感应电动机的控制方法、控制装置及工业设备的制作方法

专利名称：感应电动机的控制方法、控制装置及工业设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及感应电动机的控制方法以及控制装置，尤其涉及进行矢量控制的感应电动机的控制方法以及控制装置。
背景技术：
作为感应电动机的矢量控制方式，公知的是适用直流他励电动机的最一般的方式。即，在额定转速(以下称作“基值速度”)以内进行恒力矩旋转，在基值速度以上为进行恒输出旋转的方式。另外，额定转速，是作为基准输出的额定输出时的最低转速。这种技术，记载在例如“非专利文献1”的“可变速交流电动机对轧钢机的适用”的电学会技术报告，平成15年8月，第935号，P.29中。
但是，在基值速度以上的恒输出运转时，由于进行控制以使感应电动机的内部感应电动势保持恒定，因此难以获得额定输出以上的高输出。

发明内容
这里，本发明正是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，提供一种能够获得高输出的感应电动机的控制装置以及控制方法。
此外，本发明提供一种，通过上述感应电动机的控制装置对动力用感应电动机进行控制的炼铁·非铁设备、铁路车辆、卷绕机、船舶、工程机械、造纸机设备以及输送设备。
为了解决上述课题，本发明，在处于强磁场磁通状态时，与感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当内部感应电动势比额定转速时更大时，进行磁场减弱控制的矢量控制，在磁场减弱控制时，一边使内部感应电动势可变为比额定转速时更大那样，一边进行矢量控制。
或者，在强磁场磁通状态时，与感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当内部感应电动势比额定转速时更大时，切换为磁场弱控制的矢量控制，在磁场弱控制时，一边保持切换时的内部感应电动势，一边进行矢量控制。
根据该构成，能够实现感应电动机的高输出。


图1为有关本发明的实施方式的含有感应电动机的控制装置的整体系统的框图。
图2为表示图1的感应电动机的1相量的T形等效电路的图。
图3为图2的T形等效电路的矢量图。
图4为表示图1的感应电动机的动作特性以及作为参考例的感应电动机的动作特性的图，同图(A)为表示比较例的感应电动机的动作特性的图，同图(B)为表示有关本实施方式的感应电动机的动作特性的图。
图5为有关本发明的另一实施方式的含有感应电动机的控制装置的整体系统的框图。
图6为表示图5的感应电动机的动作特性以及作为参考例的感应电动机的动作特性的图，同图(A)为表示比较例的感应电动机的动作特性的图，同图(B)为表示有关本实施方式的感应电动机的动作特性的图。
图7为表示对图6(B)的开始速度进行变更时的转速和输出之间的关系的图。
具体实施例方式
图1，为有关本发明的实施方式的含有感应电动机的控制装置的整体系统的框图。
图1中，感应电动机1，根据来自速度指令器2的速度指令SPs进行驱动。速度指令SPs，为转速N(r/min)的目标值。并且，感应电动机1，可用于例如炼铁·非铁设备(热轧设备、冷轧设备、加工流水线设备)、铁路车辆、卷绕机(含开卷机)、船舶、工程机械(主轴驱动用)、造纸机设备、输送设备等用途。
以下具体地进行说明。速度控制器4，基于上述速度指令SPs、与由速度传感器3检测的感应电动机1的转速N的差(SPs-N)，将转矩电流指令Iqs输出给转矩电流控制器7。
而且，磁通指令器5，基于由速度传感器3检测的转速N，将磁场磁通的磁通指令φs输出给励磁电流运算器6。然后，励磁电流运算器6，基于来自磁通指令器5的磁通指令φs，计算感应电动机1的励磁电流，并将励磁电流指令Ids输出给励磁电流控制器6。
符号9表示电流运算器，该电流运算器9，基于由电流传感器10检测的流过感应电动机1的一次电流(定子电流)，计算转矩电流Iq以及励磁电流Id。即，电流运算器9，将感应电动机1的线电流，在与功率转换器12输出的电源频率同步旋转的q轴以及d轴坐标系中进行变换。然后，电流运算器9，输出已运算的转矩电流Iq以及励磁电流Id。
转矩电流控制器7，将转矩电压指令Vq输出给坐标变换器11，该指令Vq用于使从电流运算器9输出的转矩电流Iq追踪从速度控制器4输出的转矩电流指令Iqs。与此相对，励磁电流控制器8，将励磁电压指令Vd输出给坐标变换器11，该指令Vd用于使从电流运算器9输出的励磁电流Id追踪从励磁电流运算器6输出的励磁电流指令Ids。并且，由于电流运算器9的输出频率的设定可使用一般公知的技术，因此在图1中省略其相关的记载。
坐标变换器11，将上述转矩电压指令Vq以及励磁电压指令Vd坐标变换为固定坐标系，并生成3相量的电压指令V。然后，坐标变换器11，将生成的电压指令V输出给功率转换器12。功率转换器12，为例如PWM(pulse width modulation，即脉宽调制)逆变器。
功率转换器12，基于上述电压指令V，转换直流电源13的功率(例如PWM转换)，并将3相交流功率提供给感应电动机1。根据这样的结构，控制感应电动机1的一次电流，并进行感应电动机1的速度控制。
