(57)【要約】【課題】回転電気機械の大出力化を行うことなく、電流位相の制限によってトリップ防止を図りつつ、軽負荷時にも運転できるようにする。【解決手段】回転子の回転と固定子の回転磁界とが同期する回転電気機械において、回転磁界を形成するために流す電流の電流位相の大きさに応じて電力変換装置（20）の出力を制限するように構成され、出力トルクが所定のトルク閾値以下で且つ回転速度が所定の回転速度閾値以上の高速軽負荷状態では、最大負荷時に最大トルクを発生させる場合における電流位相よりも、電流位相が進むように電力変換装置（20）を制御する制御部（28）を設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置（20）に接続され、回転子の回転と固定子の回転磁界とが同期する回転電気機械において、
前記回転磁界を形成するために流す電流の電流位相の大きさに応じて前記電力変換装置（20）の出力を制限するように構成され、出力トルクが所定のトルク閾値以下で且つ回転速度が所定の回転速度閾値以上の高速軽負荷状態では、最大負荷時に最大トルクを発生させる場合における電流位相よりも、前記電流位相が進むように前記電力変換装置（20）を制御する制御部（28）を備えたことを特徴とする回転電気機械。
【請求項２】
請求項１の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、前記電流位相が所定の電流位相リミット（Li）以下となるように前記電力変換装置（20）の出力を制御可能に構成され、前記高速軽負荷状態の場合に前記電流位相リミット（Li）を増加、又は前記電流位相リミット（Li）を用いた制御を解除することを特徴とする回転電気機械。
【請求項３】
請求項１の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、出力トルクに基づいてｄ軸電流値を指示するｄ軸電流指令、及びｑ軸電流値を指示するｑ軸電流指令を生成するとともに、前記高速軽負荷状態の場合には前記ｄ軸電流指令を補正してｄ軸電流を増大させることを特徴とする回転電気機械。
【請求項４】
請求項３の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、出力トルクに基づいて定まるｄ軸電流値とｑ軸電流値とを求め、該ｄ軸電流値に所定のゲインを乗じて前記ｄ軸電流指令を生成するとともに該ｑ軸電流値に所定のゲインを乗じて前記ｑ軸電流指令を生成するように構成され、前記高速軽負荷状態の場合には流れるｄ軸電流値が増加するように、求めたｄ軸電流値に乗ずるゲイン及び求めたｑ軸電流値に乗ずるゲインの少なくとも一方を補正することを特徴とする回転電気機械。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかの回転電気機械において、
前記制御部（28）は、前記高速軽負荷状態か否かを、前記回転磁界を形成するための電圧の電圧位相の大きさと前記電流位相の大きさの関係、及び前記回転磁界を形成するために流す電流値の少なくとも一方を用いて判断することを特徴とする回転電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる同期式の回転電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ等の電力変換装置の出力電圧を制御することで同期式の回転電気機械（例えばモータ）を駆動することが行われている。このような回転電気機械には、電流位相の上限値を、各瞬時毎に、その時のインバータ出力電圧においてモータトルクを最大とする電流位相もしくはその近傍に設定することによって、いわゆるトリップの発生を防止するように制御されるものがある（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６２２６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、同期式の回転電気機械のトルク曲線（ここでは電流位相に対する出力トルクの値をプロットした曲線）は、上に凸の曲線となる。例えば、前記上限値を、過負荷の時のトルク曲線の変曲点（ピーク）以上に電流位相が進まないように設定すればトリップを防止できる。
【０００５】
しかしながら、回転電気機は、力行運転と回生運転とを繰り返すような用途では負荷が比較的小さい状況（軽負荷と呼ぶ）で高速運転が求められる場合があり、前記のような上限値設定では、軽負荷で高速運転ができない場合がある。これは、負荷がより小さいほど、トルク曲線の変曲点は電流位相がより大きな領域にシフトする傾向があり、回転電気機械の能力によっては、軽負荷時にはトルク曲線が前記上限値を超えた領域に入ってしまうこと（すなわち運転が制限される場合）があるからである。これに対しては、回転電気機械を大出力化することで軽負荷時の高速運転は可能にはなるが、コストや装置規模の増大が懸念される。
【０００６】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、回転電気機械の大出力化を行うことなく、電流位相の制限によってトリップ防止を図りつつ、軽負荷時にも運転できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
電力変換装置（20）に接続され、回転子の回転と固定子の回転磁界とが同期する回転電気機械において、
