JP3545693B2 - クローポール同期機の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三相の発電機および電動機として運転されるクローポール同期機の制御方法に関し、特に電機子電流による弱め界磁制御を行うことにより、大形化およびコストアップを招くことなく制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車両エンジンには、発電機および電動機として運転される三相同期機が搭載されており、この種の三相同期機をインバータ電源で駆動する際に、ベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せて制御する方法は、たとえば特開平８−１８２３８０号公報に記載されているようによく知られている。
【０００３】
ここで、三相同期機を電動機として運転した場合の発生トルクＴｅは、以下の（１）式により与えられる。
【０００４】
Ｔｅ＝３｛Ψ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ｝ ・・・（１）
【０００５】
ただし、（１）式において、Ψは界磁電流ｉｆにより決定する全磁束鎖交数、ＬｄおよびＬｑはｄ−ｑ軸に変換された同期インダクタンスであり、Ψ・ｉｑは磁束Ψにより発生するトルク、（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑはリラクタンストルクである。
【０００６】
なお、ｄ軸は界磁磁極方向と一致した直軸方向、ｑ軸は界磁磁極方向に対して垂直な横軸方向を示している。
また、ｉｄおよびｉｑはｄ−ｑ軸に変換されたベクトル制御用の電機子相電流であり、ｄ−ｑ軸に変換される前の電機子電流ｉ（相電流）に対して、以下の（２）式の関係を満たしている。
【０００７】
ｉ２＝ｉｄ２＋ｉｑ２ ・・・（２）
【０００８】
電機子電流ｉは、実際には三相電流であるが、これと同じ起電力を得る二相電流に置き換え、さらに、界磁方向のｄ軸およびｄ軸に直交するｑ軸の相電流ｉｄおよびｉｑに置き換えて示す。
一方、三相同期機を発電機として運転した場合の発電出力Ｐｇは、以下の（３）式により与えられる。
【０００９】
Ｐｇ＝３｛ω・Ψ・ｉｑ＋ｉ２Ｒ＋ω（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ｝・・・（３）
【００１０】
ただし、（３）式において、ωは回転速度に対応した電気的角速度、Ｒは電機子各相抵抗値である。
なお、上記各式において、各符号は電動機運転の場合を正極性としている。
【００１１】
一般に、突極形の磁極を有する同期機の場合、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（４）式を満たすことが知られている。
【００１２】
Ｌｄ＞Ｌｑ ・・・（４）
【００１３】
また、円筒形の磁極を有する同期機の場合、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（５）式を満たすことが知られている。
【００１４】
Ｌｄ＝Ｌｑ ・・・（５）
【００１５】
さらに、逆突極（埋込）形の磁極を有する同期機の場合、図５に示すように、磁石を含むｄ軸（磁極ＮＳ方向）の透磁率よりも、鉄などの磁性材を含ｑ軸（磁極ＮＳに対して垂直方向）の透磁率の方が大きいので、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（６）式を満たすことが知られている。
【００１６】
Ｌｄ＜Ｌｑ ・・・（６）
【００１７】
上記（１）式および（３）式から明らかなように、（４）式または（５）式を満たす突極形または円筒形の磁極を有する同期機の場合には、同一の電機子相電流ｉにおいて、同期機を直軸電流ｉｄ＝０で制御したときに、電動機運転の場合には最大トルクが得られ、発電機運転した場合には最大出力が得られる。
【００１８】
また、上記（６）式を満たす逆突極（埋込）形の磁極を有する同期機の場合には、弱め界磁と称される負極性の直軸電流ｉｄ（＜０）で制御したときに、電動機運転時に最大トルクが得られ、発電機運転時に最大出力が得られる。
【００１９】
なお、クローポール同期機の場合は、磁極が突極であって上記（４）式を満たすことから、直軸電流ｉｄ＝０の制御を行い、電機子電流による弱め界磁制御は行われていない。
【００２０】
ところで、同期機の端子電圧Ｖは、回転速度ωと、界磁電流ｉｆによる発生磁束および電機子コイル間の鎖交磁束Ψと、電機子のインダクタンスＬｄおよび抵抗値Ｒとに応じて増減し、以下の（７）式のように表される。
【００２１】
【００２２】
上述した電機子電流による弱め界磁とは、（７）式で与えられる端子電圧Ｖをインバータ制御可能な値に調整するため、電機子の逆起電力Ｅ（＝ω・Ψ）に対して逆方向の磁束を発生するように、電機子の直軸電流ｉｄを反対方向に流すことを意味している。
【００２３】
したがって、電機子直軸電流ｉｄは、界磁電流ｉｆにより発生する磁界に対して反対方向磁束を発生するように流れる。
なお、電機子逆起電力Ｅと電機子電流との相差角をφとすると、直軸電流ｉｄおよび横軸電流ｉｑは、それぞれ、以下の（８）式および（９）式のように表される。
【００２４】
ｉｄ＝ｉ・ｓｉｎφ ・・・（８）
ｉｑ＝ｉ・ｃｏｓφ ・・・（９）
【００２５】
従来制御方法においては、電機子電流ｉを直軸分ｉｄと横軸分ｉｑとに分けてインバータ制御する場合、逆突極特性を持つ（内部磁石埋込形の）永久磁石同期機以外は、電機子電流ｉによる弱め界磁制御は行われていない。
