JPH0669307B2 - 誘導電動機の制御方法 - Google Patents

誘導電動機の制御方法

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JPH0669307B2
JPH0669307B2 JP62234882A JP23488287A JPH0669307B2 JP H0669307 B2 JPH0669307 B2 JP H0669307B2 JP 62234882 A JP62234882 A JP 62234882A JP 23488287 A JP23488287 A JP 23488287A JP H0669307 B2 JPH0669307 B2 JP H0669307B2
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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力変換装置から給電される誘導電動機駆
動システムの効率向上を図るための制御方法に関する。
〔従来の技術〕
電力変換装置により誘導電動機のトルク又は電力を制御
し、あるいはその結果により回転数を制御する誘導電動
機駆動システムにおいては、一般には制御の容易性等か
ら電動機の磁束は略一定値となる様に制御される。また
電動機電圧は磁束と周波数の積に略比例するため、所定
の周波数を超える場合には、電動機電圧を一定にする目
的で、磁束を周波数又は周波数に対応した回転数に略反
比例して減少させるのが一般的である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、このような制御は電動機および電力変換器の
効率の面からみると、次のような問題点を有している。
すなわち、上記の如き制御では、例えば所望トルクの大
きさに関わらず電動機に所定の磁束を確立させるため、
常に比較的大きな励磁電流が流れるが、これは電動機の
銅損(抵抗損)や鉄損を発生し、また電力変換器に対し
ても励磁電流および励磁電流に対応した電圧による損失
が発生する。しかるに、所望トルクが微小なときは必ず
しも十分なる励磁電流は必要ではなく、したがつてこの
ような制御は不必要な損失を発生していることになる。
特に、船舶や車両等のように独自に電源装置を持ち、同
電源で自らの推進用電動機を駆動するシステム等の限ら
れた電源事情では、装置の効率向上は重要な課題であ
る。
したがつて、この発明は電力変換装置で給電される誘導
電動機駆動システムを、負荷状態に応じて発生損失が最
小となる様に電動機の電圧,電流等を制御し、装置の効
率を向上させることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
誘導電動機の電流を磁束発生に寄与する電流(磁化電
流)成分Iと、ベクトル的にIに直交しトルク発生
に寄与する電流(トルク電流)成分Iに分解し、所望
トルク又は所望電力に関わらずIとLの比が周波数
の関数で与えられる所定の関係を保つ様に、電動機の電
圧,電流または電力変換器の入力電圧を制御して、電動
機と電力変換器の合成損失を最小とするものである。
〔作用〕
トルク電流成分Iと磁化(磁束)電流成分Iとの比
aの関数として表わされる電動機と電力変換器の合成損
失が最小となるようなaの値を求め、これにもとづき電
動機電圧,電流制御等の所定の制御を行なう。
〔実施例〕
まず、この発明の原理から説明する。
電力変換器を介して給電される誘導電動機駆動システム
の主たる損失をその要因別に分類すると、抵抗損で代表
される如き電流の2乗積に比例する要素、電力変換器の
スナバ回路損失の如き電圧の2乗積に比例する要素、お
よび電力変換器用半導体のスイツチング損失やスナバ回
路損失の如き周波数に比例する要素等に分類される。こ
こでは、周波数に比例する要素は電動機の回転数等に制
約されるため、装置効率の向上に対しては対象外とす
る。そこで、誘導電動機の磁束発生に寄与する電流成分
をI、ベクトル的にIに直交しトルク発生に寄与す
る電流成分をIとすれば、電流の大きさは であり、電流の2乗積に比例する損失はI +I
に比例する。電動機電圧は周波数ωと磁束(励磁リアク
タンスをLとすればL)の積、すなわちωL
に略比例する。電動機電圧に対応して変換器の入力
電圧を制御するならば、電圧の2乗積に比例する損失は
(ωLに比例する。従つて、発生損失Pは次
式で与えられる P=K(I +I )+K(ωL
