WO1987001250A1 - Method of controlling a three-phase induction motor - Google Patents

Description

明 細 書

三相誘導電動機の制御方法

技 術 分 野

*発 明 は 、 デ ジ タ ル値 に ょ り カ行制御及び 回生制御 を 行 な ぅ 三相誘導電動機 の制御方法に閟す る 。

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冃 景 技

最近 の三相 誘導電動機の制御は、 電動機 の 固定子電流 を 瞬時値制御 し て 、 直流分巻電動機 と 等価 な ト ル ク 発生 を 行 な ぅ べ ク ト ル制御方式に ょ る場合が多 く な っ て き て ぃ る 。

こ の ょ ぅ な べ ク ト ル制御を 用 ぃ て 、 三 相誘導電動璣 の カ行制御及び.回生制御 を行な ラ こ と が、 例 ぇ ば 日 末国 特 許出願公開昭和 5 9 年第 1 4 3 8 5 号公報 に ょ リ 提案 さ れ て ぃ る 。

と こ ろ で、 ェ作機械等の主軸用モ一 タ 等 の ょ ぅ に 高速 回転領域 ま で速度制御 を行な ぅ 場合ゃ、 ー定 回 転数 に ぉ ぃ て 、 ト ル ク 指今 に 応 じ て励磁を弱め る ょ ぅ な 制御 を 行 な ぅ 場合 に 、 べ ク ト ル制御に ょ リ 誘導電動機 を 制御 す る と 、 電動機の 2 次 も れ ィ ン ダ ク タ ン ス 、 励磁鉄 損等 の 効 果 に ょ リ 、 ト ル ク 指今 と 励磁電流、 2 次電流 、 すべ り 周 波数が 非線形 と な り 、 こ の結果、 ト ル ク 指令 に 対 し て 出 カ ト ル ク も 非線形 と な り 、 正確 に直镍状 の ト ル ク 指今 と 出 カ ト ル ク の 関係 を 保 て なぃ と ぃ ぅ 問題 が ぁ っ た 。

ま た 、 誘導電動機 の 出 カは 、 ー般に電動機 に 印 加 さ れ る 電圧 に 対 し て 、 2 乗 に比例 し て変化す る た め 、 交流入 カ電圧が大 き く 変化す る と 、 出カ変動が生 じ る 。 こ の ょ ラ な出カ変動 を 防止す る ため、 べク ト ル制御方式に 、 交 流入カ電圧に応 じ て 、 最大すべ リ 量を変化 ざせ る 、 等 の 対策を 講 じ て ぃ る が、 誘導電動機の出カ を ー定 にす る 上 では十分 な効果が得 られてぃ なかっ た。

さ ら に 、 回生制動時 には入カ側の進相 コ ン デ ン サ容量 に ょ リ カ率が変動 し た り 、 電源ひずみの増加、 無効電カ の増加 と ぃ ぅ 問題が ぁ っ た。

太発明 は、 上記問題点を解块する ため に な さ れた も の で 、 コ ン 'く— タ 及び ィ ンバー タ ょ り な る パ ヮ 一 ァ ン プ を 用 ぃ て 、 べ ク ト ル制御方式に ょ.り カ行制御 と 回生制御 を 行 な ぅ も の に ぉぃ.て 、 磁柬セ ンサを用ぃ る こ と な く 、 ト ル ク 指今 に対 し て出 カ ト ルク を線形で得'る こ と がで き 、 電源電圧が変動 し て も 三相誘導電動機の 出カをー定に で き る三相誘導電動機の制御方法を提供す る こ と を 目 的 と し てぃ る 。

