JPS5917630B2 - 同期電動機の可変速駆動方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、同期電動機の可変速駆動方式に関するもの
である。

近年、可変周波・可変電圧出力をもつサイリスタ変換装
置の登場と共に、交流電動機の高性能な可変速、駆動技
術が開発されつつある。

そして同期電動機について、供給電力が交流でありなが
ら、あたかも直流機であるかのように取り扱うことので
きる新しい速度制御システムとして、トランス５ ベク
トル制御システムが知られるに至つている。この発明は
、かかるトランスベクトル制御システムとして知られる
同期電動機の可変速駆動方式に関するものであるが、先
ずそのトランスベクトル制御システムについてその大要
を説明する。１０第１図は、同期電動機の交流理論に基
づくベクトル図（１相分、進み力率）である。

界磁巻線電流による磁束はψＦであるが、これに電機子
電流による反作用磁束φａが干渉して実質的に存在する
有効磁束はφとなる。電機子電流ｉを有効磁束１５ψと
同相成分１１と直交成分１２とに分解すれば、電動機の
発生トルクＴは次式で示される。Ｔ＝ＫＴ・ψ・ １２
・・・・・・・・・・・・（１）但し、ＫＴは定数、ま
た第１図においてＥ。

は加 無負荷誘起電圧、Ｅは端子電圧、δは磁極角であ
る。トランスベクトル制御の主題は、上記１）式におけ
る有効磁束ψとトルク成分電流１２を、界磁巻線電流や
電機子巻線電流など外部で観測できる量から各種の演算
によつて正確につかむことにある２５といえる。第２図
は、同期電動機のトランスベクトル制御システムの構成
例を示すブ頭ノク図である。

同図を参照する。同期電動機ＩＴの電機子は、３相電源
２０からサイクロコンバータの如き変換装置３０１５を
介して給電され、界磁は同じく３相電源２０からサイリ
スタ整流器の如き変換装置１６を介して励磁されている
。位置検出器１８は、同期電動機１７の回転磁極の位置
を電気磁気的に検出する装置であり、該検出器１８の出
力は磁極位置３５演算器１４において演算されてＳｌｎ
θおよびｃｏｓθが出力される（ここにθは、固定子中
心を原点とする或る座標軸に対する磁極の偏位角である
）。磁束演算器５は、同期機１７の電機子電流（Ｉａ，
ｉｂ，ｉＯ）、界磁電流１ｆおよび上記Ｓｌｎθ，ＣＯ
Ｓθを与えられて、同期電動機１７においてトルク発生
に寄与する有効磁束ψと、Ｓｌｎρ，ＣＯＳρおよびＣ
Ｏｓδを演算し出力する（ここにρは、固定子中心を原
点とする前記座標軸に対する有効磁束の偏位角であり、
δは磁極位置と有効磁束位置との偏位角つまり磁極角で
ある）。タコゼネレータ１９は、同期電動機１７の回転
速度ｎを検出して出力する。今、指令値入力端子２１か
ら、有効磁束について米の指令値ψ （米は指令値を表
わす）が入力されたとする。

すると該指令値ψ米と演算器５の出力である有効磁束ψ
とが比較され、その偏差が零となる方向で磁束調節器２
が磁化電流指令値１１ｔ＊を出力する。また指令値入力
端子２２から同期電動機の回転速度を指令する指令値ｎ
米が入力されたとすると、該ｎ米とタコゼ゛ネレータ１
９の出力ｎとが比較され、その差が零となる方向で速度
調節器１が、そのために必要なトルクの指令値Ｔ米を出
力する。割算器３は、前記（１）式に基づき、ト ニル
ク指令値Ｔ米を有効磁束ψにより割算してトルク成分電
流指令値１２米を算出する。ここにおいて、ψ，ψＩｌ
ｔ＊，Ｉ２米などはすべて直流量であり、いわばｉ〜は
直流機における界磁電流に、またＩ２米は電機子電流に
相当するといえる。電シ流指令演算器４は、これらの直
流量を実際に電動機に必要な交流電流の指令値１ａ＊，
Ｉｂ米，ＩＯ米およびＩｆ米に変換して出力する。電流
調節器６乃至は９は、指令値１ａ＊乃至１ｆ米と電機子
電流（１ａ乃至１。）および界磁電流Ｉｆをそれぞれ比
５較した結果の偏差が零となる方向で調節出力を生じる
。点弧角調整器１０乃至１３は、調節器出力を受けて変
換装置１５および１６を制御することにより、同期電動
機１７の電機子電流および界磁電流を所定の値に調節す
る。以上の如くして、同 ３期電動機のトランスベクト
ル制御システムにおいては、端子２１および２２から指
令値を直流で入力することにより、同期電動機の速度を
高性能に制御できるものである。次に磁束演算器５の詳
細を説明するが、それに ４先立ちベクトル諸量の座標
関係を明らかにしておく。

