(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、
電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、
前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器aと、
前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器bと、
前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、
前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以上に修正するように演算することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、
電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、
前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器aと、
前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器bと、
前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、
前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以下から−２７０[deg] 以上に修正するように演算することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
補償演算部は第１の電圧周波数指令値が、０からＶ／ｆ制御器の内部で設定されたインバータ出力周波数の上限値以下のいかなる値をとる条件においても、前記第１の電圧周波数指令値以下の全周波数領域にあって、
前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相が、−２７０[deg] 以上になるよう修正する演算を行うことを特徴とする請求項２記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
補償演算部は、誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流を入力して前記誘導電動機のトルク分電流を推定して出力するトルク分電流推定器と、
このトルク分電流推定器が出力するトルク分電流に基づき電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を演算する補償指令値演算器とを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
補償演算部は電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値との比が、第１の電圧振幅指令値と第１の電圧周波数指令値との比と同じになるよう演算することを特徴とする請求項４記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項６】
補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算することを特徴とする請求項５記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項７】
補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタとローパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算することを特徴とする請求項６記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項８】
補償指令値演算器は、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ω1 および比例ゲインＫp の値を次の式により設定し、電圧周波数補償指令値を演算することを特徴とする請求項６又は請求項７記載の誘導電動機の制御装置。
ω1 ＝｛tan （β）｝2 ・ωσ
Ｋp ＝（ωVfmax 2 ＋ω1 2 ）／（ωVfmax ・tan （β）・ｋG ）
ただし、上式においてβ、ωσ、ωVfmax 、ｋG は以下で定める設定定数である。
β＝９０−α[deg] 、α＝２０[deg] 以上、
ωσ：誘導電動機の（二次抵抗値／二次漏れリアクタンス値）、
ωVfmax ：電圧周波数の運転条件における最大値、
ｋG ：誘導電動機の（二次磁束の一次側換算値／一次漏れリアクタンス値）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ファン・ポンプを代表とする産業用機械駆動用誘導電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば図８は、参考文献：山村，大野  他  「パワーエレクトロニクス入門」オーム社発行  平成７年２月改訂）のｐ２０９〜ｐ２１０に記載された、従来のインバータ装置において、誘導電動機を運転するためのＶ／ｆ一定制御装置の全体構成図であり、同図において、１は商用電源、２は整流器、３はインバータ主回路、４は誘導電動機、５は負荷機械、６はＶ／ｆ制御器、７は主回路駆動信号発生器である。
【０００３】
以下にその動作の概略を説明する。整流器２は商用電源１が供給する交流電力を直流電力へ変換する。インバータ主回路３は、主回路駆動信号発生器７が出力する駆動信号に基づき、整流器２が供給する直流電圧を交流電圧に変換し、誘導電動機４に出力する。インバータ主回路３が出力する交流電圧に対する電圧振幅指令値｜Ｖ｜* 、電圧周波数指令値ωVf* は、外部から入力する誘導電動機の回転速度指令値（回転周波数指令値）ωm * に従ってＶ／ｆ制御器６において演算する。
