JP3452391B2 - 電動機の制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導電動機［以下、単
に『電動機』と称呼する］を負荷変動に関わらず常に最
大効率で運転する用途に適する電動機の制御装置および
その制御方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】インバータによる電動機の運転は、通常
Ｖ（電圧）／ｆ（周波数）を固定にして行われる。電動
機は運転周波数が決まれば、効率が最大になる滑りを持
ち、この値は負荷の大小に依存せず一定の値を持つ。前
記Ｖ／ｆを固定にした運転では、周波数ｆが決まれば電
圧Ｖが一定のため、負荷が変化すると滑りが変化し、従
って効率が変化するので、常に最大効率での運転はでき
ない。ここで、この種の従来技術について少しく掲記し
て説明を試みる。従来例１として、負荷の変化による効
率低下を改善するための方法として、特公平3-41029 号
がある。これは、電圧形インバータで駆動する誘導電動
機の運転方法において、誘導電動機が加減速中は、ある
設定されたインバータ出力電圧とインバータ出力周波数
との比Ｖ／ｆが一定になるように制御するＶ／ｆ一定制
御で運転するようにインバータ出力電圧を調整し、誘導
電動機が定常運転になったときはインバータ出力電圧Ｅ
_DCN とインバータ出力電流ｉ_DCN とを乗算することによ
り出力電力Ｐ_N を求め、次いでインバータ出力電圧を定
常運転の始めの出力電圧Ｖ₀ からΔＶだけ低下した電圧
Ｖ₁ に減少させ、このとき演算されたインバータ出力電
力Ｐ₁ と前記定常運転の始めのインバータ出力電力Ｐ₀
との差ΔＰ₁を予め設定された定数ΔＰ_S と比較してΔ
Ｐ₁ ＜ΔＰ_S であればインバータ出力電圧を前記電圧Ｖ
₁ に固定し、ΔＰ₁ ≧ΔＰ_S ならば一定時間後にインバ
ータ出力電圧を電圧Ｖ₁ から更にΔＶだけ減少させ、そ
のときの出力電力減少値と前記定数ΔＰ_S とを比較し、
その大小に応じてインバータ出力電圧を固定するか又は
更に減少させることを繰り返してインバータ出力電圧で
前記誘導電動機を運転することを特徴とする誘導電動機
の運転方法である。さらに、従来例２として特開平3-26
1394号では、負荷率に応じて電力が最小になる力率を設
定し、この力率になるように電圧を制御する装置と方法
であり、これは、電動機の巻線に供給される電圧の検出
手段と、前記巻線に流れる電流の検出手段と、前記電圧
検出手段と前記電流検出手段に接続され、前記電圧と前
記電流の積から少なくとも１周期における有効電力を演
算し、さらに前記電圧の実効値と前記電流の実効値との
積から少なくとも１周期における皮相電力を演算する電
力演算手段と、前記電動機の最適力率指令値を設定する
最適力率設定手段と、前記有効電力と前記皮相電力とか
ら測定力率を演算し、前記測定力率と前記設定力率とを
比較して力率比較信号を発生する演算比較手段と、前記
力率比較信号に応答して前記電動機の巻線に供給される
電圧を調整する電圧調整手段を具え、前記電圧調整手段
が前記測定力率を前記最適力率に近づけるように前記電
圧を調整することを特徴とする電動機の制御装置であ
り、さらには前述の各手段を遂行するステップからなる
制御方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１の方法では、電圧を微小変化させながら電力の最小運
転状態を探すため、電力の最小点に到達するのに時間を
要することから、負荷変化に対する応答性が悪いという
問題点がある。また、従来例２の方法では、電力が最小
になる運転は行なえるが、後述の図１が示すように、一
般的に電力が最小になる電圧と効率が最大になる電圧は
異なっているため、電力が最小になる電圧での運転は最
大効率からずれた所（滑り）での運転となっているとい
う問題点を含んでいる。本発明は、このような各問題点
に鑑みてなされた手段であり、負荷変化に対して電動機