【００２６】
したがって、クローポール同期機の可変速制御においては、ｉｄ＝０による制御、すなわち、電機子逆起電圧Ｅと電機子電流ｉを同相とする制御のみが行われており、電機子電流いによる弱め界磁制御は行わわれていない。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクローポール同期機の制御方法は以上のように、電機子電流の相差角φの調整による弱め界磁を実行していないので、トルクまたは発電出力を大きくするためには界磁電流または電機子電流を増大制御する必要があり、この結果、同期機が大形化するうえ電源容量も増大させなければならないという問題点があった。
【００２８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、電機子電流による弱め界磁制御を行うことにより、大形化およびコストアップを招くことなく制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法を得ることを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るクローポール同期機の制御方法は、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、負極性の直軸電流で制御することにより、電機子電流による弱め界磁制御を行うものである。
【００３０】
また、この発明の請求項２に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項１において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するものである。
【００３１】
また、この発明の請求項３に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項２において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されたものである。
【００３２】
また、この発明の請求項４に係るクローポール同期機の制御方法は、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行うものである。
【００３３】
また、この発明の請求項５に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項４において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するものである。
【００３４】
また、この発明の請求項６に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項５において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されたものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１が適用されるクローポール同期機の磁極を簡略化して示す説明図である。
【００３６】
図１において、１はロータとして機能する界磁であり、煩雑さを回避するため、便宜的に２極のみが示されている。
２は界磁１に巻かれた界磁コイルであり、界磁電流ｉｆが供給されることにより、界磁１を励磁してｄ軸方向の鎖交磁束Ψを発生させる。
【００３７】
３ｄおよび３ｑはステータとして機能する電機子コイルであり、界磁１の周囲に配設されている。
ｄ軸用の電機子コイル３ｄは、弱め界磁用の電機子電流ｉｄにより磁束φｄを発生し、ｑ軸用の電機子コイル３ｄは、電機子電流ｉｑにより磁束φｑを発生する。
【００３８】
各電機子コイル３ｄ、３ｑにより発生された磁束φｄおよびφｑは、合成されてｑ軸に対する相差角φの磁束となり、界磁１と関連してトルクまたは発電出力を発生させる。
【００３９】
すなわち、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行う。
【００４０】
また、この場合、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定する。
【００４１】
一方、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行う。
【００４２】
また、この場合、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定する。
【００４３】
指令値マップは、クローポール同期機を発電機として運転する場合には、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されており、クローポール同期機を電動機として運転する場合には、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されている。
【００４４】
図２はクローポール同期機を電動機として運転する場合の弱め界磁制御による動作特性を示す説明図であり、横軸は界磁電流ｉｆ、縦軸はｄ軸方向の鎖交磁束Ψである。図２のように、界磁電流ｉｆに対する鎖交磁束Ψは、途中から飽和特性を示す。
【００４５】
図２において、Ｍは界磁コイル２と電機子コイル３（３ｄおよび３ｑ）との相互インダクタンス、ｉｆｏおよびΨｏは弱め界磁なし（ｉｄ＝０）の場合の磁束動作点、ｉｆ１およびΨ１は弱め界磁用の電機子電流ｉｄ（＜０）を流した場合の磁束動作点、Ｍｉｆは鎖交磁束Ψ１の動作点からリニア特性（相互インダクタンスＭの傾き）にしたがって得られる仮想磁束である。
