JPS609435B2 - 交流電動機の駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は交流電動機（パルスモータを含む）の駆動装
置の改良に関する。

一般の交流電動機やパルスモー夕など、その給電々流に
少なくとも交流分を含有し、且つその交流分の存在か所
定方向の電動トルク（又は推進力）の発生に寄与し、そ
の交流分の周波数が回転速度（又は推進速度）に関与す
る交流電動機の駆動装置において、次のような問題があ
った。

尚、パルスモータなどの特殊な電動機の中には各巻線電
流が一方向直流パルス電流であるものが少なくないが、
この場合も直流分と交流分とに分解すれば、その交流分
と直流分との積に比例するトルクを発生するものと、そ
の交流分のみに比例するトルクを発生するものとがある
。前者の例はリラクタンス形モータにあり、後者の例は
永久磁石を用いるモータにある。いづれにしても、その
交流分の存在が必要条件で、且つその周波数と相回転方
向とが速度と運動方向を決定づける交流電動機であると
云ってよい。従って、ここでは、整流子（機械的周波数
変換機構ないしィンバータ）を持たない電動機の総称と
して交流電動機と呼称する。さて、上記の如き交流電動
機の駆動装置において、速度の変化に対して、給電々流
を所定値内に保持し、あるいは所定値に維持するなどの
必要がある。

換言すれば、トルクを所望範囲にする必要がある。しか
るに、従来より比較的小容量の交流電動機の制御に用い
られている直列抵抗（あるいは時定数改善抵抗）を挿入
し、高電圧を供給することによって高速域の駆動トルク
を得る方式は、損失が大となる欠点があった。

更に又チョッピング制御を行って所要電流に制御する方
法は、モータ巻線のインダクタンスによる蓄積ェネルギ
などの処理に問題があり、結局抵抗で消費させるためや
はり効率が悪いものとなる欠点があった。この発明は上
記欠点を解消し、多相交流電動機の高効率な駆動装置を
提供すると共に、制御方式を簡略化し易くすること、を
目的とする。

第１図ａ，ｂ，ｃは、それぞれこの発明の基礎となる原
理を説明するための単相単位の接続図で、同図ａは基本
的主回路接続図、同図ｂは他の導通制御法を付加した基
本的主回路接続図、同図ｃは第１図ｂと同様の作用効果
を持つ他の導通制御方法を用いた基本的主回路接続図で
ある。

まづ、第１図ａを説明する。この原理構成例は、直流電
源１に並列接続された半導体スイッチとダイオードの逆
直列体｛２ａ，３ａ｝，｛２ｂ，３ｂ｝と、この直列体
の接続点間に交流電動機巻線４を接続し、更に半導体ス
イッチ２ａ，２ｂに導通制御信号を与える信号発生器５
０を備えたものである。交流電動機巻線４への給電は、
半導体スイッチ２ａ，２ｂを導通させることによって行
う。次に巻線４への印加電圧を零にして巻線電流を貫流
させるには、いづれか一方の半導体スイッチを導通させ
、他方を非導通とする。この場合は、電源１からの電力
の供給はなくなるが、巻線４のィンダクタンスの作用で
電流は流れ続けようとする。次に巻線電流を急速減少な
いし遮断するには、半導体スイッチ２ａ，２ｂを非導通
とする。この場合は、ダイオード３ａ，３ｂを通って巻
線電流が流れつづけようとし、その巻線４のィンタクタ
ンスに蓄積されたェネルギを電源１へ回生し、巻線電圧
は負極性となる。従って、ェネルギ損失を生じない。従
って、上記の伝圧印加給電モード，短絡貫流モード，回
生モードの３つのモードを信号発生器５０１こより、半
導体スイッチ２ａ，２ｂを適宜切り換えることにより、
巻線電流の供給及び電流値制御や巻線電流の断続制御な
どを高効率に行うことができる。

