(57)【要約】      （修正有）【課題】三相電圧形インバータから給電される電動機としての交流電動機または直流電動機を可変速制御するのに好適な電動機駆動装置を提供する。【解決手段】交流電動機または直流電動機を可変速制御するための制御装置を加減速演算器３１、加算演算器３２、速度調節器３３、出力リミッタ回路３４、界磁情報値演算器３５、乗算演算器３６、磁化電圧指令値演算器３７、加算演算器３８、電流調節器３９、回転周波数演算器４０、積分器４１、乗算演算器４２，４３、ベクトル回転器４４，４５、λ補正器４６、ＰＷＭ（パルス幅変調）演算器４７、切替スイッチ回路４８で形成し、交流電動機に対して速度センサレスベクトル制御により可変速制御を行い、前記直流電動機に対して速度センサレスで可変速制御を行うようにする。【選択図】図２
2014014222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電圧形インバータと、この三相電圧形インバータから給電される交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速制御する制御装置とを備えた電動機駆動装置において、
交流電動機または直流電動機の何れかを選択する切替スイッチ回路を備え、
前記制御装置は、前記切替スイッチ回路が交流電動機を選択した際には前記交流電動機に対して速度センサレスベクトル制御により可変速制御を行い、前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際には前記直流電動機に対して速度センサレスで可変速制御を行うようにしたことを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機駆動装置において、
前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際に、直流電動機の電機子電圧，電機子電流および電気定数とから直流電動機の回転周波数推定値を求める回転周波数演算器を備えることを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電動機駆動装置において、
回転周波数指令値と回転周波数推定値との周波数偏差を零にする調節演算によりトルク指令値を算出する速度調節器と、
前記回転周波数指令値から界磁情報値を演算する界磁情報値演算器と、
前記トルク指令値と界磁情報値とから一次電流指令値を算出する第１乗算演算器と、
前記三相電圧形インバータの出力電流検出値を位相角指令値に基づいた座標変換動作によりＭ軸成分の電流検出値とＴ軸成分の電流検出値とに変換する第１ベクトル回転器と、
前記一次電流指令値とＴ軸成分の電流検出値に基づく一次電流検出値との電流偏差を零にする調節演算により一次電圧指令値を算出する電流調節器と、
Ｔ軸成分電圧指令値を位相角指令値に基づいた座標変換動作により三相交流の電圧指令値に変換する第２ベクトル回転器とを備え、
前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際に、前記Ｔ軸成分電流検出値と前記一次電圧指令値とを直流電動機に対応する値に変換するとともに、第１ベクトル回転器および第２ベクトル回転器の座標変換動作を停止させて、前記三相電圧形インバータに４象限チョッパの動作をさせるようにすることを特徴とする電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機を可変速制御する駆動電源としてのインバータ装置等の電動機駆動装置に関り、特に、交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速制御することが可能なインバータ装置を用いて形成される電動駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電動機を可変速制御する駆動電源としては可変電圧・可変周波数のインバータ装置が主に採用されており、また、直流電動機を可変速制御する駆動電源としてはサイリスタレオナード装置が主に採用されている。
【０００３】
図５は、直流電動機を可変速制御する駆動電源にサイリスタレオナード装置を用いたブロック図を示し、この図において、１は商用電源などの交流電源、２はサイリスタレオナード装置、３はサイリスタレオナード装置２が出力する直流電圧に重畳したノイズ成分を除去するフィルタ、４はサイリスタレオナード装置２が出力する直流電圧に含まれるリプル成分を平滑するリアクトル、５は界磁巻線を有する直流電動機、５ａは直流電動機５への所定の界磁電流を供給する界磁電源、６はサイリスタレオナード装置２を介して直流電動機５の回転周波数を設定する回転周波数設定器である。
【０００４】
