JPS6026491A - 誘導電動機のトルク制御装置 - 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、可変周波数の電力変換器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。

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
え動作を行なっている。従っ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
醒磯子電流に比例する。

この基本的な関係を誘導電動機に適用するならば、主磁
束は回転子磁束ベクトルに、電機子電流は回転子２次電
流（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（至）方式によってト、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わさ
れる。

Ｔ＝に、ＭＩ□・Ｉ２　・・・・・曲（１式）Ｑ−ω８
ＭＩ□＋Ｒ２Ｉ２　・・・山−（２式）ここに、 工□は磁化電流、 工２は２次電流、 Ｍは相互インダクタンス、 Ｒ２は２次抵抗値、 ω８はすべり角周波数、 Ｋｔは定数、 である。

また、２次′電流Ｉ２と１次換算２次電流弓の関係は次
式で表わされる。

０＝Ｒ２工２＋Ｍ■２　・曲回（３式）ただし、Ｒ２は
２次回路の全インダクタンスである。

これらの式より、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電力変換器（インバータ）により
制御するものであった。それらの関係は次の通りである
。

ω、＝　（Ｒ２Ｉ２）／（Ｌ２Ｉｍ）　−−−−−−−
＝　（４式）１１＝４嘉ζ］Ｆ　曲内・・（５式） ここに、 Ｒ２，Ｒ２はＲ２＋　Ｒ２のそれぞれの設定値、■、　
ｌ　Ｉｍは工２．Ｉｍのおのおのの設定値、■、は１次
′電流Ｉ工の指令値、 である。

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、電流の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。

ただし、 −はＭの設定値、 苦 Ｍｔは定数、 である。

しかし、電動機の定数、特に２次抵抗値Ｒ２は正確にめ
ることが困難なばかりか、仮に正確にめられても回転子
の温度によって大幅に変化するため、電動機の運転に際
し２次抵抗値Ｒ２の実際値に適ったすべり周波数を指令
することは不可能であり、この結果２次電流工２や磁化
電流Ｉｍに影響が顕われ、精度よくトルクを制御するご
とができなかった。

このため、２次抵抗値の変化を磁束の変化として検出し
、磁束の指令値の指令値と実際値との偏差によってすベ
ク周波数を補正し、等制約に２次抵抗値を修正する方法
があった。

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
すブ凸ツク図である。

この回路では、すべり周波数方式に磁束の偏差によるす
べり周波数補正回路が付加され、磁束が一定に制御され
るような構成となっている。即ち、３相電流形電力変換
器１．３相誘導電動搏２、すベシ周波数演算用に回転子
に取付けられた速度検出器３、磁束指令値Φ　を励磁電
流指令値■　に変換する定数器９、電流指令値Ｉ”、Ｉ
”・に応じ２ て３相′電流形電力変換器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′屯流形覗力変換器１に与える２
相／３相変換器５、速朋検出器３の信号電圧Ｖ　とすべ
り周波数信号電圧■とから３相電流形竜力変換器１の周
波数を発生する２補正弦波発生器６、磁束指令値Φ”と
２次電流指令値Ｉ”・から予めすべり角周波数ω”を演
算する割算器７．２次抵抗設定器８からなる通常のすべ
り周波Ｉｊｉ、指令方式に、次の磁束制御部側′が付加
されている。

つまり、この磁束制御部側°は、電動機２の端子電圧（
あるいは電力変換器出力逆圧）と電流から２次鎖交磁束
を演算する磁束演算器１０゛）磁束指令値Φ”と磁束の
実際値Φの偏差を増幅及び積分する積分器１１、積分器
１１の出力と磁束指令値Φ”を加算する加算器１２から
なっている。

この構成において、検出磁束Φは以下のようにして電動
機のＮｊ、圧、電流からめられる。

端子電圧の検出値から、１次巻線抵抗に基づく電圧降下
分を１次電流信号によって除去し、この電圧を時間積分
することによって１次巻１１１！ｉ！鎖交磁束をめる。

これより更に、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′ＩＩＩ流信号によって除去した信号
の振幅を２次鎖交磁束の振幅信号ｌΦ１として用いてい
る。

