JPS6011555B2 - インバ−タの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電動機一次電圧Ｖと電動機一次電流の周波数Ｆ
との関係を一定に保って所定の制御を行なう、従来周知
のインバータの運転方法で、特に負荷トルクに応じてＶ
／Ｆ比を変化して所定の制御を行なう全く新しい運転方
法を提供しようとするものである。

負荷電動機に供給する電圧Ｖと周波数ＦとのＶ／Ｆ比を
一定に保って所定の制御を行なう、所謂“Ｖ／Ｆ一定制
御”なるものは従来周知である。

かかるＶ／Ｆ一定制御は実速度検出信号をフィードバッ
クせずにオープンループで制御を行なう事でよく知られ
ており、代表的なＶ／Ｆ一定制御の回路例を第１図に示
す。嵐図で１はサィリス夕を純ブリッジ接続して構成し
た順変換部で、２は一般には直列ダイオード方式のィン
バータと呼称されているもので構成され直流入力電力を
交流電力に逆変換する逆変換部で、３は直流ＩＪァクト
ルで、４は誘導電動機等の如き負荷電動機で、５は電動
機一次電圧（交流出力電圧）を検出する為の電圧検出用
変成器で、６は電圧指令信号と電圧検出信号とを比較す
る比較回路で、７は電圧偏差量を一旦増幅する電圧制御
用増幅器で、８は電動機電流とィンバータ動作周波数と
の関係を決定する回路で、９は周波数指令信号を分周す
るりングカウンタで、１０は交流入力側の入力電流を検
出する変流器で、１１は取出された交流入力電流を整流
する為のダイオードで、図では単に１個のダイオ−ドを
示してあるがよく知られているようにダイオードをブリ
ッジ接続した整流回路が適用される。１２は電流指令信
号と電流検出信号とを比較する比較回路で、１３は電流
偏差量を一旦増幅する為の電流制御用増幅器である。

かかる構成の動作はよく知られているように、与えられ
る電圧設定指令量Ｖと、これに対応した動作周波数指令
量の。

とで電動機一次電流の振幅値と周波数とを制御するもの
であるから、原理的にはＶ／Ｆ一定制御で電動機磁束を
一定に保つ磁束一定制御である。即ち電動機二次側巻線
と鎖交する磁束に影響を与える励磁電流は一定にして、
電動機トルクに影響を与えるトルク電流のみを、負荷ト
ルクに応じて適宜制御する方法であるので、力率によっ
て電動機効率が大きく左右される事である。この点を第
２図に示す譲導電動機のベクトル図を参照し乍ら詳述す
ると、第２図のｄ−ｑ軸座標系で、ｄ軸上のｌｏは電動
機磁束に影響する励磁電流を示し、これと直交するｑ軸
上のＩＴは電動機トルク、動力に影響するトルク電流（
二次電流と呼称されている）を示し、これらＩＴ，ｌｑ
をベクトル合成した１，は電動機一次電流を示す。ここ
で電動機二次側の抵抗を７２、この二次側抵抗を一次側
に換算した全抵抗を↑二次側自己ィンダクタンスをＬ２
、二次時定数をＬ２／７２、一次側−二次側の相互イン
ダクタンスをＬ２、すべり周波数をの３、ィンバータ動
作周波数をのｏ、励磁電流をｌｏ、電動機一次電圧をＶ
，とすると、よく知られているようにトルク電流ＩＴと
、電動機の発生トルクＴ及び電動機二次側の誘起電圧Ｖ
Ｌはそれぞれ以下に示すような式で表わされる。即ちト
ルク電流ＩＴ＝−２／Ｔ２・■ｓ・ｌｏ．・…．・・・
■トルクＴ＝ｋＴ・げ，２／丁２・のＳ．１２０．．・
…・・・■（但しｋＴは定数でｋＴ＝３／２・ｎ／２
ｎは極数）二次側の誘起電圧ＶＬは、ＶＬ＝ぜ，２／Ｌ
２２・山。

