JP5634016B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ベクトル制御により誘導電動機の速度・トルクを制御する誘導電動機の制御装置に関する。

図２は、この種の制御装置の従来例を示す回路構成図であり、下記特許文献１に記載されているものと同等である。

図２において、商用電源，エンジン式発電機などの交流電源１の交流電圧は、後述の制御装置２を構成するインバータ２３により所定の振幅および周波数の交流電圧に変換されて誘導電動機３に供給され、この誘導電動機３は、速度設定器６が設定する該電動機が運転すべき速度設定値ω_r ^#に対応する回転速度で回転しつつ、負荷４を駆動する。このときの誘導電動機３の回転速度はパルスエンコーダ５を介して検出するようにしている。

以下に、図２に示した制御装置２を構成する各要素の動作について説明する。

速度指令演算器１１は、予め定めた加減速勾配により変化し、最終的には入力される速度設定値ω_r ^#に一致する速度指令値ω_r ^*を出力する。一方、速度演算器１２はパルスエンコーダ５からのパルス列信号を誘導電動機３の速度検出値ω_r に変換している。

速度調節器１３では前記速度指令値ω_r ^*と速度検出値ω_r との偏差を偏差演算部１３ａで求め、この偏差を零にする調節演算値を誘導電動機３のトルク指令値τ^* として出力している。

磁束指令演算器１４は、前記速度検出値ω_r に対応しつつ、誘導電動機３の二次磁束指令値Φ₂ ^*を演算するものであり、該電動機の定格回転速度までは、一定値の二次磁束指令値Φ₂ ^*を出力し、また、定格回転速度以上では、この回転速度に反比例して低下させる二次磁束指令値Φ₂ ^*の演算を行っている。さらに、磁束指令演算器１４が出力する二次磁束指令値Φ₂ ^*は、後述の磁束制限演算器１５からの磁束制限値Φ_2limにより、制限回路１６を介して制限されることがあり、このときには前記磁束制限値Φ_2limで制限された値が、新たな二次磁束指令値Φ₂ ^*として、電流指令演算器１７などの後段に伝達される。

上述のトルク指令値τ^* および二次磁束指令値Φ₂ ^*から、下記数１，２式に従って、誘導電動機３の一次電流の該電動機の二次磁束に平行な電流指令値ｉ_M ^*（以下、Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*とも称する）と、該二次磁束に直交する電流指令値ｉ_T ^*（以下、Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とも称する）とを導出している。

（数１）
ｉ_M ^*＝（１／Ｌｍ）×Φ₂ ^*
ここで、Ｌｍは誘導電動機３の励磁インダクタンスである。

（数２）
ｉ_T ^*＝τ^*／Φ₂ ^*
すなわち、電流指令演算器１７では上記数１式の演算を行い、除算演算器１８では上記数２式の演算を行っている。

座標変換器１９は電流検出器２８で検出された誘導電動機３の一次電流検出値としてのｉ_u ^*，ｉ_w ^*を、後述の角度値θ₂に基づく周知の座標変換を行い、誘導電動機３の一次電流の該電動機の二次磁束に平行な電流検出値ｉ_M （以下、Ｍ軸電流検出値ｉ_M とも称する）と該二次磁束に直交する電流検出値ｉ_T （以下、Ｔ軸電流検出値ｉ_T とも称する）とを導出している。

Ｔ軸電流調節器２０では前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とＴ軸電流検出値ｉ_T との偏差を偏差演算部２０ａで求め、この偏差を零にする調節演算値を誘導電動機３のＴ軸電圧指令値ｖ_T ^*として出力している。同様に、Ｍ軸電流調節器２１では前記Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*とＭ軸電流検出値ｉ_M との偏差を偏差演算部２１ａで求め、この偏差を零にする調節演算値を誘導電動機３のＭ軸電圧指令値ｖ_M ^*として出力している。

座標変換器２２は前記Ｔ軸電圧指令値ｖ_T ^*とＭ軸電圧指令値ｖ_M ^*とを、前記角度値θ₂に基づく周知の座標変換を行い、三相電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を導出している。

これらの三相電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*が入力されるインバータ２３では、前記それぞれの電圧指令値に対応する振幅および周波数の三相交流電圧に変換して誘導電動機３に供給している。

すべり周波数演算器２４では、誘導電動機３の二次抵抗値Ｒ₂ と、入力される前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*，二次磁束指令値Φ₂ ^*とから周知の演算式を用いて誘導電動機３のすべり周波数ω_slを求めている。また、このすべり周波数ω_slと、ロータ周波数換算器２５により誘導電動機３の速度検出値ω_r から換算される該電動機のロータ周波数ω₂ とを加算演算器２６で加算することで得られる誘導電動機３の一次周波数ω₁ に対して、積分器２８を介することにより、誘導電動機３のＵ相巻線と二次磁束とのなす角度値θ₂ が導出される。

なお、磁束制限演算器１５では、インバータ２３の主回路の一部を形成する半導体素子を用いた整流回路の出力電圧の検出値Ｖ_dcと、前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*および一次周波数ω₁ とから下記数３式により、誘導電動機３の磁束制限値Φ_2limを導出している。

