JPS5836600B2 - 無整流子電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は無整流子電動機の制御装置に係り、特に過負荷
特性の改善を図った無整流子電動機の制御装置に関する
。

たとえば鉄鋼の圧延主機を駆動する電動機は２００〜３
００％のピークロードを要求される。

このため従来は直流電動機を用いたレオナード装置が汎
用されている。

直流電動機は、補償巻線により電機子起磁力を打消すよ
うに構或されている。

したがって過負荷時のトルク特性が良好である。

しかしながら、整流子とブラシとを用いて電機子電流を
整流しているため保守点検が面倒であり、高圧化、大容
量化に限界がある。

一方、無整流子電動機としては、同期電動機を用いたも
のが検討されている。

しかしながら、同期電動機は、本質的に電機子反作用が
大きく、筐た電機子巻線のインダクタンスが大きいから
、電機子電流を急速に制御したり、ピークロードをとる
のに適していない。

第１図は同期電動機を用いた従来の無整流子電動機の制
御装置を示したものである。

この装置にむいて、同期電動機の回転速度が速度計発電
機１０で検出され速度基準１１と突合わされて偏差が取
出される。

この偏差は速度制御増幅器１２で増幅され、この増幅器
１２の出力に比例して電機子電流が制御される。

このとき増幅器１２の出力すなわち電機子電流基準にし
たがって第１関数回路１４により電機子電流の位相を制
御する。

また、第２関数回路１９により界磁電流を制御する。

同期電動機５の電機子巻線に電流が流れると、電機子磁
束が生じて空隙の磁束の位相と磁束缶度が変化する。

したがって端子電圧の位相と電圧が変化し、力率が悪く
なる。

この関係を、円筒界磁極同期機についてリーケージイン
ダクタンストよび巻線抵抗を無視して簡単化した上で説
明すると、第４図に示すように、界磁電流Ｉｆにより界
磁起磁力ＡＴｆｏを生じ、無負荷逆起電力Ｅ。

を生ずる。電機子に電流Ｉａが流れると電機子起磁力Ａ
Ｔａ を生じ、起電力ＩａＸを生ずる（Ｘは同期リアク
タンスである）。

このとき、端子電圧Ｅｔの大きさが変化しないようにす
るためには、界磁起磁力をＡＴｆｏからＡＴｆ に増
加する必要があり、筐た運転力率を１に保つためには電
機子電流の位相をθだけ進める必要がある。

ＡＴｆと’ＡＴａとの合成起磁力ＡＴｇ により空隙＼ の磁束が決壕るが、このように制御すればＡＴｆｏとＡ
Ｔｇは等しく、空隙の磁束密度は変化しない。

しかし、空隙の磁束の位相はθだけ回転することになる
。

゛（、第２図釦よび第３図はこの関係をグラフに
示したものである。

すなわち、電機子電流の位相を第１関数回路１４により
第２図に示すように制御し、１た界磁電流を第２関数回
路１９により第３図に示すように制御すればよい。

この装置では、次の（Ｉ）〜■に示すような欠点がある
。

（Ｉ） 同期電動機は通常同期リアクタンスが１００
多程度あるため、このリアクタンスに対して電機子電流
を急速に制御するためには、周波数変換装置に過犬なフ
オーシング電圧を発生させる必要がある。

そこで、急速な応答を得ようとすると、周波数変換装置
が定格電圧の数倍のフオーシング電圧を発生し得るよう
に設計する必要がある。

これは周波数変換装置の定格電圧を高くする必要がある
から、周波数変換装置の出力容量が大きくなり、不経済
であると共に電源側の力率が悪くなる。

このため、鉄鋼圧延機主機のような急速な応答が要求さ
れる用途に適さない。

（自）この（Ｉ）の点を解決するために、同期リアクタ
ンスの小さい同期電動機を製作する場合、同期電動機の
寸法が大きくなり、やはり不経済であると共に電動機の
ＧＤ２ が増大するから鉄鋼圧延機に要求されるような
急速な可逆運転が不可能になる。

