JP6001622B2

JP6001622B2 - 誘導電動機制御装置

Info

Publication number: JP6001622B2
Application number: JP2014234293A
Authority: JP
Inventors: アンノユ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-11-19
Also published as: US20150155815A1; EP2879290B1; ES2723903T3; KR101535727B1; EP2879290A2; US9379658B2; EP2879290A3; CN104682824A; KR20150062562A; JP2015107048A; CN104682824B

Description

本発明は、誘導電動機の制御装置に関するものである。

一般に、誘導電動機は、ファン、ポンプなどの分野からクレーン、エレベータなどの巻状負荷に至るまで種々の分野で用いられる電動機である。

一方、インバータは、電圧可変を介した可変速運転（ＶａｒｉａｂｌｅＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＶＶＶＦ）を可能にする装置であり、一定磁束運転（ｃｏｎｓｔａｎｔｆｌｕｘｏｐｅｒａｔｉｏｎ、Ｖ／ｆ）や、ベクトル制御などを利用して電動機のトルクと速度を制御する。

図１は、一般のインバータシステムの概略図である。

３相電源１から電源を受信するインバータ２は、受信される電源を所定電圧及び周波数に変換して、誘導電動機３を駆動する。インバータ２は、例えば、２レベルインバータであってもよく、３レベル以上のマルチレベルインバータであってもよい。

図２は、従来のインバータ駆動システムを説明するための構成図で、誘導電動機３の回転子位置センサがない場合、一定磁束運転方法を示した図である。

指令電圧生成部２１０は、指令周波数から同期座標系上のインバータ出力電圧を決定し、変換部２２０は、指令電圧生成部２１０の出力を停止座標系に変換してインバータ２に提供する。

インバータ２は、停止座標系である指令電圧を受信して誘導電動機３に３相電圧を印加し、変換部２４０は、インバータ２と誘導電動機３との間の相電流を電流検出部２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃから受信して、同期座標系上のｄ軸及びｑ軸電流に変換する。変換部２４０の出力は、他の制御部の入力として用いることができる。

指令電圧生成部２１０は、与えられた指令周波数に応じて出力電圧の大きさを決定する。

この時、周波数に応じた出力電圧のパターンは、制御部（図示せず）により予め決定されてもよく、ユーザによって定義されてもよい。

図３は、一般の一定磁束運転のための周波数に応じた出力電圧の例である。

即ち、指令電圧生成部２１０は、与えられた指令周波数により図３のように予め決定されている電圧と周波数の関係から指令電圧を決定して出力することができる。

このような一定磁束運転は、予め設定された電圧−周波数比に応じて要求される周波数に該当する電圧を出力する。しかし、このような周波数−電圧の関係によって負荷の変動が大きかったり、低速で高トルク（ｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅ）を要求する分野においては電動機の運転に失敗する場合が生じる問題がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、誘導電動機の一定磁束運転時負荷の状況に応じて電圧の大きさを可変して、起動トルクが大きく要求されたり、負荷変動が大きい場合でも電動機の停止または起動失敗を防止して、安定的に動作するようにする誘導電動機制御装置を提供することである。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明は、所定の電圧−周波数の関係から、指令周波数に応じて指令電圧を決定する第１決定部と、指令電圧により誘導電動機を駆動するインバータと、を含むシステムにおいて、前記誘導電動機を制御する本発明の一実施形態の装置は、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさを決定する第２決定部と、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさに基づいて、指令電圧を補償する電圧補償分を決定する第３決定部と、を含み、前記第１決定部は、前記第３決定部から受信する電圧補償分に基づいて、電圧−周波数の関係から決定される指令電圧に電圧補償分を加えて最終指令電圧で出力することができる。

本発明の一実施形態の誘導電動機制御装置は、前記第１決定部の出力電圧を停止座標系上電圧に変換して、前記インバータに提供する第１変換部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態の誘導電動機制御装置は、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさを検出する電流検出部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態の誘導電動機制御装置は、前記電流検出部の出力を同期座標系上ｄ軸及びｑ軸電流に変換する第２変換部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第２決定部は、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさとｑ軸電流の大きさを前記第３決定部に提供することができる。

