JPH08510113A - 三相誘導モータの構成と制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 インバータ接続によって駆動される三相誘導モータを制御する装置。インバータには全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）が供給され、通常の方法で位相をずらした駆動電圧を持ち、仮想ゼロ基準レベルに対し、目的の速度に対して一定または可変駆動周波数で繰り返す正と負の半周期の主に矩形からなる三相誘導モータの各位相（Ｒ，Ｓ，およびＴ）を供給する。インバータに供給される全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）は、各オンとオフ周期が発振装置（１５；２５）によって発生される駆動周波数により決定される電子スイッチ接続（ＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3L）を介して、三相誘導モータの各位相（Ｒ，Ｓ，およびＴ）が供給される。最後に述べた発振器は、整流したグリッド交流電圧の振幅変動を表す信号により駆動周波数を変調するため、直接的または間接的に整流した交流電圧（Ｕ）を表す電圧（Ｕｍ）を供給するように構成されている。本発明は特定の三相誘導モータを制御する方法も含む。

Description

【発明の詳細な説明】 三相誘導モータの構成と制御方法 本発明は、三相誘導モータ、より正確には全波整流グリッド交流電圧が供給さ れ、仮想基準ゼロ電圧に対して、目的の速度に対応する一定または可変駆動周波 数を繰り返す正と負半周期の主に矩形波から構成される駆動電圧を持つモータの 様々な位相を供給するインバータ接続によって駆動する三相誘導モータを制御す る方法と構成に関する。 三相誘導モータの速度は、最初に、供給される供給交流電圧の周波数により決 定される。通常のグリッド周波数を用いて達成できる速度よりも速い速度でモー タを駆動するには、インバータ接続を用いるのが普通で、これにより、モータを 周波数制御でき、その結果、モータを目的の速度で運転することが可能になる。 モータの制御装置を大幅に簡略化するには、矩形電圧パルスを用いてモータを駆 動するのが望ましい。電力レベルが約３００Ｗを越えると、モータの損失が大き くなり、モータの回転音レベルも大きくなる不都合な結果になる。電力レベルが 約３００Ｗよりも大きいときの三相誘導モータのインバータの動作は、普通、正 弦波の形状をした電圧を供給するように設計されている。供給される交流電圧の 周波数は、速度が変化しようとする場合、あるいは、多少滑りを補償する場合に のみ変化する。供給される交流電圧の振幅が変化すると、その結果、周波数の増 大に伴い大きくなるのが普通である。 説明したこの種のインバータは、しばしば複雑で製造コストが高くなりがちで 、インバータ制御の三相誘導モータは、純粋に技術的な利点を提供するといえど も、様々な家庭用機器と一緒に用いられ ていない。 電力が約３００Ｗのインバータ駆動三相誘導モータに付随する他の問題は、著 しいグリッドの変形が生じるということである。この問題の原因は、標準的なイ ンバータ接続は、整流、または平滑化したグリッド交流電圧が供給される点にあ り、これは、接続に含まれる保存コンデンサが充電されたとき、グリッドから見 て、グリッド交流電圧ピーク値周辺の領域の短絡期間中にだけ電流が流れること を意味する。モータの負荷へ供給されるエネルギーは、短い期間だけ流れる電流 によるグリッドから取られる。上述したグリッドの変形を引き起こす電流の遷移 が発生する。高い電力で、この変形は許容し難いレベルまで達し、そのため、各 種フィルタを挿入しなければならず、装置がさらに高価になってしまう。 本発明は、当初、毎分５００００回転を越え、好ましくは毎分１０００００回 転の速度範囲にある小さな三相誘導モータと一緒に用いる用途を意図している。 このような高速回転では、モータの漏れインダクタンスをモータの小さな物理的 な寸法により大きな値を想定する。最初、漏れインダクタンスは、回転子と固定 子間のギャップに集中する。モータを矩形電圧を用いて駆動している場合、漏れ インダクタンスは電流に影響を与えるので、その結果、多少正弦波に近くなる。 