JP2004201357A

JP2004201357A - 誘導電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2004201357A
Application number: JP2002363240A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yamamoto; 勉山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】電力変換器のベクトル制御により誘導電動機を速度制御する誘導電動機の制御装置において、誘導電動機制御に要する処理時間が増加することなく電力変換器の出力電圧が飽和するのを防止する。
【解決手段】ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、電圧比率演算器１７にてインバータ１５の最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸと誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅとの比率に応じて決定される電圧比率定数Ｋを演算し、磁束指令値Φ^＊を生成する磁束指令変換器３における弱め励磁制御範囲を拡大して設定しておき、実際のベクトル制御の際に、誘導電動機８の速度が定格速度付近以上のとき磁束指令値Φ^＊を低減させてインバータ１５の出力電圧が飽和することを防止する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ベクトル制御により誘導電動機を制御する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】
従来、誘導電動機の速度を制御する技術として、誘導電動機に電力変換器から供給される１次電流を励磁電流とトルク電流とでそれぞれ独立に制御するベクトル制御が実用化されている。このようなベクトル制御による誘導電動機制御では、電力変換器の出力電圧が飽和する領域では、正確な速度制御が行えないため、以下のように、電力変換器の出力電圧が飽和するのを防止していた。制御装置で得られた出力電圧指令値と、電力変換器で検出する直流電圧検出値とを監視して、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設けていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４５４００号公報（第１−第４頁、第１−第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のベクトル制御による誘導電動機制御では、上記のように、電力変換器の出力電圧が飽和することを防止しているため、ベクトル制御による誘導電動機制御中にオンラインでリアルタイムに監視、および出力電圧飽和の回避処理を行っており、誘導電動機制御に要する制御処理時間が増加するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、ベクトル制御による誘導電動機制御に要する制御処理時間が増加することなく、電力変換器の出力電圧が飽和することを防止して、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得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る誘導電動機の制御装置は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給する電力変換器と、上記誘導電動機に供給される電流を検出する検出器と、該検出器による３相の電流を励磁電流およびトルク電流に変換する座標変換器と、上記誘導電動機の速度を速度指令値に一致させるようにトルク電流指令を出力する速度制御部と、上記誘導電動機速度から磁束指令値を出力する磁束指令変換器と、上記励磁電流から変換された磁束帰還値が上記磁束指令値に一致するように励磁電流指令を出力する磁束制御部と、上記励磁電流およびトルク電流を上記励磁電流指令およびトルク電流指令にそれぞれ一致させるように上記誘導電動機の３相電圧を制御する電圧指令を出力する電流制御部とを備える。そして、上記磁束指令変換器での弱め励磁制御開始速度を上記誘導電動機の定格速度よりも予め低く設定して、弱め励磁制御範囲を拡大し、上記電流制御部からの上記電圧指令に基づいて上記電力変換器から上記誘導電動機へ電圧を出力するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１による誘導電動機の制御装置の構成図である。