前記回転磁界を形成するために流す電流の電流位相の大きさに応じて前記電力変換装置（20）の出力を制限するように構成され、出力トルクが所定のトルク閾値以下で且つ回転速度が所定の回転速度閾値以上の高速軽負荷状態では、最大負荷時に最大トルクを発生させる場合における電流位相よりも、前記電流位相が進むように前記電力変換装置（20）を制御する制御部（28）を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成では、高速軽負荷状態において電流位相が制限されることなく回転電気機械が運転される。
【０００９】
また、第２の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、前記電流位相が所定の電流位相リミット（Li）以下となるように前記電力変換装置（20）の出力を制御可能に構成され、前記高速軽負荷状態の場合に前記電流位相リミット（Li）を増加、又は前記電流位相リミット（Li）を用いた制御を解除することを特徴とする。
【００１０】
この構成では、電流位相リミット（Li）が変更、或いは電流位相リミット（Li）を用いた制御を解除されて、高速軽負荷状態において電流位相が制限されることなく回転電気機械が運転される。
【００１１】
また、第３の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、出力トルクに基づいてｄ軸電流値を指示するｄ軸電流指令、及びｑ軸電流値を指示するｑ軸電流指令を生成するとともに、前記高速軽負荷状態の場合には前記ｄ軸電流指令を補正してｄ軸電流を増大させることを特徴とする。
【００１２】
この構成では、ｄ軸電流指令を補正してｄ軸電流を増大させることで、電流位相が進められる。
【００１３】
また、第４の発明は、
第３の発明の回転電気機械において、
前記制御部（28）は、出力トルクに基づいて定まるｄ軸電流値とｑ軸電流値とを求め、該ｄ軸電流値に所定のゲインを乗じて前記ｄ軸電流指令を生成するとともに該ｑ軸電流値に所定のゲインを乗じて前記ｑ軸電流指令を生成するように構成され、前記高速軽負荷状態の場合には流れるｄ軸電流値が増加するように、求めたｄ軸電流値に乗ずるゲイン及び求めたｑ軸電流値に乗ずるゲインの少なくとも一方を補正することを特徴とする。
【００１４】
この構成では、ｄ軸電流値に乗ずるゲイン、及びｑ軸電流値に乗ずるゲインの少なくとも一方を補正することでｄ軸電流値が増加させられて電流位相が進められる。
【００１５】
また、第５の発明は、
第１から第４の発明の何れかの回転電気機械において、
前記制御部（28）は、前記高速軽負荷状態か否かを、前記回転磁界を形成するための電圧の電圧位相の大きさと前記電流位相の大きさの関係、及び前記回転磁界を形成するために流す電流値の少なくとも一方を用いて判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、大出力化を行うことなく、電流位相の制限によってトリップ防止を図りつつ、高速軽負荷状態においても運転が可能になる。
【００１７】
また、第２の発明によれば、電流位相の制限の有無を容易に切替えることが可能になる。
【００１８】
また、第３の発明や第４の発明によれば、簡単な構成で電流位相を進めることができ、高速軽負荷状態における運転を容易に行える。
【００１９】
また、第５の発明によれば、従来の装置でも取得可能なパラメータによって、高速軽負荷状態か否かを判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施形態１の制御部の構成を示す。
【図３】図３は、モータのトルク曲線を示す。
【図４】図４は、実施形態１における制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、中間負荷状態における電圧制限楕円を示す。
【図６】図６は、冷凍装置における運転エリア、及び中間負荷状態における動作点の一例を示す。
【図７】図７は、高速重負荷状態における電圧制限楕円を示す。
【図８】図８は、高速重負荷状態における動作点の一例を示す。
【図９】図９は、高速軽負荷状態における電圧制限楕円を示す。
【図１０】図１０は、高速軽負荷状態における動作点の一例を示す。
【図１１】図１１は、実施形態２の制御部の構成を示す。
【図１２】図１２は、実施形態２の電流位相リミット部及びｄｑ軸電流指令生成部の構成を示す。
【図１３】図１３は、実施形態２における制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図１４】図１４は、実施形態３の制御部の構成を示す。
【図１５】図１５は、実施形態３の電流位相リミット部及びｄｑ軸電流指令生成部の構成を示す。
【図１６】図１６は、実施形態３における制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図１７】図１７は、実施形態４の制御部の構成を示す。
【図１８】図１８は、実施形態４の電流位相リミット部及びｄｑ軸電流指令生成部の構成を示す。
【図１９】図１９は、実施形態４における制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図２０】図２０は、電圧制限楕円の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００２２】
