JP4219362B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、回転機の制御装置に関するものである。
回転機には、誘導機や同期機が含まれる。そのうち、誘導電動機の制御装置としては、従来、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。すなわち、特許文献1では、特に第8頁−12頁、図1,図8,図9,図12,図14に示されているように、可変電圧可変周波数の交流一次電圧を出力して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、上記電力変換回路から上記誘導電動機に供給される一次電流を検出するための電流検出器と、上記一次電流と予め設定された上記交流一次電圧の周波数指令値とから第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路と、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値を演算する磁束指令演算回路と、上記周波数指令値と上記磁束指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路と、上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算して上記電力変換回路へ出力する一次電圧指令演算回路とを備えた誘導電動機の制御装置が開示されている。
この特許文献1に開示された誘導電動機の制御装置では、上記電流成分演算回路が上記一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算するように制御しているので、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値との振幅比が予め設定された所定値となり、誘導電動機を高効率に駆動することができている。
なお、特許文献2では、インバータの周波数と電圧と電流とからすべりと最適効率になるすべり周波数とを演算し、一致するように制御する技術が開示されている。また、特許文献3では、インバータの周波数と電圧と電流とからすべりと最適効率になるすべり周波数とを演算し、一致するように制御する技術が開示されている。
特開2000−175492号公報 米国特許第5500581号明細書 米国特許第5786231号明細書
しかしながら、上記一次電圧成分指令値と同相である電力成分および位相が90度ずれた第2の電力成分として、それぞれの電流成分の二乗値を与え、第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値との振幅比が予め設定された所定値となるようにしているので、負荷トルクが同じ動作点であっても、負荷トルクが増加するときと減少するときとで電流の過渡応答が異なるという問題や、負荷トルクの動作点が軽負荷時と高負荷時とで電流の過渡応答が異なるという問題がある。
また、一次角周波数を一定に保つため、インパクト負荷などで回転速度が急変すると、「一次角周波数−回転速度」で与えられるすべり周波数も急変し、その結果、電流振幅が急変し過電流になりうるという問題もある。
なお、特許文献2では、誘導電動機の過渡特性については考慮がなされていない。
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、負荷トルクの増減や動作点を問わず電流の過渡応答を一定に保つことができ、また、インパクト負荷などによって回転速度が急変したときでも電流の振幅が所望の範囲内となるようにすることができる回転機の制御装置を得ることを目的とする。
上述した目的を達成するために、この発明は、角速度指令に基づいて与えられる一次角周波数を積分し位相を演算する積分手段と、三相電圧指令に従って回転機に三相電圧を印加する電力変換手段と、前記回転機を流れる三相電流を検出する電流検出手段と、前記積分手段が出力する位相に基づいて前記電流検出手段が検出した電流を回転二軸座標上の電流に座標変換するとともに、回転二軸座標上の電圧指令を前記三相電圧指令に座標変換する座標変換手段と、前記一次角周波数と前記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差とに基づいて前記回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備え、前記電圧指令演算手段は、負荷に応じて変化させる励磁電流指令を演算するとともに、前記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差を前記励磁電流指令で除算して微小励磁電流指令を求め、求めた微小励磁電流指令と前記一次角周波数とに基づいて前記回転二軸座標上の電圧指令を演算することを特徴とする。
