JP5580360B2 - 誘導電動機の制御装置、及び駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機を駆動する装置に関する。

産業分野におけるモータ駆動方式としては、インバータ装置を用いて誘導電動機や同期電動機を可変速駆動する方式が広く用いられている。例えば、鉄道車両では１台のインバータ装置で１〜４台の誘導電動機を駆動する方式が一般的である。

ところで、鉄道車両では停車状態からインバータ装置を起動して加速した後、インバータ装置を停止して惰性で走行する惰行状態に移り、惰行状態から再度インバータ装置を起動して加速または減速する。

惰行状態ではインバータ装置は停止しているため、インバータ装置から誘導電動機に電圧は印加されないが、原理上、インバータ装置を停止しても誘導電動機内部の磁束はすぐに消えずに残る。このようにインバータ装置が停止している状態で誘導電動機内部に残る磁束を残留磁束と呼ぶ。残留磁束が残っている場合、誘導電動機の内部には残留磁束と回転速度の積に比例した誘起電圧が発生する。

インバータ装置を停止した状態では、残留磁束のエネルギは誘導電動機の回転子の抵抗によって消費され、誘導電動機の抵抗値およびインダクタンス値で決まる時定数にしたがって減衰する。鉄道車両用の誘導電動機の場合、残留磁束が減衰する時間を定める時定数は２００〜６００ｍｓ程度である。

残留磁束が零に減衰するまでの時間は、一次遅れ系のステップ応答が時定数の３倍で目標値の９５％程度に達することから考えて、時定数のおよそ３倍（６００〜１８００ｍｓ程度）の時間を要する。また、近年の省エネルギ化に向けた取り組みとして、抵抗値が小さい誘導電動機が主流になりつつあるため、残留磁束が減衰する時定数は長くなる傾向にある。

一方、鉄道車両が惰行運転する時間は、車両の種類、運転方法が手動運転であるかＡＴＯ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ、自動列車運転装置）による自動運転であるか、などによって異なるが、残留磁束が零まで減衰する前に惰行運転を終了してインバータ装置を再起度する場合がある。

残留磁束が残った状態でインバータ装置を起動すると、残留磁束によって生じた誘起電圧とインバータ装置から出力する電圧の位相によっては過大な電流が流れるため、インバータ装置保護の観点から望ましくない。また、これに伴い過渡的にトルクが変動して乗り心地が悪化する。

さらに、速度センサを用いて誘導電動機の回転速度を検出する代わりに誘導電動機に流れる電流などから回転速度を推定して誘導電動機を駆動する速度センサレスベクトル制御を用いている場合は、残留磁束によって生じる誘起電圧が外乱となり速度推定に失敗することも懸念される。

残留磁束の位相が正確に把握できれば、インバータ装置から出力する電圧の位相を制御することで電流を抑制することもできる。しかし、例えば磁束の位相を検出するセンサを追加すると製造コストやメンテナンス費用の増加を招く。また磁束の位相を推定する方法を用いる場合は、誘導電動機の抵抗値、インダクタンス値の製作誤差、温度変化に伴う定数変動などの影響を受け、残留磁束を正確に検出できない可能性がある。

その他、前述のように残留磁束は誘導電動機の抵抗値およびインダクタンス値で決まる時定数にしたがって減衰するので、十分に時間が経過した後にインバータ装置を再起動する方法が考えられる。しかしこの方法は、インバータ装置の運転に制限を設けることになるため望ましくない。

以上の理由から、インバータ装置を再起動する時点において残留磁束は零まで減衰していることが望ましい。そこで、残留磁束を減衰させる方法がいくつか提案されている。

下記特許文献１には、インバータ装置を停止する際にインバータ装置に対する電圧指令を通常運転時の指令から残留磁束を減衰させるための指令に切り替えて一定時間インバータ装置を動作させる方法が記載されている。

