JP3364289B2 - 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 - Google Patents
可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置Info
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Description
を駆動する可変速同期電動機の誘導機形励磁を採用した
ブラシレス励磁装置に関する。 【0002】 【従来の技術】図6は、従来技術による可変速同期電動
機のブラシレス励磁装置の一例を示す。図6において、
可変速同期電動機(主機)の電機子6は、可変周波数・
可変電圧の電源20により、その供給周波数を変化させ
て励磁され電動機として駆動される。 【0003】その際、主機界磁18では、図6に示すよ
うに、励磁機1の固定子巻線2が、可変電圧の電源21
で励磁され、回転部分19の回転子巻線9に誘導される
交流を回転整流器17で直流に変換して励磁が行なわれ
る。 【0004】この励磁器1では、いわゆる誘導機形励磁
機であって、固定子巻線2、回転子巻線9とも多相の回
転磁界を形成する交流巻線で構成される為、回転子巻線
9に誘導される交流の周波数、電圧は、主機回転数によ
って変化し、また、主機電機子6の負荷電流によっても
必要とする主機励磁電流を変化させる必要があるため、
回転周波数検出器5、主機電機子電流検出器7の信号よ
り、各々の信号変換装置22,23とこれら出力信号よ
り電源21の電圧を決定する演算装置24を経てゲート
制御回路25により電源21の出力電圧を制御して励磁
運転されている。 【0005】主機定常負荷(トルク)では、その界磁電
流を一定に保持する必要があるため、主機回転数の変化
がある場合には、それに伴って励磁機固定子巻線2を励
磁する電源21の電圧を制御し、主機界磁電流を一定に
している。 【0006】もちろん負荷(トルク)変化時には、主機
励磁を変化させる必要があるため、この際にも励磁機1
の固定子巻線2を励磁する電源21の電圧を制御するこ
とになる。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】かかる図6に示す従来
技術の可変速同期電動機のブラシレス励磁装置では、急
速な、負荷急変時、あるいは広範囲な速度制御される場
合に、次のような欠点がある。 【0008】(1)励磁機1の固定子側から回転子側へ
の誘導は、鉄心を介した磁気的な結合によってこの磁束
量の変化によって誘導する為、急速な負荷急変時に対応
する主機励磁電流の変化が遅れ、また必要な主機励磁電
流を確保する為には過電圧による励磁(フォーシング)
が必要となり、電源容量や励磁機サイズを大きくしてお
くことが必要になる。 【0009】(2)広範囲な速度可変を必要とする機械
では、上記(1)で説明した原理で固定子側から回転子
側への電力変換が行われるので、主機回転数によっては
励磁機1の回転子巻線9に誘導される周波数が極端に低
くなる場合があり、その結果として誘導電力が減少する
ため、設計段階からそのような特殊な条件を考慮した体
格の大きな励磁機1を準備しておく必要がある。この様
に、従来技術では、特殊な運転条件を考慮した励磁機1
や電源装置の準備が必要なことから、これら励磁関係の
装置が大きくなり経済的にも高価なものになる。 【0010】したがって、本発明では、これら励磁関係
の装置を大きくしなくても、小形の装置で所定の機能が
発揮できると共に、負荷急変時には時間遅れが少なく、
急速に励磁を変化させる事ができる励磁装置を提供する
ことを目的とする。 【0011】 【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、可変周波数電源にて運転される同期電動機(主機)
のブラシレス励磁制御装置において、本発明は、励磁機
は誘導機形交流励磁機であり、この励磁機の固定子巻線
には可変周波数可変電圧の電源が接続され、この電源か
らの回転磁界の誘導により交流を得る回転子巻線から直
流に変換する回転整流器を介して励磁される主機界磁巻
線を有し、主機電機子電流の微分値を求める微分手段
と、上記回転子巻線に誘導される交流の周波数として、
微分手段で求めた微分値が正のときには微分値が零のと
きの基準周波数に対して大きく設定し、負のときには基
準周波数に対して小さく設定する周波数設定手段とを具
備し、主機電機子電流信号による磁束、及び回転周波数
信号と周波数設定手段で設定された周波数との和によっ
て、可変周波数可変電圧の電源の電圧の制御回路を形成
した、ことを要旨とする。 【0012】 【0013】 【0014】 【作用】励磁機の周波数変化に伴う高速応答により主機
