(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、磁束指令とトルク電流指令に基づいて前記負荷角を特定する第１のテーブル、および前記磁束指令と前記トルク電流指令に基づいて前記界磁電流指令を特定する第２のテーブルから、前記負荷角と前記界磁電流指令をそれぞれ取得する、
巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項２】
前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記負荷角と前記界磁電流指令のそれぞれに対し、制動巻線電流によって磁束変動に遅れが生じる効果を前記負荷角と前記界磁電流指令に反映させるための一次遅れフィルタをかける請求項１に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項３】
負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値の３変数に基づいて前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定する第１のテーブルと、前記界磁電流指令を磁束指令と前記速度制御部により求められた指令の２変数に基づいて特定する第２のテーブルから、それぞれ取得する、
巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項４】
前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記界磁電流指令に対し、制動巻線電流によって磁束変動に遅れが生じる効果を前記界磁電流指令に反映させるための一次遅れフィルタをかける請求項３に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項５】
負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値に基づいて、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定するテーブルから取得し、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を用いて前記負荷角を、前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記磁束指令を用いて前記界磁電流指令を、それぞれ求める、
巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項６】
前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とを用いて制動巻線電流のｄ軸成分と前記制動巻線電流のｑ軸成分とを求め、前記制動巻線を流れる電流による起磁力の影響を反映するため前記求めた制動巻線電流のｄ軸成分を前記合成ｄ軸電流値に加算し、前記求めた制動巻線電流のｑ軸成分を前記ｑ軸電流値に加算する請求項５に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。
【請求項７】
前記シミュレータは、前記制動巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分を、次の式を用いて求める請求項６に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。
【数１】
0006722901.tif 000007
【数２】
0006722901.tif 000008
ただし、ｉkdおよびｉkqはそれぞれ前記制動巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分、φｄおよびφｑはそれぞれ前記ｑ軸電流値、前記界磁電流値および前記合成ｄ軸電流値を３変数とする前記テーブルにより取得した前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線界磁型同期機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１６は、巻線界磁型同期機における従来の制御装置における磁束演算器のブロック図の一例である（特許文献１参照）。従来の制御装置の磁束演算器２０３においては、回転子巻線による界磁磁極方向であるｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｄ、回転子巻線による界磁磁極方向に垂直な方向であるｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｑを、Ｐａｒｋの等価回路に基づいた式を用いて推定している。
【０００３】
たとえば、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｄは、次の式（１）により算出することができる。
【０００４】
【数１】
0006722901.tif 000002
【０００５】
ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｑも同様に求めることができる。負荷角演算器２０１は、算出されたｄ軸磁束Φｄとｑ軸磁束Φｑとを用いて、負荷角δを推定する。また、界磁電流指令演算器２０２は、界磁電流の指令値を算出する。多くの場合、ここでも、Ｐａｒｋの等価回路に基づいた計算を行う。
【０００６】
この際、電力変換器の出力電圧が定格電圧に達した場合でも、出力電圧の位相を変化させることにより、安定な制御を確保する技術も知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１２７８９３号公報
【特許文献２】特許３７６４３３７号公報
【特許文献３】特開平９−３２７２００号公報
【特許文献４】特開２０１１−５０１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、近年の回転電機においては、高出力化、小型化が進んでおり、磁束密度を高めた設計をすることが多くなっている。このような回転電機においては磁気飽和のために各部のインダクタンスが運転状態によって大きく変化する。このため、過負荷運転時などには、前述の式（１）によって演算した鎖交磁束に大きな誤差が生じる可能性がある。
【０００９】
このような問題を解決するため、ｄ軸とｑ軸間の干渉項を考慮した磁束演算器を用いることにより、ｑ軸起磁力による磁気飽和がｄ軸磁束に及ぼす影響を考慮する技術が知られている（特許文献３）。また、電流に対するインダクタンスの変化を数式によって定式化し、例えば（１）式中のインダクタンスを可変とした磁束演算機を構築することにより、磁気飽和が考慮できるとする例もある（特許文献４）。
【００１０】
しかしながら、これらの方法では任意の運転状態におけるインダクタンスの詳細な変化を予測することは困難である。また、磁束演算器を定義する各定数を制御対象機ごとに正確に求める必要がある。
【００１１】