次に第１図ｂ，ｃにより上言己の如き制御法を用いた他
の実施例について更に詳細に説明する。

第１図ｂにおいて、５は速度指令信号Ｐ（例えばパルス
列）に応じて、半導体スイッチ２ａ，２ｂに第１の導通
制御信号ａ（以下第１の制御信号ａという）を与える第
１信号発生器、６は第２の導通制御信号ｘ（以下第２の
制御信号ｘという）を与える第２信号発生器、７は論理
積要素である。第１の制御信号ａは実質的に交流電動機
巻線４への電流通電期間を与える第１周期の信号で、交
流電動機の交流分の基本波周波数を決定する。第２の制
御信号ｘは上記通電期間中に通電すべき電流値又は平均
的電圧を決定づけるためのオンーオフ制御信号で、各種
のパルス中変調信号（あるいは時間比制御信号）である
。更に、少なくとも一方の半導体スイッチは上記第１の
制御信号ａと第２の制御信号ｘとの論理積により制御さ
れる。７はこの演算を行う論理積要素である。

今、半導体スイッチ２ａを論理積要素７で制御する場合
の動作を説明する。

交流電動機巻線４に通電する場合は、まず第１の制御信
号ａを導通（オン）指令状態とし、半導体スイッチ２ｂ
を導通させる。

同時に第２の制御信号ｘを導通（オン）指令状態とする
と半導体スイッチ２ａが導適状態となり、電動機巻線４
に電源電圧が印加され巻線電流が流れる。次に、第２の
制御信号ｘを非導通（オフ）指令状態とすると半導体ス
イッチ２ａは非導通となり、４→２ｂ→３ａ→４を通っ
て巻線電流が貫流し、この間電動機巻線４の端子電圧は
零となる。従って、上記第２の制御信号ｘのオンーオフ
時間比率により、巻線印加電圧平均値、ひいては給電電
流値を制御することができる。そしてこの場合の巻線４
のィンダクタンスは、上記第２の制御信号ｘのオンーオ
フ時間比制御に対して平滑作用を呈し、損失の原因とは
ならない。次に、電動機巻線４への給電を断つ場合には
、、第１の制御信号ａを非導通（オフ）指令状態とし、
半導体スイッチ２ａ，２ｂを非導通（オフ）とする。

この直後は巻線４のインダクタンスの作用で、３ａ→４
→３ｂ→ｔ→３ａを通るループで電流がいまら〈流れつ
づけ、巻線４のィンダクタンスに蓄積されたェネルギは
電源へ回収される。従って、この場合も巻線４のィンダ
クタンスによるェネルギ損失を生じない。次に第１図ｂ
の原理構成例において、半導体スイッチ２ａ，２ｂを共
に、第１の制御信号ａと第２の制御信号ｘとの論理積で
制御するように構成すると、上記のような短絡貫流モー
ドがなくなり、電圧印加給電モードと回生（負電圧）モ
ードとが現れる。

そしてこの場合は、電圧印加給電モードの時間が回生モ
ードの時間より長い範囲で使用することが実用的で、こ
の両モードの時間比率を制御することにより平均電圧ひ
いては電流値制御を行うことができる。また高力率交流
電動機の回生制動を行う時には、この回生制動運転中は
、上記回生時間の比率を大きくする。更に又、第１図ｂ
の原理構成例において、論理積要素７のの第１の制御信
号ａに対する作動オンーオフ極性を逆にすれば、即ち半
導体スイッチ２ｂがオフの期間中に、半導体スイッチ２
ａをオンーオフ制御する区間を設ければ交流電動機の回
生位相区間の電流値制御を更に微細に行うことができる
。

第１図ｃは、論理積条件により通電させる役割を、互に
直列に通電する関係に接続された半導体スイッチ２ａと
２ｂとにより兼ねた制御方法を示す。

即ち、一方の半導体スイッチを第１の制御信号ａで導通
制御し、他方の半導体スイッチを第２の制御信号ｘで導
通制御するようにしたものである。この場合も、半導体
スイッチ２ａ，２ｂを適宜導通制御し、第１図ａの接続
図で説明した電圧印加給電モード、短絡貫流モード、回
生モードの３つのモードを時間的に適宜配列することに
より、高効率の給電制御を行うことができる。第２図は
、この発明の一実施例の構成を示す接続図で、第１の制
御信号発生器５は第１の制御信号ａ，ｂ・・…・ｆを送
出する。半導体スイッチ２ａ，２ｂ，・・・・・・２ｆ
は、それぞれ論理積要素７ａ，７ｂ，…・・・７ｆによ
って遼遠制御される。また、電動機巻線は第１グループ
４ａと第２グル−フ。４ｂとを有し、各グループ内がそ
れぞれＲ，Ｓ，Ｔの３相の巻線Ｒａ，Ｓａ，Ｔａ、Ｒｂ
，Ｓｂ，Ｔｂで構成されている場合を示す。