動作について説明すると、３相′α流形−力変換器１へ
の゛電流指令は、励磁゛電流指令値Ｉ、２次′鴫流指令
値Ｉ２　及び２札止弦波発生器６刀１らの２相の正弦波
信号ｃｏｏωＬ＋　［Ｉｉｎωｔ　（ただし、ωは２札
止弦波発生器６の発生角周波数）から、電流指令演算器
４によって次の関係式で演算される。

ｉα＝■□ｃｏ８（ωｔ＋γ）　・・・・由・・（７式
）ｉβ＝　１１ｇ１ｎ　（ＱＪｔ＋γ）　・川・・・・
・（８式）Ｉ□＝ｒ　・・・・・・・・・（９式）γ　
＝ｔａπ１（工２／工ｍ）　・・・・・・・・・（１０
式）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相車流形電力変換器１を指令し、電動機２
に３相電流’ｕ”ｖ”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
　に相当する信号■と、２次抵抗値設定器８からのすべ
り角周波数ω８に相当する信号ｖ８の和が２札止弦波信
号を発生し、先の電流指令演算器４に入力される。

ここで、すべり角周波数の初期設定値ωｒは２次抵抗値
の初期設定１直Ｒ２と磁束指令値Φ”および２次眠流指
令値工２　によって次のように演算される。

すべり角周波数の補正信号は磁束指令値Φと磁束検出値
Φの偏差信号を積分器１１を介した信号ΔΦが加算器１
２によって磁束指令値Φ”に加えられる。

補正されたすべり角周波数は次のようになる。

茎− あるいは と書き改められ、これは２次抵抗の実際値Ｒ２に修正さ
れる。

しかしながら、この従来の方法では次の２つの問題があ
り、広範囲の回転数において、かつ広範囲の出力トルク
において精度よくトルクを利用することはできなかった
。

第１の問題は、モータ端子電圧からの磁束の検出方法に
あった。すなわち、端子電圧から磁束を誘導する際に、
端子電圧から１次抵抗による電圧降下分、およびもれリ
アクタンス電圧降下分を差し引いて内部誘起電圧をめ、
このＩ電圧の積分値の振幅を検出磁束として用いていた
。

しかし１次抵抗値Ｒ１は温度によって変動するため、１
次抵抗値Ｒ１舅定時の温度と実際の温度が異なると、磁
束検出特性に１次抵抗値Ｉｔ、の温度変動分が生じ、低
回転数域において顕在化する。

真の２次磁束の交流信号をψ、検出磁束の交流信号をΦ
とすると、 △　ΔＲ△　△ ＝ψ−ｊ」１１＋Δｌｉ１　・・・・・・・・・（１４
式）％式％ ことに、 ωは磁束の角周波数、 △ ■は端子電圧（交流量）、 Ｑは１次電流の検出値（交流量）、 ｌは電動機のもれインダクタンス、 Ｐは電動機のもれインダクタンスの設定値、ΔＲ＝　Ｒ
，−Ｒ７曲内・・（１５式）Δｌ　＝　ｌ　−ｌ”　・
・・・・・・・・（１６式）ｊは虚数記号、 である。

ただし、電流は通常正しく検出できるからｉ＝ｉ”　・
・・・・・・・・（１゛１式）％式％ さらに真の磁束ψを基準に１次電流を励磁電流成分ｌ　
と２次電流成分ｉ；（１次換算値）で表わし △ ψ＝ψ　ｌ・・・・・・・・（１８式）とおくと、検出
磁束の交流信号Φは次のように書き改められる。

△ Φの撮幅１ΦＩは ・・・・・・・・・（１９式） ここで、主成分ψの含まれる（１９式）の（）内の第１
項に比べて（）内の第２項は通常充分小さいから、次の
ように近似する。

