JP3782693B2

JP3782693B2 - Synchronous motor system, gas turbine system, and method of adjusting synchronous motor system

Info

Publication number: JP3782693B2
Application number: JP2001280751A
Authority: JP
Inventors: 正雄藤原; 謙一相場; 雅之森本; 貴夫桜井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003088199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機システムに関する。本発明は、特に、同期電動機の回転子の位置を検出する位置センサを使用せずに同期電動機を制御する同期電動機システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機を駆動する駆動方法の一つとして、固定子と回転子との相対位置を検出し、その相対位置に応じた位相を有する電機子電圧を同期電動機に供給する駆動方法が知られている。この駆動方法を実現するために、ホール素子のような位置センサが、固定子と回転子との相対位置の検出に使用されることがある。しかし、位置センサは高価であり、更に、高速応答性の問題から、回転子が高速回転する場合に位置センサを使用することは実際上困難である。
【０００３】
そこで、回転子の位置を検出する位置センサを使用せずに同期電動機を制御する技術の検討が行われている。位置センサを使用せずに同期電動機を駆動する同期電動機駆動装置が、公開特許公報（特開２０００−２６２０８８）に開示されている。公知のその同期電動機駆動装置は、電機子電圧のγ軸成分の指令値電圧ｖ_γ ^＊と、電機子に供給される電機子電圧のδ軸成分の指令値電圧ｖ_δ ^＊とを下記式：
ｖ_γ ^＊＝Ｒｉ_ｒ＋Ｌω_１Ｉ_δ＋Ｋ_γ（ｉ_δ ^＊―ｉ_δ）／ω_１，
ｖ_δ ^＊＝Ｒｉ_δ＋Ｋ_δ（ｉ_δ ^＊―ｉ_δ），
Ｉ_δ＝Λ_δ／Ｌ，
ω_１＝ｎ_ｐω_ｍ ^＊−Ｋ_ｍ・｛Ｔ_ｍＰ／（１＋Ｔ_ｍＰ）｝・ｉ_γ，及び
Ｐ＝ｄ／ｄｔ，
Ｒ：電機子抵抗，Ｌ：電機子巻線のインダクタンス
ω_１：電機子電圧の角周波数、 Λ_δ：界磁による電機子の磁束鎖交数のδ軸成分
ｉ_δ：電機子電流のδ軸成分、ｉ_δ ^＊：電機子電流のδ軸成分の指令値
Ｋ_γ、Ｋ_δ：フィードバックゲイン、ｎ_ｐ：同期電動機の極対数
ω_ｍ ^＊：回転子の角速度指令値、Ｔ_ｍ：１時遅れ系の時定数
の関係を満足するように定める。ここで、δ軸及びγ軸は、図２に示されているように、それぞれ、同期電動機を駆動する駆動装置が認識している同期電動機の直軸及び横軸である。本明細書では、同期電動機の現実の直軸及び横軸は、それぞれｄ軸及びｑ軸と呼ばれる。δ軸及びγ軸と、ｄ軸及びｑ軸とは、一致することがあるが、多くの場合ずれている。公知のその同期電動機駆動装置は、電機子電圧のγ軸成分及びδ軸成分が、それぞれ指令値電圧ｖ_γ ^＊と指令値電圧ｖ_δ ^＊とになるように電機子電圧を同期電動機に供給して駆動する。
【０００４】
公知のその同期電動機駆動装置は、多くのパラメータに基づいて指令値電圧ｖ_γ ^＊と指令値電圧ｖ_δ ^＊とを定め、複雑な演算が必要である。更に、指令値電圧ｖ_γ ^＊と指令値電圧ｖ_δ ^＊との算出に使用される電機子抵抗Ｒ及び電機子巻線のインダクタンスＬは、温度や電機子電流によって変動し、これらの変動に対しての対策が難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、演算量を抑制しながら、同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、同期電動機が有する特性の変動の影響を抑制しながら、同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、始動時の電機子電流を抑制しながら同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段が説明される。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明による同期電動機システムは、同期電動機（２）と、同期電動機（２）の電機子に電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を供給する電源装置（３）と、電源装置（３）を制御する制御装置（５）と、同期電動機（２）の電機子を流れる電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）とを備えている。制御装置（５）は、電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を定める。更に制御装置（５）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、下記式：
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓ
Λ_δ：誘起電圧係数
Ｖ_ｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定める。更に制御装置（５）は、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に基づいて、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）が電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に一致するように、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を出力する。γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊が既述の簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１０】
制御装置（５）は、電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）の横軸成分ｉ_γを求め、且つ、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を、下記式：
ω_１＝ｎ_ｐω_ｍ ^＊−Ｋ_ｍｉ_γ
ｎ_ｐ：同期電動機（２）の極対数
Ｋ_ｍ：定数
により求めることが好ましい。角周波数ω_１が既述の簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１１】
制御装置（５）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の直軸成分の直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を一定値（Ｖ_ｏｆｓδ）に定め、直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊と横軸電圧指令値ｖ_γ ^＊とに基づいて、電機子電圧（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）の電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定めることが好ましい。直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊が簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１２】
このとき、同期電動機（２）の回転子の位置に無関係に同期電動機（２）を始動するためには、直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊は、０でないことが好ましい。
【００１３】
本発明による同期電動機システムは、同期電動機（２）と、前記同期電動機（２）に電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を供給する電源装置（３）と、前記電機子に流れる電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）と、
電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の横軸成分の指令値である横軸電圧指令値ｖ_γ ^＊と、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の直軸成分の指令値である直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊とを定め、且つ、横軸電圧指令値ｖ_γ ^＊と直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊とに基づいて、前記電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の指令値である電機子電圧指令値電機子電圧（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定める制御装置（５）とを備えている。制御装置（５）は、同期電動機（２）を始動する第１期間において、電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）の直軸成分（ｉ_δ）が所定の値（ｉ_δ ^＊）で一定になるように横軸電圧指令値ｖ_γ ^＊と直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊とを定める。第１期間の後の第２期間において、制御装置（５）は電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を定め、横軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、下記式：
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓ
Λ_δ：誘起電圧係数
Ｖ_ｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定め、且つ、直軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を一定に定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）が電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に一致するように、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を出力する。同期電動機（２）を始動する第１期間において、電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）の直軸成分（ｉ_δ）が所定の値（ｉ_δ ^＊）で一定になるように制御され、第１期間における電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）の大きさが抑制されるとともに、第２期間における制御装置（５）の演算量の削減が図られる。
【００１４】
本発明によるガスタービンプラントは、ガスタービン（１）と、ガスタービン（１）のガスタービン軸を駆動する同期電動機（２）と、同期電動機（２）の電機子に電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を供給する電源装置（３）と、電源装置（３）を制御する制御装置（５）と、同期電動機（２）の電機子を流れる電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）とを備えている。制御装置（５）は、電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を定める。更に制御装置（５）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、下記式：
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓ
Λ_δ：誘起電圧係数
Ｖ_ｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定める。更に制御装置（５）は、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に基づいて、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）が電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に一致するように、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を出力する。
【００１５】
本発明による同期電動機の制御方法は、
同期電動機（２）の電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出することと、
電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて、
同期電動機（２）の電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を定めることと、
電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、下記式：
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓ
Λ_δ：誘起電圧係数
Ｖ_ｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に基づいて、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の指令値である電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定めることと、
電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に基づいて、同期電動機（２）に電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）を出力すること
とを備えている。
【００１６】
本発明による同期電動機の制御用プログラムは、
同期電動機（２）の電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出することと、
電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）に基づいて、同期電動機（２）の電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の角周波数ω_１を定めることと、
電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、下記式：
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓ
Λ_δ：誘起電圧係数
Ｖ_ｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に基づいて、電機子電圧（ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）の指令値である電機子電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）を定めること
とを実行する。
【００１７】
本発明による同期電動機システムの調整方法は、上述の同期電動機システムの調整方法である。当該調整方法は、
Ｖ_ｏｆｓを変化しながら同期電動機（２）を運転し、同期電動機（２）が運転可能なＶ_ｏｆｓの下限値Ｖ_ｍｉｎを求めることと、
電機子電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）が、電源装置（３）が供給可能な最大値になるＶ_ｏｆｓを上限値Ｖ_ｍａｘとして算出することと、
Ｖ_ｏｆｓを、下限値Ｖ_ｍｉｎと上限値Ｖ_ｍａｘとの間の値に定めることとを備えている。当該調整方法は、Ｖ_ｏｆｓを実際的な方法により決定できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明による同期電動機システムの実施の一形態を説明する。
【００１９】
（実施の第１形態）
本発明による同期電動機システムの実施の第１形態は、ガスタービンプラントの起動と発電とに使用される。実施の第１形態では、図１に示されているように、ガスタービン１が同期機２とともに設けられている。ガスタービン１のガスタービン軸は、同期機２の回転子に連結され、ガスタービン１のガスタービン軸は、同期機２の回転子と同体に回転する。
【００２０】
同期機２は、発電機と電動機とに兼用される。ガスタービン１を起動する場合、同期機２は電動機として使用され、ガスタービン１のガスタービン軸をガスタービン１が着火可能な回転数まで加速する。ガスタービン１が着火され、起動が完了した後は、同期機２はガスタービン１により駆動される発電機として使用される。
【００２１】
同期機２は、インバータ装置３に接続される。インバータ装置３は、同期機２が電動機として使用されるとき、同期機２の電機子に３相の電機子電圧を供給する。インバータ装置３から同期機２への電機子電圧の供給は、ｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２、ｗ相電源線４−３を介して行われる。電機子電圧のｕ相電圧ｖ_ｕ、ｖ相電圧ｖ_v、及びｗ相電圧ｖ_ｗは、それぞれｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２及びｗ相電源線４−３を介して同期機２に供給される。
【００２２】
インバータ装置３は、制御装置５によって制御される。制御装置５は、ｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２、及びｗ相電源線４−３にそれぞれ設けられたｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３に接続される。ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３は、同期機２の電機子を流れる電機子電流を測定する。より詳細には、ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３は、それぞれｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２及びｗ相電源線４−３を流れるｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、及びｗ相電機子電流ｉ_ｗを測定する。制御装置５は、測定されたｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、ｗ相電機子電流ｉ_ｗを受け取る。このとき、ｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、及びｗ相電機子電流ｉ_ｗのうちの２つが測定され、他の１つは、
ｉ_ｕ＋ｉ_ｖ＋ｉ_ｗ＝０，
から求められることも可能である。制御装置５には、更に、同期機２の回転子の角周波数の角周波数指令値ω_ｍ ^＊が与えられる。
【００２３】
制御装置５は、ｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、ｗ相電機子電流ｉ_ｗ、及び角周波数指令値ω_ｍ ^＊に基づいて、ｕ相電圧ｖ_ｕ、ｖ相電圧ｖ_v、及びｗ相電圧ｖ_ｗそれぞれの指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊を定め、インバータ装置３に出力する。インバータ装置３は、ｕ相電圧ｖ_ｕ、ｖ相電圧ｖ_v、及びｗ相電圧ｖ_ｗがそれぞれ指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊に一致するように、ｕ相電圧ｖ_ｕ、ｖ相電圧ｖ_v、及びｗ相電圧ｖ_ｗを出力する。
【００２４】
制御装置５の動作は、制御装置５に記憶されたプログラムに沿って行われる。制御装置５は、そのプログラムを実行して指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊を定め、インバータ装置３を制御する。指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊の決定は、以下の過程で行われる。
【００２５】
制御装置５は、ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３が測定したｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、及びｗ相電機子電流ｉ_ｗから、δ−γ軸で表現された同期機２の電機子電流のγ軸成分ｉ_γを算出する。ここで、δ軸及びγ軸は、それぞれ、制御装置５が認識している同期機２の直軸及び横軸である。更に、制御装置５は、電機子電流のγ軸成分ｉ_γと角周波数指令値ω_ｍ ^＊とに基づいて、同期機２に供給される電機子電圧の角周波数ω_１を決定する。
【００２６】
より詳細には、制御装置５は、
【数１】

