JP3716670B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機の制御装置に係り、特に負荷状態によらず誘導電動機の効率を最大値に保つことが可能な制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図15は従来のこの種の制御装置を示すもので、特開昭62−89493号公報に示されたものである。図15において、1aはインバータ、2は誘導電動機、3は電流検出器、21は順変換部、22はコンデンサ、23は逆変換部、24は整流器、25はローパスフィルタ、26はA/Dコンバータ、27はマイクロコンピュータによる制御回路、28はPWM回路である。インバータ1aはコンデンサ22とPWM回路28を備えた周知の電圧型PWMインバータで、誘導電動機2に可変電圧可変周波数の3相交流電圧を供給する働きをする。
【0003】
次に、動作原理を図16を参照しながら説明する。まず、誘導電動機の入力電流(一次電流)振幅と入力電圧(一次電圧)振幅の関係は、負荷トルクが一定の場合は図16に示すような特性Aを描く。つまり、必要以上に入力電圧を高くすると、励磁電流が増えて一次銅損や鉄損が増加するため誘導電動機の効率が低下する。逆に必要以上に入力電圧を低くすると、すべりが大きくなって二次電流が増え一次銅損、二次銅損が増加し誘導電動機の効率が低下する。誘導電動機の一次電流は励磁電流と二次電流とのベクトル和で表されるので、この一次電流が最小になるところ(図中のB点)で損失が最小となる。そこで、一次電流の振幅が最小値を示すように一次電圧の振幅を制御することにより、誘導電動機を最大効率で運転することができる。
【0004】
次に動作について説明する。まず、電流検出器3で検出された一次電流をローパスフィルタ25に入力すると、一次電流の平均値が出力される。つづいて、この平均値はA/Dコンバータ26を介して制御回路27に取り込まれる。制御回路27は上記の動作原理に基づいて、一次電流の平均値が減少するような一次電圧指令値を演算し、PWM回路28に出力する。その結果、PWM回路28とインバータ1aとで構成される電圧型PWMインバータは、制御回路27から出力された一次電圧指令値に一致した一次電圧を誘導電動機2へ供給する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘導電動機の制御装置は、以上のように、誘導電動機の一次電流を検出してこの振幅が最小となるように一次電圧振幅を制御していたので、制御に必要な情報は一次電流のみであり安価な装置構成で制御が可能となる。しかし、誘導電動機を可変速運転する場合、可変速運転中は電圧型PWMインバータの周波数指令値の変化に応じて一次電圧振幅が変化するため、一次電流振幅を最小にするように一次電圧振幅を制御することができない。このため、従来の制御装置では、可変速運転中は誘導電動機を最大効率で運転できないという問題があった。
【0006】
さらに、一定速運転中でも、一次電圧振幅の変化が速すぎて、誘導電動機の発生トルクが負荷トルク以下となって誘導電動機の回転速度が低下し始めると、誘起電圧も回転速度に比例して減少する。その結果、一次電圧振幅をさらに下げると一次電流振幅が低下することとなり、最悪時には誘導電動機が停止してしまうという問題が生じる。そのため、一次電圧振幅変化を緩やかにする必要があるが、一定速運転時に頻繁な負荷トルク変動がある用途では、負荷トルク変動に追従した最大効率運転ができないという問題があった。
【0007】
本発明は上記のような従来のものの問題点を解消するためになされたものであり、一次電流を検出して安価な装置構成で、一定速運転時のみならず加減速運転時にも高効率で誘導電動機を制御することができ、さらに、負荷トルクが急激に変化するような用途においても、制御の安定性を損ねることなく、誘導電動機の高効率運転が可能な制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係る誘導電動機の制御装置は、以下に述べるような手段を備えたものである。
