JPH0619350Y2 - 交流電動機のベクトル制御装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、いわゆるベクトル制御方式によつて交流電動
機の電流ベクトルを制御する制御装置に関する。

直流機においては、電動機トルク発生の原理であるフレ
ミング左手の法則に関する磁界と、その磁界中の電機子
電流とは機械的に直交関係が保たれており、かつ制御変
数がすべて直流であるので磁界と電機子電流の相互干渉
がないので、電動機トルクは磁界または界磁電流と電機
子電流の積に比例するだけであり、電動機発生トルクを
瞬時に調整することが可能である。

一方交流機では、電機子諸量が交流であるうえ、磁界と
電機子電流の直交性は必ずしも保たれておらず、磁界と
電機子電流間に相互干渉があるので、単純に発生トルク
を外部から測定できる諸量でとらえることは困難であ
る。しかしこれらの諸量を回転する磁界上で観測し、磁
界方向とこれに直交する方向に分離して考えれば、発生
トルクを直流機と同様に考えることができる。これがベ
クトル制御の原理である。

そこで磁界を基準とする直交座標系において交流電動機
の電流ベクトルを磁束ベクトルに平行な磁化電流成分
と、これに直交するトルク電流成分とに分解して考える
と、この交流電動機の発生トルクは磁束とこれに直交す
るトルク電流との積に比例するから、このトルク電流成
分の電流を制御することにより直流機と同様にトルクを
自由に制御することができる。そして直流電動機の場合
と同様に基底速度以下の速度では定トルク制御を行な
い、基底速度より高い速度では定出力運転をするように
制御している。

従来のベクトル制御装置では基底速度以上の定出力運転
の領域では、トルク電流一定のままで磁束を減らすよう
にしている。このときのトルク電流は定トルク運転領域
でトルク最大となる電流を使用しており、定出力領域で
は電動機速度の上昇に伴なつて磁化電流を減らして磁束
を減少させて弱め界磁にしているので、このトルク電流
と磁化電流のベクトル和である電流ベクトルの大きさ
は、界磁を弱めるほど小さくなつて行く。この状態を図
示したものが第１図である。第１図の横軸は磁束ベクト
ルに平行な軸であつてこれをＭ軸とする。そしてこのＭ
軸に直交する縦軸をＴ軸と称することにすると、電動機
が定トルク領域で運転する場合の電動機磁束は一定であ
るから、その磁束ΦはＭ軸上にあり、この磁束Φを誘起
するための磁化電流も同じくＭ軸上にあり、その大きさ
はiM1である。このＭ軸に直交するＴ軸上にはトルク電
流があり、最大トルクを発生するトルク電流をiT1とす
ると、上述の磁化電流iM1とトルク電流iT1をベクトル合
成したものが電流ベクトルであつて、この電流ベクトル
の大きさをｉ１とすると、このｉ１が電動機の最大電流
である。電動機が基底速度を越えて定出力運転の領域に
入ると、電動機速度に逆比例して磁束を弱めるために磁
化電流はiM2に減少するが、トルク電流は変化せずにiT1
のままであるから、このiM2とiT1とのベクトル和である
電流ベクトルの大きさｉ２は前述のｉ１にくらべて小さ
い。すなわち従来は定トルク領域で最大トルクを発生す
るトルク電流をトルク電流の最大値としているので、定
出力領域で磁化電流が減少すると電動機に流れる電流に
は余裕を生じるので、電動機の能力を完全に発揮するこ
とになつていない。

本考案は上記の現象に鑑みてなされたものであり、電動
機を常に100％の能力で運転することができるベクトル
制御方式を提供することを目的とする。

本発明は、定出力領域において磁化電流の減少に対応し
てトルク電流の制限値を高めることにより上記の目的を
達成している。これを第１図のベクトル図で図示するな
らば、磁化電流がiM1からiM2に減少するのに対してトル
ク電流をiT1からiT2に増加させ、この磁化電流iM2とト
ルク電流iT2のベクトル和である電流ベクトルの大きさ
がｉ１となるように制御することで上記の目的を達成し
ている。

