JP4651087B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、定周波数電源による交流電動機の駆動と周波数変換器による交流電動機の駆動とを選択的に切換えることが可能な電動機制御装置に関する。

一般に、インバータなどの周波数変換器で交流電動機を駆動する場合、商用電源あるいは非常用の定周波数電源からも選択的に切換えて駆動できるようにシステムを構成することが多い。これは、インバータの保守のため、あるいはインバータで可変速駆動するより定周波数電源から直接駆動した方がシステム効率が良くなる運転モードに対応するためなどのニーズによるものである。

このように、インバータ駆動から商用電源駆動に運転を切換えたり、逆に商用電源駆動からインバータ駆動に運転を切換えたりする場合、切換時の過渡現象によって突入電流が過大となったり、また電動機の速度が低下してしまったりする問題があった。

このような問題を解決するため、駆動系の切換時に、商用電源の周波数及び位相にインバータの出力を同期させる所謂同期制御を行い、このときの同期検出信号によって駆動系の切換を行う電動機制御装置が提案されている。この代表的な方法は以下のようなものである。

電動機の駆動をインバータ側から商用電源側へ切換えるとき、インバータの出力周波数が商用電源の周波数と等しくなるまでは、出力周波数基準の出力する変化率に従ってインバータの出力周波数を上昇させる。出力周波数が商用電源の周波数と等しくなったことを検知した後、出力周波数基準をホールドし、インバータが出力する出力電圧位相と商用電源の位相差が０になるようにインバータの出力周波数を補正し、この補正出力周波数をホールドされた出力周波数基準に加算して出力周波数を得る。出力周波数は積分されて出力位相となるので、上記の閉ループ構成によって位相差を０に同期制御することが可能となる。

このような同期制御の方法によれば、位相差が０で同期投入を行うことができるが、出力周波数と商用電源周波数がほぼ等しい状態では位相差の変化が非常に小さいため、周波数差と位相差を同時に０に合わせ込むには長時間を要するという問題があった。これを解決するため、インバータの出力周波数と商用電源の周波数の差が所定値になったときに、そのときの周波数差と位相差から、これらが同時に０になるような周波数基準を事前に決めることにより、より早く位相差を０にする同期制御の方法が提案為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平８−１８２３８６号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に記載されているような従来の同期制御の方法では、インバータの出力周波数を商用電源周波数近くまで上昇させるときには、加速に必要な電流が過大とならないように周波数の変化率に制限を設けるようにしているが、出力周波数の上昇完了後に位相同期操作を行うようにしているため、位相合わせの最中に商用電源周波数が変化したとき、両者の位相差が予定通りに０とはならず、このため過電流や過電圧が発生してインバータが故障停止するという問題があった。

また、従来は位相差を０から２πまでの値として扱っていたが、位相差は１回転（２π）すると元に戻るという性質のため、出力周波数基準と電源周波数が離れていても位相差が０に見える点が存在し、同期制御の到達点が一意でないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑み為されたもので、同期制御の期間中に電源周波数が変動しても周波数差が０になったと同時に位相差も０にする制御を確実に且つ素早く行うことが可能な電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電動機制御装置は、定周波数電源の交流電力を変換し、出力開閉器を介して電動機を駆動する可変周波数電源と、前記定周波数電源で前記電動機を直接駆動するためのバイパス開閉器と、出力周波数基準または速度基準に従って前記可変周波数電源の出力を制御する主制御部と、前記電動機を前記可変周波数電源による駆動から前記定周波数電源による駆動へ駆動系を切換えるための同期切換え制御部とを備え、前記同期切換え制御部は、前記定周波数電源の電源電圧から電源周波数と電源位相を検出する手段と、前記可変周波数電源の周波数から出力電圧位相を検出する手段と、前記可変周波数電源で前記電動機を加速または減速駆動中に前記定周波数電源と前記可変周波数電源の周波数の差が所定周波数差以内になったとき、この周波数差に応じて整数Ｍを定め、前記電源位相と前記出力電圧位相の位相差に２πＭを加算して拡張された位相差を求める手段と、所望の変化率で前記可変周波数電源の周波数を変化させたとき、前記拡張された位相差及び前記定周波数電源と前記可変周波数電源の周波数の差が同時に０になるような前記出力電圧位相の軌跡を示す電圧位相差基準を演算する手段と、この電圧位相差基準と前記拡張された位相差との差がゼロになるように前記可変周波数電源の周波数の位相を補正する補正手段とを有し、前記電源位相と前記出力電圧位相の位相差が所定値以下となったとき、前記駆動系を切換えるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、同期制御の期間中に電源周波数が変動しても周波数差が０になったと同時に位相差も０にする制御を確実に且つ素早く行うことが可能な電動機制御装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電動機制御装置について、図１及び図２を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図である。定周波数電源である商用電源１を入力として可変周波数電源であるインバータ２は、出力開閉器３を介して電動機４を駆動している。また、電動機４を直接商用電源１から駆動可能なようにバイパス開閉器５が設けられている。通常は出力開閉器３を閉じ、バイパス開閉器５を開いてインバータ２によって電動機４を可変速駆動する。

