JP4667741B2

JP4667741B2 - 誘導電動機の制御装置

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Publication number: JP4667741B2
Application number: JP2003428528A
Authority: JP
Inventors: 尚徳山崎; 雅樹河野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005192295A

Description

この発明は、電車や工作機械、ファン、ポンプ等の駆動用誘導電動機の制御装置に関するものであって、特に、電力変換装置への電力供給が休止され誘導電動機がフリーランしている状態から安定に再起動させる制御装置に係るものである。

従来、電力供給停止時におけるモータの残留磁束によって発生する線間電圧を検出してその線間電圧の正負に対応したパルス信号を出力する残留磁束検出回路と、インバータの出力を決定していた電圧指令、出力周波数指令、及び相回転方向を記憶する記憶手段と、電力供給停止時間を管理するタイマを備え、線間電圧の正負から得たパルス信号から速度信号を求め、速度信号と電力供給停止期間と電力供給停止時点の電圧指令値とから残留電圧の大きさを推定取得し、推定取得した電圧の大きさ、周波数、位相角に基づいて再起動時の電圧初期値とすることが示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１−１９４８９２号公報（図１）

しかしながら、前記特許文献１に示されたものは、フリーラン状態からインバータを再起動させるのに電力供給休止期間の残留電圧を検知し、残留電圧の位相、周波数、振幅と同じ電圧を印加して再起動することが示されており、そのために残留電圧を検知する手段が必要であり、コスト削減の妨げとなっていた。一方、残留磁束が充分に減衰する期間をおいて再起動すれば過電流を抑制した再起動が可能であるが、この場合には、電力供給が休止された時点から、必ず残留磁束減衰期間を設ける必要があり、再起動制御への制約となるという問題点を有していた。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、電圧検知手段を設けることなく、かつ電力休止期間の長短に依存せず、過大な電流やトルクショックを発生させずに安定にインバータを再起動制御した誘導電動機の制御装置を提供することを目的としている。

この発明に係る誘導電動機の制御装置は、電力変換手段と速度検知手段と電圧指令値演算手段と磁束指令値演算手段と磁束指令値変化率リミッタとトルク指令値演算手段とを備え、電力変換手段は、誘導電動機に給電するものであり、速度検知手段は、誘導電動機の回転速度を検知するものであり、磁束指令値演算手段は、誘導電動機を制御するための所望の磁束指令値を演算して、電圧指令値演算手段に出力するものであり、トルク指令値演算手段は、誘導電動機を制御するための所望のトルク指令値を電圧指令値演算手段に出力するものであり、電圧指令値演算手段は、磁束指令値およびトルク指令値から磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値を算出し、磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値に基づいて電力変換手段への電圧指令値を演算、出力するものであり、電力変換手段が運転を停止し誘導電動機への給電を停止している期間に、磁束指令値演算手段は誘導電動機の回転速度と回路定数と給電停止時の磁束指令値とに基づいて、給電再開時の磁束指令値の演算を続行して磁束指令値変化率リミッタに出力し、磁束指令値変化率リミッタは、磁束指令値演算手段が出力する給電再開時の磁束指令値の変化率を制限するものであり、誘導電動機への給電再開時、磁束指令値変化率リミッタは磁束指令値の変化率を制御して電圧指令値演算手段に出力し、電圧指令値演算手段は、電力変換手段の運転停止中にもトルク指令値および速度検知手段が出力する回転速度に基づき、電圧指令値の基準位相角の演算を連続して実行するとともに、給電再開時の磁束指令値と基準位相角とに基づき演算することにより給電再開時の電圧指令値を取得し、この電圧指令値を誘導電動機への給電再開時の、電力変換手段への電圧指令値の初期値としてセットし、その後所望の値まで電圧指令値の振幅を増加させるよう出力するものである。