…式（１）
により、ｕ相電機子電流ｉ_ｕ、ｖ相電機子電流ｉ_ｖ、及びｗ相電機子電流ｉ_ｗをδ−γ座標系における電機子電流のγ軸成分及びδ軸成分に変換する。ここでθは、制御装置で想定している軸の位置であり、現実の同期機２の回転子の位置に対してφずれており、
【数２】

…式（２）
で算出される。更に制御装置５は、電機子電圧の角周波数ω_１を
ω_１＝ｎ_ｐω_ｍ ^＊−Ｋ_ｍｉ_γ …式（３）
により算出する。ただし、ｎ_ｐは、同期機２の極対数であり、例えば、ｎ極とｓ極とが１つずつある２極の同期機２については、ｎ_ｐ＝１である。また、Ｋ_ｍは、所定の定数である。
【００２７】
角周波数ω_１を決定した制御装置５は、同期機２の電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊と、直軸成分の指令値であるδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊とを、
ｖ_γ ^＊＝Λ_δω_１＋Ｖ_ｏｆｓγ …式（４）
ｖ_δ ^＊＝Ｖ_ｏｆｓδ …式（５）
により定める。ここでΛ_δは、誘起電圧係数である。また、オフセットＶ_ｏｆｓγは０以上の定数であり、オフセットＶ_ｏｆｓδは、０でない定数である。更に制御装置５は、指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊を
【数３】