下記特許文献２には、インバータ装置を停止させる時にインバータ装置の上アームまたは下アームをすべて同時にオン状態とすることにより、インバータ装置と誘導電動機の間に短絡回路を形成する方法が記載されている。

特開２００８−１１３５０１号公報 特開平１０−６６３８６号公報

残留磁束を減衰させる方法として考慮すべき点は、（１）インバータ装置の保護やトルク変動防止のためインバータ装置に過大な電流が流れないことと、（２）インバータ装置の運転間隔に影響しないように短時間で残留磁束を減衰させることである。

しかしながら、特許文献１の方法では、通常運転時の電圧指令を計算する計算式と、残留磁束を減衰させるための電圧指令を計算する計算式とが異なるため、電圧指令を切り替えた際にインバータ装置からの出力電圧が不連続になり過大な電流が流れる恐れがある。また、残留磁束を減衰させるための電圧指令に基づいてインバータ装置を動作させる時間についても具体的な記載はない。

特許文献２の方法では、残留磁束による誘起電圧がインバータ装置と誘導電動機の間の短絡回路に印加されるため、インバータ装置と誘導電動機の間に過大な電流が流れる恐れがある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、過大な電流を流すことなく短時間で誘導電動機の残留磁束を減衰させることを目的とする。

本発明に係る誘導電動機の駆動装置は、インバータ装置の動作を停止する前に、インバータ装置から誘導電動機へ零電圧を出力させる動作を所定時間継続する。

本発明に係る誘導電動機の駆動装置によれば、インバータ装置を停止する際に過大な電流を流すことなく短時間で誘導電動機の残留磁束を減衰させることができる。これにより残留磁束の影響を受けることなくインバータ装置を再起動できる。

本発明に係る誘導電動機の駆動装置の構成例を示す図である。 インバータ装置２と誘導電動機３の１相分の等価回路を示す図である。 インバータ装置２を停止するときの従来動作を示すタイムチャートである。 インバータ装置２と誘導電動機３の１相分の等価回路を用いて本発明の動作を説明する図である。 本発明においてインバータ装置２を停止するときの動作を説明するタイムチャートである。

図１は、本発明に係る誘導電動機の駆動装置の構成例を示す図である。本実施形態１に係る駆動装置は、インバータ装置２と制御装置４を備える。インバータ装置２は直流電圧源１から得た直流電力を３相交流電力に変換して誘導電動機３へ供給する。誘導電動機３はインバータ装置２から得た３相交流電力を軸トルクに変換する。

制御装置４は、電圧検出部５を用いて検出した直流電圧源１の電圧Ｅｄ、電流検出部６ａ、６ｂ、６ｃを用いて検出した交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、および速度検出部７を用いて検出した誘導電動機３の回転速度Ｆｒに基づいて、インバータ装置２に対する交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算してインバータ装置２へ出力する。

交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の計算においては、交流電動機の制御方式のひとつであるベクトル制御が広く用いられている。ベクトル制御では誘導電動機内部の磁束と同期して回転する直交座標系を定義し、直交座標系における電流と電圧の関係式を用いて誘導電動機を駆動する制御方式である。ベクトル制御は広く知られているので、詳細説明は省略する。

ベクトル制御で用いる直交座標系は、誘導電動機内部の磁束の方向にｄ軸を取り、ｄ軸と直交する方向にｑ軸を取る。ｄ軸方向の電圧Ｖｄ、ｑ軸方向の電圧をＶｑ、ｄ軸方向の電流を励磁電流Ｉｄ、ｑ軸方向の電流をトルク電流Ｉｑとすると、誘導電動機における電流と電圧の関係式は式１となる。

Ｒσ：一次換算抵抗、Ｌσ：一次換算漏れインダクタンス、Ｌ２：二次自己インダクタンス、Ｒ２：二次抵抗、Ｌｍ：相互インダクタンス、Ｔ２：二次時定数、φｄ：ｄ軸磁束、Ｆｉ：周波数指令、Ｆｒ：誘導電動機の回転速度、ｓ：微分演算子である。

