制御モードでインバータ回路を制御し、
第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値を取得し、
検出した電力の瞬時値が零となったときの、インバータ回路の出力電圧の周波数を取得し、
前記周波数を取得したとき、取得した前記周波数から、予め定める回転速度指令に基づいて、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第２制御モードでインバータ回路を制御することを特徴とする誘導電動機の制御方法である。

請求項４記載の本発明に従えば、第１の制御モードでインバータ回路を制御することによって、インバータ回路の出力電圧を予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、この出力電圧の周波数を変化させて、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御することができる。予め定める電圧値は、たとえば誘導電動機が停止状態であっても、過電流とならないように選ばれる。

第１制御モードでインバータ回路を制御すると、インバータ回路の出力電圧の周波数が変化する。このようにインバータ回路の出力電圧の周波数が変化すると、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が変化する。誘導電動機のすべりが零になると、誘導電動機に供給される電力の瞬時値も零となる。これによって電力の瞬時値が零となったとき、誘導電動機のすべりが零であると推定することができる。

第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が零となるときの、インバータ回路の出力電圧の周波数を取得したとき、誘導電動機の回転速度と、インバータ回路の出力周波数との関係がすべり零となる。したがって、電力の瞬時値が零となるインバータ回路の出力電圧の周波数を取得したときに、この周波数から、インバータ制御回路が第２制御モードでインバータ回路を制御することによって、誘導電動機が過電流となることが防止され、予め定める回転速度指令が表す回転速度となるように誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御することができる。このように、電力の瞬時値に基づいてすべりが零となる周波数を取得することによって、回転速度を検出する検出装置を設ける必要がなく、誘導電動機の回転速度に応じたインバータ出力電圧を誘導電動機に与えて、予め定める回転速度となるように誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御することができる。

請求項１記載の本発明によれば、たとえば慣性によって回転子が減速回転中であったり、外部からの負荷によって回転子が誘転して回転していたりして、回転速度が不明である誘導電動機を過電流無く駆動することができる。また本発明の誘導電動機の制御装置では、第１の従来の技術に開示される速度検出器を誘導電動機に設ける必要がないので、汎用の誘導電動機の制御を行うことができる。また誘導電動機のＶ／Ｆ一定制御は、ベクトル制御と比較して制御処理が容易であるので、ベクトル制御に用いられるような高性能な制御装置を必要とせず、比較的簡単な構成で誘導電動機の制御装置を実現することができる。

請求項２記載の本発明によれば、電圧計を用いることなく、電流計測部によって測定した電流値が表す電流情報と、指令電圧値が表す電圧情報とに基づいて、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力を取得することによって、簡略な構成でインバータ回路の出力電力を取得することができる。

請求項３記載の本発明によれば、定格周波数を超える周波数の出力電圧が、誘導電動機に印加されることがなく、周波数検出手段によってインバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が零となるような周波数を効率的に取得することができる。したがって、短時間で前記インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値が零となるような周波数を取得することができ、これによって第１制御モードから第２制御モードに迅速に制御モードが切換わり、誘導電動機の回転速度を、予め定める回転速度指令が表す回転速度にすることができる。

請求項４記載の本発明によれば、慣性によって回転子が減速回転中であったり、外部からの負荷によって回転子が誘転して回転していたりして、回転速度が不明である誘導電動機を過電流無く駆動することができる。また本発明の誘導電動機の制御方法では、第１の従来の技術に開示される速度検出器を誘導電動機に設ける必要がないので、汎用の誘導電動機の制御を行うことができる。また誘導電動機のＶ／Ｆ一定制御は、ベクトル制御と比較して制御処理が容易であるので、本発明の制御方法を実現するために、ベクトル制御に用いられるような高性能な制御装置を必要とせず、比較的簡単な構成の制御装置によって実現することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の誘導電動機の制御装置１を含む送風システム２の構成を表すブロック図である。誘導電動機の制御装置１を、以後電動機制御装置１と記載する。

送風システム２は、たとえば予め定める空間の換気に用いられ、電動機制御装置１と、誘導電動機３と、送風部４と、複数の電源系統５と、電源系統切換え部６と、システム制御部７とを含む。送風システム２は、複数の電源系統５を、誘導電動機３に選択的に接続して、誘導電動機３を駆動することによって送風する。

