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公開番号2021097446
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210624
出願番号2019225619
出願日20191213
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H02P 21/22 20160101AFI20210528BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】
出力電流を低減し、高効率な出力電流特性を実現できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】
誘導モータを駆動制御する電力変換装置であって、トルク軸の電流検出値と磁束軸の電流検出値に基づいて、トルク軸の電圧指令を修正する電圧指令修正値を演算する電圧指令修正演算部を備え、前記電圧指令修正演算部は、トルク軸の電流検出値の絶対値に、励磁電流に応じて変化する磁束飽和係数を乗じた修正トルク電流と、前記磁束軸の電流検出値との偏差に基づいて、前記電圧指令修正値を演算するものである。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
誘導モータを駆動制御する電力変換装置であって、
トルク軸の電流検出値と磁束軸の電流検出値に基づいて、トルク軸の電圧指令を修正する電圧指令修正値を演算する電圧指令修正演算部を備え、
前記電圧指令修正演算部は、トルク軸の電流検出値の絶対値に、励磁電流に応じて変化する磁束飽和係数を乗じた修正トルク電流と、前記磁束軸の電流検出値との偏差に基づいて、前記電圧指令修正値を演算することを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 2,100 文字)【請求項2】
誘導モータを駆動制御する電力変換装置であって、
トルク軸の電流検出値と磁束軸の電流検出値に基づいて、トルク軸の電圧指令を修正する電圧指令修正値を演算する電圧指令修正演算部を備え、
前記電圧指令修正演算部は、前記トルク軸の電圧指令と前記トルク軸の電流検出値とを乗算した有効電力の絶対値に、励磁電流に応じて変化する磁束飽和係数を乗じた修正有効電力と、前記トルク軸の電圧指令と前記磁束軸の電流検出値とを乗算した無効電力との偏差に基づいて、前記電圧指令修正値を演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項1に記載の電力変換装置において、
誘導モータの出力電圧と出力周波数の比率(V/f比率)に出力周波数を乗じてトルク軸の電圧指令を演算し、磁束軸の電圧指令を零とするV/f制御演算部を備え、
前記トルク軸の電圧指令を前記電圧指令修正値で修正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
請求項2に記載の電力変換装置において、
誘導モータの出力電圧と出力周波数の比率(V/f比率)に出力周波数を乗じてトルク軸の電圧指令を演算し、磁束軸の電圧指令を零とするV/f制御演算部を備え、
前記トルク軸の電圧指令を前記電圧指令修正値で修正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置において、
前記磁束飽和係数は、励磁電流を変化させて測定した誘導モータの複数の相互インダクタンス値と、通常の励磁電流で測定した誘導モータの相互インダクタンス値との比率であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項6】
請求項5に記載の電力変換装置において、
前記磁束飽和係数は、励磁電流に応じたテーブルを参照して、あるいは励磁電流に応じて近似数式での演算により求めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項7】
請求項3に記載の電力変換装置において、
前記トルク軸の電圧指令の演算は、前記修正トルク電流と前記磁束軸の電流検出値との偏差を零とするように、比例制御と積分制御により演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項8】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記トルク軸の電圧指令の演算は、前記修正有効電力の絶対値と前記無効電力の絶対値の偏差を零とするように、比例制御と積分制御により演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項9】
請求項7または請求項8に記載の電力変換装置において、
前記誘導モータの出力周波数に基づいて、前記比例制御と前記積分制御の制御ゲインを自動修正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項10】
誘導モータの励磁電流指令およびトルク電流指令と、磁束軸およびトルク軸の電流検出値と、速度検出値あるいは速度推定値を用いて、磁束軸およびトルク軸の電圧指令を演算するベクトル制御の電力変換装置であって、
前記励磁電流指令および前記トルク電流指令に基づいて、修正励磁電流指令を演算する励磁電流指令修正演算部を備え、
