(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、
前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、
前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、
速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記原動機速度センサで検出された原動機の回転速度を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、
前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、
前記原動機の発電電圧を検出して演算する発電電圧演算器と、
前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、
速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、
前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項３】
動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、
前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、
前記原動機の発電電圧を検出して演算する発電電圧演算器と、
前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度と前記発電電圧演算器で演算された発電電圧の上限が制限された値とが入力され、各々のうち定格に対する比率が小さい値を選択する選択器と、
前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、
速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記選択器で選択された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、
前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項４】
動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換する整流器と、この整流器で変換した直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換するインバータとを有する電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、
前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、
前記インバータの入力電圧を検出する電圧センサと、
前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度と前記電圧センサで検出したインバータの入力電圧の上限が制限された値とが入力され、各々のうち定格に対する比率が小さい値を選択する選択器と、
前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記電圧センサで検出した前記インバータの入力電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、
速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記選択器で選択された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、
前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記インバータを駆動する手段と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項５】
前記選択器の出力側に、前記原動機の回転速度と前記インバータの入力電圧の上限が制限された値との内、各々の定格に対する比率が小さい方の値で、前記電動機のトルクの上限を制限する際に、この制限を行う値が減少した場合は大きな時定数で当該値を滑らかに低減させ、前記制限を行う値が増加した場合は小さな時定数で当該値を急激に変化させる時定数制御部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機を動力源とし、発電機と半導体電力変換装置を用いて電動機を可変速制御する電動機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体電力変換器を用いて電動機を可変速制御する際に、通常の負荷を超える過負荷に対する機器を保護する場合、電力変換器の出力電圧と出力電流、即ち電動機の電圧と電流、又は電動機の電圧とトルクを所定値に制限することで達成されている。
