JP2012143045A - 同期電動機の制御装置、及び同期発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期機の回転子が回転した状態から始動制御を開始するときに、過電流が発生することを防ぐことができる同期機の制御装置等を提供する。
【解決手段】同期発電機から与えられる交流電力をコンバータ回路によって整流して、整流後の直流電圧を負荷に出力する同期発電機の制御装置において、上記コンバータ回路のためのゲート信号を発生して上記同期発電機から発電される交流電力の整流を制御する。ここで、上記同期発電機から上記コンバータ回路に流れ込む電流を検出し、上記直流電圧が所定値以上となるまでに、上記検出された電流に基づいて、上記同期発電機の磁極の角度を粗推定し、上記粗推定された磁極の角度に基づいてコンバータ回路の出力電圧の初期値を決定した後、上記コンバータ回路のセンサレス制御を始動する。
【選択図】図７

Description

本発明は、角度センサレスの同期機について、回転子が回転した状態から始動制御することができる、同期電動機の制御装置、及び同期発電機の制御装置に関する。

従来技術において、同期機を角度センサレスにより駆動する際、その始動時に既に同期機が回転している場合がある。例えば、車両換気装置における瞬時停電後や、発電機回転時に発電制御を開始する場合である。その際、誘起電圧（速度に比例）の振幅、位相がわからずに制御を開始すると、インバータ電圧の大きさ、位相が合わないために過電流が流れ、また直流部が過電圧になり、装置に多大な負荷をかけることとなる。

上記の問題点を解決する方法として、従来以下の対策が採られてきた。
（１）線間電圧センサを用いる。
（２）初期電流を流し、それによりすばやく推定する。
（３）容量の大きな部品を用いる。

特開２００４−２１５４６６号公報。 特開２０１０−０３５３０６号公報。 特開２００７−０６８３４５号公報。

しかしながら、これらの方法には次の問題点がある。
（１）線間電圧センサが必要となり、コストダウン効果が薄れる。
（２）初期電流を流す場合には、その電流量を能動的に抑制することが困難である。
（３）容量の大きな部品を用いる場合には、装置サイズが大きく、重量も重くなる。

ここで、従来技術には、以下の３つの方法がある。
（１）第１の従来例：特許文献１に開示されているように、インバータのある相を短絡させる方法。
（２）第２の従来例：特許文献２に開示されているように、別途電圧センサを設置する方法。
（３）第３の従来例：ゼロ電流制御による方法。

第１の従来例ではＩＧＢＴを短絡させることが必要であり、第２の従来例では別途電圧センサを必要である。

また、第３の従来例では、制御開始時の瞬時過大電流を抑制する手段の解決にはならず、それを解決する手段として、本発明者らは、特許文献３において、「インバータ回路から交流電力を与えることによって同期電動機を回転駆動する同期電動機の制御装置であって、同期電動機を流れる電流に基づいて、同期電動機の回転子の磁極の角速度と角度位置とを推定する推定部と、推定部によって推定された磁極の角速度と角度位置とに基づいて、磁極の角速度が予め定められる角速度となるように、インバータ回路にゲート信号を与える制御部とを有し、制御部は、推定部が推定を開始したときのインバータ回路におけるデッドタイムを、推定部が推定を開始してから予め定める条件が成立した後の通常推定期間でのインバータ回路におけるデッドタイムよりも広くすることを特徴とする同期電動機の制御装置」を提案している。

しかしながら、第３の従来例では、上記制御部が推定を開始したときのインバータ回路におけるデッドタイムを制御するために当該制御処理が比較的複雑であるという問題点があった。

なお、このような問題は、回転した状態で同期機の始動制御を開始する同期機の制御装置全般に生じる。例えば同期発電機を用いた風力発電装置におけるコンバータ制御なども同様の問題が生じる。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、同期機の回転子が回転した状態から始動制御を開始するときに、過電流が発生することを防ぐことができ、しかも制御処理が従来技術に比較して簡単である、同期電動機の制御装置、及び同期発電機の制御装置を提供することにある。

第一の発明に係る同期電動機の制御装置は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路から交流電力を与えることによって同期電動機を回転駆動する同期電動機の制御装置において、
上記直流電源と並列にスイッチを介して接続された放電抵抗と、
上記インバータ回路のためのゲート信号を発生して同期電動機を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記スイッチをオンすることにより上記放電抵抗に放電して上記直流電圧を低下させ、
上記同期電動機から上記インバータ回路に流れ込む電流を検出し、
上記検出された電流に基づいて、上記同期電動機の磁極の角度を粗推定し、
上記粗推定された磁極の角度に基づいてインバータの出力電圧の初期値を決定した後、上記インバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする。

上記同期電動機の制御装置において、上記制御手段は、好ましくは、上記粗推定された磁極の角度に基づいて、磁極の角速度と角度を推定した後、上記インバータ回路のセンサレス制御を始動してもよい。

