JPH0480639B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は三相巻線形の誘導電動機のロータ巻
線に可変の電圧源を接続し、この電圧源の出力電
圧を操作することにより、ステータ巻線側の有効
電力及び無効電力を制御する装置に関するもので
ある。

〔従来技術〕

巻線形誘導電動機のロータ巻線に可変電圧源を
接続してステータ巻線側の有効電力，無効電力を
制御する技術が例えばIEEE Transaction on
Industry applications，Vol.IA−10，No.６，
11／12（1974），P806〜813に公知である。第８図
はこの文献に示された制御装置の構成図であり、
図において、１は三相交流電源であり巻線形誘導
電動機２のステータ巻線が接続されている。この
誘導電動機２のロータにはスリツプリングを介し
て三相のサイクロコンバータ３の出力端子が接続
され、また誘導電動機のロータには速度検出器４
が機械的に結合されている。５は電源１の周波数
を検出する周波数検出器、６は減算器、７は加算
器、８は積分器、９は有効電力指令値Ｐ^＊と実有
効電力値Ｐとの差ΔPを求める減算器、１０は無
効電力指令値Ｑ^＊と実無効電力値Ｑとの差を求め
る減算器、１１，１２はこれらＰ^＊，Ｑ^＊，Ｐ，
Ｑに基づき二つの電流指令値Iqr^＊，Idr^＊を演算
する電流基準発生器、１３は積分器８の出力θrと
電流指令値Iqr^＊，Idr^＊を入力され、三相電流指
令値Iar^＊，Ibr^＊，Icr^＊を出力する二相三相変
換器、１４ａ，１４ｂ，１４ｃはロータ巻線の三
相電流Iar，Ibr，Icrを検出する電流検出器、１
５ａ，１５ｂ，１５ｃは電流指令値と電流検出器
１４ａ，１４ｂ，１４ｃが検出した実電流との差
を得る減算器、１６ａ，１６ｂ，１６ｃはこの差
に基づいてサイクロコンバータ３に与える電圧基
準値var^＊，vbr^＊，vcr^＊を出力する電流コント
ローラ、１７は誘導電動機２のステータ巻線に連
なる系統の電圧，電流から有効電力Ｐと無効電力
Ｑを演算する電力検出器である。

このように構成された制御装置の動作は以下の
とおりである。即ちサイクロコンバータ３は入力
側電源の周波数電圧を制御入力によつて他の周波
数，電圧に変換して出力するものであり、ここで
は入力側電源を三相交流電源１とし、また制御入
力をvar^＊，vbr^＊，vcr^＊として可変周波数，可
変電圧の電圧var，vbr，vcrを出力する。サイク
ロコンバータ３は、３組の単相サイクロコンバー
タをスター結線したものであり、各単相サイクロ
コンバータは、２群のサイリスタコンバータから
構成される。この様なサイクロコンバータによ
り、任意の出力波形を得る方法は、例えばB.R.
Pelly著「サイクロコンバータ」（西條訳，電気書
院（1976））等に詳細に述べられている。

さて巻線形誘導電動機２は、ステータ巻線に電
源１が接続され、ロータ巻線に上記サイクロコン
バータ３が接続されている。ロータ巻線に供給す
る電流Iar，Ibr，Icrの基本周波数は、電源周波
数に同期する様にステータの角速度ωeと、ロー
タの角速度ωrとの差 ωs＝ωe−ωr で決められる。ωeの検出器、つまり電源の周波
数検出器５としてはPLL（Ｐhase Ｌocked Ｌ
oop）回路の／Ｖ（周波数／電圧）変換器が使
用される。ロータの角速度ωrの検出器、つまり
ロータの速度検出器４としてパルスジエネレータ
と、その出力を与える／Ｖ変換器が使用され
る。電源１と、誘導電動機２との間の電力の授受
は、ステータ入力電圧とロータ入力電流との位相
関係で決る。そこでこの電力を制御するために第
３の信号ΔPが基本周波数ループに入力される。
ΔPは、有効電力指令値Ｐ^＊と実際の有効電力値
Ｐとの差分に相当し、この誤差を零とする様にス
テータ入力電圧に対するロータ電流位相が制御さ
れる。減算器６出力の速度差はサイクロコンバー
タ３の周波数指令値として用いられるが、加算器
７にてΔPにより補正された後、積分器８で積分
される。この出力が、ロータ電流の位相基準値θr
となる。二相三相変換器１３は、位相θrから90゜
位相のずれた三相正弦波を作成する関数発生器
と、この関数発生器出力と電流指令値Iqr^＊，Idr
^＊とから次の演算を行なつて三相電流指令値Iar
^＊，Ibr^＊，Icr^＊を求めて出力する演算器とを備
えている。

