JP2014239612A - 同期電動機の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバの主磁束検出位置を補正し同期電動機の駆動制御の正確性を向上させる同期電動機の駆動システムを提供する。【解決手段】同期電動機の駆動システムにおいて、同期電動機の回転角を検出するレゾルバ７と、前記回転角から得た同期電動機の実速度と速度基準とからトルク基準を演算する速度制御器９と、前記回転角を用いて同期電動機の一次電流のｄ軸成分及びｑ軸成分を演算する変換器１１と、トルク基準から求めた第１の内部相差角とｄ軸成分及びｑ軸成分から求めた第２の内部相差角とから得られた電圧基準に基づいてインバータを制御する電圧制御器１４と、インバータの入力直流電圧及び入力直流電流に基づいて同期電動機の出力トルクを演算する出力トルク演算器１５と、トルク基準と出力トルクとに基づいて変換器で用いる前記回転角を補正する補正器１９と、を備える。【選択図】図２

Description

この発明は、同期電動機の駆動システムに関するものである。

従来における同期電動機の駆動システムにおいては、インバータから電動機へと供給する電力波形の生成にベクトル制御を採用することが多い。ベクトル制御では、レゾルバにより検出した電動機の主磁束位置（角度位置）を用いて変換した座標軸上で、フィードバックされた発生トルクとトルク基準とを比較することで電力波形を生成する。

従来の同期電動機の駆動システムで用いられる角度位置検出装置においては、ステータに対するロータの角度位置に応じたレゾルバ信号を出力するＮ相レゾルバと、Ｎ相レゾルバの各コイルから出力されるＮ相レゾルバ信号の各々を加算することにより、Ｎ相レゾルバ信号の変調成分を相殺して、ロータとステータの相対的な位置関係に依存せず、かつ、レゾルバの温度を反映した温度検出信号を生成する演算手段と、を備え、温度検出信号を用いてＮ相レゾルバ信号に対して温度ドリフト補償を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０９１２６９号公報

このように、特許文献１に示された従来における同期電動機の駆動システムの角度位置検出装置は、レゾルバ信号について、コイルの温度変化によって生じる温度ドリフトに対する補償を行うことができる。

しかしながら、レゾルバ信号の精度に対して影響を与え得る要因はコイルの温度だけではなく、例えば、経年変化、初期設定の時期やケーブルロス等の要因によってもレゾルバ信号は影響を受け、結果として、レゾルバ信号によって検出された主磁束位置が真の主磁束位置からずれてしまうことがある。

ところが、特許文献１に示された従来における同期電動機の駆動システムの角度位置検出装置によっては、温度ドリフトを補償することはできても、経年変化、初期設定の時期やケーブルロス等に起因するドリフトに対しては補償することができない。

このため、レゾルバにより検出された主磁束位置が真の主磁束位置からずれてしまい、実際の発生トルクがトルク基準からずれ、所望の発生トルクを満足することができない場合が発生し得る。所望の発生トルクを満足することができない場合、例えば圧延設備においては、圧延時にストール等が発生してしまうおそれがある。

また、所望の発生トルクを満足している状況であっても、レゾルバにより検出された主磁束位置が真の主磁束位置からずれてしまうことで、フィードバックされる発生トルクの値が実際よりも過小なものとなってしまう場合もあり得る。このように発生トルクが過小評価された場合には、駆動装置に対して所望のトルクよりも過大なトルクを発生させるような指令が入力されることとなるため、結果として駆動装置が過電流となりトリップしてしまう可能性がある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、レゾルバにより検出された主磁束位置を適切なものに補正することができ、より正確に同期電動機の駆動を制御することが可能である同期電動機の駆動システムを得るものである。

