JP3827052B2 - 誘導電動機の可変速制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次角周波数指令値と二次磁束指令値とを用いて交流電圧指令値を演算し、この電圧指令値をインバータ等の電力変換回路に与えて誘導電動機を駆動する可変速制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来の誘導電動機の可変速制御装置の全体ブロック図を示す。
同図において、指令値発生回路３から出力される一次角周波数指令値ω₁ ^*と二次磁束指令値φ₂ ^*とに基づいて、電圧指令値演算回路４が回転座標系（ｄ−ｑ軸）における電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を演算する。次に、ω₁ ^*を入力とする積分器５により、位相角指令値θ^*を演算する。
ここで、前記回転座標系は一次角周波数指令値ω₁ ^*と等しい角速度で回転するものとし、そのｄ軸は位相角指令値θ^*の方向に一致する座標軸、ｑ軸はｄ軸に直交する座標軸である。
【０００３】
座標変換回路７は、前記ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を入力として前記位相角指令値θ^*による回転座標変換を行い、交流電圧指令値ベクトルｖ₁ ^*を出力する。インバータ等の電力変換回路１は前記交流電圧指令値ベクトルｖ₁ ^*に従って各相の交流電圧を出力し、誘導電動機２を駆動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の可変速制御装置において、電圧指令値演算回路４における演算誤差や電力変換回路１が出力する交流電圧の指令値と実際値との誤差等により、位相角指令値θ^*の方向によって決まる二次磁束指令値φ₂ ^*と誘導電動機２に発生する二次磁束との間にずれを生じることがある。
このため、指令値通りの磁束を発生できなくなり、発生トルクが減少する、あるいは電動機効率が低下する等の問題を生じていた。
【０００５】
そこで本発明は、二次磁束指令値と誘導電動機に実際に発生する二次磁束との間のずれを補償する手段を備え、指令値通りの二次磁束を発生させて良好な制御を実現し、所望のトルクの発生や電動機効率の向上を可能にした誘導電動機の可変速制御装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
まず、ｄ−ｑ軸回転座標系から観測した誘導電動機の電圧方程式は、次の数式１によって表される。
【０００７】
【数１】

【０００８】
なお、数式１において、ｖ_1dは一次電圧ｄ軸成分、ｖ_1qは一次電圧ｑ軸成分、ｉ_1dは一次電流ｄ軸成分、ｉ_1qは一次電流ｑ軸成分、φ_2dは二次磁束ｄ軸成分、φ_2qは二次磁束ｑ軸成分、Ｒ₁は一次（固定子）巻線抵抗、Ｒ₂は二次（回転子）導体抵抗、Ｌσは漏れインダクタンス、ω₁は一次角周波数、ω₂は二次（回転子）角周波数、τ₂は二次時定数、ｐは微分演算子（＝ｄ／ｄｔ）である。
【０００９】
ここで、制御装置において数式１の演算に使用する電圧、電流、電動機定数が、制御している誘導電動機のそれらと誤差がない場合を考える。このとき、誘導電動機の二次磁束φ₂の向きと制御装置の二次磁束指令値φ₂ ^*との間にはずれが生じていない。
一次角周波数指令値ω₁ ^*及び二次磁束指令値φ₂ ^*が与えられると、数式１においてφ_2d＝φ₂ ^*，φ_2q＝０，ω₁＝ω₁ ^*とおくことができ、一次電圧指令値のｄ軸成分ｖ_1d ^*、ｑ軸成分ｖ_1q ^*は数式２のようになる。
【００１０】
【数２】
ｖ_1d ^*＝（Ｒ₁＋ｐＬσ）ｉ_1d−ω₁ ^*Ｌσｉ_1q
ｖ_1q ^*＝ω₁ ^*φ₂ ^*＋（Ｒ₁＋ｐＬσ）ｉ_1q＋ω₁ ^*Ｌσｉ_1d
【００１１】
次に、誘導電動機の二次回路の誘起電圧ベクトルｅ₂＝（ｅ_2d，ｅ_2q）^T（以下、誘起電圧という。（ ）^T：行列（ ）の転置行列を表す）について考える。前述した数式１の第１行、第２行を変形することにより、誘起電圧のｄ軸成分ｅ_2d、ｑ軸成分ｅ_2qは、次の数式３によって表される。ここで、数式３におけるｖ_1d，ｖ_1qは、電力変換回路に入力される交流電圧指令値ベクトルｖ₁ ^*または誘導電動機の端子電圧検出値から求めることができる。
【００１２】
【数３】
ｅ_2d＝ｐφ_2d−ω₁φ_2q＝ｖ_1d−（Ｒ₁＋ｐＬσ）ｉ_1d＋ω₁Ｌσｉ_1q
ｅ_2q＝ω₁φ_2d＋ｐφ_2q＝ｖ_1q−（Ｒ₁＋ｐＬσ）ｉ_1q＋ω₁Ｌσｉ_1d
【００１３】
次に、前述した如く、交流電圧指令値の演算誤差等に起因して、誘導電動機の二次磁束φ₂の向きと制御装置の二次磁束指令値φ₂ ^*との間にずれが発生した場合を考える。
