JP3251453B2 - 交流電動機の速度制御システムとその方法及びかかるシステムに使用する電力変換装置 - Google Patents

交流電動機の速度制御システムとその方法及びかかるシステムに使用する電力変換装置

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JP3251453B2
JP3251453B2 JP02979595A JP2979595A JP3251453B2 JP 3251453 B2 JP3251453 B2 JP 3251453B2 JP 02979595 A JP02979595 A JP 02979595A JP 2979595 A JP2979595 A JP 2979595A JP 3251453 B2 JP3251453 B2 JP 3251453B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電動機の制御方法
及びその装置に係わり、特に、コンバータの出力電力を
インバータにより交流電力に変換し、この交流電力によ
って交流電動機を駆動するのに好適な交流電動機の制御
方法およびその制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、コンバータとインバータを用いて
交流電動機の速度を制御する制御装置としては、例え
ば、特開平3−190594号公報に記載されているも
のが既に知られている。
【0003】図4には、かかる従来の電動機の制御装置
の構成の一例を示す。この装置は、コンバータ電圧制御
部32、コンバータ電流制御部33、電力演算器24、
インバータ変換器14、平滑コンデンサ13、インダク
タンス12、交流電動機15、コンバータ変換器11、
インバータ演算器46、電源電流補償指令演算器34、
加減算手段35、36、三相交流電源系統10、より成
る。この従来の制御装置においては、交流電動機15の
交流電流よりインバータ14の出力電力Pconvを求め、
この求めた出力電力よりコンバータ11が出力すべき電
源電流値Idc*を算出する。そして、この電源電流値を
コンバータ11の電流指令Id*の一部とする方法が採用
されている。
【0004】このような従来技術になる方式によれば、
負荷トルクが急激に増加した場合、コンバータ11の出
力電流も負荷トルクに応じて増加するので、コンバータ
の出力電圧に相当する平滑コンデンサ13の両端の電圧
変動を低減することが出来ることとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術においては、電力変換器の動作遅れ、特にコン
バータの制御応答遅れ等については何等の配慮されてお
らず、そのため、急激な電動機の速度指令Wr*の変化に
対しは、コンバータ出力電圧の変動が顕著になり、その
ため、十分な上記の効果が得られないという問題点があ
った。
【0006】これは、例えば、このコンバータ11とし
て逆並列接続のサイリスタ変換器を採用して構成する場
合、必要な電力信号が生成され、これが直ちにコンバー
タの制御系に伝送されたとしても、コンバータを構成す
るサイリスタの逆並列切替の無駄時間による動作遅れ及
びコンバータの制御応答遅れ等により、コンバータ11
はすばやく電力を供給することが出来ず、そのため、出
力電圧の変動が生じることによる。
【0007】また、このコンバータ11の出力電圧の変
動は、コンバータ出力を平滑化する上記平滑コンデンサ
13の両端の電圧変動をも招く。そのため、上記平滑コ
ンデンサ13の耐圧を向上する必要が生じ、上記平滑コ
ンデンサ13の数を増加するたどの対策が必要となり、
そのためのコスト上昇も問題となっていた。
【0008】そこで、本発明の目的は、上記の従来技術
における問題点に鑑み、電力変換器を構成するコンバー
タの電力変換の動作遅れ及びその制御応答遅れ等が存在
する場合において、制御する交流電動機の速度指令の急
激な変化に対しても、コンバータの出力電圧の変動を抑
制することが出来、装置のコスト上昇を招くことのない
交流電動機の速度制御システムとその方法及びかかるシ
ステムに使用する電力変換装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の本発明の目的を達