この発明の誘導電動機の制御装置は、電圧指令値演算手段は、磁束指令値およびトルク指令値から磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値を算出し、磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値に基づいて電力変換手段への電圧指令値を演算、出力するものであり、誘導電動機への給電を停止している期間に、誘導電動機の回転速度と回路定数と給電停止時の磁束指令値とに基づいて、給電再開時の磁束指令値の演算を続行して磁束指令値変化率リミッタに出力し、磁束指令値変化率リミッタは、磁束指令値演算手段が出力する給電再開時の磁束指令値の変化率を制限するものであり、誘導電動機への給電再開時、磁束指令値変化率リミッタは磁束指令値の変化率を制御して電圧指令値演算手段に出力し、電圧指令値演算手段は電力変換手段の運転停止中にもトルク指令値および速度検知手段が出力する回転速度に基づき、電圧指令値の基準位相角の演算を実行し、給電再開時の磁束指令値と基準位相角とに基づき演算して給電再開時の電圧指令値を取得し、この値を給電再開時の電力変換手段への電圧指令値の初期値としてセットし、その後所望の値まで電圧指令値の振幅を増加させるので、電圧検知手段を用いることなく、給電停止期間の長短（残留磁束の大きさ）によらず、過電流やトルクショックを抑制して安定に再起動することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１における誘導電動機の制御装置１００を示すブロック図であり、誘導電動機１、電力変換手段２、電圧指令値演算手段３、磁束指令値演算手段４、速度検知手段５、シーケンス管理手段６、トルク指令値演算手段７で構成されている。
まず誘導電動機１のトルク制御方法について説明する。磁束指令値演算手段４、トルク指令値演算手段７は、誘導電動機１を制御するための所望の磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ、トルク指令値τ＿ｒｅｆを電圧指令値演算手段３に出力する。また、速度検知手段５は誘導電動機１の回転速度ｗｒを検知し、これも電圧指令値演算手段３に出力される。以下、この発明の実施の形態では機械角回転速度に誘導電動機の極対数をかけた電気角回転速度を回転速度ｗｒと表記する。
なお、次に誘導電動機１の制御法、すなわち電圧指令値演算手段３の動作ついて説明する前に、この発明の説明で用いる表記について以下に整理しておく。
誘導電動機の状態量の表記
ｄｑ軸：誘導電動機の磁束ベクトルに同期して回転する直交２軸座標系
Φｄ，Φｑ：ｄ軸磁束およびｑ軸磁束（通常、ｄ軸を磁束ベクトルに一致させるためΦｑ＝０）
ｉｄ，ｉｑ：ｄ軸電流およびｑ軸電流
ｖｄ，ｖｑ：ｄ軸電圧およびｑ軸電圧
ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ：三相におけるｕ相電圧、ｖ相電圧、ｗ相電圧
ｗｒ：電気角回転速度
ｗ：磁束ベクトルの回転周波数
ｗｓ：すべり（ｗ−ｗｒ）
θ：固定軸からみたｄ軸位相角（ベクトル制御の基準位相角）
誘導機定数の表記
Ｒｓ：一次抵抗値
Ｌｓ：一次インダクタンス値
Ｒｒ：二次抵抗値
Ｌｒ：二次インダクタンス値
Ｍ：相互インダクタンス値
σ：漏れ係数（１−Ｍ^２／Ｌｓ／Ｌｒ）

電圧指令値演算手段３では、磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ、トルク指令値τ＿ｒｅｆ、回転速度ｗｒに基づいて、誘導電動機１に出力すべき電圧の指令値を演算し、電力変換手段２へ出力する。一例としていわゆるベクトル制御を用いる場合の演算手段を以下で説明する。
磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ、トルク指令値τ＿ｒｅｆからすべり周波数指令ｗｓ＿ｒｅｆを算出すると同時に、誘導電動機１の磁束に同期して回転するｄｑ座標系を利用して電圧や電流を直流量として捉え、磁束分電流指令値ｉｄｓ＿ｒｅｆ、トルク分電流指令値ｉｑｓ＿ｒｅｆを一度算出する。これら磁束分電流指令値ｉｄｓ＿ｒｅｆ、トルク分電流指令値ｉｑｓ＿ｒｅｆに基づいてｄ軸電圧指令値ｖｄ＿ｒｅｆ、ｑ軸電圧指令値ｖｑ＿ｒｅｆを算出し、さらに電圧指令値の振幅値と位相角に変換し、最終的にはｖｄ＿ｒｅｆ、ｖｑ＿ｒｅｆを固定子座標上の３相交流の電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆへと座標変換することで、三相交流の電圧指令値を算出する。
こうして得られた三相交流の電圧指令値が、電力変換手段２へと出力される。電力変換手段２は、具体的には電圧指令値に基づいてＰＷＭ変調をおこなってゲート駆動信号を出力し、そのゲート信号にもとづいていわゆるインバータの主回路をスイッチング動作させることで、ＰＷＭ三相電圧を誘導電動機１に出力し、これを駆動する。

