JP6032809B2 - 永久磁石同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の永久磁石同期電動機の並列運転を制御する永久磁石同期電動機の制御装置に関する。

誘導電動機は、高信頼性を有し、構造が簡単であり、低価格であるため、クレーンなどの一般産業用機械に広く用いられ、中型、大型のモータでは他のモータに比べ、使用個数や電力容量の総量が最も多い。

図８は、複数のインバータ１０１ａ〜１０１ｃにより複数の誘導電動機（ＩＭ：Induction motor）１０３ａ〜１０３ｃを駆動する従来の駆動システムを示している。ファン・ブロアの駆動などの複数の電動機を駆動するシステムでは、装置の小型化、軽量化、低コスト化の観点から、図９に示すように、１つのインバータ１０１ｄにより複数の誘導電動機１０３ａ〜１０３ｃを駆動するシステムが用いられている。

誘導電動機において、１つのインバータ１０１ｄにより複数の誘導電動機を１０３ａ〜１０３ｃを駆動できる理由は、誘導電動機がすべりを持つためであり、このすべりにより誘導電動機はトルクを得ている。誘導電動機は、この特性上、並列運転した際には、すべりにより各々の誘導電動機が同一の回転速度に収束する。

一方、永久磁石同期電動機は、誘導電動機と比べて、容量範囲に限らず、高効率であるとともに、小型であるため、近年、省エネルギー化の観点から広く用いられている。

特開２０１０−２２１８４号公報

しかしながら、誘導電動機における並列運転技術を永久磁石同期電動機に適用した場合には、永久磁石同期電動機の原理・構造上、１台のインバータにより永久磁石同期電動機を並列運転することができない。即ち、永久磁石同期電動機では、磁極位置に応じて電流を制御しなければならないため、１台のインバータで永久磁石同期電動機を並列運転することができない。

また、永久磁石同期電動機は、本質的にＶ（電圧）／ｆ（周波数）制御で駆動されると、同期リアクタンスとの慣性モーメントの共振により、負荷トルク振動が発生する。この負荷トルク振動が乱調と呼ばれる負荷角の振動及びトルク回転速度の振動として現れる。この負荷角の振動により負荷トルクが脱出トルクを超えて、脱調が起きる。このため、複数の永久磁石同期電動機を並列運転するためには、トルク振動をいかに抑制するかが重要となる。

本発明は、複数の永久磁石同期電動機を駆動でき、トルク振動を抑制することができる永久磁石同期電動機の制御装置を提供することにある。

本発明の永久磁石同期電動機の制御装置は、各々が主巻線と補助巻線とを有する複数の永久磁石同期電動機と、前記複数の永久磁石同期電動機の各々に有する前記主巻線に接続された主インバータと、前記複数の永久磁石同期電動機に対応して設けられ、前記永久磁石同期電動機に有する前記補助巻線に接続され、前記補助巻線を介して前記永久磁石同期電動機の負荷角の変動による乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を前記永久磁石同期電動機に流す複数の補助インバータとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、主インバータにより複数の永久磁石同期電動機を駆動でき、複数の補助インバータにより、補助巻線を介して永久磁石同期電動機の負荷角の変動による乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を永久磁石同期電動機に流すので、振動トルクを相殺することができ、トルク振動を抑制することができる。

本発明の実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置の構成ブロック図である。 本発明の実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置に設けられた主インバータ制御部及び補助インバータ制御部の詳細な構成ブロック図である。 図２に示す補助インバータ制御部に設けられたダンピング制御部によるダンピング制御ブロックを示す図である。 単独運転時のダンピング制御適用前のモータ加速時におけるシミュレーション結果を示す図である。 単独運転時のダンピング制御適用後のモータ加速時におけるシミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション条件を示す図である。 ダンピング制御を適用した並列運転時のシミュレーション結果を示す図である。 複数のインバータで複数の誘導電動機を駆動する従来の駆動システムを示す構成ブロック図である。 １つのインバータで複数の誘導電動機を駆動する従来の駆動システムを示す構成ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態の永久磁石同期電動機の制御装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置の構成ブロック図である。実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置は、１つの主インバータとｎ（ｎ≧２の整数）個の補助インバータとを用いて、ｎ個の永久磁石同期電動機を駆動することを特徴とする。図１に示す実施例１では、ｎを３個とした例を示している。ｎは３に限定されるものではない。

図１に示す永久磁石同期電動機の制御装置は、１つの主インバータ１と、補助インバータ３ａ〜３ｃと、３つの永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃとを備える。

