JPH0449356B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は全般的にサイリスタ電力変換装置に
対する点弧回路、更に具体的に云えば、多相交流
電源から給電される交流同期電動機の様な電気負
荷を含む交流電動機駆動装置の動作を制御する改
良された手段に関する。

多相交流源から交流電動機の様な負荷に電力を
供給する種々の変換器に利用される制御整流器の
導電を制御する為の多くの回路並びに装置が知ら
れている。勿論使われる整流器の種類により、或
る程度までは利用する制御形式が決まるが、今日
使われている最も普通の制御整流器はシリコン制
御整流器形のサイリスタである。サイリスタはそ
のゲート電極に信号が印加されるのと同時に順バ
イアス電圧が印加されることによつて導電し、そ
の後、サイリスタを導電状態に保つのに必要な値
よりも陽極電流が下がるまで、導電状態にとゞま
る。

３相交流電動機駆動装置に対する負荷転流形イ
ンバータについて云うと、線路間電圧は電動機の
逆起電力（emf）の関数であり、一旦同期電動機
が予定の低い値の速度を越えると、この逆起電力
がインバータのサイリスタを転流する様に作用す
る。更に、同期電動機に給電するインバータの制
御は、サイリスタを出来るだけ遅く点弧したいと
いうのが普通である。「出来るだけ遅く点弧する」
ことは、サイリスタを転流限界点で、即ち、周知
の様に、１つのサイリスタから別のサイリスタへ
の電流の切換え（転流）を安全に行うのに必要な
ボルト−秒が得られるのに丁度十分な進相の力率
角で導電させることである。

サイリスタを用いる電動機制御装置がアナログ
制御方式を利用して構成されており、その典型的
な例として米国特許第4230979号があるが、デイ
ジタル形式の制御方式にも関心が向けられてい
る。このデイジタル形式の例は、例えば米国特許
第3601674号、同第4263557号、及び同第4276505
号に記載されている。余分の無関係なことを説明
しなくても、この発明が理解出来る様に、これら
の米国特許をも参照されたい。

交流同期機、特に同期電動機の１つの特性は、
任意所定の値に界磁を励磁している時の端子電圧
は、電動機を公称一定の電圧母線に結合していな
い場合には、負荷電流に対し非常に敏感であるこ
とも指摘しておきたい。この事実は、例えば前掲
米国特許第4276505号に記載されるインバータの
様な可変電流源から電動機が駆動される場合に、
特に当てはまる。こういう場合、特に定格に近い
負荷状態で動作する時、負荷電流の僅かな低下に
よつて、端子電圧、即ちインバータから電動機の
両端に現われる電圧が目立つて上昇することがあ
る。この端子電圧の増加は、インバータ並びに／
又は電動機から見て、場合によつては許容し難い
程大きくなることがあり、ときには、これが破滅
的な影響を持つ。

従つて、この発明の目的は交流負荷に印加され
る電力を制御する改良された装置を提供すること
である。

この発明の別の目的は交流電動機負荷に印加さ
れる電力を制御する改良された装置を提供するこ
とである。

この発明の別の目的は、負荷転流型インバータ
によつて交流電動機に印加される電力を制御する
改良された装置を提供することである。

この発明の別の目的は、電圧限界に達するま
で、電動機のアンペアあたりのトルク出力を最大
にする様な形で交流同期電動機に給電し、この限
界に達した後、その端子電圧を制限する形で電動
機を運転するインバータを提供することである。

この発明では、上記並びにその他の目的が、負
荷転流型インバータを有する改良された電動機駆
動装置によつて達成される。インバータは逐次的
に点弧される複数個のサイリスタを用いており、
これらのサイリスタはブリツジの形にすることが
好ましい。このブリツジが、多相交流源から、中
間の多相交流から直流への変換器及び直流リンク
回路を介して、交流同期電動機負荷に、予定の振
幅並びに周波数の交流電流を供給する。トルク基
準信号を設定することにより、電流基準信号及び
点弧角信号が発生されて、リンク回路の直流電流
を制御すると共に、インバータの点弧角を制御す
る。電動機の端子電圧が予定の基準レベルより増
加した場合、制御作用は、電動機駆動電流に対応
するリンク回路の直流電流を使つて電動機の端子
電圧を制御し、他方、インバータの点弧角を使つ
て電動機のトルクを制御する状態に切換わる。こ
の為、所望のトルクに対し、最低負荷電流又は最
低電動機電流を増加する一方、インバータの点弧
角を調節して、電流は一層大きいが一層低い端子
電圧で所望のトルクが得られる様にする。端子電
圧が低くなるのは、増加した電動機電流が電動機
の界磁を減磁する様に作用する為である。

