JP6681653B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の制御装置に関し、特にベクトル制御を使用した同期電動機の制御装置に関する。

同期電動機を駆動制御する同期電動機の制御装置は広く用いられているが、例えば負荷が大きく変化するような用途においては、所謂ベクトル制御が使用されている。この場合、駆動用のインバータの定められた容量の範囲内で効率良く同期電動機を駆動・制御するためには、より少ない出力電流とする必要があるため、同期電動機の力率を１に制御することが行われる。このため、負荷によって変化する同期電動機の定数及び同期電動機の諸電流から磁束を演算して同期電動機の負荷角を求め、更に力率が１になるような電流基準を求める提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２０１３−３１２５６号公報（第４―７頁、図１）

特許文献１の手法に依れば、同期電動機の力率を１として運転することが可能となるが、演算に同期電動機の定数を用いる必要があるため、定数の測定を正確に行う必要があるばかりでなく、その定数を負荷に応じて変化させる演算が複雑となる。

本発明は上記問題点を鑑みて為されたもので、その目的は、比較的簡単な手法で同期電動機の力率を１とすることが可能な同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の同期電動機の制御装置は、交流電源から供給される電力を所望の出力電圧及び周波数に変換して同期電動機を駆動するインバータ装置と、前記インバータ装置の出力電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記同期電動機の回転角度を検出する位置検出手段と、前記インバータ装置の出力を制御する駆動制御部とを具備し、前記駆動制御部は、前記位置検出手段の出力を微分して得られる速度帰還が所定の速度基準となるように制御してＱ軸電流基準を出力する速度制御手段と、前記電流検出手段の検出電流を３相−ＤＱ変換してＱ軸帰還電流及びＤ軸帰還電流を得る第１の３相−ＤＱ変換手段と、前記Ｑ軸電流基準と、前記Ｑ軸帰還電流との偏差を０とするように制御してＱ軸電圧基準を出力するＱ軸電流制御手段と、前記Ｄ軸帰還電流が０になるように制御してＤ軸電圧基準を出力するＤ軸電流制御手段と、前記Ｑ軸電圧基準と前記Ｄ軸電圧基準をＤＱ−３相変換して前記インバータ装置の３相出力の各相の電圧基準を得るＤＱ−３相変換手段と、前記各相の電圧基準をＰＷＭ制御して前記インバータ装置を構成するスイッチング素子へのゲート信号を出力するＰＷＭ制御手段と、前記電圧検出手段の検出電圧を３相−ＤＱ変換してＱ軸帰還電圧及びＤ軸帰還電圧を得る第２の３相−ＤＱ変換手段と、前記Ｄ軸帰還電圧が０になるようにＰＩ制御して補正角を出力する電圧制御手段とを有し、前記同期電動機の速度が所定の閾値以上のときは、前記位置検出手段の検出角に前記補正角を加算した値を前記第１の３相−ＤＱ変換手段、前記第２の３相−ＤＱ変換手段及び前記ＤＱ−３相変換手段の基準位相角とし、前記同期電動機の速度が所定の閾値未満のときは、前記位置検出手段の検出角に予め設定した低速時負荷角を加算した値を前期基準位相角とすることを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な手法で同期電動機の力率を１とすることが可能な同期電動機の制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の回路構成図。 本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の説明図。 本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の変形例を示す図。 本発明の実施例２係る同期電動機の制御装置の回路構成図。 本発明の実施例３係る同期電動機の制御装置の回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の回路構成図である。

交流電源１からインバータ装置２に交流が給電される。インバータ装置２はその入力部に図示しないコンバータ部を有しており、コンバータ部は入力された交流を所望の電圧の直流に変換し、図示しないインバータ部に与える。インバータ部は直流を交流電圧に変換して同期電動機３を駆動する。インバータ装置２のインバータ部を構成するパワーデバイスは駆動制御部７から与えられるゲート信号によってオンオフ制御されている。同期電動機３には位置検出手段としてのレゾルバ４が取り付けられており、この出力は位相角ＱＯ＿ＲＥＳとして駆動制御部７に与えられる。また、インバータ装置２の出力側には電流検出器５及び電圧検出器６が設けられ、夫々電流帰還ＩＵ＿Ｆ、ＩＶ＿Ｆ、ＩＷ＿Ｆ並びに電圧帰還ＶＵ＿Ｆ、ＶＶ＿Ｆ、ＶＷ＿Ｆとして駆動制御部７に与えられる。同期電動機３には通常、界磁巻線が設けられ、例えば駆動制御部７から励磁電流が与えられる構成となっているが、その図示は省略している。