の効率が常に最大になるように高速で制御することを目
的とする装置及びその方法である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の電動機の制御装置の発明は、インバ
ータで電動機運転を制御する電動機の制御装置であっ
て、電動機に供給される有効電力検出手段と、その検出
された有効電力と電動機に供給される交流電圧の周波数
から電動機の効率が最大になる電動機への供給電圧を計
算する計算手段と、その計算された供給電圧を電動機へ
供給する手段を有する電動機の制御装置において、前記
計算手段が、電動機の定数と供給周波数及び最大効率を
与える滑りｓ ₍ ηmax ₎ から計算して求められる係数Ｋ ₁
と、検出された電動機の有効電力の平方根との積を最大
効率を与える供給電圧として計算することを特徴とす
る。また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動
機の制御装置において、前記計算手段が、電動機の定数
と特定の周波数ｆ ₀ とから計算して求められる係数Ｋ
_f0 と、供給周波数をｆとして（ｆ／ｆ ₀ ） ^1/3 と、検
出された電動機の有効電力の平方根との積を最大効率を
与える供給電圧として計算することを特徴とする。請求
項３記載の発明は、請求項１記載の電動機の制御装置に
おいて、前記有効電力検出手段が、有効電力の変化を第
１の定数ΔＰ ₁ とするとき、検出電力の変化がΔＰ ₁ 以
上の時は時定数の小さい電力検出フィルタを使用し、電
力の変化がΔＰ ₁ 未満の時は時定数の大きい電力検出フ
ィルタを使用して有効電力を検出し、前記有効電力検出
手段が、有効電力の変化を第２の定数ΔＰ₂（ただしΔ
Ｐ₂＜ΔＰ₁ ）とするとき、有効電力の変化がΔＰ₂ 未
満の時は、有効電力の変化がΔＰ₂ となった時の有効電
力を有効電力の検出値として固定し、有効電力の変化が
ΔＰ₂ 未満を続けるときは、この固定した電力を検出有
効電力とすることを特徴とする。請求項４記載の発明
は、請求項１記載の電動機の制御装置において、前記係
数Ｋ₁として、 Ｋ₁ ＝［｛ｒ₁ ² (ｓ₍ηmax₎)² ＋２ｒ₁ ｒ₂ （ｒ₁ ｇ_m
＋１）×ｓ₍ηmax₎＋ｒ₂ ² (ｒ₁ ² ｂ_m ² ＋１) ＋２
ｒ₂ ² (ｒ₁ ｇ_m ＋ｘ₁ ｂ_m )｝／｛ｒ₁(ｓ₍ηmax₎)² ＋
ｒ₂(２ｒ₁ ｇ_m ＋１) ×ｓ₍ηmax₎＋ｒ₂ ² (ｇ_m ＋ｒ₁
ｂ_m ² ) ｝］^1/2 ただし、ｒ₁ は電動機１次抵抗、ｘ₁ は電動機の１次漏
れリアクタンス、ｓ₍ηmax₎ は電動機の効率が最大にな
る電動機の滑り、ｒ₂ は電動機の１次換算２次抵抗、ｂ
_m は電動機の励磁サッセプタンス、ｇ_m は 電動機の励
磁コンダクタンス、で表されることを特徴とする。請求
項５記載の電動機の制御方法の発明は、インバータで電
動機運転を制御する電動機の制御方法であって、電動機
に供給される有効電力を検出する有効電力検出ステップ
と、該検出ステップで検出されたその有効電力と電動機
に供給される交流電圧の周波数から電動機の効率が最大
になる電動機への供給電圧を計算する供給電圧計算ステ
ップと、該計算ステップで計算されたその供給電圧を電
動機へ供給するようにした電動機の制御方法において、
前記供給電圧計算ステップが、電動機の定数と供給周波
数及び最大効率を与える滑りｓ₍ηmax₎ から計算して求
められる係数Ｋ₁ と、検出された前記電動機の有効電力
の平方根と、の積を用いて最大効率を与える供給電圧と
して計算するものであり、加減速中は電動機への（供給
電圧）／（周波数）が一定の制御で運転し、出力周波数
が指令値に達した後は、前記供給電圧計算ステップが計
算する最大効率を与える前記供給電圧で電動機運転の制
御を開始することを特徴とする。

【０００５】

【作用】本発明はこのような電動機の制御装置およびそ
の制御方法であるから、電動機は負荷状態に応じて最適
な電圧の供給が可能となり、従って常にしかも敏速に負