これは、一般には電動機の電圧やトルクを制限すれば電源から入力される入力電力も所定値に制限され、直接的に入力電力を制限する必要がないためと考えられる。この理由について次に説明する。
【０００３】
半導体電力変換器を用いて電動機を可変速制御する場合、回転速度に対する電動機の端子電圧や出力可能な最大トルクなどの関係は、一般には図１０と図１１に示す特性となる。ここで、実線は連続定格の特性を、破線は短時間定格（例えば１分間）の過負荷特性を示す。下記にこれらの特性についての補足説明を行う。なお、説明の便宜上、連続定格のトルクと出力を１００％、短時間過負荷のトルクと出力を２００％として記述する。
【０００４】
電動機の磁束は、磁気飽和に至る限界近くの値に一定に制御するのが望ましく、これにより磁束を最大限に高めて電動機を小形化することができる。電動機の端子電圧は、磁束と速度の関連関係にほぼ比例するので、磁束が一定であるとすると回転速度と端子電圧はほぼ比例する。
電動機の端子電圧が定格電圧になるときの回転速度のＮｂは基底速度と呼ばれ、電力変換器の出力可能な最大電圧は上記定格電圧に一致させるか、それより数％乃至は１０％程度高めに設計するのが一般的である。基底回転速度を基底速度より高める場合には、磁束を回転速度にほぼ反比例させて弱めることによって、端子電圧をほぼ一定に制御する。この制御は、弱め磁束制御とか弱め界磁制御と呼ばれている。その結果、電動機の端子電圧と磁束の特性は図１０のようになる。
【０００５】
電動機の磁束をベクトルとして捉えると、電動機のトルクは磁束とこれに直交する電流成分の積に比例する。なお、この電流成分は、交流電動機の場合にはトルク電流と呼ばれている。交流電動機のベクトル制御では、トルクはトルク電流を変えて制御される。電動機の出力はトルクと回転速度の積に比例する。その結果、回転速度に対するトルクと電動機出力の特性は図１１のようになる。同図に示すように、電動機の出力は基底速度Ｎｂまでは回転速度に比例し、基底速度Ｎｂ以上では一定に制御される。
【０００６】
電源電圧が所定の値より低下すると電力変換器が出力できる最大電圧が低下するため、所望した電圧を出力できずに、出力電圧が方形波状に歪んで異常な振動や騒音を生じることがある。この課題は電力変換器が出力できる最大電圧を予め高めに設計すればよいが、電力変換器が大型化かつ高価になる欠点がある。これを解決する方法として、例えば、特許文献１や特許文献２の技術内容が提案されている。文献１，２の特許で提案されている方法では手段は異なるが、結果として高速時に電動機の磁束をより弱めて、電動機の端子電圧を低下させる点で一致する。
【０００７】
この場合の特性例を図１２と図１３に示す。ここでは、簡単のため短時間定格時の場合のみを記載してあり、破線は最大２００％トルク、２００％出力の特性を表し、太い実線は電源電圧が低下した場合の特性を表す。図１２に示すように、電源電圧が所定値より低下した場合のみ、端子電圧の実効値を低下させ、出力電圧が方形波に歪むという欠点を解決する。この結果、電動機の出力は図１３の太線のようになり、出力の上限が低下する。即ち、電源電圧が低下すると電動機の出力の上限も低下するので、電力変換器の入力電流が過大になって電源が異常な過負荷状態になることも回避することができる。
【０００８】
図１４は、従来の原動機を動力源とする場合の電動機の可変速装置の構成を示すブロック図である。但し、原動機とは、例えば車のエンジンのような部分をいい、敢えて定義づけると、自然界に存在する様々のエネルギーを往復動運動や回転運動のような機械的仕事に変え、動力を発生する機械と言える。
このような原動機１に結合された発電機２によって、原動機１の動力に応じた交流電力を発生させ、この交流電力を整流器（直流電源）３で整流して直流電力に変換する。この直流電力をインバータ４で正弦波などによる交流信号に変換しながら交流電動機５を駆動制御するようになっている。
【０００９】
ところで、低速時に大トルクを必要とする用途があり、その一例として砕氷船電気推進がある。図１５と図１６に砕氷船電気推進の特性例を示す。実線は連続定格、破線は短時間定格の過負荷特性である。これらの特性は、上記の図１０と図１１の場合と異なり、基底速度Ｎｂ以下でのみ短時間過負荷が必要となる場合である。砕氷船では、砕氷時に大きなトルクが必要となるが、高速回転ではアイストルクの特性から砕氷できず、中速回転以下で砕氷を行うことに対応したトルク特性となっている。
