JP6795267B1 - AC rotating machine control device - Google Patents
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Abstract
【課題】複数組の電機子巻線を利用して、3相短絡を行う場合と比較して、トルクの増加を抑制しつつ、銅損を増加させて、過電圧となった直流電圧の低下速度を増加させることができる交流回転機の制御装置を提供する。【解決手段】直流電圧Vdcの過電圧が検出された場合に、各組の合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する交流回転機の制御装置1。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To increase a copper loss while suppressing an increase in torque and to reduce an overvoltage DC voltage as compared with a case where a plurality of sets of armature windings are used to perform a three-phase short circuit. Provided is a control device for an AC rotating machine capable of increasing. When an overvoltage of a DC voltage Vdc is detected, the combined voltage vector of each set becomes non-zero for two or more sets, and the combined voltage vectors of all the sets are totaled. Control device 1 of an AC rotating machine that executes overvoltage control in which a voltage is applied to each armature winding so that the combined voltage vectors weaken each other. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本願は、交流回転機の制御装置に関するものである。 The present application relates to a control device for an AC rotating machine.
特許文献1のモータ駆動装置は、基本波に対して5次および7次の高調波成分を重畳させた台形状の電圧または電流によって、各巻線組で生じる6次のトルクリプルを、巻線組間の位相差によって打ち消し合い、モータ駆動装置のトルクリプルを低減している。
In the motor drive device of
特許文献2のインバータのフェールセーフ装置は、過電圧検出回路によって過電圧を検出した場合に、3相短絡を行うように構成されている。3相短絡では、正極側のスイッチング素子が全てオンにされ、且つ、負極側のスイッチング素子が全てオフにされる、又は、正極側のスイッチング素子が全てオフにされ、且つ負極側のスイッチング素子が全てオンにされる。この3相短絡により、各相の巻線の端子が相互に短絡され、直流電源から各相の巻線に電圧が印加されなくなる。
The fail-safe device of the inverter of
特許文献1では、m組の巻線によって6次のトルクリプルを相殺できるように、巻線組間の位相差を、巻線組の組数の1を除いた約数で60degを除した値としており、位相差が他の値である場合には、トルクリプルの相殺効果を得ることはできない。
In
特許文献2では、3相短絡による銅損によって電力を消費して直流電源電圧を低下させているが、1組の巻線を備えている場合しか考慮されていない。
In
なお、例えば、交流回転機が発電しており、発電電力が、直流電源、及び直流電源に接続された各種の電気負荷に供給されている状態で、電気負荷の消費電力が急減すると、交流回転機の発電電力が、直流電源及び電気負荷に吸収されず、余剰になり、直流電圧が定格電圧よりも上昇する。或いは、他の何らかの要因により、直流電圧が上昇する場合がある。直流電圧が上昇し過ぎると、電気負荷に悪影響を与える可能性がある。そのため、直流電圧が過電圧状態になった場合は、早急に直流電圧を低下させることが望まれる。 For example, when an AC rotating machine is generating power and the generated power is supplied to a DC power supply and various electric loads connected to the DC power supply, and the power consumption of the electric load suddenly decreases, the AC rotation The generated power of the machine is not absorbed by the DC power supply and the electric load, becomes surplus, and the DC voltage rises above the rated voltage. Alternatively, the DC voltage may rise due to some other factor. If the DC voltage rises too high, it can adversely affect the electrical load. Therefore, when the DC voltage becomes overvoltage, it is desirable to reduce the DC voltage as soon as possible.
そこで、複数組の電機子巻線を備えている場合において、複数組の電機子巻線を利用して、3相短絡を行う場合と比較して、トルクの増加を抑制しつつ、銅損を増加させて、過電圧となった直流電圧の低下速度を増加させることができる交流回転機の制御装置が望まれる。 Therefore, when a plurality of sets of armature windings are provided, a copper loss is reduced while suppressing an increase in torque as compared with a case where a plurality of sets of armature windings are used to perform a three-phase short circuit. A control device for an AC rotating machine that can increase the rate of decrease of the overvoltage DC voltage is desired.
本願に係る第1の交流回転機の制御装置は、m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは2以上の自然数)を有する交流回転機を、m組のインバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相の前記電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の前記合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の前記合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行するものである。
The control device of the first AC rotary machine according to the present application is an AC rotary machine having m sets (m is a natural number of 2 or more) and n-phase armature windings (n is a natural number of 2 or more). It is a control device for an AC rotating machine that is controlled via an inverter.
A voltage detector that detects the DC voltage supplied to the inverter of each set, and
A voltage application unit that applies a voltage to the armature winding of each phase of each set by turning on and off a plurality of switching elements of the inverter of each set.
It is provided with an overvoltage determination unit for determining whether or not the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold value.
The voltage application unit has two sets of combined voltage vectors obtained by synthesizing the voltage applied to the n-phase armature winding when it is determined that the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold. When the above is non-zero and the combined voltage vectors of all the sets are summed, the voltage is applied to the armature winding of each phase of each set so that the combined voltage vectors of each set weaken each other. It executes the control at the time of the applied overvoltage.
本願に係る第2の交流回転機の制御装置は、m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは2以上の自然数)を有する交流回転機を、m組のインバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系をdq軸座標系とし、
n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を合成したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相が、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組の前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令を設定し、各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする過電圧時制御を実行するものである。
The control device for the second AC rotary machine according to the present application is an AC rotary machine having m sets (m is a natural number of 2 or more) and n-phase armature windings (n is a natural number of 2 or more). It is a control device for an AC rotating machine that is controlled via an inverter.
A voltage detector that detects the DC voltage supplied to the inverter of each set, and
A voltage application unit that applies a voltage to the armature winding of each phase of each set by turning on and off a plurality of switching elements of the inverter of each set.
It is provided with an overvoltage determination unit for determining whether or not the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold value.
The voltage application unit uses a coordinate system consisting of a d-axis defined in the magnetic flux direction of the field and a q-axis defined in a direction π / 2 advanced by an electric angle from the d-axis as a dq-axis coordinate system.
The voltage command applied to the n-phase armature winding is defined as the dq-axis combined voltage vector by combining the d-axis voltage command and the q-axis voltage command represented by the dq-axis coordinate system for each set.
When it is determined that the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold, each set has a phase of the dq-axis combined voltage vector with respect to the d-axis larger than π and smaller than 2π. The d-axis voltage command and the q-axis voltage command are set, and overvoltage control for turning on and off a plurality of the switching elements is executed for each set based on the d-axis voltage command and the q-axis voltage command. Is.
本願に係る第1の交流回転機の制御装置によれば、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、電圧を印加することにより、各組の電機子巻線が出力するトルクを、組間で互いに弱め合わせて、3相短絡と比較して、合計トルクの増加を抑制することができる。また、合計銅損は、組間で弱められず、各組の合成電圧ベクトルの大きさをゼロよりも大きくすることにより、3相短絡の場合よりも、増加させることができる。よって、3相短絡と比較して、合計トルクの増加を抑制しつつ、合計銅損を増加させることができ、過電圧となった直流電圧の低下速度を増加させることができる。 According to the control device of the first AC rotary machine according to the present application, the torque output by the armature windings of each set is set by applying a voltage so that the combined voltage vectors of each set weaken each other. By weakening each other, it is possible to suppress an increase in total torque as compared with a three-phase short circuit. Further, the total copper loss is not weakened between the sets, and can be increased by making the magnitude of the combined voltage vector of each set larger than zero as compared with the case of the three-phase short circuit. Therefore, as compared with the three-phase short circuit, the total copper loss can be increased while suppressing the increase in the total torque, and the rate of decrease of the overvoltage DC voltage can be increased.
本願に係る第2の交流回転機の制御装置によれば、各組のdq軸合成電圧ベクトルの位相が、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定することにより、3相短絡と比較して、合計トルクの増加を抑制しつつ、合計銅損を増加させることができ、過電圧となった直流電圧の低下速度を増加させることができる。 According to the control device of the second AC rotating machine according to the present application, the d-axis voltage command and q of each set so that the phase of the dq-axis combined voltage vector of each set is larger than π and smaller than 2π. By setting the shaft voltage command, the total copper loss can be increased while suppressing the increase in the total torque as compared with the three-phase short circuit, and the rate of decrease of the overvoltage DC voltage can be increased. it can.
1.実施の形態1
実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1(以下、単に、制御装置1と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の概略構成図である。
1. 1.
The control device 1 (hereinafter, simply referred to as the control device 1) of the AC rotary machine according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
1−1.交流回転機
交流回転機10は、ステータ18と、ステータ18の径方向内側に配置されたロータ14と、を備えている。交流回転機10は、界磁巻線型の同期回転機とされている。1つのステータ18に、m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは2以上の自然数)が巻装されている。ロータ14に界磁巻線25が巻装され、電磁石が設けられている。
1-1. AC rotating machine The
本実施の形態では、m組は2組であり、n相は、3相である。交流回転機10は、第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線Cu1、Cv1、Cw1と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線Cu2、Cv2、Cw2と、を有している。各組の3相の電機子巻線は、図1に示すように、スター結線とされてもよいし、デルタ結線とされてもよい。
In the present embodiment, the m set is two sets and the n phase is three phases. The
図2に模式図を示すように、第1組のU1相巻線Cu1、V1相巻線Cv1、W1相巻線Cw1は、順番に位相が電気角で2π/3(120deg)ずつずれている。第2組のU2相巻線Cu2、V2相巻線Cv2、W2相巻線Cw2は、順番に位相が電気角で2π/3(120deg)ずつずれている。 As shown in a schematic diagram in FIG. 2, the first set of U1 phase winding Cu1, V1 phase winding Cv1, and W1 phase winding Cw1 are sequentially out of phase by 2π / 3 (120 deg) in electrical angle. .. The U2 phase winding Cu2, the V2 phase winding Cv2, and the W2 phase winding Cw2 of the second set are sequentially out of phase by 2π / 3 (120 deg) in electrical angle.