Iar^＊＝Iqr^＊ cosθr＋Idr^＊ sinθr Ibr^＊＝Iqr^＊ cos（θr−2π／３） ＋Idr^＊ sin（θr−2π／３） Icr^＊＝Iqr^＊ cos（θr＋2π／３） ＋Idr^＊ sin（θr＋2π／３） 電流指令値Iqr^＊は、有効電力基準値Ｐ^＊と実
有効電力値Ｐとの差ΔPを減算器９で求め、電流
基準発生器１１でこの偏差を比例積分した結果で
あり、Ｐ^＊がＰに等しくなる様に決定される。一
方電流指令値Idr^＊は無効電力基準値Ｑ^＊と実無
効電力値Ｑとの差ΔQを減算器１０で求め、電流
基準発生器１２でこの偏差を比例積分した結果で
あり、Ｑ^＊がＱに等しくなる様に決定される。

第９図は従来装置の動作を説明するベクトル図
であり、ステータ入力電圧ベクトルをqs軸にと
り、それと直交する方向にds軸をとつている。し
たがつて、ステータ電流のqs軸成分が有効電力Ｐ
に比例し、ds軸成分が無効電力Ｑに比例する。一
方、qr−dr軸は、ロータ電流ベクトルの基準軸で
あり、ロータの位相基準値θrで決定される。即ち θr＝∫（ωs＋ΔP）dt であるから、図示のようにΔPが正となると、ロ
ータの位相は、ステータ位相より進み方向に変化
し、ΔPが負となると、ロータ位相は、ステータ
位相より遅れる。その結果、qs−ds軸と、qr−dr
軸との間に位相差Δθが生じる。有効電力Ｐを制
御することを目的としてIqr^＊が、また、無効電
力Ｑを制御することを目的として、Idr^＊が出力
され、これらによつてロータ電流Ｉ・ｒが定まる。
このロータ電流Ｉ・ｒは、ステータ側のqs−ds軸か
らみると、qs軸成分IP，ds軸成分IQとなり、ス
テータ側にIPに比例した有効電力と、IQに比例
した無効電力とを生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の装置は、以上のように構成されているの
で、有効電力Ｐを制御すべくＰ^＊を変化させると
ロータ側の位相がΔθだけ変化する。そのため、
ロータ側の電流指令値Iqr^＊，Idr^＊がそれぞれス
テータ側の有効電力，無効電力に一義的に対応し
ない。すなわち有効電力を変化せしめるべくIqr
^＊を変化させるIPだけでなく、IQも変化して、
無効電力が影響を受ける。逆に、無効電力を変え
ようとすると、有効電力が変化する。その結果、
有効電力，無効電力を高速かつ安定に制御する事
が困難であつた。

本発明は、上述の如き従来技術の問題点を解決
すべくなされたものであつて、ステータ側の有効
電力，無効電力を各別に制御でき、これによつて
高速かつ安定な電力制御のできる巻線形誘導電動
機の電力制御装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る誘導電動機の電力制御装置は、ス
テータ巻線に印加される電圧の位相θeと、ロータ
巻線の回転位相θrとを検出してその位相差θs＝θe
−θrを算出してステータの座標軸ds−qsに対する
ロータの座標軸dr−qrを決定する一方、ロータ巻
線の三相電流をθsを用いて三相二相変換してロー
タ電流のうち有効電力，無効電力の夫々に比例す
る成分iqr，idrを帰還値として得、これを所望の
有効、無効電力値に係る夫々の指令値iqr^＊，idr
^＊と一致させるべき二相の電圧指令信号を得、こ
れをθsを用いて三相の電圧指令信号に変換して、
ロータ巻線に連なるサイクロコンバータ等の可変
電圧源の制御入力とする構成としたものである。

