JP4549159B2 - 巻線型誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は改良された巻線型誘導電動機の制御装置に関する。

従来から、ポンプやファンの可変速駆動用として、セルビウス装置が用いられている。このセルビウス装置は、電動機として巻線型誘導電動機を用い、この２次巻線に順変換器を接続し、更に直流リアクトル及び逆変換器を介して２次電力を交流電源に回生するようにした装置である。このセルビウス装置は、トルクに比例する誘導電動機の２次電流を直接制御するようにしているため制御性が高く、また誘導電動機の２次電力を電源に回生することにより速度制御を行うため効率が良く、更に変換装置が故障した場合でも、２次抵抗制御モードに切換えることにより運転継続できる利点などがあり、上下水道など公共性の高い分野で適用されている。

従来のセルビウス装置は、電源側に接続される逆変換器にサイリスタが使用されていたため、電源側の力率が悪く、また、電源変動に弱いという欠点があった。更に、２次電流がダイオードブリッジで整流され導通角１２０度の矩形波となるため、２次電流成分に高調波リップルを含み、この結果トルクリップル発生する問題があった。

これに対し、順変換器の出力側に２次電流調整用の２次チョッパを接続し、この２次チョッパと並列にダイオードとコンデンサの直列回路を接続し、この２次チョッパを昇圧チョッパとして動作させることにより２次チョッパの出力に接続された逆変換器の電源側の力率を改善し、更に、電流の脈動を抑制するため、変換器を多重構成する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−１３４８７１号公報（全体）

特許文献１に示された方式においては、２次チョッパ回路が必要となり回路構成が複雑となる問題がある。また、従来のセルビウス装置に２次チョッパが追加された構成となっているため、変換効率が悪化するという問題もある。更に、変換器を多重構成するのは回路構成が極めて複雑となってしまう。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、比較的簡単な回路構成で、変換効率も良く、且つ電流リップルも抑制可能な巻線型誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の巻線型誘導電動機の制御装置は、交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に接続された第１の電圧型変換器と、この第１の電圧型変換器の直流出力を平滑するコンデンサと、前記第１の電圧型変換器の直流出力を前記交流電源に回生する第２の電圧型変換器と、前記巻線型誘導電動機の速度を検出する速度検出手段と、前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出する２次電流検出手段と、前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して２次電流基準を発生する速度制御手段と、前記２次電流検出手段の出力が前記２次電流基準となるように電流制御し、その出力で前記第１の電圧型変換器を構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御する第１のＰＷＭ制御手段と、前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して前記第２の電圧型変換器を構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御する第２のＰＷＭ制御手段とを具備し、前記第１のＰＷＭ制御手段は、前記第１の電圧型変換器の３相短絡のオンオフ比率を調節するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な回路構成で、変換効率も良く、且つ電流リップルも抑制可能な巻線型誘導電動機の制御装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

巻線型誘導電動機１は交流電源２から１次巻線に電力が供給され、その２次巻線に誘起される２次電力は、自己消弧型素子で構成された電圧型変換器３を介して平滑コンデンサ４に供給される。平滑コンデンサ４の両端の直流電力は電圧型変換器５によって交流に変換され、フィルタリアクトル６及び変圧器７を介して交流電源２に戻される。

以上の主回路構成において、起動用及びバックアップ運転用の２次抵抗切替回路が付属される場合があるが図示を省略している。次に電圧型変換器３の制御部分の構成を説明する。

巻線型誘導電動機１には速度検出器１０を取り付け、検出した速度フィードバック信号と速度基準信号ＳＰ_ｒｅｆとを速度制御器１１で比較制御する。電流検出器１２Ａで巻線型誘導電動機１の２次電流を検出し、この信号をダイオード整流回路１３で直流信号に変換し、前記速度制御器１１の出力である電流基準と電流制御器１４で比較制御する。この電流制御器１４の出力信号でＰＷＭ回路１５と選択切替え回路１６を介して電圧型変換器４を構成する自己消弧型素子のゲートをＰＷＭ制御する。ここで、ＰＷＭ制御とはパルス幅変調制御のことであり、自己消弧型素子の通電パルス幅を変化させることにより平均出力電圧を制御する方式を示す。

