(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の回転磁極位置を検出あるいは推定する手段と、前記同期電動機の磁束を検出あるいは推定する手段を備え、前記磁極位置ならびに磁束位置の検出値あるいは推定値に基づいて、前記同期電動機の電機子電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに座標変換し、前記電機子電流を制御する手段と、前記同期電動機の磁束指令を演算する手段と、前記磁束検出値あるいは推定値が前記磁束指令値に一致するように、前記同期電動機の界磁回路に対して、界磁電流指令を与える界磁指令演算器と、前記界磁電流指令に前記同期電動機の界磁電流が一致するように、前記界磁電流を制御する界磁電流制御器を備えた同期電動機の制御装置において、
該制御装置が、前記同期電動機に回転速度指令を与える手段と、前記同期電動機の回転速度を検出、あるいは推定する手段と、前記回転速度検出値あるいは推定値と、前記回転速度指令の偏差に対して積分補償器と、該補償器の出力をトルク電流の指令値とする速度制御器とを備え、
前記磁極位置、ならびに磁束位置により、推定あるいは検出される負荷角δと、予め設定した設定値δMAX とを比較し、前記負荷角δが、前記設定値δMAX を上回った場合に、前記同期電動機の界磁電流を増加させると同時に、前記速度制御器内の積分補償器の入力を零に切り替えることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の同期電動機の制御装置において、
前記負荷角δが、前記設定値δMAXを上回った場合に、前記同期電動機の界磁電流指令値を、前記同期電動機の界磁回路に流し得る最大の値、あるいは、前記界磁回路に電力を供給する電力変換器が出力し得る最大の電流値に切り替え、前記界磁電流を増加させることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の同期電動機の制御装置において、
前記負荷角δが、前記設定値δMAX を上回った場合に、前記同期電動機の界磁回路に印加される界磁電圧を、前記界磁回路に印加できる最大の値、あるいは、前記界磁回路に電力を供給する電力変換器が出力し得る最大の電圧値に切り替え、前記界磁電流を増加させることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【請求項４】
同期電動機の回転磁極位置を検出あるいは推定する手段と、前記同期電動機の磁束を検出あるいは推定する手段を備え、前記磁極位置ならびに磁束位置の検出値あるいは推定値に基づいて、前記同期電動機の電機子電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに座標変換し、前記電機子電流を制御する手段と、前記同期電動機の磁束指令を演算する手段と、前記磁束検出値あるいは推定値が前記磁束指令値に一致するように、前記同期電動機の界磁回路に対して、界磁電流指令を与える界磁指令演算器と、前記界磁電流指令に前記同期電動機の界磁電流が一致するように、前記界磁電流を制御する界磁電流制御器を備えた同期電動機の制御装置において、
該制御装置が、前記同期電動機の回転速度指令を与える手段と、前記同期電動機の回転速度を検出、あるいは推定する手段を備え、前記回転速度検出値、あるいは推定値が、前記回転速度指令に一致するように制御する速度制御器を備え、
前記磁極位置、ならびに磁束位置により、推定あるいは検出される負荷角δと、予め設定した設定値δMAXとを比較し、
前記負荷角δが、前記δMAX を上回った場合に、前記同期電動機の界磁電流を増加させるのと同時に、前記速度制御器の出力を、前記負荷角δが、前記δMAX を上回る直前の値に固定し、前記負荷角δが、再び前記δMAX を下回るまで、あるいはδMAX とは異なる別の設定値を下回るまで、その値を維持し続けることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の同期電動機の制御装置において、
