JP4657215B2 - 交流回転機の制御装置および交流回転機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流回転機（例えば、交流電動機）を駆動源とし、交流回転機をインバータにより制御する交流回転機の制御装置および交流回転機の制御方法に関する。

交流電動機を駆動源とし、交流電動機をインバータにより制御する場合、回生時に電源側（即ち、架線側）に回生エネルギーを消費する負荷がなければ、回生エネルギーを消費できずに直流電圧が上昇する。
特に電車の場合、通常ブレーキ中の電車は、車両の慣性エネルギーを電気エネルギーに変換して、回生エネルギーを架線（即ち、電源）に戻している。

この場合、電源側に回生能力があり、かつ、電源側に回生負荷となる加速中の他の電車が存在していることが不可欠である。
ここで、加速中の電車で消費するエネルギーよりも回生中の電車の回生エネルギーの方が大きい場合は、架線電圧やインバータの前段に設けたフィルタコンデンサの電圧が増加し、過電圧により保護機能が作動する場合がある。
この問題を改善する方法としては、回生エネルギーを絞り込み、電気ブレーキによる制動力を低下させ、低下した分を機械ブレーキで補足するのが通例である。
この場合、機械ブレーキが動作することによってブレーキシューが磨耗するため、ある一定期間でブレーキシューのメンテナンスを行う必要がある。

また、特開２００２−９５２９９号公報（特許文献１）には、架線を介して電力の供給を受けるとともにブレーキ動作中には架線を介して電力を回生するインバータと、該インバータにより駆動されるインダクションモータとを備えた電車の駆動制御装置において、架線側の負荷状態を検出する検出手段と、回生動作中における架線側の負荷が軽負荷である場合に、インダクションモータの二次抵抗での損失が増大するように、インダクションモータの励磁電流の大きさに対するトルク電流の大きさの比例を調整する電流比例調整手段を有していることが記載されている。

特開２００２−９５２９９号公報

特許文献１（特開２００２―９５２９９号公報）に示された電車の駆動制御装置では、架線側の負荷状態の検出結果に応じて、インダクションモータの励磁電流の大きさに対するトルク電流の大きさの比率を調整している。従って、励磁電流の大きさが変化すると、トルク電流の大きさも変化させる必要がある。
励磁電流の大きさが大きく変化すると、トルク電流の大きさも大きく変化させる必要があるが、この場合、励磁電流の変化に対するトルク電流の変化が間に合わなくなり、インダクションモータの駆動制御が不安定になったり、電流比例調整手段による調整が困難になるという問題点があった。
また、特許文献１に示された電車の駆動制御装置では、デッドセクション（即ち、架線に給電されていない無給電区間）通過など一時的に無負荷となる場合は想定しているが、完全に電源側に回生負荷が無い無負荷状態が継続する場合は想定していなく、無負荷状態が継続する場合には交流電動機を制御できないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、完全に電源側に回生負荷が無い無負荷状態が継続する場合においても、交流回転機（例えば、交流電動機）の二次磁束指令を演算することができ、交流電動機の発生するトルクを変更することなく回生エネルギーを最適な点で消費できる交流回転機の制御装置および交流回転機の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係わる交流回転機の制御装置は、二次磁束指令値に基づいて交流回転機を制御する交流回転機の制御装置であって、直流を任意の周波数の交流に変換すると共に、前記交流回転機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータと、前記可変電圧可変周波数インバータの直流側の電圧情報を検出する電圧検出手段と、前記可変電圧可変周波数インバータの交流側の電流情報を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧情報に応じて、前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令手段と、前記電流検出手段が検出する電流情報に基づいて前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算手段と、前記インバータ電力指令値と前記実インバータ電力値の差に基づいて前記交流回転機に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算手段と、前記交流回転機に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令手段と、前記可変電圧可変周波数インバータを介して前記交流回転機を制御するために使用する二次磁束指令値として、前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値と前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替手段とを備えたものである。

また、本発明に係わる交流回転機の制御方法は、二次磁束指令値に基づいて交流回転機を制御する交流回転機の制御方法であって、前記交流回転機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータの直流側の電圧情報を検出する電圧検出ステップと、前記可変電圧可変周波数インバータの交流側の電流情報を検出する電流検出ステップと、前記電圧検出ステップで検出する電圧情報に応じて、前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令ステップと、前記電流検出ステップで検出する電流情報に基づいて前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算ステップと、前記インバータ電力指令値と前記実インバータ電力値の差に基づいて前記交流回転機に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算ステップと、前記交流回転機に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令ステップと、前記可変電圧可変周波数インバータを介して前記交流回転機を制御するために使用する二次磁束指令値として、前記二次磁束指令演算ステップでの二次磁束指令値と前記所定二次磁束指令ステップでの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替ステップとを有したものである。

