JP2019004621A - Synchronous motor system and synchronous motor system controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、同期電動機システム及び同期電動機システムの制御装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a synchronous motor system and a control apparatus for the synchronous motor system.
近年、自動車や船舶では、同期電動機が動力源といて用いられている。同期電動機を自動車等の動力源として用いるためのシステムでは、蓄電池に蓄えられた電力がインバータを介して、同期電動機へ供給される。 In recent years, synchronous motors are used as power sources in automobiles and ships. In a system for using a synchronous motor as a power source for an automobile or the like, electric power stored in a storage battery is supplied to the synchronous motor via an inverter.
蓄電池を用いたシステムでは、同期電動機やインバータの定格出力に応じた容量の遮断器やヒューズなどの安全装置が設けられる。したがって、大きな推進力を必要とする自動車や船舶では、定格出力が大きな同期電動機が必要となり、必然的に安全装置も大型化する。この場合には、システムが大型し、製造コストやランニングコストも増加する。 In a system using a storage battery, a safety device such as a circuit breaker or a fuse having a capacity corresponding to the rated output of a synchronous motor or an inverter is provided. Therefore, in automobiles and ships that require a large propulsive force, a synchronous motor with a large rated output is required, and the safety device is inevitably enlarged. In this case, the system becomes large, and the manufacturing cost and running cost also increase.
本発明は、上述の事情の下になされたもので、同期電動機システムの小型化を図ることを課題とする。 This invention is made | formed under the above-mentioned situation, and makes it a subject to achieve size reduction of a synchronous motor system.
上記課題を解決するため、本実施形態に係る同期電動機システムは、蓄電池と、前記蓄電池から電力の供給を受けて多相交流電力を出力するインバータと、を備える複数のインバータ装置と、これら複数のインバータ装置から出力される多相交流電力を制御する制御装置と、前記複数のインバータ装置から多相交流電力の供給を受けて動作する同期電動機と、を備える。 In order to solve the above-described problem, a synchronous motor system according to the present embodiment includes a plurality of inverter devices including a storage battery, and an inverter that receives supply of power from the storage battery and outputs multiphase AC power, A control device that controls multiphase AC power output from the inverter device; and a synchronous motor that operates by receiving supply of multiphase AC power from the plurality of inverter devices.
《第１の実施形態》
図１は、第１の実施形態に係る同期電動機システム１００の構成を示す図である。同期電動機システム１００は、複数のインバータ装置から出力される多相交流電力によって同期電動機を駆動するシステムである。ここでは、３相交流電力を出力する２台のインバータ装置によって同期電動機を駆動する場合について説明する。以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
図１に示すように、同期電動機システム１００は、複数のインバータ装置１０ａ，１０ｂと、インバータ装置１０ａ，１０ｂから出力される電圧の位相が同期するようにインバータ装置１０ａ，１０ｂを制御する制御装置５０と、インバータ装置１０ａ，１０ｂによって駆動される同期電動機１と、回転角度センサ４０と、を備える。
As shown in FIG. 1, the
同期電動機１は、ロータが永久磁石からなる同期電動機である。同期電動機１は、図１に示されるように、ステータ２とロータ３とを備えている。ステータ２は、例えば鉄やケイ素鋼板からなる円筒状の部材である。ステータ２の内周面には、ロータ３に向かって突出する６つのステータコア２ａ〜２ｆが形成されている。ステータコア２ａ〜２ｆは、ロータ３の周りに等間隔に配置されている。ステータコア２ａ〜２ｆには、それぞれ固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が取り付けられている。また、固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１及び固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２は、スター結線されている。固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２は、固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１に対して、ロータ３を介して対抗するように配置される。固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１は、インバータ装置１０ａに接続され、固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２は、インバータ装置１０ｂに接続される。
The
各固定子コイルに印加される交流電圧のイメージ図を図２に示す。図２に実線で示す波形は、固定子コイルＵ１，Ｕ２に印加される交流電圧の波形である。図２に一点鎖線で示す波形は、固定子コイルＶ１，Ｖ２に印加される交流電圧の波形である。図２に点線で示す波形は、固定子コイルＷ１，Ｗ２に印加される交流電圧の波形である。固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１及び固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２には、それぞれ位相が１２０度ずつ異なる交流電圧が印加される。固定子コイルＵ１，Ｕ２に印加される電圧の位相は相互に等しい。また、固定子コイルＶ１，Ｖ２に印加される電圧の位相も相互に等しく、固定子コイルＷ１，Ｗ２に印加される電圧の位相も相互に等しい。固定子コイルＵ１，Ｕ２、固定子コイルＶ１，Ｖ２、固定子コイルＷ１，Ｗ２にそれぞれ位相が１２０度ずつ異なる電圧が印加されることで、ステータ２の内部に回転磁界が生じる。
