JP3634443B2 - 誘導性負荷用制御回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、誘導性電気負荷用の制御回路に関する。本発明は、特に、交流電流電源から単方向電流パルスを誘導する切り換え式リラクタンスモータ用のドライブに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
電気モータドライブのような誘導性電気負荷用の代表的な制御回路は、単相電源から電力を引き出し、直流電圧を誘導するためにダイオードブリッジ整流器と平滑キャパシタを利用する。容量平滑式整流器が電源から引き出される電流の高次の高調波成分（かなりの振幅と多くの高調波の両方に関して）を含むことは良く知られている。
【０００３】
切り換え式リラクタンスモータは一方向にパルス的に（間欠的に）動作可能であり、その巻線電流は既知の制御で半導体スイッチを用いる電力コンバータによって制御される。電流は、スイッチが導通を停止した後、従来のコンバータ内のダイオードを通って流れ続ける。巻線電流がダイオード単独に運ばれるとき巻線内のエネルギーの少なくともある割合が平滑キャパシタに戻される。平滑キャパシタは２つの主要な目的を持ち、第１には、モータ巻線から戻されるエネルギーを受け取り、第２には、単相交流電流電源から誘導される比較的平滑な直流電源電圧を、モータ巻線に供給される脈動電流を制御する電力コンバータ回路に対して提供する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電源の基本周波数以外に引き出される電流の振幅に限界値を設定するように意図した規格が導入されつつある。これによって容量平滑式ダイオードブリッジ整流器によって電源から取り出すことができる電力が制限される。コンバータ電力に定格が設定した限界値を越えるときには、基本周波数以上の周波数において電流の振幅を規定された限界値内に維持するために、電源と平滑キャパシタの間にコンバータ回路内に余分な部品が要求される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は特許請求の範囲に記載された通りである。
【０００６】
所望の波形は従来と同様に正弦波またはほぼ正弦波である。例えば、偏差を感知する手段は、所望の波形の入力、交流電源電流の入力（またはそれから誘導された入力）および２つの入力間の偏差の出力を持つコンパレータを含んでもよい。偏差は電圧ブースタ（昇圧器）を作動させて、好ましくは、交流電源内の高調波電流成分を実質的に抑制するために用いられる。
【０００７】
作動手段は電圧ブースタを作動するために作動信号を発生するように動作可能な変調器を含んでもよい。変調器はパルス幅変調器であってもよい。
【０００８】
電圧ブースタは、スプレッサスイッチと、そのサプレッサスイッチが開放回路であるとき直流リンクキャパシタを充電するように配置されたフライバック（循環）ダイオードとから成ってもよい。
【０００９】
単一方向の電流だけが必要である切り換え式リラクタンスモータのような誘導性負荷の場合、交流電流源から引き出される基本周波数に対して高調波の振幅と範囲をコンバータによって減少させるのに必要な余分な部品の数と費用を最小にすることが本発明によって可能である。
【００１０】
本発明の１実施例によると、誘導性負荷用コントローラにおいて、第１および第２交流電流入力端子と、誘導性負荷に流れる電流を制御するように動作可能であり、かつ一対の電力端子と制御端子を有する電流パルスコントローラと、を有し、電力端子の１つは誘導性負荷の一端に接続可能であり、他の電力端子に接続されたキャパシタ手段と、交流入力端子に接続されキャパシタ手段に充電電流を提供するように配置された整流器手段を有し、整流器手段はエネルギー貯蔵インダクタとブーストコンバータは切り換え周波数と切り換えデューティサイクルに従って交流入力端子の電流を制御するように交流入力端子間のピーク電圧を越える値にキャパシタの両端間の電圧を増大するように作動し、キャパシタ手段に印加した増大した電圧を維持しかつ交流入力端子において引き出される電流の高次の高調波成分を抑制するように動作可能なサプレッサスイッチ手段と有することを特徴とするコントローラが提供される。
【００１１】
本発明は、また、誘導性負荷用の電流制御装置であると考えられ、この制御装置は、第１および第２交流電流入力端子と、入力と誘導性負荷の一端に接続可能な出力とを持ちかつ誘導性負荷に流れる電流を制御するように動作可能なパルス制御手段と、入力がパルス制御手段に接続され交流入力端子の間の電圧を昇圧するように配置された電圧昇圧手段と、を有し、電圧昇圧手段は昇圧した電圧を貯蔵するためのキャパシタンス手段を含み、交流入力端子から電流を流すように配置されたインダクタと、パルス制御手段に印加される昇圧電圧を維持し交流電源電流の高調波を抑制するために切り替え周波数と切り替えディーティサイクルに従ってインダクタに流れる電流を制御するように動作可能サプレッサスイッチとをさらに有する。
【００１２】
したがって、誘導性負荷用の制御回路は、第１負荷制御周波数において動作しかつ単一極性のキャパシタ手段から電力を引き出す第１半導体切り替え手段（ＳＳＤ）と、第２の比較的高い周波数で所定のデューティサイクルシーケンスで動作しかつ単相整流器手段の交流端子と直列であるかまたはその直流端子と直列であるエネルギー貯蔵インダクタを流れる電流を制御する第２ＳＳＤとを有し、それによって、第２ＳＳＤが導通のとき、エネルギー貯蔵インダクタを流れる電流は増加し、非導通のとき、インダクタに流れるエネルギーの一部はダイオード手段を通してキャパシタ手段に転送され、負荷制御回路によってそれから引き出された電力に置き換えられ、整流器手段用の電力は単相交流電源から引き出され、交流電源から引き出されて第２ＳＳＤによって制御される交流電流は交流電源の各半サイクル中前記デューティサイクルシーケンスを変調することによって交流電源の周波数で正弦波にほぼ倣うようになっている。
