JP2005295626A - 発電機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化、高信頼性を実現しつつ、発電出力についての種々の制御を可能とする、発電機の駆動制御装置を提供する。
【解決手段】 駆動制御装置２０は永久磁石回転子（１１）と固定子（１３）を含む発電機（１０）を位置センサレスで駆動し、複数の整流ダイオードと複数のスイッチング素子を含み、発電機で発電された交流電圧を直流電圧に変換するインバータ（２１）と、インバータのスイッチング素子のオン・オフを制御して発電出力を制御する制御部（２５、２７）とを備える。制御部（２５、２７）は固定子巻線の誘起電圧に基づいて回転子位置を検出し、検出した回転子位置に応じて固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御することにより発電出力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石が埋込まれた回転子を用いた発電機の位置センサレス駆動を行う、発電機の駆動制御装置に関する。

従来より、発電機に対する制御システムが種々考案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１に記載の発電制御システムは、回転駆動源に連結した発電機と、発電機で発電された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、整流回路からの直流電圧を所望の電圧に変圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力を所望の駆動電力に変換するインバータとを備えている。また、特許文献１の発電制御システムでは、発電機の回転子の位置は発電機内部に組み込まれた位置センサを用いて検出されている。

特許文献２は、インバータを用いて位置センサレスで同期発電機を駆動する発電機制御システムを開示している。

特開２００３−７０２９９号公報 特開平１０−１１７５００号公報

特許文献１に記載の発電制御システムでは、電圧変動を吸収するためのＤＣ−ＤＣコンバータを備えているが、ＤＣ−ＤＣコンバータは回転変化による装置の大型化、効率の低下を招くという問題がある。また、位置センサを発電機内部に組み込んでいるため、発電機が大型化し、位置センサ分だけ、信頼性の低下、製造コストの増加を招くという問題もある。

また、特許文献２は、高回転領域において対応可能なセンサレス同期発電機制御システムを提供することを目的としたものであるため、主として高速動作時における回転子の磁極位置情報の取得方法について開示しているのみであり、発電出力に対する電圧、電流等の制御について具体的な開示はない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化、高信頼性を実現しつつ、発電出力についての種々の制御を可能とする、発電機の駆動制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る駆動制御装置は、永久磁石が埋込まれた回転子と固定子を含む発電機を位置センサレス方式で駆動する装置である。駆動制御装置は、複数の整流ダイオードと複数のスイッチング素子を含み、発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する発電用インバータと、発電用インバータのスイッチング素子のオン・オフを制御して発電出力を制御する制御手段とを備える。制御手段は固定子巻線の誘起電圧に基づいて回転子位置を検出し、その検出した回転子位置に応じて固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅の少なくともいずれかを制御することにより、出力電圧及び出力電流の少なくともいずれかを制御する。

制御手段は、発電機の始動時に用いる動作モードである始動モードと、定常運転状態において発電機の固定子巻線の誘起電圧に基づいて回転子位置を検出しながら発電機を運転する通常動作モードとを有してもよい。

制御手段は、始動モードにおいて無負荷時の誘起電圧を検出し、その検出した誘起電圧に基づいて初期位置を検出し、初期位置検出後に通常動作モードに移行するようにしてもよい。

制御手段は、始動モードにおいて無負荷時の誘起電圧を検出し、検出した誘起電圧に基づいて回転数を検出し、回転数検出後に通常動作モードに移行するようにしてもよい。

制御手段は、始動モードから通常モードに移行する間、電流振幅を略ゼロに制御して、発電を抑制してもよい。または、電流進角を制御して発電を抑制してもよい。

また、制御手段は、インバータに流れる電流またはインバータの出力電圧を検出し、過電流または過電圧が検出されたときに、インバータを発電機または負荷から切り離してもよい。

また、制御手段は発電機の故障を検出し、故障が検出されたときに発電を停止させるようにしてもよい。発電機の故障は、発電機の回転速度ムラ及び電流波形のうちの少なくともいずれかで検出できる。

発電機は風力を動力源として発電してもよい。

また、制御手段は、発電機の始動時において発電機を力行動作させ、発電機の始動時の回転を補助するようにしてもよい。

また、制御手段は、発電機の運転中において、発電機の回転数を検出し、回転数が所定値以下になったときは、発電機を力行動作させて発電機の回転数を所定値以上に維持するようにしてもよい。

また、制御手段は以下のモードの中の少なくとも１つを有するようにしてもよい。
−固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電圧を略一定に制御する定電圧制御モード
−固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電流を略一定に制御する定電流制御モード
−固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電力を略一定に制御する定電力制御モード
−固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、前記発電機の回転数を略一定に制御する回転数制御モード。

本発明によれば、小型化、高信頼性を実現しつつ、発電出力についての種々の制御を可能とする、発電機の駆動制御装置を実現できる。

以下、添付の図面を参照し、本発明に係る発電機の駆動制御装置の実施形態について説明する。

１．発電機の駆動制御装置の構成
図１は本発明に係る発電機の駆動制御装置を用いた発電システムの構成を示した図である。発電システムは、発電機１０と、駆動制御装置２０と、バッテリ３０とを含む。発電機１０は永久磁石が埋込まれた回転子１１と固定子巻線１３を含む。駆動制御装置２０は発電機１０を制御する装置であって、遮断機４１を介して発電機１０と接続される。駆動制御装置２０はバッテリ３０に接続される。バッテリ３０には負荷５０が接続される。

