(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記同期機の有効電流を検出する手段と、
前記同期機の有効電流検出値から第１の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期機の有効電流検出値と有効電流上限値または下限値との差に応じて第２の周波数補正量を演算する手段と、
前記第２の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第１の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
【請求項２】
界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から第１の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力上限値または下限値との差に応じて第２の周波数補正量を演算する手段と、
前記第２の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第１の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
【請求項３】
界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力設定値との差に応じて周波数指令を演算する手段と、
前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
前記周波数指令と前記周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、界磁に永久磁石を有する永久磁石同期電動機、あるいは永久磁石同期発電機を半導体電力変換器を用いて制御する制御装置に関し、特に同期機の有効電流または有効電力を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石同期電動機の制御方法として、次の３種類の方法が知られている。
第１の方法は、回転子軸に位置センサを取付け、位置センサから得られる位置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御する方法である。この方法は最も古くから実用化されており、ファンやポンプ駆動、あるいはサーボドライブなどに広く適用されている。
【０００３】
第２の方法は、電動機の電圧や電流から回転子の位置を推定して位置センサを不要とする方法であり、センサレスベクトル制御と呼ばれている。この方法は最近盛んに研究され、徐々に実用化されつつある。
【０００４】
残る第３の方法は、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御である。この制御方法は、例えば本出願人による特開２０００−２３６６９４公報にかかる「永久磁石形同期電動機の制御装置」として公知であり、位置センサが不要で、しかも簡単な制御で可変速駆動を実現できるといった特徴がある。
【０００５】
図４は、上記公報に記載された制御装置と実質的に同様な、従来のＶ／ｆ制御の制御ブロック図を示している。以下、その機能を説明する。
まず、周波数指令器３からインバータ１の出力周波数指令ｆ＊、すなわち永久磁石同期電動機（以下では、必要に応じて同期機と呼ぶ）２に対する第１の周波数指令ｆ＊が出力される。ｆ／Ｖ変換器４は前記周波数指令ｆ＊にほぼ比例した大きさの信号Ｖ＊を出力し、この信号を同期機２の端子電圧指令Ｖ＊とする。
【０００６】
第１の周波数指令ｆ＊には、後述する比例増幅器１２から出力される周波数補正量Δｆ＊が加算され、第２の周波数指令ｆ１＊が生成される。なお、周波数補正量Δｆ＊の機能については後述する。
第２の周波数指令ｆ１＊は積分器５により積分され、電圧指令の位相θが算出される。電圧演算器６は下記の数式１に従い、端子電圧指令Ｖ＊及び位相θを用いて各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する。
【０００７】
［数式１］
Ｖｕ＊＝Ｖ＊ｃｏｓθ
Ｖｖ＊＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ−２π／３）
Ｖｗ＊＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ−４π／３）
【０００８】
各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊はパルス幅変調器（ＰＷＭ回路）７に入力されてキャリアと比較するＰＷＭ制御を行い、インバータ１のスイッチング素子のオン、オフ制御を行う。
【０００９】
