(57)【要約】【課題】従来の同期電動機の制御は、電流帰還値Ｉｑ，Ｉｄと、電流指令値とを比較して電力変換器をＰＷＭ制御して同期電動機への主回路電流を制御している。従って、同期電動機の定格が電力変換器の出力定格でもって決められることになり、同期電動機が大容量化すると大電流定格の大型化電動機となるという問題点を解消するため、電力変換装置の出力電圧を昇圧し、その昇圧した電圧を同期電動機に供給し大型化を防ぐ。【解決手段】電力変換装置の出力側に並列の第１、第２の回路を介して同期電動機を接続し、第１の回路には変圧器が設けられ、第２の回路は変圧器なしとの構成とし、電動機の起動時に第２の回路で電力を供給し、所定時間後に第１の回路に切り替え昇圧電圧を同期電動機に供給する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置とその制御装置とを備えた同期電動機の制御システムであって、前記制御装置には、演算，制御器と回路制御器と最大電圧制限切換器と界磁制御器とが設けられており、
前記電力変換装置の出力側には、並列に設けられた第１、第２の回路を介して前記同期電動機が接続されており、前記第１の回路には出力変圧器と第１の遮断器とが設けられ、前記第２の回路には第２の遮断器が設けられており、
前記制御装置に設けられた運転指令接点が外部信号によりＯＮすると、前記第２の回路の前記第２の遮断器が動作して前記同期電動機を起動するとともに、前記第２の遮断器に連動して第１の接点がＯＮとなり、この第１の接点につながる前記最大電圧制限切換器が第１の出力信号を発して前記回路制御器を介して前記電力変換装置を制御し、
所定時間経過後のタイマ信号により第３の接点がＯＮすると、前記第２の回路の前記第２の遮断器および前記第１の接点がＯＦＦするとともに前記第１の回路の第１の遮断器がＯＮし、これに連動して第２の接点がＯＮし、この第２の接点につながる前記最大電圧制限切換器は第２の出力信号を発して回路制御器を介して前記電力変換装置を制御するものであり、さらに前記回路制御器は、前記演算，制御器の発する前記同期電動機の電機子電流基準信号と、前記電力変換装置の電流帰還値とを比較して電流指令値を作成し、その電流指令値で前記電力変換装置の電圧をＰＷＭ制御するものであり、また前記界磁制御器は前記演算，制御器が作成する界磁電流指令値によって前記同期電動機の界磁を制御するものであることを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項２】
前記同期電動機の制御システムは、複数の電力変換装置が並列に設けられているとともに、前記複数の電力変換装置の出力側には複数の並列に設けられた前記第１、第２の回路を介して前記同期電動機が接続されてい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システム。
【請求項３】
前記同期電動機をブラシ付同期電動機とする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システム。
【請求項４】
前記同期電動機をブラシレス励磁機付同期電動機とする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システム。
【請求項５】
前記第１の出力信号によって前記電力変換装置を制御して発生する第１の電圧値は、前記第２の出力信号によって発生する第２の電圧値より低く、かつ前記第２の電圧値を１次電圧として入力した前記出力変圧器の２次電圧値を前記同期電動機の定格運転電圧値とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項６】
前記出力変圧器の２次電圧が前記電力変換装置の出力電圧より高いものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項７】
前記演算，制御器の発する同期電動機の電機子電流基準信号は、速度制御器の発する電流指令値Ｉｑと界磁磁束基準値発生器からの磁束量信号により演算されるものであり、
前記速度制御器は、前記同期電動機に設けられた電機子の位置検出器の発する信号により、位相を検出する位相検出器の出力信号を受けて速度を演算する速度帰還演算器の速度帰還信号と、前記制御装置の外部に設けられた速度指令基準発生器からの速度基準信号とを比較して制御するものであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項８】
