JP3918148B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機を可変速制御するインバータ装置に関する。
【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。この方式は、負荷が加わると、電動機の１次抵抗（ｒ１）による電圧降下のために、電動機の誘起電圧（Ｅｍ）が減少し、この結果、電動機磁束が小さくなるので、最大トルクが減少するという問題がある。
そこで、汎用インバータ等では、中低速領域でのトルクアップを図るためにトルクブースト機能が内蔵されている。高始動トルクが要求される場合、ブースト電圧を低速領域で大きく設定し、ブースト電圧をＶ／ｆ一定電圧指令（誘起電圧指令Ｅｍ*）に加算してインバータ出力電圧指令とする。しかし、ブースト電圧を大きくすると、無負荷時において過励磁になる。過励磁になると、電動機磁束が飽和するため、励磁リアクタンスが小さくなり、励磁電流が大きくなる。この結果、電動機の温度が上昇したり、インバータが過大電流になり、過電流保護や過負荷保護が動作し、トリップする恐れもある。
過励磁を抑制する方式は、例えば特開平７−１６３１８８号公報に記載されている。この方式では、運転開始前に周波数指令を零にして電動機に直流電流を流し、Ｕ相の電流が励磁電流設計値相当になった時点のインバータ出力電圧を０Ｈｚ時のトルクブースト電圧ΔＶｚ０に設定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この方式は、無負荷時の電流が定格の励磁電流（励磁電流設計値）になるように、トルクブースト電圧を設定するため、過励磁にならない。しかし、この場合、負荷時においては１次抵抗電圧降下が大きくなるため、誘起電圧（電動機磁束）が減少し、出力トルクが低下するという問題がある。このように、従来は、トルクブースト電圧を大きくすれば、トルクは出るが、軽負荷時に過励磁になる。逆に、トルクブースト電圧を小さくすれば、過励磁にならないが、トルクが出ないという相反する問題があった。
【０００４】
本発明の課題は、汎用インバータ等において高始動トルクを得るため、トルクブースト電圧を大きく設定しても、過励磁を防止するに好適なインバータ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、誘導電動機の励磁電流検出手段と、励磁電流制限レベル設定手段と、インバータの周波数指令値の増加に伴い減少するトルクブースト電圧指令を出力するトルクブースト電圧指令手段と、励磁電流検出手段による励磁電流検出値が励磁電流制限レベル以下となるようにトルクブースト電圧指令を変更するトルクブースト電圧補償手段を備え、該トルクブースト電圧補償手段は、トルクブースト電圧指令の変更量を制限するリミッタ処理部を有する。
ここで、トルクブースト電圧補償手段のリミッタ処理部が、トルクブースト電圧指令を反転し、該反転したトルクブースト電圧指令をリミッタ処理部の下限リミッタの値としてリミッタ処理し、トルクブースト電圧指令の補償量を出力する。
ここで、励磁電流検出手段は、インバータの出力電圧位相を用い、誘導電動機の電流検出値に基づいて励磁電流相当を演算検出する。
ここで、励磁電流検出手段は、インバータの出力電圧位相を用い、インバータの直流入力電流に基づいて励磁電流相当を演算検出する。
ここで、誘導電動機を無負荷運転している状態でトルクブースト電圧指令を徐々に大きく可変した場合、無負荷電動機電流をほぼ励磁電流制限レベルで制限する。
ここで、誘導電動機を無負荷運転している状態でトルクブースト電圧指令を徐々に大きく可変した場合、無負荷電動機電流がほぼ励磁電流制限レベルになった時点からインバータ出力電圧をほぼ一定とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明のインバータ装置の一実施形態であり、誘導電動機を可変速制御するインバータの制御ブロックを示す。