上記がＶ／ｆ制御の基本構成であるが、Ｖ／ｆ制御では、定常的にトルクや電流が振動したり、負荷が急激に変動する場合には脱調して運転不能に陥るなど、制御系がしばしば不安定になる場合がある。破線で囲んだ部分がこれを解決する安定化手段であり、次にこの安定化手段について説明する。
まず、電流センサ８によって同期機２の２相の電流ｉｕ，ｉｗを検出する。次に、３相／２相変換器９により、数式２に従って直交２軸座標系の電流ｉα，ｉβに座標変換する。
【００１０】
［数式２］
ｉα＝ｉｕ
ｉβ＝（−２／√３）（ｉｕ／２＋ｉｗ）
【００１１】
座標変換器１０は、数式３に従って電流ｉＰを演算する。
［数式３］
ｉＰ＝ｉαｃｏｓθ＋ｉβｓｉｎθ
【００１２】
電流ｉＰは、数式１との関係から、電圧指令（ベクトル）Ｖ＊と同方向成分の電流、すなわち有効電流成分であり、α−β直交２軸座標系のβ軸に対してθの位相角を持つ。
この有効電流ｉＰはハイパスフィルタ１１を通過することにより直流成分が除去され、交流成分つまり過渡成分だけが抽出される。
【００１３】
ハイパスフィルタ１１により抽出された有効電流の過度成分に対しては、比例増幅器１２によりゲインＫが乗じられ、周波数補正量Δｆ＊が演算される。
この周波数補正量Δｆ＊は加算器１７により第１の周波数指令ｆ＊に加算されて第２の周波数指令ｆ１＊が生成され、積分器５により電圧指令の位相θが算出されることとなる。
【００１４】
ここで、周波数補正量Δｆ＊による周波数指令ｆ＊の補正は、次のようにして制御系を安定化する。
例えば、何らかの理由で有効電流ｉＰが増加したとし、比例増幅器１２のゲインＫが負の値であるとする。このとき、周波数補正量Δｆ＊は負の値になるため、第２の周波数指令ｆ１＊は値が低下する。周波数が低下すれば、永久磁石同期電動機２の負荷角あるいは内部相差角と呼ばれる角度が小さくなり、これは前述した有効電流の増加を抑制するように作用する。このメカニズムにより、制御系が安定化する。つまり、図４に破線で囲んだ部分は電流のフィードバックループを構成しており、電圧指令Ｖ＊に平行な有効電流ｉＰだけが周波数指令ｆ＊に負帰還される構成となっている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
インバータ１が出力可能な電圧と電流には上限があり、これにより永久磁石同期電動機２の出力限界が決まる。その出力限界以上の負荷が何らかの原因により生じると、過電流によりインバータ１がトリップしたり、脱調と呼ばれる現象が生じて永久磁石同期電動機２の平均トルクは急激に低下すると共に、脈動トルクが発生してもはや正常な運転ができなくなる。
また、永久磁石同期発電機においては、その出力が所定範囲を超えるような場合にエンジンが過負荷となり、電動機の場合と同様に安定かつ正常な運転が不可能になる。
【００１６】
そこで本発明は、永久磁石同期機の負荷や出力を所定範囲に制限して同期機の安定した運転を継続できるようにした永久磁石同期機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記同期機の有効電流を検出する手段と、
前記同期機の有効電流検出値から第１の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期機の有効電流検出値と有効電流上限値または下限値との差に応じて第２の周波数補正量を演算する手段と、
前記第２の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第１の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【００１８】
請求項２記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から第１の周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力上限値または下限値との差に応じて第２の周波数補正量を演算する手段と、
前記第２の周波数補正量により周波数指令を補正する手段と、
補正後の前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
補正後の前記周波数指令と前記第１の周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【００１９】
請求項３記載の発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期機の制御装置であって、電力変換器により前記同期機の端子電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石同期機の制御装置において、
前記永久磁石同期機としての永久磁石同期発電機の有効電流を検出する手段と、
前記同期発電機の有効電流検出値から周波数補正量を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力を演算する手段と、