〔作用〕

本発明装置においては、ステータ巻線に印加さ
れる電圧の位相θeとロータ巻線の回転位相θrとの
位相差θsにてロータの三相電流を座標変換してこ
れを有効分と無効分との２成分iqr，idrに分離
し、一方位相差θsにてロータの三相量の決定、つ
まり、これに印加すべき電圧への座標変換を行う
ので、ステータ側の電力を有効分と無効分とに分
離して各別に制御することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて
詳述する。第１図は、この発明の実施例による制
御装置の構成ブロツク図である。図において、２
は三相の巻線形誘導電動機であり、そのステータ
巻線には三相交流電源１が接続され、またロータ
巻線にはスリツプリングを介して三相のサイクロ
コンバータ３が可変電圧源として接続されてい
る。サイクロコンバータ３は電源１を入力電源と
しており、後述する二相三相の座標変換器３１出
力を制御入力としている。巻線形誘導電動機２の
ロータにはロータ巻線の位置θr、つまりその回転
位相を検出するロータ位相検出器２１が機械的に
結合されている。電源１と誘導電動機２との間に
はステータ巻線の電圧位相θeを検出する電源位相
検出器２０が設けられており、このθe及び前記θr
は減算器２２に入力され、位相差θs＝θe−θrが算
出される。

θsは座標変換器２６，３１に入力される。

誘導電動機２のロータ巻線に流れる三相電流
iu，iv，iwをCT等の電流検出器２５にて検出し、
これを三相二相の座標変換器２６に入力すべく構
成してある。減算器２２出力θsはこの変換のため
に座標変換器２６に入力されている。

２３は、誘導電動機２のステータ側の有効電力
の基準値Ｐ^＊を図示しない有効電力設定回路から
入力され、所定の係数Ｋを乗算する事により、ｑ
軸成分の電流指令値Iqr^＊を発生する係数器、２
４は、誘導電動機２のステータ側の無効電力の基
準値Ｑ^＊を図示しない無効電力設定回路から入力
され、所定の係数Ｋを乗算する事により、ｄ軸成
分の電流指令値Idr^＊を発生する係数器であり、
両係数器２３，２４の各出力Iqr^＊，Idr^＊は減算
器２７，２８に入力され、ここで座標変換器２６
出力のIqr，Idrとの差が算出され、この差は電流
制御器２９，３０夫々に入力される。

座標変換器２６は下記(1)式によりIqr，Idrを算
出する。

電流制御器２９（又は３０）は電流指令値Iqr
^＊（又はIdr^＊）と座標変換された検出電流値Iqr
（又はIdr）との偏差を比例積分して有効電力Ｐ^＊
を実現すべきロータ巻線への印加電圧の二相値
vqrに相当する制御信号vqr^＊（又は無効電力Ｑ
^＊を実現すべきロータ巻線への印加電圧の二相値
vqrに相当する制御信号vdr^＊を演算して出力す
るものである。

二相三相座標変換器３１は位相θsとロータの座
標軸dr−qr上での二相電圧指令値vdr^＊，vqr^＊
を入力され、下記(2)式によりロータ巻線に印加す
べき三相電圧指令値を演算し、vu，vv，vwをサ
イクロコンバータ３から得るための制御信号vu
^＊，vv^＊，vw^＊を出力するものである。

vu^＊，vv^＊，vw^＊は、三相サイクロコンバー
タ３に与えられ、各相のサイクロコンバータは誘
導電動機２のロータ巻線にこの指令値に従つて電
圧vu，vv，vwを発生するように点弧制御され
る。

次に本発明装置により有効電力と無効電力とが
独立的に制御できるとする理由について説明す
る。

ステータ側の有効電力Ｐと無効電力Ｑは、ステ
ータ電流Ｉ・ｓを直交する二成分に分けて制御する
ことにより独立に制御される。ステータの三相電
流の直交２成分をIqs，Idsとし、電源電圧Ｖ・ｓと
Iqsとが同相であり、Idsがこれより90゜遅れてい
るものとする。

