JPS6349478B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はインバータによつて交流誘導電動機の
速度を無段階的に増減制御することが可能な速度
制御装置に係り、特に周波数、負荷トルクの変化
に影響されることなく、常に高効率の下での運転
が可能な高効率保持方式の速度制御装置に関す
る。

交流（かご形）誘導電動機（以下モータと称
す）を可変速運転する必要性は、特に負荷変動の
大きい空気調和機において強いものがあり、かゝ
る要望に応えるものとしてはインバータによる周
波数変換方式の速度制御が最近に至つて頓に使用
されるようになつている。

此の場合に、モータに連結された相手機械を正
常に運転するには、回転が変つてもモータの発生
トルクが負荷トルクより大きくなければならず、
またモータ電流も定格電流値以内である必要があ
る。

そこでインバータの出力電圧Ｖと出力周波数Ｆ
との間に所定の関係を持たせるようにしてモータ
の可変速運転を行つているが、これでは下記の如
き問題点があつて、省エネルギーをはかる目的か
ら遠去かる実用上の大きい欠陥となつていた。

すなわち、その一つは負荷が変動した場合に、
そのときの出力電圧Ｖと出力周波数Ｆの関係は最
高効率点での運転を可能にする条件とは限らな
く、今、ある両者の比（Ｖ／Ｆ）がある値Ｋとな
る関係においてモータの回転数Ｎに対するトルク
Ｔの特性および効率ηの特性を示せば第１図の線
イ，ロの如くなり、モータ効率が最高となるとき
の効率η₀、負荷トルクT₀に対して負荷トルクが
T₁と大きくなつたときのモータ効率はη₁となり
η₁＜η₀である。

逆に負荷トルクがT₂と小さくなつたときのモ
ータ効率はη₂で、矢張りη₂＜η₀となる。

以上のことから前記比（Ｖ／Ｆ）が固定のとき
には、負荷の状態によつてモータ効率も変動し、
運転中を通じて高効率が維持されるのが至難であ
る点を明示している。

また一方、前記比（Ｖ／Ｆ）がある固定された
状態で運転されている途中で電源変動が生じたと
すると、インバータ出力電圧をフイードバツクし
ないオープンループのインバータにおいては出力
電圧のみが変動して最適な出力電圧Ｖの出力周波
数Ｆの関係から逸脱して此の場合もモータ効率が
低下する。

このように負荷トルク、電源電圧の変動によつ
て可変速制御中のモータの運転効率が低下したの
では、年間を通じて運転するヒートポンプ空気調
和機の圧縮機用電動機として用いた場合に、負荷
の変動が著しい機械であるところから運転効率の
低下によるランニングコストの増加をもたらして
好ましくなく、空気調和機に対する駆動装置とし
て特に改善が要求されているのが現状である。

本発明はかゝる実状に鑑みて、、従来の可変速
度制御装置、就中、インバータによる速度制御装
置が有する上述欠陥の解消をはかるべく発明する
に至つたものであつて、特に電圧と周波数との間
に所定の関係を保持してなる出力をインバータか
ら発して、モータを可変速運転する速度制御装置
において、周波数切換信号が発せられた時点から
一定時間経過した基準時刻を起点とする一定周期
毎にパルス状の第１信号を発すると共に、前記基
準時刻以後の前記第１信号が発信していない間、
第２信号を発する時限指令回路、前記モータ又は
インバータの電流を検出する電流センサ、前記時
限指令回路の前記第２信号を受ける毎に前記電流
センサが現に検出した第１電流信号を記憶し、か
つこの記憶した信号を前記第２信号の消去に応じ
て出力する記憶回路、該記憶回路が記憶した前記
第１電流信号と電流センサから現に出された第２
電流信号とを時限指令回路の前記第１信号が発せ
られている間比較して、前記第１電流信号が前記
第２電流信号に比して小さいときに第１出力を、
大きいときに第２出力を発する比較回路、周波数
切換信号が発せられた時点から一定時間経過した
前記基準時刻のときと、比較回路が前記第１出力
を発していて、かつ、直前回において電圧増の出
力電圧制御信号が出されていたときと、比較回路
が前記第２出力を発していて、かつ、直前回にお
いて電圧減の出力電圧制御信号が出されていたと
きとの３つの各条件によつて電圧減の出力電圧制
御信号を発する一方、比較回路が前記第１出力を
発していて、かつ、直前回において電圧減の出力
電圧制御信号が出されていたときと、比較回路が
前記第２出力を発していて、かつ直前回において
電圧増の出力電圧制御信号が出されていたときと
の２つの各条件によつて電圧増の出力電圧制御信
号を発する電圧制御指令回路、該電圧制御指令回
路から発せられる増減の出力電圧制御信号によつ
て前記インバータの出力電圧を基準ステツプ電圧
だけ増減せしめる電圧制御回路からなり、前記モ
ータの電流が極小となるよう出力電圧を自動調整
することにより、モータを常に最高効率の下で可
変速制御せしめる如くしたことを特徴とする。

