(57)【要約】      （修正有）【課題】誘導電動機の入力電力を常に誘導電動機の負荷率に適応させ、高い効率、省エネで運転を行う。【解決手段】負荷追従制御装置１８に、負荷率算出するユニット９、８で稼動負荷率をリアルタイムで獲得して、力率ＰＦ演算４で力率ＰＦを、Ｉｓ計算アルゴリズム５で無効電流Ｉｓを、それぞれ獲得し、無効電流Ｉｓ最小化制御２で無効電流の制御量Ｉｓｋを、ＰＦ制御３で力率の制御量ＰＦｋを、それぞれの算出して、そして、Ｖ／Ｆ設定器１で周波数（回転速度）制御量Ｆｑを，変動Ｖ／Ｆ算出アルゴリズム６に入力し、最適電圧制御量Ｕｄを算出する。最適電圧制御量Ｕｄ及び周波数（回転速度）制御量ＦｑよりＳＰＷＭ生成７の波形を調整し、電力調整ユニット１４で誘導電動機１７の入力電力は自動的に最小値に、高い効率の省エネ状態に調整される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率、省エネで運転させる電圧及び周波数の制御量を算出する。及び算出された電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力が常に誘導電動機の負荷率に適応することを確保することを特徴とする新しい誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御方法。
【請求項２】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量を算出することと、その前に誘導電動機の入力電流、入力電圧、負荷率及び回転速度を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をリアルタイムで獲得することを特徴とする請求項１に記載される誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御方法。
【請求項３】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量を算出する。及び計算により稼動力率ＰＦ、無効電流Ｉｓ、有効電流Ｉｗ及び回転速度制御量Ｆｑを含む誘導電動機の各関連パラメータ値をそれぞれ取得し、獲得した誘導電動機の稼動力率ＰＦを設定した力率指令値と比較して、その偏差値に対して補償制御演算を行い、力率制御係数ＰＦｋを求める。獲得した誘導電動機の無効電流Ｉｓを最小化制御にして、無効電流制御係数Ｉｓｋを求める。取得した力率制御係数ＰＦｋに無効電流制御係数Ｉｓｋをかけて負荷率係数Ｐｋを求める。回転速度の指令値をＶ／Ｆ変換して、周波数の制御量Ｆｄを求める。
以下の式により前記の変動Ｖ／Ｆ制御量Ｕｄを求める。Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋ１×Ｐｋ（式２）式中、Ｕｄは変動Ｖ／Ｆ制御量、Ｆｑは周波数の制御量、ｋ１はＶ／Ｆ比定数，Ｐｋ＝ＰＦｋ×Ｉｓｋは負荷率係数をそれぞれ表す。
以上を特徴とする請求項２に記載される誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御方法。
【請求項４】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率、省エネで運転させる電圧と周波数の制御量を算出するための最適化アルゴリズム。及び算出された電圧と周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力を常に誘導電動機の負荷率に適応させるための調整アルゴリズムを含むことを特徴とする誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御装置。
【請求項５】
誘導電動機の３相入力電流、３相入力電圧、負荷率を含める誘導電動機の各関連パラメータ値をリアルタイムで獲得するための獲得アルゴリズムを含むことを特徴とする請求項４に記載される誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御装置。
【請求項６】