発 明 の 開 示

未発明 に ょれば、 カ行制御時には、 交流入カ を直流 に 変換 し 、 該変换 された直流が印加される 第 1 の ィ ンバ 一 タ の出 カ で三相誘導電動機を可変速 ¾動 し 、 回生制御時 に は三相誘導電動機の出カ電流を直流に 変换 し 、 該変換 された直流が印加 される 第 2 の ィ ンバ一 タ の 出 カを交流 電源 に 回生す る ょ ぅ に レたべ ク ト ル制御方式 に ょ る 三相 誘導電動機の制御方法 に ぉぃて、 三相誘導電動機に対す る ト ル ク 指令及び三相誘導電動機に対応 し て決定 され る 励磁磁束指今 を も と に し て、 励磁電流指令、 2 次電流指 今 を そ れぞれ励磁磁柬方向成分ぉょび電勖璣の起電圧方 向成分 に べ ク ト ル分解 し、 前記べク ト ル成分 の合成 に ょ り 電動機の 1 次電流指令を求め、 前記交流入カ を直流 に 変換す る 回路 の直流 リ ン ク部の電圧を検 出 し 、 前記検 出 された電圧 に 応 じ て励磁磁束指令を補正 し 、 前記電源電 圧の変勖に拘 ら ず線形 な出カ ト ル ク を得 てー定 出カの制 御を行 な ぃ 、 ま た 、 前記回生制御時に は交流電源側の電 圧 と電流 と の位相 を 調整 して、 無効電カ を減少 さ せる ょ ぅ に 制 御 す る 三 相 誘 導 電 動 機 の 制 御 方 法 が提供 さ れ る 。

·. 図面の.簡単な説明

第 1 図 は *発 明 の 概略 の ブ ロ ッ ク 図 、 第 2 図は回路 図、 第 3 図は等価回路、 第 4 図ほべク ト ル図、 第 5 図 〜 第 1 0 図は説明 図 で ぁ る 。

発明 を実施す るための最良の形態 以下 、 図 に ょ り 本発明方法に っぃて説明 す る 。 第 i 図 は 、 本発 明 方法 を 実施す る た め の 制御 回路の櫬略の ブ ロ ッ ク 図、 第 2 図は 、 第 1 図のパ ヮ 一ァ ン プ部 の 回路 図 で ぁ る 。

第 1 図の制御回路 に っぃて説玥する前 に 、 第 3 図〜 第 7 図 に ょ り 、 *発明 の 前提 と な る 技術 に っぃ て説明 す る 。

第 3 図は 、 三相誘導電動璣のー相分の等価回路、 第 4 図はべ ク ト ル 図、 第 5 図、 第 6 図、 第 7 図 は特性の説 ¾ 図でぁ る 。 三相誘導電動機のべク ト ル制御は次 の ょ ぅ に し て行 な ぅ 。

( 1 ) 速度指令 ) C を設定する 。

( 2 ) 電動機速度 ω ιη を検出する。

( 3 ) oj c と o m の減箕に ょ り 、 ト ル.ク 指今 T c を求 め る 。

( ) すべ リ 周波数の推定値 ω ' s を 、

ω ' s = Κ 0 X T c X ω m ( Κ ₀ は 常数）

と し て求め る 。

( 5 ) 励磁周波数の推定値 ω ' 0 を 、

ω 0 = ω m + ω s

と し て求め る 。

( 6 ) 第 5 図の特性図 ょ リ 、 励磁周波数 ω , 0 に対応す る 磁柬 Φ を求め る 。

( 7 ) 卷線抵抗の測定、 無負荷試験ぉょ び拘束試験を行 なぃ、 第 3 図の等価回路、 第 4 図の べ ク ト ル図 ょ リ 、 ー 次誘起電圧 、 励磁電流 I 。 の鉄損電流 I 。 〖 お よ び 磁化電流 I Q M 、 励磁抵抗 R o 、 励磁 リ ァ ク タ ン ス L o の値を それぞれ求め る 。 ' ( 8 ) 回転磁界の磁束 Φ を基準位相 と し て 、 回転 し て ぃ る座標系 を 固定 し た座—瘵系へ変换する。 即 ち 、

①励磁電流 I 。 は 、 Φ軸方向成分 I 。 M と 方向成 分 I 。 i の べ ク ト ル 和 と し て 、 次 の ょ ラ に 求 め ら れ る 。 ' -

= I 0 + 0 1 ②ニ次電流 ί 2 も 、 同様に Φ铀方向成分 Ϊ 2 Μ と E L 軸 方向成分 I s ω と の べ ク ト ル和 と し て、 次 の ょ ぅ に 求 め られ る 。