図５は、誘起電圧ｅ₂と二次磁束φ₂との関係を表したベクトル図である。ｄ−ｑ軸は制御装置の内部演算で使用される座標軸、ｄ_m−ｑ_m軸は誘導電動機の二次磁束φ₂に基づく座標軸である。
【００１４】
誘起電圧ｅ₂は二次磁束φ₂と直交するため、制御装置の座標軸（ｄ−ｑ軸）と誘導電動機の座標軸（ｄ_m−ｑ_m）との間にずれ（以下、軸ずれという）がない場合には、誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dは零であるが、軸ずれがある場合はｅ_2d≠０となる。
また、図５に示すように軸ずれ角を△θとすると、一次角周波数指令値ω₁ ^*の符号（正負）に応じて、△θとｅ_2dの符号には数式４の関係がある。
【００１５】
【数４】
ω₁ ^*≧０のとき、
△θ＞０のとき、ｅ_2d＞０
△θ＜０のとき、ｅ_2d＜０
ω₁ ^*＜０のとき、
△θ＞０のとき、ｅ_2d＜０
△θ＜０のとき、ｅ_2d＞０
【００１６】
従って、誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dを入力とする比例演算または比例積分演算を行い、その演算結果に第１の（もとの）一次角周波数指令値ω₁ ^*の符号データを付加した信号（位置ずれ量）△ω₁を第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*へ補償し、その結果を第２の一次角周波数指令値ω₁ ^**として電圧指令値演算、位相角指令値演算の入力として用いれば、軸ずれ角△θを零とする動作を実現することができる。
【００１７】
数式５及び数式６に、信号△ω₁及び第２の一次角周波数指令値ω₁ ^**の演算式を示す。この例は、ｅ_2dを入力として比例積分演算を行う例である。なお、数式５において、sgn（ω₁ ^*）はω₁ ^*の符号データであり、ω₁ ^*≧０のときsgn（ω₁ ^*）＝１、ω₁ ^*＜０のときsgn（ω₁ ^*）＝−１である。また、Ｋ_pは比例ゲイン、Ｔ_Iは積分時定数である。
【００１８】
【数５】
△ω₁＝sgn（ω₁ ^*）・Ｋ_P｛ｅ_2d＋（１／Ｔ_I）∫ｅ_2dｄｔ｝
【００１９】
【数６】
ω₁ ^**＝ω₁ ^*−Δω₁
【００２０】
このように、本発明では、制御装置の座標軸と誘導電動機の座標軸との間に軸ずれがあり、誘導電動機の二次磁束φ₂の向きと制御装置の二次磁束指令値φ₂ ^*との間にずれが生じている場合には誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dが零にならないことに着目したもので、前記軸ずれ角を零にするように一次角周波数指令値を調節することを要旨とする。
【００２１】
すなわち、請求項１記載の発明は、指令値発生回路からの一次角周波数指令値と二次磁束指令値とを用いて一次角周波数指令値と等しい角速度で回転するｄ−ｑ軸回転座標上の交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
一次角周波数指令値を積分して位相角指令値を演算する積分手段と、
前記交流電圧指令値と前記位相角指令値とから求められた交流電圧指令値ベクトルに従って電力変換を行い、誘導電動機に交流電圧を供給する電力変換回路とを有する誘導電動機の可変速制御装置において、
誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、
誘導電動機の誘起電圧ベクトルのｄ軸成分（前記位相角指令値と同方向の軸成分）を、前記交流電圧指令値ベクトルと前記電流検出手段の出力と第１の一次角周波数指令値と電動機定数とから演算する誘起電圧演算手段と、
この誘起電圧演算手段の演算結果から、誘導電動機の二次磁束の座標軸と二次磁束指令値の座標軸との間の軸ずれを、一次角周波数の補償量である位置ずれ量として演算する位置ずれ量演算手段と、
第１の一次角周波数指令値へ前記位置ずれ量を補償することにより、前記電圧指令値演算手段及び積分手段に与える第２の一次角周波数指令値を生成する補償手段と、
を備えたものである。
【００２２】
請求項２記載の発明は、上記誘起電圧演算手段が、誘導電動機の端子電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力と第１の一次角周波数指令値と電動機定数とから誘起電圧ベクトルのｄ軸成分を演算するものである。
【００２３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した可変速制御装置において、