前記の各アルゴリズムの具体的な用途は次の通り：計算により稼動力率ＰＦ、無効電流成分Ｉｓ、有効電流成分Ｉｗを含む誘導電動機の各関連パラメータ値をそれぞれ獲得し、獲得した誘導電動機の稼動力率ＰＦを設定した力率指令値と比較して、その偏差値に対して補償制御演算を行い、力率制御係数ＰＦｋを求める。獲得した誘導電動機の無効電流Ｉｓを最小化制御を行い、無効電流制御係数Ｉｓｋを求める。算出した力率制御係数ＰＦｋに無効電流制御係数Ｉｓｋをかけて、負荷率係数Ｐｋを求める。回転速度の指令値をＶ／Ｆ変換して、周波数の制御量Ｆｑを求める。以下の式により前記の電圧制御量Ｕｄを求める：Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋ１×Ｐｋ（式２）式中、Ｕｄは変動Ｖ／Ｆ制御量、Ｆｑは周波数の制御量、ｋ１はＶ／Ｆ比定数，Ｐｋ＝ＰＦｋ×Ｉｓｋは負荷率係数をそれぞれ表す。
以上を特徴とする請求項５に記載される誘導電動機の高い効率、省エネで運転する制御装置。
【請求項７】
請求項４〜６の何れか１つに記載される装置、誘導電動機及び出力電圧調整ユニットから構成され、請求項４〜６のいずれか一つに記載される装置は、前記の出力電圧調整ユニット及び誘導電動機と接続し、前記の誘導電動機を常に高い効率、省エネで運転させる機能を持つことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項８】
前記の請求項６に記載される変動Ｖ／Ｆ制御量で、前記の交流出力電圧調整ユニットを駆動する任意の周波数と電圧を可変できるＳＰＷＭ波形を生成する方法。
【請求項９】
請求項７に記載される制御装置、図６に示す３相交流電源、整流コンバータ、コンデンサから構成されるシステム及びその製品、産業領域で広く使用されている誘導電動機及び関連設備と接続し、変動負荷率及び任意の回転速度において常に高い効率、省エネで運転させる役割を持つことを特徴とする誘導電動機の制御装置及びシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、誘導電動機の制御分野で、具体的には負荷追従による誘導電動機の省エネ運転する制御方法、装置、システムに関わる。
【背景技術】
【０００２】    図１は誘導電動機における変動負荷率で稼働する電圧、電流特性を曲線化したものである。図１に示したように、変動負荷率のもとで稼働する誘導電動機の場合、その入力電圧とその曲線の交差点が曲線の最低点に近ければ近いほど、誘導電動機の効率が高くなる。このうち例としてのＸ、Ｙ、Ｚは負荷率１０％、５０％、１００％の状態で稼働する誘導電動機のそれぞれ高い効率点で、（Ｘ１、Ｘ２），（Ｙ１、Ｙ２），（Ｚ１、Ｚ２）はそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ点の隣接効率点である。誘導電動機の入力電圧が定格電圧の２００Ｖになっているとき、中低負荷で稼働する誘導電動機の効率が低いことがわかる。
本発明の機能ポイントは、「負荷追従及び負荷追従による制御」という。
図１に示すように、誘導電動機の負荷率が１００％から５０％に、さらに１０％に変化の時、負荷率の変化量をリアルタイムで瞬時、精確に検出し、誘導電動機の入力電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）を調節し、稼働点は最適のＸ、Ｙ、Ｚ点を保持し、電圧を電流最低点に合わせる。トルクと回転数に影響を与えない上、高い効率、省エネ状態で運転させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  今現在、産業領域で広く使用されている誘導電動機の制御において、主に以下のような制御方法が応用されている：
（１）従来の汎用インバーターＶ／Ｆ制御、ベクトル制御；
（２）従来の汎用インバーターの省エネ制御。
以上（１）の制御方法では、誘導電動機のトルクと速度の調整を注目していますが、負荷の変動が無視され、常に固定Ｖ／Ｆ（定格周波数の時定格電圧）比で稼動しているので、誘導電動機が中低負荷の状態になると、誘導電動機の無効電流、無効電力の増加に伴い、銅損や鉄損もそれなりに増加し、誘導電動機の運転効率、力率が大幅に低下して深刻な無駄電力の消費が発生するという問題である、これはこれらの技術の共通の欠陥である。従来の商用電源で駆動するときにも同じ問題が存在している