I 2 = I 2 + 1 2 1

⑤磁束 Φ は 、

Ε 1 = d Φ / d t

= L o X ( d I o M / d t )

= d ( L ₀ « i o M ) / d t

ょ リ 、

Φ = L o · I o

と し て求め ら れ る 。

次 に 、 第 6 図の特性図 ょ り 、 ' ·

I 0 M = / L 0

I 0 ί = Κ ω ' ο Φ ( Κ は常数）

を求め る 。

( 9 ) ニ次電琉 I s 轴方向成分 I s w を 、

I 2 w = ( T C / )

ょ リ 求め る 。

( 1 0 ) すべ り 周波数 6> s を、 第 7 図の特性図 ょ リ 块定 す る 。

( 1 1 ) ニ次電流の Φ方向成分 I 2 を 、

I 2 = I 2 w X ω s X ( L 2 / R 2 )

ょ リ 求 め る 。

( 1 2 ) —次電流 の Φ方向成分を、

I 1 ( ) = I 0 M + 1 2 ょ リ 求め る 。

( 1 3 ) —次電流 I 1 の ^^ 方向成分を 、

I 1 ( E i ) = I o 1 + I 2

ょ り 求 め る 。 こ の ょ ぅ に して得 られた 1 次電流 は、 誘導 電動機 の 諸定 数 を すべ て考慮 し た場合の電流指今で ぁ リ 、 ト ル ク 指令 に対 し て線形な出カ ト ル ク を得 る ため の 電流指今 と な っ てぃ る 。 .

( 1 ) 励磁周波数 0 を、

0) 0 = ) m + ω s

ょ リ 求め る 。

次に 、 第 1 図の ブ ロ ッ ク 図に戻 リ 、 こ の ブ ロ ッ ク 図 に っぃて説明す る 。 交流電源に、 第 2 図に示す ょ ぅ に交流 入カ側及び直流出カ側 に それぞれ設け ら れる 、 コ ンバ-— タ 、 ィ ンバ ー タ c で構成されるパ ヮ 一 ァ ン プ a を接続 す る 。 こ の コ ン バ 一 タ b ほ、 ダ ィ ォ一 ド に ょ り 全波整流 ブ リ ッ ジ で形成 し 、 各 ダ ィ ォ 一 ド は ト ラ ン ジ ス タ ィ ン バー タ と 並列 に接続 ざれてぃ る 。 ノ、。 ヮ 一 ァ ン プ a の コ ン バ一 タ b に ょ リ 直流電圧を得、 こ の直流電圧 を ィ ン バ 一 タ c に 印加す る 。 ィ ンバー タ の出カ電圧 は、 P W M回路 及び電流制御 回路 m に ょ リ パ ル ス輻制御 され、 三相誘導 電動機 d に印加す る 。

ー方 、 速度指 ^ > c と 、 速度検出器 P G に ょ リ 検出 さ れた電圧信号 を 、 · F / V変換器 0 を通 し て得 られた電動 機速度 ω πι と が比較器に入カ され、 偏差信号 ょ り ト ル ク 指今 T c が得 られ る 。 こ の速度指今は、 P I 、 ク ラ ン プ 回路 g を通 し て修正 されて、 実際の ト ル ク 指今 T m を 形 成す る 。 以後前記 （ 4 ) 〜 （ 1 4 ) で説明 し た と こ ろ に ょ リ 、 ー次電流 I i と 励磁周波数 ω ο と を求め て 、 こ れ ら を 2 - 3 相変换回路 £ に印加する 。 2 - 3 相変换回路 Α では 、 直交す る 2 相電-流を 3 相電流に 変換 し 、 3 相 の 各相電流 I u , I V , I wを形成 し て P W M回路ぉ ょ び 電流制御回路 m に入カする。 ー方、 こ の 回路 m に は 、 C T 1 ， C T ₂ に ょ リ 電動機の入カ電流が フ ィ 一 ドバ ッ ク され、 2 - 3 相変换 回賂の出カ電流 と比較 され て 、 各相 の指令電流 I が ィ ン バ一 タ c に送出 され る 。

