JPS5851788A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は誘導電動機の制御装置に係り、特に、かご形誘
導電動機を可変周波可変電圧インバータで駆動するに最
適な誘導電動機の制御装置に関する。

交流電動機の中でも、かご形誘導電動機は、構造が最も
簡単かつ堅ろうであり、完全ブラシレスのため保守が最
も容易であるなど電動機としてのメリットが多いので、
以前から、このかご形誘導電動機を用い、過渡特性を含
めて直流電動機と同等の性能を得るベクトル制御方式の
研究開発が進められてきた。

ベクトル制御方式は、分巻直流機のトルク発生原理を基
本として誘導機のそれらをとらえ返し固定子電流の瞬時
値制御によって、分巻直流機の場合整流作用によシ、磁
界の方向と電慎子電流の位相が固定され、スカラ量で考
えることができるが、交流機の場合、回転磁界上で考え
なければならず、その意味で、ベクトル制御と称してい
る。

一般に分巻直流機のトルク発生機構は主磁束φに対しつ
ねに電機子電流ｉ、が直交するように整流子で電流の切
換え動作を行なっている。したがって発生トルクＴ、は
次式のような関係になり、主磁束φが一定であれば電機
子電流ｉ、に対し線形特性が得られる。

Ｔ、　ｏｃ　ｉ　、φ この基本的な関係を誘導電動機に適用するならばφは回
転子磁束ベクトルφｉ、・ｉ、は回転子（２次）電流ベ
クトルｉ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制御すればよい。

ベクトル制御方式は、直流機の整流機能を制御的に代行
し、磁束ベクトルと、電流ベクトルの直交関係を保証す
るものであり、主磁束成分電流ｉ。

と、これと直交するトルク成分電流ｉ、とを合成して固
定子電流として指令すれば、特性はすべて、直流機に等
価なものになり、発生トルクの非線形性および、磁束応
答の影響を除去することができる。

ベクトル制御を実現する具体的な装置は種々試みられて
いるが、電流指令方式でベクトル制御を行う一例は特開
昭５１−ｘｘ１２ｓｍ導機の制御装置」に見られる。か
かる装置は、第１図に示すように、 （励磁電流Ｘ０）＝（を次無効電流成分１１Ｂ）と近似
しているため、電動機の負荷が変化した場合の１次電流
のベクトル軌跡は第１図中のＡ−Ｂ−０点のように変化
する。しかし１、実際は第２図のベクトル図に示すよう
に１電動機の１次電流は１、ｒ　＝　Ｉ　ｏ　十Ｉ　！
’　　　　　　　　　・・・・・・（１）のベクトル合
成であシ、１次電流Ｉ、のベクトルの先端Ｐ点の軌跡は
曲ｌＩＦで示されるような円線図に近い軌跡をたどる。

このようにトルク電流成分指令値とすべり周波数指令値
を比例関係で固定しているために、回転子２次抵抗値の
変化や指速発電機の検出誤差によって実際のすべり周波
数が変化し、ひいては有効磁束が所定の値に保たれず、
必要以上の１次電流を流して速度を平衡させたり、過渡
的トルク脈動を生じたシする欠点がある。回転子２次抵
抗値は回転子の温度で変化するが、この回転子の温度を
検出することは実際には不可能であシ、温度による補正
は行うことができない。

特に大容量機のベクトル制御を行う場合には、すべり周
波数が小さく磁束変化の時定数が長いために自動補正は
必須と表っている。この補正の一方法として、磁束を演
算によって求め、この演算磁束が検出磁束（１次電流、
１次電圧の各２相信号に基づいて算出）に等しくなるよ
うにし２次抵抗値を調整する装置が特公開５４−１４７
４１６「誘導電動機の制御装置」として提案されている
が、構成が複雑になる欠点がある。

本発明の目的は、かご形誘導電動機の回転子の２次抵抗
値変化と速度検出誤差を自動的に補、正することのでき
る誘導電動機の制御装置を提供するにある。

本発明は、かご形誘導電動機の１次電流工、を、Ｌ＝Ｌ
ｍ（有効電流）なＬｔ（無効電流）として有効電流と無
効電流との合成で制御するものにおいて、トルク電流成
分指令値に基づいて無効電流指令値及びすべり周波数指
令値を演算してベクトル制御を行うと共に、電動機の１
次電圧の指令値を演算によって求めて１次電圧が指令値
と一致するようにすペシ周波数を制御するようにしたも
のである。