本実施の形態では、第1組の3相の電機子巻線Cu1、Cv1、Cw1と、第2組の3相の電機子巻線Cu2、Cv2、Cw2との間には、位相差がない。第1組のU1相巻線Cu1と第2組のU2相巻線Cu2との間には位相差がなく、第1組のV1相巻線Cv1と第2組のV2相巻線Cv2との間には位相差がなく、第1組のW1相巻線Cw1と第2組のW2相巻線Cw2との間には位相差がない。電気角は、ロータ14の機械角に、磁石の極対数を乗算した角度になる。以下の理論式では、簡略化のため、極体数は1に設定されている。
In the present embodiment, there is no phase difference between the first set of three-phase armature windings Cu1, Cv1, Cw1 and the second set of three-phase armature windings Cu2, Cv2, Cw2. .. There is no phase difference between the first set of U1 phase winding Cu1 and the second set of U2 phase winding Cu2, and the first set of V1 phase winding Cv1 and the second set of V2 phase winding Cv2 There is no phase difference between them, and there is no phase difference between the first set of W1 phase windings Cw1 and the second set of W2 phase windings Cw2. The electric angle is the mechanical angle of the
ロータ14には、ロータ14の回転角度(磁極位置)を検出する角度センサ15が設けられている。角度センサ15の出力信号は、制御装置1に入力される。角度センサ15には、各種のセンサが用いられる。例えば、角度センサ15には、レゾルバ、ホール素子、TMR素子、又はGMR素子などの位置検出器、電磁式、磁電式、又は光電式などの回転検出器が用いられる。
The
<車両用の発電電動機>
本実施の形態では、交流回転機10は、車両用の発電電動機とされている。交流回転機10のロータ14の回転軸は、連結機構を介して内燃機関54に連結される。また、交流回転機10の回転軸は、連結機構を介して車輪52に連結される。例えば、図3に示すように、交流回転機10の回転軸は、プーリ及びベルト機構53を介して、内燃機関54のクランク軸に連結されている。交流回転機10の回転軸は、内燃機関54及び変速装置55を介して車輪52に連結される。
<Generator for vehicles>
In the present embodiment, the AC
1−2.インバータ
m組の電機子巻線に対応して、m組のインバータが備えられている。本実施の形態では、直流電源16の直流電力と第1組の電機子巻線に供給する交流電力とを変換する第1組のインバータ21と、直流電源16の直流電力と第2組の電機子巻線に供給する交流電力とを変換する第2組のインバータ22と、が備えられている。
1-2. Inverters M sets of inverters are provided corresponding to m sets of armature windings. In the present embodiment, the first set of
第1組のインバータ21及び第2組のインバータ22は、それぞれ、直流電源16の正極側に接続される正極側のスイッチング素子23と、直流電源16の負極側に接続される負極側のスイッチング素子24と、が直列接続された直列回路を、3相各相の電機子巻線に対応して3セット設けている。各直列回路における2つのスイッチング素子の接続点が、対応する相の電機子巻線に接続される。
The first set of
スイッチング素子には、ダイオードが逆並列接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオードが逆並列接続されたバイポーラトランジスタ、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、ゲート駆動回路等を介して、制御装置1に接続されている。よって、各スイッチング素子は、制御装置1から出力されるスイッチング信号によりオン又はオフされる。
As the switching element, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in which diodes are connected in antiparallel, a bipolar transistor in which diodes are connected in antiparallel, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the like are used. The gate terminal of each switching element is connected to the
直流電源16は、第1組及び第2組のインバータ21、22に直流電圧Vdcを出力する。直流電源16として、バッテリー、DC−DCコンバータ、ダイオード整流器、PWM整流器等、直流電圧を出力する任意の機器が用いられる。直流電源16には、平滑コンデンサ19が並列接続されている。直流電圧Vdcを検出するための電圧センサ17が備えられている。電圧センサ17の出力信号は、制御装置1に入力される。
The
第1組及び第2組のインバータ21、22は、それぞれ、各相の電機子巻線に流れる電流を検出するための電流センサ13を備えている。本実施の形態では、電流センサ13は、各相のスイッチング素子の直列回路に直列接続されたシャント抵抗とされている。各シャント抵抗の両端電位差が、制御装置1に入力される。例えば、各シャント抵抗は、負極側のスイッチング素子の負極側に直列接続される。なお、電流センサ13は、各相のスイッチング素子の直列回路と電機子巻線とをつなぐ電線上に備えられたホール素子等とされてもよい。
The
本実施の形態では、界磁巻線25への直流電力の供給を制御する界磁巻線用のスイッチング素子26が備えられている。界磁巻線用のスイッチング素子26は、直流電源16と界磁巻線25とを接続する電線上に設けられている。界磁巻線用のスイッチング素子26は、制御装置1から出力される界磁巻線用のスイッチング信号によりオン又はオフされる。
In this embodiment, a switching
1−3.制御装置1
制御装置1は、第1組及び第2組のインバータ21、22を介して、交流回転機10を制御する。制御装置1は、図4に示すように、回転検出部31、電圧検出部32、電流検出部33、過電圧判定部34、及び電圧印加部35等の制御部を備えている。制御装置1の各機能は、制御装置1が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置1は、図5に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93、及び外部装置とデータ通信を行う通信装置94等を備えている。
1-3.
The
演算処理装置90として、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、IC(Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置90として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置91として、演算処理装置90からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)、及び演算処理装置90からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)等が備えられている。入力回路92は、角度センサ15、電圧センサ17、電流センサ13等の各種のセンサ及びスイッチが接続され、これらセンサ及びスイッチの出力信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路93は、第1組のインバータ21及び第2組のインバータ22のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。通信装置94は、車両統合制御装置27等の外部装置と通信を行う。
The
そして、制御装置1が備える各制御部31〜35等の各機能は、演算処理装置90が、ROM等の記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置91、入力回路92、及び出力回路93等の制御装置1の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部31〜35等が用いる過電圧判定閾値、電圧指令等の設定データは、ソフトウェア(プログラム)の一部として、ROM等の記憶装置91に記憶されている。以下、制御装置1の各機能について詳細に説明する。
Then, in each function of the
<各検出部>
回転検出部31は、ロータ14の電気角での回転角度θ(磁極位置θ)、及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部31は、角度センサ15の出力信号に基づいて、電気角での回転角度θ(磁極位置θ)及び回転角速度ωを検出する。なお、回転検出部31は、電流指令に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、角度センサを用いずに、回転角度θ(磁極位置θ)を推定するように構成されてもよい(いわゆる、センサレス方式)。
<Each detector>
The
電圧検出部32は、直流電源16から各組のインバータに供給される直流電圧Vdcを検出する。本実施の形態では、電圧検出部32は、電圧センサ17の出力信号に基づいて、直流電圧Vdcを検出する。
The
電流検出部33は、各組の各相の電機子巻線に流れる電流を検出する。電流検出部33は、電流センサ13の出力信号に基づいて、各組の各相の電機子巻線に流れる電流を検出する。
The
1−3−1.電圧印加部、及び過電圧判定部
電圧印加部35は、各組のインバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する。本実施の形態では、電圧印加部35は、通常時電圧印加部351、及び過電圧時電圧印加部352を備えている。
1-3-1. The voltage application unit and the overvoltage determination unit The
1−3−1−1.通常時の電圧印加
後述する過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧状態になっていないと判定されている場合は、通常時電圧印加部351は、各組について、通常時制御を実行する。本実施の形態では、通常時電圧印加部351は、通常時の各相の電機子巻線に印加する電圧指令を算出する。具体的には、通常時電圧印加部351は、第1組について、3相の電圧指令Vu1、Vv1、Vw1を算出し、第2組について、3相の電圧指令Vu2、Vv2、Vw2を算出する。例えば、通常時電圧印加部351は、公知のベクトル制御又はV/f制御を用いて、各組の3相の電圧指令を算出する。
1-3-1-1. Normal voltage application When it is determined by the
ベクトル制御を用いる場合は、通常時電圧印加部351は、各組について、車両統合制御装置27等から伝達されたトルク指令に基づいて、d軸の電流指令及びq軸の電流指令を算出する。通常時電圧印加部351は、各組について、磁極位置に基づいて、3相の電流検出値をdq軸座標系上のd軸の電流検出値及びq軸の電流検出値に座標変換し、dq軸座標系上で、d軸の電流検出値及びq軸の電流検出値がd軸の電流指令及びq軸の電流指令に近づくように、PI制御等によりd軸電圧指令及びq軸電圧指令を変化させる電流フィードバック制御を実行する。なお、通常時電圧印加部351は、各組について、電流検出値を用いず、d軸電流指令及びq軸電流指令に基づいて、交流回転機の諸元を用い、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を変化させるフィードフォワード制御を実行してもよい。そして、通常時電圧印加部351は、各組について、磁極位置に基づいて、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を、3相の電圧指令に座標変換する。通常時電圧印加部351は、3相の電圧指令に対して、空間ベクトル変調、2相変調等の線間電圧が変化しないような変調を加えてもよい。
When vector control is used, the normal
dq軸座標系は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及びd軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系である。本実施の形態では、界磁の磁束方向は、ロータ14に設けられた磁石のN極の向きとされている。第1組の磁極位置は、第1組のU1相の電機子巻線Cu1を基準としたd軸の進み角とされ、第2組の磁極位置は、第2組のU2相の電機子巻線Cu2を基準としたd軸の進み角とされている。本実施の形態では、第1組のU1相の電機子巻線Cu1と第2組のU2相の電機子巻線Cu2との間には位相差がないので、第1組の磁極位置と第2組の磁極位置とは同じになる。
The dq-axis coordinate system is a coordinate system consisting of a d-axis defined in the magnetic flux direction of the field and a q-axis defined in a direction π / 2 advanced by an electric angle from the d-axis. In the present embodiment, the magnetic flux direction of the field is the direction of the north pole of the magnet provided on the
V/f制御を用いる場合は、通常時電圧印加部351は、各組について、車両統合制御装置27等から伝達された交流回転機の回転周波数指令fに基づいて、電圧指令の振幅Vを決定する。そして、通常時電圧印加部351は、各組について、電圧指令の振幅V、及び回転周波数指令fを積分した位相に基づいて、3相の電圧指令を算出する。
