JP5510577B2 - 誘導電動機のベクトル制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、誘導電動機のベクトル制御装置に関するものである。
従来技術として、JEC−37に示されるような巻線抵抗測定、拘束試験、無負荷試験を行って電動機定数を求める方法をインバータの制御ソフトウェアに組込んだものがある(従来例1)。また、誘導電動機を停止したままの状態で、誘導電動機の定数をチューニングする方法として、特開平7−55899がある(従来例2)。この方法では、単相交流を誘導電動機に供給し、d軸電流検出値あるいはq軸電流検出値をフーリエ級数展開し、誘導電動機の定数を求めていた。ここで、d−q軸座標は電動機の回転磁界と同じ速度で回転する回転座標である。
従来例1に示す方法では、拘束試験と無負荷電流試験の間に誘導電動機の回転子の固定および固定の解除といった作業が必要であり、インバータ駆動による自動計測には向いていない面がある。また、無負荷電流試験では、誘導電動機単体で運転する必要があり、負荷が既に結合されている場合には、一旦切り離し電動機単体にするという作業が必要となり、効率が悪いという問題があった。
また、従来例2では、単相交流を印加し、フーリエ級数展開を利用して求めているのでソフトが複雑になり、ソフトの処理時間が長くなり、ソフトに大きな記憶容量を要するといった問題があった。
したがって、本発明の目的は、誘導電動機に負荷が結合された状態でも誘導電動機の定数を高精度にチューニングすることが可能であり、かつ、このための演算が簡単な、誘導電動機のベクトル制御装置を提供することである。
本発明は、インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値v_refと電圧出力位相θvを基に三相交流を出力する電力変換器を有し、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値i1を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、誘導電動機の一相当りの等価回路をT−1型等価回路とし、電圧位相θvを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令値v_refとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値i1を読み取り、前記一次電流値i1および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、二次抵抗値R2を用いて、相互インダクタンスMに流れる電流imを
により推定し、この電流推定値
の立ち上がり波形から時定数
を求め、この相互インダクタンスMを
より求め、必要に応じ、この相互インダクタンスMあるいは時定数
および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、漏れインダクタンスL、二次抵抗値R2ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Vrate、定格周波数frateと前記相互インダクタンスMを用いて無負荷電流I0を求めるようにしたものである。
あるいは、電圧指令v_refを与えた場合に、一次電流値i1が一定値に収束したときの値を
あるいは、電圧指令v_refを与えた場合に、一次電流値i1が一定値に収束したときの値を
とした場合に、前記一次電流値i1および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、二次抵抗値R2を用いて、相互インダクタンスMに流れる電流imを
により電圧値を使わずに推定するようにしたものである。
以上述べたように本発明によれば、誘導電動機を高精度に制御するために必要となる誘導電動機の一次抵抗および二次抵抗および漏れインダクタンスおよび相互インダクタンスあるいは無負荷電流を、該誘導電動機に負荷が結合されている状態においても高精度にチューニングすることができるという効果がある。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明における誘導電動機の電動機定数測定方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。図1において、電力変換器2は、電動機定数演算器1から与えられた電圧指令v_refと電圧位相θvを三相交流電力へ変換し、誘導電動機3に三相交流電力を供給する。誘導電動機3に流れる電流値は、U相に設けられた電流検出器4で検出された電流iuとV相に設けられた電流検出器5で検出されたivとして取り込み、座標変換器6によって(1)式および(2)式の演算を行い二相交流電流iα、iβに変換する。
(2)式において(2/3)を乗じているのは、変換前と変換後で振幅の大きさを等しくするためである。電流を検出する相はU相とV相の組み合わせに限らず任意の二相あるいは三相すべてを検出してもよい。二相交流電流iα、iβは電動機定数演算器1に入力され、一次電流検出値i1を二相交流電流iα、iβの二乗の和の平方根として計算する。
図1は、インバータによる電動機駆動装置において、通常運転時および従来の電動機定数の同定方法において、電圧指令、出力電圧位相の前段に設けられる速度制御、電流制御等のブロックを電動機定数演算器1に置き換えたもので、本発明の実施に必要な部分を抜粋して図示したものであり、両者は別途設けられたスイッチにより切替えるようになっている。