次に誘導電動機１の給電停止、再起動のシーケンスについて説明する。シーケンス管理手段６は、図示省略した更に上位の制御器からの指令、例えば電力変換手段２の電力源の停電、および復電をモニタする手段から発せられる、運転停止指令、および運転再開指令に基づいて、電力変換手段２、磁束指令値演算手段４、トルク指令値演算手段７に対してゲートオフ信号、およびゲートオン信号を出力する。ちなみに電気鉄道の用途では、主回路そのもののスイッチング動作による電力損失を抑制すべく、トルクを発生しない期間は積極的にゲート遮断して電力供給動作を休止する期間とするため、シーケンス管理手段６の動作は頻繁、かつ重要である。

図２はシーケンス管理手段６が出力するゲートオフ信号、およびゲートオン信号と各指令値のタイミングを模式的に表したものである。まず、電力供給を停止させるゲートオフのシーケンスについて説明する。
通常の運転中にシーケンス管理手段６から、ゲートオフ信号が出力されると、電力変換手段２はゲート遮断し、これに応じて誘導電動機１への電流の供給が停止する。しかし、誘導電動機１には磁束が残留しており、これに起因する残留電圧が端子間に発生していることは既に述べたとおりである。
具体的には、ｄｑ軸座標でみた二次磁束（ｄ軸成分）Φｄｒは以下の式１のように振舞う（通常、二次磁束ベクトルをｄ軸に採用するため、ｑ軸成分Φｑｒは０である）。

ただし、Φｄｒ＿ｏｆｆは、ゲート遮断時点の磁束の大きさを示し、ｓはラプラス演算子である。その他の定数表記は既出のとおりである。
式１は、誘導電動機の二次側回路の特性を示す、以下の式２、３において、ゲート遮断の瞬間からｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとも電流が０になることから導出できる。

本実施の形態１においては、図２に示すとおり、ゲート遮断中においては、式１に示した残留磁束と一致する再起動用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎを磁束指令値演算手段４にて演算する。ここで、Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎは、式１に基づいた以下の式４で演算する。

ただし、ここでΦｄｒ＿ｏｆｆはゲート遮断時点における磁束指令値であり、Ｒｒ^＊、Ｌｒ^＊、は磁束指令値演算手段４にあらかじめ設定された二次抵抗Ｒｒ、二次インダクタンスＬｒの設定値である。
さらに、ゲート遮断中にもベクトル制御の基準座標軸を維持すべく、ｄ軸が固定子座標基準軸（例えばｕｖｗの三相のうちｕ相）から成す角θの演算をそのまま続行する。ただし、ここで実際のｄ軸と電圧制御手段で管理するｄ軸に誤差がでないよう、ゲート遮断中には実際のすべりすなわち磁束の回転周波数と回転子の電気角回転周波数の差が０であることを勘案して、すべり指令ｗｓ＿ｒｅｆを０として以下の式５でθを演算する。なお、トルク指令値演算手段からトルク指令値τ＿ｒｅｆ＝０を出力するようにしても間接的にすべり指令ｗｓ＿ｒｅｆ＝０とする演算が可能であることは言うまでもない。

そして、以上によってゲート遮断中も演算を続行して得られる再起動用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎ、およびｄ軸位相角θ、そしてトルク指令τ＿ｒｅｆ＝０を用いて、電圧指令値演算手段３における演算を続行すれば、残留磁束に起因する誘起電圧に等しい電圧指令値が算出可能となる。