前記電機子の位置検出が、前記同期電動機の軸に設けられた回転円盤を有する分配器であることを特徴とする請求項７に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項９】
前記界磁制御器による界磁制御は、直流電源装置を介して行われることを特徴とする請求項３に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項１０】
前記界磁制御器による界磁制御は、交流電源装置を介して行われることを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項１１】
前記界磁磁束基準発生器からの磁束量信号は、一定値に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の同期電動機の制御システム。
【請求項１２】
前記界磁磁束基準発生器からの磁束量信号は、前記速度演算器の速度帰還値を基に、界磁自動弱め基準発生器が演算した磁束量を受けて発するものであることを特徴とする請求項７に記載の同期電動機の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期電動機を可変電圧、可変周波数電源で駆動する際の制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機を可変電圧、可変周波数で駆動する方式には他励転流を用いた無整流子電動機方式やベクトル制御方式がある。このうちベクトル制御方式は高性能な駆動と早い応答、精密制御を要する分野に広く用いられている。
前記ベクトル制御方式を採用した場合、実機の制御において、大きな負荷変動の際など電流を急激に変化させなければならないとき、電機子電流、界磁電流の制御誤差が大きくなり、その誤差を吸収しようとして界磁電流指令値が過大変化し、制御が不安定となることがあり、これらを解消するため、ｑ軸電流指令から同期機定数を用いてｑ軸磁束指令を演算するｑ軸磁束演算器と、磁束指令から前記ｑ軸磁束指令をベクトル的に演算し、ｄ軸磁束指令を求めるｄ軸磁束演算器と、前記ｄ軸磁束指令とｄ軸電流指令から同期機定数を用いて、界磁電流指令を演算する界磁電流指令演算器を備えたものが示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２３７５９２号公報（第４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記特許文献に示された従来技術では演算された電流帰還値Ｉｑ、Ｉｄと、電流指令値とを比較して電力変換器をＰＷＭ制御し、同期電動機に流れる主回路電流を制御している。従ってこの構成による電力変換器の出力定格でもって同期電動機の定格が定められることになり、同期電動機の容量が大きくなると大電流定格となり電動機が大型化するという問題点があった。これを解消するため電力変換器と同期電動機との間に変圧器を挿入して高圧化する方式の採用が考えられるが、前記従来技術に単に変圧器を設けるとＩｑ分、Ｉｄ分電流値が変圧器を介在するため演算が複雑で正確な演算ができなくなり、制御不能となる問題点がある。
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電力変換装置の出力側に並列に設けられた第１、第２の回路を介して同期電動機を接続し、前記第１の回路には変圧器と第１の遮断器とが設けられ、この変圧器を介して同期電動機への供給電圧を高圧化して電動機の大型化を防ぎ、さらに、電機子反作用で減磁される界磁分を補正する制御システムを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
電力変換装置とその制御装置とを備えた同期電動機の制御システムであって、制御装置には、演算，制御器と回路制御器と最大電圧制限切換器と界磁制御器とが設けられており、
電力変換装置の出力側には、並列に設けられた第１、第２の回路を介して同期電動機が接続されており、第１の回路には出力変圧器と第１の遮断器とが設けられ、第２の回路には第２の遮断器が設けられており、
制御装置に設けられた運転指令接点が外部信号によりＯＮすると、第２の回路の第２の遮断器が動作して同期電動機を起動するとともに、第２の遮断器に連動して第１の接点がＯＮとなり、この第１の接点につながる最大電圧制限切換器が第１の出力信号を発して回路制御器を介して電力変換装置を制御し、