永久磁石同期電動機５ａは、主インバータ１に接続される主巻線７ａと補助インバータ３ａに接続されるダンピング制御用の補助巻線９ａと有する。永久磁石同期電動機５ｂは、主インバータ１に接続される主巻線７ｂと補助インバータ３ｂに接続されるダンピング制御用の補助巻線９ｂと有する。永久磁石同期電動機５ｃは、主インバータ１に接続される主巻線７ｃと補助インバータ３ｃに接続されるダンピング制御用の補助巻線９ｃと有する。

主インバータ１は、大容量であり、複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃを群運転し、Ｖ／ｆ制御により複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃを並列運転する。Ｖ／ｆ制御は、センサを必要とせず、オープンループで永久磁石同期電動機を駆動するため、ベクトル制御よりも複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃの並列運転が容易になる。

補助インバータ３ａ〜３ｃは、補助巻線９ａ〜９ｃを介して乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃに流すことで、乱調による振動トルクを相殺する。具体的には、補助インバータ３ａ〜３ｃは、ベクトル制御により、個別に電流制御を行い、速度制御器をダンピング制御器として動作させ、即ち、補助巻線９ａ〜９ｃを介してダンピング制御を行い、乱調を抑制する。

補助巻線９ａ〜９ｃは、主巻線７ａ〜７ｃに対して、十分に小さい定格容量に設計され、補助インバータ３ａ〜３ｃは、主インバータ１に対して、十分に小さい定格容量に設計されている。

従って、実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置は、出力トルク及び回転速度に乱調が発生せず、並列運転を行うことができる。

なお、各々の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃに付随する補助インバータ３ａ〜３ｃが各々の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃで生じる乱調を抑制するため、３つ以上の永久磁石同期電動機を並列運転させても、同様のシステムにより装置の安定化が図れる。

このため、実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置は、１台の永久磁石同期電動機に中容量のインバータを接続するシステムに比較して、大容量の１つの主インバータ１に複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃを接続し、小容量の補助インバータ３ａ〜３ｃを接続することでシステムの低コスト化が図れる。

図２は、本発明の実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置に設けられた主インバータ制御部及び補助インバータ制御部の詳細な構成ブロック図である。

主インバータ制御部１１は、主インバータ１をＶ／ｆ制御するもので、速度指令ω^жをｆ／Ｖ変換部１１１により指示電圧ｖ_γδ ^жに変換し、速度指令ω^жを微分（１／ｓ）して指示角度θ_γδを求め、指示電圧ｖ_γδ ^ж及び指示角度θ_γδをγδ／３φ変換部１１５によりｕ相ｖ相ｗ相の３相の三相指示電圧ｖum、ｖwm、ｖvmに変換して、三相指示電圧ｖum、ｖwm、ｖvmを主インバータ１に供給する。

パルス発生器(ＰＳ)１５は、永久磁石同期電動機５の磁極位置及び回転角速度に応じてパルスを発生し、発生したパルスに応じた磁極位置検出値θをｄｑ／ｕｖｗ変換部１３４及びｄｑ／ｕｖｗ変換部１４９に出力し、回転角速度ωを加算器１３１に出力する。

補助インバータ制御部１３は、ｄ軸及びｑ軸の２軸により補助インバータ３をベクトル制御する。各々の補助インバータ３の座標軸は、通常のベクトル制御と同じく、ｄ軸を磁束ベクトルの方向と一致させる。ｄ軸電流指令値ｉｄ^жは、最大効率運転を実現するように制御する方法もあるが、ここでは簡単のためｄ軸電流指令値ｉｄ^жをゼロとする。ｑ軸電流指令値ｉｑ^жは、トルクの振動を抑制するため、磁極位置の変動分に応じて逆方向にカウンターを与える。

図３は、図２に示す補助インバータ制御部に設けられたダンピング制御部によるダンピング制御ブロックを示す図である。図３（ａ）に示すダンピング制御では、加算器１９により磁極位置指令θ^жと磁極位置検出値θとの差δを求め、この差δを１次遅れ微分要素及び積分要素を持つ伝達関数２１により擬似微分して、磁極位置の変動分を取り出す。さらに、磁極位置の変動分に比例ゲインＫｄを乗算し、ｄ軸電流指令値ｉｑ^жを得る。

しかし、図３（ａ）に示すダンピング制御方法は、位置情報を微分するため、ノイズの影響を受け易いという問題や擬似微分による帯域の制限がある。

そこで、図２に示す補助インバータ制御部１３では、磁極位置の微分が速度であることに着目し、図３（ｂ）及び補助インバータ制御部１３に示すように、速度情報を用いて、加算器１３１は、角速度指令ω^жからパルス発生器(ＰＳ)１５からの回転角速度ωを減算し、得られた偏差Δωをダンピング制御部１３３に出力する。

ダンピング制御部１３３は、加算器１３１からの偏差ΔωにダンピングゲインＫｄを乗算してｑ軸電流指令値ｉｑ^жを得る。ここで、ダンピング制御は、速度制御器（ＡＣＲ）と同様の構成になるが、制御器を比例制御器とすることで、Ｖ／ｆ制御が設定する速度指令に対して、変動分のみを補償する形で動作する。

