JPS591075B2 - 同期電動機の可変速駆動方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、同期電動機の可変速駆動方式に関するもの
であり、更に詳しくは、界磁電流指令値の演算方式に関
するものである。

近年、可変周波・可変電圧出力をもつサイリスタ変換装
置の登場と共に、交流電動機の高性能な可変速駆動技術
が開発されつつある。

そして同期電動機について、供給電力が交流でありなが
ら、あたかも直流機であるかのように取り扱うことので
きる新しい速度制御システムとして、トランスベクトル
制御システムが知られるに至つている。この発明は、か
かるトランスベクトル制御システムとして知られる同期
電動機の可変速駆動方式に関するものであるが、先ずそ
のトランスベクトル制御システムについてその大要を説
明する。第１図は、同期電動機の交流理論に基づくベク
トル図（１相分、進み力率）である。界磁巻線電流によ
る磁束はψＦであるが、これに電機子電流による反作用
磁束ψａが干渉して実質的に存在する有効磁束はψとな
る。電機子電流Ｉを有効磁束ψと同相成分１１と直交成
分１２とに分解すれば、電動機の発生トルクＴは次式で
示される。Ｔ＝ＫＴ・ψ・１２・・・・・・・・・（１
）但し、ＫＴは定数、また第１図においてＥ。

は無負荷誘起電圧、Ｅは端子電圧、δは磁極角（相差角
ともいう）である。トランスベクトル制御の主題は、上
記（１）式における有効磁束ψとトルク成分電流１２を
界磁巻線電流や電機子巻線電流など外部で観測できる量
から各種の演算によつて正確につかむことにあるといえ
る。第２図は、同期電動機のトランスベクトル制御シス
テムの構成例を示すブロック図である。

同図を参照する。同期電動機ＩＴの電機子は、３相電源
２０からサイクロコンバータの如き変換装置１５を介し
て給電され、界磁は同じく３相電源２０からサイリスタ
整流器の如き変換装置１６を介して励磁されている。位
置検出器１８は、同期電動機１７の回転磁極の位置を電
気磁気的に検出する装置であり、該検出器１８の出力は
磁極位置演算器１４において演算されてＳｉｎθおよび
ＣＯｓθが出力される（ここにθは、固定子中心を原点
とする或る座標軸に対する磁極の偏位角である）。磁束
演算器５は、同期機１７の電機子電流（Ｉａ，ｉｂ，ｉ
ｃ）、界磁電流１ｆおよび上記Ｓｉｎθ，ＣＯｓθを与
えられて、同期電動機１７においてトルク発生に寄与す
る有効磁束ψと、Ｓｉｎρ，ＣＯｓρおよびＣＯｓδを
演算し出力する（ここにρは、固定子中心を原点とする
前記座標軸に対する有効磁束の偏位角であり、δは磁極
位置と有効磁束位置との偏位角つまり磁極角または相差
角である）。タコゼネレータ１９は、同期電動機１７の
回転速度ｎを検出して出力する。今、指令値入力端子２
１から、有効磁束についての指令値ψ米（米は指令値を
表わす）が入力されたとする。すると該指令値ψ米と演
算器５の出力である有効磁束ψとが比較され、その偏差
が零となる方向で磁束調節器２が磁化電流指令値１ｕ米
を出力する。また指令値入力端子２２から同期電動機の
回転速度を指令する指令値ｎ米が入力されたとすると、
該ｎ米とタコゼネレータ１９の出力ｎとが比較され、そ
の差が零となる方向で速度調節器１が、そのために必要
なトルクの指令値Ｔ米を出力する。割算器３は、前記（
１）式に基づき、トルク指令値Ｔ米を有効磁束ψにより
割算してトルク成分電流指令値１２米を算出する。ここ
に卦いて、ψ，ψ米，Ｉｕ米，Ｉ２米などはすべて直流
量であり、いわばＩｕ米は直流機における界磁電流に、
またＩ２半は電機子電流に相当するといえる。電流指令
演算器４は、これらの直流量を実際に電動機に必要な交
流電流の指令値Ｉａ米，Ｉｂ米，ＩＯ米卦よびＩｆ米に
変換して出力する。電流調節器６乃至９は、指令値１ａ
米乃至Ｉｆ米と電機子電流（Ｉａ乃至１ｃ）および界磁
電流１ｆをそれぞれ比較した結果の偏差が零となる方向
で調節出力を生じる。点弧角調整器１０乃至１３は、調
節器出力を受けて変換装置１５卦よび１６を制御するこ
とにより、同期電動機１７の電機子電流および界磁電流
を所定の値に調節する。以上の如くして、同期電動機の
トランスベクトル制御システムにおいては、端子２１卦
よび２２から指令値を直流で入力することにより、同期
電動機の速度を高性能に制御できるものである。次に磁
束演算器５の詳細を説明するが、それに先立ちベクトル
諸量の座標関係を明らかにしておく、先ず交流三相量を
空間回転ベクトルでとらえるために三相の二相（軸）変
換が行なわれるが、その関係を第３図および第４図を参
照して説明する。第３図は、固定子の三相（Ａ，ｂ，ｃ
）のうちａ相の巻線軸上にα軸、それと直交してβ軸を
とり、第４図の三相正弦波形ψＡ，ψＢ，ψ。