（数３）
Φ_2lim
＝Ｌｍ×（−Ｅｍｆ＋√（（（Ｖ_dc／√２）／ω₁ ）²−（Ｌσ×ｉ_T ^*）²））／Ｌσ
ここで、Ｌｍは誘導電動機３の励磁インダクタンス、Ｅｍｆは誘導電動機３の逆起電圧係数、Ｌσは誘導電動機３の漏れインダクタンスである。
特開２００７−２５９６０７号公報

図２に示したインバータ２３が誘導電動機３に供給可能な出力電圧は、このインバータ２３に給電する交流電源１の電圧値で制限される。

従って、交流電源１の電圧値が何らかの要因で低下した状態にあるときに、インバータ２３が誘導電動機３に供給可能な出力電圧よりも高い電圧で動作すべき該電動機の二次磁束指令値Φ₂ ^*が設定されていると、インバータ２３が所望の出力電圧を出力できないことから、誘導電動機３の駆動トルク不足に陥るなど、その制御動作が不安定となり、その結果、誘導電動機３から騒音や振動が発生するという問題があった。

例えば、交流電源１がエンジン式発電機の場合、近年の省エネルギー志向や環境汚染問題に対応するために、誘導電動機３を動作させないときには、エンジン式発電機の回転数を低下させたアイドリング状態で待機することが行われる。

その後、誘導電動機３の動作を再開させる際には、アイドリング状態のためにエンジン式発電機の出力電圧が低下した状態から徐々に定格電圧まで増大させるが、この間に誘導電動機３の動作を再開させる用途では、上述の問題が発生する恐れがあった。

図２に示した従来の制御装置２における磁束制限演算器１５および制限回路１６は、上述の問題などに対応するために設けられたものであるが、例えば、インバータ２３を形成する整流回路の出力電圧の検出値Ｖ_dcが急低下したときや、高速で空転状態にある誘導電動機３に対して制御装置２での動作を再開させたときには、前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*が有する整定時間遅れに起因して、磁束制限演算器１５が出力する磁束制限値Φ_2limの演算値の整定に時間遅れが発生し、このために、誘導電動機３の制御動作が不安定になるという難点があった。

この発明の目的は、インバータへ給電する交流電源の電圧が規定変動範囲より低下したときや急変動したりする場合にも、従来の制御装置よりも簡易にかつ応答の速い対処ができる誘導電動機の制御装置を提供することにある。

この発明は、インバータにより駆動される誘導電動機の回転速度を制御する際に導出される該電動機の一次電流を、前記電動機の二次磁束に平行な電流と直交する電流とに分解し、これらの電流を独立して制御するベクトル制御を用いた誘導電動機の制御装置において、
前記インバータの主回路を形成する整流回路の出力電圧を前記誘導電動機の定格電圧により正規化した値と、前記誘導電動機の回転速度を前記誘導電動機の定格回転速度により正規化した値とを用いて磁束制限値を演算し、この演算により求めた磁束制限値により前記二次磁束の指令値を制限する手段を備えたことを特徴とする。

この発明の誘導電動機の制御装置によれば、誘導電動機の一次電圧をインバータの最大変調電圧以内で制御するように、インバータの主回路を形成する整流回路の出力電圧を前記誘導電動機の定格電圧により正規化した値と、前記誘導電動機の回転速度を前記誘導電動機の定格回転速度により正規化した値とを用いて磁束制限値を演算し、この演算により求めた磁束制限値により二次磁束の指令値を制限することで、交流電源の電圧急変や、誘導電動機が高速で空転しているときに動作を再開させるときにも、磁束制限演算器における磁束制限値の速やかな導出が可能になるので、応答の速い制御動作を行うことができる。

図１は、この発明の実施例を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図であり、この図において、図２に示した従来例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。

すなわち図１に示した誘導電動機３の制御装置７では、図２に示した制御装置２における磁束制限演算器１５に代えて、速度演算器１２の出力である誘導電動機３の回転速度の検出値ω_r と、インバータ２３の主回路の一部を形成する整流回路の出力電圧の検出値Ｖ_dcとを入力とする磁束制限演算器７１を備えている。

インバータ２３を形成する整流回路の出力電圧（整流回路の出力に接続される逆変換回路の出力可能な交流電圧）が、誘導電動機３の定格電圧である最大一次電圧（ピーク値）以上の値を確保できているときには、誘導電動機３の二次磁束の指令値を制限する必要がない。しかし、整流回路の出力電圧が誘導電動機３の最大一次電圧（ピーク値）以下の場合には、整流回路の出力電圧の大きさと誘導電動機３の回転速度のレベルに応じて磁束制限を行う必要がある。

このことを実現するための実施例を図１に基づいて説明するが、以下では図１に示した制御装置７の制御動作について、磁束制限演算器７１の動作を中心に説明する。

磁束指令演算器１４は、誘導電動機３の回転速度に相当する速度検出値ω_r に対応しつつ、誘導電動機３の二次磁束指令値Φ₂ ^*を演算している。すなわち、誘導電動機３の定格回転速度までは一定値の二次磁束指令値Φ₂ ^*を出力し、また、定格回転速度以上ではこの回転速度に反比例して低下させる二次磁束指令値Φ₂ ^*を出力している。

