JP2821127B2 - 誘導電動機の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は誘導電動機の制御方法に関し、特に電動機の
電圧とトルクを高精度に制御するための制御方法に関す
る。

〔従来の技術〕

誘導電動機の電流を励磁成分とトルク成分に分けて、
それぞれを独立に制御し、高速応答高精度な速度制御を
行なういわゆるベクトル制御が知られている。このもの
においては、各電流成分指令に基づいて電動機電流が制
御されるが、電動機内部において各成分が指令値通りに
制御されるかどうかは、すべり周波数の制御精度が関係
する。すなわち、周波数変換装置から供給される電動機
電流は励磁分とトルク発生分のベクトル合成であるが、
これがすべり周波数を媒体として電動機内部で励磁分と
トルク発生分の各々に分解されると考えられ、そのため
にすべり周波数が適正でなければ各成分を指令値通りに
制御することができない。すべり周波数が適正でなくな
る原因には、電動機の２次抵抗が温度により変動するこ
とがなどが挙げられる。この影響によつて負荷変化時に
トルクの応答遅れ及び脈動が生じ、また電動機電圧を指
令値通りに制御できないなどの不具合が生じる。

そこで、従来では、特開昭59−156184号に記載のよう
に、インバータの出力電圧を検出して、この電圧検出信
号に基づいて２次抵抗設定値を修正してすべり周波数を
補償する方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術はインバータの出力電圧
を検出するための検出器が必要であり、ハード構成が複
雑となる問題があつた。また、出力電圧から電動機の２
次抵抗変化を推定するには、出力電圧に含まれる１次抵
抗による電圧降下を差し引き、２次抵抗変化による電圧
成分を求めることが必要であるが、１次抵抗を温度によ
り変化するため正しく求めることが難しく、すべり周波
数の補償がうまくできない問題があつた。

本発明の目的は、電動機電圧の検出器が不要で、かつ
１次抵抗が変動してもその影響を受けずに、２次抵抗の
変動が原因で起きる電圧およびトルクの変動を抑制でき
る誘導電動機の制御方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、誘導電動機の過熱を防止できる
誘導電動機の制御方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する第１の発明の特徴は、誘導電動機
の入力電流を検出し、前記入力電流から回転磁界座標系
における励磁電流値およびトルク電流値を求め、励磁電
流指令値と前記励磁電流値の差を用いて励磁電圧指令値
を求め、トルク電流指令値と前記トルク電流値の差を用
いてトルク電圧指令値を求め、求められた前記励磁電圧
指令値および前記トルク電圧指令値に基づいて電動機電
流ベクトルに対して直交な電動機電圧ベクトル成分を演
算し、前記励磁電圧指令値、前記トルク電圧指令値、お
よび前記電動機電圧ベクトル成分に基づいて前記誘導電
動機を制御することにある。

上記目的を達成する第２の発明の特徴は、演算された
前記２次抵抗或いは前記２次時定数の変化に基づいて前
記誘導電動機の２次の巻線の温度を推定し、前記温度推
定値に基づいて前記誘導電動機を制御することにある。

［作用］ 第１の発明は、電動機電流ベクトルに対して直交な電
動機電圧ベクトル成分が２次抵抗の変動による出力電圧
成分であるので、電動機電流ベクトルに対して直交な電
動機電圧ベクトル成分を一つの要素として誘導電動機を
制御することによって、１次抵抗が変動してもその影響
を受けず、２次抵抗の変動が原因で起きる電圧およびト
ルクの変動を抑制することができる。

また第１の発明では、電動機電流ベクトルに直交な電
動機電圧ベクトル成分を、各電流値および各電流指令値
から得られた励磁電圧指令値およびトルク電圧指令値に
基づいて求めるため、電動機電圧を検出するための電圧
検出器が不要となる。従って、制御装置の構成を簡素化
することができる。

