JP7385628B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機制御装置に関する。

特許文献１には、電動機制御装置の直流側の電流Ｉと電圧Ｖを検出する手段と、電動機制御装置の一部であるインバータで制御しているｄ軸分電流値Ｉｄとｑ軸分電流値Ｉｑとを検出する手段と、誘導機内部の温度ｔを検出する手段と、誘導機の回転数Ｎを検出する手段と、これら検出信号に基づいて軸トルクを算出するとともに温度補正を行うトルク演算装置とを備え、トルク演算装置は、Ｔ＝Ｋ／Ｎ・［ＩＶ－Ｋ１・α・ｒ１・（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）－Ｋ２・α・ｒ２・Ｉｑ^２ －Ｅ］に基づいて軸トルクＴを算出することが記載されている。

特開平６-１９４２４０号公報

特許文献１においては、高価な電力検出変換器なしで電力計算ができるが、銅損を計算のために使う抵抗値は、温度変化によって変わるため、温度検出器を使わないと正しい値を計算することができない。また、温度検出器を追加すると、温度検出器の原価だけではなく、基板の設計変更、製造ラインの金型変更等諸々な所で費用が発生するので、コストが高くなる。

本発明の目的は、低コストで電動機の消費電力を計算する電動機制御装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、コンバータ部からの直流電圧から交流電圧に変換し、前記交流電圧を電動機に供給するインバータ部と、前記インバータ部を制御するインバータ制御部と、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、検出した前記電流から前記電動機の温度を推定し、推定した前記温度から前記電動機の抵抗値を計算し、計算した前記抵抗値から銅損を計算する電力計算部とを有する電動機制御装置である。

本発明によれば、低コストで電動機の消費電力を計算する電動機制御装置を実現できる。

実施例１における電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例１における電力計算部の機能ブロック図の一例である。 サーマル動作時間と電動機に流れる電流の関係を示す図である。 実施例２における電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例２における異常検知部の機能ブロック図である。 実施例３における電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例３における総消費量計算部の機能ブロック図である。 負荷電流から推定温度を出力する温度推定部の構成を示す図。 推定温度と経過時間と負荷電流の関係を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１から図３を用いて実施例１を説明する。

図１は、実施例１の電力計算部を追加した電動機制御装置の構成を示すブロック図の一例である。図１には、電動機制御装置００７に加えて、電動機制御装置００７へ電源を供給する三相電源１００と、電動機制御装置００７からの電力が供給される負荷等が示される。

負荷は、例えば、ＰＭ電動機（三相の永久磁石式同期電動機）００８である。電動機制御装置００７は、インバータ回路００４と、コンバータ回路００１と、電流検出器００５と、制御器００２と、電力計算部００３、電流センサ００６、メモリ００９とを備える。

コンバータ回路００１は、外部の三相電源１００からの三相交流電圧を直流電圧Ｖｄｃに変換してインバータ回路００４に供給する。インバータ回路００４は当該直流電圧Ｖｄｃを交流電圧（三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に変換し、当該三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＰＭ電動機（ＰＭモータ）００８に供給（通電）する。

電流センサ００６は、当該三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの供給ラインに繋がるように設置される。電流検出器００５は、電流センサ００６に介して、ＰＭ電動機００８に流れる負荷電流を検出する。

この例では、電流検出器００５は、電流センサ００６に介してｕ相電流Ｉｕとｗ相電流Ｉｗを検出し、ＩｕとＩｗの電流値を基づいてＩｖを算出、当該三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変化し、ｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑを算出する。そして、電流検出器００５は、ｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑをベクトル合成することで、負荷電流値Ｉを検出する。

制御器００２（インバータ制御部）は、ＰＭ電動機００８の動作状態を目標状態に近づけるようにインバータ回路００４を制御する。この例では、制御器００２は、外部からの速度指令値Ｎｒｅｆを受け、ＰＭ電動機を当該速度指令値Ｎｒｅｆに基づく回転速度で回転させるための三相電圧指令値Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆを、位置センサレスのベクトル制御を用いて生成する。

具体的には、制御器００２は、例えば、誘起電圧オバーザーバ等を用いてＰＭ電動機００８の回転速度を推定し、当該回転速度と速度指令値Ｎｒｅｆとの誤差に基づきｄ軸およびｑ軸の電流指令値を算出し、当該電流指令値とｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑとの誤差に基づき三相電圧指令値Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆを算出する。

インバータ回路００４は、三相電圧指令値Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆに基づくＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号でスイッチング動作を行うことで三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを生成する。また、ＰＭ電動機００８が位置検出器付きの場合などは、その位置検出器出力の時間差分結果によりＰＭ電動機００８の回転速度を導出して、制御器００２へ入力しても良い。

