JP4410632B2 - 誘導電動機の制御方法、制御装置、製鉄・非鉄設備、鉄道車両、巻取機、船舶、工作機械、抄紙機設備および搬送設備 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機の制御方法および制御装置に係り、特にベクトル制御を行う誘導電動機の制御方法および制御装置に関するものである。

誘導電動機のベクトル制御方式として、直流他励電動機の最も一般的な方式を適用したものが知られている。すなわち、定格回転速度（以下「ベース速度」という。）までは定トルク運転を行い、ベース速度以上では定出力運転を行う方式である。なお、定格回転速度は、基準出力としての定格出力時の最低回転速度である。
「可変速交流電動機の圧延機への適用」，電気学会技術報告，平成１５年８月，第９３５号，ｐ．２９

しかしながら、ベース速度以上での定出力運転時は、誘導電動機の内部誘導起電力を一定に保つように制御しているため、定格出力以上の高出力を得ることが困難であった。

そこで、本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高出力を得ることができる誘導電動機の制御装置および制御方法を提供することである。
また、前記した誘導電動機の制御装置により動力用誘導電動機が制御される製鉄・非鉄設備、鉄道車両、巻取機、船舶、工作機械、抄紙機設備および搬送設備を提供することである。

前記課題を解決するために本発明は、強め界磁磁束状態時には、誘導電動機の回転速度の上昇に比例して内部誘導起電力を大きくしていき、内部誘導起電力が定格回転速度時よりも大きくなったときに界磁弱め制御によるベクトル制御を行い、界磁弱め制御時には、内部誘導起電力を定格回転速度時よりも大きくなるように可変させながらベクトル制御を行う。

本発明によると、誘導電動機の高出力を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る誘導電動機の制御装置を含む全体システムのブロック図である。
図１において、誘導電動機１は、速度指令器２からの速度指令ＳＰｓに追従して駆動するようになっている。速度指令ＳＰｓは、回転速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）の目標値である。なお、誘導電動機１は、例えば、製鉄・非鉄設備（熱間圧延設備、冷間圧延設備、プロセッシングライン設備）、鉄道車両、巻取機（巻戻機を含む。）、船舶、工作機械（主軸駆動用）、抄紙機設備、搬送設備などの用途に用いられる。

具体的に説明する。速度制御器４は、前記した速度指令ＳＰｓと、速度センサ３で検出された誘導電動機１の回転速度Ｎとの差（ＳＰｓ−Ｎ）に基づいて、トルク電流指令Ｉｑｓをトルク電流制御器７に出力する。

また、磁束指令器５は、速度センサ３で検出された回転速度Ｎに基づいて、界磁磁束の磁束指令φｓを励磁電流演算器６に出力する。そして、励磁電流演算器６は、磁束指令器５からの磁束指令φｓに基づいて、誘導電動機１の励磁電流を演算し、励磁電流指令Ｉｄｓを励磁電流制御器６に出力する。

符号９で示されるのは電流演算器であり、この電流演算器９は、電流センサ１０で検出された誘導電動機１に流れる一次電流（固定子電流）に基づいて、トルク電流Ｉｑおよび励磁電流Ｉｄを演算する。すなわち、電流演算器９は、誘導電動機１の線電流を、電力変換器１２の出力の電源周波数に同期して回転するｑ軸およびｄ軸座標系に変換する。そして、電流演算器９は、演算したトルク電流Ｉｑおよび励磁電流Ｉｄを出力する。

トルク電流制御器７は、電流演算器９から出力されたトルク電流Ｉｑを速度制御器４から出力されたトルク電流指令Ｉｑｓに追従させるためのトルク電圧指令Ｖｑを座標変換器１１に出力する。これに対して、励磁電流制御器８は、電流演算器９から出力された励磁電流Ｉｄを励磁電流演算器６から出力された励磁電流指令Ｉｄｓに追従させるための励磁電圧指令Ｖｄを座標変換器１１に出力する。なお、電流演算器９の出力の周波数の設定は公知の技術であるため、図１ではそれに関する記載を省略している。

座標変換器１１は、前記したトルク電圧指令Ｖｑおよび励磁電圧指令Ｖｄを固定座標系へ座標変換し、３相分の電圧指令Ｖを生成する。そして、座標変換器１１は、生成した電圧指令Ｖを電力変換器１２に出力する。電力変換器１２は、例えばＰＷＭ（pulse width modulation）インバータである。
電力変換器１２は、前記した電圧指令Ｖに基づいて、直流電源１３の電力を変換（例えばＰＷＭ変換）し、３相の交流電力を誘導電動機１に供給する。このように構成することにより、誘導電動機１の一次電流が制御され、誘導電動機１の速度制御が行われるようになっている。

