JP3938486B2 - 多重巻線電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一つの電動機内に独立した複数の巻線を有する多重巻線電動機を、複数のインバータにより駆動して回転を可変速制御する多重巻線電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を可変速駆動する場合、一般的には１組の多相（一般的には三相）巻線を持つ交流電動機を、１つの交流電力変換器（インバータ）により駆動する。この方式での誘導電動機の電流制御装置の構成を図６に示す。
【０００３】
図６において、主回路構成は、１台の電圧印加手段１５を１つの巻線群を持つ誘導電動機３に接続しており、電圧印加手段１５の出力側にその出力電流を検出する電流検出器４が設けられている。電圧印加手段１５は、直流電源１、交流電圧指令信号ｖ*に対応したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルスを出力するＰＷＭパルス発生回路５、このＰＷＭパルス発生回路５が発生するＰＷＭパルス信号により直流電源１の電圧を出力するドライブ回路２からなっており、誘導電動機３に電力を供給している。
【０００４】
電流制御手段６は、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖｄ*、Ｖｑ*から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖ*に座標変換する電圧指令座標変換器８、各巻線交流電流ｉをｄ−ｑ軸成分電流Ｉｄ、Ｉｑに座標変換する電流成分検出座標変換器９、各成分電流指令Ｉd *、Ｉq *を指令とし、電流成分検出座標変換器９の出力であるｄ−ｑ軸成分電流Ｉｄ、Ｉｑを入力とする電流制御器１１より構成されている。
【０００５】
この電流制御装置では、電流の大きさと位相の指令を、励磁成分電流指令Ｉｄ*、トルク成分電流指令Ｉｑ*、１次周波数指令ω1 *として与え、電動機の各巻線に必要な交流電圧指令信号ｖ*を演算出力し、電圧印加手段１５を介して、誘導電動機３に電流ｉを流し、電流検出器４よりの検出値ｉをフィードバック値とする電流制御系を構成している。以上の電流制御手段６、電圧印加手段１５、および電流検出器４により、インバータ１４が構成されている。
【０００６】
一方、大容量の交流電動機を駆動する装置で、電動機の容量に対して適合する容量のインバータがない場合、複数の多相巻線の組を持つ多重巻線型の交流電動機を、複数のインバータにより駆動する場合がある。この方式によれば、異なる容量の大型電動機に対して新たに大容量インバータを開発することなく、図６に示したような単位容量のインバータを容量に応じて組み合わせることができるので、インバータの開発・製造が効率化してコストダウンが図れるという利点がある。しかしながら、この方式において各巻線組に流れる電流に不平衡があると、平衡しているときに較べて大容量のインバータが必要になる、あるいはトルクリプルが発生する等の問題点が発生する。このため、各巻線組に流れる電流を等しくするための方式が提案されている。
【０００７】
例えば、図７は特開平５−２６０７９２号公報に示された多重巻線電動機の電流制御装置を示すものである。図７において、主回路構成は、２つの電圧印加手段１５Ａ、１５Ｂが、Ａ組とＢ組の２組の巻線により構成された多重巻線電動機３に並列接続されており、ドライブ回路２Ａ，２Ｂ、電流検出器４Ａ，４Ｂ、ＰＷＭパルス発生回路５Ａ，５Ｂの働きは図６の場合と同様である。
【０００８】
多重電流制御手段６は、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *に座標変換する電圧指令座標変換器８Ａ，８Ｂ、各巻線交流電流ｉa、ｉb、をｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに座標変換する電流成分検出座標変換器９Ａ，９Ｂ、各巻線のｄ−ｑ軸成分電流の平均値を演算する平均電流検出回路１０、各成分電流指令Ｉd *、Ｉq *を指令とし、平均電流検出回路１０の出力である平均電流Ｉdバー、Ｉqバーとの偏差を入力とする平均電流制御器１１、平均電流Ｉdバー、Ｉqバーと各巻線のｄ−ｑ軸成分電流との偏差を入力して各巻線電流のアンバランスを補正する電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂ、加算器１３Ａ，１３Ｂより構成されている。
【０００９】
各ドライブ回路間の出力電圧に不平衡が無い場合には、各電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂの出力は零となり、各ドライブ回路間の出力電圧は等しくなる。一方、各ドライブ回路間の出力電圧に不平衡がある場合には、各巻線電流に不平衡が発生してｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに差が発生する。
各電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂは、各電流の平均値からの偏差に基づいて、各巻線のｄ−ｑ軸成分電流の差が零となるよう、各巻線のｄ−ｑ軸成分電圧指令を補正する信号を出力し、この信号が加算された３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *が電圧指令座標変換器８Ａ，８Ｂから出力される。これにより各巻線の電流値が等しくなるように制御が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の多重巻線電動機の制御装置は、以上のように、複数の電圧印加手段を一つの多重電流制御手段により制御するため、図６に示したような単一巻線対応の単位容量インバータと較べて電流制御系の構成を大幅に変更して構成する必要があり、単位容量インバータを単独で使用する状態との間で電流制御系を共用することが難しいという問題があり、単位容量インバータを用いたメリットを十分に生かすことが出来なかった。
【００１１】
この問題を解決する手段として、各組の巻線をそれぞれ独立して電流制御する方法が考えられるが、この方式については各巻線間の電流位相の不平衡による干渉でトルクリプルが発生し、高応答の電流制御が出来ないという問題があることが、上記の特開平５−２６０７９２号公報に示された多重巻線電動機の電流制御装置の中で言及されている。
【００１２】
ここで、上記のように各巻線間の電流位相の不平衡による干渉で電流制御の応答を高く出来ない原因について詳しく考察してみる。
多重巻線電動機では、例えば図１に示すように、中性点Ｎａで接続された一組のＵａ、Ｖａ、Ｗａの三相巻線（以下、添え字ａで表す）および中性点Ｎｂで接続されたもう一組のＵｂ、Ｖｂ、Ｗｂの三相巻線（以下、添え字ｂで表す）が電気的に接続されることなく電動機の固定子に納められている。この二つの巻線は電気的には接続されていないが、電動機が構成する磁気回路により磁気的には結合されており、丁度トランスの一次側と二次側のような結合状態にある。
