JP4365132B2 - 直流電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電動機の制御装置に関し、特に将来の機器更新等により交流電動機の速度制御に対応できる直流電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流電動機の制御装置では、数年後に電動機を交流電動機に交換したときも用いることができるように可変電圧、可変周波数制御を用いたものがある。このような従来の直流電動機の制御装置は、インバータの２相間に直流電動機の電機子を接続するとともに、インバータの他の１相と負極側との間に上記直流電動機の界磁を接続し、インバータに接続される電動機の機種に応じた制御データを有する演算制御部の指令に基づいてインバータをチョッパ制御し、このチョッパ制御に基づいて直流電動機を駆動制御している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６２−３１３９０号公報（第１−第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の直流電動機の制御装置は以上のように構成されているため、直流電動機を駆動する際に、３相インバータの１相に電機子電流が連続的に集中する。このため、信頼性が劣化すると共に、同容量の交流電動機を駆動する場合のインバータに比して、インバータ容量が３倍あるいはそれ以上に増大するものであった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、可変電圧、可変周波数制御を用いた直流電動機の制御装置におけるインバータの特定相に電流集中することなく各相間の責務を分担し、インバータ容量の低減を図ると共に信頼性の向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る直流電動機の制御装置は、直流電源からの直流電力をインバータにより３相の可変電圧、可変周波数の交流に変換して直流電動機に供給して該直流電動機を駆動制御する。そして、上記インバータの３相の内２相の出力端を短絡させた出力端と該インバータの直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の電機子を接続すると共に、上記インバータの残りの１相の出力端と上記直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の界磁を接続し、上記電機子に接続された上記インバータの２相が、同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力して上記電機子へ電流を流すように該インバータの２相をチョッパ制御すると共に、上記直流電動機の界磁電流を流すように上記インバータの残りの１相をチョッパ制御するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいで説明する。図１は、この発明の実施の形態１による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
図に示すように、３相交流電源２１からの３相交流を遮断機２２を介して接続されたＶＶＶＦ装置６３により可変電圧、可変周波数制御して直流電動機３５の電機子３５ａに供給する。ＶＶＶＦ装置６３は、ダイオード整流器２３と平滑コンデンサ２５とダイオードが逆並列接続された複数の半導体スイッチング素子２６〜３１から成るインバータとで構成される。また、インバータ２６〜３１の３相交流出力の内２相、例えばＵ相出力端とＶ相出力端とを短絡した出力端と直流側入力端子の一方との間に、電機子３５ａは接続される。また、インバータ２６〜３１の残りの１相、この場合Ｗ相の出力端と上記直流側入力端子の一方との間に直流電動機３５の界磁３５ｆが接続される。
【０００８】
また、ＶＶＶＦ装置６３は該ＶＶＶＦ装置６３を駆動制御する制御装置１０３と共に電動機の制御装置１０４を構成しており、ＶＶＶＦ装置６３の制御装置１０３は、直流電動機３５の速度検出器（ＰＬＧ）３６の検出信号の受信回路５０、受信回路５０からの信号により速度帰還値を演算する演算回路５１、速度帰還値と外部から与えられる速度指令値４７とを比較して電流指令値を出力する速度制御装置５２、インバータ２６〜３１の出力電流を検出し電流帰還値を出力する電流検出回路１０２、該電流帰還値と上記電流指令値とを比較し電圧指令値を出力する電流制御器５４、界磁電流指令を出力する界磁電流設定器５７、Ｗ相のインバータ出力電流を検出し界磁電流帰還値を出力する電流検出回路５８、該界磁電流帰還値と上記界磁電流指令値とを比較し電圧指令値を出力する電流制御器５９、および各電流制御器５４、５９からの電圧指令値によりインバータ２６〜３１にゲート信号を出力するＰＷＭ制御回路１０１で構成される。
