(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流に変換して可変電圧、可変周波数の交流電圧を出力し、誘導電動機を駆動する定電力運転制御方法であって、定格角速度指令と定格励磁電流指令を誘導電動機の諸元から設定し、出力角速度を加速度に依存した上位速度指令に追従させ、
前記誘導電動機の電圧として、ｑ軸電圧は前記出力角速度と電動機１次インダクタンスと励磁電流の乗算値に電動機１次抵抗とトルク電流フィードバック値の乗算値を加算した値とし、ｄ軸電圧は電動機１次抵抗と前記励磁電流の乗算値から前記出力角速度と漏れインダクタンスとトルク電流フィードバック値の乗算値を減算した値として決定し、
前記出力角速度が前記定格角速度指令値より小さいときに、前記励磁電流は定格励磁電流を選択して、前記誘導電動機に印加する交流電圧の電圧と周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定に制御（Ｖ／Ｆ一定制御）すると共に、前記定格励磁電流を基に前記ｑ軸電圧と前記ｄ軸電圧を制御し、
前記出力角速度が前記定格角速度指令値より大きいときに、前記励磁電流は前記励磁電流と前記出力角速度の乗算値が前記定格励磁電流指令と前記定格角速度指令の乗算値と等しくなる値を選択して、前記誘導電動機に印加する交流電圧の周波数に対して電圧一定の速度制御を実行すると共に、前記励磁電流が前記等しくなる値を基に前記ｑ軸電圧と前記ｄ軸電圧を制御することを特徴とする誘導電動機の定電力運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変電圧、可変周波数の交流電圧を出力して誘導電動機を可変駆動する誘導電動機の定電力運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータにより誘導電動機を駆動する場合、電動機に印加する交流電圧の電圧と周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定にして可変駆動するＶ／Ｆ一定制御方法は、簡単な構成になるため、広く使用されている。例えば、一例として特開平１０−２３７８０号公報には、低速から高速まで無負荷時でも過励磁にならず、効率良く電動機を運転する制御技術が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ｄｑ軸上で主に誘導電動機の励磁電流指令ｉｄと一次インダクタンスＬ１と角速度の乗算からｑ軸電圧Ｖｑを与えてＶ／Ｆ一定制御を行う方法において、負荷の種類に拘らず、低速領域では一定電力を出力するために周波数に比例させて電圧を調整するＶ／Ｆ制御を行うが、高速領域では周波数に対して電圧を一定に制御しないため、電力が上昇することになり、省電力化を図り、装置を小形、軽量化することができなかった。
【０００４】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、低速領域ではＶ／Ｆ一定制御、高速速領においては電圧一定制御を行うことによって高速領域の省電力化を図り、装置の小形、軽量化を可能にする導電動機の定電力運転制御方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、定格角速度指令と定格励磁電流指令を誘導電動機の諸元から設定し、出力角速度を加速度に依存した上位速度指令に追従させ、誘導電動機の電圧として、ｑ軸電圧は出力角速度と電動機１次インダクタンスと励磁電流の乗算値に電動機１次抵抗とトルク電流フィードバック値の乗算値を加算した値とし、ｄ軸電圧は電動機１次抵抗と励磁電流の乗算値から出力角速度と漏れインダクタンスとトルク電流フィードバック値の乗算値を減算した値として決定し、出力角速度が定格角速度指令値より小さいときに、励磁電流は定格励磁電流を選択して、誘導電動機に印加する交流電圧の電圧と周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定に制御（Ｖ／Ｆ一定制御）すると共に、定格励磁電流を基にｑ軸電圧とｄ軸電圧を制御し、出力角速度が定格角速度指令値より大きいときに、励磁電流は励磁電流と出力角速度の乗算値が定格励磁電流指令と定格角速度指令の乗算値と等しくなる値を選択して、誘導電動機に印加する交流電圧の周波数に対して電圧一定の速度制御を実行すると共に、励磁電流が前記等しくなる値を基にｑ軸電圧とｄ軸電圧を制御する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による導電動機の定電力運転制御方法を示す。