JP3042204B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents
同期電動機の制御装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、同期電動機の制御装
置、特に歪んだ誘起電圧波形を持つ永久磁石式同期電動
機をトルク脈動なく、かつ高力率で制御することが可能
な制御装置に関する。
置、特に歪んだ誘起電圧波形を持つ永久磁石式同期電動
機をトルク脈動なく、かつ高力率で制御することが可能
な制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、電力変換器により同期電動機を
可変速制御する場合には、トルク脈動を低減するため同
期電動機の誘起電圧波形および電機子電流波形は正弦波
であることが望ましいとされている。また、多相出力電
力変換器の一部の相や、電機子巻線の一部の相に異常が
生じた場合に、異常な相を健全な相から切り離して同期
電動機を欠相運転することがあるが、このような場合に
おいてもトルク脈動が発生しないことが望まれる。な
お、かかる欠相運転の例としては、例えば文献１（「サ
イクロコンバータによる誘導電動機の非常制動」黒沢
他，昭和６１年電気学会全国大会発表の論文６１９）で
知られている。
可変速制御する場合には、トルク脈動を低減するため同
期電動機の誘起電圧波形および電機子電流波形は正弦波
であることが望ましいとされている。また、多相出力電
力変換器の一部の相や、電機子巻線の一部の相に異常が
生じた場合に、異常な相を健全な相から切り離して同期
電動機を欠相運転することがあるが、このような場合に
おいてもトルク脈動が発生しないことが望まれる。な
お、かかる欠相運転の例としては、例えば文献１（「サ
イクロコンバータによる誘導電動機の非常制動」黒沢
他，昭和６１年電気学会全国大会発表の論文６１９）で
知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】誘起電圧波形を厳密に
正弦波とするためには、電動機の設計に制約が加わって
製作が困難となりコスト増の要因となったり、電動機の
出力が低減するなどの問題が発生する。また、欠相運転
時において文献１の方法では、電動機のトルク発生に寄
与しない零相電流を多く流す必要があるため電動機の力
率が低下し、その結果、出力の限界と効率が低下すると
いう問題もある。したがって、この発明の課題は誘起電
圧が歪んでいたり、または欠相状態にある同期電動機、
特に永久磁石式同期電動機をトルク脈動なく高力率、か
つ高効率に制御し得るようにすることにある。
正弦波とするためには、電動機の設計に制約が加わって
製作が困難となりコスト増の要因となったり、電動機の
出力が低減するなどの問題が発生する。また、欠相運転
時において文献１の方法では、電動機のトルク発生に寄
与しない零相電流を多く流す必要があるため電動機の力
率が低下し、その結果、出力の限界と効率が低下すると
いう問題もある。したがって、この発明の課題は誘起電
圧が歪んでいたり、または欠相状態にある同期電動機、
特に永久磁石式同期電動機をトルク脈動なく高力率、か
つ高効率に制御し得るようにすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、この発明では、電力変換器を介して給電される同期
電動機の制御装置において、各相の電機子電流の目標値
を全ての相の誘起電圧の瞬時値の２乗和に反比例する量
と、各相の誘起電圧の瞬時値に比例する量との関数とし
て演算する演算手段と、この演算結果にもとづき各相の
電機子電流を制御する電流制御手段とを設けたことを特
徴としている。この発明では、前記同期電動機の巻線の
うちの少なくとも１相以上が給電されない欠相運転を行
なうときは、欠相した相の誘起電圧の瞬時値は零とみな
して各相の電機子電流の目標値を演算すること、または
前記同期電動機の複数の相の巻線を直列に接続すること
により相数を減じて減相運転を行なうときは、直列接続
された複数の巻線の各誘起電圧の和で与えられる誘起電
圧和を求め、これにもとづき各相の電機子電流の目標値
を演算することができる。
め、この発明では、電力変換器を介して給電される同期
電動機の制御装置において、各相の電機子電流の目標値
を全ての相の誘起電圧の瞬時値の２乗和に反比例する量
と、各相の誘起電圧の瞬時値に比例する量との関数とし
て演算する演算手段と、この演算結果にもとづき各相の
電機子電流を制御する電流制御手段とを設けたことを特
徴としている。この発明では、前記同期電動機の巻線の
うちの少なくとも１相以上が給電されない欠相運転を行
なうときは、欠相した相の誘起電圧の瞬時値は零とみな
して各相の電機子電流の目標値を演算すること、または
前記同期電動機の複数の相の巻線を直列に接続すること
により相数を減じて減相運転を行なうときは、直列接続
された複数の巻線の各誘起電圧の和で与えられる誘起電
圧和を求め、これにもとづき各相の電機子電流の目標値
を演算することができる。
【０００５】また、上記発明では、前記誘起電圧を磁極
の位置のみの関数で回転角速度には無関係な基準化され
た量の関数として演算するとともに、各相の電機子電流
の目標値をトルク目標値に比例する量の関数として演算
すること、または前記誘起電圧を磁極の位置と有限の次
数からなるフーリエ係数とから演算により求めることが
できる。さらに、前記同期電動機を欠相運転または減相