本発明の一実施形態において、前記第３決定部は、ｑ軸電流の大きさと、前記インバータまたは前記誘導電動機の定格電流に第１ゲインをかけた値との差を決定する誤差生成部と、前記誤差生成部の出力が０より大きい場合１を出力し、０より小さい場合０を出力する比較部と、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさから、前記インバータまたは前記誘導電動機の定格電流に第２ゲインをかけた値を分けて出力する除算部と、前記除算部の出力と前記比較部の出力をかける第１乗算部と、前記第１乗算部の出力に第３ゲインをかけて出力する増幅部と、前記増幅部の出力に予め設定されたオフセット電圧を加算する加算部と、前記第１決定部の指令周波数の符号に応じて最終出力の符号を決定する第２乗算部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第３決定部は、前記第１乗算部と前記増幅部との間に配置されて、前記第１乗算部の出力を低域通過濾過する低域通過部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第３決定部は、前記増幅部と前記加算部との間に配置されて、前記増幅部の出力を、予め決定された最小値と最大値に制限する第１制限部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第３決定部は、前記加算部と前記第２乗算部との間に配置されて、前記加算部の出力を、予め決定された最小値と最大値に制限する第2制限部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第２乗算部は、指令周波数の符号を前記加算部の出力にかけてもよい。

本発明により、負荷の状況に応じてインバータ出力電圧を可変することによって、起動トルクの性能を改善する効果がある。

一般的なインバータシステムの概略図である。従来のインバータ駆動システムを説明するための構成図である。一般的な一定磁束運転のための周波数に応じた出力電圧の例である。本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御装置の構成図である。図４の電圧補償分決定部の詳細構成図である。本発明の原理を説明するための一例示図である。本発明の原理を説明するための一例示図である。本発明により修正された電圧−周波数の関係を説明するための一例示図である。

本発明は、多様な変更を加えることができて、多様な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されなければならない。

以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御装置の構成図である。

本発明の誘導電動機制御装置は、回転子位置センサがない場合の制御方式を示したもので、回転子位置センサが含まれた場合には、回転子位置情報を含んで制御が実行できることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者には自明である。

図面に示したように、本発明の制御装置は、誘導電動機３を制御するためのものであり、指令電圧決定部１０、第１変換部２０、インバータ３０、電流検出部４０、第２変換部５０、電流大きさ決定部６０、及び電圧補償分決定部７０を含んでもよい。指令電圧決定部１０は、指令周波数から同期座標系上のインバータの指令電圧を決定する。この時、本発明の指令電圧決定部１０は、図３のように予め決定された電圧−周波数の関係により指令電圧を決定し、所定の場合（例えば、起動トルクが大きく要求されたり、負荷変動が大きい場合）、電圧補償分決定部７０の動作により指令電圧を決定することができる。より詳細には下記で説明する。

第１変換部２０は、指令電圧決定部１０の出力を停止座標系上の出力電圧に変換することができる。インバータ３０は、電圧型インバータであり、停止座標系上の指令電圧により誘導電動機３に３相電圧を印加することができる。

電流検出部４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、誘導電動機３とインバータ３０との間の相電流を検出することができ、３つの検出部４０ａ、４０ｂ、４０ｃのうちいずれか一つは省略されてもよい。

第２変換部５０は、電流検出部４０ａ、４０ｂ、４０ｃが測定した３相電流を同期座標系上のｄ軸及びｑ軸電流に変換することができる。第２変換部５０の出力は、インバータシステムの他の制御の入力として用いられてもよい。

電流大きさ決定部６０は、第２変換部５０から電動機相電流の大きさとｑ軸電流の大きさを決定する。ただし、図４では第２変換部５０の出力を受信して電動機３の相電流の大きさを決定すると示されているが、電流検出部４０ａ、４０ｂ、４０ｃの出力を直接受信して大きさを決定してもよい。

