JPH0345632B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周波数変換装置を用いて給電される
誘導電動機のトルク制御装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

一般に、分巻直流機のトルク発生機構は、主磁
束に対し常に電機子電流が直交するように整流子
で電流の切換え動作を行なつている。従つて発生
トルクは電機子電流と主磁束とを掛けた値に比例
し、主磁束が一定であれば電機子電流に対し線形
特性が得られる。この基本的な関係を誘導電動機
に適用するならば、主磁束は回転子ベクトルに、
電機子電流は回転子２次電流ベクトルに対応させ
ることができ、そのベクトルの相対関係が直流機
と等価になるように制御すればよい。このような
制御方式をベクトル制御方式という。

誘導電動機をベクトル制御方式によつてトルク
制御する場合、電動機の発生トルクと電流成分、
電流成分と電動機定数及びすべり角周波数の関係
は次式で表される。

Ｔ＝K_tMI_n・I₂ ０＝ω_sMI_n＋R₂I₂ I_n：磁化電流 I₂：２次電流 Ｍ：相互インダクタンス R₂：２次抵抗値 ω_s：すべり角周波数 K_t：定数 また、２次電流I₂と１次換算２次電流I₂′の関係
は次式で表される。

０＝L₂I₂＋MI₂′ L₂：２次回路の全インダクタンス この式より、電流成分及び定数をそれぞれ指令
値及び設定値の関係に置き換え、これら電流指令
値と定数によるモデル機を電流形変換器（インバ
ータ）によつて制御するものであつた。それらの
関係は次の通りである。

ω_s＝（R₂ ^*I₂ ^*′）／（L₂ ^*I_n ^*） I₁ ^*＝√_n ^*2＋₂ ^*2 R₂ ^*，L₂ ^*：R₂，L₂のそれぞれの設定値 I₂ ^*′，I_n ^*：I₂，I_nのそれぞれの設定値 I₁ ^*：１次電流I₁の指令値 通常、電流制御形の変換器では、電流指令値に
応じて実際の電流を制御できるから、電動機定数
の設定値と実際値さえ一致すれば、電流を指令値
に相応して電動機のトルクを制御することができ
る。

Ｔ＝K_t ^*・M^*・I_n ^*・I₂ ^*′ M^*：相互インダクタンスＭの設定値 K_t ^*：定数K_tの設定値 しかし、電動機の定数、特に２次抵抗値R₂は
正確に求めることが困難なばかりか、仮に正確に
求められても回転子の温度によつて大幅に変化す
るため、電動機の運転に際し常に正しいすべり周
波数を指令することは不可能であり、これに伴つ
てトルクや磁化電流に影響が顕れ、精度よくトル
クを制御することができなかつた。

このため、２次抵抗値の変化を磁化電流の変化
として検出し、磁化電流の指令値と実際値の偏差
によつてすべり周波数を制御し等価的に２次抵抗
値を補正する方法があつた。

第１図はその補正方法による従来の制御装置の
構成を示すブロツク図である。この回路では、す
べり周波数方式に磁化電流の偏差によるすべり周
波数補正回路が付加され、磁化電流が一定に制御
されるような構成となつている。即ち、３相電流
形変換器１、３相誘導電動機２、すべり周波数演
算用に回転子に取付けられた速度検出器３、電流
指令値I_n ^*，I₂ ^*′に応じて３相電流形変換器１に
交流電流指令を与える電流指令演算器４、この電
流指令演算器４の２相電流指令を３相に変換して
３相電流形変換器１に与える２相／３相変換器
５、速度検出器３の信号電圧V_oとすべり周波数
信号電圧v_sとから３相電流形変換器１の周波数を
発生する２相正弦波発生器６、電流指令値I_n ^*，
I₂ ^*′から予めすべり角周波ω_sを演算する割算器７
からなる通常のすべり周波数指令方式に、次の磁
化電流制御部１３が付加されている。

即ち、電動機２の端子電圧（あるいは検出巻
線）と電流から２次鎖交磁束を演算する磁束演算
器８、磁束から磁化電流を導く定数器９、磁化電
流指令値I_n ^*と磁化電流I_nの偏差を増幅及び積分
する積分器１０、積分器１０の出力と基準信号
“１”を加算する補正器１１、この補正器１１ね
出力（１−kΔI_n）と割算器７の出力ω_s ^*とから適
正なすべり角周波数信号を演算する掛算器１２と
からなつている。

この回路においては、励磁電流I〓は磁束Φ₂から
求められ、Φ₂は以下のようにして電動機の電圧、
電流から求められる。

端子電圧から１次巻線抵抗による電圧降下分を
１次電流信号によつて除去し、この電流を時間積
分することによつて１次巻線鎖交磁束を求める。
これにより更に、１次及び２次巻線の洩れインダ
クタンスによる洩れ磁束を電流信号によつて除去
し、２次鎖交磁束を求め、その振幅をΦ₂として
用いる。トルクの直線性を余り重要視しない場合
は、必ずしも２次鎖交磁束によらず１次鎖交磁束
あるいは空隙磁束に相当する量でも充分な場合も
ある。

