JPH10164882A - 誘導電動機の制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力消費を少なくして、暖機運転の運転時間
を短くする。 【解決手段】 すべりが１に近い値になり且つ回転磁界
の回転方向を交互に変えてもロータが振動することがな
い程度まで誘導電動機の一次電流の周波数を高く設定す
る。銅損と鉄損とによりステータを積極的に加熱するの
に十分な一次電流を流すように電流指令を設定する。ロ
ータを実質的に停止状態に保持するように回転磁界の回
転方向を変えて暖機運転を実施し、暖機運転が終了した
後に通常運転に移行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータを実質的に
回転させないで、誘導電動機の出力軸に取り付けられた
機械の加工部の温度を上昇させる暖機運転を実施した後
に通常運転を行う誘導電動機の制御方法及び装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】数値制御工作機のように高い加工精度を
要求される工作機等では、加工を開始する段階で、機械
の特に加工部分が十分に暖まっていて、熱的に飽和して
いることが必要である。そこで従来から、工作機の電動
源として用いられる電動機を所定時間回転させて、電動
機から発生する熱を機械の加工部分に伝える暖機運転と
呼ばれるダミー運転が実施されている。従来の暖機運転
方法では、機械加工を実施する場合と同じ通常運転（ロ
ータを回転させる運転）をある程度の時間実施して、機
械の加工部分の温度を上げていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のように、電動機
のロータを回転させると、ロータの回転のためのエネル
ギが必要になり、そのために暖機運転に無駄な電力が使
用される問題がある。また熱容量の大きい電動機を用い
て暖機運転をする場合には、電動機の温度を上げるまで
に時間がかかり、実際に加工を開始するまでに要する時
間がかなり長くなる問題がある。例えば、ロータにファ
ンを固定して、電動機を冷却する自冷式の電動機では、
ファンによる強制冷却がある分だけステータの熱容量は
小さい。これに対して、自冷用のファンを備えないいわ
ゆるファンレスの電動機では、自然放熱により電動機の
温度上昇を抑制するため、その分だけステータの鉄心の
厚み等を厚くして熱容量を大きくしている。そのためこ
のような熱容量の大きな電動機では、電動機（特にステ
ータ）の温度を上げて工作機の加工部を熱飽和までもっ
ていくのにかなりの時間がかかる。例えば連続定格電流
を流しても、熱飽和までに５〜６時間を要する問題があ
る。

【０００４】本発明の目的は、無駄な電力消費を少なく
して、暖機運転の運転時間を従来よりも短くすることが
できる誘導電動機の制御方法及び装置を提供することに
ある。

【０００５】本発明の目的は、暖機運転時に実質的にロ
ータを回転させることなく誘導電動機の温度上昇を速く
して、暖機運転時間をより短縮できる誘導電動機の制御
方法及び装置を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、暖機運転時に実質的
にロータを回転させることなく、ロータの回転に要する
エネルギを誘導電動機の温度上昇のために活用する誘導
電動機の制御方法及び装置を提供することにある。

【０００７】本発明の別の目的は、暖機運転の完了を判
定が容易な誘導電動機の制御方法及び装置を提供するこ
とにある。

【０００８】本発明の他の目的は、既存の一次電流ベク
トル演算器を用いて暖機運転を行える誘導電動機の制御
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、ステー
タに巻装された巻線に所定の周波数の交流電流を一次電
流として通電して回転磁界を作り、電流フィードバック
ループを用いて一次電流を電流指令通りにフィードバッ
ク制御して誘導電動機を制御する誘導電動機の制御方法
を改良の対象とする。

【００１０】本発明においては、まず、すべり［（回転
磁界の回転速度−ロータの回転速度）／回転磁界の回転
速度］が１に近い値になり且つ回転磁界の回転方向を交
互に変えてもロータが振動することがない程度まで一次
電流の周波数を高く設定する。理想的には、すべりを１
にすることであるが、回転磁界が存在する限り、ロータ
には僅かに回転トルクが発生して、ロータは回転しよう
とする。そのため「１に近い値」とは、ロータの回転を
抑制した状態におけるすべりの値であって、一次電流の
周波数や回転磁界の反転タイミングによって異なってく
る値である。また「回転磁界の回転方向を変えてもロー
タが振動することがない程度」の要件は、ロータを実質
的に停止状態に保持する制御を可能にするための要件で
ある。このような点を考慮すると、好ましい一次電流の
周波数は、三相誘導電動機の場合で定格周波数の略５倍
以上で電流フィードバックループの応答周波数以下であ
る。定格周波数の略５倍より低い周波数では、ロータを
停止状態に保持する制御が難しくなり、電流フィードバ
ックループの応答周波数より高い周波数では、一次電流
が流れ込みにくくなってモータの発熱量を大きくするこ
とが難しくなるからである。

【００１１】また本発明では、銅損と鉄損とによりステ
ータを積極的に加熱するのに十分な一次電流を流すよう
に電流指令を設定する。一次電流の電流値が大きいほ
ど、発熱量が増大するが、電流値は巻線の容量によって
制限される。そこで、一次電流の実効値が誘導電動機の
定格一次電流実効値にほぼ等しくなるように電流指令を
設定するのが好ましい。

【００１２】そして本発明では、ロータを実質的に停止
状態に保持するように回転磁界の回転方向を変えて暖機
運転を実施し、暖機運転が終了した後に通常運転に移行
する。回転トルクが小さければ、ロータのわずかな回転
を検出して、回転磁界の回転方向を交互に反転させるこ
とにより、ロータを実質的に停止状態に保持できる。回
転磁界の反転タイミングは、誘導電動機の出力軸の回転
速度を検出して、回転速度が予め定めた値になると回転
磁界の回転方向を変更すればよい。回転速度は、例えば
エンコーダを用いて検出することができる。ここで「予
め定めた値」とは、一次電流の周波数によって異なって
くるが、５０ｒｐｍ以下の値が適当である。なお回転磁
界の回転方向は、一次巻線の励磁の順番を変更すること
により、簡単に変えることができる。

