JP3636340B2 - 交流回転機用電力変換装置 - Google Patents

交流回転機用電力変換装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子の位置センサ、速度センサ及び端子電圧センサを用いずに交流回転機を運転する位置・速度センサレス方式の交流回転機用電力変換装置に関し、例えば、インバータが停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより電動機の固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような永久磁石同期電動機の駆動装置であり得る。
【0002】
【従来の技術】
以下の従来技術では、永久磁石同期電動機の駆動装置を例示する。
図6は、磁極位置センサ付きの永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。図において、20は直流電源、1は半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードからなる並列回路を三相分の上下アームに備えたインバータ、2は永久磁石回転子を有する永久磁石同期電動機(PMモータ)、3u,3v,3wは各相の固定子巻線電流を検出する電流検出器、4u,4v,4wは電流検出器ゲイン、5は検出された各相電流iu,iv,iwを二相成分iα,iβに変換する相数変換部、6は磁極位置センサ14により検出した回転子の磁極位置(磁極が作る磁束方向)θに基づいて二相成分iα,iβを磁束方向成分idとこれに直交する方向成分iqとに変換する座標変換部、7は、磁極位置θを速度演算部8に入力して演算した回転角速度ωと、前記磁束方向成分id及びその直交方向成分iqとに基づいてインバータ1の半導体スイッチング素子のゲート信号を生成し、同期電動機2の電流を所定値に制御する電流制御部である。
ここで、図7は永久磁石回転子及び静止座標系であるα−β座標系、回転座標系であるd−q座標系の説明図であり、θが永久磁石回転子30の磁極位置である。
【0003】
この駆動装置では、回転子の磁極位置θを磁極位置センサ14により常時検出できるため、インバータ1の停止状態において回転子30が空転していても、検出された磁極位置θに応じてインバータ1及び同期電動機2を再起動することが可能である。
【0004】
一方、図8は、磁極位置・速度センサレス方式の永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。なお、図6と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
このセンサレス方式の駆動装置は、例えば電気学会論文誌D「産業応用部門誌」の1997年1月号に掲載された論文「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスDCモータ制御」に記載されている。
【0005】
図8の駆動装置には磁極位置推定部9が設けられており、電流制御部7から出力される同期電動機2の端子電圧の磁束方向成分vd及び直交方向成分vqと、座標変換部6から出力される電機子電流の磁束方向成分id及び直交方向成分iqとに基づいて、磁極位置推定部9が回転子の磁極位置θを推定している。
【0006】
ここで、同期電動機2の端子電圧は、電圧検出器を用いて検出することができるが、多くの場合では同期電動機はインバータに直接接続されているので、端子電圧はインバータの出力電圧に等しいと考えて良い。従って、インバータの出力電圧実際値が指令値どおりであると見なせる場合、インバータの出力電圧指令値を同期電動機の端子電圧に置き換えて磁極位置θの推定に用いることができる。このため、図8の方式では端子電圧検出用の電圧検出器が不要であり、必要な検出量は同期電動機2の電機子電流のみとなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、図8の方式において、インバータ1の停止時すなわち半導体スイッチング素子がすべてオフである時には電機子電流が流れないので、磁極位置θに関する情報は全く得られない。このため、インバータ1が停止していて回転子30が空転している場合には磁極位置θを知り得ないため、インバータ1を介した同期電動機2の再起動が不可能になる。
同期電動機2の端子電圧を検出する電圧検出器を用いれば、電動機の逆起電力の位相と周波数とを知ることができ、従って磁極位置の推定が可能であるが、この電圧検出器は一般に高価である。
【0008】
従って、図8に示したようなセンサレス方式の駆動装置において、インバータが停止していて回転子が空転している状態での再起動、例えば瞬停再起動を電圧検出器なしで行うには、回転子が一旦停止するまで待たなくてはならず、極めて不便であった。