(1)誘導電動機の一次電流と予め設定された一次電圧の周波数指令値とから後述の一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算する電流成分演算回路、
(2)上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値を演算する磁束指令演算回路、
(3)周波数指令値と上記磁束指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路、
(4)上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算する一次電圧指令演算回路、
(5)上記一次電圧指令値を入力して上記誘導電動機の一次電圧を制御する電力変換回路。
【0009】
また、第2の発明に係る誘導電動機の制御装置は、以下に述べるような手段を備えたものである。
(1)誘導電動機の一次電流と予め設定された一次電圧の周波数指令値とから後述の一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算する電流成分演算回路、
(2)上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値と該磁束指令値の微分に基づいた磁束微分指令値を演算する磁束指令演算回路、
(3)周波数指令値と上記磁束指令値と磁束微分指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路、
(4)上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算する一次電圧指令演算回路、
(5)上記一次電圧指令値を入力して上記誘導電動機の一次電圧を制御する電力変換回路。
【0010】
また、第3の発明に係る誘導電動機の制御装置は、上記第1または第2の発明に加えて上記磁束指令演算回路中に、磁束指令値の振幅の最大値および最小値の少なくとも一方を制限する制限回路を備えたものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明による誘導電動機の制御装置を図面とともに説明する。
図1は本発明の実施の形態1による誘導電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。図1において、1は誘導電動機2の前段に設けられた可変電圧可変周波数の交流電圧を出力する電力変換回路であって、この電力変換回路1は例えば従来装置におけるインバータ1aとPWM回路28とから構成される。2は誘導電動機、3は電流検出器であり、これらは従来装置のものと全く同一のものである。8は例えば使用者により予め設定された周波数指令値を出力する周波数指令発生器である。4は周波数指令発生器8から出力される周波数指令値および誘導電動機2に供給される一次電流に基づいて第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路、5は電流成分演算回路4に接続され第1および第2の電流成分に基づいて磁束指令値を演算する磁束指令演算回路である。また、6は磁束指令演算回路5および周波数指令発生器8に接続され一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路、7は電圧成分指令演算回路6および周波数指令発生器8に接続され一次電圧指令値を演算する一次電圧指令演算回路である。
【0012】
また、図2は上述した電流成分演算回路4の詳細な構成を示すブロック図である。図2において、電流成分演算回路4は、電流検出器3に接続された入力端子40、41と、周波数指令発生器8に接続された入力端子42と、係数器43〜45と、加算器46、55と、V/Fコンバータ47と、カウンタ48と、ROM49と、乗算形D/Aコンバータ50、51、53、54と、減算器52と、減算器52および加算器55にそれぞれ接続された出力端子56および57とから構成されている。
