JP2005033958A - 直流電動機の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流発電機の界磁電流調節回路をチョッパに置き換えて可動部分をなくし、故障や破損を未然に防止して信頼性を向上させる。
【解決手段】直流発電機２０の出力電圧を直流電動機３０の電機子に供給して直流電動機３０の速度制御を行う直流電動機３０の速度制御装置であって、直流発電機２０の界磁電流調節手段を備えた直流電動機の速度制御装置に関する。前記界磁電流調節手段をチョッパ６０により構成することとし、具体的には、三相交流電動機駆動用の三相電圧形インバータの主回路のうち二相分の上下アームの半導体スイッチからなる四象限チョッパ回路６０６により構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直流電動機の速度及びトルクを制御するための速度制御装置に関し、特に、直流電動機に電機子電流を供給する直流発電機の界磁電流調節回路を改良した速度制御装置に関するものである。

図４は、この種の従来の速度制御装置を示すブロック図であり、いわゆるワードレオナードシステムとして周知のものである。
図４において、１０は商用の三相交流電源に接続された同期電動機等の交流電動機であり、この交流電動機１０には直流発電機（直流他励発電機）２０の回転子が直結されている。Ｆ_Ｇは直流発電機２０の界磁巻線であり、その電流は極性切替用のスイッチ４１及び界磁調整抵抗４２を有する界磁電流調節回路４０から供給される。なお、スイッチ４１の切替操作により、界磁巻線Ｆ_Ｇに印加される直流電源の極性（Ｐ，Ｎ）を変更可能となっている。

交流電動機１０により駆動されて発電する直流発電機２０の電機子電流は、そのまま直流電動機（直流他励電動機）３０の電機子に供給されている。Ｆ_Ｍは直流電動機３０の界磁巻線であり、その電流は界磁調整抵抗５２を有する界磁電流調節回路５０から供給される。この界磁電流調節回路５０には直流電源が接続されている。

直流電動機３０の回転角速度ω_ｒは速度検出器（図示せず）により検出され、その速度検出値と速度指令値とを比較して界磁電流調節回路４０により直流発電機２０の界磁電流を調節し、直流発電機２０の出力電圧すなわち直流電動機３０の電機子電圧（電機子電流）を制御して直流電動機３０の速度及びトルクを所望の値に制御している。
また、直流電動機３０の界磁電流調節回路５０は、定格速度以上の速度制御が必要な場合に弱め界磁制御を行って定格速度の３〜４倍の高速域まで運転するためのものである。
図４において、Ｖ_ａは直流電動機３０の端子電圧である。

なお、図４のようなワードレオナード方式による直流電動機の速度制御装置は、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特公平６−２５５５号公報（第１図、第２図）

図４において、直流発電機２０の界磁電流調節回路４０は、スイッチ４１等の可動部分を含むハードウェアにより構成されているため、老巧化による故障や破損が生じるとシステム停止等の重大な問題に発展するおそれがある。

そこで、本発明は、直流発電機の界磁電流調節手段を、静止形電力変換器である汎用インバータを改造したチョッパに置き換えて可動部分をなくし、故障や破損を未然に防止して信頼性を向上させた直流電動機の速度制御装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、直流発電機の出力電圧を直流電動機の電機子に供給して直流電動機の速度制御を行う直流電動機の速度制御装置であって、前記直流発電機の界磁電流調節手段を備えた直流電動機の速度制御装置において、
前記界磁電流調節手段を、静止形半導体電力変換器としてのチョッパにより構成したものである。

また、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した直流電動機の速度制御装置において、
前記チョッパを、三相電圧形インバータの主回路のうち二相分の上下アームの半導体スイッチからなる四象限チョッパ回路により構成したものである。

以上のような本発明によれば、可動部分のない静止形半導体電力変換器としてのチョッパ、例えば四象限チョッパ回路により直流発電機の界磁電流を供給するため、故障や破損のおそれを少なくして信頼性の向上及び長寿命化を図ることができる。
また、上記チョッパとしては汎用の三相電圧形インバータの主回路部分を利用できるので、低コストにて実現可能である。

図１は、本発明を実施するための最良の形態を示すブロック図であり、図４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図１において、６０は図４の界磁電流調節回路４０に代わる静止形半導体電力変換器としての界磁電流調節用チョッパであり、このチョッパ６０は三相交流電源に接続されていると共に、その出力側が直流発電機２０の界磁巻線Ｆ_Ｇに接続されている。なお、チョッパ６０の電源としては、交流電動機１０の電源を兼用することができる。