【００１３】本発明では、一次電流の周波数を高くし
て、しかも一次電流の値を大きくすることにより、鉄損
と銅損を大きくしてステータを発熱させる。その際に、
ロータを実質的に回転させないように回転磁界の方向を
繰り返し反転させるため、ロータの回転に要するエネル
ギをステータの発熱に利用することができる。その結
果、無駄な電力消費を少なくして、誘導電動機の温度上
昇を速くして、暖機運転時間を従来よりも短縮できる。

【００１４】本発明の方法を実施する誘導電動機の制御
装置は、ステータに巻装された巻線に所定の周波数の交
流電流を一次電流として通電して回転磁界を作るインバ
ータ回路と、このインバータ回路にインバータ駆動信号
を出力するインバータ駆動信号発生回路とを具備する。
インバータ駆動信号発生回路が、トルク電流指令、励磁
電流指令及び一次電流角速度信号を時間積分器で時間積
分した一次電流角度信号を入力として一次電流指令信号
を出力する一次電流ベクトル演算器と、一次電流をフィ
ードバック制御するために一次電流を検出して一次電流
検出信号をフィードバックする電流フィードバックルー
プとを備えている。

【００１５】本発明の装置は、運転モード判定手段と、
暖機運転信号発生部とモード切替部とを具備する。運転
モード判定手段は、暖機運転モードで制御するか通常運
転モードで制御するか否かを判定する。運転モード判定
手段は、暖機運転開始信号が入力されていて誘導電動機
の出力軸に取り付けられた機械の加工部が熱飽和状態に
なるまで暖機運転モードで制御するものと判定し、加工
部が熱飽和状態になると通常運転モードで制御するもの
と判定するように構成される。暖機運転開始信号は、電
動機を制御する制御装置に対して電源が投入されると自
動的に発生するようにしてもよいが、スイッチのオン・
オフにより手動で発生するようにしてもよい。誘導電動
機の出力軸に取り付けられる機械の加工部が熱飽和状態
になったか否かは、加工部の温度を温度センサで測定
し、加工部の温度が予め定めた値を超えるか、または温
度の上昇が飽和状態になったことを検出して判定するこ
とができる。但し、加工部の熱飽和状態は、熱の発生源
である電動機の熱飽和状態を検出することによって間接
的に判定することができる。これは加工部がモータの出
力軸に直接的に取り付けられていれば、電動機からの熱
は加工部に流れるためであり、加工部が熱飽和状態にな
って初めて電動機が熱的に飽和するからである。そこで
ステータの温度を検出して、その検出温度から加工部が
熱飽和状態になったか否かを判定してもよい。なお予め
試験をしておけば、加工部の熱飽和状態は暖機運転の時
間によっても判定することができる。時間により判定す
る場合には、暖機運転開始信号が入力されると予め定め
た時限の計数を開始し時限の計数を完了すると加工部が
熱飽和状態になったと判定するように運転モード判定手
段を構成すればよい。このような時間の計数は、タイマ
を用いて実現する。

【００１６】暖機運転信号発生部は、運転モード判定手
段が暖機運転モードで制御することを判定しているとき
に、暖機用トルク電流指令信号、暖機用励磁電流指令信
号及び暖機用一次電流角速度信号を発生する。そしてモ
ード切替部は、運転モード判定手段が通常運転モードで
制御することを判定しているときに、トルク電流指令及
び励磁電流指令を一次電流ベクトル演算器に入力し且つ
一次電流角速度信号を時間積分器に入力するように切替
わり、運転モード判定手段が暖機運転モードで制御する
ことを判定してるときに、暖機用トルク電流指令及び暖
機用励磁電流指令を一次電流ベクトル演算器に入力し且
つ時間積分器には暖機用一次電流角速度信号を入力する
ように切替わる構成を有する。

【００１７】ここで暖機運転指令発生部は、すべりが１
に近い値になり且つ回転磁界の回転方向を交互に変えて
もロータが振動することがない程度まで一次電流の周波
数を高くする周波数を有し且つロータを実質的に停止状
態に保持するように回転磁界の回転方向を変える暖機用
一次電流角速度信号を発生する暖機用一次電流角速度信
号発生手段と、銅損と鉄損とによりステータを積極的に
加熱するのに十分な一次電流を流すのに必要な電流指令
を一次電流ベクトル演算器から出力させる暖機用トルク
電流指令及び暖機用励磁電流指令を発生する暖機用電流
指令発生手段とを具備する。暖機用一次電流角速度信号
は、時間積分器で積分されて一次電流角度信号として一
次電流ベクトル演算器に入力される。暖機用一次電流角
速度信号の周波数が高くなることは、一次電流の周波数
が高くなることを意味する。暖機用一次電流角度信号が
電気角で３６０°を出力する周期が、一次電流の周期に
対応する。また暖機用電流指令発生手段は、一次電流の
実効値が誘導電動機の定格一次電流実効値にほぼ等しく
なるような電流指令を一次電流ベクトル演算器から出力
させる暖機用トルク電流指令及び暖機用励磁電流指令を
発生するように構成するのが好ましい。

【００１８】回転磁界の回転方向を反転させるために、
暖機用一次電流角速度信号発生手段は、誘導電動機のロ
ータが一方向に回転しているときのロータの回転速度が
予め定めた値に達したこと及びロータが他方向に回転し
ているときのロータの回転速度が予め定めた値に達した
ことを検出する速度極性判別手段を備え、速度極性判別
手段の判定結果に基づいて回転磁界の回転方向を変える
ように暖機用一次電流角速度信号の極性を変えるように
構成されている。ここで「暖機用一次電流角速度信号の
極性を変える」とは、暖機用一次電流角速度信号を積分
して得る一次電流角度信号の角度変化が例えば、０°か
ら３６０°に増加しながら変化しているものを、３６０
°から０°に減少しながら変化するように暖機用一次電
流角速度信号を変えることを意味する。