巾電機子反作用の影響を軽減するため、電機子電流の大
きさに応じて電機子電流の位相と界磁電流とを制御する
ことにより電動機力率を常に１とし且つ端子電圧を定格
値に保つような制御を行っている。

このため、第４図に示すように電機子電流の大きさが変
化すると空隙の磁束はθだけ回転することになる。

磁束は、一般にダンパ巻線や界磁巻線と鎖交してふ・り
、ダンパ巻線や界磁巻線に磁束の変化を妨げる反作用電
流が流れ磁束の変化が遅れる。

したがって、電機子電流を急速に立上げ、電流位相をθ
だけ回転しても磁束がθだけ回転するのに遅れを生じる
。

このためトルクの立上りが遅れる。

１た、磁束は電機子巻線とも鎖交しているため，磁束の
回転により電機子巻線に起電力を生じ、電流制御系に外
乱要素として作用することになる。

このように、過渡時磁束の変化を生じさせるような制御
方式は急速な応答を要求される用途には適さない。

ｔｖ）（ホ）と同じく電機子反作用の影響を軽減するた
め、電機子電流の大きさに応じて電機子電流の位相と界
磁電流を制御することを行うが、これには第１関数回路
１４とか第２関数回路１９を必要とし構戒が複雑になる
上に、関数の形を電動機の特性に合わせて調整する必要
がある。

電動機の特性は、電機子電流の変化の速さにより同期リ
アクタンスが変化したり、さらに飽和の影響を考えたり
するとかなり複雑である。

そのうえ、ピークロードに対処するため過大な電機子電
流を流すと同期リアクタンス降下ＩａＸが過大になり、
第４図から分るようにθが大きくなるが、θが僅かでも
変化すると空隙の磁束が太き〈変動するから端子電圧が
大きく変動することになる。

したがってθの制御精度が悪いと過大な電圧を発生する
おそれがある。

Ｍ 第１図にむけるＵ相力率制御回路１５−１、■相力
率制御回路１５−２、Ｗ相力率制御回路１５−３により
電機子電流の力率制御を行う必要があり、回路構成が複
雑になる。

（ト）上記（ＩＩＤ，■、■の制御を行う場合、通常界
磁巻線のインダクタンスは電機子巻線よりかなり大きく
、電機子電流の急変に対して界磁電流の変化が遅れるた
め、過渡的に第４図のベクトルのバランスが崩れ電機子
巻線の電圧が変動し過犬な電圧を発生するむそれがある
。

■同期電動機は一般に空隙が大きく、励磁アンベアター
ンが大きいから界磁巻線の励磁容量が太き〈なる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、交流電動機
を用いて無整流子電動機を構威し、この無整流子電動機
が良好な過負荷特性を有するように制御する装置の提供
を目的とする。

この目的達成のため、本発明では、多相界磁巻線を有す
る交流電動機の界磁巻線に対し電機子電流の大きさに応
じた電流を流し、界磁巻線による界磁起磁力のベクトル
の大きさと方向を制御して電機子起磁力を打消すことに
より電機子反作用を除去し、速応性むよび過負荷特性に
優れた無整流子電動機の制御装置を構成したものである
。

以下第５図乃至第８図を参照して本発明の一実施例を説
明する。

第５図は本発明の一実施例を示したもので、１は３相交
流電源であり、変圧器２−１，２−２、２−３およびサ
イリスタプリッジ４−１，４−２、４−３を介して巻線
形誘導電動機５の１次巻線に給電する。

この各相電流は変流器３−１，３−２、３−３により検
出されて検出回路１７−１，１７−２、１７−３に与え
られ、さらに基準信号と突合わされた上で制御回路１８
−１，１８−２、１８−３に与えられることによりサイ
リスタブリツジ４−１．４−２、４−３の制御が行われ
る。