そこで本発明は、高価な電圧検出器等を用いることなく回転子が空転している状態での再起動を可能にした、電動機の駆動装置等の交流回転機用電力変換装置を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、交流回転機を運転する電力変換器と、前記回転機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備えた交流回転機用電力変換装置において、回転機の回転子の空転時に、前記制御装置により、前記半導体スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定して電力変換器を再起動するものである。
【0010】
図1は、上述した請求項1にかかる発明の構成を例示的に示したブロック図であり、図8と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
なお、以下の説明では、永久磁石同期電動機の駆動装置を例示するが、本発明は、前述の如く、電力変換器が停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような交流電動機の駆動装置や、交流発電機の発生電力を直流に変換して直流電源に回生する電力変換装置に適用可能である。
図1において、インバータ1の制御装置内には空転再起動制御部Aとゲート信号切替部13とが設けられている。空転再起動制御部Aには相数変換部5から出力される巻線電流(電機子電流)の二相成分iα,iβが入力され、その出力が空転再起動時におけるインバータ1の各スイッチング素子に対するゲート信号となっている。そして、ゲート信号切替部13は、空転再起動制御部Aからの切替制御信号sにより、電流制御部7からの定常時のゲート信号と空転再起動時のゲート信号とを切り替えるように動作する。
【0011】
以下、本発明の動作を説明する。空転再起動制御部Aには巻線電流の二相成分iα,iβが入力されているので、空転再起動制御部Aは、インバータ1が停止していて同期電動機2の電流がゼロである状態を検出することができる。
このとき、空転再起動制御部Aが、インバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせるようなゲート信号を生成して出力し、同時に切替制御信号sによってゲート信号切替部13を空転再起動制御部A側に切り替えれば、半導体スイッチング素子の少なくとも一つがオンして電動機2の固定子巻線のうち少なくとも一相が短絡する。
その際、回転子30が空転していれば逆起電力の作用によって巻線に電流が流れる。この電流は、磁極位置と回転速度とに依存するので、流れる電流値から磁極位置と回転速度とを判定することができる。
【0012】
上述のように、空転再起動制御部Aは、巻線電流がゼロの状態で回転子が空転しているときに、インバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせることにより固定子巻線を短絡状態にして逆起電力による巻線電流を流すように作用する。そして、このときの電流を検出し、その電流値から磁極位置と回転速度とを演算する。更に、得られた演算結果から通常の制御を行うための電流指令等の初期値を設定すると共に、これを電流制御部7等に転送してインバータ1を制御することで、装置の再起動が実行される。
【0013】
請求項1記載の発明は、以下の請求項2〜9によって更に具体化される。
すなわち、請求項2記載の発明は、請求項1記載の交流回転機用電力変換装置において、回転機の回転子の空転時に、電力変換器により回転機の全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定するものである。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の交流回転機用電力変換装置において、回転機の巻線を短絡させて巻線電流を検出してから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングするものである。これにより、過電流が長期間流れるのを防止することができる。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を2回行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流が最大となる位相の差、すなわち電流ベクトルの位相差に基づいて回転子の回転速度を算出するものである。これにより、複雑な演算や多数のデータの記憶を要することなく回転子の回転速度を推定演算することができる。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項4記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする2回の動作の間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定するものである。これにより、回転子の回転方向の特定が容易になる。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の瞬時ベクトルの位相を、このベクトルが360°を複数に分割して形成した扇形領域のうち何れの領域に存在するかによって推定するものである。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項6記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を3回以上行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流を用いて回転子の位置、回転方向及び回転速度を推定するものである。
