特許 6722901 巻線界磁型同期機制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6722901

(24)【登録日】2020年6月25日

(45)【発行日】2020年7月15日

(54)【発明の名称】巻線界磁型同期機制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/32 20160101AFI20200706BHJP

   H02P 21/22 20160101ALI20200706BHJP

   H02P 21/14 20160101ALI20200706BHJP

   H02P 6/06 20060101ALI20200706BHJP

   H02P 6/28 20160101ALI20200706BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/32

   H02P21/22

   H02P21/14

   H02P6/06

   H02P6/28

【請求項の数】7

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-117860(P2016-117860)

(22)【出願日】2016年6月14日

(65)【公開番号】特開2017-225224(P2017-225224A)

(43)【公開日】2017年12月21日

【審査請求日】2018年11月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】593165487

【氏名又は名称】学校法人金沢工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹内 活徳

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】中村 利孝

(72)【発明者】

【氏名】石田 尚

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 剛

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 拓巳

(72)【発明者】

【氏名】島 和男

(72)【発明者】

【氏名】深見 正

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０３３９５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０９−３２７２００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／００− ６／３４

Ｈ０２Ｐ ２１／００− ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、磁束指令とトルク電流指令に基づいて前記負荷角を特定する第１のテーブル、および前記磁束指令と前記トルク電流指令に基づいて前記界磁電流指令を特定する第２のテーブルから、前記負荷角と前記界磁電流指令をそれぞれ取得する、
巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項2】

前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記負荷角と前記界磁電流指令のそれぞれに対し、制動巻線電流によって磁束変動に遅れが生じる効果を前記負荷角と前記界磁電流指令に反映させるための一次遅れフィルタをかける請求項１に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項3】

負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値の３変数に基づいて前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定する第１のテーブルと、前記界磁電流指令を磁束指令と前記速度制御部により求められた指令の２変数に基づいて特定する第２のテーブルから、それぞれ取得する、
巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項4】

前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記界磁電流指令に対し、制動巻線電流によって磁束変動に遅れが生じる効果を前記界磁電流指令に反映させるための一次遅れフィルタをかける請求項３に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項5】

負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、
速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、
前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記シミュレータは、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値に基づいて、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定するテーブルから取得し、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を用いて前記負荷角を、前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記磁束指令を用いて前記界磁電流指令を、それぞれ求める、
巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項6】

前記巻線界磁型同期機は、さらに制動巻線を有し、
前記シミュレータは、前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とを用いて制動巻線電流のｄ軸成分と前記制動巻線電流のｑ軸成分とを求め、前記制動巻線を流れる電流による起磁力の影響を反映するため前記求めた制動巻線電流のｄ軸成分を前記合成ｄ軸電流値に加算し、前記求めた制動巻線電流のｑ軸成分を前記ｑ軸電流値に加算する請求項５に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。

【請求項7】

前記シミュレータは、前記制動巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分を、次の式を用いて求める請求項６に記載の巻線界磁型同期機の制御装置。

【数1】

【数2】

ただし、ｉ_kdおよびｉ_kqはそれぞれ前記制動巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分、φ_ｄおよびφ_ｑはそれぞれ前記ｑ軸電流値、前記界磁電流値および前記合成ｄ軸電流値を３変数とする前記テーブルにより取得した前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束である。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、巻線界磁型同期機の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図１６は、巻線界磁型同期機における従来の制御装置における磁束演算器のブロック図の一例である（特許文献１参照）。従来の制御装置の磁束演算器２０３においては、回転子巻線による界磁磁極方向であるｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄ、回転子巻線による界磁磁極方向に垂直な方向であるｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑを、Ｐａｒｋの等価回路に基づいた式を用いて推定している。

【0003】

たとえば、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄは、次の式（１）により算出することができる。

【0004】

【数1】

【0005】

ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑも同様に求めることができる。負荷角演算器２０１は、算出されたｄ軸磁束Φ_ｄとｑ軸磁束Φ_ｑとを用いて、負荷角δを推定する。また、界磁電流指令演算器２０２は、界磁電流の指令値を算出する。多くの場合、ここでも、Ｐａｒｋの等価回路に基づいた計算を行う。

【0006】

この際、電力変換器の出力電圧が定格電圧に達した場合でも、出力電圧の位相を変化させることにより、安定な制御を確保する技術も知られている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平４−１２７８９３号公報

【特許文献2】特許３７６４３３７号公報

【特許文献3】特開平９−３２７２００号公報

【特許文献4】特開２０１１−５０１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところが、近年の回転電機においては、高出力化、小型化が進んでおり、磁束密度を高めた設計をすることが多くなっている。このような回転電機においては磁気飽和のために各部のインダクタンスが運転状態によって大きく変化する。このため、過負荷運転時などには、前述の式（１）によって演算した鎖交磁束に大きな誤差が生じる可能性がある。

【0009】

このような問題を解決するため、ｄ軸とｑ軸間の干渉項を考慮した磁束演算器を用いることにより、ｑ軸起磁力による磁気飽和がｄ軸磁束に及ぼす影響を考慮する技術が知られている（特許文献３）。また、電流に対するインダクタンスの変化を数式によって定式化し、例えば（１）式中のインダクタンスを可変とした磁束演算機を構築することにより、磁気飽和が考慮できるとする例もある（特許文献４）。

【0010】

しかしながら、これらの方法では任意の運転状態におけるインダクタンスの詳細な変化を予測することは困難である。また、磁束演算器を定義する各定数を制御対象機ごとに正確に求める必要がある。