第１の巻線グループ４ａと第２の巻線グループ４ｂとの
位相関係は任意に設定することができるが、同相が望ま
しい一つの形態である。この場合４ａが中性点Ｎａへ流
出する電流となるのに対し、４ｂが中性点Ｎｂから流入
する電流となるので、プッシュブルの関係となる。即ち
半導体スイッチ｛２ａ，２ｄ｝，｛２ｅ，２ｂ｝，｛２
ｃ，２ｆ｝をそれぞれ逆位相で導適すれば、同一樋性電
流給電で表らわした場合の正負半サイクルを分担する関
係になる。これは、６相リラクタンスパルスモ−夕など
の駆動に適する。又、巻線グループ４ａと巻線グループ
４ｂとが、一つの電動機の同一の相（同一電動機の同一
磁路の磁束と鎖交しているものとする）であれば、巻線
Ｒａ，Ｒｂ、Ｓａ，Ｓｂ、Ｔａ，Ｔｈが夫々各相毎にプ
ッシュプル給電を構成し、通常の３相交流給電に相当す
る。

これは、各種の３相交流電動機の駆動に適する。この他
、巻線グループ４ａと４ｂとが、３００，９００，１５
００・・・…の位相差を持つようにしてもよい。更に又
、位相差をもたせた各巻線グループへの給電比率を個別
に制御すれば、任意の中間ステップや滑らかな回転が得
られる。更に、第２図において、電源中性点Ｎと電動機
巻線の中性点ＮａとＮｂを破線の如く接続してもよい。
なお、第２図において、、破線で示した直流ＩＪァクト
ル９は、電流を平滑化するためのＩＪアクトルで、第２
の制御信号ｘの周波数軽減ひいてはスイッチング損失を
軽減するためのものである。第１信号発生器５は例えば
リングカウンタなどで構成することができる。又、第２
信号発生器６は電流検出器８の出力に応動して、オンー
オフ制御を行うための時間比制御器で、電流比較制御器
６ｉなどで構成することができる。次に、第２図に示し
た実施例の更に詳細な動作を説明する。

第１信号発生器５の出力信号（第１の制御信号）ａ〜ｆ
は、夫々１／６周期づつの位相差でもつて繰り返えす導
通指令信号である。又、各制御信号ａ，ｂ・…・・ｆの
導通指令期間は任意に設定することができるが、１′３
周期、５′１２周期、１′２周期の３種が代表的な例で
実用的である。特に１／３周期通電制御と１′２周期通
電制御とは１周期当り６ステップとなり、５′２周期通
電制御は１周期当り１２ステップとなる。前者は簡単で
、後者は高調波が少なく低速度時の回転が滑らかである
。１′３周期通電制御の場合は、常に相つらなる２つの
第１の制御信号が導通指令状態で、この２つの導通指令
信号が順次回転する。

即ち、（ａとｂ）→（ｂとＣ）→（Ｃとｄ）→（ｄとｅ
）→（ｅとｆ）→（ｆとａ）→（ａとｂ）のように導通
指令が回転する。従って、今、第１の制御信号ａとｂが
導通指令状態である時の回路状態を示すと、第３図ａの
ようになる。即ち、この回路は、上記第１図ａに示した
基本回路と同一である。そして、第２の制御信号ｘによ
って半導体スイッチ２ａ，２ｂがオンーオフ制御されて
、巻線４Ｒａ→リアクトル９→巻線４Ｔｂへの給電電流
を制御する。以下、第１の制御信号の組合せが変ると順
次符号が変るが基本回路と同じである。１／２周期通電
制御の場合は、常に相つらなる３つの第１の制御信号が
導通指令状態で、この３つの導通指令信号が順次回転す
る。