駆動制御装置２０はインバータ２１と、ＰＷＭ電圧制御部２３と、モータ制御部２５と、発電制御部２７と、回転子位置検出部２９と、回転数検出部３１と、電圧検出部３３と、電力検出部３５と、遮断機４２と、各種センサ４３、４４、４５と、平滑コンデンサ４６とを備える。

インバータ２１はダイオードが直列に接続されてなるハーフブリッジ回路を３相分有し、各ダイオードには並列にトランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳからなるスイッチング素子が接続されている。インバータ２１は、主として発電機１０を発動動作させるよう駆動する発電用のインバータであるが、必要に応じて発電機１０を電動機動作させるよう駆動することもできる。インバータ２１のダイオードブリッジは整流機能を有し、発電された交流電圧を直流電圧に変換する。このダイオードの機能だけでは、発電電圧の大きさの制御は不可能であるが、本実施形態では、インバータ２１における各スイッチング素子のオン・オフを適宜制御することにより、発電機１０に適宜電流を回生させ、発電機１０の固定子巻線のインダクタンスを利用し、発電システムの出力電圧の制御、出力電流等の制御を可能としている。

回転子位置検出部２９は、電流センサ４３、４４の出力、及びモータパラメータに基づいて回転子位置θを検出する。回転数検出部３１は回転子位置検出部２９からの出力に基づいて回転数ｎを検出する。

モータ制御部２５は発電機１０をモータとして利用する際すなわち力行動作させる際の制御を行う。発電制御部２７は発電機１０の発電動作を制御する手段であり、電流振幅制御、電流進角（位相）制御、回転数制御、始動制御、保護制御の各制御を実行する。モータ制御部２５及び発電制御部２７は、インバータ２１から出力される電流Ｉdc、インバータ２１の直流出力電圧Ｖdc、インバータ２１の出力電力Ｗdcと、位相θ、回転数ｎ、発電機１０の誘起電圧ｖ、発電機１０の巻線電流ｉとに基づいて、ＰＷＭ電圧制御部２３に制御信号Ｖpwmを出力する。

ＰＷＭ電圧制御部２３はモータ制御部２５または発電制御部２７からの制御信号Ｖpwmを受けて、インバータ２１の各スイッチング素子の動作を制御するためのパルス幅変調されたゲート信号を生成する。電圧検出部３３は平滑コンデンサ４６の電圧すなわちインバータ２１の直流出力電圧Ｖdcを検出する。電力検出部３５は、電流センサ４５により検出されたインバータ２１電流Ｉdcと、電圧検出部３３による検出電圧Ｖdcとにより、インバータ２１の直流出力電力Ｗdcを検出する。

以上のように構成される駆動制御装置２０は、発電機１０を発電動作させる時は、外部より、出力電圧、出力電力、出力電流、回転数及び効率に関する指令を入力し、それらの指令に応じてインバータ２１の制御を行う。また、駆動制御装置２０は、発電機１０をモータ動作（力行動作）させる時は、回転数、電力、電流に関する指令を外部より入力し、インバータ２１の制御を行う。

２．発電機の駆動制御装置の応用例
ここで、図１に示す駆動制御装置２０を用いた種々の発電装置の応用例を示す。

（応用例１）
図２は、図１に示す駆動制御装置２０を利用した風力発電装置の構成例を示した図である。風力発電装置は、プロペラ６１に連結された発電機６０と、発電機６０の発電動作、モータ動作を制御する駆動制御装置２０と、発電機で発電された電力を蓄積するバッテリ７２と、バッテリ７２に蓄積された電力を所定の交流電圧に変換する出力用インバータ７３を備える。発電時においては、プロペラ６１で受けた風力を発電機６０にて電気エネルギに変換し、その電気エネルギをバッテリ７２に蓄積する。出力用インバータ７３は、バッテリ７２に蓄積された直流電圧を所望の交流電圧に変換して供給する。駆動制御装置２０に対しては設定器７１から指令が入力される。駆動制御装置２０は、内部に含むインバータにより発電機６０の電流、電圧、進角（位相）等を適宜制御し、発電機６０の発電動作またはモータ動作を制御することにより、出力電圧、出力電流の制御を行う。また、風力による発電機６０の始動を補助するために定期的に、発電機６０をモータとして起動し、プロペラ６１の回転動作を補助する。

（応用例２）
図３は、図１に示す駆動制御装置２０を利用した車両用発電装置の構成例を示した図である。車両用発電装置は、エンジン６３に連結した発電機６０と、発電機６０を駆動制御する駆動制御装置２０と、発電した電力を蓄積するキャパシタ（またはバッテリ）８１と、蓄積した電力を所望の電力に変換する出力用インバータ８２とを備える。発電時においては、エンジン６３の回転力を用いて発電された電気エネルギをキャパシタ（またはバッテリ）８１に直流電圧として蓄積する。出力用インバータ８２は、バッテリまたはキャパシタ８１に蓄積された直流電圧を所定の交流電圧に変化して供給する。

