JP2011229252A - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流回転機の定常運転・急加減速運転に関係なく安定した電流制限動作が得られ、電力変換回路を過電流から保護できとともに、交流回転機の定常運転時には高効率かつ安定した駆動性能が得られる交流回転機の制御装置を得る。
【解決手段】交流回転機の制御装置は、回転二軸座標上の電流と予め設定された電流制限値との偏差を積分することによって第１の周波数補正量を演算する第１演算部と、回転二軸座標上の電流と周波数指令とに基づいて第２の周波数補正量を演算する第２演算部と、回転二軸座標上の電流と電流制限値との大小関係、および周波数指令と一次周波数補正値との大小関係とに基づいて、第１の周波数補正量または第２の周波数補正量を周波数補正量として選択する周波数補正量選択部とを有し、周波数指令を周波数補正量に基づいて補正し、一次周波数補正値を得る周波数補正手段８を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流回転機を回転駆動する電力変換手段を備えた交流回転機の制御装置に関する。

従来の交流回転機の制御装置においては、インバータをはじめとする電力変換手段によって交流回転機を駆動する際、交流回転機の相巻線に流れる相電流、あるいは、相電流を交流回転機の角周波数で回転する回転二軸座標（以下ｄｑ軸と称す）上に座標変換したｄｑ軸上の電流に基づいて、さらには、外部から与えられる周波数指令に基づいて相巻線へ出力する電圧指令を決定するＶ／Ｆ一定制御をはじめとするフィードフォワード制御が行われることがある。

このフィードフォワード制御を実現するために、交流回転機の制御装置には、交流回転機の相巻線へ電圧を出力するインバータ等の電力変換手段と、フィードフォワード制御によって交流回転機の相巻線へ電圧を出力するための電圧指令を生成する電圧指令生成手段と、交流回転機の相電流を検出する電流検出手段とが備わる。このような交流回転機の制御装置の一例として、電力変換回路を過電流から保護するための電流制限機能を備え、一次電流および出力周波数から演算される第１の電流成分と電流設定値とから所定の関数演算に従って周波数補正値を演算した上で、一次周波数指令値から周波数補正値を減算し、この減算出力に従って一次電圧成分指令値を演算するものがある。この一次周波数指令値を補正する動作によって、定常運転時のみならず急加減速時にも電流制限動作が正常に動作し、電力変換回路を過電流から保護することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、交流回転機の制御装置の他の一例として、負荷電流に応じて励磁電流指令を演算しながら、ｄｑ軸電流の各軸成分の絶対値の電流偏差を励磁電流指令で除算して微小励磁電流指令を求め、求めた微小励磁電流指令と一次周波数とに基づいてｄｑ軸電圧指令を演算した上で、ｄｑ軸電流に基づいて周波数補正量を演算し、角速度指令から周波数補正量を減算して一次周波数を出力するものがある。この構成によって、電流の過渡応答を一定に保った上で交流回転機を高効率に駆動制御できる（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−６８３９８号公報（第４−５頁、第１図） 再公表ＷＯ２００５−０２５０４９号（第４−５頁、第１−２図）

特許文献１で開示された技術の実施によって実現できる、電流制限動作が正常に動作し、電力変換回路を過電流から保護できることと、特許文献２で開示された技術の実施によって実現できる、電流の過渡応答を一定に保った上で交流回転機を高効率かつ安定に駆動制御できることといった２つの効果を両立することが交流回転機の制御装置として望ましい形態である。しかしながら、これらの発明で得られる効果は、ともに各々異なった方法で一次周波数指令を補正する動作によって得られるものである。このため、特許文献１で開示された技術と特許文献２で開示された技術とを単純に組み合わせた場合、両者の一次周波数指令を補正する動作が干渉し、本来各々を個別に実施することによって得られるはずの電力変換回路を過電流から保護すること、交流回転機を高効率かつ安定に駆動制御することができなくなるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変換回路を過電流から保護するために実施する一次周波数補正動作と、高効率かつ安定した駆動性能を得るために実施する一次周波数補正動作との両者の周波数補正動作が干渉することなく一次周波数の補正を行い、定常運転・急加減速運転に関係なく安定した電流制限動作を得ることによって電力変換回路を過電流から保護し、交流回転機の定常運転時には高効率かつ安定した駆動性能が得られる交流回転機の制御装置を得るものである。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、三相電圧指令に基づいて交流回転機へ三相交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる三相電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出する三相電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、周波数指令を周波数補正量に基づいて補正し、一次周波数補正値を得る周波数補正手段と、一次周波数補正値に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、一次周波数補正値と回転二軸座標上の電流とに基づいて回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、回転二軸座標上の電圧指令と制御座標軸の位相とに基づいて三相電圧指令を算出する電圧指令変換手段とを備え、電流演算手段は、制御座標軸の位相に基づいて三相電流を回転二軸座標上の電流へ変換し、周波数補正手段は、回転二軸座標上の電流あるいは回転二軸座標上の電流の絶対値の何れかを判定電流とし、判定電流と予め設定された電流制限値との偏差を積分することによって第１の周波数補正量を演算する第１演算部と、回転二軸座標上の電流と周波数指令とに基づいて第２の周波数補正量を演算する第２演算部と、判定電流と電流制限値との大小関係、および周波数指令と一次周波数補正値との大小関係とに基づいて、第１の周波数補正量あるいは第２の周波数補正量の何れかを周波数補正量として選択する周波数補正量選択部とを有するものである。