なお、３２〜３４はインバータ２６〜３１の各相の出力電流を検出する電流検出器、４８は図示しない外部の運転指令によりＯＮする接点、６６は将来の交流電動機への更新に備えてＶＶＶＦ装置２３の制御装置１０３内に設けられた交流電動機用の制御回路である。
【０００９】
次に動作について、この直流電動機の制御装置１０４の出力電圧波形図の例を示す図２に基づいて以下に説明する。
ここでは、図１に示すように、インバータ２６〜３１のＵ相出力端とＶ相出力端とを短絡した出力端を、直流電動機３５の電機子３５ａの例えば正極側に接続し、電機子３５ａの負極側をインバータ２６〜３１の直流側入力端子の負極側に接続し、その時の電機子側電圧波形を図２（ａ）に示す。また、インバータ２６〜３１の残りの１相、この場合Ｗ相の出力端と直流側入力端子の負極端子との間に直流電動機３５の界磁３５ｆを接続し、界磁側電圧波形を図２（ｂ）に示す。この場合、インバータの半導体スイッチング素子２６〜３１は、各Ｕ、Ｖ、Ｗ相とも正極側の半導体スイッチング素子２６、２８、３０のみ０Ｎ／０ＦＦ動作し、負極側の半導体スイッチング素子２７、２９、３１は、０ＦＦ状態で短絡防止のためにゲートブロックされる。
【００１０】
ＶＶＶＦ装置６３の制御装置１０３では、電流制御器５４の出力である電圧指令値がＰＷＭ回路１０１に入力されると、ＰＷＭ回路１０１は、例えば６０Ｈｚに周波数を固定した状態で動作し、電圧のみ指令値になるように制御された６０Ｈｚの矩形波によるＵ相、Ｖ相の２相交流を発生する。正極側の各半導体スイッチング素子２６、２８はＰＷＭ回路１０１からのゲート信号で制御され、電機子３５ａに流れる電流が制御される。図２（ａ）に示すように、インバータのＵ相、Ｖ相が同等の周期、一定の極性（正極性）で順番に一定の時間ずつ出力するようにチョッパ制御される。インバータのＵ相、Ｖ相の出力端は短絡されているため、電機子３５ａに加わる電圧波形Ｖａは連続となり、電機子電流も連続する。即ち、インバータにおいては、６０Ｈｚの矩形波による２相（Ｕ相、Ｖ相）出力であるが、直流電動機３５に対しては連続した直流電圧波形での出力となる。
【００１１】
一方、電流制御器５９の出力である電圧指令値がＰＷＭ回路１０１に入力されると、ＰＷＭ回路１０１はＷ相のゲート信号を発生し、該ゲート信号にてＷ相正極側の半導体スイッチング素子３０が制御される。図２（ｂ）に示すように、インバータのＷ相を一定の極性（正極性）でチョッパ制御することにより、直流電動機の界磁３５ｆに給電する。
【００１２】
この実施の形態では、３相インバータ２６〜３１のＵ相出力端とＶ相出力端とを短絡させ、２相（Ｕ相、Ｖ相）が同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力するようにチョッパ制御して電機子３５ａに連続した電圧、電流を流すようにしたため、３相インバータのいずれかの相に電機子電流が連続的に集中することはなく、２相で均等に分担できるため、直流電動機３５を駆動するためのインバータ容量は従来のものよりも低減できる。
【００１３】
同一容量の交流電動機を駆動する場合の容量と比較すると、以下のようになる。
交流電動機電流Ｉm＝Ｐm／（√３＊Ｖm＊ηa＊cosφm）
直流電動機電流Ｉa＝Ｐm／（Ｖa＊ηd）
ここで、
Ｐm：電動機容量 Ｖm：交流電動機電圧 Ｖａ：直流電動機電圧
ηa：交流電動機効率 ηd：交流電動機効率 cosφm：交流電動機力率
cosφm≒ηd（％）、Ｖm＝Ｖa（Ｖ）、ηa≒０．９
このように、直流電動機の効率と交流電動機の力率とが同程度とすれば、
Ｉa≒Ｉm＊１．４
となる。２相出力のインバータの６０Ｈｚは、３相出力のインバータの４５Ｈｚ相当するものであるが、インバータ容量は、同一容量の交流電動機を駆動する場合の１，４倍程度に抑えられる。また、界磁側電流は電機子側に比して小さくインバータの容量も少なくて済む。
このように、３相インバータ２６〜３１の特定相に電流集中することなく各相間の責務を分担し、インバータ容量が低減できると共に、制御装置の信頼性が向上する。
【００１４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図に基づいで説明する。図３は、この発明の実施の形態２による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
上記実施の形態１では、直流電動機３５の電機子３５ａの一方の端子を、インバータ２６〜３１の直流側入力端子の一方に固定接続したが、この実施の形態では、図に示すように、切替操作器１０６と接触器（または断路器）１０７、１０８とから成る切替器を備えて、切替可能とする。
