Diese Erfindung betrifft eine Steuereinheit für Motoren, die für eine Verwendung geeignet ist, bei
der Induktionsmotoren (nachstehend als "Motor" bezeichnet), bei dem maximalen Wirkungsgrad zu
sämtlichen Zeiten unabhängig von Lastschwankungen (Variationen) betrieben werden.
Ein Betrieb eines Motors mit einem Umrichter wird gewöhnlicherweise unter der Bedingung
ausgeführt, dass V (Spannung)/f (Frequenz) fest ist. Wenn eine Betriebsfrequenz bestimmt ist, erfährt der
Motor eine Verschiebung, wenn der Wirkungsgrad maximal ist. Dieser Wert nimmt unabhängig davon, ob
die Last hoch oder niedrig (leicht oder schwer) ist, einen festen Wert an. Wenn bei dem Betrieb, bei dem
V/f fest ist, die Frequenz (f) bestimmt ist, Spannung (V) fest ist, tritt eine Verschiebung (ein Schlupf) auf,
wenn sich die Last ändert. Demzufolge ändert sich der Wirkungsgrad, wodurch die Erreichung eines
Betriebs bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten nicht möglich ist. Nun wird kurz unter
Bezugnahme auf Beispiele einer herkömmlichen Technologie dieser Art eine Beschreibung durchgeführt.
Als ein Verfahren zum Beseitigen einer Verringerung des Wirkungsgrads als Folge einer
Änderung der Last, das als ein erstes herkömmliches Beispiel vorgeschlagen worden ist, existiert ein
Betriebsverfahren, das in der Tokkohei Nr. 3-41029 (japanische Patentveröffentlichung Nr. 41029/1991)
offenbart ist. Dieses Betriebsverfahren ist auf ein Betriebsverfahren für Induktionsmotoren gerichtet, die
von Spannungstyp-Umrichtern angesteuert werden, wobei für eine Zeitperiode, in der der Induktionsmotor
beschleunigt oder abgebremst wird, eine Umrichterausgangsspannung geregelt wird, um so einen Betrieb
durch eine V/f-konstante Steuerung auszuführen, um eine Steuerung so auszuführen, dass ein Verhältnis V/f
zwischen einer eingestellten Umrichterausgangsspannung und einer Umrichterausgangsfrequenz konstant
(fest) ist. Wenn in dieser Weise der Induktionsmotor in den Modus eines konstanten Betriebs gebracht wird,
umfasst das Verfahren die Schritte zum Bestimmen einer Ausgangsleistung PN durch Ausführen einer
Multiplikation einer Umrichterausgangsspannung EDCN und eines Umrichterausgangsstroms iDCN, zum
Verkleinern der Umrichterausgangsspannung von der Ausgangsspannung V&sub0; zur Zeit eines Beginns des
konstanten Betriebs auf eine Spannung V&sub1;, die um ΔV abgefallen (verringert) ist, ein Vergleichen einer
Differenz ΔP1 zwischen der zu dieser Zeit berechneten Umrichterausgangsleistung P&sub1; und der
Umrichterausgangsleistung P&sub0; zur Zeit eines Beginns des konstanten Betriebs mit einer vorher eingestellten
Konstanten ΔPs und legt die Umrichterausgangsspannung auf die Spannung V&sub1; fest, wenn ΔP&sub1; < ΔPs ist.
Andererseits ist bei einer weiteren Verkleinerung die Umrichterausgangsspannung um ΔV von der
Spannung V&sub1; nach einer vorgegebenen Zeit abgefallen, wenn ΔP&sub1; ≥ ΔPS ist, ein Vergleich kann von einem
Ausgangsleistungs-Verkleinerungswert zu dieser Zeit und der Konstanten ΔPS durchgeführt werden, und
ein Wiederholen einer Festlegung oder einer weiteren Verkleinerung der Umrichterausgangsspannung in
Abhängigkeit von der Größe des Vergleichs ergibt, um den Induktionsmotor durch die
Umrichterausgangsspannung zu betreiben.
Ferner werden in der Tokkohei Nr. 3-261394 (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr.