次に駆動制御部７の内部構成について説明する。

レゾルバ４によって得られる位相角ＱＯ＿ＲＥＳは、微分器７１によって速度帰還ＳＰ＿Ｆに変換される。外部から与えられる速度基準ＳＰ＿Ｒとこの速度帰還ＳＰ＿Ｆは減算器７２によってその差分が演算され、速度制御器７３に与えられる。速度制御器７３は通常はＰＩ制御器である。そして速度制御器７３は与えられた差分が最小となるように調節制御してＱ軸電流基準ＩＱ＿Ｒを出力する。またＤ軸電流基準ＩＤ＿Ｒは０に設定しておく。

電流検出器５の出力は３相−ＤＱ変換器８０に与えられ、基準位相角ＱＯに基づいて２軸の電流帰還ＩＤ＿Ｆ及びＩＱ＿Ｆに変換する。ここでＩＤ＿Ｆ及びＩＱ＿Ｆは直流量であり、また基準位相角ＱＯはレゾルバ４が検出する位相角ＱＯ＿ＲＥＳに後述する角度補正選択器８７の出力である補正角ＱＯ＿Ｌを加算器８８で加算して補正された位相角である。

０に設定されたＤ軸電流基準ＩＤ＿Ｒと、Ｄ軸電流帰還ＩＤ＿Ｆは減算器７４によってその差分が演算され、電流制御器７６に与えられる。また、Ｑ軸電流基準ＩＱ＿ＲとＱ軸電流帰還ＩＱ＿Ｆは減算器７５によってその差分が演算され、電流制御器７７に与えられる。電流制御器７６、７７は通常はＰＩ制御器である。電流制御器７６及び電流制御器７７は、与えられた差分が最小となるように調節制御して夫々Ｄ軸電圧基準ＥＤ＿Ｒ及びＱ軸電圧基準ＥＱ＿Ｒを出力する。Ｄ軸電圧基準ＥＤ＿Ｒ及びＱ軸電圧基準ＥＱ＿ＲはＤＱ−３相変換器７８に与えられ、ＤＱ−３相変換器７８は基準位相角ＱＯに基づいて３相の電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ、ＥＷ＿Ｒを出力する。この３相電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ、ＥＷ＿ＲはＰＷＭ制御器７９に与えられる。ＰＷＭ制御器７９はインバータ装置２のインバータ部の各相の出力電圧が３相電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ、ＥＷ＿Ｒとなるようにインバータ部の各パワーデバイスに対して、ＰＷＭ変調されたゲート信号を供給する。

電圧検出器６で検出された３相電圧ＶＵ−Ｆ、ＶＶ−Ｆ、ＶＷ−Ｆは３相−ＤＱ変換器８１に与えられ、基準位相角ＱＯに基づいて２軸の電圧帰還ＥＤ＿Ｆ及びＥＱ＿Ｆに変換される。ここでＥＤ＿Ｆ及びＥＱ＿Ｆは直流量であり、また基準位相角ＱＯは上述の通り補正された位相角である。Ｄ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆ及びＱ軸電圧帰還ＥＱ＿Ｆは絶対値演算器８２に与えられ、Ｄ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆは除算器８３によってこの絶対値演算器８２の出力で除算される。すなわち除算器８３の出力はＤ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆが同期電動機３の速度に依らず一定の値となるように正規化された値となる。そして除算器８３の出力はフィルタ８４を介して減算器８５の負側入力に与えられる。減算器８５の正側入力には０が与えられ、ＰＩ制御器である電圧制御器８６はＤ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆが０になるように調節制御して補正角ＱＯ＿Ｌを出力する。この補正角ＱＯ＿Ｌは、角度補正選択器８７のＢ端子を介して加算器８８に与えられる。従って角度補正選択器８７が電圧制御器８６の出力を選択しているときは、３相−ＤＱ変換器８１の出力であるＤ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆを０とするように補正角ＱＯ＿Ｌを決めるようなフェイズロックドループ（ＰＬＬ）が動作し、ＱＯ＝ＱＯ＿ＲＥＳ＋ＱＯ＿Ｌが成立する。尚、この補正角ＱＯ＿Ｌは、後述するように同期電動機３の負荷に応じて変化する負荷角に相当する。角度補正選択器８７は切替速度検出器９０によって出力する信号入力が選択される回路とする。角度補正選択器８７は切替速度検出器９０の出力が０の場合はＡ端子から入力される信号を出力し、切替速度検出器９０の出力が１の場合はＢ端子から入力される信号を出力する。低速時負荷角設定器８９の出力は角度補正選択器８７のＡ端子に入力される。