【００１９】回転磁界の回転方向の変更は、ロータの回
転速度を検出しながら行ってもよいが、予め試験を行っ
て変更周期を決定しておき、周期的に暖機用一次電流角
速度信号の極性を変えるように暖機用一次電流角速度信
号発生手段を構成してもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の制御
方法により三相誘導電動機を直交座標形ベクトル制御を
用いて制御する場合に用いる制御装置の構成の一例を示
すブロック図である。この図において、１は三相誘導電
動機（以下電動機または誘導電動機と言う）であり、２
はロータの回転速度を検出して速度検出信号Ｓv0を出力
するエンコーダであり、３はステータの温度を検出して
検出温度に対応する温度検出信号Ｓt を出力する温度セ
ンサである。そして４は、電動機１のステータに巻装さ
れた巻線に所定の周波数の交流電流を一次電流として通
電して回転磁界を作るパルス幅変調制御されるインバー
タ回路である。インバータ回路４には、電流増幅器５か
ら三相分のパルス幅変調されたＰＷＭ信号（即ちインバ
ータ駆動信号）が入力される。なお図１には、三相分の
ＰＷＭ信号をまとめて１つのＰＷＭ信号として記載して
ある。電流増幅器５には、三相分の一次電流指令信号ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗとインバータ回路４の各相の出力電流
（一次電流）を電流検出器６（図１には一相分だけ示し
てある）でそれぞれ検出してフィードバックループを介
してフィードバックされる一次電流検出信号との偏差を
とった電流偏差が入力される。そして電流増幅器５はこ
の電流偏差に基づいて各相の一次電流をフィードバック
制御する三相分のＰＷＭ信号を出力する。

【００２１】三相分の一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉ
ｗは次のようにして作られる。まずエンコーダ２からの
速度検出信号Ｓv0と速度指令信号Ｓv1とが減算器に入力
されて、速度偏差が得られる。この速度偏差はトルク電
流設定器７に入力され、トルク電流設定器７はこの速度
偏差に基づいてトルク電流指令信号ｉＴを出力する。ま
た速度検出信号Ｓv0は、励磁電流設定器８に入力され、
励磁電流設定器８はこの速度検出信号Ｓv0に基づいて励
磁電流指令信号ｉｍを出力する。そしてこれらトルク電
流指令信号ｉＴと励磁電流指令信号ｉｍとはすべり角速
度演算器９にそれぞれ入力され、すべり角速度演算器９
はこれらの信号に基づいてすべり角速度信号を演算す
る。また速度検出信号Ｓv0は、ロータ角速度演算器１０
に入力されて、ロータ角速度信号に変換される。このロ
ータ角速度信号とすべり角速度信号との加算信号が一次
電流角速度信号ｉθとなる。一次電流角速度信号ｉθ
は、時間積分器１１で時間積分されて一次電流角度信号
θとして、一次電流ベクトル演算器１２に入力される。
一次電流ベクトル演算器１２には、トルク電流指令信号
ｉＴと励磁電流指令信号ｉｍも入力される。なおこの例
では、後に説明するモード切替部１３のスイッチ回路Ｓ
Ｗ１〜ＳＷ３を介して、これらの信号が一次電流ベクト
ル演算器１２に入力される。

【００２２】一次電流ベクトル演算器１２は直交座標演
算器であり、一次電流角度信号θ，トルク電流指令信号
ｉＴ及び励磁電流指令信号ｉｍに基づいて、まず下記の
２式を演算する。

【００２３】ｉα＝ｉｍ・ｃｏｓθ−ｉＴ・ｓｉｎθ ｉβ＝ｉｍ・ｓｉｎθ＋ｉＴ・ｃｏｓθ そして上記２式に基づいて下記の３式で三相の一次電流
指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが作られる。

【００２４】ｉｕ＝２／３・ｉα ｉｖ＝−１／３・ｉα＋３^-1/2・ｉβ ｉｗ＝−１／３・ｉα−３^-1/2・ｉβ なお極座標形演算器で三相の一次電流指令信号ｉｕ，ｉ
ｖ，ｉｗを演算する場合には、下記の式を用いればよ
い。

【００２５】ｉｕ＝｜Ｉ1 ｜ｓｉｎθ ｉｖ＝｜Ｉ1 ｜ｓｉｎ（θ−１２０°） ｉｗ＝｜Ｉ1 ｜ｓｉｎ（θ−２４０°） 但し、｜Ｉ1 ｜＝（ｉＴ² ＋ｉｍ² ）^1/2 である。

【００２６】上記の一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ
を演算するための回路構成は、周知であるため詳細な説
明は省略する。なおこの一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，
ｉｗを演算するための回路と電流増幅器５と、電流検出
器６とによりインバータ駆動信号発生回路が構成されて
いる。

【００２７】この装置では、運転モード判定手段１４
と、暖機運転信号発生部（１５，１６）とモード切替部
１３とを用いて暖機運転を実施する。まず運転モード判
定手段１４は、暖機運転モードで制御するか通常運転モ
ードで制御するか否かを判定する。運転モード判定手段
１４は、暖機運転開始信号が入力されていて誘導電動機
の出力軸に取り付けられた機械の加工部が熱飽和状態に
なるまで暖機運転モードで制御するものと判定して、モ
ード切替部１３にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＢ接点に切
替えることを指示するモード切替信号Ｓ1 と暖機運転指
令信号Ｓ2 とを出力する。そして運転モード判定手段１
４は、前記加工部が熱飽和状態になると通常運転モード
で制御するものと判定して、モード切替部１３にスイッ
チＳＷ１〜ＳＷ３をＡ接点に切替えることを指示するモ
ード切替信号Ｓ1 を出力し、暖機運転指令信号Ｓ2 の出
力を停止する。