このサイリスタレオナード装置２は、３相ブリッジ接続されたサイリスタ変換器を電力変換主回路とし、このサイリスタ変換器を形成するそれぞれのサイリスタに対する交流電源１の電圧位相に基づく点弧位相を、速度設定器６からの回転周波数設定値ωｓに基づき周知の技術・回路を用いて制御することにより、直流電動機５は回転周波数設定値ωｓに対応した回転速度で回転する動作を行うものである。
【０００５】
この直流電動機５には磨耗部品としての整流ブラシを備えているために、ブラシ交換など比較的短期間毎のメインテナンスが必要であり、近年、この直流電動機をメインテナンスが簡単かつ比較的長期間毎で良い交流電動機に置き換えることが行われている。
【０００６】
しかしながら、重要機械設備や大規模機械設備に用いられている直流電動機およびサイリスタレオナード装置等から成る既存の直流駆動装置設備を交流電動機およびインバータ装置等から成る交流駆動装置設備に置き換えるには、多大な費用および据付け調整時間を要することが知られている。
【０００７】
そこで、上記のような既存の直流駆動装置設備を更新する際には、まず駆動装置（サイリスタレオナード装置）を交流電動機と直流電動機との双方を可変速駆動することが可能なインバータ装置に交換し、このインバータ装置で直流電動機を駆動する構成とする。次に、電動機を直流電動機から交流電動機に交換して前記インバータ装置で交流電動機を駆動する構成とする。このように既存の直流駆動装置設備から交流駆動装置設備への置き換えを２段階に分けて実施することにより、設備更新に必要な費用の分割化ならびに更新に必要な設備停止時間の分散化を図ることができる。
【０００８】
上記の交流電動機と直流電動機とを可変速駆動することができるインバータ装置としては、例えば下記特許文献１，２には、１台の交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速駆動することが可能な１台の駆動電源が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２５６４９７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８９４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特許文献１に記載の駆動電源では、その電力変換主回路を三相電圧形インバータで形成し、直流電動制御手段と交流電動機制御手段の２組を備え、これら制御手段を選択的に切り替えることが記載されているが、電動機を可変速制御する際の具体的な制御については記載されていない。また、前記特許文献２に記載の駆動電源では、特許文献１と同様に、その電力変換主回路を三相電圧形インバータで形成し、交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速駆動することが記載されているが、三相電圧形インバータを介して交流電動機または直流電動機を可変速制御する際には該電動機の速度センサを必要としている。
【００１１】
この発明の目的は、速度センサを使用せずに交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速駆動することができる電動機駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この第１の発明は、三相電圧形インバータと、この三相電圧形インバータから給電される交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速制御する制御装置とを備えた電動機駆動装置において、
交流電動機または直流電動機の何れかを選択する切替スイッチ回路を備え、
前記制御装置は、前記切替スイッチ回路が交流電動機を選択した際には前記交流電動機に対して速度センサレスベクトル制御により可変速制御を行い、前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際には前記直流電動機に対して速度センサレスで可変速制御を行うようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、第２の発明は前記第１の発明の電動機駆動装置において、
前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際に、直流電動機の電機子電圧，電機子電流および電気定数とから直流電動機の回転周波数推定値を求める回転周波数演算器を備えることを特徴とする。
【００１４】
さらに、第３の発明は前記第１の発明の電動機駆動装置において、
回転周波数指令値と回転周波数推定値との周波数偏差を零にする調節演算によりトルク指令値を算出する速度調節器と、前記回転周波数指令値から界磁情報値を演算する界磁情報値演算器と、前記トルク指令値と界磁情報値とから一次電流指令値を算出する第１乗算演算器と、前記三相電圧形インバータの出力電流検出値を位相角指令値に基づいた座標変換動作によりＭ軸成分の電流検出値とＴ軸成分の電流検出値とに変換する第１ベクトル回転器と、前記一次電流指令値とＴ軸成分の電流検出値に基づく一次電流検出値との電流偏差を零にする調節演算により一次電圧指令値を算出する電流調節器と、Ｔ軸成分電圧指令値を位相角指令値に基づいた座標変換動作により三相交流の電圧指令値に変換する第２ベクトル回転器とを備え、
