JP2000308400A - エレベータ用誘導電動機のベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベクトル制御における磁電流指令とトルク電
流指令の比を負荷に応じて変化させることで最大効率運
転を得るのでは、エレベータかごの乗り心地を悪くする
ことがある。 【解決手段】 トルク指令Ｔ＊から最大効率制御部１８
に磁束指令λ＊を得、この磁束指令から励磁電流演算部
２１で励磁電流指令ｉ_d＊を得、この励磁電流指令ｉ_d＊
から磁束推定部２２が誘導電動機の磁束を推定する。ト
ルク電流演算部２３は、磁束推定部からの推定磁束λｅ
を使ってトルク指令からトルク電流指令ｉ_q＊を求める
ことでトルクの追従性を向上させる。また、磁束指令λ
＊から直接に磁束を推定すると共に励磁電流指令を求め
る構成、さらに最大効率制御部１８を省略した構成も含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレベータ用誘導
電動機のベクトル制御装置に係り、特にエレベータかご
の良好な乗り心地を得るためのトルク電流の制御に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エレベータの駆動源を誘導電動機とする
場合、エレベータかごの着床精度や乗り心地の要求を満
たすため、誘導電動機は一般的にはベクトル制御方式の
インバータで駆動される。

【０００３】図３は、エレベータ用誘導電動機のベクト
ル制御装置のブロック図を示す。誘導電動機１を駆動す
るインバータ２は、制御電流源電圧形にされてＰＷＭ制
御され、励磁電流指令ｉ_d＊とトルク電流指令ｉ_q＊につ
いて電流制御部３によるディジタル演算結果で電圧制御
信号ｖ_u，ｖ_v，ｖ_wが与えられる。

【０００４】この電流制御部３を中枢部とする電流制御
系は、フィードバック信号には誘導電動機１の２相の電
流ｉ_u，ｉ_wの検出信号から減算部４により電流ｉ_vの信
号も得、これら３相電流信号から３相／２相変換部５に
よりｄ，ｑ軸の２相電流に変換し、さらに座標変換部６
により誘導電動機１の回転位相θに合わせた電流検出信
号ｉ_d，ｉ_qへの固定／回転座標変換を行う。

【０００５】電流制御部３の演算結果は、ｄ，ｑの２軸
の電圧指令ｖ_d，ｖ_qになり、これら電圧指令を座標変換
部７により位相θに合わせた回転／固定座標変換を行
い、さらに２相／３相変換部８により３相の電圧制御信
号ｖ_u，ｖ_v，ｖ_wに変換する。

【０００６】誘導電動機１の速度制御系は、パルスピッ
クアップ９と速度検出回路１０による速度検出部を有し
てフィードバック制御を行う。位置制御器１１は、エレ
ベータかごの呼び階や着床階に応じた加速と定速及び減
速領域からなるパターンとした速度指令の他、昇降開始
時の加速度指令及び乗員数（重量計測）に応じた荷重指
令を発生する。速度制御部１２は、位置制御器１１から
の速度指令と加速度指令及び荷重指令から速度設定値を
ディジタル演算で求め、この速度設定値と速度検出信号
ω_rの偏差を比例積分（ＰＩ）演算した結果をトルク指
令Ｔ＊として得る。

【０００７】磁束・電流指令演算部１３は、トルク指令
Ｔ＊を二次磁束指令λ＊とトルク電流指令ｉ_q＊に分離
し、トルク電流指令ｉ_q＊は直接に電流制御部３への指
令とし、二次磁束指令λ＊には速度検出信号ω_rによる
補正をする。励磁電流演算部１４は、二次磁束指令λ＊
から励磁電流指令ｉ_d＊を求めて電流制御部３への指令
とする。

