JPH02184285A - 瞬時空間ベクトル制御インバータの出力電圧制限方式 - 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、瞬時空間ベクトル制御の可変電圧可変周波数
インバータによる３相誘導電動機の瞬時トルク、１次磁
束制御方式における電圧制限に関するものである。

本発明によって従来欠点となっていた電源電圧低下時の
出力電圧の飽和による制御不良を改善することが可能と
なる。

（従来の技術） 本発明にかかる瞬時空間ベクトル制御インバータによる
誘導電動機駆動の基本動作は、昭和６１年１月発行の電
気学会論文誌Ｂの１０６巻１号第９頁以下に記載された
「瞬時すべり周波数制御に基づく誘導電動機の高速トル
ク制御法」なる論文に記載されているが、その基本原理
は空間ベクトルで表された誘導電動機の１次電流ｉ＋お
よび１次磁束φ、ベクトルのベクトル積として瞬時発生
トルクを演算し、これとトルク指令Ｔ９との偏差、及び
１次磁束ベクトル長φ１と磁束指令値φ１′との偏差に
応じて、予めテーブル化されているインバータのスイッ
チングパターンを選び、インバータの出力電圧を時々刻
々更新して瞬時トルク及び１次磁束を瞬時制御するもの
である。

第２図は、前記論文に記載された制御法を応用した一例
のブロック図である。インバータ３はトランジスタ等の
スイッチング素子とダイオードとをそれぞれ逆並列接続
してなる６個のアームから構成されるが、図では３個の
切換スイッチ５ｕｒＳｖ、Ｓ、、によって簡略化して示
しである。

３相電圧形のインバータ３には直流電圧源１から正母線
１ａ及び負母線１ｂを介して給電され、制御回路７によ
りインバータ３の各切換スイッチＳｕ。

Ｓｖ、Ｓ、が正、負母線１ｂ、　ｌｂ側へ倒されること
により変換された交流電圧が、電流検出器５ｕｌ　５ｖ
＋５詩を経て３相誘電電動機６の各相端子ｕ、ｖ、ｗに
給電される。直流電圧源１の電圧は正、負母線間に挿入
された電圧検出器２により検出する。

この制御方法では電磁力を直交するｄ−ｑ　２軸で表さ
れる瞬時ベクトルとして取り扱う。すなわ１２＝ｉ２ｄ
　　＋　ｊ　ｊｚＱ φ１　＝φＩｄ十ｊφ１ｑ で表される。ここにｊはベクトル積を表す。

ｉｖ、ｉｗから、１次電圧Ｖ、及び１次電流ｉ、がそれ
ぞれ次式によって算出できる。

１次電圧Ｖ、同じく電流を１次電流ｉ、とし、電動機の
回転子側に誘導される電流を２次電流１２＋固定子側の
１次磁束をφ、とすると、 Ｖ、＝Ｖ、ｄ　十ｊ　Ｖ、ｑ Ｌ　＝　ｉｌｄ　＋　Ｊ　１　＋Ｑ ここに Ｒ＋：１次巻線抵抗 ＬＩＩ：　１次インダクタンス Ｒ２：２次巻線抵抗 ＬＢ：２次インダクタンス Ｍ　：相互インダクタンス であり、θ、は回転各速度、ｐは微分演算子を表す。

１次磁束φ１はその定義により φ電　−Ｌ＋　ｒ　Ｌ　＋Ｍｔｚ　　　　　　　　　　
・・・・・・■Ｌ　　Ｒ１１＋＝Ｐφ１　　　　　　　
　　　・旧・・■両辺を積分し φ＋　＝ｆ　（Ｖ＋　　Ｒ＋ｉ＋）　ｄｔ　　　　　　
　−＝■すなわち、誘導電動機の１次磁束φ１は弐〇の
積分演算により求められる。