これをベクトル表示すると、 Ｖ・ｓ＝１／√２VSM …(3) 但し、VSMは電源電圧の波高値 Ｉ・ｓ＝１／√２（Iqs−jIds） …(4) 但し、Ｉ・ｓはステータ巻線の電流を表すベクト
ル値 となる。この関係を図示すると、第２図の様にな
る。ｄ−ｑ軸は電源の周波数で回転する回転座標
軸であり、この座標軸上では、Ｉ・ｓは静止してみ
える。従つて、Ids，Iqsは直流量である。(3)，(4)
式よりＰ，Ｑを求めると、 Ｐ＝３／２VSMIqs …(5) Ｑ＝３／２VSMIds …(6) となり、Ｐ，ＱとIqs，Idsとはそれぞれ比例して
いることがわかる。

第３図に示す誘導電動機の等価回路において、
Ｖ・ｓ：ステータ電圧、Ｉ・ｓ：ステータ電流、Ｖ・
ｒ：ロータ電圧（サイクロコンバータ出力電圧）
Ｉ・ｒ：ロータ電流である。

またXs＝XM＋Xs ｌ Xr＝XM＋Xr ｌ XM＝ωe Ｍ 但しωe：電源角周波数 Ｍ ：相互インダクタン Xs ｌ：ステータの漏れリアクタンス Xr ｌ：ロータの漏れリアクタンス その他rsはステータ抵抗，rrはロータ抵抗，Ｓ
はすべりである。

なお第２図に示すIqr，IdrはＩ・ｒのｑ軸，ｄ軸
成分である。なおロータ側の量はステータ側に換
算して示してある。

誘導電動機の回転数は、ほぼ電源の周波数に同
期しており、一般にすべりＳは非常に小さな範囲
で運転される。そこでロータ側のjsXr成分と
jsXM Ｉ・ｓの成分は無視できる程小さいと考え
ることができる。その結果、ロータ側の電圧Ｖ・ｒ
と電流Ｉ・ｒの間には(7)式が成立する。

Ｉ・ｒ≒１／rrＶ・ｒ …(7) 一方、ステータ側では通常rsはXsに比べて充
分小さい。そこでrsを無視すると、(8)式の関係が
成立する。

Ｉ・ｓ≒１／jXs（Ｖ・ｓ−jXM Ｉ・ｒ） ＝１／jXsＶ・ｓ−XM／XsＩ・ｒ …(8) (8)式のＩ・ｓをｄ軸成分とｑ軸成分に分解する
と、(9)，(10)式が得られる。

Iqs≒−XM／XsIqr …(9) Ids≒−１／XsＶ／SM−XM／XsIdr …(10) このうちVSMは電源電圧であり、これを一定
と考えれば、Iqr，Idrを変化させることにより
Iqs，Idsが変化し、その結果これに比例してＰ，
Ｑが変化する。

一方(7)式のＩ・ｒを、ｄ軸成分とｑ軸成分とに分
解すると(11)，(12)式が得られる。

Idr≒１／rrVdr …(11) Iqr≒１／rrVqr …(12) であるから、Vdrを増減することによりIdrが、
また、Vqrを増減することによりIqrがそれぞれ
増減する。この様にサイクロコンバータ３の電圧
をステータ電源電圧Ｖ・ｓの位相θeとロータの位相
θrとの位相差θsに同期した２成分の電圧Vqr，
Vdrに分解することで、Iqr，Idrは独立制御さ
れ、その結果、Iqs，Idsが独立制御され、従つて
(5)，(6)式よりＰ，Ｑが独立に制御される。これに
伴いロータのｄ−ｑ軸は、ステータｄ−ｑ軸と同
期して回転し、その位相も一致する。

電圧指令に従つてサイクロコンバータ３がロー
タ巻線に電圧vu，vv，vwを発生するが、この電
圧をベクトル表示した電圧Ｖ・ｒは、θeで回転する
座標軸ｄ−ｑ軸上ではＩ・ｓと同様静止してみえ
る。Ｖ・ｒのｄ−ｑ軸上における直交成分，vqr，
vdrはロータの実際の三相電圧vu，vv，vwを(13)
式の様にステータｄ−ｑ軸に座標変換したもので
ある。

