JPS5842717B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は交流の周波数変換を行う電力変換器で駆動され
る交流電動機の速度制御を行う交流電動機の制御装置の
改良に関する。

第１図に電圧型サイクロコンバータで交流電動機を駆動
する従来装置の一例を示す。

第１図において、１は交流電源、２は交流電源１から交
流電圧を受は可変電圧、可変周波の三相交流を出力する
サイクロコンバータで、逆並列に接続されたサイリスク
群ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ。

ＷＰ、ＷＮで構成される。

３はサイクロコンバータ２によって駆動される同期電動
機、４は同期電動機３の界磁電力を供給する交流電源、
５は交流電源４から交流電圧を受は同期電動機３の界磁
匡界磁電流を供給しその大きさを制御する界磁電流制御
回路、６は同期電動機３の回転速度を検出する速度発電
機、７は同期電動機３の界磁と電機子の相対位置に見＼
じた位相の正弦波信号で、互いに１２０度の位相差を有
する３つの正弦波信号を出力する位置検出器であり、乙
とえは、永久磁石回転子と該回転子に面した固定子にと
りつけられたホール素子によって構成される。

位置検出器７の正弦波信号は界磁の位置に応じた信号で
あり、電動機の空隙磁束位相に対応する。

８は速度指令回路、９は速度指令回路８から出力される
速度指令信号と速度発電機６から出力される速度帰還信
号の偏差に応じた電流指令信号を出力する速度制御回路
、１０は位置検出器７の出力信号の１つと速度制御回路
９の電流指令信号を掛は合ワ広サイクロコンバータ２の
１つの相（Ｕ＠）の出力電流を制御するための正弦波電
流基準信号を出力する電流指令回路で、掛算器によって
構成される。

１１は同期電動機３の１つの相（Ｕ相）の瞬時電流を検
出する電流検出器、１２は電流指令回路１０の正弦波電
流基準信号と電流検出器１１の出力である電流帰還信号
の偏差に応じた位相制御信号を出力する瞬時電流制御回
路、１３は瞬時電流制御回路１２の位相制御信号に従っ
てサイリスタの点弧位相を制御する自動パルス移相器、
１４はサイクロコンバータ２のＵ相出力電流の向きに応
じてサイリスタ群ＵＰあるいはＵＮに交互に信号を送る
ゲート回路である。

なお図にはサイリスク群ＵＰ、ＵＮに対する制御回路の
みを示したが、他のサイリスタ群ＶＰ。

ＶＮおよびＷＰ、ＷＮに対しても１０〜１４の部品番号
と同一の制御回路がある。

それらは部品番号１０〜１４と同様の動作をするので記
述は省略する。

次にこの回路の動作について説明する。

位置検出器７は同期電動機３の回転速度に関係なく第２
図ａ、ｂに示す如く一定振幅で互いに１２０度位相差の
ある３つの正弦波信号を発生する。

この正弦波信号は同期電動機３の電機子と界磁の相対位
置、つまり空隙磁束の位置に対応する。

電流指令回路１０は速度制御回路９の電流指令信号と位
置検出器Ｔの正弦波信号（併扮）とを掛は合わせ、位置
検出器７の正弦波信号と同位相で、速度制御回路９の電
流指令信号に比例した振幅の正弦波電流基準信号を出力
する。

電流指令回路１０の電流基準信号と電流検出器１１の電
流帰還信号とから図示の極性で突き合わさ札その偏差（
瞬時電流偏差）が瞬時電流制御回路１２に加えられる。

瞬時電流制御回路１２は瞬時電流偏差に応じて位相制御
信号を自動パルス移相器１３に加える。

自動パルス移相器１３は位相制御信号４ζ応じた位相で
点弧パルスを発生し、ゲート回路１４を介してサイリス
ク群ＵＰ、ＵＮのサイリスクの点弧位相制御を行う。

このような動作によりサイクロコンバータ２の出力電流
（電動機電流）は電流指令回路１０の電流基準信号に従
う値に制御される。

すなわち、電動機電流の大きさは回転速度偏差に応じた
信号である速度制御回路９の電流指令信号に比例した値
に、またその位相は位置検出器７の正弦波信号と同位相
に制御される。

