JP5699489B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の一次巻線にて形成される多巻線電動機をベクトル制御により可変速駆動する電動機駆動装置に関する。

図３は、下記特許文献１の構成を含むこの種の電動機駆動装置の回路構成図である。

図３において、１は商用電源，自家発電設備などの交流電源、２は複数の一次巻線にて形成される多巻線電動機、３は多巻線電動機２の出力軸に連結されたパルスゼネレータ、４・・６は第１電動機駆動装置１０，第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０それぞれと前記パルスゼネレータ３との間の信号線，電源線を、必要に応じて、図示しない運転シーケンス回路からの指令により、閉路または開路するスイッチである。

この多巻線電動機２は、例えば特開２００８−１０９７６９号公報に開示されている構成のものであり、その特長は一次巻線コイルが複数本の素線を同一経路に巻回して形成されることにより、多重数分のコイルを製作することなく、運転する電動機駆動装置の台数の制限を受けず、電動機駆動装置の減機運転が可能な多巻線電動機である。

さらに図３において、第１電動機駆動装置１０，第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０は全て同一構成の電動機駆動装置であり、それぞれ順変換器，平滑コンデンサ，逆変換器からなるインバータ回路１１，２１，３１と、前記逆変換器が出力する電流を検出する電流検出器１２，２２，３２と、この種の電動機駆動装置の従来例としての多巻線電動機２のベクトル制御を行うベクトル制御回路１３，２３，３３、または、この発明の電動機駆動装置の実施例としてのベクトル制御回路１３ａ，２３ａ，３３ａとから構成されている。

図３に示した電動機駆動装置の従来例としての構成では、第１電動機駆動装置１０がマスタ側となり、第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０がスレーブ側となる場合を示したものであり、スイッチ４が閉路されるとともにスイッチ５，６が開路され、第１電動機駆動装置１０のベクトル制御回路１３はパルスゼネレータ３の出力信号を入力して多巻線電動機２の速度制御とベクトル制御にて電流制御とを行う機能を有し、第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０のベクトル制御回路２３，３３は第１電動機駆動装置１０に対するスレーブ動作として、ベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御のみを行う機能を有し、以下にその動作を説明する図４，５では、実際に使用する部分のみを抜き出して図示している。

すなわち、図４はマスタ側として、速度制御とベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御とを行うときのベクトル制御回路１３の詳細回路構成を示し、図５はスレーブ側として、速度制御は行わずにベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御のみを行うときのベクトル制御回路２３の詳細回路構成を示している。

図４において、速度指令演算回路７１は、予め定めた加減速勾配により変化し、最終的には指令される速度設定値に一致する速度指令値ω_r ^*を出力する。また、速度調節器７３は前記速度指令値ω_r ^*とパルスゼネレータ３の出力信号に速度検出回路７２を介することにより得られる多巻線電動機２の速度検出値ω_r との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果を多巻線電動機２のトルク指令値τ^* として出力している。

磁束指令演算回路７４は、前記速度検出値ω_r に対応しつつ、多巻線電動機２の二次磁束指令値Φ₂ ^*を演算するものであり、該電動機の定格回転速度までは、一定値の二次磁束指令値Φ₂ ^*を出力し、また、定格回転速度以上では、この回転速度に反比例して低下させる二次磁束指令値Φ₂ ^*の演算を行っている。この磁束指令演算回路７４が出力する二次磁束指令値Φ₂ ^*は、除算演算器７５，励磁電流演算回路７６などの後段に伝達される。

上述のトルク指令値τ^* および二次磁束指令値Φ₂ ^*から、下記数１，２式に従って、多巻線電動機２の一次電流の該電動機の二次磁束に平行な電流指令値ｉ_M ^*（以下、Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*とも称する）と、該二次磁束に直交する電流指令値ｉ_T ^*（以下、Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とも称する）とを導出している。
［数１］
ｉ_M ^*＝（１／Ｌｍ）×Φ₂ ^*
ここで、Ｌｍは多巻線電動機２の励磁インダクタンスである。
［数２］
ｉ_T ^*＝τ^*／Φ₂ ^*
すなわち、励磁電流演算回路７６では上記数１式の演算を行い、除算演算器７５では上記数２式の演算を行っている。

