JPS6392289A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

交流電動機の制御装置

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JPS6392289A
JPS6392289A JP61236555A JP23655586A JPS6392289A JP S6392289 A JPS6392289 A JP S6392289A JP 61236555 A JP61236555 A JP 61236555A JP 23655586 A JP23655586 A JP 23655586A JP S6392289 A JPS6392289 A JP S6392289A
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健明 朝枝
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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10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10図において、(1)は商用交流電源からの交流を
直流1こ変換する第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M f3
1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幅する速度偏差増
幅器、101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、aDは速度偏差増幅器(9)の出力
信号と電流検出器0■の電流帰環信号を突き合わせ増幅
する電流偏差増幅器、a′!:Iは電流偏差増幅器αD
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、0Jは界磁電流Ifの大きさ
を指令する指令信号Hpを出力する界磁指令回路、αり
はサイリスタ回路(1ηの交流入力電流の大きさを検出
する電流検出器、α9は界磁指令信号Ifpと電流検出
器−の出力信号を突き合わせ増幅する電流偏差増幅器、
Oeはサイリスタ回路071の点弧位相を制御するゲー
トパルス位相器、(171は界磁巻線Fに界磁電流If
を供給するサイリスク回路である。
次にその動作を説明するに、部品番号(7)〜a■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QOI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α31〜0ηは界磁電流Ifか界磁指令信号
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11図は第10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3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1fを電機子電流Iaに比例するように制御し− 
rは一定にして運転した時のベクトル図である。
第11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1aの増加(
IalからIaz)に伴ない低下(VlからV2)する
。この電圧低下により一節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、電機子電流工λの増加(Ial
からIaz )に伴なって端子電圧■が上昇(Vl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■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5つ一10
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Eoの大
きさと、この無負荷誘起電圧E。
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12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EOの大きさ及び該EO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1a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(r−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13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〉300であっても30°−
u lこなり、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
非常に太きくならないような端子電圧の設定が必要にな
る。
また電動機(3)に図示していないダンパー巻線を有す
る場合には、そのダンパー巻線の作用により、電機子電
流が急変した時に電機子反作用による端子電圧の位相及
び大きさの変化に時間遅れを生じる。その結果実際の位
相(γ十〇)を所定の値に保持できず、特にγが減少し
すきると一第2の変換器(2)が転流失敗を生じるなど
の問題があった。
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59−1077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(9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し、上記ベクトル
演算器の演算に時間遅れ要素をもたせて、電機子反作用
の応答時間に合わせる。
〔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、印は電動機(3)の端子電圧に対する電機
子電流の進み角0(力率角)を指令する力率角指令回路
、09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、■はベクトル演算器であって
、上記の力率角指令回路OQ及び無負荷端子電圧指令回
路0■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。r211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(イ)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
第2図はベクトル演算器(至)の詳細構成図を示す。
第2図において、(211)は1次遅れ回路であってI
aの1次遅れ信号Iaoを発生する。(201)はVo
とlaとyにより信号θ(相差角)を出力するθ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■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(2
03)の出力信号及びθよりiμdを出力するiμd演
算回路、(205)はIaとダより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ifa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
Xにより転流重なり角Uを演算するU演算回路、算する
加算回路、(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、上記実施例の動作原理を第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9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V、に対して、電機子電流Iaに応じ
て端子電圧■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■と9軸との位相差(相差角)をθ、電機子電
流Iaと端子電圧■の位相差(力率角)を/とすれば、
端子電圧Vは無負荷端子電圧Voとd軸方向に生じる電
機子反作用電圧成分Ead = Xaq Iacos 
($十〇)のベクトル和として求められ、次式の関係が
成立する。
V、tanθ=XaqIacos(ダ+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Voに対する
d軸電機子反作用電圧成分のパーユニットら相差角θを
求めるテーブルであり、(2)式の左辺のperuni
t値を入力することにより、所定のX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θの関数として次式より求められる。
■。
■演算回路(202)は(3)式に従い端子電圧■を演
算する。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(2
03)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iμ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=iμcosθ        ……(4)一方
