JP2010088232A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機が予め回転している場合においても、安定に速度センサレスベクトル制御による起動を可能にした誘導電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】インバータ１０１から誘導電動機１０２への印加電流及び印加電圧を用いて誘導電動機の磁束及び速度を推定演算し、この推定速度を用いて誘導電動機１０２を可変速制御する制御装置において、この制御装置は、インバータ１０１の出力周波数指令の絶対値を下限値に制限する下限値制限手段と前記下限値を調整する下限値調整手段とを備えた絶対値下限リミット手段１０８を有し、前記下限値調整手段は、出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続した場合に前記下限値を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ等の電力変換器を用いた誘導電動機の速度センサレスベクトル制御において、特に電動機が低速回転している状態（停止状態を含む）から電動機を安定に起動するための制御装置に関するものである。

誘導電動機の高性能かつ高精度な制御方法として、ベクトル制御が広く知られている。このベクトル制御では電動機の速度情報が必要であり、通常は、パルスジェネレータ等の速度センサを用いて速度情報を得ている。一方、この種の速度センサを取り付けられない用途にベクトル制御を適用したいという要求も多く、電動機への印加電圧や印加電流から速度及び磁束を推定する手段を備えた速度センサレスベクトル制御について、従来から種々の方式が提案されている。

しかし、誘導電動機をインバータにより駆動するシステムであって、インバータから電動機に印加される電圧及び電流の周波数（インバータの出力周波数）が０となる場合には、電動機のインダクタンス分にかかる電圧が常に０となるため、電動機への印加電圧から磁束を推定することができなくなる。これは、推定磁束と実際値との誤差が収束しないことを表している。その結果、周波数が０の場合は推定速度が演算不能になるので、電動機が運転不能になるという原理的な問題が生じる。
例えば、インバータの出力周波数が０Ｈｚとなる場合としては、電動機が回転指令とは逆方向に低速回転している状態から起動する場合が挙げられる。

ここで、後述する特許文献１には、電動機が予め低速回転している状態から、速度センサレス制御により安定した起動を行うための技術が開示されている。
図９は、この特許文献１に開示されている従来技術を示す構成図である。

図９において、１はＶＶＶＦインバータ、２はその直流入力側のフィルタコンデンサ、３は誘導電動機、４は電流検出器である。
また、５はｄ軸電流（励磁電流）指令、ｑ軸電流（トルク電流）指令、ｄ軸電流及びｑ軸電流からｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令を演算する電圧演算部、６はｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令を位相角θに基づいて三相各相の電圧指令に変換する座標変換部、７は電流検出器４による電流検出値を位相角θに基づいてｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する座標変換部、８はインバータ出力周波数ω_１を積分して位相角θを演算する積分器、９は三相各相の電圧指令に従って三角波比較方式等によりインバータ１の半導体スイッチング素子に対するゲート信号を生成するＰＷＭ制御部である。

以下、その他の部分の構成を、動作と共に説明する。
インバータ１の起動直後は、まず、第１のインバータ出力周波数演算部２６により、概略の回転速度すなわちロータ周波数ω_ＲＨ ^＊を推定する。推定動作完了後は、そのロータ周波数推定値ω_ＲＨ ^＊に基づき、第２のインバータ出力周波数演算部２７による通常制御モードに移行する。

誘導電動機をインバータにより駆動するシステムでは、一般的に、電動機の回転速度はインバータの出力電圧及び出力電流から推定する。インバータの出力電圧は電動機の回転速度に比例して増加していくため、高速回転時には電圧検出誤差の影響が小さく、精度の良い推定が可能であり、推定した回転速度は実際の回転速度と等しいと見なすことができる。
図９において、第１のインバータ出力周波数演算部２６によるロータ周波数推定値ω_ＲＨ ^＊が基準値よりも大きかった場合、その推定値ω_ＲＨ ^＊が第２のインバータ出力周波数演算部２７の演算結果の初期値としてセットされる。その結果、誘導電動機３の回転速度とほぼ等しい周波数から通常運転を開始することができるため、機械的な振動などを発生させることなく安定して電動機３を起動することができる。

