JPH0251386A - 誘導電動機の発生トルク検出装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、誘導電動機の発生トルクの瞬時値を検出す
る装置に関するものである。

（従来の技術） 一般に、電動機の入力電流は発生トルクに比例する成分
（トルク成分）と、界磁を発生する成分（界磁成分）と
でなる。直流分巻電動機ではこれら二つの電流成分の電
源が、電機子回路および界磁回路に独立して存在するの
で、二つの成分は個別に検出でき、発生トルクの検出も
容易である。

これに対して、かご形誘導電動機では一つの交流電源が
１次側に接続されるため、これら二つの成分は渾然一体
となって、１次回路を流れる。このうち、誘導電動機を
ベクトル制御する場合には、これら二つの成分を独立し
て制御するので、これら二つの成分が１次電流として渾
然一体となって１次回路を流れても、個別に検出できる
。しかし、ベクトル制御を行わないかご形誘導電動機で
は、これら二つの成分を分離して検出することは容易で
はない。

ベクトル制御を行わないかご形誘導電動機（以下単に誘
導電動機と言う）の発生トルクを検出する方法として、
従来、種々の方法が提案されてきており、その中で、入
力電圧と入力電流とから入力電力を算出し、これを回転
速度で除算して発生トルクとする方法がある。すなわち
、第７図に示した誘導電動機の等価回路で、入力電力Ｐ
１ｎを次式で求めることができる。

Ｐ　−３Ｖ　’　Ｉｃｏｓ　θｐｐ　　　　　・・・（
１）ｎ ここで、 ■＝入力相電圧の実効値 ｌ重入力電流の実効値 θ１．重入力端で見た力率角 である。

この人力電力Ｐ、と、第７図の等価回路で示しｎ た抵抗ｒ　　、Ｒでの電力損Ｐｌｏｓｓと、機械角速度
ωとを次式に代入すれば発生トルクＴ。゛が求められる
。

（発明が解決しようとする課題） 上記（１）式中の電圧と電流は実効値であるが、これを
求めるとき通常の商用電源のように周波数と振幅が一定
であれば同等問題はない。しかし、可変電圧、可変周波
数電源においては周波数と振幅が一定でないので工夫を
要する。

例えば、電圧波形を観ｙ＃１シて１周期にわたる平均か
ら電圧実効値を得、同時に対応する期間での電流波形か
ら電流の実効値を得ることは可能である。しかし、この
方法では０クロス点を正確に求める必要が生じる。また
、１周期が確定・するまではその前の周期で計算した値
を用いざるを得す、検出に遅れを生じる。この遅れは周
波数が低いときには周期が長くなるので特に問題となる
。

また、上記（１）式においては、力率角を求めるために
電流波形のＯクロス点も必要となり、加えて電圧および
電流の０クロス点間の電気角をも求める必要が生じる。

このことは、発生トルクの検出原理が異なったとしても
、平均値を求める操作を含む方法には必ず付随する問題
でもあった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
、瞬時々々の発生トルクを容易に検出することのできる
誘導電動機の発生トルク検出装置を得ることを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明は、誘導電動機の入力電圧および入力電流を検
出し、それぞれの瞬時値もしくはこの瞬時値に比例した
信号を出力する電圧検出手段および電流検出手段と、こ
れらの検出手段の出力から前記入力端子および入力電流
の波高値および実効値を求め、前記波高値と前記瞬時値
もしくはこの瞬時値に比例した信号とから前記入力電圧
および入力電流間の位相差を求め、前記入力電流および
入力電流の各実効値と前記位相差から前記誘導電動機の
入力電力を求め、この入力電力を前記誘導電動機の回転
速度で除算して前記誘導電動機の瞬時の発生トルクを求
める演算手段とを備えたものである。

（作　用） 誘導電動機の入力相電圧実効値Ｖ１入力端子実効値Ｉお
よび入力端で見た力率角θ、−各瞬時値が求められるな
らば、（２）式に従って発生トルクＴｃを求めることが
である。

