JP5349454B2 - ブラシレス直流励磁機を備えた同期モータの起動方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年４月２０日に提出された米国仮特許出願第６０／９１３，１２８号の優先権の恩典を主張するものである。

サイリスタソフトスタータで起動するように設計されたモータのような多くの同期機は、ブラシレス直流（ＤＣ）励磁機を備えている。励磁機は、回転子を休止位置から全速力まで加速するのに関連した慣性の克服を助けるために用いられる。

さまざまな状況において、先行技術文献に記載があるような中圧の可変周波数駆動（ＶＦＤ）モータコントローラ（例えば特許文献１参照）でブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータを操作するのが望ましい。中圧ＶＦＤモータコントローラによれば、ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータの起動に必要な初期電圧が供給され、同時に電力会社の供給電圧における電圧降下が回避される。しかしながら、速度センサを必要としない動作のためには、大きい負荷がかかる前に、ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータの同期をとるべきである。さもなければ、機械が磁極でスリップして、磁束が急速に低下し、場合によっては速度制御ができなくなる。従って、速度センサなしでＶＦＤを利用して、ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータを起動するのは困難である可能性がある。

この困難を克服するオプションの１つは、ＤＣ励磁機を交流（ＡＣ）励磁機に置換して、休止状態で励磁を施すことができるようにすることであった。しかしながら、多くの状況では、接近しにくいことが多い場所における部品交換が必要になるので、この手順は機械的に困難になる可能性がある。

米国特許第５，６２５，５４５号明細書

本発明の目的は、上述の問題の１つ以上を解決することにある。

本発明によれば、ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期機を誘導モータとして起動することが可能であり、特定の回転速度で同期モータ動作にスイッチすることが可能な、速度センサを必要としない起動方法が提供される。

速度センサを必要としない運転下において、ＡＣ励磁機を備える同期モータとは異なり、ブラシレスＤＣ励磁機を備える同期モータは、モータを同期させるのに異なる起動方法を必要とする。本書に記載の方法の場合、ＶＦＤは、モータの回転子を非同期に回転させることによってその動作を開始する。回転子がいったん回転すると、駆動部によってモータは同期状態になり、通常の同期モータ制御に移行する。

実施形態の１つでは、モータは、界磁電流を最大許容励磁機固定子電流（すなわち、回転速度で主磁界に定格無負荷電流を生じさせることになる電流）に設定して、磁化電流を加え、固定子に磁束を生じさせることによって誘導モータとして起動することが可能である。モータの固定子電流は、モータがいかなる静摩擦であろうと克服するのに十分な解放トルクを発生可能にする値に維持される。駆動部によれば、特定の回転速度でまたはある時間期間の経過後、初期磁化電流の除去によって誘導モータ制御から同期モータ制御への移行が開始され、その後、ＤＣ励磁機によってモータに界磁電流が加えられる。駆動部では、この移行が完了すると、所望の速度要求値まで一定比率で上昇させることが可能である。

非同期モータを制御するＶＦＤのブロック図である。 モータ制御方法のブロック図である。 ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータを制御するためのＶＦＤの働きに関するタイミング図である。 磁化電流（Ｉ_ds）基準値と界磁電流（Ｉ_field）基準値を決定することが可能な方法について説明するブロック図である。 時間の関数として初期磁化電流と同期モータフィードフォワード（ＦＦ）電流の一例を例示した図である。 典型的な可変周波数駆動部の構成要素を例示したブロック図である。

本発明について説明する前に理解しておくべきは、本発明は記載の特定のシステム、方法論、及び、プロトコルに制限されることはないという点である。というのもこれらは変化する可能性があるからである。やはり理解しておくべきは、本書で用いられる用語は、特定の実施形態の説明だけを目的としたものであって、本開示の範囲を制限するように意図したものではない。

本明細書及び付属の請求項において用いられる限りにおいて、単数形の「ある」、「１つの」、及び、「その」には、文脈において特に別の明確な指示がない限り、複数の指示内容が含まれる。別段の規定がない限り、本書で用いられる全ての技術及び科学用語は、通常の当該技術者によって一般に理解されているのと同じ意味を有している。本書で用いられる限りにおいて、「〜を含む」は、「〜を包含するが、〜に制限されることはない」という意味である。