運転するときは、それに合わせて前記トルク目標値の制
限値を変化させることができ、前記演算手段に代えて、
各相の電機子電流の目標値を全ての相の誘起電圧の瞬時
値の２乗和に反比例しかつ各相の誘起電圧の瞬時値に比
例する量として記憶する記憶手段を設けることができ
る。
の位置のみの関数で回転角速度には無関係な基準化され
た量の関数として演算するとともに、各相の電機子電流
の目標値をトルク目標値に比例する量の関数として演算
すること、または前記誘起電圧を磁極の位置と有限の次
数からなるフーリエ係数とから演算により求めることが
できる。さらに、前記同期電動機を欠相運転または減相
運転するときは、それに合わせて前記トルク目標値の制
限値を変化させることができ、前記演算手段に代えて、
各相の電機子電流の目標値を全ての相の誘起電圧の瞬時
値の２乗和に反比例しかつ各相の誘起電圧の瞬時値に比
例する量として記憶する記憶手段を設けることができ
る。
【０００６】
【作用】同期電動機の誘起電圧の波形および欠相の状態
に応じて各相の巻線の起磁力で発生するトルクの総和が
一定値となり、かつ誘起電圧に対する力率が最大となる
条件で各相の電機子電流の瞬時値を制御する。具体的に
は多相同期電動機において、給電している電機子巻線の
誘起電圧の瞬時値をｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn とするとき、
任意のｍ番目の電機子電流の瞬時値ｉm はＫを比例定数
として、 となるように制御するものである。
に応じて各相の巻線の起磁力で発生するトルクの総和が
一定値となり、かつ誘起電圧に対する力率が最大となる
条件で各相の電機子電流の瞬時値を制御する。具体的に
は多相同期電動機において、給電している電機子巻線の
誘起電圧の瞬時値をｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn とするとき、
任意のｍ番目の電機子電流の瞬時値ｉm はＫを比例定数
として、 となるように制御するものである。
【０００７】以下、（１）式の導出過程を順次示しなが
ら、この発明の原理について説明する。いま、ｎ相の電
機子巻線を持つ多相同期電動機において、各相の誘起電
圧の瞬時値ｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn からなるベクトルを次
の（２）式のように、 ｅ（→）＝（ｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn ） …（２） とする。なお、（→）なる記号を付してベクトル量を表
わすものとし、以下同様とする。また、各相の電機子電
流の瞬時値ｉ1 ，ｉ2 ，…，ｉn からなるベクトルを、 ｉ（→）＝（ｉ1 ，ｉ2 ，…，ｉn ） …（３） とする。このとき、電動機の出力は、 Ｐ＝ｅ1 ｉ1 ＋ｅ2 ｉ2 ＋…＋ｅn ｉn …（４） となる。
ら、この発明の原理について説明する。いま、ｎ相の電
機子巻線を持つ多相同期電動機において、各相の誘起電
圧の瞬時値ｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn からなるベクトルを次
の（２）式のように、 ｅ（→）＝（ｅ1 ，ｅ2 ，…，ｅn ） …（２） とする。なお、（→）なる記号を付してベクトル量を表
わすものとし、以下同様とする。また、各相の電機子電
流の瞬時値ｉ1 ，ｉ2 ，…，ｉn からなるベクトルを、 ｉ（→）＝（ｉ1 ，ｉ2 ，…，ｉn ） …（３） とする。このとき、電動機の出力は、 Ｐ＝ｅ1 ｉ1 ＋ｅ2 ｉ2 ＋…＋ｅn ｉn …（４） となる。
【０００８】このように、出力Ｐはベクトルｅ（→）と
ｉ（→）の内積で与えられ、次式のようになる。 Ｐ＝ｅ（→）・ｉ（→）＝｜ｅ（→）｜｜ｉ（→）｜ｃｏｓφ …（５） ここに、 ｜ｅ（→）｜＝（ｅ1 2 ＋ｅ2 2 ＋…＋ｅn 2 ）1/2 …（５−１） ｜ｉ（→）｜＝（ｉ1 2 ＋ｉ2 2 ＋…＋ｉn 2 ）1/2 …（５−２） であり、φはｅ（→）とｉ（→）の交角を示す。
ｉ（→）の内積で与えられ、次式のようになる。 Ｐ＝ｅ（→）・ｉ（→）＝｜ｅ（→）｜｜ｉ（→）｜ｃｏｓφ …（５） ここに、 ｜ｅ（→）｜＝（ｅ1 2 ＋ｅ2 2 ＋…＋ｅn 2 ）1/2 …（５−１） ｜ｉ（→）｜＝（ｉ1 2 ＋ｉ2 2 ＋…＋ｉn 2 ）1/2 …（５−２） であり、φはｅ（→）とｉ（→）の交角を示す。
【０００９】｜ｉ（→）｜2 は（５−２）式より抵抗損
に比例するので、所定の出力Ｐに対し同損失を最小にし
て効率を最大にするには、ｃｏｓφを１にする必要があ
る。このための条件はｅ（→）とｉ（→）の交角φが
零、すなわち、 ｉ（→）＝ｋ・ｅ（→）（ｋはスカラー量） …（６） が成立することである。なお、ｃｏｓφは瞬時ベクトル
ｅ（→）とｉ（→）の力率に対応しているので、以下、
これを瞬時力率と呼ぶことにする。この瞬時力率を１に
するには、（６）式を（５）式に代入して、 Ｐ＝ｋ・ｅ（→）・ｅ（→）＝ｋ｜ｅ（→）｜2 …（７） となる。
に比例するので、所定の出力Ｐに対し同損失を最小にし
て効率を最大にするには、ｃｏｓφを１にする必要があ
る。このための条件はｅ（→）とｉ（→）の交角φが
零、すなわち、 ｉ（→）＝ｋ・ｅ（→）（ｋはスカラー量） …（６） が成立することである。なお、ｃｏｓφは瞬時ベクトル
ｅ（→）とｉ（→）の力率に対応しているので、以下、
これを瞬時力率と呼ぶことにする。この瞬時力率を１に
