JPS5923195B2 - サイリスタモ−タの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧形サイクロコンバータを用いたサイリスタ
モータ（以下、電圧形サイリスタモータと略す）の制御
装置の改良に関するものである。

電圧形サイリスタモータは高力率、高効率で運転できる
利点を有し、特に大容量負荷駆動用として採用すること
が考えられている。第１図は従来の電圧形サイリスタモ
ータの一例を示す構成図である。

第１図において、１は交流電源、２は可変電圧、可変周
波の三相交流を出力するサイクロコンバータで、逆並列
に接続されたサイリスタ回路ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、
ＷＰ、ＷＮで構成される。

３はサイクロコンバータ２によつて駆動される同期電動
機で、３相の電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗと界磁巻線Ｆを有す
る。

界磁巻線Ｆは図示しない電源により励磁される。４は同
期電動機３の回転速度を検出する速度発電機、５は同期
電動機３の回転位置に応じた位相で、常に一定振幅で互
いに１２０度の位相差を有する３つの正弦波位置信号を
出力する位置検出器、６は同期電動機３の回転速度を指
令する速度指令回路、７は速度指令回路６の速度指令信
号と速度発電機４の出力信号の偏差に応じて電機子電流
の大きさを指令する電流指令信号を出力する速度制御回
路、８は位置検出器５の位置信号のうちＵ相の位置信号
と速度制御回路７の電流指令信号を掛け合わせ、サイク
ロコンバータ２の出力電流（Ｕ相）を制御するための正
弦波電流基準信号を出力する電流基準信号発生回路、９
は同期電動機３のＵ相の瞬時電流を検出する電流検出器
、１０は電流基準信号発生回路８と電流検出器９の出力
信号の偏差に応じた信号を出力する電流制御回路、１１
は電流制御回路１０の出力信号の大きさに従つてサイリ
スタの点弧位相を制御する自動パルス移相器、１２はサ
イクロコンバータ２のＵ相出力電流の方向に応じてサイ
リスタ回路ＵＰあるいはＵＮに交互にゲート信号を与え
るゲート回路である。

なお、図にはサイリスタ回路ＵＰ，ＵＮに対する制御回
路を示したが、他のサイリスタ回路ＶＰ，ＮおよびＷＰ
，ＷＮについても８〜１２と同一の制御回路がある。そ
れらについては説明を省略する。かかる構成の動作はよ
く知られているので、簡単に説明する。

位置検出器５の位置信号（Ｕ相）と速度制御回路７の電
流指令信号が電流基準信号発生回路８において掛け合わ
される。

電流基準信号発生回路８は位置検出器５の位置信号と同
位相で、速度制御回路７の電流指令信号に比例した振幅
の交流信号を出力する。この交流信号が正弦波電流基準
信号となる。この電流基準信号と電流検出器９の出力信
号との偏差を電流制御回路１０に導き、その偏差に応じ
た信号を自動パルス移相器１１に加える。自動パルス移
相器１１は前記信号に応じて点弧位相を制御し、ゲート
回路１２からサイリスタ回路ＵＰあるいはＵＮにゲート
信号を与える。勿論、この場合自動パルス移相器１１は
サイリスタ回路内のどのサイリスタを点弧するかを交流
電源電圧によつて決定する。このような動作によつて、
サイクロコンバータ２の出力電流は電流基準信号発生回
路８の出力信号である電流基準信号の値に制御される。

すなわち、出力電流の大きさは速度偏差に応じた信号で
ある電流指令信号に比例した値に制御され、また電流位
相は位置検出器５の位置信号と同位相に制御される。以
上のように制御される結果、同期電動機３は速度指令回
路６の指令した速度に制御される。しかしながら、この
従来装置には次のような問題点が存在する。

