JP6725757B2 - モーター制御システムとインバーターシステムと負荷の最大運転効率点適用システム - Google Patents

Description

本発明は、ファン、ポンプ、ブロワーなどの負荷を駆動するモーターを制御し、かつ、モーターの速度及び、電圧を同時に制御することで、最大運転効率点を適用する、負荷の最大運転効率点適用システムに関する。

一般に、空調用ファンや水を循環させるポンプを駆動するためには、駆動モーターのトルクが速度の２乗に比例して増加させなければならない特性がある。このように、２乗低減形態の負荷を駆動するモーターに電源電圧を直接入れて使うと、エネルギーを無駄に多く消費する。すなわち、電源周波数である６０Ｈｚが回転速度の基準となって、４極の誘導電動機を例えば、基準速度が１８００ｒｐｍとなり、この速度は、負荷条件と関係なく運転する。したがって、軽負荷条件では不要なエネルギーを多く消耗する原因となってきた。このような問題点は、負荷に合わせて速度を制御してくれるインバーターを適用することで消耗電力を減らすことができる。

２乗低減負荷など、負荷とエネルギー節減原理に対してより具体的に説明する。

図１で示すように、負荷、例えば、２乗低減負荷は遠心ポンプと遠心ファンなどの負荷で、摩擦と慣性によって速度の３乗に比例して電力が消耗される特徴を有する。したがって、モーターの速度を減らせば、電力消耗はそれ以上に低減され、かなりエネルギーを減らすことができる。

説明を加えてみると、ポンプを１８００ｒｐｍの速度で１時間運転する場合を仮定してみる。この時、消耗電力または電気料金を１００％と仮定する。そして、ポンプを９００ｒｐｍの速度で５０％を減らし、代わりに運転時間を２時間と、２倍増やす。そうすれば、実際ポンプによってすくい上げる流量は等しいが、その電力使用量または電気料金は、１００％の代わりに１４％のみ負担することになる。すなわち、速度を５０％減少させることによって、消費電力量をおおよそ８６％節減することができる。

もし、このポンプが３７ｋｗで、この３７ｋｗを一日に１時間ずつ、１年始終稼動するとした時、その電気料金は１３５万ウォン程度が課せられる。しかし、毎日１時間稼動することを、速度を変えて４時間稼動し、その分速度を減らせば、電気料金は約２万ウォン程が課せられる。また、ポンプをもっとゆっくり６時間、一晩中運転させれば、電気料金が６千ウォンのみ課せられるが、前記１３５万ウォンの電力使用と同じ流量を供給することができる。

前記のとおり、２乗低減負荷は、速度の３乗に比例して電力が消費するため、速度を抑えると、画期的に電気料金を低減することができる。２乗低減は、速度３乗に比例する電力消費を、相似則＃３（またはａｆｆｉｎｉｔｙ Ｌｏｗ ＃３）という。

よって、インバーターを利用してモーターを制御することにより、エネルギーを節約することができる。以下、従来技術による負荷に対するインバーター制御に対し、より具体的に説明する。

先ず、モーター、つまり、誘導電動機の特性について説明する。

誘導電動機の速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）は、次の数式で表される。

ここで、Ｎは誘導電動機（またはモーター）の速度で、ｆは周波数で、Ｐはモーターの極数で、Ｓはスリップである。

相似則＃１によれば、流量Ｑは、回転数（または誘導電動機の速度、Ｎ）の変化に比例する。したがって、誘導電動機の速度が速いほど、モーターによって供給される流量が比例して多くなる。

また、誘導電動機の電圧Ｖと周波数ｆと磁束（トルク）の間には、次のような関係がある。

ここで、Φは磁束で、Ｖは電圧で、ｆは周波数である。

この時、誘導電動機の磁束Φまたはトルクτは、負荷の大きさ、つまり、水頭Ｈの大きさ（または高さ）によって制御されなければならない。すなわち、モーターの磁束またはトルクが負荷の大きさを駆動できるほどの最小限の大きさで制御されなければならない。

インバーターは、周波数ｆと電圧Ｖを任意に制御することができるので、誘導電動機を任意の速度で可変運転することができる。

ポンプなどの負荷を対象とする時、ポンプ側での流量と水頭は、インバーターの立場でそれぞれ周波数ｆと電圧Ｖに該当する。すなわち、インバーターによって、どれ程速く、どれ程大きい力で水をすくい上げるかを制御することである。すなわち、ポンプが水をすくい上げる時、どれだけ速くすくい上げるかを決定する変数が周波数ｆで、どれほど高くすくい上げるかを決定する水頭がインバーター立場での電圧Ｖを決定する。具体的に、水をすくい上げる時、水を「どれほど多い流量で、つまり、速くすくい上げるか」の要素と水をどれだけ「高くすくい上げるか、高水槽がどれ位高くあるのか、＜５階にあるのか、１０階にあるのか、６０階にあるのか」の要素を決めなければならない。ポンプの制御要素は「どれほど速く」と「どれほど高く」すくい上げるかで、前者が流量に該当し、後者が水頭に該当する。水頭が高ければ水圧が高くなるので、その水圧に耐えるためにポンプで大きいトルクが要されるため、「水頭／圧力／トルク」は同じ意味である。

