特許 7449204 電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2024-03-05

(45)【発行日】2024-03-13

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/16 20160101AFI20240306BHJP

   H02P 21/08 20160101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

H02P21/16

H02P21/08

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020151558

(22)【出願日】2020-09-09

(65)【公開番号】P2022045784

(43)【公開日】2022-03-22

【審査請求日】2023-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】戸張 和明

(72)【発明者】

【氏名】小沼 雄作

(72)【発明者】

【氏名】杉本 卓也

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 弘

(72)【発明者】

【氏名】渡嘉敷 睦男

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２３５１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７７６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０９８９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０８７２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１５９２１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２１／１６

Ｈ０２Ｐ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁石モータを制御する電力変換装置であって、
該磁石モータの出力電圧と出力電流を基に第１の電力を算出し、
該磁石モータの電気回路定数、電流指令、出力周波数および誘起電圧係数を基に第２の電力を算出し、
前記第１の電力が前記第２の電力を追従するように前記誘起電圧係数を推定し、
前記誘起電圧係数に従って前記磁石モータの駆動を制御し、
前記第１の電力は、前記磁石モータの出力電圧と出力電流を基に算出した第１の有効電力であり、
前記第２の電力は、前記磁石モータの電気回路定数、電流指令、出力周波数および誘起電圧係数を基に算出した第２の有効電力であり、
前記第１の電力は、前記磁石モータの出力電圧と出力電流を基に算出した第１の無効電力であり、
前記第２の電力は、前記磁石モータの電気回路定数、電流指令、出力周波数および誘起電圧係数を基に算出した第２の無効電力であり、
前記第１の有効電力と前記第２の有効電力の偏差を零とするように、または前記第１の無効電力と前記第２の無効電力の偏差を零とするように、前記誘起電圧係数を演算し、
前記磁石モータの電気回路定数と周波数推定値の関係を基準にして、
前記磁石モータが低速域の場合には前記第１の有効電力と前記第２の有効電力の偏差を零とするように、比例制御および積分制御し、
前記磁石モータが中高域の場合には前記第１の無効電力と前記第２の無効電力の偏差を零とするように、比例制御および積分制御する
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記磁石モータの磁束軸であるｄ軸およびトルク軸であるｑ軸の電流指令値と電流検出値および出力周波数を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値を出力するベクトル制御演算部を有し、
前記第１の有効電力は、前記ｄ軸およびｑ軸の同成分の電圧指令値と電流検出値を乗算して、それらを加算して求め、
前記第２の有効電力は、前記磁石モータの電気回路定数、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値、出力周波数および誘起電圧係数から演算して求め、
前記第１の有効電力が前記第２の有効電力に追従するように、前記誘起電圧係数を制御する
請求項１の電力変換装置。

【請求項3】

前記磁石モータの磁束軸であるｄ軸およびトルク軸であるｑ軸の電流指令値と電流検出値および出力周波数を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値を出力するベクトル制御演算部を有し、
前記第１の有効電力は、電力変換器の直流電圧検出値と直流電流検出値を乗算して求め、
前記第２の有効電力は、前記磁石モータの電気回路定数、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値、出力周波数および誘起電圧係数から演算して求め、
前記第１の有効電力が前記第２の有効電力に追従するように、前記誘起電圧係数を制御する
請求項１の電力変換装置。

【請求項4】

前記磁石モータの三相交流の電流指令値と電流検出値および出力周波数を用いて、三相交流の電圧指令値を出力するベクトル制御演算部を有し、
前記第１の有効電力は、三相交流の１相分の電圧振幅値と電流振幅値および電圧指令値と電流検出値の位相差の余弦信号を乗算して求め、
前記第２の有効電力は、前記磁石モータの電気回路定数、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値、出力周波数および誘起電圧係数から演算して求め、
前記第１の有効電力が前記第２の有効電力に追従するように、前記誘起電圧係数を制御する
請求項１の電力変換装置。

【請求項5】

前記磁石モータの磁束軸であるｄ軸およびトルク軸であるｑ軸の電流指令値と電流検出値および出力周波数を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値を出力するベクトル制御演算部を有し、
前記第１の無効電力は、ｄ軸およびｑ軸の異成分の電圧指令値と電流検出値を乗算し、それらを減算して求め、
前記第２の無効電力は、前記磁石モータの電気回路定数、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値、出力周波数および誘起電圧係数から演算して求め、
前記第１の無効電力が前記第２の無効電力に追従するように、前記誘起電圧係数を制御する
請求項１の電力変換装置。