【0019】
請求項8記載の発明は、請求項7記載の交流回転機用電力変換装置において、巻線電流をゼロにする3回以上の動作の間隔のうち、少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定し、かつ、他の少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定するものである。
【0020】
請求項9記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の大きさが過電流にならない範囲で所定の規定値よりも小さい場合には、巻線の短絡期間を長く設定して前記規定値を超える巻線電流を再度検出し、それから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングする動作を行うものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図2は本発明の実施形態を示すブロック図である。図1と同一の構成要素には同一符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
図2において、磁極位置推定部(起動時)10、状態制御部11、巻線短絡部12が図1における空転再起動制御部Aに相当する。このうち、磁極位置推定部(起動時)10には相数変換部5から出力された電流の二相成分iα,iβと状態制御部11からの制御信号aが入力されており、再起動時用の磁極位置推定値θiが磁極位置推定部(定常時)9に出力され、回転角速度推定値ωiが電流制御部7に出力されている。
また、状態制御部11からは切替制御信号sと制御信号bとが出力され、切替制御信号sは前記同様にゲート信号切替部13に、制御信号bは巻線短絡部12に加えられている。
【0022】
上記状態制御部11は、インバータ1の停止状態を検出し、巻線短絡部12に制御信号bを送ってインバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせることにより固定子巻線を短絡させ、かつ、制御信号aを磁極位置推定部(起動時)10に送って再起動時の磁極位置θi及び回転角速度ωiの推定演算を実行させるものである。
【0023】
次に、本実施形態による再起動手順を、図3のフローチャートを参照しつつ説明する。この手順は、状態制御部11を中心として実行されるものであり、請求項2に記載した発明の実施形態に相当する。
インバータ1が停止していて回転子が空転している状態(S1)において、状態制御部11からゲート信号切替部13に切替制御信号sが送られると、インバータ1へのゲート信号線は巻線短絡部12側に切り替わる。
次いで、巻線短絡部12によってインバータ1の各相の上アームすべてまたは下アームすべての半導体スイッチング素子をオンすると、電動機2の全相の固定子巻線が短絡され、逆起電力(誘導起電力)によって巻線に電流が流れる(S2)。
磁極位置推定部(起動時)10は、一定時間t0〔s〕経過後の巻線電流(二相成分iα,iβ)を検出し(S3)、これに基づいて磁極位置及び回転角速度を演算する(S4)と共に、再起動時の磁極位置θiと回転角速度ωiとを推定演算する(S5)。このうち、磁極位置推定値θiは磁極位置推定部(定常時)9に、回転角速度推定値ωiは電流制御部7にそれぞれ初期値として送られ、切替制御信号sによりゲート信号切替部13で切り替えられた電流制御部7からのゲート信号が、インバータ1に送られて再起動される(S6)。
【0024】
さて、本実施形態において、巻線短絡時の電流に基づいて磁極位置及び回転角速度を推定する方法につき説明する。
空転状態から再起動を行うには、再起動時にインバータ1の出力電圧の振幅、位相、周波数を同期電動機2の逆起電力のそれらとほぼ等しくする必要がある。さもないと、同期電動機2とインバータ1との間に大きな電位差が生じ、過電流状態となって正しく起動できない。また、回転子が両方向に回転し得る場合には、回転方向を知る必要がある。ここで、逆起電力の振幅は、逆起電力の周波数すなわち回転子の回転速度に比例するので、逆起電力の振幅を知ることができれば直ちに求めることができる。
従って、再起動を行う場合に必要となるのは、逆起電力の周波数及び位相、すなわち回転子の磁極位置及び回転速度並びに回転方向ということになる。
【0025】
まず、磁極位置の推定方法につき説明する。ここでは、永久磁石同期電動機2が三相二極電動機の場合につき説明するが、以下の説明は同期電動機の相数及び極数が三相二極以外の場合にも同様に成り立つ。
いま、同期電動機に関する座標系を前述した図7のように定義する。すなわち、
・d−q座標系:回転子30のN極の方向をd軸、このd軸に直交する方向をq軸とする座標系
・α−β座標系:u相巻線に正の電流を流したときに磁束が発生する方向をα軸、このα軸に直交する方向をβ軸とする座標系
【0026】
