(57)【要約】【課題】誘導電動機について、起動時に大きなトルクが得られる直巻特性に類似する特性を簡単な制御によって実現すること。【解決手段】インバータのゲート制御回路１２により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給して当該誘導電動機を制御する制御方法であって、誘導電動機のシャフトの回転速度を検出し、検出した回転速度ｆｄとの差が設定されたすべりｆｓに相当する周波数ｆｒとなるように、ゲート制御回路に周波数指令を与える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータのゲート制御回路により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給して当該誘導電動機を制御する制御方法であって、
前記誘導電動機のシャフトの回転速度を検出し、検出した回転速度との差が設定されたすべりに相当する周波数となるように、前記ゲート制御回路に周波数指令を与える、
ことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項２】
ゲート制御回路により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給するインバータと、
前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記誘導電動機のすべりを設定するためのすべり設定手段と、
前記速度検出手段により検出された回転速度と前記すべり設定手段により設定されたすべりとを演算して前記ゲート制御回路に周波数指令を出力する周波数指令手段と、
を有してなることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
ゲート制御回路により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給するインバータと、
前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記誘導電動機のすべりを設定するためのすべり設定手段と、
前記誘導電動機の回転速度を設定する速度設定手段と、
前記速度検出手段により検出された回転速度に前記すべり設定手段により設定されたすべりを加算しまたは減算して前記ゲート制御回路に周波数指令を出力する周波数指令手段と、
前記速度設定手段により設定された回転速度と前記速度検出手段により検出された回転速度との差に応じた強さの界磁電流を流すように前記ゲート制御回路に電流指令を出力する電流指令手段と、
を有してなることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
前記周波数指令手段は、
前記速度検出手段により検出された回転速度に対応する電圧を周波数に変換するＶＦ変換器と、
前記前記すべり設定手段により設定されたすべりに応じた周波数と前記ＶＦ変換器から出力される周波数との間で加算または減算を行う演算手段と、
を有する請求項３記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
前記電流指令手段は、
前記速度設定手段により設定された速度と前記速度検出手段により検出された回転速度との差を検出する速度差検出手段と、
前記速度差検出手段の出力を増幅する速度差増幅手段と、
前記速度差増幅手段の出力と前記界磁電流の強さとの差を検出する電流差検出手段と、
前記電流差検出手段の出力を増幅する電流差増幅手段と、
を有する請求項３または４記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項６】
前記速度差検出手段の出力の正負に応じて、前記周波数指令手段における加算または減算を選択するための指令を出力する正負判別手段を有する、
請求項３ないし５のいずれかに記載の誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三相誘導電動機などの誘導電動機に対してインバータによって速度制御を行う制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、誘導電動機の回転制御を行うためにインバータが用いられている。
図３は従来のインバータ８０の回路を示すブロック図である。
【０００３】
図３において、インバータ８０は、三相交流電源ＤＧからの電力を整流回路８１によって整流し、スイッチング回路８２によって所定の周波数および電圧（または電流）の三相交流電力として誘導電動機Ｍに供給する。
【０００４】
スイッチング回路８２には、トランジスタ、サイリスタ、双方向サイリスタ（トライアック）、ＧＴＯなどのスイッチング素子を用い、それらのゲートを制御することによって所定の周波数および電圧の三相交流電力を出力する。