において時点Ａにおける各瞬時量を、両軸上でψα，ψ
βとして二相に変換して表現したものであり、その算式
は次式で与えられている。ψα，ψβはそれぞれα，β
軸上で時間的に変化する量であるが、対称で平衡な三相
系では両者の合成量ψは、時間的に大きさが変化せず、
三相量の周波数で定まる速さで回転する回転ベクトルと
なる。

回転子上にも互いに直交するｄ−ｑ座標軸をとれば、固
定子、回転子ともに２軸で表現することが可能となる。
第５図は、このような空間回転座標を用いた諸量のベク
トル図である。

すなわちａ相中心と同軸のα軸とこれに直交するβ軸が
固定軸であり、磁極の中心線上にとつたｄ軸（磁極軸と
いうこともある）と、これに直交するｑ軸は回転軸であ
り、また有効磁束ψの方向にとつた１軸とこれに直交す
る２軸も回転軸である。角度θ｝よびρは電動機の回転
につれて変化する値であり、磁極角または相差角δは、
ともに回転する座標系、ｄ−ｑ軸と１−２軸間の成す角
であるから時間的には変化しない。角度θは、例えば普
通の無整流子電動機と似た方法で磁極の電機子巻線に対
する相対位置として検出することができる（第２図の磁
極位置検出器１８、演算器４）。以上を準備説明として
次に磁束演算について説明する。一般に、磁束ψをｄ−
ｑ軸座標系成分ψＤ，ψ９（図示せず）で表示すると次
の式で与えられる。

Ｇｄ（Ｐ），Ｇｑ（Ｐ） ：電動機の機器定数で決まる
遅れ要素を含む項Ｉｄ，ｉ，：ｄ−ｑ軸座標系成分で表
示した電機子電流また有効磁束ψと、α軸と１軸の成す
角ρと、ｄ軸と１軸との成す磁極角δは次式で表わされ
る。

上記（４）式乃至（９）式に基づいて構成された磁束演
算器のプロツク図を第６図に示す。第６図を参照する。

三相／α・β軸座標変換器５１７は、各相電流１ａ，ｉ
ｂ，ｉｃを、上記（６）式に従つてα・β軸座標成分の
電流１α冒βに変換して出力する。α・β／ｄ−ｑ軸座
標変換器５２０は、ｉα，ｉβと磁極位置演算器１４よ
りのＳｉｎθ，ＣＯｓθを入力されると、上記（５）式
に従つてｄ−ｑ軸座標成分の電流１ｄ，ｉｑに変換して
出力する。ψｄ演算器５２１は、ＩｄとＩｆの和を入力
されると、上記（４）式に従つてψｄを演算して出力す
る。ψ，演算器５２２も同様に１，を入力され、ψ，を
演算して出力する。ｄ−ｑ／ａ・β軸座標変換器５２３
は、磁極位置演算器１４よりＳｉｎθ，ＣＯｓθを入力
され、ｄ−ｑ軸座標成分の磁束ψＤ，ψ，を上記（７）
式に従つてα・β軸座標成分の磁束ψα，ψβに変換し
て出力する。磁束成分演算器５１８は、上記（８）式に
よる演算を行なつて磁束ψ，Ｓｉｎρ，ＣＯｓρを出力
する。磁極角演算器５１９も上記（９）式に示す演算を
行なつてＣＯｓδ，Ｓｉｎδを出力する。次に電流指令
演算器４の詳細を説明する。

この演算器は、第２図に示したように、磁束演算器５、
磁束調節器２および速度調節器１などから与えられる諸
信号を入力として、電機子および界磁の各巻線に供給す
べき電流を演算するものである。有効磁束ψは、電機子
電流１のうち１軸成分の電流１１で作られる磁束をψ，
とすると、第５図から明らかなようにとなり、ψＦは界
磁巻線電流１ｆで作られるから、有効磁束ψを作る有効
な磁化電流リは次式で示される。