When V / f control is used, the normal
通常時電圧印加部351は、各組について、3相の電圧指令に基づいて、PWM(Pulse Width Modulation)制御により複数のスイッチング素子をオンオフする。通常時電圧印加部351は、各組について、3相の電圧指令のそれぞれとキャリア波とを比較することにより、各相のスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。キャリア波は、直流電圧Vdcの振幅、すなわち+Vdc/2から−Vdc/2の間を、キャリア周波数で振動する三角波とされている。通常時電圧印加部351は、電圧指令がキャリア波を上回った場合は、スイッチング信号をオンし、電圧指令がキャリア波を下回った場合は、スイッチング信号をオフする。正極側のスイッチング素子23には、スイッチング信号がそのまま伝達され、負極側のスイッチング素子24には、スイッチング信号を反転させたスイッチング信号が伝達される。各スイッチング信号は、ゲート駆動回路を介して、第1組及び第2組のインバータ21、22の各スイッチング素子のゲート端子に入力され、各スイッチング素子をオン又はオフさせる。
The normal
<界磁巻線の電圧印加>
通常時電圧印加部351は、通常時制御の実行時に、界磁巻線25に電圧を印加する。例えば、通常時電圧印加部351は、通常時制御用のオンデューティ比のPWM信号を生成し、界磁巻線用のスイッチング信号として出力する。通常時制御用のオンデューティ比は、ロータの回転角速度等の運転状態に応じて変化されてもよい。界磁巻線用のスイッチング信号は、ゲート駆動回路を介して、界磁巻線用のスイッチング素子26のゲート端子に入力され、界磁巻線用のスイッチング素子26をオン又はオフさせる。
<Voltage application of field winding>
The normal
1−3−1−2.過電圧時の電圧印加
<過電圧の課題>
交流回転機10が発電しており、発電電力が、直流電源16、及び直流電源16に接続された各種の電気負荷(負図示)に供給されている状態で、電気負荷の消費電力が急減すると、交流回転機10の発電電力が、直流電源16及び電気負荷に吸収されず、余剰になり、直流電圧Vdcが定格電圧よりも上昇する。直流電圧Vdcが上昇し過ぎると、電気負荷に悪影響を与える可能性がある。そのため、直流電圧Vdcが過電圧状態になった場合は、早急に直流電圧Vdcを低下させることが望まれる。
1-3-1-2. Applying voltage during overvoltage <Issues of overvoltage>
When the
そこで、直流電圧Vdcが上昇し過ぎた場合に、交流回転機10の発電を停止すればよいが、発電を停止するだけでは、直流電圧Vdcを急速に低下させることはできない場合がある。そのため、交流回転機10に余剰電力を消費させることで、直流電圧Vdcを早急に低下させることが考えられる。
Therefore, when the DC voltage Vdc rises too much, the power generation of the
<過電圧判定>
過電圧判定部34は、直流電圧Vdcが、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する。過電圧判定閾値は、直流電源16の定格電圧よりも大きい電圧に予め設定されている。
<Overvoltage judgment>
The
<過電圧時制御>
電圧印加部35は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、過電圧時制御を実行するように構成されている。以下で、過電圧時制御について詳細に説明する。
<Control at overvoltage>
The
<過電圧時制御の理論説明>
2組の3相電機子巻線を有する場合の、dq軸座標系上の電圧方程式は、次式で表せる。
The voltage equation on the dq-axis coordinate system when having two sets of three-phase armature windings can be expressed by the following equation.
ここで、Vd1、Vq1は、第1組の3相電機子巻線に印加される電圧をdq軸座標系で表したd軸電圧及びq軸電圧であり、Vd2、Vq2は、第2組の3相電機子巻線に印加される電圧をdq軸座標系で表したd軸電圧及びq軸電圧である。Id1、Iq1は、第1組の3相電機子巻線に流れる電流をdq軸座標系で表したd軸電流及びq軸電流であり、Id2、Iq2は、第2組の3相電機子巻線に流れる電流をdq軸座標系で表したd軸電流及びq軸電流である。Rは、電機子巻線の抵抗であり、Ldは、各組のd軸の自己インダクタンスであり、Lqは、各組のq軸の自己インダクタンスであり、Mdは、組間のd軸の相互インダクタンスである。Mqは、組間のq軸の相互インダクタンスである。ωは、ロータの電気角での回転角速度である。ψは、磁石の鎖交磁束であり、pは、微分演算子である。なお、本実施の形態では、各組の電機子巻線が、同等のインダクタンス、抵抗を有している。 Here, Vd1 and Vq1 are d-axis voltage and q-axis voltage representing the voltage applied to the three-phase armature winding of the first set in the dq-axis coordinate system, and Vd2 and Vq2 are the second set of three-phase armature windings. The voltage applied to the three-phase armature winding is the d-axis voltage and the q-axis voltage represented by the dq-axis coordinate system. Id1 and Iq1 are d-axis currents and q-axis currents representing the currents flowing through the first set of three-phase armature windings in the dq-axis coordinate system, and Id2 and Iq2 are the second set of three-phase armature windings. The d-axis current and the q-axis current representing the current flowing through the line in the dq-axis coordinate system. R is the resistance of the armature winding, Ld is the self-inductance of the d-axis of each set, Lq is the self-inductance of the q-axis of each set, and Md is the mutual d-axis between the sets. It is an inductance. Mq is the mutual inductance of the q-axis between the sets. ω is the rotational angular velocity at the electric angle of the rotor. ψ is the interlinkage magnetic flux of the magnet, and p is the differential operator. In this embodiment, each set of armature windings has the same inductance and resistance.
定常状態においては、式(1)の微分演算子pの項がゼロになり、式(1)は、式(2)のようになる。
ここで、図6及び次式に示すように、第1組のdq軸電圧Vd1、Vd2を合成した第1組のdq軸合成電圧ベクトルVdq1と、第2組のdq軸電圧Vd2、Vd2を合成した第2組のdq軸合成電圧ベクトルVdq2とを、互いに打ち消し合うように、逆位相に設定している。これにより、2つの組のdq軸合成電圧ベクトルVdq1、Vdq2を合計したdq軸合計合成電圧ベクトルがゼロになる。
そして、高回転時には、式(4)が成り立ち、式(2)を変形すると、式(5)の各組のdq軸電流Id1、Iq1、Id2、Iq2の式が得られる。
このとき、第1組の電機子巻線により出力される第1組のトルクT1、第2組の電機子巻線により出力される第2組のトルクT2は、dq軸電流を用いて式(6)により算出される。第1組のトルクT1と第2組のトルクT2とを合計した合計トルクTは、式(6)に式(5)を代入し整理すると、式(7)となる。
ここで、式(3)のように、第1組のq軸電圧Vq1と第2組のq軸電圧Vq2とを、互いに打ち消し合うように、正負反転値に設定することにより、式(5)の第1組のq軸電流Iq1の分子の第2項と、第2組のq軸電流Iq2の分子の第2項とが正負反転値になり、合計トルクTの算出において互いに相殺される。また、第1組のd軸電圧Vd1と第2組のd軸電圧Vd2とを、互いに打ち消し合うように、正負反転値に設定することにより、合計トルクTの算出において、式(5)の第1組のd軸電流Id1の分子の第1項と、第2組のd軸電流Id2の分子の第1項とが正負反転値になり、合計トルクTの算出において互いに相殺される。よって、式(3)のように、各組の合成電圧ベクトルが互いに打ち消し合うように、電圧を印加することにより、第1組のトルクT1と第2組のトルクT2とが互いに弱め合い、合計トルクTを低減させることができる。 Here, as in the equation (3), the q-axis voltage Vq1 of the first set and the q-axis voltage Vq2 of the second set are set to positive / negative inverted values so as to cancel each other, thereby setting the equation (5). The second term of the numerator of the first set of q-axis current Iq1 and the second term of the numerator of the second set of q-axis current Iq2 become positive and negative inverted values, and cancel each other out in the calculation of the total torque T. Further, by setting the d-axis voltage Vd1 of the first set and the d-axis voltage Vd2 of the second set to positive and negative inverted values so as to cancel each other out, in the calculation of the total torque T, the first set of the equation (5) The first term of the numerator of the set of d-axis current Id1 and the first term of the molecule of the numerator of the second set of d-axis current Id2 become positive and negative inverted values, and cancel each other out in the calculation of the total torque T. Therefore, as shown in the equation (3), by applying the voltage so that the combined voltage vectors of the respective sets cancel each other out, the torque T1 of the first set and the torque T2 of the second set weaken each other, and the total The torque T can be reduced.
また、第1組及び第2組の電機子巻線の抵抗により生じる合計銅損Pcは、式(8)で与えられる。
式(8)に示すように、各組の銅損は、d軸電流の2乗、及びq軸電流の2乗により算出されるので、正負反転値であった、2つの組のq軸電流Iq1、Iq2の分子の第2項の2乗値が互いに打ち消されなくなると共に、正負反転値であった、2つの組のd軸電流Id1、Id2の分子の第1項の2乗値が互いに打ち消されなくなる。よって、組間の弱め合いにより、合計トルクTは低減されるが、合計銅損Pcは、組間で弱められず、各組のトルクを大きくすることにより、大きくなる。 As shown in the equation (8), the copper loss of each set is calculated by the square of the d-axis current and the square of the q-axis current, so that the two sets of q-axis currents, which are positive and negative inverted values, are used. The squared values of the second term of the molecules of Iq1 and Iq2 do not cancel each other out, and the squared values of the first term of the molecules of the two sets of d-axis currents Id1 and Id2, which were positive and negative inverted values, cancel each other out. It will not be possible. Therefore, the total torque T is reduced by the weakening between the groups, but the total copper loss Pc is not weakened between the groups and is increased by increasing the torque of each group.
