JPS6041553B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は譲導電動機の制御装置に係り、とくに誘導電動
機の磁束、操作すべき諸量をベクトル演算し、その結果
に基づいて諸量を制御するようにしたベクトル制御によ
る制御装置に関する。

従来は、有効磁束と二次漏れ磁束の和である、二次鎖交
磁束の値を基準値として与え、かつ回転速度又はトルク
の基準値を与え、これにより操作すべき諸量をベクトル
演算し、その結果に基づいて、諸量を制御していた。こ
の従来の装置によると、二次鎖交磁束を指令値に合わす
べく制御が行われるので、有効磁束は一定ではなく変化
してしまう。

有効磁束が変化すると、トルクを有効電流に比例させる
ことができないし、定出力制御を行うこともむすかしく
なる。

定出力制御を行うために界磁弱め制御を行うが、これは
有効磁束を操作して成立つことであり、二次鎖交磁束を
操作しても意味がない。本発明は、従来技術のさきの欠
点を改良すべ〈行われたものである。

従来の如く二次鎖交磁束を指令して制御を行うと、トル
ク指令を満足させるために、必要以上の電流が流れる場
合があったが、有効磁束を指令して制御を行えば、必要
最小限の電流ですむので、有効磁束指令の手段を提供し
ようとするものである。

すなわち、本発明は誘導電動機の一次周波数制御装置に
おいて、外部設定値として、有効磁束の大きさと回転速
度又は有効磁束の大きさと出力トルクの値を設定し、ベ
クトル演算により、実際の可変量としては、一次電圧の
大きさ及び一次周波数としたことを特徴とするものであ
る。

では、本発明の構成について述べよう。

本発明は主として回路構成に関するものであり、以下３
つの主要回路がある。

第１図は、本発明の一実施例における有効磁束の値少及
びトルクＴの指令値より、二次鎖交磁束の値め２及びす
べり周波数ｓＷｅを求めるための演算をする回路図であ
る。

１は有効磁束基準用調整抵抗器、４は演算増幅器、８は
め２選定用バイアス、９と１０１まぐ２選定用ダイオー
ド、１１は平方根関数発生器、１２は自乗関数発生器、
１３は（１十Ｔ２ｐ）演算回路、１４は自乗関数発生器
、１５はＴ２ｒ２演算回路、１６は乗算器、１７は反比
例関数発生器、１８はトルク基準用調整抵抗器、１９は
自乗関数発生器、２０は乗算器、２１はｒ２演算回路、
２２は極性変換回路である。

第２図は、本発明における二次鎖交磁束の値０２及びす
べり周波数ｓＷｃより、一次電圧の値ｅ，及び一次周波
数Ｗｅを演算する回路の一実施例を表わす図である。

３１はＬ／Ｍ演算回路、３２は（・十号Ｔ４ｐ）演算回
路、３３はｐ演算回路、３４はＴ４演算回路、３５は乗
算器、３６はｐ演算回路、３７は乗算器、３８は乗算器
、３９は１／Ｍ演算回路、４０は（１十Ｔ３ｐ）演算回
路、４１はｒ，演算回路、４２はＴ３／Ｍ演算回路、４
３は乗算器、４４はｒ，演算回路、４５は自乗関数発生
器、４６は自乗関数発生器、４７は平方根関数発生器で
ある。

第３図は、本発明の一実施例における第１図及び第２図
の回路を含む全体のシステム構成図である。直流回路を
有する変換器回路で説明してあるが、サィクロコンバー
タ回路でも成立つことは勿論である。出力波形も正弦波
の場合でも、方形波の場合でも成立つ。方形波の場合は
、基本波について考えればよい。６２は交流／直流コン
バータ部、６３は直流／交流ィンバータ部、６４は三相
誘導電動機、６５は回転計発電機、６６は電圧検出回路
、６７はコンバータ位相制御回路、６８は一次電圧制御
用増幅器、６９はィンバ−タ位相制御回路、７０‘ま有
効磁束設定用調整抵抗器、７１は回転数設定用調整抵抗
器、７２は速度制御用増幅器、７３は有効磁束、トルク
から二次錯交磁束、すべり周波数を算出する計算回路、
７４は二次鎖交磁束、すべり周波数から一次電圧、電動
機一次周波数を演算する演算回路、７５は電動機一次周
波数制御用増幅器、７６は電圧／周波数変換器（２相出
力）、７７は２相／３相変換回路、７８は周波数検出回
路、７９は速度検出回路である。