261394/1991), die als ein zweites herkömmliches Beispiel vorgeschlagen wird, eine Einheit und ein
Verfahren offenbart, die dafür ausgelegt sind, um in Übereinstimmung mit Lastfaktoren Leistungsfaktoren
einzustellen, bei denen eine Leistung minimal wird, um eine Spannung zu steuern, sodass dieser
Leistungsfaktor bereitgestellt wird. Diese Einheit umfasst eine Einrichtung zum. Erfassen einer Spannung,
die an Wicklungen eines Motors geliefert wird, eine Einrichtung zum Erfassung eines Stroms, der in der
Wicklung fließt, eine Leistungsberechnungs-(Betriebs-)Einrichtung, die mit dem
Spannungserfassungsverfahren und dem Stromerfassungsverfahren verbunden ist, und arbeitet, um eine
aktive (effektive) Leistung für wenigstens einen Zyklus aus dem Produkt der Spannung und des Stroms zu
berechnen, und eine aufscheinende Leistung für wenigstens einen Zyklus aus einem Produkt eines
effektiven Werts der Spannung und eines effektiven Wert des Stroms zu berechnen. Zusätzlich ist in dem
Verfahren zum Einstellen eines optimalen Leistungsfaktor-Befehlswerts des Motors die
Vergleichseinrichtung zum Berechnen eines Messleistungsfaktors aus der aktiven Leistung und der
Scheinleistung zum Vergleichen des Messleistungsfaktors und des eingestellten Leistungsfaktors, um ein
Leistungsfaktor-Vergleichssignal zu erzeugen, vorgesehen; und ein Spannungsregelungsverfahren, das auf
das Leistungsfaktor-Vergleichssignal anspricht, um eine an die Wicklungen des Motors gelieferte Spannung
zu regeln, ist vorgesehen, wobei die Einrichtung die Spannung so regelt, dass dem Messleistungsfaktor
ermöglicht wird, näher zu dem optimalen Leistungsfaktor zu werden. Ferner ist das voranstehend erwähnte
Verfahren ein Steuerverfahren, das Schritte zum Ausführen der voranstehend beschriebenen jeweiligen
Einrichtungen umfasst.
In dem Verfahren des ersten herkömmlichen Beispiels gibt es hier doch ein Problem dahingehend,
dass ein Ansprechverhalten in Bezug auf eine Laständerung schlecht ist, da eine beträchtliche Zeit benötigt
wird, bis die Leistung an dem minimalen Punkt ankommt, weil der minimale Betriebszustand einer
Leistung gesucht wird, während eine sehr kleine Änderung der Spannung ausgeführt wird. Ferner gibt es in
dem Verfahren des zweiten herkömmlichen Beispiels das Problem, dass der Betrieb bei der Spannung, bei
der die Leistung minimal wird, ein Betrieb an einem Abschnitt sein würde, der von dem maximalen
Wirkungsgrad verschoben ist (Verschiebung bzw. Schlupf), da eine Spannung, an der eine Leistung
minimal wird, und eine Spannung, an der ein Wirkungsgrad maximal wird, allgemein unterschiedlich sind,
wie in Fig. 1 angedeutet, die nachstehend noch beschrieben wird, während ein Betrieb ausgeführt werden
kann, sodass die Leistung minimal wird.
Die US-A-4207510 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines bürstenlosen
DC-Motors durch Verwenden eines Controllers, der auf einen Motoreingangsstrom und eine
Motoreingangsspannung anspricht. Die Differenz zwischen ersten und zweiten Impedanz-bezogenen
Signalen wird verwendet, uin die Motoreingangsspannung für einen effizienten Motorbetrieb über einen
breiten Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten zu steuern.
Die FR-A-2577730 offenbart eine weitere Vorrichtung zum Verringern der Energie, die von einem
elektrischen Motor verbraucht wird. Diese Vorrichtung verwendet ebenfalls einen Controller
(Steuereinrichtung), der eine an den Motor gelieferte Spannung überwacht und eine Motorstromzuführung
entsprechend einstellt.
Die JP-A-5316793 offenbart eine Steuereinheit für einen Motor, die eine Versorgungsspannungs-
Berechnungseinrichtung umfasst.
Diese Erfindung ist eine Einrichtung, die im Hinblick auf jeweilige Probleme, wie voranstehend
beschrieben, ausgeführt worden ist, und richtet sich auf eine Einheit, die auf die Ausführung einer
Steuerung bei einer hohen Geschwindigkeit abzielt, sodass ein Wirkungsgrad des Motors zu sämtlichen
Zeiten in Bezug auf Laständerungen maximal ist.
Diese Erfindung ist auf eine Steuereinheit für einen Motor gerichtet, die dafür ausgelegt ist, um
einen Motorbetrieb mit einem Umrichter zu steuern, wie in den Ansprüchen 1 bis 5 aufgeführt.