交流電源１からの交流電力は整流回路２及び平滑コンデンサ３により直流に変換される。この直流電力はインバータ４により可変周波数で可変電圧の交流に変換され、誘導電動機５を可変速駆動する。インバータ４の出力周波数と出力電圧は、インバータ制御回路により制御される。
本実施形態の制御回路において、インバータの１次周波数指令ω１*にＶ／ｆゲイン７を乗じて誘起電圧指令Ｅｍ*が演算される。また、トルクブースト電圧指令器８は、１次周波数指令ω１*に応じたトルクブースト電圧指令ΔＶｚ*を出力する。ここで、ΔＶｚ０はトルクブースト電圧設定値である。次に、１次周波数指令ω１*を積分器９によって積分し、インバータ出力電圧の位相基準となる基準位相指令θｄ*を出力する。また、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１１は、電動機電流検出器１０の出力ｉｕ，ｉｗと基準位相指令θｄ*から（数１）の演算を行い、電動機の励磁電流Ｉｄ（無負荷電流相当）を検出する。
【数１】

次に、励磁電流制限レベル指令Ｉｄｍａｘ*と励磁電流検出値Ｉｄとの偏差をＰＩ（比例＋積分）制御器１２により増幅し、その出力をリミッタ処理部１３に入力し、リミッタ処理後、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃを出力する。ここで、トルクブースト電圧指令ΔＶｚ*を反転器［−１］によって反転し、この反転したトルクブースト電圧指令ΔＶｚ*をリミッタ処理部１３の下限リミッタの値とする。そして、この下限リミッタの値は、インバータの１次周波数指令ω１*によって変動する。また、このΔＶｃとΔＶｚ*を加算し、最終の補償後トルクブースト電圧指令ΔＶｔ*としている。次に、このΔＶｔ*と誘起電圧指令Ｅｍ*を加算してインバータ出力電圧のｑ軸電圧指令Ｖｑ*としている。一方、インバータ出力電圧のｄ軸電圧指令Ｖｄ*は、１次抵抗定数１４において定格励磁電流指令Iｄ*に電動機の１次抵抗ｒ１相当を乗じて演算する。次に、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５はインバータ出力電圧指令の回転座標軸成分Ｖｄ*、Ｖｑ*を入力し、固定座標軸の三相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を出力する。この演算を（数２）に示す。
【数２】

また、ゲート信号発生器１６は、三相の相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を基にＰＷＭゲート信号を作成し、ゲート回路６へ与える。
【０００７】
図２に、インバータ出力電圧指令の回転座標軸成分であるｑ軸電圧指令Ｖｑ*の範囲を示す。
例えば、１次周波数指令ω１*＝ω１ｘにおけるＶｑ*の大きさは、無負荷時は誘起電圧指令Ｅｍ*のａ点の値となり、Ｖｑ*が小さいので、過励磁を防止できる。一方、重負荷時はＥｍ*＋ΔＶｚ*のｂ点の値となり、Ｖｑ*が大きいので、高トルクが得られる。また、その中間の負荷時においては、例えばＥｍ*＋ΔＶｚ*＋ΔＶｃのｃ点の値となる。これは、ｂ点のＥｍ*＋ΔＶｚ*の値からΔＶｃ補償されるので、ｃ点の値となる。このように、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃは負荷に応じてｂ点からａ点までの範囲で変化する。つまり、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃは上の破線と下の破線の間で変化する。
ところで、励磁電流制限制御なしの場合は、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃ＝０なので、上の破線がＶｑ*となる。このＶｑ*では、低速領域において軽負荷時に過励磁となる。本実施形態では、励磁電流制限制御を行い、過励磁とならないように、負荷が小さくなれば、ΔＶｃを上下の破線内で変化させ、Ｖｑ*を小さくする。