【００２８】ここで運転モード判定手段１４に入力され
る暖機運転開始信号は、制御装置に対して電源が投入さ
れると図示しない暖機運転開始信号発生手段から自動的
に出力される。この例では誘導電動機１の出力軸に直接
取り付けられる機械の加工部が熱飽和状態になったか否
かを、熱の発生源である電動機１のステータの熱飽和状
態を検出することによって間接的に判定する。そのため
に温度センサ３からの温度検出信号Ｓt を入力する。こ
の運転モード判定手段１４では、温度検出信号Ｓt が試
験により予め確認して予め定めた温度（飽和温度）を検
出すると、ステータが熱飽和状態になったと判断する。
加工部が熱飽和状態にならなければ、電動機１からの熱
は加工部に流れるため、出力軸の温度は飽和しない。そ
して加工部が熱飽和状態になって初めて電動機１が熱的
に飽和して、ロータの温度は飽和温度になる。そのため
ロータの飽和温度をステータ巻線内に埋め込まれた温度
センサ３で間接的に測定することにより、加工部の熱飽
和状態を間接的に検出できるのである。なおこのように
すると、この電動機を用いる工作機を製作する際に、温
度センサの取付位置をどこにするかを検討する必要がな
く、設計が容易になる。

【００２９】温度センサ３を用いずに、タイマ回路１８
を用いて、加工部が熱飽和状態になったか否かを判定し
てもよい。時間により加工部が熱飽和状態になったか否
かを判定する場合には、暖機運転開始信号が入力される
と予め定めた時限の計数をタイマ回路１８が開始し、時
限の計数を完了してタイマ回路１８が暖機時間計測信号
を出力すると、加工部が熱飽和状態になったと判定する
ように運転モード判定手段１４を構成すればよい。なお
温度センサ３の出力を用いて熱飽和状態を検出する場合
には、タイマ回路１８は不要である。

【００３０】暖機運転信号発生部１７は、暖機用電流指
令発生手段１５と暖機用一次電流角速度信号発生手段１
６とから構成される。暖機運転信号発生部１７は、運転
モード判定手段１４が暖機運転モードで制御することを
判定してるときに、暖機用トルク電流指令信号ｉＴ´，
暖機用励磁電流指令信号ｉｍ´及び暖機用一次電流角速
度信号ｉθ´を発生する。

【００３１】運転モード判定手段１４が通常運転モード
で制御することを判定しているとき即ち暖機運転指令信
号Ｓ2 が出力されていないときには、スイッチＳＷ１〜
ＳＷ３がＡ接点に切替わって、トルク電流指令信号ｉＴ
及び励磁電流指令信号ｉｍが一次電流ベクトル演算器１
２に入力され、一次電流角速度信号ｉθが時間積分器１
１に入力される。そして運転モード判定手段１４が、暖
機運転モードで制御することを判定してるとき即ち暖機
運転指令信号Ｓ2 が出力されているときには、暖機用電
流指令発生手段１５から暖機用トルク電流指令信号ｉＴ
´及び暖機用励磁電流指令信号ｉｍ´が一次電流ベクト
ル演算器に入力され、暖機用一次電流角速度信号発生手
段１６からは時間積分器１１に暖機用一次電流角速度信
号ｉθ´が入力される。

【００３２】ここで暖機運転指令信号発生部１７の暖機
用一次電流角速度信号発生手段１６は、すべりが１に近
い値になり（すべりをできるだけ１に近付け）且つ回転
磁界の回転方向を交互に変えても（回転磁界の回転方向
を正方向と逆方向とに交互に変えてロータを停止状態に
保つ動作を行っても）ロータが振動することがない程度
まで一次電流の周波数を高くする周波数を有し且つロー
タを実質的に停止状態に保持するように回転磁界の回転
方向を変える（回転磁界の回転方向を正方向と逆方向と
に交互に変えてロータを停止状態に保つ）暖機用一次電
流角速度信号ｉθ´を発生するように構成されている。

【００３３】ロータが完全に停止していれば、すべりは
１になる。本発明では、ロータを実質的に停止状態に保
持するために、すべりをできるだけ１に近い値にする。
一次電流の周波数が高くなれば、回転磁界の回転速度が
速くなり、発生トルクは小さくなる。すべりが１のとき
に発生トルクは一番小さくなる。図２は、一次電流の周
波数を５０Ｈｚにした場合の発生トルクＴ１と、５００
Ｈｚにした場合の発生トルクＴ２の状態を概略的に示し
ている。この図から分かるように、一次電流の周波数を
高くすると発生トルクはかなり小さくなる。

【００３４】これを数値的に検証する。電動機の発生ト
ルクＴｅは下記の式で表すことができる。

【００３５】Ｔｅ＝α／２π・ｆ・β ここでα＝ｍ1 ・Ｖ² ・（ｒ2 ／ｓ）・Ｐ β＝［ｒ1 ＋（ｒ2 ／ｓ）］² ＋４π² ・ｆ² （Ｌ1 ＋
Ｌ2 ）² である。

【００３６】また上記式において、 ｆは一次電流周波数［Ｈｚ］ ｒ1 はステータ巻線抵抗［Ω］ ｒ2 は２次抵抗一次側換算値［Ω］ ｓはすべり Ｌ1 は一次漏れインダクタンス［Ｈ］ Ｌ2 は二次漏れインダクタンス一次側換算値［Ｈ］ ｍ1 は相数（三相の場合は３） Ｖは一次一相端子電圧［Ｖ］ Ｐは極数である。