さらに、定格回転数時の周波数および内部誘起電圧をそ
れぞれω　ｅ　とおいて次のように薯き０！０ 下せる。

また、ΔｌＡは設定によって充分小さくでき、かつ、周
波数や温度の変化に関係しないから無視すると、（２１
式）の０内の第３項が主な変動要因となる。

０．０１〜０．０５、ＪＲ／Ｒ，は電動機温度変動を上
刃℃にとると−０，２＜　′Ｒ／／Ｒ１＜　０．２の変
動幅となる。

定格回転数に近いところでは全体として影響度が小さい
が、。Ｏｈの大きい低回転数域では顕在化してくる。

例えば、Ｒ１ｉ″２／ｅｏ＝　０．０３ΔＲ／Ｒ，＝±
０．２ ω０／ω＝２０ にとると、 となり、定格の１／２０の回転数では温度によって１１
２％もの検出磁束の変動を生じる。

つまり、回転数制御範囲の広い低回転数域では、磁束検
出特性に１次抵抗値Ｒ０の温度変動分が現われ、この検
出磁束を用いてトルク制御を行なっても広範囲の回転数
に亘って精度よくトルクを制御することができない。

第２図は、従来方式の低周波域における検出磁束・負荷
トルク特性を示す。

ここでの供試誘導電動機は、３．７ＫＷ、４極。

２２０Ｖ＋　６０　Ｈｚ　、　１次抵抗値Ｒ１は０．０
４　（Ｐ、Ｕ、）テあり、曲線２１は電力変換器出力周
波数が６Ｈｚ、曲線２２は３Ｈｚを表わし、１次抵抗の
設定置より実際の抵抗直が２０俤大きい場合を示してい
る。

電動側と回生側で特種が逆転する。

従来方式の第２の問題は、軽負荷時におけるトルク制御
特性の不安定さである。

すなわち、２次電流の小さい領域では、２次抵抗値Ｒ２
の偏差に対する磁束の変化は元米小さい。

このため検出磁束の偏差に２次抵抗値の偏差以外の成分
が含まれると、この成分によって、すべり周波数の補正
動作がなされ、トルク制御特性を阻害する。

検出磁束には、励磁インダクタンスの設定誤差、電流の
誤差および磁束演算器自体の周波数特性などに起因する
変動要素を含んでいる。これらは、軽負荷になればなる
程２次抵抗値の変軸の磁束への感度が低下するため、ト
ルク特性を阻害していた。

ここにおいて本発明は、このような従来方式の欠点を克
服し、広範囲の回転数および出力トルクに亘って精度よ
くトルク制御する装置を提供することを、その目的とす
る。

その第１の発明は、端子電圧から磁束をめる方法におい
て、検出磁束に１次抵抗成分を含まない方式としたこと
である。

これは、さきに本発明者が提案した特許出願（ＩＩ！！
願昭５６−８１６９６、特開昭５７−１９６８８６、以
下これを「さきの出願」という）に説明しているように
、前述した端子電圧から１次インピーダンス電圧降下分
を差し引いた電圧の積分値である交流の磁束信号に自相
の電流検出信号を乗じて１次抵抗値に関する成分を本質
的に除去しようとするものである。

すなわち、磁束の交流信号Φと検出電流信号１１　の積
をＵとすると、Ｕは直流量と交流量に分けられる。

Ｕ＝Φｘｔ。

Ｕの直流量ＵＤは １　。

ＵＤ＝　−（ψ１ｍ＋Δｚｉ、　）　・・・・・・・・
・（２４式）となシ、抵抗分を含まない磁気エネルギー
を表わす。ｌの設定によってΔｌを充分小さくとること
ができれば、磁束に関する励磁エネルギーＵｍを次のよ
うに表わせる。

１　・・・・・・・・・（２５式） ％式％ また、交流磁束信号ｉと交流電流信号ｌの積を２相、３
相などの多相で演算し、それぞれの和をとれば交流会を
含まない直流成分のみの磁気エネルギーが得られること
は云うまでもない。