【0011】

以上のような背景に鑑み、本発明は、磁気飽和の影響が大きい小型・高出力のものを含めて、簡素な構成で、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、磁束指令とトルク電流指令に基づいて前記負荷角を特定する第１のテーブル、および前記磁束指令と前記トルク電流指令に基づいて前記界磁電流指令を特定する第２のテーブルから、前記負荷角と前記界磁電流指令をそれぞれ取得する。
また、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束とｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値の３変数に基づいて前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定する第１のテーブルと、前記界磁電流指令を磁束指令と前記速度制御部により求められた指令の２変数に基づいて特定する第２のテーブルから、それぞれ取得する。
また、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置は、負荷角と界磁電流指令を生成するシミュレータと、速度指令と回転子の回転位置から変換された速度フィードバックとの偏差、および前記負荷角、に基づいて電機子電圧を制御する速度制御部と、前記界磁電流指令に基づいて界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、前記シミュレータは、相電流の電流値から求めたｑ軸電流値、界磁電流値、および前記相電流の電流値から求めたｄ軸電流値に前記界磁電流値を加算した合成ｄ軸電流値に基づいて、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を特定するテーブルから取得し、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束と前記ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束を用いて前記負荷角を、前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束および前記磁束指令を用いて前記界磁電流指令を、それぞれ求める。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、磁気飽和の影響が大きい小型・高出力のものを含めて、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【図3】第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄを算出するためのｄ軸磁束関数φ_ｄの例を示す３次元グラフである。

【図4】界磁電流を増加させた場合のｄ軸磁束関数φ_ｄの例を示す３次元グラフである。

【図5】ｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄ、ｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑと、負荷角δとの関係を示す図である。

【図6】第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【図7】第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられる磁束演算器における制動電流の影響の考慮を説明する概念的なグラフである。

【図8】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。

【図9】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【図10】第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と界磁電流との対応関係の例を示すグラフである。

【図11】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。

【図12】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【図13】第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と負荷角との対応関係の例を示すグラフである。

【図14】第５の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。

【図15】第６の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。

【図16】巻線界磁型同期機の制御装置の磁束演算器の従来の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る巻線界磁型同期機および巻線界磁型同期機制御装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0016】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置３００は、巻線界磁型同期機１が、電機子巻線２ａおよび界磁巻線２ｂを有するが、制動（ダンパー）巻線を有さない場合を対象としている。

【0017】

巻線界磁型同期機制御装置３００は、角速度指令ω_ｒ^＊および磁束指令Φ^＊に対して、電機子電圧Ｖ_Ａおよび界磁電流ｉ_ｆを調節する。巻線界磁型同期機制御装置３００は、速度制御部１０および界磁制御部２０、およびシミュレータ１００を有する。

【0018】

0075-0100、図１他
速度制御部１０は、減算器１１、速度演算器１２、速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４、減算器１５、１６、３相−ｄｑ変換器１７、ｄｑ軸電流制御器１８、ｄｑ−３相変換器１９を有する。速度制御部１０は、角速度指令ω_ｒ^＊を得るための速度制御ループの下に、対応するトルク電流ｉ_Ｔ^＊を得るための電流制御ループを有するカスケード制御の構成となっている。

【0019】

なお、以下、巻線界磁型同期機制御装置３００の構成を示す各図の説明において、各要素の入出力信号は、たとえば、「角速度指令」ω_ｒ^＊のように表現している。入出力信号については、詳細には、信号の名称と信号のレベル値とは別のものであるので、これらを別個に表現することが正しい。しかしながら、表現上、煩雑となるため、たとえばω_ｒ^＊は、「角速度指令信号」を示すとともに「角速度指令信号のレベル値」も示すものとし、両者を「角速度指令」と総称して表現する。なお、フィードバック信号と称するものも、そのレベル値を併せて示すものとする。

【0020】

速度制御部１０の減算器１１は、回転位置検出器７で検出され位置演算器８により算出された巻線界磁型同期機１の回転位置Θが速度演算器１２により変換された角速度ωを、負のフィードバック信号とし、角速度指令ω_ｒ^＊から減じた角速度偏差を出力する。速度制御器１３は、角速度偏差および磁束指令Φ^＊を入力として、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊を出力する。

【0021】

ｄ：0028-0037,0046-0127、ｑ：0027-0072,0083-0085、図１他
ｄｑ軸電流演算器１４は、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊を入力として、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ^＊を算出する。この際、ｄｑ軸電流演算器１４は、シミュレータ１００で算出された負荷角δを用いる。

【0022】

電流制御ループについては、電流変換器５で検出された電機子の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗを、３相−ｄｑ変換器１７でｑ軸電機子電流ｉ_ｑおよびｄ軸電流ｉ_ｄに変換される。３相−ｄｑ変換器１７は、この変換の際に、位置演算器８の出力である角度位置Θを用いる。３相−ｄｑ変換器１７で得られたｑ軸電機子電流ｉ_ｑおよびｄ軸電流ｉ_ｄは、減算器１５および減算器１６へのフィードバック信号として入力される。

【0023】

減算器１５は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ^＊およびフィードック信号であるｄ軸電流ｉ_ｄを入力として受け入れ、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ^＊からｄ軸電流ｉ_ｄを減じたｄ軸電流偏差を出力する。減算器１６は、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ^＊およびフィードック信号であるｑ軸電機子電流ｉ_ｑを入力として受け入れ、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ^＊からｑ軸電機子電流ｉ_ｑを減じたｑ軸電流偏差を出力する。

【0024】

ｄｑ軸電流制御器１８は、減算器１５からのｄ軸電流偏差、および減算器１６からのｑ軸電流偏差を入力として受け入れ、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ^＊を算出し、出力する。

【0025】

ｄｑ−３相変換器１９は、ｄｑ軸電流制御器１８により算出されたｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ^＊を、３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換する。電力変換器３は、これら３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に比例した三相電機子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを発生し、巻線界磁型同期機１に供給する。これにより、巻線界磁型同期機１の電機子巻線２ａに相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れる。この相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ電流変換器５により検出される。

