JP4162179B2 - 誘導電動機駆動システムの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、1台のインバータにより給電される複数台の誘導電動機であって、これらの誘導電動機の一次電流ベクトル又は一次電圧ベクトルを制御することにより前記誘導電動機全体を可変速制御する誘導電動機駆動システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、この種の誘導電動機駆動システムの制御方法の代表的な従来例を示すブロック構成図である。
【０００３】
この誘導電動機駆動システムにはインバータ1と、インバータ1の交流出力側に接続された複数（Ｎ）台の誘導電動機２₁ ，２₂ ，・・，２_N と、インバータ1の交流側電流を検出する電流検出器３₁ ，３₂ ，3₃ と、誘導電動機２₁ ，２₂ ，・・,２_N それぞれの速度を検出する回転速度検出器４_{1 ,}４_{2 ,}・・，4_N と、制御装置とを備えている。
【０００４】
また前記制御装置には検出電流ベクトル回転手段（１）５と、基準回転角周波数演算手段（２）２０と、積分手段７と、すべり角周波数指令演算手段８と、磁束位相差演算手段（１）９と、二次無効電流指令演算手段１０と、磁化電流指令演算手段１１と、ｄ軸電流調節手段１２と、ｑ軸電流調節手段１３と、指令電圧ベクトル回転手段１４と、加算手段１５₁ ，１５₂ ，１５₃ とを備えている。
【０００５】
図６に示した誘導電動機駆動システムの動作は、以下のとおりである。
【０００６】
磁化電流指令演算手段１１は一次磁束指令値φ₁ ^*を入力とし、下記数１の式に従って磁化電流指令値ｉ_M ^*を演算する。
【０００７】
【数１】

【０００８】
ここで、Ｌ₁ は誘導電動機１台あたりの一次インダクタンス、Ｎは誘導電動機の台数である。
【０００９】
二次無効電流指令演算手段１０は一次磁束指令値φ₁*とｑ軸電流指令値ｉ_1q ^*とを入力とし、下記数２の式に従って二次無効電流指令値ｉ_2d ^*を演算する。
【００１０】
【数２】

【００１１】
ここで、L_s は誘導電動機１台あたりのもれインダクタンス値である。
【００１２】
加算手段１５₁ は磁化電流指令演算手段１１からの磁化電流指令値ｉ_M ^*と二次無効電流指令演算手段１０からの二次無効電流指令値ｉ_2d ^*とを加算して、ｄ軸電流指令値ｉ_1d ^*を出力する。
【００１３】
検出電流ベクトル回転手段（１）５は一次磁束位相角指令値θ₁ ^* と電流検出器３₁ ，３₂ ，３₃ による電流検出値ｉ_U ，ｉ_V ，ｉ_w とから、下記数３の式に従って３相２相変換を行う。
【００１４】
【数３】

【００１５】
ｄ軸電流調節手段１２はｄ軸電流指令値ｉ_1d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_1dとの偏差の比例積分演算により、ｄ軸電流検出値ｉ_1dをｄ軸電流指令値ｉ_1d ^*に一致させる調節動作を行う。
【００１６】
ｑ軸電流調節手段１３はｑ軸電流指令値ｉ_1q*とｑ軸電流検出値ｉ_1qとの偏差の比例積分演算により、ｑ軸電流検出値ｉ_1qをｑ軸電流指令値ｉ_1q*に一致させる調節動作を行う。
【００１７】
すべり角周波数指令演算手段8は一次磁束指令値φ₁ ^*とｑ軸電流指令値ｉ_1q ^*とを入力とし、下記数４の式に従ってすべり角周波数指令ω_s ^*を演算する。
【００１８】
【数４】

