JP5266803B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は誘導電動機の制御装置に関し、特に、ベクトル制御にて誘導電動機を可変速制御する方法に適用して好適なものである。

誘導電動機は極数と周波数によって定まる回転数がほぼ一定、構造が簡単で堅牢であり、保安性および耐環境性に優れ、コストパフォーマンスが高いことから、民生・産業機械の動力源として広く使用されている。そして、ファンやポンプなどの動力源では省エネルギー等の手段として可変速度の運転が活用され、可変速を行う制御方式として、Ｖ／Ｆ制御とベクトル制御が主に使用されている。ここで、Ｖ／Ｆ制御では、構成が簡単で調整も容易である一方で、オープンループ制御であるために、制御応答性が高くとれないなどの制約がある。これに対して、ベクトル制御では、すべり周波数制御に加えて電流位相を変化させることで、過渡的な負荷変動に対しても磁束を不変にすることができ、高速応答を得ることができる。
例えば、特許文献１には、軸ずれ補償技術を用いたすべり周波数形ベクトル制御による誘導電動機の制御装置が開示されている。

図３は、従来の軸ずれ補償技術を用いたすべり周波数形ベクトル制御による誘導電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図３において、誘導電動機４０には、スイッチング動作によって直流を可変電圧可変周波数の交流に変換するインバータ１０が接続され、誘導電動機４０の回転軸には負荷４５が接続され、インバータ１０には、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式にてインバータ１０をスイッチング制御する制御装置２が接続されている。そして、誘導電動機４０の入力側には、インバータ１０から出力される交流の電圧を検出する電圧検出手段２０、インバータ１０から出力される交流の電流を検出する電流検出手段３０が設けられ、負荷４５側には、誘導電動機４０の回転速度を検出する速度検出手段５０が設けられている。

ここで、誘導電動機の制御装置２には、トルク電流指令値作成手段１３０、電流制御手段１００、回転二相／三相座標変換手段１１０、三相／回転二相座標変換手段１２０、すべり周波数演算手段１５０、軸ずれ補償器１６０、加算器７１、７２、積分器１４０が設けられている。
なお、以下の説明では、励磁軸としてγ軸またはｄ軸と表記することもあり、トルク軸としてδ軸またはｑ軸と表記することもある。また、以下の説明では、励磁軸方向の値についてはγまたはｄというサフィックスを付し、トルク軸方向の値についてはδまたはｑというサフィックスを付し、１次側の値については１またはｓというサフィックスを付し、２次側の値については２またはｒというサフィックスを付した。

そして、トルク電流指令値作成手段１３０は、制御装置２に入力される励磁電流指令値Ｐ１とトルク指令値Ｐ２からトルク電流指令値Ｐ０を作成することができる。なお、励磁電流指令値Ｐ１をｉγ_s ^*、トルク指令値Ｐ２をＴ^*、トルク電流指令値Ｐ０をｉδ_s ^*とすると、以下の（１）式にてトルク電流指令値Ｐ０を求めることができる。
ｉδ_s ^*＝Ｔ^*Ｌ_r／（ｐＭ²ｉγ_s ^*） ・・・（１）
ただし、
Ｍ：励磁インダクタンス
Ｌ_r：二次インダクタンス
ｐ：極対数
である。

三相／回転二相座標変換手段１２０は、積分器１４０から出力された位相角Ｐ１４に基づいて、電流検出手段３０にて検出された三相電流の検出値を変換することで、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６を算出するとともに、電圧検出手段２０にて検出された三相電圧の検出値を変換することで、励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８を算出することができる。
電流制御手段１００は、三相／回転二相座標変換手段１２０にて算出された励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６と、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク電流指令値Ｐ０との各偏差に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４をそれぞれ算出することができる。

回転二相／三相座標変換手段１１０は、積分器１４０から出力された位相角Ｐ１４に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４を三相の電圧指令に変換し、インバータ１０に出力することができる。
すべり周波数演算手段１５０は、トルク電流検出値Ｐ６を励磁電流検出値Ｐ５で除した値を二次時定数の逆数に掛けることにより、誘導電動機４０のすべり周波数Ｐ９を算出することができる。
加算器７１は、すべり周波数演算手段１５０から出力されたすべり周波数Ｐ９と、速度検出手段５０にて検出された回転速度検出値Ｐ１０を加算することにより、一次周波数指令値Ｐ１１を算出することができる。
軸ずれ補償器１６０は、励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６および励磁電圧検出値Ｐ７に基づいて誘起電圧の励磁軸成分を算出し、誘導電動機４０の二次磁束に基づく軸と、制御装置２内の励磁軸の角度に基づいて一次周波数補償値Ｐ１２を算出することができる。

