(57)【要約】【課題】  負荷が軽い時は周波数指令の位相で、負荷が大きく脱調の危険がある時は同期電動機の位相に切替える制御方法を提供する。【解決手段】  トルク指令器のトルク指令値をトルクリミット５によりリミットし、同期電動機４の回転周波数および位相を推定器８で推定し、センサレスベクトル制御により電圧指令値を作成して、電圧指令値に応じた電圧をインバータ３が出力するように半導体電力変換装置をスイッチングする信号を出力する同期電動機の制御方法において、出力電圧の位相を負荷が小さい時は周波数指令に基づいて決定し、負荷が大きい時には同期電動機の回転周波数に基づいて決定するよう切替器１０で切り替えるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の周波数指令と後述の推定回転周波数が一致するように発生したトルク指令値から同期電動機の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と後述の推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した電流検出値が一致するように電圧指令値を作成し、前記電圧指令値に応じた出力電圧を同期電動機に出力する同期電動機の制御方法であって、同期電動機に供給される電流値を検出する構成を有し、同期電動機の回転周波数および位相を推定する構成を有し、これによって推定された推定周波数および推定位相を前記の推定周波数および推定位相として用いる同期電動機の制御方法において、
前記出力電圧の位相を負荷が脱出トルクに対して所定の値よりも小さい時は前記周波数指令に基づいて決定し、負荷が脱出トルクに対して所定の値よりも大きい時には同期電動機の回転周波数に基づいて決定するように位相切替手段で切り替えることを特徴とする同期電動機の制御方法。
【請求項２】
前記位相切替え手段は、トルク指令値が予め与えられたトルクリミット値に対して別途定めた大きさになった場合に切替えを行うことを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御方法。
【請求項３】
前記位相切替手段は、トルク指令値が予め与えられたトルクリミット値に対して別途定めた大きさに基づいて、周波数指令値に基づく位相と同期電動機の回転周波数に基づく位相にそれぞれ重みをつけて切替えることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御方法。
【請求項４】
同期電動機の周波数指令と実際の電動機の回転周波数が一致するようにトルク指令を発生するトルク指令器と、
該トルク指令器のトルク指令が入力され、該トルク指令値から同期電動機の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と後述の推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した電流検出値が一致するように電圧指令値を作成するインバータ出力制御器と、電圧指令値を作成するインバータ出力制御器と、同期電動機に供給される電流値を検出する検出器と、同期電動機の回転周波数および位相を推定し前記インバータ出力制御器に出力する周波数／位相推定器と、
該電圧指令値に応じた出力電圧を同期電動機に出力するインバータと、
を備えた同期電動機制御装置において、
負荷に応じて、前記インバータ出力制御器に与える位相を、前記周波数指令を積分した値と前記推定位相とに切り替える位相切替器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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機を駆動するインバータ装置の同期電動機制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の同期電動機の駆動方法は、商用電源を直接電動機に印加して運転する方法（従来例１、非特許文献１参照）や図３に示すように商用電源に替えてインバータを用いて電動機入力電圧の周波数を可変できるようにするとともに電圧値を周波数に応じて可変するようにしたたＶ／ｆ制御で運転する方法（従来例２、非特許文献２参照）、あるいは図４に示すようなインバータを用いてベクトル制御で運転する方法（従来例３、非特許文献３参照）がある。
図４は電流検出値等から速度や位相を推定する速度センサレスベクトル制御の構成であって、インバータ３は商用電源を整流して直流電圧に変換し、インバータ出力制御器２の出力信号に基づき、変換した直流を半導体電力変換素子でスイッチングして同期電動機４に電圧を供給するものである。
先ず、トルク指令器１は外部から与えられる周波数指令と実際の電動機の回転周波数が一致するようにトルク指令を発生するもので、比例−積分−微分制御器等が用いられる。周波数指令、回転周波数はそれぞれ速度指令、回転速度と表現する場合もあるが、ここでは説明をわかりやすくするために周波数という表現を用いる。
トルク指令器１の出力であるトルク指令値保護のために設定されているトルクの最大値を超える場合はトルクリミット５でリミットされ、インバータ出力制御器２に入力される。
【０００３】
インバータ出力制御器２はトルク指令値に相当するトルクを発生するようにインバータ３が同期電動機４に電圧を供給するための信号を出力する機能を有する。
このインバータ出力制御器２は、トルク指令値から同期電動機４の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と電流検出値が一致するように電圧指令を作成する。
電流検出値はインバータ３から同期電動機４に電圧を印加するための電源線の任意の２相に設けられた電流検出器６と電流検出器７によって検出した値とを周波数／位相推定器（速度／位相演算器）８で演算された推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した値が入力される。
次に、電圧指令値に応じた電圧をインバータ３が出力するように半導体電力変換装置をスイッチングする信号を作成し出力している。