３相／２相変換器８５は、電流検出器１２で検出された多巻線電動機２の一次電流検出値としてのｉ_u ，ｉ_w を、後述の角度値θ^* に基づく周知の座標変換を行い、多巻線電動機２の一次電流の該電動機の二次磁束に平行な電流検出値ｉ_M （以下、Ｍ軸電流検出値ｉ_M とも称する）と該二次磁束に直交する電流検出値ｉ_T （以下、Ｔ軸電流検出値ｉ_T とも称する）とを導出している。

またＴ軸電流調節器７８は、前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とＴ軸電流検出値ｉ_T との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果を多巻線電動機２のＴ軸電圧指令値ｖ_T ^*として出力している。同様に、Ｍ軸電流調節器７９は後述のＭ軸電流指令値ｉ_M ^*`と前記Ｍ軸電流検出値ｉ_M との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果を多巻線電動機２のＭ軸電圧指令値ｖ_M ^*として出力している。

２相／３相変換器８０は、前記Ｔ軸電圧指令値ｖ_T ^*とＭ軸電圧指令値ｖ_M ^*とを、後述の角度値θ^* に基づく周知の座標変換を行い、三相電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を導出している。

これらの三相電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*が入力されるインバータ回路１１では、前記それぞれの電圧指令値に対応する振幅および周波数の三相交流電圧に変換して多巻線電動機２に供給している。

すべり周波数演算器８１は、多巻線電動機２の二次抵抗値Ｒ₂ と、入力される前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*，二次磁束指令値Φ₂ ^*とから周知の演算式を用いて多巻線電動機２のすべり周波数ω_slを求めている。また、このすべり周波数ω_slと、多巻線電動機２の速度検出値ω_r とを加算演算器８２で加算することで得られる多巻線電動機２の一次周波数ω₁ に対して、軸ずれ補償器８８から得られた周波数補正値Δωを加算演算器８３で加算し
た一次周波数指令値ω₁ ^*に積分器８４を介することにより、多巻線電動機２のＵ相巻線と二次磁束とのなす角度値θ^* が導出される。

３相／２相変換器８６は、多巻線電動機２の一次電圧ｖ_u ，ｖ_w を、前記角度値θ^* に基づく周知の座標変換を行い、多巻線電動機２の一次電圧の該電動機の二次磁束に平行な電圧検出値ｖ_M （以下、Ｍ軸電圧検出値ｖ_M とも称する）と該二次磁束に直交する電圧検出値ｖ_T （以下、Ｔ軸電圧検出値ｖ_T とも称する）とを導出している。

誘起電圧磁束演算器８７では、上述のＭ軸電圧検出値ｖ_M ，Ｔ軸電圧検出値ｖ_T 、Ｍ軸電流検出値ｉ_M ，Ｔ軸電流検出値ｉ_T と前記一次周波数指令値ω₁ ^*とに基づく下記数３，４式に従って、多巻線電動機２のＭ軸の誘起電圧値ＥｍとＴ軸の誘起電圧値Ｅｔと、二次磁束推定値Φ₂＾とを導出している。
［数３］
Ｅｍ＝ｖ_M−Ｒ₁・ｉ_M−Ｌ₁（ｄｉ／ｄｔ）ｉ_M
＋ｊω₁ ^*・Ｌ₁・ｉ_T
［数４］
Ｅｔ＝ｖ_T−Ｒ₁・ｉ_T−Ｌ₁（ｄｉ／ｄｔ）ｉ_T
−ｊω₁ ^*・Ｌ₁・ｉ_M
上記数３，４式において、Ｒ₁ は多巻線電動機２の一次抵抗であり、Ｌ₁ は多巻線電動機２の一次インダクタンスであり、ｊは虚数単位である。

なお、多巻線電動機２の二次磁束推定値Φ₂＾は、前記Ｔ軸の誘起電圧値Ｅｔを一次周波数指令値ω₁ ^*で除算演算することにより導出している。

磁束調節器８９は、前記二次磁束指令値Φ₂ ^*と二次磁束推定値Φ₂＾との偏差を零にする調節演算値を多巻線電動機２のＭ軸電流補正値Δｉ_M ^*として出力している。また、
加算演算器７７は、励磁電流演算回路７６が出力するＭ軸電流指令値ｉ_M ^*と前記Ｍ軸電流補正値Δｉ_M ^*との加算値を新たなＭ軸電流指令値ｉ_M ^{* ,}として出力している。