するには、（６）式を（５）式に代入して、 Ｐ＝ｋ・ｅ（→）・ｅ（→）＝ｋ｜ｅ（→）｜2 …（７） となる。
【００１０】上式より、出力Ｐを一定とするための条件
は、ｋが｜ｅ（→）｜2 に反比例することであることが
分かる。そこで、上記（７）式を（６）式に代入してｋ
を消去し、出力Ｐをその目標値Ｐ* に置き換えると、 を得る。（８）式はＰ* を一定値とすると、瞬時力率が
１で出力が一定、すなわち、トルク脈動が発生しない電
流ベクトルを表わしている。（８）式を各相の電機子電
流成分を用いて書き改めたのが（１）式である。以上、
（１）式の導出過程について説明したが、ここでは各相
の誘起電圧の波形や電動機の相数は一切関係していな
い。すなわち、（１）式は誘起電圧の波形，相数または
欠相運転か否かに関わらず、トルク脈動が零でしかも高
力率，高効率な運転を可能ならしめるための条件と考え
ることができる。
は、ｋが｜ｅ（→）｜2 に反比例することであることが
分かる。そこで、上記（７）式を（６）式に代入してｋ
を消去し、出力Ｐをその目標値Ｐ* に置き換えると、 を得る。（８）式はＰ* を一定値とすると、瞬時力率が
１で出力が一定、すなわち、トルク脈動が発生しない電
流ベクトルを表わしている。（８）式を各相の電機子電
流成分を用いて書き改めたのが（１）式である。以上、
（１）式の導出過程について説明したが、ここでは各相
の誘起電圧の波形や電動機の相数は一切関係していな
い。すなわち、（１）式は誘起電圧の波形，相数または
欠相運転か否かに関わらず、トルク脈動が零でしかも高
力率，高効率な運転を可能ならしめるための条件と考え
ることができる。
【００１１】 次に、制御の便宜上（１）式を変形する。
すなわち、誘起電圧ベクトルｅ（→）は回転角速度ωに
比例するので、 ｅ（→）＝ω・ｅ0 （→） …（９） で与えられる誘起電圧の基準となるベクトルｅ0 （→）
（以下、基準誘起電圧ベクトルともいう）を考える。ま
た、出力はωとトルクＴとの積で与えられることから、
（８）式は、 となる。したがって、電流ベクトルの任意のｍ番目の成
分の目標値は、 となる。
すなわち、誘起電圧ベクトルｅ（→）は回転角速度ωに
比例するので、 ｅ（→）＝ω・ｅ0 （→） …（９） で与えられる誘起電圧の基準となるベクトルｅ0 （→）
（以下、基準誘起電圧ベクトルともいう）を考える。ま
た、出力はωとトルクＴとの積で与えられることから、
（８）式は、 となる。したがって、電流ベクトルの任意のｍ番目の成
分の目標値は、 となる。
【００１２】
【実施例】図１はこの発明の１実施例を示す構成図、図
２はこの発明が適用される電力変換器主回路構成図であ
る。図２に示すように、電力変換器１はここでは１１〜
１ｎのｎ組の単相インバータからなり、同期電動機２は
ｎ組の独立した巻線２１〜２ｎを持つ永久磁石式ｎ相同
期電動機とする。２’は磁極の位置を検出する磁極位置
センサである。いま、同期電動機の電機子反作用が小さ
くて無視できる（電機子電流によって誘起電圧が変化し
ない）ものとすると、誘起電圧は磁極の位置と回転角速
度の関数となる。なお、電機子反作用が無視できる例と
しては文献２（遠藤他「高性能永久磁石を用いた大容量
同期電動機の開発」平成３年電気学会全国大会発表の論
文７３５）が知られている。
２はこの発明が適用される電力変換器主回路構成図であ
る。図２に示すように、電力変換器１はここでは１１〜
１ｎのｎ組の単相インバータからなり、同期電動機２は
ｎ組の独立した巻線２１〜２ｎを持つ永久磁石式ｎ相同
期電動機とする。２’は磁極の位置を検出する磁極位置
センサである。いま、同期電動機の電機子反作用が小さ
くて無視できる（電機子電流によって誘起電圧が変化し
ない）ものとすると、誘起電圧は磁極の位置と回転角速
度の関数となる。なお、電機子反作用が無視できる例と
しては文献２（遠藤他「高性能永久磁石を用いた大容量
同期電動機の開発」平成３年電気学会全国大会発表の論
文７３５）が知られている。
【００１３】図１について説明する。先に説明した基準
誘起電圧の波形を磁極の位置だけに関係する関数とし、
これを図１のメモリ３１〜３ｎに記憶しておき、磁極の
位置θに応じてこのメモリの内容を読み出すことによ
り、各相対応の基準誘起電圧の瞬時値ｅ01〜ｅonを得る
ことができる。４は電流指令値（目標値）を演算する演
算器であり、メモリ３１〜３ｎから読み出された基準誘
起電圧の瞬時値ｅ01〜ｅonと、トルク目標値Ｔ*とから
先の（１１）式にもとづき各相の電流目標値ｉ1 * 〜ｉ
n * を求める。例えば、第２番目の電流目標値ｉ
2 * は、 ｉ2 * ＝Ｔ* ｅ02／（ｅ01 2 ＋ｅ02 2 ＋…＋ｅon 2 ） …（１２） で与えられ、各相の基準誘起電圧の瞬時値の２乗和に反
比例し、トルク目標値と第２番目の基準誘起電圧の瞬時
値に比例した量となる。
誘起電圧の波形を磁極の位置だけに関係する関数とし、
これを図１のメモリ３１〜３ｎに記憶しておき、磁極の
位置θに応じてこのメモリの内容を読み出すことによ
り、各相対応の基準誘起電圧の瞬時値ｅ01〜ｅonを得る
ことができる。４は電流指令値（目標値）を演算する演
算器であり、メモリ３１〜３ｎから読み出された基準誘
起電圧の瞬時値ｅ01〜ｅonと、トルク目標値Ｔ*とから
先の（１１）式にもとづき各相の電流目標値ｉ1 * 〜ｉ
n * を求める。例えば、第２番目の電流目標値ｉ
2 * は、 ｉ2 * ＝Ｔ* ｅ02／（ｅ01 2 ＋ｅ02 2 ＋…＋ｅon 2 ） …（１２） で与えられ、各相の基準誘起電圧の瞬時値の２乗和に反