一方、電源１からは変圧器６およびサイリスタプリツジ
８−１，８−２を介して巻線形誘導電動機５の２次巻線
に給電され、この電流は変流器７−１、７−２により検
出されて検出回路２０−１．２０−２に与えられ、さら
に励磁電流基準２２と突合わされた上で制御回路２１−
１，２１−２に与えられ、サイリスタブリツジ８−１、
８−２の制御が行われる。

サイリスタブリツジ８−１，８−２は例えば第９図に示
すように６アームのサイリスタにより構成され三和交流
電源を全波整流して直流電源を得る方式のものを用いる
ことができる。

三相交流電圧をＶａ ｃ、直流出力電圧をＶｄｃ、制御
遅れ角をαとすれば、周知のように、Ｖｄｃ３Ｊ２
■．・・・・・の関係にあるから、制御遅π れ角αを公知の位相制御装置により制御することにより
、Ｖｄ ｃ が制御され、これにより出力電流Ｉｆｕ
又はＩｆｖ を制御することができる。

この場合、制御回路２１−１には速度制御回路１２から
電機子電流基準が、捷た制御回路２１−２には同じ電機
子電流基準が極性反転回路２３を介して与えられる。

この電機子電流基準は掛算器１６ｉ，１６−２、１６−
３に与えられて、セルシン９から同期整流回路１３１，
１３−２、１３−３を介して与えられた信号と乗じられ
て基準信号とされ制御回路１８−１、１８−２、１８−
３に与えられる。

電機子電流基準を形成する速度制御回路１２には、速度
基準１１と速度計発電機１０からの速度信号とを突合わ
せて得た信号が与えられる。

この装置において、第１図と同一符号を付した要素は同
一要素を示す。

次にこの装置の動作を説明する。

第６図は巻線形誘導電動機の運転特性を示したもので、
２次巻線の直軸励磁電流Ｉｆｄ により直軸起磁力ＡＴ
ｆｄ を生じ、１次巻線に無負荷逆起電力Ｅ。

を生じる。１次電流Ｉａが流れると１次起磁力ＡＴａを
生じるが、この電流Ｉａに比例して２次巻線の横軸電流
を制御すれば横軸起磁力ＡＴｆｑを生じ、これにより１
次起磁力ＡＴａ を打消すことができる。

したがって端子電圧Ｅｔは無負荷逆起電力Ｅ。

と同相で電圧変動を生じない。第７図は第６図に示すよ
うに制御するための具体的な制御回路を示したものであ
る。

同図において第５図と同一符号は同一要素を示す。

この回路において各相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗはそれぞれ１２ｏ
０づつの位相差をもって巻かれているものとし、各各の
巻数をｎ２ とする。

そして直軸方向をｄ、横軸方向をｑで示すように定めれ
ば、直軸起磁力ＡＴｆｄは、 一方、１次電流をＩａ、 係数をＫとすれば、 １次巻線をｎｌ，分布巻 である。

ここで第６図によれば、ＡＴｆｑはＡＴｆｄに対して９
０°遅れている。

筐た、１次巻線の無負荷逆起電力Ｅ。

はＡＴｆｄに対して９０゜進んでいるから、第５図の装
置において、セルシンの出力を同期整流して無負荷逆起
電力Ｅ。

に同相の正弦波信号を得、これを基準にして１次電流Ｉ
ａを制御すれば、ＩａはＥ。

と同相になる。

したがって、ＡＴｆｑとＡＴａは１８０゜位相差のある
ベクトルとなり、ＡＴｆｑによりＡＴａを打消すように
制御することができる。

ＡＴａをＡＴｆｑにより打消すためには、ＡＴａ ＝
ＡＴｆ ｑになるように匍脚すればよいから上言ａ４＞
’． （５）式よりに等しくなるように制御すれば、１
次電流による起磁力を２次電流により打消すことができ
る。