一方、電動機３の回転速度が小さい場合は電圧検出誤差の影響を受けるため、第１のインバータ出力周波数演算部２６によるロータ周波数推定値ω_ＲＨ ^＊の精度が大きく低下する。よって、この場合に推定値ω_ＲＨ ^＊を第２のインバータ出力周波数演算部２７の演算結果の初期値としてセットし起動させると、機械的な振動を誘発するおそれがある。更には、電圧検出誤差の影響により回転方向を誤って推定すると、本来の回転指令とは逆方向に電動機３を加速させるおそれもある。

そこで、特許文献１に開示されている技術では、第２のインバータ出力周波数演算部２７の初期値ω_１ｉｎｉとして、所定の値（定格周波数の１０％程度、符号は回転指令の方向と同一にする）を設定し、この初期値を出力周波数指令に加算した値を出力する。その結果、少なくとも通常制御へ移行した直後の回転指令と出力周波数の符号は一致するため、電動機３を回転指令とは逆方向に加速させることはなくなる。

図１０は、上記従来技術において、電動機３が停止した状態からインバータ１を起動した場合の動作原理の説明図である。この時、第１のインバータ出力周波数演算部２６によるロータ周波数推定値ω_ＲＨ ^＊はほぼ０Ｈｚとなるため、第２のインバータ出力周波数演算部２７の初期値ω_１ｉｎｉには所定値（ここでは５Ｈｚ）がセットされる。第２のインバータ出力周波数演算部２７による通常制御に移行すると、スイッチ２８を介して、出力周波数ω_１は前記初期値の５Ｈｚからロータ周波数である０Ｈｚへと収束していき、出力周波数ω_１とロータ周波数とがほぼ等しくなった時点から適正なトルクが出力され、電動機３の加速が開始する。

また、図１１は、電動機３が回転指令とは逆方向に低速で回転している状態からインバータ１を起動した場合の動作原理の説明図である。
この場合も、図１０と同様に電動機３は低速回転であると判断されるため、第２のインバータ出力周波数演算部２７の初期値ω_１ｉｎｉには、例えば５Ｈｚがセットされる。第２のインバータ出力周波数演算部２７による通常制御に移行すると、出力周波数はロータ周波数へと収束していくが、出力周波数が０Ｈｚとなる動作点を通過する必要がある。しかし、出力周波数が０Ｈｚになると制御系が不安定になるため、０Ｈｚを通過してロータ周波数に収束できる保証はない。そこで、インバータ１を起動してから一定期間（図１１におけるΔｔ）を経過した後は、図９のインバータ出力周波数後退補正部２１から負の補正量ω_１ｃｍｐを出力し、この補正量を加算器１３により第２のインバータ出力周波数演算部２７の出力に加算する。このようにすれば０Ｈｚを通過できるので、再び第２のインバータ出力周波数演算部２７による推定動作が可能となり、最終的に出力周波数がロータ周波数に収束し、電動機３の加速が始まるようになる。
なお、図９において、１１はｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令からすべり周波数指令ω_ｓ ^＊を演算するすべり周波数演算部、１４は加算器１３の出力である出力周波数指令ω_１ ^＊からすべり周波数指令ω_ｓ ^＊を減算してロータ周波数ω_ＲＨを推定する減算器である。

以上のように、特許文献１に記載された従来技術によれば、誘導電動機３が停止または低速回転している状態からでも安定した起動が可能となる。

特開２００５−１０２３９６号公報（段落［００２８］〜［００６３］、図１〜図７等）

特許文献１に開示された従来技術によれば、出力周波数に適正な初期値を与えることにより、電動機が予め回転している状態からでも安定した起動を実現することができる。しかし、出力周波数が０Ｈｚ近傍の動作点を通過するような場合は、０Ｈｚ近傍での動作から抜け出せずに正常な加速ができなくなる可能性があるため、前述したように、インバータを起動してから一定時間が経過しても正常に加速できていないと判断した場合は、出力周波数ω_１に対して補正量ω_１ｃｍｐを加算することにより、０Ｈｚ近傍での運転を回避して正常な加速を可能としている。

