JPS5838077B2 - 無整流子電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は周波数変換装置により交流電動機に給電してな
る無整流子電動機の制御装置に係り、特に運転特性を改
善するために界磁制御を行う装置に関する。

例えば圧延主機の場合、低速圧延時は大きいトルクを必
要とし、高速になるほど小さいトルクで圧延を行い、然
も急速な可逆転や圧延時のピーク負荷に対しては２００
〜３００％の過負荷トルクが要求される。

第１図は電動機を界磁制御した場合の一般的特性である
。

この特性を得るには当初電機子電圧を、次いで界磁電流
を制御する。

まず電機子電圧が定格値に達するまでは、界磁電流は強
め一定として電機子電圧を変化させることにより速度制
御を行う。

電機子電圧が定格値に達すると界磁を弱めて更に高速の
範囲での速度制御を行う。

図に示すトルクおよび電動機出力は、電機子に定格電流
を流した場合の特性で、界磁制御範囲では全範囲に亘り
定格出力が得られるから、変換器と電動機の容量が有効
に活用され装置の利用率が高い。

また、この界磁制御範囲では電機子電圧が定格値で運転
されるから、変換器は進んだ点弧位相で運転され、電源
力率が良好になる。

ここにおいて、このような界磁制御を必要とする場合、
従来は直流電動機が用いられている。

直流電動機は補償巻線により電機子反作用を打消すよう
に構成されているから、界磁を弱めても良好な運転特性
が得られ、極めて好都合である。

しかしながら、直流機には整流子とブラシがあるため、
保守性、耐環境性等の問題があり、また高圧化、高速回
転化、単機による大容量化に限界がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、保守性、耐
環境性が良好で高圧化、高速化、大容量化に好適な無整
流子電動機の制御装置の提供を目的とする。

この目的達或のため、本発明では、多相の１次巻線およ
び２次巻線を有する交流電動機を用い、前記１次巻線に
対し周波数変換装置により多相交流電力を、また前記２
次巻線に対し直流電源より直流を、それぞれ給電制御し
て直流電動機と同等の運転特性を得る無整流子電動機の
制御装置を構成したものである。

以下第２図乃至第８図を参照して本発明の実施例を説明
する。

第２図は本発明の一実施例の構成を示すブロック線図で
あり、１は３相交流電源で変圧器２−１，２−２ ．２
−３および６の各１次巻線に接続される。

変圧器２−１ ．２−２ ．２−３は、変流器３−１
．３−２ ．３−３を介してサイリスクブリッジ４−１
，４−２ ．４−３に至り、電流制御した上で巻線形
誘導電動機５の１次巻線に給電するように、各２次巻線
が接続されている。

電動機５の１次巻線は星形結線されているからＵ，Ｖ，
ＷおよびＯの４端子を有し、各相端子Ｕ，Ｖ，Ｗと中性
端子Ｏとの間に通電される。

一方、変圧器６は、変流器７−１ ，７−２を介してサ
イリスクブリッジ８−Ｌ８−２に至り、電流制御した上
で巻線形誘導電動機５の２次巻線に給電するように、各
２次巻線が接続されている。

サイリスクブリッジ８−１ ．８−２は、例えば第９図
に示すように、６アームのサイリスクにより構或され三
相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■ａＣ、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、 ３，／Ｔ Ｖｄｃ−Ｖａｃ ｃｏｓαの関係にあるから、π 制御遅れ角αを、公知の位相制御装置により制御するこ
とによりＶｄｃ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。

電動機５の２次巻線は星形結線されており、Ｕ，ｖ，ｗ
の３端子を有し、端子ｕ，ｖとＷとの間に通電される。

変流器３−１ ．３−２ ，３−３の検出出力はそれぞ
れ電流検出回路１７１．１７−２．１７−３に与えられ
、サイリスクブリッジ４−１．４−２ ．４−３を制御
するための電流制御回路１８−１．１８−２．１８−３
への帰還信号として用いられる。

また、変流器７−１ ．７−２の検出出力はそれぞれ電
流検出回路２ ０−１ ， ２ ０−２に与えられ、サ
イリスクブリッジ８−１ ，８−２を制御するための電
流制御回路２１−１．２１−２への帰還信号として用い
られる。