本発明によれば、完全に電源側に回生負荷が無い無負荷状態が継続する場合においても、交流回転機（例えば、交流電動機）の二次磁束指令を演算することができ、交流電動機の発生するトルクを変更することなく回生エネルギーを最適な点で消費できる交流回転機の制御装置および交流回転機の制御方法を提供できる。

実施の形態１による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。 実施の形態１における指令二次磁束演算・切替手段の具体的構成を示すブロック図である。 実施の形態２による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。 実施の形態２における指令二次磁束演算・切替手段の具体的構成を示すブロック図である。 実施の形態３による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。 実施の形態３における指令二次磁束演算・切替手段の具体的構成を示すブロック図である。 実施の形態４による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。 実施の形態４における指令二次磁束演算・切替手段の具体的構成を示すブロック図である。 実施の形態５による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。 実施の形態５における指令二次磁束演算・切替手段の具体的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）
２ 交流電動機 ３ 電流検出器
４ コンデンサ ５ 速度検出器
６ インダクタンス ７ 架線
８ 位相演算器 ９ インバータ周波数演算器
１０ すべり周波数指令演算器 １１ ｄ軸電流指令演算器
１２ ｑ軸電流指令演算器 １３ 電圧指令演算器
１４ ｄｑ軸/三相変換器 １５ 三相/ｄｑ軸変換器
１６ 電圧検出器
１７、２５、３３、３５、３７ 指令二次磁束演算・切替手段
１８、３２、３８ 二次磁束指令演算器
１９ 実インバータ電力演算器 ２０ インバータ電力指令器
２１ 減算器（インバータ電力偏差演算手段）
２２、４０ 電力制御器 ２３ 所定二次磁束指令器
２４、２６、３４、３６ 二次磁束指令切替器
２７ 力行時のインバータ電力指令器 ２８ 切替スイッチ
２９ 符号演算器 ３０ 論理積回路
３１ 論理和回路 ３９ 零のインバータ電力指令器
５０ 回生時のインバータ電力指令器

以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態について説明する。
各図間において、同一符合は、同一あるいは相当のものであることを表す。
なお、以下に説明する各実施の形態においては、制御される対象の交流回転機が交流電動機である場合を例として説明を行う。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換する可変電圧可変周波数インバータ（以下、ＶＶＶＦインバータとも略す）１は、誘導電動機である交流電動機２に三相の電圧を印加する。電流検出器３は、交流電動機２に発生する相電流ｉｕ、ｉｖを検出する。

なお、図１では、電流検出器３として、可変電圧可変周波数インバータ１と交流電動機２との接続する結線を流れる電流をＣＴ等により検出するものを示しているが、他の公知の手法を用いて、母線電流など可変電圧可変周波数インバータ１内部に流れる電流を用いて相電流を検出しても良い。
ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の関係が成立するので、ｕ相およびｖ相の２相分の検出電流からｗ相の電流を求めることができる。
また、電圧検出器１６は、可変電圧可変周波数インバータ１の入力電圧であるコンデンサ４の両端の直流電圧を検出する。

公知の通り、三相電圧あるいは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、この制御座標軸の位相をθとする。
この位相θは、インバータ周波数を位相演算器８で積分した値である。
三相／ｄｑ軸変換器１５は、電流検出器３から得られた相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、位相θの回転直交二軸（ｄ−ｑ軸）（以下、回転二軸座標と称するものとする）上のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに座標変換する。
なお、ｄ軸電流とはトルク電流のことであり、ｑ軸電流とは励磁電流のことである。

位相演算器８は、インバータ周波数演算器９の出力であるインバータ周波数を積分し、位相θとして三相／ｄｑ軸変換器１５とｄｑ軸／三相変換器１４とへ出力する。
ｄｑ軸／三相変換器１４は、位相演算器８から得た位相θに基づいて、ｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とを三相電圧指令に変換し、可変電圧可変周波数インバータ１へ出力する。
ｄ軸電流指令演算器１１は、下記の式（１）に示すように、指令二次磁束演算・切替手段１７の出力である二次磁束指令値φ^*を交流電動機２のモータ定数である相互インダクタンスＭで割り算した値を演算し、ｄ軸電流指令ｉｄ^*として、すべり周波数指令演算器１０、ｑ軸電流指令演算器１２および電圧指令演算器１３に出力する。
ｉｄ^*＝φ^*／Ｍ ・・・ （１）

