JPH04340389A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、界磁極に永久磁石を用
いた同期電動機を電力変換装置で可変速駆動する同期電
動機の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】界磁極に永久磁石を用いた同期機（発電
機及び電動機）は、空隙に磁束を作るのに全く電力を必
要としないため、高効率で駆動することができると言う
特徴がある。しかし、従来は性能的及び経済的に利点を
生かせるような性能の良い永久磁石が無かったため、大
型の同期機の界磁極を永久磁石化する事は出来なかった
。

【０００３】即ち、従来の代表的な永久磁石である金属
合金系永久磁石（鉄・マンガン・ニッケル・クロム等の
金属の合金よりなる）は、図５（ａ）に示すような角形
の特性を有し、比較的保持力が小さく、また、最大エネ
ルギー積点（磁束密度と減磁界の積が最大となるＢＨｍ
ａｘ　点）付近より大きな減磁界を与えると、磁束密度
が急激に減少し、その後減磁界を取り除いても再び元の
磁束密度には復帰しないという性質があるので、瞬間的
な短絡や大きな負荷電流が流れる可能性のある大型の同
期機では、予想される最大の電流による減磁界に対し、
十分な余裕をもった大きな永久磁石を備える必要があり
、結果として同期機の寸法は大きくなり、また経済的に
も高価となって、永久磁石式同期機の利点を発揮するこ
とが出来ない。

【０００４】一方、もう一つの代表的な永久磁石である
フェライト系永久磁石（金属の酸化物より成る）は、図
５（ｂ）に示すように、大きな保持力と、ほぼ空気の透
磁率に近い可逆透磁率を持つので、前述の減磁界に対し
ては有利である。

【０００５】しかし、残留磁束密度が一般的な大型の同
期機の空隙磁束密度の約半分程度であるので、これを同
期機の界磁極に使用すると、同期機の寸法、質量が大き
くなり結果として経済的にも高価になり永久磁石同期機
としての利点を発揮する事が出来ない。以上の理由によ
り、大型の永久磁石式同期機は製作する事が出来なかっ
たので、それを使用した交流可変速電動機を製作するこ
とも出来なかった。

【０００６】近年、永久磁石の製造技術の進歩が目覚ま
しく、サマリュームやネオジューム、コバルトなどの希
土類を主成分として希土類永久磁石が、大形で比較的安
価、多量に製造できるようになった。希土類永久磁石は
、図５（ｃ）に示すような特性を有している。

【０００７】図５（ａ），（ｂ）及び（ｃ）を比較して
分かる通り、残留磁束密度は金属合金系永久磁石と同等
であり、保持力はフェライト系永久磁石の約４倍の大き
さとなるなど、従来の永久磁石に比べ極めて優れたもの
となっている。

【０００８】可逆透磁率もほぼ空気の透磁率に等しいた
め、減磁界を与えた後それを取り除いても元の磁束密度
に復帰する性質があり、電機子反作用による減磁界に対
して有利である。

【０００９】この希土類永久磁石を同期機の界磁極に使
用すると、従来の電気磁石の界磁極と同等以下の寸法・
質量になり、同期全体の寸法・質量も同等、場合によっ
ては小形・軽量となるなど永久磁石式同期機の利点を生
かすことが出来るようになってきており、現在数百ｋＷ
程度の発電機の実用化が検討中である。

【００１０】この様な背景より、大形の永久磁石式同期
電動機の製作も可能となる見込みであり、これを可変周
波数・可変電圧の電力変換装置で駆動することを実現す
る可能性が出てきた。

【００１１】大形の交流可変速電動機に付いて詳細な検
討を行なった結果、従来の小形の永久磁石同期機では無
視できて問題にされなかった様な永久磁石式同期電動機
の欠点が無視できなくなり問題になることが判明した。 以下にその問題点を説明する。同期電動機は電機子反作
用による特有の性質があり、図６に定格回転速度におい
て電機子電流の位相をパラメータにした電圧−電流特性
を示す。

【００１２】図６において、特性Ｃ１　は進み位相、特
性Ｃ２　は同相、特性Ｃ３　は遅れ位相を示す。この図
に示すように、電機子電流の位相により電機子反作用が
変化して電圧−電流特性が変化する。

【００１３】この特性の変化は、電機子電流によって生
じる磁束の界磁に作用する成分が位相によって変化する
ことに起因する。界磁巻線を有する同期機では界磁電流
を制御して界磁の磁束を一定に推持する補償制御が可能
であるが、永久磁石式同期機は界磁巻線がないのでその
影響をまともに受けることになる。

