JPS605888B2 - 交流電動機の瞬時トルク検出方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、交流電動機の瞬時トルクを静的に検出する方
式に関する。

従来、電動機のトルクはストレィンメータ（ｓＵａｉｎ
ｍｅｔｅｒ）等の機械的方法で検出されていた。

しかし、これでは信頼性が低く、回転体り取り付けるた
め、例えばＦＭ（周波数変調）によって外部への信号伝
送を行なうなど非常に複雑であつた。ここにおいて、本
発明は、電気的に、しかも電流形ィンバータ駆動の交流
電動機のように、転流時にサージ電圧が発生している場
合にも、誤差のない適切な交流電動機の瞬時トルク検出
方式を堤供することを目的とする。

第１図は、本発明の一実施例のブロック図である。

１は３相交流電源、２は誘導電動機または同期機、３は
速度検出器（タコゼネ）、４，５，６は変流器、７は３
相変成器、８，９，１０は抵抗、１１，１２，１３は増
幅器、１４，１５，１６は高周波通過る波器（日，Ｐ，
Ｆ）、１７，１８，１９は減算器、２０は２乗関数発生
器、２１，２２，２３，２４，２５，２６は掛算器、２
７，２８，２９は可変の定数設定アンプ、３０は加減算
器、３１は割算器（二次電力Ｐ２／回転速度の）、３２
，３３は増幅器、３４は瞬時出力電力端子、３５は瞬時
出力トルク端子、１０川ま電流・電圧検出回路、２００
転流サージ除去回路、３００は瞬時出力電力演算回路、
４０川ま瞬時トルク演算回路である。

従来、誘導電動機のトルクを表わす手段として、２次入
力Ｐ２を同期角速度の。

で割って同期ワットとして示す方式がある。しかし、
この従釆方式では、電圧・電流が正弦波であることが必
要であった。最近のように、交流電動機をィンバータで
駆動すると、電流波形に高調波が含まれて瞬時トルクが
変動し、所謂トルクリツプルが生じる。

ここにおいて、本発明は上述のような瞬時トルクを検出
するために、同期ワットの概念を瞬時２次入力として扱
えば瞬時トルクとして拡張できることを利用することに
着目してなされたものである。

ここでいまらく瞬時トルク検出方式の理論について説明
しよう。

まず、誘導電動機の高調波特性は次のようになる。

第２図は、誘導電動機の等価回路図で１次側換算値を示
している。

ｉ，は一次電流、Ｒ，は一次抵抗、１，は一次もれィン
ダクタンス、１２は二次もれインダクタンス、Ｍは励磁
ィンダクタンス、Ｒ２は二次抵抗、ｉＭは励磁電流、ｉ
２は二次電流、Ｖｏは電源の星形相電圧、Ｖ，は誘導起
電力、Ｓはスリップである。

第２図から分るように、高調波電流は二次電流ｉ２の方
向に主として流れ、励磁ィンダクタンスＭには流れない
とみなせる。

励磁電流ｉＮは基本波分のみ流れ、そのため誘導起電力
Ｖ，は正弦波とみなされる。そこで、３相瞬時二次入力
Ｐ２について述べる。

誘導起電力Ｖ，が正弦波として、一次電流，が歪波の場
合に３相の瞬時二次入力Ｐ２は一次電流ｉ，に対して譲
導起電力Ｖ，がａだけ進みであるとすると、（１式）で
示され、かつ各相電流（ｉａ・ｌｂ・ｉｃ）は第３図の
ように正負の波が対称とする。Ｐ２＝ｉａノ亥Ｅがｉｎ
（のｔ＋ａ）＋ｉｂノ玄Ｅ炎ｉｎ（のｔ川−を）十ｉＣ
灯Ｅがｉｎ（のｔ＋ａ＋す） ．・・．・・．・・（１式） ここに、Ｅ２は二次電圧実効値、の：２汀ｆ′、ｆ′は
周波数、ｔは時間をあらわす。

また、第３図の波をのｔの関数ｆ（のｔ）と考えると「
１ａ＝ｆ（のｔ）（〇≦のｔ≦号）．・・．・・．・・
（２式） ・ｂ＝−ｆ（のｔ＋芸）（０ミのｔ≦寿）．・・．・・
．・・（３式） ．Ｃ＝ｆ（のｔ＋箸打）（〇≦のｔ≦事）．・・・…．
・（４式） ｉａ十ｉｂ＋ｉＣ：ｆ（山ｔ）−ｆ（のｔ十安）。

