JP2013138604A

JP2013138604A - 誘導電動機のベクトル制御装置

Info

Publication number: JP2013138604A
Application number: JP2013048474A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Fujii; 秋一藤井; Hideaki Iura; 英昭井浦; Kozo Ide; 耕三井手; Yoshiaki Yukihira; 義昭行平
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP5510577B2

Abstract

【課題】誘導電動機に負荷が結合された状態でも誘導電動機の定数を高精度にチューニングすることが可能であり、かつ、このための演算が簡単な、誘導電動機のベクトル制御装置を提供する。
【解決手段】誘導電動機の一相当りの等価回路をＴ−１型等価回路とし、電圧位相θｖを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令ｖ＿ｒｅｆとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値を読み取り、一次電流値および別の手段により与えられた一次抵抗値、二次抵抗値、電圧指令ｖ＿ｒｅｆを用いて、相互インダクタンスに流れる電流を推定し、この電流推定値の立ち上がり波形から時定数を求め、相互インダクタンスＭを、一次抵抗値と二次抵抗値の乗算値を一次抵抗値と二次抵抗値の加算値で除算したものに時定数を乗算することにより求めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機のベクトル制御装置に関するものである。

従来技術として、ＪＥＣ−３７に示されるような巻線抵抗測定、拘束試験、無負荷試験を行って電動機定数を求める方法をインバータの制御ソフトウェアに組込んだものがある（従来例１）。また、誘導電動機を停止したままの状態で、誘導電動機の定数をチューニングする方法として、特開平７−５５８９９がある（従来例２）。この方法では、単相交流を誘導電動機に供給し、ｄ軸電流検出値あるいはｑ軸電流検出値をフーリエ級数展開し、誘導電動機の定数を求めていた。ここで、ｄ−ｑ軸座標は電動機の回転磁界と同じ速度で回転する回転座標である。

従来例１に示す方法では、拘束試験と無負荷電流試験の間に誘導電動機の回転子の固定および固定の解除といった作業が必要であり、インバータ駆動による自動計測には向いていない面がある。また、無負荷電流試験では、誘導電動機単体で運転する必要があり、負荷が既に結合されている場合には、一旦切り離し電動機単体にするという作業が必要となり、効率が悪いという問題があった。

また、従来例２では、単相交流を印加し、フーリエ級数展開を利用して求めているのでソフトが複雑になり、ソフトの処理時間が長くなり、ソフトに大きな記憶容量を要するといった問題があった。

特開平７−５５８９９号公報

したがって、本発明の目的は、誘導電動機に負荷が結合された状態でも誘導電動機の定数を高精度にチューニングすることが可能であり、かつ、このための演算が簡単な、誘導電動機のベクトル制御装置を提供することである。

本発明は、インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値ｖ＿ｒｅｆと電圧出力位相θｖを基に三相交流を出力する電力変換器を有し、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値ｉ１を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、誘導電動機の一相当りの等価回路をＴ−１型等価回路とし、電圧位相θｖを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令値ｖ＿ｒｅｆとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値ｉ１を読み取り、前記一次電流値ｉ１および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、二次抵抗値Ｒ２を用いて、相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍを

により推定し、この電流推定値

の立ち上がり波形から時定数

を求め、この相互インダクタンスＭを

より求め、必要に応じ、この相互インダクタンスＭあるいは時定数

および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、漏れインダクタンスＬ、二次抵抗値Ｒ２ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Ｖｒａｔｅ、定格周波数ｆｒａｔｅと前記相互インダクタンスＭを用いて無負荷電流Ｉ０を求めるようにしたものである。
あるいは、電圧指令ｖ＿ｒｅｆを与えた場合に、一次電流値ｉ１が一定値に収束したときの値を

とした場合に、前記一次電流値ｉ１および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、二次抵抗値Ｒ２を用いて、相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍを

