JP2010233320A - 誘導電動機の回転数推定装置および推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭインバータの出力に電圧差がある場合にも誘導電動機の回転数の推定誤差を減らす。
【解決手段】電圧指令に従ってＰＷＭインバータ２を介して誘導電動機１を制御し、交流電圧発振器６は周波数をスイープした単相交流電圧を発生し、この交流電圧を空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流を３相／２相変換器４で検出し、この電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置において、振幅演算器９Ａは単相交流電圧の周波数のスイープ毎に電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める。周波数調節器９Ｂは、電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、ＰＷＭインバータのキャリア周波数を低減し、電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機の速度センサレス制御装置に係り、特に周波数をスイープした単相交流電圧を空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流から回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置および推定方法に関する。

速度センサを有さない誘導電動機をインバータなどの制御装置で駆動するシステムにおいて、空転中の誘導電動機の回転数・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を監視して推定する方式がある（例えば、特許文献１参照）。

この文献１では、図３に構成例を示すように、単相の交流電圧を発振する発振器を設けて、空転中の誘導電動器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数・回転方向を推定する。

図３において、誘導電動機１は、電力変換器であるPWMインバータ２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４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軸上の電流リサージュは図５の（ア）〜（コ）のような波形を描く。

図５の（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、単相交流電圧の周波数と誘導電動機の回転数の大小で細い楕円から太い楕円を経て再び細い楕円に変化し、両周波数が一致した場合に最も太い楕円になる。このことを利用し、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数と回転方向の推定を行う。

特開２００７−２６７４６８号公報

図３の構成において、ＰＷＭインバータ２はＰＷＭ制御により擬似正弦波電圧を出力する。このとき、インバータ主回路のスイッチング素子のコレクタ・エミッタ電圧（Ｖｃｅ）による電圧降下のバラツキにより、出力電圧の振幅に電圧差を生じる。

また、ＰＷＭインバータは、スイッチング素子の上下アーム同時オンによる直流電圧短絡を防ぐために、ＰＷＭキャリアによるスイッチングのたびにデッドタイムを設けている。このデッドタイムの介挿とスイッチングの遅れによっても３相間の出力電圧の振幅に電圧降下を生じる。これらのＰＷＭインバータの電圧差を図６に示す。

これら電圧差のうち、デッドタイムなどスイッチングにより発生するものについては、キャリア周波数に依存して大きくなる。よって、前記の特許文献１の方式で電流リサージュを計測する際に、キャリア周波数が高い場合には、図７の（ｂ）に示すように、電圧差の影響によりリサージュ電流振幅が小さくなる場合もあり、空転中の誘導電動機の回転数・回転方向の推定が出来なくなる問題が発生する。

これら電圧差の影響を無くすために、従来の技術で、出力電流極性に応じて補償電圧を加算する方式がある。しかし、前記の特許文献１の方式では、単相交流電圧の周波数を比較的高速にスイープしながら印加するため、この補償が印加電圧のスイープに追従できず、逆に外乱要素となってしまう。

本発明の目的は、ＰＷＭインバータの出力に電圧差がある場合にも誘導電動機の回転数の推定誤差を減らすことができる誘導電動機の回転数推定装置および推定方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、単相交流電圧の周波数を誘導電動機の最高周波数からゼロ方向へスイープしたときの誘導電動機の一次電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減して電流リサージュ振幅を増加させることにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、この振幅増加した電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から回転数を推定するようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。

（１）２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、ＰＷＭインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記ＰＷＭインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置において、
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算器と、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節器と、
を備えたことを特徴とする。

（２）２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、ＰＷＭインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記ＰＷＭインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定方法において、
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算ステップと、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節ステップと、
を有することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、単相交流電圧の周波数を誘導電動機の最高周波数からゼロ方向へスイープしたときの誘導電動機の一次電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減して電流リサージュ振幅を増加させることにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、この振幅増加した電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から回転数を推定するようにしたため、ＰＷＭインバータの出力に電圧差がある場合にも誘導電動機の回転数の推定誤差を減らすことができる。

