JP4006630B2

JP4006630B2 - インバータで駆動される誘導電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4006630B2
Application number: JP2002212508A
Authority: JP
Inventors: 新一石井; 宏一田島; 裕之米澤
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP2004056941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータで駆動される誘導電動機の制御方法に関し、特に、前記誘導電動機が運転中の負荷の極性すなわち駆動負荷か制動負荷かのより正確な導出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータで駆動される誘導電動機を可変速制御するための制御方法としては、いわゆる、電流ベクトルを用いた制御を採用することが主流になってきている。
【０００３】
この種のインバータで駆動される誘導電動機の従来の制御方法としては、該インバータの出力電流の検出値に対して前記ベクトル制御演算の際に導出される該検出値の位相が、前記インバータへの出力電圧指令値の位相と同相か逆相かにより、例えば、前記検出値が前記出力電圧指令値と同相のときに「＋極性」とし、逆相のときには「−極性」として、この極性に基づいて、前記誘導電動機を可変速制御することが行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インバータで駆動される誘導電動機を電流ベクトルを用いた方法により可変速制御する際に、この誘導電動機のすべり補償をすることが行われる。このとき、前記誘導電動機が運転中の負荷の極性すなわち駆動負荷か制動負荷かによって、すべり周波数を該電動機に指令される一次周波数指令値に対して加算するか減算するかのいずれかの演算が行われる。また、インバータで駆動される誘導電動機のストール状態を防止するために、前記誘導電動機の負荷が駆動負荷か制動負荷かによって、すなわち、駆動負荷のときには該電動機一次周波数を低下させ、制動負荷のときには前記一次周波数を上昇させることが行われる。従来、前記負荷の極性すなわち駆動負荷か制動負荷かを、前記インバータの出力電流の検出値に対して前記ベクトル制御演算の際に導出される該検出値の位相が、前記インバータへの出力電圧指令値の位相と同相か逆相かに基づいて決定していた。
【０００５】
しかしながら、インバータで駆動される誘導電動機の一次巻線の抵抗成分による損失などは、該電動機の負荷が駆動負荷か制動負荷かに関係なく、前記駆動負荷と同極性で存在し、この存在が従来の負荷の極性の導出方法では誤差となり、前記すべり補償では制動負荷時によりすべりが増大する場合があり、また、制動負荷時の前記ストール状態を防止することができない場合があるなど、その制御性能を阻害する恐れがあった。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題点を解決するインバータで駆動される誘導電動機の制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、インバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記誘導電動機が無負荷運転時の無負荷損失値と前記インバータから給電される有効電力値との大小関係から前記誘導電動機が運転中の負荷の極性を導出し、この導出した負荷の極性に基づいて、前記誘導電動機を可変速制御することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は前記第１の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記無負荷損失値を予め求めたインバータからの一次周波数に対する無負荷損失特性に基づいて補正することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は前記第２の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記インバータより、予め定め互いに異なる複数個の周波数に対し電圧と周波数の比が一定になるような交流電圧を出力し、これらの交流電圧で前記誘導電動機を無負荷運転させ、この時の周波数に対応する無負荷損失値特性を求めることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は前記第１又は第２の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記無負荷損失値は、前記誘導電動機が無負荷運転時に計測した有効電力値を用いることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は前記第１の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記無負荷損失値は、前記誘導電動機が無負荷運転時に前記インバータの出力電流と該電動機の固定子巻線の抵抗値とから演算される電力値を用いることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は前記第１〜第５の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記有効電力値は、前記インバータへの出力電圧指令値および出力電流と前記出力電圧指令値に対する前記出力電流の位相の極性とから導出される有効電力値を用いることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は前記第１〜第５の発明のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、前記有効電力値は、前記インバータの出力電圧および出力電流と前記出力電圧に対する前記出力電流の位相の極性とから導出される有効電力値を用いることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、インバータで駆動される誘導電動機が無負荷運転時の無負荷損失値と、前記インバータから給電される有効電力値とから前記誘導電動機が運転中の負荷の極性すなわち駆動負荷か制動負荷かを導出し、この導出したより正確な負荷の極性に基づいて、前記誘導電動機を可変速制御することでその制御性能を改善することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施例の説明に先立って、インバータで駆動される誘導電動機の無負荷運転時の無負荷損失について説明する。
