JP4775012B2

JP4775012B2 - 誘導電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4775012B2
Application number: JP2006029688A
Authority: JP
Inventors: 良和市中
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: JP2007215260A

Description

この発明は、ベクトル制御により可変速制御される誘導電動機であって、特に、巻上げ機などの機械装置の駆動源としての誘導電動機の制御方法に関する。

図３は、この種の誘導電動機の制御方法の従来例を示す回路構成図であり、この図において、１は商用電源などの交流電源、２は商用電源１の電力を後述の三相電圧指令値に基づく周波数，電圧の交流電力に変換するインバータ、３はインバータ２からの前記交流電力が給電される誘導電動機、４は誘導電動機３に連結される負荷、５は誘導電動機３の回転速度（Ｎ）を検出する速度検出器、１１は誘導電動機３の速度設定値（Ｎ^#）を設定する速度設定器、１２は切替器、１３は入力される速度設定値（Ｎ^#）に基づき予め定めた加速勾配（増加値／単位時間）または減速勾配（減少値／単位時間）で速度設定値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^#＝Ｎ^*）まで増加または減少させる速度指令値（Ｎ^*）を出力する速度指令演算回路、１４は速度指令値（Ｎ^*）と前記回転速度（Ｎ）との偏差を求める加算演算器、１５は前記偏差を零にするように調節演算を行い、この演算値をトルク指令値（τ^*）として出力する速度調節器、１６，１７は切替器、１８は入力されるトルク指令値（τ^*）と磁束指令値（Φ^*）との間で除算演算を行い、この商をトルク電流指令値（Ｉｔ^*）として出力する除算演算器、１９は入力される磁束指令値（Φ^*）を誘導電動機３の励磁インダクタンス（Ｌｍ）で除算演算することにより得られる励磁電流指令値（Ｉｍ^*）を出力する除算演算器、２０はトルク電流指令値（Ｉｔ^*）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*）と誘導電動機３の電機定数とに基づいて周知のベクトル演算を行い、この演算結果としてのインバータ２への三相電圧指令値を生成するベクトル制御回路である。

図３に示した回路構成による誘導電動機３の従来の制御方法を、図４に示した動作波形図を参照しつつ、以下に説明をする。

先ず、切替器１２の接点を「０」側にし、これにより速度指令演算回路１３の出力である速度指令値を零（Ｎ^*＝０）に設定するとともに速度調節器１５の出力であるトルク指令値（τ^*）を零保持した状態、すなわち切替器１６の接点を「０」側にしつつ、図４に示した時刻ｔ０に、切替器１７の接点を第４磁束指令値側に接続して除算演算器１９により励磁電流指令値（Ｉｍ^*）を導出し、また、前記トルク指令値（τ^*＝０）と第４磁束指令値とから除算演算器１８によりトルク電流指令値（Ｉｔ^*）を導出し、このトルク電流指令値（Ｉｔ^*＝０）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第４磁束指令値／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づきベクトル制御回路２０では周知の技術を用いてベクトル演算を行い、このベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を予備励磁状態にする。

この予備励磁状態により誘導電動機３の励磁磁束Φが該電動機の二次時定数に基づいて増加し、図４に示した時刻ｔ１で、誘導電動機３の励磁磁束Φがほぼ定格磁束値に達すると、切替器１２の接点を速度設定値（Ｎ^#）側に接続するとともに、切替器１６の接点を速度調節器１５側に接続し、さらに、切替器１７の接点を第３磁束指令値側に接続することにより、速度指令演算回路１３の出力である速度指令値（Ｎ^*）は、図４に示すように前記加速勾配で徐々に増加させて、誘導電動機３を始動させる。