【００１０】
特記すべきことは、短時間過負荷トルクが上記の基底速度Ｎｂから回転速度に反比例して増加していることである。この場合、トルクの上限は２００％であるが、前述したように電動機の出力は、トルクと回転速度の積に比例するため、電動機の出力は連続定格である１００％出力を超えず、これに対応して原動機や発電機の出力も連続定格を超えることはない。このことにより、原動機と発電機には過負荷特性は必要なく、原動機と発電機を小形化することができる。
【特許文献１】特開平５−２６０７６２号公報
【特許文献２】特開平１０−１６４８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、従来の電動機制御装置においては、原動機１の回転速度が所定値より低下すると、これに対応して発電機２の電圧も低下する。或いは、急激な負荷の変動があると少なからず発電機２の電圧が過渡的に低下する。上記特許文献１や特許文献２で提案されている方法では、発電機２の電圧が所定値より低下した場合にのみ、電動機５の端子電圧の上限を低下させることにより、インバータの出力電圧が方形波状に歪む欠点を解決することができる。
【００１２】
しかし、図１５と図１６の特性を持つような用途、例えば砕氷船電気推進のように電動機５が低速時に大トルクを必要とする用途、言い換えれば、電動機５が基底速度Ｎｂ以下でのみ短時間過負荷特性が要求される用途では、原動機１の回転速度や発電機２の電圧が所定値より低下した場合に、原動機１や発電機２が過負荷になるという欠点は解決されない。つまり、電動機が低速時に大トルクを必要とする用途において、原動機１の回転速度や発電機２の電圧が所定値より低下した場合は、原動機１や発電機２が過負荷になるという問題がある。
【００１３】
この理由を、図１７を参照して説明する。図１７では簡単のため短時間定格時のトルクと出力特性のみを記載してあり、破線は通常の特性、太い実線は電源電圧が低下した場合の特性である。例えば、電源電圧が定格の８０％電圧に低下した場合、従来の制御では前述した基底速度Ｎｂの約８０％速度から弱め磁束制御を行う。この場合、基底速度Ｎｂの８０％速度以上では８０％出力以下に制限されるが、基底速度Ｎｂの６０％乃至は８０％速度では１００％出力となる。電源電圧が定格の８０％で、出力が１００％の場合、電源電流は定格の約１２５％となるので電源は過負荷状態となる。
【００１４】
一方、原動機１は定トルク特性に近い特性を有しており、原動機１の回転速度が下がれば出力の限界も低下する。従って、原動機１の回転速度に応じて出力も制限するのが望ましいが、従来の制御方法では、電動機５の出力、即ち原動機１の出力の上限を制限することができないので、出力が上限を所定値上回った場合、原動機１の回転速度が急激に失速して停止する。この原動機１の動作に応じて電動機５も急速に停止するので、電動機５が用いられている機器に支障を及ぼすこともあるという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、電動機が低速時に大トルクを必要とする用途において、原動機の回転速度や発電機の電圧が所定値より低下した場合でも、原動機や発電機が過負荷になることを防止することができ、また、原動機の出力の上限を制限可能とすることにより当該原動機の急激な失速停止に応じた電動機の急速な停止を防止して電動機の適用機器への支障を無くすことができる電動機制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による電動機制御装置は、動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記原動機速度センサで検出された原動機の回転速度を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段とを備えたことを特徴としている。
【００１７】
この構成によれば、電動機のトルクの上限が当該電動機の速度に反比例し、かつ原動機の回転速度に比例して制限されるので、その原動機が過負荷になることを防止することができる。更に、電動機の磁束が当該電動機の回転速度に反比例し、かつ原動機の回転速度に比例して制御されるので、発電機の電圧低下に起因する電動機電圧の歪みを回避することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２による電動機制御装置は、動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、前記原動機の発電電圧を検出して演算する発電電圧演算器と、前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