【００４６】
次に、図１および図２を参照しながら、この発明の実施の形態１による弱め界磁制御方法について、クローポール同期機が電動機の場合を例にとって具体的に説明する。
【００４７】
まず、図２において、電機子電流ｉｄ＝０の場合での鎖交磁束Ψｏによるクローポール同期機（電動機）の発生トルクＴｅ（便宜的に単相と見なす）は、上記（１）式から、以下の（１０）式のように表される。
【００４８】
Ｔｅ＝Ψｏ・ｉｑ ・・・（１０）
【００４９】
ここで、弱め界磁用の負極性の電機子電流ｉｄを流すと、磁気回路での鎖交磁束はΨ１（図２参照）となるが、仮想的にはΨｏのままであり、トルクＴｅは、上記（１）から、以下の（１１）式のように表される。
【００５０】
Ｔｅ＝Ψｏ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ ・・・（１１）
【００５１】
すなわち、Ｌｄ−Ｌｑ＝０であれば、電機子電流ｉｄによりリラクタンストルクが変化せず、（１１）式から得られる発生トルクＴｅは、（１０）式と同一の値となる。
【００５２】
ここで、界磁コイル２に界磁電流ｉｆを流した場合、鎖交磁束Ψｆは、電機子コイル３との相互インダクタンスＭを用いて、以下の（１２）式のように表される。
【００５３】
Ψｆ＝Ｍ・ｉｆ ・・・（１２）
【００５４】
（１２）式から、ｉｄ＝０での相互インダクタンスＭｏは、以下の（１３）式のように表される。
【００５５】
Ｍｏ＝Ψｏ／ｉｆ ・・・（１３）
【００５６】
したがって、（１３）式を用いて（１０）式を書き直せば、ｉｄ＝０での発生トルクＴｅは、以下の（１４）のように表される。
【００５７】
Ｔｅ＝Ｍｏ・ｉｆ・ｉｑ ・・・（１４）
【００５８】
次に、負極性の電機子電流ｉｄを流した場合、相互インダクタンスＭ１は、以下の（１５）式のように表される。
【００５９】
Ｍ１＝Ψ１／（ｉｆ＋ｉｄ） ・・・（１５）
【００６０】
この場合、発生トルクＴｅは、（１４）式と同様に、以下の（１６）式のように表される。
【００６１】
Ｔｅ＝Ｍ１・ｉｆ・ｉｑ ・・・（１６）
【００６２】
（１６）式から、負極性（弱め界磁制御用）の電機子電流ｉｄを流した場合の仮想磁束Ψｄは、上記（１２）式と同様に、以下の（１７）式のように表される。
【００６３】
Ψｄ＝Ｍ・ｉｆ ・・・（１７）
【００６４】
なお、上記（１１）式内のリラクタンストルク（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑは、以下の（１８）式のように表される。
【００６５】
【００６６】
したがって、電機子電流ｉｄによる磁束Ψｄは、ｉｄ＝０における磁束Ψ０の外側に考慮される。
また、ｉｄ＝０における磁束Ψ０は、図２のように磁気飽和により低下しているので、飽和前の領域の近傍まで電機子電流ｉｄを流した状態で、ｉｄ＝０での磁束Ψを考慮すれば、界磁電流ｉｆと磁束Ψとが線形関係となる特性直線上の動作点（図２内のＭ・ｉｆ参照）と見なされる。
【００６７】
すなわち、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御は、実質的に界磁電流ｉｆを低減させることにより、図２内の動作点を、ｉｄ＝０での磁束ΨｏからΨ１まで変化させ、仮想的に磁気飽和をなくしたことになる。
【００６８】
なお、上記説明では、ｑ軸の電機子電流ｉｑを固定値と見なしたが、電流値を一定として相差角φ（図１参照）を振ることにより、電機子電流ｉｑが若干減少し、ｄ軸の電機子電流ｉｄが磁気飽和の影響を減少させて磁束Ψを増大させ、総合的な発生トルクＴｅが増大することになる。
【００６９】
図３はクローポール同期機を発電機として用いた場合の特性図であり、回転速度、界磁電流ｉｆおよび端子電圧Ｖ一定を一定として、電機子電流ｉの大きさを変えずに相差角φのみを変えたときに測定される発電出力を、弱め界磁用の電機子電流ｉｄを流した場合の相差角φと発電出力トルクＰｅとの関係により示している。
【００７０】
図４はクローポール同期機を電動機として用いた場合の特性図であり、回転速度、界磁電流ｉｆおよび端子電圧Ｖを一定として、電機子電流ｉの大きさを変えずに相差角φのみを変えときに測定される発生トルクを、弱め界磁用の電機子電流ｉｄを流した場合の相差角φと出力トルクＴｅとの関係による示している。
【００７１】
図３において、クローポール同期機を発電機として用いた場合、相差角φ＝α（≒２２°）としたときの発電出力は、相差角φ＝０［°］の場合の発電出力よりも約１５％だけ増大されている。
【００７２】
また、図４において、クローポール同期機を電動機として用いた場合、相差角φ＝β（≒１０°）としたときの出力トルクは、相差角φ＝０［°］の場合の発電出力よりも約１０％だけ増大されている。
【００７３】
図３および図４から明らかなように、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、発電機出力Ｐｅおよび電動機出力トルクＴｅを大きくすることができる。
【００７４】
このことは、界磁電流ｉｆのみを低減させる（鎖交磁束Ψを低減させる）ことにより、端子電圧Ｖをインバータ制御可能な範囲に調整する従来技術と比べて、界磁電流ｉｆの調整自由度を顕著に拡大するとともに、クローポール同期機を高回転領域まで高発電出力および高出力トルクで使用できることを意味している。
【００７５】
したがって、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、クローポール同期機を電動機または発電機として使用する場合においても、同一規模のクローポール機および制御装置を用いて、広い速度範囲にわたって高出力トルクまたは発電出力を得ることができる。