具体的には、トルク電流成分指令値ＩＩＢから無効電流
成分指令値ＩＩｓおよび、すべり周波数指令値８Ｆ、を
正確に演算して、その指令値を基準として誘導電動機の
１次電流とすべり周波数を制御し、さらに、１次電圧の
有効分電圧の指令値Ｅｒａを演算して実際の有効分１次
電圧がこの指令電圧と等しくなるようすベシ周波数を制
御し、有効磁束を一定に制御するようにしたものである
。

すなわち電圧ベクトルについてみると、２次電圧の１次
側換算ＥＩは磁束ベクトルΦより９０’進んだ位相にあ
シ、下記で示される。

Ｅ！＝２π’ｓ　Ｌｏ　Ｉｏ　　　　　　　　　　　−
−（２）但しｆｌ・・・１次周波数 Ｌｏ・・・励磁インダクタンス（＝−”−）２π　ｆ 工・・・・励磁電流 Ｃ）式で示されているように、Ｅｒは励磁電流Ｉ。

が一定であれば（励磁が一定を意味する）ＥＩは１次局
波数ｆ１に比例している。

従って、Ｅｒから第２図に示すベクトル図のように、１
次電圧ＥＩは（３）式で示される。

Ｅ、＝Ｅ、＋　Ｉｔ　（ｒｒ　＋　Ｊ　Ｘｔ　）　　　
　　　　・”−（３）ここで、１次電圧Ｅ１のＥ【と同
じ位相の電圧成分Ｅ１ｍは（２）、（３）式から比較的
容易に予定値を算出することが出来る。従って計算で求
め九Ｅ１；となるように、実際のＥｓＲｌｋすべり周波
数を補正することにより制御すれば、結果的に実際の励
磁電流１．　　（又は磁束）は一定に保たれる。

本発明の詳細な説明の前に本発明の原理を第２図に基づ
き説明する。誘導電動機の１次電流中のトルク電流成分
ＩＩＲ及び励磁電流指令値■。

よ９２次電流中の無効電流成分１次換算値の指令値Ｉ’
１ｇは（４）式で計算される。

Ｌ、・・・励磁インダクタンス 一方、１次電圧Ｅ１は前述の（３）式で計算される値に
なる筈であるから、１次電圧ｇ１０Ｆ、′２と同じ位相
の電圧成分の指令値ＥＩＲは（５）式で示される。

Ｅｓｍｔ＝＆’＋Ｉ、　　ｒ、ａｍ　ｃｐ−■、ｘ１ｓ
ｉｎψ＝２π’ＩＬＪｏ＋ＩＩＲＩｒ！　Ｉｌｌ’２π
ｆＩＴＪＩ・・・・・・（５） ここで、 ＥＥ＝２πＦ１　・Ｌｏ　嗜Ｉｏ”　　　　　　　””
（６）Ｆｌ・・・１次周波数指令値 φ　・・・２次電圧Ｅ′２を基準とした１次電流１：の
位相角計算値 ｒ、・・・１次巻線抵抗値 Ｌ□・・・１次巻線もれインダクタンス１次電圧のＢｊ
と同相成分であるＥｉＩＬヲ交流−直流変換回路で実測
し、この値が１次電圧のＥＩとの同相成分指令値Ｅ１ｍ
と等しくなるようＫすベシ周波数を補正すれば、励磁電
流Ｉ０は励磁電流指令値Ｉ０に等しくなっている筈であ
る。

本発明はこのような考え方に基づいて構成したものであ
り、次に実施例を具体的に説明する。

第３図は本発明の実施例を示すブロック図である。

第３図において１は電源、２は可変周波可変電圧形イン
バータ、３は９・と形誘導電動機（以下電機と略称する
）、４は電動機３の回転速度信号を得るための指速発電
機、５は回転速度指令電圧を得るための分圧抵抗器、６
は加算器、７Ｆｉ演算増巾器、８は関数発生器、９は掛
算器、１０は加算器、１１．１２は係数器、１３は加算
器、１４は励磁電流指令値■。を与えるための信号線、
！５は加算器、１６は電圧周波数変換器、１７．１８は
掛算器、１９は加算器、２０は演算増巾器、２１は変流
器で、１６．１７．１８．１９，２０゜２１は簡単の為
１相分を示しているが、例えばインバータ２が３相イン
バータであれば１６，１７゜１８．１９，２０．２１は
３相分の部品が夫々用意される。２２は指速発電機４の
出力信号を演算電圧に変換するための速度検出回路、２
３は電動機１次電圧を検出するための変成器または分圧
器、２４は後述する交流−直流変換回路、２５は掛算器
、２６，２７．２８は係数器、２９．３０は加算器、３
１は演算増巾器である。