【請求項6】

前記磁石モータの三相交流の電流指令値と電流検出値および出力周波数を用いて、三相交流の電圧指令値を出力するベクトル制御演算部を有し、
前記第１の無効電力は、三相交流の１相分の電圧振幅値と電流振幅値および電圧指令値と電流検出値の位相差の正弦信号を乗算して求め、
前記第２の無効電力は、前記磁石モータの電気回路定数、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値、出力周波数および誘起電圧係数から演算して求め、
前記第１の無効電力が前記第２の無効電力に追従するように、前記誘起電圧係数を制御する
請求項１の電力変換装置。

【請求項7】

前記磁石モータの出力周波数あるいはｑ軸の電流指令値の少なくともいずれか一方に基づいて、前記比例制御と前記積分制御の制御ゲインを自動修正する
請求項１の電力変換装置。

【請求項8】

前記比例制御あるいは前記積分制御に設定する制御の応答周波数あるいは制御ゲインは、該電力変換装置に接続される端末または該電力変換装置のデジタル・オペレータからの指示により設定、変更可能である
請求項１の電力変換装置。

【請求項9】

前記誘起電圧係数を用いて、磁石モータ内部のロータ温度を推定するロータ温度推定演算部を有する
請求項１の電力変換装置。

【請求項10】

前記誘起電圧係数をコントローラにフィードバックして、該コントローラがトルク電流指令と励磁電流指令の最適パターンを決定する
請求項９の電力変換装置。

【請求項11】

前記誘起電圧係数または前記ロータ温度の推定値をコントローラにフィードバックして、該コントローラが磁石モータの状態を管理する請求項９の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に係り、特に、磁石モータの駆動を制御する誘起電圧係数の推定に関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石を用いたモータを高効率にセンサレス制御する電力変換装置が知られている。例えば、特許文献１には、磁石モータの高精度な制御に関して、電力変換器への電圧指令値、電流検出値、電気回路定数および周波数推定値に基づいて、磁石モータの誘起電圧係数を推定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開2003－164188号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された制御方法は、磁束軸のγ軸成分と、トルク軸のδ軸成分の直流量の電圧指令値（v_γ，v_δ）と、電流検出（i_γ，i_δ）と、磁石モータの電気回路定数（抵抗R、ｄ軸インダクタンスL_d、q軸インダクタンスL_q）とを用いて、式（１）に基づき、誘起電圧係数Φを推定する。

【0005】

【数1】

【0006】

ここで、式（１）にはインダクタンスの電圧降下分（w₁L_qi_δおよびw₁L_ｄi_γ）の影響が入り、インダクタンスL_d、L_qの設定誤差による誘起電圧係数の推定精度が劣化することが考えられる。

【0007】

この推定精度の劣化を防ぐために、磁石モータを無負荷状態で回転させて、誘起電圧係数の調整を行なう必要がある。この調整を回転型オートチューニング（Ａ．Ｔ）という。この調整作業は、顧客の機械装置に磁石モータを据付ける前に実施しなければならず、結果的に作業時間が増加することになる。

【0008】

本発明の目的は、回転型オートチューニング無しに、磁石モータを制御する誘起電圧係数を推定することで、高精度な制御特性を実現する電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の好ましい一側面は、磁石モータの実運転中に、有効電力または無効電力を用いて、磁石モータの誘起電圧係数を推定することを可能にする。
本発明の好ましい実施例は、磁石モータを制御する電力変換装置であって、
該磁石モータの出力電圧と出力電流を基に第１の電力を算出し、
該磁石モータの電気回路定数、電流指令、出力周波数および誘起電圧係数を基に第２の電力を算出し、
前記第１の電力が前記第２の電力を追従するように前記誘起電圧係数を推定し、
前記誘起電圧係数に従って前記磁石モータの駆動を制御する電力変換装置、が開示される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、実運転中に磁石モータの誘起電圧係数を推定することで、磁石モータの電気回路定数の調整無しに、高精度な制御特性を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１に係る電力変換装置の構成例を示す図。

【図2】誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す図。

【図3】比較例による電力変換装置を用いた場合の制御特性を示す図。

【図4】実施例１による電力変換装置を用いた場合の制御特性を示す図。

【図5】実施例１による電力変換装置の制御特性の確認に供する磁石モータ駆動システムの構成例を示す図。

【図6】実施例２に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図7】実施例３に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図8】実施例４に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図9】実施例５に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図10】実施例６に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図11】実施例７に係る誘起電圧係数の推定演算部の一例を示す図。

【図12】実施例８に係る電力変換装置の構成例を示す図。

【図13】実施例９に係る磁石モータ駆動システムの構成例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を用いて、幾つかの好ましい実施例を詳細に説明する。なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、以下に説明する各実施例は例示であって、これらの実施例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0013】