…(1) (K,Kは比例定数) 一方、電動機のトルクTは磁束とIの積に比例し、次
式で与えられる。
T=K ……(2) (Kは比例定数) ここで、a=I/Iとして、(1)式を(2)式で与えら
れるTの関数で表わすと、次式となる。
上式が変数aに対し最小となる条件を求めるため、上式
をaで微分する。
dp/da=0の条件より、Pが極値をとるaとa0をする
と、次式となる。
なお、aの極性はトルクの方向を表わすTの極性に対応
しており、Tが正の場合はa0は正値、Tが負の場合はa0
は負値である。いま、a>0とすると、a<a0のときdp
/da<0であり、Pはaに対し単調減少し、a>a0のと
きdp/da>0でPはaに対し単調増加し、従つてa=a0
がPを最小にする条件となる。なお、a<0の場合もa
>0の場合と同様である。
第4図はωを一定値とした場合のaとPの関係を示す一
例であり、トルクの増加に従つてPは増加するが、常に
a=a0のとき発生損失Pは最小となることがわかる。第
5図はωとa0の関係を示す一例であり、a0は周波数ωに
対し単調増加する関数である。a=a0のときのトルクT
は、(2)式より次式となる。
第6図と第7図はこのときのTに対するIおよびI
の関係を示し、LおよびIはTの平方根に比例した
関数である。また、その比例係数は第5図の関係より、
に関してはωが大きくなるに従い小さくなり、一方
に関してはωが大きくなるに従い大きくなる。特
に、ωが0、又は電圧に依存した損失がほぼ無視できる
ときはI=Iとなる。また、近似的にωを一定と
し、IとIの比を略一定としてもよい。
この発明の原理はIとIの比が、第5図に一例を示
した(5)式で表わされるa0となることを条件として、第
6図と第7図に一例を示した(6)式の関係で、所望トル
クに対応してもIとIを制御することにより、発生
損失が最小となる動作条件で装置を稼動するものであ
る。なお、Iは周波数に依存してその最大値を制限す
るのが望ましい。つまり、以上の如き基本原理によれば
第6図および第7図の関係に従い、トルクの目標値に対
応してIとIを制御すればよいが、励磁インタグタ
ンスLは一般に飽和特性を有し、所定のIを超える
場合には、もはやそれ以上の電流を供給しても磁束はほ
ぼ一定値に保持されるからである。すなわち、上記の電
流は有効に作用していないことであり、効率向上の観点
からIは所定の値を超えない様に制限するのがよいと
いうわけである。また、Iが極めて小さい場合には制
御の安定性から問題が生じる場合があり、Iは更に所
定の値より小さくならない様に制限するのがよい場合も
ある。さらに、電動機の電圧は周波数と磁束の積に略比
例するため、電動機の電圧は電力変換器が出力し得る最
大電圧値を超えない様、周波数又は回転数に応じて磁束
の最大値、すなわち同磁束に対応したIが所定の値を
超えない様に制限すべきである。
第1図はトルクの目標値Tに対し、最大効率となる。
,Iのそれぞれの目標値I ,I を演算する演
算回路の一実施例を示すブロツク図で、この発明を実施
するためのものである。同図において、1Aは損失が最小
となるIの目標値を演算するI演算器であり、(5)
式および(6)式の第1式に従つた演算、又はメモリ回路
に記憶されたデータのテーブルを参照してIの第1目
標値I **を求める。2は周波数又は回転数に対応し
てIの許容される最大値Imaxを求める最大値演算
器、3はIの目標値がImaxを超えない様、また所
定の値より小さくならない様に制限する制限器で、その
出力がIの最終目標値I となる。4は割り算機能
を有し、TとI から(6)式に従つてIの目標値
を演算するI演算器である。
一方、Iの大きさが変化する過渡状態で考えると、磁
束はIの一次遅れ系で与えられる。第2図は磁束の過
渡状態を考慮した演算回路の別の実施例を示す。同図に
おいて、1Bは損失が最小となる磁束の第1の目標値φ
**を演算する磁束演算器であり、第1図の関数発生器
1Aに対しLを乗じた関数を演算する演算回路、または
これに対応したメモリ回路で構成される。2は周波数又
は回転数に対応して磁束の最大値φmaxを演算する最大
演算器、3は磁束の目標値がφmaxを超えない様、また
所定の値より小さくならない様に制限する制限器で、そ
の出力が磁束の目標値φとなる。4は割り算機能を有
し、 の関係よりIの目標値I を演算するI演算器、
5はφに対し微分要素をもち、定常状態ではLに反
比例した係数を有するI演算器である。
以上のようにしてI ,I が求められたならば、そ
れに対応した電動機の電圧,電流やすべり周波数は、公