ところで、同期電動機３の運転速度が低速になると、電圧検出器６の検出電圧に誤差が生じるため、結果として補正角ＱＯ＿Ｌに誤差が生じると共に、変動が大きくなって不安定となる。このため、切替速度検出器９０によって速度帰還ＳＰ＿Ｆを監視し、同期電動機３の速度が所定のＮ０より大きい場合は切替速度検出器９０は１を出力して上述の通り角度補正選択器８７は電圧制御器８６の出力を選択（Ｂ端子を出力選択）して上述のＰＬＬを動作させるようする。そして、速度がＮ０未満となったときには切替速度検出器９０は０を出力して、角度補正選択器８７は低速時負荷角設定器８９によって設定された低速時負荷角δ_０を選択（Ａ端子を出力選択）するようにする。

以上の構成における動作を図２に示すベクトル図で以下説明する。図２において横軸はセンサＤ軸であり、縦軸はセンサＱ軸である。センサＤ軸は同期電動機３の界磁の磁極方向とする。このとき界磁磁極による同期電動機３の誘起電圧Ｅ０は、図示するようにセンサＱ軸の方向となる。また、例えばレゾルバ４の検出位相がセンサＱ軸と一致したとき検出位相角ＱＯ＿ＲＥＳ＝０°と定義する。この状態で上述したようなＰＬＬが動作すると、ＤＱ変換のための基準位相角ＱＯは補正角ＱＯ＿Ｌだけシフトして、図示のＤ軸（ＰＬＬ時）、Ｑ軸（ＰＬＬ時）の直交座標に基づいて変換が行われる。そして、Ｄ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆを０とするＰＬＬの動作によって、ＰＬＬ時のインバータ装置２の出力電圧はＱ軸電圧基準ＥＱ＿Ｒのみとなる。同様に、電流制御器７６によってＤ軸電流基準ＩＤ＿Ｒを０とする制御を行っているので、ＰＬＬ時のインバータ装置２の出力電流はＱ軸電流基準ＩＱ＿Ｒのみとなる。従って、インバータ装置２の出力電圧と出力電流は同相となり、力率１が達成される。そして、図に示すように、補正角ＱＯ＿Ｌは同期電動機３の端子電圧と誘起電圧の位相差を示しているのでこの補正角ＱＯ＿Ｌは同期電動機３の負荷角に相当することになる。

次に実施例１における切替速度検出器９０の変形例である切替速度検出器９０Ａの入出力特性を図３示す。図３に示したように、切替速度検出器９０Ａには所謂ヒステリシス特性を持たせている。すなわち、速度がＮ０未満のときは切替速度検出器９０は０を出力して低速時負荷角設定器８９の出力を選択（Ａ端子を出力選択）するが、速度が上昇してＮ０を超えてもその出力は０のままとし、速度がＮ１となったとき始めて出力を１とする。同様に速度がＮ１以上のときは切替速度検出器９０は１を出力して電圧制御器８６の出力を選択（Ｂ端子を出力選択）するが、速度が下降してＮ１以下となってもその出力は１のままとし、速度がＮ０となったとき始めて出力を０とする。このように切替速度検出器９０にヒステリシス特性を持たせれば、切替速度付近における無用のチャタリングによって制御が不安定となることを防止することができる。

以下、本発明の実施例２に係る同期電動機の制御装置を、図４を参照して説明する。図４は本発明の実施例２に係る同期電動機の制御装置の回路構成図である。

この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、切替速度検出器９０と情報をやりとりして切替速度検出器９０の出力が１から０になる直前のタイミングを検出する速度下降切替検出器９１を設けた点、この速度下降切替検出器９１の出力信号によって、電圧制御器８６の出力である補正角ＱＯ＿Ｌの値をホールドする負荷角ホールド回路９２を設けた点、更に角度補正選択器８７Ａによって負荷角ホールド回路９２の出力も選択可能な構成とした点である。