図に示すように、３相交流電源１２からの交流を整流用ダイオードブリッジなどの整流回路１３により直流に変換し、直流電源としての平滑コンデンサ１４を用いて平滑する。複数の半導体スイッチで構成されたＰＷＭ制御方式の電力変換器としてのインバータ１５では、平滑コンデンサ１４からの直流電力を交流に変換して誘導電動機（ＩＭ）８に供給する。また、この制御装置は、ｑ軸電流（トルク電流）指令値Ｉq^＊を出力する速度制御部としての速度コントローラ（ＳＣ）１と、トルク電流制御部としてのｑ軸電流コントローラ（ＣＣＱ）２と、磁束指令値Φ^＊を出力する磁束指令変換器３と、ｄ軸電流（励磁電流）指令値Ｉd^＊を出力する磁束制御部としての磁束コントローラ（ＦＣ）４と、励磁電流制御部としてのｄ軸電流コントローラ（ＣＣＤ）５と、各電流コントローラ２、５の出力に加算される非干渉項６と、ｄ、ｑ軸電圧指令値から３相電圧指令値を得るための座標変換器７とを備える。さらに、誘導電動機８の速度を検出する速度検出器（ＰＬＧ）９と、インバータ１５から誘導電動機８に出力される３相電流を検出する電流検出器１６ａと、検出された３相電流をｄ、ｑ軸電流に変換するための座標変換器１０と、座標変換器１０からのｄ軸電流を磁束帰還値に変換する変換器１１と、平滑コンデンサ１４の直流電圧を検出する直流電圧検出センサ１６と、磁束指令変換器３での磁束指令値Φ^＊の決定に用いる電圧比率定数Ｋを演算する電圧比率演算器１７とを備える。
【０００８】
次に、動作について詳細に説明する。
３相交流電源１２からの交流を整流回路１３により直流に変換し、平滑コンデンサ１４を用いて平滑する。この平滑コンデンサ１４の直流電圧をＰＷＭ制御方式のインバータ１５で交流に変換して誘導電動機８に供給する。インバータ１５から誘導電動機８に出力される３相電流Ｉu⁻、Ｉv⁻、Ｉw⁻は電流検出器１６ａで検出され、座標変換器１０は、検出された３相電流Ｉu⁻、Ｉv⁻、Ｉw⁻をｄ、ｑ軸電流に変換し、ｄ軸電流帰還値Ｉd⁻、ｑ軸電流帰還値Ｉq⁻を出力する。一方、誘導電動機８の速度は速度検出器９で検出され、速度コントローラ１は、速度検出器９で検出された速度帰還値ｆ⁻と外部から入力される速度指令値ｆ^＊との偏差を入力として、速度帰還値ｆ⁻が速度指令値ｆ^＊に一致するようにｑ軸電流指令値Ｉq^＊を出力する。ｑ軸電流コントローラ２は、速度コントローラ１からのｑ軸電流指令値Ｉq^＊と座標変換器１０からのｑ軸電流帰還値Ｉq⁻との偏差を入力とし、ｑ軸電流指令値Ｉq^＊とｑ軸電流帰還値Ｉq⁻とが一致するように制御を行い、ｑ軸電流コントローラ２の出力は非干渉項６を加えることで補正されてｑ軸電圧指令値Ｖq^＊が生成される。
【０００９】
速度検出器９からの速度帰還値ｆ⁻は磁束指令変換器３にも入力され、磁束指令変換器３では、電圧比率演算器１７から予め電圧比率定数Ｋが入力されて弱め励磁制御範囲が設定されており、速度検出器９からの速度帰還値ｆ⁻を磁束指令値Φ^＊に変換する。電圧比率演算器１７は、直流電圧センサ１６にて検出された平滑コンデンサ１４の直流電圧を入力として、該直流電圧と誘導電動機８の定格電圧とに基づいて電圧比率定数Ｋを出力するものであるが、この電圧比率定数Ｋ、およびこれを用いた磁束指令変換器３での磁束指令値Φ^＊の生成についての詳細は後述する。
【００１０】
座標変換器１０からのｄ軸電流帰還値Ｉd⁻は変換器１１にて磁束帰還値Φ⁻に変換され、磁束コントローラ４は、変換器１１からの磁束帰還値Φ⁻と磁束指令変換器３からの磁束指令値Φ^＊との偏差を入力として、磁束帰還値Φ⁻が磁束指令値Φ^＊に一致するようにｄ軸電流指令値Ｉd^＊を出力する。ｄ軸電流コントローラ５は、磁束コントローラ４からのｄ軸電流指令値Ｉd^＊と座標変換器１０からのｄ軸電流帰還値Ｉd⁻との偏差を入力とし、ｄ軸電流指令値Ｉd^＊とｄ軸電流帰還値Ｉd⁻とが一致するように制御を行い、ｄ軸電流コントローラ５の出力は非干渉項６を加えることで補正されてｄ軸電圧指令値Ｖd^＊が生成される。座標変換器７は、ｑ軸電圧指令値Ｖq^＊とｄ軸電圧指令値Ｖd^＊とからインバータ１５をＰＷＭ制御により駆動するための３相電圧指令値Ｖu、Ｖv、Ｖwを出力する。
【００１１】
このように、誘導電動機８にインバータ１５から供給される１次電流を励磁電流（ｄ軸電流）とトルク電流（ｑ軸電流）とでそれぞれ独立に制御して誘導電動機８を速度制御するが、このようなベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、電圧比率演算器１７は電圧比率定数Ｋを演算し、磁束指令変換器３は電圧比率演算器１７からの電圧比率定数Ｋおよび誘導電動機８の定格速度に基づいて弱め励磁制御範囲を設定する。電圧比率演算器１７での電圧比率定数Ｋの演算および磁束指令変換器３での弱め励磁制御範囲の設定は、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って通常行われる、ベクトル制御に必要な誘導電動機８の回路定数を自動計測するためのオフラインオートチューニングの際に行うと良い。
【００１２】
電圧比率演算器１７および磁束指令変換器３の動作の詳細について以下に説明する。
直流電圧センサ１６は、平滑コンデンサ１４の直流電圧Ｖ_ＤＣを検出して電圧比率演算器１７に入力する。
一般に、制御装置の出力電圧最大値Ｖ_ＭＡＸ（実効値）は、平滑コンデンサ１４の直流電圧Ｖ_ＤＣを用いて次式で表される。
【００１３】
【数１】

【００１４】