【００１４】一方、電力変換器を用いて同期電動機の電
機子電流を制御する場合、遅れ電流とするためには自己
消弧形スイッチ素子を用いなければならない。従って、
現状では遅れ電流を供給する電力変換器の容量に限界が
あり、大容量の同期機ではサイリスタ素子を用いて負荷
転流による進み電流を供給する電力変換器を用いている
。

【００１５】この種の電力変換器を用いた従来装置の主
要構成を図７に示す。図７は同期電動機を可変速駆動す
る装置で、交流電源１から供給される交流電圧は変換器
２により直流電圧に変換され、リアクトル３を介して平
滑された直流電流を変換器４に供給する。変換器４はサ
イリスタ素子を用いて構成された電流形インバータであ
り、同期電動機５の端子に生じる交流電圧にＶａ　によ
り負荷転流し進み位相の交流電流Ｉａ　を同期電動機５
に供給する。位置センサー６は同期電動機５の回転軸に
結合され回転子（すなわち界磁極）の位置θを検出する
。微分器７は位置信号θを時間微分して回転速度ωを検
出する。速度制御部８は速度基準ω＊　と回転速度ωを
比較して電流基準Ｉ１　＊　を出力する。電流制御部９
はＩ１　＊　と電流センサー１０で検出した交流入力電
流Ｉ１　を比較して位相制御部１１を介して電流偏差が
なくなるように変換器２を位相制御する。これにより電
流基準Ｉ１　＊　に対応した直流電流Ｉｄ　が変換器４
に供給される。位相制御部１２は回転子の位置信号θに
より所定の回転位置毎に転流信号を出力する。これによ
り変換器４は一定の進み位相の交流電流Ｉａ　を同期電
動機５に供給する。

【００１６】このように構成された従来装置による同期
電動機の定格速度における電圧−電流特性は図８の特性
Ａ１　に示すように、電流Ｉａ　が増加するに連れて電
圧Ｖａ　が低下し、電動機の出力は特性Ｂ１　に示すよ
うに、電流Ｉａ　が増加する割合には増加せず、ある点
で最大出力となり、その後は電流の増加にともない出力
は低下する。この現象は電機子反作用による減磁界によ
るもので永久磁石を用いた同期機では避けることができ
ない。なお、界磁巻線を持つ同期電動機で電機子反作用
による減磁界を界磁電流を制御して理想的に補償した場
合の特性Ａ２　，Ｂ２　を比較のために示す。上述の電
機子反作用による電圧−電流特性は図９のベクトル図で
定量的に説明することができる。

【００１７】図９のベクトル図は、電機子電流Ｉａ　が
端子電圧Ｖａ　より位相差βだけ進み位相の状態を示し
ている。端子電圧Ｖａ　は内部誘起電圧ＥＯ　と同期リ
アクタンスＸと電機子電流Ｉａ　で定まるリアクタンス
電圧ＸＩａ　のベクトル和であり、リアクタンス電圧Ｘ
Ｉａ　はＩａ　より９０°進み位相となる。従って、端
子電圧Ｖａ　は図９のように内部誘起電圧ＥＯ　に対し
て位相差φだけ進み位相となる。

【００１８】また、内部誘起電圧ＥＯ　は界磁の磁束Φ
０　より９０°進み位相となることから図９のように示
される。この磁束ΦＯ　は界磁極（永久磁石）の起磁力
による見かけの磁束であって、空隙の有効磁束Φは電機
子電流Ｉａ　による起磁力Φａ　が作用して両起磁力Φ
Ｏ　，Φａ　のベクトル合成となり、図９のように示さ
れる。

【００１９】このベクトル図から明らかなように、電機
子電流Ｉａ　が進み位相の場合、電機子電流Ｉａ　の増
大にともなって空隙有効磁束Φが減少し、端子電圧Ｖａ
　が低下する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、電機子
電流Ｉａ　の増大に伴って端子電圧Ｖａ　が低下する場
合、当然のことながら軽負荷時の端子電圧は高くなる。

【００２１】従って、定格電流時に定格電圧となるよう
に設定すると、無負荷時の端子電圧は定格電圧よりかな
り高くなり、交流電源１の電圧を高く設定し電源設備と
変換器１、２の容量も必要以上に大きな装置となる。

