JP2644222B2 - 誘導電動機のトルク制御方法 - Google Patents

誘導電動機のトルク制御方法

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JP2644222B2 JP62053040A JP5304087A JP2644222B2 JP 2644222 B2 JP2644222 B2 JP 2644222B2 JP 62053040 A JP62053040 A JP 62053040A JP 5304087 A JP5304087 A JP 5304087A JP 2644222 B2 JP2644222 B2 JP 2644222B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は誘導電動機のトルク制御方法に係わり、特に
圧延機のように過負荷運転が行われる誘導電動機を制御
するに好適なトルク制御方法に関する。
〔従来の技術〕
圧延機駆動用電動機としては、サイリスタレオナード
駆動の直流電動機が用いられてきたが、保守性,耐環境
性の面で問題があり、交流可変速駆動の適用が推進され
ている。そして最近、ベクトル制御サイクロコンバータ
により大容量誘導電動機を駆動するシステムが実用化さ
れている。このシステムにおいては、誘導電動機の過負
荷運転時の運転方法として、特開昭55−46893号に記載
のように、固定子電流が所定の値をこえないように電流
指令値を制限するという方法がとられていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
誘導電動機の定常過負荷運転時においては、サイクロ
コンバータの出力電圧が飽和した場合に電動機電流が正
弦波でなくなりトルクリプルが発生する恐れがあるが、
上記の従来方法ではこれに対する考慮がなされていなか
つた。
本発明の目的は、誘導電動機の定常過負荷運転時にト
ルクリプルが発生しないようにした誘導電動機のトルク
制御方法を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的は、電圧と周波数を制御するためのサイク
ロコンバータの出力電圧設定値と、誘導電動機の励磁電
流と、一次周波数指令とから最大許容トルク電流を算出
し、過負荷運転時の電流指令がその値以上となつたとき
これを制限することにより達成され、また誘導電動機の
励磁電流及びトルク電流指令と誘導電動機の一次周波数
指令とから誘導電動機の端子電圧を算出し、その値が所
定値以上となつたときトルク電流指令を制限することに
より達成される。
〔作用〕
定常過負荷運転によつて誘導電動機の電圧がサイクロ
コンバータの出力電圧以上に上昇すると、サイクロコン
バータの出力電圧が飽和し、電動機に正弦波状の電圧が
供給できなくなるためにトルクリプルが発生する。これ
を防ぐには前述のようにして定常過負荷時の最大許容ト
ルク電流を演算で求め、過負荷時の電流指令値が最大許
容値を越えないように制限するので、電動機電圧が制限
されてトルクリプルの発生を防止できる。あるいは誘導
電動機の端子電圧を算出してその値が所定値以下となる
ように制限するから、トルクリプルの発生が防止でき
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第1図により説明する。交流
電源1からの交流電力は周波数変換器(サイクロコンバ
ータ)2で周波数及び電圧が変換されてかご形誘導電動
機3へ供給される。速度発電機4は誘導電動機3の回転
速度を検出し、これを誘導電動機3の回転速度を指令す
る速度指令回路5の出力は速度制御回路6へ入力され、
前記両入力の偏差に応じた値が誘導電動機3のトルク電
流成分指令信号Iq0として出力される。リミツタ回路7
は、トルク電流指令Iq0を制限するもので、通常、その
リミツト値はサイリスタの許容電流値から定まる値に設
定されるが、本発明では、後述する電動機電流演算回路
9の出力信号によりさらにそのリミツト値を下げて電流
を制限する。ように動作する。電流成分検出回路18は電
流検出器15で検出された一次電流のトルク電流成分及び
励磁電流成分を検出し、この励磁電流成分は励磁電流指
令値10からの励磁電流指令Id0とともに電流制御回路20
へ入力され、その差に対応した出力が電流パターン回路
14へ送られる。また電流成分検出回路18で検出さえたト
ルク電流成分は、速度制御回路からのトルク電流指令I
q0とともに電流制御回路19へ入力され、その差に対応し
た出力がやはり電流パターン回路14へ印加される。すべ
り周波数演算回路11で算出されたすべり周波数と速度発
電機4の出力は加算器12で加算されて、誘導電動機3の
一次周波数指令ω10となり、発振器13はこの指令ω10
比例した周波数の正弦波信号を出力する。この出力信号
は誘導電動機3の2次鎖交磁束の位置(位相)信号とな
る。電流パターン回路14は、発振器13の信号を基準と
し、第2及び第3の電流制御回路19及び20からの信号に
応じて誘導電動機3の一次電流(正弦波)の瞬時値を指
令する。電流制御回路16は、電流パターン回路14から与
えられた電流指令と電流検出値15の偏差に応じた信号を
出力しゲート制御回路17を介してサイクロコンバータ2
のサイリスタゲートを制御する。なお、電流パターン回