【０００４】
Ｖ／ｆ制御器６においては、一般的には以下の式（１）（２）のように演算が行われ、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* 、電圧周波数指令値ωVf* が主回路駆動信号発生器７へ出力される。ただしＫVfは誘導電動機の定格を考慮して算定される電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比である。
ωVf* = ωm *              ----------------- （１）
｜Ｖ｜* = ＫVf・ωVf*    ----------------- （２）
すなわち、Ｖ／ｆ一定制御とは、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比ＫV f を一定として、誘導電動機４に印加する交流電圧を制御することを意味している。
【０００５】
なお、Ｖ／ｆ制御器６においては、インバータ主回路3 が出力する交流電圧の周波数の上限、すなわちインバータ出力周波数の上限ωVfmax を、誘導電動機4 の回転速度領域を考慮して設定しておく。そして、インバータ出力周波数の上限ωVfmax を超える回転周波数指令値がＶ／ｆ制御器に入力された場合には、
式（１）において、ωVf*  =  ωVfmax * と演算することで誘導電動機4 の回転速度が安全運転上の限界速度を超過することを防いでいる。
【０００６】
主回路駆動信号発生器７は、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* 、電圧周波数指令値ωVf* をインバータ駆動信号に変換し、インバータ主回路３に出力する。こうしてインバータ主回路３は電圧振幅指令値｜Ｖ｜* 、電圧周波数指令値ωVf* に従った交流電圧を誘導電動機４に出力し、誘導電動機４は後述するＶ／ｆ一定制御下の運転特性に従って回転する。この構成によって、インバータ出力周波数の上限ωVfmax を超えない範囲において、任意の回転速度指令値ωm * に従った誘導電動機4 の可変速運転が可能となる。
【０００７】
次に、Ｖ／ｆ一定制御下の誘導電動機4 の運転特性について、負荷機械5 との物理的関係の面から説明する。なお、説明を単純にするため、この明細書全般に渡り、誘導電動機4 の極対数を1 として扱う。
【０００８】
図９は、前記を考慮しＶ／ｆ一定制御下における誘導電動機４と負荷機械５の物理関係の周波数特性を説明するボード線図である。Ｇmecaは負荷機械５におけるトルク変動Δτから回転速度変動Δωm までの伝達特性である。ＧIMはＶ／ｆ一定制御下の誘導電動機４における回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性である。
【０００９】
トルク変動Δτが負荷機械５に入力されると、負荷機械５における伝達特性Ｇmecaに基づいて負荷機械５は加減速し、回転速度変動Δωm を出力する。そして回転速度変動Δωm が誘導電動機４に入力されると、誘導電動機４における伝達特性ＧIMに基づいて誘導電動機4 はトルク変動Δτを出力する。よって、負荷機械５と誘導電動機４には回転速度変動Δωm とトルク変動Δτの入出力関係による物理ループが存在する。
【００１０】
ここで誘導電動機４における伝達特性ＧIMにおける重要な基本特性を説明する。誘導電動機４はインバータ主回路３が出力する交流電圧の周波数である電圧周波数指令値ωVf* と回転速度ωm の差に基本的に比例関係となるトルクτを出力する。よって回転速度ωm が回転速度変動Δωm を伴った場合に、すべりを介して発生するトルクτに現れるトルク変動Δτは、回転速度変動Δωm とは逆符号となる。
【００１１】
すなわち、回転速度ωm が電圧周波数指令値ωVf* 近傍に保たれているときに、負荷機械5 に回転速度変動Δωm が生じると、誘導電動機４は前記の伝達特性ＧIMに従って回転速度変動Δωm と逆符号のトルク変動Δτを発生させ、負荷機械5 に出力する。このトルク変動Δτは負荷機械5 にとっては元の回転速度変動Δωm を打ち消そうとする逆符号の入力であるため、伝達特性Ｇmecaの出力後の回転速度変動Δωm は、元の回転速度変動Δωm よりも小さくなる。そしてΔωm の減少により誘導電動機４における伝達特性ＧIMの入力が減少し、これに伴い誘導電動機4 における伝達特性ＧIMの出力であるトルク変動Δτも減少する。このように回転速度変動Δωm とトルク変動Δτとからなる物理ループには、回転速度変動Δωm 、トルク変動Δτを共に0 に収束させようとする安定な特性があり、再び回転速度ωm は電圧周波数指令値ωVf* 近傍に再び保たれる。
【００１２】
以上に示したＶ／ｆ一定制御下における回転速度変動Δωm とトルク変動Δτとからなる物理ループの安定な特性により、誘導機固有の伝達特性ＧIMの応答より十分緩やかな可変速運転の用途においては、回転速度センサを用いない簡易な装置構成である前記Ｖ／ｆ一定制御装置において、電圧周波数指令値ωVf* を回転速度指令値ωm * として与えれば、任意の回転速度指令値ωm * に従った回転速度制御が可能である。
【０００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＶ／ｆ制御装置において負荷機械が共振特性をもつ場合、その機械共振周波数や誘導電動機の運転周波数の条件によっては、大振幅の自励振動が発生し、かつ持続するという問題点があった。
【００１４】
この発明は前記の問題点を解消するためになされたもので、誘導電動機の周波数特性を改善し、振動の発生を回避して安定して誘導電動機と負荷機械を運転することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる誘導電動機の制御装置は、外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器a と、前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器b と、前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以上に修正するように演算するものである。