この発明は、周波数補正手段が、回転二軸座標上の電流あるいは回転二軸座標上の電流の絶対値の何れかを判定電流とし、判定電流と予め設定された電流制限値との偏差を積分することによって第１の周波数補正量を演算する第１演算部と、回転二軸座標上の電流と周波数指令とに基づいて第２の周波数補正量を演算する第２演算部と、判定電流と電流制限値との大小関係、および周波数指令と一次周波数補正値との大小関係とに基づいて、第１の周波数補正量あるいは第２の周波数補正量の何れかを選択する周波数補正量選択部を有し、周波数補正量選択部によって選択された周波数補正量に基づいて周波数指令を補正して一次周波数補正値を得るので、電力変換回路を過電流から保護するために実施する一次周波数補正動作と、高効率かつ安定した駆動性能を得るために実施する一次周波数補正動作との両者の周波数補正動作が干渉することなく一次周波数の補正が行うことができることから、交流回転機の定常運転・急加減速運転に関係なく安定した電流制限動作が得られ、電力変換回路を過電流から保護できとともに、交流回転機の定常運転時には高効率かつ安定した駆動性能を得ることができる。

本発明の実施の形態１における交流回転機と交流回転機の制御装置とによって構成される交流回転機制御システムの構成図である。 本発明の実施の形態１における電圧指令演算手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における周波数補正手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における周波数補正手段のスイッチの動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、交流回転機と交流回転機の制御装置とによって構成される交流回転機制御システムの構成図を示すものである。なお、本実施の形態では、交流回転機１として主に三相誘導機を例に挙げて説明するが、この発明は「三相」や「誘導機」に限定されるものではなく、その他、他の相数（三相以外の二相回転機等）や誘導機とは異なる回転機（例えば同期機）であっても同様に適用できる。

図１において、交流回転機の制御装置１０は、電力変換手段２と、電流検出手段３ａ、３ｂと、位相演算手段４と、電流演算手段５と、電圧指令演算手段６と、電圧指令変換手段７と、周波数補正手段８とによって構成されている。

次に、交流回転機の制御装置１０の動作について説明する。電力変換手段２は、電圧指令変換手段７から出力される三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ（三相交流電圧）を交流回転機１へ出力し、交流回転機１を駆動する。電流検出手段３ａ、３ｂは、交流回転機１の出力電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する。残りの一相の電流Ｉｗは、検出した出力電流Ｉｕ、Ｉｖに基づいて、Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖの関係を用いて演算する。つまり、電流検出手段３ａ、３ｂは、交流回転機１に流れる三相電流を検出する。なお、電流検出手段は、図１に示すように二つの相だけに具備しても、三相全てに具備しても良い。また、図１のような各相の電流を直接検出する方法以外に、公知の技術である、電力変換器のＤＣリンク電流から交流回転機１の出力電流を検出する方法を用いても良い。

なお，本実施の形態では、制御座標軸を一次周波数補正値ω１（交流回転機１の一次周波数に相当）で回転する回転二軸座標（以下ｄｑ軸と称す）上で与えることとする。その際、公知のように、三相電圧あるいは三相電流をｄｑ軸座標へ座標変換をするために、制御座標軸の位相θが必要となる。そこで、位相演算手段４は、外部から与えられる周波数指令ω＊を後述の周波数補正手段８によって補正された一次周波数補正値ω１を積分して回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを求める。

位相演算手段４は、後述の電流演算手段５と電圧指令変換手段７へ制御座標軸の位相θを出力するが、電流検出手段３ａ、３ｂで検出された出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（三相電流）の値が電力変換手段２から出力される三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに反映されるまでの制御演算遅れ時間を考慮し、電流演算手段５へ出力する位相と電圧指令変換手段７へ出力する位相とを異なる値にしても良い。この場合、電流演算手段５へ出力する位相をθｘ、電圧指令変換手段７へ出力する位相をθｙとすると、θｘ＝∫ω１ｄｔ（＝θ）、θｙ＝θｘ＋θｄのような関係となる。ここで、θｄは、前述の制御演算遅れ時間に基づく位相補正量である。

電流演算手段５は、電流検出手段３ａ、３ｂで検出された交流回転機１の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと制御座標軸の位相θ（またはθｘ）とに基づいて、一次周波数補正値ω１で回転する回転二軸座標（以下ｄｑ軸と称す）上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ座標変換する。出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ座標変換する式を（１）式に示す。

電圧指令演算手段６は、周波数補正手段８の出力である一次周波数補正値ω１とｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとに基づいてｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算する。公知のＶ／Ｆ一定制御を行う場合、一例として、（２）〜（３）式を用いて電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算する方法がある。
Ｖｄ＊＝０ ・・・（２）
Ｖｑ＊＝Ｋ０・ω１ ・・・（３）