【０００８】滑り角周波数演算部１５は、励磁電流演算
部１４で求めた磁束λ（又は励磁電流指令ｉ_d＊）とト
ルク電流指令ｉｑ＊及び電動機の二次時定数τ₂から滑
り角周波数ω_sを求める。加算器１６は、滑り角周波数
ω_sと速度検出信号ω_rを加算して一次角周波数ωを求め
る。積分器１７は、一次角周波数ωを積分して回転位相
θを求める。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のベクトル制御装
置は、過渡状態でのトルク変動を防止するために、磁束
・電流指令演算部１３では、定出力運転領域を除いて、
二次磁束指令λ＊（励磁電流指令ｉ_d＊）を運転状態に
関係なく常に一定にする。このため、負荷が軽い（エレ
ベータでは、かごの重さとカウンタ・ウエイトの重さが
釣り合った状態での一定速度運転中）においても、負荷
が重いときと同じ励磁電流を流すことになり、軽負荷時
には鉄損の割合が大きくなり、電動機での電気−機械変
換効率が低下する。

【００１０】この課題を解決するため、電気自動車用誘
導電動機のベクトル制御装置では、負荷に応じて励磁電
流を変化させることで効率を最大限に高めようとする方
式が提案されている。この方式は、鉄損を考慮したベク
トル制御時の電動機等価回路より、励磁分電流とトルク
分電流の電流比に着目し、任意の負荷に対して効率を最
大とする簡素な条件式を導き、この条件式に基づいて最
大効率制御を得るもので、以下に最大効率制御方式を原
理的に説明する。

【００１１】誘導電動機をベクトル制御した場合の等価
回路は図４で表すことができる。ここでの各部定数は、
通常のＴ型等価回路の定数になる、Ｌ₁を一次自己イン
ダクタンス、Ｌ₂を二次自己インダクタンス、Ｒ_mを等価
鉄損抵抗、Ｍを相互インダクタンス、Ｒ₁を一次抵抗、
Ｒ₂を二次抵抗とすると、下記式の関係になる。

【００１２】

【数１】Ｌσ＝（Ｌ₁Ｌ₂−Ｍ²）／Ｌ₂ ＲＣ＝α｛（ωＭ）²／Ｒ_m｝ …（１） Ｒ₂’＝α²Ｒ₂ Ｍ’＝αＭ α＝Ｍ／Ｌ₂ ω：電源角周波数 上記の等価回路において、励磁分電流ｉ_d、トルク分電
流ｉ_qとして、鉄損を考慮したベクトル制御を行うと、
一次電流Ｉ₁及び滑り角周波数ω_Sは次式になる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ここで、ｉ_cは鉄損分電流であり、次式に
なる。

【００１５】

【数３】 ｉ_c＝ωＭ’ｉ_d／Ｒ_c＝Ｒ_mｉ_d／（ωＭ） …（４） また、発生トルクＴは、極対数ｐとすると、次式にな
る。

【００１６】

【数４】Ｔ＝３ｐＭ’ｉ_dｉ_q …（５） 励磁電流ｉ_dは、定出力範囲を考慮し、基底速度ω₀以下
では一定の値ｉ_dmaxに、それ以上の速度では電動機の端
子電圧がほぼ一定になるように、次式で弱め界磁制御を
行う。

【００１７】

【数５】ｉ_d＝ｉ_dmax×ω₀／ω_r …（６） ω_r：回転子角速度 また、誘導電動機の全損失Ｗ_totalについては、図４の
等価回路及び前記の（２）式と（４）式より、次の
（７）式で表される。ただし、Ｒ_m ²≪（ωＭ）²と仮定
している。

【００１８】

【数６】 Ｗ_total＝３Ｒ₁Ｉ₁ ²＋３Ｒ₂’ｉ_q ²＋３Ｒ_Cｉ_c ²＋Ｗ_m ＝３〔（Ｒ₁＋Ｒ₂’）ｉ_q ²＋（Ｒ₁＋Ｒ_m’）ｉ_d ² ＋２｛Ｒ_m／（ωＭ）｝Ｒ₁ｉ_dｉ_q〕＋Ｗ_m …（７） Ｗ_m：機械損 Ｒ_m’＝αＲ_m なお、等価鉄損抵抗Ｒ_mは、電源周波数により変化し、
電源周波数ｆの１.６乗に比例するものとし、定格周波
数ｆ₀における鉄損抵抗Ｒ_m0とすると、次式の関係にな
る。