それから、本発明の説明に適用する符号をここに列挙し
ておく。ｅ，は一次電圧ベクトル、ｅ２は二次電圧ベク
トル、ｉ，は一次電流ベクトル、１２は二次電流ベクト
ル、Ｌ，は一次インダクタンス、Ｍは相互インダクタン
ス、−は二次ィンダクタンス、１，は一次漏れィンダク
タンス、１２は二次漏れィンダクタンス、ｒ，は一次抵
抗、ｒ２は二次抵抗、中，は一次鎖交磁束ベクトル、め
は有効磁束ベクトル、中２ は二次錯交磁束ベクトル、
Ｗｅは電動機一次周波数、ｓはすべり、Ｗｒは回転子の
回転角速度、ｐは微分演算子、８ｅは電動機一次回転角
度、８ｒは回転子回転角度である。

Ｔ２〜Ｔ４は遅れ時定数なお、ｊは虚数単位を表わす。
そして、本発明の作用についてその基本的原理から説明
することにしよう。

誘導電動機の基本方程式は、一次は固定座標で表わし、
二次は回転子の回転速度と同じ速度で回転する回転座標
で表わすと次式となる。

座標を一次電圧による回転磁束と同じ速度で回転する座
標に統一するために次の変換スピナ−（Ｓｐｍｏｒ）を
両辺に乗ずる。

回転磁束座標により表わされる変数に〇をつけると一次
、二次に分解すると、 ｅ，＝ｒ，．，，十ｐ（Ｌ．ｉ，十Ｍｉ２）十ｉＷｅ（
Ｌ，ｉ，十Ｍｉ２）
………【７｝ｅ２＝ｒ２．，２十ｐ（Ｍｉ，十Ｌ２ｉ
２）十ｉｓＷｅ（Ｍｉ，十Ｌｉ２）
………（８）となる、ここで、め，＝Ｌ
ｉ．十Ｍｉ２ ………｛９１○２ ＝Ｍ
ｉ，十Ｌ２ｉ２ ………００とすると
、ｅ，＝ｒ．・ｉ，十ｐＪ，十ｊＷｅや， ………（
１１）ｅ２＝ｒ２・ｉ２十ｐや２ 十ｊｓＷｅＣ２
・・・・・・・・・（１２）となる。

かご形電動機の場合 ｅ，＝ｒ．・１，十ｐ○，十ｊＷｅ○． ・・・・・
・・・・（１３）○＝ｒ．・１２十ｐ◇２ 十＄Ｗｅめ
３ ………（ＩＱ二次鎖交磁束ベクトルぐ２の定義よ
りｉ．＝支（ぐ２−Ｌ２ｉ２） ＝毒物七ｐで２十ｉ号ｗ少）‐‐・・・‐…（１５） 座標を二次鎖交磁束ベクトルＪ２軸に固定して、ｄ，ｑ
軸に分解するとｉｄ．＝声（っ２十号ｐ◇２）＝支（・
十号ｐ）◇２ ．．．．
．．．．．（１６）ｌｑ，：考ＳＷｅｏ２ ．．
・．．・．．・（１７）■＝・弓ｐ中２ ………
（１■ｉｑ２＝−亨ＳＷｅめ２＝・母ｉｑ ………（
１９）したがって、すべり周波数はＳＷｅ＝場ｉｑＦ七
ｉｑ２ ．．・．．・．．・（２０）トルクはＴ＝Ｍ
ｌｊ２×ｉ，ｌ＝Ｍ（ｉｄ２・ｉｑ，一ｉｄ，．ｉｑ２
）＝Ｍ｛−声をＷ小８２十おｗ小（ぐ２十号妙）｝＝学
び ・・・・・・となる。