図４は、図３の軸ずれ補償器の概略構成を示すブロック図である。
図４において、軸ずれ補償器１６０には、誘起電圧演算回路５１０および位置ずれ量演算回路５２０が設けられている。
ここで、誘起電圧演算回路５１０には、励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６および励磁電圧検出値Ｐ７が入力され、励磁軸誘起電圧Ｐ４１を出力することができる。なお、励磁軸誘起電圧Ｐ４１をｅ_2dとすると、励磁軸誘起電圧ｅ_2dは、以下の（２）式にて求めることができる。
ｅ_2d＝ｖ_1d−（Ｒ₁＋ｄ／ｄｔＬσ）ｉ_1d＋ω₁Ｌσｉ_1q ・・・（２）
ただし、
ｖ_1d：電圧の励磁軸成分
ω₁：一次周波数
ｉ_1d：励磁軸電流
ｉ_1q：トルク軸電流
Ｒ₁：一次抵抗
Ｌσ：漏れインダクタンス
である。

また、位置ずれ量演算回路５２０には、一次周波数指令値Ｐ１１および励磁軸誘起電圧Ｐ４１が入力され、一次周波数補償値Ｐ１２を出力することができる。なお、一次周波数補償値Ｐ１２をΔω₁とすると、一次周波数補償値Δω₁は、以下の（３）式にて求めることができる。
Δω₁＝ｓｇｎ（ω₁ ^*）Ｋ_p｛ｅ_2d＋（１／Ｔ_I）∫ｅ_2dｄｔ｝ ・・・（３）
ただし、
ω₁ ^*：一次周波数指令値
ｓｇｎ（ω₁ ^*）：ω₁ ^*の符号データ
Ｋ_p：比例ゲイン
Ｔ_I：積分時定数
である。

また、図３において、加算器７２は、加算器７１から出力された一次周波数指令値Ｐ１１と、軸ずれ補償器１６０にて算出された一次周波数補償値Ｐ１２を加算することにより、一次周波数指令値Ｐ１３を算出することができる。
積分器１４０は、加算器７２から出力された一次周波数指令値Ｐ１３を積分することにより、位相角Ｐ１４を算出することができる。
そして、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク指令値Ｐ２はトルク電流指令値作成手段１３０に入力されるとともに、励磁電流指令値Ｐ１は電流制御手段１００に入力される。そして、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク指令値Ｐ２がトルク電流指令値作成手段１３０に入力されると、トルク電流指令値作成手段１３０は、（１）式の演算を行うことでトルク電流指令値Ｐ０を作成し、電流制御手段１００に出力する。

また、電流検出手段３０にて検出された三相電流の検出値は三相／回転二相座標変換手段１２０に入力されるとともに、電圧検出手段２０にて検出された三相電圧の検出値は三相／回転二相座標変換手段１２０に入力され、積分器１４０にて算出された位相角Ｐ１４は三相／回転二相座標変換手段１２０および回転二相／三相座標変換手段１１０に入力される。そして、三相／回転二相座標変換手段１２０は、積分器１４０から出力された位相角Ｐ１４に基づいて、三相電流の検出値を励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６に変換し、電流制御手段１００、すべり周波数演算手段１５０および軸ずれ補償器１６０に出力するとともに、三相電圧の検出値を励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８に変換し、軸ずれ補償器１６０に出力する。

そして、電流制御手段１００は、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取り、トルク電流指令値Ｐ０をトルク電流指令値作成手段１３０から受け取り、励磁電流指令値Ｐ１を外部から受け取ると、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６と、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク電流指令値Ｐ０との各偏差に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４をそれぞれ算出し、回転二相／三相座標変換手段１１０に出力する。
そして、回転二相／三相座標変換手段１１０は、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４を電流制御手段１００から受け取ると、積分器１４０から出力された位相角Ｐ１４に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４を三相の電圧指令に変換し、インバータ１０に出力する。

また、すべり周波数演算手段１５０は、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取ると、トルク電流検出値Ｐ６を励磁電流検出値Ｐ５で除した値を二次時定数の逆数に掛けることにより、すべり周波数Ｐ９を算出し、加算器７１に出力する。また、速度検出手段５０にて検出された回転速度検出値Ｐ１０は加算器７１に出力される。そして、加算器７１は、すべり周波数Ｐ９をすべり周波数演算手段１５０から受け取るとともに、回転速度検出値Ｐ１０を速度検出手段５０から受け取ると、すべり周波数Ｐ９と回転速度検出値Ｐ１０とを加算することにより、一次周波数指令値Ｐ１１を算出し、軸ずれ補償器１６０および加算器７２に出力する。

