JP6082606B2

JP6082606B2 - 脱調検出方法、及び電力変換装置

Info

Publication number: JP6082606B2
Application number: JP2013014984A
Authority: JP
Inventors: 雄作小沼
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: EP2953262A1; EP2953262B1; EP2953262A4; CN104956586A; CN104956586B; WO2014119125A1; JP2014147239A

Description

本発明は、回転位置検出器を用いない同期電動機駆動制御における、脱調検出方法、及び電力変換装置に関する。

永久磁石同期電動機に代表される同期電動機の駆動には、同期電動機の回転子磁極位置に応じて電流を制御する必要があり、その制御に電力変換装置が用いられる。前記駆動制御には回転子磁極位置情報が不可欠であり、位置検出器を用いて回転子磁極位置を検出することが一般的である。しかし、位置検出器の価格や耐環境性等の問題から、近年、同期電動機の電圧や電流等から回転子磁極位置を推定し、同期電動機を駆動する様々な方法が提案されている。

同期電動機の駆動において、急峻な負荷変動等の要因により、制御軸と回転子磁極軸が同期回転しない状態、すなわち脱調が発生した場合には、駆動制御不能状態に陥るため、速やかに電力変換装置を停止させることが望まれている。この時、位置検出器を用いている場合には、脱調を防止するように駆動制御することや、脱調の発生を容易に検出することが可能である。しかし、位置検出器を用いていない場合には、脱調を完全に防止するように駆動制御することや、脱調の発生を検出することは困難である。

位置検出器を用いずに脱調を検出する方法として、例えば、特許文献１に記載されている方法がある。特許文献１では、「センサレス制御を行うための永久磁石形同期電動機の制御装置において、電動機の端子電圧相当値、電機子電流に比例する電機子抵抗電圧降下演算値及び電機子反作用磁束演算値、電機子電流の時間微分値に比例する過渡電圧演算値、並びに、速度演算値を用いて拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算器と、拡張誘起電圧からその角度を演算する角度演算器と、拡張誘起電圧の角度を増幅して速度演算値を求める速度演算器と、速度演算値を増幅して磁極位置演算値を求める磁極位置演算器と、拡張誘起電圧の角度から脱調を検出する脱調検出器と、を備える永久磁石形同期電動機の制御装置」（要約書）が開示されている。

特開２００８−２７８５９５号公報

坂本潔、岩路善尚、遠藤常博、「軸誤差の直接推定演算による永久磁石同期モータの位置センサレス制御」、平成１２年電気学会産業応用部門全国大会論文集［ＩＩＩ］、Ｎｏ．９７、ｐ．９６３−９６６、平成１２年８月

特許文献１にて開示されている脱調検出方法は、例えば電機子電流検出値に重畳されるノイズの影響により、拡張誘起電圧の角度が瞬時的に跳躍し、所定の閾値を超えてしまった場合、脱調を誤検出してしまう。また、前記ノイズの影響を排除するためにローパスフィルタ等を用いると、拡張誘起電圧の角度が高周波で脈動するような脱調が発生した場合に、脱調を検出できない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、同期電動機の駆動制御を行う電力変換装置において、位置検出器を用いることなく、ノイズの影響を受けない信頼性の高い脱調検出方法及び電力変換装置を提供することにある。

直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、電圧指令に基づき前記スイッチング回路のオン、オフを制御するスイッチング制御信号を出力するＰＷＭ制御器と、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、該電圧指令と前記電流検出器で検出した電流とに基づいて制御軸と該同期電動機の回転子磁極軸との軸誤差を推定する軸誤差推定器と、前記軸誤差推定器で推定した軸誤差の任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出器と、前記周波数成分抽出器で抽出した周波数成分に基づいて脱調か否かを判断する脱調判断部と、を備える電力変換装置である。

本発明により、同期電動機の駆動制御を行う電力変換装置において、位置検出器を用いることなく、ノイズの影響を受けない信頼性の高い脱調検出方法及び電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１における電力変換装置の実施形態構成の一例である。正常時及び脱調時における、制御軸と回転子磁極軸との関係の一例である。正常時及び脱調時における、軸誤差と軸誤差における印加電圧周波数の整数倍成分波形の一例である。

以下、本発明の実施例について、図を用いながら説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付しており、それらについての重複した説明は省略する。

図１は、実施例１における電力変換装置の実施形態構成の一例である。

３相交流電源１より入力された３相交流電圧は、整流回路２により整流され、平滑回路３により平滑される。

スイッチング回路４は、平滑回路３にて平滑された電圧、すなわち直流電圧を、３相交流電圧に変換し、３相交流同期電動機６に印加する。

ＰＷＭ制御器７は、電圧指令に基づいた電圧が３相交流同期電動機６に印加されるように、スイッチング回路４のオン、オフを制御するスイッチング制御信号を出力する。

電流検出器５は、３相交流同期電動機６に流れる３相交流電流を検出する。２相のみを検出し、３相交流の総和が零であることから、残りの１相を算出してもよい。また、平滑回路３の正極側または負極側にシャント抵抗を設け、このシャント抵抗に流れる電流から３相交流電流を推定してもよい。

軸誤差推定器８は、電圧指令と検出電流から制御軸と３相交流同期電動機６の回転子磁極軸との軸誤差を推定する。電圧指令と検出電流から軸誤差を推定する手段としては、例えば非特許文献１に記載の手段がある。非特許文献１では、永久磁石同期電動機の数学モデルから誘起電圧を直接求め、その誘起電圧から軸誤差を推定している。