【0026】

Ｉｆｄ：0028-0037, 0042-0051、図１他
界磁制御部２０は、磁束指令Φ_ｄ^＊と、界磁電流ｉ_ｆのフィードバック信号を受けて、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出し、界磁電流制御器２１が、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊から界磁電圧指令Ｖ_ｆ^＊を算出し、電力変換器４に出力する。電力変換器４は、界磁電圧指令Ｖ_ｆ^＊に比例した界磁電圧Ｖ_ｆを発生し、巻線界磁型同期機１の界磁巻線２ｂに供給する。これにより、巻線界磁型同期機１の界磁巻線２ｂに界磁電流ｉ_ｆが流れる。この界磁電流ｉ_ｆは電流変換器６により検出される。

【0027】

図２は、第１の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【0028】

シミュレータ１００は、負荷角演算器１０１、界磁電流指令演算器１０２、磁束演算器１１０、および加算器１１１を有する。シミュレータ１００は、全体として、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、界磁電流ｉ_ｆｄおよび磁束指令Φ^＊を入力として受け入れ、負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を出力する。ここで、ｉ_ｆｄは、電機子側に換算した界磁電流である。

【0029】

加算器１１１は、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄと界磁電流ｉ_ｆｄとを入力として受け入れ、両者を合計した結果を合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋として出力する。

【0030】

磁束演算器１１０は、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、および界磁電流ｉ_ｆｄを入力として受け入れ、これらを変数とする２つの関数を有する。この２つの関数は、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄを算出するｄ軸磁束関数φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）と、ｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑを算出するｑ軸磁束関数φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）である。なお、便宜上、ギリシャ文字（大文字はΦ）の小文字の表記は、φまたは、次の表記のいずれかとするが両者は同じ文字を表すものとする。

【0031】

【数2】

【0032】

図３は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄを算出するためのｄ軸磁束関数φ_ｄの例を示す３次元グラフである。平面における横軸は、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、縦軸は合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋である。両者に垂直な第３の軸は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄである。

【0033】

ここで、曲面Ｆ_ｄ１は、界磁電流ｉ_ｆｄがある値ｉ_ｆ１の場合のｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄである。すなわち、Ｆ_ｄ１（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ）＝φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆ１）である。図３では、界磁電流ｉ_ｆｄがｉ_ｆ１の場合の曲面Ｆ_ｄ１のみが示されているが、複数の界磁電流ｉ_ｆｄの値についてのそれぞれに対応する複数の曲面Ｆ_ｄを準備しておけば、与えられた界磁電流ｉ_ｆｄの値については内挿することによって、（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）についてのφ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）が算出できる。また、曲面自身も、関数テーブルに置き換えることができる。すなわち、ｉ_ｄ^＋軸とｉ_ｑ軸のそれぞれの方向のメッシュに分けて、ｉ_ｆｄの値ごとのｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑテーブルとして保存し、入力されたｉ_ｄ^＋およびｉ_ｑについて内挿により算出し、さらにｉ_ｄについても内挿することによりｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄを算出することができる。以下、ｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑテーブルを、関数テーブルと総称する。

【0034】

図４は、界磁電流を増加させた場合のｄ軸磁束関数φ_ｄの例を示す３次元グラフである。界磁電流ｉ_ｆを増加させると磁気飽和が進行するため、φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）の分布形状である曲面Ｆ_ｄ２は全体的に緩やかな曲面となる。

【0035】

曲面Ｆ_ｄ１、Ｆ_ｄ２等は、たとえば、有限要素法による電磁界解析などにより算出することができる。以上は、ｄ軸磁束関数φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）について示したが、ｑ軸磁束関数φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）についても同様の方法で算出することができる。

【0036】

次に、負荷角演算器１０１は、磁束演算器１１０からのｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄとｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑとを入力として受け入れて、負荷角δを算出する。図５は、ｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑと、負荷角δとの関係を示す図である。ここで負荷角δとは、ｑ軸から測った誘起電圧Ｅ（≒端子電圧Ｖ）の位相角である。また、負荷角δは、ｄ軸から測った磁束Φの位相角でもある。図５は、同期機が電動機の場合を示している。図５に示すように、負荷角δは、次の式（２）により算出できる。
δ＝ｔａｎ^−１（Φ_ｑ／Φ_ｄ） …（２）

【0037】

また、界磁電流指令演算器１０２は、磁束指令Φ^＊、フィードバック信号であるｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、磁束演算器１１０からのｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄを入力として受け入れて、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を次の式（３）により算出する。ただし、Ｌ_ａｄは、ｄ軸の電機子反作用インダクタンス、Ｌ_ｌｄはｄ軸の電機子漏れインダクタンスである。

【0038】

【数3】

【0039】

なお、本実施形態においては、シミュレータによって負荷角や界磁電流を演算してフィードフォワード的に制御する方式として、トルク電流ｉ_Ｔの指令値としてトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊を用いるような制御装置の場合を例に示した。このようにシミュレータを用いる方法は、これに限定されず、負荷角や界磁電流を演算してフィードフォワード的に制御する任意の方式に対しても用いることができる。

【0040】

また、巻線界磁型同期機制御装置３００の各部を、たとえば、速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４等のように、個々の機器としての名称を付している。しかしながら、巻線界磁型同期機制御装置３００は、計算機システムの演算部であってもよい。この場合は、個々の機器としての名称を付することは適当ではなく、たとえば、速度制御部、ｄｑ軸電流演算部のように、計算機の一部の機能を示す名称とするのが適切である。本実施形態は、このような場合には適切に読み替えるものとして、便宜的に速度制御器１３、ｄｑ軸電流演算器１４等のように、個々の機器としての名称を付している。

【0041】

シミュレータ１００のｄ軸電機子鎖交磁束Φ_ｄテーブルおよびｑ軸電機子鎖交磁束Φ_ｑテーブルには、磁気飽和に関するすべての情報が含まれているため、定常状態や過渡状態など任意の運転モードにおいて鎖交磁束を正確に推定することができる。