【０００８】
次に、本実施形態の具体的な動作を説明する。
まず、軽負荷になると、励磁電流検出値Ｉｄが大きくなり、制限レベルＩｄｍａｘ*を超えると、ＰＩ制御器１２の入力が負となる。この時、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃも負となる。また、この時、トルクブースト電圧指令ΔＶｚ*を差し引くようにΔＶｃが作用し、Ｉｄ＝Ｉｄｍａｘ*になるように最終の補償後トルクブースト電圧指令ΔＶｔ*が制御される。次に、負荷が大きくなると、Ｉｄ＜Ｉｄｍａｘ*となるので、補償量ΔＶｃは負の値から大きくなり、−ΔＶｚ〜０の値となる。この結果、重負荷時は最終のトルクブースト電圧指令ΔＶｔ*は０〜ΔＶｚの値になる。
以上述べたように、軽負荷時はＩｄ＝Ｉｄｍａｘ*の状態になるように最終の補償後トルクブースト電圧指令ΔＶｔ*は減少し、重負荷時は逆に増加する。なお、補償量ΔＶｃは、リミッタ処理部１３によりブースト電圧指令ΔＶｚ*の範囲で変化するため、ΔＶｔ*は０≦ΔＶｔ*≦ΔＶｚ*の範囲で動作し、過大な補償を防止している。
【０００９】
次に、本実施形態の動作を誘導電動機の近似等価回路と電圧、電流ベクトル図を用いて説明する。
図３（ａ）にＴ型等価回路を示す。ｒ１、ｒ２は１次及び２次抵抗、ｘ１、ｘ２、ｘｍは１次及び２次の漏れリアクタンスと励磁リアクタンスである。また、ｓはすべりである。トルクブースト制御が必要な低周波数領域においては、ｘ１≦ｒ１、ｘ２≦ｒ２／ｓとなる。そこで、低周波数領域では図３（ｂ）の等価回路で近似することができる。
近似等価回路を用いた無負荷時と重負荷時のモータ電圧、電流ベクトル図を図４（ａ）、（ｂ）に示す。
無負荷時は、すべりｓ＝０となり、２次電流Ｉ２＝０となるため、等価回路はｒ１とｘｍの直列回路となり、１次電流Ｉ１＝励磁電流Ｉｍとなる。そこで、１次電圧ベクトルＶ１は（数３）で与えられる。なお、ｊは虚数である。
【数３】
Ｖ１＝Ｉｍ（ｒ１＋ｊｘｍ）
また、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*をＩｄ*・ｒ１で与え、ｑ軸電圧指令Ｖｑ*をｊＩｍ・ｘｍで与えると、励磁電流Ｉｍ（無負荷電流）は（数１）に示すＩｄとほぼ一致し、ＩｄによりＩｍを検出できる。ここで、Ｉｄ*は定格励磁電流（無負荷電流）指令である。
次に、図４（ａ）の破線は、励磁電流制限制御なしの場合で、１次電圧Ｖ１’が大きい場合である。この時Ｖ１’大のため、Ｉｄ（Ｉｄ≒Ｉｍ’）が制限レベルＩｄｍａｘ*より大きくなり、過励磁となる。図４（ａ）の実線は、本実施形態の励磁電流制限制御ありの場合で、Ｉｄ≦Ｉｄｍａｘ*になるように電圧Ｖ１を下げるので、無負荷電流Ｉｄ（Ｉｄ＝Ｉｍ）がほぼＩｄｍａｘ*となり、過励磁が防止される。
次に、重負荷時について説明する。この場合、等価回路は図３（ｂ）であり、２次電流Ｉ２が大きくなると共に、力率角ψ（Ｖ１ベクトルとＩ１ベクトルとの角度）が小さくなる。この時、１次抵抗ｒ１の電圧降下によりＶ１に対して誘起電圧Ｅｍが大幅に減少し、Ｉｍ＝Ｉｄ＜Ｉｄｍａｘ*となる。この時、Ｉｄ＜Ｉｄｍａｘ*になるので、トルクブースト電圧補償量ΔＶｃ＝０となる。この結果、トルクブースト電圧指令ΔＶｚ*そのままが加わるので、インバータ出力電圧Ｖ１が上昇し、Ｅｍの低下が補償され、高始動トルクが得られる。
【００１０】
本実施形態の制御において、インバータの出力周波数指令を低周波数に固定し、無負荷運転している状態でトルクブースト電圧設定値ΔＶｚ０を徐々に増加したときのインバータ出力電流Ｉ１及びインバータ出力電圧Ｖ１特性を図５（ａ）、（ｂ）に示す。