《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。図１に示すように、冷凍装置（1）は、冷媒回路（10）、電力変換装置（20）、電力回生コンバータ回路（25）、及び制御部（28）を備えている。
【００２３】
〈冷媒回路（10）の構成〉
冷媒回路（10）は、圧縮機（11）、凝縮器（12）、膨張機（13）、及び蒸発器（14）、を備え、これらが冷媒配管で接続されている。冷媒回路（10）では、冷媒を循環させて冷凍サイクルが行われる。
【００２４】
圧縮機（11）には、例えばスクロール式の圧縮機など種々の形式の圧縮機構を採用できる。圧縮機（11）は、モータ（11a）で駆動される。モータ（11a）は、同期モータである。同期モータは、回転子の回転と固定子の回転磁界とが同期する回転電気機械のひとつである。本実施形態のモータ（11a）には、例えば埋め込み磁石（いわゆるＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）形のモータを採用する。モータ（11a）は、本発明の回転電気機械の一例である。
【００２５】
凝縮器（12）、及び蒸発器（14）は、空気と冷媒を熱交換させるいわゆる空気熱交換器であり、例えばクロスフィン・アンド・チューブ式の熱交換器を採用できる。
【００２６】
膨張機（13）は、流入した前記冷媒を膨張させて動力を発生させる。例えば膨張機（13）は、図示は省略するが、いわゆる揺動ピストン型のロータリ式流体機械で構成することができる。ロータリ式流体機械では、シリンダ及びピストンが設けられ、流入した冷媒の膨張エネルギーによってピストンが駆動し、出力軸（図示は省略）を回転駆動させる。この出力軸には、発電機（26）が接続され、膨張機（13）の動力によって回転駆動されるようになっている。本実施形態では、発電機（26）には、ロータのコア内に磁石が埋め込まれた埋込み磁石型の発電機（以下、ＩＰＭ発電機とも呼ぶ)を採用している。
【００２７】
〈電力変換装置（20）の構成〉
電力変換装置（20）は、図１に示すように、コンバータ回路（21）、直流リンク部（22）、及びインバータ回路（23）を備えている。
【００２８】
電力変換装置（20）では、交流電源（40）から入力された三相交流をコンバータ回路（21）に入力している。コンバータ回路（21）は、例えばダイオードブリッジ回路で構成され、交流を整流する。直流リンク部（22）は、電解コンデンサを備え、該電解コンデンサによってコンバータ回路（21）の出力を平滑化する。平滑化された直流はインバータ回路（23）に入力される。インバータ回路（23）は、ブリッジ接続された複数（例えば６つ）のスイッチング素子を備え、それらのスイッチング素子で、入力された直流をスイッチングして交流に変換している。インバータ回路（23）では、ＰＷＭ制御によって、スイッチング素子の矩形波駆動が行われる。インバータ回路（23）の出力（交流電力）はモータ（11a）に供給されている。
【００２９】
〈電力回生コンバータ回路（25）〉
電力回生コンバータ回路（25）は、ブリッジ接続された複数（例えば６つ）のスイッチング素子を備え、それらのスイッチング素子で、発電機（26）の出力（交流電力）をスイッチングして直流に変換している。
【００３０】
〈制御部（28）〉
制御部（28）は、例えばマイクロコンピュータで構成され、電力変換装置（20）のインバータ回路（23）及び電力回生コンバータ回路（25）のスイッチング素子のオンオフを制御する。制御部（28）は、インバータ回路（23）の制御において、モータ（11a）の電流位相が所定の閾値値(以下、電流位相リミット（Li）、或いは上限設定値という)を超えないように、インバータ回路（23）におけるスイッチングを制御する。制御の詳細は後述する。なお、ここで電流位相とは、モータ（11a）において前記回転磁界を形成するためにステータのコイル（図示は省略）に流す電流の位相であり、電圧位相とはその場合の電圧の位相である。より詳しくは、電流位相は、同期式回転電気機械をいわゆるｄｑ軸モデルで表した場合におけるｄ軸と電機子電流ベクトルのなす角ある。
【００３１】
図２は、実施形態１の制御部（28）の構成を示す。図２に示すように、制御部（28）は、ＰＷＭ変調部（51）、弱め磁束要求部（52）、高速軽負荷判断部（53）、電流位相指令生成部（54）、セレクタ（55）、電流位相制御部（56）、指令速度演算部（57）、位置・速度検出部（58）、速度制御部（59）、ｄｑ軸電流指令生成部（60）、及び電流制御部（61）を備えている。
【００３２】
ＰＷＭ変調部（51）は、出力電圧を指示する電圧指令、及び電圧位相を指示する電圧位相指令が入力され、これらの指令に応じて、インバータ回路（23）のそれぞれのスイッチング素子をオンにする時間（デューティ）を決定するとともに、決定したデューティに応じて、前記スイッチング素子を駆動する信号をインバータ回路（23）に出力する。
【００３３】
弱め磁束要求部（52）は、現在のデューティの情報と、モータ（11a）の現在の回転速度の情報とを用いて、いわゆる弱め磁束制御を行う必要があるかどうかを判断するとともに、弱め磁束制御を行う必要がある場合にはその場合の電流値を求める。
【００３４】
高速軽負荷判断部（53）は、モータ（11a）の回転速度が所定値以上高速、且つ負荷が所定値よりも小さい状態（説明の便宜のため、高速軽負荷状態と呼ぶ）か否かを判断する。この判断には種々の手法を採用できるが、本実施形態では、高速軽負荷判断部（53）は、電流位相と電圧位相との関係から高速軽負荷か否かを判断する。具体的には、高速軽負荷判断部（53）は、前記電圧位相が電流位相よりも遅れている場合に高速軽負荷であると判断し、前記電圧位相が電流位相よりも進んでいる場合に高速軽負荷ではない（説明の便宜のため、高負荷と呼ぶ）と判断する。判断結果は、セレクタ（55）に出力する。
