JP6325599B2

JP6325599B2 - 同期機の運転方法

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Publication number: JP6325599B2
Application number: JP2016099592A
Authority: JP
Inventors: ウンウリ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: CN106230336A; KR20160141975A; US20160359443A1; EP3101803A1; US10224850B2; JP2016226270A; CN106230336B; KR101993197B1

Description

本発明は、同期機の運転方法に関する。

同期機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍａｃｈｉｎｅ）は、永久磁石の存在の有無によって、永久磁石電動機と、リラクタンス電動機とに区分される。また、永久磁石が存在する永久磁石電動機は、該当永久磁石を回転子に入れる方法によって、埋込型永久磁石電動機と、表面付着型永久磁石電動機とに区分される。

ここで、永久磁石電動機は、誘導電動機よりも効率及び体積当たりの出力に優れている。しかし、永久磁石電動機は、誘導電動機より価格が高いという短所がある。また、永久磁石の無いリラクタンス型電動機は、永久磁石が無いため誘導電動機と価格は似ているが、回転子に電流が流れないため、銅損が無い。それによって、効率が誘導電動機に比べて優れた利点がある。

一方、同期機の損失を鉄損と銅損とに区別するとき、鉄損を除く銅損のみを考慮した場合に、ＭＴＰＡ（ｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｐｅｒａｍｐｅｒｅ）運転をするようになると、同じ出力で最小の電流の大きで運転することであるため、銅損が最小になる運転をすることである。

しかし、従来技術の場合、ＭＴＰＶ（ｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｐｅｒｖｏｌｔａｇｅ）曲線と初期値を設定する部分で、正確な記述がなされていない問題がある。

本発明の目的は、同期機が、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＬｉｍｉｔｅｄ）、及びＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算する同期機の運転方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算する同期機の運転方法を提供することにある。

上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法は、インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、及び前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップとを含むことができる。

実施形態において、前記交点が、前記電流制限円と前記ＭＴＰＡ曲線との交点である場合、前記交点による前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流は、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当できる。

実施形態において、前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップをさらに含むことができる。

実施形態において、前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも小さい場合、数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。

実施形態において、前記の数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。

ここで、Ｆ_Tは、前記トルク曲線を示し、Ｆ_MTPAは、前記ＭＴＰＡ曲線を示し、Ｌ_dは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌ_qは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λ_fは、永久磁石の磁束を示し、ｉ_qは、Ｑ軸電流を示し、ｉ_dは、Ｄ軸電流を示す。

実施形態において、前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも大きく、前記トルク指令に該当するトルクを発生させるための場合、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＬｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。

実施形態において、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＬｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。

ここで、Ｆ_cは、前記電流制限円を示し、Ｆ_Vは、前記電圧制限楕円を示し、ω_rは、前記電動機の回転子速度を示し、Ｒ_sは、前記電動機の固定子抵抗を示す。

実施形態において、前記電流制限円と前記電圧制限楕円との交点がない場合、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＶｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。

実施形態において、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＶｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。

ここで、Ｆ_Vは、前記電圧制限楕円を示し、Ｆ_MPTVは、前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とが接する点を示す曲線である。

実施形態において、前記Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流が収める値を有するように設定することができる。

本発明に係る同期機の運転方法の効果について説明すると、次の通りである。

本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、同期機がＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算することができる。

また、本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算することができる。

本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、定格電流で最大トルクを発生させる運転点であるＭＴＰＡ曲線と電流制限円との交点を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、電圧制限楕円がＭＴＰＡ最大トルク運転点を通ることを示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＣＬＶＬ運転点である電流制限円と電圧制限楕円との交点を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＭＴＰＶ運転点である電圧制限楕円とトルク曲線とが接する点を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。

以下、添付された図面を参照して、本明細書に開示された実施例を詳細に説明するが、図面符号にかかわらず、同一または類似の構成要素は、同じ参照番号を付し、これに対する重複する説明は、省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」及び「部」は、明細書作成の容易さのみを考慮して付与または混用されるものであって、それ自体で、相互区別できる意味または役割を有するわけではない。また、本明細書に開示された実施例を説明するにあたって、関連した公知技術に対する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨を曖昧にする可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付された図面は、本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものであるだけで、添付された図面によって本明細書に開示された技術的思想が限定されず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解すべきである。

第１、第２などのように序数が含む用語は、様々な構成要素を説明するために使用することができるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及した場合には、その他の構成要素に直接連結されているか、または、接続されている場合もあるが、中間に他の構成要素が存在する可能性もあることを理解しなければならない。一方、いくつかの構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか、「直接接続されて」いると言及した場合には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解すべきである。

