(57)【要約】【課題】起動時に位置検出器を用いず、かつ電動機の特性に影響を与えない回転子の初期磁極位置検出手段を有する同期機の制御装置を提供する。【解決手段】同期機１の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器４と、前記同期機１の界磁に直流電力を供給する界磁変換器５と、前記同期機１の電機子の電気量を検出する電気量検出手段７と、この電気量検出手段７の出力を入力とする初期磁極位置演算手段６とで構成し、前記初期磁極位置演算手段６は、前記界磁変換器５が界磁に直流電力を印加したとき、前記電気量検出手段７から得られる検出信号を元に、演算によって前記同期機１の回転子位置を求めるようにする。【選択図】  図１
2005039891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器と、
前記同期機の界磁に直流電力を供給する界磁変換器と、
前記同期機の電機子の電気量を検出する電気量検出手段と、
この電気量検出手段の出力を入力とする初期磁極位置演算手段と
から構成され、
前記初期磁極位置演算手段は、
前記界磁変換器が界磁に直流電力を印加したとき、前記電気量検出手段から得られる検出信号を元に、演算によって前記同期機の回転子位置を求めるようにしたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項２】
同期機の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器と、
前記同期機の界磁に直流電力を供給する界磁変換器と、
前記同期機の界磁の電気量を検出する電気量検出手段と、
この電気量検出手段の出力を入力とする初期磁極位置演算手段と
から構成され、
前記初期磁極位置演算手段は、
前記電力変換器から前記同期機の電機子に瞬時電圧を印加したとき、前記電気量検出手段から得られる検出信号を元に、演算によって前記同期機の回転子位置を求めるようにしたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項３】
前記電気量検出手段の出力を積分して前記初期磁極位置演算手段の入力としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期機の制御装置。
【請求項４】
同期機の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器と、
前記同期機の界磁に直流電力を供給する界磁変換器と、
前記同期機の電機子の電気量を検出する電気量検出手段と、
この電気量検出手段の出力を入力とする初期磁極位置演算手段と
から構成され、
前記初期磁極位置演算手段は、
前記界磁変換器が界磁に直流電圧を印加すると共に、前記同期機の電機子に流れる電流が零となるように前記電力変換器を動作させ、このときに得られる前記電力変換器の制御基準を元に、演算によって前記同期機の回転子位置を求めるようにしたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項５】
同期機の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器と、
前記同期機の界磁に直流電力を供給する界磁変換器と、
前記同期機の界磁の電気量を検出する電気量検出手段と、
この電気量検出手段の出力を入力とする初期磁極位置演算手段と
から構成され、
前記初期磁極位置演算手段は、
前記電力変換器から前記同期機の電機子に瞬時電圧を印加すると共に、前記界磁に流れる電流が零となるように前記界磁変換器を動作させ、このときに得られる前記界磁変換器の制御基準を元に、演算によって同期機の回転子位置を求めるようにしたことを特徴とする同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器により同期機を駆動する同期機の制御装置に係り、特に回転子の位置検出器を用いることなく制御し得る同期機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、界磁巻線を持つ同期機を電動機として駆動するものとして、サイクロコンバータや電圧型インバータによる圧延主機ドライブ装置等がある。これらは回転子の位置を高精度に検出するレゾルバ等の位置検出器を用いて同期機のベクトル制御を行うもので高い速度制御乃至は高いトルク制御特性が得られる。
【０００３】
一方、必ずしも高い制御特性が必要とされない大型ブロア駆動装置や発電機の始動装置等においては、負荷転流インバータが用いられている。これらの装置においても回転子の位置を検出する位置検出器を用いて同期機の制御を行うことが一般的であるが、同期機の端子電圧を検出することにより回転子の位置を検出する位置検出器が不要な制御方式も可能である。しかしながら、端子電圧は速度に比例するため、起動時あるいは低速時にはこの端子電圧を検出する方式は使用できない。
【０００４】