以後は、前記加速勾配で増加する速度指令値（Ｎ^*）と誘導電動機３の回転速度（Ｎ）との偏差を加算演算器１４で導出しつつ、この偏差が零になる調節演算を速度調節器１５で行い、この演算結果のトルク指令値（τ^*）に基づきトルク電流指令値（Ｉｔ^*）を導出するが、このとき得られた値がインバータ２の出力電流定格値を超えないようにするために、例えば、定格トルク電流の１５０％程度に制限され、この制限されたトルク電流指令値（Ｉｔ^*）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第３磁束指令値（＝定格磁束指令値）／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づきベクトル制御回路２０では周知の技術を用いてベクトル演算を行い、このベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を加速し、図４に示した時刻ｔ３で速度設定器１１が設定した速度設定値（Ｎ^#）に達し、時刻ｔ３以後、誘導電動機３は定速状態に入る。
特開平８−３３１８９８号公報。

巻上げ機などの機械装置の駆動源としての誘導電動機では、図４に示した第４磁束指令値を、例えば定格磁束指令値（＝第３磁束指令値）の３倍程度に設定しても、図４に示した時刻ｔ０から時刻ｔ１までの経過時間、すなわち予備励磁時間が、前記誘導電動機の二次時定数に起因して、数秒になることが多く、この時刻ｔ１迄は、巻上げ機が荷を落とさないようにするために、機械ブレーキ（図３では図示せず）を投入した状態にし、時刻ｔ１に機械ブレーキを開放しているが、前記区間をより短縮することが要請されている。

図５は、上述の要請に答えるために、図３に示した回路構成により図４とは異なった誘導電動機３の制御方法を示す動作波形図である。

先ず、図４に示した制御方法と同様に、切替器１２の接点を「０」側にし、切替器１６の接点を「０」側にしつつ、図５に示した時刻ｔ０に、切替器１７の接点を第４磁束指令値側に接続して除算演算器１９により励磁電流指令値（Ｉｍ^*）を導出し、また、前記トルク指令値（τ^*＝０）と第４磁束指令値とから除算演算器１８によりトルク電流指令値（Ｉｔ^*）を導出し、このトルク電流指令値（Ｉｔ^*＝０）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第４磁束指令値／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づくベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を予備励磁状態にする。

この予備励磁状態により誘導電動機３の励磁磁束Φが該電動機の二次時定数に基づいて増加し、インバータ２の出力電流定格値を超えないようにするために、例えば、定格トルク電流の１５０％程度に制限されるとしたときには、図５に示した時刻ｔ４で誘導電動機３の励磁磁束Φが定格磁束値の約６７％程度に達し、実際に出力できる誘導電動機３の発生トルク（τ＝Ｉｔ^*×Φ）がほぼ定格値（１００％）の状態になる。

そこで、時刻ｔ４から、切替器１２の接点を速度設定値（Ｎ^#）側に接続するとともに、切替器１６の接点を速度調節器１５側に接続し、さらに、切替器１７の接点を第３磁束指令値側に接続することにより、速度指令演算回路１３の出力である速度指令値（Ｎ^*）は、図６に示すような加速勾配で徐々に増加させて、誘導電動機３を始動させる。

以後は、前記加速勾配で増加する速度指令値（Ｎ^*）と誘導電動機３の回転速度（Ｎ）との偏差を加算演算器１４で導出しつつ、この偏差が零になる調節演算を速度調節器１５で行い、この演算結果のトルク指令値（τ^*）に基づき誘導電動機３の定格トルク電流の１５０％程度に制限されたトルク電流指令値（Ｉｔ^*）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第３磁束指令値（＝定格磁束指令値）／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づきベクトル制御回路２０では周知の技術を用いてベクトル演算を行い、このベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を加速する。

このとき、誘導電動機３の励磁磁束は該電動機の二次時定数に基づき増大し、図５に示した時刻ｔ５でほぼ定格磁束値に達するので、この間に出力できる誘導電動機３の発生トルクは１００％から１５０％に増大し、図５に示した時刻ｔ６で速度設定器１１が設定した速度設定値（Ｎ^#）に達し、時刻ｔ６以後、誘導電動機３は定速状態に入る。

