JPH02246789A - 突極形同期電動機の可変速駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、界磁電流制御による同期電動機の可変速駆動
方式にかかり、特に突棒形同期電動機において、有効磁
束を一定に維持し、かつ力率１００％の運転を可能にす
る同期電動機の可変速駆動方式に関する。

（従来の技術） 〈１〉ベクトル制御の基本原理 まず、同期電動機のベクトル制御システムについて大要
を説明する。

第２図は同期電動機の１相分（進み力率）のベクトル図
である。同期電動機では、界磁電流による磁束ψＦと電
機子電流ｉによる反作用磁束ｖ１１とのベクトル和が実
際に存在する有効磁束ψとなる。

電機子電流ｉを有効磁束中と同相成分（磁化電流）ｉｘ
と、直交成分（トルク電流）ｉＴ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＝Ｋｒ・ψ・ｉＴ　　　　　　　・・・（１）（Ｋ　
Ｔ　：定数、ψ：ψの大きさ、Ｉｒ：ｉｒの大きさ）な
お、第２図においてＥｏは無負荷誘起電圧。

亡は端子電圧、δは磁極角、τは力率角である。

第３図は、同期電動機のベクトル制御システムの構成例
を示すブロック図である。同図において、同期電動機１
７の電機子巻線、界磁巻線には三相電源２０から変換装
置１５．１６を介して給電されている。

位置検出器１８は同期電動機１７の回転磁極の位置を電
気磁気的に検出し、この検出値に基づき磁極位置演算器
１４がｓｉｎθ及びｅＯ８θを出力する。ここにθは、
固定子（電機子）中心を原点とする固定座標系の基準軸
に対する磁極軸の偏位角である。

磁束演算器５は、電機子電流ｉ　ａ、　ｉ　ｂ、　ｉ　
ｏ、界磁電流ｉｆ及び上記ｓｉｎθ、ｃｏｓθに基づき
、有効磁束ψ、　ｓｉｎρ、ｃｏｓρ及びｅｏ１１δを
演算して出力する。

ここにρは前記固定座標系の基準軸に対する有効磁束軸
の偏位角であり、δは磁極位置と有効磁束位置との変位
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。いま、指令値入力端子２１から有効
磁束指令値？”（拳は指令値を表わす）が入力されたと
すると、該指令値Ｖ＊と磁束演算器Ｓの出力である有効
磁束マとが比較され、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ｉ＃″を出力する。また、この
とき指令値入力端子２２から回転速度指令値ｎｌ′が入
力されると、該ｎ＊とタコゼネレータ１９の出力である
回転速度ｎとが比較され、その差が零となる方向で速度
調節器１がトルク指令値Ｔ”を出力する。

割算器３は、前記（１）式に基づきトルク指令値Ｔ６を
有効磁束ψで除算してトルク電流指令値ｉＴ１を算出す
る。ココテ、ＩＶ　＋’Ｆ”ｌｉｐ　、１ｒ１１ハすべ
て直流量であり、いわばｉ％”、ｉＴ”は直流機におけ
る界磁電流、電機子電流にそれぞれ相当する。

電流指令演算器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　、ｌｂ”＋ｌｃ”及びｉｆ
″に変換して出力する。

電流調節器６〜８及び９は、上記指令値ｉ♂〜ｉｏ”及
びｉｆｌ＋と実際値ｉａ〜ｉｃ及びｉｆとをそれぞれ比
較し、偏差が零となる方向で調節出力を生じる。゛点弧
角調整器１０〜１２及び１３は、各調節器６〜８及び９
の出力を受けて変換装置１５及び１６を制御することに
より、電機子電流ｉａ”ｉｏ及び界磁電流ｉｆを所定の
値に調節する。

以上のようにベクトル制御システムによれば、端子２１
及び２２から指令値を直流で入力することにより、同期
電動機１７の速度を高性能に制御することができる。

く２〉座標変換の概要 次に磁束演算器５の詳細を説明するために、まず、三相
／二相変換について説明する。

第４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５図の三相正弦波形マａ、ψｂ、マＣにおいて時点Ａ
における各瞬時量を、両軸上でψα、Ｖ、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。

？、＝＋　　（ｖ、−４ｖｂ−４ｖｃ＋）　　　　　　
−（２）ψβ：暑岬Ｗｂ俣←Ｃ）　　　・・・（３）こ
こで、ψα、ψβはそれぞれα、β軸上で時間的に変化
する量であるが、対称平衡三相系では両者の合成量ψは
、時間的に大きさが不変で、かつ三相量の周波数で定ま
る速さで回転する回転ベクトルどなる。