・ち・…．・・・・■ 従って二次側の誘起電圧Ｖしと抵抗↑（一次側と二次側
の抵抗とを加え合せたもの）の電圧降下分Ｖ７＝ＩＴ・
７とを加え合せたｄ麹上の電圧成分と、ｑ軸上の電圧降
下分Ｖ７＝ｌｏ・７とをベクトル的に加え合せると電動
機一次電圧Ｖ，とが得られ、この一次電圧Ｖ，と一次電
流１，との相差角が力率角０と呼称されている。

かかるベクトル図で従釆のＶ／Ｆ一定制御法は上記した
ように磁束一定制御、即ちトルク電流ＩＴのみを制御し
て励磁電流Ｌを一定とする方法であるので、負荷の状態
に拘らず励磁電流による鉄損は常に一定である。従って
第２図のベクトル図からも明らかなように負荷が小さく
なって力率が非常に悪化したような場合、電動機損失に
占める鉄損のウエートが大きくなる事は勿論の事、励磁
電流ｌｏとトルク電流ＩＴとのベクトル和による電動機
一次電流１，によって生ずる錦損も、電動機損失にかな
りのウエートを占めるようになり、これら励磁電続８ｏ
、一次電流１，とにより従来のＶ／Ｆ一定制御法は、特
に力率が悪化したような場合、電動機効率が非常に悪く
なる事が理解できる。かかる電動機効率を負荷状態に拘
らず常に所望の値にして、消費電力を軽減して省エネル
ギーという時流に沿ったィンバータを実現する場合、第
２図のベクトル図より明らかなように、励磁電流ｌｏを
一定とするのではなく、この励磁電流を負荷の状態に応
じて適宜変化する方法が一応考えられる。かかる励磁電
流を変化する方法は、近時、誘導機のすべり周波数制御
方法として注目を集めているベクトル制御と呼称されて
いるものであるが、このベクトル制御は励磁電流Ｌが電
動機磁束に大きな影響を及ぼすという事より、例えば空
隙部の磁束に応動する磁束コイル或は磁束感応素子等の
磁束センサーを空隙部に設けて、この磁束センサーより
取出される磁束検出信号と基準の磁束レベルとを比較す
る事によって、この磁束偏差量をインバータの電圧制御
系（トルク制御系）とすべり周波数制御系とにそれぞれ
入力し、電動機トルク、一次電流の振幅値、周波数およ
び力率とに関連させて磁束をも制御するものである。か
かるベクトル制御によれば制御性能性が非常に優れてい
るので、安定性が高く、且つ直流機なみの制御をも誘導
機で可能としている。しかし乍ら問題となるのは、例え
ば数多くの割算器、掛算器を必要とするので回路構成が
非常に複雑で高価なものとなる事である。さらに磁束を
調整するといっても、定常状態に於て最大効率が得られ
ていないという事である。本発明はこの点に鑑みて発明
されたものであって、特に本願は電動機効率が定格トル
ク付近で最大となるように電動機が設計される事に着目
して、励磁電流と一次電流との相関関係を考慮し、且つ
負荷状態に拘らず常に最大トルクが得られるべく一次電
流を最小とする制御を行なう事によって、省電力効果が
著しい運転方法を提供しようとするものであって、先ず
本発明の原理より説明するものとする。

電動機の発生トルクＴ及びトルク電流１，とは上記した
■式、■式よりＴ＝ｋＴ・リ，２／７２・■Ｓ・１２０
、ＩＴ＝Ｌ２／ヶ２・のｓ・ｌｏであるので、トルク電
流１，を発生トルクＴに代入すると次の■′式が得られ
る。