図１には、可変周波数駆動部（ＶＦＤ）１００、ブラシレス直流（ＤＣ）励磁機１２０、及び、同期モータ１１０が例示されている。図１に例示のように、ＶＦＤ１００は、モータ１１０の固定子に電力を供給するために接続することが可能である。すなわち、ＶＦＤ１００は、モータ１１０に、初期磁化電流（Ｉ_ds）、初期界磁電流（Ｉ_field）、及び、初期トルク電流（Ｉ_qs）を供給する。これら３つの電流については、下記で図２及び図３に関連してさらに詳細に論考される。モータ１１０には、モータの界磁巻線１１４を保護するため、サイリスタ、ツェナーダイオード、抵抗器、及び／または他のデバイスを含む保護回路１１２を含むことが可能である。モータ１１０には、ＤＣブラシレス励磁機１２０の出力側に電気的に接続された整流器１１６を含むことも可能である。サイリスタベースの電力調整器１４０によって、電源１５０から励磁機１２０の入力側にＤＣ電力を供給することが可能である。調整器１４０は、ＶＦＤ１００コントローラから制御コマンドを受信することが可能である。

図２には、ブロック図の様式でブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータの制御起動を利用する方法が例示されている。図３には、タイミング図の形式でこの方法が例示されており、以下の論考は図２及び図３に関連するものである。この方法を利用して、ブラシレスＤＣ励磁機を備えた同期モータを起動することが可能である。以下では、起動方法の実施形態の１つに関するＶＦＤ駆動操作のタイミング図について述べることにする。

図３を参照すると、ＶＦＤを利用してモータを起動するコマンドが出される時、同期モータは休止しているかまたはアイドル状態３１０にある可能性がある。後続ステップの一部または全ては、速度要求に関係なく実施することが可能である。初期磁化状態３２０の間、ＶＦＤによって指定の初期磁化電流（Ｉ_ds）３５１が加えられ、固定子に磁束３５０が生じるが、出力周波数はゼロに保持される。この時間期間中、界磁電流（Ｉ_field）３５２がＶＦＤによってＤＣ励磁機に加えられ、磁化状態３２０にある間、Ｉ_field３５２は、最大許容励磁機固定子電流と同じ値でしかないかまたはそれに等しい定値に保持される。

磁化状態の後（例えば、磁束基準値が増大を停止する時点において）、運転状態３３０が開始される。運転状態３３０は、高起動トルク状態３３１、及び、同期モータ制御３３２に状態変化するための移行時間を含むいくつかの時間期間に分割することが可能である。高起動トルク状態３３１において、駆動部は、出力周波数を一定比率で上昇させて、モータ速度３５３が定格スリップ速度になるようにし、同時に、いかなる静摩擦であろうと克服するのに十分な解放トルクをモータが発生可能にする高起動トルクモードメニュの設定値まで電流のトルク成分（Ｉ_qs）３５３を上昇させる。これとモータ固定子に対する初期磁化電流（Ｉ_ds）の印加が相俟って、モータを誘導モータであるかのように扱うことになる。

高起動トルク状態３３１において、駆動部は、磁束ドウェル時間３２１に等しい持続時間にわたってこのトルク電流３５３及び周波数３５３を維持する。この期間中に、モータは、回転子を強制的に動かす（または負荷状態で振動させる）のに十分なトルク発生すべきである。磁束ドウェル時間３２１の後、この制御によって、モータ速度３５４は定格スリップ速度から最低速度まで上昇するが、固定子電流は維持される。

駆動部は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を動作可能にし、ＰＬＬ Ａｃｑ Ｔｉｍｅ３２３パラメータによって設定可能な時間期間の間待機することによって高起動トルク状態３３１を終了する。この時間期間中に、ＰＬＬはモータ磁束及び周波数を獲得する。

ＰＬＬ Ａｃｑ Ｔｉｍｅ３２３が経過すると、駆動部の制御は、同期モータ制御に状態変化するための移行時間３３３に移行する。この期間中、駆動部によって、トルク３５３電流がわずかに減少し（例えばメニュー設定の９０％まで）、速度ループが閉じる。速度ループは、次にモータ速度３５４フィードバックを受信し、モータ電流のトルク成分（Ｉ_qs）の調整を試みることが可能になる。