しかしながら、図５に示した誘導電動機３の制御方法では図４に示した制御方法に比して、時刻ｔ０から時刻ｔ４までの区間は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの区間よりその経過時間を短縮することができるが、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの区間が、上述の説明から明らかなように、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの区間に比して長くなるという難点があり、従って、速度指令演算回路１３の加速勾配もより小さくする必要があった。

この発明の目的は、上述の要請を満たしつつ前記難点を解消する誘導電動機の制御方法を提供することにある。

この第１の発明は、誘導電動機への速度指令値と該電動機の速度検出値との偏差を調節演算して得られるトルク指令値と、前記誘導電動機への磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値によりインバータを介して前記誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御方法において、
第１磁束指令値と第２磁束指令値と第３磁束指令値との間に、第１磁束指令値＞第２磁束指令値＞第３磁束指令値の関係を持たせるとともに、第３磁束指令値を前記誘導電動機の定格磁束指令値とし、
先ず、前記速度指令値に零を設定するとともに前記トルク指令値を零保持しつつ、このトルク指令値と前記第１磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を予備励磁状態にし、該予備励磁状態中に前記誘導電動機の励磁磁束が所定の値に達したときに、前記速度指令値に所定の値を設定するとともに前記トルク指令値の零保持を解除し、この設定・解除後に得られる前記トルク指令値と前記第２磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を始動させ、この始動中に前記誘導電動機の励磁磁束がほぼ定格磁束値に達した後は、前記速度指令値と速度検出値との偏差を調節演算して得られるトルク指令値と、前記第３磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を可変速制御することを特徴とする。

この発明によれば、後述の如く、誘導電動機の予備励磁期間の磁束指令値と該電動機の定格磁束指令値との間に、第２磁束指令値で誘導電動機を始動させる区間を設けたことにより、予備励磁期間を短縮しつつ、誘導電動機の加速時間をより短くすることができる。

図１は、この発明の誘導電動機の制御方法の実施の形態を示す回路構成図であり、この図において、図３に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、その説明を省略する。

すなわち、図１に示した回路構成が図３に示した従来例構成と異なる点は、切替器１７に代えて切替器２１，２２と、磁束演算回路２３とを備えていることである。

図１に示した誘導電動機３の制御方法を、図２に示した動作波形図を参照しつつ、以下に説明をする。

先ず、図４，５に示した従来の制御方法と同様に、切替器１２の接点を「０」側にし、切替器１６の接点を「０」側にするとともに、図２に示した時刻ｔ０に、切替器２１の接点を先述の第４磁束指令値とほぼ同値の第１磁束指令値側にしつつ、切替器２２の接点を前記第１磁束指令値側に接続して除算演算器１９により励磁電流指令値（Ｉｍ^*）を導出し、また、前記トルク指令値（τ^*＝０）と第１磁束指令値とから除算演算器１８によりトルク電流指令値（Ｉｔ^*）を導出し、このトルク電流指令値（Ｉｔ^*＝０）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第１磁束指令値／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づくベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を予備励磁状態にする。

この予備励磁状態により誘導電動機３の励磁磁束が該電動機の二次時定数に基づいて増加し、インバータ２の出力電流定格値を超えないようにするために、例えば、定格トルク電流の１５０％程度に制限されるとしたときには、図２に示した時刻ｔ１１で誘導電動機３の励磁磁束が定格磁束値の約６７％程度に達し、実際に出力できる誘導電動機３の発生トルク（τ＝Ｉｔ^*×Φ）がほぼ定格値（１００％）の状態になる。

そこで、時刻ｔ１１から、切替器１２の接点を速度設定値（Ｎ^#）側に接続するとともに、切替器１６の接点を速度調節器１５側に接続し、さらに、切替器２１の接点を第２磁束指令値側に切り替えることで、速度指令演算回路１３の出力である速度指令値（Ｎ^*）は、図２に示すような加速勾配で徐々に増加させて、誘導電動機３を始動させる。

