JP2006262689A - 磁束減少の場合における電動機の制御方法とシステム - Google Patents

Abstract

【課題】同期又は非同期型の三相電源を有する電動機の制御のために、調速機において、磁束減少時に、実行される基準の修正方法とシステムを提供する。
【解決手段】電動機（Ｍ）に加えられる制御電圧制限値（ｕ）と算出された基準電圧値（ｕ_ｒｅｆ）の差を入力とする、少なくとも一つの積分器（Ｉｎｔ）を備えた、制御対象の電動機モデルである動的システム（ＭＭ）を使用することにある。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば同期又は非同期型の三相電源を有する電動機の制御のために、調速機に用いられた基準値の修正方法とシステムに関する。本発明は、速度測定値の帰還が行われない開ループ型、速度測定値の帰還が行われる閉ループ型にかかわらず、従来のベクトル制御の方式において用いられる。

開ループ型の従来のベクトル制御の方式において、電動機に印加される磁束の基準値、及び速度（又は周波数）基準値入力を適用することは知られている。これら２つのデータ、及び電動機のそれぞれの位相上での電流測定値に応じて、基準磁束電流、及び基準トルク電流が決定される。これら２つの電流から、電動機モデルの方程式を用いて、電動機に加える制御電圧が算出される。既知のように、これらの電圧は、ＰＷＭインバーターと呼ばれるパルス幅変調制御の一般的な電圧インバーターを用いて電動機に加えられる。このようなＰＷＭインバーターは、電圧制御法により、幅変調、及び正又は負の一連の一定振幅パルスを電動機に送出する。

このベクトル制御方式においては、入力で電動機の公称速度を上回る速度基準と一定磁束基準を指定する場合、これらの基準から算出される電圧は配電網上で利用可能な電圧、あるいは給電対象の電動機用に決定された電圧制限に適応しないことがあることが知られている。このような状況下では、一定値に磁束を維持することは困難であり、そのため、電動機上のトルク、速度、電流の振動といった不安定な状況が引き起こされる。この不安定な領域を磁束減少領域と呼ぶ。

この問題は、特許文献１において記述されており、算出基準電圧が、インバーターが供給できる電圧を上回った場合に基準磁束を修正することが提案されている。このために、システムは、基準電圧と、インバーターが供給可能な最大電圧とを比較する。算出された差異は、基準磁束に適用する修正値を決定するために用いられる。基準磁束は、インバーター用の基準電圧がインバーターの供給できる最大電圧以下である限り修正される。このようにして、磁束基準と実際磁束は常に適応することとなり、それにより、磁束減少が回避される。

しかしながら、このシステムにおいては、電流基準は動的に修正されず、そのため、電圧制限範囲とそれ以外の範囲におけるシステムの同一な安定特性は保証されない。
米国特許５２０４６０７号明細書

従って、本発明の目的は、弱め磁束領域（電圧制限内）においてもそれ以外の領域（電圧制限外）においても電動機制御の同一な安定特性を保持することを可能にする、電動機制御のために調速機に用いられる基準の修正の方法とシステムを提案することである。

このため、本発明は、調速機の制御法の入力で加えられる電流、及び磁束の基準の動的修正を行う。

本発明は、特に、電流及び磁束基準が電動機に加えられる基準電圧の算出に使用される制御法により機能する調速機に実装された、三相電源を有する電動機の制御のための方法に関し、上記方法は、計算された基準電圧が制限値を上回る値であった場合、電流及び磁束基準の修正値を算出し、この修正値を電流及び磁束基準に印加するステップとを備え、電流及び磁束基準の修正値が、電動機に適用される制御電圧制限値と算出された基準電圧値との差を入力とする少なくとも一つの積分器を備えた、制御対象の電動機のモデルである動的システムにより計算されることを特徴とする。

先行技術に反し、本発明の方法では、基準磁束と基準電流、双方の動的な修正が可能となり、それにより、制御電動機モデルと規模が等価な全般調整システムを所有できることになる。

本方法の一つの特徴によれば、算出された基準電圧が制限値を上回る値であった場合、電動機に加える制御電圧は制限値に等しくなる。

本発明は、また、三相電源を有する電動機用調速機において使用される制御システムに関し、上記システムは、特に電流及び磁束基準に応じて、電動機に加えられる基準電圧を計算するための手段を有し、上記システムは、電流及び磁束基準への修正値を算出し、基準電圧が制限値を上回る値であった場合に適用されるこの電流及び磁束基準の修正値を適用するための手段を有することを特徴とし、修正値は、電動機に加えられる制御電圧制限値と算出された基準電圧値の差を入力とする、少なくとも一つの積分器を備えた、制御対象の電動機モデルである動的システムにより計算される。

