WO2006033181A1

WO2006033181A1 - 誘導電動機のベクトル制御装置

Info

Publication number: WO2006033181A1
Application number: PCT/JP2005/006507
Authority: WO
Inventors: Masaki Kono
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20080048607A1; KR100850415B1; CN1993881A; EP1796260A4; HK1102313A1; JP4455248B2; EP1796260A1; CA2572969C; JP2006094646A; US7411370B2; EP1796260B1; KR20070046862A; CN100566127C; CA2572969A1

Description

明細書

誘導電動機のベクトル制御装置

技術分野

[0001] この発明は、特に速度センサなどの回転速度検出手段を用いなくても、低速運転時の不安定領域を大幅に低減できるようにした誘導電動機の速度センサレスべタトル制御装置に関するものである。

背景技術

[0002] ベクトル制御とは、交流電動機の電流を磁界 (磁束)方向および磁界と直交するトルク方向に分離することにより、磁束分電流とトルク分電流を独立して制御することができ、発生トルクを直流電動機と同様に瞬時制御することができるものである。

[0003] ベクトル制御において、磁束を測定するには速度センサが必要である。しかし、速度センサには通常電子回路が内蔵されており、その電子回路の使用温度範囲は、速度センサを取り付ける交流電動機の使用温度範囲よりも狭い。

また、電動機が両軸端を使用する場合や、電動機の設置箇所に制約がある場合などは、速度センサを取り付けることができない。また、取り付けることが可能であっても、電動機とのカップリング部が衝撃に弱いことや、低レベル信号配線が必要となることから、設備の信頼性確保のために、速度センサの取り付けは避けた方がよい。

[0004] そこで、速度センサを用いずに、速度以外の情報から速度推定を行うベクトル制御装置が提案されている。

しかし、低速運転時においては、出力電圧値が非常に小さくなるため、出力角周波数に誤差が生じ、回転速度が不安定になる領域が存在する。

[0005] この問題に対処するため、従来の誘導電動機のベクトル制御装置は、低速運転時の不安定領域を低減するために、磁束指令曲線を一次角周波数指令で参照して磁束指令値を設定するテーブルなどを有した磁束発生回路を備えている（例えば、特許文献 1参照)。

この場合、磁束発生回路から磁束指令曲線を発生する構成にすることで、低速運転時でも誘起電圧トルク軸成分が所定値以下になることを防ぎ、 SN比を高くして誘起電圧トルク軸成分と一次角周波数の演算値の演算誤差を小さく抑制している。し力しながら、上記の方法でベクトル制御を行う際、インバータ装置を介して制御する誘導電動機が変更されると、誘導電動機毎に磁束発生回路の設定値を変更する必要がある。

[0006] 特許文献 1 :特開平 8— 9697号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 従来の誘導電動機のベクトル制御装置は、誘導電動機を変更すると、誘導電動機毎に磁束発生回路の設定値および制御系を構成しているソフトウェアのテーブルデータの変更などが必要となるため、不安定領域を回避するための調整が困難であるという問題点があった。

課題を解決するための手段

[0008] この発明に係る誘導電動機のベクトル制御装置は、インバータ装置を介して誘導電動機を駆動するためのベクトル制御装置であって、外部システム力の入力信号に基づ 1、てトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、誘導電動機の回路定数および誘導電動機に関する実測値に基づいて、磁束指令値を選択して出力する磁束指令値演算手段と、磁束指令値演算手段から出力された磁束指令値と誘導電動機の回路定数とに基づいて、インバータ装置を制御するベクトル制御手段とを備え、磁束指令値演算手段は、誘導電動機に印可する電圧が、不安定領域に対応した設定値以上となるように磁束指令演算値を算出する磁束指令値逆算演算部を有しているものである。

発明の効果

[0009] この発明の誘導電動機のベクトル制御装置によれば、低速運転時に不安定ならな V、ように、外部システムからの入力信号に基づ、てトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、誘導電動機の回路定数および誘導電動機に関する実測値に基づいて磁束指令値を逆算し、出力電圧の SN比を高くすることにより、特に速度センサなどの回転速度検出手段を用、なくても、低速運転時の不安定領域を大幅に低減できるという効果がある。

また、誘導電動機が変更されたときも、低速運転時に出力電圧の SN比を高く設定できるよう磁束指令値を自動的に逆算することにより、不安定領域を回避でき、制御調整なしで適用できるという効果がある。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]この発明の実施の形態 1に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。（実施例 1)