一般的に、誘導電動機の制御においては、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変換して励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを求め、ＩｄとＩｑがそれぞれの指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に一致するように式１に基づいてｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を計算する。さらに、Ｖｄ＊とＶｑ＊を座標変換して電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めてインバータ装置を動作させる。

なお、図１は駆動装置の１例であり、本発明を限定するものではない。例えば、図１では１台の誘導電動機３を駆動するようにしているが、複数台の誘導電動機を駆動するようにしてもよい。また、電流検出部を３台設置しているが、構造上３相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの和は零となるので電流検出部を２台設置してＩｕとＩｖを検出し、Ｉｗは下記式２のように計算することもできる。

さらに、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて誘導電動機３の回転速度を推定する速度センサレスベクトル制御を用いる場合は、速度検出部７を省略することもできる。

次に、本発明との比較のため、本発明を用いずにインバータ装置２を停止するときの残留磁束について説明する。

図２は、インバータ装置２と誘導電動機３の１相分の等価回路を示す図である。図２はインバータ装置が停止した状態を示している。これは後述する図３の網掛け部分の状態に対応するものである。

図２において、インバータ装置２は、制御装置４から出力される電圧指令Ｖｕ＊の電圧を出力する交流電圧源８と、インバータ装置２に対する動作指令にしたがって開閉するスイッチ９を用いて表している。

図２の一点差線で囲まれた部分は、誘導電動機３の１相分の等価回路である。Ｒ１は一次抵抗、Ｌσは一次換算漏れインダクタンスである。Ｒ２’、Ｌｍ’はそれぞれ一次側に換算した二次抵抗と相互インダクタンスであり、それぞれ下記式３、４で表される。

Ｌ２：二次自己インダクタンス、Ｒ２：二次抵抗、Ｌｍ：相互インダクタンスである。

図３は、インバータ装置２を停止するときの従来動作を示すタイムチャートである。上から順に第一の運転指令、第二の運転指令、トルク電流、励磁電流、インバータ装置が出力する電圧Ｖｕ（以下、インバータ電圧という）、誘導電動機内の誘起電圧Ｖｍである。ここではベクトル制御を用いて誘導電動機を駆動することを前提として、誘導電動機３に流れる電流を励磁電流とトルク電流で示した。

第一の運転指令は、制御装置４からインバータ装置２に対する指令であり、励磁電流およびトルク電流を所定値から零に向けて絞り始めるタイミングを表している。第一の運転指令が立ち下がると、各電流を減少させ始める。ここではトルク電流を先に絞り始めているが、第一の運転指令が立ち下がってから電流を絞り始めればよく、トルク電流と励磁電流を同時に絞り始めてもよいし、トルク電流を励磁電流と同じように遅延させて絞り始めてもよい。

第二の運転指令は、制御装置４からインバータ装置２に対する指令であり、インバータ装置２を停止するタイミングを表している。第二の運転指令が立ち下がると、インバータ装置２を停止する。第二の運転指令が立ち下がった状態は、図２のスイッチ９が開いた状態に対応する。

通常、インバータ装置を停止する際には、励磁電流とトルク電流を零に減衰させた後でインバータ装置を停止させる。しかし、インバータ電圧Ｖｕの指令Ｖｕ＊は式１に基づいて計算されるため、励磁電流とトルク電流を零まで減衰させてもｄ軸磁束φｄの項が残るのですぐに零とはならない。

残留磁束のエネルギは図２のＲ２’を通る矢印の経路に電流が流れることによって消費され、時定数Ｌｍ’／Ｒ２’＝Ｌ２／Ｒ２＝Ｔ２にしたがって減衰する。鉄道車両用の誘導電動機の場合、時定数Ｔ２は２００〜６００ｍｓ程度であり、一次遅れ系のステップ応答が時定数の３倍で目標値の９５％程度に達することを考慮すると、残留磁束が零まで減衰するには時定数Ｔ２のおよそ３倍（６００〜１８００ｍｓ程度）の時間を要する。

