JP4802428B2

JP4802428B2 - 誘導電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4802428B2
Application number: JP2001288502A
Authority: JP
Inventors: 新一石井; 宏一田島; 裕之米澤; 清明笹川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: JP2003102196A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可変電圧可変周波数インバータを介して駆動される誘導電動機の軸トルク演算値を求め、この演算値に基づいて該電動機の内部発生損失をより少なくするための誘導電動機の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、可変電圧可変周波数を介して駆動される誘導電動機の制御方法の従来例を示す回路構成図である。
【０００３】
図９において、１は後述の制御装置１０からの各相の電圧指令ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*（交流量）それぞれをＰＷＭ演算して内蔵するインバータ主回路を形成するそれぞれの半導体スイッチへのオン，オフ駆動信号に変換し、これらのオン，オフ駆動信号に基づき前記インバータ主回路から三相の交流電圧を発生するインバータ、２はインバータ１から給電される誘導電動機、１０はインバータ１を介した誘導電動機２を可変速制御する制御装置である。
【０００４】
この制御装置１０には磁束指令演算手段１１と、乗算演算手段１２と、積分演算手段１３と、電圧指令発生手段１４とを備えている。
【０００５】
図９に示した制御装置１０において、磁束指令演算手段１１は外部から指令される誘導電動機２の一次角周波数指令値ω₁ ^*を誘導電動機２の二次磁束基準値φ₂ ^*に変換する動作を行うが、図示の如く一次角周波数指令値ω₁ ^*が誘導電動機２の定格角周波数までは一定値の二次磁束基準値φ₂ ^*を出力し、該定格角周波数を越えると、一次角周波数指令値ω₁ ^*に反比例した二次磁束基準値φ₂ ^*を出力する。乗算演算手段１２では二次磁束基準値φ₂ ^*を二次磁束指令値とし、この二次磁束指令値と一次角周波数指令値ω₁ ^*とを乗算演算して得られる誘導電動機２の一次電圧指令値Ｖ₁ ^*を出力する。従って、一次電圧指令値Ｖ₁ ^*は一次角周波数指令値ω₁ ^*が前記定格角周波数までは一次角周波数指令値ω₁ ^*にほぼ比例して増大し、前記定格角周波数を越えた領域では一次電圧指令値Ｖ₁ ^*がほぼ一定値となる。
また、電圧指令発生手段１４は一次電圧指令値Ｖ₁ ^*に対応した振幅とし、一次角周波数指令値ω₁ ^*を積分演算手段１３での時間積分演算で得られる角度指令値θ^*に基づいた三相の電圧指令ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*それぞれに変換演算する動作を行っている。
【０００６】
上述のインバータ１と制御装置１０とによる誘導電動機２の制御方法は、一般に、Ｖ／ｆインバータ駆動方式と称される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ｖ／ｆインバータ駆動方式を誘導電動機の効率の面から見ると、次のような問題点を有している。すなわち、誘導電動機が出力する軸トルクの大きさに関わらず該電動機に上述の所定の二次磁束を確立させるため、常に比較的大きな励磁電流が流れる。これは前記電動機の銅損（抵抗損）や鉄損を大きめに発生させる。しかるに、前記軸トルクが定格値に対して小さなときは必ずしも十分なる励磁電流が必要でなく、前記Ｖ／ｆインバータ駆動方式では、この状態の誘導電動機に不必要な損失を発生し該電動機の効率を低下させるので、近年の省エネルギーの要請に対して十分ではなかった。
【０００８】
また上記問題点に対する前記Ｖ／ｆインバータ駆動方式での対応策としては、例えば、予め誘導電動機で駆動される負荷機器の特性を測定し、この特性に合わせるべく先述の二次磁束基準値（二次磁束指令値）をその都度調整し、この調整した二次磁束指令値に基づく前記電動機の一次電圧を可変電圧可変周波数インバータから供給していた。しかしながら、上記対応策では前記負荷機器の特性を測定する等、汎用性を欠くという問題点があった。
【０００９】
