JP6280950B2 - 誘導電動機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機の制御システムに関し、より詳細には、高速領域で誘導電動機を制御する誘導電動機制御システムに関する。

ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、ブロワ（ｂｌｏｗｅｒ）、電気自動車、電車のような電動機分野をはじめ、様々な分野において、電動機の高速運転能力が求められる。

ただし、様々な分野における電動機の中でも誘導電動機の運転において、予め設定された定格速度以上の高速領域運転のためには、電動機の回転子磁束を減少させて運転する弱め磁束（Ｆｌｕｘ Ｗｅａｋｅｎｉｎｇ）制御が必要である。

一般的に、誘導電動機の速度が増加するに伴い、誘導電動機の出力電圧は増加する。

弱め磁束制御は、電動機の速度の増加に伴い増加する出力電圧（逆起電力）を適宜調節することで、電動機を制御するときにインバータで合成可能な電圧余裕分を確保し、高速運転領域でも制御を可能にする技法である。

より詳細には、弱め磁束制御は、出力電圧の中でも予め設定された定格電圧以上の電圧値に対して回転子磁束を減少させる方法を意味する。

誘導電動機の中でも交流電動機の場合には、磁束制御器を用いた回転子磁束基準ベクトル制御（ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ、ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ）の際に、弱め磁束運転領域で磁束成分電流を減少させて逆起電力を制限している。

このような電流制御に基づく弱め磁束制御は、その構造が複雑であり、磁束制御器ゲイン選定に応じて動特性が変化する問題点を有している。

図１は従来技術に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。

図１を参照すると、交流電源１０２から出力される三相交流電力は、ダイオード整流部１０３を介して直流電力に変換され、変換された直流電力は、フィルタを介してフィルタリング（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）されＰＷＭインバータ１０４に印加される。ＰＷＭインバータ１０４に印加された直流電力は、磁束制御器１０６およびベクトル制御システム１０７から出力されるゲーティング信号に応じて交流電力に変換され、誘導電動機１０５に伝達される。

図２は従来技術に係る誘導電動機制御システム内で磁束を生成する磁束制御器を示す図である。

図２の磁束制御器１０６によりベクトル制御が行われる場合、同期速度で回転する座標系における回転子ｄ軸磁束に対する方程式は、以下のとおりである。

数式１は、ベクトル制御が行われる場合、同期速度で回転する座標系におけるｄ軸回転子磁束に対する方程式である。数式１中、λ_ｄｒｅはｄ軸回転子磁束であり、Ｌ_ｍは磁化インダクタンスであり、Ｌ_ｒは回転子インダクタンスであり、Ｒ_ｒは回転子抵抗である。

図２を参照すると、磁束制御器１０６は、同期座標系におけるｄ軸指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および磁束λ_ｄｒｅが入力される。電流制御部２０３は、入力されたｄ軸指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および磁束λ_ｄｒｅを用いて、図２に図示された数式にしたがって比例積分を行う。前向き補償部２０２は図２に図示された数式によって磁束λ_ｄｒｅの変化分を前向き補償（Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ）する。

電流制御部２０３および前向き補償部２０２により生成された指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊は、磁束生成部２０４により比例積分されて磁束λ_ｄｒｅに変換される。磁束生成部２０４により変換された磁束は、ベクトル制御システム１０７に伝達される。

図２において、「Ｓ」は、ラプラス演算子、すなわち微分演算を意味する。すなわち、電流制御部２０３は、比例ゲインＫ_ｐと積分ゲインＫ_ｉを用いて、「１／Ｓ」で表される積分演算を行う。また、磁束生成部２０４は、「Ｓ」で表される微分演算を行う。

ベクトル制御システム１０７は、変換された磁束λ_ｄｒｅに基づいてゲーティング信号を生成し、ＰＷＭインバータ１０４に印加する。

このように、既存の磁束制御器１０６は、比較的複雑な演算過程である微分演算と積分演算とを含むことから、複雑で過剰な演算によって演算速度性能の向上に限界があるという問題点がある。特に、既存の磁束制御器１０６は、比例ゲインＫ_ｐと積分ゲインＫ_ｉを用いて積分演算を行うことから、比例ゲインＫ_ｐと積分ゲインＫ_ｉに応じて性能が大幅に変化する問題点がある。

