JP4595406B2

JP4595406B2 - 複数台モータ駆動装置

Info

Publication number: JP4595406B2
Application number: JP2004199098A
Authority: JP
Inventors: 康松本; 英俊海田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: DE102005031620A1; JP2006025478A; US20060012322A1; US7180259B2

Description

この発明は、回転速度検出器を備えていない複数台の誘導電動機（以下、単に誘導機またはモータともいう）をインバータで駆動する場合に、各モータ回転速度のバラツキを検知し、モータ回転速度差の拡大を抑制することができる駆動装置に関する。

図１１に、回転速度検出器を備えていないＮ（Ｎ＝１，２，…）台の誘導機をインバータで駆動する装置の例を示す。
この装置は、インバータ１と、インバータ１の出力電流を検出する電流検出器２１，２２，２３と、誘導機３１，３２，３Ｎと、制御装置１１とから構成される。また、制御装置１１は回転速度推定手段４０と、ベクトル制御演算手段４１と、トルク調節手段１１０と、演算手段４５とを備えている。

制御装置１１の動作は、以下の通りである。
回転速度推定手段４０では、ベクトル制御演算手段４１からの出力である３相電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*（以下、一次電圧指令ともいう）と、電流検出器２１，２２，２３で検出されるインバータ出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとから、回転速度を推定する。
ベクトル制御演算手段４１は、回転速度推定手段４０の出力である回転速度推定値ω^#と、減算手段４５の出力である第２のトルク指令τ^**と、磁束指令φ^*と、電流検出器２１，２２，２３で検出されるインバータ出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとを入力し、ベクトル制御演算をして一次電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*を出力する。

トルク調節手段１１０は、回転速度推定手段４０の出力である回転速度推定値ω^#の時間変化率が規定値以上となったときに回転速度差が拡がったと判断し、トルク絞り量Δτを出力する。
演算手段４５は、第１のトルク指令τ^*と、トルク調節手段１１０の出力であるトルク絞り量Δτとの減算を行ない、第２のトルク指令τ^**を出力する。
以上のようにして、回転速度差の拡大を抑えるようにしている。

ところで、上記回転速度推定手段４０で推定できる回転速度は、Ｎ台の誘導機の平均回転速度である。鉄道車両用の駆動装置の場合、1台のインバータで駆動するモータは４台以上となることが多々ある。そのため、1台のモータの回転速度が増加、または減少して回転速度差が拡がっても、ある程度回転速度差が大きくならないと検知できないという問題がある。

上記の問題を解決するものとして、例えば特許文献１に示すものがある。図１２にその図１として示される制御構成図を示す。なお、図１２では、モータ台数Ｎを２としている。
図示のように、この方式は各モータに電流検出器２４，２５，２６，２７，２８，２９を設け、各モータ電流の相対差に基いて回転速度差の拡がりを検知する空転・滑走検出手段１２１を設けた点が特徴である。

すなわち、座標変換手段１２０において、次の数３，数４でそれぞれ示す（１）式，（２）式に従い、ベクトル制御で用いる回転座標軸上（ｄｑ軸上）の２相量に座標変換し、モータ毎のｑ軸電流ｉ１ｑ１，ｉ１ｑ２を演算している。なお、（１），（２）式のθはベクトル制御演算手段４１内で算出し、ベクトル制御演算に使用される基準位相角である。

モータ毎のｑ軸電流ｉ１ｑ１，ｉ１ｑ２には、各モータの回転速度偏差が小さい場合には図１３に示すように差異は生じないが、回転速度偏差が大きい場合には図１４に示すように差異が生じる性質がある。この性質に着目し、空転・滑走検出手段１２１においてモータ毎のｑ軸電流ｉ１ｑ１，ｉ１ｑ２の偏差から、モータ回転速度差Δωｓを速やかに検知し、トルク調節手段１２２で算出するトルク絞り量Δτにて、回転速度差が大きくなる前にトルクを絞り、問題解決を図るようにしている。

特開２００２−２８１６０６号公報（第５−６頁、図１）

しかし、上記特許文献１の方式では、モータ毎に電流検出器が必要になるという問題がある。また、鉄道車両用に適用する場合には、モータへの電力線を台車内で分岐させているので、電流検出器を台車内に配置する必要があるが、これにより電流検出器の耐震強度が問題となる。
したがって、この発明の課題は、電流検出器をモータ毎に設置することなく、モータ回転速度差の拡がりを速やかに検知し、モータ回転速度差の拡がりを抑制できるようにすることにある。

請求項１の発明では、複数台並列に接続された誘導電動機（モータ）を駆動する複数台モータ駆動装置において、
全モータの二次電流の合計である二次合計電流値を演算する電流演算手段と、この二次合計電流値が基準となる電流値から逸脱する量を、下記数５の（８）式に基づき演算する電流逸脱量演算手段と、その逸脱する量に応じてトルクを調節するトルク調節手段とを備えたことを特徴とする。

