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技術 巻線界磁式同期機の制御装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 佐竹彰葉石敦生小林勝
出願日 2004年3月8日 (16年9ヶ月経過) 出願番号 2004-063723
公開日 2005年9月15日 (15年3ヶ月経過) 公開番号 2005-253258
状態 特許登録済
技術分野 交流電動機の一次周波数制御 交流電動機の制御一般
主要キーワード 電機子電流指令値 電機子電流指令 界磁磁界 抵抗電圧 軸電機子電流 磁束誤差 電機子電流ベクトル 各電流指令値
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図面 (6)

課題

巻線界磁式同期機の特性が変動した場合でも、当該特性の変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の制御装置を得る。

解決手段

同期機1の回転数ωを入力して磁束指令Φrを発生する磁束指令発生手段9と、電機子電流及び界磁電流値iffから永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束Φの大きさ|Φ|と位相∠Φとを算出する磁束推定手段7と、トルク指令τrを電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令iδrを求める除算器15と、電機子鎖交磁束Φの大きさ|Φ|と磁束指令Φrの誤差より界磁電流指令値ifrを決定する磁束制御手段11と、電機子鎖交磁束の方向とこれに直交する方向のγδ直交2軸上でγ軸方向の電機子電流iδfと電機子電流指令iδrとの誤差がになるように制御し、かつγ軸方向の電機子電流iγfが零になるように制御するδ及びγ軸電流制御器16,18とを設けた。

概要

背景

巻線界磁式同期機(以下、単に同期機という場合もある)の制御においては、電機子鎖交磁束電機子電流が直交するように制御するベクトル制御方式が、高効率・高力率制御方式として従来より用いられている(例えば、非特許文献1参照)。これに対して永久磁石を併用する同期機では、永久磁石が発生する磁束の影響を考慮する必要があることから、従来の同期機のベクトル制御方式を適用することができない。

このような課題を解決する手段として、制御装置に与えられるトルク指令と同期機の回転数から、その運転状態で効率が最大となるような、界磁磁束方向(d軸)及びその直交方向(q軸)の電機子電流指令値と、界磁磁束指令値を、テーブルを参照することにより求めるものがある。このようなテーブルの各データは、制御対象となる同期機の特性パラメータを用いて計算される(例えば、特許文献1参照)。同様の技術として、界磁磁束指令の代わりに界磁電流指令をテーブルより求められているものが知られている(例えば、特許文献2参照)。

特開平08−331900号公報(段落番号0037〜0047及び図14)
特開平11−313498公報(段落番号0035〜0038及び図5)
大沢博他著同期電動機高性能可変速制御電気学会D部門論文集第107巻第2号 電気学会 昭和62年2月 P175〜182

概要

巻線界磁式同期機の特性が変動した場合でも、当該特性の変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の制御装置を得る。同期機1の回転数ωを入力して磁束指令Φrを発生する磁束指令発生手段9と、電機子電流及び界磁電流値iffから永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束Φの大きさ|Φ|と位相∠Φとを算出する磁束推定手段7と、トルク指令τrを電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令iδrを求める除算器15と、電機子鎖交磁束Φの大きさ|Φ|と磁束指令Φrの誤差より界磁電流指令値ifrを決定する磁束制御手段11と、電機子鎖交磁束の方向とこれに直交する方向のγδ直交2軸上でγ軸方向の電機子電流iδfと電機子電流指令iδrとの誤差がになるように制御し、かつγ軸方向の電機子電流iγfが零になるように制御するδ及びγ軸電流制御器16,18とを設けた。

目的

しかし、従来の方式では、トルク指令と回転数の組み合わせに対応したd軸電流、q軸電流、及び界磁の指令値のテーブルが必要になり、データ量が膨大で制御装置への記録が容易でないという問題点があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の制御装置を得ることを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

界磁として巻線界磁永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、上記巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から上記永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を上記電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記電機子鎖交磁束算出手段の算出した上記電機子鎖交磁束と上記磁束指令との誤差及び上記負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、上記電機子鎖交磁束の方向及び上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差がになるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置

請求項2

上記電機子鎖交磁束算出手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記電機子鎖交磁束の大きさと位相とを算出するものであり、上記界磁電流算出手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記界磁電流指令を算出するものであることを特徴とする請求項1に記載の巻線界磁式同期機の制御装置。

請求項3

界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を上記磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記磁束指令と上記電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、上記磁束指令と上記負荷角とから上記永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に上記負荷角を加えて上記磁束指令の位相を求める加算器と、上記磁束指令の方向及び上記磁束指令の方向と直交する方向の直交2軸上で上記磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置。