により電圧値を使わずに推定するようにしたものである。

以上述べたように本発明によれば、誘導電動機を高精度に制御するために必要となる誘導電動機の一次抵抗および二次抵抗および漏れインダクタンスおよび相互インダクタンスあるいは無負荷電流を、該誘導電動機に負荷が結合されている状態においても高精度にチューニングすることができるという効果がある。

請求項１〜４記載の実施形態を適用したブロック図である。誘導電動機のＴ−１型等価回路図である。誘導電動機に直流電圧を印加した場合の電流の時間変化波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明における誘導電動機の電動機定数測定方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。図１において、電力変換器２は、電動機定数演算器１から与えられた電圧指令ｖ＿ｒｅｆと電圧位相θｖを三相交流電力へ変換し、誘導電動機３に三相交流電力を供給する。誘導電動機３に流れる電流値は、Ｕ相に設けられた電流検出器４で検出された電流ｉｕとＶ相に設けられた電流検出器５で検出されたｉｖとして取り込み、座標変換器６によって（１）式および（２）式の演算を行い二相交流電流ｉα、ｉβに変換する。

（２）式において（２／３）を乗じているのは、変換前と変換後で振幅の大きさを等しくするためである。電流を検出する相はＵ相とＶ相の組み合わせに限らず任意の二相あるいは三相すべてを検出してもよい。二相交流電流ｉα、ｉβは電動機定数演算器１に入力され、一次電流検出値ｉ１を二相交流電流ｉα、ｉβの二乗の和の平方根として計算する。

図１は、インバータによる電動機駆動装置において、通常運転時および従来の電動機定数の同定方法において、電圧指令、出力電圧位相の前段に設けられる速度制御、電流制御等のブロックを電動機定数演算器１に置き換えたもので、本発明の実施に必要な部分を抜粋して図示したものであり、両者は別途設けられたスイッチにより切替えるようになっている。

まず、請求項１の実施形態の原理について説明する。

図２に誘導電動機の停止状態（すべりｓ＝１）における一相当たりのＴ−１型等価回路を示す。Ｒ１は一次抵抗、Ｌは漏れインダクタンス、Ｒ２は二次抵抗、Ｍは相互インダクタンスであり、ｖ＿ｒｅｆは印加される電圧、ｉ１は電動機の一次電流、ｉ２は電動機の二次電流、ｉｍは相互インダクタンスＭに流れる電流（励磁電流）である。

相互インダクタンスＭに流れる電流の変化により生じる起電力をｅ_mとして、図２の等価回路においてキルヒホッフの法則に基づいて方程式をたてると、

となる。

漏れインダクタンスＬは相互インダクタンスＭに比べ小さいので、簡単のため漏れインダクタンスＬを無視すると、（３）式は、

となる。

また、（４）と（５）式より、

（４）式と（７）式を（６）式に代入してまとめると、

初期条件を時刻ｔ＝０において、ｉｍ０＝０（９）
として、ｉｍについて解くと、

となる。

ここで、τは時定数である。

よって、

となり、相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍから時定数τを求め、（１２）式に代入すると相互インダクタンスＭを求めることができる。

請求項２の実施形態の原理について説明する。

相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍは、誘導電動機内部において流れる電流であり、誘導電動機入力端子側からは直接測定することはできない。そこで次に相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍを推定する方法について説明する。

（４）式と（６）式から

（１３）式を（５）式に代入して、

（１４）式を整理して

となる。

したがって、電動機に印加する電圧ｖ＿ｒｅｆおよび電動機に流れる一次電流ｉ１を用いて（１５）式によりｉｍを求めることができ、このｉｍの変化から時定数τを求め（１２）式に代入することで相互インダクタンスＭを求めることができる。

無負荷電流Ｉ０は、定格電圧、定格周波数の電源を誘導機に与え無負荷で回転させた場合に流れる電流であり、このときの等価回路は、図２のＴ−１型等価回路でＲ１、Ｌ、Ｍの直列回路として表される。