成するため、本発明により提供されているのは、まず、
コンバータとインバータとを備え、前記コンバータによ
り交流から変換した直流出力電力を前記インバータで所
望の周波数の交流電力に変換し、かかる交流電力を交流
電動機に供給して前記交流電動機を駆動制御する交流電
動機の速度制御システムであって、前記コンバータは動
作遅れあるいは制御応答遅れを有しており、与えられた
電圧指令に基づいて前記コンバータへ変換制御信号を出
力する電圧制御系と、与えられた速度指令に基づいて前
記インバータへ変換制御信号を出力する速度制御系とを
備えているものにおいて、前記速度制御系は、前記与え
られた速度指令を所定時間遅延させるための速度指令遅
延器を備えている交流電動機の速度制御システムであ
る。
【0010】また、やはり上記の本発明の目的を達成す
るため、本発明によれば、コンバータにより交流電力を
直流電力に変換した後、前記変換した直流出力電力をイ
ンバータにより所望の周波数の交流電力に変換し、かか
る交流電力を交流電動機に供給して前記交流電動機を駆
動制御する交流電動機の速度制御方法において、前記イ
ンバータにより直流出力電力を交流電力に変換する速度
制御系は、交流電力へ変換するための速度指令を、前記
コンバータの動作遅れあるいは制御応答遅れを考慮した
時間だけ遅延させることにより、前記インバータの電力
変換を制御する交流電動機の速度制御方法が提案されて
いる。
【0011】さらに、やはり上記の本発明の目的を達成
するための手段として、コンバータと、インバータと、
与えられた電圧指令に基づいて前記コンバータへ変換制
御信号を出力する電圧制御系と、与えられた速度指令に
基づいて前記インバータへ変換制御信号を出力する速度
制御系とを備え、前記コンバータは動作遅れあるいは制
御応答遅れを有する電力変換装置から構成されており、
前記速度制御系は、前記与えられた速度指令を所定時間
遅延させるための速度指令遅延手段を備えている電力変
換装置が提案されている。
【0012】すなわち、本発明では、制御対象である交
流電動機の必要電力は、速度指令の変化に追従するため
の加減速用出力電力と負荷変動による外乱抑制用出力電
力に分けられること、並びに、加減速用出力電力は、電
動機の加減速電流指令値により算出できるところに着目
し、電動機のトルク電流指令値を生成する速度指令値
を、加減速電流指令値を生成する速度指令値より遅らせ
ることにより、コンバータの動作遅れ及び制御応答遅れ
等を補償することを可能とし、さらには、以下の本発明
の実施態様にも明らかとなるように、電動機の加減速開
始と同時に必要な加減速電力をコンバータが速やかに補
償するようにしたものである。
【0013】
【作用】上記のような本発明により提供された交流電動
機の速度制御システムとその方法及びかかるシステムに
使用する電力変換装置によれば、加減速電流指令値を生
成する速度指令値に対し、電動機のトルク電流指令値を
生成する速度指令値を遅らせる。また、加減速電流指令
値より生成する出力電力を用い電源電流値を算出し、コ
ンバータ電流指令の一部にしているため、電動機の加減
速開始と同時に必要な加減速電力をコンバータが供給で
き、電動機の速度指令値が急変しても、コンバータの制
御応答遅れおよび変換器の動作遅れ等に対してコンバー
タの出力電圧の変動を抑制することが出来る。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例の詳細について、添
付の図面を参照しながら説明する。図1には、本発明に
なる電動機の速度制御装置の主回路構成が示されてい
る。この図において、3相交流電源10(U相、V相、
W相)に接続されたコンバータ11には、インダクタン
ス12と平滑コンデンサ13とが接続され、さらに、こ
の平滑コンデンサ13の両端がインバータ14に接続さ
れ、もって、このインバータ14からの交流出力が交流
電動機15に供給される構造となっている。すなわち、
上記3相交流電源10から供給された電力はコンバータ
11により直流に変換され、その後、再びインバータ1
4により所望の周波数を有する交流に変換されて交流電
動機15に供給され、もって、上記交流電動機15を所
望の回転数に制御する。
【0015】上記電動機の速度制御装置の回路構成で