一方、瞬時トルクＴは弐〇により求めた１次磁束φ１と
１次電流１１とのベクトル積として式■により求められ
る。

Ｔ＝φＨＸ１１＝φ、ｄＸｉ、ｑ−φ、ｑｘｉ、ｃｌ　
ｔ＋ｔ＋＋■インバータ３を構成する各切換スイッチＳ
ｕ。

ＳＶ、Ｓ、がそれぞれ、正母線ｌａ側へ倒れた場合を１
で、負母線側へ倒れた場合を０で表すと、３個の切換ス
イッチＳ、、Ｓｖ、Ｓ、の組み合わせから、８通りのス
イッチ状態ができるが、これらのスイッチ状態における
インバータ３の出力電圧ベクトルｖｌを式■から算出す
ると、次の電圧ベクトル表のごとくである。但し、実際
のｖｌｄｖＩｑの値は表中の数値にＱ万と電圧検出器２
で検出した直流電圧源１の電圧Ｅとを乗じた値である。

電圧ベクトル表 前記の電圧ベクトル表のように各スイッチ状態の組み合
わせに対するスイッチ状態番号をｋとしたとき、各スイ
ッチ状態におけるインバータ３の出力電圧νＩ（２）は
、第３図に示した電圧ベクトル図第２図の制御回路７内
に有するブロック７０１及び７０３ｂは、切換スイッチ
Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓ、、状態と電圧検出器２で検出した直流
電圧源１の電圧Ｅとから、式■により１次電圧Ｖ、を算
出するブロックである。

ブロック７０２は直流検出器５ｕ、　５ｖ、　５−によ
り検出された３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉ、、から式■によ
り１次電流１１を算出するブロックである。

ブロック７０３ａにおいてこの１次電流ｉ１に１次巻す
る。

ブロック７０５は弐〇に従って磁束を積分演算するブロ
ックであり、１次磁束φ１のｄ、ｑ両軸成分が求められ
る。

ブロック７１０では１次磁束φ、のｄ軸を基準とする時
計方向の回転角θが、境界線として３０°。

９０°、１５０°、　２１０’　、　２７０’　、　３
３０’　（７）６０°毎に仕切られるどの領域に属して
いるかによって、制御フラグｆθを次のように発生する
。

−３０＠≦θ＜３０６：ｆθ＝１ ３０″≦θ＜９０８：ｆθ＝２ ９０＠≦θ〈１５０°　：ｆθ＝３ １５０”≦θ＜　２１０’　：　ｆθ＝４２１０’≦θ
〈２７０°　：ｆθ−５ ２７０’≦θ＜３３０°：ｆθ−６ ブロツク７０６は磁束ベクトル長φ、を次式により算出
するブロックである。

φ＋　＝　　＄＋ｄ”　＋＄＋マ　　　　　　・・・・
・・■ブロック７０８において外部から与えられる磁束
指令値φＩ′から磁束ベクトル長φ、を減算し、磁束の
偏差を算出する。

ブロック７１１はヒステリシスコンパレータであり、ブ
ロック７０８から送られる磁束の偏差が正で所定値を超
えたとき、すなわち磁束を増加せしめる必要があるとき
ｆφ＝＋１とし、磁束の偏差が負で所定値を超えたとき
、すなわち磁束を減少せしめる必要があるときｆφ＝−
１とする。

ブロック７０７はブロック７０２及び７０５の再出力の
ベクトル積を式■により演算し、瞬時トルクＴを算出す
るブロックであり、ブロック７０９において外部から与
えられるトルク指令Ｔ０から瞬時トルクＴを減算し、ト
ルクの偏差を算出する。

