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公開番号2020005488
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2019008557
出願日20190122
発明の名称電力変換装置の制御装置および電動機駆動システム
出願人ウィスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション,東芝三菱電機産業システム株式会社
代理人個人,個人
主分類H02P 21/30 20160101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】弱め界磁領域においても制御安定性と出力トルク増大とを両立する。
【解決手段】電力変換装置の制御装置は、電動機の速度指令値に基づいて電力変換装置への第一トルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、第一トルク指令値を受け取り、上限リミッタトルク値と下限リミッタトルク値とで決まるトルクリミッタ範囲を用いて、第一トルク指令値がトルクリミッタ範囲内に制限されるように第一トルク指令値を修正した値である第二トルク指令値を生成するトルク指令リミット部と、基本波出力周波数に応じた固定子磁束指令値を生成する磁束指令生成部と、第二トルク指令値と固定子磁束指令値とに基づいて電力変換装置の出力電圧指令値を演算する出力電圧演算部と、を備える。トルク指令リミット部は、少なくとも弱め界磁開始点以上の速度領域において、基本波出力周波数が大きくなるほど、上限リミッタトルク値と下リミッタ値との間の幅を狭く設定するように構築されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電力変換装置により駆動される電動機の速度指令値に基づいて前記電力変換装置への第一トルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、
前記第一トルク指令値を受け取り、予め定めた上限トルク指令値算出用の演算式で算出した上限リミッタトルク値と前記上限リミッタトルク値にゼロ又は負の係数を掛けた下限リミッタトルク値とで決まるトルクリミッタ範囲を用いて、前記第一トルク指令値が前記トルクリミッタ範囲内に制限されるように前記第一トルク指令値を修正した値である第二トルク指令値を生成するトルク指令リミット部と、
前記電力変換装置の基本波出力周波数に応じた固定子磁束指令値を生成する磁束指令生成部と、
前記第二トルク指令値と前記固定子磁束指令値とに基づいて前記電力変換装置の出力電圧指令値を演算する出力電圧演算部と、
を備え、
前記トルク指令リミット部は、少なくとも弱め界磁開始点以上の速度領域において、前記基本波出力周波数が大きくなるほど前記上限リミッタトルク値を小さく算出するように構築された電力変換装置の制御装置。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
前記トルク指令リミット部は、前記弱め界磁開始点よりも高速側に予め定められた境界速度と前記弱め界磁開始点との間の領域である第一速度領域に前記基本波出力周波数が属する場合には予め定めた上限トルク指令値算出用の第一演算式に従って前記上限リミッタトルク値を算出する第一ブロックを含み、
前記第一演算式は、前記固定子磁束指令値の二次項および一次項を含む二次多項式である請求項1に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項3】
前記弱め界磁開始点よりも低速側の速度領域においても前記第一ブロックが前記トルクリミッタ範囲を決定する請求項2に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項4】
前記トルク指令リミット部は、前記弱め界磁開始点よりも高速側に予め定められた境界速度以上に高速側の第二速度領域に前記基本波出力周波数が属する場合には予め定めた上限トルク指令値算出用の第二演算式に従って前記上限リミッタトルク値を算出する第二ブロックを含み、
前記第二演算式は、前記固定子磁束指令値の二次項に予め定めた係数を乗じて得られる単項式である請求項2に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項5】
前記磁束指令生成部は、予め定められた上リミッタ磁束値以下に前記固定子磁束指令値を制限する請求項1に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項6】
電動機を駆動する電力変換装置と、
前記電力変換装置を制御する請求項1に記載の制御装置と、
を備えた電動機駆動システム。
【請求項7】
電力変換装置に駆動される電動機の速度指令値に基づいて、前記電力変換装置へのトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、
前記トルク指令値演算部により演算されたトルク指令値に基づいて、前記電力変換装置への電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
前記電力変換装置への前記電圧指令値と前記電動機の固定子電流の実測値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する磁束推定部と、
前記磁束推定部により演算された前記回転子磁束の推定値に基づいて次の制御周期における前記電動機の速度推定値を演算する電動機速度推定部と、
を備えた電力変換装置の制御装置。
【請求項8】
前記磁束推定部と前記電動機速度推定部との間に設けられ、前記電動機の前記固定子磁束の推定値と前記回転子磁束の推定値とのうち一方の推定値を選択的に前記電動機速度推定部に伝達可能に構築された切替部を、
さらに備える請求項7に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項9】
電動機を駆動する電力変換装置と、
前記電力変換装置を制御する請求項7に記載の制御装置と、
を備えた電動機駆動システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本出願は、可変電圧可変周波数の電力変換装置の制御装置および電動機駆動システムに関するものである。
続きを表示(約 9,800 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1は、電力変換装置の制御装置を開示する。当該制御装置によれば、応答性のよいブレーキを電動機にかけることができる。また、非特許文献1は電動機を安定運転できる磁束オブザーバについて述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
米国特許第9281772号明細書
【非特許文献】
【0004】
Y. Xu, Y. Wang, R. Iida and R.D. Lorenz, "Extending low speed self-sensing via flux tracking with volt-second sensing," 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Cincinnati, OH, 2017, pp. 1888-1895.
【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、特許文献1や非特許文献1のシステムでは、弱め界磁が実装されていない。このため、電動機運転範囲の高速域が制限される。