【００１３】
このため、並列して配置されたＵａ相とＵｂ相の等価回路は図２のように表すことができる。図２において、ｖUは各中性点からの各端子電圧、Ｒは抵抗、ｖｅは誘起電圧、ｌは漏れインダクタンス、Ｍは相互インダクタンスを表している。またｎはトランスで言う巻数比である。なお、これらの値のうち、特にｌとＭは通常のモータ制御で用いる値とは異なり、並列して配置された多重の二相間のそれであることに注意されたい。また、一般には、多重巻線電動機では並列する巻線の巻数は同じであるので、ｎ＝１である。またこの時、Ｖａ相とＶｂ相、Ｗａ相とＷｂ相の等価回路も図２と同じであるので、三相の特性が等しい場合、ＵＶＷ三相から回転子ｄｑ軸二相上に座標変換を行っても、このｄ，ｑ軸二相上での等価回路は図２に示した等価回路と同じである。
【００１４】
以上に説明したように、多重巻線電動機の複数の組の巻線は磁気的に結合しているので、相互に干渉電圧が生じる。ＵＶＷ三相の多重巻線電動機の等価回路を回転子ｄｑ軸二相上に座標変換したとき、それぞれの相の回路構成は上記のように図２と同じであるが、そのｄ軸の等価回路をブロック図形式で表したものを図３に示す。図中でｖda、ｖdbはａ、ｂそれぞれの組の巻線のｄ軸電圧であり、ｉda、ｉdbはａ、ｂそれぞれの組の巻線のｄ軸電流である。また、図中でｖda、ｖdbで表される電圧が、他の組の巻線からの干渉電圧を示している。なお、図中のｓはラプラス変換の微分演算子を表す。図３は回転子ｄ軸上の等価回路を示したものであるが、以上の説明より分かるように回転子ｑ軸上の等価回路も同様の構成である。
【００１５】
通常、交流電動機のベクトル制御は、回転子ｄｑ軸上でそれぞれ独立して電流制御を行うが、多重巻線電動機では以上に説明した干渉電圧が相互に作用して、電流制御系に対して外乱として作用する。この干渉電圧は、図３より分かるように、各巻線電流の微分値に比例するため、電流を高速に応答させるほど大きくなる性質を持つため、従来の単一巻線電動機の電流制御と較べて電流制御系の応答を高くすることが出来ない。また、このため電流に脈動成分が生じ、トルクリプルが発生するという問題点があった。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、一つの多重巻線電動機を複数のインバータで駆動制御する際に、各巻線ごとに電流制御系を構成しながら、各巻線の電流制御系の間の干渉を補償することができる多重巻線電動機の制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、２つの巻線組を持つ多重巻線電動機の第１の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する第１の電流制御手段、第１の巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、上記第１の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって上記第１の巻線に電圧を印加する第１の電圧印加手段、上記多重巻線電動機の第２の巻線の電流を制御する第２の電流制御手段、上記第２の巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出器、上記第２の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって第２の巻線に電圧を印加する第２の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、上記第１の電流制御手段には、電流指令値と上記第１の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第１の電流制御器を、上記第２の電流制御手段には、電流指令値と上記第２の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第２の電流制御器を備えており、さらに上記第１の電流制御手段には、上記第１の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第２の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第２の巻線の電圧が上記第１の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第１の電圧非干渉化演算部を、上記第２の電流制御手段には、上記第２の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第１の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第１の巻線の電圧が上記第２の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第２の電圧非干渉化演算部を設けたものである。
【００１８】
請求項２の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、３つ以上の複数の巻線組を持つ多重巻線電動機の複数の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する複数の電流制御手段、各巻線に流れる電流を検出する複数の電流検出器、上記電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって各巻線に電圧を印加する複数の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、各電流制御手段には、電流指令値と上記各電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する電流制御器を備えており、さらに上記各電流制御手段には、各々の電流制御器からの電圧指令値に対して、他の電流制御手段の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記他の電流制御手段が制御する巻線が当該電流制御手段が制御する巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する電圧非干渉化演算部を設けたものである。
【００１９】
請求項３の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、多重巻線電動機に発生する干渉電圧の伝達関数に基づいて用いて行うものである。
【００２０】
請求項４の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御器の電圧指令に係数を乗じたものを合計して行うものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
