JP2009100648A

JP2009100648A - 別個に励起される回転電気マシンのロータの位置を決定するための方法

Info

Publication number: JP2009100648A
Application number: JP2008267397A
Authority: JP
Inventors: Marco Sieber; マルコ・ズィーベル; Thorsten Harder; トルシュテン・ハルダー; Patrick Bohren; パトリック・ボーレン
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-05-07
Also published as: EP2051368A1; US20090096396A1; CN101414801A; KR20090038830A; RU2008140987A

Abstract

【課題】回転電気マシンのロータの位置を決定するための方法を規定する。
【解決手段】ステータ巻線セットには、対応するコンバータ・ユニットから電気が供給され、ロータ巻線セットには、対応する励磁器ユニットから電気が供給される。先ず最初に、ステータ巻線セットが前記コンバータ・ユニットにより短絡され、その後で、励磁器電圧信号（Ｕerr）が、前記励磁器によりロータ巻線セットに加えられる。この励磁器電圧信号（Ｕerr）は、可変の第一の電圧値（Ｕ１）から可変の第二の電圧値（Ｕ２）への変化を有している。更に、ステータ巻線セットの各巻線の中の、３相ステータ電流が決定され、ロータ位置角度（θ）が、前記３相ステータ電流の空間ベクトル変換のｘ成分とｙ成分から計算される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電気マシンのための運転方法の分野に係る。本発明は、独立請求項の前置部分に規定されているようなロータの位置を決定するための方法、および／または、別個に励起される回転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。

同期マシンなどのような、通常の現代の別個に励起される回転電気マシンは、ステータ巻線セットとロータ巻線セットを有している。ここで、ステータ巻線セットには、典型的に、対応するコンバータ・ユニットから電気が供給され、ロータ巻線セットには、磁気励起を形成するための励磁器ユニットから電気が供給される。このような回転電気マシンの中でのロータの位置は、今日では、主にロータリー・エンコーダにより決定される。ロータリー・エンコーダは、所望のロータ位置、即ちロータが静止しているときのロータの位置角度、及び磁束角度を生み出す。ロータの位置及び磁束密度ベクトルの位置についての知識は、マシンのコントロールのための、通常複数の入力変数の一つとして、典型的に要求される。

しかしながら、ロータリー・エンコーダは、機械的な負荷に対する感受性が高く、従って、しばしば、故障し、または、不正確なロータ位置角度の値を生み出す。更に、ロータリー・エンコーダ自体及びそれに加えて配線がマシンに取り付けられなければならず、それには手間が掛かり、コストが掛かるので、組み込みが複雑である。更に、このようなロータリー・エンコーダは、継続的なメンテナンスを必要とし、更なる手間が掛る。

それ故に、本発明の目的は、別個に励起される回転電気マシンのロータの位置を決定するための方法を規定することにある。この方法は、非常に容易に実施されることが可能であり、頑丈であり、ロータリー・エンコーダを必要としない。この目的は、請求項１の特徴により実現される。本発明の好ましい発展形態は、従属請求項において規定される。

別個に励起される回転電気マシンのロータの位置を決定するための、本発明に基づく方法において、そのマシンは、ステータ巻線セット及びロータ巻線セットを有しており、ここで、ステータ巻線セットには、対応するコンバータ・ユニットから電気が供給され、ロータ巻線セットには、対応する励磁器ユニットから電気が供給される。本発明によれば、ステータ巻線セットが、前記コンバータ・ユニットにより、先ず最初に短絡される。その後に、励磁器電圧信号が、前記励磁器により、ロータ巻線セットに加えられ、この励磁器電圧信号は、可変の第一の電圧値から可変の第二の電圧値への変化を有している。

更に、ステータ巻線セットの各巻線の中でのステータ電流が、決定され、ロータ位置角度が、ステータ電流の空間ベクトル変換（space-vector transformation）のｘ成分、及びステータ電流の空間ベクトル変換のｙ成分から計算され、このロータ位置角度が、求めているロータ位置を表している。

それ故に、別個に励起される回転電気マシンのロータの位置は、好ましくも、ロータリー・エンコーダを使用することなく、その弱点を伴うことなく、本発明に基づく方法を用いて決定されることが可能であり、かくして、全体として頑丈な方法がもたらされる。この方法は、回転電気マシンのロータの位置を決定するために、非常に容易に実施されることが可能である。本発明に基づく方法は、ロータが静止しているとき、または、ロータが非常に遅く回転しているときに、特に適切である。