この構成によれば、電動機のトルクの上限が当該電動機の速度に反比例し、かつ発電機の電圧に比例して制限されるので、その発電機が過負荷になることを防止することができる。更に、電動機の磁束が当該電動機の回転速度に反比例し、かつ発電機の電圧に比例して制御されるので、発電機の電圧低下に起因する電動機電圧の歪みを回避することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項３による電動機制御装置は、動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換する電力変換装置とを有する電動機制御装置において、前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、前記原動機の発電電圧を検出して演算する発電電圧演算器と、前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度と前記発電電圧演算器で演算された発電電圧の上限が制限された値とが入力され、各々のうち定格に対する比率が小さい値を選択する選択器と、前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記発電電圧演算器で演算した発電電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記選択器で選択された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記電力変換装置を駆動する手段とを備えたことを特徴としている。
【００２３】
この構成によれば、原動機の回転速度と発電機の電圧の上限が制限された値との何れかの値の内、発電機の電圧の方が定格に対する比率が小さいとすると、発電機の電圧で電動機のトルクの上限が制限されるので、発電機の過負荷保護が優先され、結果的に原動機の過負荷も保護されることになる。つまり、原動機と発電機が過負荷になるのを防止することができる。
また、本発明の請求項４による電動機制御装置は、動力源である原動機と、この原動機の動力に応じた交流電力を発生する発電機と、この発電機の交流電力を直流電力に変換する整流器と、この整流器で変換した直流電力を電動機を駆動制御するための電力に変換するインバータとを有する電動機制御装置において、前記電動機の回転速度を検出する電動機速度センサと、前記原動機の回転速度を検出する原動機速度センサと、前記インバータの入力電圧を検出する電圧センサと、前記原動機速度センサで検出した原動機の回転速度と前記電圧センサで検出したインバータの入力電圧の上限が制限された値とが入力され、各々のうち定格に対する比率が小さい値を選択する選択器と、前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度の絶対値を演算する絶対値関数器と、磁束指令元信号を前記絶対値関数器から出力される電動機回転速度の絶対値で除算する除算器と、該除算器の出力に前記電圧センサで検出した前記インバータの入力電圧の上限が制限された値を乗算する乗算器とで構成される磁束指令値を算出する手段と、速度設定値と前記電動機速度センサで検出した電動機回転速度との偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値の上限をトルク制限値で制限する上限リミッタと、該上限リミッタから出力される上限を制限されたトルク指令値を前記磁束指令値で除算してトルク電流指令値を算出する除算器と、前記電動機回転速度の絶対値で前記電動機が用いられる機器の仕様を満たすために定められた第１の回転速度を除算する除算器と、該除算器の出力に前記選択器で選択された値を乗算して前記トルク制限値を算出する乗算器とで構成されるトルク電流指令値を演算する手段と、前記磁束指令値及びトルク電流指令値に基づいて前記インバータを駆動する手段とを備えたことを特徴としている。
【００２４】
この構成によれば、原動機の回転速度とインバータの入力電圧の上限が制限された値との何れかの値の内、例えばインバータの入力電圧の方が定格に対する比率が小さいとすると、インバータの入力電圧で電動機のトルクの上限が制限されるので、発電機の過負荷保護が優先され、結果的に原動機の過負荷も保護されることになる。つまり、原動機と発電機が過負荷になるのを防止することができる。
【００２５】