この発明の要旨は特許請求の範囲に具体的に記
載してあるが、この発明は以下図面について説明
する所から更によく理解されよう。

第１図には交流電動機負荷１０を制御する交流
電動機駆動装置のブロツク図が示されている。具
体的に云うと、負荷１０は同期電動機であり、こ
れを線路端子L₁，L₂，L₃に結合された３相交流
電源から、電源側の交流／直流変換器１２及び負
荷側の直流／交流変換器１４（以下これをインバ
ータと呼ぶ）の動作に従つて給電する。電源側の
変換器１２は、３相交流電力を可変直流電流に変
換する様に作用し、その直流電流が誘電子１６を
含む直流リンク回路を介してインバータ１４に結
合される。インバータ１４は大きさ並びに周波数
が可変の交流電力を発生する様に作用し、この交
流電流が３相線路La，Lb，Lcを介して電動機１
０に供給される。これまで説明した装置は、前掲
米国特許第4276505号に記載されている装置と同
じ基本的な電力部品を用いている。

変換器１２もインバータ１４も周知の位相制御
形サイリスタ・ブリツジ回路（図にしていない）
で構成されており、その導電が夫々の位相固定ル
ープ（PLL）形点弧制御回路１８，２０の様な
適当な手段によつて制御される。変換器１２にあ
るサイリスタの点弧角は、主に電流調整器２２の
出力によつて制御され、インバータ１４にあるサ
イリスタの点弧角は主に点弧角調整器２４の出力
によつて制御される。

更に、変換器１２及びインバータ１４のサイリ
スタの点弧が夫々の３相線路L₁，L₂，L₃及びLa，
Lb，Lcの電圧と同期している。典型的には交流
線路間電圧の合成によつて構成された波形を利用
する。線路間電圧のゼロ交差を使つて、基本周波
数、即ち、線路周波数の６倍の周波数を持つ同期
パルス列を形成する。位相固定ループ形点弧制御
回路１８，２０はデイジタル形であることが好ま
しい。その典型的な例が前掲米国特許第4263557
号に記載されている。位相固定ループ点弧制御回
路１８，２０用の適当な積分回路が回路手段２
６，２８によつて構成され、例えば特願昭57−
150201号に記載された回路で構成される。

この発明の制御装置は、周知の形で発生された
トルク基準信号が印加された後、電動機１０の端
子電圧V_Tを感知し、これに応答して動作する。
トルク基準信号を発生する典型的な例が前掲米国
特許第4230979号に記載されている。端子電圧は
多数のいろいろな方法で取出すことが出来るが、
例として、第１図には、インバータ１４及び電動
機１０の間で３本の線路La，Lb，Lcに結合され
た絶対値検出回路３０が示されている。

前に述べた様に、同期機の性質として、電動機
の界磁電流が所定の値を持つ時の端子電圧V_Tは、
電動機１０がインバータ１４で構成された電流源
によつて駆動されるこの発明の場合の様に、同期
機が公称一定の電圧母線に結合されていない場
合、負荷電流に非常に影響される。この状態で
は、特に電動機１０が定格に近い負荷状態で動作
している時、負荷電流の僅かの低下により、端子
電圧V_Tが目立つて上昇することがある。この様
な許容し難い程高い端子電圧の状態がなければ、
インバータ１４のサイリスタは、転流を行なう為
に、線路La，Lb，Lcの各相電圧が交差する前の
「出来るだけ遅い」時期に点弧される。周知の様
に、転流を行なうには電圧と時間の両方が必要で
ある。この結果、0.9程度の進相の力率になるの
が普通である。

