JP4715158B2 - 誘導電動機の可変速制御装置 - Google Patents

Description

この発明は可変電圧可変周波数の交流電力を出力する電力変換装置により駆動される誘導電動機の可変速制御装置に関する。

誘導電動機を所定の電圧，周波数の交流電力を出力する電力変換装置により可変速駆動するための可変速制御装置としては、例えば、下記特許文献１に記載されているように、前記電圧と周波数の比率が一定となるような可変電圧，可変周波数の交流電圧を前記誘導電動機に印加する方法（以下、Ｖ／ｆ比一定制御方法とも称する）を用いたものと、誘導電動機に流れる電流を該電動機の磁束と同一方向の成分と該磁束に直交する成分とに分解して、これらの電流成分をそれぞれ独立に制御する、所謂、ベクトル制御方法を用いたものとがある。さらに、このベクトル制御方法には、下記特許文献２に記載されているように、誘導電動機の回転速度を前記可変速制御装置内部で推定演算することにより、例えば、パルスエンコーダなどのような誘導電動機の速度センサを不要にした速度センサレスベクトル制御方法がある。
特開平９−３７５８２号公報 （第４頁、図１など） 特許第３１５２０５８号公報 （第４頁、図１など）

可変速駆動される誘導電動機の用途の一つとして、該電動機に連結された駆動体がストッパー等に当接し、前記電動機の回転速度が零になった状態で該電動機の出力トルクを制御する用途（以下、当て止め用途とも称する）がある。

上述の当て止め用途における従来の誘導電動機の可変速制御装置の問題点を、図面を参照しつつ、以下に説明する。

図５は前記Ｖ／ｆ比一定制御方法を採用した誘導電動機の可変速制御装置の回路構成図であり、１は後述の座標変換手段１４が出力する三相交流電圧指令値ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*に従って各相の交流電圧を出力しつつ誘導電動機２に給電するインバータなどの電力変換装置、１０は電力変換装置１を介して誘導電動機２を制御する可変速制御装置である。

この可変速制御装置１０は誘導電動機２の一次周波数に対応する周波数指令値ω^*と、誘導電動機２のトルク指令値τ^*とを発生する指令値発生手段１１と、前記トルク指令値τ^*と後述のトルク演算手段１７が出力する誘導電動機２のトルク演算値τ^#との偏差が零になるように前記周波数指令値ω^*に対する調節演算を行い、この演算結果を誘導電動機２の周波数指令値ω₁ ^*として出力すると共に該周波数指令値ω₁ ^*に基づいた誘導電動機２のｄ−ｑ軸それぞれへの電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を導出するＶ／ｆ比一定制御手段１２と、前記周波数指令値ω₁ ^*を時間積分して得られる位相角指令値θ^*を出力する積分手段１３と、前記電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を前記位相角指令値θ^*に基づく座標変換して得られる前記三相交流電圧指令値ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*を出力する座標変換手段１４と、電力変換装置１から誘導電動機２への電流ｉ_U，ｉ_Wを検出する電流検出器１５と、この電流ｉ_U，ｉ_Wを前記位相角指令値θ^*に基づく座標変換した誘導電動機２のｄ−ｑ軸それぞれの電流検出値ｉ_1d，ｉ_1qを出力する座標変換手段１６と、この電流検出値ｉ_1d，ｉ_1qと前記電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*と周波数指令値ω₁ ^*と誘導電動機２の等価回路定数とに基づいて前記トルク演算値τ^#を導出するトルク演算手段１７とから構成されている。なお、これらの制御要素は周知の技術により形成されている。

図５に示した可変速制御装置１０を用いた誘導電動機２を当て止め用途に適用すると、誘導電動機２に連結された図示しない駆動体がストッパー等に当接して誘導電動機２の回転速度が零になった状態では、前記電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*と電力変換装置１により誘導電動機２に印加される電圧との間に存在する誤差が前記トルク演算値τ^*に与える影響が大きくなり、その結果、この状態での誘導電動機２のトルク制御誤差が大きくなるという問題点があった。

上述の可変速制御装置１０における当て止め用途での問題点を解消するために、上記特許文献２に開示されているようなベクトル制御方法が用いられるが、この制御方法では速度調節手段や速度推定手段などを備えるために可変速制御装置での演算量が多くなり、その結果、この可変速制御装置が高価になるという新たな問題点があった。

