JPH0126275B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は順変換器に内部起電力を持つ負荷が
接続された回路において、負荷電流断続時の出力
電圧平均値と電圧指令値とを一致させる順変換器
の出力電圧補償方法に関する。

順変換器に内部起電力を持つ負荷が接続された
回路において、順変換器の出力電圧を制御する場
合は、一般に順変換器の一点孤区間の出力電圧平
均値と電圧指令値とが一致するように制御を行
う。この場合、負荷に電流が連続して流れている
状態では、電圧指令値と出力電圧平均値とは一致
するが、負荷電流が断続して流れる状態において
は、電圧指令値と出力電圧平均値とが大きくずれ
てくる。

したがつて、このずれを是正するために、負荷
電流断続状態においては、電圧指令値に対し所定
の値（以下補償量という）だけずらした補助電圧
指令値を設定し、この補助電圧指令値により出力
電圧を制御し、見かけ上電圧指令値と出力電圧平
均値とを一致させる方法がとられる。

ところで、従来の補助電圧指令値設定方法は一
点孤区間の負荷電流平均値と電圧指令値とに基づ
き補償量を求めるという方法であつた。

しかしながら、一点孤区間における出力電圧平
均値とその前の点孤区間における負荷電流平均値
とは相関関係がなく、したがつて、上述した従来
の方法では近似的にしか補償量を求めることがで
きず、このため、補償量の誤差が大きいという欠
点があつた。

この発明は上述した事情に鑑み、負荷電流断続
状態において、電圧指令値と出力電圧平均値とを
正確に一致させ得る順変換器の出力電圧補償方法
を提供するもので、予め求められる負荷電流断続
状態時の順変換器出力電圧平均値と電圧指令値の
関係と、負荷の内部起電力の電圧値と、電圧指令
値とに基づき、前記電圧指令値を補償するための
補償量を演算し、前記電圧指令値から前記補償量
を減算した結果により出力電圧を制御するように
した方法である。

以下図面を参照しこの発明の実施例について説
明するが、始めにこの発明の原理について説明す
る。

第１図はサイリスタで構成された順変換器１に
内部起電力を持つ負荷（例えば直流電動機の電機
子）２が接続されている回路を示す回路図であ
る。この図において順変換器１には三相交流電源
ACが供給されており、また、図示せぬ回路から
点孤パルスIpが供給される。負荷２は、等価的に
は図に示すように、抵抗r_a、インダクタンスl_aお
よび内部起電力（電圧Ec；以下内部起電圧と称
す）とが直列接続されたものである。

さて、負荷電流Iaは点孤パルスIpのタイミング
により制御されるが、ここで、負荷電流Iaが断続
状態の時の、負荷電流Ia（θ）と出力電圧e_a（θ）
の波形を各々第２図イ，ロに示す。この図に示す
縦の破線は、順変換器１において、あるサイリス
タが点孤されてから次のサイリスタが点孤される
までの区間（以下点孤区間と称す）を示してい
る。各点孤区間は各々π/3の幅を持つが、これは
電源ACが三相であることから知れよう。この第
２図に示す負荷電流断続状態においては、電圧指
令値と出力電圧e_aの平均値とが一致しないことは
前に述べた通りであるが、このことを具体的に第
３図を用いて説明する。

第３図において、縦軸^* _a（無次元化電圧平均
値）は出力電圧e_aの平均値_aを無次元化したも
の、すなわち、次式で定義されるものであり、 ^* _a＝e_a／３／πEm ……(1) （但し、Emは電源ACの線間電圧ピーク値） また、横軸θ^* _i（無次元化電圧指令値）は電圧指
令値e_arefを無次元化したもの、すなわち、次式で
定義されるものである。

θ^* _i＝e_aref／３／πEm ……(2) また、無次元化電圧指令値θ^* _iのアークコサイン
（cos^-1θ^* _i）は定義式(2)から容易に解るように順変
換器１の点孤角αになる（但し、Ia連続状態にお
いて）。また、この図における一点鎖線で囲まれ
た区間は負荷電流Iaの不連続区間であり、他の区
間は負荷電流Iaの連続区間である。第３図から解
るように、連続区間においてはθ^* _i＝^* _aであるが、
不連続区間においては^* _aはθ^* _iに対し、複雑な非
線形特性となつている。そして、この発明の目的
は、不連続区間の非線形特性を見かけ上、第３図
に破線で示すように線形化（θ^* _i＝^* _a）すること
であり、言い換えれば以下に述べる制御を行うこ
とである。

例えば、不連続区間において無次元化電圧指令
値がθ^* _i1であつた場合に、この無次元化電圧指令
値よりも補償量Δθ^*小さい電圧指令値θ^* _i1sで負荷
電圧制御を行う。この結果、^* _aはθ^* _i1sに対応する
Ｂ点の値となり、あたかも、θ^* _i1に破線上のＡ点
が対応した如くなる。また、この制御においては
補償量Δθ^*を正確に求めることが不可欠である。