【００１６】
また、外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器a と、前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器b と、前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以下から−２７０[deg] 以上に修正するように演算するものである。
【００１７】
また、補償演算部は第１の電圧周波数指令値が、０からＶ／ｆ制御器の内部で設定されたインバータ出力周波数の上限値以下のいかなる値をとる条件においても、前記第１の電圧周波数指令値以下の全周波数領域にあって、前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相が、−２７０[deg] 以上になるよう修正する演算を行うものである。
【００１８】
また、補償演算部は、誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流を入力して前記誘導電動機のトルク分電流を推定して出力するトルク分電流推定器と、このトルク分電流推定器が出力するトルク分電流に基づき電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を演算する補償指令値演算器とを備えるものである。
【００１９】
また、補償演算部は電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値との比が、第１の電圧振幅指令値と第１の電圧周波数指令値との比と同じになるよう演算するものである。
【００２０】
また、補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算するものである。
【００２１】
また、補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタとローパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算するものである。
【００２２】
さらに、補償指令値演算器は、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ω1 および比例ゲインＫp の値を次の式により設定し、電圧周波数補償指令値を演算するものである。
ω1 ＝  ｛tan （β）｝2 ・ωσ
Ｋp   ＝  （ωVfmax 2 ＋ω1 2 ）／（ωVfmax ・tan （β）・ｋG ）
ただし、上式においてβ、ωσ、ωVfmax 、ｋG は以下で定める設定定数である。
β＝９０−α[deg] 、α＝２０[deg] 以上、
ωσ：誘導電動機の（二次抵抗値／二次漏れリアクタンス値）、
ωVfmax ：電圧周波数の運転条件における最大値、
ｋG ：誘導電動機の（二次磁束の一次側換算値／一次漏れリアクタンス値）
【００２３】
【実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における誘導電動機の制御装置を示すもので、前記従来装置の図８と同一符号は同一又は相当部分を示す。 整流器２は商用電源１が供給する交流電力を直流電力へ変換する。インバータ主回路３は、主回路駆動信号発生器７が出力する駆動信号に基づき、整流器２が供給する直流電圧を交流電圧に変換し、誘導電動機４に出力し、負荷機械５を運転する。インバータ主回路３が出力する交流電圧に対する電圧振幅指令値｜Ｖ｜* 、電圧周波数指令値ωVf* は、外部から入力する誘導電動機の回転速度指令値（回転周波数指令値）ωm * に従ってＶ／ｆ制御器６において演算する。
【００２４】
８は誘導機電流検出器、９ａはトルク分電流推定演算器、１０は補償指令値演算器、１１ａは減算器ａ、１１ｂは減算器ｂである。また、トルク分電流推定演算器９ａ及び補償指令値演算器１０をまとめて補償演算部２０ａとする。
【００２５】
以下にその動作を説明する。誘導機電流検出器８は誘導電動機４を流れる誘導機電流Ｉu ，Ｉv ，Ｉw を検出する。トルク分電流推定演算器９ａでは誘導機電流検出器８が出力する誘導機電流Ｉu ，Ｉv ，Ｉw およびＶ／ｆ制御器６が出力するωVf* に基づき、以下の式（３）（４）の演算を行うことで誘導電動機4 のトルク分電流ｉq を推定算出する。
θ* ＝∫ωVf* ｄｔ                    -----------------   （３）
ｉq ＝−Ｉu ・ｃｏｓ（θ* ）―Ｉv ・ｃｏｓ（θ* ―１２０）
―Ｉw ・ｃｏｓ（θ* ―２４０）  -----------------   （４）
【００２６】
補償指令値演算器１０ではトルク分電流推定演算器９ａからトルク分電流ｉq が入力され、次の式（５）で表される伝達特性を含んだ式（６）（７）の補償演算を行う。ただし、ｓはラプラス演算子、ω1 はハイパスフィルタのカットオフ周波数、Ｋp は比例ゲインとして、ＫVfは電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比である。
Ｇh ＝Ｋp ・ｓ／（ｓ＋ω1 ）    -----------------   （５）
ΔωVf* （ｓ）＝Ｇh ・ｉq （ｓ）-----------------   （６）
Δ｜Ｖ｜* （ｓ）＝ＫVf・ΔωVf* （ｓ）  ----------  （７）
【００２７】
こうして補償指令値演算器１０は電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* を減算器ａ１１ａに、電圧周波数補償指令値ΔωVf* を減算器ｂ１１ｂにそれぞれ出力する。