这里，对上述磁通指令器5的特征点进行详细描述。磁通指令器5，在强磁场磁通状态时，与感应电动机1的转速N的上升成比例地增大内部感应电动势，磁通指令器5在内部感应电动势比基值(base)速度时更大时，执行磁场磁通的指令，以使进行磁场减弱控制的矢量控制。然后，磁通指令器5，在磁场减弱控制时，执行磁场磁通的指令，一边使内部感应电动势可变为比基值速度时更大，一边进行矢量控制。
即，在感应电动机1的转速N比基值速度更大时，磁通指令器5输出磁通指令φs以使进行磁场减弱控制。换言之，当在感应电动机1的转速N已比基值速度大时，磁通指令器5也输出磁通指令φs，以使继续处于强磁场磁通的磁场磁通状态并进行矢量控制。
然后，磁通指令器5，在磁场减弱控制时，改变磁场磁通以使感应电动机1的内部感应电动势比基值速度时大。进一步，磁通指令器5，在开始磁场减弱控制之后，根据转速N的上升，使磁场磁通减弱，以使感应电动机1的端子电压不会超过最大过载时的最大电压。根据这样的结构，改变感应电动机1的磁场磁通，得到后述图4(B)的动作特性。
还有，感应电动机1的控制装置，为为含有如图1所示的各个部件4～9、11的结构。感应电动机1的控制装置，也可以是由例如模拟电路构成，也可以由微机构成，还可以是由单片IC构成。
接着，对感应电动机1的等效电路进行说明。
图2，为感应电动机的1相的T形等效电路的示意图。根据图2，励磁电流Id流过励磁电路，转矩电流Iq流过定子电路。励磁电路，其结构为含有励磁电路电感Lm。定子电路，其结构为含有使转子电路电阻R2以滑动系数S减小的电阻(R2/S)。并且，由励磁电流Id以及转矩电流Iq的平方和平方根所求得的一次电流(定子电流)Is流过定子绕组。
还有，图2中，Vs表示端子电压，R1表示定子电路电阻，L1表示定子电路电感，L2表示转子电路电感，Ed表示内部感应电动势(励磁电路电压)。
图2所示的T形等效电路的电流以及电压的关系，如图3的矢量图所示。根据该矢量图，决定端子电压Vs和内部感应电动势Ed之间的关系，由图1所示的磁通指令器5，适当地执行用于生成励磁电流Id的磁通指令φs。还有，图3中，w表示电源角频率。
接着，对感应电动机1的动作特性进行说明。这里，为了与参考例的感应电动机的动作特性进行比较，对两者的动作特性进行说明。
图4，为表示有关本实施方式的感应电动机的动作特性以及比较例的感应电动机的动作特性的图。并且，转矩电流Iq作为恒值表示。
首先，基于图4(A)对比较例的感应电动机的动作特性进行说明。根据图4(A)，在基值速度(电源角频率wB)以内的恒转矩控制范围内，进行转矩T为恒值的恒转矩运转，且在基值速度以上的恒输出控制范围内，进行输出P为恒值的恒输出控制。这时，磁场磁通φ，在恒转矩控制范围内为恒值(强磁场磁通状态)，在恒输出控制范围内与转速N成反比例减弱。
然后，在基值速度以上的恒输出控制范围内，即使磁场磁通φ与转速N成反比例减少，内部感应电动势Ed也保持恒值Edo。恒值Edo，为基值速度时的内部感应电动势Ed。这时，端子电压Vs，必须随着转速N的上升而变大。并且，端子电压Vs，必须随着一次电流Is的大小相应地变大。而且，端子电压Vs的最大电压Vsm，为最大过载时的电压。还有，此时的转速N称为最高速度(电源角频率wT)。
这里，图4(A)所示的端子电压Vs的绝对值，根据图3所示的矢量图的关系，由式(1)表示。另外，％Z表示阻抗百分比、Edo表示基值速度时的内部感应电动势，wB表示基值速度时的电源角频率。这里，为简略式子，忽略感应电动机1的差频量进行说明。
VsEdo·[1+{％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)}2]1/2… (1)式(1)中的％Z以及Edo，由式(2)以及式(3)表示。
％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)Edo＝Ido·wB·Lm…(3)还有，图4(A)所示的恒输出控制范围(w≥wB)内，由于Ed＝Edo，因此式(1)考虑并表示以下关系。
Iq·R1/Edo+(L1+L2)/Lm＜＜1… (4)Id·R1/Edo＜＜％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)…(5)图4(A)中，将％Z＝0.2(20％)、Iq/Iqo＝1.75(175％)、w/wB＝3，代入式(1)，求出图4(A)所示的端子电压Vs的最大电压Vsm1.45Edo。
因此，在如图4(A)所示的比较例的控制方法中，即使将图1所示的功率转换器12的最大输出电压作为式(1)所示的Vs，也具有内部感应电动势Edo＝(功率转换器的最大输出电压)/1.45的关系，感应电动势的输出P(＝31/2·Vs·Is)，限制为对功率转换器12的最大输出电压的1/1.45倍。
接着，基于图4(B)对有关本实施方式的感应电动机的动作特性进行说明。并且，具有与图4(A)相同的条件(％Z＝0.2、Iq/Iqo＝1.75、Vsm1.45Edo)。图4(B)中，单点划线表示图4(A)的动作特性。
