JPS59194222A - 電流制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は直流電源からチョッパやインバータ等の電気弁
を持つ装置を介して電力が供給される負荷の電流を制御
する装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体技術の進歩（二よって、サイリスクやトランジス
タ等の磁気弁は大容量化、萬速化し、多くの分野で使用
されるよう（二なつでいる。制御も高度化し、磁気弁を
介して直流ｔシＷから負荷に供給される電流をフィード
バック制御するものも多くなってきている。その−例は
、第１図に従来の一般的な構成例を示すチョッパ装置で
ある。

第１図（二おいて、ｌは直流電源、２はトランジスタや
ゲートターンオフサイリスタ　（ＧＴＯ）等の電気弁、
３は直流型ｍ機等の負荷、４は磁気弁２のオフ時（二貝
荷゛硫流を循環させるだめのフライホイールダイオード
、５は負荷３の電流工を検出する電流検出器、６は電流
指令値辻と検出也流工との差を求める減算器、７はヒス
テリシス特性を有する比較器、８は比較器７の出力（ニ
ルじて゛磁気弁２をオンオンするための駆純回路である
。

′磁気弁２がオン（閉）していると負荷３（二直流電源
ｌの電圧が印加され、オフ（開）しているときは直流′
電源ｌは負荷３から切ｐ離される。従って、電気弁２を
オンオフすること（二よって負荷３に印加される電圧を
制御でき、その結果負荷３に流れる電流を制御できるこ
とは明らかである。諷算器６、比較器７は検出器５で検
出された負荷電流■がその指令値工＊（二追従するよう
（二電気弁２のオンオフを駆動回路８を介して制御する
制御部である。

第２図は負荷３が誘導性負荷の場合の第１図の制御装置
の動作例を示すタイムチャートである。

第２図でｔａｌは電流指令値工８、ｉｂｌは検出器５で
検出された負荷電流１　、（Ｃ１は減算器６の出力、（
ｄ）は比較器７の出力である。比較器７の出力が高レベ
ルのときに電気弁２はオンし、低レベルのときにオフす
るように駆動回路８が動作する。

第２図Ｃ：おいて、時刻ｔ。で負荷′嘔流工が指令値工
８よりも小さく、比較器７は篩レベル信号を出力してい
るので電気弁２はオンする。負荷３（二は直流電源１の
電圧が印加されるので、負荷電流■は負荷３０時定数に
応じて増加する。負荷電施工が増加することによって、
指令値−との偏差（■１−Ｉ）は時刻ｔ１で第２図（Ｃ
）に点線で示すように比較器７に設定さＩ’ｔたヒステ
リシス幅に到達し、比較器７の出力は低レベル（二な勺
、電気弁２はオフする。磁気弁２がオフすることによっ
て直流電源１は負荷３から切！ｌｌ離され、負荷３（−
流れていた電流工はフライホイールダイオード２へ循環
し、負荷３の両端電圧はほぼ０（二なるので時刻ｔ１以
後負荷電流工は減少する。負荷電流■が減少すること（
二よシ、指令値工”との偏差は比較器７（二設定された
ヒステリシス幅だけ変化し、時刻ｔ２で比較器７の出力
が高レベルになυ″礒気弁２がオンして負荷電施工は再
び増加し始める。以降同様（′″−′屯気弁磁気オンオ
フによって負荷電流Ｉは増減をく９返す。第２図には時
刻ｔ３で竜流指令値工１が変化した場合の動作をも示し
ている。この場合も前述と同様の動作で負荷竜流工は指
令値Ｉ＊ｆ二追従するよう（二制御される。

以上の説明のよう（二、第１図の１６制御回路によって
負荷電施工と指令値工８との偏差（Ｉ＊−Ｉ）が比較器
７に設定されたヒステリシス幅内になるように制御され
る。従って、比較器７（二設定するヒステリシス幅が負
荷電施工のリップルとなり、ヒステリシス幅を小さく設
定することによって負荷電施工のリップルを小さくする
ことができる。