そして減算器ａ１１ａでは、Ｖ／ｆ制御器6 が出力する第１の電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* の差を第２の電圧振幅指令値｜Ｖ｜**として算出し、主回路駆動信号発生器7 へ出力する。また減算器ｂ１１ｂも同様に、Ｖ／ｆ制御器６が出力する第１の電圧周波数指令値ωVf* と電圧周波数補償指令値ΔωVf* の差を第２の電圧周波数指令値ωVf**として算出し、主回路駆動信号発生器７へ出力する。
【００２８】
前記実施の形態１によって課題が解決できる原理を説明するため、まず、従来のＶ／ｆ一定制御における課題である、負荷機械5 の機械共振周波数ωmeca、誘導電動機4 の運転条件に依存した自励振動が発生する原理について述べる。このためには、図2 に示した誘導電動機4 における伝達特性ＧIM３１と負荷機械5 における伝達特性Ｇmeca３０とによって構成される物理ループ  −ＧIM・Ｇmecaの周波数特性に注目する必要がある。ここで、図９の説明で述べたように、誘導電動機４における伝達特性ＧIM自身が負荷機械5 の伝達特性Ｇmecaの回転速度変動Δωm を打ち消すフィードバックの特性であるため、安定性に関する議論の性格上、以下では誘導電動機４における伝達特性については−1 を乗じ−ＧIMとして位相特性の説明を行う。
【００２９】
図９（ｃ）は前記物理ループ−ＧIM・Ｇmecaの周波数特性を説明するボード線図である。
図９(a) は、負荷機械5 におけるトルク変動Δτから回転速度変動Δωm までの伝達特性Ｇmecaのボード線図である。例として機械共振周波数ωmecaが４０[Hz]の場合を示している。Ｇmecaは機械共振周波数ωmecaでゲインに非常に大きなピークがあり、位相が＋９０[deg] から―９０[deg] に変化する特性をもつ。
【００３０】
図９(b) は、Ｖ／ｆ一定制御により電圧周波数指令値ωVf*=５０[Hz]で駆動された誘導電動機における、回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMに−1 を乗じた伝達特性−ＧIMボード線図である。−ＧIM  は誘導電動機の電圧方程式を線形化することにより次のように記述することができる。
−ＧIM  ≒｛ＫT ・Ｋg ／（ｓ＋ωσ）｝・｛（ｓ2 ＋ｂ1 ｓ＋ωVf* 2 ）／（ｓ2 ＋ａ1 ｓ＋ωp 2 ）｝                    -----------------   （８）
ただしＫT 、Ｋg 、ｂ1 、ａ1 、ωp は全て誘導電動機の定数から決まる値であり、以下の関係が成り立つ。
ωp ≒ωVf*              ----------------   （９）
ａ1 ≒２ｂ1             -----------------   （１０）
【００３１】
以上から−ＧIMの特性は、カットオフ周波数をωσとする一次遅れに、電圧周波数指令値ωVf* 付近における約−５[ ｄＢ] のゲイン変化、±２０[deg] の急峻な位相変化が加わった形となる。よって誘導機回路定数や運転条件によっては、図９（ｂ）における例のように、電圧周波数指令値ωVf* 以下の周波数領域において急峻な位相遅れのために、−ＧIMの位相が、―９０[deg] を下回る周波数領域X が現れる。
【００３２】
図９（ｃ）は、物理ループ−ＧIM・Ｇmecaのボード線図である。前記の誘導電動機4 と負荷機械5 の互いの周波数特性により、図９（ａ）に示す機械共振周波数ωmecaと、図９（ｂ）に示す周波数領域X が重なるケースでは、物理ループにおいて位相が−１８０[deg] を下回る周波数領域において、共振によるピークのためゲインが０[ ｄＢ] 以上となることが分かる。従って物理ループ−G IM・Ｇmeca  が不安定化するため、負荷機械5 と誘導電動機4 との間で振動が発生・持続することになる。
【００３３】
次に、実施の形態１における誘導機電流検出器８、トルク分電流推定演算器９ａ、補償指令値演算器１０、減算器１１ａ、１１ｂを追加することによって、従来問題とされた自励振動の発生回避が可能となる直接の原理について述べる。
【００３４】
図３は、実施の形態1 のように補償演算部２０ａを付加した場合における、物理ループの周波数特性を説明する図である。図３（ａ）は負荷機械5 におけるトルク変動Δτから回転速度変動Δωm までの伝達特性Ｇmecaのボード線図であり、図９（ａ）と同一である。
【００３５】
図３（ｂ）は、補償演算部２０ａによって位相進み遅れ補償を施した上で、電圧周波数指令値ωVf* ＝５０[Hz]で駆動された場合における、誘導電動機における回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMh に−１を乗じた伝達特性−ＧIMh のボード線図である。
【００３６】
図３（ｃ）は、前記補償が施された後の物理ループ  −ＧIMh ・Ｇmecaのボード線図の一例である。
【００３７】
補償指令値演算器１０は、式（５）におけるパラメータＫp とω1 を後述のように設定することにより、図３（ｃ）の従来例の物理ループ−ＧIM・Ｇmecaにおける不安定化領域、すなわち、機械共振周波数ωmecaを含む周波数領域で位相が―９０[deg] 以下であった誘導電動機４に関する伝達特性−ＧIMを、同じ周波数領域で位相が―９０[deg] 以上である伝達特性−ＧIMh となるように補償演算している。言い換えると、機械共振周波数ωmecaを含む周波数領域で誘導電動機４の伝達特性ＧIMの位相が−２７０[deg] 以上となるように演算補償している。
【００３８】
この補償により、図３（ｃ）に示すとおり物理ループ−ＧIMh ・Ｇmeca  において、位相―１８０[deg] 以下かつゲイン０[ ｄＢ] 以上となる周波数領域をなくして安定化することができ、問題であった自励振動を発生させず、安定に誘導電動機４と負荷機械５を運転することが可能である。
【００３９】
