JP3646480B2 - インバータの制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機を可変速駆動するインバータの制御方法に係り、特に中低周波領域での高トルク化を図る自動トルクブーストの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
誘導電動機を可変速駆動するインバータの制御方法として、インバータの1次周波数f1に比例してインバータの出力電圧V1を制御するV/f一定制御が知られている。これは誘導電動機の励磁電流をほぼ一定に保つことができるが、負荷が加わるとモータの1次抵抗r1による電圧降下が大きくなり、モータの誘起電圧が小さくなる。この結果、モータの励磁電流が小さくなりモータ出力トルクが減少すると言う問題がある。これは誘起電圧が小さい中低周波領域で特に問題となる。そこで、特に中低周波領域でのトルクアップを図る自動トルクブーストの制御方法が多数提案されている。一般的にはモータ電流を検出し、これに応じた1次抵抗電圧降下分をV/f一定電圧(誘起電圧)に加算して電圧指令を出力している。この場合、モータ電流検出器が2相分必要となり高価な装置となる。そこで、インバータ入力側の電流をシャント抵抗等で検出してこれを基に誘導電動機の自動トルクブースト制御を行う方式が公開されている。この従来例としては、特開平1−252193 号に記載されている。これは、インバータの入力電流から誘導電動機の発生トルクを求めている。求めたトルク信号を基にトルクブースト設定値を可変し、このトルクブースト信号とV/f一定電圧値とを加算し、加算信号に基づいてインバータの出力電圧を制御している。これにより、負荷トルクが大きくなるとインバータ出力電圧を大きくし、中低速時の高トルク化を図っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例は、モータの発生トルク信号の求め方については具体的に記載されていないが、インバータ入力電流からモータの発生トルク相当の電流を求め、この電流による1次抵抗の電圧降下量とV/f一定電圧値(誘起電圧)とを加算し、加算信号に基づいてインバータの出力電圧を制御していると考えられる。しかし、インバータの出力電圧は励磁電流ベクトル方向の電圧とトルク電流ベクトル方向の電圧のベクトル和となる。そこで、従来例は励磁電流ベクトル方向の電圧は考慮されていないため、最適な電圧補償量にならない可能性がある。このため自動トルクブーストの効果はあると思われるが、誘導電動機の励磁電流を一定に制御するベクトル制御に近い高トルク化に対しては十分でない可能性がある。
【0004】
本発明の目的は、インバータの入力電流を用いてモータ電流による1次抵抗電圧降下を精度良く補償し、誘導電動機の励磁電流をほぼ一定に制御することでベクトル制御に近い高トルク化が可能なインバータの制御方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、インバータ入力電流からモータ1次電流の誘起電圧ベクトル方向成分であるトルク分電流Itを求めた後、このItによる1次抵抗r1による電圧降下量を求め、これに補償ゲインKtを乗じてトルク分電流軸(t軸)の電圧補償量ΔVtとしている。次に、電圧補償量ΔVtと、1次周波数指令に比例したV/f一定電圧(誘起電圧)Etを加算した出力をt軸の電圧ベクトルVtとして出力する。一方、このVtより位相がπ/2遅れた誘導電動機の励磁電流による1次抵抗電圧降下分を補償した電圧ベクトルを
Vmとして、電圧ベクトルVtとVmのベクトル和からモータ出力電圧指令(1次電圧指令)V1を求め、これを基にインバータの出力電圧を制御するようにした。
【0006】
なお、トルク電流による1次抵抗の電圧降下補償量ΔVtと、励磁電流による1次抵抗電圧降下補償量Vmを外部から微調整できるように補償ゲインKtと
Kmを外部設定により可変できるようにしてもよい。
【0007】
次に、トルク電流Itを算出する手段としては、インバータ入力電流検出値
