JP2012205434A - 交流回転機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流回転機2へ交流電圧を出力する電力変換手段3と、交流回転機2に流れる電流を検出する電流検出手段4と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段5と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機2が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段8と、トルク指令と出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段9と、周波数指令を補正する周波数補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器10と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段6と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段7を備える。
【選択図】図1
Description
しかし、外部から所望のトルクあるいは電力指令を入力してトルクや電力を制御する制御系の場合は、外部からトルク(または電力)指令を与えてフィードバック制御を行うと、急激な速度上昇や交流回転機の機械的な制限速度を超える等の望ましくない事象が発生する。これを改善するため、さらに速度(周波数)を制御するループを追加する制御構成、すなわちトルク(または電力)制御系をメジャーループ、速度(周波数)制御系をマイナーループとするカスケード構成の制御系が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
実施の形態1は、トルク制御系に補償器を設けて、短時間で周波数指令を補正することで、トルク応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態1について、交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である図1に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1と交流回転機2を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。
以下、交流回転機2として、主に三相同期機を例に挙げて説明するが、本発明は「三相」「同期機」に限定されるものではなく、その他、他の相数(三相以外の二相回転機等)や同期機とは異なる回転機(例えば誘導機)であっても同様に適用できる。また、本発明の交流回転機は、「交流電動機」「交流発電機」のいずれにも適用できる。
電力変換手段3は、記載されていない電源から直流電源の供給を受け、後述の電圧指令演算手段7から出力される三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に基づいて三相電圧Vu、Vv、Vwを出力し、交流回転機2を駆動する。
なお、前記の記載されていない電源から直流電源を供給する手段として、例えば、直接直流電圧を出力する電源あるいは電池等の手段、単相あるいは三相の交流電源を公知のコンバータあるいは公知のダイオード(ブリッジ)とコンデンサとを用いた整流回路によって直流電圧に変換して直流電源を得る手段がある。
電流検出手段4は、交流回転機2の出力電流Iu、Ivを検出し、残りの一相の電流Iwは検出したIu、Ivに基づいて演算する(Iw=−Iu−Iv)。電流検出手段4は、図1に示すように2つの相だけに設けても、三相全てに設けても良い。
電流演算手段5は、電流検出手段4で検出した交流回転機2の出力電流Iu、Iv、Iwと後述の位相演算手段6から出力される回転二軸座標(以下dq軸と称す)上に設定した制御座標軸の位相θに基づいて、dq軸上の電流Id、Iqへ座標変換する。
出力電流Iu、Iv、Iwを、dq軸上の電流Id、Iqへ座標変換する式は(1)式である。
電圧指令演算手段7は、後述の補正された周波数指令ω1*とdq軸上の電流Id、Iqおよび位相θとに基づいて三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を演算する。
三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を演算する方法として、一旦dq軸上の電圧指令Vd*、Vq*を演算し、Vd*、Vq*を位相θとに基づいて三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*へ座標変換する方法を以下に説明する。
(2)、(3)式に対して、さらなる安定化のために、(4)、(5)式のように安定化補償電圧Vcd、Vcqを加えても良い。
この安定化補償電圧Vcd、Vcqの例として、交流回転機の形状に起因して発生するような基本波周波数の整数倍の周波数電流の歪みを補償する電圧、あるいは、インバータをはじめとする電力変換手段3のデッドタイム等に起因する電圧誤差を補償する電圧等、制御系をより安定化させるために補償する電圧がある。また、後述する三相電圧指令への座標変換後に補償する方式でも良い。
この座標変換式は(6)式となる。
この演算を数式で表すと(9)式となる。
補償器10で行われる演算を数式で表すと(10)式となる。
実施の形態2は、トルク制御系に補償器を設けて、短時間で制御座標軸の位相θを調整することで、トルク応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
本願発明の実施の形態2について、実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1と異なる位相補償量Δθcを演算する補償器23と位相補償量Δθcが入力される位相演算手段22の機能、動作を中心に、図2のシステム構成図を用いて説明する。
具体的には、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。補償器23で行われる演算を数式で表すと(11)式となる。
実施の形態3は、実施の形態2の交流回転機の制御装置21に対して、トルク指令と負荷角の関係から制御座標軸の位相θを調整する構成とした交流回転機の制御装置に関するものである。
本願発明の実施の形態3について、実施の形態2に係る交流回転機の制御装置21と異なる電圧指令演算手段32と補償器33の機能、動作を中心に、図3のシステム構成図を用いて説明する。
この負荷角δによって、トルクの操作が可能であることが一般的に知られている。
実施の形態4は、実施の形態1の交流回転機の制御装置1に対して、さらに第2補償器を設けて、出力トルクや電流の振動を抑制し安定した制御が可能な交流回転機の制御装置に関するものである。
図4において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態4について、実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1に追加された第2補償器42の機能、動作を中心に、図4のシステム構成図および図5の構成図を用いて説明する。
第1フィルタ44は、q軸電流Iqの高周波数成分を低減させ、Iqf1を出力する。第2フィルタ45は、Iqf1に対して、さらに低い周波数成分を減衰させたIqf2を出力する。
すなわち、q軸電流Iqに含まれる電力変換手段3起因の電流高周波成分のような高い周波数成分と、直流成分および低周波成分とを除去した比較的駆動周波数帯域(周波数指令ω*)に近接した周波数成分のみに基づいて周波数指令ω*に対する周波数補償を行う。
第2補償器42と加減算器43で行われる演算を数式で表すと(13)、(14)式となる。
実施の形態2の交流回転機の制御装置21に第2補償器42を追加した交流回転機の制御装置51のシステム構成を図6に示す。
実施の形態5は、電力制御系に補償器を設けて、短時間で周波数指令を補正することで、電力応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