また、回転子上にも互いに直交するｃｔ−ｑ軸回転座標
をとれば、固定子（電機子）１回転子ともに２軸で表現
することが可能となる。ここで、ｄ軸は磁極の中心線上
にとり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向にとるものとする。

第６図は、ｄ−ｑ軸回転座標系をα−β軸固定座櫟系と
関連させた諸量のベクトル図である。なお。

同図では有効磁束中の方向をＭ軸とし、これに直交する
方向をＴ軸とするＭ−Ｔ軸回転座標も併記しである。

同図において、角度θ及びρの値は同期電動機の回転に
つれて変化するが、磁極角δの値は時間的には変化しな
い。なお、角度０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３図の磁極位置検出器１８．電流
指令演算器４参照）。

以上を準備説明として、次に磁束演算について説明する
。

一般に、磁束ψをｃｔ−ｑ軸回転座標における成分ｖｄ
ｌｖｑで表示すると、 角とＭ軸とのなす磁極角δは次式で与えられる。

となる、但し。

Ｇｄ＜ρ＞、　ＧＱ（Ｐ）：電動機の機器定数で決まる
遅れ要素を含む項、ｉｄ、ｘｑ：ｄ＋９軸座標系成分で
表示した電機子電流、ｉｆ＝界磁電流、ｐ：微分演算子
である。このとき、ｉｃｉ、ｉｑは、第６図かられかる
ように。

である。なお、上式のｉα＋１１及びψα＋ＶＳは、で
ある。

また有効磁束ψ、α軸とＭ軸とのなす角ρ、ｄく３〉磁
束演算器５の詳細 上記（４）〜（９）式に基づいて構成された第３図の磁
束演算器５のブロック図を第７図に示す。

第７図において、三相／二相変換器５１は、三相電流Ｌ
ａ、４ｂ、１０を上記（６）式に従ってα−β軸固定座
標成分の電流ｉａ＠ｉ−に変換して出力する。

α−β／ｄ−ｑ座標変換器５２は、ｉａ＠ｉβと磁極位
置演算器１４からのｓｉｎθ、　ｃｏｓθとを入力し上
記（５）式にしたがってｄ＋ｑ軸座標成分の電流ｉｄ、
ｉｑに変換して出力する。マｄ演算器５３は、ｉｄとｉ
ｆとの和を入力し、上記（４）式にしたがってψｄを演
算して出力する。ｖ９演算器５４も同様にｉｑを入力し
、Ｖ、を演算して出力する６ ｄ−ｑ／α−β座標変換器５５は、上記ψｄ、曹ｑと磁
極位置演算器１４からのｓｉｎθ、　ｃｏｓθとを入力
し、磁束マｄ、マｑを上記（７）式に従ってα、β軸座
標成分の磁束ψα、Ｖβに変換する。磁束成分演算器５
６は、上記（８）式による演算を行ってＶ、ｓｉｎρ、
　ｃ。

Ｓρを出力する。磁極自演算器５７も上記（９）式に示
す演算を行ってｅ０８δ、　ｓｉｎδを出力する。

〈４〉電流指令演算器４の詳細 次に電流指令演算器４の詳細を説明する。この演算器４
は、第３図に示したように磁束演算ｇ＃５、磁束調節器
２及び割算器３などから与えられる諸信号を入力として
、電機子及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、電機子電流のうちＭ軸成分の電流ｉＭで
作られる磁束を’Ｖｓとすると、第６図から明らかなよ
うに。

ｖ：　’Ｐ　Ｆｃｏｓδ＋ψＮ である。ＶＦは界磁巻線電流ｉ！で作られるので、有効
磁束ψを作る磁化電流ｉμは、 ｉ　ｐ＝　ｉ　ｆｅａｓδ＋ｉｎ で示される。ｉＭは正負の極性をとり、第６図の状態は
ｉＭ〈Ｏである。

従って界磁巻線の電流がｉｆなる値にある状態で有効磁
束ψを確保するため、すなわち所定の磁化電流指令値ｉ
μｍを維持するために電機子側から供給すべき磁化電流
指令値ｉＮ″は次式となる。

ｉ　Ｍ”＝　ｉ　Ｊ＆　−ｉ　ｆｅｏｓδ　　　　−（
１０）電機子側のトルク成分電流の指令値ｉＴ８は、ト
ルク指令値Ｔ８から（１）式の関係を用いて演算されて
いるので、ｉ　Ｎ”、　ｉ　Ｔ”なるＭ−Ｔ軸回転座標
上の各指令値は次式に従ってα−β軸固定座標上の指令
値Ｌ　ａ’Ｈｉ　ｇ”に変換される。

