JP5986013B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機を駆動する電力変換器を含む電動機駆動システムに係り、特に電力変換器の出力電圧が飽和したときでも、電動機を安定に駆動することができる電動機駆動システムに関する。

電力変換器で電動機を可変速駆動し、ファン、ポンプ、圧縮機などの回転機器を運転する電動機駆動システムは、電力消費を抑制する省エネシステムとして使用ニーズが増加している。また出力電圧が３ｋＶ以上の高圧電動機駆動システムにおいては、電動機として誘導電動機（ＩＭ）や巻線型同期電動機（ＳＭ）が主流であったが、近年では効率のよい永久磁石（ＰＭ）電動機の適用も広がっている。これらの電動機を駆動する際、電力変換器から所望の周波数、所望の大きさの交流電圧を出力するが、出力できる電圧の大きさにはそのスペックによって制限がある。

このため、従来では、出力電圧の大きさが制限値を超えることが予想される場合は、予めその制限値を越えないように電圧の大きさを抑制する方式が取られている。例えば、永久磁石電動機をベクトル制御する際、磁束に平行な成分であるｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊と、磁束に９０度進んだ成分であるｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は（１）式のように演算される。

ここで、「＊」は設定値（指令値）を示し、Ｒ_ｄ ^＊、Ｒ_ｑ ^＊、Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊、Ｌ_ｄ ^＊、Ｌ_ｑ ^＊、ω^＊、Ｋ_ｅ ^＊は各々、ｄ軸抵抗、ｑ軸抵抗、ｄ軸電流、ｑ軸電流、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、回転速度、発電定数の指令値をそれぞれ示している。

（１）式の演算によれば、速度指令値ω^＊が大きくなるに従い、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊の絶対値が大きくなり、出力できる制限値を越える場合がある。言いかえれば、回転する電動機が発生する回転機電力（電圧）が電動機速度ωと電動機磁束Φの積に比例するため、出力できる制限値を越える場合には、上記の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を大きくして釣り合わせる必要がある。

これに対し、これらの電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊は、別途演算した位相指令値による座標変換により、交流電圧指令値となり、電動機に印加される交流電圧を電力変換器によって生成される。通常、電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊は位相指令θを用いた（２）式により２相の交流電圧指令値Ｖ_α、Ｖ_βに変換されたのち、さらに（３）式により３相交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に変換される。

また、電動機磁束Φについてはｄ軸が主な磁束軸であり、ｄ軸電動機磁束Φ_ｄは、電動機の発電係数Ｋ_ｅと、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄと，ｄ軸電流Ｉ_ｄにより、（４）式のように表現することができる。

従来では、出力電圧が制限値を超える場合、電動機磁束を低減する（弱め界磁）方法がとられていた。例えば、特許文献１では、出力電圧が制限された場合、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値Ｉ_ｑの偏差から位相誤差を演算し、位相指令θに位相誤差を補正する事で電圧指令値を再演算する。上記従来例では、弱め界磁をするように位相補正が行われる。これを言いかえると、（２）式において、位相指令θを以下のように、回転速度指令値ω^＊による成分と固定値の成分Δθに分ける。ｔは時間を表わす。

これにより、（２）式の２相交流電圧指令Ｖ_α、Ｖ_βは、（６）式に示すように本来の交流成分（（６）式の第１項）と、新たにＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊が変換された直流成分（（６）式の第２項）に分けられる。

（６）式における新たな直流成分（（６）式の第２項）をＶ_ｄ ^＊＊、Ｖ_ｑ ^＊＊と置くと以下の（７）式のようになる。

弱め界磁の場合、Δθ（位相指令θの固定値の成分）が正（位相を進める）となり、電圧は図７に示すような関係になる。図７は直交する２軸で示す制御軸（制御軸ｑｃと制御磁束軸ｄｃ）上に弱め界磁実行前後の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を図示したものである。なお、図７には電動機軸（電動機軸ｑと電動機磁束軸ｄ）も併せて示している。図示の例では弱め界磁実行前の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊は、それぞれ正の値と負の値をとっており、その合成された合成電圧指令がＶ_１ ^＊として表示されている。