電源１（３相交流）の電力はインバータ２を介して負荷
であるかご形誘導電動機３に供給される。

インバータ２はサイリスタ等の半導体素子で構成され、
通流角を制御することにより、電動機３の１次励磁電流
が制御される。従来よシの制御系は、回転速度指令と実
速度（相速度発電機４の出力）との偏差を生成する加算
器６〜掛算器１７に至る有効電流演算系、および励磁指
令に基づいた制御指令を生成する掛算器１８までの無効
電流演算系により−られたｉ出力信号を合成し、インバ
ータ２を駆動するための制御信号を生成する加算器１９
、演算増巾器２０、変流器２１よりなる系である。

本発明はかかる系に対し、すべり周波数指令値ＳＦ、ｆ
：補正するだめの系、すなわち半々ｈ補正量ΔＦを算出
するための交流−直流（ＡＣ／ＤＣ）変換回路２４、掛
算器２５、係数器２６．２７゜２８、加算器２９，３０
、より成る演算系を加えたものとして考えることができ
る。

次に、第３図に示した実施例の動作を説明する。

電動機３０回転速度の指令値は分圧抗器５で与えられ、
速度検出回路２２よりの速度信号と加算器号が零になる
ように速度制御が行われる。演算増巾器７の出力は電動
機３に対する１次電流のトルク電流分指令値１１ｍを示
しておシ、関数発生器８、掛算器９，１７に加えられる
。関数発生器８はムが一定の場合はＫＩＩＲ／Ｉ（を出
力するように設定されている。こ゛こでＫは（７）式示
す値で、ｌよシもやや大きな値で以下の計算の補正係数
の役目金持っている。

・・・・・・（７） 関数発生器８の出力は掛算器９、係数器１１を経て加算
器１３に加えられるが、本制御系統図からも明らかなよ
うに、係数器１１の出力、即ち、２次電流の無効電流成
分指令値Ｉ’！Ｉは、畳　畳Ｌ！ Ｉｆ　ｔ　＝Ｋ・−・（Ｉｔｓ　）　”　／　Ｉｏ　　
　　　・・・・・−（８）Ｌ。

の値を出力しておシ、実際の無効電流成分と実用範囲で
一致させることが出来る。

励磁電流の指令値Ｉ０は信号線１４で与えられ、加算器
１３で係数器１１からの出力信号と加算され、掛算器１
８へ電動機１次電流の無効電流成分指令値Ｌａｘ　　と
して加えられる。

一方、関数発生器８の出力信号は係数器１２に加えられ
、係数器１２はｒに／２πＬ０に設定されているから、
係数器１２の出力信号、即ち、すべり周波数指令値８Ｆ
１は が得られ、すべり周波数の理論値と実用範囲で一致する
。

ここでＲは電動機２次巻線抗値の１次側換算値である。

今、演算増巾器３１からの補正信号が零であったとする
と、加算器１０の出力信号は（９）式の値を示しており
、速度検出回路２２の出力信号は（１−８）Ｆｌを示し
ているから、加算器１０の出力信号と加算器１５加算さ
れ、周波数の指令値Ｆ。

となる、従って、 Ｆｓ　＝　（１８）　Ｆｔ　＋　８Ｆｔ＝Ｆ、　　　　
　　　　　　　　　・・・・・（１０）となる筈である
。しかし、実線の条ｋ）周波数は電動機の２次巻線抵抗
値ｒ、が温度によシ変化し、また、速度検出回路２２の
出力信号も誤差を含んでいるから、前述の演算回路で求
めたすべり周波数指令値ＳＦ、と実際ノ条々ト周波数と
は必ずしも一致していない。この不一致は結果的に実際
の励磁電流！。の減少、又は過剰という結果を招いて、
効率の低下や過渡的トルク脈動を生じるなどの不利益を
生じる。この例を第４図に基づいて説明する。

第４図は電動機の１次電流■、の大きさと、すベシ周波
数８Ｆ、とを一定に保ち、２次巻線抵抗値ｒ、が１００
％で示す所定の値から変化した場合の電動機トルクおよ
び１次電圧Ｅ１の特性例である。