本発明のこの目的及び更なる目的、利点、及び特徴は、図面とともに、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、明らかになるであろう。
これらの図面において、基本的に、同一の部分には同一の参照符号が付されている。

別個に励起される回転電気マシンのロータの位置を決定するための、本発明に基づく方法において、このマシンは、ステータ巻線セット及びロータ巻線セットを有している。ここで、ステータ巻線セットには、対応するコンバータ・ユニットから電気が供給され、ロータ巻線セットには、対応する励磁器ユニットから電気が供給される。例を挙げれば、一つのそのような別個に励起される回転電気マシンは、同期マシンである。しかしながら、他の任意のタイプの別個に励起される回転電気マシンにも、適用可能である。ステータ巻線セットとロータ巻線セットの双方は、それぞれ、例えば、三本の巻線を有している。しかしながら、より多い巻線またはより少ない巻線の場合にも、適用可能である。

本発明によれば、ステータ巻線セットが、前記コンバータ・ユニットにより、先ず最初に短絡される。これは、コンバータ・ユニットの中のコントロール可能な電力半導体スイッチを適切に操作することにより、行なわれる。その後に、励磁器電圧信号Ｕerr が、前記励磁器により、ロータ巻線セットに加えられる。この励磁器電圧信号Ｕerr は、可変の第一の電圧値Ｕ１から可変の第二の電圧値Ｕ２への変化を有している。この変化は、即ち励磁器電圧信号Ｕerr のプロファイルのこの遷移過程は、ステータ巻線セットの各巻線の中のステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc をもたらす。更に、ステータ巻線セットの各巻線の中でのステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc が決定される。

例えば、もし、三本のステータ巻線がある場合には、これは、好ましくも、二つのステータ電流Ｉsa，Ｉsb を測定し、二つの測定されたステータ電流Ｉsa，Ｉsb から第三のステータ電流Ｉsc を計算することにより、行なわれる。当然、ステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の全てが測定により決定されることも可能である。その後に、ロータ位置角度θが、ステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｘ成分Ｉsx 、及びステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｙ成分Ｉsy から計算され、それが、求められていたロータ位置または磁束密度ベクトルの位置を表している。

別個に励起される回転電気マシンのロータの位置は、それ故に、好ましくも、ロータリー・エンコーダを使用することなく、その弱点を伴うことなく、本発明に基づく方法を用いて決定されることが可能であり、かくして、全体として頑丈な方法がもたらされる。この方法は、ロータの位置を決定するために、非常に容易に実施されることが可能である。本発明に基づく方法は、ロータが静止し、またはロータが非常に遅く回転しているときに、特に適切である。

一般的に、三つの変数ａ，ｂ，ｃの空間ベクトル変換は、通常、以下のように規定される：
ｘ＝（２／３）｛ａ−（ｂ＋ｃ）／２｝
ｙ＝（ｂ−ｃ）／√３
ここで、ｘは、変数ａ，ｂ，ｃの空間ベクトル変換のｘ成分であり、ｙは、変数ａ，ｂ，ｃの空間ベクトル変換のｙ成分である。

もし、今、第一の電圧値Ｕ１が第二の電圧値Ｕ２よりも小さい場合には、ロータの位置角度θは、好ましくも、ステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｘ成分Ｉsx 、及びステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｙ成分Ｉsy から、以下の式を用いて計算される：
θ＝arctan（Ｉsy／Ｉsx）＋π
この文脈において、図１は、本発明に基づく方法を用いたときの、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号Ｕerr の第一の時間プロファイルを示し、図３は、その第三の時間プロファイルを示している。ここで、第一の電圧値Ｕ１は、第二の電圧値Ｕ２よりも小さい。

これと反対に、もし、第一の電圧値Ｕ１が第二の電圧値Ｕ２よりも大きい場合には、ロータの位置角度θは、好ましくも、ステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｘ成分Ｉsx 、及びステータ電流Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc の空間ベクトル変換のｙ成分Ｉsy から、次の式を用いて計算される：
θ＝arctan（Ｉsy／Ｉsx）
この文脈において、図２は、本発明に基づく方法を用いたときの、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号Ｕerr の第二の時間プロファイルを示し、図４は、その第四の時間プロファイルを示している。ここで、第一の電圧値Ｕ１は、第二の電圧値Ｕ２よりも大きい。