【００１３】
好ましくは、サプレッサスイッチ手段、即ち前記第２ＳＳＤの切り替え周波数は、５ｋＨｚおよび１００ｋＨｚの間、例えば、１０ｋＨｚおよび５０ｋＨｚの間、または１０ｋＨｚおよび２０ｋＨｚの間である。ある用途に対しては５ｋＨｚ以下（例えば、１ｋＨｚ）であってもよい。好ましくは、キャパシタ手段は１つまたはそれ以上の単極性キャパシタである。
【００１４】
本発明の１つの構成によると、誘導性負荷用電流制御回路において、第１および第２の交流電流入力端子と、入力端子から電流を受け取り整流した出力を与える整流器と、一対の電力端子と制御端子を有する負荷電流制御手段とを有し、該電力端子の１つは誘導性負荷の一端に接続可能であり、一対の電力端子と制御端子を有するサプレッサスイッチ手段を有し、該電力端子の１つは誘導性負荷の他端に接続可能であり、電流制御手段の他の電力端子とサプレッサスイッチ手段の間に接続されたキャパシタと、第１交流入力端子と誘導性負荷の他端の間の電流路に接続されたインダクタと、誘導性負荷の他端から電流制御手段の他の電力端子へ導通させるように接続された第１循環ダイオードと、該スイッチ手段の他の電力端子から誘導性負荷の一端へ導通させるように接続された第２循環ダイオードとを有することを特徴とする制御回路が提供される。
【００１５】
複数の誘導性負荷が整流器の整流出力との接続点を共有してもよく、各誘導性負荷は電流制御手段を有し、各々の他の電力端子はキャパシタンス手段に接続されており、各々はサプレッサスイッチ手段の他の電力端子から関連する誘導性負荷のそれぞれの一端へ導通するように接続された第２循環ダイオードを有する。
【００１６】
電流制御回路は各誘導性負荷用の負荷電流制御手段に対して半導体切り替え装置（ＳＳＤ）を使用してもよく、それによって各負荷に流れる変調した一方向電流の周波数、タイミングおよび期間が個々のＳＳＤによって制御される。前記一方向電流はダイオード整流器およびエネルギー貯蔵インダクタを介して単相交流電圧源から電力を受ける単極性キャパシタによって与えられてもよく、共通のＳＳＤは、個々の制御ＳＳＤよりも高い周波数で、かつ交流電源の周波数における正弦波にほぼなるように交流電源電流を変調するが高次の周波数において小さいリップル成分の電流しか含まないように交流電源の各半サイクル中に変化するデューティで、切り替わる。個々の制御ＳＳＤはキャパシタの一端と各負荷の一端の間に接続され、負荷の他端は共通のＳＳＤに接続され、ＳＳＤの他の端子はキャパシタの他端に接続され、各負荷の他端はダイオードを通してキャパシタの一端に接続され、各負荷の一端はダイオードを通してキャパシタの他端に個々の接続され、共通のＳＳＤの切り替えによって、共通のＳＳＤがオンのとき交流電源から前記エネルギー貯蔵インダクタに充電することと、共通のＳＳＤがオフのときキャパシタに放電することが交互に行われ、このため、キャパシタは交流電源電圧のピーク値を越えた直流電圧に充電され維持される。
【００１７】
本発明の他の構成によると、本発明は、少なくとも２つの誘導性負荷の間に共通の接続点を有する少なくとも２つの誘導性負荷に対する電流制御回路において、第１および第２交流電流入力端子と第１および第２の直流電流出力端子を有する整流器と、第１交流入力端子に接続されたエネルギー貯蔵インダクタと、整流器の出力端子間に接続されたサプレッサスイッチ手段と、それぞれの一端で第２交流入力端子と共通に接続された端子を有する第１および第２の直列接続のキャパシタと、第１直流出力端子から第１キャパシタの他端へ導通するように接続された第１ブーストダイオードと、第２キャパシタの他端から第２直流出力端子へ導通するように接続された第２ブーストダイオードと、第１および第２電力端子と制御端子を有する第１電流制御手段と、を有し、第１電力端子は第１キャパシタの他端に接続されており、第２電力端子は誘導性の一端に接続可能であり、第１および第２電力端子と制御端子を有する第２制御手段を有し、第１電力端子は誘導性負荷の他端に接続可能であり、第２電力端子は第２キャパシタの他端に接続され、他の誘導性負荷から第１キャパシタへ導通するように接続された第１循環ダイオードと、第２キャパシタから１つの誘導性負荷へ導通するように接続された第２循環ダイオードとを有し、サプレッサスイッチ手段は切り替え周波数および切り替えデューティサイクルに従ってエネルギー貯蔵インダクタを流れる電流を制御するように動作しキャパシタに印加された整流電圧を維持しかつ交流入力端子において引き出された高調波電流成分を抑制することを特徴とする電流制御回路を提供する。
【００１８】
本発明のこの構成に対する他の実施例としては、前述に代えて、ブーストダイオードが第１交流入力端子にそれぞれ接続される。
【００１９】