この発明によれば、回転二軸座標上の電流の各軸成分を絶対値の電流偏差として扱うので、負荷トルクが同じ動作点であれば、負荷トルクが増加するときと減少するときとで電流の過渡応答を等しくすることができる。また、回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差を負荷に応じて変化させる励磁電流指令で除算するので、負荷トルクの動作点が軽負荷時から高負荷時まで変化しても、電流の過渡応答を等しくすることできるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる回転機の制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施の形態である回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、この実施の形態による回転機(例えば誘導電動機)1の制御装置は、周波数補正器10と積分器11と電圧指令演算器12と座標変換器13と電力変換器14と電流検出器15とを備えている。
電力変換器14は、座標変換器13から入力される三相電圧指令vu*,vv*,vw*に基づいて回転機1に三相電圧を印加する。
電流検出器15は、回転機1に流れる三相の相力電流のうちの二相の相電流iu,ivを検出し座標変換器13に出力する。なお、ここでは、電流検出器15は、回転機1を流れる三相電流のうち二相の電流を検出する構成を示したが、例えば三相電流の三相全ての電流を検出しても良く、また、電力変換器14の母線電流を検出し、その検出値に基づいて回転機1を流れる三相電流を検出する構成でも良い。
積分器11は、周波数補正器10から入力される回転機1の一次角周波数ωを積分して位相θを求め、座標変換器13に出力する。
座標変換器13は、積分器11が出力する位相θに基づき、電流検出器15から得られた二相の相電流iu,ivを回転二軸座標上の電流id,iqに座標変換して電圧指令演算器12と周波数補正器10とに与えることと、電圧指令演算器12から入力される回転二軸上の電圧指令vd*,vq*を上記の三相電圧指令vu*,vv*,vw*に座標変換することとを行う。
電圧指令演算器12は、周波数補正器10から入力される回転機1の一次角周波数ωと座標変換器13から入力される回転二軸座標上の電流id,iqとに基づいて上記の回転二軸座標上の電圧指令vd*,vq*を演算する。
周波数補正器10は、外部から入力される角速度指令ω*を座標変換器13から入力される回転二軸座標上の電流id,iqに基づいて補正し、上記の一次角周波数ωを出力する。具体的には、周波数補正器10は、上記の回転二軸座標上の電流id,iqに基づき回転機1の負荷変化量に応じた周波数補正量Δωを演算する補正量演算器17と、角速度指令ω*に応じて周波数補正量Δωの値を制限する補正量リミッタ18と、角速度指令ω*から補正量リミッタ18での制限値を減じて上記の一次角周波数ωを出力する減算器19とで構成されている。
ここで、座標変換器13が出力する回転二軸座標上の電流id,iqのうち、電流idは上記位相θと同位相の電流成分であり、電流iqは位相θと直交する位相の電流成分であるとする。また、座標変換器5に入力される回転二軸座標上の電圧指令vd*,vq*のうち、電圧指令vd*は上記位相θと同位相の電圧指令成分であり、電圧指令vq*は位相θと直交する位相の電圧指令成分であるとする。
まず、図1を参照して、周波数補正器10の動作について説明する。周波数補正器10は、特許文献1に開示された技術が持つ問題、つまり、一次角周波数を一定に保つため、インパクト負荷などで回転速度が急変すると、すべり角周波数(=一次角周波数−回転速度)も急変し、その結果、電流振幅が急変することになり過電流になりうるという問題を解決するために設けてある。
すなわち、回転機1では、軸トルクが増加すると回転速度は加速し、軸トルクが減少すると回転速度は減速する。したがって、軸トルクの変化率が判れば、回転速度の増減も判る。そこで、この実施の形態では、軸トルクの代わりに回転機1の出力トルクを用いることにより、回転速度の増減に応じて、一次角周波数を補正し、すべり角周波数(=一次角周波数−回転速度)が急変しないようしている。
補正量演算器17は、回転機1の負荷変化量に応じた周波数補正量Δωを次のようにして演算する。すなわち、上記の電流idから二次磁束相当値φdを式(1)の演算によって求め、上記の電流iqと求めた二次磁束相当値φdとから出力トルク推定値τ0を式(2)の演算によって求める。
φd=1/(1+Tr・s)×id ・・・(1)
τ0=Pm×φd×iq ・・・(2)
なお、式(1)(2)において、sはラプラス演算子、Trは回転機1の電気的時定数、Pmは回転機1の極対数である。ついで、求めた出力トルク推定値τ0の変化に応じた周波数補正量Δωを式(3)の演算によって求める。なお、式(3)において、G1,G2は任意の実数である。