荷状態等に即応しながら効率最大で運転することができ
る。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、電動機の負荷を一定として、電動機の入
力電圧を変えた時の電動機の入力電力と電動機の効率を
示す図である。これは、電動機の定格２００Ｖ，２．２
ＫＷで、負荷率１０％における入力電圧（横軸）に対応
する、入力電力（第１の縦軸）と効率（第２の縦軸）の
特性を同一平面上にプロットしたときの特性曲線であっ
て、入力電力の最小になる点102 は、効率の最大になる
点101 とは明らかに異なる入力電圧である。図２に、本
発明の一実施例の電動機のＴ形等価回路を示す。図２に
おいて、Ｖ₁ は相電圧，ｒ₁ は１次抵抗，ｘ₁ は１次リ
アクタンス，Ｉ₁ は１次電流，Ｅ₁ は１次電圧，ｒ₂ は
１次換算２次抵抗，ｘ₂ は１次換算２次リアクタンス，
Ｉ₂ は１次換算２次電流，ｓは滑り，ｒ_m は鉄損抵抗，
ｘ_m は励磁リアクタンス，Ｉ_M は励磁電流をそれぞれ示
し、ｇ_m を励磁コンダクタンス，ｂ_m を励磁サップタン
ス，ｊを複素数記号とすれば、この等価回路から、次の
各式が成立する。 ベクトルＩ_M ＝（ベクトルＥ₁ ）／（ｒ_m ＋ｊｘ_m ） ＝（ベクトルＥ₁ ）×（ｇ_m −ｊｂ_m ） …………（１） ただし、ｇ_m ＝ｒ_m ／（ｒ_m ² ＋ｘ_m ² ） …………（１_a ） ｂ_m ＝ｘ_m ／（ｒ_m ² ＋ｘ_m ² ） …………（１_b ） ベクトルＩ₂ ＝（ベクトルＥ₁ ）／｛（ｒ₂ ／ｓ）＋ｊｘ₂ ｝ ＝（ベクトルＥ₁ ）×［｛ｓｒ₂ ／（ｒ₂ ² ＋ｓ² ｘ₂ ² ）｝ −ｊ｛ｓ² ｘ₂ ／（ｒ₂ ² ＋ｓ² ｘ₂ ² ）｝］ ＝（ベクトルＥ₁ ）×（ａ₁ −ｊａ₂ ） …………（２） ただし、ａ₁ ＝ｓｒ₂ ／（ｒ₂ ² ＋ｓ² ｘ₂ ² ） …………（２_a ） ａ₂ ＝ｓ² ｘ₂ ／（ｒ₂ ² ＋ｓ² ｘ₂ ² ） …………（２_b ） ベクトルＩ₁ ＝（ベクトルＩ_M ）＋（ベクトルＩ₂ ） ＝（ベクトルＥ₁ ）×｛（ａ₁ ＋ｇ_m ）−ｊ（ａ₂ ＋ｂ_m ）｝ ＝（ベクトルＥ₁ ）×（ｂ₁ −ｊｂ₂ ） …………（３） ただし、ｂ₁ ＝ａ₁ ＋ｇ_m …………（３_a ） ｂ₂ ＝ａ₂ ＋ｂ_m …………（３_b ） ベクトルＶ₁ ＝（ベクトルＥ₁ ）＋（ｒ₁ ＋ｊｘ₁ ）×（ベクトルＩ₁ ） ＝（ベクトルＥ₁ ）×｛（１＋ｂ₁ ｒ₁ ＋ｂ₂ ｘ₁ ） −ｊ（ｂ₂ ｒ₁ −ｂ₁ ｘ₁ ）｝ ＝（ベクトルＥ₁ ）×（ｃ₁ −ｊｃ₁ ） …………（４） ただし、ｃ₁ ＝１＋ｂ₁ ｒ₁ ＋ｂ₂ ｘ₁ …………（４_a ） ｃ₂ ＝ｂ₂ ｒ₁ −ｂ₁ ｘ₁ …………（４_b ） （３），（４）式から、 ベクトルＩ₁ ＝｛（ｂ₁ −ｊｂ₂ ）／（ｃ₁ −ｊｃ₂ ）｝Ｖ₁ …………（５） 電動機に供給される皮相電力Ｐ_1eは、 Ｐ_1e＝３×（ベクトルＶ₁ ）×（Ｉ₁ の共役ベクトル） ＝｛３（ｂ₁ ＋ｊｂ₂ ）／（ｃ₁ ＋ｊｃ₂ ）｝Ｖ₁ ² ＝｛３Ｖ₁ ² ／（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）｝ ×｛（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）−ｊ（ｂ₁ ｃ₂ −ｂ₂ ｃ₁ ）｝ …………（６） 電動機の１次入力の有効電力Ｐ₁ は（６）式の実数部で
与えられるから、 Ｐ₁ ＝｛３（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）／（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）｝Ｖ₁ ² …………（７） 電動機の２次入力の皮相電力Ｐ_2eは Ｐ_2e＝３×（ベクトルＥ₁ ）×（Ｉ₂ の共役ベクトル） ＝３×（ベクトルＥ₁ ）×（Ｅ₁ の共役ベクトル）×（ａ₁ ＋ｊａ₂ ） ＝｛３Ｖ₁ ² ／（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）｝×（ａ₁ ＋ｊａ₂ ） …………（８） 電動機の２次入力の有効電力Ｐ₂ は（８）式の実数部で