先ず交流三相量を空間回転ベクトルでとらえるために三
相の二相（軸）変換が行なわれるが、その関係を第３図
および第４図を参照して説明する。第３図は、固定子の
三相（Ａ，ｂ，ｃ）のうちａ相の巻線軸上にα軸、それ
と直交してβ軸をとり、第４図の三相正弦波形ψＡ，ψ
Ｂ，ψｏにおいて時点Ａにおける各瞬時量を、両軸上で
ψＡ，ψβとして二相に変換し表現したものであり、そ
の算式は次式で与えられている。

ψＡ，ψβはそれぞれα，β軸上で時間的に変化する量
であるが、対称で平衡な三相系では両者の合成量ψは、
時間的に大きさが変化せず、三相量の周波数で定まる速
さで回転する回転ベクトルとなる。

回転子上にも互いに直交するｄ−ｑ座標軸をとれば、固
定子、回転子ともに二軸で表現することが可能となる。
第５図は、このような空間回転座標を用いた諸量のベク
トル図である。

すなわちａ相中心と同軸のα軸とこれに直交するβ軸が
固定軸であり、磁極の中心線上にとつたｄ軸（磁極軸と
いうこともある）と、これに直交するｑ軸は回転軸であ
り、また有効磁束ψの方向にとつた１軸とこれに直交す
る２軸も回転軸である。角度θおよびρは電動機の回転
につれて変化する値であり、磁極角δは、ともに回転す
る座標系、ｄ−ｑ軸と１−２軸間の成す角であるから時
間的には変化しない。角度θは、例えば普通の無整流子
電動機と似た方法で磁極の電機子巻線に対する相対位置
として検出することができる（第２図の磁極位置検出器
１８、演算器４）。以上を順備説明として次に磁束演算
について説明する。一般に、磁束ψをｄ−ｑ軸座標系成
分ψＤ，ψ，（図示せず）で表示すると次の式で与えら
れる。

但しＧ，（Ｐ），Ｇｑ（Ｐ）：電動機の機器定数で決ま
る遅れ要素を含む項１ｄ，ｉｑ：ｄ−ｑ軸座標系成分で
表示した電機子電流１ｔ１１ｕ− １ また有効磁末ψと、α軸と１軸の成す角ρと、α軸と１
軸との成す磁極角δは次式で表わさ減る。

上記（４）乃至（９）式に基づいて構成された磁束演算
器のプロツク図を第６図に示す。第６図を参照する三相
／α・β軸座標変換器５１７は、各相電流１ａ，ｉｂ，
ｉ０を、上記（６）式に従つてα・β軸座標成分の電流
１ａ，ｉβに変換して出力する。

α・β／ｄ−ｑ軸座標変換器５２０は、Ｉａ，ｉβと磁
極位置演算器１４よりのＳｌｎθ，ＣＯｓθを入力され
ると、上記（５）式に従つてｄ−ｑ軸座標成分の電流１
ｄ，ｉｑに変換して出力する。ψｄ演算器５２１は、Ｉ
ｄ（５１ｆの和を入力されると、上記（４）式に従つて
ψｄを演算して出力する。ψ，演算器５２２も同様にＩ
ｑを入力され、ψ９を演算して出力する。ｄ−ｑ／α・
β軸変換器５２３は、磁極位置演算器１４よりＳｌｎθ
，ＣＯＳθを入力され、ｄ−ｑ軸座標成分の磁束ψＤ，
ψ，を上記（７）式に従つてα・β軸座標成分の磁束ψ
Ａ，ψβに変換して出力する。磁束成分演算器５１８は
、上記（３）式による演算を行なつて磁束ψ，Ｓｌｎθ
，ＣＯｓθを出力する。磁極角演算器５１９も上記（９
）式に示す演算を行なつてＣＯｓδ，Ｓｉｎδを出力す
る。次に電流指令演算器４の詳細を説明する。この演算
器は、第２図に示したように、磁束演算器５、磁束調節
器２および速度調節器１などから与えられる諸信号を入
力として、電機子および界磁の各巻線に供給すべき電流
を演算するものである。有効磁束ψは、電機子電流１の
うち１軸成分の電流１１で作られる磁束をψ１とすると
、第５図から明らかなようにとなり、ψＦは界磁巻線電
流１ｆで作られるから、有効磁束ψを作る有効な磁化電
流１１ｔは次式で示される。

