JP3857275B2 - 電動機駆動用インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機駆動用インバータ制御装置に関し、特に、電動機の省エネルギー化を実現するインバータ制御装置に関するものである。

ブロワ、ポンプ等を駆動する電動機の省エネルギー化を実現するためにインバータによる速度制御装置として、非特許文献１に記載の装置が提案されている。すなわち、この文献によれば、従来、風水力機械の風量、流量の調整方法として、速度制御を採用すれば、電動機の省エネルギー化が大幅に図れることがよく知られている。

さらに、従来のインバータによる速度制御装置の例として、非特許文献２に記載の装置が提案されている。図７は、この文献に記載される従来のベクトル制御方式のインバータによる誘導電動機の速度制御ブロック図を示す。

ベクトル制御による誘導電動機（以下「電動機」と称す）のインバータ制御装置の構成について、図７にもとづいて説明する。すなわち、インバータ制御装置２は、速度制御器７、励磁分電流制御器８、トルク分電流制御器９、２相→３相座標変換器１０、電力変換器１１、電流検出器１２、３相→２相座標変換器１３、回転磁界位置演算器１４、減算器１５から構成される。なお、１は三相電源、３は基本速度指令設定器、４は誘導電動機、５は速度検出器、６は負荷を示している。

このインバータ制御装置２の動作を、説明する。基本速度指令設定器３からの速度指令ω_r ^*と速度検出器５からの速度検出値ω_r との差がゼロとなるように、トルク分電流指令Ｉ₂ ^*を変化させる。一方、電動機４の固定巻線の各相に接続された電流検出器１２（他の2個は図示していない）に流れる電流は、３相→２相座標変換器１３により励磁分電流検出値Ｉ₀ とこれと直交するトルク分電流検出値Ｉ₂ とに変換され、これらが励磁分電流指令Ｉ₀ ^*、トルク分電流指令Ｉ₂ ^*に等しくなるように電流制御され、電動機４の駆動周波数並びに電圧または電流の位相を制御する。

図４は、前記非特許文献１に記載されている、ブロワにおけるインバータ制御とダンパ制御による電動機の所要電力の比較を説明する図である。縦軸は風圧、横軸は風量を示し、それぞれ定格時の風圧と風量を、各々１００％とし百分率表示とする。実線はファン特性曲線、破線は送風抵抗曲線を示す。

図７の電動機４の省エネルギー化について、被駆動体６としてブロワを例とし、図４にもとづき以下に説明する。

ブロワのファンの動作点は、送風抵抗曲線Ｒ₁ とファン特性曲線Ｎ₁ の交点Ａ₁ となる。Ａ₁ は１００％風量時の動作点を示しており、電動機４の所要電力は、Ｃ₀ Ｑ₁ Ａ₁ Ｃ₁ で囲まれた面積で示される。何故ならば、所要電力は、風量と風圧の積に比例するからである。そして風量を５０％にしたときの所要電力は、吐出し側にダンパを配置したダンパ制御によると、すなわち、風量を５０％にするためにダンパを絞ると、送風抵抗曲線はＲ₁ からＲ₂ に変わり、動作点はＡ₂ に移動する。

一方、インバータによる速度制御によると、風量を定格の５０％にするために、速度を低下すると、ファン特性はＮ₁ からＮ₂ に変わるので、動作点はＡ₃ に移る。この時の所要電力は、Ｃ₀ Ｑ₂ Ａ₃ Ｃ₃ で囲まれた面積になる。インバータ制御による省エネルギー量は、図４において右上がりの斜線を施した面積になる。したがって、インバータ速度制御による省エネルギー量は、ダンパ制御で風量を調節する場合に比べて、大幅に節約できる（非特許文献１）。

