JP2009027799A - 円筒形同期電動機システム、並びに円筒形同期電動機の磁極位置検出方法およびその駆動方法 - Google Patents

円筒形同期電動機システム、並びに円筒形同期電動機の磁極位置検出方法およびその駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】円筒形同期電動機において、電機子巻線からの励磁によって界磁巻線磁極位置を検出する。
【解決手段】三相電機子巻線により回転磁界をつくる電機子を具備する円筒形同期電動機と、インバータを具備する駆動制御装置と、を有する円筒同期電動機システムにおいて、駆動制御装置は、円筒形同期電動機を起動するときに三相電機子巻線にステップ電圧ｅを印加して複数の異なる方向の起磁力を発生させるように構成された起磁力発生手段と、ステップ電圧により電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測手段と、その電流特性に基づいて磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、推定した磁極位置に基づいて回転子を回転磁界に同期させる同期手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形同期電動機システム、並びに円筒形同期電動機の磁極位置検出方法およびその同期電動機の駆動方法に関する。
従来の同期電動機では、位置センサを用いて回転子の磁極位置を検出することで電機子に流れる電流を調整し、同期電動機のトルク制御を行っている。また、同期電動機を始動するときには、その回転子を加速する動作が必要であり、インバータ等で運転する場合には回転子磁極位置を検出し、速度を０から、回転磁界に同期するようにインバータの周波数を徐々に増加させていくことが必要である。
しかし、同期電動機の大容量化などにより、これに伴い制御装置も大型化するため、コストアップとなる場合がある。さらに、例えばレゾルバやエンコーダ等の磁極検出用のセンサを用いた場合、使用環境の雰囲気や信号線へのノイズ混入などの問題が発生し、信頼性低下などが懸念される。
そこで、上記問題を解決する方法として、例えば特許文献１に開示されているように、磁極位置検出センサを設けることなく、同期電動機のトルク制御を行うセンサレス制御方式がある。
特開２０００−３１２４９３号公報
従来のセンサレス制御方式では、同期リアクタンスの突極性（Ｘｄ≒Ｘｑ）を利用して電機子巻線から交流を励磁して磁極位置を検出する方式は多く行われている。一方、円筒形同期電動機の場合、界磁巻線と制動巻線に電流が誘導しない定常状態の同期リアクタンスはＸｄ＝Ｘｑ、制動巻線に電流が誘導される初期過渡リアクタンス状態ではＸｄ”＝Ｘｑ”となるため、磁極位置検出は困難である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、円筒形同期電動機において、電機子巻線からの励磁によって界磁巻線の磁極位置を検出することである。
上記目的を達成するため本発明に係る円筒形同期電動機システム、三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機と、インバータを具備し前記円筒形同期電動機を可変速駆動する駆動制御装置と、を有する円筒同期電動機システムにおいて、前記駆動制御装置は、前記円筒形同期電動機を起動するときに、前記三相電機子巻線にステップ電圧を印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させるように構成された起磁力発生手段と、前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測手段と、その電流特性に基づいて、磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、推定した磁極位置に基づいて、前記回転子を前記回転磁界に同期させる同期手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る円筒形同期電動機の磁極位置検出方法は、三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機の磁極位置を、インバータを具備する駆動制御装置により検出する方法において、前記円筒形同期電動機を起動するときに、ステップ電圧を前記三相電機子巻線に印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させる起磁力発生工程と、前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測工程と、その電流特性を解析し、その結果に基づいて磁極位置を推定する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る円筒形同期電動機の駆動方法は、三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機を、インバータを具備する駆動制御装置により駆動する方法において、前記円筒形同期電動機を起動するときに、ステップ電圧を前記三相電機子巻線に印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させる起磁力発生工程と、前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測工程と、その電流特性を解析し、その結果に基づいて磁極位置を推定する工程と、推定した磁極位置に基づいて、前記回転子を前記回転磁界に同期させる同期工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、円筒形同期電動機において、電機子巻線からの励磁によって界磁巻線の磁極位置を検出することが可能であり、これを駆動制御に利用することができる。