前記同期発電機の有効電力演算値と有効電力設定値との差に応じて周波数指令を演算する手段と、
前記周波数指令にほぼ比例する端子電圧指令を演算する手段と、
前記周波数指令と前記周波数補正量との加算結果を積分して端子電圧の位相を演算する手段と、
前記端子電圧指令及び前記位相を用いて前記同期発電機の各相電圧指令を演算する手段と、
を備えたものである。
【００２２】
【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。
まず、は請求項１にかかる発明の実施形態（第１実施形態とする）を示す制御ブロック図であり、破線で囲んだ周波数指令補正手段２１がの従来技術に追加された部分である。なお、と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
以下では、周波数指令補正手段２１を中心として本実施形態の構成及び動作を説明する。
【００２３】
周波数指令補正手段２１において、１４は有効電流ｉＰが入力される演算器であり、この演算器１４には設定器１３Ｉから有効電流ｉＰの上限値ｉＰｍａｘ及び下限値ｉＰｍｉｎが入力されている。演算器１４は、有効電流ｉＰの検出値が前記上限値ｉＰｍａｘを超えた場合にその超過分△ｉＰを演算する。すなわち、以下に示す数式４の演算を行う。
【００２４】
［数式４］
ΔｉＰ＝０  （ｉＰ＜ｉＰｍａｘの場合）
ΔｉＰ＝ｉＰｍａｘ−ｉＰ  （ｉＰ≧ｉＰｍａｘの場合）
【００２５】
一方、永久磁石同期機が発電機動作し、すなわち同期機２が永久磁石同期発電機として動作する場合、演算器１４は、有効電流ｉＰが前記下限値ｉＰｍｉｎを下回った場合にその不足分△ｉＰを演算する。すなわち、以下に示す数式５の演算を行う。
【００２６】
［数式５］
ΔｉＰ＝０  （ｉＰ＞ｉＰｍｉｎの場合）
ΔｉＰ＝ｉＰｍｉｎ−ｉＰ  （ｉＰ≦ｉＰｍｉｎの場合）
【００２７】
数式４または数式５により演算されたΔｉＰは、伝達関数Ｇ（ｓ）をもつ増幅器１５に入力される。ここで、Ｇ（ｓ）は少なくとも積分要素を有しており、有効電流ｉＰの超過分または不足分△ｉＰを積分して第２の周波数補正量Δｆ１＊を出力する。なお、図１における比例増幅器１２から出力される周波数補正量Δｆ＊を、便宜的に第１の周波数補正量という。
【００２８】
第２の周波数補正量Δｆ１＊は加算器１６に入力され、周波数指令器３の出力と図示の符号で演算される。この第２の周波数補正量Δｆ１＊によって第１の周波数指令ｆ＊が補正され、ｆ／Ｖ変換器４によって第１の周波数指令ｆ＊にほぼ比例した端子電圧指令Ｖ＊が演算される。
【００２９】
本実施形態において、例えば同期機２の有効電流ｉＰがその上限値ｉＰｍａｘを少しでも超えると、超過分△ｉＰに応じた第２の周波数補正量Δｆ１＊が増幅器１５から出力され、加算器１６を介して第１の周波数指令ｆ＊が低下方向に補正される。このため、端子電圧指令Ｖ＊も低下することになり、有効電流ｉＰが上限値ｉＰｍａｘを大きく超えるのを防止することができる。
【００３０】
また、有効電流ｉＰがその下限値ｉＰｍｉｎを少しでも下回ると、不足分△ｉＰに応じた第２の周波数補正量Δｆ１＊が増幅器１５から出力され、加算器１６を介して第１の周波数指令ｆ＊が増加方向に補正される。このため、端子電圧指令Ｖ＊も増加することになり、有効電流ｉＰが下限値ｉＰｍｉｎを大きく下回るのを防止することができる。
その結果、位置センサを必要としないＶ／ｆ制御の構成においても、インバータ１の過電流や同期機２の脱調を回避することができる。
【００３１】
次に、図２は請求項２にかかる発明の実施形態（第２実施形態とする）を示す制御ブロック図である。本実施形態は、破線で囲んだ周波数指令補正手段２２の構成が図１における周波数指令補正手段２１と一部異なっており、その他は同一である。
【００３２】
この実施形態は、特に同期機２が永久磁石同期発電機である場合を対象としたものであり、インバータ１はコンバータとして動作する。
同期機２が永久磁石同期発電機である場合、発電機は動力源であるエンジンが許容できる以上の出力を得ることができず、同期電動機の場合と同様に出力限界が存在する。この限界を超える出力が要求される場合には制御が不安定化し、また、エンジンの過負荷を招くため、本実施形態はこれらの不都合を解消するためになされたものである。
【００３３】
図２において、周波数指令補正手段２２は、有効電流ｉＰの検出値と端子電圧指令Ｖ＊とを乗算して有効電力Ｐを求める乗算器１８と、有効電力Ｐの上限値Ｐｍａｘ及び下限値Ｐｍｉｎを設定する設定器１３Ｐと、有効電力Ｐが前記上限値Ｐｍａｘを超えた場合に超過分△Ｐを演算し、下限値Ｐｍｉｎ（例えばゼロ）を下回った場合に不足分△Ｐを演算する演算器１４と、超過分または不足分△Ｐが入力されて第２の周波数補正量Δｆ１＊を出力する増幅器１５とからなっている。この演算器１４の演算内容は、前述した数式４または数式５におけるｉＰをＰに置き換えればよいので、詳述を省略する。