また、上記同期電動機の制御装置において、好ましくは、上記インバータ回路と上記同期電動機との間に、高調波成分を除去する高調波フィルタを備え、
上記制御手段は、上記同期電動機から上記高調波フィルタに流れ込む電流を検出してもよい。

第二の発明に係る同期発電機の制御装置は、同期発電機から与えられる交流電力をコンバータ回路によって整流して、整流後の直流電圧を負荷に出力する同期発電機の制御装置において、
上記コンバータ回路のためのゲート信号を発生して上記同期発電機から発電される交流電力の整流を制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、
上記同期発電機から上記コンバータ回路に流れ込む電流を検出し、
上記直流電圧が所定値以上となるまでに、上記検出された電流に基づいて、上記同期発電機の磁極の角度を粗推定し、
上記粗推定された磁極の角度に基づいてコンバータ回路の出力電圧の初期値を決定した後、上記コンバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする。

上記同期発電機の制御装置において、上記制御手段は、好ましくは、上記直流電圧が所定値以上となるまでに、上記粗推定された磁極の角度に基づいて、磁極の角速度と角度を推定した後、上記コンバータ回路のセンサレス制御を始動してもよい。

また、上記同期発電機の制御装置において、好ましくは、上記コンバータ回路と上記同期発電機との間に、高調波成分を除去する高調波フィルタを備え、
上記制御手段は、上記同期発電機から上記高調波フィルタに流れ込む電流を検出してもよい。

さらに、上記同期発電機の制御装置において、好ましくは、上記コンバータ回路の出力と並列にスイッチを介して接続された放電抵抗をさらに備え、
上記制御手段は、上記直流電圧が所定値に達し、上記電流が流れなくなった場合に上記スイッチをオンすることにより上記電流を継続供給してもよい。

従って、本発明に係る同期電動機の制御装置によれば、同期電動機の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。さらに、回転子が停止するまで待たずに、インバータ回路の制御を開始することができるので、時間的ロスをなくすことができる。またさらに、同期電動機においては、通常はできなかった回転停止前のインバータ始動が可能となる。

また、同期電動機において制御装置の電源が断続するような環境においても適切な電動機制御がなされる。さらに、同期電動機においては、特に、鉄道車両の電源は、瞬時電圧低下による電源の一時的な喪失があるが、このような場合でも電源回復後モータの制御が速やかになされる。このため、例えば換気装置においては、モータの回転を一時的に停止あるいは減速せずに済むため、所定の換気制御あるいは車内圧力制御が中断する時間が短縮される。

また、本発明に係る同期発電機の制御装置によれば、始動時に電力が供給されていないような環境における発電装置においても適切に同期発電機を起動することができ、また、センサレス制御を始動することができる。また、同期発電機の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。回転子が回転している状態から、コンバータ回路の制御を開始することができるので、時間的ロス及びエネルギーロスをなくすことができる。

また、同期発電機においては、タービン発電機や風力発電機などは、本来なら始動時には外部からの電源供給は必要ない。ところが、先に同期発電機を回してしまうと、発電機回転時にセンサレス制御を開始することになるが、この場合であっても適切に、同期発電機から発電される電力の整流制御処理を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る電動機駆動制御システム２０の構成を示すブロック図である。 図１のＰＷＭインバータ回路２２の回路構成の一例を示す回路図である。 図１の制御装置２４によって実行される同期電動機の駆動制御処理を示すフローチャートの一例である。 図１の制御装置２４によって実行される同期電動機の磁極角度の粗推定処理を示すフローチャートの一例である。 図１の制御装置２４の角度推定部２４Ａの構成を示すブロック図である。 図１の電動機駆動制御システム２０の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る発電制御システム１２０の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る発電制御システム１２０の構成を示すブロック図である。 図７の発電制御システム１２０の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る電動機駆動制御システム２０Ａの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る発電制御システム１２０Ａの構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。以下の各実施形態については、本発明の一例を示しているものであり、本発明はこれに限らない。

第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係る電動機駆動制御システム２０の構成を示すブロック図である。本実施形態では、電動機駆動制御システム２０は、同期電動機２１を用いて電車車両を換気する換気装置に用いられる。この場合、車両がセクションを通過するときには車両に電力が供給されず、制御システム２０は、瞬時停電状態となる。そしてセクション通過後には、制御システム２０は、再び電力が供給され、同期電動機の回転制御を再開する。このとき、制御システム２０は、同期電動機の回転子が回転した状態で、同期電動機の回転制御を開始することになる。制御システム２０は、上述の課題を解決するため、直流電源２３の電圧を十分に下げるためにスイッチ３２をオンして放電しておき、同期電動機２１の誘起電圧と直流母線電圧との電位差により流れる電流Ｉｕ，Ｉｖを電流センサ２８ａ，２８ｂにより検出することで、同期電動機２１の磁極の角度を推定し、その推定角度を使って、パルス幅変調インバータ回路（以下、ＰＷＭインバータ回路という。）２２のセンサレス制御を始動することを特徴としている。