次いで１次式に従って最終的に必要な三相量に変換され
て以下に示す電機子電流の指令値Ｌａ。

ｉｂ’、ｉｏ”となる。

次に、界磁巻線に供給するべき電流の指令値（界磁電流
指令値）ｉげの決定について説明する。

上記（１０）式より次式が成立する。

ｉμ＝　ｉ　ｆｃｏｓδ＋ｉに 一方、電動機の端子電圧を含めた第２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ｉのＭ軸成
分ＩＮを零にすれば、定常状態の電動機の力率は１００
％となる。ｌ５＝Ｏとするには。

とりもなおさず上式において１ｘ＝Ｑとすればよいから
、界磁電流指令値ｉｆ１′を次式に従い求める。

全演算器４のブロック図を第８図に示す。

第８図において、掛算器４Ｉは界磁電流ｉｒと磁束演算
器５からのＣｏｓδを掛算してその結果ｉ　ｔｃ。

Ｓδを出力する。この出力値と磁化電流指令値ｉμｍと
が減算器４２により（ｌＯ）式に従って減算され磁化電
流指令値ｉＭ＊が作られる。Ｍ−Ｔ／α−β座標変換器
４３は、上述の磁化電流指令値ｉＸ”とトルク電流指令
値ｉｙ”と磁束演算器５からのｓｉｎρ、ｃｏｓρとを
入力し、上記（１１）式による演算を行ってα−β軸固
定座標系に変換された１ａｐｉ１１”を出力する。

次に、二相／三相変換器４４がｉａ、ｉｊ”を上記（１
２）式に従って、最終的に必要な三相指令値１ａｔｉｂ
’、ｉｃ”に変換して出力する。

また、割算器４５は上記（１３）式に従って、磁化電流
指令値ｉμｍをｃｏｓδにより除算して界磁電流指令値
ｉｆ”を出力する。

（発明が解決しようとする課題） しかし、（１３）式による界磁電流指令値１ｆ１１は非
突極形の同期電動機に適用できるものであり、突極形の
同期電動機においてはｉｆｌは他の値となる。

同期電動機が突極形である場合に、　（１３）式により
定めたｉｆｌを界磁巻線に流すと、電動機負荷の大きさ
によって磁束が変化してしまい、磁束一定制御、力率１
００％制御を行うことができず全体としての制御性能が
低下するという不都合がある。

本発明は、上記問題点を解決するために提案されたもの
であって、特に突極形電動機において、負荷が変動して
も有効磁束を一定とし、かつ力率を１００％に維持する
ことが可能な同期電動機の可変速駆動方式を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため１本発明は、磁極角δ。

磁化電流指令値ｉｒのみならず、電機子電流のトルク成
分ｉｔをも制御要素に加え、界磁電流指令値を前記各制
御要素に関連させて修正するものである。

すなわち１本発明は同期電動機の有効磁束と磁化電流指
令値とトルク電流指令値とに基づき電機子電流指令値及
び界磁電流指令値を電流指令演算器により演算し、前記
電機子電流指令値及び界磁電流指令値に基づき電機子電
流及び界磁電流を調節手段により制御する同期電動機の
可変速駆動方式において、前記電流指令演算器による前
記界磁電流指令値の演算を、前記磁化電流指令値を磁極
角の余弦値で除算して得られる値と前記磁極角の正弦値
及び電機子電流のトルク成分の大きさに応じた値とを加
算することにより行い、この界磁電流指令値に基づき前
記調節手段による界磁電流の制御を行うことを特徴とす
る。

（作用） 以下、第６図のベクトル図を参照して本発明の詳細な説
明する。同図に示すように、有効磁束マとその直軸（ｄ
軸）成分ψｄ及び横軸（ｑ軸）成分ｖ９との間には以下
の関係が成立する。

ψ＝マｄｃｏ！９δ＋Ｖｑｓｉｎδ　　　　−（１４）
また、電機子電流ｉのｄ−ｑ軸回転座標上の各成分ｉｄ
、ｉｑとＭ−Ｔ軸回転座標上の各成分ｉＭ、ｉ丁との間
には次の関係がある。

また、前掲したように、 である。

（１４）式に（１５）　、　（４）式を代入して整理す
ると。

ψ＝　Ｇｄ（ｐ＋（ｉ　０ｃ０８δ−ｉ　ｒｓｉｎδ）
ｃｏｓδ＋　Ｇｄｔｐ＞　ｉ　ｒｃｏｓδ ＋　Ｇｑ（Ｐ）（ｉ　Ｍ８１ｎδ＋ｉ　ｙｃｏｓδ）ｓ
ｉｎδとなる、上式をｉｆについて整理すると、■ ＣＯＳδ Ｇｄ（Ｐ） したがって、突棒形同期電動機の界磁電流指令値ｉｆ１
を電流指令演算器により次式に基づき演算し、この演算
結果に基づき界磁電流制御を行えば、有効磁束が一定で
力率１００％の同期電動機の可変速駆動が可能となる。