よって、電力を最大に低減するためには、水頭に合う電圧が制御されなければならないし、周波数は最も低く選択しないと電力を最大に低減することができない。また、逆に、電力を最大に低減するということは、結局、効率が最も高いということである。

しかし、従来の技術によると、負荷に対するモーターをインバーターで制御する時、主にモーターの速度を中心として制御する[特許文献１、２]。すなわち、従来技術のインバーターは、モーターがどれほど速く回るかという回転数を決定するために利用され、モーターの回転数を決定するのがインバーターである。そして、モーターメーカーは、該当されるモーターの水頭と流量カーブを提供する。この水頭と流量カーブ、すなわち、Ｈ−Ｑカーブ（水頭−流量カーブ）は、相似の第１法則と第２法則を用いてインバーター制御に要するカーブで作られ、これよりＨ−Ｎカーブ（水頭−速度カーブ）に作って、インバーターを制御するようになっている。

すなわち、図２で示すように、流量Ｑは、次の数式３及び４の相似則＃１、＃２を適用した後、伝達関数によってＨ−Ｎカーブを求め、Ｈ−Ｎカーブを利用してモーター（またはインバーター）を制御する。

ここで、Ｑは流量（または風量）で、Ｎは速度で、Ｔはトルクで、Ｈは水頭（または圧力、揚程、定圧）を示す。

窮極的に、従来技術によれば、Ｈ−Ｎカーブを持ってインバーターを制御する。したがって、水頭Ｈが高ければ、その分、速度Ｎも高く制御しなければならない。例えば、インバーターがないと１８００ｒｐｍで動作しなければならない状況を仮定する。この時、要される水頭Ｈが１２０である。また、相似則（ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｌｏｗ）による電力低減のために、現在の系統で必要とする流量が１２００ｒｐｍであれば良いと仮定する。つまり、モーターの速度を１８００ｒｐｍから１２００ｒｐｍに減縮できる状況である。しかし、モーターの速度を１２００ｒｐｍで回そうとした時、その時の１２００ｒｐｍを見ると、水頭Ｈが５０しかない。したがって、必要とする水頭が１２０であるため、１２００ｒｐｍで運転した時、水をすくい上げることができない。しかし、Ｈ−Ｎカーブによれば、水頭が１２０である場合、モーターの速度は１６００ｒｐｍで動作しなければならない状況である。

したがって、電力を低減するためにモーターの速度を１８００ｒｐｍから１２００ｒｐｍまで減少することができるが、Ｈ−Ｎカーブの制約によって１６００ｒｐｍまで減らすことができる。前述したように、相似則（ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｌｏｗ）によって電力消耗は、速度の３乗に比例する。従来技術によれば、１８００ｒｐｍから１６００ｒｐｍに、２００ｒｐｍの３乗分電力を節約することができる。しかし、最大１２００ｒｐｍまでモーター速度を抑えることができるので、１６００と１２００の差である４００ｒｐｍの３乗分に当たる電力をむだ使いすることになる。

また、モーター性能の規格は、定格運転での効率である。したがって、モーターは、ＥＭＦ式のＶ＝４．４４ｆｎΦ（Ｖ：電圧、ｎ＝ターン数、Φ＝磁束）で定格周波数に対する電圧を高めると、飽和状態になって捲線コイルの損傷をもたらす。したがって、インバーターの周波数制御は、定格電圧／定格周波数の比が一定するように制御する。

前述したように、水をすくい上げるためには、流量と水頭の二つを制御しなければならないが、流量だけ制御するため、結局水頭が合わない。そのため、従来技術によれば、二つの制御要素、つまり、流量と水頭の二つとも満たさなければならないので、水を速くすくい上げて水頭に合うように流量を大きくすくい上げることである。これによって、４００ｒｐｍがもっと消耗され、４００ｒｐｍで３乗分にあたる電力を無駄使いすることになる。これを計算してみれば、４４％の電力を浪費したものと算出される。したがって、既存のインバーターが電圧を制御できないため、２乗低減負荷では、電力を大きく浪費していることが分かる。既存のインバーターが電圧を制御できないため、１２００ｒｐｍの速度で水をすくい上げれば良いが、結局、１６００の速度で水をすくい上げ、相似則（ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｌｏｗ）によって多くの量の電力を無駄使いしている。

また、トルクを制御するインバーターを使用する技術が示されていて[特許文献３、４]、トルク制御のためのベクトル制御インバーターが常用化されている。よって、電圧の代わりにトルクを制御するインバーターを使って、負荷に適用することができる。しかし、トルクを使用するインバーター、すなわち、ベクトル制御インバーターの場合、速度のみ制御するインバーターに比べて２．５倍程の高価で販売されている。また、トルクを制御することができるベクトル型インバーターと言っても、負荷での最大効率制御を達成できるように設計されていない。仮に、最大効率制御で設計されたとしても、負荷で必要な全ての条件は、インバーターがわからないので、現実的に最大効率で制御することは不可能である。