図１は、実施例１に係る電力変換装置の構成例を示す。
電力変換装置１は、磁石モータ１０、電力変換器２、直流電源３、電流検出器４、座標変換部５、速度制御演算部６、推定誘起電圧係数の推定演算部７、ベクトル制御演算部８、周波数・位相推定演算部９、座標変換部１１を有して構成される。好ましい例では、磁石モータ１、電力変換装器２、直流電源３、電流検出器４はハードウェアで構成され、他の構成部位５～１１は、１または複数の処理装置（ＣＰＵ）においてプログラムの実行により実現される機能（ソフトウェア機能）である。構成部位５～１１を、単に制御部またはコントローラと言うことがある。

【0014】

ここで、磁石モータ１０は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したモータトルクを出力する。
電力変換器２は、３相交流の電圧指令値v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*を入力し、電圧指令値v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*に比例した電圧値を出力し、磁石モータ１０の出力電圧値と出力周波数値を可変制御する。直流電源３は、電力変換器２に直流電圧を供給する。

【0015】

電流検出器４は、磁石モータ１０の３相の交流電流i_u、i_v、i_wを検出し、検出値であるi_uc、i_vc、i_wcを出力する。なお、電流検出器４は、誘導モータ１の３相の内の２相、例えばu相とw相の交流電流を検出し、交流条件（i_u＋i_v＋i_w＝0）から、v相の交流電流を、i_v=－(i_u＋i_w)として求めてもよい。

【0016】

座標変換部５は、３相の交流電流i_u、i_v、i_wの検出値i_uc、i_vc、i_wcと、位相推定値θ_dcからｄ軸およびｑ軸の電流検出値i_dc、i_qcを出力する。
速度制御演算部６は、周波数指令値ω_r ^*と周波数推定値ω_r ^{^}に基づいてトルク指令値τ^*を演算し、トルク係数で除算することよりｑ軸の電流指令値i_q ^*を出力する。

【0017】

誘起電圧係数の推定演算部７は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**、電流検出値i_dc、i_qc、電流指令値i_dc ^*、i_qc ^*、周波数推定値ω_r ^{^}に基づいて、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を演算して、出力する。

【0018】

ベクトル制御演算部８は、誘起電圧係数の推定値K_e ^**、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値i_d ^*、i_q ^*、電流指令値i_dc、i_qc、出力周波数となる周波数推定値ω_r ^{^}に基づいて、演算したｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**を出力する。

【0019】

周波数・位相推定演算部９は、制御軸であるｄ_c軸およびｑ_c軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**、ｑ軸インダクタンス値L_q ^*、周波数推定値ω_r ^{^}、電流検出値i_dc、i_qcおよび永久磁石モータ１０の電気回路定数を用いて、電力変換器２の回転位相推定値θ_dcと実際の回転位相θ_dとの偏差である位相誤差Δθの推定値を演算して、この推定値に基づいて周波数推定値ω_r ^{^}と位相推定値θ_dcを出力する。
座標変換部１１は、d軸とq軸の電圧指令値v_dc ^*、v_qc ^**と、位相推定値θ_dcから３相交流の電圧指令値v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*を出力する。

【0020】

最初に、本実施例の特徴である誘起電圧係数の推定演算部７を用いた場合のセンサレスベクトル制御方式の基本動作について説明する。
速度制御演算部６は、周波数指令値ω_r ^*に周波数推定値ω_r ^{^}が追従するように、比例制御と積分制御により、式（２）に従い、トルク指令τ*とq軸の電流指令値i_q ^*を演算する。

【0021】

【数2】

ここで、K_sp：速度制御の比例ゲイン、K_si：速度制御の積分ゲイン、P_m:極対数

【0022】

ベクトル制御演算部８は、第１に、磁石モータ１０の電気回路定数である抵抗の設定値R^*、ｄ軸インダクタンスの設定値L_d ^*、ｑ軸のインダクタンスの設定値L_q ^*、誘起電圧係数の値K_e ^*、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値i_d ^*、i_q ^*と周波数推定値ω_r ^{^}を用いて、式（３）に従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧基準値v_dc ^*、v_qc ^*を出力する。

【0023】

【数3】

ここで、T_acr：電流制御の応答時定数

【0024】

第２に、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値i_d ^*、i_q ^*に各成分の電流検出値i_dc、i_qcが追従するように、比例制御と積分制御により、式（４）に従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧補正値Δv_dc、Δv_qcを演算する。

【0025】

【数4】

【0026】

ここで、
K_pd：ｄ軸の電流制御の比例ゲイン、K_id：ｄ軸の電流制御の積分ゲイン
K_pq：ｑ軸の電流制御の比例ゲイン、K_iq：ｑ軸の電流制御の積分ゲイン

【0027】

さらに、式（５）に従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**を演算する。

【0028】

【数5】

【0029】

周波数・位相演算部９では、ｄ軸およびq軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**、電流検出値i_dc、i_qcと磁石モータ１０の電気回路定数に基づいて、式（６）に従い位相誤差推定値Δθcを演算し、式（７）に従い周波数推定値ω_r ^{^}を演算し、式（８）に従い位相推定値θ_dcを演算する。