電動機駆動制御システム２０は、同期電動機２１と、ＰＷＭインバータ回路２２と、直流電源２３と、制御装置２４とを備えて構成される。同期電動機２１は、３相同期モータであり、回転子の角速度を検出するための角度センサが存在せずに、角度センサレスに構成される。例えば、同期電動機２１として円筒形ブラシレスＤＣモータが用いられる。直流電源２３は予め定める直流電力を生成する回路であり、直流電源２３とは並列に電圧センサ２９が設けられる。電圧センサ２９は、直流電源２３からＰＷＭインバータ回路２２に印加される電圧を検出して、その検出電圧を示す直流母線電圧センサ信号を制御装置２４に出力する。また、直流電源２３とは並列に、放電抵抗３１とスイッチ３２の直列回路が設けられる。制御装置２４はスイッチ３２のオン・オフを制御するとともに、直流母線電圧センサ信号及び２つの電流センサ信号に基づいて３個のゲート信号を発生してＰＷＭインバータ回路２２に出力することで、同期電動機２１の回転子が所望の角速度で回転するように同期電動機２１に与える交流電圧を調整する。

図２は図１のＰＷＭインバータ回路２２の回路構成の一例を示す回路図である。図２において、ＰＷＭインバータ回路２２は、例えば三相のブリッジ回路によって実現される。ＰＷＭインバータ回路２２は、直流電源２３から与えられる直流電力を、３相の交流電力に変換して同期電動機２１に与える。ＰＷＭインバータ回路２２は、３つの出力端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃを有し、それらが接続経路２７ａ，２７ｂ，２７ｃを介して、同期電動機２１の３つの端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃにそれぞれ接続される。

ＰＷＭインバータ回路２２は、交流電流を各接続経路２７ａ〜２７ｃにそれぞれ流すための複数のスイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌが設けられる。スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌは、制御装置２４からゲート信号が与えられることによって、オン・オフ状態が切り換えられる。各スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌは、オン状態でスイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌの両端の端子間を導通状態とし、オフ状態でスイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌの両端の端子間を遮断状態とする。本実施形態では、各スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌは、トランジスタによって実現される。各スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌにはそれぞれ、逆並列にダイオードＤ_１Ｕ，Ｄ_２Ｕ，Ｄ_３Ｕ，Ｄ_１Ｌ，Ｄ_２Ｌ，Ｄ_３Ｌが接続される。なお、図２のＰＷＭインバータ回路２２の構成は本実施形態の一例であって、本発明はこれに限らない。

制御装置２４は、パルス幅変調したゲート信号を各スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌに与えることによって、１２０度ずつ位相がずれた正弦波形の交流電流を各接続経路２７ａ〜２７ｃに流すことができる。このような交流電流を各接続経路２７ａ〜２７ｃに流すことによって、同期電動機２１の回転子を回転駆動する。制御装置２４は、ゲート信号を調整することで同期電動機２１の回転子の速度を変更することができる。

ＰＷＭインバータ回路２２と同期電動機２１とを接続する３つの接続経路２７ａ〜２７ｃのうちの２つの接続経路２７ａ，２７ｃには、電流センサ２８ａ，２８ｃが介在される。第１の電流センサ２８ａは、３つのうち１つの接続経路２７ａを流れる電流を実測し、実測値を第１電流センサ信号として制御装置２４に与える。第２の電流センサ２８ｃは、３つのうち他の１つの接続経路２７ｃを流れる電流を実測し、実測値を第２電流センサ信号として制御装置２４に与える。このように各電流センサ２８ａ，２８ｃは、ＰＷＭインバータ回路２２から同期電動機２１に流れる電流を実測し、実測した実測値を電流センサ信号として制御装置２４に与える。

制御装置２４は、電圧センサ２９から与えられる直流母線電圧センサ信号と、電流センサ２８から与えられる各電流センサ信号とを取得する。制御装置２４は、取得した電流センサ信号に基づいて、同期電動機２１を流れる電流実測値を判断する。また制御装置２４は、制御装置２４を駆動するための電源装置からの電源供給が停止したあとに電源供給が開始されると、セクション通過を判断し、同期電動機２１からＰＷＭインバータ回路２２に流れ込む電流が一定値以上であれば、回転子の磁極の角速度及び角度位置の推定開始を判断する。このほか、他の装置から制御開始指令に基づいて、推定開始のタイミングを判断してもよい。