従って、電流の所望の曲線形状は、正弦波電圧を供給しなくとも得られる。 安価で簡単なインバータを構成し、しかもグリッドの変形を防ぐには、モータ に全波整流した平滑化していないグリッド交流電圧を供給すると、高い駆動周波 数がグリッド交流電圧周波数の２倍の周波数によって変調される。このような駆 動周波数の低周波数による変調は、回転子が負荷によって制動される場合、１０ ０Ｈｚ（５０Ｈｚのグリッド周波数で）の周波数の速度変化の増減に伴い変化す る。例えば、毎分９００００回転するモータを持っている場合、大きさが小さい ため、駆動電圧が低下したとき、回転子の速度が比較的大きく低減する。速度の 変動は、モータの損失を引き起こす回転子の滑りを増大させる。 本発明の目的は、制御装置の設計を簡単にし、モータが満足する効率を達成し 、例えば、電気掃除器や洗濯器など家庭用機器などのような低価格製品に用いる ことができるインバータ駆動三相誘導モータを制御する方法を提供することであ る。 本発明の別の目的は、インバータ接続に供給される全波整流グリッド交流電圧 の平滑化を不要にし、グリッド交流電圧の全期間中、およびその短い部分の期間 中だけでなく、グリッドから電流を流すことができる制御装置を提供することで ある。 本発明のさらに別の目的は、全波整流した平滑化していないグリッド交流電圧 を供給し、毎分５００００回転を越える速度、さらに好ましくは、毎分約１００ ０００回転の高速な速度で駆動し、供給した平滑化していないグリッド交流電圧 の振幅変動があるにもかかわらず、より一定で小さな滑りの制御装置を提供する ことを目的とする。 上述した目的は、請求項１〜３による方法と、請求項４〜１２による装置によ る本発明によって達成される。 本発明の他の目的と利点は、次の図面を参照して説明した続く設計例の詳細な 説明によって示される。 図１は、本発明による制御装置の図式的な配線図である。 図２は、実際の制御装置の詳細な配線図である。 図３は、モータの制御に必要な図２による結合駆動パルスのパルス形状を示す 図である。 図４は、図３に示す駆動パルスを反転駆動パルスのパルス形状を 示す図である。 図５は、モータ位相に供給された駆動電圧の曲線形状を示す図である。 図１は本発明による制御装置の基本構成を示す。必要な構成要素がブロックで 示されている。三相誘導モータは図の右側に示され、３つの固定子巻き線Ｌ_R， Ｌ_S，およびＬ_Tで示されている。巻き線は１端で結合し、自由端はＲ，Ｓ，およ びＴに接続している。これらの接続には、通常の場合、互いに時間的に１２０° の角度でずらした駆動電圧が供給される。接続Ｒ，Ｓ，およびＴは、それぞれＴ Ｒ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3Lのトランジスタ対に接続される 。トランジスタの各対は、互いに直列に接続され、各接続Ｒ，Ｓ，およびＴは、 各対の２つのトランジスタ間の接続点に接続されている。この場合、トランジス タは、バイポーラ・トランジスタとして示されているが、しかし、明らかにＭＯ ＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ型などのような他の型のトランジスタである。 トランジスタＴＲ_1H，ＴＲ_2H，およびＴＲ_3Hのコレクタは、互いに接続され、 導体（１０）を介して平滑化していない全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）に接続 している。反対の極が装置（中間，電源，接地）の共通基準電位を構成する導体 （１２）に接続されている通常の全波整流器（１１）から供給される。全波整流 器（１１）は、例えば、２３０Ｖの実効値と５０Ｈｚの周波数を持つグリッド交 流電圧（Ｕ_N）に接続されている。これらの値により、全波整流電圧（Ｕ）は３ ２５Ｖの振幅を得る。コンデンサ（Ｃ）が導体（１０，１２）間に接続されてい るが、これは保存コンデンサではなく、高周波干渉信号を通過させる目的で挿入 してある。 トランジスタＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3Lを駆動するに は、３つの駆動パルス、すなわち、適切に相互に時間 をずらした全部で６つの矩形パルス列が必要である。