電圧補償分決定部７０は、電流大きさ決定部６０により決定された電流の大きさから指令電圧の大きさを修正するための電圧補償分を決定する。

以下では、電流大きさ決定部６０及び電圧補償分決定部７０の動作を中心に説明する。

第２変換部５０の出力を利用する場合、電流大きさ決定部６０は、下記式によって電流の大きさを決定することができる。

この時、ω_c1は、ローパスフィルタ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ、ＬＰＦ）の遮断周波数（ｃｕｔ−ｏｆｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）である。

もし、電流大きさ決定部６０が、電流検出部４０ａ、４０ｂ、４０ｃの出力を利用する場合には、下記のように電流の大きさを決定することもできる。

図５は、図４の電圧補償分決定部の詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態の電圧補償分決定部７０は、誤差生成部７１、比較部７２、除算部７３、第１乗算部７４、低域通過部７５、増幅部７６、第１制限部７７、加算部７８、第２制限部７９、及び第２乗算部８０を含む。

誤差生成部７１は、電流大きさ決定部６０から受信したｑ軸電流の大きさと、インバータ３０の定格電流または電動機３の定格電流（Ｉ_{s_rated}）に一定ゲインＫ₁をかけた値との差を決定する。この時、ゲインＫ₁の範囲は下記の通りである。

比較部７２は、誤差生成部７１の出力が０より大きい場合１を出力し、０より小さい場合０を出力する。即ち、比較部７２の出力である「Ｂｏｏｓｔ_Ｅｎａ」は、誤差生成部７１の出力が０より大きい場合１で、０より小さい場合０である。

除算部７３は、電流大きさ決定部６０の出力である電流の大きさをインバータ３０の定格電流または電動機３の定格電流（Ｉ_{s_rated}）に一定ゲインＫ₂をかけた値で分ける。

この時、ゲインＫ₂の範囲は下記の通りである。

第１乗算部７４は、除算部７３と比較部７２の出力をかけて出力して、従って、比較部７２の出力が１の場合にだけ除算部７３の出力がそのまま反映される。

低域通過部７５は、第１乗算部７４の出力を低域通過濾過（ｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）しかい、第１乗算部７４の出力の高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を除去する。

増幅部７６はね低域通過部７５の出力に一定ゲイン（Ｋ₃）をかけて、この時、ゲインＫ₃は正の値である。

第１制限部７７は、増幅部７６の出力を最小値と最大値に制限し、この時、最小値は０で、最大値はインバータ３０の最大出力を越えない正の値に決定される。この時、第１制限部７７の使用は選択的である。

加算部７８は、第１制限部７７の出力（もし、第１制限部７７が用いられない場合には増幅部７６の出力）に予め設定されたオフセット電圧（Ｖｏｆｆｓｅｔ）を加算する。予め設定されたオフセット電圧は０以上の正の値である。

第２制限部７９は、加算部７８の出力を制限する。

乗算部８０は、図４の指令電圧決定部１０の指令周波数の符号を判別する「ｓｉｇｎ」関数を利用して、電圧補償分決定部７０の最終出力である電圧補償分の符号を決定する。即ち、指令周波数の符号がマイナスの場合、最終出力の電圧補償分の符号はマイナスであり、指令周波数の符号がプラスの場合、最終出力の電圧補償分の符号はプラスである。

この時ｓｉｇｎ関数は下記のように定義される。

このように、本発明の電圧補償分決定部７０は、インバータの出力電流または電動機の相電流が一定範囲以上に大きくなる場合、電圧補償分を決定し、これによって指令電圧決定部１０は、図３のような電圧−周波数の関係で決定される指令電圧に電圧補償分を加えて最終指令電圧として出力することができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の原理を説明するための一例示図であり、図６Ａは、誘導電動機の等価回路で、図６Ｂは、図６Ａでの電流と電圧のフェーザ（ｐｈａｓｏｒ）である。