【００３５】
電流位相指令生成部（54）は、電流位相指令生成部（54a）と上限値判断部（54b）とを備えている。電流位相指令生成部（54a）は、弱め磁束制御を行う必要がある場合における電流位相を求め、求めた電流位相を指示する電流位相指令（電流位相値と考えてよい）を生成する。上限値判断部（54b）は、電流位相指令生成部（54a）が求めた電流位相が電流位相リミット（Li）を超えたかどうかを判断し、判断結果に応じて電流位相指令の出力先を切替える。具体的には、上限値判断部（54b）は、電流位相が電流位相リミット（Li）に達していない場合には電流位相指令がｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力され、電流位相リミット（Li）に達している場合には電流位相指令がセレクタ（55）に出力されるように制御する。
【００３６】
セレクタ（55）は、高速軽負荷判断部（53）の判断結果に応じて、電流位相指令の出力先を切替える。具体的には、セレクタ（55）は、判断結果が高速軽負荷の場合に、入力された電流位相指令を後述の電流位相リミット変更部（561）に出力し、高速軽負荷ではない場合に、後述の電流位相リミット部（562）に出力する。
【００３７】
電流位相制御部（56）は、電流位相リミット変更部（561）、及び電流位相リミット部（562）を備えている。電流位相リミット変更部（561）は、セレクタ（55）を介して電流位相指令が入力された場合に、それをより大きな値に補正してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。また、電流位相リミット部（562）は、入力された電流位相指令を電流位相リミット（Li）以下に制限してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力するとともに、電流位相指令が示す値が電流位相リミット（Li）を超えている場合に、速度垂下要求（速度の低下を指示する命令）を指令速度演算部（57）に出力する。
【００３８】
指令速度演算部（57）は、モータ（11a）の目標の回転速度を決定し、回転速度を指示する速度指令を速度制御部（59）に出力する。
【００３９】
位置・速度検出部（58）は、モータ（11a）の端子電圧、モータ電流（３相の電流値）の情報を受けて、モータ（11a）のロータの位置、及び現在の回転速度を求めるようになっている。
【００４０】
速度制御部（59）は、速度指令と現在の回転速度との差分を求め、その差分に応じて発生すべきトルクを指示するトルク指令をｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。
【００４１】
ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、前記トルク指令と現在のロータ位置とからモータ（11a）に流す電流値（電流ベクトルの大きさ）を求めるとともに、電流位相が電流位相指令で指定された値となるように、ｄ軸電流を指示するｄ軸電流指令（図２等ではｉｄ電流指令）と、ｑ軸電流を指示するｑ軸電流指令（図２等ではｉｑ電流指令）とを生成する。
【００４２】
電流制御部（61）は、現在のｄ軸電流値とｄ軸電流指令との差分、及びｑ軸電流値とｑ軸電流指令との差分をそれぞれ求め、インバータ回路（23）の出力電圧を決定する。電流制御部（61）は、決定した出力電圧の情報（電圧指令）、及びその電圧位相の情報（電圧位相指令）をＰＷＭ変調部（51）に出力する。
【００４３】
〈本実施形態におけるモータの運転〉
冷凍装置（1）では、圧縮機（11）、凝縮器（12）、膨張機（13）、及び蒸発器（14）を冷媒配管により順に閉回路に接続して冷媒回路（10）を構成してある。冷凍装置（1）において、冷房運転を行うとすれば、圧縮機（11）から冷媒を凝縮器（12）に送り、この凝縮器（12）で冷媒を外気と熱交換して放熱させた後、その冷媒の流量及び圧力を膨張機（13）で調整しつつ、蒸発器（14）で室内空気と熱交換させて吸熱させ、ガス冷媒として圧縮機（11）に戻すことを繰り返す。このような運転では、必要な冷房能力に応じて、モータ（11a）の回転速度、出力トルクが、制御部（28）によって適宜制御される。
【００４４】
図３は、モータ（11a）のトルク曲線（ここでは電流位相に対する出力トルクの値をプロットした曲線）を例示する。それぞれのトルク曲線（T1,T2,T3,T4）は、異なる負荷条件における特性を示している。同図に示すように、トルク曲線（T1,T2,T3,T4）は、上に凸の曲線となる。例えば、トルク曲線（T1）は、冷凍装置（1）における最大負荷時のトルク曲線であり、そのトルク曲線（T1）のピークから定めた電流位相リミットがLi1である。
【００４５】
本実施形態では、電流位相リミット（Li）を、制御部（28）によって可変させる。図４は、実施形態１における制御部（28）の動作を説明するフローチャートである。まず、ステップS11では、電流位相指令生成部（54）が、電流位相が電流位相リミット（Li）に達しているかどうかを判断する。判断の結果がNoの場合には、ステップS12に進む。
【００４６】