周波数成分抽出器１０は、推定軸誤差の任意の周波数成分を抽出する。任意の周波数成分は、例えばフーリエ変換で抽出することが可能である。抽出する周波数成分は、複数の周波数帯であってもよい。また、抽出する周波数成分の周波数帯は、３相交流同期電動機６の駆動制御状態、例えば制御軸の回転周波数に依存して変化させてもよい。

脱調判断部９は、抽出周波数成分と予め設定された閾値とを用いて脱調の判断を行い、脱調信号を出力する。なお閾値は、３相交流同期電動機６の駆動状況、例えば周波数や電圧、電流等に依存して変化させてもよい。また、外部から与えられる信号や設定により変化してもよい。抽出周波数成分が複数ある場合には、それぞれに対して閾値を設定し、すくなくとも１つ以上の組み合わせより脱調と判断してもよい。

脱調信号がＰＷＭ制御器７に入力されると、ＰＷＭ制御器７はスイッチング回路４の全てのスイッチを強制的にオフし、スイッチング回路４の出力を遮断、または警報情報を出力する。なお、スイッチング回路４の出力遮断と警報情報の出力は、少なくともどちらか一方を行えばよい。

図２は、正常時及び脱調時における、制御軸と回転子磁極軸との関係の一例である。

正常時には、制御軸と回転子磁極軸は、３相交流同期電動機６に印可する電圧の周波数で同期回転する。一方、脱調時には３相交流同期電動機６の回転は停止するため、回転子磁極軸も停止し、制御軸のみ３相交流同期電動機６に印可する電圧の周波数で回転する。

図３は、正常時及び脱調時における、軸誤差と軸誤差における印加電圧周波数の整数倍成分波形の一例である。

正常時には、制御軸と回転子磁極軸が一致して同期回転するため、軸誤差は零となる。一方、脱調時の軸誤差は印加電圧周波数の整数倍で脈動するため、その周波数成分は零以外の一定値を有する。

従って、推定軸誤差における電圧指令周波数の整数倍成分を、周波数成分抽出器１０にて抽出し、脱調判断部９にて設定閾値と比較することにより、脱調を検出することが可能である。

また、図３に示すように、脱調時の軸誤差における印加電圧周波数の整数倍成分は零以外の一定値を有する。そのため、抽出周波数成分に、高周波成分を排除するローパスフィルタや移動平均等を用いても、ノイズ等の脱調検出に不必要な周波数成分のみを排除することができ、安定した脱調検出が可能である。

さらに、脱調が検出できることにより、脱調による駆動制御不能状態の継続を防止することも可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１３相交流電源
２整流回路
３平滑回路
４スイッチング回路
５電流検出器
６３相交流同期電動機
７ＰＷＭ制御器
８軸誤差推定器
９脱調判断部
１０周波数成分抽出器

Claims

直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、電圧指令に基づき前記スイッチング回路のオン、オフを制御するスイッチング制御信号を出力するＰＷＭ制御器と、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、該電圧指令と前記電流検出器で検出した電流とに基づいて制御軸と該同期電動機の回転子磁極軸との軸誤差を推定する軸誤差推定器と、前記軸誤差推定器で推定した軸誤差の任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出器と、前記周波数成分抽出器で抽出した周波数成分に基づいて脱調か否かを判断する脱調判断部と、を備える電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置において、前記周波数成分抽出器にて抽出する軸誤差の周波数成分が、制御軸の回転周波数の整数倍であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、前記脱調判断部にて脱調状態であると判断された場合に、前記スイッチング回路の出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記脱調判断部にて脱調状態であると判断された場合に、前記ＰＷＭ制御器は前記スイッチング回路の全てのスイッチをオフして出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記脱調判断部にて脱調状態であると判断された場合に、前記ＰＷＭ制御器は警報情報を出力することを特徴とした電力変換装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記脱調判断部では、前記周波数成分抽出器で抽出した周波数成分と予め定めた閾値とに基づいて脱調か否かを判断することを特徴とする電力変換装置。
同期電動機に流れる電流を検出する電流検出工程と、電圧指令と前記電流検出工程で検出した電流とに基づいて制御軸と該同期電動機の回転子磁極軸との軸誤差を推定する軸誤差推定工程と、前記軸誤差推定工程で推定した軸誤差の任意の周波数成分を抽出する周波数成分抽出工程と、前記周波数成分抽出工程で抽出した周波数成分に基づいて脱調か否かを判断する脱調判断工程と、を備える脱調検出方法。
請求項７記載の脱調検出方法において、前記周波数成分抽出工程にて抽出する軸誤差の周波数成分が、制御軸の回転周波数の整数倍であることを特徴とする脱調検出方法。
請求項７または請求項８に記載の脱調検出方法であって、前記脱調判断工程にて脱調状態であると判断された場合に、該同期電動機への出力を遮断することを特徴とする脱調検出方法。
請求項７乃至９のいずれかに記載の脱調検出方法であって、前記脱調判断工程にて脱調状態であると判断された場合に、スイッチング回路の全てのスイッチをオフして該同期電動機への出力を遮断することを特徴とする脱調検出方法。
請求項７乃至１０のいずれかに記載の脱調検出方法であって、前記脱調判断工程にて脱調状態であると判断された場合に、警報情報を出力することを特徴とした脱調検出方法。
請求項７乃至１１のいずれかに記載の脱調検出方法であって、前記脱調判断工程では、前記周波数成分抽出工程で抽出した周波数成分と予め定めた閾値とに基づいて脱調か否かを判断することを特徴とする脱調検出方法。