JP4223517B2 - 巻線界磁式同期機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転子の界磁巻線により界磁磁界を発生する巻線界磁式同期機の制御装置に関するものであり、特に運転状態の変化に対応して安定した電流制御を可能とする制御装置に係るものである。

巻線界磁式同期機などの回転機の制御では、各巻線に流れる電流を所望の値に制御するために、各巻線の電流を検出して印加する電圧を操作する、いわゆる電流フィードバック制御が行われる。この制御には一般的に電流制御系の比例積分制御を行うＰＩ制御器が用いられるが、この制御器に設定すべき制御パラメータは、制御する巻線の物理的な特性値（抵抗、インダクタンス）と、要求される制御応答性により決定される。ところが実際の回転機においては、これらの物理的な特性値は運転条件により変化するので、制御器の制御パラメータを一定にしたままでは同じ制御応答性を保つことは出来ない。これに対して、例えば永久磁石モータについては、運転条件（出力電圧、出力周波数、モータ温度等）により電流制御装置の制御パラメータを可変とする方式が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−２７５３８１号公報（第１３〜１６段落、図１）

しかしながら、前記特許文献１に示された制御装置は、固定子のみに巻線を持つ永久磁石モータを対象としているため、回転子側にも界磁巻線を持ち、固定子電流と界磁電流の相互作用により運転状態が変化する巻線界磁式同期機には、同様の方式を適用できないという問題点があった。
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、巻線界磁式同期機において、運転状態が変化しても各巻線の電流制御応答性を同一に保つことが出来る、巻線界磁式同期機の制御装置を実現することを目的としている。

この発明に係る巻線界磁式同期機の制御装置は、固定子巻線につながる三相インバータと、界磁巻線につながる単相アンプが設けられ、該制御装置には、固定子巻線のｄ軸電流およびｑ軸電流の制御を行って三相インバータを駆動する固定子電流制御系と、界磁巻線の電流制御を行って単相アンプを駆動する界磁電流制御系と、固定子電流制御系と界磁電流制御系の制御パラメータを設定するパラメータ設定器とが設けらており、該パラメータ設定器はｄ軸インダクタンス係数発生器、ｑ軸インダクタンス係数発生器、界磁インダクタンス係数発生器が設けられ、共にｄ軸、ｑ軸、界磁の電流指令値が入力されるとともに、ｄ軸、ｑ軸、界磁の各電流値が零の時の各基準インダクタンスと入力するｄ軸、ｑ軸、界磁電流指令値の関数から求めた値を総和したインダクタンスから、ｄ軸、ｑ軸、界磁の運転状態での各ｄ軸、ｑ軸、界磁のインダクタンス係数を計算、出力し、各インダクタンス係数発生器につながる各乗算器において、各ｄ軸、ｑ軸、界磁の基準ゲインと、各インダクタンス係数とを乗算して制御パラメータである電流制御比例ゲインを計算し、さらに各ｄ軸、ｑ軸、界磁の基準時定数と、各インダクタンス係数とを乗算して制御パラメータである電流積分時定数を計算し、この電流制御比例ゲインと電流積分時定数とを、固定子電流制御系に設けられたｄ軸電流制御器およびｑ軸電流制御器、並びに界磁電流制御系に設けられた界磁電流制御器に出力するものであり、制御パラメータを入力するｄ軸、ｑ軸の電流制御器がそれぞれに出力するｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令によって、固定子電流制御系に設けられた三相インバータが駆動されるとともに、制御パラメータを入力する界磁電流制御器の出力する界磁電圧指令によって、界磁電流制御系に設けられた単相アンプが駆動されるものである。

上記のような構成を備えた巻線界磁式同期機の制御装置であるので、同期機の運転状態が変化しても、各巻線の電流制御応答性を同一に保つことができ、安定した制御が可能となるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は実施の形態１による巻線界磁式同期機の制御装置１００を示す図である。
同期機１の固定子巻線には三相インバータ２が、界磁巻線には単相アンプ３が接続され、各巻線の電流は固定子電流センサ４（三相分をまとめて図示）および界磁電流センサ５により検出される。同期機１に所望の運転をさせるために必要な、固定子電流指令および界磁電流指令は上位制御系（図示せず）より与えられ、固定子電流指令は、回転子ｄ軸、即ち界磁巻線が発生する磁束と同方向のｄ軸電流成分と、ｄ軸に直交するｑ軸電流成分に分割され、それぞれｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令として与えられる。また回転子位相（回転子ｄ軸の位相）は回転子角度センサ６によって検出される。固定子電流センサ４により検出された固定子電流は第１の座標変換器７によりｄ軸電流およびｑ軸電流に変換される。第１の加算器８はｄ軸電流指令から前記固定子電流センサ４で検出され変換されたｄ軸電流を減算し、得られた誤差はｄ軸電流制御器９に入力されて制御演算が行われる。同様に、第２の加算器１０はｑ軸電流指令から同様に変換されたｑ軸電流を減算し、得られた誤差はｑ軸電流制御器１１に入力されて制御演算が行われる。ｄ軸電流制御器９から出力されたｄ軸電圧指令と、ｑ軸電流制御器１１から出力されたｑ軸電圧指令は、座標変換器１２に入力されて三相電圧指令に変換され、これにより三相インバータ２が駆動されて所望の電圧が同期機１の固定子巻線に印加される。ここで前記三相インバータ２、固定子電流センサ４、第１の座標変換器７、ｄ軸電流制御器９、ｑ軸電流制御器１１および第１、第２の加算器８、１０で、固定子電流制御系が構成される。

