JP3788302B2 - 誘導機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導機の２次電力をチョッパと回生インバータを用いて制御するセルビウス方式を用いた誘導機の制御装置に係り、特に大容量の誘導機の制御に好適な制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導機の速度制御装置として、例えば特公平３−４１０２４号公報に記載されている誘導機の速度制御装置がある。図３にこの速度制御装置の回路構成図を示す。図３において、１は交流電源系統、２は巻線形誘導電動機、３は前記巻線形誘導電動機２の２次電圧を直流に変換する順変換器（ダイオード整流器）である。６は巻線形誘導電動機２に直結された速度検出器で電動機速度を検出し出力する。７は電流検出器で前記順変換器３の出力電流を検出し出力する。８は速度制御器で、速度検出器６より出力される信号と電流検出器７より出力される信号が入力され、この信号に基づき、例えば自己消弧型素子（ＩＧＢＴ）で構成されるチョッパ回路４をオンオフする制御信号が演算され出力される。５は逆流阻止用のダイオードで前記チョッパ回路４がオフ状態の時に前期順変換器３の出力電流がコンデンサ９に流れる。１０は巻線形誘導電動機２の２次電力を交流電源に回生するための逆変換器（ＩＧＢＴインバータ）、１１は逆変換器用のトランスである。１２は電流検出器で前記逆変換器１０の出力電流を検出し出力する。１３は電圧検出器で前記コンデンサ９の直流電圧を検出し出力する。１４は前記逆変換器１０の制御装置で、電流検出器１２より出力される信号と電圧検出器１３より出力される信号が入力され、この信号に基づき前記逆変換器の制御信号が出力される。なお、１５は電流リプルを抑制するための直流リアクトルである。
【０００３】
次に動作の概要を説明する。まず、誘導電動機の速度制御部分の動作を説明する。２１は速度指令発生器であり速度指令を出力する。２２は速度制御器で、該速度指令と速度検出器６より出力される速度検出値が入力され、この偏差に基づき電流指令信号が演算され出力される。２３は電流制御器で、該電流指令信号と前記電流検出器７より出力される電流検出信号が入力され、この偏差に基づき電圧指令信号が出力される。２４はＰＷＭ制御器で、該電圧指令信号とＰＷＭキャリア信号が入力され、これら信号を比較し、チョッパ回路４のオンオフ制御信号が出力される。
【０００４】
巻線形誘導電動機２の回転速度は、速度検出器６により検出され、速度指令発生器２１からの速度指令信号と共に速度制御器２２に入力され、これにより回転速度は速度指令に一致するように制御される。そして、前記速度制御ループの内側には図３に示すように電流制御ループが設けられ、順変換器３の出力電流は電流検出器７により検出され、速度制御器２２より出力される電流指令信号と共に電流制御器２３に入力され、これにより順変換器３の出力電流は電流指令値に一致するように制御される。電流制御器２３からは電圧指令信号がＰＷＭ制御器
２４に入力されており、ＰＷＭ制御器２４からのＰＷＭ信号に応じてチョッパ回路４をオンオフ制御して順変換器３の出力電圧を制御し、順変換器３の出力電流を制御する。このように直流電流が制御されるので、巻線形誘導電動機２の２次電流、及びトルクは電流指令に比例するように制御され、従って回転速度は速度指令に追従して制御される。
【０００５】
次に逆変換器１０の動作を説明する。コンデンサ９の直流電圧は、電圧検出器１３により検出され、電圧指令発生器２５からの電圧指令信号と共に電圧制御器２６に入力され、これにより直流電圧は電圧指令に一致するように制御される。そして、前記電圧制御ループの内側には電流制御ループが設けられ、逆変換器
１０の出力電流が電流検出器１２により検出され、電圧制御器２６より出力される電流指令信号と共に電流制御器２７に入力され、これにより逆変換器１０の出力電流は電流指令値に一致するように制御される。ところでコンデンサ９には、チョッパ回路４がオンの時に増加した順変換器出力電流が、チョッパ回路４がオフの時にコンデンサ９に流入し、このためコンデンサ９の電圧が上昇する。これを前述の電圧制御により、コンデンサ９に充電された電力(誘導機２次電力相当)を電源に回生する。以上が従来技術の速度制御装置の基本動作である。
【０００６】
ここで、誘導機の２次電圧が高電圧となる大容量の誘導機を駆動する場合、チョッパ回路４のスイッチング動作により、誘導機の２次に加わる電圧の脈動幅が大きくなる問題がある。この問題を解決するために、例えば特開平９−135589号公報に記載されている、チョッパ回路を直列に２段接続する構成が知られている。図４にこの速度制御装置の回路構成図を示す。なお、図４において図３と同一のものには同符号が付してある。図４は２個のチョッパ回路（自己消弧型素子）を直列接続して構成すると共に、両チョッパ回路と並列にそれぞれダイオードとコンデンサの直列回路を並列接続し、２個のチョッパ回路を交互にオン，オフするようにしており、これにより順変換器の出力電圧および出力電流のリプル量を同時に低減している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術においては、誘導機の２次電流の大きさに比例した電流がチョッパ回路内に流れるため、チョッパ回路の自己消弧型素子や直流リアクトルには、その電流に対応した容量のものが必要となる。