しかしながら、ヒステリシス幅を小さくして負荷電施工
のリンプルを小さくすることは電気弁のオンオフ周期、
すなわちスイッチング周波数が高くなることを意味し、
スイッチング損失の増加を招く結果となる。スイッチン
グ損失としては電気弁自身のオンオフ時の損失と、第１
図（二は示していないがスイッチング時のサージ電圧等
（二よる′電気弁の破損を防ぐためのスナバ回路の損失
とがある。スイッチング周波数と損失とはほぼ比例し、
スイッチング周波数を尚くすると電気弁およびスナバ回
路の構成素子が熱破壊する可能性がある。

従って、電気弁およびスナバ回路の容量（ニルじて許さ
れるスイッチング周波数以下になるように電気弁２のオ
ンオフを制御することが要求される。

このために、第１図の従来の制御回路では比較器７に設
定するヒステリシス幅を調整すること（−よってスイッ
チング周波数が上限値を超えないようにしていた。しか
しながら、従来の制御回路（二よるスイッチング周波数
は直流電源”１あるいは負荷３０条件（二依存する点が
多く、これらの条件が明確にならないと、比較器７に設
定するヒステリシス幅を決められなかった。すなわち、
第２図に示したよう喘二第１図の制御回路でのスイッチ
ング周波数は比較器７のヒステリシス幅と、負荷−流Ｉ
の変化率口依存して決まる。負荷電施工の変化率は電源
゛電圧１の電圧が大きいほど大きく、また負荷３のリア
クタンスが大きいほど小さくなる。更セ、負荷３が直流
゛電動機のよう−に逆起電圧を生じる場合（二は、その
迎起゛元圧の大きさ（−も負荷電流Ｉの変化率は依存す
る。従ってスイッチング周波数を決めるため（二設定さ
れる比較器７のヒステリシス幅は、負荷条件多るいは電
源条件が明確（二ならなければ設定することができず、
これらの条件が変化するとヒステリシス幅も再調整しな
ければならないというｆ雑さがあった。また、負荷３が
直流電動機のよう（二進起電圧を生じ、その逆起電圧が
速度（二よって変化するような場合は、逆起電圧の大き
さく二よってスイッチング周波数も変化し、比較器７の
ヒステリシス幅を最適（二設定することが困難であると
いう欠点を有していた。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような従来装置の欠点（二鑑みなされた
ものでちゃ、電気弁のスイッチング周波数が電源や負荷
条件４二余り影響されない電流制御装置を提供すること
を目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため（二本発明では、負荷電流と電
流指令値との大小関係を比較するための比較器と、その
比較器から出力される電流の大小関係を表わす信号を遅
延するための遅延回路とを用い、この遅延回路の出力信
号を用いて′電気弁をオンオフ制御する。この結果、電
気弁のスイッチング周波数は遅延回路の遅延時間で決め
られ、電源条件および負荷条件口は余シ依存されないよ
う（＝なる。

〔発明の実施例〕

以下、実施例の図面を参照しながら本発明のよシ詳細な
説明をする。

第３図は本発明をチョッパ装置に適用したときの一実施
例を示す回路構成図であシ、第１図と同一機能を有する
ものは同一符号を付けて説明を省略する。

第３図Ｃ二おいて、９は減算器６から出力される負荷電
施工と指令値Ｉ＊との偏差（Ｉ”−Ｉ）の極性に応じた
信号を出力する比較器、１０は比較器９の出力を遅延す
るための遅延回路で、遅延した信号を駆動回路８（−与
える。

第４図は第３図の動作を示すタイムチャートであ夛、ｔ
ａｉ　ハ電ｍ　指令値Ｉ”、Ｉｂ）ハ負荷ｍｍ　Ｉ　、
ｔｅｌ’）；！減算器６の出力として得られる電流偏差
、（ｄｉは比較器９の出力、ｔｅｌは遅延回路ｌＯの出
力である。

第４図（−おいて、時刻ｔ。で負荷−施工は指令値工８
よシも大きく、電気弁２はオフしている。時刻ｔｏ以降
、負荷電施工は減少し続け、時刻ｔ１で電流偏差Ｉ”−
Ｉが負から正に変化するので、比較器９の出力も低レベ
ルから高レベル（二液化する。しカーし、遅延回路１０
の出力、すなわち駆動回路８への入力は変化しないため
、電気弁２はオフ状態を維持し、負荷電施工は更（二減
少し続ける。時刻ｔ１から遅延回路１０に設定された遅
延時間を経た後の時刻ｔ２で、遅延回路１０の出力は低
レベルから高レベルＣ二変化し、電気弁２はオンする。

