(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を力行時から回生時にわたって最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置であって、充放電可能な直流電源と、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する可変周波数インバータと、回転速度を検出する速度検出器と、トルク指令に対応する電圧指令を可変周波数インバータに指示する電圧指示手段と、電圧指令値と力行回生指令値との積を指示電圧値として出力する掛算器と、前記フィードバック制御手段として、回転速度に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持するすべり値記憶手段と、検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める手段と、最適すべり値として指示電圧値の低電圧領域では最大効率すべり値を出力し中間電圧領域では中間のすべり値を出力し高電圧領域では最大トルクすべり値を出力する最適すべり値出力手段と、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める駆動すべり周波数演算手段と、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する周波数加算回路とを具備することを特徴とする誘導電動機制御装置。
【請求項２】
電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を力行時から回生時にわたって最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置であって、充放電可能な直流電源と、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する可変周波数インバータと、回転速度を検出する速度検出器と、速度指令と検出速度とに基づいて生成した電圧指令を可変周波数インバータに指示する電圧指示手段と、速度指令と検出速度とに基づいて生成した力行回生指令値と電圧指令値との積を指示電圧値として出力する掛算器と、前記フィードバック制御手段として、回転速度に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持するすべり値記憶手段と、検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める手段と、最適すべり値として指示電圧値の低電圧領域では最大効率すべり値を出力し中間電圧領域では中間のすべり値を出力し高電圧領域では最大トルクすべり値を出力する最適すべり値出力手段と、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める駆動すべり周波数演算手段と、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する周波数加算回路とを具備することを特徴とする誘導電動機制御装置。
【請求項３】
電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を力行時から回生時にわたって最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置であって、充放電可能な直流電源と、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する可変周波数インバータと、回転速度を検出する速度検出器と、発電指令に対応する電圧指令を可変周波数インバータに指示する電圧指示手段と、電圧指令値と回生指令値との積を指示電圧値として出力する掛算器と、前記フィードバック制御手段として、回転速度に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持するすべり値記憶手段と、検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める手段と、最適すべり値として指示電圧値の低電圧領域では最大効率すべり値を出力し中間電圧領域では中間のすべり値を出力し高電圧領域では最大トルクすべり値を出力する最適すべり値出力手段と、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める駆動すべり周波数演算手段と、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する周波数加算回路とを具備することを特徴とする誘導電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機の駆動装置に関するものであり、特に、誘導電動機を広い動作範囲にわたって高効率かつ高制御性で運転できる駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘導電動機の駆動法として次のような方法が用いられている。
