JPS5951236B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は周波数変換装置で駆動される誘導電動機のベク
トル制御に係り、特に１次電流を所定の制限値以下に制
限するための手段を具備した誘導電動機の制御装置に関
するものである。

〔発明の技術的背景〕

近年、誘導電動機のｌ次電流を位相まで制御することに
より直流機と同等の性能を得ることができるベクトル制
御方式が開発され、誘導電動機の堅牢安価なことと相俟
つて注目されている。

ベクトル制御の原理についてはすでに多くの発表がなさ
れているので、ここでは第１図に示す誘導電動機のベク
トル図によつて簡単に説明する。第１図は誘導電動機の
２次巻線と鎖交する２次磁束φ２を基準として１次電流
ｉ哨および２次電流ｉｉの関係を示したベクトル図で、
２次磁束の方向をｄ軸とした直交するｄ−ｑ座標系で表
わしたものである。Ｍ、Ｌ。および丁。は誘導電動機定
数であり、Ｍは１次と２次巻線との相互インダクタンス
、Ｌ。は２次巻線の自己インダクタンス、Ｔｌは２次巻
線時定数である。また、ω、は２次磁束と回転子とのす
ベー角速度であり、Ｐは時間微分を表わす演算子である
。ｊ 電動機の出力トルクＴは磁束の大きさと、その磁
束が鎖交している巻線に流れる電流の直交成分との積で
表わされるから、第１図の関係から１次電流ｉｉ（７）
ｑ軸成分ｉ、、を用いて（１）式で表わすことができる
。

Ｔ−φ。

ｉ、ｑ（１）式また、２次磁束振幅φ。

はｌ次電流ｉ情のｄ軸成分ｉ、Ｏにより、（２）式で表
わされる。Φ２−・ ｉｌｄ（２）式１＋Ｔ２Ｐ （１）および（２）式は、誘導電動機の特性をｌ次電流
成分ｉ、Ｏ、ｉ、ｑによつて支配できることを意味する
もので、ｑ軸成分ｉ、ｑの制御によつて出力トルクＴを
変化させることができ、ｄ軸成分ｉ、。

によ・つて２次磁束の制御ができることが分かる。２次
磁束の大きさ、および出力トルクの指令値が与えられた
とき、それぞれの指令値を満足するように（１）式およ
び（２）式に基づいてＩ，。

およびＩ，ｑを制御することがベクトル制御の基本原理
である。第２図はトルク指令Ｔ※とと磁束指令φ。が与
えられ、ベクトル制御をする場合の一構成例を示すプロ
ツク図である。第２図において １は３相の１次巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを有する誘導電動機、２
は誘導電動機１の各相に１次電流Ｉ，ｕ，ｉ，ｖ，ｉ，
ｗを供給する周波数変換装置、３は周波数変換装置２の
人力交流母線、 ４は誘導電動機１の回転速度ωｒを検出する速度検出器
、５は磁束制御回路で、与えられた指令値φ。

と磁束の帰還信号φ。とを比較し、両者が等しくなるよ
うに比較結果に応じて、ｄ軸電流の指令値ｉ１゛゛ｄを
出力する。６は磁束演算回路で、ｄ軸電流の指令値Ｉ，
ｌ。

と実際値Ｉ，。とが等しいものとして（２）式によつて
Ｉ，ｌｄから磁束振幅φ。を演算する。この磁束演算回
路６で演算された磁束振幅φ。は磁束制御回路５へ帰還
されると同時に割算器７にも与えられる。割算器７では
（１）式に基づいて、誘導電動機１が指令されたトルク
Ｔ※をを出力するのに必要なｑ軸電流の指令値ｉｌ＊，
を算出する。

この結果、磁束制御回路５および割算器７の出力として
それぞれ１次電流のｄ− ｑ軸成分指令値ｉｌ＊。およ
びｉ１＊，が得られる。８は振幅演算回路で、直交成分
であるｄ− Ｑ．軸電流指令値ｉｌ＊、， ｉｌ＊ｑか
ら次の（３）式によつて１次電流の振幅指令１１＊を演
算する。