インバータ２の出力は次のように制御されている。即ち、出力周波数基準ｆｓｅｔが与えられると、これをＶ／ｆ変換器６により電圧基準に変換して３相電圧基準回路７に入力する。この３相電圧基準回路７には、出力周波数指令ｆｒが同期制御回路８を介して与えられており、３相電圧基準回路７の出力をＰＷＭ制御回路９でＰＷＭ変調し、ＰＷＭ制御回路９がインバータ２を構成するパワーデバイスのゲート信号を出力する。

電圧検出器１０は商用電源１の電源電圧Ｖｓを検出して同期制御回路８に与える。同期制御回路８では、商用電源１とインバータ２の出力電圧の同期制御を行い、周波数がほぼ一致した状態での商用電源１とインバータ２の位相差Δθを同期検出回路１１に与える。この位相差Δθを後述する手法で変化させ、この値が所定値以内となったとき、バイパス開閉器５を閉じ、出力開閉器３を開いて電動機４を商用電源１による駆動に切換える。

図２（ｂ）は、同期制御回路８の詳細を示すブロック構成図である。電源電圧Ｖｓは周波数検出器２１に入力され、ここで検出された電源周波数ｆｓを積分器２２で積分して電源位相φｓを得る。この電源位相φｓは周波数検出器２１の基準位相としてフィードバックされ周波数検出器２１と積分器２２によって所謂ＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路を形成している。

出力周波数基準ｆｓｅｔは通常外部から与えられるが、これが急変すると過電流や過電圧を生じてインバータ２が故障停止する恐れがあるため、図示していないが、ある一定の変化率以下で変化するようにリミットがかけられている。同期切換を行う場合、この出力周波数基準ｆｓｅｔと上記のＰＬＬ回路で求められた電源周波数ｆｓとを周波数判定器２３で比較する。そしてこの比較結果が所定値以下となったとき、出力周波数基準ｆｓｅｔをそのときの値でホールドし、このホールドされた出力周波数基準に後述する位相差補正量を加えたものを出力周波数指令ｆｒとする。

出力周波数指令ｆｒを積分器２５で積分すると出力電圧位相φｒが求まる。位相拡張器２４は、この出力電圧位相φｒと電源位相φｓとの差Δθ０に２πＭを加え、拡張された位相差２πＭ＋Δθ０を求める。ここでＭは周波数判定器２３が判定する周波数差に対応して定まる整数であり、このＭが定まった時点で２πＭの値をホールドする。

位相差拡張器２４で得られた拡張された位相差２πＭ＋Δθ０と、電源周波数ｆｓ及び出力周波数指令ｆｒを入力とし、電源周波数ｆｓ及び出力周波数指令ｆｒが一致した点で拡張された位相差が０となるような加速レートで加速したときの位相差の軌跡を与える位相基準演算器２６の出力との差分をとり、この実位相差Δθが０になるように位相差補正演算器２７の出力を前述のホールドされた出力周波数基準に加算して出力周波数指令ｆｒを上昇させる。そしてこの実位相差Δθが所定値以下となったとき、同期検出回路１１が動作して電動機４をインバータ２から商用電源１による駆動に切換える。