【００２２】電動機が小容量の場合は差程重要な問題に
ならないが、大容量の電動機になると、装置容量の増大
は装置の大形化をまねき、設置場所の増大、価格の上昇
となって実現を阻害する。

【００２３】本発明は、同期電動機における電機子反作
用を積極的に利用して軽負荷時の端子電圧の上昇を抑え
、必要以上に大きな容量の変換器とすることなく経済的
な同期電動機の制御装置を提供することを目的としてい
る。［発明の構成］

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、界磁極に永久磁石を用いた同期電動機を
可変電圧可変周波数の制御電源で可変速駆動する装置に
おいて、該同期電動機の電機子電圧（端子電圧）が所定
値を越えるとき、該同期電動機の電機子電流の位相を進
ませ、該同期電動機の電機子電流が所定値を越えるとき
、該電機子電流の位相を遅らせる位相補正手段を設ける
。

【００２５】

【作用】同期電動機の負荷が減少して電機子電流が減少
し、電機子電圧が所定値を越えたとき、該電機子電流の
位相を進ませることにより力率を低下させると共に電機
子反作用による減磁界を増大させ電機子電圧の上昇を抑
制する。

【００２６】また、同期電動機の負荷が増加して電機子
電流が所定電流を越えたとき、該電機子電流の位相を遅
らせて力率を良くすると共に電機子反作用による減磁界
を減少させ電機子電圧の低下を抑制する。

【００２７】

【実施例】本発明による実施例を図１に示す。

【００２８】この実施例に示すように、従来の装置に対
して、変換器４の転流位相を補正する位相補正手段１５
が新たに設けられている。駆動回路１６は位相補正手段
１５からの転流指令により変換器４を駆動するものであ
る。位相補正手段１５は位置センサ６からの回転子位置
信号θにより転流位相を決定すると共に、電流センサ１
３で検出した電機子電流Ｉａ　及び電圧センサ１４で検
出した端子電圧（電機子電圧）Ｖａ　により該転流位相
を補正するものである。その他の要素は従来のものと同
じものである。

【００２９】位相補正手段１５は、図１（Ｂ）に示すよ
うに、電機子電流Ｉａ　の検出信号Ｉ２　と指令電流Ｉ
２Ｌを比較し、Ｉ２　＞Ｉ２Ｌのとき位相を遅らせる信
号ＰＮを出力する比較増幅器で成る電流補正部１８と、
端子電圧Ｖａ　の検出信号Ｖ２　と指令電圧Ｖ２Ｌを比
較しＶ２　＞Ｖ２Ｌのとき位相を進ませる信号ＰＰを出
力する比較増幅器で成る電圧補正部１９と、位置センサ
６からの位置信号θと上記信号ＰＮ，ＰＰにより転流タ
イミングを決定し転流指令ＰＨ２　を出力する位相補正
演算部２０とから構成される。

【００３０】上記構成において、従来と同様に、変換器
４に直流電流Ｉｄ　が供給され、位相補正手段１５は位
置信号θに応じて変換器４の所定のスイッチ素子を導通
させ同期電動機５に一定の進み位相の電機子電流Ｉａ　
を供給し同期電動機５は所定の速度で回転する。一定の
回転速度で運転しているとき、負荷が減少して端子電圧
Ｖａが上昇し、指令電圧Ｖ２Ｌを越えると電圧補正部１
９から位相を進める信号ＰＰが出力され進みの無効電流
が増加して端子電圧Ｖａ　は指令電圧Ｖ２Ｌの値に制限
される。この様子を図２に示す。図２は同期電動機の回
転速度をパラメータにしたＶａ−Ｉａ特性でＣ１　，Ｃ
２　，Ｃ３　は１００％、９０％、８０％速度の例であ
る。なお、図２中の破線は本発明を適用しない場合の端
子電圧Ｖａ　の上昇を示したものである。

【００３１】位相を進めることにより上記の作用が生じ
ることを図３を用いて説明する。図３は一定の回転速度
において、電機子電流Ｉａ　の進み位相をパラメータと
して電機子電流Ｉａ　に対する端子電圧Ｖａ　と電動機
出力Ｐの特性を示したもので、電圧特性Ｖａ１、Ｖａ２
はＶａ２の方がＶａ１より進み位相であり、出力特性Ｐ
ａ１、Ｐａ２はＰａ２の方がＰａ１より進み位相である
。