【０００５】
ゲート制御回路８４は、周波数指令部８３からの周波数指令に応じて、できるだけ短時間でその周波数指令に対応する回転速度となるように、各ゲートに与える制御パルスの周波数およびパルス幅を決め、その制御パルスをスイッチング回路８２に出力する。
【０００６】
その際に、例えば、周波数指令部８３からの周波数指令（電圧）が急激に変化した場合に、それに対応して実際の周波数指令（電圧）を徐々に変化させて誘導電動機Ｍの加減速電流が過大にならないように制限する。周波数指令（電圧）をスイッチング回路８２での周波数に比例した周波数に変換し、その周期を複数に分割する。また、Ｖ／ｆが一定となるよう電圧を制御するために、周波数指令に応じた電圧指令を生成する。これらの指令および信号と、誘導電動機Ｍに出力される電流および電圧などとに基づいて、ＰＷＭ制御のための制御パルスを生成する。
【０００７】
【非特許文献】山村昌監修「パワーエレクトロニクス入門」平成３年７月、オーム社発行、２０４〜２１７頁。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように、従来のインバータによる誘導電動機の制御は、周波数指令を出して、その周波数指令に対応する回転速度となるように制御するものである。つまり、誘導電動機の負荷の状態に応じて出力電圧または出力電流が変化し、負荷がどのような状態であっても周波数指令に対応した回転速度となるように、または周波数指令に対応した回転速度を維持するように、制御が行われる。このような定速度特性は、直流電動機で言えば分巻特性に類似する特性である。
【０００９】
しかし、誘導電動機の運転において、そのような定速度特性では、電車または電気自動車などのように起動時に大きなトルクを必要とする回転動力源としては不向きである。
【００１０】
また、従来より、周波数指令、電圧指令、他の種々の信号の生成を含めた制御を、コンピュータのソフトウエアにより行うことが多いが、制御が複雑であるためプログラムが複雑となり、必ずしも常に最適な制御が行われているとは言いがたい。そのため、誘導電動機の性能を十分に生かすことができず、数十パーセント程度の能力しか活用していないケースの多いのが現状である。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、誘導電動機について、起動時に大きなトルクが得られる直巻特性に類似する特性を簡単な制御によって実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、インバータのゲート制御回路により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給して当該誘導電動機を制御する制御方法であって、前記誘導電動機のシャフトの回転速度を検出し、検出した回転速度との差が設定されたすべりに相当する周波数となるように、前記ゲート制御回路に周波数指令を与える。
【００１３】
本発明に係る装置は、ゲート制御回路により制御された周波数および電流の界磁電流を誘導電動機に供給するインバータと、前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記誘導電動機のすべりを設定するためのすべり設定手段と、前記速度検出手段により検出された回転速度と前記すべり設定手段により設定されたすべりとを演算して前記ゲート制御回路に周波数指令を出力する周波数指令手段とを有してなる。
【００１４】
また、前記誘導電動機の回転速度を設定する速度設定手段と、前記速度設定手段により設定された回転速度と前記速度検出手段により検出された回転速度との差に応じた強さの界磁電流を流すように前記ゲート制御回路に電流指令を出力する電流指令手段とを有する。
【００１５】
周波数指令手段における演算として、例えば、前記すべり設定手段によってすべり周波数が設定された場合には、回転速度に対応する周波数に対して加算または減算が行われる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るインバータ４を用いたパワーシステム１を示すブロック図である。
【００１７】
図１において、パワーシステム１は、直流電源３、インバータ４、および誘導電動機Ｍからなる。
直流電源３として、鉛蓄電池、ニッカド電池、燃料電池、その他の電池、または交流電源と整流器の組み合わせなどを用いることができる。交流電源と整流器との組み合わせを用いる場合には、整流器としてサイリスタを用いて位相制御を行ってもよい。また、チョッパ回路を設けて電圧制御または電流制御を行ってもよい。
【００１８】