路14、制御回路16は三相交流対応に設けられている。本
発明の特徴とする電動機電流演算回路9は、励磁電流指
令回路10の出力信号Id0と加算器12からの一次周波数指
令信号ω10とサイクロコンバータ2の最大出力電圧を設
定する設定回路8の出力信号vS0とから、電動機の最大
許容トルク電流を演算し、過負荷運転時のトルク電流指
令値が上述許容値以上になつた場合にはリミツタ回路7
がその指令値を制限し、この動作によつて電動機3の定
常電圧がサイクロコンバータ2の許容最大出力電圧をこ
えないようにし、トルクリプルの発生を防止する。
この実施例の基本動作は、ベクトル制御と呼ばれる誘
導電動機3の制御方式を用いており、電動機3の一次電
流を励磁電流分とトルク電流成分に分離し非干渉化し
て、各々を独立に制御することにより電動機3のトルク
を制御するもので、速度応答性能を直流機と同等あるい
はそれ以上にすることができる。
次に、本発明の内容について述べる。電動機電流演算
回路9における最大許容トルク電流Iqmの算出方法を述
べる。誘導電動機をベクトル制御した場合に、誘導電動
機の諸量を固定子座標系(α−β)から回転座標系(d
−q)に変換すると、d,q軸での電圧方程式及び磁束鎖
交数式は次の式(1)及び(2)で表される。
また、ベキトル制御の条件φ2q=0が満足されると、
d軸一次電圧V1d,q軸一次電圧V1qは次式となる。
V1d=Lsαpi1d+(M/Lr)pφ2q+r1i1d−ω1Lsαi1q …(3) V1q=Lsαpi1q+r1i1q−ω1Lsαi1d+ω1(M/Lr)φ2d …(4) 但し pφ2d=M/Lr)r2i1d−(r2/Lr)φ2d α=1−M2/(LsLr) である。(3)(4)式がベクトル制御を行つている場
合の誘導電動機の電圧方程式である。(3)(4)式を
用いて電動機の端子電圧を計算できるが、定常時におい
ては(3)(4)式において演算子pを含む過渡項が0
となるために、V1d,V1qとなる。このとき誘導電動機の端子電圧V1は次式に式
(5)の値を代入して求められる: 但し、r1は一次抵抗,Lsαは漏れインダクタンス、Lr
二次インダクタンス、Mは相互インダクタンス、φ2d
d軸成分二次鎖交磁束,ω1は一次角周波数,i1dはd軸
成分一次電流(励磁電流),i1qはq軸成分一次電流
(トルク電流)である。したがつて、各定数(電動機定
数,励磁電流,トルク電流並びに運転周波数)が与えら
れると電動機の端子電圧を算出することができる。
ところで、誘導電動機3に必要な端子電圧はサイクロ
コンバータ2から供給される。サイクロコンバータの最
大出力電圧Vsmはサイクロコンバータの入力電圧及び電
源トランスなどから決定される。したがつて、Vsmを与
えた場合、(7)式は次のように書き表わされる。
但しV1d,V1qは式(5)の値である。式(7)よりVsm
を与えた場合の最大許容トルク電流Iqomを求められる。
すなわち、式(5),(7)よりi1qについての二次方
程式は次のようになる: (r1 2+ω1 2Lsα2)i1q 2+2r1ω1(M/Lr)φ2di1q+ω1
2(M/Lr)φ2d{Lsαi1d+2(M/Lr)φ2d}+r1 2i1d 2
−Vsm 2=0 …(8) この時よりVsmを与えたときのIqomとなる。但し A=r1 2+ω1 2Lsα2 B=r1ω1(M/Lr)φ2d C=ω1 2(M/Lr)φ2d{Lsαi1d+(M/Lr)φ2d}+r1 2
i1d 2−Vsm 2 である。
したがつて、電動機電流演算回路9では(9)式をも
とにして各指令信号(サイクロコンバータの出力電圧設
定値Vsoトルク電流指令Iq0並びに一次角周波数指令
ω10)から最大許容トルク電流指令Iq0mを演算する。第
2図に、一次角周波数ω10と最大許容トルク電流指令I
q0mの関係を示す。最大許容トルク電流Iq0mは一次角周
波数指令ω10の増加にともない減少し、また励磁電流指
令Idoの大小により特性が変わる傾向となる。このた
め、過負荷運転時のトルク電流指令Iqoが最大許容トル
ク電流指令Iq0m以上となつた場合にリミツタ回路7の電
流リミツタ値を切換えてトルク電流指令Iq0を制限す
る。これにより、トルク電流i1qはトルク電流指令Iqo
応じて制御されるので、電動機電圧は過負荷運転におい
てもサイクロコンバータの出力電圧を越えない。このた
め、電動機電圧は常に正弦波に制御され、しかもサイク
ロコンバータの出力電圧飽和によるトリプルの発生を防
止できる。また、トルク電流の過電流制限値と上述の最
大許容値から定まる制限値のより低い側の制限値により
電流を制限させるようにしても同様の効果がある。な
お、前述では最大許容トルク電流Iq0mを各指令信号から
演算して求めたが、(9)式より一次各周波数と最大許
容トルク電流の関係をROMにテーブル化して使用しても
同様の効果が得られる。
第3図は本発明の他の実施例である。第1図と同一物
には同じ番号を付しているので説明を省略する。第1図
と異なる点は電動機電圧演算回路21である。これは電動
機3の電流(トルク電流成分iq及び励磁電流成分id)及
び周波数の指令信号より電動機電圧V1を演算し、その値
が所定値(サイクロコンバータの出力電圧最大値Vsm
以上となつた場合において出力信号を発生するものであ
る。過負荷運転により電動機3のトルク電流が増加する
