(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、及び前記ＭＴＰＡ曲線の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップと、
を含み、
前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも小さい場合、数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含む、同期機の運転方法。
【請求項２】
前記数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項１に記載の同期機の運転方法。
【数１】
0006325599.tif 000019
ここで、ＦTは、前記トルク曲線を示し、ＦMTPAは、前記ＭＴＰＡ曲線を示し、Ｌdは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌqは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λfは、永久磁石の磁束を示し、ｉqは、Ｑ軸電流を示し、ｉdは、Ｄ軸電流を示す。
【請求項３】
インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、及び前記ＭＴＰＡ曲線の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップと、
を含み、
前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも大きく、前記トルク指令に該当するトルクを発生させるための場合、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含む、同期機の運転方法。
【請求項４】
前記数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項３に記載の同期機の運転方法。
【数２】
0006325599.tif 000020
ここで、ＦCは、前記電流制限円を示し、ＦVは、前記電圧制限楕円を示し、ωrは、前記電動機の回転子速度を示し、Ｒsは、前記電動機の固定子抵抗を示す。
【請求項５】
インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、
ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、
前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、
前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップと、
前記電流制限円と前記電圧制限楕円との交点が無い場合、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップと、
を含む、同期機の運転方法。
【請求項６】
前記数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算する、請求項５に記載の同期機の運転方法。
【数３】
0006325599.tif 000021
ここで、ＦVは、前記電圧制限楕円を示し、ＦMTPVは、前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とが接する点を示す曲線である。
【請求項７】
前記Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流が収める値を有するように設定される、請求項２、４及び６のいずれか一項に記載の同期機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期機の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｍａｃｈｉｎｅ）は、永久磁石の存在の有無によって、永久磁石電動機と、リラクタンス電動機とに区分される。また、永久磁石が存在する永久磁石電動機は、該当永久磁石を回転子に入れる方法によって、埋込型永久磁石電動機と、表面付着型永久磁石電動機とに区分される。
【０００３】
ここで、永久磁石電動機は、誘導電動機よりも効率及び体積当たりの出力に優れている。しかし、永久磁石電動機は、誘導電動機より価格が高いという短所がある。また、永久磁石の無いリラクタンス型電動機は、永久磁石が無いため誘導電動機と価格は似ているが、回転子に電流が流れないため、銅損が無い。それによって、効率が誘導電動機に比べて優れた利点がある。
【０００４】
一方、同期機の損失を鉄損と銅損とに区別するとき、鉄損を除く銅損のみを考慮した場合に、ＭＴＰＡ（ｍａｘｉｍｕｍ  ｔｏｒｑｕｅ  ｐｅｒ  ａｍｐｅｒｅ）運転をするようになると、同じ出力で最小の電流の大きで運転することであるため、銅損が最小になる運転をすることである。
【０００５】
しかし、従来技術の場合、ＭＴＰＶ（ｍａｘｉｍｕｍ  ｔｏｒｑｕｅ  ｐｅｒ  ｖｏｌｔａｇｅ）曲線と初期値を設定する部分で、正確な記述がなされていない問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、同期機が、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）、及びＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算する同期機の運転方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算する同期機の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法は、インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及びトルク指令によるトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）曲線を生成するステップと、ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成するステップと、前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円をＸＹ平面に示すステップと、及び前記ＸＹ平面上に存在する前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算するステップとを含むことができる。