従って、負荷電施工は時刻ｔ２以降増加する。負荷電施
工が増加し続けること（二よシ、電流偏差は時−刻ｔ、
で正から負（二なシ、比較器９の出力も高レベルから低
レベルζ二変化するが、遅延回路１０の出力は時刻ｔ３
よりも遅れた時刻ｔ４で高レベルから低レベル（二液化
して電気弁２がオフされる。時刻ｋ（二示すよう（＝電
流指令値工８が変化した場合も同様の動作をする。

このよう（ニジて、第１図の従来の制御回路の場合と同
様（二、第３図の制御回路でも負荷電施工がその指令値
工８の上下で変化しながら、指令値（二追従する。

さて、第３図の実施例（二おける制御装置のスイッチン
グ周波数（二ついて次に考える。説明を簡単にするため
負荷３は純誘導性と考える。（抵抗を持つ負荷であって
も、負荷の時定数（ニルべてスイッチング周期が短かけ
れば抵抗分を無視することができる。） Ｅ、を直流電源１の電圧、ＬおよびＥｂを負荷３のイン
ダクタンスおよび逆起電圧とすれば、電気弁２がオンし
ているときの負荷電施工は次式で与えられる。

また、電気弁２がオフしているときの負荷電流■は、負
荷３の両端電圧を０として、次のよう（二与えられる。

遅延回路１０に設定される遅延時間をＴｄとすれば、第
４図口おける電流偏差０の時刻ｔ１からＴｄ後の時刻ｔ
２での負荷−電流Ｉ　（ｔｚ）は２式から次のようＣ二
なる。

時刻ｔ２で電気弁２がオンし、負荷゛峨施工が増加し続
けて、電流偏差がＯＣ：なる時刻ｔ、までの時間（ｔａ
　　ｔ２）は（１）式から次のようになる。

同様にして、時刻ｔ４の負荷電施工（ｔ４）および時刻
ｔ４から時刻り、までの時間は（５）および（６）式で
与えられる。

Ｉ（ｔＪ−Ｉ＊十八へｋ・Ｔｄ Ｌ（５）式 時刻ｔ１からＬｓ　’Ｅでの時間（ｔｓ　　ｔｘ）が一
連のスイッチング周期であり、この時間をＴ、とすれば
、Ｔ。

は次のようになる。

Ｔｓ””Ｔｄ＋（ｔｓ　　ｔ２）＋Ｔａ＋（ｔ＋　　ｔ
Ｊすなわち、スイッチング周期Ｔ、は（７）式で示され
るよう（−１電源１の電圧Ｅ、に対する負荷３の逆起電
圧Ｅｂの比率（Ｅｂ／Ｅ、）ｌ−依存されるが、負荷３
のインダクタンスＬｌ二は依存されないことが分かる。

第５図は′−圧比Ｅｂ／Ｅｉ　（二対するスイッチング
周期Ｔ、の関係を示したもので、（７）式から作図した
ものである。この図で電圧比（Ｅｂ／Ｅ−）がＯあるい
は１近辺でのスイッチング周期Ｔ６の変化は非常（二大
きくなっているが、通常はこの領域での運転は行なわれ
ない。なぜなら、この領域は市θＩ１．を増加（Ｅｂ／
に、　＝　１　）、あるいは減少（Ｆ４／Ｅ、−〇　）
する能力がないからである。通常の運転領域である電圧
比が０５前後の５Ｑ囲ではスイッチング周期Ｔ、の変化
は殆んどないことが分かる。また変動しても、スイッチ
ング周期Ｔ、は電圧比が０．５の場合よシも必らず大き
くなシ、スイッチング周波数が低くなるので、′元圧比
０．５の場合のスイッチング周波数を遅延時間Ｔｄで規
定することで上限スイッチング周波数を定めることがで
きる。従って、電気弁２およびそのスナバ回路の容量で
定まる許容損失を超えないスイッチング周波数とするこ
とが容易である。