さらに、ブロワやポンプのように、トルク負荷が回転速度の２乗に比例する、いわゆる２乗低減トルク負荷の場合、電動機４の所要電力は負荷トルクＴと回転速度ωの積に比例するから、結局、電動機４の所要電力は回転速度の３乗に比例する。したがって、２乗低減トルク負荷を駆動するインバータの速度制御によって電動機４の速度を僅かだけ下げても、電動機４が大きな省エネルギー効果を生む。

以上、省エネルギー効果を、ブロワの流量−風圧特性グラフを用い電動機４の所要動力（または電力）に基づき説明したが、ポンプの場合については、ファンの場合と違って、実揚程があるので流量がゼロでも揚程（圧力）はゼロにならない点について異なるが、省エネルギー効果の基本的な考え方は適用できる。
山川孝之、"省エネルギーへのインバータ応用"、オートメーション、Ｖｏｌ.４１、Ｎｏ.８ Ａｕｇｕｓｔ １９９６ 正田英介、"ベクトル制御による誘導電動機の速度制御構成"、パワーエレクトロニクス、１８５ページ、平成１１年４月３０日

しかしながら、省エネルギー効果については、上述した従来技術では満足できるものではない。本発明の目的は、電動機が被駆動体を駆動する場合に許容できる速度の限界内において、電動機の省エネルギー化をさらに向上させた電動機用インバータ制御装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、この発明は、インバータ主回路が出力する交流電力の電圧または電流および周波数を、基本速度指令手段で設定した速度指令値に制御するインバータ制御装置を備え、電動機の速度に応じ負荷トルクが１次元または多次元に変化する被駆動体を駆動する電動機を、所望の速度で運転する電動機駆動用インバータ制御装置において、基本速度指令設定手段により設定する基本速度指令値の絶対値と基本速度指令値に対する負荷トルクとの乗算により得られる第１の電力指令値を一定の割合で減じた第２の電力指令値を定める電力指令演算手段と、電動機のトルク分電流検出値と速度検出値とから定まる実電力値を演算する実電力演算手段と、第２の電力指令値から実電力値を減じた電力偏差にもとづいて、基本速度指令の速度垂下量を定める速度垂下手段とを備え、電力偏差が負の値のとき、基本速度指令値から速度垂下量を加えた速度を速度指令値とし、電力偏差がゼロまたは正の値のとき、基本速度指令値を速度指令値とすることを特徴とする。

電力指令演算手段は、基本速度指令設定手段からの基本速度指令値の絶対値を得る絶対値演算手段と、被駆動体の速度と負荷トルクとの関係を示すテーブルを記憶し、基本速度指令値に対応した負荷トルクを読み出す速度−負荷トルクテーブルと、読み出された負荷トルクと演算された絶対値とを乗算して、第１の電力指令値を得る乗算手段と、第１の電力指令値にゲイン定数（１未満の正の数）を乗じて第２の電力指令値を得るゲイン設定手段とからなることを特徴とする。

さらに、速度垂下手段は、電力偏差から前記速度垂下量を演算する比例調節手段と、比例調節手段の出力が、ゼロまたは正の値の場合には、ゼロを出力し、比例調節手段の出力が負の値の場合には、速度垂下量の限界を規定して出力するリミッタ手段とからなることを特徴とする。

さらに、基本速度指令値が、電動機の加減速運転の経過時間の平方根に比例し、かつ、電動機および被駆動体の総合慣性モーメントの平方根に反比例することを特徴とする。

本発明によれば、電動機を定速運転並びに加減速運転するときに、電動機の消費電力をさらに低減できる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る電動機用インバータ制御装置の構成を示す図である。図１において、図７と機能が同一ものについて同一の符号を付す。すなわち、インバータ制御装置２０は、速度指令補正器２１、加算器２２、速度制御器７、励磁分電流制御器８、トルク分電流制御器９、２相→３相座標変換器１０、電力変換器１１、電流検出器１２、３相→２相座標変換器１３、回転磁界位置演算器１４、減算器１５、１６、１７から構成される。

