JP2007228662A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの出力電圧検出手段を用いることなく、且つ過大な電流を流すことなく再起動時に電動機の回転周波数及び位相を推定可能な誘導電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】 コンバータ２と、インバータ４と、電流検出手段５と、コンバータ２の入力電圧の低下を検出する電圧検出手段１４と、速度検出手段７と、制御部１０とで構成し、制御部１０は、誘導電動機６の電圧、電流をｑ軸とこれに直交するｄに変換してこれ等を独立に制御するベクトル制御によってインバータ４を制御するようにし、ｄ軸電圧基準を周波数に換算してインバータ出力周波数に補正加算して、ｄ軸電圧基準がゼロになるように制御し、電圧検出手段５による検出電圧が所定値以下となったとき、ｄ軸電流基準及びｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機を可変速制御するベクトル制御形インバータからなる電動機制御装置に関する。

瞬時電圧低下等でインバータの入力電圧が低下し、フリーラン状態となっている誘導電動機をインバータで再起動する場合、供給するインバータ出力電圧の周波数、位相及び振幅を、フリーラン状態にある誘導電動機の回転周波数、残留電圧位相及び振幅と一致させることが必要となる。電圧の位相及び振幅に差があれば、インバータに過大な電流が流れ、周波数に差があれば、誘導電動機にインパクトトルクを与える、或いは誘導電動機からインバータへ過大な回生電流が流れる等の不具合を生じる。

従来から、誘導電動機の回転周波数、電圧位相及び振幅を求める手法として、電動機の残留誘起電圧から回転周波数、残留電圧位相を検出する手法がある。誘導電動機は電源が遮断されても、鉄心に残留する磁束が回転することにより回転周波数を持つ交流電圧を発生するので、この残留電圧を利用すれば回転速度を検出できる（例えば、特許文献１参照。）。

また、残留電圧が所定電圧以下のとき、適切な電圧を誘導電動機に印加し、そのときに流れる電流から電動機の回転数を推定する手法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平８−３３１８９２号公報（第４−５頁、図１） 特開２００４−１５９５００７号公報（第４−６頁、図１）

特許文献１に示された手法は、誘導電動機の残留電圧は比較的短時間で消滅してしまうため、インバータの入力電圧が低下する停電時間が長い場合や、誘導電動機が駆動する負荷の慣性モーメントが小さい場合には適用困難であった。

また、特許文献２に示された手法は、検出電圧から誘導電動機の残留磁束を推定し、この推定された残留磁束に応じて適切な電圧を誘導電動機に印加し、そのとき流れる電流によって電動機の回転数を推定する手法であるが、微妙な推定誤差により電動機に流れる電流が過大となってしまう恐れがあった。