次に、電力供給を再開するゲートオン時のシーケンスについて説明する。
電力供給を休止しているゲート遮断期間中に、シーケンス管理手段６からゲートオン信号が出力されると、誘導電動機の磁束制御、トルク制御を再開する。磁束指令値演算手段４では、所望の目標値まで磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆを立ち上げるが、そのときの初期値として、ゲート遮断中に演算するΦｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎのゲート遮断期間の終端における値を採用し、磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆの演算出力を開始する。同様に、ゲート遮断中に演算を続行して得ていたｄ軸位相角θについても、そのままリセットすることなく前記式５の積分動作を続行し、トルク指令τ＿ｒｅｆの立ち上がりに応じたすべり指令ｗｓ＿ｒｅｆを反映させながら、通常のベクトル制御位相角の演算とする。このように電力供給再開時の磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ、ｄ軸位相角θに基づいて電圧指令演算手段３において電圧指令値を演算することで、ゲート遮断中の誘起電圧値に等しい初期電圧値から滑らかに再起動に向けた電圧指令値演算に移行できる。すなわち、この状態でゲートオン信号に同期して電力変換手段２のＰＷＭ変調動作を再開することによって、電流のショック、トルクのショックを発生させることなく、誘導電動機１の再起動が可能になる。

以上、図１、図２に示したように、この実施の形態１では電力供給が停止している期間に、速度検知手段５が出力する回転速度と、電力変換停止時点の磁束指令値と、誘導電動機１の回路定数とに基づく演算によってベクトル情報としての運転再開用磁束指令値を取得しておくことにより、誘導電動機１における残留磁束と運転再開用磁束指令値を一致させる演算が可能となるため、
電力変換手段２の運転を再開し誘導電動機１への電力供給を再開するにあたって、磁束指令値の初期値として、上記運転再開用磁束指令値をセットしてから、磁束指令値の大きさを所望の値まで増加させることによって、残留磁束を考慮した磁束立ち上げ制御が可能となり、電力供給の停止期間に依らず、安定した電流制御、トルク制御を、電圧検出器を用いることなく実施できる。

実施の形態２．
次に実施の形態２を図に基づいて説明する。
図３は、実施の形態２における誘導電動機の制御装置１００を示すもので、前記図１に示した実施の形態１の構成に対して、飽和特性テーブル４０を付加したものである。
誘導電動機１のインダクタンス値は、磁束の大きさによって変化する。具体的には、磁束分電流であるｄ軸電流ｉｄｓと二次磁束Φｄｒの関係は線形ではなく、ｉｄｓを大きくしていくとΦｄｒは飽和する特性を持っており、ｉｄｓやΦｄｒが大きいほど、誘導電動機１の相互インダクタンスＭ、一次側インダクタンスＬｓ、二次側インダクタンスＬｒは小さくなる特性をもつ。
上記に起因して、式１における一次遅れ特性に関する定数であるＲｒ／Ｌｒは、二次磁束Φｄｒの大きさに応じて変化することになる。例えば、磁束指令値演算手段４における二次インダクタンス値Ｌｒ^＊として、定格磁束における二次インダクタンス値Ｌｒ＿１００が固定値として設定されている場合、ゲート遮断期間における磁束の大きさの低下に伴い、実際の二次インダクタンスＬｒがＬｒ＿１００、Ｌｒ^＊より相対的に増加していくため、真の磁束を表す式１と、磁束指令値演算手段４の演算内容である式４の出力結果との間は、厳密には図４のような差が生じることになる。このまま、式４のΦｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎの演算結果を用いて磁束立ち上げシーケンスに入ると、運転再開用磁束指令値と実際の磁束の差に起因した制御誤差から、電流やトルクのショックが発生する。
そこでこの実施の形態２では、実際の磁束の大きさΦｄｒと実際の二次インダクタンスＬｒの間にある飽和特性を記録した飽和特性テーブル４０を設け、刻々と変化するΦｄｒ＿ｒｅｆの大きさと、飽和特性テーブル４０とから二次インダクタンス設定値Ｌｒ^＊を求め、磁束指令値演算手段４における式４の演算中のＬｒ^＊として反映させるようにする。こうすることによって、実際の磁束の挙動を記述する式１におけるΦｄｒと、磁束指令値演算手段４における運転再開用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎとが精度良く一致することになり、ゲートオン時、すなわち電力供給開始時の電流ショック、トルクショックを一層抑制することが可能となる。

