JP2003070293A

JP2003070293A - 永久磁石同期機の制御装置

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Publication number: JP2003070293A
Application number: JP2001255630A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Osawa; 博大沢; Jiro Toyosaki; 次郎豊崎; Hisafumi Nomura; 尚史野村; Junichi Ito; 淳一伊東; Nobuo Itoigawa; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2003-03-07
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP4771035B2

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石同期機の負荷や出力を所定範囲に制
限して同期機の安定した運転を可能にする。【解決手段】永久磁石同期機２の有効電流を３相／２
相変換器９，座標変換器１０等により検出し、その検出
値と設定器１３Ｉからの有効電流上限値または下限値と
の差△ｉ_Ｐを演算器１４により演算する。これらの差△
ｉ_Ｐに応じて、積分要素を有する増幅器１５により周波
数補正量△ｆ_１ ^＊を演算し、この補正量を用いて周波数
指令ｆ^＊を補正する。補正後の周波数指令ｆ^＊にほぼ比
例した電圧指令Ｖ^＊をｆ／Ｖ変換器４により演算し、パ
ルス幅制御回路７，インバータ１を介して同期機２を駆
動制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、界磁に永久磁石
を有する永久磁石同期電動機、あるいは永久磁石同期発
電機を半導体電力変換器を用いて制御する制御装置に関
し、特に同期機の有効電流または有効電力を制御する技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石同期電動機の制御方法として、
次の３種類の方法が知られている。第１の方法は、回転
子軸に位置センサを取付け、位置センサから得られる位
置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御する方法
である。この方法は最も古くから実用化されており、フ
ァンやポンプ駆動、あるいはサーボドライブなどに広く
適用されている。

【０００３】第２の方法は、電動機の電圧や電流から回
転子の位置を推定して位置センサを不要とする方法であ
り、センサレスベクトル制御と呼ばれている。この方法
は最近盛んに研究され、徐々に実用化されつつある。

【０００４】残る第３の方法は、電動機に印加する電圧
と周波数とをほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御であ
る。この制御方法は、例えば本出願人による特開２００
０−２３６６９４公報にかかる「永久磁石形同期電動機
の制御装置」として公知であり、位置センサが不要で、
しかも簡単な制御で可変速駆動を実現できるといった特
徴がある。

【０００５】図４は、上記公報に記載された制御装置と
実質的に同様な、従来のＶ／ｆ制御の制御ブロック図を
示している。以下、その機能を説明する。まず、周波数
指令器３からインバータ１の出力周波数指令ｆ^＊、すな
わち永久磁石同期電動機（以下では、必要に応じて同期
機と呼ぶ）２に対する第１の周波数指令ｆ^＊が出力され
る。ｆ／Ｖ変換器４は前記周波数指令ｆ^＊にほぼ比例し
た大きさの信号Ｖ^＊を出力し、この信号を同期機２の端
子電圧指令Ｖ^＊とする。

【０００６】第１の周波数指令ｆ^＊には、後述する比例
増幅器１２から出力される周波数補正量Δｆ^＊が加算さ
れ、第２の周波数指令ｆ_１ ^＊が生成される。なお、周波
数補正量Δｆ^＊の機能については後述する。第２の周波
数指令ｆ_１ ^＊は積分器５により積分され、電圧指令の位
相θが算出される。電圧演算器６は下記の数式１に従
い、端子電圧指令Ｖ^＊及び位相θを用いて各相の電圧指
令Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊を演算する。

【０００７】［数式１］Ｖ_ｕ ^＊＝Ｖ^＊ｃｏｓθ Ｖ_ｖ ^＊＝Ｖ^＊ｃｏｓ（θ−２π／３）Ｖ_ｗ ^＊＝Ｖ^＊ｃｏｓ（θ−４π／３）

【０００８】各相の電圧指令Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊は
パルス幅変調器（ＰＷＭ回路）７に入力されてキャリア
と比較するＰＷＭ制御を行い、インバータ１のスイッチ
ング素子のオン、オフ制御を行う。

【０００９】上記がＶ／ｆ制御の基本構成であるが、Ｖ
／ｆ制御では、定常的にトルクや電流が振動したり、負
荷が急激に変動する場合には脱調して運転不能に陥るな
ど、制御系がしばしば不安定になる場合がある。破線で
囲んだ部分がこれを解決する安定化手段であり、次にこ
の安定化手段について説明する。まず、電流センサ８に
よって同期機２の２相の電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗを検出する。次
に、３相／２相変換器９により、数式２に従って直交２
軸座標系の電流ｉα，ｉβに座標変換する。

