JPS60261383A - 電力変換器の制御方法および装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は交流電動機を駆動する電力変換器の制御方法お
よび装置に関する。

〔発明の背景〕

電力変換器は誘導電動機や同期電動機などの交流電動機
を駆動するのに用いられる。電力変換器は正弦波電圧を
出力するもので、例えばＰＷＭインバータやグレーツ結
線されたサイリスタ回路の逆並列回路を各相毎に設けた
サイクロコンバータなどがある。電力変換器の点弧制御
を行うための電圧指令信号は電流指令信号と電力変換器
の出力電流を検出した電流検出信号を比較して最でいる
。

電力変換器で交流電動機を駆動する場合、電流指令信号
は交流電動機の速度、指令信号と速度検出信号の偏差に
比例して振幅の変化する正弦波信号として得ている。

ところで、電力変換器で交流電動機を駆動すると電動機
から磁気音（騒音）が発生する。磁気音が発生する理由
は電力変換器の出力電流に高調波成分が含まれているた
めであるっ脈音は交流電動機の電流制御系の応答を高く
すると大きくなり、特に電動機の低速運転時のように機
械音のレベルが低いときに不快感を与える。

一方、交流電動機の設置場所も高騒音の場所のみでなく
低騒音の場所にも設置されるようになってきている。ま
た、交流電動機を高＠音の場所に設置する場合でも、不
快感を与える騒音は作業環境の点からも好ましいことで
ない。このため、電力変換器で駆動される交流電動機の
発生する騒音を低減することが強く要望されている。

従来、ＰＷＭインバータで誘導電動機を駆動する際に騒
音を低減する方法として、１次電流の励磁電流成分を軽
負荷になると小さくして電動機磁束を変化させる方法示
提案されている。しかしながら、この方法は無負荷時や
軽負荷時の騒音低減は可能であるが、定格負荷時におい
ては磁束が定格値となるため騒音を低減できないという
欠点を有する。さらに、電流指令信号と電流検出信号の
偏差に応じて働き、電圧指令信号を出力する電流制御回
路のゲインを交流電動機の運転層、波数に応じて変える
方法が提案されている。しかし、この方法には次の問題
がある。すなわち、この方法を効果的に働かせるには、
電流制御回路のゲインを速度に応じて、たとえば１０倍
以上大きく変える必要がある。実用する際に実現しよう
としても、回路内の増幅器の増幅能力、ノイズレベル等
の問題で、ゲイン変化幅はそれ程大きくとれない。その
結果、実際には理論程効果が出ないという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記点に対処して成されたもので、その目的と
するところは負荷状態に拘らず騒音を低減でき、かつ電
流制御を高応答で行える電力変換器の制御方法および装
置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは電流指令信号と電力変換器
の出力電流を検出した電流検出信号を比較し、電流偏差
に応じて電圧指令信号を得る際に、電流制御回路の出力
信号の大きさを制御するリミッタをもち、そのリミッタ
値を交流電動機の誘起電圧に応じて変えるようにしたこ
とにある。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。

第１図において交流電動機２はＰＷＭインパーク１によ
り駆動される。ＰＷＭインバータｌはゲートターンオフ
サイリスクやトランジスタなどのスイッチング素子をグ
レーツ結線し、各スイッチング素子にフライホイールダ
イオードを逆並列接続した構成になっている。ＰＷＭイ
ンバータ１の出力電流１は電流検出器１５によυ検出さ
れる。

交流電動機２には速度検出器３が機械的に直結されてい
る。速度指令回路１１の速度指令信号Ｎ＊と速度検出器
３の速度検出信号Ｎは加算器１２において図示の極性で
加算され、その偏差ΔＮが速度制御回路１３に入力され
る。速度制御回路１３は速度偏差ΔＮに比例して電動機
２０入力電流の大きさを指令する電流制御信号（直流信
号）工＊を出力する。電流制御信号Ｉ２は電流指令回路
１４に導かれる。電流指令回路１４は電流検出信号工”
を入力し、後述するようにして電流指令信号（正弦波信
号）ｉ＊を発生する。電流指令回路１４は電動機２が３
相の場合には１２０°位相差の３個の電流指令信号を発
生するが、説明を簡単にするため１個の電圧指令信号の
みを示しである。