知のすべり周波数制御やベクトル制御において明らかな
関係式から求められ、所望するトルク制御が達成され
る。ここでは、電圧形インバータを使用したすべり周波
数制御の例として、第3図に主回路および制御ブロック
を示す。
同図において、6は可変直流電源、7は電圧形インバー
タ、8は誘導電動機、9は速度検出器である。10は誘導
電動機のすべり周波数ωSlを演算するすべり周波数演算
器であり、次の(7)式に従つてωSlを求める。
(KSlは2次抵抗値に比例した定数) 11は加算器であり、ωSlと回転数ωを加算してインバ
ータの出力周波数を求める。12はI とI をベク
トル加算し、電動機電流の大きさの目標値Iを求める
電流指令演算器、14は電流検出器13で検出したIとI
の偏差を増巾して所望の電流を得るための電圧を制御す
る電流調節器である。なお、電流を制御するために電圧
形インバータのオン,オフを公知のパルス幅制御で制御
するようにしてもよい。
以上では、制御対象は誘導電動機のトルクとしたが、例
えば誘導電動機の発生電力を目標値にする場合などで
も、発生電力はトルクと回転数の積に比例するため、容
易にこの発明の原理を適用して損失が最小となる制御を
達成することができる。
〔発明の効果〕
この発明によれば、誘導電動機の磁束電流成分とトルク
電流成分との比を、所望トルクに関わらず周波数の関数
で与えられる所定の関係を保つように制御するようにし
たので、電動機と電力変換器の合成損失を略最小にする
ことが可能とする。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明を実施するために用いられる演算回路
の一例を示すブロツク図、第2図はこの発明を実施する
ために用いられる演算回路の他の例を示すブロツク図、
第3図はこの発明の応用例を示す構成図、第4図はトル
クTをパラメータとする電流比aと損失Pとの関係を示
すグラフ、第5図は周波数ωと電流比a0との関係を示す
グラフ、第6図は周波数ωをパラメータとするトルクT
と磁束電流成分Iとの関係を示すグラフ、第7図は周
波数ωをパラメータとするトルクTとトルク電流成分I
との関係を示すグラフである。 符号説明 1A,5……I演算器、2……最大値演算器、3……制限
器、4……I演算器、6……可変直流電源、7……電
圧形インバータ、8……誘導電動機(IM)、9……速度
検出器、10……すべり周波数演算器、11……加算器、12
……電流指令演算器、13……電流検出器、14……電流調
節器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電力変換器を介して給電される誘導電動機
    のトルクを制御する誘導電動機の駆動システムにおい
    て、誘導電動機の電流を磁束発生に寄与する第1の電流
    成分Iと、第1の電流成分にベクトル的に直交しトル
    ク発生に寄与する第2の電流成分Iと、に分解し、第
    1の電流成分に依存する電動機の磁束と第2の電流成分
    の積が所望のトルクに対応するという条件の下で、 下記の(イ)式で表される電動機発生損失Pを最小なら
    しめるため、前記第2の電流成分Iと第1の電流成分
    との比をaとするとき、該比aが、電動機の周波数
    の関数で与えられる下記の(ロ)式を満足して保つよう
    に制御することを特徴とする誘導電動機の制御方法。 記 P=K1(I +I )+K(ωL……
    (イ) a=±〔{K1+K(ωL/K1/2 ……
    (ロ) 但しK1,Kはそれぞれ比例定数、ωは電動機周波数、L
    は励磁リアクタンス
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載の誘導電動機
    の制御方法において、ωが0、又は電圧に依存した電動
    機損失が無視できるときは、前記比aを1に制御するこ
    とを特徴とする誘導電動機の制御方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の
    誘導電動機の制御方法において、電動機の磁束を、周波
    数又は回転数に関係した第1の所定値より小さく、第2
    の所定値より大きい、という範囲内に保つよう前記第1
    の電流成分を制限する方法を伴うことを特徴とする誘導
    電動機の制御方法。
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