[図 2]図 1に示した誘導電動機のべ外ル制御装置の磁束指令値演算手段を示すブロック図である。（実施例 1)

[図 3]図 1に示した誘導電動機の等価回路を示す回路図である。（実施例 1)

[図 4]この発明の実施の形態 1に関連した、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置における不安定領域を示す説明図である。（実施例 1)

[図 5]この発明の実施の形態 1に係る誘導電動機のベクトル制御装置における、速度と誘導電動機電圧との関係を示す説明図である。（実施例 1)

[図 6]この発明の実施の形態 2に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。（実施例 2)

[図 7]図 6に示した誘導電動機のべ外ル制御装置の磁束指令値演算手段を示すブロック図である。（実施例 2)

発明を実施するための最良の形態

[0011] この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、誘導電動機の回路定数と実測値とから算出した磁束指令値により、誘導電動機の回転速度が低い場合でも、出力電圧の SN比を高くして、一次角周波数演算値の演算誤差を小さく抑制しているので、低速運転時でも、短い調整時間で、安定した回転を得ることができる誘導電動機のベクトル制御装置を提供することである。実施例 1

[0012] 以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

図 1は、この発明の実施の形態 1に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。

なお、実施の形態 1においては、直流電気車を例に挙げて説明する力交流電気車の場合も同様に適用できる。

[0013] 図 1において、電気車の主回路は、電気車に直流電力を供給する架線 1と、架線 1 から直流電力を集電するパンタグラフ 2と、架線 1から集電した直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する WVFインバータ 3と、 VWFインバータ 3の直流側に接続された直流リアタトル 4とフィルタコンデンサ 5とフィルタコンデンサ 5のマイナス側に接続された車輪 6と、車輪 6を介してフィルタコンデンサ 5の一端を接地するレール 7と、 WVFインバータ 3の交流側に接続された誘導電動機 8とから構成されている。ここで、フィルタコンデンサ 5には、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器 9が設けられている。

[0014] また、図 1において、ベクトル制御装置は、 VWFインバータ 3を制御するベクトル制御手段 10と、磁束指令値を算出する磁束指令値演算手段 11とを備えている。ベクトル制御手段 10は、誘導電動機 8に流れる 1次電流を検出する電流検出器 12 と、電流検出器 12で検出した 1次電流を磁束軸 (d軸）とトルク軸 (q軸）の回転座標系の 2軸に変換し、 d軸電流と q軸電流とを出力する座標変と、磁束指令値とトルク指令値とに基づ!/、て、磁束軸電流指令とトルク軸電流指令とを演算する電流指令値演算部 14と、電流指令値演算部 14の出力である磁束軸電流指令とトルク軸電流指令とに基づいて、滑り角周波数を演算する滑り角周波数演算部 15と、電流指令値演算部 14の出力である磁束軸電流指令とトルク軸電流指令と出力角周波数とに基づいて、 d軸電圧指令と q軸電圧指令とを演算する電圧ベクトル制御演算部 16と、出力角周波数と磁束指令値と d軸電流と q軸電流と d軸電圧指令と q軸電圧指令と〖こ基づいて、ロータ回転角周波数推定値を演算するロータ回転角周波数演算部 17と、滑り角周波数とロータ回転角周波数推定値とを加算して、出力角周波数を演算する加算器 18と、出力角周波数を積分して、位相角を演算する積分器 19と、位相角と d 軸電圧指令と q軸電圧指令とに基づいて、 WVFインバータ 3のゲートを制御するゲート制御部 20とを備えて、る。

[0015] 図 2は、図 1に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段 11を示すブロック図である。

図 2において、磁束指令値演算手段 11は、 d軸電圧指令と q軸電圧指令と出力角周波数とフィルタコンデンサ電圧と外部システム力の入力信号に基づいてトルク指令値演算部（図示せず)で演算されるトルク指令値とに基づいて、磁束指令値を算出する磁束指令値逆算演算部 21を備えている。

また、磁束指令値演算手段 11は、第 1の磁束指令切り替え手段である、ロータ回転角周波数を比較する比較器 22と、比較器 22の結果によって、磁束指令値を切り替える切り替え器 23とを備えて、る。

また、磁束指令値演算手段 11には、磁束指令基準値 F2RMとロータ回転角周波数設定値 Wrl2Mが与えられている。

[0016] 図 3は、図 1に示した誘導電動機の等価回路を示す回路図である。

図 3において、誘導電動機 8の回路定数である、相互インダクタンス Mと、 1次インダクタンス L1と、 2次インダクタンス L2と、 1次抵抗 R1と、 2次抵抗 R2とがベクトル制御手段 10に与えられる。