第２図は本考案の一実施例を示す回路図であり、同図に
より本考案の詳細を以下に説明する。第２図において三
相交流は１なるコンバータで直流に変換され、この直流
はリアクトル２を介して３なるインバータで交流に変換
され、この交流が電動機４に供給される。本実施例は電
動機４は三相誘導電動機の場合を示している。この電動
機４には速度発電機５が結合されている。１０は速度設
定器であつて、この速度設定器１０の設定信号と速度発
電機５から負帰還される信号との差が加算点１１で演算
され、その結果が１２なる速度調節器(ASR)に入力さ
れ、この速度調節器１２からトルク信号が出力される。
一方速度発電機５からの速度信号は磁束演算器１３に入
力して、この演算器１３は磁束Φに比例した磁化電流信
号ｉＭを出力する。上述のトルク信号と磁化電流信号ｉ
Ｍは除算器１４に入力してトルク電流信号ｉＴを出力
し、このトルク電流信号ｉＴはリミツタ１５である値に
制限されてベクトルアナライザ(VA)１８に印加される
が、このリミツタ１５によるトルク電流信号ｉＭの制限
値は１６なるトルク電流演算器からの信号で変化する。
そしてこのトルク電流演算器１６は磁化電流信号ｉＭの
変化に対応して、 なる信号をリミツタ１５へ出力する。すなわちリミツタ
１５によるトルク電流信号ｉＴの制限値は磁化電流信号
ｉＭが小さくなれば大きくなる。ここでＩは電動機に許
容される電流の最大値である。このリミツタ１５からの
出力であるトルク電流信号ｉＴと磁化電流信号ｉＭはベ
クトルアナライザ１８で電流信号ｉに合成され、この電
流信号ｉは加算点１９において２０なる電流検出器の信
号と突き合わされて、その差信号が２１なる電流調節器
(ACR)を経て２２なる点弧角調節器に入力し、この点弧
角調節器２２によりコンバータ１は制御される。また３
０と３１なる三相／二相変換器により変換された電動機
の電流信号と電圧信号は速度信号や前述のトルク電流信
号ｉＴと磁化電流信号ｉＭと共に磁束演算部３２と電流
ベクトル制御部３３に入力し、その出力信号によりパル
ス分配器３４がインバータ３を制御することにより、電
動機４はベクトル制御される。

上述の説明におけるリミツタ１５の制限値を変化させる
トルク電流演算器１６は例えば第３図の回路で達成され
る。第３図において４１はこのトルク電流演算器の入力
端子であつて、磁化電流信号ｉＭがこの入力端子４１に
入力され、乗算器４２で二乗されてｉＭ^２となる。一方
４３なる電流信号設定器により電動機許容電流Ｉに対応
して−Ｉ^２なる信号を出力する。これらの信号が４４な
る演算増幅器で加算され、更に４５なる開平演算器によ
り になり出力端子４６から出力する。

第４図は本考案の別の実施例を示す回路図であるが、こ
の第４図で図示していないところは第２図と同じである
から省略している。第４図において１０は速度設定器で
あつて、この速度設定器１０による設定信号と、図示し
ていない速度発電機からの速度信号Ｎとが加算点１１で
突き合わされ、その差信号が１２なる速度調節器(ASR)
を経て除算器１４に入力し、磁束演算器１３の出力であ
る磁化電流信号ｉＭとともに前記の除算器１４で演算さ
れてトルク電流信号ｉＴとなり、このトルク電流信号ｉ
Ｔはリミツタ１５を経由しベクトルアナライザ(VA)１８
において磁化電流信号ｉＭとベクトル合成されて電流信
号ｉを出力し、加算点１９に印加されるのは第２図の場
合と同様である。しかし本実施例では速度信号Ｎを関数
発生器１７に入力し、電動機４の速度に対してあらかじ
め定められた関数のトルク電流信号ｉＴを出力して、こ
の出力信号によりリミツタ１５の制限値を変化させるよ
うにしている。