すなわち、比例ゲインＫ_ｐと積分ゲインＫ_ｉが大きいほど、演算回数が減少して演算速度が速くなる反面、誤差が大きくなる問題点がある。

一方、比例ゲインＫ_ｐと積分ゲインＫ_ｉが小さいほど、誤差は少なくなるが、演算回数が増加して演算速度が遅くなる問題点がある。

磁束制御器１０６の誤差が大きくなると電動機の出力電圧の増加を適切に防止できないおそれがあり、また、磁束制御器１０６の演算速度が遅くなるとゲーティング信号が適切に供給されないおそれがある。その結果、磁束制御器１０６のゲインＫ_ｐ、Ｋ_ｉに応じて、システムによる誘導電動機１０５の制御が不安定になる問題点がある。

本発明は、電動機を予め設定された定格速度以上の高速で回転させる高速運転領域において、磁束制御器がなくても、弱め磁束制御を行うことができる誘導電動機制御システムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない本発明の他の目的および利点は、以下の説明により理解され、本発明の実施形態の説明によってより明らかに理解される。また、本発明の目的および利点は、特許請求の範囲に示された手段およびその組み合わせにより実現可能であることが容易に理解される。

このような目的を達成するために、本発明の実施形態に係る誘導電動機制御システムは、誘導電動機を予め設定された速度以上の高速で運転するための指令速度が入力される入力部と、前記指令速度に基づいてインバータを駆動させるための指令電圧を生成し、前記指令電圧を前記インバータに出力する指令電圧出力部と、前記インバータに出力された前記指令電圧と予め設定された駆動制限電圧とを比較し、比較結果に応じて前記指令電圧を前記駆動制限電圧の範囲内に補正して、補正指令電圧を出力するように前記指令電圧出力部を制御する制御部と、前記補正指令電圧に応じて前記誘導電動機を高速に制御するインバータと、を含む。

上述のような発明によれば、電動機を予め設定された定格速度以上の高速で回転させる高速運転領域において、磁束制御器がなくても、弱め磁束制御を行うことができるという利点がある。

従来技術に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。 従来技術に係る誘導電動機制御システム内で磁束を生成する磁束制御器を示す図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る指令電圧補正部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機制御方法を示すフローチャートである。

上述の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して詳細に後述しており、これにより、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が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。

本発明を説明するにあたり、本発明に関する公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断した場合には、詳細な説明を省略する。

以下、添付の図面を参照して本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同一の参照符号は同一または類似の構成要素を指すものとして使用される。

以下、図３〜図７を参照して、本発明の実施形態に係る誘導電動機制御システムの構成および誘導電動機１０５を制御する方法について詳細に説明する。

図３は本発明の実施形態に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。

図３を参照すると、誘導電動機制御システムは、交流電源１０２と、ダイオード整流部１０３と、ＰＷＭインバータ１０４と、検出部３０２と、制御部３０１と、入力部３０３と、指令電流算出部３０６と、指令電圧算出部３０５と、指令電圧補正部３０４と、ベクトル制御システム３０７と、動作切換部３０８と、ゲーティング信号生成部３０９と、を含む。

交流電源１０２は、三相の交流電力を誘導電動機１０５に出力する。

ダイオード整流部１０３は、交流電源１０２から出力される三相交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力をＰＷＭインバータ１０４に出力する。変換された直流電力は、インダクタとＰＷＭインバータ１０４の入力端に設けられたキャパシタを介してフィルタリングされ、ＰＷＭインバータ１０４の入力端にあるキャパシタに直流電圧Ｖ_ｄｃが充電される。

ＰＷＭインバータ１０４は、ゲーティング信号生成部３０９を介して生成されるゲーティング信号の入力を受け、入力されたゲーティング信号に応じて直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を誘導電動機１０５に出力する。

誘導電動機１０５は、出力される交流電力により運転され得る。

検出部３０２は、誘導電動機１０５の指令トルクＴ_ｅ ^＊および出力速度Ｗ_ｍを検出する。出力速度Ｗ_ｍが検出されると、検出部３０２は、検出された指令トルクＴ_ｅ ^＊および出力速度Ｗ_ｍに関する情報を制御部３０１に伝送する。

入力部３０３には、不図示の外部から指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および指令速度Ｗ_ｍ ^*が入力され、入力された指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および指令速度Ｗ_ｍ ^*は制御部３０１に伝送される。

