JPH0531392B2

JPH0531392B2 -

Info

Publication number: JPH0531392B2
Application number: JP62030662A
Authority: JP
Inventors: Hisaya Sasamoto; Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-02-14
Filing date: 1987-02-14
Publication date: 1993-05-12
Also published as: JPS63202290A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は二次励磁制御可能な誘導機の速度制御
方法に係り、特に比較的大きな始動トルクが要求
される機械を可変速駆動するのに好適な速度制御
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来からポンプやフアンの可変速駆動用として
セルビウム装置が用いられている。これは巻線形
誘導機の二次巻線に順変換器（交流−直流変換
器）を接続し、更に直流リアクトル及び逆変換器
（直流−交流変換器）を介して二次電力を交流電
源に回生する装置である。この装置は速度制御範
囲の大きさに比例して逆変換器の容量が増え、さ
らに低すべり領域においては逆変換器の点弧遅れ
角がα≒90゜の運転を行うことから、無効電流が
大きく、システム全体の力率も低下するという欠
点があつた。これを避けるために、通常この種装
置においては、可変速範囲を定格速度の60〜100
％程度の値にとることが普通であり、０〜60％の
速度範囲は二次巻線に始動抵抗器を接続すること
によつて運転していた。

第２図は始動抵抗制御回路図で、Ｐは固定子に
設けた一次巻線、Ｓは回転子に設けた二次巻線
で、二次巻線ＳにはスリツプリングＢを介して可
変形の始動抵抗器Ｒが接続されている。このよう
にして二次回路の抵抗値kr₂を二次巻線Ｓの抵抗
値r₂と始動抵抗器Ｒの抵抗値Ｒの加算値（r₂＋Ｒ
＝kr₂）とし、始動の際はＲ、すなわち、ｋを最
大に保つて大きな始動トルクを得、その後速度上
昇とともにＲを減じて行くことによつて、トルク
−速度曲線を公知の比例推移の原理により、第３
図のように、曲線→→と右の方に推移して
行くものである。この時、抵抗値Ｒを段階的に変
化すると電流がのこぎり歯状に変化し、トルクが
第３図のa₁→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｆのように変動す
る。このトルクの不連続が起こらないようにする
ためには、始動抵抗器Ｒは連続可変のものとする
必要がある。また、始動抵抗器Ｒによる運転から
セルビウス装置による運転への切換えに際してト
ルクが不連続に変動する不具合がある。

また、始動抵抗器Ｒを速度制御に用いる場合
は、発生熱量による温度上昇に耐え得る容量のも
のを用いることが必要である。これらの観点か
ら、通常は、始動抵抗器として水抵抗器等の大が
かりな装置が使われているが、これは省スペー
ス、省保守性に反している。

なお、この種の速度制御方法として関連するも
のには、例えば実開昭56−175000号公報、特開昭
60−82082号公報、特開昭60−156297号公報等が
挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述のように従来の速度制御方法は、全速度範
囲をセルビウス装置のみで制御し且つ大きな始動
トルクを得ようとする大電流容量の逆変換器が必
要になると共に力率が低下し、また、全速度範囲
を抵抗器のみで円滑に制御しようとすると大電力
容量の連続可変形抵抗器が必要となることから装
置が大形化し、更に、低速領域の制御を抵抗器で
行い、高速領域の制御をセルビウス装置で行うよ
うにした場合は両制御領域の間での切換えタイミ
ングを誤るとトルクが不連続になる問題があつ
た。

従つて本発明の目的は、比較的小容量の逆変換
器を用いて大きな始動トルクを得ると共に、その
全速度範囲において高力率で円滑なトルク速度制
御を行うことができる誘導機の速度制御方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、二次励磁
可能な誘導機の二次電圧を直流に変換する順変換
器と、該順変換器の出力回路を短絡する自己消弧
形素子より成る二次電流制御用の二次チヨツパ
と、該二次チヨツパと並列にダイオードを介して
接続されたコンデンサと、該コンデンサの端子間
に得られる前記誘導機の二次電力を交流に変換す
る逆変換器とを備え、前記誘導機の二次電力を交
流電源に回生して速度制御する誘導機の速度制御
方法において、前記誘導機の二次側に前記順変換
器と並列に開閉要素を介して固定抵抗値の抵抗器
を接続し、回転速度が所定値以下のときには、前
記開閉要素を閉じて前記抵抗器を前記誘導機の二
次側に接続し、前記抵抗器に電流を流しながら同
時に前記二次チヨツパにより二次電流を制御して
その二次電力を交流電源に回生し、所定値より大
きいときには、前記開閉要素を開いて前記抵抗器
を切り離し、前記誘導機の二次電力を全て交流電
源に回生することを特徴とする。