ここで、前記した磁束指令器５の特徴点について詳述する。磁束指令器５は、強め界磁磁束状態時には、誘導電動機１の回転速度Ｎの上昇に比例して内部誘導起電力を大きくしていき、磁束指令器５は、内部誘導起電力がベース速度時よりも大きくなったときに界磁弱め制御によるベクトル制御を行うように界磁磁束の指令を行う。そして、磁束指令器５は、界磁弱め制御時には、内部誘導起電力をベース速度時よりも大きくなるように可変させながらベクトル制御を行うように界磁磁束の指令を行う。

すなわち、磁束指令器５は、誘導電動機１の回転速度Ｎがベース速度よりも大きくなったときに、界磁弱め制御を行うように磁束指令φｓを出力する。言い換えると、磁束指令器５は、誘導電動機１の回転速度Ｎがベース速度より大きくなったときも、界磁磁束を強め界磁磁束状態にし続けてベクトル制御を行うように磁束指令φｓを出力する。
そして、磁束指令器５は、界磁弱め制御時、誘導電動機１の内部誘導起電力がベース速度時よりも大きくなるように界磁磁束を変化させる。さらに、磁束指令器５は、界磁弱め制御の開始後は、回転速度Ｎの上昇に応じて、誘導電動機１の端子電圧が最大過負荷時の最大電圧を超えないように界磁磁束を弱めさせる。このように構成することにより、誘導電動機１の界磁磁束が変化し、後記図４（Ｂ）の動作特性を得ることとなる。

なお、誘導電動機１の制御装置は、図１に示した各器４〜９、１１を含んで構成されている。誘導電動機１の制御装置は、例えば、アナログ回路で構成してもよいし、マイコンで構成してもよいし、ワンチップＩＣで構成してもよい。

次に、誘導電動機１の等価回路について説明する。
図２は、誘導電動機の１相分のＴ形等価回路を示す図である。図２によると、励磁電流Ｉｄが励磁回路に流れ、トルク電流Ｉｑが固定子回路に流れるようになっている。励磁回路は、励磁回路インダクタンスＬｍを含んで構成され、固定子回路は、回転子回路抵抗Ｒ２をすべりＳで減じた抵抗（Ｒ２／Ｓ）を含んで構成されている。そして、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの二乗和平方根で求められる一次電流（固定子電流）Ｉｓが固定子巻線に流れるようになっている。
なお、図２において、Ｖｓは端子電圧、Ｒ１は固定子回路抵抗、Ｌ１は固定子回路インダクタンス、Ｌ２は回転子回路インダクタンス、Ｅｄは内部誘導起電力（励磁回路電圧）を示す。

図２に示したＴ形等価回路の電流および電圧の関係は、図３のベクトル図で示される。このベクトル図により、端子電圧Ｖｓと内部誘導起電力Ｅｄとの関係が決定され、図１に示した磁束指令器５によって、励磁電流Ｉｄを作るための磁束指令φｓが適切に行われることとなる。なお、図３において、ｗは電源角周波数を示す。

次に、誘導電動機１の動作特性について説明する。ここでは、従来の誘導電動機の動作特性と比較を行うため、両者の動作特性について説明する。
図４は、本実施の形態に係る誘導電動機の動作特性および比較例の誘導電動機の動作特性を示す図である。なお、トルク電流Ｉｑは一定として示している。
まず、比較例の誘導電動機の動作特性について図４（Ａ）に基づいて説明する。図４（Ａ）によると、ベース速度（電源角周波数ｗＢ）までの定トルク制御範囲では、トルクＴが一定値となる定トルク運転が行われ、ベース速度以上の定出力制御範囲では、出力Ｐが一定値となる定出力制御が行われている。このとき、界磁磁束φは、定トルク制御範囲では一定値（強め界磁磁束状態）とし、定出力制御範囲では回転速度Ｎに反比例して弱めるようにしている。

そして、ベース速度以上の定出力制御範囲において、界磁磁束φが回転速度Ｎに反比例して減少しても、内部誘導起電力Ｅｄは、一定値Ｅｄｏを保っている。一定値Ｅｄｏは、ベース速度時の内部誘導起電力Ｅｄである。このとき、端子電圧Ｖｓは、回転速度Ｎの上昇に従い大きくしなければならない。また、端子電圧Ｖｓは、一次電流Ｉｓの大きさに従い大きくしなければならない。そして、端子電圧Ｖｓの最大電圧Ｖｓｍは、最大過負荷時の電圧になるようにしている。なお、このときの回転速度Ｎをトップ速度（電源角周波数ｗＴ）という。