【００１９】

【数７】 Ｒ_m＝Ｒ_m0×（ｆ／ｆ₀）^1.6 …（８） また、機械損は、次式のように回転子角速度の２乗に比
例すると仮定する。

【００２０】

【数８】Ｗ_m＝Ｋ_m×ω_r ² …（９） これらの関係と図４の等価回路から、任意の速度及び負
荷トルクに対して、電動機の損失を求めることができ
る。

【００２１】一方、電動機の軸出力Ｐ_outは、次式にな
る。

【００２２】

【数９】Ｐ_out＝ω_r×Ｔ−Ｗ_m …（１０） したがって、電動機の効率η（％）は、次式になる。

【００２３】

【数１０】 η＝１００×Ｐ_out／（Ｐ_out＋Ｗ_total） …（１１） ここで、トルク分電流と励磁分電流の比をＡとおくと、

【００２４】

【数１１】Ａ＝（ｉ_q／ｉ_d） …（１２） 前記の（５）式のトルクより、次式が得られる。

【００２５】

【数１２】 ｉ_dｉ_q＝Ｔ／３ｐＭ’ …（１３） ｉ_q ²＝（Ｔ／３ｐＭ’）Ａ …（１４） ｉ_d ²＝Ｔ／（３ｐＭ’Ａ） …（１５） これらを前記の（７）式に代入すると、電動機損失Ｗ
_totalを比Ａの関数として表すことができる。

【００２６】

【数１３】 Ｗ_total＝（Ｒ₁＋Ｒ₂’）（Ｔ／３ｐＭ’）Ａ ＋（Ｒ₁＋Ｒ_m’）Ｔ／（３ｐＭ’Ａ） ＋２｛Ｒ_m／（ωＭ）｝Ｒ₁Ｔ／（ｐＭ’）＋Ｗ_m …（１６） ここで、任意の負荷状態において、電動機の効率を最大
とするには、その運転状態における損失を最小とすれば
よい。したがって、∂Ｗ_total／∂Ａ＝０として、Ａ
（＝ｉ_q／ｉ_d）について解くことによって効率を最大と
する条件を求めることができ、次式で表される。

【００２７】

【数１４】

【００２８】ただし、上記の（１７）式の導出におい
て、厳密にはω及びＲ_mもＡの関数になり、微分の影響
を受けるが、回転数を固定した場合にはこれらの値はほ
ぼ一定の値と考えられる。

【００２９】したがって、トルク電流ｉ_qと励磁電流ｉ_d
の比Ａを前記の（１７）式で決定でき、与えられたトル
ク指令Ｔに対して、最大効率になる電流指令値ｉ_q，ｉ_d
が次式で求められる。

【００３０】

【数１５】

【００３１】図５は、最大効率制御を行うためのエレベ
ータ用ベクトル制御装置のブロック図であり、同図が図
３と異なる部分は、磁束・電流指令演算部１３に代えて
最大効率制御部１８を設け、この最大効率制御部１８に
よってトルク指令Ｔ＊に対して前記の（１８）、（１
９）式の演算を行う（励磁電流ｉ_dについてはそれに代
えて磁束λを求める）ことで、常に最大効率にしたベク
トル制御を行う。

【００３２】また、図５では、図３の励磁電流演算部１
４に代えて、高速磁束制御部１４Ａを設ける。この制御
部１４Ａは、励磁電流変化に対するトルクの応答遅れを
改善するものである。