励磁電流制限制御なしの場合は、破線に示すように、ΔＶｚ０の増加に従い、出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１が上昇する。一方、本実施形態適用の場合（励磁電流制限制御ありの場合）は、実線に示すように、Ｉ１≒Ｉｄｍａｘ*になった時点からＩ１は増加しない。これにより、励磁電流（無負荷電流）が制限されるので、過励磁にならない。また、図５（ｂ）の実線に示すように、インバータ出力電圧Ｖ１も増加しないので、過励磁にならない。
【００１１】
図６は、本発明の他の実施形態を示す。図１の実施形態と異なる点は、励磁電流Ｉｄの検出をインバータ入力電流ｉｄｃから検出する点である。インバータ入力電流検出器１７の出力信号ｉｄｃとインバータのゲート信号と基準位相指令θｄ*から励磁電流検出器１８により励磁電流Ｉｄを検出する。
【００１２】
励磁電流検出器１８の詳細構成を図７に示す。励磁電流検出器１８は、サンプルホールド信号作成回路１９とサンプルホールド回路２０ａ，２０ｂとＩｄ演算器２１から構成する。また、サンプルホールド信号作成回路１９は、図７に示すように、ＰＷＭゲート信号を基に論理積回路２２と論理和回路２３を介してサンプルホールド信号ＳＨａ，ＳＨｂを出力する。図７の回路では、三相のゲート信号の内一相のみオンするスイッチングモードでｉｄｃをサンプルホールドし、ｉａ信号として出力する。また、二相のみオンするスイッチングモードでｉｄｃをサンプルホールドし、ｉｂ信号として出力する。次に、Ｉｄ演算器２１では（数４）の演算を行い、Ｉｄを演算する。ここで、図８に、三相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｗ*，Ｖｖ*の波形と（区間Ｉ）〜（区間ＶＩ）の関係を示す。
【数４】
（区間Ｉ）Ｖｕ*≧Ｖｗ*＞Ｖｖ*
ｉα＝−ｉａ ｉβ＝（ｉａ−２ｉｂ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓ（θｄ*−２π／３）＋ｉβ・ｓｉｎ（θｄ*−２π／３）
（区間II）Ｖｕ*≧Ｖｖ*＞Ｖｗ*
ｉα＝ｉｂ ｉβ＝（２ｉａ−ｉｂ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓθｄ*＋ｉβ・ｓｉｎθｄ*
（区間III）Ｖｖ*≧Ｖｕ*＞Ｖｗ*
ｉα＝−ｉａ ｉβ＝（ｉａ−２ｉｂ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓ（θｄ*−４π／３）＋ｉβ・ｓｉｎ（θｄ*−４π／３）
（区間IV）Ｖｖ*≧Ｖｗ*＞Ｖｕ*
ｉα＝ｉｂ ｉβ＝（２ｉｂ−ｉａ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓ（θｄ*−２π／３）＋ｉβ・ｓｉｎ（θｄ*−２π／３）
（区間V）Ｖｗ*≧Ｖｖ*＞Ｖｕ*
ｉα＝−ｉａ ｉβ＝（ｉａ−２ｉｂ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓθｄ*＋ｉβ・ｓｉｎθｄ*
（区間VI）Ｖｗ*≧Ｖｕ*＞Ｖｖ*
ｉα＝ｉｂ ｉβ＝（２ｉｂ−ｉａ）／√３
Ｉｄ＝ｉα・ｃｏｓ（θｄ*−４π／３）＋ｉβ・ｓｉｎ（θｄ*−４π／３）
なお、６０゜区間Ｉ〜ＶＩの判別は、ｄｑ／ｕｖｗ変換器１５の出力である三相相電圧指令の大きさで判別する。また、６０゜区間Ｉ〜ＶＩの判別は、電圧指令位相θｄ*を用いても同様に判別できる。（なお、直流電流ｉｄｃから励磁電流Ｉｄを検出する方式の詳細は特願平１２−１３２８４３号に記載されている。）
図６の実施形態においては、励磁電流Ｉｄを検出するに当ってインバータ入力電流検出器１７の１個のみを用いればよく、図１の実施形態のように電動機電流検出器（２相分）が不要となり、低価格な装置で構成できる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インバータのトルクブースト制御において、トルクブースト電圧を大きく設定しても、励磁電流が制限レベル以下になるようにトルクブースト電圧を自動調整できるので、軽負荷時において過励磁にならないという効果がある。しかも、トルクブースト電圧を大きく設定することができるので、重負荷時でも大きな始動トルクが得られるという効果がある。