の界磁制御をすることができ、負荷急変に対応すること
ができて、高精度の制御ができる。また、このため即応
励磁により体格の増加なく過励磁に対する裕度も少なく
て小形化が図れる。更に、周波数設定により回転数に関
係なく運転できて広範囲な運転制御ができる。 【0015】 【実施例】図1は本発明による可変速同期電動機のブラ
シレス励磁装置の構成の実施例を示す。なお、図1にて
図6と同一部分には同符号を付す。図1において、交流
励磁機1の固定子巻線2を励磁する電源3は、従来と異
なり可変周波数、可変電圧の出力を出せる電源である。 【0016】この電源3の出力周波数、出力電圧を制御
する為、次のような検出器や制御装置が構成されてい
る。まず励磁用の電源3の出力周波数を制御する為に
は、主機同期電動機4の回転周波数検出器5、主機電機
子6、電流を検出する検出器7を設ける。このうち、電
流検出器7は主機電機子電流is の信号を微分する回路
8に接続され、更にその出力信号によって図2に示す関
係で周波数を決定する周波数設定器10に接続され、回
転周波数検出器5に接続されて周波数fs を交流励磁機
周波数信号に変換する周波数信号変換装置11の出力信
号fr と前記設定器10の出力信号f2cを加算する加算
回路12の出力信号によって、ゲート制御回路13を制
御し、結果的に電源3のインバータ32の出力周波数を
制御する。ここで、周波数設定器10は、その入力とし
て主機電機子電流を微分信号(dis /dt)に対し、
図2に示す関係による設定値信号f2cをその出力とす
る。 【0017】また、周波数信号変換装置11は、回転周
波数fs の信号を励磁機1の極数にあった周波数fr の
信号に変換する機能を持っており、後述の(2)式にて
信号変換される。 【0018】励磁用の電源3の出力電圧を制御する為に
は、前記電機子6の電流を検出する検出器7の信号is
を入力として図3に示すように予め設定された主機電機
子電流に対する励磁機磁束に関連した信号レベルΦc を
発生する磁束信号制御装置14と、その出力信号と前記
加算回路12の出力信号を入力として制御される電圧制
御装置15とを有し、この出力信号で制御されるゲート
制御回路16で、電源3のコンバータ31の直流出力電
圧、結果的にはインバータ32の出力交流電圧を制御す
る。 【0019】ここで、磁束信号制御装置14は、主機電
機子電流is に対し、図3に示す関係のする励磁機1の
磁束Φに関係した信号Φc を発生する機能を持ってい
る。また、電圧制御装置15は、磁束信号制御装置14
の出力信号Φe と、前記加算回路12の出力信号(fr
+f2c)の掛け算の演算機能を持った制御装置である。 【0020】この様に制御された電源3で励磁機1の固
定子巻線を励磁すると、その回転磁界で、回転子巻線9
に誘導される交流は、回転整流器17で直流に変換さ
れ、主機4の界磁巻線18を励磁する構成となってい
る。 【0021】つぎに、図1に示す構成の動作を説明す
る。励磁用の電源3の出力周波数、即ち励磁機固定子巻
線2の励磁周波数f1 、励磁機回転子巻線9の誘導周波
数f2 、励磁機極数に換算した回転周波数fr の関係は
下記(1)式で表せる。 【0022】 【数1】 f1 =f2 +fr ……(1) ここで、主機電機子6の回転周波数fs 、主機極数P
s 、励磁機の極数をPe とすると、励磁機極数Pe に換
算した回転周波数fr は次の(2)式で表せる。 【0023】 【数2】 fr =fs +(Pe /Ps ) ……(2) 図1で回転周波数検出器5で検出する信号はfs に相当
し、周波数信号変換装置11によって(2)式で変換さ
れるので、電源3の出力周波数を決定するゲート回路入
力信号f1 は、周波数設定器10の出力信号f2cと周波
数信号変換装置11の出力信号fr の和で、次の(3)
式で表す事ができる。 【0024】 【数3】 f1 =f2c+fs ×(Pe /Ps ) ……(3) そして、上述の(1)〜(3)式から次の(4)式を得
る。 【0025】 【数4】 f2 =f2c ……(4) つまり、周波数設定器10の出力信号f2cが励磁機1の
回転子巻線誘導周波数f2 と1対1対応している。そこ
で、周波数設定器10の出力信号が変化すれば、励磁機
の回転子巻線9の誘導周波数も変化することができる。 【0026】一定負荷、即ち主機電機子電流is を一定
とすると、電機子電流の時間的変化率(dis /dt)
は零で、図2に示すようにf2cはf2oの信号を発生す
る。即ち、励磁機1の回転子巻線誘導周波数f2 は、主
機の回転数に関係なく一定で励磁される。また、電源3
の電圧、即ち励磁機固定子巻線2の電圧v1 、励磁機1
の回転子巻線9の誘導電圧v2 の関係は次の(5),
