JP2004274905A - 直流電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】将来の機器更新等により交流電動機に対応できる可変電圧、可変周波数制御を用いた直流電動機の制御装置において、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。
【解決手段】3相インバータ26〜31の3相出力端を短絡させた出力端と該インバータ26〜31の直流側入力端子の一方との間に直流電動機35の電機子35aを接続し、インバータ26〜31の各相が同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力して電機子35aへ電流を流すように各相をチョッパ制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】3相インバータ26〜31の3相出力端を短絡させた出力端と該インバータ26〜31の直流側入力端子の一方との間に直流電動機35の電機子35aを接続し、インバータ26〜31の各相が同等の周期、一定の極性で順番に一定の時間ずつ出力して電機子35aへ電流を流すように各相をチョッパ制御する。
【選択図】 図1
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し、上記インバータの各相が同等の周期、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上記インバータの各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23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23は、コンバータとしてのダイオード整流器24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相交流出力端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が接続される。
一方、直流電動機35の界磁35fには、コンバータとしてのダイオード整流器72からの直流電力が供給され、ダイオード整流器72は、3相交流電源21からの3相交流を遮断機70および降圧用の変圧器71を介して入力して直流電力に変換する。
【0008】
また、VVVF装置23は該VVVF装置23を駆動制御する制御装置58と共に電動機の制御装置73を構成しており、VVVF装置23の制御装置58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52、受信回路52からの信号により速度帰還値を演算する演算回路53、速度帰還値と外部から与えられる速度指令値50とを比較して電流指令値を出力する速度制御装置54、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57、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55、および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56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、51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58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73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3相交流出力端を短絡した出力端を電機子35aの例えば正極側に接続し、直流電動機35の電機子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た場合について説明する。
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23の制御装置58では、電流制御器55の出力である電圧指令値がPWM制御回路56に入力されると、PWM制御回路56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の矩形波による三相交流を発生する。正極側の各半導体スイッチング素子26、28、30はPWM制御回路56からのゲート信号で制御され、図2(a)に示すように、インバータの各相が同等の周期、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26〜31の3相交流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26〜31の各相出力は、60Hzの矩形波による3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、直流電動機35の界磁35fには、ダイオード整流器72から直流電力が供給され、図2(b)に示すように界磁側電流は一定の直流電流となる。
【0012】
この実施の形態では、3相インバータ26〜31の交流出力端を短絡させ、各相が同等の周期、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、3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
となり、インバータ26〜31の容量は、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。
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75と接触器76、77とから成る切替器を備えて、切替可能とする。
即ち、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74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制御回路56からのゲート信号の極性を反転させ、インバータ26〜31の各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、界磁用に直流電源を用いつつ直流電動機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。
上記実施の形態1では、直流電動機35の界磁35fにはダイオード整流器72から直流電力が供給されたものであったが、この実施の形態では、第2のインバータ41〜46を備えて、この第2のインバータ41〜46の出力端子間に界磁35fを接続する。