実施の形態１．
既に図３を用いて説明したように、多重巻線電動機では干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbが相互に作用して、電流制御系に対して外乱として作用する。このとき図３から、ａ、ｂそれぞれの組の巻線電圧ｖda、ｖdbが発生する干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbは下記の（１）式で示す伝達関数式で表されることが理解できる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
電圧制御系間の干渉を抑制するには、（１）式に示した干渉電圧をあらかじめ算出して電圧指令を補償してやればよい。
【００２４】
図４は、この発明を実施するための実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の制御方式を説明するための図であり、図３に示した多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路に、電流制御系の構成を加えたブロック線図である。
図４において、３は多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路のブロック線図であって、図３と同じであり、１６ａ、１６ｂはそれぞれａ組およびｂ組の電圧指令を補正する電圧非干渉化演算部である。図４において、Ｇｃｃaはａ組の、Ｇｃｃbはｂ組の巻線の、それぞれ電流制御器の伝達関数を表わし、電流指令値ｉda *、ｉdb *と電流検出値ｉda、ｉdbを一致させるべく、電圧指令ｖda0、ｖdb0を操作している。Ｇｖｃa、Ｇｖｃbは（１）式に示した電圧非干渉化演算の伝達関数であって、例えば下記の（２）式を用いることができる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
電流制御器からの電圧指令ｖda0、ｖdb0からＧｖｃa、Ｇｖｃbを用いて補償電圧ｖdac、ｖdbcが算出され、この補償電圧ｖdac、ｖdbcを電圧指令ｖda0、ｖdb0に加えることにより非干渉化された電圧指令ｖda、ｖdbを得ることができる。このようにして、電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂでは、電流制御器からの電圧指令ｖda0、ｖdb0から非干渉化された電圧指令ｖda、ｖdbを算出する。
【００２７】
それでは以下に、以上に示した方式に基づいて構成された多重巻線電動機の制御装置の実施の形態について説明する。
図５は、この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の構成を示す図であり、本実施の形態では多重巻線電動機３はａ組とｂ組の二組の巻線により構成されており、ａ組の巻線はインバータ１４ａに、ｂ組の巻線はインバータ１４ｂにそれぞれ接続されている。ドライブ回路２ａ，２ｂ、電流検出器４ａ，４ｂ、ＰＷＭパルス発生回路５ａ，５ｂ、および電源１ａ、１ｂの働きは図６の場合と同様である。
【００２８】
電流制御手段６ａ、６ｂはそれぞれ、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７ａ、７ｂ、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *に座標変換する電圧指令座標変換器８ａ、８ｂ、各巻線交流電流ｉa、ｉbをｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに座標変換する電流成分検出座標変換器９ａ、９ｂ、電流制御器１１ａからの電圧指令ｖda0、ｖqa0および電流制御器１１ｂからの電圧指令ｖdb0、ｖqb0より、前述の演算方式により非干渉化された電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *を算出する電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂから構成されている。
【００２９】
インバータ１４ａ、１４ｂの構成および働きは電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂが存在することを除けば、図６に示した単位容量インバータと同じであり、図７の従来の多重巻線電動機の制御装置の構成に比べて、図５に示したこの発明の多重巻線電動機の制御装置の構成の方が、単位容量インバータを組み合わせて構成しやすいことが理解できる。
【００３０】
なお、上述の（２）式を用いた非干渉化では、ａ、ｂそれぞれの組の巻線電圧ｖda、ｖdbが発生する干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbを完全に補償することができるが、干渉電圧の低周波数成分は電流制御器によっても抑制が可能なので、高周波成分のみについて非干渉化を行っても十分な効果が得られる場合がある。高周波成分の干渉電圧成分を伝達関数で表すと、ラプラス変換の微分演算子ｓが大きい状態であるので、この場合上記（２）式は下記のように簡易化することができる。
【００３１】
【数３】
【００３２】
（３）式に示したＧｖｃa’、Ｇｖｃb’は、上記（２）式のように微分演算子ｓを持たず、単なる係数であるため、上記のような簡易化を行うことにより電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂの演算量を小さくすることができる。
【００３３】
このようにして、本実施の形態では、ある組の巻線に接続された電圧印加手段に与える電圧指令値を、その巻線の電流を制御する電流制御手段の出力値のみでなく、他の巻線の電流を制御する電流制御手段の出力値をも用いて算出する電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することができ、高応答の電流制御が実現できる。
【００３４】
また、電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、図３に示したような干渉電圧の伝達関数特性を用いて行うので、干渉電圧を完全に補償することができる。