本発明の実施形態を示す誘導電動機の速度センサレス制御装置の構成図。 実施形態におけるキャリア周波数調節の動作フロー。 誘導電動機の速度センサレス制御装置の構成図。 ３相のＵ、Ｖ、Ｗの軸と固定座標軸上の直交したαβの２軸の例。 αβ軸上の電流リサージュ波形。 ＰＷＭインバータの電圧差の例。 キャリア周波数別の電流リサージュ波形例。

図１は、本発明の実施形態を示す誘導電動機の速度センサレス制御装置の構成図である。同図が図３と異なる部分は、キャリア周波数制御部９を追加した点にある。なお、ＰＷＭインバータ２は、電圧指令Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に応じたＰＷＭ波形を生成するＰＷＭ制御器２Ａと、このＰＷＭ波形でゲート制御されるインバータ２Ｂに分離した構成で示す。

前記のように、空転中の誘導電動機１の回転数・回転方向の推定には、交流電圧発振器６から単相交流電圧をα軸に印加し、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したときの誘導電動機１の一次電流を検出し、３相／２相変換器４により固定座標軸上の直交した２軸（αβ軸）成分に変換し、この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監視することにより、空転中の誘導電動機の回転数と回転方向を推定する。

ここで、キャリア周波数制御部９は、３相／２相変換器４で変換した電流Ｉα^*とＩβ^*が呈する電流リサージュの振幅を求める振幅演算器９Ａと、この演算結果となる振幅が予め設定される基準値よりも小さい場合にキャリア周波数指令ｆｃの周波数を下げてＰＷＭ制御器２Ａのキャリア信号とする周波数調節器９Ｂを備える。

この構成により、振幅演算器９Ａでは誘導電動機１の一次電流のαβ軸成分から電流の振幅をスイープ期間に亘って求め、周波数調節器９Ｂでは電流振幅の演算結果について、電流振幅の最大値を監視し、これが基準値を超える振幅が得られなかった場合は、キャリア周波数を低減してＰＷＭ制御器のキャリア周波数とする。このキャリア周波数を調節した後、再度、単相交流電圧を最高周波数からゼロ方向へスイープさせ、キャリア周波数制御部９による振幅監視とキャリア周波数切替え行う。この動作を、基準値を超える振幅が得られるまで繰り返すことにより、精度良く空転中の誘導電動機の回転数推定さらには回転方向の推定が可能になる。計測終了後は、キャリア周波数を本来の値に戻して、ＰＷＭインバータ２は再始動を開始する。

図２は上記のキャリア周波数調節の動作フローを示す。単相交流電圧をスイープさせながら印加し（Ｓ１）、１回のスイープ期間における電流振幅最大値が基準値以上か否かを監視し（Ｓ２）、基準値以上でなければキャリア周波数の低減処理を行う（Ｓ３）。この繰り返し処理で電流振幅最大値が基準値以上になれば（Ｓ２）、電流リサージュの長軸と短軸の比率から誘導電動機の実回転速度を推定し（Ｓ４）、この推定に際してキャリア周波数の低減を行ったか否かをチェックし（Ｓ５）、低減していればキャリア周波数を元の周波数への復帰処理を行い（Ｓ６）、低減していなければ回転数推定を終える。

このように、本実施形態では、単相交流電圧印加時の電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減することにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、空転中の誘導電動機の回転数の推定精度を向上させる。

１ 誘導電動機
２ ＰＷＭインバータ
６ 交流電圧発振器
９ キャリア周波数制御部
９Ａ 振幅演算器
９Ｂ 周波数調節器

Claims (2)

1. ２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、ＰＷＭインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記ＰＷＭインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置において、
   前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算器と、
   前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節器と、
   を備えたことを特徴とする誘導電動機の回転数推定装置。
2. ２相／３相変換器によって変換された電圧指令に基づき、ＰＷＭインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記ＰＷＭインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸／長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定方法において、
   前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算ステップと、
   前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節ステップと、
   を有することを特徴とする誘導電動機の回転数推定方法。

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