JP5758622B2 - 交流電動機システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力と直流電力を変換する電力変換装置に、交流電動機を接続して運転する交流電動機システムの制御装置に係り、特に交流電動機の弱め界磁制御を行うことに関する。

交流電力と直流電力を変換する電力変換装置に交流電動機を接続する交流電動機システムの制御装置は、交流電動機のｄ軸成分に関与する励磁電流指令と、交流電動機のｑ軸成分に関与するトルク電流指令の合成電流指令により電力変換装置の点弧角を制御する。この励磁電流指令とトルク電流指令は、交流電動機の回転数に対応して決定される。

ところで、交流電動機においては、弱め界磁制御を実施する。この電動機の弱め界磁制御は、ベース回転数以上の電動機回転数領域において磁束φを回転数ωに反比例する大きさに制御することで端子電圧を一定とする制御である。このときに、実際には磁束φを直接制御することが困難であるため、磁束を生成する励磁電流成分Ｉｍを制御することでこれを実現する。

つまり、弱め界磁制御は、交流電動機のｄ軸成分に関与する励磁電流指令をベース回転数以上の電動機回転数領域において、回転数ωに反比例する大きさの指令として与えることで、端子電圧を一定とする制御である。

典型的な電動機の場合、磁束φとこれを与える励磁電流Ｉｍはほぼ比例関係であり、回転数ωに対し反比例する励磁電流Ｉｍ＝Ｋ／ω （Ｋは定数）を与えれば結果として端子電圧は一定に制御され、電動機を安定して制御することができる。

特許文献１には、上記のように構成され、弱め界磁制御を実施する交流電動機システムの制御装置が記載されている。

特開２００７−２１５３６５号公報

特許文献１などの弱め界磁制御を実施する交流電動機システムの制御装置においては、例えば励磁電流指令を与える関数発生器を備える。この関数発生器は横軸に回転数、縦軸に励磁電流を表示したものであり、ベース回転数のときに端子電圧を所望値とすることができるベース励磁電流が設定されている。このベース回転数と、ベース励磁電流は、交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値である。

また、ベース回転数から定格回転数の範囲での励磁電流は、励磁電流Ｉｍ＝Ｋ／ω（Ｋは定数）として設定されていた。また、このように定められ制御された結果は、端子電圧を一定に制御し、交流電動機を安定して制御するに十分な性能を発揮できるものであった。

然るに近年、このように設定された励磁電流指令により運転しても端子電圧一定を達成できない事例が生じてきた。具体的には、電動機の構造設計によっては、励磁電流Ｉｍの増加に対し、飽和などの効果により磁束φが必ずしも比例しない特性を示すことがある。この場合、電力変換装置の励磁電流指令値と電動機特性にずれを生じ、端子電圧の増大などが発生する。

この対策として、端子電圧の検出手段を備え電圧変動の補正を行うことが考えられるが、検出手段を備えることになり装置が高価、複雑となる。また、出力側に電圧検出手段のない電力変換装置もあり、この場合端子電圧増大を補正することは困難であり、電動機の安定駆動を妨げる結果となる。

さらに、この原因は、交流電動機を構成する材料として安価な材料を使用することにあるが、交流電動機システムを製造する立場からは、安価な材料を使用し、あるいは不要に補正手段などを追加せずに端子電圧一定制御を実現できることが望ましい。

以上のことから、本発明においては簡便な手法により端子電圧一定制御を実現できる交流電動機システムの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明では、電力変換装置により直流と交流の間で変換を行い、交流を電動機に印加すると共に、励磁電流指令とトルク電流指令の合成電流指令を求めて前記電力変換装置の点弧角制御を行う交流電動機システムの制御装置において、励磁電流指令を与える励磁電流指令手段は、電動機の弱め界磁制御を実行するために回転数を入力として励磁電流指令を出力する関数発生手段を含み、関数発生手段は電動機の回転数が、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令を備え、他の回転数のときの励磁電流指令を補完値として与えると共に、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令は、この値での運転により電動機端子電圧を一定とすることが検証された値とされている。

また、第１の回転数と第２の回転数は、電動機の弱め界磁制御を開始するベース回転数と定格回転数とされる。

また、関数発生手段は、回転数を入力して電動機の弱め界磁制御を開始するベース回転数を基点とする反比例特性に基づき出力する第１の関数発生器と、回転数を入力してベース回転数と、定格回転数とで異なるゲインを与える第２の関数発生器と、第１と第２の関数発生器の積出力を与える乗算器とから構成され、第１の関数発生器のときの励磁電流指令、並びに第２の関数発生器の定格回転数でのゲインのときの励磁電流指令は、この値での運転により電動機端子電圧を一定とすることが検証された値とされている。

また、関数発生手段は、電動機の回転数が、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令以外に、第３の回転数のときの第３の励磁電流指令をも備えて、他の回転数のときの励磁電流指令を補完値として与えると共に、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令と第３の回転数のときの第３の励磁電流指令は、この値での運転により電動機端子電圧を一定とすることが検証された値とされている。