次に、前記補償指令値演算器１０によって誘導電動機４の伝達特性ＧIMをＧIMh へと修正できる理由について述べる。補償指令値演算器１０におけるトルク分電流ｉq から電圧周波数補償指令値ΔωVf* までの伝達特性Ｇh を、カットオフ周波数ω1 のハイパスフィルタと比例ゲインＫp で構成し、電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* と電圧周波数補償指令値ΔωVf*  の比を、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比ＫVfとした例、すなわち補償指令値演算器での演算を式（５）（６）（７）とした例で説明を行う。
【００４０】
図４は、定数設定の説明に利用する、誘導電動機４の状態量の入出力に関するブロック図を示す。ただし、インバータの応答が理想的であるとし、式（５）（６）（７）に関して、電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* 、電圧周波数補償指令値ΔωVf* によって変化する実際のインバータ出力振幅変動Δ｜Ｖ｜、インバータ出力周波数変動ΔωVfはそれぞれ電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* 、電圧周波数補償指令値ΔωVf* と一致するとして説明する。
【００４１】
Ｇwmは誘導電動機における、回転速度変動Δωm からトルク分電流変動Δｉq までの伝達特性である。Ｇw は式（６）（７）のように電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* と電圧周波数補償指令値ΔωVf* の比を、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比ＫVfとした条件下におけるインバータ出力周波数振動ΔωVfからトルク分電流変動Δｉq までの伝達特性である。また、ＫT はトルク定数である。
【００４２】
補償指令値演算器１０がない従来の場合における回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMは、
ＧIM＝ＫT Ｇwm          -----------------   （１１）
と表すことができる。このＧIMに−1 を乗じたボード線図は、図９（ｂ）に示したとおりであり、誘導機回路定数や運転条件によって、インバータ周波数の下側の領域において、位相が−９０[deg] より極端に遅れる周波数領域が存在する。
【００４３】
このような特性に対して、補償指令値演算器１０のループを追加すると、以下の式（１２）のようにＧh 、Ｇw を含んだ補償効果Ｇmod によって、回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性はＧIMからＧIMh に変化するように補償できる。
Ｇmod ＝（１＋Ｇh ・Ｇw ）-1  -------------   （１２）
ＧIMh ＝Ｇmod ・ＧIM          -------------   （１３）
【００４４】
次に、前記補償効果Ｇmod を物理ループ安定化のための位相進み補償特性となるよう設定し、自励発生の回避を可能とする方法について述べる。以下、Ｇmod を構成しているＧh 、Ｇw のカットオフ周波数と直流ゲインに注目して説明する。Ｇw は大域的には、以下の式のようにカットオフ周波数ωσの一次遅れと比例ゲインの組み合わせとして近似記述できる。
Ｇw ≒Ｋg ／（ｓ＋ωσ）＝Ｇσ      -----------   （１４）
一方、補償指令値演算における特性Ｇh は式（５）のとおりカットオフ周波数ω1 のハイパスフィルタと比例ゲインＫp とからなっているとする。
【００４５】
図５は、前記Ｇw 、Ｇh からなる補償効果Ｇmod ＝（１＋Ｇh ・Ｇw ）-1のボード線図の一例である。位相特性に注目すると、周波数対数軸におけるωσとω1 の中点、すなわち（ωσ・ω1 ）1/2 を中心として位相遅れ・進み補償となっていることが確認できる。すなわち、位相進み補償領域は、補償指令値演算器のパラメータであるω1 の設定を調整することで変化させることができる。そして位相補償量は比例ゲインＫp によって設定可能である。
【００４６】
よって、設定指針として負荷機械5 の機械共振周波数ωmecaを含む周波数領域で、−ＧIMh の位相が―９０[deg] 以上となる、すなわちＧIMh の位相が−２７０[deg] 以上となるＧmod が得られるように、補償指令値演算器におけるＧh のパラメータω1 、Ｋp の設定を行えば、物理ループ  −ＧIMh ・Ｇmeca  は安定化するため、自励振動を発生させず、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することが可能となる。
【００４７】
前記の補償指令値演算器１０の設計原理を発展し、電圧周波数指令値ωVf* が、０から前記Ｖ／ｆ制御器6 の内部で設定されたインバータ出力周波数の上限ωVfmax 以下のいかなる値をとる条件においても、補償後の誘導電動機4 の伝達特性ＧIMh に−１を乗じた伝達特性−ＧIMh における位相特性が電圧周波数指令値ωVf* 以下で常に−９０[deg] 以上となるよう、言い換えると補償後の誘導電動機4 の伝達特性ＧIMh における位相特性が電圧周波数指令値ωVf* 以下で常に−２７０[deg] 以上となるように、補償指令値演算器１０の設定を行えば、物理ループ−ＧIMh ・Ｇmeca  は、インバータ出力周波数の上限ωVfmax 以下の全周波数領域で  電圧周波数指令値ωVf* がいかなる場合においても、位相が−１８０[deg] 以上となるため安定となり、負荷機械5 の機械共振周波数ωmecaがいかなる値であっても、また電圧周波数指令値ωVf* が０以上、上限ωVfmax 以下のいかなる値であっても、自励振動を発生させず、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することが可能となる。
【００４８】