更に、特許文献１及び特許文献２に示された手法共、電動機の出力電圧を検出する電圧検出器が必要であった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、インバータの出力電圧検出器を用いることなく、且つ過大な電流を流すことなく再起動時に電動機の回転周波数及び位相を推定可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。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である誘導電動機の制御装置は、交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、前記インバータが出力する電流を検出する電流検出手段と、前記コンバータの入力電圧を検出する電圧検出手段と、前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記インバータを制御する制御部とを具備し、前記制御部は、速度指令と前記速度検出手段の検出速度の偏差及び前記誘導電動機の磁束基準に応じてｑ軸電流基準を得る速度制御部と、前記電流検出手段によって得られた電流を基準位相に基づいてｑ軸電流とこれに直交するｄ軸電流に変換する手段と、前記ｑ軸電流基準と前記ｑ軸電流の偏差に応じてｑ軸電圧基準を得るｑ軸電流制御部と、前記磁束基準から求めたｄ軸電流基準と前記ｄ軸電流の偏差に応じてｄ軸電圧基準を得るｄ軸電流制御部と、前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を前記基準位相に基づいて３相の電圧基準に変換し、この３相の電圧基準に応じて前記インバータのゲート供給パルスを生成する手段と、前記ｑ電流基準と前記磁束基準から前記誘導電動機のすべり周波数を演算する手段と、前記回転速度から得られる回転周波数と前記すべり周波数を加算してインバータ出力周波数を得、このインバータ出力周波数を積分して前記基準位相を得る手段と、前記ｄ軸電圧基準を周波数に換算して前記インバータ出力周波数に補正加算して、前記ｄ軸電圧基準がゼロになるように制御する補正制御手段とを有し、前記電圧検出手段による検出電圧が所定値以下となったとき、前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である誘導電動機の制御装置は、交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を交流に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、前記インバータが出力する電流を検出する電流検出手段と、前記コンバータの入力電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータを制御する制御部とを具備し、前記制御部は、速度指令と演算によって求めた推定速度の偏差及び前記誘導電動機の磁束基準に応じてｑ軸電流基準を得る速度制御部と、前記電流検出手段によって得られた電流を基準位相に基づいてｑ軸電流とこれに直交するｄ軸電流に変換する手段と、前記ｑ軸電流基準と前記ｑ軸電流の偏差に応じてｑ軸電圧基準を得るｑ軸電流制御部と、前記磁束基準から求めたｄ軸電流基準と前記ｄ軸電流の偏差に応じてｄ軸電圧基準を得るｄ軸電流制御部と、前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を前記基準位相に基づいて３相の電圧基準に変換し、この３相の電圧基準に応じて前記インバータのゲート供給パルスを生成する手段と、前記ｑ電流基準と前記磁束基準から前記誘導電動機のすべり周波数を演算する手段と、前記ｑ軸電圧基準、前記ｄ軸電圧基準及び前記磁束基準からインバータ出力周波数を推定する手段と、このインバータ出力周波数を積分して前記基準位相を得る手段と、
このインバータ出力周波数から前記すべり周波数を減算して前記推定速度を得る手段と、
前記ｄ軸電圧基準を周波数に換算して前記インバータ出力周波数に補正加算して、前記ｄ軸電圧基準がゼロになるように制御する補正制御手段とを有し、前記電圧検出手段による検出電圧が所定値以下となったとき、前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、インバータの出力電圧検出手段を用いることなく、且つ過大な電流を流すことなく再起動時に電動機の回転周波数及び位相を推定可能な誘導電動機の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に係る誘導電動機の制御装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の回路構成図である。

交流電源１から与えられる交流をコンバータ２によって直流に変換し、平滑コンデンサ３を介してインバータ４に与える。インバータ４は与えられた直流を交流に変換して誘導電動機６を駆動する。インバータ４の出力電流は電流検出器５によって検出される。また、交流電動機６の回転周波数（回転速度）は、交流電動機６に取り付けられた速度検出器７によって検出される。ここで、インバータ４は、例えば自己消弧型半導体素子をブリッジ接続して構成されるが、各々の自己消弧型半導体素子のゲートには、制御部１０からゲートパルス与えられる。以下、制御部１０の内部構成について説明する。

速度検出器７で検出された誘導電動機６の回転周波数ωｒは速度基準ωｒ*と比較され、速度制御器１１の入力となる。この速度制御器１１の出力であるトルク基準Ｔ*は除算器１２に与えられ、予め設定された磁束基準Φ*で除算され、更に定数Ｋ１倍されてｑ軸電流基準Ｉｑ*となる。このｑ軸電流基準Ｉｑ*は、ｑ軸電流基準切替器１３Ａの一方の入力となる。ｑ軸電流基準切替器１３Ａの他方の入力にはゼロが与えられ、コンバータ２の入力電圧低下を検出する電圧検出器１４の検出電圧が所定値以下となったとき、ｑ軸電流基準切替器１３Ａはゼロを選択する。

電流検出器５によって検出されたインバータ出力電流は、３相−２軸変換器１７によって、ベクトル制御で用いる座標系として知られているｄ−ｑ座標に変換され、この結果得られたｑ軸電流Ｉｑと上述のｑ軸電流基準Ｉｑ*とが比較されてｑ軸電流制御器１５Ａの入力となる。