回転子の空転中に巻線を短絡することによって流れる電流は、三相電流として検出される。u,v,w各相の電流をそれぞれiu,iv,iwとすると、二相成分であるiα,iβは数式1によって求めることができる。
【0027】
【数1】
【0028】
α−β座標系における電流ベクトルの方向は数式2となる。なお、θcは電流ベクトルのα軸に対する角度である。
【0029】
【数2】
θc=tan-1(iβ/iα)
【0030】
一方、永久磁石同期電動機2の電動機方程式は、数式3で与えられる。
なお、数式3において、vは電動機端子電圧、iは電機子電流、Pは微分演算子、ωは回転子の回転角速度(電気角)、ψfは逆起電力定数、Rは電動機の巻線抵抗、Lは電動機の巻線インダクタンス、添字d,qは各量のd軸、q軸成分である。
【0031】
【数3】
【0032】
数式3を変形すると、数式4に示すように電流に関する状態方程式を得る。
【0033】
【数4】
【0034】
数式4の状態方程式を解くと、数式5を得る。
但し、条件としてωは一定値、R=0、vとiの初期値は何れも0とする。実際には、回転子の空転状態で巻線短絡により電流が流れるとトルクが発生し、これがωを変化させるが、短絡期間が短い場合にはωの変化を無視することができるので、ωは一定値として扱って良い。また、短絡期間が短い場合、巻線抵抗による波形の減衰も小さいため、R=0と近似することができる。更に、短絡開始時のv,iの初期値は0となる。
【0035】
【数5】
【0036】
数式5によれば、回転子の回転角速度がωであるときに巻線を短絡した場合のid,iqを求めることができる。すなわち、図3に示したように巻線を短絡してから一定期間t0〔s〕経過後に電流を検出する場合、数式5にt=t0を代入することでid,iqを演算することができる。
ここで、回転子の磁極位置をθとすると、数式5からα−β座標系における電流ベクトルの方向は数式6となる。
【0037】
【数6】
θc=θ+tan-1(iq/id
【0038】
従って、数式2及び数式6により、磁極位置θは数式7から求められることが判る。
【0039】
【数7】
θ=tan-1(iβ/iα)−tan-1(iq/id
【0040】
次に、数式7により磁極位置θを求めるにはωを知る必要があるので、これについて説明する。
短絡電流の絶対値Isは数式8によって得られる。
【0041】
【数8】
【0042】
上記数式8は、0<ωt<π/2〔rad〕の範囲で単調増加関数である。従って、電動機の巻線を短絡してから0<ωt<π/2〔rad〕を満たすような時間後のIsを検出することにより、ωを逆算することができる。
ここで、数式8からωに関して解いた関数は複雑な式になるため、あらかじめωとIsとの関係を調べてテーブルを作成し、制御装置に記憶させておけば、複雑な演算を行わなくても直ちにωを求めることができる。
【0043】
以上のように、電動機の回転方向が既知であると仮定した場合には、上述した原理で同期電動機2の磁極位置と回転角速度とを知ることができ、これらに基づいて逆起電力の周波数、振幅、位相を求めることができる。従って、インバータ1が発生するべき出力電圧の周波数、振幅、位相がわかり、これらに従った電流制御部7からの指令によりインバータ1を運転すれば、空転中の同期電動機2を再起動することができる。再起動後は、従来から知られている同期電動機2の逆起電力に基づく制御方法に則って駆動すれば良い。
【0044】
次に、請求項3に記載した発明の実施形態を説明する。
上述した原理を用いて実際に空転状態の電動機2を再起動する場合、巻線を短絡して一定期間後の電流値を検出し、逆起電力の位相と速度とを演算してインバータ1の出力電圧を求めるという一連の動作を短期間で行う必要がある。この期間が長くなると、短絡電流Isが増大して過電流状態になり、素子を破壊してしまう。
【0045】
そこで、巻線を短絡して一定期間t0後に電流を検出した後、インバータ1の半導体スイッチング素子をすべてターンオフすること(以後、これら一連の動作をゼロ電圧パルス(ZVP)の印加という)により電流を一旦ゼロとし、その状態で電流検出時の逆起電力の位相及び速度を推定演算して全スイッチング素子がターンオフしてから一定期間t1後に再起動を行う。
この再起動までの期間t1が例えば数〔ms〕と短ければ、回転子の回転速度はその間、一定であると考えられる。
よって、再起動を行う時の磁極位置θsは、巻線短絡による電流検出時の磁極位置θ、角速度ω及び期間t1から、数式9により求めることができる。
【0046】
【数9】
θs=θ+ωt1
【0047】
次いで、請求項4に記載した発明の実施形態を説明する。回転子の回転速度を電流の振幅から求める場合、前述のように複雑な演算を行うか、回転速度と電流振幅との関係を制御回路が記憶しておくかの何れかの方法をとる必要があり、制御装置にかかる負担が大きいという問題がある。
このため、一層容易に回転子の回転速度を推定する方法として、前述したZVPの印加を2回行い、各回で得られた電流ベクトルの方向の差から回転子の回転速度を求めることも可能である。
すなわち、2回のZVPの印加の間隔をt2とし、各回において検出された電流ベクトルの方向の差をδ〔rad〕とすると、回転子の回転角速度ωは数式10によって求めることができる。但し、期間t2は数〔ms〕という短い期間であるとする。