いま、vu，vv，vwが指令値vu^＊，vv^＊，vw
^＊に従つて発生していると考えると、(2)式と(13)
式より vqr vdr＝vqr^＊ vdr^＊ となり電流制御器２９，３０で指令された二相電
圧指令vqr^＊，vdr^＊と実際のｄ−ｑ軸成分電圧
Vqr，Vdrとは一致する。このように、座標変換
器３１は、サイクロコンバータの電圧をステータ
電源電圧Ｖ・ｓに同期した座標軸上の直交二成分電
圧Vqr，Vdrに分解して制御することを可能にし
ている。

叙上の如く、この発明によれば、ステータ電圧
位相θeと同期した座標軸上でロータ電流，ロータ
電圧が制御されるので、ステータ座標軸とロータ
座標軸の相対的なずれによる有効電力，無効電力
の制御上の干渉が無くなる。また、有効電力，無
効電力がIqr^＊，Idr^＊に比例するので、実際の有
効電力Ｐ，無効電力Ｑを検出し、フイードバツク
する必要は無く、係数器のみによつてＰ，Ｑのオ
ープンループ制御を行うことができ、構成が簡単
である。

なお、上記実施例では電流制御器２９，３０の
機能を比例積分動作として説明したが、比例動作
のみであつてもよい。また、直交二成分の電流基
準値Iqr^＊とIdr^＊とを指令する方法としては、係
数器２３，２４によるオープンループ制御の実施
例にて説明したが、クロースドループの制御も可
能である。

即ち第４図に示す如く従来例と同様に電力検出
器１７でステータ側の有効電力値Ｐと無効電力値
Ｑとを検出し、減算器９，１０で有効電力指令値
Ｐ^＊，無効電力指令値Ｑ^＊とＰ，Ｑとの減算を
夫々行い、この偏差を零とするように有効電力制
御器１１及び無効電力制御器１２でIqr^＊，Idr^＊
を定める構成としてもよいことは勿論である。

更に上記実施例ではサイクロコンバータを可変
電圧源としているが、インバータを使用してもよ
い。

第５図，第６図，第７図は、本発明の他の利用
例を示している。前述のようにIdr^＊により誘導
電動機のステータ側の無効電力の制御が行なえる
ことを着目し、ステータ側の端子電圧を電圧基準
設定回路４１にて設定した所定値Vs^＊に保持す
るように構成しているのが第５図の例である。

電圧検出器３２によりステータの端子電圧Vs
を検出し、減算器３３により、Vs^＊とVsとの差
をとり、この偏差を増幅器３４で増幅してIdr^＊
を求める。その結果、端子電圧Vsが所定値Vs^＊
より小さくなつた場合、Idr^＊が負となり、進相
の無効電力が流れ、Ｖ・ｓを上昇させる。逆にVs
が所定値Vs^＊より大きくなると、Idr^＊が正とな
り、遅相の無効電力をとるので、Ｖ・ｓは下降し、
電圧を所定値に保つ。

誘導電動機においては、有効電力Ｐと誘導電動
機の発生トルクＴとが比例関係にある。

第６図の回路はこれを利用したものであり、係
数器３５により、所望トルクＴ^＊に相当する信号
（トルク基準設定回路４２にて設定される）に比
例したｑ軸電流指令値Iqr^＊を与えることにより、
所要の有効電力Ｐを得、これによりトルクを制御
する。

第７図は、上記トルク制御を速度制御に拡張し
たものである。即ちパルスジエネレータ等の速度
検出器３６で回転数Ｎを検出し、速度基準設定回
路４３にて設定される回転数Ｎ^＊と減算器３７に
て比較してこの偏差を増幅器３８で増幅した結果
を、Iqr^＊とすることにより、速度制御を行わん
とするものである。