【００７６】
また、同一の要求トルクまたは要求発電出力に対しては、クローポール同期機および制御装置をコンパクトに設計することができ、小形化を実現することができる。
【００７７】
このように、クローポール同期機において、電機子電流の相差角φを制御して電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、相差角φの大きさに応じて、電機子電流の相差角φ＝０（ｉｄ＝０）の場合よりも、発電機運転時の発電出力または電動機運転時の出力トルクＴｅを増大させることができる。
【００７８】
すなわち、図３または図４の特性を用いることにより、発電機運転の場合での要求発電出力または電動機運転の場合での要求トルクに対し、適切な電機子電流の相差角φ（αまたはβ）を選定して、同一の界磁電流ｉｆおよび電機子電流ｉの大きさで、相差角φ＝０の場合と比べて大きな発電出力Ｐｅまたは出力トルクＴｅを得ることができる。
【００７９】
また、クローポール同期機の弱め界磁制御に用いられる相差角φの指令値マップは、要求発電出力または要求トルクが最高効率で得られるように、図３内のαの値または図４内のβの値が設定されている。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１によれば、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、負極性の直軸電流で制御することにより、電機子電流による弱め界磁制御を行うようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８１】
また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８２】
また、この発明の請求項３によれば、請求項２において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８３】
また、この発明の請求項４によれば、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行うようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８４】
また、この発明の請求項５によれば、請求項４において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８５】
また、この発明の請求項６によれば、請求項５において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１が適用されるクローポール同期機の磁極を簡略化して示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を電動機として運転する場合の弱め界磁制御による動作特性を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を発電機として用いた場合の特性図である。
【図４】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を電動機として用いた場合の特性図である。
【図５】一般的な埋込形磁石を用いた同期機を概略的に示す磁極構成図である。
【符号の説明】
１ 界磁、２ 界磁コイル、３ｄ、３ｑ 電機子コイル、ｉｆ 界磁電流、
ｉｄ ｄ軸（弱め界磁用）の電機子電流、ｉｑ ｑ軸の電機子電流、φ 相差角、α 最大発電出力を得るための相差角、β 最大出力トルクを得るための相差角、φｄ 弱め界磁用の磁束、Ψ、Ψｏ、Ψ１ 鎖交磁束。
【発明の属する技術分野】
この発明は、三相の発電機および電動機として運転されるクローポール同期機の制御方法に関し、特に電機子電流による弱め界磁制御を行うことにより、大形化およびコストアップを招くことなく制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車両エンジンには、発電機および電動機として運転される三相同期機が搭載されており、この種の三相同期機をインバータ電源で駆動する際に、ベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せて制御する方法は、たとえば特開平８−１８２３８０号公報に記載されているようによく知られている。
【０００３】
ここで、三相同期機を電動機として運転した場合の発生トルクＴｅは、以下の（１）式により与えられる。
【０００４】
Ｔｅ＝３｛Ψ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ｝ ・・・（１）
【０００５】
ただし、（１）式において、Ψは界磁電流ｉｆにより決定する全磁束鎖交数、ＬｄおよびＬｑはｄ−ｑ軸に変換された同期インダクタンスであり、Ψ・ｉｑは磁束Ψにより発生するトルク、（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑはリラクタンストルクである。
【０００６】
なお、ｄ軸は界磁磁極方向と一致した直軸方向、ｑ軸は界磁磁極方向に対して垂直な横軸方向を示している。
また、ｉｄおよびｉｑはｄ−ｑ軸に変換されたベクトル制御用の電機子相電流であり、ｄ−ｑ軸に変換される前の電機子電流ｉ（相電流）に対して、以下の（２）式の関係を満たしている。
【０００７】
ｉ２＝ｉｄ２＋ｉｑ２ ・・・（２）
【０００８】