ここで、Ｋ０は比例係数である。Ｋ０を、交流回転機１の定格励磁電流Ｉｄ１００と一次インダクタンスＬｓの値とを用いて、Ｋ０＝Ｌｓ・Ｉｄ１００としても良い。また、交流回転機１の一次抵抗Ｒｓに起因する電圧降下や電圧ブースト項Ｋｂｄ、Ｋｂｑ等を考慮して、（４）〜（５）式を用いて電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算しても良い。
Ｖｄ＊＝Ｒｓ・Ｉｄ１００−σ・ω１・Ｌｓ・Ｉｑ＋Ｋｂｄ ・・・（４）
Ｖｑ＊＝Ｒｓ・Ｉｑ＋ω１・Ｌｓ・Ｉｄ１００＋Ｋｂｑ ・・・（５）

ここで、σは交流回転機１の漏れ係数である。さらに、特許文献２に開示された電流の過渡応答を一定に保ちながら回転機を駆動制御し、定常運転時に高効率かつ安定した駆動性能を得る手法に基づいて電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を与える場合は、電圧指令演算手段６を以下の通り構成する。

図２は、電圧指令演算手段６の構成を示すブロック図である。電圧指令演算手段６の各構成要素の動作について以下のとおり説明する。電圧指令演算手段６は、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑの絶対値の偏差に基づいて微小励磁電流指令ΔＩ０を求め、この微小励磁電流指令ΔＩ０を増幅することによって交流回転機１に与える励磁電流指令Ｉ０を求め、微小励磁電流指令ΔＩ０と励磁電流指令Ｉ０と一次周波数補正値ω１とに基づいてｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算する。電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊は、励磁電流指令Ｉ０に対応する励磁電流を交流回転機１に流すための電圧指令である。なお、電圧指令演算手段６で得られる励磁電流指令Ｉ０は、定常運転時に高効率となる励磁電流になるように調整された値になる。

まず、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑの各々の絶対値を絶対値演算器（ＡＢＳ）１１ａ、１１ｂにて求め、電流Ｉｄの絶対値と電流Ｉｑの絶対値との偏差（回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差）を加減算器１２ａにて演算する。さらに、この偏差を乗算器１３ａにてＫｗｉ倍し、それを後述の制限機能付積分器１４の出力である励磁電流指令Ｉ０で除算して微小励磁電流指令ΔＩ０を求める。ただし、この除算処理に用いる励磁電流指令Ｉ０は、微小励磁電流指令ΔＩ０に基づいて演算される値であるため、電圧指令演算手段６の演算アルゴリズムをマイクロコンピュータ（いわゆるマイコン）に実装し、これらの処理を行わせることを考慮して、図２の構成では、前述の除算処理の代わりに、励磁電流指令Ｉ０の伝達を遅延器１５ａによってマイコンの１演算周期（Ｔｓとする）分遅延させ、逆数演算器１６によって励磁電流指令Ｉ０の逆数１／Ｉ０を求め、求めた逆数１／Ｉ０を乗算器１３ａにて乗算する構成としている。本構成は、あくまでも一例であり、同じ機能を果たす他の構成例でも良い。リミッタＡ１７（後述の他のリミッタと動作が異なるため、リミッタＡとする）は、乗算器１３ａが出力する微小励磁電流指令ΔＩ０の振幅を制限する。

ローパスフィルタ１８は、後述の周波数補正手段８の出力である一次周波数補正値ω１の高周波成分を除去した低周波成分ωｆを出力する。リミッタＢ１９は、ローパスフィルタ１８が出力する低周波成分ωｆに基づいて励磁電流指令の上限値Ｉ０ＭＡＸ、下限値Ｉ０ＭＩＮを出力する。

制限機能付積分器１４は、リミッタＡ１７から得られた微小励磁電流指令ΔＩ０を積分演算し、リミッタＢ１９から入力される励磁電流指令の下限値Ｉ０ＭＩＮから上限値Ｉ０ＭＡＸまでの範囲内に収まるように積分演算の結果を制限して励磁電流指令Ｉ０を出力する。このように電圧指令演算手段６を制御することで、特許文献２に開示されているとおり、定常運転時に損失が少なく高効率となるように、ｄ軸電流Ｉｄにおける損失とｑ軸電流Ｉｑにおける損失とが一致するような運転点に調整される。すなわち、定常運転時において損失が少ない高効率となるように調整された値となる。

スイッチ２０ａ、２０ｂは、それぞれ外部から与えられるフラグｆｌａｇＸに基づいて、リミッタＡ１７の出力である微小励磁電流指令ΔＩ０と制限機能付積分器１４の出力である励磁電流指令Ｉ０の値をそのまま出力するか、あるいは、微小励磁電流指令ΔＩ０と励磁電流指令Ｉ０の値を一定値に固定させるかを切り換えるために設けたものである。本実施の形態において、スイッチ２０ａ、２０ｂは必須の構成要素ではない。しかしながら、これらのスイッチ２０ａ、２０ｂを電圧指令演算手段６の構成に加えることによって、ｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊が所定の電圧を超過した場合でも、微小励磁電流指令ΔＩ０や励磁電流指令Ｉ０の値を固定することで、電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊の電圧超過を防止したり、電力変換回路（本実施の形態では電力変換手段２に相当）を過電流から保護するために実施する後述の一次周波数補正動作機能をより安定化させたりすることが可能となる。なお、スイッチ２０ａ、２０ｂにおける微小励磁電流指令ΔＩ０と励磁電流指令Ｉ０の値とを一定値に固定させる機能をマイコンに実装する際、図２の構成では、スイッチ２０ａ、２０ｂの出力をそれぞれ遅延器１５ｂ、１５ｃによってマイコンの１演算周期（Ｔｓとする）分遅延させたものを、これらのスイッチの入力に戻す構成にしている。