【００３７】上記式を用いて、１１ｋＷの三相誘導電動
機（定格トルク７０Ｎ・ｍ）の一次電流周波数ｆを５０
Ｈｚ（定格）と５００Ｈｚにした場合について、ｓ＝１
（停止），ｒ1 ＝ｒ2 ＝０．１［Ω］，Ｌ1 ＝Ｌ2 ＝１
×１０^-3［Ｈ］，Ｖ＝１００［Ｖ］，Ｐ＝４として発生
トルクを計算したところ、周波数５０Ｈｚのときの発生
トルクＴ１は約８８［Ｎ・ｍ］であり、周波数５００Ｈ
ｚのときの発生トルクは０．１［Ｎ・ｍ］であった。こ
の結果から分かるように、一次電流周波数を高くして、
すべりを１に近付けると、発生トルクは非常に小さくな
る。

【００３８】しかしながらすべりを仮に１にしても発生
トルクが存在するためにロータは回転しようとする。そ
こで、この小さいトルクでロータが回転するのを阻止す
るために、ロータが一方の方向に回転し始めたときに、
一次電流指令信号の相順を変えて（例えばＵ→Ｖ→Ｗ）
回転磁界の回転方向を変え、またロータが他方の方向に
回転し始めたときに、一次電流指令信号の相順を変えて
（例えばＵ→Ｗ→Ｖ）回転磁界の回転方向を変えること
により、ロータを実質的に停止状態に保持する。

【００３９】回転磁界の回転方向を反転させるために、
暖機用一次電流角速度信号発生手段１６は、図３に示す
構成を採用する。この暖機用一次電流角速度信号発生手
段１６は、エンコーダ２から出力される速度検出信号Ｓ
v0を入力して、誘導電動機１のロータが一方向に回転し
ているときのロータの回転速度が予め定めた値に達した
こと及びロータが他方向に回転しているときのロータの
回転速度が予め定めた値に達したことを検出すると、回
転磁界の回転方向を変えることを示唆する速度極性信号
を出力する速度極性判別手段１６ａを備えている。また
この速度極性判別手段１６ａの判定結果に基づいて、回
転磁界の回転方向を変えるように暖機用一次電流角速度
信号ｉθ´の極性を変えるために、被加減算数発生器１
６ｂと加減算切替器１６ｃとを備えている。被加減算数
発生器１６ｂは、例えば一次電流の周波数を５００Ｈｚ
にする場合には、２［ms］でサイン波の１周期分だけ進
むような被加減算数信号を出力する。加減算切替器１６
ｃは、速度極性判別手段１６ａの出力（速度極性信号）
に基づいて、被加減算数信号に＋または−の極性をつけ
て暖機用一次電流角速度信号ｉθ´として出力する。時
間積分器１１は、±３６０度に相当する暖機用一次電流
角速度信号ｉθ´を積分する毎にリセットされて新たな
積分を開始するように構成されている。なお暖機用一次
電流角速度信号ｉθ´の周波数が高くなることは、一次
電流の周波数が高くなることを意味する。暖機用一次電
流角速度信号ｉθ´が電気角で３６０度を出力する周期
が、一次電流の周期に対応する。時間積分器１１から出
力された暖機用一次電流角度信号θは、一次電流ベクト
ル演算器１２のサイン波発生器１２ｂに入力され、サイ
ン波発生器１２ｂは暖機用一次電流角度信号θ´で示さ
れる角度にしたがってサイン波を出力する。このサイン
波が直交座標演算器１２ａに入力され、前述のｉα及び
ｉβの演算に用いられ、直交座標演算器１２ａからは前
述の直交座標演算を行って三相分の一次電流指令信号ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗが出力される。

【００４０】図１に戻って、暖機用電流指令発生手段１
５は、銅損と鉄損とによりステータを積極的に加熱する
のに十分な一次電流を流すのに必要な電流指令を一次電
流ベクトル演算器から出力させる暖機用トルク電流指令
信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指令信号ｉｍ´を発生す
るように構成されている。暖機用電流指令発生手段１５
は、運転モード判定手段１４が暖機運転指令信号Ｓ2 を
出力している間、暖機用トルク電流指令信号ｉＴ´及び
暖機用励磁電流指令信号ｉｍ´を出力し続ける。暖機用
トルク電流指令信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指令信号
ｉｍ´は、図３の直交座標演算器１２ａに入力される。
暖機用トルク電流指令信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指
令信号ｉｍ´の値は発熱量を増大させるためにはできる
だけ大きいことが好ましいが、実際上は誘導電動機の特
性または性能によって制限される。そこでこの例では、
暖機用トルク電流指令信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指
令信号ｉｍ´の値を、各相の一次電流の実効値が誘導電
動機の定格一次電流実効値にほぼ等しくなるような電流
指令を一次電流ベクトル演算器１２から出力させるよう
に設定してある。このようにすると誘導電動機を焼損さ
せることなく、ステータの温度をできるだけ速く上昇さ
せることができる。

【００４１】なお上記例では、符号１９で示した領域に
含まれる部分が本発明の主要部を構成する部分であり、
この部分１９はすべてソフトウエアによって実現するこ
とができる。

【００４２】次に上記例の動作を図４を参照しながら説
明する。まず誘導電動機１を用いる装置の電源が投入さ
れて暖機運転開始信号が運転モード判定手段１４に入力
されると、運転モード判定手段１４はモード切替信号Ｓ
1 と暖気運転指令信号Ｓ2 を出力する。モード切替信号
Ｓ1 を受けて、モード切替部１３はスイッチＳＷ１〜Ｓ
Ｗ３をＢ接点に切替える。また暖気運転指令信号Ｓ2 を
受けて、暖機用電流指令発生手段１５は暖機用トルク電
流指令信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指令信号ｉｍ´を
スイッチＳＷ１及びＳＷ２を通して一次電流ベクトル演
算器１３に出力する。