誘導電動機Ｍは、三相の公知の誘導電動機であり、回転速度を検出するためにシャフトにタコジェネレータＴＧが取り付けられている。タコジェネレータＴＧは、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｄに対応した速度電圧Ｖｓｄを出力する。
【００１９】
インバータ４は、スイッチング回路１１、ゲート制御回路１２、Ｖ／ｆ変換部１３、周波数指令部１４、判別部１５、速度差検出部１６、速度差増幅器１７、電流差検出部１８、電流差増幅器１９、電流検出器２０、すべり設定部２１、および速度指令部２２などを有する。インバータ４は、ゲート制御回路１２により制御された周波数ｆｒおよび電流の界磁電流を誘導電動機Ｍに供給する。
【００２０】
スイッチング回路１１は、従来の技術の項でも述べたように、種々のスイッチング素子を用いることが可能である。また、種々の保護回路、制限回路、付加回路などが必要に応じて設けられる。スイッチング素子のゲート（またはベースなど）を制御することによって、それに応じた周波数ｆｒおよび電圧または電流の三相交流電力を誘導電動機Ｍに出力する。
【００２１】
ゲート制御回路１２は、周波数指令部１４から出力される周波数指令ｆｒに応じた周波数となるように、また、電流差増幅器１９から出力される電流指令Ｉｒに応じた出力電流となるように、スイッチング素子の各ゲートに与える制御パルスを生成して出力する。ゲート制御回路１２においては、例えば、スイッチング回路１１に対してＰＷＭ制御を行うための制御パルスが生成される。そのような制御パルスを生成するための回路および動作それ自体は公知である。
【００２２】
Ｖ／ｆ変換部１３は、タコジェネレータＴＧから出力される速度電圧Ｖｓｄを、その電圧値に対応する周波数ｆｄに変換する。
周波数指令部１４は、Ｖ／ｆ変換部１３から出力される周波数ｆｄに、すべり設定部２１により設定されたすべり周波数ｆｓを加算しまたは減算し、周波数指令ｆｒを出力する。加算または減算のいずれを行うかは、判別部１５からの正負指令信号Ｓｐによる。
【００２３】
判別部１５は、速度差検出部１６から出力される速度差電圧Ｖｅに基づいて、正負指令信号Ｓｐを出力する。つまり、速度差電圧Ｖｅが正である場合は周波数指令部１４において加算を選択するよう、速度差電圧Ｖｅが負である場合は周波数指令部１４において減算を選択するよう、正負指令信号Ｓｐを出力する。周波数指令部１４において、電圧の正負によって選択するように構成した場合は、速度差電圧Ｖｅをそのまま正負指令信号Ｓｐとして出力してもよい。
【００２４】
速度差検出部１６は、速度指令部２２により設定された回転速度Ｎｓに対応した設定速度電圧Ｖｓｓと、タコジェネレータＴＧからの速度電圧Ｖｓｄとの差分を、速度差電圧Ｖｅとして検出する。速度差検出部１６は、加算器または減算器などによって実現可能である。
【００２５】
速度差増幅器１７は、速度差検出部１６から出力される速度差電圧Ｖｅを増幅する。なお、速度差検出部１６と速度差増幅器１７とを同じ回路で実現してもよい。
【００２６】
電流差検出部１８は、速度差増幅器１７の出力と、電流検出器２０によって検出された電流（界磁電流）Ｉｆとの差分を、電流差信号Ｖｇとして検出する。電流差検出部１８は、加算器または減算器などによって実現可能である。
【００２７】
電流差増幅器１９は、電流差検出部１８から出力される電流差信号Ｖｇを増幅する。なお、電流差検出部１８と電流差増幅器１９とを同じ回路で実現してもよい。
【００２８】
電流検出器２０は、誘導電動機Ｍの界磁電流Ｉｆつまりスイッチング回路１１に流れ込む電流を検出する。誘導電動機Ｍの相電流を検出するようにしてもよい。
【００２９】
すべり設定部２１は、誘導電動機Ｍのすべりｓを設定するためのものである。実際には、ユーザは、すべりｓに対応するスイッチング回路１１の周波数であるすべり周波数ｆｓを設定する。例えば、すべり周波数ｆｓとして、５Ｈｚとか、１０Ｈｚとかに対応する値「５」「１０」を設定する。したがって、すべり設定部２１からは、設定されたすべり周波数ｆｓに対応する値が出力される。その値は、デジタル値であってもよく、またはアナログ値例えばアナロク電圧であってもよい。
【００３０】
なお、すべり設定部２１において、ユーザがすべりｓの値を設定するようにしてもよい。その場合には、設定されたすべりｓをそれに対応するすべり周波数ｆｓに変換するようにすればよい。その場合に、すべりｓからすべり周波数ｆｓへは、Ｖ／ｆ変換部１３から出力される周波数ｆｄに対応して変換することも可能である。つまり、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｄに対応する周波数ｆｄ、スイッチング回路１１の周波数ｆｒ、およびすべりｓとの間の次の（１）式の関係に基づいて変換することが可能である。
【００３１】
ｆｓ＝ｆｒ×ｓ
ｆｒ＝ｆｄ／（１−ｓ）  ……（１）
