JP5835496B2

JP5835496B2 - 同期電動機の駆動装置

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Publication number: JP5835496B2
Application number: JP2014532719A
Authority: JP
Inventors: 尚石田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: TW201412008A; US9948223B2; CN104604117B; TWI472144B; KR101700051B1; JPWO2014033959A1; KR20150039847A; US20150222215A1; WO2014033959A1; CN104604117A

Description

この発明は、同期電動機の駆動装置に関するものである。

同期電動機の駆動装置として、同期電動機のｄ軸とｑ軸との間の相互インダクタンス、界磁とｑ軸との間の相互インダクタンスを規定して、同期電動機の磁束を演算するものが提案されている。当該駆動装置によれば、磁束演算の精度を向上することができる（例えば、特許文献１参照）。

日本特開平９−３２７２００号公報

しかしながら、特許文献１記載のものにおいては、磁束演算が複雑となる。また、ｄ軸とｑ軸との間の相互インダクタンス、界磁とｑ軸との間の相互インダクタンスを事前に把握するために、様々な負荷条件で詳細な電磁界解析を実施する必要がある。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、簡単な構成で、磁束演算の精度を向上することができる同期電動機の駆動装置を提供することである。

この発明に係る同期電動機の駆動装置は、同期電動機の界磁極の方向をｄ軸とし、前記ｄ軸に直交した方向をｑ軸とした際に、前記ｄ軸の電流、前記ｑ軸の電流、前記同期電動機の界磁電流に基づいて、前記ｄ軸の磁束、前記ｑ軸の磁束を算出する磁束演算部と、
前記同期電動機の入力電圧と入力電流の位相差を算出し、当該位相差に基づいて、前記ｄ軸の磁束と前記ｑ軸の磁束とから算出された内部相差角を補正する磁束演算誤差補正部と、を備えたものである。

この発明によれば、簡単な構成で、磁束演算の精度を向上することができる。

この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置のブロック図である。この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置による同期電動機のベクトル制御を説明するための図である。この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に駆動される同期電動機のｄ軸の等価回路とｑ軸の等価回路の図である。この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に駆動される同期電動機１の推定磁束方向にずれがある場合を説明するための図である。この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に設けられた磁束演算部のブロック図である。この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に設けられた磁束演算誤差補正部のブロック図である。この発明の実施の形態２における同期電動機の駆動装置のブロック図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置のブロック図である。

図１において、同期電動機１は、圧延機のロール等を駆動するために利用される。

同期電動機１の電機子には、電機子用電力変換器２が接続される。電機子用電力変換器２は、直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を同期電動機１の電機子に供給する機能を備える。同期電動機１の界磁には、界磁用電力変換器３が接続される。界磁用電力変換器３は、同期電動機１の界磁に電力を供給する機能を備える。同期電動機１の近傍には、速度検出器４が設けられる。速度検出器４は、同期電動機１の回転子の位置θ_ｒを検出する機能を備える。

電機子用電力変換器２、界磁用電力変換器３、速度検出器４は、駆動装置に接続される。

駆動装置は、界磁弱め制御部５、３相／ｄｑ変換部６、磁束演算部７、磁束演算誤差補正部８、速度制御部９、ＭＴ／ｄｑ変換部１０、ｄｑ軸電流制御部１１、ｄｑ／３相変換部１２、ＰＷＭ制御部１３、界磁電流基準演算部１４、界磁電流制御部１５を備える。

界磁弱め制御部５は、位置θ_ｒの変化から算出された角速度ω_ｒに基づいて、磁束基準φ^＊を算出する機能を備える。３相／ｄｑ変換部６は、同期電動機１の各相に入力される電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗ、位置θ_ｒに基づいて、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑを算出する機能を備える。

磁束演算部７は、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑ、同期電動機１の界磁に入力される界磁電流Ｉ_ｆ、磁束基準φ^＊に基づいて、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´を算出する機能を備える。

磁束演算誤差補正部８は、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´に基づいて内部相差角推定値δ´を算出する機能を備える。磁束演算誤差補正部８は、内部相差角推定値δ´を補正して、内部相差角推定値δ´´を算出する機能を備える。磁束演算誤差補正部８は、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´を補正して、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´´を算出する機能を備える。