【００３３】すなわち、励磁電流の変化に対して二次磁
束の応答が遅れ、結果的にトルクの応答遅れが生じる。
この二次磁束の応答遅れを改善するため、高速磁束制御
部１４Ａは、磁束指令λ＊を疑似微分して励磁電流指令
ｉ_d＊を得る。

【００３４】例えば、高速磁束制御部１４Ａは、図６に
示す演算ブロックに構成する。同図において、磁束指令
λ＊と磁束推定値λｅの関係は次式になる。

【００３５】

【数１６】

【００３６】この式で比例ゲインＧの値を適当に選ぶこ
とによって、二次磁束応答の時定数を二次時定数τ₂の
１／（１＋Ｇ）にすることができ、トルクの応答性が改
善される。

【００３７】以上のように、従来装置は、最大効率制御
部１８に高速磁束制御部１４Ａを設けることでトルクの
追従遅れを改善しようとするが、トルクの追従遅れを零
にすることはできない。このトルクの追従遅れの発生
は、エレベータ用ベクトル制御装置に最大効率制御を採
用した場合、乗り心地を悪くすることがある。

【００３８】本発明の目的は、トルクの追従遅れによる
乗り心地の低下を防止したベクトル制御装置を提供する
ことにある。

【００３９】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁束指令また
は励磁電流指令から電動機の磁束を推定し、この推定磁
束を使ってトルク電流指令を求めることにより、トルク
の追従性を高め、乗り心地を向上させるものであり、以
下の構成を特徴とする。

【００４０】エレベータの駆動源を誘導電動機とし、速
度制御系に得るトルク指令を基に誘導電動機のトルク電
流指令と励磁電流指令を得て前記誘導電動機をベクトル
制御するエレベータ用誘導電動機のベクトル制御装置に
おいて、前記トルク指令から得る磁束指令または該磁束
指令から得る励磁電流指令から誘導電動機の磁束を推定
する磁束推定部と、前記磁束推定部が推定する磁束を使
って前記トルク指令から前記トルク電流指令を求めるト
ルク電流演算部とを備えたことを特徴とする。

【００４１】また、前記トルク指令から前記磁束指令を
得るのに、前記トルク電流指令と励磁電流指令の比を誘
導電動機の負荷に応じて変化させることで最大効率運転
を得るための最大効率制御部を備えたことを特徴とす
る。

【００４２】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の実施形態を示すベクトル制御装置のブロック図であ
る。同図が図５と異なる部分は、高速磁束制御部１４Ａ
に代えて、励磁電流演算部２１と磁束推定部２２に分離
した構成とし、この磁束推定部２２で推定する磁束λｅ
を使ってトルク電流演算部２３がトルク電流指令ｉ_q＊
を求める点にある。

【００４３】励磁電流演算部２１は、最大効率制御部１
８で求める最大効率の磁束指令λ＊から励磁電流指令ｉ
_d＊を求め、電流制御部３への励磁電流指令を得る。

【００４４】磁束推定部２２は、励磁電流演算部２１で
求めた励磁電流指令ｉ_d＊から推定磁束λｅを求める。
この磁束推定には、図６の高速磁束制御部のブロック構
成と同様に、磁束モデルを使用することで電動機の磁束
を遅れを少なくして推定する。

【００４５】トルク電流演算部２３は、速度制御部１２
が求めたトルク指令Ｔ＊からトルク電流指令ｉ_q＊を求
める。このトルク電流演算に、磁束推定部２２が推定す
る磁束λｅを用いることにより、遅れを少なくしたトル
ク電流指令演算を可能にする。なお、磁束推定部２２の
推定磁束λｅは、滑り角周波数演算部１５への入力にも
使用する。

【００４６】本実施形態によれば、最大効率制御により
電力変換効率を高めるのに加えて、磁束推定部２２によ
って推定した磁束を用いてトルク電流指令ｉ_q＊を求め
ることにより、このトルク電流指令ｉ_q＊と励磁電流指
令ｉ_d＊を使ってベクトル制御を行うことができ、電動
機に必要なトルクを得るのに、トルク電流指令の遅れを
少なくすること、つまりトルク指令に対する電動機の発
生トルクの追従性を高め、乗り心地の低下を防止するこ
とができる。