ここで、図４（Ａ）に示した端子電圧Ｖｓの絶対値は、図３に示したベクトル図の関係から、式（１）により表される。なお、％Ｚはパーセントインピーダンス、Ｅｄｏはベース速度時の内部誘導起電力、ｗＢはベース速度時の電源角周波数を示す。ここでは、式の簡略化上、誘導電動機１のすべり周波数分については無視して説明する。

Ｖｓ≒Ｅｄｏ・［１＋｛％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）・（ｗ／ｗＢ）｝²］^1/2 ・・・（１）

式（１）中の％ＺおよびＥｄｏは、式（２）および式（３）により表される。

％Ｚ＝Ｉｑｏ・ｗＢ・（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｅｄｏ ・・・（２）

Ｅｄｏ＝Ｉｄｏ・ｗＢ・Ｌｍ ・・・（３）

なお、図４（Ａ）に示した定出力制御範囲（ｗ≧ｗＢ）では、Ｅｄ＝Ｅｄｏとしているので、式（１）は、次の関係を考慮して示している。

Ｉｑ・Ｒ１／Ｅｄｏ＋（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌｍ＜＜１ ・・・（４）

Ｉｄ・Ｒ１／Ｅｄｏ＜＜％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）・（ｗ／ｗＢ） ・・・（５）

図４（Ａ）では、％Ｚ＝０．２（２０％）、Ｉｑ／Ｉｑｏ＝１．７５（１７５％）、ｗ／ｗＢ＝３として、式（１）に代入し、図４（Ａ）に示した端子電圧Ｖｓの最大電圧Ｖｓｍ≒１．４５Ｅｄｏを求めている。

このため、図４（Ａ）に示した比較例の制御方法では、図１に示した電力変換器１２の最大出力電圧を式（１）に示したＶｓとしても、内部誘導起電力Ｅｄｏ＝（電力変換器の最大出力電圧）／１．４５の関係となり、誘導電動機の出力Ｐ（＝３^1/2・Ｖｓ・Ｉｓ）は、電力変換器１２の最大出力電圧に対して、１／１．４５倍に制限されることとなる。

次に、本実施の形態に係る誘導電動機の動作特性について図４（Ｂ）に基づいて説明する。なお、図４（Ａ）と同条件（％Ｚ＝０．２、Ｉｑ／Ｉｑｏ＝１．７５、Ｖｓｍ≒１．４５Ｅｄｏ）としている。図４（Ｂ）中、一点鎖線は図４（Ａ）の動作特性を示している。
図４（Ｂ）では、図４（Ａ）の場合と異なり、定トルク制御範囲が開始速度（電源角周波数ｗ１＞ｗＢ）まで拡大している。そして、開始速度以上の界磁弱め制御範囲では、界磁磁束φを弱めるベクトル制御が行われている。
また、界磁弱め制御範囲において、内部誘導起電力Ｅｄがベース速度時の内部誘導起電力Ｅｄｏよりも大きくなるようにしている。

ここで、図３に示したベクトル図から、図４（Ｂ）に示した界磁弱め制御範囲（ｗ≧ｗ１）での端子電圧Ｖｓの絶対値の一般式を式（６）に示す。なお、％Ｚは式（２）、Ｅｄｏは式（３）に示している。

Ｖｓ≒Ｅｄｏ・［Ｅｄ／Ｅｄｏ＋｛％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）・（ｗ／ｗＢ）｝²］^1/2
・・・（６）

なお、図４（Ｂ）に示した界磁弱め制御範囲（ｗ≧ｗ１）では、Ｅｄ＝αＥｄｏとしているので、式（６）は、次の関係を考慮して示している。ただし、１．０＜α＜約２．０。

Ｉｑ・Ｒ１／Ｅｄｏ＋（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌｍ＜＜１ ・・・（７）

Ｉｄ・Ｒ１／Ｅｄｏ＜＜％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）・（ｗ／ｗＢ） ・・・（８）

これに対して、図４（Ｂ）に示した定トルク制御範囲（ｗ＜ｗ１）では、次の関係がある。

Ｅｄ／Ｅｄｏ＝ｗ／ｗＢ ・・・（９）

そして、式（９）を式（６）に代入すると、図４（Ｂ）に示した開始速度（電源角周波数ｗ１）での端子電圧Ｖｓの最大電圧Ｖｓｍ（ここでは絶対値）を表す式（１０）が得られる。

Ｖｓｍ≒Ｅｄ・［１＋｛％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）｝²］^1/2 ・・・（１０）