なお、誘導電動機 8の極対数を Pとする。

[0017] 図 4は、この発明の実施の形態 1に関連した、誘導電動機の速度センサレスべタトル制御装置における不安定領域を示すグラフである。

図 4において、斜線を付した箇所が、低速運転時における不安定領域である。

[0018] 図 5は、この発明の実施の形態 1に係る誘導電動機のベクトル制御装置における、速度推定値と誘導電動機電圧との関係を示すグラフである。

[0019] 以下、上記構成の誘導電動機 8のベクトル制御装置についての動作を説明する。

まず、電流検出器 12は、誘導電動機 8に流れる 1次電流 Iu、 Iv、 Iwを検出する。検出された 1次電流 Iu、 Iv、 Iwは、座標変換器 13に入力され、次式（1)により、磁束軸 (d軸）とトルク軸 (q軸）の回転座標系の 2軸に変換されて、 d軸電流 Idと q軸電流 Iqとなって出力される。

[0020] [数 1]

[0021] また、電流指令値演算部 14では、磁束指令値演算部の出力である磁束指令値 F2 Rと、電気車の運転台などから得られるノッチ指令などから決定するトルク指令値 Tm rとを入力として、次式（2)により、 d軸電流指令 Idrと q軸電流 Iqrとを演算する。

[0022] [数 2]

F2R

Idr

M

( 2 )

I L2 X imr

Iqr =

P M x F2R

[0023] 滑り角周波数演算部 15においては、電流指令値演算部 14からの出力である d軸電流指令 Idrと q軸電流指令 Iqrとに基づ、て、与えるべき滑り角周波数 ω sを次式（3 )により演算する。

[0024] [数 3]

R2 Iqr

cos ( 3 )

L2 Idr

[0025] 滑り角周波数演算部 15で演算された滑り角周波数 co sと、ロータ回転角周波数演算部 17で演算されたロータ回転角周波数 Wrlとは、加算器 18において加算され、 V VVFインバータ 3の出力角周波数 ω i (インバータ角周波数）となる。

ここで、ロータ回転角周波数 Wrlの演算方法としては、例えば特開平 11— 4599号公報に示された、回転角速度推定手段等を用いることができる。

[0026] 電圧ベクトル制御演算部 16においては、 d軸電流指令 Idrと q軸電流指令 Iqrと、座標変換器 13の出力である d軸電流 Idと q軸電流 Iqと、出力角周波数 co iを入力して、次式 (4)により、 d軸電圧指令 Vdrと q軸電圧指令 Vqrとを演算する。

[0027] [数 4] Vdr = Rlx Idr -ωϊχσχΣΙχ

Vqr = Rlx Iqr + ωϊ xL\xIdr

ただし、 σは漏れインダクタンス（ = 1— (Μ X ΜΖ (LI X L2) ) )、 Κρ：電流制御比例ゲイン、 Ki:電流制御積分ゲイン、 g:ラプラス演算子を示す。

[0028] また、出力角周波数 coiは、積分器 19に入力されて、その積分値がゲート制御部 2 0に出力される。この積分器 19の出力は静止座標系の a軸から回転座標系 d軸までの位相角 Θである。

ゲート制御部 20においては、電圧指令演算部からの出力である d軸電圧指令 Vdrと q軸電圧指令 Vqrと積分器 19からの出力である位相角 Θとに基づいて、 WVFインバータ 3を制御するゲート信号を作成する。

[0029] 磁束指令値演算手段 11に設けられた磁束指令値逆算演算部 21では、電圧検出器 9により検出されたフィルタコンデンサ電圧 Efc、電圧ベクトル制御演算部 16の出力である d軸電圧指令 Vdr、 q軸電圧指令 Vqrおよび出力角周波数 ω iに基づ!/ヽて、与えるべき磁束指令値 F2RBを演算する。

まず、定常状態では、 d軸電流 Idと q軸電流 Iqは、 d軸電流指令 Idr及び q軸電流指令 Iqrに一致するため、上述した式 (4)は、次式（5)になる。

[0030] [数 5] fVdr - Rlx Idr ~ wixa Llx Iqr . )

[0031] また、式（3)は、式（2)により次式 (6)に変形する _c

[0032] [数 6]

R2 M

cos： X Iqr (6)

L2 F2R

[0033] なお、式（2)より、 2次磁束指令値 F2R、トルク指令値 Tmrは、次式（7)および (8) で表すことができる。 [0034] [数 7]