【0013】
また、図3は上述した磁束指令演算回路5の詳細な構成を示すブロック図である。図3において、磁束指令演算回路5は、電流成分演算回路4に接続された入力端子60、61と、乗算器62、63と、係数器64と、減算器65と、積分器66と、制限器67と、制限器67に接続された出力端子68とから構成されている。
【0014】
また、図4は上述した電圧成分指令演算回路6の詳細な構成を示すブロック図である。図4において、電圧成分指令演算回路6は周波数指令発生器8に接続された入力端子70と、磁束指令演算回路5に接続された入力端子71と、係数器72と、乗算器73と、乗算器73に接続された出力端子74とから構成されている。
【0015】
また、図5は上述した一次電圧指令演算回路7の詳細な構成を示すブロック図である。図5において、一次電圧指令演算回路7は、電圧成分指令演算回路6に接続された入力端子75と、周波数指令発生器8に接続された入力端子76と、V/Fコンバータ77と、カウンタ78と、ROM79と、乗算形D/Aコンバータ80、81と、係数器82、83、85、87と、加算器84と、減算器86と、係数器83に接続された出力端子88と、係数器85に接続された出力端子89と、係数器87に接続された出力端子90とから構成されている。
【0016】
さて、実施の形態1の動作の説明に移る前に、本発明における誘導電動機の高効率制御方式について説明する。
まず、周知のように、速度検出器を用いることなく誘導電動機を可変速制御する方式として、V/F一定制御方式がある。本制御方式では、誘導電動機の一次電圧振幅V1が(1)式の関係式を用いて制御される。
V1=Φ1ω1 (1)
ここで、Φ1は一次磁束振幅、ω1は一次角周波数(=2πf1、f1:一次周波数)である。
つまり、一次電圧振幅V1を一次角周波数ω1に比例させれば、誘導電動機の一次磁束振幅Φ1を制御することができる。
【0017】
次に、本発明における電流成分演算方式について説明する。
公知のように、誘導電動機1に供給される一次電流I1u、I1v、I1wは直交座標軸(a−b座標軸とする)上の成分I1a、I1bに(2)式の関係式を用いて変換できる。
【0018】
【数1】
【0019】
さらに、a−b座標軸上の電流成分I1a、I1bは、一次角周波数ω1で回転する回転座標軸(d−q座標軸とする)上の成分I1d、I1qに(3)式の関係式を用いて変換できることも公知である。
I1d=I1acosθ1+I1bsinθ1
I1q=−I1asinθ1+I1bcosθ1
(ただし、θ1=∫ω1dt) (3)
【0020】
一方、電圧に関しても同様の関係が成立するが、(2)式を利用してa−b座標軸上の電圧成分V1a、V1bから一次電圧V1u、V1v、V1wを求める関係式を導出すると(4)式が得られる。
【0021】
【数2】
【0022】
同様に、(3)式を利用してd−q座標軸上の電圧成分V1d、V1qからa−b座標軸上の電圧成分V1a、V1bを求める関係式を導出すると(5)式が得られる。
V1a=V1dcosθ1−V1qsinθ1
V1b=V1dsinθ1+V1qcosθ1 (5)
【0023】
従って、電圧成分指令演算回路6から出力される一次電圧成分指令値を、q軸上の電圧成分指令値V1q *とすると、一次電流のq軸成分I1qが一次電圧成分指令値と同相の電流成分すなわち第1の電流成分となる。また、d軸成分とq軸成分は位相が90度ずれていることから、一次電流のd軸成分I1dが一次電圧成分指令値と位相が90度ずれた電流成分すなわち第2の電流成分となる。
ここで、一次電流のd軸成分I1dおよびq軸成分I1qは、(2)式および(3)式から一次電流I1u、I1vおよび一次周波数f1から演算できることがわかる。
【0024】
次に、誘導電動機の銅損は電流の二乗値に比例することが知られている。そこで、誘導電動機の一次周波数f1は60Hz(一定)、かつ発生トルクは定格トルクの20%(一定)とし、一次磁束振幅Φ1を変化させた場合の誘導電動機の効率と、第1および第2の電流成分の二乗値の関係を調べた計算結果の一例をそれぞれ図6(a)、(b)に示す。なお、計算にあたっては、銅損および鉄損を考慮している。また、一次電圧成分指令値V1q *は(1)式の関係式を用いて求め、(4)式および(5)式を用いて得られる一次電圧V1u、V1v、V1wが誘導電動機に印加されるものとした。ただし、V1d *=0とした。