【０００９】
実施形態において、前記交点が、前記電流制限円と前記ＭＴＰＡ曲線との交点である場合、前記交点による前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流は、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当できる。
【００１０】
実施形態において、前記交点が、前記電流制限円、前記トルク曲線、前記ＭＴＰＡ曲線、及び前記電圧制限楕円の交点である場合、前記交点による基準回転子速度を基準に、前記電動機の運転モードを判断するステップをさらに含むことができる。
【００１１】
実施形態において、前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも小さい場合、数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。
【００１２】
実施形態において、前記の数値解析的方法を介して前記トルク曲線と前記ＭＴＰＡ曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。
【００１３】
【数１】
0006325599.tif 000002
【００１４】
ここで、ＦTは、前記トルク曲線を示し、ＦMTPAは、前記ＭＴＰＡ曲線を示し、Ｌdは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌqは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λfは、永久磁石の磁束を示し、ｉqは、Ｑ軸電流を示し、ｉdは、Ｄ軸電流を示す。
【００１５】
実施形態において、前記電動機の回転子速度が前記基準回転子速度よりも大きく、前記トルク指令に該当するトルクを発生させるための場合、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。
【００１６】
実施形態において、数値解析的方法を介して前記電流制限円と前記電圧制限楕円とを連立して、前記電動機がＣＬＶＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。
【００１７】
【数２】
0006325599.tif 000003
【００１８】
ここで、Ｆcは、前記電流制限円を示し、ＦVは、前記電圧制限楕円を示し、ωrは、前記電動機の回転子速度を示し、Ｒsは、前記電動機の固定子抵抗を示す。
【００１９】
実施形態において、前記電流制限円と前記電圧制限楕円との交点がない場合、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップをさらに含むことができる。
【００２０】
実施形態において、数値解析的方法を介して前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とを連立して、前記電動機がＭＴＰＶ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ）運転モードで運転される電流指令に該当する前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算するステップは、次の数式に従うＮｅｗｔｏｎ法を用いて、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流を計算することができる。
【００２１】
【数３】
0006325599.tif 000004
【００２２】
ここで、ＦVは、前記電圧制限楕円を示し、ＦMPTVは、前記電圧制限楕円と前記トルク曲線とが接する点を示す曲線である。
【００２３】
実施形態において、前記Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、前記Ｄ軸電流及び前記Ｑ軸電流が収める値を有するように設定することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る同期機の運転方法の効果について説明すると、次の通りである。
【００２５】
本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、同期機がＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算することができる。
【００２６】
また、本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、定格電流で最大トルクを発生させる運転点であるＭＴＰＡ曲線と電流制限円との交点を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、電圧制限楕円がＭＴＰＡ最大トルク運転点を通ることを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＣＬＶＬ運転点である電流制限円と電圧制限楕円との交点を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＭＴＰＶ運転点である電圧制限楕円とトルク曲線とが接する点を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照して、本明細書に開示された実施例を詳細に説明するが、図面符号にかかわらず、同一または類似の構成要素は、同じ参照番号を付し、これに対する重複する説明は、省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」及び「部」は、明細書作成の容易さのみを考慮して付与または混用されるものであって、それ自体で、相互区別できる意味または役割を有するわけではない。また、本明細書に開示された実施例を説明するにあたって、関連した公知技術に対する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨を曖昧にする可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付された図面は、本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものであるだけで、添付された図面によって本明細書に開示された技術的思想が限定されず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解すべきである。