…式（６）
により定め、インバータ装置３を制御する。
【００２８】
式（４）に示されているように、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊は、電機子電圧の角周波数ω_１の１次関数である。仮に、Ｖ_ｏｆｓγが０であれば、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊は、電機子電圧の角周波数ω_１に比例し、制御装置５は、電機子電圧の瞬時値と、電機子電圧の周波数との比が一定であるＶ／ｆ一定制御を行うことになる。
【００２９】
式（４）に示されているＶ_ｏｆｓγは、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下を補償するために設けられるオフセットである。インバータ装置３の内部では、アーム短絡防止期間が設けられることによる電圧降下や、インバータ装置３を構成するスイッチング素子のオン抵抗による電圧降下等の原因により、電圧降下が発生する。γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を、電機子電圧の角周波数ω_１に比例するように定め、そのγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に基づいて指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊を定めると、インバータ装置３から現実に出力されるｕ軸電圧ｖ_ｕ、ｖ軸電圧ｖ_ｖ、及びｗ軸電圧ｖ_ｗは、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下分だけ低下することになる。式（４）に示されるように、オフセットＶ_ｏｆｓγがΛ_δω_１の項に加えられることにより、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下が補償され、安定した同期機２の制御が実現される。
【００３０】
オフセットＶ_ｏｆｓγは、必要に応じて設けられる。従って、同期機２を駆動することが可能であれば、Ｖ_ｏｆｓγ＝０（Ｖ）であることも可能である。
【００３１】
オフセットＶ_ｏｆｓγは、インバータ装置３の特性から理論的に定めることも可能であるが、下記のように、実際に同期機２を運転して定める方がより実際的である。まず、式（４）のオフセットＶ_ｏｆｓγを０（Ｖ）から増加していき、同期機２が運転可能なオフセットＶ_ｏｆｓγの下限値Ｖ_ｍｉｎを求める。オフセットＶ_ｏｆｓγを更に増加していくと、電機子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗが増加する。インバータ装置３が供給できる電機子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗには、インバータ装置３を構成する素子の定格電流の理由により、最大値が存在する。電機子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗが、インバータ装置３が供給可能な最大の電流になったときのオフセットＶ_ｏｆｓγが、オフセットＶ_ｏｆｓγの上限値Ｖ_ｍａｘである。オフセットＶ_ｏｆｓγは、求められた上限値Ｖ_ｍａｘと下限値Ｖ_ｍｉｎとの間の値に定められる。マージンを確保する観点から、オフセットＶ_ｏｆｓγは、上限値Ｖ_ｍａｘと下限値Ｖ_ｍｉｎとの和の２分の１と下限値Ｖ_ｍｉｎの間であることが好ましい。
【００３２】
一方、式（５）に示されているＶ_ｏｆｓδは、同期機２が停止状態にあるときに同期機２の電機子に励磁電流ｉ_δを流すために設けられるオフセットである。Ｖ_ｏｆｓδが０でない値に定められることにより、同期機２の電機子には、電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉ_δが流れる。励磁電流ｉ_δを流すことにより、回転子が電機子に引き付けられ、同期機２の回転子の位置がいずれにあっても、同期機２の回転子がある程度動き始める。式（４）に示されているように、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊は、概ね回転子の角速度に等しいω_１に比例するため、同期機２の回転子が動き始めた後は、指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊が、主として、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊により定まる。即ち、同期機２の電機子には、横軸成分を有する電機子電圧が与えられ、回転子の回転は、電機子電圧の横軸成分によって維持されることになる。このように、Ｖ_ｏｆｓδが０でない値に定められることにより、同期機２の回転子の位置がいずれにあっても、同期機２の始動が可能である。
【００３３】
オフセットＶ_ｏｆｓδは、同期機２が電動機として始動される際にのみ必要であり、同期機２の回転子が回転を開始した後は、０に設定されることが可能である。更に、何らかの他の方法により、同期機２が電動機として始動される場合には、オフセットＶ_ｏｆｓδは、常に０に設定されることが可能である。
【００３４】
以上に説明された制御装置５の内部で行われる演算は、全て、制御装置５に記憶されたプログラムに沿って行われる。
【００３５】
このように、実施の第１形態では、同期機２の回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、簡便な演算式により、インバータ装置３に与えられる指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊の算出が行われる。これにより、制御装置５の演算量が減らされている。更に、同期機２の特性に関するパラメータの使用が可能な限り避けられており、同期機２の特性の変動の影響が少ない制御が実現されている。
【００３６】
実施の第１形態では、同期機２は、ガスタービン１の起動及び発電に使用されるが、同期機２が電動機として使用されるときの負荷はガスタービン１に限られない。但し、同期機２は、ガスタービン１を起動する場合のように回転子が高速回転する用途に使用されることが好適である。例えば、同期機２は、高速コンプレッサの駆動装置として使用され得る。
【００３７】
特に、同期機２は、点火の際にガスタービン軸を１００００回転以上に回転させる必要がある高速回転のガスタービンの起動に使用されることが好適である。ガスタービン軸を１００００回転以上に回転させる場合には、位置センサを使用して回転子の位置を検出することが実用上困難である。同期機２は、回転子の回転数が１００００回転以上になる用途の駆動装置として使用されるのが特に好適である。
【００３８】
（実施の第２形態）
本発明による同期電動機システムの実施の第２形態は、同期機２を電動機として始動する動作が、実施の第１形態と異なる。実施の第２形態の同期電動機システムの構成及び他の動作は、実施の第１形態と同一である。
【００３９】
実施の第２形態では、停止状態にある同期機２を電動機として始動する場合、制御装置５は、まず、電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉ_δが一定になるようにインバータ装置３を制御する。より詳細には、制御装置５は、下記式（７）により、電機子電流のγ軸成分ｉ_γが０で一定に、δ軸成分（励磁電流）ｉ_δが励磁電流指令値ｉ_δ ^＊で一定になるように比例積分制御を行う。
【数４】