そして、式（１０）において、Ｖｓｍを図４（Ａ）に示したＶｓｍ（＝１．４５Ｅｄｏ、すなわちα＝１．４５）として考えると、式（６）は次の式（１１）になる。なお、α＝１．４５とするのは、図４（Ａ）および図４（Ｂ）を同じ条件下で比較するためである。αは、１．０＜α＜約２．０の範囲内において自在に設定するようにしてもよい。

Ｅｄ・［１＋｛％Ｚ・（Ｉｑ／Ｉｑｏ）｝²］^1/2＝１．４５Ｅｄｏ ・・・（１１）

図４（Ｂ）に示した界磁弱め制御の開始時、図１に示した磁束指令器５は、式（１１）の関係を満たすように磁束指令φｓを励磁電流制御部６に出力する。これにより、界磁弱め制御時、内部誘導起電力ＥｄがＥｄｏよりも大きくなる。

そして、図４（Ｂ）では、例えば、％Ｚ＝０．２、Ｉｑ／Ｉｑｏ＝１．７５としているので、これらを式（１１）に代入すると、内部誘導起電力の最大値は、次の関係を得ることとなる。なお、％Ｚ、Ｉｑ／Ｉｑｏは、これに限られず、既知の技術により種々の変更が可能である。

Ｅｄ＝１．３７Ｅｄｏ ・・・（１２）

このときの開始速度（電源角周波数ｗ１）は、式（９）から、ｗ１＝１．３７ｗＢを求めることができる。したがって、この場合、誘導電動機１の出力Ｐ１は、定格出力の１．３７倍となる。そして、開始速度よりも回転速度Ｎが上昇すると、式（６）のＶｓが式（１０）のＶｓｍとなるように、界磁磁束φが弱まっている。なお、図４（Ｂ）のハッチ部分は、定格出力Ｐよりも高出力部分を示している。

このように、図４（Ｂ）に示した界磁弱め制御範囲では、図４（Ａ）に示した定出力範囲での出力容量を大きくなり、誘導電動機１の定格容量以上の高出力を実現することができる。しかも、図４（Ｂ）に示した端子電圧Ｖｓは、回転速度Ｎの大きさにかかわらず、一定値Ｖｓｍを保つので、誘導電動機１の絶縁耐圧を変更する必要がない。

また、誘導電動機１の用途として、例えば、製鉄・非鉄設備（熱間圧延設備、冷間圧延設備、プロセッシングライン設備）、鉄道車両、巻取機（巻戻機を含む。）、船舶、工作機械（主軸駆動用）、抄紙機設備、搬送設備などに用いることにより、さまざまな用途の動力源として利用することができる。したがって、図４（Ｂ）に示した動作特性を有する誘導電動機１は、種々の出力容量を必要とする広範囲の用途に対応することができる。

さらに、図４（Ｂ）に示した端子電圧Ｖｓが最大電圧Ｖｓｍを超えない範囲内で、図４（Ｂ）に示した開始速度を変更することにより、誘導電動機１の最高出力Ｐ１も変更することができる。また、定格出力Ｐが最小となる誘導電動機１を各種用途の動力源として選定することにより、誘導電動機１のコストを低減することができる。

なお、図４（Ｂ）では、αは１．４５の場合で示したが、１＜α＜約２．０の範囲内において変更が可能である。この場合、界磁弱め制御範囲時の出力Ｐを可変させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る誘導電動機の制御装置を含む全体システムのブロック図である。 図１の誘導電動機の１相分のＴ形等価回路を示す図である。 図２のＴ形等価回路のベクトル図である。 図１の誘導電動機の動作特性および従来の誘導電動機の動作特性を示す図であり、同図（Ａ）は比較例の誘導電動機の動作特性を示す図、同図（Ｂ）は本実施の形態に係る誘導電動機の動作特性を示す図である。

符号の説明

１ 誘導電動機
２ 速度指令器
４ 速度制御器
５ 磁束指令器
６ 励磁電流演算器
７ トルク電流制御器
８ 励磁電流制御器
９ 電流演算器
１０ 電流センサ
１１ 座標変換器
１２ 電力変換器

Claims (11)