ステップS12に進むのは、例えば冷凍装置（1）における中間的な負荷状態の場合である。図５は、中間負荷状態における電圧制限楕円を示す。ここで、電圧制限楕円とは、モータの回転速度とインバータ回路の出力可能な電圧の制約のもとで運転可能な電流ベクトルの出力範囲であって、図５は、縦軸がｑ軸電流、横軸がｄ軸電流である。モータ（11a）は、電流ベクトルの終端が電圧制限楕円内(楕円上も含む)にある場合に運転が可能である。
【００４７】
また、図６は、冷凍装置（1）における運転エリア、及び中間負荷状態における動作点の一例を示す。図６では、縦軸がモータ（11a）のトルク、モータ（11a）の横軸が回転速度であり、モータ（11a）は、直線(A,B,C)と座標軸で囲まれた領域内で運転することができる。
【００４８】
そして、モータ（11a）の動作点が図６に示すように、回転速度及び出力トルクが運転エリアの概ね中心付近にある場合などが中間負荷状態である。中間負荷状態では、電流位相リミット（Li）は、モータ（11a）の最高回転速度における最大出力近傍となる電流位相に設定する。すなわち、このとき電流位相リミット（Li）は、前述の電流位相リミット（Li1）である。図５の破線は、電流位相が電流位相リミット（Li1）と同値である電流ベクトル(説明の便宜のため最大位相電流ベクトルと呼ぶ)の方向を示す。図５の例で電流位相リミット（Li）の制限下でモータ（11a）を運転するには、電圧制限楕円内であって、且つ破線よりも上の領域に、電流ベクトルの終端が入るように制御する必要がある。
【００４９】
そして、図４に戻ってステップS12では、電流位相指令生成部（54）は、電流位相指令をｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。これにより、冷凍装置（1）では、現在の目標の回転速度でモータ（11a）が運転される。
【００５０】
一方、ステップS11での判断結果がYesの場合には、ステップS13に進む。このとき、電流位相指令生成部（54）は、電流位相指令をセレクタ（55）に出力している。
【００５１】
ステップS13では、高速軽負荷判断部（53）が高速軽負荷の状態か否かを判断する。判断の結果がNoの場合には、ステップS14に進む。このときセレクタ（55）はその出力先を電流位相リミット部（562）に切替えている。
【００５２】
ステップS14に進むのは、冷凍装置（1）における高負荷状態で高速運転が行われる状態(以下、高速重負荷状態と呼ぶ)である。図７は、高速重負荷状態における電圧制限楕円を示す。また、図８は、高速重負荷状態における動作点の一例を示す。高速重負荷状態では、電流位相リミット（Li）は、モータ（11a）の最高回転速度における最大出力近傍となる電流位相に設定する。すなわち、このとき電流位相リミット（Li）は、前述の電流位相リミット（Li1）である。
【００５３】
電流位相リミット部（562）は、入力された電流位相指令を電流位相リミット（Li）以下に制限してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力するとともに、前記速度垂下要求を指令速度演算部（57）に出力する。指令速度演算部（57）は、本来の目標値よりも低い回転速度を指示する速度指令を速度制御部（59）に出力する(ステップS15)。これにより、現在の目標の回転速度よりも低い回転速度でモータ（11a）が運転されることになる。
【００５４】
また、ステップS13でYesと判断した場合は高速軽負荷状態であって、ステップS16の処理が行われる。高速軽負荷の状態では、セレクタ（55）は、その出力先が電流位相リミット変更部（561）に切替わっている。
【００５５】
図９は、高速軽負荷状態における電圧制限楕円を示す。また、図１０は、高速軽負荷状態における動作点の一例を示す。高速軽負荷状態では、電流位相リミット（Li）を、モータ（11a）の最高回転速度における最大出力近傍となる電流位相(すなわち電流位相リミット（Li1）)に設定すると、電流ベクトルが電圧制限楕円上にあっても、運転が制限される。
【００５６】
高速軽負荷状態のモータ（11a）の特性を図３で見ると、最もピークが低いトルク曲線（T4）に相当する。トルク曲線（T4）は、電流位相リミット（Li1）よりも右側（電流位相リミット（Li1）を超えた範囲）に含まれている。そのため、従来の制御方法では、この領域で運転しようとするとトリップ状態になる。しかしながら、本実施形態では、電流位相リミット変更部（561）は、電流位相リミット（Li）を現在の値よりも大きな値に変更する。具体的には、高速低負荷時のトルク曲線（T4）のピーク付近の電流位相の値を新たな電流位相リミット（Li4）とする。電流位相リミット変更部（561）は、新たな電流位相リミット（Li4）よりも電流位相指令生成部（54）で求めた電流位相の方が小さい場合には、入力された電流位相指令をｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。
【００５７】
これにより、冷凍装置（1）では、電流ベクトルが電圧制限楕円内にあれば、電流位相指令生成部（54）で求めた電流位相で運転を行うことが可能になる。すなわち、電流位相指令がより進んだ状態に制御されて弱め磁束制御が行われ、速度垂下（減速）は行われない（ステップS17）。
【００５８】
〈本実施形態における効果〉
以上のように本実施形態では、回転速度と負荷に応じて電流位相リミット（Li）が適宜変更され、高速軽負荷状態での運転が可能になる。また、電流位相を適切に制限でき、トリップ防止も可能になる。
