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JP3125889B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents
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JP3125889B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

同期電動機の制御装置

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JP3125889B2
JP3125889B2 JP03095102A JP9510291A JP3125889B2 JP 3125889 B2 JP3125889 B2 JP 3125889B2 JP 03095102 A JP03095102 A JP 03095102A JP 9510291 A JP9510291 A JP 9510291A JP 3125889 B2 JP3125889 B2 JP 3125889B2
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current
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armature
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Description

【発明の詳細な説明】
[発明の目的]
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は回転界磁として永久磁石
を用いた同期電動機を可変速駆動する同期電動機の制御
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】回転界磁形の同期電動機の界磁には界磁
巻線を用いた電磁石方式と界磁巻線を用いない永久磁石
方式がある。電磁石方式は、界磁巻線による電力損失が
効率の低下をまねくと共に界磁巻線からジュ―ル熱が発
生して温度が上昇し回転子が熱膨脹し回転バランスが崩
れて異常振動が生ずるなどの問題がある。一方、永久磁
石方式は電力損失がないのでその分、効率が向上するの
は言うまでもないが界磁巻線による熱の発生がなく、熱
膨脹による回転バランスの崩れもなくなるという大きな
メリットがある。
【0003】従来の永久磁石は大きな減磁界を与えると
元の磁束密度に復帰しない性質があり、大容量の同期機
には適用が差し控えられていた。しかし、近年になっ
て、永久磁石の製造技術が進展し、サマリュ―ムやネオ
ジュ―ム、コバルトなどの希土類を主成分とした永久磁
石が実用化の段階にきている。
【0004】希土類永久磁石の比透磁率はほぼ1で空気
の透磁率に近いため、外部磁束による影響をほとんど受
けず安定した特性を有し、大容量機に適用する気運とな
ってきた。一方、同期電動機の特性として電機子反作用
があり、電機子電流による磁束が力率によって、界磁極
の磁束を増減するように作用する。
【0005】また、大容量の同期電動機を可変速駆動す
る制御電源として一般にサイリスタを用いた電力変換器
が使用され、この場合、転流機構の条件から、通常、進
み力率で運転される。進み力率の場合、電機子反作用に
より界磁の磁束を減少させる方向に作用する。
【0006】したがって、負荷が増加して、電機子電流
a が増すと空隙磁束が減少し、図4(A)に示すよう
に端子電圧V1 が降下する。これはあたかも電流による
インピ―ダンス降下に相当することから、同期リアクタ
ンスという定数が定義され同期電動機の特性解折に用い
られている。この電機子反作用は電磁石式の同期電動機
では、界磁巻線に流す励磁電流を増して、界磁束を増加
して補償することができる。しかし、永久磁石を用いた
電動機ではそれができないことから、電流が増すと図4
(A)に示すように端子電圧V1の低下が免れない。従
って定格出力時の端子電圧Vn は図4(A)の定格電流
n における電圧Vn となることから、この電動機を駆
動する電力変換器は、無負荷時の電圧V0 および定格電
流In を出力する能力を必要とする。よって電動機定格
から必要とする出力に対し、電力変換器の容量はV0
n 倍(これは電機子反作用により1より大きい)必要
となり大きな装置となる。
【0007】同期電動機の進み力率運転状態における周
知のベクトル図を図4(B)に示す。この図から同期リ
アクタンス降下電圧Vx により端子電圧V1 が低下する
ことが示される。なお、Ф0 は界磁極の磁束であり、Ф
a は電機子電流Ia による磁束である。空隙磁束、すな
わち有効磁束ΦはФ0 とФa のベクトル和となり、減小
していることが解る。V1 とIa の角度φは力率角であ
り、内部誘起電圧E0とV1 の角度δは内部相差角であ
る。
【0008】また、電機子反作用により減磁された状態
で空隙磁束が、定格出力に相当する磁束とするため、永
久磁石による界磁束Ф0 は、あらかじめ大きくしておく
必要がある。しかし、永久磁石の場合は磁石の厚さを大
きくすることになり、重量,寸法が増大し、高価なもの
となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述した様に、永久磁
石を回転界磁とした同期電動機を駆動する電力変換器の
容量が必要以上に大きくなり、高価になる問題がある。
【0010】本発明の目的は、上記問題を解決するため
に、新たな電機子反作用の補償を行い、電力変換器の容
量を必要以上に大きくすることなく、小形で経済的な同
期電動機の制御装置を提供することにある。 [発明の構成]
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、回転界磁に永久磁石を用いた同期電動機
の電機子電流を制御するインバータを備えた装置におい
て、該同期電動機の電機子電圧の検出値と電圧指令値と
の偏差に応じて、電圧偏差が零になるように電機子電流
位相を制御する手段を設ける。
【0012】
【作用】負荷トルクの変化に応じて電機子電流が変化す
ると電機子反作用によるリアクタンス電圧が変化して該