【0042】

このため、負荷角演算器１０１の出力である負荷角δや、界磁電流指令演算器１０２の出力である界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊も精度よく演算されるため、従来の制御器が不得意とする過負荷においてもトルクを高精度に制御できる。また、負荷の急変や速度変動に対しても高速な応答が得られる。

【0043】

以上のように、本実施形態によれば、簡素な構成で、インダクタンスの変化が大きな場合であっても、必要なトルクを発生できる状態に巻線界磁型同期機を維持することができる。

【0044】

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態は、電機子巻線および界磁巻線に加えて制動巻線をさらに有する巻線界磁型同期機を対象としている。

【0045】

本実施形態におけるシミュレータ１２０は、負荷角δの演算部分として、負荷角演算器１０１、加算器１２１、１２２、１２３、乗算器１２４、不完全微分要素１２５、乗算器１２６、不完全微分要素１２７、磁束演算器１２８、減算器１３０、１３１、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分として、の界磁電流演算器１３２を有する。

【0046】

まず、シミュレータ１２０について説明する。ここで、制動巻線に流れる電流をｉ_ｋとし、制動巻線電流ｉ_ｋのｄ軸方向成分をｉ_ｋｄ、ｑ軸方向成分をｉ_ｋｑと表示する。図３、図４で示した特性は、ｉ_ｋがゼロ、すなわち定常状態における合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋およびｑ軸電機子電流ｉ_ｑに対する依存性を示していることになる。

【0047】

シミュレータ１２０は、第１の実施形態の場合と同様に、全体として、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、界磁電流ｉ_ｆdおよび磁束指令Φ^＊を入力として受け入れ、負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を出力する。

【0048】

加算器１２１は、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄおよび界磁電流ｉ_ｆを入力として受け入れ、両者の合計値である合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋を出力する。

【0049】

磁束演算器１２８は、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋とｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄとの和、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑとｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑとの和、および界磁電流ｉ_ｆの関数として、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄおよびｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑをそれぞれ、後述する式（４）、（５）により導出する。

【0050】

ここで、ｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑもは、過渡状態に生ずる制動巻線電流のｄ軸方向およびｑ軸方向の成分である。

【0051】

すなわち、過渡状態においては、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、および界磁電流ｉ_ｆに加えてｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑも流れるため、これらの電流が作る起磁力によっても磁束が発生する。そこで、ｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄ、ｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑが作る起磁力の影響を、次の式（４）、（５）のように考慮する。
ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄ＝φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄ，ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ，ｉ_ｆｄ）
…（４）
ｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑ＝φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄ，ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ，ｉ_ｆｄ）
…（５）

【0052】

乗算器１２４は、加算器１２１の出力である合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋を入力として受け入れ、これに、ｄ軸の電機子漏れインダクタンスＬ_ｌｄを乗じた値を出力する。

【0053】

減算器１３０は、磁束演算器１２８の出力のうちｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄと
、乗算器１２４の出力を入力として受け入れて、両者の和を出力する。

【0054】

不完全微分要素１２５は、減算器１３０の出力を入力とし、伝達関数が［ｓ／（Ｒｋｄ＋ｓＬｋｄ）］の不完全微分要素の乗算を行う。

【0055】

加算器１２２は、不完全微分要素１２５の出力と、加算器１２１の出力である合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋とを入力とし、その和を磁束演算器１２８に出力する。

【0056】

乗算器１２６は、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑを入力として受け入れ、これに、ｑ軸の電機子漏れインダクタンスＬ_ｌｑを乗じた値を出力する。

【0057】

減算器１３１は、磁束演算器１２８の出力のうちｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑと、乗算器１２６の出力を入力として受け入れて、両者の和を出力する。

【0058】

不完全微分要素１２７は、減算器１３１の出力を入力とし、伝達関数が［ｓ／（Ｒｋｑ＋ｓＬｋｑ）］の不完全微分要素の乗算を行う。

【0059】

加算器１２３は、不完全微分要素１２７の出力と、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑとを入力とし、その和を磁束演算器１２８に出力する。

【0060】

負荷角演算器１０１は、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄおよびｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φｑを入力として受け入れて、その比から負荷角δを演算し、出力する。

【0061】

界磁電流演算器１３２は、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、磁束指令Φ^＊、および磁束演算器１２８の出力のうちｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑを入力とし、第１の実施形態と同様に、前述の式（３）により界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出し、出力する。

【0062】

図７は、磁束演算器における制動電流の影響の考慮を説明する概念的なグラフである。すなわち、制動巻線電流の作る起磁力が磁束に及ぼす影響と電機子電流の作る起磁力が磁束に及ぼす影響とが同等であると仮定して、関数テーブル参照の際の引数を、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋に代えてｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄとし、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑに代えてｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑとすることにより、制動巻線電流を考慮した鎖交磁束を求める。図７では、ｄ軸方向変化を示しているが、図７に示すように、磁束は電流増加に対して飽和的な変化を示す。

【0063】

次に、ｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑを計算する方法を示す。Ｐａｒｋの等価回路においては、各巻線に鎖交する磁束は、以下の式（６）ないし式（９）のように定義される。ただし、Ｌ_ａｄはｄ軸の電機子反作用インダクタンス、Ｌ_ｌｄはｄ軸の電機子漏れインダクタンス、Ｌ_ｋｄはｄ軸の制動巻線漏れインダクタンスである。
Φ_ｄ＝Ｌ_ｌｄｉ_ｄ＋Ｌ_ａｄ（ｉ_ｄ＋ｉ_ｆｄ＋ｉ_ｋｄ） …（６）
Φ_ｑ＝Ｌ_ｌｑｉ_ｑ＋Ｌ_ａｄ（ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ） …（７）
Φ_ｋｄ＝Ｌ_ｋｄｉ_ｋｄ＋Ｌ_ａｄ（ｉ_ｄ＋ｉ_ｆｄ＋ｉ_ｋｄ） …（８）
Φ_ｋｑ＝Ｌ_ｋｑｉ_ｋｑ＋Ｌ_ａｄ（ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ） …（９）