この発明の課題は上記問題点を解決し、前記Ｖ／ｆインバータ駆動方式を基本としつつ誘導電動機の負荷機器の特性を測定することなく、該電動機の内部発生損失をより少なくするための誘導電動機の制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、可変電圧可変周波数インバータを介して駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記電動機の一次周波数指令値に基づく該電動機の二次磁束基準値と、前記電動機の軸トルク演算値に対応した補正係数とを乗算演算した値に基づく該電動機の二次磁束指令値を求め、この二次磁束指令値と、前記一次周波数指令値とに基づいた前記電動機の一次電圧を前記インバータから供給することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は前記第１の発明の誘導電動機の制御方法において、
前記軸トルク演算値を導出する際に、前記一次周波数指令値と、前記一次電圧又はこの一次電圧を発生させるための前記インバータへの一次電圧指令値と、前記電動機の一次電流と、該電動機の電気定数としての一次抵抗値とを用いたことを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は前記第１の発明の誘導電動機の制御方法において、
前記軸トルク演算値を導出する際に、前記一次周波数指令値と、前記一次電圧又はこの一次電圧を発生させるための前記インバータへの一次電圧指令値と、前記電動機の一次電流と、該電動機の電気定数としての励磁インダクタンス，漏れインダクタンスとを用いたことを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は前記第１〜第３の発明の誘導電動機の制御方法において、前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値にしたことを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は前記第１〜第３の発明の誘導電動機の制御方法において、前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値と、前記電動機が無負荷のときの二次磁束との和の値にしたことを特徴とする。
【００１５】
第６の発明は前記第１〜第３の発明の誘導電動機の制御方法において、前記補正係数は、前記軸トルク演算値と、前記電動機の無負荷トルクとの和の平方根に基づく値にしたことを特徴とする。
【００１６】
第７の発明は前記第１〜第３の発明の誘導電動機の制御方法において、前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値と、前記電動機が無負荷のときの二次磁束に基づく値との和の値に比例した値にしたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、可変電圧可変周波数インバータに駆動される誘導電動機の一次電圧，一次電流，電気定数等から該電動機の軸トルクの演算値を求め、この演算値の平方根に基づいて前記誘導電動機の内部発生損失をより少なくする該電動機の二次磁束指令値を導出できるので、前記電動機の負荷機器の特性を測定することなく、該電動機の省エネルギー運転の要請に答えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第1の実施の形態を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図であり、図９に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００１９】
すなわち図１に示した制御装置２０には、磁束指令演算手段１１，乗算演算手段１２，積分演算手段１３，電圧指令発生手段１４の他に、トルク演算手段２１と、補正係数演算手段２２〜２５のいずれかと、乗算演算手段２６と、指令値制限手段２７とが付加されている。また、インバータ１と誘導電動機２の経路に電流検出器３が挿設されている。
【００２０】
この制御装置２０の動作を、図２に示す誘導電動機のＴ形等価回路図を参照しつつ、以下に説明をする。
【００２１】
トルク演算手段２１では誘導電動機２の一次電圧指令値Ｖ₁ ^*と一次周波数指令値ω₁ ^*と、電流検出器３の検出値ｉ_DETとを入力し、誘導電動機２の軸トルクは一次磁束ベクトルと一次電流ベクトルとの外積で表せることから、軸トルク演算値τ_Eを求めるために、一次電圧指令値Ｖ₁ ^*と検出値ｉ_DETとをそれぞれベクトル回転させて、直交したｄ−ｑ軸成分Ｖ_1d，Ｖ_1qとＩ_1d，Ｉ_1qとに分解し、誘導電動機２の軸トルク演算値τ_Eとして、下記式（１）の演算を行っている。
【００２２】
【数１】

