(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機と、
前記同期電動機の電機子に電機子電圧を供給する電源装置と、
前記電源装置を制御する制御装置と、
前記電機子を流れる電機子電流を検出する検出装置
とを備え、
前記制御装置は、前記電機子電流に基づいて前記電機子電流の横軸成分ｉγを求め、前記電機子電圧の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：前記同期電動機の極対数
Ｋｍ：定数
により求め、前記電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定め、且つ、前記γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、前記電機子電圧の電機子電圧指令値を定め、
前記電源装置は、前記電機子電圧が前記電機子電圧指令値に一致するように、前記電機子電圧を出力する
同期電動機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機システムにおいて、
前記制御装置は、前記電機子電圧の直軸成分の直軸電圧指令値ｖδ＊を一定に定め、前記直軸電圧指令値ｖδ＊と前記横軸電圧指令値ｖγ＊とに基づいて、前記電機子電圧指令値を定める
同期電動機システム。
【請求項３】
請求項２に記載の同期電動機システムにおいて、
前記直軸電圧指令値ｖδ＊は、０でない
同期電動機システム。
【請求項４】
同期電動機と、
前記同期電動機の電機子に電機子電圧を供給する電源装置と、
前記電機子を流れる電機子電流を検出する検出装置と、
前記電機子電圧の横軸成分の指令値である横軸電圧指令値ｖγ＊と、前記電機子電圧の直軸成分の指令値である直軸電圧指令値ｖδ＊とを定め、且つ、前記横軸電圧指令値ｖγ＊と前記直軸電圧指令値ｖδ＊とに基づいて、前記電機子電圧の指令値である電機子電圧指令値を定める制御装置
とを備え、
前記制御装置は、前記同期電動機を始動する第１期間において、前記電機子電流の直軸成分が所定の値で一定になるように前記横軸電圧指令値ｖγ＊と前記直軸電圧指令値ｖδ＊とを定め、且つ、
前記制御装置は、前記第１期間の後の第２期間において、前記電機子電流に基づいて前記電機子電流の横軸成分ｉγを求め、前記電機子電圧の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：前記同期電動機の極対数
Ｋｍ：定数
により求め、前記横軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定め、且つ、前記直軸電圧指令値ｖδ＊を一定に定め、
前記電源装置は、前記電機子電圧が前記電機子電圧指令値に一致するように、前記電機子電圧を出力する
同期電動機システム。
【請求項５】
ガスタービンと、
前記ガスタービンのガスタービン軸を駆動する同期電動機と、
前記同期電動機の電機子に電機子電圧を供給する電源装置と、
前記電源装置を制御する制御装置と、
前記電機子を流れる電機子電流を検出する検出装置
とを備え、
前記制御装置は、前記電機子電流に基づいて前記電機子電流の横軸成分ｉγを求め、前記電機子電圧の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：前記同期電動機の極対数
Ｋｍ：定数
により求め、前記電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定め、且つ、前記γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、前記電機子電圧の電機子電圧指令値を定め、
前記電源装置は、前記電機子電圧が前記電機子電圧指令値に一致するように、前記電機子電圧を出力する
ガスタービンプラント。
【請求項６】
同期電動機の電機子電流を検出することと、
前記電機子電流に基づいて、前記電機子電流の横軸成分ｉγを求めることと、
前記同期電動機の前記電機子電圧の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：前記同期電動機の極対数
Ｋｍ：定数
により求めることと、
前記電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
前記γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、前記電機子電圧の指令値である電機子電圧指令値を定めることと、
前記前記電機子電圧指令値に基づいて、前記同期電動機に前記電機子電圧を出力すること
とを備える
同期電動機の制御方法。
【請求項７】
同期電動機の電機子電流を検出することと、
前記電機子電流に基づいて、前記電機子電流の横軸成分ｉγを求めることと、
前記同期電動機の前記電機子電圧の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：前記同期電動機の極対数
Ｋｍ：定数
により求めることと、
前記電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
