JP2689434B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、PAM方式インバータによる誘導電動機の制
御装置に係り、特に誘導電動機の非干渉制御装置に関す
る。 B.発明の概要 本発明は、誘導電動機の非干渉制御において、 非干渉演算に必要な電動機のα−β座標系の一次電流
ｉ_１α,i_１βを演算によって求めることにより、 電動機の電流検出を不要にし、また精度や応答性に優
れる非干渉制御を可能にする。 C.従来の技術 誘導電動機の高性能すべり周波数制御の実現には、PW
M方式インバータやサイクロコンバータが用いられてき
た。これらの変換機は、電力用半導体素子のスイッチン
グによって所期の交流出力を得るようにしているが、素
子のスイッチングによって電磁騒音を発生するという問
題がある。特に、PWMインバータは電圧に高次高調波が
多く含まれるため、大きな騒音になる。この問題には、
キャリア周波数を人間の耳に聞こえない数十KHz以上に
まで高くすることで一応解決されるが、このキャリア周
波数でスイッチング可能な素子は可制御電流容量が小さ
いものに限られ、大容量変換機の実現を難しくする。 これら問題点から、低騒音化及び大容量化に有利な変
換機としてPAM方式インバータがある。このPAM方式イン
バータでは、基本的にはコンバータ部で電圧を制御し、
電圧形インバータ部で周波数を制御する構成になり、PW
Mインバータに較べて高次高調波電流が少なくなると共
にインバータ部のスイッチング周波数も低くなり、静音
化及び大容量電動機の可変速に好適となる。 このPAM方式インバータによる誘導電動機の制御にお
いて、高性能すべり周波数制御には磁束電流とトルク電
流による相互の干渉分を補償する非干渉制御がある。こ
れを以下に詳細に説明する。 誘導電動機を一次電圧ベクトルに同期して回転するα
−β軸で表した電圧方程式は以下の第（１）式になる
し、発生トルクＴは第（２）式になる。 ここで、各記号は以下に示す諸量である。 e₁;一次電圧（α，β成分） e₂;二次電圧（α，β成分） i₁;一次電流（α，β成分） λ₂;二次磁束（α，β成分） r₁;一次抵抗 r₂;二次抵抗 M;励磁インダクタンス L₂;二次インダクタンス L₁;一次インダクタンス ω₀;電源角周波数 ω_r;ロータ角周波数 i₂;二次電流（α，β成分） 上述の（１），（２）式はブロック図で表わすと第３
図に示すようになる。ここで、高性能すべり周波数制御
には、例えば特開昭59−165981号公報に提案されるよう
に、磁束の位相をα軸に、トルク電流の位相をβ軸に一
致させるために、次のような条件を与えることで磁束電
流とトルク電流による相互の干渉分を補償する非干渉制
御を行う。 このような条件によれば、λ_２β＝０、ｉ_２α＝０と
なり、トルクＴは（２）式から次の（５）式になり、 Ｔ＝−λ_２αｉ_２β …（５） 二次電流のβ軸成分ｉ_２βによって一意的に制御でき
ることになる。 D.発明が解決しようとする問題点 PAM方式インバータによる非干渉制御において、トル
ク電流指令ｉ_１β磁束電流指令ｉ_１α等による前述の
（３），（４）式の非干渉演算には電動機の一次電流ｉ
_１α,i_１βの算出を必要とする。すなわち、PWM方式イ
ンバータでは出力電圧が正弦波に近い波形となって一次
電流ｉ_１α,i_１βを測定によることなく正弦波関数を使
って十分に対応できるが、PAM方式インバータでは電圧
形インバータ部が６個のスイッチング素子をブリッジ接
続して出力周波数に応じて順次オンさせる制御になる。
このため、インバータ部の出力電圧のベクトル位相が第