この発明の目的は前記それぞれの問題点を解消し、当て止め用途に対しても好適な誘導電動機の可変速制御装置を提供することにある。

可変電圧可変周波数の交流電力を出力する電力変換装置により駆動される誘導電動機の可変速制御装置において、
この第１の発明は前記誘導電動機の一次周波数指令値と一次電圧指令値と一次電流検出値とに基づいて該電動機のトルク演算値を導出するトルク演算手段と、設定されたトルク指令値と前記トルク演算値との偏差が零になるように予め設定された周波数指令値に対する調節演算を行い、この演算結果を前記誘導電動機の第１の周波数指令値として出力すると共に該周波数指令値に基づいた該電動機の第１の電圧指令値を導出するＶ／ｆ比一定制御手段と、予め設定された前記誘導電動機の一次電流指令値と前記一次電流検出値との偏差が零になるように調節演算を行い、この演算結果を該電動機の第２の電圧指令値として出力する電流調節手段と、前記第１の周波数指令値をその下限値が予め基底周波数の５％前後に定めた下限値以下にならないように制限して前記一次周波数指令値として出力するリミッタ手段と、前記一次周波数指令値が前記下限値より大きいときには前記第１の電圧指令値を選択して出力し、前記一次周波数指令値が前記下限値に等しいときには前記第２の電圧指令値を選択して出力する切替手段とを備え、この選択された前記第１または第２の電圧指令値を前記一次電圧指令値とすると共に該一次電圧指令値と前記一次周波数指令値とに基づいた交流電圧を前記電力変換装置から出力することを特徴とする。

また第２の発明は前記第１の発明の誘導電動機の可変速制御装置において、
予め設定された前記誘導電動機の二次磁束指令値と前記トルク指令値とに基づいて前記一次電流指令値を導出する電流指令値演算手段を付加したことを特徴とする。

この発明によれば、ベクトル制御方法を採用した誘導電動機の可変速制御装置よりも制御の際の演算量がより少ない方法で、当て止め用途における誘導電動機の回転速度が零の状態での該電動機のトルク制御を行うことができ、その結果、この誘導電動機の可変速制御装置を安価に製作できる。

図１はこの発明の実施例を示す誘導電動機の可変速制御装置の回路構成図であり、この図において、図５に示した回路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。

すなわち、この可変速制御装置２０には従来の可変速制御装置１０における指令値発生手段１１，Ｖ／ｆ比一定制御手段１２，積分手段１３，座標変換手段１４，電流検出器１５，座標変換手段１６，トルク演算手段１７の他に、電流指令値演算手段２１と電流調節手段２２とリミッタ手段２３と切替信号発生手段２４と切替手段２５とを備えている。

図２は図１および図５に示したＶ／ｆ比一定制御手段１２の詳細回路構成図であり、指令値演算手段１１により設定される誘導電動機２のトルク指令値τ^*と後述のトルク演算手段１７が出力する誘導電動機２のトルク演算値τ^#との偏差を求める加算演算手段１２ａと、前記τ^*とτ^#との間がτ^*＞τ^#の関係にあるときには指令値演算手段１１により設定される周波数指令値ω^*をそのまま誘導電動機２の周波数指令値ω₁ ^*として出力し、また、τ^*≦τ^#の関係にあるときには、前記偏差の比例−積分演算値を前記周波数指令値ω^*に加算した値を前記周波数指令値ω₁ ^*として出力する周波数調節演算手段１２ｂと、この周波数指令値ω₁ ^*が誘導電動機２の基底周波数までは該周波数指令値に比例した値を誘導電動機２の一次電圧振幅指令値｜ｖ₁ ^*｜として出力し、それ以上の前記周波数指令値ω₁ ^*では一定値を一次電圧振幅指令値｜ｖ₁ ^*｜として出力するＶ／ｆ比演算手段１２ｃと、この一次電圧振幅指令値｜ｖ₁ ^*｜に基づいて誘導電動機２のｄ−ｑ軸それぞれへの電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*を演算する電圧指令値演算手段１２ｄとから構成されている。

図３は図１に示した電流指令値演算手段２１の詳細回路構成図であり、この電流指令値演算手段２１では、磁束指令値発生手段２１ａにより設定される誘導電動機２の二次磁束指令値φ₂ ^*に比例した値を第１電流指令値演算手段２１ｂから該電動機のｄ軸成分の一次電流指令値ｉ_1d ^*として出力し、指令値演算手段１１により設定される誘導電動機２のトルク指令値τ^*と前記二次磁束指令値φ₂ ^*におけるτ^*／φ₂ ^*の関係に比例した値を第２電流指令値演算手段２１ｃから誘導電動機２のｑ軸成分の一次電流指令値ｉ_1q ^*として出力するようにしている。

図１に示した電流調節手段２２では、前記一次電流指令値ｉ_1d ^*，ｉ_1q ^*それぞれと座標変換手段１６から得られた誘導電動機２の電流検出値ｉ_1d，ｉ_1qそれぞれとの偏差を零にする調節演算を行い、その演算結果を誘導電動機２の一次電圧指令値ｖ_1d ^* （２），ｖ_1q ^* （２）として出力する。

また、図１に示したリミッタ手段２３では、Ｖ／ｆ比一定制御手段１２が出力する誘導電動機２の周波数指令値ω₁ ^*の値を誘導電動機２の基底周波数でのすべり（ｓ）に基づいて設定される下限値（すなわち、前記基底周波数の５％前後の値）以上に制限した、すなわち、その下限値が予め基底周波数の５％前後に定めた下限値以下にならないように制限した一次周波数指令値ω₁ ^**を出力する。その結果としての一次周波数指令値ω₁ ^**が前記下限値より大きい状態のときには、この状態を切替信号発生手段２４が検知して切替手段２５からは前記電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*が電圧指令値ｖ_1d ^**，ｖ_1q ^**として出力され、また、一次周波数指令値ω₁ ^**が前記下限値に等しい状態のときにはこの状態を切替信号発生手段２４が検知して切替手段２５からは前記電圧指令値ｖ_1d ^*（２），ｖ_1q ^*（２）が電圧指令値ｖ_1d ^**，ｖ_1q ^**として出力される。