…式（７）
但し、Ｖ_γ ^＊，Ｖ_δ ^＊，Ｉ_γ，及びＩ_δは、それぞれ、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊，電機子電流のγ軸成分ｉ_γ，及び電機子電流のδ軸成分ｉ_δのラプラス変換である。また、Ｉ_δ ^＊は、励磁電流指令値ｉ_δ ^＊のラプラス変換であり、Ｉ_δ ^＊＝ｉ_δ ^＊である。制御装置５は、式（７）によりγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を算出する。更に、制御装置５は、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊から既述の式（６）により指令値ｖ_ｕ ^＊、指令値ｖ_ｖ ^＊、指令値ｖ_ｗ ^＊を算出し、インバータ装置３を制御する。式（７）を用いた制御が行われることにより、停止状態にあった同期機２が始動され、同期機２の回転子の回転数が増加する。
【００４０】
電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉ_δが励磁電流指令値ｉ_δ ^＊で一定になるようにインバータ装置３を制御することにより、同期機２の始動直後に、同期機２の回転子を加速するときの電機子電流を抑制することが可能である。実施の第１形態では、励磁電流ｉ_δを流すために、一定のδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊が与えられるため、同期機２の温度が低く、電機子巻線の抵抗が小さい時には、励磁電流ｉ_δを流すために、本来必要な電圧よりも高い電圧がδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊として与えられ、これにより電機子電流が不必要に大きくなることがある。実施の第２形態では、式（７）により励磁電流ｉ_δが一定に制御され、電機子電流を必要な大きさに抑制することが可能である。
【００４１】
同期機２の回転子の回転数が増加して所定の回転数に達した後、制御装置５は、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を算出する演算式を、式（７）から式（４）及び式（５）に変更する。以後、式（４）及び式（５）に基づいてインバータ装置３の制御が行われる。
【００４２】
このとき、式（５）のオフセットＶ_ｏｆｓδは、０であることが可能である。既述のように、オフセットＶ_ｏｆｓδは、同期機２を電動機として始動する際に必要である。実施の第２形態では、式（７）を用いて同期機２が始動されるため、オフセットＶ_ｏｆｓδは、０であることが可能であり、電機子電流の大きさの抑制の観点から、オフセットＶ_ｏｆｓδは０であることがむしろ好適である。
【００４３】
実施の第２形態では、同期機２の始動の際、式（７）によって電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉ_δが一定になるように制御され、これにより同期機２の始動の際の電機子電流が抑制されている。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、演算量を抑制しながら、同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【００４５】
また、本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、同期電動機が有する特性の変動の影響を抑制しながら、同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【００４６】
また、本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、始動時の電機子電流を抑制しながら同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による同期電動機システムの実施の一形態を示す。
【図２】図２は、γ−δ軸及びｄ−ｑ軸を示す。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：同期機
３：インバータ装置
４−１：ｕ相電源線
４−２：ｖ相電源線
４−３：ｗ相電源線
５：制御装置
６−１：ｕ相電流センサ
６−２：ｖ相電流センサ
６−３：ｗ相電流センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a synchronous motor system. The present invention particularly relates to a synchronous motor system that controls a synchronous motor without using a position sensor that detects the position of a rotor of the synchronous motor.
[0002]
[Prior art]
As one of driving methods for driving a synchronous motor, there is known a driving method for detecting a relative position between a stator and a rotor and supplying an armature voltage having a phase corresponding to the relative position to the synchronous motor. . In order to realize this driving method, a position sensor such as a Hall element may be used to detect the relative position between the stator and the rotor. However, the position sensor is expensive, and it is practically difficult to use the position sensor when the rotor rotates at high speed due to the problem of high-speed response.
[0003]
Therefore, a technique for controlling the synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of the rotor has been studied. A synchronous motor drive device that drives a synchronous motor without using a position sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-262088. The known synchronous motor driving device has a command value voltage v of the γ-axis component of the armature voltage._γ ^*And the command value voltage v of the δ-axis component of the armature voltage supplied to the armature_δ ^*And the following formula:
v_γ ^*= Ri_r+ Lω₁I_δ+ K_γ(I_δ ^*―I_δ) / Ω₁,
v_δ ^*= Ri_δ+ K_δ(I_δ ^*―I_δ),
I_δ= Λ_δ/ L,
ω₁= N_pω_m ^*-K_m・ {T_mP / (1 + T_mP)} ・ i_γ,as well as
P = d / dt,
R: Armature resistance, L: Inductance of armature winding
ω₁: Angular frequency of armature voltage, Λ_δ: Δ-axis component of the number of flux linkages in the armature due to the field
i_δ: Δ-axis component of armature current, i_δ ^*: Command value of δ-axis component of armature current
K_γ, K_δ: Feedback gain, n_p: Number of pole pairs of synchronous motor
ω_m ^*: Rotor angular velocity command value, T_m: Time constant of time delay system
To satisfy the relationship. Here, as shown in FIG. 2, the δ axis and the γ axis are the straight axis and the horizontal axis of the synchronous motor recognized by the drive device that drives the synchronous motor, respectively. In this specification, the actual straight axis and horizontal axis of the synchronous motor are referred to as the d axis and the q axis, respectively. The δ and γ axes may coincide with the d and q axes, but are often misaligned. In the known synchronous motor driving device, the γ-axis component and the δ-axis component of the armature voltage are respectively set to the command value voltage v_γ ^*And command value voltage v_δ ^*The armature voltage is supplied to the synchronous motor so that
[0004]
The known synchronous motor driving device is based on a number of parameters and is based on a command value voltage v_γ ^*And command value voltage v_δ ^*And complicated operations are required. Further, the command value voltage v_γ ^*And command value voltage v_δ ^*The armature resistance R and the inductance L of the armature winding used for the calculation of fluctuate depending on the temperature and the armature current, and it is difficult to take measures against these fluctuations.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The objective of this invention is providing the technique which controls a synchronous motor, without using the position sensor which detects the position of a rotor, and suppressing the amount of calculations.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a technique for controlling a synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of the rotor and suppressing the influence of fluctuations in characteristics of the synchronous motor. .
[0007]
Still another object of the present invention is to provide a technique for controlling a synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of a rotor and suppressing an armature current at the time of starting.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in [Embodiments of the Invention]. These numbers and symbols are added in order to clarify the correspondence between the description of “Claims” and the description of “Embodiments of the Invention”. However, the added numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0009]
The synchronous motor system according to the present invention includes an armature voltage (v) between the synchronous motor (2) and the armature of the synchronous motor (2)._u, V_v, V_w), A control device (5) for controlling the power supply device (3), and an armature current (i) flowing through the armature of the synchronous motor (2)._u, I_v, I_w) For detecting (). The control device (5) has an armature current (i_u, I_v, I_w) Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁Determine. Furthermore, the control device (5) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Γ-axis voltage command value v which is the command value of the horizontal component of_γ ^*The following formula:
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofs
Λ_δ: Induced voltage coefficient
V_ofs: 0 or more constant
To satisfy the relationship expressed by Furthermore, the control device (5)_γ ^*Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*). The power supply (3) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is the armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) To match the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is output. γ-axis voltage command value v_γ ^*Is performed based on the simple formula described above, and the amount of calculation of the control device (5) is suppressed.
[0010]
The control device (5) has an armature current (i_u, I_v, I_w) Based on the armature current (i_u, I_v, I_w) Horizontal axis component i_γAnd the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁The following formula:
ω₁= N_pω_m ^*-K_mi_γ
n_p: Number of pole pairs of synchronous motor (2)
K_m:constant
It is preferable to obtain by: Angular frequency ω₁Is performed based on the simple formula described above, and the amount of calculation of the control device (5) is suppressed.
[0011]
The control device (5) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Direct-axis voltage command value v of the direct-axis component of_δ ^*Is a constant value (V_ofsδ), And the direct-axis voltage command value v_δ ^*And horizontal axis voltage command value v_γ ^*And the armature voltage (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) Armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) Is preferable. Direct axis voltage command value v_δ ^*Is performed based on a simple formula, and the amount of calculation of the control device (5) is suppressed.
[0012]
At this time, in order to start the synchronous motor (2) regardless of the position of the rotor of the synchronous motor (2), the direct-axis voltage command value v_δ ^*Is preferably not 0.
[0013]
A synchronous motor system according to the present invention includes a synchronous motor (2) and an armature voltage (v) applied to the synchronous motor (2)._u, V_v, V_w) And the armature current (i) flowing through the armature_u, I_v, I_w) Detecting device (6-1 to 6-3),
