JPH05500149A - 交流機変速駆動制御 - Google Patents
交流機変速駆動制御Info
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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】
’IL ”” j!il
□
本発明は、交流(AC)機変速駆動システムに係り、特に、排他的な意味ではな
く、そのようなシステムの速度を制御する方法に関する。
Lに1J
実用化されている交流機用の変速駆動システムは、多くのものが知られている。
このようなシステムの制御器には、2つの基本タイプがある。一つば線転流型で
あり、もう一つは強制転流型である。
強制転流型制御器は、(トランジスタあるいはGTO[ゲートターンオフ])可
変電圧形インバータ、電流形インバータ、またはパルス幅変調インバータを含む
。この制御器には、実効幹線周波数を整流回路によってDC(直流)変換し、つ
いで交流機用の所望の交流周波数に変換したいという要求がある。ところが、こ
のような制御器は、直流変換工程において、直流リンクに必要なエネルギー貯蔵
設備等の追加の素子が必要でコストが嵩む。
一方、SCR(サイリスク)を利用する線転流型制御器は、サイリスクのアノー
ド−カソード間における逆バイアス電圧の印加だけでなく、線電流の種々の位相
におけるゼロ交差にも左右される。また通常整流器とインバータの組合せ(これ
は直流リンクに必要とされる)、あるいはサイクロコンバータのような直流AC
/AC変換器を備える。
サイクロコンバータの特徴は、入力周波数(典型的には幹線周波数)の約数に相
当する出力周波数をっ(り出せるということである。
サイクロコンバータは、サイリスクの数とその配置により最大の出力周波数が定
まる。例えば幹線入力周波数が50Hzの三相・三パルスサイクロコンバータの
場合、生成できる最大の出力周波数は約20Hzである。サイクロコンバータの
出力周波数が増えると、生成する波形中で高調波成分が増加するが、これは波形
の質を大幅に低下させ、この損失によって交流機内での発熱を増加させる。また
出力波形が劣化すると、交流機内でトルクのパルス化という好ましくない事態が
発生する。
前述の制御システムは、一定の周波数範囲内で交流機の速度を制御することがで
きる。しかし、このような周波数Oから幹線周波数までの間で速度制御を行うシ
ステムは、概して非常に値段が高い。そこで、値段が比較的安く、かつ交流機の
作動周波数内で速度制御を行うことができる交流機速度制御システムがめられて
いる。
そこで本発明は、設計が比較的簡単で、かつ範囲で速度制御する方法を適用でき
るシステムを提供することにより、上述の既存のシステムにおける欠点を解消す
ることを目的とする。
1肛立1j
そこで、本発明によれば、電源装置に接続した周波数変換器にへ続した交流機の
回転速度制御方法であって、
周波数Oから人力周波数f+までの間で前記周波数変換器の異なる操作モードに
対応する3つの異なる速度範囲で交流機を操作し。
(1)周波数変換器がf、より小さい周波数f0と0の間でほぼ連続的な周波数
を合成すべく作動する第1のモードと、 ・
(ii)周波数変換器が周波数f。とflの間で中間的な周波数段階の多くの出
力波形を合成し、交流機が前記中間的な周波数段階の間で、交流機を電圧制御す
るための入力波の位相制御により制御される第2のモード と 、
(iii)周波数変換器が交流機への入力に関しトランスペアレントになり、交
流機が入力周波数f、を受け取る第3のモードを含む方法が提供される。
また本発明によれば、周波数f、の電源装置に接続した交流−交流周波数変換器
の制御方法であって、(i)f+より小さい周波数f0とOの間で操作され、周
波数変換器はこの周波数f0と0の間でほぼ連続的な周波数を合成すべく作動す
る第1のモードと、(ii)周波数f0とflの間で中間的な周波数段階の多く
の出力波形を合成し、前記中間的な周波数段階の間で、周波数変換器からの出力
電圧を制御する入力波の位相制御により、さらなる制御が行われる第2のモード
と、
fiii)周波数変換器が人力に関しトランスペアレントになり、入力周波数で
1において出力を与える第3のモードの3つのモードのうちいずれか一つのモー
ドで周波数変換器を操作する方法が提供される。
さらに、本発・明によれば、電源に接続された周波数変換器に接続された交流機
の回転速度を制御する方法であって、この方法は周波数f0とflの間の中間周
波数段階における多数の出力波形を合成するように周波数変換器を操作するもの
であって、交流機はまた、前記各中間周波数段階の間で交流機の電源制御を行う
ための入力波の位相制御によっても制御される、方法が提供される。
本発明によればさらに、交流機の速度制御器であって、人力電源装置に接続して
交流機への出力を生成し、入力周波数f1と0の間での3つの異なる速度範囲に
おいて周波数変換器を操作するプロセッサ手段中に格納されるプログラムの下に
制御されるパワースイッチング手段を有する周波数変換器を備え、この周波数変
換器においては、
(i)第1のモードは、f、より小さい周波数f0と0の間で操作され、周波数
変換器はこの周波数f0と0の間でほぼ連続的な周波数を合成すべく作動し、(
百)第2のモードでは、周波数f0とflの間で中間的な周波数段階の多くの出
力波形を合成し、前記中間的な周波数段階の間で、周波数変換器からの出力電圧
を制御する入力波の位相制御により、さらなる制御が行われ、
(iji)第3のモードでは、周波数変換器が入力に関しトランスペアレントに
なり、入力周波数f、において出力を与える交流機の速度制御器が提供される。