以上（２）の従来の省エネ制御では、負荷の変動により、電圧を調整して誘導電動機を常により高い効率な状態で運転させたい、その具体的な方法は次の通り：試験的な電圧調整により、相応する電流値の変化を検知して高い効率点を特定するものである。図１に示すように、例えば電圧を２００ＶからＹ１に相応する電圧値まで下げて、それに相応する電流値の変化を検知したところ、電流値もそれなり低下していることがわかる。そのまま電圧を下げ続け、Ｙ２に相応する電圧値まで来た後、それに相応した電流値の変化を確認したところ、電流値もある程度上昇したため、高い効率点がＹ１とＹ１の間にあると、その後、試験的な電圧値調整及び電流値の変化を繰り返すことで、高い効率点はＹであると特定することができる。このような方法は、誘導電動機の運転効率及び力率をある程度上げられるが、高い効率点を一度かつ精確に特定するのが難しく、しかも繰り返し検知捜査で応答速度が遅くなる（通常は０．１〜１０秒）、急激な負荷率変動に対応できず、誘導電動機の大きい滑りが発生し、ひいては急停止を引き起こす場合もある、負荷変動の激しい負荷設備に対応出来なくなります。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  この課題を解決するために、本発明は、誘導電動機の負荷率をリアルタイムで瞬時、精確に獲得し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力が常に負荷率に適応する新しい制御方法及び装置を提案した。これは負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法といい、即ち、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数（回転速度）において誘導電動機を常に高い効率、省エネ状態で運転させる電圧及び周波数の制御量を一括かつ瞬時、精確に獲得し、この電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力を常に誘導電動機の負荷率に適応させ、無効電流がほぼなくして及び最適電圧の省エネ状態において高い効率、省エネで運転させることを確保したことで、従来の技術であるよく見かける中低負荷の誘導電動機だと無効電力の増加により銅損、鉄損も増加し、誘導電動機の運転効率、力率の大幅な低下と深刻な無駄電力の消耗が生じるという技術的な課題を解決した。
【発明の効果】
【０００５】  本発明により、誘導電動機の無効電流がほぼなくして及び最適電圧の省エネ状態で運転を実現した。この方法には次のような効果がある：
１）無効電流がほぼなくして、無駄電力が大幅に低減し、力率が向上した；
２）無効電流がほぼなくすることにより、誘導電動機の銅損、鉄損が大幅に低減し、運転効率が向上した；
３）銅損、鉄損が大幅に低減することにより、有効電力が大幅に低減した；
４）誘導電動機の運転温度と騒音が大幅に低減し、寿命を伸ばした；
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】誘導電動機における変動負荷率で稼働する電圧、電流特性の曲線図である。
【図２】誘導電動機における皮相電流、有効電流、無効電流及び位相角の関係図である。
【図３】本発明に係る負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法における負荷率に対応する変動Ｖ／Ｆ曲線の変化を示す説明図である。
【図４】本発明に係る負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法における変動負荷率の省エネ運転点を示す説明図である。
【図５】本発明に係る負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法の第二実施例のフローチャートを示す説明図である。
【図６】本発明に係る負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法及び装置の第二実施例の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】  次に、第一実施例と説明図を使って本発明について詳述する。
図４は誘導電動機の負荷変動による最適効率点を示す曲線である、まず、誘導電動機特性から運転効率ηを次の式１で算出できる：
2016116431.tif 000003
式１中：
Ｐ１は誘導電動機の入力容量を表す；
Ｐ２は誘導電動機の出力容量（軸の出力容量）を表す；
Ｐｃｕ１は固定子の銅損を表し、即ち電流が固定子巻線に流れた時に生じる電力損失で、その大きさは負荷に依存する；