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37を介して接続された第2のVVVF装置38により可変電圧、可変周波数制御して直流電動機35の界磁35fに供給する。第2のVVVF装置38は、第2のコンバータとしてのダイオード整流器39と平滑コンデンサ40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41〜46から成る第2のインバータとで構成される。また、第2のインバータ41〜46の3相出力端の内、2相の端子を短絡させた出力端と残りの1相の出力端との間に界磁35fが接続される。
【0016】
また、第2のVVVF装置38を駆動制御する第2の制御装置64を備え、第2の制御装置64は、界磁電流指令値を与える界磁電流設定器59、第2のインバータ41〜46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60、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61、および電圧指令値により第2のインバータ41〜46にゲート信号を出力する第2のPWM制御回路63で構成される。
なお、47〜49は第2のインバータ41〜46の各相の出力電流を検出する電流検出器、62は図示しない外部の運転指令によりONする接点である。
【0017】
一方、電機子35a側に電力供給するVVVF装置23および該VVVF装置23を駆動制御する制御装置58は上記実施の形態1のものと同様であり、これらVVVF装置23、VVVF装置23の制御装置58、第2のVVVF装置38、および第2のVVVF装置38の制御装置64で電動機の制御装置65を構成する。また、この場合、将来の交流電動機への更新に備えて設けられた交流電動機用の制御回路66は、両制御装置58、64内のPWM制御回路56、63に制御信号が出力できるように配設される。
【0018】
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に基づいて以下に説明する。
図6(a)は、直流電動機35の電機子35aの電圧、電流を示すもので、上記実施の形態1と同様に、インバータ26〜31の各相が同等の周期、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、インバータ26〜31の各相出力は、矩形波による三相出力であるが、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。
図6(b)は、直流電動機35の界磁35fの電圧、電流を示すもので、この場合V相とW相との出力端子が短絡されて、U相との2相間で界磁電流を流すように、第2のインバータ41〜46の各相はチョッパ制御される。このとき、接点62を介した回転方向指令により電流方向を切替可能で、双方向の電流を切替制御でき、直流電動機35の正転、逆転の双方向の運転が可能になる。
【0019】
この実施の形態では、電機子側では、上記実施の形態1と同様に、3相インバータ26〜31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、3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。また、界磁側の第2のインバータ41〜46は、電機子側のインバータ26〜31に比して数%の容量で十分であるため、全体としてもインバータ容量が低減できる。
【0020】
なお、この実施の形態では、第2のインバータ41〜46の3相出力の内、2相を短絡させて用いたが、3相出力端子の内2相を選択的に用いて該2相出力端子間に界磁35fを接続して界磁電流を流すようにしても良い。
【0021】
なお、図7に示すように、出力周波数設定器67を設け、任意にその周波数を変更設定できるようにすれば、低速使用時にPWMのパルス数を増やすことができ、安定性の高い制御装置が得られる。
また、図8に示すように、インバータ26〜31の3相出力を短絡された出力端と電機子35aとの間に直流リアクトル81を挿入することで、既設の直流電動機にも電動機のサージ耐量に拘わらず適用できるので、信頼性が向上する。
またこれらの出力周波数設定器67、直流リアクトル81は、上記実施の形態1、2にも同様に適用できる。
【0022】
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4を図に基づいで説明する。図9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3では、各インバータ26〜31、41〜46の直流入力側にそれぞれコンバータ24、39を備えたが、この実施の形態では、図9に示すように遮断器82を介して交流電源21に接続される共通コンバータ83を備えて、該共通コンバータ83から2台のインバータ26〜31、41〜46の双方に出力線84を介して直流電力を給電する。このため、上記実施の形態3と同様にインバータ容量が低減できると共に、コンバータ容量が低減でき、またコンバータの台数が低減できるため装置構成も簡略化できる。なお、この場合、共通コンバータ83を別構成としたVVVF装置85、第2のVVVF装置86と各VVVF装置85、86の制御装置58、64で電動機の制御装置87が構成される。
【0023】
なお、上記実施の形態4ではダイオードコンバータを共通コンバータ83に用いたが、図10に示すように遮断器88を介して交流電源21に接続される、サイリスタコンバータあるいはPWM制御のコンバータを共通コンバータ89に用いても良く、電源回生運転が可能になり、制御性が向上する。なお、90は直流リアクトル、91は共通コンバータ89からの出力線である。
【0024】
実施の形態5.
次に、この発明の実施の形態5を図に基づいで説明する。図11は、この発明の実施の形態5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4では、共通コンバータ83、89を電機子用、界磁用に対して共通コンバータとしたが、図11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89aを電機子用の共通コンバータとし、界磁用には個別のダイオード整流器コンバータ39aを用いる。
この場合、電機子用インバータは複数台あるものとし、またダイオード整流器コンバータ39aは界磁電源92に接続される。また、共通コンバータ89aを別構成としたVVVF装置85、およびダイオード整流器コンバータ39aを備えた第2のVVVF装置38と各VVVF装置85、38の制御装置58、64で電動機の制御装置93が構成される。
これにより、上記実施の形態3と同様にインバータ容量が低減できると共に、既設の直流電動機において、電機子電圧と界磁電源電圧が異なる場合でも、界磁の電圧波高値制限に対しても適用できる。
【0025】
実施の形態6.