係る弱め界磁実行前の電圧指令Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊とその合成電圧指令Ｖ_１ ^＊に対し、Δθ＞０の座標変換を行った場合、電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊、合成電圧指令Ｖ_１ ^＊は、それぞれ図７のＶ_ｄ ^＊＊、Ｖ_ｑ ^＊＊、Ｖ_１ ^＊＊のようになる。これにより、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊は減少（負側に増加；Ｖ_ｄ ^＊＊）し、ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊も減少（Ｖ_ｑ ^＊＊）する。

ここで、出力電圧が制限された場合、理想的な制御ができなくなり、図７のように、制御軸（制御軸ｑｃと制御磁束軸ｄｃ）に対して電動機軸（電動機軸ｑと電動機磁束軸ｄ）がずれるが、ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊の減少に伴い、電動機磁束軸ｄ上の成分であるＶ_ｄも減少（負に増加）する。電動機電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑは電動機電圧Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑに対し、以下の（８）（９）式のような関係を満たす。ｓは微分演算子を示す。

このため、Ｖ_ｄが負に増加すると、Ｉ_ｄも負に大きくなっていき、（４）式から磁束成分が弱まる弱め界磁となる。これにより、出力電圧飽和の影響を抑え、安定化する事が出来る。

また、特許文献２では、電圧指令Ｖ_１ ^＊相当が制限値を越えた場合、電流指令演算に用いる位相指令を進める。これにより、弱め界磁を行う旨の記載がある。

特許第４８８１６３５号 特開２０１２−９０４９４号公報

従来技術においては、出力電圧が制限値を越えた場合、弱め界磁を行う事を提案している。しかしながら従来技術によれば、電動機の定数によっては、界磁弱めが強くなり過ぎ、本来、永久磁石や界磁巻線で作られる磁束を全て打ち消し、制御性が損なわれる恐れがある。出力電圧が制限された場合の電動機の挙動について説明する。

電動機発生トルクτ_ｍと負荷トルクτ_Ｌが一致している場合、以下の（１０）式が成り立つ。Ｐ_ｍは電動機の極対数を示す。さらに永久磁石電動機の場合は、以下の（１１）式のように書き換えられる。

また、電圧が制限値Ｖ_１ｍａｘに制限されている場合、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑは以下の（１２）式のようになる。

（８）、（９）、（１２）式から、Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑを各々Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑの関数で表わした定常解を考え、（１１）式を満たすＶ_ｄ、Ｖ_ｑをプロットしたものを図８に示す。併せてシミュレーションを行った結果も併記する。

図８右側にはｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑ，左側にはｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄを表記している。各グラフの横軸は負荷の大きさで、定格値を１００％とし、７０％から１３０％の範囲を表記している。縦軸は電圧Ｖ_ｑ，Ｖ_ｄの大きさであり、制限値を１００％とした。但し、ｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑについては、５０％から−３０％の範囲を示し、ｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄについては、−８０％から−１１０％の範囲を示している。

なお、図８には理論値を実線で、シミュレーションによる値を破線で示しているが、いずれの場合にも負荷に対する電圧の変動傾向は同じ傾向を示している。右側のｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑは負荷増大に伴い正の値から負の値に向かって減少し、左側のｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄは負荷が増大しても１００％近傍に制限されている。

図８の解析を行った電動機は１ＭＷ／３ｋＶクラスの永久磁石電動機であり、回転速度（インバータ周波数）は２００Ｈｚクラスである。この結果から、電圧が制限を受けた場合、今回の電動機では、ｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄは負荷１００％近くで負の値で制限値に収束し、ｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑは負荷の増加に伴い、０から負の値に減少していく。ｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄが負の最大値に収束するため、永久磁石電動機の場合、磁石自身による磁束が打ち消されてしまう。このため、これ以上弱め界磁をする事が難しくなり、逆に弱め界磁をすることで、制御性がより悪くなる恐れがある。制御性が悪化すると、予期せぬ電圧変動などの際に容易に脱調をしてしまう可能性が高まる。

本発明では、出力電圧の制限を受けた場合でも、制御性を損なわない電動機駆動システムを提供する事を目的とする。

以上のことから本発明においては、直流電圧を交流電圧に変換し、電動機を駆動する電動機駆動システムにおいて、電動機の入力電圧が所定値に制限された場合、電動機の磁束を打ち消すような条件をもつ電動機に対し、交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする。