速度制御部９は、速度基準ω_ｒ ^＊と角速度ω_ｒとの偏差に基づいて、同期電動機１のトルク基準Ｔ^＊を算出する機能を備える。ＭＴ／ｄｑ変換部１０は、内部相差角推定値δ´´を利用して、トルク基準Ｔ^＊を磁束基準φ^＊で割ることにより得られたＴ軸上のトルク電流基準Ｉ_Ｔ ^＊をｄ軸電機子電流基準Ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電流基準Ｉ_ｑ ^＊に分解する機能を備える。

ｄｑ軸電流制御部１１は、ｄ軸電機子電流基準Ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電機子電流Ｉ_ｄとの偏差、ｑ軸電機子電流基準Ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電機子電流Ｉ_ｑとの偏差がなくなるように、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖ_ｑ ^＊を算出する機能を備える。ｄｑ／３相変換部１２は、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖ_ｑ ^＊、位置θ_ｒに基づいて、同期電動機１の電機子に供給する電圧基準Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を算出する機能を備える。ＰＷＭ制御部１３は、電圧基準Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に基づいて、電機子用電力変換器２を制御する機能を備える。

界磁電流基準演算部１４は、磁束基準φ^＊、主磁束のｑ軸成分推定値φ_ｑ´´、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄに基づいて、界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊を算出する機能を備える。界磁電流制御部１５は、界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊と界磁電流Ｉ_ｆとの偏差がなくなるように、界磁電圧基準Ｖ_ｆ ^＊を算出する機能を備える。

上記駆動装置において、磁束演算誤差補正部８は、内部相差角推定値δ´を補正して内部相差角推定値δ´´を算出する際に、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖ_ｑ ^＊、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑを利用する。磁束演算誤差補正部８は、主磁束のｑ軸成分推定値φ_ｑ´を補正して、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´´を算出する際に、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´、内部相差角推定値δ´´を利用する。

次に、図２を用いて、同期電動機１のベクトル制御を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置による同期電動機のベクトル制御を説明するための図である。

ｄ軸（直軸）は、同期電動機１の界磁極の方向に対応する。ｑ軸（横軸）は、ｄ軸に直交する方向に対応する。Ｍ軸は、界磁による磁束と電機子電流による磁束が合成された主磁束の方向に対応する。Ｔ軸は、Ｍ軸に直交する方向に対応する。内部相差角δは、ｄ軸に対するＭ軸の角度である。

同期電動機１のベクトル制御においては、主磁束の大きさφと内部相差角δに基づいて、Ｔ軸方向にトルク電流Ｉ_Ｔを流すことで、力率が１となる。

次に、図３を用いて、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´、内部相差角推定値δ´、界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊の算出方法を説明する。
図３はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に駆動される同期電動機のｄ軸の等価回路とｑ軸の等価回路の図である。

図３はダンパ巻線付き突極形の同期電動機１の等価回路の図である。ただし、パラメータ、電流は、１次側換算した値である。

図３において、φ_ｄは主磁束のｄ軸成分である。φ_ｑは主磁束のｑ軸成分である。Ｉ（大文字のアイ）_ｄはｄ軸電機子電流である。Ｉ（大文字のアイ）_ｑはｑ軸電機子電流である。Ｌ_ａｄはｄ軸電機子反作用インダクタンスである。Ｌ_ａｑはｑ軸電機子反作用インダクタンスである。ｌ（小文字のエル）_ａは電機子漏れインダクタンスである。Ｉ（大文字のアイ）_ｆは界磁電流である。Ｉ（大文字のアイ）_ｋｄはｄ軸ダンパ電流である。Ｉ（大文字のアイ）_ｋｑはｑ軸ダンパ電流である。Ｒ_ｋｄはｄ軸ダンパ抵抗である。Ｒ_ｋｑはｑ軸ダンパ抵抗である。ｌ（小文字のエル）_ｋｄはｄ軸ダンパ漏れインダクタンスである。ｌ（小文字のエル）_ｋｑはｑ軸ダンパ漏れインダクタンスである。

当該等価回路においては、一次側の主磁束のｄ軸成分φ_ｄ、ｑ軸成分φ_ｑは、次の（１）式、（２）式で表される。

ｄ軸のダンパ電流Ｉ_ｋｄ、ｑ軸のダンパ電流Ｉ_ｋｑは、Ｐａｒｋの方程式より、次の（３）式、（４）式で表される。

主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´は、（３）式を（１）式に代入することにより、次の（５）式で算出される。