この場合、瞬時々々の実効値を次のようにして求める。

なお、ここに示す考え方は多相平衡交流波形にも適用で
きるものであるが、特に、三相平衡交流波形について説
明する。

先ず、波高値を１１電気角速度をω　とすると、三相の
各電流波形ｉ３、ｉ５、ｉｅは次式のように表される。

ｉ繻１１１ｓｌｎω争ｔ ａ　　　　　　　　　　　　　ｅ ｔｂ−ｉ　−５ｌｎ　　（ω、　−ｔ＋　２π／３）ｉ
　　−ｉ　−５１ｎ　　（ω・ｔ＋４π／３）Ｃｅ これらの各回が検出されたとすれば、波高値ｉは次式で
求められる。

・・・・・・（３） この（３）式は各和波形の瞬時値から波高値が求められ
ることを示している。従って、瞬時々々の電流実効値！
を次式によって求めることができる。

１−−　ｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・・・・（４）Ｔ また、これと同様にして、瞬時々々の電圧実効値Ｖも次
式によって求めることができる。

一方、第８図に示すように、ある時刻ｔ′におけるａ相
の電流の瞬時値をｉ　′、ａ相の電圧の瞬時値をＶ　′
とすると、これらの電流、電圧の各位相角θ１．および
θ１．は次式から求めることができる。

上記（６）式の関係は０≦θ１ａ≦π１２のときのもの
で、位相角度の全範囲、つまり、０≦０１．≦２πの範
囲においてはｉ　の極性と、ｉｂｌ　ｉｏの大きさから
、第９図に示す４つの区間１１■、■、■のいずれに属
するかを判断し、次いでその値を修正すればよい。

すなわち、 １１　≧０かつｌｂ≦ｌｃならば０≦θｌ、≦π１２１
１ｉ　　≧０かつｔｂ＞１．ならばπ／２＜θＩ、≦π
ｍ　　ｉ　　＜０かつｉｂ＞１０ならばπくθ１ａ＜３
π１２ＩＶｉ＜Ｏかつｌｂ≦１　ｃならば３π１２≦θ
ｌａ’　２πにより、区間を定め、次のようにして補正
すればよい。

ａ）Ｉの場合：θＩａ−（８）式右辺 ｂ）ｎの場合：θｉａ−（６）式右辺＋π１２ｃ）ＩＩ
Ｉの場合：θ１ａ＝　（８）式右辺＋πｄ）ＩＶの場合
：θｉａ＝　（８）式右辺＋３π１２また、上記（７）
式の関係は０≦θＶａ≦π／２のときのもので、位相角
度の全範囲、つまり、０≦θ　≦２πの範囲においては
Ｖ　の極性と、ｖａ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　ａＶ　ｂ　ｓ　Ｖ　ｏの大きさから４つの区
間１．ＩＩ、■、■のいずれに属するかを判断し、次い
でその値を修正すればよい。

すなわち、 Ｉｖ　　≧０かつｖｂ≦Ｖｃならば０≦θ１．≦ｙｒ１
２１１ｖ　　≧０かつＶｂ　＞　ｖ　ｅならばπ／２＜
θｖａ≦πｍ　　ｖ　　＜ｏかつＶｂ＞ｖｃならばπく
θ、、＜　３ｙｒ／２ＩＶｖ＜０かつｖｂ≦ｖ０ならば
８ｙｒ／２≦θ、ａ≦２πにより、区間を定め、次のよ
うにして補正すればよい。

ａ）Ｉの場合：θ　−（７）式右辺 ａ ｂ）ｎの場合：θ　−（７）式右辺＋π１２ａ ｃ）ＩＩＩの場合：θ　−（７）式右辺十πａ ｄ）ＩＶの場合二〇　−（７）式右卑＋３π１２ａ これにより、力率角θ、Ｆを次式によって求めることが
できる。

θ、Ｆ−〜、−θ１ａ　　　　　　　　　・・・（８）
次に、抵抗ｒ　　、ｒ　　での電力損失Ｐｌｏｓｓは次
式で与えられる。

Ｐ　　　−３（ｒ　　＋ｒ　　）Ｉ　　ｃｏｓ　　θｐ
ｐ”’　（９）ｌｏｓｓ　　　　　１　　２ なお、この電力損失Ｐｌｏｓｓは、（３）式で求まる波
高値ｉを用いて次式で計算してもよい。

このようにすれば、（２）式の計算に必要な諸量が全て
求められ、その結果、誘導電動機の発生トルクＴ６が瞬
時値として求められる。

本発明は、かかる原理に従って、先ず、誘導電動機の入
力電圧および入力電流のそれぞれの瞬時値を検出し、次
に、これらの検出値から、電圧および電流の波高値を求
め、これらの波高値電流と電圧の実効値および両波形間
の位相差、つまり力率角を求め、この実効値および力率
角から入力電力を求め、これを回転速度で除算して、瞬
時々々の電動機発生トルクを求めるものである。