この発明に係る同期電動機の駆動システムにおいては、同期電動機を駆動するインバータと、前記同期電動機の回転角を検出するレゾルバと、前記回転角に基づいて、前記同期電動機の実速度を検出する速度検出器と、速度基準と前記実速度とに基づいて、トルク基準を演算する速度制御器と、前記トルク基準を第１の内部相差角に変換する電流制御器と、前記回転角を用いて、前記同期電動機に流れる一次電流の、前記同期電動機の二次磁束に沿ったｄ軸の成分と前記ｄ軸に直交するｑ軸の成分とを演算する変換器と、前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とに基づいて、第２の内部相差角を演算する磁束演算器と、前記第１の内部相差角と前記第２の内部相差角とから得られた電圧基準に基づいて、前記インバータを制御する電圧制御器と、前記インバータにおける入力直流電圧及び入力直流電流を検出する検出手段と、前記入力直流電圧と前記入力直流電流とに基づいて、前記同期電動機の出力トルクを演算する出力トルク演算器と、前記トルク基準と前記出力トルクとに基づいて、前記変換器で用いる前記回転角を補正する補正器と、を備えた構成とする。

この発明に係る同期電動機の駆動システムにおいては、レゾルバにより検出された主磁束位置を適切なものに補正することができ、より正確に同期電動機の駆動を制御することが可能であるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る同期電動機の駆動システムが適用される圧延機の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る同期電動機の駆動システムの全体構成を示すブロック図である。 電動機駆動用のインバータ装置の負荷率に対する効率特性を示す図である。 同期電動機の負荷率に対する効率特性を示す図である。

この発明を添付の図面に従い説明する。各図を通じて同符号は同一部分又は相当部分を示しており、その重複説明は適宜に簡略化又は省略する。

実施の形態１．
図１から図４は、この発明の実施の形態１に係るもので、図１は同期電動機の駆動システムが適用される圧延機の構成図、図２は同期電動機の駆動システムの全体構成を示すブロック図、図３は電動機駆動用のインバータ装置の負荷率に対する効率特性を示す図、図４は同期電動機の負荷率に対する効率特性を示す図である。

図１において、圧延材を抽出する加熱炉１の出側には、少なくとも１つの粗圧延機２が配置されている。粗圧延機２は、同期電動機２ａを備えている。粗圧延機２の出側には、仕上圧延機３が配置されている。仕上圧延機３は、複数の仕上スタンドを備えている。仕上圧延機３の出側には、巻取り機４が配置されている。そして、仕上圧延機３と巻取り機４との間には、切断機５が配置されている。

加熱炉１で抽出された圧延材は、粗圧延機２によりまず正方向に圧延される。この際、同期電動機２ａは、圧延材を正方向に圧延する所定の一方向に回転することになる。その後、粗圧延機２が圧延材を逆方向に圧延（リバース圧延）する。この際、同期電動機２ａは前記一方向とは逆方向となる他方向に回転する。粗圧延機２での圧延後、仕上圧延機３が圧延材を製品板厚まで圧延する。その後、巻取り機４が圧延材をコイル状に巻き取る。この際、切断機５が、圧延材を切断するために適宜利用される。

粗圧延機２が備える同期電動機２ａは、図２に示す駆動システムにより駆動制御される。
インバータ６は、電力を変換して同期電動機２ａへと供給することで、同期電動機２ａを駆動する回路である。同期電動機２ａの回転角θは、回転角センサであるレゾルバ７により検出される。速度検出器８は、レゾルバ７により検出された回転角θに基づいて、同期電動機２ａの実速度ωを検出する回路である。

速度制御器９は、外部（例えば上位装置）から入力される速度基準ωｒと速度検出器８により検出された実速度ωとの差から求まる速度偏差をトルク基準Ｔに変換する回路である。有効電流制御器１０は、速度制御器９により演算されたトルク基準Ｔを第１の内部相差角Δθに変換する回路である。

３相／ｄｑ軸変換器１１は、インバータ６から同期電動機２ａに流れる一次電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を、レゾルバ７により検出された回転角θに基づいて、同期電動機２ａの二次磁束に沿ったｄ軸の成分Ｉｄとｄ軸に直交するｑ軸の成分Ｉｑとに極座標変換する回路である。ここで、３相／ｄｑ軸変換器１１は、レゾルバ７により検出された回転角θを直接用いて極座標変換を行うのではなく、後述するΔθ補正器１９により補正された回転角θを用いて極座標変換を行う。

