JP2007267468A

JP2007267468A - インバータの制御方法とその装置

Info

Publication number: JP2007267468A
Application number: JP2006086903A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Hirao; 邦朗平尾; Yasuhiro Yamamoto; 康弘山本
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP4760475B2

Abstract

【課題】空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を検出する場合、誘導電動機の一次電流の特徴量抽出のために、監視部品やフイードバック制御等を必要としている。
【解決手段】単相の交流電圧を発振する発振器を設け、空転中の誘導電動機に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加する。この印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換し、２軸上での電流リサージュの波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を推定することで、特殊な検出器等を付加することなく可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機を駆動するための制御方法とその装置に係り、特に、速度センサを有することなく制御される空転中の誘導電動機の制御方法とその装置に関するものである。

誘導電動機が空転している状態からインバータにより始動する場合、例えば、インバータにより駆動状態中の誘導電動機が瞬時停電の発生時や、誘導電動機が外力により回されている空転状態からこの誘導電動機を始動する場合、インバータの出力周波数が誘導電動機の回転周波数より低いと回生トルクが発生し、また、逆に高いと加速トルクが発生して過電流や直流電圧上昇の発生原因となる。このため、空転中の誘導電動機を始動する場合には、インバータの出力周波数と誘導電動機の回転周波数を一致させて再始動する必要がある。

誘導電動機の運転中に瞬時停電が発生した場合、インバータの出力遮断後も残留磁束により誘導電動機の一次電側に残留電圧が発生する。従来では、この残留電圧により空転中の誘導電動機の回転速度を検出して再始動する方法があるが、この方法では、残留電圧を検出するための回路が必要となること、また、残留電圧が十分にないと検出できない問題を有していた。このため、特許文献１又は２のように、空転中の誘導電動機に何らかの信号を与えて挙動を解析する能動的な手法が提案されている。

特許文献１は、自励発振用の電圧発振手段を設けて誘導電動機の一次電流を自励発振させ、この自励発振した一次電流の周波数を検出することにより空転中の誘導電動機の回転速度を演算している。

また、特許文献２は、電流制御ループを構成し、特許文献１と同様に自励発振用の電流指令を与え、自励発振した一次電流を回転座標上で扱うことにより、空転中の誘導電動機の回転速度を演算している。
特許第３７０７２４４号公報特開２００４−３５０４５９号公報

特許文献１の方式では、自励発振した一次電流の周波数を抽出するために、一次電流を観測して発振動作が持続するよう電圧発振装置を制御する必要がある。また、誘導電動機が低い回転速度の場合には、周波数検出精度を上げるためには計測に時間がかる問題を有している。

特許文献２の方式においては、まず電流制御系が必要となることにより制御システムが複雑化してしまう。また、発振動作を持続させるための電流制御ゲインの特殊な制御が必要となる問題を有している。

本発明が目的とするところは、誘導電動機の一次電流特徴量抽出のために、上記各文献のように一次電流を監視して入力信号を制御(フイードバック制御)する必要のないインバータの制御方法とその装置提供することにある。

本発明の第１は、２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、インバータを介して誘導電動機を制御し、この誘導電動機の空転中の回転速度、回転方向を推定するものにおいて
空転中の誘導電動機に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加し、この単相交流電圧印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換し、２軸上での電流リサージュの波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を推定することを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記単相交流電圧は２相／３相変換器の入力側２軸成分の何れか一方に印加し、単相交流電圧の周波数スイープは、誘導電動機の最高周波数付近からゼロ方向であることを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記単相交流電圧の周波数スイープは、単相交流電圧の周波数に比例して電圧振幅を下げることを特徴としたものである。

本発明の第４は、前記単相交流電圧の周波数スイープは、単相交流電圧の周波数ゼロ近辺の電圧をブーストするか、若しくは周波数スイープを２乗低減カーブで減衰することを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記電流リサージュの波形の描く楕円の短軸／長軸の比率演算は、検出された誘導電動機の一次電流を任意間隔で任意数サンプリングし、前回のサンプリング値と今回のサンプリング値との電流差分値を単相交流電圧１周期分求めて２次成分振幅値I₂ndを算出すると共に、電流差分値の移動平均値I_MAを求め、求められた２次成分振幅値I₂ndと移動平均値I_MAから短軸／長軸比率K=I_MA−I₂nd／I_MA＋I₂ndで求めることを特徴としたものである。

本発明の第６は、誘導電動機の回転方向判別時に、求められた楕円の短軸／長軸の比率により重み付けをした位相差分による判定結果積算値で判別することを特徴としたものである。