すなわち、同期電動機３の運転周波数が比較的高くなる
と、電流制御系の応答遅れによつて、同じ大きさの正弦
波電流基準信号に対して電機子電流の大きさが小さくな
り、位相が遅れるようになる。すなわち、第２図に示す
ように正弦波電流基準信号に対して電機子電流帰還信号
の大きさが小さくなり、位相が遅れる。ところで、位置
検出器は位置信号位相が電動機電圧と所定位相となるよ
うに設けられる。

一般にはトルクを最大にするため同相にしている。した
がつて、前記のように運転周波数が比較的高くなると電
機子電流の大きさが小さくなり、また電流基準信号と電
機子電流の位相差が出て力率が低下するようになる。そ
の結果、十分なトルクを発生することができなくなると
いう欠点を有している。この欠点を解決するには、電流
指令信号や速度帰還信号に比例させて正弦波電流基準信
号の大きさや位相を補償することが考えられる。

しかしながら、この方法には次の問題点がある。すなわ
ち、正弦波電流基準信号の大きさや位相の補償量は単に
電流の大きさや回転速度によつて簡単に決まるものでは
なく、たとえば両者の複雑な関数であつたり、界磁電流
の関数であるために電機子電流の大きさや位相を精度よ
く所定値に合わせることが困難で、また補償回路の設訂
、調整が面倒という実用上の問題点がある。本発明は前
記欠点に対してなされたもので、その目的とするところ
は電機子電流の大きさ、位相が所定の値で運転できる無
整流子電動機の制御装置を提位することにある。

本発明の特徴とするところは、電機子電流の基準信号に
対する同相分と９０度位相差を持つ成分を検出すること
により、正弦波電流基準信号の大きさ、位相を調整し、
電機子電流の大きさ、位相を所定の値にするようにした
ことにある。

まず、第３図に従つて本発明の基本となる原理について
説明する。

第３図は電機子電流帰還信号（電機子電流帰還信号は電
機子電流に比例するので、以下単に電機子電流と略す）
と正弦波電流基準信号の関係を示すベクトル図である。

ここでは、電動機の運転周波数が比較的高くなり、正弦
波電流基準信号に対して電機子電流が小さくなり、位相
が遅れた場合を示している。第３図において、Ｉｐは正
弦波電流基準信号のベクトルであり、ＩＭは電機子電流
のベクトル、ＩＡ，ＩＢはそれぞれ電機子電流ＭＯ）Ｉ
ｐ方向成分（以下、基準信号成分と略す）Ｉｐと９０度
位相差を持つ成分（以下、９０度位相成分と略す）、θ
は電機子電流と正弦波電流基準信号との位相差を表わす
。第３図から、位相差θを零とするにはＩＢ＝０とし、
また大きさを所定のものとするにはＩＡをＩｐの大きさ
を決める電流指令信号（第１図の速度制御回路７の出力
信号）と等しくすればよいことになる。以上が本発明の
基本原理であるが、次に本発明の一実施例を第４図にお
いて説明する。

第４図において、第１図と同一記号のものは相当物を示
す。

１３は第３図で述べた電機子電流のベクトル成分Ａ，Ｉ
Ｂを検出するベクトル成分検出器、１４は９０度位相成
分１Ｂに応じて後述する移相器１５の位相量を制御する
信号を出力する位相制御回路、１５は位相制御回路１４
の出力信号に応じて正弦波位置信号の位相を変える移相
器、１６は速度制御回路７の出力信号である電流指令信
号と基準信号成分Ａとの偏差に応じた信号を出力し、正
弦波電流基準信号の大きさを変える電流基準信号制御回
路である。

次に、上記回路の動作について説明する。

正弦波位置信号と電機子電流の位相差θを零で運転する
場合、電機子電流のＩセと９０度位相成分１Ｂ＝０とす
ればよい。位相制御回路１４は増幅器により構成され、
９０度位相成分１８の大きさに応じて、１８＝０とする
大きさの位相指令信号８を出力する。すなわち、位相制
御回路１４は位相差θに応じた位相指令信号δを出力す
る。移相器１５は位相制御回路１４の位相指令信号δに
従つて正弦波位置信号の位相をδだけ変化させる。いま
、位置検出器４の発生するＵ相の正弦波位置信号を後述
する（１）式のようにＰｕとすると、移相器１５により
位相されてＡｓｌｒｉ（ωｔ＋δ）となる。他の相、Ｗ
相についても同様である。第８図に移相器１５の一例を
示す。