即ちＴ＝ｋＴ・ぴ，２／Ｌ２２・Ｌ・ＩＴ．・・．・・
．・・■′ さらに電動機一次電新五，はよく知られているように１
，；ノ１２。

十１２Ｔ………■であるので、■式に■′式を代入する
と、一次電流１，とトルクＴ、励磁電流Ｌとの関係が得
られる事が分る。これを式で示せば次の■式が導き出さ
れる。即ち１，＝ノＦｏ＋．（Ｔ／ｋｍｌｏ）２…■但
しｋｍ＝ｋＴ・リ，２／Ｌ２２この■式より励磁電流Ｌ
‘こ対する一次電流１，の極大、極小を求める場合は、
■式をｌｏについて微分し６１，／６１ｏ＝０とおけば
よい。

・ 即ち１／２・ゾ１２。

十（Ｔ／ｋｍｌ。ア〔２Ｌ−２（Ｔ／ｋｍ）２・１／１
３。

〕＝０．．・．．・■なる式が得られるので、この■式
より励磁電流は次のように導き出される。

Ｌ＝ノＴ／ｋｍ………■ この■式より明らかなように、励磁電流ｌｏがノで力命
の時‘こ電動機一次電流が極小となる訳であるが、単に
■式の関係が得られるようにトルクＴと励磁電流らとを
制御した所で、Ｖ／Ｆ一定制御の主目的であるィンバー
タ動作周波数の。

との関連性は何ら出てこない。そこでインバータ動作周
波数のｏとすべり周波数のｓとは相関関係であり、さら
にトルクＴは上記■式で示したようにＴ＝ｋＴ・び，２
／７２・のｓ・１もで表わせるので、この式に上記■式
を代入し且つ上記した比例定数ｋｍ＝ｋ，・Ｌ２，２／
Ｌ２をも代入して展開するとトルクＴ＝ｋＴ・げ，２／
丁２・■Ｓ（ノＴ／ｋｍ）２ １ニｋ，／ｋｍ●Ｌ２１２／ケ２ ，のＳ，．…，■■
式が得られる。

この■式よりすべり周波数のｓは次のように求められる
。のｓ＝丁２／Ｌ２２＝１ノ７２・・・■但し７２ は
時定数で７２＝−２／７２ この■式より明らかなよう
に、定常時はすべり周波数のｓ即ちィンバータ動作周波
数のｏ を電動機二次時定数の逆数となるように制御す
れば、所要の励磁電流値で一次電流が最小の時にトルク
Ｔ‘ま最大のものが得られる事になる。

なお以上のようなすべり周波数のｓの算出の過程で、電
動機二次側の自己ィンダクタンスＬ２を一定と仮定して
取り扱ったが、実際の電動機に於ては、よく知られてい
るように二次側自己ィンダクタンスＬ凶と励磁電競紅。
との対応関係を示す特性図に於て、電動機の磁気飽和等
によってこ次側自己インダクタンスの値が変化するので
回路構成に当っては留意しなければいけない。さて最小
の一次電流値で最大のトルクを発生する条件、即ちすべ
り周波数のｓと電動機二次時定数７２との関係が明確に
なったので、かかる関係式のｓ＝１／７２をトルク電流
ＩＴを導き出す上記■式に代入すると、トルク電流ＩＴ
＝励磁電流ｌｏ・・・■なる関係式が得られる。この■
式は何を意味するのかといえば、ｄ軸成分のトルク電流
ＩＴとｑ軸成分の励磁電流ｌｏとが相等しい時に、電動
機一次電流１，が最小となり、電動機トルクＴは最大の
ものが得られる事を意味している。この場合の一次電流
は１，は、第２図のベクトル図より１，＝Ｆｏ＋１２７
であるので、この式に上記■式を代入すれば１，こノ友
１。…■なる関係式が導き出される。このようにして導
き出された■式の関係を、第２図のベクトル図で示した
二次側議起電圧Ｖｏの式、即ちＶｏ：ぜ，２・の。・ｌ
ｏの式に代入すると、ィンバータ動作周波数の。と、ｑ
軸成分の磁束に影響を及ぼす励磁電薪包。と電動機一次
電流１，並びに二次側誘起電圧ｙｏとの関係式が導き出
される事になる。即ち上記二次側誘起電圧Ｖｏの式をィ
ンバータ動作周波数のｏについて展開するとの。＝Ｌ２
２／ぜ，２・Ｖ。／Ｌ・Ｌ２２／ぜ，２・ノ２Ｖ。／１
，．・・■この■式より明らかなように、従来周知のＶ
／Ｆ−定制御にみられる、電動機一次側電圧Ｖ，と周波
数ＦとのＶ／Ｆ比を一定とするのではなく、■式を満足
すべく負荷トルクに応じて電動機電圧Ｖと周波数Ｆとの
Ｖ／Ｆ比を可変にし、この手段として電動機磁束、即ち
励磁電流ｌｏを調整すれば最小の一次電流１，で最大の
トルクが得られるようになる。