（1）汎用インバータによるV/F一定可変速駆動法
（2）速度センサを持つ誘導電動機をベクトル制御するベクトル駆動法
（3）速度センサを持たない誘導電動機をベクトル制御に準じた制御を行うセンサレスベクトル駆動法
（4）制御装置なしで直接商用交流電源による直結駆動法
【０００３】
上記（1）のV/F一定可変速駆動法のブロック図を図８（ａ）に示す。電動機に印加される電圧と周波数設定を図８（ｂ）に示す。図８（ｃ）は、三相誘導電動機の等価回路である。図８（ｃ）中、Ｉmは電動機の励磁電流である。可変速範囲内において、その絶対値がほぼ一定となるように、図８（ｂ）のV/F値とトルクブースト値Ｖ0が設定される。この駆動法においては、誘導電動機のすべりは電動機負荷によって変化する。後述するように、電動機に印加される周波数(一次周波数)に対し、電動機効率が最大となるすべりは一義的に確定されるので、すべりが負荷によって変化する。
【０００４】
上記(2)のベクトル駆動法のブロック図を図８（ｄ）に示す。電流ベクトル図を図８（ｅ）に示す。ベクトル制御は、図８（ｄ）中の電動機の励磁分電流とトルク分電流を別々に設定制御することができる制御法である。一般的に、励磁分電流設定は駆動する電動機にあわせて一定に設定され、トルク分電流の設定を変えてトルクの高応答性を達成している。ベクトル制御において、励磁分電流が一定に設定されると、トルク分電流はすべり周波数に比例する。ここで、電動機回転子速度の周波数換算値をｆrとし、すべり周波数をｆsとし、一次周波数をｆ1とすれば、
ｆ1＝ｆs＋ｆr----------------------------------------(1)
がなりたつ。すべり周波数ｆsはトルク分電流に比例するから、電動機回転子速度ｆrが一定であっても、一次周波数ｆ1はトルク分電流によって変化する。後述するように、電動機回転子速度に対する電動機効率が最大となるすべりは一義的に確定され、これによって、また、一次周波数ｆ1も確定される。
【０００５】
上記（3）のセンサレスベクトル駆動法のブロック図を図８（ｆ）に示す。通常の速度センサを持つベクトル制御に対し、速度センサの代わりに電動機内部定数を用いて回転子の速度推定を行う。速度センサを省いた制御方式であり、制御そのものは上記(2)のベクトル制御に準じている。上記（4）の直結駆動法のブロック図を図８（ｇ）に示す。この駆動法は、商用電源に直結して駆動するもので、定周波数かつ定電圧での駆動となり、電動機回転子速度もほぼ定速度となる。
【０００６】
以上の(1)〜(4)の駆動方法では最適制御を行っていないので、電動機の効率が必ずしも良くない。上記（1）のV/F一定可変速駆動法は、電動機効率の低下が不可避である。特に、定励磁電流のため、軽負荷時の効率低下がはなはだしい。上記(2)のベクトル駆動法では、一次周波数が電動機回転子速度に関係なく変化するので、上記(1)のV/F一定可変速駆動法と同様に、電動機効率が低下する。また、定励磁電流のため、軽負荷時の効率低下がはなはだしい。上記(3)のセンサレスベクトル駆動法では、電動機効率の点で上記(2)のベクトル駆動法と同様、電動機効率に関して考慮されているとはいえない。上記(4)の直結駆動法では、上記（1）のV/F一定可変速駆動法と同様に、すべりが負荷によって変化するので、電動機効率の低下は不可避である。軽負荷時の効率低下がはなはだしいのも同じである。
【０００７】
そこで、運転条件ごとに電動機効率が最大になるすべり周波数を記憶しておき、最適なすべり周波数で運転するように制御することで、常に電動機効率を最大に維持する駆動方法が各種考案されている。以下に、誘導電動機の最適駆動法に関連する従来技術の例をいくつかあげる。
【０００８】
特許文献１に開示された「インバータ装置」は、簡単な制御で無駄な動作がなく、常に最高効率点でモータを運転できるものである。図９（ａ）に示すように、交流電源を直流電源に変換し、その直流を再び交流に変換してモータを駆動するインバータ装置である。モータ駆動時の力率を力率検出器で検出する。ある周波数で効率が最大となる力率をメモリに予め記憶する。そのメモリ内に記憶されている力率値と検出器により検出された力率値を比較して、出力電圧を制御する。メモリは、任意の周波数に応じて複数の力率値を記憶している。モータの巻線温度に応じて、メモリ内の力率値を補正する。
【０００９】
特許文献２に開示された「誘導電動機の制御方法」は、銅損及び鉄損を最小とする最適すべり角周波数で駆動することによって、エネルギー損失を少なくする方法である。図９（ｂ）に示すように、最初に誘導電動機の１次側抵抗、２次側抵抗、相互インダクタンス、２次側リアクタンス及び鉄損抵抗の各特性値から、誘導電動機の銅損及び鉄損を最小とする最適すべり角周波数を回転数に対応させて演算算出する。そして、この最適すべり角周波数を用いて、励磁電流及びトルク電流を変更し、出力トルクをトルク指令に対応した所定値に制御する。このように、すべり角周波数を最適すべり角周波数に保持した状態で、トルク指令値に応じて励磁電流及びトルク電流の両方を変更するので、全回転域において、エネルギー効率の最適化制御が行え、高負荷及び低負荷領域の両方においてエネルギー損失を最小限に抑えることができる。