Da diese Erfindung auf derartige Motorsteuereinheiten gerichtet ist, kann eine optimale Spannung
an den Motor in Abhängigkeit von Lastbedingungen geliefert werden. Demzufolge ist es möglich, den
Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben, während immer und schnell eine Anpassung an
Lastbedingungen etc. ausgeführt wird.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Eingangsleistung gegenüber einem Wirkungsgrad des Motors
zeigt, wenn eine Eingangsspannung des Motors unter der Bedingung geändert wird, dass eine Motorlast fest
ist, Fig. 2 ist ein T-Typ Ersatzschaltbild des Motors, Fig. 3 ist eine Ansicht des Falls für den Wert des
Koeffizienten K&sub1;, wenn eine Frequenz, wie in dieser Erfindung enthalten, rigoros berechnet wird, und des
Falls, bei dem dieser Wert so berechnet wird, dass er proportional zu der Kubikwurzel der Frequenz wird.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration in den Charakteristiken dieser Erfindung
zeigt.
Diese Verwendung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Zusammenhang zwischen einer Eingangsleistung und einem
Wirkungsgrad des Motors zeigt, wenn eine Eingangsspannung des Motors unter der Bedingung verändert
wird, dass ein Last des Motors fest ist. Dies ist eine charakteristische Kurve, wenn eine Eingangsleistung
(erste Ordinate) und ein Wirkungsgrad (zweite Ordinate), die eine Eingangsspannung (Abszisse) bei der
Nennspannung von 200 V und einer Nennleistung von 2,2 KW und einem Lastfaktor von 10% des Motors
entsprechen, auf der gleichen Ebene aufgetragen werden, wobei ein Punkt 102, an dem eine
Eingangsleistung minimal wird, eine Eingangsspannung ist, die sich deutlich von dem Punkt 101
unterscheidet, wo ein Wirkungsgrad maximal wird.
Ein T-Typ-Ersatzschaltung des Motors einer Verwendung dieser Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. In
Fig. 2 bezeichnet V&sub1; eine Phasenspannung; r&sub1; bezeichnet einen primären Widerstand; x&sub1; bezeichnet eine
Leckreaktanz, I&sub1; bezeichnet einen primären Strom; E&sub1; bezeichnet eine primäre Spannung; r&sub2; bezeichnet
einen sekundären Widerstand, der in die primäre Seite umgewandelt ist; x&sub2; bezeichnet eine sekundäre
Leckreaktanz, die in die primäre Seite umgewandelt ist; I&sub2; bezeichnet einen sekundären Strom, der in die
primäre Seite umgewandelt ist; s bezeichnet eine Durchrutschung bzw. eine Verschiebung; rm bezeichnet
einen Eisenverlustwiderstand; xm bezeichnet eine Erregungsreaktanz; und Im bezeichnet einen
Erregungsstrom. Wenn gm ein Erregungsleitwert ist, bm eine Erregungssuszeptanz ist und j das komplexe
Zahlensymbol ist, wird die folgende Gleichung aus der voranstehend erwähnten Ersatzschaltung abgeleitet.
Vektor IM = (Vektor E&sub1;)/(rm + jxm)
= (Vektor E&sub1;) · (gm - jbm) (1)
In der obigen Gleichung gilt:
gm = rm/(rm² + xm²) (1a)
bm = xm/(rm² + xm²) (1b)
Vektor I&sub2; = (Vektor E&sub1;)/{(r&sub2;/s) + jx&sub2;}
= (Vektor E&sub1;) · [{sr&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²)}
- j {s²x&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²)}]
= (Vektor E&sub1;) · (a&sub1; - ja&sub2;) (2)
In der obigen Gleichung gilt:
a&sub1; = sr&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²) (2a)
a&sub1; = s²x&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²) (2b)
Vektor I&sub1; = (Vektor IM) + (Vektor I&sub2;)
= (Vektor E&sub1;) · {(a&sub1; + gm) - j(a&sub2; + bm)}
= (Vektor E&sub1;) · (b&sub1; - jb&sub2;) (3)
In der obigen Gleichung gilt:
b&sub1; = a&sub1; + gm (3a)
b&sub2; = a&sub2; + bm (3b)
Vektor V&sub1;
= (Vektor E&sub1;) + (r&sub1; + jx&sub1;) · (Vektor I&sub1;)
= (Vektor E&sub1;) · {(1 + b&sub1;r&sub1; + b&sub2;x&sub1;)
- j(b&sub2;r&sub1; - b&sub1;x&sub1;)}
= (Vektor E&sub1;) · (c&sub1; - jc&sub1;) (4)
In der obigen Gleichung gilt:
c&sub1; = 1 + b&sub1;r&sub1; + b&sub2;x&sub1; (4a)
c&sub2; = b&sub2;r&sub1; - b&sub1;x&sub1; (4b)
Aus den Gleichungen (3), (4) ergibt sich:
Vektor I&sub1; = {(b&sub1; - jb&sub2;)/(c&sub1; - jc&sub2;)}V&sub1; (5)
Die Scheinleistung P1e, die an den Motor geliefert wird, wird wie folgt ausgedrückt.