電流指令信号ｉ＊と電流検出器で検出した電流検出信号
ｉは加算器１６において図示の極性で加算される。電流
制御回路１７は電流偏差を入力し、電流偏差Δｉに応じ
た振幅の電圧指令信号Ｖ＊を出力する。電圧信号Ｖ＊は
リミッタ回路８１に入力される。一方、ＰＷＭインバー
タ１の出力電圧が変圧器７１で検出される。変圧器７１
で検出した線間電圧信号は電圧検出回路７２に入力され
、そこで相電圧信号に変換され、さらにリップル分が除
去され、交流電動機２の誘起電圧にほぼ比例する電圧検
出信号Ｖ、が検出される。電圧検出信号Ｖ、はリミッタ
回路８１に入力され、リミッタ回路８１は電圧検出信号
Ｖ、に応じて正弦波信号Ｖ”の振幅値を制限する。リミ
ッタ回路８１の詳細は後述する。こうして、リミッタ回
路８１からは正弦波電圧指令信号Ｖ−が出力される。捷
た、発振器１８からは一定振幅、一定周波数の三角波信
号が出力される。この三角波信号は搬送波Ｔであシ、加
算器１９へ入力される。加算器１９は電圧指令信号（変
調波）■、＊と発振器１８の発生する三角波信号（搬送
波）Ｔを図示の極性で入力し加算する。パルス発生回路
２０は加算器１９の出力信号の極性に基づきインバータ
１を構成するスイッチング素子をオン、オフするパルス
幅変ｇパｊ　ルス（ＰＷＭパルス）全発生スル。

なお、第１図において電流検出器１５．加算器１６、電
流制御回路１７．ＩＪミッタ回路８１．加算器１９およ
びパルス発生回路２０はインバータ１の相数に応じて設
ける必要があるが、図示を簡単にするため１相分のみを
示してあろう第２図はリミッタ回路８１の詳細回路例を
示す。

第２図において、電圧検出信号Ｖ、とポテンショメータ
ｖＲ１に設定されているリミッタ値−ｖｔ＊と抵抗Ｒ２
□、几２２を介して加算され、演算増幅器１１１の負極
性入力端子（へ）に入力される。演算増幅器１１１の正
極性入力端子（ト）は接地抵抗Ｒｓｙを介して接地され
、また負極性入力端子←）と出力端子の間に帰還抵抗Ｒ
２３が接続されている。電圧指令信号Ｖ＊と演算増幅器
１１１の出力信号−（ｖ、−ｖｔ＊）は入力抵抗Ｒ２４
、Ｒ２６を介して加算され演算増幅器１１２の負極性入
力端子←）に入力される。演算増幅器１１２の上極性入
力端子（ト）は接地抵抗Ｒ３ｇを介して接地され、また
負極性入力端子←）と出力端子の間にダイオードＤ！が
接続されている。演算増幅器１１２の出力端子はダイオ
ードＤ２のアノードに接続され、ダイオードＤ２のカソ
ードは帰還抵抗桟２６を介して増幅器１１２の入力端子
←）に接続される。ダイオードＤ２を介して得られる演
算増幅器１１２の出力信号Ｖｌは抵抗Ｒ３３を介して演
算増幅器１１５の負極性入力端子←）に入力される。一
方、電圧検出信号Ｖ、はポテンショメータＶＩ（２に設
定されているリミッタ値＋ｖｔと抵抗Ｒ２７、Ｒ２８を
介して加算され、演算増幅器１１３の負極性入力端子（
→に入力される。増幅器１１３の正極性入力端子（→は
接地抵抗Ｒ１３９を介して接地され、また負極性入力端
子（→と出力端子の間に帰還抵抗Ｒ２９が接続されてい
る。電圧指令信号Ｖ＊と演算増幅器１１３の出力信号＝
（ｖ　＊　＋　ｖｔ　＊）は入力抵抗Ｒ１３０，Ｒ１３
１を介して加算され演算増幅器１１４の負極性入力端子
（→に入力される。演算増幅器１１４の正極性入力端子
（ト）は接地抵抗孔４ｏを介して接地され、また、負極
性入力端子（→と出力端子の間にダイオードＤ３が接続
されている。演算増幅器１１４の出力端子はダイオード
Ｄ４のカソードに接続され、ダイオードＤ４のアノード
は帰還抵抗Ｒ３２を介して増幅器１１４の負極性入力端
子（→に接続される。