【００１０】
特許文献３に開示された「誘導モータ制御装置」は、簡略な構成でトルク応答性が任意にでき、過渡時と定常時でともに最高効率で誘導モータを駆動することができるものである。図９（ｃ）に示すように、外部から与えられるトルク指令値Ｔe'に対して、目標トルク演算部で目標トルクＴmを演算する。その目標トルクに対して、誘導モータを最高効率で駆動するための最適すべり周波数ω\ochseを、最適すべり周波数演算部で演算する。目標トルクＴmと最適すべり周波数ω\ochseから、ベクトル制御則にしたがって、励磁電流指令値ｉφ\och'とトルク電流指令値ｉT'とを、ベクトル制御演算部で演算する。
【００１１】
特許文献４に開示された「誘導電動機の効率制御方式」は、誘導電動機のスベリと最適スベリとを演算して、このスベリを負荷トルクの変動に対応させて最適の値に維持し、電力変換器と協働して誘導電動機への印加電圧を制御し、最大の効率を得るものである。図９（ｄ）に示すように、電力変換器から誘導電動機への供給電力の電圧信号と、電流信号及び周波数信号をそれぞれ別個にリアルタイムで検出し、これらの信号からスベリと最適スベリとを演算して、新たな電圧指令信号を電力変換器に伝送する。
【００１２】
特許文献５に開示された「誘導電動機の制御装置」は、鉄損が無視できない誘導電動機を駆動する場合で、運転中の温度変化による電動機定数の変動が起こっても、最大効率運転を可能にするものである。図10（ａ）に示すように、鉄損に関係した定数を含む誘導電動機の定数を係数値とする所定の関数の演算結果を記憶しておく。所定関数にかかわる変数を入力して、トルク電流指令と励磁電流指令の振幅の比を出力する。この比と誘導電動機のトルク指令とから、電流成分指令演算手段により励磁電流指令を演算して、１次周波数で回転する直交回転座標軸（ｄ−ｑ軸と呼ぶ）上の１次電流のｄ軸成分指令として出力する。誘導電動機のトルク電流指令を、１次電流のｑ軸成分指令として出力する。それら出力から誘導電動機のすべり周波数を演算し、１次電流と加算して１次周波数を求める。電流成分指令演算手段の出力の積の値がトルク指令に比例し、且つ振幅の比が所定の関数値と等しくなる１次電流指令を出力する。
【００１３】
特許文献６に開示された「誘導電動機の制御方法」は、負荷変化および周波数の変化に対して、誘導電動機の効率が常に最大になるように、すべりを敏速に制御する方法である。図10（ｂ）に示すように、インバータで誘導電動機運転を制御する。インバータで運転制御される誘導電動機のすべりを検出する。誘導電動機の定数と誘導電動機に与えられた周波数から決まる最大効率となる最適すべりＳη\ochMAXを計算する。最適すべりと誘導電動機のすべりを比較する。比較結果から電圧操作量を求める。求めた電圧操作量を出力電圧指令または磁束指令に作用させて、誘導電動機を最大効率となる最適すべりで運転する。
【００１４】
特許文献７に開示された「電気モータを制御する方法」は、負荷にかかわりなく効率を最適化することができる電気モータの制御方法である。図10（ｃ）に示すように、モータのステータ電圧周波数がモータの最適スリップ周波数およびロータの所望の回転周波数を加えることにより決定される。ステータ電圧の大きさはロータの実際の回転周波数および所望の回転周波数を減算することにより決定される。所望のステータ周波数および大きさはパルス幅変調ユニットに入力され、ユニットはインバータを制御して適切な電圧をモータに供給する。最適のスリップを有するモータの動作は負荷にかかわりなく効率が最適化される。
【００１５】
特許文献８に開示された「インバータ装置」は、誘導電動機の効率を最高効率に維持するように制御するものである。図10（ｄ）に示すように、電力順変換器で、交流を直流に変換する。電力逆変換器で、さらに交流に再変換する。電力逆変換器の出力電圧を、電圧検出手段で検出する。電力逆変換器の出力電流を、電流検出手段で検出する。出力電圧及び出力電流の間の位相差を、位相差検出手段で検出する。位相差検出手段で得られた位相差を示すパルス信号を受け、パルス信号の時間長を、マイクロコンピュータで測定する。マイクロコンピュータは、位相差と出力電圧と所定の電動機定数から、誘導電動機のすべり量を求める。さらに、すべり量と出力電圧と所定の電動機定数から誘導電動機の効率を算出し、効率を最高値に維持すべく、位相差及び出力電圧を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平01-050792号公報
【特許文献２】特開平02-023085号公報
【特許文献３】特開平07-067399号公報
【特許文献４】特開平08-317682号公報
【特許文献５】特開平09-262000号公報
【特許文献６】特開平10-032991号公報
【特許文献７】特開平10-108488号公報