電機子電流ｉは、実際には三相電流であるが、これと同じ起電力を得る二相電流に置き換え、さらに、界磁方向のｄ軸およびｄ軸に直交するｑ軸の相電流ｉｄおよびｉｑに置き換えて示す。
一方、三相同期機を発電機として運転した場合の発電出力Ｐｇは、以下の（３）式により与えられる。
【０００９】
Ｐｇ＝３｛ω・Ψ・ｉｑ＋ｉ２Ｒ＋ω（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ｝・・・（３）
【００１０】
ただし、（３）式において、ωは回転速度に対応した電気的角速度、Ｒは電機子各相抵抗値である。
なお、上記各式において、各符号は電動機運転の場合を正極性としている。
【００１１】
一般に、突極形の磁極を有する同期機の場合、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（４）式を満たすことが知られている。
【００１２】
Ｌｄ＞Ｌｑ ・・・（４）
【００１３】
また、円筒形の磁極を有する同期機の場合、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（５）式を満たすことが知られている。
【００１４】
Ｌｄ＝Ｌｑ ・・・（５）
【００１５】
さらに、逆突極（埋込）形の磁極を有する同期機の場合、図５に示すように、磁石を含むｄ軸（磁極ＮＳ方向）の透磁率よりも、鉄などの磁性材を含ｑ軸（磁極ＮＳに対して垂直方向）の透磁率の方が大きいので、同期インダクタンスＬｄおよびＬｑの関係は、以下の（６）式を満たすことが知られている。
【００１６】
Ｌｄ＜Ｌｑ ・・・（６）
【００１７】
上記（１）式および（３）式から明らかなように、（４）式または（５）式を満たす突極形または円筒形の磁極を有する同期機の場合には、同一の電機子相電流ｉにおいて、同期機を直軸電流ｉｄ＝０で制御したときに、電動機運転の場合には最大トルクが得られ、発電機運転した場合には最大出力が得られる。
【００１８】
また、上記（６）式を満たす逆突極（埋込）形の磁極を有する同期機の場合には、弱め界磁と称される負極性の直軸電流ｉｄ（＜０）で制御したときに、電動機運転時に最大トルクが得られ、発電機運転時に最大出力が得られる。
【００１９】
なお、クローポール同期機の場合は、磁極が突極であって上記（４）式を満たすことから、直軸電流ｉｄ＝０の制御を行い、電機子電流による弱め界磁制御は行われていない。
【００２０】
ところで、同期機の端子電圧Ｖは、回転速度ωと、界磁電流ｉｆによる発生磁束および電機子コイル間の鎖交磁束Ψと、電機子のインダクタンスＬｄおよび抵抗値Ｒとに応じて増減し、以下の（７）式のように表される。
【００２１】
上述した電機子電流による弱め界磁とは、（７）式で与えられる端子電圧Ｖをインバータ制御可能な値に調整するため、電機子の逆起電力Ｅ（＝ω・Ψ）に対して逆方向の磁束を発生するように、電機子の直軸電流ｉｄを反対方向に流すことを意味している。
【００２３】
したがって、電機子直軸電流ｉｄは、界磁電流ｉｆにより発生する磁界に対して反対方向磁束を発生するように流れる。
なお、電機子逆起電力Ｅと電機子電流との相差角をφとすると、直軸電流ｉｄおよび横軸電流ｉｑは、それぞれ、以下の（８）式および（９）式のように表される。
【００２４】
ｉｄ＝ｉ・ｓｉｎφ ・・・（８）
ｉｑ＝ｉ・ｃｏｓφ ・・・（９）
【００２５】
従来制御方法においては、電機子電流ｉを直軸分ｉｄと横軸分ｉｑとに分けてインバータ制御する場合、逆突極特性を持つ（内部磁石埋込形の）永久磁石同期機以外は、電機子電流ｉによる弱め界磁制御は行われていない。
【００２６】
したがって、クローポール同期機の可変速制御においては、ｉｄ＝０による制御、すなわち、電機子逆起電圧Ｅと電機子電流ｉを同相とする制御のみが行われており、電機子電流いによる弱め界磁制御は行わわれていない。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクローポール同期機の制御方法は以上のように、電機子電流の相差角φの調整による弱め界磁を実行していないので、トルクまたは発電出力を大きくするためには界磁電流または電機子電流を増大制御する必要があり、この結果、同期機が大形化するうえ電源容量も増大させなければならないという問題点があった。
【００２８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、電機子電流による弱め界磁制御を行うことにより、大形化およびコストアップを招くことなく制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法を得ることを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るクローポール同期機の制御方法は、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、負極性の直軸電流で制御することにより、電機子電流による弱め界磁制御を行うものである。
【００３０】
また、この発明の請求項２に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項１において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するものである。
【００３１】
また、この発明の請求項３に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項２において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されたものである。
