JPWO2006072981A1 - 回転電機の定数測定装置及び定数測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ駆動される回転電機に対し、複雑な構成や方法をとることなく、無回転状態で定数測定を行うことができる回転電機の定数測定装置及び定数測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電力変換器を介して可変周波数、可変電圧を供給され、可変速運転を行われる回転電機の定数測定装置において、電力変換器に電圧指令値を与える電圧指令演算器と、回転電機に流れる電流を検出する電流検出器と、回転電機の電流が流れる時間を測定する時間計測器と、前記検出した電流と時間から回転電機の定数を演算する定数演算器を備え、電圧指令値をステップ状に与え、その時の電流値の変化をある時刻T1からT2まで測定し、その変化量により回転電機の２次時定数を求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータ駆動される回転電機の電気的定数を無回転で測定する装置及び方法に関するものである。

従来技術として、ＪＥＣ−３７に示されるような巻線抵抗測定、無負荷試験、拘束試験を行って回転電機定数を求める方法がある。
また、回転電機を停止したままの状態で、誘導電動機の定数を同定する方法として、特許文献１がある。この方法では、単相交流を回転電機に供給し、ｄ軸電流検出値あるいはｑ軸電流検出値をフーリエ級数展開し、回転電機の定数を求めていた。
また、別の方法として特許文献２がある。この方法では回転電機に電圧指令値として所定の一定値を与え、その際の回転電機に流れる電流値を測定し、その電流値が一定値に収束した値を用いることで回転電機の定数を求めていた。

特開平７−５５８９９号公報 特開２００２−１９９７９８号公報

前記の従来技術において、ＪＥＣ−３７に示されるような方法では、無負荷試験と拘束試験の間に回転電機の回転子の固定および固定の解除といった作業が必要であり、インバータ駆動による自動計測には向いていない面がある。また、無負荷試験では、回転電機単体で運転する必要があり、負荷が既に結合されている場合には、負荷を一旦切り離して回転電機単体で回転させるという作業が必要となり、効率が悪いという問題があった。
また、特許文献１で示される方法では、単相交流を印加し、フーリエ級数展開を利用して求めているのでソフトウェアが複雑になり、ソフトウェアの処理時間が長くなり、ソフトウェアに大きな記憶容量を要するといった問題があった。
また、特許文献２で示される方法では、何度も電流を流す必要があり、かつ近似式が多くあるのでソフトウェアが複雑になり、ソフトウェアの処理時間が長くなり、ソフトウェアに大きな記憶容量を要するといった問題があった。

この発明は、インバータ駆動される回転電機に対し、複雑な構成や方法をとることなく、無回転状態で定数測定を行うことができる回転電機の定数測定装置及び定数測定方法を提供することを目的とする。

この発明による回転電機の定数測定装置は、電力変換器を介して可変周波数、可変電圧を供給され、可変速運転を行われる回転電機の定数測定装置において、電力変換器に電圧指令値を与える電圧指令演算器と、回転電機に流れる電流を検出する電流検出器と、回転電機の電流が流れる時間を測定する時間計測器と、前記検出した電流と時間から回転電機の定数を演算する定数演算器を備え、電圧指令値をステップ状に与え、その時の電流値の変化をある時刻T1からT2まで測定し、その変化量に基づき回転電機の２次時定数を求める。

この発明による回転電機の定数測定方法は、電力変換器を介して可変周波数、可変電圧を供給され可変速運転を行われる回転電機の２次時定数を測定する回転電機の定数測定方法において、電力変換器の電圧指令値をステップ状に与え、回転電機に流れる所定時刻の電流値と、その電流値の半減期に対応する時刻を計測し、前記所定時刻の電流値と前記半減期に対応する電流値をもとに直線補間して得られた時刻ゼロにおける補間電流点に基づく近似式により２次時定数を算出する。

この発明によれば、インバータ駆動される回転電機の定数の測定を、回転電機を回転すること無く、簡単な構成、方法により実施でき、従来に比べて簡単なソフトウェアで処理時間を短縮できると共に、ソフトウェア用に大きな記憶容量を必要としない効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態に係わる回転電機の定数測定装置の構成を説明するためのブロック図、図２は一般的な誘導電動機のT型等価回路を示す図、図３は、実施の形態１における電圧指令信号及び電流応答信号を示す図である。図５は、実施の形態１における定数測定方法を示すフローチャートである。

図１は、電圧指令演算器３からの電圧指令値に応じた出力電圧を発生する電力変換器２により、インバータ駆動される誘導電動機等の回転電機１の２次時定数を測定する場合の定数測定装置の概略構成を示すもので、回転電機１に流れる電流を検出する電流検出器４と、電流が変化している状態に対して時間を計測する時間計測器５と、電流検出器４から検出される電流値と時間計測器５により計測された時間に基づき回転電機１の定数を演算する定数演算器６とを備えている。
そして、この定数測定装置は、あらかじめ定められた電圧指令値に基づき電圧指令演算器３で電圧指令値が生成され、電力変換器２から電圧指令値に基づく出力電圧が回転電機１に供給された時、回転電機１に流れる電流を電流検出器４で検出し、定数演算器６でその電流値を記憶すると共に、その電流値に基づき時間計測器５において時間を計測し、記憶された電流値と時間計測値により定数演算器６で２次時定数を演算するように動作する。