なお、図４に示したベクトル制御回路１３におけるそれぞれの構成要素は、全て、周知の技術を用いたものである。

図５は、上述のベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御のみを行うときのベクトル制御回路２３の詳細回路構成図であり、Ｔ軸電流調節器７８，Ｍ軸電流調節器７９，２相／３相変換器８０，３相／２相変換器８５それぞれは、上述の図４に示したものと同一の機能を有し、図４に示したベクトル制御回路１３から伝送されるＴ軸電流指令値ｉ_T ^*，Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^{* ,}，角度値θ^* ，一次周波数指令値ω₁ ^*などの制御信号に基づくベクトル制御にて電流制御を行う。

また、インバータ回路２１は、図３に示した如く順変換器，平滑コンデンサ，逆変換器からなり、その電気的出力定格は先述のインバータ回路１１と同じであるが、前記逆変換器におけるＰＷＭ制御の際のキャリア信号はマスタの制御を行っている前記インバータ回路１１から送出されるキャリア同期信号に同期させるようにしている。

なお、図３に示した第Ｎ電動機駆動装置３０におけるベクトル制御回路３３は、図５に示したベクトル制御回路２３と同一の動作を行っている。

図３に示すような複数台の電動機駆動装置により１台の多巻線電動機２を可変速制御する構成においては、例えば複数台の電動機駆動装置の内の１台が故障したときには、故障した電動機駆動装置を解列した減機運転の状態で多巻線電動機２の回転動作を継続させることが行われている。また、多巻線電動機２が定格出力を必要としないときにも、全体の運転効率の改善を計るために、複数台の電動機駆動装置の内から解列する台数を設定し、残りの電動機駆動装置による減機運転の状態で多巻線電動機２の回転動作をさせることが行われている。この場合には、解列した電動機駆動装置を他の電動機の可変速駆動に用いることも行われている。

特開２０１０−４１８９０号公報

図３〜５に示したこの種の電動機駆動装置の従来例では、多巻線電動機２の巻線毎に第１電動機駆動装置１０，第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０が対応し、図示の如く、スイッチ４が閉路している第１電動機駆動装置１０は多巻線電動機２の速度制御と電流制御とを行うマスタの制御を行い、また、スイッチ５・・６が開路している第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０それぞれは第１電動機駆動装置１０から伝送されるＴ軸電流指令値，Ｍ軸電流指令値などに基づく多巻線電動機２の電流制御すなわちスレーブの制御を行っている。

しかしながら、一次巻線コイルが複数本の素線を同一経路に巻回して形成した多巻線電動機２などのように、各巻線間の磁気結合による干渉が強い多巻線電動機の場合、該巻線それぞれでの漏れインダクタンスや励磁インダクタンスの値などの内部定数が変動することにより、マスタの制御を行うベクトル制御回路１３を形成する加算演算器７７が出力するＭ軸電流指令値ｉ_M ^{* ,}に基づいて、スレーブの制御を行うベクトル制御回路２３，３３では、多巻線電動機２が発生する二次磁束を安定な状態で該電動機を動作させることが出来ず、その結果、多巻線電動機２の回転数が変動したり、一次電流が脈動するという問題点があった。

この発明の目的は、上記問題点を解消し、１台の多巻線電動機をベクトル制御により可変速駆動するのに好適な電動機駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は、速度検出器を有する多巻線電動機の各巻線毎に電動機駆動装置を設け、前記速度検出器の速度検出値に基づいた速度制御と、ベクトル制御にて前記多巻線電動機の電流制御とを行うマスタ側の電動機駆動装置と、ベクトル制御にて前記多巻線電動機の電流制御を行うスレーブ側の電動機駆動装置とにより前記多巻線電動機を可変速駆動する電動機駆動装置において、
前記マスタ側の電動機駆動装置からスレーブ側の電動機駆動装置に運転信号およびキャリア同期信号を送るとともに、このマスタ側の電動機駆動装置のベクトル制御回路で求められたＴ軸電流指令値ｉ_T ^*、Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*、磁束指令値φ₂ ^*、一次周波数指令値ω₁ ^*および角度値θ^*を送り、これらの指令値に基づいてスレーブ側の電動機駆動装置のベクトル制御回路において、前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とＴ軸電流検出値ｉ_Tとの偏差を零にする調節演算を行うＴ軸電流調節演算、前記一次周波数指令値ω₁ ^*、Ｔ軸電圧検出値Ｖ_T、Ｍ軸電圧検出値Ｖ_M、Ｔ軸電流検出値ｉ _T 、Ｍ軸電流検出値ｉ _M から磁束推定値φ₂ ^{^}を演算する磁束演算、前記磁束指令値φ₂ ^*と前記磁束推定値φ₂ ^{^}との偏差からＭ軸電流補正値Δｉ_M ^*を演算する磁束調節演算および前記Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*とＭ軸電流検出値ｉ_Mとの偏差を零にする調節演算を行うＭ軸電流調節演算を行うようにしたことを特徴とする。