ｑ軸電流指令演算器１２は、下記の式（２）に示すようにトルク指令τ^*とｄ軸電流指令演算器１１の出力であるｄ軸電流指令ｉｄ^*および、交流電動機２のモータ定数である相互インダクタンスＭ、二次インダクタンスＬｒ、極対数ｐから演算し、ｑ軸電流指令ｉｑ^*としてすべり周波数指令演算器１０、電圧指令演算器１３に出力する。
ｉｑ^*＝（τ^*／φ^*）×（１／ｐ）×（Ｌｒ／Ｍ²） ・・・ （２）
すべり周波数指令演算器１０は、下記の式（３）に示すように、ｄ軸電流指令ｉｄ^*、ｑ軸電流指令ｉｑ^*、および交流電動機２のモータ定数である二次インダクタンスＬｒ、二次抵抗Ｒｒから演算し、すべり周波数指令ωｓ^*としてインバータ周波数演算器９に出力する。
ωｓ^*＝（ｉｑ^*／ｉｄ^*）×（Ｒｒ／Ｌｒ） ・・・ （３）

インバータ周波数演算器９は、下記の式（４）に示すように、交流電動機２の回転数（速度）を検出する速度検出器５により検出された角周波数ωとすべり周波数指令演算器１０により出力されたすべり周波数指令ωｓ^*とを加算した値を演算し、インバータ周波数ωinvとして、位相演算器８および電圧指令演算器１３に出力する。
ωinv＝ω＋ωｓ^* ・・・ （４）
電圧指令演算器１３は、下記の式（５）に示すようにインバータ周波数ωinv、ｑ軸電流指令ｉｑ^*、ｄ軸電流指令ｉｄ^*および、交流電動機２のモータ定数である一次インダクタンスＬｓ、一次抵抗Ｒｓから演算し、ｄ軸電圧指令ｖｄ^*、ｑ軸電圧指令ｖｑ^*としてｄｑ軸／三相変換器１４に出力する。
ｖｄ^*＝Ｒｓ×ｉｄ^*−ωinv×σ×Ｌｓ×ｉｑ^*
ｖｑ^*＝Ｒｓ×ｉｑ^*＋ωinv×Ｌｓ×ｉｄ^* ・・・ （５）
なお、式（５）のσは、交流電動機２のモータ定数である一次インダクタンスＬｓ、二次インダクタンスＬｒ、相互インダクタンスＭにより、下記の式（６）に示すように定義する。
σ＝１−Ｍ²／（Ｌｒ×Ｌｓ） ・・・ （６）

図２は指令二次磁束演算・切替手段１７の具体的構成を示すブロック図である。
図２に示すように、指令二次磁束演算・切替手段１７は、二次磁束指令演算器１８、所定の二次磁束指令を与える所定二次磁束指令器２３、および所定二次磁束指令器２３からの出力（指令値）と二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）とを切り替えることができる二次磁束指令切替器２４とで構成されている。
また、二次磁束指令演算器１８は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、減算器２１、および電力制御器２２とで構成されている。

なお、図２では、二次磁束指令演算器１８は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、減算器２１、および電力制御器２２とで構成されている場合を示しているが、実インバータ電力演算器１９およびインバータ電力指令器２０は、二次磁束指令演算器１８の内部に含まれていなくてもよい。
即ち、指令二次磁束演算・切替手段１７は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、減算器２１および電力制御器２２からなる二次磁束指令演算器１８、所定の二次磁束指令を与える所定二次磁束指令器２３、および所定二次磁束指令器２３からの出力（指令値）と二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）とを切り替えることができる二次磁束指令切替器２４とで構成されていてもよい。
この場合、二次磁束指令演算器１８は、インバータ電力指令器２０からインバータ電力指令値と実インバータ電力演算器１９から実インバータ電力値の差に基づいて交流電動機２に対する二次磁束指令値を演算する。

実インバータ電力演算器１９は、下記の式（７）に示すように、ｄ軸電圧指令ｖｄ^*、ｑ軸電圧指令ｖｑ^*、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑから、実インバータ電力Ｐを演算する。
Ｐ＝ｖｄ^*×ｉｄ＋ｖｑ^*×ｉｑ ・・・ （７）
なお、実インバータ電力は、公知の通り、コンデンサ電圧検出値とインバータ入力電流の積としても計算できる。