制御部３０１は、ゲーティング信号生成部３０９に印加される指令電圧を検出する。制御部３０１は、検出された指令電圧に基づいて動作切換部３０８を制御し、ゲーティング信号の生成に必要な新たな指令電圧を予め設定された条件に応じて選択する。本発明の一実施形態においては、制御部３０１は、指令電圧に基づいてゲーティング信号生成部３０９に印加される出力電圧の入力手段を、予め設定された条件に応じてベクトル制御システム３０７と指令電圧補正部３０４から選択する。

本発明の実施形態に係る誘導電動機制御システムは、ベクトル制御システム３０７と指令電圧補正部３０４のうち、予め設定された条件に応じて制御部３０１が選択した入力手段を介して指令電圧を生成し、生成された指令電圧をゲーティング信号生成部３０９に伝送する。より詳細には、制御部３０１は、ゲーティング信号生成部３０９に印加される指令電圧を検出し、検出された指令電圧に基づいて予め設定された条件を満たすか否かを判断する。

予め設定された条件の例として、指令電圧の過変調可否が含まれ得る。より詳細には、制御部３０１は、検出された指令電圧がインバータを駆動するための電圧値であるインバータ駆動制限電圧値より小さいか大きいかを判断し、判断結果に応じて、指令電圧を生成するための手段を選択する。

制御部３０１により検出された指令電圧が予め設定されたインバータ駆動制限電圧値より小さい場合、制御部３０１は、指令電圧を生成する手段としてベクトル制御システム３０７を選択する。指令電圧生成手段としてベクトル制御システム３０７が選択されると、誘導電動機制御システムは、ベクトル制御システム３０７を介して指令電圧を生成し、生成された指令電圧をゲーティング信号生成部３０９に印加する。

検出された出力電圧が予め設定されたインバータ駆動制限電圧値より大きい場合、制御部３０１は、指令電圧を生成する手段として指令電圧出力部を選択する。指令電圧出力部は、図３の指令電圧補正部３０４と、指令電圧算出部３０５と、指令電流算出部３０６と、を含んでいる。制御部３０１は、指令電圧を生成し、補正する手段として、指令電流算出部３０６、指令電圧算出部３０５および指令電圧補正部３０４を選択する。指令電圧生成手段として指令電流算出部３０６、指令電圧算出部３０５および指令電圧補正部３０４が選択されると、誘導電動機制御システムは、指令電流算出部３０６、指令電圧算出部３０５および指令電圧補正部３０４を介して指令電圧を生成しゲーティング信号生成部３０９に印加する。

また、制御部３０１は、入力された指令磁束λ_ｄｒｅ ^*、指令速度Ｗ_ｍ ^*、検出された指令トルクＴ_ｅ ^＊および出力速度Ｗ_ｍを指令電流算出部３０６またはベクトル制御システム３０７に伝送する。

指令電流算出部３０６は、入力された指令磁束λ_ｄｒｅ ^*、指令速度Ｗ_ｍ ^*、指令トルクＴ_ｅ ^＊および出力速度Ｗ_ｍに基づいて指令電流を算出する。指令電流算出部３０６は、算出された指令電流を指令電圧算出部３０５に伝送する。

指令電圧算出部３０５は、伝送された指令電流に基づいて指令電圧を生成する。指令電圧算出部３０５は、生成された指令電圧を指令電圧補正部３０４に伝送する。

指令電圧補正部３０４は、伝送された指令電圧を予め設定された電圧条件に基づいて所定の大きさの電圧に補正する。より詳細には、指令電圧補正部３０４は、伝送された指令電圧を定格電圧の大きさより小さいか同じ大きさの電圧に補正する。すなわち、指令電圧補正部３０４は、指令電圧算出部３０５で生成され伝送された指令電圧をゲーティング信号生成部３０９およびＰＷＭインバータ１０４が入力および制御可能な範囲の電圧に補正する。

ゲーティング信号生成部３０９は、制御部３０１の選択に応じて生成された指令電圧に基づいてＰＷＭインバータ１０４を駆動させるゲーティング信号を生成する。ゲーティング信号生成部３０９は、生成されたゲーティング信号をＰＷＭインバータ１０４に伝送する。

ＰＷＭインバータ１０４は、伝送されたゲーティング信号に応じて駆動される。また、ＰＷＭインバータ１０４は、伝送されたゲーティング信号および伝送される直流電力を用いて誘導電動機１０５の出力速度Ｗ_ｍを制御する。