これらのパルス列を発生す るため、モータを目的の速度に対応する値に出力周波数を設定できる電圧制御型 発振器（１５）を設けている。この目的のために、ポテンショメータ（１６）を 用いている。導体（１５）を介した電圧制御型発振器（１５）からの信号は、お そらく、通常の型（集積した標準回路として製造）である駆動回路（３３）に供 給され、導体（１８，１９，２０，２１，２２，および２３）を介して、各トラ ンジスタＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3Lのベースに転送され る６つのパルス列を発生する。図２に示す実際の結合と共に詳細に扱ったように 、さらなる電圧（Ｕ_M）が電圧制御型発振器（１５）に供給される。この電圧は 全波整流グリッド交流電圧から誘導され、抵抗（Ｒ₁）を介して発振器の入力に 導かれる。 電圧（Ｕ_M）は、全波整流グリッド交流電圧の振幅変動に依存する発振周波数 の変調をするためのものである。 図２は、本発明による実際の制御回路の配線図を示す図である。制御装置は、 オンまたはオフ時間を制御する複数のスイッチング・トランジスタに供給される 一定または調節可能な駆動周波数を発生するインバータ接続の一例である。接続 Ｒ，Ｓ，およびＴを介したスイッチング・トランジスタの役割は、モータの固定 子巻き線へ全波整流グリッド交流電圧から供給される矩形駆動電圧を供給するこ とである。モータは図２に示されているが、サイズが小さく、毎分５００００回 転を越え、さらに好ましくは、毎分１０００００回転の速度範囲の高速で駆動さ れるかご形回転子を持つ三相誘導モータから構成される。 モータ駆動周波数を発生するには、通常の５５５タイプである発振器（２４） を設ける。発振器の周波数（Ｆ_OSC）は、コンデンサ （Ｃ_O）と共に抵抗Ｒ₂，Ｒ₃，およびＲ₄の組み合わせから決定される。周波数は 、ある程度までならポテンショメータで抵抗Ｒ₄を用いて調節できる。発振器（ ２４）からの出力周波数（Ｆ_OSC）は、適切な時間間隔でずらした６つのパルス 列が出力される６つの出力を備える７４１７５タイプの分周器である。分周器（ ２５）からの出力は、５５６タイプの各タイマ回路（２６，２７，および２８） に対で接続されている。タイマ回路は、高い電位の１入力を受け取ったとき、対 応する出力に対応する高いレベルを供給し、タイマ自身によって決定されるある 一定時間の間高いレベルを保持するように設計されている。しかし、連続した高 いレベル出力状態の時間は発振器の周波数によって変化する。タイマ回路（２６ ）に示す接続は、パルス列を出力する２つの出力Ｈ_in3とＨ_in1と、最後のタイマ 回路（２８）はパルス列Ｌ_in2とＬ_in3を出力する２つの出力を備えている。これ らの６つのパルス列Ｈ_in1〜Ｌ_in3は、入力信号を強める目的で配置され、対応し て、６つの出力から対応するスイッチ・トランジスタＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H， ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3Lを制御する制御信号Ｈ₁，Ｈ₂，Ｈ₂；Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃を供 給する。２１３０タイプの駆動回路（２９）の駆動回路の対応する入力に送られ る。駆動回路（２９）（Ｈ_in1〜Ｌ_in3）へのパルス列または入力信号は、図に示 されていないが、駆動回路（２９）からの出力信号は、発振器の出力周波数（Ｆ_OSC ）を示す図３と４に示されている。 スイッチ・トランジスタ（ＴＲ_1H〜ＴＲ_3L）は、全波整流グリッド交流電圧（ Ｕ）に接続された導体（３０）の間に互いに直列に対で接続され、導体（３１） は共通基準電位（中間，電源，接地）に接続されている。図５は接続Ｒでの駆動 電圧を示し、これと対応する場合は、接続ＳとＴで駆動電圧１２を供給する。こ れらの駆動電 圧は互いに時間をずらして供給されるので、その結果、接続した三相誘導モータ は三相で駆動される。図５に示す駆動電圧は、出力Ｒで供給電圧（Ｕ）と基準電 位（０Ｖ）の中間にある仮想基準電位（Ｕ／２）の周辺で正または負に変化する 。 