４図に示すように、誘導機の一次側に固定された座標系
（ｄ−ｑ座標系）上で６つの固定位相V₁〜V₆しか取り得
ないものとなり、誘導機の一次電流を測定してそのロー
タ回転位相とから座標変換により電流ｉ_１α,i_１β等を
求めることを必要とする。このため、誘導機の一次電流
を少なくとも２相分の変流器等で検出し、この検出電流
から電流ｉ_１α,i_１βを算出することになり、電流検出
器には精度や応答性に優れた高価なものを必要とする問
題があった。 特に、高性能すべり周波数制御においては、PAM方式
インバータの６つの固定位相による６次のトルク脈動を
抑制するために、電圧ｅ_１βを電圧ベクトルとの位相差
に応じて電圧ｅ_１βが一定になるようコンバータ部の電
圧制御を行うものでは、電圧ｅ_１βの変調によって電圧
ｅ_１αが該位相差によって変化し、誘導機の一次電流検
出による電流ｉ_１α,i_１βの算出では精度，応答性で高
い回転速度制御を難しくする。 E.問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、誘導電
動機の磁束分を設定するα相一次電流設定値ｉ_１αと二
次電流分を設定するβ相一次電流設定値ｉ_１βから非干
渉演算によって求める一次電圧ｅ_１α,e_１βを合成して
コンバータ部の電圧制御をし、誘導電動機のすべり周波
数からインバータ部の周波数制御をするPAM方式インバ
ータによる誘導電動機の制御装置において、電圧ｅ_１α
及びｅ_１βを与えるα−β座標系の電流方程式から誘導
電動機電流ｉ_１α,i_１βを求める演算手段を備えたもの
である。 F.作用 前述の（１）式において、かご形誘導電動機では二次
電圧ｅ_２α,e_２βが共に零になり、二次磁束λ_２α，λ
_２βを二次電流ｉ_２α,i_２βに置換すると、α−β座標
系の電圧方程式は次式になる。 上式において、電圧ｅ_１α,e_１βを与えたときの電流
を求めるには以下の（７）式のように電流方程式に変換
することでなされる。 但し、Ａ〜Ｈの各諸量は次のようになる。 Δ＝L₁L₂〜M² Ａ＝−L₂r₁ Ｂ＝L₁L₂ω_ｏ−M²ω_ｒ Ｃ＝r₂M Ｄ＝L₂M（ω_ｏ−ω_ｒ） Ｅ＝Mr₁ Ｆ＝ML₁（ω_ｏ−ω_ｒ） Ｇ＝−L₁r₂ Ｈ＝M²ω_ｏ−L₁L₂ω_ｒ 上述の（７）式より、非干渉演算による電圧ｅ_１α,e
_１βを与えて電流ｉ_１α,i_１βを求め、更にこれらから
該非干渉演算に必要な各諸量を求めることで誘導機の一
次電流検出を不要にする。 G.実施例 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図であり、
電圧ｅ_１βを角度領域によって一定化した制御装置の場
合である。整流器１とチョッパ用トランジスタ２とによ
ってコンバータ部主回路が構成され、トランジスタ２の
導通率によって直流電圧E₁が制御される。トランジスタ
２は電圧制御アンプ３とゲート回路４によって電圧指令
e₁に対する出力電圧E₁のフィードバック制御がなされ
る。インバータ部５はトランジスタのブリッジ接続を主
回路とし、電圧ベクトル発生回路６からの基準位相信号
から各相のゲートパルスを得て該基準位相に従った周波
数の３相電圧出力を得、これを誘導電動機７の一次電圧
として供給する。 速度検出器８は誘導電動機７のロータ角周波数ω_ｒを
検出し、速度制御アンプ９は速度指令ω_ｎ＊と速度検出
器８の検出値ω_ｒとの偏差からPI演算によってトルク電
流指令になるβ相一次電流指令ｉ_１β＊を得る。すべり
周波数演算回路10は前述の（４）式からすべり周波数ω