【0030】

【数6】

【0031】

【数7】

【0032】

【数8】

ここで、Kp_pll：PLL制御の比例ゲイン、Ki_pll：PLL制御の積分ゲイン

【0033】

図２は、実施例１における誘起電圧係数の推定演算部７の構成例を示す。

【0034】

誘起電圧の係数の初期値７１は、K_e ^*である。第１の有効電力演算部７２は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値i_dc、i_qcを用いて、式（９）に従い、第１の有効電力P_cを演算する。

【0035】

【数9】

【0036】

力行／回生の両方の運転モードに対応するため、第１の電力演算部７２の出力を絶対値演算部７３に通して、第１の有効電力P_cの絶対値|P_c|を演算する。

【0037】

第２の有効電力演算部７４は、ｄ軸およびq軸の電流指令値i_d ^*、i_q ^*、周波数推定値ω_r ^{^}、磁石モータ１０の電気回路定数であるR、L_d、L_qと、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を用いて、式（１０）に従い、第２の有効電力P_c ^{^}を演算する。

【0038】

【数10】

【0039】

力行／回生の両方の運転モードに対応するため、第２の電力演算部７４の出力を絶対値演算部７５に通して、第２の有効電力P_c ^{^}の絶対値|P_c ^{^}|を演算する。

【0040】

ＰＩ制御部７６は、第１の有効電力P_cの絶対値|P_c|が第２の有効電力P_c ^{^}の絶対値|P_c ^{^}|に追従するように、P（比例）+I（積分）制御を行い、誘起電圧係数の補正値ΔK_e0 ^*を演算する。

【0041】

ローパスフィルタ（L.P.F）７７は、時定数がTのゲインを持ち、誘起電圧係数の補正値ΔK_e0 ^*が入力され、補正値ΔK_e ^*を出力する。補正値ΔK_e ^*と誘起電圧係数の初期値K_e ^*を用いて、式（１１）に従い、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を演算する。

【0042】

【数11】

【0043】

次に、本実施例により実現される高精度な制御特性（図４）について、比較例（図３）を用いて説明する。
図３は、本実施例による誘起電圧係数の推定演算部７を用いない比較例（すなわちΔK_e ^*=0）場合の制御特性を示す。

【0044】

式（２）に示すトルク指令値τ^*とｑ軸の電流指令値i_q ^*、式（５）に示すd軸およびq軸の電圧指令値v_dc ^**、v_ｑc ^**の演算式に含まれる設定値K_e ^*に誤差がある場合のシミュレーション結果を示す。
上段はトルク指令値τ*、中段は周波数指令ω_r ^*と磁石モータの周波数ω_r、下段は誘起電圧係数K_eとその設定値K_e ^*を表わしている。

【0045】

図３において、時刻Ａ点からランプ状の負荷トルクを与え始め、時刻Ｂ点まで変化させ、電流による発熱によりＣ点から誘起電圧係数K_eがゆっくりと減少する場合を想定した。Ｂ点経過後（右側）はトルクを与えたままの状態である。図中のＤ領域において磁石モータの周波数ω_r/2pと指令値ω_r ^*/2πの偏差が発生していることがわかる。

【0046】

一方、本実施例では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^*、v_qc ^*と電流検出値i_dc、i_qcを用いて、式（９）により誘起電圧係数の設定値K_e ^*の情報を含まない第１の有効電力P_cを演算する。さらに、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値i_d ^*、i_q ^*、周波数推定値ω_r ^{^}、磁石モータの電気回路定数Ｒ、L_d、L_qと誘起電圧係数の推定値K_e ^**を用いて、式（１０）により第２の有効電力P_c ^{^}を演算する。

【0047】

第２の有効電力P_c ^{^}の絶対値|P_c ^{^}|が、第１の有効電力Pcの絶対値|P_c|に追従するように、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を自動調整し、推定値K_e ^**を速度制御演算部６、ベクトル制御演算部８に用いることで、制御特性を高精度に改善することができる。

【0048】

図４に、本実施例による制御特性を示す。
本実施例では、誘起電圧係数の推定演算部７を動作させ、図３の比較例と同様な負荷トルクを与えている。誘起電圧係数K_eを高精度に推定する（K_e≒K_e ^**）ため、図中のＤ領域においても周波数の偏差(ω_r/2p- ω_r ^{^}/2p)が少なく、高精度な制御特性があることがわかる。