ｉ１は正負の極性をとり、第５図の状態は１，〈０であ
る。従つて界磁巻線の電流がＩｆなる値多こある状態で
有効磁束ψを確保するため、すなわち所定の磁化電流１
〜（なお来は指令値を表わすものであることは先にも述
べた）を維持するために電機子側から供給すべき磁化電
流は次式となる。

電機子側のトルク成分電流の指令値１２米は、トルク指
令値Ｔ来から（１）式の関係を用いて演算されているか
ら、ｉ１米，Ｉ２米なる回転座標上の各指令値は、次式
に従つて固定のα・β軸上の指令値Ｉａｉβ米に変換さ
れる。

次いで次式に従つて最終的に必要な三相量に変換されて
電機子電流の指令値１ａ米，Ｉｂ米，ＩＯ米となる。

次に界磁巻線に供給すべき電流１ｆ米を決定する。

第５図を参照して１・２軸系からみた電機子反作用磁束
ψ１，ψ２は電流１１，ｉ２で作られ、また有効磁束ψ
の磁化電流はＩｌｔであるから、これらの電流（起磁力
）と界磁巻線電流１ｆとの間には次式の関係がある。一
方、電動機の端子電圧を含めた第１図のベクトル図を参
照して力率角τに注目すると、電機子電流１のうちのＩ
，成分を零にすれば、定常状態の電動機の力率は１００
％となる。

Ｉｉ＝０とするには、とりもなおさず上式でｉ１＝０と
すればよいから、界磁巻線に供給すべき電流の指令値を
次式のように求める。上記σ０）乃至０３）式に基づい
て構成された電流指令演算器のプロツク図を第７図に示
す。

第７図を参照する。

掛算器５２４は、界磁電流１ｆと磁束演算器５よりのＣ
Ｏｓδを掛算してその結果１ｆＣ０Ｓδを出力する。こ
の出力値と磁化電流指令値リ米とが上記（自）式に従つ
て減算されることにより磁化電流指令値１１米が作られ
る。１・２／α・β軸座標変換器５２５は、上述の磁化
電流指令値１１とトルク成分電流指令値１２米と磁束演
算器５よりのＳｌｎρ，ＣＯｓρとを入力され、上記ａ
ｌ）による演算を行なつてα・β軸上に変換されたＩａ
＊，ｌβ来を出力する。

次にα・β／三相座標変換器５２７が、これらＩａ＊，
ｉβ米を上記（自）式に従つて、最終的に必要な三相量
１ａｉｂ米，ＩＯ米に変換して出力する。また界磁電流
指令演算器５２６は上記（自）式による演算を行なつて
界磁電流指令値を出力する。以上、概要を説明したこと
により、トランスベクトル制御システムとして知られる
同期電動機の可変速駆動方式が理解できたと思われる。

ところで、かかる従来の駆動方式は、上述の概要説明か
らも明らかなように、多数の座標変換器を必要とし回路
構成が複雑であるという欠点があつた。この発明は、か
かる欠点を除去するためになされたものであり、従つて
この発明の目的は、可能な限り座標変換器の所要個数を
減じた同期電動機の可変速，駆動方式を提供することに
ある。この発明は、従来の同期電動機町変速駆動方式に
おいては所要の磁束演算を、電機子電流および界磁電流
の実際値に基づいて行なつているが、もともと電流指令
演算器よりの指令値と上記実際値とは一致するように制
御されるものであること、先に第２図を参照して説明し
たとおりであるから、それならば所要の磁束演算を、実
際値に代えて指令値に基づいても行ない得るという着想
に従つてなされたものである。それ故、この発明の構成
の要点は、同期電動機可変速駆動方式における磁束演算
器において、電流指令演算器よりの指令値に基づいて所
要の演算を行なうように構成した点にある。次に図を参
照してこの発明の実施例を説明する。