まず、請求項1の実施形態の原理について説明する。
図2に誘導電動機の停止状態(すべりs=1)における一相当たりのT−1型等価回路を示す。R1は一次抵抗、Lは漏れインダクタンス、R2は二次抵抗、Mは相互インダクタンスであり、v_refは印加される電圧、i1は電動機の一次電流、i2は電動機の二次電流、imは相互インダクタンスMに流れる電流(励磁電流)である。
相互インダクタンスMに流れる電流の変化により生じる起電力をemとして、図2の等価回路においてキルヒホッフの法則に基づいて方程式をたてると、
となる。
漏れインダクタンスLは相互インダクタンスMに比べ小さいので、簡単のため漏れインダクタンスLを無視すると、(3)式は、
となる。
また、(4)と(5)式より、
(4)式と(7)式を(6)式に代入してまとめると、
初期条件を 時刻t=0において、im0=0 (9)
として、imについて解くと、
として、imについて解くと、
となる。
ここで、τは時定数である。
よって、
となり、相互インダクタンスMに流れる電流imから時定数τを求め、(12)式に代入すると相互インダクタンスMを求めることができる。
請求項2の実施形態の原理について説明する。
相互インダクタンスMに流れる電流imは、誘導電動機内部において流れる電流であり、誘導電動機入力端子側からは直接測定することはできない。そこで次に相互インダクタンスMに流れる電流imを推定する方法について説明する。
(4)式と(6)式から
(13)式を(5)式に代入して、
(14)式を整理して
となる。
したがって、電動機に印加する電圧v_refおよび電動機に流れる一次電流i1を用いて(15)式によりimを求めることができ、このimの変化から時定数τを求め(12)式に代入することで相互インダクタンスMを求めることができる。
無負荷電流I0は、定格電圧、定格周波数の電源を誘導機に与え無負荷で回転させた場合に流れる電流であり、このときの等価回路は、図2のT−1型等価回路でR1、L、Mの直列回路として表される。
したがって、このときの電圧vと電流i1の関係は、
となり、定格電圧をVとして、電圧、電流の大きさだけに注目して(16)式を書き直すと、
V、Iはそれぞれ電圧と電流の大きさを表す数値で、実効値あるいは最大値もしくは平均値のいずれかで、電圧と電流で同じものであればよい。
(18)式をI0について解くと、
となり、無負荷電流I0が求まる。(16)、(18)、(19)式ではR1およびLを考慮しているが、簡単のためR1およびLを無視することも考えられる。
電圧v=V1をステップで与えた場合の一次電流i1、相互インダクタンスに流れる電流imおよび一次電流i1とR1、R2を用いて(15)式により求めたimの推定値
の時間変化の波形を図3に示す。i1、im、
の収束する
は(V1/R1)であり、
が0から
まで変化するときの波形は、imの波形にほぼ一致していることが確認できる。したがって、このときの
の変化から時定数
を求めればよい。
ここから、上記原理に基づく方法を実現した内容を図1に基づいて説明する。
以下では、U相がピークとなるときの位相を0°として説明する。
本実施形態では、電圧位相θvの位相を0°として実施した。
まず、電動機3に与える所定の電圧V1の大きさの決定方法について説明する。電動機3に印加する電圧V1は任意の値でよいが、実際には電流による発熱により誘導電動機3を焼損しない範囲とする必要がある。したがって、ここでは電動機定格電流の50%の電流値となるように電圧V1を与える場合についてV1の決定方法を、例を挙げて説明する。まず、電圧指令v_refを零として与え、電流検出値i1を測定しながら、v_refを誘導電動機の定格電圧の1000分の1刻みずつ加算して大きくしていく。そして、電流検出値i1が誘導電動機定格電流の50%に達したところで、その時のv_refの値をV1として記憶し、電動機3への電力の供給を遮断する。電圧指令の増加量は、急激に電流が変化しない程度の大きさで任意に設定すればよい。また、電流制御器が備わっている場合には、電流指令として定格電流の50%の値を与え、検出電流値が電流指令値に一致した段階で、その時の電流指令値をV1とすればよいし、本発明に述べている相互インダクタンスあるいは無負荷電流の同定の前に、直流電流を流して一次抵抗を測定している場合には、その時の電流値および電圧指令値を用いてもよい。もちろん、電流値は定格電流の50%以外の値としてもよい。
次に、電圧指令v_refとしてV1を与え、誘導電動機3に電圧をステップで印加する。この時の一次電流i1を測定し、上記(15)式により
を求める。ここで、(15)式におけるvはv_ref、imは
に相当する。R1、R2は誘導電動機の試験成績表あるいは既存の別の同定手段により与えられた値を用いる。
の立ち上がり波形から時定数τを求め、この時の値を
とする。
を(12)式に示すτに代入して相互インダクタンスMを求める。時定数
は、
が0から最終(収束)の値の(1−1/e)≒0.632倍に達するまでの時間を計測して求める方法が一般的であるが、任意の電流値における電流の変化とその間の時間を測定して、その時間が時定数に一致するような換算を施してもよい。後者の場合は、複数点での測定が可能となるため、いくつかのデータを測定し平均を取ることによってばらつきを低減させることが可能である。
請求項2の実施形態について説明する。