（応用例３）
図４は、図１に示す駆動制御装置２０を利用した発動発電装置の構成例を示した図である。発動発電装置の構成、動作は基本的に図３に示す車両用発電装置の構成と同じであるので、説明は省略する。

３．発電機の駆動制御装置の動作
以下、図１に示す駆動制御装置２０を図２に示すような風力発電へ適用した場合を例として、駆動制御装置２０の動作について説明する。

最初に基本的な動作を説明する。発電機１０の回転子１１の回転軸にはプロペラ６１が連結されている。このプロペラが受けた風力により発電機１０において交流電圧が生成される。この交流電圧はインバータ２１により直流電圧に変換され、平滑コンデンサ４６により平滑され、バッテリ３０に充電される。バッテリ３０に充電された電圧は、電源として負荷５０に供給される。

駆動制御装置２０は、発電機１０を発電機として動作させる場合のモード（発電モード）と、発電機１０をモータとして動作（力行動作）させる場合のモード（モータモード）とを有する。発電モードには、出力電圧、出力電力等を制御するための種々の動作モードがある。発電モードは発電制御部２７により制御される。また、モータモードは、始動時の起動アシストや、余剰電力を放電させる際に利用される。モータモードはモータ制御部２５により制御される。これらの動作モードの詳細は後述する。

本実施形態の発電システムにおいて、発電機１０は、固定子に永久磁石が埋込まれた永久磁石埋込型モータ（ＩＰＭ）を用いている。ＩＰＭは一般的に図５に示すような、電流進角（位相）の絶対値に対するトルク特性を示す。同図において、実線はモータトルク、破線はリラクタンストルク、一点鎖線はマグネットトルクをそれぞれ示す。モータ動作の場合には正の電流進角を示し、発電動作の場合には負の電流進角を示す。同図に示すように、モータ動作時において発生するモータトルクと、発電動作時において発生する発電量は、電流進角の変化に伴い変化する。例えば、発電動作において、電流進角量を０°から増加させていくと、実線で示すモータトルク（すなわち発電量）は増加していき、電流進角βpにおいてピークとなり、その後、減少していく。このように、ＩＰＭでは電流進角量を制御することにより発電量を制御することができる。なお、以下の説明では、電流進角量をβpに制御し、最大の発電量が得られるときの状態を「最大発電」といい、電流進角量を９０°に制御し、発電量が最小となるときの状態を「最小発電」という。

図６（ａ）は、電流進角量を約９０°に制御してＩＰＭをモータ動作（力行動作）させたときの、モータ誘起電圧（Ｅ）、モータ電流（Ｉ）、ｄ軸電流によるモータ内部の電圧降下（Ｖ）の関係を示した図である。同図において、モータ電流（Ｉ）は誘起電圧に対し約９０°位相が進んでいる。図６（ｂ）は、電流進角量を約９０°に制御した場合のモータへの印加電圧を示す。図６に示すようにモータ動作時、電流進角量を正（＋）方向に制御した場合、電圧ベクトル図は図８（ａ）のようになる。巻線抵抗による電圧降下を無視した場合、同図において、ωφａは誘起電圧であり、ωＬd・Ｉdはｄ軸電流による内部電圧降下であり、ωＬq・Ｉqはｑ軸方向の内部電圧降下であり、Ｖａはモータ印加電圧であり、Ｌd、Ｌqは、固定子巻線のインダクタンスのｄ軸、ｑ軸方向の成分である。同図に示すように、ｄ軸電流を適宜制御することにより、内部電圧降下分（ωＬd・Ｉd）が寄与し、誘起電圧ωφａより小さいモータ印加電圧Ｖａでの駆動を可能としている。

図７（ａ）は、電流進角量を約−９０°に制御してＩＰＭを発電機として動作させたときの、モータ誘起電圧（Ｅ）、モータ電流（Ｉ）、ｄ軸電流によるモータ内部の電圧降下（Ｖ）の関係を示した図である。同図において、モータ電流（Ｉ）は誘起電圧に対し約９０°位相が遅れている。図７（ｂ）は、電流進角量を約−９０°に制御した場合の発電電圧を示す。図７に示すように発電動作時、電流進角量を負（−）方向に制御した場合、電圧ベクトル図は図８（ｂ）のようになる。巻線抵抗による電圧降下を無視した場合、同図において、Ｖａは発電電圧である。同図に示すように、ｄ軸電流を適宜制御して内部電圧降下成分（ωＬd・Ｉd）が寄与し、発電電圧Ｖａの大きさを一定値に制限することを可能としている。本実施形態では、このようなＩＰＭの弱め界磁制御を利用し、以下に説明する種々の制御を行う。