本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解消し、チョッパ回路が複数使用される場合において、自己消弧型素子や直流リアクトルの電流を低減できる制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、誘導機の２次側に接続した順変換器の直流出力端子間に、直接またはリアクトルを介して接続されるチョッパ回路と、該回路に並列に接続されるダイオードとコンデンサの直列回路と、該コンデンサの直流電力を交流電源に回生する逆変換器を複数組備え、誘導機の２次電力を前記交流電源に回生しつつ制御を行う誘導機の制御装置であって、低速域（すべり大）では、前記チョッパ回路を前記順変換器の直流出力に対して直列接続し、高速域（すべり小）では、前記チョッパ回路を該直流出力に対して並列接続に切換えて動作させるようにした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１に本実施例の巻線形誘導電動機制御装置の構成を示す。なお、図１において図３および図４と同一のものには同符号が付してある。図１で、４ａ，４ｂは順変換器３の出力端子間に接続した自己消弧型素子（ＩＧＢＴ）から成るチョッパ回路である。５ａ，５ｂは逆流阻止用ダイオード、また、９ａ，９ｂはコンデンサで、チョッパ回路がオフ状態の時に前記順変換器３の出力電流がコンデンサ９ａ，９ｂに流れるように接続されている。１０ａ，１０ｂは巻線形誘導電動機２の２次電力を交流電源に回生するための逆変換器（ＩＧＢＴインバータ）、
１１ａ，１１ｂは逆変換器用変圧器である。
【００１１】
図１では従来技術の装置に対して、新たに第１のスイッチ回路３０，第２のスイッチ回路３１と第３のスイッチ回路３２が接続されている。そして、４０は前記スイッチ回路制御器であり、速度検出器６より出力される速度検出値が入力され、この信号に基づき前記スイッチ回路３０，３１，３２のオンオフ信号が出力される。図５にスイッチ回路制御器４０の動作フローチャートを示す。４１はスイッチを切換える際の判定値である切換速度設定値と速度検出値を比較する処理を行うブロックであり、４２は速度検出値が前記設定値以下である時のスイッチ回路の動作処理を行うブロックであり、４３は速度検出値が前記設定値より大きい時のスイッチ回路の動作処理を行うブロックである。
【００１２】
図５に示すように、速度検出値が前記設定値以下である時、即ち速度が低速度域（すべり大）においては、前記第１のスイッチ回路３０をオン，第２のスイッチ回路３１，第３のスイッチ回路３２をオフとする信号がスイッチ回路制御器４０より出力される。また、速度検出値が前記設定値より大きい時、即ち速度が高速度域（すべり小）においては、前記第１のスイッチ回路３０をオフ，第２のスイッチ回路３１，第３のスイッチ回路３２はオンとする信号がスイッチ回路制御器４０より出力される。このように切換えることで、誘導機２次電流が大きい高速度域（すべり小）において、チョッパ回路の自己消弧型素子および直流リアクトルに流れる電流値を半減する。
【００１３】
図６に、流体負荷（２乗逓減負荷）駆動時における、誘導機の回転速度に対する２次電圧と２次電流の特性を示す。図４に示す従来技術では、チョッパ回路４ａ，４ｂが直列接続されているため、各チョッパ回路には、順変換器３の出力電流（２次電流に比例）が共通に流れる。このため、各チョッパの電流容量は、２次電流の最大値相当を考慮する必要がある。
【００１４】
図１の本実施例では、２次電流が大である高速度域では、スイッチ回路３０，３１，３２を前述のように動作させ、チョッパ回路４ａ，４ｂを順変換器出力に対して並列動作させる。このとき、各チョッパ回路の電流は、順変換器出力電流の１／２に低減できる。一方、各チョッパ回路を順変換器に対して並列動作させる場合、各コンデンサ９ａ，９ｂの電圧は、チョッパ動作上から、順変換器出力電圧（２次整流電圧）より高く設定する必要がある。このため、並列動作を２次電圧が低い高速度域では問題ないが、仮に全速度域を並列動作とすると、図４の従来技術に比べコンデンサ電圧は２倍に増加し、チョッパ回路の容量（動作電圧×電流）が低減できない。そこで、本実施例では、スイッチ回路３０，３１，３２により低速度域ではチョッパ回路４ａ，４ｂを順変換器に対して直列接続に切換える。この結果、コンデンサ９ａ，９ｂの電圧は、図４の従来技術のものと変わらなくなる。また、直列動作では、順変換器電流が各チョッパ回路に流れるが、低速度域では２次電流が小さいため、２次電流が最大値の１／２以下となる回転速度で直列動作に切換えるので、チョッパ電流は並列動作時（高速度域）を超えることがない。
【００１５】
以上のように、チョッパ回路４ａ，４ｂの並列動作と直列動作を、高速度域と低速度域で切換えることにより、チョッパ回路の容量を半減できる。
【００１６】
（実施例２）
図２に本実施例を示す。図１の実施例１とは、第１のスイッチ回路を半導体素子３３（例えばダイオード）で、また第２のスイッチ回路を半導体スイッチング素子３４（例えばサイリスタ）、第３のスイッチ回路を半導体スイッチング素子３５で構成している点が異なる。図２で、５０は前記半導体スイッチング素子制御器であり、速度検出器６より出力される速度検出値が入力され、この信号に基づき前記半導体スイッチング素子３４，３５のオンオフ信号が出力される。