そして、軸ずれ補償器１６０は、励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６、励磁電圧検出値Ｐ７を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取るとともに、一次周波数指令値Ｐ１１を加算器７１から受け取ると、（２）、（３）式の演算を行うことで一次周波数補償値Ｐ１２を算出し、加算器７２に出力する。
そして、加算器７２は、一次周波数指令値Ｐ１１を加算器７１から受け取るとともに、一次周波数補償値Ｐ１２を軸ずれ補償器１６０から受け取ると、一次周波数指令値Ｐ１１と一次周波数補償値Ｐ１２とを加算することにより、一次周波数指令値Ｐ１３を算出し、積分器１４０に出力する。そして、積分器１４０は、一次周波数指令値Ｐ１３を加算器７２から受け取ると、一次周波数指令値Ｐ１３を積分することにより、位相角Ｐ１４を算出し、三相／回転二相座標変換手段１２０および回転二相／三相座標変換手段１１０に出力する。

これにより、軸ずれ補償器１６０にて一次周波数を補正することができ、制御装置２内の励磁軸の方向と誘導電動機４０の磁束軸の方向とを一致させることが可能となることから、磁束演算を正確に行うことができ、指令値どおりのトルクを発生させることができる。
ただし、図３の構成では、電動機パラメータを用いて求めた励磁軸誘起電圧ｅ_2dに基づいて一次周波数補償値Δω₁を求めているため、動作条件によって誘導電動機４０のインダクタンスが変動する場合には、一次周波数補償値Ｐ１２の演算精度が劣化する。例えば、誘導電動機４０の二次漏れインダクタンスは、二次電流の大きさにより変化する。具体的には、非特許文献１には、回転子バーの周りに磁気飽和が起こる磁路があると、二次電流が変化した時に漏れインダクタンスが変化する現象が実験で示されている。また、（２）式から、励磁軸誘起電圧ｅ_2dの演算における漏れインダクタンスの誤差の影響は、一次周波数ω₁に比例して大きくなることが判る。

一方、非特許文献２には、通常はモータの定数は拘束試験で測定されるが、通常運転時にもモータの二次インダクタンスを測定できる方法が開示されている。この方法では、二次時定数の同定が行われるが、二次時定数は二次インダクタンスを二次抵抗値で除した値であるので、短時間に負荷電流が変化し、二次時定数の変化が観測された場合、抵抗の変化はインダクタンスの変化に比べて非常に遅いため、二次時定数の変化は二次インダクタンスの変化に起因するとみなすことができる。

非特許文献２の方法では、以下の（４）式の無効電力成分を利用する。
Ｆ＝Ｌ_r／Ｍ｛（ｖ_d−σＬ_sｄ／ｄｔｉ_d）ｉ_q−（ｖ_q−σＬ_sｄ／ｄｔｉ_q）ｉ_d｝ ・・・（４）
ただし、
ｉ_d：誘導電動機４０の三相電流を固定座標上で三相二相変換した時の励磁軸電流成分
ｉ_q：誘導電動機４０の三相電流を固定座標上で三相二相変換した時のトルク軸電流成分
ｖ_d：誘導電動機４０の三相電流を固定座標上で三相二相変換した時の励磁軸電圧成分
ｖ_q：誘導電動機４０の三相電流を固定座標上で三相二相変換した時のトルク軸電圧成分
Ｌ_s：誘導電動機４０の一次インダクタンス
である。

この（４）式は、誘導電動機４０の二次時定数と制御装置２内ですべり周波数演算に利用される二次時定数とが等しければ、以下の（５）式と一致する。
Ｆ^*＝−Ｍω₁ｉγ_s ² ・・・（５）
非特許文献２の方法では、（４）式のＦと（５）式のＦ^*との差をＰＩ演算することにより、二次時定数を同定する。この非特許文献２で提案されているアルゴリズムを適用することにより、無負荷時と一次周波数ω₁が低い場合に二次時定数を安定して同定することができる。

このため、負荷電流の変化に起因して二次漏れインダクタンスが変化した場合においても、同定された二次時定数から二次インダクタンスＬ_rを精度よく求めることができ、励磁インダクタンスＭが変化しなければ、二次漏れインダクタンスを正確に求めることができる。
特開２０００−３３３５００号公報 小倉和也・山本康弘・鉢呂友康「誘導電動機における二次漏れインダクタンスの非線形モデル」，平成１２年電気学会産業応用部門大会，ｐｐ．１６５−１６８ 若林誠一郎・久保田寿夫・松瀬貢規「誘導電動機の二次時定数同定における固定トレース法アルゴリズムの改善−実機実験による検証」，平成１２年電気学会産業応用部門大会，Ｎｏ．１６７