以上、図３のように、図１の構成に対して、誘導電動機１の磁束とインダクタンスとの間の関係を記録した飽和特性テーブル４０を設け、運転再開用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎの演算に反映させることによって、前記実施の形態１における効果に加え、
実際の残留磁束の挙動とより精度良く一致する運転再開用磁束指令値を演算することが可能となるため、残留磁束を考慮した磁束立ち上げ制御がよりスムーズになり、電流ショック、トルクショックをさらに低減できる効果が得られる。

なお、以上では、誘導電動機定数のうち、二次インダクタンスが飽和特性に起因して変動することによって式４の演算に及ぼす影響を回避する方法について述べたが、同様にして、温度変化に起因して変動する二次抵抗Ｒｒの値を誘導電動機１に付加した抵抗値検出手段で検知し、これを式４のＲｒ^＊に反映させれば、運転再開用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎと実際の磁束ΦＲｄがさらに精度良く一致することは言うまでもない。なお前記抵抗値検出手段の図示は省略した。
前記二次抵抗値検知手段としては、誘導電動機１の回転子の温度を計測して二次抵抗Ｒ２の対温度特性を記録したテーブルから実際のＲｒを求める手法や、温度計を用いずにＲｒを求める手法などが既に知られており、これらを組み合わせることによって式４の運転再開用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎの演算精度を改善できる。

実施の形態３．
次に実施の形態３を図に基づいて説明する。
図５は、実施の形態３における誘導電動機の制御装置１００を示すもので、前記図１に示した実施の形態１の構成に対して、磁束指令値変化率リミッタ４１を付加したものである。図２で説明したように、ゲートオン時には運転再開用磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆ＿ｏｎを初期値として磁束指令値
Φｄｒ＿ｒｅｆを目標値まで増加させるが、磁束指令値変化率リミッタ４１は、このときの変化率を制限して電圧指令値演算手段３に出力するものである。これによってゲートオンから磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆが目標値に達するまでの間に生じる電流ショックやトルクショックを一層低減できることを以下で説明する。
誘導電動機の二次側回路の特性を示す式２、３のうち、二次磁束Φｄｒの大きさに関する式２に対し移項操作したものを以下の式６に示す。

この式６に従うと、磁束の変化率が大きいほど、大きなｄ軸電流ｉｄｓが発生することが言える。
次に誘導電動機１の一次側回路の電圧方程式は以下の式７とおりである。式２、３と同様に、二次磁束ベクトルをｄ軸とした回転座標上での表記である。

なお、状態量や誘導電動機１の定数表記については既に説明したとおりである。
ここで前記ｑ軸の式に注目すると、ｄ軸からの干渉項として（ｗ・σＬｓ・ｉｄｓ）が存在することが分かる。すなわち、磁束の変化率が大きいときには、式６に従って大きなｄ軸電流ｉｄｓが発生し、かつｑ軸電圧に対する干渉電圧（ｗ・σＬｓ・ｉｄｓ）が発生すると言える。電圧指令値演算手段３において、干渉電圧を正確に指令値に反映させる、すなわち正確にｄ軸位相角θを制御した上で正確に非干渉化制御ができれば、上記干渉電圧が電流の過渡応答に外乱となることはないが、実際には過渡的にθが実際の二次磁束ベクトルからずれた値となったり、電圧指令値演算手段における漏れインダクタンスの設定値が実際のσＬｓに対して誤差を有すること等によって、完全な非干渉化は困難である。その結果、ｑ軸電圧に対する干渉電圧（ｗ・σＬｓ・ｉｄｓ）が外乱として急激に発生する場合、過渡的にｑ軸電流が発生することになり、磁束との積で過渡的なトルクが発生することになる。

以上から、急激に磁束を変化させると、過渡的に大きなｄ軸電流が発生し、これがｑ軸へ外乱としての干渉電圧を発生させ、過渡的なｑ軸電流制御も発生し、ひいては過渡的なトルク制御誤差も発生すると言える。逆を言えば、磁束の変化が緩やかであれば、上記の過渡電流、過渡トルクは発生しにくい。
そこで、磁束指令値発生手段４の出力に磁束指令値変化率リミッタ４１を設け、磁束指令値の変化率を制限する。これによって、ゲートオンの後、磁束指令値を目標値まで増加させるときに発生する電流ショックやトルクショックを低減することができる。
以上、図５のように、前記実施の形態１に示した図１の構成に対して、磁束指令値の変化率を制限する磁束指令値変化率リミッタ４１を設けることによって、前記実施の形態１における効果に加え、
ｄ軸電流ｉｄｓが過渡的に大きくなることを抑制し、同時にｑ軸への過渡的な外乱電圧の発生や過渡的なｑ軸電流制御誤差、トルク制御誤差を抑制することが可能となるため、再起動時の電流ショック、トルクショックをさらに低減できる。

