JPS63314193A - 電動機の磁束制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可変電圧、可変周波数のインバータにより駆
動される誘導電動機を運転し、エレベータのように起動
から停止まで定まった速度、トルクパターンにより運転
される装置を、低騒音で運転するための制御方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来制御性を必要とする場合に広く用いられていた直流
機に代り、近年は安価で保守性の良い誘導機を、すべり
周波数制御、Ｖ／ｆ一定制御あるいはベクトル制御等に
より駆動し、直流機と同等の性能で運転できるようにな
った。

これらの誘導電動機制御は入力の３相交流電源をコンバ
ータ部で平滑化された直流電源に変換し、その直流電源
をインバータ部で所望の周波数の交流に変換して、誘導
電動機を運転するものである。

前記のインバータ部はトランジスタや自己消弧形サイリ
スタ（ＧＴＯ）等の半導体素子から構成され、これらの
半導体素子をオン、オフして交流を得る訳であるが、一
般にパルス幅制御方式が取られており、ここで得られた
交流電流ｉ　（ｔ）には所望する周波数の他に次式で表
される高調波が含まれる。

１（ｔ）Ｊ　ａｎｃｏｓｎ＃ｔ＋’ｆ’　ｂｎｓｉｎｎ
ａ＋ｔ　　　・−・−・−・・・−■ｒＦ”Ｉ　　　　
　　　　　ｎ”１ であり、＃は角周波数、Ｔはｉ　（ｔ）の１周期の時間
である。

ところで、Ｖ／ｆ一定制御やすべり周波数制御は磁束を
一定に保ってトルクを制御するものであり、発生するト
ルクｆは次式に示すように磁束φｔ＝ｋｒ・φ・工　　
　　　・・団・・・団・・・・・・・・・印・・・団・
■ここで、Ｖｄ＆はインバータの直流側電圧、ｋφおよ
びに丁はそれぞれ磁束およびトルクに関する定数である
。

以下、従来のパルス幅制御（ＰＷＭ）インバータによる
Ｖ／ｆ一定制御の一例について図面を用いて説明する。

第６図はＶ／ｆ一定制御ＰＷＭインバータの一例のブロ
ック図で、コンバータ部２は３相交流電源１から交流電
力を受けて直流に変換し、コンデンサ等からなる平滑部
３で平滑な直流電圧Ｖｄｃの直流電力としてインバータ
部４に供給する。

インバータ部４はインバータ制御部８からのオン、オフ
信号により内蔵する半導体素子をオン。

オフし、誘導電動機５に交流電力を給電駆動する。

インバータ制御部８は速度指令部６からの速度指令を受
け、所定の周波数を有する搬送波のパルス幅を調整して
インバータ部４の３相交流出力が指令された速度に見合
う周波数と、その周波数に比例した電圧になるようオン
、オフ信号を発生する。

第６図には図示してないが、必要に応じて誘導電動機５
の速度検出を行い、インバータ制御部８へ帰還信号を送
って衆知の手段により周波数とそれに比例する電圧を微
調整し、速度精度の向上と安定化を図っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

パルス幅制御方式の可変電圧、可変周波数のインバータ
において、搬送波周波数は１〜３ｋＨｚ程度となること
が多く、との普近の高調波成分が大きくなると特に耳障
りな音が大きくなり、人に不快感を与える。

従って、このような誘導機制御をそのままで、例えばエ
レベータの駆動装置として使用すると、一般に誘導電動
機の真下にあるかご内の乗客に不快感を与えることにな
り不都合である。

この不快感を伴ういわゆる磁気音を小さくするためには
、０式で求められる磁束φを減らせばよいが、発生する
トルクｔは０式で示したように磁束φに比例するため、
単に磁束φを小さくするだけでは加速時の負荷トルクと
加速トルクの合計必要トルクに見合うだけのトルクが発
生せず、エレベータにとっては重大な問題となる。

例えば、鉄鋼ラインのように急激な負荷変動のある所で
使用される誘導機制御では、常に定格トルクあるいは要
求によっては定格以上のトルクを確保しなければならな
い。逆にエレベータのような一定の速度、トルクパター
ンで運転される装置においては、加速、減速時に必要と
されるトルクは大きいが、一定走行中は必要とされるト
ルクは小さくてすみ、この時には磁束量を減らしても問
題はないが、従来は加速、減速時に必要とするトルクを
発生し得る磁束量となるよう、電圧を周波数に比例せし
めて制御していた。すなわち、定速運転時ｉこ過励磁と
なり、これが不快な磁気音の発生原因となる場合が多か
った。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明にかかる電動機の磁束制御方法は、制御装置とし
て磁束指令値を制御することによりトルクを任意に変更
できるものを採用し、負荷側から要求されるトルクが電
動機の速度により一義的に定まる場合、その速度とトル
クの関係を記憶して七き、電動機の運転速度に応じて必
要とするトルクを出し得る最小限の磁束指令値を決定す
ることを特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明にかかる電動機の磁束制御方法は、負荷側から要
求されるトルクが電動機の速度により一義的に定まる場
合にのみ適用されるものではあるが、各速度において常
に必要最小限の磁束で運転するので、耳障りな騒音を発
生する高調波磁束が大きくなる機会が少なくなり、低騒
音で運転することが可能となる。