誘導電動機の定格電圧Vrateおよび定格周波数frateは、誘導電動機の仕様として与えられるものであるので、これと、誘導電動機の試験成績表あるいは既存の別の同定手段により与えられたR1、L、R2および前述の方法により同定したMを用いて、(19)式に当てはめると、
となり、無負荷電流I0が求まる。
ある程度の誤差が許容できる場合には、簡単のため、LおよびR1を省略して計算してもよい。
次に、請求項3の実施形態について説明する。
前述した通り、直流を流した状態では誘導電動機の等価回路は一次抵抗だけとみなすことができる。したがって、直流電圧を印加した直後は過渡的に二次抵抗にも電流が流れるが、十分時間が経過したときには、一次抵抗だけとなるため、一次電流値i1が収束した場合の電流値を
とすれば電圧
となり、前記(15)式は、
と書きなおすことができる。
ここで、imは推定値であるので、
と記述し、以降は前述の請求項1記載の内容と同様にして演算を行う。このようにすると、演算に際し、電圧値を使わないため、駆動装置の電圧精度に依存しない測定を行うことができる。前述のように電圧指令の与え方を、一次抵抗測定時の値を用いるようにした場合は、
の値は、抵抗測定時に読み取った電流値を用いればよい。
請求項4の実施形態は、請求項3記載の
の演算方法を用いて、請求項2記載の内容を実施したものである。
1 電動機定数演算器
2 電力変換器
3 誘導電動機
4,5 電流検出器
6 座標変換器(三相−二相変換)
2 電力変換器
3 誘導電動機
4,5 電流検出器
6 座標変換器(三相−二相変換)
Claims (4)
- インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該誘導電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値v_refと電圧出力位相θvを基に三相交流を出力する電力変換器と、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値i1を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、
誘導電動機の一相当りの等価回路をT−1型等価回路とし、電圧位相θvを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令v_refとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値i1を読み取り、前記一次電流検出値i1および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、二次抵抗値R2、電圧指令v_refを用いて、相互インダクタンスMに流れる電流imを推定し、この電流推定値の立ち上がり波形から時定数を求め、相互インダクタンスMを、一次抵抗値R1と二次抵抗値R2の乗算値を一次抵抗値R1と二次抵抗値R2の加算値で除算したものに前記時定数を乗算することにより求めることを特徴とする、誘導電動機のベクトル制御装置。 - 相互インダクタンスMあるいは時定数および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、漏れインダクタンスL、二次抵抗値R2ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Vrate、定格周波数frateと前記相互インダクタンスMを用いて無負荷電流I0を求める、請求項1記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
- インバータにより三相交流を誘導電動機に供給し、該誘導電動機の可変速運転を行うベクトル制御装置であって、出力電圧指令値v_refと電圧出力位相θvを基に三相交流を出力する電力変換器と、該誘導電動機に流れる一次電流を検出する電流検出器を有し、該電流検出器により検出した電流値から得られる一次電流検出値i1を入力とする、誘導電動機のベクトル制御装置において、
誘導電動機の一相当りの等価回路をT−1型等価回路とし、電圧位相θvを予め設定された任意の固定値とし、電圧指令v_refとして所定の一定値を与え、この際に誘導電動機に流れる一次電流検出値i1を読み取り、かつ、電圧指令v_refを与えた場合に、一次電流検出値i1が一定値に収束したときの値である収束値と、前記一次電流検出値i1および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、二次抵抗値R2を用いて、相互インダクタンスMに流れる電流imを、一次電流検出値i1から、一次抵抗値R1を二次抵抗値R2で除算したものに収束値と一次電流値i1の差を乗算した値を引くことにより推定し、この電流推定値の立ち上がり波形から時定数を求め、相互インダクタンスMを、一次抵抗値R1と二次抵抗値R2の乗算値を一次抵抗値R1と二次抵抗値R2の加算値で除算したものに前記時定数を乗算することにより求めることを特徴とする、誘導電動機のベクトル制御装置。 - 求めた相互インダクタンスMあるいは時定数および別の手段により与えられた一次抵抗値R1、漏れインダクタンスL、二次抵抗値R2ならびに電動機の定格として与えられる定格電圧Vrate、定格周波数frateと前記相互インダクタンスMを用いて無負荷電流I0を求める、請求項3記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
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