具体的には例えば、電動機磁束に平行な電圧成分を制御するｄ軸電圧と、ｄ軸電圧から９０度進んだｑ軸電圧に基づいた合成電圧によって、交流電動機をベクトル制御する電動機駆動システムにおいて、ｄ軸電圧とｑ軸電圧の合成電圧が所定値に制限された場合、ｄ軸電圧が負の定格電圧近くの値で収束し、電動機磁束を打ち消すような条件を持つ電動機に対し、ｄ軸電圧とｑ軸電圧に各々正の値の補正を行う事により、交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする。

本発明によれば、電動機駆動のための電力変換器の出力電圧が制限された場合において、電動機の界磁が弱まりすぎる事による制御性の劣化を防止し、ファン、ポンプ、圧縮機などの回転機器を安定して運転する電動機駆動システムを、簡単な制御系で実現することができる。

実施例１の電動機駆動システムの全体構成を示す図。 実施例１における電圧の動作を表すためのベクトル図。 実施例１における効果を示したシミュレーション波形図。 実施例２の電動機駆動システムの全体構成を示す図。 実施例３の電動機駆動システムの全体構成を示す図。 実施例４の電動機駆動システムの全体構成を示す図。 従来技術に係る、電動機への印加電圧が制限された場合のベクトル関係図。 従来技術に係る、電動機への印加電圧が制限された場合の、電動機電圧の収束値を示した図。 実施例１から実施例４における検出要素、判断条件、処理内容、最終結果の関係を纏めて示した図。

以下本発明の実施例について図面を用いながら説明する。

なお、電圧制限となった場合に弱め界磁側に制御するが、本発明においてはこの場合にも強め側に界磁を保持した状態に制御する。電圧制限時の弱め界磁制御においては進み位相制御を実施するが、所定位相分は遅れ位相側に引き戻す制御を実施する。以下の本発明の実施例の説明においては、係る制御を実現する上で電圧制限の検出条件、強め側に界磁を制御する時の具体手法などに幾つかの変更例、代案例があることから、各実施例の中でこれら事例を説明することにする。

本発明の実施例１の電動機駆動システムについて、図１から図３を用いて説明する。図１は一般的な電動機駆動システムの全体構成を示す。図２は本実施例における電圧指令値の動作を示す。図３は本実施例の効果を示したシミュレーション波形である。

まず図１の電動機駆動システムの全体構成では、交流電源１により電力変換器である直流変換部２に電力が供給され、直流電圧を生成する。交流変換部３は直流電圧を交流電圧に変換し、電動機４を駆動する。電動機４には負荷機５が接続され、これを運転する。

一般的に上記のように主回路構成される電動機駆動システムに対して、その制御は以下のように実施される。電動機駆動システムに対する制御は、交流変換部３の制御により実施される。

交流変換部３の制御のために、まず電圧指令演算部１０では、速度指令ω^＊、電流指令Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊に基づいて、（１）式により電圧指令Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を生成する。電圧指令リミッタ部１１では、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊が所定値Ｖ_１ｍａｘよりも大きい場合は、その値に制限する。例えば、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊の合成電圧Ｖ_１ ^＊＝√（Ｖ_ｄ ^＊２＋Ｖ_ｑ ^＊２）がＶ_１ｍａｘよりも大きくならないように、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊に所定値をかけて制限する。所定値としては、例えばＶ_１ｍａｘ／Ｖ_１ ^＊とすることで、Ｖ_１ ^＊をＶ_１ｍａｘに一致させる。

Ｖ_１ｍａｘは、交流変換部３で出力できる最大電圧に相当し、例えば、２レベルインバータの場合、直流変換部２により生成された直流電圧Ｅｄが交流変換部３から相電圧最大値として出力されるため、Ｖ_１ｍａｘは上記Ｅｄもしくは、その実効値相当としてＥｄ／√２など、Ｖ_１ ^＊と同じ次元のものに設定すればよい。なお、この制限をかけずとも、結果的に電動機４に印加される電圧は上記出力最大電圧で制限されるが、予め制限しておくことで、位相制御等もやりやすくなる。

座標変換部１２では、位相指令θを用いた（２）、（３）式のような座標変換により三相交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を演算し、ＰＷＭ制御パルス生成部１３によって、交流変換部３に内蔵されるスイッチング素子を制御するゲートパルスに変換され、交流変換部３に送られる。

