特許 7596924 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】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/62 20160101AFI20241203BHJP

   H02P 29/66 20160101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

H02P29/62

H02P29/66

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021085173

(22)【出願日】2021-05-20

(65)【公開番号】P2022178400

(43)【公開日】2022-12-02

【審査請求日】2023-08-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】安部 義隆

(72)【発明者】

【氏名】滝口 昌司

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２１８２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７１３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６４７６３７４（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／６２

Ｈ０２Ｐ ２９／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に基づいてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を出力する電流制御器と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を二相三相変換し、三相電圧指令値を出力する二相三相変換器と、
前記三相電圧指令値に基づいてモータに電圧を出力するインバータと、
前記モータの位相を検出するモータ回転位置センサと、
前記インバータの出力の三相電流検出値を前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に変換する三相二相変換器と、
前記位相に基づいて機械角角速度を出力する角速度出力部と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値とに基づいてｄ軸電圧外乱推定値とｑ軸電圧外乱推定値を算出する電圧外乱オブザーバと、
前記機械角角速度に極対数を乗算して電気角角速度を算出する極対数乗算部と、
（９）式と（１０）式により、抵抗のノミナル誤差推定値と磁束推定値を算出する抵抗・磁束推定器と、
前記抵抗のノミナル誤差推定値と前記磁束推定値に基づいて前記モータの固定子温度推定値と磁石温度推定値を算出する温度算出器と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。

【数9】

【数10】

ΔＲ＾ _ａ ：抵抗のノミナル誤差推定値
ｖ＾ _ｄ ^ｖｄｏｂ ：ｄ軸電圧外乱推定値
Ｌ _ｑ ：ｑ軸インダクタンス
ｉ _ｑ ：ｑ軸電流検出値
ω _ｅ ：電気角角速度
ｉ _ｄ ：ｄ軸電流検出値
Φ＾：磁束推定値
ｖ＾ _{ｑｖｄｏｂ} ：ｑ軸電圧外乱推定値
Ｌ _ｄ ：ｄ軸インダクタンス

【請求項2】

前記電圧外乱オブザーバは、以下の（２）式、（８）式により前記ｄ軸電圧外乱推定値と前記ｑ軸電圧外乱推定値を算出することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【数2】

【数8】

ｖ＾_ｑ ^ｖｄｏｂ：ｑ軸電圧外乱推定値
ｖ＾_ｄ ^ｖｄｏｂ：ｄ軸電圧外乱推定値
ｓ：ラプラス演算子
ｇ_ｄｉｓ：電圧外乱オブサーバのカットオフ周波数
ｖ_ｑ ^＊：ｑ軸電圧指令値
ｖ_ｄ ^＊：ｄ軸電圧指令値
Ｌ_ｑｎ：ｑ軸インダクタンスのノミナル値
Ｌ_ｄｎ：ｄ軸インダクタンスのノミナル値
Ｒ_ａｎ：抵抗のノミナル値
ｉ_ｑ：ｑ軸電流検出値
ｉ_ｄ：ｄ軸電流検出値

【請求項3】

前記温度算出器は、
前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を（１１）式、（１２）式により算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

【数11】

【数12】

Ｔ＾_ｓｔ：固定子温度推定値
ΔＲ＾_ａ：抵抗のノミナル誤差推定値
Ｒ_ｎ：基準温度での抵抗
α：抵抗の温度係数
Ｔ＾_ｐｍ：磁石温度推定値
Φ＾：磁束推定値
Φ_ｎ：基準温度での磁束
β：磁束の温度係数

【請求項4】

ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に基づいてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を出力する電流制御器と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を二相三相変換し、三相電圧指令値を出力する二相三相変換器と、
前記三相電圧指令値に基づいてモータに電圧を出力するインバータと、
前記モータの位相を検出するモータ回転位置センサと、
前記インバータの出力の三相電流検出値を前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に変換する三相二相変換器と、
前記位相に基づいて機械角角速度を出力する角速度出力部と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記機械角角速度と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に基づいて、前記モータの温度推定値と固定子温度推定値と磁石温度推定値を算出する温度推定器と、
前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と電気角角速度に基づいて、前記温度推定値と前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値のうちどれを表示するか選択する推定選別器と、
を備え、
前記温度推定器は、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値とに基づいてｄ軸電圧外乱推定値とｑ軸電圧外乱推定値を算出する電圧外乱オブザーバと、
前記機械角角速度に極対数を乗算して前記電気角角速度を算出する極対数乗算部と、
前記ｄ軸電圧外乱推定値と前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて、抵抗のノミナル誤差推定値と磁束推定値を算出する抵抗・磁束推定器と、
前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて前記温度推定値を算出し、前記抵抗のノミナル誤差推定値と前記磁束推定値に基づいて前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を算出する温度算出器と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