比例し、トルク目標値と第２番目の基準誘起電圧の瞬時
値に比例した量となる。
【００１４】５１〜５ｎは電流調節器（ＡＣＲ）であ
り、電流目標値ｉ1 * 〜ｉn * と電流検出値ｉ1 〜ｉn
との偏差を増幅する。６１〜６ｎは例えばＡＣＲ５１〜
５ｎの出力をパルス幅変調（ＰＷＭ）し、各単相インバ
ータ１１〜１ｎに対してゲートパルスを発生するパルス
発生器（ＰＧ）である。なお、誘起電圧の波形が各相対
称であれば、基準誘起電圧を記憶するメモリの読み出し
アドレスを工夫することにより、メモリ容量を減らすこ
とが可能である。
り、電流目標値ｉ1 * 〜ｉn * と電流検出値ｉ1 〜ｉn
との偏差を増幅する。６１〜６ｎは例えばＡＣＲ５１〜
５ｎの出力をパルス幅変調（ＰＷＭ）し、各単相インバ
ータ１１〜１ｎに対してゲートパルスを発生するパルス
発生器（ＰＧ）である。なお、誘起電圧の波形が各相対
称であれば、基準誘起電圧を記憶するメモリの読み出し
アドレスを工夫することにより、メモリ容量を減らすこ
とが可能である。
【００１５】ところで、永久磁石式同期電動機の巻線を
例えば図３に示すように、互いに３０度の位相差を持つ
２組の３相巻線から構成されているものとすると、かか
る場合の各相の誘起電圧波形は例えば図４のように示さ
れる。このような誘起電圧を発生するものに対しこの発
明を適用した場合も、その各相の電流波形は図５のよう
に歪んだ台形波状となるが、その出力（トルク）は図５
（ト）に示すように一定であり、トルク脈動は零とな
る。また、誘起電圧と電流から一周期における総合効率
を求めると０．９９９以上であり、高力率である。
例えば図３に示すように、互いに３０度の位相差を持つ
２組の３相巻線から構成されているものとすると、かか
る場合の各相の誘起電圧波形は例えば図４のように示さ
れる。このような誘起電圧を発生するものに対しこの発
明を適用した場合も、その各相の電流波形は図５のよう
に歪んだ台形波状となるが、その出力（トルク）は図５
（ト）に示すように一定であり、トルク脈動は零とな
る。また、誘起電圧と電流から一周期における総合効率
を求めると０．９９９以上であり、高力率である。
【００１６】つまり、図４と図５を比較すると誘起電圧
波形と電流波形はほぼ相似形であるが、厳密には相似形
ではない。図６は誘起電圧波形と電流波形を相似形とし
た場合の例を示しており、図６（イ）は或る相の誘起電
圧波形，同（ロ），（ハ）は同相の電流波形および出力
波形を示している。同（ハ）からも明らかなように、出
力は脈動しており、トルク脈動が生じることが分かる。
図７は電流を正弦波とした従来の制御例を示す。図６の
場合よりも出力の脈動は小さくなっているが、総合力率
は０．９３と低く、その分だけ所定の出力を得るための
電流実効値が増加し、電動機効率が低下する。
波形と電流波形はほぼ相似形であるが、厳密には相似形
ではない。図６は誘起電圧波形と電流波形を相似形とし
た場合の例を示しており、図６（イ）は或る相の誘起電
圧波形，同（ロ），（ハ）は同相の電流波形および出力
波形を示している。同（ハ）からも明らかなように、出
力は脈動しており、トルク脈動が生じることが分かる。
図７は電流を正弦波とした従来の制御例を示す。図６の
場合よりも出力の脈動は小さくなっているが、総合力率
は０．９３と低く、その分だけ所定の出力を得るための
電流実効値が増加し、電動機効率が低下する。
【００１７】図８は欠相運転時のこの発明の実施例を示
すブロック図で、ここでは図２に示す第１の巻線２１ま
たはこの巻線２１に給電する単相インバータ１１に異常
が生じた場合の例を示す。なお、この場合異常相の巻線
２１には給電せず、かつ巻線２１の基準誘起電圧ｅ01は
その値の有無に関わらず零とみなす。演算器４は図１の
場合と同じく、先の（１１）式にもとづき各相の電流目
標値ｉ1 * 〜ｉn * を求めるが、ここではｅ01＝０なの
で、例えば、第２番目の電流目標値ｉ2 * は、 ｉ2 * ＝Ｔ* ｅ02／（ｅ02 2 ＋ｅ03 2 ＋…＋ｅon 2 ） …（１３） となる。
すブロック図で、ここでは図２に示す第１の巻線２１ま
たはこの巻線２１に給電する単相インバータ１１に異常
が生じた場合の例を示す。なお、この場合異常相の巻線
２１には給電せず、かつ巻線２１の基準誘起電圧ｅ01は
その値の有無に関わらず零とみなす。演算器４は図１の
場合と同じく、先の（１１）式にもとづき各相の電流目
標値ｉ1 * 〜ｉn * を求めるが、ここではｅ01＝０なの
で、例えば、第２番目の電流目標値ｉ2 * は、 ｉ2 * ＝Ｔ* ｅ02／（ｅ02 2 ＋ｅ03 2 ＋…＋ｅon 2 ） …（１３） となる。
【００１８】他相の巻線または単相インバータに異常が
生じた場合の制御も上記と同様に行なわれ、異常相には
給電せず、かつ異常相の基準誘起電圧を零とおき、（１
１）式に従って健全相の電流目標値を求める。また、複
数の相の巻線または複数の相の単相インバータに異常が
生じた場合の制御も同様であり、異常が生じた複数の相
には給電せず、かつ異常が生じた複数の相の基準誘起電
圧を零とおき、（１１）式に従って健全相の電流目標値
を求めるようにする。なお、この発明では（１１）式の
分母が零にならないことが必要であり、このためには少
なくとも２組の巻線に給電する必要がある。換言すれ
ば、少なくとも２組の巻線に給電できればこの発明によ
る欠相運転が可能であると云うことになる。
生じた場合の制御も上記と同様に行なわれ、異常相には
給電せず、かつ異常相の基準誘起電圧を零とおき、（１