以下、図４を参照して、指令電流算出部３０６、指令電圧算出部３０５および指令電圧補正部３０４の構成および動作についてより詳細に説明する。

図４は本発明の一つの実施形態に係る誘導電動機制御システムの構成を示すブロック図である。

ゲート信号生成部（図３の３０９）に印加される指令電圧が予め設定されたインバータ駆動制限電圧値より大きいと判断した場合、制御部３０１は、動作切換部（図３の３０８）を介して指令電圧を生成するようにする手段を指令電圧補正部（図３の３０４）として選択する。指令電圧補正部３０４を介して指令電圧を生成する方法が、図４を参照して説明する指令電圧生成方法である。

指令電流算出部３０６は、指令トルクＴ_ｅ ^＊、指令磁束λ_ｄｒｅ ^*、指令速度Ｗ_ｍ ^*および出力速度Ｗ_ｍに基づいて指令電流を算出する。より詳細には、指令電流算出部３０６は、制御部（図３の３０１）から伝送される誘導電動機（図３の１０５）の指令トルクＴ_ｅ ^＊、誘導電動機１０５の同期座標系のうちｄ軸固定子指令磁束λ_ｄｓｅ ^＊、指令速度Ｗ_ｍ ^*および出力速度Ｗ_ｍに基づいて同期座標系ｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊およびｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊を生成し、生成されたｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊およびｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊を指令電圧算出部３０５に出力する。

より詳細には、指令電流算出部３０６は、伝送された指令磁束λ_ｄｒｅ ^*を磁化インダクタンスＬ_ｍで除算する方法によりｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊＝λ_ｄｒｅ ^*／Ｌ_ｍを算出する。また、指令電流算出部３０６は、伝送された指令磁束λ_ｄｒｅ ^*、指令トルクＴ_ｅ ^＊、磁化インダクタンスＬ_ｍ、回転子インダクタンスＬ_ｒ、比例定数Ｐに基づいて、ｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊＝Ｔ_ｅ ^＊／（３／２×Ｐ／２×Ｌ_ｍ／Ｌ_ｒ×λ_ｄｒｅ ^*）を算出する。

指令電流算出部３０６は、算出されたｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊およびｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊を同期角速度演算部３００を介して指令電圧算出部３０５に伝送する。また、指令電流算出部３０６は、制御部（図３の３０１）から伝送された指令速度Ｗ_ｍ ^*および出力速度Ｗ_ｍを同期角速度演算部３００に伝送する。

指令速度Ｗ_ｍ ^*および出力速度Ｗ_ｍが伝送されると、同期角速度演算部３００は、伝送された指令速度Ｗ_ｍ ^*および出力速度Ｗ_ｍに基づいて指令電圧の算出のための出力角速度Ｗ_ｅを演算する。同期角速度演算部３００は、演算された出力角速度Ｗ_ｅと伝送されたｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊およびｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊を指令電圧算出部３０５に伝送する。

指令電圧算出部３０５は、伝送された出力角速度Ｗ_ｅ、ｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊およびｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊に基づいてゲーティング信号生成部（図３の３０９）に出力するための指令電圧を算出する。より詳細には、指令電圧算出部３０５は、出力角速度Ｗ_ｅおよびｑ軸固定子指令電流ｉ_ｑｓｅ ^＊に基づいて、ｄ軸固定子指令電圧Ｖ_ｄｓｅ ^＊＝−Ｗ_ｅ×Ａ×Ｌ_ｓ×ｉ_ｑｓｅ ^＊（Ａは、誘導電動機１０５の導電率、Ｌ_ｓは、固定子インダクタンス）を算出する。また、指令電圧算出部３０５は、出力角速度Ｗ_ｅおよびｄ軸固定子指令電流ｉ_ｄｓｅ ^＊に基づいて、ｑ軸固定子指令電圧Ｖ_ｑｓｅ ^＊＝Ｗ_ｅ×Ｌ_ｓ×ｉ_ｄｓｅ ^＊を算出する。指令電圧算出部３０５は、算出されたｑ軸固定子指令電圧Ｖ_ｑｓｅ ^＊およびｄ軸固定子指令電圧Ｖ_ｄｓｅ ^＊を電圧変換部３１０を介して指令電圧補正部３０４に伝送する。