【００４３】また暖気運転指令信号Ｓ2 を受けて、暖機
用一次電流角速度信号発生手段１６は、暖機用一次電流
角速度信号ｉθ´を出力する。具体的には、被加減算数
発生器１６ｂが２［ms］でサイン波の１周期分だけ進む
ような被加減算数信号を出力する。この段階ではロータ
の回転方向は判別できないため速度極性判別手段１６ａ
の出力は、図４（２）に示すように不定である。また加
減算切替器１６ｃは、とりあえずダミー加算を行うため
に、被加減算数信号（図３）に＋の極性（加算を示す極
性）をつけて暖機用一次電流角速度信号ｉθ´として出
力する。暖機用一次電流角速度信号ｉθ´は、時間積分
器１１で積分されて時間積分器１１から暖機用一次電流
角度信号θ´が出力される。図４（４）は、暖機用一次
電流角度信号θ´に含まれるデータを概念的に波形で示
している。この場合図４（４）から分かるように、暖機
用一次電流角度信号θ´は、０°から３６０°に向かっ
て増加し３６０°になるとリセットされて再度０°から
３６０°に向かって増加する変化を所定の周波数で繰り
返している。この周波数は、本例では５００Ｈｚであ
る。暖機用一次電流角度信号θ´は、一次電流ベクトル
演算器１２に入力される。

【００４４】一次電流ベクトル演算器１２は、暖機用ト
ルク電流指令信号ｉＴ´及び暖機用励磁電流指令信号ｉ
ｍ´と暖機用一次電流角度信号θ´とに基づいて前述の
直交座標演算を行って三相分の一次電流指令信号ｉｕ，
ｉｖ，ｉｗを出力する。図４（５）は、一相分の一次電
流指令信号に含まれるデータを概念的に示している。図
４（５）から分かるように、一次電流指令信号は、暖機
用一次電流角度信号θ´と同様に５００Ｈｚで変化し
て、一次電流を５００Ｈｚで変化させる。このときに三
相分の一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗによって流れ
る三相の一次電流の相順は図４（６）に示すように例え
ば「Ｕ→Ｖ→Ｗ」となっていて、回転磁界は反時計回り
方向（ＣＣＷ）に回転している。その結果、電動機の微
小トルクの発生方向も反時計回り方向となる。この状態
では、すべりはほとんど１に近い値である。

【００４５】一次電流が５００Ｈｚで変化しても先に説
明した通り、トルクは僅かに発生する。そのためその微
小トルクで、ロータは回転しようとする。ロータの回転
速度をエンコーダ２が検出して、図４（１）の速度検出
信号として出力する。ロータの回転速度が５０ｒｐｍに
達すると、暖機用一次電流角速度信号発生手段１６の速
度極性判別手段１６ａはロータの回転方向が反時計回り
方向であることを判別して、そのこと示す速度極性信号
を加減算切替器１６ｃに出力する。加減算切替器１６ｃ
は、この速度極性信号を受信すると被加減算数信号に−
の極性をつけて暖機用一次電流角速度信号ｉθ´として
出力する。時間積分器１１は、−の極性の暖機用一次電
流角速度信号ｉθ´を時間積分する。その結果図４
（４）に示すように、暖機用一次電流角度信号θ´は、
０°から−３６０°に向かって増加し−３６０°になる
とリセットされて再度０°から−３６０°に向かって増
加する変化を５００Ｈｚの周波数で繰り返す。一次電流
ベクトル演算器１２から出力される三相分の一次電流指
令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、図４（５）から分かるよう
に、暖機用一次電流角度信号θ´と同様に極性が反転し
て５００Ｈｚで変化する。このときに三相分の一次電流
指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗによって流れる三相の一次電
流の相順は図４（６）に示すように「Ｗ→Ｖ→Ｕ」と反
転し、回転磁界は時計回り方向（ＣＷ）に回転するよう
になる。このときの電動機の微小トルクも時計回り方向
に発生する。その結果、ロータは逆方向に回転しようと
する。

【００４６】そしてまたロータの回転方向が変わろうと
する際の速度変化をエンコーダ２が検出して、図４
（１）の速度検出信号として出力する。ロータの回転速
度が−５０ｒｐｍに達すると、暖機用一次電流角速度信
号発生手段１６の速度極性判別手段１６ａはロータの回
転方向が時計回り方向であることを判別して、そのこと
を示す速度極性信号を加減算切替器１６ｃに出力する。
加減算切替器１６ｃは、この速度極性信号を受信すると
被加減算数信号に＋の極性をつけて暖機用一次電流角速
度信号ｉθ´として出力する。時間積分器１１は、＋の
極性の暖機用一次電流角速度信号ｉθ´を時間積分す
る。その結果図４（４）に示すように、暖機用一次電流
角度信号θ´は、また０°から＋３６０°に向かって増
加し＋３６０°になるとリセットされて再度０°から＋
３６０°に向かって増加する変化を５００Ｈｚの周波数
で繰り返す。一次電流ベクトル演算器１２から出力され
る三相分の一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗも、図４
（５）から分かるように、暖機用一次電流角度信号θ´
と同様に極性が反転して５００Ｈｚで変化する。このと
きに三相分の一次電流指令信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗによっ
て流れる三相の一次電流の相順は図４（６）に示すよう
に「Ｕ→Ｖ→Ｗ」と反転し、回転磁界は反時計回り方向
に回転するようになる。このときの電動機の微小トルク
も反時計回り方向に発生し、その結果、ロータは回転方
向を反転しようとする。