第２の発明は、電動機の２次抵抗或いは２次時定数の
変化に基づいて誘導電動機の２次巻線の温度を推定し
て、その推定値に基づいて誘導電動機を制御するため、
誘導電動機の過熱を防止できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。誘
導電動機２は電力変換回路１より給電され、電動機２に
流れる３相交流電流が電流検出器3U,3V,3Wにより検出さ
れる。この３相交流電流は３相−２相変換器４により、
２相交流電流に変換され、その出力が座標変換器５に入
力され回転磁界座標系における励磁電流とトルク電流成
分にベクトル分解され、その検出値はそれぞれの指令信
号と加算器6,7で突合せられる。電動機２の回転速度は
速度検出器８で検出され、その出力はその指令信号と加
算器９において突合せられると共に、加算器10に入力さ
れる。加算器９の出力は速度制御器11に入力されて電動
機２のトルク指令I_q＊を出力し、その出力はすべり演算
器12と加算器７に入力される。すべり演算器12の出力w_s
＊は加算器10において回転速度w_rと加算され、その出力
が加算器23に入力される。加算器６の出力は励磁電流指
令I_d＊と座標変換器５の検出値I_dとの偏差を出力し、そ
の出力は電流調節器15に入力され、その偏差が０となる
ように回転磁界座標系の電圧成分指令Δv_d＊を加算器21
に出力する。加算器７の出力はトルク電流指令I_q＊と座
標変換器５の検出値I_qとの偏差を出力し、その出力は電
流調節器16に入力され、その偏差が０となるように回転
磁界座標系の電圧成分指令Δv_q＊を加算器22に出力す
る。これら電流調節器15,16からの出力及び座標変換器
５の出力は、演算回路18に入力され、電動機２の２次抵
抗の変化による出力電圧変動成分Δｖ_⊥を加算器23に出
力する。このΔｖ_⊥は加算器23において加算器10の出力
w₁＊と加算され、電動機２の周波数w₁＊＊を出力し、そ
の出力は座標基準発生器13と電圧指令演算回路14に入力
される。電圧指令演算回路14は励磁電流指令I_d＊とトル
ク電流指令I_q＊と周波数w₁＊＊に基づいて回転磁界座標
系の電圧成分指令v_d＊とv_q＊を出力し、その出力は加算
器21,22に入力される。これら加算器21,22の出力は座標
変換器17に入力され、電動機２の周波数w₁＊＊に基づい
て固定子座標系の電圧指令v_u＊,v_v＊,v_w＊を出力する。
これらの電圧指令v_u＊,v_v＊,v_w＊は、パルス幅変調（PW
M）制御回路19に入力され、搬送波周波数に基づいてPWM
制御された出力v_u,v_v,v_wが電力変換器１に出力される。
また、座標変換器5,17の座標基準信号は、座標基準発生
器13により与えられる。

まず、以上の構成による動作を簡単に説明する。この
実施例では回転磁界座標系の励磁電流指令I_d＊とトルク
電流指令I_q＊に基づいて電圧指令v_d＊とv_q＊が演算され
ると共に、励磁電流とトルク電流に対してフイードバツ
ク制御系が構成されており、指令値と実際値の偏差が０
となるように各電流調節器の出力により前記電圧指令v_d
＊,v_q＊を修正し、この修正された電圧指令v_d＊＊,v_q＊
＊が座標変換器17において、固定子座標系の３相交流電
圧指令に変換され、この変換された３相交流電圧指令に
基づいて電力変換器１により電動機２へ供給する電圧が
制御される。

次に、本発明に関する演算回路18の詳細と動作の第２
図，第３図を用いて述べる。電動機２は通常では電圧指
令演算回路14の出力v_d＊,v_q＊によつて決定される電圧
により運転される。ところが、電動機の温度が運転に伴
い変化するため１次抵抗と２次抵抗が変化し、電動機に
励磁電流指令I_d＊，トルク電流指令I_q＊どうりの電流が
流れなくなる。その結果、電流制御系の出力にΔv_d＊，
Δv_q＊が生じる。この電圧指令Δv_d＊，ΔV_q＊には１次
抵抗変化による出力電圧変動成分と、２次抵抗変化によ
る出力電圧変動成分が含まれている。そこで、本発明で
はこれらの電圧指令Δv_d＊，Δv_q＊に基づいて出力電圧
の変動分を、励磁電流I_dとトルク電流I_qからなる電流ベ
クトルに同相な抵抗電圧降下成分と、この電流ベクトル
に直交な出力電圧成分Δｖ_⊥にベクトル分解して２次抵
抗変化によるすべり周波数変化を検出する。

この直交な出力電圧成分は、第２図に示す回転磁界座
標系における電流と電圧のベクトル図から求めることが
できる。電流ベクトルｉに直交な出力電圧成分Δｖ_⊥は
次式で表わすことがてきる。

Δｖ_⊥＝Δｖ＊・cosθ ＝−Δv_d＊・sinθ＋Δv_q＊・cosθ ＝（−Δv_d＊・I_q＋Δv_q＊・I_d）/I₁ ……（１） また、Δv_d＊，Δv_q＊は１次抵抗の変動による出力電
圧成分と２次抵抗の変動による出力電圧成分を含んでい
る。すなわち、Δv_d＊，Δv_q＊は次式で表わすことがで
きる。

