JP5992113B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
これにより、各インバータの出力電流が等しくなるように不平衡抑制の電流制御系が作用するので、多相交流電動機の各相の各巻線の電流を平衡させることができる。
このように、各インバータの出力電流を平衡させることにより、外部リアクトルを小さくまたは無くすることができ、高速応答可能な制御を実現することが可能となる(例えば特許文献1)。
特許文献1では、第1、第2の巻線電流双方を用いて代表の電流制御系と不平衡抑制の電流制御系といった複雑で多量の演算をする必要があった。さらに、第1、第2の巻線電流等の検出電流に基づいた非干渉制御は、第1、第2の巻線電流を検出してから、代表の電流制御系や不平衡抑制の電流制御系の演算を実施して複数台のインバータに電圧が印加されるまでの無駄時間の影響によって、完全に干渉の影響を取り除くことは困難であった。
従って、従来の単一系巻線と同等の電流応答性を実現するのは困難であり、これは特に演算速度の低い廉価なマイコンで実現した場合に顕著となる。
図1は本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態1の全体構成を示す。図において、交流回転機1aは、第1巻線U1、V1、W1および第2巻線U2、V2、W2(図2参照)の2つの三相巻線を有する。なお、以下の全ての実施の形態では交流回転機1aとして2つの巻線を有する永久磁石型同期回転機について説明するが、2つ以上の巻線を有する永久磁石型同期回転機や界磁巻線型同期回転機であっても同様に適用される。
次に、交流回転機1aについて述べる。交流回転機1aは、図2に示すように、中性点N1で接続された一組のU1、V1、W1の三相巻線および中性点N2で接続された一組のU2、V2、W2の三相巻線が互いに電気的に接続されることなく回転機の固定子(図示せず)に収められている。
このため、並列して配置されたU1相とU2相の等価回路は図3のように表すことができる。図中、Vu1、Vu2は各中性点からの各端子電圧、Rは電機子巻線抵抗、euは誘起電圧、Muは電機子巻線の相互インダクタンス、Lu−Muは漏れインダクタンス(電機子巻線自己インダクタンス−電機子巻線相互インダクタンス)を表している。またnはトランスで言う巻数比である。
図4は回転二軸(d−q軸)の内、q軸の等価回路を表したものであるが、d軸上の等価回路も、図5に示すように、同様の構成となる。
以下、図1に戻って説明すると、第1電圧演算部6aでは、第2巻線の電流i2u、i2v、i2wに基づいて、回転二軸(d−q軸)上の補償電圧指令値V1d_h*、V1q_h *を電流制御器16が算出する。
これに対して、本実施の形態1では、基本電圧演算部5aにて、電流指令値id*、iq*に基づいて回転二軸(d−q軸)上の基本電圧vdF*、vqF*を簡素に演算する。
下記の式(1)は、交流回転機1aにおける回転二軸上(d−q軸)の電圧と電流の関係式である。ここで、ωは電気角速度、φは磁束鎖交数である。この式(1)は、先に述べた図4、図5のブロック図で表した電圧と電流の関係に加え、インダクタンスLd、Lq、Md、Mqによる電機子反作用に起因する速度起電力を考慮したものと等価である。
基本電圧演算部5aは、電流指令値id*、iq*に基づいて回転二軸(d−q軸)上の基本電圧vdF*、vqF*を演算するものであるため、まず、式(1)において、電流をid*=i1d=i2d、iq*=i1q=i2qで与える(式(2))。
以上の構成により、簡素な構成で、電流制御の応答を1重巻線の交流回転機のレベルまで高めることが可能となる。
図6は、本発明に係る交流回転機の制御装置の実施の形態2の構成を示しており、前記実施の形態1と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。本実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、第1電圧演算部6bにおける差電流演算器211、減算器212、電流制御器213、加算器214および差電圧演算部215である。
図9は、本発明に係る交流回転機の制御装置の実施の形態3の構成を示しており、前記実施の形態1、2と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
本実施の形態3が実施の形態2と異なるのは、第1電圧演算部6cにおいて、和電流演算器311、減算器312、電流制御器313および加算器314を具備している点である。
そして電流制御器313から得た和電圧Vd_sum*、V1q_sum*と電流制御器213から得た差電圧Vd_dif*、Vq_dif*に基づいて電圧指令値V1d’*、V1q’*を加算器314にて算出することによって、実施の形態1で述べた干渉電圧の影響を抑制することができる。以下この理由について述べる。
図12は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態4の構成を示しており、前記実施の形態1〜3と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。本実施の形態4が実施の形態3と異なるのは、第1電圧演算部6d、第2電圧演算部7d、および加算器401である。