以上、本発明をチョッパ装置に適用した場合の実施例を
説明したが、本発明はチョッパ装置Ｃ二限られるもので
はない。

本発明の第２の実施例として、第６図（二示す単相イン
バータへの適用例を次（二説明する。

第６図（二おいて、ＩＰ、ＩＮは直流電源、２Ｐ、　２
Ｎは電気弁、３は負荷、５は電流検出器、６は減算器、
９は比較器、１０は遅延回路、１１は反転回路、８Ｐ、
８Ｎは電気弁２Ｐ、２Ｎの駆動回路である。

直流電源および電気弁をそれぞれ２個有して、負荷３（
二対して正負の電圧を印加できるようになっているが、
その動作は第１図あるいは第３図で示したチョッパ装置
と余や変らない公知の王回路である。すなわち、両電気
弁２Ｐ、２Ｎは交互（ニオンじ−、一方のオン期間じ他
方はオフしている。従って、負荷３（−は′電気弁２Ｐ
がオンしている期間は正の電圧が、電気弁２Ｎがオンし
ている期間は負の電圧がそれぞれ印加され、正負の電流
（交流）を負荷３（二供給することができる。

電気弁が２個になっているため、同じ特性の駆動回路８
Ｐ、８Ｎがそオｔぞれの電気弁２Ｐ、２Ｎのオンオフの
ため（二設けられる。

電流制御部は殆んどチョッパ装置と同じで、検〜出器５
で検出した負荷３０′屯流Ｉを指令値工８と減算器６で
減算し、その偏差（ｒ”−ｉ　）の極性（ニルじたレベ
ルの信号を出力する比較器９の出力を遅延回路１０で遅
延する。遅延回路１０の出力を正１ｔｌｌｌの駆動回路
８Ｐに、また反転回路１１で遅延回路１０の出力を反転
した信号を負側の駆動回路に与える。

第７図は第６図の実施例の動作を示すタイムチャートで
ある。ｔａｌは電流指令値■”および検出器５で検出さ
れた負荷３の電流Ｉ　、　ｔｂ）は試算器６の出力であ
る磁流偏差（Ｉ＊−Ｉ）、ｔｅｌは比較器９の出力、ｔ
ｄｌは遅延回路１０の出力、ｔｅｌは反転回路１１の出
力である。

第７図において、時刻ｔ。で正側の電気弁２Ｐはオフし
、負側の電気弁２Ｎがオンしているので、負荷３には負
の電圧が直流′電源ＩＮから印加され、負荷電施工は減
少する。減少する負荷′電流Ｉは時刻ｔ。

で指令値Ｉ＊と等しくなＬ電流偏差（工”−工）が負か
ら正（＝変るため比較器９の出力は低レベルから高レベ
ルへ変化する。比較器９の出力が変化してから、遅延回
路１０の出方も遅延時間を経た時刻ｔ２で低レベルから
高レベルへ変化する。この間、電気弁２Ｎがオン状態で
あるので負荷′峨施工は減少し続けている。時刻ｔ２で
遅延回路１ｏの出力が高レベル（二なること（二上って
駆動回路８Ｐｉ二よって正側の電気弁２Ｐがオンされる
と同時（二、遅延回路１ｏの出力を反転回路１１で反転
した信号を用いて駆動回路８Ｎによシ負側の電気弁２Ｎ
はオフされる。その結果、負荷３には血流電源ＩＰから
正の電圧が印加され、時刻ｔ２以降負荷電流ｌは増加す
る。

負荷電ＭＥ　Ｉが指令値工８よシも大きくなる時刻ｔ３
で比較器９の出力は高レベルから低レベルへ変化し、そ
の時刻ｔ３がら遅延回路１０に設定された遅延時間だけ
遅れた時刻ｔ４で遅延回路１ｏの出方は低レベル（二、
反転回路１１の出力は高レベルに変化し、再び電気弁２
Ｐがオフし、磁気弁２Ｎがオンする。

従って負荷電流ｉは再び減少する。

以上のように両゛電気弁２Ｐ、２Ｎが交互（ニオンする
ように制御され、負荷電施工は指令値工８に追従して変
化する。第７図１二は電流指令値Ｉ＊が変化した場合の
動作も示している。この場合の動作も前述の動作と変る
ところはなく、負荷電施工は指令値工１；追従する。