励磁エネルギーＵｍの開平をとれば となり、磁束に比例した信号を得ることができる。

第３図は、従来の磁束演算回路の構成を示すブロック図
である。

３１　、３２は定数Ｒ１の設定器、羽、３４は積分器、
謡、３６は定数ｒの設定器、３７　、３８は２乗器、３
９る。

第４図は、本発明に適用するさきの出願で明示した磁束
演算回路の構成を表わすブロック図である。

すべての図面において、同一符号は同一もしくは相当部
分を示す。

第４図において、４１　、４２は乗算器、４３は加算器
で、その出力Ｕ＝÷Ｃｔ’ｃ１＋娶βｆβ＝ψｌｒｎ　
を得るようにしである。

次に、本発明の第２の発明は、従来方式における磁束フ
ィードバック制御の追加による不具合点に関するもので
ある。

つまり、従来方式では２次電流指令の全範囲に亘ってす
べり周波数を操作量として磁束制御を行なっているため
に、２次抵抗値に関するもの以外で磁束検出信号に含ま
れる偏差分によって不必要にすべり周波数が操作されて
トルク制御特性を阻害していた。

特に、磁束の偏差に対する２次抵抗値の感度が小さくな
る小トルク域において、トルク特性の非直線性が顕在化
していた。

本発明では、２次電流指令値の大きさによって、その所
定値よシ大きい範囲では、磁束偏差信号によるすべり周
波数補正制御を行ない、所定値より小さい範囲では磁束
偏差信号のすべり周波数補正器への送出を断ち、所定値
より大きい範囲でのすべり周波数補正量を記憶するよう
なモード切換制御を行なっている。

これによって、磁束への２次抵抗値Ｒ２感度の小さい領
域で磁束検出信号に含筐れる無用な偏差信号によって、
すべり周波数制御系が撹乱されることがなく、２次電流
指令の所定値以上ですべり周波数補正制御に積分制御を
適用でき、磁束指令値と磁束検出値の一致制御が行なえ
る。

第５図は、本発明の一実施例における回路構成を示すブ
ロック図である。

磁気エネルギー制御部加において、従来の磁束検出器１
０′は、励磁エネルギー検出器１０に代り、その出力で
ある励磁エネルギーψ１　に定数器１３によって相互イ
ンダクタンスＭを掛は形式的に磁束の２乗ψ２に変換す
る。

一方、磁束指令値Φ”は２乗器１４によって磁束指令値
の２乗Φ２に変換され、前述の検出磁束の２乗値ψ２と
比較され、その偏差はモードスイッチ１５を介して積分
器からなるすべり周波数補正器１１に送出される。

すべり周波数補正器１１０出力ΔΦは加算器１２によっ
て磁束指令値Φ”に加えられ、すべり周波数指令値を修
正する。

ここでモードスイッチ１５は、２次電流指令値矢。

工２の大きさを所定値と比較器１６によって判別し、所
定値より大きい場合は、磁束偏差信号を伝送するように
モードスイッチ）５ｆ：作動させる。所定値より小さい
場合はモードスイッチ１５を零入力側に作動させ、すべ
り周波数補正器１１の内容はそこにそのまま記憶される
。モードスイッチ切換点の所定の２次電流指令値は、通
常、励磁電流指令値襦より小さい範囲に遠足する。

また、磁気エネルギー゛に相当する磁束の２乗の指令値
と検出値の偏差は次のように演算される。

餐 Φ２−９２　＝　＜Φ＋ψ）（Φ−ψ）　・・・・・・
・・・（２７式）この偏差がすべり周波数補正器１１の
積分演算器によって 簀 Φ−ψ＝０　・・・・・・・・・（２８式）となるよう
に制御されるため、磁束の偏差を零とする制御に帰着さ
れる。