ここでは、磁束情報は、簡単のため、センサ付きを仮定するが、センサレスベクトル制御の技術を用いて、推定することもできる。

電流検出器１７は、補助インバータ３に流れる三相電流ｉu，ｉw，ｉvを検出し、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１３４に出力する。ｄｑ／ｕｖｗ変換部１３４は、三相電流ｉu，ｉw，ｉvをｄ軸電流検出値ｉｄとｑ軸電流検出値ｉｑに変換し、ｄ軸電流検出値ｉｄを加算器１３７に出力し、ｑ軸電流検出値ｉｑを加算器１３５に出力する。

加算器１３７は、ｄ軸電流指令値ｉｄ^жからｄ軸電流検出値ｉｄを減算し、減算出力をＡＣＲ１４１とデカプリング制御部１３９に出力する。加算器１３５は、ｑ軸電流指令値ｉｑ^жからｑ軸電流検出値ｉｑを減算し、減算出力をＡＣＲ１４３とデカプリング制御部１３９に出力する。

加算器１４５は、ＡＣＲ１４１の出力からデカプリング制御部１３９の出力を減算し、減算出力をｄ軸指示電圧ｖｄ^ж としてｄｑ／ｕｖｗ変換部１４９に出力する。加算器１４７は、ＡＣＲ１４３の出力とデカプリング制御部１３９の出力とを加算し、加算出力をｑ軸指示電圧ｖｑ^жとしてｄｑ／ｕｖｗ変換部１４９に出力する。

ｄｑ／ｕｖｗ変換部１４９は、ｄ軸指示電圧ｖｄ^ж及びｑ軸指示電圧ｖｑ^жをｕｖｗ変換して、ｕ相ｖ相ｗ相の３相の三相指示電圧ｖua、ｖwa、ｖvaに変換して、三相指示電圧ｖua、ｖwa、ｖvaを補助インバータ３に供給する。

図４は、単独運転時のダンピング制御適用前のモータ加速時におけるシミュレーション結果を示す図である。図５は、単独運転時のダンピング制御適用後のモータ加速時におけるシミュレーション結果を示す図である。図６は、シミュレーション条件を示す図である。

図５に示すダンピング制御を適用した後のシミュレーションでは、負荷として定トルク負荷３５Ｎｍ（１ｐ．ｕ．） を加速時間が終了した後に加算している。加速時間は、定格加速時間の０．１６４ｓとした。

図４に示すダンピング制御を適用する前では、加速開始直後から乱調による負荷角が振動することで、トルクと回転速度に振動が発生している。

一方、図５に示すダンピング制御を適用した後は、加速開始直後に負荷角の振動が見られるが、ダンピング制御により振動が収束していることがわかる。その結果、トルク及び回転速度の振動は、抑制され、回転速度は速度指令に追従している。

また、定格トルクを加速時間が終了した後に印加し、負荷変動が生じた際にもダンピング制御によるトルクおよび速度変動が抑制された。これにより、ダンピング制御により乱調の抑制が可能であることが確認できる。

補助インバータが乱調発生時にのみ動作しているか確認するために、出力トルクＴと主インバータ１のｄｑ軸電流寄与のトルクＴｍと補助インバータ３ａ〜３ｃのｄｑ軸電流寄与のトルク（ダンピングトルク）ＴDに着目する。

図５から、主インバータ１のｄｑ軸電流寄与のトルクＴｍにダンピングトルクＴDを加算することで、トルクＴに振動が発生した際に、ダンピングトルクＴDが振動を打ち消すように生じていることが確認できる。

図７は、ダンピング制御を適用した並列運転時のシミュレーション結果を示す図である。キャプションのサフィックスは、２台の永久磁石同期電動機を区別するためにそれぞれ１，２を付けている。例えば、回転速度ω１，ω２、トルクＴ１，Ｔ２、補助出力電圧Ｐ１，Ｐ２である。

なお、シミュレーション条件は、永久磁石同期電動機を単独運転する時と同一である。しかし、２台の永久磁石同期電動機を並列運転しているため、出力電力は２台の永久磁石同期電動機の定格出力の合計で基準化している。加速時間は、０．１６４ｓとした。

ダンピング制御を適用した時には、単独運転時と同様に加速を開始した後にトルクや回転速度に乱調が発生する。しかし、その後、収束している。

また、定格回転速度まで到達した後、異なるタイミングで各々の永久磁石同期電動機に定格トルクを入力した場合、負荷変動は生じるが、問題なく安定動作している。

さらに、同時に負荷バランスが異なる場合でも並列運転が行える。振動が収束した後には、補助インバータは動作していないため、乱調発生時にのみ補助インバータが動作していることを確認でき、単独運転時と同様の効果が得られる。また、永久磁石同期電動機を加速中でも乱調を抑制し、安定な動作が可能であることを確認できる。