ここで、三相電源１００からの出力電力について、以下の式（１）のように表される。

ここで、式（１）の中のコンバータ損（Ｐｃｏｎｖ）は電動機制御装置００７内部のコンバータ回路００１による発生した損失である。変換損（Ｐｔｒａｎｓ）は電動機制御装置００７内部のインバータ回路００４による発生した損失である。鉄損（Ｐｓ）はＰＭ電動機００８の内部の磁性材料コアの磁気ヒステリシスと渦電流による損失である。銅損（Ｐｃ）はＰＭ電動機００８の内部の巻き線の電流により電力の損失である。機械損（Ｐｍｅｃｈａｌｏｓｓ）は回転時各部分の摩擦による損失である。機械出力（Ｐｍｅｃｈａ）は最終的にＰＭ電動機００８から負荷に出力された有効に利用された電力である。

銅損（Ｐｃ）と比べると、他の損失が小さいため、この発明の電力を計算する際は銅損だけを考慮する。したがって、電力の計算が式（２）のように簡略される。

そして、式（２）の機械出力（Ｐｍｅｃｈａ）と銅損（Ｐｃ）の計算はそれぞれ、式（３）と式（４）で表される。

ここで、τはＰＭ電動機００８のトルクである。ωはＰＭ電動機００８の速度検出値３１０である。Ｋｍｅｃｈａは機械出力ゲイン３１４である。

ここで、Ｉｑは電流検出器００５から検出されたｑ軸電流検出値３１２である、Ｉｄは電流検出器００５から検出されたｄ軸電流検出値３１１である、ＲｔはＰＭ電動機００８の相抵抗である、Ｋｃは銅損ゲイン３１７である。

相抵抗ＲｔはＰＭ電動機００８の温度Ｔにより変化する。ＰＭ電動機００８の温度Ｔはサーマル動作時間ｔと負荷電流Ｉのサーマル曲線から求めることができる。ＰＭ電動機のサーマル動作時間ｔ（縦軸）とＰＭ電動機に流れる負荷電流Ｉ（横軸）のサーマル曲線の一例を、図３で表す。

図９は、電子サーマル処理において利用される、ＰＭ電動機の推定温度とＰＭ電動機に流れる負荷電流と経過時間との関係を示す。実線や点線などで示したように負荷電流が増加するに従い推定温度が増加する。このような負荷電流と推定温度との対応関係をテーブルとして、温度推定部のメモリなどに記録させ、負荷電流に基づいてＰＭ電動機の温度を推定することができる。

式（５）で相抵抗Ｒｔと温度Ｔの関係を表す。ここで、Ｔはその時のＰＭ電動機００８の温度である。ＲｔはＰＭ電動機００８の温度がＴになった時のＰＭ電動機００８相抵抗の抵抗値である。Ｒ２０は２０℃の時のＰＭ電動機００８の相抵抗の抵抗値である。α２０は金属の銅が温度２０℃の時の抵抗温度係数である。

電力計算部００３は、式（２）、式（３）、式（４）および式（５）を使用し、ＰＭ電動機００８の消費電力を算出する。電流検出器００５からのｄ軸電流検出値３１１とｑ軸電流検出値３１２と、制御器００２から速度検出値ω３１０を受け、機械出力と銅損を算出し、実際の電力消費量Ｐを変数としてメモリ００９に保存し、外部機器に表示される。具体的には図２を用いて説明する。

制御器００２、電流検出器００５、および電力計算部００３は、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの半導体集積回路（演算制御手段）によって構成される。制御部は、いずれかまたは全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアで構成することができる。制御器００２、電流検出器００５、電力計算部００３を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit）が、メモリなどの記録装置に保持するプログラムを読み出して、制御器００２、電流検出器００５、および電力計算部００３の処理を実行する。

図２は、本実施例における電力計算部００３の機能ブロック図の一例である。図２は、入力データを機械出力計算部３２３、銅損計算部３２４、積算処理部３２５介して出力データの算出過程が示される。入力データは、例えば、速度検出値ω３１０、ｄ軸電流検出値３１１、ｑ軸電流検出値３１２である。出力データは、例えば、機械出力３２０、消費電力積算値３２１、銅損３２２である。機械出力計算部３２３はトルクゲイン３１３と、機械出力ゲイン３１４とを備える。銅損計算部３２４は温度推定部３１５と、抵抗ゲイン３１６と、銅損ゲイン３１７とを備える。積算処理部３２５は積分ゲイン３１８と、１／ｚ（ユニット遅延部）３１９とを備える。

