JP3994329B2 - 誘導電動機の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータなどの可変電圧可変周波数の交流電力を発生する電力変換装置を介して駆動される誘導電動機の制御方法に関し、特に、該誘導電動機の内部損失を低減する誘導電動機の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、この種の誘導電動機の制御方法の従来例を示す誘導電動機制御装置の回路構成図である。
【０００３】
図１０において、１は後述の制御装置１０からの各相の電圧指令ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*（交流量）それぞれをＰＷＭ演算して内蔵する電力変換回路を形成するそれぞれの半導体スイッチへのオン，オフ駆動信号に変換し、これらのオン，オフ駆動信号に基づき前記電力変換回路から三相の交流電圧を発生する電力変換装置、２は電力変換装置１から給電される誘導電動機、３は電力変換装置１からの誘導電動機２への電流、すなわち、誘導電動機２の一次電流ｉ₁ を検出する電流検出器、１０は電力変換装置１を介して駆動される誘導電動機２を可変速制御する制御装置である。
【０００４】
この制御装置１０には電圧指令値演算手段１１と積分器１２と座標変換器１３と座標変換器１４とトルク演算手段１５と二次磁束指令値演算手段１６とを備えている。
【０００５】
図１０に示した制御装置１０において、電圧指令値演算手段１１は外部から指令される誘導電動機２の一次角周波数指令値ω₁ ^*と後述の二次磁束指令値演算手段１６で得られる二次磁束指令値φ₂ ^*との乗算演算値としての誘導電動機２の一次電圧指令値Ｖ₁ ^*を求め、さらにこの一次電圧指令値Ｖ₁ ^*を周知の技術により該電動機のｄ軸成分の一次電圧指令値ｖ_1d ^* とｑ軸成分の一次電圧指令値ｖ_1q ^* とに分解する演算を行っている（ｄ−ｑ軸はω₁ ^*で回転する直交座標軸である）。また、前記一次角周波数指令値ω₁ ^*に対する積分器１２による時間積分演算で得られる位相角指令値θ^* に基づき、電流検出器２で検出された誘導電動機２の一次電流ｉ₁ を座標変換器１３による三相−二相変換およびｄ軸−ｑ軸変換したｉ_1d，ｉ_1qを求めている。さらに、座標変換器１４では前記位相角指令値θ^* に基づき前記ｄ軸電圧指令値ｖ_1d ^* ，ｑ軸電圧指令値ｖ_1q ^* をα−β変換および二相−三相して得られる前記電圧指令ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*を生成している。
【０００６】
トルク演算手段１５では、電圧指令値演算手段１１からの誘導電動機２の一次電圧指令値ｖ_1d ^* ，ｖ_1q ^* と一次角周波数指令値ω₁ ^*と一次電流ｉ₁ のｄ−ｑ軸成分ｉ_1d，ｉ_1qとを入力し、誘導電動機２が出力するトルクは一次磁束ベクトルおよび一次電流ベクトルそれぞれの転置行列の外積で表されることから、トルク演算値τ^# を得るために、下記数１式の演算を行っている。
【０００７】
【数１】
τ^# ＝φ_1d・ｉ_1q−φ_1q・ｉ_1d
＝（１／ω₁ ^*）
×｛ｖ_1q・ｉ_1q＋ｖ_1d・ｉ_1d−Ｒ₁（ｉ_1d ²＋ｉ_1q ²）｝
ここで、φ_1dは一次磁束φ₁ のｄ軸成分，φ_1qはｑ軸成分，Ｒ₁ は一次抵抗である。
【０００８】
また、二次磁束指令値演算手段１６では誘導電動機２の内部損失をより少なくして運転するためには、後述の数７式からも明らかなように、誘導電動機２の出力トルク、すなわち、トルク演算手段１５で得られるトルク演算値τ^# の平方根に対応した二次磁束指令値φ₂ ^*を生成する演算を行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した従来の回路構成による誘導電動機２の制御方法で、誘導電動機２の内部損失を最小にして運転するためには、誘導電動機２の電気的定数を正しく知る必要があった。このため、前記電気的定数が不明確な場合には前記内部損失を最小にする、すなわち、近年の省エネルギーの要請に対応して、誘導電動機２の効率を最大にした運転ができないという問題があった。