【００１９】
ここで、R₂は誘導電動機１台あたりの二次抵抗値である。
【００２０】
基準回転角周波数演算手段（２）２０はＮ個の回転速度検出器4₁ ，4₂ ，・・，4_N による回転角周波数検出値ω_r1，ω_r2，・・，ω_rNと、前述のｑ軸電流指令値ｉ_1q ^*とから、誘導電動機２₁ ，２₂ ，・・,２_N 全体として駆動状態と見做されるときには最も遅く回転している誘導電動機の回転角周波数、また、前記誘導電動機全体として回生状態と見做されるときには最も速く回転している誘導電動機の回転角周波数を基準回転角周波数ω_R として出力する。
【００２１】
加算手段１５₂ はすべり角周波数指令演算手段8からのすべり角周波数指令値ω_s ^*と、基準角周波数演算手段（２）２０の出力である基準回転角周波数ω_Rとを加算して、インバータ周波数指令値ω₁ ^*を出力する。
【００２２】
積分手段7は加算手段１５₂ の出力であるインバータ周波数指令値ω₁ ^*を積分し、二次磁束位相角指令値θ₂ ^*を算出する。
【００２３】
磁束位相差演算手段（１）１９では一次磁束指令値φ₁*とｑ軸電流指令値ｉ_1q*とを入力とし、下記数５の式に従って磁束位相差Δθを演算する。
【００２４】
【数５】

【００２５】
加算手段１５₃ は積分手段５の出力である二次磁束位相角指令値θ₂ ^*と、磁束位相差演算手段（１）９の出力である磁束位相差Δθとを加算して、一次磁束位相角指令値θ₁ ^*を出力する。
【００２６】
指令電圧ベクトル回転手段１４は一次磁束位相指令値θ₁ ^* と、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*と、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*とから、３相電圧指令値ｖ_u*，ｖ_v*，ｖ_w*を下記数６の式に従って演算し、インバータ１に伝えている。
【００２７】
【数６】

【００２８】
以上の構成要素により、この誘導電動機駆動システムを制御することで、各誘導電動機間の負荷不平衡が大きい場合でも、負荷の最も重たい誘導電動機の一次磁束ベクトルと一次磁束指令ベクトルとの向きおよび大きさの誤差を低減し、負荷の最も重たい誘導電動機の出力トルクや回転速度を所望の値となるようにしている。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の誘導電動機駆動システムの制御方法では、負荷の最も重たい誘導電動機の回転角周波数を基準回転角周波数とし、この誘導電動機の出力トルクを所望の値となるようにしているため、各誘導電動機のトルクの合計値とその指令値との誤差が大きくなるという問題があった。
【００３０】
また、一次磁束と二次磁束との位相差をｑ軸電流指令値より演算しているため、ｑ軸電流指令値変動時、すなわち、トルク指令変動時に、一次磁束位相角指令値と一次磁束位相角実際値との偏差が増大し、トルク指令変化時のトルク制御性能が劣化するという問題もあった。
【００３１】
この発明の目的は、上記問題点を解決する誘導電動機駆動システムの制御方法を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、1台のインバータにより給電される複数台の誘導電動機であって、これらの誘導電動機の一次電流ベクトル又は一次電圧ベクトルを制御することにより前記誘導電動機全体を可変速制御する誘導電動機駆動システムの制御方法において、
前記誘導電動機全体として駆動状態と見做されるときには該誘導電動機のそれぞれの回転角周波数のうち、最も小さい値の回転角周波数から所定値以内にある回転角周波数の平均値を基準回転角周波数とし、前記誘導電動機全体として回生状態と見做されるときには該誘導電動機のそれぞれの回転角周波数のうち、最も大きい値の回転角周波数から所定値以内にある回転角周波数の平均値を基準回転角周波数とし、前記いずれかの基準回転角周波数を検出値として前記誘導電動機全体の可変速制御を行うことを特徴とする。
【００３３】
この発明は、誘導電動機の一次磁束を基準としたベクトル制御では、全ての誘導電動機の誘起電圧がほぼ一定と見做せること、各誘導電動機のトルクは各誘導電動機のすべりに比例していることとに着目してなされたものである。
【００３４】
以下に、この発明の誘導電動機駆動システムの作用について説明する。
【００３５】
図７は、複数台の誘導電動機の等価回路を示したものである。
【００３６】
ここで、R₁は一次抵抗、R₂は二次抵抗、ｓはすべり、L₁は一次インダクタンス、Lσはもれインダクタンスである。
【００３７】
各誘導電動機の一次抵抗R₁での電圧降下分はほとんど同じなので、各誘起電圧e₁，ｅ₂，・・，ｅ_Nは等しいと見なすことができる。従って、各誘導電動機のｑ軸電流成分ｉ_qxは下記数７の式で表すことができる。
【００３８】
【数７】