以上のような背景に鑑み、本発明は、磁気飽和の影響が大きい小型・高出力のものを含めて、簡素な構成で、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、磁束指令とトルク電流指令に基づいて前記負荷角を特定する第１のテーブル、および前記磁束指令と前記トルク電流指令に基づいて前記界磁電流指令を特定する第２のテーブルから、前記負荷角と前記界磁電流指令をそれぞれ取得する。
また、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値の３変数に基づいて前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定する第１のテーブルと、前記界磁電流指令を磁束指令と前記速度制御部により求められた指令の２変数に基づいて特定する第２のテーブルから、それぞれ取得する。
また、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値に基づいて、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定するテーブルから取得し、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を用いて前記負荷角を、前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記磁束指令を用いて前記界磁電流指令を、それぞれ求める。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、磁気飽和の影響が大きい小型・高出力のものを含めて、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるｄ軸電機子鎖交磁束Φｄを算出するためのｄ軸磁束関数φｄの例を示す３次元グラフである。
【図４】界磁電流を増加させた場合のｄ軸磁束関数φｄの例を示す３次元グラフである。
【図５】ｄ軸電機子鎖交磁束Φｄ、ｑ軸電機子鎖交磁束Φｑと、負荷角δとの関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられる磁束演算器における制動電流の影響の考慮を説明する概念的なグラフである。
【図８】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【図１０】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と界磁電流との対応関係の例を示すグラフである。
【図１１】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【図１３】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と負荷角との対応関係の例を示すグラフである。
【図１４】第５の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】第６の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】巻線界磁型同期機の制御装置の磁束演算器の従来の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機および巻線界磁型同期機制御装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置３００は、巻線界磁型同期機１が、電機子巻線２ａおよび界磁巻線２ｂを有するが、制動（ダンパー）巻線を有さない場合を対象としている。
【００１７】
巻線界磁型同期機制御装置３００は、角速度指令ωｒ＊および磁束指令Φ＊に対して、電機子電圧ＶＡおよび界磁電流ｉｆを調節する。巻線界磁型同期機制御装置３００は、速度制御部１０および界磁制御部２０、およびシミュレータ１００を有する。
【００１８】
0075-0100、図１他
速度制御部１０は、減算器１１、速度演算器１２、速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４、減算器１５、１６、３相−ｄｑ変換器１７、ｄｑ軸電流制御器１８、ｄｑ−３相変換器１９を有する。速度制御部１０は、角速度指令ωｒ＊を得るための速度制御ループの下に、対応するトルク電流ｉＴ＊を得るための電流制御ループを有するカスケード制御の構成となっている。
【００１９】
なお、以下、巻線界磁型同期機制御装置３００の構成を示す各図の説明において、各要素の入出力信号は、たとえば、「角速度指令」ωｒ＊のように表現している。入出力信号については、詳細には、信号の名称と信号のレベル値とは別のものであるので、これらを別個に表現することが正しい。しかしながら、表現上、煩雑となるため、たとえばωｒ＊は、「角速度指令信号」を示すとともに「角速度指令信号のレベル値」も示すものとし、両者を「角速度指令」と総称して表現する。なお、フィードバック信号と称するものも、そのレベル値を併せて示すものとする。
【００２０】
速度制御部１０の減算器１１は、回転位置検出器７で検出され位置演算器８により算出された巻線界磁型同期機１の回転位置Θが速度演算器１２により変換された角速度ωを、負のフィードバック信号とし、角速度指令ωｒ＊から減じた角速度偏差を出力する。速度制御器１３は、角速度偏差および磁束指令Φ＊を入力として、トルク電流指令ｉＴ＊を出力する。
【００２１】
ｄ：0028-0037,0046-0127、ｑ：0027-0072,0083-0085、図１他
ｄｑ軸電流演算器１４は、トルク電流指令ｉＴ＊を入力として、ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を算出する。この際、ｄｑ軸電流演算器１４は、シミュレータ１００で算出された負荷角δを用いる。
【００２２】
電流制御ループについては、電流変換器５で検出された電機子の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗを、３相−ｄｑ変換器１７でｑ軸電機子電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄに変換される。３相−ｄｑ変換器１７は、この変換の際に、位置演算器８の出力である角度位置Θを用いる。３相−ｄｑ変換器１７で得られたｑ軸電機子電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄは、減算器１５および減算器１６へのフィードバック信号として入力される。
【００２３】
減算器１５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびフィードック信号であるｄ軸電流ｉｄを入力として受け入れ、ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｄ軸電流ｉｄを減じたｄ軸電流偏差を出力する。減算器１６は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊およびフィードック信号であるｑ軸電機子電流ｉｑを入力として受け入れ、ｑ軸電流指令ｉｑ＊からｑ軸電機子電流ｉｑを減じたｑ軸電流偏差を出力する。
