JPS62239889A - 交流電動機の制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はサイリスタ電力変換器により駆動される交流
電動機の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

第７図は特公昭５９−１０７７号公報に記載された従来
の同期電動機を駆動するサイリスタモータの一例を示す
構成図である。

第７図において、１は商用交流電源からの交流を直流に
変換する第１の変換器、２はその直流を可変周波の交流
に変換する第２の変換器、３は同期電動機で、Ｆはその
界磁巻線、４は同期電動機３の回転軸の回転角位置に応
じた位相の位置信号を出力する位置検出器、５は位置検
出器４の位置信号を電動機電機子電流の大きさに応じて
移相し、第２の変換器２の制御進み角γを制御するγ制
御回路、６はγ制御回路５の出力信号により第２の変換
器２のゲート信号を出力するゲート出力回路、７は速度
発電機、８は速度指令回路、９は速度指令回路８の速度
指令信号と速度発電機７の出力信号である速度帰環信号
を突き合わせ増巾する速度偏差増幅器、１０は第１の変
換器１の交流入力電流を検出する電流検出器、１１は速
度偏差増幅器９の出力信号と電流検出器１０の電流帰環
信号を突き合わせ増幅する電流偏差増幅器、１２は電流
偏差増幅器１１の出力信号に基き第１の変換器１の点弧
位相を制御するゲートパルス位相器、１３は界磁電流Ｉ
ｆの大きさを指令する指令信号ＩｆＰを出力する界磁指
令回路、１４はサイリスタ回路１７の交流入力電流の大
きさを検出する電流検出器、１５は界磁指令信号Ｉｆｐ
と電流検出器１４の出力信号を突き合わせ増幅する電流
偏差増幅器、１６はサイリスタ回路１７の点弧位相を制
御するゲートパルス位相器、１７は界磁巻線Ｆに界磁電
流Ｉｆを供給するサイリスタ回路である。

次にその動作を説明するに、部品番号７〜１２は、速度
偏差に応じて第１の変換器１の入力電流、すなわちこれ
と比例関係にある電動機３の電機子電流の大きさを制御
する速度制御回路、部品番号４〜６は電流検出器１０の
出力信号、すなわち電機子電流に応じて第２の変換器２
の制御角γを制御する回路、部品番号１３〜１７は界磁
電流Ｉｆが界磁指令信号ＩｆＰに比例して流れるように
する界磁制御回路を構成する。これらの動作は既に周知
のいわゆるサイリスタモータ装置と同様であるから詳細
説明を省略する。

第８図は第７図における電動機の電圧と電流の関係を示
すベクトル図である。同図ａは無負荷時、同図すは界磁
電流Ｉｆを一定に保ち、力率が一定となるように制御角
γを制御した場合の負荷時、また同図Ｃは別途界磁電流
Ｉｆを電機子電流Ｉａに比例するように制御し、γは一
定にして運転した時のベクトル図である。

第８図すから明らかなように、たとえ力率を所定の値に
保てたとしても端子電圧■は電機子電流Ｉａの増加（Ｉ
　ａ、からＩａ２）に伴ない低下（ＶｌからＶ２）する
。この電圧低下により、第２の変換器２における転流可
能な最大電流値が低下する。

その結果、電動機３から十分な出力を得ることができな
い。

また、同図Ｃの場合は、電機子電流Ｉａの増加（Ｉ　ａ
、からＩ　ａ２）に伴なって端子電圧Ｖが上昇（Ｖ、か
らｖ２）するので同図すのような不都合はない。

しかし、過負荷時においては端子電圧Ｖが定格時より高
くなるため、第２の変換器２のサイリスタに高耐圧のも
のが必要になる。また電動機自体が磁気飽和を起すため
、期待されるほど大きな出力が得られなくなることがあ
る。さらに、軽負荷時では端子電圧Ｖが低下する結果、
それに伴ない第１の変換器１の力率（電源力率）が低下
してしまうという不都合を有する。

なお、上記問題点の解決手段として、特公昭５９−１０
７７号公報には、端子電圧と同期リアクタンス降下分を
ベクトル的に加算して得られる無負荷誘起電圧Ｅ。の大
きさと、この無負荷誘起電圧Ｅｏと電機子電流Ｉａの位
相差を制御することにより、端子電圧を電機子電流に対
して無関係に一定に制御する方式が詳細に述べられてい
る。

