(57)【要約】【課題】運転速度に関わらず脱調を確実に検出し、しかも正常運転時の誤検出を防止することができる同期電動機の制御装置を提供する。【解決手段】電力変換器７０により同期電動機２００を駆動する制御装置において、電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機２００のトルクを演算するトルク演算器８０と、電流ベクトル和演算器５０により演算した電動機電流の大きさが電流しきい値より大きく、かつ、トルク演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器６０Ａとを備える。【選択図】  図１
2004180459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器により同期電動機を駆動する制御装置において、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機のトルクを演算するトルク演算器と、
電動機電流の大きさが電流しきい値より大きく、かつ、トルク演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項２】
電力変換器により同期電動機を駆動する制御装置において、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して直交方向の電流であるトルク電流を演算するトルク電流演算器と、
電動機電流の大きさが電流しきい値より大きく、かつ、トルク電流演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク電流／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項３】
電力変換器により同期電動機を駆動する制御装置において、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機のトルクを演算するトルク演算器と、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して平行方向の電流である磁化電流を演算する磁化電流演算器と、
磁化電流演算値が磁化電流しきい値より大きく、かつ、トルク演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項４】
電力変換器により同期電動機を駆動する制御装置において、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して直交方向の電流であるトルク電流を演算するトルク電流演算器と、
電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して平行方向の電流である磁化電流を演算する磁化電流演算器と、
磁化電流演算値が磁化電流しきい値より大きく、かつ、トルク電流演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク電流／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器により永久磁石形同期電動機をはじめとする同期電動機を駆動する制御装置に関し、詳しくは、同期電動機の負荷急変等によって電力変換器の出力周波数と回転子の回転周波数とが一致しなくなって運転不能に陥る、いわゆる脱調状態を検出する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、永久磁石形同期電動機の脱調検出手段を備えた従来の制御装置のブロック図である。このブロック図は、後述する特許文献１に記載されている技術をＶ／ｆ制御に適用したものである。
【０００３】
最初に、図６における電動機制御の概要を説明する。
まず、ｆ／Ｖ変換器１０は、角周波数指令ω＊からω＊にほぼ比例するδ軸電圧指令ｖδ＊を演算する。一方、γ軸電圧指令ｖδ＊は零とする。ここで、γ−δ軸は角周波数ω＊で回転する任意の回転座標であり、δ軸はγ軸に対して９０°進みと定義する。
【０００４】
電気角演算器２０は、ω＊を積分して電気角指令θ＊を演算する。座標変換器３１により各電圧指令ｖγ＊，ｖδ＊を電気角指令θ＊の値に基づき座標変換して三相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を求める。この三相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を電力変換器７０に与えて永久磁石形同期電動機２００の端子電圧をｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に一致させることにより、同期電動機２００の回転周波数を指令値に制御することができる。