【0006】
弱め界磁の一般的な技術としては、回転速度に反比例させて磁束指令を下げることで、電力変換装置の出力周波数が高くなった際の電圧飽和の影響を抑える方法がある。電力変換装置の出力周波数を、電源角周波数とも称する。
【0007】
単純に周波数に反比例する磁束指令法では、変換器の出力限界が考慮されていない。したがって特許文献1に記載の制御装置においては、弱め界磁領域において急加速や負荷トルク急増などで出力トルクを増大させようとすると、制御安定性を損なう可能性があった。
【0008】
本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、弱め界磁領域においても制御安定性と出力トルク増大とを両立することができる電力変換装置の制御装置および電動機駆動システムを提供することを目的とする。
【0009】
また、非特許文献1に記載の制御装置においては、磁束オブザーバによって推定した固定子磁束を用いて回転速度を得て、センサレス制御を実現している。しかしこの固定子磁束にはPWM制御に起因する高調波や電流測定ノイズを受け、特に弱め界磁領域では磁束振幅が低下するため、S/N比が厳しくなる。これらの理由から速度推定の精度が低下し安定に運転できない可能性がある。
【0010】
本出願の他の目的は、速度推定値を高精度に演算することができる電力変換装置の制御装置および電動機駆動システム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】
【0011】
本願にかかる第一の電力変換装置の制御装置は、
電力変換装置により駆動される電動機の速度指令値に基づいて前記電力変換装置への第一トルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、
前記第一トルク指令値を受け取り、予め定めた上限トルク指令値算出用の演算式で算出した上限リミッタトルク値と前記上限リミッタトルク値にゼロ又は負の係数を掛けた下限リミッタトルク値とで決まるトルクリミッタ範囲を用いて、前記第一トルク指令値が前記トルクリミッタ範囲内に制限されるように前記第一トルク指令値を修正した値である第二トルク指令値を生成するトルク指令リミット部と、
前記電力変換装置の基本波出力周波数に応じた固定子磁束指令値を生成する磁束指令生成部と、
前記第二トルク指令値と前記固定子磁束指令値とに基づいて前記電力変換装置の出力電圧指令値を演算する出力電圧演算部と、
を備え、
前記トルク指令リミット部は、少なくとも弱め界磁開始点以上の速度領域において、前記基本波出力周波数が大きくなるほど前記上限リミッタトルク値を小さく算出するように構築されたものである。
【0012】
本願にかかる第二の電力変換装置の制御装置は、
電力変換装置に駆動される電動機の速度指令値に基づいて、前記電力変換装置へのトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、
前記トルク指令値演算部により演算されたトルク指令値に基づいて、前記電力変換装置への電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
前記電力変換装置への前記電圧指令値と前記電動機の固定子電流の実測値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する磁束推定部と、
前記磁束推定部により演算された前記回転子磁束の推定値に基づいて次の制御周期における前記電動機の速度推定値を演算する電動機速度推定部と、
を備えている。
【0013】
本願にかかる電動機駆動システムは、
電動機を駆動する電力変換装置と、
前記電力変換装置を制御する上記第一または上記第二の電力変換装置の制御装置と、
を備えている。
【発明の効果】
【0014】
上記第一の電力変換装置の制御装置では、弱め界磁領域において、電力変換装置の基本波出力周波数が増大するほど上限リミッタトルク値が小さく算出される。つまり、基本波出力周波数が増大するほどトルクリミッタ範囲が狭く設定される。基本波出力周波数が大きい高速運転領域ほど、制御安定性を保つことのできるトルク指令値の範囲が狭くなる傾向がある。この傾向に合わせてトルクリミッタ範囲が動的に調節される。トルク指令値は調節されたトルクリミッタ範囲内でのみ変化するので、制御安定性を損なわずにトルク増加を行うことができる。その結果、制御安定性と出力トルク増大とを両立することができる。
【0015】
上記第二の電力変換装置の制御装置によれば、回転子磁束の推定値が演算に使用される。回転子磁束の推定値は固定子磁束の推定値よりもノイズが少ないので、少ないリプルで速度推定値を高精度に演算することができる。トルク指令値のリプルも少なくなる。
【0016】
上記第一の電力変換装置の制御装置を備える上記電動機駆動システムは、弱め界磁領域で電動機を高速運転するときに、制御安定性と出力トルク増大とを両立することができる。上記第二の電力変換装置の制御装置を備える上記電動機駆動システムは、速度推定値を高精度に演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
実施の形態1における電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
実施の形態1にかかる電力変換装置の制御装置の一部を拡大した構成図である。
実施の形態1にかかる電力変換装置の制御装置の一部を拡大した構成図である。
電圧制限を考慮した電源(動作)周波数ごとの固定子磁束軌跡を示すグラフである。
電流制限を考慮した固定子磁束軌跡を示すグラフである。
電圧制限および電流制限を考慮した固定子磁束軌道を示すグラフである。
電源周波数1.2puにおける電圧制限・電流制限と各負荷におけるトルク曲線とを示すグラフである。
領域Iでの異なる電源角周波数における電圧・電流制限を考慮した最大トルク曲線を考慮したグラフである。
領域Iと領域IIの境界速度条件を表すグラフである。
領域IIでの異なる電源角周波数における電圧・電流制限を考慮した最大トルク曲線を示すグラフである。
実施の形態2における電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
実施の形態2にかかる電力変換装置の制御装置の一部を拡大した構成図である。
実施の形態2における弱め界磁の試験の結果の一例を示す図である。
実施の形態2における弱め界磁の試験の結果の一例を示す図である。
実施の形態2における弱め界磁の試験の結果の一例を示す図である。
実施の形態2の変形例にかかる電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
実施の形態2の変形例にかかる電力変換装置の制御装置の一部を拡大した構成図である。
実施の形態3にかかる電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
実施の形態3の変形例にかかる電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
実施の形態1における電力変換装置の制御装置に適用可能なハードウェア構成図である。
磁束を減じていった際の相対RMSノイズを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【0019】
以下、記号を説明する。複素ベクトル (Complex vector)は下記のとおりである。