しかしながら、非特許文献２に開示された方法では、励磁電流が小さく、励磁電流が多少変化しても励磁インダクタンスＭが変化しない場合には、二次漏れインダクタンスを正確に求めることができるが、励磁電流が大きくなり、鉄心が飽和しつつある状態に動作点が置かれる場合には、二次漏れインダクタンスの算出精度が劣化するという問題があった。

図５は、誘導電動機の内部構成を模式的に示す断面図である。
図５において、ロータ１０１には、鉄心１０４が設けられるとともに、鉄心１０４には回転子バー１０２が装着され、ロータ１０１の周囲には固定子巻線１０３が配置されている。
ここで、ベクトル制御される誘導電動機４０では、励磁磁束が通る位置の近傍に最大のトルク電流が流れる回転子バー１０２が配置されているため、トルク電流により回転子バー１０２の周囲に形成される漏れ磁束が励磁磁束と重なり合う部分が発生する。

このため、トルク電流が増加すると、回転子バー１０２の周囲に形成される漏れ磁束は増加するものの、回転子バー１０２の周囲に励磁磁束が多く存在すると、磁気飽和が発生する。この結果、励磁電流による磁束は減少し、回転子バー１０２により磁束が飽和して増加するのが抑えられることから、トルク軸の二次漏れインダクタンスおよび励磁軸方向の励磁インダクタンスは、負荷電流の大きさに応じて減少する。

従って、非特許文献２に開示された方法では、無効電力の変化が、励磁インダクタンスの変化によるものか、二次漏れインダクタンスの変化によるものか区別することができず、二次漏れインダクタンスを正確に求めることができなくなる。また、トルク軸と励磁軸のインダクタンスの値を互いに異なる値に設定する必要がある。
そこで、本発明の目的は、誘導電動機に負荷をかけた時のトルク軸方向の励磁インダクタンスの変化と二次漏れインダクタンスの変化とを計測することが可能な誘導電動機の制御装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の誘導電動機の制御装置によれば、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定された一次周波数に基づいて誘導電動機を動作させた時の前記誘導電動機の入出力の観測値に基づいて、励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスとを推定する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段と、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段にて算出された励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスとを記憶する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の誘導電動機の制御装置によれば、前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段に記憶された励磁軸方向の励磁インダクタンスを考慮しつつ、励磁電流指令値とトルク指令値からトルク電流指令値を作成するトルク電流指令値作成手段を備えることを特徴とする。
また、請求項３記載の誘導電動機の制御装置によれば、前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段に記憶されたトルク軸方向の二次漏れインダクタンスを考慮することで誘起電圧の励磁軸成分を算出し、前記誘導電動機の二次磁束に基づく軸と、制御装置内の励磁軸の角度に基づいて、一次周波数補償値を算出する軸ずれ補償器を備えることを特徴とする。

また、請求項４記載の誘導電動機の制御装置によれば、前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段は、前記誘導電動機に印加される電圧の検出値から一次電圧による電圧降下分を差し引いた値を一次周波数で割った値から励磁軸一次磁束およびトルク軸一次磁束を算出する一次磁束演算手段と、前記一次磁束演算手段にて算出されたトルク軸一次磁束、トルク電流および前記誘導電動機の回転速度に基づいて一次周波数を算出する一次周波数演算手段と、励磁軸方向の励磁インダクタンス値と励磁軸一次電流値とを乗算して得られた値と、励磁軸方向の励磁インダクタンスと公称値の二次漏れインダクタンスとを足した値と励磁軸二次電流値とを乗算して得られた値とを加算して励磁軸二次磁束を算出する二次磁束演算手段と、前記一次磁束演算手段にて算出された励磁軸一次磁束および前記二次磁束演算手段にて算出された励磁軸二次磁束に基づいて励磁軸二次電流を算出し、前記励磁軸二次電流を用いることで励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスを算出する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定された一次周波数に基づいて誘導電動機を動作させた時の入出力を観測することで、誘導電動機に負荷をかけた時の励磁軸方向の励磁インダクタンスの変化とトルク軸方向の二次漏れインダクタンスの変化とを計測することが可能となる。このため、励磁電流が大きくなり、鉄心が飽和しつつある状態に動作点が置かれた場合においても、二次漏れインダクタンスを精度よく算出することが可能となり、磁束演算を正確に行うことが可能となることから、指令値どおりのトルクを発生させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る誘導電動機の制御装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、誘導電動機４０には、スイッチング動作によって直流を可変電圧可変周波数の交流に変換するインバータ１０が接続され、誘導電動機４０の回転軸には負荷４５が接続され、インバータ１０には、ＰＷＭ方式にてインバータ１０をスイッチング制御する制御装置１が接続されている。そして、誘導電動機４０の入力側には、インバータ１０から出力される交流の電圧を検出する電圧検出手段２０、インバータ１０から出力される交流の電流を検出する電流検出手段３０が設けられ、負荷４５側には、誘導電動機４０の回転速度を検出する速度検出手段５０が設けられている。