単数の表現は、文脈上、明らかに異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。

本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、または、これらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、または、これらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解すべきである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。本発明は、本発明の精神及び不可欠な特徴を逸脱しない範囲で他の特定の形態で具体化できることは、当業者にとって自明である。

本発明は、同期機に対し、ＭＴＰＡ運転、弱継磁（ＣＬＶＬ）運転、ＭＴＰＶ運転をする方法に関する。同期機の数学的モデルは、次の数式１の通りである。

そして、トルクは、数式２のようにマグネチックトルクと、リラクタンストルクとに区分される。

まず、埋込型永久磁石電動機は、Ｄ軸インダクタンスとＱ軸インダクタンスがＬ_d＜Ｌ_qである特性を有するため、リラクタンストルクが存在する。

これに対し、表面付着型永久磁石電動機は、Ｌ_d＝Ｌ_qである特性を有するため、リラクタンストルクは、０となり、磁気トルクのみ存在する。

また、リラクタンス電動機は、永久磁石が無いため、λ_f＝０であることから、磁気トルクは、０となり、リラクタンストルクのみ存在する。

つまり、３つの電動機の中で、埋込型永久磁石電動機は、マグネチックトルクとリラクタンストルクのいずれをも有するため、残りの電動機を含む一般化された形で取り扱うことができる。したがって、埋込型永久磁石電動機を基準に、発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を示す図である。図１を参照すると、同期機の運転方法は、Ｓ１１０ステップないしＳ１９０ステップを含む。

まず、インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及び与えられたトルク指令によるトルク曲線を生成する（Ｓ１１０）。ここで、電流制限円及びトルク曲線は、定格電流及びトルク指令に基づいて、予め定められることができる。

そして、Ｓ１１０ステップで生成され、または予め生成された電流制限円及びトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）運転に該当する運転点を表すＭＴＰＡ曲線を生成する（Ｓ１３０）。

そして、ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成する（Ｓ１５０）。インバータは、三相交流電源を整流してＤＣリンク電圧を作り、これをＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換して交流電圧を作るため、インバータが作り出す電圧の大きさは、ＤＣリンク電圧の大きさによって制限される。

そして、Ｓ１１０ステップないしＳ１５０ステップを通じて生成される電流制限円、トルク曲線、ＭＴＰＡ曲線、及び電圧制限楕円をＸＹ平面に示す（Ｓ１７０）。

そして、Ｓ１７０ステップで示したＸＹ平面を分析して、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算する（Ｓ１９０）。具体的には、ＸＹ平面上に存在する電流制限円、トルク曲線、ＭＴＰＡ曲線及び電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。

以下、本発明に係る同期機の運転方法に含まれる各ステップを、関連する数式と共に、より具体的に説明する。

電流制限円は、インバータの定格電流や電動機の定格電流によって発生し、次の数式３の通りである。数式３は、Ｄ軸電流及びＱ軸電流をＸＹ平面に示したとき、円形の領域を表す。

トルク曲線は、トルク指令によって決定でき、前述した数式１の中で最も下の数式と同様である。

そして、Ｓ１１０ステップで生成されたり、または、予め生成された電流制限円及びトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）運転に該当する運転点を表すＭＴＰＡ曲線を生成する（Ｓ１３０）。

ＭＴＰＡ運転は、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法である。

図２は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法を示す図である。

図２を参照すると、一定の大きさを有する固定子電流を示す電流制限円は、青色の円２１０であり、一定の大きさを有するトルク曲線は、ピンク色の曲線２２０である。ピンク色の曲線２２０が上に移動するほど、より大きなトルクを有するようになるため、最大トルクを有するＭＴＰＡ運転点は、二つの曲線２１０，２２０が接する点で存在する。

一方、トルク曲線２２０及び電流制限円２１０のそれぞれを、Ｆ_T＝０、Ｆ_C＝０とし、次の数式４及び数式５のように定義することができる。

そして、任意の点（ｉ_d、ｉ_q）での傾きが同じように式を構成すれば、次の数式６の通りである。

また、数式６を整理すると、次の数式７の通りであり、これは、双曲線の方程式になる。

ここで、数式７をＭＴＰＡ曲線と呼び、これを、次の数式８のように定義することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、定格電流で最大トルクを発生させる運転点であるＭＴＰＡ曲線と電流制限円との交点を示す図である。図３を参照すると、定格電流で最大トルクを作り出す運転点は、ＭＴＰＡ曲線３３０と電流制限円３１０との交点Ａと同様である。