qds
固定子電圧複素ベクトル (stator voltage complex vector) [V]

qdr
回転子電圧複素ベクトル (rotor voltage complex vector) [V]

qds
固定子電流複素ベクトル (stator current complex vector) [A]

qdr
回転子電流複素ベクトル (rotor current complex vector) [A]
λ
qds
固定子磁束複素ベクトル (stator flux linkage complex vector) [V-sec]
λ
qdr
回転子磁束複素ベクトル (rotor flux linkage complex vector) [V-sec]
【0020】
スカラー(scalar)は下記のとおりである。

qs
固定子q軸電圧 (stator q-axis voltage) [V]

ds
固定子d軸電圧 (stator d-axis voltage) [V]

qr
回転子q軸電圧 (rotor q-axis voltage) [V]

dr
回転子d軸電圧 (rotor d-axis voltage) [V]

qs
固定子q軸電流 (stator q-axis current) [A]

ds
固定子d軸電流 (stator d-axis current) [A]

qr
回転子q軸電流 (rotor q-axis current) [A]

dr
回転子d軸電流 (rotor d-axis current) [A]
λ
qs
固定子q軸磁束 (stator q-axis Flux) [V-sec]
λ
ds
固定子d軸磁束 (stator d-axis Flux) [V-sec]
λ
qr
回転子q軸磁束 (rotor q-axis Flux) [V-sec]
λ
dr
回転子d軸磁束 (rotor d-axis Flux) [V-sec]
【0021】