実施の形態４．
次に実施の形態４を図に基づいて説明する。
図６は、実施の形態４における誘導電動機の制御装置１００を示すもので、構成要素１〜７は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。この実施の形態４は、磁束推定手段９を設ける制御装置の構成において、その出力である磁束推定値に基づいて、ゲートオン時の磁束制御を行うことを特徴とする。以下、その動作について説明する。
まず電流検出手段８は、誘導電動機１の一次側回路に流れる電流を検出する。このように電流検出手段８を設置する場合には、検出された電流を電圧指令値演算手段３にフイードバックし、電流指令値との差に基づいて電圧指令値を調節するいわゆる電流ループを構成すると電流の制御応答や制御精度が向上し、ひいてはトルク制御精度が向上することは、電動機制御における一般的技術として良く知られているとおりである。
磁束推定手段９は、速度検知手段５で得られる誘導電動機１の回転速度、電流検知手段８で得られる電流値、そして電圧指令値演算手段３の出力である電圧指令値に基づいて、誘導電動機１の磁束を推定する。磁束推定手段９の構成例としては例えば電気学会産業応用部門論文誌１２１巻８号（２００１年）金原他；「抵抗変動にロバストな最適オブザーバを用いた誘導電動機のベクトル制御法」に示されている。その演算式を以下に引用する。

二次磁束推定値の位相角情報はｄ軸位相角θとして電圧指令値演算手段３に出力され、座標変換に用いられる。前記文献では、以下のようにして二次磁束の回転周波数ｗを算出し、それを用いてθを算出している。

また、二次磁束推定値は磁束指令値演算手段４に出力され、磁束の制御に用いる。
ここで、ゲートオフ、ゲートオンに伴う磁束推定手段９の動作について説明する。
電力変換手段２、誘導電動機１に電力が供給されている期間、すなわち所望のＰＷＭ動作により電圧が誘導電動機１に出力されている期間には、誘導電動機１の一次側端子電圧は、ほぼ電圧指令値演算手段３の出力に等しい。したがって、磁束推定手段９に必要な一次側端子電圧の信号として、電圧指令値を代用することで、電圧を検知するハードウェアを省略してコストを抑制しつつ、磁束推定を行うことが可能である。当然、大きさの情報だけでなく、二次磁束の位相角の情報も推定できるため、ｄ軸位相角θの演算も可能であり、ベクトル制御のための座標変換操作が可能である。
一方、電力変換手段２、誘導電動機１に電力が供給されていない期間、ゲート遮断期間中には、誘導電動機１の一次側端子電圧と電圧指令値演算手段３の出力とは必ずしも一致しない。従って、上記のように電圧指令値で代用する方法で磁束推定手段９の入力に用いると、磁束推定手段９の出力である磁束推定値の精度は著しく低下してしまう。そこで、ゲート遮断期間中には、一次側端子電圧を用いない磁束推定演算手法に切り替える。前記文献における例では、フィードバックゲインＨを以下の式９のＨ＿ｏｆｆに置き換えることで、二次磁束Φｄｒ、Φｑｒの推定演算については実施の形態１の説明に用いた式２、３と等価になり、電圧値を用いない磁束推定演算形式とすることができる。