【００１０】［数式２］ｉα＝ｉ_ｕｉβ＝（−２／√３）（ｉ_ｕ／２＋ｉ_ｗ）

【００１１】座標変換器１０は、数式３に従って電流ｉ
_Ｐを演算する。［数式３］ｉ_Ｐ＝ｉαｃｏｓθ＋ｉβｓｉｎθ

【００１２】電流ｉ_Ｐは、数式１との関係から、電圧指
令（ベクトル）Ｖ^＊と同方向成分の電流、すなわち有効
電流成分であり、α−β直交２軸座標系のβ軸に対して
θの位相角を持つ。この有効電流ｉ_Ｐはハイパスフィル
タ１１を通過することにより直流成分が除去され、交流
成分つまり過渡成分だけが抽出される。

【００１３】ハイパスフィルタ１１により抽出された有
効電流の過度成分に対しては、比例増幅器１２によりゲ
インＫが乗じられ、周波数補正量Δｆ^＊が演算される。
この周波数補正量Δｆ^＊は加算器１７により第１の周波
数指令ｆ^＊に加算されて第２の周波数指令ｆ_１ ^＊が生成
され、積分器５により電圧指令の位相θが算出されるこ
ととなる。

【００１４】ここで、周波数補正量Δｆ^＊による周波数
指令ｆ^＊の補正は、次のようにして制御系を安定化す
る。例えば、何らかの理由で有効電流ｉ_Ｐが増加したと
し、比例増幅器１２のゲインＫが負の値であるとする。
このとき、周波数補正量Δｆ^＊は負の値になるため、第
２の周波数指令ｆ_１ ^＊は値が低下する。周波数が低下す
れば、永久磁石同期電動機２の負荷角あるいは内部相差
角と呼ばれる角度が小さくなり、これは前述した有効電
流の増加を抑制するように作用する。このメカニズムに
より、制御系が安定化する。つまり、図４に破線で囲ん
だ部分は電流のフィードバックループを構成しており、
電圧指令Ｖ^＊に平行な有効電流ｉ_Ｐだけが周波数指令ｆ
^＊に負帰還される構成となっている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】インバータ１が出力可
能な電圧と電流には上限があり、これにより永久磁石同
期電動機２の出力限界が決まる。その出力限界以上の負
荷が何らかの原因により生じると、過電流によりインバ
ータ１がトリップしたり、脱調と呼ばれる現象が生じて
永久磁石同期電動機２の平均トルクは急激に低下すると
共に、脈動トルクが発生してもはや正常な運転ができな
くなる。また、永久磁石同期発電機においては、その出
力が所定範囲を超えるような場合にエンジンが過負荷と
なり、電動機の場合と同様に安定かつ正常な運転が不可
能になる。

【００１６】そこで本発明は、永久磁石同期機の負荷や
出力を所定範囲に制限して同期機の安定した運転を継続
できるようにした永久磁石同期機の制御装置を提供しよ
うとするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、界磁として永久磁石を有す
る永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器によ
り前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させ
て制御する永久磁石同期機の制御装置において、前記同
期機の有効電流を検出する手段と、前記有効電流が所定
範囲の値となるように前記同期機の周波数を制御する手
段と、前記周波数に応じて前記同期機の端子電圧を制御
する手段と、を備えたものである。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１に記載し
た永久磁石同期機の制御装置において、永久磁石同期電
動機の有効電流検出値と有効電流上限値または下限値と
の差に応じて周波数補正量を演算する手段と、前記周波
数補正量により周波数指令を補正する手段と、補正され
た周波数指令から前記同期電動機に対する電圧指令を演
算する手段と、を備えたものである。

【００１９】請求項３記載の発明は、界磁として永久磁
石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変
換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ
比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置におい
て、前記同期機の有効電力を演算する手段と、前記有効
電力が所定範囲の値となるように前記同期機の周波数を
制御する手段と、前記周波数に応じて前記同期機の端子
電圧を制御する手段と、を備えたものである。

【００２０】請求項４記載の発明は、請求項３に記載し
た永久磁石同期機の制御装置において、永久磁石同期発
電機の有効電力演算値と有効電力上限値または下限値と
の差に応じて周波数補正量を演算する手段と、前記周波
数補正量により周波数指令を補正する手段と、補正され
た周波数指令から前記同期発電機に対する電圧指令を演
算する手段と、を備えたものである。