本発明をさらに添付図面を参照しつつ、その具
体的内容について以下詳述する。

本発明装置の制御態様を第２図のモータ入力電
圧−電流特性線図によつて原理的に説明すると、
第２図は負荷トルクT₁，T₂をパラメータにした
場合のある周波数Ｆにおける入力電圧Ｖと電流
I′との関係を示したものであつて、T₁＜T₂とし
た場合に、電流が夫々最小I₁，I₂となる点P₁，P₂
が各負荷トルクT₁，T₂に対する最高運転効率点
となる。

また、負荷トルクT₁，T₂における最高効率点
P₁，P₂に対応する電圧はV₁，V₂である。

そこで、周波数をＦ、電圧をV₁とすると、負
荷トルクT₁に対しては最高効率点P₁であつたも
のが、負荷トルクがT₂に増加すると電流はI₂′ま
で増加して、最高効率点P₂をはずれてしまい従
つて負荷トルクT₂に対してはモータ効率が低下
する結果となる。

以上の説明によつてわかるように、はじめは予
め周波数と電圧との間に固定的な関係を持たせて
なるインバータの出力によつてモータを可変速制
御しておいて、この状態からモータ電流が最小と
なるような電圧を探索する制御を行えば常に最高
効率の下での可変速制御運転が可能となるもので
ある。

かゝる基本原理にもとづいて構成した制御装置
を第５図、第６図よつて説明する。

１はモータで例えば三相交流かご形モータが使
用されて、三相200Vの交流電源をインバータ２
を介し給電することによつて、電圧と周波数との
間に所定の関係を保持してなる三相交流電圧が印
加され可変速運転が成される。

上記インバータ２は公知の構成であるところか
ら詳細な内容は省略するが、AC−DC変換器３、
チヨツパ４、フイルタ５およびDC−AC変換器６
から構成されて、周波数切換信号e₁によつて第４
図々示のＶ／Ｆ特性を有する出力が最終段のDC
−AC変換器６から発せられるようになつている。

しかして、本発明装置例は時限指令回路７と、
電流センサ８と、記憶回路９と、比較回路１０
と、電圧制御指令回路１１と、電圧制御回路１２
との各要素からなつており、それ等各要素を以下
分説する。

◎時限指令回路７、 周波数切換信号e₁が発せられた時点から計時を
行つて一定時間T₁経過した基準時刻H₁から次の
周波数切換信号e₁が発せられるまで出力e₂を発し
続けるタイマー１３、該タイマー１３が出力e₂を
発する基準時刻H₁から計時を行つて一定周期T₂
毎に巾△ｔを有するパルス状の出力e₃を発する繰
り返しタイマー１４、タイマー１３の出力e₂と禁
止回路N₁で反転させた繰り返しタイマー１４出
力e₃との論理積をとつて出力e₅するAND回路A₁、
両タイマー１３，１４の出力e₂，e₃の論理積をと
つて出力e₄するAND回路A₂から構成されてお
り、次の如く作動する。

周波数切換信号e₁が発せられた時点から一定時
間T₁経過した基準時刻H₁を起点とする一定周期
T₂毎に巾△ｔを持つパルス状の第１信号e₄を発
し、また、基準時刻H₁以後の第１信号e₄が発信
していない間、第２信号e₅を発する作動を行うも
のである。

◎電流センサ８、 第６図に概要示する如く、変流器８をモータ１
配線のうちの１本に介設し、あるいはホール素子
８′をフイルタ５とDC−AC変換器６との間の接
続配線中に介設するなどの手段でモータ１の電流
あるいはインバータ２内の電流を検出する。