次に電圧型変換器５の制御部の構成について説明する。変圧器７の１次側の交流電源電圧を電圧検出器１７で検出し、ＰＬＬ回路１８で交流電源位相θを得る。平滑コンデンサ４の直流電圧を電圧検出器１９で検出し、この電圧信号と電圧基準信号Ｖｄｃ_ｒｅｆとを電圧制御器２０によって比較制御し、回生電流基準信号を得る。また、電圧型変換器５の交流出力電流を電流検出器１２Ｂで検出し、この交流出力電流を前述の交流電源位相θを基準位相とした座標変換回路２１により直流量の有効電流と無効電流に分解する。そして、電流制御器２２Ａにより前記回生電流基準信号とこの有効電流とを比較制御し、電流制御器２２Ｂにより、無効電流をゼロに制御するためのゼロ電流基準とこの無効電流とを比較制御する。電流制御器２２Ａ及び電流制御器２２Ｂの２つの制御出力を座標変換回路２３で２相−３相変換し、３相の電圧基準信号を得て、ＰＷＭ回路２４を介して電圧型変換器５を構成する自己消弧型素子のゲートをＰＷＭ制御する。

以上説明したように電圧型変換器５は直流電圧が所定の電圧になるように制御し、且つ無効電流がゼロとなるように制御しているので力率１の制御が可能となる。

次に、上記構成における電圧型変換器３の動作について図２及び図３を参照して以下説明する。図２は動作説明用の回路構成図である。

図２において、巻線型誘導電動機１の２次巻線は、すべり周波数に比例した振幅で、周波数がすべり周波数の交流電圧が発生する。この２次巻線はインピーダンスを有しているので、等価回路３０で表現することができる。電圧型変換器３は、図２に示したように、各々フライホイールダイオードを逆並列に接続した６つの自己消弧型素子３１乃至３６をブリッジ接続して構成されている。図１におけるＰＷＭ回路１５は、巻線型誘導電動機１の２次電流を増やすために、例えば図２の自己消弧型素子３１、３２及び３３をオン、自己消弧型素子３４、３５及び３６をオフとする。このようにすると、巻線型誘導電動機１の２次側から見ると３相が短絡している状態となり、２次巻線電圧と巻線インピーダンスで決まる電流増加率に従って電流は増加する。

一方、この２次電流を減少させるためには、上記の短絡した自己消弧型素子３１、３２及び３３をオフする。このとき、流れていた電流は、図２のフライホイールダイオード側を通り、平滑コンデンサ４を充電し、２次電力を平滑コンデンサ４に蓄える。

以上のオン／オフ動作を繰り返し、短絡モードとなるオン時間の比率を調整することにより２次電流（２次電力）を制御することができる。

図３にこのときの動作波形の一例を示す。これは、ＰＷＭ回路１５における変調周波数はすべり周波数に対し十分大きく、オン期間とオフ期間が同程度でスイッチングを行っている例である。各相の電流波形は２次巻線電圧に比例した正弦波状となっていることが分かる。

上記のオン／オフ動作の繰り返しにおいて、オンする素子は上側アームの自己消弧型素子３１、３２及び３３としたが、これを下側アームの自己消弧型素子３４、３５及び３６としても良い。従って、選択切替え回路１６によって上側アームと下側アームを交互に使用するようにすれば、自己消弧型素子３１乃至３６のスイッチング損失の平均化を図ることが可能となる。

次に本実施例におけるに変換効率について考察する。上記の制御において、オン時の電流パスに着目すると自己消弧型素子１個とダーオード１個を通流する。そしてオフ時には２個のダイオードを通流して平滑コンデンサ４を充電する。一方、特許文献１に示されている２次チョッパ方式では、オン時の電流パスは自己消弧型素子１個とダーオード２個を通流する。そしてオフ時には３個のダイオードを通流して平滑コンデンサ４を充電する。従って明らかに本方式の通電ロスは少なく変換効率が改善されていることが分かる。

また、本実施例によれば、電動機側の変換器である電圧型変換器３の短絡モードを上下アーム交互に使用することにより、スイッチング損失のバランスをとることができ、変換器の能力を有効に最大限使用することができる。更に、電圧型変換器３は電源側変換器の電圧型変換器５と同一のものを使用することができ、予備品の共通化や標準化された装置を使用することが可能となる。