前記推定選別器は、
前記ｄ軸電流検出値が０でなく、前記電気角角速度が０でない場合は前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を表示し、
前記ｄ軸電流検出値が０でなく、前記電気角角速度が０の場合は前記固定子温度推定値を表示し、
前記ｄ軸電流検出値が０であり、前記電気角角速度および前記ｑ軸電流検出値のうち少なくとも何れか一方が０でない場合は前記温度推定値を表示し、
前記ｄ軸電流検出値が０であり、前記電気角角速度が０かつ前記ｑ軸電流検出値が０の場合は前記温度推定値、前記固定子温度推定値、前記磁石温度推定値のいずれも表示しないことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置で駆動する同期モータの磁石温度推定に係り、温度センサを設けずに磁石温度を推定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１および特許文献１では、ＩＰＭＳＭ（埋込構造永久磁石同期電動機）において磁石磁束鎖交数をオブザーバで推定することで磁石温度を推定する技術が公開されている。非特許文献２ではＳＰＭＳＭ（表面構造永久磁石同期電動機）において電圧外乱オブザーバを用いた固定子の温度推定を公開している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－１６２２６号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】加藤崇、佐々木健介、Ｄｉｅｇｏ Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ Ｌａｂｏｒｄａ、Ｄａｎｉｅｌ Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ Ａｌｏｎｓｏ、Ｄａｖｉｄ Ｄｉａｚ Ｒｅｉｇｏｓａ、「磁石磁束鎖交数オブザーバを用いた可変漏れ磁束型ＩＰＭＳＭにおける磁石温度推定手法」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）、Ｖｏｌ．１４０、Ｎｏ．４（２０２０）、ｐｐ．２６５－２７１．

【文献】Ｈｉｒｏｋｉ Ｉｗａｔａ、Ｋｉｙｏｓｈｉ Ｏｈｉｓｈｉ、Ｙｕｋｉ Ｙｏｋｏｋｕｒａ、 Ｙｕｊｉ Ｏｋａｄａ， Ｙｕｊｉ Ｉｄｅ、 Ｄａｉｇｏ Ｋｕｒａｉｓｈｉ、 Ａｋｉｈｉｋｏ Ｔａｋａｈａｓｈｉ，「Ｒｏｂｕｓｔ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔａｔｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ Ａｕｔｏｔｕｎｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ＳＰＭＳＭ」、ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．４（２０２０）、ｐｐ．３４１－３５０．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１および特許文献１の手法は高調波重畳電流を印加する必要があるため、新たな電流指令を生成しなければならない。非特許文献２の手法はシステムの階層が多いため、調整パラメータが多い、帯域を上げにくいといった問題点がある。

【0006】

以上示したようなことから、電力変換装置において、電圧外乱オブザーバに基づく推定技術を用いることで、磁石温度を推定することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に基づいてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を出力する電流制御器と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を二相三相変換し、三相電圧指令値を出力する二相三相変換器と、前記三相電圧指令値に基づいてモータに電圧を出力するインバータと、前記モータの位相を検出するモータ回転位置センサと、前記インバータの出力の三相電流検出値を前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に変換する三相二相変換器と、前記位相に基づいて機械角角速度を出力する角速度出力部と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記機械角角速度と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に基づいて、前記モータの温度推定値を算出する温度推定器と、を備えたことを特徴とする。

【0008】

また、その一態様として、前記温度推定器は、前記ｑ軸電圧指令値と前記ｑ軸電流検出値とに基づいてｑ軸電圧外乱推定値を算出する電圧外乱オブザーバと、前記機械角角速度に極対数を乗算して電気角角速度を算出する極対数乗算部と、前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて前記温度推定値を算出する温度算出器と、を備えたことを特徴とする。

【0009】

また、その一態様として、前記電圧外乱オブザーバは、以下の（２）式により前記ｑ軸電圧外乱推定値を算出することを特徴とする。

【0010】

【数2】

【0011】

ｖ＾_q ^vdob：ｑ軸電圧外乱推定値
ｓ：ラプラス演算子
ｇ_dis：電圧外乱オブサーバのカットオフ周波数
ｖ_q ^*：ｑ軸電圧指令値
Ｌ_qn：ｑ軸インダクタンスのノミナル値
Ｒ_an：抵抗のノミナル値
ｉ_q：ｑ軸電流検出値。