前記チョッパ６０は、三相交流電動機の駆動用として汎用されている三相電圧形インバータを改造したものであり、その構成を以下の実施例により説明する。

図２は、本発明の実施例１の構成図であり、６０１は前記界磁電流調節用チョッパ６０の主回路、６０２はその制御回路である。なお、直流電動機３０の界磁巻線及び界磁電流調節回路は図示を省略してある。
主回路６０１は、商用の三相交流電源６０３に接続されて交流−直流変換を行うコンバータ部６０４と、その直流出力側に接続された平滑コンデンサ６０５と、その両端に接続された四象限チョッパ回路（ブリッジ形可逆チョッパ回路）６０６とから構成されている。

四象限チョッパ回路６０６は、三相電圧形インバータの主回路を構成する三相各相上下アームの半導体スイッチＵ_１，Ｕ_２，Ｖ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２のうち、例えばＶ相及びＷ相を構成する半導体スイッチＶ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２によって構成されている。ここで、半導体スイッチＵ_１，Ｕ_２，Ｖ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２は、還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子からなるものである。
そして、半導体スイッチＶ_１，Ｖ_２の相互接続点、同じくＷ_１，Ｗ_２の相互接続点がチョッパ回路６０６の出力端子となり、これらの出力端子はフィルタ６０７を介して直流発電機２０の界磁巻線Ｆ_Ｇに接続されている。

四象限チョッパ回路６０６は、半導体スイッチＶ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２を選択的にオンさせることで負荷（図２では界磁巻線Ｆ_Ｇ）に正負両方向の電圧、電流を供給でき、回生も正負両方向に可能な四象限の電力増幅器として広く知られている。

なお、直流発電機２０と直流電動機３０とは電磁接触器２５を介して接続されていると共に、直流電動機３０の電機子電流検出用の変流器２６と、速度検出用のタコジェネレータ３１とが設けられている。
上記変流器２６及びタコジェネレータ３１の出力は、それぞれレベル変換等を行う変換器６０８，６０９を介して以下に述べる制御回路６０２に入力されている。

次に、制御回路６０２の構成をその動作と共に説明する。
制御回路６０２において、速度設定器６１２から入力された直流電動機３０の運転速度ω_ｒ ^＃は速度指令演算手段６１３に入力され、予め定めた加速度に従い変化して最終的に前記運転速度ω_ｒ ^＃に一致するような速度指令値ω_ｒ ^＊が出力される。
一方、前記変換器６０９に接続された速度検出手段６１１の出力は速度演算手段６１４に入力されており、この演算手段６１４により直流電動機３０の速度検出値ω_ｒが求められる。

前記速度指令値ω_ｒ ^＊と速度検出値ω_ｒとは加算手段６１５に入力されて両者の偏差が算出される。この偏差は、速度調節手段６１６に入力されてその調節動作により、偏差を零にするような直流電動機３０の電機子電流指令値Ｉ_ａ ^＊が出力される。
また、前記変換器６０８に接続された電流検出手段６１０の出力である電流検出値Ｉ_ａは、前記電機子電流指令値Ｉ_ａ ^＊と共に加算手段６１７に入力されて両者の偏差が算出される。この偏差は電機子電流調節手段６１８に入力されてその調節動作により、偏差を零にするような直流発電機２０の界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊が出力される。

前記主回路６０１において、チョッパ回路６０６の出力側から直流発電機２０の界磁電流が変流器６２６により検出される。変流器６２６の出力は、電流検出手段６２２を介して前記界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊と共に加算手段６１９に入力され、両者の偏差が算出される。
界磁電流調節手段６２０では、前記偏差を零にするような界磁電圧指令Ｖ_ｆ ^＊，−Ｖ_ｆ ^＊を出力する。なお、６２１は反転器である。

更に、主回路６０１の平滑コンデンサ６０５の両端から直流電圧Ｖ_ｄｃが検出され、電圧検出手段６２３を介してＰＷＭモジュール６２５に入力されている。ＰＷＭモジュール６２５では、前記界磁電圧指令Ｖ_ｆ ^＊，−Ｖ_ｆ ^＊とキャリア６２４とを比較して直流電圧Ｖ_ｄｃをチョッピングするＰＷＭパルスを生成し、このＰＷＭパルスによりチョッパ回路６０６の半導体スイッチＶ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２がオンオフ制御される。
これにより、チョッパ回路６０６からは界磁電圧指令Ｖ_ｆ ^＊，−Ｖ_ｆ ^＊に従った直流電圧が出力され、直流発電機２０の界磁電流Ｉ_ｆを界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊に一致させるような制御が行われる。