また、電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御手段の出力に係数を乗じたものを合計して行うので、電圧非干渉化演算部の演算量を小さくすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、２つの巻線組を持つ多重巻線電動機の第１の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する第１の電流制御手段、第１の巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、上記第１の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって上記第１の巻線に電圧を印加する第１の電圧印加手段、上記多重巻線電動機の第２の巻線の電流を制御する第２の電流制御手段、上記第２の巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出器、上記第２の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって第２の巻線に電圧を印加する第２の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、上記第１の電流制御手段には、電流指令値と上記第１の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第１の電流制御器を、上記第２の電流制御手段には、電流指令値と上記第２の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第２の電流制御器を備えており、さらに上記第１の電流制御手段には、上記第１の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第２の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第２の巻線の電圧が上記第１の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第１の電圧非干渉化演算部を、上記第２の電流制御手段には、上記第２の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第１の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第１の巻線の電圧が上記第２の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第２の電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することが出来、高応答の電流制御が実現できるという効果がある。
【００３６】
また、請求項２の発明によれば、３つ以上の複数の巻線組を持つ多重巻線電動機の複数の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する複数の電流制御手段、各巻線に流れる電流を検出する複数の電流検出器、上記電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって各巻線に電圧を印加する複数の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、各電流制御手段には、電流指令値と上記各電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する電流制御器を備えており、さらに上記各電流制御手段には、各々の電流制御器からの電圧指令値に対して、他の電流制御手段の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記他の電流制御手段が制御する巻線が当該電流制御手段が制御する巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することが出来、高応答の電流制御が実現できるという効果がある。
【００３７】
また、請求項３の発明によれば、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、多重巻線電動機に発生する干渉電圧の伝達関数に基づいて用いて行うので、干渉電圧を完全に補償することができるという効果がある。
【００３８】
さらに、請求項４の発明によれば、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御器の電圧指令に係数を乗じたものを合計して行うので、電圧非干渉化演算部の演算量を小さくすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中性点で接続された三相巻線の複数組を示す配置図である。
【図２】 図１の等価回路を示す図である。
【図３】 多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の制御方式を説明するための図である。
【図５】 この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】 一般的な誘導電動機の電流制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 従来の多重巻線電動機の制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
３ 多重巻線電動機、４ａ，４ｂ 電流検出器、６ａ，６ｂ 電流制御手段、７ａ，７ｂ ２相正弦波発生回路、８ａ，８ｂ 電圧指令座標変換器、９ａ，９ｂ 電流成分座標変換器、１４ａ，１４ｂ インバータ、１５ａ，１５ｂ 電圧印加手段、１６ａ，１６ｂ 電圧非干渉化演算部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、一つの電動機内に独立した複数の巻線を有する多重巻線電動機を、複数のインバータにより駆動して回転を可変速制御する多重巻線電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を可変速駆動する場合、一般的には１組の多相（一般的には三相）巻線を持つ交流電動機を、１つの交流電力変換器（インバータ）により駆動する。この方式での誘導電動機の電流制御装置の構成を図６に示す。
【０００３】
図６において、主回路構成は、１台の電圧印加手段１５を１つの巻線群を持つ誘導電動機３に接続しており、電圧印加手段１５の出力側にその出力電流を検出する電流検出器４が設けられている。電圧印加手段１５は、直流電源１、交流電圧指令信号ｖ*に対応したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルスを出力するＰＷＭパルス発生回路５、このＰＷＭパルス発生回路５が発生するＰＷＭパルス信号により直流電源１の電圧を出力するドライブ回路２からなっており、誘導電動機３に電力を供給している。
【０００４】
電流制御手段６は、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖｄ*、Ｖｑ*から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖ*に座標変換する電圧指令座標変換器８、各巻線交流電流ｉをｄ−ｑ軸成分電流Ｉｄ、Ｉｑに座標変換する電流成分検出座標変換器９、各成分電流指令Ｉd *、Ｉq *を指令とし、電流成分検出座標変換器９の出力であるｄ−ｑ軸成分電流Ｉｄ、Ｉｑを入力とする電流制御器１１より構成されている。