したがって、このときの電圧ｖと電流ｉ１の関係は、

となり、定格電圧をＶとして、電圧、電流の大きさだけに注目して（１６）式を書き直すと、

Ｖ、Ｉはそれぞれ電圧と電流の大きさを表す数値で、実効値あるいは最大値もしくは平均値のいずれかで、電圧と電流で同じものであればよい。

（１８）式をＩ０について解くと、

となり、無負荷電流Ｉ０が求まる。（１６）、（１８）、（１９）式ではＲ１およびＬを考慮しているが、簡単のためＲ１およびＬを無視することも考えられる。

電圧ｖ＝Ｖ１をステップで与えた場合の一次電流ｉ１、相互インダクタンスに流れる電流ｉｍおよび一次電流ｉ１とＲ１、Ｒ２を用いて（１５）式により求めたｉｍの推定値

の時間変化の波形を図３に示す。ｉ１、ｉｍ、

の収束する

は（Ｖ１／Ｒ１）であり、

が０から

まで変化するときの波形は、ｉｍの波形にほぼ一致していることが確認できる。したがって、このときの

の変化から時定数

を求めればよい。

ここから、上記原理に基づく方法を実現した内容を図１に基づいて説明する。

以下では、Ｕ相がピークとなるときの位相を０°として説明する。

本実施形態では、電圧位相θｖの位相を０°として実施した。

まず、電動機３に与える所定の電圧Ｖ１の大きさの決定方法について説明する。電動機３に印加する電圧Ｖ１は任意の値でよいが、実際には電流による発熱により誘導電動機３を焼損しない範囲とする必要がある。したがって、ここでは電動機定格電流の５０％の電流値となるように電圧Ｖ１を与える場合についてＶ１の決定方法を、例を挙げて説明する。まず、電圧指令ｖ＿ｒｅｆを零として与え、電流検出値ｉ１を測定しながら、ｖ＿ｒｅｆを誘導電動機の定格電圧の１０００分の１刻みずつ加算して大きくしていく。そして、電流検出値ｉ１が誘導電動機定格電流の５０％に達したところで、その時のｖ＿ｒｅｆの値をＶ１として記憶し、電動機３への電力の供給を遮断する。電圧指令の増加量は、急激に電流が変化しない程度の大きさで任意に設定すればよい。また、電流制御器が備わっている場合には、電流指令として定格電流の５０％の値を与え、検出電流値が電流指令値に一致した段階で、その時の電流指令値をＶ１とすればよいし、本発明に述べている相互インダクタンスあるいは無負荷電流の同定の前に、直流電流を流して一次抵抗を測定している場合には、その時の電流値および電圧指令値を用いてもよい。もちろん、電流値は定格電流の５０％以外の値としてもよい。

次に、電圧指令ｖ＿ｒｅｆとしてＶ１を与え、誘導電動機３に電圧をステップで印加する。この時の一次電流ｉ１を測定し、上記（１５）式により

を求める。ここで、（１５）式におけるｖはｖ＿ｒｅｆ、ｉｍは

に相当する。Ｒ１、Ｒ２は誘導電動機の試験成績表あるいは既存の別の同定手段により与えられた値を用いる。

の立ち上がり波形から時定数τを求め、この時の値を

とする。

を（１２）式に示すτに代入して相互インダクタンスＭを求める。時定数

は、

が０から最終（収束）の値の（１−１／ｅ）≒０．６３２倍に達するまでの時間を計測して求める方法が一般的であるが、任意の電流値における電流の変化とその間の時間を測定して、その時間が時定数に一致するような換算を施してもよい。後者の場合は、複数点での測定が可能となるため、いくつかのデータを測定し平均を取ることによってばらつきを低減させることが可能である。

請求項２の実施形態について説明する。

誘導電動機の定格電圧Ｖｒａｔｅおよび定格周波数ｆｒａｔｅは、誘導電動機の仕様として与えられるものであるので、これと、誘導電動機の試験成績表あるいは既存の別の同定手段により与えられたＲ１、Ｌ、Ｒ２および前述の方法により同定したＭを用いて、（１９）式に当てはめると、