主磁束のｑ軸成分推定値φ_ｑ´は、（４）式を（２）式に代入することにより、次の（６）式で算出される。

なお、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｑは、磁束の大きさによって変化する。すなわち、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｑは、磁束飽和特性を持つ。このため、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬ_ａｑの磁束飽和特性は、試験や電磁界解析により予め把握される。

この際、内部相差角推定値δ´は、次の（７）式で算出される。

一方、界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊は、電機子反作用磁束による主磁束の増減磁作用を打ち消して、主磁束の大きさが磁束基準φ^＊と等しくなるように算出される。

具体的には、Ｉ_ｆは、（１）式を整理し、（３）式を代入して、Ｉ_ｋｄを消去し、次の（８）式で表される。

この際、主磁束のｄ軸成分φ_ｄとｑ軸成分φ_ｑの合成起磁力が磁束基準φ^＊となるために、 φ_ｄは、以下の（９）式で算出される。

界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊は、（８）式に（９）式を代入することにより、次の（１０）式で算出される。この際、主磁束のｑ軸成分φ_ｑの変わりにｑ軸成分推定値φ_ｑ´が用いられる。

次に、図４を用いて、同期電動機１の推定磁束方向にずれがある場合を説明する。
図４はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に駆動される同期電動機１の推定磁束方向にずれがある場合を説明するための図である。

（１）式、（５）式によれば、主磁束のｄ軸成分φ_ｄ、ｄ軸成分推定値φ_ｄ ^＊は、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、界磁電流Ｉ_ｆの関数となる。（２）式、（６）式によれば、主磁束のｑ軸成分φ_ｑ、ｑ軸成分推定値φ_ｑ ^＊は、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑの関数となる。

しかしながら、磁気装荷が大きい同期電動機１においては、高負荷状態において磁束飽和が大きくなると、ｄ軸とｑ軸との間、界磁とｑ軸との間に磁気的結合が生じる。この場合、同期電動機１は、非線形な磁束飽和特性を持つ。

その結果、図４に示すように、推定磁束方向（Ｍ´軸）と実際の磁束方向（Ｍ軸）がずれる。例えば、同期電動機１への入力電流の位相が遅れる。その結果、同期電動機１の力率及びトルクの精度が悪化する。

そこで、本実施の形態１の同期電動機１の駆動装置は、推定磁束方向（Ｍ´軸）と実際の磁束方向（Ｍ軸）とのずれを抑制するように動作する。以下、推定磁束方向（Ｍ´軸）と実際の磁束方向（Ｍ軸）とのずれを抑制する方法を説明する。

まず、図５を用いて、磁束演算部７を説明する。
図５はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に設けられた磁束演算部のブロック図である。

図５に示すように、磁束演算部７は、（５）式、（６）式に基づいた演算を行う。すなわち、磁束演算部７は、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、界磁電流Ｉ_ｆに基づいて、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´を演算する。磁束演算部７は、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑに基づいて、主磁束のｑ軸成分推定値φ_ｑ´を算出する。

次に、図６を用いて、磁束演算誤差補正部８を説明する。
図６はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に設けられた磁束演算誤差補正部のブロック図である。

図６に示すように、磁束演算誤差補正部８は、（７）式に基づいた演算を行う。すなわち、磁束演算誤差補正部８は、主磁束のｄ軸成分推定値φ_ｄ´、ｑ軸成分推定値φ_ｑ´に基づいて、内部相差角推定値δ´を算出する。

磁束演算誤差補正部８は、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖ_ｑ ^＊、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑに基づいて、同期電動機１への入力電圧基準と同期電動機１の入力電流との位相差αを算出する。具体的には、位相差αは、次の（１１）式で算出される。

同期電動機１のベクトル制御において、Ｔ軸上に電機子電流を流すことにより、力率が１となる。従って、力率が１でない場合は、同期電動機１の入力電圧と入力電流に位相差αが生じる。例えば、図４のように、推定磁束方向（Ｍ´軸）と実際の磁束方向（Ｍ軸）との間にずれが生じる場合、位相差αは０よりも大きくなる。

そこで、磁束演算誤差補正部８は、位相差αをＰＩ制御し、位相差αを解消する。すなわち、磁束演算誤差補正部８は、位相差αをＰＩ制御した値を内部相差角推定値δ´に付加して、内部相差角推定値δ´´を算出する。