すなわち、ベクトル制御（Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ、Ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ）方式は、トルク及び磁束を分離して制御するので、制御性能が優れて、高性能可変速の制御に広く利用されている。しかし、制御機の数が多くて複雑であるため、検出しなければならない情報量が多くて、製作時の費用消耗が大きく、経済面で不利である。

要すれば、従来の技術は、電力の効率のために、必要電圧を制御すると同時に、モーターの最小速度に抑えることができないので、その分の消耗電力を節減することができないし、最大効率を有することができない問題点がある。

本発明の目的は、前述したような問題点を解決するためで、ファン、ポンプ、ブロワーなどの負荷を駆動するモーターを制御し、かつ、モーターの速度及び、電圧を同時に制御する、負荷の最大運転効率点適用システムを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、モーターとインバーターで構成されたモーターシステムを制御するモーター制御システムに係り、前記モーターの電力消費効率を最適化するための前記制御速度と前記制御電圧を決め、前記決定された制御速度と制御電圧によって前記インバーターが前記モーターの速度と電圧を駆動するように制御する制御部を含むことを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記制御部は決定された制御速度で前記モーターを駆動する時、前記モーターの磁束保持分電流を、維持すべき最小磁束維持分のみ供給するよう、前記モーターの最適制御電圧を決定することを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記システムは、前記モーターの電流に対して測定するセンサー部をさらに含み、前記制御部は、前記制御速度を決め、決定された制御速度で前記モーターを駆動する時測定した電流に対する測定値を利用して電流指標を算出し、算出された電流指標または前記電流指標の変化量に応じて前記制御電圧を決定することを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記電流指標は、前記モーターのトルク分電流の相対的大きさ、前記モーターの保持分電流の大きさ、前記モーターの総電流の大きさのいずれか一つであることを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記モーターのトルク分電流の相対的大きさは、前記モーターの入力電流または磁束保持分電流に対した前記モーターのトルク分電流の大きさで算出されることを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記電流指標の変化量は、事前に設定される初期制御電圧から徐々に制御電圧を降下しながら、前記決定された制御速度と降下された制御電圧でモーターを駆動させる時測定されて算出された電流指標の変化値であることを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記制御部は、前記電流指標の変化量が事前に設定された臨界値以下になれば、その時降下して設定された電圧を最適の制御電圧で設定することを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記制御部は、制御電圧を降下して電圧降下後の総電流変化量を算出し、総電流変化量が事前に決定された最小変化量より大きい場合は、前記トルク分電流の相対的大きさの変化量が事前に設定された臨界値以上であっても、電圧降下以前の電圧を最適の制御電圧で設定することを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記初期制御電圧は前記決定された速度にあたる定格対比電圧値で設定されることを特徴とする。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記磁束保持分電流に対するトルク分電流の相対的大きさの変化量ＲＯＣは、次の数式によって求められることを特徴とする。

ただし、Ｉ_ｄ（ｔ）、Ｉ_ｑ（ｔ）は、それぞれｔ時点（ｔ回目）で測定された磁束保持分電流及び、トルク分電流である。

また、本発明は、モーター制御システムにおいて、前記入力電流に対するトルク分電流の相対的大きさの変化量△ｐＦは、次の数式によって求められることを特徴とする。

ただし、Ｉ（ｔ）、Ｉ_ｑ（ｔ）は、それぞれｔ時点（ｔ回目）で測定された入力電流及び、トルク分電流である。

また、本発明は、モーターを制御するインバーターシステムに係り、前記制御部は、前記制御電圧を変更すれば前記モーターの速度を測定させ、変化するモーターの速度を補正することを特徴とする。

また、本発明は、モーターを制御するインバーターシステムに係り、前記制御部は、次の数式７を利用して前記モーターの制御速度を補正量△ｆの分を補正することを特徴とする。

また、本発明は、モーターを制御するインバーターシステムに係り、制御速度と制御電圧によって前記モーターの速度と電圧を制御するインバーター；及び、前記モーター制御システムを含むことを特徴とする。

また、本発明は、負荷の最大運転効率点適用システムに係り、負荷を駆動するモーター；制御速度と制御電圧によって前記モーターの速度と電圧を制御するインバーター；及び、前記モーター制御システムを含むことを特徴とする。

前述したように、本発明による負荷の最大運転効率点適用システムによると、モーターの速度と電圧をともに制御することで、周波数を許容範囲内で最も低く選択すると同時に、水頭に合う電圧で制御し、電力を最大に低減することができるし、これを通して、電力使用量を最小化してエネルギーを最大に節減できる効果が得られる。すなわち、本発明は、負荷の最大運転効率点を適用することができる。