【００１０】
この発明の目的は、誘導電動機の電気的定数が不明確な場合にも、この誘導電動機を試運転させ、このときの簡単な調整動作で該誘導電動機を高効率運転できる誘導電動機の制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、可変電圧可変周波数の交流電力を発生する電力変換装置を介して駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記誘導電動機の内部損失を低減させるために該誘導電動機の出力トルクに対応して生成される二次磁束指令値は、前記電力変換装置が出力する所望の交流電圧により前記誘導電動機の試運転を行ったときの前記誘導電動機の出力トルクの平方根に該誘導電動機の一次角周波数，一次抵抗，二次抵抗，励磁インダクタンス，鉄損抵抗から導出される係数を乗じた値とし、
前記係数は、前記電力変換装置より前記誘導電動機が発生する二次磁束を互いに異なった値にする交流電圧を該誘導電動機に印加する試運転を行い、このときの前記電力変換装置が出力する有効電力の最小値から導出することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明は前記第１の発明の誘導電動機の制御方法において、
前記試運転に先立って、前記励磁インダクタンス値は、前記電力変換装置から電圧／周波数比を一定にした交流電圧を前記誘導電動機に印加し、このときの前記電力変換装置の出力電流と出力周波数とから導出することを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は前記第１または第２の発明の誘導電動機の制御方法において、
前記二次磁束指令値の導出を、通信手段を介して外部機器により行わせることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、誘導電動機の内部損失を低減させるために簡単な回路構成で具現される制御定数調整手段を付加し、電力変換装置を介して駆動される前記誘導電動機を試運転させ、このときの前記制御定数調整手段の前記係数整定動作により該誘導電動機を高効率運転することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図であり、図１０に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００１６】
すなわち、図１に示した制御装置２０には電圧指令値演算手段１１，積分器１２，座標変換器１３，座標変換器１４，トルク演算手段１５の他に、この発明の誘導電動機の制御方法を具現する制御定数調整手段２１または制御定数調整手段２２と、二次磁束指令値演算手段２３とを備えている。
【００１７】
以下に、この発明の誘導電動機の制御方法を説明するのに先立って、図２に示す誘導電動機のＴ−１型等価回路を用いて、誘導電動機の内部損失を最小にする該電動機の二次磁束の導出について説明する。
【００１８】
誘導電動機の内部損失Ｐ_LOSSM は、一次電流（ｉ₁ ），励磁電流（ｉ_M ），トルク電流（ｉ_T ），鉄損電流（ｉ_C ），一次抵抗（Ｒ₁ ），二次抵抗（Ｒ₂ ），漏れインダクタンス（Ｌσ），励磁インダクタンス（Ｌｍ），鉄損抵抗（Ｒ_C ），一次角周波数（ω₁ ）とすると、下記数２式で表される。
【００１９】
【数２】
Ｐ_LOSSM＝Ｒ₁・ｉ₁ ²＋Ｒ₂・ｉ_T ²＋Ｒ_C・ｉ_C ²
上記数２式にｉ_C ＝ω₁ ・Ｌｍ・ｉ_M ／Ｒ_C を代入し、また、
Ｒｍ＝（ω₁ Ｌｍ）² ／Ｒ_C とおいて整理すると、下記数３式となる。
【００２０】
【数３】
Ｐ_LOSSM＝（Ｒ₁＋Ｒ₂）・ｉ_T ²＋（Ｒ₁＋Ｒｍ）・ｉ_M ²
上記数３式における励磁電流（ｉ_M ），トルク電流（ｉ_T ）はトルク（τ）および二次磁束（φ₂ ）に対して、下記数４式の関係にある。
【００２１】
【数４】
τ＝φ₂・ｉ_T φ ₂ ＝Ｌｍ・ｉ _M
上記数４式を数３式に代入すると、下記数５式となる。