ある時間期間（例えば１秒間といった）の後、磁束ループを動作可能にすることができるようになる。磁束ループは、次に磁束３５０でフィードバックを受信し、磁化電流（Ｉ_ds）３５１及び界磁電流（Ｉ_field）３５２を調整しようとする。

磁化電流（Ｉ_ds）が減少してゼロになるまで、無負荷主界磁電流（Ｉ_field）３５２が流れ、制御は同期させられることになる。この時点から、駆動部は、通常の同期モータ制御モード３３４で動作することが可能になる。駆動部は、顧客仕様または加えられる負荷によって決まる所望の速度要求値まで一定の比率で上昇させることができる状態にある。

上記に記載の時間期間（例えば、磁化状態３２０、磁束ランプ時間３２１、ＰＬＬ Ａｃｑ． ｔｉｍｅ ３２３、及び、上述の他の時間期間）のうちの任意の時間期間と次の時間期間の間における移動は、１つの状態からもう１つの状態に移行するように設定されたタイマによって制御することが可能である。その時間には、各状態毎にあらかじめ決められた時間期間が含まれる可能性、すなわち、時間期間は状態間で異なる可能性がある。代わりに、実際のモータ状態のリアルタイム測定に基づいて、１つの期間から次の期間へのシフトを制御することも可能である。

図２は、制御システムの典型的な要素のブロック図である。図２に示すように、磁化状態の間、制御システム２１０の構成要素を開ループ動作で動作させ、磁化状態中（図３の３２０）、磁化電流調整器２４０及びトルク電流調整器２４５だけが動作可能になるようにすることが可能である。高起動トルク状態（図３の３３１）において、ＰＬＬ２５０が動作可能になる。ＰＬＬ取得時間（図３の３２３）中に、ＰＬＬ２５０は、モータからモータ磁束角を計算するための電流及び電圧情報を取得する。モータモデル２５５は、モータ磁束角情報を処理して、モータ速度及びモータ磁束に関する更新値を得る。状態変化に関する移行時間中（図３の３５３）、制御システム２１０は、速度調整器２２０及び磁束調整器２２５を動作可能にして、閉ループ動作にスイッチする。速度調整器２２０は、起動中に動作不能になると、マスタコントローラからの所望の速度も実際のモータ速度をも考慮することなく、代わりにトルク電流を得るための所定の値（図３の３５３）にすることが可能である。いったん動作可能になると、速度調整器は、所望の速度と実際のモータ速度を比較し、トルク電流（Ｉ_qs）基準値を然るべく調整することが可能である。

同様に、起動中、磁束調整器２２５は、マスタコントローラからの所望の磁束または実際のモータ磁束を考慮することなく、代わりに初期磁化電流（図３の３５１）及び初期界磁電流（図３の３５２）を生じさせるための所定の値にすることが可能である。いったん動作可能になれば、磁束調整器２２５は、所望の磁束要求値と実際のモータ磁束を比較し、モータ固定子磁化電流（Ｉ_ds）基準値及び励磁機固定子電流（Ｉ_field）基準値を然るべく調整することが可能である。

更新電流基準値はモータフィードバック電流と共に処理されて、ｄ、ｑ基準電圧に関する更新値が生成され、Ｄ−Ｑ変換モジュール２６０に送られる。Ｄ−Ｑ変換モジュール２６０は、モータ磁束角（ＰＬＬ２５０によって得られる）を用いて、電圧ｄ、ｑ基準値をモータの固定子側に送ることが可能なＡＣ信号に変換する。これらのＡＣ信号は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）２７０を用いてインバータスイッチコマンドに変換することが可能である。

磁束ループが動作可能になる前後に、磁化電流（Ｉ_ds）基準値及び界磁電流（Ｉ_field）基準値にさまざまな値を割り当てることが可能である。基準値の円滑な移行は下記の方法を用いて実現可能であり、図４の助けを借りて説明される。高起動トルク状態の間（図３の３３１）及び磁束ループが動作可能になるまで（図３の３６０）、磁化電流（Ｉ_ds）４５１及び界磁電流（Ｉ_field）４５２の基準値は、それぞれ、初期磁化電流３５１及び最大許容励磁機固定子電流４０１によって決定される。