【００２９】
第１、第２などのように序数が含む用語は、様々な構成要素を説明するために使用することができるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
【００３０】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及した場合には、その他の構成要素に直接連結されているか、または、接続されている場合もあるが、中間に他の構成要素が存在する可能性もあることを理解しなければならない。一方、いくつかの構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか、「直接接続されて」いると言及した場合には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解すべきである。
【００３１】
単数の表現は、文脈上、明らかに異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。
【００３２】
本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、または、これらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、または、これらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解すべきである。
【００３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。本発明は、本発明の精神及び不可欠な特徴を逸脱しない範囲で他の特定の形態で具体化できることは、当業者にとって自明である。
【００３４】
本発明は、同期機に対し、ＭＴＰＡ運転、弱継磁（ＣＬＶＬ）運転、ＭＴＰＶ運転をする方法に関する。同期機の数学的モデルは、次の数式１の通りである。
【００３５】
【数４】
0006325599.tif 000005
【００３６】
そして、トルクは、数式２のようにマグネチックトルクと、リラクタンストルクとに区分される。
【００３７】
【数５】
0006325599.tif 000006
【００３８】
まず、埋込型永久磁石電動機は、Ｄ軸インダクタンスとＱ軸インダクタンスがＬd＜Ｌqである特性を有するため、リラクタンストルクが存在する。
【００３９】
これに対し、表面付着型永久磁石電動機は、Ｌd＝Ｌqである特性を有するため、リラクタンストルクは、０となり、磁気トルクのみ存在する。
【００４０】
また、リラクタンス電動機は、永久磁石が無いため、λf＝０であることから、磁気トルクは、０となり、リラクタンストルクのみ存在する。
【００４１】
つまり、３つの電動機の中で、埋込型永久磁石電動機は、マグネチックトルクとリラクタンストルクのいずれをも有するため、残りの電動機を含む一般化された形で取り扱うことができる。したがって、埋込型永久磁石電動機を基準に、発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を説明する。
【００４２】
図１は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を示す図である。図１を参照すると、同期機の運転方法は、Ｓ１１０ステップないしＳ１９０ステップを含む。
【００４３】
まず、インバータまたは電動機の定格電流による電流制限円及び与えられたトルク指令によるトルク曲線を生成する（Ｓ１１０）。ここで、電流制限円及びトルク曲線は、定格電流及びトルク指令に基づいて、予め定められることができる。
【００４４】
そして、Ｓ１１０ステップで生成され、または予め生成された電流制限円及びトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）運転に該当する運転点を表すＭＴＰＡ曲線を生成する（Ｓ１３０）。
【００４５】
そして、ＤＣリンク電圧に基づいて、電圧制限楕円を生成する（Ｓ１５０）。インバータは、三相交流電源を整流してＤＣリンク電圧を作り、これをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換して交流電圧を作るため、インバータが作り出す電圧の大きさは、ＤＣリンク電圧の大きさによって制限される。
【００４６】
そして、Ｓ１１０ステップないしＳ１５０ステップを通じて生成される電流制限円、トルク曲線、ＭＴＰＡ曲線、及び電圧制限楕円をＸＹ平面に示す（Ｓ１７０）。
【００４７】
そして、Ｓ１７０ステップで示したＸＹ平面を分析して、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算する（Ｓ１９０）。具体的には、ＸＹ平面上に存在する電流制限円、トルク曲線、ＭＴＰＡ曲線及び電圧制限楕円のうち少なくとも２つ以上の交点によって、Ｄ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。
【００４８】
以下、本発明に係る同期機の運転方法に含まれる各ステップを、関連する数式と共に、より具体的に説明する。
【００４９】
電流制限円は、インバータの定格電流や電動機の定格電流によって発生し、次の数式３の通りである。数式３は、Ｄ軸電流及びＱ軸電流をＸＹ平面に示したとき、円形の領域を表す。
【００５０】
【数６】
0006325599.tif 000007
【００５１】
トルク曲線は、トルク指令によって決定でき、前述した数式１の中で最も下の数式と同様である。
【００５２】
そして、Ｓ１１０ステップで生成されたり、または、予め生成された電流制限円及びトルク曲線に基づいて、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）運転に該当する運転点を表すＭＴＰＡ曲線を生成する（Ｓ１３０）。
【００５３】
ＭＴＰＡ運転は、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法である。
【００５４】
図２は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、固定子の電流の大きさが一定であるとき、トルクが最大となるＤ軸電流及びＱ軸電流を有するように運転する方法を示す図である。