この発明によれば、前記マスタ側の電動機駆動装置およびスレーブ側の電動機駆動装置それぞれに、前記多巻線電動機の二次磁束指令値と二次磁束推定値との偏差を零にする調節手段を備えたことにより、各巻線間の磁気結合による干渉が強い多巻線電動機の場合にも、該多巻線電動機が発生する二次磁束をより安定な状態にすることが出来る。

この発明のこの実施例としての図３の部分詳細回路構成図 この発明のこの実施例としての図３の部分詳細回路構成図 電動機駆動装置の回路構成図 従来例としての図３の部分詳細回路構成図 従来例としての図３の部分詳細回路構成図

図３に示した構成は、第１電動機駆動装置１０がマスタ側となり、第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０がスレーブ側となる場合を示したものであり、スイッチ４が閉路されるとともにスイッチ５，６が開路され、第１電動機駆動装置１０のベクトル制御回路１３ａはパルスゼネレータ３の出力信号を入力して多巻線電動機２の速度制御とベクトル制御にて電流制御とを行い、第２電動機駆動装置２０・・第Ｎ電動機駆動装置３０のベクトル制御回路２３ａ，３３ａは第１電動機駆動装置１０に対するスレーブ動作として、ベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御を行う。

図１，２では、この発明の実施例としての電動機駆動装置において、実際に使用する部分のみを抜き出して図示している。すなわち、図１はマスタ側として、速度制御とベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御とを行うときのベクトル制御回路１３ａの詳細回路構成図を示し、図２はスレーブ側として、速度制御は行わずにベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御のみを行うときのベクトル制御回路２３ａの詳細回路構成を示している。

なお、図１に示したベクトル制御回路１３ａは、先述の図４に示したベクトル制御回路１３と同様に、多巻線電動機２の二次磁束指令値Φ₂ ^*と二次磁束推定値Φ₂＾との偏差を零にする磁束調節器８９を備えつつ、基本的に同一の制御演算動作を行い、図２に示したベクトル制御回路２３ａに対して、従来のベクトル制御回路１３と同様のＴ軸電流指令値ｉ_T ^*，角度値θ^* ，一次周波数指令値ω₁ ^*などの他に、加算演算器７７が出力するＭ軸電流指令値ｉ_M ^{* ,}に代わる励磁電流演算回路７６が出力するＭ軸電流指令値ｉ_M ^*と、磁束指令演算回路７４が出力する二次磁束指令値Φ₂ ^*とを新たに伝送している。

図２は、上述のベクトル制御にて多巻線電動機２の電流制御のみを行うときのベクトル制御回路２３ａの詳細回路構成図であり、Ｔ軸電流調節器７８，Ｍ軸電流調節器７９，２相／３相変換器８０，３相／２相変換器８５，８６それぞれは、上述の図１，４に示したものと同一の機能を有し、図１に示したベクトル制御回路１３ａから伝送されるＴ軸電流指令値ｉ_T ^*，Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*，角度値θ^* ，一次周波数指令値ω₁ ^*，二次磁束指令値Φ₂ ^*などの制御信号に基づくベクトル制御にて電流制御を行う。

さらにベクトル制御回路２３ａを形成する磁束演算器８７ａでは、前記数４式に従って導出されたＴ軸の誘起電圧値Ｅｔを前述の一次周波数指令値ω₁ ^*で除算演算することにより二次磁束推定値Φ₂＾を得ている。