第５図々示例は変流器８で検出した電流をＡ／
Ｄ変換器１５によつてデイジタル量に変換して後
段の回路に送信するように形成している。

◎記憶回路９、 記憶素子を要素としたもので、書込み端子を
Ａ／Ｄ変換器１５の出力側に、読出し端子を後段
の比較回路１０の入力端子に、ゲート端子を前記
MND回路A₁の出力端子に夫々接続しており、次
の如き作動を行う。

前記第２信号e₅を受ける毎に、その立上りの時
点（第７図の矢示を施した個所）において電流セ
ンサ８が現に検出した第１電流信号Ｉを記憶し、
かつこの記憶した信号Ｉを第２信号e₅の消去に応
じて読出しの上、出力するようになつている。

◎比較回路１０、 ２つの入力端子と２つの出力端子とを備えて、
両入力端子を記憶回路９の読出し端子とＡ／Ｄ変
換器１５の出力側に夫々接続してなるコンパレー
タ１６、該コンパレータ１６の第１出力端子から
出される第１出力ａと前記第１信号e₄との論理積
をとつて出力するAND回路A₃、コンパレータ１
６の第２出力端子から出される第２出力ｂと前記
第１信号e₄との論理積をとつて出力するAND回
路A₄から構成され、その作動は次の如きもので
ある。

記憶回路９が記憶した前記第１電流信号Ｉと、
電流センサ８から現に出された第２電流信号ｉと
を時限指令回路７の第１信号e₄が発せられている
間比較して、前記第１電流信号Ｉと前記第２電流
信号ｉとの関係が、Ｉ＜ｉの場合は第１出力ａを
AND回路A₃から出力し、Ｉ＞ｉの場合は第２出
力ｂをAND回路A₄から出力し、Ｉ≒ｉの場合は
出力を発しないようになつている。

◎電圧制御指令回路１１、 ２極連動形双投スイツチの機能を有し、ゲート
端子ｃに「Ｈ」入力があると接点イ−ハ間が導通
し、逆に「Ｌ」入力があると接点イ−ロ間が導通
する如く作動する走査器（マルチプレクサ）１
７、前記ゲート端子Ｃに切換信号を送るためのフ
リツプフロツプ回路１８、タイマー１３の出力e₂
における立上りエツジを検出してパルス出力e₆を
発するエツジ検出回路１９、OR回路O₁，O₂およ
び禁止回路N₂から構成されている。

OR回路O₁は、前記AND回路A₃からの第１出
力ａと前記AND回路A₄からの第２出力ｂのうち
の何れか一方の出力と、前記タイマー１３の出力
e₂の反転値との論理和をとつて出力を発し、この
出力をフリツプフロツプ回路１８の端子CLにイ
ンプツトさせるようにしている。

OR回路O₂は、前記OR回路O₁に入力される出
力、すなわち第１出力ａあるいは第２出力ｂと前
記パルス出力e₆の論理和をとつて出力を発するよ
うにしている。

フリツプフロツプ回路１８は端子CLに「Ｈ」
入力が加えられると出力端子Ｑが「Ｌ」出力にな
り、端子CLが「Ｌ」でかつ端子CKに「Ｈ」入力
が加えられると出力端子Ｑが「Ｈ」出力になる如
く作動する。

上述の構成になる電圧制御指令回路１１は後述
の作用説明によつても明らかにされるが、その作
動態様は次の如くなる。

この指令回路１１からは、電圧減（−△Ｖ）の
出力電圧制御信号S₁と、電圧増（＋△Ｖ）の出力
電圧制御信号S₂との一方を発するか全く発しない
かの３種の出力を後段の電圧制御回路１２に与え
るものである。

(イ) 電圧減の出力電圧制御信号S₁を発する条件、 () 周波数切換信号e₁が発せられた時点から
一定時間経過した基準時刻T₁のとき、すな
わち、周波数の切換えによつてモータ１に加
える電圧を減少側で制御開始することを意味
する。

() 比較回路１０が第１出力ａを発してい
て、かつ直前回に電圧増（＋△Ｖ）の出力電
圧制御信号S₂が出されていたとき、すなわ
ち、電圧を増加側に制御した結果、モータ電
流が増加したため電流減少方向の電圧減少側
に作動させることを意味する。