従って、低速域あるいは起動時における同期機の位置検出を行うため、界磁巻線に交流脈動電流を重畳し、電機子に誘起される電圧を検出する方式も提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平２−１３５５６号公報（第３−６頁、第４図及び第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に示された方式では、界磁巻線に常時交流脈動電流を重畳しなければならないため、無駄な損失が発生して電動機の効率低下をもたらすばかりでなく、電動機に脈動トルクが発生するなど悪影響があった。また、同期機の起動に際し、初期磁極位置に関係なく任意の位相から通電を開始し、同期機を同期速度まで引き込む制御方式も可能であるが、通電を開始する位相と初期磁極位置の関係によっては、瞬間的に逆転してしまう場合があり、適用するアプリケーションによっては機械を破損する恐れがあった。
【０００７】
本発明は、起動時に位置検出器を用いず、かつ電動機の特性に影響を与えない回転子の初期磁極位置検出手段を有する同期機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の同期機の制御装置は、同期機の電機子に多相交流電力を供給する電力変換器と、前記同期機の界磁に直流電力を供給する界磁変換器と、前記同期機の電機子の電気量を検出する電気量検出手段と、この電気量検出手段の出力を入力とする初期磁極位置演算手段とから構成され、前記初期磁極位置演算手段は、前記界磁変換器が界磁に直流電力を印加したとき、前記電気量検出手段から得られる検出信号を元に、演算によって前記同期機の回転子位置を求めるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、起動時に位置検出器を用いず、かつ電動機の特性に影響を与えない回転子の初期磁極位置検出手段を有する同期機の制御装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による同期機の制御装置の第１の実施の形態を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の同期機の制御装置のブロック構成図である。
【００１１】
同期機１は界磁巻線２によって励磁され、交流電源３の電圧／周波数を任意の電圧／周波数に変換する電力変換器４の出力によって駆動されている。電力変換器４には、直流リンクを持つインバータまたは交流を直接交流に変換するサイクロコンバータが適用されるのが普通である。
【００１２】
界磁変換器５は初期磁極位置演算回路６からの通電指令により界磁巻線２に直流電力を供給する。運転初期の状態では電力変換器４は停止している。界磁巻線２に電圧が印加されると、変圧器効果により電機子巻線にも電圧が誘起される。誘起された電圧は、電圧検出器７により検出され、初期磁極位置演算回路６に入力される。初期磁極位置演算回路６では、以下の原理により初期磁極位置を演算により求める。
【００１３】
ここでは、同期機１が回転界磁型として説明を行う。図２に示すように、界磁巻線２が巻かれた回転子がＵ相電機子巻線に対して、Ｗ相の方向に角度θｓｔａｒｔだけ離れた位置に静止しているものとする。また、Ｕ相電機子巻線に対して、Ｖ相電機子巻線は＋１２０°、Ｗ相電機子巻線は−１２０°の位置に固定されているものとする。この状態で、界磁巻線２に直流電圧Ｅがステップ的に印加されたとすると、直流電圧印加直後、各電機子巻線には式（１）〜（３）に示す電圧が誘起される。
【００１４】
Ｖｕ  ＝  ｎ×Ｅ×ｃｏｓ（θｓｔａｒｔ）                    （１）
Ｖｖ  ＝  ｎ×Ｅ×ｃｏｓ（−１２０°−θｓｔａｒｔ）        （２）
Ｖｗ  ＝  ｎ×Ｅ×ｃｏｓ（  １２０°−θｓｔａｒｔ）        （３）
ここで、ｎは界磁巻線に対する電機子巻線の巻数比である。
【００１５】
上記電圧は、時間の経過とともに回路特有の時定数に従って減衰していく。この様子を図３に示す。すなわち、時刻Ｔｓで界磁電圧Ｅをステップ的に与えたあと、同期機１の各相の電機子巻線に誘起される電圧の推移はＵ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧Ｖｖ及びＷ相電圧Ｖｗのようになる。
【００１６】
次に、時刻Ｔｓにおける（１）乃至（３）式の電圧を式（４）〜（７）に従って二軸回転座標上の信号Ｖｄ、Ｖｑに変換すると以下のようになる。
【００１７】
Ｖａ  ＝  １／（√３）×（−Ｖｖ＋Ｖｗ）                        （４）
Ｖｂ  ＝  １／３×（２×Ｖｕ−Ｖｖ−Ｖｗ）              （５）
Ｖｄ  ＝  Ｖａ×ｃｏｓθ  ＋  Ｖｂ×ｓｉｎθ            （６）
Ｖｑ  ＝  Ｖａ×（−ｓｉｎθ）＋  Ｖｂ×ｃｏｓθ                （７）
ここで、θは回転座標の位相を与えるものであり、ここではＵ相電機子巻線を基準にとり、θ＝０とおく。したがって、最終的なＶｄ、Ｖｑは式（８）、（９）のようになる。
【００１８】
Ｖｄ  ＝  ｎ×Ｅ×ｓｉｎ（θｓｔａｒｔ）                    （８）
Ｖｑ  ＝  ｎ×Ｅ×ｃｏｓ（θｓｔａｒｔ）                    （９）
式（８）、（９）より、式（１０）が導かれる。
【００１９】
Ｖｄ／Ｖｑ  ＝  ｔａｎ（θｓｔａｒｔ）                              （１０）
したがって、初期磁極位相θｓｔａｒｔは、式（１１）により求まる。
【００２０】
θｓｔａｒｔ  ＝  ｔａｎ−１（Ｖｄ／Ｖｑ）                    （１１）