図13は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態5の構成を示しており、前記実施の形態1〜4と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。本実施の形態5が実施の形態1〜4と異なるのは、第1電圧演算部6e、第2電圧演算部7e、加算器501、加算器502および加算器503である。
以上のように、特許文献1や2のような従来の技術に対し、簡素な構成で、電流制御の応答を1重巻線の交流回転機のレベルまで高めることが可能となる。
上記の実施の形態1〜5の基本電圧演算器5aにおいて、電流指令値に、電流指令値に対する第1巻線の電流、第2巻線の電流の所望の応答周波数以上の周波数帯域の成分が含まれる場合、基本電圧は電流指令値と電気的定数に基づいて演算されることから基本電圧にもその所望の周波数以上の周波数帯域の成分が含まれる。その結果、基本電圧に基づいて交流回転機1aに電圧を印加すると、第1巻線の電流および第2巻線の電流にもその所望の応答周波数以上の周波数帯域の成分が含まれ、例えばその帯域が人間の可聴域の周波数帯域と一致すると、交流回転機から騒音が発生するといった課題がある。本実施の形態6ではこのような課題に対処する例を示す。
式(13)、(14)は電流指令値に対する第1巻線の電流および第2巻線の電流の所望の応答の時定数の1次のローパスフィルタを構成するが、次数は1次に限定しない。
図14は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態7の構成にも適用され、前記実施の形態1〜6と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
従って、その和電圧に基づいて、第1巻線の電圧指令値、第2巻線の電圧指令値を演算し、それら電圧指令値に基づいた電圧を交流回転機1aの第1巻線、第2巻線に印加し、第1巻線および第2巻線に電流を通電した場合、それら電流には所望の応答以上の周波数成分が含まれ、交流回転機から発生する騒音が発生するという課題が生じる。
図15は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態8の構成を示しており、前記実施の形態1〜7と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。本実施の形態8が実施の形態1〜7と異なるのは、基本電圧演算部5cおよび速度演算器801である。
図16は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態9の構成を示しており、前記実施の形態1〜8と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。本実施の形態9が実施の形態1〜8と異なるのは、交流回転機1b、速度検出器2b、すべり角速度演算器901、基本電圧演算部5d、第1電圧演算部6gおよび第2電圧演算部7gにおける加算器902および位置演算器903である。
位置検出器903は、加算器902から得た同期角速度ω1を積分演算することによって、交流回転機1bの位置θを出力する。
次式(21)は、交流回転機1bにおける回転二軸上(d−q軸)の固定子電圧と固定子電流の関係式である。ここで、ω1は同期角速度、ωsはすべり角速度、Rは電機子巻線抵抗、Lsは電機子巻線自己インダクタンス、M12は複数の巻線間の相互インダクタンスを示す。
基本電圧演算部5dでは、電流指令値id*、iq*に基づいて回転二軸(d−q軸)上の基本電圧vdF*、vqF*を演算する構成であるため、まず、式(1)において、電流をid*=i1d=i2d、iq*=i1q=i2qで与えると、次式(22)となる。
図17は、本発明における交流回転機の制御装置の実施の形態10の構成を示しており、前記実施の形態1〜9と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
一般的に、高回転域での出力を稼ぐために、d軸電流を負値にして弱め磁束制御を実施する。その場合、vdは負値となるため、例えば次式(30)で制限する。
Claims (17)
- 第1巻線および第2巻線を有し、回転二軸上で制御演算を行う交流回転機の制御装置において、
前記第1巻線の電流および前記第2巻線の電流をそれぞれ検出する電流検出部と、
前記交流回転機の電流指令値および電気的定数に基づいて基本電圧を算出する基本電圧演算部と、
前記電流指令値と前記基本電圧と前記第1巻線の電流とに基づいて前記第1巻線の電圧指令値を算出する第1電圧演算部と、
前記電流指令値と前記基本電圧と前記第2巻線の電流とに基づいて前記第2巻線の電圧指令値を算出する第2電圧演算部と、
前記第1巻線の電圧指令値に基づいて前記交流回転機の第1巻線に電圧を印加する第1電圧印加部と、
前記第2巻線の電圧指令値に基づいて前記交流回転機の第2巻線に電圧を印加する第2電圧印加部と
を備え、