ブロック７１２は瞬時トルクＴに対するヒステリシスコ
ンパレータであり、多重ヒステリシスコンパレータの構
造を持っている。トルクの偏差が所定の誤差範囲内であ
るときは内側のコンパレータのみが動作し、外部トルク
指令Ｔ０が急変したときなどトルクの偏差が所定の誤差
範囲を超えた場合には外側のコンパレータも動作し、再
びトルクの偏差が小さくなると内側のコンパレータのみ
が動作するようになる。この内側のヒステリシスコンパ
レータは零ベクトルとその他の電圧ベクトルとの選択を
する制御フラグｆ、。を発生し、外側のヒステリシスコ
ンパレータはカ行又は回生のいずれのトルクを発生すべ
きか、すなわち瞬時すべり周波数をどちらの方向に与え
なければならないかを選択する制御フラグｆＴＩを発生
する。従って、電圧ベクトルはこの２つの制御フラグｆ
ア。＋ｆＴＩの組み合わせによって選択され、次のトル
ク制御フラグ表に示すごとき電圧ベクトルが出力される
。

トルク制御フラグ表 ブロック７１３はブロック７１０．７１１．７１２から
出力される各制御フラグｆθ、ｆφ、ｆ□＋ｆＴ＋１の
各組み合わせに最も適したインバータ出力電圧を決定す
るブロックであり、次に示す電圧ベクトル選択表から制
御フラグｒθ、ｆφ＋　　ｆ’ｌ’ｌ＋　　ｆ７゜に従
って前記の電圧ベクトル表に示したスイッチ状態番号ｋ
を知り、インバータ３ヘスイツチング信号を送り、磁束
及びトルクの瞬時制御が行われる。

以上、詳細に説明したように、このような磁束演算形の
制御方式によれば、誘導電動機の内部定数をほとんど使
用しないで演算しながら、各瞬時における１次磁束φ１
の磁束ベクトル長φ、をほぼ一定に保ち、磁束ベクトル
成分φＩｄ＋　　φ、ｑの描くリサージュ図形はほぼ円
を描きつつ、且つ高速トルク制御を行うことができる。

（発明が解決しようとする課題） 一般に誘導電動機を可変電圧可変周波数インバータによ
り可変速駆動する場合は、電圧と周波数とは比例関係に
あるようにするのが普通である。

瞬時空間ベクトル制御インバータにおいても、磁束指令
値φ９を一定として制御しようとするが、誘導電動機が
定格回転付近で負荷を取っている場合に電源電圧が低下
すると、インバータ出力電圧が飽和してしまって必要な
回転速度が得られなくなり、制御の誤動作やそれに起因
する事故を生じかねない。

そのために、電源電圧の変動に応じたインバータの出力
電圧制限が必要となるが、単に誘導電動機の回転速度Ｎ
１のみによる制限や、インバータの直流電圧すなわち直
流電圧源１の電圧Ｅのみによる制御では、通常の運転時
にも影響を与えてしまう。

本発明にかかる瞬時ベクトル制御インバータの出力電圧
制限方式は、真に必要な場合のみに磁束指令値を必要な
だけ変更することにより好適に出力電圧を制限すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明にかかる瞬時ベクトル制御インバータの出力電圧
制限方式は、３相誘導電動機の瞬時トルク、瞬時１次磁
束を制御して該誘導電動機を可変速駆動する瞬時空間ベ
クトル制御インバータにおいて、所定の磁束指令値に誘
導電動機の回転速度を乗じた値がインバータの直流電圧
に一定常数を乗じた値より大きい場合には、磁束指令値
をその回転速度における誘導電動機の逆起電力がインバ
ータの直流電圧以下となる値に変更することを特徴とす
る。

（作　用） 瞬時トルク、瞬時１次磁束を制御して誘導電動機を可変
速駆動する瞬時空間ベクトル制御インバータにおいては
、磁束指令値φ９と誘導電動機の逆起電力がＥｌ、及び
インバータ周波数ｒ、の間には次の関係式が成立する。

φ“×ｆ五−ｋＥ０ｆ　（ｋは比例定数）誘導電動機の
逆起電力Ｅ０．はインバータの直流電圧すなわち直流電
圧源１の電圧Ｅを超えることはできないので、 φ１×ｆ、≦ｋＥ となる。