次に、補正係数演算手段２２〜補正係数演算手段２５それぞれでは、第1の演算として、下記式（２）〜式（６）に従った演算を行っている。
【００２３】
誘導電動機２の内部発生損失Ｗは、下記式（２）と表すことができる。
【００２４】
【数２】

上記式（２）に、誘導電動機の軸トルクτと二次磁束φ₂とを用い、τ＝φ₂・Ｉ_Tおよびφ₂＝Ｌｍ・Ｉ_Mなる関係を代入すると、前記式（２）は下記式（３）と表すことができる。
【００２５】
【数３】

上記式（３）で示される誘導電動機２の内部発生損失Ｗを最小にするために、先ず、前記式（３）を二次磁束φ₂で微分すると、下記式（４）となる。
【００２６】
【数４】

上記式（４）が０のときに誘導電動機２の内部発生損失Ｗが最小になり、このときの誘導電動機２の二次磁束φ₂は、下記式（５）で表すことができる。
【００２７】
【数５】

上記式（５）から明らかなように、誘導電動機２の二次磁束φ₂は軸トルクτの平方根に比例するように調整すればよい。従って、補正値演算手段２２〜２５それぞれは、下記式（６）に示す値Ｋ₁を求めている。
【００２８】
【数６】

また、補正値演算手段２２では、第２の演算として、トルク演算手段２１からの軸トルク演算値τ_Eと前記Ｋ₁とから、下記式（７）に示す補正係数Φ₁を出力している。
【００２９】
【数７】

乗算演算手段２６では、磁束指令値演算手段１１の出力である二次磁束基準値φ₂ ^*が先述の一定値出力のときを１．０とし、この値と補正値演算手段２２からの補正係数Φ₁との乗算演算値（＝式（７））を出力している。
【００３０】
指令値制限手段２７では、予め誘導電動機２が定格軸トルクτ_Rのときの先述の軸トルク演算値τ_E（＝τ_ER）に対応する二次磁束指令値を上限値φ_2Rと設定し、誘導電動機２が無負荷損に相当するトルクτ₀のとき（このときτ_E＝０）の二次磁束指令値を下限値φ_2Nと設定し、前述の乗算演算手段２６の出力が上限値φ_2Rを越えているときにはこの上限値φ_2Rに制限した値、また、前記出力が下限値φ_2Nに満たないときにはこの下限値φ_2Nに制限した値を誘導電動機２の二次磁束指令値φ₂ ^**として出力している。
【００３１】
すなわち、補正係数演算手段２２を用いた制御装置２０において、誘導電動機２の一次周波数指令値ω₁ ^*が一定値の状態で誘導電動機２の軸トルクが０から定格τ_Rまで変化したときの二次磁束指令値φ₂ ^**は図３のように変化し、誘導電動機２の内部発生損失をより少なくすることができる。なお、図３における破線の曲線はτ_Eの平方根に対応する特性曲線である。
【００３２】
また、補正値演算手段２３では、第２の演算として、トルク演算手段２１からの軸トルク演算値τ_Eと前記Ｋ₁と先述の下限値φ_2Nとから、下記式（８）に示す補正係数Φ₁を出力している。
【００３３】
【数８】

すなわち、補正係数演算手段２３を用いた制御装置２０において、誘導電動機２の一次周波数指令値ω₁ ^*が一定値の状態で誘導電動機２の軸トルクが０から定格τ_Rまで変化したときの二次磁束指令値φ₂ ^**は図４のように変化し、特に小さい軸トルク状態での誘導電動機２の内部発生損失をより少なくすることができる。なお、図４における破線の曲線はτ_Eの平方根に対応する特性曲線である。
【００３４】
また、補正値演算手段２４では、第２の演算として、トルク演算手段２１からの軸トルク演算値τ_Eと前記Ｋ₁と先述の誘導電動機２が無負荷損に相当するトルクτ₀とから、下記式（９）に示す補正係数Φ₁を出力している。
【００３５】
【数９】