図６Ａの等価回路において、入力電圧（Ｖｓ）に対する出力電流（Ｉｓ）が図６Ｂのような値を有する時、励磁電圧（Ｅｏ）は、相抵抗（Ｒｓ）と過度インダクタンス（σＬｓ）により決定される。励磁電圧が決定されると、これによって励磁電流（Ｉｏ）とトルク電流（ＩＴ）が図６Ｂによって決定できることがわかる。

本発明の電圧補償分決定部７０によると、電流（Ｉｓ）の大きさが増加した時に印加される電圧の大きさを大きくするために電圧補償分が決定され、これによって指令電圧決定部１０が指令電圧の大きさを大きくして、励磁電圧（Ｅｏ）の大きさを大きくする。

図７は、本発明により修正された電圧−周波数の関係を説明するための一例示図である。

図面に示したように、本発明の装置によれば、負荷電流が増加すれば、電圧補償分決定部７０は、電圧補償分を決定し、これによって指令電圧決定部１０は同じ指令周波数で指令電圧を従来の電圧（Ａ）より電圧補償分だけ増加させることができる（Ｂ）。

この時、最大周波数（ｆｍａｘ）に到達する前に出力電圧が最大出力電圧（Ｖｍａｘ）に到達すれば、出力電圧の大きさは、最大出力周波数まで最大値を維持することができる。

このように、本発明は、負荷の状況に応じてインバータ出力電圧を可変することによって、起動トルクの性能を改善することができる。

以上、本発明に係る実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎなく、当分野において通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であることを理解するであろう。

従って、本発明の真の技術的保護範囲は、次の特許請求の範囲によって決まらなければならない。

１０指令電圧決定部
２０、５０変換部
３０インバータ
４０電流検出部
６０電流大きさ決定部
７０電圧補償分決定部

Claims

所定の電圧−周波数の関係から、指令周波数に応じて指令電圧を決定する第１決定部と、指令電圧により誘導電動機を駆動するインバータと、を含むシステムで、前記誘導電動機を制御する装置において、
前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさを検出する電流検出部と、
前記電流検出部の出力を同期座標系上ｄ軸及びｑ軸電流に変換する第２変換部と、
前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさを決定する第２決定部と、
前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさに基づいて、指令電圧を補償する電圧補償分を決定する第３決定部と、を含み、
前記第１決定部は、前記第３決定部から受信する電圧補償分に基づいて、電圧−周波数の関係から決定される指令電圧に電圧補償分を加えて最終指令電圧として出力し、
前記第２決定部は、前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさとｑ軸電流の大きさを前記第３決定部に提供し、
前記第３決定部は、
ｑ軸電流の大きさと、前記インバータまたは前記誘導電動機の定格電流に第１ゲインをかけた値との差を決定する誤差生成部と、
前記誤差生成部の出力が０より大きい場合１を出力し、０より小さい場合０を出力する比較部と、
前記インバータから前記誘導電動機に出力される電流の大きさから、前記インバータまたは前記誘導電動機の定格電流に第２ゲインをかけた値を分けて出力する除算部と、
前記除算部の出力と前記比較部の出力をかける第１乗算部と、
前記第１乗算部の出力に第３ゲインをかけて出力する増幅部と、
前記増幅部の出力に予め設定されたオフセット電圧を加算する加算部と、
前記第１決定部の指令周波数の符号に応じて最終出力の符号を決定する第２乗算部と、を含むことを特徴とする、誘導電動機制御装置。
前記第１決定部の出力電圧を停止座標系上電圧に変換して前記インバータに提供する第１変換部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機制御装置。
前記第３決定部は、
前記第１乗算部と前記増幅部との間に配置されて、前記第１乗算部の出力を低域通過流濾過する低域通過部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機制御装置。
前記第３決定部は、
前記増幅部と前記加算部との間に配置されて、前記増幅部の出力を予め決定された最小値と最大値に制限する第１制限部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機制御装置。
前記第３決定部は、
前記加算部と前記第２乗算部との間に配置されて、前記加算部の出力を予め決定された最小値と最大値に制限する第2制限部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機制御装置。
前記第２乗算部は、
指令周波数の符号を前記加算部の出力にかけることを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機制御装置。