所定時間経過後のタイマ信号により第３の接点がＯＮすると、第２の回路の第２の遮断器および第１の接点がＯＦＦするとともに第１の回路の第１の遮断器がＯＮし、これに連動して第２の接点がＯＮし、この第２の接点につながる最大電圧制限切換器は第２の出力信号を発して回路制御器を介して電力変換装置を制御するものであり、さらに回路制御器は、演算，制御器の発する同期電動機の電機子電流基準信号と、電力変換装置の電流帰還値とを比較して電流指令値を作成し、その電流指令値で電力変換装置をＰＷＭ制御するものであり、また界磁制御器は演算，制御器が作成する界磁電流指令値によって同期電動機の界磁を制御するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図に示すように本実施の形態１による同期電動機の制御システム１００は、電力変換装置２００とその制御装置３００とで構成されている。そして、前記電力変換装置２００は主回路用交流電源１を入力遮断器３および入力変圧器４を介して入力し、電力変換後の出力側には第１の回路８０と第２の回路８１が並列に設けられている。前記第１の回路８０には出力変圧器２９と第１の遮断器３０が設けられ、前記第２の回路には第２の遮断器３１が設けられており、さらに並列の第１、第２の回路８０，８１にはブラシ付の同期電動機９が接続され、位置検出器１０によって電機子の位置信号を発する。電力変換装置２００は順変換主回路５、逆変換主回路７および平滑コンデンサ６が設けられている。
一方、制御装置３００は、外部からの運転指令信号で動作ＯＮとなる運転指令接点１２を有し、同様に外部には速度指令基準発生器１１が設けられている。前記同期電動機９の位置検出器１０であるレゾルバの出力信号を受けて位相を検出する位相検出器１３は、速度帰還演算器１４および演算，制御器３６に位相信号を出力する。速度制御器１５は、前記速度指令基準発生器１１からの速度基準信号と速度帰還演算器１４の出力する速度帰還信号とを比較し制御するものである。界磁磁束基準値発生器１６はその基準値を一定値に設定した磁束量信号を前記演算，制御器３６に与える。順変換主回路制御器２３は電流センサ２２の信号を受け順変換主回路５を制御する。
界磁制御器２５は界磁電流センサ２４の信号と、前記演算，制御器３６の発する界磁電流指令値に従い、直流電源装置２６を制御する。前記運転指令接点１２につながる第１、第２の接点３３、３４は並列に設けられ、前記第２の遮断器３１に連動して前記第１の接点３３が、第１の遮断器３０に連動して前記第２の接点３４がそれぞれＯＮする。また、最大電圧制限切換器３５は、前記第１、第２の接点３３、３４につながり、その発生信号が電力変換装置２００の制御回路３７に出力される。タイマ３８は前記運転指令接点１２がＯＮ後、第３の接点３９を一定時間経過後にＯＮさせる。前記第３の接点３９がＯＮすると、図示しない駆動回路により前記第２の遮断器３１がＯＦＦするとともに前記第１の遮断器３０をＯＮさせる。
【０００７】
次にこの実施の形態１による動作の主要部分を説明する。
制御装置３００によって同期電動機９を起動する際、制御装置３００に設けられた運転指令接点１２が図示しない外部からの指令でＯＮすると、第２の回路８１の第２の遮断器３１をＯＮし、変圧器２９の無い第２の回路８１の経路で同期電動機９に電力を供給し、起動する。その時、第２の遮断器３１に連動して第１の接点３３がＯＮし、最大電圧制限切換器３５の出力が、第１の最大制限電圧に制限されて電力変換装置２００の制御回路３７に電圧制限値として与えられ、電力変換装置２００の電圧をＰＷＭ制御する。ＰＷＭ制御回路における出力電圧と周波数の関係は、その比率がほぼ一定となるよう制限されるので、電力変換装置２００の電圧以上の周波数には上昇しない。
演算，制御器３６は、速度制御器１５の出力する電流指令値Ｉｑと、界磁磁束基準値発生器１６からの磁束量一定の磁束量信号と、電機子電流無効分より電機子電流基準信号を制御回路３７への信号として発するとともに、界磁電流指令Ｉｆを作成する演算器が、電機子電流の大きさ（指令値）に対して界磁電流指令を補償した値で、界磁電流指令として界磁制御器２５に与える。
制御回路３７は最大電圧制限切換器３５の最大制限電圧で制限される電圧以下で、前記演算制御器３６の出力である電機子電流基準信号と、主回路電流センサ１９で検出した電力変換装置２００の電流帰還値とを比較して電流指令値を作成し、その電流指令値に従い、電力変換装置２００の半導体素子のゲート信号をＰＷＭ制御する。
【０００８】
次に運転指令接点１２がＯＮした後の設定された時間後に、タイマ３８により第３の接点３９がＯＮし、図示しない駆動回路によって第１の回路８１の第２の遮断器３１がＯＦＦし、第２の回路８０の第１の遮断器３０がＯＮする。この第１の遮断器３０のＯＮに連動して第２の接点３４がＯＮし、最大電圧制限切換器３５の出力が出力変圧器２９有りの第１の回路８０による第２の最大制限電圧に切り換わり、電力変換装置２００の制御回路３７に最大電圧制限値として与えられ、前記電力変換装置２００の出力電圧は前記出力変圧器２９で昇圧されて同期電動機９に供給され、同期電動機９は定格速度まで上昇する。ここで前記第２の最大制限電圧は前記第１の最大制限電圧より高いものである。
