JP5332667B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ等の電力変換装置により駆動される誘導電動機の制御装置に関し、特に、誘導電動機の漏れインダクタンス等を始めとした電気定数を測定するための制御装置に関する。

誘導電動機の高性能かつ高精度な制御方法として、ベクトル制御が広く知られている。
ベクトル制御では、電動機の速度情報が必要であり、通常はパルスジェネレータ等の速度センサから速度情報を得るようにしている。また、速度センサを取り付けられない用途にベクトル制御を適用したいという要求も多く、電動機への印加電圧や印加電流から速度及び磁束を推定する手段を備えた速度センサレスベクトル制御について、従来から種々の方式が提案されている。

しかし、ベクトル制御により高いトルク制御精度を実現するためには、誘導電動機の１次抵抗、２次抵抗、漏れインダクタンス等の電気定数を正確に知る必要がある。特に速度センサレスベクトル制御の場合、速度推定にも電動機の電気定数を用いるため、電気定数の設定誤差が大きいと速度推定誤差も大きくなり、制御の安定性にも大きく影響する。

誘導電動機の電気定数は、電動機の設計書やデータシート等に記載されている場合もあるが、電気定数が明らかにされていない電動機も数多く存在する。また、電動機の電気定数は温度によって変化し、また、配線のケーブル長によっても等価的な抵抗値やインダクタンス値が変化するため、データシート等に記載された値が必ずしも実際の運転条件における真値とは限らない。以上の事実に鑑みると、インバータ等の電力変換装置によって誘導電動機の運転を開始する前に、上記電力変換装置を利用して電気定数を自動的に測定できることが望まれる。

ここで、特許文献１には、誘導電動機の漏れインダクタンスを測定するための技術が開示されている。図６は、特許文献１に開示されている従来技術の概略的な構成図である。
誘導電動機５０の漏れインダクタンスを測定する場合は、Ｍ軸電流指令値に一定の直流信号、Ｔ軸電流指令値に角周波数ω_ｈの交流信号を与え、１次周波数指令値を０（すなわちインバータ１４の出力電圧の位相を固定した状態）に設定して、インバータ１４を運転する。なお、Ｍ軸とは誘導電動機５０の磁束と平行な軸をいい、Ｔ軸とはＭ軸に直交する軸をいう。

図６において、Ｍ軸電流調整手段１１、Ｔ軸電流調整手段１２は、各軸の電流指令値と電流検出値とが一致するような電圧指令値をそれぞれ出力し、これらの電圧指令値を座標変換手段１３により座標変換して３相の１次電圧指令値を得る。この１次電圧指令値に従ってインバータ１４により誘導電動機５０に３相交流電圧を印加し、電動機５０の運転時におけるインバータ１４の出力電流等の情報から電動機５０の漏れインダクタンスを演算する。
なお、１５は出力電流検出手段、１６は検出した出力電流をＴ軸成分、Ｍ軸成分に分解するための座標変換手段である。

いま、１次周波数指令値を０、すなわち電動機５０のすべりを１に設定すると、電動機５０は回転せず、その等価回路は図３のように表すことができる。また、Ｔ軸電流指令値として与える交流信号の周波数を十分に高く設定すると、励磁インダクタンスＬ_ｍを無視できるので、角周波数ω_ｈの交流成分についての等価回路は図４のようになり、数式１が成り立つ。

更に、角周波数ω_ｈが高いため、１次抵抗Ｒ_１、２次抵抗Ｒ_２の影響が小さいと仮定すると、電動機５０の漏れインダクタンスＬ_σは数式２によって求めることができる。