【００２２】
【数５】
Ｐ_LOSSM＝（Ｒ₁＋Ｒ₂）・（τ／φ₂）²＋（Ｒ₁＋Ｒｍ）・（φ₂／Ｌｍ）²
ここで、トルクがτの条件で数５式が示す内部損失Ｐ_LOSSM を最小とする二次磁束φ₂ を求めるために、両辺をφ₂ で微分すると、下記数６式となる。
【００２３】
【数６】
（ｄ／ｄφ₂）Ｐ_LOSSM＝−２（Ｒ₁＋Ｒ₂）・τ²・（φ₂）^-3
＋２（Ｒ₁＋Ｒｍ）・Ｌｍ^-2・φ₂
よって、（ｄ／ｄφ₂ ）Ｐ_LOSSM ＝０とする、すなわち誘導電動機の内部損失を最小にする二次磁束は、下記数７式で得られる。
【００２４】
【数７】
φ₂＝Ｋφ・（τ）^1/2
ここで、Ｋφは下記数８式である。
【００２５】
【数８】
Ｋφ＝Ｌｍ^1/2・｛（Ｒ₁＋Ｒ₂）／（Ｒ₁＋Ｒｍ）｝^1/4
上記数８式より、Ｋφは誘導電動機の一次角周波数，一次抵抗，二次抵抗，励磁インダクタンス，鉄損抵抗から導出される係数となる。
【００２６】
すなわち、図１に示した回路構成において、制御定数調整手段２１と二次磁束演算手段２３では、上記数７式によるトルクτをトルク演算値τ^# とし、二次磁束φ₂ を二次磁束指令値φ₂ ^*とし、係数ＫφをＫφ^* とし、また、数８式に示す誘導電動機２の電気的定数はその設定値（Ｒ₁ ^*，Ｒ₂ ^*，Ｒｍ^* ，Ｌｍ^* ）を用いている。また、制御定数調整手段２２では数８式に示す誘導電動機２の電気的定数はその設定値（Ｒ₁ ^*，Ｒ₂ ^*，Ｒｍ^* ）と、後述の励磁インダクタンスの概略調整値
（Ｌｍ^# ）とを用いている。
【００２７】
図３は、この発明の第１の実施例を示す制御装置２０の部分詳細回路構成図であり、制御定数調整手段２１は有効電力演算手段２１ａと記録手段２１ｂと係数設定手段２１ｃと切替スイッチ２１ｄとから形成され、二次磁束指令値演算手段２３は平方根演算手段２３ａと乗算器２３ｂとから形成されている。
【００２８】
この有効電力演算手段２１ａでは、例えば、誘導電動機２の２軸座標（ｄ−ｑ軸）における一次電圧指令値ｖ_1d ^* ，ｖ_1q ^* と一次電流ｉ_1d，ｉ_1qとを用いた下記数９式の演算を行い、有効電力演算値Ｐ^# を得ている。
【００２９】
【数９】
Ｐ^#＝ｖ_1d ^*・ｉ_1d＋ｖ_1q ^*・ｉ_1q
なお、上記数９式における一次電圧指令値ｖ_1d ^* ，ｖ_1q ^* に代えて、一次電圧実際値ｖ_1d，ｖ_1qを用いることも可能である。
【００３０】
この制御定数調整手段２１と二次磁束指令値演算手段２３の動作を、図４に示す流れ図と図５に示す特性図とを参照しつつ、以下に説明する。
【００３１】
先ず、ステップＳ１として、制御定数調整手段２１の切替スイッチ２１ｄを試運転側に閉路し、係数設定手段２１ｃからは、係数Ｋφ^* として、誘導電動機２の前記設定値（Ｒ₁ ^*，Ｒ₂ ^*，Ｒｍ^* ，Ｌｍ^* ）に対応した前記数８式の演算値値を中心に変化させる動作を開始する。
【００３２】
また、二次磁束指令値演算手段２３では、平方根演算手段２３ａによってトルク演算値τ^# の平方根を求め、この平方根と制御定数調整手段２１からの前述の係数との乗算値、すなわち、誘導電動機２の二次磁束指令値φ₂ ^*を乗算器２３ｂで求め、この二次磁束指令値φ₂ ^*で、例えば、誘導電動機２が定格回転数付近での試運転を開始する。
【００３３】
このとき、有効電力演算手段２１ａでは誘導電動機２の有効電力演算値Ｐ^# を前記数９式に従って求め、この有効電力演算値Ｐ^# が、図５に示すように、前記係数Ｋφ^* の変化に対応して最小になるときを記録手段２１ｂで監視し、有効電力演算値Ｐ^# が最小のときの係数をＫφ_opt ^*とすると、この係数Ｋφ_opt ^*は誘導電動機２の内部損失を最小にする係数Ｋφ^* となっているので、この値を記録手段２１ｂに記憶させる。
【００３４】
次に、ステップＳ２として、制御定数調整手段２１の切替スイッチ２１ｄを通常運転側に閉路し、記録手段２１ｂが記憶している係数Ｋφ^* （＝Ｋφ_opt ^*）を出力することで、誘導電動機２の内部損失を最小にしつつ、誘導電動機２が通常の運転をすることができる。
【００３５】