有効磁束は中＝Ｍ（ｉ．十ｉ２）＝Ｍ｛毒（少２十号ｐ
◇２十ｉ号ＳＷｅ◇２）−毒（ｐで２十ｉＳＷｅ？２）
｝『２十王；吻十ｉ牛ＭＳｗｅ？２小十号物＋ｉきｗ小
＝（１十Ｔ２ｐ）○２ 十ｊＴめＷｅＪ２
・・・・…・
・（２２）比し、Ｔ２＝馬となる。

トルクと有効磁束指示による制御を行うには、トルクＴ
と有効磁束帆こより、他の変数が決定されなければなら
ない。

第（２２）式より、有効磁束ベクトルはｆ（１十Ｌｐ）
や２十ｊＴ２ｒ２Ｔ方，．．．．．．．・（２３）とな
る。

第２３式により第１図の如く、系として問題とならない
程度の応答速度の増幅器を使用すれば、トルクＴ、有効
磁束中＝ｌめｌの指示により、大なる方の二次鎖交磁束
？２を決定することができる。第４図より小なる方の二
次鎖交磁束ぐ２が求める値である。

また第（２１）式よりすべり周波数はＳｗｅ＝安
．．・．．・．．・（２心となり、第１図の如く通常
の演算で、トルクＴ、有効磁束◇の指示によりすべり周
波数ｓＷｅを決定できる。実際の装置で制御できるのは
、一次電圧ｌｅ，ｌ＝ｅ，、回転子の回転角速度Ｗｅで
あるので、二次鎖交磁束で２、すべり周波数ｓＷｅより
求める。

電動機速度Ｗｒを用いてＷｅ＝ｓＷｅ十Ｗｒ
………（２５）となる。

二次鎖交磁束で２軸基準で演算すれば、第側式、第（１
６）〜第（１９）式より、一次鎖交磁束ベクトルはっ．
＝く声十Ｔ４ｐ）◇２十ｉＴ４ＳＷｅマ２………（２６
）＝（Ａ＋正）ぐ２比し・Ｔ４＝Ｌ三荒壁 第（１６）式、第（１７）式より、一次電流ベクトルは
ｉ．：声（１十Ｔ３ｐ）で２十ｉ昔Ｓｗｅで２（２７）
＝（Ｃ＋■）○２比し、Ｔ３＝害 となり、第（１３）式より、一次電圧ベクトルはｅ．＝
（Ｃｒ，一ＢＷｅ十Ａｐ）や２十ｊ（〇ｒ，十ＡＷｅ十
Ｂｐ）○２ ・・・・・・・・・（２８）：Ｅで２十
ＦＣ２ｌｅ，ｌ＝め２ ノＥ２十Ｆ２ ・
・・・・・・・・（２９）となる。

この値は第２図の回路で求められる。トルクＴ、有効磁
束◇の指示を満足するには、一次電圧ｅ，、電動機一次
周波数Ｗｅを制御すれば必要充分であることは、次の如
く証明できる。第（２５）式により電動機一次周波数Ｗ
ｃからすべり周波数ｓＷｅが決定される。第（２６）式
、第（２８）式により電動機一次周波数Ｗｃ、すべり周
波数ｓＷｅ、一次電圧ｅ，により一次鎖交磁束◇，、一
次鎖交磁束◇２が決定される。第（１８）式、第（１９
）式からすべり周波数ｓＷｅと二次鎖交磁束◇２により
め２軸基準の二次電流ｉ２が決定される。第（２１）式
からすべり周波数ｓＷｅと二次鎖交磁束◇２ によりト
ルクＴが決定される。第（２２）式からすべり周波数ｓ
Ｗｅと二次鎖交磁束？２ によりで２基準の有効磁束め
が決定される。第１図において、第（２３）式、第（２
４）式より抵抗器１にて与える有効磁束す、抵抗器１８
にて与えるトルクＴ入力から、二次鎖交磁束ＯＢ、すべ
り周波数ｓＷｃを求める。

演算増幅器４にて二次鎖交磁束◇２制御回路を構成して
おり、平方根関数発生器１１、自乗関数発生器１２，１
４、（１十Ｔ２ｐ）演算回路１３、Ｔ２ｒ２寅算回路１
５、乗算器１６、反比例関数発生器１７、により、第（
２３）式から二次鎖交磁束？２、トルクＴから有効磁束
ベクトルぐの大きさ０を計算する回路を構成している。