前記負荷角δが、前記設定値δMAX を上回った場合に、前記同期電動機の界磁電流指令値を、前記同期電動機の界磁回路に流し得る最大の値、あるいは、前記界磁回路に電力を供給する電力変換器が出力し得る最大の電流値に切り替え、前記界磁電流を増加させることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【請求項６】
請求項４に記載の同期電動機の制御装置において、
前記負荷角δが、前記設定値δMAX を上回った場合に、前記同期電動機の界磁回路に印加される界磁電圧を、前記界磁回路に印加できる最大の値、あるいは、前記界磁回路に電力を供給する電力変換器が出力し得る最大の電圧値に切り替え、前記界磁電流を増加させることを特徴とした同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御装置に関わり、特に過負荷時のトルク抜け(脱調)の防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機のベクトル制御では、回転磁極座標のｄｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭＴ軸を基準座標にして、電動機電流の励磁電流成分とトルク電流成分を制御する（図２）。ここで、Ｔ軸は、磁束Φの成分が零となるように選ぶ。即ちＭ軸は磁束の方向と一致するように選ぶことで、電動機の発生トルクを、Ｔ軸上の電流ＩT を用いて線形に制御できるようになる。これが同期電動機のベクトル制御の原理である。
【０００３】
また、電機子電流のＭ軸成分ＩM を零とすることで、磁束と電流が直交し（Φ⊥Ｉ）、電動機力率を１に制御できる。この時の座標軸の関係は図２のようになる。磁束Φは、ＩT と界磁電流Ｉf の合成により、Ｉφ相当の起磁力でＭ軸上に存在するが、ＩM 自体は零である。
【０００４】
ベクトル制御を用いて同期電動機を駆動した場合、負荷の大きさにより負荷角δが変化する。同期電動機を安定に駆動できる範囲は、負荷角δが−９０度＜δ＜９０度であることがわかっている。特に界磁弱め域で負荷が急変した場合、同期電動機の負荷角が過渡的に安定範囲を超えてしまい脱調等、制御不能になる問題がある。
【０００５】
この問題を解決するため、例えば特開平3−212191 号に記載されたものがある。この方法は、負荷運転時に負荷角δが設定値δMAX を超えると安定運転の限界と判断し、トルク電流設定値を制限する可変リミッタ回路を具備したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来方式等においては、設定値δMAX を低く設定すると、安定領域においてもＩT が制限される場合が生じ、電動機の発生トルクが減少する。また、δMAX を大きく設定すると、一旦不安定な領域に入ってしまうと（δ＞δMAX となると）、δが安定領域に戻るまでの回復時間が長くなる。δが不安定域にある場合は、同期電動機に取っては異常状態であり、できるだけ早い安定域への回復が望まれる。
【０００７】
本発明は、δが不安定領域に入ってしまった場合に、速やかに安定領域に回復する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】
本発明による同期電動機の制御装置は、負荷角δが、予め設定した値を超えると安定運転の限界と判断し、界磁電流指令を予め設定した大きな値の電流値に切り替えるか、あるいは界磁回路への印加電圧を、大きな値に切り替え、界磁電流を増加させることで、速やかに安定領域へ引き戻す。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施例である同期電動機可変速システムの構成を示す。図１において、１は二次側に界磁巻線を設けた巻線形同期電動機、２は、同期電動機１に回転速度の指令ωre*を与える速度指令発生器、３は、速度検出値ωreが、速度指令ωre* に一致するよう、トルク電流指令ＩT*を演算する速度制御器、４は、トルク電流指令ＩT*を、磁束位置を基準としたＭＴ座標軸の値から、磁極位置（回転子位置）を基準にしたｄｑ座標軸の値に座標変換する座標変換器、５は、同期電動機の電機子電流の検出値（ＩdFB，ＩqFB）が、座標変換器４の出力である電流指令値（Ｉd*，Ｉq*）に一致するよう、電圧指令Ｖd*、ならびにＶq*を演算する電機子電流制御器、６は、電圧指令Ｖd*、ならびにＶq*を、三相交流軸上の電圧指令（Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*）に変換する座標変換器、７は、電圧指令Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に基づいて、同期電動機１に電力を供給する電力変換器、８は、同期電動機に流れる電機子電流を検出する電流検出器、９は、同期電動機１に印加される電機子電圧を検出する電圧検出器、１０は同期電動機１の回転速度、ならびに磁極位置を検出する速度／位置検出器、１１は電機子電流、ならびに電機子電圧の検出値を、ｄｑ軸上の値に変換する座標変換器、１２は、同期電動機１の電流、ならびに電圧検出値に基づいて、同期電動機１の磁束、及び負荷角を推定演算する磁束オブザーバ、１３は、同期電動機の回転速度ωreに基づいて、磁束指令Φ* を演算する磁束指令演算器、１４は、磁束指令Φ* 、ならびに磁束オブザーバ１２において推定演算した磁束検出値Φc に基づいて、界磁電流指令Ｉf*を演算する界磁指令演算器、１５は、界磁電流Ｉf が、界磁電流指令Ｉf*に一致するように、界磁電圧指令Ｖf を演算する界磁電流制御器、１６は、界磁電圧指令Ｖf に基づいて、界磁回路に電力を供給する界磁変換器、１７は、界磁電流を検出する電流検出器、１８は、界磁電流指令Ｉf*を、外部からの信号（Ｆ信号）により切り替える切り替え器、１９は、切り替え器１８が「１」側に切り替えられた時に界磁電流指令を与える設定器、２０は、磁束オブザーバ１２において推定演算した負荷角δc を入力し、このδc の絶対値が所定の設定値より小さい場合は「０」、大きな場合に「１」を出力する（Ｆ信号として出力する）比較器、２０１はδc の絶対値を演算する絶対値演算器、２０２はヒステリシス幅を設定できるヒステリシスコンパレータ、２０３はＦ信号を出力するδc のレベル（δon）を設定するδon設定器、２０４はＦ信号を「０」にするδc のレベル（δoff）を設定するδoff設定器である。
【００１０】
次に、本実施例の動作の概要について説明する。まず、同期電動機１の回転速度ωreは速度／位置検出器１０により検出される。速度検出値ωreと、速度指令発生器２からの指令値ωre* との偏差が速度制御器３に加えられ、偏差に応じたトルク電流指令ＩT*が演算され、これにより回転速度は該速度指令に一致するように制御される。前記速度制御ループの内側には図１に示すように電流制御ループが設けられ、電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器８及び界磁電流検出器１７により検出され、電機子電流と界磁電流の各指令値に一致するように電機子電流制御器５及び界磁電流制御器１５により制御される。ＭＴ座標を用いてベクトル制御を行うためには、負荷角δ及びＭ軸上の磁束Φを検出する必要がある。このため、磁束オブザーバ１２において電機子電流と電機子電圧から同期機内部の磁束推定値Φd ，Φq を演算し、これを用いてδc 及びΦc が演算される(制御器内の値ということで、δ、ならびにΦには記号「ｃ」を付けて表記する)。演算されたδc は座標変換器４に用いられる。また、演算された磁束Φc と磁束指令演算器１３からの指令値Φ* が界磁指令演算器１４に加えられ、その出力である界磁電流指令Ｉf*に従い界磁電流が制御される。
【００１１】
図２〜図４は、ＭＴ軸とｄｑ軸、ならびにトルク電流ＩT と界磁電流Ｉf の関係をベクトルで示したものである。負荷が小さい(ＩT 、ならびにδが小である)場合は、図２のようなベクトル関係になる。負荷が大きい（ＩT 、ならびにδが大である）場合は、図３のような関係になり、負荷が大きくなるに従い、Ｉf を大きくする必要がある。同期電動機の電機子漏れインダクタンス、ならびに突極性を無視すると、Ｉf とδの関係は、
Ｉf ＝Ｉφ／cosδ                                           （数１）
となる。ここで、Ｉφは、磁束Φに必要な励磁電流に相当するものである（Ｉf とＩT の合成の電流）。
【００１２】