第６図は、本発明の他の実施例の回路構成を表わすブロ
ック図である。

磁気エネルギー制御部２０ａにおける１４ａは割算器で
ちる。

磁束指令値Φ　と、検出磁束の２乗値ψをので除した値
とを比較することによって、直接の磁束比較と等価にし
ている。

第７図は、従来の第２図と同一条件における本発明の検
出磁束・負荷トルク特性図で、電力変換器出力周波数が
６１（ｚ　（曲線７１）　、３　Ｈｚ（曲線７２）とも
に変動はない。

第８図は、従来のトルク制御装置における温度変動に対
するトルクの特性図を示す。

この第８図は、１次抵抗値０．０３　（Ｐ、Ｕ、）　、
　２次電流指令を定格値一定にし、電動機温度を１次抵
抗算定温度より士閏℃変動させた場合である。これによ
り低回転数領域でトルク変動が大きいことが分る。

一方、第９図は本発明のトルク制御装置における従来手
段と同一条件でのトルクの温度特性を示す。低回転数領
域においてもトルクの温度依存性がないことを表わす。

かくして本発明によれば、回転数の広範囲においておよ
びトルクの大小に関らず、誘導電動機のトルクを精度よ
く制御することができ、磁束検出手段の改善とすべり周
波数補正モードの切換によって次のような卓越した効果
を奏する。

■　トルク制御特性が誘導電動機の１次抵抗値や２次抵
抗値の変動に影響されない。

■　トルク制御特性が、温度変化や周波数変化に影響さ
れない。

■　出力トルクの大小に関らず２次゛電流指令値に比例
した直線性の良いトルク制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の回路構成を示すブロック図、第２図
は従来方式における磁束検出特性図、第３図は従来の磁
束演算回路のブロック図、第４図は本発明に適用する磁
束演算回路の構成を表わすブロック図、第５図は本発明
の一実施例における回路構成を示すブロック図、第６図
は本発明の他の実施例の回路構成を表わすブロック図、
第７図は本発明における第２図に対応する磁束検出特性
図、第８図は従来装置の温度変動に対するトルク特性図
、第９図は本発明における第８図に対応する温度変動で
のトルク特性図である。 １・・・３相電流形成力変換器、２・・・３相誘導°眠
動機、３・・・速度検出器、４・・・′螺流指令演算器
、５・・・２相／３相変換器、６・・・２札止弦波発生
器、７・・・割算器、８・・・２次抵抗設定器、９・・
・定数器、１０・・・励磁エネルギー検出器、１０′・
・・磁束演算器、１１・・・積分器、１２・・・加算器
、１３・・・定数器、１４・・・２乗器、１４ａ・・・
割算器、１５・・・モードスイッチ、■ｂ・・・比較器
、肋、２０ａ・・・磁気エネルギー制御部、加°・・・
磁束制御部、３１　、３２・・・定数Ｒ（設定器、３３
　、３４・・・積分器、。 弱、３６・・・定数戸設定器、３７　、３８・・・２乗
器、３９・・・開平器。 出願人代理人　猪　股　漬 →１２（ｐｕ、） 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁束指令値と２次電流指令値からなる１次電流指令
   値、ならびに前記磁束指令値と２次電流指令値に関連し
   たすべり周波数によって、電流と周波数を制御できるよ
   うにした電力変換器を介して、誘導′電動機の１次電流
   を制御することによｆｉ）ルクを調整する装置において
   、前記磁束指令値から導出した励磁エネルギー指令値と
   励磁エネルギーの検出値との偏差に基づいて前記すべり
   周波数を制御し、前記励磁エネルギーを目標値に維持す
   るようにしたことを特徴とする誘導電動機のトルク制御
   装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記励
   磁エネルギー指令値と励磁エネルギーの検出値との偏差
   を導入しそれを増幅し積分演算し前記すべり周波数を補
   正するすべり周波数補正信号を送出するすべり周波数補
   正器を備え、このすべり周波数補正器への前記偏差の導
   入が、所定の前記２次電流指令値以上で行なわれ、それ
   未満では断たれ、所定の前記２次電流指令値以上での前
   記すべり周波数補正信号を前記すべり周波数補正器に記
   憶するようにした誘導電動機のトルク制御装置。