【0048】
【数10】
ω=δ/t2
【0049】
次に、請求項5に記載した発明の実施形態を説明する。回転子が両方向に回転し得る場合には、回転方向を知る必要がある。これは、上記の実施形態において、ZVPを2回印加する間隔t2を、回転子が最大回転速度(規定値)にて回転する際に電気角で180°進む時間よりも短くすることによって求めることができる。
すなわち、回転子の最大回転角速度をωmaxとすると、間隔t2の満たすべき条件は数式11となる。
【0050】
【数11】
2<π/ωmax
【0051】
もし、数式11の条件が満足されない場合には、例えば回転子が正方向に160°回転したときと、逆方向に200°回転したときとでδの演算結果が等しくなるため、回転方向を判別することはできない。
【0052】
次いで、請求項6に記載した発明の実施形態を説明する。図4は、巻線短絡時に検出した電流の瞬時ベクトルiが、360°を30°ごとに分割した扇形領域のうち何れの領域に存在するかを検出する動作を説明するためのものである。
電流ベクトルiがどの領域に存在するかを検出する手順は以下のとおりである。
(1)手順1
|iα|,|iβ|を演算する。また、ベクトルi’を数式12のように新たに定義する。
【0053】
【数12】
|i’|=√(iα2+iβ2),
∠i’=θc’=tan-1|iβ/iα|
【0054】
(2)手順2
ベクトルi’の位相角θc’は、次のように判定することができる。
2×|iβ|<|iα|ならば、0°≦θc’<30°
2×|iα|<|iβ|ならば、60°<θc’≦90°
上記2つの条件の何れにも該当しなければ、30°≦θc’≦60°
【0055】
(3)手順3
手順2により判定したθc’と、iα,iβの極性とに基づいて、ベクトルiの位相角θcとθc’とを次のように関係付けることができる。
iα>0,iβ>0ならば、θc=θc
iα>0,iβ<0ならば、θc=−θc
iα<0,iβ<0ならば、θc=180°+θc
iα<0,iβ>0ならば、θc=180°−θc
【0056】
以上の手順1〜手順3により、図4においてベクトルiが存在する領域を特定することができる。再起動のための磁極位置の初期値θsを演算する場合、θcが存在する扇形領域内の適当な値、例えば扇形領域の中心となる角度(例:0°〜30°の領域では15°)をθcとして設定すればよい。
その場合の実際値との誤差は、上記の例では±15°となる。なお、iα,iβ及びそれらの絶対値に関する条件判定において等号が成り立つ場合には、ベクトルiは各扇形領域の境界線上にあることは言うまでもない。
【0057】
次いで、請求項7に記載した発明の実施形態を説明する。
上述した請求項6記載の発明の実施形態のように、磁極位置を正確な値でなくベクトルiの存在する領域内のある角度として決める場合、誤差が発生する。これは、再起動時の磁極位置の初期値(推定値)θsの誤差要因となるため、再起動時の動作の乱れを誘発し、最悪の場合には再起動に失敗して回転子の回転が制御不能となる。
特に、請求項4記載の発明の実施形態で説明したように、いわゆるZVPの印加を2回行って回転子の回転角速度ωと磁極位置の初期値θsとを算出する場合、その両者に誤差が生じるため影響が非常に大きくなる。
【0058】
そこで、請求項7の発明では、ZVPの印加を2回ではなく3回以上行うことにより、ω及びθsの推定誤差を低減するようにした。なお、ZVPの複数回の印加は、例えば数〔ms〕といった短い期間に行われるものとし、その間、回転子の回転速度は一定値と見なせるものとする。
以下、本発明の実施形態を図5を参照しつつ説明する。第n回目のZVP印加による磁極位置推定値をθen、その時の磁極位置の実際値をθn、磁極位置を決めるために360°を等間隔で複数に分割した扇形領域の中心角を2δとし、その中心に磁極位置を決めるものとすると、数式13が成り立つ。
【0059】
【数13】
θn−δ<θen<θn+δ
【0060】
ここで、ZVPを印加する間隔を一定値t2とする。第n回目のZVP印加時の回転子の角速度推定値をωenとすると、数式14が成り立つ。但し、数式14において、n≧3である。
【0061】
【数14】
ωen=θen−θe(n-1)/t2
【0062】
n回のZVP印加によって得られたn−1個のωの推定値の平均値をωavrとし、これを再起動時の回転子の回転角速度推定値として用いるものとする。ωavrに関しては、数式15が成り立つ。
【0063】
【数15】
【0064】
数式13から、θenの最大誤差は±δであるので、数式15から、ωavrのとり得る最大値及び最小値は数式16のようになる。
【0065】
【数16】
(θn−θ2)/{(n−1)t2}±2δ/{(n−1)t2
【0066】
数式16の第1項がωの真値、第2項が誤差である。数式16から、ZVP印加の回数nを増加させることによってωavrの誤差を低減できることが判る。
第n回目のZVP印加後、t1を経過してから再起動を行うものとすれば、前述した請求項3の実施形態の数式9に準じて、再起動時の磁極位置の初期値は数式17のように導出される。
【0067】
【数17】
θs=θen+ωavr1
