JPS6032440B2 - 誘導電動機の磁束ベクトル演算器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、誘導電動機のトランスベクトル制御装置に
用いる磁束ベクトル演算器の改良に関するものである。

近年、可変周波・可変電圧力をもつサィリスタ変換装置
の登場と共に、交流電動機の高性能な可変遠駆動技術が
開発されつつある。そして誘導電動機について、供給電
力が交流でありながら、あたかも直流機であるかのよう
に取り扱うことのできる新しい速度制御装置として、ト
ランスベクトル制御装置が知られるに至っている。この
発明は、かかるトランスベクトル制御装置に用いられる
磁束ベクトル演算器の改良に関するものであるが、先ず
トランスベクトル制御装置についてその大要を説明する
。第１図は、誘導電動機のトランスベクトル制御装置の
構成例を示すブロック図であり、第２図は誘導電動機の
交流理論に基づく空間ベクトル図（１相分）である。

第１図および第２図を参照する。

第１図に示すベクトル制御装置の基本思想は、第２図の
空間ベクトル図からわかるように、誘導電動機１９の固
定子の起磁力ベクトルに対応する固定子電流の空間ベク
トル汀を、磁束ベクトルあと同一方向の成分ｉＭと直角
方向の成分ｉＴとに分離して各成分を互いに独立に制御
することにより、誘導機に直流機と同等の制御性能を持
たせようとするところにある。この場合に成分ｉＭは直
流機の界磁電流に相当するので励磁分電流と呼ばれ、ｉ
Ｔは直流機の電機子電流に相当するのでトルク分電流と
呼ばれる。第２図のベクトル図では、誘導電動機の回転
軸を原点０とし、固定子ａ相巻線軸をＱ軸、これに直角
な軸を８軸とする固定の直交座標系と、同じ点０を原点
とし磁束軸をＭ軸、これに直角な軸をＴ軸とする回転す
る直交座標系とが示されている。固定の直交座標系のＱ
軸に対して、固定子電流ベクトル古、磁束ベクトルあお
ょび回転子ａ相巻線軸はそれぞれ図示の如く、ご，めお
よび８の角度を有し、この角度は言うまでもなく時間と
共に変化する角度である。第１図の装置によれば、磁束
の大きさの実際値ぐを目標値ぐ刈こ一致させる働きをす
る磁束調節器１１によって励磁分電流の目標値ｉＭ＊が
与えられる。

また、速度検出器（タコダィナモ）２２からの速度実際
値ｎを速度目標値ｎ＊に一致させる働きをする速度調節
器１２が発生するトルク目標値を、割算器１３にて、磁
束実際値◇で割算することによってトルク分電流の目標
値ｉＴ＊とっくり出している回転する直交座標系上の２
つの互いに直交する成分ｉＭ＊，ｉＴ＊として与えられ
た固定子電流の目標ベクトルは、磁束ベクトルあの単位
ベクトル（ｃｏｓの，ｓｉｎの）と共にベクトル回転器
１４に導かれる。ベクトル回転器１４は、目標ベクトル
（ｉＭ＊，ｉＴ＊）を磁束単位ベクトル（ｃｏｓの，ｓ
ｉｎの）の助けにより、Ｑ−８直交座標系の目標ベクト
ル（ｉ，Ｑ＊，ｉ，６＊）に座標変換する。この座標変
換は次式にしたがって行なわれる。ｉ，Ｑ＊：ｉＭ＊ｃ
ｏｓの一ｉＴ＊ｓｉｎの１，８＊ｓｉｎの十ｉＴ＊ＣＯ
Ｓのさらに目標値ｉ，Ｑ，１，８＊は相数変換器１５に
よって次式にしたがって３相の目標値ｉａ＊，ｉｂ＊，
ｉｃ＊に変換される。

ｉａ＊＝ｉ，Ｑ＊ １． 一 ｉｂ＊＝す・Ｑ＊＋ぞｉ，８＊ ｉＣ＊＝−享ｉ，Ｑ＊−ぞ，８＊ 目標値ｉａ＊，ｉｂ＊，ｉｃ＊はそれぞれ電流調節器１
６ａ，１６ｂ，１６ｃに導かれる。

各調節器１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、それぞれ電流検出
器１８ａ，１８ｂ，１８ｃによって検出されるサイクロ
ンコンバータ１７の各相出力電流実際値ｉａ，ｌｂ，ｉ
ｃをそれぞれ目標値ｉａ＊，ｉｂ＊，ｉｃａ，ｌｂ，ｉ
ｃをそれぞれ目標値ｉａ＊，ｉｂ＊，ｉｃ＊に一致させ
る働きをする。このようにして所望のベクトル制御が行
なわれるのであるが、今までの説明から分かるように、
このベクトル制御が行なうためには磁束ベクトルあを検
知する必要がある。