電圧変換部３１０は、伝送された各同期座標系の指令電圧Ｖ_ｑｓｅ ^＊およびＶ_ｄｓｅ ^＊をＰＷＭインバータ（図３の１０４）を制御するための三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊に変換する。電圧変換部３１０は、変換された三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊を指令電圧補正部３０４に伝送する。

指令電圧補正部３０４は、伝送された三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊を予め設定された条件に応じて補正する。

以下、図５を参照して、指令電圧補正部３０４を介して三相の指令電圧を動的過変調技法により補正する方法について詳細に説明する。

図５は本発明の一つの実施形態に係る指令電圧補正部３０４の構成を示すブロック図である。

図５を参照すると、指令電圧補正部（図４の３０４）は、第１電圧相殺部３０４Ａと、第２電圧相殺部３０４Ｂと、電圧合算部３０４Ｃと、を含む。

指令電圧補正部３０４は、指令電圧算出部（図４の３０５）を介して算出された指令電圧の大きさをＰＷＭインバータ（図３の１０４）を駆動させるための駆動制限電圧値以下の電圧値に補正する。より詳細には、指令電圧補正部３０４は、算出された指令電圧の大きさに基づいて三相の指令電圧をオフセット電圧（ｏｆｆｓｅｔ ｖｏｌｔａｇｅ）に変換する。このように変換されたオフセット電圧が、上述のようなゲーティング信号生成部３０９およびＰＷＭインバータ１０４が入力および制御可能な範囲の電圧、すなわち、補正された指令電圧になる。

より詳細には、電圧変換部３１０を介して変換された三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊が入力されると、第１電圧相殺部３０４Ａは、三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊に基づいて予め設定された基準電圧（図３のＰＷＭインバータ１０４の入力端電圧、Ｖ_ｄｃ）を三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓのうち最も大きい電圧値Ｖ_ｍａｘから最も小さい電圧値Ｖ_ｍｉｎを減算した値Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎで除算した第１相殺電圧値Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）を各三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊に乗算した第１Ａ相相殺指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）、第１Ｂ相相殺指令電圧Ｖ_ｂｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）および第１Ｃ相相殺指令電圧Ｖ_ｃｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）を算出する。

第２電圧相殺部３０４Ｂは、伝送された三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊に基づいて予め設定された基準電圧Ｖ_ｄｃを−２で除算した値−Ｖ_ｄｃ／２に電圧最大値に電圧最小値を加算した値Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎを乗算し、電圧最大値から電圧最小値を減算した値Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎを除算した第２相殺電圧値−Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）を各三相の指令電圧Ｖ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓに乗算した第２Ａ相相殺指令電圧−Ｖ_ａｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）、第２Ｂ相相殺指令電圧−Ｖ_ｂｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）および第２Ｃ相相殺指令電圧−Ｖ_ｃｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）を算出する。

第１電圧相殺部３０４Ａは、算出された第１Ａ相相殺指令電圧、第１Ｂ相相殺指令電圧および第１Ｃ相相殺指令電圧を電圧合算部３０４Ｃに伝送する。また、第２電圧相殺部３０４Ｂは、算出された第２Ａ相相殺指令電圧、第２Ｂ相相殺指令電圧および第２Ｃ相相殺指令電圧を電圧合算部３０４Ｃに伝送する。

第１Ａ相相殺指令電圧および第２Ａ相相殺指令電圧、第１Ｂ相相殺指令電圧および第２Ｂ相相殺指令電圧、第１Ｃ相相殺指令電圧および第２Ｃ相相殺指令電圧が伝送されると、電圧合算部３０４Ｃは、伝送された各相殺指令電圧を合算した最終Ａ相相殺指令電圧Ｖ_ａｎ ^＊＝Ｖ_ａｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）−Ｖ_ａｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）、最終Ｂ相相殺指令電圧Ｖ_ｂｎ ^＊＝Ｖ_ｂｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）−Ｖ_ｂｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）、および最終Ｃ相相殺指令電圧Ｖ_ｃｎ ^＊＝Ｖ_ｃｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）−Ｖ_ｃｓ ^＊×Ｖ_ｄｃ／２×（Ｖ_ｍａｘ＋Ｖ_ｍｉｎ）／（Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ）を算出する。最終Ａ相相殺指令電圧Ｖ_ａｎ ^＊、最終Ｂ相相殺指令電圧Ｖ_ｂｎ ^＊および最終Ｃ相相殺指令電圧Ｖ_ｃｎ ^＊が算出されると、電圧合算部３０４Ｃは、算出された最終Ａ相相殺指令電圧Ｖ_ａｎ ^＊、最終Ｂ相相殺指令電圧Ｖ_ｂｎ ^＊および最終Ｃ相相殺指令電圧Ｖ_ｃｎ ^＊をゲーティング信号生成部３０９に伝送する。