誘導機である誘導電動機３は、たとえばかご型誘導電動機によって実現される。送風部４は、羽根車によって実現される。送風部４は、誘導電動機３の回転軸８に設けられ、誘導電動機３のロータが回転することによって、回転軸８の軸線まわりに回転し、これによって送風することができる。

送風システム２は、誘導電動機３を駆動するための電力を供給する複数の電源系統５を有し、本実施の形態では、第１および第２電源系統５ａ，５ｂを有する。第１電源系統５ａは、商用電源１１から誘導電動機３に電力を与える。第２電源系統５ｂは、直流電圧源１２から電動機制御装置１を介して誘導電動機３に電力を与える。

電源系統切換え部６は、複数の電源系統５のいずれか１つと誘導電動機３とを選択的に接続する。電源系統切換え部６は、第１および第２入力端子部１３，１４と、出力端子部１５とを有する３端子の切換えスイッチを含んで実現され、システム制御部７から与えられる系統切換え指令に基づいて、第１電源系統５ａを誘導電動機３に接続する第１スイッチング態様と、第２電源系統５ｂを誘導電動機３に接続する第２スイッチング態様とを切換え、言い換えれば第１および第２入力端子部１３，１４と、出力端子部１５とを選択的に接続する。第１入力端子部１３は、第１電源系統５ａに接続され、第２入力端子１４は、第２電源系統５ｂに接続される。

システム制御部７は、電源系統切換え部６および電動機制御装置１に、動作指令を与え、これらを制御する。システム制御部７は、電源系統切換え部６に系統切換え指令を与えることによって、第１または第２電源系統５ａ，５ｂと、誘導電動機３とを接続させる。またシステム制御部７は、電動機制御装置１に、誘導電動機３が回転速度の目標値を表す予め定める回転速度指令を与える。本実施の形態では、回転速度指令は、回転速度を回転数に変換して表す回転数指令として、電動機制御装置１に与える。またシステム制御部７は、電動機制御装置１によって誘導電動機３の駆動を開始させるための起動指令、および電動機制御装置１による誘導電動機３の駆動を停止させるための停止指令を電動機制御装置１に与える。

前述した第１電源系統５ａは、商用電源１１を含んで実現される。商用電源１１は、３相交流電源であって、本実施の形態では、たとえば電圧が４４０Ｖであり、周波数が６０Ｈｚである。商用電源１１は、ケーブル１６を介して電源系統切換え部６の第１入力端子部１３に接続される。

第２電源系統５ｂは、直流電圧源１２および電動機制御装置１を含んで実現される。直流電圧源１２は、直流電圧Ｖｄｃを発生し、たとえば蓄電池によって実現される。本発明の他の実施の形態において、直流電圧源１２は、たとえば駆動源と、３相交流発電機と、３相整流回路とを含んで構成されてもよい。駆動源は、３相交流発電機の回転軸を回転駆動する。３相交流発電機は、駆動源によって回転軸を回転させることによって、３相交流を生成する。３相整流回路は、３相交流発電機と接続され、３相交流発電機から出力される３相交流を、直流電圧に変換して出力する。また直流電圧源１２は、燃料電池などによって実現されてもよい。このような構成は、直流電圧源１２の構成が異なるだけであって、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

電動機制御装置１は、インバータ回路２１と、制御モード判別部２２と、電圧指令値演算部２３と、ＰＷＭ制御部２４と、電流計測部２５と、出力電力演算部２６とを含んで構成される。

インバータ回路２１は、直流電圧を交流電圧に変換する電圧形インバータ回路によって実現される。インバータ回路２１は、直流電圧源１２と接続され、直流電圧源１２から直流電圧が与えられるインバータ入力部３１と、電源系統切換え部６の第２入力端子１４と接続され、３相交流を出力するインバータ出力部３２と、制御信号入力端子部３３とを有する。

インバータ回路２１が有する各スイッチング素子は、制御信号入力端子部３３と接続され、制御信号入力端子部３３にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部２４から与えられるインバータ駆動信号に基づいて、導通または非導通となるように、スイッチング態様を切換える。