回路２２にて極Ｚ性変換して有効磁束めの基準に対する
帰還信号としている。上記は有効磁束◇制御ループを構
成しているが、この出力は二次鎖交磁束め２となる。

二次鎖交磁束め２は２つの値をとれるので、小なる方の
値のみとすべく、調整抵抗器８、ダイオード９，１川こ
てバイアスを与える。反比例関数発生器１７、自乗関数
発生器１９、乗算器２０、ｒ２演算回路２１により、第
（２４）式よりめ２、Ｔからすべり周波数ｓＷｅを計算
する回路を構成している。

第２図で、第（２５）式、第（２８）式、第（２９）式
より、二次鎖交磁束◇２、すべり周波数ｓＷｅ、回転子
の回転角速度Ｗｒの入力から一次電圧ｅ．、電動機一次
周波数Ｗｅを求める。

くＬ／Ｍ）演算回路３１・（１十母Ｔ４ｐ）演算回路３
２、ｐ演算回路３３で第（２８）式の実部第３項を計算
している、Ｔ４演算回路３４、乗算器３５、乗算器３８
にて第（２８）式の実部第２項を計算している。

（１／Ｍ）演算回路３９、（１十Ｌｐ）演算回路４０、
て，演算回路４１にて第（２８）式の実部第１項を計算
している。実部計算値３つの和を自乗関数発生器４６に
て入力する。Ｔ４演算回路３４、乗算器３５、ｐ演算回
路にて第（２８）式の虚部第３項を計算している。Ｔ４
演算回路３４、乗算器３５、乗算器３７は第（２８）式
の虚部第２項を計算している。（Ｔ３／Ｍ）演算回路４
２、乗算器４３、ｒ，演算回路４４は第（２８）式の虚
部第１項を計算している。虚部計算値３つの和を自乗関
数発生器４５に入力する。自乗関数発生器４５の出力と
、自乗関数発生器４６の出力の和を平方根関数発生器４
７に入力すればその出力は一次電圧ベクトルｅ，の大き
さ一次電圧ｅ，である。

同じく第２図で、第（２５）式より、すべり周波数ｓＷ
ｅ、回転子の回転角速度Ｗｒから電動機一次周波数Ｗｃ
を計算する。

直流方式方形波電流形ィンバータ６３を使用した場合の
回路構成例は第３図の如くなる。

調整抵抗器７川こて有効磁束基準でを与える。

調整抵抗器７１にて回転数基準Ｎを与える。７２は速度
制御用増幅器で、この増幅器７２への入力は抵抗器７１
の回転数基準と回転計発電機６５の信号より速度検出回
路７９で検出した速度信号との差分である。

調整抵抗器７０の信号◇と増幅器７２の出力トルクＴは
計算回路７３に入力されるが、これは第１図と同じ働き
をする計算回路であり、有効磁束◇トトルクＴの入力に
より二次錯交磁束０２、すべり周波数ｓＷｅを算出する
。演算回路７４は第２図と同じ働きをする演算回路であ
り、計算回路７３の出力の二次鎖交磁束◇２、すべり周
波数ｓＷｃと速度検出回路７９の出力の回転子の回転角
速度Ｗｒを入力し、一次電圧ｅ，、電動機一次周波数Ｗ
ｃを算出する。一次電圧ｅ，信号と、直流回路電圧より
電圧検出回路６６で検出した電圧信号との差分が、一次
電圧制御用増幅器６８に入力される。