ここで、誘導電動機の制御装置１には、トルク電流指令値作成手段１３５、電流制御手段１００、回転二相／三相座標変換手段１１０、三相／回転二相座標変換手段１２０、すべり周波数演算手段１５０、軸ずれ補償器１６５、加算器６１、減算器６２、積分器１４０、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０、切り替え手段３２０が設けられている。
なお、電流制御手段１００、回転二相／三相座標変換手段１１０、三相／回転二相座標変換手段１２０、すべり周波数演算手段１５０、積分器１４０は図３の構成と同様である。

また、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００は、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定された一次周波数に基づいて誘導電動機４０を動作させた時の誘導電動機４０の入出力の観測値に基づいて、励磁軸の磁気飽和を考慮した励磁インダクタンスＭγとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδとを推定することができる。具体的には、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００は、励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６、励磁電圧検出値Ｐ７、トルク電圧検出値Ｐ８、すべり周波数Ｐ２４、回転速度検出値Ｐ１０を入力とし、トルク電流検出値Ｐ６に対応した励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγおよびトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδを出力するとともに、励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを推定するために必要な一次周波数Ｐ２２を出力することができる。

励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０は、トルク電流検出値Ｐ６を入力とし、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００にて算出された励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδとをトルク電流検出値Ｐ６に対応させて記憶することができる。
切り替え手段３２０は、励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを推定する場合には、励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを推定するために必要な一次周波数Ｐ２２を出力として選択し、誘導電動機４０の通常運転時には、すべり周波数演算手段１５０から出力されたすべり周波数Ｐ９が軸ずれ補償器１６５にて算出された一次周波数補償値Ｐ２０にて補償された一次周波数指令値Ｐ２１を出力として選択することができる。

トルク電流指令値作成手段１３５は、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に記憶された励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγを考慮しつつ、励磁電流指令値Ｐ１とトルク指令値Ｐ２からトルク電流指令値Ｐ００を作成することができる。なお、トルク電流指令値作成手段１３５は、（１）式の公称値の励磁インダクタンスＭの代わりに励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγ、（１）式の二次インダクタンスＬ_rの代わりに励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγと公称値の二次漏れインダクタンスｌ_rとを足した値Ｌ_rγ＝Ｍγ＋ｌ_rを用いることで、以下の（６）式にてトルク電流指令値Ｐ００＝ｉδ_s ^*を求めることができる。
ｉδ_s ^*＝Ｔ^*Ｌ_rγ／（ｐＭγ²ｉγ_s ^*） ・・・（６）

軸ずれ補償器１６５は、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に記憶されたトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδを考慮することで誘起電圧の励磁軸成分を算出し、誘導電動機４０の二次磁束に基づく軸と、制御装置１内の励磁軸の角度に基づいて、一次周波数補償値Ｐ２０を算出することができる。なお、軸ずれ補償器１６５は、励磁軸誘起電圧ｅ_2dを求める場合、（２）式の代わりに以下の（７）式を用いることができる。
ｅ_2d＝ｖ_1d−（Ｒ₁＋ｄ／ｄｔＬσ）ｉ_1d＋ω₁Ｌσ₂ｉ_1q ・・・（７）
ただし、（７）式の最後の項において、Ｌσ₂＝（１−Ｍ²／（Ｌ_rσＬ_s））Ｌ_s、Ｌ_rσ＝Ｍ＋ｌ_rδとし、トルク軸磁束の漏れ磁束を計算するために、トルク軸の二次漏れインダクタンスｌ_rδを用いることができる。

加算器６１は、すべり周波数演算手段１５０から出力されたすべり周波数Ｐ９と、軸ずれ補償器１６５にて算出された一次周波数補償値Ｐ２０を加算することにより、一次周波数指令値Ｐ２１を算出することができる。
減算器６２は、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００より出力された一次周波数Ｐ２２から回転速度検出値Ｐ１０を減算することにより、すべり周波数Ｐ２４を算出することができる。

なお、図１の実施形態では、インバータ１０から出力される交流の電圧を検出するために、電圧検出手段２０を設ける方法について説明したが、インバータ１０に与える電圧指令値からインバータ１０の出力電圧を正確に算出することができるならば、電圧検出手段２０の代わりに、電圧指令値からインバータ１０の出力電圧を推定する電圧推定手段を設けるようにしてもよい。
そして、励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを推定する場合、切り替え手段３２０は、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００から出力される一次周波数Ｐ２２を出力として選択する。