制御モード判別部２２は、システム制御部７から与えられる起動指令、停止指令、ならびに後述する出力電力演算部２６から与えられるインバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値を表す電力情報に基づいて、制御モードを決定する。起動指令と停止指令とは、システム制御部７から選択的に制御モード判別部２２に与えられる。前記制御モードは、第１の制御モードである推定モードと、第２の制御モードである駆動モードとを含む。推定モードは、誘導電動機３の回転速度を推定するためのものであり、駆動モードは、推定モードによって誘導電動機３の回転速度を推定した後、その回転速度から、誘導電動機３を目標とすべき回転速度とするためのものである。制御モード判別部２２の具体的な動作については、後述する。

制御モード判別部２２は、決定した制御モードを表すモード情報と、制御モードに対応する角周波数指令とを電圧指令演算部２３に与える。

電圧指令演算部２３は、制御モード判別部２２から与えられるモード情報と、角周波数指令とに基づいて、インバータ回路２１の制御に用いられるインバータ電圧指令値を生成する。インバータ電圧指令値は、ＰＷＭ制御部２４において、インバータ回路２１の出力電圧を決定するために用いられ、インバータ回路２１の出力電圧の電圧値を表す。電圧指令演算部２３は、生成したインバータ電圧指令値を、ＰＷＭ制御部２４と、出力電力演算部２６とに与える。

ＰＷＭ制御部２４は、電圧指令演算部２３から与えられるインバータ電圧指令値に基づいて、インバータ回路２１の出力電圧の電圧値が、インバータ電圧指令値が表す電圧値となるようにインバータ回路２１の各スイッチング素子を駆動するようなＰＷＭ信号を生成して、制御信号入力端子部３３に与える。

電流計測部２５は、電流計を含み、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される交流電流の電流値を検出する。電流計は、インバータ回路２１のインバータ出力部３２の第１〜第３出力端子部にそれぞれ接続され、インバータ出力部３２と電源系統切換え部６の第２入力部端子部１４との間で、電流を計測する。電流計測部２５は、電流計によって計測された電流値を表す電流情報を生成して、出力電力演算部２６に与える。電流計測部２５は、第１〜第３出力端子部から誘導電動機３の各電動機入力端子にそれぞれ供給される３相分の交流電流を測定する。電流計測部２５は、生成した電流情報を出力電力演算部２６に与える。

出力電力演算部２６は、前記電圧指令演算部２３から与えられる電圧情報であるインバータ電圧指令値Ｖinv^＊と、前記電流計測部２５から与えられるインバータ回路２１の出力電流を表す電流情報とに基づいて、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値を算出する。電力取得手段は、電流計測部２５および出力電力演算部２６を含んで実現される。

本発明の実施の他の形態において、出力電力演算部２６は、電圧計によってインバータ回路２１の出力電圧の電圧値を実測して得られる電圧情報を取得して、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値を算出することによって取得してもよい。このような構成であっても、本発明の効果と同様の効果を得ることができる。

出力電力演算部２６は、電力の瞬時値Ｐinv^＊を、式１によって算出する。式１において、インバータ出力部３２の第１〜第３出力端子部から出力される電流の電流値を、それぞれＩｕinv、Ｉｖinv、Ｉｗinvとし、出力される電圧の電圧値、すなわち電圧指令演算部２３から与えられる３相のインバータ電圧指令値をそれぞれ、Ｖｕinv^＊、Ｖｖinv^＊、Ｖｗinv^＊とする。
Ｐinv^＊＝Ｉｕinv・Ｖｕinv^＊＋Ｉｖinv・Ｖｖinv^＊＋Ｉｗinv・Ｖｗinv^＊
…（１）

出力電力演算部２６は、算出した電力の瞬時値を表す電力情報を、制御モード判別部２２に与える。出力電力演算部２６による瞬時電力の算出動作は、電圧指令演算部２３から与えられるインバータ電圧指令値が変更される度に行われ、電力の瞬時値が算出される毎に、出力電力演算部２６は、この電力の瞬時値を表す電力情報が制御モード判別部２２に与える。