前記第1電圧演算部は、前記電流指令値、前記基本電圧、前記第1巻線の電流とともに、さらに前記第2巻線の電流に基づいて、前記第1巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記電流指令値と前記第1巻線の電流との偏差である第1偏差、および前記電流指令値と前記第2巻線の電流との偏差である第2偏差を算出し、前記第2偏差に基づいて前記第1偏差を補償することで前記第1巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記第1巻線の電流と前記第2巻線の電流との差電流を算出し、算出した前記差電流に基づいて前記第1巻線の電流と前記電流指令値との偏差を補償することで前記第1巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記第1巻線の電流と前記第2巻線の電流との差電流および和電流を算出するとともに、前記和電流と前記電流指令値との差分を算出し、算出した前記差分を前記差電流に基づいて補償することで前記第1巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記第1巻線の電流と前記第2巻線の電流との差電流および和電流を算出するとともに、前記和電流と前記電流指令値に基づいて和電圧を算出し、
前記第2電圧演算部は、前記差電流と差電流指令値に基づいて差電圧を算出し、
前記第1電圧演算部は、前記和電圧と前記差電圧と前記基本電圧とに基づいて前記第1巻線の電圧指令値を算出し、
前記第2電圧演算部は、前記和電圧と前記差電圧と前記基本電圧とに基づいて前記第2巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項5に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記和電圧と前記差電圧と前記基本電圧との加算値に基づいて前記第1巻線の電圧指令値を算出し、
前記第2電圧演算部は、前記差電圧と前記和電圧との差分に前記基本電圧を加算した値に基づいて前記第2巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項5に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部は、前記和電圧と前記差電圧と前記基本電圧との加算値に基づいて前記第1巻線の電圧指令値を算出し、
前記第2電圧演算部は、前記加算値から前記差電圧を減算した値に基づいて前記第2巻線の電圧指令値を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記基本電圧演算部は、前記電流指令値に対する前記第1巻線の電流および前記第2巻線の電流の所望の応答を応答電流として算出し、算出した前記応答電流に基づいて前記基本電圧を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項8に記載の交流回転機の制御装置において
前記基本電圧演算部は、前記電流指令値にフィルタ処理を施すことで前記応答電流を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項9に記載の交流回転機の制御装置において
前記基本電圧演算部は、前記フィルタ処理を、前記電流指令値に対する前記第1巻線の電流および前記第2巻線の電流の所望の応答に対応する時定数のローパスフィルタ形式で行う
交流回転機の制御装置。 - 請求項8から10のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記第1電圧演算部および前記第2電圧演算部は、前記基本電圧演算部で算出された前記応答電流を前記電流指令値の代わりとして用いる
交流回転機の制御装置。 - 請求項11に記載の交流回転機の制御装置において、
前記交流回転機の回転速度を検出する速度演算器をさらに備え、
前記基本電圧演算部は、前記回転速度と前記電流指令値に基づいて前記基本電圧および前記応答電流を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項1から12のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記電気的定数は、前記交流回転機の電機子巻線抵抗および電機子巻線インダクタンスを含む
交流回転機の制御装置。 - 請求項1から13のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記電気的定数は、多重巻線回転機の磁束鎖交数を含む
交流回転機の制御装置。 - 請求項1から14のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記交流回転機は、同期回転機である
交流回転機の制御装置。 - 請求項1から14のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置において、
前記交流回転機は、誘導回転機であり、
前記電流指令値に基づき前記交流回転機のすべり速度を演算するすべり速度演算器をさらに備え、
前記基本電圧演算部は、前記交流回転機の回転速度と前記すべり速度と前記電流指令値に基づいて前記基本電圧を算出する
交流回転機の制御装置。 - 請求項15または16に記載の交流回転機の制御装置において、
前記電流指令値の内の回転二軸上における一方の電流指令値に制限をかける電流指令制限部をさらに備える
交流回転機の制御装置。
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