図２は、速度指令補正器２１の構成を示すブロック図である。速度指令補正器２１は、電力指令演算器２３、速度垂下器２４、実電力演算器２５から構成される。電力指令演算器２３は、基本速度指令設定器３からの電動機４の基本速度指令ω_r ^*、電動機４の負荷トルクＴ（ω）にもとづき、第２の電力指令Ｐ^**を出力する。実電力演算器２５は、速度検出器５からの電動機４の速度検出値ω_r、３相→２相変換器１３からのトルク分電流検出値Ｉ₂ にもとづき、実電力Ｐ_r を出力する。速度垂下器２４は、第２の電力指令Ｐ^**から実電力Ｐ_r を減じた電力偏差ε_p にもとづき、速度垂下量βを出力する。

以上のような機能を有する電力指令演算器２３、速度垂下器２４、実電力演算器２５の構成および動作をさらに詳細に説明する。

電力指令演算器２３は、絶対値演算器２７、速度―負荷トルクテーブル２８、乗算器２９、ゲイン設定器３０から構成される。

絶対値演算器２７は、基本速度指令設定器３からの基本速度指令値ω_r ^*を入力とし、基本速度指令値ω_r ^*の絶対値｜ω_r ^*｜を出力する。

速度−負荷トルクテーブル２８は、電動機４の回転軸に連結された被駆動体６、例えば、ブロワ、ポンプのファンまたはプロペラの速度と負荷トルクＴ（ω）との関係を示すテーブルを記憶し、必要に応じて読み出すことができる。

乗算器２９は、絶対値｜ω_r ^*｜と基本速度指令ω_r ^*に対応した負荷トルクＴ（ω）とを入力とし、これらを乗算して第１の電力指令Ｐ^* を出力する。

ゲイン設定器３０は、第１の電力指令Ｐ^* を入力とし、ゲイン定数Ｋを乗じた第２の電力指令Ｐ^**を出力する。

実電力演算器２５は、３相→２相変換器１３からのトルク分電流検出値Ｉ₂ と、速度検出器５からの速度検出値ω_r とを入力とし、電動機４の実電力Ｐ_r を出力する。

速度垂下器２４は、減算器２６、関数器３１、リミッタ３２から構成される。

減算器２６は、第２の電力指令Ｐ^**から実電力Ｐ_r を差引いて、電力偏差ε_p を出力する。

関数器３１は、正の比例定数Ｋ_p とする関数を与え、電力偏差ε_p を入力としε_p ×Ｋ_p を出力する。

リミッタ３２は、入力がゼロまたは正の値に対してはゼロを出力し、入力が負の値に対しては許容限界範囲を規定して出力する。入力が負の値の場合に、許容限界範囲を規定する理由は、電動機４の運転仕様上、基本速度指令ω_r ^*を低減させ得る速度変化量には限界があるからである。基本速度指令に対する許容速度低減率の限界（以下「限界速度低減率」と称す）をαとすると、速度垂下量βの限界β_L は、限界速度低減率αと基本速度指令ω_r ^*とを乗算したものである。

以上の構成の速度指令補正器２１によれば、基本速度指令ω_r ^*から電動機４の第２の電力指令Ｐ^**から実電力Ｐ_r を差引いた電力偏差ε_p が負の値のとき、速度垂下量βを加えた新たな速度指令ω_r ^** を生成する。また、電力偏差ε_p がゼロまたは正の値のとき、速度垂下量βをゼロとし新たな速度指令ω_r ^** は元の基本速度指令ω_r ^*のままとなる。

次に、インバータ制御装置２０の動作について図１および図２にもとづき説明する。

基本速度指令設定器３が出力する基本速度指令ω_r ^*が、インバータ制御装置２０に入力されると、先ず、絶対値演算器２７によって基本速度指令ω_r ^*の絶対値｜ω_r ^*｜を演算し出力する。次に、速度−負荷トルクテーブル２８に予め記憶された速度−負荷トルク特性Ｔ（ω）から、絶対値｜ω_r ^*｜に応じた負荷トルクＴ（｜ω^* ｜）を読み出す。この負荷トルクＴ（｜ω^* ｜）と絶対値｜ω_r ^*｜を乗算器２９に入力し、乗算した結果得られる第１の電力指令Ｐ^* 、
（数１）
Ｐ^* ＝Ｔ（｜ω_r ^*｜）×｜ω_r ^*｜
を出力する。