例えば、２次巻線抵抗値が７０％に減少すると１次電圧
は約１０％減少し、発生トルクは２４％減少する。

このことは電動の巻線温度によって、電動機の特性が大
巾に変化して、同じ１次電流を流しても、発生トルクは
低下してしまう場合があることを意味している。そこで
本発明は励磁電流に関係した電動機０１次電圧のＥｙと
の同相成分Ｅ１ｍが等しく゛なるように、すべり周波数
を自動的補正し、前記不利益を解消しようとするもので
おる。

第３図にシいて掛算器２５、係数２６．２７゜２８、お
よび加算器２９は電圧の指令値Ｅ１ｍを演算するための
もので、係数器２６にはｒ、が、係数器２７には２　ｙ
ｒ　Ｌ　１が、係数器２８には２πＬｏ。

■。がそれぞれ設定されるから、図示構成からも明らか
なように、加算器２９出力信号には、となり、ＥＩＢの
予測値を演算で求めることができる。但しＩＩＫのペタ
トル方向は遅れ位相であるから負の数とする。

一方、電動機の１次電圧は分圧器（又は変成器）２３で
検出され、交流−直流変換回路２４に導かれ、ＥＩと同
相成分の電圧ＥＩＩＩに比例した直流電圧が検出される
。

第５図は交流変換回路（ＡＣ／ＤＣ）変換回路）２４の
詳細ブロック図である。図に示す例は３相電源の場合で
あシ、変圧器２３よシ得る１次電圧はｕ、ｖ、ｗの３信
号が填込まれる。ＡＣ／ＤＣ変換回路２４は掛算器２４
１，２４２，２４３、加算器２４４、フィルタ２４５お
よび係数器２４６より構成される。掛算器２４１〜２４
３は１次電圧ｇ、ｖ、ｗと電圧−周波数（Ｖ／：Ｆ）変
換器１６の出力ａ、ｂ、ｃ、との掛算器２４４はＶ／Ｆ
変換器１６の３つの出力信号を加算し、フィルタ２４５
を介して不要信号を除去したのち係数器２４６に出力す
る。

今、分圧器２３から検出された３相交流電圧信号をｕ、
ｖ、ｗ、とし、電圧周波数変換器１６からの３相正弦波
信号’Ｉｊ’　ａｍ　ｂ＊　Ｃｅ　、とし、ｕ＝Ｅ−鋤
（ωを十〇） ｖ＝Ｅ１８１ｆｌ（ωｔ＋θ−１２０°）ｗ＝）ｉ：１
ｓｉｎ（ωを十〇−２４０１１１＝ｌ市ω　ｔ ｂ＝−（ωｔ−１２０°） Ｃ＝８ｉＩｌ（ωｔ−１２０°） として夫々の積和を求めると、 ｘ＝ａｕ＋ｂｙ＋ｃｗ ＝１．５Ｂ、００１１０　　　　　　　　・−・−（１
１）とな９１次電圧のＢｇと同相成分Ｅ１１１に比例し
た直流電圧が得られる。

実際は電圧ｕ、ｖ、ｗ中に高調波成分を含んでいるので
、フィルタ２４５をもって平滑し、係数器２４６で所定
の値に設定してＥｌｍの検出信号となる。

このようにして検出されたＥｌの実測値と電圧指令値Ｅ
　１　ｍ　　とを第３図に示す極性で加算器３０で加算
し、加算器３０の出力信号、即ち電圧の偏差信号が零と
なるように演算増巾器３１、加算器１０を経てすべり周
波数の指令値を自動的に補正する。

例えば、電圧の指令値ＥＩＲよりも実際値Ｅ　Ｉ　Ｒが
小であればすべり周波数の指令値を小さくすることによ
り実際のトルク成分電流１１ｍは減少し、１次電流の絶
対値工、は所定の値に制御されているので無効電流成分
ＩＩＩが増加し、励磁電ｍＩ。が増加して電圧Ｅ１ｍが
所定の値に保たれる。

このことは励磁電流■。が一定に制御されることを意味
し、前述したような励磁電流を制御しない場合の不利益
は除去される。

第３図において加算器１０と１５は説明の都合上、２個
に分離して示しているが、１０と１５を１つの多入力加
算器としてもよい。また、係数器２６．２７．２Ｂ、加
算器２９．３０、演算器３１は１つのアナログ演算器回
路に納めることができるが、公知の技術であるので詳細
な説明は省略する。