次 に 、 *発明 に ぉ ぃ て は、 パ ヮ 一 ァ ン プの直流側電圧 V d c を 検 出 し て 磁束 Φ と 誘起電圧 V を補正 し て .ぃ る 'が、 そ の作用 に っぃ て説明する 。 こ こ で、 ； P W M回路 に ぉぃて 、 電圧指今振幅 と 実際の電動機の端子電圧 と の 関 係を考 ぇ る と 、 P W M回路の内部で三角波が形成 され る 場合 に 、 そ の三角波 の利用を どの程度に す る か に ょ り 出 カ電圧が異な る 。 'ぃ ま 、 第 8 図 （ a ) に 示す ょ ぅ に三 角 波の振輻を B 、 P W M信号の振幅を A と す る と 、 そ の振 幅比 A Z B が 1 以下では、 第 9 図に ぉけ る u 点 の出カ V u は、 周期 を T と す る と 、

V u = ( TON 1 / T ) X^2 Vac { ( 1 + si Θ ) /2 }

電動璣 に印加 され る u - V 間の镍間電圧 は 、

V u- 7 = ( T O ί ) x/^ V ac X {/^cos ( 0 - 8O ° )/2}

= ( A / B ) x 2 V ac X { ( 3 / 2 ) /iz } = ( T C 1 / T ) X V dc X C/3 /2) X { \/ fZ ) 但 し 、 V a c _: 実効値

V dc : 設定値 （直流電圧）

次 に 、 振幅比 A / B が 1 以上でぁ る場合 に っぃ て ィ ン バー タ を搆成する ト ラ ン ジ ス タ べー ス 信号の制御を 考 ぇ る と 、 第 8 図 （ b ) に示す ょ ，ラ に、 （ Aノ B ) の比が 1 を越ぇ る 毎 に ィ ン バ ー タ の T rのぺ一 ス信号を ォ フ す る 方法が ぁ る が 、 こ の 方法 で は，、 出 カ電圧が上が ら な ぃ 、 ス ィ ッ チ ン グ損失 が大 き ぃ 、. 等 の欠点が ぁ る 。 な ぉ、 第 1 0 図 に振幅比 A / B に対する線間電圧 V u — V の変化の様子 を示す。 '

术発明 に ぉぃ て は 、 P WM信号の振幅 A が三角波の振 幅 B を越ぇた範囲で 、 第 8 図 （ c ) , ( d ) に'示す ょ ぅ に T r を全部 ォ ン に する も のでぁ る。 即ち 、 直流電圧 が低 ぃ と き に は 、 基底速度以上 の磁束指令 Φ を増加 し て 、 三角波 に対す る P W M回路の振幅を大 き く し て、 電 動機の端子電圧を大 き く して、 ー定出カが得 られ る ょ ぅ に する 。 また、 直流電圧 ^:：が高ぃ と き には 、 基底速度以下 の領域か ら磁束指令 を減.少 し、 三角波に対す る P W M 回 路の振幅 を小 さ く し 、 電'動機の端子電圧 を小 さ く し て 、 ー定出カが得 られ る ょ ぅ にする 。 こ の ょ ぅ な制御は、 第 1 図の ブ ロ ツ ク 図 に ぉぃて、 励磁周波数 と 磁束 と の関係 を示すデ一 タ マ ッ プ i に、 ィ ン バ一 タ b で検出 され る 直 流検出電圧 V d c を 入カ して、 磁束 Φ を 直流電圧 V d c に応 じ て修正す る こ と に ょ リ 行な ぅ。

なぉ 、 誘起電圧補正回路 n は、 電動璣 の速度信号 ω πι に対す る 誘起電圧の値 を補正 し て、 P W M、 電流制瑯 回 路 m に 印加す る 。

次 に 、 本発明 に ょ る 回生制御動作にっ ぃ て 、 第 2 図 に ょ り 説明 す る 。 回生制御回路 P には、 電圧制御 回路 r と カ率調整回路 g と を 設け る。