【0012】

また、他の態様として、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に基づいてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を出力する電流制御器と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を二相三相変換し、三相電圧指令値を出力する二相三相変換器と、前記三相電圧指令値に基づいてモータに電圧を出力するインバータと、前記モータの位相を検出するモータ回転位置センサと、前記インバータの出力の三相電流検出値を前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に変換する三相二相変換器と、前記位相に基づいて機械角角速度を出力する角速度出力部と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記機械角角速度と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に基づいて、前記モータの固定子温度推定値と磁石温度推定値を算出する温度推定器と、を備えたことを特徴とする。

【0013】

また、その一態様として、前記温度推定器は、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値とに基づいてｄ軸電圧外乱推定値とｑ軸電圧外乱推定値を算出する電圧外乱オブザーバと、前記機械角角速度に極対数を乗算して電気角角速度を算出する極対数乗算部と、前記ｄ軸電圧外乱推定値と前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて、抵抗のノミナル誤差推定値と磁束推定値を算出する抵抗・磁束推定器と、前記抵抗のノミナル誤差推定値と前記磁束推定値に基づいて前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を算出する温度算出器と、を備えたことを特徴とする。

【0014】

また、その一態様として、前記電圧外乱オブザーバは、以下の（２）式、（８）式により前記ｄ軸電圧外乱推定値と前記ｑ軸電圧外乱推定値を算出することを特徴とする。

【0015】

【数2】

【0016】

【数8】

【0017】

ｖ＾_q ^vdob：ｑ軸電圧外乱推定値
ｖ＾_d ^vdob：ｄ軸電圧外乱推定値
ｓ：ラプラス演算子
ｇ_dis：電圧外乱オブサーバのカットオフ周波数
ｖ_g ^*：ｑ軸電圧指令値
ｖ_d ^*：ｄ軸電圧指令値
Ｌ_qn：ｑ軸インダクタンスのノミナル値
Ｌ_dn：ｄ軸インダクタンスのノミナル値
Ｒ_an：抵抗のノミナル値
ｉ_q：ｑ軸電流検出値
ｉ_d：ｄ軸電流検出値。

【0018】

また、その一態様として、前記抵抗・磁束推定器は、前記抵抗のノミナル誤差推定値と前記磁束推定値を（９）式と（１０）式により算出することを特徴とする。

【0019】

【数9】

【0020】

【数10】

【0021】

ΔＲ＾_a：抵抗のノミナル誤差推定値
ｖ＾_d ^vdob：ｄ軸電圧外乱推定値
Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス
ｉ_q：ｑ軸電流検出値
ω_e：電気角角速度
ｉ_d：ｄ軸電流検出値
Φ＾：磁束推定値
ｖ＾_qvdob：ｑ軸電圧外乱推定値
Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス。

【0022】

また、その一態様として、前記温度推定器は、前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を（１１）式、（１２）式により算出することを特徴とする。

【0023】

【数11】

【0024】

【数12】

【0025】

Ｔ＾_st：固定子温度推定値
ΔＲ＾_a：抵抗のノミナル誤差推定値
Ｒ_n：基準温度での抵抗
α：抵抗の温度係数
Ｔ＾_pm：磁石温度推定値
Φ＾：磁束推定値
Φ_n：基準温度での磁束
β：磁束の温度係数。

【0026】

また、他の態様として、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値に基づいてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を出力する電流制御器と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を二相三相変換し、三相電圧指令値を出力する二相三相変換器と、前記三相電圧指令値に基づいてモータに電圧を出力するインバータと、前記モータの位相を検出するモータ回転位置センサと、前記インバータの出力の三相電流検出値を前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に変換する三相二相変換器と、前記位相に基づいて機械角角速度を出力する角速度出力部と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記機械角角速度と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値に基づいて、前記モータの温度推定値と固定子温度推定値と磁石温度推定値を算出する温度推定器と、前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と電気角角速度に基づいて、前記温度推定値と前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値のうちどれを表示するか選択する推定選別器と、を備え、前記温度推定器は、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値とに基づいてｄ軸電圧外乱推定値とｑ軸電圧外乱推定値を算出する電圧外乱オブザーバと、前記機械角角速度に極対数を乗算して前記電気角角速度を算出する極対数乗算部と、前記ｄ軸電圧外乱推定値と前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて、抵抗のノミナル誤差推定値と磁束推定値を算出する抵抗・磁束推定器と、前記ｑ軸電圧外乱推定値と前記ｄ軸電流検出値と前記ｑ軸電流検出値と前記電気角角速度に基づいて前記温度推定値を算出し、前記抵抗のノミナル誤差推定値と前記磁束推定値に基づいて前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を算出する温度算出器と、を備えたことを特徴とする。