【００２４】
ｄｑ軸電流制御器１８は、減算器１５からのｄ軸電流偏差、および減算器１６からのｑ軸電流偏差を入力として受け入れ、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出し、出力する。
【００２５】
ｄｑ−３相変換器１９は、ｄｑ軸電流制御器１８により算出されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、３相各相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換する。電力変換器３は、これら３相各相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に比例した三相電機子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを発生し、巻線界磁型同期機１に供給する。これにより、巻線界磁型同期機１の電機子巻線２ａに相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れる。この相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ電流変換器５により検出される。
【００２６】
Ｉｆｄ：0028-0037, 0042-0051、図１他
界磁制御部２０は、磁束指令Φｄ＊と、界磁電流ｉｆのフィードバック信号を受けて、界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出し、界磁電流制御器２１が、界磁電流指令ｉｆｄ＊から界磁電圧指令Ｖｆ＊を算出し、電力変換器４に出力する。電力変換器４は、界磁電圧指令Ｖｆ＊に比例した界磁電圧Ｖｆを発生し、巻線界磁型同期機１の界磁巻線２ｂに供給する。これにより、巻線界磁型同期機１の界磁巻線２ｂに界磁電流ｉｆが流れる。この界磁電流ｉｆは電流変換器６により検出される。
【００２７】
図２は、第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【００２８】
シミュレータ１００は、負荷角演算器１０１、界磁電流指令演算器１０２、磁束演算器１１０、および加算器１１１を有する。シミュレータ１００は、全体として、ｄ軸電機子電流ｉｄ、ｑ軸電機子電流ｉｑ、界磁電流ｉｆｄおよび磁束指令Φ＊を入力として受け入れ、負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を出力する。ここで、ｉｆｄは、電機子側に換算した界磁電流である。
【００２９】
加算器１１１は、ｄ軸電機子電流ｉｄと界磁電流ｉｆｄとを入力として受け入れ、両者を合計した結果を合成ｄ軸電流ｉｄ＋として出力する。
【００３０】
磁束演算器１１０は、合成ｄ軸電流ｉｄ＋、ｑ軸電機子電流ｉｑ、および界磁電流ｉｆｄを入力として受け入れ、これらを変数とする２つの関数を有する。この２つの関数は、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｄを算出するｄ軸磁束関数φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）と、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｑを算出するｑ軸磁束関数φｑ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）である。なお、便宜上、ギリシャ文字（大文字はΦ）の小文字の表記は、φまたは、次の表記のいずれかとするが両者は同じ文字を表すものとする。
【００３１】
【数２】
0006722901.tif 000003
【００３２】
図３は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φｄを算出するためのｄ軸磁束関数φｄの例を示す３次元グラフである。平面における横軸は、ｑ軸電機子電流ｉｑ、縦軸は合成ｄ軸電流ｉｄ＋である。両者に垂直な第３の軸は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φｄである。
【００３３】
ここで、曲面Ｆｄ１は、界磁電流ｉｆｄがある値ｉｆ１の場合のｄ軸電機子鎖交磁束Φｄである。すなわち、Ｆｄ１（ｉｄ＋，ｉｑ）＝φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆ１）である。図３では、界磁電流ｉｆｄがｉｆ１の場合の曲面Ｆｄ１のみが示されているが、複数の界磁電流ｉｆｄの値についてのそれぞれに対応する複数の曲面Ｆｄを準備しておけば、与えられた界磁電流ｉｆｄの値については内挿することによって、（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）についてのφｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）が算出できる。また、曲面自身も、関数テーブルに置き換えることができる。すなわち、ｉｄ＋軸とｉｑ軸のそれぞれの方向のメッシュに分けて、ｉｆｄの値ごとのｄ軸電機子鎖交磁束Φｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φｑテーブルとして保存し、入力されたｉｄ＋およびｉｑについて内挿により算出し、さらにｉｄについても内挿することによりｄ軸電機子鎖交磁束Φｄを算出することができる。以下、ｄ軸電機子鎖交磁束Φｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φｑテーブルを、関数テーブルと総称する。
【００３４】
図４は、界磁電流を増加させた場合のｄ軸磁束関数φｄの例を示す３次元グラフである。界磁電流ｉｆを増加させると磁気飽和が進行するため、φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）の分布形状である曲面Ｆｄ２は全体的に緩やかな曲面となる。
【００３５】
曲面Ｆｄ１、Ｆｄ２等は、たとえば、有限要素法による電磁界解析などにより算出することができる。以上は、ｄ軸磁束関数φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）について示したが、ｑ軸磁束関数φｑ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）についても同様の方法で算出することができる。
【００３６】
次に、負荷角演算器１０１は、磁束演算器１１０からのｄ軸電機子鎖交磁束Φｄとｑ軸電機子鎖交磁束Φｑとを入力として受け入れて、負荷角δを算出する。図５は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φｄおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φｑと、負荷角δとの関係を示す図である。ここで負荷角δとは、ｑ軸から測った誘起電圧Ｅ（≒端子電圧Ｖ）の位相角である。また、負荷角δは、ｄ軸から測った磁束Φの位相角でもある。図５は、同期機が電動機の場合を示している。図５に示すように、負荷角δは、次の式（２）により算出できる。