Idcから誘導電動機の無負荷運転時におけるインバータ入力電流検出値Idc0を減じた出力に、インバータの入力電圧検出値又は指令値を乗じた後、インバータ出力電圧指令の大きさV1で除算することでトルク電流Itを求めるようにすることが好ましい。これにより、無負荷時は(Idc−Idc0)が零になりトルク電流Itも零になる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1において、交流電源1から交流電力が整流回路2を介して平滑コンデンサ3に供給されており、直流電力に変換される。又、直流電力はインバータ4により、可変周波数で可変電圧に変換され誘導電動機5を可変速駆動する。
【0009】
次に、シャント抵抗6の端子から瞬時のインバータ入力電流を検出し、フィルタ7を介して平滑し直流電流Idcを検出している。又、トルク電流検出手段8では直流電流Idcと1次電圧指令V1を基に、トルク電流Itを算出し、1次抵抗設定値r1を乗じてトルク電流による1次抵抗の電圧降下量It・r1を算出している。更に、補償ゲイン9を乗じてt軸の電圧補償量ΔVtとしている。又、1次周波数指令f1にゲインK1を乗じて出力したV/f一定電圧(誘起電圧)Etと電圧補償量ΔVtを加算してt軸の電圧ベクトル指令Vtとしている。
【0010】
一方励磁電流による1次抵抗電圧降下設定値10の出力Vxを補償ゲイン11を介してm軸の電圧ベクトルVmを出力し、ベクトル演算手段12により電圧ベクトルVtとVmのベクトル和から1次電圧指令V1を求めている。また、この1次電圧指令V1と周波数指令f1を基にPWM信号発生手段13によりインバータのパルス幅変調(PWM)信号を作成し、これによりインバータ4の出力電圧の大きさと周波数を制御している。
【0011】
次に、トルク電流検出手段8について詳細に述べる。インバータの入出力パワーの関係は次式で与えられる。
【0012】
Vdc・Idc=3V1・I1・cosψ+Pinv=3V1・Iq+Pinv…(数1)
ここで、Vdcはインバータ入力電圧(直流電圧)、Idcはインバータ入力電流の平均値、V1はインバータ出力電圧(相電圧の大きさ)、I1はインバータ出力電流(相電流の大きさ)、ψは図2に示すようにV1とI1の力率角である。又、I1・cosψ は有効分電流Iqとなる。なお、Pinvはインバータ損失である。次に、図2に誘導電動機を無負荷で運転した時のモータ電圧,電流ベクトル図を示す。誘起電圧ベクトルEtと、モータ電流による1次抵抗の電圧降下I1・r1と漏れインダクタンスによる電圧降下VLをベクトル的に加算したベクトルが1次電圧ベクトルV1となる。又、誘起電圧ベクトルEtの方向をt軸とし、これよりπ/2遅れの軸をm軸としている。そこで、モータ電流I1のm軸成分が励磁電流Imでt軸成分がトルク電流Itとなる。図2においては無負荷運転時なのでIt=0になり、I1=Imとなる。一方、有効分電流IqはI1のV1方向成分であり、無負荷時でも零にならない。このことから上式において無負荷運転時においては、Idcは零にならない。なお、無負荷運転時の
Idcの値をIdc0としている。
【0013】
次に、トルク電流検出手段8の詳細ブロック図を図3に示す。フィルタ7の出力である直流電流Idcから誘導電動機の無負荷運転時におけるインバータ入力電流検出値Idc0を減じている。このIdc0はあらかじめ無負荷運転時で測定した値を設定している。なお、Idc0は1次周波数により多少は変わるが平均的な値を設定している。次に、(Idc−Idc0)にインバータの入力電圧指令値Vdc* を乗じた後、インバータ出力電圧指令の大きさV1の3倍で除算することでトルク電流Itを求めている。なお、インバータの入力電圧指令値
Vdc* は受電電圧により決まり、例えば200V受電電圧の場合直流電圧Vdcは約280Vとなる。又、無負荷時は(Idc−Idc0)が零になるのでトルク電流Itも零になる。
【0014】