第８図において、２０１，２０２は関数発生器で、関数
発生器２０１は入力信号δに対し−Ｓｉｎδの関係の信
号を出力し、関数発生器２０２は入力信号δに対し、Ｃ
Ｏｓδの関係の信号を出力する。２０３〜２０８は掛算
器、２０９〜２１１は演算増幅器、Ｒは抵抗で、演算増
幅器２０９〜２１１からはそれぞれの入力信号が出力さ
れる。

また、Ｐｕ，ｐ，ｐｗは後述するように位置検出器４の
Ｕ，，Ｗの位置信号であり、Ｐｕ′，Ｐｖ′，Ｐｗ′は
位置信号Ｐｕ，ｐ，ｐｗに対してそれぞれ９０度位相遅
れの信号で、これらは後述の（１）〜（６）式で表わさ
れる。さて、このような構成を採ると演算増幅器２０９
からは次の演算により、δだけ移相された信号が出力さ
れる。Ｐｕａ＝ＰｕｃＯｓδ＋Ｐｕ′（−Ｓｉｎδ）＝
ＡｓｉｎωＴｃＯｓδ−Ａｓｉｎ（ωｔ−９０−Ａｓｉ
ｎ（ωｔ＋δ）増幅器２１０，２１１からも同様にして
１２００ずつ位相の異なる信号Ｐｖａ，Ｐｗａが出力さ
れる。

このようにして、正弦波位置信号は移相器１５によつて
δだけ移相される。

一方、電流基準信号制御回路１６は電流指令信号と基準
信号成分１Ａとの偏差に応じた信号を出力する。移相器
１５の出力信号の一つと電流基準信号制御回路１６の出
力信号が電流基準信号発生回路８で掛け合わされ、この
出力信号が新らたな正弦波電流基準となる。したがつて
、電流基準信号発生回路８の出力信号である正弦波電流
基準信号は大きさ、位相の補正された信号になる。以上
のように制御される結果、電機子電流の大きさ、位相は
所定の値に制御される。

次に、ベクトル成分検出器１３の一例を説明する。

その基本とする原理をまず述べる。いま、位置検出器４
のＵ，，Ｗ相に対する正弦波信号をＰｕ，ｐ，ｐｗとし
、これら信号に対し９０度遅れの信号をＰｕ′，Ｐｖ／
，Ｐｗ′とすると、これらは次のように表わすことがで
きる。

Ｐｕ＝Ａｓｉｎｃｔ）Ｔ．．．．．．（１）Ｐｖ＝Ａｓ
ｌｎ（ωｔ−１２００） ・・・・・・ （２）Ｐ
ｗ＝Ａｓｌｎ（ωｔ−２４００） ・・・・・・
（３）ＰＵ′＝Ａｓｉｎ（ωｔ−９００） ・・
・・・・ （４）Ｐｖ′＝Ａｓｌｎ（ωｔ−２１００）
・・・・・・ （５）Ｐｗ′＝Ａｓｉｎ（ωｔ−
３３００） ・・・・・・ （６）ここで、Ａは信
号の振幅、ωは信号の角速度、ｔは時間である。信号Ｐ
ｕ′，Ｐｖ′，Ｐｗ′は位置検出器の信号Ｐｕ，ｐ，ｐ
ｗから次の演算で求めることができる。