請求項4

上記負荷角演算手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記負荷角を演算するものであり、上記界磁電流指令発生手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記界磁電流指令を算出するものであることを特徴とする請求項3に記載の巻線界磁式同期機の制御装置。

請求項5

界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、上記巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から上記永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を上記電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記磁束指令と上記位相とから上記永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、上記電機子鎖交磁束の方向及び上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置。

技術分野

0001

本発明は、回転子界磁巻線により界磁磁界を発生する巻線界磁式同期機制御装置係り、特に界磁磁界の発生に界磁巻線と共に永久磁石を併用する巻線界磁式同期機の制御装置に関するものである。

背景技術

0002

巻線界磁式同期機(以下、単に同期機という場合もある)の制御においては、電機子鎖交磁束電機子電流が直交するように制御するベクトル制御方式が、高効率・高力率制御方式として従来より用いられている(例えば、非特許文献1参照)。これに対して永久磁石を併用する同期機では、永久磁石が発生する磁束の影響を考慮する必要があることから、従来の同期機のベクトル制御方式を適用することができない。

0003

このような課題を解決する手段として、制御装置に与えられるトルク指令と同期機の回転数から、その運転状態で効率が最大となるような、界磁磁束方向(d軸)及びその直交方向(q軸)の電機子電流指令値と、界磁磁束指令値を、テーブルを参照することにより求めるものがある。このようなテーブルの各データは、制御対象となる同期機の特性パラメータを用いて計算される(例えば、特許文献1参照)。同様の技術として、界磁磁束指令の代わりに界磁電流指令をテーブルより求められているものが知られている(例えば、特許文献2参照)。

0004

特開平08−331900号公報(段落番号0037〜0047及び図14)
特開平11−313498公報(段落番号0035〜0038及び図5
大沢博他著同期電動機高性能可変速制御電気学会D部門論文集第107巻第2号 電気学会 昭和62年2月 P175〜182

発明が解決しようとする課題

0005

従来の同期機の制御装置は以上のように構成され、d軸電流、q軸電流、及び界磁磁束指令や界磁電流指令などの界磁の指令値は、テーブルを参照することにより求められる。テーブルの各データは、制御対象となる同期機の特性パラメータを用いて計算されるが、その演算は複雑で繰り返し計算が必要である。このため、上記テーブルのデータは、あらかじめオフラインで計算して作成する。以上のようにして作成したテーブルを用いて各電流指令を作成することにより、制御装置は与えられたトルク指令に対して、例えば電機子電流に対して最大のトルクが得られる最大トルク制御運転を実現することができる。

0006

ところが、実際の同期機の製造においては、同じ機種の同期機でもインダクタンス永久磁石磁束等の特性パラメータを完全に同じにすることは難しく、製造のばらつきによるこれら特性パラメータの変動は避けられない。従来の方式では、同期機の特性パラメータが異なる場合には、同期機毎にテーブルのデータを再度作成する必要があり、多大の労力が必要であった。また、同期機と制御装置は、それぞれ単体で出荷された後に使用先で初めて組み合わされて運転される場合が多く、その際に運転する同期機に対応したテーブルのデータを制御装置に記録する必要がある。

0007

しかし、従来の方式では、トルク指令と回転数の組み合わせに対応したd軸電流、q軸電流、及び界磁の指令値のテーブルが必要になり、データ量が膨大で制御装置への記録が容易でないという問題点があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の制御装置を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

この発明に係る巻線界磁式同期機の制御装置は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差がになるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたものである。

0009

また、この発明に係る巻線界磁式同期機の制御装置は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交2軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたものである。

発明の効果

0010

この発明は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる。

0011

また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交2軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0012

実施の形態1.
図1図3は、この発明を実施するための実施の形態1を示すものであり、図1は同期機の制御装置の構成を示す構成図、図2図1制御系の動作を説明するための同期機のベクトル図である。図3は、図1磁束制御手段の詳細構成を示す構成図である。図1において、同期機1は、界磁として巻線界磁1bと図示しない永久磁石を有している。同期機1は、図示しない電機子巻線三相ドライブ回路2に接続され、界磁巻線1bが直流ドライブ回路3に接続されて駆動され、それぞれの巻線電流は電機子電流センサ4及び界磁電流センサ5によって検出される。