即ち、（ａとｂとｃ）→（ｂとＣとｄ）→（Ｃとｄとｅ
）→（ｄとｅとｆ）→（ｅとｆとａ）→（ｆとａとｂ）
→（ａとｂとｃ）のように導通指令が回転する。従って
、今第１の制御信号ａ，ｂ，ｃが導通指令状態であるも
のとすると、この時の回路状態は第３図ｂのようになる
。この場合も、半導体スイッチ２ａ．２ｂ，２ｃが第２
の制御信号ｘによりオン−オフ制御され、巻線４Ｒａ，
４Ｓａの並列体と、巻線４爪の直列体への通電が制御さ
れる。即ち、半導体スイッチ２ａ，２ｃは同時にオンー
オフ制御され、端子Ｒａ，Ｓａは実質的に同電位に制御
される。従って、その動作原理は第１図ａに示した基本
回路と等価である。又、この関係は上記のように第１の
制御信号が回転した場合も同様であって、第３図ｂに示
した回路構成の符号が変るだけで基本回路と同じである
。次に５／１２周期通電制御の場合には、導通指令状態
である第１の制御信号が、（ａとｂ）→（ａとｂとＣ）
→（ｂとＣ）→（ｂとＣとｄ）→（Ｃとｄ）→（ｃとｄ
とａ）→・・・・・・，の如く、導通指令数が２つと３
つとを交互に繰り返す。

従って、第３図ａに示した回路状態と第３図ｂに示した
回路状態とが交互に現られる。第４図は、この発明の他
の実施例の接続図で、第２図で示した実施例において、
‐−方の半導体スイッチグループを第１の制御信号のみ
で制御し、他方の半導体スイッチグループを第１の制御
信号と第２の制御信号の論理積で制御するようにした例
である。

第５図は、第４図で示した実施例において、１／３周期
通電制御の場合の第１の制御信号ａ，ｂが導通指令状態
である場合の回路状態図で、これは上記第１図ｂに示し
た回路に対応する。この他、同様に第１の制御信号１／
２周期だけ導通指令する１／２周期通電制御や、同様５
／１２周期通電制御などでもよい。これらの場合は、第
３図ａやｂの回路接続相当の主回路で、夫々負側の半導
体スイッチのみが第１の制御信号と第２の制御信号との
論理積で、ＯＮ−ＯＦＦ制御される。尚、導通信号を基
準にして“論理積要素”７で実施例を表現したが、非導
通信号を基準にすれば“論理和要素”で表らわされる。
前者は正論理表現、後者は負論理表現であって、その意
味するところは同じである。以上説明の如く第２図及び
第４図に示したこの発明の実施例は共に第１図に示した
この発明の基礎となる構成とその回路動作で詳述した回
路状態を基本として交流電動機を駆動制御できるもので
ある。

従って、上記の実施例は、何れも基本回路の持っている
作用効果を具備し、高効率で交流電動機を駆動制御する
ことができる。しかも一対の半導体スイッチに複数の相
の巻線を接続しているので、複数の相に対して共通的に
制御できるので、制御方式の簡略化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃはそれぞれこの発明の基礎となる原理
構成例を示す回路接続図、第２図はこの発明の一実施例
を示す回路接続図第３図ａ，ｂはそれぞれ第２図の実施
例の動作状態を説明するための部分回路図、第４図はこ
の発明の他の実施例を示す回路後続図、第５図は第４図
の実施例の勤状態を説明するための部分回路図である。 図において、１は直流電源、２ａ〜２ｆは半導体スイッ
チ、３ａ〜３ｆ‘まダイオード、４ａ，４ｂは交流電動
機巻線、５，５ｂは第１信号発生器、６は第２信号発生
器、７，７ａ〜７ｆは論理積要素（但し非導通信号を基
準とすれば論理和要素）である。なお、図中同一符号は
それぞれ同一または相当部分を示す。第１図 第３図 第２図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源に対して順極性の半導体スイツチと逆極性
   のダイオードとで構成され且つ上記直流電源に並列接続
   される第１直列体グループおよび第２直列体グループ、
   上記第１直列体グループは上記半導体スイツチが上記直
   流電源の正端子に接続され且つ上記ダイオードが上記直
   流電源の負端子に接続され、上記第２直列体グループは
   上記半導体スイツチが上記直流電源の負端子に接続され
   且つ上記ダイオードが上記直流電源の正端子に接続され
   、更に、交流電動機の交流巻線は第１グループ巻線と第
   ２グループ巻線とを有し、第１グループ巻線の一端及び
   第２グループ巻線の一端を夫々上記第１直列体グループ
   の直列接続点及び上記第２直列体グループの直列接続点
   へ接続し、上記第１グループ巻線の他端と上記第２グル
   ープ巻線の他端とを接続し、更に上記各半導体スイツチ
   を所定の順序で開閉制御して上記交流電動機巻線に給電
   するようにしたことを特徴とする交流電動機の駆動装置
   。