この実施の形態では、電機子３５ａの端子に接続されるインバータ２６〜３１の直流側入力端子は、正負両端子の間で切替可能となり、図示しない外部の運転指令により接点１０５を介して切替制御される。このとき、図４に示すように、上記正負両端子間の切替に伴って、該切替のタイミングでＰＷＭ回路１０１から出力される、電機子３５ａに給電するためのゲート信号の極性を反転させ、インバータの２相（この場合Ｕ相、Ｖ相）の出力極性を切り替える。これにより、上記実施の形態１と同様にインバータ容量が低減できると共に、直流電動機３５の正転、逆転の双方向の運転が可能になり、安価で高性能な制御装置が得られる。
【００１５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図に基づいで説明する。図５は、この発明の実施の形態３による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
図に示すように、３相交流電源２１からの３相交流を遮断機２２を介して接続された共通コンバータ２３ａで直流に変換し、インバータ２６〜３１および平滑コンデンサ２５で構成されるＶＶＶＦ装置６３と、第２のインバータ３８〜４３および平滑コンデンサ３７で構成される第２のＶＶＶＦ装置６４との双方に、共通コンバータ２３ａから出力線２４を介して直流電力を給電する。また、各インバータ２６〜３１、３８〜４３の３相交流出力の内２相、例えばＵ相出力端とＶ相出力端とを短絡した２つの出力端子間に、電機子３５ａは接続される。また、各インバータ２６〜３１、３８〜４３の残りの１相、この場合、２つのＷ相出力端子間に直流電動機３５の界磁３５ｆが接続される。
また、ＶＶＶＦ装置６３、第２のＶＶＶＦ装置６４と各ＶＶＶＦ装置６３、６４の制御装置５６、６２で電動機の制御装置６５が構成される。
【００１６】
ＶＶＶＦ装置６３、３４の制御装置５６、６２は、直流電動機３５の速度検出器（ＰＬＧ）３６の検出信号の受信回路５０、受信回路５０からの信号により速度帰還値を演算する演算回路５１、速度帰還値と外部から与えられる速度指令値４７とを比較して電流指令値を出力する速度制御装置５２、速度指令値４７より正転、逆転判別を行う判別回路４９、インバータ２６〜３１の出力電流を検出し電流帰還値を出力する電流検出回路５３、該電流帰還値と上記電流指令値とを比較し電圧指令値を出力する電流制御器５４、界磁電流指令を出力する界磁電流設定器５７、Ｗ相のインバータ出力電流を検出し界磁電流帰還値を出力する電流検出回路５８、該界磁電流帰還値と上記界磁電流指令値とを比較し電圧指令値を出力する電流制御器５９、および各電流制御器５４、５９からの電圧指令値により各インバータ２６〜３１、３８〜４３にゲート信号を出力するＰＷＭ制御回路５５、６１で構成される。
なお、３２〜３４、４４〜４６は各インバータ２６〜３１、３８〜４３の各相の出力電流を検出する電流検出器、４８は図示しない外部の運転指令によりＯＮする接点、６０は図示しない外部の運転指令により界磁逆転指令時にＯＮする接点、６６は将来の交流電動機への更新に備えてＶＶＶＦ装置２３の制御装置１０３内に設けられた交流電動機用の制御回路である。
【００１７】
次に動作について、この直流電動機の制御装置６５の出力電圧波形図の例を示す図６、図７に基づいて以下に説明する。
各インバータ２６〜３１、３８〜４３の２相（この場合Ｕ相、Ｖ相）が同等の周期で順番に同じ極性で一定の時間ずつ出力するようにチョッパ制御し、上記直流電動機３５の電機子３５ａに電圧、電流を供給する。２相の出力は、矩形波による出力であるが、直流電動機３５に対しては連続した直流電圧波形での出力となる。図６では、インバータ２６〜３１の２相のみを図示し、このとき、第２のインバータ３８〜４３の２相は出力極性が逆となる。そして、各インバータ２６〜３１、３８〜４３の出力極性を反転させて、同様の制御を行い、上記直流電動機３５の電機子３５ａに逆極性の電圧、電流を供給する。各インバータ２６〜３１、３８〜４３のＵ相出力端とＶ相出力端とは短絡されているため、電機子３５ａに加わる電圧波形Ｖａは連続となり、電機子電流も連続する。
また、各インバータ２６〜３１、３８〜４３のＷ相を用いてチョッパ制御にて界磁３５ｆに給電し、界磁逆転指令時に接点６０をＯＮすることにより界磁電流の電流方向を切り替えでき、これによっても直流電動機３５の正転、逆転の運転が可能になる。
【００１８】
この実施の形態では、直流電動機３５の正転、逆転の切替運転が、電機子３５ａの電流方向の切替で可能になり、界磁３５ｆに比して時定数の小さい電機子３５ａ側で切替するため、制御性が向上し、俊敏な正逆転を繰り返す負荷にも対応できる。また、界磁側でも、界磁電流の方向を切り替えて正転、逆転の切替が可能であり、各インバータの半導体スイッチング素子を均等に用いることができ、信頼性が向上する。
【００１９】