以上のように制御される結果、同期電動機３は速度指令
信号と一致する速度で運転される。

しかしながら、どのような従来装置には次に述べるよう
な欠点がある。

交流電動機３が可変速制御されるとサイクロコンバータ
２の出力電流の周波数は変化する。

例えば、サイクロコンノ←りの場合に電動機３を定格速
度まで可変速制御すると出力電流の周波数は０〜２０Ｈ
ｚの広い範囲で変化する。

しかしながら、瞬時電流制御回路１２を含む電流匍ｊ御
系の周波数応答には限界がある。

電流指令回路１０の電流基準信号の周波数が高くなると
サイクロコンバータ２の出力電流が電流基準信号に追従
しなくなる。

電動機速度が高くなりサイクロコンバータの出力電流の
周波数が所定値（例えば１（）Ｒ２）になると周波数応
答が低下する。

電流制御系の周波数応答が低下すると、サイクロコンバ
ータの出力電流は電流基準信号より小さくなる。

電流制御系の周波数応答を良くするためには、瞬時電流
制御回路１２は電流基準信号と電流帰還信号の偏差を増
幅するのを比例動作で行わせ、その比例ゲインを大きく
することにより行える。

巣３図に比例動作を行う瞬時電流制御回路１２の一例を
示す。

□第３図において、２１は演算増幅器、Ｒ１は演算増幅
器の入力抵抗、Ｒｆは帰還抵抗、ｅｌ は電流基準信号
、ｅ２ は電流検出器１１の電流帰還信号、ｅ□ は演
算増幅器２１の出力信号である。

このとき、演算増幅器２１の出力信号ｅ。

は次のように表わされる。

□ンであるが、このゲインは安定性の点から充分大
きな値にできない。

その結果、電流制御回路１２を単に比例動作のものにし
ても電流制御系の周波数応答は高い値にはならない。

特に、サイクロコンバータ２の負荷が電動慎め場合にお
いては、誘起起電力があるために単純な誘導負荷に電流
を流す場合よりも周波数応答は低下する。

第１図に示すサイクロコン７ ＮＪ−夕２では、周波数
応答の限界が１０Ｈｚ附近である。

このため、１０Ｒ２以上の周波数で運転すると電流帰還
信号ｅ２は電流基準信号ｅ１に追従しなくなる。

電流帰還信号ｅ２の大きさは電流基準信号ｅ１ の大き
さより小さくなる。

このように、瞬時電流制御回路１２を単に比例動作を行
うものにしても周波数応答が低下するのを免れない。

以上のように、電力変換器の出力電流を制御する電流制
御系には周波数応答の限界があるために、運転周波数が
高くなると電力変換器の出力電流の大きさを電流基準信
号に追従して制御できなくなる。

このため、交流電動機の出力トルクが不足したり、ある
いは各相の電流制御系の周波数応答にも若干の差がある
ため各相の電流の不平衡がおこり、トルク脈動を生じた
り、効率低下などの欠点がある。

本発明の目的は電力変換器の出力電流を制御する瞬時電
流制御系の周波数応答に拘らず電力変換器の出力電流の
大きさを電流指令信号に精度良く一致させ、トルク脈動
がなく、かつ効率良く運転できる交流電動機の制御装置
を提供することにある。

本発明の特徴は速度制御回路の電流指令信号と電流帰還
信号の偏差に応じて電流指令回路の出力する正弦波電流
基準信号の振幅値を定める平均電流制御回路を設けたこ
とにある。

具体的には、速度制御回路の電流指令信号は電力変換器
の出力電流の大きさく振幅）を定める信号であることに
着目し、電動機各相電流の大きさを電流帰還信号として
検出し速度制御回路の電流指令信号との偏差がなくなる
ように正弦波電流基準信号の振幅値を定める振幅指令信
号を出力する平均電流制御回路を各相毎に設け、電動機
の磁束位相に対応する正弦波信号と振幅指令信号を乗算
することによって正弦波電流基準信号をつくり各相の出
力電流を制御することによって電流指令信号と電流帰還
信号との偏差をなくすようにしたものである。