乗算器１３ｂは、スイッチ２０ａの出力（スイッチ２０ａを省略する場合はリミッタＡ１７の出力）である微小励磁電流指令ΔＩ０に、交流回転機１の一次インダクタンスＬｓの値を乗算し、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊として出力する。また、乗算器１３ｃは、スイッチ２０ｂの出力（スイッチ２０ｂを省略する場合は制限機能付積分器１４の出力）である励磁電流指令Ｉ０に、交流回転機１の一次インダクタンスの値Ｌｓと一次周波数補正値ω１とを乗算し、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊として出力する。これら乗算器１３ｂ、１３ｃの動作は（６）〜（７）式で表される。
Ｖｄ＊＝Ｌｓ・ΔＩ０ ・・・（６）
Ｖｑ＊＝ω１・Ｌｓ・Ｉ０ ・・・（７）

なお、（６）〜（７）式に対して、前述のような交流回転機１の一次抵抗Ｒｓに起因する電圧降下や電圧ブースト項Ｋｂｄ、Ｋｂｑ等を考慮した項を加えても良い。このように電圧指令演算手段６を構成することによって、特許文献２に開示されたように、ｑ軸電流Ｉｑの絶対値とｄ軸電流Ｉｄの絶対値との偏差を負荷に応じて変化させる励磁電流指令Ｉ０で除算できる。そして、電圧指令演算手段６は、回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差に基づいて微小励磁電流指令と励磁電流指令とを求め、求めた微小励磁電流指令と励磁電流指令と一次周波数補正値とに基づいて回転二軸座標上の電圧指令を演算するので、負荷トルクの動作点が軽負荷時から高負荷時まで変化しても、電流の過渡応答を一定に保ちながら安定した駆動性能を得ることができる。

電圧指令変換手段７は、電圧指令演算手段６の出力であるｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と制御座標軸の位相θ（θの代わりに前述のθyでも良い）とに基づいて三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ*を演算し、電力変換手段２へ出力する。ｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊へ座標変換する式を（８）式に示す。（８）式のθの代わりに前述のθyを用いても良い。

次に、本発明のポイントである周波数補正手段について説明する。図３は、周波数補正手段８の構成を示すブロック図である。周波数補正手段８は、所定の周波数指令ω＊を一次周波数補正量に基づいて補正し、一次周波数補正値ω１（交流回転機１の一次周波数に相当）を得ることを目的としている。周波数補正手段８の各構成要素の動作について以下のとおり説明する。周波数補正手段８は、電力変換回路（電力変換手段２に相当）を過電流から保護するための一次周波数補正量（第１の周波数補正量Δω１）を演算する部分（第１演算部）と、電流が急変することを抑制しながら安定した駆動性能を得るための一次周波数補正量（第２の周波数補正量Δω２）を演算する部分（第２演算部）と、第１の周波数補正量Δω１と第２の周波数補正量Δω２との何れかを選択する部分（周波数補正量選択部）と、選択された周波数補正量に基づいて周波数指令ω＊を補正し、一次周波数補正値ω１を得る部分（周波数補正部）とによって構成される。

まず、第１の周波数補正量Δω１を演算する部分（第１演算部）について説明する。第１の周波数補正量Δω１を演算する部分（第１演算部）は、判定電流演算手段２１と符号関数演算器２２と加減算器１２ｂ、１２ｃと乗算器１３ｄ、１３ｅと積分器２３とによって構成される。第１の周波数補正量Δω１を演算する部分（第１演算部）は、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑあるいはｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑの絶対値の何れかを判定電流（判定電流をＩｘとする）とし、判定電流が電力変換回路を過電流から保護するために設定された電流制限値Ｉｌｉｍｉｔ以下となるように、判定電流と予め設定された電流制限値との偏差を積分することによって、周波数指令ω＊に対して補正すべき第１の周波数補正量Δω１を演算し、周波数指令ω＊を補正するためのものである。

第１の周波数補正量Δω１を演算する動作について説明する。判定電流演算手段２１では、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて判定電流Ｉｘを演算する。判定電流Ｉｘとは、電力変換回路を過電流から保護するための過電流状態か否かを判定する基準となる電流を指し、本実施の形態では、ｑ軸電流Ｉｑの絶対値｜Ｉｑ｜、またはｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの２乗和の平方根（三相回転機の場合、相電流実効値の√３倍に相当する量）の何れかを判定電流Ｉｘとする。

交流回転機１（特に誘導機）の起動時に、励磁電流を流して磁束が確立した後、トルク電流（ｑ軸電流Ｉｑに相当）を流して起動する場合には、ｑ軸電流Ｉｑが急変するため、判定電流Ｉｘにｑ軸電流Ｉｑの絶対値｜Ｉｑ｜を選択することが適切である。また、励磁電流とトルク電流を同時に流し始めて交流回転機１を起動する場合等では、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ共に変動が大きく、判定電流Ｉｘにｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの２乗和の平方根√（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）を選択するのが適切である。駆動条件によって、判定電流Ｉｘとして使用する値を絶対値｜Ｉｑ｜と平方根√（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）とを切り換えても良い。また、判定電流演算手段２１の構成の簡素化のために、判定電流Ｉｘとして使用する値を絶対値｜Ｉｑ｜または平方根√（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）のどちらかに固定しても良い。