【００２１】請求項５記載の発明は、請求項３に記載し
た永久磁石同期機の制御装置において、永久磁石同期発
電機の有効電力検出値と有効電力設定値との差に応じて
周波数指令を演算する手段と、前記周波数指令から前記
同期発電機に対する電圧指令を演算する手段と、を備え
たものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。まず、図１は請求項１，２にかかる発明
の実施形態（第１実施形態とする）を示す制御ブロック
図であり、破線で囲んだ周波数指令補正手段２１が図４
の従来技術に追加された部分である。なお、図４と同一
の構成要素には同一の参照符号を付してある。以下で
は、周波数指令補正手段２１を中心として本実施形態の
構成及び動作を説明する。

【００２３】周波数指令補正手段２１において、１４は
有効電流ｉ_Ｐが入力される演算器であり、この演算器１
４には設定器１３Ｉから有効電流ｉ_Ｐの上限値ｉ
_Ｐｍａｘ及び下限値ｉ_Ｐｍｉｎが入力されている。演算
器１４は、有効電流ｉ_Ｐの検出値が前記上限値ｉ
_Ｐｍａｘを超えた場合にその超過分△ｉ_Ｐを演算する。
すなわち、以下に示す数式４の演算を行う。

【００２４】［数式４］ Δｉ_Ｐ＝０（ｉ_Ｐ＜ｉ_Ｐｍａｘの場合） Δｉ_Ｐ＝ｉ_Ｐｍａｘ−ｉ_Ｐ（ｉ_Ｐ≧ｉ_Ｐｍａｘの場
合）

【００２５】一方、永久磁石同期機が発電機動作し、す
なわち同期機２が永久磁石同期発電機として動作する場
合、演算器１４は、有効電流ｉ_Ｐが前記下限値ｉ
_Ｐｍｉｎを下回った場合にその不足分△ｉ_Ｐを演算す
る。すなわち、以下に示す数式５の演算を行う。

【００２６】［数式５］ Δｉ_Ｐ＝０（ｉ_Ｐ＞ｉ_Ｐｍｉｎの場合） Δｉ_Ｐ＝ｉ_Ｐｍｉｎ−ｉ_Ｐ（ｉ_Ｐ≦ｉ_Ｐｍｉｎの場
合）

【００２７】数式４または数式５により演算されたΔｉ
_Ｐは、伝達関数Ｇ（ｓ）をもつ増幅器１５に入力され
る。ここで、Ｇ（ｓ）は少なくとも積分要素を有してお
り、有効電流ｉ_Ｐの超過分または不足分△ｉ_Ｐを積分し
て第２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊を出力する。なお、図１
における比例増幅器１２から出力される周波数補正量Δ
ｆ^＊を、便宜的に第１の周波数補正量という。

【００２８】第２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊は加算器１６
に入力され、周波数指令器３の出力と図示の符号で演算
される。この第２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊によって第１
の周波数指令ｆ^＊が補正され、ｆ／Ｖ変換器４によって
第１の周波数指令ｆ^＊にほぼ比例した端子電圧指令Ｖ^＊
が演算される。

【００２９】本実施形態において、例えば同期機２の有
効電流ｉ_Ｐがその上限値ｉ_Ｐｍａｘを少しでも超える
と、超過分△ｉ_Ｐに応じた第２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊
が増幅器１５から出力され、加算器１６を介して第１の
周波数指令ｆ^＊が低下方向に補正される。このため、端
子電圧指令Ｖ^＊も低下することになり、有効電流ｉ_Ｐが
上限値ｉ_Ｐｍａｘを大きく超えるのを防止することがで
きる。

【００３０】また、有効電流ｉ_Ｐがその下限値ｉ
_Ｐｍｉｎを少しでも下回ると、不足分△ｉ _Ｐに応じた第
２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊が増幅器１５から出力され、
加算器１６を介して第１の周波数指令ｆ^＊が増加方向に
補正される。このため、端子電圧指令Ｖ^＊も増加するこ
とになり、有効電流ｉ_Ｐが下限値ｉ_Ｐｍｉｎを大きく下
回るのを防止することができる。その結果、位置センサ
を必要としないＶ／ｆ制御の構成においても、インバー
タ１の過電流や同期機２の脱調を回避することができ
る。