図１において、交流電源１に接続される順変換器２は交流電圧を直流電圧に変換する。順変換器２の直流出力側には平滑コンデンサ３が並列に接続される。逆変換器４は、平滑コンデンサ３に接続され、直流電圧を可変電圧、可変周波数の３相交流電圧に変換する。誘導電動機５は逆変換器４の出力側に接続される。ここで、誘導電動機５の瞬時電流は電流変流器６によって検出する。
【０００７】
誘導電動機５の速度制御に当って、角速度演算部７は上位角速度指令（ωｉｎｓｔ）１６に従って電動機の出力角速度（ωｏｕｔ）１８を決定する。定格電力指令部８は電動機の諸元に従い定格電力点の定格角速度指令値（ωｒｅｆ）１９と定格励磁電流指令値（Ｉｄｒｅｆ）２０を設定する。励磁電流指令部９は、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆ以下では一定の定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆを選択して励磁電流としてＶ／Ｆ制御を実現し、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆ以上では励磁電流Ｉｄｎは励磁電流Ｉｄｎと出力角速度ωｏｕｔの乗算値が定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆの乗算値と等しくなる制御をすることで電圧一定制御を実現させる。
位相回路部１０は出力角速度ωｏｕｔを積算して位相角θを出力する。電流３／２相変換部１１は、電動機電流を電流変流器６で検出し、ｄｑ軸電流に変換する。電圧演算部１２は励磁電流指令部９から出力された励磁電流指令Ｉｄｎと電流３／２相変換部１１のｑ軸フィードバック電流Ｉｑｆからｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを得る。電圧２/３相変換部１３はｄｑ軸の電圧ＶｄとＶｑをＵＶＷの三相電圧に変換し、ＰＷＭ信号形成部１４は三相信号をＰＷＭパルスに変換し、逆変換器４のゲート信号として与え、誘導電動機５は速度制御される。
【０００８】
次に、本実施形態を詳細に説明する。
図１の位相回路１０は、角速度演算部７の出力角速度ωｏｕｔから図２に示す定格周波数Ｆｒｅｆと正弦波の発生原理から位相θを求める。例えば、定格角速度ωｒｅｆで運転しているとする。（ａ）はサンプリング時間Ｔｓ毎に定格角速度ωｒｅｆを加算する状態、（ｂ）は正弦波と余弦波を３６０度分格納する正弦波、余弦波テーブル、（ｃ）は定格周波数Ｆｒｅｆの時の定格角速度ωｒｅｆと位相θと正弦波、余弦波を示す。いま、正弦波と余弦波がそれぞれＮｔｂ個のテーブル数が有るとすると、電動機の定格周波数Ｆｒｅｆの１周期の時間幅Ｔｒｅｆは１／Ｆｒｅｆで求まる。１周期のサンプル回数Ｎｓｎｐは（数１）式により演算する。この時は正弦波を発生させるための電気角３６０度を表現するテーブル数Ｎｔｂとすると、定格角速度ωｒｅｆは（数２）式を用いて演算する。
【数１】
0003747742.tif 000002
【数２】
0003747742.tif 000003
ここで、サンプリング時間Ｔｓ毎にωｒｅｆを積算すると、（数３）式から位相θが求まる。
【数３】
0003747742.tif 000004
（数２）、（数３）式の積算結果を図２の（ｂ）正弦波、余弦波テーブルのアドレスとして引くと、ｓｉｎθ、ｃｏｓθが求り、θの積算結果がテーブル数Ｎｔｂより大きくなった時、θの値を零にして積算すれば、連続的な正弦波と余弦波が得られる。ここで、正転指令のときは、ωｒｅｆを正の値として積算することでｓｉｎθ、ｃｏｓθは０から３６０度の方向に進行する。
位相回路１０は（数３）式の演算を（数４）式で行うことで実施できる。
【数４】
0003747742.tif 000005