また、磁束基準Φ*を定数Ｋ２倍し、これに磁束基準Φ*の変化率を定数Ｋ３倍したものを加算してｄ軸電流基準Ｉｄ*とし、このｄ軸電流基準Ｉｄ*を、ｄ軸電流基準切替器１３Ｂの一方の入力とする。ｄ軸電流基準切替器１３Ｂの他方の入力にはゼロが与えられ、このｄ軸においてもｑ軸の場合と同様、コンバータ２の入力電圧を検出する電圧検出器１４の検出電圧が所定値以下となったとき、ｄ軸電流基準切替器１３Ｂはゼロを選択する。そして、３相−２軸変換器１６によってｄ−ｑ座標変換されて得られたｄ軸電流Ｉｄと上述のｄ軸電流基準Ｉｄ*が比較されてｄ軸電流制御器１５Bの入力となる。

ｑ軸電流制御器１５Ａの出力であるｑ軸電圧指令Ｖｑ及びｄ軸電流制御器１５Bの出力であるｄ軸電圧指令Ｖｄは２軸−３相変換器１６に与えられ、２軸−３相変換器１６はこれらを３相の電圧基準に変換し、ゲート制御器１８に与える。ゲート制御器１８においては、例えばＰＷＭ制御等の制御方法を用いて、インバータ４の出力が３相の電圧基準に追従するようにインバータ４を構成する各々の自己消弧型半導体素子の制御極にゲートパルスを供給する。

また、除算器１２の出力であるｑ軸電流基準に電動機２次時定数に相当する定数であるＫ４を乗算し、これを除算器１９によって磁束基準Φ*で除算することによってすべり周波数ωｓを求め、このすべり周波数ωｓと回転周波数ωｒとを加算することにより、インバータ出力周波数ωが得られるように構成されている。このインバータ出力周波数ωに、ｄ軸電圧指令Ｖｄを位相補正器２１によって周波数に換算した補正信号を加算して補正を行い補正されたインバータ出力周波数ω１を得る。

そして、この補正されたインバータ出力周波数ω１を積分器２０で積分してベクトル制御における出力電圧位相θ１を求め、これを２軸−３相変換器１６及び３相−２軸変換器１７の変換のための基準位相としている。また、除算器１９の出力側にスイッチ２２を設け、電圧検出器１４の検出電圧が所定値以下に低下したときにこのスイッチ２２をオフさせるように構成する。

以上の構成において、位相補正器２１はｄ軸電圧指令Ｖｄが出力されている限り補正信号を出力して積分器２０に与え続けるので、最終的にはｄ軸電圧指令Ｖｄ＝０となるように補正されたインバータ出力周波数ω１及び出力電圧位相θ１を決めることになる。このとき、インバータ出力周波数ωは補正されたインバータ出力周波数ω１と等しくなる。この状態において、ｄ軸は誘導電動機６の励磁軸と一致し、またｑ軸は誘導電動機６のトルク軸と一致する。

以上の構成によって、電圧検出器１４の検出電圧が所定値以下に低下したとき、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流ｉｄが共にゼロとなるようにｑ軸電流制御器１５Ａ、ｄ軸電流制御器１５Ｂが夫々動作し、且つスイッチ２２がオフとなって、すべりωｓがゼロとなった状態で、ｄ軸電圧指令Ｖｄがゼロとなるようなインバータ出力周波数ω及び出力電圧位相θ１が得られる。

上記の動作について図２に示したタイムチャートを参照して説明する。

時刻ｔ＝Ｔ１でコンバータ入力電圧が降下した事を電圧検出器１４が検出したとき、ｄ軸及びｑ軸の電流基準切替器１３Ａ、１３Ｂがｄ軸及びｑ軸の電流基準をゼロに切り替える。また同時にスイッチ２２をオフした状態でｄ軸電圧基準をゼロに制御する。その結果、制御過渡期間を経過して時刻ｔ＝Ｔ２において、誘導電動機６の残留電圧はｑ軸成分だけとなり、そのときの位相は誘導電動機６の残留電圧の位相になる。時刻ｔ＝Ｔ２の後はｄ軸及びｑ軸の電流基準はゼロの状態で且つｄ軸電圧基準もゼロの状態が継続するので、ｑ軸電圧基準の位相が誘導電動機６の残留電圧の位相と一致した状態が継続する。この状態においては、誘導電動機６はフリーランとなっているので回転周波数ωｒは減少していき、従ってインバータ出力周波数ω１及びｑ軸電圧基準は減少していく。

