(57)【要約】【課題】同期電動機の力率及びトルクを簡便な方法で高精度に制御することができる同期電動機の駆動装置を提供する。【解決手段】同期電動機の実速度と速度基準との偏差に基づいて、同期電動機のトルク基準を算出する速度制御手段と、同期電動機の電機子に流れる電流、同期電動機の界磁に流れる電流、電機子の反作用インダクタンスの算出値に基づいて、同期電動機の内部相差角を算出する磁束演算手段と、トルク基準と内部相差角とに基づいて、同期電動機の力率が１となるように、電機子の電流基準を算出する電流基準演算手段と、電機子に流れる電流と電機子の電流基準との偏差がなくなるように、同期電動機に流れる電流を制御する電流制御手段と、磁束演算手段が内部相差角を算出する際に利用する電機子の反作用インダクタンスの算出値を同期電動機の負荷状態に応じて変化させるパラメータ演算手段と、を備えた。【選択図】図１
2013031256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の実速度と速度基準との偏差に基づいて、前記同期電動機のトルク基準を算出する速度制御手段と、
前記同期電動機の電機子に流れる電流、前記同期電動機の界磁に流れる電流、前記電機子の反作用インダクタンスの算出値に基づいて、前記同期電動機の内部相差角を算出する磁束演算手段と、
前記トルク基準と前記内部相差角とに基づいて、前記同期電動機の力率が１となるように、前記電機子の電流基準を算出する電流基準演算手段と、
前記電機子に流れる電流と前記電機子の電流基準との偏差がなくなるように、前記同期電動機に流れる電流を制御する電流制御手段と、
前記磁束演算手段が前記内部相差角を算出する際に利用する前記電機子の反作用インダクタンスの算出値を前記同期電動機の負荷状態に応じて変化させるパラメータ演算手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の駆動装置。
【請求項２】
前記電動機の電機子に流れる電流を検出し、当該電流を前記界磁の磁極方向に対応したｄ軸の電流成分と前記磁極方向に直交した方向のｑ軸の電流成分に変換する電流変換手段、
を備え、
前記磁束演算手段は、前記ｄ軸の電流成分と前記ｑ軸の電流成分、前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値、前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値に基づいて、前記同期電動機の内部相差角を算出し、
前記電流基準演算手段は、前記電流基準として、前記ｄ軸に対応した電流基準と前記ｑ軸に対応した電流基準とを算出し、
前記パラメータ演算手段は、前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値、前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値とを前記負荷状態に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の駆動装置。
【請求項３】
前記パラメータ演算手段は、
前記電機子に流れる電流と前記同期電動機の実速度とを独立変数として、前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値のテーブルと前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値のテーブルとを記憶した記憶手段と、
前記電機子に流れる電流の検出値と前記同期電動機の実速度の検出値とに基づいて、前記記憶手段のテーブルから前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値と前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値とを選択する選択手段と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の駆動装置。
【請求項４】
前記パラメータ演算手段は、
前記電機子に流れる電流と前記同期電動機の実速度とを独立変数とした前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの関数と前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの関数とを記憶した記憶手段と、
前記電機子に流れる電流の検出値と前記同期電動機の実速度の検出値とに基づいて、前記記憶手段の関数から前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスと前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスとを算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の駆動装置。