图4(B)中，与图4(A)的情况不同，恒转矩控制范围在开始速度(电源角频率w1＞wB)之前扩大。并且，在开始速度以上的磁场减弱控制范围内，进行减弱磁场磁通φ的矢量控制。
并且，在磁场减弱控制范围内，内部感应电动势Ed比基值速度时的内部感应电动势Edo大。
这里，根据图3所示的矢量图，在图4(B)所示的磁场减弱控制范围(w≥w1)内的端子电压Vs的绝对值的一般式如式(6)所示。还有，％Z由式(2)表示，Edo由式(3)表示。
VsEdo·[Ed/Edo+{％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)}2]1/2…(6)还有，如图4(B)所示的磁场减弱控制范围(w≥w1)内，由于Ed＝αEdo，因此式(6)考虑并表示以下关系。式中，1.0＜α＜约2.0。
Iq·R1/Edo+(L1+L2)/Lm＜＜1…(7)Id·R1/Edo＜＜％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB) …(8)与此相对，图4(B)所示的恒转矩控制范围内(w＜w1)，存在以下的关系。
Ed/Edo＝w/wB … (9)然后，将式(9)代入式(6)，则可得到式(10)，该式表示图4(B)所示的开始速度(电源角频率w1)的端子电压Vs的最大电压Vsm(这里为绝对值)。
VsmEd·[1+{％Z·(Iq/Iqo)}2]1/2…(10)并且，式(10)中，若将Vsm看作为图4(A)所示的Vsm(＝1.45Edo、即α＝1.45)，则式(6)变成下式(11)。另外，α＝1.45，是为了以相同条件比较图4(A)以及图4(B)。在1.0＜α＜约2.0的范围内，可任意设定α。
Ed·[1+{％Z·(Iq/Iqo)}2]1/2＝1.45Edo… (11)
在图4(B)所示的磁场减弱控制开始时，图1所示的磁通指令器5，按照满足式(11)的关系那样将磁通指令φs输出给励磁电流控制部6。由此，在磁场减弱控制时，内部感应电动势Ed比Edo更大。
并且，图4(B)中，由于例如％Z＝0.2、Iq/Iqo＝1.75，如果将它们代入式(11)，则内部感应电动势的最大值满足以下关系。还有，％Z、Iq/Iqo，并不限于此，还可以根据已知的技术作各种变更。
Ed＝1.37Edo … (12)这时的开始速度(电源角频率w1)，根据式(9)，能够求出w1＝1.37wB。因此，这种情况下，感应电动机1的输出P1，成为额定输出的1.37倍。并且，若转速N上升到比开始速度还大，则磁场磁通φ变弱，以使式(6)的Vs成为式(1)的Vsm。并且，图4(B)的阴影线部分，表示比额定输出P更高输出的部分。
这样，在图4(B)所示的磁场减弱控制范围内，图4(A)所示的恒输出范围内的输出电容变大，能够实现感应电动机1的额定电容以上的高输出。并且，图4(B)所示的端子电压Vs，不论转速N的大小，都能保持恒值Vsm，因此不需要对感应电动机1的绝缘耐压进行变更。
并且，作为感应电动机1的用途，通过用于例如，炼铁·非铁设备(热轧设备、冷轧设备、加工流水线设备)、铁路车辆、卷绕机(含开卷机)、船舶、工程机械(主轴驱动用)、造纸机设备、输送设备等，能够被作为各种不同用途的动力源而利用。因此，具有图4(B)所示的动作特性的感应电动机1，能够与需要各种输出电容的广范围的用途对应。
还有，在图4(B)所示的端子电压Vs没有超过最大电压Vsm的范围内，通过变更图4(B)所示的开始速度，也能够变更感应电动机1的最高输出P1。并且，通过将额定输出P为最小的感应电动机1选定为各种用途的动力源，能够降低感应电动机1的成本。
另外，图4(B)中，表示了α为1.45的情况，但是在1＜α＜约2.0的范围内可进行变更。这种情况下，可使磁场减弱控制范围内的输出P可变。
以下，对有关另一实施方式的感应电动机的控制装置进行说明。图5，为有关另一实施方式的、含有感应电动机的控制装置的整体系统框图。图5中，对图1所示的实施例，追加设置切换指令器14。虽然对与图1所示的实施方式的一部分进行了重复说明，但也按顺序对各个结构进行说明。
图5中，感应电动机1，根据来自速度指令器2的速度指令SPs而被驱动。速度指令SPs，为转速N(r/min)的目标值。并且，感应电动机1，可用于例如，炼铁·非铁设备(热轧设备、冷轧设备、加工流水线设备)、铁路车辆、卷绕机(含开卷机)、船舶、工程机械(主轴驱动用)、造纸机设备、输送设备等用途。
以下具体来说明。速度控制器4，基于上述速度指令SPs、与由速度传感器3检测的感应电动机1的转速N的差(SPs-N)，将转矩电流指令Iqs输出给转矩电流控制器7。
而且，磁通指令器5，基于由速度传感器3检测的转速N和从切换指令器14输出的切换信号k，将磁场磁通的磁通指令φs输出给励磁电流运算器6。切换信号k，为表示切换励磁方式的时刻的信号。切换信号k，虽然采用转速N自身的信息，例如在事先定义该转速N的情况下，可采用指示其转速的信息。
并且，磁通指令器5，基于上述切换信号k，预先设定转速N、即在切换励磁方式时的转速。
励磁电流运算器6，基于来自磁通指令器5的磁通指令φs，运算出感应电动机1的励磁电流，并将励磁电流指令Ids输出给励磁电流控制器6。
