JP2856812B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、電力変換器を介して交流電動機を安定に運
転する交流電動機の制御装置に関する。

（従来の技術） 電力変換器の構成は、電圧形、電流形と多く存在する
が、ここでは電流形インバータ装置で交流電動機を駆動
する例を以下説明する。

第２図に、電流形インバータ装置の一般的な制御ブロ
ック図を示す。11は交流電源、12は整流器、13は直流リ
アクトル、14はインバータ回路、15は負荷である交流電
動機、21は速度基準設定器、22は入力制限回路、23は電
圧電流制御器、24は位相制御器、25は周波数制御器、26
は位相制御器24の入力信号の変化量を微分する力率検出
器、27は加減算器、30は通電電流検出器、31は出力電圧
検出器である。

このような構成における電流形インバータ装置の基本
動作は、例えば『ニュードライブエレクトロニクス』
（電気書院発行上山直彦編）の第４章P103〜P144に詳細
に述べられているので省略し、ここでは制御信号の補正
方法についてのみ述べる。負荷電動機15の端子電圧は、
入力制御回路22の出力信号である速度基準e₁と、電圧検
出器31の出力信号である出力電圧帰還信号e₂の比較によ
り制御され、またインバータ回路14の出力周波数は、前
記速度基準e₁により制御されている。

このような制御方式が採用されたとき、負荷電動機15
の発生トルクは、インバータ出力電圧、電流、周波数、
力率の関数として決まるが、負荷変動等の外乱、もしく
は運転周波数の変動により負荷電動機15の発生トルクに
変動が生じると、インバータ出力電圧、電流が低周波で
振動する不安定現象が発生する。

このような不安定現象を生ずる要因としては種々考え
られるが、主な原因としてはインバータ装置の出力イン
ピーダンスが高く、出力電流位相が固定されているため
と考えられ、負荷電動機15に負荷変動等の外乱が入った
とき、負荷電動機15の内部誘起電圧ひいては誘起磁束の
位相が変化し、負荷の力率（cosθ）が変化する。この
位相変化と、インバータ装置の相互干渉によって低周波
の振動となると考えられる。

よって、この不安定現象を抑制し、発生トルクを一定
に制御するためには、力率（cosθ）を制御する必要が
ある。

一般的に電流形インバータ装置の主回路直流電圧は、
次式で表される。

Ed₁＝1.35V_a cosα …（１） Ed₂＝1.35V_M cosθ …（２） Ed₁＝V_D＋Ed₂ …（３） 但し、 Ed₁：整流器12の出力電圧、 V_a：交流電源11の線間電圧、 cosα：位相制御角、 Ed₂：インバータ回路14の入力電圧、 V_M：負荷電動機15の線間電圧、 cosθ：負荷力率、 V_D：直流リアクトルによる電圧ドロップ、上式（２）で
わかるように、主回路直流電圧（Ed₂）は、出力電圧（V
_M）と、負荷力率（cosθ）との関数である。一方、整流
器12の出力電圧（Ed₁）は、（１）式により、交流電源
電圧（V_a）と、位相制御器24の出力信号である位相制御
角（cosα）との関数である。Ed₁とEd₂が（３）式のよ
うな関係があることから、位相制御角（cosα）と、負
荷力率（cosθ）とは、関数関係にある。即ち、負荷力
率（cosθ）の変動に対して位相制御角（cosα）が変化
し、位相制御器24の入力信号e₃も変化する。よって、こ
の信号e₃の変化量を、力率検出器26で微分して取出し、
この検出信号を速度基準e₁に加減算器27を介して、補正
信号として入力し制御する。

すなわち、負荷力率（cosθ）が進み、入力信号e₃が
増加すれば、加減算器27の出力信号を下げる方向に、逆
に負荷力率（cosθ）が遅れ、入力信号e₃が減少すれ
ば、加減算器27の出力信号を上げる方向に補正し、負荷
力率の変化にダンピングをかけ、前記低周波による不安
定現象を除去し、安定に交流電動機を運転する。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたような従来の技術では、負荷力率（cos
θ）の変化量を検出し、補正をかけていたが、位相基準
と、負荷力率（cosθ）の関係は、第３図（ａ）に示す
ように、力率（cosθ）が進んだ領域では、力率の変化
に対する位相基準の変化が少なく、逆に力率が遅れてい
る領域では位相基準の変化が大きい。このため力率が進
んでくると、十分な補正量に入らず、振動を抑制しきれ
なかったり、力率が遅れてくると、補正量が入りすぎ、
逆に振動の原因になったりすることがある。又、２乗特
性を示す負荷の場合は、負荷力率（cosθ）が、電動機
の回転速度により第３図（ｂ）に示すような特性にある
ため、低速の回転数領域では、負荷力率（cosθ）の変
化率が大きく高速の回転数領域では、変化率が小さい。
よって運転周波数により補正量が異なり、交流電動機の
発生トルクの変動に対し、同レベルの補正が入らず、低
速領域は安定に運転できるのに、高速領域になると、振
動が発生するといった問題点がある。

この不安定現象により次のような２次的な問題が発生
する。

過電流を誘発し、装置故障に至ることがある。

電動機へトルク脈動のストレスを与え、機械系の破壊
に至ることがある。

本発明は、前記負荷変動等の外乱により発生する不安
定現象を位相基準と電流検出信号とを入力とした補正信
号により全回転数範囲で抑制し、信頼性の高い安定に動
作する交流電動機の制御装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明は第１図に示すよ
うに位相制御器24の入力信号e₃と、電流帰還信号e₄との
積を算出する乗算器28と、乗算器28の変化量を微分する
電力検出器29を追加し、位相制御信号e₃と、電流帰還信
号e₄との積の値の変化量により、交流電動器15への供給
電力の変動を検出し、速度基準e₁に補正信号を入力し、
ダンピングをかけ広範囲の回転数領域においても、同一
レベルで不安定現象を抑制する交流電動機の制御装置を
提供する。