前記γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、前記電機子電圧の指令値である前記電機子電圧指令値を定めること
とを演算装置に実行させる
同期電動機の制御用プログラム。
【請求項８】
請求項１に記載の同期電動機システムの調整方法であって、
前記Ｖｏｆｓを変化しながら前記同期電動機を運転し、前記同期電動機が運転可能なＶｏｆｓの下限値Ｖｍｉｎを求めることと、
前記電機子電流が、前記電源装置が供給可能な最大値になるＶｏｆｓを上限値Ｖｍａｘとして算出することと、
前記Ｖｏｆｓを、前記下限値Ｖｍｉｎと前記上限値Ｖｍａｘとの間の値に定めること
とを備えた
同期電動機システムの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機システムに関する。本発明は、特に、同期電動機の回転子の位置を検出する位置センサを使用せずに同期電動機を制御する同期電動機システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機を駆動する駆動方法の一つとして、固定子と回転子との相対位置を検出し、その相対位置に応じた位相を有する電機子電圧を同期電動機に供給する駆動方法が知られている。この駆動方法を実現するために、ホール素子のような位置センサが、固定子と回転子との相対位置の検出に使用されることがある。しかし、位置センサは高価であり、更に、高速応答性の問題から、回転子が高速回転する場合に位置センサを使用することは実際上困難である。
【０００３】
そこで、回転子の位置を検出する位置センサを使用せずに同期電動機を制御する技術の検討が行われている。位置センサを使用せずに同期電動機を駆動する同期電動機駆動装置が、公開特許公報（特開２０００−２６２０８８）に開示されている。公知のその同期電動機駆動装置は、電機子電圧のγ軸成分の指令値電圧ｖγ＊と、電機子に供給される電機子電圧のδ軸成分の指令値電圧ｖδ＊とを下記式：
ｖγ＊＝Ｒｉｒ＋Ｌω１Ｉδ＋Ｋγ（ｉδ＊―ｉδ）／ω１，
ｖδ＊＝Ｒｉδ＋Ｋδ（ｉδ＊―ｉδ），
Ｉδ＝Λδ／Ｌ，
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍ・｛ＴｍＰ／（１＋ＴｍＰ）｝・ｉγ，及び
Ｐ＝ｄ／ｄｔ，
Ｒ：電機子抵抗，  Ｌ：電機子巻線のインダクタンス
ω１：電機子電圧の角周波数、  Λδ：界磁による電機子の磁束鎖交数のδ軸成分
ｉδ：電機子電流のδ軸成分、  ｉδ＊：電機子電流のδ軸成分の指令値
Ｋγ、Ｋδ：フィードバックゲイン、  ｎｐ：同期電動機の極対数
ωｍ＊：回転子の角速度指令値、  Ｔｍ：１時遅れ系の時定数
の関係を満足するように定める。ここで、δ軸及びγ軸は、図２に示されているように、それぞれ、同期電動機を駆動する駆動装置が認識している同期電動機の直軸及び横軸である。本明細書では、同期電動機の現実の直軸及び横軸は、それぞれｄ軸及びｑ軸と呼ばれる。δ軸及びγ軸と、ｄ軸及びｑ軸とは、一致することがあるが、多くの場合ずれている。公知のその同期電動機駆動装置は、電機子電圧のγ軸成分及びδ軸成分が、それぞれ指令値電圧ｖγ＊と指令値電圧ｖδ＊とになるように電機子電圧を同期電動機に供給して駆動する。
【０００４】
公知のその同期電動機駆動装置は、多くのパラメータに基づいて指令値電圧ｖγ＊と指令値電圧ｖδ＊とを定め、複雑な演算が必要である。更に、指令値電圧ｖγ＊と指令値電圧ｖδ＊との算出に使用される電機子抵抗Ｒ及び電機子巻線のインダクタンスＬは、温度や電機子電流によって変動し、これらの変動に対しての対策が難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、演算量を抑制しながら、同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、同期電動機が有する特性の変動の影響を抑制しながら、同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、始動時の電機子電流を抑制しながら同期電動機を制御する技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段が説明される。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明による同期電動機システムは、同期電動機（２）と、同期電動機（２）の電機子に電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を供給する電源装置（３）と、電源装置（３）を制御する制御装置（５）と、同期電動機（２）の電機子を流れる電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）とを備えている。制御装置（５）は、電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を定める。更に制御装置（５）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定める。更に制御装置（５）は、γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）が電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に一致するように、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を出力する。γ軸電圧指令値ｖγ＊が既述の簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１０】