以下、数式および図面を用いて本発明に係る円筒形同期電動機システムの実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における同期電動機の電機子巻線のモデルであり、ａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２およびｃ層電機子巻線３に向かって電圧ｅを印加したときの電機子電流の流れを示すモデル図である。互いに１２０度の角度となるようにａ相電機子巻線１、ｂ相電機子巻線２、およびｃ相電機子巻線３が放射状に配置されている。電圧ｅを印加させることにより、ａ相電機子巻線１から、ｂ相電機子巻線２およびｃ相電機子巻線３に向かい電流が流れる。なお、電流の向きは、放射状に配置された３つの電機子巻線の中心に向かって流れる電流を正とする。
図２は、図１の例における起磁力フェーザ図である。ａ相電機子巻線１に流れる電流ｉａは正方向で、ｂ相電機子巻線２に流れる電流ｉｂおよびｃ相電機子巻線３に流れる電流ｉｃは、負の方向である。また、ａ相電機子巻線１に流れる電流ｉａを＋ｉとした場合、ｂ相電機子巻線２に流れる電流ｉｂおよびｃ相電機子巻線３に流れる電流ｉｃは、−ｉ／２ずつ流れることになる。よって、図２における各電機子巻線を流れる電流を合成した合成電流９となる。
図３は、本実施形態における同期電動機の電機子巻線のモデルであり、ａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２に向かって電圧ｅを印加したときの電機子電流を示すモデル図である。
図４は、図３の例における起磁力フェーザ図である。ａ相電機子巻線１に流れる電流ｉａは正方向で、ｂ相電機子巻線２に流れる電流ｉｂは負の方向である。また、ａ相電機子巻線１に流れる電流ｉａを＋ｉとした場合、ｂ相電機子巻線２に流れる電流ｉｂは、−ｉとなる。よって、図４における各電機子巻線を流れる電流を合成した合成電流９となる。
上記例に基づいて本実施形態の各相を流れる電流をタイプ分けすると次のようになる。例えば、ａ相電機子巻線１を基準にした場合、ａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２、ａ相電機子巻線１からｃ相電機子巻線３、ａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２およびｃ相電機子巻線３、ｂ相電機子巻線２およびｃ相電機子巻線３からａ相電機子巻線１の４タイプが存在する。同様に、ｂ相電機子巻線２を基準にした場合、ｂ相電機子巻線２からｃ相電機子巻線３、ｂ相電機子巻線２からａ相電機子巻線１、ｂ相電機子巻線２からｃ相電機子巻線３およびａ相電機子巻線１、ｃ相電機子巻線３およびａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２、さらに、ｃ相電機子巻線３を基準とする場合、ｃ相電機子巻線３からａ相電機子巻線１、ｃ相電機子巻線３からｂ相電機子巻線２、ｃ相電機子巻線３からａ相電機子巻線１およびｂ相電機子巻線２、ａ相電機子巻線１およびｂ相電機子巻線２からｃ相電機子巻線３となり、合計１２タイプが存在する。
図５は、上記の１２タイプの電流を流す方向と、起磁力方向をまとめたものを示す表である。この図から明らかなように、本実施形態では、３０度毎に起磁力を発生することができる。
図６は、ａ相軸から起磁力方向と界磁巻線の起磁力方向５とのなす角、すなわち電気角θを示す図である。この電気角θを電機子からの励磁によって見出すことで磁極検出装置などのセンサを用いることなく、センサレス磁極検出が可能となる。本実施形態では、上記の最大１２通りの方法で、起磁力方向を変えてステップ電圧を印加して、電機子電流の変化を捉え、起磁力を計測する。
純粋なインダクタンスにステップ状の電圧を印加することにより、電機子電流は時間に比例してほぼ直線状に増大する特性を有している。この起磁力方向がｄ軸に一致すると、界磁巻線の電流が最も大きく誘導されることから、この電流特性を計測および解析することにより、磁極位置を推定することが可能となる。なお、この電流特性は、三角関数などにより分析することで磁極位置を推定してもよい。
以下に、上記の磁極位置の検出方法について客観的に評価したシミュレーション例について説明する。
図７は本実施形態における界磁回路モデルを示す図であり、界磁巻線１０と、界磁巻線の起磁力方向５を示す例である。この例では、同期電動機の励磁方式を三相ブリッジによる逆相励磁とするために、整流ダイオード８を有するダイオード整流回路６が配置され、電機子からの励磁で誘導される電流の向き７を一方向に制限している。