【００４７】以後上記の動作が繰り返され、結局、ロー
タは±５０ｒｐｍの範囲で僅かに回動するだけで実質的
には回転しない。このように一次電流の周波数を高くし
て、しかも一次電流の値を大きくすることにより、鉄損
と銅損を大きくしてステータ及びロータを発熱させ、し
かもロータを実質的に回転させないように回転磁界の方
向を繰り返し反転させると、ロータの回転に要するエネ
ルギをステータの発熱に利用することができる。その結
果、無駄な電力消費を少なくすることができて、誘導電
動機の温度上昇が速くなる。

【００４８】そして温度センサ３が予め定めた温度を検
出すると、運転モード判定手段１４はステータが熱飽和
状態となり、電動機１が設けられた装置も熱飽和状態に
なったと判定して、暖機運転指令信号Ｓ2 の出力を停止
し、モード切替器１３にはスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の接
点をＢからＡに切り換えるモード切替信号Ｓ1 を出力す
る。その結果、一次電流ベクトル演算器１２には、トル
ク電流設定器７からのトルク電流指令信号ｉＴと励磁電
流設定器８からの励磁電流指令信号ｉｍと、一次電流角
速度信号ｉθを時間積分器１１で積分した一次電流角度
信号θが入力されるようになる。一次電流ベクトル演算
器１２からは、インバータ回路４から三相交流電力を出
力するための三相分の一次電流指令信号が出力され、電
動機１は通常運転モードで運転されるようになる。

【００４９】ちなみに、数ｋＷ〜数十ｋＷクラスの誘導
型サーボシステムの誘導電動機を制御する場合に、連続
定格運転で機械の加工部または出力軸が熱飽和状態にな
るには、電動機を４〜６時間運転する必要がある。これ
に対して、本発明を用いると数十分で熱飽和状態を得る
ことができる。

【００５０】なお上記例では、電動機１のステータの温
度を測定して熱飽和状態を検出しているが、図１に示す
タイマ回路１８を用いて熱飽和状態を検出してもよく、
また両者を併用してもよい。両者を併用する場合には、
温度検出またはタイマ時限の計数完了のいずれか早い方
の結果に従って暖機運転を中止すればよい。

【００５１】また上記例では、一次電流波形はＳＩＮ波
になるが、一次電流波形を矩形波として、高調波成分に
よる発熱の増加を得るようにしてもよいのは勿論であ
る。

【００５２】なお本願発明を電動工作機の暖機運転方法
という概念で表現すると下記のようになる。

【００５３】（１） ステータに巻装された巻線に所定
の周波数の交流電流を一次電流として通電して回転磁界
を作り、電流フィードバックループを用いて前記一次電
流を電流指令通りにフィードバック制御する誘導電動機
を駆動源とする電動工作機の暖機運転方法であって、す
べりが１に近い値になり且つ前記回転磁界の回転方向を
交互に変えてもロータが振動することがない程度まで前
記一次電流の周波数を高く設定し、銅損と鉄損とにより
前記ステータを積極的に加熱するのに十分な前記一次電
流を流すように前記電流指令を設定し、且つ前記ロータ
を実質的に停止状態に保持するように前記回転磁界の回
転方向を変えることを前記誘導電動機の出力軸に接続さ
れる加工部の温度が所定の温度以上になるまで続けるこ
とを特徴とする電動工作機の暖機運転方法。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、一次電流の周波数を高
くして、しかも一次電流の値を大きくすることにより、
鉄損と銅損とを大きくしてステータを発熱させ、しかも
ロータを実質的に回転させないように回転磁界の方向を
繰り返し反転させるため、ロータの回転に要するエネル
ギをほとんどなくし、その分をステータの発熱に利用す
ることができる。その結果、無駄な電力消費を少なくし
て、誘導電動機の温度上昇を速くして、暖機運転時間を
従来よりも短縮できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法により三相誘導電動機を直交
座標形ベクトル制御を用いて制御する場合に用いる制御
装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図２】一次電流の周波数を５０Ｈｚにした場合の発生
トルクＴ１と、５００Ｈｚにした場合の発生トルクＴ２
の状態を概略的に示す図である。

【図３】暖機用一次電流角速度信号発生手段の具体的な
構成の一例を示すブロック図である。

【図４】図１の例の動作を説明するために用いる動作波
形図である。

【符号の説明】

１ 誘導電動機 ２ エンコーダ ３ 温度センサ ４ インバータ回路 ５ 電流増幅器 ７ トルク電流設定器 ８ 励磁電流設定器 ９ すべり角速度演算器 １０ ロータ角速度演算器 １１ 時間積分器 １２ 一次電流ベクトル演算器 １３ モード切替部 １４ 運転モード判定手段 １５ 暖機用電流指令発生手段 １６ 暖機用一次電流角速度信号発生手段 １７ 暖機運転信号発生部