【００３２】
また、この発明の請求項４に係るクローポール同期機の制御方法は、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行うものである。
【００３３】
また、この発明の請求項５に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項４において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するものである。
【００３４】
また、この発明の請求項６に係るクローポール同期機の制御方法は、請求項５において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されたものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１が適用されるクローポール同期機の磁極を簡略化して示す説明図である。
【００３６】
図１において、１はロータとして機能する界磁であり、煩雑さを回避するため、便宜的に２極のみが示されている。
２は界磁１に巻かれた界磁コイルであり、界磁電流ｉｆが供給されることにより、界磁１を励磁してｄ軸方向の鎖交磁束Ψを発生させる。
【００３７】
３ｄおよび３ｑはステータとして機能する電機子コイルであり、界磁１の周囲に配設されている。
ｄ軸用の電機子コイル３ｄは、弱め界磁用の電機子電流ｉｄにより磁束φｄを発生し、ｑ軸用の電機子コイル３ｄは、電機子電流ｉｑにより磁束φｑを発生する。
【００３８】
各電機子コイル３ｄ、３ｑにより発生された磁束φｄおよびφｑは、合成されてｑ軸に対する相差角φの磁束となり、界磁１と関連してトルクまたは発電出力を発生させる。
【００３９】
すなわち、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行う。
【００４０】
また、この場合、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定する。
【００４１】
一方、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行う。
【００４２】
また、この場合、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定する。
【００４３】
指令値マップは、クローポール同期機を発電機として運転する場合には、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されており、クローポール同期機を電動機として運転する場合には、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されている。
【００４４】
図２はクローポール同期機を電動機として運転する場合の弱め界磁制御による動作特性を示す説明図であり、横軸は界磁電流ｉｆ、縦軸はｄ軸方向の鎖交磁束Ψである。図２のように、界磁電流ｉｆに対する鎖交磁束Ψは、途中から飽和特性を示す。
【００４５】
図２において、Ｍは界磁コイル２と電機子コイル３（３ｄおよび３ｑ）との相互インダクタンス、ｉｆｏおよびΨｏは弱め界磁なし（ｉｄ＝０）の場合の磁束動作点、ｉｆ１およびΨ１は弱め界磁用の電機子電流ｉｄ（＜０）を流した場合の磁束動作点、Ｍｉｆは鎖交磁束Ψ１の動作点からリニア特性（相互インダクタンスＭの傾き）にしたがって得られる仮想磁束である。
【００４６】
次に、図１および図２を参照しながら、この発明の実施の形態１による弱め界磁制御方法について、クローポール同期機が電動機の場合を例にとって具体的に説明する。
【００４７】
まず、図２において、電機子電流ｉｄ＝０の場合での鎖交磁束Ψｏによるクローポール同期機（電動機）の発生トルクＴｅ（便宜的に単相と見なす）は、上記（１）式から、以下の（１０）式のように表される。
【００４８】
Ｔｅ＝Ψｏ・ｉｑ ・・・（１０）
【００４９】
ここで、弱め界磁用の負極性の電機子電流ｉｄを流すと、磁気回路での鎖交磁束はΨ１（図２参照）となるが、仮想的にはΨｏのままであり、トルクＴｅは、上記（１）から、以下の（１１）式のように表される。
【００５０】
Ｔｅ＝Ψｏ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ ・・・（１１）
【００５１】
すなわち、Ｌｄ−Ｌｑ＝０であれば、電機子電流ｉｄによりリラクタンストルクが変化せず、（１１）式から得られる発生トルクＴｅは、（１０）式と同一の値となる。
【００５２】
ここで、界磁コイル２に界磁電流ｉｆを流した場合、鎖交磁束Ψｆは、電機子コイル３との相互インダクタンスＭを用いて、以下の（１２）式のように表される。
【００５３】
Ψｆ＝Ｍ・ｉｆ ・・・（１２）
【００５４】
（１２）式から、ｉｄ＝０での相互インダクタンスＭｏは、以下の（１３）式のように表される。
【００５５】
Ｍｏ＝Ψｏ／ｉｆ ・・・（１３）
【００５６】
したがって、（１３）式を用いて（１０）式を書き直せば、ｉｄ＝０での発生トルクＴｅは、以下の（１４）のように表される。
【００５７】
Ｔｅ＝Ｍｏ・ｉｆ・ｉｑ ・・・（１４）
【００５８】
次に、負極性の電機子電流ｉｄを流した場合、相互インダクタンスＭ１は、以下の（１５）式のように表される。
【００５９】
Ｍ１＝Ψ１／（ｉｆ＋ｉｄ） ・・・（１５）
【００６０】
この場合、発生トルクＴｅは、（１４）式と同様に、以下の（１６）式のように表される。
【００６１】
Ｔｅ＝Ｍ１・ｉｆ・ｉｑ ・・・（１６）