【特許文献８】特開平11-235090号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】坪島茂彦著「図解誘導電動機‐基礎から制御まで‐」（1979年11月東京電機大学出版局発行）90〜101ページ、170〜176ページ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、従来の最適すべりに基づく最適駆動方法では、次のような問題がある。最大効率で駆動できる動作範囲はあまり広くないので、常に最大効率で駆動しようとすると、狭い動作範囲でしか駆動できないことになる。幅広い負荷の変動や、温度変化や、起動から定常運転までの広範囲な回転数の変化など、大幅な運転条件の変化に対応して最適な制御を行うことは、制御回路がかなり複雑になり、コストがかかるとともに調整などの手間も複雑になるので、事実上不可能である。制御回路や制御条件を簡略化すると、ほとんど効率が上がらない。さらに、力行駆動と回生駆動の両方で効率を高める駆動方法で実用的なものは知られていない。
【００１９】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、可能な限り広い動作範囲で誘導電動機を最大効率で駆動し、最大効率で駆動できない範囲では制御性がよい駆動方法で駆動することによって、回転数や負荷率の変動に対応して、力行と回生の広い動作範囲にわたって効率と操作性のバランスがよく運転できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の課題を解決するために、本発明では、電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を力行時から回生時にわたって最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置であって、充放電可能な直流電源と、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する可変周波数インバータと、回転速度を検出する速度検出器と、電圧指令を可変周波数インバータに指示する電圧指示手段と、電圧指令値と力行回生指令値との積を指示電圧値として出力する掛算器と、フィードバック制御手段として、回転速度に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持するすべり値記憶手段と、検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める手段と、最適すべり値として指示電圧値の低電圧領域では最大効率すべり値を出力し中間電圧領域では中間のすべり値を出力し高電圧領域では最大トルクすべり値を出力する最適すべり値出力手段と、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める駆動すべり周波数演算手段と、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する周波数加算回路とを具備する構成とした。
【発明の効果】
【００２１】
上記のように構成したことにより、回転数や負荷率の変動に対応して、力行と回生の広い動作範囲にわたって高効率かつ高制御性で運転できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機のＬ型等価回路である。
【図２】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機の力行〜回生領域での電動機効率対すべり特性を表すグラフである。
【図３】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機の力行〜回生領域での印加周波数対最大効率のすべりを表したグラフである。
【図４】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機の力行〜回生領域での印加周波数対最大効率のすべり周波数を表したグラフである。
【図５】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機の力行〜回生領域での電動機回転子速度対最大効率のすべり周波数を表したグラフである。
【図６】本発明の実施例における誘導電動機制御装置で制御する三相誘導電動機のすべりと効率を表すグラフである。
【図７】本発明の実施例における誘導電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】従来の誘導電動機制御装置の説明図である。
【図９】従来の誘導電動機制御装置の説明図である。
【図１０】従来の誘導電動機制御装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００２４】
本発明の実施例は、回転数に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持し、印加電圧に対応する最適すべり値を求め、回転数と最適すべり値から駆動すべり周波数を求め、回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する誘導電動機制御装置である。
【００２５】