【００５９】
なお、電流位相リミット変更部（561）は、入力された電流位相指令をｄｑ軸電流指令生成部（60）に無条件に出力する、すなわち電流位相リミット（Li）制御を解除するように構成してもよい。
【００６０】
《発明の実施形態２》
発明の実施形態２では、電流位相リミット制御の他の例を説明する。本実施形態では、前記高速軽負荷状態の場合にはｄ軸電流指令を補正してｄ軸電流を増大させる。図１１は、実施形態２の制御部（28）の構成を示す。本実施形態の制御部（28）は、電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成が実施形態１とは異なる。図１２は、実施形態２の電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成を示す。
【００６１】
図１２に示すように、電流位相制御部（56）は、電流位相リミット部（562）とｄ軸電流指令加算成分算出部（563）を備えている。電流位相リミット部（562）の機能は、実施形態１と同様であり、入力された電流位相指令を電流位相リミット（Li）以下に制限してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力するとともに、電流位相指令が示す値が電流位相リミット（Li）を超えている場合に、スイッチ（562a）をオンにして、速度垂下要求（速度の低下を指示する命令）を指令速度演算部（57）に出力する。
【００６２】
ｄ軸電流指令加算成分算出部（563）は、電流位相を電流位相指令が示す値とするためにはｄ軸電流をどれだけ増加させればよいかを算出し、必要な増分（Ｉｄ指令加算成分と呼ぶ）を出力する。具体的には、ｄ軸電流指令加算成分算出部（563）は、電流位相指令が示す電流位相と、電流位相リミット部（562）によって制限された電流位相との差分を求めるとともに、その差分をＰＩ制御器（563a）で処理して前記Ｉｄ指令加算成分を求める。ｄ軸電流指令加算成分算出部（563）は、高速軽負荷状態の場合にスイッチ（563b）をオンにして、求めたＩｄ指令加算成分をｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。
【００６３】
ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、現在のロータ位置とトルク指令から電流値(電流ベクトルの大きさ)を求めるとともに、ｄ軸電流とｑ軸電流とが電流位相指令で指定された電流位相となるように、ｄ軸電流を指示するｄ軸電流指令、及びｑ軸電流を指示するｑ軸電流指令を生成する。詳しくは、ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、電流位相リミット部（562）から出力された電流位相（β）を用いて、トルク指令値に−ｓｉｎ（β）を乗じてｄ軸電流値を求めるとともに、トルク指令値にｃｏｓ（β）を乗じてｑ軸電流値を求める。
【００６４】
そして、ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、生成したｄ軸電流指令にｄ軸電流指令加算成分算出部（563）から入力されたＩｄ指令加算成分を加算する。これにより、ｄ軸電流値は、電流位相リミット部（562）によって制限された電流位相から定まる大きさよりも、より大きな値となる。ｄ軸電流値が大きくなると、電流位相は進むことになる。
【００６５】
〈本実施形態におけるモータの運転〉
図１３は、実施形態２における制御部（28）の動作を説明するフローチャートである。ステップS21,S22,S23,S24,及びS25は、実施形態１のステップS11,S12,S13,S14,及びS15がそれぞれ対応する。すなわち、前記中間負荷状態や前記高速重負荷状態の場合には、実施形態１と同様の処理が行われる。
【００６６】
一方、高速軽負荷状態の場合の処理は実施形態１とは異なっている。高速軽負荷状態の場合には、ステップS21,S23を経由した後にステップS26の処理が行われる。まず、ステップS26では、ｄ軸電流指令加算成分算出部（563）が、Ｉｄ指令加算成分を算出し、ｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、生成したｄ軸電流指令に、入力されたＩｄ指令加算成分を加算する。これにより、電流位相指令がより進んだ状態に制御されて弱め磁束制御が行われ、速度垂下することはない(ステップS27）。
【００６７】
以上のように本実施形態では、回転速度と負荷に応じてｄ軸電流が適宜補正され、高速軽負荷状態での運転が可能になる。また、電流位相を適切に制限でき、トリップ防止も可能になる。
【００６８】
《発明の実施形態３》
発明の実施形態３でも電流位相リミット制御の他の例を説明する。図１４は、実施形態３の制御部（28）の構成を示す。本実施形態の制御部（28）は、電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成が実施形態１とは異なる。図１５は、実施形態３の電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成を示す。
【００６９】