Δω=G1×s/(1+G2×s)×τ0 ・・・(3)
そして、周波数補正量Δωが大きくなり過ぎると一次角周波数ωの値は小さくなり過ぎるので、回転機1では十分な出力トルクが発生できないことが起こる。それを回避するために、補正量リミッタ18にて角速度指令ω*に応じて周波数補正量Δωの上限値または下限値を制限するようにしている。その結果、減算器19からは適切な値の一次角周波数ωが出力されることになる。
このように構成される周波数補正器10によれば、インパクト負荷などで回転速度が急変したときでも回転速度の変化に応じて一次角周波数ωを変化させることができるので、電流振幅急変の抑制が可能となり、過電流となりうる問題が解決できる。
また、回転機1がトルクを出力するとき、回転角周波数は、一次角周波数からすべり角周波数を減算した値になる。このすべり角周波数は、出力トルクに比例するものと見なして、上記の式(3)を次の式(4)に置き換えても良い。なお、式(4)において、G3は任意の実数である。
Δω={G1×s/(1+G2×s)+G3}×τ0 ・・・(4)
式(3)の代わりに式(4)を用いることにより、電流振幅急変の抑制効果に加え、すべり角周波数に起因する回転機1の速度低下を補正できる効果ある。但し、任意の実数G1を零にすると、すべり角周波数に起因する回転機1の速度低下は補正できるが、電流振幅急変の抑制効果が損なわれる。
次に、図2は、図1に示す電圧指令演算器12の構成例を示すブロック図である。図2に示すように、電圧指令演算器12は、微小励磁電流演算部20と、リミッタ21と、テーブル23と、制限機能付積分器24と、利得器25,26と、乗算器27とを備えている。
この構成によって、電圧指令演算器12は、上記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の偏差に基づいた微小励磁電流指令ΔI0と、この微小励磁電流指令ΔI0を増幅することにより回転機1に与える励磁電流指令I0を求め、励磁電流指令ΔI0が回転機1に流すための電圧指令を演算する。
微小励磁電流演算部20は、具体的には図3に示すように構成されるが、上記の回転二軸上のq軸電流成分iqの絶対値とd軸電流成分idの絶対値とを演算し、それぞれの偏差をKwi倍し、それを制限機能付積分器24から入力される励磁電流指令I0で除算して微小励磁電流指令ΔI0を求める。
リミッタ21は、微小励磁電流演算部20が出力する微小励磁電流指令ΔI0の振幅を制限する。ローパスフィルタ22は、上記の一次角周波数ωの高周波成分を除去した低周波成分ωfを出力する。テーブル23は、ローパスフィルタ22が出力する低周波成分ωfに基づいて励磁電流指令の下限値I0MINを出力する。
制限機能付積分器24は、リミッタ21から得られた微小励磁電流指令ΔI0を積分演算し、その積分演算結果の範囲をテーブル23から入力される励磁電流指令の下限値I0MINと予め設定された励磁電流指令の上限値I0MAXとの範囲内に収まるように制限した励磁電流指令I0を出力する。
利得器25は、リミッタ21から得られた微小励磁電流指令ΔI0に回転機1のインダクタンス値Lsを乗算し、それを回転二軸座標上のd軸電圧指令vd*として出力する。利得器26は、制限機能付積分器24から得られた励磁電流指令I0に回転機1のインダクタンス値Lsを乗算する。乗算器27は、利得器26の出力と一次角周波数ωとを乗算し、それを回転二軸座標上のq軸電圧指令vq*として出力する。
次に、図3は、図2に示す微小励磁電流演算部20の構成例を示すブロック図である。図3に示すように、微小励磁電流演算部20は、絶対値演算器(ABS)30,31と、利得器32と、減算器33と、除算器34と、利得器35とを備えている。
絶対値演算器(ABS)30は、d軸電流成分idの絶対値|id|を演算する。絶対値演算器(ABS)31は、q軸電流成分iqの絶対値|iq|を演算する。利得器32は、絶対値演算器(ABS)30が出力するd軸電流成分idの絶対値|id|をK1倍する。
減算器33は、絶対値演算器(ABS)31が出力するd軸電流成分idの絶対値|iq|から利得器32が出力するK1×|id|を減算する。除算器34は、減算器33の演算結果を励磁電流指令値I0で除算する。利得器35は、除算器34の演算結果をKwi倍し、それを微小励磁電流指令ΔI0として出力する。
このように、電圧指令演算器12は、一次角周波数と回転二軸上の電流の各軸成分の絶対値に関する偏差(|iq|−K1×|id|)とに基づいて上記回転二軸座標上の電圧指令を演算する。
次に、図4〜図7を参照して、以上のように構成される電圧指令演算器12を備える制御装置の動作について説明する。なお、図4は、特許文献1に開示された技術を説明する特性図であり、図5〜図7はこの実施の形態で得られる特性図である。各図では、理解を容易にするため、vd*=0、vq*=ωLsI0として、K1=1の場合における開ループで回転機1を駆動したときの定常特性が示されている。