電流制御回路１８−１〜１８−３は、巻線形誘導電動機
５の１次巻線電流すなわち電機子電流を制御する。

この制御は、掛算器１６−１，１６２ ． １ ６−３
から与えられるｉＵ基準、ｉｙ基準、およびｉｗ基準に
基いて行われる。

そして、掛算器１６−１ ．１６−２．１６−３には、
速度基準１１と速度計発電機１０からの帰還信号とを加
え合わせた信号が速度制御回路１２に与えられることに
より速度制御回路１２が生じる出力が一方の入力として
与えられる。

そして、他方の入力としてセルシン９の出力に応動する
同期整流回路１３１．１３−２．１３−３の出力が与え
られる。

また、電流制御回路２１−Ｌ２１−２は巻線形誘導電動
機の２次巻線電流すなわち界磁電流を制御する。

この制御は、励磁電流基準回路２５による励磁電流基準
信号および速度制御回路１２による電機子電流基準信号
に基いて行われる。

電機子電流基準信号は制御回路２１−１と２１−２とで
逆極性になるように極性反転回路２３が設けられている
。

励磁電流基準回路２５は、速度計発電機１０の出力およ
び巻線形誘導電動機５の１次電圧を検出する電圧検出回
路２４の出力に基き動作する。

この装置において、同期整流回路１３−１．１ ３−２
． １ ３−３の各々からそれぞれ１２００づつ位相
がずれた３相正弦波電圧が得られる。

そして、これらの電圧と電動機のＵ相、■相、Ｗ相の無
負荷逆起電力とが同相になるように前以てセルシン９の
取付角度を調整しておく。

このためには、電動機との軸と、セルシンの軸を結合す
るカツプリング部分は、両者の相対的角度を充分こまか
く調整して固定できる必要がある。

また電動機の無負荷逆起電力の位相とセルシンの出力電
圧の位相をあわせるには、たとえば、第２図に於てＵ相
同期整流回路１３−１の出力電圧と、Ｕ相無負荷逆起電
力の波形をシンクロスコープなどで観察してその位相が
一致するようにカップリング部分の取付角度を調整する
。

電動機１次巻線の起電力の角周波数とセルシンの角周波
数は等しくなければならないことは云うまでもない。

そこで、セルシン９と誘導電動機５の極数を同一にする
か、又は機械的に歯車等を用いて合わせる必要がある。

電動機の回転速度は、速度計発電機１０で検出され、速
度基準１１との偏差が速度制御増幅器１２で増幅され、
この増幅器１２の出力に比例してＵ，Ｖ，Ｗ各相の電流
の大きさが制御される。

また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相電流の位相は、同期整流回路１３−
１ ．１３−２，１１３の出力電圧と同相になるように
制御される。

第３図および第４図は、巻線形誘導電動機の制御運転時
ベクトルの図である。

両図において、２次巻線の直軸励磁電流Ｉｆｄにより直
軸起磁力ＡＴｆｄを生じ、１次巻線に無負荷逆起電力Ｅ
ｏを生ずる。

１次電流Ｉａが流れると１次起磁力ＡＴａを生ずるが、
２次巻線の横軸電流を１次電流Ｉａに比例するように制
御すれば横軸起磁力ＡＴＴを生じ、これにより１次起磁
力ＡＴａを打消することができる。

したがって端子電圧Ｅｔは無負荷逆起電力Ｅｏと同相で
電圧変動を生じない。

これは直流機において、補償巻線により電機子反作用を
打消すのと同じで、２次巻線の横軸或分■ｆｑが直流機
の補償巻線に流れる電流と同一の作用をすることが分る
。

第５図は第３図および第４図に示すような運転を行うた
めの制御方法を説明するための結線図であり、第２図と
同一符号は同一要素を示す。

同図において、Ｕ相、■相、Ｗ相の各巻線はそれぞれ１
２００づつの位相差をもって巻かれているとし、各巻線
の巻数をｎ２とする。

ここで直軸方向をｄ、横軸方向をｑで示すように定めれ
ば、直軸起磁力ＡＴｆｄは、 である。

各巻線の巻数はｎ２であるから巻線係数をＫとすれば上
記（１）式より、 である。

一方、１次電流を■８、 数をＫとすれば、 １次巻線をｎ１、巻線係 である。

次に第３図および第４図を参照すると、ＡＴｆ９はＡＴ
ｆｄに対して９０’遅れている。

また、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２図の構成
においてセルシンの出力を同期整流してＥ。