こうして、ゲート遮断期間用にはフィードバックゲイン行列ＨをＨ＿ｏｆｆに切り替えて、前記式９、１０の磁束オブザーバによる磁束推定演算を続行することで、ゲート遮断期間中の二次磁束、いわゆる残留磁束を推定することが可能であり、これを磁束指令値演算手段４に出力して給電再開用磁束指令値としてセットしておく。また、磁束の大きさの情報だけでなく、二次磁束の位相角の情報も推定できるため、遮断期間中におけるｄ軸位相角θの演算も可能である。
なお、ゲート遮断期間中は、誘導電動機１の端子が開放されることとほぼ等価であり、原則として一次電流ｉｄｓ、ｉｑｓは共に０となる。結局、式１２のＨ＿ｏｆｆを用いて式９、１０をゲート遮断期間中に演算することは、ゲートオフ時点の磁束推定値と回転速度ｗｒと誘導機の回路定数のみに基づいた演算である。従って、０を積算する演算を省略した簡易な演算式に切り替えても同様の磁束推定演算が可能であり、切り替え項目の省略によるシーケンス簡易化とのバランスを考慮して磁束推定手段９に実装すれば良い。
以上のようにして、電力供給期間、ゲート遮断期間にかかわらず、二次磁束の推定演算、およびｄ軸位相角θの演算が可能である。従って、ゲートオン時には、その時点における磁束推定値Φｄｒを運転再開用磁束指令値として、磁束指令値演算手段４のΦｄｒ＿ｒｅｆの初期値に設定すれば、電圧指令値演算手段３は残留磁束を考慮した電圧指令値を出力することができ、この状態から電力変換手段２の動作を再開すれば、電流ショック、トルクショックを発生させることなく安定に誘導電動機１、電力変換手段２の運転を再開できる。その後、所望の目標値まで磁束指令値Φｄｒ＿ｒｅｆを増加させるようにすれば、所望の運転状態に移行することができる。

以上、この実施の形態４の図６に示すように電力供給が停止している期間に、電力変換手段２の停止時の磁束推定値と、速度検知手段５が出力する回転速度と、誘導電動機１の回路定数とに基づく演算によってベクトル情報としての運転再開用磁束指令値を取得しておくことにより、誘導電動機１における残留磁束と運転再開用磁束指令値を一致させる演算が可能となるため、
電力変換手段２の運転を再開し誘導電動機１への電力供給を再開するにあたって、磁束指令値の初期値として、上記運転再開用磁束指令値をセットしてから、磁束指令値の大きさを所望の値まで増加させることによって、残留磁束を考慮した磁束立ち上げ制御が可能となり、電力供給の停止期間に依らず、安定した電流制御、トルク制御を、電圧検出器を用いることなく実施できる効果が得られる。

以上のように、この発明の実施の形態１〜４による誘導電動機の制御装置は、電車、工作機械、ファン、ポンプ等の駆動に用いられている誘導電動機に適用可能である。

この発明の実施の形態１の誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態１の信号タイミングを模式的に示す図である。この発明の実施の形態２の誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態２の信号タイミングを模式的に示す図である。この発明の実施の形態３の誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態４の誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１誘導電動機、２電力変換手段、３電圧指令値演算手段、
４磁束指令値演算手段、５速度検知手段、７トルク指令値演算手段、
８電流検出手段、９磁束推定手段、４０飽和特性テーブル、
４１磁束指令値変化率リミッタ、１００誘導電動機の制御装置。