〔実　施　例〕

本発明にかかる電動機の磁束制御方法をエレベータの駆
動に適用する場合について説明する。第２図はエレベー
タ運転における速度とトルクのパターンを示す図で、横
軸はすべて時間とし、（ａｌは速度のパターン、（ｂ）
は各時刻における加速度、（Ｃ）は各時刻にセける必要
トルクのパターンを示す。

起動時である時刻ｔｏにおいては乗客にシヨ、りを与え
ないよう小さい加速度により起動し、起動後時刻１１に
おいて速度がｖ２に達するまで加速度を直線的に増加せ
しめる。速度がｖ２からｖｌに達するまでは加速度を一
定とし、時刻ｔ２において速度がｖｌに達して後は加速
度を直線的に減少せしめ、時刻ｔ３において加速度がＯ
になり速度がｖ４に達した後は一部速度ｖ４により運転
する。

停止時も起動時の逆の手順−こよるものであり、時刻ｔ
４において減速を開始するが起動時と同様に乗客にシヨ
、りを与えないよう徐々に減速するため、時刻ｔ５にお
いて速度がｖｌに達するまで減速度を直線的に増加せし
める・速度がｖｌからｖ２に達するまでは減速度を一定
とし、時刻ｔ６において速度がＶ！に達して後は減速度
を直線的に減少せしめ、時刻ｔ７において減速度がＯに
なると共に速度も０となって停止する。ここに、最大加
速度と最大減速度の絶対値は等しく、またそれらの変化
率も符号が異なるのみで絶対値は等しいものとする。

このような運転状況において各時刻に必要なトルクｔは
第２図（Ｃ）に示すごとくである。第２図（ｅ）におい
て正側に実線で示したのはエレベータ上昇運転時に要す
るトルクであり、負側に一点鎖線で示したのはエレベー
タ下降運転時に要するトルクを示す。

エレベータの自重を支持するために要するトルクをｆＬ
とし、時刻ｔ１〜ｔ２間の最大加速度または時刻１ｓ−
ｔａ間の最大減速度で前記自重を加減速するために要す
るトルクをＴＬとすると、エレベータの運転に必要なト
ルクは次の通りである。

先ず、エレベータ上昇運転時には、起動時ｔｏすなわち
速度Ｏの時は必要トルクはＴＬであり、時刻を里におい
て速度がｖｌに達するまでは加速度が直線的に増加する
ので必要トルクもＴＬから（ｒＬ＋ｔム）まで直線的に
増加する。時刻ｔ１〜ｔ！間は最大加速度のまま一定加
速されるため、速度がｖ２からＶｓｊこ達するまでの必
要トルクは（ｒｌ、−）−ｔム）と一定である。時刻１
．〜ｔ３間は加速度が直線的に減少するので、速度がｖ
ｌからｖ４に増大するまでの必要トルクは（ｔｌ、　＋
ｖム）からｖＬまで直線的に減少する。

時刻ｔｓ　”ｗ　ｔａ間は速度はｖ４のまま一定であり
加減速しないので、必要トルクもＴＬのまま一定である
。

時刻ｔ４において減速を開始し、時刻ｔｌにおいて速度
がｖｌに下がるまで直線的に減速度が増加するので、必
要トルクは１Ｌから（ｒｚ−マム）まで直線的に変化す
る０時刻１．−１６間は最大減速度のままで一定減速さ
れるため、速度がｖｓからｖ２に下がるまでの間必要ト
ルクは（ｆｌ　−ｔム）のまま一定である。