しかし、上記従来技術では、図１１から明らかなように、出力周波数に補正量ω_１ｃｍｐが加算されるまでの間は０Ｈｚ近傍での運転を継続することになる。その結果、補正量ω_１ｃｍｐの加算が開始されるまでの期間は正常なトルクを出力できないため、負荷のトルクによっては指令と逆方向に大きく加速するおそれがあり、更には、制御系自体も不安定になるため、制御系の動作により指令とは逆方向に加速してしまう場合もある。この場合、補正量ω_１ｃｍｐの加算を開始するまでの時間を適切に設定すれば、上記のような問題は回避できると考えられるが、特許文献１にはその点について何ら言及されていない。
そこで、本発明の解決課題は、誘導電動機が予め回転している場合においても、安定に速度センサレスベクトル制御による起動を可能にした誘導電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力変換器から誘導電動機への印加電流及び印加電圧を用いて前記電動機の磁束及び速度を推定演算し、この推定速度を用いて前記電力変換器により前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記制御装置は、前記電力変換器の出力周波数指令の絶対値を下限値に制限する下限値制限手段と、前記下限値を調整する下限値調整手段と、を備え、
前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続した場合に前記下限値を調整するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続する毎に、前記下限値を所定値だけ変化させるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続した場合に、前記下限値を直線的に変化させるものである。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電動機の加速時間及び速度指令値から、前記電動機が起動してから前記速度指令値に到達するまでに要する到達時間を演算する手段を備え、
前記電動機を起動してから前記下限値調整手段により前記下限値の調整を開始するまでの時間を、前記到達時間以下に設定するものである。

請求項５に係る発明は、電力変換器から誘導電動機への印加電流及び印加電圧を用いて前記電動機の磁束及び速度を推定演算し、この推定速度を用いて前記電力変換器により前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記制御装置は、前記電力変換器の出力周波数指令の絶対値を下限値に制限する下限値制限手段と、前記下限値を調整する下限値調整手段と、を備え、
前記下限値調整手段は、前記電力変換器に対するトルク指令値の絶対値またはトルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続した場合に前記下限値を調整するものである。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記下限値調整手段は、前記トルク指令値の絶対値または前記トルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続する毎に、前記下限値を所定値だけ変化させるものである。

請求項７に係る発明は、請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記下限値調整手段は、前記トルク指令値の絶対値または前記トルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続した場合に、前記下限値を直線的に変化させるものである。

請求項８に係る発明は、請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電動機の加速時間及び速度指令値から前記電動機が速度指令値に到達するまでに要する到達時間を演算する手段を備え、
前記電動機を起動してから前記下限値調整手段により前記下限値の調整を開始するまでの時間を、前記到達時間以下に設定するものである。

本発明によれば、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御において、所定の条件の下で出力周波数指令の絶対値を下限値に制限し、しかも運転状態に応じて前記下限値を可変としたことにより、制御系が原理的に不安定になる１次周波数が０Ｈｚ近傍の動作点での運転を完全に回避することができる。このため、誘導電動機が予め回転している状態からでも、回転指令の方向と逆方向に加速させてしまうおそれがなく、誘導電動機の安定した起動が可能となる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１〜４に係る発明に対応している。ここでは、誘導電動機の正転方向の速度指令（速度指令が正）を与える場合を示しているが、本発明は速度指令の方向が逆転方向（速度指令が負）の場合においても全く同様の原理により適用可能である。

図１において、１０１はインバータ、１０２はインバータ１０１により可変速駆動される誘導電動機であり、この誘導電動機１０２は、速度センサを持たずにいわゆる速度センサレスベクトル制御されるものである。
誘導電動機１０２に印加されるインバータ１０１の出力電圧及び出力電流は、電圧検出器１０３及び電流検出器１０４によってそれぞれ三相量として検出され、これらの出力電圧及び出力電流は、座標変換手段１０５によりｄ軸成分及びｑ軸成分に変換される。

磁束推定手段１０６及び１次周波数推定手段１０７では、座標変換手段１０５を介したインバータ１０１の出力電圧・出力電流から、それぞれ磁束、１次周波数を推定演算する。これらの推定演算の方法としては、電動機１０２の誘起電圧から推定する方法、適応磁束オブザーバを用いる方法等、種々の方法が存在するが、本発明は、これらの磁束・１次周波数の推定方法に特に限定されるものではない。

１次周波数推定手段１０７によって得られた１次周波数は、絶対値下限リミット手段１０８へ入力される。この絶対値下限リミット手段１０８では、入力された１次周波数の絶対値が予め設定された下限値よりも小さい場合、符号は変化させず絶対値が下限値と等しい値を出力する。一方、１次周波数が下限値よりも大きい場合は、入力された１次周波数をそのまま出力する。ここで、１次周波数は座標変換手段１０５，１１５に入力されており、これを積分した位相角を用いて電流及び電圧の座標変換が行われる。
以上の動作により、１次周波数の絶対値は下限値以下にはならないため、本実施形態では制御が原理的に不安定になる０Ｈｚ近傍での運転を完全に回避することができる。なお、本実施形態では、運転状態に応じて下限値を可変としている点に特徴がある。
絶対値下限リミット手段１０８の詳細な構成・動作については、後述する。