このように、判定電流演算手段２１は、（９）式、（１０）式の演算を行い、必要に応じてｑ軸電流Ｉｑの絶対値｜Ｉｑ｜と、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの２乗和の平方根とを切り換えて、判定電流Ｉｘを出力する。なお、判定電流Ｉｘは必ず正値となる。
Ｉｘ＝｜Ｉｑ｜ ・・・（９）

そして、加減算器１２ｂにおいて、判定電流Ｉｘと電力変換回路を過電流から保護するために設定された電流制限値Ｉｌｉｍｉｔ（正の値に設定）との偏差Ｉｅ（＝Ｉｘ−Ｉｌｉｍｉｔ）を演算する。また、符号関数演算器２２において、ｑ軸電流Ｉｑの符号関数出力値を演算する。符号関数演算器２２は、ｑ軸電流Ｉｑが正の時は１を、負の時は−１を、０の時は０（あるいは１）を出力する。さらに、乗算器１３ｄにおいて、偏差Ｉｅと符号関数演算器２２の出力とを乗算する。また、加減算器１２ｃにおいて、乗算器１３ｄの出力を乗算器１３ｅにて所定の正の係数ＫＰ倍した値と、同じ乗算器１３ｄの出力を積分器２３にて所定の正の係数ＫＩ倍した後に積分した値とを加算する。この加算した値が第１の周波数補正量Δω１となる。なお、図３では、比例積分処理で第１の周波数補正量Δω１を演算しているが、乗算器１３ｅと加減算器１２ｃとを省略した積分演算のみで第１の周波数補正量Δω１を演算する方法を用いても良い。

ここで、後述するスイッチ２０ｃにおいて、第１の周波数補正量Δω１を選択したと仮定した上で、選択した第１の周波数補正量Δω１に基づいて周波数指令ω＊を加減算器１２ｄで補正し、一次周波数補正値ω１を得る場合の、第１の周波数補正量Δω１を演算する部分（第１演算部）の動作と周波数指令ω＊を補正する動作について説明する。

力行正転加速運転の際に、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを越えると、極性が正の偏差Ｉｅ（＝Ｉｘ−Ｉｌｉｍｉｔ）が加減算器１２ｂから出力される。一方、力行正転加速運転においては、ｑ軸電流Ｉｑの極性も正となるので、乗算器１３ｄの出力は正値となる。よって、乗算器１３ｄの出力を乗算器１３ｅおよび積分器２３によって比例・積分演算して得られた第１の周波数補正量Δω１の極性は正となり、この第１の周波数補正量Δω１によって周波数指令ω＊を補正する際、周波数指令ω＊から第１の周波数補正量Δω１を減算するように補正する。この補正によって、一次周波数補正値ω１（＝ω＊−Δω１）の変化は周波数指令ω＊に対して緩やかになる。

この結果、判定電流Ｉｘとしてｑ軸電流Ｉｑの絶対値｜Ｉｑ｜を選択した場合には、ｑ軸電流Ｉｑの増加が抑制され、判定電流Ｉｘとしてｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの２乗和の平方根を選択した場合には、ｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄの増加が抑制される。このような電流抑制動作によって、判定電流Ｉｘが減少して電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを下回り、加減算器１２ｂから出力される偏差Ｉｅの極性が負になると、ｑ軸電流Ｉｑの極性は正のままであるため、乗算器１３ｄの出力は負値となる。よって、積分器２３に蓄えられた正の累積値が減少するように作用するとともに、乗算器１３ｅからの出力も負値となるため、第１の周波数補正量Δω１は減少して零に漸近、すなわち、一次周波数補正値ω１は元の周波数指令ω＊に収束する。

回生正転減速運転の際に、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを越えると、極性が正の偏差Ｉｅ（＝Ｉｘ−Ｉｌｉｍｉｔ）が加減算器１２ｂから出力される。一方、回生正転減速運転においては、ｑ軸電流Ｉｑの極性は負となるので、乗算器１３ｄの出力は負値となる。よって、乗算器１３ｄの出力を乗算器１３ｅおよび積分器２３によって比例・積分演算して得られた第１の周波数補正量Δω１の極性は負となり、この第１の周波数補正量Δω１によって周波数指令ω＊を補正する際、周波数指令ω＊から第１の周波数補正量Δω１を加算するように補正する。この補正によって、一次周波数補正値ω１（＝ω＊−Δω１）の変化は周波数指令ω＊に対して緩やかになる。

この結果、ｑ軸電流Ｉｑやｄ軸電流Ｉｄの増加が抑制される。このような電流抑制動作によって、判定電流Ｉｘが減少して電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを下回り、加減算器１２ｂから出力される偏差Ｉｅの極性が負になると、ｑ軸電流Ｉｑの極性は負のままであるため、乗算器１３ｄの出力は正値となる。よって、積分器２３に蓄えられた負の累積値（の絶対値）が減少するように作用するとともに、乗算器１３ｅからの出力も正値となるため、第１の周波数補正量Δω１の絶対値は減少し零に漸近、すなわち、一次周波数補正値ω１は元の周波数指令ω＊に収束する。同様に、力行逆転加速運転時および回生逆転減速運転時にも、一次周波数補正値ω１の変化は周波数指令ω＊に対して緩やかになる。