この実施の形態による電圧指令演算器12では、上記のように、回転二軸座標上のq軸電流成分iqの二乗値とd軸電流成分idの二乗値は求めないが、特許文献1に開示された技術に倣って二乗値を求めるとした場合における回転速度と電流偏差(iq−id)との関係は図4に示すようになる。
図4において、横軸は回転速度[Hz]であり、58Hz〜62Hzが目盛られている。縦軸は電流偏差(iq−id)[A]であり、400〜−200が目盛られている。一次周波数は60Hzである。また、励磁電流指令I0は200[V]÷(2π60Ls)[A]を基準に0.6倍〜1.4倍の間で変化させている(符号40参照)。
図4に示されるように、回転速度が59Hz近傍もしくは61Hz近傍にあるときは、励磁電流指令I0の値に関係なく、電流偏差(iq−id)が零となっている。
このことから、回転二軸座標上のd軸電流成分idの二乗値とq軸電流成分iqの二乗値との振幅比が予め設定された所定値となるようにする特許文献1に開示された技術では、実回転速度が59Hzもしくは61Hz近傍となるように、励磁電流指令I0の値を操作して発生トルクを調整していたと想定される。
しかしながら、電流偏差(iq−id)の大きさに基づいて回転機1を制御するとき、図4から理解できるように、電流偏差(iq−id)の大きさと回転速度(またはすべり周波数)の関係は、非線形に変化するので、回転速度の初期値が60Hzで59Hzに収束する場合と回転速度の初期値が58Hzで59Hzに収束する場合とでは、収束応答は一致しない。
一方、図5は、この実施の形態による電圧指令演算器12によって得られる回転速度と電流偏差(|iq|−|id|)との関係を示す図である。図5において、横軸は回転速度[Hz]であり、58Hz〜62Hzが目盛られている。縦軸は電流偏差(|iq|−|id|)[A]であり、10〜−10が目盛られている。一次周波数は60Hzである。また、励磁電流指令I0は200[V]÷(2π60Ls)[A]を基準に0.6倍〜1.4倍の間で変化させている(符号50参照)。
図5でも、図4と同様に、回転速度が59Hz近傍もしくは61Hz近傍にあるときは、励磁電流指令I0の値に関係なく、電流偏差(iq−d)が零となっている。
しかし、図5では、図4と異なり、回転速度が59Hz近傍もしくは61Hz近傍にあるときは、電流偏差(|iq|−|id|)は、回転速度の変位に応じて比例的な変化を示している。
すなわち、K1=1の場合について考えると、図3に示した微小励磁電流演算部20は、d軸電流成分idの絶対値|id|を演算する絶対値演算器30と、q軸電流成分iqの絶対値|iq|を演算する絶対値演算器31と、電流偏差(|iq|−|id|)を演算する減算器33とを備えるので、回転速度の初期値が60Hzで59Hzに収束する場合と回転速度の初期値が58Hzで59Hzに収束する場合とで、収束応答が一致するようになる。
次に、図4および図5に示した特性では、同じ回転速度でも励磁電流指令I0によって電流偏差の振幅が異なっている。このことが、特許文献1に開示に開示された技術において、負荷トルクが同じ動作点であっても、負荷トルクが増加するときと減少するときとで電流の過渡応答が異なり、負荷トルクの動作点が軽負荷時と高負荷時とで電流の過渡応答が異なる理由である。
この実施の形態においても図5に示すように電流偏差(|iq|−|id|)の値に基づいて回転機1を制御すると、励磁電流指令I0の初期値によっては定常点に収束するまでの応答が一致しないことが起こるが、図3に示した構成から理解できるように、この実施の形態では、図5に示す特性から図6に示す特性を得る操作をしているので、このような問題は生じない。
図6は、一次周波数60Hzにおいて励磁電流指令値を各種に変化させたときにおける回転速度と電流偏差(|iq|−|id|)÷励磁電流指令との関係を示す図である。
図6において、横軸は回転速度[Hz]であり、58Hz〜62Hzが目盛られている。縦軸は電流偏差(|iq|−|id|)÷励磁電流指令I0[p.u]であり、+1〜−1が目盛られている。第6図では、励磁電流指令I0は、200[V]÷(2π60Ls)[A]を基準に0.6倍〜1.4倍の間で変化させている(符号60参照)。
図6に示すように、制御する電流偏差を、(|iq|−|id|)÷I0とすれば、回転速度と制御する電流偏差との関係は、励磁電流指令I0の振幅に依存しないことが分かる。この電流偏差(|iq|−|id|)÷励磁電流指令I0の操作は、図3に示す除算器34が行っている。
このように、この実施の形態では、q軸電流成分の絶対値とd軸電流成分の絶対値とを負荷に応じて変化させる励磁電流指令I0で除算できるので、負荷トルクの動作点が軽負荷時から高負荷時まで変化しても、電流の過渡応答を等しくすることができる。