通常、上に述べた様な形式の装置で所望の電動
機トルクを変えるには、変換器１２とインバータ
１４の間の誘電子１６に流れる直流リンクI_Lを適
当に変える。この発明では、これが簡単な負帰還
制御ループ２９によつて行なわれる。このループ
では、電動機電流に対応しているリンク電流I_Lを
加算点３１で電流基準信号I_Rと比較する。リンク
電流又は電動機電流I_Lは誘電子１６と直列に接続
した電流感知装置１７から取出す。然し、この動
作形式にすると、望ましくない程高い電動機端子
電圧V_Tが生ずる場合があり、この場合、この発
明は動作を切換え、リンク電流を使つて電動機の
端子電圧を制御すると共に、インバータ１４の点
弧角を使つてトルクを制御する形式に制御作用を
切換える。この為、電流調整器２２に対し電流制
限作用を持たせると共に、点弧角調整器２４のサ
イリスタ点弧方式を変更する。次にこれについて
説明する。

第１図に示す様に、所望の電動機トルクを表わ
すトルク基準信号が、図に示してない外部の源か
ら供給され、２つの別々の機能ブロツク３２，３
４に印加される。これらのブロツクは、電流基準
信号I_Rを発生すると共に、これから説明する様
に、適当なサイリスタ点弧方式を指示する。この
両方の作用が、第２図及び第３図について説明す
る様に、PLM86ランゲージを用いてインテル
8086型マイクロコンピユータのソフトウエアによ
り実施される。然し、その方が良い場合、これら
は第１図に示す様にハードウエアとして構成して
もよく、この発明を理解するにはこの方が役立
つ。

第１図において機能ブロツク３２は、その中の
実線の曲線で示すような特性を有する電流基準ブ
ロツクであり、制動又は電動機動作様式の際に、
電流の上限及び電流の下限CLL（これは後述のよ
うに可変）まで、トルク基準入力に正比例する電
流基準I_R出力を供給する。機能ブロツク３４は、
その中の実線の曲線で示すような特性（後述のよ
うに可変）を有する、基本的には上限及び下限を
持つ線形増幅器で構成し得る点弧角基準ブロツク
である。ブロツク３２の電流基準が上限及び下限
の間の直線範囲にあるとき、図示のように、ブロ
ツク３４はサイリスタ・インバータを転流限界点
で点弧する第１の点弧方式を設定、より詳しく云
えば、電動機動作様式の場合には「出来るだけ遅
く点弧」する点弧方式または制動様式の場合には
「出来るだけ早く点弧」する点弧方式を設定する
点弧角基準を出力する。このような状態では、ト
ルク基準入力に応じて電動機電流が変えられる
が、インバータのサイリスタの点弧角は転流限界
点に維持される。したがつて、電動機トルクは電
動機電流の関数として制御される。ブロツク３２
の電流基準が電流下限CLLにあるときは、図示
のように、ブロツク３４はトルク基準入力に応じ
てインバータに対する点弧角を変え、より具体的
には電動機動作様式の場合は点弧角を進めるよう
に点弧方式を変更し、また制動様式の場合は点弧
角を遅らせるように点弧方式を変更する。ここで
明細書で云う「出来るだけ早く点弧する」とは、
インバータのサイリスタを、電動機の制動電圧を
最高にするのに適切な時刻に点弧することを意味
する。ブロツク３２の電流下限CLLは、ゼロで
ない最低値を持つが、電動機１０の端子電圧V_T
が、装置の適切な保護の為に希望する最高電圧を
表わす予め選ばれた基準電圧レベルV_Rを越えた
場合、信号V_CFに従つて増加される様になつてい
る。これに応じて、ブロツク３４の特性も変えら
れる。以下、詳しく説明する。