なお図１の制御装置構成において、電圧指令演算部１０、電圧指令リミッタ部１１、座標変換部１２は、電動機駆動システムの一般的な制御装置構成が備えるものである。これに加え、本実施例では、強め界磁制御部１００が追加されており、強め界磁制御部１００は、電圧飽和判定部２０と位相補正値演算部２１で構成されている。

このうち電圧飽和判定部２０において、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊による合成電圧Ｖ_１が所定の閾値Ｖ_ｔｈよりも大きいかどうかを判定する。位相補正値演算部２１では、電圧飽和判定部２０で上記合成電圧Ｖ_１がＶ_ｔｈよりも大きいと判定された場合、負の位相補正値Δθを演算し、座標変換部１２に出力する。なお、電圧飽和演算部２０では、図示はしていないが、電圧指令演算部１０からの出力Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊ではなく、最終的な電圧指令となる座標変換部１２の出力である交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊から合成電圧Ｖ_１を演算し、それとＶ_ｔｈとの比較を行ってもよい。

座標変換部１２では、位相指令θとΔθの和の位相を用いて座標変換を行う。この場合のベクトル関係を、直交する２軸で示す制御軸（制御軸ｑｃと制御磁束軸ｄｃ）上で説明する。なお、図２は図７と同じ座標軸であり、その概略説明は図７で行ったものとおなじである。

この場合には、Δθが負であり（７）式でΔθ＜０の場合、図２に示すように、電圧Ｖ_１ ^＊の位相が遅れ、Ｖ_ｄ ^＊が増加（正側に補正：Ｖ_ｄ ^＊＊）され、Ｖ_ｑ ^＊も増加（Ｖ_ｑ ^＊＊）する。また、電動機軸（電動機軸ｑと電動機磁束軸ｄ）が制御軸（制御軸ｑｃと制御磁束軸ｄｃ）に対してずれていた場合、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑは共に正側に増加する事になる。これは従来例とは異なる動きであり、強め界磁の動作となる。

このため、図８に示した事例のようにｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄが−１００％、ｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑが負に収束するような場合において、Ｖ_ｄ ^＊を−１００％から少し正側に戻すことで、ｄ軸電動機電圧Ｖ_ｄ、ｑ軸電動機電圧Ｖ_ｑの低下を抑制する事が出来る。例えば図２に示すように、Ｖ_ｄ ^＊は０に位相補正（Ｖ_ｄ ^＊＊＝０）をし、結果的にＶ_ｑ ^＊のみ値を持つ（Ｖ_ｑ ^＊＊＝Ｖ_１ ^＊）ようにしてもよい。その場合、Ｖ_ｄ ^＊＊＝０となるように、Δθを以下の（１３）式のように設定する。

またＶ_ｔｈはＶ_１ｍａｘ以下とし、例えばＶ_ｔｈはＶ_１ｍａｘの８０％以上１００％未満の値で設定しておく事で、実際に電圧が制限されるよりも早めに位相補正を効かせる。これにより電圧制限による弱め界磁が発生するよりも早めに少し増磁しておく事で、動作を安定化させる。

図３に実施例１を適用した場合と、適用しなかった場合の動作を示したシミュレーション結果を示す。図３左が実施例１の制御がない場合で、図３右が実施例１の制御がある場合である。各図は上から、電動機磁束（ｄ軸電動機磁束Φ_ｄ、ｑ軸電動機磁束Φ_ｑ、合成磁束Φ１）、ｄ軸電圧（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｄ ^＊）、ｑ軸電圧（Ｖ_ｑ、Ｖ_ｑ ^＊、合成電圧Ｖ_１ ^＊）、電動機速度（ω^＊、実速度ω）で、全て定格値を１００％としている。横軸は時間（ｓ）である。

図３のシミュレーション結果では、横軸の時間として５秒から７．５秒の範囲での各量の変動を示している。この間で、最下段の電動機速度（ω^＊、実速度ω）を５０％から１００％に上昇（５秒から６秒の間）させ、以後１００％速度としている。なおこの図３では、定格速度で運転中の時刻７．０秒のタイミングで電動機４にかかる電圧を強制的に８０％に低減させ、０．５秒後の時刻７．５秒に元に戻した電圧外乱を模擬している。