これら両方の構成において、本発明は、例えばブリッジ整流器によって引き出される単相交流電源電流の高調波成分を減少するのに用いられる新規な構造のブーストコンバータを採用するものである。特定の構造では、２つの直列接続された単極性キャパシタは共通の中間点を持ち、この中間点は一方のキャパシタの負端子であり、他のキャパシタの正端子である。前記中間点はブリッジ整流器の１つの交流端子と１つの交流電源端子（通常、ニュートラル端子）に接続され、ブリッジ整流器の正端子（または他のブリッジ整流器の他の端子）はダイオードを介して２つのキャパシタのうちの前記１つの正端子に接続され、ブリッジ整流器の負端子（交流ブリッジ整流器の他の端子）はダイオードを介してキャパシタのうちの前記他の負端子に接続されている。エネルギー貯蔵インダクタは他の交流電源端子（通常、ライン端子）と交流ブリッジ整流器の前記他の端子との間に接続されている。半導体切り替え装置（ＳＳＤ）はブリッジ整流器の直流端子間に接続されており、このため、ＳＳＤが導通のとき、インダクタを流れる電流が増加し、非導通のとき、インダクタはエネルギーを２つのキャパシタに交互に開放して、前記他の交流電源端子が前記１つの交流電源端子に対して正のとき、１つのキャパシタを充電し、前記他の交流電源端子が前記１つの交流電源端子に対して負のとき、前記他のキャパシタを充電する。ＳＳＤは、交流電源の周波数の少なくとも１００倍の周波数で、かつ後述するデューティサイクルで切り替わる。デューティサイクルは、交流電源から引き出される電流の高調波を減少させると共に交流電源電圧のピーク値を越える値に各キャパシタの両端間の電圧を維持するように交流電源の各半サイクル中に変調される。このことは、第１キャパシタの正端子から引き出され前記中間点に戻される負荷電流が中間点から引き出され他のキャパシタの負端子に戻されるものと異なってもよいという事実にかかわらず生じる。
【００２０】
本発明のこの構成の変形例としては、エネルギー貯蔵インダクタは、同一のマグネットコア上にある２つの巻線であるか、または各々がそれ自身のマグネットコア上にある２つの巻線であるのいずれの形態でもよく、第１の巻線の位置はブリッジ整流器の正直流端子と半導体切り替え装置（ＳＳＤ）の１つの端子との間に直列にあり、ダイオードが、ＳＳＤと該ＳＳＤに接続された第１巻線の端部との間の共通接続点と、１つのキャパシタの正端子との間に接続されている。第２巻線の位置はブリッジ整流器の負直流端子とＳＳＤの他の端子との間で直列であり、ダイオードがＳＳＤと該ＳＳＤに接続された第２巻線の端部との間の共通接続点と、他のキャパシタの負端子との間に接続されている。
【００２１】
本発明のこの構成およびその変形例は、以下に記載の構成の切り替え式リラクタンスモータの偶数の巻線の構成を取る負荷に特に適用できる。即ち、各巻線の一端が２つの直列のキャパシタの間に中間点に接続されており、交互にある巻線の各々の反対側（中間点とは反対側）の端部は、ＳＳＤを介して１つのキャパシタの正端子に、ダイオードを介して他のキャパシタの負端子に接続されており、残りの巻線の各々の反対側の端部は、ＳＳＤを介して１つのキャパシタの負端子に、ダイオードを介して他のキャパシタの正端子に接続されている。
【００２２】
本発明は、また、交流電源が交流入力端子に印加され、パルス制御手段が負荷によって課される要求に従って作動され、サプレッサスイッチ手段がキャパシタに昇圧電圧を維持して交流電源電流の高調波を抑制するように、そのデューティサイクルとパルス制御手段からの出力よりも高い周波数おける切り替えによってインダクタに流れる電流を制御するように切り替えられる本発明の制御装置、即ち制御回路を動作させる方法にまで拡張できる。
【００２３】
本発明によると、整流した交流電流電源から供給される切り換え式誘導性負荷の制御中高調波を抑制する方法において、
ａ）充電した平滑キャパシタから負荷に給電し、
ｂ）サプレッサスイッチを作動させることによってキャパシタの両端間の電源電圧の印加を制御し、
ｃ）交流電源電流と基準波形とを比較し、
ｄ）サプレッサスイッチを切り換えて基準電圧とほぼ一致するように交流電源電流を維持する、
ことを特徴とする方法が提供される。
【００２４】
好ましくは、セプレッサスイッチのデューティサイクルは交流電源の半サイクルを繰り返すシーケンスに従って変化させらる。スプレッサスイッチ手段の切り替えの周波数は、好ましくは、交流電源の周波数の少なくとも約１００倍である。
【００２５】
【実施例】
本発明の特定の実施例は添付図面を参照して例示的に以下に説明する。
図１の制御回路は切り換え式リラクタンス（ＳＲ）モータのような単相誘導性負荷に適用できる。この回路は一対の交流電流（ａｃ）のラインおよびニュートラル（中線）、即ち入力端子ＬおよびＮを有する。ライン端子Ｌは第１インダクタ１０ａを介してダイオード１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄから成るダイオードブリッジ整流器１１の１つの交流端子に接続されている。ＳＲモータの相巻線１２は制御トランジスタ１４のエミッタとハモニックサプレッション（高調波抑制）トランジスタ１６のコレクタの間に接続されている。平滑キャパシタ（コンデンサ）１８は制御トランジスタ１４のコレクタとサプレッション（抑制）トランジスタ１６のエミッタの間に接続されている。第２インダクタ１０ｂはブリッジ整流器１１の正端子から巻線１２に隣接したサプレッショントランジスタ１６のコレクタに接続している。インダクタ１０ａおよび１０ｂは共にまたは択一的に使用されうる。ブリッジ整流器の負端子はサプレッショントランジスタ１６のエミッタに接続されている。インダクタ１０ａおよび１０ｂの一方または両方を使用することによって、負荷および負荷制御手段より前の入力においてインダクタンスを与えることができることが当業者にとって明らかである。
【００２６】