前記切替スイッチ回路が直流電動機を選択した際に、前記Ｔ軸成分電流検出値と前記一次電圧指令値とを直流電動機に対応する値に変換するとともに、第１ベクトル回転器および第２ベクトル回転器の座標変換動作を停止させて、前記三相電圧形インバータに４象限チョッパの動作をさせるようにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の電動機駆動装置によれば、交流電動機または直流電動機の何れかを選択して可変速駆動することができる電動機駆動装置において、速度センサを使用することなく高速応答で速度制御精度の良好な電動機駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態を示す電動機駆動装置の回路構成図
【図２】図１の部分詳細回路構成図
【図３】交流電動機とこの発明の電動機駆動装置とを示すブロック図
【図４】直流電動機とこの発明の電動機駆動装置とを示すブロック図
【図５】従来例を示す直流電動機とサイリスタレオナード装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態を示す電動機駆動装置の回路構成図であり、この電動機駆動装置２０において、２１は商用電源など外部の交流電源から端子Ｒ，Ｓ，Ｔを介して入力される３相交流電圧を整流する三相ダイオードブリッジ回路、２２は端子Ｐ１とＰ＋との間が短絡された状態で前記交流電源の電圧がこの電動機駆動装置２０に印加されたときに、平滑コンデンサ２４への突入電流を抑制する抵抗器、２３は前記突入電流が減少した時点で閉路するコンタクタ接点、２５は平滑コンデンサ２４の両端電圧を所望の３相交流電圧に変換して端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する三相電圧形インバータ回路、２６〜２８は端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力される電流を検出するホールＣＴなどのＣＴ、２９は平滑コンデンサ２４の両端電圧Ｅｄｃを絶縁しつつ検出する電圧検出器、３０は外部から入力される回転周波数設定値ωｓに基づき端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続される電動機の回転周波数を、三相電圧形インバータ回路２５を介して所望の状態に制御する制御装置である。
【００１８】
なお、図１において三相ダイオードブリッジ回路２１、抵抗器２２、コンタクタ接点２３、平滑コンデンサ２４、三相電圧形インバータ回路２５それぞれと、端子Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｐ１，Ｐ＋，Ｕ，Ｖ，Ｗとを含む回路構成は、汎用の三相電圧形インバータの電力変換主回路と称される部分である。
【００１９】
図２は、図１に示した制御装置３０の詳細回路構成図であり、この制御装置３０は加減速演算器３１、第１加算演算器としての加算演算器３２、速度調節器３３、出力リミッタ回路３４、界磁情報値演算器３５、第１乗算演算器としての乗算演算器３６、磁化電圧指令値演算器３７、第２加算演算器としての加算演算器３８、電流調節器３９、回転周波数演算器４０、積分器４１、第２，３乗算演算器としての乗算演算器４２，４３、第１，２ベクトル回転器としてのベクトル回転器４４，４５、λ補正器４６、ＰＷＭ（パルス幅変調）演算器４７、切替スイッチ回路４８のそれぞれを備えている。
【００２０】
図３は、この発明の第１の実施例としての交流電動機１０と電動機駆動装置２０とを示すブロック図である。
【００２１】
図３に示したブロック図の動作を、図１に示した電動機駆動装置２０の回路構成図と図２に示した制御装置３０の回路構成図とを参照しつつ、以下に説明する。
【００２２】
すなわち、図３に示したブロック図では、電動機駆動装置２０の端子Ｕ，Ｖ，Wに交流電動機１０が接続されていることから、制御装置３０を構成する切替スイッチ回路４８のそれぞれの接点が交流電動機側に閉じられており、その結果、交流電動機１０に対して、周知の回路・技術を用いてなる速度センサレスベクトル制御を行わせている。
【００２３】
この制御装置３０において、加減速演算器３１では回転周波数設定器６から発せられる交流電動機１０の回転周波数設定値ωｓを単位時間当たりの増減値を一定にしつつ最終的には回転周波数設定値ωｓに一致した値を回転周波数指令値ω＊として出力する。加算演算器３２ではこの回転周波数指令値ω＊と、後述の回転周波数演算器４０から得られる交流電動機１０の回転周波数推定値ωｒとの周波数偏差を求め、速度調節器３３ではこの周波数偏差を零にする調節演算を行う。出力リミッタ３４回路では前記調節演算結果値が交流電動機１０の出力トルク制限値を越えないように制限した値を交流電動機１０のトルク指令値τ＊として出力している。
