JPS6232713B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は可変周波数電源により誘導電動機を
零速度から低周波起動する場合の起動方法に関す
るものである。

可変周波電源により、誘導電動機を低周波より
周波数制御し、可変速運転する場合、上記電源は
極く低周波（約２〜６Hz）で起動し、速度指令に
従つてその周波数を可変して、モータを変速す
る。この起動の際モータの起動トルクは負荷に接
続される機械の静止摩擦トルクに打ち勝つトルク
をだす必要がある。

この静止摩擦トルクは、ポンプやブロワー等の
負荷では、モータ定格トルクの30〜50％程度であ
る。

しかるに低周波におけるモータの起動トルク
は、モータ自身の内部抵抗や、可変周波数電源の
内部抵抗の影響により、著しく低下し、モータ定
格電流を流しても20％程度の起動トルクとなり起
動不可能な状態になることがあつた。

この発明は上記の如き低周波起動時の欠点を解
消し、起動トルクの起動電流に対する比（起動ト
ルク／起動電流）を大きくとり、モータの起動を
容易にすることを目的とする。

第１図に送風機、ポンプ等、の速度に対する負
荷トルク特性を示す。停止状態の静摩擦トルクは
一般に定格トルクの30〜50％に達する。一たん回
り始めれば２乗特性に従つてその負荷トルクは大
巾に低下する。このような速度と共に増加する負
荷トルク特性を有する負荷を駆動する場合、低速
領域で駆動トルクは小さくてもよいが、静止状態
からの起動にはかなりの駆動トルクを必要とす
る。このような負荷を零速度から回転数制御する
為に、その駆動モータとして誘導電動機を用い、
その駆動電源として可変周波数電源を用いる場合
が多い。

可変周波数電源の一例として電圧形自励式可変
電圧・可変周波数インバータによる駆動回路の一
般的構成を第２図に示す。図中１は交流電源、２
は制御可能な整流器、３は直流リアクトル、４は
直流平滑コンデンサ、５は可変周波数インバータ
６は昇圧トランス、７は誘導電動機である。

この可変周波数電源において、周知の如く磁気
飽和を避けるため、出力電圧（ｖ）の周波数(f)に
対する比ｖ／ｆは一定に制御される。

この回路の電圧制御方式は、変流器８から、直
流電流idに見合う電流を検出し、又直流電圧Ed
（又は交流電圧Vm）を検出して、それぞれの基
準値と比較した後電圧制御増巾器１０電流制御増
巾器９を通して、サイリスタ整流器２を位相制御
する電流マイナー付電圧制御を行い、電圧パター
ン１９に従つた出力の電圧制御を行つている。

一方この回路の周波数制御方式は、周波数パタ
ーン２０を受け、電圧周波数変換器１２により、
電圧に応じた周波数に変換し、これをリングカウ
ンタ１１により可変周波数インバータ５のそれぞ
れのスイツチング素子に点弧位相に応じたパルス
を分配している。

この電圧基準信号１９、及び周波数基準信号２
０はパターン回路１３により、ｖ／Ｆ一定に制御
されている。なお速度基準信号１５は傾斜信号発
生回路１４を通してパターン回路１３に信号が送
られる。

パターン回路１３の可変抵抗器１３１は最低周
波数を与えるもので、傾斜信号発生回路１４の出
力１８とダイオードORを構成しどちらか電位の
高い方が優先する回路となつている。なおスイツ
チ１６は速度基準信号をon offするスイツチであ
る。

第３図は電流マイナー付電圧制御の機能説明図
である。直流電流が電流制限レベルに至るまでは
定電圧制御を行い、電流制限レベルに至ると出力
電圧（又は直流電圧）が絞られて定電流制御を行
つている。

上記可変周波数電源にて、可変周波数制御した
場合のモータの速度対、モータ電流Ｉ、モータト
ルクＴの関係を第４図に示す。図において、可変
周波数制御においては、図のP₁Q₁，P₂Q₂，P₃Q₃
の間の低Slip（高効率）の状態で制御される。第
５図はモータの起動周波数と起動トルク起動電流
の計算値の一例を示す。起動電流をモータ定格電
流で抑えたい時起動周波数が2.7Hz（図のＡ点）
となるが、この時の起動トルクは約モータ定格ト
ルクの20％程度で、一般には起動しない。たとえ
起動電流をモータ定格電流の200％流すことを許
容されても（図のＢ点）、その起動トルクは40％
にも満たない。この場合も起動しないことはあり
うる。

送風機の風量制御は、従来は誘導電動機により
駆動され一定回転している既設送風機をダンパー
制御により風量制御している。

この既設誘導電動機を、可変周波数電源により
回転数制御することによる送風機の省エネルギー
運転が最近実用化されているが、この場合既設送
風機の部分速度運転に足る容量に相当する可変周
波数電源を設置する場合が多い。