ここで、定常状態を考えると突棒形同期電動機において
は、 Ｇｄ（ｐ）＝Ｍｄ Ｇｑ（Ｐ）：Ｍｑ とすることができる。但し、Ｍｄ：同期電動機の直軸（
ｄ軸）電機子反作用インダクタンス、Ｍｑ：横軸（ｑ軸
）電機子反作用インダクタンスである。

更に、定常状態の同期電動機力率を１００％にするため
に、（１６）式において１Ｎ＝ｏとすると、となる、た
だし、ｉμは磁化電流であり、ｉｐ＝ψ／Ｍｄである。

なお、　（１８）式において、右辺第１項は従来の非突
極形同期電動機における界磁電流指令値を表しく（１３
）式参照）、第２項は修正量を表すものであり。

また、トルク成分指令値ｉぜに代えてトルク成分実際値
ｉｔを用いても上記と同様の作用を奏することができる
。

（実施例） 本発明の一実施例を図面により説明する。

第１図は、第３図に示す同機電動機のベクトル制御シス
テムに本発明方式を適用する場合に用いる電流指令値演
算器４′の一例を示すブロック図である。

第１図の電流指令値演算器４′は第８図の従来の電流指
令値演算器４と同様の構成要素である掛算８４１．　ｆ
ｄ算８８４２．　Ｍ−Ｔ／　ａ　−１！？　座＃変Ｊｌ
［Ｉ４３．　二相／三相変換器４４及び割算器４５と、
これら各要素に加え新たに設けられた修正量演算器４６
及び加算器４７とから構成されている。

修正量演算器４６は電機子電流のトルク成分指令値ｉｖ
”と磁極角δの正弦値ｓｉｎδとから（１８）式右辺第
２項。

Ｍｄ の演算を行う。一方、割算器４５は磁化電流指令値ｉ、
ＩＩと磁極角δの余弦値ｃｏｓδとから（１８）式右辺
第１項 ｉ　ｐ”／ｃｏｓδ の演算を行っている。加算器４７は、この（Ｉ８）式右
辺第１項の演算値と前記（１８）式右辺第２項の演算値
との加算を行い界磁電流指令値ｉｔ”を算出する。

また、第１図の実施例では界磁電流指令値ｉｆ１を演算
するために（１８）式を用いたが、その際、トルク成分
指令値ｉぜに代えてトルク成分実際値ｉＴを用いてもよ
い。

なお、掛算器４１．Ｍ−Ｔ／α−β座標変換器４３及び
二相／三相変換器４４等の動作はすでに第８図により述
べたので説明は省略する。

（発明の効果） 本発明は、同期電動機の界磁電流制御において磁極角δ
、磁化電流指令値のみならず、電機子電流のトルク電流
指令値（又はトルク電流実際値）をも制御要素に加え、
前記各制御要素に関連させて界磁電流を修正することに
したので、特に突棒形同期電動機の可変速駆動において
、負荷の変化によらず常に有効磁束を一定とし、かつ力
率１００％の制御を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための電流指令演
算器を例示するブロック図、第２図は同期電動機の交流
理論に基づくベクトル図、第３図は同期電動機のベクト
ル制御システムの構成例を示すブロック図、第４図は三
相／二相変換の原理を説明するための説明図、第５図は
同じく三相磁束の波形図、第６図は本発明及び従来技術
の作用を説明するためのベクトル諸量の座標関係を示す
ベクトル図、第７図は磁束演算器のブロック図、第８図
は従来の電流指令演算器のブロック図である。 ４′・・・電流指令演算器、４１・・・掛算器、４２・
・・減算器、４３・・・Ｍ−Ｔ／α−β座標変換器、４
４・・・二相／三相変換器、４５・・・割算器、４６・
・・修正量演算器、４７・・・加算器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 同期電動機の有効磁束と磁化電流指令値とトルク電流指
   令値とに基づき電機子電流指令値及び界磁電流指令値を
   電流指令演算器により演算し、前記電機子電流指令値及
   び界磁電流指令値に基づき電機子電流及び界磁電流を調
   節手段により制御する同期電動機の可変速駆動方式にお
   いて、 前記電流指令演算器による前記界磁電流指令値の演算を
   、前記磁化電流指令値を磁極角の余弦値で除算して得ら
   れる値と前記磁極角の正弦値及び電機子電流のトルク成
   分の大きさに応じた値とを加算することにより行い、こ
   の界磁電流指令値に基づき前記調節手段による界磁電流
   の制御を行うことを特徴とする同期電動機の可変速駆動
   力式。