【0027】

また、その一態様として、前記推定選別器は、前記ｄ軸電流検出値が０でなく、前記電気角角速度が０でない場合は前記固定子温度推定値と前記磁石温度推定値を表示し、前記ｄ軸電流検出値が０でなく、前記電気角角速度が０の場合は前記固定子温度推定値を表示し、前記ｄ軸電流検出値が０であり、前記電気角角速度および前記ｑ軸電流検出値のうち少なくとも何れか一方が０でない場合は前記温度推定値を表示し、前記ｄ軸電流検出値が０であり、前記電気角角速度が０かつ前記ｑ軸電流検出値が０の場合は前記温度推定値、前記固定子温度推定値、前記磁石温度推定値のいずれも表示しないことを特徴とする。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、電力変換装置において、電圧外乱オブザーバに基づく推定技術を用いることで、磁石温度を推定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】実施形態１における電力変換装置を示すブロック図。

【図2】実施形態１における温度推定器を示すブロック図。

【図3】実施形態１における電圧外乱オブザーバを示すブロック図。

【図4】実施形態１における定速のシミュレーション結果を示す図。

【図5】実施形態１におけるゼロ速のシミュレーション結果を示す図。

【図6】実施形態２における電力変換装置を示すブロック図。

【図7】実施形態２における温度推定器を示すブロック図。

【図8】実施形態２における電圧外乱オブザーバを示すブロック図。

【図9】実施形態２における定速のシミュレーション結果を示す図。

【図10】実施形態２におけるゼロ速のシミュレーション結果を示す図。

【図11】実施形態３における電力変換装置を示すブロック図。

【図12】実施形態３における推定選別器の処理を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態１～３を図１～図１２に基づいて詳述する。

【0031】

［実施形態１］
本実施形態１ではモータ８の磁石温度と固定子温度は等しいと仮定する。実施形態１における電力変換装置の全体構成を図１に示す。図１に示すように、コントローラ１は、電流制御器２と、二相三相変換器３と、温度推定器４と、三相二相変換器５と、角速度出力部６と、を備える。

【0032】

電流制御器２は、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*，ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*とｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qと機械角角速度ωに基づいて、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*，ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を出力する。二相三相変換器３は、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*，ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を位相θに基づいて二相三相変換し、ｕｖｗ相の三相電圧指令値を出力する。

【0033】

インバータ７は、ｕｖｗ相の三相電圧指令値に基づいてモータ８に電圧を出力する。モータ８は負荷９に接続されている。モータ８には回転位置センサ１０が設けられており、位相θを検出する。また、インバータ７の出力側には電流検出器１１が設けられており、ｕｖｗ相の三相電流検出値ｉ_uvwを検出する。

【0034】

三相二相変換器５は、ｕｖｗ相の三相電流検出値ｉ_uvwを位相θに基づいて三相二相変換し、ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qに変換する。角速度出力部６は、位相θに基づいて機械角角速度ωを出力する。

【0035】

温度推定器４は、ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qと機械角角速度ωとｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*，ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を入力し、モータ８の温度推定値Ｔ＾を推定する。

【0036】

コントローラ１はｕｖｗ相の三相電圧指令値をインバータ７に出力し、ｕｖｗ相の三相電流検出値ｉ_uvwとモータ８の位相θをフィードバックする。温度推定器４はコントローラ１内部にあり、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*，ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_q，機械角角速度ωを入力とし、温度推定値Ｔ＾を出力する。

【0037】

温度推定器４の構成を図２に示す。温度推定器４は、電圧外乱オブザーバ（ＶＤＯＢ）１２と、極対数乗算器１３と、温度算出器１４と、を備える。

【0038】

まず、ｑ軸の電圧外乱オブザーバ（ＶＤＯＢ）１２により、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*とｑ軸電流検出値ｉ_qに基づいて、ｑ軸電圧外乱推定値ｖ＾_q ^vdobを推定する。極対数乗算器１３は、機械角角速度ωに極対数ｐｐを乗算し、電気角角速度ω_eを算出する。温度算出器１４は、ｑ軸電圧外乱推定値ｖ＾_q ^vdob，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_q，電気角角速度ω_eを引数とし、磁石の温度推定値Ｔ＾を推定する。温度算出器１４では（１）式に示す演算を行う。