以上の手順により、インバータ１４を用いて誘導電動機５０の漏れインダクタンスＬ_σを演算することができる。

特開平１０−４７００号公報（段落［００２２］〜［００２８］、図８等）

特許文献１では、インバータによって交流信号を重畳した電流を誘導電動機に流すことにより、電動機を回転させずに漏れインダクタンスを測定している。ここで、漏れインダクタンスを求めるための演算式は、重畳させる交流信号の周波数が十分に高く、その他の電気定数の影響を無視できるという仮定のもとで導出しているため、実際の電動機の物理式とは異なっている。すなわち、電動機の漏れインダクタンスを正確に測定するには、電流に重畳する交流信号の周波数をできる限り高く設定することが望ましい。

しかし、交流信号の周波数を高く設定すると、制御装置の高速応答が必要となるため、高周波化には実用上の限界が存在しており、一般的には１００［Ｈｚ］程度が限界である。１００［Ｈｚ］程度の交流信号に対する励磁インダクタンスのインピーダンスは、どのような誘導電動機でも十分に大きいと見なせるため、漏れインダクタンスの演算にあたり、励磁インダクタンスの影響を無視することについては特に問題はない。

しかし、特許文献１では誘導電動機の１次抵抗や２次抵抗の影響も無視して漏れインダクタンスを演算しているので、誘導電動機によっては、漏れインダクタンスの測定値に誤差が生じ、トルク制御精度や速度制御精度を悪化させるおそれがある。

そこで、本発明の解決課題は、誘導電動機の電気定数として１次抵抗や２次抵抗を考慮しつつ漏れインダクタンスを高精度に測定可能とした誘導電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力変換装置により駆動される誘導電動機の電流を、前記誘導電動機の磁束と平行なＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解し、かつ、前記電力変換装置の出力電圧をＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解して出力する座標変換手段と、Ｍ軸電流指令値及びＴ軸電流指令値を生成する手段と、Ｍ軸電流指令値とＭ軸電流検出値との偏差を０にするＭ軸電圧指令値を出力するＭ軸電流調整手段と、Ｔ軸電流指令値とＴ軸電流検出値との偏差を０にするＴ軸電圧指令値を出力するＴ軸電流調整手段と、を有し、
前記Ｍ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値から１次電圧指令値を生成して前記電力変換装置の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
前記座標変換手段から出力されるＴ軸電圧検出値及びＴ軸電流検出値に含まれる所定周波数の交流成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出した前記交流成分からＴ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を演算する演算手段と、を備え、
前記Ｍ軸電流指令値を任意の一定値とし、前記Ｔ軸電流指令値を前記所定周波数の正弦波交流信号とすると共に、出力電圧の位相を固定した状態で前記電力変換装置を運転し、前記演算手段により演算した前記Ｔ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を用いて、前記誘導電動機の１次抵抗と２次抵抗との和、及び、漏れインダクタンスを求めるものである。

請求項２に係る発明は、電力変換装置から交流電力が供給される誘導電動機の電流を、前記誘導電動機の磁束と平行なＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解して出力する座標変換手段と、Ｍ軸電流指令値及びＴ軸電流指令値を生成する手段と、Ｍ軸電流指令値とＭ軸電流検出値との偏差を０にするＭ軸電圧指令値を出力するＭ軸電流調整手段と、Ｔ軸電流指令値とＴ軸電流検出値との偏差を０にするＴ軸電圧指令値を出力するＴ軸電流調整手段と、を有し、
前記Ｍ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値から１次電圧指令値を生成して前記電力変換装置の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
前記Ｔ軸電圧指令値と前記座標変換手段から出力されるＴ軸電流検出値とに含まれる所定周波数の交流成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出した前記交流成分からＴ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を演算する演算手段と、を備え、
前記Ｍ軸電流指令値を任意の一定値とし、前記Ｔ軸電流指令値を前記所定周波数の正弦波交流信号とすると共に、出力電圧の位相を固定した状態で前記電力変換装置を運転し、前記演算手段により演算した前記Ｔ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を用いて、前記誘導電動機の１次抵抗と２次抵抗との和、及び、漏れインダクタンスを求めるものである。