【0025】
図6から、誘導電動機の効率が最大となるときの第1の電流成分I1qの二乗値と第2の電流成分I1dの二乗値の関係は一意に決まることがわかる。すなわち、誘導電動機の効率は図のA点で最大となるが、このとき、I1q 2=62A、I1d 2=21Aなので、I1dの二乗値のI1qの二乗値に対する振幅比K(=I1d 2/I1q 2)の値は0.34(=21/62)となる。従って、振幅比Kが0.34となるように一次磁束振幅Φ1を制御すれば、誘導電動機の効率が最大となることがわかる。
【0026】
このように、一次周波数と発生トルクがわかれば、誘導電動機の効率が最大となる振幅比Kの値を求めることができる。さらに、図6からわかるように、最大効率点(A点)付近の効率変化は緩やかなので、Kの値が最大効率点での値から多少ずれても誘導電動機の効率はあまり変化しない。そこで、一次周波数と発生トルクを変化させた場合に、誘導電動機の効率が最大となる振幅比Kの値がどのように変化するかを計算によって調べたところ、Kの値の変化が小さいことが明らかとなった。以上のことから、振幅比Kの値を一定としても実用上問題ないと考えられる。振幅比Kの値を一定(0.34)として、一次周波数f1や発生トルクを変化させた場合の誘導電動機の効率の計算結果を図7に実線で示す。この図では、比較のために、一次磁束振幅値Φ1を定格値一定とした従来のV/F制御時の効率特性が破線で示されている。この図から、振幅比Kの値を一定としても、従来のV/F制御時と比較して軽負荷時の効率を大幅に改善できることがわかる。
【0027】
また、本制御方式によれば、軽負荷時に誘導電動機の一次磁束振幅が減少することにより、一次電流が減少し、銅損や鉄損が減少するので、効率が向上される。逆に、負荷が増加すると、最大効率点での一次磁束振幅が増加する。その結果、磁気飽和が原因で誘導電動機の一次磁束が指令値どおりに増えなくなると、一次電流が増加して銅損が増加し、効率が低下するという問題が生じる。そのため、一次磁束振幅値Φ1に制限を設けるとよい。図7では、本発明による制御時の一次磁束指令値Φ1 *の最大値を定格値としている。その結果、誘導電動機の負荷が増加すると、本発明による制御時と従来のV/F制御時は同じ効率特性を示す。また、後述の理由により一次磁束指令値Φ1 *に最小値を設けている。このため、本発明による制御時には、ごく軽負荷時に誘導電動機の効率が低下している。
【0028】
次に、負荷トルクをステップ状に急変させたときの応答波形の一例を図8に示す。図8において、(a)は効率、(b)はトルク、(c)は回転速度の経時変化をそれぞれ示している。図では、回転速度1760rpmにおいて負荷トルクを10%と30%の間でステップ状に急変させた場合を示している。この図から、本発明による制御方式は、負荷トルクの急変時にも、制御の安定性が損なわれることなく、高効率運転を実現できることがわかる。なお、一次電圧の変化に対する一次磁束の応答には、誘導電動機のインダクタンスに起因する遅れがある。このため、軽負荷時に一次磁束振幅を小さくしすぎると、負荷トルクが急激に変化するような場合は、負荷トルク変化に対し一次磁束の変化が追従できないため、過渡的に過大な一次電流が流れる恐れがある。このような場合は、一次磁束指令値Φ1 *に最小値を設けると良い。
【0029】
次に、上述した実施の形態1の動作を図2〜図5を参照しながら説明する。
まず、図2で示すように、第1および第2の電流成分、すなわち一次電流のq軸成分I1qおよびd軸成分I1dが電流成分演算回路4から出力される。すなわち、電流検出器3から入力端子40および41を経由して、それぞれ一次電流I1uおよびI1vを入力すると、係数器43〜45および加算器46によって、(2)式の演算が行なわれ、係数器43および加算器46からそれぞれ一次電流のa軸成分I1aおよびb軸成分I1bが出力される。