また、本発明の請求項５による電動機制御装置は、請求項４において、前記選択器の出力側に、前記原動機の回転速度と前記インバータの入力電圧の上限が制限された値との内、各々の定格に対する比率が小さい方の値で、前記電動機のトルクの上限を制限する際に、この制限を行う値が減少した場合は大きな時定数で当該値を滑らかに低減させ、前記制限を行う値が増加した場合は小さな時定数で当該値を急激に変化させる時定数制御部を備えたことを特徴としている。
【００２６】
この構成によれば、原動機の回転速度及びインバータの入力電圧の上限が制限された値の何れかの値が減少した時には大きな時定数をもって値を滑らかに低減させ、このパラメータで電動機のトルクの上限を制限する。また、上限が制限された値が増加したときには小さな時定数で値を急激に変化させ、この値で電動機のトルクの上限を制限するようにした。つまり、トルクの制限値を低下させる場合に、所定の時限をとって制限値を低下させることにより、原動機又は発電機が許容できる所定の時間だけは所望するトルクを出力することができ、且つ原動機又は発電機の継続した過負荷を防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、電動機が低速時に大トルクを必要とする用途において、原動機の回転速度や発電機の電圧が所定値より低下した場合でも、原動機や発電機が過負荷になることを防止することができ、また、原動機の出力の上限を制限可能とすることにより当該原動機の急激な失速停止に応じた電動機の急速な停止を防止して電動機の適用機器への支障を無くすことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態においては、電力変換器に整流器３とインバータ４とを用い、電動機に誘導電動機５を、誘導電動機５の制御にベクトル制御を用いた場合を例にあげて説明する。なお、各種制御量は所定の値で基準化されており、各種の比例係数は省略してあるとする。
【００２９】
原動機１に結合された発電機２で交流電力を発生させ、これを整流器３で整流して直流電力に変換する。整流器３にはインバータ４が接続され、インバータ４で誘導電動機５を駆動する。
この構成は従来例と同様であるが、本実施の形態においては、誘導電動機５に、電流センサ６と、誘導電動機５の回転子に結合された速度センサ７とを接続しており、発電機２の回転子に速度センサ８を結合している。
【００３０】
電動機制御装置１００−１において、ω＊は速度設定値（第２の回転速度）であり、この速度設定値ω＊と速度センサ７で検出された速度ωとの偏差を速度調節器１１で増幅する。速度調節器１１の出力はトルク指令に相当し、その値は上限リミッタ１２で上限がＴＬＩＭ＊（トルクの制限値）に制限される。この上限リミッタ１２で制限された値がトルク指令値Ｔ＊となる。Ｔ＊を除算器１３により誘導電動機５の磁束指令値Ψ＊で割って、トルク電流指令値ＩＴ＊を演算する。
【００３１】
一方、磁束指令値Ψ＊の元信号Ψ＊＊を除算器１４により速度ωの絶対値ωＡＢＳで割り、この割算で得られた値に乗算器１５で原動機１の回転速度ωＧを掛け、この出力を上限リミッタ１６で制限して磁束指令値Ψ＊を求める。
誘導電動機５の回転速度ωの絶対値ωＡＢＳは、絶対値関数器１８によって速度センサ７からの誘導電動機５の回転速度ωの絶対値を求め、この値を下限リミッタ１９で下限値を制限することによって得られる。この下限リミッタ１９は、除算器１４と除算器２０の演算においてオーバーフローを起こさないために設けられている。
【００３２】
除算器２０において、誘導電動機５が用いられる機器の仕様を満たすために定められた回転速度（第１の回転速度）ω0を、速度の絶対値ωＡＢＳで割って、ＴＬＩＭ＊＊を演算する。このＴＬＩＭ＊＊に乗算器２１にて、速度センサ８からの原動機１の回転速度ωＧを掛け、これにより得られた値の上限値を上限リミッタ２２で制限することによってトルクの制限値ＴＬＩＭ＊を求める。
【００３３】
このトルクの制限値ＴＬＩＭ＊の演算結果を図２に示す。図中、細い実線は原動機１の回転速度ωＧが定格値（１００％）の場合の例であり、太い実線は同回転速度ωＧが定格値の８０％の場合の例である。短時間定格トルクは２００％である。原動機１の回転速度ωＧが１００％の場合、速度（第１の回転速度）ω0は基底速度Ｎｂの５０％の速度０．５Ｎｂとなり、同速度からトルク制限値が低下する。一方、原動機１の回転速度ωＧが８０％に低下すると、トルク制限値は基底速度Ｎｂの４０％の速度０．４Ｎｂから低減することによって、原動機１の過負荷が防止される。
【００３４】
上記が本願発明に関係する部分であり、その他は、従来同様のベクトル制御やＰＷＭ（パルス幅変調）制御によりインバータ４が制御されるようになっている。この部分を簡単に説明する。
