JPS5996889A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は周波数変換装置で駆動される誘導電動機のベク
トル制御に係シ、特に１次電流を所定の制限値以下に制
限するための手段を具備した誘導電動機の制御装置に関
するものである。

〔発明の技術的背景〕

近年、誘導電動機の１次電流を位相まで制御することに
よシ直流機と同等の性能を得ることができるベクトル制
御方式が開発され、誘導電動機の堅牢安価なことと相俟
って注目されている。

ベクトル制御の原理についてはすでに多くの発表がなさ
れているので、ここでは第１図に示す誘導電動機のベク
トル図によって簡単に説明する。第１図は誘導電動機の
２次巻線と鎖交する２次磁束Φ２を基準として１次電流
己および２次電流１２の関係を示したベクトル図で、２
次磁束の方向をｄ軸とした直交するｄ−ｑ座標系で表わ
したものである。Ｍ、Ｌ２およびＴ２は誘導電動機定数
であシ、Ｍは１次と２次巻線との相互インダクタンス、
Ｌ２は２次巻線の自己インダクタンス、Ｔ２は２次巻線
時定数である。また、ω８は２次磁束と回転子とのすベ
シ角速度であシ、Ｐは時間微分を表わす演算子である。

電動機の出力トルクＴは磁束の大きさと、その磁束が鎖
交している巻線に流れる電流の直交成分との積で表わさ
れるから、第１図の関係から１次電流１１のｑ軸成分１
ｔｑｋ用いて（１）式で表わすことができる。

Ｔ＝Φ２ｉ１　　　　　　　　　（１）式また、２次磁
束振幅Φ２は１次電流ｉ１のｄ軸成分１１ｄによＬ（２
）式で表わされる。

Φ２＝□・ｉ　ｓ　ｄ（２）式 （１）および（２）式は、誘導電動機の特性を１次電流
成分１１（１＋　ｉｔｑによって支配できることを意味
するもので、ｑ軸成分１１．の制御によって出力トルク
Ｔを変化させることができ、ｄ軸成分１１（１によって
２次磁束の制御ができることが分かる。２次磁束の大き
さ、および出力トルクの指令値が与えられたとき、それ
ぞれの指令値を満足するように（１）式および（２）式
に基づいてｉｌｄおよびｌｌｑを制御することがベクト
ル制御の基本原理である。

第２図はトルク指令ぜと磁束指令Φ；が与えられ、ベク
トル制御をする場合の一構成例を示すブロック図である
。

第２図において １は３相の１次巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを有する誘導電動機、 ２は誘導電動機１の各相に１次電流’　ＩＵ　ｒ　ｆ　
ＩＶ　＃ｉ１ｗを供給する周波数変換装置、 ３は周波数変換装置２の入力交流母線、４は誘導電動機
１の回転速度ωｒを検出する速度検出器、 ５は磁束制御回路で、与えられた指令値Φ１と磁束の帰
還信号Φ２とを比較し、両者が等しくなるように比較結
果に応じて、ｄ軸電流の指令値１１−を出力する。

６は磁束演算回路で、ｄ軸電流の指令値１１ｔと実際値
１ｘｄとが等しいものとして（２）式によってｔ　ＩＺ
から磁束振幅Φ２を演算する。この磁束演算回路６で演
算された磁束振幅Φ２は磁束制御回路５へ帰還されると
同時に割算器７にも与えられる。

割算器７では（１）式に基づいて、誘導電動機ノが指令
されたトルクビを出力するのに必要なｑ軸電流の指令値
ｉｔ”ｑｋ算出する。この結果、磁束制御回路５および
割算器７の出力としてそれぞれ１次電流のｄ−ｑ軸成分
指令値ｉｌ＊ｄおよびｔ１＊、が得られる。

８は振幅演算回路で、直交成分であるｄ−ｑ軸電流指令
値１１”ｄ　ｒ　ｌｌ”ｑから次の（３）式によって１
次電流の振幅指令Ｂを演算する。

Ｉ”＝（１１：）２＋（ｉｌ貴）２（３）式９は位相角
演算回路で、第１図から明らかなように（４）式によ９
１次電流と２次磁束との相対位相角の指令値θ１を演算
するものである。

１０はすベシ演算回路で、所定のベクトル関係を維持す
るために必要なすベシ角速度ωｓを演算する。すべ多角
速度ω８は第１図のベクトル図の関係から、（５）式の
演算で求められる。