制御装置２４は、同期電動機２１を流れる電流実測値に基づいて、同期電動機２１の回転子の磁極の角速度と角度位置とを推定し、推定された磁極の角速度と角度位置とに基づいて、磁極の角速度が予め定められる角速度となるように、ＰＷＭインバータ回路２２の各スイッチング素子Ｔｒ_１Ｕ，Ｔｒ_２Ｕ，Ｔｒ_３Ｕ，Ｔｒ_１Ｌ，Ｔｒ_２Ｌ，Ｔｒ_３Ｌにゲート信号をそれぞれ与える。ここで、制御装置２４は、磁極の角速度と角度位置との粗推定を行う粗推定処理（図４）を備えている。さらに、例えば、粗推定処理による結果に基づいて精密な角度推定値を推定するフィルタによる角度推定部２４Ａ（図５）を備えて構成されてもよい。そして、角度推定部２４Ａの結果に基づいてＰＷＭインバータ回路２２を介して同期電動機２１を制御する。

図３は図１の制御装置２４によって実行される同期電動機の駆動制御処理を示すフローチャートの一例である。図３において、ステップＳ１は、同期電動機２１が回転している状況を示しており、ステップＳ２において同期電動機２１の磁極角度を粗推定する粗推定処理（図４）を開始し、ステップＳ３において上記粗推定処理により同期電動機２１の磁極角度推定の初期値及びＰＷＭインバータ回路２２の出力電圧の開始点を決定し、ステップＳ４において同期電動機２１の磁極角度推定の初期値及びＰＷＭインバータ回路２２の出力電圧の開始点を決定したか否かが判断され、ＹＥＳであればステップＳ５に進む一方、ＮＯであれば、ステップＳ３の処理に戻る。次いで、ステップＳ５において公知の方法によりＰＷＭインバータ回路２２の速度制御及び過電圧防止制御処理を行い、ステップＳ６においてＰＷＭインバータ回路２２の動作を開始する。

図４は図１の制御装置２４によって実行される同期電動機の磁極角度の粗推定処理を示すフローチャートの一例である。図４の粗推定処理は、電流センサ２８ａにより検出された検出電流Ｉｕと、電流センサ２８ｂにより検出された検出電流Ｉｖとに基づいて、同期電動機２１の磁極角度を粗推定する。

図４において、まず、ステップＳ１１において、検出電流Ｉｕ＞しきい値電流Ｉｕｓｔであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１２に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１５に進む。ここで、Ｉｕｓｔは例えば定格電流の２％値であるしきい値電流（設定値）であり、ゼロにすると判定動作が不安定になるために、このような微小しきい値を用いている。次いで、ステップＳ１２において、検出電流Ｉｖ＞しきい値電流−Ｉｕｓｔであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１３において角度推定値θｃｅを４π／３と判断して終了する一方、ＮＯのときはステップＳ１４において角度推定値θｃｅを５π／３と判断して終了する。また、ステップＳ１５において、検出電流Ｉｕ＞しきい値電流−Ｉｕｓｔであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１９に進む。次いで、ステップＳ１６において、検出電流Ｉｖ＞しきい値電流Ｉｕｓｔであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１７において角度推定値θｃｅをπ／３と判断して終了する一方、ＮＯのときはステップＳ１８において角度推定値θｃｅを２π／３と判断して終了する。さらに、ステップＳ１９において、検出電流Ｉｖ＞しきい値電流Ｉｕｓｔであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ２０において角度推定値θｃｅを０と判断して終了する一方、ＮＯのときはステップＳ２１において角度推定値θｃｅをπと判断して終了する。

図５は図１の制御装置２４の角度推定部２４Ａの構成を示すブロック図である。図５の制御装置２４の角度推定部２４Ａは、図４の粗推定処理結果である角度推定値θｃｅに基づいて速度推定値Ｓｅ及び角度推定値θｅを推定して出力する。ここで、角度推定部２４Ａは、減算器６０と、演算器６１と、加算器６２と、積分器６３とを備えて構成される。減算器６０は、角度粗推定値θｃｅから積分器６３からの角度推定値θｅを減算し、その減算結果値を演算器６１に出力する。演算器６１は、減算器６０の演算結果に予め定める比例ゲインＫｆｐを乗算した比例値と、減算器６０の演算結果を積分した積分値に予め定める積分ゲインＫｆｉを乗算した積分値とを求め、これらの値が加算器６２により加算されて速度推定値Ｓｅを演算する。速度推定値Ｓｅは積分器６３により積分された後、角度推定値θｅとして減算器６０に出力されるとともに、外部に出力される。

このようにして、制御装置２４は、角度粗推定値θｃｅを粗推定した後、当該角度粗推定値θｃｅに基づいて磁極の速度推定値Ｓｅと角度推定値θｅをより精密に推定することができる。なお、上述した制御装置２４の各ブロックによる動作は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などによりハードウェアで実現してもよいし、ソフトウェアで実現してもよい。また、上述したブロック構成は、実施形態の一例である。従って各演算器の一部が異なったり、加算器及び減算器の加減算が異なったりしても、本実施形態に含まれる。