次に、この発明の実施の形態6を図に基づいで説明する。図12は、この発明の実施の形態6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88を介して接続された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89a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23と、第2のインバータ41〜46および平滑コンデンサ40で構成される第2のVVVF装置94との双方に給電する。また、各インバータ26〜31、41〜46の3相交流出力端を短絡した2つの出力端子間に直流電動機35の電機子35aを接続される。
また、双方のVVVF装置85、94は、PWM制御回路95を備えた制御装置96により駆動制御され、VVVF装置85、94と制御装置96とで電動機の制御装置96を構成する。
一方、直流電動機35の界磁35fには、界磁電源92からコンバータ98を介して直流電力が供給される。
【0026】
次に動作について、この直流電動機の制御装置97の出力電圧波形図の例を示す図13に基づいて以下に説明する。
図に示すように、各インバータ26〜31、41〜46の各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。そして、各インバータ26〜31、41〜46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。インバータ26〜31の3相交流出力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。各インバータ26〜31、41〜46の各相出力は、矩形波による三相出力であるが、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。
【0027】
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、VVVF装置85、94の制御装置96の装置構成も簡略となる。
【0028】
【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し、上記インバータの各相が同等の周期、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上記インバータの各相をチョッパ制御するため、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。
【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。
【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。
【図9】この発明の実施の形態4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10】この発明の実施の形態4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。
【図11】この発明の実施の形態5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12】この発明の実施の形態6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13】この発明の実施の形態6による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【符号の説明】
21 交流電源、24 コンバータ、25,40 平滑コンデンサ、
26〜31 インバータ、35 直流電動機、35a 電機子、35f 界磁、
39 第2のコンバータ、39a ダイオード整流器コンバータ、
41〜46 第2のインバータ、56,78,95 PWM制御回路、
63 第2のPWM制御回路、67 出力周波数設定器、72 コンバータ、
75 切替操作器、76,77 接触器、81 直流リアクトル、
83,89 共通コンバータ、89a サイリスタコンバータ、
92 界磁電源、98 コンバータ。
【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し、上記インバータの各相が同等の周期、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上記インバータの各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23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23は、コンバータとしてのダイオード整流器24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相交流出力端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が接続される。
一方、直流電動機35の界磁35fには、コンバータとしてのダイオード整流器72からの直流電力が供給され、ダイオード整流器72は、3相交流電源21からの3相交流を遮断機70および降圧用の変圧器71を介して入力して直流電力に変換する。
【0008】
また、VVVF装置23は該VVVF装置23を駆動制御する制御装置58と共に電動機の制御装置73を構成しており、VVVF装置23の制御装置58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52、受信回路52からの信号により速度帰還値を演算する演算回路53、速度帰還値と外部から与えられる速度指令値50とを比較して電流指令値を出力する速度制御装置54、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57、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55、および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56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、51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58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73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3相交流出力端を短絡した出力端を電機子35aの例えば正極側に接続し、直流電動機35の電機子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た場合について説明する。
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23の制御装置58では、電流制御器55の出力である電圧指令値がPWM制御回路56に入力されると、PWM制御回路56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の矩形波による三相交流を発生する。正極側の各半導体スイッチング素子26、28、30はPWM制御回路56からのゲート信号で制御され、図2(a)に示すように、インバータの各相が同等の周期、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26〜31の3相交流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26〜31の各相出力は、60Hzの矩形波による3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、直流電動機35の界磁35fには、ダイオード整流器72から直流電力が供給され、図2(b)に示すように界磁側電流は一定の直流電流となる。
【0012】
この実施の形態では、3相インバータ26〜31の交流出力端を短絡させ、各相が同等の周期、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、3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