この磁束ベクトルあのＱ−Ｐ直交座標系上の互いに直交
する藤成分の２ Ｑ’の２８は、それぞれの２ Ｑニの
ギＯＳの の２８ニの交ｍの と表わすことができるが、第１図の例では、ベクトル回
転器１４は磁束ベクトルあの単位ベクトルのＱ−Ｂ軸成
分ｃｏｓの，ｓｉｎのを必要とし、また磁束調節器１１
および割算器１３は磁束ベクトルあの大きさのこ相当す
る入力を必要とする。

第１図に磁線枠２０で示されている装置がこのような磁
束ベクトルを演算により間接的に検出するためのもので
あって、励磁分電流およびトルク分電流の目礎値ｉＭ＊
，ｉＴ＊から演算によりの，ｃｏｓのおよびｓｉｎのを
求めていることから、“電流モデル方式”による磁束ベ
クトル演算器と呼ばれている。この磁束ベクトル演算器
２０は、まず誘導機の固定子回路と回転子回路との間の
相互インダクタンスそｍ′に相当するゲインと誘導機の
回転子回路の電気的時定数Ｌに相当する時定数を有する
一次遅れ要素２０１を備え、この一次遅れ要素２０１に
、励磁分電流目標値ｉＭ＊を入力することによって回転
子回路の鎖交磁束ベクトルあの大きさのこ相当する出力
を取り出すことができる。

−次遅れ要素２０１の出力は、既に述べたように、磁束
実際値のとして磁束調節器１１および割算器１３に導か
れる。さらに、磁束ベクトル演算器２０は、回転子回路
の時定数Ｌと相互インダクタンスそｍ′との比に相当す
るゲインを有する比例要素２０２を備えていて、この比
例要素２０２の入力は一次遅れ要素２０１の出力である
、したがって比例要素２０２の出力は（Ｌ／そｍ′）の
である。さらに割算器２０３が設けられていて、この割
算器２０３は、トルク分電流目標値ｉＴ＊を比例要素２
０２の出力（Ｌ／〆ｍ′）ので割算して、叱＝等．挙に
て表わすことのできるスリップ周波数のｓそ（＝ｄの／
ｄｔ−ｄ８／ｄｔ）に相当する出力を発生する。

このスリップ周波数のｓそに相当する出力は二相積分器
（二相正弦波発信器）２０４に導かれる。二相積分器２
０４は入力電圧のｓのこ相当する周波数と１の大きさを
有する二相正弦波形の出力ｃｏｓ入，ｓｉｎ＾を発生す
る。この場合にのｓそ＝ｄの／ｄｔ−ｄａ／ｄｔなる関
係から入＝ｆｗｓそｄｔ：の−ａ なる関係がある。

二相積分器２０４の出力ｃｏｓ＾，ｓｍ入は回転子位置
を表わす単位ベクトルｃｏｓ８，Ｓｉｎ８と共にベクト
ル回転器２０５に導かれる。単位ベクトルｃｏｓｏ，ｓ
ｉｎａ‘ま、譲導電動機１９の回転子軸に結合された回
転子位置検出器２１および演算回転子位置演算器３０に
よって検出される。ベクトル回転器２０５は、Ｃ〇Ｓ入
ＣＯＳ０一Ｓｍ入Ｓｉｎ８＝ＣＯＳ（＾十０）＝ＣＯＳ
のＳｍ入ＣＯＳ８十ＣＯＳ入Ｓｉｎ８＝Ｓｉｎ○（＾＋
８）：Ｓｉｎ■なる演算により、単位磁束ベクトルのＱ
，８軸成分ｃｏｓの，ｓｉｎのを発生する。

ベクトル回転器２０５の出力ｃｏｓの，ｓｉｎのは、既
に述べたようにベクトル回転器１４による座標変換のた
めに用いられる。以上が誘導電動機１９の既知のトラン
スベクトル制御装置の大要である。なお、磁束ベクトル
演算器２０の基本原理を導き出すめの謙導機の等価モデ
ルおよびそのモデル式の誘導法等について、この発明と
直接の関係がないので説明を省略するが、詳細を知りた
ければ、１９７亀王３月１６日に電気学会研究会（電力
応用研究会）において「サイクロンバータ給電交流可変
遠駆動方式と変換装置容量」と題して鈴木幹二外２名に
より発表された資料（ＥＰＡ−７９−３）を参照された
い。