また、周波数／位相推定器８は電流検出器６と電流検出器７からの電流検出値およびインバータ出力制御器２の内部で作成された電圧指令値を用いて、同期電動機４の回転周波数および位相を推定するものである。この構成のブロック１〜７は公知のベクトル制御であり、周波数／位相推定器８も公知の推定方法である。
【０００４】
次に、脱調を防止する方法として、図５に示すような電動機への出力電圧と電動機からの誘起電圧との位相差を検出し、この位相差に応じて脱調しないように出力周波数を制御する方法（従来例４、特許文献１参照）や、位置検出方法の改良およびこの位置検出データに基づいて求めた最適な位相補正値を用いることで脱調を防止する方法（従来例５、特許文献２参照）がある。
【特許文献１】特開平１１−５５９９４号公報（第３〜７頁、図４）
【特許文献２】特開平６−２８４７８２号公報
【非特許文献１】電気学会編「電気機器工学１  改定版」電気学会発行、Ｐ．２８７
【非特許文献２】電気学会編「交流電動機可変速駆動の基礎と応用」コロナ社発行、ｐ．２２
【非特許文献３】中野孝良著「交流モータのベクトル制御」日刊工業新聞社、ｐ．１１２−１２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来例１〜２の制御方法では、電動機に印加する電圧の周波数が電動機の回転状態に関係なく決められているので、負荷変動や外乱により電動機に大きな負荷が掛り電圧位相と電動機の位相が大きく開いた場合には脱調し、元の運転状態に復帰できなくなるという課題があり、更に、脱調した後も入力電圧が遮断されるまでの間は、電動機の位相に関係なく入力電圧の周波数に応じて電圧位相が変化するため、脈動したトルクが発生し、電動機に接続された機械に傷害を与えるという問題がある。
一方、図４に示した従来例３および特許文献１、特許文献２の制御方法では、電動機の位相に応じた出力電圧を電動機に与えることができるため、出力電圧の位相と電動機の位相が開くことによる脱調は防止することができる。しかしながら、この場合は、電動機の速度変動に合わせて入力電圧の周波数を変化させるため、運転指令として与える周波数指令に対して、実際の出力周波数は変化するため負荷が変動した場合には、同期電動機であるにも関わらず、周波数指令が一定であっても実際の電動機の回転位相がずれていくという不都合が生じるという問題があった。  この問題は、脱出トルクより小さいトルクであれば、負荷変動による過渡的な位相変化に応じてトルクを発生し、常に、周波数指令に追従するように運転できる同期電動機の特徴を利用した用途に適用できないという事態を意味する。
本発明は、このような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、脱出トルク内の負荷においては周波数指令に応じた電動機の運転を実現し、何らかの要因で脱調に至る大きさのトルクが加わった時には、電動機の回転周波数変化に応じて安定に回転を継続し、滑らかに回転停止あるいは、負荷が正常に戻った後に元の運転状態に復帰することができる同期電動機の制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の同期電動機の制御方法の発明は、同期電動機の周波数指令と後述の推定回転周波数が一致するように発生したトルク指令値から同期電動機の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と後述の推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した電流検出値が一致するように電圧指令値を作成し、前記電圧指令値に応じた出力電圧を同期電動機に出力する同期電動機の制御方法であって、同期電動機に供給される電流値を検出する構成を有し、同期電動機の回転周波数および位相を推定する構成を有し、これによって推定された推定周波数および推定位相を前記の推定周波数および推定位相として用いる同期電動機の制御方法において、前記出力電圧の位相を負荷が脱出トルクに対して所定の値よりも小さい時は前記周波数指令に基づいて決定し、負荷が脱出トルクに対して所定の値よりも大きい時には同期電動機の回転周波数に基づいて決定するように位相切替手段で切り替えることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期電動機の制御方法において、前記位相切替え手段が、トルク指令値が予め与えられたトルクリミット値に対して別途定めた大きさになった場合に切替えを行うことを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の同期電動機の制御方法において、前記位相切替手段が、トルク指令値が予め与えられたトルクリミット値に対して別途定めた大きさに基づいて、周波数指令値に基づく位相と同期電動機の回転周波数に基づく位相にそれぞれ重みをつけて切替えることを特徴とする。
【０００７】
請求項４記載の同期電動機の制御装置の発明は、周波数指令と実際の電動機の回転周波数が一致するようにトルク指令を発生するトルク指令器と、該トルク指令器のトルク指令が入力され、該トルク指令値から同期電動機の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と後述の推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した電流検出値が一致するように電圧指令値を作成するインバータ出力制御器と、電圧指令値を作成するインバータ出力制御器と、同期電動機に供給される電流値を検出する検出器と、同期電動機の回転周波数および位相を推定し前記インバータ出力制御器に出力する周波数／位相推定器と、該電圧指令値に応じた出力電圧を同期電動機に出力するインバータと、を備えた同期電動機制御装置において、負荷に応じて、前記インバータ出力制御器に与える位相を、前記周波数指令を積分した値と前記推定位相とに切り替える位相切替器を備えたことを特徴とする。