ここで、ダイオードの特性は、順方向電圧をＶ、順方向電流をＩとしたときに、一般に次式で近似する。
Ｖ＝Ｖ０×ｌｎ（（Ｉ＋Ｉ０）／Ｉ０） …（１）
この例では、Ｖ０＝１６３ｍＶ、Ｉ０＝４０ｍＡとして、２個並列で使用されているものとする。さらに、三相ブリッジの励磁機側において、開放した三相整流回路全体では、Ｖ０＝３２６ｍＶ、Ｉ０＝２４０ｍＡとなる。図８にこの特性を示す。なお、同期電動機は停止状態であることとする。これらの値を用いて解析用にモデル化を行う。
上記例の三相ブリッジ整流回路モデルを用いて、例えば１００ＭＷクラスの２極円筒形塊状磁極機などの、円筒形同期電動機の解析モデルを作成し、有限要素法解析を行った。
１００ＭＷクラスのタービンタイプの円筒同期電動機を用いて、ａ相軸に起磁力が発生するようにステップ電圧ｅを印加する条件で、電気角θを０度から１８０度まで３０度ごとに変化させたときの電機子電流の特性について、シミュレーションを行った。図９は、このシミュレーション結果で、時間と電機子電流の関係を示す図である。
ａ相軸に沿うように起磁力を発生させるため、円筒形回転子の例えばダンパ、ウェッジ、塊状鉄心などには、磁束の変化を妨げる向きに電流が流れようとする。これらには、電気角θにほとんど関係なく比較的自由に渦電流が流れる。
界磁巻線１０は電気角θの関数で、界磁巻線１０に流れる界磁電流を流そうとする力はcosθに比例した関数形であること、θ＝９０度は界磁の起磁力方向がａ相軸と直交するため界磁電流は流れないこと、およびθ＝０度から９０度の範囲では例えば図６に示す三相ブリッジ整流回路が電流を阻止すること、などの特徴を有している。
図９に示す結果および上記の界磁電流の特徴から、θ＝０度から９０度の電流特性は、界磁電流が流れないことが分かる。しかし、θ＝０度からθ＝９０度において、電流波形に若干のばらつきが認められる。これは円筒形回転子４のダンパ、ウェッジ、塊状鉄心などを流れる渦電流により電機子電流が受ける影響が、電気角θによって変化したためである。
θ＝１２０度、１５０度、１８０度は、界磁電流が流れていることを示している。すなわち、ダンパ、ウェッジ、塊状鉄心などを流れる渦電流に、さらに界磁電流の影響が加わることで、θ＝１５０度およびθ＝１８０度において電機子電流が増大していることを示している。
図９に示す例では、起磁力方向を固定して電気角θを変化させて電機子電流を評価したが、これとは逆に、図５に示す表のように電気角θに対して電機子の起磁力方向を変化させることにより、未知の電気角θに近づいた場合には、電機子電流が増大することを確認できる。
したがって、本実施形態の原理に基づいて磁極位置を検出することは可能であり、三角関数による計算を利用すれば、ステップ応答の回数を少なくしても精度よく磁極位置を検出することが可能になる。
図１０は、θ＝１８０度となる条件で電機子の起磁力方向を６０度毎とした場合における電機子電流ステップ応答を示す図である。この図ではθ＝１８０度における電流波形が大きく描かれている。さらに、図１０に対して時間をパラメータとして再描画した結果を図１１に示す。この図では電機子の起磁力方向がθ＝１８０度において最大となり、さらにこの角度を境にして左右対称となっている。このことから、任意の電気角θに対する曲線を、フーリエ級数展開を用いて解析することで、θ＝１８０度以外に最大値をとる場合においても正確に電気角θを導くことができる。
続いて、第２のシミュレーション例として、θ＝１３５度の場合について、以下に説明する。図１２は、θ＝１３５度の磁界解析モデルで、電機子の起磁力方向を６０度毎とした場合の電機子電流ステップ応答を示す図である。図１２では、θ＝１２０度での電流波形が大きくなることを示している。
図１０と同様に図１２に対して時間をパラメータとして再描画した結果を図１３に示す。図１３では、θ＝１２０度における電流が大きく示されているが、図１１の電機子電流特性と異なり左右対称となっていない。また、θ＝１８０度における電流は、θ＝６０度より大きいことが確認できる。
さらに正確な電気角θを求めるためにフーリエ級数展開の処理を行う。図１３のｃｏｓ成分に比例する係数ａ１、ｓｉｎ成分に比例する係数ｂ１とすると次式で求める。
a1=cos(0°)×ia(0°)+cos(60°)×ia(60°)+cos(120°)×ia(120°)+cos(180°)×ia(180°)+ cos(240°)×ia(240°)+ cos(300°)×ia(300°) …（２）
b1=sin(0°)×ia(0°)+sin(60°)×ia(60°)+sin(120°)×ia(120°)+sin(180°)×ia(180°)+ sin(240°)×ia(240°)+ sin(300°)×ia(300°) …（３）
上記の式（２）および式（３）による演算結果から磁極位置は次式で求める。
a1>0,b1>0 ならば、θ=tan−1(b1/a1) θ=0〜90° …（４）
a1<0,b1>0 ならば、θ=tan−1(b1/a1)+180° θ=90°〜180° …（５）
a1<0,b1<0 ならば、θ=tan−1(b1/a1)+180° θ=180°〜270° …（６）
a1>0,b1<0 ならば、θ=tan−1(b1/a1) θ=270°〜360° …（７）