１）式に従って健全相の電流目標値を求める。また、複
数の相の巻線または複数の相の単相インバータに異常が
生じた場合の制御も同様であり、異常が生じた複数の相
には給電せず、かつ異常が生じた複数の相の基準誘起電
圧を零とおき、（１１）式に従って健全相の電流目標値
を求めるようにする。なお、この発明では（１１）式の
分母が零にならないことが必要であり、このためには少
なくとも２組の巻線に給電する必要がある。換言すれ
ば、少なくとも２組の巻線に給電できればこの発明によ
る欠相運転が可能であると云うことになる。
【００１９】図９に図８の如き１相欠相時の各相の電流
波形例と出力波形例とを示す。すなわち、ここでは同図
（イ）のようにＵ１相の電流は零であるが、同（ト）の
ように脈動のない一定な出力波形になることを示してい
る。なお、この場合の総合力率は０．９９７と高力率で
ある。図１０に２相欠相時の各相の電流波形例と出力波
形例とを示す。同図（イ），（ホ）のようにＵ１相とＶ
２相の電流が零であるが、同（ト）のように脈動のない
安定な出力波形になることを示している。なお、この場
合の総合力率は０．９９８と高力率である。
波形例と出力波形例とを示す。すなわち、ここでは同図
（イ）のようにＵ１相の電流は零であるが、同（ト）の
ように脈動のない一定な出力波形になることを示してい
る。なお、この場合の総合力率は０．９９７と高力率で
ある。図１０に２相欠相時の各相の電流波形例と出力波
形例とを示す。同図（イ），（ホ）のようにＵ１相とＶ
２相の電流が零であるが、同（ト）のように脈動のない
安定な出力波形になることを示している。なお、この場
合の総合力率は０．９９８と高力率である。
【００２０】図３で示したような巻線構成を持つ６相電
動機の、３０度位相差を持つ各巻線を例えば図１１のよ
うに直列接続すれば３相電動機として使用することがで
き、このようにして運転する方法をここでは減相運転と
呼ぶことにする。こうすれば、電動機の端子電圧は６相
電動機の場合よりも増加するので、かかる減相運転は誘
起電圧が低い中，低速時に限って採用することとする。
なお、各相巻線をこのように接続すると、３組の単相イ
ンバータを用いて給電でき、他の３組の単相インバータ
は休止できるので、インバータの損失を低減することが
できる。
動機の、３０度位相差を持つ各巻線を例えば図１１のよ
うに直列接続すれば３相電動機として使用することがで
き、このようにして運転する方法をここでは減相運転と
呼ぶことにする。こうすれば、電動機の端子電圧は６相
電動機の場合よりも増加するので、かかる減相運転は誘
起電圧が低い中，低速時に限って採用することとする。
なお、各相巻線をこのように接続すると、３組の単相イ
ンバータを用いて給電でき、他の３組の単相インバータ
は休止できるので、インバータの損失を低減することが
できる。
【００２１】複数の巻線を直列接続した場合の電流目標
値の求め方としては、直列接続した巻線の基準誘起電圧
の加算値を新たな基準誘起電圧として、（１１）式に従
って演算する。具体的には、図１１の巻線構造におい
て、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２巻線の基準誘
起電圧をそれぞれｅu1，ｅv1，ｅw1，ｅu2，ｅv2，ｅW2
とすると、３相の電流目標値ｉu * ，ｉv * ，ｉ
w * は、 ｉu * ＝Ｔ* （ｅu1＋ｅu2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ ｉv * ＝Ｔ* （ｅv1＋ｅv2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ ｉw * ＝Ｔ* （ｅw1＋ｅW2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ …（１４）
値の求め方としては、直列接続した巻線の基準誘起電圧
の加算値を新たな基準誘起電圧として、（１１）式に従
って演算する。具体的には、図１１の巻線構造におい
て、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２巻線の基準誘
起電圧をそれぞれｅu1，ｅv1，ｅw1，ｅu2，ｅv2，ｅW2
とすると、３相の電流目標値ｉu * ，ｉv * ，ｉ
w * は、 ｉu * ＝Ｔ* （ｅu1＋ｅu2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ ｉv * ＝Ｔ* （ｅv1＋ｅv2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ ｉw * ＝Ｔ* （ｅw1＋ｅW2） ／｛（ｅu1＋ｅu2）2 ＋（ｅv1＋ｅv2）2 ＋（ｅw1＋ｅW2）2 ｝ …（１４）
【００２２】図１２は図１１の巻線構造において、例え
ばＵ１巻線に異常が生じた場合の巻線構造図を示す。こ
の場合の電流目標値は、異常相の基準誘起電圧ｅu1を零
とおいて、上記（１４）式から求める。さらに、Ｕ２巻
線にも異常が生じた場合、またはＵ相に給電する単相イ
ンバータに異常が乗じた場合は、ｅu1およびｅu2をそれ
ぞれ零とおいて、（１４）式からＶ相とＷ相の電流目標
値ｉv * ，ｉw * を求める。
ばＵ１巻線に異常が生じた場合の巻線構造図を示す。こ
の場合の電流目標値は、異常相の基準誘起電圧ｅu1を零
とおいて、上記（１４）式から求める。さらに、Ｕ２巻
線にも異常が生じた場合、またはＵ相に給電する単相イ