前記励磁電流指令修正演算部は、前記トルク電流指令の絶対値に、励磁電流に応じて変化する磁束飽和係数を乗じた修正トルク電流指令に、前記修正励磁電流指令が追従するように前記励磁電流指令を修正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項11】
請求項10に記載の電力変換装置において、
前記修正励磁電流指令の演算は、前記修正トルク電流指令と前記修正励磁電流指令の偏差を、零とするように比例制御と積分制御により演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項12】
請求項11に記載の電力変換装置において、
前記誘導モータの出力周波数に基づいて、前記比例制御と前記積分制御の制御ゲインを自動修正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項13】
請求項10に記載の電力変換装置において、
前記磁束飽和係数は、励磁電流を変化させて測定した誘導モータの複数の相互インダクタンス値と、通常の励磁電流で測定した誘導モータの相互インダクタンス値との比率であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項14】
請求項13に記載の電力変換装置において、
前記磁束飽和係数は、励磁電流に応じたテーブルを参照して、あるいは励磁電流に応じて近似数式での演算により求めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項15】
請求項7または請求項8または請求項11に記載の電力変換装置において、
デジタル・オペレータ、パーソナル・コンピュータ、タブレット、スマートフォン機器などの上位装置に接続して、前記比例制御あるいは前記積分制御に設定する制御の応答周波数あるいは制御ゲインを設定・変更できることを特徴とする電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、誘導モータを駆動する電力変換装置のドライブ制御に係わり、出力電流を低減し、高効率に運転する電力変換装置に関するものである。
続きを表示(約 4,600 文字)【背景技術】
【0002】
誘導モータの高効率制御方法として、特開2010−220331号公報(特許文献1)記載のように、励磁電流指令が飽和電流制限閾値以下である場合と、超える場合とで、第1と第2の磁束指令を変更する技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−220331号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の方法は、磁束飽和点を設け、励磁電流指令が飽和電流制限閾値以下である場合と超える場合とで、第1と第2の磁束指令の傾きを2点で近似している。このため、他機種の誘導モータにおいて出力電流が最小とならない可能性がある。
【0005】
本発明の目的は、汎用インバータでも出力電流を低減し、高効率な出力電流特性を実現できる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するための、本発明の「電力変換装置」の一例を挙げるならば、
誘導モータを駆動制御する電力変換装置であって、トルク軸の電流検出値と磁束軸の電流検出値に基づいて、トルク軸の電圧指令を修正する電圧指令修正値を演算する電圧指令修正演算部を備え、前記電圧指令修正演算部は、トルク軸の電流検出値の絶対値に、励磁電流に応じて変化する磁束飽和係数を乗じた修正トルク電流と、前記磁束軸の電流検出値との偏差に基づいて、前記電圧指令修正値を演算するものである。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、出力電流を低減し、高効率な出力電流特性を実現できる電力変換装置を提供することができる。
【0008】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施例1に係る電力変換装置の構成図。
実施例1に係る電圧指令修正演算部の構成図。
実施例1に係る電流ベクトル図。
実施例1に係るd軸の電流検出値と磁束飽和係数の関係図。
本発明を用いた出力電流の実測結果を示す図。
実施例1に係る電圧指令修正演算部の変形例の構成図。
実施例1に係る顕現性を確認するための構成図。
実施例2に係る電力変換装置の構成図。
実施例2に係る電圧指令修正演算部の構成図。
実施例3に係る電力変換装置の構成図。
実施例3に係る励磁電流指令修正演算部の構成図。
実施例4に係る電力変換装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。なお、実施例を説明するための各図における共通の構成については同一の名称、参照番号を付して、その繰り返しの説明を省略する。また、以下に説明する各実施例は、図示例に限定されるものではない。
【実施例】
【0011】
図1は、実施例1に係る電力変換装置の構成図を示す。本実施例は、V/f制御の電力変換装置に適用したものである。
【0012】
誘導モータ1は、磁束軸(d軸)成分の電流(励磁電流)により磁束を発生し、磁束軸に直行するトルク軸(q軸)成分の電流(トルク電流)によりトルクを発生する。
電力変換器2は、例えばインバータで構成され、3相交流の電圧指令V