図２は、インバータ回路２１を誘導電動機３に接続したときに、このインバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力および電流、ならびに誘導電動機３のトルクと、誘導電動機３の、すべりおよび回転数との関係を表すグラフである。図２に示すグラフにおいて、縦軸は、出力電力（ｋｗ）、トルク（Ｎ・ｍ）および出力電流（Ａｒｍｓ）を表し、横軸は、すべりおよび回転数（ｒｐｍ）を表す。インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力を、出力電力と記載し、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電流を出力電流と記載する。以後、「すべり」を、記号「ｓ」で表すことがある。
ここでは、誘導電動機３として、定格電力５５ｋｗ、定格電圧４４０Ｖ、定格周波数６０Ｈｚ、極数４（４Ｐ）のものを用いた場合について示している。

図２には、出力電力とすべりとの関係を表す出力電力−すべり曲線Ｓ１と、出力電流とすべりとの関係を表す出力電流−すべり曲線Ｓ２と、トルクとすべりとの関係を表すトルク−すべり曲線Ｓ３を示している。図２において、出力電力−すべり曲線Ｓ１を仮想線によって表し、出力電流−すべり曲線Ｓ２を１点鎖線によって表し、トルク−すべり曲線Ｓ３を実線によって表す。

すべりが零（ｓ＝０）のときに、誘導電動機３のロータの回転速度と、回転磁界の回転速度とが等しくなり、誘導電動機３のロータの回転速度と、回転磁界の回転速度とは同期する。誘導電動機３は、誘導機であるので、すべりが零よりも大きく、１よりも小さい（０＜ｓ＜１）ときに、誘導電動機として動作し、すべりが零よりも小さく、−１よりも大きい（−１＜ｓ＜０）ときに、誘導発電機として動作する。図２に示す特性の誘導電動機３は、すべりが零のときに回転数が１８００ｒｐｍである。このような誘導機は、通常運転において、すべりが零となる回転数から±２０回転の範囲、すなわち回転数が１７８０〜１８２０ｒｐｍの範囲で駆動される。

図２に示すように、誘導電動機３のすべりが零（ｓ＝０）のときに、出力電力が零となる。また出力電流は、すべりが零のときに、最も小さな電流値となる。

図３は、制御モード判別部２２における動作処理を表すフローチャートである。電源系統切換え部６におけるスイッチング態様を、第１スイッチング態様から第２スイッチング態様に切換え後、起動指令が制御モード判別部２２に与えられると、ステップｓ０からステップｓ１に移る。

ステップｓ１では、推定モードを表す推定モード情報を出力して、電圧指令演算部２３に与えて、ステップｓ２に移る。

ステップｓ２では、出力電力演算部２６から与えられる電力の瞬時値を表す電力情報を取得して、ステップｓ３に移る。

ステップｓ３では、ステップｓ２で取得した電力情報が表す電力の瞬時値が、零になったか否かを判断する。制御モード判別部２２は、ステップｓ２において、出力電力演算部２６から与えられる電力の瞬時値が、零となった（Ｐinv^＊＝０）と判断すると、ステップｓ４に移り、零になっていない（Ｐinv^＊≠０）と判断すると、ステップｓ２に移る。

ステップｓ４では、駆動モードを表す駆動モード情報、および回転数指令値に対応する角周波数指令値ωinv^＊を出力して、電圧指令演算部２３に与えて、ステップｓ５に移る。

ステップｓ５では、システム制御部７から停止指令が与えられたか否かを判断する。ステップｓ５において、停止指令が与えられたと判断すると、ステップｓ６に移り、起動停止指令が与えられていないと判断すると、ステップｓ４に移る。

ステップｓ６では、誘導電動機３を停止するための停止指令を出力して、電圧指令演算部２３に与え、すなわち電圧指令演算部２３に回転数が零となるような角周波数指令値（ωinv^＊＝０）を与える。

図３に示す制御モード判別部２２の動作処理は、電源系統５を第１電源系統５ａから第２電源系統５ｂに切換え後に、起動指令が制御モード判別部２２に与えられるたびに開始される。

図４は、電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数とを表すグラフである。図４のグラフにおいて、出力電圧の実効値を、電圧実効値と記載し、出力電圧の周波数を、電圧周波数と記載する場合がある。また図４において、縦軸は電圧実効値（Ｖ）を表し、横軸は、電圧周波数（Ｈｚ）を表す。