以上のように、本実施の形態によれば、電機子側の電圧検出により、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
本発明による同期機の制御装置の第２の実施の形態を、図４及び図５を参照して説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係る同期機の制御装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、電圧検出回路７の出力を新たに追加した積分回路８で受け、この積分回路８の出力を初期磁極位置演算回路６Ａの入力とするようにした点である。
【００２２】
以下、図５を参照してこの第２の実施の形態に係る同期機の制御装置の動作を説明する。図５は、時刻Ｔｓで界磁電圧Ｅをステップ的に与えたあと、同期機１の各相の電機子巻線に誘起される電圧と、それらの電圧を積分回路８で積分した結果の時間推移を示している。図５に示したように、各電圧の積分値∫Ｖｕ、∫Ｖｖ及び∫Ｖｗを用いて各電圧を逆算するようにすれば、界磁回路に直流電力を印加した直後の短時間の現象のみにより演算を行った場合の測定誤差や、電機子側に誘起される電圧が微小である場合に問題となる測定ノイズの影響等を低減することができる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態によれば、回転子の初期磁極位置を演算によって更に精度良く求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態に係る同機機の制御装置のブロック構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第３の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１の電圧検出回路７に代えて電流検出回路９を用い、その出力を初期磁極位置検出回路６Ｂに供給するようにした点である。
【００２５】
界磁回路に直流電圧を印加した直後に電機子側に誘起される電圧により、電機子に接続された電力変換器のスナバ回路や、電圧型インバータの場合には直流フィルタコンデンサを充電する電流が流れるため、この電流を検出し、第１の実施の形態と同様の原理により回転子の初期磁極位置を演算することができる。この場合、第２の実施の形態と同様に、検出した電流を積分することによる構成も可能である。
【００２６】
以上のように、本実施の形態によれば、電機子側の電流検出により、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００２７】
（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態に係る同機機の制御装置のブロック構成図である。この第４の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第４の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１の電圧検出回路７が電機子電圧を検出していたのに対し、図５の電圧検出回路７Ａは界磁電圧を検出するようにした点、また図１の初期磁極位置演算回路６が界磁変換器５に通電指令を与えていたのに対し、図５の初期磁極位置演算回路６Ｃは、電力変換器４に通電指令を与えるようにした点である。
【００２８】
電力変換器４は通電指令に従って電機子巻線に瞬時電力を供給する。このとき、界磁変換器５は停止状態にしておく。電機子巻線には電圧が印加されるため、変圧器効果により界磁巻線２にも電圧が誘起される。誘起された電圧は、電圧検出器７Ａにより検出され、初期磁極位置演算回路６Ｃに入力される。初期磁極位置演算回路６Ｃでは、以下の原理により初期磁極位置を演算により求める。
【００２９】
同期機が図２の状態にある場合を考える。ここで、Ｕ相電機子巻線のみに直流電圧Ｅがステップ的に印加されたとすると、直流電圧印加直後、界磁巻線には式（１２）に示す電圧Ｖｆが誘起される。
【００３０】
Ｖｆ  ＝  Ｅ／ｎ×ｃｏｓ（θｓｔａｒｔ）                    （１２）
したがって、式（１３）により、初期磁極位置を演算することが可能である。
【００３１】
θｓｔａｒｔ  ＝  ｃｏｓ−１（ｎ／Ｅ×Ｖｆ）                  （１３）
以上のように、本実施の形態によれば、界磁側の電圧検出により、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００３２】
（第５の実施の形態）
図８は本発明の第５の実施の形態に係る同機機の制御装置のブロック構成図である。この第５の実施の形態の各部について、図７の第４の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第５の実施の形態が、第４の実施の形態と異なる点は、図７の電圧検出回路７Ａを電流検出回路９Ａに代え、その出力を初期磁極位置演算回路６Ｄに供給するようにした点である。
【００３３】
電機子回路に直流電圧を印加した直後に界磁側に誘起される電圧により、界磁回路に接続された電力変換器側に電流が流れるため、第４の実施の形態と同様の原理により回転子の初期磁極位置を演算することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、界磁側の電流検出により、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００３５】