また、第３の回転数のときの第３の励磁電流指令は、複数点準備されている。

従来例においては、電動機回転数ωに対し、励磁電流値Ｉｍの特性が１／ωに比例しない電動機については制御が困難であった。それに対し、本発明により出力電圧検出手段の追加なしに当該の電動機を安定して駆動することができる。

本発明の考え方を模式的に示した図。 交流電動機システムとその制御装置の概略構成を示す図。 図１の考えを実現するための第１の回路構成例を示す図。 図１の考えを実現するための第２の回路構成例を示す図。 図１の考えを実現するための第３の回路構成例を示す図。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

図２は、交流電動機システムとその制御装置の概略構成を示す。この図において、１は、交流系統１０に接続された順変換器１１と、交流電動機２に接続された逆変換器１２と、順変換器１１と逆変換器１２の間の直流回路１３から構成された電力変換装置である。

５は、電力変換装置１と電動機２で構成された交流電動機システムの制御装置であり、電動機２に設けられた電動機回転数検出手段３からの回転数信号を入力として、少なくとも逆変換器１２の点弧角制御信号を与える。

制御装置５は、電動機回転数検出手段３からの回転数信号を入力とする励磁電流指令手段４、同じく電動機回転数検出手段３からの回転数信号を入力とするトルク電流指令手段６、２組の電流指令手段４と６の合成出力を求める電流指令合成手段７で構成される。

２組の電流指令手段４と６において、電動機回転数検出手段３で検出された回転数は、それぞれ励磁電流指令値およびトルク電流指令値に変換される。また、２組の電流指令手段４と６からの励磁電流指令値およびトルク電流指令値は、電流指令合成手段７により電流指令値に合成され、電動機２を駆動する電力変換装置の指令値となる。

本発明は、概略上記のように構成された交流電動機システムの制御装置において、励磁電流指令手段４の与える励磁電流指令値を例えば、図１のようにして求める。図１は、本発明の考え方を模式的に示した図であり、この図においてＦＧは関数発生器である。

第１の関数発生器ＦＧ１は、横軸に回転数ω、縦軸に励磁電流Ｉｍを表示したものであり、ベース回転数ω０のときに端子電圧を所望値とすることができるベース励磁電流Ｉｍ０に設定されている。第１の関数発生器ＦＧ１において、ベース回転数ω０と、ベース励磁電流Ｉｍ０で定まる点Ｘ０をベース点とし、このベース点Ｘ０の値は、交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値である。

また、ベース回転数ω０から定格回転数ω１の範囲での励磁電流は、励磁電流Ｉｍ＝Ｋ／ω（Ｋは定数）として、反比例として設定されている。この第１の関数発生器ＦＧ１は、従来と同様に設定されたものであり、このように定められ、制御された結果は、端子電圧を一定に制御し、交流電動機を安定して制御するに十分な性能を発揮できるものであった。

この従来の第１の関数発生器ＦＧ１を構築する上での基本的考え方は、ベース点Ｘ０の値を交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値から得、この点のみを基準として反比例特性により全領域の励磁電流を定めるというものである。

本発明では、近年係る設定による応答が思わしくない事例を生じることから、第２の関数発生器ＦＧ２を備える。第２の関数発生器ＦＧ２は、横軸に回転数ω、縦軸にゲインＫを表示したものであり、ベース回転数ω０のときのゲインＫ１に対して、定格回転数ω１のときのゲインＫ２を有する。

関数発生器ＦＧ１とＦＧ２の出力は、乗算器Ｍにて掛け合わされ、結果として第３の関数発生器ＦＧ３のごとき特性の関数出力を得る。なお、関数発生器ＦＧ２において、通常ゲインＫ１は１であり、定格回転数ω１のときのゲインＫ２はゲインＫ１よりも小さい値とされる。

この結果、修正後の特性ｈは、ベース回転数のときのベース点Ｘ０を共有するが、定格回転数ω１のときの定格点Ｘ１は、反比例特性とは相違する位置（反比例特性を下回る）となる。定格点Ｘ１は、第２の関数発生器ＦＧ２の定格回転数ω１のときのゲインＫ２により定まる。ここで、定格回転数ω１のときのゲインＫ２は、乗算後に最終的に得られる定格点Ｘ１のときの励磁電流Ｉｍ１で運転したときに、端子電圧を一定に制御し、交流電動機を安定して制御するに十分な性能を発揮できることが検証された値とされる。

つまり、定格点Ｘ１は、この電動機において安定な電圧一定制御が保証された値であり、この点の情報も交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値である。第２の関数発生器ＦＧ２の定格回転数ω１のときのゲインＫ２は、係る観点で定められた基本特性資料値である。

本発明に係る上記の第３の関数発生器ＦＧ３を構築する上での基本的考え方は、ベース点Ｘ０と定格点Ｘ１の２つの点の値を交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値から得、この２点の間を補完することにより全領域の励磁電流を定めるというものである。図１は、２点間の補完手法として、回転数ωに対して可変のゲインを付与した方式である。