制御装置（５）は、電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）の横軸成分ｉγを求め、且つ、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を、下記式：
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ
ｎｐ：同期電動機（２）の極対数
Ｋｍ：定数
により求めることが好ましい。角周波数ω１が既述の簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１１】
制御装置（５）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の直軸成分の直軸電圧指令値ｖδ＊を一定値（Ｖｏｆｓδ）に定め、直軸電圧指令値ｖδ＊と横軸電圧指令値ｖγ＊とに基づいて、電機子電圧（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）の電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定めることが好ましい。直軸電圧指令値ｖδ＊が簡素な式に基づいて行われ、制御装置（５）の演算量が抑制される。
【００１２】
このとき、同期電動機（２）の回転子の位置に無関係に同期電動機（２）を始動するためには、直軸電圧指令値ｖδ＊は、０でないことが好ましい。
【００１３】
本発明による同期電動機システムは、同期電動機（２）と、前記同期電動機（２）に電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を供給する電源装置（３）と、前記電機子に流れる電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）と、
電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の横軸成分の指令値である横軸電圧指令値ｖγ＊と、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の直軸成分の指令値である直軸電圧指令値ｖδ＊とを定め、且つ、横軸電圧指令値ｖγ＊と直軸電圧指令値ｖδ＊とに基づいて、前記電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の指令値である電機子電圧指令値電機子電圧（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定める制御装置（５）とを備えている。制御装置（５）は、同期電動機（２）を始動する第１期間において、電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）の直軸成分（ｉδ）が所定の値（ｉδ＊）で一定になるように横軸電圧指令値ｖγ＊と直軸電圧指令値ｖδ＊とを定める。第１期間の後の第２期間において、制御装置（５）は電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を定め、横軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定め、且つ、直軸電圧指令値ｖδ＊を一定に定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）が電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に一致するように、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を出力する。同期電動機（２）を始動する第１期間において、電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）の直軸成分（ｉδ）が所定の値（ｉδ＊）で一定になるように制御され、第１期間における電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）の大きさが抑制されるとともに、第２期間における制御装置（５）の演算量の削減が図られる。
【００１４】