δ＝ｔａｎ−１（Φｑ／Φｄ）          …（２）
【００３７】
また、界磁電流指令演算器１０２は、磁束指令Φ＊、フィードバック信号であるｄ軸電機子電流ｉｄ、磁束演算器１１０からのｄ軸電機子鎖交磁束Φｄを入力として受け入れて、界磁電流指令ｉｆｄ＊を次の式（３）により算出する。ただし、Ｌａｄは、ｄ軸の電機子反作用インダクタンス、Ｌｌｄはｄ軸の電機子漏れインダクタンスである。
【００３８】
【数３】
0006722901.tif 000004
【００３９】
なお、本実施形態においては、シミュレータによって負荷角や界磁電流を演算してフィードフォワード的に制御する方式として、トルク電流ｉＴの指令値としてトルク電流指令ｉＴ＊を用いるような制御装置の場合を例に示した。このようにシミュレータを用いる方法は、これに限定されず、負荷角や界磁電流を演算してフィードフォワード的に制御する任意の方式に対しても用いることができる。
【００４０】
また、巻線界磁型同期機制御装置３００の各部を、たとえば、速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４等のように、個々の機器としての名称を付している。しかしながら、巻線界磁型同期機制御装置３００は、計算機システムの演算部であってもよい。この場合は、個々の機器としての名称を付することは適当ではなく、たとえば、速度制御部、ｄｑ軸電流演算部のように、計算機の一部の機能を示す名称とするのが適切である。本実施形態は、このような場合には適切に読み替えるものとして、便宜的に速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４等のように、個々の機器としての名称を付している。
【００４１】
シミュレータ１００のｄ軸電機子鎖交磁束Φｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φｑテーブルには、磁気飽和に関するすべての情報が含まれているため、定常状態や過渡状態など任意の運転モードにおいて鎖交磁束を正確に推定することができる。
【００４２】
このため、負荷角演算器１０１の出力である負荷角δや、界磁電流指令演算器１０２の出力である界磁電流指令ｉｆｄ＊も精度よく演算されるため、従来の制御器が不得意とする過負荷においてもトルクを高精度に制御できる。また、負荷の急変や速度変動に対しても高速な応答が得られる。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、簡素な構成で、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態は、電機子巻線および界磁巻線に加えて制動巻線をさらに有する巻線界磁型同期機を対象としている。
【００４５】
本実施形態におけるシミュレータ１２０は、負荷角δの演算部分として、負荷角演算器１０１、加算器１２１、１２２、１２３、乗算器１２４、不完全微分要素１２５、乗算器１２６、不完全微分要素１２７、磁束演算器１２８、減算器１３０、１３１、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分として、の界磁電流演算器１３２を有する。
【００４６】
まず、シミュレータ１２０について説明する。ここで、制動巻線に流れる電流をｉｋとし、制動巻線電流ｉｋのｄ軸方向成分をｉｋｄ、ｑ軸方向成分をｉｋｑと表示する。図３、図４で示した特性は、ｉｋがゼロ、すなわち定常状態における合成ｄ軸電流ｉｄ＋およびｑ軸電機子電流ｉｑに対する依存性を示していることになる。
【００４７】
シミュレータ１２０は、第１の実施形態の場合と同様に、全体として、ｄ軸電機子電流ｉｄ、ｑ軸電機子電流ｉｑ、界磁電流ｉｆdおよび磁束指令Φ＊を入力として受け入れ、負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を出力する。
【００４８】
加算器１２１は、ｄ軸電機子電流ｉｄおよび界磁電流ｉｆを入力として受け入れ、両者の合計値である合成ｄ軸電流ｉｄ＋を出力する。
【００４９】
磁束演算器１２８は、合成ｄ軸電流ｉｄ＋とｄ軸制動巻線電流ｉｋｄとの和、ｑ軸電機子電流ｉｑとｑ軸制動巻線電流ｉｋｑとの和、および界磁電流ｉｆの関数として、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｄおよびｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑをそれぞれ、後述する式（４）、（５）により導出する。
【００５０】
ここで、ｄ軸制動巻線電流ｉｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉｋｑもは、過渡状態に生ずる制動巻線電流のｄ軸方向およびｑ軸方向の成分である。
【００５１】
すなわち、過渡状態においては、合成ｄ軸電流ｉｄ＋、ｑ軸電機子電流ｉｑ、および界磁電流ｉｆに加えてｄ軸制動巻線電流ｉｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉｋｑも流れるため、これらの電流が作る起磁力によっても磁束が発生する。そこで、ｄ軸制動巻線電流ｉｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉｋｑが作る起磁力の影響を、次の式（４）、（５）のように考慮する。
ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｄ＝φｄ（ｉｄ＋＋ｉｋｄ，ｉｑ＋ｉｋｑ，ｉｆｄ）
…（４）
ｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑ＝φｑ（ｉｄ＋＋ｉｋｄ，ｉｑ＋ｉｋｑ，ｉｆｄ）
…（５）
【００５２】
乗算器１２４は、加算器１２１の出力である合成ｄ軸電流ｉｄ＋を入力として受け入れ、これに、ｄ軸の電機子漏れインダクタンスＬｌｄを乗じた値を出力する。
【００５３】
減算器１３０は、磁束演算器１２８の出力のうちｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｄと
、乗算器１２４の出力を入力として受け入れて、両者の和を出力する。
【００５４】
不完全微分要素１２５は、減算器１３０の出力を入力とし、伝達関数が［ｓ／（Ｒｋｄ＋ｓＬｋｄ）］の不完全微分要素の乗算を行う。
【００５５】
加算器１２２は、不完全微分要素１２５の出力と、加算器１２１の出力である合成ｄ軸電流ｉｄ＋とを入力とし、その和を磁束演算器１２８に出力する。
【００５６】
乗算器１２６は、ｑ軸電機子電流ｉｑを入力として受け入れ、これに、ｑ軸の電機子漏れインダクタンスＬｌｑを乗じた値を出力する。
【００５７】
減算器１３１は、磁束演算器１２８の出力のうちｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑと、乗算器１２６の出力を入力として受け入れて、両者の和を出力する。
【００５８】