今、可変速駆動のためのインバータの出力電圧と周波数
との比を一定とするために設定した磁束指令値をφ、Ｅ
？′としたとき、インバータの周波数出力周波数ｆ、と
誘電電動機の回転速度とは比例関係にあるので φ、ア′×Ｎ、≦に’　Ｅ　（ｋ’は比例定数）・・・
■と表すことができる。

すなわち、設定した磁束指令値φＳＥＴ′と誘導電動機
の回転速度Ｎ７との積が、直流電圧源１の電圧Ｅに一定
常数を乗じた値を超える場合には磁束指令値を下げる必
要がある。

最高定格運転時の磁束指令値、誘導電動機の回転速度及
び直流電圧源の電圧をそれぞれφＳＥＴ＊Ｎ　ｓ　ｒ　
ａ　ｆ及びＥ　ｒ　ａ　ｆとするとφＳＥＴ　”　Ｘ　
Ｎ、、、、＝　ｋ　’　Ｅｒａｆ　　　　”・・・・（
ｍが成立する。

従って、実際の運転時における磁束指令値φ０誘導電動
機の回転速度Ｎ１及び直流電圧源の電圧Ｅの間に φ“ＸＮ、≦に’Ｅ　　　　　　　　　・・・・・・■
を成立させるためには、式［相］及び■からとしなけれ
ばならない。この弐〇の等号を用いたときの磁束指令値
φ１を与えた場合に、誘導電動機が実現可能な最大磁束
で運転され得る。

本発明の電圧制御方式は、インバータの直流電圧すなわ
ち直流電圧源１の電圧Ｅと誘導電動機の回転速度Ｎ１と
の両者をパラメータとしているので、電源電圧が低下し
ても起動時や低速時ならばその制限はかからず、運転に
何らの影響もない。

又、定格回転数付近でも電源電圧が正常であれば制限は
かからず、必要時のみ電圧制限ができる。

またその制限を磁束指令値φ９で与えているため、ベク
トル制御ループに対し演算時間の増加などの影響を与え
ることなく実現が可能である。

（実施例） 以下、本発明の瞬時空間ベクトル制御インバータの出力
電圧制限方式の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図は本発明による出力電圧制御方式を用いた誘導電動機
の瞬時トルク、磁束制御系のブロック図であり、磁束制
限部８を追加した以外は第２図のブロック図の同じであ
る。

従来は制御回路７に先に説明した設定磁束指令値φ、７
′が直接磁束指令値φ０として入力されていた。本実施
例では制御回路７の磁束指令値φ９の入力部分に磁束制
御部８を接続し、設定磁束指令値φ３０．。をこの磁束
制限部８に入力して本発明により処理を施して磁束指令
値φ“に変換して後制御回路７へ送るものである。

磁束制限部８は判定部分８１と信号発生部分８２とから
構成され、判定部分８１及び信号発生部分８２の画部分
にはいずれも設定磁束指令値φ、Ｔ′、インバータ直流
電圧Ｅ及び誘導電動機の回転速度Ｎ。

が入力される。インバータ直流電圧Ｅは電圧検出器２で
検出された直流電圧源１の電圧であるが、誘導電動機の
回転速度Ｎ、、は３相誘導電動機６に接続される速度セ
ンサによる他、種々の方法により検出された値を用いれ
ばよい。

判定部分８１は掛算器８１１と演算器８１２とから構成
され、掛算器８１１は入力された誘導電動機の回転速度
Ｎ、と設定磁束指令値φ、１′とを乗算し、その積を演
算器８１２へ送る。演算器８１２へはインバータ直流電
圧Ｅも入力され、弐〇に従った比較を行うために、イン
バータ直流電圧已に一定常数に′を乗じた上で掛算器８
１１から送られた値と比較し、この誘導電動機の回転速
度Ｎ、と設定磁束指令値φ、ア１との積の方が大きい場
合は“１゛を、小さい場合には“０”を出力して信号発
生部分８２へ送る。