与えられるから、 Ｐ₂ ＝３Ｖ₁ ² ａ₁ ／（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ） …………（９） 機械出力Ｐ_2mは２次入力の有効電力Ｐ₂ に（１−ｓ）を
乗じたものであるから、 Ｐ_2m＝｛３ａ₁ （１−ｓ）／（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）｝×Ｖ₁ ² …………（１０） 電動機の効率ηは、 η＝Ｐ_2m／Ｐ₁ ＝（１−ｓ）ａ₁ ／（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ） …………（１１） ここで、ａ₁ ，ｂ₁ ，ｂ₂ ，ｃ₁ ，ｃ₂ は電動機定数，
周波数，滑りｓの関数であるから、効率ηも亦同様の関
数となる。最大効率となる滑りｓは，（１１）式を滑り
ｓで微分して得られた式が零になる滑りｓを、求めるこ
とにより得られる。このときの滑りをｓ₍ η_max)とする
と、最大効率となる滑りｓ₍ η_max)は電動機の定数と、
周波数の関数であるから、負荷に依存せず一定の値にな
る。一方、電動機の１次入力の有効電力Ｐ₁ は（７）式
から、 Ｐ₁ ＝｛３（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）／（ｃ₁ ² ＋
ｃ₂ ² ）｝×Ｖ₁ ² であり、Ｖ₁ の相電圧を線間電圧Ｖ_L に置き換えると、 Ｖ_L ＝Ｖ₁ ／（３）^1/2 であるから、これを（７）式に代入して、 Ｐ₁ ＝｛（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）／（ｃ₁ ² ＋
ｃ₂ ² ）｝×Ｖ_L ² となる。これから線間電圧Ｖ_L を求めると、 Ｖ_L ＝｛（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）／（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）｝^1/2 ×Ｐ₁ ^1/2 ＝Ｋ₁ Ｐ₁ ^1/2 …………（１２） ただし、Ｋ₁ ＝｛（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）／（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）｝^1/2 …………（１２_a ） そして、ｂ₁ ，ｂ₂ ，ｃ₁ ，ｃ₂ は電動機定数，周波
数，滑りｓの関数であるから、係数Ｋ₁ も亦これらの関
数になる。負荷が変われば滑りｓが変化し、従って係数
Ｋ₁ も変化するが、滑りｓが負荷変動に関わらず、常に
最大効率となる滑りｓ₍ η_max)になるように線間電圧Ｖ
_Lを制御すると、係数Ｋ₁ の値も負荷変動に関わらず一
定の値になる。換言すると、最大効率となる滑りｓ₍ η
_max)のときの係数Ｋ₁ と検出した電動機の１次入力の有
効電力Ｐ₁ の平方根との積を、電動機の入力電圧として
与えれば、滑りはｓ₍ η_max)を保つので、負荷変動に対
して常に最大効率で電動機を運転することができる。

【０００７】しかしながら、（１１）式を滑りｓで微分
し零と置いた式は、滑りｓの６次式となり、解析的には
解けないので、以下のように係数Ｋ₁ を近似計算で求め
る。（１１）式に（３_a ），（３_b ），（４_a ），（４
_b ）を適用すると、効率ηは、 η＝｛（１−ｓ）ａ₁ ｝／（ｇ_m ＋ｇ_m ｒ₁ ｂ₁ ＋ｇ_m ｘ₁ ｂ₂ ＋ａ₁ ＋ｒ₁ ａ₁ ｂ₁ ＋ｘ₁ ａ₁ ｂ₂ ＋ｒ₁ ｂ_m ｂ₂ ＋ｒ₁ ａ₂ ｂ₂ −ｘ₁ ｂ_m ｂ₁ −ｘ₁ ａ₂ ｂ₁ ） …………（１３） （１３）式において、（ｇ_m ｘ₁ ｂ₂ ），（ｒ₁ ａ₂ ｂ
₂ ），（ｘ₁ ａ₂ ｂ₁ ）は他の項に比べて小さく又（ｘ