第１循環ダイオード２０はサプレッショントランジスタ１６のコレクタから制御トランジスタ１４と平滑キャパシタ１８の共通（接続）点へ導通させるために接続されている。第２循環ダイオード２２はサプレッショントランジスタ１６のエミッタから巻線１２の反対端に隣接した制御トランジスタ１４のエミッタへ導通させるために接続されている。
【００２７】
サプレッショントランジスタ１６と第１ダイオード２０はブースタフライバックコンバータとして動作し、コンバータの切り換えはキャパシタ１８の両端間の電圧を比較的一定のレベルに維持するように制御され、この一定のレベルは交流電源のピーク電圧より大きく、例えば１．５×ピーク交流電源電圧である。サプレッショントランジスタ１６の導通デューティサイクルは交流電源から引き出される高次の高調波電流が高調波発生の限界値を越えることを回避するために交流電流の各半サイクル中に変調される。サプレッショントランジスタ１６は人の耳に聞こえなくするために２０〜１００ｋＨｚでパルス幅変調される。このトランジスタは、実際には、キャパシタ電圧を監視し、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路のデューティサイクルを調整する制御補助回路の一部であり、このため、主電源電流は、その高調波電流成分が抑制され、主成分は電源周波数（例えば５０または６０Ｈｚ）である。もちろん、他の電源周波数を用いることもできる。ＰＷＭのデューティサイクルは負荷に応じて電源電圧の各半サイクル内で変化する。このような制御補助回路は公知である。使用できる一例は、米国のユニトロードコーポレーション（Ｕｎｉｔｒｏｄｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたＵＣ ３８５４チップである。
【００２８】
トランジスタ１４と１６が共に導通するときは常に、キャパシタ１８の両端間の電圧は巻線電流を増加させる方向にモータ巻線１２に印加される。その結果、キャパシタ１８は部分的に放電され、一方、インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂに流れる電流はサプレッショントランジスタ１６の導通のために増加する。
【００２９】
もし、制御トランジスタ１４が導通中、サプレッショントランジスタ１６がオフになると、インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂに流れる電流は第１ダイオード２０に転送され、キャパシタ１８を充電させ、その結果、インダクタの電流を比較的迅速に減少させる。一方、モータ巻線１２に流れる電流は第１ダイオード２０と制御トランジスタ１４を通って循環し、比較的ゆっくりと減少する。電流が変化する割合は、電流値と、インダクタンス（モータ巻線の場合には、電流が流れるインダクタンスの変化の割合を含む）と、電流を運ぶ回路ループに存在する回路電圧とによって決まる。インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂの場合には、インダクタンスは小さく、回路電圧は瞬時電源電圧（電流を増加させる傾向にある）とキャパシタ１８の両端間の大きな電圧（電流を減少させる傾向にある）を含む。ＳＲモータ巻線の場合、インダクタンスはインダクタ１０ａおよび（または）１０ｂのインダクタンスより大きく、トランジスタ１４から巻線１２および第１ダイオード２０を通るループに関連する回路電圧は比較的小さく、このことは半導体の順方向電圧降下と巻線抵抗に関連した小さい電圧に起因するからである。したがって、トランジスタ１４が導通中（トランジスタ１６が導通しているか否かにかかわらず）、モータ巻線１２に印加される平均電圧は正であり、巻線に交差するモータの磁束を増加させる。
【００３０】
トランジスタ１４と１６の両方が共に非導通のときには常に、インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂに流れる電流は比較的迅速に減少し、キャパシタ１８を部分的に充電する。しかしながら、モータ巻線の電流は、もし存在するならば、ダイオード２０と２２を通って流れ、またキャパシタ１８を部分的に充電する。モータ巻線の電流は、１つのダイオードと１つの導通中のトランジスタに電流が循環している状態にあるときよりも迅速に減少する。
【００３１】
トランジスタ１４が非導通のとき（トランジスタ１６が導通であるか否かにかかわらず）、モータ巻線に印加される平均電圧は負であり、巻線に交差する磁束を減少させる。
【００３２】
インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂに流れる電流と巻線に流れる電流を独立して制御する能力が図２に示されており、図２は、説明の簡略化のために、インダクタがインダクタ１０ａだけであると仮定している。図２の電圧波形Ｖ_１ はブリッジ整流器１１の直流（ｄｃ）端子の両端間に現れる。説明の簡略化のために、インダクタ１０ａは理想的なものである、即ち、抵抗を持たないと仮定する。その結果、直流電流成分はインダクタの両端間には現れない。また、トランジスタ１６は通常１８ｋＨｚを越える周波数で切り替わるので、インダクタ１０ａのインダクタンスは比較的小さく、Ｖ_１ の周波数におけるインダクタの両端間の電圧成分はＶ_１ と比べて非常に小さい。このため、トランジスタ１６の両端間に現れるＶ_１ の周波数における電圧は図２のＶ_１ とよく似ており、これはモータ巻線１２の下端における電圧の低周波数成分を表している。
【００３３】