そして、誘導電動機４０は負荷４５をかけた状態で運転され、定常状態にあるものとすると、三相／回転二相座標変換手段１２０にて算出された励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６、励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８は励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００に入力されるとともに、速度検出手段５０にて検出された回転速度検出値Ｐ１０は励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００に入力される。

そして、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００は、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように一次周波数Ｐ２２を決定する。そして、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００にて決定された一次周波数Ｐ２２は、切り替え手段３２０を介して積分器１４０に出力され、積分器１４０にて一次周波数Ｐ２２が積分されることで、位相角Ｐ２３が算出された後、回転二相／三相座標変換手段１１０および三相／回転二相座標変換手段１２０に出力される。

そして、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００は、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定した一次周波数Ｐ２２に基づいて誘導電動機４０を動作させた時の励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６、励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８を用いることにより、励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγおよびトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδを推定し、それらの励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に記憶する。

そして、誘導電動機４０の通常運転を行う場合、切り替え手段３２０は、加算器６１から出力される一次周波数指令値Ｐ２１を出力として選択する。そして、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク指令値Ｐ２はトルク電流指令値作成手段１３５に入力されるとともに、励磁電流指令値Ｐ１は電流制御手段１００に入力される。また、三相／回転二相座標変換手段１２０にて算出されたトルク電流検出値Ｐ６は励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に入力され、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０は、トルク電流検出値Ｐ６に対応した励磁インダクタンスＭγをトルク電流指令値作成手段１３５に入力するとともに、トルク電流検出値Ｐ６に対応した二次漏れインダクタンスｌ_rδを軸ずれ補償器１６５に入力する。

そして、励磁電流指令値Ｐ１、トルク指令値Ｐ２および励磁インダクタンスＭγがトルク電流指令値作成手段１３５に入力されると、トルク電流指令値作成手段１３５は、（６）式の演算を行うことでトルク電流指令値Ｐ００を作成し、電流制御手段１００に出力する。
また、三相／回転二相座標変換手段１２０は、積分器１４０から出力された位相角Ｐ２３に基づいて、三相電流の検出値を励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６に変換し、電流制御手段１００、すべり周波数演算手段１５０および軸ずれ補償器１６５に出力するとともに、三相電圧の検出値を励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８に変換し、軸ずれ補償器１６５に出力する。

そして、電流制御手段１００は、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取り、トルク電流指令値Ｐ００をトルク電流指令値作成手段１３５から受け取り、励磁電流指令値Ｐ１を外部から受け取ると、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６と、励磁電流指令値Ｐ１およびトルク電流指令値Ｐ００との各偏差に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４をそれぞれ算出し、回転二相／三相座標変換手段１１０に出力する。

そして、回転二相／三相座標変換手段１１０は、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４を電流制御手段１００から受け取ると、積分器１４０から出力された位相角Ｐ２３に基づいて、励磁軸電圧指令値Ｐ３およびトルク軸電圧指令値Ｐ４を三相の電圧指令に変換し、インバータ１０に出力する。
また、すべり周波数演算手段１５０は、励磁電流検出値Ｐ５およびトルク電流検出値Ｐ６を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取ると、トルク電流検出値Ｐ６を励磁電流検出値Ｐ５で除した値を二次時定数の逆数に掛けることにより、すべり周波数Ｐ９を算出し、加算器６１に出力する。

また、軸ずれ補償器１６５は、二次漏れインダクタンスｌ_rδを励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０から受け取るとともに、励磁電流検出値Ｐ５、トルク電流検出値Ｐ６、励磁電圧検出値Ｐ７を三相／回転二相座標変換手段１２０から受け取ると、（７）式および（３）式の演算を行うことで一次周波数補償値Ｐ２０を算出し、加算器６１に出力する。

そして、加算器６１は、すべり周波数Ｐ９をすべり周波数演算手段１５０から受け取るとともに、一次周波数補償値Ｐ２０を軸ずれ補償器１６５から受け取ると、すべり周波数Ｐ９と一次周波数補償値Ｐ２０とを加算することにより、一次周波数指令値Ｐ２１を算出し、切り替え手段３２０を介して積分器１４０に出力する。そして、積分器１４０は、一次周波数指令値Ｐ２１を加算器６１から受け取ると、一次周波数指令値Ｐ２１を積分することにより、位相角Ｐ２３を算出し、三相／回転二相座標変換手段１２０および回転二相／三相座標変換手段１１０に出力する。

これにより、トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定された一次周波数に基づいて誘導電動機４０を動作させた時の入出力を観測することで、誘導電動機４０に負荷をかけた時の励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγの変化とトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδの変化とを計測することが可能となる。このため、励磁電流が大きくなり、鉄心が飽和しつつある状態に動作点が置かれた場合においても、二次漏れインダクタンスを精度よく算出することが可能となり、磁束演算を正確に行うことが可能となることから、指令値どおりのトルクを発生させることができる。