ベクトル制御では誘導電動機８の速度が定格速度付近以上となると、誘導電動機８の定格電圧以上の電圧を要求するため、出力電圧飽和を回避するためには、誘導電動機８の定格電圧は制御装置（インバータ）の出力電圧最大値Ｖ_ＭＡＸよりも小さい値が望ましい。このため、定数Ｋ_Ｖ（＜１）を用いて、誘導電動機８の望ましい定格電圧（以下、適正定格電圧と称す）をＶ_ＭＡＸ・Ｋ_Ｖと設定し、この適正定格電圧と既知の誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅとの比である電圧比率定数Ｋを次式のように演算する。なお、Ｋ_Ｖは０．８程度の定数とする。また、直流電圧Ｖ_ＤＣが十分大きくて電圧比率定数Ｋが１以上となるときは、Ｋ＝１にクランプする。
【００１５】
【数２】

【００１６】
電圧比率演算器１７では、平滑コンデンサ１４の直流電圧Ｖ_ＤＣを入力として、上記（１）式によりインバータ１５の最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸを演算し、さらに上記（２）式により、既知の誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅと定数Ｋ_Ｖとにより電圧比率定数Ｋを演算して出力する。この電圧比率定数Ｋは、Ｋ_Ｖが定数であるため、最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸと誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅとの比率に応じて決定される１以下の値である。
速度帰還値ｆ⁻を磁束指令値Φ^＊に変換して出力する磁束指令変換器３は、通常、誘導電動機８の定格速度以上の範囲において磁束指令を速度に反比例して弱める弱め励磁制御を行う（図５参照）ものであるが、電圧比率演算器１７からの電圧比率定数Ｋを定格速度に乗じた値を弱め励磁制御開始速度として設定し、図２に示すように弱め励磁制御範囲を通常より拡大して設定する。
【００１７】
このようにベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、磁束指令変換器３における弱め励磁制御範囲の拡大設定をしておくことで、実際のベクトル制御の際に、誘導電動機８の速度が定格速度付近以上のとき磁束指令変換器３から出力される磁束指令値Φ^＊が低減される。
【００１８】
ところで、ベクトル制御における電圧方程式は次式で表される。
【数３】

【００１９】
制御装置の出力周波数が高くなると、上記（３）式の電圧方程式では磁束Φに係る項が支配的となる。このため磁束指令値Φ^＊を低減することで、３相電圧指令値Ｖu、Ｖv、Ｖwを低減でき、インバータ１５の出力電圧飽和を効果的に防止できることがわかる。
【００２０】
この実施の形態では、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、電圧比率演算器１７にて電圧比率定数Ｋを演算し、磁束指令変換器３における弱め励磁制御範囲を拡大して設定しておくため、実際のベクトル制御の際に、誘導電動機８の速度が定格速度付近以上のとき磁束指令値Φ^＊が低減でき、インバータ１５の出力電圧が飽和することが防止できる。また、ベクトル制御における誘導電動機８の制御運転時には、出力電圧の飽和回避のための監視、制御などの処理が全く不要であり誘導電動機制御に要する制御処理時間が増加することなく、信頼性の高い制御が行える。さらに、電圧比率演算器１７での電圧比率定数Ｋの演算および磁束指令変換器３での弱め励磁制御範囲の設定は、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って通常行われる、ベクトル制御に必要な誘導電動機８の回路定数を自動計測するためのオフラインオートチューニングの際に行うことで、特別な時間を要することなく容易に行うことができる。
【００２１】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。
図３および図４は、この発明の実施の形態２にによる誘導電動機の制御装置の構成および動作を説明する図である。
上記実施の形態１では、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、磁束指令変換器３における弱め励磁制御範囲を拡大して設定したが、この実施の形態２では、図３に示すように、誘導電動機８のＶ／ｆ一定制御運転を行ってｄ軸電流（励磁電流）を測定し、その後、図４に示すように、測定されたｄ軸電流を誘導電動機８の定格励磁電流と読み替えてベクトル制御による誘導電動機８の制御運転を行う。