【0039】

【数1】

【0040】

ただし、Ｔ_bは基準温度、Φ_nは基準温度での磁束、Ｒ_nは基準温度での抵抗、αは抵抗の温度係数、βは磁束の温度係数、Ｌ_dはｄ軸インダクタンスである。

【0041】

電圧外乱オブザーバ１２のブロック線図を図３に示す。乗算器１５は、ｑ軸電流検出値ｉ_qにＬ_qnｓ＋Ｒ_anを乗算する。減算器１６は、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*から乗算器１５の出力である（Ｌ_qnｓ＋Ｒ_an）ｉ_qを減算する。乗算器１７は、減算器１６の出力（ｖ_q ^*－（Ｌ_qnｓ＋Ｒ_an）ｉ_q）にｇ_dis／ｓ＋ｇ_disを乗算する。Ｌ_qnはｑ軸インダクタンスのノミナル値，Ｒ_anは抵抗のノミナル値，ｓはラプラス演算子、ｇ_disは電圧外乱オブサーバ１２のカットオフ周波数である。オブザーバの具体的な計算は（２）式のようになる。

【0042】

【数2】

【0043】

＜構成の式の導出＞
（１）式の導出について説明する。まず電圧外乱オブザーバ１２の出力は（３）式で記述される。

【0044】

【数3】

【0045】

ΔＬ_qはｑ軸インダクタンスのノミナル誤差、ΔＲ_aは抵抗のノミナル誤差、ｖ＾^emfは誘起電圧の推定値である。今回、Ｌの変動は考慮しないこと、また誘起電圧の式Ｖ^emf＝（Ｌ_dｉ_d＋Φ）ω_eから（３）式は（４）式のように変形することができる。なお、Φは磁束を示す。

【0046】

【数4】

【0047】

ここで、磁束Φおよび抵抗のノミナル誤差ΔＲ_aは温度に比例すると仮定すると、これらはそれぞれ（５）式，（６）式として表すことができる。なお、Ｔは温度とする。

【0048】

【数5】

【0049】

【数6】

【0050】

（５）式，（６）式を（４）式に代入して温度Ｔに関して整理することで、温度算出器１４である（１）式を導出することができる。

【0051】

【数1】

【0052】

＜シミュレーション＞
シミュレーション条件について述べる。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）を用いて、ＩＰＭＳＭの定速運転およびゼロ速の際のシミュレーション、および、温度推定を行った。プラントのダイナミクスは（７）式を用いた。なお、Ｌ_qは、ｑ軸インダクタンス、Ｒ_aは抵抗、Ｌ_daはｄ軸インダクタンス、Φ_fは磁束を示す。

【0053】

【数7】

【0054】

なお、ここでの磁束および抵抗は（５）式，（６）式のように温度に応じて変化させた。温度は［勾配１０℃／ｓ，開始時間１ｓ後，初期温度６０℃］のランプ信号で変化させた。

【0055】

モータ制御はベクトル制御を実装した。ｄｑ軸電流についてＰＩ制御器を適用した。ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*はゼロとした。定速運転では、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*は速度のＰＩ制御で定め、速度指令は１０ｒａｄ／ｓとした。ゼロ速の際のシミュレーションではｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を０．０５Ａとし、摩擦が大きくモータ８は動かないとした（実装としては、駆動力がモータ８に与えられないとした）。

【0056】

定速のシミュレーション結果を図４に示す。図４（ａ）は速度の時系列データを表す。実線は速度指令値を表し、点線は速度応答値を表す。速度応答値が速度指令値に収束していることがわかる。図４（ｂ）は温度の時系列応答を表し、実線が磁石温度応答値、点線が温度推定値を示す。ランプ状の磁石応答値に温度推定値がほぼ追従しており、本実施形態１の温度推定器４が妥当に動作していることが確認できる。