すべり周波数演算手段１０９では、指令通りのトルクを出力するために、トルク電流指令に比例したすべり周波数を出力する。減算器１１０において、１次周波数からすべり周波数を減ずることにより、電動機１０２の推定速度を得る。
電動機１０２の推定速度は、トルク電流指令演算手段１１１に入力される。トルク電流指令演算手段１１１では、速度指令と推定速度とが一致するようにトルク電流指令を演算する。更に、トルク電流指令はトルク電流調整手段１１２へ入力され、トルク電流検出値がトルク電流指令に一致するようなｑ軸電圧指令が得られる。同様に、磁化電流指令演算手段１１３では、回転速度指令から決まる磁束指令に応じた磁化電流指令を出力する。磁化電流指令は磁化電流調整手段１１４へ入力され、磁化電流検出値が磁化電流指令に一致するようなｄ軸電圧指令が得られる。
以上のようにして得られた２軸の電圧指令を座標変換手段１１５によって座標変換することにより、インバータ１０１に与える三相の出力電圧指令が得られ、インバータ１０１からは、この電圧指令に従った三相交流電圧が誘導電動機１０２に出力される。

図２は、この実施形態におけるインバータ起動直後の動作波形を示している。ここでは、速度指令は正転方向（速度指令＞０）とし、インバータ１０１の起動前に電動機１０２が逆転方向（回転速度＜０）に回転しているものとする。
インバータ起動直後は前述した絶対値下限リミット手段１０８の動作により、１次周波数すなわちインバータの出力周波数は絶対値下限リミット手段１０８に設定された下限値ω_ｔｈに固定された状態が続く。本来であれば、１次周波数は電動機１０２の回転速度とすべり周波数との和の値にすべきであるが、本実施形態では、絶対値下限リミット手段１０８の動作によりインバータ１０１に与える１次周波数は本来と異なった値になる。これはすべり周波数を間接的に操作することに相当しており、出力トルク指令に対して実際の出力トルクが一致しなくなる可能性がある。しかし、すべり周波数の符号を変化させてしまうことはないため、図２に示すように速度指令が正の場合には、実際のすべり周波数も必ず正となって正転方向のトルクが発生し、加速を行う分には問題はなく、電動機１０２は正転方向へ加速を始める。

時間の経過に伴って電動機１０２が加速していくと、１次周波数推定手段１０７の演算結果が絶対値下限リミット手段１０８に設定された下限値ω_ｔｈを上回るようになる。以後、絶対値下限リミット手段１０８による制限動作は機能せず、１次周波数推定手段１０７の演算結果がそのまま加算器１１０に入力されるので、通常の速度センサレス制御と同一の動作によって速度が推定され、トルク電流指令演算手段１１１に入力されている速度指令まで問題なく加速することができる。

以上のように本実施形態によれば、１次周波数の絶対値が下限値以下にはならないので、０Ｈｚ近傍の不安定な領域における動作を完全に回避することができる。また、速度指令と同一方向のトルクしか発生させないため、絶対値下限リミット手段１０８を設けたことによる弊害もない。よって、電動機１０２が予め指令とは逆方向に回転している状態からでも、安定した加速動作を行わせることができる。

ここで、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値（図２におけるω_ｔｈ）をどの程度の値にするかについて考察する。
速度センサレス制御が原理的に不安定になるのは、１次周波数が０Ｈｚとなる動作点のみであるが、実際には電圧や電流の検出誤差の影響により、１次周波数が０Ｈｚでなくても不安定になる可能性がある。インバータの出力電圧は１次周波数に比例すると考えても差し支えないため、１次周波数が小さいほど検出誤差の影響は大きくなる。よって、検出誤差の影響を受けずに安定した動作を行うためには、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値をできるだけ大きな値、例えば定格周波数の５％程度に設定するのが望ましい。

しかし、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値を必要以上に大きく設定すると、回転指令と逆方向のトルクを発生させることはないものの、トルク指令通りの正常なトルクを発生できなくなり、特に重負荷時において電動機の加速が行えなくなる。よって、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値は、適切な値とする必要がある。その理由を以下に説明する。