Ｉ，は正負の極性をとり、第５図の状態はＩ，くＯであ
る。ｒ ？１？！― 醪工 従つて界磁巻線の電流がＩｆなる値にある状態で有効磁
束ψを確保するため、すなわち所定の磁化電流１！ｔ米
（なお米は指令値を表わすものであることは先にも述
べた）を維持するために電機子側から供給すべき磁化電
流は次式となる。

電機子側のトルク成分電流の指令値１２米は、トルク指
令値Ｔ米から（１）式の関係を用いて演算されているか
ら、ｉ１米，Ｉ２米なる回転座標上の各指令値は、次式
に従つて固定のα・β軸上の指令値１α米，ｉβ来に変
換される。

次いで次式に従つて最終的に必要な三相量に変換されて
電機子電流の指令値１ａ米，Ｉｂ米，Ｉｃ米となる。

＼ 次に界磁巻線に供給すべき電流１ｆ米を決定する。

第５図を参照して１・２軸系からみた電機子反作用磁束
ψ１，ψ２は電流１，，ｉ２で作られ、また有効磁束ψ
の磁化電流はｉμであるから、これらの電流（起磁力）
と界磁巻線電流１ｆとの間には次式の関係がある。一方
、電動機の端子電圧を含めた第１図のベクトル図を参照
して力率角τに注目すると、電機子電流１のうちの１１
成分を零にすれば、定蕾状態の電動機の力率は１００％
となる。

Ｉ，二０とするには、とりもなおさず上式でｉ１＝０と
すればよいから、界磁巻線に供給すべき電流の指令値を
次式のように求める。上記（代）乃至（自）式に基づい
て構成された電流指令演算器のプロツク図を第７図に示
す。

第７図を参照する。

掛算器５２４は、界磁電流Ｉｆと磁束演算器５よりのＣ
Ｏｓδを掛算してその結果１ｆＣ０Ｓδを出力する。こ
の出力値と磁化電流指令値１１ｔ＋とが上記（自）式に
従つて減算されることにより磁化電流指令値１１米が作
られる。１・２／ａ・β軸座標変換器５２５は、上述の
磁化電流指令値１１とトルク成分電流指令値１２米と磁
束演算器５よりのＳｉｎρ．ＣＯｓρとを入力され、上
記ｄυによる演算を行なつてα・β軸上に変換されたｉ
α米，ｉβ米を出力する。

次にα・β／三相座標変換器５２７が、これらｉα米，
ｉｌ米を上記（１２）式に従つて、最終的に必要な三相
量１ａ＊，Ｉｂ米，Ｉｃ米に変換して出力する。また界
磁電流指令演算器５２６は上記ｌ式による演算を行なつ
て界磁電流指令値を出力する。一般に界磁巻線には大き
なインダクタンスがあるので、界磁電流を急変させるこ
とは難しい。

そこで電機子電流を急変させる負荷トルク外乱やサイリ
スタ変換装置への供給電源の電圧変動などに対しても、
有効磁束を所定の値に維持させるために電機子電流の指
令値には、第７図（座標変換器５２５の入力）に示すよ
うにｉ来を加算する。こうすることによつて過渡的な磁
束の過不足が補償され、電動機の制御の即応性が高めら
れる。以上、概要を説明したことにより、トランスベク
トル制御システムとして知られる同期電動機の可変速駆
動方式が理解できたと思われる。さて、すでに詳述した
ように、従来の同期電動機可変速駆動方式においては、
電流指令演算器から指令される界磁電流の指令値１ｆ米
は、上記の式（自）により演算されたものであり、これ
により同期電動機においては磁束が一定に保たれると共
にその力率が１に維持されるようになつている。

他方、電流指令演算器から指令される電機子相電流Ｉａ
米，Ｉｂ米，Ｉｃ米は交流量であるため、この周波数が
高い場合には、種々な原因により電流の指令値と実際値
との間に振幅差および位相差が現われることがある。こ
れは変換装置の発生し得る電圧が充分な値をもつていな
い場合、特に顕著である。一方、磁化電流指令値１１ｔ
米は、第２図にみられる如く磁束調節器２の出力である
が、後段（電流指令演算器４）で２乗されるため正帰還
状態に至らしめないよう、これは片極性（プラスならブ
ラスのみ）であらねばならない。そこで上述のように電
流実際値と指令値が一致せず、しかもその偏差が大きい
とき（１２米〉Ｉ２）には、ｉμ米が零になつても磁束
を一定に保ち得ないほどの界磁電流１ｆが流れることが
ある。これにより強め界磁となり電動機の誘起々電力が
大となるため、電機子電流が流れ難くなり、Ｉ２来とＩ
２の差が大きくなるという欠点があつた。この発明は、
上述のような従来技術の欠点を除去するためになされた
ものであり、従つてこの発明の目的は、電機子電流のト
ルク成分電流の指令値１２米と実際値１２との間に偏差
があつても磁束を一定に保つことのできる同期電動機の
可変速駆動方式を提供することにある。