【０００５】
次に、図６における脱調検出方法について説明する。
同期電動機が負荷の急変等によって脱調した場合、電動機に大きな電流が流れ、電動機の力率は正常運転しているときに比べて低くなる。そこで、電動機の電流の大きさと力率の情報を使って脱調を検出する。
座標変換器３２は、相電流検出値ｉｕ，ｉｗ及び電気角指令θ＊からγ，δ軸電流ｉγ，ｉδを演算する。電流ベクトル和演算器５０は、相電流検出値ｉγ，ｉδのベクトル和から、数式１により電流の大きさｉａを演算する。
【０００６】
【数１】
2004180459.tif 000003
【０００７】
力率演算器４０は、γ，δ軸電圧指令ｖγ＊，ｖδ＊及びγ，δ軸電流ｉγ，ｉδから、力率ＰＦｅｓｔを数式２により演算する。
【０００８】
【数２】
2004180459.tif 000004
【０００９】
脱調検出器６０は、電流の大きさｉａと力率演算値ＰＦｅｓｔとを用いて下記の数式３の条件が成立したら脱調と判断し、フラグ＜脱調検出＞をセットする。
【００１０】
【数３】
2004180459.tif 000005
【００１１】
フラグ＜脱調検出＞がセットされた場合は、電力変換器７０の運転を停止し、同期電動機２００への電力供給を停止する。このような処理を行うことで、脱調状態が継続するのを防ぐことができ、脱調に伴う異常なトルク脈動から同期電動機２００に結合された機械を保護することができる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−２９４３９０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
脱調時の電動機モデルは、電動機インダクタンスと電機子抵抗との直列回路であるため、電動機周波数が低い低速運転時に脱調したときの力率は必ずしも低くない。また、低速で制動負荷時の力率は、正常運転していても場合によってはほとんど零になることがある。
このことから、図６に示した従来の脱調検出方法では、低速運転時に、脱調を検出できなかったり、正常運転されていても脱調を誤検出する恐れがあった。
【００１４】
そこで本発明は、運転速度に関わらず脱調を確実に検出し、しかも正常運転時の誤検出を防止することができる同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図６に示した従来の脱調検出方法の問題点は、電機子抵抗による電圧降下を考慮していない点である。すなわち、低速運転時のように電機子抵抗による電圧降下が電動機端子電圧と比べて無視できない場合には、力率がしきい値以下に低下せずに脱調を検出できないことがある。
そこで本発明では、電機子抵抗による電圧降下や、電動機電流の各成分を情報として用いることにより脱調検出を行うこととした。
【００１６】
すなわち、請求項１記載の発明は、電力変換器により同期電動機を駆動する制御装置において、電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機のトルクを演算するトルク演算器と、電動機電流の大きさが電流しきい値より大きく、かつ、トルク演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、を備えたものである。
【００１７】
請求項２記載の発明は、電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して直交方向の電流であるトルク電流を演算するトルク電流演算器と、電動機電流の大きさが電流しきい値より大きく、かつ、トルク電流演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク電流／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、を備えたものである。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１の発明において同期電動機を基底速度以上の速度で運転する場合を考慮したものであり、前記トルク演算器と、電動機電流、電動機端子電圧、電力変換器の出力周波数及び電機子抵抗から電動機鎖交磁束に対して平行方向の電流である磁化電流を演算する磁化電流演算器と、磁化電流演算値が磁化電流しきい値より大きく、かつ、トルク演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、を備えたものである。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項２の発明において同期電動機を基底速度以上の速度で運転する場合を考慮したものであり、前記トルク電流演算器及び磁化電流演算器と、磁化電流演算値が磁化電流しきい値より大きく、かつ、トルク電流演算値の絶対値と電動機電流の大きさとの比がトルク電流／電流しきい値より小さい場合に脱調を検出する脱調検出器と、を備えたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、請求項１に相当する本発明の第１実施形態を示すブロック図であり、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