ンバータに異常が乗じた場合は、ｅu1およびｅu2をそれ
ぞれ零とおいて、（１４）式からＶ相とＷ相の電流目標
値ｉv * ，ｉw * を求める。
【００２３】図１３は欠相運転または減相運転に応じて
演算方法を切り換える切換回路例を示す構成図である。
すなわち、スイッチＳＷ−Ｕ１〜ＳＷ−Ｗ２は各６相巻
線に給電される場合に閉路し、欠相の場合に開路（図示
の状態）となる。開路の場合は信号が伝達されず、した
がって開路された相の基準誘起電圧の信号は零となる。
ＳＷ１は２巻線が直列接続（減相）の場合に閉路し、逆
にＳＷ２は２巻線が直列接続の場合に開路する。例えば
直列接続の場合には、ｅ01はｅu1とｅu2の加算値とな
り、ｅ04は零となることを示している。演算器４はこう
して得られるｅ01〜ｅ06から、（１１）式にもとづく演
算をして、各相の電流目標値を求めるわけである。
演算方法を切り換える切換回路例を示す構成図である。
すなわち、スイッチＳＷ−Ｕ１〜ＳＷ−Ｗ２は各６相巻
線に給電される場合に閉路し、欠相の場合に開路（図示
の状態）となる。開路の場合は信号が伝達されず、した
がって開路された相の基準誘起電圧の信号は零となる。
ＳＷ１は２巻線が直列接続（減相）の場合に閉路し、逆
にＳＷ２は２巻線が直列接続の場合に開路する。例えば
直列接続の場合には、ｅ01はｅu1とｅu2の加算値とな
り、ｅ04は零となることを示している。演算器４はこう
して得られるｅ01〜ｅ06から、（１１）式にもとづく演
算をして、各相の電流目標値を求めるわけである。
【００２４】ところで、図５の場合の電流実効値および
出力を１００％とすると、図９の１相欠相時には、電流
実効値が１００％のとき出力は８１％であり、図１０の
２相欠相時には、電流実効値が１００％のとき出力は６
７％である。電動機および電力変換器の保護の観点から
電流値に制限が生じるので、欠相状態などによって出力
トルクに制限が必要である。図１３の４’がそのために
設けられたトルク制限器であり、制限の掛からないトル
クの目標値Ｔ**を、欠相運転や減相運転に応じてその値
を変え、制限の掛かったトルクの目標値Ｔ* を得るもの
である。
出力を１００％とすると、図９の１相欠相時には、電流
実効値が１００％のとき出力は８１％であり、図１０の
２相欠相時には、電流実効値が１００％のとき出力は６
７％である。電動機および電力変換器の保護の観点から
電流値に制限が生じるので、欠相状態などによって出力
トルクに制限が必要である。図１３の４’がそのために
設けられたトルク制限器であり、制限の掛からないトル
クの目標値Ｔ**を、欠相運転や減相運転に応じてその値
を変え、制限の掛かったトルクの目標値Ｔ* を得るもの
である。
【００２５】以上では、各相の電流目標値を演算器４を
介して得るようにしているが、図１４のようにすること
もできる。なお、図１４はこの発明の他の実施例を示す
構成図である。（１１）式の右辺をトルクの目標値Ｔ*
で割ると、ｍ番目の相の基準化した電流（以下、基準電
流ともいう）は、 となり、各相電流目標値は、 ｉm * ＝Ｔ* ｉ0m …（１６） となる。ｅ0mは磁極の位置（θ）だけに関係する関数で
あるので、（１５），（１６）式も磁極の位置のみの関
数となる。
介して得るようにしているが、図１４のようにすること
もできる。なお、図１４はこの発明の他の実施例を示す
構成図である。（１１）式の右辺をトルクの目標値Ｔ*
で割ると、ｍ番目の相の基準化した電流（以下、基準電
流ともいう）は、 となり、各相電流目標値は、 ｉm * ＝Ｔ* ｉ0m …（１６） となる。ｅ0mは磁極の位置（θ）だけに関係する関数で
あるので、（１５），（１６）式も磁極の位置のみの関
数となる。
【００２６】図１４では、メモリ３１〜３ｎに各相の基
準電流の波形を格納しておき、これを磁極の位置θに応
じて読み出し、乗算器７１〜７３においてその出力にト
ルク目標値Ｔ* を乗じることにより、各相の電流目標値
ｉ1 * 〜ｉn * を得るようにしている。なお、欠相運転
などの場合には、種々の欠相状態に応じた基準電流を
（１５）式などから予め求めて、メモリ３１〜３ｎに格
納しておくことにより、如何なる場合にも対処すること
が可能となる。以上のように、基準誘起電圧や基準電流
は磁極の位置θだけに関係した繰り返し波形となる。そ
こで、同波形をフーリエ級数に展開すれば、基準誘起電
圧や基準電流はそのフーリエ係数とθとから演算で求め
ることができ、メモリ容量を減らすことが可能となる。
準電流の波形を格納しておき、これを磁極の位置θに応
じて読み出し、乗算器７１〜７３においてその出力にト
ルク目標値Ｔ* を乗じることにより、各相の電流目標値
ｉ1 * 〜ｉn * を得るようにしている。なお、欠相運転
などの場合には、種々の欠相状態に応じた基準電流を
（１５）式などから予め求めて、メモリ３１〜３ｎに格
納しておくことにより、如何なる場合にも対処すること
が可能となる。以上のように、基準誘起電圧や基準電流
は磁極の位置θだけに関係した繰り返し波形となる。そ
こで、同波形をフーリエ級数に展開すれば、基準誘起電
圧や基準電流はそのフーリエ係数とθとから演算で求め
ることができ、メモリ容量を減らすことが可能となる。
【００２７】例えば、図４に示すような誘起電圧波形を
フーリエ級数に展開すると、基本波および第３，５，
９，１１次の高調波成分だけが含まれている。このと