本発明によるガスタービンプラントは、ガスタービン（１）と、ガスタービン（１）のガスタービン軸を駆動する同期電動機（２）と、同期電動機（２）の電機子に電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を供給する電源装置（３）と、電源装置（３）を制御する制御装置（５）と、同期電動機（２）の電機子を流れる電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する検出装置（６−１〜６−３）とを備えている。制御装置（５）は、電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を定める。更に制御装置（５）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定める。更に制御装置（５）は、γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定める。電源装置（３）は、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）が電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に一致するように、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を出力する。
【００１５】
本発明による同期電動機の制御方法は、
同期電動機（２）の電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出することと、
電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて、
同期電動機（２）の電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を定めることと、
電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の指令値である電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定めることと、
電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて、同期電動機（２）に電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を出力すること
とを備えている。
【００１６】
本発明による同期電動機の制御用プログラムは、
同期電動機（２）の電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出することと、
電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）に基づいて、同期電動機（２）の電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の角周波数ω１を定めることと、
電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊を、下記式：
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓ
Λδ：誘起電圧係数
Ｖｏｆｓ：０以上の定数
で表される関係を満足するように定めることと、
γ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて、電機子電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）の指令値である電機子電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を定めること
とを実行する。
【００１７】
本発明による同期電動機システムの調整方法は、上述の同期電動機システムの調整方法である。当該調整方法は、
Ｖｏｆｓを変化しながら同期電動機（２）を運転し、同期電動機（２）が運転可能なＶｏｆｓの下限値Ｖｍｉｎを求めることと、
電機子電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）が、電源装置（３）が供給可能な最大値になるＶｏｆｓを上限値Ｖｍａｘとして算出することと、
Ｖｏｆｓを、下限値Ｖｍｉｎと上限値Ｖｍａｘとの間の値に定めることとを備えている。当該調整方法は、Ｖｏｆｓを実際的な方法により決定できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明による同期電動機システムの実施の一形態を説明する。
【００１９】
（実施の第１形態）
本発明による同期電動機システムの実施の第１形態は、ガスタービンプラントの起動と発電とに使用される。実施の第１形態では、図１に示されているように、ガスタービン１が同期機２とともに設けられている。ガスタービン１のガスタービン軸は、同期機２の回転子に連結され、ガスタービン１のガスタービン軸は、同期機２の回転子と同体に回転する。
【００２０】
同期機２は、発電機と電動機とに兼用される。ガスタービン１を起動する場合、同期機２は電動機として使用され、ガスタービン１のガスタービン軸をガスタービン１が着火可能な回転数まで加速する。ガスタービン１が着火され、起動が完了した後は、同期機２はガスタービン１により駆動される発電機として使用される。
【００２１】
同期機２は、インバータ装置３に接続される。インバータ装置３は、同期機２が電動機として使用されるとき、同期機２の電機子に３相の電機子電圧を供給する。インバータ装置３から同期機２への電機子電圧の供給は、ｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２、ｗ相電源線４−３を介して行われる。電機子電圧のｕ相電圧ｖｕ、ｖ相電圧ｖv、及びｗ相電圧ｖｗは、それぞれｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２及びｗ相電源線４−３を介して同期機２に供給される。