トルクゲイン、抵抗ゲイン、機械出力ゲインなど各種のゲインは、定数などの値としてあらかじめ設定しておく。

機械出力計算部３２３について説明する。機械出力計算部３２３は、制御器００２から受け取る速度検出値ω３１０と、電流検出器００５から受け取るｑ軸電流検出値３１２を入力する。

機械出力計算部３２３は、ｑ軸電流検出値３１２をトルクゲイン３１３に乗算し、実際のＰＭ電動機００８のトルクτを算出する。機械出力計算部３２３は、算出したトルクτを速度検出値ω３１０と乗算し、機械出力の内部量を算出する。そして、機械出力計算部３２３は、算出した機械出力の内部量を機械出力ゲイン３１４に乗算し、ＰＭ電動機００８の機械出力３２０を算出する。

銅損計算部３２４について説明する。図８に示すように、電動機の温度を保護する電子サーマル処理部７０１の入力である負荷電流Ｉを、温度推定部３１５の入力にする構成とすることができる。

電流検出器００５からのｄ軸電流検出値３１１とｑ軸電流検出値３１２に基づいて、温度推定部３１５は、負荷電流Ｉの値（ｄ軸電流検出値３１１の２乗とｑ軸電流検出値３１２の２乗の和の平方根）を入力する。温度推定部３１５は、記録しておいた負荷電流と推定温度との対応関係から、温度推定部はＰＭ電動機００８の推定温度Ｔを推定する。銅損計算部３２４は、推定温度を抵抗ゲインと乗算し、ＰＭ電動機００８の実際の抵抗値Ｒｔを算出する。

銅損計算部３２４は、算出した抵抗値Ｒｔをｄ軸電流検出値３１１の平方とｑ軸電流検出値３１２の平方の和と乗算し、銅損の内部量を算出する。銅損計算部３２４は、算出した銅損の内部量を銅損ゲイン３１７に乗算し、ＰＭ電動機００８の銅損３２２を算出する。

最後に、積算処理部３２５について説明する。積算処理部３２５は、算出された機械出力３２０と銅損３２２の和を積分ゲイン３１８と乗算し、毎処理サンプリング周期の消費電力を算出する。ユニット遅延部３１９は前回値を持って、今回のサンプリング周期の消費電力に加算する。積算処理部３２５の最後の出力は消費電力積算値３２１となる。

本実施例における電力計算部００３の出力となる機械出力３２０、銅損３２２と消費電力積算値３２１は変数としてメモリ００９に保存される。

本実施例によれば、検出電流値から温度を推定し、抵抗の値の補正計算を行うことにより高精度な銅損計算ができ、温度検出器を使わなくても、ＰＭ電動機の消費電力を計算することができる。温度検出器の代わりに、検出電流値から温度を推定することにより、実際の抵抗値を補正することができる。また、この抵抗値を使用する銅損計算により、温度計を利用した銅損計算と同精度のＰＭ電動機の消費電力計算をすることができる。

図４と図５を用いて実施例２を説明する。

図４は、本実施例における電力計算部００３、メモリ００９、タイマ０１１と異常検知部０１０を追加した電動機制御装置００７の構成を示すブロック図の一例である。図４に記載の構成のうち、図１と同じ符号を付した構成は図１の構成と同様であるため、説明を省略する。

異常検知部０１０は、メモリ００９に保存されたデータ（機械出力３２０と銅損３２２）とタイマ０１１の時間の情報を入力する。そして、異常発見時はアラームＡＬｓｔｓ信号８１０を出力する。

図５は、本実施例における異常検知部０１０の機能ブロック図の一例である。入力変数８０１の値としては銅損３２２と機械出力３２０のなかの一つをユーザなどが予め定めて選択しておく。異常検知部０１０は、開始時間８０２と終了時間８０３が設定されている。異常検知部０１０は、タイマ０１１を使用する。

開始時間８０２の入力変数８０１の値は第１のスイッチ８２１を通過し、開始時間８０２以外がゼロとして第１のスイッチ８２１において積算され第１のスイッチ８２１の出力は開始時間８０２における開始時変数値８０５（開始時の銅損３２２もしくは機械出力３２０）となる。

また、終了時間８０３の入力変数８０１の値は第２のスイッチ８２２を通過し、終了時間８０３以外がゼロとして第２のスイッチ８２２おいて積算され第２のスイッチ８２２の出力は終了時間８０３における終了時変数値８０６（終了時の銅損３２２と機械出力３２０）となる。

異常検知部０１０は、第１のスイッチ８２１と第２のスイッチ８２２の出力である開始時変数値８０５と終了時変数値８０６の差を取り、実際変化量８０８を算出する。また、異常検知部０１０には、理想の計算量とする想定変数変化量８０４を設定しておく。