第６図におけるスイッチング周期Ｔ、を第３図の実施例
の場合と同様に直流電源ＩＰ、ＩＮの元圧金それぞれＥ
、／２　、負荷３の逆起電圧を負側の直流電圧からの電
位差Ｅｂとして表わせば（η式と同じ関係式が得られる
。

以上のよう（二、第６図の単相インバータ装置へ適用し
た本発明の実施例でも、電源条件や負荷のインダクタン
ス値に依頼されないスイッチング周波数となる。簡単の
ために第６区の実施例の説明では省略したが、実際のイ
ンバータ装置（−おける電気弁、すなわちサイリスタや
トランジスタはオフ指令を与えてからオフ能力を回復す
るまでに遅れを生じる。このオフ能力を回復する前（二
新しくオンする方の電気弁をオンすると、両電気弁が同
時（二導通状態となり、血流電源を短絡し、過大な短絡
域流が流れて電気弁を破壊することがある。

このことを防ぐため（二実際のインバータ装置では、オ
フ惧」屯気方（′−オノ指令を与えてから、完全（二オ
フ能力を回復する時間を経過した後（ニオン側電気弁（
′″−オン指令与えるのが一般的である。

このようにオン側指令をオフ側指令よりも遅らせること
は本発明の実施の妨げ（二なるものではない。このオン
指令を遅らせる時間を含めて遅延回路の遅延時間と考え
れば、前述の実施例の説明に何等変るところはない。

第８図および第９図は本発明を他の構成のインバータ装
置へ適用した場合の実施例を示す回路図である。

第８図は単相インバータ装置の主回路構成が第６図の場
合と異なるもので、１１ＶＡＬ／）血流電源１と４個の
電気弁２１Ｐ　、　２１Ｎ　、　２２Ｐ　、　２２Ｎで
構成される。

制御回路部は第６図の実施例と全く同じであシ、正側の
駆動回路８Ｐ　ｉ二よって磁気弁２１Ｐ　、　２２Ｐが
、負側の駆動回路８Ｎ　によって電気弁２１Ｎ　；　２
２Ｎがそれぞれオンオフされる。磁気弁２ＩＰ　、　２
２Ｐがオンし、残シの磁気弁２１Ｎ　、　２２Ｎがオフ
し千いるときは直流電源１から正の電圧が負荷３の両端
（−印加され、２１Ｐ　、　２２Ｐがオフし、２１Ｎ、
２２Ｎがオンしているときは負荷３０両端には負のｉｇ
圧が印加さＪする。従って、第８図の実施例（二おける
動作は第６図の実施例の場合と全く同じでるることが分
かる。

第９図は３相インバータ装置への実施例で６Ｄ、６　個
（Ｄ　”ｉ４　気弁２Ｐ’Ｕ　、　２ＰＶ　、　２Ｐ％
’Ｖ、　２ＮＵ　、　２ＮＶ　。

２ＮＷで構成される公知の３相インバータから３相負荷
３に供給される各相の′屯θ＋Ｌ　Ｉｕ　＋　Ｉｖ＋　
Ｉｗを制御するものである。この場合は単相インバータ
を３相設けたのと等価であシ、各相の゛磁流を検出する
ため（二３個の亜流検出器５Ｕ、　５Ｖ、　５Ｗが設け
られ、それぞれの指令値ＩＵ＊ｌ　ＩＶ＊ｌ　Ｉ−に各
相′電流Ｉｎ、　Ｉｖ、　Ｉｗが追従するよう（二、同
一構成の゛小流ＩｔｊｌＪ御回ｔ％　１２Ｕ　、　１２
Ｖ　、　１２Ｗ　Ｔ：　’Ｃレソｉ”Ｌ、　’ｔＢＩＪ
　ｉＮＪ　サｆｌ−ル。各電流制御回路１２Ｕ　、　１
２Ｖ　、　１２Ｗはそれぞれ、第６図あるいは第８図の
制御回路と同じ構成でめジ、正側ｉ気弁２ＰＵ　（２Ｐ
Ｖ　、　２ＰＷ）　ト負Ｒ４１ｌ　’４　気升２ＮＵ　
（２ＮＶ。