以下に、発電動作時における種々の動作モードについて詳細に説明する。

（出力電圧制御モード）
図９のフローチャートを用いて、駆動制御装置２０による、発電時の出力電圧を略一定に制御する出力電圧制御を説明する。

電圧検出部３３により検出したインバータ直流出力電圧（以下「ＤＣ電圧」という。）Ｖdcを、その設定値と比較する（Ｓ１１）。ＤＣ電圧Ｖdcが設定値より小さい場合、インバータ出力電圧が所望値より低いと判断され、電流振幅を所定値だけ増加させる（Ｓ１２）。このとき、増加させた電流振幅がその上限を超えているか否かを判断する（Ｓ１３）。増加させた電流振幅が上限を超えていれば、電流振幅を変化させることによる出力電圧の増加は期待できないので、電流進角による出力電圧の上昇を試みる。このため、電流進角を最大発電側へシフトする（Ｓ１４）。つまり、電流進角を図５におけるβpに近づけるようにシフトする。

一方、ＤＣ電圧Ｖdcが設定値以上の場合、インバータ出力電圧が所望値より高いと判断され、電流振幅を所定値分低減する（Ｓ１５）。このとき、低減した電流振幅が電流振幅の下限を下回るか否かを判断する（Ｓ１６）。低減した電流振幅が下限を下回ったときは、電流振幅を変化させることによる出力電圧の低下は期待できないため、電流進角による出力電圧の低減を試みる。このため、電流進角を最小発電側へシフトする（Ｓ１７）。つまり、電流進角を図５における９０°に近づけるようにシフトする。

なお、ステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１６においては、電流振幅を変化させるかわりにＰＷＭ変調率（デューティ）を変化させてもよい。

出力電圧制御の別の例を図１０のフローチャートを用いて説明する。

電圧検出部３３により検出したインバータの直流出力電圧（ＤＣ電圧）Ｖdcを、その設定値と比較する（Ｓ２１）。ＤＣ電圧Vdcが設定値より小さい場合、インバータ２１の出力電圧が所望値より低いと判断され、最大発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ２２）。このとき、発電量（トルク）がその上限を超えているか否かを判断し（Ｓ２３）、超えていれば、ＰＷＭ変調率を増加させる（Ｓ２４）。ここで、発電量（トルク）の上限とは、図５において電流進角量がβpのときの発電量である。

一方、ＤＣ電圧Ｖdcが設定値以上の場合、インバータ２１の出力電圧が所望値より高いと判断され、最小発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ２５）。このとき、発電量（トルク）がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ２６）、下回れば、ＰＷＭ変調率を低減する（Ｓ２７）。ここで、発電量（トルク）の下限とは、図５において電流進角量が９０°のときの発電量である。

なお、ステップＳ２４、Ｓ２７においては、ＰＷＭ変調率を変化させるかわりに電流振幅を変化させてもよい。

図９に示す出力電圧制御は電流振幅を優先して制御しているので、負荷の電流変動による比較的小さな電圧変化時に有効である。これに対し、図１０に示す出力電圧制御は、電流進角（位相）を優先して制御しているので、回転数変化による比較的大きな電圧変化時に有効である。

以上のように、２つの制御の使い分けとしては、負荷や回転数によって使い分けたり、それらの変動を検出して使い分けるのが望ましい。駆動制御装置２０によって電流振幅（負荷）及び電流進角を調整することにより発電システムの出力電圧を一定値に制御することができる。なお、電流振幅と電流進角の双方を調整する代わりに、いずれか一方のみを調整するようにしてもよい（以下の制御において同じ）。

（出力電流制御モード）
図１１のフローチャートを用いて、駆動制御装置２０による、発電時の出力電流を略一定に制御する出力電流制御を説明する。

電流センサ４５により検出したインバータ電流（以下「ＤＣ電流」という。）Ｉdcを、その設定値と比較する（Ｓ３１）。ＤＣ電流Ｉdcが設定値より小さい場合、インバータ出力電流が所望値より小さいと判断され、電流振幅を所定値分増加させる（Ｓ３２）。このとき、増加させた電流振幅がその上限を超えているか否かを判断する（Ｓ３３）。増加させた電流振幅がその上限を超えていれば、電流振幅による出力電流の増加は期待できないため、電流進角による制御を行う。このため、電流進角を最大発電側へシフトする（Ｓ３４）。

一方、ＤＣ電流Ｉdcが設定値以上の場合、インバータ出力電流が所望値より大きいと判断され、電流振幅を所定値分低減する（Ｓ３５）。このとき、低減した電流振幅がその下限を下回るか否かを判断する（Ｓ３６）。低減した電流振幅がその下限を下回れば、電流振幅による出力電流の増加は期待できないため、電流進角による制御を行う。このため、電流進角を最小発電側へシフトする（Ｓ３７）。