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータに巻装された巻線に所定の周波
   数の交流電流を一次電流として通電して回転磁界を作
   り、電流フィードバックループを用いて前記一次電流を
   電流指令通りにフィードバック制御して誘導電動機を制
   御する誘導電動機の制御方法であって、 すべりが１に近い値になり且つ前記回転磁界の回転方向
   を交互に変えてもロータが振動することがない程度まで
   前記一次電流の周波数を高く設定し、銅損と鉄損とによ
   り前記ステータを積極的に加熱するのに十分な前記一次
   電流を流すように前記電流指令を設定し、且つ前記ロー
   タを実質的に停止状態に保持するように前記回転磁界の
   回転方向を変えて暖機運転を実施し、前記暖機運転が終
   了した後に通常運転に移行することを特徴とする誘導電
   動機の制御方法。
2. 【請求項２】 前記暖機運転は、前記誘導電動機の前記
   ステータが熱飽和状態になるまで継続することを特徴と
   する請求項１に記載の誘導電動機の制御方法。
3. 【請求項３】 前記暖機運転は、前記誘導電動機の出力
   軸に取り付けられた機械の加工部が熱飽和状態になるま
   で継続することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動
   機の制御方法。
4. 【請求項４】 前記誘導電動機が三相誘導電動機であっ
   て、前記一次電流の周波数が定格周波数の略５倍以上で
   前記電流フィードバックループの応答周波数以下である
   請求項１に記載の誘導電動機の制御方法。
5. 【請求項５】 前記電流指令を、前記一次電流の実効値
   が前記誘導電動機の定格一次電流実効値にほぼ等しくな
   るように設定することを特徴とする請求項１に記載の誘
   導電動機の制御方法。
6. 【請求項６】 前記誘導電動機の出力軸の回転速度を検
   出して、前記回転速度が予め定めた値になると前記回転
   磁界の回転方向を変更することを特徴とする請求項１に
   記載の誘導電動機の制御方法。
7. 【請求項７】 ステータに巻装された巻線に所定の周波
   数の交流電流を一次電流として通電して回転磁界を作る
   インバータ回路と、前記インバータ回路にインバータ駆
   動信号を出力するインバータ駆動信号発生回路とを具備
   し、 前記インバータ駆動信号発生回路が、トルク電流指令，
   励磁電流指令及び一次電流角速度信号を時間積分器で時
   間積分した一次電流角度信号を入力として一次電流指令
   信号を出力する一次電流ベクトル演算器と、前記一次電
   流をフィードバック制御するために前記一次電流を検出
   して一次電流検出信号をフィードバックする電流フィー
   ドバックループとを備えている誘導電動機の制御装置で
   あって、 暖機運転モードで制御するか通常運転モードで制御する
   か否かを判定する運転モード判定手段と、 前記運転モード判定手段が前記暖機運転モードで制御す
   ることを判定してるときに、暖機用トルク電流指令信
   号、暖機用励磁電流指令信号及び暖機用一次電流角速度
   信号を発生する暖機運転信号発生部と、 前記運転モード判定手段が前記通常運転モードで制御す
   ることを判定しているときに、前記トルク電流指令及び
   励磁電流指令を前記一次電流ベクトル演算器に入力し且
   つ前記一次電流角速度信号を前記時間積分器に入力する
   ように切替わり、前記運転モード判定手段が前記暖機運
   転モードで制御することを判定してるときに、前記暖機
   用トルク電流指令及び暖機用励磁電流指令を前記一次電
   流ベクトル演算器に入力し且つ前記時間積分器には前記
   暖機用一次電流角速度信号を入力するように切替わるモ
   ード切替部とを具備し、 前記運転モード判定手段は、暖機運転開始信号が入力さ
   れていて前記誘導電動機の出力軸に取り付けられた機械
   の加工部が熱飽和状態になるまで前記暖機運転モードで
   制御するものと判定し、前記負荷が熱飽和状態になると
   通常運転モードで制御するものと判定するように構成さ
   れ、 前記暖機運転指令発生部は、すべりが１に近い値になり
   且つ前記回転磁界の回転方向を交互に変えてもロータが
   振動することがない程度まで前記一次電流の周波数を高
   くする周波数を有し且つ前記ロータを実質的に停止状態
   に保持するように前記回転磁界の回転方向を変える前記
   暖機用一次電流角速度信号を発生する暖機用一次電流角
   速度信号発生手段と、銅損と鉄損とにより前記ステータ
   を積極的に加熱するのに十分な前記一次電流を流すのに
   必要な前記電流指令を前記一次電流ベクトル演算器から
   出力させる前記暖機用トルク電流指令及び暖機用励磁電
   流指令を発生する暖機用電流指令発生手段とを具備する
   ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
8. 【請求項８】 前記運転モード判定手段は、前記機械の
   加工部の熱飽和状態を前記ステータが熱飽和状態になっ
   たか否かを検出して判定するように構成されている請求
   項７に記載の誘導電動機の制御装置。
9. 【請求項９】 前記運転モード判定手段は、前記誘導電
   動機の出力軸に取り付けられる機械の加工部の温度を温
   度センサで測定し、該温度センサの出力から前記加工部
   が熱飽和状態になったか否かを判定するように構成され
   ている請求項７に記載の誘導電動機の制御装置。
10. 【請求項１０】 前記運転モード判定手段は、前記暖機
    運転開始信号が入力されると予め定めた時限の計数を開
    始し前記時限の計数を完了すると前記負荷が熱飽和状態
    になったと判定するように構成されている請求項７に記
    載の誘導電動機の制御装置。
11. 【請求項１１】 前記暖機用一次電流角速度信号発生手
    段は、前記誘導電動機の前記ロータが一方向に回転して
    いるときの前記ロータの回転速度が予め定めた値に達し
    たこと及び前記ロータが他方向に回転しているときの前
    記ロータの回転速度が予め定めた値に達したことを検出
    する速度極性判別手段を備えて、前記速度極性判別手段
    の判定結果に基づいて前記回転磁界の回転方向を変える
    ように前記暖機用一次電流角速度信号の極性を変えるよ
    うに構成されている請求項７に記載の誘導電動機の制御
    装置。
12. 【請求項１２】 前記暖機用一次電流角速度信号発生手
    段は、周期的に前記回転磁界の回転方向を変えるように
    前記暖機用一次電流角速度信号の極性を変えるように構
    成されている請求項７に記載の誘導電動機の制御装置。
13. 【請求項１３】 前記暖機用電流指令発生手段は、前記
    一次電流の実効値が前記誘導電動機の定格一次電流実効
    値にほぼ等しくなるような前記電流指令を前記一次電流
    ベクトル演算器から出力させる前記暖機用トルク電流指
    令及び暖機用励磁電流指令を発生するように構成されて
    いることを特徴とする請求項７に記載の誘導電動機の制
    御装置。