【請求項５】
前記記憶手段は、前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの関数と前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの関数として、前記電機子に流れる電流と前記同期電動機の実速度とを独立変数とした際の前記ｄ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値のテーブルから求められた関数と前記電機子に流れる電流と前記同期電動機の実速度とを独立変数とした際の前記ｑ軸に対応した反作用インダクタンスの算出値のテーブルとから求められた関数とを記憶したことを特徴等する請求項４記載の同期電動機の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同期電動機の駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、同期電動機に対し、既設更新時の寸法合わせ、低コスト化、イナーシャ低減等の要求がある。このため、同期電動機の設計は、重量低減化志向や小型化志向となる。このような同期電動機においては、磁束飽和度が大きくなる。すなわち、同期電動機のトルク特性の余裕が減る。さらに、機械構造上、負荷状態によっては局部的に磁束が集中する。このため、同期電動機の電機子の反作用インダクタンス等、電動機の定数は負荷状態によって大きく変化する。
【０００３】
一方、同期電動機のベクトル制御においては、電動機の定数、電機子に流れる電流、界磁に流れる電流に基づいて、磁束を演算する。この磁束の大きさ及び内部相差角に基づいて、同期電動機を制御する。このため、電動機の定数の精度がベクトル制御の精度において重要となる。
【０００４】
しかしながら、従来の磁束演算においては、電動機の定数を一定値として扱っている。このため、磁束演算結果が実際の電動機の磁束と一致せず、同期電動機のトルクの精度、力率が悪化し得る。
【０００５】
これに対し、同期電動機のｄ軸成分とｑ軸成分との相互インダクタンス及び界磁成分と電機子のｑ軸成分との相互インダクタンスを規定した同期電動機のベクトル制御方法が提案されている。この方法によれば、磁束飽和度の高い電動機においても、高精度な磁束演算を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２７２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載のものにおいては、上記相互インダクタンスを新たに同定する必要があり、磁束の演算が複雑となる。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、同期電動機の力率及びトルクを簡便な方法で高精度に制御することができる同期電動機の駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る同期電動機の駆動装置は、同期電動機の実速度と速度基準との偏差に基づいて、前記同期電動機のトルク基準を算出する速度制御手段と、前記同期電動機の電機子に流れる電流、前記同期電動機の界磁に流れる電流、前記電機子の反作用インダクタンスの算出値に基づいて、前記同期電動機の内部相差角を算出する磁束演算手段と、前記トルク基準と前記内部相差角とに基づいて、前記同期電動機の力率が１となるように、前記電機子の電流基準を算出する電流基準演算手段と、前記電機子に流れる電流と前記電機子の電流基準との偏差がなくなるように、前記同期電動機に流れる電流を制御する電流制御手段と、前記磁束演算手段が前記内部相差角を算出する際に利用する前記電機子の反作用インダクタンスの算出値を前記同期電動機の負荷状態に応じて変化させるパラメータ演算手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、同期電動機の力率及びトルクを簡便な方法で高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置のブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に利用される磁束演算器のブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に利用されるパラメータ演算器のルックアップテーブルを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置のブロック図である。
【００１４】
図１において、１は同期電動機である。同期電動機１は、圧延機のロール等の機器を駆動するために利用される。
【００１５】
同期電動機１の電機子には、電圧形ＰＷＭインバータ２が接続される。電圧形ＰＷＭインバータ２は、直流電力を交流電力に変換し、同期電動機１の電機子に供給する。同期電動機１の界磁には、界磁用変換器３が接続される。界磁用変換器３は、同期電動機１の界磁に電力を供給する。電圧形ＰＷＭインバータ２と界磁用変換器３とは、駆動装置に制御される。