インバータ電力指令器２０は、電圧検出器１６（図１参照）が検出したコンデンサ電圧検出値ＥＦＣに応じてテーブルデータなどでインバータ電力指令Ｐ＊を与える。
本実施の形態１では、コンデンサ電圧が上がれば、インバータ電力指令Ｐ＊を小さくするように設定する。
ＶＶＶＦインバータ１が回生時は、架線７（図１参照）の負荷が少なければコンデンサ４の電圧が上昇する。
その作用に併せてコンデンサ電圧によりＶＶＶＦインバータ１の電力を制限できれば、交流電動機の発生するトルクを変更することなくＶＶＶＦインバータ１が発生する電力を制限できる。

減算器２１は、インバータ電力指令器２０の出力であるインバータ電力指令Ｐ＊から実インバータ電力演算器１９の出力である実インバータ電力Ｐを減算し、インバータ電力偏差を演算する。即ち、減算器２１はインバータ電力偏差演算手段の機能を有している。
電力制御器２２は、インバータ電力指令Ｐ＊と実インバータ電力Ｐとの偏差を増幅して二次磁束指令切替器２４に出力する。
このような電力制御器２２を用いることによって、インバータ電力指令と実インバータ電力が一致するように二次磁束指令を演算することができるように作用する。
なお、所定二次磁束指令器２３は、所定の二次磁束指令を与えるものである。

二次磁束指令切替器２４は、所定二次磁束指令器２３からの二次磁束指令と二次磁束指令演算器１８からの二次磁束指令とを切り替えることができる。
本実施の形態１において、ＶＶＶＦインバータ１が力行中は、二次磁束指令切替器２４は、所定の二次磁束指令を与えることができる所定二次磁束指令器２３を選択する。
また、ＶＶＶＦインバータ１が回生中は、二次磁束指令切替器２４は、インバータ電力による二次磁束指令を演算した値を与えることができる二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）を選択する。
なお、「力行」とは車両が動力によって加速しながら走行する状態、「回生」とは走行中の車両（電気車）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、架線へ戻す状態のことである。

このように、回生中に二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）を選択することにより、コンデンサ電圧に応じてインバータの発生する電力を制御でき、交流電動機２の発生するトルクが変更することのない「二次磁束指令の最適値」を演算する。
これにより、ＶＶＶＦインバータ１の架線に流れる回生量を架線の負荷（即ち、電源の負荷）に併せて制限でき、交流電動機の発生するトルクを変更することなく回生エネルギーを最適な点で消費できる効果が得られる。
また、インバータ電力指令器２０は、コンデンサ電圧を入力としたテーブルデータにより電力指令を与えるものを想定しているが、このコンデンサ電圧に代わり電圧情報と電流情報を掛け合わせた電力情報を入力としたテーブルデータにより電力指令を与えるものであってもよい。また、架線の電流情報を入力とするデータテーブルであってもよい。

以上説明したように、本実施の形態による交流電動機（交流回転機）の制御装置は、二次磁束指令値に基づいて交流電動機２を制御する交流電動機の制御装置であって、直流を任意の周波数の交流に変換すると共に、交流電動機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータ１と、可変電圧可変周波数インバータ１の直流側の電圧情報を検出する電圧検出手段（電圧検出器１６）と、可変電圧可変周波数インバータ１の交流側の電流情報を検出する電流検出手段（電流検出器３）と、電圧検出手段（電圧検出器１６）が検出する電圧情報に応じて、可変電圧可変周波数インバータ１で変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令手段（インバータ電力指令器２０）と、電流検出手段（電流検出器３）が検出する電流情報に基づいて可変電圧可変周波数インバータ１で変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算手段（実インバータ電力演算器１９）と、インバータ電力指令値と実インバータ電力値の差に基づいて交流回転機（交流電動機２）に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器１８）と、交流電動機２に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令器２３）と、可変電圧可変周波数インバータ１を介して交流回転機（交流電動機２）を制御するために使用する二次磁束指令値として、二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器１８）からの二次磁束指令値と所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令器２３）からの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替手段（二次磁束指令切替２４）とを備えている。