【００３９】
ここで、添え字のｘは誘導電動機の番号、ｅ_qは誘起電圧を表している。
【００４０】
一次磁束を基準したベクトル制御では、各誘導電動機の一次磁束は等しくなるので、誘導電動機トルクτ_xは下記数８の式で表すことができる。
【００４１】
【数８】

【００４２】
ここで、Ｋは比例係数、ω₁はインバータ角周波数、ω_rxは誘導電動機回転角周波数である。
【００４３】
従って、Ｎ台誘導電動機のトルク合計値τ_SUMは下記数９の式で表される。
【００４４】
【数９】

【００４５】
一方、Ｎ台分のトルク指令値τ_SUM*は、下記数１０の式で表すことができる。
【００４６】
【数１０】

【００４７】
ここで、ω_Rは基準回転角周波数である。
【００４８】
Ｎ台分のトルク指令値τ_SUM*とＮ台分のトルク合計値τ_SUMとを等しくするには、前記数９，数１０の式より、基準回転角周波数ω_Rを下記数１１の式のとおりとすれば良い。
【００４９】
【数１１】

【００５０】
しかし、基準回転角周波数ω_Rを常に数１１に示した式のとおりとすると、駆動時にいずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった場合に、この誘導電動機の回転角周波数が増加して基準回転角周波数ω_Rが上昇する。その結果として、前記インバータの出力の角周波数ω₁が上昇し、負荷の軽くなった誘導電動機の回転角周波数がさらに増加してしまう。また、回生時にいずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった場合には、この誘導電動機の回転角周波数が著しく減少してしまう。
【００５１】
これらの現象を抑制するには、基準回転角周波数ω_Rを負荷の重い誘導電動機のみの平均とすることが有効である。負荷の重い誘導電動機か否かの判定は、判定する誘導電動機の回転角周波数と、負荷の最も重たい誘導電動機の回転角周波数と差で行うことができる。
【００５２】
従って、駆動時は最も低い回転角周波数から一定値以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を基準回転角周波数ω_Rとし、回生時は最も高い回転角周波数から一定値以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を基準回転角周波数ω_Rとすることで、各誘導電動機の負荷が均衡している際にはＮ台の誘導電動機のトルクの合計値をその指令値と等しくすることができ、また、いずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった際には、この誘導電動機の急激な回転速度変動を抑制することができる。
【００５３】
また、誘導電動機の一次電流に含まれるスイッチングリプルや歪みの影響を抑え、精度良く一次磁束位相角を演算するには、電流指令値と電流検出値とを併用するのが効果的である。スイッチングリプルや電流歪みは、インバータの動作条件や誘導電動機の特性により異なる。
【００５４】
そのため、下記数１２に示す式のように、一次磁束位相角演算でのｑ軸電流指令値ｉ_1q*とｑ軸電流検出値ｉ_1qとの重み〔Ｋθ〕を調整できるようにし、任意の複数台の誘導電動駆動システムにおいて、一次磁束位相角Δθを精度良く演算できるようにする。
【００５５】
【数１２】