【０００５】
この電流制御装置では、電流の大きさと位相の指令を、励磁成分電流指令Ｉｄ*、トルク成分電流指令Ｉｑ*、１次周波数指令ω1 *として与え、電動機の各巻線に必要な交流電圧指令信号ｖ*を演算出力し、電圧印加手段１５を介して、誘導電動機３に電流ｉを流し、電流検出器４よりの検出値ｉをフィードバック値とする電流制御系を構成している。以上の電流制御手段６、電圧印加手段１５、および電流検出器４により、インバータ１４が構成されている。
【０００６】
一方、大容量の交流電動機を駆動する装置で、電動機の容量に対して適合する容量のインバータがない場合、複数の多相巻線の組を持つ多重巻線型の交流電動機を、複数のインバータにより駆動する場合がある。この方式によれば、異なる容量の大型電動機に対して新たに大容量インバータを開発することなく、図６に示したような単位容量のインバータを容量に応じて組み合わせることができるので、インバータの開発・製造が効率化してコストダウンが図れるという利点がある。しかしながら、この方式において各巻線組に流れる電流に不平衡があると、平衡しているときに較べて大容量のインバータが必要になる、あるいはトルクリプルが発生する等の問題点が発生する。このため、各巻線組に流れる電流を等しくするための方式が提案されている。
【０００７】
例えば、図７は特開平５−２６０７９２号公報に示された多重巻線電動機の電流制御装置を示すものである。図７において、主回路構成は、２つの電圧印加手段１５Ａ、１５Ｂが、Ａ組とＢ組の２組の巻線により構成された多重巻線電動機３に並列接続されており、ドライブ回路２Ａ，２Ｂ、電流検出器４Ａ，４Ｂ、ＰＷＭパルス発生回路５Ａ，５Ｂの働きは図６の場合と同様である。
【０００８】
多重電流制御手段６は、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *に座標変換する電圧指令座標変換器８Ａ，８Ｂ、各巻線交流電流ｉa、ｉb、をｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに座標変換する電流成分検出座標変換器９Ａ，９Ｂ、各巻線のｄ−ｑ軸成分電流の平均値を演算する平均電流検出回路１０、各成分電流指令Ｉd *、Ｉq *を指令とし、平均電流検出回路１０の出力である平均電流Ｉdバー、Ｉqバーとの偏差を入力とする平均電流制御器１１、平均電流Ｉdバー、Ｉqバーと各巻線のｄ−ｑ軸成分電流との偏差を入力して各巻線電流のアンバランスを補正する電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂ、加算器１３Ａ，１３Ｂより構成されている。
【０００９】
各ドライブ回路間の出力電圧に不平衡が無い場合には、各電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂの出力は零となり、各ドライブ回路間の出力電圧は等しくなる。一方、各ドライブ回路間の出力電圧に不平衡がある場合には、各巻線電流に不平衡が発生してｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに差が発生する。
各電流アンバランス補償回路１２Ａ，１２Ｂは、各電流の平均値からの偏差に基づいて、各巻線のｄ−ｑ軸成分電流の差が零となるよう、各巻線のｄ−ｑ軸成分電圧指令を補正する信号を出力し、この信号が加算された３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *が電圧指令座標変換器８Ａ，８Ｂから出力される。これにより各巻線の電流値が等しくなるように制御が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の多重巻線電動機の制御装置は、以上のように、複数の電圧印加手段を一つの多重電流制御手段により制御するため、図６に示したような単一巻線対応の単位容量インバータと較べて電流制御系の構成を大幅に変更して構成する必要があり、単位容量インバータを単独で使用する状態との間で電流制御系を共用することが難しいという問題があり、単位容量インバータを用いたメリットを十分に生かすことが出来なかった。
【００１１】
この問題を解決する手段として、各組の巻線をそれぞれ独立して電流制御する方法が考えられるが、この方式については各巻線間の電流位相の不平衡による干渉でトルクリプルが発生し、高応答の電流制御が出来ないという問題があることが、上記の特開平５−２６０７９２号公報に示された多重巻線電動機の電流制御装置の中で言及されている。
【００１２】
ここで、上記のように各巻線間の電流位相の不平衡による干渉で電流制御の応答を高く出来ない原因について詳しく考察してみる。
多重巻線電動機では、例えば図１に示すように、中性点Ｎａで接続された一組のＵａ、Ｖａ、Ｗａの三相巻線（以下、添え字ａで表す）および中性点Ｎｂで接続されたもう一組のＵｂ、Ｖｂ、Ｗｂの三相巻線（以下、添え字ｂで表す）が電気的に接続されることなく電動機の固定子に納められている。この二つの巻線は電気的には接続されていないが、電動機が構成する磁気回路により磁気的には結合されており、丁度トランスの一次側と二次側のような結合状態にある。
【００１３】
このため、並列して配置されたＵａ相とＵｂ相の等価回路は図２のように表すことができる。図２において、ｖUは各中性点からの各端子電圧、Ｒは抵抗、ｖｅは誘起電圧、ｌは漏れインダクタンス、Ｍは相互インダクタンスを表している。またｎはトランスで言う巻数比である。なお、これらの値のうち、特にｌとＭは通常のモータ制御で用いる値とは異なり、並列して配置された多重の二相間のそれであることに注意されたい。また、一般には、多重巻線電動機では並列する巻線の巻数は同じであるので、ｎ＝１である。またこの時、Ｖａ相とＶｂ相、Ｗａ相とＷｂ相の等価回路も図２と同じであるので、三相の特性が等しい場合、ＵＶＷ三相から回転子ｄｑ軸二相上に座標変換を行っても、このｄ，ｑ軸二相上での等価回路は図２に示した等価回路と同じである。
【００１４】
以上に説明したように、多重巻線電動機の複数の組の巻線は磁気的に結合しているので、相互に干渉電圧が生じる。ＵＶＷ三相の多重巻線電動機の等価回路を回転子ｄｑ軸二相上に座標変換したとき、それぞれの相の回路構成は上記のように図２と同じであるが、そのｄ軸の等価回路をブロック図形式で表したものを図３に示す。図中でｖda、ｖdbはａ、ｂそれぞれの組の巻線のｄ軸電圧であり、ｉda、ｉdbはａ、ｂそれぞれの組の巻線のｄ軸電流である。また、図中でｖda、ｖdbで表される電圧が、他の組の巻線からの干渉電圧を示している。なお、図中のｓはラプラス変換の微分演算子を表す。図３は回転子ｄ軸上の等価回路を示したものであるが、以上の説明より分かるように回転子ｑ軸上の等価回路も同様の構成である。
【００１５】