なお、ステップＳ３２、Ｓ３３、Ｓ３５、Ｓ３６においては、電流振幅を変化させるかわりにＰＷＭ変調率（デューティ）を変化させてもよい。

出力電流制御の別の例を図１２のフローチャートを用いて説明する。

電流センサ４５により検出したインバータの直流出力電流（ＤＣ電流）Ｉdcを、その設定値と比較する（Ｓ４１）。ＤＣ電流Ｉdcが設定値より小さい場合、インバータ２１の出力電圧が所望値より小さいと判断され、電流進角を最大発電側へシフトする（Ｓ４２）。このとき、発電量がその上限を超えているか否かを判断し（Ｓ４３）、超えていれば、ＰＷＭ変調率を増加させる（Ｓ４４）。

一方、ＤＣ電流Ｉdcが設定値以上の場合、インバータ２１の出力電流が大きいと判断され、電流進角を最小発電側へシフトする（Ｓ４５）。このとき、発電量がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ４６）、下回れば、ＰＷＭ変調率を低減する（Ｓ４７）。

なお、ステップＳ４４、Ｓ４７においては、ＰＷＭ変調率を変化させるかわりに電流振幅を変化させてもよい。

図１１に示す出力電流制御は電流振幅を優先して制御しているので、負荷の電流変動による比較的小さな電流変化時に有効である。これに対し、図１２に示す出力電流制御では、電流進角（位相）を優先して制御しているので、回転数変化による比較的大きな電流変化時に有効である。

以上のように、駆動制御装置２０によって電流振幅（負荷）及び電流進角を調整することにより発電システムの出力電流を一定値に制御することができる。

（出力電力制御モード）
図１３のフローチャートを用いて、駆動制御装置２０による、発電時の出力電力を略一定に制御する出力電力制御を説明する。

電力検出部３５により検出したインバータ２１の出力電力（以下「ＤＣ電力」という。）Ｗdcを、その設定値と比較する（Ｓ５１）。ＤＣ電力Ｗdcが設定値より小さい場合、インバータ２１の出力電力が所望値より小さいと判断され、電流振幅を増加させる（Ｓ５２）。このとき、増加させた電流振幅がその上限を超えているか否かを判断し（Ｓ５３）、超えていれば、最大発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ５４）。

一方、ＤＣ電力Ｗdcが設定値以上の場合、インバータ出力電力が所望値より大きいと判断され、電流振幅を低減する（Ｓ５５）。このとき、低減した電流振幅がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ５６）、下回れば、最小発電側へ電流進角（位相）をシフトする（Ｓ５７）。

なお、ステップＳ５２、Ｓ５３、Ｓ５５、Ｓ５６においては、電流振幅を変化させるかわりにＰＷＭ変調率を変化させてもよい。

出力電力制御の別の例を図１４のフローチャートを用いて説明する。

電力検出部３５により検出したインバータの直流出力電力（ＤＣ電力）Ｗdcを、その設定値と比較する（Ｓ６１）。ＤＣ電力Ｗdcが設定値より小さい場合、インバータ２１の出力電力が所望値より小さいと判断され、最大発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ６２）。このとき、発電量がその上限を超えているか否かを判断し（Ｓ６３）、超えていれば、ＰＷＭ変調率を増加させる（Ｓ６４）。

一方、ＤＣ電力Ｗdcが設定値以上の場合、インバータ２１の出力電力が所望値より大きいと判断され、最小発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ６５）。このとき、発電量がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ６６）、下回れば、ＰＷＭ変調率を低減する（Ｓ６７）。

なお、ステップＳ６４、Ｓ６７においては、ＰＷＭ変調率を変化させるかわりに電流振幅を変化させてもよい。

図１３に示す出力電力制御は電流振幅を優先して制御しており、負荷変動による小さな電力変化時に有効である。これに対し、図１４に示す出力電力制御では、電流進角（位相）を優先して制御しており、回転数変化による大きな電力変化時に有効である。

以上のように、２つの制御の使い分けとしては、負荷や回転数によって使い分けたり、それらの変動を検出して使い分けるのが望ましい。駆動制御装置２０によって電流振幅（負荷）及び電流進角を調整することにより発電システムの出力電力を一定値に制御することができる。

（回転数制御モード）
図１５のフローチャートを用いて駆動制御装置２０による発電時の回転数制御を説明する。

回転数検出部３１により検出した発電機１０の回転数ｎを、その設定値と比較する（Ｓ７１）。回転数ｎが設定値より小さい場合、回転数が所望値より小さいと判断され、電流振幅を低減する（Ｓ７２）。このとき、低減した電流振幅がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ７３）、下回れば、最小発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ７４）。

一方、回転数が設定値以上の場合、回転数が所望値より大きいと判断され、電流振幅を増加する（Ｓ７５）。このとき、増加した電流振幅がその上限を超えるか否かを判断し（Ｓ７６）、超えれば、最大発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ７７）。

なお、ステップＳ７２、Ｓ７３、Ｓ７５、Ｓ７６においては、電流振幅を変化させるかわりにＰＷＭ変調率を変化させてもよい。

回転数制御の別の例を図１６のフローチャートを用いて説明する。
回転数検出部３１により検出した発電機１０の回転数ｎを、その設定値と比較する（Ｓ８１）。回転数ｎが設定値より小さい場合、回転数が所望値より小さいと判断され、最小発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ８２）。このとき、発電量がその上限を超えているか否かを判断し（Ｓ８３）、超えていれば、ＰＷＭ変調率を低減する（Ｓ８４）。