【0064】

これらから次の関係式が得られる。
Φ_ｋｄ＝Φ_ｄ＋Ｌ_ｌｄｉ_ｄ−Ｌ_ｋｄｉ_ｋｄ …（１０）
Φ_ｋｑ＝Φ_ｑ＋Ｌ_ｌｑｉ_ｑ−Ｌ_ｋｑｉ_ｋｑ …（１１）

【0065】

関数テーブルとして鎖交磁束テーブルを用いた磁束演算器においても式(１０)、（１１）が成立すると仮定すれば、制動巻線磁束は、４個の定数、Ｌ_ｌｄ、Ｌ_ｌｑ、Ｌ_ｋｄ、Ｌ_ｋｑを用いることにより、次の式（１２）、（１３）のように求められる。
Φ_ｋｄ＝φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄ，ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ，ｉ_ｆｄ）−Ｌ_ｌｄｉ_ｄ＋Ｌ_ｋｄｉ_ｋｄ
…（１２）
Φ_ｋｑ＝φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄ，ｉ_ｑ＋ｉ_ｋｑ，ｉ_ｆｄ）−Ｌ_ｌｑｉ_ｑ＋Ｌ_ｋｑｉ_ｋｑ
…（１３）

【0066】

定数Ｌ_ｌｄ、Ｌ_ｌｑ、Ｌ_ｋｄ、Ｌ_ｋｑには設計値などを用いることができる。また、電磁解析などで対象とする同期機のインピーダンス特性を算出し、それと磁束演算器１２８のインピーダンス特性が整合するように各定数を決定することで、より正確な値が得られる。式（１２）、（１３）と制動巻線の回路方程式から、ｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑは次の式（１４）、（１５）のように求められる。

【0067】

【数4】

【0068】

【数5】

【0069】

このようにｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑを算出することにより、磁束演算器１２８での演算が可能となる。

【0070】

シミュレータ１２０内は、以下に示すように、式（１４）、（１５）により、磁束演算器１２８に入力されるｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄおよびｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑを演算するための構成となっている。

【0071】

乗算器１２４は、具体的にはたとえば演算増幅器であり、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋にＬ_ｌｄを乗じたＬ_ｌｄｉ_ｄ^＋を出力する。減算器１３０は、この結果からΦ_ｄを減じた結果、すなわち、（Ｌ_ｌｄｉ_ｄ^＋−Φ_ｄ）を出力する。不完全微分要素１２５は、この結果に不完全微分要素を乗じて、式（１４）の右辺に対応する結果を、ｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄとして出力する。加算器１２２は、合成ｄ軸電流ｉ_ｄ^＋とｄ軸制動巻線電流ｉ_ｋｄとを入力として受け入れてその和（ｉ_ｄ^＋＋ｉ_ｋｄ）を磁束演算器１２８に出力する。

【0072】

同様に、乗算器１２６は、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑにＬ_ｌｑを乗じたＬ_ｌｑｉ_ｑを出力する。減算器１３１は、この結果からΦ_ｑを減じた結果、すなわち、（Ｌ_ｌｑｉ_ｑ−Φ_ｑ）を出力する。不完全微分要素１２７は、この結果に不完全微分要素を乗じて、式（１５）の右辺に対応する結果を、ｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑとして出力する。加算器１２３は、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑとｑ軸制動巻線電流ｉ_ｋｑとを入力として受け入れてその和（ｉｑ＋ｉ_ｋｑ）を磁束演算器１２８に出力する。

【0073】

以上のように、制動巻線を有する巻線界磁型同期機についても、良好な制御性を維持することができる。

【0074】

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置の構成を示すブロック図である。また、図９は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機の制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。

【0075】

本実施形態は、第１および第２の実施形態の変形である。すなわち、図１に示す第１の実施形態の構成に比べて、図８に示すように、シミュレータ１４０に、速度制御器１３からの出力信号であるトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊が追加して入力されている。

【0076】

また、本第３の実施形態においては、第２の実施形態と界磁制御部２０の構成が異なる。すなわち、図９に示すように、速度制御の結果としてトルク電流を指令値として用いる制御器においては、シミュレータ１４０にはトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊が入力される。シミュレータ１４０は、第２の実施形態の構成に、さらに界磁電流演算器１４１および一次遅れ要素１４２を有する。以下に、シミュレータ１４０の構成を説明する。

【0077】

シミュレータ１４０は、負荷角δの演算部分として、負荷角演算器１０１、加算器１２１、１２２、１２３、乗算器１２４、不完全微分要素１２５、乗算器１２６、不完全微分要素１２７、磁束演算器１２８、減算器１３０、１３１を有し、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分として、界磁電流演算器１４１、および乗算器１４２を有する。

【0078】

ここで、負荷角δの演算部分の構成は、第２の実施形態におけるシミュレータ１２０の負荷角δの演算部分と同様の構成である。

【0079】

一方、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分は、第２の実施形態と異なる。すなわち、界磁電流演算器１４１は、磁束指令Φ^＊とトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊とを入力とし、次の式（１６）により、界磁電流指令用関数値ｉ_ｆｄを算出する。
ｉ_ｆｄ＝ｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊） …（１６）

【0080】

次に、一次遅れ要素１４２は、界磁電流演算器１４１の出力である界磁電流指令用関数値ｉ_ｆｄを入力とし、これに、伝達関数が［１／（Ｔ_ｆｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を出力する。

【0081】

磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１４１には、磁束指令Φ^＊とトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊とを引数とする界磁電流テーブルｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）が組み込まれている。この関数テーブルについても、有効電流指令ｉ_P^＊を使った制御器においてはｆ（ｉ_P^＊，Φ^＊）のようになる。