十ｆ小すけ）＝０ …・・・・・・（５式） （１式）〜（５式）より Ｐ２ｉノ夏Ｅ２〔ｆ（のｔ）ｓｉｎ（のｔ＋８）夕
−ｆ（のｔ＋安）Ｓｉｎ（のｔ＋８−亀中）十ｆ（■ｔ
＋さけ）Ｓｉｎくのｔ十ａ＋さけ）〕。

＝３舞２〔ｆ（■ｔ）Ｓｉｎ（のけｏ）十ＣＯＳ（のｔ
＋８）｛ｆ（のｔ＋零） 灯 十ｆ（のｔ＋曇り）｝〕………（６式） タ したがって、瞬時トルクはこうである。

一般に、誘導電動機のトルクＴは（７式）で示される。
Ｔ＝雲仙〔ｉ州泌−１１Ｑｍｉ２８〕 ０ ・・・・・・（７式
）ここで、ｉ・〇ｍ， ｉ・６ｍはＱ，８軸に座標変換
した励磁電流であり、ｉ２は，ｉ２８は二次電流つまり
Ｑ相回転子電流、８相回転子電流である。

１，Ｑ，ｉ，８は一次電流すなわちＱ相固定子電タ流，
８相固定子電流であって、それらは（８式），（９式）
で変換される。

Ｔ＝沙′〔ｉ小ｉ２Ｑ−，仇ｉ２３〕 ．・・．・・．・・（７′式） ０ １１Ｑ＝ｌａ ………（８式）ｉ．
８＝挙手………（９式）ここで、ｎは極対数であり、Ｍ
′は相互ィンダクタンスである。

（７′式）で励磁電流ｉ，Ｑｍ， ｉ，８ｍが小さいと
すると、ｉ２Ｑニ−１１Ｑ ………（１
坊式）ｉ２３こ−ｉ・８ ………（１１式
）Ｔ＝身必′〔一ｉ．８ｍｉ．Ｑ＋ｉ・Ｑｍｉ・８〕．
・・．・・．・・（１２三三）励磁電流ｉ，Ｑ肌 ｉ，
Ｂｍは二次電圧よりｍ／２遅れ、更に８軸はＱ軸より汀
／２遅れるので、（１３式），（１亀式）で表わされる
。

Ｍｍ＝松為′Ｓｉｎ（のｔ＋８−芸） ．・・．・・．・・（１３三Ｅ） ｉ帆＝灯為′Ｓｉｎ（のｔＭ−蔓‐蓑） ．・・．・・．・・（１４三三） （２式）〜（４式），（８式）〜（１年式）よりＴ：３
芝掌（ｆ（山ｔ）Ｓｉｎ（小）＋｛ＣＯＳ（のｔ＋Ｘ｛
（のｔべ史）十ｆｗに）｝〕，．…．．．・（１威）
バ（６式），（１５式）を比較すると Ｔこどろ−Ｐ２ ．．．．．．．．．．．．．…
．．．・・（１６式）の の。

（１６式）でのｏ は同期角速度である。

従って、正弦波での二次入力を同期角速度で割って、ト
ルクを同期ワットで表示する方式が歪波の瞬時値でも成
立する。

そして、第１図へ再び戻ることにする。

電源電圧検出回路１００では変流器４〜６および抵抗８
〜１０で電流を電圧信号としてとり出し、３相変成器（
抵抗による分圧でもよい）で電圧信号を得ている。

なお、これらはシャント（ｓｈｕｎｔ）あるいは電流ブ
ローブその他の方策で検出しても構わない。電動機の一
次入力をＰ，、一次損失をＰ，Ｌとすると、Ｐ２＝Ｐ・
一Ｐ．Ｌ ………（１方式）一次入力Ｐ
，は各相の電流および電圧の瞬時値の和（Ｐ，＝２Ｖｉ
ｉｉ）であり、一次損失Ｐ，Ｌは一次錦損と一次鉄損か
らなる。

しかして、銅損は一次電流の２乗と一次抵抗の積、鉄損
は一次電圧の２案に比例するから、乗算器２１〜２３，
２乗関数発生器２０で求めた値を、一次入力Ｐ，それは
乗算器２４〜２６の出力から、加減算器３０において差
引く。

ところで、ィンバータ回路においては転流時にサージが
発生するので、転流サージ除去回路２００で予め一次入
力電力からその分を減算させてある。

つまり、転流サージ分は高調波通過る波器１４〜１６を
通過して減算器１７〜１９で引き算するようにしている
。それゆえ、割算器３１において加減算器３０の出力で
ある二次入力を、この電動機２の回転速度ので除算すれ
ば、求める瞬時出力トルクが得られる。