図６は図１の電動機駆動制御システム２０の動作例を示すタイミングチャートである。図６において、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に電源の瞬時停電状態が発生したとき、同期電動機２１の回転速度が低下し、これに伴って、ＰＷＭインバータ２２の入力電圧（直流母線電圧）も低下する。このとき、制御装置２４は電流センサ信号に基づいて電動機２１からＰＷＭインバータ２２に流れ込む電流の絶対値が所定のしきい値以上となったことを検出したとき、時刻ｔ３において粗推定処理（図４）を実行した後、好ましくは角度推定部２４Ａ（図５）の精密な速度推定及び角度推定を実行し、その結果に基づいてゲート信号を発生してＰＷＭインバータ回路２２に出力する。時刻ｔ４でＰＷＭインバータ回路２２の運転が開始されるとともに、直流電源２３内の整流装置の運転が開始される。なお、当該整流装置は、例えば、ＰＷＭコンバータ、ダイオード整流器、サイリスタ整流器等である。また、直流電源２３に二次電池を接続しているときは粗推定処理中は二次電池を切り離すことが必要になる。

以上のように構成された電動機駆動制御システム２０は、電源の瞬時停電状態が発生し直流電源２３の出力電圧が低下したとき、以下のように動作する。
（１）直流電源２３の直流電圧を十分に下げておく。ほとんどの電力変換装置は、機器保護及び保安上の理由により、直流電源２３には放電抵抗３１を接続できるようにされており、これをオンにすることにより、直流母線電圧を低下させることができる。なお、同期発電機２１の始動時にはほとんどの場合直流母線電圧は十分に小さい。
（２）このとき、同期電動機２１から直流母線に流れ込む電流を、３相交流部の電流センサ２８ａ，２８ｂにより観測する。
（３）その観測電流値に基づいて、図４の粗推定処理により同期電動機２１の磁極角度の現在値を粗推定する。
（４）さらに、好ましくは、粗推定結果の角度推定値θｃｅに基づいて、図５の角度推定部２４Ａにより同期電動機２１の磁極の角度推定値θｅ及び速度推定値Ｓｅを得る。これにより、高精度な角度推定値θｅを得ることができる。
（５）得られた同期電動機２１の磁極の角度推定値θｅ及び速度推定値Ｓｅ（初期値）に基づいて、ＰＷＭインバータ回路２２のセンサレス制御を始動する。

以上の動作例において、粗推定処理まででセンサレス制御を開始してもよい。この粗推定処理の分解能は、通常の２レベル３相インバータ回路では６０°となる。さらに高精度な推定値を得ようとすると、図５の角度推定部２４Ａの処理が必要となる。当該図５の角度推定部２４Ａの処理において、実際の粗推定値は、フィルタの遅れ時間、モータのインダクタンスを考慮に入れた値とする。例えば、フィルタの遅れ時間を考慮するときは、実際の粗推定値にフィルタの遅れ時間に対応した角度を足した値を入力してもよい。

本実施形態において、動作させるのが難しいのは、直流母線電圧が同期電動機２１の誘起電圧とつりあい、かつ、直流電源２３を含む直流部に消費電力がない場合は、電流が流れないことである。これを回避するために上記実施形態においては、放電抵抗３１を接続しておき、電力を消費するように構成している。この場合も電力を消費する時間は短くできるので、通常の放電抵抗３１で十分実現可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、同期電動機２１の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。さらに、回転子が停止するまで待たずに、ＰＷＭインバータ回路２２の制御を開始することができるので、時間的ロスをなくすことができる。またさらに、同期電動機２１においては、通常はできなかった回転停止前のインバータ始動が可能となる。

また、本実施形態によれば、同期電動機２１において制御装置２４の電源が断続するような環境においても適切な電動機制御がなされる。さらに、同期電動機２１においては、特に、鉄道車両の電源は、瞬時電圧低下による電源の一時的な喪失があるが、このような場合でも電源回復後モータの制御が速やかになされる。このため、例えば換気装置においては、モータの回転を一時的に停止あるいは減速せずに済むため、所定の換気制御あるいは車内圧力制御が中断する時間が短縮される。

第２の実施形態．
図７は本発明の第２の実施形態に係る発電制御システム１２０の構成を示すブロック図である。また、図８は本発明の第２の実施形態の変形例に係る発電制御システム１２０の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る発電制御システム１２０は、同期発電機１２１を用いて直流電力を生成し、例えば風力発電機などに用いられる。この場合、同期発電機１２１の回転子に風によって回転する風車が接続される。当該発電制御システム１２０は、同期発電機１２１の回転子が回転した状態で、同期発電機１２１から発電される電力の整流制御を開始することになる。本実施形態では、同期発電機１２１からＰＷＭコンバータ回路１２２に流れ込む電流を検出し、直流母線電圧が所定値以上となるまでに、検出された電流に基づいて、同期発電機１２１の磁極の角度を粗推定し、上記粗推定された磁極の角度に基づいてＰＷＭコンバータ回路１２２の出力電圧の初期値を決定した後、ＰＷＭコンバータ回路１２２のセンサレス制御を始動することを特徴とする。