通常、交流電動機のベクトル制御は、回転子ｄｑ軸上でそれぞれ独立して電流制御を行うが、多重巻線電動機では以上に説明した干渉電圧が相互に作用して、電流制御系に対して外乱として作用する。この干渉電圧は、図３より分かるように、各巻線電流の微分値に比例するため、電流を高速に応答させるほど大きくなる性質を持つため、従来の単一巻線電動機の電流制御と較べて電流制御系の応答を高くすることが出来ない。また、このため電流に脈動成分が生じ、トルクリプルが発生するという問題点があった。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、一つの多重巻線電動機を複数のインバータで駆動制御する際に、各巻線ごとに電流制御系を構成しながら、各巻線の電流制御系の間の干渉を補償することができる多重巻線電動機の制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、２つの巻線組を持つ多重巻線電動機の第１の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する第１の電流制御手段、第１の巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、上記第１の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって上記第１の巻線に電圧を印加する第１の電圧印加手段、上記多重巻線電動機の第２の巻線の電流を制御する第２の電流制御手段、上記第２の巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出器、上記第２の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって第２の巻線に電圧を印加する第２の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、上記第１の電流制御手段には、電流指令値と上記第１の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第１の電流制御器を、上記第２の電流制御手段には、電流指令値と上記第２の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第２の電流制御器を備えており、さらに上記第１の電流制御手段には、上記第１の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第２の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第２の巻線の電圧が上記第１の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第１の電圧非干渉化演算部を、上記第２の電流制御手段には、上記第２の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第１の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第１の巻線の電圧が上記第２の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第２の電圧非干渉化演算部を設けたものである。
【００１８】
請求項２の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、３つ以上の複数の巻線組を持つ多重巻線電動機の複数の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する複数の電流制御手段、各巻線に流れる電流を検出する複数の電流検出器、上記電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって各巻線に電圧を印加する複数の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、各電流制御手段には、電流指令値と上記各電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する電流制御器を備えており、さらに上記各電流制御手段には、各々の電流制御器からの電圧指令値に対して、他の電流制御手段の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記他の電流制御手段が制御する巻線が当該電流制御手段が制御する巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する電圧非干渉化演算部を設けたものである。
【００１９】
請求項３の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、多重巻線電動機に発生する干渉電圧の伝達関数に基づいて用いて行うものである。
【００２０】
請求項４の発明に係る多重巻線電動機の制御装置は、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御器の電圧指令に係数を乗じたものを合計して行うものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
実施の形態１．
既に図３を用いて説明したように、多重巻線電動機では干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbが相互に作用して、電流制御系に対して外乱として作用する。このとき図３から、ａ、ｂそれぞれの組の巻線電圧ｖda、ｖdbが発生する干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbは下記の（１）式で示す伝達関数式で表されることが理解できる。
【００２２】
【数１】
電圧制御系間の干渉を抑制するには、（１）式に示した干渉電圧をあらかじめ算出して電圧指令を補償してやればよい。
【００２４】
図４は、この発明を実施するための実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の制御方式を説明するための図であり、図３に示した多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路に、電流制御系の構成を加えたブロック線図である。
図４において、３は多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路のブロック線図であって、図３と同じであり、１６ａ、１６ｂはそれぞれａ組およびｂ組の電圧指令を補正する電圧非干渉化演算部である。図４において、Ｇｃｃaはａ組の、Ｇｃｃbはｂ組の巻線の、それぞれ電流制御器の伝達関数を表わし、電流指令値ｉda *、ｉdb *と電流検出値ｉda、ｉdbを一致させるべく、電圧指令ｖda0、ｖdb0を操作している。Ｇｖｃa、Ｇｖｃbは（１）式に示した電圧非干渉化演算の伝達関数であって、例えば下記の（２）式を用いることができる。
【００２５】
【数２】