（実施例） 第１図はこの発明の一実施例の概略構成図であリ、３相
インバータ２が直流電源１の直流出力を交流に変換して
誘導電動機３に供給するとき、３相インバータ２と誘導
電動機３との間に設けられた電圧基本波検出回路４およ
び電流基本波検出回路５と、これらの検出器の各検出信
号と、誘導電動機３に結合された速度検出器６の検出信
号とを入力して発生トルクを演算する発生トルク演算回
路７とを備えている。

第２図はこの発生トルク演算回路７の詳細な構成を示す
ブロック図である。同図において、前述の電圧基本波検
出回路４の出力をそれぞれ自乗演算する乗算器７１１〜
７１３と、この電圧基本波検出回路４の出力に基づいて
三相交流のうちの区間区間Ｉ、ＩＩ、■、■のいずれに
属するかを判断する論理回路７４０と、電流基本波検出
回路５の出力をそれぞれ自乗演算する乗算器７１４〜７
１６と、この電流基本波検出回路５の出力に基づいて三
相交流のうちの区間１．ＩＩ、■、■のいずれに属する
かを判断する論理回路７４１とを備えている。このうち
、乗算器７１１〜７１３には合計、係数倍、開平演算す
る加算係数開平器７１７が、乗算器７１４〜７１６には
同じく合計、係数倍、開平演算する加算係数開平器７１
８がそれぞれ接続されている。一方、電圧基本波検出回
路４の三相の検出値が絶対値発生器７１１１に、電流基
本波検出回路５の三相の検出値が絶対値発生器７１１４
にそれぞれ加えられ、それぞれ絶対値を演算するように
なっている。そして、絶対値発生器７１１１の出力を一
方入力、加算係数開平器７１７の出力を他方入力とする
除算器７１９と、絶対値発生器７１１４の出力を一方入
力、加算係数開平器７１８の出力を他方入力とする除算
器７２０とを備え、さらに、加算係数開平器７１７の出
力を入力して実効値を求める係数器７２３と、加算係数
開平器７１８の出力を入力して実効値を求める係数器７
２４とを備えている。

次に、除算器７１９．７２０にはそれぞれ逆正弦関数器
７２１，７２２が接続されている。そして、論理回路７
４０の出力を一方入力、逆正弦関数器７２１の出力を他
方入力とする加算器７２５と、論理回路７４１の出力を
一方入力、逆正弦関数器７２１の出力を他方入力とする
加算器７２６とを備えている。さらにまた、加算器７２
５の出力から加算器７２６の出力を減じる減算器７２７
を備え、その出力が余弦関数器７２８に加えられるよう
になっている。また、係数器７２３の出力と係数器７２
４の出力とを乗算する乗算器７２９を備え、その出力が
係数器７３０に加えられるようになっている。

次に、余弦関数器７２８の出力と、係数器７３０の出力
とが乗算器７３１で乗算され、その乗算出力が減算器７
３６の一方入力として加えられる。また、余弦関数器７
２８の出力が乗算器７３２で自乗され、加算係数開平器
７１８の出力が乗算器７３３で自乗され、これら二つの
自乗出力が乗算器７３４で乗算された後、係数器７３５
で係数倍されて、減算器７３６の他方入力として加えら
れる。そして、除算器７３７によって、減算器７３６の
出力が速度検出器６の検出信号によって除算される構成
になっている。

上記のように構成された本実施例の動作を以下に説明す
る。

乗算器７１１〜７１６は各相の電圧と電流の瞬時値をそ
れぞれ自乗する。ここで得られた自乗値は電圧および電
流毎に加算係数開平器７１７と７１８でそれぞれ合計、
係数倍、開平される。ここでの係数は電圧、電流ともに
２７３である。加算係数開平器７１７と７１８は電圧お
よび電流の波高値を出力する。除算器７１１と７１４で
、絶対値発生器７１１１と７１４１で得られた電圧およ
び電流のある相の絶対値がこれらの波高値で除算され、
その結果を逆正弦関数器７２１および７２２に入力する
ことにより、上記（６）式と（７）式の角度θ１とθ、
とが得られる。