磁束演算器１２は、３相／ｄｑ軸変換器１１による極座標変換により求められた成分Ｉｄ及び成分Ｉｑを第２の内部相差角δに変換する回路である。極／３相変換器１３は、第１の内部相差角Δθと第２の内部相差角δとの和を、３相の座標系へと変換して電圧基準を演算する回路である。電圧制御器１４は、極／３相変換器１３から出力された電圧基準に基づき、電圧基準を最小基準に補正した上で、インバータ６を制御する。

インバータ６における入力直流電圧Ｖｄｃ及び入力直流電流Ｉｄｃは、インバータ６が備える変成器６ａ（例えばＣＴ、ＶＴ５、ＶＴ１２等）により検出される。出力トルク演算器１５は、変成器６ａにより検出された入力直流電圧Ｖｄｃと入力直流電流Ｉｄｃとに基づいて、同期電動機２ａの出力トルクＴ’を演算する。

この出力トルク演算器１５における入力直流電圧Ｖｄｃ及び入力直流電流Ｉｄｃに基づく出力トルクＴ’の演算方法について説明する。出力トルク演算器１５は、まず、入力直流電圧Ｖｄｃ（Ｖ）と入力直流電流Ｉｄｃ（Ａ）とインバータ６の効率ηｉｎｖと同期電動機２ａの効率ηｍｏｔとに基づいて、同期電動機２ａの出力容量Ｐ（ｋＷ）を次の式（１）を用いて演算する。

Ｐ＝Ｉｄｃ×Ｖｄｃ×ηｉｎｖ×ηｍｏｔ ・・・ （１）

そして、出力トルク演算器１５は、次に、こうして求まった同期電動機２ａの出力容量Ｐ（ｋＷ）と現在の同期電動機２ａの回転数ｎ（ｒｐｍ）とに基づいて、次の式（２）を用いることにより、同期電動機２ａの現在の出力トルクの推定値Ｔ’（Ｎｍ）を演算する。

Ｔ’＝ｋ×Ｐ／ｎ ・・・ （２）

ここで、この（２）式におけるｋは定数であり、具体的にここでは、ｋ＝９７４としている。この定数ｋは、次の（３）式により求めたものである。
ｋ＝１０００×（６０／２π）×（１／９．８０７） ・・・ （３）
なお、この（３）式は、次のような各単位間の関係を用いて定数ｋを算出している。
１（ｋＷ）＝１０００（Ｗ）
１（ｒｐｍ）＝１（ｍｉｎ^−１）
１（ｒａｄ／ｓ）＝６０／２π（ｍｉｎ^−１）
１（Ｎｍ）＝１／９．８０７（ｋｇｍ）

出力トルク演算器１５は、以上のようにして、（１）式及び（２）式を用いて、入力直流電圧Ｖｄｃ（Ｖ）と入力直流電流Ｉｄｃ（Ａ）とインバータ６の効率ηｉｎｖと同期電動機２ａの効率ηｍｏｔと同期電動機２ａの回転数ｎ（ｒｐｍ）とから、同期電動機２ａの出力トルクＴ’を演算する。

ここで、インバータ６の効率ηｉｎｖ及び同期電動機２ａの効率ηｍｏｔは、いずれも、同期電動機２ａの負荷率ｘ（％）に応じて変化する。すなわち、インバータ６の効率ηｉｎｖ及び同期電動機２ａの効率ηｍｏｔは、同期電動機２ａの負荷率ｘ（％）の関数である。したがって、Ｆ及びＧを関数として、それぞれ次のように表すことができる。

ηｉｎｖ＝Ｆ（ｘ）
ηｍｏｔ＝Ｇ（ｘ）

同期電動機２ａの負荷率ｘに対するインバータ６の効率ηｉｎｖの変化の具体的な例を図３に示す。この図３においては、インバータ６の構成素子として、ＩＥＧＴ（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｇａｔｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：注入促進型絶縁ゲートトランジスタ）及びＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲート・ターンオフ・サイリスタ）を用いた場合について示している。

