JPS62185583A - 無整流子電動機の制御方式 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無整流子電動機の磁束制御を行なうに当たり
、電機子電流に含まれる磁束発生に寄与する磁化電流を
制御することにより、高応答の磁束制御を可能とする制
御前に関する。

〔従来の技術〕

第４図に無整流子電動機装置の主回路構成例を示す。

変換器１は、例えばサイリスタブリッジ整流器から構成
され、商用交流を直流に変換する。変換器２は同じくサ
イリスタブリッジ整流器からなり、直流を所望の可変周
波の交流に変換する。なお、電動機としては同期電動機
４が用いられる。界磁巻線４ａは例えばサイリスタブリ
ッジ整流器５がら給電され、一般には同期電動機の磁束
あるいは電機子電圧が所望の値に保たれる様に界磁電流
の制御が行なわれる。

ところで、変換器２におけるサイリスタの転流は同期電
動機の逆起電力を利用して行われる。第５図は無整流子
電動機の誘起電圧と電流との関係を示し、同図（イ）の
斜線の部分の電圧を利用してサイリスタの転流が行なわ
れる。この図から判る様に、無整流子電動機は必ず進み
力率で運転される。図示しである転流余裕角ｒは、サイ
リスタを完全に消弧するために必要なサイリスタの逆バ
イアス期間となる。

無整流子電動機装置を利用率よく運転するため−９＝ には、上述した転流余裕角をできるだけ小さくして同期
電動機を高力率で運転するとともに、同期電動機の磁束
は負荷の大小に拘わらず一定に制御することが望まれる
。同期電動機は電機子電流を流すことによって、合成起
磁力が増減する電機子反作用を有する。したがって磁束
を一定に保つためには、電機子電流に応じて界磁電流を
調整しなければならない。同期電動機が進み力率で運転
している場合は、電機子電流を流すことによって磁束は
減少し、したがって磁束を一定に保つには、電機子電流
の増加に伴って界磁電流は増加させなければならない。

このとき、最大の負荷状態での界磁電流は、無負荷時の
界磁電流の一般に２ないし６倍にも達する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような無整流子電動機では、次の様な問題点が生じ
る。

電動機の発生トルクを高応答で制御する用途において、
トルクを制御するために電機子電流を急峻に変化させる
と、電機子反作用もそれに応じて急峻に変化する。いま
、例えば電機子電流が最大値から零まで急峻に変化した
とすると、磁束を一定に保つためには界磁電流もそれに
応じて、すみやかに減少させる必要がある。さもなくば
、電動機の磁束が飽和していなければ通常の２ないし３
倍の過電圧が発生し、機器の絶縁破壊などの重大な事故
をひき起こすことになる。

同期電動機のブラシレス励磁回路の例を第６図に示す。

同図において、６は商用交流電源を適当な位相で切り出
すことにより、可変電圧を得る変換器である。７は回転
トランスであるが、巻線形誘導電動機を用いることもで
きる。８けダイオードブリッジ整流器、４ａは同期電動
機の界磁巻線である。なお、同図の一点鎖線から右側が
同期電動機の回転子とともに回転する部分である。した
がってこれはスリップリングとブラシを介して界磁電流
を給電するものに対し機械的接触部がなく、省保守とい
う観点から有利である。しかしながらこの場合、界磁巻
線には負の電圧を印加することはできない。なぜならば
、負の電圧が印加された時点でダイオードには順電圧が
印加され、界磁電流は界磁巻線とダイオード間を環流す
る。とのことは、界磁巻線の持っている電磁エネルギー
を界磁用電源に回生ずることは不可能であり、界磁電流
は界磁巻線の抵抗損によって徐々にしか減少しないこと
を意味し、前述した過電圧を生じさせる原因ともなる。

次に、ベクトル図によりこれを説明する。第７図は同期
電動機が進み力率で運転されているときのベクトル図で
ある。界磁電流工ｆと電機子電流直交する方向に誘起電
圧立が発生する（（・）印はベクトル量であることを示
す）。こ〜で、■、を解すると、ｉＭは進み力率で運転
している場合は、必ず磁化電流ｉμを減少させる方向に
作用していることが判る。また、所望の磁化電流ｉμの
大きさを得るためには、それ以上の界磁電流を流さなけ
れば々らないことも判る（工μ〈工ｆ；ただし工μ、Ｉ
（などはそれぞれのベクトルｉμ、ｉｆ−ら− の大きさを表わすものとする）。つまり、発生トルクを
減少させるためにＩａを減少させると、磁束を減少する
方向に作用していたＩＭも減少し、工ｆの減少が遅けれ
ばこのとき過励磁となる。