FIG. 2 shows an image diagram of the AC voltage applied to each stator coil. A waveform indicated by a solid line in FIG. 2 is a waveform of an AC voltage applied to the stator coils U1 and U2. A waveform indicated by a one-dot chain line in FIG. 2 is a waveform of an alternating voltage applied to the stator coils V1 and V2. A waveform indicated by a dotted line in FIG. 2 is a waveform of an alternating voltage applied to the stator coils W1 and W2. Alternating voltages having phases different from each other by 120 degrees are applied to the stator coils U1, V1, W1 and the stator coils U2, V2, W2. The phases of the voltages applied to the stator coils U1 and U2 are equal to each other. The phases of the voltages applied to the stator coils V1, V2 are also equal to each other, and the phases of the voltages applied to the stator coils W1, W2 are also equal to each other. A rotating magnetic field is generated inside the
ロータ３は、外周面に沿ってＮ極とＳ極とが交互に形成される部材である。ロータ３では、外周面に沿って４つの磁極が形成されている。ロータ３は、ステータ２の内部に生じる回転磁界との電磁相互作用により回転する。
The
上述のように構成される同期電動機１では、インバータ装置１０ａに接続される固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１と、インバータ装置１０ｂに接続される固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２とが交互に配置されることで、隣接する固定子コイルは、それぞれ異なるインバータ装置１０ａ，１０ｂから電力が供給されるようになっている。
In the
隣接するステータコアに巻回された固定子コイルに異なるインバータ装置１０から交流電力を供給する理由は、インバータ装置１０ａ，１０ｂから出力される電力の大きさが異なる場合の同期電動機1の振動を抑制するためである。インバータ装置１０ａ，１０ｂから出力される電力の大きさが異なる場合、隣接するステータコアに巻回された固定子コイルに同じインバータ装置１０から交流電力を供給すると、ロータ３が１８０°回転するたびに磁束密度が大きく変動することになる。隣接するステータコアに巻回された固定子コイルに異なるインバータ装置１０から交流電力を供給することにより、磁束密度の変動がロータ３の回転角度６０°周期になるので、同期電動機1の振動を抑制することができる。
The reason for supplying AC power from
図１に戻り、インバータ装置１０（１０ａ，１０ｂ）は、３相交流電力を同期電動機1に供給する。インバータ装置１０（１０ａ，１０ｂ）は、蓄電池２０（２０ａ，２０ｂ）とインバータ３０（３０ａ，３０ｂ）とを備える。
Returning to FIG. 1, the inverter device 10 (10 a, 10 b) supplies three-phase AC power to the
蓄電池２０は、直流電力をインバータ３０に供給する。蓄電池２０は、図３に示すように、バッテリー２１、遮断器２２、ヒューズ２３、残容量測定部２４を備える。
The
バッテリー２１は、複数の蓄電素子を直列および並列に接続した構成になっている。必要とする電圧と電力を確保するためである。遮断器２２は、ブレーカ等で構成されている。遮断器２２は、短絡・地絡等における異常電流を検出して、電力の供給路を遮断する。ヒューズ２３は、短絡・地絡等における異常電流によって溶断し、電力の供給路を遮断する。遮断器２２及びヒューズ２３は、同期電動機１の起動時の突入電流には反応しない特性になっている。また、遮断器２２及びヒューズ２３は、地絡等の障害時の要求仕様に応じた異常電流の検出特性、異常電流検出時における遮断特性を備えている。残容量測定部２４は、バッテリー２１の残容量を測定し、制御装置５０にバッテリー２１の残容量を伝える。
The
インバータ３０は、蓄電池２０から供給された直流電力を３相交流電力に変換する。インバータ３０は、図４に示すように、電力変換部３１とゲートドライブ回路３２とを備える。
The
電力変換部３１は、複数のスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２で構成されている。各スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。各スイッチング素子は、ゲートドライブ回路３２から出力されるドライブ信号によってオン・オフ制御される。これにより、電力変換部３１は、直流電力を３相交流電力に変換し、同期電動機１に供給する。電力変換部３１による交流電力の作成については後述する。
The
ゲートドライブ回路３２は、制御装置５０から入力される制御信号に従って、電力変換部３１の各スイッチング素子をドライブする。
The
図１に戻り、回転角度センサ４０は、同期電動機１のロータ３の回転角度θを検出する。回転角度センサ４０は、検出した回転角度θのデータを制御装置５０に供給する。回転角度センサ４０は、例えば、レゾルバである。
Returning to FIG. 1, the
制御装置５０は、同期電動機１の負荷に応じた制御信号を作成する。また、制御装置５０は、インバータ装置１０ａ，１０ｂから出力される３相交流電力の電圧位相が図２に示すように同位相になるようにインバータ装置１０ａ，１０ｂを制御する。また、制御装置５０は、インバータ装置１０ａ，１０ｂの蓄電池の残容量が同程度になるようにインバータ装置１０ａ，１０ｂを制御する。そのために、制御装置５０は、図５に示すように、角速度差検出部５１、制御信号作成部５２、残容量比較部５３、パルス幅補正部５４を備える。なお、ここでは、回転数（角速度）を指令値とする場合について説明する。
The
角速度差検出部５１は、回転角度センサ４０から取得した同期電動機１のロータ３の回転角度θを微分することにより、ロータ３の回転する角速度（回転速度）を算出する。そして、角速度差検出部５１は、基準とする角速度指令信号（例えば、５０Ｈｚ）と比較し、基準角速度との差を求める。
The angular velocity
制御信号作成部５２は、ロータ３の角速度が基準角速度と同じになるように、インバータ装置１０（１０ａ，１０ｂ）のスイッチング素子ＳＷをドライブする図６に示すロータ位置に応じた制御信号Ｉ１（Ｕ）、Ｉ１（Ｖ）、Ｉ１（Ｗ）、Ｉ２（Ｕ）、Ｉ２（Ｖ）、Ｉ２（Ｗ）を作成する。