【0049】

＜制御特性の確認＞
次に、図５を用いて、本実施例による制御特性の確認について説明する。
磁石モータ１０を駆動する電力変換装置１に、電圧検出器２１、電流検出器２２を接続し、磁石モータ１０のシャフトにエンコーダ２３を取り付ける。さらに、電圧検出器２１、電流検出器２２、エンコーダ２３に、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を接続して、これらの各検出値を取得して、プログラムを実行させて処理する。この処理は主に、ベクトル電圧・電流成分の計算部２４の処理と、式１２による計算部２５の処理を実行する。

【0050】

すなわち、ベクトル電圧・電流成分の計算部２４は、電圧検出器２１の出力である三相交流の電圧検出値（v_uc、v_vc、v_wc）、三相交流の電流検出値（i_uc、i_vc、i_wc）、エンコーダの出力である位置θを受け入れて、ベクトル電圧成分のv_dc、v_qc、ベクトル電流成分のi_dc、i_qcと、位置θを微分した検出値ω_rcを演算する。
計算部２５は、式（１２）を用いて、誘起電圧係数の推定値K_e ^{^}を演算する。

【0051】

【数12】

【0052】

電力変換器２のコントローラに設定される誘起電圧係数K_e ^*がずれても（変更しても）、誘起電圧係数K_e ^{^}の大きさは変わらずに正しく検出されることがわかる。誘起電圧係数K_e ^*に対する誘起電圧係数K_e ^{^}の値、またはそれら係数の経過を示すグラフをＰＣの画面に表示することで、本実施例による制御特性の効果を確認できる。

【0053】

なお、本実施例では周波数推定値ω_r ^{^}を演算しているが、磁石モータ１０にエンコーダを取り付けて、周波数ω_rcを検出するようにしてもよい。

【0054】

本実施例によれば、d軸およびq軸のインダクタンス設定値L_d ^*、L_q ^*に誤差があっても、d軸の電流指令値i_d ^*をゼロ付近に設定すれば、式(１０)の第２成分が低感度化されるため、力行／回生の運転モードに係わらず、高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例2】

【0055】

図６を参照して、実施例２に係る電力変換装置について説明する。図６は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例１では、誘起電圧係数の推定演算部７において、比例制御と積分制御のゲイン（K_p、K_i）を固定値としている。一方、実施例２では、周波数推定値ω_r ^{^}やq軸の電流指令値i_q ^*に応じて、ゲイン（K_p、K_i）を変化させる。

【0056】

図６に示す、誘起電圧係数の推定演算部７は、実施例１（図２）の誘起電圧係数の推定演算部７と同様の構成である。ＰＩ制御７６２の入力値と出力値が実施例１と相違するが、他の構成部位は、図２と同じである。

【0057】

実施例２では、ＰＩ制御７６２において、周波数推定値ω_r ^{^}やｑ軸の電流指令値i_q ^*に略比例して、比例制御と積分制御のゲイン（K_p、K_i）を変化させることで、第１の有効電力P_cの絶対値|P_c|が、第２の有効電力P_c ^{^}の絶対値|P_c ^{^}|に、周波数や電流値に応じて変化する。これにより、低速域から高速域、軽負荷から重負荷においても、より短時間で高精度な制御特性を実現できる。

【実施例3】

【0058】

図７を参照して、実施例３に係る電力変換装置について説明する。図７は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例１では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**と電流検出値i_dc、i_qcから、第１の有効電力P_cを演算する構成とした。一方、実施例３では、三相交流の電圧指令の振幅値V₁ ^*と電流検出の振幅値i₁および位相θ_viの余弦信号を用いて、有効電力P_cを演算する。

【0059】

図７に示す、誘起電圧係数の推定演算部７は、実施例１（図２）の誘起電圧係数の推定演算部７と同様の構成である。第１の有効電力演算部７２３における演算が実施例１と相違するが、他の構成部位は、図２と同じである。すなわち、図７の、第１の有効電力演算部７２３では、三相交流の電圧指令の振幅値V₁ ^*を式（１３）、電流検出値の振幅値i₁を式（１４）、および位相θ_viを式（１５）より求め、式（１６）を用いて有効電力P_cを演算する。

【0060】

【数13】

【0061】

【数14】

【0062】

【数15】

【0063】

【数16】

【0064】

実施例３によれば、実施例１と同様に高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例4】

【0065】

図８を参照して、実施例４に係る電力変換装置について説明する。図８は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例１では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**と電流検出値i_dc、i_qcから、第１の有効電力P_cを演算するが、実施例４では電力変換器３の直流電圧値E_DCと直流電流値I_DCを用いて有効電力P_cを演算する。