すなわち、補正係数演算手段２４を用いた制御装置２０において、誘導電動機２の一次周波数指令値ω₁ ^*が一定値の状態で誘導電動機２の軸トルクが０から定格τ_Rまで変化したときの二次磁束指令値φ₂ ^**は図５のように変化し、誘導電動機２の内部発生損失をより少なくすることができる。なお、図５における破線の曲線はτ_Eの平方根に対応する特性曲線である。
【００３６】
また、補正値演算手段２５では、第２の演算として、トルク演算手段２１からの軸トルク演算値τ_Eと前記Ｋ₁と先述の定格軸トルクτ_Rおよび下限値φ_2Nとから、下記式（１０）に示す補正係数Φ₁を出力している。
【００３７】
【数１０】

すなわち、補正係数演算手段２５を用いた制御装置２０において、誘導電動機２の一次周波数指令値ω₁ ^*が一定値の状態で誘導電動機２の軸トルクが０から定格τ_Rまで変化したときの二次磁束指令値φ₂ ^**は図６のように変化し、誘導電動機２の内部発生損失をより少なくすることができる。このときの破線の曲線はτ_Eの平方根に対応する特性曲線である。
【００３８】
図７は、この発明の第２の実施の形態を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図であり、図１に示した第１の実施の形態回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００３９】
すなわち図７に示した制御装置３０には、トルク演算手段２１と補正係数演算手段２２〜２５のいずれかに代えて、トルク演算手段３１と補正係数演算手段３２とを備えている。
【００４０】
この制御装置３０の動作を、図８に示す誘導電動機のＴ形等価回路図を参照しつつ、以下に説明をする。なお、この等価回路は、後述の如く演算を簡単にするために、誘導電動機の鉄損を無視（図２におけるＲ_Cを削除）している。
【００４１】
図８において、誘導電動機の無効電力Ｑは該電動機の一次角周波数をω₁とすると、下記式（１１）で表される。
【００４２】
【数１１】

また、誘導電動機の二次磁束φ₂は、下記式（１２）で表される。
【００４３】
【数１２】

上記式（１），式（２）から二次磁束φ₂は下記式（１３）となる。
【００４４】
【数１３】

また、図８において、一次電流Ｉ₁とトルク電流Ｉ_Tと励磁電流I_Mには下記式（１４）の関係がある。
【００４５】
【数１４】

前記式（１２），式（１３）から励磁電流Ｉ_Mは下記式（１５）で表される。
【００４６】
【数１５】

上記式（１４），式（１５）からトルク電流Ｉ_Tは下記式（１６）で表される。
【００４７】
【数１６】

すなわちトルク演算手段３１では前記ω₁ ^*とＶ₁ ^*とｉ_DETとをそれぞれ入力し、実効値Ｉ₁およびＩ_1dを求め、前記Ｑと等価なＶ₁ ^*・Ｉ_1dを演算し、これらの値と、誘導電動機２の電気定数としての励磁インダクタンスＬｍと漏れインダクタンスＬσとを前記式（１５）及び式（１６）に当てはめ、誘導電動機２の軸トルク演算値τ_Eとして、τ_E＝Ｌｍ・Ｉ_T・Ｉ_Mを求め、出力している。
【００４８】
次に、補正係数演算手段３２では、第1の演算として、下記式（１７）〜式（２１）に従った演算を行っている。
【００４９】
誘導電動機２の内部発生損失Ｗは、下記式（１７）と表すことができる。
【００５０】
【数１７】

上記式（１７）に、誘導電動機の軸トルクτと二次磁束φ₂とを用い、τ＝φ₂・Ｉ_Tおよびφ₂＝Ｌｍ・Ｉ_Mなる関係を代入すると、前記式（１７）は下記式（１８）と表すことができる。
【００５１】
【数１８】

上記式（１８）で示される誘導電動機２の内部発生損失Ｗを最小にするために、先ず、前記式（１８）を二次磁束φ₂で微分すると、下記式（１９）となる。
【００５２】
【数１９】