（第６の実施の形態）
図９は本発明の第６の実施の形態に係る同機機の制御装置のブロック構成図である。この第６の実施の形態の各部について、図６の第３の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第６の実施の形態が、第３の実施の形態と異なる点は、図６の電流検出回路９に代え電流制御回路１０を用い、電流制御回路１０で演算された励磁軸電圧基準Ｖｄ＊及びトルク軸電圧基準Ｖｑ＊を初期磁極位置演算回路６Ｅに与えるようにした点である。
【００３６】
電力変換器４の制御は、通常図示しない電圧制御回路からの電流基準をフィードバック電流と突き合わせ、その偏差が０となるように電力変換器４の出力電圧を調整することにより行う。２軸制御を行っている場合を考え、上記電流基準すなわち励磁軸電流基準ｉｄ＊及びトルク軸電流基準ｉｑ＊が０となるように上記制御を行えば、電流制御回路１０の内部に得られる電圧基準Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いて初期磁極位置演算を行うことが可能となる。すなわち、電圧基準Ｖｄ＊、Ｖｑ＊より、式（１４）にしたがって初期磁極位置を求めることができる。
【００３７】
θｓｔａｒｔ  ＝  ｔａｎ−１（Ｖｄ＊／Ｖｑ＊）                （１４）
以上のように、本実施の形態によれば、電力変換器を制御することにより、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００３８】
（第７の実施の形態）
図１０は本発明の第７の実施の形態に係る同機機の制御装置のブロック構成図である。この第７の実施の形態の各部について、図８の第５の実施の形態に係る同期機の制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第７の実施の形態が、第５の実施の形態と異なる点は、図８の電流検出回路９Ａに代え電流制御回路１０Ａを用い、電流制御回路１０Ａで演算された界磁電圧基準Ｖｆ＊を初期磁極位置演算回路６Ｆに与えるようにした点である。
【００３９】
界磁変換器５の制御は、通常図示しない電圧制御回路からの電流基準をフィードバック電流と突き合わせ、その偏差が０となるように界磁変換器５の出力電圧を調整することにより行う。上記電流基準すなわち界磁電流基準ｉｆ＊が０となるように上記制御を行えば、電流制御回路１０Ａの内部に得られる電圧基準Ｖｆ＊を用いて初期磁極位置演算を行うことが可能となる。すなわち、電圧基準Ｖｆ＊より、式（１５）にしたがって初期磁極位置を求めることができる。
【００４０】
θｓｔａｒｔ  ＝  ｃｏｓ−１（ｎ／Ｅ×Ｖｆ＊）                （１５）
以上のように、本実施の形態によれば、界磁変換器を制御することにより、回転子の初期磁極位置を演算によって求めることができるので、位置検出器を用いることのない同期機の制御装置を提供できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の同期機の制御装置によれば、起動時に位置検出器を用いず、かつ電動機の特性に影響を与えない回転子の初期磁極位置検出手段を有する同期機の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による同期機の制御装置の第１の実施の形態を示すブロック構成図。
【図２】本発明による同期機の制御装置の原理を説明するための図。
【図３】本発明による同期機の制御装置の第１の実施の形態における各部の電圧波形の一例。
【図４】本発明による同期機の制御装置の第２の実施の形態を示すブロック構成図。
【図５】本発明による同期機の制御装置の第２の実施の形態における各部の電圧波形の一例。
【図６】本発明による同期機の制御装置の第３の実施の形態を示すブロック構成図。
【図７】本発明による同期機の制御装置の第４の実施の形態を示すブロック構成図。
【図８】本発明による同期機の制御装置の第５の実施の形態を示すブロック構成図。
【図９】本発明による同期機の制御装置の第６の実施の形態を示すブロック構成図。
【図１０】本発明による同期機の制御装置の第７の実施の形態を示すブロック図。
【符号の説明】
１・・・同期機
２・・・界磁巻線
３・・・交流電源
４・・・電力変換器
５・・・界磁変換器
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ・・・初期磁極位置演算回路
７、７Ａ・・・電圧検出回路
８・・・積分回路
９、９Ａ・・・電流検出回路
１０、１０Ａ・・・電流制御回路
【図１】
2005039891.tif 000003
【図２】
2005039891.tif 000004
【図３】
2005039891.tif 000005
【図４】
2005039891.tif 000006
【図５】
2005039891.tif 000007
【図６】
2005039891.tif 000008
【図７】
2005039891.tif 000009
【図８】
2005039891.tif 000010
【図９】
2005039891.tif 000011
【図１０】
2005039891.tif 000012