９は位相角演算回路で、第１図から明らかなように（４
）式により１次電流と２次磁束との相対位相角の指令値
θ※をを演算するものである。

１０はすべり演算回路で、所定のベクトル関係を維持す
るために必要なすべり角速度ω，を演算する。

すべり角度ωＳは第１図のベクトル図の関係から、（５
）式の演算で求められる。１１は加算器で、すべり演算
回路１０で演算されたすべり角速度ω。

と速度検出器４により検出された回転速度ω，とを加算
する。加算器１１の出力ωｒ＋ωｓは２次磁束の回転速
度である。１２は積分器で、加算器１１の出力ω，＋ω
。

を積分し、２次磁束の回転位相角θ゜を出力する。１３
は加算器で、積分器１２の出力として得れる２次磁束の
瞬時位相角θ。

に位相角演算回路９で演算された相対位相角θ＊をを加
算し、第１図のようなベクトル関係を維持するために必
要な１次電流の瞬時位相角指令θ＊１を出力する。振幅
演算回路８および加算器１３から出力される、１次電流
の振幅および位相角の指令値１１＊，１１＊が周波数変
換装置２に与えられる。周波数変換装置２は両指令値１
１＊，θ１＊に応じた各相の１次電流Ｉ，ｕ，ｉ，ｖ，
ｉ，ｗを誘導電動機１に供給し、１次電流基本波ベクト
ルの大きさおよび位相角がそれぞれ１１＊およびθ１＊
に等しくなるように制御される。この周波数変換装置２
はインバータやサイクロコンバータ等の電力変換装置と
その電流制御回路で構成されるが、周知のものなので詳
細説明は省略する。このようにしてｌ次電流の磁束と同
相成分Ｉ，ｄおよび直交する成分Ｉ，，とを分離して制
御することができるため、直流機と同じように磁束制御
およびトルク制御が可能であり、トルク制御ループの外
側に速度制御ループを付加することにより、安定で速応
性の優れた速度制御装置が実現される。

ただし、そのためには、誘導電動機１に供給されるｌ次
電流がその指令値Ｉ＊１およびθ−１に良く追従してい
ることが必要である。特に、ｄ− ｑ座標系上での電流
指令値ｉ１１＊Ｄ，ｉｌ＊。によつて定められる（３）
，（４）および（５）式の関係を満足するようなｌ次電
流を誘導電動機１に供給しなければ、実際の１次電流の
ｄ− ｑ軸成分Ｉ，ｄ，ｉ，，はその指令値ｉｌ＊Ｄ，
ｉｌ＊ｑと異なつた量となり、高速応答を実現すること
はできない。例えば、周波数変換装置２の電流定格以下
で運転するために、振幅演算回路８の出力である電流振
幅指令１１＊を制限値以下に制限すると（３）式の関係
は満足されなくなる可能性がある。

従つて、（３）〜（５）式の関係を満足し、かつ電流振
幅が周波数変換装置２の電流定格以下になるようにする
にはｄ−ｑ軸電流指令値１１，ｉ１＊９を制限する必要
がある。〔背景技術の問題点〕 そこで、従来は振幅指令１１＊の制限値１１Ｍに対して
（６）式の関係を満足するようなｄ−ｑ軸電流指令１１
，ｉ１の制限値１１ｄＭ，およびＩｌｑＭを設定し、そ
れぞれの指令値をＩｌ，ＭおよびＩｌｑＭ以下になるよ
うに制限していた。

ｄ−ｑ軸電流指令値１１およびｉ１を制限することによ
つて、電流振幅を周波数変換装置２の定格以下に抑制す
ることができ、所定のベクトル関数が維持され高速応答
が実現される。

しかしながら、上述のようなｄ−ｑ軸電流指令１１およ
びｉ１＊，の制限は電流変換装置の運転能力を低減させ
る結果を招く。このことを第３図を参照しながら次に説
明する。第３図は（６）式の関係を満足するようにｄ−
ｑ軸電流指令１１，ｉ１＊，の制限値１１ｄＭ，ｉ１９
Ｍを設定したときに、電流を使用できる領域を斜線で示
したものである。

円の半径は１次電流の振幅制限値１１Ｍであり、この円
内が周波数変換装置２の電，流定格内で動作できる範囲
である。（６）式の関係から、ｄ軸電流の制限値１１ｄ
Ｍを小さく設定するほどｑ軸電流の制限値１１，Ｍを大
きく設定でき、誘導電動機１の出力トルクを充分に得る
ことができる。

しかし、磁束を可変制御する．ためにはｄ軸電流の制限
値１１ｄＭを余り小さくすることはできない。（２）式
を変形すれば、磁束振幅φ２とｄ軸１１，との関係は次
の（７）式のように表わされる。すなわち、磁束振幅φ
２を変化させるためには、φ２に比例した成分とφ２の
変化率（Ｐφ２）に比例した成分を加えた大きさのｄ軸
電流１１，が必要である。