以上の実施例の説明においては関数発生器８の特性を純
理論値で示したが、電動機の実測特性に合わせて若干の
補正を行い得ることは勿論である。

また、本発明の演算制御をデジタル演算器を用いてＤＤ
Ｃ（Ｄｉｒｅｃｔ　］）ｉｇｉｔａｌ　（：’ｏｎｔｒ
ｏｌ）としても本発明の効果に変りはない。

第５図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。

第５図においては、第３図で示したと同一部材であるも
のには同一符号を付している。本実施例は、第３図に示
した実施例により関数発生器８を除去し、該関数発生器
８１を演算増幅器７と掛算器１７との間に挿入したもの
である。関数発生器８１は関数発生器８の逆数が設定さ
れており、かかる関数発生器をトルク成分電流（有効分
）指令値の演算回路系中に設けても、第３図の実施例に
よる場合と等価な効果を得ることができる。

前述の関数発生器を除き、他の構成は同一であるので説
明を省略する。

なお、交流−直流変換回路は同期室温との積和による検
出方法を示したが、１次電圧ＥＩ　と２次電圧の１次換
算値Ｅｆとの位相角ψは通常の運転範囲では１０°以下
と小さいので、単に整流回路とフィルターで直匹電圧信
号に変換してもその誤差はわずかである。その場合、正
逆転の回転方向に応じて、電圧検出値金相回転方向と連
動して正負に切換えれば４象限運転にも適合できる。

また、１次電圧のＥＥに対する無効分指令値Ｅｒａは、 で求められるから、 の演算で求めた１次゛域圧の絶対値と１次電圧の実際値
とが一双するように＋々ｈ周波数を制御しても全く同じ
効果が得られる。

この場合も前記同体、相回転方向と運動して電圧指令値
と電圧の実際値の極性を正負に切換えるか、偏差信号の
極性を正負に切換えれば４象限運転に対応させることが
できる。

以上、詳述したように本発明の実施例によれば、従来の
ように磁束センサを用いたり、或いは複雑な構成による
演算を行うことなく具体的に次に列挙する如き効果を得
ることができる。

（１）磁束が一定に保たれるので、無用の無効電流や、
予定以上のトルク電流分ヲ流さないので効率の良い運転
ができる。

（２）過渡的トルク脈動がなくなる。

（３）磁束センサやその配線ケーブルが不要になる。

以上よシ明らかな如く本発明によれば、かご形誘導電動
機の回転子の２次抵抗値の温度変化および速度検出誤差
による影響を補正し、励磁電流を一定にすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のベクトル制御の説明図、第２図は本発明
の詳細な説明する説明図、第３図は本発明の実施例のブ
ロック図、第４図はすベシ周波数指令と実際のすべり周
波数との不−玖による影響を説明するだめの説明図、第
５図は第３図に示した交流−直流変換回路２４の詳細ブ
ロック図、第６図は本発明の他の実施例のブロック図で
ある。 １・・・電源、２・・・可変周波可変電圧インノ（−タ
、３・・・かご形誘導電動機、４・・・指速発電機、６
，１０゜１３．１５，１９，２９．３０・・・加算器、
８，８１・・・関数発生器、９．１７，１８．２５・・
・掛算機、１１．１２，２６，２７．２８・・・係数器
、１６・・・電圧−周波数換器、２２・・・速度検出回
路、２３・・・変成器、２４・・・交流−直流変換回路
、２６．２７゜茅５０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転速度指令値と電動機の実除の回転速度との偏差
   値に基づいて生成したトルク電流成分指令値および前記
   偏差値と励磁電流指令値に基づいて生成した無効電流成
   分指令値の各々に対し、すべり周波数指令値および前記
   回転速度により生成される周波数指令値に基づいて生成
   した多相正弦交流信号を乗じて生成した２つの信号の加
   算値に基づいて１次電流指令値を演算し、該演算と１次
   電流の実際値とが等しくなるようにかご形誘導電動機を
   制御する制御装置において、１次電流中のトルク電流成
   分値、無効電流成分値および周波数指令値の各々に基づ
   いて１次電圧指令値を予測演算する第１の演算部と、該
   演算部で予測した１次電圧指令値と１次電圧の実際値と
   の偏差を求め該偏差によシすペリ周波数を補正する第２
   の演算部とを具備することを特徴とする誘導電動機の制
   御装置。 ２　上記１次電圧指令値の予測値および実際値は、前記
   誘導電動機の２次電圧と同相成分であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の誘導電動機の制御装置。