【００１７】
図７に半導体スイッチング素子制御器５０のフローチャートを示す。５１は半導体スイッチング素子を切換える際の判定値である切換速度設定値と速度検出値を比較する処理を行うブロックであり、５２は速度検出値が前記設定値以下である時の半導体スイッチング素子の動作処理を行うブロックであり、５３は速度検出値が前記設定値より大きい時の半導体スイッチング素子の動作処理を行うブロックである。そして、図７に示すように、速度検出値が前記設定値以下である時、即ち速度が低速度域（すべり大）では、前記第２の半導体スイッチング素子３４，第３の半導体スイッチング素子３５をオフとする信号が半導体スイッチング素子制御器５０より出力される。また、速度検出値が前記設定値より大きい時、即ち速度が高速度域（すべり小）では、前記半導体スイッチング素子３４，第３の半導体スイッチング素子３５をオンとする信号が半導体スイッチング素子制御器５０より出力される。このように切換えることで、図１と同様の効果が得られる。
【００１８】
（実施例３）
本実施例を図８に示す。図１，図２ではチョッパ回路を２段に接続した場合を示したが、本実施例ではチョッパ回路が４段構成である。なお、図８において図１と同一のものには同符号が付してある。２段以上に段数を増加しても、図８に示すようにスイッチ回路を配置することで、図１と同じ効果を得ることができる。
【００１９】
（実施例４）
本実施例を図９に示す。図１，図２ではスイッチ回路または半導体スイッチング素子の制御器に速度検出値を入力したが、本実施例では誘導機の２次電圧検出値を入力する。なお、図９において図１と同一のものには同符号が付してある。図１とは、誘導機の２次電圧を検出する電圧検出器６０が接続され、スイッチ回路制御器６１に電圧検出器６０より出力される２次電圧が入力されている点が異なる。
【００２０】
図１０にスイッチ回路制御器６１のフローチャートを示す。６２は２次電圧検出値より２次電圧の周波数あるいは大きさに基づき、誘導機のすべり量を演算するブロックであり、６３はスイッチを切換える際の判定値である切換すべり設定値と６２で演算されたすべり演算値を比較する処理を行うブロックであり、６４は前記すべり演算値が前記設定値以上である時のスイッチ回路の動作処理を行うブロックであり、６５は前記すべり演算値が前記設定値より小さい場合のスイッチ回路の動作処理を行うブロックである。
【００２１】
図１０に示すように、前記すべり演算値が前記設定値以上である時、即ちすべり大では、前記第１のスイッチ回路３０をオン、第２のスイッチ回路３１，第３のスイッチ回路３２をオフとする信号がスイッチ回路制御器６１から出力される。また、前記すべり演算値が前記設定値より小さい時、即ちすべり小では、前記第１のスイッチ回路３０をオフ、第２のスイッチ回路３１，第３のスイッチ回路３２はオンとする信号がスイッチ回路制御器４０から出力される。このように切換えることで、図１と同じ効果を得ることができる。
【００２２】
なお、誘導機の速度検出値や２次電圧以外にそれら動作を制御している信号、例えば速度指令信号，電圧指令信号やチョッパ回路の通流率などの信号に基づいて、前記スイッチ回路の動作処理を行っても同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば低速域（すべり大）では、チョッパ回路を直列接続し、高速域（すべり小）では、チョッパ回路を並列接続に切換えて動作させることで、チョッパ回路の自己消弧型素子および直流リアクトルに流れる電流を半分にでき、このため、チョッパ回路および直流リアクトルの容量を半減できるので、制御装置を小形にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図２】実施例２の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図３】従来技術の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図４】別の従来技術の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図５】実施例１のスイッチ回路制御器のフローチャート。
【図６】２乗逓減負荷駆動時における、誘導機の２次電圧と２次電流特性の説明図。
【図７】実施例２のスイッチ回路制御器のフローチャート。
【図８】実施例３の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図９】実施例４の巻線形誘導電動機制御装置の構成図。
【図１０】実施例４のスイッチ回路制御器のフローチャート。
【符号の説明】
１…交流電源系統、２…巻線形誘導電動機、３…順変換器、４…チョッパ回路、５…ダイオード、６…速度検出器、７…電流検出器、８…速度制御器、９…コンデンサ、１０…逆変換器、１１…トランス、３０…第１のスイッチ回路、３１…第２のスイッチ回路、３２…第３のスイッチ回路、４０…スイッチ回路制御器。

Claims (6)