【００３１】次に、図２は請求項３，４にかかる発明の
実施形態（第２実施形態とする）を示す制御ブロック図
である。本実施形態は、破線で囲んだ周波数指令補正手
段２２の構成が図１における周波数指令補正手段２１と
一部異なっており、その他は同一である。

【００３２】この実施形態は、特に同期機２が永久磁石
同期発電機である場合を対象としたものであり、インバ
ータ１はコンバータとして動作する。同期機２が永久磁
石同期発電機である場合、発電機は動力源であるエンジ
ンが許容できる以上の出力を得ることができず、同期電
動機の場合と同様に出力限界が存在する。この限界を超
える出力が要求される場合には制御が不安定化し、ま
た、エンジンの過負荷を招くため、本実施形態はこれら
の不都合を解消するためになされたものである。

【００３３】図２において、周波数指令補正手段２２
は、有効電流ｉ_Ｐの検出値と端子電圧指令Ｖ^＊とを乗算
して有効電力Ｐを求める乗算器１８と、有効電力Ｐの上
限値Ｐ _ｍａｘ及び下限値Ｐ_ｍｉｎを設定する設定器１３
Ｐと、有効電力Ｐが前記上限値Ｐ_ｍａｘを超えた場合に
超過分△Ｐを演算し、下限値Ｐ_ｍｉｎ（例えばゼロ）を
下回った場合に不足分△Ｐを演算する演算器１４と、超
過分または不足分△Ｐが入力されて第２の周波数補正量
Δｆ_１ ^＊を出力する増幅器１５とからなっている。この
演算器１４の演算内容は、前述した数式４または数式５
におけるｉ_ＰをＰに置き換えればよいので、詳述を省略
する。なお、増幅器１５の伝達関数Ｇ（ｓ）は、前記同
様に少なくとも積分要素を有している。

【００３４】増幅器１５から出力される第２の周波数補
正量Δｆ_１ ^＊は加算器１６に入力され、周波数指令器３
の出力と図示の符号で演算される。第２の周波数補正量
Δｆ _１ ^＊によって第１の周波数指令ｆ^＊が補正され、ｆ
／Ｖ変換器４によって第１の周波数指令ｆ^＊にほぼ比例
した端子電圧指令Ｖ^＊が演算される。

【００３５】この実施形態によれば、例えば同期機２の
有効電力Ｐがその上限値Ｐ_ｍａｘを少しでも超えると、
超過分△Ｐに応じた第２の周波数補正量Δｆ_１ ^＊が増幅
器１５から出力され、加算器１６を介して第１の周波数
指令ｆ^＊が低下方向に補正される。このため、端子電圧
指令Ｖ^＊も低下することになり、有効電力Ｐが上限値Ｐ
_ｍａｘを大きく超えるのを防止することができる。

【００３６】また、有効電力Ｐがその下限値Ｐ_ｍｉｎを
少しでも下回ると、不足分△Ｐに応じた第２の周波数補
正量Δｆ_１ ^＊が増幅器１５から出力され、加算器１６を
介して第１の周波数指令ｆ^＊が増加方向に補正される。
このため、端子電圧指令Ｖ^＊も増加することになり、有
効電力Ｐが下限値Ｐ_ｍｉｎを大きく下回るのを防止する
ことができる。その結果、位置センサを必要としないＶ
／ｆ制御の構成においても、同期機２の出力を所定範囲
に制限し、例えば同期発電機の場合にはエンジンの出力
を所定範囲に制限することによって過負荷運転を未然に
防止することができる。

【００３７】次いで、図３は請求項５にかかる発明の実
施形態（第３実施形態とする）を示す制御ブロック図で
あり、同期機２として、特に永久磁石同期発電機を対象
とした場合の実施形態である。この場合も、インバータ
１はコンバータとして動作する。同期発電機の場合、そ
の回転速度はエンジンのガバナなどで制御される場合が
あり、本実施形態はこの点に鑑みて安定した出力制御を
可能にしたものである。

【００３８】図３において、図１，図２と異なる部分を
中心に説明すると、乗算器１８により有効電流ｉ_Ｐと端
子電圧指令Ｖ^＊とを乗算して有効電力Ｐが算出される。
設定器１９は有効電力設定値Ｐ^＊を出力するものであ
り、加算器２０により求められた有効電力設定値Ｐ^＊と
有効電力Ｐとの偏差△Ｐは、増幅器１５に入力される。
この増幅器１５の伝達関数Ｇ（ｓ）は、前記同様に少な
くとも積分要素を有する。