トルク指令通りの出力トルクを得て加速を行うためには、インバータの出力周波数すなわち電動機の１次周波数を数式１のようにする必要がある。
［数式１］
ω_１＝ω_ｒ＋ω_ｓ＜０
ただし、ω_１は１次周波数（１次周波数推定手段１０７により演算）、ω_ｒは電動機１０２の回転速度、ω_ｓはすべり周波数（すべり周波数演算手段１０９により演算）である。また、各変数の符号は正転方向を正、逆転方向を負としており、ここでは、電動機１０２が逆転している状態から正転方向の指令を与えて加速する場合を考えている。

検出誤差がない理想的な状態を仮定すると、通常の速度センサレスベクトル制御では数式１が常に成立している。起動直後は１次周波数推定手段１０７の演算結果が十分小さいので、本実施形態においては、絶対値下限リミット手段１０８により１次周波数ω_１がω_ｔｈに固定される。
電動機１０２の回転速度ω_ｒは数式１の場合と等しいと仮定すると、インバータの起動直後には、数式２が成立する。
［数式２］
ω_ｔｈ＝ω_ｒ＋ω_ｓ’

数式２は、絶対値下限リミット手段１０８の動作により１次周波数ω_１を操作したため、電動機１０２に対するすべり周波数がω_ｓからω_ｓ’に変化したことを表している。また、ω_ｔｈ＞ω_１であることを考えると、数式３が成立する。
［数式３］
ω_ｓ’＞ω_ｓ
数式３から、本実施形態によれば、すべり周波数が、電動機１０２に本来与えるべきすべり周波数に対して増加することがわかる。

しかし、すべり周波数を変化させるということは出力トルクが変化することに相当する。すべり周波数の変化分が大きくなるほど出力トルクは減少していくので、特に重負荷時の加速が困難となる。ここで、本実施形態におけるすべり周波数の変化分は、数式４によって与えられる。
［数式４］
ω_ｓ’−ω_ｓ＝ω_ｔｈ−ω_１
数式４は、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値ω_ｔｈと本来の１次周波数ω_１との差が、すべり周波数の変化分に相当することを表している。すなわち、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値ω_ｔｈを大きくするほど、すべり周波数の変化分が大きくなる。よって、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値ω_ｔｈを大きくし過ぎると、正常な加速ができなくなる。

逆に、絶対値下限リミット手段１０８の下限値ω_ｔｈをできるだけ小さく設定すれば、重負荷時においても電動機１０２の正常な加速が可能となる反面、電圧検出などの誤差の影響が顕著となり、制御が不安定になる可能性が高くなる。よって、絶対値下限リミット手段１０８の下限値ω_ｔｈは、運転の状況に応じた適切な値に設定する必要がある。
上述した下限値ω_ｔｈに関する問題を解決するために、本実施形態に係る絶対値下限リミット手段１０８は、下限値ω_ｔｈを自動的に調整する手段を備えている。

図３は、図１における絶対値下限リミット手段１０８の構成図であり、ここでは符号１０８Ａを付してある。
図３において、請求項における下限値制限手段としての絶対値下限リミッタ１０８ａは、１次周波数推定手段１０７から入力された信号に対して下限リミット処理を行い、入力信号の符号は保存したまま、その絶対値が下限値以下になるような処理を行う。
絶対値比較手段１０８ｂは、その入力信号に基づいて絶対値下限リミッタ１０８ａが動作したか否かを判別する。すなわち、絶対値比較手段１０８ｂでは、絶対値下限リミッタ１０８ａの出力信号の絶対値と下限リミッタ１０８ａに設定されている下限値の絶対値とを比較し、両者が一致した場合は、絶対値下限リミッタ１０８ａが動作していると判断して動作信号を出力する。
タイマ１０８ｃには、絶対値比較手段１０８ｂから絶対値下限リミッタ１０８ａの動作信号が入力されており、この動作信号が出力されている状態の継続時間を計測している。そして、上記継続時間が一定時間を経過する毎に下限値自動変更手段１０８ｄへ信号を出力する。下限値自動変更手段１０８ｄは、タイマ１０８ｃからの信号を受け取ると、絶対値下限リミッタ１０８ａに設定する下限値を変更する。
なお、上記構成において、絶対値比較手段１０８ｂ、タイマ１０８ｃ及び下限値自動変更手段１０８ｄは、請求項における下限値調整手段を構成している。
このようにすれば、運転状態、つまり絶対値下限リミッタ１０８ａに入力される１次周波数の推定値に応じて適切な下限値を設定することができ、いかなる場合においても電動機１０２の正常な起動が可能となる。