第９図はこの動作原理を示すベクトル図であるが、ここ
では簡単にこの動作を説明する。端子電圧ＶＭを一定に
するために電機子電流Ｉａの大きさに応じて、無負荷誘
起電圧Ｅ０の大きさ及び該Ｅ０と端子電圧の位相差θ（
相差角）を制御するとともに電機子電流Ｉａと端子電圧
の位相差γが一定となるように、γ十〇の関係を保持し
つつ第２の変換器の位相（γ十〇）を制御している。

しかしながら、この方式では端子電圧が一定に制御され
るために、電機子電流の大きさに応じて第２の変換器の
転流重なり角Ｕが変化し、第２の変換器のアーム素子で
あるサイリスタへの逆電圧の印加期間（γ−Ｕ）が変化
する。

このとき、第２の変換器を多相化（例えば１２相）して
トルク脈動を低減し、大容量サイリスタモータを駆動す
る場合には、３０”毎に転流を行うために、他相の転流
の影響により第１０図に示すようにアーム素子であるサ
イリスタの逆電圧期間はγ〉３０°であっても３０’−
ｕになり、第２の変換器の安定な転流を行なわせるため
にはこの転流重なり角を電機子電流の増加に対して非常
に大きくならないような端子電圧の設定が必要になる。

また、この電圧を精度よく制御するためには、交流電動
機３の磁気飽和特性を考慮しなければならず、特公昭５
９−１０７７号公報に示すものは精度の点で問題がある
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の交流電動機の制御装置は以上のように構成されて
いるので、負荷変動により端子電圧や力率が大幅に変動
し、第２の変換器の転流が不安定になったり、十分な出
力が得られないなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、負荷変動による端子電圧と力率の変動を防止
して、安定に転流を行なわせ十分な出力を得ることので
きる交流電動機の制御装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る交流電動機の制御装置は、電機子電流に
応じて端子電圧と無負荷誘起電圧の位相差θ（相差角）
と界磁電流を制御するとともに、端子電圧の大きさを所
定の転流余裕角を確保できるように制御するベクトル演
算器を具備したものである。

〔作用〕

この発明における交流電動機の制御装置は、端子電圧の
軌跡を界磁電流の軸（ｄ軸）と並行するようにベクトル
演算器により制御し、また、界磁電流は端子電圧を生じ
るための磁化電流のｄ軸成分と界磁電流の軸と直交する
軸（ｑ軸）に生じる電機子反作用起電力成分を補償する
ための界磁電流成分との和により制御する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、１８は電動機３の端子電圧に対する電機子
電流の進み角φ（力率角）を指令する力率角指令回路、
１９は電動機３の無負荷時の端子電圧を指令する無負荷
端子電圧指令回路、２０はベクトル演算器であって、上
記の力率角指令回路１８及び無負荷端子電圧指令回路１
９の指令と電機子電流検出信号Ｉａが入力され、界磁電
流指令Ｉｆｐ及び第２の変換器２の位相指令βを出力す
る。２１は位相制御回路であって、位置検出器４及びこ
のベクトル演算器２０の指令にもとづき、第２の電力変
換器２の導通位相角を制御する。２２は最大値選択回路
であって、この最大値選択回路２２は電機子電流の指令
と検出信号の大きい方を選択して出力する。

第２図はベクトル演算器２０の詳細構成図を示す。第２
図において、２０１はｖｏとＩａとφにより信号θ（相
差角）を出力する０関数テーブル、２０２はこのθ関数
テーブル２０１の出力とＶ。

により端子電圧Ｖを演算するＶ演算回路、２０３はこの
Ｖ演算回路２０２の出力信号から磁化電流ｉμを演算す
る電動機３の無負荷飽和曲線テーブル、２０４はこの無
負荷飽和曲線テーブル２０３の出力信号及びθよりｉμ
ｄを出力するｉμｄ演算回路、２０５はＩａとφよりｑ
軸電機子反作用電圧成分Ｅａｑを演算するＥａｑ演算回
路、２０６はこのＥａｑ演算回路２０５の出力信号より
電機子反作用の補償界磁電流成分ｉｆａを演算するｉｆ
ａ演算回路、２０７はこのｉｆａ演算回路２０６及び上
記ｉμｄ演算回路２０４の出力信号を加算する界磁電流
指令発生回路としての加算器、２０８はＶ及びφにより
転流重なり角Ｕを演算するＵ演算回路、２０９はＵ演算
回路２０８の出力信号−とφを加算する加算器、２１０
はこの加算器２０９の出力信号γとθを加算する加算器
であり、この加算器２０９，２１０で位相指令発生回路
をなす。