磁束演算誤差補正部８は、ｑ軸磁束推定値φ_ｑ´を補正して、ｑ軸磁束推定値φ_ｑ´´を算出する。具体的には、ｑ軸磁束推定値φ_ｑ´´は、次の（１２）式で算出される。この際、補正の前後で主磁束の大きさは一定となるように演算がなされる。

（１１）式においては、同期電動機１の極低速時、無負荷時等、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、が０付近になると位相差αの算出値が不正確となる。このため、位相差αに基づく補償には、不感帯が設けられる。図６においては、位相差αに基づく補償は、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄが定格の１０％よりも大きくなった際に働くように設定される。

以上で説明した実施の形態１によれば、位相差αに基づいて、内部相差角が補正される。このため、簡単な構成で、磁束演算の精度を向上することができる。このため、力率とトルク制御とを向上することができる。その結果、同期電動機１の小型軽量化、経済性向上を追及することができる。

また、実施の形態１の磁束演算においては、電動機定数の誤差の影響が少ない。このため、パラメータを容易に調整することができる。

また、同期電動機１の入力電圧として、ｄ軸電機子電圧基準Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖ_ｑ ^＊が利用される。このため、同期電動機１の入力電圧を検出する機器を用いることなく、内部相差角を補正することができる。

また、補正された内部相差角推定値δ´´に基づいて、ｑ軸磁束推定値φ_ｑ´を補正して、ｑ軸磁束推定値φ_ｑ´´が算出される。このため、界磁電流基準Ｉ_ｆ ^＊をより正確に算出することができる。

なお、次の（１３）式に示すように、外積を用いて位相差αを算出してもよい。

この場合、位相差αに基づく補償に不感帯を設けなくてもよい。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２における同期電動機１の駆動装置のブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２の駆動装置は、実施の形態１に、３相／ｄｑ変換部１６を付加したものである。３相／ｄｑ変換部１６は、同期電動機１の各相の入力電圧Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗ、位置θ_ｒに基づいて、ｄ軸電機子電圧Ｖ_ｄ、ｑ軸電機子電圧Ｖ_ｑを算出する機能を備える。

本実施の形態の磁束演算誤差補正部８は、ｄ軸電機子電圧Ｖ_ｄ、ｑ軸電機子電圧Ｖ_ｑ、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑに基づいて、同期電動機１への入力電圧と同期電動機１の入力電流との位相差αを算出する。位相差αは、次の（１４）式で表される。

以上で説明した実施の形態２によれば、位相差αを算出する際に用いる入力電圧、入力電流は、実際の値のフィードバック値である。このため、実施の形態１よりも正確に位相差αを算出することができる。その結果、内部相差角をより正確に補正することができる。

以上のように、この発明に係る同期電動機の駆動装置は、同期電動機の磁束演算の精度を向上する際に利用できる。

１同期電動機、２電機子用電力変換器、３界磁用電力変換器、
４速度検出器、５界磁弱め制御部、６３相／ｄｑ変換部、
７磁束演算部、８磁束演算誤差補正部、９速度制御部、
１０ＭＴ／ｄｑ変換部、１１ｄｑ軸電流制御部、１２ｄｑ／３相変換部、
１３ＰＷＭ制御部、１４界磁電流基準演算部、１５界磁電流制御部、
１６３相／ｄｑ変換部

Claims

同期電動機の界磁極の方向をｄ軸とし、前記ｄ軸に直交した方向をｑ軸とした際に、前記ｄ軸の電流、前記ｑ軸の電流、前記同期電動機の界磁電流に基づいて、前記ｄ軸の磁束、前記ｑ軸の磁束を算出する磁束演算部と、
前記同期電動機の入力電圧と入力電流の位相差を算出し、当該位相差に基づいて、前記ｄ軸の磁束と前記ｑ軸の磁束とから算出された内部相差角を補正する磁束演算誤差補正部と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の駆動装置。
前記磁束演算誤差補正部は、前記同期電動機の入力電圧基準と入力電流検出値とに基づいて、前記位相差を算出することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
前記磁束演算誤差補正部は、前記同期電動機の入力電圧検出値と入力電流検出値とに基づいて、前記位相差を算出することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
前記磁束演算誤差補正部は、前記ｄ軸の磁束、前記ｑ軸の磁束、補正された内部相差角に基づいて、補正の前後で主磁束の大きさが同じとなるように、前記ｑ軸の磁束を補正することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。