１１は加算器で、すベシ演算回路１０で演算されたすべ
９角速度ω６と速度検出器４によシ検出された回転速度
ωとを加算する。加算器１１の出力ω１＋ω８は２次磁
束の回転速度である。

１２は積分器で、加算器１１の出力ω１＋ω８を積分し
、２次磁束の回転位相角θ０を出力する。

１３は加算器で、積分器１２の出力として得られる２次
磁束の瞬時位相角θ０に位相角演算回路９で演算された
相対位相角θＩを加算し、第１図のようなベクトル関係
を維持するために必要な１次電流の瞬時位相角指令θ１
を出力する。

振幅演算回路８および加算器１３から出力される、１次
電流の振幅および位相角の指令値１１＊−２θ１＊が周
波数変換装置２に与えられる。

周波数変換装置２は両指令値工１１．θ１９に応じた各
相の１次電流＋１Ｕｐ　ＩＩＶ＋　１１ｗを誘導電動機
１に供給し、１次電流基本波ベクトルの大きさおよび位
相角がそれぞれ■ｌ＊および０１°に等しくなるように
制御される。この周波数変換装置２はインバータやサイ
クロコンバータ等の電力変換装置とその電流制御回路で
構成されるが、周知のものなので詳細説明は省略する。

このようにして１次電流の磁束と同相取分ｊＩｄおよび
直交する成分１１．と全分離して制御することができる
ため、直流機と同じように磁束制御およびトルク制御が
可能であり、トルク制御ループの外側に速度制御ルーｆ
を付加することによシ、安定で連応性の優れた速度制御
装置が実現される０ただし、そのためには、誘導電動機
１に供給される１次電流がその指令値工９□お・よびθ
＊１に良く追従していることが必要である。特に、ｔｉ
−ｑ座標系上での電流指令値１．１”ｄ＋　ｌｌ”ｑに
よって定められる（３）　、　（４）および（５）式の
関係を満足するような１次電流を誘導電動機１に供給し
なければ、実際の１次電流のｄ−ｑ軸成分＋１ｄ＋　ｌ
ｌｑはその指令値１１”ｄ　＋　１１”ｑと異なった量
となシ、高速応答を実現することはできカい。

例えば、周波数変換装置２の電流定格以下で運転するた
めに、振幅演算回路８の出力である電流振幅指令１１１
摩制限値以下に制限すると（３）式の関係は満足されな
くなる可能性がある。従って、（３）〜（５）式の関係
を満足し、かつ電流振幅が周波数変換装置２の電流定格
以下になるようにするにはｄ−ｑ軸電流指令値、ｌ＊、
、、１％を制限する必要がある。

〔背景技術の問題点〕

そこで、従来は振幅指令工１＊の制限値ＩＩＭに対して
（６）式の関係を満足するようなａ−ｑ軸電流指令１１
”ｄｙｌｌ−の制限値ｔｉｄｙおよびｌｌｑＭを設定し
、それぞれの指令値をｉｌｄＭおよび１１４Ｍ以下にな
るように制限してい念。

ｆ〒冒＜’＋　ｉｔ　％　＝　ＩＩＭ　　　　　（６）
式ａ−ｑ軸電流指令値、１＊ｄおよびｌ＋”ｑ’（ｉ＝
制限することによって、電流振幅を周波数変換装置２の
定格以下に抑制することができ、所定のベクトル関数が
維持され高速応答が実現される。しかしながら、上述の
ようなｄ−ｑ軸電流指令１ｌＩｄおよび１１９．の制限
は電力変換装置の運転能力を低減させる結果を招く。こ
のことを第３図を参照しながら次に説明する。

第３図は（６）式の関係全満足するようにａ−ｑ軸電流
指令ｔｘ”ｄ＋＋１−の制限値’ｔｄＭ＋ｉ□９Ｍ　　
を設定したときに、電流を使用できる領域を斜線で示し
たものである。円の半径は１次電流の振幅制限値ＩＩＭ
であシ、この円内が周波数変換装置２の電流定格内で動
作できる範囲である。

（６）式の関係から、ｄ軸電流の制限値ｉ　＋ｄＭｋ小
さく設定するほどｑ軸電流の制限値＋１ｑＭを太きく設
定でき、誘導電動機１の出力トルクを充分に得ることが
できる。しかし、磁束を可変制御するためにはｄ軸電流
の制限値１１ｄＭを余シ小さくすることはできない。（
２）式を変形すればＳ磁束振幅Φ２とｄ軸電流ｌｉｄと
の関係は次の（７）式のように表わされる。