不完全微分要素１２７は、減算器１３１の出力を入力とし、伝達関数が［ｓ／（Ｒｋｑ＋ｓＬｋｑ）］の不完全微分要素の乗算を行う。
【００５９】
加算器１２３は、不完全微分要素１２７の出力と、ｑ軸電機子電流ｉｑとを入力とし、その和を磁束演算器１２８に出力する。
【００６０】
負荷角演算器１０１は、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｄおよびｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑを入力として受け入れて、その比から負荷角δを演算し、出力する。
【００６１】
界磁電流演算器１３２は、ｄ軸電機子電流ｉｄ、磁束指令Φ＊、および磁束演算器１２８の出力のうちｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑを入力とし、第１の実施形態と同様に、前述の式（３）により界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出し、出力する。
【００６２】
図７は、磁束演算器における制動電流の影響の考慮を説明する概念的なグラフである。すなわち、制動巻線電流の作る起磁力が磁束に及ぼす影響と電機子電流の作る起磁力が磁束に及ぼす影響とが同等であると仮定して、関数テーブル参照の際の引数を、合成ｄ軸電流ｉｄ＋に代えてｉｄ＋＋ｉｋｄとし、ｑ軸電機子電流ｉｑに代えてｉｑ＋ｉｋｑとすることにより、制動巻線電流を考慮した鎖交磁束を求める。図７では、ｄ軸方向変化を示しているが、図７に示すように、磁束は電流増加に対して飽和的な変化を示す。
【００６３】
次に、ｄ軸制動巻線電流ｉｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉｋｑを計算する方法を示す。Ｐａｒｋの等価回路においては、各巻線に鎖交する磁束は、以下の式（６）ないし式（９）のように定義される。ただし、Ｌａｄはｄ軸の電機子反作用インダクタンス、Ｌｌｄはｄ軸の電機子漏れインダクタンス、Ｌｋｄはｄ軸の制動巻線漏れインダクタンスである。
Φｄ＝Ｌｌｄｉｄ＋Ｌａｄ（ｉｄ＋ｉｆｄ＋ｉｋｄ）          …（６）
Φｑ＝Ｌｌｑｉｑ＋Ｌａｄ（ｉｑ＋ｉｋｑ）                …（７）
Φｋｄ＝Ｌｋｄｉｋｄ＋Ｌａｄ（ｉｄ＋ｉｆｄ＋ｉｋｄ）      …（８）
Φｋｑ＝Ｌｋｑｉｋｑ＋Ｌａｄ（ｉｑ＋ｉｋｑ）            …（９）
【００６４】
これらから次の関係式が得られる。
Φｋｄ＝Φｄ＋Ｌｌｄｉｄ−Ｌｋｄｉｋｄ                …（１０）
Φｋｑ＝Φｑ＋Ｌｌｑｉｑ−Ｌｋｑｉｋｑ                …（１１）
【００６５】
関数テーブルとして鎖交磁束テーブルを用いた磁束演算器においても式(１０)、（１１）が成立すると仮定すれば、制動巻線磁束は、４個の定数、Ｌｌｄ、Ｌｌｑ、Ｌｋｄ、Ｌｋｑを用いることにより、次の式（１２）、（１３）のように求められる。
Φｋｄ＝φｄ（ｉｄ＋＋ｉｋｄ，ｉｑ＋ｉｋｑ，ｉｆｄ）−Ｌｌｄｉｄ＋Ｌｋｄｉｋｄ
…（１２）
Φｋｑ＝φｑ（ｉｄ＋＋ｉｋｄ，ｉｑ＋ｉｋｑ，ｉｆｄ）−Ｌｌｑｉｑ＋Ｌｋｑｉｋｑ
…（１３）
【００６６】
定数Ｌｌｄ、Ｌｌｑ、Ｌｋｄ、Ｌｋｑには設計値などを用いることができる。また、電磁解析などで対象とする同期機のインピーダンス特性を算出し、それと磁束演算器１２８のインピーダンス特性が整合するように各定数を決定することで、より正確な値が得られる。式（１２）、（１３）と制動巻線の回路方程式から、ｄ軸制動巻線電流ｉｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉｋｑは次の式（１４）、（１５）のように求められる。
【００６７】
【数４】
0006722901.tif 000005
【００６８】
【数５】
0006722901.tif 000006
【００６９】
このようにｄ軸制動巻線電流ｉｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉｋｑを算出することにより、磁束演算器１２８での演算が可能となる。
【００７０】
シミュレータ１２０内は、以下に示すように、式（１４）、（１５）により、磁束演算器１２８に入力されるｄ軸制動巻線電流ｉｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉｋｑを演算するための構成となっている。
【００７１】
乗算器１２４は、具体的にはたとえば演算増幅器であり、合成ｄ軸電流ｉｄ＋にＬｌｄを乗じたＬｌｄｉｄ＋を出力する。減算器１３０は、この結果からΦｄを減じた結果、すなわち、（Ｌｌｄｉｄ＋−Φｄ）を出力する。不完全微分要素１２５は、この結果に不完全微分要素を乗じて、式（１４）の右辺に対応する結果を、ｄ軸制動巻線電流ｉｋｄとして出力する。加算器１２２は、合成ｄ軸電流ｉｄ＋とｄ軸制動巻線電流ｉｋｄとを入力として受け入れてその和（ｉｄ＋＋ｉｋｄ）を磁束演算器１２８に出力する。
【００７２】
同様に、乗算器１２６は、ｑ軸電機子電流ｉｑにＬｌｑを乗じたＬｌｑｉｑを出力する。減算器１３１は、この結果からΦｑを減じた結果、すなわち、（Ｌｌｑｉｑ−Φｑ）を出力する。不完全微分要素１２７は、この結果に不完全微分要素を乗じて、式（１５）の右辺に対応する結果を、ｑ軸制動巻線電流ｉｋｑとして出力する。加算器１２３は、ｑ軸電機子電流ｉｑとｑ軸制動巻線電流ｉｋｑとを入力として受け入れてその和（ｉｑ＋ｉｋｑ）を磁束演算器１２８に出力する。
【００７３】
以上のように、制動巻線を有する巻線界磁型同期機についても、良好な制御性を維持することができる。
【００７４】
［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置の構成を示すブロック図である。また、図９は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。
【００７５】
本実施形態は、第１および第２の実施形態の変形である。すなわち、図１に示す第１の実施形態の構成に比べて、図８に示すように、シミュレータ１４０に、速度制御器１３からの出力信号であるトルク電流指令ｉＴ＊が追加して入力されている。
【００７６】
また、本第３の実施形態においては、第２の実施形態と界磁制御部２０の構成が異なる。すなわち、図９に示すように、速度制御の結果としてトルク電流を指令値として用いる制御器においては、シミュレータ１４０にはトルク電流指令ｉＴ＊が入力される。シミュレータ１４０は、第２の実施形態の構成に、さらに界磁電流演算器１４１および一次遅れ要素１４２を有する。以下に、シミュレータ１４０の構成を説明する。
【００７７】
シミュレータ１４０は、負荷角δの演算部分として、負荷角演算器１０１、加算器１２１、１２２、１２３、乗算器１２４、不完全微分要素１２５、乗算器１２６、不完全微分要素１２７、磁束演算器１２８、減算器１３０、１３１を有し、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分として、界磁電流演算器１４１、および乗算器１４２を有する。
【００７８】