P1e = 3 · (Vektor V&sub1;) · (konjugierter Vektor von I&sub1;)
= {3(b&sub1; + jb&sub2;)/(c&sub1; + jc&sub2;)}V&sub1;²
= {3V&sub1;²/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · {(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)
- j (b&sub1;c&sub2; - b&sub2;c&sub1;)} (6)
Da die effektive Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors durch den Realteil der Gleichung
(6) gegeben ist, ergibt sich:
P&sub1; = 3(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²)}V&sub1;² (7)
Die Scheinleistung Pze des sekundären Eingangs des Motors wird wie folgt ausgedrückt.
P2e = 3 · (Vektor E&sub1;) · (konjugierter Vektor von I&sub2;)
= 3 · (Vektor E&sub1;) · (konjugierter Vektor von E&sub1;)
· (a&sub1; + ja&sub2;)
= {3V&sub1;²/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · (a&sub1; + ja&sub2;) (8)
Da die effektive Leistung P2 des sekundären Eingangs des Motors durch den Realteil der
Gleichung (8) gegeben ist, gilt:
P&sub2; = 3V&sub1;²a&sub1;/(c&sub1;² + c&sub2;²) (9)
Da ein mechanischer Ausgang P2m der Wert ist, der durch Multiplizieren der effektiven Leistung
P&sub2; des sekundären Eingangs mit (1 - s) erhalten wird, gilt:
P2m = {3a&sub1;(1 - s)/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · V&sub1;² (10)
Der Wirkungsgrad η des Motors wird wie folgt ausgedrückt:
η = P2m/P&sub1; = (1 - s)a&sub1;/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;) (11)
Da a&sub1;, b&sub1;, b&sub2;, c&sub1;, c&sub2; Parameter (Variablen) (die sich ändern) als eine Funktion der Motorkonstanten,
der Frequenz und der Verschiebung s in der obigen Gleichung sind, wird auch der Wirkungsgrad η ein
Parameter (eine Variable) als eine ähnliche Funktion.
Die Verschiebung s, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, wird durch Bestimmung einer
Verschiebung s ermittelt, bei der die Gleichung, die durch Differenzieren der Gleichung (11) bezüglich s
erhalten wird, gleich zu Null ist.
Wenn man nun annimmt, dass die Verschiebung zu dieser Zeit s(ηmax) ist, da eine Verschiebung
s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, sich als eine Funktion der Konstanten und der
Frequenz des Motors verändert, wird die Verschiebung s(ηmax) gleich zu einem konstanten Wert
unabhängig von der Last.
Andererseits wird die effektive Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors wie folgt aus der
Gleichung (7) ausgedrückt:
P&sub1; = {3(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²) · V&sub1;²
Wenn die Leitungsspannung VL für die Phasenspannung von V&sub1; eingesetzt wird,
VL = V&sub1;/(3)1/2
ergibt eine Ersetzung der Leitungsspannung VL in der Gleichung (7):
P&sub1; = {(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · VL²
Wenn die Leitungsspannung VL (Versorgungsspannung) aus der obigen Gleichung bestimmt wird,
gilt:
VL = {(c&sub1;² + c&sub2;²)/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)}1/2 · P&sub1;1/2
= K&sub1;P&sub1;1/2 (12)
In der obigen Gleichung gilt:
K&sub1; = {(c&sub1;² + c&sub2;²)/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)}1/2 (12a)
Da b&sub1;, b&sub2;, b&sub1;, c&sub2; Parameter sind, die sich als ein Funktion der Motorkonstanten verändern, werden
auch die Frequenz, die Verschiebungen und der Koeffizient K&sub1; Parameter, die sich als eine ähnliche
Funktion verändern.
Wenn sich die Last ändert, dann ändert sich die Verschiebung s. Demzufolge ändert sich auch der
Koeffizient K&sub1;. Wenn ein Ansatz verwendet wird, um die Leitungsspannung VL so zu steuern, dass eine
Verschiebung s gleich zu einer Verschiebung s(ηmax) wird, die den maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen
Zeiten unabhängig von dem Lastwert bereitstellt, wird jedoch der Wert des Koeffizienten K&sub1; auch gleich zu
einem festen Wert unabhängig von Laständerungen. Mit anderen Worten, wenn das Produkt eines
Koeffizienten K&sub1; zurzeit einer Verschiebung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, und die
Quadratwurzel der erfassten effektiven Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors als
Eingangsspannung des Motors gegeben ist, hält eine Verschiebung s(ηmax) aufrecht. Demzufolge ist es
möglich, den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten in Bezug auf Laständerungen
zu betreiben.
