JP2623821B2 - 突極形同期電動機の可変速駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、有効磁束を一定に制御し、かつ力率100％
の運転を可能にする突極形同期電動機の可変速駆動装置
に関する。

（従来の技術） ＜１＞ベクトル制御の基本原理 まず、同期電動機のベクトル制御システムについて大
要な説明する。

第２図は同期電動機の１相分（進み力率）のベクトル
図である。同期電動機では、界磁電流による磁束_Ｆと
電機子電流によるによる反作用磁束_ａとのベクトル
和が実際に存在する有効磁束となる。電機子電流を
有効磁束と同相成分（磁化電流）_Ｍと、直交成分
（トルク電流）_Ｔとに分解すれば、電動機の発生トル
クＴは次式で示される。

Ｔ＝K_T・Ψ・I_T ……（１） （K_T:定数、Ψ：の大きさ、I_T:_Ｔの大きさ） なお、第２図においてE_Oは無負荷誘起電圧、は端子
電圧、δは磁極角、τは力率角である。

第３図は、同期電動機のベクトル制御システムの構成
例を示すブロック図である。同図において、同期電動機
17の電機子巻線，界磁巻線には三相電源20から変換装置
15,16を介して給電されている。位置検出器18は同期電
動機17の回転磁極の位置を電気磁気的に検出し、この検
出値に基づき磁極位置演算器14がsinθ及びcosθを出力
する。ここにθは、固定子（電機子）中心を原点とする
固定座標系の基準軸に対する磁極軸の偏位角である。

磁束演算器５は、電機子電流i_a,i_b,i_c、界磁電流i_f及
び上記sinθ,cosθに基づき、有効磁束Ψ,sinρ,cosρ
及びcosδを演算して出力する。ここにρは前記固定座
標系の基準軸に対する有効磁束軸の偏位角であり、δは
磁極位置と有効磁束位置との変位角つまり磁極角であ
る。

タコゼネレータ19は、同期電動機17の回転速度ｎを検
出して出力する。いま、指令値入力端子21から有効磁束
指令値Ψ^＊（＊は指令値を表わす）が入力されたとする
と、該指令値Ψ^＊と磁束演算器５の出力である有効磁束
Ψとが比較され、その偏差が零となる方向で磁束調節器
２が磁化電流指令値ｉμ^＊を出力する。また、このとき
指令値入力端子22から回転速度指令値ｎ^＊が入力される
と、該ｎ^＊とタコゼネレータ19の出力である回転速度ｎ
とが比較され、その差が零となる方向で速度調節器１が
トルク指定値Ｔ^＊を出力する。

割算器３は、前記（１）式に基づきトルク指定値Ｔ^＊
を有効磁束Ψで除算してトルク電流指令値i_T ^＊を算出す
る。ここで、Ψ，Ψ^＊,iμ^＊,i_T ^＊はすべて直流量であ
り、いわばｉμ^＊,i_T ^＊は直流機における界磁電極，電
機子電流にそれぞれ相当する。電流指令演算器４はこれ
らの直流量を実際に電動機に必要な交流電流の指令値i_a
^＊,i_b ^＊,i_c ^＊及びi_f ^＊に変換して出力する。

電流調節器６〜８及び９は、上記指令値i_a ^＊〜i_c ^＊及
びi_f ^＊と実際値i_a〜i_c及びi_fとをそれぞれ比較し、偏差
が零となる方向で調節出力を生じる。点弧角調整器10〜
12及び13は、各調節器６〜８及び９の出力を受けて変換
装置15及び16を制御することにより、電機子電流i_a〜i_c
及び界磁電流i_fを所定の値に調節する。

以上のようにベクトル制御システムによれば、端子21
及び22から指令値を直流で入力することにより、同期電
動機17の速度を高性能に制御することができる。

＜２＞座標変換の概要 次に磁束演算器５の詳細を説明するために、まず、三
相／二相変換について説明する。

第４図は、固定子の三相（a,b,c）のうちａ相の巻線
軸上にα軸、それと直交してβ軸をとり、第５図の三相
正弦波形Ψ_a,Ψ_b,Ψ_ｃにおいて時点Ａにおける各瞬時量
を、両軸上でΨ_α，Ψ_βとして二相に変換し表現したも
のであり、その算式は次式で与えられている。

ここで、Ψ_α，Ψ_βはそれぞれα，β軸上で時間的に
変化する量であるが、対称平衡三相系では両者の合成量
Ψは、時間的に大きささ不変で、かつ三相量の周波数で
定まる速さで回転する回転ベクトルとなる。