0013

また、同期機1の回転子位相θ回転子位置センサ6によって検出される。磁束推定手段7は、電機子電流iu,iv,iw、界磁電流if、及び回転子位相θから電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|及び位相∠Φを算出するが、計算の詳細については後述する。この実施の形態の同期機の制御装置においては、電機子電流制御は、この電機子鎖交磁束の位相∠Φの方向(γ軸)及びその直交方向(δ軸)の2軸上で行われるので、電機子電流iu,iv,iwは座標変換器12によりγδ軸電機子電流iγf,iδfに座標変換される。また、加算器14は電機子鎖交磁束の位相∠Φから回転子位相θを減じて、負荷角Δθを求める。

0014

回転子位相θを微分器8で微分して回転子速度ωが得られ、磁束指令発生手段9は回転子速度ωより磁束指令Φrを求める。加算器10は、磁束指令Φrから電機子鎖交磁束|Φ|を減算して誤差ΔΦを求め、この誤差ΔΦは磁束制御手段11に入力されて、負荷角Δθ及び永久磁石磁束を参照しながら界磁電流指令ifrが算出されるが、その詳細については後述する。

0015

一方、除算器15によりトルク指令τrを電機子鎖交磁束|Φ|で除してδ軸電流指令iδrが得られる。加算器16は、このδ軸電流指令iδrからδ軸電機子電流iδfを減じてδ軸電流誤差Δiδを算出し、この誤差Δiδをδ軸電流制御器17に入力してδ軸電圧指令vδを得る。γ軸電流指令iγrは0であるが、同様に加算器18がγ軸電流指令iγrからγ軸電機子電流iγfを減じてγ軸電流誤差Δiγを算出し、この誤差Δiγをγ軸電流制御器19に入力してγ軸電圧指令vγを得る。

0016

γδ軸電圧指令vγ、vδは、座標変換器20により三相電圧vu,vv,vwに変換され、三相ドライブ回路2に出力される。また加算器13は、界磁電流指令ifrから界磁電流iffを減じて界磁電流誤差Δifを算出し、この誤差Δifは界磁電流制御器21に入力されて界磁電圧指令vfが算出され、直流ドライブ回路3に出力される。

0017

図1の制御装置の動作を図2の同期機のベクトル図により説明する。図2に示すように、電機子に固定されたαβ座標系に対して、回転子に固定されたdq軸は回転子位相θを成している。界磁磁束ベクトルΦfはd軸方向に発生し、その磁束は永久磁石磁束Φmと界磁電流iffによる磁束の合計である。この関係を式で表すと(1)式のようになる。
Φf=Φm+M・iff ・・・(1)
但し、Mは界磁電流iffからd軸電機子鎖交磁束への相互インダクタンスである。

0018

一方、電機子電流ベクトルiにより電機子反作用磁束ベクトルΦaが発生し、この二つの磁束ベクトルの総和が電機子鎖交総磁束ベクトルΦであって、この電機子鎖交総磁束ベクトルΦの絶対値|Φ|及び位相∠Φは以下の(2)〜(4)式で求めることができる。この式に基づく計算は磁束推定手段7で実行される。
|Φ|=√((Φf+Ld・id)2+(Lq・iq)2) ・・・(2)
Δθ=tan−1(Lq・iq/(Φf+Ld・id) ・・・(3)
∠Φ=θ+Δθ ・・・(4)
但し、Ldは電機子d軸自己インダクタンス、Lqは電機子q軸自己インダクタンスである。

0019

以上の計算で算出した電機子鎖交磁束の位相∠Φの方向にγ軸、その直交方向にδ軸をとる。電機子電流ベクトルiが電機子鎖交総磁束ベクトルΦと直交する状態が、発生トルクに対する電機子電流が最小になるので、電機子電流がδ軸方向成分のみを持つように、除算器15によりトルク指令τrを電機子鎖交磁束|Φ|で除してδ軸電流指令iδrを与えると共に、γ軸電流指令iγrを0にすることにより、電機子電流iに対して最大のトルクが得られる最大トルク制御運転を行うことができる。

0020

なお、この実施の形態における磁束推定手段7と加算器14がこの発明にお
ける電機子鎖交磁束算出手段、磁束制御手段11が界磁電流指令算出手段、加算器16とδ軸電流制御器17と加算器18とγ軸電流制御器19とが電機子電流制御手段である。