Da jedoch die Gleichung, die durch Differenzieren der Gleichung (11) nach der Verschiebung s
erhalten wird, so ausgelegt ist, dass sie gleich Null ist, ist sie eine Gleichung sechster Ordnung. Da diese
Gleichung nicht analytisch gelöst werden kann, wird ein Koeffizient K&sub1; durch eine Approximation, wie
nachstehend beschrieben, bestimmt. Wenn die Gleichungen (3a), (3b), (4a), (4b) auf die Gleichung (11)
angewendet werden, wird ein Wirkungsgrad η wie folgt ausgedrückt.
η = {(1 - s)a&sub1;}/(gm + gmr&sub1;b&sub1; + gmx&sub1;b&sub2;
+ a&sub1; + r&sub1;a&sub1;b&sub1; + x&sub1;a&sub1;b&sub2; + r&sub1;bmb&sub2;
+ r&sub1;a&sub2;b&sub2; - x&sub1;bmb&sub1; - x&sub1;a&sub2;b&sub1;) (13)
Da in der Gleichung (13) (gmx&sub1;b&sub2;), (r&sub1;a&sub2;b&sub2;), (x&sub1;a&sub2;b&sub1;) im Vergleich mit anderen Termen klein sind
und (x&sub1;a&sub1;b&sub2;) (x&sub1;bmb&sub1;) ist, werden sie vernachlässigt. Somit kann die Gleichung (13) wie folgt ausgedrückt
werden.
η = {(1 - s)a&sub1;}/(gm + a&sub1; + r&sub1;a&sub1;b&sub1; + r&sub1;bmb&sub2; + gmr&sub1;b&sub1;) (14)
Da ferner in den Gleichungen (2a), (2b) r&sub2;² > > s&sub2;x&sub2;² ist, werden s²x&sub2;² des entsprechenden Nenners
der Gleichungen vernachlässigt, wodurch die folgenden Gleichungen bereitgestellt werden.
a&sub1; s/r&sub2; (14a)
a2 (x&sub2;s²)/r&sub2;² (14b)
Zusätzlich ergibt sich aus den Gleichungen (3a), (3b):
b&sub1; gm + s/r&sub2; (14c)
b&sub2; bm + x&sub2;(s²/r&sub2;²) (14d)
Eine Einsetzung dieser Gleichungen in die Gleichung (14) ergibt:
η = {(1 - s)sr&sub2;}/{r&sub1;s² + r&sub2;(2r&sub1;gm + 1)s
+ r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)} (15)
dη/ds = 0 wird eingesetzt, um eine Verschiebung s zu bestimmen. Somit wird eine Verschiebung
s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, bestimmt.
Durch Einsetzen von
A = {r&sub2;(2r&sub1;gm + 1)}/r&sub1;
B = {r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)}/r&sub1;
wird die Durchrutschung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, wie folgt
ausgedrückt:
s(ηmax) = [-B + {B · (A + B + 1)}1/2]/(A + 1) (16)
Da A, B Parameter sind, die sich aus einer Funktion der Motorkonstanten und der Frequenz
verändern, ist s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrat bereitstellt, ebenfalls ein Parameter, der sich als
Funktion einer ähnlichen Funktion verändert.
Wenn die Gleichungen (4a), (4b) in der Gleichung (12a) angewendet werden, gilt:
c&sub1;² + C&sub2;² = 1 + r&sub1;²b&sub1;² + x&sub1;²b&sub2;² + 2r&sub1;b&sub1;
+ 2x&sub1;b&sub2; + r&sub1;²b&sub2;² + x&sub1;²b&sub1;²
Da (r&sub1;²b&sub2;²), (x&sub1;²b&sub2;²) auf einen derartigen Grad klein sind, dass sie im Vergleich mit anderen
Termen vernachlässigt werden können, gilt:
c&sub1;² + c&sub2;² 1 + r&sub1;²b&sub1;² + 2r&sub1;b&sub1;
+ 2x&sub1;b&sub2; + x&sub1;²b&sub1;²
Wenn die Gleichungen (3a), (3b) auf die obige Gleichung angewendet werden, gilt:
c&sub1;² + c&sub2;² r&sub1;²gm + 2a&sub1;r&sub1;²gm + r&sub1;²a&sub1;²
+ r&sub1;²bm² + 2r&sub1;²a&sub2;bm + r&sub1;² a&sub2;²
+ 2r&sub1;gm + 2r&sub1;a&sub1; + 2x&sub1;bm + 2x&sub1;a&sub2; + 1
da (r&sub1;²gm), (2r&sub1;²a&sub2;bm), (r&sub1;²a&sub2;²), (2x&sub1;a&sub2;) im Vergleich mit anderen Termen klein sind und sie
vernachlässigt werden können. Somit wird die folgende Gleichung erhalten.