いったん駆動部が高起動トルク状態（図３の３３１）ではなくなり、磁束ループが動作可能になると（図３の３６０）、磁化電流（Ｉｄｓ）４５１及び界磁電流（Ｉｆｉｅｌｄ）４５２の基準値は、下記に示すように求めることが可能になる。
Ｉｄｓ^*＝ＩｎｉｔｉａｌＭａｇｎｅｔｉｚｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔ（ｔ）＋Ｉ_dsReg.P
Ｉｓｙｎｃｈ＝ＳｙｎｃｈｍｏｔｏｒＦＦ（ｔ）＋Ｉｄｓ^*＋Ｉ

図５には、時間の関数としての初期磁化電流及び同期モータフィードフォワード（ＦＦ）電流の典型的な傾向が示されている。

図６には、本書に記載の実施形態で用いることが可能な可変周波数駆動部の典型的な実施形態が例示されている。図６において、変圧器または他の多巻線装置６１０が、単相インバータアレイ（電力セルとも呼ばれる）を介して三相中圧電力を三相誘導モータのような負荷６３０に供給する。このアレイでは三相インバータは不要である。多巻線装置６１０には、いくつかの二次巻線６１４−６２５を励磁する一次巻線６１２が含まれている。一次巻線６１２は星形構成を有するように例示されているが、網状構成も可能である。さらに、二次巻線６１４−６２５は、辺延び三角構成を有するように例示されているが、網状構成も可能である。さらに、図６に例示の二次巻線の数は単なる典型的な例であって、他の二次巻線数も可能である。この回路は、中圧用途（約６９０ボルト〜約６９キロボルト）に用いることもできるし、実施形態によっては、他の用途に用いることも可能である。こうした回路のさらなる詳細については、その開示が参考までに本書でそっくりそのまま援用されているＨａｍｍｏｎｄの米国特許第５，６２５，５４５号に開示されている。

変圧器６１０と同期モータ負荷６３０の間には任意の数の電力セルランクが接続される。「ランク」は、三相セット、すなわち、電力供給系の三相のそれぞれに設けられた電力セルグループとみなされる。図６を参照すると、ランク６５０には電力セル６５１−６５３が含まれており、ランク６６０には６６１−６６３が含まれており、ランク６７０には電力セル６７１−６７３が含まれており、ランク６８０には電力セル６８１−６８３が含まれている。４未満または４を超えるランクも可能である。中央制御システム６９５は、光ファイバあるいは別の有線または無線通信媒体６９０によって各セルの局所制御装置にコマンド信号を送る。留意すべきは、図６に描かれた１相当たりのセル数は典型的な例であって、さまざまな実施形態において、４を超えるかまたは４未満のランクの可能性もあり得るという点である。例えば、２ランク、４ランク、８ランク、または、他の数のランクが可能である。

実施形態によっては、これらのセルの一部が一方向においてのみ（例えば入力から出力）電力を処理するといった場合もある。これらは、２象限（２Ｑ）または非再生電力セルと呼ばれる場合もある。他の実施形態には、この電力を吸収することが可能なエネルギ源が利用可能である限りにおいて、いずれの方向でも（例えば、出力から入力及び入力から出力）電力を処理することが可能なものもある。これらは、４象限（４Ｑ）または再生電力セルと呼ばれる場合もある。

上記で開示の及び他の特徴及び機能またはそれらの代替物は、他のさまざまなシステムまたは応用例に望ましい形で組み合わせることが可能である。現在のところ予測できないあるいは予期しないさまざまな代替実施形態、修正実施形態、変更実施形態、及び、改良実施形態が、当該技術者によって今後生み出される可能性がある。こうした代替実施形態も、開示の実施形態に包含されるように意図されている。