と同相の正弦波信号を得、これを基準にして１次電流を
制御すれば■８はＥ。

と同期になる。

したがって、ＡＴｆｑとＡＴ は１８０°位相差のある
ベクトル量となり、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二ＡＴ
ｆ になるように制御すればよいから（４） ’ ，
（５）式により である。

これにより 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。

また、直軸起磁力ＡＴｆｄを制御するためには、上記（
３）式において（Ｉｆｕ＋Ｉｆｖ）を制御すればよい。

第６図はこの関係を示したもので、直軸起磁力ＡＴｆｄ
は上記（３）式より、■ｆｕと■ｆｖとの和に比例する
から、■３によりＩｆｕが増加する量と、■８によりＩ
ｆｖが減少する量を等しくすれば、ＡＴｆｄは一定にな
る。

また横軸起磁力ＡＴｆｑは、（４）′式より（Ｉｆｕ
’ｆｖ）に比例するからこれを（７）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５図に示すように励磁電流基準（ＡＴｆｄ
の基準）に比例して■ｆｕと■ｆｖを制御し、一方、１
次電流■３に比例してＩｆｕを増加し、■ｆｕの増加量
と等量だけＩａに比例してＩｆｖを減少すればよい。

次に以上の制御動作を第５図にしたがってより具体的に
説明する。

第５図、極性反転回路２３の入力側に、電機子電流基準
Ｉａ＊が印加され、かつ、励磁電流基準２２としてＩ
ｆｄ＊が与えられるものとする。

一方、サイリスクブリッジ８−１及び８−２により、そ
れぞれ制御されるＩｆｕ及び■ｆｖは、変流器７−ＬＩ
ｆｕ検出回路２０−１，及び変流器７−２、■ｆｖ検出
回路２０−２により、それぞれ検出され、検出ゲ゛イン
をＫ２とすれば２０−１及び２０−２の出力にそれぞれ
、Ｋ２■ｆｕ及びＫ２ ■ｆ ｖが得られる。

■ｆｕ制御回路２１−１はＩｆｄ＊及び■３＊及び−Ｋ
２■ｆｕを入力信号として基準値■ｆｄ ＋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。

■ｆｖ制御回路２１−２も同様に動作するものとすれば
、下式が成立する。

（８）式と（９）式より■３＊を消去すれば、（１０）
式を（３）式に代入して、 したがって、直軸起磁力（励磁起磁力）ＡＴ４ｄは、励
磁電流基準Ｉｆｄ に比例して制御される。

次に、（８）式と（９）式より、 Ｉ ｆｄ＊を消去すれば、 （１２）式を（４）′式に代入して、 ここで、ＡＴｆ により、ＡＴａを常に打消すようにす
るには、（５）式（１３）式より すなわち、電機子電流■３に比例した■８＊を基準にし
て（１４）式の比例係数により■ｆｕと■ｆｖを制御す
れば、ＡＴａをＡＴｆｑ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３図、第４図に示すように１
次電流による起磁力ＡＴａが常に２次電流の横軸戒分Ａ
Ｔｆにより打消されるから、直流電動機の補償巻線と同
一の効果が得られる。

したがって、直流電動機と同様の界磁制御を行うことが
できる。

これを第２図の実施例についていえば、電動機の電機子
電圧を電圧検出回路２４により検出し励磁電流基準回路
２５により励磁電流基準パターンを発生させる。

第７図は励磁電流基準パターン２５の一構戒例を示した
もので、この回路において電圧検出回路２４からの電機
子電圧がバイアス電圧ｖＢの値に達したとき電機子電圧
がバイアス電圧ｖＢを超えないように励磁電流基準を弱
めることにより第１図に示すような定出力特性が得られ
る。

次に、以上の制御動作を第７図にしたがってより詳細に
説明する。

第７図において、Ｖｓは強め界磁電流基準値で、第１図
における速度零から基底速度までの界磁電流の基準値で
ある。

巻線形誘導電動機の端子電圧Ｅｔは、電圧検出回路２４
で検出され、バイアス電圧ＶＢと比較される。

第１図に於で、電動機の回転速度が基底速度に達した点
で、２４の出力がＶＢに等しくなるようにあらかじめ設
定しておく。

電動機の回転速度が基底速度を越えて、端子電圧Ｅｔが
増加しようとすると、２４の出力がｖＢより犬になるか
ら、マイナスの偏差を生じこれがＡＭＰで増幅され、ダ
イオードを介してＶｓとの加算点にマイナスの信号を与
え励磁電流基準値を弱める。