【００１６】
駆動装置は、速度検出器４、界磁弱め制御器５、３相／ｄｑ変換器６、磁束演算器７、速度制御器８、ＭＴ／ｄｑ変換器９、ｄｑ軸電流制御器１０、ｄｑ／３相変換器１１、ＰＷＭ制御器１２、界磁電流制御器１３、パラメータ演算器１４、を備える。
【００１７】
速度検出器４は、同期電動機１の回転子の位置θｒを検出する機能を備える。界磁弱め制御器５は、位置θｒの変化から求まる角速度ωｒに基づいて、磁束基準φ１＊を算出する機能を備える。３相／ｄｑ変換器６は、電流変換手段として、同期電動機１の各相に流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、位置θｒに基づいて、ｄ軸電機子電流Ｉｄ、ｑ軸電機子電流Ｉｑを算出する機能を備える。
【００１８】
磁束演算器７は、磁束演算手段として、ｄ軸電機子電流Ｉｄ、ｑ軸電機子電流Ｉｑ、界磁用変換器３の界磁電流Ｉｆ、磁束基準φ１＊、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬａｄの算出値、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬａｑの算出値に基づいて、内部相差角δ、界磁電流基準Ｉｆ＊を算出する機能を備える。
【００１９】
速度制御器８は、速度制御手段として、角速度ωｒと速度基準ωｒ＊の偏差に基づいて、同期電動機１のトルク基準Ｔ＊を算出する機能を備える。ＭＴ／ｄｑ変換器９は、電流基準として、トルク基準Ｔ＊と磁束基準φ１＊とから求まる電流基準ＩＴ＊と内部相差角δとに基づいて、同期電動機１の力率が１となるように、ｄ軸電機子電流基準Ｉｄ＊、ｑ軸電機子電流基準Ｉｑ＊を算出する機能を備える。
【００２０】
ｄｑ軸電流制御器１０は、電流制御手段として、ｄ軸電機子電流Ｉｄとｄ軸電機子電流基準Ｉｄ＊との偏差、ｑ軸電機子電流Ｉｑとｑ軸電機子電流基準Ｉｑ＊との偏差がなくなるように、ｄ軸電機子電圧基準Ｖｄ＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖｑ＊を算出する機能を備える。ｄｑ／３相変換器１１は、ｄ軸電機子電圧基準Ｖｄ＊、ｑ軸電機子電圧基準Ｖｑ＊、同期電動機１の回転子の位置θｒに基づいて、同期電動機１の電機子に供給する電圧基準Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を算出する機能を備える。ＰＷＭ制御器１２は、電圧基準Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて、電圧形ＰＷＭインバータ２のゲート信号を得る機能を備える。
【００２１】
界磁電流制御器１３は、界磁電流基準Ｉｆ＊と界磁電流Ｉｆとの偏差がなくなるように、界磁電圧基準Ｖｆ＊を算出する機能を備える。
【００２２】
パラメータ演算器１４は、パラメータ演算手段として、同期電動機１の角速度ωｒ、ｄ軸電機子電流Ｉｄ、ｑ軸電機子電流Ｉｑに基づいて、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬａｑを算出する機能を備える。
【００２３】
次に、図２を用いて、磁束演算器７による内部相差角δ、界磁電流基準Ｉｆ＊の算出方法を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に利用される磁束演算器のブロック図である。
【００２４】
まず、磁束演算器７は、主磁束φ１のｄ軸成分φ１ｄ、主磁束のｑ軸成分φ１ｑの瞬時値を求める。主磁束φ１のｄ軸成分φ１ｄ、主磁束のｑ軸成分φ１ｑは、次の（１）、（２）式で表される。
【数１】
2013031256.tif 000003
【数２】
2013031256.tif 000004
【００２５】
ここで、ｌａは電機子漏れインダクタンスである。Ｉｋｄはｄ軸のダンパ電流である。Ｉｋｑはｑ軸のダンパ電流である。
【００２６】
ｄ軸のダンパ電流Ｉｋｄ、ｑ軸のダンパ電流Ｉｋｑは、Ｐａｒｋの方程式により、次の（３）、（４）式で表される。
【数３】
2013031256.tif 000005
【数４】
2013031256.tif 000006
【００２７】
ここで、Ｒｋｄはｄ軸電機子抵抗である。ｌｋｄはｄ軸電機子漏れインダクタンスである。Ｒｋｑはｑ軸電機子抵抗である。ｌｋｑはｑ軸電機子漏れインダクタンスである。
【００２８】
（３）、（４）式を（１）、（２）に代入して、ｄ軸電機子漏れインダクタンスＩｋｄ、ｑ軸電機子漏れインダクタンスＩｋｑを消去すると、次の（５）、（６）式が成立する。
【数５】
2013031256.tif 000007
【数６】
2013031256.tif 000008
【００２９】