は、少なくとも、上記コンバータ11は、図示しない
が、逆並列接続のサイリスタ変換器を採用して構成され
ており、また、電動機の制御系として、インバータ14
を制御するために速度制御系20、そして、コンバータ
11を制御するために電圧制御系30が設けられてい
る。
【0016】まず、インバータ14を制御するための速
度制御系20について説明すると、この速度制御系20
は、上記交流電動機15の回転軸の回転速度を検出して
出力する速度検出器21、速度指令遅延器22、加減速
電流指令演算器23、電力演算器24、速度制御演算器
25、インバータ電流制御演算器26、加減算器27か
ら構成されている。このような構成の速度制御系20に
おいて、いま、速度指令Wr*が入力されると、この速度
指令Wr*は速度指令遅延器22に入力され、これによ
り、速度指令遅延器22は、コンバータ11の動作遅れ
及び上記電圧制御系30の制御遅れを考慮した速度指令
Wr**を出力する。ここで逆並列接続のサイリスタコン
バータは、2つのサイリスタブリッジを持ち、この2つ
のサイリスタブリッジを切替えて、カ行と回生とを行う
ものである。この切替えのための時間が必要であり、こ
れが動作遅れ(カ行指令を与えてからその動作を開始す
るまでの時間)である。また、この遅れを考慮し、時間
的に補正するものとして速度指令が与えられる。即ち、
速度指令とは、コンバータの動作開始タイミングで速度
指令を与えるようにしたものである。
【0017】すなわち、この速度指令遅延器22は、コ
ンバータ11の動作遅れ及び制御応答遅れに対応した遅
延時間だけ速度指令Wr*に遅れを持たせる。その後、こ
の速度指令遅延器22からの出力である速度指令Wr**
は、減算器27において、上記速度検出器21からの出
力である電動機速度Wrとの偏差が求められ、この速度
偏差が速度制御演算器25に入力され、そこでトルク電
流指令It*が出力される。そして、このトルク電流指令
It*はインバータ電流制御演算器26に入力され、この
電流制御演算器26はこのトルク電流指令It*に従って
上記インバータ14の出力電圧・電流を制御し、すなわ
ち、所望の交流電力を出力させて交流電動機15を駆動
制御することとなる。
【0018】一方、本発明によれば、上記速度指令Wr*
は、上記の速度指令遅延器22と共に、加減速電流演算
器23へも入力される。すなわち、この加減速電流演算
器23は速度指令Wr*を入力し、その出力として、急加
減速に対応するように、例えばその微分値である下記の
数1により示す加減速電流指令値Ia*を出力する。
【数1】 なお、ここでK1は定数であってモータと負荷の慣性モ
ーメントを示す。
【0019】さらに、この加減速電流演算器23からの
加減速電流指令値Ia*は電力演算器24に入力され、さ
らに、コンバータ出力電力Pconvが算出されて出力され
る。まず、ここでインバータ出力電力Pinvは、下記の
数2により算出される。
【数2】 ここで、V1は電動機の1次電圧またはその指令であ
る。また、インバータ出力電力Pinvは、下記の数3に
よっても算出される。
【数3】 ここで、τは電動機トルクを、η1は電動機の効率を示
している。
【0020】次に、コンバータ11が出力すべきコンバ
ータ出力電力Pconvが、下記の数4あるいは数5に従っ
て算出される。
【数4】
【数5】 上式において、η2は主回路の効率である。なお、この
コンバータ出力電力Pconvは、上記電圧制御系30へ出
力されることとなる。
【0021】このコンバータ11を制御する電圧制御系
30は、図示の通り、上記平滑コンデンサ13の両端の
電圧を検出する電圧検出器31、電圧制御演算器32、
コンバータ電流制御演算器33、電源電流補償指令値演
算器34、及び、2つの加減算器35、36から構成さ
れている。
【0022】この電圧制御系30では、いま、電圧指令
V*が入力されると、電圧検出器31の出力である平滑
コンデンサ13の両端電圧Vfbとの偏差が減算器35で
求められ、その電圧偏差が電圧制御演算器32に入力さ
れ、これによって電源電流指令値Id*が出力される。
【0023】一方、電源電流補償指令値演算器34は、
上記速度制御系20からのコンバータ出力電力Pconvを
入力し、これにより、下記の数6に従って電源電流補償
指令値Idc*を算出して出力する。