子なわち、磁束振幅Φ２を変化させるためには、Φ２に
比例した成分とΦ２の変化率（ｐΦ２）に比例した成分
を加えた大きさのｄ軸電流ｉ１ｄが必要である。従って
、ｄ軸電流の制限値１１ｄＭ金余り小さくすると、Φ２
の変化重分の成分が小さくなシ高速に磁束制御すること
かできなくなる。

このようなことからｄ軸電流の制限値ｉ１ｄＭを余り小
さくすることはできず、必然的にｑ軸電流の制限値１１
ＱＭがある程度小さくなり、誘導電動機１の出力トルク
も制限される。

以上の説明から分かるように、（６）式を満足するよう
にａ−ｑ軸電流の制限値’ｓａＭ　＋　ｔ１４Ｍを設定
する従来の制御手段によると、第３図の円内で示される
周波数変換装置２の持つ能力のうちの斜線部で示される
領域しか使われなくなるので、容量の大きな周波数変換
装置が必要となって装置が高価なものとなる。

〔発明の目的〕

本発明は上述のような背景に鑑みなされたものであシ、
１次電流の振幅が周波数変換装置の定格以下になるよう
にｄ−ｑ軸成分の指令値を制限値以下に制限し、かつ周
波数変換装置の出力電流を常に最大限まで流せるように
して、安価で高性能な誘導電動機の制御装置を提供する
ことを目的とするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するための本発明の特徴は、ｄ軸電流の
指令値ｔ１３の制限値ｉ１ｄＭを変えられるようにし、
その制限値１１ｄＭをｑ軸電流の指令値１１貴と１次電
流の振幅制限値ＩＩＭとの間で次の（８）式を満足する
ように設定す漬ことにある。

ｉｔｄＭ＝Ｖ　Ｉｔ”Ｍ　　（ｌｔ”ｑ　）２（８）式
〔発明の実施例〕 第４図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図で、
第２図と同一符号を有するものは同一機能を有するもの
であるから説明を省略する。

第４図において、１４は制限値を外部からの入力信号に
応じて変えることのできる制限回路、１５はｑ軸電流の
指令値１１＊、の瞬時値から（８）式に基づいてｄ軸電
流の制限値ｉｔｄＭを演算する制限値演算回路である。

この制限回路１４と制限値演算回路１５が第２図の構成
よりも多くなっただけで、他の部分は全く第２図と同じ
である。

制限値演算回路１５で（８）式に基づいて演算されたｄ
軸電流の制限値１１ｄＢ（は制限回路１４に与えられ、
制限回路１４は磁束制御回路５の出力ｉ＊ｄｏの絶対値
をその制限値１ｘｄＭ以下に制限した信号としてｄ軸電
流の指令値ｔ　１＊ｄを出力する。

すなわち、ｄ軸電流の指令値の絶対値ｆｉｒ：５１は常
に制限値１１ｑＭ以下に制限されるので、（３）式に基
づいて振幅演算回路８で演算される振幅指令１１＊は１
次電流振幅の制限値ＩｘＭｋ超えることはない。このよ
うにｄ軸電流の制限値’１ｄＭをｑ軸電流の瞬時指令値
１１＊ｑに応じて変えることによシ、周波数変換装置２
の電流容量を最大限まで利用した装置が実現されること
になる。

第５図はｑ軸電流指令値１１−とｄ軸電流制限値ｉ１ｄ
Ｍとの関係を示した図で、（ａ）は１１＊ｑが大きい場
合、（ｂ）は小さい場合である。誘導電動機１の出力ト
ルクが太きく第５図（、）のようにｉ八が大きい場合は
ｄ軸電流の制限値ｉｔｄＭが小さくなって、低出力トル
ク時は第４図（ｂ）のように１１＊ｑが小さくなるので
、ｄ軸電流制限値１１ｄＭは太きくなシ、磁束を制御す
るための充分なｄ軸電流が確保される。

本発明ではｑ軸電流１１ｑは１次電流の振幅制限値工１
Ｍまで流すことが可能であるが、実用的にはｑ軸電流指
令値１１−も振幅制限値工ＩＭよシも小さな値で制限し
た方が好ましい。なぜなら、ｌ！＊９がＩＩＭと等しく
なった場合には（８）式の関係から明らかなようにｄ軸
電流制限値１１ｄＭは０になシ、結果としてｄ軸電流ｔ
ｌｄは０になる。（２）式で示したようにｄ軸、電流１
１ｄは磁束Φ２を支配する成分であシ、定常状態におい
てはΦ２とｊｌｄは比例関係にある。従って、ｄ軸電流
ｊ１ｄが０になると誘導電動機ｌの磁束を維持できなく
なシ、出力トルクも得られなくなる。