トルク電流指令値ＩＴ＊と磁束指令値Ψ＊がベクトル演算器２３に入力されると、ベクトル演算器２３では、ベクトル制御の原理に基づき、電流センサ６から入力される誘導電動機５のすべり周波数と磁束発生に寄与する磁化電流指令値を演算し、かつ誘導電動機５の相電流からトルク電流と磁化電流の実際値を演算する。更に、これらの電流指令値と同検出値から、パルス幅制御器２４を介したフィードバック制御による電流制御を行う。
これらの構成は、例えば中野孝良著「交流モータのベクトル制御」日刊工業新聞発行などに解説されている。電流調節器の出力は、電圧指令に対応し、この信号をパルス幅制御器２４でＰＷＭ制御することにより、インバータ４が制御される。
【００３５】
図３は、電動機制御装置１００−１の制御によって得られるトルク電流指令値ＩＴ＊の演算結果の例を示す図である。
図３中、上記図２と同様に細い実線は原動機１の回転速度ωＧが定格値（１００％）の場合の例であり、太い実線は同回転速度ωＧが定格値の８０％の場合の例である。短時間定格トルクは２００％である。図２のトルク制限値に対応して、原動機１の回転速度ωＧが１００％の場合にはトルク電流は基底速度Ｎｂの５０％から低減する。電動機５の回転速度ωが基底速度Ｎｂ以上ではトルク電流は一定になるが、これは同速度から弱め磁束制御が開始されるためである。原動機１の回転速度ωＧが８０％に低下するとトルク電流は基底速度Ｎｂの４０％の速度０．４Ｎｂから低減し、電動機５の回転速度ωが基底速度Ｎｂの８０％の速度以上では一定になる。これは基底速度Ｎｂの８０％の速度から弱め磁束制御が開始されるためである。このようにして目的とする制御が達成されている。
【００３６】
このように、第１の実施の形態の電動機制御装置１００−１によれば、砕氷船電気推進のように、電動機５が基底速度Ｎｂ以下でのみ短時間過負荷特性が要求される用途において、原動機１の回転速度ωＧに応じて電動機５の磁束とトルクの上限を制限することができるので、原動機１の回転速度ωＧや発電機２の電圧が所定値より低下した場合でも、原動機１や発電機２が過負荷になることを防止することができる。これによって、原動機１や発電機２を小形化することができる。
【００３７】
更に、電動機５のトルクの制限が必要最小限に行われるので、電動機５の回転速度が所定の速度以下では、例えば原動機１の回転速度ωＧが低下してもトルクは制限されない。また、電動機５のトルクの制限に時限特性を持たせることにより、短時間に所望したトルクが得られ、これによって、電動機５の運用上で支障をきたすことを回避することができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
この第２の実施の形態の電動機制御装置１００−２が、上記第１の実施の形態の電動機制御装置１００−１と異なる点について説明する。
電動機制御装置１００−２においては、原動機１の回転速度ωＧに代えて、発電機２の電圧を検出するようにした。これを行うため、発電電圧演算器２５を、発電機２の電圧出力側と乗算器１５，２１との間に接続する。但し、発電電圧演算器２５の後段には上限リミッタ２６を設ける。そして、発電電圧演算器２５によって、発電機２の電圧から発電電圧の大きさＶＧを演算し、このＶＧを、上限リミッタ２６を介して乗算器１５，２１に入力する。上限リミッタ２６は、発電機２の電圧が１００％以上になってもトルクの上限を変えないように、その電圧を制限する動作を行う。
【００３９】
このように、第２の実施の形態の電動機制御装置１００−２によれば、砕氷船電気推進のように、電動機５が基底速度Ｎｂ以下でのみ短時間過負荷特性が要求される用途において、発電機２の電圧に応じて電動機５の磁束とトルクの上限を制限することができるので、原動機１の回転速度ωＧや発電機２の電圧が所定値より低下した場合でも、原動機１や発電機２が過負荷になることを防止することができる。これによって、原動機１や発電機２を小形化することができる。
更に、電動機５のトルクの制限が必要最小限に行われるので、電動機５の回転速度が所定の速度以下では、例えば発電機２の電圧が低下してもトルクは制限されない。また、電動機５のトルクの制限に時限特性を持たせることにより、短時間に所望したトルクが得られ、これによって、電動機５の運用上で支障をきたすことを回避することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
この第３の実施の形態の電動機制御装置１００−３が、上記第２の実施の形態の電動機制御装置１００−２と異なる点について説明する。