なお、ＤＣリンク電圧に基づいて生成される電圧制限楕円を具体的に説明すると、インバータが作り出す電圧の大きさは、ＤＣリンク電圧の大きさによって制限され、ＳＶＰＷＭ（ｓｐａｖｅｖｅｃｔｏｒＰＷＭ）を用いる場合には、最大Ｖ_dc／√３の相電圧の大きさを有する電圧を合成することができる。埋込型永久磁石電動機に印加される電圧の大きさは、Ｄ軸電圧及びＱ軸電圧から計算され、次の数式９のように示すことができる。

数式９の等号を満足するＤ軸電流及びＱ軸電流を、０≦θ＜２πを満足するθで変数パラメータ化すると、次の数式１０の通りである。

数式１０をみると、電圧制限曲線は、φだけ傾いており、（ｉ_d0、ｉ_q0）だけ中心が移動した楕円であることが分かる。楕円の中心と傾いた角度は、回転子速度によって変わることになる。また、楕円の大きさは、回転子速度が増加するにつれて、小さくなる。

図４は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、電圧制限楕円がＭＴＰＡ最大トルク運転点を通ることを示す図である。

図４を参照すると、電流制限円４１０、トルク曲線４２０、及びＭＴＰＡ曲線４３０を電圧制限楕円４４０と共に示したが、回転子速度が増加するにつれて、電圧制限楕円４４０は小さくなり、電圧制限楕円４４０がＭＴＰＡ最大トルク運転点Ａを通る基準回転子速度をω_rMと定義することができる。そして、基準回転子速度を数式で表すと、次の数式１１の通りである。

図４から分かるように、基準回転子速度（ω_rM）以下の回転子速度では、すべてのトルク指令に対してＭＴＰＡ運転が可能であり、数値解析的方法を介してトルク曲線４２０とＭＴＰＡ曲線４３０とを連立して、電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。

また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。ここで、制約式が２つであるため、２次元Ｎｅｗｔｏｎ法を用いる。２次元関数とその関数のＪａｃｏｂｉａｎは、次の数式１２のように定義することができる。

ここで、Ｆ_Tは、トルク曲線４２０を示し、Ｆ_MTPAは、ＭＴＰＡ曲線４３０を示し、Ｌ_dは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌ_qは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λ_fは、永久磁石の磁束を示し、ｉ_qは、Ｑ軸電流を示し、ｉ_dは、Ｄ軸電流を示す。

電動機の回転子速度が基準回転子速度（ω_rM）以上である場合、トルク指令のサイズによってＭＴＰＡ運転が可能な場合もあり、そうでない場合もある。ＭＴＰＡ運転が可能ではない場合には、トルク指令に該当するトルクを発生するためにＤ軸電流の大きさを減少させなければならず、これを、弱磁束（ＣＬＶＬ、ｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｅｄｖｏｌｔａｇｅｌｉｍｉｔｅｄ）運転という。

図５は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＣＬＶＬ運転点である電流制限円と電圧制限楕円との交点を示す図である。

図５を参照すると、ＭＴＰＡ運転をするには、Ａ点で運転をする必要があるが、Ａ点は、電圧制限楕円５４０の外にあるため、ＭＴＰＡ運転が不可能である。したがって、トルク指令に該当するトルクを発生させるためには、運転点がＢに移動しなければならない。Ｂ点は、電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０との交点Ｂで決定できる。

電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０との交点Ｂは、数値解析的方法を介して電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０とを連立して、電動機がＣＬＶＬ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。

また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。ＣＬＶＬ運転点Ｂを求めるための２次元関数とそのＪａｃｏｂｉａｎ行列は、次の数式１３のように定義することができる。

ここで、Ｆ_cは、電流制限円５１０を示し、Ｆ_Vは、電圧制限楕円５４０を示し、ω_rは、電動機の回転子速度を示し、Ｒ_sは、電動機の固定子抵抗を示す。

図６は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＭＴＰＶ運転点である電圧制限楕円とトルク曲線とが接する点を示す図である。

図６を参照すると、電動機の回転子速度が図５よりさらに増加し、電圧制限楕円６４０が電流制限円６１０の内部に入り込む場合を示す。このような場合、二つの曲線６１０，６４０の交点が無いため、ＣＬＶＬ運転点が存在しない。