ゲーティング信号生成部３０９は、伝送された最終Ａ相相殺指令電圧Ｖ_ａｎ ^＊、最終Ｂ相相殺指令電圧Ｖ_ｂｎ ^＊および最終Ｃ相相殺指令電圧Ｖ_ｃｎ ^＊に三角波発生器（図示せず）から出力される三角波を合算して、ＰＷＭインバータ１０４を駆動させるゲーティング信号を生成し、生成されたゲーティング信号をＰＷＭインバータ１０４に印加する。

以下、図６を参照して、図３〜図５を参照して説明した誘導電動機制御システムの制御動作について詳細に説明する。

図６は本発明の実施形態に係る誘導電動機制御方法を示すフローチャートである。

図６を参照すると、誘導電動機（図３の１０５）を制御するＰＷＭインバータ（図３の１０４）が駆動された後、入力部（図３の３０３）は、外部から誘導電動機１０５の速度を制御するようにする指令速度Ｗ_ｍ ^*が入力される（Ｓ６０１）。指令速度Ｗ_ｍ ^*が入力されると、入力部３０３は、入力された指令速度Ｗ_ｍ ^*を制御部（図３の３０１）に伝送する。入力部３０３から指令速度Ｗ_ｍ ^*が伝送されると、制御部３０１は、入力された指令速度Ｗ_ｍ ^*が予め設定された定格速度（高速運転可否を判断する基準になる速度）より大きいか否かを判断する。入力された指令速度Ｗ_ｍ ^*が予め設定された定格速度より小さいと判断した場合、制御部３０１は、指令速度Ｗ_ｍ ^*を低速運転指令速度として判断する。入力された指令速度Ｗ_ｍ ^*が予め設定された定格速度と同じか大きいと判断した場合、制御部３０１は、指令速度Ｗ_ｍ ^*を高速運転指令速度として判断する。

入力部３０３を介して入力された指令速度Ｗ_ｍ ^*が予め設定された定格速度と同じか大きいと判断した場合、制御部３０１は、既にＰＷＭインバータ１０４に印加される指令速度Ｗ_ｍ ^*を検出し（Ｓ６０２）、ＰＷＭインバータ１０４に印加される指令磁束λ_ｄｒｅ ^*を検出し（Ｓ６０３）、検出部（図４の３０２）を介して現在の誘導電動機１０５の出力速度Ｗ_ｍを検出し（Ｓ６０４）、誘導電動機制御システムにより算出される指令電圧を検出する（Ｓ６０５）。

制御部３０１は、検出された指令電圧の過変調可否を判断する（Ｓ６０６）。より詳細には、制御部３０１は、検出された指令電圧が予め設定されたインバータ駆動制限電圧値範囲内であるか否かを判断する。制御部３０１は、検出された指令電圧が予め設定された駆動制限電圧値範囲内であるか否かを判断した結果に応じて新たな指令速度に対応する指令電圧を生成するための手段をベクトル制御システム（図３の３０７）と指令電圧補正部３０４から選択する。

指令電圧が過変調状態でないと判断した場合、制御部３０１は、ベクトル制御システム３０７を介してベクトル制御方法により指令電圧を出力するようにベクトル制御システム３０７を制御する（Ｓ６０７Ａ）。

指令電圧が過変調状態であると判断した場合、制御部３０１は、従来のベクトル制御システム３０７でない指令電圧補正部３０４を制御して予め算出された指令電圧の過変調状態を補正した指令電圧をゲーティング信号生成部３０９に出力する（Ｓ６０７Ｂ）

指令電圧が出力されると、ゲーティング信号生成部３０９は、出力された指令電圧に基づいてＰＷＭインバータ１０４を駆動させるようにするゲーティング信号を生成する（Ｓ６０８）。

ゲーティング信号が生成されると、ゲーティング信号生成部３０９は、生成されたゲーティング信号をＰＷＭインバータ１０４に印加する（Ｓ６０９）。

以下、図７を参照して、図６に図示された指令電圧の過変調状態を補正する方法について詳細に説明する。

図７は本発明の一つの実施形態に係る誘導電動機制御方法を示すフローチャートである。

制御部３０１による判断結果、予め算出された指令電圧が過変調状態であると判断した場合、制御部３０１は、指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および指令速度Ｗ_ｍ ^*を指令電流算出部（図３の３０６）に伝送する。