図１に、三相誘導電動機のＬ型等価回路を示す。図２に、印加周波数をパラメータとする電動機効率対すべり特性のグラフを示す。図３に、印加周波数対最大効率すべりのグラフを示す。図４に、印加周波数対最大効率すべり周波数のグラフを示す。図５に、回転速度に対応する最大効率すべり周波数のグラフを示す。図６に、すべりと効率のグラフを示す。図６（ａ）は、すべりに対して、効率とトルクを示したグラフである。図６（ｂ）は、力行時回生時印加電圧に対して、最適すべりを示したグラフである。図６（ｃ）は、フィードバック制御手段の構成の例を示すブロック図である。
【００２６】
図７に、誘導電動機制御装置の構成を示す。図７（ａ）は、トルク指令を与えて制御する例である。図７（ｂ）は、速度指令を与えて制御する例である。図７（ｃ）は、発電機の制御に利用する例である。いずれの例も誘導電動機を発電機として動作させる場合を含むが、電動機と発電機の両方を意味するものとして、単に誘導電動機として表記する。図７において、三相誘導電動機１は、三相の誘導電動機である。速度検出器２は、誘導電動機の回転数（周波数）を検出する回転計である。可変周波数インバータ３は、電圧指令と周波数指令に応じて、直流電流を三相交流電流に変換して三相誘導電動機を駆動するとともに、発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電するインバータである。直流電源４は、充放電可能なバッテリーまたは逆流可能な直流電流源である。バッテリーを代表例として説明するが、直流電流源も含むことを意味する。
【００２７】
上記のように構成された本発明の実施例における誘導電動機制御装置の機能と動作を説明する。最初に、図７を参照しながら、誘導電動機制御装置の機能の概要を説明する。電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置である。直流電源は、充放電可能なバッテリーまたは逆流可能な直流電流源である。可変周波数インバータは、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する。速度検出器で回転速度を検出する。電圧指示手段で、電圧指令を可変周波数インバータに指示する。掛算器で、電圧指令値と力行回生指令値との積を指示電圧値として出力する。
【００２８】
フィードバック制御手段として、以下のものを備える。すべり値記憶手段は、回転速度に対応する最大効率すべり値と、停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持する。検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める。最適すべり値出力手段は、指示電圧値の低電圧領域では、最適すべり値として、最大効率すべり値を出力し、中間電圧領域では中間のすべり値を出力し、高電圧領域では最大トルクすべり値を出力する。駆動すべり周波数演算手段で、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める。周波数加算回路で、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して、周波数指令として可変周波数インバータに指示する。
【００２９】
次に、図１〜図４を参照しながら、三相の場合における電動機制御方法の原理を説明する。三相誘導電動機の電動機効率を、すべりを変数とし、一次周波数をパラメータとして算出する。図８（ｃ）に示したＴ型等価回路による計算結果は、図１に示すＬ型等価回路で算出した結果と大きな差はないので、計算がより簡単な図１のＬ型等価回路で算出する。なお、等価回路はＹ結線としての一相分として表されている。
【００３０】
一次電圧をＶ1とし、一次電流をＩ1とし、二次電流をＩ2とし、励磁電流をＩ0とし、すべりをｓとし、一次周波数をｆ1とし、一次角周波数をω1とし、虚数単位をｊ＝√(-1)とし、一次電圧Ｖ1を基準位相とすると、次のようになる。
ω1＝２πｆ1------------------------(2)
Ｉ0＝Ｖ1/(ｒ0＋ｊω1・Ｌ0)------------------------(3)
Ｉ2＝Ｖ1/{(ｒ1＋ｒ2ｓ)＋ｊω1(ｌ1＋ｌ2)}----------------------(4)
Ｉ1＝Ｉ0＋Ｉ2-------------------------(5)
ここで、ｒ0は、無負荷損失を代表する抵抗分である。Ｌ0は、励磁インダクタンスである。ｒ1は、一次抵抗である。ｌ1は、一次漏れインダクタンスである。ｒ2は、一次換算の二次抵抗である。ｌ2は、一次換算の二次漏れインダクタンスである。
【００３１】
一次入力をＰinputとすると、三相分を考慮して、次のようになる。
Ｐinput＝３・Ｖ1・Ｉ1e-----------------------(6)
Ｉ1e＝|Ｉ1|cos(ψ)-----------------------(7)
ここで、cos(ψ)は、一次側の力率である。Ｉ1eは、一次電流の有効分、つまり、一次電圧Ｖ1と同相分電流である。
【００３２】
一方、軸出力をＰoutputとすると、これも三相分を考慮して、次のようになる。
Ｐoutput＝３{(１−ｓ)/ｓ}ｒ2|Ｉ2|2-----------------------(8)
電動機効率をηとすると
