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設計技術シリーズ

家電用モータのベクトル制御と高効率運転法

著者: 前川佐理氏((株)東芝)
監修: 長谷川幸久氏((株)東芝)
価格: 3,400円(本体)+税
判型: A5
ページ数: 269 ページ
ISBN: 978-4-904774-16-8
発売日: 2014/7/26
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【著者紹介】

前川佐理(まえかわ さり)
2003年法政大学大学院工学研究科修士課程修了。同年、(株)東芝入社。現在、電力・社会システム技術開発センターに所属、主務。パワーエレクトロニクスの研究に従事。平成21年度、電気関係事業従業員功績者表彰考案表彰、最優秀賞。電気学会会員。
長谷川幸久(はせがわ ゆきひさ)
1988年岐阜大学大学院工学研究科修士課程修了。同年、 (株) 東芝入社。現在、生産技術センター制御技術研究センター研究主幹。モータ関連技術開発に従事。2000年ロボット学会論文賞。日本能率協会 モータ技術展 企画委員。

【目次】

第1章 家電機器とモータ

第2章 モータとインバータ

  1. 1.永久磁石同期モータの特徴
    1. 1-1 埋込磁石型と表面磁石型
    2. 1-2 分布巻方式と集中巻方式
    3. 1-3 極数による違い
  2. 2.永久磁石同期モータのトルク発生メカニズム
    1. 2-1 マグネットトルクの発生原理
    2. 2-2 リラクタンストルクの発生原理
  3. 3.家電用インバータの構成
    1. 3-1 整流回路
    2. 3-2 スイッチング回路
    3. 3-3 ゲートドライブ回路
      1. 3-3-1 ドライブ回路の構成
      2. 3-3-2 ハイサイドスイッチ駆動電源
      3. 3-3-3 スイッチング時間
      4. 3-3-4 スイッチング素子の損失
      5. 3-3-5 スイッチング素子のミラー容量による誤オン(誤点弧)
      6. 3-3-6 ミラー容量による誤オン対策
    4. 3-4 電流検出回路
    5. 3-5 位置センサ
    6. 3-6 MCU(演算器)
  4. 4.モータ制御用MCU

第3章 高効率運転のための電流ベクトル制御

  1. 1.ベクトル制御の概要
    1. 1-1 3相座標→αβ軸変換(clark変換)
    2. 1-2 絶対変換時の3相→2相変換のエネルギーの等価性について
    3. 1-3 αβ軸→dq軸変換(park変換)
    4. 1-4 3相座標系とαβ軸、dq軸の電気・磁気的関係
    5. 1-5 3相→dq軸の変換例
    6. 1-6 dq軸座標系のトルク・電力式
  2. 2.最大トルク/電流制御
    1. 2-1 同一トルクを出力する電流パターン
  3. 3.弱め界磁制御・最大トルク/電圧制御
    1. 3-1 モータ回転数と直流リンク電圧による電流通電範囲の制限
    2. 3-2 最大トルク/電圧制御
      1. 3-2-1 最大出力型弱め界磁制御(電流リミット有り)
      2. 3-2-2 トルク指令型弱め界磁制御(電流リミット有り)
      3. 3-2-3 速度制御型弱め界磁制御(電流リミット有り)
    3. 3-3 弱め界磁制御の構成
  4. 4.電流制御の構成
    1. 4-1 dq軸の非干渉制御
    2. 4-2 電流制御 PIゲインの設計方法
    3. 4-3 離散時間系の制御構成
  5. 5.速度制御

第4章 PWMインバータによる電力変換法

  1. 1.PWMによる電圧の形成方法
  2. 2.相電圧・線間電圧・dq軸電圧の関係
  3. 3.電圧利用率向上法
    1. 3-1 方式1.3次高調波電圧法
    2. 3-2 方式2.空間ベクトル法
  4. 4.2相変調
    1. 4-1 3次高調波電圧法による 2相変調
    2. 4-2 空間ベクトル法による 2相変調
  5. 5.過変調制御
    1. 5-1 過変調制御による可変速運転範囲の拡大
    2. 5-2 過変調率と線間電圧の高調波成分
    3. 5-3 過変調制御の構成
  6. 6.デッドタイム補償
    1. 6-1 デッドタイムによる電圧指令値と実電圧値の差異
    2. 6-2 デッドタイムの補償方法

第5章 センサレス駆動技術

  1. 1.位置センサレスの要望
  2. 2.誘起電圧を利用するセンサレス駆動法
    1. 2-1 位置推定原理
    2. 2-2 dq軸(磁極位置)と推定dcqc軸(コントローラの認識軸)
    3. 2-3 突極性の推定性能への影響
    4. 2-4 位置誤差推定値Δθcを用いた位置推定法
    5. 2-5 推定に用いるモータパラメータの誤差影響
    6. 2-6 ΔLqと推定誤差による脱調現象
    7. 2-7 モータパラメータの誤差要因
    8. 2-8 巻線抵抗Rの変動要因
    9. 2-9 q軸インダクタンスLqの変動要因
  3. 3.突極性を利用するセンサレス駆動法
    1. 3-1 高周波電圧印加法
    2. 3-2 突極性を利用する位置センサレス駆動の構成
    3. 3-3 極性判別
    4. 3-4 主磁束インダクタンスと局所インダクタンス
    5. 3-5 dq軸間干渉のセンサレス特性への影響
    6. 3-6 磁気飽和、軸間干渉を考慮したインダクタンスの測定方法
  4. 4.位置決めと強制同期駆動法
    1. 4-1 位置推定方式の長所と短所
    2. 4-2 駆動原理と制御方法
    3. 4-3 強制同期駆動によるモータ回転動作
    4. 4-4 強制同期駆動の運転限界