上述のようなロータの位置角度θの計算は、従って、非常に単純であり、何の問題なく、実行されることが可能である。それは、例えば、デジタル信号プロセッサのためのソフトウェア・プログラムの中の、計算ルーチンとして実行される。

第一の電圧値Ｕ１を０Ｖに設定し、第二の電圧値Ｕ２を定格励磁器電圧値に設定することが、特に有効であることが判明している。しかしながら、第一の電圧値Ｕ１を定格励磁器電圧値に設定し、第二の電圧値Ｕ２を０Ｖに設定することも、同様に適用可能である。

図１及び図２に示された励磁器電圧信号Ｕerr の時間プロファイルによれば、第一の電圧値Ｕ１から第二の電圧値Ｕ２への変化は、好ましくは、本質的に突然に生ずる。図３及び図４に示された励磁器電圧信号Ｕerr の時間プロファイルによれば、第一の電圧値Ｕ１から第二の電圧値Ｕ２への変化は、好ましくは、本質的に傾斜路（ramp）の形態で生ずる。励磁器電圧信号Ｕerr の時間プロファイルの、突然の変化または傾斜路の形態での変化は、以上で述べたように、好ましくも、大きな手間を要することなく、従って非常に容易に実現されることが可能である。この突然の変化または傾斜路の形態での変化に加えて、第一の電圧値Ｕ１から第二の電圧値Ｕ２への変化を有する他の遷移過程または定常状態のプロファイルもまた、当然ながら、適用可能である。

図１は、本発明に基づく方法のための、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号の第一の時間プロファイルを示す。図２は、本発明に基づく方法のための、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号の第二の時間プロファイルを示す。図３は、本発明に基づく方法のための、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号の第三の時間プロファイルを示す。図４は、本発明に基づく方法のための、別個に励起される回転電気マシンのロータ巻線セットについての、励磁器電圧信号の第四の時間プロファイルを示す。

Claims

別個に励起される回転電気マシンのロータの位置を決定するための方法であって、
前記マシンは、ステータ巻線セット及びロータ巻線セットを有しており、ステータ巻線セットには、対応するコンバータ・ユニットから電気が供給され、ロータ巻線セットには、対応する励磁器ユニットから電気が供給される、方法において：
ステータ巻線セットが、前記コンバータ・ユニットにより短絡されること；
励磁器電圧信号（Ｕerr）が、前記励磁器によりロータ巻線セットに加えられ、この励磁器電圧信号（Ｕerr）が、可変の第一の電圧値（Ｕ１）から可変の第二の電圧値（Ｕ２）への変化を有していること；
ステータ巻線セットの各巻線の中のステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）が決定されること；
ロータ位置角度（θ）が、ステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｘ成分（Ｉsx）、及びステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｙ成分（Ｉsy）から計算されること、
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：
もし、第一の電圧値（Ｕ１）が第二の電圧値（Ｕ２）よりも小さい場合には、ロータの位置角度（θ）は、ステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｘ成分（Ｉsx）、及びステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｙ成分（Ｉsy）から、次の式を用いて計算される：
θ＝arctan（Ｉsy／Ｉsx）＋π
下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
もし、第一の電圧値（Ｕ１）が第二の電圧値（Ｕ２）よりも大きい場合には、ロータの位置角度（θ）は、ステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｘ成分（Ｉsx）、及びステータ電流（Ｉsa，Ｉsb，Ｉsc）の空間ベクトル変換のｙ成分（Ｉsy）から、次の式を用いて計算される：
θ＝arctan（Ｉsy／Ｉsx）
下記特徴を有する請求項２に記載の方法：
前記第一の電圧値（Ｕ１）は、０Ｖに設定され、前記第二の電圧値（Ｕ２）は、定格励磁器電圧値に設定される。
下記特徴を有する請求項３に記載の方法：
前記第一の電圧値（Ｕ１）は、定格励磁器電圧値に設定され、前記第二の電圧値（Ｕ２）は、０Ｖに設定される。
下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項記載の方法：
前記第一の電圧値（Ｕ１）から前記第二の電圧値（Ｕ２）への変化は、本質的に突然に生ずる。
下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項記載の方法：
前記第一の電圧値（Ｕ１）から前記第二の電圧値（Ｕ２）への変化は、本質的に傾斜路の形態で生ずる。