The
具体的には、制御信号作成部５２は、回転角度センサ４０が検出したステータ２とロータ３との位置関係（回転角度θ）に応じた周波数、位相、振幅の交流電圧をインバータ装置１０が出力するように制御信号を作成する。Ｉ１（Ｕ）は、インバータ装置１０ａのゲートドライブ回路３２を介して電力変換部３１を制御し、同期電動機１の固定子コイルＵ１に正の電圧を印加する期間を指定する制御信号である。制御信号の詳細波形については後述する。同様に、Ｉ１（Ｖ）は、固定子コイルＶ１、Ｉ１（Ｗ）は固定子コイルＷ１に正の電圧を印加する期間を指定する制御信号である。同様に、Ｉ２（Ｕ）、Ｉ２（Ｖ）、Ｉ２（Ｗ）は、固定子コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２に正の電圧を印加する期間を指定する制御信号である。図示していないが、制御信号作成部５２は、インバータ装置１０ａのゲートドライブ回路３２を介して電力変換部３１を制御し、同期電動機１の固定子コイルＵ１に負の電圧を印加する期間を指定するＩ１（Ｕ）に対して１８０度位相がすれた制御信号を作成する。同様に、制御信号作成部５２は、Ｉ１（Ｖ），Ｉ１（Ｗ），Ｉ２（Ｕ）、Ｉ２（Ｖ）、Ｉ２（Ｗ）のそれぞれに対して１８０度位相がずれたインバータ装置１０ａ，ｂに負の電圧を出力させる制御信号を作成する。このように、制御信号作成部５２は、１２本の制御信号を作成する。
Specifically, in the
同期電動機１に供給する交流電力の1サイクルの期間を期間Ｔとする。Ｉ１（Ｕ）、Ｉ１（Ｖ）、Ｉ１（Ｗ）は、それぞれ１２０°位相がずれている。また、Ｉ１（Ｕ）とＩ２（Ｕ）、Ｉ１（Ｖ）とＩ２（Ｖ）、Ｉ１（Ｗ）とＩ２（Ｗ）は、同位相である。
A period of one cycle of AC power supplied to the
図７に、インバータ装置１０に正の電圧を出力させる制御信号Ｉ１（Ｕ）の詳細波形を示す。インバータ装置１０に負の電圧を出力させる制御信号の詳細波形も同様である。図７に示すように、制御信号Ｉ１（Ｕ）は、複数のパルスによって形成されている。ここでは、パルス数が５個の場合について説明する。インバータ３０は、スイッチング素子ＳＷのオン時間が長いほど、大きな電流を流すことができる。制御信号作成部５２は、インバータ装置１０ａ，１０ｂが図２に示すような波形の交流電圧を出力するように、制御信号のパルス幅がｔ０１からｔ０３へと徐々に広くなり、ｔ０３からｔ０５へと徐々に狭まる制御信号を作成する。
FIG. 7 shows a detailed waveform of the control signal I1 (U) that causes the
詳細には、制御信号作成部５２は、パルス幅の最も広いｔ０３のパルス幅ｔ０を基準とした場合、基準パルス幅ｔ０に係数ｇｉをかけ、ｔ０１からｔ０５の各パルス幅を求める。具体的には、ｔ０１＝ｔ０×ｇ１、ｔ０２＝ｔ０×ｇ２、のように計算する。係数ｇｉは、インバータ３０が出力する交流電圧の波形が所定の波形となるように予め計算で求め、記憶部に記憶しておく。他の制御信号の詳細波形も同様である。
Specifically, when the pulse width t0 of t03 having the widest pulse width is used as a reference, the control
制御信号作成部５２は、インバータ装置１０が出力する交流電力を大きくする場合、図７に示すオン時間ｔ０を長く設定する。また、制御信号作成部５２は、インバータ装置１０が出力する交流電力を小さくする場合、図７に示すオン時間ｔ０を短く設定する。
When increasing the AC power output from the
図５に戻り、残容量比較部５３は、インバータ装置１０ａ，１０ｂのバッテリー２１の残容量を比較する。具体的には、残容量比較部５３は、インバータ装置１０ａ，１０ｂから取得したＳＯＣ（State of Charge）信号に基づいて、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値を求め、図８に示すように、その値に応じた制御信号のパルス幅の補正量を計算する。ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値に対応する図８に示すパルス幅の補正量は、予め記憶部に記憶しておく。
Returning to FIG. 5, the remaining
パルス幅補正部５４は、残容量比較部５３が算出したパルス幅の補正量に基づいて、制御信号作成部５２が作成した制御信号のパルス幅を補正する。具体的には、パルス幅補正部５４は、蓄電池の残容量が少ないインバータ装置の出力電力を、蓄電池の残容量が多いインバータ装置の出力電力よりも少なくするように、制御信号のオン時間ｔ０を補正する。例えば、インバータ装置１０ａのバッテリー２１の残容量を示す信号ＳＯＣ１がインバータ装置１０ｂのバッテリー２１の残容量を示す信号ＳＯＣ２よりも多い場合、パルス幅補正部５４は、図８に示すように、インバータ装置１０ａをゲートドライブするオン時間ｔ１をインバータ装置１０ｂをゲートドライブするオン時間ｔ２よりも長くなるように補正する。なお、ロータ３の角速度を所定の速度に保つために、ｔ１＋ｔ２＝２×ｔ０とする。つまり、同期電動機１に供給される電力は補正前と補正後で同じ電力となるので、同期電動機１は所望の出力を維持することができる。パルス幅補正部５４が補正した制御信号の例を図９に示す。
The pulse
図１０に示すように、ｔ１＞ｔ２とすることにより、インバータ装置１０ａから出力される交流電力は、インバータ装置１０ｂから出力される交流電力よりも大きくなる。これにより、インバータ装置１０ａのバッテリー２１の残容量は、インバータ装置１０ｂのバッテリー２１の残容量よりも早く減少する。このように、同期電動機システム１００は、インバータ装置１０ａのバッテリー２１の残容量とインバータ装置１０ｂのバッテリー２１の残容量とが等しくなるように制御する。
As shown in FIG. 10, by setting t1> t2, the AC power output from the
ここで、Δｔ＝｜ｔ１−ｔ２｜をどのように設定するかが重要となる。Δｔを大きくすれば、インバータ装置１０ａのバッテリー２１の残容量とインバータ装置１０ｂのバッテリー２１の残容量とを短時間で等しくなるように制御できる。その反面、ロータ３が６０°回転するたびに磁束密度が大きく変動することになる。その結果、同期電動機１のトルクが不均一になるため、同期電動機１の振動が大きくなる。
Here, how to set Δt = | t1−t2 | is important. If Δt is increased, the remaining capacity of the
具体的には、図８に示す係数Ｋを小さくするほど、磁束密度の変化を小さくでき、同期電動機１の振動を小さくすることができる。例えば、係数ＫをＫ＝０．１とすると、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＝１．１の場合、固定子コイルＵ１による磁束密度は固定子コイルＵ２による磁束密度に対して、１．５％×２＝３％高くなる。係数ＫをＫ＝１とすると、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＝１．１の場合、固定子コイルＵ１による磁束密度は固定子コイルＵ２による磁束密度に対して、１５％×２＝３０％高くなる。事前処理として、係数Ｋをパラメータにして、同期電動機１の振動を実験で測定する。そして、許容可能な振動の大きさに基づいて係数Ｋを決め、記憶部に記憶しておく。
Specifically, as the coefficient K shown in FIG. 8 is decreased, the change in the magnetic flux density can be decreased, and the vibration of the