ここに、Δv_d,Δv_qは２次抵抗の変動による出力電圧
成分である。

従つて、（１），（２）式よりΔｖ_⊥は次式のように
整理することができる。

Δｖ_⊥＝｛−（Δr₁・I_d＋Δv_d）・I_q＋（Δr₁・ I_q＋Δv_q）・I_d｝/I₁ ＝（−Δv_d・I_q＋Δv_q・I_d）/I₁ …（３） （３）式より、Δｖ_⊥には１次抵抗の変動による影響
がなく、２次抵抗の変動による出力電圧変動成分だけが
求められる。この（３）式が演算回路18の演算内容であ
る。また、Δｖ_⊥と２次抵抗r₂の間には、第３図（ａ）
及び第３図（ｂ）に示す関係がある。第３図（ａ）は電
動機２が電動状態（I_q＞０）の場合、第３図（ｂ）は回
生状態（I_q＜０）の場合である。第３図（ａ）において
電動機２の２次抵抗r₂が基準値r₂＊により増加すると、
Δｖ_⊥は負極性となり逆にr₂＊より減少するとΔｖ_⊥は
正極性となり極性が反転する。一方、第３図（ｂ）に示
す回生状態においては、２次抵抗r₂の変化に対するΔｖ
_⊥の極性は電動状態と逆になる。そこで、すべり周波数
はr₂の大きさに比例するので、電動状態には演算回路18
の出力Δｖ_⊥が負極性の場合には電動機２の１次周波数
を増加し、Δｖ_⊥が正極性の場合には１次周波数を減少
するようにΔｖ_⊥に応じて一次角周波数w₁＊を修正制御
すれば、電動機２のすべりを適正値に制御することがで
きる。また、回生状態にはΔｖ_⊥の極性を反転して同様
に修正することができる。

従って、１次抵抗が変動してもその影響を受けずに、
２次抵抗の変動が原因で起きる電圧およびトルクの変動
を抑制することができる。

なお、本実施例によれば、インベータのオンデレイ電
圧降下（電動機の直列回路間に直列接続されたスイッチ
ング素子の同時導通による直流短絡を防止するために設
けられた期間における電圧降下）が変動しても、この電
圧降下は電動機電流と同位相であるため、その影響を受
けることなく、２次抵抗変動による電動機のトルクおよ
び電圧の変動を抑制できる。

第４図は本発明の他の実施例である。第１図に示す第
１実施例と同一物には同じ番号を付しているので説明を
省略する。第１実施例と異なるところは電流調節器15,1
6からの電圧指令Δv_d＊とΔv_q＊及び励磁電流指令I_d＊
とトルク電流指令I_q＊に基づいて前記実施例と同様に電
動機電圧の変動分を電動機電流ベクトルに同相な成分と
直交な成分に、ベクトル分解して２次抵抗変化によるす
べり周波数変化を検出するようにした点である。この直
交な出力電圧成分Δｖ_⊥は次式で表わされる。

Δｖ_⊥＝（−Δv_d＊・I_q＊＋Δv_q＊・I_d＊）/I₁＊ …（４） この（４）式が、本実施例の演算回路18を演算内容で
ある。

本実施例によつても第１実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

第５図は本発明の他の実施例である。第１実施例と同
一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。第
１実施例と異なるところは電流調節器15,16からの電圧
指令出Δv_d＊，Δv_q＊に基づいて出力電圧の変動分を、
励磁電流I_dとトルク電流I_qからなる電流ベクトルに同相
な出力電圧成分と、この電流ベクトルに直交な出力電圧
成分Δｖ_⊥にベクトル分解し、このΔｖ_⊥から電動機２
の２次抵抗の変化分Δr₂を演算してすべり演算回路12の
係数ksを修正するようにした点である。２次抵抗の変化
分Δr₂は次式の関数Ｆで表わされる。