回生制御 を行な ぅ 際には、 ノ、。 ヮ 一 ァ ン プ の直流側電圧 と 、 直流電圧指今値 と を比較 し 、 直流側電圧が大 き ぃ と き に は 、 偏差信号を 電圧制御回路 r を通 し て カ率調整 回 路 g に 入カす る 。 カ率調整回路には、 パ ヮ一ァ ン プの 交 流側の 入カ電圧 を P T を介 し て印加 し、 C T δ ， C Τ ,₄ に ょ リ 検出 さ れ る ノ、' ヮ 一 ァ ン プ の交流入カ側電流が、 交 流側電圧 'と 同相 と な る ょ ぅ に 、 即ち、 カ率が 1 と な る ょ ぅ な回生電流指今信号 を電流制御回路に 出カす る 。 P w M回路は 、 こ の指令値 に基づぃて入カ側 ト ラ ン ジ ス タ ィ ンバ一 タ を制御す る 。

産業上の利用可能性

以上 の ょ ぅ に 、 术発明 に ょ る 三相誘導電動機 の制御方 法は、 コ ン バ 一 タ 及 び ィ ンバ一 タ ょ リ な る パ ヮ 一 ァ ン プ を用 ぃ て 、 べ ク ト ル制御方式に ょ リ カ行制御 と 回生制御 を行 な ぅ も の に ぉぃ て 、 磁束セ ンサを用 ぃ る こ と な く 、 ト ル ク 指 今 に 対 し て 出 カ ト ル ク を 線形 で得 る こ と が で き 、 電源電圧が変動 し て も三相誘導電動璣の出 カをー定 に で き る 。

Claims

0 - 請 求 の 範 囲

( 1 ) カ行制御時に は 、 交流入カを直流 に変換 し 、 該変 換 され た直流が印加 される第 1 の ィ ンバ 一 タ の 出カで三 相誘導電動機 を可変速 ¾動 し 、 回生制御時に は三相誘導 電動機の出カ電流を直流に変渙 し、 該変换 された直流が 印カ II さ れ る第 2 の ィ ン バ 一 タ の出カを交流電源 に回生す る ょ ぅ に し た べ ク ト ル制御方式に ょ る三相誘導電動機の 制御方法は、 以下を 舍む ：

三相誘導電動機に対する ト ルク指令及 び三相誘導電動 機に対応 して块定 さ れ る励磁磁束指令を も と に し て、 励 磁電流指令、 2 次電流指令を それぞれ励磁磁束方向成分 ぉ ょ び電動機 の起電圧方向成分 に べ ク ト ル分解する ス テ ッ プ ；

前記べ ク ト ル成分 の合成に ょ リ 電動機の 1 次電流指今 を求め る ス テ ッ プ ；

前記交流入カを直流に変換する回路の直流 リ ン ク 部 の 電圧を検出す る ス テ ッ プ ；

前記検出 さ れた電圧 に応 じ て励磁磁束指今を補正す る ス テ ッ プ ；

前記電源電圧の変動に拘らず線形な出 カ ト ル ク を得 て ー定出 カの制御を行 な ラ ステ ッ プ。

( 2 ) 前記三相誘導電動機の回生制御時 に は、 交流電源 側の電圧 と 電流 と の位相を調整 して、 無効電カ を減少 さ せ る ょ ぅ に 制 御 す る こ と を 特 徵 と す る 請 求 の 範 囲 第 ( 1 ) 項 に 記載 の三相誘導電動機の制御方法。

( 3 ) 前記励磁磁束指令を補正す る ス テ ッ プ は 、 前記 第 1 の ィ ン バ 一 タ に 対 す る P W M信号の振幅が三 角波 の 振 5 幅 を 越 ぇ る 範 囲 で、 該 ィ ンバ 一 タ を搆成 す る ス ィ ッ チ ン ' グ 素子 を 常 に ォ ン す る こ と を 特 徵 と す る 請求 の範囲 第

( 1 ) 項 に 記載 の三相誘導電動機の制御 方法。

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