【００５６】
これにより、任意の複数台の誘導電動機からなる誘導電動機駆動システムにおいて、トルク指令変動時でも高精度なトルク制御を実現することができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導電動機駆動システムのブロック構成図であり、図６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重複する説明を省略する。
【００５８】
すなわち図１に示した構成が図６に示した構成と異なる点は、基準回転角周波数演算手段（２）２０に代えて、基準回転角周波数演算手段（１）６を備えていることである。
【００５９】
この基準回転角周波数演算手段（１）６は、Ｎ個の回転速度検出器4₁ ，4₂ ，・・，4_N による回転角周波数検出値ω_r1，ω_r2，・・，ω_rNと、前述のｑ軸電流指令値ｉ_1q ^*とから、誘導電動機２₁ ，２₂ ，・・,２_N 全体として駆動状態と見做されるときには最も低い回転角周波数から一定値以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を演算して基準回転角周波数ω_Rとして出力し、前記誘導電動機全体が回生状態と見做されるときには最も高い回転角周波数から一定値以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を演算して基準回転角周波数ω_Rとして出力する。
【００６０】
すなわち、基準回転角周波数演算手段（１）６が出力する基準回転角周波数ω_Rにより制御演算を行うことで、先述の如く、各誘導電動機の負荷が均衡している際には各誘導電動機のトルクの合計値をその指令値に一致させ、また、いずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった際には、この誘導電動機の急激な回転速度変動を抑制することができる。
【００６１】
図２は、この発明の第２の実施例を示す誘導電動機駆動システムのブロック構成図であり、図１に示した第１の実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００６２】
すなわち図２に示した構成が図１に示した構成と異なる点は電流検出器３₁ ，３₂ ，3₃ と検出電流ベクトル回転手段（１）５とが省略され、ｄ電流調節手段１２，ｑ軸電流調節手段１３に代えてｄ軸電圧指令演算手段１６，ｑ軸電圧指令演算手段１７とを備えていることである。
【００６３】
このｄ軸電圧指令演算手段１６は、下記数１３に示す式に従った演算処理を行い、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*を出力する。
【００６４】
【数１３】

【００６５】
またｑ軸電圧指令演算手段１７は、下記数１４に示す式に従った演算処理を行い、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を出力する。
【００６６】
【数１４】

【００６７】
すなわち、基準回転角周波数演算手段（１）６が出力する基準回転角周波数ω_Rと、ｄ軸電圧指令演算手段１６が出力するｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*と、ｑ軸電圧指令演算手段１７が出力するｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*とにより制御演算を行うことで、先述の如く、各誘導電動機の負荷が均衡している際には各誘導電動機のトルクの合計値をその指令値に一致させ、また、いずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった際には、この誘導電動機の急激な回転速度変動を抑制することができる。
【００６８】
図３は、この発明の第３の実施例を示す誘導電動機駆動システムのブロック構成図であり、図１に示した第１の実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００６９】
すなわち図３に示した構成が図１に示した構成と異なる点は、磁束位相差演算手段（１）９に代えて磁束位相差演算手段（２）１８を備えていることである。
【００７０】
この磁束位相差演算手段（２）１８は、先述の数１２に示した式に従って、磁束位相差Δθを演算する。
【００７１】
すなわち、基準回転角周波数演算手段（１）６が出力する基準回転角周波数ω_Rと、磁束位相差演算手段（２）１８が出力する磁束位相差Δθとにより制御演算を行うことで、先述の如く、各誘導電動機の負荷が均衡している際には各誘導電動機のトルクの合計値をその指令値に一致させ、また、いずれかの誘導電動機の負荷が軽くなった際には、この誘導電動機の急激な回転速度変動を抑制することができ、さらに、トルク指令変動時においても、高精度なトルク制御を実現することができる。
【００７２】
図４は、この発明の第４の実施例を示す誘導電動機駆動システムのブロック構成図であり、図３に示した第３の実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００７３】
すなわち図４に示した構成が図３に示した構成と異なる点は、検出電流ベクトル回転手段（１）５に代えて検出電流ベクトル回転手段（２）１９を備えていることである。
【００７４】
この検出電流ベクトル回転手段（２）１９は一次磁束位相角指令値θ₁*と電流検出器3₁ ，３₂ による電流検出値ｉ_u ，ｉ_v とから、下記数１５に示す式に従って３相２相変換を行う。
【００７５】
【数１５】