上記の式（４）〜（７）よりｔ＝０．２〜３．０秒の各電流値について磁極位置を算出する。図１４は、その計算結果例を示す表である。
磁界解析モデルでは、磁極位置はθ=１３５度である。これに対して、本実施形態による検出精度は１度以内であり、良好であることが明らかである。さらに、ｔ=０．２秒〜３．０秒において、全て良好な結果が得られることも明らかである。
本発明の実施形態における同期電動機の電機子巻線のモデル図である。 図１の例における起磁力フェーザ図である。 本発明の実施形態におけるａ相電機子巻線１からｂ相電機子巻線２に向かって電圧ｅを印加したときの電機子電流の例を示すモデル図である。 図３の例における起磁力フェーザ図である。 本発明の実施形態における電流を流す方向と起磁力方向をまとめた表である。 本発明の実施形態におけるａ相軸から起磁力方向と界磁巻線の起磁力方向とのなす電気角を示す図である。 本発明の実施形態における界磁回路モデルを示す図である。 図７の例におけるダイオードブリッジ電流特性である。 図７の解析モデルにおいて電気角θを０〜１８０度まで変化させたときの電機子電流特性を示すグラフである。 図７の解析モデルにおいてθ＝１８０度となる条件で電機子の起磁力方向を６０度毎とした場合における電機子電流ステップ応答を示すグラフである。 図１０における時間をパラメータとして再描画した結果を示すグラフである。 図７の解析モデルにおいてθ＝１３５度の磁界解析モデルで、電機子の起磁力方向を６０度毎とした場合の電機子電流ステップ応答を示すグラフである。 図１２における時間をパラメータとして再描画した結果を示すグラフである。 図１２のシミュレーション例におけるｔ＝０．２〜３．０秒の各電流値について磁極位置を算出した結果例を示す表である。
符号の説明
１…ａ相電機子巻線、２…ｂ相電機子巻線、３…ｃ相電機子巻線、４…円筒形回転子、５…界磁巻線の起磁力方向、６…整流回路、７…電機子からの励磁により誘導される電流の向き、８…整流ダイオード、９…合成電流、１０…界磁巻線

Claims (5)

  1. 三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機と、
    インバータを具備し前記円筒形同期電動機を可変速駆動する駆動制御装置と、
    を有する円筒同期電動機システムにおいて、
    前記駆動制御装置は、
    前記円筒形同期電動機を起動するときに、前記三相電機子巻線にステップ電圧を印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させるように構成された起磁力発生手段と、
    前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測手段と、
    その電流特性に基づいて、磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、
    推定した磁極位置に基づいて、前記回転子を前記回転磁界に同期させる同期手段と、
    を有することを特徴とする円筒形同期電動機システム。
  2. 前記起磁力発生手段により発生させる起磁力は、その方向を３０度ごとに発生させ、最大で１２タイプの方向を有することを特徴とする請求項１に記載の円筒形同期電動機システム。
  3. 前記磁極位置推定手段は、前記電流特性をフーリエ級数展開を用いて解析し、その解析結果に基づいて磁極位置を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の円筒形同期電動機システム。
  4. 三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機の磁極位置を、インバータを具備する駆動制御装置により検出する方法において、
    前記円筒形同期電動機を起動するときに、ステップ電圧を前記三相電機子巻線に印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させる起磁力発生工程と、
    前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測工程と、
    その電流特性を解析し、その結果に基づいて磁極位置を推定する工程と、
    を有することを特徴とする円筒形同期電動機の磁極位置検出方法。
  5. 三相電機子巻線を具備し回転磁界をつくる電機子と、界磁巻線を具備する回転子と、を有する円筒形同期電動機を、インバータを具備する駆動制御装置により駆動する方法において、
    前記円筒形同期電動機を起動するときに、ステップ電圧を前記三相電機子巻線に印加して、複数の異なる方向の起磁力を発生させる起磁力発生工程と、
    前記ステップ電圧により前記電機子巻線に流れる電流特性を計測する電流計測工程と、
    その電流特性を解析し、その結果に基づいて磁極位置を推定する工程と、
    推定した磁極位置に基づいて、前記回転子を前記回転磁界に同期させる同期工程と、
    を有することを特徴とする円筒形同期電動機の駆動方法。
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