また、回転子上にも互いに直交するｄ−ｑ軸回転座標
をとれば、固定子（電機子）、回転子ともに２軸で表現
することが可能となる。ここで、ｄ軸は磁極の中心線上
にとり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向にとるものとする。

第６図は、ｄ−ｑ軸回転座標系をα−β軸固定座標系
と関連させた諸量のベクトル図である。なお、同図では
有効磁束の方向をＭ軸とし、これに直交する方向をＴ
軸とするＭ−Ｔ軸回転座標も併記してある。

同図において、角度θ及びρの値は同期電動機の回転
につれて変化するが、磁極角δの値は時間的には変化し
ない。なお、角度θは、例えば普通の無整流子電動機と
似た方法で磁極の電機子巻線に対する相対位置として検
出することができる（第３図の磁極位置検出器18、電流
指令演算器４参照）。

以上を準備説明として、次に磁束演算について説明す
る。

一般に、磁束をｄ−ｑ軸回転座標における成分Ψ_d,
Ψ_ｑで表示すると、 となる。但し、 G_d(p),G_q(p):電動機の機器定数で決まる遅れ要素を含
む項、i_d,i_q:d,q軸座標系成分で表示した電機子電流、i
_f:界磁電流、p:微分演算子である。このとき、i_d,i
_qは、第６図からわかるように、 である。なお、上式のｉ_α,i_β及びΨ_α，Ψ_βは、 である。

また有効磁束Ψ、α軸とＭ軸とのなす角ρ、ｄ角とＭ
軸とのなす磁極角δは次式で与えられる。

＜３＞磁束演算器５の詳細 上記（４）〜（９）式に基づいて構成された第３図の
磁束演算器５のブロック図を第７図に示す。

第７図において、三相／二相変換器51は、三相電流
i_a,i_b,i_cを上記（６）式に従ってα−β軸固定座標成分
の電流ｉ_α,i_βに変換して出力する。α−β/d−ｑ座標
変換器52は、ｉ_α,i_βと磁極位置演算器14からのsinθ,
cosθとを入力し上記（５）式にしたがってd,q軸座標成
分の電流i_d,i_qに変換して出力する。Ψ_ｄ演算器53は、i
_dとi_fとの和を入力し、上記（４）式にしたがってΨ_ｄ
を演算して出力する。Ψ_ｑ演算器54も同様にi_qを入力
し、Ψ_ｑを演算して出力する。

ｄ−q/α−β座標変換器55は、上記Ψ_d,Ψ_ｑと磁極位
置演算器14からのsinθ,cosθとを入力し、磁束Ψ_d,Ψ
_ｑを上記（７）式に従ってα，β軸座標成分の磁束
Ψ_α,i_βに変換する。磁束成分演算器56は、上記（８）
式による演算を行ってΨ,sinρ,cosρを出力する。磁極
角演算器57も上記（９）式に示す演算を行ってcosδ,si
nδを出力する。

＜４＞電流指令演算器４の詳細 次に電流指令演算器４の詳細を説明する。この演算器
４は、第３図に示したように磁束演算器５、磁束調節器
２及び割算器３などから与えられる諸信号を入力とし
て、電機子及び界磁の各巻線に供給すべき電流を演算す
るものである。

有効磁束Ψは、電機子電流のうちＭ軸成分の電流i_Mで
作られる磁束をΨ_Ｍとすると、第６図から明らかなよう
に、 Ψ＝Ψ_FCOSδ＋Ψ_Ｍ である。Ψ_Ｆは界磁巻線電流i_fで作られるので、 有効磁束Ψは作る磁化電流ｉ_μは、 ｉ_μ＝i_fcosδ＋i_M で示される。i_Mは正負の極性をとり、第６図の状態はi_M
＜０である。

従って界磁巻線の電流がi_fなる値にある状態で有効磁
束Ψを確保するため、すなわち所定の磁化電流指定値ｉ
_μ ^＊を維持するために電機子側から供給すべき磁化電流
指令値i_M ^＊は次式となる。

i_M ^＊＝ｉ_μ ^＊−i_fcosδ ……（10） 電機子側のトルク成分電流の指令値i_T ^＊は、トルク指
令値Ｔ^＊から（１）式の関係を用いて演算されているの
で、i_M ^＊,i_T ^＊なるＭ−Ｔ軸回転座標上の各指令値は次
式に従ってα−β軸固定座標上の指令値ｉ_α ^＊,i_β ^＊に
変換される。