以下、本発明を図に示す実施例に基づき詳細に説明する
。

第４図は本発明の一実施例を示し、１〜１４は第１図に
示したものと同じものであるので説明を省略する。

３１はサイクロコンバータ２の出力電流の瞬時値を検出
する電流検出器１１の出力を受け、この正弦波状の電流
帰還信号を全波整流する整流回路、３２は速度制御回路
９の電流指令信号と整流回路３１の出力信号の偏差（平
均電流偏差）に応じた振幅指令信号を出力する平均電流
制御回路である。

平均電流制御回路３２は比例動作、積分動作、比例積分
動作を行うものが用いられる。

積分補償をとりいれると定常運転状態において電流指令
信号と電流検出信号（平均電流）の偏差を零にできる。

なお、第４図では、サイリスタ群ＵＰ、ＵＮに対する制
御回路のみを示したが、他のサイリスタ群ｖｐ 、ＶＮ
およびＷＰ、ＷＮに対しても部品番号１０〜１４，３１
．３２と同一の制御回路がある。

これらについては記述を省略する。次に、本実施例の回
路の動作について説明する。

速度制御回路９の出力である電流指令信号は出力電流の
大きさを指令する信号であり、電流指令信号と出力電流
の整流して電流の大きさを検出する整流回路３１の電流
帰還信号の偏差信号を平均電流制御回路３２に入力する
と、平均電流制御回路３２は偏差信号に応じた振幅指令
信号を出力する。

サイクロコンバータ２の運転周波数が高くなり瞬時電流
制御回路１２の周波数応答が低下すると、サイクロコン
バータ２の出力電流は電流指令回路１０の電流基準信号
より小さくなる。

電流指令回路１０の電流基準信号の振幅値は速度制御回
路９の電流制御信号の大きさに比例している。

サイクロコンバータ２の出力電流が小さくなると整流回
路３１の電流帰還信号も小さくなり、電流指令信号との
偏差が大きくなる。

平均電流制御回路３２は平均電流偏差の大きさに応じて
振幅指令信号を大きくする。

平均電流制御回路３２の振幅指令信号と位置検出器７の
正弦波信号を電流指令回路１０において掛は合わせ正弦
波電流基準信号をつくる。

この正弦波電流基準信号によってサイクルコンバータ２
の出力電流を制御する動作は第１図に示した従来例と同
様である。

第４図の動作を第１図に示す従来装置と対比させ第８図
、第９図の動作波形を用いて説明する。

第８図は第１図の動作波形、第９図は第４図の動作波形
を示す。

第８図において、ａは速度制御回路９の電流指令信号で
、その大きさ−ｋＡとする。

ｂは位置検出器７の正弦波信号の大きさを１とした場合
の電流指令回路１０の電流基準信号を示す。

電流基準信号は大きさがＡの正弦波信号となる。

。 は電流検出器１１の電流帰還信号で、瞬時電流制御回路
１２の周波数応答の関係から、ある周波数以上ではその
大きさはＡより小さくなる。

一方、本発明の実施例の動作波形、を示す。

第９図において、ａは速度制御回路９の電流指令信号で
、その大きさを第８図の場合と同様にＡとする。

ｂは整流回路３１の電流帰還信号、Ｃは平均電流制御回
路３２の振幅指令信号である。

振幅指令信号Ｃは瞬時電流制御回路１２の周波数応答の
関係で電流帰還信号すの平均値が電流指令信号ａより小
さくなるとＡより大きい値Ａ″となる。

電流指令回路１０の電流基準信号ｄの振幅もＡ″となる
。

その結果、電流検出器１１で検出される電流帰還信号ｅ
の振幅値はＡとなる。

こ・のように、平均電流制御回路３２の働きによつ石サ
イクロコンバータ２の出力電流の大きさを速度制御回路
９の電流指令信号に一致させることができる。

以上のように動作するのであるが、サイクロコンバータ
２の出力電流の大きさだけを制御する平均電流制御回路
３２を設けているので、瞬時電流制御回路１２の周波数
応答に関係なく、サイクロコンバータ２の出力電流の大
きさは速度制御回路９の常に電流指令信号の指令する大
きさに、また、電流位相は位置検出器７の正弦波信号と
同位相に制御される。