エアギャップトルク (electromagnetic torque) [N-m]


負荷トルク (load torque) [N-m]

us
u相固定子電圧 (u-phase stator voltage) [V]

vs
v相固定子電圧 (v-phase stator voltage) [V]

ws
w相固定子電圧 (w-phase stator voltage) [V]

us
u相固定子電流 (u-phase stator current) [A]

vs
v相固定子電流 (v-phase stator current) [A]

ws
w相固定子電流 (w-phase stator current) [A]
【0022】
【0023】
P 極数 (Pole number) P/2 極対数


サンプリング時間 (sampling time) [s]

cu
誘導機銅損 (IM cupper loss) [W]

fe
誘導機鉄損 (IM iron loss) [W]

loss
誘導機損失 (IM loss) [W] P
loss
=P
cu
+P
fe


電源からの入力電力 (input power) [W] P

=P
loss
+P
stored
+P
em

stored
誘導機のインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーの時間微分 [W]

em
機械損 (mechanical loss) [W] (トルクに寄与する電力)


渦電流損係数 (eddy current coefficient)


ヒステリシス損係数 (hysteresis coefficient)

eq
等価抵抗 (equivalent resistance) [Ω]
τ
eq
等価時定数 (equivalent time constant) [s]
τ

回転子時定数 (rotor time constant) [s] 所謂、MI_T2 (2次時定数)
ω 角速度 [rad/s] ω=pθ 座標系を特定しない一般的な記述(任意座標系)
θ 角度 [rad] 座標系を特定しない一般的な記述
ω

回転子角速度(電気角)(rotor electrical angular speed) [rad/s]
ω

=Pω
rm
/2
【0024】
θ

回転子角度(電気角) (rotor electrical angular position) [rad]
(u相固定子巻線を基準に反時計回りに取ったu相回転子巻線の角度)
ω
rm
回転子機械角速度 (rotor mechanical angular speed) [rad/s]
ω
rm
=2ω

/P (出力軸の回転角速度)
θ
rm
回転子機械角 (rotor mechanical angle) [rad]
θ
rm
=2θ

/P (出力軸の回転角)
ω

同期角周波数(電源角周波数) (synchronous angular frequency) [rad/s]
ω=pθであるが、同期角周波数一定であれば、ωt=θとも表される。
θ

同期角度 (synchronous angular position)
ω
sl
すべり角周波数 (slip angular frequency) [rad/s]
ω
sl
=ω

−ω

【0025】
【0026】
【0027】
下付き添え字 (Subscripts)の各記号は下記の意味である。


固定子 (stator)