ゲイン設定器３０で、第１の電力指令Ｐ^* とゲイン定数Ｋ（１未満の正の数）とを乗算し、電動機４の第２の電力指令Ｐ^**、
（数２）
Ｐ^**＝Ｋ×Ｐ^* ＝Ｋ×Ｔ（｜ω_r ^*｜）×｜ω_r ^*｜
を出力する。

図５は、速度指令補正器２１におけるゲイン定数Ｋを説明するための図である。縦軸は電動機４の所要電力Ｐ、横軸は電動機４の速度ωを示す。ここで、例えば、電動機４の負荷トルクＴ（ω）が速度ωに対し２乗低減トルク特性であれば、電動機４の所要電力Ｐは、Ｐ＝ａ｜ω｜³ で示されるように、速度ωの３乗に比例する。ここで、ａは比例定数である。

さらに、ゲイン定数Ｋと電動機４の限界速度低減率αとの関係を、図５にもとづいて説明する。グラフＰ上の点Ｅは、電動機４の速度指令が基本速度指令｜ω_r ^*｜の場合の電動機４の第１の電力指令Ｐ^* を示す。点Ｆは、電動機４の速度が基本速度指令｜ω_r ^*｜であり、所要電力が第１の電力指令Ｐ^* にゲイン定数Ｋを乗算した第２の電力指令Ｐ^**である点を示す。点Ｇを、第２の電力指令Ｐ^**を与える速度ω₀ とすると、速度ω₀ 、第２の電力指令Ｐ^**なる点はグラフＰ上に位置する。したがって、ゲイン定数Ｋと限界速度低減率αとの関係は、
（数３）
α＝１−（Ｋ）^1/3
となる。

図６は、本発明の運転モードにおける電動機４の速度パターンを示す図である。縦軸は電動機４の運転速度、横軸は経過時間を示す。

例えば、図５において、電動機４の速度指令ω_r ^*が図６における定速運転時の速度とし、仮にゲイン定数Ｋが０．８６とすると、電動機４の所要電力は定速運転時に比べて１４％の省エネルギー効果を得る。一方、そのときの限界速度低減率αがおよそ５％となる。

一方、３相→２相座標変換器１３は、電動機４の固定巻線の各相に接続された電流検出器１２から検出した電動機４の各相の電流検出値を、トルク分電流検出値Ｉ₂ と励磁分電流検出値Ｉ₀ とに変換する。トルク分電流検出値Ｉ₂ は、速度指令補正器２１に出力される。

速度指令補正器２１の実電力演算器２５は、トルク分電流検出値Ｉ₂ から図示しない電流−トルク変換器により求めた電動機４の実際の負荷トルクＴ（ω）と、速度検出器１２から検出した速度検出値ω_r を乗算し、電動機４の実電力Ｐ_r を求め、速度垂下器２４に出力する。

速度垂下器２４の減算器２６は、第２の電力指令Ｐ^**から実電力Ｐ_r を差引いて電力偏差ε_p を求め、関数器３１に出力する。

電流偏差ε_p が負の値のとき、関数器３１で正の比例定数Ｋ_p が乗算されて、リミッタ３２に出力される。

ε_p ×Ｋ_p が限界値β_L を越えないならば、速度垂下量βは、
（数４）
β＝Ｋ_p ×（Ｐ^**−Ｐ_r ）＝Ｋ_p ×ε_p
となる。ここで、関数器３１は、例えば、電力偏差ε_p を小さく抑えるとき、Ｋ_p を大きく、電力偏差ε_p を大きくするとき、Ｋ_p を小さく設定する。