〔作用〕

回転速度が所定値以下の低速領域においては、
抵抗器に電流を流しながら二次チヨツパにより二
次電流を常に制御することにより、逆変換器の容
量を増大することなく大きな始動トルクが得られ
るとともに、抵抗値が固定の抵抗器を用いてトル
クを連続的に制御し、円滑な速度制御を行うこと
ができる。また、回転速度が所定値より大きい高
速領域においては、抵抗器を切り離して二次電力
を全て交流電源に回生することにより、抵抗器に
よるジユール損を除いて高い効率が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。

先ず主回路の構成について説明する。１は巻線
形誘導電動機（以下IMと称す）、２はIM１の二
次電圧を直流に変換する順変換器、３及び６はト
ランジスタ、４は逆流阻止用のダイオード、５は
平滑用のコンデンサである。トランジスタ３及び
６は、自己消弧形素子であるGTO（ゲートターン
オフサイリスタ＝gate turn off Thyristor）
などの素子でも良い。なお、トランジスタ３は二
次チヨツパを、トランジスタ６は回生チヨツパを
構成する。７は還流ダイオード、８はIM１の二
次電力を交流電源に回生するためのサイリスタ逆
変換器、９は変圧器である。２６はIM１の二次
巻線の各相に順変換器２と並列関係に接続した抵
抗器である。２７は該抵抗器２６を回路より切り
離すための回路開閉要素であり、半導体素子で構
成した半導体スイツチ、或いは、コンタクター等
で構成される。なお、該開閉要素２７は、IM１
の始動時（回転速度が所定値以下の時）は閉路、
定常運転時（回転数が所定値以上の時）は開路と
なるように構成される。また、２３は電源線、２
４は逆変換器８を変圧器９に接続する電線であ
る。

次に検出部及び制御回路部について説明する。
１０はIM１に直結された速度検出器、１１は速
度指令回路、１２は速度検出器１０の信号と速度
指令信号の偏差を増幅して、電流指令信号ｉ＊を
出力する速度調節器である。１３は順変換器２の
出力電流i_dを検出するための電流検出器、１４は
速度調節器１２から送られた電流指令信号ｉ＊と
前記電流検出器１３より得られた電流検出信号を
比較し、トランジスタ３のオン、オフ制御信号を
出力するヒステリシス特性付きの比較器、１５は
トランジスタ３にベース電流を供給するための増
幅器である。コンデンサ５の電圧を一定に制御す
るための制御部は前述の制御回路部とほぼ同一手
法で構成される。すなわち、１６は電圧指令回
路、１７は電圧検出器、１８は電圧調節器、１９
は電流検出器、２０はヒステリシス特性付き比較
器、２１はトランジスタ６のベース駆動用増幅器
である。２２は逆変換器８を一定点弧位相にて点
弧制御する回路である。

この実施例の速度制御方法における基本動作
は、以下の通りである。速度調節器１２の出力信
号ｉ＊に応じて、トランジスタ３（二次チヨツ
パ）をオン、オフ動作させて順変換器２の出力電
流idを制御し、これによつてIM１の二次電流i₂、
更にはこれと比例関係にあるトルクを制御して速
度制御を行う。ところでトランジスタ３がオフ期
間中、直流電流はダイオード４を介してコンデン
サ５を充電する。このとき、IM１の二次電力は、
コンデンサ５に送られ、略一定電圧の直流に変換
される。次に、コンデンサ５の電圧が一定となる
ように、トランジスタ６（回生チヨツパ）をオ
ン、オフ動作させる。トランジスタ６がオン期間
中に流れた電流は逆変換器８に達し、この結果、
IM１の二次電力が逆変換器８と変圧器９を介し
て交流電源に回生される。

