JP3428256B2 - 誘導電動機の速度制御装置 - Google Patents

誘導電動機の速度制御装置

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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明はポンプやファンなど
を可変速制御するのに好適な誘導電動機の速度制御装置
に関する。 【0002】 【従来の技術】ポンプやファンなどの可変速駆動用装置
として、例えば特公平3−41024号公報に記載されている
ような誘導電動機の速度制御装置が知られている。図5
にこの速度制御装置の回路構成図を示す。図5におい
て、巻線形誘導電動機(以下、誘導機という)1にポン
プやファンなどの負荷17が直結され、更に回転速度計
18が取り付けられている。誘導機1の2次交流電圧は
ダイオード整流器2により直流に変換される。誘導機1
の2次直流電流は自己消弧機能をもつスイッチング素子
28(トランジスタ,GTO,IGBTなど)と逆流阻
止用のダイオード29で構成される昇圧チョッパ回路5
0で制御される。昇圧チョッパ回路50はスイッチング
素子28がオンの時に誘導機の2次側を短絡し、ダイオ
ード整流器2の出力電流を増加させ配線及び誘導機1の
インダクタンスにエネルギーを蓄積する。スイッチング
素子28がオフの時にはダイオード整流器2の出力電流
を遮断して蓄積されたエネルギーをダイオード29を介
してコンデンサ31に充電する。コンデンサ31の電圧
は、誘導機の2次定格電圧の整流電圧よりも高い値にな
っている。逆変換器32は、スイッチング素子28がオ
フしているときコンデンサ31に充電される誘導機1の
2次電力を電源に回生する。尚、30はリアクトル、3
3は変圧器を示す。 【0003】スイッチング素子28を駆動するには速度
指令回路38の速度指令信号と回転速度計18の速度検
出信号を比較器37により比較し電流指令信号を得る。
次に、この電流指令信号と電流検出器34で検出した電
流検出信号をヒステリシス特性付きの比較器36で比較
しスイッチング素子28のオン,オフ信号を作成する。
スイッチング素子28は電流指令信号が電流検出信号よ
り所定値(ヒステリシス幅値)以上増加したときにオフ
し、逆に電流指令信号が電流検出信号より所定値以下に
減少した場合にオンする。ダイオード整流器2の出力電
流は、図6に示されるように比較器36のヒステリシス
で決定される脈動幅をもつ直流電流となる。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】誘導機の容量を上げる
ためには、誘導機の2次定格電圧を高くする方法が一般
的である。誘導機の2次電圧を高くしたときには誘導機
の2次整流電圧以上に直流電圧Vcdも高くしなければ
昇圧チョッパ回路が成立しない。 【0005】ここで、誘導機の2次電流を整流した直流
電流Idは、スイッチング素子がオンしているときは数
1で示され、スイッチング素子がオフしているときは数
2で示される。 【0006】 【数1】 【0007】 【数2】 【0008】ただし、Vdは誘導機の2次電圧を整流し
た電圧 Vcdは直流電圧 Rは配線,ダイオード整流器及び誘導機の抵抗 Teは配線,ダイオード整流器及び誘導機の時定数 tは経過時間 誘導機の2次電圧及びコンデンサ電圧を高くしたときに
は数1及び数2より理解できるように直流電流Idの増
減の傾きは大きくなる。このため、比較器のヒステリシ
スを変えずに誘導機の2次電圧を高くすると、整流ダイ
オードの出力電流の脈動幅は変化しないが比較器より出
力される信号のオンとオフの周期は短くなる。すなわち
スイッチング素子の単位時間のスイッチング量が増加し
スイッチングによる損失は大きくなる。したがってこの
損失の増加により、スイッチング素子の定格電流を大き
くする必要があった。 【0009】本発明の目的は、誘導機の2次定格電圧を
高くしてもスイッチング周期を短くすることなく電流の
脈動幅を抑制することが可能な誘導電動機の速度制御装
置を提供することにある。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明は、昇圧チョッパ
回路を2個のスイッチング素子を直列接続して構成する
と共に、両スイッチング素子と並列にそれぞれコンデン
サを接続し、2個のスイッチング素子を交互にオン,オ
フするようにしたものである。このように、両スイッチ
ング素子を交互にオン,オフさせることによって昇圧チ
ョッパ回路の出力電圧の脈動幅は最大で直流電圧Vcd