(6)式で表せる。 【0027】 【数5】 v2 =ke2 ×f2 ×Φ ……(5) v1 =ke1 ×f1 ×Φ =ke1 ×(f2 +fr )×Φ ……(6) かかる(5),(6)式において、ke1 ,ke2 は励
磁機設計で決まる定数、Φは励磁機1磁気回路の磁束数
である。 【0028】こうして、電源3の出力電圧v1 は、前記
(6)式にしたがって、磁束Φに関しては、磁束信号制
御装置14の出力信号、(f2 +fr )に関しては加算
回路12の出力信号を入力信号として制御される電圧制
御装置15の機能によりコンバータ31の出力電圧を制
御することによって決められる。 【0029】回転部分19の回路において、主機界磁電
流Ifは、主機界磁巻線18の抵抗値をRf、定数をk
fとすると、(6)式を考慮して次の(7)式の関係で
表せる。 【0030】 【数6】 If=kf×v2 /Rf =(kf/Rf)×ke2 ×f2 ×Φ ……(7) すなわち、f2 及びΦによって主機界磁電流Ifが変化
する。 【0031】次に主機負荷が急激に変化する運転時の制
御の方法について説明する。主機電機子電流is が急増
した時、(dis /dt)は正の値となり、図2に示す
場合にはf2c>f2oとなり、上記の説明から、励磁機1
の回転子巻線9の誘導周波数f2 が増加する制御をする
ことになる。同時に図3に示すように磁束Φも増加させ
るようにv1 を制御する。 【0032】これを(7)式で説明すると、f2 ,Φの
両者が急増することになるが、Φは磁気回路の遅れを持
つが、f2 は遅れなくIfを急速に増加させることにな
るので、磁束Φの変化のみによっていた従来技術に比較
して早い界磁電流応答を実現できる。 【0033】また逆に主機電機子電流is が急減した時
には、反対の作用でやはり、急速に界磁電流変化を減少
させる事ができる。以上、定常負荷時、負荷急変時につ
いて、本実施例の動作を説明してきた。 【0034】この実施例による可変速同電動機に及ぼす
効果について次に述べる。特に負荷急変時には、従来技
術に比べ、励磁器の周波数を変化できる為、負荷に見合
った早い応答で主機の界磁電流を制御できることになる
ので、鉄鋼圧延主機における応用のように、鋼板噛み込
み時における急激な負荷増加にたいして、時間遅れを少
なく、即応励磁が提供でき、主機の体格を増加させるこ
となく、また過励磁(フォーシング)等の装置上の裕度
を持つ必要がなく、小形の制御装置や電源装置でも、十
分その機能を発揮させる事ができる。 【0035】交流励磁機も殆どの定常負荷時には、回転
数に関係なく一定の周波数f2 で運転できるので、広範
囲な運転制御を必要とする負荷に対する駆動機の場合で
も、大きな体格の励磁機を必要とすることなく構成する
ことが可能となる。 【0036】その究極的効果としては、小形で、高い制
御性のブラシレス同期電動機を提供できる。図4は、本
発明による他の実施例である。ここでは、前述の実施例
の回転周波数検出器5がなく主機回転周波数の検出を主
機駆動電源電圧検出器29の周波数(電源周波数)信号
より得ている。これは、本実施例の対象が同期機である
ため、回転周波数と電源周波数は、いかなる運転条件に
おいても一義的に次式(8)で関連付けられることによ
る。 【0037】 【数7】 fr =2×fs /Ps ……(8) 但し、fr :回転周波数、fs :電源周波数、Ps :主
機極数。前述の実施例と異なる点を述べるに、この実施
例での磁束信号制御装置26は、主機駆動電源電圧vs
の信号と周波数fs の信号の除算器27の出力信号Ts
を更に周波数設定器10の信号で割り算するもう一つの
除算器28の出力信号を入力として図5に示すような関
係の設定信号Φc を発生する機能を有している。 【0038】主機発生トルクTs は、主機磁束Φs 、電
機子電流is 、その位相差θ、主機端子電圧vs 、力率
角φ、回転角速度ω、主機効率ηとすると、次式の関係
で表される。但し、ksa,ksbは定数である。 【0039】 【数8】 Ts =ksa(Φs ×is ×cosθ) =ksb(is ×vs ×cosφ)×η/ω ……(9) (9)式とω=2πfs の関係より、Φs は次式とな
る。なお、kscは定数である。 【0040】 【数9】 Φs =ksc(vs ×η×cosφ)/(fs ×cosθ) ……(10) Φs は、略励磁電流Ifと比例関係にあるので、(7)
式から励磁機1の磁束Φは、次式となる。但し、η,
φ,θに関係する値は、一括して関数f(η,φ,θ)
として表現しておくことにする。ksdは定数である。 【0041】 【数10】 上記に述べた演算装置の組合せによって(11)式の関
係を実現する事ができる。即ち、除算器27は、主機電
圧、周波数に関係する要素が、除算器28によって、
(4)式の関係から励磁機回転子巻線9の誘導周波数f
2 に関係する要素が演算できる。従って、磁束信号制御
