JP3985210B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベクトル制御により誘導電動機の回転速度を制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、誘導電動機の速度を制御する技術として、インバータを用いた可変電圧可変周波数による速度制御が知られている。さらに、近年では、より高精度に誘導電動機の速度を制御するべく、誘導電動機に供給される1次電流を、トルクに直接関与する励磁電流(磁束を発生させる電流)とトルク電流(トルクを発生させる電流)とでそれぞれ独立に制御することにより、直流電動機と同様にトルク制御可能なベクトル制御が実用化されている。従って、ベクトル制御においては、励磁電流指令及びトルク電流指令通りに実電流が流れることが必須である。
【0003】
図4は、従来の誘導電動機の構成を示すブロック図である。
図4において、この誘導電動機の制御装置は、3相交流電源からの交流を直流化したのち、PWM制御方式によるインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この1次周波数及び1次電圧を誘導電動機IMに供給する電力変換器1を有している。
速度推定回路3は、外部から入力される速度指令ωrefが入力され、かつ、後に説明する座標変換回路2が出力する励磁電流帰還値Idfb及びトルク電流帰還値Iqfbから速度推定値ωrを求める。座標変換回路2は、誘導電動機IMへの1次電流を検出して座標変換を行った励磁電流帰還値Idfb及びトルク電流帰還値Iqfbを送出する。
また、1次角周波数演算回路4は、速度推定値ωrとすべり周波数ωsから1次角周波数ω1を演算して出力する。励磁電流制御回路5は、励磁電流指令値Idrefと座標変換回路2からの励磁電流帰還値Idfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。
トルク電流制御回路6は、トルク電流指令値Iqrefと座標変換回路2からのトルク電流帰還値Iqfbとが一致するようにトルク電流を制御する。励磁電流方向成分電圧補償回路7は、誘導電動機IMの漏れインダクタンスや1次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を励磁電流制御回路5からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Vdrefを生成して出力する。
【0004】
また、トルク電流方向成分電圧補償回路8は、誘導電動機IMの磁束で発生する誘起電圧と1次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路6からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Vqrefを生成して出力する。
出力電圧指令演算回路9は、励磁電流方向成分電圧補償回路7からの励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路8からのトルク電流方向電圧指令値Vqrefとから求めた出力電圧指令値Vrefを演算する。
出力電圧位相角指令演算回路10は、励磁電流方向成分電圧補償回路7が出力する励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路8が出力するトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角を求め、かつ、1次角周波数演算回路4からの1次角周波数ω1の積分値とから位相角指令値θrefを演算する。
空間座標変換回路11は、出力電圧指令演算回路9が出力する出力電圧(1次電圧)指令値Vrefと出力電圧位相角指令演算回路10が出力する位相角指令値θrefからPWM信号を生成して出力する。
なお、図中SFSはソフトスタータ、AFRは磁束制御器、V/f は誘導電動機の誘導起電力係数、eは誘導電動機の磁束により誘起される電圧、Φrefは磁束指令、Iqrefはトルク電流指令値、Iqfbはトルク電流帰還値、Idfbは励磁電流帰還値、ACRIqはトルク電流制御ゲイン、ACRIdは励磁電流制御ゲイン、CEMF(R1)は誘導電動機の1次抵抗による逆起電力、CEMF(R1,l)は誘導電動機の漏れインダクタンスと1次抵抗による逆起電力、Vfbは直流電圧検出値、VpnはインバータのPN間電圧、θは磁束位相角、θ1はVdrefとVqrefの位相角を表す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のベクトル制御による誘導電動機の制御では、電力変換器1の出力電圧が飽和する領域では、励磁電流指令及びトルク電流指令通りの実電流が得られなくなるため、電流制御が不安定になり、よって正確な速度制御ができ難いという問題がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電力変換器の出力電圧が飽和しないようにして、誘導電動機の速度を確実に制御することができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電力変換器1の出力電圧が飽和しないように、飽和量に応じて誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整することにより、飽和領域で発生する電流制御の不安定を回避したものである。
このために、請求項1記載の本発明は、直流電圧を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に1次周波数と1次電圧として供給する電力変換器と、前記誘導電動機に供給される1次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路と、前記座標変換回路が出力する励磁電流帰還値とトルク電流帰還値から速度推定値を求める速度推定回路と、前記速度推定回路とすべり補償回路から1次角周波数を演算して出力する1次角周波数演算回路と、誘導電動機の磁束を発生させる励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、誘導電動機のトルクを発生させるトルク電流指令値とトルク電流帰還値が一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、前記誘導電動機の漏れインダクタンスと1次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、前記誘導電動機の磁束で発生する誘起電圧と1次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる1次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路と、前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する1次電圧を生成する空間座標変換回路とからなる誘導電動機の制御装置において、前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、前記電力変換器で検出する直流電圧検出値Vfbを監視し、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路を備えたものである。