さらに、図１に示したトルク演算手段１７では、前記一次周波数指令値ω₁ ^**と電圧指令値ｖ_1d ^**，ｖ_1q ^**と一次電流検出値ｉ_1d，ｉ_1qとから、下記数１式の演算を行い誘導電動機２のトルク演算値τ^# を得ている。
［数１］
τ^# ＝（３／２）ｐ（１／ω₁ ^**）×｛ｖ_1d ^**・ｉ_1d＋ｖ_1q ^**・ｉ_1q−Ｒ₁（ｉ_1d ²＋ｉ_1q ²）｝
ここで、ｐは誘導電動機２の極対数、Ｒ₁ は誘導電動機２のＴ−１型等価回路における一次抵抗である。

図４は図１に示した可変速制御装置２０を用いた誘導電動機２を当て止め用途に適用したときの動作波形図を示し、時刻ｔ₁で誘導電動機２に連結された図示しない駆動体がストッパー等に当接して誘導電動機２の回転速度が零になった状態から、トルク演算手段１７が出力するトルク演算値τ^#が増大し、時刻ｔ₂より前記τ^*とτ^#との間にτ^*≦τ^#の関係が生ずると、先述のＶ／ｆ比一定制御手段１２を形成する加算演算手段１２ａと周波数調節手段１２ｂとにより、Ｖ／ｆ比一定制御手段１２が出力する誘導電動機２の周波数指令値ω₁ ^*は前記τ^*とτ^#との偏差が零になるように低下する。その後、時刻ｔ₃で低下した周波数指令値ω₁ ^*がリミッタ手段２３により設定された前記下限値に達すると、この状態を切替信号発生手段２４が検知して切替手段２５の出力である電圧指令値ｖ_1d ^**，ｖ_1q ^**は前記電圧指令値ｖ_1d ^*，ｖ_1q ^*から電圧指令値ｖ_1d ^*（２），ｖ_1q ^*（２）に切り替わり、その結果、誘導電動機２のＶ／ｆ比一定制御から電流調節手段２２による誘導電動機２の一次電流制御を行う状態に切り替わり、この電流制御状態では前記トルク演算値τ^#の演算誤差の影響が回避されるので、安定したトルクを誘導電動機２が出力することができる。

この発明の実施例を示す誘導電動機の可変速制御装置の回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 図１の動作を説明する波形図 従来例を示す誘導電動機の可変速制御装置の回路構成図

１…電力変換装置、２…誘導電動機、１０，２０…可変速制御装置、１１…指令値発生手段、１２…Ｖ／ｆ比一定制御手段、１３…積分手段、１４…座標変換手段、１５…電流検出器、１６…座標変換手段、１７…トルク演算手段、２１…電流指令値演算手段、２２…電流調節手段、２３…リミッタ手段、２４…切替信号発生手段、２５…切替手段。

Claims (2)

1. 可変電圧可変周波数の交流電力を出力する電力変換装置により駆動される誘導電動機の可変速制御装置において、
   前記誘導電動機の一次周波数指令値と一次電圧指令値と一次電流検出値とに基づいて該電動機のトルク演算値を導出するトルク演算手段と、
   設定されたトルク指令値と前記トルク演算値との偏差が零になるように予め設定された周波数指令値に対する調節演算を行い、この演算結果を前記誘導電動機の第１の周波数指令値として出力すると共に該周波数指令値に基づいた該電動機の第１の電圧指令値を導出するＶ／ｆ比一定制御手段と、
   予め設定された前記誘導電動機の一次電流指令値と前記一次電流検出値との偏差が零になるように調節演算を行い、この演算結果を該電動機の第２の電圧指令値として出力する電流調節手段と、
   前記第１の周波数指令値をその下限値が予め基底周波数の５％前後に定めた下限値以下にならないように制限して前記一次周波数指令値として出力するリミッタ手段と、
   前記一次周波数指令値が前記下限値より大きいときには前記第１の電圧指令値を選択して出力し、前記一次周波数指令値が前記下限値に等しいときには前記第２の電圧指令値を選択して出力する切替手段とを備え、
   この選択された前記第１または第２の電圧指令値を前記一次電圧指令値とすると共に該一次電圧指令値と前記一次周波数指令値とに基づいた交流電圧を前記電力変換装置から出力することを特徴とする誘導電動機の可変速制御装置。
2. 請求項１に記載の誘導電動機の可変速制御装置において、
   予め設定された前記誘導電動機の二次磁束指令値と前記トルク指令値とに基づいて前記一次電流指令値を導出する電流指令値演算手段を付加したことを特徴とする誘導電動機の可変速制御装置。

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