次いで、次式に従って最終的に必要な三相量に変換さ
れて以下に示す電機子電流の指令値i_a ^＊,i_b ^＊,i_c ^＊とな
る。

次に、界磁巻線に供給するべき電流の指令値（界磁電
流指定値）i_f ^＊の決定について説明する。

上記（10）式により次式が成立する。

ｉ^μ＝i_fcosδ＋i_M 一方、電動機の端子電圧を含めた第２図のベクトル図
を参照して力率角τに注目すると、電機子電流のＭ軸
成分I_Mを零にすれば、定常状態の電動機の力率は100％
となる。I_M＝０とするには、とりもなおさず上式におい
てi_M＝０とすればよいから、界磁電流指令値i_f ^＊を次式
に従い求める。

上記（10）〜（13）式に基づいて構成された電流指令
演算器４のブロック図を第８図に示す。

第８図において、掛算器41は界磁電流i_fと磁束演算器
５からのcosδを掛算してその結果i_fcosδを出力する。
この出力値と磁化電流指令値ｉ_μ ^＊とが減算器42により
（10）式に従って減算され磁化電流指令値i_M ^＊が作られ
る。Ｍ−T/α−β座標変換器43は、上述の磁化電流指令
値i_M ^＊とトルク電流指令値i_T ^＊と磁束演算器５からのsi
nρ,cosρとを入力し、上記（11）式による演算を行っ
てα−β軸固定座標系に変換されたｉ_α ^＊,i_β ^＊を出力
する。

次に、二相／三相変換器44がｉ_α ^＊,i_β ^＊を上記（1
2）式に従って、最終的に必要な三相指令値i_a ^＊,i_b ^＊,i
_c ^＊に変換して出力する。

また、割算器45は上記（13）式に従って、磁化電流指
令値ｉ_μ ^＊をcosδにより除算して界磁電流指令値i_f ^＊
を出力する。

（発明が解決しようとする課題） しかし、（13）式による界磁電流指令値i_f ^＊は非突極
形の同期電動機に適用できるものであり、突極形の同期
電動機においてはi_f ^＊は他の値となる。

同期電動機が突極形である場合に、（13）式により定
めたi_f ^＊を界磁巻線に流すと、電動機負荷の大きさによ
って磁束が変化してしまい、磁束一定制御、力率100％
制御を行うことができず全体としての制御性能が低下す
るという不都合がある。

本発明は、上記問題点を解決するために提案されたも
のであって、特に突極形電動機において、負荷が変動し
ても有効磁束を一定とし、かつ力率を100％に維持する
ことが可能な突極形同期電動機の可変速駆動装置を提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、磁極角δ，磁化
電流指令値ｉμ^＊のみならず、電機子電流のトルク成分
i_Tをも制御要素に加え、界磁電流指令値を前記各制御要
素に関連させて修正するものである。

すなわち本発明は、突極形同期電動機の有効磁束と磁
化電流指令値とトルク電流指定値とに基づき電機子電流
指定値及び界磁電流指令値を電流指令演算器により演算
し、前記電機子電流指定値及び界磁電流指定値に基づき
電機子電流及び界磁電流を調節手段により制御する突極
形同期電動機の可変速駆動装置において、前記電流指令
演算器は、前記磁化電流指定値を磁極角の余弦値で除算
して得られる値と、前記磁極角の正弦値と電機子電流の
トルク成分相当値との積に比例した値とを加算して前記
界磁電流指令値を求める手段を備えたことを特徴とす
る。

（作用） 以下、第６図のベクトル図を参照して本発明の作用を
説明する。同図に示すように、有効磁束Ψとその直軸
（ｄ軸）成分Ψ_ｄ及び横軸（ｑ軸）成分Ψ_ｑとの間には
以下の関係が成立する。

Ψ＝Ψ_dcosδ＋Ψ_qsinδ ……（14） また、電機子電流ｉのｄ−ｑ軸回転座標上の各成分
i_d,i_qとＭ−Ｔ軸回転座標上の各成分i_M,i_Tとの間には次
の関係がある。