電流制御器からの電圧指令ｖda0、ｖdb0からＧｖｃa、Ｇｖｃbを用いて補償電圧ｖdac、ｖdbcが算出され、この補償電圧ｖdac、ｖdbcを電圧指令ｖda0、ｖdb0に加えることにより非干渉化された電圧指令ｖda、ｖdbを得ることができる。このようにして、電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂでは、電流制御器からの電圧指令ｖda0、ｖdb0から非干渉化された電圧指令ｖda、ｖdbを算出する。
【００２７】
それでは以下に、以上に示した方式に基づいて構成された多重巻線電動機の制御装置の実施の形態について説明する。
図５は、この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の構成を示す図であり、本実施の形態では多重巻線電動機３はａ組とｂ組の二組の巻線により構成されており、ａ組の巻線はインバータ１４ａに、ｂ組の巻線はインバータ１４ｂにそれぞれ接続されている。ドライブ回路２ａ，２ｂ、電流検出器４ａ，４ｂ、ＰＷＭパルス発生回路５ａ，５ｂ、および電源１ａ、１ｂの働きは図６の場合と同様である。
【００２８】
電流制御手段６ａ、６ｂはそれぞれ、誘導電動機の場合は１次周波数指令、同期電動機の場合は回転子速度であるω1 *を入力とし２相正弦波基準（位相）信号を出力する２相正弦波発生回路７ａ、７ｂ、回転座標系のｄ−ｑ軸成分電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *から固定子座標系の３相交流電圧指令信号ｖa *、ｖb *に座標変換する電圧指令座標変換器８ａ、８ｂ、各巻線交流電流ｉa、ｉbをｄ−ｑ軸成分電流Ｉda、Ｉqa、Ｉdb、Ｉqbに座標変換する電流成分検出座標変換器９ａ、９ｂ、電流制御器１１ａからの電圧指令ｖda0、ｖqa0および電流制御器１１ｂからの電圧指令ｖdb0、ｖqb0より、前述の演算方式により非干渉化された電圧指令Ｖda *、Ｖqa *、Ｖdb *、Ｖqb *を算出する電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂから構成されている。
【００２９】
インバータ１４ａ、１４ｂの構成および働きは電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂが存在することを除けば、図６に示した単位容量インバータと同じであり、図７の従来の多重巻線電動機の制御装置の構成に比べて、図５に示したこの発明の多重巻線電動機の制御装置の構成の方が、単位容量インバータを組み合わせて構成しやすいことが理解できる。
【００３０】
なお、上述の（２）式を用いた非干渉化では、ａ、ｂそれぞれの組の巻線電圧ｖda、ｖdbが発生する干渉電圧ｖｉda、ｖｉdbを完全に補償することができるが、干渉電圧の低周波数成分は電流制御器によっても抑制が可能なので、高周波成分のみについて非干渉化を行っても十分な効果が得られる場合がある。高周波成分の干渉電圧成分を伝達関数で表すと、ラプラス変換の微分演算子ｓが大きい状態であるので、この場合上記（２）式は下記のように簡易化することができる。
【００３１】
【数３】
（３）式に示したＧｖｃa’、Ｇｖｃb’は、上記（２）式のように微分演算子ｓを持たず、単なる係数であるため、上記のような簡易化を行うことにより電圧非干渉化演算部１６ａ、１６ｂの演算量を小さくすることができる。
【００３３】
このようにして、本実施の形態では、ある組の巻線に接続された電圧印加手段に与える電圧指令値を、その巻線の電流を制御する電流制御手段の出力値のみでなく、他の巻線の電流を制御する電流制御手段の出力値をも用いて算出する電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することができ、高応答の電流制御が実現できる。
【００３４】
また、電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、図３に示したような干渉電圧の伝達関数特性を用いて行うので、干渉電圧を完全に補償することができる。
また、電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御手段の出力に係数を乗じたものを合計して行うので、電圧非干渉化演算部の演算量を小さくすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、２つの巻線組を持つ多重巻線電動機の第１の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する第１の電流制御手段、第１の巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、上記第１の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって上記第１の巻線に電圧を印加する第１の電圧印加手段、上記多重巻線電動機の第２の巻線の電流を制御する第２の電流制御手段、上記第２の巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出器、上記第２の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって第２の巻線に電圧を印加する第２の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、上記第１の電流制御手段には、電流指令値と上記第１の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第１の電流制御器を、上記第２の電流制御手段には、電流指令値と上記第２の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第２の電流制御器を備えており、さらに上記第１の電流制御手段には、上記第１の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第２の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第２の巻線の電圧が上記第１の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第１の電圧非干渉化演算部を、上記第２の電流制御手段には、上記第２の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第１の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第１の巻線の電圧が上記第２の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第２の電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することが出来、高応答の電流制御が実現できるという効果がある。
【００３６】