１００ 可変周波数駆動部
１１０ 同期モータ
１１２ 保護回路
１１４ 界磁巻線
１１６ 整流器
１２０ ブラシレス直流励磁機
１４０ 電力調整器
１５０ 電源
２１０ 制御システム
２２０ 速度調整器
２２５ 磁束調整器
２４０ 磁化電流調整器
２５０ ＰＬＬ
２６０ Ｄ−Ｑ変換モジュール
２７０ パルス幅変調器
６１０ 変圧器
６３０ 同期モータ負荷

Claims (13)

1. ブラシレス直流励磁機を備えた同期モータの起動を制御する方法であって、
   可変周波数駆動コントローラを用いて、出力周波数がゼロに保持されている間に、モータ固定子に磁化電流を加え、励磁機に一定の界磁電流を加えて、第１の時間期間中、モータが誘導モータとして運転されるようにするステップと、
   出力周波数を上昇させるとともに、設定値までトルク電流（Ｉ _qs ）を上昇させるステップと、
   前記可変周波数駆動コントローラを用いて、前記モータ固定子にトルク電流を加え続け、回転子を回転させるステップと、
   ある特定の回転速度に達した後、前記モータ固定子に加えられる前記磁化電流を減少させ、前記励磁機に加えられる前記界磁電流を調整して、第２の時間期間中、前記モータが同期モータとして運転されるようにするステップが含まれている方法。
2. 前記周波数駆動コントローラが、前記磁化電流及び前記界磁電流を同時に加えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記トルク電流が、所定のレベルまで増大させられ、所定の時間期間にわたって保持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記所定のレベル及び前記所定の時間期間が、前記モータに加えられている負荷に基づいて決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ブラシレス直流励磁機と、同期モータの起動を制御するのためのシステムとを備えた同期モータであって、
   前記システムは、
   前記モータを誘導モータとして運転するように、出力周波数がゼロに保持されている間に、励磁機に一定の界磁電流を供給し、出力周波数を上昇させるとともにトルク電流を上昇させ、回転子を回転させるためモータ固定子に供給するトルク電流（Ｉ _qs ）を維持するように、所定の時間期間にわたってモータ固定子に磁化電流を加えるように構成された可変周波数駆動コントローラと、
   前記モータの動作を閉ループにスイッチして、前記可変周波数駆動コントローラからの磁化電流が減少し、第２の時間期間中、モータが同期モータとして運転されるようにする構成を施されたモータ制御構成要素が含まれているモータ。
6. 前記モータ制御構成要素に、位相ロックループコントローラとモータモデルコントローラが含まれ、
   前記位相ロックループコントローラが、前記モータからの電流フィードバック及び電圧フィードバックを監視して、前記モータモデルコントローラに前記フィードバック成分を供給し、
   前記モータモデルコントローラが、前記同期モータ運転中、前記モータ制御構成要素にモータ速度値とモータ磁束値を供給することを特徴とする請求項５に記載のモータ。
7. 前記周波数駆動コントローラが、前記磁化電流と前記界磁電流を同時に加えるように構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のモータ。
8. 可変周波数駆動コントローラを用いて、前記モータの固定子に初期磁化電流を供給し、前記励磁機に界磁電流を供給するステップが含まれ、
   ある磁化状態期間に、磁化電流がモータ固定子に供給された後、トルク電流を加えられ、
   前記トルク電流及びモータ速度を所定のレベルまで上昇させ、
   前記トルク電流が前記所定のレベルに達すると、磁束ドウェル時間期間の間前記トルク電流及びモータ速度をそのレベルに保持し、
   前記第１の時間期間は、位相ロックループによって設定されており、前記トルク電流を調整し、それによって前記モータの同期運転への移行を開始するように速度ループを閉じ、
   前記磁化電流をゼロまで減少させ、前記界磁電流を調整するように、磁束ループを閉じ、
   前記第２の時間期間中、前記モータを同期モータとして運転することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記可変周波数駆動コントローラが、前記トルク電流を供給することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記最大許容励磁機固定子電流レベルが、前記モータに加えられている負荷に基づいて調整されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記トルク電流の前記所定のレベルが、前記モータに加えられている負荷に基づいて調整されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記磁束ドウェル時間の経過後に前記モータの速度が増すことと、前記速度が同期運転に必要な最低速度まで増すことを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記最低速度が、前記モータに対する負荷に基づいて決まることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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