符号9表示为电流运算器，该电流运算器9，基于由电流传感器10检测的感应电动机1中流动的一次电流(定子电流)，运算转矩电流Iq以及励磁电流Id。即，电流运算器9，将感应电动机1的线电流，转换成与功率转换器12输出的电源频率同步旋转的q轴以及d轴坐标系。然后，电流运算器9，将运算的转矩电流Iq以及励磁电流Id输出。
转矩电流控制器7，将转矩电压指令Vq输出给坐标变换器11，该指令Vq用于使从电流运算器9输出的转矩电流Iq追踪从速度控制器4输出的转矩电流指令Iqs。与此相对，励磁电流控制器8，将励磁电压指令Vd输出给坐标变换器11，该指令Vd用于使从电流运算器9输出的励磁电流Id遵循从励磁电流运算器6输出的励磁电流指令Ids。并且，电流运算器9的输出频率的设定，由于能够采用一般公知的技术，因此图5中省略其相关的记载。
坐标变换器11，将上述转矩电压指令Vq以及励磁电压指令Vd坐标变换成固定坐标系，并生成3相量的电压指令V。然后，坐标变换器11，将生成的电压指令V输出给功率转换器12。功率转换器12，为例如PWM(pulse width modulation，即脉宽调制)逆变器。
功率转换器12，基于上述电压指令V，转换直流电源13的功率(例如PWM变换)，并将3相交流功率提供给感应电动机1。根据这样的结构，对感应电动机1的一次电流进行控制，并对感应电动机1进行速度控制。
这里，关于上述磁通指令器5的特征点进行详细描述。磁通指令器5，在强磁场磁通状态时，与感应电动机1的转速N的上升成比例地增大内部感应电动势，并且，磁通指令器5，在内部感应电动势比基值速度时更大时，执行磁场磁通的指令，以使切换为磁场减弱控制的矢量控制。这样，在强磁场磁通状态时，可进行转矩为恒值的恒转矩控制。
然后，在磁场减弱控制时，磁通指令器5，一边保持向磁场减弱控制切换时的内部感应电动势为恒定，一边执行磁场磁通的指令以使进行矢量控制。并且，磁通指令器5，在磁场减弱控制开始后，与转速N的上升成反比例地使磁场磁通减弱。这样，在磁场减弱控制时，可进行感应电动机1的输出为恒值的恒输出控制。
根据这样的结构，使感应电动机1的磁场磁通变化，得到后述图6(B)的动作特性。
还有，感应电动机1的控制装置，其结构为含有图5所示的各个部件4～9、11。感应电动机1的控制装置，可以是由例如模拟电路构成，也可以是由微机构成，还可以是由单片IC构成。
关于感应电动机1的等效电路，如图2中已说明的那样，励磁电流Id流过励磁电路，转矩电流Iq流过定子电路。励磁电路，其结构为含有励磁电路电感Lm。定子电路，其结构为含有使转子电路电阻R2以滑动系数S减小的电阻(R2/S)。并且，由励磁电流Id以及转矩电流Iq的平方和平方根所求出的一次电流(定子电流)Is流过定子绕组。
T形等效电路的电流以及电压的关系，如已述的图3的矢量图所示，决定端子电压Vs和内部感应电动势Ed之间的关系，由图1所示的磁通指令器5，适当地执行用于生成励磁电流Id的磁通指令φs。
接着，对感应电动机1的动作特性进行说明。这里，为与参考例的感应电动机的动作特性进行比较，对两者的动作特性进行说明。
图6，为表示有关本实施方式的感应电动机的动作特性以及比较例的感应电动机的动作特性的图。横轴表示转速N，纵轴表示转矩T、磁场磁通φ、一次电流Is、端子电压Vs、内部感应电动势Ed。还有，转矩电流Iq作为恒值表示。
首先，基于图6(A)对比较例的感应电动机的动作特性进行说明。根据图6(A)，在基值速度(电源角频率wB)以内的恒转矩控制范围内，进行转矩T为恒值的恒转矩运转，且在基值速度以上的恒输出控制范围内，进行输出P为恒值的恒输出控制。这时，磁场磁通φ，在恒转矩控制范围内为恒定(强磁场磁通状态)，在恒输出控制范围内与转速N成反比例地减弱。
并且，在基值速度以上的恒输出控制范围内，即使磁场磁通φ与转速N成反比例地减少，内部感应电动势Ed也保持恒值Edo。恒值Edo，为基值速度时的内部感应电动势Ed。这时，端子电压Vs，必须随着转速N的上升而变大。并且，端子电压Vs，必须根据一次电流Is的大小相应地变大。还有，端子电压Vs的最大电压Vsm，为最大过载时的电压。并且，此时的转速N叫做最高速度(角频率wT)。
这里，图6(A)所示的端子电压Vs的绝对值，根据与图3所示的矢量图的关系，由式(13)表示。还有，％Z表示百分比阻抗、Edo表示基值速度时的内部感应电动势，wB表示额定转速时的电源角频率。这里，为简略式子，忽略感应电动机1的差频量进行说明。
VsEdo·[1+{％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)}2]1/2… (13)式(13)中的％Z以及Edo，由式(14)以及式(15)表示。
％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo …(14)Edo＝Ido·wB·Lm …(15)还有，图6(A)所示的恒输出控制范围(w≥wB)内，由于Ed＝Edo，因此式(13)考虑并表示以下关系。