η＝100(Ｐoutput/Ｐinput)-----------------------(9)
改めて電動機の入力力率をPFとすると
PF＝cos(ψ)＝Ｉ1e/|Ｉ1|-----------------------(10)
これらの等価回路及び計算式の詳細については、非特許文献１を参照されたい。
【００３３】
表１に、三相誘導電動機定数の例を示す。
【表１】
0005851867.tif 000002
【００３４】
すべり可変範囲は、パラメータとして一次周波数を５Hz〜60Hz(５Hz刻み)とする。又、駆動側条件として、V/F＝４(200V/50Hz＝４、すなわち、50Hzで200V)、トルクブースト量Ｖ0＝0[V]としている。各駆動周波数において電動機効率が最大値となるすべりが存在する。又、その最大値となるすべりは、駆動周波数によって異なることがわかる。
【００３５】
図２に、すべり可変範囲をｓ:−１〜＋１と回生領域まで広げた場合の特性を示す。図２からわかるとおり、回生領域すなわち発電機領域においても、電動機効率が最大値となるすべりが存在する。又、その最大値となるすべりは、駆動周波数によって異なることがわかる。以下、すべり可変範囲はｓ:−１〜＋１として解析する。
【００３６】
図３は、同一条件で、一次周波数を変数とし、その時の電動機効率が最大となるすべりをプロットしたものである。一次周波数により一義的に最大効率となるすべりが決定されることがわかる。又、すべり周波数をｆsとし、一次周波数をｆ1とし、すべりをｓとすれば、
ｓ＝ｆs/ｆ1------------------------------------------(11)
の関係があるから、最大効率となるすべりｓが決定されることは、言い換えれば、一次周波数により一義的に最大効率となるすべり周波数ｆsが決定されることになる。この最大効率をとなるすべり周波数ｆsを、一次周波数を変数としてプロットしたものが、図４である。電動機効率に関して、一次周波数により一義的に最大効率となるすべり周波数が決定されることは、電動機回転子速度が決定されることになる。
【００３７】
次に、図５を参照しながら、電動機回転子速度と電動機効率が最大となるすべり周波数の関係について説明する。電動機回転子速度が決まれば、電動機効率が最大となるすべり周波数が決まり、式(1)より、一次周波数が逆に決定されることになる。図５は、電動機効率が最大となる電動機回転子速度対すべり周波数をプロットしたものである。
【００３８】
表２に、三相誘導電動機の力行時特性の例を示す。
【表２】
0005851867.tif 000003
【００３９】
表３に、三相誘導電動機の回生時特性の例を示す。
【表３】
0005851867.tif 000004
【００４０】
表２と表３と図６を参照しながら、すべりと効率とトルクの関係を説明する。図６（ａ）に示すように、効率が最大の動作点では、出力やトルクは定格より低い。定格出力を出す場合は、少し効率が下がる。さらに、一時的に大きな出力やトルクを出す必要がある場合があり、その際はさらに効率が下がる。誘導電動機を最大効率でのみ動作させることは、電動機の機能の有効利用という観点からは無駄である。一時的に大きな出力やトルクで動作させる場合は、効率より操作性などを重視することにする。
【００４１】
図６（ｂ）に示すように、低い印加電圧の場合は、最大効率に対応するすべりで駆動する。高い印加電圧の場合は、最大トルクに対応するすべりで駆動する。その中間では、印加電圧の増加に応じてすべりを増加させるように駆動する。すなわち、低電圧領域では最大効率すべり値を最適すべり値とし、高電圧領域では最大トルクすべり値を最適すべり値とし、中間の電圧領域では、最大効率すべり値と最大トルクすべり値の中間のすべり値を最適すべり値とする。印加電圧に対応した最適すべり値を求めて、回転数と最適すべり値とから駆動すべり周波数を求めて、周波数指令として可変周波数インバータに与える。こうすることにより、効率と操作性を両立させて駆動することができる。低電圧領域と高電圧領域を具体的にどの範囲にするかは、電動機の特性と効率と操作性のバランスなどに応じて決める。
【００４２】
図６（ｃ）に示すように、回転速度と印加電圧に応じて、最適すべり値を求め、最適すべり値と回転速度とから最適すべり周波数を求める。回転速度と最適すべり周波数から駆動周波数を求めて、可変周波数インバータに周波数指令として与える。
【００４３】
次に、図７を参照しながら、誘導電動機制御装置の動作を説明する。図７（ａ）に、トルク指令を与えて制御する場合の具体例を示す。電動機効率が最大となる最大効率すべり値とトルクが最大となる最大トルクすべり値とに基づいて誘導電動機を最適駆動するためのフィードバック制御手段を備えた誘導電動機制御装置である。充放電可能な直流電源と、電圧指令と周波数指令とに応じて直流電源を交流に変換して誘導電動機に印加するとともに発電した交流電流を直流電流に変換して直流電源に充電する可変周波数インバータと、回転速度を検出する速度検出器と、トルク指令に対応する電圧指令を可変周波数インバータに指示する電圧指示手段と、電圧指令値と力行回生指令値との積を指示電圧値として出力する掛算器と、フィードバック制御手段とから構成する。