Armature voltage (v_u, V_v, V_w) Horizontal axis voltage command value v which is the command value of the horizontal axis component_γ ^*And the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Direct axis voltage command value v which is the command value of the direct axis component of_δ ^*And the horizontal axis voltage command value v_γ ^*And direct-axis voltage command value v_δ ^*And the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Armature voltage command value armature voltage (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*And a control device (5) for determining). In the first period of starting the synchronous motor (2), the control device (5)_u, I_v, I_w) Straight axis component (i_δ) Is a predetermined value (i_δ ^*) Horizontal axis voltage command value v to be constant at_γ ^*And direct-axis voltage command value v_δ ^*Determine. In the second period after the first period, the control device (5) has the armature current (i_u, I_v, I_w) Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁The horizontal axis voltage command value v_γ ^*The following formula:
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofs
Λ_δ: Induced voltage coefficient
V_ofs: 0 or more constant
The linear voltage command value v is determined so as to satisfy the relationship expressed by_δ ^*Is fixed. The power supply (3) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is the armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) To match the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is output. In the first period of starting the synchronous motor (2), the armature current (i_u, I_v, I_w) Straight axis component (i_δ) Is a predetermined value (i_δ ^*), The armature current (i_u, I_v, I_w) Is suppressed, and the amount of calculation of the control device (5) in the second period is reduced.
[0014]
A gas turbine plant according to the present invention includes a gas turbine (1), a synchronous motor (2) that drives a gas turbine shaft of the gas turbine (1), and an armature voltage (v_u, V_v, V_w), A control device (5) for controlling the power supply device (3), and an armature current (i) flowing through the armature of the synchronous motor (2)._u, I_v, I_w) For detecting (). The control device (5) has an armature current (i_u, I_v, I_w) Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁Determine. Furthermore, the control device (5) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Γ-axis voltage command value v which is the command value of the horizontal component of_γ ^*The following formula:
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofs
Λ_δ: Induced voltage coefficient
V_ofs: 0 or more constant
To satisfy the relationship expressed by Furthermore, the control device (5)_γ ^*Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*). The power supply (3) has an armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is the armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) To match the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Is output.
[0015]
The method for controlling a synchronous motor according to the present invention includes:
Armature current (i) of the synchronous motor (2)_u, I_v, I_w)
Armature current (i_u, I_v, I_w)On the basis of the,
Armature voltage (v) of the synchronous motor (2)_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁Defining
Armature voltage (v_u, V_v, V_w) Γ-axis voltage command value v which is the command value of the horizontal component of_γ ^*The following formula:
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofs
Λ_δ: Induced voltage coefficient
V_ofs: 0 or more constant
To satisfy the relationship expressed by
γ-axis voltage command value v_γ ^*Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Command value (v)_u ^*, V_v ^*, V_w ^*)
Armature voltage command value (v_u ^*, V_v ^*, V_w ^*) Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w)
And.
[0016]
A program for controlling a synchronous motor according to the present invention is:
Armature current (i) of the synchronous motor (2)_u, I_v, I_w)
Armature current (i_u, I_v, I_w) Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Angular frequency ω₁Defining
Armature voltage (v_u, V_v, V_w) Γ-axis voltage command value v which is the command value of the horizontal component of_γ ^*The following formula:
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofs
Λ_δ: Induced voltage coefficient
V_ofs: 0 or more constant
To satisfy the relationship expressed by
γ-axis voltage command value v_γ ^*Based on the armature voltage (v_u, V_v, V_w) Command value (v)_u ^*, V_v ^*, V_w ^*)
And execute.
[0017]
A method for adjusting a synchronous motor system according to the present invention is the method for adjusting a synchronous motor system described above. The adjustment method is
V_ofsThe synchronous motor (2) is operated while changing the voltage, and the synchronous motor (2) can be operated._ofsLower limit V_minAsking for
Armature current (i_u, I_v, I_w) Is the maximum value that the power supply (3) can supply._ofsIs the upper limit V_maxAnd calculating as
V_ofsIs the lower limit V_minAnd upper limit V_maxAnd determining to a value between. The adjustment method is V_ofsCan be determined by a practical method.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a synchronous motor system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0019]
(First embodiment)
The first embodiment of the synchronous motor system according to the present invention is used for start-up and power generation of a gas turbine plant. In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the gas turbine 1 is provided together with the synchronous machine 2. The gas turbine shaft of the gas turbine 1 is connected to the rotor of the synchronous machine 2, and the gas turbine shaft of the gas turbine 1 rotates together with the rotor of the synchronous machine 2.
[0020]
The synchronous machine 2 is used both as a generator and an electric motor. When starting the gas turbine 1, the synchronous machine 2 is used as an electric motor, and accelerates the gas turbine shaft of the gas turbine 1 to a rotational speed at which the gas turbine 1 can ignite. After the gas turbine 1 is ignited and the startup is completed, the synchronous machine 2 is used as a generator driven by the gas turbine 1.
[0021]
The synchronous machine 2 is connected to the inverter device 3. The inverter device 3 supplies a three-phase armature voltage to the armature of the synchronous machine 2 when the synchronous machine 2 is used as an electric motor. Supply of the armature voltage from the inverter device 3 to the synchronous machine 2 is performed via the u-phase power supply line 4-1, the v-phase power supply line 4-2, and the w-phase power supply line 4-3. U-phase voltage v of armature voltage_u, V phase voltage v_v, And w-phase voltage v_wAre supplied to the synchronous machine 2 via the u-phase power supply line 4-1, the v-phase power supply line 4-2, and the w-phase power supply line 4-3, respectively.
[0022]
The inverter device 3 is controlled by the control device 5. The control device 5 includes a u-phase current sensor 6-1, a v-phase current sensor 6-2 provided in the u-phase power supply line 4-1, the v-phase power supply line 4-2, and the w-phase power supply line 4-3, And the w-phase current sensor 6-3. The u-phase current sensor 6-1, the v-phase current sensor 6-2, and the w-phase current sensor 6-3 measure the armature current flowing through the armature of the synchronous machine 2. More specifically, the u-phase current sensor 6-1, the v-phase current sensor 6-2, and the w-phase current sensor 6-3 are respectively a u-phase power supply line 4-1, a v-phase power supply line 4-2, and a w-phase. U-phase armature current i flowing through power line 4-3_u, V-phase armature current i_v, And w-phase armature current i_wMeasure. The control device 5 calculates the measured u-phase armature current i_u, V-phase armature current i_v, W-phase armature current i_wReceive. At this time, the u-phase armature current i_u, V-phase armature current i_v, And w-phase armature current i_wTwo of them are measured and the other is
i_u+ I_v+ I_w= 0,
It is also possible to ask for. The control device 5 further includes an angular frequency command value ω for the angular frequency of the rotor of the synchronous machine 2._m ^*Is given.
[0023]
The control device 5 has a u-phase armature current i_u, V-phase armature current i_v, W-phase armature current i_w, And angular frequency command value ω_m ^*U phase voltage v_u, V phase voltage v_v, And w-phase voltage v_wEach command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*Is output to the inverter device 3. The inverter device 3 has a u-phase voltage v_u, V phase voltage v_v, And w-phase voltage v_wIs the command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*U phase voltage v so that_u, V phase voltage v_v, And w-phase voltage v_wIs output.
[0024]
The operation of the control device 5 is performed according to a program stored in the control device 5. The control device 5 executes the program to execute the command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*And the inverter device 3 is controlled. Command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*The determination is made in the following process.
[0025]
The control device 5 includes the u-phase armature current i measured by the u-phase current sensor 6-1, the v-phase current sensor 6-2, and the w-phase current sensor 6-3._u, V-phase armature current i_v, And w-phase armature current i_wFrom the γ-axis component i of the armature current of the synchronous machine 2 expressed by the δ-γ axis._γIs calculated. Here, the δ axis and the γ axis are the straight axis and the horizontal axis of the synchronous machine 2 recognized by the control device 5, respectively. In addition, the control device 5 performs the γ axis component i of the armature current._γAnd angular frequency command value ω_m ^*The angular frequency ω of the armature voltage supplied to the synchronous machine 2 based on₁To decide.
[0026]
More specifically, the control device 5
[Expression 1]