このような変圧器有りの第１の回路８０と変圧器無しの第２の回路８１を設けた理由は、仮に出力変圧器２９有りの第１の回路８０を介して同期電動機９を起動しようとした場合に、ゼロ周波数から起動されるので出力変圧器２９の磁気飽和が発生して起動が困難となる恐れがある。これを防止するために起動時には変圧器無しの第２の回路８１を経て同期電動機９に電力を供給し、所定の時間経過後に出力変圧器２９有りの第１の回路８０に切り換えるものである。
【０００９】
このように実施の形態１では、同期電動機９を出力変圧器２９が設けられてない第２の回路８１で起動し、所定時間経過後第１の回路８０の出力変圧器２９を介して電力変換装置２００の出力電圧を昇圧するので、出力変圧器２９は磁気飽和を配慮したものを採用する必要なく、一般の変圧器を用いることができる。さらに、電機子電流指令値に対して界磁電流指令を補償した界磁電流を同期電動機９に供給するので、電機子反作用による主磁束の減少を補正できて、同期電動機９への電流を低減でき、なおかつ、電力変換装置２００の最大定格出力電圧以上の電圧でもって同期電動機９を駆動できる。言い換えれば同期電動機９側から見た場合、電動機設計に適した電圧値を電力変換装置２００側に要求しても、その要求が容易に受け入れられることが可能となるという優れた効果がある。
【００１０】
実施の形態２．
なお、前記実施の形態１では、電機子の位置検出器１０として、レゾルバを使用したがこれに換わり分配器を使用することで検出器自体機械的に軸受けを必要としないので高速回転に対応可能となる。分配器は、近接スイッチと回転円板により位置検出を行うもので、近接スイッチの原理は、磁性体の接近離反によって検出コイルのインピーダンスが変化することを利用しているので、機械的に接触する部分はない。動作速度としては１０μｓで程度であり十分高速回転に対応可能である。分配器は、回転部（回転円板）と固定部（近接スイッチ）で構成される。回転円板は、同期電動機９の電気角の切欠きをもつ扇形円板で同期電動機９の軸に直結されている。固定部におのおの電気角で２π／３の間隔で配置する３個の位置検出器（近接スイッチ）の出力信号によって、おのおのの論理積をとって６とおりの信号を作り同期電動機９の電機子の位置情報信号として出力する。前記分配器の電機子位置情報信号を位相検出器１３は入力し、位置信号をパルス列に変換し速度帰還演算器１４に出力すると共に、位置信号を演算，制御器３６に出力することで、高速回転に対応可能な速度制御装置を得ることができる。
【００１１】
実施の形態３．
前記実施の形態１では、ブラシ付同期電動機９を使用し直流電源装置２６により界磁励磁を行う例を示したが、この例では直流電源装置２６からの電流を同期電動機９の界磁コイルに供給する際にブラシを介する構造となる。前記ブラシは火花が発生する場合があり、ガスなどが存在する雰囲気での使用はできない。そこで、この実施の形態３では図２に示すように同期電動機をブラシレス励磁機付同期電動機９ａとし、かつ界磁制御器４８を用いてその可変の交流電力を出力する交流電源装置４９を制御し、界磁電流を可変の交流電力でブラシレス励磁機５０に供給するようにしたので、同期電動機のブラシが不要となり、雰囲気悪い場所、特に防爆への対応が可能となる。
なお、この図２において、付記した番号以外の構成要素は前に説明した図１と同一であるので、その番号記入を省略している。
【００１２】
実施の形態４．
前記実施の形態１では、界磁磁束基準値発生器１６を一定の基準値を設定するものとしたが、定出力制御が必要な同期電動機には適用ができない。何故ならば、定出力制御を行うためには、電機子電圧、電流一定で、速度（回転数）に比例して界磁を弱めることが必要とされるからである。
そこでこの実施の形態４では図３に示すように、界磁自動弱め基準発生器５３を設け、速度帰還演算器１４の出力する速度帰還値より界磁電流指令値を演算し、速度帰還値に合わせて磁束指令値を変化させるようにしたので、界磁の弱めを自動的に行うことが可能となり、定出力制御の同期電動機に適用できる。
なお、この図３において、付記した番号以外の構成要素は、図１と同一であるので、その番号記入を省略している。
【００１３】
実施の形態５．
