(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電圧を供給する電力変換器と、
前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路と、
前記励磁電流帰還値と前記トルク電流帰還値から速度推定値を求める速度推定回路と、
前記速度推定回路とすべり補償回路から１次角周波数を演算して出力する１次角周波数演算回路と、
前記誘導電動機の磁束を発生させる励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、
前記誘導電動機のトルクを発生させるトルク電流指令値と前記トルク電流帰還値が一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、
前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、
前記誘導電動機の磁束で発生する誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる１次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路と、
前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する１次電圧を生成する空間座標変換回路とからなる誘導電動機の制御装置において、
前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、前記電力変換器で検出した直流電圧検出値を監視して、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
電圧飽和防止回路は、出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのＰＮ間電圧を√２で割って得た直流電圧検出値との比率の大きさを監視することにより、前記電力変換器の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器で誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するものである請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
ゲイン調整器は、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを１で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節するものである請求項２記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設けたことを特徴とする請求項３記載の誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
ゲイン調整器の出力側に、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにするための、モータの２次時定数Ｔのフィルタを設けたことを特徴とする請求項２から４のいずれかの項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、ベクトル制御により誘導電動機の回転速度を制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導電動機の速度を制御する技術として、インバータを用いた可変電圧可変周波数による速度制御が知られている。さらに、近年では、より高精度に誘導電動機の速度を制御するべく、誘導電動機に供給される１次電流を、トルクに直接関与する励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とでそれぞれ独立に制御することにより、直流電動機と同様にトルク制御可能なベクトル制御が実用化されている。従って、ベクトル制御においては、励磁電流指令及びトルク電流指令通りに実電流が流れることが必須である。
【０００３】
図４は、従来の誘導電動機の構成を示すブロック図である。
図４において、この誘導電動機の制御装置は、３相交流電源からの交流を直流化したのち、ＰＷＭ制御方式によるインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する電力変換器１を有している。
速度推定回路３は、外部から入力される速度指令ωrefが入力され、かつ、後に説明する座標変換回路２が出力する励磁電流帰還値Ｉdfb及びトルク電流帰還値Ｉqfbから速度推定値ωrを求める。座標変換回路２は、誘導電動機ＩＭへの１次電流を検出して座標変換を行った励磁電流帰還値Ｉdfb及びトルク電流帰還値Ｉqfbを送出する。
また、１次角周波数演算回路４は、速度推定値ωrとすべり周波数ωsから１次角周波数ω1を演算して出力する。励磁電流制御回路５は、励磁電流指令値Ｉdrefと座標変換回路２からの励磁電流帰還値Ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。
トルク電流制御回路６は、トルク電流指令値Ｉqrefと座標変換回路２からのトルク電流帰還値Ｉqfbとが一致するようにトルク電流を制御する。励磁電流方向成分電圧補償回路７は、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスや１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を励磁電流制御回路５からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力する。
【０００４】
また、トルク電流方向成分電圧補償回路８は、誘導電動機ＩＭの磁束で発生する誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路６からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力する。
出力電圧指令演算回路９は、励磁電流方向成分電圧補償回路７からの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８からのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとから求めた出力電圧指令値Ｖrefを演算する。
出力電圧位相角指令演算回路１０は、励磁電流方向成分電圧補償回路７が出力する励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８が出力するトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角を求め、かつ、１次角周波数演算回路４からの１次角周波数ω1の積分値とから位相角指令値θrefを演算する。
空間座標変換回路１１は、出力電圧指令演算回路９が出力する出力電圧（１次電圧）指令値Ｖrefと出力電圧位相角指令演算回路１０が出力する位相角指令値θrefからＰＷＭ信号を生成して出力する。