【００７６】
なお図４に示した構成では、検出電流ベクトル回転手段（２）１９は、インバータ１の交流出力のＵ，Ｖ相の電流を入力としているが、Ｖ，Ｗ相の電流またはＵ，Ｗ相の電流を入力としても３相２相変換は可能である。
【００７７】
この誘導電動機駆動システムの動作は、図３に示した構成と同じなので、その説明を省略する。
【００７８】
図５は、この発明の第５の実施例を示す誘導電動機駆動システムのブロック構成図であり、図３に示した第３の実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００７９】
すなわち図５に示した構成が図３に示した構成と異なる点は、ｄ電流調節手段１２，ｑ軸電流調節手段１３に代えてｄ軸電圧指令演算手段１６，ｑ軸電圧指令演算手段１７とを備えていることである。
【００８０】
この誘導電動機駆動システムの動作は、図３に示した構成と同じなので、その説明を省略する。
【００８１】
【発明の効果】
この発明の誘導電動機駆動システムの制御方法によれば、各誘導電動機の負荷が均衡しているときには各誘導電動機のトルクの合計値をその指令値に一致させることができ、また、いずれかの誘導電動機の負荷が軽くなったときにはこの誘導電動機の急激な回転速度変動を抑制でき、さらに、この誘導電動機システムはトルク指令変化時においても、高精度なトルク制御を行うことができる。
【００８２】
特に、これらの誘導電動機を車輪の駆動源とした鉄道車両においては、例えば、該車両の力行時（駆動時）は最も低い回転角周波数から、このときのすべり角周波数の１／２程度以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を基準回転角周波数とし、該車両の回生時は最も高い回転角周波数から、このときのすべり角周波数の１／２程度以内にある回転角周波数の誘導電動機の回転角周波数平均値を基準回転角周波数とすることで、車輪・線路間の空転／滑走現象を抑え、高速かつ高精度なトルク制御を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示すブロック構成図
【図２】この発明の第２の実施例を示すブロック構成図
【図３】この発明の第３の実施例を示すブロック構成図
【図４】この発明の第４の実施例を示すブロック構成図
【図５】この発明の第５の実施例を示すブロック構成図
【図６】従来例を示すブロック構成図
【図７】複数台の誘導電動機等価回路図
【符号の説明】
１…インバータ、２…誘導電動機、３…電流検出器、４…回転速度検出器、５…検出電流ベクトル回転手段（１）、６…基準回転角周波数演算手段（１）、７…積分手段、８…すべり角周波数指令演算手段、９…磁束位相差演算手段（１）、１０…二次無効電流指令演算手段、１１…磁化電流指令演算手段、１２…ｄ軸電流調節手段、１３…ｑ軸電流調節手段、１４…指令電圧ベクトル回転手段、１５…加算手段、１６…ｄ軸電圧指令演算手段、１７…ｑ軸電流指令演算手段、１８…磁束位相差演算手段（２）、１９…検出電流ベクトル回転手段（２）、２０…基準回転角周波数演算手段（２）。

Claims (1)

1台のインバータにより給電される複数台の誘導電動機であって、これらの誘導電動機の一次電流ベクトル又は一次電圧ベクトルを制御することにより前記誘導電動機全体を可変速制御する誘導電動機駆動システムの制御方法において、
前記誘導電動機全体として駆動状態と見做されるときには
該誘導電動機のそれぞれの回転角周波数のうち、最も小さい値の回転角周波数から所定値以内にある回転角周波数の平均値を基準回転角周波数とし、
前記誘導電動機全体として回生状態と見做されるときには
該誘導電動機のそれぞれの回転角周波数のうち、最も大きい値の回転角周波数から所定値以内にある回転角周波数の平均値を基準回転角周波数とし、
前記いずれかの基準回転角周波数を検出値として前記誘導電動機全体の可変速制御を行うことを特徴とする誘導電動機駆動システムの制御方法。

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