(57)【要約】【課題】低速運転時における電動機の損失を最小化することができる誘導電動機の制御装置を提供する。【解決手段】インバータ等の電力変換器を用いて誘導電動機を制御するための制御装置において、誘導電動機８０の一次電流及び一次電圧から無効電力演算値を求める無効電力演算器４２と、誘導電動機８０の一次電流、一次角周波数、及び電気定数から、誘導電動機８０の損失を最小にする無効電力指令値を演算する無効電力指令演算器４１と、無効電力演算値が無効電力指令値に等しくなるように誘導電動機８０の一次電圧を制御するための無効電力調節器４４、ω／ｖ変換器２１及び加算器２２等を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器を用いて誘導電動機を制御するための制御装置において、
前記電動機の一次電流及び一次電圧から無効電力演算値を求める手段と、
前記電動機の一次電流、一次角周波数、及び電気定数から、前記電動機の損失を最小にする無効電力指令値を演算する手段と、
前記無効電力演算値が前記無効電力指令値に等しくなるように、前記一次電圧を制御する手段と、
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】
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電気定数は、前記電動機のＴ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、及び、相互インダクタンスであることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電気定数は、前記電動機のＴ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、相互インダクタンス、及び、鉄損抵抗である  ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電気定数は、前記電動機のＴ−Ｉ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンス、及び、励磁インダクタンスであることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記電気定数は、前記電動機のＴ−Ｉ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンス、励磁インダクタンス、及び、鉄損抵抗であることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記無効電力演算値が前記無効電力指令値に等しくなるように、前記電動機の二次磁束を制御する手段を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機の制御装置に関し、詳しくは、誘導電動機の損失を最小にする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機の二次磁束または一次電圧を、負荷の大きさに応じて制御することにより電動機の損失を最小にする技術が実用化されている。
例えば、特許文献１には、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータにより駆動される誘導電動機の一次電流、一次電圧等から電動機のトルク演算値を求め、その平方根などに基づいて電動機の内部発生損失を少なくする二次磁束指令値を演算し、この二次磁束指令値と一次周波数指令値とに基づく一次電圧を電動機に供給して運転する技術が開示されている。
この従来技術によれば、電動機の負荷機器の特性を測定せずに内部発生損失を低減して省エネルギー運転の要請に応えることができる。
【０００３】
また、特許文献２には、誘導電動機をＶ／ｆ制御（電圧／周波数一定制御）する場合の二次磁束に従って電動機を運転した場合の電動機内部損失とインバータ内部損失との和である第１の合計損失と、電動機の出力トルクによって発生する電動機内部損失を最小にする二次磁束に従って電動機を運転した場合の電動機内部損失とインバータ内部損失との和である第２の合計損失と、を求め、これら第１，第２の合計損失のうちで小さい方の合計損失に対応する二次磁束指令値及び一次角周波数指令値に基づく一次電圧を電動機に供給して運転する技術が開示されている。
この従来技術によれば、インバータと誘導電動機とからなる可変速駆動設備全体の損失を低減して設備全体を最大効率にて運転することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０２１９６号公報（段落［００１８］〜［００３７］、図１，図２等）
【特許文献２】特開２００３−２４４９９１号公報（段落［００１９］〜［００４３］、図１，図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や特許文献２に記載された従来技術では、電動機の一次電流及び一次電圧に基づくトルク演算値を制御演算に用いている。この場合、一次電圧の制御誤差や一次抵抗の設定誤差の影響により、電動機の低速運転時においてトルク演算値に大きな誤差が発生しやすい。このため、この従来技術では、低速運転時に電動機の損失を最小にするのが困難である。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、低速運転時における電動機の損失を最小化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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電力変換器を用いて誘導電動機を制御するための制御装置において、