なお、図中SFSはソフトスタータ、AFRは磁束制御器、V/f は誘導電動機の誘導起電力係数、ｅは誘導電動機の磁束により誘起される電圧、Φrefは磁束指令、Ｉqrefはトルク電流指令値、Ｉqfbはトルク電流帰還値、Ｉdfbは励磁電流帰還値、ACRIqはトルク電流制御ゲイン、ACRIdは励磁電流制御ゲイン、CEMF(R1)は誘導電動機の１次抵抗による逆起電力、CEMF(R1,ｌ)は誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力、Ｖfbは直流電圧検出値、ＶpnはインバータのＰＮ間電圧、θは磁束位相角、θ1はVdrefとVqrefの位相角を表す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のベクトル制御による誘導電動機の制御では、電力変換器１の出力電圧が飽和する領域では、励磁電流指令及びトルク電流指令通りの実電流が得られなくなるため、電流制御が不安定になり、よって正確な速度制御ができ難いという問題がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電力変換器の出力電圧が飽和しないようにして、誘導電動機の速度を確実に制御することができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電力変換器１の出力電圧が飽和しないように、飽和量に応じて誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整することにより、飽和領域で発生する電流制御の不安定を回避したものである。
このために、請求項１記載の本発明は、直流電圧を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電圧として供給する電力変換器と、前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路と、前記座標変換回路が出力する励磁電流帰還値とトルク電流帰還値から速度推定値を求める速度推定回路と、前記速度推定回路とすべり補償回路から１次角周波数を演算して出力する１次角周波数演算回路と、誘導電動機の磁束を発生させる励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、誘導電動機のトルクを発生させるトルク電流指令値とトルク電流帰還値が一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、前記誘導電動機の磁束で発生する誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる１次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路と、前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する１次電圧を生成する空間座標変換回路とからなる誘導電動機の制御装置において、前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、前記電力変換器で検出する直流電圧検出値Ｖfbを監視し、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路を備えたものである。
上記構成の誘導電動機の制御装置によれば、電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて前記誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整すれば、電流制御の応答が一定に保持され、安定した電流制御が行われる。
【０００７】
前記電圧飽和防止回路は、出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値と、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのＰＮ間電圧を√２で割って得た直流電圧検出値との比率の大きさを監視することにより、前記電力変換器の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器で誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するものとすることができる。
ゲイン調整器は、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを１で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節する。
ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設け、ゲインを小さくしすぎるとベクトル制御が不安定になることを防止する。
ゲイン調整器の出力側に、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにするための、モータの２次時定数Ｔのフィルタを設ける。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は誘導電動機の制御装置に電圧飽和防止回路を追加した本発明の構成を示すブロック図である。
図１においては、図４の従来の制御装置の構成に出力電圧指令演算回路９で得られた出力電圧指令値Ｖrefと、電力変換器１で検出する直流電圧検出値Ｖfbを監視して、電力変換器１の出力電圧が飽和することを判別し、飽和量に応じて誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを可変調整するための電圧飽和防止回路１２が設けられている。
【０００９】
図１の回路の動作について具体的に説明する。
３相交流電源からの交流を電力変換器１における電力変換素子１ａで直流化し、コンデンサ１ｂを用いて平滑化させる。この後、ＰＷＭ制御方式のインバータ１ｃで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する。
誘導電動機ＩＭへの１次電流が座標変換回路２で検出され、ここで座標変換した励磁電流帰還値Ｉdfb及びトルク電流帰還値Ｉqfbを送出する。速度推定回路３は励磁電流帰還値とトルク電流帰還値から速度推定値ωrを求める。
この速度推定値ωrと外部から入力される速度指令値ωrefが一致するように励磁電流指令値Ｉdref及びトルク電流指令値Ｉqrefが演算され、この励磁電流指令値Ｉdrefが１次角周波数演算回路４、励磁電流制御回路５及び励磁電流方向成分電圧補償回路７に入力される。また、トルク電流指令値Ｉqrefが１次角周波数演算回路４、トルク電流制御回路６、励磁電流方向成分電圧補償回路７及びトルク電流方向成分電圧補償回路８へ入力される。
なお、速度推定値ωrは、速度検出器が設けられている場合、この速度検出器からの速度検出値が用いられる。
【００１０】
次に、励磁電流指令値Ｉdrefが入力される励磁電流制御回路５では、励磁電流指令値Ｉdrefと座標変換回路２からの励磁電流帰還値Ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。また、トルク電流指令値Ｉqrefが入力されるトルク電流制御回路６では、このトルク電流指令値Ｉqrefと座標変換回路２からのトルク電流帰還値Ｉqfbとが一致するように、その制御が行われる。