0021

ここで磁束制御手段11の詳細について説明する。通常の巻線界磁型同期電動機ベクトル制御では、磁束制御手段は通常のPI制御器が用いられるが、永久磁石併用型の巻線界磁型同期電動機においては、(1)式に示したように永久磁石磁束の影響を加味する必要がある。図3は磁束制御手段11の内部構造を示すものであるが、図3において、磁束誤差ΔΦは補正器31により負荷角Δθを用いてd軸方向に換算された後、PI制御器31に入力されてd軸界磁電流指令相当値ifreqが得られるが、このd軸界磁電流指令相当値ifreqより永久磁石磁束の影響を加味するために磁石相当界磁電流ifmを加算器33により減じて、最終的な界磁電流指令ifrが求められる(ifr=ifreq−ifm)。なお、磁石相当界磁電流ifmは(5)式で与えられる。
ifm=Φm/M ・・・(5)

0022

磁束制御手段11を以上のように構成することにより、永久磁石磁束の影響を加味した界磁電流指令値を算出することが可能になる。また、電機子電圧は、電機子電流による抵抗電圧降下を無視すれば、電機子鎖交総磁束ベクトル絶対値|Φ|と回転数の積で求めることができる。このため、電機子鎖交総磁束ベクトル絶対値|Φ|と回転数の積が一定値になるようにすれば、電機子電圧を一定に保つことができ、三相ドライブ回路2の出力電圧に制限がある場合でも、適正な出力電圧を保つことができる。以上の関係を用いて、磁束指令発生手段9は回転数ωから磁束指令Φrを算出する。

0023

なお、上記の制御演算では、同期機の特性パラメータとして永久磁石磁束Φm、界磁電流iffからd軸電機子鎖交磁束への相互インダンタンスM、電機子自己インダクタンスLd,Lqを使用しているだけであるので、これらの特性パラメータが同期機毎に異なる場合でも、これらの値を変更するだけで最適な運転状態を実現することができる。また特許文献1に示されたような、温度上昇により永久磁石磁束が変動する場合でも、運転中に制御演算の中の永久磁石磁束Φmの値を変更すれば、即座に特性変動を反映した運転状態に移行することができる。

0024

また、上記の同期機の特性パラメータは制御装置自体による測定が可能であり、この測定値を使用してこの発明の制御装置を運転することにより、それぞれの同期機に最適な運転状態を実現することができる。以下に、その代表的な測定方法を説明する。
永久磁石併用の巻線界磁型同期電動機の定常運転時の電圧方程式を、(6)式に示すが、この(6)式を元に同期機の各特性パラメータの測定方法を説明する。なお、界磁の永久磁石を初めとする同期機の定数の測定時には、回転子位相θを用いて座標変換を行うので、図1においてγ軸がd軸に、δ軸がq軸に相当することになる。

0025

0026

まず永久磁石磁束Φmについてであるが、電機子d軸及びq軸電流id,iq及び界磁電流ifを0にして(6)式第二列を変形すると(7)式が得られる。
Φm=vq/ω ・・・(7)
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子d軸及びq軸電流指令(γ軸及びδ軸電流指令iγr,iδr)及び界磁電流指令ifrを0にして、その時のq軸電圧指令(図1におけるδ軸電流制御器17から出力されるδ軸電圧指令vδ)を記録すれば、(7)式より永久磁石磁束Φmが算出できることが分かる。

0027

次に自己インダクタンスLdであるが、界磁電流if、電機子q軸電流iqを0にして、電機子d軸電流idを所定の値にした状態で(6)式第二列を変形すると(8)式が得られる。
Ld=(vq−ω・Φm)/ω・id ・・・(8)
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子q軸電流指令及び界磁電流指令ifrを0にして所定のd軸電流指令を与え、その時のq軸電圧指令を記録すれば、(8)式より自己インダクタンスLdが算出できることが分かる。

0028

また、自己インダクタンスLqは、界磁電流if、電機子d軸電流idを0にして、電機子q軸電流iqを所定の値にした状態で(6)式第一列を変形すると(9)式が得られる。
Ld=vq/ω・id ・・・(9)
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子d軸電流指令及び界磁電流指令ifrを0にして所定のq軸電流指令を与え、その時のd軸電圧指令を記録すれば、(8)式より自己インダクタンスLdが算出できることが分かる。

0029

最後に相互インダクタンスMについてであるが、電機子電流id,iqを0にして界磁電流ifを所定の値にした状態で(6)式第二列を変形すると(10)式が得られる。
M=(vq−ω・Φm)/ω・if ・・・(10)
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子電流指令を0にして所定の界磁電流指令を与え、その時のq軸電圧指令を記録すれば、(7)式より永久磁石磁束Φmが算出できることが分かる。