この実施形態は、脱調時に電動機電流が大きくなり、かつ、電動機電流に対するトルクが小さくなることを利用して脱調を検出するものである。
【００２１】
図１において、トルク演算器８０は、図６における力率演算器４０の代わりに設けられており、このトルク演算器８０には、γ，δ軸電圧指令ｖγ＊，ｖδ＊及びγ，δ軸電流ｉγ，ｉδが入力されていると共に、角周波数指令ω＊も入力されている。そして、トルク演算器８０により演算されたトルクτｅｓｔが脱調検出器６０Ａに入力されている。
【００２２】
電流ベクトル和演算器５０は、前述した数式１により電流の大きさｉａを演算する。また、トルク演算器８０は、数式４によってトルクτｅｓｔを演算する。この数式４は、同期電動機のトルクτがτ＝Ｐ０／ω（Ｐ０は出力）から求められることに基づく。
なお、電機子抵抗Ｒａは電動機定数としてトルク演算器８０が保持している。
【００２３】
【数４】
2004180459.tif 000006
【００２４】
脱調検出器６０Ａは、下記の数式５の条件が成立したら脱調と判断し、フラグ＜脱調検出＞をセットする。電力変換器７０では、このフラグ＜脱調検出＞がセットされると運転を停止し、同期電動機２００への電力供給を停止する。
【００２５】
【数５】
2004180459.tif 000007
【００２６】
脱調時には電動機電流が増加し、トルクが小さくなる。
このため、数式５により電流の大きさｉａがしきい値より大きくなり、かつ、トルク演算値τｅｓｔの絶対値と電流の大きさｉａとの比がトルク／電流しきい値Ｋτｔｈより小さくなった場合に脱調と判断するものである。
【００２７】
次に、図２は請求項２に相当する本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
この実施形態では、脱調時に電動機電流が大きくなり、かつ、電動機電流に対して鎖交磁束と直交する電流成分であるトルク電流ｉＴが小さくなることを利用して脱調を検出するものである。
【００２８】
図２において、トルク電流演算器９０には、γ，δ軸電圧指令ｖγ＊，ｖδ＊、γ，δ軸電流ｉγ，ｉδ及び角周波数指令ω＊が入力されており、下記の数式６によりトルク電流ｉＴを演算して脱調検出器６０Ｂに向け出力する。また、電流ベクトル和演算器５０は、前記同様に数式１によって電流の大きさｉａを演算する。
【００２９】
【数６】
2004180459.tif 000008
【００３０】
数式６において、ψａは同期電動機２００の鎖交磁束、ψγ，ψδはそのγ，δ軸成分である。
ここで、図３はこれらの磁束ベクトル及び電流ベクトルをγ−δ軸及びＭ−Ｔ軸（磁界軸）上に表したものであり、ｉａは電動機電流ベクトル、ｉＭはその磁化電流成分、ｉＴはトルク電流成分である。前述した数式６に示す関係は、図３のベクトル図から容易に導くことができる。
なお、数式６におけるψγ，ψδ，ψａは、トルク電流演算器９０が以下の数式７〜数式９によって演算する。
【００３１】
【数７】
2004180459.tif 000009
【００３２】
【数８】
2004180459.tif 000010
【００３３】
【数９】
2004180459.tif 000011
【００３４】
脱調検出器６０Ｂは、下記の数式１０の条件が成立したら脱調と判断し、フラグ＜脱調検出＞をセットする。これにより、電力変換器７０は運転を停止し、同期電動機２００への電力供給を停止する。
すなわち数式１０において、電動機電流の大きさｉａがしきい値より大きくなり、かつ、トルク電流ｉＴの絶対値と電流の大きさｉａとの比がトルク電流／電流しきい値ＫｉＴｔｈより小さくなった場合に脱調と判断するものである。
【００３５】
【数１０】
2004180459.tif 000012
【００３６】
次に、図４は請求項３に相当する本発明の第３実施形態を示すブロック図である。
この実施形態は、脱調時に鎖交磁束に対して平行方向の電流である磁化電流ｉＭが正方向に大きくなり、かつ、前述したように電動機電流に対するトルクが小さくなることを利用して脱調を検出するものである。
なお、この実施形態は、図１に示した第１実施形態を改良して同期電動機２００を基底速度以上の速度で運転する場合を考慮したものである。
【００３７】