〔効果〕

以上のように本発明装置はステータ電圧の位相
θeとロータ巻線の位相θrとを検出し、ロータ電流
を有効電力Ｐにのみ関係する成分と、無効電力Ｑ
にのみ関係する成分とに分解する様に位相差θs＝
θe−θrを用いて三相二相の座標変換し、またロー
タ電圧指令値も位相差θsによつて座標変換するこ
とによつて、ステータ電圧の位相θeに同期した二
つの直交成分に分解した操作できるようにしたも
のであるので、有効電力と無効電力とをそれぞれ
独立に制御することが可能となり、互いに干渉が
発生せず、安定かつ高速の有効電力，無効電力制
御が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は本発明装置の動作原理を説明するベクト
ル関係図、第３図は巻線形誘導電動機の等価回路
図、第４図は本発明の他の実施例を示すブロツク
図、第５図，第６図及び第７図は発明の他への転
用例を示すブロツク図、第８図は従来の誘導電動
機の電力制御装置の構成ブロツク図、第９図は従
来装置の動作ベクトル関係図である。 １…電源、２…巻線形誘導電動機、３…可変電
圧源（サイクロコンバータ）、２０…電源位相検
出器、２１…ロータ位相検出器、２２，２７，２
８，３３，３７…減算器、２３，２４，３５…係
数器、２５…電流検出器、２６，３１…座標変換
器、２９，３０…電流制御器、３２…電圧検出
器、３４，３８…増幅器、３６…速度検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 三相巻線形誘導電動機のロータ巻線に電圧を
   印加してステータ巻線側の電力を制御する装置に
   おいて、 前記ロータ巻線に連なる可変電圧源と、 前記ステータ巻線に印加される電圧の位相θeを検
   出する電源位相検出器と、 ロータ巻線の回転位相θrを検出するロータ位相
   検出器と、 電源位相検出器が検出したθeとロータ位相検出
   器が検出したθrとの差θs＝θe−θrを演算する位相
   差演算器と、 所望の有効電力値に係る第１の電流指令値iqr
   ^＊を発生する第１の基準発生器と、 所望の無効電力値に係る第２の電流指令値idr
   ^＊を発生する第２の基準発生器と、 ロータ巻線の三相の電流iu，iv，iwを検出する
   電流検出器と、 該電流検出器が検出したiu，iv，iwと前記位相
   θeとにより下記(1)式に基づいて、第１及び第２の
   電流帰還値iqr，idrを演算する第１の座標変換器
   と、 第１，第２の電流指令値iqr^＊，idr^＊と第１，
   第２の電流帰還値iqr，idrとの偏差に基づいて第
   １，第２の電圧指令値vqr^＊，vdr^＊を演算する
   電流制御器と、 第１，第２の電圧指令値vqr^＊，vdr^＊と、前
   記位相差θsとを入力とし、下記(2)式に基づいて、
   ロータ巻線に印加すべき電圧vu，vv，vwを演算
   する第２の座標変換器と、 を有し、前記電圧vu，vv，vwを前記可変電圧源
   の出力電圧とする制御を行うべく構成したことを
   特徴とする誘導電動機の電力制御装置。 ２ 前記可変電圧源がサイクロコンバータである
   特許請求の範囲第１項記載の誘導電動機の電力制
   御装置。 ３ 前記第１の基準発生器が有効電力基準の設定
   値に所定係数を乗じる演算器を含む特許請求の範
   囲第１項記載の誘導電動機の電力制御装置。 ４ 前記第２の基準発生器が無効電力基準の設定
   値に所定係数を乗じる演算器を含む特許請求の範
   囲第１項記載の誘導電動機の電力制御装置。 ５ 前記第２の基準発生器が、電圧基準信号を発
   する電圧基準設定回路と、誘導電動機のステータ
   巻線の電圧を検出する電圧検出器と、電圧基準設
   定回路及び電圧検出器の出力の差を求める演算器
   と、該演算器の出力に所定の係数を乗じる演算器
   とを備える特許請求の範囲第１項記載の誘導電動
   機の電力制御装置。 ６ 前記第１の基準発生器がトルク基準信号を発
   するトルク基準設定回路と、該トルク基準信号に
   所定の係数を乗じる演算器とを備える特許請求の
   範囲第１項記載の誘導電動機の電力制御装置。 ７ 前記第１の基準発生器が速度基準信号を発す
   る速度基準設定回路と、誘導電動機の回転数検出
   器と、速度基準設定回路及び回転数検出器の出力
   の差を求める演算器とを備える特許請求の範囲第
   １項記載の誘導電動機の電力制御装置。