【００２２】
インバータ装置３は、制御装置５によって制御される。制御装置５は、ｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２、及びｗ相電源線４−３にそれぞれ設けられたｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３に接続される。ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３は、同期機２の電機子を流れる電機子電流を測定する。より詳細には、ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３は、それぞれｕ相電源線４−１、ｖ相電源線４−２及びｗ相電源線４−３を流れるｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、及びｗ相電機子電流ｉｗを測定する。制御装置５は、測定されたｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、ｗ相電機子電流ｉｗを受け取る。このとき、ｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、及びｗ相電機子電流ｉｗのうちの２つが測定され、他の１つは、
ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０，
から求められることも可能である。制御装置５には、更に、同期機２の回転子の角周波数の角周波数指令値ωｍ＊が与えられる。
【００２３】
制御装置５は、ｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、ｗ相電機子電流ｉｗ、及び角周波数指令値ωｍ＊に基づいて、ｕ相電圧ｖｕ、ｖ相電圧ｖv、及びｗ相電圧ｖｗそれぞれの指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊を定め、インバータ装置３に出力する。インバータ装置３は、ｕ相電圧ｖｕ、ｖ相電圧ｖv、及びｗ相電圧ｖｗがそれぞれ指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊に一致するように、ｕ相電圧ｖｕ、ｖ相電圧ｖv、及びｗ相電圧ｖｗを出力する。
【００２４】
制御装置５の動作は、制御装置５に記憶されたプログラムに沿って行われる。制御装置５は、そのプログラムを実行して指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊を定め、インバータ装置３を制御する。指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊の決定は、以下の過程で行われる。
【００２５】
制御装置５は、ｕ相電流センサ６−１、ｖ相電流センサ６−２、及びｗ相電流センサ６−３が測定したｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、及びｗ相電機子電流ｉｗから、δ−γ軸で表現された同期機２の電機子電流のγ軸成分ｉγを算出する。ここで、δ軸及びγ軸は、それぞれ、制御装置５が認識している同期機２の直軸及び横軸である。更に、制御装置５は、電機子電流のγ軸成分ｉγと角周波数指令値ωｍ＊とに基づいて、同期機２に供給される電機子電圧の角周波数ω１を決定する。
【００２６】
より詳細には、制御装置５は、
【数１】
0003782693.tif 000002
…式（１）
により、ｕ相電機子電流ｉｕ、ｖ相電機子電流ｉｖ、及びｗ相電機子電流ｉｗをδ−γ座標系における電機子電流のγ軸成分及びδ軸成分に変換する。ここでθは、制御装置で想定している軸の位置であり、現実の同期機２の回転子の位置に対してφずれており、
【数２】
0003782693.tif 000003
…式（２）
で算出される。更に制御装置５は、電機子電圧の角周波数ω１を
ω１＝ｎｐωｍ＊−Ｋｍｉγ        …式（３）
により算出する。ただし、ｎｐは、同期機２の極対数であり、例えば、ｎ極とｓ極とが１つずつある２極の同期機２については、ｎｐ＝１である。また、Ｋｍは、所定の定数である。
【００２７】
角周波数ω１を決定した制御装置５は、同期機２の電機子電圧の横軸成分の指令値であるγ軸電圧指令値ｖγ＊と、直軸成分の指令値であるδ軸電圧指令値ｖδ＊とを、
ｖγ＊＝Λδω１＋Ｖｏｆｓγ            …式（４）
ｖδ＊＝Ｖｏｆｓδ                    …式（５）
により定める。ここでΛδは、誘起電圧係数である。また、オフセットＶｏｆｓγは０以上の定数であり、オフセットＶｏｆｓδは、０でない定数である。更に制御装置５は、指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊を
【数３】
0003782693.tif 000004
…式（６）
により定め、インバータ装置３を制御する。
【００２８】