【００６２】
（１６）式から、負極性（弱め界磁制御用）の電機子電流ｉｄを流した場合の仮想磁束Ψｄは、上記（１２）式と同様に、以下の（１７）式のように表される。
【００６３】
Ψｄ＝Ｍ・ｉｆ ・・・（１７）
【００６４】
なお、上記（１１）式内のリラクタンストルク（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑは、以下の（１８）式のように表される。
【００６５】
したがって、電機子電流ｉｄによる磁束Ψｄは、ｉｄ＝０における磁束Ψ０の外側に考慮される。
また、ｉｄ＝０における磁束Ψ０は、図２のように磁気飽和により低下しているので、飽和前の領域の近傍まで電機子電流ｉｄを流した状態で、ｉｄ＝０での磁束Ψを考慮すれば、界磁電流ｉｆと磁束Ψとが線形関係となる特性直線上の動作点（図２内のＭ・ｉｆ参照）と見なされる。
【００６７】
すなわち、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御は、実質的に界磁電流ｉｆを低減させることにより、図２内の動作点を、ｉｄ＝０での磁束ΨｏからΨ１まで変化させ、仮想的に磁気飽和をなくしたことになる。
【００６８】
なお、上記説明では、ｑ軸の電機子電流ｉｑを固定値と見なしたが、電流値を一定として相差角φ（図１参照）を振ることにより、電機子電流ｉｑが若干減少し、ｄ軸の電機子電流ｉｄが磁気飽和の影響を減少させて磁束Ψを増大させ、総合的な発生トルクＴｅが増大することになる。
【００６９】
図３はクローポール同期機を発電機として用いた場合の特性図であり、回転速度、界磁電流ｉｆおよび端子電圧Ｖ一定を一定として、電機子電流ｉの大きさを変えずに相差角φのみを変えたときに測定される発電出力を、弱め界磁用の電機子電流ｉｄを流した場合の相差角φと発電出力トルクＰｅとの関係により示している。
【００７０】
図４はクローポール同期機を電動機として用いた場合の特性図であり、回転速度、界磁電流ｉｆおよび端子電圧Ｖを一定として、電機子電流ｉの大きさを変えずに相差角φのみを変えときに測定される発生トルクを、弱め界磁用の電機子電流ｉｄを流した場合の相差角φと出力トルクＴｅとの関係による示している。
【００７１】
図３において、クローポール同期機を発電機として用いた場合、相差角φ＝α（≒２２°）としたときの発電出力は、相差角φ＝０［°］の場合の発電出力よりも約１５％だけ増大されている。
【００７２】
また、図４において、クローポール同期機を電動機として用いた場合、相差角φ＝β（≒１０°）としたときの出力トルクは、相差角φ＝０［°］の場合の発電出力よりも約１０％だけ増大されている。
【００７３】
図３および図４から明らかなように、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、発電機出力Ｐｅおよび電動機出力トルクＴｅを大きくすることができる。
【００７４】
このことは、界磁電流ｉｆのみを低減させる（鎖交磁束Ψを低減させる）ことにより、端子電圧Ｖをインバータ制御可能な範囲に調整する従来技術と比べて、界磁電流ｉｆの調整自由度を顕著に拡大するとともに、クローポール同期機を高回転領域まで高発電出力および高出力トルクで使用できることを意味している。
【００７５】
したがって、電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、クローポール同期機を電動機または発電機として使用する場合においても、同一規模のクローポール機および制御装置を用いて、広い速度範囲にわたって高出力トルクまたは発電出力を得ることができる。
【００７６】
また、同一の要求トルクまたは要求発電出力に対しては、クローポール同期機および制御装置をコンパクトに設計することができ、小形化を実現することができる。
【００７７】
このように、クローポール同期機において、電機子電流の相差角φを制御して電機子電流ｉｄによる弱め界磁制御を行うことにより、相差角φの大きさに応じて、電機子電流の相差角φ＝０（ｉｄ＝０）の場合よりも、発電機運転時の発電出力または電動機運転時の出力トルクＴｅを増大させることができる。
【００７８】
すなわち、図３または図４の特性を用いることにより、発電機運転の場合での要求発電出力または電動機運転の場合での要求トルクに対し、適切な電機子電流の相差角φ（αまたはβ）を選定して、同一の界磁電流ｉｆおよび電機子電流ｉの大きさで、相差角φ＝０の場合と比べて大きな発電出力Ｐｅまたは出力トルクＴｅを得ることができる。
【００７９】
また、クローポール同期機の弱め界磁制御に用いられる相差角φの指令値マップは、要求発電出力または要求トルクが最高効率で得られるように、図３内のαの値または図４内のβの値が設定されている。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１によれば、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、負極性の直軸電流で制御することにより、電機子電流による弱め界磁制御を行うようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８１】
また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、クローポール同期機を発電機として運転する場合は、クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８２】