一方、第３の加算器１３は界磁電流指令から界磁電流センサ５が検出した界磁電流を減算し、得られた誤差は界磁電流制御器１４に入力されて制御演算が行われ、得られた界磁電圧指令は単相アンプ３に入力されて、所望の電圧が同期機１の界磁巻線に印加される。ここで単相アンプ３、界磁電流センサ５、第３の加算器１３、界磁電流制御器１４で界磁電流制御系が構成される。

このとき、ｄ軸電流制御器９においては、ｄ軸電流誤差Δｉｄよりｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆは次の式（１）で求められる。ただし、ｓはラプラス演算子である。

同様に、ｑ軸電流制御器１１においては、ｑ軸電流誤差Δｉｑよりｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆは次の式（２）で求められる。

また、界磁電流制御器１４においては、界磁電流誤差Δｉｆより界磁電圧指令Ｖｆｒｅｆは次の式（３）で求められる。

以上の制御演算に用いられる制御パラメータであるところの、ｄ軸比例ゲインＫｐｄ、ｄ軸積分時定数Ｔｉｄ、ｑ軸比例ゲインＫｐｑ、ｑ軸積分時定数Ｔｉｑ、界磁比例ゲインＫｐｆ、界磁積分時定数Ｔｉｆは、パラメータ設定器１５により与えられる。パラメータ設定器１５は、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令、界磁電流指令の組み合わせで運転した状態で所望の各電流制御応答が得られるような制御パラメータの組み合わせが格納されており、各電流指令を入力することにより適切な制御パラメータを出力することが出来る。

次にパラメータ設定器１５の動作の詳細について説明する。
前記固定子電流制御系および界磁電流制御系が駆動する巻線を、抵抗ＲとインダクタンスＬが直列接続された等価回路で表せば、電圧を入力、電流を出力とした時の伝達関数Ｇｃｏは次の式（４）で表される。

式（４）で表される制御対象に、図１に示すように各制御器を直列に接続した場合の、電流制御系の開ループ伝達関数Ｇｃｃは、次の式（５）で表される。このときＫｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時定数である。

式（５）より、その特性が単純な積分特性になるようにするにはＴｉ＝Ｌ／Ｒとすれば良い。またその時の公差周波数ωｃｃは、式（５）においてＳ＝ωｃｃとしたときに右辺が１となる値であるから、Ｋｐ＝ωｃｃ・Ｌの関係にあることが分かる。
以上に示したように、前記固定子、界磁電流制御系の比例ゲインは所望の電流制御応答≒公差周波数とインダクタンスから算出することができ、積分時定数は、巻線の抵抗とインダクタンスが分かれば算出することが出来る。
しかしながら実際のモータでは、各巻線のインダクタンスと抵抗は運転状態により変化し、特に巻線界磁式同期機では磁気飽和によるインダクタンス変化が大きい。各巻線のインダクタンスは各巻線の電流値に応じて変化し、またｄ軸、ｑ軸、界磁の各巻線間でインダクタンス変化の干渉があることが知られている。
これまでの説明より分かるように、電流制御系の比例ゲインが一定での場合、インダクタンスが変化すると電流制御応答が変化する。これをなくすには、各巻線電流よりインダクタンス変化を推定し、このインダクタンス変化に比例して電流制御の比例ゲインを変化させればよい。

各巻線電流よりインダクタンスを推定するには、あらかじめいくつかの巻線電流の組み合わせに対するインダクタンスを測定し、これを数式化する方法が考えられる。具体的には、インダクタンスＬを、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、界磁電流ｉｆの関数として次に示す式（６）のように考える。式（６）では、インダクタンスを各電流の二次の線形結合で表しており、ｋｄ１、ｋｄ２、ｋｑ１、ｋｑ２、ｋｆ１、ｋｆ２は各項の係数である。Ｌ０は各電流が０の時のインダクタンスに相当し、以下ではこの値を基準インダクタンスと呼ぶ。