Ｐｃｕ２は回転子銅損を表し、即ち電流が回転子巻線に流れた時に生じる電力損失で、その大きさは負荷に依存する；
ＰＦｅは鉄損を表し、即ち回転磁場が固定子鉄心の中で生じる励磁損失で、その大きさは主に励磁起電力によって左右（誘導電動機入力電圧の平方とは正比例をなす）されるため、負荷に依存しない；
Ｐｍｅｃは機械損失を表し、即ち軸受、ファン等による摩擦を発生する際に損失する電力で、その大きさはほぼ変わらない；
Ｐａｄは附属品損失を表し、即ち固定子、回転子鉄心溝付及び調波により生じる損失で、その大きさは負荷に依存するが、無視できる。
（Ｐｃｕ１＋Ｐｃｕ２）＝Ｐｃは負荷に依存するため可変損失（銅損）と、（ＰＦｅ＋Ｐｍｅｃ＋Ｐａｄ）＝Ｐｆは負荷に殆ど依存しないため不変損失（鉄損）とそれぞれ呼ばれる。式１の公式を見てもわかるように、Ｐ２が変わらない場合において、誘導電動機を省エネの状態で運転させるには、誘導電動機の效率を上げ、即ちあらゆる損失の合計値を低減させる必要がある。誘導電動機の特性により、エネルギー保存則からもわかるように、銅損と鉄損が同じとき、即ち（Ｐｃｕ１＋Ｐｃｕ２）＝（ＰＦｅ＋Ｐｍｅｃ＋Ｐａｄ）の時は、図４の交点（最適効率点）に示すように、誘導電動機の損失が最も低く、効率が最も高く省エネ運転点になる。即ち、誘導電動機の変動負荷に対して、負荷追従の方法でリアルタイムでＰｆ＝Ｐｃまで入力電圧を瞬時、精確的に調整すれば、誘導電動機が最適効率で省エネ運転できることがわかる。
図３は、稼働負荷率による変動Ｖ／Ｆ曲線の調整を示す説明図である。本実施例では、高速負荷追従技術により、マイクロ秒（μｓ）レベルの速度で位相角θを読み取り、負荷率係数Ｐｋの変化を識別している。下記のステップ２６の公式２により、誘導電動機を常に高い効率点で運転させる電圧制御量Ｕｄを獲得し、複数のＶ／Ｆ比曲線により、低負荷出力（低Ｖ／Ｆ）から満負荷出力（高Ｖ／Ｆ）の間にを変えることで、誘導電動機の入力電圧を素早く調整している。
本実施例の提案した方法は、変動負荷率及び周波数（回転速度）設定値において誘導電動機を常に高い効率な状態で運転させる電圧制御量を数十マイクロ秒（μｓ）以内の高速（従来の技術は０．１ｓ−１０ｓ）かつ精確に検知できるようにしたことで、誘導電動機の最小電流と最適電圧での省エネ状態運転を実現した。
【０００８】図５では、本発明における誘導電動機の負荷追従制御を実現する方法の第二実施例のフローチャートで、この方法の実施ステップについて詳述する：
誘導電動機の運転電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ，入力電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃをリアルタイムで獲得して、誘導電動機の稼働負荷率を算出するステップ２０。
このうち誘導電動機の稼働位相角θは負荷率と密接に関係しており、位相角θは誘導電動機の負荷率とは反比例を成し、即ち位相角θが大きいほど負荷率が小さく、位相角θが小さいほど負荷率が大きい。
計算により稼動力率ＰＦ、無効電流Ｉｓ、有効電流Ｉｗを獲得するステップ２１，本実施例における無効電流Ｉｓは図２に示す座標変換で運転電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃと稼働位相角θから求められる。
獲得した誘導電動機の稼動力率ＰＦを設定した力率の指令値と比較して偏差値を獲得し、その偏差値に対して補償制御演算を行い、その力率制御係数ＰＦｋを求めるステップ２２。
獲得した誘導電動機の無効電流Ｉｓを最小値制御を行い、無効電流Ｉｓ制御係数Ｉｓｋを求める２３。
算出された力率制御係数ＰＦｋに無効電流Ｉｓ制御係数Ｉｓｋをかけて、負荷率係数Ｐｋを求めるステップ２４。
回転速度の指令値をＶ／Ｆ演算を行って、周波数制御係数Ｆｑを求める２５。
以下の式２により変動Ｖ／Ｆ制御量Ｕｄを求めるステップ２６：
Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋ１×Ｐｋ                      式２
式２の中，Ｕｄは変動Ｖ／Ｆ制御量，Ｆｑは周波数（回転速度）の制御量，ｋ１はＶ／Ｆ比定数（定格電圧Ｖ／定格周波数Ｆをそれぞれ表す。誘導電動機の定格電圧Ｖが２００Ｖ、定格周波数Ｆが５０Ｈｚの場合は、Ｖ／Ｆ比定数は２００／５０、即ち４．０とする。ここにおける定格電圧Ｖは２００Ｖとは限らず、定格周波数Ｆも５０Ｈｚとは限らない。ほかの定格電圧、例えば１２Ｖ〜８００Ｖ、ほかの定格周波数，例えば１Ｈｚ〜５００Ｈｚの時も本発明に適用する。），Ｐｋ＝ＰＦｋ×Ｉｓｋで負荷率係数を表す。