【００２４】
前記加減速演算器３１の出力値が交流電動機１０の定格回転数を越えた界磁弱め領域に入ったときには、界磁情報値演算器３５ではその出力値を「１．０」から交流電動機１０の回転数の増大に伴って低減させる界磁情報値を出力し、乗算演算器３６では前記トルク指令値τ＊と前記界磁情報値との積を交流電動機１０の一次電流指令値ｉ1＊として出力している。一方、磁化電圧指令値演算器３７では、前記界磁情報値と後述のベクトル回転器４４の出力である交流電動機１０のＭ軸成分の電流検出値ｉMと交流電動機１０の電気定数とから、周知の演算式に基づいた交流電動機１０のＭ軸成分の電圧指令値ｖM＊に対応する値を導出し、この導出値を切替スイッチ回路４８の接点を介してベクトル回転器４５へ出力している。
【００２５】
電流検出器２６〜２８を介して得られた交流電動機１０の電流検出値ｉU ，ｉV ，ｉWに対して、ベクトル回転器４４では後述の位相角指令値θ＊に基づく座標変換を行い、交流電動機１０のＭ軸成分の電流検出値ｉMとＴ軸成分の電流検出値ｉTとを得ている。ここで、乗算演算器４２，４３それぞれの一方の入力には、交流電動機１０のときには「１」が与えられていることから、前記電流検出値ｉTが交流電動機１０の一次電流検出値ｉ1に対応している。
【００２６】
加算演算器３８では前記交流電動機１０の一次電流指令値ｉ1＊と一次電流検出値ｉ1との電流偏差を求め、電流調節器３９ではこの電流偏差を零にする調節演算を行い、この調節演算結果値は交流電動機１０の一次電圧指令値ｖ1＊とし、前記乗算演算器４２を介することにより、交流電動機１０のＴ軸成分の電圧指令値ｖT＊を得ている。
【００２７】
回転周波数演算器４０では、切替スイッチ回路４８により交流電動機と指令されていることから、前記一次電流検出値ｉ1と一次電圧指令値ｖ1＊と予め設定している交流電動機１０の電気定数とから、交流電動機１０のベクトル制御に基づく周知の演算式により、交流電動機１０の回転周波数推定値ωｒとスリップ周波数推定値ωｓｌとを求めている。また、積分器４１では前記回転周波数推定値ωｒとスリップ周波数推定値ωｓｌとの加算値を時間積分してなる位相角指令値θ＊を得ている。
【００２８】
ベクトル回転器４５では、前記交流電動機１０のＭ軸成分の電圧指令値ｖM＊とＴ軸成分の電圧指令値ｖT＊とを位相角指令値θ＊に基づく座標変換を行い、三相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を得ている。
【００２９】
さらにλ補正器４６では、前記電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に対して、平滑コンデンサ２４の両端電圧を絶縁しつつ検出する電圧検出器２９により得られた平滑コンデンサ２４の両端電圧Ｅｄｃの変動に対して補正した三相交流の電圧指令値をＰＷＭ演算器４７へ出力している。従って、ＰＷＭ演算器４７から出力される三相電圧形インバータ回路２５へのゲート駆動信号は、平滑コンデンサ２４の両端電圧Ｅｄｃの変動を補正した３相交流電圧を出力するためのＰＷＭパルス状の波形になっている。
【００３０】
上述のゲート駆動信号に従って、三相電圧形インバータ回路２５を形成するＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの自己消弧形半導体素子それぞれをオン・オフさせることにより、三相電圧形インバータ回路２５の出力には所望の振幅・周波数の３相交流電圧を発生させ、この交流電圧を出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを介して交流電動機１０に印加することにより、交流電動機１０は速度センサレスベクトル制御を行うことができる。
【００３１】
図４は、この発明の直流電動機５と電動機駆動装置２０とを示すブロック図であり、直流電動機５として分巻形直流電動機を速度制御する場合について説明する。
【００３２】
図４に示したブロック図の動作を、図１に示した電動機駆動装置２０の回路構成図と図２に示した制御装置３０の回路構成図とを参照しつつ、以下に説明する。
【００３３】
なお、図４において、フィルタ３、リアクトル４、直流電動機５、界磁電源５ａそれぞれは図５に示したものを流用している。また、制御装置３０を構成する切替スイッチ回路４８（図２参照）のそれぞれの接点が直流電動機側に閉じられている。
【００３４】
その結果、ベクトル回転器４４，４５への位相角指令値θ＊が「０」に固定され、従って、ベクトル回転器４４，４５それぞれは座標変換動作を停止し、図４のブロック図の接続では、三相電圧形インバータ回路２５のV相アームとＷ相アームとで４象限チョッパ動作をさせて端子Ｖ―Ｗ間に所望の振幅・極性の直流電圧が発生できるように、Ｔ軸成分の電圧指令値ｖT＊が入力されるベクトル回転器４５と、λ補正器４６と、ＰＷＭ演算器４７とが動作し、三相電圧形インバータ回路２５へのゲート駆動信号が生成される。
