JP2002354896A - 永久磁石形同期発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石形同期発電機より直流の電力を取り
出す装置において，永久磁石形同期発電機の回転速度に
拘わらず直流電圧を一定に保つとともに，永久磁石形同
期発電機の出力を最大限に得る。 【解決手段】 永久磁石形同期発電機１の出力に電力変
換器２を接続して前記永久磁石形同期発電機１の出力を
直流に変換する永久磁石形同期発電機の制御装置におい
て，前記電力変換器の出力の直流電圧Ｖｄｃを検出し，
該直流電圧と直流電圧指令との偏差を比例積分増幅して
トルク指令を出力する直流電圧制御器５と，該直流電圧
制御器の出力のトルク指令通りに前記永久磁石形同期発
電機のトルクを制御するような前記電力変換器を制御す
る信号を出力するトルク制御器６からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石形同期発電
機より直流の電力を取り出す装置に関するもので，永久
磁石形同期発電機の回転速度に拘わらず直流電圧を一定
に保つとともに，永久磁石形同期発電機の出力を最大限
に得ることを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術の一例を図７に示す。永久磁
石形同期発電機１で発電された３相交流電力は，全波整
流による電力変換器８により全波整流されて直流の電力
となり，コンデンサ３で平滑化され，負荷４に電力を供
給する。全波整流による電力変換器８は例えばダイオー
ドによる３相ブリッジ回路が用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かような構成におい
て，永久磁石形同期発電機の動力源が風力の場合，風速
が変化するために永久磁石形同期発電機１の回転速度は
変化する。すると誘起される電圧は速度に比例するので
全波整流による電力変換器８の入力電圧が変動し，よっ
てその出力であるコンデンサ３の端子電圧である直流電
圧も変動する。よって直流電源電圧許容変動幅の狭い負
荷４の場合は，このシステムを適用することができなく
なる。また例えば負荷４が抵抗相当であれば負荷で消費
される電力は，大きく変動されることになる。

【０００４】また，永久磁石形同期発電機１の動力源が
ディーゼルエンジンの場合は，回転速度を一定に保つこ
とが可能であるが，負荷４が変動することにより永久磁
石形同期発電機１の電流が変動し，永久磁石形同期発電
機１の内部インピーダンスによる電圧降下が変化するの
で永久磁石形同期発電機１の端子電圧が変化し，よって
コンデンサ３の端子電圧である直流電圧も変動する。

【０００５】更に，永久磁石形同期発電機１の巻線抵抗
によって電力が消費されるが，この消費電力が最小にし
ているとは限らないので，永久磁石形同期発電機１が発
電する電力を最大限に利用できない。本発明は上記問題
を解決するために成されたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明では，請求項１では，永久磁石形同期発電機の
出力に電力変換器を接続して前記永久磁石形同期発電機
の出力を直流に変換する永久磁石形同期発電機の制御装
置において，前記電力変換器の出力の直流電圧Ｖｄｃを
検出し，該直流電圧が直流電圧指令に安定に追従するよ
うなトルク指令を出力する直流電圧制御器と，該直流電
圧制御器の出力のトルク指令通りに前記永久磁石形同期
発電機のトルクを制御するような前記電力変換器を制御
する信号を出力するトルク制御器からなることを特徴と
する。

【０００７】請求項２では，前記トルク制御器が，前記
永久磁石形同期発電機の回転子の永久磁石の位置である
ｄ軸を検出する位置検出器と，前記永久磁石形同期発電
機の出力電流を検出して前記位置検出器の出力に基づい
て前記ｄ軸の成分電流ｉｄと前記ｄ軸と直交するｑ軸の
成分電流ｉｑとに分けて出力する電流検出器と，前記永
久磁石形同期発電機の損失が最小となるような前記ｄ軸
の成分電流である高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅを求
め，ｉｄｅに等しいｄ軸電流成分指令ｉｄｒを出力する
ｄ軸電流指令生成器と，前記永久磁石形同期発電機のト
ルクが前記直流電圧制御器出力のトルク指令に追従する
ような前記ｑ軸成分電流指令ｉｑｒを出力するｑ軸電流
指令生成器と，前記ｄ軸電流指令生成器の出力のｉｄｒ
と前記ｑ軸電流指令生成器の出力のｉｑｒに，前記電流
検出器出力のｉｄ，ｉｑがそれぞれ追従するように前記
電力変換器を制御する信号を出力する電流制御器とから
なることを特徴とする。