図３と４に示すように、パルス列の高いレベルは、各タイマ回路（２６，２７ ，および２８）により固定および決定される時間ｔ₀だけ持続する。しかし、高 いレベル期間を分離する低いレベル期間は、これに対し、変化する可能性のある 時間ｔ₁だけ持続する。変動は２つの要因からなり、このうちの第１の要因は、 ポテンショメータ（Ｒ₄）用いて設定する発振周波数（Ｆ_OSC）から決定される。 第２の要因は、全波整流グリッド交流電圧から得られる電圧を用いた変調から得 るのに必要な発振周波数の変動である。変調する目的は、振幅が一定ではなく変 動することを暗示する平滑化していない電圧がモータに供給される事実を考慮す ることである。全波整流グリッド交流電圧の振幅が増大したとき、発振器の周波 数が大きくなるように変調を行うことによって、グリッド交流電圧の変動に伴い 、モータの速度が変化する傾向を低減させることができる。図３と４を参照する と、上述した電圧の振幅が増大したとき、減少する時間（ｔ₁）によって表すこ とができる。このようにして、電源の上述した変動にもかかわらず、多少一定の 滑りを達成できる。モータの滑りを低減させると、モータの損失が低下し、モー タの効率が改善する。図２に示すように、発振器（２４）は図１のＭ点に対応す る点などのような、全波整流グリッド交流電圧が発生する点に接続された抵抗（ Ｒ₁）を介する特別な入力（３２）を備えることができる。 説明した方法への発振周波数の変調による効果は、接続Ｒの電圧が正と負の矩 形半期間を構成するのが分かる図５にも示されている 。最初の部分を構成する各半周期は、一定の時間ｔ₀の間持続する。次に、発振 器の周波数から決定され、発振器（２４）で行われる変調に依存する時間、デル タｔが続く。例えば、ＴＲ_1H，ＴＲ_1Lなどの各対の２つのトランジスタが同時に 導通し、それにより、短絡してトランジスタと他の要素に重大な損傷を与えるの を防ぐように、駆動回路が設計されていることを強調すべきである。＋５Ｖと＋ １５Ｖなどのようなある電源は図２に示されている。これらの電圧は、図に示す ような電源を用いて通常の方法で発生される。 本発明は、小さな高速三相誘導モータと共に用いると特別な利益を提供すると はいえ、本発明は、このようなモータだけに限定されておらず、小さな速度範囲 にあり、負荷が大幅に変動し、重い、洗濯器などのような他の目的のための三相 誘導モータと一緒に用いることができる利点がある。 本発明は、標準の論理回路を用いて制御回路を構成し例と共に用いて説明した が、明らかに、制御装置は、関連するメモリ回路を備えるマイクロプロセッサ、 およびクロック・パルス発生器などを用いて、本発明の範囲内で実現可能である 。制御装置の動作は、この場合、マイクロプロセッサ用に開発したプログラムに よって制限される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．全波整流グリッド交流電圧を供給するために配線されたインバータ接続に より駆動され、仮想ゼロ基準レベルに対して、目的の速度に対応する一定または 可変駆動周波数を繰り返す正または負半周期の主に矩形波から構成される駆動電 圧を持ち、モータの各位相（Ｒ，Ｓ，およびＴ）を供給する三相誘導モータ制御 方法において、 前記駆動電圧の瞬時振幅は、インバータに供給される全波整流の瞬時振幅（Ｕ ）により決定され、駆動周波数は、整流した交流電圧の振幅変動を表す信号（Ｕ_M ）によって変調されることを特徴とする三相誘導モータ制御方法。 ２．請求項１に記載の三相誘導モータ制御方法において、駆動信号は、前記全 波整流グリッド交流電圧（Ｕ）を直接的または間接的に表す電圧（Ｕ_M）により 制御される電圧制御型発振器（１５；２５）によって駆動周波数が発生されるこ とを特徴とする三相誘導モータ制御方法。 ３．請求項２に記載の三相誘導モータ制御方法において、駆動電圧の正と負半 周期は、一定パルス期間（ｔ₀）を持つ第１部分と前記全波整流グリッド電圧（ Ｕ）の瞬時振幅の増大／減少に伴い、増大／減少するように周期が変化する連続 した第２部分（デルタｔ）からなることを特徴とする三相誘導モータ制御方法。 ４．