あらかじめ測定した各電流とインダクタンスの関係を式（６）に当てはめ、最小二乗法等により誤差が最小になるように各係数を決定することにより、実際の同期機について式（６）を得ることが出来る。なお、以上の説明では数式に二次の線形結合を用いたが、インダクタンス変化の特性によってはその他の数式を用いてもよいことはもちろんである。
ここで説明の便宜上、式（６）の両辺を基準インダクタンスＬ０で除した値をインダクタンス係数ｋ_Ｌと称し、次の式（７）で表すことにする。

図２にパラメータ設定器１５の詳細な処理内容を示す。ｄ軸、ｑ軸、界磁の各電流指令は、ｄ軸インダクタンス係数発生器１６、ｑ軸インダクタンス係数発生器１７、界磁インダクタンス係数発生器１８に入力される。各インダクタンス係数発生器１６、１７、１８は、ｄ軸、ｑ軸、界磁の各インダクタンスについての式（７）相当の計算を行い、同期機１の現在の運転状態でのインダクタンス係数を出力する。乗算器１９、２１、２３は、それぞれｄ軸、ｑ軸、界磁の基準ゲインとインダクタンス係数を乗算し、ｄ軸、ｑ軸、界磁の電流制御比例ゲインを計算する。ここで、基準ゲインは基準インダクタンスＬ０を用いて次の式（８）で求められる。ωｃｃは所望の電流制御応答である。

また、乗算器２０、２２、２４は、それぞれｄ軸、ｑ軸、界磁の基準時定数とインダクタンス係数を乗算し、ｄ軸、ｑ軸、界磁の電流制御積分時定数を計算する。ここで、基準時定数は基準インダクタンスＬ０と抵抗Ｒを用いて式（９）で求められる。

ｄ軸、ｑ軸、界磁のそれぞれについて求められた電流制御比例ゲインと電流制御積分時定数は、ｄ軸、ｑ軸、界磁のそれぞれの制御パラメータとして、パラメータ設定器１５より前記固定子および界磁電流制御系に出力される。
なお、以上の説明ではインダクタンス係数発生器１６、１７、１８としてインダクタンス特性を数式でモデル化したものを説明したが、数式によらずテーブルなどのデータの形でインダクタンス特性を格納、算出する方式としても良いことは言うまでもない。また数式による場合でも、図２に示すパラメータ設定器１５の構成以外の計算方法も可能であるが、効果は同様であることは明らかである。

また以上の説明では、ｄ軸、ｑ軸、界磁のすべての電流制御系の制御パラメータを運転条件により調節しているが、特に応答が要求される一部の制御系のみでパラメータの調節を行うようにしても良く、必要な効果が得られることは明らかである。
さらに以上の説明では、抵抗の変化による影響については対応していないが、同期機１の温度を検出して抵抗変化を推定し、推定した抵抗値により式（９）の基準時定数の計算を行うようにすれば、抵抗変化による積分時定数の変化の補正を行うことも可能になる。
また、以上の説明ではインダクタンス係数発生器には各電流の指令値を入力したが、かわりに各電流の検出値を用いても同様の効果が得られることは勿論である。
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、運転状態が変化しても各巻線の電流制御応答性を同一に保つことが出来、安定した制御が可能になるという効果がある。

実施の形態２．
次に実施の形態２を図３、図４によって説明する。一般に巻線界磁型同期機においては、ｄ軸と界磁軸は同じ電気角位相方向であるため非常に強く結合しており、ｄ軸電流と界磁電流が磁気飽和に与える影響をほとんど等価と見てよい場合がある。図３に巻線界磁型同期機のｄ、ｑ軸上のベクトル図（力率１運転時）を示すが、ｄ軸電流と界磁電流は互いに方向が逆で打ち消しあうように流れているのに対して、ｑ軸電流はこれに直交する方向に流れている。
以上の特性から、インダクタンス変化をモデル化する際に、ｄ軸電流と界磁電流を独立した要因と考えずに、これらの合計を用いてモデル化を行う方法も有効である。具体的には、インダクタンスＬを式（６）の代わりに以下に示す式（１０）のように考える。この様なモデル化を行うと変数の数が減るため、モデルを作成するのに必要な測定データの数が少なくなり、モデル化の作業が容易になるとともに、パラメータ設定器１５での演算量が減少する。なお式（１０）では、界磁電流を固定子相当に換算する必要があるため、巻数比ｎを乗じて換算している。