ここで、前記の補償指令値演算器１０として式（５）（６）（７）を用いた場合における、補償指令値演算器内部パラメータω1 、Ｋp の具体的設定法の一例について以下に述べる。
【００４９】
まず設計指針をより簡易かつ具体的にする。補償前の誘導電動機の、回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMにおいて、電圧周波数指令値ωVf* 付近における急峻な位相遅れを±α[deg] と見積もることができると仮定する。そこでＧIMに−１を乗じた−ＧIMが電圧周波数指令値ωVf* に依存しない大域的な一次遅れ特性ＫT Ｋg ／（ｓ＋ωσ）のみで考え、その位相遅れが、（−９０＋α）[deg] となる周波数ω2 から、インバータ出力周波数の上限ωVfmax までの領域で、常に−９０[deg] から＋α[deg] の余裕を持たせる補償効果Ｇmod が得られるような、補償指令値演算器におけるＧh の伝達特性設計を考える。
【００５０】
この設計指針から、補償指令値演算器におけるハイパスフィルタのカットオフ周波数ω1   および比例ゲインＫp の値は次のように求まる。
ω1 ＝｛tan （β）｝2 ωσ              ----------------  （１５）
Ｋp ＝（ωVfmax 2 ＋ω1 2 ）／（ωVfmax ・tan （β）・ｋG ）  （１６）
ただし、上式においてβ、ωσ、ωVfmax 、ｋG は以下で定める設定定数である。
β＝９０−α[deg] 、α＝２０[deg] 以上、
ωσ：誘導電動機の（二次抵抗値／二次漏れリアクタンス値）、
ωVfmax ：電圧周波数の運転条件における最大値、
ｋG ：誘導電動機の（二次磁束の一次側換算値／一次漏れリアクタンス値）
である。
図３、４の例に示した通常の誘導電動機の場合、式（９）（１１）のａ1 、ｂ1 の関係から、ほぼα＝２０[deg] である。よってαを２０[deg] 以上とおいて、（１５）（１６）の設定を施せば、補償後の誘導電動機における回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMh に−１を乗じた伝達特性−ＧIMh について、前記ω2 からωVfmax までの全ての周波数領域で、電圧周波数指令値ωVf* 近傍で位相の急変が存在しても、必ず位相を−９０[deg] 以上とすることができる。これにより物理ループ−ＧIMh ・Ｇmecaが安定化するため、自励振動を発生させず、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することが可能である。
【００５１】
以上の補償原理説明の例で示しているように、補償指令値演算器１０は、ＧIMに対する位相進み補償特性を得る目的のためにハイパス特性を持たせる設計を施すことになるが、実装に際しては、安定化設計に影響のない周波数範囲でローパスフィルタを付加することも可能である。すなわち、このローパスフィルタによって高周波ノイズを除去したり、補償ループＧh ・Ｇw の安定性を確保しながら、物理ループ−ＧIMh ・Ｇmecaの安定化を図ることができる。
【００５２】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における誘導電動機の制御装置を示すもので、図中、図１の各部と同一符号は同一又は相当部分を示す。１２は直流母線電流検出器、９ｂはトルク分電流推定演算器である。実施の形態２では、実施の形態１における誘導機電流検出器８、トルク分電流推定演算器９ａの機能を、直流母線電流検出器１２、トルク分電流推定演算器９ｂによって置き換えたものである。
【００５３】
以下にその動作について説明する。構成部品１から７の動作は、従来例の図８及び実施の形態１の図１の動作と同一である。直流母線電流検出器１２では、整流器２からインバータ主回路３に流れる直流母線電流ｉdcを検出し、トルク分電流推定演算器９ｂに入力する。トルク分電流推定演算器９ｂでは、直流母線電流検出器１２で得られる直流母線電流ｉdcと電圧周波数指令値ωVf**に基づき、以下の式（１７）の演算を行う。なお、Ｖdcは直流母線電圧の値であり、この発明においては実測値ではなく定格値を用いても発明の効果の精度に影響はない。Ｋr はトルク定数である。
ｉq ＝（Ｖdc・ｉdc）／（Ｋr ・ωVf* ）    ---------   （１７）
【００５４】
トルク分電流推定演算器９ｂにおいて算出されたｉq は、補償指令値演算器１０に入力される。その後段、補償指令値演算器１０、減算器ａ１１ａ、減算器ｂ１１ｂの動作は、実施の形態１と同一である。従って、補償指令値演算器１０の設定を同様に行うことによって、物理ループ−ＧIMh ・Ｇmecaを安定化し、自励振動の発生を抑制し、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することができる。
【００５５】
実施の形態３．
実施の形態１における補償原理説明では補償指令値演算器１０の構造を、次数１のハイパスフィルタと比例ゲインの組み合わせとしているが、他の補償指令値演算器１０の例として、インバータ周波数ωVfによって共振特性が変化する構造のフィルタを用いても振動の回避が可能である例を説明する。
【００５６】
このときの補償指令値演算器では、以下に示す式（１８）（１９）（２０）の演算を行う。ただし、Ｋh 、ｃ1 、ｄ1 、ｄ2 は誘導電動機の回路定数から決定し設定する定数である。また、電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* と電圧周波数補償指令値ΔωVf*  の比は、実施の形態1 での設定例と同様に、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比ＫVfと同一とする。
Ｇh 2 ＝−Ｋh*（ｓ2 ＋ｄ1 ｓ＋ｄ2 ）／（ｓ2 ＋ｃ1 ｓ＋ωVf2 ）（１８）
ΔωVf* （ｓ）＝Ｇh 2 ・ｉq （ｓ）      ----------------  （１９）