前記位置ずれ量演算手段が、前記誘起電圧ベクトルのｄ軸成分を入力として比例演算または比例積分演算を行い、その演算結果と第１の一次角周波数指令値の符号データとを乗算して位置ずれ量を演算するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に記載した発明の実施形態である。なお、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００２５】
図１において、図６と同様に、指令値発生回路３は一次角周波数指令値ω₁ ^*（第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*）及び二次磁束指令値φ₂ ^*を出力する。一次角周波数指令値ω₁ ^*は加算器からなる補償器１２に入力されており、後述する位置ずれ量演算回路１１からの位置ずれ量△ω₁を減算して第２の一次角周波数指令値ω₁ ^**を出力する。電圧指令値演算回路４は前記φ₂ ^*，ω₁ ^**を入力としてｄ−ｑ軸上の電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を演算する。積分器５はω₁ ^**を積分して位相角指令値θ^*を演算する。座標変換回路７は前記ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*に対して前記θ^*による座標変換を行い、交流電圧指令値ベクトルｖ₁ ^*を演算する。インバータ等の電力変換回路１は、このベクトルｖ₁ ^*に基づく各相の交流電圧を発生し、誘導電動機２を駆動する。
【００２６】
誘起電圧演算回路１０は、前記交流電圧指令値ｖ₁ ^*と電流検出器６により得られる電流検出値ｉ₁とを入力として、誘導電動機２の誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dを前記数式３に基づいて演算する。
位置ずれ量演算回路１１には、このｄ軸成分ｅ_2dと第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*とが入力されており、前述の数式５を用いて位置ずれ量△ω₁を演算する。そして、この位置ずれ量△ω₁は補償器１２に図示の符号で入力されて第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*から減じられ、第２の一次角周波数指令値ω₁ ^**が演算される。
これにより、数式４に示したように、誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dと第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*の符号とに応じた軸ずれ角Δθを零とする制御が可能になり、制御装置の座標軸（ｄ−ｑ軸）と誘導電動機の座標軸（ｄ_m−ｑ_m）とを一致させることができる。
【００２７】
次に、図２は、請求項２に記載した発明の実施形態を示している。
この実施形態は、誘起電圧演算回路１０における誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dの演算に、図１の交流電圧指令値ベクトルｖ₁ ^*に代えて電圧検出器９による端子電圧検出値ｖ₁を用いるようにしたものであり、その他の構成は図１と同様である。
本実施形態の基本的な動作は図１と同一であるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２８】
図３は、請求項３に記載した発明の実施形態の主要部であり、図１または図２における位置ずれ量演算回路１１の構成を示している。
この演算回路１１は、誘起電圧ｅ₂のｄ軸成分ｅ_2dが入力されるＰ（比例）調節器２０と、第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*が入力される符号演算回路２２と、ＰＩ調節器２０及び符号演算回路２２の出力を乗算する乗算器２１とから構成されている。既に述べたように、符号演算回路２２はω₁ ^*≧０のときに１、ω₁ ^*＜０のときに−１の符号データsgn（ω₁ ^*）を出力する。
乗算器２１では、以下の数式７の演算により位置ずれ量△ω₁を演算し、この位置ずれ量△ω₁を第１の一次角周波数指令値ω₁ ^*の補償に用いる。
【００２９】
【数７】
△ω₁＝sgn（ω₁ ^*）・Ｋ_P・ｅ_2d
【００３０】
更に、図４は、請求項３に記載した発明の他の実施形態の主要部であり、位置ずれ量演算回路１１ＡがＰＩ（比例積分）調節器２０Ａを備えている構成である。