【０００８】請求項３では，前記電力変換器の入力電圧
を全波整流した直流電圧よりも前記直流電圧指令が低い
場合は正の値となり，高い場合は負の値となる電圧飽和
信号Ｓａｔを出力する電圧飽和検出器と，前記ｄ軸電流
指令生成器の代わりに，前記電圧飽和信号Ｓａｔを時間
積分したものを前記高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅ以下
にならないように制限してｄ軸電流成分指令ｉｄｒとし
て出力する第２ｄ軸電流指令生成器を用いることを特徴
とする。

【０００９】請求項４では，前記位置検出器の代わり
に，前記永久磁石形同期発電機の出力電流と端子電圧か
ら前記ｄ軸を推定する位置推定器を用いることを特徴と
する。以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述す
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１にかかる本発明の実施例
を図１に示す。図１において，永久磁石形同期発電機１
で発電された３相交流電力は，電力変換器２により直流
の電力に変換されて，コンデンサ３で平滑化され，負荷
４に電力を供給する。電力変換器２は，例えばIGBTのよ
うなスイッチング素子とダイオードが逆並列に接続され
たものの３相ブリッジ回路が用いられる。直流電圧制御
器５は，コンデンサ３の端子電圧である直流電圧Ｖｄｃ
と直流電圧指令Ｖｄｃｒとの差を誤差演算器５１で求
め，その出力を比例積分増幅器５２で増幅してトルク指
令Ｔｒとして出力する。トルク制御器６は永久磁石形同
期発電機１のトルクがトルク指令Ｔｒに追従するように
電力変換器２を制御する信号Ｓを出力する。

【００１１】以上の構成により，例えば，直流電圧Ｖｄ
ｃが直流電圧指令Ｖｄｃｒより小さくなればトルク指令
Ｔｒが増加して，永久磁石形同期発電機１から得られる
電力が増加して負荷４で消費される電力を上回るのでコ
ンデンサ３を充電して直流電圧Ｖｄｃを上げることがで
きる。負荷４が変動したり，永久磁石形同期発電機１の
回転速度が変化しても，直流電圧Ｖｄｃを指令Ｖｄｃｒ
通りに制御することができる。

【００１２】請求項２にかかる本発明の実施例を図２に
示す。図１と同符号のものについては説明を省略する。
図２において，トルク制御器６は，位置検出器６１と電
流検出器６２とｑ軸電流指令生成器６３とｄ軸電流指令
生成器６４と電流制御器６５で構成され，永久磁石形同
期発電機１のトルクがトルク指令Ｔｒに追従するように
電力変換器２を制御する信号Ｓを出力する。位置検出器
６１は，永久磁石形同期発電機１の回転子の永久磁石の
位置であるｄ軸の位相θを検出する。電流検出器６２
は，永久磁石形同期発電機１の出力電流を検出して位置
検出器の出力のｄ軸の位相θに基づいてｄ軸の成分電流
ｉｄとｄ軸と直交するｑ軸の成分電流ｉｑとに分けて出
力する。ｄ軸電流指令生成器６４は，永久磁石形同期発
電機１の損失が最小となるようなｄ軸の成分電流である
高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅを次に示す[数１]により
求める。