以上説明した動作を図２の同期制御説明用タイムチャートを参照して詳細に説明する。

同期切換のため、出力周波数指令を所定の変化率ａで上昇させたとき、出力周波数指令ｆｒが電源周波数ｆｓに一致する点をＰ点とし、そこから逆算して電源周波数ｆｓと出力周波数指令ｆｒの位相差が２π開いた点をＡ点とする。出力周波数指令ｆｒを出力周波数基準ｆｓｅｔが定める一定の変化率ａで上昇させ、出力周波数指令ｆｒがＡ点に達したことを周波数判定器２３で検知する。このときのＭを１とすると、拡張された位相差は図示したように２π＋Δθｏとなる。そして、Ｐ点における残りの位相差Δθ０と出力周波数基準ｆｓｅｔが定める一定の変化率ａを用いて、出力周波数指令ｆｒが電源周波数ｆｓに達したと同時に位相差も０になるＢ点に滑らかに到達するような出力周波数指令ｆｒの変化率ａ´を求める。この時、この変化率ａ´は出力周波数基準ｆｓｅｔが定める一定の変化率ａよりも低い変化率になるようにする。変化率ａ´は下式で求める。

ａ´＝ａ×２π／（２π＋Δθｏ）
この変化率ａ´でＡ点から加速すると、位相が２π＋Δθｏだけ変化したＢ点で、出力周波数指令ｆｒと電源周波数ｆｓが一致する。尚、この拡張された位相差を連続量として扱うため、図２に示したように位相軸を４πまで拡張しておく。

以上が図１（ｂ）における位相差拡張器２４の動作説明である。図２に示したように位相差を拡張することにより位相差を連続量として扱うことができる。

次にこの拡張された位相差と変化率ａ´を用いて図２にある拡張された位相差の変化の軌跡を図１（ｂ）における位相基準演算器２６で計算し、それを位相差補正器２７の入力から減算する。この位相差の変化の軌跡は２次曲線となるが、Ａ点をｔ＝０として、以下で表現できる。

Δθｃ（ｔ）＝ｆ（ａ、θｏ、ｔ）
この結果、位相基準演算器２６が出力する位相差の軌跡に追従するように位相差補正器２７が働き、図２に示したように出力周波数指令ｆｒが電源周波数ｆｓに達したと同時に、位相差Δθも０にすることが可能となる。

ここで、インバータ２の出力周波数指令ｆｒがＡ点から変化率ａ´で上昇中に電源周波数ｆｓが変動した場合を考える。この場合、Ｂ点において電源周波数ｆｓと出力周波数指令ｆｒが一致しなくなるように見えるが、位相差補正器２７には実位相差Δθが入力されているため、電源周波数ｆｓの変化に伴うΔθの変化に従って出力周波数指令ｆｒが補正されるので、最終的には変動した電源周波数において出力周波数指令ｆｒが一致し、そのとき位相差Δθも０にすることが可能となる。

以上説明した実施例１においては、Ａ点の定義を「出力周波数が電源周波数に一致する点から逆算して電源周波数と出力周波数の位相差が２π開いた点」とし、このときのＭはＭ＝１としたが、上記位相差を更に拡大し、電源周波数と出力周波数の位相差が２πＮ（Ｎは任意の整数）開いた点としても良い。ただし変化率ａ´は出力周波数基準ｆｓｅｔが許容される一定の変化率ａよりも低い変化率である必要があるため、このときのＭはＭ＝Ｎかあるいはそれより大きい値とする必要がある。尚、このように上記位相差Δθを更に拡大してＭを大きくとった場合は同期制御に時間がかかるという問題がある。

図３は本発明の実施例２に係る電動機制御装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、インバータ２の制御を出力周波数基準ｆｓｅｔによるＶ／ｆ制御から速度基準ｆｒｓによるベクトル制御に変更した点、また位相補正器２７の補正信号を出力周波数指令ｆｒに加えるのではなくベクトル制御におけるトルク軸であるＱ軸の電流基準に加えるようにした点である。