【００４７】（第２の実施形態）図２は、本発明の他の
実施形態を示すブロック図である。同図が図１と異なる
部分は、励磁電流演算部２１と磁束推定部２２に代え
て、高速磁束制御部２４を設けた点にある。

【００４８】高速磁束制御部２４は、図６と同等のブロ
ック図で構成され、最大効率制御部１８からの磁束指令
λ＊から推定磁束λｅと励磁電流指令ｉ_d＊を求める。
推定磁束λｅは、トルク電流演算部２３でのトルク電流
演算に使用すると共に、滑り角周波数演算部１５での滑
り角周波数演算に使用する。

【００４９】前記の第１の実施形態においては、推定磁
束λｅには励磁電流演算部２１による励磁電流指令の遅
れが含まれることから、この遅れがトルク電流演算部２
３でのトルク電流演算にも含まれる。

【００５０】これに対して、本実施形態では、推定磁束
λｅには励磁電流演算部２１での遅れが含まれることが
無くなり、トルク電流演算部２３でのトルク電流演算の
遅れを一層少なくすることができ、乗り心地を一層向上
させることができる。

【００５１】以上までの実施形態においては、最大効率
制御部１８によって磁束指令又は励磁電流指令を最大効
率にする装置に適用する場合を示したが、この最大効率
制御部１８に代えて、トルク指令Ｔ＊から磁束とトルク
電流を演算する装置に適用することができる。この場
合、効率的には劣るが、トルクの追従性は優れ、乗り心
地の向上を図ることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、磁束指
令または励磁電流指令から電動機の磁束を推定し、この
推定磁束を使ってトルク電流指令を求めるようにしたた
め、ベクトル制御におけるトルクの追従性を高め、エレ
ベータかごの乗り心地を向上させることができる。

【００５３】さらに、最大効率制御と組み合わせること
により、乗り心地がよくしかも効率のよいベクトル制御
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すエレベータ用ベ
クトル制御装置のブロック図。

【図２】本発明の第２の実施形態を示すエレベータ用ベ
クトル制御装置のブロック図。

【図３】従来の一般的なエレベータ用ベクトル制御装置
のブロック図。

【図４】ベクトル制御時の誘導電動機の等価回路。

【図５】従来の最大効率制御を用いたエレベータ用ベク
トル制御装置のブロック図。

【図６】図５における高速磁束制御部のブロック図。

【符号の説明】

１…誘導電動機 ２…インバータ ３…電流制御部 １１…位置制御器 １２…速度制御部 １３…磁束・電流指令演算部 １４…励磁電流演算部 １８…最大効率制御部 ２１…励磁電流演算部 ２２…磁束推定部 ２３…トルク電流演算部 ２４…最大効率制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エレベータの駆動源を誘導電動機とし、
   速度制御系に得るトルク指令を基に誘導電動機のトルク
   電流指令と励磁電流指令を得て前記誘導電動機をベクト
   ル制御するエレベータ用誘導電動機のベクトル制御装置
   において、 前記トルク指令から得る磁束指令または該磁束指令から
   得る励磁電流指令から誘導電動機の磁束を推定する磁束
   推定部と、 前記磁束推定部が推定する磁束を使って前記トルク指令
   から前記トルク電流指令を求めるトルク電流演算部とを
   備えたことを特徴とするエレベータ用誘導電動機のベク
   トル制御装置。
2. 【請求項２】 前記トルク指令から前記磁束指令を得る
   のに、前記トルク電流指令と励磁電流指令の比を誘導電
   動機の負荷に応じて変化させることで最大効率運転を得
   るための最大効率制御部を備えたことを特徴とする請求
   項１に記載のエレベータ用誘導電動機のベクトル制御装
   置。