この場合、可変周波数電源の定格電流Iiは Ii≒kn²Im となる。

kn＝Ｎ／Ｎ_０（速度制御範囲） Ｎ：モータ制御最大回転数 N₀：モータ定格回転数 Im：モータ定格電流 これは負荷トルクＴ_Lが、回転数により Ｔ_L≒Kn²T₀ となり、又負荷トルクＴ_Lは Ｔ_L∝Ｔ_i である為である。

このような場合、速度制御範囲Ｋ_oが小さくな
ればなる程インバータ定格電流はモータ定格電流
に較べて小さくなり起動が困難になる。

第２図の駆動制御系において、周波数２Hzにて
インバータを起動し、２Hzに相当する電圧基準１
９、周波数基準２０を与えた場合のモータ電圧、
モータ電流、モータトルクの波形を第６図に示
す。電圧基準信号に応じて、モータ電圧は電圧制
御系の応答速度に応じて数サイクルで基準電圧ま
で上昇し、その電圧に応じた電流が流れる。従つ
てモータトルクはその電流に応した図示の如きト
ルクを発生する。その後モータが回転を始めれば
負荷トルクが減少することになるが、静止摩擦ト
ルクに打ち勝たねば、いつまでも図示の如く、電
圧に応じた電流を流しつづけることになる。

なおこのようにモータ電圧の上昇が遅れるの
は、電流制御ループの応答はかなり速くできる
が、電圧制御ループの応答は電流ループに較べて
十分遅くしなければ、制御系の不安定現象が生じ
る為である。

第７図はこの発明の一実施例の具体的回路構成
である。第２図との基本的違いは、電流基準信号
２１の追加と切換スイツチ２２，２３の追加であ
る。またこの発明によるモータの起動方法の具体
的タイムチヤートを第８図に示す。

時刻t₀に先立ち可変周波数インバータは、すで
に起動周波数で作動させておく。このときスイツ
チ２２及び２３はいずれもoffしておりインバー
タの電圧は零である。

時刻t₀において、スイツチ２３をonし、起動電
流基準信号２１により、整流器２を電流基準信号
に見合つた電流を流すように指令する。このよう
にすると、電流ループの応答は速いので、モータ
電流は急岐に指令値に達する。

この時、モータの電磁発生トルクは図ｇの如
く、モータ電流に相当する平均トルクT₀を中心
として最大トルクＴ_snがT₀に対し数倍になるよう
な振動トルクを発生する。この電流駆動では、変
圧器の１次に電流源の正弦波ステツプ入力を加え
た場合の応答と同じく、１次電流は電源周波数f₀
となり、２次電流はモータの電気時定数で減衰す
る直流分と電源周波数f₀が生じる。誘導電動機の
発生トルクはこの１次電流、２次電流の積で与え
られるので、モータトルクとしては、１次の周波
数成分f₀と２次の直流成分による電源周波数の過
渡振動トルクと、１次及び２次の電源周波数成分
による定常直流トルクが重畳する形となり、過渡
的に数倍の電磁発生トルクが発生することにな
る。

この最大トルクが負荷の静止摩擦トルクに打勝
つとモータは回転を始める。時刻t₁でスイツチ２
３をoffし、スイツチ２２をonして２７を電圧基
準とする電圧制御に切換える。

この時速度基準入力スイツチ１６は末だonし
ておらず、パターン回路１３の出力１９は末だ零
であり、２５，２６のダイオードOR回路のダイ
オード２５が導通し、電圧基準信号２７は起動電
圧基準２４より与えられる。の起動電圧基準はモ
ータが回転を始めた時の負荷の反抗トルクに打勝
つに足る電圧であればよい。

しばらく起動電圧基準により電圧制御し、モー
タが反抗トルクに見合つたすべり速度に至る迄加
速する時刻t₂で速度基準入力スイツチ１６をonす
ると傾斜信号発生回路出力１８は所定の速度度で
上昇する。

この傾斜信号発生回路の出力が上昇し、パター
ン回路１３の出力１９が起動電圧基準電圧を超え
ると、ダイオード２６はonし、ダイオード２５
はoffするので、パターン出力１９に従つて電圧
制御されることになる。

この起動電流基準、及び起動電圧基準について
は任意の設定値を与えることが可能である。

起動電流基準は短時間（数秒程度）で良いこと
から、装置容量の数倍の電流基準を与えることが
可能であり、モータ容量に較べてかなり容量の小
さいインバータでもモータの起動が可能となる。

第９図はこの発明のもう１つの実施例を示す。
第１０図はその動作タイム・チヤートを示す。第
７図とその相違点は、別に起動電流信号を持た
ず、起動電圧基準回路２４に電圧制御アンプ１０
を飽和させるに足る十分な電圧を与え、電圧制御
アンプ出力の飽和電圧を利用して立上りの速い電
流基準信号を与え電流制御することにより振動ト
ルクを発生し、モータを起動した後、第７図と同
じ手順で制御する。