なお、上記実施の形態では、共通コンバータ２３ａにダイオードコンバータを用いたが、図８に示すように、サイリスタコンバータあるいはＰＷＭ制御のコンバータから成る共通コンバータ６８を用いてもよい。これにより、電源回生運転が可能になり、制御性の優れた直流電動機の制御装置が得られる。なお、６９は直流リアクトルである。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る直流電動機の制御装置は、直流電源からの直流電力をインバータにより３相の可変電圧、可変周波数の交流に変換して直流電動機に供給して該直流電動機を駆動制御する。そして、上記インバータの３相の内２相の出力端を短絡させた出力端と該インバータの直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の電機子を接続すると共に、上記インバータの残りの１相の出力端と上記直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の界磁を接続し、上記電機子に接続された上記インバータの２相が、同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力して上記電機子へ電流を流すように該インバータの２相をチョッパ制御すると共に、上記直流電動機の界磁電流を流すように上記インバータの残りの１相をチョッパ制御するため、３相インバータの特定相に電流集中することなく各相間の責務を分担でき、インバータ容量が低減できると共に、制御装置の信頼性が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態１による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【図５】 この発明の実施の形態３による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
【図６】 この発明の実施の形態３による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【図７】 この発明の実施の形態３による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【図８】 この発明の実施の形態３の別例による直流電動機の制御装置の全体ブロック図である。
【符号の説明】
２１ 交流電源、２３ａ，６８ 共通コンバータ、２６〜３１ インバータ、
３５ 直流電動機、３５ａ 電機子、３５ｆ 界磁、
３８〜４３ 第２のインバータ、５５，６１，１０１ ＰＷＭ制御回路、
１０６ 切替操作器、１０７，１０８ 接触器。

Claims (4)

1. 直流電源からの直流電力をインバータにより３相の可変電圧、可変周波数の交流に変換して直流電動機に供給して該直流電動機を駆動制御する直流電動機の制御装置において、上記インバータの３相の内２相の出力端を短絡させた出力端と該インバータの直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の電機子を接続すると共に、上記インバータの残りの１相の出力端と上記直流側入力端子の一方との間に上記直流電動機の界磁を接続し、上記電機子に接続された上記インバータの２相が、同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力して上記電機子へ電流を流すように該インバータの２相をチョッパ制御すると共に、上記直流電動機の界磁電流を流すように上記インバータの残りの１相をチョッパ制御することを特徴とする直流電動機の制御装置。
2. 上記直流電動機の電機子が接続される上記インバータの直流側入力端子の一方は、切替器を備えて該直流側入力両端子の間で切り替え可能とし、該切り替えに伴って上記インバータの２相からの出力極性を反転させることを特徴とする請求項１記載の直流電動機の制御装置。
3. 直流電源からの直流電力をインバータにより３相の可変電圧、可変周波数の交流に変換して直流電動機に供給して該直流電動機を駆動制御する直流電動機の制御装置において、上記インバータを２台備えて該各インバータの３相の内２相の出力端を短絡させた２つの出力端間に上記直流電動機の電機子を接続すると共に、上記各インバータの残りの１相の２つの出力端間に上記直流電動機の界磁を接続し、上記各インバータにおいて、上記電機子に接続された上記２相が、同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力するように、該２相をチョッパ制御して上記直流電動機の電機子に双方向の電流供給を可能にすると共に、双方向の電流を切り替えて上記直流電動機の界磁電流を流すように上記残りの１相をチョッパ制御することを特徴とする直流電動機の制御装置。
4. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータを備え、該コンバータにより上記２台のインバータの双方に上記直流電力を供給することを特徴とする請求項３記載の直流電動機の制御装置。

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