また、トルクブースト電圧を大きめに設定しても、過励磁にならないので、負荷の大小に応じてトルクブースト電圧を調整する必要がなく、このため、調整不要で使い勝手が良いという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ装置の一実施形態
【図２】図１に示すｑ軸電圧指令Ｖｑ*の特性図
【図３】誘導電動機のＴ型等価回路及び低周波時の等価回路図
【図４】本発明におけるインバータ出力電圧、出力電流ベクトル図
【図５】本発明の制御において無負荷状態でトルクブースト電圧を可変した時のインバータ出力電圧、出力電流特性図
【図６】本発明の他の実施形態
【図７】図６に示すＩｄ（励磁電流）検出器の詳細ブロック図
【図８】三相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｗ*，Ｖｖ*の波形と（区間Ｉ）〜（区間ＶＩ）の関係を示す図
【符号の説明】
１…交流電源、２…整流器、３…平滑コンデンサ、４…インバータ、５…誘導電動機、６…ゲート回路、７…Ｖ／ｆ一定ゲイン、８…トルクブースト指令器、９…積分器、１０，１７…電流検出器、１１…ｕｖｗ／ｄｑ変換器、１２…ＰＩ（比例＋積分）制御器、１３…リミッタ処理部、１４…１次抵抗定数、１５…ｄｑ／ｕｖｗ変換器、１６…ゲート信号発生器、１８…励磁電流検出器、１９…サンプルホールド信号作成回路、２０ａ，２０ｂ…サンプルホールド回路、２１…Ｉｄ演算器、２２…論理積回路、２３…論理和回路

Claims (6)

1. 誘導電動機を可変速駆動するインバータ装置において、
   前記誘導電動機の励磁電流検出手段と、
   励磁電流制限レベル設定手段と、
   インバータの周波数指令値の増加に伴い減少するトルクブースト電圧指令を出力するトルクブースト電圧指令手段と、
   前記励磁電流検出手段による励磁電流検出値が前記励磁電流制限レベル以下となるように前記トルクブースト電圧指令を変更するトルクブースト電圧補償手段を備え、
   該トルクブースト電圧補償手段は、前記トルクブースト電圧指令の変更量を制限するリミッタ処理部を有することを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１において、前記トルクブースト電圧補償手段のリミッタ処理部が、前記トルクブースト電圧指令を反転し、該反転したトルクブースト電圧指令を前記リミッタ処理部の下限リミッタの値としてリミッタ処理し、前記トルクブースト電圧指令の補償量を出力することを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１において、前記励磁電流検出手段は、前記インバータの出力電圧位相を用い、前記誘導電動機の電流検出値に基づいて励磁電流相当を演算検出することを特徴とするインバータ装置。
4. 請求項１において、前記励磁電流検出手段は、前記インバータの出力電圧位相を用い、前記インバータの直流入力電流に基づいて励磁電流相当を演算検出することを特徴とするインバータ装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記誘導電動機を無負荷運転している状態で前記トルクブースト電圧指令を徐々に大きく可変した場合、無負荷電動機電流をほぼ励磁電流制限レベルで制限することを特徴とするインバータ装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記誘導電動機を無負荷運転している状態で前記トルクブースト電圧指令を徐々に大きく可変した場合、無負荷電動機電流がほぼ励磁電流制限レベルになった時点からインバータ出力電圧をほぼ一定とすることを特徴とするインバータ装置。

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