本発明においては、誘導電動機の１次抵抗及び２次抵抗の影響も考慮した上で漏れインダクタンスを演算しているため、従来よりも漏れインダクタンスを高精度に測定可能であり、誘導電動機のトルク制御精度、速度制御精度を従来よりも向上させることができる。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 図１における有効電力演算手段の構成図である。 誘導電動機の等価回路図である。 Ｔ軸電流指令の周波数が十分に高い場合の誘導電動機の等価回路図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 従来技術の概略的な構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すブロック図であり、この実施形態は請求項１に係る発明に相当する。なお、図６と同一の構成要素には同一の番号を付してある。

まず、図６と同様に、出力電流検出手段１５により検出したインバータ１４の出力電流を座標変換手段２２に入力し、この出力電流を、誘導電動機５０の磁束と平行な成分（Ｍ軸成分）とこれに直交する成分（Ｔ軸成分）とに分離する。そして、Ｍ軸電流調整手段１１及びＴ軸電流調整手段１２により、各軸の電流指令値と電流検出値とが一致するようにＭ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値をそれぞれ生成する。

ここで、本実施形態では、特定の電流指令値を与えた状態でインバータ１４の運転を開始し、その時のインバータ１４の出力電圧及び出力電流から電動機５０の電気定数を求める。
Ｍ軸電流指令値としては所定の直流信号（一定値）を与え、Ｍ軸電流調整手段１１によりＭ軸電流検出値がＭ軸電流指令値と一致するようなＭ軸電圧指令値を演算する。一方、Ｔ軸電流指令値としては角周波数ω_ｈの正弦波の交流信号を与え、Ｔ軸電流調整手段１２によりＴ軸電流検出値がＴ軸電流指令値と一致するようなＴ軸電圧指令値を演算する。

Ｍ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値は、従来と同様に座標変換手段１３により３相の１次電圧指令値に変換され、この電圧指令値に従ってインバータ１４により指令値通りの３相交流電圧を誘導電動機５０に印加する。ここでは、座標変換手段１３，２２に加えられる１次周波数指令値は０、すなわち出力電圧位相が固定された状態でインバータ１４を運転するため、電動機５０は回転しない。

出力電圧検出手段２１はインバータ１４の出力電圧を検出し、この出力電圧を座標変換手段２２により分解してＭ軸電圧、Ｔ軸電圧の各検出値を得る。前述したように、座標変換手段２２は出力電流検出値からＭ軸電流、Ｔ軸電流の各検出値を得ており、これら出力電圧、出力電流のＭ軸、Ｔ軸成分の各検出値は、インバータ１４の電圧指令値演算に用いられると共に、以下に述べるごとく電動機５０の電気定数の演算にも用いられる。

直流成分除去手段２３には、座標変換手段２２からＴ軸電圧検出値及びＴ軸電流検出値が入力されており、これらの検出値から直流成分を除去して交流成分（Ｔ軸電圧交流成分ｖ_Ｔｈ及びＴ軸電流交流成分ｉ_Ｔｈ）のみを抽出する。直流成分除去手段２３は、例えばハイパスフィルタにより実現可能である。

実効値演算手段２４，２６は、Ｔ軸電圧交流成分ｖ_Ｔｈ、Ｔ軸電流交流成分ｉ_Ｔｈの実効値をそれぞれ演算して出力する。有効電力演算手段２５では、入力されたＴ軸電圧交流成分ｖ_Ｔｈ及びＴ軸電流交流成分ｉ_Ｔｈに基づいて、有効電力を演算する。
一般に、電圧をｖ＝Ｖｃｏｓ（ωｔ）、電流をｉ＝Ｉｃｏｓ（ωｔ−θ）とすると（Ｖ，Ｉは振幅、ωは角周波数、θは位相角）、瞬時電力Ｐは数式３により演算することができる。