これら６つの信号Ｐｕ，ｐｖ，ｐｗ，，ｕ″，Ｐｖ／，
Ｐｗ′から電機子電流の基準方向成分１Ａ、９０度位相
成分Ｂは次の演算で得られる。

Ｕ，，Ｗ相に対応した電機子電流の瞬時値をそれぞれＩ
ｕ，ｉｖ，ｉｗとすると、ＩＡ：Ｋ（Ｐｕｉｕ＋Ｐｖｉ
ｖ＋Ｐｗｉｗ） ゜゛゜゜゜゜（代）ＩＢ＝Ｋ（Ｐｕ
″Ｉｕ＋Ｐｖ′Ｉｖ＋Ｐｗ″Ｉｗ）・・・・・・ 旧）
となる。

ここでＫは定数である。０Ｉ，００式に示す演算を行な
えば、時間的に正弦波状に変化する信号から、その時の
電流のベクトル状態に応じた信号１Ａ，ＩＢが静止信号
として得られる。

第５図は以上の原理に基づいて電機子電流のベクトル成
分１Ａ，ＩＢを検出するベクトル成分検出器１３である
。

第５図において、１０１〜１０５は演算増幅器、１０６
〜１１１は掛算器、Ｒ，ｖ／３Ｒ，３Ｒはそれぞれ抵抗
値の比が１ｉへ：３であるような抵抗を表わす。次にこ
の動作について述べる。

演算増幅器１０１では図に示す構成によつて（７）式に
示す演算を行（い位置信号Ｐｕに対して９０度遅れの信
号Ｐｕ′を演算する。

演算増幅器１０２，１０３でもこれと同様、それぞれ（
８），（９）式に示す演算を行ない位置信号Ｐ，ｐｗに
対して９０度遅れの信号Ｐｖ′，Ｐｗ′を演算する。こ
うして、信号Ｐｕ，ｐ，ｐｗに対して９０度遅れの信号
ｐ仔，Ｐｖ′，ＰＷ′が得られる。一方、掛算器１０６
において信号Ｐｕ（！：．Ｉｕが掛け合わされ、掛算器
１０７において信号ｐと１が掛け合わされ、掛算器１０
８において信号ＰｗとＩｗが掛け合わされる。

これら掛算器の出力信号が演算増幅器１０４で加算され
ると０Ｉ式で示す演算が行なわれたことになつて、基準
信号成分１Ａが算出できる。一方、これと同様に掛算器
１０９，１１０，１１１においてそれぞれ信号Ｐｕ′と
Ｉｕ．ｐｖ′とｉ、Ｐｗ′とＩｖが掛け合わされ、演算
増幅器１０５でこれら掛算器の出力信号を加算すると（
１０式で示す演算が行なわれ９０度位相成分１Ｂが算出
できる。このようなベクトル成分検出器１３を用いると
電機子電流のベクトル成分１Ａ，Ｂを精度よくフ瞬時に
遅れなく検出できるので、電機子電流の大きさ、位相を
精度よく、しかも応答よく所定値にすることができる。

なお、ベクトル成分検出器１３としては上記構成以外の
ものも考えられる。

たとえば、電機子電流と正弦波位置信号の位相差を検出
して電機子電流の大きさと位相から演算してベクトル成
分を求める方法、正弦波位置信号を電圧に見立てるとＩ
Ａは有効電力、ＩＢは無効電力に相当するので電力酎等
により、有効電力、無効電力を検出してベクトル成分を
求める方法などがある。第９図、第１０図にこの方法に
よるベクトル成分検出器１３の一例を示す。第９図は前
者の列で、第１０図は後者の例を示す。第９図において
、２５１は正弦波位置信号Ｐｕと電機子電流１ｕの位相
差θを検出する位相差検出器である。位相差θは位置信
号Ｐｕが零を切つた後に電流１ｕが零を切るまでの時間
を訂測し、この時間を位置信号の周波数で除算すること
により検出できる。２５２は電機子電流１ｕの大きさＩ
Ｍを検出する電流振幅検出器、２５３，２５４はそれぞ
れ入力信号θの正弦信号Ｓｉｎθ、余弦信号ＣＯｓθを
検出する関数発生器、２５５，２５６は掛算器である。