次に、図2に示した有効分電流Iqとトルク電流Itとの違いを図4に示す。図4は1次周波数f1=3Hzで2.2kWの誘導電動機を定格の励磁電流Im=5A一定になるように1次電圧V1を与え、その時のモータ電圧,電流ベクトル図等からIq,Imを求めた時のシミュレーション結果である。Im=5A一定にすることで、ベクトル制御と同様な条件となり高トルク化ができる。逆に言えば図4の1次電圧V1を負荷に応じて与えることで、励磁電流Imが一定となり、高トルク制御が可能となる。又、図4の特性から低周波領域ではIqとItが異なることがわかる。又、Iq,It共に負荷トルクにほぼ比例していることがわかる。この結果、数1と図4の特性から数1を数2で近似できる。
【0015】
Vdc(Idc−Idc0)=3V1・It …(数2)
数2はインバータの入力パワーと出力パワーがほぼ等しいことを示した式である。又、Idc0は無負荷時のIdcでありこれによりインバータ損失PinvやIqとItの誤差を補償しており、負荷=0の時(Idc−Idc0)=0となるのでIt=0となる。そこで、数2からItを求めると図3の構成となる。
次に、図3に示すトルク電流算出手段8の他の実施例を図5に示す。Idc0は1次周波数f1により多少変化する。そこで、図5においてはf1に応じて無負荷時のIdc検出値を関数テーブル14として記憶しておき、f1に応じて
Idc0を出力している。又、インバータ入力電圧は実際の検出値Vdcを用いている。これにより、更に正確なトルク電流Itが算出できる。
【0016】
次に、図1に示す実施例の詳細動作を説明する。図2のベクトル図において誘起電圧Etは1次周波数に比例する。そこで、モータ電流I1による1次抵抗の電圧降下により生じるモータ発生トルクの低下は低周波数ほど大きくなる。そこで、自動トルクブーストの主な目的は中低速領域でのトルクアップを図るものである。なお、図2の漏れインダクタンスによる電圧降下ΔVLは、1次周波数に比例するため低周波領域では小さく省略することができる。図6に実施例におけるモータ電圧,電流のベクトル図を示す。図1の補償ゲインKtとKmが1の時のベクトル図である。t軸の電圧は誘起電圧Etと補償電圧It・r1を加算した電圧ベクトルVtとしている。一方m軸の電圧は補償電圧ベクトルVm=Im・r1となり、これはモータの仕様等から定格の励磁電流Imと1次抵抗値r1を乗じた設定値である。又、VmとVtのベクトル和を1次電圧指令V1としている。なお、図1の補償ゲインKtとKmは外部設定により可変できt軸とm軸の補償電圧を調整することができるものである。
【0017】
以上述べた実施例によれば、インバータ入力電流からトルク分電流Itを求め、このItによる1次抵抗r1による電圧降下補償分と励磁電流による1次抵抗電圧降下補償分をベクトル的に補償しており、精度良い1次電圧指令V1が出力できる。この結果、ベクトル制御と同様に励磁電流をほぼ一定に制御できるので特に中低速領域で、モータ発生トルクを大きくできると言う効果がある。
【0018】
又、基本となるトルク電流Itを算出する手段として、インバータ入力電流検出値Idcから誘導電動機の無負荷運転時におけるインバータ入力電流検出値
Idc0を減じた出力に、インバータの入力電圧検出値又は指令値を乗じた後、インバータ出力電圧指令の大きさV1で除算することで正確なトルク電流Itが算出できると言う効果もある。
【0019】
更に、補償ゲインKtとKmは外部設定により可変でき、補償ゲインKtを可変することでトルクブーストの補償量が簡単に調整できる。又、補償ゲインKmを可変することで励磁電流の大きさが簡単に調整できると言う効果がある。
【0020】
次に、他の実施例を図7に示す。図1と異なる部分はトルク電流検出手段8の代わりに有効分電流検出手段15から構成したものである。なお、有効分電流検出手段15の詳細構成を図8に示す。この構成は数1からIqを求めたものである。これは図4のIq,It特性からわかるようにIqの方がItより大きいためIqで1次抵抗の電圧降下を補償すると過補償となる。しかし補償ゲインKtを小さくすることでトルク電流Itで補償した場合とほぼ同様な効果がある。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、低価格なシャント抵抗を用いたインバータ入力電流検出値から精度良くトルク電流を検出し、この電流による1次抵抗電圧降下補償分と、励磁電流による1次抵抗電圧降下補償分をベクトル的に補償しており、精度良い1次電圧指令V1が出力できる。この結果、ベクトル制御と同様に励磁電流をほぼ一定に制御できるので特に中低周波数領域においてモータ発生トルクを大きくできると言う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す制御ブロック図。