一方、回転数ｎが設定値以上の場合、回転数が所望値より大きいと判断され、最大発電側へ電流進角をシフトする（Ｓ８５）。このとき、発電量がその下限を下回るか否かを判断し（Ｓ８６）、下回れば、ＰＷＭ変調率を増加する（Ｓ８７）。

なお、ステップＳ８４、Ｓ８７においては、ＰＷＭ変調率を変化させるかわりに電流進角を変化させてもよい。

図１５に示す回転数制御は電流振幅を優先して制御しており、負荷の電流変動による比較的小さな回転数変化時に有効である。これに対し、図１６に示す回転数制御では、電流進角（位相）を優先して制御しており、比較的大きな回転数変化時に有効である。

以上のように、駆動制御装置２０によって電流振幅（負荷）及び電流進角を調整することにより発電機１０の回転数を一定値に制御することができる。

（始動モード）
発電制御部は、発電機１０の始動時の動作モードである始動モードと、発電機１０の定常運転状態において発電機を運転する通常動作モードとを有する。通常動作モードでは、発電機１０の固定子巻線の誘起電圧ｖ及び巻線電流ｉに基づいて回転子位置θの検出が行われ、インバータ２１のスイッチング素子のオン・オフが制御される。

始動モード時の動作について説明する。
一般に、無負荷誘起電圧と発電機１０の回転子位置とは位相が所定値だけずれている（図１７参照）。よって、無負荷誘起電圧をモニタすることにより回転子位置を検出することができる。そこで、本実施形態の駆動制御装置２０は、発電機１０の始動時において、無負荷時の誘起電圧又は無負荷とみなされる程小さい軽負荷時の誘起電圧を検出し、回転子の初期位置を特定する。回転子の初期位置が検出された後、通常動作モードに移行する。なお、この場合、初期位置の代わりに回転数を検出してもよい。また、無負荷とみなされる程小さい軽負荷は、所定の値を基準として判断してもよいし、遮断機４１、４２をオフにすることで、無負荷と判断してもよい。

また、始動時において、発電機１０の固定子１３を回動しないように固定した状態で固定子１３の所定相に通電して位置決めし、その後に、固定を解除し、回転を始動させるようにしてもよい。このようにしても回転子の初期位置を認識できる。

そして、前記の始動時と、始動モードから通常動作モード移行後、しばらくの間において、発電制御部２７は、電流振幅をゼロまたは実質的にゼロに等しい値になるようインバータ２１のスイッチング素子のオン・オフを制御する。これにより、始動後、位置検出が安定するまでの間、発電を抑制する。発電を抑制した運転中において、回転子の位置検出が安定した時点で、通常の発電制御を行う。また、始動モード時と、通常運転モードへの移行後しばらくの間において、電流進角を大きくし、発行効率を低下させ、発電を抑制した状態にしてもよい。これは始動モード時では、位置検出が正確に行われないことから、発電機として十分に機能させることができなかったり、位置のアンマッチングにより、発電機に過電流が流れるのを防止するためである。

また、駆動制御装置２０は始動時において風力が小さく、風力のみでは、発電機１０の回転子が回転しないときは、発電機１０をモータとして動作させて発電機１０の回転動作を補助するようにしてもよい。

（保護機能動作）
駆動制御装置２０は保護機能を有している。すなわち、発電制御部２７は、電圧検出部３３や発電機電圧ｖに基づき、風速が大きく過電圧が発生していると判断したときは、遮断機４１、４２を作動させ、一時的に発電機１０からの電力供給を遮断する。これにより、発電システムを過電圧による破壊から保護する。

また、駆動制御装置２０は、電圧検出部３３や電流センサ４５からの検出値Ｖdc、Ｉdcにより、負荷からの回生や負荷の増大によって、過電圧、過電流が発生していると判断したときは、遮断機４２を作動させる。これにより、過電圧、過電流からインバータ２１の破壊を防止する。

また、発電制御部２７は、発電機１０の故障を検出し、故障が検出されたときに、インバータ２１の各スイッチング素子や、短絡用のスイッチを用いて発電機の出力を短絡することで発電機１０に制動をかけ、強制的に発電機１０の回転を停止させるようにしてもよい。故障については、回転速度ムラが検出されたときや、想定した電圧が得られないとき等に検出できる。なお、回転速度ムラは、発電される電圧や、電流センサ４３、４４により検出された電流の周波数、波形、リップルを検出することにより判断できる。故障検出時に発電機１０を停止させることで、さらなる故障の発生を防止できる。

（その他の制御）
駆動制御装置２０は、発電機１０の回転数を監視し、回転数が所定値を超えたことが検出された場合（すなわち過剰に発電してしまう場合）は、回転数を抑制するよう制御する。この場合、インバータ２１の各スイッチング素子や、短絡用のスイッチを用いて発電機の出力を短絡することでも、モータ回転数を低減することは可能である。このような制御により、風力が非常に強い場合でも、回転数を抑制できる。