【0082】

一般に、巻線界磁型同期機は、駆動するインバータの電流容量をできるだけ小さくするために、力率１．０での一定運転を行うことが多い。場合によっては、力率０．９など１．０以外で運転される場合もあるが、この場合でもほとんどの場合、力率は一定に制御して運転される。

【0083】

任意の力率で定常運転を行っている場合の同期機の状態は、例えば、図３または図４で示したように、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、界磁電流ｉ_ｆの３変数によって、曲面上の運転点が一意的に決定される。

【0084】

同期機の場合は、力率を運転指標として力率一定運転を行う場合が多い。いま、たとえば、ある一定の力率で運転するという条件を付加すると、曲面上でこの条件を満たす点の集合として１つの曲線が得られる。この曲線上の各点は、力率一定という条件を付加する代わりに状態変数の次元が1つ減少し、２つの状態変数で一意的に決定することができる。

【0085】

状態変数とは、状態を規定する電気的な物理量であり、たとえば、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、ｑ軸電機子電流ｉ_ｑ、界磁電流ｉ_ｆの他に、トルク電流ｉ_Ｔ、磁束電流ｉ_Ｍ、有効電流Ｉ_Ｐ、無効電流Ｉ_Ｑ、ｑ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑ、ｄ軸方向電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄ等である。

【0086】

ここで、ある一定の力率という条件により決定された曲線上のある点を選定すれば、その点に対応する前述の全ての状態変数が決まる。また、逆に、２つの状態変数を決めれば、その曲線上の点が決まることになる。

【0087】

図１０は、第３の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータにおいて用いられるトルク電流と界磁電流との対応関係の例を示すグラフである。この場合、ある一定の力率で同期機を運転した時のトルク電流ｉ_Ｔと磁束Φに対する界磁電流ｉ_ｆの対応関係を、テーブル化したものが界磁電流テーブルである。すなわち、状態変数として、トルク電流ｉ_Ｔと界磁電流ｉ_ｆの２つの状態変数を選んだ場合に相当する。

【0088】

曲線群ＣＣは、同期機の力率を１に保ちながら、トルク電流を変えた場合の界磁電流の値を示している。磁束を１００％から３０％まで５段階に変化させた各状態において、曲線が得られている。磁束の値を小さくするにつれて必要な界磁電流も小さくなっている。これらを考慮することにより、実際に運転される力率においては界磁電流演算器１４１によって正確な界磁電流指令値を計算することができ、過負荷における制御性を大幅に改善することができる。

【0089】

なお、界磁電流テーブルの引数はトルク電流や磁束に限る必要はなく、独立な２変数を任意に選ぶことができる。すなわち、回転数や有効電力などを引数とした界磁電流テーブルを用いてもよい。

【0090】

制動巻線を持たない同期機においては、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１４１の出力を界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊として用いることで高精度な制御が可能である。一方で、制動巻線を有する同期機においては、過渡状態において制動巻線電流の効果によって磁束の急変が抑えられる。

【0091】

界磁電流演算器１４１の出力をそのまま指令値として用いた場合、過渡時に指令値が急変し、応答を悪化させる可能性がある。そこで界磁電流演算器１４１の出力には一次遅れ要素１４２を挿入する。一次遅れ要素１４２の時定数Ｔ_ｆは、ｄ軸の過渡時定数程度とすればよい。これにより、過渡時においても滑らかな応答が得られ、従来の制御装置では実現できないようなごく短時間で指令値に追従することができる。

【0092】

［第４の実施形態］
図１１は、第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、第１ないし第３の実施形態と異なり、３相−ｄｑ変換器１８から、シミュレータ１５０への出力がない。

【0093】

図１２は、第４の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置のシミュレータの構成を示すブロック図である。シミュレータ１５０は、磁気飽和を考慮した負荷角演算器１５１、一次遅れ要素１５２、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１５３、および一次遅れ要素１５４を有する。

【0094】

負荷角演算器１５１は、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊と磁束指令Φ^＊とを入力とし、次の式（１７）によって、負荷角用関数値を出力する。
δ＝ｇ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊） …（１７）

【0095】

一次遅れ要素１５２は、負荷角演算器１５１の出力である負荷角用関数値を入力として受け入れ、これに、伝達関数が［１／（Ｔ_δｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、負荷角δを出力する。ここで、一次遅れの時定数Ｔ_δは、特性試験結果、あるいは、回路の要素の分析結果等により設定できる。

【0096】

界磁電流演算器１５３は、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊と磁束指令Φ^＊とを入力とし、次の式（１８）によって、界磁電流用関数値を出力する。
ｉ_ｆｄ＝ｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊） …（１８）

【0097】

一次遅れ要素１５４は、界磁電流演算器１５３の出力である界磁電流用関数値を入力として受け入れ、これに、伝達関数が［１／（Ｔ_ｆｓ＋１）］の一次遅れ要素の乗算を行い、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を出力する。ここで、一次遅れの時定数Ｔ_ｆは、特性試験結果、あるいは、回路の要素の分析結果等により設定できる。

【0098】

磁気飽和を考慮した負荷角演算器１５１には、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊と磁束指令Φ^＊とを引数とする負荷角テーブルｇ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）が組み込まれている。また、磁気飽和を考慮した界磁電流演算器１５３には、界磁電流テーブルｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）が組み込まれている。界磁電流テーブルｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）は、第３の実施形態の場合と同様のテーブルの内容のものである。

【0099】

また、本実施形態における負荷角テーブルｇ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）および界磁電流テーブルｆ（ｉ_Ｔ^＊，Φ^＊）も、ある力率で力率一定運転を行っている場合の関数テーブルである。

【0100】

本実施形態におけるシミュレータ１５０は、巻線界磁型同期機１からのフィードバック信号を用いず、トルク電流指令ｉ_Ｔ^＊および磁束指令Φ^＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出する。本実施例においてもトルク電流指令ｉ_Ｔ^＊を使った制御器を例として説明するが、速度制御の出力として任意の変数を用いた制御器で同様の説明が可能である。