また、本実施の形態による交流電動機（交流回転機）の制御方法は、二次磁束指令値に基づいて交流電動機を制御する交流電動機の制御方法であって、交流電動機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータの直流側の電圧情報を検出する電圧検出ステップと、可変電圧可変周波数インバータの交流側の電流情報を検出する電流検出ステップと、電圧検出ステップで検出する電圧情報に応じて、可変電圧可変周波数インバータで変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令ステップと、電流検出ステップで検出する電流情報に基づいて可変電圧可変周波数インバータで変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算ステップと、インバータ電力指令値と実インバータ電力値の差に基づいて交流電動機に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算ステップと、交流電動機に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令ステップと、可変電圧可変周波数インバータを介して交流電動機を制御するために使用する二次磁束指令値として、二次磁束指令演算ステップでの二次磁束指令値と所定二次磁束指令ステップでの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替ステップとを有したものである。

その結果、本実施の形態による交流電動機機の制御装置あるいは交流電動機の制御装方法によれば、完全に電源側に回生負荷が無い無負荷状態が継続する場合においても、交流電動機の二次磁束指令を演算することができ、交流電動機の発生するトルクを変更することなく回生エネルギーを最適な点で消費できる交流電動機の制御装置および交流電動機の制御方法を実現することができる。

さらに、本実施の形態による交流電動機の制御装置の二次磁束指令切替手段（二次磁束指令切替２４）は、可変電圧可変周波数インバータ１が力行動作時に、所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令器２３）からの所定の二次磁束指令値を選択し、可変電圧可変周波数インバータ１が回生動作時に、二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器１８）からの二次磁束指令値を選択する。
これによって、回生中に可変電圧可変周波数インバータ１が発生する電力を制御できる二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器１８）からの指令値を選択することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２による交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、指令二次磁束演算・切替手段２５の構成が、前述の実施の形態１における指令二次磁束演算・切替手段１７の構成と異なっている。
図４は、指令二次磁束演算・切替手段２５の具体的構成を示すブロック図である。
前述の実施の形態１では、回生時にブレーキ指令により二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）を二次磁束指令切替器２４によって選択するようにした。
これに対して、本実施の形態２では、図４に示したように、二次磁束指令切替器２４の代わりに、二次磁束指令切替器２６を採用することにより、力行中にコンデンサ電圧による条件を設け、力行中にも二次磁束指令演算器３２からの出力（指令値）を選択するようにしたものである。
このようにすれば、力行中にコンデンサ電圧が上昇した時に、ＶＶＶＦインバータ１が発生する電力を制御することができるため、ＶＶＶＦインバータ１が力行中に電力を更に消費することが可能となり、電源の回生負荷になるという効果がある。

二次磁束指令切替器２６は、符合演算器２９と論理積回路（ＡＮＤ回路）３０によって、ＶＶＶＦインバータ１が力行中にコンデンサ電圧が所定の値を超過すると、二次磁束指令演算器３２からの出力を選択できるようにしてある。
電源に回生負荷になる力行車が少ない場合は、力行中にコンデンサ電圧が上昇する。
コンデンサ電圧が上がればインバータ電力指令を大きくする必要があるため、図４に示したようなコンデンサ電圧検出値ＥＦＣに応じて、インバータ電力指令Ｐ＊が大きくなる力行時のインバータ電力指令器２７を設けている。
また、回生時のインバータ電力指令器５０と力行時のインバータ電力指令器２７を力行指令で切り替えることができるように、切替スイッチ２８を設けている。
なお、回生中の動作は、実施の形態１と同様である。
これにより、回生時および力行時において、最適なインバータ電力指令を与えることができる。

なお、実施の形態１で述べたように、二次磁束指令演算器３２は、実インバータ電力演算器１９、力行時のインバータ電力指令器２７、回生時のインバータ電力指令器５０、切替スイッチ２８、減算器２１、および電力制御器２２とで構成されている場合を示しているが、実インバータ電力演算器１９、力行時のインバータ電力指令器２７、回生時のインバータ電力指令器５０および切替スイッチ２８は、二次磁束指令演算器１８の内部に含まれていなくてもよい。
即ち、指令二次磁束演算・切替手段２５は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、力行時のインバータ電力指令器２７、回生時のインバータ電力指令器５０、切替スイッチ２８、減算器２１および電力制御器２２からなる二次磁束指令演算器３２、所定の二次磁束指令を与える所定二次磁束指令器２３、および所定二次磁束指令器２３からの出力（指令値）と二次磁束指令演算器３２からの出力（指令値）とを切り替えることができる二次磁束指令切替器２６とで構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態による交流電動機の制御装置の二次磁束指令切替手段（二次磁束指令切替２６）は、可変電圧可変周波数インバータ１が力行動作時に、可変電圧可変周波数インバータ１の電圧情報に応じて、所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令器２３）からの所定の二次磁束指令値あるいは二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３２）からの二次磁束指令値を選択し、可変電圧可変周波数インバータ１が回生動作時に、二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３２）からの二次磁束指令値を選択する。
これにより、本実施の形態によれば、力行中にコンデンサ電圧が上昇した時に可変電圧可変周波数インバータ１が発生する電力を制御することが可能となり、可変電圧可変周波数インバータ１が力行中に電力を更に消費することができ、交流電動機が電源の回生負荷になるという効果がある。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３による交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、指令二次磁束演算・切替手段３３の構成が、実施の形態１における指令二次磁束演算・切替手段１７の構成と異なる。
図６は、指令二次磁束演算・切替手段３３の具体的構成を示すブロック図である。
実施の形態１では、回生時にブレーキ指令により二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）を選択するようにした。
本実施の形態は、図６に示したように、二次磁束指令切替器２４の代わり二次磁束指令切替器３４を採用することにより、回生中にコンデンサ電圧による条件を設けて、二次磁束指令演算器１８からの出力（指令）を選択するようにしたものである。