指令磁束λ_ｄｒｅ ^*および指令速度Ｗ_ｍ ^*が伝送されると、指令電流算出部３０６は、指令磁束λ_ｄｒｅ ^*に基づいて指令電流（例えば、ｄ軸固定子指令電流およびｑ軸固定子指令電流）を算出する（Ｓ６１０）。指令電流が算出されると、指令電流算出部３０６は、同期角速度演算部（図４の３００）を介して指令速度Ｗ_ｍ ^*を指令同期角速度に変換し、変換された指令同期角速度および算出された指令電流を指令電圧算出部３０５に伝送する。

指令電流および指令同期角速度が伝送されると、指令電圧算出部３０５は、伝送された指令同期角速度および指令電流に基づいて指令電圧（例えば、ｑ軸固定子指令電圧およびｄ軸固定子指令電圧）を算出する（Ｓ６１２）。指令電圧が算出されると、指令電圧算出部３０５は、算出された指令電圧を電圧変換部（図４の３１０）を介して三相の指令電圧（例えば、Ａ相指令電圧、Ｂ相指令電圧およびＣ相指令電圧）に変換し、変換された各三相指令電圧を指令電圧補正部（図４の３０４）に伝送する。

三相の指令電圧が伝送されると、指令電圧補正部３０４は、算出された指令電圧をインバータを駆動させることができるインバータ駆動制限電圧値以下の大きさを有するオフセット電圧に補正する（Ｓ６１３）。三相の指令電圧がオフセット電圧に補正されると、指令電圧補正部３０４は、オフセット電圧を補正された指令電圧としてゲーティング信号生成部３０９に伝送する。

三相の指令電圧がオフセット電圧に補正されゲーティング信号生成部３０９に伝送されると、ゲーティング信号生成部３０９は、補正された指令電圧に基づいてＰＷＭインバータ１０４を駆動させるためのゲーティング信号を生成する（Ｓ６１４）。

ゲーティング信号が生成されると、ゲーティング信号生成部３０９は、生成されたゲーティング信号をＰＷＭインバータ１０４に印加する（Ｓ６１５）。

ゲーティング信号が印加されると、ＰＷＭインバータ１０４は、印加されたゲーティング信号に基づいて誘導電動機１０５を予め入力された指令速度で高速運転するように制御する（Ｓ６１６）。

一方、図示していないが、本発明の他の実施形態に係る誘導電動機制御システムは、ゲーティング信号に基づいて誘導電動機に交流電圧を供給するインバータと、速度指令および回転子磁束指令に基づいてゲーティング信号を生成する第１および第２ベクトル制御部と、定格速度および速度指令に基づいて第１および第２ベクトル制御部で生成されたゲーティング信号のいずれか一つを選択する制御部と、を含む。

すなわち、図３の誘導電動機制御システムと比較すると、他の実施形態に係る誘導電動機制御システムは、第１ベクトル制御部がベクトル制御システム３０７に対応し、ゲーティング信号生成部３０９を含むことと、第２ベクトル制御部が指令電圧出力部を構成する指令電圧補正部３０４、指令電圧算出部３０５、指令電流算出部３０６に対応し、ゲーティング信号生成部３０９を含む以外は、事実上、図３に図示したものと類似する。

第１ベクトル制御部は、指令速度と誘導電動機の速度との差の値およびｄ軸回転子磁束指令に基づいて、ｄ軸固定子電流指令およびｑ軸固定子電流指令を算出する。また、算出された固定子電流指令に基づいて、ｄ軸固定子電圧指令およびｑ軸固定子電圧指令を算出する。次いで、固定子電圧指令に基づいて、ゲーティング信号を生成する。

一方、第２ベクトル制御部は、第１ベクトル制御部と同様、ｄ軸固定子電圧指令およびｑ軸固定子電圧指令を算出した後、ｄ軸固定子電圧指令およびｑ軸固定子電圧指令に基づいて、三相の電圧指令を算出する。また、インバータの最大出力電圧に基づいて、三相の電圧指令それぞれの大きさを減少させる動的過変調を実施する。次いで、変調された三相の電圧指令に基づいて、ゲーティング信号を生成する。