次に、図7は一次周波数60Hzにおいて回転速度を変化させたときにおけるすべり周波数と電流偏差{(|iq|−|id|)÷励磁電流指令}との関係を示す図である。第7図において、横軸はすべり周波数[Hz]であり、縦軸は電流偏差{(|iq|−|id|)÷励磁電流指令I0}である。第7図では、回転速度は10Hz〜60Hzまで変化させている(符号70参照)。また、励磁電流指令I0の値は、基準値(200V÷(2π60Ls))としている。
図7では、電流偏差{(|iq|−|id|)÷励磁電流指令I0}が零となる点でのすべり周波数は、回転速度が10Hz程度の低速では回転速度20Hz以上の場合と若干異なるが、回転速度20Hz以上では回転速度の影響を殆ど受けないことが示されている。すなわち、インパクト負荷などによって回転速度が急変することがあっても、すべり周波数は一定に保つことができる。
以上のように、この実施の形態では、一次電圧成分指令値と同相である電力成分および位相が90度ずれた第2の電力成分を演算する代わりに、それぞれの電流成分の絶対値を演算し、これらが予め設定された所定値となるようにしたので、負荷トルクが同じ動作点であれば、負荷トルクが増加するときと減少するときとで電流の過渡応答を等しくすることができる。
また、負荷に応じて変化させる励磁電流指令でそれぞれの電流成分の絶対値を除算するので、負荷トルクの動作点が軽負荷であっても高負荷であっても、電流の過渡応答を等しくすることができる。
さらに、周波数補正器によって一次角周波数を補正するので、インパクト負荷などにより回転速度が急変したときの電流振幅急変が抑制できるので、過電流となりうる問題が解決できる。
なお、この実施の形態では、回転機として誘導機を例に挙げて説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、その他、例えば同期機であっても同様に適用できることは言うまでもない。
以上のように、この発明にかかる回転機の制御装置は、負荷トルクの増減や動作点を問わず電流の過渡応答を一定に保つことができ、また、インパクト負荷などによって回転速度が急変したときでも電流の振幅が所望の範囲内となるようにすることができるので、三相誘導電動機や同期電動機などの回転機を高効率に駆動制御する制御装置として好適である。
この発明の一実施の形態である回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 図1に示す電圧指令演算器の構成例を示すブロック図である。 図2に示す微小励磁電流演算部の構成例を示すブロック図である。 一次周波数60Hzにおいて励磁電流指令値を各種に変化させたときにおける回転速度と電流偏差(iq−id)との関係を示す図である。 一次周波数60Hzにおいて励磁電流指令値を各種に変化させたときにおける回転速度と電流偏差(|iq|−|id|)との関係を示す図である。 一次周波数60Hzにおいて励磁電流指令値を各種に変化させたときにおける回転速度と電流偏差(|iq|−|id|)÷励磁電流指令との関係を示す図である。 一次周波数60Hzにおいて回転速度を変化させたときにおけるすべり周波数と電流偏差(|iq|−|id|)÷励磁電流指令との関係を示す図である。

Claims (2)

  1. 角速度指令に基づいて与えられる一次角周波数を積分し位相を演算する積分手段と、
    三相電圧指令に従って回転機に三相電圧を印加する電力変換手段と、
    前記回転機を流れる三相電流を検出する電流検出手段と、
    前記積分手段が出力する位相に基づいて前記電流検出手段が検出した電流を回転二軸座標上の電流に座標変換するとともに、回転二軸座標上の電圧指令を前記三相電圧指令に座標変換する座標変換手段と、
    前記一次角周波数と前記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差とに基づいて前記回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
    を備え、
    前記電圧指令演算手段は、負荷に応じて変化させる励磁電流指令を演算するとともに、前記回転二軸座標上の電流の各軸成分の絶対値の電流偏差を前記励磁電流指令で除算して微小励磁電流指令を求め、求めた微小励磁電流指令と前記一次角周波数とに基づいて前記回転二軸座標上の電圧指令を演算することを特徴とする回転機の制御装置。
  2. 前記回転二軸座標上の電流に基づいて周波数補正量を演算し、前記角速度指令から前記周波数補正量を減算して前記一次角周波数を出力する周波数補正手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の回転機の制御装置。
JP2005508738A 2003-08-28 2003-08-28 回転機の制御装置 Expired - Lifetime JP4219362B2 (ja)

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