また、すべり設定部２１において、すべりｓを設定し、設定したすべりｓの値をそのまま出力してもよい。
【００３２】
すべり設定部２１において設定されたすべり周波数ｆｓまたはすべりｓは、周波数指令部１４に出力される。
速度指令部２２は、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｓを設定する。速度指令部２２からは、回転速度Ｎｓに対応した設定速度電圧Ｖｓｓが出力される。設定速度電圧Ｖｓｓとして、例えば、０〜１０ボルト、１〜５ボルト、０．４〜２ボルトなど、回路構成に応じて適当な範囲とすればよい。なお、回転速度Ｎｓまたは設定速度電圧Ｖｓｓの値は、アナログ値であってもよいが、デジタル値であってもよい。
【００３３】
次に、上のように構成されたインバータ４の動作を説明する。
すべり設定部２１によって、すべり周波数ｆｓを設定する。このときのすべり周波数ｆｓは、誘導電動機Ｍの使用目的に応じて適宜決定される。設定したすべり周波数ｆｓは、誘導電動機Ｍの運転中において固定とする。運転内容が異なる場合にはすべり周波数ｆｓを設定しなおせばよい。すべり設定部２１からは、設定したすべり周波数ｆｓが出力される。
【００３４】
周波数指令部１４において、Ｖ／ｆ変換部１３から出力される周波数ｆｄに、すべり周波数ｆｓが加算または減算される。誘導電動機Ｍを電動機として運転する場合には加算を行い、発電機として用いる場合には減算を行う。ここでは加算を行ったとする。周波数指令部１４からは、周波数指令ｆｒ（＝ｆｄ＋ｆｓ）が出力される。
【００３５】
ゲート制御回路１２は、周波数指令部１４から出力された周波数指令ｆｒに対応して、スイッチング回路１１がその周波数ｆｒで動作するように、制御パルスを生成し、スイッチング回路１１に出力する。
【００３６】
したがって、スイッチング回路１１は、常に、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓよりもすべり周波数ｆｓの分だけ高い周波数ｆｒの電流を誘導電動機Ｍに出力することとなる。つまり、誘導電動機Ｍの固定子と回転子との速度差が、すべり周波数ｆｓに相当する一定の値に維持されるよう、制御が行われることとなる。
【００３７】
そうすると、誘導電動機Ｍの回転速度またはトルクは、二次電流Ｉ２  の二乗に比例するので、回転速度Ｎｄが０の始動時点ではトルクを大きくすることができ、大きな始動トルク（起動トルク）を得ることができる。したがって、低速の領域においても安定した運転を行うことができる。また、トルクが小さい場合、つまり負荷が軽い場合には、回転速度Ｎｄを大変大きくすることができる。これは速度制御の可能な範囲が広く、且つ安定しているということである。
【００３８】
また、インバータ４による制御を次のように考えることもできる。すなわち、誘導電動機Ｍの回転速度に対応する周波数ｆｄにすべり周波数ｆｓを加算すると、すべり周波数ｆｓの分だけ高い周波数（回転速度）になろうとして界磁電流の周波数がどんどん高くなる。つまり、この状態は、誘導電動機Ｍの回転速度について正のフィードバックがかかっている状態である。その結果、誘導電動機Ｍの回転速度は上昇する。しかし、回転速度の上昇につれて発生トルクが低下するので、負荷と釣り合う点で安定する。そのときの釣合い点は、電流に応じて異なる。
【００３９】
なお、速度指令部２２により設定された設定速度電圧Ｖｓｓに基づいて、スイッチング回路１１の出力する電圧または電流が制御され、これにより従来より公知の制御が行われる。
【００４０】
次に、インバータ４による制御を式を用いて説明する。
まず、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｄ、二次電流Ｉ２  、トルクＴ、およびすべり周波数ｆｓの間には、次の（２）式の関係がある。
【００４１】
Ｎｄ＝６０×Ｉ２２×ｒ２  ／（２×π×Ｔ×ｆｓ）  ……（２）
なお、ｒ２  は二次抵抗、πは円周率である。
ここで、係数Ｋを次の（３）式のように定義する。
【００４２】
Ｋ＝ｒ２  ／ｆｓ  ……（３）
すると、上の（２）式は、次の（４）式のように書き直すことができる。
Ｎｄ＝６０×Ｋ×Ｉ２２×ｒ２  ／（２×π×Ｔ）  ……（４）
一方、直流直巻電動機の基本式である次の（５）式、
Ｅ×Ｉ＝２×π×Ｎ×Ｔ／６０  ……（５）
と、直巻の場合には、Ｅは界磁電流すなわち電機子電流に比例することから得られる次の（６）式、
Ｅ＝Ｋ×Ｉ  ……（６）
とから、次の（７）式が得られる。
【００４３】
Ｎ＝６０×Ｋ×Ｉ２  ／（２×π×Ｔ）  ……（７）
この（７）式は、上の（４）式と同じである。つまり、上で説明した制御を行うことによって、図２に示すように直流電動機の直巻特性と同じ特性が得られるということである。
【００４４】