負荷及びモーター装置を例示した表。 従来技術にしたがってトルク負荷を算出するための過程を示すグラフ。 本発明の第１実施例による負荷の最大運転効率点適用システムの構成に対するブロック図。 本発明の第１実施例によるインバーター制御方法を説明する流れ図。 本発明の第１実施例によるＲＯＣ（Ｒａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ）を示すグラフ。 本発明の第２実施例によるインバーター制御方法を説明する流れ図。 本発明の第３実施例によるインバーター制御方法を説明する流れ図。

以下、本発明を実施するための具体的内容を図面にしたがって説明する。

また、本発明を説明するにあたり、同一部分は同一符号を付け、それを繰り返す説明は省略する。

先ず、本発明の第１実施例による負荷のための負荷の最大運転効率点適用システムの構成を図３を参照して説明する。

図３で示すように、本発明による負荷の最大運転効率点適用システムは、負荷を駆動するモーター１０、モーター１０の速度と電圧を制御するインバーター２０、ＡＣ常用電源を入力されてインバーター２０に電源を供給する電源部３０、モーター１０のトルク分電流と保持分電流を測定するセンサー部４０、及び、供給する流量と最大供給時間を考慮して最大効率を持つようにインバーター２０の電圧と周波数（または速度）を制御する制御部５０で構成される。

モーター１０は、負荷を駆動する誘導電動機である。例えば、負荷は空調用ファンや水を循環させるポンプなどの負荷を言う。前記背景技術にて説明したように、負荷は摩擦と慣性によって速度の３乗に比例して電力が消耗される特徴を有する。また、負荷及び、これを駆動するモーターの例は、図１と同じである。すなわち、本発明が適用されるモーターは、図１のようなモーターや、負荷を駆動するためのモーターを全て含む。

特に、システム設計時、運転余裕率以上のモーター選定（ＩＥＣ６００３４−１）で、余剰馬力による効率低下に対して最適な運転（鉄損及び銅損を最小化し、最大運転効率で３６５日連続稼動する条件）する。

次に、インバーター２０は、モーターまたは誘導電動機の速度（または周波数）と電圧をいずれも制御できるインバーターのことを言う。例えば、インバーター２０は、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式とＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式などでモーターの周波数と電圧をいずれも制御することができる。

ＰＡＭ制御方式によると、インバーター２０は、入力電源の交流を直流に切り換えるコンバータ回路と、切り換えられた直流をスイッチング回路によって交流に切り換えるインバーター回路で構成される。この時、コンバータ回路で、交流を直流に切り換える時、ダイオードの代わりにＳＣＲまたはＧＴＯ素子を使って電圧の大きさを制御する。そして、インバーター回路で交流を発生させる時、周波数を変化させることでモーターの速度を制御する。

また、ＰＷＭ制御方式によれば、インバーター２０は、インバーター回路で発生する交流電圧のパルス（ｐｕｌｓｅ）幅を変化させることで電圧を制御する。すなわち、コンバータ回路では、一定電圧を出力させ、インバーター回路でコンバータ回路から受けた直流電源を交流電源に切り換える時、交流電圧のパルス幅を調整することで電圧を制御する。

次に、電源部３０は、ＡＣ常用電源を入力されてインバーター２０に電源を供給する。電源部３０は、安定のための回路などを備える。

次に、センサー部４０は、モーター１０内の電流に対して測定するセンサーで構成される。好ましくは、センサー部４０は、モーター１０内の磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑを測定する電流センサーで構成される。または、モーター１０内の総電流を測定することもできる。

ポンプなど負荷を駆動するモーター１０で消耗される電流は、モーター内の磁束を維持する成分と、回転するトルク成分に分けられる。電子を保持分電流Ｉ_ｄとし、後者をトルク分電流Ｉ_ｑと呼ぶ事にする。保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑのベクトルの和が実際モーターで消耗される電流である。

モーター１０は、誘導電動機の特性上、供給される電力（電力エネルギー）は必要な所へと流れるようになる。すなわち、モーター１０に負荷がないか、または低ければ、供給される電力は相当部分が維持分成分に供給され、保持分電流Ｉ_ｄが高くなる。そして、モーター１０に負荷が多くなると、維持成分の電力がトルク成分へ流れて転換される。したがって、モーター１０に負荷が高くなれば、トルク分電流Ｉ_ｑの大きさが高くなる。すなわち、負荷の大きさが大きくなれば、すなわち、水頭や圧力が大きくなって負荷側のトルクを大きくすれば、磁束保持分電流Ｉ_ｄがトルク成分Ｉ_ｑへ流れるようになる。

また、センサー部４０は、モーター１０の現在の速度を測定するセンサーを含んでもよい。モーター１０の電圧を降下すれば、モーター１０の速度は低下する。これを補正するために、モーターの現在の速度を測定し、所望のモーター速度で補正して精密に制御することができる。

次に、制御部５０は、インバーター２０の周波数（または速度）と電圧を制御する。すなわち、制御部５０は制御速度と制御電圧を決定すれば、決定された制御速度と制御電圧によってインバーター２０がモーター１０の速度と電圧を制御する。インバーター２０は、制御速度と制御電圧に合わせてモーター１０の速度と電圧を制御するので、以下で、制御速度と速度、制御電圧と速度を混用する。特に、制御部５０は、速度Ｎ（または制御速度）を先に設定し、センサー部４０で測定した磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑを利用して電圧（または制御電圧）を設定する。