このように構成すれば、回生中にコンデンサ電圧が上昇した時、ＶＶＶＦインバータ１が発生する電力を制御できる二次磁束演算器１８を選択することができる。
また、コンデンサ電圧上昇時以外は、所定の二次磁束指令を与える。
このことにより、回生時に回生負荷が少なくなった時に、二次磁束演算器を動作させ、電源側に回生電力を効率的に還すことができ、省エネルギー運転ができるという効果がある。
二次磁束指令切替器３４は、回生中にコンデンサ電圧が有る値より大きくなると、二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）を選択できるようにしてある。
その後の動作は、実施の形態１と同様である。

なお、実施の形態１でのべたように、二次磁束指令演算器１８は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、減算器２１および電力制御器２２とで構成されている場合を示しているが、実インバータ電力演算器１９およびインバータ電力指令器２０は、二次磁束指令演算器１８の内部に含まれていなくてもよい。
即ち、指令二次磁束演算・切替手段３３は、実インバータ電力演算器１９、インバータ電力指令器２０、減算器２１および電力制御器２２からなる二次磁束指令演算器１８、所定の二次磁束指令を与える所定二次磁束指令器２３、および所定二次磁束指令器２３からの出力（指令値）と二次磁束指令演算器１８からの出力（指令値）とを切り替えることができる二次磁束指令切替器３４とで構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態による交流電動機の制御装置の二次磁束指令切替手段３４は、可変電圧可変周波数インバータ１が力行動作時に、所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令２３）からの所定の二次磁束指令値を選択し、前記可変電圧可変周波数インバータが回生動作時に、前記可変電圧可変周波数インバータの電圧情報に応じて、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束値指令あるいは前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択する。
このように、本実施の形態では、コンデンサ電圧上昇時以外は、所定の二次磁束指令値を与える。そして、回生時も回生負荷が少なくなった時に二次磁束指令演算器１８を動作させる。
これにより、電源側に回生電力を効率的に還すことができ、省エネルギー運転が可能になる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４による交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、指令二次磁束演算・切替手段３５の構成が、実施の形態２あるいは実施の形態３における指令二次磁束演算・切替手段の構成と異なる。
図８は、指令二次磁束演算・切替手段３５の具体的構成を示すブロック図である。
前述の実施の形態２では、力行中にコンデンサ電圧による条件を設けて、力行中も二次磁束指令演算器を選択するようにしたものである。
また、実施の形態３では、回生中にコンデンサ電圧による条件を設けて、二次磁束指令演算器を選択するようにしたものである。

これに対して、実施の形態４は、二次磁束指令切替器３６の構成から明らかなように、回生時も力行時にもブレーキ指令により二次磁束指令演算器３２からの出力（指令値）を選択するようにし、さらに、コンデンサ電圧による条件を設けて二次磁束指令演算器３２からの出力（指令値）を選択するようにしたものである。
このようにすれば、力行時はコンデンサ電圧が上昇した時に電源の回生負荷になるという効果があり、回生時は省エネルギー運転ができる効果がある。
なお、二次磁束指令切替器３６は、力行、回生中にコンデンサ電圧が有る値より大きくなると、二次磁束指令演算器３２からの出力（指令）を選択できるようにしてある。
その他の機能および動作は、実施の形態１、２、３と同様である。