同期電動機の電圧が変化する。このとき、上記手段によ
り該電圧変化に応じて電機子電流の位相を制御し電機子
反作用による電圧変化を抑制する。
【0013】
【実施例】本発明による同期電動機の制御装置の要部構
成を図1に示す。図1において、インバ―タ1はコンデ
ンサ1Aで平滑された直流電圧Vd を3相の交流電圧V
1に変換して永久磁石方式の同期電動機2を駆動する電
圧形インバ―タで、IGBTやGTO等の自己消弧形ス
イッチ素子で構成する。電流制御部5は電流基準Ia *
と電流検出器4で検出された電動機電流Ia を比較し偏
差値が零になるようにインバ―タ1を制御する。
【0014】位置検出器3は同期電動機2の回転軸に結
合され回転角(すなわち、界磁極の位置)θr を検出す
る。微分器6は角度信号θa (t) を時間微分して角速度
信号ωa を出力し、関数発生器7はωa に応じてsin ω
a tの単位正弦波を発生する。乗算器8は別に与えられ
る電流指令Im と上記単位正弦波sinωa tを乗算して
m sin ωa tを得、これを前記の電流基準Ia * とす
る。
【0015】なお、電流検出器4,電流制御器5,関数
発生器7,乗算器8はそれぞれ3組設け、各関数発生器
は位相差 120°の単位正弦波を発生して3相の電流を制
御する。
【0016】電圧補償制御部10はPID制御器等から成
り、別に与えられる電圧指令V1 * と電圧検出器9で検
出される電動機2の端子電圧V1 が比較され偏差値に応
じて補償信号θを出力し、加算器11でθr に加算し、補
償された角度信号θa (t) を得る。
【0017】上記構成の実施例において、電流指令Im
が与えられると、Im に応じた大きさの電機子電流Ia
が同期電動機2の回転子の回転角θr に同期した正弦波
電流として流れ、回転子は所定のトルクを発生して回転
する。電動機トルクと負荷トルクが平衡して一定速度で
回転する状態になると電機子の内部誘起電圧E0 が確立
し、電機子電流Ia によるリアクタンス電圧Vx に応じ
た端子電圧V1 が確立する。この検出電圧V1 と電圧指
令V1 * の偏差値に応じて電圧補償部10から出力される
補償信号θが回転角θr に加算され電圧偏差値が零にな
るように電機子電流Ia の位相が制御され無効電流が変
化する。
【0018】この場合、電圧指令V1 * の値が無負荷時
における端子電圧(すなわち内部誘起電圧E0 )と等し
い値に設定すると、補償信号θは、電機子電流Ia のV
1 に対する遅れ位相φが内部相差角δの1/2の値を維
持するように補償制御される。この状態を図3(B)の
ベクトル図に示す。負荷が変化して電流Ia の大きさが
変化するとリアクタンス電圧Vx の大きさが変化し端子
電圧V1 の大きさが変化する。この変化によりV1 とV
1 * との間に偏差が生じると該偏差が減少する方向に補
償信号θが制御され電流Ia の位相が制御される。これ
により、電流Ia の位相は端子電圧V1 に対して内部相
差角δの1/2の遅れ位相となる。
【0019】このように補償制御を行った場合のIa
1 特性を図3(A)の特性c1 に示す。この場合、電
圧指令V1 * はVn に設定れる。なお、同図中に示した
特性c2 は電圧補償制御を行なわず、電機子電流Ia
位相を、単に一定の遅れ位相に固定した場合の同期電動
機の特性を示したものである。本発明による第2実施例
を図2に示す。
【0020】この実施例は、インバ―タ1はリアクトル
1Bで平滑された直流電流Id を3相の交流電流に変換
する電流形インバ―タである。また、位置検出器3の代
りに端子電圧V1 の位相θ1 を検出する位相検出器12を
設けている。この場合、V1の位相θ1 はリアクタンス
電圧Vx の影響を受け変動するが補償信号θがその変動
分を含めて補償するので同様の効果が得られる。なお、
位相検出器12は、リアクタンス電圧による位相変動を補
償するように構成することもできる。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、回転界磁に永久磁石を
用いた同期電動機を電力変換器で可変速駆動する場合、
電機子反作用(減磁作用)による端子電圧の低下を防止
し、電力変換器の電圧を必要以上に高くすることなく、
電動機定格に見合った容量とすることができ、経済性の
向上した同期電動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】本発明による一実施例の構成図。
【図2】本発明による第2実施例の構成図。
【図3】上記実施例の作用を説明するための特性図とベ
クトル図。
【図4】従来装置の問題点を説明するための特性図とベ
クトル図。
【符号の説明】
1…インバ―タ 2…同期電動機 5…電流制御部 6…微分器 7…関数発生器 8…乗算器 9…電圧検出器 10…電圧補償制御部 11…加算器 12…位相検出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−111688(JP,A) 特開 昭49−51520(JP,A) 特開 昭53−30717(JP,A) 特開 昭55−92595(JP,A) 特開 平1−136597(JP,A) 特開 昭62−217889(JP,A) 特開 平2−269491(JP,A) 特開 平4−117198(JP,A) 特開 昭50−114524(JP,A) 特開 昭52−97113(JP,A) 特開 昭63−107484(JP,A) 特開 昭60−102891(JP,A) 実開 昭56−4398(JP,U) 特公 昭59−1077(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/41 303

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転界磁に永久磁石を用いた同期電動機
    の電機子電流を制御するインバータを備えた装置におい
    て、 該同期電動機の電機子電圧の検出値と電圧指令値との偏
    差に応じて、電圧偏差が零になるように電機子電流位相
    を制御する手段を設けたことを特徴とする同期電動機の
    制御装置。
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