【数6】 ここで、Veは電源電圧である。
【0024】さらに、上記電圧制御演算器32からの電
源電流指令値Id*と上記電源電流補償指令値演算器34
からの電源電流補償指令値Idc*は、加算器36により
互いに加算され(Id*+Idc*)、これにより電源電流
指令値Id**として出力される。
【0025】その後、コンバータ電流制御演算器33
は、上記電源電流指令値Id**を入力し、この上記電源
電流指令値Id**に従ってコンバータ14の変換出力を
制御することとなる。
【0026】このように、本実施例においては、速度指
令Wr*より電動機の加減速に必要な電力を求め、この求
めた電力よりコンバータ14を制御する電源電流指令値
Id*を補償する電源電流補償値Idc*を求める。そし
て、この電源電流補償値Idc*を電源電流指令Id*に加
算し、これにより最終的なコンバータの電流指令値Id*
*とし、これにより、加減速用の必要な電力をコンバー
タ11から速やかに供給するようにしている。また、速
度制御演算器25に入力される速度指令Wr**は、速度
指令遅延器22により遅延させている。
【0027】以上のことより、電動機15の速度指令値
Wr*が急変しても、コンバータ11の制御応答遅れ及び
インバータ14の動作遅れ等を考慮することにより、適
切なタイミングでコンバータ11に交流電流を流し込む
ことが出来、もって、コンバータ11の出力電圧の変動
を抑制することが出来る。
【0028】次に、本発明の他の実施例を添付の図2を
用いながら、以下に説明する。なお、この他の実施例に
おける各部の動作は、上記図1の実施例とほぼ同じであ
るので、以下には、主にその違いを中心に説明すること
とする。
【0029】この他の実施例は、図2にも示すように、
1台のコンバータ11に対し、複数台のインバータ14
a、14b、14c…を接続するものである。なお、こ
の方式では、各々の速度制御系20a、20b、20c
…の電力演算器24a、24b、24c…から出力され
る信号を、電圧制御系30の加算器41で加算し、これ
をコンバータ出力電力Pconvとしている。このため、こ
の他の実施例においても、前記図1の実施例と同様に、
急激な速度指令値Wr*の変化があっても、各速度制御系
20a、20b、20c…の速度指令遅延器22a、2
2b、22c…の働きにより、コンバータ11の出力電
圧の変動を抑制することが出来ることは明らかであろ
う。
【0030】次に、本発明のさらに他の実施例につい
て、添付の図3を用いて説明する。この第3の実施例に
おいても、その各部の動作は、上記図1及び図2に示し
た実施例とほぼ同じであるので、その主な違いを中心に
して説明を行うこととする。
【0031】図3にも明らかなように、この第3の実施
例では、1台のコンバータ11に対して複数台のインバ
ータ14a、14b、14c…が接続されている。これ
ら複数のインバータ14a、14b、14c…には、そ
れぞれ、交流電動機15a、15b、15c…が接続さ
れている。そして、これら複数の交流電動機15a、1
5b、15c…には、それぞれ、ロール42a、42
b、42c…が接続されており、さらに、これらロール
42a、42b、42c…は、その外周面に接した板4
3によって連結されている。かかる構成からなる設備に
おいては、上記交流電動機15a、15b、15c…
は、上記板43のライン移動速度であるライン速度指令
(板速指令)SP*に同期(比例)して運転されること
となる。
【0032】ところで、上記図1及び図2の実施例で
は、各々の交流電動機(または、インバータ)の必要電
力を速度指令Wr*から求めたが、本実施例では、設備の
ライン速度指令(板速指令)SP*より電動機15a、
15b、15c…の加減速に必要とする電力を求めるよ
うに構成されている。ここで、いま、ライン速度SP*
が速度指令遅延器22に入力されると、その出力とし
て、電力変換器の動作遅れ及び電圧制御系の制御遅れを
考慮したライン速度指令SP**が出力される。そこで、
比例変換器44a、44b、44c…は、このライン速
度指令SP**を入力し、そこで交流電動機の速度指令W
ra*、Wrb*、Wrc*…に変換する。
【0033】一方、加減速電流演算器23はライン速度
指令SP*を入力とし、下記の数7により表される加減
速電流指令値Ia*を出力する。