図３のベクトル制御に関連する部分の構成は以下のようになっている。

速度検出器１２で検出された電動機４の回転周波数ｆｍは速度基準ｆｒｓと比較され、速度制御器３１の入力となる。この速度制御器３１の出力は切換器３２を介して除算器３３に与えられ、磁束基準で除算されてＱ軸電流基準となる。このＱ軸電流基準は、インバータ出力電流を３相−２軸変換器３４により変換して得られるＱ軸電流と比較されＱ軸電流制御器３５の入力となる。

また、磁束基準を定数乗算器３６を介して磁束軸のＤ軸電流基準に変換し、このＤ軸電流基準を３相−２軸変換器３４から得られるＤ軸電流と比較してＤ軸電流制御器３７の入力とする。

Ｑ軸電流制御器３５及びＤ軸電流制御器３７の出力は、夫々Ｑ軸電圧基準及びＤ軸電圧基準となるが、これらを２軸−３相電圧変換器７Ａを介して３相の電圧基準に変換し、ＰＷＭ制御回路９に与える。

また、Ｑ軸電流基準と磁束基準と電動機２次時定数とをすべり演算回路３８に与えることによりすべり周波数ｆｓｌが演算され、このすべり周波数ｆｓｌと回転周波数ｆｍとを加算することにより、出力周波数ｆｒｖが得られるようになっている。更に、この出力周波数ｆｒｖを積分器２５で積分してベクトル制御における出力電圧位相θを求め、これを位相差拡張器２４に与えると共に、２軸−３相電圧基準変換器７Ａ及び３相−２軸変換器３４の変換のための基準位相としている。

以下に図３の構成における同期制御の動作について説明する。

速度基準ｆｒｓを所定の変化率で変化させ、周波数判定器２３が電源周波数ｆｓと出力周波数ｆｒｖの差が所定の周波数差以内であることを検出したとき、そのときの周波数差に応じて整数Ｍを定め、２πＭをホールドすると共に２πＭ＋Δθｏを位相差拡張器２４で作り、位相基準演算器２６の出力であるΔθｃ（ｔ）と比較してこの値が０になるように位相補正器２７が位相差補正量を出力する動作は実施例１の場合と同様である。しかるに、この実施例２では、周波数判定器２３の検出信号により、Ｑ軸電流基準の入力信号を、通常運転時における速度制御器３１の出力から、この位相差補正器２７の出力に切換器３２によって切換える。

上記切換により、位相差Δθから求まる位相差補正量、Ｑ軸電流基準、すべり周波数ｆｓｌ、そして出力周波数ｆｒｖまたは出力位相に至る閉ループの動作により実施例１の場合と同様に位相差と周波数差を０に収束することが可能となる。この場合、上記閉ループ動作により、位相差補正器２７の出力で間接的に出力周波数ｆｒｖを調整していることになる。

この実施例２において、実施例１に習って位相差補正量によって速度基準ｆｒｓを補正するようにしない理由は、速度制御器３１の制御応答との干渉などによる不安定現象を防止するように考慮したためである。

図４は本発明の実施例３に係る電動機制御装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図３の実施例２に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例２と異なる点は、速度検出器１２を省き、Ｑ軸電圧基準及びＤ軸電圧基準及び電動機定数を入力として速度推定を行う速度推定器３９を設け、この速度推定器３９の出力を出力周波数ｆｒｓとし、この出力周波数ｆｒｓからすべり演算器３１の出力であるすべり周波数ｆｓｌを減算して回転速度ｆｍを推定し、これを速度制御器３１の入力にフィードバックするように構成している点である。

この図４に示した速度制御系は、所謂速度センサレスベクトル制御と呼ばれる制御方式であるが、上記のように電動機の回転速度を推定する部分が図３に示したベクトル制御の構成と異なるだけであり、基本的動作は図３のベクトル制御と同一である。従って、同期制御に関する部分も図３のベクトル制御の場合と同一となる。

図５は本発明の実施例４に係る電動機制御装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図３の実施例２に係る電動機制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例２と異なる点は、Ｑ軸電圧基準Ｅｑ及びＤ軸電圧基準Ｅｄを入力とする補正角度演算器４０を設け、この補正角度演算器４０の出力を上述の拡張された位相差から減算して位相差補正器２７の入力を補正するようにした点である。