すなわち、制御部５０は、モーターの電力消費効率を最適化するための制御速度と前記制御電圧を決定し、前記決定された制御速度と制御電圧によってインバーターがモーターの速度と電圧を駆動するように制御する。言い換えれば、制御部は決定された制御速度で前記モーターを駆動する時、前記モーターの磁束保持分電流を維持すべき最小磁束維持分のみを供給するよう、前記モーターの最適制御電圧を決定する。

この時、制御部５０は、制御部は前記制御速度を決定し、決定された制御速度で前記モーターを駆動する時、測定した電流に対する測定値を利用して電流指標を算出し、算出された電流指標または前記電流指標の変化量に応じて前記制御電圧を決定する。電流指標は、前記モーターのトルク分電流の相対的大きさ、前記モーターの保持分電流の大きさ、前記モーターの総電流の大きさのいずれか一つ以上であってもよい。

特に、電流指標の変化量は、事前に設定される初期制御電圧から徐々に制御電圧を降下しながら、前記決定された制御速度と降下された制御電圧でモーターを駆動させる時、測定して算出された電流指標の変化される値である。例えば、電流指標の変化量が事前に設定された臨界値以下となれば、その時、降下されて設定された電圧を最適の制御電圧で設定する。

決定された前記制御速度と前記制御電圧で電圧を下げると、電流は複合的な要素によって減少した後増加するようになる。この点を利用して電流が増加しない瞬間まで電圧を下げて電力消費効率をもっと最適化する。

具体的に、制御部５０は、使用者または管理者などによってモーターの速度Ｎを入力されるか、又は供給する流量と最大供給時間を考慮して最大効率を有するように速度Ｎを決定する。すなわち、このように制御して、最大運転効率点（ｂｅｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｉｎｔ）が適用される。また、好ましくは、制御電圧を降下すれば、モーターの速度が低下することがあるので（逆の場合は、反対現象が起きる）、所望のモーター速度（求めるモーター速度）に合わせるために、モーターの制御速度を補正することができる。

そして、制御部５０は、速度Ｎに対応される初期電圧Ｖ_０を設定する。この時、初期電圧は、モーターの速度に該当する定格対比電圧で事前に設定して保存しておく。そして、制御部５０は、初期電圧から電圧を段々降下しながら、磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑを測定して、その比例値を求める。求めた比例値の変化量（または勾配）ＲＯＣが０（ゼロ）に収斂すると、この時制御された電圧を最終電圧Ｖで設定する。

この時、モーターの銅損が維持され、鉄損が最小化される状態である。特に、駆動時に総電流が増加しない範囲で制御される。すなわち、本発明は、電圧のみを別に制御できないインバーターに対して電圧、速度を共に減少しながら磁束保持分電流とトルク分電流の比例値のＲＯＣが、総電流が増加しない範囲内で最小となる点を探して制御する。

そして、制御部５０は、設定された速度Ｎと最終電圧Ｖでインバーター２０を制御する。

すなわち、制御部５０は、先ず、エネルギー効率を最大化できる速度Ｎを先ず設定し、該当速度Ｎに合う最適電圧Ｖを探して設定する。最適電圧は、必ず維持すべき磁束維持分Ｉ_ｄだけ除いて、残りの電流は全てトルク分電流Ｉ_ｑへ流れるようにする電圧である。

また、初期設定される電圧（初期電圧）は、定格に対比して設定されたため、磁束維持分Ｉ_ｄがトルク分電流Ｉ_ｑより大きい。すなわち、定格対比電圧（初期電圧）による磁束維持分Ｉ_ｄは、必ず必要とする維持分より大きい。したがって、初期電圧で徐々に電圧を降下して、最適な電圧を見つけていく。

また、制御部５０は、制御電圧を降下すればモーター１０の速度が低下することがある。これを補正するために、モーターの現在速度を測定し、所望のモーター速度で補正して精密に制御することができる。

この時、制御部５０は、モーターの速度補正を次の数式７によって補正量を求め、補正量△ｆの分補正する。

ここで、Ｎｓｐは要されるモーターの速度で、Ｎは測定された現在モーターの速度で、Ｐはモーターの極数を示す。

電圧と電流の減少によって速度が減少するようになるが、前記のような補正周波数ほど速度を増加させる。この時、現在速度が前記制御速度（求められる速度）に近くなる。このような過程をフィードバックして繰り返す。すなわち、再び現在速度と求められる制御速度を比べて周波数をフィードバックして精密に調節する。

次に、本発明の第１実施例による制御部５０によってインバーターを制御する方法を、図４を参照してより具体的に説明する。以下の説明は、磁束維持分とトルク分電流を測定して、トルク分電流の相対的大きさを電流指標として求める。そして、電流指標であるトルク分電流の相対的大きさの変化量で最適の制御電圧を決定する方法を例えて説明する。