以上のような構成で制御される結果、同期電動機３は速
度指令信号に見合う値で運転され、かつ出力電流各相間
に不平衡のない状態で運転されるため、電動機のトルク
脈動が減少し効率の良い運転が可能となる。

第５図は本発明の他の実施例を示す。

第５図において、１〜１４の符号のものは第１図に示し
たものと同じであり、３２は第４図に示したものと同じ
ものである。

３３はサイクロコンバータ２のＵ相の電源側の電流を検
出する第２の電流検出器、３４は電流検出器３３の出力
信号を受け、この信号を整流し出力電流の大きさを検出
する整流回路である。

第５図は第４図に示す実施例と電流指令信号と比較する
電流帰還信号をサイクロコンバータ２の電源側より検出
する点、を異にしている。

交流電源１からサイクロコンバータ２に流入する電流は
瞬時的であっても出力側に流れる。

したがって、サイクロコンバータ２の出力電流の大きさ
を第４図の場合と同様に検出できる。

第５図の実施例では特徴がある。

この回路により制御すると、電源周波数は一定であるの
で、出力電流の検出を精度よく行うことが可能である。

なお、サイリスク群ＶＰ、ＶＮあるいはＷＰ、ＷＮに対
しても１０〜１４．３２〜３４と同一の制御回路がある
ことは言うまでもない。

第６図は本発明のさらに他の実施例を示す。

第６図において、１〜１４の符号のものは第１図に示し
たものと同一である。

３５は交流電源１からサイクロコンバータ２に流れこむ
電流を検出する第２の電流検出器、３６は電流検出器３
５の検出信号を整流し大きさを検出するための整流回路
、３７は速度制御回路９の電流指令信号と整流回路３６
の電流帰還信号の偏差に応じた振幅指令信号を出力する
平均電流制御回路で、この出力信号がＵ、Ｖ、Ｗ各相の
電流指令回路１０に入力される。

第６図の実施例は電源電流を電流帰還信号として用い、
平均電流制御回路３７を各相に共用した点に特徴がある
。

第６図の実施例では部品数を少なくすることが可能であ
る。

なお、サイリスタ群ＶＰ、ＶＮあるいはＷＰ、ＷＮに対
しても部品奇岩１０〜１４と同一の制御回路がある。

以上・第６図の実施例によっても、本発明の意図すると
ころは実現できる。

第７図は本発明の別の実施例を示すもので、１〜１４の
符号のものは第１図に示したものと同じものであり、３
１．３２は第４図に示したものと同じものである。

４１は整流回路３１の電流帰還信号を受け、出力電流の
大きさを検出する第２の電流検出器で、フィルター回路
あるいはサンプルホールド回路により構成される。

なお、サイリスタ群ＶＰ、ＶＮあるいはＷＰ、ＷＮに対
しても１０〜１４．３１，３２．４１と同一の制御回路
がある。

第４図の実施例では整流回路３１の脈動分のある出力信
号を電流帰還信号としているので、脈動の影響を無くす
ため電流制御回路３２の応答をあまり早くできない。

第７図の実施例では第２の電流検出器４１によって出力
電流の大きさに比例した信号を電流帰還信号とするので
、電流制御回路３２の応答を高めることも可能である。

また、第７図の実施例においても、第５図に示した実施
例のように電流制御回路３２の電流帰還信号をサイクロ
コンバータ２の各相の電源側から検出することも可能で
、あるいは、第６図の実施例のように電流帰還信号を電
源としてもよい。

このような構成の制御回路によっても、電流指令信号と
電流帰還信号の偏差をなくすことが可能で、電動機は電
流指令信号に等しい大きさで各相電流に不平衡がない状
態で運転できる。