【００５５】
図２を参照すると、一定の大きさを有する固定子電流を示す電流制限円は、青色の円２１０であり、一定の大きさを有するトルク曲線は、ピンク色の曲線２２０である。ピンク色の曲線２２０が上に移動するほど、より大きなトルクを有するようになるため、最大トルクを有するＭＴＰＡ運転点は、二つの曲線２１０，２２０が接する点で存在する。
【００５６】
一方、トルク曲線２２０及び電流制限円２１０のそれぞれを、ＦT＝０、ＦC＝０とし、次の数式４及び数式５のように定義することができる。
【００５７】
【数７】
0006325599.tif 000008
【００５８】
【数８】
0006325599.tif 000009
【００５９】
そして、任意の点（ｉd、ｉq）での傾きが同じように式を構成すれば、次の数式６の通りである。
【００６０】
【数９】
0006325599.tif 000010
【００６１】
また、数式６を整理すると、次の数式７の通りであり、これは、双曲線の方程式になる。
【００６２】
【数１０】
0006325599.tif 000011
【００６３】
ここで、数式７をＭＴＰＡ曲線と呼び、これを、次の数式８のように定義することができる。
【００６４】
【数１１】
0006325599.tif 000012
【００６５】
図３は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、定格電流で最大トルクを発生させる運転点であるＭＴＰＡ曲線と電流制限円との交点を示す図である。図３を参照すると、定格電流で最大トルクを作り出す運転点は、ＭＴＰＡ曲線３３０と電流制限円３１０との交点Ａと同様である。
【００６６】
なお、ＤＣリンク電圧に基づいて生成される電圧制限楕円を具体的に説明すると、インバータが作り出す電圧の大きさは、ＤＣリンク電圧の大きさによって制限され、ＳＶＰＷＭ（ｓｐａｖｅ  ｖｅｃｔｏｒ  ＰＷＭ）を用いる場合には、最大Ｖdc／√３の相電圧の大きさを有する電圧を合成することができる。埋込型永久磁石電動機に印加される電圧の大きさは、Ｄ軸電圧及びＱ軸電圧から計算され、次の数式９のように示すことができる。
【００６７】
【数１２】
0006325599.tif 000013
【００６８】
数式９の等号を満足するＤ軸電流及びＱ軸電流を、０≦θ＜２πを満足するθで変数パラメータ化すると、次の数式１０の通りである。
【００６９】
【数１３】
0006325599.tif 000014
【００７０】
数式１０をみると、電圧制限曲線は、φだけ傾いており、（ｉd0、ｉq0）だけ中心が移動した楕円であることが分かる。楕円の中心と傾いた角度は、回転子速度によって変わることになる。また、楕円の大きさは、回転子速度が増加するにつれて、小さくなる。
【００７１】
図４は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、電圧制限楕円がＭＴＰＡ最大トルク運転点を通ることを示す図である。
【００７２】
図４を参照すると、電流制限円４１０、トルク曲線４２０、及びＭＴＰＡ曲線４３０を電圧制限楕円４４０と共に示したが、回転子速度が増加するにつれて、電圧制限楕円４４０は小さくなり、電圧制限楕円４４０がＭＴＰＡ最大トルク運転点Ａを通る基準回転子速度をωrMと定義することができる。そして、基準回転子速度を数式で表すと、次の数式１１の通りである。
【００７３】
【数１４】
0006325599.tif 000015
【００７４】
図４から分かるように、基準回転子速度（ωrM）以下の回転子速度では、すべてのトルク指令に対してＭＴＰＡ運転が可能であり、数値解析的方法を介してトルク曲線４２０とＭＴＰＡ曲線４３０とを連立して、電動機がＭＴＰＡ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。
【００７５】
また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。ここで、制約式が２つであるため、２次元Ｎｅｗｔｏｎ法を用いる。２次元関数とその関数のＪａｃｏｂｉａｎは、次の数式１２のように定義することができる。
【００７６】
【数１５】
0006325599.tif 000016
【００７７】
ここで、ＦTは、トルク曲線４２０を示し、ＦMTPAは、ＭＴＰＡ曲線４３０を示し、Ｌdは、Ｄ軸インダクタンスを示し、Ｌqは、Ｑ軸インダクタンスを示し、λfは、永久磁石の磁束を示し、ｉqは、Ｑ軸電流を示し、ｉdは、Ｄ軸電流を示す。
【００７８】
電動機の回転子速度が基準回転子速度（ωrM）以上である場合、トルク指令のサイズによってＭＴＰＡ運転が可能な場合もあり、そうでない場合もある。ＭＴＰＡ運転が可能ではない場合には、トルク指令に該当するトルクを発生するためにＤ軸電流の大きさを減少させなければならず、これを、弱磁束（ＣＬＶＬ、ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｌｉｍｉｔｅｄ）運転という。
【００７９】
図５は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＣＬＶＬ運転点である電流制限円と電圧制限楕円との交点を示す図である。
【００８０】
図５を参照すると、ＭＴＰＡ運転をするには、Ａ点で運転をする必要があるが、Ａ点は、電圧制限楕円５４０の外にあるため、ＭＴＰＡ運転が不可能である。したがって、トルク指令に該当するトルクを発生させるためには、運転点がＢに移動しなければならない。Ｂ点は、電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０との交点Ｂで決定できる。
【００８１】
電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０との交点Ｂは、数値解析的方法を介して電流制限円５１０と電圧制限楕円５４０とを連立して、電動機がＣＬＶＬ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。
【００８２】
また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。ＣＬＶＬ運転点Ｂを求めるための２次元関数とそのＪａｃｏｂｉａｎ行列は、次の数式１３のように定義することができる。
【００８３】
【数１６】
0006325599.tif 000017