【００１６】
先ず、誘導電動機の損失（Ｐ）を示す一般式は下記数１式で表される。
【００１７】
【数１】
Ｐ＝Ｐ_Cu（Ｉ²）＋Ｐ_ih（ω₁）＋Ｐ_ie（ω₁ ²）＋Ｐ_M（ω₁）
ここで、Ｐ_Cu：銅損に当たり、電流（Ｉ）の２乗に比例する。Ｐ_ih：鉄損のうちのヒステリシス損に当たり、一次周波数（ω₁）に比例する。Ｐ_ie：鉄損のうちの渦電流損に当たり、一次周波数（ω₁）の２乗に比例する。Ｐ_M：機械損に当たり、回転速度に比例し、ほぼ一次周波数（ω₁）に比例するので、以下の説明では一次周波数（ω₁）に比例するものとしている。
【００１８】
上記数１式の右辺の各損失は誘導電動機毎に異なり、それぞれには大小関係がある。従って、誘導電動機が運転中の負荷の極性を導出するには前記損失（Ｐ）を知る必要がある。
【００１９】
また、インバータで駆動される誘導電動機の無負荷損失（Ｐ₀）は、該誘導電動機を無負荷で運転し、このときの前記インバータの出力電圧・出力電流・出力周波数情報から前記数１式に対応して計測することが可能である。
【００２０】
図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導電動機の駆動装置の回路構成図であり、１は誘導電動機、２は誘導電動機１の駆動装置を示す。
【００２１】
この駆動装置２は半導体電力変換回路からなり、後述のベクトル制御回路２３からの電圧指令をＰＷＭ演算し、この演算結果に基づき前記半導体電力変換回路を形成するそれぞれのスイッチング素子をオン・オフさせて所望の出力電圧を発生するインバータ２１と、インバータ２１からの出力電流、すなわち、誘導電動機１の一次電流を検出する電流検出器２２と、電流検出器２２の検出値を誘導電動機１のトルク電流成分と励磁電流成分とに周知の技術により座標変換し、この座標変換した各成分電流と外部から指令される誘導電動機１への一次周波数指令値とに基づき、周知のベクトル制御により誘導電動機１を可変速制御するための上述の電圧指令を生成するベクトル制御回路２３と、前記電圧指令と電流検出器２２の検出値との乗算値およびその力率と、前記トルク電流成分の極性とから誘導電動機１が運転中にインバータ２１から供給される瞬時有効電力値（極性付）を求める電力演算器２４と、誘導電動機１が、例えば、ほぼ定格回転速度で無負荷運転時に計測された無負荷電力計測値すなわち前記無負荷損失（Ｐ₀）を記憶している記憶回路２５と、前記瞬時有効電力値と無負荷電力計測値の大小関係を判定する比較器２６とから構成されている。
【００２２】
ここで、前記瞬時有効電力値の極性として、例えば、前記トルク電流成分が誘導電動機１の駆動電流成分のときには「＋」極性とし、制動電流成分のときには「−」極性とすると、先述の如く前記無負荷電力計測値は「＋」極性で表され、従って、比較器２６では前記両者の極性を含めた大小関係を判定する。すなわち、瞬時有効電力値≧無負荷電力計測値のときには、負荷極性として「＋」極性をベクトル制御回路２３へ出力し、瞬時有効電力値＜無負荷電力計測値のときには、負荷極性として「−」極性をベクトル制御回路２３へ出力する。
【００２３】
誘導電動機１をインバータ２１とベクトル制御回路２３とより可変速制御する際に、この誘導電動機のすべり補償をすることが行われ、このとき、前記負荷極性が「＋」極性すなわち駆動負荷と判定されたときにはベクトル制御回路２３の内部で演算されたすべり周波数を前記誘導電動機に指令される一次周波数指令値に対して加算する動作を行わせ、この加算した周波数に対応する前記電圧指令を生成し、また、前記負荷極性が「−」極性すなわち制動負荷と判定されたときにはベクトル制御回路２３の内部で演算されたすべり周波数を前記誘導電動機に指令される一次周波数指令値に対して減算する動作を行わせ、この加算した周波数に対応する前記電圧指令を生成することにより、前記誘導電動機の回転速度の制御精度を向上させることができる。
【００２４】
また、インバータ２１で駆動される誘導電動機１がストール状態に陥るのを防止するときは、誘導電動機１の負荷が駆動負荷（「＋」極性）か制動負荷（「−」極性）かによって、すなわち、駆動負荷のときには誘導電動機１への一次周波数を低下させ、制動負荷のときには前記一次周波数を上昇させる動作をベクトル制御回路２３に行わせる。
【００２５】
図２は、この発明の第２の実施例を示す誘導電動機の駆動装置の回路構成図であり、図１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００２６】
すなわち、図２に示した誘導電動機１の駆動装置３には、インバータ２１，電流検出器２２，ベクトル制御回路２３，電力演算器２４，比較器２６の他に、記憶回路２５に代えて、誘導電動機１が、後述の如く、無負荷運転時の演算された無負荷電力を無負荷電力演算値として記憶する記憶回路３１を備えている。
【００２７】
前記無負荷電力演算値としては、誘導電動機１としての誘導電動機の特性値としての一次巻線の抵抗値に、該誘導電動機が、例えば、ほぼ定格回転速度で無負荷運転時の一次電流（インバータ２１の出力電流）を乗算した値とする。
【００２８】
すなわち図２に示した回路構成は、前記誘導電動機に対してＶ／ｆ一定制御を行わせている場合には、この誘導電動機の磁束はほぼ一定であり、従って、無負荷電流も一定となることから、前記数１式から導出される無負荷損失（Ｐ₀）はその右辺第１項が支配的であることに着目した制御方法である。
【００２９】
図３は、この発明の第３の実施例を示す誘導電動機の駆動装置の回路構成図であり、図１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００３０】