かかる本願の原理をブロック図化して構成したものが第
３図で、同実施例で第１図と同一のものは同一符号を付
しており、１４は電圧設定指令信号Ｖとィンバータ動作
周波数指令信号の。

とで電動機磁束に関連する信号を得る為の割算器で、こ
の割算器のブロック図の理論は、二次側誘起電圧Ｖｏを
導き出す式、即ちＶｏ＝Ｌ２，２／Ｌ２２・の。・ｌｏ
→ｌｏ＝Ｖｏ／の。・Ｚ２／Ｌ２，２の如く変形して励
磁電流ｌｏを取出せば、この励磁電流ｌｏが電動機磁束
に影響を及ぼすものであるので、ィンバータ動作周波数
の。と二次側誘起電圧、即ち電圧設定指令信号とをそれ
ぞれ入力することによって、所要の電動機磁束に関連し
た信号を得るようにしている。１５は関数発生回路で、
この回路は磁気飽和等により一次−二次側の相互ィンダ
クタンスＬ２と二次側自己ィンダクタンスＬ概とがよく
知られているように変化するので、これを補償する為に
挿入したものである。

１６は電圧偏差量、即ち電動機一次電流１，より励磁電
流ｌｏを取出す為の比例増幅器で、この増幅器のブロッ
ク図の理論は上記■式で示される理論に基づくものであ
る。

１７は第２の割算器で、この割算器を挿入した理由は上
記■式に基づきィンバータの動作周波数のｏを導びく為
のもので、１８は掛算器でそれぞれ入力されるＶ／Ｌな
る信号とＬ２／Ｌ２２なる信号とを掛算する事によって
、上記■式に基づくィンバータ動作周波数の指令信号の
。

を取出す為のものである。さてこのように構成される本
実施例の動作を述べると、与えられる電圧設定指令信号
Ｖと電圧変成器５より取出された電圧検出信号とをメジ
ャーループの比較器６で比較して、この電圧偏差量を増
幅器７で一旦増幅し、この増幅した電流設定指令信号が
比較器１２で電流検出信号と比較され、この電流偏差量
を増幅器１３で一旦増幅した信号を以って、日頃変換部
１により電動機４の一次電流の振幅値を制御するように
する。

