JP6755642B2 - 同期電動機を始動させるための制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機を始動させるために使用される制御方法に関する。

また、本発明は、前記制御方法を実施するように構成された制御ユニットを備える電力変換器に関する。

同期電動機を始動するために、その回転子（rotor）の位置を把握することが必要となる。開ループ動作、すなわち、機械的な（速度または位置）センサを使用しない場合では、電動機の回転子の位置を推定するための方法が存在する。解決策の１つは、出力相で直流を導入し、回転子が整列するまで回転子を回転させることである。

米国特許第７，２０２，６１８号明細書では、所与の期間、電動機の各位相に電圧パルスを送り、電動機の位相で循環した電流のピークを決定する、別の解決策が提案されている。その場合、各位相に対して得られる電流を比較することにより、電流間の関係に基づき、回転子の初期位置を算出することができる。

しかしながら、これらの解決策は、使用する全体構造に対して必ずしも適切ではない。実際に、可変速駆動装置（variable speed drive）は、正弦波フィルタと、変圧器と、長ケーブルとを介して永久磁石同期電動機に接続されている場合、電動機の回転子の位置を決定するための既知の解決策は、動作上、適切ではない。直流電流の長時間導入、したがって、直流電圧の印加は、変圧器を飽和させる傾向があり、したがって、何らかの位置検出を妨げる。実に単純に電圧パルスを含む第２の解決策は、可変速駆動装置と電動機との間に受動フィルタリング要素が存在することにより適用することができない。

したがって、本発明の目的は、上記したような、すなわち、正弦波フィルタと、変圧器と、長ケーブルとを含むような構造に一体化されても、同期電動機の始動を可能にする制御方法を提供することである。

この目的は、同期電動機に３つの出力相により接続された電力変換器の制御ユニットで使用される制御方法により実現され、前記制御ユニットは、同期電動機を制御するための主制御則（main control law）を実施するように構成され、前記制御方法は、同期電動機の始動時に前記主制御則を置き換えるように構成され、前記制御方法は、
基準電流に応じて出力相に印加される電圧を決定する第１のステップであって、前記基準電流は、同期電動機を始動するのに必要な第１の閾値よりも少なくとも高い値を有する、第１のステップと、
固定子周波数に応じて固定子（stator）に印加される周波数を決定する第２のステップであって、前記固定子周波数は、第２の所与の閾値よりも高く選択される第２のステップと、
固定子周波数の逆数に少なくとも等しい所与の期間（given duration）、印加される固定子周波数で同期電動機の回転子が回転することを可能にするように第１のステップおよび第２のステップを適用するステップと、
回転子が前記固定子周波数に対応する速度で回転すると、同期電動機を主制御則に切り替えるステップとを備える。

本発明の制御方法の特有の特徴によれば、基準電流は、第１のステップの間、一定値に保たれる。

別の特有の特徴によれば、前記制御方法は、基準電流を前記一定値まで上昇させるように基準電流に傾斜（ramp）を適用する先行ステップを含む。

別の特有の特徴によれば、固定子周波数も、第２のステップの間、一定値に保たれる。

別の特有の特徴によれば、前記方法は、主制御則に切り替えるステップの前に、基準電流を第１の閾値未満に低減するステップを備える。

また、本発明は、同期電動機を制御するシステムであって、前記システムは、同期電動機を制御するように実行可能な主制御則を有する制御ユニットと、同期電動機の始動時に、前記主制御則を置き換えるための始動シーケンスと、を備えるシステムに関し、前記制御ユニットは、
基準電流に応じて出力相に印加される電圧を決定する第１のモジュールであって、前記基準電流は、同期電動機を始動するのに必要な第１の閾値よりも少なくとも高い値を有する第１のモジュールと、
固定子周波数に応じて固定子に印加される周波数を決定する第２のモジュールであって、前記固定子周波数は、第２の所与の閾値よりも高く選択され、前記第１のモジュールと前記第２のモジュールは、固定子周波数の逆数に少なくとも等しい所与の期間、印加された固定子周波数で同期電動機の回転子が回転することを可能にするように実行される、第２のモジュールと、
回転子が前記固定子周波数に対応する速度で回転すると、同期電動機を主制御則に切り替えるモジュールとを備える。