ここで、負荷角δの演算部分の構成は、第２の実施形態におけるシミュレータ１２０の負荷角δの演算部分と同様の構成である。
【００７９】
一方、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分は、第２の実施形態と異なる。すなわち、界磁電流演算器１４１は、磁束指令Φ＊とトルク電流指令ｉＴ＊とを入力とし、次の式（１６）により、界磁電流指令用関数値ｉｆｄを算出する。
ｉｆｄ＝ｆ（ｉＴ＊，Φ＊）                  …（１６）
【００８０】
次に、一次遅れ要素１４２は、界磁電流演算器１４１の出力である界磁電流指令用関数値ｉｆｄを入力とし、これに、伝達関数が［１／（Ｔｆｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、界磁電流指令ｉｆｄ＊を出力する。
【００８１】
磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１４１には、磁束指令Φ＊とトルク電流指令ｉＴ＊とを引数とする界磁電流テーブルｆ（ｉＴ＊，Φ＊）が組み込まれている。この関数テーブルについても、有効電流指令ｉP＊を使った制御器においてはｆ（ｉP＊，Φ＊）のようになる。
【００８２】
一般に、巻線界磁型同期機は、駆動するインバータの電流容量をできるだけ小さくするために、力率１．０での一定運転を行うことが多い。場合によっては、力率０．９など１．０以外で運転される場合もあるが、この場合でもほとんどの場合、力率は一定に制御して運転される。
【００８３】
任意の力率で定常運転を行っている場合の同期機の状態は、例えば、図３または図４で示したように、ｄ軸電機子電流ｉｄ、ｑ軸電機子電流ｉｑ、界磁電流ｉｆの３変数によって、曲面上の運転点が一意的に決定される。
【００８４】
同期機の場合は、力率を運転指標として力率一定運転を行う場合が多い。いま、たとえば、ある一定の力率で運転するという条件を付加すると、曲面上でこの条件を満たす点の集合として１つの曲線が得られる。この曲線上の各点は、力率一定という条件を付加する代わりに状態変数の次元が1つ減少し、２つの状態変数で一意的に決定することができる。
【００８５】
状態変数とは、状態を規定する電気的な物理量であり、たとえば、ｄ軸電機子電流ｉｄ、ｑ軸電機子電流ｉｑ、界磁電流ｉｆの他に、トルク電流ｉＴ、磁束電流ｉＭ、有効電流ＩＰ、無効電流ＩＱ、ｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑ、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｄ等である。
【００８６】
ここで、ある一定の力率という条件により決定された曲線上のある点を選定すれば、その点に対応する前述の全ての状態変数が決まる。また、逆に、２つの状態変数を決めれば、その曲線上の点が決まることになる。
【００８７】
図１０は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と界磁電流との対応関係の例を示すグラフである。この場合、ある一定の力率で同期機を運転した時のトルク電流ｉＴと磁束Φに対する界磁電流ｉｆの対応関係を、テーブル化したものが界磁電流テーブルである。すなわち、状態変数として、トルク電流ｉＴと界磁電流ｉｆの２つの状態変数を選んだ場合に相当する。
【００８８】
曲線群ＣＣは、同期機の力率を１に保ちながら、トルク電流を変えた場合の界磁電流の値を示している。磁束を１００％から３０％まで５段階に変化させた各状態において、曲線が得られている。磁束の値を小さくするにつれて必要な界磁電流も小さくなっている。これらを考慮することにより、実際に運転される力率においては界磁電流演算器１４１によって正確な界磁電流指令値を計算することができ、過負荷における制御性を大幅に改善することができる。
【００８９】
なお、界磁電流テーブルの引数はトルク電流や磁束に限る必要はなく、独立な２変数を任意に選ぶことができる。すなわち、回転数や有効電力などを引数とした界磁電流テーブルを用いてもよい。
【００９０】
制動巻線を持たない同期機においては、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１４１の出力を界磁電流指令ｉｆｄ＊として用いることで高精度な制御が可能である。一方で、制動巻線を有する同期機においては、過渡状態において制動巻線電流の効果によって磁束の急変が抑えられる。
【００９１】
界磁電流演算器１４１の出力をそのまま指令値として用いた場合、過渡時に指令値が急変し、応答を悪化させる可能性がある。そこで界磁電流演算器１４１の出力には一次遅れ要素１４２を挿入する。一次遅れ要素１４２の時定数Ｔｆは、ｄ軸の過渡時定数程度とすればよい。これにより、過渡時においても滑らかな応答が得られ、従来の制御装置では実現できないようなごく短時間で指令値に追従することができる。
【００９２】
［第４の実施形態］
図１１は、第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、第１ないし第３の実施形態と異なり、３相−ｄｑ変換器１８から、シミュレータ１５０への出力がない。
【００９３】
図１２は、第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。シミュレータ１５０は、磁気飽和を考慮した負荷角演算器１５１、一次遅れ要素１５２、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１５３、および一次遅れ要素１５４を有する。
【００９４】
負荷角演算器１５１は、トルク電流指令ｉＴ＊と磁束指令Φ＊とを入力とし、次の式（１７）によって、負荷角用関数値を出力する。
δ＝ｇ（ｉＴ＊，Φ＊）            …（１７）
【００９５】
一次遅れ要素１５２は、負荷角演算器１５１の出力である負荷角用関数値を入力として受け入れ、これに、伝達関数が［１／（Ｔδｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、負荷角δを出力する。ここで、一次遅れの時定数Ｔδは、特性試験結果、あるいは、回路の要素の分析結果等により設定できる。
【００９６】
界磁電流演算器１５３は、トルク電流指令ｉＴ＊と磁束指令Φ＊とを入力とし、次の式（１８）によって、界磁電流用関数値を出力する。
ｉｆｄ＝ｆ（ｉＴ＊，Φ＊）            …（１８）
【００９７】
一次遅れ要素１５４は、界磁電流演算器１５３の出力である界磁電流用関数値を入力として受け入れ、これに、伝達関数が［１／（Ｔｆｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、界磁電流指令ｉｆｄ＊を出力する。ここで、一次遅れの時定数Ｔｆは、特性試験結果、あるいは、回路の要素の分析結果等により設定できる。
【００９８】
磁気飽和を考慮した負荷角演算器１５１には、トルク電流指令ｉＴ＊と磁束指令Φ＊とを引数とする負荷角テーブルｇ（ｉＴ＊，Φ＊）が組み込まれている。また、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１５３には、界磁電流テーブルｆ（ｉＴ＊，Φ＊）が組み込まれている。界磁電流テーブルｆ（ｉＴ＊，Φ＊）は、第３の実施形態の場合と同様のテーブルの内容のものである。