【００１３】

【数１】

【００１４】このｉｄｅをｄ軸電流成分指令ｉｄｒとし
て出力する。ここでφは，永久磁石形同期発電機１の回
転子の永久磁石によって発生する磁束が固定子の巻線に
鎖交する磁束であり，Ｌｄは永久磁石形同期発電機１の
ｄ軸のインダクタンスであり，Ｌｑはｑ軸のインダクタ
ンスである。[数１]は，永久磁石形同期発電機の損失が
巻線による銅損だけとした場合は，永久磁石形同期発電
機の損失を最小とする条件となる。つまり［数１］を満
たすｉｄｅのｄ軸電流を流せば永久磁石形同期発電機１
は損失最小となるわけであり，永久磁石形同期発電機１
が発電する電力を最大限に利用することができるように
なる。ｑ軸電流指令生成器６３は，永久磁石形同期発電
機１のトルクが直流電圧制御器５出力のトルク指令Ｔｒ
に追従するようなｑ軸成分電流指令ｉｑｒを次に示す
［数２］により求めて出力する。

【００１５】

【数２】

【００１６】電流制御器６５は，ｄ軸電流指令生成器６
４の出力のｉｄｒとｑ軸電流指令生成器６３の出力のｉ
ｑｒに，電流検出器６２出力の成分電流ｉｄ，ｉｑがそ
れぞれ追従するように前記電力変換器２を制御する信号
Ｓを出力する。

【００１７】以上の構成により，直流電圧Ｖｄｃを指令
Ｖｄｃｒ通りに制御することができるだけでなく，永久
磁石形同期発電機１が発電する電力を最大限に利用する
ことができるようになる。

【００１８】請求項３にかかる本発明の実施例を図３に
示す。図１，図２と同符号のものについては説明を省略
する。図３において，電圧飽和検出器７は，電力変換器
２の入力電圧を全波整流した直流電圧よりも前記直流電
圧指令Ｖｄｃｒが低い場合は正の値となり，高い場合は
負の値となる電圧飽和信号Ｓａｔを出力する。第２ｄ軸
電流指令生成器６６は，図２に示したｄ軸電流指令生成
器６４の代わりに前記電圧飽和信号Ｓａｔを時間積分し
てｄ軸電流指令ｉｄｒとして出力するものであり，前記
時間積分の際に［数１］で求められた高効率条件ｄ軸成
分電流ｉｄｅ以下にはならないように制限する。

【００１９】以上の構成により，永久磁石同期発電機１
の回転速度が低い場合は，永久磁石同期発電機１の端子
電圧は比較的小さく，前記電圧飽和信号Ｓａｔは負の値
となるので，第２ｄ軸電流指令生成器６６での時間積分
の出力は，高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅに制限された
状態となり，ｉｄｒ＝ｉｄｅとなり，図２の場合と同様
となるので永久磁石形同期発電機１が発電する電力を最
大限に利用することができるようになる。永久磁石同期
発電機１の回転速度が高い場合は，永久磁石同期発電機
１の端子電圧は比較的大きく，前記電圧飽和信号Ｓａｔ
は正の値となるので，ｉｄｒ＞ｉｄｅとなる。すると，
永久磁石形同期発電機１の電機子反作用により，永久磁
石形同期発電機１の永久磁石による磁束をうち消すよう
になるので，永久磁石形同期発電機１の端子電圧が小さ
くなる。するとＳａｔは負の値に反転してｉｄｒはｉｄ
ｅに近づこうとする。すると永久磁石形同期発電機１の
端子電圧が大きくなりＳａｔは正の値に反転する。以上
を繰り返すことにより，電力変換器２の入力電圧である
永久磁石形同期発電機１の端子電圧を全波整流した直流
電圧を直流電圧指令Ｖｄｃｒ以下にすることができる。

【００２０】請求項４にかかる本発明の実施例を図４に
示す。図１，図２，図３と同符号のものについては説明
を省略する。図４において，位置推定器６７は，図２ま
たは図３の位置検出器６１の代わりに，永久磁石形同期
発電機１の出力電流と端子電圧から前記ｄ軸の位相θを
推定する。

【００２１】その手順について図５に示す。まずｄ軸の
位相θの初期値を適当に決める。この位相に基づいて，
電流成分分解器９２で電流検出器６２と同様にして検出
した永久磁石形同期発電機１の出力電流を成分に分解
し，電流分解成分ｉγとｉδを得る。このｉγはｉｄ相
当であり，ｉδはｉｑ相当であるが，適当に決められた
位相によるものなので実際値と区別するために別の変数
名を用いている。電圧成分分解器９１により，同様にし
て永久磁石形同期発電機１の端子電圧を成分に分解して
電圧分解成分ｖγとｖδを得る。そして，位置誤差演算
器９３で，次に示す［数３］の式