図２は、数式３の原理に基づく有効電力演算手段２５の構成例を示している。まず、乗算手段２５１によりＴ軸電圧交流成分ｖ_ＴｈとＴ軸電流交流成分ｉ_Ｔｈとの積、すなわち数式３で表される瞬時電力Ｐを演算する。そして、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５２により、瞬時電力Ｐからその直流分のみを抽出する。こうして得られた信号であるＶＩ・ｃｏｓθ／２が、数式３の右辺第１項の直流成分である有効電力Ｐ_ａとなる。
一方において、有効電力Ｐ_ａは、電圧実効値Ｖ_ｒｍｓ及び電流実効値Ｉ_ｒｍｓを用いると数式４により表すことができる。

図１の電動機電気定数演算手段２７では、先に演算しておいたＴ軸電圧交流成分ｖ_Ｔｈの実効値Ｖ_{ｒｍｓＴｈ}、Ｔ軸電流交流成分ｉ_Ｔｈの実効値Ｉ_{ｒｍｓＴｈ}及び有効電力Ｐ_ａから、後述する原理によって電動機５０の１次抵抗Ｒ_１と２次抵抗Ｒ_２との和、及び漏れインダクタンスＬ_σを数式５，数式６により演算する。

以上の手順により、電動機５０の１次抵抗Ｒ_１と２次抵抗Ｒ_２との和、及び漏れインダクタンスＬ_σを測定することが可能となる。また、インバータ１４から電動機５０に直流電圧を与え、そのときの直流電圧と直流電流との比から１次抵抗を求めるような手段（例えば、特開平６−５９０００号公報に開示されている技術）を用いて予め１次抵抗Ｒ_１を測定しておけば、１次抵抗Ｒ_１と２次抵抗Ｒ_２とを分離して求めることも可能である。

次に、数式５、数式６により電動機５０の電気定数を演算できる理由を説明する。
図３の等価回路について前述したのと同様に、本実施形態によって電気定数を測定する場合、電動機５０は回転しないため、すべりｓは１とみなすことができる。また、Ｔ軸電流指令値として与える正弦波交流信号の角周波数ω_ｈが十分に高ければ、２次抵抗のインピーダンスに対して励磁インダクタンスＬ_ｍのインピーダンスが十分高くなるため、この交流成分に対して励磁インダクタンスＬ_ｍは無視することができ、交流成分に対する等価回路は図４のようになる。

本実施形態では１次周波数を０に固定しているため、Ｍ軸成分とＴ軸成分とは独立しており、互いに干渉することはない。Ｍ軸電流指令値は直流信号であるのに対し、Ｔ軸電流指令値は交流信号であることを考えると、電圧、電流に交流成分を含むのはＴ軸成分のみである。よって、Ｔ軸電圧交流成分をｖ_Ｔｈ、Ｔ軸電流交流成分をｉ_Ｔｈとすると、図４の等価回路に基づいて数式７が成立する。

数式７から明らかなように、交流成分の有効電力は、１次抵抗Ｒ_１及び２次抵抗Ｒ_２における消費電力の和に相当する。また、抵抗に印加される電圧と電流との位相差は０であることも考慮すると、数式４から数式８が成り立つ。

数式８を変形したのが前述の数式５であり、この数式５に、他の手段により予め求めた有効電力Ｐ_ａ及びＴ軸電流交流成分の実効値Ｉ_{ｒｍｓＴｈ}を代入すれば、１次抵抗Ｒ_１と２次抵抗Ｒ_２との和を求めることができる。
また、数式７の両辺の絶対値をとると、数式９が成り立ち、この数式９を変形すると、前述の数式６が得られる。

以上のように、本実施形態における誘導電動機の電気定数演算式は、誘導電動機の等価回路の電圧電流方程式である数式７を基本として、一切の仮定や近似を用いずに導出したものである。よって、いかなる場合においても、漏れインピーダンスを始めとした誘導電動機の電気定数を高精度に測定することが可能となる。そして、上記の測定によって得られた電気定数を電動機の通常運転時に用いることにより、高いトルク制御精度及び速度制御精度を実現することができる。