回転子 (rotor)
( )
opt
適正値(optimal value)
【0028】
実施の形態1.
[実施の形態1の装置の構成]
図1は実施の形態1における電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
【0029】
図1において、電動機システム1は、電動機2と電動機駆動システム3とを備える。例えば、電動機2は誘導電動機である。
【0030】
電動機2の出力部は、負荷機械4の入力部に接続される。例えば、負荷機械4は、慣性負荷である。電動機2には回転子の回転速度を検出する速度センサ119が接続されている。
【0031】
電動機駆動システム3の入力部は、交流電源5の出力部に接続される。例えば、交流電源5は、商用電力系統である。
【0032】
電動機駆動システム3は、ダイオード整流器6とコンデンサ7とインバータ8と第一電流検出器9aと第二電流検出器9bと制御装置11とを備える。
【0033】
ダイオード整流器6は、交流電源5から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。なお、必要によりダイオード整流器6はPWMコンバータとしてもよい。
【0034】
コンデンサ7は、ダイオード整流器6の出力側の直流リンクに設けられる。コンデンサ7は、直流リンクに印加される直流電圧を平滑化する。
【0035】
インバータ8は、ダイオード整流器6から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ8は、三相交流電力を電動機2に出力する。インバータ8は、電圧形インバータである。インバータ8は、PWM制御によりVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)制御される。
【0036】
インバータ8の電力変換回路は、3相回路で構成される。1つの相は、上アームと下アームで構成される。上アーム及び下アームは、少なくとも1つのスイッチング素子を備える。
【0037】
第一電流検出器9aは、インバータ8の出力側のv相に設けられる。第一電流検出器9aは、v相固定子電流Ivsを検出する。第二電流検出器9bは、インバータ8の出力側のw相に設けられる。第二電流検出器9bは、w相固定子電流Iwsを検出する。
【0038】
制御装置11は、速度制御部12とDB−DTFC演算部14と第一座標変換部15とPWM制御部16と第二座標変換部17と電流・磁束推定部20と速度・位相推定部21とトルク指令リミット部13と適正磁束指令生成部18と電源角周波数算出部19と第一すべり角周波数推定部32を備える。
【0039】
【0040】
ここで、dqs軸とは、静止軸系に於いて固定子のU相とq軸が一致するようにして、三相成分を互いに直交するd軸とq軸の二相に分配するものである。
後述する第2座標変換部17は入力された信号を上記の二軸の信号に置き換えるdq軸変換を行う回路である。また、後述する第1座標変換回路15はd軸とq軸に変換された静止軸系の二相信号を静止座標系の三相信号に戻す逆変換回路である。
例えば、固定子dqs軸磁束λ

qds
の右上付き文字sは静止座標系を表し、右下付き文字のqdsは固定子の2相成分を意味する。即ち固定子dqs軸磁束λ

qds
は固定子磁束のd軸成分λ

ds
と固定子磁束のq軸成分λ

qs
の2つを表す。以降において、右下付き文字のサフィックスqdsが付された符号は、固定子磁束のd軸成分とq軸成分の両者を表す符号である。
また、回転子dqs軸磁束λ

qdr
の右上付き文字sは静止座標系を表し、右下付き文字のqdrは回転子磁束のd軸成分λ

dr
と回転子磁束のq軸成分λ

qr
の2つを表す。以降において、右下付き文字のサフィックスqdrが付された符号は、回転子磁束のd軸成分とq軸成分の両者を表す符号である。
【0041】
トルク指令リミット部13は、速度制御部12で演算した第一トルク指令値T

em1
と適正磁束指令生成部18で生成した固定子磁束指令値λ
s_opt
と電源角周波数算出部19で算出した電源角周波数ω

とに基づいて、第二トルク指令値T

em
を生成する。トルク指令リミット部13の詳細は、図2を用いて後ほど説明する。
【0042】
【0043】
第一座標変換部15は、固定子dqs軸電圧指令値V
S*
qds
を三相固定子電圧指令値V

us
、V

vs
、V

ws
に変換する。第一座標変換部15が行う変換は、dqs軸変換の逆変換である。
【0044】
PWM制御部16は、三相固定子電圧指令値V

us
、V

vs
、V

ws
をpulse width modulationによりインバータ8用のゲートパルスに変換する。PWM制御部16は、当該ゲートパルスをインバータ8に出力する。
【0045】
【0046】
適正磁束指令生成部18は、電源角周波数算出部19で算出した電源角周波数ω

に基づいて適正な磁束指令値に関する演算を行うことで、固定子磁束指令値λ
s_opt
を生成する。この適正な値を持つ固定子磁束指令値λ
s_opt
は、磁束指令値λ


としてDB−DTFC演算部14へと入力される。適正磁束指令生成部18の詳細は、図2を用いて後ほど説明する。
【0047】
【0048】
ここで、固定子dqs軸電流実測値i

qds
と固定子dqs軸電圧実測値V

qds
とは、三相実測値をdqs変換した値である。尚、インバータ8の出力である3相電流の瞬時値の加算合計値は零である。この性質を使用し実施の形態1では二相の電流を検出し、他の一相分は二相の電流の加算値としその符号を反転させた値を使用している。
【0049】
【0050】
(【0051】以降は省略されています)

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