このようにしてＥｔがｖＢより増加しようとすると、励
磁電流が弱められて、Ｅｔが一定値になるように制御さ
れる。

したがって第１図に示すように基底速度から最高速度ま
では、界磁電流が弱められて電機子電圧が一定にたもた
れ、定出力特性を得ることができる。

本発明によれば前述したように１次起磁力ＡＴａが常に
２次巻線による横軸起磁力ＡＴｆｑにより打消されるよ
うに制御されているから、負荷変動に対して、端子電圧
Ｅｔが影響を受けず、したがって負荷の変動にかかわら
ず安定に界磁弱め制御を行うことができる。

以上述べたように、ＡＴ ａがＡＴｆｑにより常に打消
されていればＥｔの変動を生じないように制御できるが
、実際の応用に当っては制御系の誤差などにより、Ｅｔ
の変動を完全に生じないようにするのはむづかしい。

以下に述べる制御ループを用いてＥｔが回転速度に比例
するように制御すれば、第１図の速度零から基底速度ま
での界磁電流一定の範囲で負荷の変動にかかわらずＥｔ
が変動しないように制御することができる。

第８図は電機子電圧の変動抑制のための構戒例を示した
もので、例えば速度計発電機１０の出力電圧と電圧検出
回路２４からの電機子電圧とが比例するように制御すれ
ば、急激な負荷変動に対しても電機子電圧の変動を抑制
することができる。

次に、以上の制御動作を第８図にしたがってより詳細に
説明する。

第８図に於で、■ｓは強め界磁電流基準値で、第１図に
おける速度零から基底速度までの界磁電流の基準値であ
る。

巻線形誘導電動機の端子電圧Ｅｔは、電圧検出回路２４
で検出され、電動機の回転速度（速度計発電機１０の出
力）と比較され、その偏差がＡＭＰにより増幅され励磁
電流基準に与えられる。

例えば、Ｅｔが１０の出力より大きくなるとマイナスの
偏差を生じ、これがＡＭＰで増幅されて励磁電流基準を
弱めＥｔを低めるように制御される。

逆にＥｔが１０の出力より小さくなると、プラスの偏差
を生じ励磁電流基準を強めてＥｔを高めるように制御さ
れる。

このようにして、Ｅｔが１０の出力に比例するように制
御されるから負荷変動により、Ｅｔが変動することはな
い。

上記実施例では巻線形誘導電動機を用いているが、多相
界磁巻線を有する同期電動機で置換えてもよい。

本発明は上述のように、交流電動機の電機子には交流電
流を流しておき、界磁には直流電動機の補償巻線と同様
の効果を得るように制御した電流を流すようにしたため
、圧延主機等に交流電動機を適用でき、保守性、耐環境
性等が良好で運転特性も良好な電動機を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電動機を界磁制御した場合の一般的特性を示す
図、第２図は本発明の一実施例の構成を示すブロック線
図、第３図および第４図は巻線形誘導電動機の制御運転
時ベクトルを示す図、第５図は第３図および第４図に示
すような運転を行うための制御方法を説明するための結
線図、第６図は巻線形誘導電動機の界磁電流制御特性を
示す図、第７図は界磁電流制御のための励磁電流基準パ
ターンを示す図、第８図は電機子電圧の変動抑制のため
の構成例を示す図、第９図は第２図のサイリスクブリッ
ジ８−１ ．８−２の結線を示す図である。 ２，６・・・・・・変圧器、３，７・・・・・・変流悪
、４，８・・・・・・サイリスクブリッジ、５・・・・
・・巻線形誘導電動機、９・・・・・・セルシン、１１
・・・・・・速度基準、１６・・・・・・掛算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多相の１次巻線および２次巻線を有する交流電動機
   と、前記１次巻線に供給するための交流電力を形或する
   周波数変換装置と、前記２次巻線に供給するための直流
   電流を形成する第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、前記１次巻線の電圧を検出して、
   これに基づいて励磁電流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励磁力を常に
   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。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記電
   動機の回転速度を検出する装置を有し、前記１次巻線の
   電圧が前記回転速度に比例するように前記２次巻線の電
   流の励磁起磁力成分を制御するようにした無整流子電動
   機の制御装置。