Iq·R1/Edo+(L1+L2)/Lm＜＜1 …(16)Id·R1/Edo＜＜％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)…(17)这里，图6(A)中，将例如％Z＝0.2(20％)、Iq/Iqo＝1.75(175％)、w/wB＝3，代入式(13)，求出如图6(A)所示的端子电压Vs的最大电压Vsm＝1.45Edo。
因此，在如图6(A)所示的比较例的控制方法中，即使将图5所示的功率转换器12的最大输出电压作为式(13)所示的Vs，也具有内部感应电动势Edo＝(功率转换器的最大输出电压)/1.45的关系，感应电动势的输出P(＝31/2·Vs·Is)，限制为对功率转换器12的最大输出电压的1/1.45倍。
接着，基于图6(B)对有关本实施方式的感应电动机的动作特性进行说明。并且，在此具有与图6(A)相同的条件(％Z＝0.2、Iq/Iqo＝1.75、Vsm1.45Edo)。图6(B)中，单点划线表示图6(A)的动作特性。
图6(B)中，与图6(A)的情况不同，恒转矩控制范围在开始速度(电源角频率w1＞wB)之前扩大。并且，在开始速度以上的恒输出控制范围内，进行减弱磁场磁通φ的矢量控制。并且，在恒输出控制范围内，内部感应电动势Ed比基值速度时的内部感应电动势Edo大。
然后，在恒输出控制的开始时(开始速度时)，即向磁场减弱控制切换时，图5所示的磁通指令器5，按照满足下式(18)的关系将磁通指令J输出给励磁电流控制部6。这样，在图6(B)所示的恒输出控制范围内，内部感应电动势Ed比Edo还大。
Ed·[1+{％Z·(Iq/Iqo)·(w2/w1)}2]1/2＝1.45Edo…(18)但是，式(18)中w2为感应电动机1的磁场减弱控制范围的最大转速。
％Z由上述式(14)表示，Edo由上述式(15)表示。
这里，根据图3所示的矢量图，图6(B)所示的恒输出控制范围(w＞wB)的端子电压Vs的绝对值的一般式由式(19)表示。
VsEdo·[Ed/Edo+{％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB)}2]1/2…(19)还有，图6(B)所示的恒转矩控制范围(w＜w1)内，由于Ed＝αEdo，因此式(19)，考虑并表示以下关系。
Iq·R1/Edo+(L1+L2)/Lm＜＜1 …(20)Id·R1/Edo＜＜％Z·(Iq/Iqo)·(w/wB) … (21)并且，如图6(B)所示的恒转矩控制范围(w＜w1)，存在以下的关系。
Ed/Edo＝w/wB … (22)这里，认为图6(B)所示的磁场减弱控制范围的最大转速(电源角频率w2)为w2＝1.5·w1。因此，由w2成立以下关系。
w2/wB＝Ed/Edo·1.5 … (23)根据式(23)以及式(19)， w2的Vs(这里为绝对值)，由下式表示。
VsEd·[1+{％Z·(Iq/Iqo)·1.5}2]1/2… (24)这里，式(12)的Vs，根据前提条件，由于图6(A)所示的Vsm＝1.45Edo，因此如下。
Ed·[1+{％Z·(Iq/Iqo)·1.5}2]1/2＝1.45Edo… (25)根据式(13)，表示Ed比Edo更大。
这里，图6(B)中，由于例如％Z＝0.2、Iq/Iqo＝1.75，如果将它们代入式(25)，则内部感应电动势Ed的最大值具有以下关系。并且，Z％、Iq/Iqo、w2/w1，并不限于此，可根据已知的技术作各种变更。
Ed＝1.28Edo…(26)这时的磁场减弱控制的开始速度(电源角频率w1)，根据式(22)，能够求出w1＝1.28wB。因此，这种情况下，感应电动机1的输出P1，成为额定输出的1.28倍。并且，若转速N进一步上升，比开始速度还要大，则使磁场磁通φ与转速N成反比例变弱，以使式(24)的Vs不会超过最大电压Vsm1.45Edo。并且，由于图6(B)所示的端子电压Vs，不论转速N的大小如何，都保持恒值Vsm，因此不需要对感应电动机1的绝缘耐压进行变更。还有，图6(B)的阴影线部分，表示比额定输出P更高输出的区域。
这样，就能够实现感应电动机1的额定电容以上的高输出。
并且，作为感应电动机1的用途，通过用于例如，炼铁·非铁设备(热轧设备、冷轧设备、加工流水线设备)、铁路车辆、卷绕机(含开卷机)、船舶、工程机械(主轴驱动用)、造纸机设备、输送设备等方面，能够被作为各种不同用途的动力源而利用。因此，具有如图6(B)所示的动作特性的感应电动机1，与需要各种输出电容的广范围的用途对应。而且，通过选定使额定输出P为最小的感应电动机1作为各种用途的动力源，能够降低感应电动机1的成本。
这里，图6(B)中，虽然表示了开始速度w1＝1.28wB的情况，但也可在例如从图6(B)所示的基值速度(电源角频率wB)开始到最高速度(电源角频率wT)为止的速度范围内，对开始速度进行变更。这种情况下，图5所示的磁通指令器5，基于由图5所示的切换指令器5提供的切换信号k，选择转速，在已选择转速时执行磁场磁通φ的指令，以使进行向磁场减弱控制的切换。这样，图6(B)所示的输出P的高输出范围，如图7所示。即，开始速度越小，高输出范围越扩大，相反，输出P的最大值越小。这样，就能够得到各种输出特性。
并且，图6(B)中，虽然表示了α为1.45的情况，但在1＜α＜约2.0的范围内可进行变更，这种情况下，可使磁场减弱控制范围时的输出P可变。