次に実施の形態１による回転電機１の２次時定数測定方法について説明する。
回転電機１の等価回路として図２に示す一般的な誘導電動機のＴ型等価回路を例にとって説明する。図中Rs：1次側抵抗、Ls：1次側漏れインダクタンス、Lr：２次側漏れインダクタンス、M：相互インダクタンス、Rr：2次側抵抗、is：1次側電流、ｖｓ：1次側電圧、である。また、Ts：１次時定数、Tr：2次時定数、σ：漏れ係数を式（１）〜（３）で定義する。

電圧ｖｓから電流isまでの伝達関数G(s)は（４）式であらわされる。なおｓ：ラプラス演算子、である。

ここで、周波数がTs+Tr／σTsTrより十分低い領域では（５）式のように近似できる。

次に電力変換器２への電圧指令値の与え方を説明する。図３（ａ）において時刻０までは電圧指令値０［V］を与える。ついで時刻０において最終的に電流IA［A］に収束する電圧指令値VA［V］を与える。
尚、IAは回転電機１の状態によっては時刻０である値の電流が流れていることもあるので、IAは図３（ｂ）の通り十分長い時間経った時の電流IU_INFと初期値I(0)の差とする。
IA=IU_INF-I(0) （６）

電圧指令値を図３（ａ）のように０→VA[V]にステップ状に立ち上がるように変化させた時の電流応答について、（５）式を用いて考える。電流の最終値IU_INFは最終値定理s→0より

である。電圧ステップ印加直後の電流I(ΔT)は初期値定理s→∞より

である。（図５のステップS11）

また、ステップ応答の電流は時定数（Ts+Tr）で変化する。この変化を図３（ｂ）に示す。
時刻０秒で電圧がステップ変化した時、（５）式はTs+Tr／σTsTrより高い周波数を無視しており、またRs≒Rr、Ls≒Lrである時、

の近似式が成り立つ。そこで時刻T1をσLs／2Rsより十分大きい値に設定する。時刻T1[秒]では電流を計測しIU_INF[A]と時刻T1時の電流の差をIB[A]として記憶する。
IB= IU_INF−I(T1) （１０）
同時に電流ICをIB/2[A]として記憶する。（図５のステップS12）

電流の計測を続け、条件
IU_INF−I(t)＝IC （１１）
となった時刻をT2[秒]として記憶する。
電流振幅の半減期と時定数の関係は(１２)式であらわされる。

（１２）式より（１３）式が得られる。（１３）式によって時定数（Ts+Tr）を得る。（図５のステップS13）

図３（ｂ）においてB点とC点をもとに直線補関することにより、時刻０における補間電流点であるZ点を得る。（図５のステップS14）
この補間電流点Z点と（８）式の関係から

となるので（１４）式の関係が導き出せる。

（１３）及び（１４）式から

を得、２次時定数Trを求める。（図５のステップS15）

以上のように、この実施の形態１によれば、電力変換器２の電圧指令値としてステップ状に立ち上がる電圧指令値を与え、回転電機１に流れる所定時刻の電流値と、その電流値の半減期に対応する時刻を計測し、前記所定時刻の電流値と半減期に対応する電流値をもとに直線補間して得られた時刻ゼロにおける補間電流点に基づく近似式により２次時定数を算出することにより、無回転状態で、容易に２次時定数を算定でき、従来に比べて簡単なソフトウェアで実行でき処理時間を短縮できる。

実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。
回転電機の定数測定装置の構成は実施の形態１と同じ構成をしている。図４は、実施の形態２における電圧指令信号及び電流応答の信号を示す図である。図６は、実施の形態２における定数測定方法を示すフローチャートである。この場合も回転電機１の等価回路として実施の形態１と同じT型等価回路を考える。

次に電力変換器２への電圧指令値の与え方を説明する。図４（ａ）において時刻０までは電圧指令値VD［V］を与える。この電圧指令値VDに対して電流値が一定値ID［A］に収束する十分長い時間たった後に、電圧指令値を図４（ａ）のようにVD→０[V]にステップ状に立ち下がるように変化させた時の電流応答について考える。