ここに、φ_ｄ＊＝Ｍ・I_d＊,r₂＊は２次抵抗の基準
値、w₁＊は一次角周波数、Ｍは電動機２の励磁インダク
タンス、ｋは比例ゲインである。

また、すべり演算回路12の係数k_Sは次式で表わされ
る。

ここに、L_r＝Ｍ＋l₂,l₂は２次測の漏れインダクタン
スである。（１），（５），（６）式が本実施例の演算
回路18の演算内容である。

第６図は本発明の他の実施例である。第１実施例と同
一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。第
１実施例と異なるところは電流調節器15,16からの電圧
指令Δv_d＊，Δv_q＊に基づいて、出力電圧の変動を、励
磁電流I_dとトルク電流I_qからなる電流ベクトルに同相な
出力電圧成分と、この電流ベクトルに直交な出力電圧成
分Δｖ_⊥にベクトル分解し、このΔｖ_⊥から電動機２の
２次抵抗の変化分Δr₂を演算してすべり演算回路12で用
いる２次抵抗の大きさを修正するようにした点である。
本実施例では、２次抵抗の大きさr₂＊＊があらかじめ設
定した２次抵抗の基準値r₂＊と前記のΔｖ_⊥から演算し
たΔr₂の和として加算器23で演算され、この演算された
r₂＊＊が電動機２の２次抵抗と一致するように電動状態
（I_q＞０）ではΔｖ_⊥が負極性の時にはr₂＊＊を増加し
てすべり角周波数を増加し、Δｖ_⊥が正極性の時にはr₂
＊＊を減少してすべり角周波数を減少するようにすべり
角周波数w_s＊が修正され、その結果Δｖ_⊥が０となる。
積分器24は以上のようにしてΔr₂が同定された結果を記
憶すると共にΔｖ_⊥が０でなくなつた場合にはΔr₂を修
正するように動作する。

本実施例によれば、第１実施例と同様の効果に加え
て、２次抵抗の変動分Δr₂がすべり角周波数w_s＊の修正
を通じて自動的に演算されるので、常に精度良く２次抵
抗を同定することができる効果がある。

本実施例によれば、電動機２の２次抵抗の大きさを同
定できるので、この大きさから電動機の回転子温度を推
定して所定値を越えた時にインバータ主回路の電流制限
値を下げたり、あるいはしや断することにより過熱に対
する保護を行うことができる効果がある。

第７図は本発明の他の実施例である。第１実施例と同
一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。第
１実施例と異なるところは加算器21,22からの電圧指令v
_d＊＊,v_q＊＊に基づいて出力電圧を、励磁電流I_dとトル
ク電流I_qからなる電流ベクトルに同相な出力電圧成分
と、この電流ベクトルに直交な出力電圧成分ｖ_⊥にベク
トル分解し、このｖ_⊥から電動機２の２次抵抗変化によ
るすべり周波数変化を検出するようにした点である。こ
の直交な出力電圧成分ｖ_⊥は次式で表わされる。

ｖ_⊥＝（−v_d＊＊・I_q＋V_q＊＊・I_d）/I₁ …（７） 一方、電動機２は通常の状態では、電圧指令演算回路
14の出力v_d＊,v_q＊によつて決定される電圧により運転
される。電圧指令演算回路14の演算内容は次式で表わさ
れる。

ここに、Ｌ_ｓσは電動機２の１次側と２次側の漏れイ
ンダクタンスの和、L_r＝Ｍ＋l₂,l₂は２次側の漏れイン
ダクタンス、r₁は１次抵抗である。

従つて、通常の状態では、電動機２の電流ベクトルに
直交な電動機電圧成分ｖ_⊥０は次式で表わされる。

よつて、電動機２の温度変化によるｖ_⊥の変動量Δｖ
_⊥は、（７），（９）式から次式で表わされる。

Δｖ_⊥＝ｖ_⊥−ｖ_⊥０ ＝｛−（Δr₁・I_d＋Δv_d）・I_q ＋（Δr₁I_q＋Δv_q）I_d｝/I₁ ＝（−Δv_d・I_q＋Δv_q・I_d）/I₁ …（10） （７），（９），（10）式が、本実施例の演算回路18
の演算内容である。これより、Δｖ_⊥は１次抵抗の変動
の影響がなく、Δｖ_⊥に応じて一次角周波数を修正する
ことにより、第１実施例と同様の効果を得ることができ
る。

以上、説明を解り易くするためにアナログ回路による
ブロツクで表わし各実施例を説明したが、マイクロプロ
セツサを用いたデイジタル制御で実施できることはもち
ろんである。

〔発明の効果〕

第１の発明によれば、電動機電圧を検出する電圧検出
器が不要となり、制御装置の構成を簡素化することがで
きる。また、１次抵抗が変動してもその影響を受けず
に、２次抵抗の変動が原因で起きる電圧およびトルクの
変動を抑制することができる。