0030

以上の方法により、運転前あるいは使用中の適当なタイミングで同期機の特性パラメータを制御装置自体で測定して制御装置内の特性パラメータを更新すれば、特性パラメータのばらつきあるいは変動がある場合でも、最適な運転状態を保つことができる。なお、特性パラメータの測定方法には、上記の方法以外にも、電機子及び界磁巻線に交番電圧印加して、各巻線に発生する交番電流からインダクタンスを求める方法などが知られているが、同様の効果を奏する。

0031

なお、上記の同期機の特性パラメータは、磁気飽和の影響により変動することが知られており、例えば相互インダクタンスMは界磁電流ifにより、自己インダクタンスLqは電機子q軸電流iqにより大きく影響される場合がある。この磁気飽和の影響を案して制御を行うには、特性パラメータを運転条件各電流値あるいは指令値など)を参照して変化させるような、特性テーブルあるいは特性式を用いればよく、これによって特性パラメータの運転条件による変化を反映した制御が可能になる。
また、上記の実施例では、磁束推定手段7として各電流値より磁束を推定する方式のものについて説明したが、電圧情報を併用して磁束推定精度を向上する磁束オブザーバなどを適用した方式を用いても良い。

0032

以上のように、上記においては磁束推定手段7により、γδ軸電機子電流iγf、iδf、界磁電流iff、及び回転子位相θから電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|及び位相∠Φを算出するものを示した。しかし、実際に検出したγδ軸電機子電流iγf、iδf、界磁電流iffの代わりに、電機子d軸及びq軸電流指令値(γ軸及びδ軸電流指令iγr、iδr)及び界磁電流指令ifrの指令値を用いることもできる。この場合、上で説明したように電機子δ軸電流指令iδrを求めるために電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|が必要であり、また電機子γδ軸電流指令iγr、iδrから三相の電機子電流iu、iv、iwを求めるのに電機子鎖交磁束の位相∠Φが必要であるなど、計算の一部が循環的になる。

0033

これを防止するために、例えば次のように構成する。すなわち、上記のような演算をマイコンを用いて所定の周期で演算し、電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|とその位相∠Φの値として前回の演算結果を用いて各電流指令値iγr、iδr、ifrを算出し、この指令値を用いて電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|とその位相∠Φを算出し、得られた値を次回の計算に使用するようにする。なお、運転開始時で電機子d軸及びq軸電流指令及び界磁電流指令ifrの指令値が0の状態においては、例えば電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|を永久磁石磁束Φm、位相∠Φを回転子位相角θ初期化してから制御演算を開始する。また、上記処理の際に、得られ得た電機子鎖交磁束の大きさ|Φ|とその位相∠Φの値を所定の特性を有するフィルタを用いて処理して次回の計算に用いるようにすれば、演算の安定性を高くすることができる。以上のように、推定磁束に用いる電流に電流の指令値を用いるので、電流検出に伴うノイズの影響を受けることがなく、より安定した制御を行うことができる。

0034

実施の形態2.
図4及び図5は、この発明の実施の形態2を示すものであり、図4は同期機の制御装置の構成図、図5は電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態の同期機のベクトル図である。図4において、図1における磁束推定手段7の代わりに、磁束指令Φrとδ軸電流指令iδrから負荷角Δθを演算する負荷角演算器41が設けられている。そして、磁束制御手段11の代わりに磁束指令Φrと負荷角Δθから界磁電流指令ifrを算出する界磁電流指令発生器42が設けられている。なお、実施の形態1のような推定磁束を用いた磁束のフィードバック制御は行われない。加算器43は回転子位相θに負荷角Δθを与えて電機子鎖交磁束の位相∠Φを算出し、この位相方向のγδ座標上で電機子電流制御が行われる。その他の構成については、図1に示した実施の形態1と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

0035

この実施の形態による同期機の制御装置では、同期機は電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態で運転されているものとして、負荷角Δθを算出する。図5は、電機子鎖交磁束Φと電機子電流iが直交している状態の同期機のベクトル図である。図5より、負荷角Δθについて次の(11)式が成立することが分かる。
Δθ=tan−1(Lq・iq/ΦcosΔθ)
=tan−1(Lq・iδcosΔθ/ΦcosΔθ)
=tan−1(Lq・iδ/Φ) ・・・(11)