权利要求
1.一种感应电动机的控制方法，是在磁场磁通处于强磁场磁通的状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，进行磁场减弱控制的矢量控制，在所述磁场减弱控制时，一边使所述内部感应电动势可变为比所述额定转速时更大，一边进行矢量控制。
2.一种感应电动机的控制方法，是按照追踪所提供的速度指令的方式进行矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，在强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，进行磁场减弱控制的矢量控制，在所述磁场减弱控制时，一边使所述内部感应电动势可变为比所述额定转速时更大，一边进行矢量控制。
3.根据权利要求1或者2所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制开始时，改变所述磁场磁通以使满足式(1)以及式(2)的关系，Ed[1+{％Z·Iq/Iqo·w/wB}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，w为感应电动机的转速的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
4.根据权利要求1～3任一项所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制时，减弱所述磁场磁通，以使与所述转速的上升对应上升的所述感应电动机的端子电压不超过最大过载时的最大电压。
5.根据权利要求1～4任一项所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
6.一种感应电动机的控制装置，是当磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在所述强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，执行所述磁场磁通的指令以使进行磁场减弱控制的矢量控制，并且在所述磁场减弱控制时，一边使所述内部感应电动势可变为比所述额定转速时更大，一边执行所述磁场磁通的指令以使进行矢量控制。
7.一种感应电动机的控制装置，是按照追踪所提供的速度指令的方式进行矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，执行磁场磁通的指令以使进行磁场减弱控制的矢量控制，并且在所述磁场减弱控制时，一边使所述内部感应电动势可变为比所述额定转速时更大，一边执行所述磁场磁通的指令以使进行矢量控制。
8.根据权利要求6所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制开始时，改变所述磁场磁通以使满足式(1)以及式(2)的关系，Ed[1+{％Z·Iq/Iqo·w/wB}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，w为感应电动机的转速的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
9.根据权利要求6所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制时，减弱所述磁场磁通，以使与所述转速的上升对应上升的所述感应电动机的端子电压不超过最大过载时的最大电压。
10.根据权利要求6所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
11.一种感应电动机的控制方法，是在磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，当所述感应电动机的转速比额定转速更大时，进行所述磁场减弱控制。
12.一种感应电动机的控制方法，是在磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，当所述感应电动机的转速比额定转速更大时，使所述磁场磁通还继续处于强磁场磁通状态并进行矢量控制。
13.根据权利要求11所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制时，改变所述磁场磁通，以使所述感应电动机的内部感应电动势比额定转速时更大。
14.根据权利要求11或者12所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制开始时，改变所述磁场磁通以使满足式(1)以及式(2)的关系，Ed[1+{％Z·Iq/Iqo·w/wB}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，w为感应电动机的转速的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