このように、第１の周波数補正量Δω１に基づいて周波数指令ω＊を補正した場合、定常運転時のみならず急加減速時にも電流抑制動作が動作し、電力変換回路（電力変換手段２）を過電流から保護することができる。

次に、第２の周波数補正量Δω２を演算する部分（第２演算部）について説明する。第２の周波数補正量Δω２を演算する部分（第２演算部）は、第２の周波数補正量演算手段２４と補正量リミッタ２５とによって構成されており、インパクト負荷などが交流回転機１に加わった場合に、回転速度の急変によって生じる電流振幅の急変を抑制するために設けてある。第２の周波数補正量Δω２を演算する部分（第２演算部）において、第２の周波数補正量Δω２は、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑと周波数指令ω＊とに基づいて、第２の周波数補正量演算手段２４と補正量リミッタ２５とを用いて演算される。

第２の周波数補正量演算手段２４は、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて交流回転機１の負荷変化量に応じた周波数補正量Δω２’を演算し、補正量リミッタ２５は周波数指令ω＊に応じて周波数補正量Δω２’の値を制限し、第２の周波数補正量Δω２を出力する。

ここで、後述するスイッチ２０ｃにおいて、第２の周波数補正量Δω２を選択したと仮定した上で、選択した第２の周波数補正量Δω２に基づいて周波数指令ω＊を加減算器１２ｄで補正し、一次周波数補正値ω１を得る場合の、第２の周波数補正量Δω２を演算する部分（第２演算部）の動作と周波数指令ω＊を補正する動作について説明する。

第２の周波数補正量演算手段２４は、交流回転機１の負荷変化量に応じた周波数補正量Δω２’を以下の手順で演算する。交流回転機１において、軸トルクの増減（変化率）が判れば回転速度の増減も判断できるが、通常の交流回転機１と交流回転機の制御装置を含めた交流回転機制御システムにおいて、トルクセンサ等の軸トルクを検出する手段が備わっていることは稀である。このことを踏まえ、以下の演算では、軸トルクの代わりに交流回転機１の出力トルク推定値τ０を演算し、この出力トルク推定値τ０を用いて回転速度の増減を判断しながら、周波数指令ω＊を補正し、すべり角周波数（＝周波数指令ω＊−回転速度）が急変しないようにする。

出力トルク推定値τ０の演算に際し、ｄ軸電流Ｉｄから二次磁束相当値φｄを（１１）式の演算によって求め、ｑ軸電流Ｉｑと二次磁束相当値φｄとから出力トルク推定値τ０を（１２）式の演算によって求める。
φｄ＝Ｉｄ／（１＋Ｔｒ・ｓ） ・・・（１１）
τ０＝Ｐｍ・φｄ・Ｉｑ ・・・（１２）

ここで、ｓはラプラス演算子、Ｔｒは交流回転機１の電気的（二次）時定数、Ｐｍは交流回転機１の極対数である。（１２）式で算出した出力トルク推定値τ０の変化に応じた周波数補正量Δω２’を（１３）式の演算によって求める。なお、（１３）式において、Ｇ１，Ｇ２は任意の実数である。
Δω２’＝Ｇ１・s／（１＋Ｇ２・ｓ）・τ０ ・・・（１３）

ただし、第２の周波数補正量Δω２が大きくなり過ぎると一次周波数補正値ω１（＝ω＊−Δω２）の値が小さくなり過ぎるので、交流回転機１では十分な出力トルクが発生できない現象が発生する。このような現象を回避するために、補正量リミッタ２５において周波数指令ω＊に応じて第２の周波数補正量Δω２’の上限値または下限値を制限する。補正量リミッタ２５で制限された第２の周波数補正量Δω２に基づいて周波数指令ω＊を補正することで、インパクト負荷などで回転速度が急変したときでも回転速度の変化に応じて一次周波数補正値ω１を変化させることができるので、電流振幅急変の抑制が可能となる。

また、交流回転機１がトルクを出力する場合、回転速度は、一次周波数補正値ω１からすべり角周波数を減算した値になる。このすべり角周波数は、出力トルクに比例するものと見なして、（１３）式を（１４）式に置き換えても良い。なお、（１４）式において、Ｇ３は任意の実数である。
Δω２’＝τ０・｛Ｇ１・ｓ／（１＋Ｇ２・ｓ）＋Ｇ３｝ ・・・（１４）

（１４）式を用いて第２の周波数補正量Δω２’を求め、補正量リミッタ２５で制限された第２の周波数補正量Δω２に基づいて周波数指令ω＊を補正することによって、電流振幅急変の抑制効果に加えて、すべり角周波数に起因する交流回転機１の速度低下を補正できる効果も得られる。