ダイオード１）４を介して得られる演算増幅器１１４の
出力信号ｖ２は抵抗３５を介して演算増幅器１１５の負
極性入力端子（→に入力される。演算増幅器１１５は入
力抵抗Ｒ３３〜Ｒ３５を介して負極性入力端子（→に入
力される信号ｖ＊、ｖ１．ｖ２を加算する。演算増幅器
１１５の正極性入力端子（ト）は接地抵抗Ｒ１４１を介
して接地され、また負極性入力端子←）と出力端子の間
に帰還抵抗Ｒ３６が接続されている。演算増幅器１１６
は増幅器１１５の出力信号を入力抵抗Ｒ４２を介して負
極性入力端子←）に入力して極性を反転する。演算増幅
器１１６の正極性入力端子（ト）は抵抗Ｒ４４を介して
接地され、また負極性入力端子（→と出力端子の間に帰
還抵抗Ｒ４Ｓが接続されている。

次にその動作を説明する。

速度制御回路１３は速度偏差ΔＮに応じて交流電動機２
の入力電流（有効分電流）ｌの大きさを指令する電流制
御信号■”を出力する。電流指令回路１４は次のような
演算により交流の電流指令信号ｉ”を出力する。

まず、交流電動機２が同期電動機の場合には次式により
電流指令信号１大をめる。

ｉ”＝Ｉ”ｓｉｎωｔ　・・・・・・・・（１）（１）
式のｓｉｎωｔは正弦波位相基準信号であり、この正弦
波位相基準信号は良く知られているように交流電動機２
の軸端に取付けられる位置検出器（図示せず）あるいは
電動機２の端子電圧から得られる。

交流電動機２が誘導電動機で、１次電流のトルク電流成
分（有効電流成分）と励磁電流成分を別個に制御する、
いわゆるベクトル制御を行う場合には次式によシミ流指
令信号ｉ＊をめる。

＋　”　””　Ｉ　；　””ωｔ　＋Ｉ　Ｆ　ｓｉｎω
ｔ　＝　Ｉ　”ｓｉｎ　（ωを十θ）・・・・・・・・
・・（２） ここで、 ）　である。

（り式において、■！はトルク電流成分で速度制御回路
１３の出力信号工”に相当する。またＩｂは誘導機の励
磁電流分に相当し、一般には一定値である。また、ｓｉ
ｎωｔ　、　ｃｏｓωｔは２相の正弦波位相基準信号で
、周知のように誘導電動機の磁束位相に対応する。

電流指令回路１４は以上のようにして電流指令信号−を
発生する。

電流制御回路１７は電流指令信号ｉ＊と電流検出信号ｉ
の偏差Δｉに比例した振幅の電圧信号Ｖ＊を出力し、リ
ミッタ回路８１に加える。電圧信号Ｖ＊の振幅はリミッ
タ回路８１によって制限される。

次に、その動作を、第２図に基づき、第３図を用いて説
明する。

交流電動機２の漏れインピーダンス降下を無視すると、
電圧信号Ｖ＊の基本波成分と電圧検出回路７２の電圧検
出信号Ｖ、はほぼ等しくなる。電圧信号ｖ＊、電圧検出
信号Ｖ、および演算増幅器１１２．１１４に入力される
信号（％’　ｓ　Ｖ　を勺。