【００９９】
また、本実施形態における負荷角テーブルｇ（ｉＴ＊，Φ＊）および界磁電流テーブルｆ（ｉＴ＊，Φ＊）も、ある力率で力率一定運転を行っている場合の関数テーブルである。
【０１００】
本実施形態におけるシミュレータ１５０は、巻線界磁型同期機１からのフィードバック信号を用いず、トルク電流指令ｉＴ＊および磁束指令Φ＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出する。本実施例においてもトルク電流指令ｉＴ＊を使った制御器を例として説明するが、速度制御の出力として任意の変数を用いた制御器で同様の説明が可能である。
【０１０１】
図１３は、トルク電流と負荷角との対応関係の例を示すグラフである。曲線群ＣＤは、同期機の力率を１に保ちながら、トルク電流を変えた場合の負荷角の値を示している。磁束を１００％から３０％まで5段階に変化させた各状態において、曲線が得られている。
【０１０２】
磁束の値を小さくするにつれて負荷角の値は大きくなることが分かる。これらを考慮することにより、実際に運転される力率においては、負荷角演算器１５１によって正確な負荷角を、界磁電流演算器１５３によって正確な界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出することができる。この結果、過負荷運転を行っている場合の制御性を大幅に改善することができる。
【０１０３】
なお、界磁電流テーブルと負荷角テーブルの引数はトルク電流や磁束に限る必要はなく、力率一定運転のもとに運転状態を規定できるものであれば、独立な２変数を任意に選ぶことができる。すなわち、回転数や有効電力などを引数とした界磁電流テーブルや負荷角テーブルを用いてもよい。
【０１０４】
［第５の実施形態］
図１４は、第５の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態においては、電力変換器の最大出力電圧は制限値以内で制御可能な場合であった。このため、電力変換器の出力電圧が最大出力電圧となり、出力電圧が飽和した状態では、電流制御の応答速度が低下したり、不安定になったりする可能性がある。
【０１０５】
一方、本第５の実施形態においては、電力変換器の最大出力電圧を同期電動機の定格電圧に等しくした場合でも、同期電動機を安定に制御可能とするために、第１の実施形態とは一部異なる制御方式を用いている。
【０１０６】
巻線界磁型同期機制御装置３１０は、速度制御部１０および界磁制御部２０、およびシミュレータ１６０を有する。
【０１０７】
速度制御部１０は、減算器１１、速度制御器１３、減算器３４、有効電流制御器３１、電圧位相演算器３２、３相−ＰＱ変換器３３、ＰＱ−３相変換器３５、３相−ｄｑ変換器１７を有する。また、界磁電流制御部２０は、界磁電流制御器２１を有する。
【０１０８】
速度制御部１０は、角速度指令ωｒ＊に対応する角速度ωｒを得るための速度制御ループの下に、対応する有効電流ＩＰを得るための有効電流制御ループを有するカスケード制御の構成となっている。
【０１０９】
速度制御ループの減算器１１は、回転位置検出器７で検出され位置演算器８により算出された巻線界磁型同期機１の回転位置θが速度演算器１２により変換された角速度ωを、負のフィードバック信号とし、角速度指令ωｒ＊から減じた角速度偏差を出力する。速度制御器１３は、角速度偏差および磁束指令Φ＊を入力として、有効電流指令ＩＰ＊を出力する。
【０１１０】
減算器３４は、３相電流を有効電流ｉＰおよび無効電流ｉＱに変換する３相−ＰＱ変換器３３からの出力のうちの有効電流ｉＰを負のフィードバック信号とし、速度制御器１３の出力である有効電流指令ＩＰ＊から、減じた有効電流偏差を出力する。
【０１１１】
有効電流制御器３１は、減算器３４の出力である有効電流偏差を入力とし、電圧位相変更分指令ΔΘ＊を出力する。
【０１１２】
電圧位相演算器３２は、有効電流制御器３１からの位相変更分指令ΔΘ＊、位置演算器８からのフィードバック信号であり現在の位相に対応する回転位置Θ、および、シミュレータ１６０から出力される負荷角δを入力として、次の式（１９）により、電圧位置指令Θ＊を算出する。
Θ＊＝Θ＋δ＋ΔΘ＊                …（１９）
【０１１３】
ＰＱ−３相変換器３５は、電圧位相演算器３２により算出された電圧位相指令Θ＊と、電圧の振幅基準値Ｖ１とに基づいて、電力変換器３への３相各相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、およびＶｗ＊を出力する。
【０１１４】
シミュレータ１６０は、負荷角δの演算部分として、界磁電流ｉｆ、ｄ軸電機子電流ｉｄ、およびｑ軸電機子電流ｉｑを入力として受けて、負荷角δを算出し、フィードフォワード信号として、電圧位相演算器３２に出力する。
【０１１５】
この際、第１の実施形態と同様に、あらかじめ詳細解析等で算出した結果に基づいて、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｄを求めるｄ軸磁束関数φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）とｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｑを算出するｑ軸磁束関数φｑ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）とを、それぞれ、たとえばテーブル形式で保有しておく。この算出結果に基づいて、負荷角δを算出し、電圧位相演算器３２に、出力する。
【０１１６】
また、シミュレータ１６０は、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分として、界磁磁束指令Φ＊を入力とし、界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。
【０１１７】
また、シミュレータ１６０は、たとえば、力率をパラメータとし、それぞれの力率について、２つの状態変数の関係曲線を保有しておく。本実施形態においては、速度制御部１０は、有効電流ＩＰを変数として使用していることから、たとえば、有効電流指令ＩＰ＊および磁束指令Φ＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出することができる。
【０１１８】
このような構成をとることによって、巻線界磁型同期機制御装置３１０は、速度制御において、所期のトルク電流確保のために電圧の制御を行うのではなく、有効電流を確保するために電圧の位相を制御する。
【０１１９】
以上のように、本実施形態においても、正確な負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を用いることによって、安定した制御を行うことができる。
【０１２０】
［第６の実施形態］