また、前掲したように、 である。

（14）式に（15），（４）式を代入して整理すると、 Ψ＝G_d(p)（i_Mcosδ−i_Tsinδ）_cosδ ＋G_d(p)i_fcosδ ＋G_q(p)（i_Msinδ＋i_Tcosδ）_sinδ となる。上式をi_fについて整理すると、 ここで、定常状態を考えると突極形同期電動機におい
ては、 G_d(p)＝M_d G_q(p)＝M_q とすることができる。但し、M_d:同期電動機の直軸（ｄ
軸）電機子反作用インダクタンス、M_q:横軸（ｑ軸）電
機子反作用インダクタンスである。

更に、定常状態の同期電動機力率を100％にするため
に、（16）式においてi_M＝０とすると、 となる。ただし、ｉ_μは磁化電流であり、ｉ_μ＝Ψ/M_d
である。

したがって、突極形同期電動機の界磁電流指令値i_f ^＊
を電流指令演算器により次式に基づき演算し、この演算
結果に基づき界磁電流制御を行えば、有効磁束が一定で
力率100％の同期電動機の可変速駆動が可能となる。

なお、（18）式において、右辺第１項は従来の非突極
形同期電動機における界磁電流指令値を表し（（13）式
参照）、第２項は修正量を表すものであり、また、トル
ク成分指令値i_T ^＊に代えてトルク成分実際値i_Tを用いて
も上記と同様の作用を奏することができる。

（実施例） 本発明の一実施例を図面により説明する。

第１図は、第３図に示す同機電動機のベクトル制御シ
ステムに本発明方式を適用する場合に用いる電流指令値
演算器４′の一例を示すブロック図である。

第１図の電流指令値演算器４′は第８図の従来の電流
指令値演算器４と同様の構成要素である掛算器41,減算
器42,M−T/α−β座標変換器43,二相／三相変換器44及
び割算器45と、これら各要素に加え新たに設けられた修
正量演算器46及び加算器47とから構成されている。

修正量演算器46は電機子電流のトルク成分指令値i_T ^＊
と磁極角δの正弦値sinδとから（18）式右辺第２項、 の演算を行う。一方、割算器45は磁化電流指令値ｉ_μ ^＊
と磁極角δの余弦値cosδとから（18）式右辺第１項 ｉ_μ ^＊/cosδ の演算を行っている。加算器47は、この（18）式右辺第
１項の演算値と前記（18）式右辺第２項の演算値との加
算を行い界磁電流指令値i_f ^＊を算出する。

また、第１図の実施例では界磁電流指令値i_f ^＊を演算
するために（18）式を用いたが、その際、トルク成分指
令値i_T ^＊に代えてトルク成分実際値i_Tを用いてもよい。

なお、掛算器41,M−T/α−β座標変換器43及び二相／
三相変換器44等の動作はすでに第８図により述べたので
説明は省略する。

（発明の効果） 本発明は、同期電動機の界磁電流制御において磁極角
δ，磁化電流指令値のみならず、電機子電流のトルク電
流指定値（又はトルク電流実際値）をも制御要素に加
え、前記各制御要素に関連させて界磁電流を修正するこ
とにしたので、特に突極形同期電動機の可変速駆動にお
いて、負荷の変化によらず常に有効磁束を一定とし、か
つ力率100％の制御を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための電流指令演
算器を例示するブロック図、第２図は同期電動機の交流
理論に基づくベクトル図、第３図は同期電動機のベクト
ル制御システムの構成例を示すブロック図、第４図は三
相／二相変換の原理を説明するための説明図、第５図は
同じく三相磁束の波形図、第６図は本発明及び従来技術
の作用を説明するためのベクトル諸量の座標関係を示す
ベクトル図、第７図は磁束演算器のブロック図、第８図
は従来の電流指令演算器のブロック図である。 ４′……電流指令演算器、41……掛算器、42……減算
器、43……Ｍ−T/α−β座標変換器、44……二相／三相
変換器、45……割算器、46……修正量演算器、47……加
算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−133886（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−144794（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−239889（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】突極形同期電動機の有効磁束と磁化電流指
   令値とトルク電流指定値とに基づき電機子電流指定値及
   び界磁電流指令値を電流指令演算器により演算し、前記
   電機子電流指定値及び界磁電流指定値に基づき電機子電
   流及び界磁電流を調節手段により制御する突極形同期電
   動機の可変速駆動装置において、 前記電流指令演算器は、 前記磁化電流指定値を磁極角の余弦値で除算して得られ
   る値と、 前記磁極角の正弦値と電機子電流のトルク成分相当値と
   の積に比例した値と、 を加算して前記界磁電流指令値を求める手段を備えたこ
   とを特徴とする突極形同期電動機の可変速駆動装置。