電動機制御装置１００−３においては、発電電圧ＶＧに代えて、インバータ４の入力電圧Ｅｄを検出するようにした。これを行うため、発電電圧演算器２５を外し、整流器３とインバータ４との間に電圧センサ９を接続し、この電圧センサ９で検出された入力電圧Ｅｄが上限リミッタ２６で制限されながら乗算器１５，２１に供給されるようにした。
【００４１】
このように、第３の実施の形態の電動機制御装置１００−３によれば、砕氷船電気推進のように、電動機５が基底速度Ｎｂ以下でのみ短時間過負荷特性が要求される用途において、インバータ４の入力電圧Ｅｄに応じて電動機５の磁束とトルクの上限を制限することができるので、原動機１の回転速度ωＧや発電機２の電圧が所定値より低下した場合でも、原動機１や発電機２が過負荷になることを防止することができる。これによって、原動機１や発電機２を小形化することができる。
【００４２】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
この第４の実施の形態の電動機制御装置１００−４が、上記第１の実施の形態の電動機制御装置１００−１と異なる点について説明する。
電動機制御装置１００−４においては、発電電圧演算器２５を、発電機２の電圧出力側と乗算器１５との間に接続し、また、原動機１の回転速度ωＧの定格に対する比率と、発電電圧演算器２５からの発電電圧ＶＧの定格に対する比率との内、比率が小さい方のパラメータを選択して除算器２１へ出力する選択器２７を、速度センサ８、発電電圧演算器２５及び除算器２１の間に接続した。但し、発電電圧演算器２５の後段には上限リミッタ２６を設けてある。
【００４３】
このような構成において、例えば、原動機１の回転速度ωＧが定格の９０％、発電機２の電圧が定格の８０％の場合には、選択器２７によって発電機２の電圧ＶＧが選択されて乗算器２１に入力される。これによって、発電機２の過負荷保護が優先され、結果的に原動機１の過負荷も保護することができる。
このように、第４の実施の形態の電動機制御装置１００−４によれば、原動機１の回転速度ωＧと発電機２の電圧ＶＧとの何れかのパラメータの内、各々の定格に対する比率が小さい方のパラメータで、電動機５のトルクの上限を制限するようにしたので、発電機２又は原動機１の過負荷保護が優先し、結果的に他方の過負荷も保護することができる。
【００４４】
（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
この第５の実施の形態の電動機制御装置１００−５が、上記第４の実施の形態の電動機制御装置１００−４と異なる点について説明する。
電動機制御装置１００−４においては、発電電圧ＶＧに代えて、インバータ４の入力電圧Ｅｄを選択器２７に供給するようにした。これを行うため、発電電圧演算器２５を外し、整流器３とインバータ４との間に電圧センサ９を接続し、この電圧センサ９で検出された入力電圧Ｅｄが上限リミッタ２６で制限されながら選択器２７に供給されるようにした。
【００４５】
選択器２７は、原動機１の回転速度ωＧの定格に対する比率と、インバータ４の入力電圧Ｅｄの定格に対する比率との内、比率が小さい方のパラメータを選択して除算器２１へ出力する。
このような構成において、例えば、原動機１の回転速度ωＧが定格の９０％、インバータ４の入力電圧Ｅｄが定格の８０％の場合には、選択器２７によってインバータ４の入力電圧Ｅｄが選択されて乗算器２１に入力される。これによって、発電機２の過負荷保護が優先され、結果的に原動機１の過負荷も保護することができる。
【００４６】
このように、第５の実施の形態の電動機制御装置１００−５によれば、原動機１の回転速度ωＧとインバータ４の入力電圧Ｅｄとの何れかのパラメータの内、各々の定格に対する比率が小さい方のパラメータで、電動機５のトルクの上限を制限するようにしたので、発電機２又は原動機１の過負荷保護が優先し、結果的に他方の過負荷も保護することができる。
【００４７】
（第６の実施の形態）
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
この第６の実施の形態の電動機制御装置１００−６が、上記第５の実施の形態の電動機制御装置１００−５と異なる点は、選択器２７と除算器２１との間に時定数制御部２８を接続したことにある。
時定数制御部２８は、図９に示すように、入力が減少した時には大きな時定数をもって出力を滑らかに低減させ、入力が増加したときには小さな時定数で出力が急激に変化するように制御する。このことにより、例えば原動機１の回転速度ωＧが所定値から低下した場合には電動機５のトルクは急激に低下せずに、暫くはほぼ所望トルクが得られ、定常的にのみトルクが制限される。また、原動機の回転速度が所定値に復帰したならば、速やかにトルクの制限から解除される。