トランジスタ１６の両端間の電圧は、導通時の零と非導通時のＶ_２ との間で高周波数において切り替わる。デューティサイクルの変調のために、この電圧の低周波数成分は図２の波形Ｖ_１ とよく似ている。巻線１２の上端の電圧は、２つの値、即ち、トランジスタ１４が導通中の第１の値のＶ_２ とダイオード２２が導通中の第２の値の零のいずれかをとる。図２において垂直に陰影を付けた領域の振幅は巻線に電圧を印加するために用いられ、巻線電流を増加させ、水平に陰影を付けた領域の振幅は逆極性の巻線電圧を印加するために用いられ、巻線電流を減少させる。
【００３４】
前述のことから、トランジスタ１６は、デューティサイクルの切り換えを操作することによって、制御トランジスタ１４の導通または非導通に係わらず、インダクタ１０ａおよび（または）１０ｂに流れる電流を制御し変調することができることが明らかである。循環ダイオード２０に関連して、充電電流はキャパシタ１８に印加でき、キャパシタの電圧は、それによって、トランジスタ１６の切り換え動作とは無関係に交流電源電圧のピークより幾分大きく維持される。トランジスタ１４は、導通することによって、モータの磁束を増加させ、非導通になることによって、モータの磁束を減少させ、それによって、切り換え式リラクタンスモータのために巻線電流の必要な制御が得られる。
【００３５】
図３は２相モータ用の本発明の他の実施例を示す。本発明のこの実施例は他の数の相にも適用できる。各モータ巻線１２および１２ａは、制御トランジスタ１４と１４ａを有し、トランジスタ１４、１４ａとは反対側の巻線の端部でサプレッショントランジスタ１６に共通に接続されている。一対の第２循環ダイオード２２および２２ａが制御トランジスタ１４および１４ａのエミッタに隣接する巻線のそれぞれの端部に導通するように接続されている。各制御トランジスタはその巻線の電流パルスを制御するように独立して動作する。１つのサプレッショントランジスタ１６は、前述と同様に、振幅と交流電源から引き出される電流のある程度の高調波成分を減少させるように動作する。
【００３６】
図４は本発明の他の実施例の回路を示す。ラインおよびニュートラルの交流入力端子ＬおよびＮは、前述のように、ダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよび２４ｄから成るダイオードブリッジ２４の交流入力に接続されている。インダクタ１０はライン端子Ｌとダイオード２４ａおよび２４ｄの間に接続されている。ニュートラル端子Ｎはダイオード２４ｂと２４ｃの間に直接接続されている。この実施例では、サプレッショントランジスタ１６はブリッジの残りの端子の間に接続され、このため、そのコレクタはダイオード２４ａおよび２４ｃからの共通路として接続され、そのエミッタはダイオード２４ｂと２４ｄの間に接続されている。一対の充電用キャパシタ１８ａおよび１８ｂはダイオード２４ｃと２４ｂの間の接続点においてニュートラル交流入力端子Ｎと共通接続点を有する。
【００３７】
ダイオード２６はダイオード２４ａおよび２４ｃの間から、即ち、サプレッショントランジスタ１６のコレクタとの接続点からキャパシタ１８ａの一端へ導通するように接続されている。同様に、ダイオード２８はキャパシタ１８ｂの他端からダイオード２４ｂおよび２４ｄの間のトランジスタ１６のエミッタへ導通するように接続されている。図４の点線から明らかなように、ダイオード２６および２８は、代案として、インダクタ１０とダイオード２４ａおよび２４ｄの間のライン電圧に接続できる。いずれの位置においても、ダイオードは、もしダイオードブリッジによる電圧降下を無視するならば、ほぼ電源電圧を受けることになる。繰り返すことになるが、サプレッショントランジスタは、理解し易いように、図示されているが、米国ニューハンプシャに所在のユニトロード インテグレーテッド サーキット コーポレーション（Ｕｎｉｔｏｒｏｄｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたユニトロード ＵＣ ３８５４のような制御補助回路の一部であってもよい。
【００３８】
各々が１つの相を表す一対のモータ巻線１２ａおよび１２ｂは、一端で、キャパシタ１８ａと１８ｂの間に共通に接続されている。制御トランジスタ１４’は、そのコレクタがダイオード２６とキャパシタ１８ａの正電極板の間に接続されており、そのエミッタが第１巻線１２ａの一端に接続されている。ダイオード２８はキャパシタ１８ｂの負電極板からダイオード２４ｂおよび２４ｄの間の接続点に導通させるように接続されている。制御トランジスタ１４’のエミッタに接続された巻線１２ａは、また、巻線エネルギーをキャパシタ１８ｂに戻す第１循環ダイオード３２に接続されている。
【００３９】
他の制御トランジスタ１４”は、そのコレクタが巻線１２ｂの一端に接続されており、そのエミッタがダイオード２８とキャパシタ１８ｂの負電極板の間の共通の接続点に接続されている。第２循環ダイオード３０は巻線１２ｂの一端からトランジスタ１４’のコレクタとキャパシタ１８ａの正電極板の間の共通の接続点へ導通するように接続されている。
【００４０】
インダクタ１０、ダイオードブリッジ２４およびサプレッショントランジスタ１６は、ダイオード２６と共に（このダイオードがどちらの位置にあるとしても）、キャパシタ１８ａをピーク電源電圧より大きな電圧に充電するブースト（昇圧）コンバータとして働き、ライン端子電圧がニュートラル端子の電圧より大きいときの交流電源の正の半サイクルの間は、キャパシタをその値に維持する。また、ダイオード２８を持つ同等なブーストコンバータが、キャパシタ１８ｂをピーク交流電圧より大きな電圧に充電し、ライン端子電圧がニュートラル端子電圧より小さいときの交流電源の負の半サイクルの間はキャパシタをその値に維持するように、配置されている。