【0030】
一方、周波数指令発生回路8から出力されたアナログ量の一次周波数指令値f1 *を入力端子42を経由してV/Fコンバータ47に入力すると、周波数が一次周波数指令値f1 *に比例したパルス列の信号が得られ、カウンタ48によって一次周波数指令値f1 *の時間積分値であるディジタル量の角度θ1が求められ、sinθ1およびcosθ1の値が記憶されたROM49のアドレスとして入力される。すると、ROM49からsinθ1およびcosθ1のディジタル量が出力される。
続いて、係数器43および加算器46からそれぞれ出力された一次電流のa軸成分I1aおよびb軸成分I1bと、ROM49から出力されたsinθ1およびcosθ1のディジタル量を乗算形D/Aコンバータ50、51、53、54に入力して乗算、アナログ変換した後、減算器52および加算器55に入力すると、(3)式の演算が行なわれ、出力端子56および57からそれぞれ第1および第2の電流成分I1qおよびd軸成分I1dが出力される。
【0031】
続いて、図3で示すように、一次磁束指令値Φ1 *が磁束指令演算回路5から出力される。すなわち、電流成分演算回路4から入力端子60および61を経由して、第1および第2の電流成分I1qおよびI1dを入力すると、乗算器62および63からそれぞれの電流成分の二乗値が出力される。続いて、乗算器62から出力された第1の電流成分I1qの二乗値を係数器64に入力してK倍したのち、減算器65によって第2の電流成分I1dの二乗値との偏差が求められる。さらに、この偏差を積分器66に入力すると一次磁束指令値Φ1 *が出力され、制限器67によって所定の最小値以下かつ最大値以上にならないように値が制限されたのち、出力端子68から一次磁束指令値Φ1 *が出力される。
【0032】
続いて、図4で示すように、一次電圧成分指令値V1q *が電圧成分指令演算回路6から出力される。すなわち、周波数指令発生回路8から入力端子70を経由して出力された一次周波数指令値f1 *を係数値が2πの係数器72に入力すると一次角周波数指令値ω1 *が出力される。続いて、磁束指令演算回路5から入力端子71を経由して出力された一次磁束指令値Φ1 *と、上記一次角周波数指令値ω1 *を乗算器73により(1)式の演算が行われ、出力端子74から一次電圧成分指令値V1q *が出力される。
【0033】
次に、図5で示すように、一次電圧指令値V1u *、V1v *、V1w *が一次電圧指令演算回路7から出力される。すなわち、電圧成分指令演算回路6から入力端子75を経由して一次電圧成分指令値V1q *が入力される。一方、入力端子76を経由して周波数指令発生回路8から一次周波数指令値f1 *を入力すると、上述した電流成分演算回路4と同じ動作によって、ROM79からsinθ1およびcosθ1のディジタル値が出力される。
【0034】
そして、一次電圧成分指令値V1q *とsinθ1およびcosθ1のディジタル値を乗算形D/Aコンバータ80、81に入力して乗算、アナログ変換すると、(5)式の演算が行われ一次電圧のa軸およびb軸の成分指令値V1a *、V1b *が出力される。ただし、一次電圧のd軸成分指令値V1d *の値は0である。続いて、係数器82、83、85、87、減算器84、86によって、(4)式の演算が行われ、出力端子88〜90からそれぞれ、一次電圧指令値V1u *、V1v *、V1w *が出力される。
【0035】
続いて、これらの一次電圧指令V1u *、V1v *、V1w *を電力変換回路1に入力すると、周知の動作によって誘導電動機2に印加される一次電圧の実際値がそれぞれ、これらの一次電圧指令に追従するよう制御される。
【0036】
以上の動作によって、誘導電動機2の一次磁束振幅Φ1が磁束指令演算回路5から出力される指令値Φ1 *に追従するように制御される。その結果、第1の電流成分I1qの二乗値と第2の電流成分I1qの二乗値の振幅比は、(6)式の関係を満足されるように制御される。
【0037】
【数3】
【0038】
実施の形態2.