ただし、（８）式のｉ _2L は二次合計電流のL軸成分、ｉ _2W は二次合計電流のW軸成分、Ｎはモータの台数、φ ^* は磁束指令、Ｌσは漏れインダクタンスを示す。
この請求項１の発明においては、前記基準となる電流値を、前記演算された二次合計電流値に基き修正することができる（請求項２の発明）。

請求項３の発明では、複数台並列に接続された誘導電動機（モータ）をインバータを介して駆動する複数台モータ駆動装置において、
全モータの二次電流の合計である二次合計電流値を演算する電流演算手段と、この二次合計電流値と前記インバータの出力電圧との位相差を演算する位相差演算手段と、この演算された位相差が基準となる位相差から逸脱する量を、下記数６の（１４）式に基づき演算する位相逸脱量演算手段と、その逸脱する量に応じてトルクを調節するトルク調節手段とを備えたことを特徴とする。

ただし、（１４）式のＬσは漏れインダクタンス、ｉ _2W は二次合計電流のW軸成分、Ｎはモータの台数、φ ^* は磁束指令、Ψは二次合計電流と一次電圧ベクトルとの位相差を示す。
この請求項３の発明においては、前記基準となる位相差を、前記演算された位相差に基き修正することができる（請求項４の発明）。

請求項１の発明によれば、二次合計電流の基準となる軌跡（電流値）からの逸脱量を監視することで、回転速度差の拡がりを速やかに検知でき、この逸脱量に応じてトルクを調節することで、回転速度差の拡大を速やかに抑制することができる。

また、請求項３の発明によれば、二次合計電流と一次電圧との位相差の、基準値からの逸脱量を監視することで、回転速度差の拡がりを速やかに検知でき、この逸脱量に応じてトルクを調節することで、回転速度差の拡大を速やかに抑制することができる。
さらに、請求項２，４の発明によれば、予め設定したモータ定数と実際のモータ定数とに差がある場合でも、設定誤差を調節し回転速度差の拡がりを速やかに検知して、拡がりを抑えることが可能となる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
この駆動装置は図１１と同様、インバータ１と、インバータ１の出力電流を検出する電流検出器２１，２２，２３と、誘導機３１，３２，３Ｎと、制御装置４とから構成される。制御装置４の構成が図１１とは若干異なっており、ここでは回転速度推定手段４０と、ベクトル制御演算手段４１と、２次電流演算手段４２と、電流逸脱量演算手段４３と、トルク調節手段４４とから構成されている。

制御装置４の動作について、説明する。
２次電流演算手段４２は、ベクトル制御演算手段４１の出力である一次電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*と、電流検出器２１，２２，２３で検出されるインバータ出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、磁束指令φ^*とを入力し、下記数７〜数１１に示す（３）〜（７）式にしたがって、全モータの二次電流合計値（以下、二次合計電流値ともいう）を一次電圧ベクトルの同相成分（以下、Ｗ軸成分ともいう）ｉ_2Wと、一次電圧ベクトルに対して９０°遅れた成分（以下、Ｌ軸成分ともいう）ｉ_2Lとに分解する。

電流逸脱量演算手段４３は、２次電流演算手段４２の出力である二次合計電流のＷ軸成分ｉ_2Wと、Ｌ軸成分ｉ_2Lとを入力し、次の数１２に示す（８）式にしたがって電流逸脱量δを演算する。（５），（６），（８）式等のＮはモータの台数を示す。

（８）式のＬσは、次の数１３に示す（９）式で求まる漏れインダクタンスである。（９
）式のω１^*はベクトル制御演算手段４１内で算出され、ベクトル制御演算で使用するイ
ンバータ周波数指令値となる。

トルク調節手段４４は、電流逸脱量演算手段４３の出力である電流逸脱量δ，電流逸脱量δの時間変化量に応じて、トルク絞り量Δτを算出している。その他の動作は図１１と同様なので、説明は省略する。
次に、上記（８）式で定義する電流逸脱量δで回転速度差の拡がりを検知できることについて、以下に説明する。

誘導機のＬ形等価回路を用いて複数台並列に接続した際の等価回路を示すと、図２のようになる。
図２において、ｉ１は一次電流（合計）、ｉ２は二次電流（合計）、ｉＭは励磁電流（合計）、ｒＭは鉄損抵抗、ｘＭは励磁リアクタンス、ｒ１は一次抵抗、ｒ２は二次抵抗、ｘ１は一次漏れリアクタンス、ｘ２は二次漏れリアクタンス、ｓ１〜ｓＮはすべりである。なお、図２の等価回路導出では、各モータ間でのモータ定数の偏差は少ないと見なしている。この図２に示す等価回路から、上記（５），（６）式を導くことができる。