... Formula (1)
U phase armature current i_u, V-phase armature current i_v, And w-phase armature current i_wIs converted into the γ-axis component and δ-axis component of the armature current in the δ-γ coordinate system. Here, θ is the position of the axis assumed in the control device, and is shifted by φ from the actual position of the rotor of the synchronous machine 2,
[Expression 2]

... Formula (2)
Is calculated by Further, the control device 5 is configured so that the armature voltage angular frequency ω₁The
ω₁= N_pω_m ^*-K_mi_γ        ... Formula (3)
Calculated by Where n_pIs the number of pole pairs of the synchronous machine 2. For example, for a two-pole synchronous machine 2 having one n pole and one s pole, n_p= 1. K_mIs a predetermined constant.
[0027]
Angular frequency ω₁The control device 5 that has determined the γ-axis voltage command value v that is the command value of the horizontal axis component of the armature voltage of the synchronous machine 2_γ ^*And the δ-axis voltage command value v which is the command value of the direct-axis component_δ ^*And
v_γ ^*= Λ_δω₁+ V_ofsγ            ... Formula (4)
v_δ ^*= V_ofsδ                    ... Formula (5)
Determined by Where Λ_δIs an induced voltage coefficient. Offset V_ofsγIs a constant greater than 0 and offset V_ofsδIs a non-zero constant. Furthermore, the control device 5 determines the command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*The
[Equation 3]