、9軸方向の14を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。
Eaq =Xadiasin(Q+θ)・・・…(5)
このq軸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(2
06)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        −(61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1fpを得ている。
Ifp= iμd+ifa        ・旧・17
1第2の変換器(2)の点弧位相指令βは、9軸方向に
対して次式の関係式によって相差角θと力率角y及び転
流止なり角Uの和で与えられる。
β=θ+X十−・・・・・・(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rは次のようになる。
γ=a+−・・・・・・(9) ここで転流重なり角Uは次式に示される。
なお、00式は ■ 及び(9)式よりrを消去することにより得られる。
また、00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。
I   三 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〈20°〜25°に制限
しないとサイリスタのターンオフのたχ すれば、 となり、この@式に従ってU演算回路(208)は演算
を実行する。
以上−ベクトル演算器翰による定常状態における動作を
説明したが、次に電機子電流Iaが急変した場合の動作
例を第7図に、第8図に示す従来例と比較して示す。第
7図(a)に示す従来例のベクトル図において、電機子
電流1aがIa’に急減した場合に■2の大きさに応じ
てすぐに点弧位相βを減少させると、実際の端子電圧V
の大きさと位相は電動機(3)の図示していないダンパ
ー巻線の作用により急変できないで図示のv′の位相に
あるため、力率角XがX′に減少して転流失敗を生じる
。これに対して本発明のものでは第7図(b)に示すよ
うに、ベクトル演算器(支)内の1次遅れ回路(211
)の時定数をダンパー巻線の時定数と同じに設定するこ
とにより、相差角テーブル(202)の出力信号θは急
変せず、実際の電動機(3)の相差角θと同じように動
作して実際の力率角y′を指定値Xに等しくでき、転流
失敗を防止できる。また電機子電流を急増させるときに
は従来例ではβも急増させるために、力率角ダが過渡的
に大きくなり、力率低下を生じて出力が減少する。本発
明のものでは相差角θの変化に1次遅れ要素をもたせて
いるためβは急変せず、所定の力率角Xが保持できて出
力低下は生じない。
以上のように本発明のものは(1)〜(3)式のベクト
ル関係式に従い制御されるため、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/及び無負荷端子電圧V、を適当な値に選定
すれはよい。
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(、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。
なお、上記実施例で、定数Xad −Xaq、Xcは各
々d軸重機子反作用リアクタンス、9軸重機子反作用リ
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)
の出方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(20
3)により、磁化電流iμを演算する場合、その六方信
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、上記実施例ではベクトル演算器ωの六方信号とし
て電機子電流1aの検出信号を用いたものを示したが、
速度偏差増幅器(9)の出方信号を用いたものであって
もよ(−この場合には電機子電流Iaの検出信号と速度
偏差増幅器(9)の出方信号である電機子電流の基準信
号との偏差が小さくなるように電流偏差増幅器の応答特
性を高めれば、上記実施例と同様の効果を奏する。また
電機子電流Iaの検出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基準信号のいずれか大きい方
を選択してベクトル演算器■のIa入力信号としてもよ
い。
この場合には過渡的に両者に差が生じても大きい方を選
択することにより少なくとも転流失敗を防止できる。
また、上記実施例においてベクトル演算器囚の演算はマ
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
て一12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。
また上記実施例では位相制御回路C旧こ電動機(3)の
回転位置に同期した位相基準として位置検出器(4)の
出力信号を用いたものを示したが、第8図に示すように
電動機(3)の端子電圧を検出して位相基準とするよう
にしてもよく一ノはその端子電圧検出器であって位相制
御回路CI)にベクトル演算器ののγ信号とともに入力
される。また上記実施例に先行出願AP−20589号
記載の第1図に示すように電動機(3)の端子電圧制御
ループと第2変換器(2)の直流電圧制御ループを付加
したものであってもよく、その実施例を第9図に示す。
本図において01)は直流電圧指令回路であって、電機
子電流信号Iaと、電流機(3)の端子電圧を検出する
PT■及び電圧検出回路[有]の出力信号である端子電
圧信号Vfbと、ベクトル演算器囚の点弧位相角信号γ
が入力され直流電圧指令Erefと出力する。
(2)は直流電圧偏差増幅器であって、第2の変換器(
2)の直流電圧検出器ωの出力信号である直流電圧信号
Efbと前記直流電圧指令Erefとの偏差を増幅する
(至)は第1のスイッチであって、速度及び電機子電流
のレベルを判別する第1のレベル判別器(2滲にによっ
て開閉が制御され、前記直流電圧偏差増幅器(至)の出
力信号を入切する。
■は第1の加算器であって、前記第1のスイッチωの出
力信号とベクトル演算器■の出力信号βを加算し、その
出力を位相制御回路面に位相指令として与える。
(至)は端子電圧指令回路であって、ベクトル演算器義
の端子電圧信号■と電機子電流信号1aが入力され、端
子電圧指令Vrefを出力する。
■は端子電圧偏差増幅器であって一端子電圧検出器■の
出力信号である端子電圧信号Vfbと前記端子電圧指令
回路■の端子電圧指令Vrefとの偏差を増幅する。
+401は第2のスイッチであって、速度のレベルを判
別する第2のレベル判別器(41)によって開閉が制御
され、MjJ記端子電圧偏差増幅器田の出力信号を入切
する。
(4力は第2の加算器であって、前記第2のスイッチ(
40)の出力信号とベクトル演算器■の出力信号Ifp
を加算し−その出力を電流偏差増幅器(151に界磁電
流指令として与える。
本図の動作の詳細は省略するが、相差角θをもとに演算
されるβ信号によって第2の電力変換器が位相制御され
、また相差角θをもとに端子電圧信号■により電動機(
3)の端子電圧が制御されるため、第1図の実施例と同
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、またーこのベクトル演
算器の電機子電流信号にダンパー巻線の時定数と同じ1
次遅れ要素をもたせて、相差角θのテーブルの入力信号
とするように構成したので、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演算回路の特性図、
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(al (b)は従来のものとこ
の発明のものの過渡変化時における動作を比較説明する
ためのベクトル図、第8図及び第9図はこの発明の他の
実施例の制御装置を示す構成図、第10図は従来装置の
構成図、第11図は電動機の電圧と電流の関係を示すベ
クトル図、第12図は第10図に示した装置の動作を説
明するためのベクトル図、第13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、玉は力率角指令回路、0!1は無負荷端子電圧
指令回路、■はベクトル演算器、(201)は相差角演
算テーブル、(202)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、(207)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) −(
211)は−次遅れ回路。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 交流の周波数変換を行う電力変換器と、前記電力変換器
    の出力により駆動される交流電動機と、前記交流電動機
    の端子電圧の位相を検出する端子電圧検出器と、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ツト値を入
    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有し、前
    記相差角演算テーブルの電機子電流の入力信号に、前記
    電動機のダンパー巻線と等価の時定数に設定した一次遅
    れ要素をもたせたことを特徴とする交流電動機の制御装
    置。
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