この結果、直流発電機２０の電機子電流すなわち直流電動機３０の電機子電流Ｉ_ａが電機子電流指令値Ｉ_ａ ^＊に一致するように制御され、直流電動機３０の速度及びトルクが所定の値に制御されて運転されることになる。

上記のように、本実施例では、直流発電機２０の界磁電流調節回路として汎用の三相電圧形インバータを改造した四象限チョッパ回路６０６を用いているため、従来のように可動部分の老巧化や経年変化による故障や破損のおそれが少なくなり、信頼性の高い速度制御装置を実現することが可能である。

次に、図３は本発明の実施例２の構成図であり、直流電動機３０の速度検出手段と、これに伴う制御回路６３０の構成が実施例１と一部異なっている。
この実施例では、直流電動機３０の速度を電機子電圧（端子電圧）に基づいて検出するように構成されている。

直流電動機３０が分巻の場合、その速度特性は数式１によって表される。
［数式１］
ω_ｒ＝（Ｖ_ａ−Ｒ×Ｉ_ａ）／（ｐ×Ｍ×Ｉ_ｆｍ）
ここで、ω_ｒは電動機の回転角速度、Ｖ_ａは電機子電圧、Ｒは電機子回路抵抗、Ｉ_ａは電機子電流、ｐは極対数、Ｍは電機子巻線と界磁巻線Ｆ_Ｍとの相互インダクタンス、Ｉ_ｆｍは界磁電流である。

直流電動機３０の速度ω_ｒを電機子電圧Ｖ_ａから検出する場合、数式１により電機子回路抵抗Ｒによる電圧降下Ｉ_ａＲと界磁電流Ｉ_ｆｍを考慮する必要がある。
このため、本実施例では、直流電動機３０の界磁巻線Ｆ_Ｍを流れる界磁電流Ｉ_ｆｍを検出するための変流器６３３、変換器６３４及び電流検出手段６３５を設け、電流検出手段６３５から出力される電流検出値Ｉ_ｆｍが補正手段６３２に入力される。補正手段６３２では電圧降下Ｉ_ａＲを計算し、このＩ_ａＲをＶ_ａ，Ｉ_ｆｍと共に速度演算手段６１４に送る。速度演算手段６１４では、Ｖ_ａ，Ｉ_ａＲ，Ｉ_ｆｍとその他の定数ｐ，Ｍを用いて前述した数式１により直流電動機３０の回転速度ω_ｒを演算し、加算器６１５に出力する。以後の動作は、実施例１と同様である。

この実施例においても、可動部分のない四象限チョッパ回路６０６により図４の界磁電流調節回路４０を置き換えているため、故障や破損を生じるおそれが少なくなる。

本発明の最良の形態を示すブロック図である。 本発明の実施例１を示す構成図である。 本発明の実施例２を示す構成図である。 従来技術を示すブロック図である。

符号の説明

１０：交流電動機
２０：直流発電機
２５：電磁接触器
２６：変流器
３０：直流電動機
３１：タコジェネレータ
３２：電圧検出器
４０，５０：界磁電流調節回路
４１：スイッチ
４２，５２：界磁調整抵抗
６０：界磁電流調節用チョッパ
６０１：主回路
６０２，６３０：制御回路
６０３：三相交流電源
６０４：コンバータ部
６０５：平滑コンデンサ
６０６：四象限チョッパ回路
６０７：フィルタ
６０８，６０９，６３４：変換器
６１０，６２２，６３５：電流検出手段
６１１：速度検出手段
６１２：速度設定器
６１３：速度指令演算手段
６１４：速度演算手段
６１５，６１７，６１９：加算手段
６１８：電機子電流調節手段
６２０：界磁電流調節手段
６２１：反転器
６２３：電圧検出手段
６２４：キャリア
６２５：ＰＷＭモジュール
６２６，６３３：変流器
６３１：電圧検出手段
６３２：補正手段
Ｆ_Ｇ，Ｆ_Ｍ：界磁巻線
Ｕ_１，Ｕ_２，Ｖ_１，Ｖ_２，Ｗ_１，Ｗ_２：半導体スイッチ

Claims (2)

1. 直流発電機の出力電圧を直流電動機の電機子に供給して直流電動機の速度制御を行う直流電動機の速度制御装置であって、前記直流発電機の界磁電流調節手段を備えた直流電動機の速度制御装置において、
   前記界磁電流調節手段を静止形半導体電力変換器としてのチョッパにより構成したことを特徴とする直流電動機の速度制御装置。
2. 請求項１に記載した直流電動機の速度制御装置において、
   前記チョッパを、三相電圧形インバータの主回路のうち二相分の上下アームの半導体スイッチからなる四象限チョッパ回路により構成したことを特徴とする直流電動機の速度制御装置。

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