この関数発生器１７は、例えば電動機４が基底速度以下
の定トルク運転領域のときその出力信号は一定で、基底
速度以上では磁化電流ｉＭは電動機速度の逆数に比例し
て減少させるので、その磁化電流ｉＭの減少に対応して なる関係でトルク電流ｉＴを増加させるような関数にし
ておけばよい。このような関数発生器１７の回路構成の
例を第５図に示す。第６図は第５図の回路の特性グラフ
であつて横軸は入力電圧、縦軸は出力電圧を表わしてい
る。

第５図において５１は入力端子であつて、電動機速度に
比例した電圧が入力される。５２は電圧設定器であつて
電動機速度が基底速度以下の定トルク運転領域にある時
のトルク電流ｉＴに相当する電圧がこの５２なる電圧設
定器で設定されこれは第６図の直線ＡＢで示される。電
圧設定器５３の設定電圧Ｃと入力端子５１からの入力電
圧は演算増幅器５４で加算されるが、この特性は第６図
の折線ＯＣＤで示される。そして電圧設定器５３の設定
電圧を変えると、第６図の折線ＯＣＤの屈折点Ｃの位置
が変化する。このＣ点が基底速度に対応する電圧であ
る。同様にして電圧設定器５５の設定電圧Ｅと入力端子
５１からの入力電圧と演算増幅器５６により第６図の折
線ＯＥＦの特性が得られるし、電圧設定器５５の設定電
圧Ｇと入力端子５１からの入力電圧と演算増幅器５７と
で第６図の折線ＯＧＨなる特性が得られる。ここで５８
なる演算増幅器は正符号を負符号に変換するためのもの
である。これらの直線と折線で示される電圧は５９なる
演算増幅器で加算され、出力端子６０から出力する。第
６図のＪＫＬが第５図の回路で示される関数発生器１７
の出力曲線であつて、これは第６図の直線ＡＢと折線Ｏ
ＣＤ、折線ＯＥＦ、折線ＯＧＨを加え合わせて極性を反
転させたものであつて、この曲線に沿つてトルク電流信
号ｉＴを制限する。

【図面の簡単な説明】

第１図はベクトル制御をする電動機の電流ベクトル図、
第２図は本考案の実施例を示す回路図であり、第３図は
第２図の実施例におけるトルク電流演算器１６の回路図
である。第４図は本考案の別の実施例を示す回路の部分
図であり、第５図は第４図の実施例における関数発生器
１７の回路図で、第６図は第５図に示す回路で構成され
る関数発生器の出力グラフである。 １：コンバータ、２：リアクトル、３：インバータ、
４：誘導電動機、５：速度発電機、１０：速度設定器、
１１，１９：加算点、１２：速度調節器(ASR)、１３：
磁束演算器、１４：除算器、１５：リミツタ、１６：ト
ルク電流演算器、１７：関数発生器、１８：ベクトルア
ナライザ(VA)、２０：電流検出器、２１：電流調節器(A
CR)、２２：点弧角調節器、３０，３１：三相／二相変
換器、３２：磁束演算部、３３：電流ベクトル制御部、
３４：パルス分配器、４１：入力端子、４２：乗算器、
４３：電流信号設定器、４４：演算増幅器、４５：開平
演算器、４６：出力端子、５１：入力端子、５２，５
３，５５：電圧設定器、５４，５６，５７，５８，５
９：演算増幅器、６０：出力端子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電動機の電流ベクトルを別途検出され
   る電動機磁束ベクトルを基準にして、該磁束ベクトルに
   平行な磁化電流成分と、該磁束ベクトルに直行するトル
   ク電流成分とに分解し、これら各成分によって決まる電
   流ベクトルの大きさと角度に基づいて交流電動機を制御
   する装置において、トルク電流成分の電流制限値を設定
   するリミッタ回路を設け、電動機が定出力運転をする場
   合、磁化電流成分の電流が電動機回転速度上昇に逆比例
   して減少するのに対応して前記リミッタ回路のトルク電
   流成分の電流制限値を高めることを特徴とする交流電動
   機のベクトル制御装置。