図４で示すように、本発明によるインバーター制御方法は、（ａ）インバーターの速度を設定する段階（Ｓ１０）、（ｂ）初期電圧を設定する段階（Ｓ２０）、（ｃ）磁束維持分科トルク分電流を測定する段階（Ｓ３０）、（ｄ）測定された電流の変化率を算出する段階（Ｓ４０）、（e）算出された変化率を臨界値と対比する段階（Ｓ５０）、（ｆ）臨界値より大きければ、電圧を強化して再び前段階を繰り返す段階（Ｓ６０）、（ｇ）臨界値以内であれば、当該電圧を最終電圧で設定する段階（Ｓ７０）、及び、（ｈ）設定された値でインバーターを駆動する段階（Ｓ８０）で構成される。

先ず、インバーター２０の速度Ｎを決定する（Ｓ１０）。

制御部５０は、供給する流量と最大供給時間を考慮して最大効率を有するように速度Ｎを決定する。すなわち、供給する総流量Ｑ_Ｔで、これを制限された時間Ｔ内で供給しなければならないと仮定する。この場合、総流量Ｑ_Ｔを制限された時間Ｔに分けて、単位時間当り流量を算出する。そして、算出した単位時間当り流量を供給できるモーターの速度Ｎを求めれば、求めたモーター速度がインバーターの速度で設定される。

または、インバーター２０の速度Ｎを使用者または管理者などによって入力されるか、又は事前に設定されてもよい。

次に、設定された速度に対応される初期電圧を設定する（Ｓ２０）。

制御部５０は、モーターの速度Ｎに該当する定格対比電圧Ｖの値を事前に貯蔵する。これら値を設定したデータを速度−電圧初期データ（またはテーブル）と言う。

モーターの速度Ｎが決まると、速度Ｎに当たる定格対比電圧Ｖを速度−電圧初期データを参照して、該当する電圧を初期電圧Ｖ_０に設定する。

前述したように、初期電圧は定格対比電圧で設定されたため、初期の磁束保持分電流はトルク分電流より大きい。つまり、初期電圧によってモーターに供給される電力は、磁束を維持するために多く使われ、トルクには少なく使うことになる。以下、磁束維持分とトルク分電流を測定し、最適の電圧であるかを判別する過程を行う。

次に、モーター１０の磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑを測定する（Ｓ３０）。前記設定された速度Ｎと電圧Ｖによってインバーター２０を制御し、制御されたインバーター２０によってモーター１０を駆動する。そして、駆動されるモーター１０内の電流成分を測定する。

すなわち、モーター１０内の磁束保持分電流とトルク分電流を測定する電流センサーを設けて、該当電流センサーが各電流値を測定する。そして、制御部５０はセンサー部４０で測定された電流値を受信する。

次に、測定された磁束保持分電流Ｉ_ｄ対比トルク分電流Ｉ_ｑの比例量の変化量ＲＯＣを求める（Ｓ４０）。

トルク分電流の相対的大きさの変化量で最適電圧を求めることができる。トルク分電流の相対的大きさは、磁束保持分電流や入力電流に対比した相対的大きさである。ここでは、磁束保持分電流に対する相対的大きさ（または相対的大きさの変化量）で説明する。

変化量ＲＯＣは、比例量の傾きであって、好ましくは、現在の測定した比例値（Ｉ_ｑ／Ｉ_ｄ）と前回で測定した比例値（Ｉ_ｑ／Ｉ_ｄ）の差で求める。

すなわち、維持分対比トルク分の電流変化量（ＲＯＣ、Ｒａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ）は、次の数式によって求める。

ここで、Ｉ_ｄ（ｔ）、Ｉ_ｑ（ｔ）は、それぞれｔ時点（ｔ回目）で測定された磁束保持分電流及び、トルク分電流を示す。

次に、変化量ＲＯＣを事前に決定された臨界値と対比する（Ｓ５０）。臨界値は、事前に設定された値であって、０に近い値である。つまり、変化量が０に収斂するかを検証するための値である。

次に、臨界値より小さくないと、電圧を降下して前の段階（Ｓ３０ないしＳ５０）を繰り返して行う（Ｓ６０）。

好ましくは、電圧は現在電圧で一定電圧の大きさを減少させ、次に使用する電圧を算出する。そして、新たに算出された電圧でインバーター２０を再び制御する。新たに降圧された電圧によってモーターを駆動し、駆動されるモーター１０で磁束維持分及びトルク分電流を測定して臨界値と対比する前段階を繰り返す。

すなわち、制御部５０は、初期電圧を順次減少しながら、この時の磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑの割合が０または臨界値に収斂するまで繰り返す。