c&sub1;² + c&sub2;² a&sub1;r&sub1;²gm + r&sub1;²a&sub1;² + r&sub1;²bm²
+ 2r&sub1;gm + 2r&sub1;a&sub1; + 2x&sub1;bm + 1
Eine Einsetzung von a&sub1; η s/r&sub2; der Gleichung (14a) und a&sub1; (x&sub2;s²)/r&sub2;² der Gleichung (14b) in die
obige Gleichung ergibt:
c&sub1;² + c&sub2;² (1/r&sub2;²) · (2r&sub1;²r&sub1;gms + r&sub1;²s²
+ r&sub1;²r&sub2;²bm² + 2r&sub1;r&sub2;²gm² + 2r&sub1;r&sub2;s
+ 2x&sub1;r&sub2;²bm + r&sub2;²)
In ähnlicher Weise gilt:
b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2; (1/r&sub1;²) · (r&sub2;²gm + 2r&sub1;r&sub2;gms
+ r&sub2;s + r&sub1;s² + r&sub1;r&sub2;²bm²)
Eine Ersetzung von diesen (c&sub1;² + c&sub2;²) und (b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;) in die Gleichung (12a) wird durchgeführt,
und der Koeffizient K&sub1;, wenn eine Verschiebung s veranlasst wird s(ηmax) zu sein, wird wie folgt
ausgedrückt:
K&sub1; = [{r&sub1;²(s(ηmax)² + 2r&sub1;r&sub2;(r&sub1;gm + 1)
· s(ηmax) + r&sub2;²(r&sub1;²bm² + 1) + 2r&sub2;²(r&sub1;gm
+ x&sub1;bm)}/{r&sub1;(s(ηmax)2 + r&sub2;(2r&sub1;gm + 1)
· s(ηmax) + r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)}]1/2 (17)
Diese Gleichung (17) stellt einen guten approximierten Wert in einem breiten Bereich der
Motorkapazität und der Betriebsfrequenz bereit.
Wenn das Produkt des Koeffizienten K&sub1;, der mit der Gleichung (17) berechnet wird, und der
Quadratwurzel der erfassten primären Eingangsleistung P&sub1; des Motors als eine Eingangsspannung gegeben
wird, ist es möglich, den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben.
Um den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben, wie voranstehend beschrieben,
wird eine Berechnungseinrichtung zum Bestimmen von s(ηmax), die den Motor bei dem maximalen
Wirkungsgrad mit der Gleichung (16) betreiben kann, um einen derartigen Verschiebungswert auf die
Gleichung (17) anzuwenden, um so einen Wert des Koeffizienten K&sub1; zu bestimmen, benötigt. Wenn eine
Berechnung durch diese Prozedur ausgeführt wird, ist es möglich, mit guter Genauigkeit eine Spannung zu
berechnen, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, und an den Motor geliefert wird. Da jedoch die
Berechnungsmengen groß sind, wird die Einheit kostenaufwendig, wenn versucht wird, eine Antwort mit
hoher Geschwindigkeit zu realisieren.
In Übereinstimmung mit der numerischen Berechnung, ist ein Wert des Koeffizienten K&sub1;, der mit
der Gleichung (17) angedeutet wird, im Wesentlichen proportional zu der Kubikwurzel der Frequenz. Wenn
ein Wert des Koeffizienten K&sub1; überprüft wird, wenn eine Frequenz f in der Gleichung (17) geändert wird,
ist das Ergebnis wie in Fig. 3 gezeigt. Während drei Typen von Motoren von 1,5 KW, 7,5 KW und 55 KW
in dem Beispiel der Fig. 3 gezeigt sind, zeigen Motoren von anderen Kapazitäten eine im Wesentlichen
ähnliche Tendenz. Ausgezogene Linien der Fig. 3 zeigen Ergebnisse an, die durch Auftragen von Werten
des Koeffizienten K&sub1; bei jeweiligen Frequenzen erhalten werden, die durch Verwenden eines
Approximationsberechnungsverfahrens von Newton auf der Grundlage der Gleichung (11) bestimmt
werden, und gestrichelte Linien sind die Ergebnisse, die durch Bestimmen von Werten des Koeffizienten K&sub1;
zu dieser Zeit von 60 Hz durch das Approximationsberechnungsverfahren von Newton erhalten werden, um
diesem Wert zu ermöglichen, der Koeffizient K&sub6;&sub0; zu sein, um Werte des Koeffizienten K1f bei der
Betriebsfrequenz f durch die folgende Gleichung zu bestimmen, um sie aufzutragen:
K1f = {K&sub6;&sub0;/(60)1/3}(f)1/3
= K&sub2;(f)1/3 (18)
In der obigen Gleichung ist K&sub2; = K&sub6;&sub0;/(60)1/3
Es lässt sich ersehen, dass der Koeffizientenwert K&sub1; im Wesentlichen proportional zu der
kubischen Wurzel der Frequenz ist. Es ist nicht erforderlich, dass die Grundfrequenz 60 Hz beträgt. Im
Allgemeinen kann ein Ansatz verwendet werden, bei dem bewirkt wird, dass die Grundfrequenz f&sub0; ist, um
mit guter Genauigkeit einen Wert Kf0 des Koeffizienten K&sub1; zu bestimmen, wenn die Grundfrequenz f&sub0; ist,
um den Wert des Koeffizienten K1f bei der Betriebsfrequenz f auf Grundlage des Werts Kf0 wie folgt zu
bestimmen:
K1f = {Kf0/(f&sub0;)1/3}(f)1/3 (19)
Wenn der Wert des Koeffizienten K&sub1; mit der Gleichung (18) oder (19) bestimmt wird, wenn eine
Betriebsfrequenz geändert wird, wird eine Berechnungszeit verkürzt, wodurch ennöglicht wird, das
Ansprechverhalten zu verbessern.