ところで、特許文献2のように、各相の電機子巻線の端子を相互に短絡する3相短絡を行う場合は、各組の各相の電機子巻線の印加電圧はゼロになるので、dq軸電圧は、式(9)となり、合計トルクTは、式(10)で与えられ、合計銅損Pcは、式(11)で与えられる。
式(3)のように各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように電圧を印加する本実施の形態の方法では、3相短絡の式(11)に比べて、式(8)の第2項及び第3項の分だけ合計銅損を大きくでき、交流回転機の電力消費量を増加させることができる。式(8)の第2項及び第3項は、各組の合成電圧ベクトルの2乗に概ね比例するので、各組の合成電圧ベクトルを大きくし、各組のトルクの大きさを大きくすることにより、合計銅損を増加させることができる。よって、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。
In the method of the present embodiment in which the voltage is applied so that the combined voltage vectors of each set weaken each other as in the equation (3), the second equation (8) is compared with the equation (11) of the three-phase short circuit. The total copper loss can be increased by the amount of the item and the
一方、合計トルクについて、3相短絡の式(10)に比べて、式(7)の第2項の分だけ、合計トルクの大きさ(絶対値)が大きくなっているが、組間で弱め合っているので、合計銅損の増加に比べて、合計トルクの大きさの増加を抑制できる。 On the other hand, regarding the total torque, the magnitude (absolute value) of the total torque is larger by the amount of the second term of the equation (7) than the equation (10) of the three-phase short circuit, but it is weakened between the groups. Since it matches, it is possible to suppress an increase in the magnitude of the total torque as compared with an increase in the total copper loss.
以上では、2組の3相の電機子巻線を例に説明したが、2組の3相以外のm組のn相の電機子巻線の場合においても、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、電圧を印加すれば、組間でトルクを弱め合わせて、合計トルクの増加を抑制しつつ、合計銅損を増加させることができる。 In the above, two sets of three-phase armature windings have been described as an example, but even in the case of m sets of n-phase armature windings other than two sets of three phases, the combined voltage vectors of each set are mutual. If a voltage is applied so as to weaken each other, the torque can be weakened between the groups to suppress an increase in the total torque and increase the total copper loss.
<過電圧時制御の構成>
そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相(本例では3相)の電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する。
<Configuration of overvoltage control>
Therefore, when the
このように、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、電圧を印加すれば、上述したように、各組の電機子巻線が出力するトルクを、組間で互いに弱め合わせて、合計トルクの増加を抑制することができる。また、合計銅損は、組間で弱められず、各組の合成電圧ベクトル及びトルクの大きさをゼロよりも大きくすることにより、増加させることができる。よって、3相短絡と比較して、合計トルクの増加を抑制しつつ、合計銅損を増加させることができ、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。 In this way, if a voltage is applied so that the combined voltage vectors of each set weaken each other, as described above, the torques output by the armature windings of each set are weakened by each other and totaled. The increase in torque can be suppressed. Further, the total copper loss is not weakened between the sets and can be increased by making the combined voltage vector and the magnitude of the torque of each set larger than zero. Therefore, as compared with the three-phase short circuit, the total copper loss can be increased while suppressing the increase in the total torque, and the rate of decrease of the overvoltage DC voltage Vdc can be increased.
本実施の形態では、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加するように構成されている。
In the present embodiment, the overvoltage
この構成によれば、組間のトルクの弱め合いの効果を高めることができ、合計トルクの大きさの増加を抑制できる。 According to this configuration, the effect of weakening the torque between the groups can be enhanced, and an increase in the magnitude of the total torque can be suppressed.
本実施の形態では、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、n相(本例では3相)の電機子巻線に印加する電圧指令を、各組についてdq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定するように構成されている。よって、過電圧時電圧印加部352は、各組のdq軸合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組のdq軸合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組のdq軸合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定する。特に、過電圧時電圧印加部352は、式(3)のように、dq軸合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定する。
In the present embodiment, the overvoltage
そして、通常時電圧印加部351と同様に、過電圧時電圧印加部352は、各組について、磁極位置θに基づいて、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を、3相の電圧指令に座標変換する。過電圧時電圧印加部352は、3相の電圧指令に対して、空間ベクトル変調、2相変調等の線間電圧が変化しないような変調を加えてもよい。
Then, similarly to the normal
そして、通常時電圧印加部351と同様に、過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令に基づいて、複数のスイッチング素子をオンオフする。過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令のそれぞれとキャリア波とを比較することにより、各相のスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。
Then, similarly to the normal
本実施の形態では、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定する。
In the present embodiment, the overvoltage
d軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定すれば、式(3)、式(5)、及び式(7)からわかるように、定常状態で、d軸電流及びq軸電流が一定値になり、合計トルクが一定値になる。よって、過電圧時制御の合計トルクにリップル成分が生じることを抑制できる。 If the d-axis voltage command and the q-axis voltage command are set to constant values, as can be seen from the equations (3), (5), and (7), the d-axis current and the q-axis current are constant in the steady state. It becomes a value, and the total torque becomes a constant value. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a ripple component in the total torque of the overvoltage control.
本願において、一定値とは、ロータの電気角での回転角度に応じて周期的に変化しない値であることを意味する。なお、過電圧時電圧印加部352は、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を、ロータの回転角速度ω、直流電圧Vdc等の運転状態に応じて変化させてもよい。例えば、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定閾値からの直流電圧Vdcの電圧上昇量が大きくなるに従って、各組のdq軸合成電圧ベクトルの大きさが増加するように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を変化させてもよい。
In the present application, the constant value means a value that does not change periodically according to the rotation angle of the rotor at the electric angle. The overvoltage
<dq軸合成電圧ベクトルの位相設定>
式(3)のように、dq軸合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定すると共に、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定する場合には、第1組のd軸電圧指令の一定値V1及びq軸電圧指令の一定値V2を次式のように表すことができる。
As shown in equation (3), the d-axis voltage command and q-axis voltage command of each set are set so that the dq-axis total combined voltage vector becomes zero, and the d-axis voltage command and q-axis voltage command are set to constant values. When set to, the constant value V1 of the d-axis voltage command and the constant value V2 of the q-axis voltage command of the first set can be expressed by the following equations.
式(12)を、式(7)及び式(8)に代入すると、式(13)及び式(14)を得る。式(13)及び式(14)に示すように、合計トルクT及び合計銅損Pcの大きさは、dq軸合成電圧ベクトルの大きさVdq_f及び位相βにより変化させることができる。よって、3相短絡の場合よりも、大きな合計銅損を得ることができると共に、dq軸合成電圧ベクトルの大きさVdq_f及び位相βを変化させることで、合計銅損を所望の値に変化させることができる。
突極性のある一般的な交流回転機の場合、d軸の自己インダクタンスLdは、q軸の自己インダクタンスLqより小さいため、式(14)のcos2βの係数{1/(Lq−Mq)2−1/(Ld−Mq)2}は負値になる。よって、合計銅損Pcをより大きくするためには、式(15)に示すように、cos2βを負値にすればよく、cos2βを負値にするための、位相βの条件は、式(16)になる。よって、第1組のdq軸合成電圧ベクトルの位相βが、π/4<β<3π/4に設定されれば、第2組のdq軸合成電圧ベクトルの位相は、その逆位相の5π/4<β<7π/4に設定される。
よって、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、第1組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相を、π/4よりも大きく、3/4πよりも小さく設定し、第2組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相を、5π/4よりも大きく、7/4πよりも小さく設定する。第1組の位相と第2組の位相は、入れ替えられてもよい。
Therefore, the overvoltage
合計銅損Pcを最大にするためには、cos2βを−1にすればよく、位相βを式(17)のように設定すればよい。
よって、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、第1組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相を、π/2に設定し、第2組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相を、3π/2に設定する。第1組の位相と第2組の位相は、入れ替えられてもよい。
Therefore, the overvoltage
<突極性>
交流回転機の突極性がない場合は、式(18)が成り立ち、合計トルクを表す式(7)の第2項がゼロになり、3相短絡の場合の合計トルクと同じになる。よって、交流回転機に突極性がないものが用いられてもよい。突極性がない交流回転機を用いると、過電圧時制御の実行時の、合計トルクの大きさを低減することができる。
When there is no salient polarity of the AC rotating machine, the equation (18) holds, and the second term of the equation (7) expressing the total torque becomes zero, which is the same as the total torque in the case of a three-phase short circuit. Therefore, an AC rotating machine having no salient polarity may be used. By using an AC rotating machine having no salient polarity, it is possible to reduce the magnitude of the total torque when the overvoltage control is executed.
<スイッチング素子のオン又はオフ固定>
各組の3相の電圧指令にオフセット電圧を加えても、線間電圧は変化しないため、同様の合計トルク及び合計銅損の結果が得られる。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、少なくとも1相の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。この構成によれば、スイッチング損失を低減することができる。
<Fixed switching element on or off>
Even if an offset voltage is applied to the three-phase voltage command of each set, the line voltage does not change, so that the same total torque and total copper loss results can be obtained. Therefore, the overvoltage
過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令の中の最大値を+Vdc/2に変化させるオフセット電圧、又は3相の電圧指令の中の最小値を−Vdc/2に変化させるオフセット電圧を、3相の電圧指令に加えて、+Vdc/2又は−Vdc/2になった1相の正極側及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。なお、電圧指令が、+Vdc/2であると、正極側のスイッチング素子がオンに固定され、負極側のスイッチング素子がオフに固定される。電圧指令が、−Vdc/2であると、正極側のスイッチング素子がオフに固定され、負極側のスイッチング素子がオンに固定される。
The overvoltage
<界磁巻線の電圧印加>
過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御の実行時に、界磁巻線25に電圧を印加する。例えば、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御用のオンデューティ比のPWM信号を生成し、界磁巻線用のスイッチング信号として出力する。
<Voltage application of field winding>
The overvoltage
合計銅損を表す式(8)の第1項は、磁石の磁束ψの2乗に比例するため、界磁巻線に流す界磁電流を増加させることで、さらに合計銅損を増加させることが可能である。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御の実行時は、過電圧時制御の不実行時(本例では、通常時制御の実行時)よりも、界磁巻線の印加電圧を増加させる。本実施の形態では、過電圧時制御用のオンオンデューティ比が、通常時制御用のオンデューティ比よりも大きい値に設定される。
Since the first term of the equation (8) expressing the total copper loss is proportional to the square of the magnetic flux ψ of the magnet, the total copper loss is further increased by increasing the field current flowing through the field winding. Is possible. Therefore, the overvoltage
2.実施の形態2
次に、実施の形態2に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、過電圧時制御における電圧指令の設定方法が実施の形態1と異なる。
2. 2.