増幅器６８の出ブ］はコンバータ用位相制御回路６７に
入力され、この回路６７の出力は交流／直流コンバータ
６２の各構成素子の点弧パルス信号となる。演算回路７
４の出力の電動機一次周波数Ｗｅ信号と周波数検出回路
７８の出力の周波数信号との差分が、周波数制御用増幅
器７５に入力される。その増幅器７５の出力は、電圧／
周波数変換器７６に入力するが、増幅器７６は９００位
相差の２相出力発振器であって、この発振器７６の出力
は２相／３相変換器７７に入力される。変換器７７の出
力はインバータ用位相制御回路６９に入力し、その位相
制御回路６９の出力は直流／交流ィンバータ６３の各構
成素子の点弧パルス信号となる。交流／直流コンバータ
部６２には商用電源が入力し、出力の直流電圧は、並列
に接続されたコンデンサＣを介して、６３に入力される
。直流／交流ィンバータ部６３の出力の交流電圧は誘導
電動機６４に入力し、駆動トルクを発生し、誘導電動機
６４の駆動トルクによってその回転子が回転し、この回
転速度が回転計発電機６５で検出されて帰還される。第
４図は、議導電動機の有効磁束、二次錯交磁束の位相関
係により、あるトルク設定値に対して、二種類の二次鎖
交磁束の値をとり得ることを示した図である。

有効磁束ベクトル０と二次錯交磁束ベクトルで２の差分
ベクトル（１２−Ｍ）ｉ２は、二次電流ベクトルｉ２と
並行でなければならないし、二次電流ベクトルｉ２は有
効磁束ベクトル？より９０ｏ以上遅れるから、二次鎖交
磁束ベクトル０２の小さい方の値が、求める値である。
したがって、第１図の二次鎖交磁束を求める回路では、
大きい方の値を求める回路となっている。

第５図は、譲導電動機の計算式中の各量の説明のための
図である。

しかして、本実施例で示したシステム構成は、直流式方
形波電流形ィンバータを用いたものであるが、変換器と
してはサィクロコンバータを使用することを可能であり
、ＰＷＭ（パルス幅変調）形変換器を使用することも可
能である。

方形波電流制御の場合、有効分として基本波電流が働く
ことになるが、正弦波出力の変換器を用いて、有効電流
の割合を高めることも加能である。

さらに、本実施例ではクローズドル−フ。

として、速度制御ループ、一次電圧制御ループ、電動機
一次周波数制御ループを持つ回路を示したが、必要に応
じてクローズドループの数を増減することは可能である
。ところで回転機の自動制御を行う際の重要な事項の一
つに、できるだけ小容量の設備で、大容量のシステムを
制御したいということがある。