_ｓを求め、加算器11はロータ角周波数ω_ｒとすべり周波
数ω_ｓとの加算によって電源角周波数ω_ｏを求める。積
分回路12は周波数ω_ｏの積分によってα−β座標系の回
転位相角θを求める。 演算回路13及び14は前述の（３）式に従ってα，β相
の一次電圧指令ｅ_１β＊及びｅ_１α＊を求め、演算回路
15は一次電圧の大きさを求める。 ここで、演算回路15による演算は、インバータの出力
電圧ベクトルとα−β座標系との間の位相差からβ相成
分を一定にしながら一次電圧e₁を求める。即ち、第５図
に示すように、α−β座標系の回転において、与えられ
る電圧ｅ_１β＊に対して図示の斜線領域では一定になる
よう該領域内の電圧ベクトルV₁とβ軸との位相差γに応
じて電圧e₁をe₁＝ｅ_１β＊/cosγの演算により調整す
る。この調整に、電圧ベクトルとの位相差γはγ演算回
路16によって求められ、これは電圧ベクトル発生回路６
がインバータ部５に与える基準位相信号と、積分回路12
の位相角θとの比較によって求められる。α軸から領域
までの角度δはｅ_１αの値から調節部17によって得られ
る。また、電圧ベクトルV₁が領域を外れるときには次の
電圧ベクトルV₂との位相差γによって電圧ｅ_１βが調整
される。 上述の演算回路15による電圧ｅ_１β＊の調整により、
電圧e₁（E₁）は第６図に示すように電圧ベクトルV₁〜V₆
の周期（60゜）を持って変調された波形になり、これに
よって電流ｉ_１βの一定化ひいては電動機７のトルク脈
動を抑制する。 ここで、演算回路13,14における非干渉演算に必要な
電流ｉ_１α,i_１β等は電圧演算回路18と電流演算回路19
と変換回路20によって求められる。電圧演算回路18は一
次電圧e₁からα相電圧ｅ_１αを、 ｅ_１α＝−|e₁|sinγ から求める。これは、電圧ｅ_１βの一定化によって第５
図の関係からα軸投影分として求められる。 電流演算回路19は、電圧演算回路18の出力ｅ_１αと電
流指令ｅ_１β＊と電源角周波数ω_ｏとロータ角周波数ω
_ｒを与えられ、これら信号と各電動機定数L₂,r₁,L₁,M等
から前述の（７）式の演算によって一次電流ｉ_１α,i
_１βを求める。この演算はコンピュータによるソフトウ
ェア処理によって実現されるし、（７）式をブロック化
した第２図の計算アルゴリズムに従ったアナログ演算に
よることもできる。第２図中、係数器21〜24は電動機定
数L₂,Mを持ち、演算器25〜32は（７）式の諸量Ａ〜Ｈを
周波数ω_o,ω_ｒを電動機定数に乗算さらには引算して求
め、積分器33〜36はΔ＝L₁L₂−M²分の１の係数と電流
_１α，_１β，_２α，_２βの積分によって定常電流
ｉ_１α,i_１β,i_２α,i_２βを求め、これら定常電流は演
算器25〜32の演算にも使用して加減算器37〜40での加減
算に使用され、最終的には電流ｉ_１α,i_１βのみを出力
として得る。 第１図に戻って、変換回路20は電流ｉ_１αから（４）
式によるα相二次磁束λ_２αを求め、これら回路19と20
の出力及び電源角周波数ω_ｏによって演算回路13,14で
の非干渉演算が行われる。 従って、電流ｉ_１α,i_１β及び二次磁束λ_２αを求め
るのに電動機７の一次電流検出を不要にした非干渉演算
ができる。 なお、実施例では電圧ｅ_１βの一定化による制御装置
の場合を示したが、演算回路13,14の出力ｅ_１α＊,e
_１β＊を電流演算回路19に与える構成にして同等の作用
効果を得ることができる。 H.発明の効果 以上のとおり、本発明によれば、PAM方式インバータ
による誘導電動機の制御装置において、非干渉演算に必