【0068】
従って、ωの推定誤差を低減することにより、再起動時の磁極位置θsの誤差をも低減することができる。
【0069】
請求項8に記載した発明の実施形態を説明する。この実施形態は、ωの推定誤差を低減する別の方法に関する。
前述の数式13、数式14から、ωenのとり得る最大値、最小値は、数式18のようになる。
【0070】
【数18】
(θn−θn-1)/t2±2δ/t2
【0071】
数式18の第1項がωの真値、第2項が誤差である。δは一定なので、ZVPの印加間隔t2を大きくすることによってωの推定誤差を小さくすることができる。
但し、請求項5の発明の実施形態で説明したように、回転子が両方向に回転し得る場合には回転方向を知る必要があり、そのためには、ZVP印加の間隔t2は前述した数式11を満たす必要がある。
【0072】
従って、3回以上のZVP印加のうち、少なくとも1回は、ZVP印加の間隔t2を数式11を満足するような値にして回転方向を判定する必要がある。そして、他の少なくとも1回は、ZVP印加の間隔t2を回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定することにより、ωの推定誤差を低減させればよい。
【0073】
最後に、請求項9に記載した発明の実施形態を説明する。
巻線の短絡期間t0が一定である場合、回転速度が大きいほどZVP印加時の電流値は大きくなる。従って、t0は最大回転速度で回転子が回転している場合においても巻線電流が過電流とならないような値(t00)に決定する。これにより、回転速度が小さい場合にはZVP印加時に流れる電流が小さくなる。
【0074】
一方、電流検出値にはノイズが重畳しているので、電流検出値が小さくなると相対的にノイズの影響が大きくなり、その結果、磁極位置及び回転速度の推定誤差が大きくなるという問題を生じる。
これを解決するために、まず過電流を防止するように設定した短絡期間t00によってZVP印加を行い、このときに検出された電流ベクトルの振幅が設定値よりも小さい場合には短絡期間をt00よりも長くしてZVP印加を再度行う。
これにより、低速回転時でも電流検出値の振幅を十分に大きくすることができ、磁極位置及び回転速度の高精度な推定が可能になる。
【0075】
なお、上記実施形態では本発明をもっぱら永久磁石同期電動機の駆動装置に適用した場合につき説明したが、先に述べたように、本発明は、インバータが停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより電動機の固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような電動機一般の駆動装置に適用可能である。
【0076】
更に、本発明は、例えば風力発電機等の交流発電機が発生する交流電力を、電力変換器により直流電力に変換して直流電源に回生するシステムをも含むものである。その場合の回路構成は、例えば図1における同期電動機2を発電機に置き換えれば良い。
【0077】
【発明の効果】
以上のように請求項1,2記載の発明によれば、例えばインバータにより駆動される位置・速度センサレス方式の電動機において、空転状態から再起動する際に、インバータの半導体スイッチング素子の少なくとも一つ、または全相のスイッチング素子をオンさせて巻線を短絡し、その時に流れる電流値から回転子の位置を検出するため、位置・速度センサレスの駆動方式においても空転状態での再起動が可能になる。また、電動機の端子電圧を検出して回転子の位置を推定する必要がないから、高価な電圧検出器が不要になり、コストの上昇を招くこともない。
【0078】
更に、請求項3記載の発明では、巻線短絡後にゼロ電圧パルスを印加して電流を一旦ゼロにした状態で回転子の位置を推定演算するため、短絡による過電流が長期にわたって流れるのを回避して素子を保護することができる。
【0079】
請求項4記載の発明では、ゼロ電圧パルスを2回印加し、各回の電流位相差から回転速度及び回転子位置を推定するようにしたので、回転速度の推定演算が一層容易になる。
【0080】
請求項5記載の発明では、請求項4の発明における2回のゼロ電圧パルスの印加間隔を、回転子が最大回転数で回転しているときに電気角で180°移動する期間よりも短くすることにより、回転子位置の最大変化量が180°以下になるので、回転方向を容易に特定することができる。
【0081】
請求項6記載の発明によれば、巻線電流の瞬時ベクトルが複数の扇形領域のうちの何れの領域に存在するかを判定して再起動のための磁極位置の初期値を決定することができる。
【0082】
請求項7または請求項8記載の発明では、請求項6の発明に起因する磁極位置の誤差や回転角周波数の誤差を低減することにより、再起動の確実性が向上する。
【0083】
請求項9記載の発明によれば、低速回転時においても、過電流にならない範囲で電流検出値の大きさをノイズの影響を受けない程度に大きくでき、これによって磁極位置及び回転速度を高精度に推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に記載した発明の構成を例示的に示すブロック図である。