このような構成にすると掛算器２５５からはＩＭＣＯ５
θすなわちＩＡ、掛算器２５６からはＩＭｓｌｎθ、す
なわちＩＢに比例する信号が得られる。一方、第１０図
において、２５７は有効電力検出器、２５８は無効電力
検出器である。正弦波位置信号Ｐｕ，ｐｖ，ｐｗを電圧
信号としてそれぞれの検出器に入力する。位置信号Ｐｕ
，ｐ，ｐｗの振幅は一定値なので、有効電力検出器２５
７では実質的に（代）式と同様の演算を行つて、有効分
、すなわちベクトル成分Ａに比例する信号を出力する。
また、無効電力検出器２５８では実質的に（自）式と同
様の演算を行つて、無効分すなわちベクトル成分１Ｂに
比例する信号が出力する。また、同期電動機３と位置検
出器５の機械的取り付け位置から。

正弦波位置信号と電動機電圧の位相が一致しない場合が
ある。この場合の正弦波位置信号と同期電動機３の電動
機電圧の位相差をψとする。電動機電流の位相は力率を
１にするため、電動機電圧と一致させておくことが望ま
しい。したがつて、正弦波信号と電機子電流の位相差θ
を先の位相差ψに保つ必要がある。第１１図はこのとき
のベクトル図を示す。力率を１に保つには電機子電流Ｍ
と正弦波電流基準信号である位置信号の位相差θは、位
置信号と電動機電圧の位相差ψと一致させる必要がある
ことがわかる。このときはθ＝ＴａＩ］−１（ＩＢ／Ａ
） ・・・・・・ （自）からθを求め、θ＝ψと
なるように位置相制御回路１４が働くようにすればよい
。

第１２図はこのときに用いる位相制御回路１４の構成を
示す。第１１２図において、２６１は位相差ψを設定す
る位相差設定器、２６２は位相差θとψの偏差に応じて
働く演算増幅器である。このような構成にすれば、位相
θを特定な位相ψに保つくことができる。第６図は本発
明の他の実施例を示すもので、正１弦波電流基準信号の
大きさと位相を同時に演算する回路を有することを特徴
とする。なお、以下の説明は位相ψが零として説明する
。第６図において、１７は正弦波位置信号Ｐｕ，ｐ，ｐ
ｗからこの信号に対して９０度位相遅れ二信号Ｐｕ′，
Ｐｖ′，Ｐｗ′を出力する位相変換回路で、１８は電機
子電流のベクトル成分１Ａ，ＩＢ、電流指令信号、正弦
波位置信号、および前記位置信号と９０度遅れ位相の信
号を入力し、正弦波電流基準信号の大きさと位相を同時
に演算し、各相の正弦波電流基準信号を出力する電流基
準信号発生回路である。

なお、ベクトル成分検出器１３として第５図に示す回路
を用いる場合には、ベクトル成分検出器中に９０度位相
遅れの信号Ｐｕ（Ｐｖ′，Ｐｗ′があるのでこれを利用
すれば位相変換回路１７を省略できる。第７図は電流基
準信号発生回路１８の具体的回路を示す。

第７図において、１１２は電流指令信号と基準方向成分
１Ａとの偏差に応じて働く同相分電流制御回路、１１３
は９０度位相成分１Ｂの指令値（零値）とその検出値１
Ｂ（負極性入力）との偏差に応じて働く９０度成分電流
制御回路、１１４〜１１９は掛算器、１２０〜１２２は
演算増幅器である。このとき、上述したように、位置信
号と電機子電流の位相差θを零とするのが普通なので、
ＩＢ指令は零となる。また、位置検出器５の取りつけ位
置、あるいは電機子反作用補償等のためＩＢの値をある
値に保つときにはそれに必要なＩＢ指令を９０度成分電
流制御回路１１３に与えればよい。同相分電流制御回路
１１２の出力信号をＸ、９０度成分電流制御回路１１３
の出力信号をＹとすると、この回路では次のようにして
Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の正弦波電流基準信号を演算する。