出力電力に着目すると、並列運転しているため、主インバータ１の出力電圧は、定格出力の２倍の電力（１ｐ．ｕ．）を出力しているのに対して、補助インバータの出力電力は、それぞれ最大で０．２５ｐ．ｕ．出力している。

単独運転時の結果と比較すると、永久磁石同期電動機の並列台数の増加とともに主インバータ１の容量は増加してしまうが、補助インバータの容量は変化しないことがわかる。

さらに、単独運転時と同様にダンピングゲインＫｄを調整することによって、各補助インバータの出力電力、電流は変化するため、各補助インバータの容量は、主インバータ１に比べて、２５％以下の容量で構成することができる。

これは、並列台数が増えても同様であるため、並列台数の増加に伴い、主インバータ１と比較して各補助インバータを小容量で構成できることがわかる。

なお、並列台数が３台以上の場合でも同様に並列運転が可能なことをシミューレーションで確認している。各々の永久磁石同期電動機でダンピング制御を行うことで乱調を抑制しているため、並列台数に制限はない。

このように実施例１の永久磁石同期電動機の制御装置によれば、主インバータ１により複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃを駆動でき、複数の補助インバータ３ａ〜３ｃにより、補助巻線９ａ〜９ｃを介して永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃの負荷角の変動による乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃに流すので、振動トルクを相殺することができ、トルク振動を抑制することができる。

主インバータ１は、Ｖ／ｆ制御により複数の永久磁石同期電動機５ａ〜５ｃを並列運転し、補助インバータ３ａ〜３ｃは、ベクトル制御により個別に電流制御を行い、速度制御器をダンピング制御器として動作させることにより補助巻線９ａ〜９ｃを介してダンピング制御を行い、乱調を抑制することができる。

具体的には、加算器１３１が角速度指令ω^жと永久磁石同期電動機の回転角速度ωとの偏差Δωを求め、ダンピング制御部１３３が加算器１３１で得られた偏差ΔωにダンピングゲインＫｄを乗算してｑ軸電流指令値ｉｑ^жを得るので、このダンピングゲインＫｄを調整することによって、各補助インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧、電流を調整することができる。即ち、ダンピング制御を行い、乱調を抑制することができる。

１ 主インバータ
３，３ａ〜３ｃ 補助インバータ
５，５ａ〜５ｃ 永久磁石同期電動機（ＰＭ）
７，７ａ〜７ｃ 主巻線
９，９ａ〜９ｃ 補助巻線
１１ 主インバータ制御部
１３ 補助インバータ制御部
１５ パルス発生器
１７ 電流検出器
１９，１３１，１３５，１３７，１４５，１４７ 加算器
１１１ ｆ／Ｖ変換部
１１５ ｒδ／３φ変換部
１３３ ダンピング制御部
１３４，１４９ ｄｑ／ｕｖｗ変換部

Claims (3)

1. 各々が主巻線と補助巻線とを有する複数の永久磁石同期電動機と、
   前記複数の永久磁石同期電動機の各々に有する前記主巻線に接続された主インバータと、
   前記複数の永久磁石同期電動機に対応して設けられ、前記永久磁石同期電動機に有する前記補助巻線に接続され、前記補助巻線を介して前記永久磁石同期電動機の負荷角の変動による乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を前記永久磁石同期電動機に流す複数の補助インバータと、
   を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 電圧／周波数制御により前記主インバータを制御して、前記複数の永久磁石同期電動機を並列運転させる主インバータ制御部と、
   前記複数の補助インバータに対応して設けられ、前記補助巻線を介してベクトル制御及びダンピング制御により前記補助インバータに流す電流を個別に制御して、前記乱調により生じるトルク振動を打ち消すトルクを発生させる電流を前記永久磁石同期電動機に流す複数の補助インバータ制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記複数の補助インバータ制御部の各々は、
   前記補助インバータに流れる三相電流をｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に変換する第１のｄｑ／ｕｖｗ変換部と、
   角速度指令と前記永久磁石同期電動機の回転角速度との偏差を求める加算器と、
   前記加算器で得られた前記偏差にダンピングゲインを乗算してｑ軸電流指令値を得るダンピング制御部と、
   ｄ軸電流指令値及び前記ｄ軸電流検出値に基づき求められるｄ軸指示電圧と前記ｑ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流検出値に基づき求められるｑ軸指示電圧とを、三相指示電圧に変換して前記補助インバータに供給する第２のｄｑ／ｕｖｗ変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の永久磁石同期電動機の制御装置。

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