以上説明したように本実施例によれば、誘導電動機の２次電流を正弦波状に制御できるので、従来のセルビウス装置での６パルスダイオードコンバータが発生するすべりｆの６倍の周波数のトルクリップルは原理的に発生しないという優れた点がある。

尚、ＰＷＭ回路１５の変調方式は、瞬時電流比較方式及び三角波比較方式の何れでも制御することが可能である。

以下、本発明の実施例２に係る巻線型誘導電動機の制御装置を図４及び図５を参照して説明する。図４は本発明の実施例２に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、２次電流の瞬時値信号を選択切替え回路１６Ａに与えるようにした点である。以下その動作を説明する。

選択切替え回路１６Ａに、２次電流の瞬時値信号を交流のまま入力し、電流が最大となる相の電流極性により、最大電流が流れている自己消弧型素子がオフしないように、電圧型変換器３の上下アームのどちらを使用して短絡モードを作るかを選択する。図５の動作波形図に上下アームの何れかが選択される様子を示す。

このように、電流が最大となる相の電流をオン／オフしないように上下アームの何れかを選択するようにすれば、常に平均化された電流をオン／オフすることが可能となる。自己消弧型素子のスイッチング損失はオン／オフする電流が増加すれば、この電流の１乃至２乗に比例して増加するので、この実施例２によれば、スイッチング損失をより低減し、変換効率を更に向上することが可能となる。

図６は本発明の実施例３に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例１と異なる点は、速度制御器１１の出力である２次電流基準信号をゲイン４１を介して電源側の電圧型変換器５用の電圧制御器２０の出力である回生電流基準に、フィードフォワード補償として補正加算するようにした点である。

平滑コンデンサ４の直流電圧制御は、ＬＣの共振系になるため、応答を余り上げることができないが、図６に示したようにフィードフォワード補償を入れることにより、負荷変動時などの過渡状態において、電圧制御器２０をバイパスして電圧型変換器５を制御できる。この結果、安定性を損なわずに応答速度を高速化できることは明らかである。

図７は本発明の実施例４に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、速度検出器１０に代えて、２次電流の瞬時値信号を入力とするＰＬＬ変換回路４２を設け、その出力を速度フィードバック信号とした点である。以下その動作を説明する。

巻線型誘導電動機１の２次電流の交流検出信号をＰＬＬ変換回路４２に入力する。ＰＬＬ変換回路４２はノイズ信号を除去し基本波を検出できるので、簡単な変換操作により、これを２次電流の周波数に変換できる。２次電流は２次巻線電圧に比例して流れるので、２次電流から検出した周波数はすべり周波数を示している。従って、検出したすべり周波数を電源周波数から減算することにより、電動機の回転周波数を検出できる。

負荷がポンプなどの２乗トルク負荷であれば、通常運転範囲では無負荷になることがなく、常に２次電流が流れている。従って、この実施例２によれば全ての運転範囲に対し電動機の速度検出が可能となる。

図８は本発明の実施例５に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

この実施例５の各部について、図１の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例１と異なる点は、ＰＬＬ回路４３で２次電流の位相を検出し、正弦波関数回路４４及び４５により、夫々Ｓｉｎθ信号とＳｉｎ（θ＋１２０°)信号を得、夫々を２次電流基準と乗算することにより、交流瞬時値ベースのＵ相正弦波電流及びＷ相正弦波電流の基準信号を得、この基準信号を２次電流検出信号ｉｕ、ｉｗと制御器４６Ａ、４６Ｂで夫々比較制御した出力をＵ相とＷ相の電流振幅基準に加えてＰＷＭ回路１５Ａに入力するようにした点である。

このＰＷＭ回路１５Ａにより電圧型変換器３の各相を個別に制御できるため、３相とも瞬時値波形を正弦波に制御することができる。尚ここでＶ相を省略しているのは、３相電流の瞬時値合計はゼロであることから演算可能であるからである。

以上説明したように、この実施例５によれば、各相の電流波形は理想的な正弦波に制御され、２次電流の高調波成分が完全にゼロとなり、トルクリップルの発生はゼロとなる。

図９は本発明の実施例６に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図である。

この実施例６の各部について、図１の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が、実施例１と異なる点は、無効電流基準をゼロではなく、巻線型誘導電動機１が発生する遅れ電流をキャンセルするＱ_ｒｅｆとした点である。