() 比較回路１０が第２出力ｂを発してい
て、かつ直前回に電圧（−△Ｖ）の出力電圧
制御信号S₁が出されていたとき、すなわち、
電圧を減少側に制御した結果、モータ電流が
減少したため、さらに電流減少方向の電圧減
少側に作動させることを意味する。

(ロ) 電圧増の出力電圧制御信号S₂を発する条件、 () 比較回路１０が第１出力ａを発してい
て、かつ直前回において電圧減（−△Ｖ）の
出力電圧制御信号S₁が出されていたとき、す
なわち、電圧を減少側に制御した結果、モー
タ電流が増加したため電流減少方向の電圧増
加側に作動させることを意味する。

() 比較回路１０が第２出力ｂを発してい
て、かつ直前回において電圧増（＋△Ｖ）の
出力電圧制御信号S₂が出されていたとき、す
なわち、電圧を増加側に制御した結果、モー
タ電流が減少したためさらに電流減少方向の
電圧増加側に作動させることを意味する。

◎電圧制御回路１２、 電圧制御指令回路１１から出される増減の出力
電圧制御信号S₂，S₁によつてインバータ２の出力
電圧を１ボルト等基準ステツプ電圧だけ増減せし
めるための回路であつて、第６図に示した如く、
前記出力電圧制御信号S₂がＵ／端子に、前記両
出力電圧制御信号S₁，S₂の否定論理積をとり、か
つ遅延回目２５で遅延させて得た信号がCK端子
に夫々入力されるアツプダウンカウンタ２０、基
本周波数を発振する発振器２１、アツプダウン
カウンタ２０からの信号で発振器２１からの発振
出力を分周する分周器２２、この分周された発振
出力をさらに分周するカウンタ２３、該カウンタ
２３からの発振出力を前記チヨツパ４にゲート信
号として与えるためのシングルシヨツトマルチバ
イブレータ２４から構成されており、特に図示例
の回路の機能については後述する。

本発明速度制御装置は叙上の構成になるが、次
にその作動態様について第３図乃至第７図にもと
づいて概要説明すると、今、インバータ２からの
出力周波数がF₁に決められると、第４図より出
力電圧はV₁となる。

タイマ１３のカウントアツプ時点、すなわち基
準時刻H₁で出力電圧がV₁のときの電流（Ｉ＝I₁）
を記憶回路９で記憶すると同時に、電圧制御指令
回路１１は前記(イ)−（）に述べたように出力電
圧を△Ｖ降下させる。

出力電圧をV₁−△Ｖ＝V₂とした後、T₂−△ｔ
時間後の電流ｉ＝I₂と記憶値I₁とを比較回路１０
で比較して、第３図より明らかな如くＩ＜ｉ（I₁
＜I₂）であるから、電圧制御指令回路１１は前記
(ロ)−（）に述べたように、電流減少方向の電圧
増加側の出力電圧制御信号S₂を発する。

なお、Ａ／Ｄ変換器１５の出力は上位の数ビツ
トのみ比較回路１０に送る等の手段で適当に分解
能を下げるようにすることによつてｉ−△ｉから
ｉ＋△ｉの範囲を同一電流値ｉと判断するように
しておくものとする。

前記出力電圧制御信号S₂を発することによつ
て、出力電圧はV₂＋△Ｖ＝V₃に上昇すると同時
に記憶回路９は電流I₂を記憶する。

次いでT₂−△ｔ時間経過後の電流ｉ＝I₃と記憶
I₂とを比較回路１０で比較して、第３図より明ら
かなように、Ｉ＞ｉ（I₂＞I₃）であるから、電圧
制御指令回路１１は前記(ロ)−（）で述べたよう
に電圧増加側の出力電圧制御信号S₂を発する。