図１５に示すように、電流位相制御部（56）は、電流位相リミット部（562）とｄ軸電流指令生成部（564）を備えている。電流位相リミット部（562）の機能は、実施形態１と同様であり、入力された電流位相指令を電流位相リミット（Li）以下に制限してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力するとともに、電流位相指令が示す値が電流位相リミット（Li）を超えている場合に、スイッチ（562a）をオンにして、速度垂下要求（速度の低下を指示する命令）を指令速度演算部（57）に出力する。
【００７０】
ｄ軸電流指令生成部（564）は、電流位相指令に基づいてｄ軸電流を算出するとともに、その算出値に、ゲイン乗算部（564a）で所定のゲインを乗じた値（以下、Ｉｄ指令という）をｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。
【００７１】
ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、現在のロータ位置とトルク指令からモータ（11a）に流す電流値(電流ベクトルの大きさ)を求めるとともに、電流位相が電流位相指令で指定された値となるように、ｄ軸電流を指示するｄ軸電流指令、及びｑ軸電流を指示するｑ軸電流指令を生成する。そして、ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、前記高速軽負荷状態ではない場合には、自らが求めたｄ軸電流指令、及びｑ軸電流指令を電流制御部（61）に出力する。
【００７２】
一方、前記高速軽負荷状態の場合には、ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、求めたｄ軸電流指令の代わりに前記Ｉｄ指令を出力するともに、求めたｑ軸電流指令に所定のゲインをゲイン乗算部（62）によって乗じたものを新たなｑ軸電流指令として電流制御部（61）に出力する。これにより、ｄ軸電流は、電流位相指令生成部（54）で求められた電流位相に応じた値となる。すなわち、ｄ軸電流は増加する。ｄ軸電流が大きくなると、電流位相は進むことになる。
【００７３】
図１６は、実施形態３における制御部（28）の動作を説明するフローチャートである。ステップS31,S32,S33,S34,及びS35は、実施形態１のステップS11,S12,S13,S14,及びS15がそれぞれ対応する。すなわち、前記中間負荷状態や前記高速重負荷状態の場合には、実施形態１と同様の処理が行われる。
【００７４】
一方、高速軽負荷状態の場合の処理は実施形態１とは異なっている。高速軽負荷状態の場合には、ステップS31,S33を経由した後にステップS36の処理が行われる。まず、ステップS36では、ｄ軸電流指令生成部（564）がＩｄ指令を算出し、ｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力する。ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、生成したｄ軸電流指令の代わりに、入力されたＩｄ指令を電流制御部（61）に出力する。また、ｄ軸電流指令生成部（564）は、求めたｑ軸電流指令に所定のゲインを乗じたものを新たなｑ軸電流指令として電流制御部（61）に出力する。これにより、電流位相指令がより進んだ状態に制御されて弱め磁束制御が行われ、速度垂下することはない(ステップS37）。
【００７５】
以上のように本実施形態では、回転速度と負荷に応じてｄ軸電流が決定され、高速軽負荷状態での運転が可能になる。また、電流位相を適切に制限でき、トリップ防止も可能になる。
【００７６】
《発明の実施形態４》
発明の実施形態４でも電流位相リミット制御の他の例を説明する。図１７は、実施形態４の制御部（28）の構成を示す。本実施形態の制御部（28）は、電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成が実施形態１とは異なる。図１８は、実施形態４の電流位相制御部（56）及びｄｑ軸電流指令生成部（60）の構成を示す。
【００７７】
ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、現在のロータ位置とトルク指令からモータ（11a）に流す電流値(ｄ軸電流値、及びｑ軸電流値)を求める。そしてｄｑ軸電流指令生成部（60）は、求めたｄ軸電流値にゲイン乗算部（63）によって所定のゲインを乗じてｄ軸電流指令を生成するとともに、求めたｑ軸電流値にゲイン乗算部（62）によって所定のゲインを乗じてｑ軸電流指令を生成するように構成されている。これらのゲイン乗算部（62,63）は、ゲインを可変できるように構成されている。
【００７８】
電流位相制御部（56）は、図１８に示すように、電流位相リミット部（562）とＩｄiｑ生成ゲイン変更部（565）を備えている。電流位相リミット部（562）の機能は、実施形態１と同様であり、入力された電流位相指令を電流位相リミット（Li）以下に制限してｄｑ軸電流指令生成部（60）に出力するとともに、電流位相指令が示す値が電流位相リミット（Li）を超えている場合に、スイッチ（562a）をオンにして、速度垂下要求（速度の低下を指示する命令）を指令速度演算部（57）に出力する。
【００７９】