係る一連の模擬運転状態に対し、従来の制御では図３左に示すように、速度の増加（５秒から６秒の間）に伴い、ｑ軸電動機磁束Φ_ｑが増加して１００％超となり、ｄ軸電動機磁束Φ_ｄが減少して、定格速度では概ね０％（（６秒以降）となる。次にｄ軸電圧（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｄ ^＊）は、速度の増加（５秒から６秒の間）に伴い減少（負に増加）し、定格速度に至る時刻（６秒）よりも前の時刻ですでに実際のｄ軸電圧Ｖ_ｄは−１００％以下に収束している。ｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊と合成電圧Ｖ_１ ^＊は、速度の増加（５秒から６秒の間）に伴い増加するが、ｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊は７０％程度までしか上昇しない。実ｑ軸電圧Ｖｑは減少し、定格速度に至る時刻（６秒）よりも前の時刻で実際のｑ軸電圧Ｖ_ｑは０から負の値になっている。このため、７秒の時刻で電圧外乱が発生するとトルクが十分に出ず、電動機実速度ωが下がる脱調が起きている。

これに対し実施例１での応答を示す図３左では、速度の増加（５秒から６秒の間）段階の応答は概ね従来のそれと同じであるが、この場合には定格速度に至る直前の状態でｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊を合成電圧Ｖ_１相当の大きさに補正しており、１００％程度の値とされている。この設定変更を受けて実際のｑ軸電圧Ｖ_ｑは、正の値を保つ。

またｄ軸電圧Ｖｄ^＊は減少の途中（定格速度に至る直前の時刻）から増加して０になり、実際のｄ軸電圧Ｖｄ^＊は増加している。またｄ軸電動機磁束Φ_ｄが正の値になっている。この時、電動機実電圧Ｖｄは−１００％から少し正側に戻り、Ｖｑは正の値を持っている。このため、電圧外乱に対しても、電動機は安定して回転を継続している。

なお図３の表示において、指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊と実値Ｖｄ、Ｖｑが一致していないのは、電圧制限により、制御軸と電動機軸が図２のようにずれているためである。しかし、位相を負側に動かすことで、電動機軸上の電圧も同一方向（Ｖｄ、Ｖｑ共に正側）に動くため、制御できる。

以上により、本実施例では、出力電圧が制限された場合において、位相を遅らせる（負に補正する）事により、弱め界磁が強すぎる状態を緩和し、外乱が生じても安定した制御を可能にする。

図９は、本発明における処理を実施例ごとに整理した図であり、ここには検出要素、判断条件、処理内容、最終結果にわけて記述している。この区分によれば実施例１は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊から計算した合成電圧Ｖ_１を検出要素としている。あるいは合成電圧Ｖ_１は、最終的な電圧指令となる座標変換部１２の出力である交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊から求めてもよい。判断条件では、合成電圧Ｖ_１が所定の閾値Ｖ_ｔｈよりも大きいことを判定し、合成電圧Ｖ_１がＶ_ｔｈよりも大きいと判定された場合、負の位相補正値Δθを演算する。処理内容では、座標変換部１２においてθ−Δθを求め出力する。この最終結果としては、Δθに相当する強め界磁を実行することになる。

次に、本発明の実施例２に係る図４の電動機駆動システムの全体構成について説明する。図４の電力主回路構成及び主要な制御回路として電圧指令演算部１０、電圧指令リミッタ部１１、座標変換部１２は、図１のそれらと同じである。図１とは、強め界磁制御部１００の構成が相違している。図４の強め界磁制御部１００は、電圧飽和判定部２０と電圧補正値演算部２３と電圧補正部２４で構成されている。

図４に示した実施例２の電圧飽和判定部２２では、実施例１と同じ考え方で、合成電圧Ｖ_１がＶ_ｔｈよりも大きいことを判定する。つまり、合成電圧Ｖ_１をＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊から求め、もしくは、座標変換部１２の出力である最終交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊から合成電圧Ｖ_１を算出し、これが閾値Ｖ_ｔｈ以上かどうかの判定を行う。

閾値Ｖ_ｔｈ以上の場合、電圧補正値演算部２３では、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を増加させるための補正値ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を演算する。例えば図２に示したように、Ｖ_ｄ ^＊を０、Ｖ_ｑ ^＊を制限値Ｖ_１ｍａｘに補正する場合、現行のＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊に対し、ΔＶ_ｄ ^＊は０−Ｖ_ｄ ^＊とし、ΔＶ_ｑ ^＊はＶ_１ｍａｘ−Ｖ_ｑ ^＊とすればよい。

これらΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊は電圧補正部２４でＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊に追加演算加算され、新しい電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊、Ｖ_ｑ ^＊＊を演算し、座標変換部１２、ＰＷＭ制御パルス生成部１３を介して交流変換部３を制御する。実施例１では位相を制御してＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を補正したが、本実施例では、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を直接補正する。これにより、実施例１と同様の効果を得る事が出来る。

先に説明した図９には、実施例２における検出要素、判断条件、処理内容、最終結果の関係を記述している。この区分によれば実施例２では、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊から計算した合成電圧Ｖ_１を検出要素としている。あるいは合成電圧Ｖ_１は、最終的な電圧指令となる座標変換部１２の出力である交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊から求めてもよい。この部分は実施例１と同じである。

判断条件では、合成電圧Ｖ_１が所定の閾値Ｖ_ｔｈよりも大きいことを判定し、合成電圧Ｖ_１がＶ_ｔｈよりも大きいと判定された場合、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を増加させるための補正値ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を演算する。処理内容では、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊にΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を加演算して新しい電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊、Ｖ_ｑ ^＊＊を得る。この最終結果としては、ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊に相当する強め界磁を実行することになる。

次に、本発明の実施例３に係る図５の電動機駆動システムの全体構成について説明する。図４の電力主回路構成及び主要な制御回路として電圧指令演算部１０、電圧指令リミッタ部１１、座標変換部１２は、図１、図４と同じである。

図１、図４とは強め界磁制御部１００の構成が相違している。図５の強め界磁制御部１００は、電圧飽和判定部２０と電圧補正値演算部２３と電圧補正部２４で構成されているが、電圧飽和判定部２０の入力信号が実施例１、実施例２とは相違している。

図５では、出力電圧検出部２４から電動機４に印加する３相の電圧Ｖ_ＦＢを検出し、電圧飽和判定部２０で、その合成電圧Ｖ_１ＦＢを演算する。なお合成電圧Ｖ_１ＦＢ、の導出は、前述の（３）式、（２）式を逆方向に実施すればよい。具体的には、検出した３相の電圧Ｖ_ＦＢ（＝Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗ）から直交する２相の電圧Ｖ_α、Ｖ_βを求め、さらに位相θを用いてｄ、ｑ軸電圧Ｖ_ｄ，Ｖ_ｑを算出し、その合成電圧としてＶ_１ＦＢを得る。

また電圧飽和判定部２０では、座標変換部１２の出力である交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊からその合成電圧Ｖ_１ ^＊＊を演算する。合成電圧Ｖ_１ ^＊＊の導出過程は、上記と同じである。Ｖ_１ ^＊＊は最終的な電圧指令の大きさであり、交流電圧指令からではなく、最終的なｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊から演算してもよい。電圧飽和判定部２０では、電圧変動推定値αを、α＝Ｖ_１ＦＢ／Ｖ_１ ^＊＊として演算する。電源電圧等に変動がない場合、α＝１であるが、変動がある場合はα≒１となる。

このため、電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊に対し、Ｖ_ｄ ^＊／α、Ｖ_ｑ ^＊／αとすることで、出力電圧を一定に保つ補正方式がとられる場合がある。本実施例では、この補正方式の有無に拘わらずＶ_ｄ ^＊／α、Ｖ_ｑ ^＊／αの合成電圧Ｖ_１ ^＊／αが電圧閾値Ｖ_ｔｈを越えたかどうかの判定を行う。Ｖ_ｔｈを越えた場合、実施例２と同様に、電圧補正値演算部２６でＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を共に増加させるような補正値を演算し、電圧補正部２７で加算補正を行う。もしくは、図５には示していないが、実施例１と同様な位相指令の補正を行ってもよい。本実施例では、電源電圧変動があった場合も含め、増磁側に電圧指令値を補正する。これにより、電源電圧変動時を含め、実施例１及び実施例２と同様の効果がある。

先に説明した図９には、実施例３における検出要素、判断条件、処理内容、最終結果の関係を記述している。この区分によれば実施例３では、３相の電圧Ｖ_ＦＢから求めた合成電圧Ｖ_１ＦＢと、交流電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊から求めた合成電圧Ｖ_１ ^＊＊の比αを検出要素としている。なおＶ_１ ^＊＊は、最終的なｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊から演算してもよい。