誘導電動機のベクトル制御を行う場合も同様であり、従
来のベクトル制御では、二次鎖交磁束を制御しているた
め、有効磁束は一定ではなく、トルクが必ずしも有効電
流に比例しないため、必要以上の電流を流す場合が生じ
ていた。しかるに、本発明により、有効磁束制御を行っ
ていれば、トルクは有効電流に比例するため、必要最小
限の電流でこと足り、正しい定出力制御（界磁弱め制御
）を行うことができるという顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例において有効磁束１旨号ぐ、
トルク信号Ｔより、二次錯交磁束◇２、・すべり周波数
ｓＷｅを求めるための回路図、第２図は本発明の二次鎖
交磁束で２、すべり周波数ｓＷｃ、電動機回転角周波数
Ｗｒより、一次電圧の大さ３ｅ，、電動機一次周波数Ｗ
２を求める回路の一美雄例の略線図、第３図は本発明を
実施するための実際の回路構成例を示すブロックダイア
グラム、第４図は譲導電動機の有効磁束、二次鎖交磁束
の特性曲線図、第５図は誘導電動機の計算式中の各］量
の説明のための図である。 １・・・・・・有効磁束基準用調整抵抗器、４・・・・
・・演算増幅器、８・・・・・・？２選定用バイアス、
９，１０川・・・・め２選定用ダイオード、１１・・・
・・・平方根関数発生器、１２・・…・自乗関数発生器
、１３・・・・・・（１十Ｔ２ｐ）演算回路、１ ４・
・…・自乗関数発生器、１ ５・・・・・・Ｔ２ｒ２演
算回路、１６・・・…乗算器、１７・・…・反比例関数
発生器、１８…・・・トルク基準用調整抵抗器、１９・
・・・・・自乗関数発生器、２０・・・・・・乗算器、
２１・・・・・・ｒ２演算回路、２２・・・・・・極性
変換回路、＝３１・・・・・・Ｌ／Ｍ演算回路、３２．
．．．．．（１十ＥＴ４ｐ）演算回路、３３・・・・・
・ｐ演算回路、３４・・・…Ｌ演算回路、３５・・・・
・・乗算器、３６・・…・ｐ演算回離、３７…・・・乗
算器、３８・・・・・・乗算器、３９…・・・１ノＭ演
算回路、４０・・・・・・（１十Ｔ３ｐ）演算回路、４
１……ｒ，演算回路、４２……（Ｔ３／Ｍ）演算回路、
４３・・・・・・乗算器、４４・・・・・・ｒ，演算回
路、４５・・・・・・自乗関数発生器、４６…・・・自
乗関数発生器、４７・・・・・・平方根関数発生器、６
２・…・・交流／直流コンバータ部、６３……直流／交
流ィンバータ部、６４・・・・・・三相誘導電動機、６
５・・・・・・回転計発電機、６６・・・・・・電圧検
出回路、６７・・・・・・コンパ・一タ位相制御回路、
６８……一次電圧制御用増幅器、６９・…・・インバー
タ位相制御回路、７０・・・・・・有効磁束設定用調整
抵抗器、７１・・・・・・回転数設定用調整抵抗器、７
２・・・・・・速度制御用増幅器、７３・・・・・・有
効磁束、トルクから二次鎖交磁束、すべｌり周波数への
演算回路、７４・・・・・・二次鎖交磁束、すべり周波
数から一次電圧、電動機一次周波数への演算回路、７５
・・・・・・電動機一次周波数制御用増幅器、７６・・
・・・・電圧／周波数変換器（２相出力）、７７・・・
・・・２相／３柏変換回路、７８・・・・・・周波数険
出回路、７９・・・・・・速度検出回路、ｅ．・・・・
・・一次電圧ベクトル、ｅ２・・…・二次電圧ベクトル
、１．…・・・一次電流ベクトル、１２・・・・・・二
次電流ベクトル、Ｌ．・・・・・・一次インダクタンス
、Ｍ……相互ィンダクタンス、Ｌ・・・・・・二次ィン
ダクタンス、１．・・・・・・−次漏れィンダクタンス
、１２……二次漏れインダクタンス、ｒ．・・・・・・
一次抵抗、ｒ２…・・・二次抵抗、？．…・・・一次鎖
交磁束ベクトル、？・・・・・・有効磁束ベクトル、？
２・・・・・・二次鎖交磁束ベクトル、Ｗｅ・・・・・
・電動機一次周波数、ｓ・・・・・・すべり、Ｗｒ・・
・・・・回転子の回転角速度、ｐ・・・・・・微分演算
子、ｏｅ・・・・・・電動機一次回転角度、８ｒ・・・
・・・回転子回転角度。 裕ｌ図精２図 第３図 第４図 帝５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 誘導電動機に可変周波数交流電力を供給する周波数
   変換装置と、誘導電動機の有効磁束の基準値を設定する
   有効磁束設定手段と、誘導電動機の回転速度の基準値を
   設定する回転速度設定手段と、誘導電動機の回転速度に
   比例した信号を出力する速度検出手段と、この速度検出
   手段の出力及び前記回転速度設定手段の出力を突きあわ
   せてその偏差に比例した信号を出力する速度制御手段と
   、有効磁束ベクトルが一次電流ベクトルと二次電流ベク
   トルのベクトル和と一次二次相互インダクタンスの積で
   あることから一次電流と二次電流を二次鎖交磁束方向の
   成分とそれに直交する方向の成分に分離演算し前記有効
   磁束設定手段の出力と前記速度制御手段の出力であるト
   ルクから二次鎖交磁束を導出しかつこの二次鎖交磁束と
   前記トルクからすべり周波数を算出する第一の演算回路
   と、導出した前記二次鎖交磁束と算出した前記すべり周
   波数から一次鎖交磁束を計算し一次抵抗降下分と前記一
   次鎖交磁束の変化の割合に比例する成分および前記一次
   鎖交磁束そのものに比例する成分の和から一次電圧を導
   出しかつ算出した前記すべり周波数と検出した回転角速
   度の和から誘導電動機一次周波数を算出しそれぞれを基
   準信号として前記周波数変換装置に与える第２の演算回
   路とを具備することを特徴とする誘導電動機の制御装置
   。