ここで、ωｏｕｔ（ｎ）は現在の出力角速度ωｏｕｔの積算値であり、ωｏｕｔ（ｎ−１）は前回の出力角速度ωｏｕｔの積算値である。
【０００９】
次に、電動機の加速時と減速時に関して説明する。
電動機が始動加速度から上位角速度指令ωｉｎｓｔまで加速する。今、定格周波数Ｆｒｅｆまで加速する加速時間をＴａとする。制御部（図示せず）が演算するサンプル回数Ｎｓｎａは、サンプリング時間Ｔｓと加速時間Ｔａから（数５）式を用いて求める。加速角速度ωａは定格角速度ωｒｅｆとサンプル回数Ｎｓｎａから（数６）式により求める。
【数５】
0003747742.tif 000006
【数６】
0003747742.tif 000007
図１の角速度演算部７の上位角速度指令１６からωｉｎｓｔが与えられると、出力角速度１８のωｏｕｔが上位角速度指令ωｉｎｓｔに到達しない時は、加速減速部１７は出力角速度ωｏｕｔに（数６）式で得られた加速角速度ωａを加算する。すなわち、（数７）式に従い加算する。また、出力角速度ωｏｕｔが上位角速度指令ωｉｎｓｔ以上になったときは、出力角速度ωｏｕｔに（数６）式で得られた加速角速度ωａを減算する。すなわち、（数８）式に従い減算する。
【数７】
0003747742.tif 000008
【数８】
0003747742.tif 000009
また、加速減速部１７は、電動機が上位角速度指令値ωｉｎｓｔに到達したかの判定に、出力角速度ωｏｕｔが上位角速度指令値ωｉｎｓｔの±到達基準角速度ωａｒｖ内に入ったことで実施する。
また、電動機の運転中に、停止命令が発生されると、（数９）式に従い、減速角速度ωｄを出力角速度ωｏｕｔから減算して、出力角速度ωｏｕｔが停止角速度ωｓｔｏｐ以下に達すると、電動機を停止する。
【数９】
0003747742.tif 000010
【００１０】
図３は、電動機の電圧、励磁電流−周波数特性を示す。電動機電圧は、定格周波数ＦｒｅｆまでＶ／Ｆ一定制御を行い、定格周波数点Ｆｒｅｆから一定電圧を保持するように制御する。なお、図３は、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆ以下では（数１０）、（数１４）、（数１５）式と（数１６）式を用いて電動機の端子電圧Ｖｍを求めた特性であり、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令ωｒｅｆ値以上では（数１１）、（数１４）、（数１５）式と（数１６）式を用いて電動機の端子電圧Ｖｍを求めた特性である。無負荷では定格周波数点Ｆｒｅｆ以上では電動機の電圧は一定に保たれている様子が判り、全負荷になったときは（数１４）式の第２項と（数１５）式の第１項によるトルク電流フィードバックＩｑｆの補償があり、定格周波数点Ｆｒｅｆより大きいところで電圧を上げて（略一定）、負荷補償している様子が判る。
この特性において、励磁電流Ｉｄｎは、定格周波数点以下の周波数では一定励磁電流を出力し、定格周波数点Ｆｒｅｆ以上では励磁電流Ｉｄｎと出力角速度ωｏｕｔの乗算値が定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆの乗算値と等しくなるような値を出力（双曲線特性）して電動機電圧Ｖｑ，Ｖｄを演算する。
【００１１】
定格電力指令部８において、定格角速度指令１９は定格周波数に相当する定格角速度指令値ωｒｅｆを出力し、定格励磁電流指令２０は定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆを出力する。
励磁電流指令部９は、定格電力指令部８の定格角速度指令値ωｒｅｆと定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆを入力し、角速度演算部７の出力角速度ωｏｕｔを入力する。比較器２１は、出力角速度ωｏｕｔと定格角速度指令値ωｒｅｆを比較し、ωｏｕｔ＜ωｒｅｆの範囲ではスイッチ２２の接点をｂ側に選択し、励磁電流指令部９は（数１０）式に従った励磁電流Ｉｄｎを出力する。
【数１０】
Ｉｄｎ＝Ｉｄｒｅｆ
また、比較器２１は、ωｏｕｔ＞ωｒｅｆの範囲ではスイッチ２２の接点をａ側に選択し、励磁電流指令部９は（数１１）式に従った励磁電流Ｉｄｎを出力する。
【数１１】
Ｉｄｎ＝（Ｉｄｒｅｆ×ωｒｅｆ）／ωｏｕｔ