となり、インバータ26〜31の容量は、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。
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75と接触器76、77とから成る切替器を備えて、切替可能とする。
即ち、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74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制御回路56からのゲート信号の極性を反転させ、インバータ26〜31の各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、界磁用に直流電源を用いつつ直流電動機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。
上記実施の形態1では、直流電動機35の界磁35fにはダイオード整流器72から直流電力が供給されたものであったが、この実施の形態では、第2のインバータ41〜46を備えて、この第2のインバータ41〜46の出力端子間に界磁35fを接続する。
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37を介して接続された第2のVVVF装置38により可変電圧、可変周波数制御して直流電動機35の界磁35fに供給する。第2のVVVF装置38は、第2のコンバータとしてのダイオード整流器39と平滑コンデンサ40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41〜46から成る第2のインバータとで構成される。また、第2のインバータ41〜46の3相出力端の内、2相の端子を短絡させた出力端と残りの1相の出力端との間に界磁35fが接続される。
【0016】
また、第2のVVVF装置38を駆動制御する第2の制御装置64を備え、第2の制御装置64は、界磁電流指令値を与える界磁電流設定器59、第2のインバータ41〜46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60、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61、および電圧指令値により第2のインバータ41〜46にゲート信号を出力する第2のPWM制御回路63で構成される。
なお、47〜49は第2のインバータ41〜46の各相の出力電流を検出する電流検出器、62は図示しない外部の運転指令によりONする接点である。
【0017】
一方、電機子35a側に電力供給するVVVF装置23および該VVVF装置23を駆動制御する制御装置58は上記実施の形態1のものと同様であり、これらVVVF装置23、VVVF装置23の制御装置58、第2のVVVF装置38、および第2のVVVF装置38の制御装置64で電動機の制御装置65を構成する。また、この場合、将来の交流電動機への更新に備えて設けられた交流電動機用の制御回路66は、両制御装置58、64内のPWM制御回路56、63に制御信号が出力できるように配設される。
【0018】
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に基づいて以下に説明する。
図6(a)は、直流電動機35の電機子35aの電圧、電流を示すもので、上記実施の形態1と同様に、インバータ26〜31の各相が同等の周期、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、インバータ26〜31の各相出力は、矩形波による三相出力であるが、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。
図6(b)は、直流電動機35の界磁35fの電圧、電流を示すもので、この場合V相とW相との出力端子が短絡されて、U相との2相間で界磁電流を流すように、第2のインバータ41〜46の各相はチョッパ制御される。このとき、接点62を介した回転方向指令により電流方向を切替可能で、双方向の電流を切替制御でき、直流電動機35の正転、逆転の双方向の運転が可能になる。
【0019】
この実施の形態では、電機子側では、上記実施の形態1と同様に、3相インバータ26〜31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、3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。また、界磁側の第2のインバータ41〜46は、電機子側のインバータ26〜31に比して数%の容量で十分であるため、全体としてもインバータ容量が低減できる。
【0020】
なお、この実施の形態では、第2のインバータ41〜46の3相出力の内、2相を短絡させて用いたが、3相出力端子の内2相を選択的に用いて該2相出力端子間に界磁35fを接続して界磁電流を流すようにしても良い。
【0021】
なお、図7に示すように、出力周波数設定器67を設け、任意にその周波数を変更設定できるようにすれば、低速使用時にPWMのパルス数を増やすことができ、安定性の高い制御装置が得られる。
また、図8に示すように、インバータ26〜31の3相出力を短絡された出力端と電機子35aとの間に直流リアクトル81を挿入することで、既設の直流電動機にも電動機のサージ耐量に拘わらず適用できるので、信頼性が向上する。
またこれらの出力周波数設定器67、直流リアクトル81は、上記実施の形態1、2にも同様に適用できる。
【0022】
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4を図に基づいで説明する。図9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3では、各インバータ26〜31、41〜46の直流入力側にそれぞれコンバータ24、39を備えたが、この実施の形態では、図9に示すように遮断器82を介して交流電源21に接続される共通コンバータ83を備えて、該共通コンバータ83から2台のインバータ26〜31、41〜46の双方に出力線84を介して直流電力を給電する。このため、上記実施の形態3と同様にインバータ容量が低減できると共に、コンバータ容量が低減でき、またコンバータの台数が低減できるため装置構成も簡略化できる。なお、この場合、共通コンバータ83を別構成としたVVVF装置85、第2のVVVF装置86と各VVVF装置85、86の制御装置58、64で電動機の制御装置87が構成される。
【0023】
なお、上記実施の形態4ではダイオードコンバータを共通コンバータ83に用いたが、図10に示すように遮断器88を介して交流電源21に接続される、サイリスタコンバータあるいはPWM制御のコンバータを共通コンバータ89に用いても良く、電源回生運転が可能になり、制御性が向上する。なお、90は直流リアクトル、91は共通コンバータ89からの出力線である。
【0024】
実施の形態5.
次に、この発明の実施の形態5を図に基づいで説明する。図11は、この発明の実施の形態5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4では、共通コンバータ83、89を電機子用、界磁用に対して共通コンバータとしたが、図11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89aを電機子用の共通コンバータとし、界磁用には個別のダイオード整流器コンバータ39aを用いる。
この場合、電機子用インバータは複数台あるものとし、またダイオード整流器コンバータ39aは界磁電源92に接続される。また、共通コンバータ89aを別構成としたVVVF装置85、およびダイオード整流器コンバータ39aを備えた第2のVVVF装置38と各VVVF装置85、38の制御装置58、64で電動機の制御装置93が構成される。
これにより、上記実施の形態3と同様にインバータ容量が低減できると共に、既設の直流電動機において、電機子電圧と界磁電源電圧が異なる場合でも、界磁の電圧波高値制限に対しても適用できる。
【0025】
実施の形態6.