なお、図３に示した回路構成において、前記数８式におけるＲｍ^* は一次角周波数ω₁ に依存するが、４乗根であるため、このＲｍ^* が係数Ｋφ^* に与える影響が少ないので、上述の手順で得られたＫφ^* を一次角周波数ω₁ が異なる場合の通常運転での使用しても、その影響が少ない。
【００３６】
図６は、この発明の第２の実施例を示す制御装置２０の部分詳細回路構成図であり、制御定数調整手段２２は有効電力演算手段２２ａと記録手段２２ｂと係数設定手段２２ｃと切替スイッチ２２ｄと励磁インダクタンス概略調整手段２２ｅとから形成され、二次磁束指令値演算手段２３は平方根演算手段２３ａと乗算器２３ｂとから形成されている。
【００３７】
図６に示した制御定数調整手段２２を形成する励磁インダクタンス概略調整手段２２ｅは、前記数８式における誘導電動機２の電気的定数の設定値としての励磁インダクタンスＬｍ^* がその実際値と異なることが多く、この影響が他の設定値より大きいことに着目して設置されたものである。
【００３８】
この制御定数調整手段２２と二次磁束指令値演算手段２３の動作を、図７に示す流れ図と図８に示すベクトル図とを参照しつつ、以下に説明する。
【００３９】
先ず、ステップＳ１１として、制御定数調整手段２２の切替スイッチ２２ｄを試運転側に閉路し、係数設定手段２２ｃからは、係数Ｋφ^* として、誘導電動機２の前記設定値（Ｒ₁ ^*，Ｒ₂ ^*，Ｒｍ^* ，Ｌｍ^* ）に対応した前記数８式の演算値値を出力しつつ、電力変換装置１から電圧／周波数比を一定にした交流電圧を誘導電動機２に印加する。
【００４０】
ここで、誘導電動機に一次角周波数（ω₁ ），一次電圧ベクトル（ｖ₁ ）を印加したときに流れる一次電流ベクトル（ｉ₁ ）について考える。このとき、図８に示すように、一次角周波数（ω₁ ）で回転するγ−δ座標系におけるδ軸を一次電圧ベクトル（ｖ₁ ）方向にとると、一次電流ベクトル（ｉ₁ ）のγ軸成分（ｉ₁ γ）は一次電圧ベクトル（ｖ₁ ）に直交する成分（無効分電流）となり、このｉ₁γは一次抵抗（Ｒ₁ ），漏れインダクタンス（Ｌσ），励磁インダクタンス（Ｌｍ）を用いて、下記数１０式で表すことができる。
【００４１】
【数１０】
ｉ₁γ＝｜ｖ₁｜
÷［ω₁・（Ｌσ＋Ｌｍ）・｛１＋（Ｒ₁ ²／ω₁ ²）÷（Ｌσ＋Ｌｍ）²｝］
上記数１０式で一次角周波数（ω₁ ）が十分大きければ、下記数１１式の近似式が成り立つ。
【００４２】
【数１１】
ｉ₁γ≒｜ｖ₁｜／｛ω₁・（Ｌσ＋Ｌｍ）｝
ここで、一般に漏れインダクタンス（Ｌσ）は励磁インダクタンス（Ｌｍ）に比して遥かに小さいことを考慮して、Ｌσ＋Ｌｍ≒Ｌｍと近似し、この値を励磁インダクタンスの概略調整値（Ｌｍ^# ）とすると、この値は下記数１２式で表される。
【００４３】
【数１２】
Ｌｍ^#＝（１／ω₁）・（｜ｖ₁｜／ｉ₁γ）
すなわち、制御定数調整手段２２の励磁インダクタンス概略調整手段２２ｅでは、電圧（ｖ₁ ）／周波数（ω₁ ）比を一定にした交流電圧を印加したときの誘導電動機２の一次角周波数指令値（ω₁ ^*）とｄ−ｑ軸電流（ｉ_1d，ｉ_1q）とから上記数１２式の演算を行うことで、より実際値に近い励磁インダクタンスの概略調整値（Ｌｍ^# ）を得ている。
【００４４】
次に、ステップＳ１２では、制御定数調整手段２２の切替スイッチ２２ｄを試運転側のままで、係数設定手段２２ｃからは、係数Ｋφ^* として、誘導電動機２の前記設定値（Ｒ₁ ^*，Ｒ₂ ^*，Ｒｍ^* ）と、上述の励磁インダクタンスの概略調整値（Ｌｍ^# ）とに対応した前記数８式の演算値を中心に変化させる動作を開始する。
【００４５】
また、二次磁束指令値演算手段２３では、平方根演算手段２３ａによってトルク演算値τ^# の平方根を求め、この平方根と制御定数調整手段２２からの前述の係数との乗算値、すなわち、誘導電動機２の二次磁束指令値φ₂ ^*を乗算器２３ｂで求め、この二次磁束指令値φ₂ ^*で、例えば、誘導電動機２が定格回転数付近での試運転を開始する。
【００４６】
このとき、有効電力演算手段２２ａでは誘導電動機２の有効電力演算値Ｐ^# を前記数９式に従って求め、この有効電力演算値Ｐ^# が前記係数Ｋφ^* を変化に対応して最小になるときを記録手段２２ｂで監視し、有効電力演算値Ｐ^# が最小のときの係数を記録手段２２ｂに記憶させる。