第１図に示す様に、図に示してない外部の源か
ら供給される基準電圧V_Rと端子電圧V_Tが加算点
３６で比較される（差を求める）。誤差電圧V_Eが
発生されてブロツク３８に結合される。ブロツク
３８は、負の入力、即ち、端子電圧V_Tが基準電
圧V_Rを越えたことを意味する−V_Eに対してのみ、
正の出力信号を発生する様に作用する。負の誤差
電圧V_Eがある場合、負の誤差信号V_Eの大きさに
正比例する正の制御出力信号V_Cが発生される。
制御信号がフイルタ・ブロツク４０で波され
て、電圧測定値から電気雑音を少なくすると共
に、制御信号V_Cの安定性を改善する。加算点３
６と共に両方の機能ブロツク４０，３８は、機能
ブロツク３２，３４と共に同じマイクロコンピユ
ータのソフトウエアで構成し得る。ブロツク３２
は波された制御信号V_CFに応じて、破線の横線
で図示するように電流下限を増加する。この電流
下限の増加に応答して、ブロツク３４は破線３４
で図示すようにその特性を変更し、点弧方式を前
述の第１の点弧方式すなわち電動機動作様式の場
合の「出来るだけ遅く点弧する」方式または制動
様式の場合の「出来るだけ早く点弧する」方式か
ら、第２の点弧方式すなわちサイリスタの点弧角
の制御により電動機トルクを制御する方式へ変更
する。換言すれば、ブロツク３４の図示の特性曲
線の傾斜部に動作点（点弧角基準出力）が位置す
るようにする。その結果、最低の電流基準I_R及び
電動機電流I_Lが増加されると共に、この一層大き
な電流で所要のトルクが発生されることになる。
また、増加した電動機電流により電動機の界磁が
減磁されるので、端子電圧V_Tは前の値よりも小
さくなる。すなわち、端子電圧V_Tは電圧基準に
制限される。このように端子電圧の上昇を抑圧す
るように最低電流基準（CLL）を増加させると、
主トルク調整系は強制的に、そうしない場合より
一層大きな電流及び一層小さい力率で動作させる
ことになる。

従つて装置が最低の電動機電流I_Lで動作する
時、インバータの点弧方式を変更することによ
り、トルク制御は達成される。然し、最低電流は
誤差電圧V_Eの関数として可変であるから、「出来
るだけ遅く点弧する」方式から「出来るだけ早く
点弧する」方式までの間に得られるトルクの範囲
は、最低電流（CLL）の関数である。要約して
云えば、この発明に従つて負荷転流形インバータ
の電圧を制御する主な考えは、電動機負荷電流を
電動機動作様式では所要のトルクを保つのに必要
な最低値を越えて増加し、その後トルク調整に必
要な分だけ、インバータの点弧角を調節すること
である。

上に述べた様に、機能ブロツク２０乃至４０は
デイジタル計算機によつて構成することが好まし
い。

第２図はマイクロプロセツサを使つたこの発明
の基本的な形式をブロツク図で示している。図示
の様に、速度基準信号が図に示してない適当な源
から、アナログ・デイジタル（Ａ／Ｄ）変換器５
２を介してマイクロプロセツサ５０に供給され
る。速度基準信号が、例として、オペレータによ
つて設定し得るレオスタツトから来るアナログ信
号として示されている。速度基準信号が初めから
デイジタル形式である場合、勿論Ａ／Ｄ変換器５
２は不要である。この発明で用いるマイクロプロ
セツサは、制御用に適した任意のものであつてよ
いが、実際には、前に述べた用に、PLM８６ラ
ンゲージでプログラムされたインテル8086型であ
る。その作用の一部分として、マイクロプロセツ
サが、破線のブロツク５４で示す様に、速度基準
信号を使つて第１図のトルク基準信号を発生す
る。第１図に示した電圧限界基準が第２図では記
憶装置の位置５６の内容から取出されるものとし
て示されている。

マイクロプロセツサ５０が、第１図に示すもの
と同一の電力回路から入力を受取り、この回路に
出力を供給する。即ち、３本の電力線路L₁，L₂，
L₃が電源側変換器１２に給電し、この変換器が
誘電子１６及び電流感知装置１７を含む直流リン
ク回路を介して、負荷側変換器１４に接続され
る。負荷側変換器１４が線路La，Lb，Lcを介し
て電動機１０に電力を供給する。

