(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器に入力される永久磁石型発電機の出力電流を、該永久磁石型発電機の永久磁石の磁束方向成分であるｄ軸電流と、それに直交する方向成分であるｑ軸電流とに分離し、前記永久磁石型発電機の磁束とトルクの大きさを各々独立に制御する出力電圧指令を前記電力変換器へ出力する永久磁石型発電機の制御装置において、
前記永久磁石型発電機の出力電流より出力電流実効値を出力する手段と、該出力電流実効値より永久磁石型発電機から高効率で電力を取り出す時の前記ｑ軸電流と前記出力電流との間の高効率位相角を式（５）および（６）に基づいて
〔数１〕
0004803922.tif 000007
0004803922.tif 000008
ω：永久磁石型発電機の電源角周波数
Ｉrms：発電機電流実効値
Ｌd：永久石型発電機の直軸インダクタンス
Ｌq：永久石型発電機の横軸インダクタンス
Ｅo：永久磁石による誘起電圧
φ：永久磁石による磁束
θ’：永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角
出力する手段と、該高効率位相角と前記出力電流実効値よりｄ軸電流指令を  式（７）に基づいて
〔数２〕
0004803922.tif 000009
Ｉ：発電機電流
Ｉdm：発電機電流Ｉの直軸分
出力する手段と、
前記高効率位相角と前記出力電流実効値よりｑ軸電流指令を式（８）に基づいて
〔数３〕
0004803922.tif 000010
Ｉ：発電機電流
Ｉqm：発電機電流Ｉの横軸分
出力する手段と、該ｄ軸電流指令と該ｑ軸電流指令より出力電圧指令を出力する手段を有することを特徴とする永久磁石型発電機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石型発電機の制御装置において、前記電力変換器の直流電圧指令と実直流電圧より直流電圧偏差増幅値を出力する手段と、該直流電圧偏差増幅値と前記高効率位相角より前記ｑ軸電流指令を出力する手段を具備したことを特徴とする永久磁石型発電機の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の永久磁石型発電機の制御装置において、前記電力変換器の実直流電圧と実直流電流より実直流入力を出力する手段と、該実直流入力と前記電力変換器の直流入力指令より直流入力偏差増幅値を出力する手段と、該直流入力偏差増幅値と前記高効率位相角より前記ｑ軸電流指令を出力する手段を具備したことを特徴とする永久磁石型発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型発電機に接続した電力変換器により、交流を直流に変換するシステムにおいて、永久磁石型発電機の電源角周波数や発電機電流の値に関わらず、常に永久磁石型発電機内での巻線抵抗損失を最小にして、高効率で電力を出力する永久磁石型発電機の制御装置に関するものであり、特に、永久磁石型発電機に流れる発電機電流に基づき、電力変換器制御回路内のｄ、ｑ軸電流指令を決定するようにした永久磁石型発電機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の一例を示すブロック線図で、以下にその技術を説明する。
図３において、電力変換器１は、永久磁石型発電機２から電力を入力する。電流検出器３は、永久磁石型発電機２の出力電流Ｉを検出して、成分演算器６に出力する。成分演算器６は、位置検出器４で検出された永久磁石型発電機の回転子の永久磁石の位置情報Ｐにより、出力電流Ｉを座標変換して、前記永久磁石の方向成分のｄ軸電流Ｉｄと、それに直交する方向成分のｑ軸電流Ｉｑとを出力する。
【０００３】
また、出力電力指令Ｔｃとｄ軸電流Ｉｄとから出力指令変換器７で演算されるｑ軸電流指令Ｉｑｃと、最大効率ｄ軸電流演算器８で演算される最大効率運転条件を満たすｄ軸電流指令Ｉｄｃに、それぞれｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄが追従するような出力電圧指令Ｖｃを電流制御器５により出力する。
この様にすることで、永久磁石型発電機の出力電力は、出力電力指令Ｔｃに追従するように制御される。最大効率ｄ軸電流演算器８では、下記（１）式を用いて最大効率で運転できるｄ軸電流Ｉｄｍを演算し、ｄ軸電流指令Ｉｄｃとして出力する。
【０００４】
【数１】
0004803922.tif 000002
【０００５】