下限値自動変更手段１０８ｄにおいて、下限値の変更方法には種々の方式が考えられる。
請求項２は下限値の調整方法に関するものであり、この発明では、１次周波数指令に対する絶対値下限リミッタ動作が一定時間経過する毎に下限値を所定の値だけ変化させる。
図４は、請求項２に係る発明に相当している。ここでは、電動機１０２が予め逆転方向に回転している状態から正転方向へ加速する場合を考えており、正転方向を正の符号に対応させている。また、絶対値下限リミット手段１０８の下限値ω_ｔｈの初期値は大きめの値に設定されている。

図４において、起動直後は、１次周波数（インバータ出力周波数）が絶対値下限リミット手段１０８の下限値ω_ｔｈに固定された状態での運転となる。本来であれば、電動機１０２の回転速度にトルク指令に応じたすべり周波数を加算して得た１次周波数により運転すべきであるが、上記下限値ω_ｔｈには本来の１次周波数よりも十分大きな値が設定されているため、正常なトルクが得られず電動機１０２はほとんど加速しない。この間は図３の絶対値下限リミッタ１０８ａが動作しているため、絶対値比較手段１０８ｂからタイマ１０８ｃに動作信号が出力され、タイマ１０８ｃでは時間計測を実行している。そして、図４における一定時間Ｔが経過すると、タイマ１０８ｃからは絶対値下限リミッタ１０８ａの動作が所定時間継続したことを示す信号が出力される。下限値自動変更手段１０８ｄがタイマ１０８ｃからの信号を受け取ると、絶対値下限リミッタ１０８ａの下限値を所定値Ａだけ減じて新たな下限値ω_ｔｈとして設定する処理を行う。その結果、１次周波数もＡだけ小さな値に変化し、図４における本来の１次周波数に近付く。
以後、上述したような動作を繰り返すことにより、１次周波数が本来の値へと近付いていくので、電動機１０２の加速が進んでいき、回転速度は最終的には速度指令に到達できるようになる。

前述したように、絶対値下限リミット手段１０８に設定する下限値ω_ｔｈの初期値を大きくすると、検出誤差の影響が小さくなり安定した起動が可能になる反面、指令値通りのトルクを出力できなくなるため、重負荷時は電動機１０２の加速が困難になる。しかし、本実施形態では絶対値下限リミット手段１０８の下限値ω_ｔｈを自動的に調整することにより、その初期値をある程度大きな値に設定していても、負荷の状態によらず電動機１０２を加速させることが可能となる。しかも、電動機１０２の加速が行えない場合のみ下限値を調整するので、検出誤差の影響を受けやすい領域での運転を必要最小限に抑えることができ、より安定した起動が可能となる。

次に、図５は図１における絶対値下限リミット手段１０８の別の構成を示しており、図５では符号１０８Ｂを付してある。この構成は請求項３に係る発明に相当し、下限値ω_ｔｈの調整方法の別の手法に関するものである。
請求項２における絶対値下限リミット手段１０８Ａでは、一定時間が経過する毎に、下限値自動変更手段１０８ｄが下限リミッタ１０８ａに設定する下限値ω_ｔｈを所定値だけ減ずる処理を行っていた。しかし、この処理によると、図４から明らかなように１次周波数自体をステップ状に変動させることになり、最悪の場合は電流に持続振動が発生するなど、制御系の予期せぬ動作を引き起こすおそれがある。
そこで、請求項３の発明では、絶対値下限リミット手段１０８Ｂ内の下限値自動変更手段１０８ｄのアルゴリズムを修正するようにした。すなわち、図５において、下限値自動変更手段１０８ｄが、絶対値下限リミッタ１０８ａの動作が所定時間継続したことを示す信号をタイマ１０８ｃから受け取ると、下限値自動変更手段１０８ｄは、絶対値下限リミッタ１０８ａの下限値ω_ｔｈを定められた一定の傾きで直線的に減少させていく。その結果、１次周波数も下限値ω_ｔｈの減少に伴って直線的に減少していくので、１次周波数のステップ変動を防止することができる。