電圧指令演算部２３は、推定モードおよび駆動モードにおいて、誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御するように、インバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成する。電圧指令演算部２３は、推定モード情報が与えられると、電圧実効値Ｖと電圧周波数Ｆとが、第１の比率Ｒ１となる、すなわちＶ／Ｆ＝Ｒ１となるように、誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御し、電圧周波数Ｆが誘導電動機３の定格周波数から零に向かって小さくなるようなインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、ＰＷＭ制御部２４および出力電力演算部２６に与える。

推定モードでは、電圧実効値が、予め定める電圧値Ｖ_１よりも小さくなるように電圧指令演算部２３が、インバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成する。前記予め定める電圧値Ｖ_１は、電圧の絶対値によって表される。予め定める電圧値Ｖ_１は、誘導電動機３の回転軸８を回転しないように固定して、この電圧を誘導電動機３に印加したときに、誘導電動機３に流れる電流が、定格電流以下となるように選ばれる。このように予め定める電圧値Ｖ_１を選ぶことによって、誘導電動機３に過電流が発生してしまい、これによって誘導電動機３の巻線が焼き切れたり、インバータ回路２１に過電流が発生して、スイッチング素子およびダイオードなどが破壊されたりするような装置の故障を防止することができる。

電圧指令演算部２３は、推定モードにおいてインバータ回路２１を制御しているとき、すなわちインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成しているときに、駆動モード情報が与えられると、まず駆動モード情報が与えられたときの電圧周波数のままで、電圧実効値Ｖと電圧周波数Ｆとが、第２の比率Ｒ２となる、すなわちＶ／Ｆ＝Ｒ２となるように、インバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、ＰＷＭ制御部２４および出力電力演算部２６に与え、その後回転数指令が表す回転数となるように、Ｖ／Ｆ＝Ｒ２となるように誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御するようなインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成する。

たとえば、回転数指令が表す予め定める回転数は、誘導電動機３に商用電源から与えられる周波数の電圧の同じ電圧を与えたときのもの、すなわちインバータ回路２１の電圧実効値が４４０Ｖ、この電圧周波数が６０Ｈｚとなるように、インバータ回路２１を制御する場合について説明する。まず、前述の図３に示すフローチャートのステップｓ１に示すように、推定モード情報が、電圧指令演算部２３に与えられると、電圧指令演算部２３は、推定モード情報が与えられると、Ｖ／Ｆ＝Ｒ１となるように、誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御し、電圧周波数が誘導電動機３の定格周波数である６０Ｈｚから零に向かって小さくなるようなインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、ＰＷＭ制御部２４および出力電力演算部２６に与える。第１の比率Ｒ１は、第２の比率Ｒ２よりも小さく選ばれる。

電圧指令演算部２３が推定モードでインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、インバータ回路２１を駆動すると、電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数は、図４のグラフに示す始点から、矢符Ｆ１で示すように第１のＶ／Ｆ一定直線４１に沿って、徐々に小さくなる。電圧指令演算部２３が予め定める時間間隔でＶ／Ｆが変化するように、インバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数とを変化させることによって、誘導電動機３の回転数を変化させることなく、誘導電動機３の回転数の推定動作を行う。

ここで推定モードによって、電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数と変化させているときに、前述の図３に示すフローチャートのステップｓ４に示すように、駆動モード情報が与えられたときの、インバータ回路２１の電圧周波数がｆ_１であり、このときの電圧実効値をＶ_２とする。

駆動モード情報は、インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値が零となっときに与えられるので、電力の瞬時値が零ということは、すべりが零であると推定することができる。駆動モードでは、まずインバータ回路２１の電圧周波数がｆ_１のままで、ｆ_１との比率が第２の比率Ｒ２となるように、インバータ回路２１の出力電圧を予め定める時間ｔで変化させるように、電圧指令演算部２３がインバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、ＰＷＭ制御部２４および出力電力演算部２６に与える。前記予め定める時間ｔは、１秒程度に選ばれ、好ましくは１秒よりも小さく選ばれる。このような短い時間で、電圧を調整することによって、誘導電動機３の回転数が変化しないうちに、第２の比率Ｒ２によるＶ／Ｆ一定制御に移行することができる。ここでは、電圧周波数がｆ_１のとき、第２の比率Ｒ２となる電圧実効値をＶ_３とする。これによって図４のグラフの矢符Ｆ２で示すように、電圧周波数が維持された状態で、電圧実効値が大きくなる。