【図2】無負荷時における誘導電動機の電圧,電流ベクトル図。
【図3】図1のトルク電流検出手段の詳細ブロック図。
【図4】励磁電流一定時のトルク電流及び有効分電流特性図。
【図5】図3に示すトルク電流検出手段の他の実施例を示す詳細ブロック図。
【図6】図1における誘導電動機の電圧,電流ベクトル図。
【図7】本発明の他の実施例を示す制御ブロック図。
【図8】図7の有効分電流検出手段の詳細ブロック図。
【符号の説明】
1…交流電源、2…整流回路、3…平滑コンデンサ、4…インバータ、5…誘導電動機、6…シャント抵抗、7…フィルタ、8…トルク電流検出手段、9,11…補償ゲイン、10…励磁電流による1次抵抗電圧降下設定手段、12…ベクトル演算部、13…PWM信号発生手段、14…関数テーブル、15…有効分電流検出手段。
Claims (5)
- 直流電力を可変周波数,可変電圧の交流電力に変換して誘導電動機を可変速駆動するインバータの制御方法において、
インバータ入力電流検出値(Idc)から誘導電動機の無負荷運転時におけるインバータ入力電流検出値(Idc0)を減じた出力に、インバータの入力電圧検出値又は指令値を乗じて、インバータ出力電圧指令 ( V1 ) で除算することによりトルク電流(It)を算出し、
該トルク電流による誘導電動機の1次抵抗による電圧降下を補償した電圧補償量
(ΔVt)と、1次周波数指令に比例した誘起電圧指令とを加算した電圧ベクトル(Vt)を求め、
誘導電動機の励磁電流による1次抵抗電圧降下分を補償した電圧ベクトル(Vm)を求め、
前記1次周波数指令に比例した誘起電圧指令とを加算した電圧ベクトル(Vt)と励磁電流による1次抵抗電圧降下分を補償した電圧ベクトル(Vm)とのベクトル和からインバータの出力電圧指令(V1)を求め、
該出力電圧指令を基にインバータの出力電圧を制御することを特徴とするインバータの制御方法。 - 請求項1において、トルク電流による1次抵抗の電圧降下補償量(ΔVt)と、励磁電流による1次抵抗電圧降下補償量とは、外部設定により可変調整できることを特徴とするインバータの制御方法。
- 直流電力を可変周波数,可変電圧の交流電力に変換して誘導電動機を可変速駆動するインバータの制御方法において、
インバータ入力電流検出値(Idc)とインバータの入力指令値(Vdc * )とインバータ損失(Pinv)とインバータの出力電圧指令(V1)とから有効分電流(Iq)を算出し、該有効分電流による誘導電動機の1次抵抗による電圧降下を補償した電圧補償量(ΔVt)と、1次周波数指令に比例した誘起電圧指令とを加算した電圧ベクトル(Vt)を求め、
誘導電動機の励磁電流による1次抵抗電圧降下分を補償した電圧ベクトル(Vm)を求め、
前記1次周波数指令に比例した誘起電圧指令とを加算した電圧ベクトル(Vt)と励磁電流による1次抵抗電圧降下分を補償した電圧ベクトル(Vm)とのベクトル和からインバータの出力電圧指令(V1)を求め、
該出力電圧指令を基にインバータの出力電圧を制御することを特徴とするインバータの制御方法。 - 請求項3において、有効分電流による1次抵抗の電圧降下補償量(ΔVt)と、励磁電流による1次抵抗電圧降下補償量とは、外部設定により可変調整できることを特徴とするインバータの制御方法。
- 請求項1から請求項4の何れかにおいて、前記インバータ入力電流をインバータの直流入力側に配置したシャント抵抗によって検出することを特徴とするインバータの制御方法。
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