この図３に具体的に例示するように、インバータ６の効率ηｉｎｖは、インバータ６の構成素子すなわちインバータ６の機種と、同期電動機２ａの負荷率ｘ（％）とに応じて変化する。そこで、出力トルク演算器１５に、インバータ６の機種毎に、同期電動機２ａの負荷率ｘにおけるインバータ６の効率ηｉｎｖを予め記憶しておき、出力トルクＴ’の演算にあたっては、インバータ６の機種及び負荷率ｘに応じて適切な効率ηｉｎｖを用いるようにする。

また、同期電動機２ａの効率ηｍｏｔについても事情は同様である。図４に示すのは、同期電動機２ａの負荷率ｘに対する同期電動機２ａの効率ηｍｏｔの変化の具体的な例である。この図４においては、定格容量の異なる２種類の機種（機種Ａ及び機種Ｂ）のそれぞれについて、２種類の回転速度（回転数）における同期電動機２ａの負荷率ｘと効率ηｍｏｔとの関係を示している。

この図４に具体的に例示するように、同期電動機２ａの効率ηｍｏｔは、同期電動機２ａの機種と回転速度と負荷率ｘ（％）とに応じて変化する。そこで、出力トルク演算器１５に、同期電動機２ａの機種毎に、同期電動機２ａの負荷率ｘにおける同期電動機２ａの効率ηｍｏｔを予め記憶しておき、出力トルクＴ’の演算にあたっては、同期電動機２ａの機種、回転数及び負荷率ｘに応じて適切な効率ηｍｏｔを用いるようにする。

なお、使用されるインバータ６の機種及び同期電動機２ａの機種が予め判明しており、他機種が使用される予定がない場合には、使用機種についての負荷率−効率の関係を予め出力トルク演算器１５に記憶しておくようにしてもよい。

このように、出力トルク演算器１５は、同期電動機の負荷率ｘに対する、インバータ６の効率ηｉｎｖの変化及び同期電動機２ａの効率ηｍｏｔの変化のそれぞれを予め記憶している。そして、この記憶している負荷率ｘに対するインバータ６の効率ηｉｎｖの変化及び同期電動機２ａの効率ηｍｏｔの変化を加味して出力トルクＴ’を演算する。このようにすることで、出力トルクＴ’の推定精度を向上することができる。

再び図２に戻り、ΔＴ回路１６は、速度制御器９により演算されたＴと、以上のようにして出力トルク演算器１５により演算された出力トルクＴ’との差分ΔＴを算出する回路である。すなわち、ΔＴ＝Ｔ’−Ｔである。ΔＴリミット制限回路１７は、ΔＴ回路１６により演算された差分ΔＴ（＝Ｔ’−Ｔ）が所定範囲外の場合に、差分ΔＴを０として出力する。ΔＴリミット制限回路１７は、差分ΔＴが所定範囲以内に収まっている場合には、そのまま差分ΔＴを出力する。

演算回路１８は、ΔＴリミット制限回路１７から出力された差分ΔＴに予め定められたゲインｇを乗ずることにより、差分ΔＴを電気角Δθ’に変換する。すなわち、Δθ’＝ｇ・ΔＴ＝ｇ・（Ｔ’−Ｔ）である。Δθ補正器１９は、演算回路１８から出力された電気角Δθ’でもって、レゾルバ７により検出された回転角θを補正し、補正した回転角を３相／ｄｑ軸変換器１１へと出力する。そして、３相／ｄｑ軸変換器１１は、このようにしてΔθ補正器１９により補正された回転角を用いて、極座標変換を行う。

なお、前述したように、ΔＴリミット制限回路１７は差分ΔＴが所定範囲外の場合に差分ΔＴを０とする。差分ΔＴが０である場合には、演算回路１８においてゲインｇが乗じられても電気角Δθ’は０となる。したがって、差分ΔＴが所定範囲外の場合には、Δθ補正器１９による回転角θの補正は行われずに、Δθ補正器１９から３相／ｄｑ軸変換器１１へとはレゾルバ７により検出された回転角θが出力される。すなわち、差分ΔＴが所定範囲外の場合には、３相／ｄｑ軸変換器１１は、レゾルバ７により検出された回転角θをそのまま用いて極座標変換を行うことになる。