１た、直軸起磁力ＡＴｆｄを一定にするためには、上記
（３）式にかいて（ Ｉｆｕ ＋ Ｉｆｖ）が一定にな
るように制御すればよい。

第８図はこの関係を示したものである。

すなわち、直軸起磁力ＡＴｆｄは上言改３）式よりＩｆ
ｕとＩｆｖとの和に比例するから、ＩａによりＩｆｕが
増加する量とＩａによりＩｆｖが減少する量とを等しく
すればＡＴｆｄは一定になる。

１た横軸起磁力ＡＴｆｑは、上畝４）′式より（ Ｉｆ
ｕ −Ｉｆｖ）に比例するからこれを上記０）式の関係
に制御すれば、１次起磁力を常に打消すことができる。

すなわち第７図に示すように励磁電流基準２２（ＡＴｆ
ｄの基準）に比例してＩｆｕとＩｆｖ とを制御し、一
方、１次電流に比例してＩｆｕを増加し、Ｉｆｕの増加
量に等しい量だけＩａに比例してＩｆｖ を減少させ
ればよい。

次に、以上の制御動作を第７図にしたがってより具体的
に説明する。

第７図極性反転回路２３の入力側に電機子電流基準■ａ
＊が印加され、かつ、励磁電流基準２２としてＩｆｄ＊
が与えられるものとする。

一方サイリスタブリツジ８−１及び８−２により、それ
ぞれ制御されるＩｆｕ及びＩｆｖは、変流器７−１、Ｉ
ｆｕ検出回路２０−１，及び変流器７−２、Ｉｆｖ検出
回路２０−２によりそれぞれ検出され、検出ゲインをＫ
２と巾ば２０−１，．及び２〇一２の出力に，七ｈ−ａ
Ｋ ２ Ｉ ｆ ｕ及びＫ２Ｉｆｖが得ら＊ れる。

Ｉｆｕ制御回路’２１−１は、Ｉｆｄ 及び■ａ＊及び
一Ｋ２■ｆｕを入力信号として、基準値Ｉｆｄ＊＋Ｉａ
＊ と帰還値Ｋ２■ｆｕを比較し、その偏差を増幅し
、偏差が常に零になるようにサイリスタブリツジ８−１
の点弧位相を制御するものとすれば、下式が成立する。

したがって、直軸起磁力（励磁起磁力）ＡＴ，ｄは、励
磁電流基準■ｆｄ＊に比例して制御される。

次に、（８）式と（９）式より、■ｆｄ＊を消去すれば
、ここで、ＡＴｆｑにより、ＡＴａを常に打消すように
すなわち電機子電流Ｉａに比例した工８を基準にして、
（１４）式の比例係数により、■ｆｕ ト■ｆｖを制御
すれば、ＡＴａ ｆ：ＡＴＩ ｑにより常に打消すこと
ができる。

このように制御すれば、第６図に示すように、１次電流
による起磁力ＡＴａが常に２次電流の横軸成分ＡＴ，
，により打消されるからＩａによって回転機内に磁束の
変化を生じない。

すなわち、１次巻線のインダクタンスは、リーケージイ
ンダクタンスのみと考えることができるから、次のよう
な効果が得られる、すなわち、 （Ｉ） 巻線形誘導電動機は、１次巻線と２次巻線と
が密に結合されており、しかも２次電流を制御して２次
起磁力により１次起磁力を打消すように制御するから１
次巻線のインダクタンスはリーケージインダクタンスの
みとなる。

したがって同期電動機の場合、同期リアクタンス１００
多程度あるのに対し上記装置ではりアクタンスがほぼ零
になるから、周波数変換装置が僅かなフオーシング電圧
を発生すれば電機子電流を急速に制御することができる
。

この結果、周波数変換装置の出力容量を大きくすること
なく、急速な電流制御ができるから、圧延主機のような
急速な応答の必要がある用途にも適用することができる
。

（自）同様の理由により、リアクタンスを減少させるた
めに電動機を大きく設計する必要がないから電動機が小
形で経済的であり、ｌたＧＤ２が小さ〈急速な可逆運転
が可能である。