ところで、補償量Δθ^*は無次元化電圧指令値θ^* _i
によつて変化するのは図からも明らかであるが、
内部起電圧Ecの値によつても変化する。このこ
とを以下に説明する。まず、無次元化内部起電圧
Ec^*を次のように定義し、 Ec^*＝Ec／３／πEm ……(3) このEc^*を図において２点鎖線で示す。今、内部
起電圧Ecが小さく、図に示す２点鎖線が下方に
移動したとすると、一点鎖線で示す不連続区間が
拡大する。そして、不連続区間の拡大に対応して
無次元化電圧平均値^* _aの非線形特性部分も拡大
する。なお、この時拡大された非線形特性部分と
以前の非線形特性部分とは幾可的に相似である。
一方、内部起電圧が大きく、２点鎖線（E^* _c）が
上方に移動したとすると、不連続区間が縮小し、
これに対応して非線形特性部分も縮小する。な
お、この時も縮小された非線形特性部分と以前の
非線形特性部分は幾可的に相似である。

このように、内部起電圧Ecの変化に対応して、
無次元化電圧平均値^* _aの特性が変化するので、
前述した補償量Δθ^* _iも変化するわけである。

そして、内部起電圧Ecと電圧指令値e_arefとに
基づいて補償量Δθ^* _iを正確に求めるのが、この発
明の根本原理である。

次に、補償量Δθ^* _iの算出原理を説明する。

無次元化負荷電流I^* _a（θ）を I^* _a（θ）＝r_a・Ia（θ）／３／π・Em……(4) と定義すると、負荷電流断続状態においては、無
次元化負荷電流I^* _a（θ）および無次元化電圧平均
値^* _a（θ）は各々次式で示されることが知られ
ている。

ここで、負荷電流断続状態における無次元化電
圧平均値^* _aを求める。^* _aは(6)式で示されるe^* _a
（θ）を一点孤区間積分して、区間幅で割れば求
められるから、 ＝３／π∫〓¹ ₀e^* _a（θ）dθ＋３／π〔E^* _c〕〓^/3〓₁
＝｛cos（α＋π／３）−cos（α＋π／３＋θ₁）｝＋
（１−３／πθ₁）E^* _c……(7) となる。

また、第２図からも解るようにIa（θ₁）＝Ia（０）
＝０であるから、I^* _a（θ₁）＝I^* _a（０）＝０であり、(
5)
式のθにθ₁を代入して次式を得る。

β｛sin（θ₁＋α＋π／３−φ）−e^-〓^1/〓・sin（
α＋π／３−φ）｝−E^* _c（１−e^-〓^1/〓）＝０……(8)
また、制御目標はθ^* _i＝^* _aとすることであるか
ら、(7)式左辺の^* _aをθ^* _iとおいた次式が成立する
ことがこの制御において目標となる。

θ^* _i＝｛cos（α＋π／３）−cos（α＋π／３＋θ₁）
｝＋（１− ３／πθ₁）E^* _c ……(9) 一方負荷電流連続状態においてはcos^-1θ^*＝α
なる関係があることは前に述べたが、この関係式
と第３図とから負荷電流断続状態においては、
cos^-1（θ^*−Δθ^*）＝αなる関係式が成り立つこと
が解る。この断続状態における関係式を変形する
と、 Δθ^* _i＝θ^* _i−cosα ……(10) となり、そして、(8)、(9)、(10)式から変数である
θ₁、αを消去すれば、無次元化内部起電圧E^* _cと
無次元化電圧指令値θ^* _iとに対する補償量Δθ^* _iの関
係が求められる。そしてこの関係を用いると、無
次元化電圧指令値θ^* _iが与えられ、かつ、無次元化
内部起電圧E^* _cが検出されれば、これらに対応す
る正確な補償値Δθ^*を直ちに求めることができ
る。

次に具体的な実施例について説明する。

第４図はこの発明の一実施例の構成を示すブロ
ツク図である。なお、この図において第１図と対
応する部分には同一の符号を付し、その説明を省
略する。

この図において１０は内部起電圧Ecを検出し
デジタル信号に変換する変換部であり、その出力
信号は演算部１１に供給される。ここで、変換部
１０の検出原理について説明する。