一つの特徴によれば、このシステムは、算出された基準電圧が制限値を上回る値であった場合、電動機に加える制御電圧を制限値に等しい値に制限する手段をも有する。

本発明によれば、磁束減少時に、電動機制御における安定特性を保持するために、電動機モデルを遵守しつつ、電流及び磁束基準の動的修正を行う。

その他の特性や利点は、例として示し、添付図面に図示した実施の態様を参照した以下の詳細な説明から明らかになる。

図１は、灰色部分が本発明を構成する工程を表す、電動機用調速機に用いられるベクトル制御の図を示す。

図２は、電流及び磁束基準の動的修正を行うために本発明で用いられる電動機モデルの機能を方式化して示す。
電動機Ｍの慣例的数学モデルは、次のような等式で表すことができる。

ここで、ｉｄは固定子の磁束電流であり、ｉｑは電動機のトルク電流であり、ψｒは回転子磁束であり、又、Ｖｄ及びＶｑは電動機に加える制御電圧である。

Ａ及びＢは、回転子の速度、及び電動機のパラメーターから値が算出されるマトリックスである。この等式に関する補足情報は、米国特許６２８１６５９号明細書に記載されている。
この等式（１）は、次のように表すことができる。

ここで、ｘは、制御対象のシステムの状態を表し、電動機に送出される電流、及び回転子磁束に対応し、ｕは、電動機に加えられる制御電圧を表す。

電動機制御の目的は、システムの状態ｘを下記の等式（３）で定義される基準ｘ_ｒｅｆに調整するために電圧制御ｕを創出することである。
図１によれば、上記の等式（２）により定義された電動機Ｍの数学モデルから、入力で適用されるｘ_ｒｅｆによって定義された電流及び磁束基準は、次のように定義できる。

ここで、ｕ_ｒｅｆは、電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆ、速度基準Ｗ_ｒｅｆから計算され、電動機Ｍに加えるための基準制御電圧であり、Ｃは、ｘの調整項である。従って、電動機モデルの方程式から算出される基準電圧ｕ_ｒｅｆ（１０、図１）は、次の等式（４）により定義される。

特に入力で指定される速度、磁束基準が不均一である場合、算出された基準電圧ｕ_ｒｅｆは、配電網により送出される電圧、又は電動機Ｍの正常な機能のために特定化された制限電圧と適応しないこともある。

このような状況下では、基準電圧値ｕ_ｒｅｆが電圧制限値ｕ_ｌｉｍをノルム（大きさ）で上回った場合、算出された基準電圧ｕ_ｒｅｆを、例えばノルムで既定の制限値ｕ_ｌｉｍに等しいような値ｕに制限できる電圧制限装置（２０）を使用する。この制限値ｕ_ｌｉｍは、例えば、配電網から送出される最大電圧値、又は、電動機Ｍに加えることのできる最大電圧値に対応してもよい。電動機に実際に加えられる電圧は、従って、電圧ｕ_ｒｅｆではなく値ｕ_ｌｉｍに等しいノルムの電圧ｕである。
システムの状態と電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆの差のダイナミックスは次の等式で定義される。

基準電圧が電圧制限値を下回っている限り、ｕとｕ_ｒｅｆの値は等しい。従って次の式が得られる。

しかしながら、電圧制限時には、上記の項ｕ−ｕ_ｒｅｆは、ゼロではない。回転子の磁束を一定に維持することが不可能な弱め磁束領域に位置しており、そのため、電動機Ｍの制御において不安定な状態を引き起こす。項ｕ−ｕ_ｒｅｆにより、システムと電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆ間のゼロではない差（上記等式（５））が導入される。発明によれば、この項ｕ−ｕ_ｒｅｆは、従って、差ｘ−ｘ_ｒｅｆ上に直接伝達はされない。積分器を有する上記等式（５）により定義された動的システムを通して伝達される。しかしながら、システムが電圧制限から出た場合、項ｕ−ｕ_ｒｅｆは、０となるが、差ｘ−ｘ_ｒｅｆは、システムの二次元配列Ａの定数に応じたある時間を経過した後にしかゼロに戻らない。
電圧制限の入出軌道のためのダイナミックスの精度を向上させるために、磁束基準を到達可能な値にし、それにより、電圧制限範囲外、及び電圧制限範囲内における電動機Ｍ制御の安定特性を保持するために電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆの動的修正を実行する。電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆの動的修正の原理は、次のような方法で修正値ｘ_ｃを算出するものである。

この等式（７）は、ｘ_ｃが電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆに適用する算出修正値であり、ｕが電動機に加えられる制限制御電圧であり、ｕ_ｒｅｆが電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆと速度基準Ｗ_ｒｅｆから算出され、例えば上記等式（４）により定義された基準電圧である電動機モデルを表す。

算出基準電圧ｕ_ｒｅｆと制限電圧ｕ間の差は、直接、電動機モデルである一連の方程式に送出される。こうして、上に定義された公式（７）から、ｘ_ｃの値を、電動機の状態数に等しい数の積分器（Ｉｎｔ、図２）を備えた動的システムＭＭを用いて計算する。