次に、臨界値より小さければ、現在の電圧を最終電圧で設定する（Ｓ７０）。

すなわち、維持分対比トルク分の電流比例値の勾配（または変化量）が０（ｚｅｒｏ）に収斂すれば、その時の電圧を最終電圧（または最適電圧）で設定する。

そして、インバーターの最適の速度と電圧が全て設定されたので、設定された最適の速度と電圧でインバーターを制御し、モーター１０を駆動する。

次に、本発明のインバーター制御方法の原理について、図５を参照してより具体的に説明する。

前記の過程のように、本発明のインバーター制御方法は、１段階で速度を制御し、２段階で別に電圧を制御する。この時、電圧を徐々に減少した時、磁束維持分（ｉｄ）とトルク分の（ｉｑ）値を除した値が変わる、傾きが０（Ｚｅｒｏ）に収斂する時、電圧を調整すれば最適制御になる。磁束維持分とトルク分の比例値が０に収斂されることが図５に示されている。

この時、周波数と電流は固定されていて、条件はモータートルクが負荷トルクより若干大きい条件の同期化がなされる。

次に、本発明の第２実施例による負荷のための負荷の最大運転効率点適用システムの構成及び制御方法を図６を参照して説明する。

本発明の第２実施例は、インバーターを制御するために、数式５のＲＯＣを使用する代わり、入力電流とトルク分電流の比例である力率で制御する。以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。説明されていない部分は、前記第１実施例の説明を参照する。

先ず、本発明の第２実施例において、センサー部４０は、モーター１０内の入力電流Ｉとトルク分電流Ｉ_ｑを測定する電流センサーで構成される。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施例によるモーターインバーターの制御方法を説明する。

先ず、インバーター２０の速度Ｎを決定し（Ｓ１１０）、設定された速度に対応される初期電圧を設定する（Ｓ１２０）。

次に、モーター１０の入力電流Ｉとトルク分電流Ｉ_ｑを測定し（Ｓ１３０）、測定された入力電流Ｉ対比トルク分電流Ｉ_ｑの比例量の変化量△ｐＦを求める（Ｓ１４０）。変化量△ｐＦは、比例量または力率の傾きであって、好ましくは、現在の回次で測定した力率または比例値Ｉ_ｑ／Ｉと、前回で測定した力率または比例値Ｉ_ｑ／Ｉの差で求める。

すなわち、入力電流対比トルク分電流変化量△ｐＦは、次の数式によって求める。

ここで、Ｉ（ｔ）、Ｉ_ｑ（ｔ）は、それぞれｔ時点（ｔ回目）で測定された入力電流及び、トルク分電流を示す。

次に、力率変化量△ｐＦを事前に決定された臨界値と対比する（Ｓ１５０）。臨界値は、事前に設定された値であって、０に近い値である。すなわち、変化量が０に収斂するかを検証するための値である。前記第１実施例の臨界値と異なるように設定することができる。

次に、臨界値より小さくなければ、電圧を降下して前段階（Ｓ１３０ないしＳ１５０）を繰り返して行い（Ｓ１６０）、臨界値より小さければ、現在の電圧を最終電圧で設定する（Ｓ１７０）。すなわち、臨界値より小さい場合、力率が最大となる瞬間を言う。すなわち、力率が最大である時、その時の電圧を最終電圧に設定する。

次に、本発明の第３実施例による負荷のための負荷の最大運転効率点適用システムの構成及び制御方法を図７を参照して説明する。

本発明の第３実施例は、第１実施例で、電圧降下後、総電流の変化量をさらに検査し、総電流が増加すれば、その時の電圧を最終電圧に設定する。以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。説明されていない部分は、前記第１実施例の説明を参照する。

図７で示すように、先ず、インバーター２０の速度Ｎを決定し（Ｓ２１０）、設定された速度に対応される初期電圧を設定する（Ｓ２２０）。次に、モーター１０の保持分電流Ｉｄとトルク分電流Ｉ_ｑを測定し（Ｓ２３０）、測定された磁束保持分電流Ｉ_ｄ対比トルク分電流Ｉ_ｑの比例量の変化量ＲＯＣを求める（Ｓ２４０）。変化量ＲＯＣを事前に決定された臨界値と対比する（Ｓ２５０）。

次に、臨界値より小さくなければ、電圧を降下する（Ｓ２６０）。そして、総電流の変化量△Ｉまたは増加量を検出し、総電流の増加量または変化量が事前に決定された最小増加量以上であるか否かを判断する（Ｓ２６１）。この時、総電流は、保持分電流Ｉｄとトルク分電流Ｉ_ｑを測定し、そのベクトルの和で演算して算出する。または、別途の電流センサーを備えて総電流を測定してもよい。総電流の増加量は、降圧以前の総電流と降圧後の総電流の差で算出する。

もし、総電流の増加量△Ｉが最小増加量より小さければ、前段階（Ｓ２３０ないしＳ２５０）を繰り返して行う。そして、総電流の増加量△Ｉが最小増加量より大きければ、電圧を昇圧し（Ｓ２６２）、昇圧された電圧を最終電圧に設定する（Ｓ２７０）。そして、インバーターの最適速度と電圧が全て設定されたので、設定された最適の速度と電圧でインバーターを制御してモーター１０を駆動する（Ｓ２８０）。