この発明の構成の要点は、同期電動機の可変速駆動方式
において、界磁電流の指令値を算出するのに、磁極位置
と有効磁束位置との偏位角である磁極角（相差角）に関
連づけ、或いはトルク成分電流の指令値でなく実際値１
２に関連づけて算出するようにした点にある。

次にこの発明の原理を説明する。

同期機においては上記ＡＯ）式より次式が成立する。こ
こにおいて力率を１にするためには、Ｉ，を零にすれば
よいから、ｉ１＝Ｏと置くことによりを得る。

界磁電流指令値１ｆ米を上記Ａ４）式により算出して指
令することにより、磁束を一定に保てると同時に力率を
１に維持できる。またＣＯ８δは、磁束演算器５におい
て実際値を演算により検出したものを用いれば、従来技
術における如き欠点は発生しない。第８図はこの発明の
一実施例の要部を示すブロツク図である。

すなわちこの発明の同期電動機可変速駆動方式において
用いる電流指令演算器４の構成を示すプロツク図である
。割算器５２８が、磁化電流指令値１１ｔ米をＣＯｓδ
により除算して界磁電流指令値１ｆ米を算出している
ことが理解されるであろう。その他の点は第７図に示す
従来の電流指令演算器と変わるところがない。なお界磁
電流指令値１ｆ米を算出するのに、上記（自）式を用い
、その際、指令値１２米の代りに実際値１２を用いるよ
うにしても同じ効果が得られることは勿論である。

以上説明した通りであるから、この発明によれば、同期
電動機の可変速駆動方式において、電機子電流のトルク
成分電流の指令値と実際値に偏差を生じることがあつて
も、磁束を一定に保ち得るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、同期電動機の交流理論に基づくベクトル図、
第２図は同期電動機のトランスベクトル制御システムの
構成例を示すプロツク図、第３図は対称三相量の２軸成
分への変換関係を説明する説明図、第４図は三相交流の
波形図、第５図はベクトル諸量の座標関係を示すベクト
ル図、第６図は磁束演算器を示すプロツク図、第７図は
電流指令演算器を示すプロツク図、第８図はこの発明の
一実施例の要部を示すプロツク図である。 図において、１は速度調節器、２は磁束調節器、３は割
算器、４は電流指令演算器、５は磁束演算器、６乃至９
はそれぞれ電流調節器、１０乃至１３はそれぞれ点弧角
調整器、１４は磁極位置演算器、１５は変換装置（例え
ばサイクロコンバータ）、１６は界磁用変換装置、１７
は同期電動機、１８は磁極位置検出器、１９はタコゼネ
レータ、２０は３相交流電源、２１と２２はそれぞれ指
令値入力端子、２３は電流制限器、２４は割算器、５１
７は三相／α・β軸座標変換器、５１８は磁束成分演算
器、５１９は磁極角演算器、５２０はα・β／ｄ−ｑ軸
座標変換器、５２１はψｄ演算器、５２２はψ，演算器
、５２３はｄ−ｑ／ａ・β軸変換器、５２４は掛算器、
５２５は１・２ｒ・β軸座標変換器、５２６は界磁電流
指令演算器、５２７はα・β／三相座標変換器、５２８
は割算器、を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同期電動機において、そのトルク発生に寄与する有
   効磁束を電機子電流、界磁電流に基づき算出する磁束演
   算器と、該演算器により算出された有効磁束と外部から
   指令される磁化電流の指令値および回転速度の指令値に
   基づき同期電動機の運転上実際に必要な電機子電流、界
   磁電流を算出して指令する電流指令演算器と、該演算器
   よりの電流指令値に基づき電動機の電機子電流、界磁電
   流を制御する調節手段とを備えて成る同期電動機の可変
   速駆動方式において、前記電流指令演算器にて算出され
   る界磁電流指令値が、磁極位置と有効磁束位置との偏位
   角である磁極角の余弦値にて磁化電流指令値を除算して
   得られる値としてか、または電機子電流のトルク成分電
   流の実際値の２乗と磁化電流指令値の２乗の和の平方根
   として算出されるようにしたことを特徴とする同期電動
   機の可変速駆動方式。