【００４７】
次に、ステップＳ１３として、制御定数調整手段２２の切替スイッチ２２ｄを通常運転側に閉路し、記録手段２２ｂが記憶している係数Ｋφ^* を出力することで、誘導電動機２の内部損失を最小にしつつ、誘導電動機２が通常の運転をすることができる。
【００４８】
図９は、この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図であり、２は誘導電動機、３０は電力変換装置と従来例と同等の制御装置とを内蔵した誘導電動機制御装置、４０は通信手段、５０は上述の制御定数調整手段２１または制御定数調整手段２２の機能を内蔵し、さらにローダなどの機能も内蔵した情報端末装置を示す。すなわち、図９の回路構成では、前記制御装置を複雑にすることなく、従来機能に対して、単に前記係数を記憶する機能を付加するだけでよい。
【００４９】
【発明の効果】
この発明によれば、誘導電動機の電気的定数が不明の場合でも、電力変換装置と制御装置とを計測器として動作させて、誘導電動機の内部損失を最小にする二次磁束指令値を導出できるので、近年の省エネルギー運転の要請を十分に満足させる誘導電動機の制御方法である。さらに、通信手段を介することにより、現地での調整作業を行うことを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図
【図２】 誘導電動機の等価回路図
【図３】 この発明の第１の実施例を示す部分詳細回路構成図
【図４】 図３の動作を説明する流れ図
【図５】 図３の動作を説明する特性図
【図６】 この発明の第２の実施例を示す部分詳細回路構成図
【図７】 図６の動作を説明する流れ図
【図８】 図６の動作を説明するベクトル図
【図９】 この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図
【図１０】 従来例を示す回路構成図
【符号の説明】
１…電力変換装置、２…誘導電動機、３…電流検出器、１０…制御装置、１１…電圧指令値演算手段、１２…積分器、１３，１４…座標変換器、１５…トルク演算手段、１６…二次磁束指令値演算手段、２０…制御装置、２１，２２…制御定数調整手段、２３…二次磁束指令値演算手段、３０…誘導電動機制御装置、４０…通信手段、５０…情報端末装置。

Claims (3)

1. 可変電圧可変周波数の交流電力を発生する電力変換装置を介して駆動される誘導電動機の制御方法において、
   前記誘導電動機の内部損失を低減させるために該誘導電動機の出力トルクに対応して生成される二次磁束指令値は、前記電力変換装置が出力する所望の交流電圧により前記誘導電動機の試運転を行ったときの前記誘導電動機の出力トルクの平方根に該誘導電動機の一次角周波数，一次抵抗，二次抵抗，励磁インダクタンス，鉄損抵抗から導出される係数を乗じた値とし、
   前記係数は、前記電力変換装置より前記誘導電動機が発生する二次磁束を互いに異なった値にする交流電圧を該誘導電動機に印加する試運転を行い、このときの前記電力変換装置が出力する有効電力の最小値から導出することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
2. 請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
   前記試運転に先立って、前記励磁インダクタンス値は、前記電力変換装置から電圧／周波数比を一定にした交流電圧を前記誘導電動機に印加し、このときの前記電力変換装置の出力電流と出力周波数とから導出することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
3. 請求項１または２に記載の誘導電動機の制御方法において、
   前記二次磁束指令値の導出を、通信手段を介して外部機器により行わせることを特徴とする誘導電動機の制御方法。

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