（作用） 前記（１）式からわかるように、主回路直流電圧を制
御する位相制御器24の入力信号e₃は、主回路直流電圧と
関数関係にあり入力信号e₃の変化により主回路直流電圧
も変化する。その入力信号e₃と電流帰還信号e₄との積を
とることにより、負荷力率をも含んだ、交流電動機15へ
の供給電力を検出することができる。

これにより、負荷変動等の外乱により発生する、交流
電動機15の変動を、負荷力率の変動をも含めたモータパ
ワーの変動として検出でき、その変化量に対して補正を
かけることができるので、負荷力率の進んだところで
も、遅れているところでも、同一レベルの変化量が検出
でき、広範囲の運転状態においても有効なダンピングが
かけられる。

又、２乗特性を示す負荷においても、回転数に対する
電流の特性は、第３図（ｃ）のようになるから、入力信
号e₃（負荷力率（cosθ）と関数関係）と電流帰還信号e
₄との積をとることにより、広範囲の回転数帯において
も同レベルの変化量が検出でき、全回転数範囲で安定に
運転することができる。

以下、本発明の一実施例を示す第１図を参照して説明
する。

11は交流電源、12は整流器、13は直流リアクトル、14
はインバータ回路、15は負荷の交流電動機、21は速度基
準設定器、22は入力制限回路、23は電圧電流制御器、24
は位相制御器、25は周波数制御器、28は位相制御器24の
入力信号e₃と、電流帰還信号e₄の積を演算する乗算器、
29は乗算器28の変化量を微分する電力検出器、27は電力
検出器29の信号を速度基準e₁に割込ませる加減算器、30
は通電電流検出器、31は出力電圧検出器である。

以上のような構成により、その作用を説明する。

従来の技術でも述べたように、電流形インバータの主
回路直流電圧は、出力電圧と負荷力率（cosθ）の関数
であり、主回路直流電圧を制御する位相制御器24の入力
信号e₃と、主回路直流電圧とは、関数関係にある。よっ
て乗算器28で電圧電流制御器23の出力信号e₃と、電流帰
還信号e₄の積をとることにより負荷である交流電動機15
への、負荷力率（cosθ）を含んだ供給電力を検出し、
交流電動機15の発生トルクの変動を供給電力の変動とし
てとらえてその変化量を電力検出器29で微分して取出
し、速度基準e₁に加減算器27を介して、補正信号として
入力し、電力検出器29の信号が正の方向に増加して、供
給電力が増加すれば、加減算器27の出力信号を下げる方
向に、逆に供給電力が減少すれば、加減算器27の出力信
号を上げる方向に制御して、供給電力の変化にダンピン
グをかけ低周波の不安定現象を除去し、安定に交流電動
機を運転する。

又、２乗負荷特性の場合、回転速度に対する、力率
（cosθ）、電流は第３図（ｂ）（ｃ）に示すように、
低速回転領域では、力率（cosθ）の変化量が大きく、
電流の変化量が小さく、高速回転領域では逆に力率（co
sθ）の変化量が小さく、電流の変化量が大きいという
特性にあるから、負荷力率（cosθ）と関数関係にある
入力信号e₃と電流帰還信号e₄との積をとることにより、
広範囲の回転数帯においても同レベルの変化量を検出で
き、同レベルのダンピングをかけることができる。

〔発明の効果〕

以上の作用により本発明は以下のような効果を得るこ
とができる。

交流電動機への供給電力の変動に対して、ダンピング
をかけるので、力率のいい交流電動機でも、力率の悪い
交流電動機でも安定に運転できる。

交流電動機への供給電力の変動に対して、ダンピング
をかけるので、低速回転領域でも高速回転領域でも同レ
ベルのダンピングがかけられ、安定に運転できる。

不安定現象を除去することにより、装置故障、機械系
へのストレス等２次的不具合を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
従来装置のブロック図、第３図は本発明を説明するため
の回転数に対する力率、電流の特性グラフである。 11……交流電源、12……整流器、13……直流リアクト
ル、14……インバータ回路、15……交流電動機、21……
基準設定器、22……入力制御回路、23……電圧電流制御
器、24……位相制御器、25……周波数制御器、26……力
率検出器、27……加減算器、28……乗算器、29……電力
検出器、30……通電電流検出器、31……出力電圧検出
器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電力を任意の直流電力に変換する整流
   器と、この整流器より出力される直流電力を平滑する平
   滑回路と、この平滑回路で平滑された直流電力を任意の
   交流電力に変換する逆変換器により構成された電力変換
   器により、交流電動機を可変速制御するシステムにおい
   て、 前記整流器の点弧位相を制御して前記整流器より出力さ
   れる直流電力を可変する位相制御器の入力信号と前記電
   力変換器に流れる電流の検出信号とを入力信号としてこ
   れら両信号の乗算演算を行う第１の手段と、この第１の
   手段の出力信号の変化率を検出する第２の手段と、速度
   基準設定器により設定された速度基準を前記第２の手段
   の出力信号により補正する第３の手段と、この第３の手
   段の出力信号と前記電力変換器に流れる電流の検出信号
   とから前記位相制御器の入力信号を生成する電圧電流制
   御器とを具備することを特徴とする交流電動機の制御装
   置。