【００４４】
フィードバック制御手段として、以下のものを備える。すべり値記憶手段に、回転速度に対応する最大効率すべり値と、停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持する。検出した回転速度に対応する最大効率すべり値を求める。最適すべり値出力手段で、指示電圧値の低電圧領域では、最適すべり値として、最大効率すべり値を出力し、中間電圧領域では、中間のすべり値を出力し、高電圧領域では、最大トルクすべり値を出力する。駆動すべり周波数演算手段で、指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求める。周波数加算回路で、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して、周波数指令として可変周波数インバータに指示する。
【００４５】
トルクを制御する印加電圧は効率に影響しないから、電動機回転子速度に対する最大効率すべり周波数が決定されれば、電動機は最大効率で運転されることになる。印加電圧が０からＶmまでは、最大効率すべり値で駆動する。印加電圧が高い領域では、最大トルクすべり値で駆動する。その中間では、印加電圧が高くなるにつれてすべり値も大きくなるように変化させて駆動する。
【００４６】
図７（ｂ）に、速度指令を与えて制御する場合の具体例を示す。直流電源と可変周波数インバータと速度検出器とフィードバック制御手段と速度制御のためのPID制御器等から構成される。電圧指示手段で、速度指令と検出速度とに基づいて生成した電圧指令を、可変周波数インバータに指示する。速度指令と検出速度とに基づいて生成した力行回生指令値と電圧指令値との積を掛算器で生成して、指示電圧値として出力する。指示電圧値の低電圧領域では、最大効率すべり値を最適すべり値として出力し、中間電圧領域では、中間のすべり値を出力し、高電圧領域では、最大トルクすべり値を出力する。指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求め、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する。
【００４７】
電気自動車の走行駆動の例を示しているが、これに限ったものではない。電動機の負荷が絶えず変動する場合が少なくない。電気自動車走行駆動はその例である。加速時は最大の電動機能力が要求されることが多いが、定速走行時はそれほどではない。こういった負荷変動に対し、絶えず電動機を最大効率で運転させることができれば、走行距離の増大につながる。また、ブレーキ減速時に、図５の曲線となるように制御すれば、回生エネルギーを効率よく電源側に回収することができ、さらに走行距離は増す。
【００４８】
図７（ｃ）に、発電機の場合の具体例を示す。直流電源と可変周波数インバータと速度検出器とフィードバック制御手段とからなる。発電指令に対応する電圧指令を可変周波数インバータに指示する。電圧指令値と回生指令値との積を指示電圧値として出力する。指示電圧値の低電圧領域では、最大効率すべり値を最適すべり値として出力し、中間電圧領域では、中間のすべり値を出力し、高電圧領域では、最大トルクすべり値を出力する。指示電圧値に対応する最適すべり値から駆動すべり周波数を求め、検出した回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する。これは、風力発電や水力発電に使用した場合の例であり、誘導電動機を誘導発電機として利用し、最大効率化すれば、低コストで発電可能となり、かつ発電効率も増す。
【００４９】
上記のように、本発明の実施例では、誘導電動機駆動装置を、回転数に対応する最大効率すべり値と停動トルクに対応する最大トルクすべり値を保持し、印加電圧に対応する最適すべり値を求め、回転数と最適すべり値から駆動すべり周波数を求め、回転速度に駆動すべり周波数を加算して周波数指令として可変周波数インバータに指示する構成としたので、回転数や負荷率の変動に対応して、力行と回生の広い動作範囲にわたって高効率かつ高制御性で運転できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の誘導電動機駆動装置は、誘導電動機のトルクまたは回転数を制御する駆動装置として最適である。また、電気自動車や風力発電機の制御装置としても好適である。
【符号の説明】
【００５１】
１  三相誘導電動機
２  速度検出器
３  可変周波数インバータ
４  直流電源
【図１】
0005851867.tif 000005
【図２】
0005851867.tif 000006
【図３】
0005851867.tif 000007
【図４】
0005851867.tif 000008
【図５】
0005851867.tif 000009
【図６】
0005851867.tif 000010
【図７】
0005851867.tif 000011
【図８】
0005851867.tif 000012
【図９】
0005851867.tif 000013
【図１０】
0005851867.tif 000014