【0057】

次に、ゼロ速の際のシミュレーション結果を図５に示す。図５（ａ）は速度の時系列データを表す。点線は速度応答値を表し、速度がゼロで静止していることがわかる。図５（ｂ）は温度の時系列応答を表し、実線が磁石温度応答値、点線が温度推定値（（１）式のＴ＾）を示す。ランプ状の磁石温度応答値に温度推定値がほぼ追従しており、本実施形態１の温度推定器４が妥当に動作していることが確認できる。

【0058】

以上示したように、本実施形態１によれば、ｄ軸，ｑ軸電圧指令値，ｄ軸，ｑ軸電流検出値，機械角角速度を入力とすることで、リアルタイムで磁石温度を推定することができる。

【0059】

また、本実施形態１では、高調波重畳など電流指令を変更することなく温度を推定することができる。また、本実施形態１では微分積分といったダイナミクスを含む演算は電圧外乱オブザーバのみであり、それ以外の演算はダイナミクスを含まない代数的な計算である。ダイナミクスに関連する調整パラメータは電圧外乱オブザーバのカットオフ周波数のみとなるため、ゲインの調整が容易である。

【0060】

［実施形態２］
実施形態１ではモータ８の磁石温度と固定子温度は等しいと仮定していたが、本実施形態２では磁石温度と固定子温度をそれぞれ推定する。本実施形態２における電力変換装置の全体構成を図６に示す。実施形態１との違いは、温度推定器４の出力が固定子温度推定値Ｔ＾_st，磁石温度推定値Ｔ＾_pmの２つとなる点である。

【0061】

本実施形態２における温度推定器４の構成を図７に示す。まずｄ軸ｑ軸それぞれに電圧外乱オブザーバ（ＶＤＯＢ）１２を実装し、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*，ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qに基づいて、ｄ軸電圧外乱推定値ｖ＾_d ^vdob，ｑ軸電圧外乱推定値ｖ＾_q ^vdobを推定する。極対数乗算器１３は、機械角角速度ωに極対数ｐｐを乗算し、電気角角速度ω_eを出力する。次に、抵抗・磁束推定器１８は導出したｄ軸電圧外乱推定値ｖ＾_d ^vdob，ｑ軸電圧外乱推定値ｖ＾_q ^vdob，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_q，電気角角速度ω_eに基づいて、抵抗のノミナル誤差推定値ΔＲ_a＾と磁束推定値Φ＾を計算する。最後に、温度算出器１４で、抵抗のノミナル誤差推定値ΔＲ＾_a，磁束推定値Φ＾に基づいて、固定子温度推定値Ｔ＾_stと磁石温度推定値Ｔ＾_pmを推定する。

【0062】

図７におけるｄｑ軸の電圧外乱オブザーバ１２は各軸にＶＤＯＢを実装したものであり、具体的には図８のように実装される。図８（ａ）に示すように、ｄ軸において、乗算器１５ｄは、ｄ軸電流検出値ｉ_dにＬ_dnｓ＋Ｒ_anを乗算する。減算器１６ｄは、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*から乗算器１５の出力である（Ｌ_dnｓ＋Ｒ_an）ｉ_dを減算する。乗算器１７ｄは、減算器１６ｄの出力（ｖ_d ^*－（Ｌ_dnｓ＋Ｒ_an）ｉ_d）にｇ_dis／ｓ＋ｇ_disを乗算する。Ｌ_dnはｄ軸インダクタンスのノミナル値である。すなわち、ｄ軸の電圧外乱オブザーバ１２は、以下の（８）式となる。

【0063】

【数8】

【0064】

図８（ｂ）に示すように、ｑ軸の電圧外乱オブザーバ１２は、実施形態１の図３、（２）式と同様である。

【0065】

抵抗・磁束推定器１８では（９）式および（１０）式により抵抗のノミナル誤差推定値ΔＲ＾_aと磁束推定値Φ＾を計算する。

【0066】

【数9】

【0067】

【数10】

【0068】

温度算出器１４では、（１１）式および（１２）式より固定子温度推定値Ｔ＾_stと磁石温度推定値Ｔ＾_pmを算出する。

【0069】

【数11】

【0070】

【数12】

【0071】

＜式の導出＞
ｄ軸およびｑ軸の電圧外乱オブザーバ１２の出力は（１３）式、（１４）式で表される。ΔＬ_dはｄ軸インダクタンスのノミナル誤差である。

【0072】

【数13】

【0073】

【数14】

【0074】

今回、Ｌの変動項は考慮しない。誘起電圧の式ｖ^emf＝（Ｌ_dｉ_q＋Φ）ω_eを代入して整理することで、（１５）式、（１６）式のように抵抗のノミナル誤差推定値ΔＲ＾_aと磁束推定値Φ＾を導出することができる。