上記のように制御系を構成することにより、インバータ４の出力電圧を監視する手段を設けることなく、誘導電動機６の残留電圧の周波数及び位相を検出することが可能となる。

次に、上記状態即ち時刻ｔ＝Ｔ２以降の状態でコンバータ入力電圧が復電し、電圧検出器１４の検出信号がオフとなり、ｑ軸電流基準切替器１３Aはもとのｑ軸電流指令Ｉq*を、ｄ軸電流基準切替器１３Ｂはもとのｄ軸電流指令Ｉｄ*を夫々選択し、スイッチ２３をオンさせてすべりωｓを制御に組み入れる。このようにすれば、再起動時のインバータ出力位相を誘導電動機６の残留電圧位に同期させて再起動を行なうことが可能となる。また、ｄ軸を励磁軸に一致させながら再起動を行なうことが可能になるのでスムースに所期のベクトル制御によって運転することが可能となる。

図３は本発明の実施例２に係る電動機制御装置の回路構成図である。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２が、実施例１と異なる点は、速度検出器７を省き、制御部１０A内に磁束基準Φ*を基にｑ軸電圧基準Ｖｑ及びｄ軸電圧基準Ｖｄを入力として速度推定を行う速度推定器２４を設け、この速度推定器２４の出力をインバータ出力周波数とし、このインバータ出力周波数からすべり演算器１９の出力であるすべり周波数ωｓを減算して回転周波数ωｒを推定し、これを速度制御器１１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３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、上記のように誘導電動機６の回転速度を推定する部分が図１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１のベクトル制御と同一である。従って、フリーラン時に誘導電動機６の残留電圧位相に同期させる制御に関する動作も図２のベクトル制御時のタイムチャートと同一となる。

尚、ｄ軸電圧基準Ｖｄは常時ゼロとなるように制御されているので、速度推定器２４にはｑ軸電圧基準Ｖｑのみを与えるように構成しても良い。また、すべり周波数ωｓは、フリーラン時の周波数制御の外乱にはならないので、スイッチ２２を省略しても良い。

図４は本発明の実施例３に係る電動機制御装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１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３が、実施例１と異なる点は、制御部１０B内の電圧検出器１４の出力側にＯＲ回路２４を設け、電圧検出器１４の出力をOＲ回路２５の一方の入力とし、OＲ回路２５の他方には外部から与えられるインバータ運転指令信号ＥＸＴの逆信号を入力するように構成した点である。

上記の構成とすることにより、インバータ運転指令信号ＥＸＴがオフした場合においても、電圧検出器１４が電圧低下を検出したときと全く同様に、電流基準切替器１３Ａ及び１３Ｂを動作させてｄ軸及びｑ軸電流基準をゼロに設定し、かつ位相補正器２１を動作させてｄ軸電圧基準Ｖｄをゼロに制御することができる。このようにすることにより、コンバータ入力電圧の低下がない状態でインバータ運転指令信号ＥＸＴをオフする場合においても実施例１の場合と同様、誘導電動機６の残留電圧位相を求めることが可能である。また、インバータ運転指令信号ＥＸＴが再度オンした場合は、実施例１において電圧検出器１４が復電を検出したときの動作と同一となり、ベクトル制御に基づく速やかな再起動が可能となる。

本発明の実施例１に係る誘導電動機の制御装置の回路構成図。 電圧低下検出時の本発明の誘導電動機の制御装置の動作を示すタイムチャート。 本発明の実施例２に係る誘導電動機の制御装置の回路構成図。 本発明の実施例３に係る誘導電動機の制御装置の回路構成図。

