JP2579977B2 - 電動機の発電制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電動機の発電制御装置に係り、特にインバ
ータを用いて発電電圧を制御する誘導機の発電制御装置
に関する。

（従来の技術） 誘導機を発電機として動作させる代表的な方式は２種
類ある。一つは誘導機の端子に進相コンデンサを接続し
て発電させる方式である。一般に誘導機の端子に進相コ
ンデンサを接続すると、誘導機の端子に発生した電圧に
対して進相コンデンサに流れる電流は誘導機を励磁する
方向にあり、誘導機の内部磁束が飽和するまで端子電圧
が上昇する、いわゆる自励現象を利用したものがこの方
式であるが、これによると、誘導機に接続される負荷の
電圧を制御するために進相コンデンサと並列に交流リア
クトルを接続して誘導機の無効電流を制御する必要があ
る。

他の一つはインバータの回生制御として知られている
方式である。代表的な基本構成を第５図に示す。１は誘
導機、２は回転速度検出器、３はインバータ、４はコン
デンサ、５は負荷抵抗、６は整流器、７は交流電源、８
はトランジスタ、９は速度制御回路、10は電圧検出器、
11は電圧指令回路、12はヒステリシスコンパレータであ
る。この回路はインバータを用いた誘導機の駆動装置と
してよく使われている。

通常、誘導機１の回転速度はインバータ３が出力する
一次周波数の同期速度よりも低い速度で電動機として動
作するが、回転速度が同期速度より高くなると発電機と
して動作し、誘導機１の回転軸の機械エネルギーが電気
エネルギーに変換され、インバータ３を介して直流側に
回生される。その結果、コンデンサ４の電圧が上昇して
電圧指令回路11からの値を越えると、電圧検出回路10、
ヒステリシスコンパレータ12によってトランジスタ８が
ONし、コンデンサ４のエネルギーが負荷抵抗５で消費さ
れ、誘導機１の制動動作が行われる。その結果、コンデ
ンサ４の電圧が下降して電圧指令回路11からの値以下に
低下するとトランジスタ８がOFFし、負荷抵抗５には制
動動作が行われている間だけパルス状の波形の電圧が印
加される。この方式は、インバータを用いて誘導機の一
次周波数を連続的に制御することができるので、広範囲
の回転数領域に対しても無理なく回生制動動作が行われ
る。

（発明が解決しようとする課題） 誘導機の端子に進相コンデンサを接続した場合でも負
荷に一定電圧を供給するためには、その全範囲をカバー
できるような進相コンデンサ容量と交流リアクトル容量
が必要になり装置が大形化する。特に進相コンデンサ容
量は回転数のほぼ二乗に比例するので回転数範囲が広い
場合は実用化が難しい。

インバータの回生制動として知られている方式の構成
のものは、誘導機を電動機とし可変速運転することが本
来の機能であり、上述した回生時の制御は主としてイン
バータを過電圧から保護するためのものである。インバ
ータ３を制御する速度制御回路９には回生時の負荷の電
圧制御などの機能がないのが普通であり、従来はインバ
ータを用いて誘導機を積極的に発電制御する手段はなか
った。そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされ、イ
ンバータの利点を生かしながら負荷変動が大きい場合や
回転数変動が広い場合にも安定した電圧を負荷に供給す
ることのできる誘導機の発電制御装置を提供することを
目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の電動機の発電制
御装置は、第１図に示すように、誘導機１から出力され
る交流電圧とコンデンサ４に充電された直流電圧との間
で電力変換を行うインバータ３と、電圧指令値と前記イ
ンバータの直流側或いは交流側の電圧検出値との電圧偏
差に基づいて前記誘導機のすべり周波数を決定する電圧
制御部16と、前記すべり周波数と前記誘導機の回転速度
検出値とから前記インバータの交流側の周波数を決定し
前記インバータを制御する制御部17とを備え、前記イン
バータの直流側或いは交流側に負荷５を接続するととも
に、前記電圧偏差が減少するように前記インバータの交
流側の周波数を制御する。

（作用） 誘導機１の回転速度変動や負荷５の変動など何らかの
外乱の影響で負荷５の電圧が変化すると電圧指令値との
間で電圧偏差が生じ、前記電圧制御部によってすべり周
波数が決定され、前記制御部によって誘導機１の回転速
度検出値とすべり周波数とから誘導機１の一次周波数が
決定され、該電圧偏差が減少するようにすべり周波数が
制御され、インバータ３の交流側の出力周波数が制御さ
れ、負荷５に供給される電圧が電圧指令値に対応した値
に制御される。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第２図に示して説明する。
なお、従来と同一の構成部分については同一符号を付し
その説明は省略する。