図３に示した実施例２のベクトル制御においては、２次側の磁束成分である励磁電流方向のベクトル成分をＤ軸、これに直交するトルク電流方向の成分をＱ軸としているため、インバータの出力位相は１次側のインピーダンス電圧降下分だけQ軸からずれることになる。このずれはδθ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｅｄ／Ｅｑ）で与えられるので、この分を補正するようにすれば、実施例２及び実施例３の場合のベクトル制御において、厳密に位相差を０とするような同期制御を行うことが可能となる。

本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図。 実施例１の同期制御動作を説明するタイムチャート。 本発明の実施例２に係る電動機制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る電動機制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電動機制御装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 商用電源
２ インバータ
３ 出力開閉器
４ 電動機
５ バイパス開閉器
６ Ｖ／ｆ変換器
７ ３相電圧基準発生器
７Ａ ２軸−３相電圧基準変換器
８ 同期制御回路
９ ＰＭＷ制御回路
１０ 電圧検出器
１１ 同期検出回路
１２ 速度検出器
２１ 周波数検出器
２２ 積分器
２３ 周波数判定器
２４ 位相差拡張器
２５ 積分器
２６ 位相基準演算器
２７ 位相差補正器
３１ 速度制御器
３２ 切換器
３３ 除算器
３４ ３相−２軸変換器
３５ Ｑ軸電流制御器
３６ 定数乗算器
３７ Ｄ軸電流制御器
３８ すべり演算器
３９ 速度推定器
４０ 補正角度演算器

Claims (4)

1. 定周波数電源の交流電力を変換し、出力開閉器を介して電動機を駆動する可変周波数電源と、
   前記定周波数電源で前記電動機を直接駆動するためのバイパス開閉器と、
   出力周波数基準または速度基準に従って前記可変周波数電源の出力を制御する主制御部と、
   前記電動機を前記可変周波数電源による駆動から前記定周波数電源による駆動へ駆動系を切換えるための同期切換え制御部と
   を備え、
   前記同期切換え制御部は、
   前記定周波数電源の電源電圧から電源周波数と電源位相を検出する手段と、
   前記可変周波数電源の周波数から出力電圧位相を検出する手段と、
   前記可変周波数電源で前記電動機を加速または減速駆動中に前記定周波数電源と前記可変周波数電源の周波数の差が所定周波数差以内になったとき、この周波数差に応じて整数Ｍを定め、前記電源位相と前記出力電圧位相の位相差に２πＭを加算して拡張された位相差を求める手段と、
   所望の変化率で前記可変周波数電源の周波数を変化させたとき、前記拡張された位相差及び前記定周波数電源と前記可変周波数電源の周波数の差が同時に０になるような前記出力電圧位相の軌跡を示す電圧位相差基準を演算する手段と、
   この電圧位相差基準と前記拡張された位相差との差がゼロになるように前記可変周波数電源の周波数の位相を補正する補正手段とを有し、
   前記電源位相と前記出力電圧位相の位相差が所定値以下となったとき、前記駆動系を切換えるようにしたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記主制御部は、
   前記電動機の電流を磁束成分電流とトルク成分電流の直交する２軸に分離して制御するベクトル制御または速度センサレスベクトル制御を行う手段を有し、
   前記周波数調整手段は
   前記電動機のトルク成分電流を調整することにより間接的に前記可変周波数電源の周波数を調整するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記主制御部は、
   前記可変周波数電源の周波数の変化率が所定値を超えないよう変化率の上限を制限する手段を有し、
   前記所定周波数差は、
   前記上限の変化率で加速または減速したときに、前記定周波数電源の周波数と前記可変周波数電源の周波数の差が０となる点から逆算して、２πＮ（Ｎは任意の整数）だけ電圧位相差が開くときの周波数差となるように設定し、
   前記整数Ｎを前記整数Ｍ以下に選定し、前記可変周波数電源の周波数の変化率が前記所定値を超えないようしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
4. 前記同期切換え制御部は、
   前記ベクトル制御または速度センサレスベクトル制御における磁束軸電圧基準をＥｄ、トルク軸電圧基準をＥｑとしたとき、
   前記拡張された位相差からδ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｅｄ／Ｅｑ）を減算して補正する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の電動機制御装置。

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