装置26は、(11)式の他の要素、即ちksd,f
(η,φ,θ),kf,Rf,ke2 に関係した設定値
を考慮した演算機能を持っている。図4の実施例によれ
ば、主機運転状態に必要な励磁機1の磁束量を設定し
て、電源3、即ち励磁機固定子巻線2、印加電圧、周波
数を制御できることになる。 【0042】ここに述べた実施例に限らず、その主旨を
変えない範囲で図1の実施例を含め、その全部又は一部
を変更して組合わせ実施する事ができるのは言うまでも
ない。 【0043】 【発明の効果】本発明の効果を整理すると次のようにな
る。 (1)急速に変動する負荷に対する駆動機として、早い
応答の界磁電流制御を行うことができるブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【0044】(2)広範囲な速度範囲を必要とする負荷
の駆動機として、その交流励磁機は小形で良く、電動機
全体としても据付面積が小さく、安価なブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【0045】(3)電動機のみならず、電源設備面でも
従来より小容量で済む等、ユーザーに取って、経済的に
大きなメリットをもたらす。 (4)ブラシ等の摺動部がないブラシレスであるため、
保守点検が容易であるばかりでなく、雰囲気を選ばない
広範囲の用途に適用可能となる。
置のブロック図である。 【図2】本発明の一実施例による周波数設定器の機能動
作特性図である。 【図3】本発明の一実施例による磁束信号制御装置の機
能動作特性図である。 【図4】本発明の他の実施例によるブラシレス励磁制御
装置のブロック図である。 【図5】本発明の他の実施例による磁束信号制御装置の
機能動作特性図である。 【図6】従来技術によるブラシレス励磁制御装置のブロ
ック図である。 【符号の説明】 1 励磁機 2 固定子巻線 3 可変周波数可変電圧電源 4 同期電動機(主機) 5 回転周波数検出器 7 電機子電流検出器 8 微分回路 9 回転子巻線 10 周波数設定器 14 磁束信号制御装置 15 電圧制御装置 27,28 除算器 29 駆動電源電圧検出器
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 可変周波数電源にて運転される同期電動
機(主機)のブラシレス励磁制御装置において、 励磁機は誘導機形交流励磁機であり、この励磁機の固定
子巻線には可変周波数可変電圧の電源が接続され、 この電源からの回転磁界の誘導により交流を得る回転子
巻線から直流に変換する回転整流器を介して励磁される
主機界磁巻線を有し、主機電機子電流の微分値を求める微分手段と、上記回転
子巻線に誘導される交流の周波数として、微分手段で求
めた微分値が正のときには微分値が零のときの基準周波
数に対して大きく設定し、負のときには基準周波数に対
して小さく設定する周波数設定手段とを具備し、主機電
機子電流信号による磁束、及び回転周波数信号と周波数
設定手段で設定された周波数との和によって、可変周波
数可変電圧の電源の電圧の制御回路を形成した、 ことを特徴とする可変速同期電動機のブラシレス励磁制
御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26143993A JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP26143993A JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH07123781A JPH07123781A (ja) | 1995-05-12 |
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JP26143993A Expired - Fee Related JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
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---|---|---|---|---|
JP6424729B2 (ja) * | 2015-05-07 | 2018-11-21 | スズキ株式会社 | 回転電機 |
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1993
- 1993-10-20 JP JP26143993A patent/JP3364289B2/ja not_active Expired - Fee Related
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