Next, the AC
<過電圧時制御の理論説明>
実施の形態1では、dq軸座標系上で、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が一定値に設定される場合について理論説明を行ったが、本実施の形態では、次式に示すように、各組の3相の電圧指令が一定値に設定される場合について、理論説明を行う。
<Theoretical explanation of overvoltage control>
In the first embodiment, the theoretical explanation was given for the case where the d-axis voltage command and the q-axis voltage command of each set are set to constant values on the dq-axis coordinate system, but in the present embodiment, the following equation is used. As shown, a theoretical explanation will be given for the case where the voltage command of each set of three phases is set to a constant value.
次式に示すように、第1組の3相の電圧指令Vu1、Vv1、Vw1を合成した第1組の合成電圧ベクトルと、第2組の3相の電圧指令Vu2、Vv2、Vw2を合成した第2組の合成電圧ベクトルとを、互いに打ち消し合うように、逆位相に設定している。これにより、2つの組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになる。式(19)では、各組の3相電圧指令の和がゼロになるように設定されているが、3相の電圧指令に対して、空間ベクトル変調、2相変調等の線間電圧が変化しないような変調が加えられてもよい。 As shown in the following equation, the first set of combined voltage vectors obtained by combining the first set of three-phase voltage commands Vu1, Vv1, and Vw1 and the second set of three-phase voltage commands Vu2, Vv2, and Vw2 were combined. The second set of combined voltage vectors are set in opposite phases so as to cancel each other out. As a result, the total combined voltage vector, which is the sum of the two sets of combined voltage vectors, becomes zero. In equation (19), the sum of the three-phase voltage commands of each set is set to be zero, but the line voltage such as space vector modulation and two-phase modulation changes with respect to the three-phase voltage commands. Modulation may be applied that does not.
ここで、Vu1は、U1相の電圧指令であり、Vv1は、V1相の電圧指令であり、Vw1は、W1相の電圧指令であり、Vu2は、U2相の電圧指令であり、Vv2は、V2相の電圧指令であり、Vw2は、W2相の電圧指令である。Vuvw_fは、各組の合成電圧ベクトルの大きさ(絶対値)であり、一定値に設定されている。βは、U1相の電機子巻線に対するU1相の電圧指令Vu1の位相であり、一定値に設定されている。各組について、各相の電圧指令の位相は、相互に2π/3ずつずれている。 Here, Vu1 is a U1 phase voltage command, Vv1 is a V1 phase voltage command, Vw1 is a W1 phase voltage command, Vu2 is a U2 phase voltage command, and Vv2 is. It is a voltage command of V2 phase, and Vw2 is a voltage command of W2 phase. Vuvw_f is the magnitude (absolute value) of the combined voltage vector of each set, and is set to a constant value. β is the phase of the U1 phase voltage command Vu1 with respect to the U1 phase armature winding, and is set to a constant value. For each set, the phase of the voltage command of each phase is shifted by 2π / 3 from each other.
式(19)の各組の3相電圧指令を、磁極位置θに基づいて、dq軸座標系上のd軸電圧指令及びq軸電圧指令に座標変換を行うと、式(20)を得る。そして、式(20)、式(2)、及び式(4)に基づいて、各組のdq軸電流Id1、Iq1、Id2、Iq2の式を導出し、式(6)及び式(8)の第1式に代入すると、式(21)の合計トルクTの式、式(22)の合計銅損Pcの式が得られる。
合計トルクTは、式(10)の3相短絡の場合と比べた場合、式(21)の第2項の交流成分の分だけ変動する。しかし、式(21)の第2項は、磁極位置θの回転周波数の2倍の周波数(2次)の成分であり、電気角1周期の平均値はゼロになる。また、合計銅損Pcは、式(11)の3相短絡の場合と比べた場合、式(22)の第2項の直流成分の分だけ大きくなり、式(22)の第3項の交流成分の分だけ変動する。しかし、式(22)の第3項は、磁極位置θの回転周波数の2倍の周波数の成分であり、電気角1周期の平均値はゼロになる。 The total torque T fluctuates by the amount of the AC component of the second term of the equation (21) when compared with the case of the three-phase short circuit of the equation (10). However, the second term of the equation (21) is a component of a frequency (secondary) twice the rotation frequency of the magnetic pole position θ, and the average value of one cycle of the electric angle becomes zero. Further, the total copper loss Pc is larger by the amount of the DC component of the second term of the formula (22) when compared with the case of the three-phase short circuit of the formula (11), and the AC of the third term of the formula (22). It fluctuates by the amount of the ingredients. However, the third term of the equation (22) is a component having a frequency twice the rotation frequency of the magnetic pole position θ, and the average value of one cycle of the electric angle becomes zero.
<比較例(同相設定)>
比較例として、第1組の3相の電圧指令を合成した第1組の合成電圧ベクトルと、第2組の3相の電圧指令を合成した第2組の合成電圧ベクトルとを、同相に設定する場合を考える。この比較例の3相電圧指令を、dq軸座標系上のd軸電圧指令及びq軸電圧指令に座標変換を行うと、式(23)を得る。そして、式(23)に基づいて、各組のdq軸電流、合計トルク、及び合計銅損を導出すると、式(24)、式(25)、及び式(26)を得る。
As a comparative example, the first set of combined voltage vectors obtained by combining the first set of three-phase voltage commands and the second set of combined voltage vectors obtained by combining the second set of three-phase voltage commands are set to be in phase. Consider the case of doing. When the three-phase voltage command of this comparative example is coordinate-converted to the d-axis voltage command and the q-axis voltage command on the dq-axis coordinate system, the equation (23) is obtained. Then, by deriving the dq-axis current, total torque, and total copper loss of each set based on the equation (23), the equations (24), (25), and (26) are obtained.
同相の比較例の場合は、式(25)の合計トルクTは、逆相の場合の式(21)に対して、式(25)の第3項の交流成分の分が追加されている。式(25)の第3項は、磁極位置θの回転周波数(1次)の成分である。また、式(26)の合計銅損Pcは、逆相の場合の式(22)に対して、式(26)の第4項の交流成分の分が追加されている。式(26)の第4項は、磁極位置θの回転周波数(1次)の成分である。 In the case of the in-phase comparative example, the total torque T of the equation (25) is added by the amount of the AC component of the third term of the equation (25) to the equation (21) in the case of the opposite phase. The third term of the equation (25) is a component of the rotation frequency (first order) of the magnetic pole position θ. Further, in the total copper loss Pc of the formula (26), the amount of the AC component of the fourth term of the formula (26) is added to the formula (22) in the case of the opposite phase. The fourth term of the equation (26) is a component of the rotation frequency (first order) of the magnetic pole position θ.
<3つの方式の比較>
次に、式(19)のように第1組及び第2組の3相電圧指令を逆相に設定する場合(以下、逆相電圧の場合と称す)、式(23)のように第1組及び第2組の3相電圧指令を同相に設定する場合(以下、同相電圧の場合と称す)、及び3相短絡の場合を比較する。図7に3つの場合について、合計トルク、合計銅損、第1組及び第2組のインバータから直流電源16に流れる電源電流の挙動を示す。横軸は、磁極位置θを示す。
<Comparison of three methods>
Next, when the three-phase voltage commands of the first set and the second set are set to the opposite phase as in the equation (19) (hereinafter, referred to as the case of the opposite phase voltage), the first set as in the equation (23). The case where the three-phase voltage command of the set and the second set is set to the same phase (hereinafter referred to as the case of the in-phase voltage) and the case of the three-phase short circuit are compared. FIG. 7 shows the behavior of the total torque, the total copper loss, and the power supply current flowing from the inverters of the first set and the second set to the
3相短絡の場合は、合計トルクは、負の直流成分となっており、合計銅損は、正の直流成分となっており、電源電流は、ゼロ付近になっている。比較例の同相電圧の場合は、合計トルク、合計銅損、及び電源電流について、1次の交流成分が大きくなっている。特に、合計トルクが、正トルクまで変動しており、内燃機関などの外部の機関に与える影響が大きい。 In the case of a three-phase short circuit, the total torque has a negative DC component, the total copper loss has a positive DC component, and the power supply current is near zero. In the case of the common mode voltage of the comparative example, the primary AC component is large with respect to the total torque, the total copper loss, and the power supply current. In particular, the total torque fluctuates up to the positive torque, which has a large effect on an external engine such as an internal combustion engine.
一方、逆相電圧の場合は、合計トルク、合計銅損、及び電源電流について、2次の交流成分が生じている。しかし、2次の交流成分の振幅は、比較例の同相電圧の1次の交流成分の振幅に比べて、大幅に小さくなっており、合計トルクが、負トルクの範囲で変動している。よって、内燃機関などの外部の機関に与える影響が抑制されている。また、逆相電圧の合計トルクの1周期の平均値は、3相短絡の場合と一致している。一方、逆相電圧の合計銅損の一周期の平均値は、3相短絡の場合よりも増加している。よって、逆相電圧の場合は、合計トルクの振動を抑制し、合計トルクの平均値を3相短絡の場合と同等に抑制しつつ、合計銅損の平均値を、3相短絡の場合よりも増加させることができ、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。 On the other hand, in the case of a reverse phase voltage, a secondary AC component is generated with respect to the total torque, the total copper loss, and the power supply current. However, the amplitude of the second-order AC component is significantly smaller than the amplitude of the first-order AC component of the common mode voltage of the comparative example, and the total torque fluctuates in the range of negative torque. Therefore, the influence on an external engine such as an internal combustion engine is suppressed. Further, the average value of the total torque of the reverse phase voltage in one cycle is the same as in the case of the three-phase short circuit. On the other hand, the average value of the total copper loss in one cycle of the reverse phase voltage is higher than that in the case of the three-phase short circuit. Therefore, in the case of reverse-phase voltage, the vibration of the total torque is suppressed, the average value of the total torque is suppressed to the same level as in the case of the three-phase short circuit, and the average value of the total copper loss is suppressed as compared with the case of the three-phase short circuit. It can be increased, and the rate of decrease of the overvoltage DC voltage Vdc can be increased.