算出修正値ｘ_ｃは、それらを修正するために、入力で直接電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆに適用される。電流及び磁束修正基準ｘ_ｒｅｆｃは、従って、電流及び磁束基準ｘ_ｒｅｆと算出修正値ｘ_ｃの和に等しい。

修正値ｘ_ｃの計算は、ｕとｕ_ｒｅｆの間に電圧差がある限り行われる。

上記等式（７）から分かるように、電圧制限外において、つまりｕとｕ_ｒｅｆが等しい値である場合、ｘ_ｃの値は自然とゼロへと（電動機の固有ダイナミックスに従い）収束する。これに対し、電圧制限時には、差ｕ−ｕ_ｒｅｆは負であり、ｘ_ｃの値は減少傾向にある。その結果、電流及び磁束修正基準ｘ_ｒｅｆｃは、ｕとｕ_ｒｅｆの間の電圧差がなくなるまで減少する。
電流及び磁束修正基準の値ｘ_ｒｅｆｃは、次の等式で表される。

この計算を実行することで、次の式が得られる。

それによれば

である上記式（２）により定義された電動機モデルから、二次元マトリックスＡが安定している場合、ｘ−ｘ_ｒｅｆｃにより定義される、システムの状態と電流及び磁束修正基準間の差のダイナミックスは、次の式を立証することが分かる。

電圧ｕの値に関わらず、システムの状態と電流及び磁束修正基準ｘ_ｒｅｆｃとの間の差のダイナミックスを管理するこの式（１１）は、電圧制限の範囲外におけるシステムの状態と電流及び磁束基準との間の差のダイナミックスを管理する差ｘ−ｘ_ｒｅｆと同一の安定特性を全機能範囲において有する。これは、電圧制限範囲外（ｘ_ｃ＝０及びｕ＝ｕ_ｒｅｆ）において、式（２）と式（３）とから、次の式に等しい、差ｘ−ｘ_ｒｅｆのダイナミックスの公式が得られるからである。

電圧制限範囲外において得られたシステムの安定特性は、従って、弱め磁束領域において確実に保持される。電圧制限の入出軌道は、電流及び磁束基準の動的修正により、システムの軌道に従う安全特性を変えることなく、自然と管理される。

本発明の範囲を逸脱することなく、他の態様や細部改良の発想、均等手段の利用も考案可能であることはもちろんである。

灰色部分が本発明を構成する工程を表す、電動機用調速機に用いられるベクトル制御の図。 電流及び磁束基準の動的修正を行うために本発明で用いられる電動機モデルの機能を方式化して示す図。

符号の説明

１０ 基準電圧計算手段
２０ 電圧制限装置

Claims (4)

1. 電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）が、電動機（Ｍ）に加えられる基準電圧（ｕ_ｒｅｆ）の算出に使用される制御法に従う調速機に用いられた、三相電源を有する電動機（Ｍ）の制御のための方法において、
   計算された基準電圧（ｕ_ｒｅｆ）が制限値（ｕ_ｌｉｍ）を上回る値であった場合、電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）の修正値（ｘ_ｃ）の決定するステップと、
   この修正値（ｘ_ｃ）を電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）に印加するステップと、を備え、
   電動機（Ｍ）に加えられる制御電圧の制限値（ｕ）と算出された基準電圧値（ｕ_ｒｅｆ）との差を入力として有する、少なくとも一つの積分器（Ｉｎｔ）を備えた、制御対象の電動機（Ｍ）のモデルである動的システム（ＭＭ）により電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）の修正値（ｘ_ｃ）が計算されることを特徴とする方法。
2. 計算された基準電圧値（ｕ_ｒｅｆ）が制限値（ｕ_ｌｉｍ）を上回る値であった場合、電動機に加えられる制御電圧（ｕ）は制限値（ｕ_ｌｉｍ）に等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 三相電源を有する電動機用調速機において使用される制御システムにおいて、上記システムは、特に電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）に応じて、電動機（Ｍ）に加えられる基準電圧（ｕ_ｒｅｆ）を計算するための手段（１０）を有し、上記システムは、電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）への修正値（ｘ_ｃ）を算出し、基準電圧（ｕ_ｒｅｆ）が制限値（ｕ_ｌｉｍ）を上回る値であった場合に適用されるこの電流及び磁束基準（ｘ_ｒｅｆ）への修正値（ｘ_ｃ）を適用するための手段を有することを特徴とし、修正値（ｘ_ｃ）は、電動機（Ｍ）に加えられる制御電圧制限値（ｕ）と算出された基準電圧値（ｕ_ｒｅｆ）の差を入力とする、少なくとも一つの積分器（Ｉｎｔ）を備えた、制御対象の電動機のモデルである動的システム（ＭＭ）により計算されるシステム。
4. 計算された基準電圧（ｕ_ｒｅｆ）が制限値（ｕ_ｌｉｍ）を上回る値であった場合に、電動機（Ｍ）に加えられる制御電圧（ｕ）を制限値（ｕ_ｌｉｍ）に等しい値に制限する手段（２０）をも有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。

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