... Formula (6)
And the inverter device 3 is controlled.
[0028]
As shown in Equation (4), the γ-axis voltage command value v_γ ^*Is the angular frequency ω of the armature voltage₁Is a linear function. Suppose V_ofsγIs 0, the γ-axis voltage command value v_γ ^*Is the angular frequency ω of the armature voltage₁The control device 5 performs V / f constant control in which the ratio between the instantaneous value of the armature voltage and the frequency of the armature voltage is constant.
[0029]
V shown in equation (4)_ofsγIs an offset provided to compensate for a voltage drop generated in the inverter device 3. Inside the inverter device 3, a voltage drop occurs due to a voltage drop due to the arm short-circuit prevention period, a voltage drop due to the ON resistance of the switching elements constituting the inverter device 3, and the like. γ-axis voltage command value v_γ ^*The angular frequency ω of the armature voltage₁Γ-axis voltage command value v_γ ^*Command value v based on_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*, The u-axis voltage v actually output from the inverter device 3_u, V-axis voltage v_v, And w-axis voltage v_wIs reduced by a voltage drop generated in the inverter device 3. As shown in equation (4), the offset V_ofsγIs Λ_δω₁By adding to the term, the voltage drop generated in the inverter device 3 is compensated, and stable control of the synchronous machine 2 is realized.
[0030]
Offset V_ofsγIs provided as necessary. Therefore, if it is possible to drive the synchronous machine 2, V_ofsγ= 0 (V) is also possible.
[0031]
Offset V_ofsγCan be theoretically determined from the characteristics of the inverter device 3, but it is more practical to determine it by actually operating the synchronous machine 2 as described below. First, the offset V in equation (4)_ofsγIs increased from 0 (V), and the offset V at which the synchronous machine 2 can be operated is_ofsγLower limit V_minAsk for. Offset V_ofsγFurther increases the armature current i_u, I_vAnd i_wWill increase. Armature current i that can be supplied by the inverter device 3_u, I_vAnd i_wHas a maximum value due to the rated current of the elements constituting the inverter device 3. Armature current i_u, I_v, I_wIs the offset V when the maximum current that can be supplied by the inverter device 3 is obtained._ofsγIs offset V_ofsγUpper limit value V_maxIt is. Offset V_ofsγIs the calculated upper limit V_maxAnd lower limit V_minThe value is between. From the viewpoint of securing a margin, offset V_ofsγIs the upper limit V_maxAnd lower limit V_min1/2 of the sum of and the lower limit V_minIt is preferable that it is between.
[0032]
On the other hand, V shown in equation (5)_ofsδIndicates that the exciting current i is applied to the armature of the synchronous machine 2 when the synchronous machine 2 is stopped._δIt is an offset provided to flow. V_ofsδIs set to a value other than 0, the exciting current i which is the δ-axis component of the armature current is provided in the armature of the synchronous machine 2._δFlows. Excitation current i_δ, The rotor is attracted to the armature, and the rotor of the synchronous machine 2 starts to move to some extent regardless of the position of the rotor of the synchronous machine 2. As shown in Equation (4), the γ-axis voltage command value v_γ ^*Is approximately equal to the angular velocity of the rotor₁Therefore, after the rotor of the synchronous machine 2 starts to move, the command value v_u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*Is mainly the γ-axis voltage command value v_γ ^*It depends on. That is, an armature voltage having a horizontal axis component is applied to the armature of the synchronous machine 2, and the rotation of the rotor is maintained by the horizontal axis component of the armature voltage. Thus, V_ofsδIs set to a value other than 0, the synchronous machine 2 can be started regardless of the position of the rotor of the synchronous machine 2.
[0033]
Offset V_ofsδIs required only when the synchronous machine 2 is started as an electric motor, and can be set to 0 after the rotor of the synchronous machine 2 starts rotating. Furthermore, if the synchronous machine 2 is started as an electric motor by some other method, the offset V_ofsδCan always be set to zero.
[0034]
All the calculations performed in the control device 5 described above are performed in accordance with a program stored in the control device 5.
[0035]
As described above, in the first embodiment, the command value v given to the inverter device 3 is not obtained by using a position sensor that detects the position of the rotor of the synchronous machine 2 and by a simple arithmetic expression._u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*Is calculated. Thereby, the calculation amount of the control device 5 is reduced. Furthermore, the use of parameters relating to the characteristics of the synchronous machine 2 is avoided as much as possible, and control that is less affected by fluctuations in characteristics of the synchronous machine 2 is realized.
[0036]
In the first embodiment, the synchronous machine 2 is used for starting the gas turbine 1 and generating power, but the load when the synchronous machine 2 is used as an electric motor is not limited to the gas turbine 1. However, the synchronous machine 2 is preferably used for an application in which the rotor rotates at a high speed as in the case of starting the gas turbine 1. For example, the synchronous machine 2 can be used as a driving device for a high-speed compressor.
[0037]
In particular, the synchronous machine 2 is preferably used for starting a high-speed rotating gas turbine that needs to rotate the gas turbine shaft more than 10,000 rotations at the time of ignition. When rotating the gas turbine shaft more than 10,000 rotations, it is practically difficult to detect the position of the rotor using a position sensor. The synchronous machine 2 is particularly preferably used as a drive device for applications in which the rotational speed of the rotor is 10,000 or more.
[0038]
(Second embodiment)
The second embodiment of the synchronous motor system according to the present invention is different from the first embodiment in the operation of starting the synchronous machine 2 as an electric motor. The configuration and other operations of the synchronous motor system of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
[0039]
In the second embodiment, when the synchronous machine 2 in a stopped state is started as an electric motor, the control device 5 first starts with an excitation current i that is a δ-axis component of the armature current._δIs controlled to be constant. More specifically, the control device 5 calculates the γ-axis component i of the armature current by the following equation (7)._γIs constant at 0, δ-axis component (excitation current) i_δIs the excitation current command value i_δ ^*Proportional integral control is performed so as to be constant at.
[Expression 4]

... Formula (7)
However, V_γ ^*, V_δ ^*, I_γ, And I_δAre respectively γ-axis voltage command values v_γ ^*, Δ-axis voltage command value v_δ ^*, Γ-axis component i of armature current_γ, And the δ-axis component i of the armature current_δLaplace transform. I_δ ^*Is the excitation current command value i_δ ^*Laplace transformation of I_δ ^*= I_δ ^*It is. The control device 5 calculates the γ-axis voltage command value v by the equation (7)._γ ^*, Δ-axis voltage command value v_δ ^*Is calculated. Further, the control device 5 is configured so that the γ-axis voltage command value v_γ ^*, Δ-axis voltage command value v_δ ^*To the command value v according to the above-described equation (6)._u ^*, Command value v_v ^*, Command value v_w ^*And the inverter device 3 is controlled. By performing the control using the equation (7), the synchronous machine 2 in the stopped state is started, and the rotational speed of the rotor of the synchronous machine 2 increases.
[0040]
Excitation current i that is the δ-axis component of the armature current_δIs the excitation current command value i_δ ^*By controlling the inverter device 3 so as to be constant, it is possible to suppress the armature current when accelerating the rotor of the synchronous machine 2 immediately after the synchronous machine 2 is started. In the first embodiment, the excitation current i_δA constant δ-axis voltage command value v_δ ^*When the temperature of the synchronous machine 2 is low and the resistance of the armature winding is small, the excitation current i_δIn order to flow a voltage higher than the originally required voltage is the δ-axis voltage command value v_δ ^*As a result, the armature current may become unnecessarily large. In the second embodiment, the excitation current i is expressed by equation (7)._δIs controlled to be constant, and the armature current can be suppressed to a necessary magnitude.
[0041]
After the rotational speed of the rotor of the synchronous machine 2 increases and reaches a predetermined rotational speed, the control device 5 performs the γ-axis voltage command value v_γ ^*, Δ-axis voltage command value v_δ ^*Is changed from Equation (7) to Equation (4) and Equation (5). Thereafter, the inverter device 3 is controlled based on the equations (4) and (5).
[0042]
At this time, the offset V in equation (5)_ofsδCan be zero. As already mentioned, offset V_ofsδIs necessary when starting the synchronous machine 2 as an electric motor. In the second embodiment, since the synchronous machine 2 is started using the equation (7), the offset V_ofsδCan be 0, and from the viewpoint of suppressing the magnitude of the armature current, the offset V_ofsδR is preferably 0.
[0043]
In the second embodiment, when the synchronous machine 2 is started, the excitation current i, which is the δ-axis component of the armature current, is obtained by Expression (7)._δIs controlled so that the armature current when starting the synchronous machine 2 is suppressed.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, a technique for controlling a synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of a rotor and suppressing a calculation amount is provided. Furthermore, a gas turbine plant that effectively utilizes such technology is provided.
[0045]
The present invention also provides a technique for controlling a synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of the rotor and suppressing the influence of fluctuations in characteristics of the synchronous motor. Furthermore, a gas turbine plant that effectively utilizes such technology is provided.
[0046]
Further, the present invention provides a technique for controlling a synchronous motor without using a position sensor for detecting the position of the rotor and suppressing an armature current at the time of starting. Furthermore, a gas turbine plant that effectively utilizes such technology is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an embodiment of a synchronous motor system according to the present invention.
FIG. 2 shows a γ-δ axis and a dq axis.
[Explanation of symbols]
1: Gas turbine
2: Synchronous machine
3: Inverter device
4-1: u-phase power line
4-2: v-phase power line
4-3: w-phase power line
5: Control device
6-1: u-phase current sensor
6-2: v-phase current sensor
6-3: w-phase current sensor