【0066】

図８に示す、誘起電圧係数の推定演算部７は、実施例１（図２）の誘起電圧係数の推定演算部７と同様の構成である。第１の有効電力演算部７２４における演算が実施例１と相違するが、他の構成部位は、図２と同じである。すなわち、図８の、第１の有効電力演算部７２４では、電力変換器２の直流電圧検出値E_DC、直流電流検出値I_DCを用いて、式（１７）に基づいて第１の有効電力P_cを演算する。

【0067】

【数17】

【0068】

実施例４によれば、実施例１と同様に、高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例5】

【0069】

図９を参照して、実施例５に係る電力変換装置について説明する。図９は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例１では、第１および第２の２つの有効電力を用いたが、実施例５では、２つの無効電力を用いる。

【0070】

図９に示す、誘起電圧係数の推定演算部７は、実施例１（図２）の誘起電圧係数の推定演算部７と同様の構成である。第１の無効電力演算部７２５および第２の無効電力演算部７４５における演算が、実施例１における第１の有効電力演算部７２および第２の有効電力演算部７４のものと相違するが、他の構成部位は、図２と同じである。すなわち、第１の無効電力演算部７２５は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^*、v_qc ^*と電流検出値i_dc、i_qcを用いて、第１の無効電力Q_cを式（１８）に従い、演算する。

【0071】

【数18】

【0072】

力行／回生の両方の運転モードに対応するため、第１の無効電力演算部７２５の出力を絶対値演算部７３に通して、第１の無効電力Q_cの絶対値|Q_c|を演算する。

【0073】

第２の無効電力演算部７４５は、ｄ軸およびq軸の電流指令値i_dc ^*、i_qc ^*、周波数推定値ω_r ^{^}、磁石モータ１０の電気回路定数であるR、L_d、L_qと、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を用いて、第２の無効電力Q_c ^{^}を式（１９）に従い、演算する。

【0074】

【数19】

【0075】

力行／回生の両方の運転モードに対応するため、第２の無効電力演算部７４５の出力を絶対値演算部７５に通して、第２の無効電力Q_c ^{^}の絶対値| Q_c ^{^}|を演算する。ＰＩ制御部７６は、第１の無効電力Q_cの絶対値|Q_c|が、第２の無効電力Q_c ^{^}の絶対値|Q_c ^{^}|に追従するように、P（比例）+Ｉ（積分）制御を行い、誘起電圧係数の補正値ΔK_e0 ^*を演算する。

【0076】

L.P.F７７は、時定数がＴのゲインを持ち、誘起電圧係数の補正値ΔK_e0 ^*が入力され、補正値ΔK_e ^*を演算する。補正値ΔK_e ^*と誘起電圧係数の設定値K_e ^*を用いて、誘起電圧係数の推定値K_e ^**を、式（１１）に従い演算する。

【0077】

実施例５によれば、第１の無効電力Q_cの絶対値|Q_c|に、第２の無効電力Q_c ^{^}の絶対値|Q_c ^{^}|が追従するように、誘起電圧係数の設定値K_e ^*を修正する。これにより、抵抗の設定値R^*に誤差があっても、力行／回生の運転モードに係わらず高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例6】

【0078】

図１０を参照して、実施例６に係る電力変換装置について説明する。図１０は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例６も実施例５と同様に、無効電力の演算を行う。実施例５では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値v_dc ^**、v_qc ^**と電流検出値i_dc、i_qcから、第１の無効電力Q_cを演算するが、実施例６では三相交流の電圧指令の振幅値V₁ ^*と電流検出の振幅値i₁、および位相θ_viを用いて、無効電力Q_cを演算する。

【0079】

図１０に示す、誘起電圧係数の推定演算部７は、実施例５（図９）の誘起電圧係数の推定演算部７と同様の構成である。第１の無効電力演算部７２６における演算が、実施例５における第１の無効電力演算部７２５のものと相違するが、他の構成部位は、図９と同じである。

【0080】

図１０において、第１の無効電力演算部７２６では、三相交流の電圧指令の振幅値V₁ ^*を式（１３）により演算し、電流検出値の振幅値i₁を式（１４）により演算し、および位相θ_viを正弦信号を用いて、無効電力Q_cを式（２０）により演算する。

【0081】

【数20】

【0082】

実施例６によれば、実施例５と同様に、力行／回生の両方のトルクモードに係わらず、高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例7】

【0083】

図１１を参照して、実施例７に係る電力変換装置について説明する。図１１は誘起電圧係数の推定演算部７の一例を示す。
実施例１～３は有効電力を演算する方式、実施例４～５は無効効電力を演算する方式を用いるとしたが、実施例７は、低速域は無効電力方式、高速域は有効電力方式を用いて、両者を切り替える構成である。