ところで、上述の電流モデル方式による磁束ベクトル演
算器２川よ、誘導電動機の端子電圧またはそれから抵抗
降下分を除去して得た誘起電圧に相当する信号を積分す
ることにより磁束ベクトルを検出する電圧モデル方式の
それに比べて、電動機が零速度付近で運転されている場
合でも確実に磁束を検出することが可能であるという長
所を有する反面、回転子巻線抵抗に依存する回転子回路
時定数Ｌを用いて演算処理を行うことから温度変化に弱
いという欠点がある。

つまり、回転子回路の抵抗、漏れィンダクタンス、相互
ィンダクタンスー次側換算値でそれぞれＲ２′，夕２′
，そｍ′とすると、回転子回路時定数Ｌは、Ｔ２＝夕２
′十そｍ′ Ｒ２′ であり、回転子回路の抵抗Ｒ２′は温度により値が変化
することから、ある温度条件のもとでは磁束を正確に摸
擬しているとしても、周囲温度が変わることもはや磁束
を正確に模擬することはできない。

この発明は、上述の如き、電流モデル方式による従釆の
磁束ベクトル演算器における不都合な点を解決するため
になされたものであり、従ってこの発明の目的は、周囲
温度の変化により回転子回路の抵抗値が変化しても、電
動機磁束を正確に摸擬して出力することのできる磁束ベ
クトル演算器を提供することにある。

この発明の構成の要点は、従来の磁束ベクトル演算器に
おいて、回転子回路の電気的時定数と同じであるべき時
定数をもつ一次遅れ回路の該時定数を、固定的ではなく
、温度変化に応じて修正可能に構成した点にある。

次に図を参照してこの発明の一実施例を詳しく説明する
。

第３図は、この発明の一実施例の要部を示すブロック線
図である。

第３図における破線枠２００は、第１図における磁束ベ
クトル演算器２０内の２つの伝達関数回路２０１，２０
２を合わせた回路に相当するものである。

磁束調節器１１から導かれてくる励磁分電流目標値ｉＭ
＊が積分器２００１に入力され、積分器２００１の出力
ｘは、回転子回路時定数の逆数１／Ｔ２に相当する係数
を掛算器２００２において掛けられてから積分器力回路
に帰還される。また掛算器２００２の出力は、係数そｍ
′を掛ける係数器２００３を介して出力ｙとして取り出
される。この場合に積分器２００１の伝達関数を言で熟
すものとすると、（ｉＭ＊−Ｘ／Ｔ２）き＝Ｘ （Ｘ／Ｔ２）〆ｍ′＝ｙ なる関係式が成り立つ。

これからＸ＝三句Ｍ＊（コ赤の ｙ；古書；ｉＭ＊（＝の なる結果が得られる。

出力ｙは、第１図に示された磁束ベクトル演算器２０内
の一次遅れ要素２０１の出力に相当し、また出力ｘ，ｙ
は比例要素２０２の出力に相当する。両方ｘ，ｙのそれ
以降の処理は第１図と同様である。回転子導体温度の変
化に応じて係数１／Ｌを可変設定するためにはその温度
ｔ，を検出しなければならない。

与め定めた基準温度貝。における回転子の気抵抗の値Ｒ
ｔｏおよび抵抗変化の温度変化に対する係数Ｑは既知の
値であるので、もし温陣貝，が検出できれば、温度りこ
おける抵抗値Ｒｔ， はＲｔ． ＝Ｒｔ。・｛１十Ｑ（
ち一ｔ。）｝なる公知にしたがって算定することができ
る。ところが回転子導体温度を直接検出することは困難
であ。そこでこの発明では、温塵８，の最終値は回転子
回路の損失電力Ｗに比例し、損失電力の変化があったと
き、変化後の損失電力に対応する最終値に向けて、時間
と共に温度は指数関数的に追従変化するという公知の原
理を利用して、温屋耳，を間接的に検出している。しか
も、損失電力の変化があったとき、変化後の損失電力に
対応する最終値に向けて、回転電機子巻線温度が、時間
と共に指数関数に追従変化して行くその特性曲線は、異
なる時定数をもつ二つの一次遅れ応答の合成によって表
わされることが経験的に知られている。そこで、第３図
に破線枠２０６で示されているように、トルク分電流は
回転子回路電流実効値に杏例するという事実に着目して
、トルク分電流目標値ｉＴ＊を掛算器２０６１により自
乗して、回転子回路の損失電力担当導き出し、これを異
なる時定数を有する二つの一次遅れ要素２０６２，２０
６３に与え、、両一次遅れ要素の出力を加算回路２０６
４により加え合わせている。温度摸擬回路２０６の出力
は温度ｔ，に相当し、減算回路２０７で予め設定された
基準温度ら１こ相当する値との差が形成される。温度上
昇（Ｌ−ｔｏ）に相当する減算回路出力は、係数器２０
８において係数Ｑ掛けられてから加算回路２０９に導か
れ、ここで１に相当する値を加算される。加算回路２０
９の出力は係数器２１川こ導かれる。係数器２１０は、
加算回路２０９の出力に係数Ｒのを掛けることにより、
Ｒｔ， ＝Ｒｔ。