かかる動作と並行して、先ず電圧制御用増幅器７より入
力される一次電流の指令信号１，より比例増幅器１６で
、ｌｏ：１，／ノ友なる励磁電流に関連する信号を得て
、この励磁電流しと電圧設定指令信号Ｖとを割算器１７
で所定の除算演算を行ないＶ／ｌｏなる信号を得る。こ
れに対して他方の割算器１４では、それぞれ入力される
電圧設定指令信号Ｖとインバータ動作周波数の指令信号
の。とを除算してＶ／の。なる信号を得、このＶ／の。
なる信号は電動機磁束に大きな影響を及ぼすｑ軸成分の
励磁電流に関するものであるので、この電動機磁束に関
した信号を関数発生回路１５に入力する事によって、電
動機定数、即ち電動機磁束に対応した相互ィンダクタン
スＬ２と二次側自己インダクタンスＬ２２との関係比Ｚ
２／ぜ，２なる信号を得る。この電動機定数に関連した
信号Ｌ２２／Ｌ２，２と割算器１ ７よりのＶ／Ｌなる
信号とを掛算器１８で所定の掛算を施す事によって、ィ
ンバータの動作周波数の設定指令信号のｏを得、この周
波数指令信号のｏ をリングカウンタ９で１／６に分周
して、逆変換部２により電動機一次電流の周波数を制御
するものである。このように常時は、前述した■式を満
足すべく、負荷トルクに応じて電動機磁束、即ち一次電
流１，の振幅値と周波数の。とを制御する事によって間
接的にｑ軸成分の励磁電流ｌｏを変化する所定の制御を
行なう。従って本願によればオ−プンループ方式の制御
系の構成であっても、従来にみられるようなＶ／Ｆ比を
一定にして磁束一定制御を行なう方法ではなく、負荷ト
ルクに応じて積極的に電動機磁束を変化させ、最小の一
次電流で最大のトルクを発生させる制御を行なうもので
ある事は明らかである。以上のように本発明に於ては、
オ−プンループ方式のィンバータの制御に際して、常時
は負荷トルクに応じて電動機磁束を変化させるべく一次
電流の振幅値と周波数とをそれぞれ制御し、最小の一次
電流で最大のトルクを発生するようにしたものであるか
ら、以下に示すように種々の効果を蓑すものである。

■ 励磁電流の調整と相換って常に電動機一次電流を最
小にして最大のトルクが得られるべく制御が行なわれる
ので、電動機は常に最大効率で運転され、省エネルギー
という時流に沿った運転方法を提供できる。

■ 所要の電動機磁束（励磁電流）を得る回路と、所要
のィンバータ動作周波数の指令信号を発生させる回路と
は単に１個の掛算器と関数発生回路と２個の割算器とで
あるから、非常に回路構成は簡素化され経済的なィンバ
ータを提供できる。

■ ポンプ、プロワの如き負荷トルクが速度の２乗に比
例して変化する負荷に本願を適用した場合、最小の消費
電力で且つ運転全域に渡って安定した運転を行なえるの
で、最も本願の特徴を如何なく発揮する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はオープンループ方式でＶ／Ｆ一定制御を行なう
従来のィンバータを示す具体的なブロック構成図、第２
図はその負荷電動機のベクトル図、第３図は本発明の一
実施例を示すィンバータの具体的なブロック構成図。 １は順変換部、２は逆変換部、４は負荷電動機、７は電
圧制御用増幅器、１３は電流制御用増幅器、１４−１７
は割算器、１５は関数発生回路、１６は比例増幅器、１
８は掛算回路。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電流制御系をマイナーループとし、電圧制御系をメ
   ジヤーループとして電動機一次電流の振幅値を制御する
   順変換部と、電圧設定指令信号をインバータ動作周波数
   で除算して得られる第１の励磁電流に応じて二次側自己
   インダクタンスＬ２２と相互インダクタンスＬ＾２１２
   の関係比Ｌ２２／Ｌ＾２１２を補正して、且つ、電圧設
   定指令信号と電動機一次電圧検出信号との偏差分を増幅
   した一次電流指令信号に係数１／√（２）を乗じて、該
   算出された第２の励磁電流信号で前記電圧設定指令信号
   を除算して、該算出値と前記補正した関係比Ｌ２２／Ｌ
   ＾２１２を乗算して得られるインバータ動作周波数を基
   に、電動機一次電流の周波数を制御する逆変換部とを有
   し、負荷トルクに応じて電動機磁束を変化するようにし
   たことを特徴とするインバータの運転方法。