図８において、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＝０．９〜１．１の範囲においてパルス幅の増減補正を行わない理由は、バッテリー２１の残容量差が小さい場合、インバータ装置１０ａ、１０ｂから供給する電力を同じにして、同期電動機１の振動を低減するためである。なお、図５の各処理の順番は変更しても良い。
In FIG. 8, the reason why the pulse width increase / decrease correction is not performed in the range of SOC1 / SOC2 = 0.9 to 1.1 is that the power supplied from the
次に、制御装置５０による制御信号の作成処理について、図１１を参照して説明する。ユーザが、同期電動機システム１００の操作部（図示しない）から起動操作をすることにより、図１１に示す制御信号作成処理は開始される。
Next, control signal generation processing by the
ユーザが同期電動機システム１００の起動操作をすると、制御装置５０は、予め設定されているオン時間で、図６及び図７に示すような制御信号を作成し、インバータ装置１０ａ、１０ｂに供給する。制御装置５０から制御信号を受信したインバータ装置１０ａ、１０ｂは、相互の電圧位相が同期した３相交流電力を生成して同期電動機１に供給する。３相交流電力の供給を受けた同期電動機１は、ロータ３を回転させて所定のトルクを発生する。
When the user performs a start-up operation of the
同期電動機１が動作を始めると、回転角度センサ４０は、ロータ３の回転角度θを測定し、制御装置５０に供給する（ステップＳ１１）。また、インバータ装置１０ａは、バッテリー２１の残容量を示す信号ＳＯＣ１を制御装置５０に送信する。また、インバータ装置１０ｂは、バッテリー２１の残容量を示す信号ＳＯＣ２を制御装置５０に送信する。
When the
制御装置５０の角速度差検出部５１は、回転角度センサ４０から供給された情報に基づいて、基準角速度とロータ３の回転速度との差を検出する。また、制御信号作成部５２は、ステータ２とロータ３との位置関係を取得する。そして、制御信号作成部５２は、同期電動機１を所定の回転速度で駆動するために必要なオン時間ｔ０の図７に示す制御信号を作成する（ステップＳ１２）。
The angular velocity
この処理に加えて、制御装置５０は、インバータ装置１０ａ，１０ｂのバッテリー残容量が同程度になるように、図８に示す規則に基づいて、制御信号１のオン時間ｔ１及び制御信号２のオン時間ｔ２のパルス幅を補正する。具体的には、制御装置５０の残容量比較部５３は、インバータ装置１０ａ、１０ｂのバッテリー２１の残容量を表す信号ＳＯＣ１，ＳＯＣ２に基づいて、インバータ装置１０ａ、１０ｂのバッテー残容量を比較する（ステップＳ１３）。
In addition to this processing, the
例えば、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値が１．１以上で１．２未満である場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、パルス幅補正部５４は、インバータ装置１０ａをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ１を、ｔ１＝ｔ０×１．０１５とし、ｔ２＝ｔ０×０．９８５とする（ステップＳ１５）。ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値が１．２以上で１．３未満である場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、パルス幅補正部５４は、インバータ装置１０ａをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ１を、ｔ１＝ｔ０×１．０２５とし、ｔ２＝ｔ０×０．９７５とする（ステップＳ１７）。ＳＯＣ１／ＳＯＣ２≧１．３以降の説明は省略する。
For example, when the value of SOC1 / SOC2 is 1.1 or more and less than 1.2 (step S14: Yes), the pulse
一方、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値が０．８以上で０．９未満である場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、パルス幅補正部５４は、インバータ装置１０ａをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ１を、ｔ１＝ｔ０×０．９８５とし、ｔ２＝ｔ０×１．０１５とする（ステップＳ１９）。ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値が０．７以上で０．８未満である場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、パルス幅補正部５４は、インバータ装置１０ａをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ１を、ｔ１＝ｔ０×０．９７５とし、ｔ２＝ｔ０×１．０２５とする（ステップＳ２１）。ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＜０．７の説明は省略する。
On the other hand, when the value of SOC1 / SOC2 is 0.8 or more and less than 0.9 (step S18: Yes), the pulse
一方、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２の値が０．９以上で１．１未満である場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、パルス幅補正部５４は、インバータ装置１０ａをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ１をｔ１＝ｔ０のままとし、インバータ装置１０ｂをゲートドライブする制御信号１のオン時間ｔ２をｔ２＝ｔ０のままとする（ステップＳ２２）。
On the other hand, when the value of SOC1 / SOC2 is 0.9 or more and less than 1.1 (step S20: No), the pulse
制御装置５０は、上記のように作成した制御信号１，２をインバータ装置１０ａ，１０ｂに送信する（ステップＳ２３）。インバータ装置１０ａ，１０ｂは、新たに取得した制御信号１，２に基づいて３相交流電圧を出力する。同期電動機１は、この３相交流電圧に同期して回転する。なお、ステップＳ１４からステップＳ２２の処理の順番は任意である。
The
以上の処理により、制御装置５０は、例えばインバータ装置１０ａのバッテリー残容量がインバータ装置１０ｂのバッテリー残容量よりも多い場合、図１０に示すように「制御信号１のオン時間ｔ１＞制御信号２のオン時間ｔ２」なる制御信号１，２を送信する。このように、ｔ１＞ｔ２とすることにより、図１０に示すように、インバータ装置１０ａの出力電力をインバータ装置１０ｂの出力電力よりも大きくすることができる。そして、インバータ装置１０ａのバッテリー２１の残容量は、インバータ装置１０ｂのバッテリー２１の残容量よりも早く減少し、両バッテリー２１の残容量が等しくなるように制御される。