負荷角ホールド回路９２は速度下降切替検出器９１の出力信号により入力信号をホールドして出力する。角度補正選択器８７Ａには入力端子Ｃが追加されている。負荷角ホールド回路９２の出力は角度補正選択器８７Ａの入力端子Ｃに接続される。同期電動機３の起動時に切替速度検出器９０の出力が０の間は、角度補正選択器８７Ａは端子Ａを出力選択し、同期電動機３の速度が上昇し切替速度検出器９０の出力が１になった場合は、角度補正選択器８７Ａは端子Ｂを出力選択する。そして、同期電動機の速度が低下し、切替速度検出器９０の出力が１から０´に変化した場合は角度補正選択器８７Ａは端子Ｃを出力選択する。

このような構成とすることによって、同期電動機３の運転速度が減速してきて切替速度であるＮ０になったとき、まずその時点の負荷角である補正角ＱＯ＿Ｌをホールドし、そのあと、速度下降切替検出器９１が切替速度検出器９０の出力を１から０´に変更させる。そしてこの切替出力信号０´によって角度補正選択器８７Ａは低速時負荷角設定器８９の出力である低速時負荷角δ_０ではなく負荷角ホールド回路９２でホールドされた補正角ＱＯ＿ＬＨを選択する。このように制御することによって、低速時負荷角設定器８９の出力である低速時負荷角δ_０が適切な値でなかったときの過渡擾乱を抑制し、また、負荷の変化が少ない場合には力率０を維持したまま低速運転に入ることができる。

以下、本発明の実施例３に係る同期電動機の制御装置を、図５を参照して説明する。図５は本発明の実施例３に係る同期電動機の制御装置の回路構成図である。

この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、以下である。

すなわち、ＰＩ制御器である電圧制御器８６Ａに、ＰＩ制御の積分回路の初期値を設定可能とする初期値設定入力端子と積分回路のイネーブル端子を設け、イネーブル端子からの信号が成立したとき、初期値設定入力端子からの信号を積分回路の初期値としてＰＩ制御を開始するように電圧制御器８６Ａを構成し、初期値設定入力端子に低速時負荷角設定器８９の出力である低速時負荷角δ_０を接続し、切替速度検出器９０の出力を電圧制御器８６Ａのイネーブル端子に与えるようにした点である。

このような構成とすることによって、電圧制御器８６Ａの出力の初期値は低速時負荷角δ_０と等しくなる。同期電動機３の運転速度が起動時から加速してきて切替速度であるＮ０またはＮ１になったとき、切替速度検出器９０の出力は０から１に変化する。このとき、電圧制御器８６Ａの出力の初期値は低速時負荷角δ_０と等しい。よって、角度補正選択器８７が入力信号の選択を低速時負荷角設定器８９の出力であるＡ端子から電圧制御器８６Ａの出力であるＢ端子に変更しても角度補正選択器８７の出力は不連続な変化を起こさないことになる。

角度補正選択器８７が電圧制御器８６Ａの出力を選択すると、Ｄ軸電圧帰還ＥＤ＿Ｆを０とするようなＰＬＬ動作が開始する。このような実施例３の構成を採用することによって、速度上昇時の切替速度検出器９０と角度補正選択器８７による負荷角の切替をスムースに行うことが可能となる。

以上本発明の実施例を説明したが、これは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１のレゾルバ４に代えて速度検出器を用いても良い。その場合は速度帰還を積分して検出角情報を得るようにする。

また、図１のフィルタ８４はＰＷＭ制御のキャリア等の高調波を除去するものであるので、３相−ＤＱ変換器の入力側または出力側に入れるようにしても良い。

また、通常低速時負荷角δ_０は、同期電動機３が駆動する負荷の負荷特性から所定の値を設定するが、実施例２で述べた負荷角ホールド回路９２でホールドされた補正角ＱＯ＿ＬＨを用いても良い。負荷特性が運転状況によって変化するような場合は、同期電動機３の運転を繰り返す度に低速時負荷角δ_０を新たな補正角ＱＯ＿ＬＨに自動的に更新するようにしても良い。