（Ｉｌｌ次巻線による起磁力が２次巻線の起磁力で打消
されるから、１次電流が変化しても１次巻線の誘起電圧
の大きさおよび位相の変化がない。

すなわち２次巻線電流の匍脚により電機子反作用が補償
される。

このため、１次電流の大きさに応じて１次電流の位相を
制御しなくても常に力率１の運転を行うことができるか
ら複雑な力率制御回路が不要になる。

０ １次巻線による起磁力を打消すために２次電流を１
次電流に応じて制御するが、この場合、１次電流に対し
て２次電流を比例関係に制御すればよいから、特殊な構
成の関数回路を必要としない。

Ｍ 巻線形誘導電動機は一般に空隙が小さく磁路の磁気
抵抗が小さいから励磁アンペアターンが小さい。

このため励磁装置の容量を小さくできる。

帥誘導電動機の１次巻線と２次巻線は冨に結合されてい
るから、２次巻線の励磁装置のインピーダンスを充分低
く設計して釦くことにより過渡時に１次電流が急変して
も回転機内の磁束が急変しないような反作用電流が２次
回路に流れる。

これにより、負荷が急変して１次電流が急変するような
とき、１次電流の急変による起磁力の変化を打消す２次
電流が流れるから、負荷が急変しても１次電圧が変動す
ることがなく、結果として過電圧を生ずることがない。

′なむ、上記実施例では巻線形誘導電動機を制御する場
合について説明したが、２相以上の多相界磁巻線を有す
る同期電動機を用いても同様の効果を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は同期電動機を用いた従来の無整流子電動機の制
御装置を示す回路図、第２図および第３図は電機子電流
と界磁磁束、電機子電流と界磁電流の各制御関係を示す
図、第４図ａ，ｂは第１図の装置にち・ける電圧、電流
むよび磁束の位相関係を示すベクトル図、第５図は本発
明の一実施例を示す回路図、第６図は第５図の実施例に
おける電圧、電流、ち・よび磁束の位相関係を示すベク
トル図、第７図は第５図の実施例の要部構成を示す回路
図、第８図は第５図の実施例に釦ける電機子かよび界磁
の電流、磁束の関係を示す特性図、第９図は第５図の実
施例にむけるサイリスタブリツジの結線を示す図である
。 １・・・３相交流電源、２，６・・・変圧器、３，７・
・・Ｋ 流器、４，８・・・サイリスタブリツジ、５・
・・巻線形誘導電動機、１６・・・掛算器、■・・・電
流、Ｅ・・・電圧、ＡＴ・・・磁束。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多相の１次巻線および２次巻線は少な〈とも２相巻
   線で形成される交流電動機と、前記１次巻線に供給する
   ための交流電力を形成する周波数変換装置と、前記少な
   くとも２相の２次巻線に供給するための直流電流を形戒
   する第１の直流電源及び第２の直流電源と、前記１次巻
   線に誘起される無負荷逆起電力と同相の正弦波信号を検
   出する装置と、電機子電流基準信号を形成する装置と、
   前記正弦波信号と電機子電流基準信号とに基づいて前記
   周波数変換装置から前記１次巻線への給電を制御する装
   置と、前記第１の直流電源及び第２の直流電源の出力電
   流を制御して、前記少なくとも２相の２次巻線の位相の
   異なる巻線電流をそれぞれの基準にしたがって制御する
   ように構成した電流制御装置と、前記電機子電流基準信
   号及び，励磁電流基準信号に基づいて、前記第１の直流
   電源の出力電流の基準信号及び第２の直流電源の出力電
   流の基準信号を形成する装置とから構成され、前記電機
   子電流基準信号に基づいて前記第１の直流電源及び第２
   の直流電源の出力電流を制御して、前記１次巻線に流れ
   る電流によって生ずる起磁力を常に打消すように制御す
   ると共に、前記励磁電流基準信号に基づいて、前記第１
   の直流電源及び第２の直流電源の出力電流を制御して、
   前記交流電動機に与えられる励磁起磁力を制御すること
   を特徴とする無整流子電動機の制御装置。