Claims

A synchronous motor,
A power supply for supplying an armature voltage to the armature of the synchronous motor;
A control device for controlling the power supply device;
A detection device for detecting an armature current flowing through the armature;
The control device obtains a horizontal axis component i _γ of the armature current based on the armature current, and calculates an angular frequency ω ₁ of the armature voltage by the following formula:
ω ₁ = n _p ω _m ^* −K _m i _γ
n _p : number of pole pairs of the synchronous motor
K _m : constant
The γ-axis voltage command value v _γ ^* , which is the command value of the horizontal axis component of the armature voltage, is calculated by the following formula:
v _γ ^* = Λ _δ ω ₁ + V _ofs
[Lambda] [ _delta] : Induced voltage coefficient _Vofs : An armature voltage command value of the armature voltage determined so as to satisfy the relationship represented by a constant of 0 or more and based on the [gamma] -axis voltage command value v [ _gamma] ^*. And
The synchronous motor system, wherein the power supply device outputs the armature voltage so that the armature voltage matches the armature voltage command value.

In the synchronous motor system according to claim 1,
The control device sets the direct-axis voltage command value v _δ ^* of the direct-axis component of the armature voltage constant, and based on the direct-axis voltage command value v _δ ^* and the horizontal-axis voltage command value v _γ ^*. A synchronous motor system for determining the armature voltage command value.

In the synchronous motor system according to claim 2 ,
The direct-axis voltage command value v _δ ^* is not 0. A synchronous motor system.

A synchronous motor,
A power supply for supplying an armature voltage to the armature of the synchronous motor;
A detection device for detecting an armature current flowing through the armature;
A horizontal axis voltage command value v _γ ^* which is a command value of a horizontal axis component of the armature voltage, and a direct axis voltage command value v _δ ^* which is a command value of a straight axis component of the armature voltage; A control device that determines an armature voltage command value, which is a command value of the armature voltage, based on the horizontal axis voltage command value v _γ ^* and the direct axis voltage command value v _δ ^* ,
In the first period when the synchronous motor is started, the control device sets the horizontal axis voltage command value v _γ ^* and the direct axis voltage command value so that the direct axis component of the armature current is constant at a predetermined value. v _δ ^* , and
The control device obtains a horizontal axis component i _γ of the armature current based on the armature current in a second period after the first period, and calculates an angular frequency ω ₁ of the armature voltage by the following formula: :
ω ₁ = n _p ω _m ^* −K _m i _γ
n _p : number of pole pairs of the synchronous motor
K _m : constant
The horizontal axis voltage command value v _γ ^* is obtained by the following formula:
v _γ ^* = Λ _δ ω ₁ + V _ofs
Λ _δ : induced voltage coefficient V _ofs : determined so as to satisfy the relationship represented by a constant equal to or greater than 0, and the direct-axis voltage command value v _δ ^* is determined to be constant,
The synchronous motor system, wherein the power supply device outputs the armature voltage so that the armature voltage matches the armature voltage command value.

A gas turbine,
A synchronous motor for driving a gas turbine shaft of the gas turbine;
A power supply for supplying an armature voltage to the armature of the synchronous motor;
A control device for controlling the power supply device;
A detection device for detecting an armature current flowing through the armature;
The control device obtains a horizontal axis component i _γ of the armature current based on the armature current, and calculates an angular frequency ω ₁ of the armature voltage by the following formula:
ω ₁ = n _p ω _m ^* −K _m i _γ
n _p : number of pole pairs of the synchronous motor
K _m : constant
The γ-axis voltage command value v _γ ^* , which is the command value of the horizontal axis component of the armature voltage, is calculated by the following formula:
v _γ ^* = Λ _δ ω ₁ + V _ofs
[Lambda] [ _delta] : Induced voltage coefficient _Vofs : An armature voltage command value of the armature voltage determined so as to satisfy the relationship represented by a constant of 0 or more and based on the [gamma] -axis voltage command value v [ _gamma] ^*. And
The said power supply device outputs the said armature voltage so that the said armature voltage may correspond to the said armature voltage command value Gas turbine plant.

Detecting the armature current of the synchronous motor;
Obtaining a horizontal axis component i _γ of the armature current based on the armature current ;
The angular frequency ω ₁ of the armature voltage of the synchronous motor is expressed by the following formula:
ω ₁ = n _p ω _m ^* −K _m i _γ
n _p : number of pole pairs of the synchronous motor
K _m : constant
Asking for
The γ-axis voltage command value v _γ ^* , which is the command value of the horizontal axis component of the armature voltage, is expressed by the following formula:
v _γ ^* = Λ _δ ω ₁ + V _ofs
Λ _δ : induced voltage coefficient V _ofs : defining so as to satisfy the relationship represented by a constant of 0 or more,
Determining an armature voltage command value that is a command value of the armature voltage based on the γ-axis voltage command value v _γ ^* ;
Outputting the armature voltage to the synchronous motor based on the armature voltage command value. A method for controlling a synchronous motor.

Detecting the armature current of the synchronous motor;
Obtaining a horizontal axis component i _γ of the armature current based on the armature current ;
The angular frequency ω ₁ of the armature voltage of the synchronous motor is expressed by the following formula:
ω ₁ = n _p ω _m ^* −K _m i _γ
n _p : number of pole pairs of the synchronous motor
K _m : constant
Asking for
The γ-axis voltage command value v _γ ^* , which is the command value of the horizontal axis component of the armature voltage, is expressed by the following formula:
v _γ ^* = Λ _δ ω ₁ + V _ofs
Λ _δ : induced voltage coefficient V _ofs : defining so as to satisfy the relationship represented by a constant of 0 or more,
A program for controlling a synchronous motor that causes an arithmetic device to execute the determination of the armature voltage command value, which is a command value of the armature voltage, based on the γ-axis voltage command value _vγ ^* .

A method for adjusting a synchronous motor system according to claim 1,
And said while changing the _{V ofs} driving the synchronous motor, determine the lower limit value _{V min} of the synchronous motor capable _{V ofs} operation,
Calculating V _{ofs at} which the armature current is a maximum value that can be supplied by the power supply device as an upper limit value V _max ;
A method for adjusting a synchronous motor system, comprising: setting the V _ofs to a value between the lower limit value V _min and the upper limit value V _max .