電源側変換器１２に対する同期情報が、線路
L₁，L₂，L₃に接続された適当なＡ／Ｄ変換器５
８から供給される。第１図の電流帰還ループ２９
が、第２図では、電流感知装置１７に接続された
Ａ／Ｄ変換器６０を含むループ２９′として示し
てある。線路La，Lb，Lcには別のＡ／Ｄ変換器
６２が接続されており、これはマイクロプロセツ
サ５０に対し、信号V_T並びに速度帰還信号を供
給する。この速度帰還信号は、周知の様に、電動
機の端子電圧の周波数から導き出すことが出来
る。速度帰還信号がマイクロプロセツサによつて
速度基準信号と共に利用され、トルク基準信号を
取出す。

マイクロプロセツサ５０は第１図に述べた様な
機能的な形で、これらの種々の入力信号を用い
て、変換器１２，１４のサイリスタを制御する為
の適当な出力を発生する。第２図では、これが変
換器１２，１４に対して所要の点弧信号を供給す
る２つのデイジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）インタ
ーフエイス６４，６６に対する出力として示され
ている。

所要のソフトウエアが第３図の流れ図に示され
ている。図示の様に、ルーチンが始まる時、誤差
信号V_Eは基準電圧V_Rと測定された端子電圧V_Tと
の間の差として定められる。補正信号V_Cは同時
に電圧誤差信号V_Eの任意の負の値として定めら
れる。この後、補正信号V_Cがゼロより小さいか
どうかを質問する。小さければ、その値をゼロに
等しいとおく。V_Cの値がゼロに等しくなければ、
関数［（１−α）×V_CF＋α×V_C］により、波さ
れた信号V_CFの相次ぐ値に簡単な１次遅れ波補
正を加えることによつて波する。こゝでαは装
置のパラメータ並びに計算機のサンプリング速度
によつて決定される安定性に関係した乗数であ
る。次に波された値V_CFが最低電流基準CLLを
Ａ＋Ｋ×V_CFとして定め直す。こゝでＡ及びＫは
所望の最低電動機電流並びに電圧制限調整器の利
得を表わす乗数である。この後、電流基準信号I_R
を発生し、電動機負荷電流I_Lと比較し、その間の
差信号を使つて、周知の様に、変換器１２を点弧
する為に電流調整器２２を制御する。