次に、第２の比率Ｒ２を用いたＶ／Ｆ一定制御によって、回転速度指令値が表す回転速度となるように、インバータ電圧指令値Ｖinv^＊を生成して、ＰＷＭ制路部２４に与えると、電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数は、図４のグラフの矢符Ｆ３で示すように第２のＶ／Ｆ一定直線４２に沿って、終点まで徐々に大きくなる。ここでは、回転数指令を、電圧実効値が４４０Ｖ、電圧周波数が６０Ｈｚとなるようにしているので、駆動モードにおいて電圧実効値および電圧周波数を上昇させているが、回転数指令が、電圧周波数がｆ_１のときの回転数よりも低くなるように設定した場合、たとえば停止指令が与えられた場合には、電圧実効値および電圧周波数を降下させる。このように本発明の電動機制御装置１は、誘導電動機３の回転速度を上昇させる場合であっても、誘導電動機３の回転速度を降下させる場合であっても、用いることができる。

本実施の形態では、推定モードおよび駆動モードにおけるＶ／Ｆの比率は、それぞれ１つに定められているが、本発明の他の実施の形態において、推定モードおよび駆動モードにおけるＶ／Ｆの比率を複数設けて、複数種類のＶ／Ｆ一定制御を行ってもよい。

本実施の形態の制御装置１において、電力取得手段は、電圧指令演算部２３および出力電力演算部２６を含んで実現される。また周波数取得手段は、制御モード判別部２２および電圧指令演算部２３を含んで実現される。またインバータ回路制御手段は、ＰＷＭ制御部２４、電圧指令演算部２３および制御モード判別部２２を含んで実現される。

前述した送風システム２では、停止状態の誘導電動機３を駆動するために、まずシステム制御部７が、第１電源系統５ａを誘導電動機３に接続する系統切換え指令を出力し、この系統切換え指令が、電源系統切換え部６に与えられる。これによって電源系統切換え部６では、第１入力端子１３と、出力端子１５とを接続するようにスイッチング態様を切換え、商用電源１１と、誘導電動機３とが相互に接続され、商用電源１１から与えられる電力によって誘導電動機３が駆動される。停止状態の誘導電動機３に、第２電源系統５ｂから電力を与えて始動するのではなく、商用電源１１を用いて始動することによって、始動時において、第２電源系統５ｂに過電流が流れてしまうことがない。

第１電源系統５ａを誘導電動機３に接続すると、誘導電動機３が駆動し回転軸が回転する。システム制御部７は、第１電源系統５ａを誘導電動機３に接続し、予め定める時間経過後、誘導電動機３が接続される電源系統５を、第１電源系統５ａから第２電源系統５ｂに切換える。

ここでは、第１電源系統５ａを誘導電動機３に接続し、予め定める時間経過後に、誘導電動機３が接続される電源系統５を、第１電源系統５ａから第２電源系統５ｂに切換えるが、たとえば送風システム２の使用者が指示情報を入力するための指示入力部を設けて、指示入力部から入力される指示情報に基づいて、電源系統５を切換えてもよく、またたとえば第２電源系統５ｂに発電機が含まれる場合には、この発電機が動作しているか否かに応じて、電源系統５を切換えてもよい。

電源系統５を切換えたときに、誘導電動機３の回転速度は、不明であるので、前述したように推定モードによって回転速度を推定して、推定した回転速度となるようにインバータ回路の出力電圧および周波数を決定して、誘導電動機３をＶ／Ｆ一定制御する。これによって誘導電動機３およびインバータ回路２１に過電流が発生することがなく、誘導電動機３を円滑に回転駆動することができる。