F2R = MxIdr (7)

[0035] [数 8]

P p

Tmr =— x F2R x Iqr = kx F2R x Iqr {■： k =—とおく） (8)

L2 L2

[0036] 式（4)より、

[0037] [数 9]

Tmr

Iqr (9)

kxF2R

[0038] ここで、誘導電動機電圧を Vとおき、 d軸電圧指令 Vdrと q軸電圧指令 Vqrより次式 (

10)の関係が成り立つ。

[0039] [数 10]

V = (Vdr)² + {Vqr)¹ ：. V² = (Vdr)⁷ + (Vqr)² · · · (1 0)

[0040] 式（10)に式（5)、式 (6)、式（7)および式 (8)を代入することにより、 2次磁束指令値 F2Rについて、次式（11)が求められる。

[0041] [数 11]

[0042] 式（11)を用ぃることにょり、誘導電動機8の回路定数(R1、L1、M、L2、P)、出力角周波数 coiと、誘導電動機電圧 Vと、トルク指令値 Tmrとを入力することにより、 2次磁束指令値 F2Rを一意的に決めることができる。また、誘導電動機電圧 Vとフィルタコンデンサ電圧 Efcとの関係は、以下の式（12) で表される。

[0043] [数 12]

式（12)において、 aは変調率もしくは、電圧利用率と称される値である。

[0044] また、式（12)を式（11)に代入することにより、式（11)は、次式（13)のようになる。

[0045] 隱 13]

( 1 3 )

[0046] ここで、式（13)に示す誘導電動機 8の回路定数 (Rl、 Ll、 M、 L2、 P)、 d軸電圧指令 Vdr、 q軸電圧指令 Vqr、出力角周波数 co i、フィルタコンデンサ電圧 Efc、トルク指令値 Tmrは入力変数である。

式（13)において、誘導電動機 8に印可される電圧がある値以上を確保して、図 4の不安定領域を回避できるように変調率 aを決めることにより、低速運転時の不安定領域を低減することができる。

すなわち、低速運転時の不安定領域を回避できるように、誘導電動機 8に印可する最低電圧 Vmを設定することにより、式（ 12)のように変調率 aが決まる。

この変調率 aを式（13)に代入することにより、以下の式（14)のように、磁束指令値 F2RBを得ることができる。

[0047] [数 14]

( 1 4 ) [0048] 式（14)で得られた磁束指令値 F2RBを用いることにより、低速運転時においても誘導電動機 8の出力電圧は、設定した最低電圧 Vmを確保することができる。

[0049] なお、ロータ回転角周波数演算部 17は、適応オブザーバ付センサレス制御による速度推定方法など、速度推定方法に関わらず適用可能である。

[0050] ここで、磁束指令値演算手段 11における動作について説明する。

まず、切り替え設定値に設定されたロータ回転角周波数設定値 Wrl2Mと、ロータ回転角周波数 Wrlとを比較器 22で比較する。

ここで、ロータ回転角周波数 Wrlがロータ回転角周波数設定値 Wrl2Mよりも低い値である場合、切り替え器 23は、磁束指令値逆算演算部 21側に切り替わる。そして

、磁束指令値逆算演算部 21で算出された F2RBを磁束指令値として出力する。また、ロータ回転角周波数 Wrlがロータ回転角周波数設定値 Wrl2Mよりも高い値である場合、切り替え器 23は、磁束指令基準値 F2RM側に切り替わる。そして、磁束指令基準値 F2RMを磁束指令値として出力する。

[0051] このとき、速度に対する誘導電動機 8の電圧は、図 5のグラフの実線で示す値となり

、ロータ回転角周波数がロータ回転角周波数設定値 Wrl2Mよりも低い、低速運転時においては、誘導電動機 8に印可する最低電圧として設定した、最低電圧 Vmが出力される。

[0052] この発明の実施の形態 1に係る誘導電動機のベクトル制御装置によれば、変調率 a を決めることにより算出した 2次磁束指令値 F2RBを用いることにより、誘導電動機 8 の回転速度が低い場合でも最低電圧 Vmを確保し、出力電圧の SN比を高くできる。そのため、一次角周波数演算値の演算誤差を小さく抑制でき、低速運転時においても安定した回転を得ることができる。