前記速度垂下要求が出力される場合、且つ高速軽負荷状態の場合には、電流位相リミット（Li1）を超えた電流位相で運転する必要がある。そこで、制御部（28）では、電流位相リミット部（562）が前記速度垂下要求を出力した場合には、モータ（11a）に流すべきｄ軸電流値が、ｄｑ軸電流指令生成部（60）が算出したｄ軸電流値よりも大きくなるように、Ｉｄiｑ生成ゲイン変更部（565）のゲイン変更部（565a）がゲイン乗算部（63）におけるゲインとゲイン乗算部（62）におけるゲインを調整する。そして、図１８のスイッチ（565b）がオンにされ、ゲイン変更部（565a）が求めたゲインがｄｑ軸電流指令生成部（60）のそれぞれのゲイン乗算部（62,63）に出力されてゲインが調整される。これにより、ｄ軸電流は増加することになる。ｄ軸電流が大きくなると、電流位相を進めることができる。
【００８０】
図１９は、実施形態４における制御部（28）の動作を説明するフローチャートである。ステップS41,S42,S43,S44,及びS45は、実施形態１のステップS11,S12,S13,S14,及びS15がそれぞれ対応する。すなわち、前記中間負荷状態や前記高速重負荷状態の場合には、実施形態１と同様の処理が行われる。
【００８１】
一方、高速軽負荷状態の場合の処理は実施形態１とは異なっている。高速軽負荷状態の場合には、ステップS41,S43を経由した後にステップS46の処理が行われる。
【００８２】
ステップS46では、ｄｑ軸電流指令生成部（60）では、トルク指令に基づいて、ｄ軸電流値とq軸電流値を求める。より詳しくは、ｄｑ軸電流指令生成部（60）は、電流位相リミット部（562）がら出力された電流位相（β）を用いて、トルク指令値に−ｓｉｎ（β）を乗じてｄ軸電流値を求め、トルク指令値にｃｏｓ（β）を乗じてｑ軸電流値を求める。一方、電流位相制御部（56）では、ｄ軸電流値が増大するように、ゲイン変更部（565a）がｄ軸電流値とq軸電流値に乗ずるゲインを算出する。算出したゲインは、ゲイン乗算部（62,63）に出力される。これにより、電流位相がより進んだ状態に制御されて弱め磁束制御が行われ、速度垂下することはない(ステップS47）。
【００８３】
以上のように本実施形態では、回転速度と負荷に応じてｄ軸電流が決定され、高速軽負荷状態での運転が可能になる。また、電流位相を適切に制限でき、トリップ防止も可能になる。
【００８４】
なお、Ｉｄiｑ生成ゲイン変更部（565）は、ゲイン乗算部（62）、及びゲイン乗算部（63）の何れか一方におけるゲインを調整するように構成してもよい。
【００８５】
《その他の実施形態》
〈1〉  なお、負荷の大きさ判別は、モータの電流位相と電圧位相との関係から判断する方法には限定されない。他の例として、電圧制限楕円を用いることができる。図２０は、電圧制限楕円の一例を示す。図２０において、破線は前述の最大位相電流ベクトルの方向を示す。なお、ここでの電流位相リミット（Li）は、モータ（11a）の最高回転速度における最大出力近傍となる電流位相に設定するものとする。
【００８６】
図２０において、座標軸原点から、最大位相電流ベクトルと電圧制限楕円との交点（P）との最短距離（交点距離と呼ぶ。交点距離は電流値を意味する）よりも、出力すべき電流値（電流ベクトルの大きさ）が小さい場合には、電流位相リミット（Li）よりも電流位相を進めないとモータ（11a）の運転が制限されることになる。そこで、出力したい電流の大きさと前記交点距離を比較し、電流ベクトルの大きさが交点距離未満の場合に、軽負荷であると判断し、前記実施形態の制御を行えばよい。
【００８７】
〈2〉  また、負荷の大きさ判別は、電圧位相の大きさと電流位相の大きさの関係に、電流値を加味してもよい。具体的には、電流ベクトルの大きさ（電流値）が予め設定した所定値以上、且つ電圧ベクトルが電流位相より進んでいる場合に高負荷状態と判断し、電流ベクトルの大きさが予め設定した所定値未満且つ電圧ベクトルが電流位相より進んでいる場合に軽負荷と判断することが考えられる。
【００８８】
〈3〉  また、それぞれの実施形態で説明した電流位相リミット制御は、モータに限らず、同期式の発電機（例えば図１の発電機（26））にも適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、いわゆる同期式の回転電気機械として有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１１ａ    モータ（回転電気機械）
２０      電力変換装置
２８      制御部
【図１】
2014128170.tif 000003
【図２】
2014128170.tif 000004
【図３】
2014128170.tif 000005
【図４】
2014128170.tif 000006
【図５】
2014128170.tif 000007
【図６】
2014128170.tif 000008
【図７】
2014128170.tif 000009
【図８】
2014128170.tif 000010
【図９】
2014128170.tif 000011
【図１０】
2014128170.tif 000012
【図１１】
2014128170.tif 000013
【図１２】
2014128170.tif 000014
【図１３】
2014128170.tif 000015
【図１４】
2014128170.tif 000016
【図１５】
2014128170.tif 000017
【図１６】
2014128170.tif 000018
【図１７】
2014128170.tif 000019
【図１８】
2014128170.tif 000020
【図１９】
2014128170.tif 000021
【図２０】
2014128170.tif 000022