図６は、請求項３に係る発明の動作例を示している。ここで想定する動作条件は、図４と同一である。
起動から絶対値下限リミッタ１０８ａが動作する時間が一定時間Ｔだけ継続すると、以後は、下限リミッタ１０８ａが動作しなくなるまで下限値ω_ｔｈを直線的に減少させていく。すると、１次周波数も直線的に減少していくので、本来の１次周波数へと徐々に近づいていき、電動機１０２は加速を始める。
電動機１０２の加速が進み、絶対値下限リミッタ１０８ａの動作が停止すると、絶対値比較手段１０８ｂから下限値自動変更手段１０８ｄに対して動作の停止信号が直接出力され、下限値の減少が停止する。以上の動作により、最終的には速度指令まで電動機１０２を加速することができる。

この第１実施形態において重要な点として、絶対値下限リミッタ手段１０８ａの下限値ω_ｔｈの調整を開始するまでの時間（図４及び図６における時間Ｔに相当）をどのように設定するかということが挙げられる。これを解決するのが請求項４の発明であり、この発明では、上記時間をインバータ１０１に与えられる速度指令値を用いて決定することとした。

図７は、インバータ起動時において速度指令値が変化する様子を示している。ユーザがインバータ１０１に与える速度指令値は固定値であるが、インバータ１０１の内部では図７のように速度指令値が直線的に増加していき、最終的には与えられた速度指令値に到達する。
請求項４の発明では、絶対値下限リミッタ手段１０８ａの下限値ω_ｔｈの調整を開始するまでの時間が、図７における、インバータ内部の速度指令値が最終的な値に到達するのに要する時間（以後、速度指令値到達時間という）より短くなるように設定する。その根拠を以下に説明する。

電動機が停止している状態から起動する場合は電動機１０２が速度指令値に一致して加速していくが、電動機が予め回転している状態から起動を行うような場合、条件によっては、実際の電動機の回転速度が指令値通りに加速することができなくなる。しかし、速度指令値の傾きは負荷への影響などを考慮して定められているものであり、できる限り速度指令値通りに加速するのが望ましい。ここで、速度指令値到達時間は、本来であれば電動機が最終的な速度指令値に到達している時間に相当する。よって、出力周波数指令の下限値が制限された状態が続き、電動機が加速できない場合を考えると、速度指令値到達時間が経過する前に、何らかの調整を行って電動機の加速を促進させることが必要である。
以上より、絶対値下限リミッタ手段１０８ａの下限値ω_ｔｈの調整を開始するまでの時間を、少なくとも速度指令値到達時間よりも短く設定しておけば、ほぼ速度指令値通りに加速することができる。

次に、速度指令値到達時間の演算方法について説明する。インバータには電動機の加速の速さを設定する項目である加速時間というパラメータがある。これは、一般的には、停止状態から定格速度まで電動機を加速させるまでの時間として定義されている。よって、速度指令値到達時間は次式の演算により演算することができる。
速度指令値到達時間＝（速度指令値／定格速度）×加速時間

次いで、本発明の第２実施形態を図８に基づいて説明する。この実施形態は請求項５〜８に係る発明に対応している。
制御系全体の構成は図１に示した第１実施形態と同一であり、絶対値下限リミット手段１０８の内部構成が異なっている。図８に示す第２実施形態では、絶対値下限リミット手段に符号１０８Ｃを付してあり、以下では第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図８において、絶対値比較手段１０８ｂは、トルク指令値及びトルク制限値（上限値）の絶対値を比較する。トルク指令値は、図１のトルク電流指令演算手段１１１の内部で演算されているものであり、トルク制限値はインバータ１０１の最大出力トルクを規定するもので、一般的にはインバータ１０１のパラメータとしての設定項目となっている。ここでは、両者の絶対値が等しい場合に、電動機１０２が正常に加速できていないと判断してタイマ１０８ｃへ動作信号を出力する。このように判断してよい理由を、以下に説明する。