By the above processing, the
同期電動機システム１００は、ユーザが同期電動機システム１００を停止させるまで上記の処理を繰り返す。
The
以上説明したように、本実施形態に係る同期電動機システム１００は、蓄電池２０から電力の供給を受けて３相交流電力を出力するインバータ３０を備えるインバータ装置１０を複数備え、これら複数のインバータ装置１０から３相交流電力を同期電動機１に供給する。このような構成にすることにより、１台のバッテリー２１からインバータ３０に供給する電力を低減できる。したがって、蓄電池２０が備える遮断器２２及びヒューズ等の安全装置を小型化でき、同期電動機システム１００の小型化を図ることができる。
As described above, the
また、同期電動機システム１００は、蓄電池２０に電力の残容量を測定する残容量測定部２４を備える。また、制御装置５０は、インバータ装置１０の蓄電池２０の残容量を比較する残容量比較部５３と、残容量に基づいて、インバータ装置１０が出力する交流電力を制御する制御信号のパルス幅を補正するパルス幅補正部５４と、を備える。これにより、同期電動機システム１００は、インバータ装置１０ａ、１０ｂのバッテリー２１の残容量が等しくなるように、インバータ装置１０ａ、１０ｂが備えるバッテリー２１に残っている電力を消費することができ、同期電動機システム１００を駆動可能な時間を延ばすことができる。
The
同期電動機１は、インバータ装置１０から供給される交流電力を磁化電流として流す固定子コイルを巻回するステータコア２ａ〜２ｆを備えている。そして、隣接するステータコアに巻回された固定子コイルには異なるインバータ装置１０から交流電力が供給される。これにより、同期電動機システム１００は、同期電動機１の振動を低減することができる。
The
なお、上記の説明では、インバータ装置１０が２台の場合について説明したが、インバータ装置１０の台数を限定する必要はない。例えば、４台でも１０台でもよい。インバータ装置１０の台数は、同期電動機１に供給する電力、バッテリー２１からその電力を供給可能な時間、その電力に適した蓄電池２０内の保護回路の条件等を考慮し、装置の製造コストと装置の大きさが要求仕様を満足するように決めればよい。
In the above description, the case where there are two
また、上記の説明では、同期電動機１が３相交流電力で駆動される場合について説明したが、２相交流電力、６相交流電力等で駆動される同期電動機においても、本発明を適用できる。
In the above description, the case where the
また、同期電動機１は、ロータ３に永久磁石を備えた永久磁石同期電動機でも、永久磁石を備えない同期電動機やリラクタンスモータ（構成は変わる）でもよい。
Moreover, the
また、上記の説明では、残容量比（ＳＯＣ１／ＳＯＣ２）を図８に示すように、０．１刻みに規定した場合につて説明したが、この規定の仕方は任意であり、もっと細かく規定してもよい。同期電動機システム１００を最も長時間動作させるための条件は、ＳＣ１＝０となる時刻と、ＳＯＣ２＝０となる時刻とが同時刻となる場合である。制御信号のパルス幅の補正を開始する残容量比（ＳＯＣ１／ＳＯＣ２）と係数Ｋ、同期電動機１に供給する電力を考慮して、刻み幅を決定すればよい。また、図８に示す制御信号のパルス幅を補正しない区間（ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＝０．９〜１．１）を無くしてもよい。
Further, in the above description, the case where the remaining capacity ratio (SOC1 / SOC2) is defined in increments of 0.1 as shown in FIG. 8 is described. However, this regulation method is arbitrary and more precisely defined. May be. The condition for operating the
また、ＳＣ１／ＳＣ２＞１．３、もしくは、ＳＯＣ１／ＳＯＣ２＜０．７のように想定しない比率になった場合、短絡・地絡等の故障が生じている可能性がある。したがって、このような比率になった場合には、同期電動機システム１００を停止するようにしてもよい。
Moreover, when the ratio is not assumed such as SC1 / SC2> 1.3 or SOC1 / SOC2 <0.7, there is a possibility that a failure such as a short circuit or a ground fault has occurred. Therefore, when such a ratio is reached, the
また、上記の説明では、残容量比（ＳＯＣ１／ＳＯＣ２）に基づいて制御信号のパルス幅の補正を開始する説明をした。しかし、制御信号のパルス幅の補正を行う条件に、バッテリー残容量の条件を付加してもよい。つまり、バッテリーの残容量が多い場合、ＳＯＣ１とＳＯＣ２の差が大きい場合でもパルス幅の補正をしないようにする。インバータ装置１０ａ，１０ｂから供給する電力を同じにして、同期電動機１の振動を低減可能な期間を長くするためである。パルス幅の補正を開始する条件は、インバータ装置１０ａ，１０ｂのバッテリー残量が同時刻にゼロになるように、同期電動機１に供給する電力、バッテリー２１の残容量差、係数Ｋに基づいて算出する。
In the above description, correction of the pulse width of the control signal is started based on the remaining capacity ratio (SOC1 / SOC2). However, a condition for remaining battery capacity may be added to the condition for correcting the pulse width of the control signal. That is, when the remaining capacity of the battery is large, the pulse width is not corrected even when the difference between SOC1 and SOC2 is large. This is because the electric power supplied from the
また、上記の説明では、デジタル信号処理によりインバータ装置１０を制御する制御信号を作成する説明をしたが、制御信号の作成方法はこれに限定する必要はない。例えば、基準となる三角波と同期電動機に印加する電圧波形に対応する所望の正弦波とをコンパレータで比較することにより、インバータ装置１０を制御する制御信号を作成するようにしてもよい。
In the above description, the control signal for controlling the
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment will be described based on the drawings. About the structure which is the same as that of 1st Embodiment, or equivalent, while using an equivalent code | symbol, the description is abbreviate | omitted or simplified.