【００２２】

【数３】

【００２３】により実際のｄ軸位相と位相θとの位相差
Δθを求める。または，次に示す［数４］の式

【００２４】

【数４】

【００２５】により位相差Δθと符号が一致して大きさ
が定数Ｋの信号ΔθＳを求める。ここでＲは永久磁石形
同期発電機の巻線抵抗であり，Ｐ（）は（）内の時間微
分を表し，ωは推定された回転角周波数であり，Ｋは正
の定数であり，ｓｉｇｎ{}は{}内が正ならば１，負なら
ば−１となる。次にΔθまたはΔθＳを比例積分増幅器
９５により比例積分増幅して回転角周波数ωを推定し，
積分器９４で回転角周波数ωを時間積分してｄ軸位相θ
を得る。このようにすると，Δθが０に近づき，ｄ軸位
相θは実際のｄ軸位相と一致するようになる。

【００２６】以下は，［数３］式で位置誤差を求めるこ
とができる理由を示す。実際のｄ軸位置とθがΔθの誤
差を持つとするならば，永久磁石形同期発電機は次に示
す[数５]の式（１），（２）

【００２７】

【数５】

【００２８】である。Δθが小さいとして，ｓｉｎ（Δ
θ）＝Δθ，ｓｉｎ（２・Δθ）＝２・Δθ，ｃｏｓ
（Δθ）＝１，ｃｏｓ（２・Δθ）＝１と近似して，式
（１）に式（３），（４），（５）を代入すると［数
３］が導き出される。［数３］のΔθは除算を用いて求
められており一般に除算は演算に時間がかかり，Δθ符
号を得るだけならば計算が速いとされる乗算でも代用で
きるので，［数４］はΔθの符号を求める際に［数３］
の分子と分母を乗算している。これにより計算を容易に
している。

【００２９】また図６の構成でも，ｄ軸位置が推定でき
る。磁束演算器９６は，永久磁石形同期発電機１の端子
電圧から永久磁石形同期発電機１の巻線抵抗とインダク
タンスによる電圧降下を引いたものを時間積分すること
で鎖交磁束ψを求める。位相微分器９７は，その鎖交磁
束ψの位相を時間微分することで，鎖交磁束ψの回転角
周波数ω１が得られる。位置誤差演算器９３出力のΔθ
と回転角周波数ω１との和が回転角周波数ωとなり，積
分器９４で回転角周波数ωを時間積分してｄ軸位相θを
得る。図５の構成では，回転速度が急変した場合に，比
例積分増幅器９５のゲインを大きくしておかないと比例
積分増幅器９５出力の推定された回転速度ωが実際より
大きく遅れることになり，ｄ軸位置θも実際から大きく
ずれるようになるが，図６の構成では，磁束演算器９６
と位相微分器９７により遅れることなく速度を推定でき
るので，回転速度が急変した場合でもｄ軸位置が大きく
ずれることはない。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、請
求項１の発明により，負荷や発電機の回転速度が変化し
ても直流出力電圧を指令通りに制御可能となる。請求項
２の発明により，永久磁石形同期発電機が発電する電力
を最大限に利用することができるようになる。請求項３
の発明により，永久磁石形同期発電機の回転速度が高速
になって，永久磁石形同期発電機の端子電圧を全波整流
した直流電圧が直流電圧指令より高くなっても，直流出
力電圧を指令通りに制御可能となる。但し，永久磁石形
同期発電機が発電する電力を最大限に利用することはで
きなくなる。請求項４の発明により，位置検出器がなく
ても上記３つの効果が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１にかかる発明の実施例を表したブロッ
ク図である。