【0101】

図１３は、トルク電流と負荷角との対応関係の例を示すグラフである。曲線群ＣＤは、同期機の力率を１に保ちながら、トルク電流を変えた場合の負荷角の値を示している。磁束を１００％から３０％まで5段階に変化させた各状態において、曲線が得られている。

【0102】

磁束の値を小さくするにつれて負荷角の値は大きくなることが分かる。これらを考慮することにより、実際に運転される力率においては、負荷角演算器１５１によって正確な負荷角を、界磁電流演算器１５３によって正確な界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出することができる。この結果、過負荷運転を行っている場合の制御性を大幅に改善することができる。

【0103】

なお、界磁電流テーブルと負荷角テーブルの引数はトルク電流や磁束に限る必要はなく、力率一定運転のもとに運転状態を規定できるものであれば、独立な２変数を任意に選ぶことができる。すなわち、回転数や有効電力などを引数とした界磁電流テーブルや負荷角テーブルを用いてもよい。

【0104】

［第５の実施形態］
図１４は、第５の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態においては、電力変換器の最大出力電圧は制限値以内で制御可能な場合であった。このため、電力変換器の出力電圧が最大出力電圧となり、出力電圧が飽和した状態では、電流制御の応答速度が低下したり、不安定になったりする可能性がある。

【0105】

一方、本第５の実施形態においては、電力変換器の最大出力電圧を同期電動機の定格電圧に等しくした場合でも、同期電動機を安定に制御可能とするために、第１の実施形態とは一部異なる制御方式を用いている。

【0106】

巻線界磁型同期機制御装置３１０は、速度制御部１０および界磁制御部２０、およびシミュレータ１６０を有する。

【0107】

速度制御部１０は、減算器１１、速度制御器１３、減算器３４、有効電流制御器３１、電圧位相演算器３２、３相−ＰＱ変換器３３、ＰＱ−３相変換器３５、３相−ｄｑ変換器１７を有する。また、界磁電流制御部２０は、界磁電流制御器２１を有する。

【0108】

速度制御部１０は、角速度指令ω_ｒ^＊に対応する角速度ω_ｒを得るための速度制御ループの下に、対応する有効電流Ｉ_Ｐを得るための有効電流制御ループを有するカスケード制御の構成となっている。

【0109】

速度制御ループの減算器１１は、回転位置検出器７で検出され位置演算器８により算出された巻線界磁型同期機１の回転位置θが速度演算器１２により変換された角速度ωを、負のフィードバック信号とし、角速度指令ω_ｒ^＊から減じた角速度偏差を出力する。速度制御器１３は、角速度偏差および磁束指令Φ^＊を入力として、有効電流指令Ｉ_Ｐ^＊を出力する。

【0110】

減算器３４は、３相電流を有効電流ｉ_Ｐおよび無効電流ｉ_Ｑに変換する３相−ＰＱ変換器３３からの出力のうちの有効電流ｉ_Ｐを負のフィードバック信号とし、速度制御器１３の出力である有効電流指令Ｉ_Ｐ^＊から、減じた有効電流偏差を出力する。

【0111】

有効電流制御器３１は、減算器３４の出力である有効電流偏差を入力とし、電圧位相変更分指令ΔΘ^＊を出力する。

【0112】

電圧位相演算器３２は、有効電流制御器３１からの位相変更分指令ΔΘ^＊、位置演算器８からのフィードバック信号であり現在の位相に対応する回転位置Θ、および、シミュレータ１６０から出力される負荷角δを入力として、次の式（１９）により、電圧位置指令Θ^＊を算出する。
Θ^＊＝Θ＋δ＋ΔΘ^＊ …（１９）

【0113】

ＰＱ−３相変換器３５は、電圧位相演算器３２により算出された電圧位相指令Θ^＊と、電圧の振幅基準値Ｖ１とに基づいて、電力変換器３への３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、およびＶｗ^＊を出力する。

【0114】

シミュレータ１６０は、負荷角δの演算部分として、界磁電流ｉ_ｆ、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ、およびｑ軸電機子電流ｉ_ｑを入力として受けて、負荷角δを算出し、フィードフォワード信号として、電圧位相演算器３２に出力する。

【0115】

この際、第１の実施形態と同様に、あらかじめ詳細解析等で算出した結果に基づいて、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄを求めるｄ軸磁束関数φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）とｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑを算出するｑ軸磁束関数φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）とを、それぞれ、たとえばテーブル形式で保有しておく。この算出結果に基づいて、負荷角δを算出し、電圧位相演算器３２に、出力する。

【0116】

また、シミュレータ１６０は、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分として、界磁磁束指令Φ＊を入力とし、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。

【0117】

また、シミュレータ１６０は、たとえば、力率をパラメータとし、それぞれの力率について、２つの状態変数の関係曲線を保有しておく。本実施形態においては、速度制御部１０は、有効電流Ｉ_Ｐを変数として使用していることから、たとえば、有効電流指令Ｉ_Ｐ^＊および磁束指令Φ^＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出することができる。

【0118】

このような構成をとることによって、巻線界磁型同期機制御装置３１０は、速度制御において、所期のトルク電流確保のために電圧の制御を行うのではなく、有効電流を確保するために電圧の位相を制御する。

【0119】

以上のように、本実施形態においても、正確な負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を用いることによって、安定した制御を行うことができる。

【0120】

［第６の実施形態］
図１５は、第６の実施形態に係る巻線界磁型同期機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第５の実施形態の変形であり、電力変換器の出力電圧が最大出力電圧となり、出力電圧が飽和した状態で、同期電動機を安定に制御可能とするために、有効電流を確保するために電圧の位相を制御する。