動作について説明すると、３相電流形変換器１
への電流指令は、励磁電流指令値I_n ^*、２次電流
指令値I₂ ^*及び２相正弦発生器６からの２相の正
弦波信号cosωt，sinωt（ωは２相正弦波発生器６
の発生角周波数）から、電流指令演算器４によつ
て次の関係式で演算される。

i〓^*＝I₁ ^*cos（ωt＋γ） i〓^*＝I₁ ^*sin（ωt＋γ） I₁ ^*＝√_n ^*2＋₂ ^*′² γ＝tan^-1（I₂ ^*′／I_n ^*） これらは、２相／３相変換器５を介して３相信
号に変換され、３相電流形変換器１を指令し、電
動機に３相電流i_u，i_v，i_wを給電する。

次に、角周波数ωは、速度検出器３からの同期
角速度ω_oに相当する信号v_oと、掛算器１２から
のすべり角周波数ω_sに相当する信号v_sの和が２相
正弦波発生器６に与えられて、２相の正弦波信号
を発生し、先の電流指令演算器４に入力される。

ここで、すべり角周波数信号の推定値v_s ^*が、
電動機定数の推定値R₂ ^*，L₂ ^*と電流指令値I_n ^*，
I₂ ^*′によつて v_s＝（R₂ ^*・I₂ ^*）／（L₂ ^*・I_n ^*） のように演算され、これに定数器９と補正器１１
から得られる補正信号（１−kΔI_n）が掛けられ
てすべり角周波数信号v_sとなる。

v_s＝R₂ ^*I₂ ^*（１−kΔI_n）／（L₂ ^*I〓^*） ここでｋを充分大きくとれば、ΔI_n≒０、即ち
磁化電流の実際値I_nと指令値I_n ^*を一致させるこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この従来の補正方法では、磁化
電流の偏差によつてすべり周波数を制御すること
により２次抵抗値の補正を行つており、負荷急変
などに対して磁化電流の変化が電動機の２次回路
時定数とすべり周波数に関連して振動的に顕れる
ため、またすべり周波数は通常数Hz以下で低いた
め、この変化分によつてすべり周波数を制御する
ためには制御上の安定性から、更に積分時間の大
きい積分制御によらなければならず、このため磁
化電流の応答を著しく阻害していた。

ちなみに、直流機の応答は３〜10msであり、
誘導電動機をベクトル制御する場合もその程度の
応答が要求されるが、上述したような定常状態の
補正方式の場合は応答が0.5sec程度と過渡応答が
極端に悪くなつて工作機などのトルク制御には使
用できないという欠点がある。

本発明は、このような従来の制御方式の欠点を
解消して、定常的にも過渡的にも磁化電流を目標
値に合うように制御し、応答性が良く、電動機定
数に依存しないトルク制御装置を提供することを
目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明の誘導電動機
のトルク制御装置は、２次電流指令値I₂ ^*′と励磁
電流指令値I_e ^*とから誘導電動機に交流電流指令
を与えるベクトル制御による誘導電動機のトルク
制御装置において、前記２次電流指令値I₂ ^*′及び
磁化電流指令値I_n ^*に基づいて得られるすべり周
波数推定値v_s ^*を、前記磁化電流指令値I_n ^*と電動
機の端子電圧及び電流に基づいて演算された磁化
電流検出値I_nとの偏差ΔI_nによつて補正するすべ
り周波数補正回路を設け、かつ前記磁化電流指令
値I_n ^*と前記磁化電流検出値I_nとの偏差ΔI_nに比例
した値k_pΔI_nを前記磁化電流指令値I_n ^*に加算し
て前記励磁電流指令値I_e ^*としことを特徴とする。

〔作用〕

本発明のトルク制御は次に説明する制御原理に
よる。

すなわち、１次電流指令値I₁ ^*は励磁電流指令
値I_e ^*と２次電流指令値I₂ ^*′のベクトル和によつ
て与えられており、励磁電流指令値I_e ^*は励磁電
流ベクトルI_n′とほぼ同位相の関係にある。この
ため、磁化電流偏差によつて励磁電流指令値I_e ^*
を介して制御すると効率よく励磁電流が制御され
る。この制御は、磁化電流偏差ΔI_nを励磁電流制
御系によつてk_p倍に増幅し、磁化電流指令値I_n ^*
に加えて励磁電流指令値I_e ^*＝I_n ^*＋k_p・ΔI_nとし
て励磁電流を制御する。このため、電動機２次回
路の時定数T₂をゲインk_pで除した応答に改善さ
れ、励磁電流指令値への応答と負荷などの外乱に
対する過渡応答が小さくなる。しかし、k_pΔI_nは
１次電流の振幅に変化を及ぼすため、定常的にk_p
ΔI_nが残留するとトルク成分電流に影響を与え、
トルク特性にも影響を及ぼす。従つて、定常的に
はk_pΔI_nを時間積分し、これによつてすべり周波
数を調整し磁化電流の偏差を０にするような制御
系とする。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。