<過電圧時制御の構成>
そこで、実施の形態1と同様に、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相(本例では3相)の電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する。
<Configuration of overvoltage control>
Therefore, as in the first embodiment, when the
また、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する。
Further, the overvoltage
ここで、合成電圧ベクトル、及び合計合成電圧ベクトルは、3相座標系上で算出されてもよいし、dq軸座標系上で算出されてもよいし、αβ軸座標系上で算出されてもよい。αβ軸座標系は、U1相(又はU2相)の巻線方向に定められたα軸と、α軸より電気角で90°(π/2)進んだ方向に定められたβ軸からなる。 Here, the combined voltage vector and the total combined voltage vector may be calculated on the three-phase coordinate system, the dq-axis coordinate system, or the αβ-axis coordinate system. Good. The αβ-axis coordinate system consists of an α-axis defined in the winding direction of the U1 phase (or U2 phase) and a β-axis defined in a direction advanced by 90 ° (π / 2) in electrical angle from the α-axis.
実施の形態1と異なり、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、各相の電機子巻線に印加する電圧指令を一定値に設定するように構成されている。そして、通常時電圧印加部351と同様に、過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令に基づいて、複数のスイッチング素子をオンオフする。過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令のそれぞれとキャリア波とを比較することにより、各相のスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。
Unlike the first embodiment, the overvoltage
本実施の形態では、過電圧時電圧印加部352は、式(19)に示したように、Vu2=−Vu1、Vv2=−Vv1、Vw2=−Vw1に設定する。この構成によれば、図7に示したように、合計トルクの振動を抑制し、合計トルクの平均値を3相短絡の場合と同等に抑制しつつ、合計銅損の平均値を、3相短絡の場合よりも増加させることができる。
In the present embodiment, the overvoltage
<合計トルクの負トルクの範囲での振動>
図7に示したように、合計トルクを負トルクの範囲で振動させるためには、式(21)の合計トルクTの最大値(sin(2θ−2β)=−1の時に最大値になる)がゼロ以下になればよい(T≦0)。式(21)から、次式が得られる。
As shown in FIG. 7, in order to vibrate the total torque in the negative torque range, the maximum value of the total torque T of the equation (21) (the maximum value is obtained when sin (2θ-2β) = -1). Should be zero or less (T ≦ 0). From equation (21), the following equation is obtained.
そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、電気角の1周期に亘って正トルクが発生しないように、各組の合成電圧ベクトルの大きさVuvw_fを設定してもよい。具体的には、各組の合成電圧ベクトルの大きさVuvw_fが、式(27)を満たすように設定されるとよい。この構成によれば、交流回転機に、車両を減速させる安全サイドの負トルクを発生させることができる。なお、正トルクの出力を許容できる場合は、式(27)が満たされなくてもよい。
Therefore, the overvoltage
<突極性>
交流回転機の突極性がない場合は、式(18)が成り立ち、合計トルクを表す式(21)の第2項がゼロになり、2次の交流成分を無くすことができ、3相短絡の場合の合計トルクと同じになる。よって、実施の形態2においても、交流回転機に突極性がないものが用いられてもよい。
<Polarity>
If there is no salient polarity of the AC rotating machine, the equation (18) holds, the second term of the equation (21) representing the total torque becomes zero, the secondary AC component can be eliminated, and a three-phase short circuit occurs. It will be the same as the total torque in the case. Therefore, also in the second embodiment, an AC rotating machine having no polarity may be used.
<スイッチング素子のオン又はオフ固定>
各組の3相の電圧指令にオフセット電圧を加えても、線間電圧は変化しないため、同様の合計トルク及び合計銅損の結果が得られる。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、少なくとも1相の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。この構成によれば、スイッチング損失を低減することができる。
<Fixed switching element on or off>
Even if an offset voltage is applied to the three-phase voltage command of each set, the line voltage does not change, so that the same total torque and total copper loss results can be obtained. Therefore, in the overvoltage control, the overvoltage
過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令の中の最大値を+Vdc/2に変化させるオフセット電圧、又は3相の電圧指令の中の最小値を−Vdc/2に変化させるオフセット電圧を、3相の電圧指令に加えて、+Vdc/2又は−Vdc/2になった1相の正極側及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。なお、電圧指令が、+Vdc/2であると、正極側のスイッチング素子がオンに固定され、負極側のスイッチング素子がオフに固定される。電圧指令が、−Vdc/2であると、正極側のスイッチング素子がオフに固定され、負極側のスイッチング素子がオンに固定される。
The overvoltage
或いは、過電圧時電圧印加部352は、各組について、各相の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定してもよい。この構成によれば、スイッチング損失を大幅に低減することができる。
Alternatively, the overvoltage
例えば、式(19)を満たす各組の3相の電圧指令として、式(28)に示すように、2Vdc/3又は−Vdc/3に設定する。そして、式(29)に示すように、オフセット電圧を−Vdc/6又はVdc/6に設定し、各組の3相の電圧指令に加算すれば、Vdc/2又は−Vdc/2の最終的な各組の3相の電圧指令が設定される。各相について、電圧指令がVdc/2の場合は、正極側のスイッチング素子がオンになり、負極側のスイッチング素子がオフになる。各相について、電圧指令が−Vdc/2の場合は、正極側のスイッチング素子がオフになり、負極側のスイッチング素子がオンになる。
<電圧指令の切替>
各相の電圧指令を一定値に設定すると、電圧指令が大きい相の正極側のスイッチング素子あるいは電圧指令が小さい相の負極側のスイッチング素子に発熱が集中する懸念がある。また、スイッチング素子をオン又はオフに固定すると、オンに固定されたスイッチング素子に発熱が集中する懸念がある。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、一定時間ごとに、各組の各相の電機子巻線への印加電圧を切り替えてもよい。この構成によれば、スイッチング素子の発熱の偏りを抑制することができる。
<Switching of voltage command>
When the voltage command of each phase is set to a constant value, there is a concern that heat generation is concentrated on the switching element on the positive electrode side of the phase having a large voltage command or the switching element on the negative electrode side of the phase having a small voltage command. Further, when the switching element is fixed on or off, there is a concern that heat generation is concentrated on the switching element fixed on. Therefore, the overvoltage
例えば、図8の例では、時刻0から時刻t1までは、Vu1、Vv2、Vw2をVk/2に設定し、Vv1、Vw1、Vu2を−Vk/2に設定する。時刻t1から時刻t2までは、第1組の3相電圧指令と第2組の3相電圧指令を入れ替えて、Vu1、Vv2、Vw2を−Vk/2に設定し、Vv1、Vw1、Vu2をVk/2に設定する。以降はこれらを交互に実施する。なお、Vkは、0より大きく、Vdc以下の値に設定される。
For example, in the example of FIG. 8, from
例えば、図9の例では、時刻0から時刻t1までは、Vu1、Vv2、Vw2をVdc/2に設定し、正極側のスイッチング素子をオンに固定し、Vv1、Vw1、Vu2をVdc/2−Vkに設定する。時刻t1から時刻t2までは、電圧指令のオフセット方向を変えて、Vv1、Vw1、Vu2を−Vdc/2に設定し、負極側のスイッチング素子をオンに固定し、Vu1、Vv2、Vw2を−Vdc/2+Vkに設定する。時刻t2から時刻t3までは、時刻0から時刻t1までの第1組の3相電圧指令と第2組の3相電圧指令を入れ替えて、Vv1、Vw1、Vu2をVdc/2に設定し、Vu1、Vv2、Vw2をVdc/2−Vkに設定する。時刻t3から時刻t4までは、時刻t1から時刻t2までの第1組の3相電圧指令と第2組の3相電圧指令を入れ替えて、Vu1、Vv2、Vw2を−Vdc/2に設定し、Vv1、Vw1、Vu2を−Vdc/2+Vkに設定する。以降はこれらを交互に実施する。なお、Vkは、0より大きく、Vdc以下の値に設定される。
For example, in the example of FIG. 9, from
<スイッチング素子の短絡故障又は開放故障時>
また、図9に示すように、同じ合計銅損を得るための電圧指令の設定方法が様々であるため、いずれかのスイッチング素子が短絡故障又は開放故障した場合にも、過電圧時制御は実施可能である。なお、制御装置1は、各スイッチング素子の短絡故障及び開放故障を検出する。例えば、制御装置1は、各スイッチング素子のオンオフ制御情報及び電流検出値に基づいて、各スイッチング素子の故障を検出する。
<At the time of short-circuit failure or open failure of switching element>
Further, as shown in FIG. 9, since there are various methods for setting the voltage command to obtain the same total copper loss, overvoltage control can be performed even when any of the switching elements has a short-circuit failure or an open failure. Is. The
過電圧時電圧印加部352は、1つのスイッチング素子の短絡故障が検知されている状態で過電圧時制御を行う場合は、短絡故障が発生した相について、短絡故障が発生していないスイッチング素子をオフに固定し、短絡故障が発生した相を含む、各組の合成電圧ベクトルを考慮して、短絡故障が発生していない相の電機子巻線に電圧を印加する。
When the overvoltage
例えば、U1相の正極側のスイッチング素子が短絡故障した場合、U1相の負極側のスイッチング素子をオンすると貫通電流が流れてしまうため、U1相の負極側のスイッチング素子をオフにするために、Vu1をVdc/2に固定する。そして、短絡故障が発生していない相の電圧指令は、各組の合成電圧ベクトルを考慮して設定すればよい。例えば、合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、図9の時刻0から時刻t1までの電圧指令が設定されればよい。
For example, if the switching element on the positive electrode side of the U1 phase fails due to a short circuit, a through current will flow when the switching element on the negative electrode side of the U1 phase is turned on. Therefore, in order to turn off the switching element on the negative electrode side of the U1 phase, Vu1 is fixed to Vdc / 2. Then, the voltage command of the phase in which the short-circuit failure does not occur may be set in consideration of the combined voltage vector of each set. For example, the voltage command from
過電圧時電圧印加部352は、1つのスイッチング素子の開放故障が検知されている状態で過電圧時制御を行う場合は、開放故障が発生した相について、開放故障が発生していないスイッチング素子をオンに固定し、開放故障が発生した相を含む、各組の合成電圧ベクトルを考慮して、開放故障が発生していない相の電機子巻線に電圧を印加する。
When the overvoltage
例えば、U1相の正極側のスイッチング素子が開放故障した場合、U1相の負極側のスイッチング素子をオンするために、Vu1を−Vdc/2に固定する。そして、開放故障が発生していない相の電圧指令は、各組の合成電圧ベクトルを考慮して設定すればよい。例えば、合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、図9の時刻t3から時刻t4までの電圧指令が設定されればよい。 For example, when the switching element on the positive electrode side of the U1 phase fails to open, Vu1 is fixed to −Vdc / 2 in order to turn on the switching element on the negative electrode side of the U1 phase. Then, the voltage command of the phase in which the open failure does not occur may be set in consideration of the combined voltage vector of each set. For example, the voltage command from time t3 to time t4 in FIG. 9 may be set so that the total combined voltage vector becomes zero.