本発明の第７は、２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、インバータを介して誘導電動機を制御し、この誘導電動機の空転中の回転速度、回転方向を推定するものにおいて
単相の交流電圧発振器を設け、前記誘導電動機の空転中に、この交流電圧発振器からの単相交流を誘導電動機の最高周波数付近からゼロ方向へスイープさせながら前記２相／３相変換器の入力側２軸成分の何れか一方側に印加すると共に、誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換する３相／２相変換器を設け、且つ２軸上での電流リサージュ波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を推定する手段を設けたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、フィードフォワード的に単相交流を電圧指令Ｖα^*又はＶβ^*の何れかに加算するのみでよいので、特殊な検出器や制御ループを必要とせず、通常使用されている変流器や演算器のみで空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向の推定が可能となるものである。また、加算時に単相交流の周波数を最高周波数からゼロ方向へスイープすることにより、過電流を防止しながら回転速度と回転方向の推定ができるものである。更に、スイープ時で周波数ゼロ付近の電圧をブーストするか、周波数のスイープを２乗低減カーブで減衰することにより、低回転数での空転中でも回転速度・回転方向の推定精度の改善ができるものである。

また、αβ軸上の電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率を演算し、且つ中心位置補正を行うことによって、計測した電流に外乱やノイズの影響がある場合でも精度よく回転速度を推定することが可能となるものである。

また、位相差分が正か負かを判定して判定結果積算を継続し、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度と一致したとの判定結果積算値の極性から回転方向を判別することで、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度から離れている場合での電流リサージュ回転方向の誤判定を無くし、空転中の誘導電動機の回転方向の推定を精度よく行うことが可能となるものである。

図１は、本発明の第１の実施例を示す誘導電動機の制御装置の構成図を示したもので、誘導電動機１は、電力変換器であるPWMインバータにより駆動される。誘導電動機１の一次電流は、変流器３により検出され、３相／２相変換手段４により一次電流の軸成分Ｉα^*、Ｉβ^*に変換される。５は２相／３相変換手段で、この２相／３相変換手段において３相の電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に変換される。６は単相の交流電圧発振器で、この発振器６の単相交流出力は、周波数／電圧制御器７からの電圧指令Ｖα^*、Ｖβ^*のうち何れでもよいが、ここではＶα^*に加算されてＶβ^*と共に２相／３相変換手段５入力される。８は周波数指令値を入力して位相信号に変換する位相変換器である。

まず、３相のＵ、Ｖ、Ｗの軸と固定座標軸上の直交したαβの２軸を図２で示すように定義する。空転中の誘導電動機１に単相交流電圧を印加し、単相交流電圧の周波数を誘導電動機１の最高周波数からゼロ方向へスイープする。このときの誘導電動機１の一次電流を変流器３により検出し、３相／２相変換手段４により固定座標上の直交した２軸のαβ成分に変換すると、αβ軸上で電流リサージュは図３（ア）〜（コ）のような波形を描く。

なお、図３（ａ）は誘導電動機が正転中に単相交流電圧を印加した場合を示し、(b)は逆転時に単相交流電圧を印加した場合を示したものである。
（ア）、単相交流電圧の周波数が誘導電動機の回転速度よりも十分に大きい場合で、電流リサージュは細い楕円を描き、且つ誘導電動機が正転時にリサージュは右回転となる。
（イ）、単相交流電圧の周波数が誘導電動機の回転速度に近づくと、電流リサージュは右回転しながら徐々に太い楕円となる。
（ウ）、単相交流電圧の周波数と誘導電動機の回転速度が一致した場合で、この場合、電流リサージュは右回転しながら最も太い楕円となる。
（エ）、単相交流電圧の周波数が誘導電動機の回転速度以下となった場合で、電流リサージュは直線状になる。
（オ）、単相交流電圧の周波数がさらに誘導電動機の回転速度以下となった場合で、電流リサージュは再び細い楕円を描き、回転方向はこれまでとは逆転して左回転となる。

図３(b)の逆転時には、(カ)〜(コ)で示すように、誘導電動機の正転時とは逆回転の電流リサージュとなる。すなわち、図３で明らかなように、固定座標軸と直交した２軸の中のα軸に単相交流電圧を印加することにより、電流リサージュは空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向の推定が可能なる。

本願発明の第１の実施例は、電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向を３相／２相変換手段４，若しくは３相／２相変換後において監視することにより、空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向の推定を行うものである。この実施例によれば、フィードフォワード的に単相交流電圧を印加するのみで、特殊な検出器や制御ループは必要なく、通常は過電流監視等に使用されている変流器３や演算器(３相／２相変換手段)のみで誘導電動機の回転速度と回転方向の推定ができるものである。