【００３２】今、特性Ｖａ１、Ｐａ１の交点Ａで電機子
電流がＩ０　端子電圧がＶ０　，出力がＰ０の状態から
負荷が減少して出力Ｐ１　の状態に変化した場合を仮定
する。この場合、位相補正を行なわなければ電機子電流
はＩ１　に減少し端子電圧はＶ１　に上昇する。しかし
、端子電圧がＶ２Ｌを越えると電圧補正部１９から信号
ＰＰにより電機子電流の位相が進められ、特性Ｖａ２、
Ｐａ２に自動的に移行する。従って、本発明によれば電
機子電流はＩ２　に減少し端子電圧の上昇はＶ２Ｌに制
限される。図４は上述の状態変化をベクトル図で示した
ものである。

【００３３】同期電動機が一定の回転速度において端子
電圧Ｖａ１に対し進み角βの電機子電流Ｉａ１で運転し
ている状態から負荷が減少した場合のベクトルの変化に
ついて説明する。

【００３４】負荷が減少して電機子電流Ｉａ１がＩａ２
に減少するとリアクタンス電圧ＸＩａ１がＸＩａ２に減
少し端子電圧Ｖａ１からＶａ２に増大する。この場合、
電圧補正部１９からの信号ＰＰにより電機子電流が位相
角△βだけ進み位相に補正されＩａ３のようになるとリ
アクタンス電圧ベクトルがＸＩａ３のように変化し端子
電圧はＶａ３のようにＶａ２より低い値に抑制される。

【００３５】本実施例によれば、定格速度付近の高速運
転時に負荷（電機子）電流が少なくなっても、電動機の
端子電圧の上昇を電源電圧の条件により許容できる範囲
に低く抑制出来るので、電源電圧を必要以上に高くする
必要がなくなり、電源容量の低減・電源設備の小型化と
設置面積の縮小が可能となる。また、半導体電力変換器
の電圧レベルも低くできるので、その容量の低減、装置
の小形・軽量化が図れ、また価格の低減が出来る。

【００３６】なお、以上の説明では、軽負荷の時の電圧
の上昇の抑制のみに付いて説明したが、定格負荷より大
きな負荷電流が流れた時電動機の端子電圧が定格より低
下するので、電圧と電流の位相差を力率が定格時より１
、０に近ずく様に遅れ位相にして、電機子反作用の影響
を小さくして、電圧の低下を抑制することもできる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、電機子反作用による減
磁界の影響を考慮し、予め電源電圧を大きくする必要が
なく、電源容量及び半導体電力変換装置の容量を必要以
上に大きくすることなく小形化することが出来、経済的
な同期電動機の制御装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の全体及び要部の構成図。

【図２】上記実施例の作用を説明するためのＩａ　−Ｖ
ａ　特性図。

【図３】上記実施例の作用を説明するためのＩａ　−Ｖ
ａ　−Ｐ特性図。

【図４】上記実施例の作用を説明するためのベクトル図
。

【図５】永久磁石の減磁界特性図。

【図６】同期電動機の特性を説明するための電圧−電流
特性図。

【図７】従来装置の構成図。

【図８】従来装置の問題点を説明するための特性図。

【図９】進み電流時における同期電動機のベクトル図。

【符号の説明】

１…交流電源　　　　　　　　　　　　　　　　　　２
、４…変換器３…リアクトル　　　　　　　　　　　　
　　５…同期電動機６…位置センサ　　　　　　　　　
　　　　　　　７…微分器８…速度制御部　　　　９…
電流制御部１０，１３…電流センサ　　　　　　　　１
１…位相制御部１４…電圧センサ　　　　　　　　　　
　　　　１５…位相補正手段１６…駆動回路　　　　　
　　　　　　　　　　　１８…電流補正部１９…電圧補
正部　　　　　　　　　　　　　　２０…位相補正演算
部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　界磁極に永久磁石を用いた同期電動機
   を可変電圧可変周波数の制御電源で可変速駆動する装置
   において、該同期電動機の電機子電圧が所定値を越える
   とき、該同期電動機の電機子電流の位置を進ませる位相
   補正手段を設けたことを特徴とする同期電動機の制御装
   置。
2. 【請求項２】　　界磁極に永久磁石を用いた同期電動機
   を可変電圧可変周波数の制御電源で可変速駆動する装置
   において、該同期電動機の電機子電流が所定値を越える
   とき、該電機子電流の位相を遅らせる位相補正手段を設
   けたことを特徴とする同期電動機の制御装置。