15.根据权利要求13所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制时，减弱所述磁场磁通，以使与所述转速的上升对应上升的所述感应电动机的端子电压不超过最大过载时的最大电压。
16.根据权利要求11所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
17.一种感应电动机的控制装置，是在感应电动机的磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在所述感应电动机的转速比额定转速更大时，执行所述磁场磁通的指令以使进行所述磁场减弱控制。
18.一种感应电动机的控制装置，是在感应电动机的磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在所述感应电动机的转速比额定转速大时，也执行所述磁场磁通的指令，以使所述磁场磁通继续处于稳定状态并进行矢量控制。
19.根据权利要求17所述感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制时，改变所述磁场磁通，以使所述感应电动机的内部感应电动势比额定转速时更大。
20.根据权利要求17或18中所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制开始时，改变所述磁场磁通以使满足下式，Ed[1+{％Z·Iq/Iqo·w/wB}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，w为感应电动机的转速的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
21.根据权利要求19所述的感应电动机的控制装置，其特征在于所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制时，减弱所述磁场磁通，以使与所述转速的上升对应上升的所述感应电动机的端子电压不超过最大过载时的最大电压。
22.根据权利要求17～21所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
23.一种炼铁·非铁设备，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对轧制设备的驱动用感应电动机进行控制。
24.一种铁路车辆，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对铁路车辆的驱动用感应电动机进行控制。
25.一种卷绕机，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对卷绕机的驱动用感应电动机进行控制。
26.一种船舶，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对船舶的驱动用感应电动机进行控制。
27.一种工程机械，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对工程机械的主轴驱动用感应电动机进行控制。
28.一种造纸机设备，其特征在于，通过权利要求6～10所述的感应电动机的控制装置，对造纸机设备的驱动用感应电动机进行控制。
29.一种输送设备，其特征在于，通过权利要求6～10所述的根据感应电动机的控制装置，对输送设备的输送设备用感应电动机进行控制。
30.一种感应电动机的控制方法，是在磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，切换为磁场减弱控制的矢量控制，在所述磁场减弱控制时，一边使切换时的内部感应电动势保持恒定，一边进行矢量控制。
31.一种感应电动机的控制方法，是按照追踪所提供的速度指令的方式进行矢量控制的感应电动机的控制方法，其特征在于，在强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，在所述内部感应电动势比额定转速时更大时，切换为磁场减弱控制的矢量控制，在所述磁场减弱控制时，一边使切换时的内部感应电动势保持恒定，一边进行矢量控制。
32.根据权利要求30或者31所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制时，改变所述磁场磁通以使满足式(1)以及式(2)的关系，Ed[1+{％Z·(Iq/Iqo)·(w2/w1)}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，w1为向磁场减弱控制切换时的电源角频率，w2为磁场减弱控制范围的最大转速时的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
33.根据权利要求30所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述磁场减弱控制开始之后，与所述转速的上升成反比例地减弱所述磁场磁通。