図４は第２の実施例を示す単相交流振幅ー単相交流周波数の特性図である。
図１で示す第１の実施例で、交流電圧発振器６から２相／３相変換手段５側に注入する単相交流電圧の振幅を周波数に関係なく一定値にすると、周波数が低くなった場合に誘導電動機のインピーダンスが下がって過電圧になる虞れがある。そのため、この実施例では、単相交流電圧の周波数を最高周波数からゼロ方向へスイープする際に、図４で示すように単相交流の周波数に比例して電圧振幅を下げる(V／F一定)ようにしたものである。

したがって、この実施例の場合、第１の実施例の効果に加えて、更に過電流を防止しながら空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向の推定ができるものである。

図５は第３の実施例を示したものである。交流電圧発振器６から２相／３相変換手段５側に単相交流電圧を注入する場合、図４で示すようにV／F一定に制御することにより、過電流を防止しながら空転中の誘導電動機の回転速度と回転方向の推定ができるが、周波数ゼロ近辺では誘導電動機の一次抵抗による電圧降下の影響が大きいために十分な電流が流れず、計測精度が低下する虞が生じる。
また、周波数を一定率で下げて行くと、周波数が低い領域では単相交流１周期分注入できなくなるため、計測精度が低下する。

よって、この実施例は、単相交流注入時に図５(a)のように周波数ゼロ付近の電圧をブーストするか、又は、図５(b)のように周波数のスイープを２乗低減カーブで減衰する。このような手法を採ることにより、第２の実施例に加えて、誘導電動機が低回転数で空転している場合にも回転速度・回転方向の推定が可能となるものである。

以上のように、本発明では、交流電圧発振器６から２相／３相変換手段５側に単相交流電圧を注入して、単相交流電圧の周波数を誘導電動機の最高周波数からスイープする際に、αβ軸上の電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率を演算するものである。

演算方法としては、まず、単相交流電圧の１周期間にN点の電流をサンプリングして計測する。

図６で示す第４の実施例ではN=８とした場合の例で、外乱成分やノイズ等の影響が大きい場合、電流リサージュは図６(a)で示すように中心位置にオフセットを持つため、精度のよい楕円の解析ができなくなる。よって、以下で説明のように検出電流in(図６ではi１〜i８)の差分ベクトルΔin(図６ではi１〜i８)を求め、図６(b)で示すような中心補正を行う。

図７では、N=８の場合の電流差分ベクトルのリサージュ(a)図と電流差分値の絶対値(b)図である。式１、式２に基づいてこの単相交流１周期の電流差分値を２次のフーリエ積分にかけて２次成分振幅を求める。

次に、単相交流１周期間の電流差分値の移動平均値I_MAを次式により求める。

式２で求められた２次成分の振幅値I_2ndと、式３によって求められた移動平均値I_MAより、楕円リサージュの短軸／長軸比率を次式によって求める。

上述のような中心位置補正を行うことによって、計測した電流に外乱やノイズの影響がある場合でも、サンプリングされた単相交流１周期分の電流を利用して電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率を計算し、空転中の誘導電動機の回転速度が精度よく推定することが可能となる。

図７で示す実施例により、αβ軸上の電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率を演算し、且つ中心位置補正を行うことによって、計測した電流に外乱やノイズの影響がある場合でも精度よく回転速度を推定することが可能となる。
図８で示す第５の実施例では、更に空転中の誘導電動機の回転方向も精度よく推定できるようにしたものである。

まず、前述した式１の（）内の数式から電流差分ベクトルの位相θが求まる。

ここで、電流リサージュが半回転する間に少なくとも２点以上電流を検出していれば、図８(a)で示すように、この位相の前回演算値との差分によりリサージュの回転方向が判別できる。以上により、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度と一致したときのリサージュの回転方向が判別できれば、図３により誘導電動機の回転方向が判別できる。すなわち、
位相成分が正 ⇒ リサージュ左回転 ⇒ 誘導電動機は逆回転
位相成分が負 ⇒ リサージュ右回転 ⇒ 誘導電動機は正回転
上記の方法では、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度と一致したとき１回限りの位相差分により、誘導電動機の回転方向を判別するため、電流検出誤差やノイズにより誤検出する可能性が生じる。これを防止するためには、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度と一致するまで上記の判定を行い、判定結果を蓄積する。但し、図３で示したように、単相交流が誘導電動機の同期速度から離れている場合、電流リサージュが描く楕円は細くなるため、正確な電流リサージュの回転方向、すなわち、誘導電動機の回転方向の判別はできない。逆に、単相交流が誘導電動機の同期速度付近の場合、電流リサージュが描く楕円は太くなるので正確な判別が可能となる。