図２は、図１の励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段の概略構成を示すブロック図である。
図２において、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００には、一次磁束演算手段４００、一次周波数演算手段４１０、二次磁束演算手段４２０および励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段４３０が設けられている。
なお、以下の説明では、励磁電流が変化しないため、一次漏れインダクタンスｌ_sと励磁軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rγとは公称値からあまり変化しないものとする。また、誘導電動機４０は負荷４５をかけた状態で運転され、定常状態にあるものとする。

ここで、一次磁束演算手段４００は、三相／回転二相座標変換手段１２０から出力された励磁電圧検出値Ｐ７およびトルク電圧検出値Ｐ８から一次抵抗による電圧降下分を差し引いた値を一次周波数で割った値から励磁軸一次磁束λγ_sおよびトルク軸一次磁束λδ_sを算出することができる。具体的には、一次磁束演算手段４００は、以下の（８）式の演算を行うことにより、励磁軸一次磁束λγ_sおよびトルク軸一次磁束λδ_sを算出することができる。
λγ_s＝（ｖδ_s−Ｒ_sｉδ_s）／ω₁、λδ_s＝−（ｖγ_s−Ｒ_sｉγ_s）／ω₁ ・・・（８）
ただし、
ｖγ_s：励磁電圧検出値
ｖδ_s：トルク電圧検出値
ｉγ_s：励磁軸一次電流
ｉδ_s：トルク軸一次電流
Ｒ_s：一次抵抗
である。

一次周波数演算手段４１０は、一次磁束演算手段４００にて算出されたトルク軸一次磁束λδ_sとトルク軸一次電流ｉδ_sから偏差（λδ_s−ｌ_sｉδ_s）を計算し、偏差（λδ_s−ｌ_sｉδ_s）をＰＩ演算した値を回転速度の値に足すことで、一次周波数ω₁を算出することができる。具体的には、一次周波数演算手段４１０は、以下の（９）式の演算を行うことにより、一次周波数ω₁を算出することができる。
ω₁＝Ｋ_p（λδ_s−ｌ_sｉδ_s）＋Ｋ_i∫（λδ_s−ｌ_sｉδ_s）＋ω_re ・・・（９）
ただし、
ｌ_s：一次漏れインダクタンス
Ｋ_p：比例ゲイン
Ｋ_i：積分ゲイン
ω_re：回転速度
である。

このように、一次周波数ω₁を制御することにより、トルク軸一次磁束λδ_sはｌ_sｉδ_sに収束し、トルク軸のエアギャップ磁束λδ_mがゼロに収束する。この時、トルク軸一次電流ｉδ_sとトルク軸二次電流ｉδ_rの大きさは等しくなり、ｉδ_s＝−ｉδ_rという関係を満たす。また、トルク軸二次磁束λδ_rはｌ_rδｉδ_sに等しくなる。
二次磁束演算手段４２０は、トルク軸方向のエアギャップ磁束λδ_mがゼロの時のトルク軸一次電流ｉδ_sとトルク軸二次電流ｉδ_rの関係、トルク軸一次磁束λδ_sおよびトルク軸二次磁束λδ_rの値に基づいて、二次抵抗とトルク電流を掛けた値をすべり周波数で割った値から励磁軸二次磁束λγ_rを算出することができる。

ここで、励磁軸一次磁束λγ_sおよび励磁軸二次磁束λγ_rは、以下の（１０）式および（１１）式でそれぞれ表すことができる。
λγ_s＝Ｍγｉγ_r＋Ｌ_sｉγ_s＝Ｍγｉγ_m＋ｌ_sｉγ_s ・・・（１０）
λγ_r＝Ｍγｉγ_s＋Ｌ_rγｉγ_r＝Ｍγｉγ_m＋ｌ_rγｉγ_r ・・・（１１）
ただし、
ｉγ_m＝ｉγ_s＋ｉγ_r
ｉγ_s：励磁軸一次電流
ｉγ_r：励磁軸二次電流
ｌ_rγ：励磁軸の二次漏れインダクタンス
である。
励磁軸一次磁束λγ_sおよび励磁軸二次磁束λγ_rの値には、トルク電流を増やすことで変化する励磁インダクタンスＭγが含まれているが、励磁軸一次磁束λγ_sおよび励磁軸二次磁束λγ_rを観測的に算出することができるので、励磁インダクタンスＭγを算出することができる。