以上説明したように、本実施の形態による交流電動機の制御装置の二次磁束指令切替手段（二次磁束指令切替器３６）は、可変電圧可変周波数インバータ１が力行動作時および回生動作時のいずれにおいても、可変電圧可変周波数インバータ１の電圧情報に応じて、所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令器２３）からの所定の二次磁束指令値あるいは二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３２）からの二次磁束指令値を選択する。
これにより、力行時は、コンデンサ電圧が上昇した時に回生負荷となり、回生時は省エルギー運転ができる。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５による交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、指令二次磁束演算・切替手段３７の構成が、実施の形態１〜実施の形態４における指令二次磁束演算・切替手段の構成と異なる。
図１０は、指令二次磁束演算・切替手段３７の具体的構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、電源側に回生負荷が無い無負荷の状態が継続することを想定して、二次磁束指令演算器３８を構成する。
特に、無負荷状態で架線側にインバータの電力を回生することなく、また、交流電動機２の発生するトルクを変更することのない二次磁束指令を演算することが特徴である。

本実施の形態では、零のインバータ電力指令器（即ち、インバータ電力の指令値を零にするインバータ電力指令器）３９により、インバータ電力指令Ｐ＊＝０を与える。
また、実施の形態１などの電力制御器２２は、インバータ電力指令Ｐ＊と実インバータ電力Ｐとの偏差を増幅していた。
しかし、本実施の形態における電力制御器４０は、電力偏差Ｐ＊−Ｐ、インバータ周波数ωinv、トルク指令τ^*および交流電動機のモータ定数の一次インダクタンスＬｓ、一次抵抗Ｒｓ、相互インダクタンスＭ、極対数ｐによって交流電動機の発生するトルクを変更することなくインバータの電力を零にできる二次磁束指令値φ^*を演算する。
その二次磁束指令φ^*は、下記の式（８）で与えることができる。

二次磁束指令切替器３４は、実施の形態３の場合と同様に、回生中にコンデンサ電圧がある値より大きくなると、二次磁束指令演算器３８からの出力（指令）を選択できるようにしてある。
回生の負荷が完全に無い無負荷状態になる場合は、コンデンサ電圧が上昇するため、コンデンサ電圧が上昇すると二次磁束演算器を選択し、インバータの電力を零にできる二次磁束指令を電力演算器４０で演算する。
これにより、回生時の負荷が完全に無い無負荷の状態でも安定に制御することができ、入力電源側の負荷が無くなった場合や電源である変電設備の回生吸収装置が故障した場合などでも、簡易な構成で安定・確実に電気的な制動トルクを得て、ブレーキ動作を行うことができる交流電動機の制御装置を提供することができる効果がある。

以上説明したように、本実施の形態による交流回転機の制御装置は、インバータ電力指令手段（インバータ電力指令器２０）に代えて、電力の指令値を零にする零のインバータ電力指令手段（零のインバータ電力指令器３９）を設ける共に、二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３８）は、実インバータ電力演算手段（実インバータ電力演算器１９）で演算される実インバータ電力値と零のインバータ電力指令手段（零のインバータ電力指令器３９）の出力に基づいて二次磁束指令を演算する。
このように、零のインバータ電力指令手段（零のインバータ電力指令器３９）により、インバータ電力指令Ｐ＊＝０を与えることにより、インバータ電力を零に制御できる。

また、本実施の形態による交流回転機の制御装置の二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３８）は、交流電動機１の発生するトルクを変更することなく可変電圧可変周波数インバータの発生する電力を零になるように演算する電力制御手段（電力制御４０）を有している。
従って、交流電動機１の発生するトルクを変更することなく可変電圧可変周波数インバータの発生する電力を零にすることができる。

また、本実施の形態による交流回転機の制御装置の二次磁束指令切替手段（二次磁束指令演算器３８）は、可変電圧可変周波数インバータ１が力行動作時に所定二次磁束指令手段（所定二次磁束指令２３）からの所定の二次磁束指令値を選択し、可変電圧可変周波数インバータ１が回生動作時に可変電圧可変周波数インバータ１の電圧情報に応じて、所定二次磁束指令手段所定二次磁束指令２３）からの所定の二次磁束指令値あるいは二次磁束指令演算手段（二次磁束指令演算器３８）からの二次磁束指令値を選択する。
これにより、回生の負荷が完全に無い無負荷の状態でも安定に制御することができ、また、入力電源側の負荷が無くなった場合や電源である変電設備の回生吸収装置が故障した場合などでも、簡易な構成で安定・確実に電気的な制動トルクを得て、ブレーキ動作を行うことができる。