となり、無負荷電流Ｉ０が求まる。

ある程度の誤差が許容できる場合には、簡単のため、ＬおよびＲ１を省略して計算してもよい。

次に、請求項３の実施形態について説明する。

前述した通り、直流を流した状態では誘導電動機の等価回路は一次抵抗だけとみなすことができる。したがって、直流電圧を印加した直後は過渡的に二次抵抗にも電流が流れるが、十分時間が経過したときには、一次抵抗だけとなるため、一次電流値ｉ１が収束した場合の電流値を

とすれば電圧

となり、前記（１５）式は、

と書きなおすことができる。

ここで、ｉｍは推定値であるので、

と記述し、以降は前述の請求項１記載の内容と同様にして演算を行う。このようにすると、演算に際し、電圧値を使わないため、駆動装置の電圧精度に依存しない測定を行うことができる。前述のように電圧指令の与え方を、一次抵抗測定時の値を用いるようにした場合は、

の値は、抵抗測定時に読み取った電流値を用いればよい。

請求項４の実施形態は、請求項３記載の

の演算方法を用いて、請求項２記載の内容を実施したものである。

１電動機定数演算器
２電力変換器
３誘導電動機
４，５電流検出器
６座標変換器（三相−二相変換）

Claims

インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該誘導電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値ｖ＿ｒｅｆと電圧出力位相θｖを基に三相交流を出力する電力変換器と、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値ｉ１を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、
誘導電動機の一相当りの等価回路をＴ−１型等価回路とし、電圧位相θｖを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令ｖ＿ｒｅｆとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値ｉ１を読み取り、前記一次電流検出値ｉ１および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、二次抵抗値Ｒ２、電圧指令ｖ＿ｒｅｆを用いて、相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍを推定し、この電流推定値の立ち上がり波形から時定数を求め、相互インダクタンスＭを、一次抵抗値Ｒ１と二次抵抗値Ｒ２の乗算値を一次抵抗値Ｒ１と二次抵抗値Ｒ２の加算値で除算したものに前記時定数を乗算することにより求めることを特徴とする、誘導電動機のベクトル制御装置。
相互インダクタンスＭあるいは時定数および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、漏れインダクタンスＬ、二次抵抗値Ｒ２ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Ｖｒａｔｅ、定格周波数ｆｒａｔｅと前記相互インダクタンスＭを用いて無負荷電流Ｉ０を求める、請求項１記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該誘導電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値ｖ＿ｒｅｆと電圧出力位相θｖを基に三相交流を出力する電力変換器と、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値ｉ１を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、
誘導電動機の一相当りの等価回路をＴ−１型等価回路とし、電圧位相θｖを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令ｖ＿ｒｅｆとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値ｉ１を読み取り、かつ、電圧指令ｖ＿ｒｅｆを与えた場合に、一次電流検出値ｉ１が一定値に収束したときの値である収束値と、前記一次電流検出値ｉ１および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、二次抵抗値Ｒ２を用いて、相互インダクタンスＭに流れる電流ｉｍを、一次電流検出値ｉ１から、一次抵抗値Ｒ１を二次抵抗値Ｒ２で除算したものに収束値と一次電流値ｉ１の差を乗算した値を引くことにより推定し、この電流推定値の立ち上がり波形から時定数を求め、相互インダクタンスＭを、一次抵抗値Ｒ１と二次抵抗値Ｒ２の乗算値を一次抵抗値Ｒ１と二次抵抗値Ｒ２の加算値で除算したものに前記時定数を乗算することにより求めることを特徴とする、誘導電動機のベクトル制御装置。
求めた相互インダクタンスＭあるいは時定数および別の手段により与えられた一次抵抗値Ｒ１、漏れインダクタンスＬ、二次抵抗値Ｒ２ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Ｖｒａｔｅ、定格周波数ｆｒａｔｅと前記相互インダクタンスＭを用いて無負荷電流Ｉ０を求める、請求項３記載の誘導電動機のベクトル制御装置。