有利には、前記制御システムは、同期電動機に３つの出力相により接続され、前記制御ユニットにより制御される電力変換器を有する。

有利には、電力変換器は、正弦波フィルタおよび変圧器を介して同期電動機に接続されている。

他の特徴および利点は、添付図面を参照して提供される以下の詳細な説明から明確になるであろう。

本発明による制御方法を特に使用することができる構造の一例である。 同期電動機を始動するために使用される本発明による制御方法を模式的に示す図である。 本発明による始動シーケンスを示す電流曲線および周波数曲線である。 図３Ａおよび図３Ｂに示すシーケンスの実施形態の一変化例である。

本制御方法は、制御ユニットＵＣで実現され、同期型の電動機の始動を可能にするように構成される。有利には、電動機Ｍは、三相永久磁石同期型である。

有利には、制御ユニットＵＣは、可変速駆動装置型Ｄの電力変換器の内部に配置することができる。

特に、この方法は、永久磁石同期電動機Ｍが、正弦波フィルタＳＦと、変圧器ＴＲと、例えば、２キロメートルよりも長い長さを有する長ケーブルＣとを介して可変速駆動装置Ｄに接続されている場合に、永久磁石同期電動機Ｍの始動を制御するのに適切である。この構造を図１に示す。以下の説明では、本発明による方法は、この構造と関連して説明される。しかしながら、本発明による方法はまた、異なる構造に対して実現することができることを理解すべきである。

図１を参照すると、可変速駆動装置Ｄは、３つの入力相Ｒ、Ｓ、およびＴにより送電網Ｎの上流に接続されている。既知の方法では、可変速駆動装置Ｄは、整流器（例えばダイオードブリッジ型）で構成された入力段を有し、この整流器は、送電網Ｎにより供給される交流電圧を整流するように構成されている。可変速駆動装置Ｄはまた、整流器に接続された連続的電力供給バスを有し、１つまたは複数のバスコンデンサにより互いに接続された２つの電力供給線を備える。可変速駆動装置はまた、連続的電力供給バスにより供給される直流電圧を受け取るインバータで構成された出力段を有し、可変電圧を、同期電動機Ｍに出力するように制御される。図１に示す構造では、可変速駆動装置Ｄは、３つの出力相Ｕ、Ｖ、Ｗによりその出力で正弦波フィルタＳＦに接続されている。既知の方法では、正弦波フィルタは、電動機電圧を、正弦波である位相の間で供給することを可能にする低域通過フィルタである。正弦波フィルタＳＦは、低電圧を高電圧に変換する機能を有する変圧器ＴＲに接続された部分に対する。その場合、変圧器ＴＲは、長ケーブルを介して同期電動機Ｍに接続されている。本発明による制御方法は、特に、ケーブルが２キロメートルよりも長い場合に効果的である。図１では、追加のワイヤが、アースへの接続のために使用される。

既知の方法では、可変速駆動装置Ｄの制御ユニットＵＣは、主制御則Ｌを使用し、インバータを制御し、電動機Ｍが動作するのに必要な出力電圧を決定する（図２のブロックＢ１）。従来は、この主制御則Ｌは、その入力で基準トルク電流（図示せず）を決定する基準速度（または周波数）ωｒｅｆを有する。主制御則Ｌはまた、その入力で基準磁束電流Ｉｄｒｅｆを受け取る。基準トルク電流と、基準磁束電流と、磁束電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの測定値および推定値とに基づき、各出力相に印加される単一電圧Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３を決定する基準電圧ＶｄｒｅｆおよびＶｑｒｅｆを決定する（ブロックＢ４）。

同期電動機Ｍが始動すると、回転子の位置は、可変速駆動装置Ｄの制御ユニットＵＣにとって未知であり、主制御則Ｌの実施を妨げる。同期電動機Ｍが始動する場合、特定のシーケンスを実施して、回転子の位置を確実に把握しなければならない。本発明による制御方法を用いることにより、電動機の回転開始シーケンスＳＴ（図２）を生成することが可能である。したがって、同期電動機を始動するために、本発明の制御方法は主制御則Ｌを置き換える。