【数7】 ここで、K2は定数を示す。
【0034】さらに、電力演算器24は、上記加減速電
流演算器23から出力される加減速電流指令値Ia*を入
力とし、下記の数8により、全インバータ出力電力Pin
vを算出する。
【数8】 ここで、V1は代表電動機の1次電圧またはその指令
を、そして、K3は定数を示している。
【0035】また、この全インバータ出力電力Pinv
は、下記の数9によっても算出される。
【数9】 なお、この数9において、τは代表電動機トルクを、η
1は代表電動機の効率を、そして、K4は定数を示してい
る。
【0036】次に、電力演算器24は、下記の数10あ
るいは数11により、コンバータ出力電力Pconvを算出
する。
【数10】
【数11】 ここで、η2は代表主回路の効率、そして、K5は定数で
ある。
【0037】その後、電圧制御系30は、上記のように
して算出されたコンバータ出力電力Pconvを入力し、こ
こでやはり上記図1の実施例と同様に、このコンバータ
出力電力Pconvを電源電圧で除算することにより、電源
電流補償指令値Idc*を算出し、さらに、この電源電流
補償指令値Idc*を電源電流指令値Id**に加算して、最
終的なコンバータの電流指令値としている。このため、
本実施例においても、前記の種々の実施例と同様に、急
激なライン速度指令(板速指令)SP*の変化があって
も、コンバータ11の出力電圧の変動を抑制することが
出来る。
【0038】以上の図3は、圧延機等を含む生産ライン
加工系での同一加工ステップに複数モータ15a〜15
cの設置例を述べたが、別加工ステップ(例えば張力制
御ステップと圧延加工ステップとの2つの別ステップ)
に別々にモータを設置し、これらのモータの制御を行う
場合にも適用できる。
【0039】
【発明の効果】以上の詳細な説明からも明らかなよう
に、本発明によれば、制御する交流電動機の速度指令値
が急激に変化した場合においても、速度指令を所定時間
遅延させると同時にその加減速用の電力をコンバータか
ら速やかに供給するように構成したことにより、コンバ
ータ出力電圧の変動を抑制した良質の電源をインバータ
に供給することが可能となるという技術的にも優れた効
果を発揮する。さらに、これにより、速度制御装置とし
ての制御特性を向上させるだけではなく、出力電圧の変
動を抑制する平滑コンデンサの容量も低減できるため装
置をより安価にできるという効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である電動機の速度制御
装置の回路構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の他のの実施例である電動機の速度制御
装置の回路構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の更に他のの実施例である電動機の速度
制御装置の回路構成を示すブロック図である。
【図4】従来の電動機の制御装置の回路構成の一例を示
すブロック図である。
【符号の説明】 10 交流電源 11 コンバータ 12 インダクタンス 13 平滑コンデンサ 14 インバータ 15 交流電動機 20 速度制御系 21 速度検出器 22 速度指令遅延器 23 加減速電流演算器 24 電力演算器 25 速度制御演算器 26 インバータ電流制御演算器 27 加減算器 30 電圧制御系 31 電圧検出器 32 コンバータ電圧制御演算器 33 コンバータ電流制御演算器 34 電源電流補償指令演算器 35、36 加減算器 41 加算器 42 ロール 43 板 44 比例変換器 45 電流検出器 46 インバータ制御器
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−190594(JP,A) 特開 昭50−64722(JP,A) 特開 平3−183389(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コンバータとインバータとを備え、前記
    コンバータにより交流から変換した直流出力電力を前記
    インバータで所望の周波数の交流電力に変換し、かかる
    交流電力を交流電動機に供給して前記交流電動機を駆動