このように、主磁束φ１のｄ軸成分φ１ｄ、主磁束のｑ軸成分φ１ｑは、ｄ軸電機子電流Ｉｄ、ｑ軸電機子電流Ｉｑ、磁界電流Ｉｆから求まる。この際、同期電動機１の内部相差角δは、次の（７）式で推定される。
【数７】
2013031256.tif 000009
【００３０】
一方、磁界電流基準Ｉｆ＊は、磁束基準φ１＊に対して電機子反作用を補うように決定される。ここで、（１）式をＩｆについて整理し、（３）式によりＩｋｄを消去すると、次の（８）式が成立する。
【数８】
2013031256.tif 000010
【００３１】
このとき、主磁束φ１のｄ軸成分φ１ｄ、主磁束φ１のｑ軸成分φ１ｑの合成起磁力が磁束基準φ１＊になるためには、主磁束φ１のｄ軸成分φ１ｄが次の（９）式を満たすことを要する。
【数９】
2013031256.tif 000011
【００３２】
（８）式に（９）式を代入すると、次の（１０）式が成立する。
【数１０】
2013031256.tif 000012
【００３３】
本実施の形態の磁束演算器７は、上記（５）、（６）、（７）、（１０）式を用いて、ｄ軸電機子電流Ｉｄ、ｑ軸電機子電流Ｉｑ、磁界電流Ｉｆに基づいて、内部相差角δと界磁電流基準Ｉｆ＊を算出する。
【００３４】
なお、上記（５）、（６）式において、電機子漏れインダクタンスｌａ、ｄ軸電機子漏れインダクタンスｌｋｄ、ｑ軸電機子漏れインダクタンスｌｋｑは定数である。これに対し、ｄ軸電機子反作用インダクタンスＬａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬａｑは、同期電動機１の負荷状態によって変化する飽和特性を有する。
【００３５】
次に、図３を用いて、パラメータ演算器１４によるｄ軸電機子反作用インダクタンスＬａｄ、ｑ軸電機子反作用インダクタンスＬａｑの算出方法を説明する。
図３はこの発明の実施の形態１における同期電動機の駆動装置に利用されるパラメータ演算器のルックアップテーブルを説明するための図である。
【００３６】
図３に示すように、パラメータ演算器１４には、記憶手段として、ルックアップテーブルを記憶する。ルックアップテーブルは、２つのテーブルからなる。テーブルの一方には、電機子反作用インダクタンスＬａｄの算出値が予め記憶される。テーブルの他方には、電機子反作用インダクタンスＬａｑの算出値が予め記憶される。これらの算出値は、同期電動機１の負荷状態に応じて異なる値となっている。具体的には、これらの算出値は、電機子電流Ｉａと同期電動機１の実速度Ｎとを独立変数として、シミュレーションソフトの電磁界解析等によって予め算出される。
【００３７】
パラメータ演算器１４は、ｄ軸電機子電流Ｉｄとｑ軸電機子電流Ｉｑとに基づいて、電機子電流Ｉａを検出する。パラメータ演算器１４は、同期電動機１の角速度ωｒに基づいて、同期電動機１の実速度Ｎを検出する。パラメータ演算器１４は、選択手段として、電機子電流Ｉａと同期電動機１の実速度Ｎとに基づいて、同期電動機１の負荷状態に応じた電機子反作用インダクタンスＬａｄ、Ｌａｑを選択する。検出された実速度Ｎ、電機子電流Ｉａがルックアップテーブル上にない場合は線形補間により同期電動機１の負荷状態に応じた電機子反作用インダクタンスＬａｄ、Ｌａｑを算出する。
【００３８】
以上で説明した実施の形態１によれば、パラメータ演算器１４は、電機子反作用インダクタンスＬａｄ、Ｌａｑを同期電動機１の負荷状態に応じて変化させる。このため、磁束飽和度の大きい同期電動機１においても、力率及びトルクを簡便な方法で高精度に制御することができる。
【００３９】
具体的には、電機子電流Ｉａの検出値と同期電動機１の実速度Ｎの検出値とを独立変数としたルックアップテーブルに基づいて、電機子反作用インダクタンスＬａｄ、Ｌａｑが選択される。このため、ルックアップテーブルを記憶しておくだけで、同期電動機１の力率及びトルクを簡便な方法で高精度に制御することができる。
【００４０】
なお、電機子電流Ｉａと実速度Ｎとを独立変数とした関数を記憶し、当該関数に基づいて、電機子反作用インダクタンスＬａｄ、Ｌａｑを算出してもよい。この場合、同期電動機１の力率及びトルクをより高精度に制御することができる。
【００４１】
上記関数は、上記ルックアップテーブルを用いて重回帰分析等によって求めることができる。すなわち、複雑な連立方程式を解くことなく、同期電動機１の力率及びトルクを高精度に制御するための関数を求めることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  同期電動機
２  電圧形ＰＷＭインバータ
３  界磁用変換器
４  速度検出器
５  界磁弱め制御器
６  ３相／ｄｑ変換器
７  磁束演算器
８  速度制御器
９  ＭＴ／ｄｑ変換器
１０  ｄｑ軸電流制御器
１１  ｄｑ／３相変換器
１２  ＰＷＭ制御器
１３  界磁電流制御器
１４  パラメータ演算器
【図１】
2013031256.tif 000013
【図２】
2013031256.tif 000014
【図３】
2013031256.tif 000015