したがって、このような場合には、電流制限円６１０と電圧制限楕円６４０との和集合は、電圧制限楕円６４０のそのものになるため、トルク指令に該当するトルクを発生するためには、電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とが接する点Ｃを、運転点として設定することができる。このように設定された運転点Ｃを、ＭＴＰＶ運転点であると言うことができる。

ＭＴＰＶ運転点Ｃは、数値解析的方法を介して電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とを連立して、電動機がＭＴＰＶ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。

また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。Ｎｅｗｔｏｎ法を用いた計算に用いられる２次元関数とＪａｃｏｂｉａｎは、次の数式１４の通りである。

ここで、Ｆ_Vは、電圧制限楕円６４０を示し、Ｆ_MPTVは、電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とが接する点を示す曲線である。

また、前述したＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算するためには、Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値が重要である。これは、初期値によって、不要な解を見つける場合もあるからである。

したがって、Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、Ｄ軸電流及びＱ軸電流が収める値を有するように設定されることが好ましい。

結局、本発明に係る同期機の運転方法は、回転子速度とトルク指令及びＤＣリンク電圧が与えられれば、リアルタイムで電流指令を計算することができる。そして、固定子抵抗を考慮して、電流指令を計算することができ、回転子速度によって運転モードを区分し、Ｎｅｗｔｏｎ法を用いて、電流指令をリアルタイムで計算することができる。

図７及び図８は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。

図７は、トルク指令が正の値を有する場合を示し、図８は、トルク指令が負の値を有する場合を示す。

図７及び図８を参照すると、トルク指令の絶対値が小さくなるほど、トルク指令によるトルク曲線が電流制限円の内部に進入することが分かり、本発明に係る同期機の運転方法を適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。

図９は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。

図９を参照すると、表面付着型永久磁石電動機は、Ｄ軸インダクタンス及びＱ軸インダクタンスがＬ_d＝Ｌ_qである関係にあるため、マグネチックトルクのみ存在し、これは、図９のピンク色の直線と同様である。同様に、本発明に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機に適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を、図９のように容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。

図１０は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。

図１０を参照すると、リラクタンス電動機は、永久磁石を備えないため、λ_f＝０であり、マグネチックトルクは無く、リラクタンストルクのみ存在する。同様に、本発明に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機に適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を、図１０のように容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。

結局、本発明に係る同期機の運転方法は、同期機がＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、ＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算することができ、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス、及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算することができる。

したがって、以上の詳細な説明は、全ての面で制限的に解釈されてはならず、例示的なものとして考慮すべきである。本発明の範囲は、添付された請求項の合理的解釈によって決定すべきであり、本発明の等価的範囲内での全ての変更は、本発明の範囲に含まれる。

２２０トルク曲線
２１０電流制限円
３１０電流制限円
３３０ＭＴＰＡ曲線
４１０電流制限円
４２０トルク曲線
４３０ＭＴＰＡ曲線
４４０電圧制限楕円
５１０電流制限円
５４０電圧制限楕円
６１０電流制限円
６４０電圧制限楕円

Claims

インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、及び前記ＭＴＰＡ曲線の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップと、
を含み、
前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも小さい場合、数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含む、同期機の運転方法。
前記数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項１に記載の同期機の運転方法。
ここで、Ｆ_Tは、前記トルク曲線を示し、Ｆ_MTPAは、前記ＭＴＰＡ曲線を示し、Ｌ_dは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌ_qは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λ_fは、永久磁石の磁束を示し、ｉ_qは、Ｑ軸電流を示し、ｉ_dは、Ｄ軸電流を示す。
インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、及び前記ＭＴＰＡ曲線の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップと、
を含み、
前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも大きく、前記トルク指令に該当するトルクを発生させるための場合、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＬｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含む、同期機の運転方法。
前記数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＬｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項３に記載の同期機の運転方法。
ここで、Ｆ_Cは、前記電流制限円を示し、Ｆ_Vは、前記電圧制限楕円を示し、ω_rは、前記電動機の回転子速度を示し、Ｒ_sは、前記電動機の固定子抵抗を示す。
インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＡｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記電流制限円と前記電圧制限楕円との交点が無い場合、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＶｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップと、
を含む、同期機の運転方法。
前記数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（ＭａｘｉｍｕｍＴｏｒｑｕｅＰｅｒＶｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項５に記載の同期機の運転方法。
ここで、Ｆ_Vは、前記電圧制限楕円を示し、Ｆ_MTPVは、前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とが接する点を示す曲線である。
前記Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流が収める値を有するように設定される、請求項２、４及び６のいずれか一項に記載の同期機の運転方法。