磁束Φを一定に制御するには、Ｉφを一定にする必要があり、それにはＩT に応じてＩf を制御する必要がある。しかし、ＩT は電機子側で高速に制御されるのに対し、Ｉf をＩT 並みに高速に制御するのは不可能である。Ｉf を高速に制御するには、定常値の数倍〜数１０倍の容量の界磁変換器が必要となる。過渡応答のためだけに、大容量の界磁変換器を導入するのは不経済であるし、また、電動機の界磁巻線も大容量に耐え得るものにする必要が生じてしまう。通常の同期電動機では、回転子にダンパ巻線を備えており、界磁電流が必要量に達するまでの間、磁束が急変するのを防いでいる。よって、ＩT が極端に大きく変化した場合、ダンパ巻線だけでは磁束を維持することができなくなり、δが９０度を超えて脱調が生じてしまう。
【００１３】
図４は、δが９０度を超えた時のベクトル図である。δが９０度を超えると、Ｉφが負の値になろうとして、磁束Φが急速に減少し始める。Φが減少すると、全体のトルクが不足し、結果的にＩT を増加させることになり、δは益々大きくなっていく。これが脱調のメカニズムである。
【００１４】
図５は、負荷トルクが急変した時のδ，Ｉf ，ＩT の動作波形を概念的に示したものである。負荷トルクの変化により、それに追従するようにＩT が高速応答しているが、Ｉf の変化が遅いため、δが一気に９０度へ達している。この結果、ＩT が発散し、脱調（トルク抜け）が生じる。
【００１５】
よって、脱調を抑制するには、Ｉf を素早く増加させ、δを９０度以内に引き戻す必要がある。数１に示したように、必要なＩf の値は１／cosδ に比例するから、δ＝９０度においては、原理的に無限大のＩf が必要になる。よって、δが９０度（あるいは９０度付近）に達した場合、界磁電流指令Ｉf*を大きな値に切り替えて、Ｉf を増加させればよい。
【００１６】
前述したように、必要なＩf の値は１／cosδ に比例するから、δ＝９０度で切り替えるのであれば、できるだけ大きな値に切り替えるのがよい。この大きさは、界磁変換器、あるいは同期機の界磁容量に耐え得る最大の値としておけば、δは最大限の速度で安定領域に引き戻されることになる。
【００１７】
また、この切り替えは、δ以外の諸量（界磁電流の検出値、あるいは磁束推定値Φc 等）の状態に拘わらず、δのみを判断材料として、遮二無二に切り替えているため、切り替えによるショック（例えば過電流、振動等）が心配されるが、それらは全く問題がない。δが９０度近くにある場合は、界磁電流が磁束に与える影響は小さく、大きな磁束変動、あるいはトルク変動等の問題は生じない。むしろ、長い期間δを９０度近く（あるいは９０度以上）にしておく方が、磁束の変動、トルク減少等の原因になり、問題である。また、切り替える値を、前述したように界磁変換器が供給可能な値に設定しておけば、Ｉf が過電流になることもない。
【００１８】
図１に示す本発明の実施例は、この脱調防止機能を実現するものである。符号２０の比較器においてδc を監視し、設定した値δonを上回った瞬間に、Ｆ信号を０から１に切り替える。この時、δc の絶対値を演算し、その値をもって切り替えの判断を行うことで、回生時においてもこのまま使用できるようになる。また、δon付近でＦ信号がばたつくのを防ぐため、比較器２０２をヒステリシスコンパレータとしている。Ｆ信号を０に戻すレベルは、δoff の値で設定する。比較器２０２から出力されたＦ信号は、切り替え器１８を通常は「０」側にしておき、Ｆ信号が１の時には「１」に切り替え、Ｉf*を界磁変換器の流し得る最大値に切り替える。設定器１９では、前述した通りに、界磁変換器、あるいは電動機の界磁回路が流し得る最大の値を設定しておく。
【００１９】
図６に、本発明の各部動作波形を示す。負荷トルクの変化により、ＩT が急増し、δが一気に９０度へ達するが、δonに達した時点でＩf*が切り替わり、Ｉf が急増する。この結果、δは９０度以内に引き戻され、脱調は防止される。
【００２０】
次に、第二の実施例について、図７を用いて説明する。
【００２１】
図７において、符号１〜１８、ならびに２０は、図１の実施例と同一のものである。１９Ａは、切り替え器１８が「１」側に切り替えられた時の、界磁変換器への電圧指令を設定する電圧指令設定器である。本発明における各部の動作は、図１の実施例のものとほぼ同じであり、負荷角δc が、δonを上回った時に、切り替え器１８を切り替える。この時、電圧指令設定器１９Ａの値を大きく設定しておけば、界磁変換器への印加電圧が増加し、Ｉf を増加させることができる。本実施例においては、界磁電流制御器１５を介さずに、直接界磁電圧を増加させることができるため、界磁電流はさらに高速に増加する。電圧設定器１９Ａの設定値は、界磁回路に印加可能な最大の電圧値、あるいは、界磁変換器の出力できる最大の電圧値に設定しておけば、Ｉf を瞬時に増加させることができ、脱調を抑制できる。