獲得した変動Ｖ／Ｆ制御量ＵｄでＳＰＷＭ生成の波形を調整し、電圧調整ユニットで誘導電動機の３相入力電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ（３相入力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは３相入力電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃの変化に応じて変化する）と周波数（回転速度）をリアルタイム調整して、誘導電動機の入力電力が常に誘導電動機の負荷率に適応して、省エネ状態で運転するステップ２７。
本実施例では、さらに前記の負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法を実現する装置、誘導電動機及び電圧調整ユニットから構成される一つの誘導電動機の効率最適化制御装置を提案した。前記の誘導電動機の省エネ制御装置は誘導電動機及び電圧調整ユニットと接続し、誘導電動機を常に高い効率、省エネ状態で運転させるのに用いられる。
本実施例ではさらに前記の負荷追従による誘導電動機の省エネ制御装置は産業領域で広く使用されている誘導電動機及び関連設備と接続し、変動負荷率及び任意の回転速度（周波数）において高い効率、省エネで稼働させるのに用いられる。
上記の本発明で提案した各ステップ及び演算アルゴリズムは、一つの計算装置に集成させたり、複数の計算装置を繋ぐネットワークに分布させたりと、一般的な計算装置でもって実現することができる。また、別の選択肢として、計算装置にインストールされたプログラムにより実現できるため、それらを記憶装置に保存して計算装置に実行させるか、或はそれぞれの集積回路モジュール或はプリント基板に制作し、もしくはそれに含まれる複数の各ステップ及び演算アルゴリズムを一つの集積回路モジュール或はプリント基板にして実現できることを意味し、よって本発明は、いかなるハードとソフトの結合にも制限されないことはこの分野の技術者にとって自明である。
また、上記の内容は、本発明の一最優先実施例に過ぎず、その実施形態に限定されるものではなく、この分野の技術者にとって、さまざまな変更が可能であるが、本発明の理念と原則に沿ったものであれば、本発明に対するいかなる修正、導価入れ替え、改良などは、いずれも本発明の保護対象と見なされる。
【産業上の利用可能性】
【０００９】  今や産業領域で広く使用されている誘導電動機の制御装置であるインバ−タが減速可能な誘導電動機に省エネできますが、様々な負荷変動設備、例えば加工機械の研削盤、ベンディングマシン、プレス機、せん断機、鍛造機、バネ成形機、木工機械コンクリート、成形機、ゴム成形機、化学機械、繊維機械、農林用機械、紙工機械、食品加工機械、運搬機械、その他産業機械等の速度低減できない場合に適用できません。この場合には、負荷率が激しく変動することにより、誘導電動機の運転効率、力率が大幅に低下して深刻な無駄電力の消費が発生する。
本発明が提案した負荷追従による誘導電動機の省エネ制御方法及び装置で、誘導電動機の減速する設備にも減速しない設備にもかつ負荷変動が多いすべての場合に適応でき、誘導電動機の省エネ運転において、従来の汎用インバ−タが対応できない減速しない設備かつ負荷変動の設備に対応が可能になりました。
【符号の説明】
【００１０】    １    速度Ｖ／Ｆ設定器
２    無効電流最小化制御器
３    力率補償制御器
４    力率演算器
５    無効電流演算器
６    平均負荷率獲得演算器
７    変動Ｖ／Ｆ値演算器
８    駆動波形生成器
９    ３相負荷率獲得演算器
１１  ３相交流電源
１２  整流コンバータ
１３  コンデンサ
１４  電圧調整ユニット
１５  電圧検出センサー
１６  電流検出センサー
１７  誘導電動機
１８  負荷追従による誘導電動機の省エネ制御装置
【図１】
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【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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