0036

電機子δ軸電流iδfの代わりに指令値iδrを、電機子鎖交磁束Φの代わりに磁束指令Φrを用いれば、(11)式より負荷角Δθを算出することができ、同方法により負荷角演算器41は負荷角Δθを算出する。この計算方法により、磁束推定手段7を用いた実施の形態1に比べて、負荷角Δθの演算を大幅に簡略化することができる。なお、電機子δ軸電流指令iδrの代わりにフィードバック値である電機子δ軸電流iδfを用いても問題がない。

0037

この実施の形態による同期機の制御装置では、推定磁束を用いた磁束のフィードバック制御は行われない。図5より、d軸上の磁束について次の(12)式が成立することが分かるが、(12)式に(1)、(5)式を代入して整理すると、(13)式が得られる。
Φf=ΦcosΔθ−Lq・id
=ΦcosΔθ+Lq・iδsinΔθ ・・・(12)
if=(ΦcosΔθ+Lq・iδsinΔθ)/M−ifm ・・・(13)
界磁電流指令発生器42は、電機子δ軸電流iδfの代わりに指令値iδrを、電機子鎖交磁束Φの代わりに磁束指令Φrを用いて、(13)式により界磁電流指令ifrを算出する。

0038

なお、電機子の自己インダクタンスが非突極(Ld=Lq)の場合は、電機子鎖交磁束Φと電機子磁束Φaが直交するので、次の(14)式が成立し、これに(1)、(5)式を代入して(15)式が得られる。
Φf=Φ/cosΔθ ・・・(14)
if=Φ/McosΔθ−ifm ・・・(15)
従って、電機子の自己インダクタンスが非突極(Ld=Lq)の場合は、界磁電流指令発生器42は(15)式を用いて界磁電流指令ifrを算出することができる。この場合、界磁電流指令発生器42は電機子δ軸電流指令値iδrを参照する必要はなく、計算を更に簡略化することができる。

0039

この実施の形態2においても、実施の形態1と同様に運転時に同期機の特性パラメータを測定して、この特性パラメータを用いた制御が即座に可能であるのは同様である。また、先に示したように、同期機の特性パラメータが磁気飽和の影響により変動する現象に対応するには、実施の形態1の場合と同様に、特性パラメータを運転条件(各電流値あるいは指令値など)を参照して変化させるような、特性テーブルあるいは特性式を用いれば良い。

0040

なお、この実施の形態2では、負荷角θの計算と界磁磁束制御の双方を簡略化する方法について説明したが、電機子鎖交磁束位相の計算は実施の形態1の方式で行い、界磁磁束制御のための界磁電流指令を界磁電流指令発生器42により磁束指令Φrと負荷角Δθから計算する上記実施の形態2の方法で簡易化する方式も、構成可能である。

0041

なお、この実施の形態における負荷角演算器41がこの発明における負荷角演算手段、界磁電流指令発生器42が界磁電流指令発生手段である。

0042

以上に説明したように、この発明によれば、永久磁石の磁束情報を含めた同期機の特性パラメータを用いて最適な運転状態を保つような制御を行うので、同期機の特性パラメータが変動した場合でも、わずかな制御特性パラメータの変更によりその変動を反映して最適な運転状態を保つことが可能になる。また、本発明の実施の形態2による同期機の制御装置では、磁束の推定及び制御を行わずに簡易化した制御が行えるようにしたので、より簡便な構成により実施の形態1と同様の効果を奏することができる。

0043

以上のようにこの発明によれば、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる。

0044

そして、電機子鎖交磁束算出手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて電機子鎖交磁束の大きさと位相とを算出するものであり、界磁電流算出手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて界磁電流指令を算出するものであることを特徴とするので、巻線界磁式同期機の特性にばらつきがあっても各巻線界磁式同期機に応じて適切な制御を行うことができる。

0045

また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交2軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。

0046

さらに、負荷角演算手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて負荷角を演算するものであり、界磁電流指令発生手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて界磁電流指令を算出するものであることを特徴とするので、巻線界磁式同期機の特性にばらつきがあっても各巻線界磁式同期機に応じて適切な制御を行うことができる。

0047

また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と位相とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交2軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。

図面の簡単な説明

0048

この発明の実施の形態1である同期機の制御装置の構成を示す構成図である。
図1の同期機の制御装置の動作を説明するための同期機のベクトル図である。
図1の磁束制御手段の詳細構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態2である同期機の制御装置の構成を示す構成図である。
電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態の同期機のベクトル図である。

符号の説明

0049

1同期機、7磁束推定手段、9磁束指令発生手段、11磁束制御手段、
15除算器、17 δ軸電流制御器、19 γ軸電流制御器、41負荷角演算器、
42界磁電流指令発生器、43加算器。

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