次に、周波数補正手段８において重要である、第１の周波数補正量Δω１と第２の周波数補正量Δω２との何れかを選択する部分（周波数補正量選択部）について説明する。周波数補正量選択部は、スイッチ２０ｃによって構成される。スイッチ２０ｃは、後述のアルゴリズムで判定電流Ｉｘと電流制限値Ｉｌｉｍｉｔとの大小関係、および周波数指令ω＊と一次周波数補正値ω１との大小関係とに基づいて、第１の周波数補正量Δω１と第２の周波数補正量Δω２との何れかを選択する。そして、周波数補正部である加減算器１２ｄにおいて、スイッチ２０ｃで選択された何れかの周波数補正量に基づいて、周波数指令ω＊を補正し、一次周波数補正値ω１を得る。

第１の周波数補正量Δω１は、電力変換回路を過電流から保護するために、判定電流Ｉｘを電流制限値Ｉｌｉｍｉｔ以下に抑制するための補正量であり、第２の周波数補正量Δω２は、回転速度の急変によって生じる電流振幅の急変を抑制しながら安定した駆動性能を得るための補正量である。このことから、過電流になり易い交流回転機１を起動する場合や判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを上回る程度の負荷急変時等の過渡状態においては、判定電流Ｉｘを電流制限値Ｉｌｉｍｉｔ以下に抑制することを優先し、第１の周波数補正量Δω１に基づいて周波数指令ω＊を補正することが望ましい。また、定常運転時に判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔの範囲内に収まる程度の電流急変の場合は、電流を所定の値に固定させる必要は無く、微小励磁電流指令ΔＩ０を用いた方法によって、定常運転時に高効率となる励磁電流となるように調整した上で、第２の周波数補正量Δω２に基づいて周波数指令ω＊を補正して電流急変を抑制することが望ましい。

このことを踏まえ、スイッチ２０ｃにおいて、通常時は第２の周波数補正量Δω２を選択するようにし、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを超えた場合に第１の周波数補正量Δω１を選択し、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔ以下になり、かつ、第１の周波数補正量Δω１による補正動作が完了して第１の周波数補正量Δω１が零に収束、すなわち、一次周波数補正値ω１が周波数指令ω＊とほぼ一致した時（あるいは一次周波数補正値ω１が周波数指令ω＊を超えた時）に、再度第２の周波数補正量Δω２を選択するような切り換えを行う。

また、電圧指令演算手段６のスイッチ２０ａ、２０ｂに外部から与えられるフラグｆｌａｇＸをスイッチ２０ｃの動作と関連性を持たせても良い。スイッチ２０ｃが第２の周波数補正量Δω２を選択した場合は、リミッタＡ１７の出力である微小励磁電流指令ΔＩ０と制限機能付積分器１４の出力である励磁電流指令Ｉ０の値とをそのまま出力するようにフラグｆｌａｇＸを設定し、スイッチ２０ｃが第１の周波数補正量Δω１を選択した場合は、微小励磁電流指令ΔＩ０と励磁電流指令Ｉ０の値とを一定値に固定させるようにフラグｆｌａｇＸを設定することで、周波数補正動作をより安定化させることが可能となる。

周波数指令ω＊に対する第１の周波数補正量Δω１による補正動作と第２の周波数補正量Δω２による補正動作とを単純に組み合わせて、常に両者の補正動作が行われるようにすることも考えられる。しかしながら、この場合、２つの補正動作が共に周波数指令ω＊に対する周波数補正であるため、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔの範囲内に収まる程度の電流急変状態で第２の周波数補正量Δω２による補正が行われている際に、さらに大きな負荷変動が生じ、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを超えた場合、両者の周波数補正動作が干渉し、特に、両者の周波数補正動作が周波数補正量を打ち消す方向で作用した場合、本来各々を実施することによって得られるはずの効果の低下や、効果そのものが得られない可能性がある。このような効果低下現象を回避するために、スイッチ２０ｃを設けて、第１の周波数補正量Δω１による補正動作と第２の周波数補正量Δω２による補正動作とのうち何れかの周波数補正動作の片方のみが動作するように構成される。

図４は、周波数補正手段のスイッチの動作を示すフローチャートである。図４のフローチャートに基づいて、スイッチ２０ｃにおける第１の周波数補正量Δω１と第２の周波数補正量Δω２の選択（切換）動作を行う。なお、本フローチャートのアルゴリズムをマイコンに実装した場合は、マイコンの１演算周期Ｔｓ毎に本フローチャートの一連の動作（演算）を実施し、交流回転機１の制御装置による交流回転機１の駆動制御が終了した時点で本フローチャートの一連の動作も停止する。

まず、ＳＴＥＰ１０１は、交流回転機１の制御装置によって交流回転機１を起動させたタイミングを示したものである。
ＳＴＥＰ１０２で、スイッチ２０ｃは通常時の第２の周波数補正量Δω２を選択する。
ＳＴＥＰ１０３で、加減算器１２ｂで得られた偏差Ｉｅ（＝Ｉｘ−Ｉｌｉｍｉｔ）と０との大小関係を比較し、判定電流Ｉｘが電流制限値Ｉｌｉｍｉｔを超えた場合、すなわち、Ｉｅ＞０（Ｉｘ−Ｉｌｉｍｉｔ＞０）の場合、真（ＹＥＳ）と判定し、ＳＴＥＰ１０４に移る。偽（ＮＯ）ならば、第２の周波数補正量Δω２を選択する（Δω２へ切り換える）ＳＴＥＰ１０２へ戻る。