ε_p ×Ｋ_p が限界値β_L を越えたならば、速度垂下量βはβ_L となる。

演算された速度垂下量βは、加算器２２に出力される。加算器２２では、基本速度指令ω_r ^*に速度垂下量βを加えて、新たな速度指令ω_r ^** を生成する。

一方、電力偏差ε_p がゼロまたは正の値のときには、リミッタ３２は、β＝０を出力する。この場合、加算器２２の出力である新たな速度指令ω_r ^** は元の基本速度指令ω_r ^*のままとなる。

以上、電動機４が図６に示す速度パターンにおける定速運転モード、すなわち、電動機４の基本速度指令ω_r ^*が一定である運転モードに対し、基本速度指令ω_r ^*を速度垂下量βによって補正した速度を新たな速度指令値ω_r ^** とし速度制御することについて説明したが、加減速運転モード、すなわち、電動機４の基本速度指令ω_r ^*が時間に応じて変化するモードの場合について説明する。

慣性モーメントＪを有する電動機４および被駆動体６を微小時間ｄｔの間に速度零からωまで加速するために必要な電動機４の負荷トルクτは、
（数５）
τ＝Ｊ×ｄω／ｄｔ
である。

また、被駆動体６を加速するための電動機４の所要電力Ｐは、
（数６）
Ｐ＝τ×ω＝（１／２）×Ｊ×ｄω² ／ｄｔ
となる。

電動機４の所要電力Ｐが最小となる電動機４の速度ω_m ^*は、数６において、ｄＰ／ｄｔ＝０と置いてωを求めると、
（数７）
ω_m ^*＝√（（２Ｃ／Ｊ）×ｔ）
となる。ここで、Ｃは定数である。

したがって、電動機４の基本速度指令ω_m ^*が、電動機４および被駆動体６の総合慣性モーメントＪの平方根に反比例し、かつ、基本速度指令ω_m ^*を速度垂下量βによって補正した新たな速度指令値ω_r ^** によって速度制御すると、電動機４の所要電力が最小となる。すなわち、電動機４の基本速度指令ω_r ^*が数７に示す速度ω_m ^*のとき、電動機４の省エネルギー化を最大限に図ることができる。

次に、本発明の電動機駆動用インバータ制御装置を用いて、被駆動体をブロワとした場合の電動機４の省エネルギー化について図３にもとづいて説明する。図３において、インバータ制御の場合、電動機４の速度がω_r ^*のときの風量をＱ₃ とすると、前述したようにダンパ制御の場合、風量Ｑ₃ を与える風圧はＣ₄ となる。したがって、インバータ制御による省電力は、右上がり斜線を施した面積Ｃ₅ Ａ₅ Ａ₄ Ｃ₄ に相当する。さらに、電動機４の速度がω_r ^** のときの風量をＱ₄ とすると、電動機４の所要電力は面積Ｃ₀ Ｑ₄ Ａ₆ Ｃ₆ に相当する。したがって、インバータ制御による省電力は右下がり斜線を施した面積分だけ増えることになる。すなわち、電動機４の電力指令Ｐ^**から実電力Ｐ_r を差引いた電力偏差ε_p に応じた速度垂下量βによって基本速度指令ω_r ^*またはω_m ^*を低減する補正したインバータ制御による電動機４の省エネルギー効果を一層図ることができる。

以上の実施の形態では、電動機４の速度を変える方法としてベクトル制御の場合について説明したが、ベクトル制御の代わりに、Ｖ／Ｆ制御を用いても良い。

本発明の一実施の最良の形態に係る電動機用インバータ制御装置の構成を示す図である。 本発明の速度指令補正器の制御ブロック図を示す。 本発明に係るブロワにおけるインバータ制御とダンパ制御による所要電力の比較を説明する説明図である。 従来のブロワにおけるインバータ制御とダンパ制御による所要電力の比較を説明する説明図である。 本発明の速度補正器におけるゲイン定数Ｋを説明する説明図である。 本発明の運転モードにおける電動機の速度パターンを示す図である。 従来の電動機用インバータ制御装置を示す制御ブロック図である。