式（４）に示されているように、γ軸電圧指令値ｖγ＊は、電機子電圧の角周波数ω１の１次関数である。仮に、Ｖｏｆｓγが０であれば、γ軸電圧指令値ｖγ＊は、電機子電圧の角周波数ω１に比例し、制御装置５は、電機子電圧の瞬時値と、電機子電圧の周波数との比が一定であるＶ／ｆ一定制御を行うことになる。
【００２９】
式（４）に示されているＶｏｆｓγは、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下を補償するために設けられるオフセットである。インバータ装置３の内部では、アーム短絡防止期間が設けられることによる電圧降下や、インバータ装置３を構成するスイッチング素子のオン抵抗による電圧降下等の原因により、電圧降下が発生する。γ軸電圧指令値ｖγ＊を、電機子電圧の角周波数ω１に比例するように定め、そのγ軸電圧指令値ｖγ＊に基づいて指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊を定めると、インバータ装置３から現実に出力されるｕ軸電圧ｖｕ、ｖ軸電圧ｖｖ、及びｗ軸電圧ｖｗは、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下分だけ低下することになる。式（４）に示されるように、オフセットＶｏｆｓγがΛδω１の項に加えられることにより、インバータ装置３の内部で発生する電圧降下が補償され、安定した同期機２の制御が実現される。
【００３０】
オフセットＶｏｆｓγは、必要に応じて設けられる。従って、同期機２を駆動することが可能であれば、Ｖｏｆｓγ＝０（Ｖ）であることも可能である。
【００３１】
オフセットＶｏｆｓγは、インバータ装置３の特性から理論的に定めることも可能であるが、下記のように、実際に同期機２を運転して定める方がより実際的である。まず、式（４）のオフセットＶｏｆｓγを０（Ｖ）から増加していき、同期機２が運転可能なオフセットＶｏｆｓγの下限値Ｖｍｉｎを求める。オフセットＶｏｆｓγを更に増加していくと、電機子電流ｉｕ、ｉｖ及びｉｗが増加する。インバータ装置３が供給できる電機子電流ｉｕ、ｉｖ及びｉｗには、インバータ装置３を構成する素子の定格電流の理由により、最大値が存在する。電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが、インバータ装置３が供給可能な最大の電流になったときのオフセットＶｏｆｓγが、オフセットＶｏｆｓγの上限値Ｖｍａｘである。オフセットＶｏｆｓγは、求められた上限値Ｖｍａｘと下限値Ｖｍｉｎとの間の値に定められる。マージンを確保する観点から、オフセットＶｏｆｓγは、上限値Ｖｍａｘと下限値Ｖｍｉｎとの和の２分の１と下限値Ｖｍｉｎの間であることが好ましい。
【００３２】
一方、式（５）に示されているＶｏｆｓδは、同期機２が停止状態にあるときに同期機２の電機子に励磁電流ｉδを流すために設けられるオフセットである。Ｖｏｆｓδが０でない値に定められることにより、同期機２の電機子には、電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉδが流れる。励磁電流ｉδを流すことにより、回転子が電機子に引き付けられ、同期機２の回転子の位置がいずれにあっても、同期機２の回転子がある程度動き始める。式（４）に示されているように、γ軸電圧指令値ｖγ＊は、概ね回転子の角速度に等しいω１に比例するため、同期機２の回転子が動き始めた後は、指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊が、主として、γ軸電圧指令値ｖγ＊により定まる。即ち、同期機２の電機子には、横軸成分を有する電機子電圧が与えられ、回転子の回転は、電機子電圧の横軸成分によって維持されることになる。このように、Ｖｏｆｓδが０でない値に定められることにより、同期機２の回転子の位置がいずれにあっても、同期機２の始動が可能である。
【００３３】
オフセットＶｏｆｓδは、同期機２が電動機として始動される際にのみ必要であり、同期機２の回転子が回転を開始した後は、０に設定されることが可能である。更に、何らかの他の方法により、同期機２が電動機として始動される場合には、オフセットＶｏｆｓδは、常に０に設定されることが可能である。
【００３４】
以上に説明された制御装置５の内部で行われる演算は、全て、制御装置５に記憶されたプログラムに沿って行われる。
【００３５】
このように、実施の第１形態では、同期機２の回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、簡便な演算式により、インバータ装置３に与えられる指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊の算出が行われる。これにより、制御装置５の演算量が減らされている。更に、同期機２の特性に関するパラメータの使用が可能な限り避けられており、同期機２の特性の変動の影響が少ない制御が実現されている。
【００３６】
実施の第１形態では、同期機２は、ガスタービン１の起動及び発電に使用されるが、同期機２が電動機として使用されるときの負荷はガスタービン１に限られない。但し、同期機２は、ガスタービン１を起動する場合のように回転子が高速回転する用途に使用されることが好適である。例えば、同期機２は、高速コンプレッサの駆動装置として使用され得る。