一方、加算係数開平器７１７と７１８の出力は係数器７
２３と７２４とでそれぞれｌ／４２倍されて実効値が得
られる。また、論理回路７４０および７４１では、現時
点が、０〜２πを分けた４つの区間■、■、■、■のい
ずれに属するかを判断し、ａ）〜ｄ）に示した補正値を
出力する。そこで、加算器７２５は逆正弦関数器７２１
の出力と論理回路７４０の補正値とを加算して補正され
た位相角θ　を出力し、加算器７２６は逆正弦関数■ 器７２２の出力と論理回路７４１の補正値とを加算して
補正された位相角θ１を出力する。

次に、減算器７２７が位相角θ　から位相角■ θ　を減算して力率角θ、Ｐを出力すると、余弦量数器
７２８が力率ｃｏｓθｐｐを演算する。また係数器７２
３および７２４で得られた電圧と電流の実効値が乗算器
７２９で乗算され、さらに、その出力が係数器７３０で
３倍される。続いて、乗算器７３１にて、係数器７３０
の出力と余弦関数器７２８の出力とが乗算され、人力電
力ＰＩｎが得られる。

一方、余弦関数器７２８の出力と加算係数開平器７１８
の出力とをそれぞれ乗算器７３２と７３３で自乗した後
、乗算器７３４で積をとり、さらに、係数器７３５で３
／２　　（ｒｌ＋ｒ２）を乗することにより（１０）式
に基づいた電力損Ｐｌｏｓｓが演算される。

次に、減算器７３６により、入力電力Ｐ１ｎから電力損
Ｐｌｏｓｓを引き算し、得られた差を除算器７３７にて
回転速度で割り算して、誘導電動機の発生トルクの瞬時
値を求めることができる。

なお、電圧と電流の波形に高調波が含まれている場合に
は、低域フィルタにより高調枝分を除去してから上式の
演算を行う。

なおまた、この実施例では理解を容易にするために、（
１）式乃至（ｌＯ）式に対応する構成としたが、特に、
各部の係数等は適宜まとめて回路を簡単化できることは
言うまでもない。

第３図は本発明の他の実施例の概略構成図であり、特に
、電圧形インバータで誘導電動機を駆動する系に適用す
るものである。ここでは、第１図に示したインバータ２
の代わりに、電圧形インノく一夕２ａを用いこれを点弧
回路８ａで制御する一方、電流基本波検出回路５の出力
、速度検出器６の検出信号および点弧回路８ａの制御信
号に基づいて、発生トルク演算回路７ａが誘導電動機３
の発生トルクを演算するものである。

電圧形インバータ２ａの点弧制御においては、電圧の大
きさと周波数を指令値として与えるので、電圧の瞬時値
、波高値および実効値は前述した瞬時検出値を用いる計
算によらずとも指令値から容易に得ることができる。ま
た、点弧制御回路８ａでは、各相の点弧信号を得るため
回路内で指令値として与えられた電圧の大きさと周波数
から各相の出力電圧波形の基準信号を生成している。こ
の信号は上記実施例の電圧検出器４で得られる各相の電
圧波形と原理的に相似な波形である。厳密にはインバー
タでの変調により生じる高調波、制御遅れ、検出遅れ、
フィルタでの位相回転、浮遊要素による波形歪などのな
い理想的な波形である。

この波形を電圧検出値の代わりとして用いることができ
る。

第４図はこのことを考慮した発生トルク演算回路７ａの
詳細な構成を示すブロック図であり、第２図と同一の符
号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。そ
して、ここでは、点弧制御回路８ａで生成される各相の
出力電圧波形の基準信号を論理回路７４０に与えて区間
１１■、■、■のいずれに属するかの判断をさせると共
に、ａ）〜ｄ）に示した補正値を出力させる一方、出力
電圧波形の基準信号のａ相分を絶対値回路７１１に与え
てその絶対値を演算させる。また、点弧制御回路８ａで
生成される電圧の大きさの指令値を係数器７５１に与え
て電圧の波高値Ｖ　を、係数器７５２に与えて電圧の実
効値Ｖ　をそれぞれ求め、このうち、波高値Ｖ　を除算
器７１９に、実効値■　を乗算器７２９にそれぞれ与え
るようになりている。