トランジスタ３、ダイオード４、コンデンサ５
及びトランジスタ６で形成される回路はすべりに
よつて変動する二次電圧、つまり順変換器２の出
力電圧を一定電圧の直流に変換する作用がある。
ここで、回路損失を無視すると、逆変換器８側に
伝達される電力は、IM１の二次電力に等しくな
る。二次電力は、二次電力と二次電圧の積で表わ
されるから、今、二次電流が回転数の二乗に比例
し、二次電圧が回転数に反比例することを考慮す
ると、二次電力の値はすべりが1/3の時に最大値
を示し、その値は電動機出力の1/6となる。従つ
て、ポンプやフアンのように負荷トルクが回転数
の二乗で変化する負荷に対しては、逆変換器８で
扱う電力は、最大でも、電動機出力の1/6で良い
ことになる。

この二次電力は、前述のようにトランジスタ３
及び６等の作用により、一定電圧の直流に変換さ
れるため、トランジスタ６（回生チヨツパ）及び
逆変換器８の電流は、最大時においても順変換器
２の定格出力電流（IM１の定格二次電流と比例）
の約1/6となり、逆変換器８及び変圧器９の容量
を電動機容量の約1/6に低減できる。

また、逆変換器８は一定点弧位相にて制御され
るため、力率はすべりに関係なく常に一定の高い
値（0.7〜0.8）に保持される。特に定格速度（す
べりがほぼ零）付近においては、逆変換器８の電
流がほぼ零（二次電力がほぼ零）となることか
ら、逆変換器８からの無効電力の発生がなく、シ
ステム全体として高力率かつ高効率運転が行え
る。従つて、逆変換器８の容量及びシステム力率
は、速度制御範囲とは無関係となるため、速度範
囲を０〜100％の全領域にとることができる。

然るに前述のようにして逆変換器容量を電動機
容量の1/6に設定した場合、回転速度が零（すべ
り＝１）におけるトルク（二次電流）は定格の約
１／６に制限される。ポンプ、フアン等の場合は普
通これで十分であるが、始動時における負荷トル
クが大きいような場合においては、これではトル
ク不足となる。逆変換器８の容量を増加させれば
このトルク不足は解消するが、同時に、ダイオー
ド４，７、コンデンサ５、トランジスタ６及び変
圧器９の電流容量も増大させる必要があるため不
経済となる。

本発明は、これらの欠点を次に述べるような方
法で解消するものである。

一般に、誘導機のトルクは二次入力P₂₀（同期ワ
ツト）に比例する。又、この二次入力P₂₀は回転
機のすべりｓの値に応じて機械出力Ｍと二次電気
出力P₂に分かれる。すなわち、Ｍ＝（１−ｓ）P₂₀ ……(1) P₂＝ｓ・P₂₀ ……(2) また、トルクＴと二次電気出力P₂の関係は、
次式にて示される。

P₂＝ωs／ｐ・Ｔ ……(3) ここに、ωs：すべり角周波数、ｐ：極対数で
ある。すなわち、トルクＴとすべりｓの関係に従
いP₂が定まる。P₂はトランジスタ３及び逆変換
器８等の動作により交流電源に回生される部分
と、順変換器２と並列に接続された抵抗器２６で
消費される部分に分かれるが、いま抵抗器２６に
おいて消費される電力3Ri² _RをP₂から逆変換器８
の回生可能最大電力P_rを差引いた残りとなるよう
に定めるとすれば、次式が成立する。

3Ri² _R＝P₂−P_r ……(4) ここに、Ｒ：抵抗器２６の一相分の抵抗値、
i_R：抵抗器電流。

これより、抵抗値Ｒは、Ｒ＝P₂−P_r／3i²／_R ……(5) である。なお、抵抗器２６として固定抵抗値のも
のを使用する場合には、Ｒは、開閉素子２７が閉
である運転範囲において(4)式が最大となる場合を
考慮して決定される。

このような抵抗値を有する抵抗器２６を前述の
ように接続し、トランジスタ３により順変換器２
の出力電流を制御すると、逆変換器８の回生電力
を該逆変換器８の許容上限値以内に抑制しながら
所要トルクを得ることができる。また、順変換器
２の出力電流i_dは、速度調整器１２からの速度偏
差に応じた電流指令信号ｉ＊に比例して制御され
るため、回転速度は速度指令値に一致するように
速度制御される。