図２を参照すると、本発明による制御方法は、同期電動機を始動するための制御ユニットで実施され、以下で説明する主ステップを備える。

第１のステップの間、本制御方法は、基準電流Ｉｒｅｆを決定し印加することを含む（ブロック１０）。この基準電流Ｉｒｅｆは、第１の基準値よりも高い値で選択され、同期電動機を回転させるために印加される最小電流（すなわち最小負荷電流）に対応する。図３Ａは、入力に印加される基準電流Ｉｒｅｆの推移を示す。前記図３Ａでは、上昇電流は、前記第１の閾値よりも高くなるように選択される値Ｖ１まで傾斜（ramp）する（Ｓ１）。次いで、基準電流Ｉｒｅｆは、値Ｖ１で保持される（Ｓ２）。図３Ａに示すように、Ｖ１に到達した値は、一定になるように選択され、電流は、始動シーケンスＳＴの全体の間、この値で保持されることが好ましい。電流値および周波数値の選択は、以下の理由で説明される。

説明する研究は、正弦波フィルタを考慮しないが、容易に正弦波フィルタを含むように拡張することができる。

本システムのさまざまな部分を考慮する。位相に対する変圧器の簡略化した式は以下の通りである。
ここで、ｕ_１およびｉ_１は、変圧器の一次巻線での電圧および電流であり、ｕ_２およびｉ_２は、変圧器の二次巻線での電圧および電流であり、ｎ_１およびｎ_２は、それぞれ、変圧器の一次巻線および二次巻線の巻数であり、φは、磁束であり、
は、変圧器の磁気抵抗である。

完全変圧器（
）を考慮すると、変圧器の以下の基本条件が成り立つ。

実際には、磁気抵抗は、ゼロではなく、変圧器の磁束の飽和を考慮しなければならない。この飽和を考慮する方法は、等価線形磁束による可変磁気抵抗
を有することである。
は、磁束と共に増加する。この場合、磁化電流および一次巻線での電流は、迅速に増加する。

制御の観点から、変圧器の一次巻線での電流は、もはや、二次巻線での電流を表さず、したがって、同期電動機における電流を表さない。電子的観点から、電流の増加は、さらなる損失を発生させ、したがって、さらなる発熱を発生させる。したがって、この飽和領域を避けること、および変圧器の線形部分に維持することが必要である。

また一般的に、単一正弦波電圧
を考慮する。

ここで、
Ｕ_ｍｏｄは、非常に短い時間ｔでの電圧の振幅である。
ωは、電圧脈動である。
αは、電圧位相である。

この電圧の積分は、以下の磁束をもたらす。
したがって、磁束がその磁束の飽和閾値未満になることを確実にするように、電圧の脈動と、電圧の振幅との間に関係性が存在することがわかる。

ここで、電動機の式を考慮する。安定状態（電動機が、固定周波数および安定電流で回転する）において、角度θ_ｓを有する回転基準点では、以下が定義される。

ここで、
Ｒ_ｓは、固定子の抵抗である。
Ｌ_ｄおよびＬ_ｑは、電動機の軸ｄおよびｑを伴うインダクタンスである。
ω_ｓは、固定子周波数である。
ｉ_ｄは、測定された磁束電流である。
ｉ_ｑは、測定されたトルク電流である。
ｕ_ｓｄは、角度θ_ｓを有する基準点ｄ、ｑでの軸ｄを伴う電圧である。
ｕ_ｓｑは、角度θ_ｓを有する基準点ｄ、ｑでの軸ｑｎを伴う電圧である。
φ_ｍは、電動機の永久磁束である。
ｎ_ｐは、極のペアの数である。

最後に、本適用と関係するシステムの式（電動機の機械的数式）を考慮する。本適用は、抵抗性負荷トルクτ_ｃをもたらし、電動機トルクτ_ｍは、電動機を始動するために、負荷トルクよりも大きくなければならない。電動機と関連するパーク基準点ｄ、ｑでは、以下が定義される。
この制約は、電流のモジュール
での制約として記述され得、ここで、Ｉ_ｃは、検証対象のトルクについての制約を可能にする最小電流値である。