なお、一次周波数f1が低い範囲では、誘導電動機の一次巻線抵抗R1による電圧低下が原因で一次磁束振幅Φ1が指令値どおりに制御されなくなり、所望の効率改善効果が得られない場合が考えられる。このような場合は、電圧成分指令演算回路6の構成を図9のように変更して、上記電圧低下分を電流成分演算回路4から出力された第1および第2の電流成分I1qおよびI1dを用いて補正すればよい。
【0039】
すなわち、図9に示されたブロック図の電圧成分指令演算回路6aでは、電流成分演算回路4から入力端子91、92をそれぞれ経由して出力された第1および第2の電流成分I1qおよびI1dをそれぞれ、誘導電動機2の一次巻線抵抗R1に等しい係数値を持った係数器93、94に入力すると、一次巻線抵抗R1による電圧低下分R1I1q、R1I1dが求められる。そして、加算器95によって、乗算器73から出力されたq軸電圧成分指令値(図4の電圧成分指令値から出力される一次電圧成分指令値と同じ電圧)と係数器93から出力された一次巻線抵抗R1による電圧低下分R1I1qが加算され、q軸の一次電圧成分指令値V1q *として出力端子96から出力される。一方、一次巻線抵抗R1による電圧低下分R1I1dはd軸の一次電圧成分指令値V1d *として出力端子97から出力される。
【0040】
次に、これらのq軸およびd軸の一次電圧成分指令値V1q *、V1d *は一次電圧指令演算回路7へ入力され、(4)式および(5)式の関係式を用いて一次電圧指令V1u *、V1v *、V1w *に変換され、電力変換回路1へ出力される。
【0041】
実施の形態3.
本発明の実施の形態3による誘導電動機の制御装置について説明する。図10は、実施の形態1において、大きなステップ幅で負荷トルクが急変した場合の応答波形の一例を示し、(a)は効率、(b)はトルク、(c)は回転速度、(d)は一次電流の経時変化をそれぞれ示している。図では、回転速度900rpmにおいて負荷トルクを0%から80%にステップ状に急変させた場合を示している。
一次磁束指令値Φ1 *の最小値を小さくしすぎると上述したように、過渡的に過大な一次電流が流れる。そこで、負荷トルクの変化幅が大きい場合は、過渡応答を改善するために磁束指令演算回路5から磁束指令値Φ1 *に加え磁束微分指令値sΦ1 *を出力し、電圧成分指令演算回路6は一次周波数指令値f1 *と上記Φ1 *およびsΦ1 *とに基づいて磁束に関する微分項磁束を補正すればよい。磁束Φ1に同期して回転する誘導電動機の座標軸上では次式が成り立つ。
V1d = R1I1d + sΦ1
V1q = R1I1q + ωΦ1 (7)
ただし、sは微分演算子(ラプラス演算子)
そこで、一次電圧のd軸成分指令V1d *に磁束微分指令値を考慮すれば、磁束Φ1の応答が向上する。従って、負荷トルクが急変した時の過大な一次電流を抑制することが可能な上に、回転速度の応答性を向上させることができる。
【0042】
図10と同様の負荷変動時のd軸一次電圧成分指令V1d *に磁束微分指令値を考慮した本発明の実施の形態3による装置における応答波形の一例を図11に示す。図11において、(a)は効率、(b)はトルク、(c)は回転速度、(d)は一次電流の経時変化をそれぞれ示している。図10と比較して分かるように、d軸一次電圧成分指令V1d *に磁束微分指令値を考慮すれば、過大な一次電流を抑制することが可能な上に回転速度の応答性が向上することが分かる。
【0043】
図12は本発明の実施の形態3に係る電圧成分指令演算回路5bを示すブロック図であり、図12において、101は一次遅れ演算器、102は磁束微分指令値の出力端子である。その他の構成は実施の形態1と同一のものであり、その説明を省略する。
一次磁束指令値Φ1 *が制限器67によって制限されない範囲に存在する場合、積分器66の入力は磁束指令Φ1 *の微分値に比例する。従って、積分器66の入力(即ち減算器65の出力)に基づいて磁束微分指令値を求めればよい。
一次遅れ演算器101は、K倍された第1の電流成分I1qの二乗値と第2の電流成分I1dの二乗値との偏差を入力し、次式で示される一次遅れ演算を行う。
sΦ1 *= Kx/(1+Txs)U1 (8)
ただし、 U1:減算器65の出力
Kx:ゲイン設定値
Tx:時定数設定値
そして一次遅れ演算器101の演算結果は磁束微分指令値sΦ1 *として出力端子102から出力される。
【0044】
図13は本発明の実施の形態3に係る電圧成分指令演算回路6bを示すブロック図であり、図13において、110は磁束微分指令値の入力端子、111はd軸一次電圧成分指令の出力端子である。その他の構成は実施の形態1と同一のものであり、その説明を省略する。
この様にd軸およびq軸の一次電圧成分指令値V1d *,V1q *は出力端子111、74から出力される。そして、これらのq軸およびd軸の一次電圧成分指令値V1q *、V1d *は上記実施の形態2と同様に一次電圧指令V1u *、V1v *、V1w *に変換され、電力変換回路1へ出力される。
これにより、磁束指令に対する磁束の応答性が向上し、負荷トルクが急変した時の過大な一次電流を抑制できる。
【0045】
実施の形態4.