Wenn dies zusammengenommen betrachtet wird, ist die Leitungsspannung VL der
Versorgungsspannung zu dem Motor, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt:
VL = K&sub1;·(P&sub1;)1/2 = Kf0·(f/f&sub0;)1/3·(P&sub1;)1/2 (20)
Die Versorgungsspannung zu dem Motor wird durch die Gleichung (20) durch eine effektive
Leistung des Motors berechnet und an den Motor geliefert. Wenn jedoch eine Filterzeitkonstante für eine
Erfassung einer Leistung klein ist, besteht ein Stabilitätsmangel, wohingegen dann, wenn eine derartige
Filterkonstante verlängert wird, ein Ansprechverhalten schlecht wird. Um dieses Problem zu lösen, werden
zwei Zeitkonstanten verwendet [natürlich können drei Zeitkonstanten oder eine größere Anzahl verwendet
werden, und eine feine Steuerung wird in Abhängigkeit von den Umständen ausgeführt], um ein Filter mit
einer kurzen Zeitkonstanten zu verwenden, wenn eine Änderung einer Leistung groß ist; um ein Filter mit
einer langen Zeitkonstanten zu verwenden, wenn diese Änderung klein ist; und um die erfasste Leistung zu
fixieren, wenn eine Leistungsänderung noch kleiner ist, um einen festen Wert an den Motor zu liefern,
wodurch eine bessere Stabilisation erreicht wird.
Ein Blockdiagramm der Schaltungskonfiguration, die in dieser Erfindung enthalten ist, ist in Fig. 4
gezeigt, und nachstehend wird die Erläuterung angeführt.
In Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 einen sanften Starter zum Vermeiden eines plötzlichen
Anstiegs (Anwachsens) der Geschwindigkeit zur Zeit eines Starts des Motors, um einen Betrieb sanft zu
starten. Ein Bezugszeichen 2 ist ein Frequenz-zu-Spannungs-Wandler; ein Bezugszeichen 3 ist ein
Leistungsdetektor; ein Bezugszeichen 4 bezeichnet ein Filter mit einer Zeitkonstanten T&sub1;; ein
Bezugszeichen 5 ist ein Filter mit der Zeitkonstanten T&sub2; [T&sub1; < T&sub2;]; ein Bezugszeichen 6 ist ein Frequenz f-
zu-Koeffizienten K&sub1;-Wandler; ein Bezugszeichen 7 ist ein Rechner (Betriebselement) zum Einführen einer
erfassten Leistung P und eines Koeffizienten K&sub1;, um die Quadratwurzel der Leistung P mit einem
Koeffizienten K&sub1; zu multiplizieren, um eine Leitungsspannung (Versorgungsspannung) VL zu berechnen;
ein Bezugszeichen 8 ist ein Begrenzer, in dem eine Leitungsspannung VL auf der Abszisse aufgetragen ist
und eine Befehlsspannung V&sub0; auf der Ordinate aufgetragen ist; ein Bezugszeichen 9 ist ein Treiber; ein
Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Umrichter; ein Bezugszeichen 11 ist eine kommerzielle Wechselstrom-
Energieversorgung (A. C.); ein Bezugszeichen 12 ist ein Wandler; ein Bezugszeichen 13 ist eine
Glättungsschaltung; ein Bezugszeichen 14 ist ein anzutreibender Motor; ein Bezugszeichen 15 ist ein
Motorbetriebsfrequenz-Befehlselement; ein Bezugszeichen 16 ist eine Speicherschaltung zum Speichern
einer erfassten Leistung bei der letzten Abtastperiode bei der Erfassung der Leistung, und S&sub1; ~ S&sub3; sind
Umschalt-(Wähler-)Schalter.