,V


,V


に比例した電圧値を出力し、誘導モータ1の出力電圧値と出力周波数値を可変する。
直流電源3は、電力変換器2に直流電圧E
DC
を供給する。
電流検出器4は、誘導モータ1の3相の交流電流i

,i

,i

の検出値であるi
uc
,i
vc
,i
wc
を出力する。電流検出器4は、誘導モータ1の3相の内の2相、例えば、u相とw相の線電流を検出し、v相の線電流は、交流条件(i

+i

+i

=0)から、i

=−(i

+i

)として求めてもよい。
座標変換部5は、3相の交流電流i

,i

,i

の検出値i
uc
,i
vc
,i
wc
と位相演算値θ
dc
から、d軸の電流検出値(励磁電流検出値)i
dc
およびq軸の電流検出値(トルク電流検出値)i
qc
を出力する。
V/f制御演算部6は、周波数指令ω


に基づいて、「0」(零)であるd軸の電圧指令V
dc

と、周波数指令ω


に比例したq軸の電圧指令V
qc

を出力する。
電圧指令修正演算部7は、q軸の電流検出値i
qc
とd軸の電流検出値i
dc
に基づいて演算したq軸の電圧指令修正値ΔV
qc

を出力する。
位相演算部8は、周波数指令ω


を積分して位相演算値θ
dc
を出力する。
加算部9は、q軸の電圧指令V
qc

とq軸の電圧指令修正値ΔV
qc

を加算して、q軸の修正電圧指令V
qc
**
を出力する。
座標変換部10は、d軸の電圧指令V
dc

とq軸の修正電圧指令V
qc
**
と、位相演算値θ
dc
から3相交流の電圧指令V


,V


,V


を出力する。
【0013】
最初に、本実施例の特徴である電圧指令修正演算部7を用いた場合のV/f制御方式の基本動作について説明する。
【0014】
V/f制御演算部6は、(数1)に従い「0」であるd軸の電圧指令V
dc

、および、周波数指令ω


と直流電圧E
DC
を用いてq軸の電圧指令V
qc

を出力する。
【0015】
【0016】
ここに、ω
r_max
は基底角周波数である。
位相演算部8は、(数2)に従い周波数指令ω


から誘導モータ1の磁束軸の位相θ
dc
を演算する。
【0017】
【0018】
図2に、本実施例の特徴である電圧指令修正演算部7のブロック構成を示す。
絶対値演算部71では、q軸の電流検出値(トルク電流検出値)i
qc
が入力され、i
qc
の絶対値|i
qc
|を出力する。
テーブル72には、励磁電流と誘導モータの相互インダクタンス値M^との関係が記憶されており、d軸の電流検出値(励磁電流検出値)i
dc
が入力され、対応する相互インダクタンス値M^を出力する。ローパスフィルタ73では、相互インダクタンス値M^が入力され、その一次遅れ信号となるM^^を出力する。設定部74では、基底周波数で測定したときの基準となる誘導モータの相互インダクタンス値M

を出力する。除算部75では、相互インダクタンス値M^^と基準となる相互インダクタンス値M

が入力され、(数3)に示す演算により磁束飽和係数Gを出力する。
【0019】
【0020】
なお、テーブル72は、励磁電流を変化させて誘導モータの相互インダクタンスを測定することにより、予め作成しておく。また、図2のテーブル72は励磁電流と相互インダクタンスM^の関係を示すものであるが、相互インダクタンスから(数3)により磁束飽和係数Gを演算することにより、励磁電流と磁束飽和係数Gとの関係を示すテーブルとしてもよい。また、テーブルを参照するに代えて、励磁電流に応じて近似数式により磁束飽和係数Gを演算するようにしてもよい。
乗算部76では、q軸の電流検出値i
qc
の絶対値|i
qc
|と磁束飽和係数Gが入力され、(数4)に示すq軸の修正電流(修正トルク電流)i
qc

を出力する。
【0021】
【0022】
減算部77では、q軸の修正電流i
qc

とd軸の電流検出値i
dc
が入力され、電流偏差Δiを出力する。電流偏差Δiは比例ゲインK
p1
の定数を持つ比例演算部78と、積分ゲインK
i1
の定数を持つ積分演算部79に入力され、それらの出力信号は加算部791に出力される。その結果、(数5)に示す演算よりq軸の電圧指令V
qc

の電圧指令修正値ΔV
qc

を演算する。
【0023】
【0024】
本発明が高効率となる原理について説明する。図3に、誘導モータの電流ベクトル図を示す。励磁電流i

により発生する磁束の方向をd軸、それよりπ/2進んだ方向をトルク軸であるq軸とよび、出力電流i

と励磁電流i

との位相角をθ

とすると、励磁電流i

およびトルク電流i

は数(6)で与えられる。
【0025】
【0026】
(数6)において位相角θ

=π/4のとき、同一トルクにおいて出力電流i

は(数7)の関係で最小となる。
【0027】
【0028】
誘導モータのトルクは(数8)で与えられる。
【0029】
【0030】
ここで、Mは相互インダクタンス、L

は二次インダクタンス、φ
2d
はd軸の磁束、φ
2q
はq軸の磁束である。
ここで、モータ制御において磁束の理想条件は(数9)であり、
(【0031】以降は省略されています)

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