要な電動機一次電流ｉ_１α,i_１βを演算によって求める
ようにしたため、誘導機を非干渉化した高性能すべり周
波数制御に一次電流検出を不要にして高価な検出手段の
省略とその検出精度や応答性に優れた非干渉制御ができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図における電流演算回路19の演算ブロック図、第３
図は誘導機のα−β座標系での等価ブロック図、第４図
はインバータの電圧ベクトル図、第５図は電圧ベクトル
とα−β座標系の関係を示すベクトル図、第６図は実施
例におけるコンバータ部の電圧波形図である。 ５……インバータ部、７……誘導電動機、９……速度制
御アンプ、10……すべり演算回路、13,14……非干渉化
の演算回路、15……演算回路、18……電圧演算回路、19
……電流演算回路、20……変換回路。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．誘導電動機の磁束分を設定するα相一次電流設定値
   ｉ_１α＊と誘導電動機のβ相一次電流ｉ_１βから非干渉
   演算によって一次電圧指令ｅ_１α＊を求める演算回路
   （14）と、誘導電動機のトルク分を設定するβ相一次電
   流設定値ｉ_１β＊と誘導電動機のα相一次電流ｉ_１αと
   α相二次磁束λ_２α及び電源角周波数ω_０から非干渉演
   算によって一次電圧指令ｅ_１β＊を求める演算回路（1
   3）と、前記一次電圧指令ｅ_１αが入力され、β軸を含
   む一定幅の領域のα軸からの角度δを演算する調節部
   （17）と、α−β座標系の回転位相角θが入力され、６
   つの単位電圧ベクトルの内、どの電圧ベクトルがβ軸を
   含む一定幅の領域中に存在するかを判定し出力する電圧
   ベクトル発生回路（６）と、前記電圧ベクトル信号と前
   記回転位相角θとが入力され、両者の比較により電圧ベ
   クトルとβ軸との位相差γを出力する演算回路（16）
   と、前記位相差γに応じて前記一次電圧指令ｅ_１β＊が
   概ね一定となるように変調した一次電圧指令e₁を求める
   演算回路（15）とを有してコンバータ部の電圧制御を
   し、 誘導電動機のすべり周波数から前記電源角周波数ω_０及
   び回転位相角θを求めてインバータ部の周波数制御をす
   るPAM方式インバータによる誘導電動機の制御装置にお
   いて、 前記演算回路（15）の出力e₁から前記α−β座標系のα
   相電圧ｅ_１αを求める電圧演算回路（18）と、 前記電圧演算回路（18）の出力ｅ_１αと前記演算回路
   （13）の出力ｅ_１β＊と電源角周波数ω_０と誘導電動機
   のロータ角周波数ω_ｒ及び各電動機定数を使って次式の
   α−β座標系の電流方程式、但し、Ａ〜Ｈ等の各諸量は次のようになる。 Δ＝L₁L₂〜M² Ａ＝−L₂r₁ Ｂ＝L₁L₂ω_ｏ〜M²ω_ｒ Ｃ＝r₂M Ｄ＝L₂M（ω_ｏ−ω_ｒ） Ｅ＝Mr₁ Ｆ＝ML₁（ω_ｏ−ω_ｒ） Ｇ＝−L₁r₂ Ｈ＝M²ω_ｏ−L₁L₂ω_ｒ L₁;一次インダクタンス L₂;二次インダクタンス M;励磁インダクタンス r₁;一次抵抗 r₂;二次抵抗 から前記演算回路（13、14）の演算に必要な誘導電動機
   の電流ｉ_１α,i_１βを求める電流演算回路（19）と、 前記電流演算回路（19）の出力ｉ_１αと電動機定数r₂、
   M,L₂から前記演算回路（13）の演算に必要なα相二次磁
   束λ_２αを求める変換回路（20）と、 を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。