第４図は、これらの関係を誘導機のすべり対二
次電流曲線で示した図である。二次電流は誘導機
のトルクと比例する関係にあるから、この図よ
り、すべり−トルク特性を知ることができる。図
において、曲線I₂は始動抵抗器なしの制御回路の
みの運転特性を示す。この場合、図からもわかる
ように、すべりｓ＝１における始動トルクの値は
非常に小さい。通常のポンプやフアンのように始
動時における負荷トルクが小さい場合はこれで十
分に運転開始できるが、何らかの原因で負荷トル
クが大きくなつた時は運転不能となる。これに対
処するために始動トルクを増大する方法として、
抵抗器を接続する方法を前に述べた。曲線I′₂は、
二次抵抗器接続によるすべり−二次電流（トル
ク）特性を示すもので、第３図にも示したよう
に、付加抵抗器の値を適当に選ぶことによつて、
比例推移により、始動トクルを増大することがで
きる。通常の運転法においては、付加抵抗器によ
り十分な始動トルクを得てａ点より曲線I′₂上を
曲線I₂との交点Ｍまで運転し、Ｍ点より抵抗器を
切り離して制御運転を行ない曲線I₂上をたどるわ
けであるが、図からもわかる通り曲線I′₂は垂下
特性を示しており、Ｍ点に至るまでトルクは減少
方向にある。このため今、理想的にＭ点における
すべりs_Mで付加抵抗器を切り離したとしても曲線
I₂の右上昇方向との間に変異点を生じ、円滑なる
加速特性を得ることはできない。さらに、誘導機
の慣性等の影響で抵抗器の切り離しが遅れて
M′点で行われたとすると、トルクは一気にＰ点
まで立上げられて大きなトルク変動を生じること
になる。

曲線I″₂は、本発明になる速度制御方法による
すべり−二次電流特性を示すもので、抵抗器２６
の接続による十分なる始動トルクを得、同時にト
ランジスタ３によるチヨツパ制御の併用制御によ
り円滑なる加速特性を得るものである。すなわ
ち、図中のハツチングした部分を制御回路で分担
することによつて、始動トルクのａ点を確保しつ
つ回生電力を逆変換器８の許容値上限以内に抑制
しながら、従来方法では得られない、円滑なる加
速特性を得ることができる。

上述のように、本発明による制御により、始動
時（すべりｓ＝１）からの低速回転域においても
十分なトルクを得ることができるが、前記付加抵
抗器２６をそのまま接続した状態で置くと、該抵
抗器２６においてジユール損を発生して効率低下
の原因となる。それゆえ、より高い効率を得るた
めには適当なところで付加抵抗器２６を切り離す
ことが必要である。これを行うのが、開閉要素２
７であり、所定のすべり（回転速度）に達した時
点において動作する。これ以降、二次電力は、全
て逆変換器８により交流電源に回生される。

以上のようにして、本実施例においては、逆変
換器８の容量を最小にしたままで大きな始動トル
クが得られ、またトランジスタ３による二次チヨ
ツパにより順変換器２の出力電流を常に制御する
ことからトルクを連続的に制御でき、前記抵抗器
２６として固定抵抗形のものを用いてトルクを所
望の値に制御でき、円滑な速度制御を行うことが
できる。また、単なる二次抵抗始動の場合にみら
れるような抵抗器の入切時におけるトルクのステ
ツプ変化は、速度調節器１２の作用に従い緩和で
きる。すなわち、抵抗器２６の入切りに伴い電動
機電流が変化するとトルクが変化し、さらに速度
が変動するため、速度調節器１２の出力信号であ
る電流指令信号ｉ＊が変化し、その結果、電動機
電流の変化は短時間のうちに抑制され、トルク変
動が緩和されて円滑な運転が行なえる。

なお、抵抗器２６は、第１図に示すような三相
スター結線ばかりでなく、三相デルタ結線でも良
く、また、三相全部にそれぞれ入れなくても三相
整流回路を介して該整流回路の直流側出力端に設
けることもできる。こうすれば、抵抗器２６の数
を１個に減少できる効果がある。