このようなことから、少なくとも定格励磁電流相当のｄ
軸電流ｊｌｄを得られる程度に、ｑ軸電流指令値１１−
もある制限値＋１ｑＭ以下に制限した方が良い。

更に、このｑ軸電流制限値１１９Ｍを誘導電動機１の運
転状態に応じて変えても良い。例えば基底速度以上で磁
束を弱めて定出力運転をする場合には１．磁束は基底速
度以上で速度に反比例するように制御される。このため
、加減速時には基底速度を少し越えた速度の点で急速に
磁束を変化させる必要が生じ、大きなｄ軸電流ｊｌｄが
要求される。このようなとき、基底速度の近辺の速度で
はｑ軸電流制限値１１ＱＭを小さくなるように、速度に
応じて制限値１１ＱＭを変えてやることによシ、充分な
ｄ軸電流を得ることが可能となる。

第６図は第４図における制限回路１４の詳細な構成を示
す公知の回路例である。第６図は単一の極性の信号を制
限する同一の回路を２段直列に接続したものである。演
算増幅器ＡＪ、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，
）ランジスタＴ１およびダイオードＤＩ　Ｏ、ＤＩ　１
で構成される前段の制限回路の動作を説明する＠演算増
幅器に、抵抗Ｒ１Ｏ、Ｒ１１で周知の反転増幅回路を構
成し、抵抗ＲＩＯに与えられる入力信号（ｉ＊、。）の
極性が反転された信号が演算増幅器Ａ１の出力として得
られる。演算増幅密入１の出力が正の場合には、ダイオ
ードＤ１０によシトランジスタＴ１の回路は演算増幅器
Ａ１と切９離されるため制限回路としての動作はされな
い。演算増幅器Ａ１の出力が負の場合には、ダイオード
Ｄ１０は短絡状態となシ、トランジスタＴ１のペース電
位は演算増幅器Ａ１の出力と抵抗１３に与えられる制限
値信号１１ｄＭとの電位差を抵抗Ｒ１２とＲ１３との抵
抗比で分圧したものとなる。今、抵抗Ｒ１２とＲ１３の
抵抗値が等しいものとすれば、制限値信号ｉ１ｄＭＪ：
Ｄも演算増幅器Ａ１の出力絶対値が小さければトランジ
スタＴ１のベース電位は正になろうとするが、ダイオー
ドＤｌｌの動作によってベース電位はほぼ０電位になシ
トラン・ノスタＴ１はオフし、演算増幅器の出力には入
力信号（”ｄｏ）の極性を反転した信号が得られる。

逆に制限値信号ｌｌｄＭよシも演算増幅器Ａ１の出力信
号の絶対値が大きくなろうとすると、ペース電位は負に
なってトランジスタＴ１がオン状態トなる。トランジス
タＴ１がオン状態になると演算増幅密入１の帰還抵抗Ｒ
ＪＩが短絡状態となるため、演算増幅密入１の出力レベ
ルは小さくなり、結果として演算増幅器Ａ１の出力は制
限値信号１１ｄＭ以下に制限される。

但し、演算増幅器Ａ１の出力が制限されるのは前述した
ように入力信号（１”、。）が正で演算増幅器Ａ１の出
力が負の場合だけであシ、入力信号（１”、。）が負で
演算増幅器Ａ１の出力が正の場合には制限動作は行なわ
れない。しかし、この場合には演算増幅器Ａ２．抵抗Ｒ
２０，Ｒ２１゜Ｒ２２，Ｒ２３，トランジスタＴλおよ
びダイオードＤ２０　、　Ｄ２１で構成される全く同一
の次段の回路で制限されることは明らかである。

このようにして、第６図の回路によシ入力信号（”ｄ　
ｏ　）の絶対値が制限値信号ｉｔｄＭ以下に制限された
信号、　ｌ＊ｄが演算増幅器Ａ２の出力として得られる
。

第７図は第４図における制限値演算回路１５の詳細な構
成例を示す回路図で、Ｍｌ、Ｍ２は乗算器、Ａ３は演算
増幅器、Ｒ３０，Ｒ３１゜Ｒ３２は抵抗器、Ｐノは可変
分圧器である。