図７において、発電制御システム１２０は、同期発電機１２１の回転子の磁極の角速度及び角度位置を推定して、推定した磁極の角速度及び角度位置に追従するように、整流装置であるＰＷＭコンバータ回路１２２の動作を調整する。発電制御システム１２０は、同期発電機１２１と、電流センサ１２８ａ，１２８ｂと、ＰＷＭコンバータ回路１２２と、電圧センサ１２９と、平滑用キャパシタ１９０と、負荷１２３と、制御装置１２４とを備えて構成される。なお、平滑用キャパシタ１９０はＰＷＭコンバータ回路１２２内に設けられる場合もある。なお、図８の変形例においては、放電抵抗１３１及びスイッチ１３２をさらに備えて構成される。

同期発電機１２１は３相同期発電機であり、回転子の角度位置を検出するための角度センサが設けられないセンサレスに構成される。負荷１２３には、ＰＷＭコンバータ回路１２２によって整流された直流電力が与えられ、電圧センサ１２９が設けられる。電圧センサ１２９は、ＰＷＭコンバータ回路１２２から負荷回路１２３へ印加される直流母線電圧を検出してそれを示す直流母線電圧センサ信号を制御装置１２４に出力する。

ＰＷＭコンバータ回路１２２は、同期発電機１２２で発生された交流電力を直流電力に整流し、例えば三相のブリッジ回路から成る。ＰＷＭコンバータ回路１２２の構成は、図２に示すインバータ回路２２とほぼ同様であり、説明を省略する。またコンバータ回路１２２と同期発電機１２２とを接続する３つの接続経路１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃのうちの２つの接続経路１２７ａ，１２７ｂには、電流センサ１２８ａ，１２８ｂが介在される。各電流センサ１２８ａ，１２８ｂは電流の実測値を示す電流センサ信号を制御装置１２４に出力する。

制御装置１２４は、電圧センサ１２９から出力される直流母線電圧センサ信号と、電流センサ１２８から出力される各電流センサ信号とに基づいて、同期発電機１２１を流れる電流実測値を判断する。また制御装置１２４は、他の装置から制御開始指令に基づいて、推定開始のタイミングを判断する。制御装置１２４は、同期発電機１２１を流れる電流実測値に基づいて、同期発電機１２１の回転子の磁極の角速度と角度位置とを推定し、それらの推定値に基づいてゲート信号を発生してＰＷＭコンバータ回路１２２に出力して同期発電機１２１から発電される電力の整流制御処理を行う。

本実施形態及びその変形例では、第１の実施形態に係る図３の駆動制御処理、図４の粗推定処理及び図５の角度推定処理について、図７及び図８の発電制御システム１２０に適用することができる。

図９は図７の発電制御システム１２０の動作例を示すタイミングチャートである。図９において、時刻ｔ１１で同期発電機１２１の運転を開始すると、同期電動機１２１の回転速度が上昇し、直流母線電圧も上昇する。ここで、同期発電機１２１からＰＷＭコンバータ回路１２２に向かって電流が流れ、その電流値を電流センサ１２８ａ，１２８ｂにより検出する。時刻ｔ１１において粗推定処理（図４）を実行した後、好ましくは角度推定部２４Ａ（図５）の精密な速度推定及び角度推定を実行し、その結果に基づいてゲート信号を発生してＰＷＭコンバータ回路１２２に出力する。時刻ｔ１２でＰＷＭコンバータ回路１２２の運転が開始された後、時刻ｔ１３で負荷電圧が所定値に上昇した後徐々に上昇する。そして、時刻ｔ１５で定格回転数による負荷運転が行われる。

以上のように構成された図７及び図８の発電制御システム１２０は以下のように動作する。
（１）負荷電圧が所定値以上に高い場合（図８の変形例）は、負荷電圧を十分に下げておく。そのために、スイッチ１３２をオンして放電抵抗１３１内の電荷を放電させておく。これにより、直流母線電圧を低下させることができる。一方、負荷電圧が所定値未満の場合（図７の第２の実施形態）は、例えばタービン発電機のように同期発電機１２１が停止状態から外部トルクにより回転を開始する場合であり、このとき、同期発電機１２１から直流母線に電流が流れ込む。
（２）同期発電機１２１から直流母線に流れ込む電流を、３相交流部の電流センサ１２８ａ，１２８ｂにより観測する。
（３）その観測電流値に基づいて、図４の粗推定処理により同期発電機１２１の磁極角度の現在値を粗推定する。
（４）さらに、好ましくは、粗推定結果の角度推定値θｃｅに基づいて、図５の角度推定部２４Ａにより同期発電機１２１の磁極の角度推定値θｅ及び速度推定値Ｓｅを得る。これにより、高精度な角度推定値θｅを得ることができる。
（５）得られた同期発電機１２１の磁極の角度推定値θｅ及び速度推定値Ｓｅ（初期値）に基づいて、上記ＰＷＭコンバータ回路１２２のセンサレス制御を始動する。