また、電動機は、巻線形誘導機に限らず、二次
励磁機能を有する誘導機ならどれでも良い。例え
ば、特開昭59−129588号公報記載のブラシレスか
ご形誘導機に適用することも可能である。すなわ
ち、固定子鉄心に巻回された第１の巻線を巻線形
誘導機の一次巻線、第２の巻線を二次巻線として
使用し、この第２の巻線に第１図に示した制御装
置を接続することにより、本発明の速度制御方法
を適用することができる。この場合、ブラシレス
で可変速制御できるという効果がある。

第５図は、本発明の他の実施例に係る速度制御
方法を実施するための制御装置を示す回路図で、
第１図に示した制御装置における電流検出器１３
の代りに、誘導機の二次電流検出器１３′及びダ
イオード整流器２８を設けたものである。この実
施例においては、電流を以下のように制御すれ
ば、前述の実施例において若干残る抵抗器入切時
の誘導機二次電流の電流変動をほぼ完全に無くす
ことができる。

すなわち、順変換器２の出力電流i_dを検出する
代りにIM１の二次電流i₂を電流検出器１３′で検
出し、それをダイオード整流器２８によつて直流
に変換し、それを比較器１４に加えて帰還制御す
るようにする。このようにすればさらに円滑な可
変速制御が行えるという効果がある。

なお、前記実施例は、ヒステリシス特性付きの
比較器により電流指令信号と電流検出器による検
出信号を比較し、二次チヨツパをオン、オフ制御
するものについて説明したが、電流指令信号と電
流検出信号をＰ−Ｉ制御の電流調節器に加え、そ
の出力信号と、チヨツパのオン、オフ周波数を決
定する搬送波信号を比較器に加え、この比較器の
出力パルス信号によりチヨツパをオン、オフ制御
するものであつても、同様の制御を行うことがで
きる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、誘導機の始動
トルクの増大とトルクの連続制御が行えるので、
逆変換器の容量を最小としたままで始動時（すべ
り＝１）より最高速度までの全領域において高力
率で円滑なる速度制御特性を得ることができると
ともに、回転速度が所定値より大きい高速領域に
おいて、二次電力を全て交流電源に回生するの
で、高効率で運転することができ、しかも抵抗器
と交流電源への回生によつて二次電流を制御する
ので、抵抗器の容量が小さくて済み、また安価な
固定抵抗値の抵抗器を用いて制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる誘導機の速度
制御方法を実施するための制御装置を示す回路
図、第２図は抵抗始動法を説明する回路図、第３
図は比例推移による始動トルクの増大を説明する
ための特性曲線図、第４図はすべり−二次電流特
性曲線図、第５図は本発明の他の実施例になる誘
導機の速度制御方法を実施するための制御装置を
示す回路図である。１……巻線形誘導電動機（IM）、２……順変換
機、３……トランジスタ、４……ダイオード、５
……コンデンサ、６……トランジスタ、８……逆
変換機、２６……抵抗器、２７……回路開閉要
素。

Claims

【特許請求の範囲】

１二次励磁可能な誘導機と、該誘導機の二次電
圧を直流に変換する順変換器と、該順変換器の出
力回路を短絡する自己消弧形素子より成る二次電
流制御用の二次チヨツパと、該二次チヨツパと並
列にダイオードを介して接続されたコンデンサ
と、該コンデンサの端子間に得られる前記誘導機
の二次電力を交流に変換する逆変換器とを備え、
前記誘導機の二次電力を交流電源に回生して速度
制御する誘導機の速度制御方法において、前記誘
導機の二次側に前記順変換器と並列に開閉要素を
介して固定抵抗値の抵抗器を接続し、回転速度が
所定値以下のときには、前記開閉要素を閉じて前
記抵抗器を前記誘導機の二次側に接続し、前記抵
抗器に電流を流しながら同時に前記二次チヨツパ
により二次電流を制御してその二次電力を交流電
源に回生し、所定値より大きいときには、前記開
閉要素を開いて前記抵抗器を切り離し、前記誘導
機の二次電力を全て交流電源に回生することを特
徴とする誘導機の速度制御方法。