次に、本発明に係る誘導電動機の駆動装置がインバータ装置２を停止するときの残留磁束について説明する。

図４は、インバータ装置２と誘導電動機３の１相分の等価回路を用いて本発明の動作を説明する図である。各記号については図２と同じである。本発明においては、インバータ装置２を停止する前に、インバータ電圧Ｖｕを零電圧とした状態でインバータ装置２を動作させる。これは、後述する図５の網掛け部分の状態に対応するものである。なお、ここでいう零電圧とは、インバータ装置２が出力する電圧の実効値が０であることをいう。

図２とは異なり、本発明ではインバータ装置２を停止させる前にインバータ装置２から零電圧を出力するので、残留磁束のエネルギは図４の矢印の経路に電流が流れることによって消費される。

鉄道車両用の誘導電動機では、Ｌσは２〜３ｍＨ程度であるのに対し、Ｌｍ’は２０〜３０ｍＨ程度と約１０倍大きい。そのため、図４におけるＬｍ’とＲ２’が並列接続された部分はＲ２’のみが存在するものと見なすことができる。よって、磁束が減衰する時間を定める時定数は、Ｌσ／（Ｒ１＋Ｒ２’）＝Ｌσ／Ｒσ＝Ｔσによって近似することができる。

鉄道車両用の誘導電動機では、Ｔσは１０〜２０ｍｓ程度である。そのため、図２〜図３で説明した従来技術の場合に比べて、短時間で誘導電動機３の残留磁束を減衰させることができる。

図５は、本発明においてインバータ装置２を停止するときの動作を説明するタイムチャートである。各信号の種類は図３と同じである。本発明では前述のように時定数Ｔσにしたがって磁束を減衰させるので、第一の運転指令が立ち下がると同時に、式１の３行目に示すφｄの式における時定数Ｔ２をＴσに切り替えた下記式５に基づいてインバータ電圧Ｖｕの指令Ｖｕ＊を計算する。

これにより、実際に磁束が減衰する時定数に合わせて電圧指令を計算することができる。すなわち、第一の運転指令を立ち下げると各電流が下がり始め、これらが０になった時点で、インバータ装置２は図４に示す回路状態を形成するため零電圧を出力する。そこで、第一の運転指令を立ち下げた以降、できる限り早く図４に示す回路状態を形成するため、第一の運転指令を立ち下げた時点で時定数を切り替え、電圧指令を切り替え後の時定数にしたがって算出することとした。

時定数を切り替えることにより、図４に示す回路状態を形成する前の段階においても、誘起電圧Ｖｍをできる限り早く減少させることができる。また、電圧指令を算出する計算式は共通であり、時定数をＴ２からＴσへ切り替えるだけなので、時定数切り替えの前後において電圧指令の連続性が保証され、過大な電流が流れることもない。

インバータ装置４が零電圧を出力し始めてから残留磁束が零に収束するまでの時間は、時定数Ｔσ（＝１０〜２０ｍｓ程度）の３倍程度でよいから、励磁電流およびトルク電流が零に収束してから少なくとも３０〜６０ｍｓ以上経過した後、第二の運停止令を立ち下げインバータ装置２を停止すればよい。

＜本発明のまとめ＞
以上のように、本発明に係る誘導電動機の駆動装置は、インバータ装置２を停止する前にインバータ装置２から零電圧を出力し、残留磁束を図４に示す経路にしたがって減少させる。これにより、短時間で残留磁束を減衰させることができる。

また、本発明に係る誘導電動機の駆動装置は、インバータ装置２と誘導電動機の間を短絡させるのではなく、実効値が０となるインバータ電圧を出力させる。これにより、インバータ装置２に過大な電流が流れることなく安全に残留磁束を減少させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ＩＣカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納することができる。