以上、具体的に説明した如く本発明によれば、
誘導電動機出力定格に較べ、インバータ容量がか
なり少さくとも零速度からの起動が可能であり、
零速度からの起動の為に不必要にインバータ容量
を大きくすることはない。

なお可変周波数インバータとして電圧形インバ
ータにより説明したが、電流形インバータであつ
ても、サイクロコンバータ等であつても良いこと
は勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は送風機やポンプの速度対負荷トルクの
関係を示す図、第２図は電圧形自励式可変電圧・
可変周波数インバータ駆動回路の一般的構成図、
第３図は第２図電圧制御回路の電流マイナー付電
圧制御回路の特性図、第４図は誘導電動機を周波
数制御した場合の速度対トルク・電流を示す図、
第５図は可変周波数インバータによりモータを零
速度から起動する場合の、起動周波数対起動トル
ク、起動電流を示す図、第６図は周波数基準電圧
基準を同時に与える従来の起動方法による場合の
モータ電圧電流、トルクを示す図、第７図は本発
明による駆動方法を示すブロツク図、第８図は本
発明による第７図の駆動方法を用いた場合のモー
タ電流、電圧、トルクを示す図、第９図は本発明
による駆動方法の他の実施例を示す図、第１０図
は本発明による第９図の駆動方法を用いた場合の
モータ電流、電圧、トルクを示す図である。 図中、１は交流電源、２は制御可能な整流器、
３は直流リアクトル、４は直流平滑コンデンサ、
５は可変周波数インバータ、６は昇圧トランス、
７は誘導電動機、８は変流器、９は電流制御増巾
器、１０は電圧制御増巾器、１１はリングカウン
タ、１２は電圧周波数変換器、１３はパターン回
路、１４は傾斜信号発生回路、１５は速度基準信
号、１６はスイツチ、１７は傾斜信号発生回路入
力信号、１８は傾斜信号発生回路出力信号、１９
は電圧基準信号、２０は周波数基準信号、２１，
２８は起動電流基準信号、２２，２３はスイツ
チ、２４は起動電圧基準、２５，２６はダイオー
ドOR回路、２７は電圧基準信号、２９は電流基
準信号、１３１は最低周波数基準信号、１３２，
１３３はダイオードOR回路である。尚図中同一
符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 速度基準信号から電圧又は電流を制御する第
   １の基準信号と周波数を制御する第２の基準信号
   とを与えて誘導電動機に印加される電圧又は電流
   と周波数を制御する可変周波数電源により誘導電
   動機を零速度から低周波起動するものにおいて、
   上記誘導電動機の起動時に、上記可変周波数電源
   に上記誘導電動機の起動時の電流を制御する第３
   の基準信号としてステツプ状の起動電流基準信号
   を与えるとともに、上記第２の基準信号として所
   定の起動周波数基準信号を与えて上記可変周波数
   電源から上記誘導電動機の固定子側に上記ステツ
   プ状の起動電流基準信号に対応した上記起動周波
   数の交流電流を流し、この時ロータ側に起動され
   る過渡直流電流成分と上記交流電流に基づく回転
   磁界との間の発生トルクを利用して起動トルクを
   増大せしめ、起動後に上記ステツプ状の第３の基
   準信号を切り離し、上記速度基準信号に基づき所
   定速度に向つての電圧又は電流および周波数の制
   御に移行させるようにしたことを特徴とする可変
   周波数電源による誘導電動機の起動方法。 ２ 誘導電動機の定常運転時には、可変周波数電
   源は、その入力側又は出力側の電圧と基準信号と
   の偏差を増幅する電圧制御増幅器とこの増幅器の
   出力と上記可変周波数電源の入力側又は出力側の
   電流との偏差を増幅して上記可変周波数電源の制
   御信号とする電流制御増幅器とを有する制御手段
   により制御されるものであり、上記誘導電動機の
   起動時に与えられるステツプ状の起動電流基準信
   号は、上記電流制御増幅器の入力側に上記電圧制
   御信号増幅器の出力の代わりに与えられる起動電
   流基準信号であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の可変周波数電源による誘導電動
   機の起動方法。 ３ 誘導電動機の定常運転には、可変周波数電源
   は、その入力側又は出力側の電圧と基準信号との
   偏差を増幅する電圧制御増幅器とこの増幅器の出
   力と上記可変周波数電源の入力側又は出力側の電
   流との偏差を増幅して上記可変周波数電源の制御
   信号とする電流制御増幅器とを有する制御手段に
   より制御されるものであり、上記誘導電動機の起
   動時に与えられるステツプ状の起動電流基準信号
   は、上記電圧制御増幅器の入力側に与えられた起
   動電圧基準信号により飽和された上記電圧制御増
   幅器の出力であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の可変周波数電源による誘導電動機
   の起動方法。