JP2008048594A

JP2008048594A - 回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法

Info

Publication number: JP2008048594A
Application number: JP2007203574A
Authority: JP
Inventors: Thorsten Harder; トルシュテン・ハルデーア; Dirk Beiser; ディルク・バイゼル; Fabio Conticelli; ファビオ・コンティチェリ; Patrick Bohren; パトリック・ボーレン
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2008-02-28
Also published as: ATE502433T1; EP1890377A1; RU2007130851A; EP1890377B1; PL1890377T3; DE502006009108D1; RU2426971C2; BRPI0703723A; ES2362003T3; US20080036408A1; US7521925B2; CA2597165A1

Abstract

【課題】回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法を提供する。
【解決手段】ステータ巻線のセットが、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転以内で、少なくとも三つの予め設定可能な短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）で、前記コンバータ・ユニットにより短絡される。次に、各ステータ電流（ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２）の位相角度（α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２）が、各短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）毎に決定され、位相角度差（Δｉ_１，Δｉ_２）が、二つの時間的に隣接する短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）のそれぞれにおいて決定される位相角度（α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２）から形成される。次に、最小の位相角度差（Δｉ_min ）が、これらの位相角度差（Δｉ_１，Δｉ_２）から決定され、負の最小の位相角度差（Δｉ_min ）の場合には、位相角度の補正分（Δｉ_ｃ）が、直近に決定された位相差（α_Ｔ２）に加算される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転式電気マシンのための運転方法の分野に係る。本発明は、独立特許請求項の前提書き部分に基づくロータの角度位置を決定するための方法または回転式電気マシンの磁束角度を決定するための方法に基づいている。

これまでの回転式電気マシンは、ステータ巻線のセット及びロータ巻線のセットを有しており、ステータ巻線のセットに、典型的には、対応するコンバータ・ユニットから電流が供給される。そのような回転式電気マシンのロータの角度位置は、今日では、主としてロータリー・エンコーダにより決定され、そのロータリー・エンコーダは、所望のロータの角度位置、即ち回転するときのロータの角度、または磁束角度を、与える。ロータの位置または磁束角度ベクトルの位置についての知識が、典型的には、マシンの調整のために、現在の複数の入力変数の内の一つとして、要求される。

しかしながら、ロータリー・エンコーダは、機械的な負荷に対して非常に感受性が高く、従って、しばしば、故障し、あるいは間違ったロータの角度位置の値を生じさせる。それに加えて、組み立てが複雑である。その理由はロータリー・エンコーダ自体が複雑で、それに加えて、当該マシンにロータリー・エンコーダを取り付けるために必要となる配線が、手間を要し且つ高価であるからである。それに加えて、そのようなロータリー・エンコーダは、常に、メインテナンスを必要とし、それは、更なる複雑さをもたらすことになる。

本発明の目的は、それ故に、回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法であって、非常に容易に実現されることが可能であり、頑丈で、且つロータリー・エンコーダ無しで実施可能な方法を規定することにある。

この目的は、請求項１の特徴部分により実現される。本発明の好ましい発展形態は、従属請求項の中で規定されている。

回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための本発明に基づく方法において、当該マシンは、ステータ巻線のセット及びロータ巻線のセットを有しており、ステータ巻線のセットには、対応するコンバータ・ユニットから電流が供給される。
本発明によれば、ステータ巻線のセットが、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転以内で、少なくとも三つの予め設定可能な短絡の時間で、コンバータ・ユニットにより短絡される。各ステータ電流の位相角度は、各短絡の時間毎に決定される。更に、位相角度差が、二つの時間的に隣接する短絡の時間のそれぞれにおいて決定される位相角度から形成され、そして、最小の位相角度差が、これらの位相角度差から決定される。負の最小の位相角度差の場合には、位相角度の補正分が、直近に決定された位相差に加算され、一方、正の最小の位相角度差の場合には、位相角度の補正分が、直近に決定された位相差から差し引かれる。位相角度の補正分の加算の後または位相角度の補正分の減算の後結果は、そのとき、要求されるロータの角度位置である。