₁ ａ₁ ｂ₂ ）≒（ｘ₁ ｂ_m ｂ₁ ）であるから、これらを
無視すると（１３）式は、 η＝｛（１−ｓ）ａ₁ ｝／（ｇ_m ＋ａ₁ ＋ｒ₁ ａ₁ ｂ₁ ＋ｒ₁ ｂ_m ｂ₂ ＋ｇ_m ｒ₁ ｂ₁ ） …………（１４） また、（２_a ），（２_b ）式でｒ₂ ² ≫ｓ² ｘ₂ ² であ
るから、（２_a ），（２_b ）式の各分母のｓ² ｘ₂ ² を
無視すると、 ａ₁ ≒ｓ／ｒ₂ …………（１４_a ） ａ₂ ≒（ｘ₂ ｓ² ）／ｒ₂ ² …………（１４_b ） 又（３_a ），（３_b ）式から ｂ₁ ≒ｇ_m ＋ｓ／ｒ₂ …………（１４_c ） ｂ₂ ≒ｂ_m ＋ｘ₂ （ｓ² ／ｒ₂ ² ） …………（１４_d ） これらを（１４）式に代入すると、 η＝｛（１−ｓ）ｓｒ₂ ｝／｛ｒ₁ ｓ² ＋ｒ₂ （２ｒ₁ ｇ_m ＋１）ｓ ＋ｒ₂ ² （ｇ_m ＋ｒ₁ ｂ_m ² ）｝ …………（１５） ｄη／ｄｓ＝０と置いて滑りｓを求めると、最大効率と
なる滑りｓ₍ η_max)が求まる。 Ａ＝｛ｒ₂ （２ｒ₁ ｇ_m ＋１）｝／ｒ₁ Ｂ＝｛ｒ₂ ² （ｇ_m ＋ｒ₁ ｂ_m ² ）｝／ｒ₁ と置くと、最大効率となる滑りｓ₍ η_max)は、 ｓ₍ η_max)＝［−Ｂ＋｛Ｂ×（Ａ＋Ｂ＋１）｝^1/2 ］／（Ａ＋１） …………（１６） Ａ，Ｂは電動機定数，周波数の関数であるから、最大効
率となる滑りｓ₍ η_max)も亦同様の関数となる。（１２
_a ）式において、（４_a ），（４_b ）を適用すると、 ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ＝１＋ｒ₁ ² ｂ₁ ² ＋ｘ₁ ² ｂ₂ ² ＋２
ｒ₁ ｂ₁＋２ｘ₁ ｂ₂ ＋ｒ₁ ² ｂ₂ ² ＋ｘ₁ ² ｂ₁ ² （ｒ₁ ² ｂ₂ ² ），（ｘ₁ ² ｂ₂ ² ）は他項に比べて無
視できる程小さいので、 ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ≒１＋ｒ₁ ² ｂ₁ ² ＋２ｒ₁ ｂ₁＋２ｘ
₁ ｂ₂ ＋ｘ₁ ² ｂ₁ ² これに、（３_a ），（３_b ）を適用すると、 ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ≒ｒ₁ ² ｇ_m ＋２ａ₁ ｒ₁ ² ｇ_m ＋ｒ₁
² ａ₁ ²＋ｒ₁ ² ｂ_m ² ＋２ｒ₁ ² ａ₂ ｂ_m ＋ｒ₁ ² ａ
₂ ²＋２ｒ₁ ｇ_m ＋２ｒ₁ ａ₁ ＋２ｘ₁ ｂ_m ＋２ｘ₁ ａ₂
＋１ （ｒ₁ ² ｇ_m ），（２ｒ₁ ² ａ₂ ｂ_m ），（ｒ₁ ² ａ₂
² ），（２ｘ₁ ａ₂ ）は他項に比べて小さいので無視す
ると、 ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ≒２ａ₁ ｒ₁ ² ｇ_m ＋ｒ₁ ² ａ₁ ² ＋ｒ
₁ ² ｂ_m ²＋２ｒ₁ ｇ_m ＋２ｒ₁ ａ₁ ＋２ｘ₁ ｂ_m ＋１ これに、（１４_a ）式のａ₁ ≒ｓ／ｒ₂ と （１４_b ）式のａ₂ ≒（ｘ₂ ｓ² ）／ｒ₂ ² を代入し
て、 ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ≒（１／ｒ₂ ² ）×（２ｒ₁ ² ｒ₂ ｇ_m
ｓ＋ｒ₁ ² ｓ²＋ｒ₁ ² ｒ₂ ² ｂ_m ² ＋２ｒ₁ ｒ₂ ² ｇ
_m ＋２ｒ₁ ｒ₂ ｓ＋２ｘ₁ ｒ₂ ² ｂ_m ＋ｒ₂ ² ） 同様に、 ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ≒（１／ｒ₂ ² ）×（ｒ₂ ² ｇ_m ＋
２ｒ₁ ｒ₂ ｇ_m ｓ＋ｒ₂ ｓ＋ｒ₁ ｓ² ＋ｒ₁ ｒ₂ ² ｂ_m
² ） これらの（ｃ₁ ² ＋ｃ₂ ² ）と（ｂ₁ ｃ₁ ＋ｂ₂ ｃ₂ ）
を（１２_a ）式に代入し、滑りｓを最大効率となるｓ₍