（Ｖ　＠　＋ｖｔ　）は第３図（ａ）のようになる。演
算増幅器１】２は−ｖ＊＋　（Ｖ、−ｖｚ＊）の演算を
行った後に半波整流動作を行い、第３図（ｂ）に示すよ
うな信号Ｖ！を出力する。一方、演算増幅器１１４は−
ｖｓ　＋　（ｖ、　十ｖ　ｔ＊）の演算を行った後に半
波整流動作を行い第３図（Ｃ）に示すような信号ｖ２を
出力する。電圧信号Ｖ＊と信号ｖＩ　！　Ｖ２は演算増
幅器１１５で加算され、演算増幅器１１６で極性反転さ
れる。演算増幅器１１６からは第３図（ｄ）に示すよう
にリミッタ値±ｖｔ＊によって制限された次式を満足す
る電圧指令信号ｖｏ＊が出力される。

Ｖｅ　Ｖ　＊＜、　Ｖｅ”Ｚ　ｖ＊＋ｖｚ”　・・・（
４）すなわち、電圧指令信号Ｖ−はその基本渡分ｖ６に
対し、±Ｖｚ＋以内のリップル分だけをもつようになる
。なお、ここでリミッタ値ｖｔ＊は一定値としたが、基
本渡分Ｖとｖｅの一致度は回転速度や電流の大きさで異
なることもある。とのとき、リミッタ値ｖｔの大きさは
これらに応じて変えてもよい８ 第１図に戻り、このようにしてリミッタ回路８１から得
られる電圧指令信号Ｖ、は変調波として加算器１９へ加
えられる。加算器１９は発振器１８の発生する三角波信
号Ｔを入力し、変調波Ｖごと搬送波゛ｒの関係がｖ　、
＊　＞　Ｔの期間に正極性の信号を出力し、逆にｖｓ”
（’ｒの期間に負極性の信号を出力する。パルス発生回
路２ｏは加算器１９の出力信号が正極性の期間に１”レ
ベルとなり、負極性の期間に”０”レベルとなるＰＷＭ
ハルスヲ発生する。とのＰＷＭパルスでインバータ１の
スイッチング素子をオン、オフ制御することによシ、イ
ンパーク１の出力電流ｉは電流指令信号ｉ＊に追従する
ように制御される。このような動作は他の相についても
インバータ１が３相であれば１２０度の位相差をもって
同様に行われる。

その結果、交流電動機２は速度制御回路１２が発生する
電流検出信号工”に比例した大きさの電流を供給され、
速度指令信号Ｎ＊と一致する速度で回転する。

以上のようｔｃしてＰＷＭインバータ１の制御を行う。

このとき、電流制御回路１７の出力信号の振幅をリミッ
タ回路８１で制限し、電流制御回路１７の出力信号であ
る電圧信号Ｖ＊の基本渡分に対し、所定の振幅値内に電
圧指令信号ｖｅが入るようになる。このようにすると、
電圧指令信号ｖ１のリップル分による無駄なスイッチン
グ回数を低減でさる。こ・、つことを第４図を参照して
説明する。

第４図はＰＷＭ−ｆ７パータ１に加えられるＰＷＭパル
スがリミッタの有無によってどのように異なるかを示す
波形図であるう 第４図（ａ）はリミッタが無いときの搬送波Ｔと電圧指
令信号Ｖ。の関係と、このときパルス発生回路２０から
得られるＰＷＭパルスを示ｔつフエお、同図（ａ）に点
線で示す波形は電圧の基本波成分Ｖを示す。また、第４
図（ｂ）はリミッタが有るときの波形と、このときに得
られるＰＷＭパルスを示すっさて、パルス発生回路２０
の帛生ずるＰＷＭパルス！ｄ　Ｐ　Ｗ　Ｍインバータ１
の出力電圧（実効値）に関係する。第４図（ｂ）に示す
ようにリミッタ回路：　８１で電圧指令信号・、・のリ
ップ・・分の振幅を制限すると、ＰＷＭパルスは第４図
（ｂ）のようになシ、同図（ａ）と比較して斜線を施し
たＰＷＭパルスだけのスイッチング回数を減らすことが
できる。

