JP4771035B2 - 永久磁石同期機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、界磁に永久磁石を有する永久磁石同期電動機、あるいは永久磁石同期発電機を半導体電力変換器を用いて制御する制御装置に関し、特に同期機の有効電流または有効電力を制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石同期電動機の制御方法として、次の3種類の方法が知られている。
第1の方法は、回転子軸に位置センサを取付け、位置センサから得られる位置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御する方法である。この方法は最も古くから実用化されており、ファンやポンプ駆動、あるいはサーボドライブなどに広く適用されている。
【0003】
第2の方法は、電動機の電圧や電流から回転子の位置を推定して位置センサを不要とする方法であり、センサレスベクトル制御と呼ばれている。この方法は最近盛んに研究され、徐々に実用化されつつある。
【0004】
残る第3の方法は、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御するV/f制御である。この制御方法は、例えば本出願人による特開2000−236694公報にかかる「永久磁石形同期電動機の制御装置」として公知であり、位置センサが不要で、しかも簡単な制御で可変速駆動を実現できるといった特徴がある。
【0005】
図4は、上記公報に記載された制御装置と実質的に同様な、従来のV/f制御の制御ブロック図を示している。以下、その機能を説明する。
まず、周波数指令器3からインバータ1の出力周波数指令f*、すなわち永久磁石同期電動機(以下では、必要に応じて同期機と呼ぶ)2に対する第1の周波数指令f*が出力される。f/V変換器4は前記周波数指令f*にほぼ比例した大きさの信号V*を出力し、この信号を同期機2の端子電圧指令V*とする。
【0006】
第1の周波数指令f*には、後述する比例増幅器12から出力される周波数補正量Δf*が加算され、第2の周波数指令f1 *が生成される。なお、周波数補正量Δf*の機能については後述する。
第2の周波数指令f1 *は積分器5により積分され、電圧指令の位相θが算出される。電圧演算器6は下記の数式1に従い、端子電圧指令V*及び位相θを用いて各相の電圧指令Vu *,Vv *,Vw *を演算する。
【0007】
[数式1]
Vu *=V*cosθ
Vv *=V*cos(θ−2π/3)
Vw *=V*cos(θ−4π/3)
【0008】
各相の電圧指令Vu *,Vv *,Vw *はパルス幅変調器(PWM回路)7に入力されてキャリアと比較するPWM制御を行い、インバータ1のスイッチング素子のオン、オフ制御を行う。
【0009】
上記がV/f制御の基本構成であるが、V/f制御では、定常的にトルクや電流が振動したり、負荷が急激に変動する場合には脱調して運転不能に陥るなど、制御系がしばしば不安定になる場合がある。破線で囲んだ部分がこれを解決する安定化手段であり、次にこの安定化手段について説明する。
まず、電流センサ8によって同期機2の2相の電流iu,iwを検出する。次に、3相/2相変換器9により、数式2に従って直交2軸座標系の電流iα,iβに座標変換する。
【0010】
[数式2]
iα=iu
iβ=(−2/√3)(iu/2+iw)
【0011】
座標変換器10は、数式3に従って電流iPを演算する。
[数式3]
iP=iαcosθ+iβsinθ
【0012】
電流iPは、数式1との関係から、電圧指令(ベクトル)V*と同方向成分の電流、すなわち有効電流成分であり、α−β直交2軸座標系のβ軸に対してθの位相角を持つ。
この有効電流iPはハイパスフィルタ11を通過することにより直流成分が除去され、交流成分つまり過渡成分だけが抽出される。
【0013】
ハイパスフィルタ11により抽出された有効電流の過度成分に対しては、比例増幅器12によりゲインKが乗じられ、周波数補正量Δf*が演算される。
この周波数補正量Δf*は加算器17により第1の周波数指令f*に加算されて第2の周波数指令f1 *が生成され、積分器5により電圧指令の位相θが算出されることとなる。
【0014】
ここで、周波数補正量Δf*による周波数指令f*の補正は、次のようにして制御系を安定化する。
例えば、何らかの理由で有効電流iPが増加したとし、比例増幅器12のゲインKが負の値であるとする。このとき、周波数補正量Δf*は負の値になるため、第2の周波数指令f1 *は値が低下する。周波数が低下すれば、永久磁石同期電動機2の負荷角あるいは内部相差角と呼ばれる角度が小さくなり、これは前述した有効電流の増加を抑制するように作用する。このメカニズムにより、制御系が安定化する。つまり、図4に破線で囲んだ部分は電流のフィードバックループを構成しており、電圧指令V*に平行な有効電流iPだけが周波数指令f*に負帰還される構成となっている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
インバータ1が出力可能な電圧と電流には上限があり、これにより永久磁石同期電動機2の出力限界が決まる。その出力限界以上の負荷が何らかの原因により生じると、過電流によりインバータ1がトリップしたり、脱調と呼ばれる現象が生じて永久磁石同期電動機2の平均トルクは急激に低下すると共に、脈動トルクが発生してもはや正常な運転ができなくなる。
また、永久磁石同期発電機においては、その出力が所定範囲を超えるような場合にエンジンが過負荷となり、電動機の場合と同様に安定かつ正常な運転が不可能になる。
【0016】
そこで本発明は、永久磁石同期機の負荷や出力を所定範囲に制限して同期機の安定した運転を継続できるようにした永久磁石同期機の制御装置を提供しようとするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記同期機の有効電流を検出する手段と、
前記同期機の有効電流検出値から第1の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期機の有効電流検出値と有効電流上限値または下限値との差に応じて第2の周波数補正量を演算する手段と、