このように、ΔＴリミット制限回路１７にてトルク基準Ｔに対して出力トルクＴ’が規定以上に大きい場合には、ΔＴが異常値であるとしてこれを除外することで、より適切に３相／ｄｑ軸変換器１１で用いる回転角を補正することができる。

以上のように構成された同期電動機の駆動システムは、インバータ６における入力直流電圧及び入力直流電流に基づいて演算された同期電動機２ａの出力トルクと、速度基準及び同期電動機２ａの実速度に基づいて演算されたトルク基準と、に基づいて、３相／ｄｑ軸変換器１１で用いる回転角を補正するΔθ補正器１９を備えたことで、レゾルバにより検出された主磁束位置を適切なものに補正することができ、より正確に同期電動機の駆動制御の正確性を向上することが可能である。

すなわち、レゾルバによる主磁束検出位置が、温度変化、経年変化、初期設定の時期等によって真の回転主磁束ポジションからたとえずれたとしても、出力トルクＴ’とトルク基準Ｔの差分に基づいてレゾルバの検出結果を補正することで、安定したトルク出力特性を得ることができる。そして、ひいては、出力補償による電動機駆動装置の制御不安定やトリップ、トルク不足による圧延時のストール等を回避することができる。

１ 加熱炉
２ 粗圧延機
２ａ 同期電動機
３ 仕上圧延機
４ 巻取り機
５ 切断機
６ インバータ
６ａ 変成器
７ レゾルバ
８ 速度検出器
９ 速度制御器
１０ 有効電流制御器
１１ ３相／ｄｑ軸変換器
１２ 磁束演算器
１３ 極／３相変換器
１４ 電圧制御器
１５ 出力トルク演算器
１６ ΔＴ回路
１７ ΔＴリミット制限回路
１８ 演算回路
１９ Δθ補正器

Claims (5)

1. 同期電動機を駆動するインバータと、
   前記同期電動機の回転角を検出するレゾルバと、
   前記回転角に基づいて、前記同期電動機の実速度を検出する速度検出器と、
   速度基準と前記実速度とに基づいて、トルク基準を演算する速度制御器と、
   前記トルク基準を第１の内部相差角に変換する電流制御器と、
   前記回転角を用いて、前記同期電動機に流れる一次電流の、前記同期電動機の二次磁束に沿ったｄ軸の成分と前記ｄ軸に直交するｑ軸の成分とを演算する変換器と、
   前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とに基づいて、第２の内部相差角を演算する磁束演算器と、
   前記第１の内部相差角と前記第２の内部相差角とから得られた電圧基準に基づいて、前記インバータを制御する電圧制御器と、
   前記インバータにおける入力直流電圧及び入力直流電流を検出する検出手段と、
   前記入力直流電圧と前記入力直流電流とに基づいて、前記同期電動機の出力トルクを演算する出力トルク演算器と、
   前記トルク基準と前記出力トルクとに基づいて、前記変換器で用いる前記回転角を補正する補正器と、を備えたことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
2. 前記出力トルク演算器は、前記入力直流電圧と前記入力直流電流と前記インバータの効率と前記同期電動機の効率とに基づいて前記同期電動機の出力容量を演算し、この演算した前記出力容量と前記同期電動機の回転数とに基づいて前記出力トルクを演算することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動システム。
3. 前記出力トルク演算器は、前記同期電動機の負荷率に対する前記インバータの効率の変化及び前記負荷率に対する前記同期電動機の効率の変化のそれぞれを予め記憶し、この記憶する前記負荷率に対する前記インバータの効率の変化及び前記負荷率に対する前記同期電動機の効率の変化を加味して前記出力トルクを演算することを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の駆動システム。
4. 前記補正器は、前記トルク基準と前記出力トルクとの差に所定のゲインを乗じて算出された電気角に基づいて、前記変換器で用いる前記回転角を補正することを特徴とする請求項１から請求項３にいずれか一項に記載の同期電動機の駆動システム。
5. 前記補正器は、前記トルク基準と前記出力トルクとの差が所定範囲外のときに、前記変換器で用いる前記回転角を補正しないことを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の駆動システム。

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