一次電圧指令を、磁束を基準とする回転座標系（ｄｑ軸座標系）でベクトル図として示すと、図３のようになる。よって、ｄｑ軸座標系から一次電圧ベクトルを基準とする回転座標系（ＷＬ軸座標系）への座標変換は、上記（７）式で行なうことができる。
各モータ間のすべりの偏差が小さい場合、すなわち回転速度差が小さい場合には、一次電圧および各電流のベクトルは図４に示すようになり、二次電流のベクトルの先端は常に半径ｒが次の数１４で示す（１０）式で表わされる円周上に存在する。

また、この二次電流ベクトルの先端は、回転速度差が拡がった場合に、ベクトル制御の動作に関わらず、円周上から逸脱して円内へ移動する。しかも、円周からの逸脱量は、回転速度差が大きいほど大きくなる。
よって、先の（８）式で示す円周上からの逸脱量δにて、回転速度差の拡がりを速やかに検知することができ、逸脱量δと逸脱量δの時間変化量に応じてトルク指令を調節することで、回転速度差の拡大を抑制することが可能となる。

図５にこの発明の第２の実施の形態を示す。
これは、ベクトル制御演算手段４１の出力である一次電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*の代わりに、電圧検出器６１，６２，６３で検出されるインバータ出力電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを用いる点が特徴で、これらは回転速度推定手段５０および２次電流演算手段５１にも入力されている。その他は、図１と同様なので、詳細は省略する。

図６にこの発明の第３の実施の形態を示す。
電流逸脱量演算手段７０が、ここでは２次電流演算手段４２の出力である二次合計電流のＷ軸成分ｉ_2Wと、Ｌ軸成分ｉ_2Lとを入力し、次の数１５に示す（１１）式にしたがって電流逸脱量δ１を演算する点に特徴がある。なお、（１１）式のＫはモータ定数の設定値を調整する係数である。

上記Ｋは、δ１の絶対値が規定値以下のときに、次の数１６に示す（１２）式にしたがって変化し、モータ定数設定値の調整を行なっている。なお、（１２）式のｓはラプラス演算子、Ｔｉは積分時定数で、Ｋの初期値は１である。

その他は、図１または図５と同じである。
このようにすることで、予め設定したモータ定数と、実際のモータ定数とに誤差がある場合でも、設定誤差を調節して、回転速度差の拡がりを抑えることが可能となる。

図７にこの発明の第４の実施の形態を示す。
図示のように、２次電流位相演算手段８０および位相逸脱量演算手段８１が付加された点が特徴である。この２次電流位相演算手段８０は、ベクトル制御演算手段４１の出力である一次電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*と、電流検出器２１，２２，２３で検出されるインバータ出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとを入力し、次の数１７に示す（１３）式にしたがって、二次合計電流ベクトルと一次電圧ベクトルとの位相差Ψ（以下、単に位相差ともいう）を演算する。なお、（１３）式のｖｄ，ｖｑ，ｉ２ｄ，ｉ２ｑは先の（３）〜（６）式で演算するものとする。

位相逸脱量演算手段８１は、２次電流位相演算手段８０の出力である位相差Ψと、２次電流演算手段４２の出力である二次合計電流のＷ軸成分ｉ_2Wと、磁束指令値φ^*とを入力し、次の数１８に示す（１４）式にしたがって位相逸脱量ΔΨを演算する。

トルク調節手段８２は、位相逸脱量演算手段８１の出力である位相逸脱量ΔΨを入力とし、位相逸脱量ΔΨと位相逸脱量ΔΨの時間変化量に応じて、トルク絞り量Δτを算出する。その他の点は、従来例と同じなので説明は省略する。
ここで、上記（１４）式で定義する位相逸脱量ΔΨで回転速度差の拡大を検知できることについて、以下に説明する。

前記の通り、各モータ間のすべりの偏差が小さい場合、すなわち回転速度差が小さい場合には、一次電圧および各電流のベクトルは図４に示す通りとなり、二次電流のベクトルの先端は常に半径ｒが先の（１０）式で示される円周上に存在する。図８に示す二次電流ベクトルを底辺とする二等辺三角形の頂点は、位相差Ψの２倍になることから、回転速度差の小さいときの位相差Ψｒｅｆは二次電流のＷ軸成分を用いて、次の数１９に示す（１５）式で表わすことができる。

上記の通り、二次電流ベクトルの先端は、回転速度差が大きくなった場合に、ベクトル制御の動作に関わらず、円周上から逸脱して円内に移動する。しかも、円周からの逸脱量は回転速度差が大きいほど大きくなる。
よって、（１４）式で示す位相差の逸脱量ΔΨにて回転速度差の拡大を速やかに検知することができ、逸脱量ΔΨと逸脱量ΔΨの時間変化量に応じてトルク指令を調節することで回転速度差の拡大を抑制可能となる。