34.根据权利要求30所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，向所述磁场磁通控制的切换，在从所述感应电动机的磁场减弱控制范围的最大转速开始到额定转速为止的速度区域中已选择转速时进行。
35.根据权利要求30所述的感应电动机的控制方法，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
36.一种感应电动机的控制装置，是在磁场磁通处于强磁场磁通状态时，进行矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在所述强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，执行所述磁场磁通的指令以使切换为磁场减弱控制的矢量控制，并且在所述磁场减弱控制时，一边使切换时的内部感应电动势保持恒定，一边执行所述磁场磁通的指令以使进行矢量控制。
37.一种感应电动机的控制装置，是按照追踪所提供的速度指令的方式进行矢量控制的感应电动机的控制装置，其特征在于，具备磁通指令器，其在强磁场磁通状态时，与所述感应电动机的转速的上升成比例地增大内部感应电动势，当所述内部感应电动势比额定转速时更大时，执行磁场磁通的指令以使切换为磁场减弱控制的矢量控制，并且在所述磁场减弱控制时，一边使切换时的内部感应电动势保持恒定，一边执行所述磁场磁通的指令以使进行矢量控制。
38.根据权利要求36所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制时，改变所述磁场磁通以使满足式(1)以及式(2)的关系，Ed[1+{％Z·Iq/Iqo·w2/w1}2]1/2＝αEdo(α＞1、Iq恒定)…(1)％Z＝Iqo·wB·(L1+L2)/Edo…(2)其中，Ed为内部感应电动势，Iq为转矩电流，Iqo为额定转速时的额定转矩电流，Edo为额定转速时的内部感应电动势，w1为向磁场减弱控制切换时的电源角频率，w2为磁场减弱控制范围的最大转速的电源角频率，wB为感应电动机的额定转速时的电源角频率，L1为定子电路电感，L2为转子电路电感。
39.根据权利要求36～38所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在所述磁场减弱控制开始后，与所述转速的上升成反比例地减弱所述磁场磁通。
40.根据权利要求36所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述磁通指令器，在从所述感应电动机的磁场减弱控制范围的最大转速开始到额定转速为止的速度区域中，基于所提供的切换信号选择转速，在已选择转速时执行向所述磁场减弱控制切换的指令。
41.根据权利要求36所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，在所述强磁场磁通状态时，进行使所述感应电动机的转矩为恒值的恒转矩控制的矢量控制。
42.一种炼铁·非铁设备，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对炼铁·非铁设备的驱动用感应电动机进行控制。
43.一种铁路车辆，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对铁路车辆的驱动用感应电动机进行控制。
44.一种卷绕机，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对卷绕机的驱动用感应电动机进行控制。
45.一种船舶，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对船舶的驱动用感应电动机进行控制。
46.一种工程机械，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对工程机械的主轴驱动用感应电动机进行控制。
47.一种造纸机设备，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对造纸机设备的驱动用感应电动机进行控制。
48.一种输送设备，其特征在于，通过权利要求36所述的感应电动机的控制装置，对输送设备的输送设备用感应电动机进行控制。
全文摘要
本发明的目的在于得到感应电动机的额定输出以上的高输出。在感应电动机(1)的磁场磁通处于强磁场磁通的状态时，进行磁场减弱控制的矢量控制的感应电动机的控制方法中，当感应电动机(1)的转速N比额定转速还大时，进行磁场减弱控制。并且，在磁场减弱控制时，改变磁场磁通，以使感应电动机(1)的内部感应电动势比额定转速更大。此外，磁场减弱控制开始后，根据转速N的上升，减弱磁场磁通，以使感应电动机(1)的端子电压不超过最大过载时的最大电压。
文档编号H02P21/00GK1728542SQ200510084600
公开日2006年2月1日 申请日期2005年8月1日 优先权日2004年7月30日
发明者飞世正博, 永田宽, 小林清隆, 吉成良孝, 二藤部光弘, 松本久幸, 海老原一美 申请人:株式会社日立制作所