また、逆に、発電機１０の駆動中に風力が弱まり、停止のおそれが生じたときは、バッテリ３０から電力を供給して発電機１０を力行動作させ、一定の回転数を維持するよう、回転動作を補助するようにするのが好ましい。これは、風力発電システムにおいて一旦回転を停止させると、再度起動する際には多大な負荷がかかるため、回転を維持させることが重要であるからである。

以上のように、本実施形態の発電システムはインバータ２１を備え、これを用いて負荷量（モータ電流振幅）及び電流進角量を調整する。これにより、きめ細やかな出力電圧、出力電流、出力電力等の制御が可能となる。

（バッテリ充電）
図１８はバッテリ３０の充電方法を説明した図である。図１８に示すような充電方法で充電するため、駆動制御装置２０は次のような制御を行う。

駆動制御装置２０は、充電開始後しばらくは、図１１、１２のフローチャートで示した出力電流制御を行って、バッテリ３０に対して一定電流での充電を行う。そして、バッテリ３０の電圧が所定値Ｖthに達すると、図９、１０のフローチャートで示した出力電圧制御に切替え、バッテリ３０に対して一定電圧での充電を行う。これによりバッテリの充電電流は低下していき、やがて、バッテリの充電電流が所定値Ｉthに達すると、駆動制御装置２０は、出力電圧の設定値をより低い値に変更して出力電圧制御を継続する。その後、充電電流が定常状態になった時点で充電を終了する。

（キャパシタ充電）
図１においてバッテリ３０の代わりにキャパシタを使用することもできる。キャパシタの充電方法は図１９または図２０に示す方法がある。

図１９に示す方法により充電する場合、駆動制御装置２０は、図１１、１２のフローチャートで示した出力電流制御を行うことにより、終始、出力電流を一定に保持しながらキャパシタを充電する。また、図２０に示す方法により充電する場合、駆動制御装置２０は、図１３、１４のフローチャートで示した出力電力制御を行うことにより、出力電力を一定に保持しながらキャパシタを充電する。

なお、上記の動作説明では、風力を動力源として発電システムについて説明したが、動力源は風力に限らず、他の動力源であっても本発明の技術思想は同様に適用できることは言うまでもない。

本発明は、発電機の位置センサレス駆動を行う駆動制御装置に適用であって、小型化、高い信頼性が要求される駆動制御装置に有用である。例えば、風力を動力源とした風力発電システムに好適である。

本発明に係る発電機の駆動制御装置を用いた発電システムの構成を示した図である。 図１に示す駆動制御装置を利用した風力発電装置の構成例を示した図である。 図１に示す駆動制御装置を利用した車両用発電装置の構成例を示した図である。 図１に示す駆動制御装置を利用した発動発電装置の構成例を示した図である。 ＩＰＭ（永久磁石埋込型モータ）における電流進角に対するトルク特性を示した図である。 （ａ）電流進角量を約９０°に制御してＩＰＭをモータ動作（力行動作）させたときのモータ誘起電圧、モータ電流、ｄ軸電流によるモータ内部の電圧降下の関係を示した図、（ｂ）電流進角量を約９０°に制御した場合のモータへの印加電圧を示した図である。 （ａ）電流進角量を約−９０°に制御してＩＰＭを発電機として動作させたときの、モータ誘起電圧、モータ電流、ｄ軸電流によるモータ内部の電圧降下の関係を示した図、（ｂ）電流進角量を約−９０°に制御した場合の発電電圧を示した図である。 （ａ）電流進角量を約９０°に制御した場合の電圧ベクトル図、（ｂ）電流進角量を約−９０°に制御した場合の電圧ベクトル図である。 出力電圧制御のフローチャートである。 出力電圧制御の別の例のフローチャートである。 出力電流制御のフローチャートである。 出力電流制御の別の例のフローチャートである。 出力電力制御のフローチャートである。 出力電力制御の別の例のフローチャートである。 回転数制御のフローチャートである。 回転数制御の別の例のフローチャートである。 無負荷誘起電圧と発電機の回転子位置との位相関係を示した図である。 駆動制御装置によるバッテリの充電方法を説明した図である。 駆動制御装置によるキャパシタの充電方法を説明した図である。 駆動制御装置によるキャパシタの充電方法の別の例を説明した図である。

符号の説明

１０ 発電機
１１ 発電機の回転子
１３ 発電機の固定子
２０ 発電機の駆動制御装置
２３ ＰＷＭ電圧制御部
２５ モータ制御部
２７ 発電制御部
２９ 回転子位置検出部
３０ バッテリ（キャパシタ）
３１ 回転数検出部
３３ 電圧検出部
３５ 電力検出部
４３、４４ 電流センサ
４１、４２ 遮断機
４６ 平滑コンデンサ
５０ 負荷
β 電流進角量
ω 発電機回転角速度（電気角）
ｉq ｑ軸電流成分
ｉd ｄ軸電流成分
φａ 磁束

Claims (18)