【００４１】
このことが達成される態様を交流電源の正の半サイクルの間について詳細に説明する。必要な変更を加えて同様な考えを負の半サイクルに適用できることを当業者は理解できるであろう。
【００４２】
トランジスタ１６は整流される各半サイクルの間何度もオンとオフに切り替わり、切り替え周波数は代表的には２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内にある。各オン期間中、インダクタ１０を通ってダイオードブリッジ２４に向かって流れる電流は、ダイオード２４ａ、トランジスタ１６およびダイオード２４ｂを通ってニュートラル端子Ｎに流れ、インダクタ１０に流れる電流はインクレメント（増加分）、＋ｄＩ_１０だけ増加する。トランジスタ１６がオフになると、インダクタ１０を流れる電流はダイオード２４ａ、ダイオード２６および充電キャパシタ１８ａを通ってニュートラル端子Ｎに流れる。キャパシタ１８ａの両端間の電圧は交流端子間のピーク電圧より大きいので、インダクタ１０を流れる電流は、キャパシタ１８ａの電圧が少しの増分だけ充電されている期間、ほぼ−ｄＩ_１０のディクレメント（減少分）だけ減少する。トランジスタ１６が導通しているときには常に、ダイオード２６は逆バイアスされており、キャパシタはダイオード２６から充電を受けない。
【００４３】
もしダイオード２６がインダクタ１０に直接接続されているならば、トランジスタ１６が導通している間の電流路は変わらない。しかし、トランジスタが非導通の間の電流路は、ニュートラル端子Ｎに至るインダクタ１０、ダイオード２６およびキャパシタ１８ａを含むことになる。
【００４４】
ライン端子電圧がニュートラル端子電圧より低いときの電源の負の半サイクルに対しては、トランジスタ１６が導通している間の電流路はニュートラル端子Ｎからダイオード２４ｃ、トランジスタ１６、ダイオード２４ｄおよびインダクタ１０を通ってライン端子Ｌに至るものである。トランジスタ１６が非導通の間、電流路はニュートラル端子Ｎからキャパシタ１８ｂ、ダイオード２８、ダイオード２４ｄおよびインダクタ１０を通ってライン端子Ｌに至るものである。もしダイオード２８がインダクタ１０に直接接続されているならば、トランジスタ１６が非導通のときの電流路はニュートラル端子Ｎからキャパシタ１８ｂ、ダイオード２８およびインダクタ１０を通ってライン端子Ｌに至るものである。
【００４５】
前述の実施例においてトランジスタ１６のデューティサイクルを変調することによってインダクタ１０を流れる電流の増加分および減少分は、図５に示すように、電源電圧のかなり低い周波数の波形に従うようにできる。図５に示す電流の増加分および減少分は電源電圧の周波数に比べるてかなり高い周波数を有する。ただし、簡略化のために実際の場合の周波数より大幅に少なく表示している。
【００４６】
前述のことから、電源から引き出される電流を制御するためのサプレッショントランジスタの動作は実際の電流波形と所望の波形（この場合は、図５の交流入力正弦形波Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}である）との比較に基づかなければならないことが明らかである。
【００４７】
図６は前述のＵＣ３８５４チップの基本を構成する配列を示す。説明のために図１も参照する。キャパシタの両端間の電圧Ｖ_ｃ 、またはその電圧を示す入力がコンパレータ３６の反転入力に供給される。コンパレータ３６の非反転入力には電圧Ｖ_ｃ を維持するのに必要な基準電圧に等しい基準信号Ｖ_ｒｅｆ が供給される。コンパレータ３６の出力は制御信号として電圧依存（電圧制御）増幅器３８に供給され、電圧制御増幅器３８は電源電圧を示す信号Ｖ_１ を増幅するように接続されている。増幅器３８からの出力は第２コンパレータ４０の反転入力に供給される。非反転入力には電源電流を示す信号Ｖ_Ｉ が供給される。この信号は整流された電源または整流されていない電源のどちらから引き出されてもよいが、誘導性負荷１２より前の回路にある箇所からなされるべきである。例えば、ダイオード１１ｂおよび１１ｄの間の点Ｘにおける整流電流に比例する電圧を用いることができる。他の方法としては、インダクタ１１ａと整流器の間の点Ｙが用いられる。均等な点ＸおよびＹが図３および図４に表示されている。コンパレータ４０の出力はサプレッションスイッチ（トランジスタ）１６に対する制御信号である。スイッチ１６に対する動作信号はパルス幅変調器４２によって供給される。キャパシタの電圧Ｖ_ｃ が所望のモータ電源電圧を越えると、コンパレータ３６が増幅器３８の利得を減少させる減少用出力を発生する。電源電圧を表示する信号Ｖ_１ の波形の全体的な正弦形状は維持されるが、振幅が減少させられる。正弦波は信号Ｖ_Ｉ と比較される。２つの信号の間に何らかの変化があると、零でない出力が生じ、この出力がパルス幅変調器の出力のデューティサイクルに影響を与え、したがって、サプレッションスイッチ（トランジスタ）１６に影響を与える。
【００４８】
電流波形は電圧波形に倣うようになり、高調波が著しく減少する。さらに、図６の回路は、また、同一のパルス幅変調されたサプレッションスイッチ１６によって正しいレベルにキャパシタの両端間の電圧Ｖ_ｃ を維持する。
【００４９】