したがって、本発明は無整流子電動機のトルクの制御応
答を損うことなく、電機子電流が急峻に減少した場合に
おいても磁束を所望値に保つ制御方式を提供することを
目的とし、励磁回路に回生能力のないブラシレス励磁機
を用いた場合に特に有効である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の基本原理は、無整流子電動機の電機子電流を磁
束発生に寄与するＩＭとトルク発生に寄与するＩＴとに
分解し、トルクの制御はＩＴにより行ない、定常的な磁
束の制御は界磁電流により、また過渡的な磁束の制御け
ＩＭによって行なうことにある。また別の見方をすれば
、第７図のベクトル図でＩＴのみを減少させ、ＩＭは過
渡的に保持するということは、立とｉの各ベクトルの成
す角度を大きくすることであり、同期機の力率を悪６一 くすることである。すなわち発生トルクの減少時には、
過渡的には同期電動機の力率を悪くして過電圧の発生を
抑制し、しかるのち同期電動機を高力率で運転すること
におる。

〔作用〕

その作用につき、第７図を参照して説明する。

同図より、次式の関係があることがわかる。

ＩＰ＋ＩＭ−Ｉ（・ω３δ　　　　　・・・・・・（１
）Ｉｇ＝ＩＨ−ｓｉｎψ　　　　　　　　・・・・・・
（２）ＩＴ−Ｉ、　・ｃｏｓｐ　　　　　　　　　−・
−・（３）と〜に、ψはほぼ力率角に相当し、転流余裕
角γと転流型なり角Ｕ（第２図を参照）を用いて、次式
で表されることが知られている。

同期電動機を高力率で運転するためには、できるだけγ
は小さな値にする必要がありこの目標値をγ　、またＩ
ｌｌの目標値を１μ　とすると、Ｉｆの目標値Ｉｆ　は
（１）、（２）および（４）式より次式で与えられる。

・・・・・・（５） 界磁電流制御の追従性が悪く、Ｉｆ　　〜Ｉｆ　でおる
とすると、所望したＩμを得るためのＩＭの目標値ＩＭ
　　は、（１）式より次式で与えられる。

ＩＭ＝Ｉ（−■Ｓδ−ＩＰ　　　　　　・・・・・・（
６）また、力率角ψは（２）、（５）式より次式で与え
られる。

工Ｔの目標値をＩＴ　　とし、また変換器２の実効制御
進み角βの目標値β　は、β　−ｒ＋ｕ（−ψ十−）で
表されるので（４）、（７）式より次式が成立する。

ただし、β　は所望した転流余裕角を満足しなければな
らず β≧γ十Ｕ　　　　　　　・・・・・・（８）′でなけ
れば表らない。

一方、電機子電流の大きさ工、の目標値Ｉａ　は、ＩＭ
　　とＩＴ　　を用いて次式で与えられる。

Ｉ　ａ　＝　ｍ　　　−・・（９） 発生トルクは１μとＩＴの積に比例するので、以上の関
係式によれば発生トルクの目標値が与えられたとき、そ
のトルクを発生させる電機子電流工８、変換器２の実効
進み角βおよび界磁電流Ｉｆのそれぞれの目標値Ｉａ　
、β　、Ｉｆ　が求まり、しかも界磁電流の制御応答に
よりＩｆ　〜Ｉｆとなる場合においても所望した磁化電
流工μ、すなわち磁束を得ることができる。

なお、説明を省略したが、転流型なり角Ｕは次の（１０
）式で演算されることが知られており、また（１）式に
示される内部相差角δは同期電動機の９一 端子電圧、電流と回転子に取りつけた位置検出器から検
出することかで妻る（この点につき必要ならば、例えば
電気学会研究会資料５ＰＣ−８４−５６１圧延機駆動用
ＤＤＣサイリスタモータ装置”を参照されたい。）。

・・・・・・（１０） こうしてトルク急変などの過渡時、界磁電流Ｉｆの追随
が遅れても（６）〜（１０）式の関係を保つことにより
、電動機誘起電圧をほぼ一定に保つことができる。

〔発明の実施例〕

第１図は上記の如き原理に基づく制御回路を示すブロッ
ク図である。

同図において、１から５までは第４図の場合と同様であ
る。９は回転子の位置を検出する位置検出器（ＰＳ）、
１０は速度検出器（ＴＧ）である。１１は速度調節器（
ＡＳＲ）であり、速度の目標値ω１と検出値ωの偏差が
なくなる様に調整する。その出力はトルクの目標値であ
り、１μが一定であるとすると、トルクの目標値はＩＴ
　　とみなせる。

１２は上記（１０）式より、転流余裕角Ｕと内部相差角
δを演算する。なお、（１０）式におけるＩｄは電源側
電流を図示していない整流器を介して検出し、また、γ
はその目標値γ　を代入してＵが求められる。また、ｔ
　ａ　Ｉは同期電動機によってきまる定数である。１３
は（５）式に従って界磁電流の目標値Ｉｆを求め、電流
調節器（ＡＣＲ）１４によって所望の界磁電流が得られ
る様に、変換器３におけるサイリスタのゲートが制御さ
れる。１５は（６）式に従ってＩＭ　を演算する。工ｆ
　とＩ（が等しければ（５）、（６）式よりＩＭ−Ｉ、
・ｓｕ（γ十−）となり、このときγは所望値γ　とな
る。