このようにして、電圧指令信号ｖ、＊のリップル分を小
さくすることによって、インバータ１のスイッチング回
数を少なくしている。したがって、低速運転時に交流電
動機２に流れる高調波電流を少なくできるので騒音を低
減できる。

以上のように本発明はＰＷＭインバータの出力電圧を指
令する電圧指令信号のリップル分の振幅を非常に小さく
しているのでＰＷＭインバータが無駄なスイッチングす
ることがなく、特に低速運転時に騒音を低減できる。

第５図に第１図に示す実施例における実験結果として、
回転速度Ｎと騒音の実測特性図を示す。

一点鎖線ａはリミッタを掛けないときの特性、実線すは
本発明のリミッタを掛けたときの特性である。この特性
から明らかなように本発明によれば全速度範囲にわたり
全体的に騒音レベルが低下し、特に低速回転時には騒音
レベルを著し７ぐ低減できることが分る。

さらに、本発明は電圧指令信号ｖ、＊に含まれるリップ
ル分だけを小さくシ、基本渡分には影響を与えないので
、電流制御回路１７のゲインは犬きく保つことができ、
電流制御系の制御応答性は良好にできろう ここで、第１図の実施例では実際の電圧を直接検出して
誘起電圧に相当する相電圧を検出したが、電流制御回路
１７の出力信号をフィルタによって平滑して検出しても
よい。さらに、次のようにしても相電圧に相当する信号
が得られる。すなわち、交流電動機２が誘導電動機で、
１次電流のトルク電流成分と励磁電流成分を独立に制御
する場合においてはトルク電流成分の正弦波位相基準信
号に励磁電流成分と回転速度Ｎを乗算することによシ検
出可能である。さらに、交流電動機２が同期電動機の場
合も同様にして検出可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば電圧指令信号ｖｅ
に含まれるリップル分を著しく小さくすることができる
ので、交流電動機の発生する騒音を９荷状態にかかわら
ず広い速度範囲で低減できる。特に低速回転時に発生す
る騒音を著しく低減できる。さらに、電流制御の応答性
を良くできるので、広い速度範囲で高応答の速度制御が
できる。

また、上述の実施例はアナログ構成のものを示したが、
マイクロプロセッサなどを用いてディジタル制御する場
合にも本発明を採用できるのは勿論であるっ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図に示す部品の詳細構成図、第３図は第２図の特性図、
第４図、第５図は第１図の実施例の特性図である。 １・・・ＰＷＭインバータ、２・・・交流電動機、１７
・・・電流制御回路、７２・・・電圧検出回路、８１・
・・リミ第　４ （（１） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多相交流電動機を駆動するものであって、電流指令
   信号と電流検出信号の偏差に応じて得た電圧指令信号に
   基づきその出力電圧を制御する電力変換器において、前
   記多相交流電動機の相電圧を検出し、この相電圧信号に
   基づいて前記電圧指令信号の振幅を制限するようにした
   ことを特徴とする電力変換器の制御方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記相電圧は前記
   交流電動機の磁束指令信号と回転速度信号とから得るよ
   うにしたことを特徴とする電力変換器の制御方法。 ３、多相交流電動機を駆動する電力変換器と、前記交流
   電動機の入力電流指令信号と電流検出信号の偏差に応じ
   た電圧指令信号を出力する電流制御手段と、前記電圧指
   令信号に基づき前記電力変換器の点弧制御を行いその出
   力電圧を制御する点弧制御手段と、前記交流電動機の相
   電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段
   で検出した相電圧信号に基づいて前記電圧指令信号の振
   幅を制限するようにしたことを特徴とする電力変換器の
   制御装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記電圧検出手段
   は前記交流電動機の磁束指令信号と回転速度信号とを掛
   算して得るようにしたことを特徴とする電力変換器の制
   御装置。