また、演算する必要のある値は、変調率 aのみであるため、従来のものと比べ、調整要素を簡略ィ匕でき、調整時間を短縮することもできる。

また、速度推定方法にかかわらず適用可能であり、低速運転時に不安定領域を回避でき、調整方法も低減できる効果がある。

実施例 2

[0053] なお、上記実施の形態 1では、磁束指令値演算手段において、ロータ回転角周波数のみを考慮して、磁束指令の切り替えをしたが、さらに、ブレーキ指令を考慮してもよい。

実施の形態 2は、上記実施の形態 1にブレーキ指令によって磁束指令値を切り替える手段を追加したものである。

図 6は、この発明の実施の形態 2に係る誘導電動機のベクトル制御装置を含む機器構成を示すブロック図である。

図 6において、ベクトル制御装置には、磁束指令値演算手段 11にブレーキ指令 B が入力される。その他の構成については、実施の形態 1と同様であり、その説明は省略する。

[0054] 図 7は、図 6に示した誘導電動機のベクトル制御装置の磁束指令値演算手段 11を示すブロック図である。

図 7において、磁束指令値演算手段 11は、第 2の磁束指令切り替え手段である切り替え器 24を備えている。その他の構成については、実施の形態 1と同様であり、その説明は省略する。

[0055] 以下、上記構成の誘導電動機のベクトル制御装置についての動作を説明する。

まず、ベクトル制御手段 10は、ブレーキ指令によらず実施の形態 1と同様の動作をしており、その説明は省略する。

磁束指令値演算手段 11においては、切り替え器 24は、ブレーキ指令 Bが生成されたときのみ、実施の形態 1と同様の動作を行い、ブレーキ指令 Bが生成されないときは、常に磁束指令基準値 F2RMを出力するよう切り替えを行う。

[0056] この発明の実施の形態 2に係る誘導電動機のベクトル制御装置によれば、一般的に、低速運転時の不安定領域は、ブレーキ時にのみ発生するため、ブレーキ時のみ磁束指令値逆算演算部 21が動作するため、ブレーキとカ行との機能を分離することができる。

[0057] なお、上記実施の形態 1および実施の形態 2においては、この発明の用途として速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置の場合を例に説明した力その他の汎用インバータの場合や電気自動車の分野にも利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] インバータ装置を介して誘導電動機を駆動するためのベクトル制御装置であって、外部システム力の入力信号に基づいてトルク指令値演算部で演算されるトルク指令値、前記誘導電動機の回路定数および前記誘導電動機に関する実測値に基づ

V、て、磁束指令値を選択して出力する磁束指令値演算手段と、

前記磁束指令値演算手段から出力された前記磁束指令値と前記誘導電動機の回路定数とに基づいて、前記インバータ装置を制御するベクトル制御手段と

を備え、

前記磁束指令値演算手段は、前記誘導電動機に印可する電圧が、不安定領域に対応した設定値以上となるように磁束指令演算値を算出する磁束指令値逆算演算部を有していること

を特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。

[2] 前記実測値は、前記誘導電動機の 1次電流と前記インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサのコンデンサ電圧とを含み、

前記ベクトル制御手段は、前記回路定数と前記 1次電流とから、電圧指令値、前記誘導電動機の滑り角周波数およびロータ回転角周波数を求めるとともに、前記滑り角周波数と前記ロータ回転角周波数とを加えて出力角周波数を求め、

前記磁束指令値逆算演算部は、前記電圧指令値と、前記出力角周波数と、前記コンデンサ電圧と、前記トルク指令値と

から前記磁束指令演算値を算出することを特徴とする請求項 1に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。

[3] 前記ベクトル制御手段は、前記回路定数と前記 1次電流とから、前記誘導電動機のロータ回転角周波数を求め、

前記磁束指令値演算手段は、前記ロータ回転角周波数に基づく第 1の磁束指令切り替え手段を含み、

前記第 1の磁束指令切り替え手段は、前記ロータ回転角周波数が、所定の周波数以下のときは、前記磁束指令演算値を前記磁束指令値として出力し、所定の周波数よりも大きいときは、前記磁束指令値演算手段に与えられた磁束指令基準値を前記磁束指令値として出力することを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。

前記磁束指令値演算手段は、ブレーキ指令に応答する第 2の磁束指令切り替え手段を含み、

前記第 2の磁束指令切り替え手段は、ブレーキ指令に基づいて、ブレーキ指令が生成されたときは、前記磁束指令演算値を前記磁束指令値として出力し、ブレーキ指令が生成されないときは、前記磁束指令値演算手段に与えられた磁束指令基準値を前記磁束指令値として出力することを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れか 1項に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。