かかる構成によれば、電圧検出器４が不要化されると同
時に、発生トルク演算回路の構成が簡易化される。

ｆｆ！５図は本発明のもう一つ他の実施例の概略構成図
であり、特に、電流形インバータで誘導電動機を駆動す
る系に適用するものである。ここでは、第１図に示した
インバータ２の代わりに、電流形インバータ２ｂを用い
これを点弧回路８ｂで制御する一方、電流基本波検出回
路５の出力、速度検出量６の検出信号および点弧制御回
路８ｂの制御信号に基づいて、発生トルク演算回路７ｂ
が誘導電動機３の発生トルクを演算するものである。

電流形インバータ２ｂの点弧制御においては、電流の大
きさと周波数を指令値として与えるので、電流の瞬時値
、波高値および実効値は前述した瞬時検出値を用いる計
算によらずとも指令値から容易に得ることができる。ま
た、点弧制御回路８ｂでは、各相の点弧信号を得るため
回路内で指令値として与えられた電流の大きさと周波数
から各相の出力電流波形の基準信号を生成している。こ
の信号は第２図に示した実施例の電流検出器５で得られ
る各相の電流波形と原理的に相似な波形である。厳密に
はインバータでの変調により生じる高調波、制御遅れ、
検出遅れ、フィルタでの位相回転、浮遊要素による波形
歪などのない理想的な波形である。この波形を電流検出
値の代わりとして用いることができる。

第６図はこのことを考慮した発生トルク演算回路７ｂの
詳細な構成を示すブロック図であり、第２図と同一の符
号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。そ
して、ここでは、点弧制御回路８ｂで生成される各相の
出力電流波形の基準信号を論理回路７４１に与えて区間
Ｉ、ＩＩ、■、■のいずれに属するかの判断をさせると
共に、ａ）〜ｄ）に示した補正値を出力させる一方、出
力電流波形の基準信号のａ相分を絶対値回路７１１４に
与えてその絶対値を演算させる。また、点弧制御回路８
ｂで生成される電流の大きさの指令値を係数器７６１に
与えて電圧の波高値ｉ　を、係数器７６２に与えて電流
の実効値Ｉ　をそれぞれ求め、このうち、波高値ｉ　を
除算器７２０および乗算器７３３に与え、実効値■　を
乗算器７２９にそれぞれ与えるようになっている。

かかる構成によれば、電流検出器５が不要化されると同
時に、発生トルク演算回路の構成が簡易化される。

以上、本発明を三つの実施例について説明したが、本発
明はこれに限定されるものではなく、例えば、発生トル
ク演算回路としてコンピュータを用い、ソフトウェアに
よって上記の機能を持たせることも出来る。

また、上記実施例では、電圧に関する信号を相電圧から
得ているが、これを線間電圧から得ても、これを相電圧
−線間電圧間の対応を考慮すれば全く同一の動作を行な
わせることができる。

〔発明の効果〕

゛　以上の説明によって明らかなように、この発明によ
れば、誘導電動機の電圧と電流の瞬時値を用いて、この
誘導電動機の発生トルクの瞬時値を検出することができ
る。

構成を示すブロック図、第７図は一般的な誘導電動機の
等価回路図、第８図および第９図は本発明の詳細な説明
するための波形図である。

１・・・直流電源、２，２ａ、２ｂ・・・インバータ、
３・・・かご形誘導電動機、４・・・電圧基本波検出回
路、５・・・電流基本波検出回路、６・・・速度検出器
、７．７ａ、７ｂ・・・発生トルク演算回路、８ａ、８
ｂ・・・点弧制御回路。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 誘導電動機の入力電圧および入力電流を検出し、それぞ
   れの瞬時値もしくはこの瞬時値に比例した信号を出力す
   る電圧検出手段および電流検出手段と、これらの検出手
   段の出力から前記入力電圧および入力電流の波高値およ
   び実効値を求め、前記波高値と前記瞬時値もしくはこの
   瞬時値に比例した信号とから前記入力電圧および入力電
   流間の位相差を求め、前記入力電圧および入力電流の各
   実効値と前記位相差から前記誘導電動機の入力電力を求
   め、この入力電力を前記誘導電動機の回転速度で除算し
   て前記誘導電動機の瞬時の発生トルクを求める演算手段
   とを備えたことを特徴とする誘導電動機の発生トルク検
   出装置。