【0075】

【数15】

【0076】

【数16】

【0077】

ここで、抵抗のノミナル誤差ΔＲ_aと磁束Φはそれぞれ固定子温度Ｔ_stと磁石温度Ｔ_pmに比例すると仮定すると、（１７）式、（１８）式のように表すことができる。

【0078】

【数17】

【0079】

【数18】

【0080】

（１７）式，（１８）式を（１３）式，（１４）式に代入して温度に関して整理することで、固定子温度推定値Ｔ＾_stと磁石温度推定値Ｔ＾_pmの算出式（１１）式、（１２）式を次のように導出することができる。

【0081】

【数11】

【0082】

【数12】

【0083】

＜シミュレーション結果＞
シミュレーション条件について述べる。実施形態１と同様にＳｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）を用いたＩＰＭＳＭの定速運転の際のシミュレーション、および温度推定を行った。

【0084】

プラントのダイナミクスは実施形態１と同じく（７）式を用いた。抵抗および磁束も（５）式，（６）式のように温度に応じて変化させた。ただし、本実施形態２では固定子温度と磁石温度を異なる勾配で変化させる。磁石温度は実施形態１と同じく［勾配１０℃／ｓ，開始時間１ｓ後，初期温度６０℃］のランプ信号で変化させ、固定子温度は勾配を５℃／ｓとした。

【0085】

モータ制御は実施形態１と同じくベクトル制御を実装した。ｄｑ軸電流についてＰＩ制御器を適用した。本実施形態２ではｄ軸電流指令値ｉ_d ^*は０．１Ａとした。ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*は実施形態１と同じく速度のＰＩ制御で定め、速度指令は１０ｒａｄ／ｓとした。温度推定器４は本実施形態２のものを用いた。

【0086】

本実施形態２における定速のシミュレーション結果を図９に示す。図９（ａ）は速度の時系列データを表す。実施形態１と同じく、実線は速度指令値を表し、点線は速度応答値を表す。速度応答値が速度指令値に収束していることがわかる。

【0087】

図９（ｂ）は磁石温度を示し、実線は磁石温度応答値、点線は磁石温度推定値（（１１）式のＴ＾_pm）を示す。実施形態１と同様にランプ状の磁石温度応答値に磁石温度推定値がほぼ追従しており、本実施形態２の温度推定器４が妥当に動作していることが確認できる。

【0088】

図９（ｃ）は固定子温度を示す。実線が固定子温度応答値、点線が固定子温度推定値を示す。こちらも同様に固定子温度推定値（（１０）式のＴ＾_st）が固定子温度応答値に追従しており、温度推定器４が適切に動作していることがわかる。

【0089】

本実施形態２におけるゼロ速のシミュレーション結果を図１０に示す。図１０（ａ）は速度の時系列データを表し、速度がゼロで静止していることがわかる。

【0090】

図１０（ｂ）は磁石温度の時系列応答を表す。実線の磁石温度応答値のみがプロットされ、点線の磁石温度推定値は生成されていない。本実施形態２ではゼロ速の際に磁石温度を推定できないことがわかる。

【0091】

図１０（ｃ）は固定子温度の時系列応答を示す。実線が固定子温度応答値を示し、点線が固定子温度推定値を示す。図１０（ｃ）の固定子温度に関してはランプ状の固定子温度応答値に固定子温度推定値がほぼ追従しており、本実施形態２の推定器が妥当に動作していることが確認できる。

【0092】

以上示したように、本実施形態２によれば、ｄ軸ｑ軸電圧指令値，ｄ軸ｑ軸電流検出値，機械角角速度を入力とすることで、リアルタイムで磁石温度と固定子温度を同時に推定することができる。

【0093】

［実施形態３］
温度推定値を実際にモニタリングする際、各手法は条件によっては温度が算出できない場合がある。本実施形態３では実施形態１，２を組み合わせ、できるだけ多くの条件で温度推定値を表示することを目的とする。