【００８４】
ここで、Ｆcは、電流制限円５１０を示し、ＦVは、電圧制限楕円５４０を示し、ωrは、電動機の回転子速度を示し、Ｒsは、電動機の固定子抵抗を示す。
【００８５】
図６は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法において、ＭＴＰＶ運転点である電圧制限楕円とトルク曲線とが接する点を示す図である。
【００８６】
図６を参照すると、電動機の回転子速度が図５よりさらに増加し、電圧制限楕円６４０が電流制限円６１０の内部に入り込む場合を示す。このような場合、二つの曲線６１０，６４０の交点が無いため、ＣＬＶＬ運転点が存在しない。
【００８７】
したがって、このような場合には、電流制限円６１０と電圧制限楕円６４０との和集合は、電圧制限楕円６４０のそのものになるため、トルク指令に該当するトルクを発生するためには、電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とが接する点Ｃを、運転点として設定することができる。このように設定された運転点Ｃを、ＭＴＰＶ運転点であると言うことができる。
【００８８】
ＭＴＰＶ運転点Ｃは、数値解析的方法を介して電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とを連立して、電動機がＭＴＰＶ運転モードで運転される電流指令に該当するＤ軸電流及びＱ軸電流を計算することができる。
【００８９】
また、本発明によれば、Ｄ軸電流及びＱ軸電流は、簡単に具現可能なＮｅｗｔｏｎ法を用いて計算することができる。Ｎｅｗｔｏｎ法を用いた計算に用いられる２次元関数とＪａｃｏｂｉａｎは、次の数式１４の通りである。
【００９０】
【数１７】
0006325599.tif 000018
【００９１】
ここで、ＦVは、電圧制限楕円６４０を示し、ＦMPTVは、電圧制限楕円６４０とトルク曲線６２０とが接する点を示す曲線である。
【００９２】
また、前述したＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算するためには、Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値が重要である。これは、初期値によって、不要な解を見つける場合もあるからである。
【００９３】
したがって、Ｎｅｗｔｏｎ法の初期値は、Ｄ軸電流及びＱ軸電流が収める値を有するように設定されることが好ましい。
【００９４】
結局、本発明に係る同期機の運転方法は、回転子速度とトルク指令及びＤＣリンク電圧が与えられれば、リアルタイムで電流指令を計算することができる。そして、固定子抵抗を考慮して、電流指令を計算することができ、回転子速度によって運転モードを区分し、Ｎｅｗｔｏｎ法を用いて、電流指令をリアルタイムで計算することができる。
【００９５】
図７及び図８は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を様々なトルク指令と回転子速度に対してシミュレーションした結果を示す図である。
【００９６】
図７は、トルク指令が正の値を有する場合を示し、図８は、トルク指令が負の値を有する場合を示す。
【００９７】
図７及び図８を参照すると、トルク指令の絶対値が小さくなるほど、トルク指令によるトルク曲線が電流制限円の内部に進入することが分かり、本発明に係る同期機の運転方法を適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。
【００９８】
図９は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。
【００９９】
図９を参照すると、表面付着型永久磁石電動機は、Ｄ軸インダクタンス及びＱ軸インダクタンスがＬd＝Ｌqである関係にあるため、マグネチックトルクのみ存在し、これは、図９のピンク色の直線と同様である。同様に、本発明に係る同期機の運転方法を、表面付着型永久磁石電動機に適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を、図９のように容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。
【０１００】
図１０は、本発明の一実施形態に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機パラメータにシミュレーションした結果を示す図である。
【０１０１】
図１０を参照すると、リラクタンス電動機は、永久磁石を備えないため、λf＝０であり、マグネチックトルクは無く、リラクタンストルクのみ存在する。同様に、本発明に係る同期機の運転方法をリラクタンス電動機に適用すると、ＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、及びＭＴＰＶ運転モードに該当する領域を、図１０のように容易に判断することができ、これに該当するＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで正確に計算することができる。
【０１０２】
結局、本発明に係る同期機の運転方法は、同期機がＭＴＰＡ、ＣＬＶＬ、ＭＴＰＶ運転モードで運転されるＤ軸電流とＱ軸電流をリアルタイムで計算することができ、固定子抵抗、Ｄ軸インダクタンス、Ｑ軸インダクタンス、及びＤＣリンク電圧をリアルタイムで反映して、Ｄ軸電流とＱ軸電流を正確に計算することができる。
【０１０３】
したがって、以上の詳細な説明は、全ての面で制限的に解釈されてはならず、例示的なものとして考慮すべきである。本発明の範囲は、添付された請求項の合理的解釈によって決定すべきであり、本発明の等価的範囲内での全ての変更は、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０４】
２２０    トルク曲線
２１０    電流制限円
３１０    電流制限円
３３０    ＭＴＰＡ曲線
４１０    電流制限円
４２０    トルク曲線
４３０    ＭＴＰＡ曲線
４４０    電圧制限楕円
５１０    電流制限円
５４０    電圧制限楕円
６１０    電流制限円
６４０    電圧制限楕円
【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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