【００３５】
また、端子Ｖ―Ｗ間からフィルタ３とリアクトル４と介して接続された直流電動機５への電機子電流は、ＣＴ２７，２８とベクトル回転器４４と乗算演算器４３とを介することにより、直流電動機５の一次電流検出値ｉ1に変換されている。
【００３６】
ここで、乗算演算器４２，４３それぞれの一方の入力には、直流電動機５のときには「１／√２」すなわち、直流電動機での振幅係数が与えられていることから、前記電流検出値ｉTは、乗算演算器４３を介することにより直流電動機５の一次電流検出値ｉ1に対応する値に変換され、また、前記電圧指令値ｖ1＊は、乗算演算器４２を介することにより直流電動機５の電圧指令値ｖT＊に対応する値に変換されている。
【００３７】
すなわち、上述のゲート駆動信号に従って、三相電圧形インバータ回路２５のＶ相アームおよびＷ相アームそれぞれを形成するＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子をオン・オフさせることにより、出力端子Ｖ―Ｗ間には所望の振幅・極性の直流電圧を発生させ、この直流電圧をフィルタ３とリアクトル４と介して直流電動機５に印加することにより、直流電動機５に対して速度センサレスで回転速度制御を行わせることができる。
【００３８】
回転周波数演算器４０では、電機子電圧Ｖａ、電機子電流Ｉａおよび直流電動機５の電気定数とから下記の演算式により、直流電動機５の回転周波数推定値ωｒを求めている。      
【００３９】
（数１）
ωｒ＝｛Ｖａ−Ｉａ・Ｒａ｝／｛Ｋｅ・Φ｝
ここで、Ｒａは直流電動機５の電機子抵抗値、Ｋｅは直流電動機５の逆起電力定数、Φは直流電動機５の界磁磁束値である。
【００４０】
本実施の形態では、電機子抵抗値Ｒａおよび逆起電力定数Ｋｅを予め設定しておくとともに、Ｉａとして一次電流検出値ｉ1、Ｖａとして一次電圧指令値ｖ1＊、Φとして界磁情報値演算器３５からの界磁情報値に対応する界磁磁束値を用いて回転周波数推定値ωｒを求めている。
【００４１】
しかしながら、一次電圧指令値ｖ1＊は調節演算による指令値であるために実際の電圧との間に誤差を持つことと、界磁磁束値Φは鉄心の飽和や電機子反作用の影響により変化することとを補正するために、パターンＦｃ（ω）を実測値から導出し、実際には、下記数２式に基づいて、直流電動機５の回転周波数推定値ωｒを求めている。
【００４２】
（数２）
ωｒ＝Ｆｃ（ω）・｛ｖ1＊−ｉ1・Ｒａ｝
なお、前記加減速演算器３１の出力値が直流電動機５の定格回転数を越えた界磁弱め領域に入ったときには、界磁情報値演算器３５ではその出力値を「１．０」から直流電動機５の回転数の増大に伴って低減させる界磁情報値を出力するので、この界磁情報値を界磁電源５ａに伝達して、直流電動機５の界磁電流を減少させれば良い。
【００４３】
また、図４に基づく動作説明では、ベクトル回転器４４，４５それぞれの座標変換動作を停止させたときに、三相電圧形インバータ回路２５を介した端子Ｖ―Ｗ間には所望の振幅・極性の直流電圧を発生させるとしたが、ベクトル回転器４４，４５での設定により、三相電圧形インバータ回路２５を介した端子Ｕ―Ｖ間または端子Ｕ―Ｗ間に所望の振幅・極性の直流電圧が発生させて直流電動機５に印加し、端子Ｕ―Ｖ間または端子Ｕ―Ｗ間から直流電動機５の電流検出値ｉ1を得ることもできる。
【００４４】
すなわち、この発明の実施の形態では、制御装置３０による交流電動機１０の速度センサレスベクトル制御の回路構成に対して、乗算演算器４２，４３と、切替スイッチ回路４８と、回転周波数演算器４０での前記数２式の演算機能とを追加するという僅かなコスト上昇で、直流電動機５の速度センサレス回転速度制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…交流電源、２…サイリスタレオナード装置、３…フィルタ、４…リアクトル、５…直流電動機、５ａ…界磁電源、６…速度設定器、１０…交流電動機、２０…電動機駆動装置、２１…三相ダイオードブリッジ回路、２２…抵抗器、２３…コンタクタ接点、２４…平滑コンデンサ、２５…三相電圧形インバータ回路、２６〜２８…ＣＴ、２９…電圧検出器、３０…制御装置、３１…加減速演算器、３２…加算演算器、３３…速度調節器、３４…出力リミッタ回路、３５…界磁情報値演算器、３６…乗算演算器、３７…磁化電圧指令値演算器、３８…加算演算器、３９…電流調節器、４０…回転周波数演算器、４１…積分器、４２，４３…乗算演算器、４４，４５…ベクトル回転器、４６…λ補正器、４７…ＰＷＭ演算器、４８…切替スイッチ回路。
【図１】
2014014222.tif 000003
【図２】
2014014222.tif 000004
【図３】
2014014222.tif 000005
【図４】
2014014222.tif 000006
【図５】
2014014222.tif 000007