Δ｜Ｖ｜* （ｓ）＝ＫVf・ΔωVf* （ｓ）  ---------------   （２０）
式（１９）（２０）は実施の形態1 での設定の説明における式（６）（７）と同一である。
【００５７】
よって、インバータ出力周波数変動ΔωVfからトルク分電流変動Δｉq までの伝達特性Ｇw は、実施の形態１の場合とまったく同一となる。従って、図４に示した誘導電動機4 の状態量の入出力に関するブロック図に則して実施の形態１と本例を比較した場合、補償指令値演算器における伝達特性がＧh とＧh 2 とで異なるだけであり、この点以外において、実施の形態1 の補償設定の概念を本例に流用可能である。
【００５８】
伝達特性Ｇh 2 を用いた補償指令値演算器１０のループを追加し、かつｃ1 、ｄ1 、ｄ2 を理想的に設定した場合、次の式（２１）に示す伝達特性Ｇh 2 、および前記伝達特性Ｇw を含んだ補償効果Ｇmod 2 を得ることができる。ただし、Ｇwmは実施の形態１の説明や図４の説明でも述べたように、誘導電動機4 における回転速度変動Δωm からトルク分電流変動Δｉq までの伝達特性であり、Ｇσは式（１４）で示したように、誘導電動機4 の回路定数で決定される一次遅れ特性である。この補償効果Ｇmod 2 は、Ｇwmの逆特性を含むことから、Ｇwmや誘導電動機4 における回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性ＧIMの大きな特徴であった、電圧周波数指令値ωVf* 近傍の急峻な約±２０[deg] の位相変化を打ち消す効果をもつことになる。
【００５９】
図７はＧmod 2 のボード線図を示したものであり、誘導電動機に対し位相進み遅れ補償を施す場合において、補償演算器としてインバータ周波数に従って特性を変えるノッチフィルタを用いたときの具体的設計法を説明する図である。図９(b) のＧIMと比較すると、電圧周波数指令値ωVf* 近傍におけるそれぞれの位相特性の急峻な進み・遅れの関係はちょうど逆になっていることが図の上からも分かる。
Ｇmod 2 ＝（１＋Ｇh 2 ・Ｇw ）-1≒Ｇσ・（―Ｇwm-1）  ----  （２１）
【００６０】
よって、前記補償効果Ｇmod 2 によって、誘導電動機4 の伝達特性を、ＧIMから、式（２２）に示す単純な一次遅れ特性に基づくＧIMh 2 のように修正が可能である。そのため、電圧周波数指令値ωVf* がいかなる条件であっても伝達特性ＧIMh 2 に−１を乗じた伝達特性−ＧIMh 2 の位相は、常に−９０[deg] 以上である。
【００６１】
ＧIMh 2 ＝Ｇmod 2 ・ＧIM≒−ＫT ・Ｇσ        ---------   （２２）
これにより修正後の物理ループ  −ＧIMh 2 ・Ｇmecaの位相を常に−１８０[deg] 以上とすることで物理ループ−ＧIMh 2 ・Ｇmecaは安定となるため、自励振動の発生を抑制し、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することが可能である。
【００６２】
実施の形態４．
図1 に構成を示した実施の形態１では、補償指令値演算器１０において、電圧振幅補償指令値Δ｜Ｖ｜* と電圧周波数補償指令値ΔωVf*  の比を、電圧振幅指令値｜Ｖ｜* と電圧周波数指令値ωVf* の比ＫVfと同一として演算しているが、これは特に限定するものではなく、例えばΔ｜Ｖ｜* を常に０としても良い。
【００６３】
このような場合においても補償指令値演算器１０におけるトルク分電流ｉq から電圧周波数補償指令値ΔωVf* までの伝達特性を適切に設定し、回転周波数指令ωm * 以下である負荷機械5 の機械共振周波数ωmecaにおいて、誘導電動機4 の回転速度変動Δωm からトルク変動Δτまでの伝達特性の位相を  −２７０[deg] 以下から  ―２７０[deg] 以上に修正するように演算することにより、誘導電動機4 と負荷機械5 とからなる物理ループは安定化でき、自励振動を発生を抑制し、誘導電動機４と負荷機械５を安定に運転することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の誘導電動機の制御装置によれば、外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器a と、前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器b と、前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以上に修正するように演算するので、誘導電動機と負荷機械からなる物理ループを安定化させ、自励振動の発生を抑制し、安定に負荷機械および誘導電動機を運転することができる。
【００６５】
また、外部から入力される回転周波数指令値をインバータ主回路の出力電圧に対する第１の電圧振幅指令値及び第１の電圧周波数指令値に変換するＶ／ｆ制御器と、電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて演算する補償演算部と、前記第1 の電圧振幅指令値から前記電圧振幅補償指令値を減算し第２の電圧振幅指令値を出力する減算器a と、前記第1 の電圧周波数指令値から前記電圧周波数補償指令値を減算し第２の電圧周波数指令値を出力する減算器b と、前記第２の電圧振幅指令値及び前記第2 の電圧周波数指令値を前記インバータ主回路への駆動信号に変換する主回路駆動信号発生器とを備え、前記補償演算部は前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相を−２７０[deg] 以下から−２７０[deg] 以上に修正するように演算するので、誘導電動機と負荷機械からなる物理ループを安定化させ、自励振動の発生を抑制し、安定に負荷機械および誘導電動機を運転することができる。
【００６６】