完全システムを考慮する場合、以下が提起される。

電動機の数式により、電圧、電流、および固定子周波数の間の相等性の関係がもたらされる。

本適用により、電流レベルの制約がもたらされる。

変圧器により、電圧レベルと固定子周波数の間の制約がもたらされる。

非定値速度および電流推移を考慮する場合、完全システムの制約の一般化は、（正弦波電圧を考慮する）式と同等である。

Ｔの全体に対し、
で
であり、ここで、φ_ｍａｘは、飽和前の変圧器により許容可能な最大磁束である。

基準電流Ｉｒｅｆと、磁束電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑに対して測定された値とに基づき、可変速駆動装置Ｄの制御ユニットは、磁束電圧Ｖｄｒｅｆおよび基準トルク電圧Ｖｑｒｅｆを決定する。これらの磁束電圧および基準トルク電圧に基づいて、制御ユニットＵＣは、各出力相に印加される単一電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を決定する（ブロックＢ１１）。

第２のステップでは、制御ユニットＵＣは、印加される基準電流レベルＩｒｅｆを考慮して固定子周波数ωｓを決定する（ブロックＢ１２）。固定子周波数ωｓは、できる限り低い値で選択されるが、上記の例により説明したように、第２の閾値よりも高く、変圧器の飽和と同義である。図３Ｂは、入力で印加される固定子周波数ωｓの推移を示す。前記図３Ｂでは、固定子周波数ωｓは、まず、電流の上昇傾斜（rising ramp）に入るにあたりゼロに選択され、次いで、基準電流Ｉｒｅｆが一定値に達すると、上昇傾斜に続くことを見ることができる。次いで、固定子周波数ωｓは、選択された一定値Ｖ２で安定することが好ましい。始動シーケンスの最後まで、この値Ｖ２で安定する。図３Ｂでは、グレーの曲線は、回転子の周波数を表し、したがって、電動機の実際の速度を表す。

制御ユニットＵＣは、固定子周波数を積分するためのモジュールを実現し（ブロックＢ２）、以下の関係に従って基準点１、２、および３で電圧ベクトルＶの３つの成分Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を定義する角度θを決定する。

さらに、決定した角度を使用して、３つの出力相Ｕ、Ｖ、Ｗで測定された電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３から磁束電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを推定する。

電動機の始動中に、回転子は整列せず、回転子の実際の周波数は固定子周波数ωｓに従わない（図３Ｂ）。したがって、制御ユニットは、所与の期間（固定子周波数の逆数よりも少なくとも長い期間）、電流および周波数の制御を維持し、電動機が回転することを確実にする（したがって、電動機速度は、基準速度に等しくなる）。

回転子が係合（engage）すると、制御ユニットは、電動機の周波数を把握し、これは、可変速駆動装置により出力される電圧の周波数、および回転子の角度θの推定値に等しい。

次いで、制御ユニットは、同期電動機の制御を主制御則Ｌに切り替える。この場合、基準電圧ＶｄｒｅｆおよびＶｑｒｅｆは、主制御則Ｌにより算出される。制御則のすべての状態は、切り替え中に更新され、変数の連続性を確実にする。図３Ｂでは、主制御則Ｌに切り替えることは、基準電流があまりにも迅速に低くなる場合に、固定子の実際の周波数が乱れる原因となる。本発明の有利な実施形態において、回転子の実際の周波数が固定子周波数ωｓに到達した後、および主制御則Ｌに切り替える前、基準電流Ｉｒｅｆは徐々に、下降傾斜（descending ramp）を伴って減少する。したがって、主制御則Ｌに切り替えることは、電流が、選択された低い値に到達した場合に実現され、したがって、周波数の乱れを減らすことを可能とする。図４Ａおよび図４Ｂは有利な制御原理を示す。図４Ｂでは、グレーの曲線は、回転子の周波数を表し、したがって、電動機の実際の速度を表す。

Claims (8)