図１５は、第６の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第５の実施形態の変形であり、電力変換器の出力電圧が最大出力電圧となり、出力電圧が飽和した状態で、同期電動機を安定に制御可能とするために、有効電流を確保するために電圧の位相を制御する。
【０１２１】
本第６の実施形態における巻線界磁型同期機制御装置３２０では、第５の実施形態における巻線界磁型同期機制御装置３１０と比較すると、３相−ＰＱ変換器３３に代えて３相−ＭＴ変換器４１、ＰＱ−３相変換器３５に代えてＭＴ−３相変換器４３を有する。さらに、減算器４４および磁束電流制御器４５を有する。また、巻線界磁型同期機制御装置３２０は、入力として、磁束電流指令ｉＭ＊をさらに受け入れる。
【０１２２】
３相−ＭＴ変換器４１は、３相電機子電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、負荷角δ、および磁極位置の検出値すなわち回転位置Θとから、トルク電流値ＩＴおよび磁束電流値ＩＭを求め、出力する。
【０１２３】
ＭＴ−３相変換器４３は、電圧位相演算器３２からの出力である電圧位相指令Θ＊と、電圧の振幅基準値Ｖ１とに基づいて、電力変換器３への３相各相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、およびＶｗ＊を出力する。
【０１２４】
減算器４４は、巻線界磁型同期機制御装置３２０が入力として受け入れた磁束電流指令ｉＭ＊と、３相−ＭＴ変換器４１の出力のうちの磁束電流ｉＭとを受け入れ、磁束電流指令ｉＭ＊からフィードバック信号である磁束電流ｉＭを減じて、磁束電流偏差をシミュレータ１７０に出力する。
【０１２５】
シミュレータ１７０は、負荷角δの演算部分として、３相−ｄｑ変換器１７の出力であるｄ軸電機子電流ｉｄおよびｑ軸電機子電流ｉｑを入力として受けて、負荷角δをフィードフォワード信号として、３相ＭＴ変換器４１に出力する。
【０１２６】
また、シミュレータ１７０は、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分として、磁束電流制御器４５の出力である磁束電流偏差と、フィードバック信号である界磁電流ｉｆｄとを入力として、界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。
【０１２７】
この際、あらかじめ詳細解析等で算出した結果に基づいて、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｄを求めるｄ軸磁束関数φｄ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）とｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φｑを算出するｑ軸磁束関数φｑ（ｉｄ＋，ｉｑ，ｉｆｄ）とを、それぞれ、たとえばテーブル形式で保有しておく。この算出結果に基づいて、負荷角δを算出し、３相−ＭＴ変換器４１に、出力する。
【０１２８】
また、シミュレータ１７０は、界磁電流指令ｉｆｄ＊の演算部分として、界磁磁束指令Φ＊を入力とし、界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。
【０１２９】
また、シミュレータ１７０は、たとえば、力率をパラメータとし、それぞれの力率について、２つの状態変数の関係曲線を保有しておく。本実施形態においては、速度制御部１０は、トルク電流ＩＴを変数として使用していることから、たとえば、トルク電流指令ＩＴ＊および磁束指令Φ＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を算出することができる。
【０１３０】
以上のように、本実施形態においても、正確な負荷角δおよび界磁電流指令ｉｆｄ＊を用いることによって、安定した制御を行うことができる。
【０１３１】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態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。たとえば、第１の実施形態、第５の実施形態、および第６の実施形態で、それぞれ方式の異なる制御回路にシミュレータを適用した場合の例を示した。
【０１３２】
すなわち、第１ないし第４の実施形態では、電機子の電圧を制御する方式の場合を示している。また、第５および第６の実施形態では、電圧位相を制御する方式として、有効電流指令ｉP＊がシミュレータに入力されている場合を示している。ただし、有効電流指令ｉP＊に限らず、速度制御の出力として任意の変数を用いた制御器で採用することができる。
【０１３３】
さらに、本発明は、これらの制御方式に限定されない。すなわち、本発明によるシミュレータは、同期機の状態をシミュレータによって予測し、その結果を関数テーブルとして保存し、この関数テーブルを使ってフィードフォワード的に制御する任意の方式に適用することが可能であり、制御性を大幅に改善することができる。
【０１３４】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第５の実施形態あるいは第６の実施形態に、第２ないし第４の実施形態のそれぞれの特徴と、を組み合わせてもよい。
【０１３５】
さらに、実施形態は、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。
【０１３６】
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【０１３７】
１…巻線界磁型同期機、２ａ…電機子巻線、２ｂ…界磁巻線、３、４…電力変換器、５、６…電流変換器、７…回転位置検出器、８…位置演算器、１０…速度制御部、１１…減算器、１２…速度演算器、１３…速度制御器、１４…ｄｑ軸電流演算器、１５、１６…減算器、１７…３相−ｄｑ変換器、１８…ｄｑ軸電流制御器、１９…ｄｑ−３相変換器、２０…界磁制御部、２１…界磁電流制御器、３１…有効電流制御器、３２…電圧位相演算器、３３…３相−ＰＱ変換器、３４…減算器、３５…ＰＱ−３相変換器、４１…３相−ＭＴ変換器、４２…減算器、４３…ＭＴ−３相変換器、４４…減算器、４５…磁束電流制御器、１００…シミュレータ、１０１…負荷角演算器、１０２…界磁電流指令演算器、１１０…磁束演算器、１１１…加算器、１２０…シミュレータ、１２１、１２２、１２３…加算器、１２４…乗算器、１２５…不完全微分要素、１２６…乗算器、１２７…不完全微分要素、１２８…磁束演算器、１３０、１３１…減算器、１３２…界磁電流演算器、１４０…シミュレータ、１４１…界磁電流演算器、１４２…一次遅れ要素、１５０…シミュレータ、１５１…負荷角演算器、１５２…一次遅れ要素、１５３…界磁電流演算器、１５４…一次遅れ要素、１６０、１７０…シミュレータ、２０１…負荷角演算器、２０２…界磁電流指令演算器、２０３…磁束演算器、３００、３１０、３２０…巻線界磁型同期機制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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