    する交流電動機の速度制御システムであって、 与えられた電圧指令に基づいて前記コンバータへ変換制
    御信号を出力する電圧制御系と、 与えられた速度指令に基づいて前記インバータへ変換制
    御信号を出力する速度制御系とを備え、 前記速度制御系は、前記与えられた速度指令を所定時間
    遅延させるための速度指令遅延器と、該速度指令遅延器
    からの出力である速度指令と前記交流電動機の電動機速
    度との速度偏差を求める加減速器と、該加減速器で求め
    られた速度偏差からトルク電流指令を求める速度制御演
    算器と、該トルク電流指令に基づき前記インバータの出
    力電圧・電流を制御する電流制御演算器とを備え、 更に、前記速度制御系には、前記与えられた前記速度指
    令に基づいて加減速電流指令値を求める加減速電流演算
    器と、該加減速電流指令値に基づきコンバータ出力電力
    を求める電力演算器とを備え、 前記電圧制御系は、前記与えられた電圧指令と前記コン
    バータの出力電圧に相当する平滑コンデンサの両端電圧
    との電圧偏差を求める加減算器と、該電圧偏差に基づき
    電源電流指令値を求める電圧制御演算器と、前記コンバ
    ータ出力電力に基づき電源電流補償指令値を求める電流
    電源補償指令値演算器とを備え、更に、前記電源電流指
    令値と前記電源電流補償指令値を加算し電源電流指令値
    を求める加算器と、該電源電流指令値に基づきコンバー
    タの変換出力を制御するコンバータ電流制御演算器とを
    備えていることを特徴とする交流電動機の速度制御シス
    テム。
  2. 【請求項2】 前記請求項1の交流電動機の速度制御シ
    ステムであって、前記交流電動機は複数であり、かつ、
    当該複数の交流電動機には、それぞれ、前記インバータ
    が設けられ、それぞれのインバータからの交流出力電力
    により駆動制御されていることを特徴とする交流電動機
    の速度制御システム。
  3. 【請求項3】 前記請求項1の交流電動機の速度制御シ
    ステムであって、前記交流電動機は複数であり、かつ、
    それぞれの交流電動機は、一枚の板で機械的に連結され
    た複数のロールに直結されており、もって、前記複数の
    交流電動機の回転により前記一枚の板を所望のライン速
    度で移動させるものにおいて、 前記速度制御系は、前記所望のライン速度を前記速度指
    令として、前記複数の交流電動機の回転速度を制御する
    ように構成されていることを特徴とする交流電動機の速
    度制御システム。
  4. 【請求項4】 コンバータにより交流電力を直流電力に
    変換した後、前記変換した直流出力電力をインバータに
    より所望の周波数の交流電力に変換し、かかる交流電力
    を交流電動機に供給して前記交流電動機を駆動する交流
    電動機の速度制御方法において、 与えられた速度指令に基づいて前記インバータへ変換制
    御信号を出力する速度制御系では、与えられた速度指令
    を前記コンバータの動作遅れあるいは制御応答遅れを考
    慮した時間だけ遅延させ、遅延された速度指令と前記交
    流電動機の電動機速度との速度偏差を求め、 該速度偏差からトルク電流指令を求め、該トルク電流指
    令に基づき前記インバータの出力電圧・電流を制御し、 更に、前記速度制御系では、与えられた前記速度指令に
    基づいて加減速電流指令値を求め、該加減速電流指令値
    に基づいてコンバータ出力電力を求め、 一方、与えられた電圧指令に基づいて前記コンバータへ
    変換制御信号を出力する電圧制御系では、前記与えられ
    た電圧指令と前記コンバータの出力電圧に相当する平滑
    コンデンサの両端電圧との電圧偏差を求め、該電圧偏差
    に基づき電源電流指令値を求め、前記コンバータ出力電
    力に基づき電源電流補償指令値を求め、前記電源電流指
    令値と前記電源電流補償指令値を加算し電源電流指令値
    を求め、該電源電流指令値に基づきコンバータの変換出
    力を制御することを特徴とする交流電動機の速度制御方
    法。
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