第6章 モータ電流検出技術

  1. 1.電流センサとシャント抵抗
  2. 2.3シャント電流検出技術
    1. 2-1 3シャント電流検出回路の構成
    2. 2-2 スイッチングによる検出値の変化
  3. 3.1シャント電流検出技術
    1. 3-1 電流検出の制約
    2. 3-2 電流の検出タイミング
    3. 3-3 電流検出率の拡大

第7章 家電機器への応用事例

  1. 1.洗濯機への適用
    1. 1-1 洗い運転
    2. 1-2 脱水・ブレーキ運転
      1. 1-2-1 短絡ブレーキ
      2. 1-2-2 回生ブレーキ
  2. 2.ヒートポンプ用コンプレッサへの適用
    1. 2-1 最大トルク/電流特性
    2. 2-2 過変調制御時の特性

第8章 可変磁力モータ

  1. 1.永久磁石同期モータの利点と問題点
  2. 2.可変磁力モータとは
    1. 2-1 磁力の可変方法
    2. 2-2 磁力の可変原理
      1. 2-2-1 減磁作用
      2. 2-2-2 増磁作用
    3. 2-3 可変磁力モータの構成
    4. 2-4 磁化特性
  3. 3.可変磁力モータの制御

付録 デジタルフィルタの設計法

  1. 1.モータ制御に用いる各種フィルタの設計手法
    1. 1-1 ローパス、ハイパス、バンドパスの種類決定
    2. 1-2 周波数毎の減衰特性の目標決定
    3. 1-3 フィルタ次数の決定
    4. 1-4 連続時間系におけるフィルタ用定数算出
      1. 1-4-1 1次ローパス→n次ローパスへの変換
      2. 1-4-2 ローパス→ハイパスフィルタへの変換
      3. 1-4-3 ローパス→バンドパスフィルタへの変換
    5. 1-5 サンプリング時間決定
    6. 1-6 離散時間系におけるフィルタ定数算出

【参考文献】

  • 関原聡一:「家電製品を支える高性能モータ駆動技術」東芝レビュー2003,VOL.58,NO.9
  • 山田敏明,中沢洋介,白石茂智:「更なる低騒音、省エネルギーを実現する鉄道車両用パワーエレクトロニクス製品」東芝レビュー2006,VOL.61,NO.9
  • 長竹和夫他:「家電用モータ・インバータ技術」,日刊工業
  • 三菱電機製IPM PS21563データシート
  • AVAGO製ゲート駆動フォトカプラACPL-P341_W341データシート
  • IR製ゲート駆動用高耐圧IC IR2110データシート
  • IR製ゲート駆動用高耐圧IC IR2136データシート本書のIR製品画像およびデータシートはIR社の許可を得て掲載しております。
  • 東芝パワーMOSFET アプリケーションノート
  • 東芝製MOSFET TK100F04K3データシート
  • 東芝製IGBT GT15J341データシート
  • AVAGO製ゲート駆動フォトカプラACPL-H342_K342データシート
  • 鈴木信行,長谷川幸久,小柴晋:「省エネ化を促進できるモータ駆動  用ベクトル制御マイコンTMPM370」,東芝レビュー2012,VOL.67,NO.1
  • 稲葉保:「パワーMOSFET活用の基礎と実際」,CQ出版社
  • E. Clarke:Circuit Analysis of A-C Power Systems(1943) John Wiley
  • 電気学会:基礎電気機器学,電気学会(1984-2)
  • 猪狩武尚,市川友之:「三相二相変換における数値係数と変換の物理的意味に関する考察」,電気学会論文誌.D,Vol.107(1987),No.12
  • R.H.Park & B. L. Robertson:“The Reactance of Synchronous Machines”,Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs, 47, 514(1928)
  • 武田洋次,松井信行,森本茂雄,本田幸夫:「埋込磁石同期モータの設計と制」,オーム社
  • Thomas M. Jahns, Gerald B. Kliman,Thomas W.Neumann:“Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives,”IEEE Transactions, Industry Applications, pp.738-747 (1986)
  • 森本茂雄,弓削靖,武田洋次,平紗多賀男:「PMモータの機器定数 と出力範囲」,電気学会論文誌.D,Vol.110(1990),No.11
  • 森本茂雄,畠中啓太,童毅,武田洋次,平紗多賀男:「PMモータの弱め磁束制御を用いた広範囲可変速運転」,電気学会論文誌.D,産業 応用部門誌,Vol.112(1992),No.3
  • 新中新二:「突極特性を持つ同期モータベクトル制御のための再帰形指令電流生成法」,電気学会論文誌.D,Vol.118(1998),No.4
  • Thomas M. Jahns:“Flux-Weakening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive,”IEEE Trans, Industry Applications, pp.681-689(1987)
  • 中沢洋介他:「永久磁石式リラクタンスモータの弱め磁束制御」,平成11年電気学会全国大会
  • 中沢洋介:「モータ制御装置」,登録特許公報第3566163号,出願番号P2000-1652
  • 森本茂雄,弓削靖,武田洋次,平紗多賀男:「PMモータの機器定数と出力範囲」,電気学会論文誌.D,Vol.110(1990),No.11
  • 森本茂雄,畠中啓太,童毅,武田洋次,平多賀男:「PMモータの弱め磁束制御を用いた広範囲可変速運転」,電気学会論文誌.D,Vol.112(1992),No.3

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