き、例えば基準誘起電圧ｅu1，ｅv1は、 ｅu1＝Ｅ1 ｓｉｎθ＋Ｅ3 ｓｉｎ３θ＋Ｅ5 ｓｉｎ５θ ＋Ｅ9 ｓｉｎ９θ＋Ｅ11ｓｉｎ１１θ ｅv1＝Ｅ1 ｓｉｎ（θ−φ）＋Ｅ3 ｓｉｎ３（θ−φ）＋Ｅ5 ｓｉｎ５（θ− φ）＋Ｅ9 ｓｉｎ９（θ−φ）＋Ｅ11ｓｉｎ１１（θ−φ） （φ＝２π／３） …（１７） となり、各次数のフーリエ係数Ｅ1 ，Ｅ3 ，Ｅ5 ，
Ｅ9 ，Ｅ11だけを記憶しておけば、演算により基準誘起
電圧を求めることができる。
フーリエ級数に展開すると、基本波および第３，５，
９，１１次の高調波成分だけが含まれている。このと
き、例えば基準誘起電圧ｅu1，ｅv1は、 ｅu1＝Ｅ1 ｓｉｎθ＋Ｅ3 ｓｉｎ３θ＋Ｅ5 ｓｉｎ５θ ＋Ｅ9 ｓｉｎ９θ＋Ｅ11ｓｉｎ１１θ ｅv1＝Ｅ1 ｓｉｎ（θ−φ）＋Ｅ3 ｓｉｎ３（θ−φ）＋Ｅ5 ｓｉｎ５（θ− φ）＋Ｅ9 ｓｉｎ９（θ−φ）＋Ｅ11ｓｉｎ１１（θ−φ） （φ＝２π／３） …（１７） となり、各次数のフーリエ係数Ｅ1 ，Ｅ3 ，Ｅ5 ，
Ｅ9 ，Ｅ11だけを記憶しておけば、演算により基準誘起
電圧を求めることができる。
【００２８】ところで、同期電動機の誘起電圧ｅm は、
ｖm を端子電圧、Ｌを電機子もれインダクタンス、Ｒを
電機子抵抗、ｐを微分演算子として、 ｅm ＝ｖm −ｐＬｉm −Ｒｉm …（１８） のように表現できることが知られている。この誘起電圧
は直接検出することもできるが、電動機端子電圧と電流
とから求めることができ、誘起電圧が求まれば（１）式
や（１１）式を用いて電流目標値を求めることが可能で
ある。この場合、電機子反作用があっても誘起電圧が求
まることは明らかである。また、（１８）式は永久磁石
式同期電動機だけでなく電気界磁式同期電動機の場合で
も成立し、いずれもこの発明による電流制御が可能であ
る。
ｖm を端子電圧、Ｌを電機子もれインダクタンス、Ｒを
電機子抵抗、ｐを微分演算子として、 ｅm ＝ｖm −ｐＬｉm −Ｒｉm …（１８） のように表現できることが知られている。この誘起電圧
は直接検出することもできるが、電動機端子電圧と電流
とから求めることができ、誘起電圧が求まれば（１）式
や（１１）式を用いて電流目標値を求めることが可能で
ある。この場合、電機子反作用があっても誘起電圧が求
まることは明らかである。また、（１８）式は永久磁石
式同期電動機だけでなく電気界磁式同期電動機の場合で
も成立し、いずれもこの発明による電流制御が可能であ
る。
【００２９】
【発明の効果】この発明によれば、同期電動機の誘起電
圧波形または欠相運転や減相運転の状態に応じて、各相
の巻線の起磁力で発生するトルクの総和が一定値とな
り、かつ誘起電圧に対する力率が最大となるように各相
電流を制御するようにしたので、誘起電圧を正弦波にす
る必要がなく、その結果、同期電動機の設計や製作の自
由度が増え、出力の向上や低価格化を実現し得る利点が
得られる。また、歪んだ誘起電圧波形や欠相などの特殊
な運転時にもトルク脈動がなく、しかも高力率の運転が
可能となる。
圧波形または欠相運転や減相運転の状態に応じて、各相
の巻線の起磁力で発生するトルクの総和が一定値とな
り、かつ誘起電圧に対する力率が最大となるように各相
電流を制御するようにしたので、誘起電圧を正弦波にす
る必要がなく、その結果、同期電動機の設計や製作の自
由度が増え、出力の向上や低価格化を実現し得る利点が
得られる。また、歪んだ誘起電圧波形や欠相などの特殊
な運転時にもトルク脈動がなく、しかも高力率の運転が
可能となる。
【図１】この発明の実施例を示す構成図である。
【図２】この発明が適用される電力変換器と同期電動機
との関係を説明するための概要図である。
との関係を説明するための概要図である。
【図３】同期電動機の巻線例を示す構造図である。
【図４】図３の如き巻線構造を持つ同期電動機の各相の
誘起電圧波形を示す波形図である。
誘起電圧波形を示す波形図である。
【図５】この発明による制御を行なった場合の各相電流
波形と出力波形を示す波形図である。
波形と出力波形を示す波形図である。
【図６】電圧と電流とを同一の波形とした場合の出力波
形例を示す波形図である。
形例を示す波形図である。
【図７】図６において電流を正弦波とした場合の出力波
形例を示す波形図である。
形例を示す波形図である。
【図８】欠相運転時のこの発明の実施例を示すブロック
図である。
図である。
【図９】この発明における１相欠相時の動作を説明する
ための波形図である。
ための波形図である。
【図１０】この発明における２相欠相時の動作を説明す
るための波形図である。
るための波形図である。
【図１１】減相運転を行なう場合の電動機巻線例を示す
概要図である。
概要図である。
【図１２】図１１でＵ１相が欠相した例を示す概要図で
ある。
ある。
【図１３】欠相運転または減相運転に応じて電流指令値
の演算方法を切り換える切換回路例を示す構成図であ
る。
の演算方法を切り換える切換回路例を示す構成図であ
る。
【図１４】出力に脈動成分を含まない電流指令値を得る
ためのこの発明の別の実施例を示すブロック図である。
ためのこの発明の別の実施例を示すブロック図である。
１…電力変換器、１１〜１ｎ…単相インバータ、２…同
期電動機、２１〜２ｎ…同期電動機巻線、２’…磁極位
置センサ、３１〜３ｎ…メモリ、４…電流指令演算器、
４’…トルク制限器、５１〜５ｎ…電流調節器（ＡＣ
Ｒ）、６１〜６ｎ…パルス発生器（ＰＧ）、７１〜７３
…乗算器。
期電動機、２１〜２ｎ…同期電動機巻線、２’…磁極位
置センサ、３１〜３ｎ…メモリ、４…電流指令演算器、
４’…トルク制限器、５１〜５ｎ…電流調節器（ＡＣ
Ｒ）、６１〜６ｎ…パルス発生器（ＰＧ）、７１〜７３
…乗算器。