【図２】請求項２にかかる発明の実施例を表したブロッ
ク図である。

【図３】請求項３にかかる発明の実施例を表したブロッ
ク図である。

【図４】請求項４にかかる発明の実施例を表したブロッ
ク図である。

【図５】位置推定器６７の第１の例を示したブロック図
である。

【図６】位置推定器６７の第２の例を示したブロック図
である。

【図７】従来技術の実施例を表したブロック図である。

【符号の説明】

１・・・永久磁石形同期発電機 ２・・・電力変換器 ３・・・コンデンサ ４・・・負荷 ５・・・直流電圧制御器 ５１・・・誤差演算器 ５２・・・比例積分増幅器 ６・・・トルク制御器 ６１・・・位置検出器 ６２・・・電流検出器 ６３・・・ｑ軸電流指令生成器 ６４・・・ｄ軸電流指令生成器 ６５・・・電流制御器 ６６・・・第２ｄ軸電流指令生成器 ６７・・・位置推定器 ７・・・電圧飽和検出器 ８・・・全波整流による電力変換器 ９１・・・電圧成分分解器 ９２・・・電流成分分解器 ９３・・・位置誤差演算器 ９４・・・積分器 ９５・・・比例積分増幅器 ９６・・・磁束演算器 ９７・・・位相微分器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石形同期発電機の出力に電力変換
   器を接続して前記永久磁石形同期発電機の出力を直流に
   変換する永久磁石形同期発電機の制御装置において，前
   記電力変換器の出力の直流電圧Ｖｄｃを検出し，該直流
   電圧が直流電圧指令に安定に追従するようなトルク指令
   を出力する直流電圧制御器と，該トルク指令通りに前記
   永久磁石形同期発電機のトルクを制御するような前記電
   力変換器を制御する信号を出力するトルク制御器からな
   る永久磁石形同期発電機の制御装置。
2. 【請求項２】 前記トルク制御器が，前記永久磁石形同
   期発電機の回転子の永久磁石の位置であるｄ軸を検出す
   る位置検出器と，前記永久磁石形同期発電機の出力電流
   を検出して前記位置検出器の出力に基づいて前記ｄ軸の
   成分電流ｉｄと前記ｄ軸と直交するｑ軸の成分電流ｉｑ
   とに分けて出力する電流検出器と，前記永久磁石形同期
   発電機の損失が最小となるような前記ｄ軸の成分電流で
   ある高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅを求め，ｉｄｅに等
   しいｄ軸電流成分指令ｉｄｒを出力するｄ軸電流指令生
   成器と，前記永久磁石形同期発電機のトルクが前記直流
   電圧制御器出力のトルク指令に追従するような前記ｑ軸
   成分電流指令ｉｑｒを出力するｑ軸電流指令生成器と，
   前記ｄ軸電流指令生成器の出力のｉｄｒと前記ｑ軸電流
   指令生成器の出力のｉｑｒに，前記電流検出器出力のｉ
   ｄ，ｉｑがそれぞれ追従するように前記電力変換器を制
   御する信号を出力する電流制御器とからなることを特徴
   とする請求項１記載の永久磁石形同期発電機の制御装
   置。
3. 【請求項３】 前記電力変換器の入力電圧を全波整流し
   た直流電圧よりも前記直流電圧指令が低い場合は正の値
   となり，高い場合は負の値となる電圧飽和信号Ｓａｔを
   出力する電圧飽和検出器と，前記ｄ軸電流指令生成器の
   代わりに，前記電圧飽和信号Ｓａｔを時間積分したもの
   を前記高効率条件ｄ軸成分電流ｉｄｅ以下にならないよ
   うに制限してｄ軸電流成分指令ｉｄｒとして出力する第
   ２ｄ軸電流指令生成器を用いることを特徴とする請求項
   １又は２記載の永久磁石形同期発電機の制御装置。
4. 【請求項４】 前記位置検出器の代わりに，前記永久磁
   石形同期発電機の出力電流と端子電圧から前記ｄ軸を推
   定する位置推定器を用いることを特徴とする請求項１，
   ２又は３記載の永久磁石形同期発電機の制御装置。