【0094】

本実施形態３における電力変換装置の全体構成を図１１に示す。実施形態１，２の温度推定器４を併行して稼働させ、温度推定値Ｔ＾，固定子温度推定値Ｔ＾_st，磁石温度推定値Ｔ＾_pmを推定選別器１９に入力する。推定選別器１９では図１２のようなフローチャートで温度推定値Ｔ＾，固定子温度推定値Ｔ＾_st，磁石温度推定値Ｔ＾_pmをモニタに表示する。この推定選別器１９により、運転状態に応じて適切な温度推定値Ｔ＾，固定子温度推定値Ｔ＾_st，磁石温度推定値Ｔ＾_pmを見ることができる。電気角角速度ω_e，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qがすべてゼロの場合は温度を表示できないが、それ以外の場合はいずれかの推定値を表示することができる。

【0095】

実施形態１での温度算出式は（１）式で表される。

【0096】

【数1】

【0097】

分母であるΦ_nω_eβ＋Ｒ_nｉ_qα＝０のとき、つまり電気角角速度ω_eとｑ軸電流検出値ｉ_qがともにゼロの場合は温度推定値Ｔ＾を算出できない。

【0098】

実施形態２での温度算出式は（９）式～（１２）式で表される。

【0099】

【数9】

【0100】

【数10】

【0101】

【数11】

【0102】

【数12】

【0103】

ｄ軸電流検出値ｉ_dがゼロのとき、固定子温度推定値Ｔ＾_stは算出できない。電気角角速度ω_eがゼロまたは抵抗のノミナル誤差推定値ΔＲ＾_aがゼロ（＝ｄ軸電流検出値ｉ_dがゼロ）のとき、磁石温度推定値Ｔ＾_pmは算出できない。これらの条件を整理すること図１２のフローチャートとなる。推定選別器１９では、図１２のフローチャートの処理を行う。

【0104】

図１２に示すように、電気角角速度ω_e，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_q，温度推定値Ｔ＾，固定子温度推定値Ｔ＾_st，磁石温度推定値Ｔ＾_pmを入力する。

【0105】

Ｓ１では、ｄ軸電流検出値ｉ_dが０か否か判定する。ｄ軸電流検出値ｉ_dが０でない場合はＳ２へ移行し、ｄ軸電流検出値ｉ_dが０の場合はＳ３へ移行する。

【0106】

Ｓ２では、電気角角速度ω_eが０か否かを判定する。電気角角速度ω_eが０の場合はＳ４へ移行して固定子温度推定値Ｔ＾_stを表示し、電気角角速度ω_eが０でない場合はＳ５へ移行して固定子温度推定値Ｔ＾_stと磁石温度推定値Ｔ＾_pmを表示する。

【0107】

Ｓ３では、電気角角速度ω_eが０かつｑ軸電流検出値ｉ_qが０であるか否かを判定し、電気角角速度ω_eが０かつｑ軸電流検出値ｉ_qが０であればＳ６へ移行し、それ以外の場合はＳ７へ移行する。Ｓ６の場合は温度を表示できない。Ｓ７では、温度推定値Ｔ＾を表示する。

【0108】

すなわち、推定選別器１９は、ｄ軸電流検出値ｉ_dが０でなく、電気角角速度ω_eが０でない場合は固定子温度推定値Ｔ＾_stと磁石温度推定値Ｔ＾_pmを表示する。ｄ軸電流検出値ｉ_dが０でなく、電気角角速度ω_eが０の場合は固定子温度推定値Ｔ＾_stを表示する。ｄ軸電流検出値ｉ_dが０であり、電気角角速度ω_eおよびｑ軸電流検出値ｉ_qのうち少なくとも何れか一方が０でない場合は温度推定値Ｔ＾を表示する。ｄ軸電流検出値ｉ_dが０であり、電気角角速度ω_eが０かつｑ軸電流検出値ｉ_qが０の場合はいずれの推定値も表示しない。

【0109】

以上示したように、本実施形態３によれば、ｄ軸ｑ軸電圧指令値，ｄ軸ｑ軸電流検出値，機械角角速度を入力とすることで、電気角角速度ω_e，ｄ軸電流検出値ｉ_d，ｑ軸電流検出値ｉ_qがすべてゼロの場合を除いてリアルタイムに適切な温度推定値を表示することができる。

【0110】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0111】

１…コントローラ
２…電流制御器
３…二相三相変換器
４…温度推定器
５…三相二相変換器
６…角速度出力部
７…インバータ
８…モータ
９…負荷
１０…回転位置センサ
１１…電流検出器
１２…電圧外乱オブザーバ
１３…極対数乗算器
１４…温度算出器
１５、１７…乗算器
１６…減算器
１８…抵抗・磁束推定器
１９…推定選別器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】