異常検知部０１０は、想定変数変化量８０４に調整ゲインＫ_Ｐｍ８０７に乗算し、安全運転ための閾値８０９を算出する。当該閾値８０９を実際変化量８０８と比較し、閾値８０９を超える時は異常であるとしてアラームＡＬｓｔｓ信号８１０を出力する。

アラームＡＬｓｔｓ信号８１０を外部装置などが受け取ると、物理的な音声、光のアラームで異常通知として出す。例えば、警告音を鳴らす、ランプを点滅する。

本実施例によれば、例えば、負荷装置に異常な負荷を加えて、異常な電流が流れる、電力が異常に大きくなる等の異常が発生する際に素早く通知され、対応することができる。

図６と図７を用いて実施例２を説明する。

図６は本実施例における電力計算部００３、メモリ００９、タイマ０１１と総電力消費量計算部０１２を追加した電動機制御装置の構成を示すブロック図の一例である。図６に記載の構成のうち、図１と同じ符号を付した構成は図１の構成と同様であるため、説明を省略する。

総電力消費量計算部０１２は、メモリ００９から消費電力９０２（機械出力３２０と銅損３２２の和）、通電時間９０３とタイマ０１１から時間の情報を入力する。総電力消費量計算部０１２の出力Ｐｙは、総電力消費量９０４である。

図７は、本実施例の総電力消費量計算部０１２の機能ブロック図の一例である。例えば総電力消費量を計算すると式（６）を参照する。

ここで、予想通電時間９０９は予想された一定の時間（例えば年間、月間、週間等）の通電時間である。消費電力９０２は、式（２）に示したようにメモリ００９からの機械出力３２０と銅損３２２の和である。

通電時間９０３はタイマ０１１からのこのサンプリング周期の時間である。運転時間９０１はサンプリング周期の時間の中で実際に消費電力がポジティブな時間である。

消費電力９０２がポジティブな時は、スイッチ９０５が、運転時間９０１と消費電力９０２を稼働率計算部９０６に渡す。そして、総電力消費量計算部０１２の稼働率計算部９０６は、ＰＭ電動機００８における実際の通電時間９０３と合わせて、稼働率計算部９０６で稼働率を計算する。

総電力消費量計算部０１２は、稼働率と消費電力９０２を乗算する。その乗算結果は積分処理部（１／ｚ）９０７に入力される。積分処理部９０７が年間通電時間９０９まで積分し、年間電力消費量９０８を計算して出力する。

本実施例によれば、実際の運転数値から、予測したい週間、月間、年間等の総電力消費量を推定することができ、電力の消費量が把握できるから、より効率的な工場管理につながる。

実施例２もしくは実施例３に示した、異常検知部０１０、タイマ０１１、および総電力消費量計算部０１２は、上述した制御器などと同じくマイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの半導体集積回路（演算制御手段）によって構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が、メモリなどの記録装置に保持するプログラムを読み出して、異常検知部０１０などの処理を実行する。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

００１…コンバータ回路、００２…制御器、００３…電力計算部、００４…インバータ回路、０１０…異常検知部、０１２…総電力消費量計算部

Claims (2)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、
   コンバータ部からの直流電圧から交流電圧に変換し、前記交流電圧を電動機に供給するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御するインバータ制御部と、
   前記電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   検出した前記電流から前記電動機の温度を推定し、推定した前記温度から前記電動機の抵抗値を計算し、計算した前記抵抗値から銅損を計算する電力計算部とを有し、
   前記電力計算部は、ｑ軸検出電流値と速度検出値から機械出力を計算する機械出力計算部を有し、
   前記銅損もしくは前記機械出力の開始時間における値と、前記銅損もしくは前記機械出力の終了時間における値との差分を、閾値を比較し、
   前記差分が前記閾値を超える場合には、アラーム信号を出力する異常検知部を有する電動機制御装置。
2. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、
   コンバータ部からの直流電圧から交流電圧に変換し、前記交流電圧を電動機に供給するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御するインバータ制御部と、
   前記電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   検出した前記電流から前記電動機の温度を推定し、推定した前記温度から前記電動機の抵抗値を計算し、計算した前記抵抗値から銅損を計算する電力計算部とを有し、
   前記電力計算部は、ｑ軸検出電流値と速度検出値から機械出力を計算する機械出力計算部を有し、
   前記銅損と前記機械出力の和の消費電力として計算し、前記消費電力がポジティブな時間を運転時間とし、
   運転時間と通電時間とから稼働率を計算し、
   前記稼働率と前記消費電力と前記通電時間から総電力消費量を計算する総電力消費量計算部を有する電動機制御装置。

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