判断条件では、合成電圧Ｖ_１ ^＊／αが所定の閾値Ｖ_ｔｈよりも大きいことを判定し、合成電圧Ｖ_１ ^＊／αがＶ_ｔｈよりも大きいと判定された場合、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を増加させるための補正値ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を演算する。

処理内容では、例えばＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊にΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を加演算して新しい電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊、Ｖ_ｑ ^＊＊を得る。これは位相を補正することであってもよい。この最終結果としては、ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊に相当する強め界磁を実行することになる。

次に、本発明の実施例４に係る図６の電動機駆動システムの全体構成について説明する。図６の電力主回路構成及び主要な制御回路として電圧指令演算部１０、電圧指令リミッタ部１１、座標変換部１２は、図１、図４、図５と同じである。

図１、図４、図５とは強め界磁制御部１００の構成が相違している。図６の強め界磁制御部１００は、電圧飽和判定部２０と位相補正値演算部２１を備えており、この部分は図１と同じ構成である。実施例４ではさらに速度指令補正値演算部３０と、速度指令補正部２９を追加設置している。

図１、図４、図５で示した実施例１、実施例２、実施例３と異なる機能として、図６では、電流検出部２８により３相の電動機電流Ｉ_ＦＢを検出する。速度指令補正値演算部３０では、電流検出値Ｉ_ＦＢから合成電流の大きさＩ_１を演算し、合成電流の大きさＩ_１に応じて速度補正値Δωを演算する。

なお、３相電流Ｉ_ＦＢから合成電流Ｉ_１を求める手法について、これは先に説明した３相電圧Ｖ_ＦＢから合成電圧Ｖ_１を求めたと同じ演算により実現が可能であることは言うまでもない。また合成電流の大きさＩ_１に応じて速度補正値Δωを演算することに関して、Ｉ_１が大きくなるに従って、Δωを０から減少（負に増加）させるように決定する。

そして、電圧飽和判定部２０により、電圧指令値Ｖ_ｔが閾値Ｖ_ｔｈ２より大きい場合、速度指令補正値演算部３０からΔωを速度指令補正部２９に出力する。速度指令補正部２９では、速度指令ω^＊にΔωを加算し、速度指令値を低減補正する。この新しい速度指令値を用いて、電圧指令演算部１０で電圧指令Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を演算し、電圧飽和判定部２０で、電圧指令値がＶ_ｔｈを越えた場合、実施例１のような位相補正を行い、Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を増加させる。閾値Ｖ_ｔｈ２は閾値Ｖ_ｔｈと同じでもよいが、速度の大幅な低下が許されない場合は、Ｖ_ｔｈ２＞Ｖ_ｔｈとして、速度指令の低減よりも電圧指令の補正を先に行うのがよい。また、上記位相補正ではなく、実施例２のように、電圧指令値を直接補正してもよい。以上より、実施例４では、実施例１から３のようなＶ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊の増加補正に加えて、速度指令値を低減補正する事により、速度×磁束で決まる電圧成分を抑え、出力電圧の制限の影響を抑える事で、より安定化できる効果がある。

実施例４における検出要素、判断条件、処理内容、最終結果の内容も図９に図示されているが、ここでは実施例１から実施例３の機能要素に追加された部分のみを記述している。

検出要素としては、３相の電動機電流Ｉ_ＦＢを検出する。判断条件はＶ_ｔ＞Ｖｔｈ_２であり、処理内容はω^＊＋Δωであり、最終結果は強め界磁を実現することである。

最後に、以上の説明に使用した（１）（８）（９）式や従来例は、共に永久磁石電動機に係るものであるが、本発明は、永久磁石電動機のみでなく、同じ同期電動機であっても、外部からの界磁による巻線型同期電動機にも適用できる。また、誘導電動機についても、出力電圧が制限されるような条件においては、弱め界磁を行っており、これにも同様の限界条件がある。よって、本実施例では、永久磁石電動機のみならず、巻線型同期電動機誘導電動機についても、出力電圧が制限された場合に、増磁制御をする事で安定化できる効果がある。

なお図９には実施例１から実施例４における検出要素、判断条件、処理内容、最終結果の関係を纏めて示しているが、要するに本発明において実現したいことは、電圧制限によって弱め界磁制御が実行される状態において、弱め界磁制御を限界まで実行するのではなく、その手前の状態に引き戻すべく所定の強め界磁を行っておくものである。これにより系統の電圧変動が生じたときの制御可能範囲を確保し、安定制御性を維持しておくものである。