次に、上記実施例の動作Ｊｆｉ理を第３図に示すベクト
ル図を参照して説明する。基準軸として、界磁電流の方
向をｄ軸とし、これと直交する軸方向をｑ軸とすれば、
ｑ軸方向に電動機３の無負荷誘起電圧が発生する。

この発明における制御手段の基本をなすものは、ｑ軸上
の無負荷端子電圧ｖｎに対して、電機子電流Ｉａに応じ
て端子電圧Ｖのベクトル軌跡が、ｄ軸方向と並行に推移
するように制御することである。端子電圧Ｖとｑ軸との
位相差（相差角）をθ、電機子電流Ｉａと端子電圧Ｖの
位相差（力率角）をφとすれば、端子電圧Ｖは無負荷端
子電圧Ｖ。

とｄ軸方向に生じる電機子反作用電圧成分Ｅａｄ＝Ｘａ
ｑ　Ｉ　ａｃｏｓ　（φ十θ）のベクトル和として求め
られ、次式の関係が成立する。

Ｖｌｌｔａｎ　Ｏ＝　Ｘａｑ　Ｉ　ａ　ｃｏｓ　（φ＋
θ）・・・・・・（１）（１）式を変形して（２）式を
得る。

ここで（２）式の左辺は、無負荷端子電圧ｖ０に対する
ｄ軸電機子反作用電圧成分の（パーユニット（ρｅｒｕ
ｎｉｔ）値を示している。θ関数テープにより、所定の
φに対するθを求めることができる。

第４図はこのθ関数テーブルの一例をグラフにして示し
たものである。

端子電圧Ｖは０の関数として次式より求められる。

ＣＯＳθ ■演算回路２０２は（３）式に従い端子電圧Ｖを演算す
る０次に、この端子電圧信号Ｖに対して直交する方向に
生じる磁化電流ｉμを無負荷飽和曲線テーブル２０３に
より求める。この無負荷飽和曲線テーブルはその一例を
曲線１として第５図にグラフにして示すように電動機３
の磁気飽和を考慮した所定の速度における誘起電圧と界
磁電流の関係を示すものであり、また、この磁化電流ｉ
μは電動機３の合成起磁力に相当する。

この磁化電流ｉμのｄ軸成分ｉμｄは次式の関係式に従
い演算され、ｉμｄ演算回路２０４は（４）式の演算を
実行する。

ｉμｄ＝ｉμｃｏｓ　Ｏ・・・・・・（４）一方、ｑ軸
方向の電機子反作用電圧成分Ｅａｑは次式の関係式で与
えられ、Ｅａｑ演算回路２０５において演算される。

Ｅ　ａ　ｑ＝Ｘａ　ｄ　Ｉ　ａｓｉｎ　（φ＋θ）−（
５）このｑ＃電機子反作用電圧成分Ｅａｑはｄ軸方向の
界磁電流成分ｉｆａによって補償するように制御される
。この場合のＥａｑからｉｆａの変換はｉｆａ演算回路
２０６によって実行され、次式に示すように、第５図に
示す無負荷飽和曲線の接線特性Ｋｆａを係数にして変換
される。

１ｆａ＝Ｋｆａ−Ｅａｑ　　　　　−・＝　（６）上記
（４）式及び（６）式に従って得られたｄ軸の界磁電流
成分ｉμｄ、ｉｆａを加算器２０７により加算して、次
式のように界磁電流指令Ｉｆｐを得ている。

Ｉｆｐ＝ｉμｄ＋ｉｆａ　　　　　＋＋＋＋＋＋　（７
）第２の変換器２の点弧位相指令βは、ｑ軸方向に対し
て次式の関係式によって相差角０と力率角φ及び転流重
なり角Ｕの和で与えられる。