出力周波数指令に対し絶対値下限リミッタが動作していて電動機１０２の加速が正常にできない場合、当然のことながら速度推定値は速度指令値と一致していない。インバータ１０１は速度指令値と速度推定値の差分を０とするようにトルク指令値を調節するため、このような場合、インバータ１０１は、トルク指令値を増加させて電動機１０２を速く加速するように動作する。
出力周波数指令の下限値が適切でない場合は、トルク指令は増加を続けて最終的にはその上限であるトルク制限値に到達し、以後その状態を抜け出せず、いつまでたっても加速できなくなってしまう。よって、トルク指令値とトルク制限値とが等しい状態が長時間継続するということは、電動機１０２が正常に加速できていないことを示しており、絶対値比較手段１０８ｂはこのことに基づいて動作信号を出力する。
なお、トルク電流指令値もトルク指令値に比例した値となるため、絶対値比較手段１０８ｂにおいてトルク電流指令値とトルク電流制限値とを比較しても良い。

以上のように、本発明の第２実施形態では、電動機１０２が正常に加速できているかを判別するために絶対値比較手段１０８ｂにおいてトルク指令値とトルク制限値（またはトルク電流指令値とトルク電流制限値）を用いている点のみが第１実施形態と異なり、その他の点は第１実施形態と同一である。
ここで、請求項５の発明は請求項１と、請求項６の発明は請求項２と、請求項７の発明は請求項３と、請求項８の発明は請求項４とそれぞれ対応しており、詳述は省略するが、電動機１０２が正常に加速できているかを判別する判別手段が異なるだけで基本的な原理は同一である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 第１実施形態を適用した場合のインバータ起動直後の動作波形を示す図である。 図１における絶対値下限リミット手段の構成図である。 請求項２に係る発明の動作例を示す図である。 図１における絶対値下限リミット手段の別の構成図である。 請求項３に係る発明の動作例を示す図である。 第１実施形態においてインバータ起動時に速度指令値が変化する様子を示す図である。 本発明の第２実施形態の主要部を示す構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図９の従来技術の動作説明図である。 図９の従来技術の動作説明図である。

符号の説明

１０１：インバータ
１０２：誘導電動機
１０３：電圧検出器
１０４：電流検出器
１０５：座標変換手段
１０６：磁束推定手段
１０７：１次周波数推定手段
１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ：絶対値下限リミット手段
１０８ａ：絶対値下限リミッタ
１０８ｂ：絶対値比較手段
１０８ｃ：タイマ
１０８ｄ：下限値自動変更手段
１０９：すべり周波数演算手段
１１０：減算器
１１１：トルク電流指令演算手段
１１２：トルク電流調整手段
１１３：磁化電流指令演算手段
１１４：磁化電流調整手段
１１５：座標変換手段

Claims (8)

1. 電力変換器から誘導電動機への印加電流及び印加電圧を用いて前記電動機の磁束及び速度を推定演算し、この推定速度を用いて前記電力変換器により前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
   前記制御装置は、前記電力変換器の出力周波数指令の絶対値を下限値に制限する下限値制限手段と、前記下限値を調整する下限値調整手段と、を備え、
   前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続した場合に前記下限値を調整することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続する毎に、前記下限値を所定値だけ変化させることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記下限値調整手段は、前記出力周波数指令が前記下限値と等しい状態が一定時間継続した場合に、前記下限値を直線的に変化させることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
4. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記電動機の加速時間及び速度指令値から、前記電動機が起動してから前記速度指令値に到達するまでに要する到達時間を演算する手段を備え、
   前記電動機を起動してから前記下限値調整手段により前記下限値の調整を開始するまでの時間を、前記到達時間以下に設定することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
5. 電力変換器から誘導電動機への印加電流及び印加電圧を用いて前記電動機の磁束及び速度を推定演算し、この推定速度を用いて前記電力変換器により前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
   前記制御装置は、前記電力変換器の出力周波数指令の絶対値を下限値に制限する下限値制限手段と、前記下限値を調整する下限値調整手段と、を備え、
   前記下限値調整手段は、前記電力変換器に対するトルク指令値の絶対値またはトルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続した場合に前記下限値を調整することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
6. 請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記下限値調整手段は、前記トルク指令値の絶対値または前記トルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続する毎に、前記下限値を所定値だけ変化させることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
7. 請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記下限値調整手段は、前記トルク指令値の絶対値または前記トルク電流指令値の絶対値が予め設定された上限値と等しい状態が一定時間継続した場合に、前記下限値を直線的に変化させることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
8. 請求項５に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記電動機の加速時間及び速度指令値から前記電動機が速度指令値に到達するまでに要する到達時間を演算する手段を備え、
   前記電動機を起動してから前記下限値調整手段により前記下限値の調整を開始するまでの時間を、前記到達時間以下に設定することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
   

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