【００２２】
次に、第三の実施例について、図８を用いて説明する。
【００２３】
図８において、符号１、２、ならびに４〜２０は、図１の実施例と同一のものである。３Ａは速度制御器、３１は比例補償器、３２は積分補償器、３３は１８と同じ切り替え器、３４は零に設定された設定器である。本実施例の動作原理は、図１のものと同様であるので、特徴的な部分である３Ａについて説明する。
【００２４】
３Ａは、基本的には比例積分補償からなる速度制御器である。ただし、比較器２０の出力であるＦ信号が「１」の時に、切り替え器３３を「１」側に切り替えて、積分補償器の入力を零にする。この結果、δがδonを超えた状態で、トルク電流指令ＩT*が増大し続けるのを防止することができる。ＩT*の増加が比例補償器３１の成分のみになることで、δを９０度以内に引き戻す効果が強くなり、安定領域へのより早い回復が可能になる。
【００２５】
次に、第四の実施例について、図９を用いて説明する。
【００２６】
第四の実施例は、図８における速度制御器３Ａを、図９に示す速度制御器３Ｂに置き換えたものである。図９に示す速度制御器３Ｂは、前述のＦ信号による切り替え器３３を、速度制御器の出力側にも設けている。符号３５は、過去のトルク電流指令を保持しているメモリーである。図９においては、Ｆ信号が「１」の時に、積分補償器の入力を零にすると同時に、その時のトルク電流指令ＩT* を維持し続けるように動作する。この結果、負荷角δが、δonを超えた時点でＩT*が固定され、δを大きくする要素はなくなる。よって、δは、前述の実施例よりも、より高速に安定領域に回復する。
【００２７】
なお、上記各実施例において速度／位置検出器に替えて、電動機巻線の電流・電圧から速度や位置を推定する速度／位置推定手段を用いてもよい。さらに、磁束オブザーバで磁束を推定する替わりに、磁束センサで検出される磁束の検出値を用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷急変により負荷角が増大し、不安定域に達した場合あるいは不安定域に達しそうな場合においても、速やかに負荷角δを９０度以内の安定領域に引き戻すことが可能になる。この結果、過負荷による脱調を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図２】同期電動機の動作を説明するベクトル図（軽負荷時）。
【図３】同期電動機の動作を説明するベクトル図（過負荷時）。
【図４】同期電動機の動作を説明するベクトル図（δ＞９０°の異常時）。
【図５】従来方式における負荷トルク急変時の各動作波形。
【図６】実施例における負荷トルク急変時の各動作波形。
【図７】本発明の第二の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図８】本発明の第三の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図９】本発明の第四の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【符号の説明】
１…巻線形同期電動機、２…速度指令発生器、３…速度制御器、４…ＭＴ−  ｄｑ座標変換器、５…電機子電流制御器、６…ｄｑ−三相座標変換器、７…電力変換器、８…電機子電流検出器、９…電圧検出器、１０…速度／位置検出器、
１１…三相−ｄｑ座標変換器、１２…磁束オブザーバ、１３…磁束指令演算器、１４…界磁指令演算器、１５…界磁電流制御器、１６…界磁変換器、１７…界磁電流検出器、１８…切り替え器、１９…設定器、２０…比較器、２０１…絶対値演算器、２０２…ヒステリシスコンパレータ、２０３…δon設定器、２０４…δoff設定器。
【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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