なお、増幅器１５の伝達関数Ｇ（ｓ）は、前記同様に少なくとも積分要素を有している。
【００３４】
増幅器１５から出力される第２の周波数補正量Δｆ１＊は加算器１６に入力され、周波数指令器３の出力と図示の符号で演算される。第２の周波数補正量Δｆ１＊によって第１の周波数指令ｆ＊が補正され、ｆ／Ｖ変換器４によって第１の周波数指令ｆ＊にほぼ比例した端子電圧指令Ｖ＊が演算される。
【００３５】
この実施形態によれば、例えば同期機２の有効電力Ｐがその上限値Ｐｍａｘを少しでも超えると、超過分△Ｐに応じた第２の周波数補正量Δｆ１＊が増幅器１５から出力され、加算器１６を介して第１の周波数指令ｆ＊が低下方向に補正される。このため、端子電圧指令Ｖ＊も低下することになり、有効電力Ｐが上限値Ｐｍａｘを大きく超えるのを防止することができる。
【００３６】
また、有効電力Ｐがその下限値Ｐｍｉｎを少しでも下回ると、不足分△Ｐに応じた第２の周波数補正量Δｆ１＊が増幅器１５から出力され、加算器１６を介して第１の周波数指令ｆ＊が増加方向に補正される。このため、端子電圧指令Ｖ＊も増加することになり、有効電力Ｐが下限値Ｐｍｉｎを大きく下回るのを防止することができる。
その結果、位置センサを必要としないＶ／ｆ制御の構成においても、同期機２の出力を所定範囲に制限し、例えば同期発電機の場合にはエンジンの出力を所定範囲に制限することによって過負荷運転を未然に防止することができる。
【００３７】
次いで、図３は請求項３にかかる発明の実施形態（第３実施形態とする）を示す制御ブロック図であり、同期機２として、特に永久磁石同期発電機を対象とした場合の実施形態である。この場合も、インバータ１はコンバータとして動作する。
同期発電機の場合、その回転速度はエンジンのガバナなどで制御される場合があり、本実施形態はこの点に鑑みて安定した出力制御を可能にしたものである。
【００３８】
図３において、図１，図２と異なる部分を中心に説明すると、乗算器１８により有効電流ｉＰと端子電圧指令Ｖ＊とを乗算して有効電力Ｐが算出される。
設定器１９は有効電力設定値Ｐ＊を出力するものであり、加算器２０により求められた有効電力設定値Ｐ＊と有効電力Ｐとの偏差△Ｐは、増幅器１５に入力される。この増幅器１５の伝達関数Ｇ（ｓ）は、前記同様に少なくとも積分要素を有する。
【００３９】
本実施形態では図１，図２のような周波数設定器３を備えておらず、増幅器１５の出力がそのまま周波数指令ｆ＊としてｆ／Ｖ変換器４及び加算器１７に入力されている。
この実施形態によれば、有効電力設定値Ｐ＊と有効電力Ｐとの偏差△Ｐがゼロになるまで周波数指令ｆ＊が変化し、ｆ／Ｖ変換器４により周波数指令ｆ＊にほぼ比例した端子電圧指令Ｖ＊が演算される。その他の部分の動作は図１，図２の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４０】
この実施形態によれば、同期機２の有効電力Ｐがその設定値Ｐ＊に等しくなるように制御されるので、位置センサを必要としないＶ／ｆ制御の構成においても永久磁石同期発電機等の安定した出力制御が可能となる。
【００４１】
なお、第２，第３実施形態において、同期機２の機械的な出力を制御する場合には、前記有効電力Ｐから銅損や鉄損などを差し引いた電力を制御すればよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、永久磁石同期機の有効電流を所定範囲内に制御することにより、位置センサを必要としないＶ／ｆ制御において電力変換器の過電流や同期機の脱調を未然に回避することができる。
【００４３】
また、請求項２記載の発明によれば、特に永久磁石同期発電機の有効電力を所定範囲内に制御し、エンジンの出力を所定範囲に制限して過負荷運転を防止できる効果がある。
【００４４】
更に、請求項３記載の発明によれば、特に永久磁石同期発電機の有効電力がその設定値に等しくなるように制御されるので、同期発電機の安定した出力制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
【図４】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１  インバータ
２  永久磁石同期機
３  周波数指令器
４  ｆ／Ｖ変換器
５  積分器
６  電圧演算器
７  パルス幅変調器
８  電流センサ
９  ３相／２相変換器
１０  座標変換器
１１  ハイパスフィルタ
１２  比例演算器
１３Ｉ，１３Ｐ，１９  設定器
１４  演算器
１５  増幅器
１６，１７，２０  加算器
１８  乗算器
２１，２２  周波数指令補正手段
【図１】
0004771035.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004771035.tif 000004
【図４】
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