なお、一次周波数f1が低い範囲で、誘導電動機の一次巻線抵抗R1による電圧低下が原因で一次磁束振幅Φ1が指令値どおりに制御されなくなり、所望の効率改善効果が得られない場合は、上記実施の形態3における電圧成分指令演算回路6bの構成を図14のように変更し、実施の形態2の場合と同様に、上記電圧低下分を電流成分演算回路4から出力された第1および第2の電流成分I1qおよびI1dを用いて補正してもよい。図14において、120は磁束指令演算回路5bに接続された入力端子、121、122は加算器、123はq軸一次電圧成分指令の出力端子、124はd軸一次電圧成分指令の出力端子である。その他の構成は実施の形態2の図9と同一のものであり、その説明を省略する。
【0046】
加算器121によって(8)式の一次抵抗によるq軸電圧降下分R1I1qを補正し、加算器122によって(7)式の一次抵抗によるq軸電圧降下分R1I1dを補正する。
これにより、誘導電動機の一次巻線抵抗R1による電圧低下分が補正できるので、一次周波数f1が低い範囲でも一次磁束振幅Φ1を指令値どおりに制御でき、、所望の効率改善効果が得られる上に負荷トルクが急変した時の過大な一次電流を抑制できる。
【0047】
なお、上記各実施の形態では、本発明をV/F一定制御に適用した場合について説明したが、誘導モータの磁束を制御するベクトル制御や一次磁束一定制御などの他の制御にも適用できることは言うまでもない。
【0048】
【発明の効果】
以上のように、第1の発明においては、可変電圧可変周波数の交流一次電圧を出力して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、上記電力変換回路から上記誘導電動機に供給される一次電流を検出するための電流検出器と、上記一次電流と予め設定された上記交流一次電圧の周波数指令値とから第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路と、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値を演算する磁束指令演算回路と、上記周波数指令値と上記磁束指令演算回路の出力から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路と、上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算して上記電力変換回路へ出力する一次電圧指令演算回路とを備え、上記電流成分演算回路は上記一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算するように構成したので、一定速運転時のみならず加減速運転時にも高効率で誘導電動機を制御することができる。さらに、負荷トルクが急激に変化するような用途においても、制御の安定性を損ねることなく、誘導電動機の高効率運転が可能である。
さらに、制御に必要な情報は誘導電動機に供給される一次電流のみであるので、制御装置が安価に構成できる効果がある。
【0049】
また、第2の発明においては、可変電圧可変周波数の交流一次電圧を出力して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、上記電力変換回路から上記誘導電動機に供給される一次電流を検出するための電流検出器と、上記一次電流と予め設定された上記交流一次電圧の周波数指令値とから第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路と、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値と該磁束指令値の微分に基づいた磁束微分指令値を演算する磁束指令演算回路と、上記周波数指令値と上記磁束指令値と上記磁束微分指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路と、上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算して上記電力変換回路へ出力する一次電圧指令演算回路とを備え、上記電流成分演算回路は上記一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算するように構成したので、一定速運転時のみならず加減速運転時にも高効率で誘導電動機を制御することができる。さらに、負荷トルクが急激に変化するような用途においても、磁束指令に対する磁束の応答性が向上し、負荷トルクが急変した時の過大な一次電流を抑制することが可能であるので、安定に制御することができ、誘導電動機の高効率運転が可能である。
さらに、制御に必要な情報は誘導電動機に供給される一次電流のみであるので、制御装置が安価に構成できる効果がある。
【0050】
また、第3の発明においては、上記第1または第2の発明に加えて、上記磁束指令演算回路中に、磁束指令値の振幅の最大値および最小値の少なくとも一方を制限する制限回路を備えたので、最大値を制限した場合は、負荷が増加したときに最大効率点での一次磁束振幅が増加する結果、磁気飽和が原因で誘導電動機の一次磁束が指定値どおりに増えなくなると一次電流が増加して鉄損が増加し、効率が低下するという問題を防止できる。また、最小値を制限した場合は、軽負荷時に一次磁束振幅を小さくしすぎると、負荷トルクが急激に変化するような場合に、負荷トルク変化に対し一次磁束の変化が追従できないため、過渡的に過大な一次電流が流れるという問題を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による誘導電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】 実施の形態1に係る電流成分演算回路の構成を示すブロック図である。