この実施例は、負荷５がインバータ３の直流側に接続
された場合の例を示したもので、誘導機１の発電制御が
確立していないときに誘導機１に励磁電圧を加えるため
の初期励磁回路30と、すべり周波数を決定して負荷５に
供給する電圧を制御するための電圧制御回路31と、誘導
機１の一次周波数を決定しインバータ３を制御するため
のインバータ制御回路32を有している。初期励磁回路30
は、バッテリ40とダイオード41から成り、電圧制御回路
31は、負荷５の電圧を検出する電圧検出器42と、電圧指
令値を設定する電圧指令回路43と、電圧指令値と電圧検
出値との誤差電圧dvを求める減算器44と、誤差電圧dvを
増幅しすべり周波数fsとして出力する電圧制御アンプ45
と、すべり周波数fsの最大値を誘導機１の特性によって
定まる一定の限界値fs minに制限するリミット回路46と
から構成されている。インバータ制御回路32は、すべり
周波数fsと回転速度検出器２で検出された回転周波数fr
を加算して一次周波数f1を求める加算器47と、一次周波
数f1を積分して一次位相Q1を求める積分器48と、一次位
相Q1に基づいて電圧基準Ｖ^＊を生成する正弦波関数テー
ブル49と、三角波のキャリア信号Vcを発生する三角波発
生器51と、電圧基準Ｖ^＊とキャリア信号Vcを比較してイ
ンバータ３の各トランジスタT1〜T6をスイッチングする
ためのゲート信号を出力するヒステリシスコンパレータ
50とから構成される。

上記構成において、インバータ３は、負荷の電圧が電
圧指令値と一致するように周波数のみが制御され、従来
（第５図）のように、直流側と交流側の電圧比を制御す
ることは行わない。

まず、本実施例によって負荷５の端子電圧がいかに一
定に制御されるかを、負荷５が変動した場合と速度が変
動した場合について第３図を併用して説明する。

第３図は、回転速度を一定にした場合のすべり周波数
に対する誘導機１の発電パワーの特性を示したもので、
回転速度が高いときをＡ、低いときをＢとして示してい
る。また、すべり周波数が正の範囲におれば誘導機１の
発電パワーが負となり電動機として動作し、すべり周波
数が負の範囲にあれば誘導機１の発電パワーは正となり
発電機として動作することを示している。すべり周波数
の負の範囲において、すべり周波数がゼロに近い範囲で
はすべり周波数の減少にともなって発電パワーが単調増
加し、誘導機１の特性で定まるある限界値fs min以下に
なると、すべり周波数の減少にともなって発電パワーが
減少する。この特性を利用したものが本発明の基本とな
るものであるが、限界値fs minより小さなすべり周波数
で動作することはない。

《負荷が変動した場合》 誘導機１が高い回転速度（特性Ａ）で運転し、ある端
子電圧のもとですべり周波数fsa、パワーPaで負荷５に
安定に電圧を供給しているとき、負荷５の消費パワーが
PaからPbに急増すると、負荷の消費パワーに対して誘導
機の発電パワーが不足して負荷５の電圧が低下する。電
圧制御回路31は、電圧検出器42の検出電圧と電圧指令値
との誤差電圧dvの増加から電圧低下を感知すると誤差電
圧dvに基づいてすべり周波数fsを減少させて発電パワー
を増加させ、最終的に負荷５のパワーPbとバランスする
すべり周波数fsbを出力し、インバータ制御回路32は、
負荷５の電圧が電圧指令値を維持するようにインバータ
３の交流側の出力周波数を制御する。負荷の消費パワー
が急減した場合はすべり周波数を増加させるように電圧
制御回路31が動作して負荷５の電圧は一定に制御され
る。

《速度が変動した場合》 誘導機１が高い回転速度（特性Ａ）で運転し、ある端
子電圧のもとですべり周波数fsa、パワーPaで負荷５に
安定に電圧を供給している場合に、回転速度が低下して
誘導機１の特性が第３図のＡからＢに移ったとき、誘導
機１の発電パワーはPaからPa′に低下し、負荷の消費パ
ワーPaに対して不足するので負荷の電圧が減少する。こ
の場合も電圧制御回路31は前述と同様にしてすべり周波
数を減少させて発電パワーを増加させ、最終的には負荷
の消費パワーとバランスするすべり周波数fscに制御さ
れ、負荷５の電圧は電圧指令値に対応した値に維持され
る。

次に、電圧指令回路43からの指令値が変化した場合、
本実施例によっていかに電圧指令回路43からの指令値に
相応する電圧に負荷の電圧を制御することができるかを
説明する。