【図2】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図3】図2の実施形態における再起動手順を示すフローチャートである。
【図4】巻線短絡時に検出した電流の瞬時ベクトルの存在領域を説明するための図である。
【図5】請求項7に記載した発明の実施形態を説明するための図である。
【図6】従来の磁極位置センサ付き永久磁石同期電動機の駆動装置を示すブロック図である。
【図7】永久磁石回転子及びα−β座標系、d−q座標系の説明図である。
【図8】従来の磁極位置・速度センサレス方式の永久磁石同期電動機の駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 インバータ
2 永久磁石同期電動機
3u,3v,3w 電流検出器
4u,4v,4w 電流検出器ゲイン
5 相数変換部
6 座標変換部
7 電流制御部
8 速度演算部
9 磁極位置推定部(定常時)
10 磁極位置推定部(起動時)
11 状態制御部
12 巻線短絡部
13 ゲート信号切替部
20 直流電源
30 永久磁石回転子
A 空転再起動制御部

Claims (9)

  1. 交流回転機を運転する電力変換器と、前記回転機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備えた交流回転機用電力変換装置において、
    回転機の回転子の空転時に、前記制御装置により、前記半導体スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定して電力変換器を再起動することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  2. 請求項1記載の交流回転機用電力変換装置において、
    回転機の回転子の空転時に、電力変換器により回転機の全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  3. 請求項1または2記載の交流回転機用電力変換装置において、
    回転機の巻線を短絡させて巻線電流を検出してから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングすることを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  4. 請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
    電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を2回行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流が最大となる位相の差から回転子の回転速度を算出することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  5. 請求項4記載の交流回転機用電力変換装置において、
    巻線電流をゼロにする2回の動作の間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  6. 請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
    検出した巻線電流の瞬時ベクトルの位相を、このベクトルが360°を複数に分割して形成した扇形領域のうち何れの領域に存在するかによって推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  7. 請求項6記載の交流回転機用電力変換装置において、
    電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を3回以上行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流を用いて回転子の位置、回転方向及び回転速度を推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  8. 請求項7記載の交流回転機用電力変換装置において、
    巻線電流をゼロにする3回以上の動作の間隔のうち、少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定し、かつ、他の少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
  9. 請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
    検出した巻線電流の大きさが過電流にならない範囲で所定の規定値よりも小さい場合には、巻線の短絡期間を長く設定して前記規定値を超える巻線電流を再度検出し、それから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングする動作を行うことを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
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