次に、この発明の実施の形態6を図に基づいで説明する。図12は、この発明の実施の形態6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88を介して接続された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89a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23と、第2のインバータ41〜46および平滑コンデンサ40で構成される第2のVVVF装置94との双方に給電する。また、各インバータ26〜31、41〜46の3相交流出力端を短絡した2つの出力端子間に直流電動機35の電機子35aを接続される。
また、双方のVVVF装置85、94は、PWM制御回路95を備えた制御装置96により駆動制御され、VVVF装置85、94と制御装置96とで電動機の制御装置96を構成する。
一方、直流電動機35の界磁35fには、界磁電源92からコンバータ98を介して直流電力が供給される。
【0026】
次に動作について、この直流電動機の制御装置97の出力電圧波形図の例を示す図13に基づいて以下に説明する。
図に示すように、各インバータ26〜31、41〜46の各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。そして、各インバータ26〜31、41〜46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。インバータ26〜31の3相交流出力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。各インバータ26〜31、41〜46の各相出力は、矩形波による三相出力であるが、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。
【0027】
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、VVVF装置85、94の制御装置96の装置構成も簡略となる。
【0028】
【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し、上記インバータの各相が同等の周期、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上記インバータの各相をチョッパ制御するため、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。
【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。
【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。
【図9】この発明の実施の形態4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10】この発明の実施の形態4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。
【図11】この発明の実施の形態5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12】この発明の実施の形態6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13】この発明の実施の形態6による直流電動機の制御装置の出力波形図である。
【符号の説明】
21 交流電源、24 コンバータ、25,40 平滑コンデンサ、
26〜31 インバータ、35 直流電動機、35a 電機子、35f 界磁、
39 第2のコンバータ、39a ダイオード整流器コンバータ、
41〜46 第2のインバータ、56,78,95 PWM制御回路、
63 第2のPWM制御回路、67 出力周波数設定器、72 コンバータ、
75 切替操作器、76,77 接触器、81 直流リアクトル、
83,89 共通コンバータ、89a サイリスタコンバータ、
92 界磁電源、98 コンバータ。
Claims (11)
- 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し、上記インバータの各相が同等の周期、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上記インバータの各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。
- 上記インバータに駆動信号を供給するPWM制御回路を備え、該PWM制御回路の出力周波数を可変としたことを特徴とする請求項1記載の電動機の制御回路。
- 直流電源からの直流電力を交流電力に変換する第2のインバータを備え、該第2のインバータの2相間に上記直流電動機の界磁を接続し、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第2のインバータの上記2相をチョッパ制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電動機の制御装置。
- 直流電源からの直流電力を交流電力に変換する第2のインバータを備え、該第2のインバータの3相の内2相の出力端を短絡させた出力端と残りの1相の出力端との間に上記直流電動機の界磁を接続し、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第2のインバータの各相をチョッパ制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電動機の制御装置。
- 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インバータおよび第2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または4記載の電動機の制御装置。
- 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第1、第2のコンバータを備え、上記第1のコンバータをサイリスタコンバータあるいはPWM制御のコンバータで構成して上記インバータに上記直流電力を供給し、上記第2のコンバータをダイオード整流器コンバータで構成して上記第2のインバータに上記直流電力を供給することを特徴とする請求項3または4記載の電動機の制御装置。
- 上記直流電動機の界磁に接続する直流電源を備え、該直流電源から該界磁に直流電力を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の電動機の制御装置。
- 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各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7記載の電動機の制御装置。
- 上記インバータの3相出力を短絡させた出力端と上記直流電動機の電機子との間に直流リアクトルを挿入することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の直流電動機の制御装置。
- 交流電源から供給される交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、こ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して、上記各インバータにおいて、各相が同等の周期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、上記直流電動機の電機子に双方向の電流供給を可能としたことを特徴とする直流電動機の制御装置。
- 上記直流電動機の界磁に接続する直流電源を備え、該直流電源から該界磁に直流電力を供給することを特徴とする請求項10に記載の電動機の制御装置。
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2003
- 2003-03-10 JP JP2003063376A patent/JP2004274905A/ja active Pending
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