【００４８】
このように、第６の実施の形態の電動機制御装置１００−６によれば、選択器２７で選択された原動機１の回転速度ωＧ及びインバータ４の入力電圧Ｅｄの何れかのパラメータが減少した時には大きな時定数をもってパラメータを滑らかに低減させ、このパラメータで電動機５のトルクの上限を制限する。また、パラメータが増加したときには小さな時定数でパラメータを急激に変化させ、このパラメータで電動機５のトルクの上限を制限するようにした。つまり、トルクの制限値を低下させる場合に、所定の時限をとって制限値を低下させることにより、原動機１又は発電機２が許容できる所定の時間だけは所望するトルクを出力することができ、且つ原動機１又は発電機２の継続した過負荷を防止することができる。
【００４９】
なお、以上の説明では、各実施の形態として誘導電動機５のベクトル制御の場合について説明したが、界磁回路を付加することにより、同期電動機のベクトル制御や直流電動機の制御にも適用することができる。また、電力変換器はインバータ４の他にサイクロコンバータなども適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】電動機の回転速度とトルク制限値との関係図である。
【図３】電動機の回転速度とトルク電流指令値との関係図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】第６の実施の形態に係る電動機制御装置の時定数制御部で時定数が制御される入力に対する出力の信号状態を示す図である。
【図１０】電動機を可変速制御する場合の電動機の回転速度と端子電圧・磁束との関係図である。
【図１１】電動機を可変速制御する場合の電動機の回転速度とトルクとの関係図である。
【図１２】高速時に電動機の磁束をより弱めて電動機の端子電圧を低下させる場合の電動機の回転速度と端子電圧・磁束との関係図である。
【図１３】高速時に電動機の磁束をより弱めて電動機の端子電圧を低下させる場合の電動機の回転速度とトルクとの関係図である。
【図１４】従来の原動機を動力源とする場合の電動機の可変速装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】従来の電動機を可変速制御する場合の電動機の回転速度と端子電圧・磁束との関係図である。
【図１６】従来の電動機を可変速制御する場合の電動機の回転速度とトルクとの関係図である。
【図１７】従来の電動機の短時間定格時の回転速度とトルクとの関係図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  原動機
２  発電機
３  整流器
４  インバータ
５  誘導電動機
６  電流センサ
７，８  速度センサ
９  電圧センサ
１１  速度調節器
１２，１６，２２，２６  上限リミッタ
１３，１４，２０  除算器
１５，２１  乗算器
１８  絶対値関数器
１９  下限リミッタ
２４  パルス幅制御器
２５  発電電圧演算器
２７  選択器
２８  時定数制御部
１００−１〜１００−６  電動機制御装置
ω  電動機の回転速度
ω＊  速度設定値（第２の回転速度）
ＴＬＩＭ＊  トルク制限値
Ｔ＊  トルク指令値
Ψ＊  磁束指令値
ＩＴ＊  トルク電流指令値
Ψ＊＊  磁束指令値Ψ＊の元信号
ωＡＢＳ  電動機の速度の絶対値
ωＧ  原動機の回転速度
ω0  回転速度（第１の回転速度）
ＴＬＩＭ＊＊  ω0をωＡＢＳで除算した値
Ｎｂ  基底速度
ＶＧ  発電電圧
Ｅｄ  インバータの入力電圧
【図１】
0004701627.tif 000002
【図２】
0004701627.tif 000003
【図３】
0004701627.tif 000004
【図４】
0004701627.tif 000005
【図５】
0004701627.tif 000006
【図６】
0004701627.tif 000007
【図７】
0004701627.tif 000008
【図８】
0004701627.tif 000009
【図９】
0004701627.tif 000010
【図１０】
0004701627.tif 000011
【図１１】
0004701627.tif 000012
【図１２】
0004701627.tif 000013
【図１３】
0004701627.tif 000014
【図１４】
0004701627.tif 000015
【図１５】
0004701627.tif 000016
【図１６】
0004701627.tif 000017
【図１７】
0004701627.tif 000018