時刻ｔ・〜ｔ１間は減速度が直線的に減少するので、速
度がｖ８から停止にいたるまでの必要トルクは、（ＴＬ
−Ｙム）からｒＬまで直線的に変化する。

エレベータ下降運動時にも同様の考え方で、停止から速
度ｖ２にいたるまでの必要トルクは−ｔＬから−（ＴＬ
−ＴＬ）まで直線的に変化し、速度ｖ２からｖｓまで増
速中の必要トルクは−（１Ｌ−ｆＬ）で一定、速度ｖ３
からｖ４まで増速中の必要トルクは−（Ｑ、−ｔム）か
ら−ｆｐまで直線的に変化する。速度がｖ４一定で運転
中の必要トルクは一１Ｌ一定であり、速度がｖ４からｖ
ｓへ減速中の必要トルクは−ｔＬから−（’Ｌ＋ｔム）
まで直線的に変化し、速度がＶｌからｖ２まで減速中の
必要トルクは−（ｔＬ＋ｒム）で一定、速度がｖ２から
停止までの減速中の必要トルクは−（ｒ）−１−ｒム）
から−ｆＬまで直線的に変化する◎ すなわち、必要トルクの絶対値が１Ｌを超えるのは、エ
レベータ上昇運転時は速度が０からｖ４に達するまでの
加速時のみであり、ニレ漏−タ下降運転時は速度がｖ４
から０に達するまでの減速時のみである。

このように特に大きいトルクを必要とする場合のみ、誘
導電動機の磁束を増大せしめるのが本考案の主旨であり
、前記のエレベータ運転の場合には速度と必要磁束の関
係は第３図のグラフのごとくなる。

一定速度運転時に必要なトルク？Ｌを発生するに要する
磁束を４丁、最大加減速時に必要な最大トルク（ｒＬ＋
ｖム）を発生するに要する磁束をφＭとすると、第３図
に示した各速度Ｖにおける必要磁束φから、各速度指令
値−における磁束指令値φ８は次式によって求めること
ができる。

速度が０〜ｖ２の間 φ＊　＝ｋｖ＊＋φ丁　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・■速度がｖ２〜
ｖ３の間 φ＊二φＭ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・■速度がＶ３−　Ｖ
４の間 φ＊＝φｙ１−ｋ　（ｖ＊−ｖ３　）　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・■ここＩこ、ｋ
は通常磁束φＴ、最大磁束φＭおよび速度ｖ２により決
まる定数で、 φＭ−φＴ ｋ　＝ である。

第１図は従来形のＰＷＭインバータに本発明にかかる電
動機の磁束制御方法を適用した一実施例のブロック図で
、第６図と同一の符号は同一または同一機能を有する部
分を示す。第６図に示した従来のＶ／ｆ一定制御ＰＷＭ
インバータによる場合と異なるところは、磁束演算部７
が追加されたことである。

速度指令部６には第２図（ａ）に示したエレベータの速
度パターンを内蔵し、各時点の速度指令値Ｖ＊を発生し
て磁束演算部７へ送る。磁束演算部７では、エレベータ
上昇運転で加速中かまたは下降運転の減速中の大トルク
が必要な時のみ、０〜０式のいずれかにより速度指令値
Ｖから磁束指令値φ８＊ を算出し、その他の場合は磁束指令値φ８を通常磁束φ
Ｔとする。算出された磁束指令値φ３と速度指令値−と
をインバータ制御部８′に送る。

＊ インバータ制御部８′は速度指令値Ｖと磁束指令値φ８
から、所定の周波数を有する搬送波のパルス幅を調整し
て、インバータ部４の３相交流出力が速度指令値Ｖ＊に
見合う周波数と、その周波数にお＊ ける電動機磁束がφとなる電圧になるよう、インバータ
部４ヘオン、オフ信号を発生する。

このような電動機の磁束制御方法をとることにより、特
に大きい磁束を必要とする時以外は小さい磁束（こより
て電動機を運転することが可能となり、低騒音運転を行
うことができる。

近年は、昭和６１年１月発行の電気学会論文誌Ｂの１０
６巻１号第９ページ以下に掲載された「瞬時すべり周波
数制御に基づく誘導電動機の新高速トルク制御法」なる
論文でも解説されているが、３相インバータの出力電圧
および出力電流をいずれもｄ−ｑ２軸に変換して瞬時空
間ベクトルを得。

これら電圧、電流から直接瞬時空間磁束ベクトルを演算
して磁束を制御するインバータの制御方法も開発された
。

この瞬時空間ベクトル制御に本発明ｉこかかる電動機の
磁束制御方法を適用した場合の一実施例のブロック図を
第４図に示す。第６図と同一の符号は同一または同一機
能を有する部分を示す・瞬時空間ベクトル制御は過渡応
答などの制御性は極めでよいが、低速時における磁束演
算精度が若干悪＊ い点を考慮し、低速域における磁束指令値φを必要磁束
より高く設定する。

＊ 第５図は本実施例における各速度指令値Ｖにおける磁束
指令値φを示すグラフである。磁束演算精度の良くない
低速範囲において、停止から柩め１べ て抵速度のｖｌまでの範囲では磁束指令値φゝを特別磁
束φＬ一定とし、速度ｖ１からｖ２までは直線的に減少
せしめて速度Ｖ！における磁束指令値φを最大磁束φＭ
とする。速度ｖ２からｖ４の間は第３図に示した先の実
施例におけるものと同一とする。