まず、負荷２を直流電動機とすれば、これを回
路から外した状態で別途に駆動モータを用意し、
この駆動モータと直流電動機の軸をカツプリング
により接続する。この状態において駆動モータを
回転させ、直流電動機の電機子電圧を測定する。
この場合、電機子電流は供給されていないから、
測定された電機子電圧は、内部起電圧に等しい。
そして、駆動モータの回転数をパラメータとして
内部起電圧を測定すると、一般に、比例特性が得
られる。この特性を予め測定しておき、実施例に
おける負荷２の回転数をタコジエネレータあるい
はパルスジエネレータで測定し、測定された回転
数に応じた内部起電圧値を上記特性に沿つて出力
するように構成すれば、回転中における直流電動
機の内部起電圧を測定することができる。すなわ
ち、変換部１０内には回転数と内部起電圧との関
係が予め設定されている。そして、変換部１０
は、タコジエネレータ等の回転検出器によつて検
出された回転数と、予め設定されている関係とに
基づいて内部起電圧Ecを求め、演算処理部１１
へ供給する。

なお、上記検出方法は、例えば、「電気工学ハ
ンドブツク」（1978年、電気学会発行）の665〜
666ページの記載（特に誘導起電力Ｅ（内部起電圧
Ecと同義）を求める（17）式）、あるいはその他
の文献等により周知の事項である。また、この検
出方法は、負荷２が直流電動機以外の場合にも勿
論適用することができる。さらに、他の周知の検
出方法を用いてもよい。

次に、演算部１１は変換部１０から供給される
信号（Ec）と図示せぬ他回路から供給される電
圧指令値e_arefとに基づき、前述した演算もしくは
それに対応する動作を行い点孤角αを算出する回
路である。ここで、前述した演算に対応する動作
の一例を述べる。まず、第３図に示す^* _a−θ^* _i特
性に対応するテーブルを作成し、このテーブルを
構成する各データ値を検出されるEcの値に応じ
て増大もしくは減少させる。これは第３図に示す
ｅ^* _a−θ^* _i特性の非線形部分の特性曲線が内部起電
圧Ecによつて拡大もしくは縮少するので、これ
に対応させるためである。そして、内部起電圧
Ecの値に応じて更新されるテーブルに基づき、
無次元化電圧指令値θ^* _iに対応する補償量Δθ^* _iを求
める。

次に演算部１１は補償量Δθ^* _iを算出した後、無
次元化電圧指令値θ^* _iから補償量Δθ^* _iを減算し、こ
の減算結果のアークコサインをとり、点孤角αを
算出する。ここで、参考のために演算部１１にお
ける制御ブロツクを第５図に示す。

そして、第４図に戻るが、演算部１１は点孤角
αに対応する点孤角信号I_Gをゲートパルス発生部
１２へ供給する。ゲートパルス発生部１２は点孤
角信号I_Gに基づいて、順変換器１を点孤するため
のゲートパルスIpを作成するものであり、ゲート
パルスIpは順変換器１へ供給される。

このように構成すれば、負荷電流Iaが断続状態
であつても、電圧指令値e_arefと出力電圧e_aの平均
値とは、前述した説明から明らかなように、正確
に一致する。

なお、この実施例において負荷２が内部起電圧
を含まないものであれば、演算部１１において
E^* _c＝０として演算を行なえばよい。この場合は
内部起電圧Ecのフイードバツク信号は不要とな
る。

また、内部起電圧が直接検出できない負荷に対
しては、出力電圧e_aおよび負荷電流Iaとから内部
起電圧を推定してもよい。また、負荷が直流電動
機の場合は界磁束および回転速度より内部起電圧
を推定してもよい。

以上説明したように、この発明によれば、予め
求められる負荷電流断続状態時の順変換器出力電
圧平均値と電圧指令値の関係と、負荷の内部起電
力の電圧値と、電圧指令値とに基づき、前記電圧
指令値を補償するための補償量を演算し、前記電
圧指令値から前記補償量を減算した結果により出
力電圧を制御するようにしたので、負荷電流断続
状態において、電圧指令値と出力電圧平均値とを
正確に一致させ得る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は順変換器に内部起電圧を持つ負荷が接
続された回路を示す回路図、第２図イ，ロは各々
第１図に示す回路において、負荷電流断続時の負
荷電流Ia（θ）と出力電圧e_a（θ）の波形を示す波
形図、第３図は無次元化電圧平均値^* _aと無次元
化電圧指令値θ^* _iとの関係を示す図、第４図はこの
発明の一実施例の構成を示すブロツク図、第５図
は同実施例における演算部１１の演算制御動作を
示す制御ブロツク図である。 １……順変換器、１０……変換部、１１……演
算部、１２……ゲートパルス発生部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 順変換器に内部起電力を持つ負荷が接続され
   た回路において、負荷電流断続時に、予め求めら
   れる負荷電流断続状態時の順変換器出力電圧平均
   値と電圧指令値の関係と、前記内部起電力の電圧
   値と、電圧指令値とに基づき、前記電圧指令値を
   補償するための補償量を演算し、前記電圧指令値
   から前記補償量を減算した結果により出力電圧を
   制御することを特徴とする順変換器の出力電圧補
   償方法。