の1/2となり、電流の脈動幅も従来の1/2になる。 【0011】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。 【0012】図1に本発明の一実施例を示す。尚、図1
において図5と同一部品には同一符号が付してある。
3,4は電流平滑用のリアクトル、5,6は直列に接続
された自己消弧機能をもつスイッチング素子(トランジ
スタ,GTO,IGBTなど)、7,8は逆流阻止用の
ダイオード、9,10は直列に接続された電圧平滑用の
コンデンサ、11,12はトランジスタ,IGBT,G
TOなどで構成される逆変換器、13,14は変圧器、
15,16はトランジスタ5,6を駆動するベース電流
を供給する増幅器、19はダイオード整流器2の出力電
流を検出するための電流検出器、20はトランジスタ
5,6を駆動するベース信号を作成する制御回路、2
1,22はコンデンサ9,10の電圧を検出するための
電圧検出器、23,24は逆変換器11,12を駆動す
るベース電流を供給する増幅器、25,26は電圧検出
器21,22より電圧検出信号を受け、コンデンサ9,
10の電圧を一定に保つように逆変換器11,12を制
御する制御回路である。 【0013】図1の動作は図5に示す装置とほぼ同様で
ある。すなわち、誘導機1の2次電流をダイオード整流
器2で直流に変換し、トランジスタ5,6及びダイオー
ド9,10で構成された昇圧チョッパ回路51により電
流制御し速度制御する。逆変換器11,12では、トラ
ンジスタ5または6がオフしたときに、コンデンサ9,
10に充電される誘導機1の2次電力を電源に回生す
る。具体的には、制御回路25,26は、電圧検出器2
1,22で検出されたコンデンサ9,10の電圧により
コンデンサ9,10の電圧を一定に電圧制御し、かつ電
源の位相を検出し、電源へ回生する電流波形を正弦波に
制御するための逆変換器11,12のベース信号を作成
する。増幅器23,24は、前記ベース信号を逆変換器
11,12を駆動するレベルまで増幅する。 【0014】さて、昇圧チョッパ回路51を構成するト
ランジスタ5,6を同時にオンまたはオフするとダイオ
ード整流器2の出力電流の脈動幅は従来と同じとなる。
本発明では、180°位相が異なるベース信号によりト
ランジスタ5,6を交互にスイッチングする。トランジ
スタ5,6のベース信号は図2に示す制御回路20によ
って作成される。 【0015】図2において、誘導機1の速度指令信号と
回転速度計18で検出された速度検出値をアナログ/デ
ジタル変換器(A/D変換器)40でデジタル信号に変
換した速度検出信号との偏差に応じて速度制御器41が
電流指令信号を出力する。電流指令信号と電流検出器1
9で検出されたダイオード整流器2の出力電流をA/D
変換器42でデジタル信号に変換した電流検出信号との
偏差に基づき電流制御器43が搬送波の振幅で正規化し
た電圧指令信号を出力する。搬送波は三角波発生器44
により、その周期がスイッチング周期となる三角波とし
て得られる。 【0016】次に、電圧指令信号と三角波を用いて18
0°位相が異なる2種類のベース信号を作成する動作
を、三角波と電圧指令信号とゲート信号の関係を示す図
3を参照説明する。 【0017】1)トランジスタ5のベース信号の作成 三角波と電圧指令信号を比較器45で比較し、搬送波比
較PWM方式のゲート信号を作成する。((イ)の信
号) 尚、搬送波比較PWM方式は良く知られており詳細説明
を省略する。 【0018】2)トランジスタ6のベース信号の作成 トランジスタ5のベース信号と位相が180°異なるベ
ース信号を作成するため、まず搬送波の振幅値から電圧
指令信号を引き、その値を三角波と比較器46で比較し
(ロ)の信号を作成する。この(ロ)の信号をNOT回
路47で反転することでトランジスタ5のベース信号と
180°位相が異なるベース信号が得られる。((ハ)
の信号) この位相が180°異なるベース信号によりトランジス
タ5,6を駆動すると、トランジスタ5,6は同時にオ
ンまたは同時にオフすることはなく、常に片側ずつオン
またはオフすることになる。昇圧チョッパ回路51の出
力電圧の変動は図4に示すようになる。図4はトランジ
スタのオン時間がスイッチング周期の1/2以下におけ
るトランジスタのベース信号と昇圧チョッパ回路51の
出力電圧の関係である。図4において、トランジスタ
5,6のうち一方がオンでもう一方がオフのとき、昇圧
チョッパ回路51の出力電圧は直流電圧Vcdの1/2
となる。また、トランジスタ5,6が両方ともオフのと
き、昇圧チョッパ回路51の出力電圧はVcdとなる。