図６の回路は図面の図３および図４の実施例に適用できる。図４に関しては、インダクタ１０を通って流れる電流に現れる高次の周波数のリップルはライン端子とニュートラル端子の間に置かれたフィルタキャパシタに通してバイパスすることができる。さらに、このことによって交流電源から流れる電流の高次の周波数成分を一層低いレベルまで減少させることができる。電流の正弦形状によって電源周波数の倍数の電流高調波は規格上の要件を満たすほど十分に下げられる。
【００５０】
図４に示すトランジスタ１６のデューティサイクルの変化はピーク電源電圧を幾分越える比較的一定の所望の値に各キャパシタの両端間の電圧を維持するようになっている。この電圧制御機能は、たとえ切り替え式モータおよび切り替え装置によって２つのキャパシタ１８ａおよび１８ｂにかけられる負荷が等しくないときでさえ、達成される。
【００５１】
図４の回路は、事実上、各キャパシタ１８ａと１８ｂを充電するのにダイオード／キャパシタ対２６／１８ａおよび２８／１８ｂの２つの半波整流器を用いている。説明の簡略化のために、ブリッジ２４のダイオードの両端間の電圧降下とトランジスタ１６の切り替え動作を無視したとしても、もしキャパシタ１８ａと１８ｂに対する電流の充電すべてが交流電圧波形のピークで発生すると、多くの比較的強い高調波が生ずる。トランジスタ１６を高い周波数で切り替え、インダクタのインダクタンスに依存することによって交流電流は前述のように疑似正弦波であるように整形される。しかし、キャパシタ１８ａおよび１８ｂの両端間の電圧は、回路のブーストコンバータ機能が生じるようにピーク電源電圧を越えている必要がある。
【００５２】
もし、キャパシタ１８ａおよび１８ｂにかかる負荷が極めて低速のモータ速度に起因して異なるならば、正負の半サイクル間のトランジスタ１６のデューティサイクルは、大容量のキャパシタがより多くの充電を受けることができるように異なるようにしてもよい。このことは、静止からモータを加速するような極めて短い時間ではなく低速度で動作させねばならない駆動に対して重要な利点となる。
【００５３】
もし、ダイオード２６と２８が図４の点線で示すように配置されているならば、図４のダイオードブリッジ２４とトランジスタ１６は、電源電流の正および負の半サイクルの両方の間に動作可能な双方向スイッチとなる。図７および図８は用いることができる双方向スイッチの他の配列を示す。さらに他の変形が存在するとは当業者にとって明らかである。
【００５４】
本発明は誘導性負荷の制御に適用される変形したブーストコンバータとして考えられてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘導性負荷制御回路において、発生される高調波を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、単相切り換え式リラクタンスモータ用の本発明の第１実施例の回路図である。
【図２】図２は、図１の回路の部品間の相対的な電圧を示す理想的な波形図である。
【図３】図３は、多相モータ用の図１の回路の変形を示す図である。
【図４】図４は、本発明の他の実施例の回路図である。
【図５】図５は、図１、３または４の実施例に関連する波形を示す図である。
【図６】図６は、本発明で用いられる制御機能回路の概略回路図である。
【図７】図７は、図４の実施例で用いられる他の実施例の双方向スイッチの一例を示す図である。
【図８】図８は、図４の実施例で用いられる他の実施例の双方向スイッチの一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ インダクタ
１２ 巻線
１１ 整流器
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ダイオード
１４ 制御トランジスタ
１６ サプレッショントランジスタ
１８ キャパシタ
２０、２２ 循環ダイオード
Ｌ ライン端子
Ｎ ニュートラル端子

Claims (16)

1. 固定子極を構成する固定子と、回転子極を構成する回転子と、少なくとも１相の巻線を有する切り換え式リラクタンス機械用の直流電流制御装置において、交流電流入力と直流電流出力を有する整流器と、直流リンクキャパシタと、キャパシタから相の巻線への電流供給を制御するように配置された制御手段と、交流電流入力からの電流路中に配置されたインダクタを含む電圧ブースタと、整流器から直流リンクキャパシタへの電流の供給を制御するように配置されたサプレッサスイッチ手段と、所望の波形からの交流入力電流の偏差を感知し偏差を示す出力を発生するように動作する感知手段と、電圧ブースタを作動させ、偏差を補償して交流入力電流をほぼ所望の波形に維持して交流入力電流の高調波を抑制させ、整流器への交流入力のピーク電圧を超える値の電圧にキャパシタを充電するように偏差に応答する作動手段とを有し、制御スイッチ手段は相の巻線の一端に接続可能であり、サプレッサスイッチ手段は相の巻線の他端に接続可能であり、さらに電圧ブースタは、サプレッサスイッチ手段が開放回路のとき、直流リンクキャパシタに整流した電源電流を導通させるように接続したフライバックダイオードを含むことを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、所望の波形は交流入力電圧から誘導されることを特徴とする制御装置。
3. 請求項１または２記載の制御装置において、インダクタンスは整流器の入力または出力に接続されていることを特徴とする制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の制御装置において、作動手段は前記偏差に応答してサプレッサスイッチ手段を作動させるように作動信号を発生するように動作する変調器を含むことを特徴とする制御装置。