また、補償演算部は第１の電圧周波数指令値が、０からＶ／ｆ制御器の内部で設定されたインバータ出力周波数の上限値以下のいかなる値をとる条件においても、前記第１の電圧周波数指令値以下の全周波数領域にあって、前記誘導電動機に機械的に接続された負荷機械のトルク変動から回転速度変動までの伝達特性における位相特性が＋９０[deg]から−９０[deg]に変化する特性をもち、かつ前記回転周波数指令値以下である機械共振周波数において、前記誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性の位相が、−２７０[deg] 以上になるよう修正する演算を行うので、負荷機械の機械共振周波数がいかなるものであっても、また第１の電圧周波数指令値が前記上限値以下のいかなるものであっても、誘導電動機と負荷機械からなる物理ループを安定化させ、自励振動の発生を抑制し、安定に負荷機械および誘導電動機を運転することができる。
【００６７】
また、補償演算部は、誘導電動機の入力電流あるいはインバータの直流母線電流を入力して前記誘導電動機のトルク分電流を推定して出力するトルク分電流推定器と、このトルク分電流推定器が出力するトルク分電流に基づき電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値を演算する補償指令値演算器とを備えるので、トルク変動と単純な比例関係にある物理量であるトルク分電流を演算に用いることができ、物理的意味をもって把握できる誘導電動機内部の伝達特性を用いて、誘導電動機における回転速度変動Δωm からトルク変動までの伝達特性を操作することが可能である。
【００６８】
また、補償演算部は電圧振幅補償指令値と電圧周波数補償指令値との比が、第１の電圧振幅指令値と第１の電圧周波数指令値との比と同じになるよう演算するので、物理ループの周波数特性を安定化させる際に必要となる、誘導電動機内部の伝達特性を簡易な構造で求められることから、簡易な補償演算及びパラメータ設定によって、負荷機械と誘導電動機からなる物理ループの周波数特性の安定化を達成でき、自励振動の発生を抑制し、安定した負荷機械および誘導電動機の運転を達成することができる。
【００６９】
また、補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算するので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数と比例ゲインの値を調整することで、簡単に誘導電動機における回転速度変動からトルク変動までの伝達特性を操作することが可能である。
【００７０】
また、補償指令値演算器はトルク分電流に基づいて、ハイパスフィルタとローパスフィルタと比例ゲインにより電圧周波数補償指令値を演算するので、ローパスフィルタによって補償ループの安定性向上やセンサノイズ除去の効果を得ながら、ハイパスフィルタのカットオフ周波数と比例ゲインの値を調整することで、誘導電動機における回転速度変動からトルク変動までの伝達特性を操作することが可能である。
【００７１】
さらに、補償指令値演算器は、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ω1 および比例ゲインＫp の値を次の式により設定し、電圧周波数補償指令値を演算するので、
ω1 ＝｛tan （β）｝2 ・ωσ
Ｋp ＝（ωVfmax 2 ＋ω1 2 ）／（ωVfmax ・tan （β）・ｋG ）
誘導電動機の回転速度変動からトルク変動までの伝達特性をインバータ周波数に依存しない大域的な一次遅れ特性と近似した場合の位相遅れが、（−２７０＋α）[deg] となる周波数から、インバータ運転周波数の上限周波数ωVfmax までの領域で、常に−２７０[deg] から＋α[deg] の余裕を持たせるような位相進み補償が可能となり、αを２０[deg] 以上と設定すれば、負荷機械の機械共振周波数が前記周波数領域内のいずれにあっても、誘導電動機と負荷機械からなる物理ループを安定化させ、自励振動の発生を抑制し、安定に負荷機械および誘導電動機を運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による誘導電動機の制御装置を示す構成図である。
【図２】  Ｖ／ｆ制御下における誘導電動機と負荷機械との間の物理関係を表す図である。
【図３】  この発明による物理ループの安定性改善を説明する図である。
【図４】  この発明によって誘導電動機の伝達特性に対し位相進み遅れ補償を施す概念を説明する図である。
【図５】  この発明によって誘導電動機に対し位相進み遅れ補償を施す場合において、補償演算器としてハイパスフィルタと比例ゲインを用いたときの具体的設計法を説明する図である。
【図６】  この発明の実施の形態２による誘導電動機の制御装置を示す構成図である。
【図７】  この発明によって誘導電動機に対し位相進み遅れ補償を施す場合において、補償演算器としてインバータ周波数に従って特性を変えるノッチフィルタを用いたときの具体的設計法を説明する図である。
【図８】  従来のＶ／ｆ一定制御装置の構成図である。
【図９】  従来のＶ／ｆ一定制御における物理ループの周波数特性の説明図である。
【符号の説明】
１  商用電源                        ２  整流器
３  インバータ主回路                ４  誘導電動機
５  負荷機械                        ６  Ｖ／ｆ制御器
７  主回路駆動信号発生器            ８  誘導機電流検出器
９a 、９b   トルク分電流推定演算器  １０  補償指令値演算器
１１a   減算器a                       １１b   減算器b
１２  母線電流検出器                ２０ａ  補償演算部。
【図１】
0004730997.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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