<組間の電機子巻線の位相差が、ゼロ以外の場合>
本実施の形態では、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間には位相差がない場合を説明した。第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間に、任意の位相差があってもよい。この場合でも、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように各組の各相の電圧指令が設定されればよく、各組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の電圧指令が設定されればよい。
<When the phase difference of the armature winding between the sets is other than zero>
In the present embodiment, the case where there is no phase difference between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings has been described. There may be an arbitrary phase difference between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings. Even in this case, the voltage command of each phase of each set should be set so that the combined voltage vectors of each set weaken each other, and the total combined voltage vector of the total of the combined voltage vectors of each set becomes zero. , The voltage command of each phase of each set may be set.
例えば、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間に、π/3の位相差がある場合は、過電圧時電圧印加部352は、合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、Vu2=Vw1、Vv2=Vu1、Vw2=Vv1、に設定する。
For example, if there is a π / 3 phase difference between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings, the overvoltage
また、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間に、π/6の位相差がある場合は、過電圧時電圧印加部352は、合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、Vu2=(Vw1−Vu1)/√3、Vv2=(Vu1−Vv1)/√3、Vw2=(Vv1−Vw1)/√3、に設定する。
If there is a phase difference of π / 6 between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings, the overvoltage
3.実施の形態3
次に、実施の形態3に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、過電圧時制御における電圧指令の設定方法が実施の形態1と異なる。
3. 3.
Next, the AC
<過電圧時制御の理論説明>
実施の形態1では、dq軸座標系上で、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が逆相に設定される場合について理論説明を行った。しかし、本実施の形態では、図10及び次式に示すように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が同相に設定される場合について、理論説明を行う。この場合は、2つの組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルはゼロにならない。
In the first embodiment, a theoretical explanation has been given for a case where the d-axis voltage command and the q-axis voltage command of each set are set in opposite phases on the dq-axis coordinate system. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 10 and the following equation, a theoretical explanation will be given when the d-axis voltage command and the q-axis voltage command of each set are set to be in phase. In this case, the total combined voltage vector, which is the sum of the two sets of combined voltage vectors, is not zero.
式(30)、式(2)、及び式(4)に基づいて、次式に示すように、各組のdq軸電流Id1、Iq1、Id2、Iq2の式が導出される。
dq軸電圧指令を一定値で与える場合は、式(12)のように表すことができる。式(31)、式(12)を、式(6)及び式(8)の第1式に代入すると、式(32)の合計トルクTの式、式(33)の合計銅損Pcの式が得られる。
回転角速度ωが高い領域において、式(33)における(Vdq_f/ω)2の項と、Vdq_f/ωの項とでは、後者の方が支配的となる。そのため、式(11)の3相短絡の場合よりも、合計銅損Pcを増加させるためには、式(33)のVdq_f/ωの項を正値にする必要がある。そのためには、式(34)に示すように、sinβを負値にすればよく、dq軸合成電圧ベクトルの位相βを、πより大きく、2πよりも小さくする必要がある。ここで、式(12)のdq軸合成電圧ベクトルの位相βは、dq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相である。
sinβを−1にすれば、合計銅損Pcが最大になるので、そのためには、式(35)に示すように、位相βを、3π/2に設定する必要がある。このように設定すれば、各組について、d軸電圧指令がゼロになり、負値に設定されたq軸電圧指令のみになる。また、合計トルクTの式(32)の第2項、第3項がゼロになり、3相短絡の場合の式(10)の合計トルクと同等になる。
<2つの方式の比較>
次に、各組のdq軸合成電圧ベクトルの位相βを、式(35)のように設定する場合(以下、q軸電圧のみの場合と称す)、及び3相短絡の場合を比較する。図11に2つの場合について、合計トルク、合計銅損、第1組及び第2組のインバータから直流電源16に流れる電源電流の挙動を示す。横軸は、磁極位置θを示す。
<Comparison of two methods>
Next, the case where the phase β of the dq-axis combined voltage vector of each set is set as in the equation (35) (hereinafter, referred to as the case of only the q-axis voltage) and the case of the three-phase short circuit are compared. FIG. 11 shows the behavior of the total torque, the total copper loss, and the power supply current flowing from the inverters of the first set and the second set to the
3相短絡の場合は、合計トルクは、負の直流成分となっており、合計銅損は、正の直流成分となっており、電源電流は、ゼロ付近になっている。一方、q軸電圧のみの場合は、合計トルクは、交流成分は発生しておらず、3相短絡の場合と同等になっている。合計銅損は、3相短絡の場合よりも増加している。電源電流は、3相短絡の場合と同等になっている。よって、q軸電圧のみの場合は、合計トルクを3相短絡の場合と同等にしつつ、合計銅損を、3相短絡の場合よりも増加させることができ、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。 In the case of a three-phase short circuit, the total torque has a negative DC component, the total copper loss has a positive DC component, and the power supply current is near zero. On the other hand, in the case of only the q-axis voltage, the total torque is the same as in the case of the three-phase short circuit without the AC component being generated. The total copper loss is higher than in the case of a three-phase short circuit. The power supply current is the same as in the case of a three-phase short circuit. Therefore, in the case of only the q-axis voltage, the total copper loss can be increased as compared with the case of the three-phase short circuit while making the total torque the same as in the case of the three-phase short circuit, and the overvoltage DC voltage Vdc decreases. The speed can be increased.
<過電圧時制御の構成>
そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相βが、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定する過電圧時制御を実行する。
<Configuration of overvoltage control>
Therefore, when the
この構成によれば、式(34)及び式(33)を用いて説明したように、3相短絡の場合よりも、合計銅損を増加させることができ、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。 According to this configuration, as described using the equations (34) and (33), the total copper loss can be increased as compared with the case of the three-phase short circuit, and the overvoltage DC voltage Vdc is lowered. The speed can be increased.
過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相βが、3π/2になるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定すればよい。この構成によれば、合計トルクを3相短絡の場合と同等に抑制できると共に、合計銅損を3相短絡の場合よりも増加させ、過電圧となった直流電圧Vdcの低下速度を増加させることができる。
In the overvoltage control, the overvoltage
そして、通常時電圧印加部351と同様に、過電圧時電圧印加部352は、各組について、磁極位置に基づいて、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を、3相の電圧指令に座標変換する。過電圧時電圧印加部352は、3相の電圧指令に対して、空間ベクトル変調、2相変調等の線間電圧が変化しないような変調を加えてもよい。
Then, similarly to the normal
そして、通常時電圧印加部351と同様に、過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令に基づいて、複数のスイッチング素子をオンオフする。過電圧時電圧印加部352は、各組について、3相の電圧指令のそれぞれとキャリア波とを比較することにより、各相のスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。
Then, similarly to the normal
〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Other embodiments]
Finally, other embodiments of the present application will be described. It should be noted that the configurations of the respective embodiments described below are not limited to those applied independently, and can be applied in combination with the configurations of other embodiments as long as there is no contradiction.
(1)上記の各実施の形態では、m=2の2組であり、n=3の3相である場合を例として説明した。しかし、m=3、4等、mは、2以上の任意の自然数に設定されてもよく、n=2、4等、nは、2以上の任意の自然数に設定されてもよい。 (1) In each of the above embodiments, the case where there are two sets of m = 2 and three phases of n = 3 has been described as an example. However, m = 3, 4 mag, m may be set to any natural number of 2 or more, and n = 2, 4 mag, n may be set to any natural number of 2 or more.
(2)上記の実施の形態1、2では、電圧印加部35は、過電圧時制御において、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電圧印加部35は、過電圧時制御において、合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加すればよく、合計合成電圧ベクトルはゼロにならなくてもよい。
(2) In the above-described first and second embodiments, the
(3)上記の実施の形態3では、電圧印加部35は、過電圧時制御において、各組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相βが、3π/2になるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定する場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電圧印加部35は、過電圧時制御において、各組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相βが、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定すればよく、位相βは、3π/2にならなくてもよい。
(3) In the third embodiment, the
(4)上記の各実施の形態では、交流回転機10は、ロータ14に界磁巻線25を有している場合を例に説明した。しかし、交流回転機10は、ロータ14に永久磁石を有した永久磁石式の同期回転機とされてもよく、誘導回転機とされてもよい。
(4) In each of the above embodiments, the case where the
(5)上記の各実施の形態では、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間には、位相差がない場合を例に説明した。しかし、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間には、任意の位相差が設けられてよい。 (5) In each of the above embodiments, the case where there is no phase difference between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings will be described as an example. did. However, an arbitrary phase difference may be provided between the first set of three-phase armature windings and the second set of three-phase armature windings.