この同期電動機の制御方法および装置によれば、通常は、周波数指令に追従した電動機の回転を実現し負荷が軽い時には、周波数指令に基づいた位相により同期電動機を運転することができ、また負荷が大きくなり脱調しそうになった場合には、同期電動機の位相に基づいて運転を行うことができるようになる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷の大きさに応じて、出力電圧の位相決定方法を切替えるので、負荷トルクが所定の範囲内にある通常状態では、周波数指令に追従した電動機の回転を実現し、何らかの要因で脱調に至る大きさのトルクが加わったときには、電動機の回転速度に応じた制御を行うことが可能になり、安定に回転を継続し、滑らかに回転停止、あるいは、負荷が正常に戻った後に元の運転状態に復帰することができる制御方法を実現することができるという効果がある。
また、重み付けにより切替えをランブ状に行っているので、位相切り替え時の過渡現象がより低減できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る同期電動機の制御ブロック図である。
図１において、本発明により設けられた積分器９は，周波数指令に基づいた位相を作成するものである。同じく、本発明により設けられた切替器（１）１０は別途定められた条件に応じて、出力電圧の位相として、推定位相すなわち電動機の回転周波数に基づいて作成した位相と周波数指令に基づいて作成した位相のどちらを用いるかを切替える機能を有するものである。
トルク指令器１は外部から与えられる周波数指令と実際の電動機回転周波数が一致するようにトルク指令を発生するもので、比例−積分−微分制御器等が用いられる。
トルク指令器１の出力であるトルク指令値は保護のために設定されているトルクの最大値を超える場合はトルクリミット５でリミットされ、インバータ出力制御器２に入力される。
【００１０】
インバータ出力制御器２はトルク指令値に相当するトルクを発生するようにインバータ３が同期電動機４に電圧を供給するための信号を出力する機能を有する。
このインバータ出力制御器２は、トルク指令値から同期電動機４の電動機定数に応じて指令値通りのトルクを発生する電流値を演算して電流指令値を作成し、この電流指令値と電流検出値が一致するように電圧指令を作成する。
インバータ３は商用電源を整流して直流電圧に変換し、インバータ出力制御器２の出力信号に基づき、変換した直流を半導体電力変換素子でスイッチングして同期電動機４に電圧を供給するものである。
電流検出値はインバータ３から同期電動機４に電圧を印加するための電源線の任意の２相に設けられた電流検出器６と電流検出器７によって検出した値とを周波数／位相推定器（速度／位相演算器）８で演算された推定位相から所定の座標軸系および単位系に変換した値が入力される。
電圧指令値に応じた電圧をインバータ３が出力するように半導体電力変換装置をスイッチングする信号を作成し出力している。
また、周波数／位相推定器８は電流検出器６と電流検出器７からの電流検出値およびインバータ出力制御器２の内部で作成された電圧指令値を用いて、同期電動機４の回転周波数および位相を推定するものである。
【００１１】
つぎに動作について説明する。
トルク指令値が小さいときは周波数指令に基づく位相で電圧を出力し、トルク指令値が所定の値以上になったときは推定位相に基づいて電圧を出力する。この切替え条件として，トルク指令値がトルクリミット値に対してある値以上になった場合に、推定位相に切替えるようにしたものである。ここでは、少し余裕を見て、トルクリミットの８０％の値で切替えるようにしている。トルクリミット値の設定は、同期電動機の脱出トルクおよびインバータ能力（許容電流値等）や同期電動機を取り付ける対象の機械の特性に基づいて、それぞれの用途に応じて別途定められるものである。
また、説明の簡略化のためブロック図では省略しているが、トルク指令値の変動によるスイッチのばたつき（チャタリング）を防止するため、切替えレベルにはヒステリシス特性を持たせている。
【００１２】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態に係る同期電動機の制御ブロック図である。
図２において、第２の実施の形態により設けられた切替器（２）１１は、図１に示す切替器（１）１０を、重み付け変更するものである。その他は図１の構成と同一であり、重複する説明は省略する。
そこで、この回路の動作について説明する。
インバータ出力制御器２に入力する位相の切替え方法として、推定位相と周波数指令に基づく位相に対して重みそれぞれ重み（１−Ｋ），Ｋを乗じて切替えるようにしたものである。
ここに示す実施例では、重みＫはトルク指令値に基づいて、式（１）に示すようにトルクリミットの１０％〜８０％の範囲で切替えを直線的に行っている。
Ｋ＝−｛（トルク指令／トルクリミット）−０．１）／０．７＋１                                                            ・・・・・（１）
ただし、Ｋは０〜１の範囲でリミットする。
ここで定めたレベルは、実施例を示すための一例であるので、実際の装置にあわせて適切な値に調整すればよい。これによって位相切替えがランプ状となり、滑らかな切替え制御が可能になる。
以上述べたよう本発明によれば、負荷が軽いときには周波数指令に基づいた位相により同期電動機を運転でき、かつ負荷が大きくなり脱調しそうになった場合には同期電動機の位相に基づいた運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る同期電動機の制御ブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る同期電動機の制御ブロック図である。
【図３】従来のＶ／ｆ制御の同期電動機のブロック図である。
【図４】従来のベクトル制御の同期電動機のブロック図である。
【図５】従来の同期電動機の位相差を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  トルク指令器
２  インバータ出力制御器
３  インバータ
４  同期電動機
５  トルクリミット
６  電流検出器
７  電流検出器
８  速度、位相推定器
９  積分器
１０  切替器(１)
１１  切替器(２)
【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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