1. 電力変換器を介して制御対象の誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御方法において、
   前記誘導電動機の端子電圧が最大過負荷時の最大電圧に達するまでは、強め界磁磁束状態の一定トルク制御を行い、
   前記誘導電動機の端子電圧が前記最大電圧に達したときに、前記誘導電動機の端子電圧、及びトルク電流を一定に保ち、界磁弱め制御に移行するベクトル制御を行い、
   前記界磁弱め制御は、前記内部誘導起電力が前記最大電圧に達したときの回転速度時よりも小さくなるように制御する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
2. 制御対象である誘導電動機の回転速度を検出する速度センサからの回転速度と、前記誘導電動機の回転速度を指令する速度指令器からの速度指令との偏差に基づいてトルク電流指令を演算する速度制御器と、
   前記誘導電動機に供給される電流を検出する電流センサからの電流値に基づいてトルク電流および励磁電流を演算する電流演算器と、
   前記速度制御器からのトルク電流指令値と、前記電流演算器からのトルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令を演算するトルク電流制御器と、
   前記速度センサからの回転速度に基づいて界磁磁束の磁束指令を演算する磁束指令器と、
   前記磁束指令器からの磁束指令に基づいて励磁電流指令を演算する励磁電流演算器と、
   前記励磁電流演算器からの励磁電流指令と、前記電流演算器からの励磁電流との偏差に基づいて励磁電圧指令を演算する励磁電流制御器と、
   前記トルク電流制御器からのトルク電圧指令および前記励磁電流制御器からの励磁電圧指令を固定座標系へ座標変換して３相分の電圧指令を演算する座標変換器とを備える制御装置が、前記電圧指令が入力される電力変換器を介して前記誘導電動機を制御する誘導電動機の制御方法であって、
   前記制御装置は、
   前記誘導電動機の端子電圧が最大過負荷時の最大電圧に達する所定の回転速度までは、強め界磁磁束状態の一定トルク制御を行い、
   前記所定の回転速度に達したとき以降の回転速度域では、前記誘導電動機の端子電圧、及びトルク電流を一定に保ちつつ、界磁弱め制御によるベクトル制御を行い、
   前記界磁弱め制御は、前記内部誘導起電力を前記所定の回転速度に達したときよりも小さくなるようにベクトル制御を行うことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
3. 電力変換器を介して制御対象の誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の端子電圧が最大過負荷時の最大電圧に達するまでは、強め界磁磁束状態の一定トルク制御を行い、
   前記誘導電動機の端子電圧が前記最大電圧に達したときに、前記誘導電動機の端子電圧、及びトルク電流を一定に保ち、界磁弱め制御に移行するベクトル制御を行い、
   前記界磁弱め制御は、前記内部誘導起電力が前記最大電圧に達したときの回転速度時よりも小さくなるように制御する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
4. 制御対象である誘導電動機の回転速度を検出する速度センサからの回転速度と、前記誘導電動機の回転速度を指令する速度指令器からの速度指令との偏差に基づいてトルク電流指令を演算する速度制御器と、
   前記誘導電動機に供給される電流を検出する電流センサからの電流値に基づいてトルク電流および励磁電流を演算する電流演算器と、
   前記速度制御器からのトルク電流指令値と、前記電流演算器からのトルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令を演算するトルク電流制御器と、
   前記速度センサからの回転速度に基づいて界磁磁束の磁束指令を演算する磁束指令器と、
   前記磁束指令器からの磁束指令に基づいて励磁電流指令を演算する励磁電流演算器と、
   前記励磁電流演算器からの励磁電流指令と、前記電流演算器からの励磁電流との偏差に基づいて励磁電圧指令を演算する励磁電流制御器と、
   前記トルク電流制御器からのトルク電圧指令および前記励磁電流制御器からの励磁電圧指令を固定座標系へ座標変換して３相分の電圧指令を演算する座標変換器とを備える制御装置が、前記電圧指令が入力される電力変換器を介して前記誘導電動機を制御する誘導電動機の制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記誘導電動機の端子電圧が最大過負荷時の最大電圧に達する所定の回転速度までは、強め界磁磁束状態の一定トルク制御を行い、
   前記所定の回転速度に達したとき以降の回転速度域では、前記誘導電動機の端子電圧、及びトルク電流を一定に保ちつつ、界磁弱め制御によるベクトル制御を行い、
   前記界磁弱め制御は、前記内部誘導起電力を前記所定の回転速度に達したときよりも小さくなるようにベクトル制御を行うことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって圧延設備の駆動用誘導電動機が制御される製鉄・非鉄設備。
6. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって鉄道車両の駆動用誘導電動機が制御される鉄道車両。
7. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって巻取機の駆動用誘導電動機が制御される巻取機。
8. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって船舶の駆動用誘導電動機が制御される船舶。
9. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって工作機械の主軸駆動用誘導電動機が制御される工作機械。
10. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって抄紙機設備の駆動用誘導電動機が制御される抄紙機設備。
11. 請求項３又は請求項４に記載の誘導電動機の制御装置によって搬送設備の搬送設備用誘導電動機が制御される搬送設備。
    

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