【0084】

図１１において、起電圧係数の推定演算部７１１２は、実施例１（図２）における誘起電圧係数の推定演算部７に相当し、起電圧係数の推定演算部７１１４は、実施例５（図９）における誘起電圧係数の推定演算部７に相当する。なお、図１１は、誘起電圧係数の推定演算部７における、第１の有効電力演算部７２および第２の有効電力演算部７４、および第１の無効電力演算部７２５および第２の無効電力演算部７４５を主眼に図示して、他の構成部位の図示は省略されている。

【0085】

切替スイッチ７１６は、低速域では起電圧係数の推定演算部７１１４の出力信号を選択し、中高速域では起電圧係数の推定演算部７１１２の出力信号を選択するように、それぞれ誘起電圧係数の推定値K_e ^**として出力する。この切替え動作は例えば、磁石モータ１０の電気回路定数と周波数推定値ω_r ^{^}を用いて、式（２１）を満たしていれば中高速域と判断し、満たしていなければ低速域と判断することで行える。

【0086】

【数21】

【0087】

実施例７によれば、低速域は抵抗の設定誤差に低感度化することができる（すなわち、式（１９）に抵抗を含まないため）。中高速域はインダクタンスの設定誤差に低感度化することができる（すなわち、式（１０）のインダクタンスの差分（L_d ^*-L_q ^*）が小さくなるため）。これにより、全速度域において高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例8】

【0088】

図１２は、実施例８に係る電力変換装置の構成図である。
実施例1乃至７は電力を演算して誘起電圧係数を推定する例である。これに対して、実施例８は磁石モータ１の温度を推定する例である。
図１２に示す、電力変換装置１に、ロータ温度推定演算部１２１と、磁石モータの状態を管理するPLC（プログラマブル・ロジック・コントローラ）やIOT等の上位のコントローラ１２２が追加される。他の構成は図１と同一である。

【0089】

ロータ温度推定演算部１２１は、誘起電圧係数の推定値K_e**を用いて、磁石モータ１のロータ温度推定値Temp（°C）を、式（２７）を用いて演算する。ここで、温度１００°Cの変化で誘起電圧係数が１０％低減すると想定し、温度２０°Cでの誘起電圧係数をK_e0とした。

【0090】

【数27】

【0091】

更に、温度推定値Tempがコントローラ１２２にフィードバックされて、コントローラ１２２が、式（２８）を用いて、トルク電流指令id*と励磁電流指令の最適パターンを決定する。

【0092】

【数28】

【0093】

実施例８によれば、実施例１と同様に、高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例9】

【0094】

図１３を参照して、実施例９に係る磁石モータ駆動システムについて説明する。実施例９は、実施例１乃至８による電力変換装置を磁石モータ駆動システムに適用した例を示す。

【0095】

この磁石モータ駆動システムは、電力変換装置１と、それにより駆動される誘導モータ１を有する。更に、一例では、電力変換装置１に、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１１、タブレット３１２、スマートフォン３１３などの端末３１が接続される。また、電力変換装置１に搭載される電力変換器２または他の構成部位を含むマイクロコンピュータの内部メモリには、比例制御または積分制御に設定する制御の応答周波数あるいは制御ゲイン（比例ゲイン２６、積分ゲイン２７）が設定される。端末３１は電力変換装置１を制御する関係上、上位装置と言ってもよい。

【0096】

一例では、端末３１からの指示により、電力変換装置１の比例ゲイン２６、積分ゲイン２７を設定し、変更することができる。また他の例では、電力変換装置１が有するデジタル・オペレータ１１２の指示により、電力変換装置１の比例ゲイン２６、積分ゲイン２７を設定し、変更することができる。

【0097】

なお、上記の比例ゲイン２６および積分ゲイン２７は、ＰＬＣ、コンピュータと接続するローカル・エリア・ネットワーク、IOTコントローラなどのフィールドバス上に設定することもできる。
なお、図１３は、実施例１による電力変換装置１（図１）が示しているが、実施例２乃至６によるものでもよい。

【0098】

実施例９の誘導モータ駆動システムによれば、位置センサレスベクトル制御において高精度な制御特性を実現することができる。

【実施例10】

【0099】

その他の変形例
上記した実施例１乃至８は、更に種々変形して実施することができる。以下、幾つかの変形例について述べる。 例えば、実施例１乃至２においては、第１の有効電力Pcである式（９）と第１の無効電力Qcである式（１８)には電流検出値i_dc、i_qcを用いたが、電流指令値i_d*、i_q*を用いてもよい。また、第２の有効電力Pc^である式（１０）と第２の無効電力Qc^である式(１９)には電流指令値i_d ^*、i_q ^*を用いたが、電流検出値i_dc、i_qcを用いてもよい。