この実施形態における位置ずれ量△ω₁の演算は数式５に示したとおりであり、乗算器２１からは数式５により演算された位置ずれ量△ω₁が出力される。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、軸ずれがある場合の誘起電圧ベクトルのｄ軸成分に着目し、このｄ軸成分及び第１の一次角周波数指令値の符号を使用して比例演算や比例積分演算により求めた位置ずれ量により第１の一次角周波数指令値を補償して第２の一次角周波数指令値を生成するため、制御装置と誘導電動機との間の軸ずれ角を零にすることができ、指令値通りの磁束やトルクを発生させて誘導電動機を高効率で可変速制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載した発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】請求項２に記載した発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】請求項３に記載した発明の実施形態の主要部を示すブロック図である。
【図４】請求項３に記載した発明の他の実施形態の主要部を示すブロック図である。
【図５】誘起電圧と磁束との関係を表すベクトル図である。
【図６】従来技術を示す全体のブロック図である。
【符号の説明】
１ 電力変換回路
２ 誘導電動機（ＩＭ）
３ 指令値発生回路
４ 電圧指令値演算回路
５ 積分器
６ 電流検出器
７ 座標変換回路
９ 電圧検出器
１０ 誘起電圧演算回路
１１，１１Ａ 位置ずれ量演算回路
１２ 補償器（加算器）
２０ Ｐ調節器
２０Ａ ＰＩ調節器
２１ 乗算器
２２ 符号演算回路

Claims (3)

1. 指令値発生回路からの一次角周波数指令値と二次磁束指令値とを用いて一次角周波数指令値と等しい角速度で回転するｄ−ｑ軸回転座標上の交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
   一次角周波数指令値を積分して位相角指令値を演算する積分手段と、
   前記交流電圧指令値と前記位相角指令値とから求められた交流電圧指令値ベクトルに従って電力変換を行い、誘導電動機に交流電圧を供給する電力変換回路とを有する誘導電動機の可変速制御装置において、
   誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、
   誘導電動機の誘起電圧ベクトルのｄ軸成分を、前記交流電圧指令値ベクトルと前記電流検出手段の出力と第１の一次角周波数指令値と電動機定数とから演算する誘起電圧演算手段と、
   この誘起電圧演算手段の演算結果から、誘導電動機の二次磁束の座標軸と二次磁束指令値の座標軸との間の軸ずれを、一次角周波数の補償量である位置ずれ量として演算する位置ずれ量演算手段と、
   第１の一次角周波数指令値へ前記位置ずれ量を補償することにより、前記電圧指令値演算手段及び積分手段に与える第２の一次角周波数指令値を生成する補償手段と、
   を備えたことを特徴とする誘導電動機の可変速制御装置。
2. 指令値発生回路からの一次角周波数指令値と二次磁束指令値とを用いて一次角周波数指令値と等しい角速度で回転するｄ−ｑ軸回転座標上の交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
   一次角周波数指令値を積分して位相角指令値を演算する積分手段と、
   前記交流電圧指令値と前記位相角指令値とから求められた交流電圧指令値ベクトルに従って電力変換を行い、誘導電動機に交流電圧を供給する電力変換回路とを有する誘導電動機の可変速制御装置において、
   誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、
   誘導電動機の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   誘導電動機の誘起電圧ベクトルのｄ軸成分を、前記電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力と第１の一次角周波数指令値と電動機定数とから演算する誘起電圧演算手段と、
   この誘起電圧演算手段の演算結果から、誘導電動機の二次磁束の座標軸と二次磁束指令値の座標軸との間の軸ずれを、一次角周波数の補償量である位置ずれ量として演算する位置ずれ量演算手段と、
   第１の一次角周波数指令値へ前記位置ずれ量を補償することにより、前記電圧指令値演算手段及び積分手段に与える第２の一次角周波数指令値を生成する補償手段と、
   を備えたことを特徴とする誘導電動機の可変速制御装置。
3. 請求項１または２に記載した誘導電動機の可変速制御装置において、
   前記位置ずれ量演算手段が、前記ｄ軸成分を入力として比例演算または比例積分演算を行い、その演算結果と第１の一次角周波数指令値の符号データとを乗算して前記位置ずれ量を演算することを特徴とする誘導電動機の可変速制御装置。

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