まず電流の最終値IU_INFは０［A］である。
次に電圧ステップ降下直後の電流I(ΔT)は電圧のVD→０[V]のステップ応答と考えれば良いので、

となる。（図６のステップS21）

また、ステップ応答の電流は時定数（Ts+Tr）で変化する。この変化を図４（ｂ）に示す。
時刻０秒で電圧がステップ変化した時（５）式はTs+Tr／σTsTrより高い周波数を無視しており、（９）式よりT3をσLs／2Rsより十分大きい値に設定する。時刻T3[秒]では電流を計測しIE[A]として記憶する。同時に電流IFをIE/2[A]として記憶する。（図６のステップS22）

電流の計測を続け、
I(t)＝IF （１７）
となった時刻をT4[秒]として記憶する。（図６のステップS23）

図４（ｂ）においてE点とF点を直線補関することにより、時刻０における補間電流点である補間電流点Y点を得る。（図６のステップS24）

この補間電流点Y点と（１６）式の関係から

となるので（１８）式の関係が導き出せる。

（１３）及び（１８）式から

を得、２次時定数Trを求める。（図６のステップS25）

以上のように、この実施の形態２によれば、電力変換器２の電圧指令値としてステップ状に立ち下がる電圧指令値を与え、回転電機１に流れる所定時刻の電流値と、その電流値の半減期に対応する時刻を計測し、前記所定時刻の電流値と半減期に対応する電流値をもとに直線補間して得られた時刻ゼロにおける補間電流点に基づく近似式により２次時定数を算出することにより、無回転状態で、容易に２次時定数を算定でき、従来に比べて簡単なソフトウェアで実行でき処理時間を短縮できる。

この発明の実施の形態１，２係わる回転電機の定数測定装置の概略構成図である。 一般的な誘導電動機のT型等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態１における電圧指令信号及び電流応答信号を示す図である。 この発明の実施の形態２における電圧指令信号及び電流応答信号を示す図である。 この発明の実施の形態１における測定方法を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２における測定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 回転電機、２ 電力変換器、３ 電圧指令演算器、４ 電流検出器、５ 時間計測器、６ 定数演算器

Claims (6)

1. 電力変換器を介して可変周波数、可変電圧を供給され、可変速運転を行われる回転電機の定数測定装置において、前記電力変換器に電圧指令値を与える電圧指令演算器と、前記回転電機に流れる電流を検出する電流検出器と、前記回転電機の電流が流れる時間を測定する時間計測器と、前記検出した電流と時間から前記回転電機の定数を演算する定数演算器を備え、前記電圧指令値をステップ状に与え、その時の電流値の変化をある時刻T1からT2まで測定し、その変化量に基づき前記回転電機の２次時定数を求めることを特徴とする回転電機の定数測定装置。
2. 一定の電圧指令値に対して電流値が一定値に収束する十分長い時間たった後の電流値IAを記憶し、次に前記電圧指令値をゼロからVAに変化させた時の、ある時刻T1からT2までの電流値変化量を測定することにより、前記回転電機の２次時定数を求めることを特徴とする請求項1記載の回転電機の定数測定装置。
3. 一定の電圧指令値に対して電流値が一定値に収束する十分長い時間たった後に電圧指令値をゼロにステップ状に変化させた時の、ある時刻T1からT2までの電流値変化量を測定することにより、前記回転電機の２次時定数を求めることを特徴とする請求項1記載の回転電機の定数測定装置。
4. 電力変換器を介して可変周波数、可変電圧を供給され可変速運転を行われる回転電機の２次時定数を測定する回転電機の定数測定方法において、前記電力変換器の電圧指令値をステップ状に与え、前記回転電機に流れる所定時刻の電流値と、その電流値の半減期に対応する時刻を計測し、前記所定時刻の電流値と前記半減期に対応する電流値をもとに直線補間して得られた時刻ゼロにおける補間電流点に基づく近似式により２次時定数を算出することを特徴とする回転電機の定数測定方法。
5. 前記電圧指令値としてステップ状に立ち上がる電圧指令値VAを与えた場合、前記近似式は、次式で表されることを特徴とする請求項４記載の回転電機の定数測定方法。
   

   

   
   
   
   但し、Tr：２次時定数
   IA：電圧指令値VAにより最終的に収束する電流値
   T1：σLs／2Rs（Ls：１次側漏れインダクタンス、Lr：2次側漏れインダクタンス、
   σ：漏れ係数）より十分大きい値に設定された時刻
   IB：時刻T1における電流値
   IC，T2：IB/2として記憶された電流値及びその電流値になった時刻
6. 前記電圧指令値としてステップ状に立ち下がる電圧指令値を与えた場合、前記近似式は、次式で表されることを特徴とする請求項４記載の回転電機の定数測定方法。
   

   

   
   
   
   但し、Tr：２次時定数
   ID：電圧指令値VDの時に流れている電流値
   T3：σLs／2Rs（Ls：１次側漏れインダクタンス、Lr：2次側漏れインダクタンス、
   σ：漏れ係数）より十分大きい値に設定された時刻
   IE：時刻T3における電流値
   IF，T4：IE/2として記憶された電流値及びその電流値になった時刻

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