前記電動機の一次電流及び一次電圧から無効電力演算値を求める手段と、
前記電動機の一次電流、一次角周波数、及び電気定数から、前記電動機の損失を最小にする無効電力指令値を演算する手段と、
前記無効電力演算値が前記無効電力指令値に等しくなるように、前記一次電圧を制御する手段と、を備えたものである。
本発明によれば、低速運転時における誘導電動機の損失を最小化することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、前記電気定数は、前記電動機のＴ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、及び、相互インダクタンスであることを特徴とする。
本発明によれば、誘導電動機のＴ型等価回路の電気定数を用いて、損失を最小にする無効電力指令値を演算することができる。
【０００９】
請求項３に記載した誘導電動機の制御装置は、前記電気定数は、前記電動機のＴ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、相互インダクタンス、及び、鉄損抵抗である  ことを特徴とする。
本発明によれば、誘導電動機のＴ型等価回路の電気定数を用いて、電動機の鉄損を考慮しつつ、損失を最小にする無効電力指令値を演算することができる。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、前記電気定数は、前記電動機のＴ−Ｉ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンス、及び、励磁インダクタンスであることを特徴とする。
本発明によれば、誘導電動機のＴ−Ｉ型等価回路の電気定数を用いて、損失を最小にする無効電力指令値を演算することができる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、前記電気定数は、前記電動機のＴ−Ｉ型等価回路における、一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンス、励磁インダクタンス、及び、鉄損抵抗であることを特徴とする。
本発明によれば、誘導電動機のＴ−Ｉ型等価回路の電気定数を用いて、鉄損を考慮しつつ、損失を最小にする無効電力指令値を演算することができる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した誘導電動機の制御装置において、前記無効電力演算値が前記無効電力指令値に等しくなるように、前記電動機の二次磁束を制御する手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、特許文献１や特許文献２のようにトルク演算値に依存することなく、誘導電動機の低速運転時における損失を従来よりも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】誘導電動機のＴ型等価回路図（鉄損を励磁回路の直列抵抗によりモデル化した回路図）である。
【図３】誘導電動機のＴ型等価回路図（鉄損を励磁回路の並列抵抗によりモデル化した回路図）である。
【図４】誘導電動機のＴ−Ｉ型等価回路図（鉄損を励磁回路の直列抵抗によりモデル化した回路図）である。
【図５】誘導電動機のＴ−Ｉ型等価回路図（鉄損を励磁回路の並列抵抗によりモデル化した回路図）である。
【図６】本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態は、インバータにより誘導電動機をＶ／ｆ制御する制御装置に関するものである。
図１は、本発明の第1実施形態に係る制御装置のブロック図である。
この制御装置では、誘導電動機の一次角周波数ω１により回転するｄ，ｑ直交回転座標上で演算を行う。ここで、ｄ軸は電動機の磁束軸に平行な制御軸であり、q軸はｄ軸から９０°進み方向の制御軸である。
【００１６】
図1において、一次角周波数指令値ω１＊に従って制御される一次角周波数ω１はω／ｖ変換器２１に入力され、一次角周波数ω１にほぼ比例した一次電圧指令値ｖ１０＊が演算される。加算器２２は、この一次電圧指令値ｖ１０＊と、後述する無効電力調節器４４から出力される一次電圧補償値ｖ１ｃｏｍｐとを加算して、一次電圧指令値のｑ軸成分ｖｑ１＊を演算する。
また、一次電圧指令値のｄ軸成分ｖｄ１＊は零に制御され、上記ｑ軸成分ｖｑ１＊と共に座標変換器１５に入力される。
【００１７】
一方、一次角周波数ω１を積分器２３により積分して得た角度θ１が、座標変換器１５に入力される。座標変換器１５は、角度θ１に基づいて、前記ｄ軸成分ｖｄ１＊、ｑ軸成分ｖｑ１＊を三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換し、ＰＷＭ回路１３に出力する。ＰＷＭ回路１３は、三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に基づいてゲート信号を生成する。