更に、実施例２と実施例３とを組み合わせて実施することが可能であることは明らかである。

１ 交流電源
２ インバータ装置
３ 同期電動機
４ レゾルバ
５ 電流検出器
６ 電圧検出器
７ 駆動制御部
７１ 微分器
７２ 減算器
７３ 速度制御器
７４、７５ 減算器
７６、７７ 電流制御器
７８ ＤＱ／３相変換器
７９ ＰＷＭ制御器
８０、８１ ３相／ＤＱ変換器
８２ 絶対値演算器
８３ 除算器
８４ フィルタ
８５ 減算器
８６、８６Ａ 電圧制御器
８７、８７Ａ 角度補正選択器
８８ 加算器
８９ 低速時負荷角設定器
９０、９０Ａ 切替速度検出器
９１ 速度下降切替検出器
９２ 負荷角ホールド回路

Claims (4)

1. 交流電源から供給される電力を所望の出力電圧及び周波数に変換して同期電動機を駆動するインバータ装置と、
   前記インバータ装置の出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記インバータ装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記同期電動機の回転角度を検出する位置検出手段と、
   前記インバータ装置の出力を制御する駆動制御部と
   を具備し、
   前記駆動制御部は、
   前記位置検出手段の出力を微分して得られる速度帰還が所定の速度基準となるように制御してＱ軸電流基準を出力する速度制御手段と、
   前記電流検出手段の検出電流を３相−ＤＱ変換してＱ軸帰還電流及びＤ軸帰還電流を得る第１の３相−ＤＱ変換手段と、
   前記Ｑ軸電流基準と、前記Ｑ軸帰還電流との偏差を０とするように制御してＱ軸電圧基準を出力するＱ軸電流制御手段と、
   前記Ｄ軸帰還電流が０になるように制御してＤ軸電圧基準を出力するＤ軸電流制御手段と、
   前記Ｑ軸電圧基準と前記Ｄ軸電圧基準をＤＱ−３相変換して前記インバータ装置の３相出力の各相の電圧基準を得るＤＱ−３相変換手段と、
   前記各相の電圧基準をＰＷＭ制御して前記インバータ装置を構成するスイッチング素子へのゲート信号を出力するＰＷＭ制御手段と、
   前記電圧検出手段の検出電圧を３相−ＤＱ変換してＱ軸帰還電圧及びＤ軸帰還電圧を得る第２の３相−ＤＱ変換手段と、
   前記Ｄ軸帰還電圧が０になるようにＰＩ制御して補正角を出力する電圧制御手段と
   を有し、
   前記同期電動機の速度が所定の閾値以上のときは、前記位置検出手段の検出角に前記補正角を加算した値を前記第１の３相−ＤＱ変換手段、前記第２の３相−ＤＱ変換手段及び前記ＤＱ−３相変換手段の基準位相角とし、
   前記同期電動機の速度が所定の閾値未満のときは、前記位置検出手段の検出角に予め設定した低速時負荷角を加算した値を前記基準位相角とすることを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 前記所定の閾値にヒステリシス特性を持たせ、
   前記同期電動機の速度が第１の設定速度未満のときは前記位置検出手段の検出角に前記低速時負荷角を加算した値を前記基準位相角とし、前記同期電動機の速度が上昇し前記第１の設定速度より大きい第２の設定速度になったとき始めて前記補正角に前記低速時負荷角を加算した値を前記基準位相角とし、前記同期電動機の速度が第２の設定速度以上のときは前記位置検出手段の検出角に前記補正角を加算した値を前記基準位相角とし、前記同期電動機の速度が下降し前記第１の設定速度未満になったとき始めて前記位置検出手段の検出角に前記低速時負荷角を加算した値を前記基準位相角とすることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
3. 前記駆動制御部は、
   前記同期電動機が減速してその速度が前記所定の閾値未満となるとき、
   前記電圧制御手段の出力をホールドし、
   このホールドされた補正角を前記低速時負荷角に代えて使用するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期電動機の制御装置。
4. 前記駆動制御部は、
   前記同期電動機が加速してその速度が前記所定の閾値以上となるとき、
   前記電圧制御器の積分出力の初期値を前記低速時負荷角となるようにした後、
   前記位置検出手段の検出角に前記補正角を加算した値を前記基準位相角とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の同期電動機の制御装置。

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