図９に、この発明の第５の実施の形態を示す。
これは、図７に示すものに対し、回転速度推定手段５０，２次電流演算手段５１および２次電流位相演算手段９０に対し、ベクトル制御演算手段４１の出力である一次電圧指令ｖｕ^*，ｖｖ^*，ｖｗ^*の代わりに、電圧検出器６１，６２，６３で検出されるインバータ出力電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを入力するようにした点が特徴で、その他は図７と同様なので、詳細は省略する。

図１０に、この発明の第６の実施の形態を示す。
位相逸脱量演算手段１００は、ここでは２次電流演算手段４２の出力である二次合計電流のＷ軸成分ｉ２ｗと、２次電流位相差演算手段８０の出力である位相差Ψと、磁束指令φ^*とを入力され、次の数２０に示す（１６）式にしたがって位相差逸脱量ΔΨ１を演算する点が特徴である。なお、（１６）式の（１２）式と同じく、Ｋはモータ定数の設定値を調整する係数である。

また、上記Ｋは、ΔΨ１の絶対値が規定値以下のときに、次の数２１に示す（１７）式にしたがって変化し、モータ定数設定値の調整を行なっている。なお、（１７）式のＴｉは積分時定数であり、式のＫの初期値は１である。

トルク調節手段８２は、位相逸脱量演算手段１００の出力である位相差逸脱量ΔΨ１を入力とし、位相差逸脱量ΔΨ１と位相差逸脱量ΔΨ１の時間変化量に応じて、トルク絞り量でΔτを算出している。その他は、図９と同じなので説明は省略する。
以上のようにすることで、予め設定したモータ定数と実際のモータ定数との誤差がある場合でも、設定誤差を調節して回転速度差の拡がりを速やかに検知して拡がりを抑制することが可能となる。

この発明の第１の実施の形態を示す構成図図１に対応する等価回路図一次電圧指令ベクトルの説明図一次電圧と各部電流ベクトルの説明図この発明の第２の実施の形態を示す構成図この発明の第３の実施の形態を示す構成図この発明の第４の実施の形態を示す構成図一次電圧と二次電流との位相差説明図この発明の第５の実施の形態を示す構成図この発明の第６の実施の形態を示す構成図第１の従来例を示す構成図第２の従来例を示す構成図従来例で回転速度差が小さいときの動作説明図従来例で回転速度差が大きいときの動作説明図

１…インバータ回路、２１，２２，２３…電流検出器、３１，３２，３Ｎ…誘導電動機（誘導機，モータ）、４，５，７，８，９，１０…制御装置、４０，５０…回転速度推定手段、４１…ベクトル制御演算手段、４２，５１…２次電流演算手段、４３，７０…電流逸脱量演算手段、４４，８２，１１０，１２２…トルク調節手段、４５…減算手段、６１，６２，６３…電圧検出器、８０，９０…２次電流位相演算手段、８１，１００…位相逸脱量演算手段。

Claims

複数台並列に接続された誘導電動機（モータ）を駆動する複数台モータ駆動装置において、
全モータの二次電流の合計である二次合計電流値を演算する電流演算手段と、この二次合計電流値が基準となる電流値から逸脱する量を、下記数１の（８）式に基づき演算する電流逸脱量演算手段と、その逸脱する量に応じてトルクを調節するトルク調節手段とを備えたことを特徴とする複数台モータ駆動装置。

ただし、（８）式のｉ _2L は二次合計電流のL軸成分、ｉ _2W は二次合計電流のW軸成分、Ｎはモータの台数、φ ^* は磁束指令、Ｌσは漏れインダクタンスを示す。
前記基準となる電流値を、前記演算された二次合計電流値に基き修正することを特徴とする請求項１に記載の複数台モータ駆動装置。
複数台並列に接続された誘導電動機（モータ）をインバータを介して駆動する複数台モータ駆動装置において、
全モータの二次電流の合計である二次合計電流値を演算する電流演算手段と、この二次合計電流値と前記インバータの出力電圧との位相差を演算する位相差演算手段と、この演算された位相差が基準となる位相差から逸脱する量を、下記数２の（１４）式に基づき演算する位相逸脱量演算手段と、その逸脱する量に応じてトルクを調節するトルク調節手段とを備えたことを特徴とする複数台モータ駆動装置。

ただし、（１４）式のＬσは漏れインダクタンス、ｉ _2W は二次合計電流のW軸成分、Ｎはモータの台数、φ ^* は磁束指令、Ψは二次合計電流と一次電圧ベクトルとの位相差を示す。
前記基準となる位相差を、前記演算された位相差に基き修正することを特徴とする請求項３に記載の複数台モータ駆動装置。