以上この発明の好ましい実施例と考えられるも
のと図示し且つ説明したが、当業者にはいろいろ
な変更が考えられよう。従つて、この発明はこゝ
に図示し且つ説明した特定の方法並びに論理構成
に制約されるものではなく、特許請求の範囲に含
まれる全ての変更がこの発明に属することを承知
されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施した交流電動機駆動装
置のブロツク図、第２図はマイクロプロセツサに
よるこの発明の実施形式を示すブロツク図、第３
図はこの発明の端子電圧調整器の作用を実現する
ソフトウエアを示す流れ図である。 主な符号の説明 １０：電動機、１４：インバ
ータ、１８，２０：点弧制御回路、３０：絶対値
回路、３２，３４：機能ブロツク、３６：加算
点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 大きさ並びに周波数が変化する負荷電流を交
   流同期電動機負荷に供給するサイリスタ・インバ
   ータによつて駆動される交流同期電動機負荷を制
   御する方法に於て、(a)所望の電動機トルクに対し
   て発生されたトルク基準信号に応答して、第１の
   制御方式、すなわちトルク基準信号の大きさが所
   定の低レベルより大きいときは、サイリスタ・イ
   ンバータを転流限界点で点弧するように調節する
   と共にサイリスタ・インバータに給電される電動
   機負荷電流をトルク基準信号の大きさに応じて調
   節して電動機負荷電流の関数として電動機トルク
   を制御し、またトルク基準信号の大きさが前記低
   レベルより小さいときは、電動機負荷電流を所定
   の最低電動機負荷電流レベルに調節すると共にサ
   イリスタ・インバータの点弧角をトルク基準信号
   の大きさに応じて調節して電動機トルクを制御す
   る方式に従つて、電動機負荷電流及びサイリス
   タ・インバータの点弧角を変え、(b)電動機負荷の
   端子電圧を感知し、(c)該端子電圧を予め選ばれた
   基準電圧と比較し、(d)前記端子電圧が前記基準電
   圧を越えている場合、越えている大きさに応じて
   前記最低電動機負荷電流レベルおよび前記低レベ
   ルを増加して、制御方式を前記第１の制御方式か
   ら、第２の制御方式、すなわち電動機負荷電流を
   前記増加した最低電動機負荷電流レベルにもとづ
   いて調節すると共にサイリスタ・インバータの点
   弧角を前記増加した低レベルにもとづいて調節す
   ることによつて電動機トルクを制御する方式に変
   更する各段階を含む方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載に記載した方法に
   於て、前記サイリスタ・インバータが直流リンク
   回路を介して交流から直流へのサイリスタ変換器
   に結合された直流から交流へのサイリスタ変換器
   で構成されている方法。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載した方法に於
   て、前記第１の制御方式が、電動機動作様式で
   は、「出来るだけ遅く点弧する」方式であると共
   に、制動様式では、「出来るだけ早く点弧する」
   方式である方法。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載した方法に於
   て、電動機負荷電流の調節が、前記交流から直流
   への変換器の動作を通じて直流リンク電流を変え
   ることにより、電動機電流を制御することから成
   る方法。 ５ 所望のトルク信号に応答して交流同期電動機
   に対し、電流の大きさ並びに周波数が可変である
   電力を供給する交流同期電動機駆動装置を制御す
   る装置に於て、第１の制御信号が印加されたこと
   に応答して、大きさが変化する直流出力を発生す
   る被制御可変直流電流源を構成する手段と、第２
   の制御信号が印加されたことに応答して、前記電
   動機に対して駆動電流を供給するサイリスタ制御
   形インバータを含む可変周波数交流電流源と、前
   記直流電流源を前記サイリスタ制御形インバータ
   に接続する回路手段と、所望のトルク信号に応答
   して、電動機駆動電流の大きさを制御する手段
   と、所望のトルク信号に応答してサイリスタ制御
   形インバータの点弧角を制御する手段と、電動機
   の端子電圧の大きさを検出する手段と、電動機の
   端子電圧の大きさを予め選ばれた基準電圧と比較
   して誤差信号を発生する比較手段と、前記比較手
   段に結合された回路手段とを有し、 該回路手段は、前記電動機駆動電流の大きさを
   制御する手段および前記点弧角を制御する手段に
   作用して、(イ)所望のトルク信号に応答して、第１
   の制御方式、すなわち所望のトルク信号の大きさ
   が所定の低レベルより大きいときは、サイリスタ
   制御形インバータを転流限界点で点弧するように
   調節すると共にサイリスタ・インバータに給電さ
   れる電動機駆動電流を所望のトルク信号の大きさ
   に応じて調節して電動機駆動電流の関数として電
   動機トルクを制御し、またトルク基準信号の大き
   さが前記低レベルより小さいときは、電動機駆動
   電流を所定の最低電動機電流レベルに調節すると
   共にサイリスタ制御形インバータの点弧角を所望
   のトルク信号の大きさに応じて調節して電動機ト
   ルクを制御する方式に従つて、電動機駆動電流お
   よびサイリスタ制御形インバータの点弧角を変え
   させ、さらに(ロ)前記端子電圧が前記基準電圧を越
   えている場合、越える大きさに応じて前記最低電
   動機電流レベルおよび前記低レベルを増加させ
   て、制御方式を前記第１の制御方式から、第２の
   制御方式、すなわち電動機駆動電流を前記増加し
   た最低電動機電流レベルにもとづいて調節すると
   共にサイリスタ制御形インバータの点弧角を前記
   増加した低レベルにもとづいて調節することによ
   つて電動機トルクを制御する方式に変更する機能
   を有している装置。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載した装置に於
   て、前記電動機駆動電流の大きさを制御する手段
   が電流調整手段で構成され、前記可変直流電流源
   が多相交流源に結合されたサイリスタ制御形の交
   流／直流変換器で構成される装置。 ７ 特許請求の範囲第５項に記載した装置に於
   て、前記第１の制御方式が、電動機動作様式では
   サイリスタ制御形インバータを「出来るだけ遅く
   点弧する」方式であると共に、制御動作様式では
   「出来るだけ早く点弧する」方式である装置。