また、この発明の請求項３によれば、請求項２において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されたので、大形化およびコストアップを招くことなく発電制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８３】
また、この発明の請求項４によれば、インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて界磁電流制御を行うとともに、電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、電機子電流による弱め界磁制御を行うようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８４】
また、この発明の請求項５によれば、請求項４において、クローポール同期機を電動機として運転する場合は、クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、指令値マップを参照することにより、クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと電機子電流の相差角の指令値を決定するようにしたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【００８５】
また、この発明の請求項６によれば、請求項５において、指令値マップは、電機子電流の相差角の指令値が、要求トルクを最高効率で得るような値に設定されたので、大形化およびコストアップを招くことなく出力トルク制御性を向上させたクローポール同期機の制御方法が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１が適用されるクローポール同期機の磁極を簡略化して示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を電動機として運転する場合の弱め界磁制御による動作特性を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を発電機として用いた場合の特性図である。
【図４】この発明の実施の形態１によりクローポール同期機を電動機として用いた場合の特性図である。
【図５】一般的な埋込形磁石を用いた同期機を概略的に示す磁極構成図である。
【符号の説明】
１ 界磁、２ 界磁コイル、３ｄ、３ｑ 電機子コイル、ｉｆ 界磁電流、
ｉｄ ｄ軸（弱め界磁用）の電機子電流、ｉｑ ｑ軸の電機子電流、φ 相差角、α 最大発電出力を得るための相差角、β 最大出力トルクを得るための相差角、φｄ 弱め界磁用の磁束、Ψ、Ψｏ、Ψ１ 鎖交磁束。
Claims (6)
- インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、
前記クローポール同期機を発電機として運転する場合は、
前記クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に基づいて前記界磁電流制御を行うとともに、
前記電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、負極性の直軸電流で制御することにより、前記電機子電流による弱め界磁制御を行うことを特徴とするクローポール同期機の制御方法。 - 前記クローポール同期機を発電機として運転する場合は、
前記クローポール同期機の要求発電出力および回転速度に対応して、前記クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと前記電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、
前記指令値マップを参照することにより、前記クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと前記電機子電流の相差角の指令値を決定することを特徴とする請求項１に記載のクローポール同期機の制御方法。 - 前記指令値マップは、前記電機子電流の相差角の指令値が、前記要求発電出力を最高効率で得るような値に設定されたことを特徴とする請求項２に記載のクローポール同期機の制御方法。
- インバータ電源による電機子電圧および電機子電流のベクトル制御と界磁電流制御とを組み合せてクローポール同期機を制御する方法において、
前記クローポール同期機を電動機として運転する場合は、
前記クローポール同期機により発生すべき要求トルクおよび回転速度に基づいて前記界磁電流制御を行うとともに、
前記電機子電流の大きさおよび相差角を制御して、前記電機子電流による弱め界磁制御を行うことを特徴とするクローポール同期機の制御方法。 - 前記クローポール同期機を電動機として運転する場合は、
前記クローポール同期機の要求トルクおよび回転速度に対応して、前記クローポール同期機の界磁電流および電機子電流の大きさと前記電機子電流の相差角の指令値とを関連付けた指令値マップをあらかじめ記憶し、
前記指令値マップを参照することにより、前記クローポール同期機に通電すべき界磁電流および電機子電流の大きさと前記電機子電流の相差角の指令値を決定することを特徴とする請求項４に記載のクローポール同期機の制御方法。 - 前記指令値マップは、前記電機子電流の相差角の指令値が、前記要求トルクを最高効率で得るような値に設定されたことを特徴とする請求項５に記載のクローポール同期機の制御方法。
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