β＝θ＋φ＋−・・・・・・　（８） このとき、端子電圧Ｖに対する第２の変換器２の点弧位
相角γは次のようになる。

γ＝φ＋−・・・・・・（９） ここで転流重なり角Ｕは次式に示される。

なお、（１０）式は ＪフＸｃＩｄ ｃｏｓ　（γ−ｕ）−ｃｏｓγ＝□ ■ 及び（９）式よりγを消去することにより得られる。ま
た、（１０）式は第２の変換器２の直流電流Ｉｄの関数
になっているため、このＩｄを電機子電流の基本波実効
値Ｉａに変換する必要がある。

電機子電流は転流重なり角Ｕを考慮すれば、第６図に示
すように台形波状になり、このときの電機子電流の基本
波実効値Ｉａは次のようにＵの関数になる。

π　　　　旦 しかしながら、１２相以上の大容量サイリスタモータで
は、転流重なり角Ｕは一般にｕく２０゜〜２５＠に制限
しないとサイリスタのターンオフのための逆電圧期間を
確保できなくなる。この填実用上Ｉ　ａ　ｗ’−’−Ｉ
　ｄとしても差し支えない。

従って、（１０）式を変形すれば、 となり、この（１２）式に従ってＵ演算回路２０８は演
算を実行する。

以上のように本発明のものは（１）〜（３）式のベクト
ル関係式に従し制御されるため、サイリスタの転流余裕
角（逆電圧印加期間）３０’−ｕを確保するためには、
上記力率角φ及び無負荷端子電圧■。を適当な値に選定
すればよい。

位相制御回路２１はｑ軸方向と同一位相に設定された位
置検出器４の出力信号に対して位相指令β分だけ進める
ような位相動作を行えばよく、この位相制御方式は種々
のものが実用化されており、公知の技術であるためここ
では説明を省略する。

ベクトル演算器２０の電機子電流指令Ｉａとして、電流
検出器１０の出力信号である電機子電流の検出器信号と
速度偏差増幅器９の出力信号である電機子電流の指令信
号のうち、大きい方を最大値選択回路２２で与えるよう
にしている。

これは、つぎのような理由による。電機子電流の指令信
号が急変したときに、１１！機子電流の検出信号の応答
特性と第２の変換器の位相制御の応答特性との間に応答
時間差が生じたときに、第３図のベクトル関係がずれて
、第２の変換器の転流動作が不安定になる。例えば、ベ
クトル演算器２０の入力信号として電機子電流の検出信
号を用いる場合には、ベクトル演算器２０の演算処理の
時間遅れのために、電機子電流が増加したにもかかわら
ず、相差角θの演算値増加変化が遅れて実際の端子電圧
Ｖの位相よりも小さくなり、その結果、電動機３の実際
の力率φが減少し、第２の変換器の逆電圧期間が減少す
る。

逆に速度偏差増幅器９の出力信号である電機子電流の指
令信号をベクトル演算器２０の入力信号として用いる場
合には、電機子電流を減少させるときに、電流偏差増幅
器１１の応答時間遅れのために電機子電流の実際値が指
令値よりも大きい状態が過渡的に生じる。このときも実
際の相差角θよりベクトル演算器２０での演算値θが小
さくなり、実際の力率角φが減少し、第２の変換器の逆
電圧期間が減少する。

上記両ケースはいずれも電機子電流の指令値と検出信号
値のうち、小さい方が選択されたときに生じる現象であ
り、逆に大きい方を選択すれば、電機子電流の急変時に
ベクトル演算器２ｏでの相差角θの演算値は実際の相差
角θよりも大きくなり、過渡的に実際の力率角φが増加
し、力率は悪くなるが、第２の変換器の逆電圧期間が増
加するため、転流は安定に行える。

なお、上記実施例で、定数１（ａ　ｄ、Ｋａ　ｑ、Ｋｃ
は各々ｄ＠電機子反作用リアクタンス、ｑ軸電機子反作
用リアクタンス、転流リアクタンスを意味するものであ
り、これらの定数は電動機３の周波数に比例して変化す
るため、説明の都合上省略したが、速度発電機７の出力
信号に応じて変化させるようにしたものであってもよい
。また、同様に、無負荷飽和曲線テーブル２０３により
磁化電流ｉμを演算する場合、その入力信号である端子
電圧信号Ｖを電動機３の速度に反比例した信号に変換し
て与えるようにしたものであってもよい。