従つて、ｄ軸電流の制限値１１，Ｍを余り小さくすると
、φ２の変化率分の成分が小さくなり高速に磁束制御す
ることができなくなる。このようなことからｄ軸電流の
制限値１１，、１を余り小さくすることはできず、必然
的にｑ軸電流の制限値１１ｑＭがある程度小さくなり、
誘導電動機１の出力トルクも制限される。

以上の説明から分かるように、（６）式を満足するよう
にｄ−ｑ軸電流の制限値１１ｄＭ，ｉ１，Ｍを設定する
従来の制御手段によると、第３図の円内で示される周波
数変換装置２の持つ能力のうちの斜線部で示される領域
しか使われなくなるので、容量の大きな周波数変換装置
が必要となつて装置が高価なものとなる。

〔発明の目的〕

本発明は上述のような背景に艦みなされたものであり、
１次電流の振幅が周波数変換装置の定格以下になるよう
にｄ−ｑ軸成分の指令値を制限値以下に制限し、かつ周
波数変換装置の出力電流を常に最大限まで流せるように
して、安価で高性能な誘導電動機の制御装置を提供する
ことを目的とするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するための本発明の特徴は、ｄ軸電流の
指令値１１′Ｉ′，の制限値１１，Ｍを変えられるよう
にし、その制限値１１，Ｍをｑ軸電流の指令値１１＊９
と１次電流の振幅制限値１１Ｍとの間で次の（８）式を
満足するように設定することにある。

〔発明の実施例〕第４図は本発明の一実施例の構成を示
すプロツク図で、第２図と同一符号を有するものは同一
機能を有するものであるから説明を省略する。

第４図において、１４は制限値を外部からの入力信号に
応じて変えることのできる制限回路、１５はｑ軸電流の
指令値１１′ｌ′，の瞬時値から（８）式に基づいてｄ
軸電流の制限値１１，Ｍを演算する制限値演算回路であ
る。この制限回路１４と制限値演算回路１５が第２図の
構成よりも多くなつただけで、他の部分は全く第２図と
同じである。制限値演算回路１５で（８）式に基づいて
演算されたｄ軸電流の制限値１１，Ｍは制限回路１４に
与えられ、制限回路１４な磁束制御回路５の出力１１＊
ｏの絶対値をその制限値１１ｄＭ以下に制限した信号と
してｄ軸電流の指令値１１＊６を出力する。

すなわち、ｄ軸電流の指令値の絶対値１１１１は常に制
限値Ｉ，，Ｍ以下に制限されるので、（３）式に基づい
て振幅演算回路８で演算される振幅指令１１＊は１次電
流振幅の制限値Ｉ，Ｍを超えることはない。このように
ｄ軸電流の制限値Ｉ，ｄＭをｑ軸電流の瞬時指令値ｉ１
１＊ｑに応じて変えることにより、周波数変換装置２の
電流容量を最大限まで利用した装置が実現されることに
なる。第５図はｑ軸電流指令値ｉｌ＊，とｄ軸電流制限
値Ｉ，。

Ｍとの関係を示した図で、ａはｉ１１＊ｑが大きい場合
、（ｄ）は小さい場合である。誘導電動機１の出力トル
クが大きく第５図ａのようにｉ１１＊ｑが大きい場合は
ｄ軸電流の制限値Ｉ，ｄＭが小さくなつて、低出力トル
ク時は第４図ｂのようにｉ１１＊ｑが小さくなるので、
ｄ軸電流制限値Ｉ，，Ｍは大きくなり、磁束を制御する
ための充分なｄ軸電流が確保される。本発明ではｑ軸電
流Ｉｌ，はｌ次電流の振幅制限値ＩＩＭまで流すことが
可能であるが、実用的にはｑ軸電流指令値ｉｌ＊，も振
幅制限値Ｉ，Ｍよりも小さな値で制限した方が好ましい
。

なぜなら、ｉｌ＊．ｑがＩ，Ｍと等しくなつた場合には
（８）式の関係から明らかなようにｄ軸電流制限値Ｉ，
。Ｍは０になり、結果としてｄ軸電流Ｉ，ｄは０になる
。（２）式で示したようにｄ軸電流Ｉ，ｄは磁束φ。を
支配する成分であり、定常状態においてはφ。とＩ，ｄ
は比２例関係にある。従つて、ｄ軸電流Ｉ，。が０にな
ると誘導電動機１の磁束を維持できな＜なり、出力トル
クも得られなくなる。このようなことから、少な＜とも
定格励磁電流相当のｄ軸電流Ｉ，ｄを得られる程度に、
ｑ軸電流こ指令値ｉｌ＊．もある制限値Ｉ，．Ｍ以下に
制限した方が良い。