全波整流グリッド交流電圧を供給するために配線されたインバータ接続に より駆動され、仮想ゼロ基準レベルに対して、目的の速度に対応する一定または 可変駆動周波数を繰り返す時間をずらした正または負半周期の主に矩形波から構 成される駆動電圧位相を持つモータの各位相（Ｒ，Ｓ，およびＴ）を供給する三 相誘導モータ 制御装置において、 前記全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）はインバータに供給され、前記インバー タは電子スイッチ接続（ＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3L）を 介して各モータ位相（Ｒ，Ｓ，およびＴ）を供給するために配線され、前記電子 スイッチ接続のオンとオフ周期は、電圧（Ｕ_M）を供給するために設けた発振装 置（１５；２５）により発生される駆動周波数によってそれぞれ決定され、前記 電圧（Ｕ_M）は整流した交流電圧の振幅変動を表す信号で駆動周波数を変調する ため整流したグリッド交流電圧（Ｕ）を直接的または間接的に表すことを特徴と する三相誘導モータ制御装置。 ５．請求項４に記載の三相誘導モータ制御装置において、駆動電圧の正と負半 周期は、一定パルス期間（ｔ₀）を持つ第１部分と前記全波整流グリッド電圧（ Ｕ）の瞬時振幅の増大／減少に伴い、増大／減少するように周期が変化する連続 した第２部分（デルタｔ）からなることを特徴とする三相誘導モータ制御装置。 ６．請求項５に記載の三相誘導モータ制御装置において、正と負半周期のパル ス周期は、発振装置（２４）により決定される駆動周波数と共に設けられ、前記 全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）の瞬時振幅により変化するタイマによって決定 され、時間周期（ｔ₁）によって分離される周期（ｔ₀）の正矩形パルス（Ｈ₁， Ｈ₂，Ｈ₃，Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃）を供給することを特徴とする三相誘導モータ制御装 置。 ７．請求項６に記載の三相誘導モータ制御装置において、モータの速度は、正 の矩形パルスを分離する発振周波数（Ｆ_OSC）に依存し、調整される時間周期（ ｔ₁）で前記発振周波数（Ｆ_OSC）により調整可能であることを特徴とする三相誘 導モータ制御装置。 ８．請求項４〜７のいずれかに記載の三相誘導モータ制御装置に おいて、発振装置は、前記全波整流グリッド交流電圧（Ｕ）に接続した１入力（ ３２）を持つ電圧制御型発振器を構成することを特徴とする三相誘導モータ制御 装置。 ９．請求項８に記載の三相誘導モータ制御装置において、発振器（２４）は、 駆動周波数に対応する周期を持つ６つの矩形信号を発生するため設けた分周器（ ２５）に接続した出力を持つことを特徴とする三相誘導モータ制御装置。 １０．請求項４〜９のいずれかに記載の三相誘導モータ制御装置において、各 モータ位相（Ｒ）のスイッチ接続は、各モータ位相に接続したトランジスタ間の 点に接続した２つの直列接続トランジスタ（ＴＲ_1H，ＴＲ_1L）からなり、正の半 周期中、整流グリッド交流電圧（Ｕ）からモータ位相（Ｒ）への電流経路を生成 し、負の半周期中、モータ位相（Ｒ）から共通基準電位を持つ接続（３１）への 電流経路を生成するように構成されていることを特徴とする三相誘導モータ制御 装置。 １１．請求項９または１０に記載の三相誘導モータ制御装置において、分周器 （２５）は、各モータ位相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）への電流供給を制御する各トランジス タ対（ＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L ；ＴＲ_3H，ＴＲ_3L）へ駆動回路（２９）を介して供給する信号対（Ｈ_in1，Ｌ_in1 ；Ｈ_in2，Ｌ_in2；Ｈ_in3，Ｌ_in3）を発生するため設けた３つのタイマ回路（２６ ，２７，および２８）に接続された６つの出力を持つことを特徴とする三相誘導 モータ制御装置。 １２．請求項１１に記載の三相誘導モータ制御装置において、駆動回路（２９ ）は、各トランジスタ対（ＴＲ_1H，ＴＲ_1L；ＴＲ_2H，ＴＲ_2L；ＴＲ_3H，ＴＲ_3L） の２つのトランジスタの同時接続を防ぐように設計されていることを特徴とする 三相誘導モータ制御装置。