図１２は、第２の実施形態に係る同期電動機システム２００の構成を示す図である。図１２に示すように、同期電動機システム２００は、蓄電池２０から電力の供給を受けて単相交流電力を出力する単相インバータ２３０を備える複数のインバータ装置２１０（２１０ａ〜２１０ｆ）を備える。また、同期電動機システム２００は、これら複数のインバータ装置２１０から出力される単相交流電力を合わせると３相交流電力となるように、単相インバータ２３０が出力する単相交流電力の電圧位相を制御する制御装置２５０を備える。また、同期電動機システム２００は、複数のインバータ装置２１０から単相交流電力の供給を受けて動作する同期電動機２０１を備える。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a
同期電動機２０１は、ロータ３が永久磁石からなる同期電動機である。同期電動機２０1は、インバータ装置２１０ａ，２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅ、２１０ｆから出力される単相交流電力で駆動される。インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆから供給される単相交流電力は、図１２に示す固定子コイルＣ１〜Ｃ６のそれぞれに供給される。これらの固定子コイルＣ１〜Ｃ６は、同期電動機２０1のステータコア２ａ〜２ｆに巻回される。ステータコア２ａ〜２ｆは、同期電動機２０１のロータ３を中心に形成されている。各固定子コイルに印加される交流電圧のイメージ図を、図１３に示す。固定子コイルＣ１に印加される電圧がＶＣ１である。固定子コイルＣ２に印加される電圧がＶＣ２である。以下同様である。同期電動機２０１に供給される３相交流電力により、ステータ２の内部には回転磁界が生じる。ロータ３は、ステータ２の内部に生じる回転磁界との電磁相互作用により回転する。
The
インバータ装置２１０の蓄電池２０の構成は、図３に示す構成と同じである。単相インバータ２３０の構成を図１４に示す。第２の実施形態に係るインバータ装置２１０は単相交流電力を出力するので、電力変換部２３１の構成は単相交流電力を出力する構成になっている。
The configuration of the
制御装置２５０の構成を図１５に示す。角速度差検出部５１の説明は、第１の実施形態の説明と同じである。制御信号作成部２５２は、ロータ３の角速度が基準角速度と同じになるように、インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆのスイッチング素子ＳＷをドライブするロータ位置に応じた図１６に示すような制御信号１〜６を作成する。
The configuration of the
具体的には、制御信号作成部２５２は、回転角度センサ４０が検出したステータ２とロータ３との位置関係（回転角度θ）に応じた周波数、位相、振幅の交流電圧をインバータ装置２１０が出力するように制御信号を作成する。図１６に示す制御信号１は、インバータ装置２１０ａのゲートドライブ回路３２を介して電力変換部２３１を制御し、同期電動機２０１の固定子コイルＣ１に正の電圧を印加する期間を指定する制御信号である。制御信号の詳細波形は図７に示す波形と同じである。同様に、制御信号２から６は、固定子コイルＣ２からＣ６に正の電圧を印加する期間を指定する制御信号である。図示していないが、制御信号作成部２５２は、制御信号１対して１８０度位相がずれたインバータ装置２１０ａに負の電圧を出力させる制御信号も作成する。同様に、制御信号作成部２５２は、制御信号２から６のそれぞれに対して１８０度位相がずれたインバータ装置２１０ｂ〜２１０ｆに負の電圧を出力させる制御信号を作成する。このように、制御信号作成部２５２は、１２本の制御信号を作成する。第２の実施形態に係る同期電動機２０１は３相同期電動機であるので、制御信号１〜３および制御信号４〜６は、それぞれの位相が１２０°ずれた制御信号である。制御信号１と４、制御信号２と５、制御信号３と６は、それぞれ同位相である。インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆの出力が図１３に示す波形となるようにパルス幅制御を行う波形となっている。
Specifically, in the
同期電動機システム２００は、複数のインバータ装置２１０を備えており、各インバータ装置２１０の蓄電池２０の残容量はまちまちである。制御装置２５０は、各インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆが備える蓄電池２０の残容量が同時刻にゼロとなるように各インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆを制御する。
The
そのために、残容量比較部２５３は、ＳＯＣ１〜６の中で残容量が最も多いＳＯＣの値を基準として、図１７に示すように、各ＳＯＣの比（残容量比）を求め、制御信号のパルス幅の補正量を算出する。残容量比較部２５３は、例えば、図１７に示すように、ＳＯＣ１が示す値が一番大きい場合、ＳＯＣ１を基準にして各インバータ装置２１０の残容量比を求める。
For this purpose, the remaining
パルス幅補正部５４は、残容量比較部２５３が算出した図１７に示すパルス幅の補正量に基づいて、オン時間ｔ０の制御信号のパルス幅を補正する。具体的には、バッテリー２１の残容量比が図１７に示す値であり、Ｋ＝０．１の場合、制御信号作成部２５２は、制御信号２のパルス幅ｔ２をｔ２＝ｔ１×０．９９に補正する。制御信号３のパルス幅ｔ３をｔ３＝ｔ１×０．９７に補正する。以下同様に、制御信号作成部５２は、残容量比に基づいて制御信号のパルス幅を補正する。係数Ｋの設定方法は第１の実施形態における説明と同じである。なお、補正後の各オン時間は、（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５＋ｔ６）＝６×ｔ０である。
The pulse
次に、制御装置２５０による制御信号の作成処理について、図１８を参照して説明する。制御信号作成処理の開始条件、ステップＳ１１の処理およびステップＳ１２の処理は、第１の実施形態と同じである。
Next, control signal generation processing by the
次に、制御装置２５０は、インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆから受信したＳＯＣ１〜６の中で最も大きなＳＯＣ（最大ＳＯＣ）と最も小さいＳＯＣ（最小ＳＯＣ）とを抽出する（ステップＳ３３）。
Next,