符号の説明

１ 交流電源
２ コンバータ
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 電流検出器
６ 誘導電動機
７ 速度検出器
１０、１０Ａ、１０Ｂ 制御部
１１ 速度制御器
１２ 除算器
１３Ａ、１３Ｂ 電流基準切替器
１４ 電圧検出器
１５Ａ、１５Ｂ 電流制御器
１６ ２軸３相変換回路
１７ ３相２軸変換回路
１８ ゲートパルス生成器
１９ 除算器
２０ 積分器
２１ 位相補正器
２２ スイッチ
２３ 速度推定器
２４ ＯＲ回路

Claims (5)

1. 交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータが出力する電流を検出する電流検出手段と、
   前記コンバータの入力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
   前記インバータを制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   速度指令と前記速度検出手段の検出速度の偏差及び前記誘導電動機の磁束基準に応じてｑ軸電流基準を得る速度制御部と、
   前記電流検出手段によって得られた電流を基準位相に基づいてｑ軸電流とこれに直交するｄ軸電流に変換する手段と、
   前記ｑ軸電流基準と前記ｑ軸電流の偏差に応じてｑ軸電圧基準を得るｑ軸電流制御部と、
   前記磁束基準から求めたｄ軸電流基準と前記ｄ軸電流の偏差に応じてｄ軸電圧基準を得るｄ軸電流制御部と、
   前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を前記基準位相に基づいて３相の電圧基準に変換し、この３相の電圧基準に応じて前記インバータのゲート供給パルスを生成する手段と、
   前記ｑ電流基準と前記磁束基準から前記誘導電動機のすべり周波数を演算する手段と、
   前記回転速度から得られる回転周波数と前記すべり周波数を加算してインバータ出力周波数を得、このインバータ出力周波数を積分して前記基準位相を得る手段と、
   前記ｄ軸電圧基準を周波数に換算して前記インバータ出力周波数に補正加算して、前記ｄ軸電圧基準がゼロになるように制御する補正制御手段と
   を有し、
   前記電圧検出手段による検出電圧が所定値以下となったとき、
   前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにしたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの直流出力を交流に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータが出力する電流を検出する電流検出手段と、
   前記コンバータの入力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記インバータを制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   速度指令と演算によって求めた推定速度の偏差及び前記誘導電動機の磁束基準に応じてｑ軸電流基準を得る速度制御部と、
   前記電流検出手段によって得られた電流を基準位相に基づいてｑ軸電流とこれに直交するｄ軸電流に変換する手段と、
   前記ｑ軸電流基準と前記ｑ軸電流の偏差に応じてｑ軸電圧基準を得るｑ軸電流制御部と、
   前記磁束基準から求めたｄ軸電流基準と前記ｄ軸電流の偏差に応じてｄ軸電圧基準を得るｄ軸電流制御部と、
   前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を前記基準位相に基づいて３相の電圧基準に変換し、この３相の電圧基準に応じて前記インバータのゲート供給パルスを生成する手段と、
   前記ｑ電流基準と前記磁束基準から前記誘導電動機のすべり周波数を演算する手段と、
   前記ｑ軸電圧基準、前記ｄ軸電圧基準及び前記磁束基準からインバータ出力周波数を推定する手段と、
   このインバータ出力周波数を積分して前記基準位相を得る手段と、
   このインバータ出力周波数から前記すべり周波数を減算して前記推定速度を得る手段と、
   前記ｄ軸電圧基準を周波数に換算して前記インバータ出力周波数に補正加算して、前記ｄ軸電圧基準がゼロになるように制御する補正制御手段と
   を有し、
   前記電圧検出手段による検出電圧が所定値以下となったとき、
   前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにしたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 前記インバータの運転指令がオフしたとき、前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を共にゼロに切替えるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導電動機の制御装置。
4. 前記電圧検出手段による検出電圧が所定値を超える状態に回復したとき、前記ｄ軸電流基準及び前記ｑ軸電流基準を再びもとの状態に切替えて前記誘導電動機を再起動するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の誘導電動機の制御装置。
5. 前記電圧検出手段による検出電圧が所定値以下となったとき、
   前記すべり周波数をゼロに切替えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の誘導電動機の制御装置。

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