また磁束調節器８９は、前記二次磁束指令値Φ₂ ^*と二次磁束推定値Φ₂＾との偏差を比例・積分演算あるいは比例・積分・微分演算等に基づいて零にする調節演算値を多巻線電動機２のＭ軸電流補正値Δｉ_M ^*として出力している。さらに加算演算器７７は、励磁
電流演算回路７５が出力するＭ軸電流指令値ｉ_M ^*と前記Ｍ軸電流補正値Δｉ_M ^*との加
算値を新たなＭ軸電流指令値ｉ_M ^{* ,}として出力している。

すなわち、このベクトル制御回路２３ａには、図５に示した従来のベクトル制御回路２３と同一の構成要素の他に、加算演算器７７，３相／２相変換器８６，誘起電圧磁束演算器８７での演算機能の一部を省略した磁束演算器８７ａ，磁束調節器８９それぞれが追加機能として装備されている。

従って、磁束調節器８９を備えたベクトル制御回路２３ａを用いることにより、一次巻線コイルが複数本の素線を同一経路に巻回して形成した多巻線電動機２などのような各巻線間の磁気結合による干渉が強い多巻線電動機においても、多巻線電動機２が発生する二次磁束をより安定な状態にすることができるので、多巻線電動機２の回転数が変動する現象や、一次電流が脈動する現象を抑制することが出来る。

なお、図３に示した第Ｎ電動機駆動装置３０におけるベクトル制御回路３３ａは、図２に示したベクトル制御回路２３ａと同一の動作を行っている。

１…交流電源、２…多巻線電動機、３…パルスゼネレータ、４〜６…スイッチ、１０…第１電動機駆動装置、２０…第２電動機駆動装置、３０…第Ｎ電動機駆動装置、１１，２１，３１…インバータ回路、１２，２２，３２…電流検出器、１３，２３，３３…ベクトル制御回路、１３ａ，２３ａ，３３ａ…ベクトル制御回路、７１…速度指令演算回路、７２…速度検出回路、７３…速度調節器、７４…磁束指令演算回路、７５…除算演算器、７６…励磁電流演算回路、７７…加算演算器、７８…Ｔ軸電流調節器、７９…Ｍ軸電流調節器、８０…２相／３相変換器、８１…すべり周波数演算器、８２，８３…加算演算器、８４…積分器、８５，８６…３相／２相変換器、８７…誘起電圧磁束演算器、８７ａ…磁束演算器，８８…軸ずれ補償器、８９…磁束調節器。

Claims (1)

1. 速度検出器を有する多巻線電動機の各巻線毎に電動機駆動装置を設け、前記速度検出器の速度検出値に基づいた速度制御と、ベクトル制御にて前記多巻線電動機の電流制御とを行うマスタ側の電動機駆動装置と、ベクトル制御にて前記多巻線電動機の電流制御を行うスレーブ側の電動機駆動装置とにより前記多巻線電動機を可変速駆動する電動機駆動装置において、
   前記マスタ側の電動機駆動装置からスレーブ側の電動機駆動装置に運転信号およびキャリア同期信号を送るとともに、このマスタ側の電動機駆動装置のベクトル制御回路で求められたＴ軸電流指令値ｉ_T ^*、Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*、磁束指令値φ₂ ^*、一次周波数指令値ω₁ ^*および角度値θ^*を送り、これらの指令値に基づいてスレーブ側の電動機駆動装置のベクトル制御回路において、前記Ｔ軸電流指令値ｉ_T ^*とＴ軸電流検出値ｉ_Tとの偏差を零にする調節演算を行うＴ軸電流調節演算、前記一次周波数指令値ω₁ ^*、Ｔ軸電圧検出値Ｖ_T、Ｍ軸電圧検出値Ｖ_M、Ｔ軸電流検出値ｉ _T 、Ｍ軸電流検出値ｉ _M から磁束推定値φ₂ ^{^}を演算する磁束演算、前記磁束指令値φ₂ ^*と前記磁束推定値φ₂ ^{^}との偏差からＭ軸電流補正値Δｉ_M ^*を演算する磁束調節演算および前記Ｍ軸電流指令値ｉ_M ^*とＭ軸電流検出値ｉ_Mとの偏差を零にする調節演算を行うＭ軸電流調節演算を行うようにしたことを特徴とする電動機駆動装置。

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