（１）式は、例えば平成６年の電気学会論文誌D、１１４巻６号、６６３頁の（５）式にも記載されているように、永久磁石型発電機を最大効率運転する条件式である。ここで、Ｌｄは、永久磁石型発電機の永久磁石の方向のインダクタンス成分すなわちｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑはそれと直交する方向のインダクタンス成分すなわちｑ軸インダクタンスであり、φは永久磁石の磁束、Ｉｑは前記ｑ軸電流である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成される永久磁石型発電機の制御装置においては、永久磁石型発電機の発電機定格電流が決められた時、発電機電流を定格電流以下に保ちながら、常に最大効率で永久磁石型発電機から出力させる方法が不明であるという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決する方法を、提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、Ｅ０を永久磁石による誘起電圧、Ｉｒｍｓを発電機電流実効値、θを永久磁石による誘起電圧Ｅ０と発電機電流Ｉの位相角すなわちｑ軸電流Ｉqと出力電流Ｉその位相角を表す発電機電流位相、Ｒを発電機巻線抵抗、Ｌｄ、及びＬｑをそれぞれ永久磁石型発電機の直軸インダクタンス、及び横軸インダクタンス、ωを永久磁石型発電機の電源角周波数とすると、発電機出力Ｗは、（２）式で表される。
【０００８】
【数２】
0004803922.tif 000003
【０００９】
（２）式をθで偏微分して（３）式を求め、（３）式を０とおいた（４）式より、永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角θ′を求める。
ここで、永久磁石による磁束をφとし、あらたにＫを（５）式のように定義すると、最大出力を出す時の高効率位相角θ′は(６)式から求める事ができる。
【００１０】
【数３】
0004803922.tif 000004
0004803922.tif 000005
【００１１】
従って、永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角θ′を用いて、発電機電流Ｉの直軸分Ｉｄｍは（７）式から求まり、さらに発電機電流Ｉの横軸分Ｉｑｍは（８）式から求められる。
【００１２】
【数４】
0004803922.tif 000006
【００１３】
本発明は、このように発電機電流実効値Ｉｒｍｓが決まった時、永久磁石型発電機が最大出力を発生するための永久磁石による誘起電圧Ｅ０と永久磁石型発電機電流Ｉとの位相角である高効率位相角θ′を（６）式により求め、（７）式より求めた発電機電流Ｉの直軸分Ｉｄｍをｄ軸電流指令Ｉｄｃとし、（８）式より求めた発電機電流Ｉの横軸分Ｉｑｍをｑ軸電流指令Ｉｑｃとして、それぞれ求める。
さらにｑ軸電流指令Ｉｑｃおよびｄ軸電流指令Ｉｄｃに、それぞれｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄが追従するような出力電圧指令Ｖｃを求め、電力変換器の出力端子電圧をパルス幅変調によって制御するものである。
【００１４】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）請求項１において、
電力変換器に入力される永久磁石型発電機の出力電流を、該永久磁石型発電機の永久磁石の方向成分であるｄ軸電流と、それに直交する方向成分であるｑ軸電流とに分離し、前記永久磁石型発電機の磁束とトルクの大きさを各々独立に制御する出力電圧指令を前記電力変換器へ出力する永久磁石型発電機の制御装置において、
前記永久磁石型発電機の出力電流より出力電流実効値を出力する手段と、該出力電流実効値より永久磁石型発電機から高効率で電力を取り出す時の前記ｑ軸電流と前記出力電流との間の高効率位相角を出力する手段と、該高効率位相角と前記出力電流実効値よりｄ軸電流指令を出力する手段と、該ｄ軸電流指令と別に求めるｑ軸電流指令より出力電圧指令を出力する手段を具備するものである。
【００１５】
２）請求項２において
前記電力変換器の直流電圧指令と実直流電圧より直流電圧偏差増幅値を出力する手段と、該直流電圧偏差増幅値と前記高効率位相角より前記ｑ軸電流指令を出力する手段を具備するものである。
【００１６】
３）請求項３において
前記電力変換器の実直流電圧と実直流電流より実直流入力を出力する手段と、該実直流入力と前記電力変換器の直流入力指令より直流入力偏差増幅値を出力する手段と、該直流入力偏差増幅値と前記高効率位相角より前記ｑ軸電流指令を出力する手段を具備するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の永久磁石型発電機の制御装置における主制御回路構成を示すブロック図である。
同図において、１１は実効電流演算器、１２は最大効率位相演算器、１３はｄ軸電流指令演算器、１４は第１の偏差増幅器、１５はｑ軸電流指令演算器を表し、図３と同一符号のものは同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
実効電流演算器１１は発電機電流Ｉを入力して、発電機電流Ｉの実効値Ｉｒｍｓを演算し、最大効率位相演算器１２およびｄ軸電流指令演算器１３へ出力する。最大効率位相演算器１２は発電機電流実効値Ｉｒｍｓを入力して、（６）式に基づいて、永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角θ′を演算し、ｄ軸電流指令演算器１３およびｑ軸電流指令演算器１５へ出力する。
【００１８】