制御装置２５０は、最小ＳＯＣ／最大ＳＯＣの値が所定値（例えば、０．９）以上であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。制御装置２５０は、最小ＳＯＣ／最大ＳＯＣの値が所定値（例えば、０．９）以上である場合（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、制御信号のパルス幅の補正処理を行わない。
一方、制御装置２５０は、最小ＳＯＣ／最大ＳＯＣが所定値（例えば、０．９）未満である場合（ステップＳ３４：Ｎｏ）、制御信号のパルス幅の補正処理を行う。具体的には、残容量比較部２５３は、各インバータ装置２１０から受信したＳＯＣに基づいて、図１７に示すように残容量比を計算する（ステップＳ３５）。そして、残容量比較部２５３は、図１７に示すように、制御信号のパルス幅の補正量を算出する。パルス幅補正部５４は、この補正量に基づいて、各制御信号のパルス幅を補正する（ステップＳ３６）。
On the other hand, when minimum SOC / maximum SOC is less than a predetermined value (for example, 0.9) (step S34: No),
制御装置２５０は、上記のように作成した制御信号１〜６をインバータ装置２１０ａ〜２１０ｆに出力する（ステップＳ３７）。同期電動機システム１００は、このように、制御信号１〜６のオン時間ｔ０をバッテリー２１の残容量に応じて補正することにより、インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆのバッテリー２１の残容量が等しくなるように制御する。同期電動機システム１００は、ユーザが同期電動機システム２００を停止するまで上記の処理を繰り返す。
The
以上説明したように、第２の実施形態に係る同期電動機システム２００は、蓄電池２０から電力の供給を受けて単相交流電力を出力する単相インバータ２３０を備えるインバータ装置２１０を複数備え、これら複数のインバータ装置２１０からの出力を合わせて３相交流電力を同期電動機２０１に供給する。このような構成にすることにより、１台のバッテリー２１から単相インバータ２３０に供給する電力を低減できる。したがって、蓄電池２０が備える遮断器２２及びヒューズ２３等の安全装置を小型化でき、同期電動機システム２００の小型化を図ることができる。
As described above, the
また、同期電動機システム２００は、蓄電池２０に電力の残容量を測定する残容量測定部２４を備える。また、制御装置２５０は、インバータ装置２１０の蓄電池２０の残容量を比較する残容量比較部２５３と、インバータ装置２１０の残容量に基づいて制御信号のパルス幅を補正するパルス幅補正部５４と、を備える。これにより、同期電動機システム２００は、インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆのバッテリー２１の残容量が等しくなるように、インバータ装置２１０ａ〜２１０ｆのバッテリー２１に残っている電力を消費することができ、同期電動機システム２００を駆動可能な時間を延ばすことができる。
The
なお、上記の説明では、残容量比（最小ＳＯＣ／最大ＳＯＣ）＜０．９の場合、制御信号のパルス幅の補正を行わない説明をしたが、残容量比（最小ＳＯＣ／最大ＳＯＣ）＜０．９の場合も制御信号のパルス幅を補正するようにしてもよい。 In the above description, when the remaining capacity ratio (minimum SOC / maximum SOC) <0.9, the pulse width of the control signal is not corrected, but the remaining capacity ratio (minimum SOC / maximum SOC) < Even in the case of 0.9, the pulse width of the control signal may be corrected.
また、図１８に示したフローチャートは一例であり、これに限定する必要はない。例えば、ステップＳ３３の次にステップＳ３５の処理を行い、その後にステップＳ３４の処理を行うようにしてもよい。 Moreover, the flowchart shown in FIG. 18 is an example, and it is not necessary to limit to this. For example, the process of step S35 may be performed after step S33, and the process of step S34 may be performed thereafter.
また、上記の説明では、同期電動機に本発明を適用する場合を例に説明したが、本発明はリニアモータやリニアアクチュエータ等にも同様に適用することができる。 In the above description, the case where the present invention is applied to a synchronous motor has been described as an example. However, the present invention can be similarly applied to a linear motor, a linear actuator, and the like.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１、２０１…同期電動機
２…ステータ
２ａ〜２ｆ…ステータコア
３…ロータ
１０，１０ａ、１０ｂ…インバータ装置
２１０，２１０ａ〜２１０ｆ…インバータ装置
２０，２０ａ，２０ｂ…蓄電池
２１…バッテリー
２２…遮断器
２３…ヒューズ
３０，３０ａ，３０ｂ…インバータ
２３０，２３０ａ〜２３０ｆ…単相インバータ
３１，２３１…電力変換部
３２…ゲートドライブ回路
４０…回転角度センサ
５０，２５０…制御装置
５１…角速度差検出部
５１１…電圧変換部
５２，２５２…制御信号作成部
５２１…三角波作成部
５２２…比較器
５３，２５３…残容量比較部
５４…パルス幅補正部
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２…固定子コイル
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６…固定子コイル
ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２…スイッチング素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,201 ...