前記第2の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第1の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【0018】
請求項2記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から第1の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力上限値または下限値との差に応じて第2の周波数補正量を演算する手段と、
前記第2の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第1の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【0019】
請求項3記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力設定値との差に応じて周波数指令を演算する手段と、
前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
前記周波数指令と前記周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、は請求項1にかかる発明の実施形態(第1実施形態とする)を示す制御ブロック図であり、破線で囲んだ周波数指令補正手段21がの従来技術に追加された部分である。なお、と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
以下では、周波数指令補正手段21を中心として本実施形態の構成及び動作を説明する。
【0023】
周波数指令補正手段21において、14は有効電流iPが入力される演算器であり、この演算器14には設定器13Iから有効電流iPの上限値iPmax及び下限値iPminが入力されている。演算器14は、有効電流iPの検出値が前記上限値iPmaxを超えた場合にその超過分△iPを演算する。すなわち、以下に示す数式4の演算を行う。
【0024】
[数式4]
ΔiP=0 (iP<iPmaxの場合)
ΔiP=iPmax−iP (iP≧iPmaxの場合)
【0025】
一方、永久磁石同期機が発電機動作し、すなわち同期機2が永久磁石同期発電機として動作する場合、演算器14は、有効電流iPが前記下限値iPminを下回った場合にその不足分△iPを演算する。すなわち、以下に示す数式5の演算を行う。
【0026】
[数式5]
ΔiP=0 (iP>iPminの場合)
ΔiP=iPmin−iP (iP≦iPminの場合)
【0027】
数式4または数式5により演算されたΔiPは、伝達関数G(s)をもつ増幅器15に入力される。ここで、G(s)は少なくとも積分要素を有しており、有効電流iPの超過分または不足分△iPを積分して第2の周波数補正量Δf1 *を出力する。なお、図1における比例増幅器12から出力される周波数補正量Δf*を、便宜的に第1の周波数補正量という。
【0028】
第2の周波数補正量Δf1 *は加算器16に入力され、周波数指令器3の出力と図示の符号で演算される。この第2の周波数補正量Δf1 *によって第1の周波数指令f*が補正され、f/V変換器4によって第1の周波数指令f*にほぼ比例した端子電圧指令V*が演算される。
【0029】
本実施形態において、例えば同期機2の有効電流iPがその上限値iPmaxを少しでも超えると、超過分△iPに応じた第2の周波数補正量Δf1 *が増幅器15から出力され、加算器16を介して第1の周波数指令f*が低下方向に補正される。このため、端子電圧指令V*も低下することになり、有効電流iPが上限値iPmaxを大きく超えるのを防止することができる。
【0030】
また、有効電流iPがその下限値iPminを少しでも下回ると、不足分△iPに応じた第2の周波数補正量Δf1 *が増幅器15から出力され、加算器16を介して第1の周波数指令f*が増加方向に補正される。このため、端子電圧指令V*も増加することになり、有効電流iPが下限値iPminを大きく下回るのを防止することができる。
その結果、位置センサを必要としないV/f制御の構成においても、インバータ1の過電流や同期機2の脱調を回避することができる。
【0031】
次に、図2は請求項2にかかる発明の実施形態(第2実施形態とする)を示す制御ブロック図である。本実施形態は、破線で囲んだ周波数指令補正手段22の構成が図1における周波数指令補正手段21と一部異なっており、その他は同一である。
【0032】
この実施形態は、特に同期機2が永久磁石同期発電機である場合を対象としたものであり、インバータ1はコンバータとして動作する。
同期機2が永久磁石同期発電機である場合、発電機は動力源であるエンジンが許容できる以上の出力を得ることができず、同期電動機の場合と同様に出力限界が存在する。この限界を超える出力が要求される場合には制御が不安定化し、また、エンジンの過負荷を招くため、本実施形態はこれらの不都合を解消するためになされたものである。
【0033】
図2において、周波数指令補正手段22は、有効電流iPの検出値と端子電圧指令V*とを乗算して有効電力Pを求める乗算器18と、有効電力Pの上限値Pmax及び下限値Pminを設定する設定器13Pと、有効電力Pが前記上限値Pmaxを超えた場合に超過分△Pを演算し、下限値Pmin(例えばゼロ)を下回った場合に不足分△Pを演算する演算器14と、超過分または不足分△Pが入力されて第2の周波数補正量Δf1 *を出力する増幅器15とからなっている。この演算器14の演算内容は、前述した数式4または数式5におけるiPをPに置き換えればよいので、詳述を省略する。
なお、増幅器15の伝達関数G(s)は、前記同様に少なくとも積分要素を有している。
【0034】
増幅器15から出力される第2の周波数補正量Δf1 *は加算器16に入力され、周波数指令器3の出力と図示の符号で演算される。第2の周波数補正量Δf1 *によって第1の周波数指令f*が補正され、f/V変換器4によって第1の周波数指令f*にほぼ比例した端子電圧指令V*が演算される。