図7は、本発明の実施の形態5に係る交流回転機の制御装置61と交流回転機2を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図7において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本発明の実施の形態5に係る交流回転機の制御装置61の機能および動作について、図7のシステム構成図を用いて説明する。
これらの機能、動作について以下に説明する。
交流回転機の制御装置61は、電力変換手段3と、電流検出手段4と、電流演算手段5と、位相演算手段6に関しては、実施の形態1と同一であるため説明を省略し、電力演算手段62、電圧指令演算手段63、周波数指令演算手段64および補償器65の機能、動作を中心に説明する。
交流回転機2が誘導回転機であれば、周波数ω1*に対してすべり周波数相当分の周波数補正を加えた上で除算器67へ出力される。
具体的には、電力指令P*と出力電力Pの偏差ΔP(=P*−P)を加減算器66で演算し、除算器67で偏差ΔPを演算回転速度ωrで除算する。この値は実施の形態1のΔτに相当し、この入力に対して公知の比例積分(PI)制御演算を行い、比例積分演算出力ω0を求め、このω0に所定の周波数設定値ωsetを加えた値を最終的に周波数指令ω*として出力する。
この演算を数式で表すと(16)式となる。
なお、Ktp2、Ktd2の何れか0であっても良い。
また、実施の形態5に係る交流回転機の制御装置61では、偏差ΔPを演算回転速度ωrで除算した値に基づいて周波数指令ω*を出力する構成としているため、出力電力の応答性を回転速度に依らず一定にできる効果もある。
実施の形態6は、電力制御系に補償器を設けて、短時間で制御座標軸の位相θを調整することで、電力応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
図8は、本発明の実施の形態6に係る交流回転機の制御装置71と交流回転機2を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図8において、図7と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態6について、実施の形態5に係る交流回転機の制御装置61と異なる電力指令P*に基づいて位相補償量Δθcを演算する補償器72の機能、動作を中心に、図8のシステム構成図を用いて説明する。
具体的には、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。補償器72で行われる演算を数式で表すと(18)式となる。
また、実施の形態6の交流回転機の制御装置71に実施の形態4に示した第2補償器42を追加する構成とすることもできる。
また、実施の形態6に係る交流回転機の制御装置71では、偏差ΔPを演算回転速度ωrで除算した値に基づいて周波数指令ω*を出力する構成としているため、出力電力の応答性を回転速度に依らず一定にできる効果もある。
7,32,63 電圧指令演算手段、8 トルク演算手段、
9,64 周波数指令演算手段、10,23,33,65,72 補償器、
11,12,43,52,66 加減算器、42 第2補償器、67 除算器。
Claims (8)
- 外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令と前記トルク演算手段が演算した前記出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記周波数指令を補正する周波数補償量を前記トルク指令に基づいて演算する補償器と、
前記補正後の周波数指令に基づいて前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記補正後の周波数指令と前記制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。 - 外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令と前記トルク演算手段が演算する前記出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を前記トルク指令に基づいて演算する補償器と、
前記周波数指令と前記位相補償量に基づいて前記制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記周波数指令と前記補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。 - 前記補償器は、さらに前記電圧指令演算手段で演算する前記回転二軸座標上の電圧指令に基づいて負荷角を演算し、前記トルク指令と前記負荷角に基づいて位相補償量を演算する請求項2に記載の交流回転機の制御装置。
- 外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電圧指令と前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、
前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記周波数指令を補正する周波数補償量を前記電力指令に基づいて演算する補償器と、
前記補正後の周波数指令に基づいて前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記補正後の周波数指令と前記制御座標軸の位相とに基づいて前記電力変換手段に出力する電圧指令および前記電力演算手段に出力する前記回転二軸座標上の前記電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。 - 外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電圧指令と前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、
前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を前記電力指令に基づいて演算する補償器と、
前記周波数指令と前記位相補償量に基づいて前記制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記周波数指令と前記補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令および前記電力演算手段に出力する前記回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。 - 前記補償器は、さらに前記電圧指令演算手段で演算する前記回転二軸座標上の電圧指令に基づいて負荷角を演算し、前記電力指令と前記負荷角に基づいて位相補償量を演算する請求項5に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧指令演算手段で交流回転機の演算回転速度を演算し、前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差を前記演算回転速度で除算して、トルク偏差を算出する除算器を追加し、前記周波数指令演算手段は前記トルク偏差に基づいて前記周波数指令を演算する構成とした請求項4ないし6のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記回転二軸座標上の電流に基づいて、前記周波数指令演算手段が演算した周波数指令に近接した周波数成分からなる第2周波数補償量を演算する第2補償器を追加し、前記第2周波数補償量に基づいて前記周波数指令を補正する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。
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JP2018057131A (ja) * | 2016-09-28 | 2018-04-05 | サンケン電気株式会社 | フライホイール蓄電システム |
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2011
- 2011-03-28 JP JP2011069084A patent/JP5517983B2/ja active Active
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