（数１１）式は、励磁電流Ｉｄｎと出力角速度ωｏｕｔの乗算が定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆの乗算と等しいことを意味し、乗算器２３は定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆを乗算する。励磁電流演算部２４は乗算結果を出力角速度ωｏｕｔで除算することで実施され、出力Ｉｄｐｒつまり励磁電流Ｉｄｎを出力する。ここで、定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆの乗算値は電動機の諸元により一定値となる。すなわち、図３において、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆつまり定格周波数点Ｆｒｅｆ以上では励磁電流Ｉｄｎは漸減する双曲線特性を呈する。
【００１２】
本実施形態では、励磁電流指令部９において、角速度演算部７の出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆより小さいときは、励磁電流Ｉｄｎは定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆを選択して電圧演算部１２に出力し、定格周波数ＦｒｅｆまでＶ／Ｆ一定制御を行い、一方、出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆより大きいときは、励磁電流Ｉｄｎは励磁電流Ｉｄｎと出力角速度ωｏｕｔの乗算値が定格励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと定格角速度指令値ωｒｅｆの乗算値と等しくなるような値を電圧指令部１２に出力し、定格周波数点Ｆｒｅｆから一定電圧制御を行うため、高速領域の省電力化を図ることができ、装置の小形、軽量化を可能とすることができる。
因みに、高速領域でＶ／Ｆ一定制御を行うと、電圧が上昇するため、大きな電力が必要になり、装置の大形、重量化は避けられない。
【００１３】
図１において、電動機５の交流電流を電流変流器６で検出し、アナログ値を瞬時電流値としてサンプルホールドし、ディジタル値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをに変換する。変換されたディジタル値の３相電流を電流３／２相変換器１１において（数１２）式により２相のα−β軸のＩα、Ｉβに変換し、（数１３）を用いて回転子座標であるｄ−ｑ軸のＩｄｆ、Ｉｑｆに変換する。ここでＩｄｆは励磁電流のフィードバック値、Ｉｑｆはトルク電流のフィードバック値と一致する。
【数１２】
0003747742.tif 000011
【数１３】
0003747742.tif 000012
【００１４】
ここで、電圧演算部１２を説明する。電動機諸元による定数回路は、１次換算抵抗値ｒ１、１次漏れインダクタンスＬσ、１次インダクタンスＬ１の電動機定数と磁束電流指令部９の励磁電流Ｉｄｎ、角速度演算部７の出力角速度ωｏｕｔ、電動機のトルク成分Ｉｑｆより、（数１４）、（数１５）式を用いてｑ軸電圧トルク成分Ｖｑとｄ軸電圧励磁成分Ｖｄを求める。また、電動機端子電圧に相当する瞬時値Ｖｍは（数１６）式により求める。
【数１４】
0003747742.tif 000013
【数１５】
0003747742.tif 000014
【数１６】
0003747742.tif 000015
すなわち、ｑ軸電圧トルク成分Ｖｑは、出力角速度ωｏｕｔと電動機１次インダクタンスＬ１と励磁電流Ｉｄｎの乗算値に電動機１次抵抗ｒ１と電動機のトルク成分Ｉｑｆであるトルク電流フィードバック値の乗算値を加算した値とし、ｄ軸電圧励磁成分Ｖｄは、電動機１次抵抗ｒ１と励磁電流Ｉｄｎの乗算値から出力角速度ωｏｕｔと漏れインダクタンスＬσと電動機のトルク成分Ｉｑｆであるトルク電流フィードバック値の乗算値を減算した値とする電動機電圧を決定する。
【００１５】
電圧２／３相変換部１３は、ＶｑとＶｄから電動機交流電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを（数１７）、（数１８）式により求める。