符号の説明

１ 三相電源
２ インバータ制御装置
３ 基本速度指令設定器
４ 誘導電動機
５ 速度検出器
６ 負荷
７ 速度制御器
８ 励磁分電流制御器
９ トルク分電流制御器
１０ ２相−３相変換器
１１ 電力増幅器
１２ ３相−２相変換器
１３ 回転磁界位置演算器
１５、１６、１７、２６ 減算器
２０ インバータ制御装置
２１ 速度指令補正器
２２ 加算器
２３ 電力指令演算器
２４ 速度垂下器
２５ 実電力演算器
２７ 絶対値演算器
２８ 速度―負荷テーブル
２９ 乗算器
３０ ゲイン設定器
３１ 関数器
３２ リミッタ
ω_r ^* 基本速度指令
ω_m ^* 基本速度指令
ω_r ^** 新たな速度指令
ω 速度検出値
β 速度垂下量
Ｉ₀ 励磁分電流検出値
Ｉ₂ トルク分電流検出値
Ｉ_d0 ^* 励磁分電流指令
Ｉ₂ ^* トルク分電流指令
Ｐ^* 第１の電力指令
Ｐ^** 第２の電力指令
Ｐ_r 実電力

Claims (4)

1. インバータ主回路が出力する交流電力の電圧または電流および周波数を、基本速度指令手段で設定した速度指令値に制御するインバータ制御装置を備え、電動機の速度に応じ負荷トルクが変化する被駆動体を駆動する前記電動機を、所望の速度で運転する電動機駆動用インバータ制御装置において、
   前記基本速度指令設定手段により設定する基本速度指令値の絶対値と、前記基本速度指令値に対する負荷トルクとの乗算により得られる第１の電力指令値を一定の割合で減じた第２の電力指令値を定める電力指令演算手段と、
   前記電動機のトルク分電流検出値と速度検出値とから定まる実電力値を演算する実電力演算手段と、
   前記第２の電力指令値から前記実電力値を減じた電力偏差にもとづいて、前記基本速度指令の速度垂下量を定める速度垂下手段とを備え、
   前記電力偏差が負の値のとき、前記基本速度指令値から前記速度垂下量を加えた速度を前記速度指令値とし、前記電力偏差がゼロまたは正の値のとき、基本速度指令値を前記速度指令値とすることを特徴とする電動機駆動用インバータ制御装置。
2. 前記電力指令演算手段は、
   前記基本速度指令設定手段からの基本速度指令値の絶対値を得る絶対値演算手段と、
   前記被駆動体の速度と前記負荷トルクとの関係を示すテーブルを記憶し、前記基本速度指令値に対応した負荷トルクを読み出す速度−負荷トルクテーブルと、
   前記読み出された負荷トルクと前記演算された絶対値とを乗算して、前記第１の電力指令値を得る乗算手段と、
   前記第１の電力指令値にゲイン定数（１未満の正の数）を乗じて第２の電力指令値を得るゲイン設定手段とからなることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ制御装置。
3. 前記速度垂下手段は、
   前記電力偏差から前記速度垂下量を演算する比例調節手段と、
   前記比例調節手段の出力が、ゼロまたは正の値の場合には、ゼロを出力し、前記比例調節手段の出力が負の値の場合には、前記速度垂下量の限界を規定して出力するリミッタ手段とからなることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動用インバータ制御装置。
4. 前記基本速度指令値が、前記電動機の加減速運転の経過時間の平方根に比例し、かつ、前記電動機および被駆動体の総合慣性モーメントの平方根に反比例することを特徴とする請求項１，２または３に記載の電動機駆動用インバータ制御装置。

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