第２図は本発明によるトルク制御装置の構成を
示すものであり、第１図に示した構成の従来装置
における磁化電流制御部１３に１８のブロツクで
示す構成の励磁電流制御部を加え、励磁電流制御
による磁化電流の閉ループ制御系を追加したもの
である。図中１３′は本発明の構成における磁化
電流制御部、１６は積分増幅器、１７は周波数補
正器である。なお、第２図において、第１図と同
一構成の要素は同一符号で示した。

本発明における励磁電流制御部１８は以下のよ
うに構成される。即ち、磁化電流指令値I_n ^*と磁
化電流検出値I_nとの偏差ΔI_nを比例増幅器１４に
与えて出力k_pΔI_nを得、これを加算点１５に加え
て励磁電流指令値I_e ^*＝I_n ^*＋k_pΔI_nをつくり、励
磁電流指令値I_e ^*は電流指令演算部４及び２相／
３相変換器５を介して電動機２を励磁し磁化電流
を制御する。

励磁電流制御部１８は、励磁電流指令値I_e ^*に
よる２次電流成分と磁化電流検出値I_nの電動機内
部における空間的位相がほぼ等しいため、有効に
磁化電流の制御が行われ、時間的遅れ要素は電動
機の２次回路時定数のみで振動項を含まない。ま
た、２次回路時定数による遅れは、励磁電流制御
部１８のループゲインを大きくとることによつて
充分小さくできる。

第３図は本発明と従来のすべり周波数演算方式
（第１図の構成の装置）の試験結果によるトルク
特性の比較を示すグラフであり、回転子温度を
115℃に想定したときのすべり周波数を設定し、
40℃においてトルク特性を比較したものである。
ａは従来のすべり周波数演算方式、ｂは本発明の
場合を示す。なお、同図において単位はパーユニ
ツト（P.U.）法によつた。ちなみに、115℃では
両者特性は一致し、本発明の装置がすべり周波数
の設定値や電動機の定数変化、特に回転子の抵抗
値変化に影響されないことが分る。

第４図及び第５図は従来方式の装置及び本発明
の装置において２次電流指令をステツプ状に急変
させた場合の電気的トルク変動を測定したタイム
チヤートを示す。第４図の場合は、ａに示すステ
ツプ状の２次電流指令を与えた場合に、励磁電流
指令はｃに示すように不変であるため、電気的ト
ルクはｂに示すように緩慢にち上がり、応答が遅
いことが分る。これに対して本発明の場合は、第
５図に示すように２次電流指令の急変に対して励
磁電流指令が瞬時的に大して磁化電流を補正する
ので、電気的トルクはｂに示すように短時間で立
ち上がり、応答性を著しく改善することができ
る。

〔発明の効果〕

上述したように本発明によれば、下記の効果を
奏する。

電動機定数の変化やすべり周波数の設定精度
に依存することなく指令値に対応したトルクを
迅速に制御することができる。

急荷急変のときも、磁束の追従性がよくトル
ク特性への悪影響を生じない。

磁化電流の目標値が急変するような界磁制御
の場合も磁化電流が追従し、急加減速の定出力
制御を行うことができる。

温度変動による定数変化によつて電動機の端
子電圧が変動しないため、電流変換装置の能力
を充分に生かすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はすべり周波数補正を行つた従来の制御
装置の構成を示すブロツク図、第２図は本発明の
構成を示すブロツク図、第３図は本発明と従来装
置のトルク特性を比較するグラフ、第４図は従来
装置の応答性を示すタイムチヤート、第５図は本
発明装置の応答性を示すタイムチヤートである。 １……３相電流形変換器、２……３相誘導電動
機、３……速度検出器、４……電流指令演算器、
５……２相／３相変換器、６……２相正弦波発生
器、７……割算器、８……磁束演算器、９……定
数器、１２……掛算器、１３′……磁化電流制御
部、１４……比例増幅器、１５……加算点、１６
……積分増幅器、１７……周波数補正器、１８…
…励磁電流制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２次電流指令値I₂ ^*′と励磁電流指令値I_e ^*と
   から誘導電動機に交流電流指令を与えるベクトル
   制御による誘導電動機のトルク制御装置におい
   て、前記２次電流指令値I₂ ^*′及び磁化電流指令値
   I_n ^*に基づいて得られるすべり周波数推定値v_s ^*
   を、前記磁化電流指令値I_n ^*と電動機の端子電圧
   及び電流に基づいて演算された磁化電流検出値I_n
   との偏差ΔI_nによつて補正するすべり周波数補正
   回路を設け、かつ前記磁化電流指令値I_n ^*と前記
   磁化電流検出値I_nとの偏差ΔI_nに比例した値k_p
   ΔI_nを前記磁化電流指令値I_n ^*に加算して前記励
   磁電流指令値I_e ^*としたことを特徴とする誘導電
   動機のトルク制御装置。