上記構成の誘導電動機の制御装置によれば、電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整すれば、電流制御の応答が一定に保持され、安定した電流制御が行われる。
【0007】
前記電圧飽和防止回路は、出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのPN間電圧を√2で割って得た直流電圧検出値との比率の大きさを監視することにより、前記電力変換器の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器で誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するものとすることができる。
ゲイン調整器は、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを1で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節する。
ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設け、ゲインを小さくしすぎるとベクトル制御が不安定になることを防止する。
ゲイン調整器の出力側に、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにするための、モータの2次時定数Tのフィルタを設ける。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は誘導電動機の制御装置に電圧飽和防止回路を追加した本発明の構成を示すブロック図である。
図1においては、図4の従来の制御装置の構成に出力電圧指令演算回路9で得られた出力電圧指令値Vrefと、電力変換器1で検出する直流電圧検出値Vfbを監視して、電力変換器1の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路12が設けられている。
【0009】
図1の回路の動作について具体的に説明する。
3相交流電源からの交流を電力変換器1における電力変換素子1aで直流化し、コンデンサ1bを用いて平滑化させる。この後、PWM制御方式のインバータ1cで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この1次周波数及び1次電圧を誘導電動機IMに供給する。
誘導電動機IMへの1次電流が座標変換回路2で検出され、ここで座標変換した励磁電流帰還値Idfb及びトルク電流帰還値Iqfbを送出する。速度推定回路3は励磁電流帰還値とトルク電流帰還値から速度推定値ωrを求める。
この速度推定値ωrと外部から入力される速度指令値ωrefが一致するように励磁電流指令値Idref及びトルク電流指令値Iqrefが演算され、この励磁電流指令値Idrefが1次角周波数演算回路4、励磁電流制御回路5及び励磁電流方向成分電圧補償回路7に入力される。また、トルク電流指令値Iqrefが1次角周波数演算回路4、トルク電流制御回路6、励磁電流方向成分電圧補償回路7及びトルク電流方向成分電圧補償回路8へ入力される。
なお、速度推定値ωrは、速度検出器が設けられている場合、この速度検出器からの速度検出値が用いられる。
【0010】
次に、励磁電流指令値Idrefが入力される励磁電流制御回路5では、励磁電流指令値Idrefと座標変換回路2からの励磁電流帰還値Idfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。また、トルク電流指令値Iqrefが入力されるトルク電流制御回路6では、このトルク電流指令値Iqrefと座標変換回路2からのトルク電流帰還値Iqfbとが一致するように、その制御が行われる。
励磁電流方向成分電圧補償回路7は、誘導電動機IMの漏れインダクタンスと1次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を、励磁電流制御回路5からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Vdrefを生成して出力電圧指令演算回路9及び出力電圧位相角指令演算回路10に出力する。トルク電流方向成分電圧補償回路8は、誘導電動機IMの磁束で発生する誘起電圧と1次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路6からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Vqrefを生成して出力電圧指令演算回路9及び出力電圧位相角指令演算回路10に出力する。
【0011】
出力電圧指令演算回路9では、励磁電流方向成分電圧補償回路7からの励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路8からのトルク電流方向電圧指令値Vqrefとから出力電圧指令値Vrefを次式(1)で求め、この出力電圧指令値Vrefが空間座標変換回路11及び電圧飽和防止回路12へ出力される。
Vref = √(Vdref2+Vqref2) …(1)
出力電圧位相角指令演算回路10では、励磁電流方向成分電圧補償回路7が出力する励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路8が出力するトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角θ1を次式(2)で求め、かつ、1次角周波数演算回路4が出力する1次角周波数ω1の積分値とを合成した位相角指令値θrefを空間座標変換回路11に出力する。
θ1= tan-1(Vdref/Vqref) …(2)
空間座標変換回路11は、出力電圧指令演算回路9からの出力電圧指令値Vrefと、出力電圧位相角指令演算回路10からの位相角指令値θrefからPWM信号を生成して電力変換器1におけるインバータを駆動する。
【0012】
図2は、電圧飽和防止回路12の実施例の構成を示すブロック図である。図2において、14は誘導電動機の誘導起電力係数V/fを速度指令ωrefとすべり角周波数ωsの和に乗算する係数器、15は係数器14の出力に電圧飽和防止回路12の出力を乗算する乗算器、16は出力電圧指令値Vrefと直流電圧検出値Vfbの比を演算する割算器、17は後述するゲイン調整器、18はモータの2次回路時定数Tを持つフィルタである。
電圧飽和防止回路12の動作について説明する。
まず、出力電圧指令演算回路9で得られた出力電圧指令値Vrefと電力変換器1で検出した直流電圧検出値Vfbとの比率(Vref/Vfb)を割算器16により演算する。ここで、直流電圧検出値Vfbは、電力変換器1の電力変換素子1aで直流化し、コンデンサ1bで平滑化したインバータのPN間電圧Vpnを割算器13により√2で割って得る。
前記の比率(Vref/Vfb)の大きさを監視することにより、電力変換器1の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器17でゲインを調整する。このゲイン調整器17では、図3にゲイン特性例を示すように、出力電圧指令値Vrefと、直流電圧検出値Vfbの比率(Vref/Vfb)が0.9以下のときはゲインを1で一定とする。このVref/Vfbの比率が0.9を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節する。