1. ２乗逓減負荷を駆動する誘導機の２次側に接続した順変換器の直流出力端子間に、
   直接またはリアクトルを介して接続されるチョッパ回路と、
   該チョッパ回路に並列に接続されるダイオードとコンデンサの直列回路と、
   該コンデンサの直流電力を交流電源に回生する逆変換器とを複数組備え、
   前記誘導機の２次電力を前記交流電源に回生しつつ制御を行う誘導機の制御装置において、
   前記順変換器の直流出力に対して前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを、
   前記誘導機の動作状態あるいは動作を指令する信号に応じて、前記誘導機の低速域では直列接続し、前記誘導機の高速域では並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。
2. 請求項１に記載の誘導機の制御装置において、
   前記順変換器の直流出力に対して前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを、前記誘導機の２次電流が、該２次電流の最大値の１／２以下になる回転速度の低速域では直列接続し、前記２次電流が前記２次電流の最大値の１／２より大きな回転速度である高速域では並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。
3. ２乗逓減負荷を駆動する誘導機の２次側に接続した順変換器の直流出力端子間に、
   直接またはリアクトルを介して接続されるチョッパ回路と、
   該チョッパ回路に並列に接続されるダイオードとコンデンサの直列回路と、
   該コンデンサの直流電力を交流電源に回生する逆変換器とを複数組備え、
   前記誘導機の２次電力を前記交流電源に回生しつつ制御を行う誘導機の制御装置において、
   直列接続される前記複数組のチョッパ回路の中間接続点に第１のスイッチ回路を接続し、中間接続点で分けられるチョッパ回路と直列に前記順変換器の出力端に接続される第２、第３のスイッチ回路を備え、
   前記誘導機の低速域では、前記第１のスイッチ回路はオン、第２、第３のスイッチ回路はオフにして、前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを前記順変換器の直流出力に対して直列接続し、
   前記誘導機の高速域では、前記第１のスイッチ回路はオフ、第２，第３のスイッチ回路はオンとなるようにして、前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを前記順変換器の直流出力に対して並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。
4. 請求項３に記載の誘導機の制御装置において、
   前記順変換器の直流出力に対して前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを、前記誘導機の２次電流が、該２次電流の最大値の１／２以下になる回転速度の低速域では直列接続し、前記２次電流が前記２次電流の最大値の１／２より大きな回転速度である高速域では並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。
5. ２乗逓減負荷を駆動する誘導機の２次側に接続した順変換器の直流出力端子間に、
   直接またはリアクトルを介して接続されるチョッパ回路と、
   該チョッパ回路に並列に接続されるダイオードとコンデンサの直列回路と、
   該コンデンサの直流電力を交流電源に回生する逆変換器とを複数組備え、
   前記誘導機の２次電力を前記交流電源に回生しつつ制御を行う誘導機の制御装置において、
   直列接続される前記複数組のチョッパ回路の中間接続点に第１の半導体素子を接続し、中間接続点で分けられるチョッパ回路と直列に前記順変換器の出力端に接続される第２、第３の半導体スイッチング素子を備え、
   前記誘導機の低速域では、前記第１の半導体素子がオン状態となり、第２，第３の半導体スイッチング素子がオフ状態となるようにして、前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを前記順変換器の直流出力に対して直列接続し、
   前記誘導機の高速域では、前記第１の半導体素子はオフ状態、第２、第３の半導体スイッチング素子がオン状態となるようにして、前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを前記順変換器の直流出力に対して並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。
6. 請求項５に記載の誘導機の制御装置において、
   前記順変換器の直流出力に対して前記複数組のチョッパ回路と逆変換器とを、前記誘導機の２次電流が、該２次電流の最大値の１／２以下になる回転速度の低速域では直列接続し、前記２次電流が前記２次電流の最大値の１／２より大きな回転速度である高速域では並列接続に切換えることを特徴とする誘導機の制御装置。

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