図８の実施形態の変形例において、動作させるのが難しいのは、直流母線電圧が同期発電機１２１の誘起電圧とつりあい、かつ、負荷１２３に消費電力がない場合は、電流が流れないことである。これを回避するために上記実施形態の変形例においては、放電抵抗１３１を接続しておき、電力を消費するように構成している。この場合も電力を消費する時間は短くできるので、通常の放電抵抗１３１で十分実現可能である。また、図７の実施形態では、放電抵抗１３１に代わる代替方法として、直流母線電圧が所定値以上に上昇する前に（例えば、図９の時刻ｔ１２以前に）角度推定処理を終える方法である。これは、制御装置２４のフィルタのカットオフ周波数を所定値以上に設定しておけば、動作条件をほぼ満足する。

以上説明したように、本実施形態及び変形例によれば、始動時に電力が供給されていないような環境における発電装置においても適切に同期発電機１２１を起動することができ、また、センサレス制御を始動することができる。また、同期発電機１２１の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。さらに、回転子が回転している状態から、ＰＷＭコンバータ回路１２２の制御を開始することができるので、時間的ロス及びエネルギーロスをなくすことができる。

また、同期発電機１２１においては、タービン発電機や風力発電機などは、本来なら始動時には外部からの電源供給は必要ない。ところが、先に同期発電機１２１を回してしまうと、発電機回転時にセンサレス制御を開始することになるが、この場合であっても適切に、同期発電機１２１から発電される電力の整流制御処理を行うことができる。

第３の実施形態．
図１０は本発明の第３の実施形態に係る電動機駆動制御システム２０Ａの構成を示すブロック図である。第３の実施形態に係る電動機駆動制御システム２０Ａは、図１の電動機駆動制御システム２０に比較して、電流センサ２８ａ，２８ｂと、同期発電機２１との間に、高調波成分を除去する、例えばローパスフィルタである高調波フィルタ７１を備えたことを特徴とする。図１０において、ＰＷＭインバータ回路２２から高調波フィルタ７１に流れる電流から、同期電動機２１の磁極の角度を推定することができる。このとき、電流と電圧との位相差に注意して粗推定値を変更すると、同期電動機２１が回転している間は常に高調波フィルタ７１に電流が流れ、すなわち、電流センサ２８ａ，２８ｂのラインに電流が流れるので、推定にスピードが要求されなくなり、より安定な推定が可能となる。さらに、本実施形態に係る電動機駆動制御システム２０Ａはさらに第１の実施形態と同様の作用効果を有する。

第４の実施形態．
図１１は本発明の第４の実施形態に係る発電制御システム１２０Ａの構成を示すブロック図である。第４の実施形態に係る発電制御システム１２０Ａは、図７の発電制御システム１２０に比較して、電流センサ１２８ａ，１２８ｂと、ＰＷＭコンバータ回路１２２との間に、高調波成分を除去する、例えばローパスフィルタである高調波フィルタ１７１を備えたことを特徴とする。図１１において、同期発電機１２１から高調波フィルタ１７１に流れる電流から、同期発電機１２１の磁極の角度を推定することができる。このとき、電流と電圧との位相差に注意して粗推定値を変更すると、同期発電機１２１が回転している間は常に高調波フィルタ１７１に電流が流れ、すなわち、電流センサ１２８ａ，１２８ｂのラインに電流が流れるので、推定にスピードが要求されなくなり、より安定な推定が可能となる。さらに、本実施形態に係る発電制御システム１２０Ａはさらに第２の実施形態と同様の作用効果を有する。

変形例．
また、上述した電子回路及びブロック図は、本発明の一例示であり、同様の効果を得ることができるならば適宜変更してもよい。ＰＷＭインバータ回路２２及びＰＷＭコンバータ回路１２２として、フルブリッジ型としたが、ハーフブリッジ型でも同様に実現でき、いわゆる自励インバータ／コンバータ回路であればよい。また、図５に示す演算器６１の演算内容は、これに限定されず、他の構成であってもよい。さらに、本実施形態では、車両の換気装置、風力発電装置に適用した例について示したが、回転した状態で同期機の制御を開始する制御装置全般に適用することができる。なお、同期機とは、同期電動機及び同期発電機を含む。

さらに、上述する同期機の回転子の角速度及び角度位置の推定方法及び同期機の制御方法、同期機の制御に用いられるインバータ回路又はコンバータ回路を制御する制御方法についても、本発明に含まれる。また、これらの方法を制御装置（コンピュータ、デジタル計算機を含む）に実行させるプログラム及びプログラムが記憶されたコンピュータにより読取可能な記憶媒体についても本発明に含まれる。