なお、前述した実施の形態１〜実施の形態５においては、交流回転機の一例としての交流電動機を制御する場合の構成と効果について説明した。
しかし、交流回転機が、発電機、同期機あるいは誘導機などの場合でも、同様の効果が得られる。
例えば、発電機の場合は、インバータ電力指令Ｐ＊によって発電機の発生する発生する電力量を簡単に制御・調整することが可能であり、安定した制御系を構成できる。

この発明による交流回転機の制御装置あるいは制御方法は、同期機、誘導機、発電機などの各種回転機の制御に広く適用することができる。

Claims (9)

1. 二次磁束指令値に基づいて交流回転機を制御する交流回転機の制御装置であって、
   直流を任意の周波数の交流に変換すると共に、前記交流回転機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータと、
   前記可変電圧可変周波数インバータの直流側の電圧情報を検出する電圧検出手段と、
   前記可変電圧可変周波数インバータの交流側の電流情報を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段が検出する電圧情報に応じて、前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令手段と、
   前記電流検出手段が検出する電流情報に基づいて前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算手段と、
   前記インバータ電力指令値と前記実インバータ電力値の差に基づいて前記交流回転機に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算手段と、
   前記交流回転機に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令手段と、
   前記可変電圧可変周波数インバータを介して前記交流回転機を制御するために使用する二次磁束指令値として、前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値と前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替手段とを備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記二次磁束指令切替手段は、前記可変電圧可変周波数インバータが力行動作時に、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値を選択し、前記可変電圧可変周波数インバータが回生動作時に、前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記二次磁束指令切替手段は、前記可変電圧可変周波数インバータが力行動作時に、前記可変電圧可変周波数インバータの電圧情報に応じて、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値あるいは二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択し、前記可変電圧可変周波数インバータが回生動作時に、前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記二次磁束指令切替手段は、前記可変電圧可変周波数インバータが力行動作時に、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値を選択し、前記可変電圧可変周波数インバータが回生動作時に、前記可変電圧可変周波数インバータの電圧情報に応じて、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値あるいは前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記二次磁束指令切替手段は、前記可変電圧可変周波数インバータが力行動作時および回生動作時のいずれにおいても、前記可変電圧可変周波数インバータの電圧情報に応じて、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値あるいは前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
6. 前記インバータ電力指令手段に代えて、電力の指令値を零にする零のインバータ電力指令手段を設ける共に、
   前記二次磁束指令演算手段は、前記実インバータ電力演算手段で演算される実インバータ電力値と前記零のインバータ電力指令手段の出力に基づいて二次磁束指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
7. 前記二次磁束指令演算手段は、交流回転機の発生するトルクを変更することなく前記可変電圧可変周波数インバータの発生する電力を零になるように演算する電力制御手段を有することを特徴とする請求項６に記載の交流回転機の制御装置。
8. 前記二次磁束指令切替手段は、前記可変電圧可変周波数インバータが力行動作時に前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値を選択し、前記可変電圧可変周波数インバータが回生動作時に前記可変電圧可変周波数インバータの電圧情報に応じて、前記所定二次磁束指令手段からの所定の二次磁束指令値あるいは前記二次磁束指令演算手段からの二次磁束指令値を選択することを特徴とする請求項６または７に記載の交流回転機の制御装置。
9. 二次磁束指令値に基づいて交流回転機を制御する交流回転機の制御方法であって、
   前記交流回転機との間で電力をやりとりする可変電圧可変周波数インバータの直流側の電圧情報を検出する電圧検出ステップと、前記可変電圧可変周波数インバータの交流側の電流情報を検出する電流検出ステップと、前記電圧検出ステップで検出する電圧情報に応じて、前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力の指令値であるインバータ電力指令値を決めるインバータ電力指令ステップと、前記電流検出ステップで検出する電流情報に基づいて前記可変電圧可変周波数インバータで変換する電力である実インバータ電力値を演算する実インバータ電力演算ステップと、前記インバータ電力指令値と前記実インバータ電力値の差に基づいて前記交流回転機に対する二次磁束指令値を演算する二次磁束指令演算ステップと、前記交流回転機に対する所定の二次磁束指令値を出力する所定二次磁束指令ステップと、前記可変電圧可変周波数インバータを介して前記交流回転機を制御するために使用する二次磁束指令値として、前記二次磁束指令演算ステップでの二次磁束指令値と前記所定二次磁束指令ステップでの所定の二次磁束指令値のいずれかを選択する二次磁束指令切替ステップとを有したことを特徴とする交流回転機の制御方法。

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