さらに、磁束指令演算器１４が出力する二次磁束指令値Φ₂ ^*は、下記数４〜６式に従って導出される磁束制限演算器７１からの磁束制限値Φ_2limにより、制限回路１６を介して制限されることがあり、このときには前記磁束制限値Φ_2limで制限された値が、新たな二次磁束指令値Φ₂ ^*として、電流指令演算器１７などの後段に伝達される。

磁束制限演算器７１では、予め設定される誘導電動機３の定格電圧（ピーク値）Ｖｍ、すなわち、定格回転速度で定格出力（トルク）を出すのに必要な誘導電動機３の最大一次電圧（ピーク値）Ｖｍと、前記整流回路の出力電圧の検出値Ｖ_dcとから，下記数４式により正規化した値としてのＶ_dc％を演算している。

（数４）
Ｖ_dc％＝（Ｖ_dc／Ｖｍ）×１００
ここで、上記数４式で得られた値が１００％を超えるときには、１００％に制限するものとする。

また、予め設定される誘導電動機３の定格回転速度ω_rbとし、前記速度検出値ω_r とから，下記数５式により正規化した値としてのω_r ％を演算している。

（数５）
ω_r ％＝（ω_r ／ω_rb）×１００
さらに、上記Ｖ_dc％とω_r ％とから、下記数６式により磁束制限値Φ_2limの正規化した値としてのΦ_2lim％を演算している。

（数６）
Φ_2lim％＝（Ｖ_dc％／ω_r ％）×１００
ここで、上記数６式で得られた値が１００％を超えるときには、１００％に制限するものとする。

すなわち、上記Φ_2lim％＝１００％のときには、磁束制限演算器７１が出力する磁束制限値Φ_2limは、磁束指令演算器１４が出力する誘導電動機３の定格回転速度ω_rbでの二次磁束指令値Φ₂ ^*と同じ値に設定している。

従って、磁束制限演算器７１の演算結果としての磁束制限値Φ_2lim％は、前記記Ｖ_dc％＝１００％のときで、誘導電動機３の定格回転速度ω_rb以下では常に１００％となり、また、定格回転速度ω_rb以上ではこの回転速度に反比例して低下させた値となる。

その結果として、上述の状態では、磁束制限演算器７１での演算結果としての磁束制限値Φ_2limは、磁束指令演算器１４が出力する二次磁束指令値Φ₂ ^*と同じ値となる。

また、交流電源１の電圧値が何らかの要因で低下して、前記Ｖ_dc％が１００％未満の状態にあるときは、磁束制限演算器７１での演算結果としての磁束制限値Φ_2limにより、磁束指令演算器１４の出力は制限回路１６を介して制限されることとなり、このときには前記磁束制限値Φ_2limで制限された値が、新たな二次磁束指令値Φ₂ ^*として、電流指令演算器１７などの後段に伝達される。

すなわち、この発明の誘導電動機３の制御装置７によれば、前記二次磁束指令値Φ₂ ^*をインバータ２３の主回路を形成する整流回路の出力電圧の検出値Ｖ_dcおよび誘導電動機３の回転速度の検出値ω_r と誘導電動機３の定格電圧Ｖｍおよび定格回転速度ω_rbとに基づいて得られる磁束制限値Φ_2limで制限するようにしたことで、交流電源１の電圧の急変や、誘導電動機３が高速で空転しているときに制御装置７での動作を再開させるときにも、磁束制限演算器７１における前記磁束制限値Φ_2limの速やかな導出が可能になり、従って、応答の速い制御動作を行うことができる。

この発明の実施例を示す誘導電動機の制御装置の回路構成図 誘導電動機の制御装置の従来例を示す回路構成図

符号の説明

１…交流電源、２…制御装置、３…誘導電動機、４…負荷、５…パルスエンコーダ、６…速度設定器、７…制御装置、１１…速度指令演算器、１２…速度演算器、１３…速度調節器、１４…磁束指令演算器、１５…磁束制限演算器、１６…制限回路、１７…電流指令演算器、１８…除算演算器、１９…座標変換器、２０…Ｔ軸電流調節器、２１…Ｍ軸電流調節器、２２…座標変換器、２３…インバータ、２４…すべり周波数演算器、２５…ロータ周波数換算器、２６…加算演算器、２７…積分器、２８…電流検出器、７１…磁束制限演算器。

Claims (1)

1. インバータにより駆動される誘導電動機の回転速度を制御する際に導出される該電動機の一次電流を、前記電動機の二次磁束に平行な電流と直交する電流とに分解し、これらの電流を独立して制御するベクトル制御を用いた誘導電動機の制御装置において、
   前記インバータの主回路を形成する整流回路の出力電圧を前記誘導電動機の定格電圧により正規化した値と、前記誘導電動機の回転速度を前記誘導電動機の定格回転速度により正規化した値とを用いて磁束制限値を演算し、この演算により求めた磁束制限値により前記二次磁束の指令値を制限する手段を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。

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