また、請求項２の発明によれば、３つ以上の複数の巻線組を持つ多重巻線電動機の複数の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する複数の電流制御手段、各巻線に流れる電流を検出する複数の電流検出器、上記電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって各巻線に電圧を印加する複数の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、各電流制御手段には、電流指令値と上記各電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する電流制御器を備えており、さらに上記各電流制御手段には、各々の電流制御器からの電圧指令値に対して、他の電流制御手段の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記他の電流制御手段が制御する巻線が当該電流制御手段が制御する巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する電圧非干渉化演算部を設けたので、電流制御器間の電圧干渉を補償することが出来、高応答の電流制御が実現できるという効果がある。
【００３７】
また、請求項３の発明によれば、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、多重巻線電動機に発生する干渉電圧の伝達関数に基づいて用いて行うので、干渉電圧を完全に補償することができるという効果がある。
【００３８】
さらに、請求項４の発明によれば、上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御器の電圧指令に係数を乗じたものを合計して行うので、電圧非干渉化演算部の演算量を小さくすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中性点で接続された三相巻線の複数組を示す配置図である。
【図２】 図１の等価回路を示す図である。
【図３】 多重巻線電動機の回転子ｄ軸上の等価回路を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の制御方式を説明するための図である。
【図５】 この発明の実施の形態１による多重巻線電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】 一般的な誘導電動機の電流制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 従来の多重巻線電動機の制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
３ 多重巻線電動機、４ａ，４ｂ 電流検出器、６ａ，６ｂ 電流制御手段、７ａ，７ｂ ２相正弦波発生回路、８ａ，８ｂ 電圧指令座標変換器、９ａ，９ｂ 電流成分座標変換器、１４ａ，１４ｂ インバータ、１５ａ，１５ｂ 電圧印加手段、１６ａ，１６ｂ 電圧非干渉化演算部。
Claims (4)
- ２つの巻線組を持つ多重巻線電動機の第１の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する第１の電流制御手段、第１の巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、上記第１の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって上記第１の巻線に電圧を印加する第１の電圧印加手段、上記多重巻線電動機の第２の巻線の電流を制御する第２の電流制御手段、上記第２の巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出器、上記第２の電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって第２の巻線に電圧を印加する第２の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、
上記第１の電流制御手段には、電流指令値と上記第１の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第１の電流制御器を、上記第２の電流制御手段には、電流指令値と上記第２の電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する第２の電流制御器を備えており、さらに上記第１の電流制御手段には、上記第１の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第２の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第２の巻線の電圧が上記第１の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第１の電圧非干渉化演算部を、上記第２の電流制御手段には、上記第２の電流制御器からの電圧指令値に対して、上記第１の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記第１の巻線の電圧が上記第２の巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する第２の電圧非干渉化演算部を設けたことを特徴とする多重巻線電動機の制御装置。 - ３つ以上の複数の巻線組を持つ多重巻線電動機の複数の巻線の電流を電流指令値にしたがって制御する複数の電流制御手段、各巻線に流れる電流を検出する複数の電流検出器、上記電流制御手段から出力される電圧指令値にしたがって各巻線に電圧を印加する複数の電圧印加手段を備えた多重巻線電動機の制御装置であって、
各電流制御手段には、電流指令値と上記各電流検出器からの電流検出値から電圧指令値を演算する電流制御器を備えており、さらに上記各電流制御手段には、各々の電流制御器からの電圧指令値に対して、他の電流制御手段の電流制御器からの電圧指令値を用いて上記他の電流制御手段が制御する巻線が当該電流制御手段が制御する巻線に発生する干渉電圧を補償して非干渉された電圧指令値を出力する電圧非干渉化演算部を設けたことを特徴とする多重巻線電動機の制御装置。 - 上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、多重巻線電動機に発生する干渉電圧の伝達関数に基づいて用いて行うことを特徴とする請求項１または２記載の多重巻線電動機の制御装置。
- 上記電圧非干渉化演算部の電圧指令算出を、それぞれの電流制御器の電圧指令に係数を乗じたものを合計して行うことを特徴とする請求項１または２記載の多重巻線電動機の制御装置。
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