すなわち、図３に示した誘導電動機１の駆動装置４には、インバータ２１，電流検出器２２，電力演算器２４，比較器２６の他に、ベクトル制御回路２３に代えてベクトル制御回路２３ａと、記憶回路２５に代えて、誘導電動機１が、後述の如く、無負荷運転時の計測された無負荷電力を無負荷電力計測値すなわち前記数１式を変形した下記数２式で表される無負荷損失（Ｐ）を記憶する記憶回路４１とを備えている。
【００３１】
【数２】
Ｐ＝Ｐ_Cu（Ｉ²）＋Ｐ_ih（ω₁）＋Ｐ_ie（ω₁ ²）＋Ｐ_M（ω₁）
＝α・Ｉ²＋β・ω₁＋γ・ω₁ ²
上記数２式から明らかなように、３種類の異なる周波数（例えば、誘導電動機１の定格周波数，定格周波数×０．５，定格周波数×０．１）で誘導電動機１を無負荷運転し、その時のインバータ２１からの電流（Ｉ），周波数（ω₁），有効電力から、係数α，β，γが求まる。なお、鉄損のうちの渦電流損（Ｐ_ie）は一般に無視できるので、このときには右辺第３項が省略され、従って、２種類の異なる周波数（例えば、誘導電動機１の定格周波数，定格周波数×０．５）で無負荷運転すれば良いことになる。
【００３２】
すなわち、比較器２６では電力演算器２４で得られた瞬時有効電力値と、記憶回路４１からの無負荷電力計測値との極性を含めた大小関係を判定するが、このとき、記憶回路４１では、上記の異なる周波数での無負荷運転により、予め無負荷損失（Ｐ₀）のインバータからの一次周波数に対する特性を求めておき、一次周波数と前記特性とから無負荷損失（Ｐ₀）を求める。例えば、無負荷損失（Ｐ₀）は上記係数（α，β，γまたはα，β）、無負荷電流および一次周波数により求める。但し、無負荷電流は、誘導電動機１の磁束が一定ならば、ほぼ一定であるので、係数α，β，γを求める際の電流（Ｉ）はその平均値を用いるものとする。このようにベクトル制御回路２３ａからの一次周波数により、上記数２式で得られたＰの値に対して該一次周波数に対する無負荷損失（Ｐ₀）を補完することにより、より正確な無負荷電力計測値にすることができる。
【００３３】
なお上述の実施例の説明においては、電力演算器２４で演算される瞬時有効電力値はベクトル制御回路２３からインバータ２１への電圧指令と電流検出器２２の検出値との乗算値およびその力率から求めているが、インバータ２１の出力電圧の検出値と電流検出器２２の検出値との乗算値およびその力率から求めてもよい。また、瞬時有効電力値としてはベクトル制御回路２３の内部演算で得られる電圧指令値とこの電圧指令値に同相または逆相の電流成分、すなわちトルク電流成分との乗算値から求めることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、インバータで駆動される誘導電動機が無負荷運転時の無負荷損失値に基づいて、該誘導電動機が運転中の負荷の極性をより正確に導出し、この導出した負荷の極性に基づいて、前記誘導電動機を可変速制御することでその制御性能を改善することができる。さらに、上述の無負荷損失値の計測は、インバータ自身で行うことができるために新たな計測器を用意することなく、上述の駆動装置の内部に追加した計測機能により導出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す回路構成図
【図２】この発明の第２の実施例を示す回路構成図
【図３】この発明の第３の実施例を示す回路構成図
【符号の説明】
１…誘導電動機、２，３，４…駆動装置、２１…インバータ、２２…電流検出器、２３，２３ａ…ベクトル制御回路、２４…電力演算器、２５…記憶回路、２６…比較器、３１，４１…記憶回路。

Claims

インバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記誘導電動機が無負荷運転時の無負荷損失値と前記インバータから給電される有効電力値との大小関係から前記誘導電動機が運転中の負荷の極性を導出し、
この導出した負荷の極性に基づいて、前記誘導電動機を可変速制御することを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項１に記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記無負荷損失値を予め求めたインバータからの一次周波数に対する無負荷損失特性に基づいて補正することを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項２に記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記インバータより、予め定め互いに異なる複数個の周波数に対し電圧と周波数の比が一定になるような交流電圧を出力し、これらの交流電圧で前記誘導電動機を無負荷運転させ、この時の周波数に対応する無負荷損失値特性を求めることを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項１又は請求項２に記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記無負荷損失値は、前記誘導電動機が無負荷運転時に計測した有効電力値を用いることを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項１に記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記無負荷損失値は、前記誘導電動機が無負荷運転時に前記インバータの出力電流と該電動機の固定子巻線の抵抗値とから演算される電力値を用いることを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記有効電力値は、前記インバータへの出力電圧指令値および出力電流と前記出力電圧指令値に対する前記出力電流の位相の極性とから導出される有効電力値を用いることを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインバータで駆動される誘導電動機の制御方法において、
前記有効電力値は、前記インバータの出力電圧および出力電流と前記出力電圧に対する前記出力電流の位相の極性とから導出される有効電力値を用いることを特徴とするインバータで駆動される誘導電動機の制御方法。