かくして出力電圧がV₃＋△Ｖ＝V₄に上昇制御
されるのと同時に記憶回路９は電流I₃を記憶す
る。

次いでT₂−△ｔ時間経過後の電流ｉ＝I₄但し、
I₁−△Ｉ≦I₄≦I₁＋△Ｉ、と記憶値I₂とを比較回
路１０で比較する。

この場合、Ａ／Ｄ変換器１５の分解能を適当に
下げているので、比較回路１０ではI₃（Ｉ）≒I₄
(i)として演算される結果、比較回路１０の第１出
力ａ、第２出力ｂ共に「０」となり、も早や電圧
制御指令回路１１からは増・減何れもの出力電圧
制御信号S₂，S₁は出されなくなつて、出力電圧は
V₄に保たれる。この電圧₄がモータ１の電流値を
最少にする出力電圧となる。

以上の作動説明は第３図々示実線曲線における
出力電圧V₄に対して、低電圧域での制御態様に
ついてのものであるが、出力電圧V₄よりも高電
圧域での制御も同じ要領によつて行われることは
言う迄もない。

なお、負荷の変動等によつて、インバータ２の
出力電圧−電流特性が第３図の破線のように変化
しても、この変化に追従した電圧制御を行つて常
にモータ電流が極小となる高効率の下で運転を維
持することができる。この場合の動作は前述と同
要領であるので説明は省略する。

また、図示例の装置は、実用化に即したものと
して制御系をデイジタル回路に構成しているが、
本発明はアナログ回路構成でも同様に実現でき
る。この場合Ａ／Ｄ変換器を省略し、比較器及び
記憶素子をアナログ素子とするのである。さら
に、モータ負荷の程度に応じた種々の周波数−電
圧特性を記憶したマイクロコンピユータを使用し
て、負荷変動に対応した的確な高効率運転を果す
ことも可能である。

次に電圧制御回路１２の作動態様について以下
説明を加えると、一般にインバータの制御方式に
は、パルス巾変調（PWM）方式とパルス振幅変
調（PAM）方式とがあり、PWM方式ではコン
バータ部で整流された電圧が一定の直流電圧をイ
ンバータの入力として受け、インバータ部で周波
数の制御だけでなく電圧の大きさを同時に制御す
ることにより、可変直流電源を得るために必要と
するサイリスタ変換器やチヨツパなどの主回路部
品を省略できる利点を有する反面、インバータの
出力電圧波形は各周波数毎に異つており、電圧を
変化するにはパルス幅を変える必要があることこ
ろから、高調波分の含有率が変ることは避け得な
く、電圧を変化させる全域で最適な電圧波形（効
率、高調波の抑制等）が得られるとは限らない
し、多くのポイントで解析することも困難となる
などの問題があるものである。

このような点に鑑みて構成された第６図々示の
インバータ２は整流後の回路にチヨツパ４を挿入
せしめており、一方、電圧制御回路１２はこのチ
ヨツパ４に関連せしめていて、このチヨツパ４の
部分で直流電圧のレベルを変えることによつてパ
ルス幅を変えずに電圧を変化させることができる
ようにしている。

電圧制御指令回路１１からの出力電圧制御信号
S₁又はS₂はアツプダウンカウンタ２０を介して分
周器２２に至り、これによつて発振器２１からの
基本周波数ｆを持つた出力が分周され、電圧減の
出力電圧制御信号S₁によつて周波数は低くなり、
電圧増の出力電圧制御信号S₂によつて周波数は高
くなる。

この分周された出力は、さらにカウンタ２３に
より分周した後、シングルシヨツトマルチバイブ
レータ２４を経てチヨツパ４に送られる。

カウンタ２３によつてさらに分周しているのは
下記の理由による。

すなわち、分周器２２で分周された出力は基本
周波数を持つた出力のパルスを間引いた形とな
つて周期性が無いため、パルスをカウントするこ
とで周期を平均化するためである。

なお、チヨツパ４に送られる出力はパルスの巾
が一定であるため、分周された割合に応じてデユ
ーテイサイクルが変わり、結果としてインバータ
２の出力電圧が変化する。

このようにして制御されたインバータ２の出力
電圧は、電圧値の高低に関係なく高調波分の含有
率が一定となり、高調波の抑制が簡単で効率向上
が果されるし、異音、振動の抑制が簡単に行える
利点を有する。

本発明は叙上の構成および作用を有するもので
あり、交流誘導電動機１をインバータ２によつて
可変速運転する場合に、電動機電流が制御周波数
の下で極小値になるように自動制御せしめている
ので、交流誘導電動機１が負荷変動、電源変動の
影響を受けずに常に最高効率点で運転可能とな
り、その結果、電動機効率が従来の制御手段に比
し向上して消費電力が減少する。