Claims (7)
これら複数のインバータ装置から出力される多相交流電力を制御する制御装置と、
前記複数のインバータ装置から多相交流電力の供給を受けて動作する同期電動機と、
を備える同期電動機システム。 A plurality of inverter devices comprising: a storage battery; and an inverter that receives supply of electric power from the storage battery and outputs multiphase AC power;
A control device for controlling the polyphase AC power output from the plurality of inverter devices;
A synchronous motor that operates by receiving supply of multiphase AC power from the plurality of inverter devices;
A synchronous motor system comprising:
これら複数のインバータ装置から出力される単相交流電力の位相を制御して多相交流電力となるように前記複数のインバータ装置を制御する制御装置と、
前記複数のインバータ装置から単相交流電力の供給を受けて動作する同期電動機と、
を備える同期電動機システム。 A plurality of inverter devices comprising: a storage battery; and an inverter that receives supply of electric power from the storage battery and outputs single-phase AC power;
A control device for controlling the plurality of inverter devices so as to become multiphase AC power by controlling the phase of single-phase AC power output from the plurality of inverter devices;
A synchronous motor that operates by receiving supply of single-phase AC power from the plurality of inverter devices;
A synchronous motor system comprising:
前記制御装置は、
前記同期電動機のロータの回転角に応じたパルス幅で前記複数のインバータ装置が出力する電力を制御する制御信号を作成する制御信号作成部と、
前記複数のインバータ装置の蓄電池の残容量を比較する残容量比較部と、
前記残容量に基づいて、前記制御信号のパルス幅を補正するパルス幅補正部と、
を備え、
前記パルス幅補正部は、蓄電池の残容量が少ないインバータ装置の出力する電力を、蓄電池の残容量が多いインバータ装置の出力する電力よりも少なくするように前記制御信号のパルス幅を補正する、
請求項１または２に記載の同期電動機システム。 The storage battery includes a remaining capacity measuring unit that measures the remaining capacity of the storage battery and notifies the control device of the remaining capacity,
The control device includes:
A control signal creating unit for creating a control signal for controlling electric power output from the plurality of inverter devices with a pulse width corresponding to a rotation angle of a rotor of the synchronous motor;
A remaining capacity comparison unit for comparing the remaining capacity of the storage batteries of the plurality of inverter devices;
A pulse width correction unit for correcting the pulse width of the control signal based on the remaining capacity;
With
The pulse width correction unit corrects the pulse width of the control signal so that the power output from the inverter device having a small remaining capacity of the storage battery is less than the power output from the inverter device having a large remaining capacity of the storage battery.
The synchronous motor system according to claim 1 or 2.
前記ステータコアには、前記複数のインバータ装置から供給される交流電力を磁化電流として流す固定子コイルが巻回されており、
隣接するステータコアに巻回されている固定子コイルには、異なるインバータ装置から交流電力が供給され、
前記回転軸を挟んで対向するステータコアに巻回された固定子コイルには、同位相の交流電圧が異なるインバータ装置から供給される、
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機システム。 The synchronous motor includes a plurality of stator cores around a rotating shaft,
The stator core is wound with a stator coil that flows alternating current power supplied from the plurality of inverter devices as a magnetizing current,
AC power is supplied from different inverter devices to the stator coil wound around the adjacent stator core,
The stator coil wound around the stator core facing the rotation shaft is supplied with an AC voltage of the same phase from different inverter devices.
The synchronous motor system according to claim 1.
複数のインバータ装置が出力する電力を制御する制御信号を作成する制御信号作成部と、
前記複数のインバータ装置それぞれの蓄電池に残っている電力の残容量を表す信号を前記複数のインバータ装置から受信し、前記複数のインバータ装置の前記蓄電池の残容量を比較する残容量比較部と、
前記残容量に基づいて、前記制御信号のパルス幅を補正するパルス幅補正部と、
を備える同期電動機システムの制御装置。 In a synchronous motor system that operates a common synchronous motor with multiphase AC power supplied from a plurality of inverter devices, a control device that controls the plurality of inverter devices,
A control signal creating unit that creates a control signal for controlling the power output from the plurality of inverter devices;
A signal representing a remaining capacity of power remaining in each storage battery of the plurality of inverter devices is received from the plurality of inverter devices, and a remaining capacity comparison unit that compares the remaining capacity of the storage batteries of the plurality of inverter devices;
A pulse width correction unit for correcting the pulse width of the control signal based on the remaining capacity;
A control apparatus for a synchronous motor system.
同期電動機のロータの回転角に応じたパルス幅で複数のインバータ装置が出力する電力を制御する制御信号を作成する制御信号作成部と、
前記複数のインバータ装置それぞれの蓄電池に残っている電力の残容量を表す信号を前記複数のインバータ装置から受信し、前記複数のインバータ装置の前記蓄電池の残容量を比較する残容量比較部と、
前記残容量に基づいて、前記制御信号のパルス幅を補正するパルス幅補正部と、
を備え、
前記制御信号作成部は、前記複数のインバータ装置から出力される単相交流電力の位相を制御して多相交流電力となるように前記制御信号を作成する、
同期電動機システムの制御装置。 In a synchronous motor system that operates a common synchronous motor with multiphase AC power supplied from a plurality of inverter devices, a control device that controls the plurality of inverter devices,
A control signal creating unit that creates a control signal for controlling the power output from the plurality of inverter devices with a pulse width corresponding to the rotation angle of the rotor of the synchronous motor;
A signal representing a remaining capacity of power remaining in each storage battery of the plurality of inverter devices is received from the plurality of inverter devices, and a remaining capacity comparison unit that compares the remaining capacity of the storage batteries of the plurality of inverter devices;
A pulse width correction unit for correcting the pulse width of the control signal based on the remaining capacity;
With
The control signal creating unit creates the control signal so as to become multiphase AC power by controlling the phase of single phase AC power output from the plurality of inverter devices.
Control device for synchronous motor system.
請求項５または６に記載の同期電動機システムの制御装置。 The pulse width correction unit corrects the pulse width of the control signal so that the power output from the inverter device having a small remaining capacity of the storage battery is less than the power output from the inverter device having a large remaining capacity of the storage battery.
The control apparatus of the synchronous motor system according to claim 5 or 6.
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