図１の考えを、図２の励磁電流指令手段４に適用するに当り、幾つかの手法が考えられる。その１つは、図３に示すように回路構成した装置を図２の励磁電流指令手段４に組み込む方式であり、第１と第２の関数発生器ＦＧ１とＦＧ２にそれぞれ電動機回転数検出手段３からの回転数信号ωを入力して、このときに得られる出力の積を励磁電流指令手段４の出力（励磁電流指令）とする方式である。

２つ目は、図４に示す第２の回路構成例とすることである。図４は、図１の第１と第２の関数発生器ＦＧ１とＦＧ２、並びに乗算器Ｍからなる回路部分の処理を事前にオフラインで実行し、結果としての第３の関数発生器ＦＧ３の特性ｈを励磁電流指令手段４に組み込むものである。この場合に、励磁電流指令手段４は電動機回転数検出手段３からの回転数信号ωを入力して、このときに得られる出力を特性ｈから求めて、励磁電流指令手段４の出力（励磁電流指令）とする。

以上の方式はいずれもベース点Ｘ０と定格点Ｘ１の２つの点の値を交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値から得、この２点の間を補完することにより全領域の励磁電流を定めるというものであるが、中間部における補完の方式としては、第３の点Ｘ２を数点準備することが考えられる。

図５は、図１を実現するための第３の回路構成例である。この例では、第３の点Ｘ２を、ベース点Ｘ０と定格点Ｘ１の２つの点の間に定め、この点の情報も交流電動機の設計、解析などにより予め求められた基本特性資料値から得て、各点間を例えば直線で結び、あるいは最小二乗法による曲線で近似して特性ｈ１を得るものである。なお、第３の点Ｘ２は複数点準備することも可能である。また、このようにして求めた特性から励磁電流指令を得ることについては、図４の考え方が踏襲できる。なお、第３の点Ｘ２のときの励磁電流指令により、一定の電動機端子電圧が得られるものであることは言うまでもない。

なお、以上の説明においてはベース点Ｘ０と定格点Ｘ１の２つの点について、一定の電動機端子電圧が得られることが検証された設計数値から定めて、その中間値を補完するものとしたが、これは任意の２点を一定の電動機端子電圧が得られることが検証された設計数値から定めて、その内外値を内部補完、あるいは外部補完するものであってもよい。ベース点Ｘ０と定格点Ｘ１から定めなければならないという必然的な理由はない。

また以上の説明において、基準点以外の情報は、オンライン補完されたものか、オフライン情報かを問わず、また補完の手法の如何を問わず、補完されたものであるので、補完値ということができる。

以上説明したように、簡便な手法により端子電圧一定制御を実現できる交流電動機システムの制御装置を提供することができる。端子電圧の検出手段を必要とせず、かつ安価な材料で製作された電動機であっても、安定に電圧一定制御を達成可能である。

電動機の特性に合わせ励磁電流指令値を演算することで、電動機駆動性能の向上を図ることができる。

１：電力変換装置
２：電動機
３：回転数検出手段
４：励磁電流指令手段
５：電力変換装置
６：トルク電流指令手段
７：電流指令合成手段
ＦＧ：関数発生器

Claims (4)

1. 電力変換装置により直流と交流の間で変換を行い、交流を電動機に印加すると共に、励磁電流指令とトルク電流指令の合成電流指令を求めて前記電力変換装置の点弧角制御を行う交流電動機システムの制御装置において、
   前記励磁電流指令を与える励磁電流指令手段は、前記電動機の弱め界磁制御を実行するために回転数を入力として励磁電流指令を出力する関数発生手段を含み、該関数発生手段は前記電動機の回転数が、前記電動機の弱め界磁制御を開始する第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令を備え、他の回転数のときの励磁電流指令を補完値として与えると共に、
   かつ前記関数発生手段は、回転数を入力して前記電動機の弱め界磁制御を開始する第１の回転数を基点とする反比例特性に基づき出力する第１の関数発生器と、回転数を入力して第１の回転数と、第２の回転数とで異なるゲインを与える第２の関数発生器と、前記第１と第２の関数発生器の積出力を与える乗算器とから構成され、第１の関数発生器のときの励磁電流指令、並びに第２の関数発生器の第２の回転数でのゲインのときの励磁電流指令は、この値での運転により電動機端子電圧を一定とすることが検証された値とされていることを特徴とする交流電動機システムの制御装置。
2. 請求項１記載の交流電動機システムの制御装置において、
   前記関数発生手段は、前記電動機の回転数が、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令以外に、第３の回転数のときの第３の励磁電流指令をも備えて、第３の回転数のときの励磁電流指令を補完値として与えると共に、第１の回転数のときの第１の励磁電流指令と第２の回転数のときの第２の励磁電流指令と第３の回転数のときの第３の励磁電流指令は、この値での運転により電動機端子電圧を一定とすることが検証された値とされていることを特徴とする交流電動機システムの制御装置。
3. 請求項１または請求項２記載の交流電動機システムの制御装置において、
   前記第２の回転数または前記第３の回転数はその一方が、定格回転数であることを特徴とする交流電動機システムの制御装置。
4. 請求項２記載の交流電動機システムの制御装置において、
   前記第３の回転数のときの第３の励磁電流指令は、複数点準備されていることを特徴とする交流電動機システムの制御装置。

Images