なお、ゲインを小さくしすぎるとベクトル制御が不安定になるため、そのゲインに0.9の下限リミットを設けている。このように飽和量に応じてゲインの調整をし、誘導電動機の誘起電圧eと磁束指令Φrefの大きさを可変調整する。
なお、誘起電圧と磁束指令の大きさを、急峻に変化させないようにするため、モータの2次時定数Tのフィルタ18を設けている。
【0013】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の誘導電動機の制御装置によれば、下記の効果を奏する。
(1)出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値Vrefと電力変換器で検出する直流電圧検出値Vfbの比率(Vref/Vfb)から飽和量を求め、これにより誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調整することで電圧飽和にならず、電流制御の応答が一定に保持できるようになるため、速度を確実に制御することができる。
(2)電圧飽和防止回路の入力である直流電圧検出値は、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのPN間電圧を√2で割って得ることができる。
(3)ゲイン調整器は、具体的には、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを1で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節することにより実現することができる。
(4)ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設けることにより、ゲインを小さくしすぎてベクトル制御が不安定になることを防止することができる。
(5)ゲイン調整器の出力側に、モータの2次時定数Tのフィルタを設けることにより、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電圧飽和防止回路を追加した誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明の電圧飽和防止回路の実施例を示す回路図である。
【図3】 本発明の電圧飽和防止回路のゲイン特性例である。
【図4】 従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1:電力変換器
2:座標変換回路
3:速度推定回路
4:1次角周波数演算回路
5:励磁電流制御回路
6:トルク電流制御回路
7:励磁電流方向成分電圧補償回路
8:トルク電流方向成分電圧補償回路
9:出力電圧指令演算回路
10:出力電圧位相角演算回路
11:空間座標変換回路
12:電圧飽和防止回路
13:割算器
14:係数器(誘導電動機の誘導起電力係数V/f)
15:乗算器
16:割算器
17:ゲイン調整器
18:フィルタ
ωref:速度指令
ωs:すべり角周波数
ω1:1次角周波数
SFS:ソフトスタータ
AFR:磁束制御器
V/f :誘導電動機の誘導起電力係数
e:誘導電動機の磁束により誘起される電圧
Φref:磁束指令
Iqref:トルク電流指令値
Idref:励磁電流指令値
Iqfb:トルク電流帰還値
Idfb:励磁電流帰還値
ACRIq:トルク電流制御ゲイン
ACRId:励磁電流制御ゲイン
CEMF(R1):誘導電動機の1次抵抗による逆起電力
CEMF(R1,l):誘導電動機の漏れインダクタンスと1次抵抗による逆起電力
Vqref:トルク電流方向電圧指令
Vdref:励磁電流方向電圧指令
Vref:出力電圧指令
Vfb:直流電圧検出値
Vpn:インバータのPN間電圧
θ:磁束位相角
θ1:VdrefとVqrefの位相角
Claims (5)
- 直流電圧を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に1次周波数と1次電圧を供給する電力変換器と、
前記誘導電動機に供給される1次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路と、
前記励磁電流帰還値と前記トルク電流帰還値から速度推定値を求める速度推定回路と、
前記速度推定回路とすべり補償回路から1次角周波数を演算して出力する1次角周波数演算回路と、
前記誘導電動機の磁束を発生させる励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、
前記誘導電動機のトルクを発生させるトルク電流指令値と前記トルク電流帰還値が一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、
前記誘導電動機の漏れインダクタンスと1次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、
前記誘導電動機の磁束で発生する誘起電圧と1次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる1次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路と、
前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する1次電圧を生成する空間座標変換回路とからなる誘導電動機の制御装置において、
前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、前記電力変換器で検出した直流電圧検出値を監視して、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。 - 電圧飽和防止回路は、出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのPN間電圧を√2で割って得た直流電圧検出値との比率の大きさを監視することにより、前記電力変換器の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器で誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するものである請求項1記載の誘導電動機の制御装置。
- ゲイン調整器は、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを1で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節するものである請求項2記載の誘導電動機の制御装置。
- ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設けたことを特徴とする請求項3記載の誘導電動機の制御装置。
- ゲイン調整器の出力側に、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにするための、モータの2次時定数Tのフィルタを設けたことを特徴とする請求項2から4のいずれかの項に記載の誘導電動機の制御装置。
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