本発明に基づく方法に基づく回転式電気マシンのロータの角度位置の決定は、それ故に、あらゆる欠点を有するロータリー・エンコーダ無しで、好ましくも可能であり、その結果として、全体として、頑丈で且つ非常にシンプルに実現される回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法が、実現される。

本発明の、これらの及び更なる目的、優位性及び特徴は、図面を参照しながらの本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明において、明らかにされる。原則として、図の中で同一の部品には、同一の参照符号が与えられている。

図１は、本発明に基づく方法において現れる回転式電気マシンのステータ電流の位相角度の時間プロファイルを示す。ステータ電流の位相角度のプロファイルは、図１に示されているように、０から２πへ進み、それから再び０で始まり、再び２πまで進み、それが繰り返される。このマシンは、ステータ巻線のセット及びロータ巻線のセットを有しており、ステータ巻線のセットには、この方法によれば、対応するコンバータ・ユニットから電流が供給される。回転式電気マシンは、典型的には、同期式マシンまたは非同期式マシンの形態である。

本発明に基づく方法において、ステータ巻線のセットは、今や、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転以内で、少なくとも三つの予め設定可能な短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２で、コンバータ・ユニットにより短絡される。図１は、例として、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転に対応するタイム・インターバルを示している。この回転の中で、ステータ巻線のセットが、少なくとも三つの予め設定可能な短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２で、コンバータ・ユニットにより短絡される。

図１に示されているように、各ステータ電流ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２の位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２は、各短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２毎に決定される。それぞれのステータ電流ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２は、好ましくは、特に測定により、例えば電流センサーによる測定により、決定され、各ステータ電流ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２の強度Ｉ_ＳＴＯ，Ｉ_ＳＴ１，Ｉ_ＳＴ２、及び各ステータ電流ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２の位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２が決定される。位相角度Δｉ_１，Δｉ_２の差は、二つの時間的に隣接する短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２のそれぞれにおいて決定される位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２から形成される。ロータの一回転以内での、所与の想定された三つの位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２での、関係する式は、以下のようになる：
Δｉ_１＝ α_Ｔ１ − α_Ｔ０
Δｉ_２＝ α_Ｔ２ − α_Ｔ１。

それに加えて、最小の位相角度差Δｉ_min が、次に、特に値の単純な比較により、これらの位相角度差Δｉ_１，Δｉ_２から決定される。負の最小の位相角度差Δｉ_min の場合には、位相角度の補正分Δｉ_ｃが、直近に決定された位相差α_Ｔ２に加算され、一方、正の最小の位相角度差Δｉ_min の場合には、位相角度の補正分Δｉ_ｃが直近に決定された位相差α_Ｔ２から差し引かれる。位相角度の補正分Δｉ_ｃは、好ましくは、π／２である。

この場合に、下記の事実が用いられる：即ち、回転式電気マシンのステータ電流が、一般的に、回転式電気マシンのステータ磁束に、π／２だけ遅れること、及び、ステータ磁束のベクトルの方向、即ち角度は、回転式電気マシンに負荷が掛けられていない場合には、ロータの角度位置（同期式マシンの場合）あるいは磁束角度ベクトルの位置（非同期式マシン）に対応することが、用いられる。位相角度の補正分Δｉ_ｃの直近に決定された位相差α_Ｔ２への上述の加算の後の結果、または、位相角度の補正分Δｉ_ｃの直近に決定された位相差α_Ｔ２からの減算の後の結果は、そのとき、必要とされるロータの角度位置である。

負の最小の位相角度差Δｉ_min が現れるか、従って、位相角度の補正分Δｉ_ｃ加算されるか、あるいは、正の最小の位相角度差Δｉ_min が現れるか、従って、位相角度の補正分Δｉ_ｃ差し引かれるかは、ロータの回転の方向に依存する。本発明に基づく方法に基づく回転式電気マシンのロータの角度位置の決定は、従って、好ましくも、あらゆる欠点を有するロータリー・エンコーダ無しで可能であり、その結果として、全体として、頑丈で且つ非常にシンプルに実現される回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法が、実現される。