更に、このｑ軸電流制限値Ｉ，，、，を誘導電動機１の
運転状態に応じて変えても良い。

例えば基底速度以上で磁束を弱めて定出力運転をする場
合に↓は、磁束は基底速度以上で速度に反比例するよう
に制御される。このため、加減速時には基底速度を越え
た速度の点で急束に磁束を変化させる必要が生じ、大き
なｄ軸電流Ｉ，。が要求される。このようなとき、基底
速度の近辺の速度ではｑ軸電流４制限値Ｉ，，、，を小
さ＜なるように、速度に応じて制限値Ｉ，．、，を変え
てやることにより、充分なｄ軸電流を得ることが可能と
なる。第６図は第４図における制限回路１４の詳細な構
成を示す公知の回路例である。

第６図は単一の極性の信号を制限する同一の回路を２段
直列に接続したものでである。演算増幅器Ａｌ，．抵抗
ＲｌＯ，Ｒｌｌ，Ｒｌ２，Ｒｌ３、トランジスタＴ１お
よびダイオードＤＩＯ，Ｄｌｌで構成される前段の制限
回路の動作を説明する。演算増幅器ＡＬ抵抗ＲＩＯ，Ｒ
ｌｌで周知の反転増幅回路を構成し、抵抗ＲＩＯに与え
られる入力信号（ｉ＊ＤＯ）の極性が反転された信号が
演算増幅器Ａ１の出力として得られる。

演算増幅器Ａ１の出力が正の場合には、ダイオードＤＩ
ＯによりトランジスタＴ１の回路は演算増幅器Ａ１と切
り離されるため制限回路としての動作はされない。演算
増幅器Ａ１の出力が負の場合には、ダイオードＤＩＯは
短絡状態となり、トランジスタＴ１のベース電位は演算
増幅器Ａ１の出力と抵抗１３に与えられる制限値信号Ｉ
，，Ｍとの電位差を抵抗Ｒｌ２とＲｌ３との抵抗比で分
圧したものとなる。今、抵抗Ｒｌ２とＲｌ３の抵抗値が
等しいものとすれば、制限値信号Ｉ，ｄＭよりも演算増
幅器Ａ１の出力絶対値が小さければトランジスタＴ１の
ベース電位は正になろうとするが、ダイオードＤｌｌの
動作によつてベース電位はほぼ０電位になりトランジス
タＴ１はオフし、演算増幅器の出力には入力信号（ｉ＊
ＤＯ）の極性を反転した信号が得られる。逆に制限値信
号Ｉ，．Ｍよりも演算増幅器Ａ１の出力信号の絶対値が
大きくなろうとすると、ベース電位は負になつてトラン
ジスタＴ１がオン状態となる。

トランジスタＴ１がオン状態になると演算増幅器Ａ１の
帰還抵抗Ｒ１ｌが短絡状態となるため、演算増幅器Ａ１
の出力レベルは小さくなり、結果として演算増幅器Ａ１
の出力は制限値信号Ｉ，。Ｍ以下に制限される。但し、
演算増幅器Ａ１の出力が制限されるのは前述したように
入力信号（ｉ＊ＤＯ）が正で演算増幅器Ａ１の出力が負
の場合だけであり、入力信号（ｉ＊Ｄ。

）が負で演算増幅器Ａ１の出力が正の場合には制限動作
は行なわれない。しかし、この場合には演算増幅器Ａ２
、抵抗Ｒ２Ｏ，Ｒ２ｌ，Ｒ２２，Ｒ２３、トランジスタ
Ｔ２およびダイオードＤ２Ｏ，Ｄ２ｌで構成される全＜
同一の次段の回路で制限されることは明らかである。こ
のようにして、第６図の回路により入力信号（１０）の
絶対値が制限値信号１１，Ｍ以下に制限された信号１１
＊６が演算増幅器Ａ２の出力として得られる。

第７図は第４図における制限値演算回路１５の詳細な構
成例を示す回路図で、Ｍｌ，Ｍ２は乗算器、Ａ３は演算
増幅器、Ｒ３Ｏ，Ｒ３ｌ，Ｒ３２は抵抗器、Ｐ１は可変
分圧器である。