このようにして巻線型誘導電動機１が発生する遅れ電流をキャンセルするような無効電流を変圧器７の１次側に流すことにより、システム全体での力率を１に制御できる。

尚、巻線型誘導電動機１の無効電流を検出し、その逆極性の値をこの無効電流基準としても同様の効果が得られることは明らかである。

本発明の実施例１に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。 実施例１の動作説明図。 実施例１の動作波形図。 本発明の実施例２に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。 実施例２の動作波形図。 本発明の実施例３に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例５に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。 本発明の実施例６に係る巻線型誘導電動機の制御装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 巻線型誘導電動機
２ 交流電源
３ 電圧型変換器
４ 平滑コンデンサ
５ 電圧型変換器
６ フィルタリアクトル
７ 変圧器
１０ 速度検出器
１１ 速度制御器
１２Ａ、１２Ｂ 電流検出器
１３ ダイオード整流回路
１４ 電流制御器
１５、１５Ａ ＰＷＭ回路
１６、１６Ａ 選択切替え回路
１７ 電圧検出器
１８ ＰＬＬ回路
１９ 電圧検出器
２０ 電圧制御器
２１ 座標変換回路
２２Ａ、２２Ｂ 電流制御器
２３ 座標変換回路
２４ ＰＷＭ回路
３０ 等価回路
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 自己消弧型素子
４１ ゲイン
４２ ＰＬＬ変換回路
４３ ＰＬＬ回路
４４、４５ 正弦波関数回路
４６Ａ，４６Ｂ 制御器

Claims (8)

1. 交流電源によって駆動される巻線型誘導電動機の２次巻線に接続された第１の電圧型変換器と、
   この第１の電圧型変換器の直流出力を平滑するコンデンサと、
   前記第１の電圧型変換器の直流出力を前記交流電源に回生する第２の電圧型変換器と、
   前記巻線型誘導電動機の速度を検出する速度検出手段と、
   前記巻線型誘導電動機の２次電流を検出する２次電流検出手段と、
   前記コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記速度検出手段の出力が速度基準となるように速度制御して２次電流基準を発生する速度制御手段と、
   前記２次電流検出手段の出力が前記２次電流基準となるように電流制御し、その出力で前記第１の電圧型変換器を構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御する第１のＰＷＭ制御手段と、
   前記電圧検出手段の出力が所定値となるように電圧制御して前記第２の電圧型変換器を構成する自己消弧型素子をＰＷＭ制御する第２のＰＷＭ制御手段と
   を具備し、
   前記第１のＰＷＭ制御手段は、前記第１の電圧型変換器の３相短絡のオンオフ比率を調節するようにしたことを特徴とする巻線型誘導電動機の制御装置。
2. 前記第１のＰＷＭ制御手段は、前記第１の電圧型変換器の上アームによる３相短絡と、前記第１の電圧型変換器の下アームによる３相短絡とを選択的に切替えて交互に行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
3. 前記第１のＰＷＭ制御手段は、前記第１の電圧型変換器の上アームによる３相短絡と、前記第１の電圧型変換器の下アームによる３相短絡とを選択的に切替える切替え手段を有し、
   前記２次電流検出手段によって検出された３相電流のうち、最大電流が流れている自己消弧型素子がオフしないように前記切替え手段を選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
4. 前記第２の電圧型変換器の出力側の無効電流を検出する手段を有し、
   前記第２のＰＷＭ制御手段は、前記検出された無効電流がゼロになるように制御することを特徴とする請求項１に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
5. 前記第２の電圧型変換器の出力側の無効電流を検出する手段を有し、
   前記第２のＰＷＭ制御手段は、前記検出された無効電流を前記巻線型誘導電動機の無効電流をキャンセルするように制御することを特徴とする請求項１に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
6. 前記速度制御手段の速度制御出力を、前記第２の電圧型変換器の電圧制御出力に加算補償する手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
7. 前記速度検出手段は、前記２次電流検出手段の検出信号からすべり周波数を検出する手段と、前記交流電源の周波数から前記検出したすべり周波数を減算する手段により速度検出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。
8. 前記第１のＰＷＭ制御手段は、
   前記２次電流検出手段による少なくとも２相の２次電流波形を各々の正弦波基準と比較する手段と、
   この比較手段の出力により各相毎にオンオフタイミングを調節する手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の巻線型誘導電動機の制御装置。

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