【0100】

また、実施例１乃至７においては、電流指令値i_d ^*、i_q ^*と電流検出値i_dc、i_qcから電圧修正値Δv_dc、Δv_qcを作成し、この電圧修正値とベクトル制御の電圧基準値を加算する式（３）に示す演算を行っているが、電流指令値i_d ^*、i_q ^*と電流検出値i_dc、i_qcからベクトル制御演算に使用する式（２２）に示す中間的な電流指令値i_d ^**、i_q ^**を作成し、周波数推定値ω_r ^{^}および磁石モータ１０の電気回路定数を用いて式（２３）に示すベクトル制御演算を行ってもよい。

【0101】

【数22】

【0102】

【数23】

【0103】

ここで、
K_pd1：d軸の電流制御の比例ゲイン、K_id1：d軸の電流制御の積分ゲイン
K_pq1：q軸の電流制御の比例ゲイン、K_iq1：q軸の電流制御の積分ゲイン
T_d：d軸の電気時定数(L_d/R)、T_q：q軸の電気時定数(L_q/R)

【0104】

また、他の例として、電流指令値i_d ^**、i_q ^*と電流検出値i_dc、i_qcから、ベクトル制御演算に使用するｄ軸の比例演算成分の電圧修正値Δv_{d_p} ^*、ｄ軸の積分演算成分の電圧修正値Δv_{d_i} ^*、ｑ軸の比例演算成分の電圧修正値Δv_{q_p} ^*、ｑ軸の積分演算成分の電圧修正値Δv_{q_i} ^* を式（２4）により作成し、周波数値推定ω_r ^{^}および磁石モータ１０の電気回路定数を用いた式（２５）によりベクトル制御演算を行ってもよい。

【0105】

【数24】

【0106】

【数25】

【0107】

ここで、
K_pd2：d軸の電流制御の比例ゲイン、K_id2：d軸の電流制御の積分ゲイン
K_pq2：q軸の電流制御の比例ゲイン、K_iq2：q軸の電流制御の積分ゲイン

【0108】

また、ｄ軸の電流指令値i_d ^*およびｑ軸の電流検出値i_qcの一次遅れ信号i_qctd、周波数推定値ω_r ^{^}と、誘導モータ１の電気回路定数を用いて、式（２６）によりベクトル制御演算を行ってもよい。

【0109】

【数26】

【0110】

さらに他の例として、上記実施例では周波数・位相推定演算部９において、式（７）により周波数推定値を演算したが、磁石モータ１０にエンコーダを取りつけ、エンコーダ信号から周波数検出値を演算しても良い。

【0111】

また、電力変換装置１は、好ましい例（図１参照）では、磁石モータ１０、電力変換装器２、直流電源３、電流検出器４はハードウェアで構成され、他の構成部位５～１０は処理装置（ＣＰＵ）におけるプログラムの実行により実現されるとしたが、他の例によれば、他の構成部位５～１０の一部または全てをハードウェアで構成してもよい。

【0112】

なお、上記した全ての実施例において、電力変換器２を構成するスイッチング素子としては、Si（シリコン）半導体素子であっても、SiC（シリコンカーバイト）やGaN（ガリュームナイトライド）などのワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。

【0113】

以上説明したように、幾つかの実施例によれば、有効電力や無効電力を利用することで、コントローラに設定する磁石モータの電気回路定数の調整なしに、高精度な制御特性を有する電力変換装置を実現できる。

【符号の説明】

【0114】

１…電力変換装置、１０…磁石モータ、２…電力変換器、３…直流電源、４…電流検出器、５…座標変換部、６…速度制御演算部、７…推定誘起電圧係数の推定演算部、８…ベクトル制御演算部、９…周波数・位相推定演算部、１１…座標変換部、
１２１…ロータ温度推定演算部、１２２…コントローラ、
１１２…電力変換装置のデジタル・オペレータ、２１…電圧検出器、２２…電流検出器、２３…エンコーダ、２４…ベクトル電流成分の計算部、２５…各部電流波形の観測部、２６…比例ゲイン、２７…積分ゲイン、３１…端末
i_d ^*…ｄ軸の電流指令値、i_q ^*…ｑ軸電流の指令値、ω_r ^{^}…周波数推定値、ω_r…磁石モータ１０の周波数、v_dc ^*、 v_dc ^**、v_dc ^**、v_dc ^***、v_dc ^****、v_dc ^*****…ｄ軸の電圧指令値、
v_qc ^*、 v_qc ^**、v_qc ^***、v_qc ^****、v_qc ^*****…ｑ軸の電圧指令値、P_C…第１の有効電力、P_C ^{^}…第２の有効電力、Q_C…第１の無効電力、Q_C ^{^}…第２の無効電力、K_e ^*…誘起電圧係数の設定値、ΔK_e ^*…誘起電圧係数の補正値、K_e ^**…誘起電圧係数の推定値

【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】