第２の発明によれば、誘導電動機の過熱を防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す制御構成図、第２図は
本発明の原理を説明するためのベクトル図、第３図は本
発明の原理を説明するための特性図、第４図，第５図，
第６図，第７図は本発明の他の実施例を示す制御構成図
である。 １……電力変換器、２……誘導電動機、13……座標基準
発生器、14……電圧指令演算回路、18……すべり補正演
算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 登 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 敏雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 潤一 茨城県日立市大みか町５丁目２番１号 株式会社日立製作所大みか工場内 (56)参考文献 特開 昭59−156184（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−268489（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘導電動機の入力電流を検出し、前記入力
   電流から回転磁界座標系における励磁電流値およびトル
   ク電流値を求め、励磁電流指令値と前記励磁電流値の差
   を用いて励磁電圧指令値を求め、トルク電流指令値と前
   記トルク電流値の差を用いてトルク電圧指令値を求め、 前記励磁電流値と前記トルク電圧指令値を乗算した結果
   と、前記トルク電流値と前記励磁電圧指令値を乗算した
   結果の差に基づいて、あるいは、前記励磁電流指令値と
   前記トルク電圧指令値を乗算した結果と、前記トルク電
   流指令値と前記励磁電圧指令値を乗算した結果の差に基
   づいて、電動機電流ベクトルに対して直交な電動機電圧
   ベクトル成分を演算し、 前記電動機電圧ベクトル成分に応じて前記誘導電動機の
   周波数を制御することを特徴とする誘導電動機の制御方
   法。
2. 【請求項２】誘導電動機の入力電流を検出し、前記入力
   電流から回転磁界座標系における励磁電流値およびトル
   ク電流値を求め、励磁電流指令値と前記励磁電流値の差
   を用いて励磁電圧指令値を求め、トルク電流指令値と前
   記トルク電流値の差を用いてトルク電圧指令値を求め、 前記励磁電流値と前記トルク電圧指令値を乗算した結果
   と、前記トルク電流値と前記励磁電圧指令値を乗算した
   結果の差に基づいて、あるいは、前記励磁電流指令値と
   前記トルク電圧指令値を乗算した結果と、前記トルク電
   流指令値と前記励磁電圧指令値を乗算した結果の差に基
   づいて、電動機電流ベクトルに対して直交な電動機電圧
   ベクトル成分を演算し、 前記電動機電圧ベクトル成分に応じて前記誘導電動機の
   すべり周波数を演算するすべり演算回路の係数を修正す
   ることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
3. 【請求項３】誘導電動機の入力電流を検出し、前記入力
   電流から回転磁界座標系における励磁電流値およびトル
   ク電流値を求め、励磁電流指令値と前記励磁電流値の差
   を用いて励磁電圧指令値を求め、トルク電流指令値と前
   記トルク電流値の差を用いてトルク電圧指令値を求め、 前記励磁電流値と前記トルク電圧指令値を乗算した結果
   と、前記トルク電流値と前記励磁電圧指令値を乗算した
   結果の差に基づいて、あるいは、前記励磁電流指令値と
   前記トルク電圧指令値を乗算した結果と、前記トルク電
   流指令値と前記励磁電圧指令値を乗算した結果の差に基
   づいて、電動機電流ベクトルに対して直交な電動機電圧
   ベクトル成分を演算し、 前記電動機電圧ベクトル成分を用いて前記誘導電動機の
   ２次抵抗あるいは２次時定数を演算し、この演算値によ
   り前記誘導電動機のすべり周波数を制御することを特徴
   とする誘導電動機の制御方法。
4. 【請求項４】誘導電動機の入力電流を検出し、前記入力
   電流から回転磁界座標系における励磁電流値およびトル
   ク電流値を求め、励磁電流指令値と前記励磁電流値の差
   を用いて励磁電圧指令値を求め、トルク電流指令値と前
   記トルク電流値の差を用いてトルク電圧指令値を求め、 前記励磁電流値と前記トルク電圧指令値を乗算した結果
   と、前記トルク電流値と前記励磁電圧指令値を乗算した
   結果の差に基づいて、あるいは、前記励磁電流指令値と
   前記トルク電圧指令値を乗算した結果と、前記トルク電
   流指令値と前記励磁電圧指令値を乗算した結果の差に基
   づいて、電動機電流ベクトルに対して直交な電動機電圧
   ベクトル成分を演算し、 前記電動機電圧ベクトル成分を用いて前記誘導電動機の
   ２次抵抗あるいは２次時定数を演算し、この演算値によ
   り前記誘導電動機の２次巻線の温度を推定し、この温度
   推定値が所定値を越えた時に前記誘導電動機の電流を制
   限または遮断することを特徴とする誘導電動機の制御方
   法。