今、誘導機１がある端子電圧のもとですべり周波数fs
a、パワーPaで負荷５に安定に電圧を供給しているもの
とする。電圧指令回路43からの指令値を増加させると、
電圧制御回路31によってすべり周波数fsが減少し、誘導
機１の発電パワーは負荷５の消費パワーよりも大きくな
り、パワーの差分はコンデンサ４に蓄えられてインバー
タ３の直流電圧が上昇し負荷の電圧も上昇する。最終的
に電圧指令回路43からの指令値に相応した電圧が負荷に
供給される。

このように、本実施例は電圧の変動を検出してすべり
周波数を制御し、負荷の電圧を指令値どおりに制御す
る、いわゆるフィードバック制御を原理とするものであ
る。

なお、誘導機１の発電制御が確立していないときは、
誘導機１はバッテリー40の電圧値と、インバータ３の直
流側と交流側との電圧比によって決定される電圧で励磁
される。インバータ３の直流側の電圧がバッテリー40の
電圧よりも高い場合はダイオード40はOFFし、バッテリ
ー40からエネルギーの放出は行われない。

以上述べたように、本実施例によれば、負荷の大きさ
や種類に関係なく回転数の変動が広い場合に対しても、
インバータの直流側負荷に任意の安定した電圧を供給す
ることができる。また、従来例のように負荷に供給する
電圧がパルス状になることもない。本実施例は負荷によ
って利用される分野は異なるが、直流電圧発生装置とし
て幅広い分野で利用することができる。例えば、負荷が
抵抗の場合は負荷の電圧を変えることで制動力が自在に
制御可能な制動装置として利用できる。

さらに、本発明の他の実施例を第４図を用いて説明す
る。この実施例は、負荷５をインバータ３の交流側に接
続する場合の例である。本実施例の場合、電圧検出回路
42は交流側の電圧の大きさを検出して先の実施例と同様
の作用をし、負荷５の大きさや回転数が変動しても電圧
指令値に対応した任意の交流電圧を負荷５に供給するこ
とができ、交流電圧発生装置として幅広い分野で利用す
ることができる。また、インバータ３を用いるので、従
来のように回転数範囲が広い場合にも装置が大型化する
ことはない。特に、回転数が一定の場合は自家発電用の
交流発電装置として容易に実用化できる。インバータ３
の交流側の電圧はパルス幅変調によるパルス状の波形と
なるが、インバータ３の交流出力側にリアクトルとコン
デンサからなるLCフィルタを挿入すれば負荷５に供給す
る電圧は正弦波状の電圧とすることができる。更に、イ
ンバータ３のスイッチング素子を電界効果トランジスタ
（FET）を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）
など最近の電力用高速スイッチング素子を用いて変調周
波数を高くすればLCフィルタは小形化することができ
る。

（発明の効果） 本発明の誘導機の発電制御装置によれば、負荷変動が
大きい場合や回転数変動が広い場合に対しても安定した
電圧を負荷に供給することができ、負荷が直流側に接続
される場合は直流電圧発生装置、交流側に接続される場
合は交流電圧発生装置として広い分野に利用することが
できる。また、すべり周波数を制御することにより負荷
の電圧を制御するので、回転速度検出器に検出の誤差が
あったとしても、その誤差はすべり周波数で修正され、
負荷の電圧を制御することに悪影響を与えないという利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を示す概要構成図、第２図は、本発明
の一実施例を示す概要構成図、第３図は、上記実施例の
動作を説明するための誘導機の特性図、第４図は、本発
明の他の実施例を示す概要構成図、第５図は、従来の電
動機の発電制御装置を示す概要構成図である。 （符号の説明） １……誘導器、３……インバータ ４……コンデンサ、５……負荷 10、42……電圧検出器、11、43……電圧指令回路 13、44……減算器、14、45……電圧制御アンプ 15、46……リミット回路、16、31……電圧制御回路 17、32……インバータ制御回路、47……減算器 48……積分器、49……正弦波関数テーブル 50……ヒステリシスコンパレータ、51……三角波発生器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘導機から出力される交流電圧とコンデン
   サに充電された直流電圧との間で電力変換を行うインバ
   ータと、電圧指令値と前記インバータの直流側或いは交
   流側の電圧検出値との電圧偏差に基づいて前記誘導機の
   すべり周波数を決定する電圧制御部と、前記すべり周波
   数と前記誘導機の回転速度検出値とから前記インバータ
   の交流側の周波数を決定し前記インバータを制御する制
   御部とを備え、前記インバータの直流側或いは交流側に
   負荷を接続するとともに、前記電圧偏差が減少するよう
   に前記すべり周波数を制御することを特徴とする電動機
   の発電制御装置。