また、従来は特定の負荷に対して最高効率を得
るにはインバータを専用化する必要に迫られてい
たが、本発明装置は負荷の種類やバラツキに関係
なく高効率を保証し得る普遍性を有している。

さらに、交流誘導電動機とインバータの組合わ
せにおいて、本発明装置を用いることによつて、
運転電流の減少にもとづいてインバータでの電力
損失が減り効率が向上するだけでなく、電流減少
によるインバータの信頼性向上が果される。

【図面の簡単な説明】

第１図は交流誘導電動機の回転数に対するトル
ク、効率特性線図、第２図は同じく負荷トルクを
パラメータとしたときの電圧−電流特性線図、第
３図および第４図は本発明装置例に係るインバー
タの出力電圧−電流、出力周波数−出力電圧の各
関係線図、第５図は本発明装置例に係る速度制御
回路要部展開図、第６図は同じく本発明装置例の
ブロツク回路図、第７図は本発明装置の動作説明
のためのタイムチヤートである。 １……交流誘導電動機、２……インバータ、７
……時限指令回路、８……電流センサ、９……記
憶回路、１０……比較回路、１１……電圧制御指
令回路、１２……電圧制御回路、H₁……基準時
刻、H₂……一定周期、Ｉ……第１電流信号、ｉ
……第２電流信号、ａ……第１出力、ｂ……第２
出力、e₁……周波数切換信号、e₄……第１信号、
e₅……第２信号、S₁……電圧減の出力電圧制御信
号、S₂……電圧増の出力電圧制御信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電圧と周波数との間に所定の関係を保持して
   なる出力をインバータ２から発して、交流誘導電
   動機１を可変速運転する速度制御装置において、
   周波数切換信号e₁が発せられた時点から一定時間
   T₁経過した基準時刻H₁を起点とする一定周期T₂
   毎にパルス状の第１信号e₄を発すると共に、前記
   基準時刻T₁以後の前記第１信号e₄が発信してい
   ない間、第２信号e₅を発する時限指令回路７、前
   記交流誘導電動機１又はインバータ２の電流を検
   出する電流センサ８、時限指令回路７の前記第２
   信号e₅を受ける毎に電流センサ８が現に検出した
   第１電流信号Ｉを記憶し、かつこの記憶した信号
   Ｉを前記第２信号e₅の消去に応じて出力する記憶
   回路９、該記憶回路９が記憶した前記第１電流信
   号Ｉと電流センサ８から現に出された第２電流信
   号ｉとを時限指令回路７の前記第１信号e₄が発せ
   られている間比較して、前記第１電流信号Ｉが前
   記第２電流信号ｉに比して小さいときに第１出力
   ａを、大きいときに第２出力ｂを発する比較回路
   １０、周波数切換信号e₁が発せられた時点から一
   定時間経過した前記基準時刻T₁のときと、比較
   回路１０が前記第１出力ａを発していて、かつ、
   直前回において電圧増の出力電圧制御信号S₂が出
   されていたときと、比較回路１０が前記第２出力
   ｂを発していて、かつ、直前回において電圧減の
   出力電圧制御信号S₁が出されていたときとの３つ
   の各条件によつて電圧減の出力電圧制御信号S₁を
   発する一方、比較回路１０が前記第１出力ａを発
   していて、かつ、直前回において電圧減の出力電
   圧制御信号S₁が出されていたときと、比較回路１
   ０が前記第２出力ｂを発していて、かつ直前回に
   おいて電圧増の出力電圧制御信号S₂が出されてい
   たときとの２つの各条件によつて電圧増の出力電
   圧制御信号S₂を発する電圧制御指令回路１１、該
   電圧制御指令回路１１から発せられる増減の出力
   電圧制御信号S₂，S₁によつてインバータ２の出力
   電圧を基準ステツプ電圧だけ増減せしめる電圧制
   御回路１２からなり、前記交流誘導電動機１の電
   流が極小となるよう出力電圧を自動調整すること
   により、交流誘導電動機１を常に最高効率の下で
   可変速制御せしめる如くしたことを特徴とする誘
   導電動機の速度制御装置。