1. 永久磁石が埋込まれた回転子と固定子を含む発電機を位置センサレス方式で駆動する装置であって、
   複数の整流ダイオードと複数のスイッチング素子を含み、前記発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する発電用インバータと、
   前記インバータのスイッチング素子のオン・オフを制御して発電出力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は前記固定子巻線の誘起電圧に基づいて前記回転子位置を検出し、該検出した回転子位置に応じて固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅の少なくともいずれかを制御することにより、出力電圧及び出力電流の少なくともいずれかを制御することを特徴とする発電機の駆動制御装置。
2. 前記制御手段は、発電機の始動時に用いる動作モードである始動モードと、定常運転状態において発電機の固定子巻線の誘起電圧に基づいて回転子位置を検出しながら発電機を運転する通常動作モードとを有することを特徴とする請求項１記載の発電機の駆動制御装置。
3. 前記制御手段は、前記始動モードにおいて無負荷時の誘起電圧を検出し、該検出した誘起電圧に基づいて初期位置を検出し、その初期位置検出後に前記通常動作モードに移行することを特徴とする請求項２記載の発電機の駆動制御装置。
4. 前記制御手段は、前記始動モードにおいて無負荷時の誘起電圧を検出し、該検出した誘起電圧に基づいて回転数を検出し、その回転数検出後に前記通常動作モードに移行することを特徴とする請求項２記載の発電機の駆動制御装置。
5. 前記制御手段は、前記始動モードから通常モードに移行する間、電流振幅を略ゼロに制御して発電を抑制することを特徴とする請求項２記載の発電機の駆動制御装置。
6. 前記制御手段は、前記始動モードにおいて、電流進角を制御して発電を抑制することを特徴とする請求項２記載の発電機の駆動制御装置。
7. 前記制御手段は、前記インバータに流れる電流または前記インバータの出力電圧を検出し、過電流または過電圧が検出されたときに、前記インバータを発電機または負荷から切り離すことを特徴とする請求項１記載の発電機の駆動制御装置。
8. 前記制御手段は前記発電機の故障を検出し、故障が検出されたときに発電を停止させることを特徴とする請求項１記載の発電機の駆動制御装置。
9. 前記発電機の故障は、発電機の回転速度ムラ及び電流波形のうちの少なくともいずれかで検出することを特徴とする請求項８記載の発電機の駆動制御装置。
10. 前記発電機は風力を動力源として発電することを特徴とする請求項１記載の発電機の駆動制御装置。
11. 前記制御手段は、前記発電機の始動時において前記発電機を力行動作させて、前記発電機の始動時の回転を補助することを特徴とする請求項１０記載の発電機の駆動制御装置。
12. 前記制御手段は、前記発電機の運転中において、発電機の回転数を検出し、回転数が所定値以下になったときは、前記発電機を力行動作させて前記発電機の回転数を所定値以上に維持することを特徴とする請求項１０記載の発電機の駆動制御装置。
13. 前記制御手段は、
    固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電圧を略一定に制御する定電圧制御モード、
    固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電流を略一定に制御する定電流制御モード、
    固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、出力電力を略一定に制御する定電力制御モード、及び
    固定子巻線電流の電流進角及び電流振幅を制御し、前記発電機の回転数を略一定に制御する回転数制御モード
    のうちの少なくとも１つの動作モードを有することを特徴とする請求項１記載の発電機の駆動制御装置。
14. 前記インバータにより変換された電力がバッテリに蓄電される場合に、前記制御手段は、前記バッテリの充電動作において、定電流モードまたは定電圧モードにより、充電電流または充電電圧を略一定に制御しながらバッテリを充電することを特徴とする請求項１３記載の発電機の駆動制御装置。
15. 前記インバータにより変換された電力がバッテリに蓄電される場合に、前記制御手段は、前記バッテリの充電動作において、最初、定電流モードにより充電電流を略一定に制御しながら充電を行い、その後、定電圧モードに切替えて充電電圧を略一定に制御しながらバッテリを充電することを特徴とする請求項１３記載の発電機の駆動制御装置。
16. 前記インバータにより変換された電力がバッテリに蓄電される場合に、前記制御手段は、前記バッテリの充電動作において、最初、定電流制御モードにより充電電流を略一定に制御しながらバッテリを充電し、バッテリの充電電圧が所定値に達したときに定電圧制御モードに切替えて、充電電圧を略一定に制御しながらバッテリを充電し、その後、バッテリの充電電流が所定値に達したときに、設定電圧をさらに下げた定電圧制御モードで充電することを特徴とする請求項１３記載の発電機の駆動制御装置。
17. 前記インバータにより変換された電力がキャパシタに蓄電され、該キャパシタ経由で電力が負荷に供給される場合、前記制御手段は、前記定電流制御モードにより充電電流を略一定に制御しながら前記キャパシタを充電することを特徴とする請求項１３記載の発電機の駆動制御装置。
18. 前記インバータにより変換された電力がキャパシタに蓄電され、該キャパシタ経由で電力が負荷に供給される場合、前記制御手段は、前記定電力制御モードにより充電電力を一定に制御しながら前記キャパシタを充電することを特徴とする請求項１３記載の発電機の駆動制御装置。
    

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