η_max)とした時の係数Ｋ₁ は、 Ｋ₁ ＝［｛ｒ₁ ² (ｓ₍ η_max) )² ＋２ｒ₁ ｒ₂ （ｒ₁ ｇ_m ＋１）×ｓ₍ η_max) ＋ｒ₂ ²( ｒ₁ ²ｂ_m ² ＋１) ＋２ｒ₂ ²( ｒ₁ ｇ_m ＋ｘ₁ ｂ_m ｝／ ｛ｒ₁(ｓ₍ η_max) )² ＋ｒ₂(２ｒ₁ ｇ_m ＋１) ×ｓ₍ η_max) ＋ｒ₂ ²( ｇ_m ＋ｒ₁ ｂ_m ² ｝］^1/2 …………（１７） となる。この（１７）式は電動機容量，運転周波数の広
い範囲で良い近似値を与える。（１７）式で計算した係
数Ｋ₁ と検出した電動機の１次入力電力Ｐ₁ の平方根の
積を電動機の入力電圧として与えれば、電動機を最大効
率で運転することができる。

【０００８】電動機を最大効率で運転するためには前述
のように、（１６）式で電動機の最大効率で運転するこ
とができる滑りｓ₍ η_max)を求め、これを（１７）式に
適用して係数Ｋ₁ の値を求めるという計算手段が必要と
なる。この手順で行えば電動機へ供給する最大効率とな
る電圧を精度良く計算できるが、計算量が多いので、高
速応答を実現使用とすると装置が高価になる。数値計算
によれば（１７）式で示す係数Ｋ₁ の値は、ほゞ周波数
の３乗根に比例する。（１７）式において周波数ｆを変
えた時の係数Ｋ₁ の値を調べてみると、図３のようにな
る。図３の例では、１．５ＫＷ，７．５ＫＷ，５５ＫＷ
の３機種について示しているが、他の容量の電動機もほ
ゞ同様の傾向を示す。図３の実線は（１１）式を基に各
周波数における係数Ｋ₁ の値をニュートンの近似計算法
を用いて求めたものであり、破線は６０Ｈｚ時の係数Ｋ
₁ の値をニュートンの近似計算法で求め、これを係数Ｋ
₆₀とし、運転周波数ｆにおける係数Ｋ_1fの値を Ｋ_1f＝｛Ｋ₆₀／（６０）^1/3 ｝（ｆ）^1/3 ＝Ｋ₂ （ｆ）^1/3 …………（１８） ただし、Ｋ₂ ＝Ｋ₆₀／（６０）^1/3で求め、プロットし
たものである。図３から係数Ｋ₁ の値は、周波数の３乗
根にほゞ比例することが分かる。基本となる周波数は６
０Ｈｚの必要はなく、一般的に、基本となる周波数をｆ
₀ とし、基本周波数をｆ₀ の時の係数Ｋ₁ の値Ｋ_f0を精
度良く求めておき、値Ｋ_f0を基に運転周波数ｆに於ける
係数Ｋ_1fの値を、 Ｋ_1f＝｛Ｋ_f0／（ｆ₀ ）^1/3 ｝（ｆ）^1/3 …………（１９） で求めても良い。運転周波数が変わった時の係数Ｋ₁ の
値を（１８）式又は（１９）式で求めれば、計算時間が
短くなり、応答性が改善できる。以上を纏めると、最大
効率を与える電動機への供給電圧の線間電圧Ｖ_L は、 Ｖ_L ＝Ｋ₁ ・（Ｐ₁ ）^1/2 ＝Ｋ_f0・（ｆ／ｆ₀ ）^1/3 ・（Ｐ₁ ）^1/2 …………（２０） となる。

【０００９】電動機への供給電圧は、電動機の有効電力
により（２０）式で計算され電動機へ供給されるが、電
力検出のフィルタ時定数が小さいと安定性を欠き、長く
すると負荷変化に対する応答性が悪くなる。これを解決
するために、時定数を２つ［勿論３つ以上でも良く、状
況に応じきめ細かな制御をする］用意し、電力の変化が
大きい時は短い時定数のフィルタを使用し、変化が小さ
い時は時定数の長いフィルタを使用し、電力の変化が更
に小さい時には検出電力を固定し、電動機へ一定の電圧
を供給してより安定化を行う。

【００１０】以下、本発明の一実施例における回路構成
のブロック図を、図４に示してその説明を逐次行う。図
４に於いて、１は電動機の始動時に速度の急激な立ち上
がりを避けて緩やかに運転を始めさせるソフトスター
タ、２は周波数→電圧変換器、３は電力検出器、４は時
定数Ｔ₁ のフィルタ、５は時定数Ｔ₂ のフィルタ［Ｔ₁
＜Ｔ₂ ］、６は周波数ｆ→係数Ｋ₁ 変換器、７は検出電
力Ｐと係数Ｋ₁ を導入し電力Ｐの平方根に係数Ｋ₁ を掛
算して線間電圧（供給電圧）Ｖ_L を演算する演算器、８
は横軸に線間電圧Ｖ_L をとり縦軸に指令電圧Ｖ₀ をとっ
たリミッタ、９はドライバ、10はインバータ、11は商用
交流電源、12はコンバータ、13は平滑回路、14は駆動さ
れる電動機、15は電動機運転周波数指令器、16は電力の
検出における前回のサンプリング周期での検出電力を記