また、上記実施例においてベクトル演算器２０の演算は
マイクロコンピュータ等でディジタル処理されるもので
あってよく、この場合にはアナログのものに比べて演算
精度が向上する。また、上記実施例では第１図において
第２の変換器２として６相整流回路のものを示したが、
この第２の変換器を複数台並列あるいは直列構成にして
、１２相以上の整流回路に構成したものであっても、上
記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、端子電圧のベクトル
軌跡が無負荷端子電圧に対してｄ軸方向を並行に変化す
るような相差角θのデープルを用い電機子電流の基本成
分に応じてベクトル演算を行い、また、磁化電流の演算
に無負荷飽和曲線を用いるようにしたので、装置の精度
を向上でき、また安定な転流動作を行えるものが得られ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による交流電動機の制御装
置を示す構成図、第２図は第１図におけるベクトル演算
器の詳細構成図、第３図はこの発明の動作原理を説明す
るためのベクトル図、第４図はθ演口回路の特性図、第
５図は無負荷飽和曲線を示す特性図、第６図は電機子電
流の波形図、第７図は従来装置の構成図、第８図は電動
機の電圧と電流の関係を示すベクトル図、第９図は第７
図に示した装置の動作を説明するためのベクトル図、第
１０図はサイリスタの電圧波形図である。 １は第１の電力変換器、２は第２の電力変換器。 ３は交流電動機（同期電動機）、４は位置検出器、１８
は力率角指令回路、１９は無負荷端子電圧指令回路、２
０はベクトル演算器、２０１は相差角演算テーブル、２
０２は端子電圧演算器、２０３は無負荷飽和曲線テーブ
ル、２０４はｄ軸成分磁化電流演算器、２０５はｑ軸電
機子反作用電圧演算器、２０６は界磁電流演算器、２０
７は界磁電流指令発生回路（加算器）、２０８は転流重
なり角演算器、２０９は位相指令発生回路（加算器）。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 特許出願人　　三菱電機株式会社 ４：入ＩＩＪＬ：皆Ｉユ；； １−−−−−−−−−−−−−−−−−−−一−−−−
−−−−−−−−Ｊ第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流を直流に変換する第１の電力変換器と、前記第１の
   電力変換器からの直流電力を交流に変換する第２の電力
   変換器と、前記第２の電力変換器の出力により駆動され
   る交流電動機と、前記交流電動機の回転位置に応じた位
   置信号を出力する位置検出器と、前記第１の電力変換器
   の出力電流を制御する電流制御回路と、前記交流電動機
   の無負荷端子電圧の大きさを設定する無負荷端子電圧指
   令回路と、前記交流電動機の力率角を指令する力率角指
   令回路と、無負荷端子電圧指令信号及び力率角指令信号
   にもとづき前記交流電動機の電機子電流の大きさに応じ
   て該交流電動機の界磁電流指令と前記電力変換器の位相
   指令を出力するベクトル演算器を備え、前記ベクトル演
   算器は、前記電機子電流の大きさに応じて前記交流電動
   機の端子電圧のベクトル軌跡が前記無負荷端子電圧に対
   して垂直方向に推移するようなベクトル演算を行うため
   にｄ軸電機子反作用電圧のパーユニット値を入力して相
   差角を求める相差角演算テーブルと、前記相差角と前記
   無負荷端子電圧信号により端子電圧を求める端子電圧演
   算器と、前記端子電圧信号から磁化電流を求める前記交
   流電動機の無負荷飽和曲線テーブルと、前記相差角によ
   り前記磁化電流のｄ軸成分を求めるｄ軸成分磁化電流演
   算器と、前記相差角、力率角及び電機子電流によりｑ軸
   電機子反作用電圧を求めるｑ軸電機子反作用電圧演算器
   と、前記ｑ軸電機子反作用電圧成分を補償して打消す界
   磁電流成分を求める電機子反作用補償の界磁電流演算器
   と、電機子反作用補償界磁電流信号とｄ軸成分磁化電流
   を加算して前記界磁電流指令を発生する界磁電流指令発
   生回路と、前記端子電圧信号と電機子電流信号と力率角
   により転流重なり角を求める転流重なり角演算器と、転
   流重なり角信号と力率角と相差角を加算して前記電力変
   換器の位相指令を発生する位相指令発生回路を備え、前
   記ベクトル演算器への電機子電流信号として前記電動機
   の電機子電流の検出信号と前記電流制御回路の電機子電
   流指令信号のいずれか大きい方を選択して与えるように
   したことを特徴とする交流電動機の制御装置。