誘導電動機３は、ロータの回転数と回転磁界の回転数とのすべりが負となる、すなわち回転数が同期回転数よりも高い場合に、回生状態となり、逆にすべりが正となる、すなわち回転数が同期回転数よりも低い場合に、力行状態となる。誘導機は、回生状態では、発電機として動作し、力行状態では、電動機として動作する。本実施の形態の誘導機制御装置１では、前記インバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力の瞬時値が正の値から、負の値に切り変わるとき、すなわち電力の瞬時値が零となるときのインバータ回路２１の出力電圧の周波数を用いて、誘導電動機３を再駆動することによって、誘導電動機３およびインバータ回路２１に過電流が発生することを防止することができる。電力の瞬時値が、零となったときのインバータ回路２１の出力電圧の周波数を用いることによって、ほぼ正確にすべりが零となる回転速度を推定することができる。誘導電動機３には、機械損成分および励磁損成分があるため、わずかな誤差はあるが、実用上問題のないレベルである。またあらかじめ機械損成分および励磁損成分を加味して、前記電力の瞬時値が０となる部分を予め補正しておいてもよい。

以上のように電動機制御装置１によって、たとえば慣性によって回転子が減速回転中であったり、外部からの負荷によって回転子が誘転して回転していたりして、回転速度が不明である誘導電動機３を過電流無く駆動することができる。また電動機制御装置１では、第１の従来の技術に開示される速度検出器を誘導電動機に設ける必要がないので、汎用の誘導電動機３の制御を行うことができる。また誘導電動機３のＶ／Ｆ一定制御は、ベクトル制御と比較して制御処理が容易であるので、ベクトル制御に用いられるような高性能な制御装置を必要とせず、比較的簡単な構成で装置を実現することができる。

本発明の実施の一形態の誘導電動機の制御装置１を含む送風システム２の構成を表すブロック図である。 インバータ回路２１を誘導電動機３に接続したときに、このインバータ回路２１から誘導電動機３に供給される電力および電流、ならびに誘導電動機３のトルクと、誘導電動機３の、すべりおよび回転数との関係を表すグラフである。 制御モード判別部２２における動作処理を表すフローチャートである。 電動機制御装置１の出力電圧の実効値と、この出力電圧の周波数とを表すグラフである。

符号の説明

１ 誘導電動機の制御装置
３ 誘導電動機
２１ インバータ回路
２２ 制御モード判別部
２３ 電圧指令演算部
２５ 電流計測部
２６ 出力電力演算部

Claims (4)

1. 直流電圧を交流電圧に変換して、誘導電動機に供給するインバータ回路と、
   インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値を取得する電力取得手段と、
   電力取得手段によって取得された電力の瞬時値が零となったときの、インバータ回路の出力電圧の周波数を取得する周波数取得手段と、
   インバータ回路の出力電圧を、予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、前記出力電圧の周波数を変化させ、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第１制御モードでインバータ回路を制御し、第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、周波数取得手段によって前記周波数が取得されたとき、この取得された周波数から、予め定める回転速度指令に基づいて、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第２制御モードでインバータ回路を制御するインバータ回路制御手段とを含むことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 前記インバータ回路制御手段は、インバータ回路の制御に用いられ、インバータ回路の出力電圧を決定する指令電圧値を表す電圧情報を生成し、
   前記電力取得手段は、インバータ回路の出力電流を計測し、この出力電流の電流値を表す電流情報を生成する電流計測部と、前記電圧情報および前記電流情報とに基づいて電力の瞬時値を求める電力演算部とを有することを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
3. 前記インバータ回路制御手段は、第１制御モードにおいて、インバータ回路の出力電圧の周波数が、誘導電動機の定格周波数から小さくなるようにインバータ回路を制御することを特徴とする請求項１または２記載の誘導電動機の制御装置。
4. 直流電圧を交流電圧に変換して、誘導電動機に供給するインバータ回路の出力電圧を予め定める電圧値よりも小さく保持した状態で、前記出力電圧の周波数を変化させ、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第１制御モードでインバータ回路を制御し、
   第１制御モードでインバータ回路を制御している状態で、インバータ回路から誘導電動機に供給される電力の瞬時値を取得し、
   検出した電力の瞬時値が零となったときの、インバータ回路の出力電圧の周波数を取得し、
   前記周波数を取得したとき、取得した前記周波数から、予め定める回転速度指令に基づいて、誘導電動機をＶ／Ｆ一定制御する第２制御モードでインバータ回路を制御することを特徴とする誘導電動機の制御方法。

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