可変分圧器Ｐ１は１次電流の振幅制限値の自乗１２Ｍを
負極性で設定され、抵抗Ｒ３ｌを介して演算増幅器Ａ３
の反転入力側へ与えられる。

ｑ軸電流指令値１１″′，は乗算器Ｍ１で泪乗され、抵
抗Ｒ３Ｏを介して演算増幅器Ａ３の反転入力側へ与えら
れる。演算増幅器Ａ３の出力１１，Ｍは乗算器Ｍ２で旧
乗され、抵抗Ｒ３２を介して帰還される。演算増幅器Ａ
３は反転入力端子へ流入する電流がＯになるように動作
するから、各抵抗Ｒ３Ｏ，Ｒ３ｌ，Ｒ３２の抵抗値を等
しく選べば、次の関係が成立する。

１２Ｍ−（１１＊ｑ）２０１２ｄＭＶ１（９）式すなわ
ち、演算増幅器Ａ３から出力される信号は（８）式を満
足する制限値１１，Ｍであることが分かる。

以上、第４図の実施例で本発明を説明したが、本発明は
この構成のベクトル制御に限られるものではない。

第２図および第４図の構成のものは回転速度ω１にすべ
り角速度ω５を加算して磁束の位置を得ることから、す
べり周波数制御形ベクトル方式と最近では呼ばれている
ものである。ベクトル制御には他に磁束位置をホール素
子等の感磁素子で直接的に、あるいは端子電圧等から誘
起電圧を求めて積分することで澗接的に検出し、その検
出された磁束位置から流すべき１次電流ベクトルの位相
を決める磁束検出形もある。この場合であつても１次電
流指令値の磁束と同相な成分１１と直交する成分１１″
′，とをベクトル合成して１次電流の振幅指令１１＊を
定めることは同じであるから、第４図の場合と全く同じ
ようにノ本発明を適用できることは明らかで゛ある。

また、最近ではマイコンが安価になつたことから、電動
機の制御回路も急速にマイコン化が進められている。そ
のため、第４図のような制御回路もマイコンのソフトウ
エア処理に置き換えられつつあるが、本発明はソフトウ
エア処理する場合には容易に達成できるものである。あ
る量を制限値以下に制限することは比較命令で容易に実
行できるので制限値回路１４のソフトウエア化は勿論、
制限値演算回路１５の機能も（８）式の関数を計算した
テーブルをリードオンリメモリ等に書き込んでおき、テ
ーブル参照方式で制限値を求めることにより容易にソフ
トウエア化することができる。〔発明の効果〕以上説明
したように本発明によれば、周波数変換装置の出力し得
る電流振幅内の範囲で、１次電流のｑ軸成分を流すこと
ができるため高速なトルク制御が可能である。

また、１次電流のｄ軸成分も電流振幅の許される範囲内
で大きく流せるので、従来のように容量の大きな周波数
変換装置を必要とすることもなく、経済的な誘導電動機
の制御装置を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は誘導電動機のベクトル図、第２図は従来のベク
トル制御を示す構成図、第３図は従来の電流制限手段に
よる電流の動作領域を示すベクトル図、第４図は本発明
の一実施例を示す構成図、第５図は本発明の動作を説明
するための電流ベクトル図、第６図は第４図の制限回路
の詳細構成例を示す回路図、第７図は第４図の制限値演
算回路の詳細構成例を示す回路図である。 １・・・誘導電動機、２・・・周波数変換装置、３・・
・交流母線、４・・・速度検出器、５・・・磁束制御回
路、６・・・磁束演算回路、７・・・割算器、８・・・
振幅演算回路、９・・・位相角演算回路、１０・・・す
ベリ演算回路、１１・・・加算回路、１２・・・積分回
路、］３・・・加算器、１４・・・制限回路、１５・・
・制限値演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘導電動機の磁束と同相な１次電流成分（ｉ＿１＿
   ｄ）と直交する１次電流成分（ｉ＿１＿ｑ）とを制御す
   ることによつて前記誘導電動機を制御する誘導電動機の
   制御装置において、前記磁束と直交する１次電流成分（
   ｉ＿１＿ｑ）の指令値ｉ＊＿１＿ｑと１次電流振幅の制
   限値（Ｉ＿１＿Ｍ）とから前記磁束と同相な１次電流成
   分（ｉ＿１＿ｄ）の制限値ｉ＿１＿ｄ＿Ｍを▲数式、化
   学式、表等があります▼ なる関係で演算する制限値演算手段と、 前記磁束と同相な１次電流成分（ｉ＿１＿ｄ）の指令値
   の絶対値｜ｉ＊＿ｄ｜を前記演算手段で演算された制限
   値ｉ＿１＿ｄ＿Ｍ以下に制限する制限手段とを備えたこ
   とを特徴とする誘導電動機の制御装置。