これより、対応する基準インダクタンスＬ０は式（１１）で表される。

以上のインダクタンス変化のモデルに対応するパラメータ設定器１５の構成を図４に示す。図示省略した上位制御系からのｄ軸電流指令と界磁電流指令は第４の加算器２５で加算され、その結果とｑ軸電流指令が、ｄ軸インダクタンス係数発生器１６、ｑ軸インダクタンス係数発生器１７、界磁インダクタンス係数発生器１８に入力される。各インダクタンス係数発生器１６、１７、１８は、ｄ軸、ｑ軸、界磁の各インダクタンスについての式（１１）相当の計算を行い、現在の同期機１の運転状態でのインダクタンス係数を出力する。以降の働きは、図２と同様である。
なお、本実施の形態２の場合にも、インダクタンス特性を数式によらずテーブルなどのデータの形でインダクタンス特性を格納、算出する方式としても良い。特にテーブルを用いる場合、実施の形態１に対して、大幅にデータが削減される。
また実施の形態１同様に、特に応答が要求される一部の電流制御系のみでパラメータの調節を行うようにしても良く、必要な効果が得られることは明らかである。
以上のように、この発明の実施の形態２によれば、より少ないデータおよび演算量で、各巻線の電流制御応答性を同一に保つためのインダクタンスのモデル化を実現できるという効果がある。

この発明の実施の形態１、２は巻線界磁式同期機の制御装置に利用可能である。

この発明の実施の形態１の巻線界磁式同期機の制御装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の制御装置のパラメータ設定器による処理の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態２の巻線界磁式同期機のｄ、ｑ軸上のベクトルを示す図である。 この発明の実施の形態２の制御装置のパラメータ設定器による処理の詳細を示す図である。

符号の説明

１ 同期機、２ 三相インバータ、３ 単相アンプ、
１５，１５ａ パラメータ設定器、１６ ｄ軸インダクタンス係数発生器、
１７ ｑ軸インダクタンス係数発生器、１８ 界磁インダクタンス係数発生器、
１００ 制御装置。

Claims (2)

1. 固定子巻線につながる三相インバータと、界磁巻線につながる単相アンプが設けられた巻線界磁式同期機の制御装置において、該制御装置には、前記固定子巻線のｄ軸電流およびｑ軸電流の制御を行って前記三相インバータを駆動する固定子電流制御系と、前記界磁巻線の電流制御を行って前記単相アンプを駆動する界磁電流制御系と、前記固定子電流制御系と界磁電流制御系の制御パラメータを設定するパラメータ設定器とが設けらており、該パラメータ設定器はｄ軸インダクタンス係数発生器、ｑ軸インダクタンス係数発生器、界磁インダクタンス係数発生器が設けられ、共にｄ軸、ｑ軸、界磁の電流指令値が入力されるとともに、前記ｄ軸、ｑ軸、界磁の各電流値が零の時の各基準インダクタンスと前記入力するｄ軸、ｑ軸、界磁電流指令値の関数から求めた値を総和したインダクタンスから、ｄ軸、ｑ軸、界磁の運転状態での各ｄ軸、ｑ軸、界磁のインダクタンス係数を計算、出力し、前記各インダクタンス係数発生器につながる各乗算器において、各ｄ軸、ｑ軸、界磁の基準ゲインと、前記各インダクタンス係数とを乗算して制御パラメータである電流制御比例ゲインを計算し、さらに各ｄ軸、ｑ軸、界磁の基準時定数と、前記各インダクタンス係数とを乗算して制御パラメータである電流積分時定数を計算し、この電流制御比例ゲインと電流積分時定数とを、前記固定子電流制御系に設けられたｄ軸電流制御器およびｑ軸電流制御器、並びに前記界磁電流制御系に設けられた界磁電流制御器に出力するものであり、前記制御パラメータを入力する前記ｄ軸、ｑ軸の電流制御器がそれぞれに出力するｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令によって、前記固定子電流制御系に設けられた三相インバータが駆動されるとともに、前記制御パラメータを入力する界磁電流制御器の出力する界磁電圧指令によって、前記界磁電流制御系に設けられた単相アンプが駆動されることを特徴とする巻線界磁式同期機の制御装置。
2. 前記ｄ軸インダクタンス係数発生器、ｑ軸インダクタンス係数発生器、界磁インダクタンス係数発生器は、ｄ軸電流指令値と界磁電流指令値とが加算された電流指令値と、ｑ軸電流指令値が共に入力されるとともに、前記ｄ軸、ｑ軸、界磁の各電流値が零の時の各基準インダクタンスと、前記入力する電流指令値と、界磁巻線と固定子巻線との巻数比との関数から求めた値を総和したインダクタンスから、ｄ軸、ｑ軸、界磁の運転状態での各ｄ軸、ｑ軸、界磁のインダクタンス係数を計算、出力することを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式同期機の制御装置。

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