(6)上記の各実施の形態では、交流回転機10は、車両用の発電電動機である場合を例に説明した。しかし、交流回転機10は、車両用の発電電動機以外の各種の用途の交流回転機とされてもよい。
(6) In each of the above embodiments, the case where the
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are applications of a particular embodiment. It is not limited to, but can be applied to embodiments alone or in various combinations. Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
1 交流回転機の制御装置、10 交流回転機、25 界磁巻線、31 回転検出部、32 電圧検出部、33 電流検出部、34 過電圧判定部、35 電圧印加部、β 位相 1 AC rotating machine control device, 10 AC rotating machine, 25 field winding, 31 rotation detection unit, 32 voltage detection unit, 33 current detection unit, 34 overvoltage determination unit, 35 voltage application unit, β phase
Claims (20)
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相の前記電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の前記合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の前記合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する交流回転機の制御装置。 It is a control device for an AC rotating machine that controls an AC rotating machine having m sets (m is a natural number of 2 or more) and n-phase armature windings (n is a natural number of 2 or more) via an inverter of m sets. hand,
A voltage detector that detects the DC voltage supplied to the inverter of each set, and
A voltage application unit that applies a voltage to the armature winding of each phase of each set by turning on and off a plurality of switching elements of the inverter of each set.
It is provided with an overvoltage determination unit for determining whether or not the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold value.
The voltage application unit has two sets of combined voltage vectors obtained by synthesizing the voltage applied to the n-phase armature winding when it is determined that the DC voltage is equal to or higher than the overvoltage determination threshold. When the above is non-zero and the combined voltage vectors of all the sets are summed, the voltage is applied to the armature winding of each phase of each set so that the combined voltage vectors of each set weaken each other. A control device for an AC rotating machine that performs control when an overvoltage is applied.
前記過電圧時制御において、n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定し、
各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 The voltage application unit uses a coordinate system consisting of a d-axis defined in the magnetic flux direction of the field and a q-axis defined in a direction π / 2 advanced by an electric angle from the d-axis as a dq-axis coordinate system.
In the overvoltage control, the voltage command applied to the n-phase armature winding is set to a constant value for each set of the d-axis voltage command and the q-axis voltage command represented by the dq-axis coordinate system.
The control device for an AC rotating machine according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the switching elements are turned on and off based on the d-axis voltage command and the q-axis voltage command for each set.
前記電圧印加部は、n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記過電圧時制御において、第1組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、π/4よりも大きく、3/4πよりも小さく設定し、第2組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、5π/4よりも大きく、7/4πよりも小さく設定する請求項3に記載の交流回転機の制御装置。 There are two m groups,
The voltage application unit uses a vector represented by the dq-axis coordinate system for each set as a dq-axis combined voltage vector for a voltage command applied to the n-phase armature winding.
In the overvoltage control, the phase of the dq-axis combined voltage vector of the first set with respect to the d-axis is set to be larger than π / 4 and smaller than 3/4 π, and the dq-axis combined voltage vector of the second set is set. The control device for an AC rotor according to claim 3, wherein the phase with respect to the d-axis is set to be larger than 5π / 4 and smaller than 7 / 4π.
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 In the overvoltage control, the voltage applying unit sets a constant value for a voltage command applied to the armature winding of each phase.
The control device for an AC rotating machine according to claim 1 or 2, wherein for each set, a plurality of the switching elements are turned on and off based on the voltage command of each phase.
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各組の前記インバータについて、少なくとも1相の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 In each set of the inverter, the switching element on the positive electrode side connected to the positive electrode side of the DC power supply and the switching element on the negative electrode side connected to the negative electrode side of the DC power supply are connected in series, and the connection points of the series connection correspond. A series circuit connected to the winding of the phase to be used is provided with n sets corresponding to the n phase.
In the overvoltage control, the voltage application unit fixes at least one of the positive electrode side switching element and the negative electrode side switching element of each set of the inverters to ON and the other to OFF in the overvoltage control. The control device for an AC rotary machine according to claim 1 or 2.
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、位相差がなく、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=−U1相の電圧指令、
V2相の電圧指令=−V1相の電圧指令、
W2相の電圧指令=−W1相の電圧指令、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 The m group is 2 groups, the n phase is 3 phases, and
Between the first set of U1, V1 and W1 phase three-phase armature windings and the second set of U2, V2 and W2 phase three-phase armature windings There is no phase difference,
The voltage application unit is used in the overvoltage control.
U2 phase voltage command = -U1 phase voltage command,
V2 phase voltage command = -V1 phase voltage command,
W2 phase voltage command = -W1 phase voltage command,
Set to
The control device for an AC rotary machine according to claim 2, wherein a plurality of the switching elements are turned on and off for each set based on the voltage command of each phase.
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、π/3の位相差があり、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=W1相の電圧指令、
V2相の電圧指令=U1相の電圧指令、
W2相の電圧指令=V1相の電圧指令、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 The m group is 2 groups, the n phase is 3 phases, and
Between the first set of U1, V1 and W1 phase three-phase armature windings and the second set of U2, V2 and W2 phase three-phase armature windings There is a phase difference of π / 3,
The voltage application unit is used in the overvoltage control.
U2 phase voltage command = W1 phase voltage command,
V2 phase voltage command = U1 phase voltage command,
W2 phase voltage command = V1 phase voltage command,
Set to
The control device for an AC rotary machine according to claim 2, wherein a plurality of the switching elements are turned on and off for each set based on the voltage command of each phase.
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各組の前記インバータについて、各相の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する請求項8又は9に記載の交流回転機の制御装置。 In each set of the inverter, the switching element on the positive electrode side connected to the positive electrode side of the DC power supply and the switching element on the negative electrode side connected to the negative electrode side of the DC power supply are connected in series, and the connection points of the series connection correspond. Three sets of series circuits connected to the windings of the corresponding phases are provided corresponding to the three phases.
In the overvoltage control, the voltage application unit fixes one of the switching element on the positive electrode side and the switching element on the negative electrode side of each phase on and the other off on the inverter of each set. Item 8. The control device for the AC rotating machine according to Item 8.
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、π/6の位相差があり、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=(W1相の電圧指令−U1相の電圧指令)/√3、
V2相の電圧指令=(U1相の電圧指令−V1相の電圧指令)/√3、
W2相の電圧指令=(V1相の電圧指令−W1相の電圧指令)/√3、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 The m group is 2 groups, the n phase is 3 phases, and
Between the first set of U1, V1 and W1 phase three-phase armature windings and the second set of U2, V2 and W2 phase three-phase armature windings There is a phase difference of π / 6,
The voltage application unit is used in the overvoltage control.
U2 phase voltage command = (W1 phase voltage command-U1 phase voltage command) / √3,
V2 phase voltage command = (U1 phase voltage command-V1 phase voltage command) / √3,
W2 phase voltage command = (V1 phase voltage command-W1 phase voltage command) / √3,
Set to
The control device for an AC rotary machine according to claim 2, wherein a plurality of the switching elements are turned on and off for each set based on the voltage command of each phase.
短絡故障が発生した相を含む、各組の前記合成電圧ベクトルを考慮して、短絡故障が発生していない相の前記電機子巻線に電圧を印加する請求項1、2、及び6から13のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 When the overvoltage control is performed in a state where a short-circuit failure of one of the switching elements is detected, the voltage application unit turns off the switching element in which the short-circuit failure has not occurred in the phase in which the short-circuit failure has occurred. Fixed to
Claims 1, 2, and 6 to 13 of applying a voltage to the armature winding of the phase in which the short-circuit failure has not occurred, in consideration of the combined voltage vector of each set including the phase in which the short-circuit failure has occurred. The control device for the AC rotating machine according to any one of the above items.
開放故障が発生した相を含む、各組の前記合成電圧ベクトルを考慮して、開放故障が発生していない相の前記電機子巻線に電圧を印加する請求項1、2、及び6から14のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 When the overvoltage control is performed in a state where an open failure of one of the switching elements is detected, the voltage applying unit turns on the switching element in which the open failure has not occurred in the phase in which the open failure has occurred. Fixed to
Claims 1, 2, and 6 to 14 of applying a voltage to the armature winding of the phase in which the open failure has not occurred, in consideration of the combined voltage vector of each set including the phase in which the open failure has occurred. The control device for the AC rotating machine according to any one of the above items.
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系をdq軸座標系とし、
n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を合成したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相が、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組の前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令を設定し、各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする過電圧時制御を実行する交流回転機の制御装置。 It is a control device for an AC rotating machine that controls an AC rotating machine having m sets (m is a natural number of 2 or more) and n-phase armature windings (n is a natural number of 3 or more) via an inverter of m sets. hand,
A voltage detector that detects the DC voltage supplied to the inverter of each set, and
A voltage application unit that applies a voltage to the armature winding of each phase of each set by turning on and off a plurality of switching elements of the inverter of each set.
It is provided with an overvoltage determination unit for determining whether or not the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold value.
The voltage application unit uses a coordinate system consisting of a d-axis defined in the magnetic flux direction of the field and a q-axis defined in a direction π / 2 advanced by an electric angle from the d-axis as a dq-axis coordinate system.
The voltage command applied to the n-phase armature winding is defined as the dq-axis combined voltage vector by combining the d-axis voltage command and the q-axis voltage command represented by the dq-axis coordinate system for each set.
When it is determined that the DC voltage exceeds the overvoltage determination threshold, each set has a phase of the dq-axis combined voltage vector with respect to the d-axis larger than π and smaller than 2π. The d-axis voltage command and the q-axis voltage command are set, and for each set, an AC that executes overvoltage control for turning on and off a plurality of the switching elements based on the d-axis voltage command and the q-axis voltage command. Rotating machine control device.
前記電圧印加部は、前記界磁巻線に電圧を印加し、
前記過電圧時制御の実行時は、前記過電圧時制御の不実行時よりも、前記界磁巻線の印加電圧を増加させる請求項1から17のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 The AC rotating machine has a field winding and has a field winding.
The voltage application unit applies a voltage to the field winding to apply a voltage.
The control device for an AC rotor according to any one of claims 1 to 17, wherein when the overvoltage control is executed, the applied voltage of the field winding is increased as compared with the non-execution of the overvoltage control. ..
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