憶する記憶回路、Ｓ₁ 〜Ｓ₃ は切替スイッチである。い
ま、切替スイッチＳ₁ は最初［開］の状態である。周波
数指令器15からの運転周波数ｆはソフトスタータ１を通
過することにより、設定された時間勾配で周波数０から
ｆに向かって増加する。周波数→電圧変換器２はソフト
スタータ１を出た周波数に対応した電圧を発生する装置
で、電動機へ供給される電圧と周波数の比が一定になる
ように制御する。電動機の始動時は以上の動作により運
転される。ソフトスタータ１の出力が指令周波数ｆに到
達すると、切替スイッチＳ₁ は［閉］側に切り替わり、
以降、本発明の制御方法で運転を継続する。電力検出器
３によって、電動機14に供給される電圧［Ｖ₁ ］と電流
［Ｉ₁ ］から、電動機14に供給される有効電力を検出す
る。この有効電力は２つのフィルタ４と５に導かれる。
フィルタ４は時定数Ｔ₁ が短く、フィルタ５は時定数Ｔ
₂ が長い。また、切替スイッチＳ₂ ，Ｓ₃ は最初［開］
の状態である。電力の変化が設定された値ΔＰ₁ 以下に
なると、切替スイッチＳ₂ は［閉］となり、検出された
有効電力は時定数の長いフィルタ５を使用する。更に電
力の変化が小さくなり、値ΔＰ₂ （ΔＰ₂ ＜ΔＰ₁ ）以
下になると、切替スイッチＳ₃ は［閉］となり、検出電
力Ｐ₁ として、電力の変化が値ΔＰ₂ 以下になった時点
の電力に固定され、記憶回路16に記憶されてその記憶電
力を送出続ける。周波数ｆ→係数Ｋ₁ 変換器６は周波数
指令ｆに対する定数（係数）Ｋ₁ を計算する。演算器７
は周波数ｆ→係数Ｋ₁ 変換器６で計算された係数Ｋ₁ と
検出された電力Ｐ₁ から電動機14の効率が最大になる電
圧を計算する。リミッタ８は過励磁防止や低くなり過ぎ
た時の失速防止のために設けられている。このようにし
て計算された電圧Ｖ₀ と周波数指令ｆはドライバ９に供
給され、ドライバ９は電動機14に線間電圧Ｖ_L と周波数
指令ｆが供給されるようにインバータ10のトランジスタ
を制御する。かくして、この実施例はその時々の電動機
の有効電力・周波数指令に相応した供給（線間）電圧で
駆動されるから、先の理論構成において縷々説明した通
りに、電動機は常にしかも迅速に最大効率で運転され
る。

【００１１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
より、電動機は負荷状態に応じて高速で最適な電圧が供
給され、常に効率最大で運転することが可能になるとい
う特段の効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電動機の負荷を一定として、電動機の入力電圧
を変えた時の電動機の入力電力と電動機の効率を示す図

【図２】電動機のＴ形等価回路図

【図３】本発明の一実施例における周波数を変えた時の
係数Ｋ₁ の値を厳密に計算した場合と、周波数の３乗根
に比例するように計算した場合の比較図

【図４】本発明の一実施例における回路構成を示すブロ
ック図

【符号の説明】

１ ソフトスタータ ２ 周波数→電圧変換器 ３ 電力検出器 ４ 時定数Ｔ₁ のフィルタ ５ 時定数Ｔ₂ のフィルタ［Ｔ₁ ＜Ｔ₂ ］ ６ 周波数ｆ→係数Ｋ₁ 変換器 ７ 電圧Ｖ_L を演算する演算器 ８ リミッタ［過励磁防止・低くなり過ぎた時の失速防
止］ ９ ドライバ 10 インバータ 11 商用交流電源 12 コンバータ 13 平滑回路 14 電動機［主として誘導電動機］ 15 電動機運転周波数指令器 16 記憶回路［前回のサンプリング周期での検出電力を
記憶する］

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−199797（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−316793（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−43592（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 7/00 H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インバータで電動機運転を制御する電動機