【図3】 実施の形態1に係る磁束指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図4】 実施の形態1に係る電圧成分指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図5】 実施の形態1に係る一次電圧指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図6】 本発明による高効率制御方式の動作原理を説明するための図である。
【図7】 実施の形態1および従来の制御方式による誘導電動機の効率特性を示す説明図である。
【図8】 実施の形態1による高効率制御系の負荷トルクのステップ変化時の応答波形を示す図である。
【図9】 本発明の実施の形態2に係る電圧成分指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図10】 実施の形態1による高効率制御系の負荷トルクの急激なステップ変化時の応答波形を示す図である。
【図11】 実施の形態3による高効率制御系の負荷トルクの急激なステップ変化時の応答波形を示す図である。
【図12】 実施の形態3に係る磁束指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図13】 実施の形態3に係る一次電圧指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図14】 実施の形態4に係る一次電圧指令演算回路の構成を示すブロック図である。
【図15】 従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図16】 従来の誘導電動機の制御装置における高効率制御方式の動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
1 電力変換回路、2 誘導電動機、3 電流検出器、4 電流成分演算回路、5 磁束指令演算回路、6、6a 電圧成分指令演算回路、7 一次電圧指令演算回路、8 周波数指令発生器。
Claims (3)
- 可変電圧可変周波数の交流一次電圧を出力して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、上記電力変換回路から上記誘導電動機に供給される一次電流を検出するための電流検出器と、上記一次電流と予め設定された上記交流一次電圧の周波数指令値とから第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路と、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値を演算する磁束指令演算回路と、上記周波数指令値と上記磁束指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路と、上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算して上記電力変換回路へ出力する一次電圧指令演算回路とを備え、上記電流成分演算回路は上記一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算するように構成したことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
- 可変電圧可変周波数の交流一次電圧を出力して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、上記電力変換回路から上記誘導電動機に供給される一次電流を検出するための電流検出器と、上記一次電流と予め設定された上記交流一次電圧の周波数指令値とから第1および第2の電流成分を演算する電流成分演算回路と、上記第1の電流成分の二乗値と上記第2の電流成分の二乗値の振幅比が予め設定された所定値となるような磁束指令値と該磁束指令値の微分に基づいた磁束微分指令値を演算する磁束指令演算回路と、上記周波数指令値と上記磁束指令値と上記磁束微分指令値から一次電圧成分指令値を演算する電圧成分指令演算回路と、上記周波数指令値と上記一次電圧成分指令値から上記誘導電動機の一次電圧指令値を演算して上記電力変換回路へ出力する一次電圧指令演算回路とを備え、上記電流成分演算回路は上記一次電圧成分指令値と同相である第1の電流成分および位相が90度ずれた第2の電流成分を演算するように構成したことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
- 上記磁束指令演算回路中に、磁束指令値の振幅の最大値および最小値の少なくとも一方を制限する制限回路を設けたことを特徴とする請求項1または2記載の誘導電動機の制御装置。
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