ＳＴＥＰ１０４で、スイッチ２０ｃは第２の周波数補正量Δω２から第１の周波数補量Δω１に切り換え、ＳＴＥＰ１０５へ移る。
ＳＴＥＰ１０５で、一次周波数補正値ω１の絶対値｜ω１｜と周波数指令ω＊の絶対値｜ω＊｜との差である（｜ω１｜−｜ω＊｜）と０との大小関係を比較し、｜ω１｜が｜ω＊｜と等しい、あるいは｜ω１｜が｜ω＊｜を超えた場合、すなわち、（｜ω１｜−｜ω＊｜）≧０の場合、周波数補正量Δω１による補正動作が完了したと判断し、真と判定し、第２の周波数補正量Δω２を選択する（Δω２へ切り換える）ＳＴＥＰ１０２へ戻る。偽ならば、第１の周波数補正量Δω１を選択するＳＴＥＰ１０４へ戻る。

ここで、一次周波数補正値ω１の絶対値｜ω１｜は絶対値演算器（ＡＢＳ）１１ｃにて求め、周波数指令ω＊の絶対値｜ω＊｜は絶対値演算器（ＡＢＳ）１１ｄにて求め、｜ω１｜と｜ω＊｜との差は加減算器１２ｅにて求める。また、一次周波数補正値ω１は、スイッチ２０ｃで選択した何れかの周波数補正量が出力された結果に基づいて求まる値であるため、図３において、一次周波数補正値ω１の絶対値｜ω１｜は、前述したマイコン実装を考慮し、一次周波数補正値ω１の絶対値を遅延器１５ｄによってマイコンの１演算周期Ｔｓ分遅延させた値を用いる構成とした。なお、この１演算周期Ｔｓ分遅延させるタイミングと一次周波数補正値ω１の絶対値を演算するタイミングは入れ替わっても良い。

このようにして、スイッチ２０ｃは、第１の周波数補正量Δω１と第２の周波数補正量Δω２の選択（切換）動作を行い、周波数補正手段８は、スイッチ２０ｃによって選択された周波数補正値に基づいて周波数指令ω＊を補正し、一次周波数補正値ω１を得る。

以上のように、電力変換回路を過電流から保護するために実施する第１の周波数補正量Δω１に基づく一次周波数補正動作と、高効率かつ安定した駆動性能を得るために実施する第２の周波数補正量Δω２に基づく一次周波数補正動作との両者の周波数補正動作が干渉することなく、一次周波数（周波数指令ω＊）の補正が行えることから、交流回転機の定常運転・急加減速運転に関係なく安定した電流制限動作が得られ、電力変換回路を過電流から保護できとともに、交流回転機の定常運転時には高効率かつ安定した駆動性能が得ることができる。

１ 交流回転機、２ 電力変換手段、３ａ、３ｂ 電流検出手段、４ 位相演算手段、５ 電流演算手段、６ 電圧指令演算手段、７ 電圧指令変換手段、８ 周波数補正手段、１０ 制御装置、１１ａ〜１１ｄ 絶対値演算器（ＡＢＳ）、１２ａ〜１２ｅ 加減算器、１３ａ〜１３ｅ 乗算器、１４ 制限機能付積分器、１５ａ〜１５ｄ 遅延器、１６ 逆数演算器、１７ リミッタＡ、１８ ローパスフィルタ、１９ リミッタＢ、２０ａ〜２０ｃ スイッチ、２１ 判定電流演算手段、２２ 符号関数演算器、２３ 積分器、２４ 第２の周波数補正量演算手段、２５ 補正量リミッタ。

Claims (2)

1. 三相電圧指令に基づいて交流回転機へ三相交流電圧を出力する電力変換手段と、
   前記交流回転機に流れる三相電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が検出する三相電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
   周波数指令を周波数補正量に基づいて補正し、一次周波数補正値を得る周波数補正手段と、
   前記一次周波数補正値に基づいて前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
   前記一次周波数補正値と前記回転二軸座標上の電流とに基づいて回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
   前記回転二軸座標上の電圧指令と前記制御座標軸の位相とに基づいて前記三相電圧指令を算出する電圧指令変換手段とを備え、
   前記電流演算手段は、前記制御座標軸の位相に基づいて前記三相電流を前記回転二軸座標上の電流へ変換し、
   前記周波数補正手段は、前記回転二軸座標上の電流あるいは前記回転二軸座標上の電流の絶対値の何れかを判定電流とし、前記判定電流と予め設定された電流制限値との偏差を積分することによって第１の周波数補正量を演算する第１演算部と、
   前記回転二軸座標上の電流と前記周波数指令とに基づいて第２の周波数補正量を演算する第２演算部と、
   前記判定電流と前記電流制限値との大小関係、および前記周波数指令と前記一次周波数補正値との大小関係とに基づいて、前記第１の周波数補正量あるいは前記第２の周波数補正量の何れかを前記周波数補正量として選択する周波数補正量選択部とを有することを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記電圧指令演算手段は、前記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差に基づいて微小励磁電流指令と励磁電流指令とを求め、前記微小励磁電流指令と前記励磁電流指令と前記一次周波数補正値とに基づいて前記回転二軸座標上の電圧指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。

Images