，さらに、その働き
につき理論的解析を加えておく。

電流形ィンバータ駆動運転をした場合、回転中の誘導起
電圧Ｖ，は正弦波に近い波形になっている。

しかし、計測点である相電圧Ｖｏには一次抵抗Ｒ・を無
視すると「電圧ｅ．＝（１．十１２）守；のサ−ジ電圧
が電圧Ｖ，に重なって現われ、その波形は第４図のよう
になる。ここで、電力ｅ，．ｉ，＝ｉ，（ー，十ー２）
群は瞬時２次入力とならず、誤差となるため、相電圧Ｖ
ｏから取り除かねばならない。

３相の等価回路については、第５図のようになる。

一次抵抗Ｒ，を無視すると、 ｖ。

Ｒ：（，，Ｒ＋１２）等＋ｖ，Ｒ・・・・・・・・・（
１拭）ｖ。Ｓ：（１，Ｓ＋１２）等＋ｖｉｓ・…・・（
１拭）ｖＭ＝（１，Ｔ十１２）鼻Ｗ，Ｔ・・・・・・・
・・（猟）ただし、ＶｏＲはＲ相電圧、１，ＲはＲ相一
次もれインダクタンス、ｉ，ＲはＲ相線電流、Ｖ，Ｒは
Ｒ相誘導起電力であって、以下Ｓ相・Ｔ相についてもこ
れに準じる。これから、次のようになる。

Ｖ・Ｒ＝ＶＯＲ‐１・Ｒ・等．．．．，．．，．（２，
式）Ｖ１３＝ＶＯＳ−１・Ｓ・濠．．‐．．．．．．（
２拭）ｄｉ，ＴＶｎ＝ＶｏＴ−１・Ｔ・ｄｔ………（２
＄式）ここではＶ，Ｒはサージ補正後のＲ相相電圧、Ｓ
相・Ｔ相もこれに準じる。

第６図は、時点ｔ，でＲ相からＳ相への転流が始まり時
点らで終了する電流波形図である。

ここにおいて、電圧ＶｏＲ，Ｖ礎，ＶｏＴ及び電流１・
Ｒ，１・ｓ，ｉ，Ｔは計測可能であるので、電流信号を
微分し、各相の相電圧Ｖｏｉからそれを差引けば、誘導
起電力Ｖ，が求められ、転流時のィンパルス電圧による
誤差をなくしたトルクを検出することができる。

その原理的ブロック図を第７図に表わし「 ３６は微分
器、３７〜４１は抵抗、４２，４３は演算増幅器を示し
ている。かくして本発明によれば、従釆の歪ゲージ式に
比べて取扱いがきわめて容易になるばかりでなく、電流
形ィンバータ駆動での一次電力における転流サージの影
響のない正しい脈動トルクの値が求められ、この機構の
機械的強度に対する適切な検討が可能となり、この分料
節こ益するところ大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は誘導
電動機の等価回路図、第３図はその各相電流の波形図、
第４図は転流時のサージ電圧の説明図、第５図は譲導電
動機の３相の等価回路図、第６図は転流期間における各
相線電流の波形図、第７図は本発明の基本概念を示すブ
ロック図である。 １・…・・３相交流電源、２・・・・・・議導電動機ま
たは同期機、３…・・・速度検出器、４〜６…・・・変
流器、７・・・・・・３相変成器、８〜１０・・・・・
・抵抗、１１〜１３，３２，３３…・・・増幅器、１４
〜１６・…・・高周波通過る波器、１７〜１９・・・・
・・減算器、２０・・・・・・２案関数発生器、２１〜
２６・…・・掛算器、２７〜２９…・・・可変の定数設
定アンプ、３０・・・・・・加減算器、３１……割算器
、３４……瞬時出力電力端子、３５・・…・瞬時出力ト
ルク端子、１００・・・・・・電流・電圧検出回路、２
００・・・・・・転流サージ除去回路、３００…・・・
瞬時出力電力演算回路、４００・・・・・・瞬時トルク
演算回路。 第２図 第３図 賭「図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ３相電源を用いてインバータ運転する誘導電動機ま
   たは同期電動機において、３相分の電流及び電圧を検出
   し、その電圧検出値から電流検出値の微分値を減算した
   値と電流検出値との積をとって一次電力とし、これから
   銅損と鉄損とを差し引いた二次電力をこの電動機の回転
   速度で割り算してトルク出力を得るようにしたことを特
   徴とする交流電動機の瞬時トルク検出方式。