ｄ軸電流指令演算器１３は、発電機電流実効値Ｉｒｍｓおよび高効率位相角θ′を入力して、（７）式に基づきｄ軸電流指令Ｉｄｃを演算し、電流制御器５へ出力する。第１の偏差増幅器１４は、直流電圧指令Ｖｆ＊と実際の直流電圧Ｖｆを入力し、その偏差増幅値を実効値電流指令Ｉｒｃとして、ｑ軸電流指令演算器１５へ出力する。ｑ軸電流指令演算器１５は、高効率位相角θ′および実効値電流指令Ｉｒｃを入力して、（８）式に基づきｑ軸電流指令Ｉｑｃを演算し、電流制御器５へ出力する。
ここで第１の偏差増幅値１４の上限を、永久磁石型発電機の定格電流に設定しておけば、永久磁石型発電機は、常に、定格電流以下で運転されるとともに、最高効率で運転される。
また、上記では（７）式に基づきｄ軸電流指令Ｉｄｃを演算する時に、発電機電流実効値Ｉｒｍｓを用いたが、実効値電流指令Ｉｒｃを用いて演算しても、同様な永久磁石型発電機の高効率運転が可能である。
【００１９】
電流制御器５は、ｑ軸電流指令Ｉｑｃとｄ軸電流指令Ｉｄｃに、それぞれｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄが追従するような出力電圧指令Ｖｃを演算し、図示していないゲート回路に出力する。
電力変換器１は、出力電圧指令Ｖｃに基づいて、ゲート回路より出力されるスイッチング信号により出力電圧を制御する。
【００２０】
また、最大効率位相演算器１２で、（６）式に基づき、永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角θ′を演算するために用いる発電機電流実効値Ｉｒｍｓは、実際の発電機電流Ｉより求めた値ではなく、実効値電流指令Ｉｒｃを用いて演算しても、同様な永久磁石型発電機の高効率運転が可能である。
このように演算されたｑ軸電流指令Ｉｑｃと、ｄ軸電流指令Ｉｄｃに基づいて制御される電力変換器１により、永久磁石型発電機からは常に最高効率で出力できる。
【００２１】
図２は本発明の永久磁石型発電機の制御装置における他の主制御回路構成を示すブロック図である。
同図において、１６は第２の偏差増幅器、１７は掛け算器である。
掛け算器１７は、電力変換器１の実直流電圧Ｖｆおよび実直流電流Ｉｆを入力し、電力変換器１の実直流入力Ｗｆを演算し、第２の偏差増幅器１６へ出力する。第２の偏差増幅器１６は、電力変換器１の直流入力指令Ｗｆ＊と実直流入力電力Ｗｆの直流入力偏差増幅値を実効値電流指令Ｉｒｃとしてｑ軸電流指令演算器１５へ出力する。
このように演算された実効値電流指令Ｉｒｃと高効率位相角θ′により演算されるｑ軸電流指令Ｉｑｃと、別途演算されるｄ軸電流指令Ｉｄｃに基づいて制御される電力変換器１により、永久磁石型発電機からは常に最高効率の出力を得られる。
また、上記では（７）式に基づきｄ軸電流指令Ｉｄｃを演算する時に、発電機電流実効値Ｉｒｍｓを用いたが、実効値電流指令Ｉｒｃを用いて演算しても、同様な永久磁石型発電機の高効率運転が可能である。
【００２２】
また、最大効率位相演算器１２で、（６）式に基づき、永久磁石型発電機が最大出力を出す時の高効率位相角θ′を演算するために用いる発電機電流実効値Ｉｒｍｓは、実際の発電機電流Ｉより求めた値ではなく、実効値電流指令Ｉｒｃを用いて演算しても、同様な永久磁石型発電機の高効率運転が可能である。
ここで第２の偏差増幅値１６の上限を、永久磁石型発電機の定格電流に設定しておけば、永久磁石型発電機は、常に、定格電流以下で運転されるとともに、最高効率で運転される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の永久磁石型発電機の制御装置によれば、発電機電流実効値と、発電機電流実効値及び永久磁石型発電機の直軸インダクタンス及び横軸インダクタンスと、永久磁石による磁束より求まる高効率位相角θ′を用いて、最高効率で運転するために、常に発電機電流を発電機定格電流以下に保ちながら運転する事ができ、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石型発電機の制御装置の主制御回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の永久磁石型発電機の制御装置の他の主制御回路構成を示すブロック図である。
【図３】従来の永久磁石型発電機の制御装置の主制御回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１              電力変換器
２              永久磁石型発電機
３              電流検出器
４              永久磁石発電機
５              電流制御器
６              成分演算器
７              最大効率ｄ軸電流演算器
１１            実効電流演算器
１２            最大効率位相演算器
１３            ｄ軸電流指令演算器
１４            第１の偏差増幅器
１５            ｑ軸電流指令演算器
１６            第２の偏差増幅器
１７            掛け算器
【図１】
0004803922.tif 000011
【図２】
0004803922.tif 000012
【図３】
0004803922.tif 000013