ベクトル制御による制御運転では、図４に示すように、磁束指令変換器３ａは、速度検出器９からの速度帰還値ｆ⁻を磁束指令値Φ^＊に変換するが、ここでは、図５に示すように、誘導電動機８の定格速度以上の範囲において磁束指令を速度に反比例して弱める弱め励磁制御を行う。また、磁束制御部としての磁束コントローラ４ａは、変換器１１からの磁束帰還値Φ⁻と磁束指令変換器３ａからの磁束指令値Φ^＊との偏差を入力として、磁束帰還値Φ⁻が磁束指令値Φ^＊に一致するようにｄ軸電流指令値Ｉd^＊を出力するが、ｄ軸電流指令値Ｉd^＊は、誘導電動機８の定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅに基づいて、定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅに対する比率等を用いて出力される。この他のベクトル制御については、上記実施の形態１と同様である。
【００２２】
ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って行う処理について、図３に基づいて以下に説明する。
電圧比率演算器１７では、上記実施の形態１と同様の処理を行い、即ち、平滑コンデンサ１４の直流電圧Ｖ_ＤＣを入力として、上記（１）式によりインバータ１５の最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸを演算し、さらに上記（２）式により、既知の誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅと定数Ｋ_Ｖとにより電圧比率定数Ｋを演算して出力する。この電圧比率定数Ｋは、Ｋ_Ｖが定数であるため、最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸと誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅとの比率に応じて決定される１以下の値である。
Ｖ／ｆ制御回路１８では、電圧比率演算器１７からの電圧比率定数Ｋを誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅに乗じて誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅよりも低い低減定格電圧２０を設定し、この低減定格電圧２０と誘導電動機８の定格速度（周波数）とによってＶ（電圧）／ｆ（周波数）パターン１９を生成し、誘導電動機８に３相電圧指令値Ｖu、Ｖv、Ｖwを出力する。これにより誘導電動機８はＶ／ｆ一定制御運転を行い、この運転時のインバータ１５の出力電流からｄ軸電流を測定する。
この測定されたｄ軸電流の値を誘導電動機８の定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅと読み替えて、その後のベクトル制御による誘導電動機８の制御運転時に、磁束コントローラ４ａにてｄ軸電流指令値Ｉd^＊を出力する際に用いる。
なお、図３において誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅと誘導電動機８の定格速度とによる通常のＶ／ｆパターン１９ａを、Ｖ／ｆパターン１９との比較で示した。
【００２３】
この実施の形態では、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って、電圧比率演算器１７にて電圧比率定数Ｋを演算し、誘導電動機定格電圧Ｖ_ｒａｔｅよりも低く設定した低減定格電圧２０と誘導電動機８の定格速度とによって得られるＶ／ｆパターン１９により誘導電動機８はのＶ／ｆ一定制御運転を行い、この運転時に測定されるｄ軸電流を定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅと読み替えるようにした。このため、実際のベクトル制御の際に、誘導電動機８の運転速度全域に渡って磁束指令値Φ^＊が低減でき、インバータ１５の出力電圧が飽和することが防止できる。
また、上記実施の形態１と同様に、ベクトル制御における誘導電動機８の制御運転時には、出力電圧の飽和回避のための監視、制御などの処理が全く不要であり誘導電動機制御に要する制御処理時間が増加することなく、信頼性の高い制御が行える。さらに、電圧比率演算器１７での電圧比率定数Ｋの演算およびＶ／ｆ一定制御運転を行って定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅに読み替えるためのｄ軸電流の測定は、ベクトル制御による誘導電動機８の制御運転に先立って通常行われるオフラインオートチューニングの際に行うことで、特別な時間を要することなく容易に行うことができる。
【００２４】
なお、定格励磁電流Ｉd_ｒａｔｅを用いて算出する定格トルク電流Ｉq_ｒａｔｅは、次式のように、電圧比率定数Ｋを用いて算出した値を用いる。
【００２５】
【数４】

【００２６】
これにより、誘導電動機８の運転速度全域に渡って磁束指令値Φ^＊が低減しても、定格トルク電流Ｉq_ｒａｔｅとして用いる値を増加できるため、磁束とｑ軸電流（トルク電流）との積で表される出力トルクの低減が防止できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る誘導電動機の制御装置は、誘導電動機速度から磁束指令値を出力する磁束指令変換器での弱め励磁制御開始速度を上記誘導電動機の定格速度よりも予め低く設定して、弱め励磁制御範囲を拡大し、電流制御部からの電圧指令に基づいて電力変換器から上記誘導電動機へ電圧を出力するため、誘導電動機の制御運転時に制御処理時間が増加することなく、電力変換器の出力電圧が飽和することが防止でき信頼性の高い制御が行える。