ここでＲｕ，ｒ，ｒｗはそれぞれＵ，，Ｗ相の電流基準
信号、Ｐは前記電流基準信号の振幅、Ｑは位相である。

今、電機子電流が第２図のように、電流基準信号より位
相が遅れ、大きさが小さくなる場合を考える。

このとき、電流の成分、ＩＡ，Ｂは（代），（自）式で
演算されるので正符号の信号となる。したがつて、Ｉｐ
〉Ａであるから同相分電流制御回路１１２の出力信号Ｘ
は正極性となり、ＩＢ指令は零であるから９０度成分電
流制御回路１１３の出力信号Ｙは負極性となる。この結
果、（１６）式で求められる位相信号Ｑは負極性となる
。結局、（１３）〜（１５）式で求められる正弦波電流
基準信号Ｒｕ，ｒ，ｒｗの位相は進められ、電機子電流
の位相は正弦波位置信号の位相と一致するようになる。
また、電機子電流の大きさは電流指令信号と等しくなる
。このように構成すると正弦波電流基準信号の大きさ、
位相を決めることができ、第４図に示した実施例と同様
に、電機子電流の大きさ、位相を所定値にすることがで
きる。第７図に示した構成によれば正弦波位置信号を位
相する移相器を省略できるので、回路構成が簡単になる
。また、前記説明ではサイリスタモータが３相の場合に
ついて述べたが、一般に多相回路の場合にも本発明の意
図するところは適用できる。

以上説明したように、本発明によれば電機子電流の基準
信号成分、および９０度位相成分を検出して、正弦波電
流基準信号の大きさと位相を決定し電機子電流を制御す
るので、つねに電機子電流の基準信号成分は電流指令信
号と一致し、９０度位相成分は零となるために条件によ
らず精度よく電機子電流の大きさ、位相を所定値にする
ことができる。

さらにこの結果として、電動機のサイズを小さくできる
という効果を生む。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来のサイリスタモータの回路構成図、第２図
は第１図の動作を説明する図、第３図は本発明の原理説
明図、第４図は本発明の一実施例を示す図、第５図は第
４図に示す部品の詳細図、第６図は本発明の他の応用例
を示す図、第７図は第６図に示す部品の詳細図、第８図
は第４図に示す移相器の一例を示す詳細図、第９図、第
１０図はそれぞれ第４図に示すベクトル成分検出器の他
の一例を示す詳細図、第１１図は本発明の動作を説明す
るためのベクトル図、第１２図は第４図に示す位相制御
回路の他の一例を示す詳細図である。 １・・・交流電源、２・・・サイクロコンバータ、３・
・・同期電動機、４・・・速度発電機、５・・・位置検
出器、６・・・速度指令回路、７・・・速度制御回路、
８・・・掛算器９・・・電流検出器、１０・・・電流制
御回路、１１・・伯動パルス移相器、１３・・・ベクト
ル成分検出器、１４・・・位相制御回路、１５・・・移
相器、１６・・・電流基準信号制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流の周波数変換を行うサイリスタ周波数変換器と
   、該周波数変換器により駆動される同期電動機と、該同
   期電動機の回転位置に応じた正弦波位置信号を発生する
   位置検出器と、前記位置信号と電流指令信号とに基づい
   た電流基準信号を出力する電流基準信号発生回路と、前
   記電流基準信号に基づき前記同期電動機の電機子電流の
   大きさと位相を制御する電流制御回路と、前記同期電動
   機の電機子電流と前記正弦波位置信号を入力し、電機子
   電流における前記位置信号と同相成分および９０度位相
   差成分を検出するベクトル検出器とを具備し、前記電流
   基準信号発生回路は前記ベクトル検出器の検出信号に応
   じて電流基準信号の大きさと位相を修正するようにした
   ことを特徴とするサイリスタモータの制御装置。