次に、図５は、本発明の第２実施形態のブロック図であり、請求項２に係る発明に相当するものである。
図１の第１実施形態では、出力電圧検出手段２１によりインバータ１４の出力電圧を直接検出して電動機５０の電気定数を演算しているが、インバータ１４は必ずしも出力電圧検出手段２１を有するとは限らない。

そこで、本実施形態では、Ｔ軸電圧検出値ではなくＴ軸電流調整手段１２から出力されるＴ軸電圧指令値に基づいて有効電力及び電圧実効値を演算し、電動機５０の電気定数の演算に用いるようにした。本実施形態のその他の演算部の構成は、第１の実施形態と同様である。
以上のように本実施形態によれば、出力電圧検出手段を持たないインバータにおいても、電動機５０の電気定数を精度良く測定することが可能となる。

１１：Ｍ軸電流調整手段
１２：Ｔ軸電流調整手段
１３，２２：座標変換手段
１４：インバータ
１５：出力電流検出手段
２１：出力電圧検出手段
２３：直流成分除去手段
２４，２６：実効値演算手段
２５：有効電力演算手段
２５１：乗算手段
２５２：ローパスフィルタ
２７：電動機電気定数演算手段
５０：誘導電動機

Claims (2)

1. 電力変換装置により駆動される誘導電動機の電流を、前記誘導電動機の磁束と平行なＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解し、かつ、前記電力変換装置の出力電圧をＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解して出力する座標変換手段と、Ｍ軸電流指令値及びＴ軸電流指令値を生成する手段と、Ｍ軸電流指令値とＭ軸電流検出値との偏差を０にするＭ軸電圧指令値を出力するＭ軸電流調整手段と、Ｔ軸電流指令値とＴ軸電流検出値との偏差を０にするＴ軸電圧指令値を出力するＴ軸電流調整手段と、を有し、
   前記Ｍ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値から１次電圧指令値を生成して前記電力変換装置の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
   前記座標変換手段から出力されるＴ軸電圧検出値及びＴ軸電流検出値に含まれる所定周波数の交流成分を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段により抽出した前記交流成分からＴ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を演算する演算手段と、を備え、
   前記Ｍ軸電流指令値を任意の一定値とし、前記Ｔ軸電流指令値を前記所定周波数の正弦波交流信号とすると共に、出力電圧の位相を固定した状態で前記電力変換装置を運転し、前記演算手段により演算した前記Ｔ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を用いて、前記誘導電動機の１次抵抗と２次抵抗との和、及び、漏れインダクタンスを求めることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 電力変換装置から交流電力が供給される誘導電動機の電流を、前記誘導電動機の磁束と平行なＭ軸成分とこれに直交するＴ軸成分とに分解して出力する座標変換手段と、Ｍ軸電流指令値及びＴ軸電流指令値を生成する手段と、Ｍ軸電流指令値とＭ軸電流検出値との偏差を０にするＭ軸電圧指令値を出力するＭ軸電流調整手段と、Ｔ軸電流指令値とＴ軸電流検出値との偏差を０にするＴ軸電圧指令値を出力するＴ軸電流調整手段と、を有し、
   前記Ｍ軸電圧指令値及びＴ軸電圧指令値から１次電圧指令値を生成して前記電力変換装置の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
   前記Ｔ軸電圧指令値と前記座標変換手段から出力されるＴ軸電流検出値とに含まれる所定周波数の交流成分を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段により抽出した前記交流成分からＴ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を演算する演算手段と、を備え、
   前記Ｍ軸電流指令値を任意の一定値とし、前記Ｔ軸電流指令値を前記所定周波数の正弦波交流信号とすると共に、出力電圧の位相を固定した状態で前記電力変換装置を運転し、前記演算手段により演算した前記Ｔ軸電圧実効値、Ｔ軸電流実効値及び有効電力を用いて、前記誘導電動機の１次抵抗と２次抵抗との和、及び、漏れインダクタンスを求めることを特徴とする誘導電動機の制御装置。

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