Ｉｆ　とＩｆが等しくなければ、所望の■μが得られる
様なＩＭ　が演算される。１６は（９）式に従つて工ａ
４′を演算し、第２の電流調節器（ＡＣＲ）１７によっ
て所望の電機子電流が得られる様に、変換器１のサイリ
スタのゲートが制御される。なお、第１図では電機子電
流はほぼ電源側電流に比例するので、■８はこの電源側
電流を図示していない整流器を介して検出するようにし
ている。１８は、（８）式に従って変換器２の点弧角を
演算する。また、無負荷誘起電圧、すなわち回転子位置
を基準とするならば、設定制御進み角β０は次式で得ら
れる。

β０−β　＋δ　　　　　　　　　　・・・・・・（１
１）なお、β　が（８）７式を満足しない場合は、β”
−γ　＋Ｕ　とする。

このように、無整流子電動機の電機子電流を電動機の磁
束を基準軸として、トルク発生と磁束発生に寄与する電
流にそれぞれ分解し、各々を独立して制御することによ
り、磁束のみばかりでなくトルクの応答性も改良される
。

第２図は本発明の別の実施例を示す構成図であり、第１
図と同一の機能を有するものには、同一の番号をつけて
示す。

同図において、１９は磁束調節器であり、磁束目標値Ｖ
　と磁束演算値Ｗとの偏差が零となる様に、界磁電流の
目標値Ｉ（を出力する。２０は磁束演算器であり、電機
子電圧からりアクタンスと抵抗による電圧降下を減じた
ものを積分することによって磁束を求める。１８は変換
器２用の点弧角演算器であるが、第１図の場合とけ演算
方法が異なるので、ここで説明する。ω、Ｆ、Ｂにはω
ｖ−１の関係がある。すなわち、（１０）式は次の様に
変形できる。

・・・・・・（１２） サイリスタのゲートパルスは誘起電圧Ｅに対し、（１２
）式に従いβだけ進んだ位相で点弧される。

２１は本発明によるところの第２番目の磁束調節器であ
り、以下に、この動作を詳しく説明する。

第３図はこれをアナログ回路を用いて実現した例である
。こ〜で、演算増幅器２１ａの反転入力には磁束指令値
Ｗ　１磁束演算値の極性を反転した信号−Ｖ、および補
助的に加えられた信号ΔＣが入力されている。したがっ
て、Ｆ＜Ｆ”＋ΔＣならば、図示しているダイオードの
作用により出いる転流余裕角の設定値γ　に加算され、
変換器２の実効制御進み角βは、転流余裕角γがγ　＋
Δγ　となる様に制御される。転流余裕角が大きくなる
につれ、直流中間電流もΔＩｄだけ増加される。これに
より、同期電動機の電機子には磁束を減少させる電流Ｉ
Ｍが増加し、磁束が増加する作用が抑制される。第３図
の例では演算増幅器２↓ １ａの帰穆回路の抵抗γとコンデンサＣの作用により、
演算増幅器はＰＩ増幅器として作用する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、無整流子電動機を制御する場合に、発
生ｌ・ルクが減少するときは、トルク発生に寄与する電
流のみを減少させ、磁束発生に寄与する電流は所望の磁
束が発生する様に制御することにより、常に磁束を所望
値に保つことができ、例えば過励磁による過電圧からの
機器の破壊を防止することができる利点がもたらされる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は本発明
の他の実施例を示す構成図、第６図は第２図に示される
第２磁束調節器の具体例を示す回路図、第４図は無整流
子電動機の主回路を示す回路図、第５図は第４図の動作
を説明するための波形図、第６図は同期電動機のブラシ
レス励磁回路の具体例を示す回路図、第７図は同期電動
機が進み力率で運転される場合の諸量を示すベクトル図
である。 符号説明 １．２，３．６・・・・・・変換器、４・・・・・・同
期電動機、４ａ・・・・・・界磁巻線、５−・・・・・
平滑リアクトル、７・・・・・・回転トランス、８・・
・・・・ダイオード整流器、９・・・・・・位置検出器
、１０・・・・・・速度検出器、１１・・・・・・速度
調節器、１２・・・・・・Ｕ、δ演算器、１６・・・・
・・工ｆ演算器、１４．１７・・・・・・電流調節器、
１８・・・・・・点弧角演算器、１９．２１・・・・・
・磁束調節器、２０・・・・・・磁束演算器、２１ａ・
・・・・・演算増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 可変周波数変換装置を介して同期電動機の制御を行なう
   無整流子電動機の制御方式であつて、前記電動機の電機
   子電流を磁束の発生に寄与する成分と、該磁束に直交し
   てトルクの発生に寄与する成分とに分解し、界磁電流と
   電機子電流の磁束成分電流との合成値が常に所定値とな
   るように電機子電流および界磁電流を制御することを特
   徴とする無整流子電動機の制御方式。