２ＮＷ　）とを交互にオンオンするととｆ二よって各相
の磁流を制御する。こＱように３相インバータの場合に
も本発明では単相インバータと変らない効果を得ること
ができる。

３碧インバータの場合には、−相を電圧制御し残りの２
相だけを電流制御することで３相の電流を制御すること
ができることから、スイッチング回数を減らすため１相
の電気弁のオンオフを全期間あるいは出力周期の一部期
間だけ制限することがある。このような場合（二対して
も、その電流制御をする相（二対して本発明を適用でき
ることは明らかである。

また、本発明（二よるスイッチング周期は第５図（１示
されるように、負荷条件や゛電源条件（二余カ依存され
ないが、負荷の逆起電圧の大きさく二上って変化する。

しかし、その変化する量は明確であるから、必要であれ
ば逆起電圧の大きさく１応じて遅延回路の遅延時間を変
化させて、よりスイッチング周波数を厳密（二規定する
こともできる。“峨源′覗圧を逆起電圧の大きさに応じ
て変えることも同様の効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したよう（二、本発明によれば、負荷のインダ
クタンスに関わりなくスイッチング周波数を規定するこ
とができる。また、負荷が逆起電圧を生じるものであっ
ても、逆起電圧の大きさとスイッチング周波数とは簡単
な関係（二なｐ、スイッチング周波数の上限を容易（二
規定することができる。このことから、−気弁およびそ
のスナバ回路をスイッチング損失による熱破損から保護
することが容易となる。また、負荷のインピーダンスが
分からなくても制御装置のみでスイッチング周波数の設
定が可能であるため、制御装置の調整労力が軽減される
利点を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図はチョッパ装置く二速用した従来の電流制御装置
の構成図、第２図は第１図の制御装置の動作を示すタイ
ムチャート−１第３図は本発明のチョッパ装置への実施
例を示す回路構成図、第４図は第３図の実施例の動作を
示すタイムチャート図、第５図は第３図の実施例による
スイッチング周期を説明するだめのグラフ、第６図は不
発明の単相インバータ装置への実施例を示す回路構成図
、第７図は第６図の実施例の動作を示すタイムチャート
図、第８図、第９図は本発明の他の装置への実施例を示
す回路構成図である。 １、ＩＰ、１１寸・・・ｉヒθｆｕ電源、２、２Ｐ、　
２Ｎ、　２ＩＰ、　２１Ｎ、　２２Ｐ、　２２Ｎ、　２
ＰＵ、　２ＰＶ、　２ＰＷ、　２ＮＴＪ。 ２ＮＶ、　２ＮＷ・・・・・・電気弁、３　　　・・・
・・・負荷、 ４　　　　・・・・・・ダイオード、 ５　、５Ｕｔ　５Ｖ＋　５Ｗ　・−・・’Ｋ　ａ　検出
器、６　　　・・・・・・減算器、 ７　　　・・・・・・比較器、 ８、８Ｐ、　８Ｎ　・・・駆動回路、 ９　　　・・・・・・比較器、 １０　　　　・・・・・・遅延回路、 １１　　　　・・・・・・反転回路、 １２Ｕ　、　１２Ｖ、　１２Ｗ−−４ａ　’１ｉｌｊ　
ｍ　回路（７３１７）　　代理人　弁理士　則　近　点
　佑（ほか１名）第　　１ｗＪ 第　２　図 第　３　図 第　　４　図 第　６　図 第　７ＹＩＡ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直流電源から電気弁を介して電力が供給される負荷の電
   流を、前記電気弁のオンオフ動作（二よって制御するよ
   う（ニした電流制御１４］装置（二おいて、前記負荷（
   ＝流れる電流を検出する検出器と、この検出器で検出さ
   れた電流信号を指令信号と比較して両信号の大小碗係に
   応じた信号を出力する比較器と、この比較器の出力信号
   を遅延する遅延回路とを備え、この遅延回路の出方信号
   を用いて前記電気弁のオンオフを１６制御することを特
   徴とする電流制御装置。