図４のブロック図は、図１のブロック図に磁化電流演算器１００を追加したものに相当している。この磁化電流演算器１００には、γ，δ軸電圧指令ｖγ＊，ｖδ＊、γ，δ軸電流ｉγ，ｉδ及び角周波数指令ω＊が入力されており、下記の数式１１により磁化電流ｉＭを演算して脱調検出器６０Ｃに向け出力する。なお、数式１１におけるψγ，ψδ，ψａは、数式７〜数式９により演算する。
また、電流ベクトル和演算器５０は、数式１により電流の大きさｉａを演算し、トルク演算器８０は、数式４によりトルクτｅｓｔを演算してそれぞれの演算値を脱調検出器６０Ｃに向け出力する。
【００３８】
【数１１】
2004180459.tif 000013
【００３９】
同期電動機２００が基底速度以上となる軽負荷時は、電動機端子電圧を電力変換器７０の最大電圧以下に制御するために無効電流が大きくなり、電動機電流に対するトルクが基底速度以下で運転する場合に比べて著しく低下する。
このため、第１実施形態では、脱調と軽負荷時の正常運転との判別ができなくなることがある。そこで、本実施形態では、脱調時には磁化電流ｉＭが正方向に大きくなり、基底速度以上の軽負荷時は磁化電流ｉＭが負になることに着目して脱調を検出するものである。
なお、上記数式１１の関係も、図３に示したベクトル図から容易に導くことができる。
【００４０】
脱調検出器６０Ｃは、下記の数式１２の条件が成立したら脱調と判断し、フラグ＜脱調検出＞をセットする。これにより、電力変換器７０は運転を停止し、同期電動機２００への電力供給を停止する。
すなわち、数式１２において、磁化電流ｉＭがしきい値ＩＭｔｈより大きくなり、かつ、トルク演算値τｅｓｔの絶対値と電流の大きさｉａとの比がトルク／電流しきい値Ｋｒｔｈより小さくなった場合に脱調と判断するものである。
【００４１】
【数１２】
2004180459.tif 000014
【００４２】
この実施形態によれば、軽負荷時等の正常運転時における脱調の誤検出を防止し、また、低速運転時であっても磁化電流ｉＭ及びトルク演算値τｅｓｔの大きさに基づいて脱調を確実に検出することができる。
【００４３】
図５は、請求項４に相当する本発明の第４実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、脱調時に磁化電流ｉＭが正方向に大きくなり、かつ、前述したように電動機電流に対してトルク電流ｉＴが小さくなることを利用して脱調を検出するものである。
この実施形態は、図２に示した第２実施形態を改良して同期電動機２００を基底速度以上の速度で運転する場合を考慮したものであり、図５のブロック図は、図２のブロック図にトルク電流演算器９０を追加したものに相当する。
【００４４】
脱調検出器６０Ｄには、トルク電流演算器９０が数式６により演算したトルク電流ｉＴと、磁化電流演算器１００が数式１１により演算した磁化電流ｉＭと、電流ベクトル和演算器５０が数式１により演算した電流の大きさｉａとが入力されており、下記の数式１３の条件が成立したら脱調と判断してフラグ＜脱調検出＞をセットする。これにより、電力変換器７０は運転を停止し、同期電動機２００への電力供給を停止する。
すなわち、数式１３において、磁化電流ｉＭがしきい値ＩＭｔｈより大きくなり、かつ、トルク電流ｉＴの絶対値と電流の大きさｉａとの比がトルク電流／電流しきい値ＫｉＴｔｈより小さくなった場合に脱調と判断するものである。
【００４５】
【数１３】
2004180459.tif 000015
【００４６】
この実施形態においても、軽負荷時等の正常運転時における脱調の誤検出を防止し、また、低速運転時における脱調を確実に検出することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同期電動機の運転速度に関わらず脱調を確実に検出し、また、正常運転時における脱調の誤検出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の各実施形態における電流及び磁束のベクトル図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示すブロック図である。
【図６】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０：ｆ／Ｖ変換器
２０：電気角演算器
３１，３２：座標変換器
５０：電流ベクトル和演算器
６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ：脱調検出器
７０：電力変換器
８０：トルク演算器
９０：トルク電流演算器
１００：磁化電流演算器
２００：永久磁石形同期電動機
【図１】
2004180459.tif 000016
【図２】
2004180459.tif 000017
【図３】
2004180459.tif 000018
【図４】
2004180459.tif 000019
【図５】
2004180459.tif 000020
【図６】
2004180459.tif 000021