【数１７】
0003747742.tif 000016
【数１８】
0003747742.tif 000017
ここで、ｓｉｎθ、ｃｏｓθは図２（ｂ）のテーブルから求めた正弦波値、余弦波値を使用する。
ＰＷＭ信号形成部１４は、電圧２／３相変換部１３で得た電動機交流電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを３角波と比較してパルス幅変調してインバータ４のゲートパルスを得る。
【００１６】
図４は、本実施形態の動作を説明するＰＡＤ図である。
１１０はサンプリング時間毎に演算タイミングを決めるための計算開始フラグを待ち、計算開始命令が発生すると、１２０で上位角速度指令ωｉｎｓｔを取り込み、１３０で出力角速度ωｏｕｔ＞定格角速度指令値ωｒｅｆの条件で１３１に分岐し、（数１１）式を用いて励磁電流Ｉｄｎを決定する。また、１３０で出力角速度ωｏｕｔ＜定格角速度指令値ωｒｅｆの条件で１３２に分岐し、（数１０）式を用いて励磁電流Ｉｄｎを決定する。
１４０では加速と減速を上位指令から判断し、加速のときは１４１に分岐し、上位角速度指令ωｉｎｓｔ＞出力角速度ωｏｕｔの条件で１４２に分岐し、（数７）式を実行し、上位角速度指令ωｉｎｓｔ＜出力角速度ωｏｕｔの条件で１４３に分岐し、（数８）式を実行する。また、１４０では減速のときは１４５に分岐し、（数９）式を実行して減速し、１４６で停止角速度ωｓｔｏｐ＞出力角速度ωｏｕｔの条件で１４７に分岐して減速中として運転を続行する。１４６で停止角速度ωｓｔｏｐ＜出力角速度ωｏｕｔの条件で１４８に分岐してゲートサプレスして電動機の停止動作を実施する。
以上、判断分岐により角速度の決定、励磁電流の決定を実施した後、１５０で位相の計算の実施、１６０で電流３／２相変換の実施、１７０で電圧演算部の実施、１８０で電圧２／３相変換の実施、１９０でＰＷＭ信号の形成の実施を行い、最後に計算フラグをクリアして１１０で計算フラグ待ちを行う。
【００１７】
本発明の実施形態として、励磁電流指令部９において角速度演算部７の出力角速度ωｏｕｔが定格角速度指令値ωｒｅｆより小さいか大きいかにより、定格周波数ＦｒｅｆまではＶ／Ｆ一定制御を行い、定格周波数点Ｆｒｅｆから一定電圧制御を行うようにしたが、この定格角速度指令値ωｒｅｆ（図３）を電動機の諸元からより低い任意の定格周波数点（図３の定格周波数Ｆｒｅｆ以下）に設定しても、本発明を適用できることは云うまでもない。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電動機の諸元に基づいて定格角速度指令値と定格励磁電流指令値を決定し、出力角速度が定格角速度指令値より小さいときは、励磁電流は定格励磁電流指令値を選択して定格周波数までＶ／Ｆ一定制御を行い、一方、出力角速度が定格角速度指令値より大きいときは、励磁電流は励磁電流と出力角速度の乗算値が定格励磁電流指令値と定格角速度指令値の乗算値と等しくなるような値を選択して定格周波数点から一定電圧制御を行うため、高速領域における電動機の省電力化を図ることができ、電動機および制御器を含む装置の小形、軽量化を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による導電動機の定電力運転制御方法を示す図
【図２】本発明の定格角速度と正弦波発生原理の説明図
【図３】本発明の電動機の電圧、励磁電流−周波数特性図
【図４】本発明の動作を説明したＰＡＤ図
【符号の説明】
１…交流電源、２…順変換器、３…平滑コンデンサ、４…逆変換器、５…誘導電動機、６…電流変流器、７…角速度演算部、８…定格電力指令部、９…励磁電流指令部、１０…位相回路部、１１…電流３／２相変換部、１２…電圧演算部、１３…電圧２/３相変換部、１４…ＰＷＭ信号形成部、１５…到達基準角速度、１６…上位速度指令、１７…加速減速部、１８…出力角速度、１９…定格角速度指令、２０…定格励磁電流指令、２１…比較器、２２…スイッチ、２３…乗算器、２４…励磁電流演算部
【図１】
0003747742.tif 000018
【図２】
0003747742.tif 000019
【図３】
0003747742.tif 000020
【図４】
0003747742.tif 000021