以後は、前記加速勾配で増加する速度指令値（Ｎ^*）と誘導電動機３の回転速度（Ｎ）との偏差を加算演算器１４で導出しつつ、この偏差が零になる調節演算を速度調節器１５で行い、この演算結果のトルク指令値（τ^*）に基づき誘導電動機３の定格トルク電流の１５０％程度に制限されたトルク電流指令値（Ｉｔ^*）と励磁電流指令値（Ｉｍ^*＝第２磁束指令値（＝定格磁束指令値の２倍程度）／Ｌｍ）と誘導電動機３の電機定数とに基づきベクトル制御回路２０では周知の技術を用いてベクトル演算を行い、このベクトル演算結果としての三相電圧指令値によりインバータ２を介した誘導電動機３を加速する。

このとき、磁束演算回路２３では時刻ｔ０から時刻ｔ１１までの第１の磁束指令値と、時刻ｔ１１からの第２の磁束指令値と、誘導電動機３の二次時定数（Ｔ）にと基づき該電動機の励磁磁束を推定演算し、この演算値が、図２に示した時刻ｔ１２でほぼ定格磁束値に達し、この間に出力できる誘導電動機３の発生トルクは１００％から１５０％に増大するので、切替器２２の接点を第３磁束指令値（＝定格磁束指令値）側にし、図２に示した時刻ｔ１３で速度設定器１１が設定した速度設定値（Ｎ^#）に達し、時刻ｔ１３以後、誘導電動機３は定速状態に入る。

従って、図１に示した回路構成による誘導電動機３の制御方法では、時刻ｔ０から時刻ｔ１１までの区間は、先述の図５に示した時刻ｔ０からｔ４までと同様の時間となり、さらに、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの区間は、図５に示したｔ４からｔ６までの区間より、その時間をより短くすることができる、すなわち、速度指令演算回路１３の加速勾配も、図５に示した従来の制御方法に比して、より大きくすることができる。

なお、図２に示した誘導電動機３の制御方法においては、第２磁束指令値を定格磁束指令値の２倍程度として説明したが、誘導電動機２の加速中に、インバータ２の出力電流定格値を超えないようにするために、トルク電流指令値（Ｉｔ^*）の上限値と第２磁束指令値の値との間で、前記出力電流定格値に余裕が無い場合には、トルク電流指令値（Ｉｔ^*）の上限値を優先し、可能最大の値に第２磁束指令値を設定することが行われる。

この発明の実施の形態を示す回路構成図図１の動作を説明する波形図従来例を示す回路構成図図３の動作を説明する波形図図３の動作を説明する波形図

符号の説明

１…交流電源、２…インバータ、３…誘導電動機、４…負荷、５…速度検出器、１１…速度設定器、１２…切替器、１３…速度指令演算回路、１４…加算演算器、１５…速度調節器、１６，１７…切替器、１８，１９…除算演算器、２０…ベクトル制御回路、２１，２２…切替器、２３…磁束演算回路。

Claims

誘導電動機への速度指令値と該電動機の速度検出値との偏差を調節演算して得られるトルク指令値と、前記誘導電動機への磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値によりインバータを介して前記誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御方法において、
第１磁束指令値と第２磁束指令値と第３磁束指令値との間に、第１磁束指令値＞第２磁束指令値＞第３磁束指令値の関係を持たせるとともに、第３磁束指令値を前記誘導電動機の定格磁束指令値とし、
先ず、前記速度指令値に零を設定するとともに前記トルク指令値を零保持しつつ、このトルク指令値と前記第１磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を予備励磁状態にし、
該予備励磁状態中に前記誘導電動機の励磁磁束が所定の値に達したときに、前記速度指令値に所定の値を設定するとともに前記トルク指令値の零保持を解除し、この設定・解除後に得られる前記トルク指令値と前記第２磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を始動させ、
この始動中に前記誘導電動機の励磁磁束がほぼ定格磁束値に達した後は、前記速度指令値と速度検出値との偏差を調節演算して得られるトルク指令値と、前記第３磁束指令値とに基づくベクトル演算を行い、このベクトル演算値により前記インバータを介した前記誘導電動機を可変速制御することを特徴とする誘導電動機の制御方法。