ロータの所与の想定された速度でのロータの一回転以内で、短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２は、等間隔であることが好ましいことが、示されている。

以上において既に述べたように、各ステータ電流ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２の強度Ｉ_ＳＴＯ，Ｉ_ＳＴ１，Ｉ_ＳＴ２が、各短絡の時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２毎に、決定される。各決定された強度Ｉ_ＳＴＯ，Ｉ_ＳＴ１，Ｉ_ＳＴ２は、予め規定可能なモニタリング時間周期の中で、調整可能な強度スレッショルド値についてモニターされる。更に、位相差の合計値Δｉが、ロータの一回転以内で、決定された位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２から形成され、特に、決定された位相角度α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２の間の相違を形成することによって決定される。位相差の合計値Δｉが、次いで、位相差の合計値の調整可能なスレッショルド値についてモニターされる。

もし、当該マシンが、想定された速度よりも遅く、実際には回転している場合には、そのことは、調整可能な強度スレッショルド値が下側になること、または、位相差の合計値の調整可能なスレッショルド値が下側になることにより、示される。それ故に、調整可能な強度スレッショルド値が下側になった場合、または、位相差の合計値の調整可能なスレッショルド値が下側になったの場合には、ロータの想定された速度が、好ましくも減らされる。ロータの角度位置は、そのとき、上記のステップに基づいて、ロータの想定された速度を減らすことにより、正確に且つ明確に決定されることが可能である。

図１は、本発明に基づく方法における、回転式電気マシンのステータ電流の位相角度の時間プロファイルを示す。

Claims

回転式電気マシンのロータの角度位置を決定するための方法であって、このマシンは、ステータ巻線のセット及びロータ巻線のセットを有しており、当該方法において、ステータ巻線のセットには、対応するコンバータ・ユニットから電流が供給される、方法において、
ステータ巻線のセットが、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転以内で、少なくとも三つの予め設定可能な短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）で、前記コンバータ・ユニットにより短絡されること；
各ステータ電流（ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２）の位相角度（α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２）が、各短絡の時間毎に（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）決定されること；
位相角度差（Δｉ_１，Δｉ_２）が、二つの時間的に隣接する短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）のそれぞれにおいて決定される位相角度（α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２）から形成されること；
最小の位相角度差（Δｉ_min ）が、これらの位相角度差（Δｉ_１，Δｉ_２）から決定されること；及び、
負の最小の位相角度差（Δｉ_min ）の場合には、位相角度の補正分（Δｉ_ｃ）が、直近に決定された位相差（α_Ｔ２）に加算され、一方、正の最小の位相角度差（Δｉ_min ）の場合には、位相角度の補正分（Δｉ_ｃ）が、直近に決定された位相差（α_Ｔ２）から差し引かれること；
を特徴とする方法。
下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
前記位相角度の補正分（Δｉ_ｃ）は、π／２である。
下記特徴を有する請求項１または２に記載の方法：
前記短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）は、所与のロータの想定された速度でのロータの一回転以内で、等間隔である。
下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の方法：
各ステータ電流（ｉ_ＳＴＯ，ｉ_ＳＴ１，ｉ_ＳＴ２）の強度（Ｉ_ＳＴＯ，Ｉ_ＳＴ１，Ｉ_ＳＴ２）が、各短絡の時間（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）毎に決定され；
各決定された強度（Ｉ_ＳＴＯ，Ｉ_ＳＴ１，Ｉ_ＳＴ２）は、予め規定可能なモニタリング時間周期の中で、調整可能な強度スレッショルド値についてモニターされ；
位相差の合計値（Δｉ）が、ロータの一回転以内で決定された位相角度（α_Ｔ０，α_Ｔ１，α_Ｔ２）から形成され；
位相差の合計値（Δｉ）が、位相差の合計値の調整可能なスレッショルド値についてモニターされ；
前記調整可能な強度スレッショルド値が下側になった場合、または、位相差の合計値の前記調整可能なスレッショルド値が下側になった場合に、ロータの想定された速度が減らされる。