Es sei nun angenommen, dass der Umschalter S&sub1; anfänglich in dem "offenen" Zustand ist. Die
Betriebsfrequenz f von dem Frequenzbefehlselement 15 wird durch den sanften Starter 1 geführt, wobei sie
darin von der Frequenz Null auf f durch einen eingestellten Zeitgradienten anwächst. Der Frequenz-zu-
Spannungs-Wandler 2 ist eine Einheit, die dafür ausgelegt ist, um eine Spannung entsprechend zu der
Frequenz, die von dem sanften Starter 1 ausgegeben wird, zu erzeugen, und dient dazu, eine Steuerung so
vorzunehmen, dass das Verhältnis zwischen der an den Motor gelieferten Frequenz und Spannung fest ist.
Zur Zeit eines Startens des Motors wird der Motor mit dem voranstehend erwähnten Betrieb betrieben.
Wenn ein Ausgang des sanften Starters 1 die Befehlsfrequenz f erreicht, wird der Umschalter S&sub1; auf
"geschlossen" umgeschaltet. Zu nachfolgenden Zeiten wird ein Betrieb durch das Steuerverfahren dieser
Erfindung fortgesetzt.
Eine effektive Leistung, die an den Motor 14 geliefert wird, wird aus der Spannung [V&sub1;] und einem
Strom [I&sub1;] durch den Leistungsdetektor 3 erfasst. Diese effektive Leistung wird an die zwei Filter 4 und 5
eingeleitet. Das Filter 4 weist eine kurze Zeitkonstante T&sub1; auf und das Filter 5 weist eine lange
Zeitkonstante T&sub2; auf. Ferner sind die Umschalter S&sub2;, S&sub3; zu Beginn in dem "offenen" Zustand. Wenn eine
Leistungsänderung kleiner als ein eingestellter Wert ΔP&sub1; ist, wird der Umschalter S&sub2; in den geschlossenen
Zustand gebracht. Somit wird das Filter 5 mit der langen Zeitkonstanten zum Erfassen der effektiven
Leistung verwendet.
Wenn eine Änderung der Leistung noch kleiner wird und kleiner als der Wert ΔP&sub2; wird (ΔP&sub2; <
ΔP&sub1;), wird der Umschalter S&sub3; in einen "geschlossenen" Zustand gebracht. Somit wird die Leistung auf
diejenige zu dem Zeitpunkt, wenn eine Leistungsänderung unter ΔP&sub2; ist, als erfasste Leistung P&sub1; festgelegt,
und diese Leistung wird in der Speicherschaltung 16 gespeichert. Eine Ausgabe der so gespeicherten
Leistung wird fortgesetzt.
Der Frequenz f-zu-Koeffizienten K&sub1;-Wandler 6 berechnet eine Konstante (einen Koeffizienten) K&sub1;
in Bezug auf den Frequenzbefehl f. Der Rechner 7 berechnet aus der dem Koeffizienten K&sub1;, der bei dem
Wandler 6 berechnet wird, und einer erfassten Leistung P&sub1; eine Spannung, bei der ein Wirkungsgrad des
Motors 14 maximal wird. Der Begrenzer 8 ist für eine Verhinderung einer Übererregung oder einer
Verhinderung eines Stehenbleibens, wenn die Geschwindigkeit zu gering ist, vorgesehen. Die Spannung V&sub0;
und der Frequenzbefehl f, die in dieser Weise berechnet wurden, werden an den Treiber 9 geliefert. Somit
steuert der Treiber 9 Transistoren des Unirichters 10 so, dass eine Leitungsspannung VL und ein
Frequenzbefehl f an den Motor 14 geliefert werden.
Da wie voranstehend angegeben der Motor durch eine Versorgungs-(Leitungs-)Spannung
entsprechend zu der effektiven Leistung/dem Frequenzbefehl des Motors konstant unter diesen Umständen
angetrieben wird, wird der Motor schnell bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten betrieben,
wie ausführlich in der voranstehend erwähnten begleitenden Theorie erläutert wird.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ersehen lässt, wird gemäß dieser Erfindung der
hervorragende Vorteil bereitgestellt, dass eine optimale Spannung bei einer hohen Geschwindigkeit an den
Motor in Übereinstimmung mit einem Lastzustand geliefert wird, sodass der Motor zu sämtlichen Zeiten
bei dem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.