【0035】
この実施形態によれば、例えば同期機2の有効電力Pがその上限値Pmaxを少しでも超えると、超過分△Pに応じた第2の周波数補正量Δf1 *が増幅器15から出力され、加算器16を介して第1の周波数指令f*が低下方向に補正される。このため、端子電圧指令V*も低下することになり、有効電力Pが上限値Pmaxを大きく超えるのを防止することができる。
【0036】
また、有効電力Pがその下限値Pminを少しでも下回ると、不足分△Pに応じた第2の周波数補正量Δf1 *が増幅器15から出力され、加算器16を介して第1の周波数指令f*が増加方向に補正される。このため、端子電圧指令V*も増加することになり、有効電力Pが下限値Pminを大きく下回るのを防止することができる。
その結果、位置センサを必要としないV/f制御の構成においても、同期機2の出力を所定範囲に制限し、例えば同期発電機の場合にはエンジンの出力を所定範囲に制限することによって過負荷運転を未然に防止することができる。
【0037】
次いで、図3は請求項3にかかる発明の実施形態(第3実施形態とする)を示す制御ブロック図であり、同期機2として、特に永久磁石同期発電機を対象とした場合の実施形態である。この場合も、インバータ1はコンバータとして動作する。
同期発電機の場合、その回転速度はエンジンのガバナなどで制御される場合があり、本実施形態はこの点に鑑みて安定した出力制御を可能にしたものである。
【0038】
図3において、図1,図2と異なる部分を中心に説明すると、乗算器18により有効電流iPと端子電圧指令V*とを乗算して有効電力Pが算出される。
設定器19は有効電力設定値P*を出力するものであり、加算器20により求められた有効電力設定値P*と有効電力Pとの偏差△Pは、増幅器15に入力される。この増幅器15の伝達関数G(s)は、前記同様に少なくとも積分要素を有する。
【0039】
本実施形態では図1,図2のような周波数設定器3を備えておらず、増幅器15の出力がそのまま周波数指令f*としてf/V変換器4及び加算器17に入力されている。
この実施形態によれば、有効電力設定値P*と有効電力Pとの偏差△Pがゼロになるまで周波数指令f*が変化し、f/V変換器4により周波数指令f*にほぼ比例した端子電圧指令V*が演算される。その他の部分の動作は図1,図2の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【0040】
この実施形態によれば、同期機2の有効電力Pがその設定値P*に等しくなるように制御されるので、位置センサを必要としないV/f制御の構成においても永久磁石同期発電機等の安定した出力制御が可能となる。
【0041】
なお、第2,第3実施形態において、同期機2の機械的な出力を制御する場合には、前記有効電力Pから銅損や鉄損などを差し引いた電力を制御すればよい。
【0042】
【発明の効果】
以上のように請求項1記載の発明によれば、永久磁石同期機の有効電流を所定範囲内に制御することにより、位置センサを必要としないV/f制御において電力変換器の過電流や同期機の脱調を未然に回避することができる。
【0043】
また、請求項2記載の発明によれば、特に永久磁石同期発電機の有効電力を所定範囲内に制御し、エンジンの出力を所定範囲に制限して過負荷運転を防止できる効果がある。
【0044】
更に、請求項3記載の発明によれば、特に永久磁石同期発電機の有効電力がその設定値に等しくなるように制御されるので、同期発電機の安定した出力制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す制御ブロック図である。
【図2】本発明の第2実施形態を示す制御ブロック図である。
【図3】本発明の第3実施形態を示す制御ブロック図である。
【図4】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
1 インバータ
2 永久磁石同期機
3 周波数指令器
4 f/V変換器
5 積分器
6 電圧演算器
7 パルス幅変調器
8 電流センサ
9 3相/2相変換器
10 座標変換器
11 ハイパスフィルタ
12 比例演算器
13I,13P,19 設定器
14 演算器
15 増幅器
16,17,20 加算器
18 乗算器
21,22 周波数指令補正手段
Claims (3)
- 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記同期機の有効電流を検出する手段と、
前記同期機の有効電流検出値から第1の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期機の有効電流検出値と有効電流上限値または下限値との差に応じて第2の周波数補正量を演算する手段と、
前記第2の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第1の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。 - 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から第1の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力上限値または下限値との差に応じて第2の周波数補正量を演算する手段と、
前記第2の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第1の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。 - 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力設定値との差に応じて周波数指令を演算する手段と、
前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
前記周波数指令と前記周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
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