信号発生部分８２は反転入力端子材ＡＮＤ回路８２１゜
演算回路８２２及びＯＲ回路８２３から構成される０反
転入力端子材ＡＮＤ回路８２１の反転入力端子には判定
部分８１から送られた信号が入力され、非反転入力端子
には設定磁束指令値φ、、＊が入力される。

従ってこの反転入力端子材ＡＮＤ回路８２１は、判定部
分８１から送られた信号が“１”の場合は“０″を出力
し、逆に“０パの場合には設定磁束指令値中φ、？。を
出力してＯＲ回路８２３へ送る。演算回路８２２には判
定部分８１の出力信号と共にインバータ直流電圧Ｅと誘
導電動機の回転速度Ｎ、とが入力され、判定部分８１か
ら送られた信号が“０”の場合には“０″を出力し、逆
に“１″の場合には式＠の等号の場合に従って磁束指令
値φ８を演算出力してＯＲ回路８２３へ送る。　ＯＲ回
路８２３の両入力端子のうちいずれか一方の入力は常に
０″であり、他方の入力を出力として制御回路７へ送る
。

すなわち、信号発生部分８２は判定部分８１の出力が“
０”の場合は設定磁束指令値φ、ア“をそのまま磁束指
令値φ１とし、逆に、′１”の場合には弐＠によって算
出した値を磁束指令値φ９として制御回路７へ送ること
になり、結果として、磁束制御部８は式■が成立してい
る場合は設定磁束指令値φ８．′のそのままを、また弐
〇が成立しない場合には式＠で算出した値を磁束指令値
φ“として制御回路７へ送ることになる。

なお、式＠中の誘導電動機の定格回転速度Ｎ　ｓ　ｒ　
ｍ　ｆとインバータの定格直流電圧Ｅ　ｒｓｆの比はそ
の都度入力せずに演算回路８２２内に記憶しておけばよ
い。

また、本実施例では式＠の等号の条件で磁束指令値φ１
を算出したが、この式を満足する一定の計算様式であれ
ば変形することも可能である。

（発明の効果） 前述のごとく、本発明の電圧制限方式は電源電圧が低下
しても起動時や低速時にはその制限がかからず、また誘
導電動機の回転速度が定格に近くすなわちインバータの
出力電圧が入力電圧に近い領域で電源電圧が低下しても
、出力電圧が入力電圧に比例して抑えられるので瞬時空
間ベクトル制御の磁束は正常に円軌跡を描き、制御は正
常に行われる。

更に、この制限のための演算はベクトル制御ループ外で
算出し、その対象が磁束指令値φ９であるため、ベクト
ル制御の演算時間を延ばすことなく制限することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による出力電圧制御方式を用いた誘導電
動機の瞬時トルク、磁束制御系の一実施例のブロック図
、 第２図は従来の誘導電動機の瞬時トルク、磁束制御系の
一例のブロック図、 第３図はインバータの出力電圧ベクトル図である。 １・・・直流電圧源　　　　１ａ・・・正母線１ｂ・・
・負母線　　　　　　２・・・電圧検出器３・・・イン
バータ　　　　５ｕ、５ｖ、５−・・・電流検出器６・
・・３相誘導電動機　　７・・・制御回路８・・・磁束
制限部 ８２・・・信号発生部分 ８１・・・判定部分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、３相誘導電動機の瞬時トルク、瞬時１次磁束を制御
   して該誘導電動機を可変速駆動する瞬時空間ベクトル制
   御インバータにおいて、所定の磁束指令値に誘導電動機
   の回転速度 を乗じた値がインバータの直流電圧に一定常数を乗じた
   値より大きい場合には、磁束指令値をその回転速度にお
   ける誘導電動機の逆起電力がインバータの直流電圧以下
   となる値に変更することを特徴とする瞬時空間ベクトル
   制御インバータの出力電圧制限方式。