【００１８】
三相交流電源５０の交流電圧は整流回路６０により直流電圧に変換され、インバータ等の電力変換器７０に供給されている。電力変換器７０は、ＰＷＭ回路１３から入力されたゲート信号によって内部の半導体スイッチング素子をオン・オフさせることにより、電力変換器７０の出力電圧、すなわち誘導電動機８０の一次電圧を三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
以上の動作により、誘導電動機８０の速度をほぼ指令値通りに制御することができる。
【００１９】
次に、一次電圧補償値ｖ１ｃｏｍｐの演算方法について説明する。
誘導電動機８０のｕ相電流ｉｕ、ｗ相電流ｉｗを、電流検出器１１ｕ，１１ｗによってそれぞれ検出し、座標変換器１４に入力する。この座標変換器１４では、ｕ相電流ｉｕ、ｗ相電流ｉｗ、及び、これらから演算したｖ相電流ｉｖを、前記角度θ１に基づいてｄ軸成分ｉｄ１、q軸成分ｉｑ１に変換する。
【００２０】
無効電力指令値演算器４１は、数式１により、一次電流のｄ軸成分ｉｄ１、q軸成分ｉｑ１、一次角周波数ω１、及び誘導電動機８０の電気定数から、誘導電動機８０の損失を最小にする無効電力指令値Ｑ＊を演算する。
ここで、誘導電動機８０の電気定数は、図２に示すように、鉄損を励磁回路の直列抵抗Ｒｍによりモデル化したＴ型等価回路の定数を使用する。
【００２１】
【数１】
2017153273.tif 000003
【００２２】
また、誘導電動機８０の電気定数が、図３に示すように、鉄損を励磁回路の並列抵抗Ｒ３によりモデル化したＴ型等価回路によって与えられる場合は、数式１における電気定数を数式２により換算する。
【００２３】
【数２】
2017153273.tif 000004
【００２４】
図１の無効電力演算器４２は、一次電圧のｄ，ｑ軸成分ｖｄ１，ｖｑ１、一次電流のｄ，ｑ軸成分ｉｄ１，ｉｑ１を用いて、数式３により無効電力演算値Ｑｃａｌｃを求める。
【数３】
2017153273.tif 000005
数式３において、一次電圧のｄ，ｑ軸成分ｖｄ１，ｖｑ１は、前述した一次電圧指令値のｄ，ｑ軸成分ｖｄ１＊，ｖｑ１＊を使用する。あるいは、図示されていない電圧検出回路により検出した誘導電動機８０の一次電圧を、角度θ１を使って座標変換することにより求めても良い。
【００２５】
図１の無効電力調節器４４は、減算器４３により求めた無効電力指令値Ｑ＊と無効電力演算値Ｑｃａｌｃとの偏差から、一次電圧補償値ｖ１ｃｏｍｐを演算する。この無効電力調節器４４は、例えば不完全積分器によって構成されている。
【００２６】
これらの演算により、誘導電動機８０の損失が最小になるように無効電力を制御することができる。無効電力演算値Ｑｃａｌｃは、誘導電動機８０の一次抵抗Ｒ１、二次抵抗Ｒ２の誤差や、電力変換器７０の出力電圧制御誤差の影響を受けにくい。このため、本実施形態によれば、これらの誤差や影響が顕在化しやすい低速運転時にも、誘導電動機８０の損失を最小化することが可能である。
【００２７】
次に、本実施形態により、誘導電動機８０の損失を最小化できる原理について説明する。
例えば、松瀬貢規，谷口正太郎による「鉄損を考慮した速度センサレスベクトル制御誘導電動機の高効率制御方式」（電気学会論文誌Ｄ，１２１巻８号，ｐ．８６９〜８７８，２００１年）に記載されているように、図２に示す誘導電動機のＴ型等価回路（鉄損を励磁回路の直列抵抗によりモデル化した場合）の電圧方程式は、数式４となる。
【００２８】
【数４】
2017153273.tif 000006
【００２９】
また、誘導電動機８０の二次磁束Ψ２は、数式５によって表される。
【数５】
2017153273.tif 000007
【００３０】
誘導電動機８０の鉄損Ｐｌｏｓｓと一次電流ｉ１、二次電流ｉｑ２との間には、数式６の関係がある。
【数６】
2017153273.tif 000008
【００３１】
ここで、二次磁束Ψ２の方向がｄ軸と一致している場合、定常状態において、二次磁束のd軸成分Ψｄ２，q軸成分Ψｑ２と二次電流のd軸成分ｉｄ２，ｑ軸成分ｉｑ２との間には、数式７，数式８の関係がある。
【数７】
2017153273.tif 000009
【数８】
2017153273.tif 000010
【００３２】
数式５，数式７，数式８により、数式６の右辺は数式９となる。
【数９】
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【００３３】
数式９より、誘導電動機８０の損失を最小にする二次磁束Ψ２は、数式１０のように導出することができる。
【数１０】
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【００３４】
また、二次電流ｉ２とトルクτとは数式８の関係にあるため、数式１０より、誘導電動機８０の損失を最小にする二次磁束Ψ２と二次電流のq軸成分ｉ２ｑとの間には、数式１１の関係がある。
【数１１】
2017153273.tif 000013
【００３５】
ところで、誘導電動機８０の無効電力Ｑは、数式３，数式４より、定常状態において、数式１２によって表される。