次に、実験による本発明の効果を説明する。

インバーターでポンプなどモーター１０を駆動する実験を行った。すなわち、インバーターで速度を制御し、該速度で電圧を測定した。その結果、モーターの速度を６０Ｈｚに制御し、電圧を３８０Ｖでインバーターから誘導電動機の方に制御した。この時、磁束保持分電流Ｉ_ｄは１．６３Ａで、トルク分電流Ｉ_ｑは１．０９Ａで測定された。

また、電圧Ｖを順次降下し、同じ負荷を運転できる状態を維持しながら降下した。最終的に、電圧を１９０Ｖまで下げることができた。この時、磁束保持分電流Ｉ_ｄとトルク分電流Ｉ_ｑは、その大きさが逆になった。すなわち、磁束保持分電流Ｉ_ｄは１．６３Ａから０．４８Ａに降下され、トルク分電流Ｉ_ｑは１．０９Ａから１．５４Ａに増加した。これは、水頭が同じ条件で実験した結果である。

この時、力率を算出してみると、電圧制御する前に５６％で、電圧制御（最大効率制御）した場合は、９３％になった。つまり、力率が４０％増加した結果である。ここで、磁束保持分電流Ｉ_ｄが減ったため鉄損が減少し、結局、電流成分が１８％減少したのである。つまり、全体的に１．９７Ａから１．６Ａ程度に減少した。ここで、入力された電力を計算すれば、電圧を制御する前には５７５Ｗで、電圧を制御した場合は、４５４Ｗが消耗された。

結局、２０％ほど減少した。この実験結果では、３７ｋＷ一日１０時間、モーターを最大効率制御で駆動した時、電気料金がどれくらい節減されたかについてみる。

前述した１２００ｒｐｍと３３８Ｖで運転した時、再び最大効率制御をするようになれば、２０．３％が減るようになっている。そのため、この２０．３％を再度料金に反映してみると、３５０万ウォンから２０％適用して２８０万ウォンになる。そのため、窮極的に５５％を節減する効果をもたらすことができる。

この５５％というのは、既存のポンプ、つまりインバーターなしに６０Ｈｚに３８０Ｖそのままで運転した時の電気料金の差ではなく、既存にあった速度制御が可能なインバーターを使用した時に比べて５５％が節減されることを意味する。すなわち、前記背景技術で説明した速度制御によるエネルギー節減方法よりもっと節減されるという意味である。

要すれば、既存に速度制御だけでインバーターを制御した時は、１２００ｒｐｍで制御できなかったため、１６００ｒｐｍで制御する。その時、電気料金が６３０万ウォン出る。しかし、電圧制御できるインバーターを活用すれば、１２００ｒｐｍで３３８Ｖを制御できて、３５０万ウォンの電気料金が出る。この時、４４％の利益があり、ここで最大効率制御をすることで、２０．３％の電力をさらに節減することができるので、総５５％の節減ができる。

以上、本発明者によってなされた発明を前記実施例によって具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されず、その要旨を脱しない範囲で幾つか変更できることは勿論である。

Claims (3)

1. モーターとインバーターで構成されたモーターシステムを制御するモーター制御システムにおいて、
   前記モーターの電力消費効率を最適化するための制御速度と制御電圧を決定し、前記決定された前記制御速度と前記制御電圧によって前記インバーターが前記モーターの速度と電圧を駆動するように制御する制御部を含み、
   前記モーター制御システムは、前記モーターの電流に対して測定するセンサー部をさらに含み、前記制御部は、前記制御速度を決定し、決定された制御速度で前記モーターを駆動する時に測定した電流に対する測定値を利用して電流指標を算出し、算出された電流指標または前記電流指標の変化量に応じて前記制御電圧を決定し、
   前記電流指標の変化量は、事前に設定される初期制御電圧から徐々に制御電圧を降下しながら、前記決定された制御速度と降下された制御電圧でモーターを駆動させる時、測定して算出された電流指標の変化される値であり、
   前記制御部は、前記電流指標の変化量が事前に設定された臨界値以下となれば、その時降下されて設定された電圧を最適の制御電圧で設定し、
   前記制御部は、制御電圧を降下し、電圧降下後の総電流変化量を算出して、総電流変化量が事前に決定された最小変化量より大きい場合は、トルク分電流の相対的大きさの変化量が事前に設定された臨界値以上であっても、電圧降下以前の電圧を最適の制御電圧で設定することを特徴とするモーター制御システム。
2. モーターを制御するインバーターシステムにおいて、
   制御速度と制御電圧によって前記モーターの速度と電圧を制御するインバーター；及び、
   請求項１に記載のモーター制御システムを含むことを特徴とするインバーターシステム。
3. 負荷を駆動するモーター；
   制御速度と制御電圧によって前記モーターの速度と電圧を制御するインバーター；及び、
   請求項１に記載のモーター制御システムを含むことを特徴とする負荷の最大運転効率点適用システム。