よって、単に判定結果が左回転ならば＋１を、右回転ならば−１を積算することではなく、判定結果が左回転ならば短軸／長軸比率Kn値を加算し、右回転ならばKn値を減算することにより、電流リサージュが円に近い時の回転方向の判定結果が積算値に大きく反映するよう重み付けを行い、回転方向判定の精度を高める。

すなわち、次の演算を図８(b)で示すような電流サンプル周期で行う。
位相差分が正 ⇒ 判定結果積算値Xn=Xn-１＋Kn
位相差分が負 ⇒ 判定結果積算値Xn=Xn-１−Kn
この判定結果積算を継続し、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度と一致したとの判定結果積算値Xnの極性により回転方向を判別する。

このような判定を行うことにより、単相交流の周波数が誘導電動機の回転速度から離れている場合(短軸／長軸比率Kn値が小さいとき)の電流リサージュ回転方向の誤判定を無くして空転中の誘導電動機の回転方向の推定を精度よく行うことが可能となる。

本発明の実施形態を示す構成図。固定座標軸上の直交した２軸(αβ)の説明図。単相交流電圧印加時の電流リサージュの説明図で、(a)は誘導電動機の正転時、(b)は逆転時。単相交流電圧スイープ時の周波数−振幅関係図。単相交流電圧スイープ時の周波数−振幅関係図で、(a)は電圧ゼロ近辺ブースト時、(b)は２乗低減カーブ時。電流リサージュの波形図で、(a)は中心位置にオフセットを持つ場合、(b)は中心補正後。電流差分説明図で、(a)は電流差分ベクトル波形、(b)は電流差分絶対値。位相判定説明図で、(a) は電流差分ベクトル波形、(b)は判定結果積算値。

符号の説明

１… 誘導電動機
２… インバータ
３… 変流器
４… ３相／２相変換器
５… ２相／３相変換器

６… 交流電圧発振器
７… 周波数／電圧制御器
８… 位相変換器

Claims

２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、インバータを介して誘導電動機を制御し、この誘導電動機の空転中の回転速度、回転方向を推定するものにおいて
空転中の誘導電動機に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加し、この単相交流電圧印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換し、２軸上での電流リサージュの波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を推定することを特徴とした誘導電動機の制御方法。
前記単相交流電圧は２相／３相変換器の入力側２軸成分の何れか一方に印加し、単相交流電圧の周波数スイープは、誘導電動機の最高周波数付近からゼロ方向であることを特徴とした請求項１記載の誘導電動機の制御方法。
前記単相交流電圧の周波数スイープは、単相交流電圧の周波数に比例して電圧振幅を下げることを特徴とした請求項２記載の誘導電動機の制御方法。
前記単相交流電圧の周波数スイープは、単相交流電圧の周波数ゼロ近辺の電圧をブーストするか、若しくは周波数スイープを２乗低減カーブで減衰することを特徴とした請求項２記載の誘導電動機の制御方法。
前記電流リサージュの波形の描く楕円の短軸／長軸の比率演算は、検出された誘導電動機の一次電流を任意間隔で任意数サンプリングし、前回のサンプリング値と今回のサンプリング値との電流差分値を単相交流電圧１周期分求めて２次成分振幅値I₂ndを算出すると共に、電流差分値の移動平均値I_MAを求め、求められた２次成分振幅値I₂ndと移動平均値I_MAから短軸／長軸比率K=I_MA−I₂nd／I_MA＋I₂ndで求めることを特徴とした請求項１乃至４記載の誘導電動機の制御方法。
誘導電動機の回転方向判別時に、求められた楕円の短軸／長軸の比率により重み付けをした位相差分による判定結果積算値で判別することを特徴とした請求項１乃至５記載の誘導電動機の制御方法。
２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、インバータを介して誘導電動機を制御し、この誘導電動機の空転中の回転速度、回転方向を推定するものにおいて
単相の交流電圧発振器を設け、前記誘導電動機の空転中に、この交流電圧発振器からの単相交流を誘導電動機の最高周波数付近からゼロ方向へスイープさせながら前記２相／３相変換器の入力側２軸成分の何れか一方側に印加すると共に、誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した２軸成分に変換する３相／２相変換器を設け、且つ２軸上での電流リサージュ波形の描く楕円の短軸／長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転速度・回転方向を推定する手段を設けたことを特徴とした誘導電動機の制御装置。