とそれに伴つて電動機3の定常電圧が上昇する。そのと
き、電動機演算回路21では電動機電圧V1が前述の(6)
式によつて演算され、その値がサイクロコンバータの出
力電圧最大値Vsm以上になつた場合にリミツタ回路7を
動作させ、トルク電流指令Iqoを制限する。そのため、
電動機3のトルク電流が減少し同時に電動機電圧V1が低
下するので、前述とほぼ同様の効果が得られる。
第4図は本発明のもう1つの実施例である。第1図と
同一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。
第1図と異なる点は周波数変換器として直流を交流に変
換するPWMインバータ30を用い、その制御に三角波状の
搬送波を出力する三角波発生回路31,第1の電流制御回
路16の出力信号と三角波発生回路31の出力信号とを比較
してインバータ30の素子をオン,オフするためのPWM信
号を発生する比較器32が設けられている。またVsoはこ
の場合はインバータ30の入力電圧設定回路33による設定
値である。この構成でインバータ30はベクトル制御さ
れ、誘導電動機の優れた速度応答性能が得られる。そし
てインバータ30により電動機3を過負荷運転した場合の
トルクリプルの発生も、第1図の場合と同様に防止でき
る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、過負荷運転時に誘導電動機のトルク
電流指令が最大許容値以上となる場合、あるいは誘導電
動機の端子電圧が周波数変換器(サイクロコンバータ)
の許容出力電圧以上となる場合に、トルク電流を制限す
るから、サイクロコンバータの出力電圧を最大限に設定
でき、サイクロコンバータの力率を高め、変換器容量を
低減し、かつトルクリプルの発生を未然に防止できると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロツク図、第2図は
一次周波数に対する最大許容トルク電流特性を示す図、
第3図及び第4図は各々本発明の他の実施例である。 2…サイクロコンバータ、3…かご形誘導電動機、4…
速度発電機、5…速度指令回路、6…速度制御回路、7
…リミツタ回路、8…サイクロコンバータの出力電圧設
定回路、9…電動機電流演算回路、10…励磁電流指令回
路、12…加算器、13…発振器、14…電流パターン回路、
18…電流成分検出回路、19…第2の電流制御回路、20…
第3の電流制御回路、21…電動機電圧演算回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 潤一 日立市大みか町5丁目2番1号 株式会 社日立製作所大みか工場内 (56)参考文献 特開 昭60−200791(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】誘導電動機の回転速度の検出値とその指令
    値とからトルク電流指令を算出し、励磁電流設定手段に
    より励磁電流指令を設定し、さらに上記トルク電流指令
    から算出したすべり周波数と上記回転速度の検出値とか
    ら誘導電動機の一次周波数指令を算出し、誘導電動機を
    駆動する周波数変換手段を制御することによって誘導電
    動機の一次電流が上記トルク電流指令及び上記励磁電流
    指令の合成値となりかつその周波数が上記一次周波数指
    令となるように制御する誘導電動機のトルク制御方法に
    おいて、上記トルク電流指令を制限するリミッタ回路
    と、上記トルク電流指令の制限値を演算する演算制御回
    路とを設けるとともに、上記演算制御回路により、上記
    一次周波数指令と上記励磁電流指令と上記周波数変換手
    段の出力電圧設定値とから誘導電動機の端子電圧が上記
    周波数変換手段の最大許容出力電圧をこえないようにす
    るための最大許容トルク電流を算出し、さらに上記トル
    ク電流指令値が上記最大許容トルク電流をこえないよう
    に上記リミッタ回路を作動させることを特徴とする誘導
    電動機のトルク制御方法。
  2. 【請求項2】誘導電動機の回転速度の検出値とその指令
    値とからトルク電流指令を算出し、励磁電流設定手段に
    より励磁電流指令を設定し、さらに上記トルク電流指令
    から算出したすべり周波数と上記回転速度の検出値とか
    ら誘導電動機の一次周波数指令を算出し、誘導電動機を
    駆動する周波数変換手段を制御することによって誘導電
    動機の一次電流が上記トルク電流指令及び上記励磁電流
    指令の合成値となりかつその周波数が上記一次周波数指
    令となるように制御する誘導電動機のトルク制御方法に
    おいて、上記トルク電流指令を制限するリミッタ回路
    と、上記トルク電流指令の制限値を演算する演算制御回
    路とを設けるとともに、上記演算制御回路により、上記
    一次周波数指令と上記励磁電流指令と上記トルク電流指
    令とから誘導電動機の端子電圧を算出し、さらに該算出
    した端子電圧が上記周波数変換手段の最大許容出力電圧
    をこえないように上記リミッタ回路を作動させることを
    特徴とする誘導電動機のトルク制御方法。
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