以上詳述したように、本発明に係る同期電動機の制御装置によれば、同期電動機の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。さらに、回転子が停止するまで待たずに、インバータ回路の制御を開始することができるので、時間的ロスをなくすことができる。またさらに、同期電動機においては、通常はできなかった回転停止前のインバータ始動が可能となる。

また、同期電動機において制御装置の電源が断続するような環境においても適切な電動機制御がなされる。さらに、同期電動機においては、特に、鉄道車両の電源は、瞬時電圧低下による電源の一時的な喪失があるが、このような場合でも電源回復後モータの制御が速やかになされる。このため、例えば換気装置においては、モータの回転を一時的に停止あるいは減速せずに済むため、所定の換気制御あるいは車内圧力制御が中断する時間が短縮される。

また、本発明に係る同期発電機の制御装置によれば、始動時に電力が供給されていないような環境における発電装置においても適切に同期発電機を起動することができ、また、センサレス制御を始動することができる。また、同期発電機の磁極の角速度及び角度位置を推定することによって、磁極の角速度及び角度位置を実測するためのセンサを必要とせず、構造を簡略化することができ、大幅なコストダウンを見込めるとともにメンテナンス性を向上することができる。回転子が回転している状態から、コンバータ回路の制御を開始することができるので、時間的ロス及びエネルギーロスをなくすことができる。

また、同期発電機においては、タービン発電機や風力発電機などは、本来なら始動時には外部からの電源供給は必要ない。ところが、先に同期発電機を回してしまうと、発電機回転時にセンサレス制御を開始することになるが、この場合であっても適切に、同期発電機から発電される電力の整流制御処理を行うことができる。

２０，２０Ａ…電動機駆動制御システム、
２１…同期電動機
２２…ＰＷＭインバータ回路
２３…直流電源、
２４…制御装置、
２４Ａ…角度推定部、
２８…電流センサ、
２９…電圧センサ、
３１…放電抵抗、
３２…スイッチ、
７１…高調波フィルタ、
１２０，１２０Ａ…発電制御システム、
１２１…同期発電機、
１２２…ＰＷＭコンバータ回路、
１２３…負荷、
１２４…制御装置、
１２８…電流センサ、
１２９…電圧センサ、
１３１…放電抵抗、
１３２…スイッチ、
１７１…高調波フィルタ、
１９０…平滑用キャパシタ。

Claims (7)

1. 直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路から交流電力を与えることによって同期電動機を回転駆動する同期電動機の制御装置において、
   上記直流電源と並列にスイッチを介して接続された放電抵抗と、
   上記インバータ回路のためのゲート信号を発生して同期電動機を制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、
   上記スイッチをオンすることにより上記放電抵抗に放電して上記直流電圧を低下させ、
   上記同期電動機から上記インバータ回路に流れ込む電流を検出し、
   上記検出された電流に基づいて、上記同期電動機の磁極の角度を粗推定し、
   上記粗推定された磁極の角度に基づいてインバータの出力電圧の初期値を決定した後、上記インバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 上記制御手段は、上記粗推定された磁極の角度に基づいて、磁極の角速度と角度を推定した後、上記インバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御装置。
3. 上記インバータ回路と上記同期電動機との間に、高調波成分を除去する高調波フィルタを備え、
   上記制御手段は、上記同期電動機から上記高調波フィルタに流れ込む電流を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の同期電動機の制御装置。
4. 同期発電機から与えられる交流電力をコンバータ回路によって整流して、整流後の直流電圧を負荷に出力する同期発電機の制御装置において、
   上記コンバータ回路のためのゲート信号を発生して上記同期発電機から発電される交流電力の整流を制御する制御手段を備え、
   上記制御手段は、
   上記同期発電機から上記コンバータ回路に流れ込む電流を検出し、
   上記直流電圧が所定値以上となるまでに、上記検出された電流に基づいて、上記同期発電機の磁極の角度を粗推定し、
   上記粗推定された磁極の角度に基づいてコンバータ回路の出力電圧の初期値を決定した後、上記コンバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする同期発電機の制御装置。
5. 上記制御手段は、上記直流電圧が所定値以上となるまでに、上記粗推定された磁極の角度に基づいて、磁極の角速度と角度を推定した後、上記コンバータ回路のセンサレス制御を始動することを特徴とする請求項４記載の同期発電機の制御装置。
6. 上記コンバータ回路と上記同期発電機との間に、高調波成分を除去する高調波フィルタを備え、
   上記制御手段は、上記同期発電機から上記高調波フィルタに流れ込む電流を検出することを特徴とする請求項４又は５記載の同期発電機の制御装置。
7. 上記コンバータ回路の出力と並列にスイッチを介して接続された放電抵抗をさらに備え、
   上記制御手段は、上記直流電圧が所定値に達し、上記電流が流れなくなった場合に上記スイッチをオンすることにより上記電流を継続供給することを特徴とする請求項４又は５記載の同期発電機の制御装置。

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