励磁電流方向成分電圧補償回路７は、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を、励磁電流制御回路５からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力電圧指令演算回路９及び出力電圧位相角指令演算回路１０に出力する。トルク電流方向成分電圧補償回路８は、誘導電動機ＩＭの磁束で発生する誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路６からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力電圧指令演算回路９及び出力電圧位相角指令演算回路１０に出力する。
【００１１】
出力電圧指令演算回路９では、励磁電流方向成分電圧補償回路７からの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８からのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとから出力電圧指令値Ｖrefを次式（１）で求め、この出力電圧指令値Ｖrefが空間座標変換回路１１及び電圧飽和防止回路１２へ出力される。
Ｖref  ＝  √（Ｖdref2＋Ｖqref2）    …（１）
出力電圧位相角指令演算回路１０では、励磁電流方向成分電圧補償回路７が出力する励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８が出力するトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角θ1を次式（２）で求め、かつ、１次角周波数演算回路４が出力する１次角周波数ω1の積分値とを合成した位相角指令値θrefを空間座標変換回路１１に出力する。
θ1＝  tan-1（Ｖdref／Ｖqref）    …（２）
空間座標変換回路１１は、出力電圧指令演算回路９からの出力電圧指令値Ｖrefと、出力電圧位相角指令演算回路１０からの位相角指令値θrefからＰＷＭ信号を生成して電力変換器１におけるインバータを駆動する。
【００１２】
図２は、電圧飽和防止回路１２の実施例の構成を示すブロック図である。図２において、１４は誘導電動機の誘導起電力係数Ｖ／ｆを速度指令ωrefとすべり角周波数ωsの和に乗算する係数器、１５は係数器１４の出力に電圧飽和防止回路１２の出力を乗算する乗算器、１６は出力電圧指令値Ｖrefと直流電圧検出値Ｖfbの比を演算する割算器、１７は後述するゲイン調整器、１８はモータの２次回路時定数Ｔを持つフィルタである。
電圧飽和防止回路１２の動作について説明する。
まず、出力電圧指令演算回路９で得られた出力電圧指令値Ｖrefと電力変換器１で検出した直流電圧検出値Ｖfbとの比率（Ｖref／Ｖfb）を割算器１６により演算する。ここで、直流電圧検出値Ｖfbは、電力変換器１の電力変換素子１ａで直流化し、コンデンサ１ｂで平滑化したインバータのＰＮ間電圧Ｖpnを割算器１３により√２で割って得る。
前記の比率（Ｖref／Ｖfb）の大きさを監視することにより、電力変換器１の出力電圧が飽和しているかどうかを判別し、さらに飽和量に応じて、ゲイン調整器１７でゲインを調整する。このゲイン調整器１７では、図３にゲイン特性例を示すように、出力電圧指令値Ｖrefと、直流電圧検出値Ｖfbの比率（Ｖref／Ｖfb）が０．９以下のときはゲインを１で一定とする。このＶref／Ｖfbの比率が０．９を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節する。
なお、ゲインを小さくしすぎるとベクトル制御が不安定になるため、そのゲインに０．９の下限リミットを設けている。このように飽和量に応じてゲインの調整をし、誘導電動機の誘起電圧ｅと磁束指令Φrefの大きさを可変調整する。
なお、誘起電圧と磁束指令の大きさを、急峻に変化させないようにするため、モータの２次時定数Ｔのフィルタ１８を設けている。
【００１３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の誘導電動機の制御装置によれば、下記の効果を奏する。
（１）出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値Ｖrefと電力変換器で検出する直流電圧検出値Ｖfbの比率（Ｖref／Ｖfb）から飽和量を求め、これにより誘導電動機の誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調整することで電圧飽和にならず、電流制御の応答が一定に保持できるようになるため、速度を確実に制御することができる。
（２）電圧飽和防止回路の入力である直流電圧検出値は、電力変換器の電力変換素子で直流化しコンデンサで平滑化したインバータのＰＮ間電圧を√２で割って得ることができる。
（３）ゲイン調整器は、具体的には、出力電圧指令値と、直流電圧検出値の比率が設定値以下のときはゲインを１で一定とし、前記比率が前記設定値を超えると誘起電圧と磁束指令の大きさを小さくするようにゲイン調節することにより実現することができる。
（４）ゲイン調整器のゲインに、下限リミットを設けることにより、ゲインを小さくしすぎてベクトル制御が不安定になることを防止することができる。
（５）ゲイン調整器の出力側に、モータの２次時定数Ｔのフィルタを設けることにより、誘起電圧と磁束指令の大きさを急峻に変化させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の電圧飽和防止回路を追加した誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明の電圧飽和防止回路の実施例を示す回路図である。
【図３】  本発明の電圧飽和防止回路のゲイン特性例である。
【図４】  従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：電力変換器
２：座標変換回路
３：速度推定回路
４：１次角周波数演算回路
５：励磁電流制御回路
６：トルク電流制御回路
７：励磁電流方向成分電圧補償回路
８：トルク電流方向成分電圧補償回路
９：出力電圧指令演算回路
１０：出力電圧位相角演算回路
１１：空間座標変換回路
１２：電圧飽和防止回路
１３：割算器
１４：係数器（誘導電動機の誘導起電力係数V/f）
１５：乗算器
１６：割算器
１７：ゲイン調整器
１８：フィルタ
ωref：速度指令
ωs：すべり角周波数
ω1：１次角周波数
SFS：ソフトスタータ
AFR：磁束制御器
V/f ：誘導電動機の誘導起電力係数
ｅ：誘導電動機の磁束により誘起される電圧
Φref：磁束指令
Ｉqref：トルク電流指令値
Ｉdref：励磁電流指令値
Ｉqfb：トルク電流帰還値
Ｉdfb：励磁電流帰還値
ACRIq：トルク電流制御ゲイン
ACRId：励磁電流制御ゲイン
CEMF(R1)：誘導電動機の１次抵抗による逆起電力
CEMF(R1,ｌ)：誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力
Vqref：トルク電流方向電圧指令
Vdref：励磁電流方向電圧指令
Vref：出力電圧指令
Ｖfb：直流電圧検出値
Ｖpn：インバータのＰＮ間電圧
θ：磁束位相角
θ1：VdrefとVqrefの位相角
【図１】
0003985210.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003985210.tif 000004
【図４】
0003985210.tif 000005