1. 変圧器および正弦波フィルタを介して同期電動機（Ｍ）に３つの出力相により接続された電力変換器の制御ユニット（ＵＣ）で使用される制御方法であって、前記制御ユニットは、前記同期電動機を制御するための主制御則（Ｌ）を実施するように構成され、前記制御方法は、前記同期電動機（Ｍ）の始動時に前記主制御則（Ｌ）を置き換えるように構成され、前記制御方法は、
   基準電流（Ｉｒｅｆ）に応じて前記出力相に印加される電圧を決定する第１のステップであって、前記基準電流は、前記同期電動機を始動するのに必要な第１の閾値よりも少なくとも高い値を有する、第１のステップと、
   固定子周波数（ωｓ）に応じて固定子に印加される周波数を決定する第２のステップであって、前記固定子周波数（ωｓ）は、前記周波数が前記変圧器を飽和させない値となるよう、第２の所与の閾値よりも高く選択され、第２のステップと、
   前記固定子に印加される周波数をまず、前記基準電流の上昇傾斜に入るにあたりゼロに選択し、前記基準電流が一定値に達すると、前記固定子に印加される周波数を、前記第２のステップで決定された前記第２の閾値まで増加させ、前記周波数を前記第２の閾値で安定させるステップと、
   印加される前記固定子周波数で前記同期電動機の回転子が回転することを可能にするように、前記固定子周波数の逆数に少なくとも等しい所与の期間、前記第１のステップおよび前記第２のステップに基づく電流および周波数の制御を維持することと、
   前記基準電流を前記第１の閾値未満の値まで下降傾斜を伴って徐々に低減するステップと、
   前記回転子が前記固定子周波数に対応する速度で回転すると、前記同期電動機を前記主制御則に切り替えるステップと、
   を備えることを特徴とする制御方法。
2. 前記基準電流（Ｉｒｅｆ）は、前記第１のステップの間、一定値に保持されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記基準電流を前記一定値まで上昇させるように、前記基準電流に傾斜を適用するステップを備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記固定子周波数は、前記第２のステップの間、一定値に保持されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記基準電流を前記第１の閾値未満に低減する前記ステップは、前記主制御則に切り替える前記ステップの前に行われることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 同期電動機（Ｍ）を制御するシステムであって、前記システムは、変圧器（ＴＲ）を介して前記同期電動機（Ｍ）に複数の出力相により接続された電力変換器（Ｄ）の制御ユニット（ＵＣ）であって、前記同期電動機を制御するように実行可能な主制御則（Ｌ）を有する制御ユニット（ＵＣ）と、前記同期電動機の始動時に、前記主制御則（Ｌ）を置き換えるように構成された始動シーケンス（ＳＴ）と、を備えるシステムにおいて、前記制御ユニット（ＵＣ）は、
   基準電流（Ｉｒｅｆ）に応じて前記出力相に印加される電圧を決定する第１のモジュールであって、前記基準電流は、前記同期電動機を始動するのに必要な第１の閾値よりも少なくとも高い値を有する、第１のモジュールと、
   固定子周波数（ωｓ）に応じて固定子に印加される周波数を決定する第２のモジュールであって、前記固定子周波数は、前記周波数が前記変圧器を飽和させない値となるよう、第２の所与の閾値よりも高く選択され、前記第１のモジュールと前記第２のモジュールは、印加された前記固定子周波数で前記同期電動機の回転子が回転することを可能にするように、前記固定子周波数の逆数に少なくとも等しい所与の期間実行される、第２のモジュールと、
   前記固定子に印加される周波数をまず、前記基準電流の上昇傾斜に入るにあたりゼロに選択し、前記基準電流が一定値に達すると、前記固定子に印加される周波数を、前記第２のモジュールにより決定された前記第２の閾値まで増加させ、前記周波数を前記第２の閾値で安定させるモジュールと、
   前記基準電流を前記第１の閾値未満の値まで下降傾斜を伴って徐々に低減するモジュールと、
   前記回転子が前記固定子周波数（ωｓ）に対応する速度で回転すると、前記同期電動機を前記主制御則（Ｌ）に切り替えるモジュールと、
   を備えることを特徴とする制御システム。
7. 前記同期電動機（Ｍ）に３つの出力段により接続され、前記制御ユニット（ＵＣ）により制御される前記電力変換器（Ｄ）を備えることを特徴とする、請求項６に記載の制御システム。
8. 前記電力変換器は、正弦波フィルタ（ＳＦ）および前記変圧器（ＴＲ）を介して前記同期電動機に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の制御システム。