・｛１十Ｑ（し−ｔ。）｝にて表わすことのできる回転
子回路の電気抵抗Ｒｔ，（＝Ｒ２′）に相当する値を出
力する。さらに、これは次段の係数器２１１により、係
数ｋ（＝・友コワワ）を掛けられて回転子回路時定数の
逆数１／Ｌに相当する値に変換されてから、先に述べた
掛算器２００２に入力される。

なお、損失電力を算出する際に、正確には掛算器２０６
１の出力にその都度の抵抗値Ｒｔ，に相当する係数を掛
ける必要があるが、一般にこれは省略したことによる誤
差は少ない。必要ならば、係数器２１０の出力に対応し
て、掛算器２０６１の出力に対する係数を変更する回路
を追加すればよい。さらに、異なる時定数を有する二つ
の一次遅れ要素２０６２，２０６３は、一方が無視でき
る程度ののものであれば、１つの一次遅れ要素を設ける
だけでよい。以上設明した通りであるから、この発明に
よれば、電流モデル方式による磁束ベクトル演算器にお
いて、その演算精度に影響を与える回転子回路の時定数
を、温度変化に応じて可変設定できるので、温度変化に
基因する演算誤差が大きいという従来の欠点を克服でき
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、譲導電動機のトランスベクトル制御装置の構
成例を示すブロック図、第２図は譲導電動機の交流理論
に基づく空間ベクトル図、第３図はこの発明の一実施例
の要部を示すブロック線図である。 図において、１１は磁束調節器、１２は速度調節器、１
３は割算器、１４は座標変換器、１５は２相・３相変換
器、１６ａ乃至１６ｃはそれぞれ電機子電流調節器、１
７はサィクロコンバータ、１８ａ乃至１８ｃはそれぞれ
電流検出器、１９は誘導電動機、２０‘ま磁束ベクトル
演算器、２１は回転子位置検出器、２２は速度検出器、
３０は回転子位置演算器、２０１は一次遅れ要素、２０
２は比例要素、２０３は割算器、２０４は２相積分器、
２０５はベクトル回転器、２０６は温度摸擬回路、２０
７は減算回路、２０８は係数器、２０９は加算回路、２
１０は係数器、２１１は係数器、２００１は積分器、２
００２は掛算器、２００３は係数器、２０６１は掛算器
、２０６２と２０６３はそれぞれ異なる時定数を有する
一次遅れ要素、２０６４は加算回路、を示す。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘導電動機における回転子回路の電気的時定数と同
   じであるでき時定数をもつ一次遅れ回路を含んで成り、
   該誘導電動機における固定子電流の、該電動機のトルク
   発生に寄与する有効磁束ベクトルとベクトル的に同方向
   成分である励磁分電流および直交成分であるトルク分電
   流の各電流値のほか、固定子巻線軸と回転子巻線軸との
   なす偏位角を与えられて前記有効磁束のベクトルを演算
   により算出する誘導電動機の磁束ベクトル演算器におい
   て、入力されるトルク分電流値から回転子回路に発生す
   る熱損失相当値を算出する手段と、該熱損失相当値を入
   力されて回転子導体温度を摸擬的に出力する一次遅れ要
   素の一つまたは組合せと、回転子導体の温度変化により
   回転子回路の電気的時定数が変化したとき、前記回転子
   導体温度を用いて前記一次遅れ回路における時定数を回
   転子回路のそれに等しくなるよう修正する修正手段とを
   有して成ることを特徴とする磁束ベクトル演算器。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の磁束ベクトル演算器
   であつて、前記一次遅れ回路は、励磁電流を入力させて
   積分する積分器と、その積分出力に或る係数を乗算した
   後、乗算結果を前記積分器の入力側へ負帰還結合する乗
   算器とにより構成され、前記時定数修正手段は、回転子
   導体温度を用いて回転子回路の時定数を算出する手段と
   、算出された時定数の逆数を前記係数として前記乗算器
   へ付与する手段とにより構成されて成ることを特徴とす
   る磁束ベクトル演算器。