【数１２】
2017153273.tif 000014
【００３６】
また、数式７，８により、二次磁束Ψ２と二次電流ｉ２とは直交しているため、数式１１より、誘導電動機８０の損失を最小とする二次磁束Ψ２と二次電流ｉ２との間には、数式１３の関係がある。
【数１３】
2017153273.tif 000015
【００３７】
よって、誘導電動機８０の損失を最小にする無効電力Ｑは、数式５，数式１３を用いて数式１２の右辺を一次電流ｉ１の関数に変形することにより、数式１４のように求めることができる。
【数１４】
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【００３８】
従って、誘導電動機８０の無効電力を一次電流ｉ１に応じて数式１４のように制御すれば、損失を最小化することができる。具体的には、図１の無効電力指令演算器４１が、数式１４と同等の無効電力指令値Ｑ＊（前述した数式１）を演算し、この無効電力指令値Ｑ＊に無効電力演算値Ｑｃａｌｃを追従させるように無効電力調節器４４が一次電圧補償値ｖ１ｃｏｍｐを演算して一次電圧指令値ｖ１０＊を補正し、一次電圧指令値のｑ軸成分ｖｑ１＊を演算するものである。
【００３９】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
この第２実施形態は、前述した第１実施形態において、鉄損を零近似することにより無効電力指令演算器４１の演算を簡略化したものである。つまり、数式１において、鉄損抵抗Ｒｍを零とし、無効電力指令値Ｑ＊を数式１５により演算する。
【数１５】
2017153273.tif 000017
【００４０】
次いで、本発明の第３実施形態は、誘導電動機８０のＴ−Ｉ型等価回路の電気定数を用いたものである。この第３実施形態における制御ブロック図は、図１に示した第１実施形態と同一であり、無効電力指令演算器４１による演算のみが異なっている。
【００４１】
図４は、鉄損を励磁回路の直列抵抗Ｒｍによりモデル化した場合の誘導電動機８０のＴ−Ｉ型等価回路である。
この実施形態において、無効電力指令演算器４１は、無効電力指令値Ｑ＊を数式１６により演算する。
【００４２】
【数１６】
2017153273.tif 000018
【００４３】
上記の数式１６は、数式１において、数式１７のように置き換えを行うことで導出可能である。
【数１７】
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【００４４】
また、誘導電動機８０の電気定数が、図５に示すように、鉄損を励磁回路の並列抵抗Ｒ３によりモデル化したＴ−Ｉ型等価回路によって与えられる場合は、電気定数を数式１８により換算する。
【数１８】
2017153273.tif 000020
【００４５】
次に、本発明の第４実施形態は、上述した第３実施形態において、鉄損を零近似することにより、無効電力指令演算器４１の演算を簡略化したものである。
すなわち、数式１８における鉄損抵抗Ｒ３を零とし、無効電力指令値Ｑ＊を数式１９により演算する。
【数１９】
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【００４６】
また、本発明の第５実施形態は、前述した第１実施形態における一次電圧指令値ｑ軸成分ｖｑ１＊の演算方法を変更したものである。
図６は、この第５実施形態を示す制御ブロック図である。
【００４７】
磁束演算器２４は、一次角周波数ω１に応じて二次磁束指令値Ψ２０＊を演算する。加算器２５は、二次磁束指令値Ψ２０＊に二次磁束補償値Ψ２ｃｏｍｐを加算することにより、二次磁束指令値Ψ２＊を演算する。乗算器２６は、二次磁束指令値Ψ２＊と一次角周波数ω１とを乗算し、一次電圧指令値のｑ軸成分ｖｑ１＊を演算する。
無効電力調節器４４は、減算器４３により求めた無効電力指令値Ｑ＊と無効電力演算値Ｑｃａｌｃとの偏差から二次磁束補償値Ψ２ｃｏｍｐを演算する。無効電力調節器４４の構成は、例えば不完全積分器により構成されている。
【００４８】
この第５実施形態においても、無効電力指令演算器４１が、一次電流ｉ１に応じて数式１の無効電力指令値Ｑ＊を制御することにより、第１実施形態と同様の原理によって誘導電動機８０の損失を最小化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、実施形態により説明したＶ／ｆ制御だけでなく、誘導電動機をベクトル制御する場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１１ｕ  電流検出回路
１１ｗ  電流検出回路
１３  ＰＷＭ回路
１４  座標変換器
１５  座標変換器
２１  ω／ｖ変換器
２２  加算器
２３  積分器
２４  磁束演算器
２５  加算器
２６  乗算器
４１  無効電力指令演算器
４２  無効電力演算器
４３  減算器
４４  無効電力調節器
５０  三相交流電源
６０  整流回路
７０  電力変換器
８０  誘導電動機
【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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