5. 請求項４記載の制御装置において、変調器はパルス幅変調器であることを特徴とする制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の制御装置において、感知手段は交流入力電流から誘導される第１入力と交流入力電圧の波形を指示する所望の波形の第２入力を受けるように配置したコンパレータを含むことを特徴とする制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の制御装置において、直流リンクキャパシタの両端間の電圧の振幅を指示するキャパシタ信号を与える監視手段と、所望の波形の振幅を調整するようにキャパシタ信号に応答する手段をさらに有し、それによって所定のレベルに直流リンクキャパシタ電圧を維持することを特徴とする制御装置。
8. 直流電流制御回路を用いて交流電流電源から供給される誘導性負荷の制御中高調波を制御する方法であって、それぞれが第１および第２電力端子を有する第１および第２スイッチ手段を有し、第１スイッチ手段の第２電力端子は負荷の一端に接続され、第２スイッチ手段の第１電力端子は負荷の他端に接続され、第１スイッチ手段の第１電力端子と第２スイッチ手段の第２電力端子の両端間に接続された単極性キャパシタンス手段と、第２スイッチ手段の第１電力端子から第１スイッチ手段の第１電力端子へ導通するように接続された第１ダイオード手段と、第２スイッチ手段の第２電力端子から第１スイッチ手段の第２電力端子へ導通するように接続された第２ダイオード手段と、直流電流出力を有し、交流入力端子と直流出力端子を有する整流器手段を含む整流器装置と、整流器手段の端子の１つと直列に接続されたエネルギー貯蔵インダクタとを有し、整流器装置の直流電流出力は第２スイッチ手段の電力端子の両端間に接続される回路を用いる方法において、
   ａ）交流電源を直流電源に整流し、
   ｂ）第１スイッチ手段を作動することによって、キャパシタンス手段から負荷への電流の供給を制御し、
   ｃ）第２スイッチ手段を作動することによって、整流器の交流入力端子でのピーク電圧を越える値の電圧にキャパシタンス手段を充電し、
   ｄ）交流電源電流の波形と基準波形とを比較し、
   ｅ）交流入力端子において引き出される電流の高次の高調波成分を抑制するように第２スイッチ手段の作動を制御する、
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、切り換え周波数を調整することによって第２スイッチ手段の作動を制御することを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項８または９に記載の方法において、交流入力端子において引き出される電流の高次の高調波成分を抑制するように切り換えデューティサイクルを調整することによって第２スイッチ手段の作動を制御することを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項８、９または１０に記載の方法において、第２スイッチ手段の作動とほぼ独立して第１スイッチ手段を作動することによって負荷への電流の供給を制御することを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項８、９、１０または１１に記載の方法において、キャパシタの両端間の電圧を指示する信号が所望の基準レベルと比較され、比較結果がキャパシタ電圧を所望の基準電圧にほぼ維持するために第２スイッチ手段の切り換えに影響するように用いられることを特徴とする方法。
13. 誘導性負荷用の直流電流制御回路であって、それぞれが第１および第２電力端子を有する第１および第２スイッチ手段を有し、第１スイッチ手段の第２電力端子は負荷の一端に接続可能であり、第２スイッチ手段の第１電力端子は負荷の他端に接続可能であり、第１スイッチ手段の第１電力端子と第２スイッチ手段の第２電力端子の両端間に接続された単極性キャパシタンス手段と、第２スイッチ手段の第１電力端子から第１スイッチ手段の第１電力端子へ導通するように接続された第１ダイオード手段と、第２スイッチ手段の第２電力端子から第１スイッチ手段の第２電力端子へ導通するように接続された第２ダイオード手段とを有する回路において、直流電流出力を有し、交流入力端子と直流出力端子を有する整流器手段を含む整流器装置と、整流器手段の交流入力端子と直流出力端子との電流路中に接続されるエネルギー貯蔵インダクタとを有し、整流器装置からの直流電流出力は第２スイッチ手段の電力端子の両端間に接続され、かつ整流器装置は、第２スイッチ手段と第１ダイオードが整流器の交流入力端子でのピーク電圧を越える値の電圧にキャパシタを充電するように動作するブーストコンバータを形成することを特徴とする回路。
14. 請求項１３記載の回路において、整流器手段はブリッジダイオード整流器であることを特徴とする回路。
15. 請求項１３または１４記載の回路において、エネルギー貯蔵インダクタは整流器手段の直流出力端子と第２スイッチ手段の第１電力端子の間に接続されることを特徴とする回路。
16. 請求項１３または１４記載の回路において、エネルギー貯蔵インダクタは整流器手段の交流入力端子の１つと直列に接続されることを特徴とする回路。

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