制御部は、速度指令が定格速度より小さい場合には、第１ベクトル制御部から出力されるゲーティング信号をインバータに供給する一方、速度指令が定格速度より大きい場合には、第２ベクトル制御部から出力されるゲーティング信号をインバータに供給する。

このように、第１および第２ベクトル制御部それぞれは、磁束指令に基づいて固定子電流指令を算出し、固定子電流指令に基づいて固定子電圧指令を算出する。すなわち、第１ベクトル制御部および第２ベクトル制御部のそれぞれは、誘導電動機の磁束と磁束指令に基づいて固定子電流指令を算出するための積分演算器を含まないことから、比例ゲインおよび積分ゲインによる特性の変化が防止される。

また、第２ベクトル制御部は、インバータの最大出力電圧より小さくなるように三相の電圧指令を変調させ、変調された三相の電圧指令に基づいてゲーティング信号を生成し、制御部は、誘導電動機を高速領域で制御する間に、第２ベクトル制御部によるゲーティング信号をインバータに供給する。これにより、磁束を調節しなくても、すなわち、磁束制御器がなくても、高速領域でのインバータの出力電圧の不足による制御不安定を防止する。

上述の本発明は、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とって本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能であるため、上述の実施形態および添付の図面により限定されるものではない。

本発明は、誘導電動機の制御システムに利用することが可能である。

１０４ ＰＷＭインバータ（インバータ）
１０５ 誘導電動機
３０１ 制御部
３０３ 入力部
３０４ 指令電圧補正部
３０５ 指令電圧算出部
３０６ 指令電流算出部
３０７ ベクトル制御システム
Ｔ_ｅ ^＊ 指令トルク
Ｗ_ｍ 出力速度
Ｗ_ｍ ^* 指令速度
λ_ｄｒｅ ^* 指令磁束

Claims (4)

1. 誘導電動機を予め設定された速度以上の高速領域で運転するための指令速度が入力される入力部と、
   前記指令速度の入力を受けてベクトル制御方法により指令電圧を生成してインバータに出力するベクトル制御システムと、
   前記指令速度に基づいてインバータを駆動させるための指令電圧を生成し、前記指令電圧を前記インバータに出力する指令電圧出力部と、
   前記インバータに出力された前記指令電圧と予め設定された駆動制限電圧とを比較し、比較結果に応じて前記ベクトル制御システム及び前記指令電圧出力部のいずれかを選択する制御部であって、前記指令電圧出力部の選択時には、前記指令電圧が前記駆動制限電圧の範囲内に補正され、補正された指令電圧が出力される、制御部と、
   前記ベクトル制御システム及び前記指令電圧出力部のいずれかから出力される指令電圧に応じて前記誘導電動機を高速に制御するインバータと、を含み、
   前記指令電圧出力部は、
   前記制御部から伝送された指令磁束、前記指令速度、指令トルク、および、出力速度に基づいて指令電流を算出する指令電流算出部と、
   前記指令電流算出部から伝送された前記指令電流に基づいて前記指令電圧を生成する指令電圧算出部と、
   前記指令電圧算出部から伝送された前記指令電圧をオフセット電圧に変換し、前記オフセット電圧を前記指令電圧として出力する指令電圧補正部と、を含む、誘導電動機制御システム。
2. 前記制御部は、
   検出した前記指令電圧が前記駆動制限電圧より小さいと判断した場合、前記ベクトル制御システムを介して出力される指令電圧を前記インバータに印加すると共に、前記指令電圧出力部を介して出力される前記指令電圧を遮断し、
   検出した前記指令電圧が前記駆動制限電圧より大きいと判断した場合、前記ベクトル制御システムを介して出力される前記指令電圧を遮断すると共に、前記指令電圧出力部を介して出力される前記指令電圧を前記インバータに印加する、請求項１に記載の誘導電動機制御システム。
3. 前記制御部は、
   入力された前記指令速度が予め設定された定格速度より小さい場合には、前記指令速度を低速運転指令速度として判断し、前記指令速度が予め設定された定格速度より同じか大きい場合には、前記指令速度を高速運転指令速度として判断する、請求項１又は２に記載の誘導電動機制御システム。
4. 前記インバータは、前記補正された指令電圧に基づいて前記誘導電動機の出力磁束を調節する、請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導電動機制御システム。

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