   の制御装置であって、電動機に供給される有効電力検出
   手段と、その検出された有効電力と電動機に供給される
   交流電圧の周波数から電動機の効率が最大になる電動機
   への供給電圧を計算する計算手段と、その計算された供
   給電圧を電動機へ供給する手段を有する電動機の制御装
   置において、 前記計算手段が、電動機の定数と供給周波数及び最大効
   率を与える滑りｓ ₍ ηmax ₎ から計算して求められる係数
   Ｋ ₁ と、検出された電動機の有効電力の平方根との積を
   最大効率を与える供給電圧として計算することを特徴と
   する 電動機の制御装置。
2. 【請求項２】 前記計算手段が、電動機の定数と特定の
   周波数ｆ ₀ とから計算して求められる係数Ｋ _f0 と、供
   給周波数をｆとして（ｆ／ｆ ₀ ） ^1/3 と、検出された電
   動機の有効電力の平方根との積を最大効率を与える供給
   電圧として計算することを特徴とする請求項１記載の電
   動機の制御装置。
3. 【請求項３】 前記有効電力検出手段が、有効電力の変
   化を第１の定数ΔＰ ₁ とするとき、検出電力の変化がΔ
   Ｐ ₁ 以上の時は時定数の小さい電力検出フィルタを使用
   し、電力の変化がΔＰ ₁ 未満の時は時定数の大きい電力
   検出フィルタを使用して有効電力を検出し、 前記有効電力検出手段が、有効電力の変化を第２の定数
   ΔＰ₂（ただしΔＰ₂＜ΔＰ₁ ）とするとき、有効電力の
   変化がΔＰ₂ 未満の時は、有効電力の変化がΔＰ₂ とな
   った時の有効電力を有効電力の検出値として固定し、有
   効電力の変化がΔＰ₂ 未満を続けるときは、この固定し
   た電力を検出有効電力とすることを特徴とする請求項１
   記載の電動機の制御装置。
4. 【請求項４】 前記係数Ｋ₁として、 Ｋ₁ ＝［｛ｒ₁ ² (ｓ₍ηmax₎)² ＋２ｒ₁ ｒ₂ （ｒ₁ ｇ_m
   ＋１）×ｓ₍ηmax₎＋ｒ₂ ² (ｒ₁ ² ｂ_m ² ＋１) ＋２
   ｒ₂ ² (ｒ₁ ｇ_m ＋ｘ₁ ｂ_m )｝／｛ｒ₁(ｓ₍ηmax₎)² ＋
   ｒ₂(２ｒ₁ ｇ_m ＋１) ×ｓ₍ηmax₎＋ｒ₂ ² (ｇ_m ＋ｒ₁
   ｂ_m ² ) ｝］^1/2 ただし、ｒ₁ は電動機１次抵抗、 ｘ₁ は電動機の１次漏れリアクタンス、 ｓ₍ηmax₎ は電動機の効率が最大になる電動機の滑り、 ｒ₂ は電動機の１次換算２次抵抗、 ｂ_m は電動機の励磁サッセプタンス、 ｇ_m は 電動機の励磁コンダクタンス、 で表されることを特徴とする請求項１記載の電動機の制
   御装置。
5. 【請求項５】 インバータで電動機運転を制御する電動
   機の制御方法であって、電動機に供給される有効電力を
   検出する有効電力検出ステップと、該検出ステップで検
   出されたその有効電力と電動機に供給される交流電圧の
   周波数から電動機の効率が最大になる電動機への供給電
   圧を計算する供給電圧計算ステップと、該計算ステップ
   で計算されたその供給電圧を電動機へ供給するようにし
   た電動機の制御方法において、前記供給電圧計算ステップが、 電動機の定数と供給周波
   数及び最大効率を与える滑りｓ₍ηmax₎ から計算して求
   められる係数Ｋ₁ と、検出された前記電動機の有効電力
   の平方根と、の積を用いて最大効率を与える供給電圧と
   して計算するものであり、 加減速中は電動機への（供給電圧）／（周波数）が一定
   の制御で運転し、 出力周波数が指令値に達した後は、前記供給電圧計算ス
   テップが計算する最大効率を与える前記供給電圧で電動
   機運転の制御を開始することを特徴とする電動機の制御
   方法。