上記式（１９）が０のときに誘導電動機２の内部発生損失Ｗが最小になり、このときの誘導電動機２の二次磁束φ₂は、下記式（２０）で表すことができる。
【００５３】
【数２０】

上記式（２０）から明らかなように、誘導電動機２の二次磁束φ₂は軸トルクτの平方根に比例するように調整すればよい。従って、補正値演算手段３２は、下記式（２１）に示す値Ｋ₂を求めている。
【００５４】
【数２１】

また、補正値演算手段３２では、第２の演算として、トルク演算手段３１からの軸トルク演算値τ_Eと前記Ｋ₂とから、下記式（２２）に示す補正係数Φ₁を出力している。
【００５５】
【数２２】

すなわち、制御装置３０において、誘導電動機２の一次周波数指令値ω₁ ^*が一定値の状態で誘導電動機２の軸トルクが０から定格τ_Rまでのいずれの軸トルクで動作するときにも、比較的簡単な前記第２の演算で、誘導電動機２の内部発生損失をより少なくすることができる。
【００５６】
なお、図１及び図７に示したこの発明の実施形態回路では，インバータ１の出力電圧指令値を用いた回路構成であるが、インバータ１の出力電圧を検出して誘導電動機２を制御してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
この発明によれば、可変電圧可変周波数インバータに駆動される誘導電動機の一次電圧，一次電流，電気定数等から該電動機の軸トルクの演算値を求め、この演算値の平方根に基づいて前記誘導電動機の内部発生損失をより少なくする該電動機の二次磁束指令値を導出できるので、前述のＶ／ｆインバータ駆動方式を基本としつつ誘導電動機の負荷機器の特性を測定することなく、該電動機の省エネルギー運転の要請に答えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図
【図２】図１の動作を説明するための誘導電動機の等価回路図
【図３】図１の動作を説明するための特性曲線図
【図４】図１の動作を説明するための特性曲線図
【図５】図１の動作を説明するための特性曲線図
【図６】図１の動作を説明するための特性曲線図
【図７】この発明の第２の実施の形態を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図
【図８】図７の動作を説明するための誘導電動機の等価回路図
【図９】従来例を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図
【符号の説明】
１…インバータ、２…誘導電動機、３・電流検出器、１０…制御装置、１１…磁束指令演算手段、１２…乗算演算手段、１３…積分演算手段、１４…電圧指令発生手段、２０…制御装置、２１…トルク演算手段、２２〜２５…補正係数演算手段、２６…乗算演算手段、２７…指令値制限手段、３０…制御装置、３１…トルク演算手段、３２…補正係数演算手段。

Claims

可変電圧可変周波数インバータを介して駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記電動機の一次周波数指令値に基づく該電動機の二次磁束基準値と、前記電動機の軸トルク演算値に対応した補正係数とを乗算演算した値に基づく該電動機の二次磁束指令値を求め、
この二次磁束指令値と、前記一次周波数指令値とに基づいた前記電動機の一次電圧を前記インバータから供給することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記軸トルク演算値を導出する際に、前記一次周波数指令値と、前記一次電圧又はこの一次電圧を発生させるための前記インバータへの一次電圧指令値と、前記電動機の一次電流と、該電動機の電気定数としての一次抵抗値とを用いたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記軸トルク演算値を導出する際に、前記一次周波数指令値と、前記一次電圧又はこの一次電圧を発生させるための前記インバータへの一次電圧指令値と、前記電動機の一次電流と、該電動機の電気定数としての励磁インダクタンス，漏れインダクタンスとを用いたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘導電動機の制御方法において、
前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値にしたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘導電動機の制御方法において、
前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値と、前記電動機が無負荷のときの二次磁束との和の値にしたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘導電動機の制御方法において、
前記補正係数は、前記軸トルク演算値と、前記電動機の無負荷トルクとの和の平方根に基づく値にしたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘導電動機の制御方法において、
前記補正係数は、前記軸トルク演算値の平方根に基づく値と、前記電動機が無負荷のときの二次磁束に基づく値との和の値にしたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。