励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段４３０は、一次磁束演算手段４００にて算出された励磁軸一次磁束λγ_sおよび二次磁束演算手段４２０にて算出された励磁軸二次磁束λγ_rに基づいて励磁軸二次電流ｉγ_rを算出し、励磁軸二次電流を用いることで励磁軸方向の励磁インダクタンスＭγとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδを算出することができる。具体的には、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段４３０は、（１０）式および（１１）式を用いて、以下の（１２）式の演算を行うことにより、励磁軸二次電流ｉγ_rおよび励磁インダクタンスＭγを算出することができる。
ｉγ_r＝（λγ_r−（λγ_s−ｌ_sｉγ_s））／ｌ_rγ、 Ｍγ＝（λγ_s−ｌ_sｉγ_s）／ｉγ_m
・・・（１２）

また、励磁軸二次電流ｉγ_rを用いることにより、以下の（１３）式にてトルク軸方向の二次漏れインダクタンスｌ_rδを算出することができる。
ｌ_rδ＝−Ｒ_rｉγ_r／ω_seｉδ_s ・・・（１３）
そして、誘導電動機４０の運転範囲に応じて、大きさの異なるトルク電流を流す運転を行い、（１２）式および（１３）式の演算によって各トルク電流に対する励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを求めてから、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に格納することができる。

あるいは、誘導電動機４０の運転範囲が不明であれば、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段３００が出力する一次周波数を用いても誘導電動機４０のトルク制御が可能であるので、この一次周波数を用いて誘導電動機４０の運転を行いながら、（１２）式および（１３）式の演算によって各トルク電流に対する励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδを求め、励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に格納するようにしてもよい。
そして、各トルク電流に対する励磁インダクタンスＭγおよび二次漏れインダクタンスｌ_rδが励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル３１０に格納されると、切り替え手段３２０を切り替えることで、加算器６１から出力される一次周波数指令値Ｐ２１を積分器１４０に入力し、誘導電動機４０の通常運転を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段の概略構成を示すブロック図である。 従来の誘導電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図３の軸ずれ補償器の概略構成を示すブロック図である。 誘導電動機の内部構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 誘導電動機の制御装置
１０ インバータ
２０ 電圧検出手段
３０ 電流検出手段
４０ 誘導電動機
４５ 負荷
５０ 速度検出手段
６１ 加算器
６２ 減算器
１００ 電流制御手段
１１０ 回転二相／三相座標変換手段
１２０ 三相／回転二相座標変換手段
１３５ トルク電流指令値作成手段
１４０ 積分器
１５０ すべり周波数演算手段
１６５ 軸ずれ補償器
３００ 励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段
３１０ 励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス参照テーブル
３２０ 切り替え手段
４００ 一次磁束演算手段
４１０ 一次周波数演算手段
４２０ 二次磁束演算手段
４３０ 励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段

Claims (4)

1. トルク軸方向のエアギャップ磁束がゼロになるように決定された一次周波数に基づいて誘導電動機を動作させた時の前記誘導電動機の入出力の観測値に基づいて、励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスとを推定する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段と、
   励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段にて算出された励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスとを記憶する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段とを備えることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段に記憶された励磁軸方向の励磁インダクタンスを考慮しつつ、励磁電流指令値とトルク指令値からトルク電流指令値を作成するトルク電流指令値作成手段を備え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。
3. 前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス記憶手段に記憶されたトルク軸方向の二次漏れインダクタンスを考慮することで誘起電圧の励磁軸成分を算出した値に基づいて、一次周波数補償値を算出する軸ずれ補償器を備える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。
4. 前記励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス推定手段は、
   前記誘導電動機に印加される電圧の検出値から一次電圧による電圧降下分を差し引いた値を一次周波数で割った値から励磁軸一次磁束およびトルク軸一次磁束を算出する一次磁束演算手段と、
   前記一次磁束演算手段にて算出されたトルク軸一次磁束、トルク電流および前記誘導電動機の回転速度に基づいて一次周波数を算出する一次周波数演算手段と、
   励磁軸方向の励磁インダクタンス値と励磁軸一次電流値とを乗算して得られた値と、励磁軸方向の励磁インダクタンスと公称値の二次漏れインダクタンスとを足した値と励磁軸二次電流値とを乗算して得られた値とを加算して励磁軸二次磁束を算出する二次磁束演算手段と、
   前記一次磁束演算手段にて算出された励磁軸一次磁束および前記二次磁束演算手段にて算出された励磁軸二次磁束に基づいて励磁軸二次電流を算出し、前記励磁軸二次電流を用いることで励磁軸方向の励磁インダクタンスとトルク軸方向の二次漏れインダクタンスを算出する励磁インダクタンス・二次漏れインダクタンス演算手段とを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の誘導電動機の制御装置。

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