換言すれば、本実施形態のインバータ４によると、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｄは、係数×電流の２乗／（トルク×すべり）となり、電流の２乗、トルク、すべりによって回転速度Ｎｄが決定される。このような関係からも、大きな始動トルクが得られ、回転速度の制御範囲の広い特性が得られることが分かる。
【００４５】
因みに、通常の誘導電動機の制御では、始動トルクは２００％程度であるが、本実施形態のインバータ４による制御では、始動トルクは４００％程度を得ることができる。しかも、誘導電動機Ｍの能力が十分に活用され、小型の誘導電動機Ｍであっても大きな出力が得られ、効率が高い。したがって、大きな始動トルクの必要な電車、電気自動車、荷役機械などの回転動力源として最適である。
【００４６】
また、すべり周波数ｆｓの設定を大きくすると、直流直巻電動機の界磁を弱めたのと同じ効果が得られる。つまり、すべり周波数ｆｓの設定を大きくすることにより、安定して回転速度Ｎｄを大きくすることができる。
【００４７】
さて、上の説明では、周波数指令部１４において加算を行った場合を説明したが、周波数指令部１４において減算を行うと、誘導電動機Ｍが発電機として運転される。つまり、その場合に、回生制動が行われ、誘導電動機Ｍの回転にブレーキがかかる。
【００４８】
このように、周波数指令部１４における加算または減算を行うことによって、簡単に誘導電動機Ｍの回転を加速しまたは減速することができる。しかも、減速時に容易に回生制動を行うことができる。すべり周波数ｆｓを設定し、それを固定しておくことにより上に説明した特性および効果が得られるので、インバータ４の回路構成、調整、運転が容易である。
【００４９】
上に述べた実施形態では、周波数指令部１４において、Ｖ／ｆ変換部１３から出力される周波数ｆｄに、すべり周波数ｆｓを加算しまたは減算した。しかし、すべり設定部２１においてすべりｓを設定することとした場合に、周波数指令部１４において、すべりｓをそのまま用いて、上の（１）式にしたがって周波数指令ｆｒを演算してもよい。
【００５０】
上の実施形態において、各パラメータの正負、およびそれらに対する加算または減算は、それらに対する処理の趣旨に沿って適宜変更することができる。また、同様に、各パラメータの値、物理量、単位などは、上の説明に係わらず、種々のものとすることができる。つまり、例えば、すべり周波数ｆｓとして、すべり周波数ｆｓに関連した他の単位の値を用いることができ、そのような値を、電圧、電流、デジタル値、またはコード化された符合などによって表すことが可能である。
【００５１】
上の実施形態において、タコジェネレータＴＧに代えて、ロータリーエンコーダを用いることもできる。電流検出器２０によって電流を検出したが、これに代えて、またはこれとともに、スイッチング回路１１の出力する電圧を検出して、これに基づいて電圧または電流の制御を行ってもよい。インバータ４における各部は、ハード回路によって、またはＣＰＵおよびメモリなどを用いてソフト的に、またはそれらの組み合わせによって、実現することができる。インバータ４として、電圧型または電流型のいずれにも適用することが可能である。
【００５２】
その他、パワーシステム１またはインバータ４の全体または各部の回路構成、定数、構造、形状、寸法、個数、および材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によると、誘導電動機について、起動時に大きなトルクが得られる直巻特性に類似する特性を簡単な制御によって実現することができる。
【００５４】
したがって、誘導電動機を電車、電気自動車、および荷役機械などの回転動力源として適切に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインバータを用いたパワーシステムを示すブロック図である。
【図２】インバータ４の制御による誘導電動機の特性の例を示す図である。
【図３】従来のインバータの回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
４  インバータ
１１  スイッチング回路
１２  ゲート制御回路
１３  Ｖ／ｆ変換部（ＶＦ変換器）
１４  周波数指令部（周波数指令手段、演算手段）
１５  判別部（正負判別手段）
１６  速度差検出部（電流指令手段）
１７  速度差増幅器（電流指令手段）
１８  電流差検出部（電流指令手段）
１９  電流差増幅器（電流指令手段）
２０  電流検出器
２１  すべり設定部（すべり設定手段）
２２  速度指令部（速度設定手段）
ＴＧ  タコジェネレータ（速度検出手段）
【図１】
2004289962.tif 000003
【図２】
2004289962.tif 000004
【図３】
2004289962.tif 000005