これを式で表すと 速度がＱ−ｙ＊の間 φ９＝φＬ　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・■速度がＶ！〜ｖ２の
間 φ＝φＬ　−ｋ’　（ｖ＊−Ｖｌ　）・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■木 ここにに′は特別磁束φＬ、最大磁束φＭおよび速度ｖ
１．　Ｖ２により決まる定数で、 である。

第４図ｉこ示したブロック図により本実施例のにおける
磁束制御方法を説明する。１０は起動停止信号発生器で
あり、速度パターン発生器の動作開始および終了を指示
するもので、速度パターン発生器１１は開始指令が来る
と、予め定められた通り速度指令値Ｖを順次発生させ、
磁束演算器１２と速度偏差演算器１３へ送る。

磁束演算器１２は速度パターン発生器１１より得た速度
指令値Ｖと式■〜■の磁束演算上の分岐点速度Ｍｌ　＋
　Ｖ２　＋　ｖｌとを比較し、いずれかの演算式により
磁束指令値φを算出する。例えば速度指令値Ｖ＊が速度
ｖ１より大き（ｖ２より小さい場合は０式により磁束指
令値φを算出する０算出した磁束指令値φゝはベクトル
制御部１４へ出力する・１５は誘導電動機５の回転速度
を検出する回転速度検出器であり、検出した回転速度を
実速度演算器９へ送る。実速度演算器９は誘導電動機の
回転速度からエレベータの移動速度Ｖを演算し、速度偏
差演算器１３へ出力する。

速度偏差演算器１３は速度パターン発生器１１からの速
度指令値Ｖと実速度演算器９からの検出移動速度を受は
取り、それらを比較すると共に第２図（Ｃｌに示した必
要トルクパターン力１らトルク指令値＊ Ｔを算出し、ベクトル制御部１４へ出力する。

ベクトル制御部ではインバータ４の入力電圧Ｖｄｃおよ
び誘導電動機の各相電流Ｉｕ、　Ｉｖ、　Ｉｗを基に■
。

０式により演算して瞬時磁束φおよび瞬時トルクｔを算
出し、これらが指令値に合致するようにインバータを構
成する牛導体素子をオン、オフする信号をインバータ部
４へ送る。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、定まった速度−トルクパタ
ーンを有する例えばエレベータ駆動のような場合、速度
に応じて磁束を制御することにより誘導電動機の発生す
る騒音を小さくすることができる。更に、誘導電動機電
流のうち励磁電流はトルクの発生に直接には寄与しない
電流であり、発生トルクが小さくてよい時に磁束を小さ
くすることは力率の向上にもつながる。

尚、以上の説明では誘導電動機をインバータで駆動する
場合について述べたが、励磁電流を制御できる他種の電
動機２例えば直流電動機とその界磁制御についても本発
明を適用できることは轟然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＰＷＭインバータに本発明にがかる電動
機の磁束制御方法を連用した一実施例のブロック図、第
２図はエレベータ運転における速度とトルクのパターン
を示す図で（１１）は速度のパターン、（ｂ）は各時刻
における加速度、（Ｃ）は各時刻における必要トルクの
パターンを示し、第３図は各速度における必要トルクを
示すグラフ、第４図は瞬時空間ベクトル制御に本発明に
かかる電動機の磁束制御方法を適用した場合の一実施例
のプロ。 り図、第５図は本実施例における各速度指令値に対する
磁束指令値を示すグラフ、第６図はＶ／ｆ一定制御ＰＷ
Ｍインバータの一例のプロ、り図である。 ｌ・・・・・・３相交流電源、２・・団・コンバータ部
、３・・・・・・平滑部、４・・・・・・インバータ部
、５・・・・・・誘導電動機、６・・・・・・速度指令
部、７・・・・・・磁束演算部、８・・・・・・インバ
ータ制御部、９・・・・・・実速度演算部、１０・・・
・・・起動停止信号発生器、１１・・・・・・速度パタ
ーン発生器、１２・・・・・・磁束演算器、１３・・・
・・・速度偏差演算器、１４・・・・・・ベクトル制御
部、１５・・・・・・回転速度検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁束指令値を制御することによりトルクを任意に変更で
   きる電動機の回転数制御装置において、負荷側から要求
   されるトルクが電動機の速度により一義的に定まる場合
   、その速度とトルクの関係を記憶しておき、電動機の運
   転速度に応じて必要とするトルクを出し得る最小限の磁
   束指令値を決定することを特徴とする電動機の磁束制御
   方法。