このため、従来の昇圧チョッパ回路の電圧の脈動幅は直
流電圧Vcdになるのに対し、本発明では昇圧チョッパ
回路51の出力電圧の脈動幅は直流電圧Vcdの1/2
となる。尚、この関係はトランジスタのオン時間がスイ
ッチング周期の1/2以上のときも同様である。したが
って本発明は、昇圧チョッパ回路の出力電圧の脈動幅を
従来の1/2にすることにより、ダイオード整流器の出
力電流の脈動幅を従来の1/2とすることを可能とす
る。 【0019】尚、実施例では逆変換器11,12を直列
に設置したが、Vcdに耐え得る定格電圧の素子を逆変
換器に使用して1台の構成としても同じ効果が得られ
る。また、リアクトル3,4は、誘導機のインダクタン
スにより必要とする電流の脈動幅が得られればなくても
良いのは明らかなことである。 【0020】さらに、本実施例では、位相が180゜異
なる2種類のベース信号を、電圧指令信号を操作するこ
とで1種類の搬送波により作成したが、電圧指令信号を
操作せずに、位相が180゜異なるベース信号と比較し
ても作成することができるのは勿論のことである。 【0021】 【発明の効果】このように本発明は、例えば誘導機の2
次電圧を2倍にしたとき、従来と同じスイッチング周期
で2次整流電流の脈動幅を従来の1/2に抑制すること
ができる。したがって、誘導機の2次電流の脈動幅を抑
制できるため、速度制御精度を向上させることが可能と
なる。 【0022】また、昇圧チョッパ回路の出力電圧の脈動
幅は出力電圧Vcdの1/2となる。したがって、スイ
ッチング素子一個あたりの電圧の変動幅は1/2とな
り、スイッチング素子一個あたりのスイッチング損失を
減らすことができる。すなわち、素子の定格電流を小さ
くすることが可能となる。 【0023】またスイッチング素子を直列接続し素子の
中間を、同じく直列接続されたコンデンサの中間に接続
することで、上下のスイッチング素子に直流電圧Vcd
が1/2ずつ分担して印加されるため、同じ2次電圧の
誘導機を接続したとき、素子の定格電圧を従来の1/2
にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例による誘導電動機の速度制御装
置の構成図である。 【図2】本発明の実施例によるゲート信号を作成する制
御回路の一例を示す構成図である。 【図3】電圧指令信号と搬送波およびベース信号の関係
を示す波形図である。 【図4】ベース信号と昇圧チョッパ回路の出力電圧の関
係を示す波形図である。 【図5】従来の誘導電動機の速度制御装置の構成図であ
る。 【図6】図5に示す従来装置の動作説明図である。 【符号の説明】 1…巻線形誘導電動機、2…ダイオード整流器、3,4
…リアクトル、7,8…ダイオード、9,10…コンデ
ンサ、11,12…逆変換器、13,14…変圧器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木名瀬 忠勝 茨城県日立市大みか町五丁目2番1号 株式会社 日立製作所 大みか工場内 (72)発明者 小林 清隆 茨城県日立市大みか町五丁目2番1号 株式会社 日立製作所 大みか工場内 (56)参考文献 特開 平5−284793(JP,A) 特開 昭64−60288(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/28 - 5/44 H02P 7/36 - 7/66

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】巻線形誘導電動機の2次側に接続されるダ
    イオード整流器と、該整流器の直流出力両端間に直列に
    同一極性で接続された自己消弧素子と、前記自己消弧素
    子に各々並列にダイオードを介して接続されるコンデン
    サと、前記ダイオードは前記自己消弧素子がオフのとき
    前記整流器の出力電流をコンデンサに導く方向に接続さ
    れ、前記自己消弧素子の上下の素子の中間は前記コンデ
    ンサの上下のコンデンサの中間に接続され、前記コンデ
    ンサの直流電力を電源に回生する逆変換器と、前記整流
    器の出力電流を制御するために前記自己消弧素子をオ
    ン,オフさせる信号を、前記直列接続された2個の自己
    消弧素子が交互にオン,オフし、且つ、一方がオフした
    後に他方をオンするよう、位相が180゜異なる信号
    して発生するチョッパ制御手段を備えた誘導電動機の速
    度制御装置。
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