【００３９】本実施形態では図１，図２のような周波数
設定器３を備えておらず、増幅器１５の出力がそのまま
周波数指令ｆ^＊としてｆ／Ｖ変換器４及び加算器１７に
入力されている。この実施形態によれば、有効電力設定
値Ｐ^＊と有効電力Ｐとの偏差△Ｐがゼロになるまで周波
数指令ｆ^＊が変化し、ｆ／Ｖ変換器４により周波数指令
ｆ^＊にほぼ比例した端子電圧指令Ｖ^＊が演算される。そ
の他の部分の動作は図１，図２の実施形態と同様である
ため説明を省略する。

【００４０】この実施形態によれば、同期機２の有効電
力Ｐがその設定値Ｐ^＊に等しくなるように制御されるの
で、位置センサを必要としないＶ／ｆ制御の構成におい
ても永久磁石同期発電機等の安定した出力制御が可能と
なる。

【００４１】なお、第２，第３実施形態において、同期
機２の機械的な出力を制御する場合には、前記有効電力
Ｐから銅損や鉄損などを差し引いた電力を制御すればよ
い。

【００４２】

【発明の効果】以上のように請求項１または請求項２記
載の発明によれば、永久磁石同期機の有効電流を所定範
囲内に制御することにより、位置センサを必要としない
Ｖ／ｆ制御において電力変換器の過電流や同期機の脱調
を未然に回避することができる。

【００４３】また、請求項３または請求項４記載の発明
によれば、特に永久磁石同期発電機の有効電力を所定範
囲内に制御し、エンジンの出力を所定範囲に制限して過
負荷運転を防止できる効果がある。

【００４４】更に、請求項５記載の発明によれば、特に
永久磁石同期発電機の有効電力がその設定値に等しくな
るように制御されるので、同期発電機の安定した出力制
御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図２】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図３】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図４】従来技術を示す制御ブロック図である。

【符号の説明】

１インバータ２永久磁石同期機３周波数指令器４ｆ／Ｖ変換器５積分器６電圧演算器７パルス幅変調器８電流センサ９３相／２相変換器１０座標変換器１１ハイパスフィルタ１２比例演算器１３Ｉ，１３Ｐ，１９設定器１４演算器１５増幅器１６，１７，２０加算器１８乗算器２１，２２周波数指令補正手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野村尚史神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者伊東淳一神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者糸魚川信夫神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H576 BB04 BB09 BB10 DD02 DD07 EE04 EE11 GG04 HB01 JJ15 JJ22 JJ25 JJ26 JJ28 LL22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】界磁として永久磁石を有する永久磁石同期
機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の
端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久
磁石同期機の制御装置において、前記同期機の有効電流を検出する手段と、前記有効電流が所定範囲の値となるように前記同期機の
周波数を制御する手段と、前記周波数に応じて前記同期機の端子電圧を制御する手
段と、を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
【請求項２】請求項１に記載した永久磁石同期機の制御
装置において、永久磁石同期電動機の有効電流検出値と有効電流上限値
または下限値との差に応じて周波数補正量を演算する手
段と、前記周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、補正された周波数指令から前記同期電動機に対する電圧
指令を演算する手段と、を備えたことを特徴とする永久
磁石同期機の制御装置。
【請求項３】界磁として永久磁石を有する永久磁石同期
機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の
端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久
磁石同期機の制御装置において、前記同期機の有効電力を演算する手段と、前記有効電力が所定範囲の値となるように前記同期機の
周波数を制御する手段と、前記周波数に応じて前記同期機の端子電圧を制御する手
段と、を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
【請求項４】請求項３に記載した永久磁石同期機の制御
装置において、永久磁石同期発電機の有効電力演算値と有効電力上限値
または下限値との差に応じて周波数補正量を演算する手
段と、前記周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、補正された周波数指令から前記同期発電機に対する電圧
指令を演算する手段と、を備えたことを特徴とする永久
磁石同期機の制御装置。
【請求項５】請求項３に記載した永久磁石同期機の制御
装置において、永久磁石同期発電機の有効電力検出値と有効電力設定値
との差に応じて周波数指令を演算する手段と、前記周波数指令から前記同期発電機に対する電圧指令を
演算する手段と、を備えたことを特徴とする永久磁石同
期機の制御装置。