第１０図に本発明の他の実施例を示す。

第１０図は電圧型電力変換器としてＰＷＭ変換器を用い
た場合の実施例である。

第１０図において第４図と同一記号のものは相当物を示
す。

第１０図において２１はＰＷＭインバータで出力電圧の
大きさと周波数を可変にできる電圧型電力変換器である
。

３１は交流電動器、７１は位置検出器７の代りに用いた
電動機空隙磁束の位相を検出するための磁束位相検出器
、１３１は瞬時電流制御回路１２の出力に従ってＰＷＭ
インバータ２１のスイッチング素子をオンオフさせるゲ
ート信号を発生するゲート信号発生回路である。

第１０図において磁束位相検出器７１で検出した磁束位
相信号に基づいて、平均電流制御回路３２の出力で決ま
る大きさの瞬時電流指令信号が電流指令回路１０から出
力される。

瞬時電流指令信号と実際の瞬時電流の偏差に応じて働く
瞬時電流制御回路１２の出力信号はＰＷＮインバータ２
１の出力電圧を指令する信号となる。

瞬時電流制御回路１２の出力に応じてゲート信号発生回
路１３１が動作し、ＰＷＭインバータ２１のスイッチン
グ素子が制御される。

このように、第１０図の実施例においてυ吊Ｍインバー
タによって交流電流を正弦波状に制御する際に出力電流
の大きさを電流指令信号に一致させることができる。

以上本発明の各実施例を説明したが、要は速度制御回路
の出力信号である電流指令信号と電力変換器の出力電流
の大きさに偏差がなくなるように制御するための振幅指
令信号を出力する電流制御回路を設け、振幅指令信号を
用いて、電動機各相の正弦波電流基準信号を作ることに
より本発明の意図するところは実現できる。

以上説明したように本発明によれば電力変換器の出力電
流の大きさを瞬時電流制御回路の周波数応答に関係なく
電流指令信号に一致させることができ、この結果、トル
ク脈動がなく効率の良い交流電動機の制御を行える。

なお、上述の説明は交流電動機が同期電動機の場合につ
いて述べたが、誘導電動機でも同様に成し得るのは勿論
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例を示す制御ブロック図、第２図
は第１図に示す回路の動作を説明するための図、第３図
は第１図に示す回路の一部を詳細に示す構成図、第４図
は本発明の一実施例を示す制御ブロック図、第５図、第
６図、第７図はそれぞれ本発明の実施例を示す制御ブロ
ック図、第８図。 第９図は従来装置と本発明との作用の違いを説明するた
めの波形図、第１０図は本発明の他の実施例を示す制御
ブロック図である。 １・・・・・・交流電源、２・・・・・・サイクロコン
バータ、３・・・・・・同期電動機、４・・・・・・交
流電源、５・・・・・・界弦電流制街回路、６・・・・
・・速度発電機、７・・・・・・位置検出器、８・・・
・・・速度指令回路、９・・・・・・速度制御回路、１
０・・・・・・電流指令回路、１１・・・・・・電流検
出器、１２・・・・・・瞬時電流制御回路、１３・・・
・・山勘パネル移送器、１４・・・・・・ゲート回路、
３１・・・・・・整流回路、３２・・・・・・平均電流
制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電圧型電力変換器で駆動される交流電動機と、該電
   動機の速度指令信号と偏差に応じた電流指令信号を出力
   する速度制御回路と、前記電流指令信号と電動機電流の
   電流帰還信号の偏差に応じて電動機電流の振幅値を指令
   する振幅値指令信号を出力する平均電流制御回路と、前
   記電動機の空隙磁束位相に対応する一定振幅の正弦波信
   号を発生する正弦波発生器と、前記正弦波信号の振幅を
   前記振幅値指令信号の大きさに応じて変化させた正弦波
   電流基準信号を発生する電流指令回路と、前記正弦波電
   流基準信号と電流帰還信号との偏差に基づき前記電力変
   換器の点弧制御を行い電動機電流を制御する瞬時電流制
   御回路とを具備した交流電動機の制御装置。