【００３７】
特に、同期機２は、点火の際にガスタービン軸を１００００回転以上に回転させる必要がある高速回転のガスタービンの起動に使用されることが好適である。ガスタービン軸を１００００回転以上に回転させる場合には、位置センサを使用して回転子の位置を検出することが実用上困難である。同期機２は、回転子の回転数が１００００回転以上になる用途の駆動装置として使用されるのが特に好適である。
【００３８】
（実施の第２形態）
本発明による同期電動機システムの実施の第２形態は、同期機２を電動機として始動する動作が、実施の第１形態と異なる。実施の第２形態の同期電動機システムの構成及び他の動作は、実施の第１形態と同一である。
【００３９】
実施の第２形態では、停止状態にある同期機２を電動機として始動する場合、制御装置５は、まず、電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉδが一定になるようにインバータ装置３を制御する。より詳細には、制御装置５は、下記式（７）により、電機子電流のγ軸成分ｉγが０で一定に、δ軸成分（励磁電流）ｉδが励磁電流指令値ｉδ＊で一定になるように比例積分制御を行う。
【数４】
0003782693.tif 000005
…式（７）
但し、Ｖγ＊，Ｖδ＊，Ｉγ，及びＩδは、それぞれ、γ軸電圧指令値ｖγ＊，δ軸電圧指令値ｖδ＊，電機子電流のγ軸成分ｉγ，及び電機子電流のδ軸成分ｉδのラプラス変換である。また、Ｉδ＊は、励磁電流指令値ｉδ＊のラプラス変換であり、Ｉδ＊＝ｉδ＊である。制御装置５は、式（７）によりγ軸電圧指令値ｖγ＊，δ軸電圧指令値ｖδ＊を算出する。更に、制御装置５は、γ軸電圧指令値ｖγ＊，δ軸電圧指令値ｖδ＊から既述の式（６）により指令値ｖｕ＊、指令値ｖｖ＊、指令値ｖｗ＊を算出し、インバータ装置３を制御する。式（７）を用いた制御が行われることにより、停止状態にあった同期機２が始動され、同期機２の回転子の回転数が増加する。
【００４０】
電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉδが励磁電流指令値ｉδ＊で一定になるようにインバータ装置３を制御することにより、同期機２の始動直後に、同期機２の回転子を加速するときの電機子電流を抑制することが可能である。実施の第１形態では、励磁電流ｉδを流すために、一定のδ軸電圧指令値ｖδ＊が与えられるため、同期機２の温度が低く、電機子巻線の抵抗が小さい時には、励磁電流ｉδを流すために、本来必要な電圧よりも高い電圧がδ軸電圧指令値ｖδ＊として与えられ、これにより電機子電流が不必要に大きくなることがある。実施の第２形態では、式（７）により励磁電流ｉδが一定に制御され、電機子電流を必要な大きさに抑制することが可能である。
【００４１】
同期機２の回転子の回転数が増加して所定の回転数に達した後、制御装置５は、γ軸電圧指令値ｖγ＊，δ軸電圧指令値ｖδ＊を算出する演算式を、式（７）から式（４）及び式（５）に変更する。以後、式（４）及び式（５）に基づいてインバータ装置３の制御が行われる。
【００４２】
このとき、式（５）のオフセットＶｏｆｓδは、０であることが可能である。既述のように、オフセットＶｏｆｓδは、同期機２を電動機として始動する際に必要である。実施の第２形態では、式（７）を用いて同期機２が始動されるため、オフセットＶｏｆｓδは、０であることが可能であり、電機子電流の大きさの抑制の観点から、オフセットＶｏｆｓδは０であることがむしろ好適である。
【００４３】
実施の第２形態では、同期機２の始動の際、式（７）によって電機子電流のδ軸成分である励磁電流ｉδが一定になるように制御され、これにより同期機２の始動の際の電機子電流が抑制されている。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、演算量を抑制しながら、同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【００４５】
また、本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、同期電動機が有する特性の変動の影響を抑制しながら、同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【００４６】
また、本発明により、回転子の位置を検出する位置センサを使用せず、且つ、始動時の電機子電流を抑制しながら同期電動機を制御する技術が提供される。更に、かかる技術を有効に活用したガスタービンプラントが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による同期電動機システムの実施の一形態を示す。
【図２】図２は、γ−δ軸及びｄ−ｑ軸を示す。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：同期機
３：インバータ装置
４−１：ｕ相電源線
４−２：ｖ相電源線
４−３：ｗ相電源線
５：制御装置
６−１：ｕ相電流センサ
６−２：ｖ相電流センサ
６−３：ｗ相電流センサ
【図１】
0003782693.tif 000006
【図２】
0003782693.tif 000007