Claims

誘導電動機の制御装置であって、
電力変換手段と速度検知手段と電圧指令値演算手段と磁束指令値演算手段と磁束指令値変化率リミッタとトルク指令値演算手段とを備え、
前記電力変換手段は、前記誘導電動機に給電するものであり、前記速度検知手段は、前記誘導電動機の回転速度を検知するものであり、
前記磁束指令値演算手段は、前記誘導電動機を制御するための所望の磁束指令値を演算して、前記電圧指令値演算手段に出力するものであり、
前記トルク指令値演算手段は、前記誘導電動機を制御するための所望のトルク指令値を前記電圧指令値演算手段に出力するものであり、
前記電圧指令値演算手段は、前記磁束指令値および前記トルク指令値から磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値を算出し、前記磁束分電流指令値および前記トルク分電流指令値に基づいて前記電力変換手段への電圧指令値を演算、出力するものであり、
前記電力変換手段が運転を停止し前記誘導電動機への給電を停止している期間に、
前記磁束指令値演算手段は前記誘導電動機の回転速度と回路定数と給電停止時の磁束指令値とに基づいて、給電再開時の磁束指令値の演算を続行して前記磁束指令値変化率リミッタに出力し、
前記磁束指令値変化率リミッタは、前記磁束指令値演算手段が出力する給電再開時の磁束指令値の変化率を制限するものであり、前記誘導電動機への給電再開時、前記磁束指令値変化率リミッタは磁束指令値の変化率を制御して前記電圧指令値演算手段に出力し、
前記電圧指令値演算手段は、前記電力変換手段の運転停止中にも前記トルク指令値および前記速度検知手段が出力する回転速度に基づき、電圧指令値の基準位相角の演算を連続して実行するとともに、前記給電再開時の磁束指令値と前記基準位相角とに基づき演算することにより給電再開時の電圧指令値を取得し、この電圧指令値を前記誘導電動機への給電再開時の、前記電力変換手段への電圧指令値の初期値としてセットし、その後所望の値まで電圧指令値の振幅を増加させるよう出力することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
前記誘導電動機の制御装置には、さらに加えて前記磁束指令値演算手段に付属して飽和特性テーブルが設けられており、前記飽和特性テーブルは、前記誘導電動機の磁束とインダクタンスとの間の飽和特性を記録したものであり、
前記磁束指令値演算手段が給電再開時の磁束指令値を演算する際、前記飽和特性テーブルを前記演算に反映させることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
前記誘導電動機の制御装置には、さらに加えて抵抗値検出手段が設けられており、
前記抵抗値検出手段は２次側巻線回路の温度変化に伴う抵抗値を推定して前記磁束指令値演算手段に出力するものであり、前記磁束指令値演算手段は、前記推定抵抗値を給電再開時の磁束指令値を演算する際の回路定数に反映させる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。
誘導電動機の制御装置であって、
電力変換手段と速度検知手段と電流検出手段と電圧指令値演算手段と磁束指令値演算手段と磁束推定手段および磁束指令値変化率リミッタとを備え、
前記電力変換手段は、前記誘導電動機に給電するものであり、前記速度検知手段は、前記誘導電動機の回転速度を検知するものであり、
前記電流検出手段は前記誘導電動機の１次側回路電流を検出するとともに、前記電圧指令値演算手段にフィードバックするものであり、
前記磁束指令値演算手段は、前記誘導電動機を制御するための所望の磁束指令値を演算して、前記磁束指令値変化率リミッタに出力し、
前記電圧指令値演算手段は、前記磁束指令値およびトルク指令値から磁束分電流指令値およびトルク分電流指令値を算出し、前記磁束分電流指令値および前記トルク分電流指令値に基づいて前記電力変換手段への電圧指令値を演算、出力するとともに、電圧指令値の基準位相角を演算するものであり、
前記磁束指令値変化率リミッタは、前記磁束指令値演算手段が出力する給電再開時の磁束指令値の変化率を制限するものであり、前記誘導電動機への給電再開時、前記磁束指令値変化率リミッタは磁束指令値の変化率を制御して前記電圧指令値演算手段に出力し、前記磁束推定手段は、前記誘導電動機を制御するための磁束推定値を演算して、前記電圧指令値演算手段および前記磁束指令値演算手段に出力するものであり、
前記電力変換手段が運転を停止し前記誘導電動機への給電を停止している期間に、
前記磁束指令値演算手段は前記誘導電動機の回転速度と回路定数と給電停止時の磁束推定値とに基づいて、給電再開時の磁束指令値の演算を続行して前記電圧指令値演算手段に出力し、
前記電圧指令値演算手段は、前記電力変換手段の運転停止中にも前記速度検知手段が出力する回転速度に基づき、電圧指令値の基準位相角の演算を連続して実行するとともに、前記給電再開時の磁束指令値と前記基準位相角とに基づき演算することにより給電再開時の電圧指令値を取得し、この電圧指令値を前記誘導電動機の給電再開時の前記電力変換手段への電圧指令値の初期値としてセットして前記誘導電動機を再始動させ、始動開始後は前記磁束推定手段が前記回転速度、１次側回路電流および電圧指令値演算手段の出力する電圧指令値に基づいて推定磁束を演算するとともに前記電圧指令値演算手段に出力し、前記電圧指令値演算手段は前記推定磁束値と基準位相角とに基づいて演算した電圧指令値を前記電力変換手段に出力し、その後所望の値まで電圧指令値の振幅を増加させるよう出力することを特徴とする誘導電動機の制御装置。