【0121】

本第６の実施形態における巻線界磁型同期機制御装置３２０では、第５の実施形態における巻線界磁型同期機制御装置３１０と比較すると、３相−ＰＱ変換器３３に代えて３相−ＭＴ変換器４１、ＰＱ−３相変換器３５に代えてＭＴ−３相変換器４３を有する。さらに、減算器４４および磁束電流制御器４５を有する。また、巻線界磁型同期機制御装置３２０は、入力として、磁束電流指令ｉ_Ｍ^＊をさらに受け入れる。

【0122】

３相−ＭＴ変換器４１は、３相電機子電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、負荷角δ、および磁極位置の検出値すなわち回転位置Θとから、トルク電流値Ｉ_Ｔおよび磁束電流値Ｉ_Ｍを求め、出力する。

【0123】

ＭＴ−３相変換器４３は、電圧位相演算器３２からの出力である電圧位相指令Θ^＊と、電圧の振幅基準値Ｖ１とに基づいて、電力変換器３への３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、およびＶｗ^＊を出力する。

【0124】

減算器４４は、巻線界磁型同期機制御装置３２０が入力として受け入れた磁束電流指令ｉ_Ｍ^＊と、３相−ＭＴ変換器４１の出力のうちの磁束電流ｉ_Ｍとを受け入れ、磁束電流指令ｉ_Ｍ^＊からフィードバック信号である磁束電流ｉ_Ｍを減じて、磁束電流偏差をシミュレータ１７０に出力する。

【0125】

シミュレータ１７０は、負荷角δの演算部分として、３相−ｄｑ変換器１７の出力であるｄ軸電機子電流ｉ_ｄおよびｑ軸電機子電流ｉ_ｑを入力として受けて、負荷角δをフィードフォワード信号として、３相ＭＴ変換器４１に出力する。

【0126】

また、シミュレータ１７０は、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分として、磁束電流制御器４５の出力である磁束電流偏差と、フィードバック信号である界磁電流ｉ_ｆｄとを入力として、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。

【0127】

この際、あらかじめ詳細解析等で算出した結果に基づいて、ｄ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｄを求めるｄ軸磁束関数φ_ｄ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）とｑ軸方向の電機子巻線鎖交磁束Φ_ｑを算出するｑ軸磁束関数φ_ｑ（ｉ_ｄ^＋，ｉ_ｑ，ｉ_ｆｄ）とを、それぞれ、たとえばテーブル形式で保有しておく。この算出結果に基づいて、負荷角δを算出し、３相−ＭＴ変換器４１に、出力する。

【0128】

また、シミュレータ１７０は、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊の演算部分として、界磁磁束指令Φ＊を入力とし、界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出し、界磁電流制御器２１にフィードフォワード信号として出力する。

【0129】

また、シミュレータ１７０は、たとえば、力率をパラメータとし、それぞれの力率について、２つの状態変数の関係曲線を保有しておく。本実施形態においては、速度制御部１０は、トルク電流Ｉ_Ｔを変数として使用していることから、たとえば、トルク電流指令Ｉ_Ｔ^＊および磁束指令Φ^＊のみを用いて、負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を算出することができる。

【0130】

以上のように、本実施形態においても、正確な負荷角δおよび界磁電流指令ｉ_ｆｄ^＊を用いることによって、安定した制御を行うことができる。

【0131】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、第１の実施形態、第５の実施形態、および第６の実施形態で、それぞれ方式の異なる制御回路にシミュレータを適用した場合の例を示した。

【0132】

すなわち、第１ないし第４の実施形態では、電機子の電圧を制御する方式の場合を示している。また、第５および第６の実施形態では、電圧位相を制御する方式として、有効電流指令ｉ_P^＊がシミュレータに入力されている場合を示している。ただし、有効電流指令ｉ_P^＊に限らず、速度制御の出力として任意の変数を用いた制御器で採用することができる。

【0133】

さらに、本発明は、これらの制御方式に限定されない。すなわち、本発明によるシミュレータは、同期機の状態をシミュレータによって予測し、その結果を関数テーブルとして保存し、この関数テーブルを使ってフィードフォワード的に制御する任意の方式に適用することが可能であり、制御性を大幅に改善することができる。

【0134】

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第５の実施形態あるいは第６の実施形態に、第２ないし第４の実施形態のそれぞれの特徴と、を組み合わせてもよい。

【0135】

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

【0136】

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0137】

１…巻線界磁型同期機、２ａ…電機子巻線、２ｂ…界磁巻線、３、４…電力変換器、５、６…電流変換器、７…回転位置検出器、８…位置演算器、１０…速度制御部、１１…減算器、１２…速度演算器、１３…速度制御器、１４…ｄｑ軸電流演算器、１５、１６…減算器、１７…３相−ｄｑ変換器、１８…ｄｑ軸電流制御器、１９…ｄｑ−３相変換器、２０…界磁制御部、２１…界磁電流制御器、３１…有効電流制御器、３２…電圧位相演算器、３３…３相−ＰＱ変換器、３４…減算器、３５…ＰＱ−３相変換器、４１…３相−ＭＴ変換器、４２…減算器、４３…ＭＴ−３相変換器、４４…減算器、４５…磁束電流制御器、１００…シミュレータ、１０１…負荷角演算器、１０２…界磁電流指令演算器、１１０…磁束演算器、１１１…加算器、１２０…シミュレータ、１２１、１２２、１２３…加算器、１２４…乗算器、１２５…不完全微分要素、１２６…乗算器、１２７…不完全微分要素、１２８…磁束演算器、１３０、１３１…減算器、１３２…界磁電流演算器、１４０…シミュレータ、１４１…界磁電流演算器、１４２…一次遅れ要素、１５０…シミュレータ、１５１…負荷角演算器、１５２…一次遅れ要素、１５３…界磁電流演算器、１５４…一次遅れ要素、１６０、１７０…シミュレータ、２０１…負荷角演算器、２０２…界磁電流指令演算器、２０３…磁束演算器、３００、３１０、３２０…巻線界磁型同期機制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】