なお、前記実施の形態１〜４では、電力変換装置２００の定格容量に対応した同期電動機９の制御システムについての例を示したが、同期電動機９の容量が大きい時には図１に示した入力変圧器４以降同期電動機９の入力側までの電力変換装置２００および第１、第２の回路を含む系統を、複数の並列回路を設けた大容量化した電力変換装置２００としてもよい。
また、図４に示すように、入力変圧器５７、出力変圧器５８を多巻線変圧器とし、これに結合リアクトル５９を組み合わせ、電力変換装置２００を複数台の並列回路としてもよい。このような構成によって、大容量の同期電動機も駆動可能となり、経済的にも優れた装置、制御システムを得ることができる。なお、この図４でも付記した番号以外の構成要素は図１と同一であるので、その番号記入を省略している。
【００１４】
なおまた、前記実施の形態１〜５では電力変換装置２００として、半導体素子を用いた順変換主回路、逆変換主回路の例を示したが、これに限られるものでないことは言うまでもない。
【００１５】
【発明の効果】
この発明は以上述べたような構成の同期電動機の制御システムであるので、以下のような効果がある。
電力変換装置とその制御装置とを備え制御装置には、演算，制御器と回路制御器と最大電圧制限切換器と界磁制御器とが設けられており、
電力変換装置の出力側には、並列に設けられた第１、第２の回路を介して同期電動機が接続されており、第１の回路には出力変圧器と第１の遮断器とが設けられ、第２の回路には第２の遮断器が設けられており、
制御装置に設けられた運転指令接点が外部信号によりＯＮすると、第２の回路の第２の遮断器が動作して同期電動機を起動するとともに、第２の遮断器に連動して第１の接点がＯＮとなり、この第１の接点につながる最大電圧制限切換器が第１の出力信号を発して回路制御器を介して電力変換装置を制御し、
所定時間経過後のタイマ信号により第３の接点がＯＮすると、第２の回路の第２の遮断器および第１の接点がＯＦＦするとともに第１の回路の第１の遮断器がＯＮし、これに連動して第２の接点がＯＮし、この第２の接点につながる最大電圧制限切換器は第２の出力信号を発して回路制御器を介して電力変換装置を制御するものであり、さらに前記回路制御器は、演算，制御器の発する同期電動機の電機子電流基準信号と、電力変換装置の電流帰還値とを比較して電流指令値を作成し、その電流指令値で電力変換装置の電圧をＰＷＭ制御するものであり、また界磁制御器は演算，制御器が作成する界磁電流指令値によって同期電動機の界磁を制御するものであるので、出力変圧器を磁気飽和を配慮したものを採用する必要がなく、一般の変圧器の採用が可能となってコスト低減につながり、さらに同期電動機の定格電流を定格電流を低減できるとともに、電力変換装置の最大定格電圧以上の電圧での同期電動機を採用可能となり、同期電動機のコスト低減や標準化が行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１、２による同期電動機の制御システムを示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態３による同期電動機の制御システムを示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態４による同期電動機の制御システムを示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態５による同期電動機の制御システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
４，５７　入力変圧器、９　同期電動機、
９ａ　ブラシレス励磁機付同期電動機、１０　位置検出器、
１１　速度指定基準発生器、１２　運転指令接点、１３　位相検出器、
１４　速度帰還演算器、１５　速度制御器、１６　界磁磁束基準値発生器、
１９　主回路電流センサ、２５，４８　界磁制御器、２６　直流電源装置、
２９，５８　出力変圧器、３０　第１の遮断器、３１　第２の遮断器、
３３　第１の接点、３４　第２の接点、３５　最大電圧制限切換器、
３６　演算，制御器、３７　回路制御器、３８　タイマ、３９　第３の接点、
４９　交流電源装置、５０　ブラシレス励磁機、
５３　界磁自動弱め基準発生器、５７　多巻線入力変圧器、
５８　多巻線出力変圧器、５９　結合リアクトル、８０　第１の回路、
８１　第２の回路、１００　制御システム、２００　電力変換装置、
３００　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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