１：直流電圧源、２：インバータ装置、３：誘導電動機、４：制御装置、５：電圧検出部、６ａ〜６ｃ：電流検出部、７：速度検出部、８：交流電圧源、９：スイッチ。

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給するインバータ装置の動作を制御し、前記インバータ装置の動作を停止する前に、前記インバータ装置から前記誘導電動機へ零電圧を出力させる動作を所定時間継続した後、前記インバータ装置の動作を停止することにより、前記インバータ装置の動作を停止させる前に前記誘導電動機内部の磁束を減衰させる誘導電動機の制御装置であって、
   前記インバータ装置から零電圧を出力させる前、かつ前記誘導電動機のトルク電流と励磁電流を下げ始める前の期間においては、前記誘導電動機の二次抵抗と前記誘導電動機の二次自己インダクタンスから計算される時定数をパラメータとして含む計算式を用いて、前記インバータ装置に対する電圧指令を計算し、
   前記トルク電流と前記励磁電流を下げ始めてから零になるまでの期間においては、前記計算式に含まれる前記時定数を、前記誘導電動機の一次側に換算した抵抗値と前記誘導電動機の一次側に換算した漏れインダクタンス値から計算される時定数に変更する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給するインバータ装置の動作を制御し、前記インバータ装置の動作を停止する前に、前記インバータ装置から前記誘導電動機へ零電圧を出力させる動作を所定時間継続した後、前記インバータ装置の動作を停止することにより、前記インバータ装置の動作を停止させる前に前記誘導電動機内部の磁束を減衰させる誘導電動機の制御装置であって、
   前記誘導電動機の一次側に換算した漏れインダクタンスが前記誘導電動機の一次側に換算した相互インダクタンスよりも小さく設定されている計算式を用いて、前記インバータ装置に対する電圧指令を計算する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給するインバータ装置の動作を制御し、前記インバータ装置の動作を停止する前に、前記インバータ装置から前記誘導電動機へ零電圧を出力させる動作を所定時間継続した後、前記インバータ装置の動作を停止することにより、前記インバータ装置の動作を停止させる前に前記誘導電動機内部の磁束を減衰させる誘導電動機の制御装置であって、
   前記インバータ装置と前記誘導電動機を切断した場合における前記誘導電動機の等価回路の時定数が、前記インバータ装置が誘導電動機に零電圧を出力している場合における前記誘導電動機の等価回路の前記時定数よりも大きく設定されている計算式を用いて、前記インバータ装置に対する電圧指令を計算する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
4. 請求項１に記載の誘導電動機の制御装置において、
   前記インバータ装置から零電圧を出力させる前、かつ前記トルク電流と前記励磁電流を下げ始める前の期間においては、下記式１を用いて前記インバータ装置に対する電圧指令を計算し、前記トルク電流と前記励磁電流を下げ始めてから零になるまでの期間においては、下記式５を用いて前記インバータ装置に対する電圧指令を計算する
   ことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
   Ｒσ：一次換算抵抗、Ｌσ：一次換算漏れインダクタンス、Ｌ２：二次自己インダクタンス、Ｒ２：二次抵抗、Ｌｍ：相互インダクタンス、Ｔ２：二次時定数、φｄ：ｄ軸磁束、Ｆｉ：周波数指令、Ｆｒ：誘導電動機の回転速度、ｓ：微分演算子
5. 前記インバータ装置から零電圧を出力する時間を、前記誘導電動機の抵抗値とインダクタンス値から計算される一次時定数の少なくとも３倍以上とする
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の誘導電動機の制御装置。
6. 誘導電動機と、
   直流電力を交流電力に変換して前記誘導電動機に供給するインバータ装置と、
   請求項１から５のいずれか１項記載の誘導電動機の制御装置と、
   を備えることを特徴とする駆動装置。