本発明の安定性確保では、結果的には電圧制限運転状態において強制的な位相遅れ制御を実施し、強め界磁を実現する。実施例では、強制的な位相遅れ制御あるいは強め界磁を実現する具体的な実現手法を縷々述べているが、本発明ではこの実現手法に拘わらずその基本思想に則り、多様な実現策が採用可能である。

１：交流電源
２：直流変換部
３：交流変換部
４：電動機
５：負荷器
１０：電圧指令演算部
１１：電圧指令リミッタ部
１２：座標変換部
１３：ＰＷＭ制御パルス生成部
２０：電圧飽和判定部
２１：位相補正値演算部
２３：電圧補正値演算部
２４：電圧補正部
２８：電流検出部
２９：速度指令補正部
３０：速度指令補正値演算部

Claims (9)

1. 直流電圧を交流電圧に変換し電動機に印加して駆動し、前記交流電圧が所定値に制限された場合に前記電動機の磁束を低減する弱め界磁を行うとともに、前記電動機は、前記弱め界磁制御により磁束が弱められ不安定になる電動機である電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機における電圧飽和を検知したときに、前記交流電圧の位相を遅らせることにより、前記弱め界磁を緩和して強め界磁側に引き戻すことを特徴とする電動機駆動システム。
2. 前記電動機の磁束に平行な電圧成分を制御するｄ軸電圧と、該ｄ軸電圧から９０度進んだｑ軸電圧に基づいた合成電圧によって、前記電動機をベクトル制御するとともに、前記電動機は、前記ｄ軸電圧と前記ｑ軸電圧の合成電圧が所定値に制限された場合、ｄ軸電圧が負の定格電圧近くの値で収束し、前記電動機の磁束を打ち消すような条件を持つ電動機である請求項１に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機における電圧飽和を検知したときに、前記ｄ軸電圧と前記ｑ軸電圧に各々正の値の補正を行う事により、前記交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする電動機駆動システム。
3. 電圧指令値と位相指令値から演算された交流電圧指令値に基づいて、交流電動機を駆動する請求項１に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記電圧指令値が電圧閾値以上になった場合に、前記電動機における電圧飽和を検知し、前記位相指令値に対し、負の値の補正を行う事により、前記交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする電動機駆動システム。
4. 前記電動機の磁束に平行な電圧成分を制御するｄ軸電圧指令値と、該ｄ軸電圧指令値から９０度進んだｑ軸電圧指令値と、位相指令値から演算された交流電圧指令値に基づいて、交流電動機をベクトル制御する請求項１に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値の合成電圧指令値が電圧閾値以上になった場合に、前記電動機における電圧飽和を検知し、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値に各々正の値の補正を行う事により、前記交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする電動機駆動システム。
5. 前記電動機の磁束に平行な電圧成分を制御するｄ軸電圧指令値と、該ｄ軸電圧指令値から９０度進んだｑ軸電圧指令値と、位相指令値から演算された交流電圧指令値に基づいて、交流電動機をベクトル制御する請求項１に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値の合成電圧指令値と電圧検出値の比となる電圧変動推定値を演算し、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値に対し前記電圧変動推定値で割った各電圧指令値の合成電圧が電圧閾値以上になった場合に、前記電動機における電圧飽和を検知し、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値に各々正の値の補正を行うか、前記位相指令値に負の補正を行う事により、前記交流電圧の位相を遅らせることを特徴とする電動機駆動システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記交流電圧の位相を遅らせるとともに、電動機回転速度を低減する事を特徴とする電動機駆動システム。
7. 請求項６に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機の回転速度を低減する大きさは電動機の電流値に基づいて演算する事を特徴とする電動機駆動システム。
8. 請求項３に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記電圧指令値が電圧閾値以上になった場合に、前記位相を遅らせるための位相補正値は、ａｔａｎ（前記ｄ軸電圧指令値／前記ｑ軸電圧指令値）とする事を特徴とする電動機駆動システム。
9. 請求項４に記載の電動機駆動システムにおいて、
   前記合成電圧指令値が前記電圧閾値以上になった場合、前記ｄ軸電圧指令値はゼロ、前記ｑ軸電圧指令値は前記電圧閾値以上に設定する事を特徴とする電動機駆動システム。

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