可変分圧器Ｐ１は１次電流の振幅制限値の自乗Ｉ、２Ｍ
’ｌ”負極性で設定され、抵抗に３１を介して演算増幅
器Ａ３の反転入力側へ与えられる。ｑ軸電流指令値１１
＊９は乗算器Ｍ１で自乗され、抵抗Ｒ３０ｆ介して演算
増幅器Ａ３の反転入力側へ与えられる。演算増幅器Ａ３
の出力ｆｌｄｈｔは乗算器Ｍ２で自乗され、抵抗’Ｂ、
３２を介して帰還される。

演算増幅器Ａ３は反転入力端子へ流入する電流が０にな
るように動作するから、各抵抗Ｒ３０゜Ｒ３１、Ｒ３２
の抵抗値を等しく選べば、次の関係が成立する。

ＩＩＭ　−（ｉｔ”ｑ）２＝　ｌ１２ｄＭ（９）式すな
わち、演算増幅器Ａ３から出力される信号は（８）式を
満足する制限値ｉｔｄＭであることが分かる。

以上、第４図の実施例で本発明を説明したが、本発明は
この構成のベクトル制御に限られるものではない。第２
図および第４図の構成のものは回転速度ω、にすベシ角
速度ωＳを加算して磁束の位置を得ることから、すベラ
周波数制御形ベクトル方式と最近では呼ばれているもの
である。

ベクトル制御には他に磁束位置をホール素子等の感磁素
子で直接的に、あるいは端子電圧等から誘起電圧を求め
て積分することで間接的に検出し、その検出された磁束
位置から流すべき１次電流ベクトルの位相を決める磁束
検出形もある。

この場合であっても１次電流指令値の磁束と同相な成分
１１＊ｄと直交する成分ｉ八とをベクトル合成して１次
電流の振幅指令１１＊を定めることは同じであるから、
第４図の場合と全く同じように本発明を適用できること
は明らかである。

また、最近ではマイコンが安価になったことから、電動
機の制御回路も急速にマイコン化が進められている。そ
のため、第４図のような制御回路もマイコンのソフトウ
ェア処理［１！き換えられつつあるが、本発明はソフト
ウェア処理する場合には容易に達成できるものである。

おる量を制限値以下に制限することは比較命令で容易に
実行できるので制限値回路１４のソフトウェア化は勿論
、制限値演算回路１５０機能も（８）式の関数を計算し
たテーブルをリードオンリメモリ等に書き込んでおき、
テーブル参照方式で制限値を求めることによシ容易にソ
フトウェア化することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、周波数変換装置の
出力し得る電流振幅内の範囲で、１次電流のｑ軸成分を
流すことができるため高速なトルク制御が可能である。

また、１次電流のｄ軸成分も電流振幅の許される範囲内
で大きく流せるので、従来のように容量の大きな周波数
変換装置を必要とすることもなく、経済的な誘導電動機
の制御装置を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘導電動機のベクトル図、第２図は従来のベク
トル制御を示す構成図、第３図は従来の電流制限手段に
よる電流の動作領域を示すベクトル図、第４図は本発明
の一実施例を示す構成図、第５図は本発明の詳細な説明
するための電流ベクトル図、第６図は第４図の制限回路
の詳細構成例を示す回路図、第７図は第４図の制限値演
算回路の詳細構成例を示す回路図でちる。 １・・・誘導電動機、２・・・周波数変換装置、３・・
・交流母線、４・・・速度検出器、５・・・磁束制御回
路、６・・・磁束演算回路、７・・・割算器、８・・・
振幅演算回路、９・・・位相角演算回路、１０・・・す
べり演算回路、１１・・・加算回路、１２・・・積分回
路、１３・・・加算器、１４・・・制限回路、１５・・
・制限値演算回路。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 へ 第５図 １　　　　ｓ１距−一一 第６図 μ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 誘導電動機の磁束と同相な１次電流成分（１１ｄ）と直
   交する１次電流成分（ｉｌ、）とを制御することによっ
   て前記誘導電動機を制御する誘導電動機の制御装置にお
   いて、 前記磁束と直交する１次電流成分（ｉｌ、）の指令値ｌ
   τ、と１次電流振幅の制限値（１１Ｍ）とから前記磁束
   と同相な１次電流成分（１１ｄ）の制限値’１ｄＭを 前記磁束と同相な１次電流成分（ｉｌ、）の指令値の絶
   対値ｌｉτ、１を前記演算手段で演算された制限値１１
   ．Ｍ以下に制限する制限手段とを備えたことを特徴とす
   る誘導電動機の制御装置。