Claims (7)
- 【請求項１】 電力変換器を介して給電される同期電動
機の制御装置において、 各相の電機子電流の目標値を全ての相の誘起電圧の瞬時
値の２乗和に反比例する量と、各相の誘起電圧の瞬時値
に比例する量との関数として演算する演算手段と、この
演算結果にもとづき各相の電機子電流を制御する電流制
御手段とを設けたことを特徴とする同期電動機の制御装
置。 - 【請求項２】 前記同期電動機の巻線のうちの少なくと
も１相以上が給電されない欠相運転を行なうときは、欠
相した相の誘起電圧の瞬時値は零とみなして各相の電機
子電流の目標値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制御装置。 - 【請求項３】 前記同期電動機の複数の相の巻線を直列
に接続することにより相数を減じて減相運転を行なうと
きは、直列接続された複数の巻線の各誘起電圧の和で与
えられる誘起電圧和を求め、これにもとづき各相の電機
子電流の目標値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制御装置。 - 【請求項４】 前記誘起電圧を磁極の位置のみの関数で
回転角速度には無関係な基準化された量の関数として演
算するとともに、各相の電機子電流の目標値をトルク目
標値に比例する量の関数として演算することを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれかに記載の同期電動機の制
御装置。 - 【請求項５】 前記誘起電圧を磁極の位置と有限の次数
からなるフーリエ係数とから演算により求めることを特
徴とする請求項４に記載の同期電動機の制御装置。 - 【請求項６】 前記同期電動機を欠相運転または減相運
転するときは、それに合わせて前記トルク目標値の制限
値を変化させることを特徴とする請求項４または５のい
ずれかに記載の同期電動機の制御装置。 - 【請求項７】 前記演算手段に代えて、各相の電機子電
流の目標値を全ての相の誘起電圧の瞬時値の２乗和に反
比例しかつ各相の誘起電圧の瞬時値に比例する量として
記憶する記憶手段を設けたことを特徴とする請求項１な
いし６のいずれかに記載の同期電動機の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4246823A JP3042204B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 同期電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4246823A JP3042204B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 同期電動機の制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0698596A JPH0698596A (ja) | 1994-04-08 |
| JP3042204B2 true JP3042204B2 (ja) | 2000-05-15 |
Family
ID=17154230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4246823A Expired - Fee Related JP3042204B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 同期電動機の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3042204B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3721368B2 (ja) | 2003-05-23 | 2005-11-30 | ファナック株式会社 | モータ制御装置 |
| JP4946067B2 (ja) * | 2006-01-19 | 2012-06-06 | パナソニック株式会社 | 動力発生装置 |
| WO2007094210A1 (ja) * | 2006-02-16 | 2007-08-23 | Mitsuba Corporation | ブラシレスモータ制御方法及びブラシレスモータ |
| JP4998836B2 (ja) | 2009-09-30 | 2012-08-15 | 株式会社デンソー | 多相回転機の制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 |
| JP6113651B2 (ja) * | 2013-12-26 | 2017-04-12 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | 多相電動機駆動装置 |
| JP7039518B2 (ja) * | 2019-04-17 | 2022-03-22 | 株式会社 日立パワーデバイス | モータ駆動装置およびそれを用いた空気調和機の室外機 |
-
1992
- 1992-09-16 JP JP4246823A patent/JP3042204B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0698596A (ja) | 1994-04-08 |
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