第８図はこの発明の一実施例要部を示すプロツク図であ
る。同図は、この発明の同期電動機可変速駆動方式にお
ける磁束演算器の構成例を示すプロ・ツク図であるが、
第６図と対比すれば明らかなように、所定の磁束演算が
、電機子電流、界磁電流の実際値１ａ，ｉｂ，ｉ０およ
びＩｆでなく、電流指令演算器４の座標変換器５２５（
第７図）より出力される指令値１ａ米，ｉ′および界磁
電流指令演算器５２６よりの指令値１ｆ米に基づいて行
なわれていることが理解できるであろう。またそのため
に、第６図では必要であつた三相／α・β軸座標変換器
５１７が第８図では不要になつている。第８図の動作説
明は第６図のそれと変わるところがない。第９図は、こ
の発明の他の実施例要部を示すプロツク図である。

同図は、この発明の同期電動機可変速駆動方式における
磁束演算器の他の構成例を示すプロツク図であるが、第
８図と対比すると、同じ電流指令演算器４よりの指令値
であつても、今度はＩｒ，ｉβ米でなく Ｉ，ｉ２米を
用いている点が相違する。そのためα・β／ｄ−ｑ軸座
標変換器５２０の代りに１・２／ｄ−ｑ軸座標変換器５
２８を用いることになる。この変換器における演算式は
次式で表わされる。第６図に比較すれば座標変換器５１
７が不要になる。

第１０図は、この発明の更に別の実施例要部を示すプロ
ツク図である。

同図は磁束演算器の更に別の構成例を示すプロツク図で
ある。磁束ψは１・２軸座標系で表示すると次の如くな
る。

磁束演算器５２９は、上記Ａａ式による演算を行なつて
指令値１１米，Ｉ２米，Ｉｆ米等から磁束ψを出力する
ことができる。

また１・２／α・β軸座標変換器５２５は上記（自）式
によりψをψ。とψβに変換することができる。第１０
図の構成も第６図に比し簡単化されていることが理解で
きるであろう。以上説明したとおりであるから、この発
明によれば、磁束演算器における座標変換器の個数を減
らせるのでそれだけコストを低減できるという利点があ
る。

また従来のように演算に電流実際値を用いると、同期機
に給電するサイリスタ変換装置の整流リプルに起因する
リプルが電流に含まれているため、これを除去するフイ
ルタが必要になるが、この発明のように指令値を用いる
と、指令値には一般にリプルが含まれていないから、フ
イルタの必要はなく、それだけ更にコストを低減でぎる
という利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、同期電動機の交流理論に基づくベクトル図、
第２図は同期電動機のトランスベクトル制御システムの
構成例を示すプロツク図、第３図は対称三相量の２軸成
分への変換関係を説明する説明図、第４図は三相交流の
波形図、第５図はベクトル諸量の座標関係を示すベクト
ル図、第６図は磁束演算器を示すプロツク図、第７図は
電流指令演算器を示すプロツク図、第８図はこの発明の
一実施例要部を示すプロツク図、第９図はこの発明の他
の実施例要部を示すプロツク図、第１０図はこの発明の
更に別の実施例要部を示すプロツク図である。 図において、１は速度調節器、２は磁末調節器、３は割
算器、４は電流指令演算器、５は磁束演算器、６乃至９
はそれぞれ電流調節器、１０乃至１３はそれぞれ点弧角
調整器、１４は磁極位置演算器、１５は変換装置（例え
ばサイクロコンバータ）、１６は界磁用変換装置、１７
は同期電動機、１８は磁極位置検出器、１９はタコゼネ
レータ、２０は３相交流電源、２１と２２はそれぞれ指
令値入力端子、５１７は三相／α・β軸座標変換器、５
１８は磁束成分演算器、５１９は磁極角演算器、５２０
はα・β／ｄ−ｑ軸座標変換器、５２１はψ，演算器、
５２３はｄ−ｑ／α・β軸変換器、５２４は掛算器、５
２５は１・２／α・β軸座標変換器、５２６は界磁電流
指令演算器、５２７はα・β／三相座標変換器、５２８
は１・２／ｄ・ｑ軸座標変換器、５２９は磁束演算器、
を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同期電動機のトルク発生に寄与する有効磁束を算出
   する磁束演算器と、該演算器により算出された有効磁束
   と外部から指令される有効磁束の指令値およびトルクの
   指令値に基づき同期電動機の運転上実際に必要な電機子
   電流、界磁電流を算出して指令する電流指令演算器と、
   該演算器よりの電流指令値に基づき電動機の電機子電流
   、界磁電流を制御する調節手段とを備えて成る同期電動
   機の可変速駆動方式において、前記磁束演算器が、電流
   指令演算器よりの電機子電流および界磁電流の指令値に
   基づき所定の磁束演算を行なうにしたことを特徴とする
   同期電動機の可変速駆動方式。