【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の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による磁束指令変換器の動作を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態２による誘導電動機の制御装置の構成および動作を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態２による誘導電動機の制御装置の構成および動作を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２による磁束指令変換器の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１速度制御部としての速度コントローラ、
２トルク電流制御部としてのｑ軸電流コントローラ（ＣＣＱ）、
３磁束指令変換器、
４，４ａ磁束制御部としての磁束コントローラ（ＦＣ）、
５励磁電流制御部としてのｄ軸電流コントローラ（ＣＣＤ）、
８誘導電動機（ＩＭ）、９速度検出器（ＰＬＧ）、１０座標変換器、
１４直流電源としての平滑コンデンサ、
１５電力変換器としてのインバータ、１６直流電圧センサ、
１６ａ電流検出器、１７電圧比率演算器、１８Ｖ／ｆ制御回路、
１９Ｖ／ｆパターン、２０低減定格電圧。

Claims

直流電源からの直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給する電力変換器と、上記誘導電動機に供給される電流を検出する検出器と、該検出器による３相の電流を励磁電流およびトルク電流に変換する座標変換器と、上記誘導電動機の速度を速度指令値に一致させるようにトルク電流指令を出力する速度制御部と、上記誘導電動機速度から磁束指令値を出力する磁束指令変換器と、上記励磁電流から変換された磁束帰還値が上記磁束指令値に一致するように励磁電流指令を出力する磁束制御部と、上記励磁電流およびトルク電流を上記励磁電流指令およびトルク電流指令にそれぞれ一致させるように上記誘導電動機の３相電圧を制御する電圧指令を出力する電流制御部とを備えて、該電流制御部からの上記電圧指令に基づいて上記電力変換器から上記誘導電動機へ電圧を出力する誘導電動機の制御装置において、上記磁束指令変換器での弱め励磁制御開始速度を上記誘導電動機の定格速度よりも予め低く設定して、弱め励磁制御範囲を拡大することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
上記直流電源の直流電圧から演算される上記電力変換器の最大出力電圧と上記誘導電動機の定格電圧との比率に応じて、上記磁束指令変換器での弱め励磁制御開始速度を上記誘導電動機の定格速度よりも予め所定の割合で低く設定することを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
直流電源からの直流電力を交流電力に変換して誘導電動機に供給する電力変換器と、上記誘導電動機に供給される電流を検出する検出器と、該検出器による３相の電流を励磁電流およびトルク電流に変換する座標変換器と、上記誘導電動機の速度を速度指令値に一致させるようにトルク電流指令を出力する速度制御部と、上記励磁電流から変換された磁束帰還値が上記誘導電動機速度から変換された磁束指令値に一致するように、上記誘導電動機の定格励磁電流に基づいて励磁電流指令を出力する磁束制御部と、上記励磁電流およびトルク電流を上記励磁電流指令およびトルク電流指令にそれぞれ一致させるように上記誘導電動機の３相電圧を制御する電圧指令を出力する電流制御部とを備え、該電流制御部からの上記電圧指令に基づいて、上記電力変換器から上記誘導電動機へ電圧を出力する誘導電動機の制御装置において、上記誘導電動機の定格電圧より低い所定電圧に設定した低減定格電圧と上記誘導電動機の定格周波数とによって得られるＶ（電圧）／ｆ（周波数）パターンにより、上記誘導電動機の制御運転に先立って該誘導電動機のＶ／ｆ一定制御運転を行って該運転時の励磁電流を測定し、測定された該励磁電流を上記誘導電動機の定格励磁電流と読み替えて上記磁束制御部での上記励磁電流指令出力に用いることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
上記直流電源の直流電圧から演算される上記電力変換器の最大出力電圧と上記誘導電動機の定格電圧との比率に応じて、上記低減定格電圧を上記誘導電動機定格電圧よりも所定の割合で低く設定する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。