・ の f 舌 日
本発明がよりよ(理解されるよう、以下に添付の図面を参照して好ましい態様の
実施例を説明する。ここで、
図1は、幹線と交流機に接続したサイクロコンバータの電源回路と制御回路の説
明図;
図2は、誘導機の作動を時間との関係で表した典型的な速度プロファイル;
図3は、交流機変速駆動制御器の態様における第1の操作モードを示す図;
図4は、図3の交流機変速駆動制御器の態様における第2の操作モードを示す図
;
図5は、第2の操作モードにおける代替制御方法を示す図;
図6は、図3の交流機変速駆動制御器の態様における第3の操作モードを示す図
;および
図7は、速度制御を達成するための一連の工程を説明するフローダイヤグラムで
ある。
しい の−日
ここで特定の形態、すなわちエレベータの箱(エレベータカー)を昇降させる機
械装置に連結される三相誘導機を含むエレベータ装置における交流機変速駆動シ
ステムに即して本発明の詳細な説明する。
三相誘導機の各相に対する給電は、電源幹線に接続される従来のサイクロコンバ
ータによって行う。ここでは、幹線周波数は通常50Hzとする。
したがって、誘導機の作動周波数範囲はOHzから50Hzである。50Hzの
全速のときは、誘導機のステータに加えられる角周波数は毎秒100πラジアン
になる。
しかし、本発明の適用はこの態様に限られるものでないことは勿論である7本発
明は、同期機や単相を含む他の相数の交流機にも同様に適用できる。
三相誘導機は、本実施例においては、一般にはかご形誘導機として知られる非ス
リツプリング回転子型とするが、巻線形とすることもできる。巻線型は、誘導機
のトルク速度特性と緊密な関係がある回転子の抵抗を調節することができる。
図1は、本実施例に係る、名目周波数f、が50Hzで三相入力(R,Y、B)
のサイクロコンバータ10と、このサイクロコンバータ10から三相の出力(そ
れぞれA、BおよびCと識別する:作動周波数fi)を供給される三相かご形誘
導機12を示す。
サイクロコンバータ10は、3個の単相電源回路14(A相)、16(B相)、
18(C相)を備える。
各電源回路14,16.18は、その中の複数のサイリスクを適当にスイッチン
グして、誘導機12に供給される各出力相を発生する。この図では、電源回路1
4についてのみイリスクの配置を詳細に示す。電源回路14は、二重三脚サイリ
スクブリッジを備え、各ブリッジにおける3つのサイリスクはそれぞれ3つの入
力相R,Y、Hに接続する。各ブリッジの出力は、電源転流を補助する中央タッ
プ誘導子20に接続する。
位相Aの電源回路14におけるサイリスクには、それぞれIA〜6Aの識別記号
を付す、IA〜3Aのサイリスクは、位相Aの出力波形の上半分を生成し、4A
〜6Aのサイリスクは、位相Aの出力波形の下半分を生成する。
電源回路16と18は、それぞれ電源回路14と同じ構成を有する。したがって
、サイクロコンバータlOは5合計18個のサイリスクを含む。
電源回路14,16.18には、放電器22と基準発生器24が接続する。
基準発生器24は、放電機器22によって生成され、サイリスタIA〜6Aの各
ゲート電極に供給されるゲート制御パルスの正確な時間を与える。
各サイリスクは点弧角を操作することにより、入力の三相R,Y、Bから、正弦
波に準じた出力波形(11!正弦波)を生成する。出力各相に係る電源回路14
゜16.18間での放電パルスのタイミングは、正しい位相間隔を得るため互い
に120°づつずらす。
3相の出力波形間の位相角のずれは、誘導電動機(交流機)12に所望の回転方
向を実現する相回転を与えるように定められる。基準発生器24は、マイクロプ
ロセッサ25によって制御される。マイクロプロセッサ25は、以下で説明する
速度制御計画の実行とその監視の役割を担う。
マイクロプロセッサ25には、このマイクロプロセッサ25によって呼び出され
るルーチンを格納したメモリ23、および監視システムや外部要素との通信用の
人出力インターフェース21が接続する。
上記外部要素としては、交流機12の実際の速度を測定し、その測定結果を速度
制御のためマイクロプロセッサ25に伝えるディジタルタコメータ19がある。
ディジタルタコメータ19は光学速度センサで代替することもできる。
本実施例における典型的な監視システムは、エレベータ装置全体の制御を行う中
央制御装置であろう。
この中央制御装置は、エレベータの乗客による種々の命令(サービスコール)を
受けて、昇降距離やエレベータカーの速度プロファイル、またマイクロプロセッ
サ25が速度制御計画を実行するにはどの情報が必要かなどを決定する。
図2は、エレベータカーがある階における停止位置から目的階で停止するまでの
、理想的な速度(すなわち出力周波数)と時間の関係をプロットしたグラフであ
る。このグラフは、一般に加速期26、定速運行期28および減速期28の3つ
で識別される。理想的な速度プロファイルを曲線32で表す。
曲線32は、3つの操作モードに分けられる。すなわち、モード1は周波数0と
foの間での操作モード、またモード2は周波数f0とf、の間での操作モード
で、モード3は周波数f、のときの操作モードである。
独立変数の軸に周波数をとると、角速度の算定に都合がよい。つまり、周波数f
+は角速度が最も大きくなる幹線周波数に対応し、本実施例においてはその角速
度は毎秒100πラジアンである。
モードlとモード2は、ともに加速期26と減速期30の両方で用いられること
に注意する必要がある。
すなわち、これらのモード1.2は、エレベータカーが所定の階から加速中であ
るか、あるいは所定の階に向けて減速中であるかには依存しない。
以下に、これらのモードが交流機用の変速交流駆動制御器の制御にどのように関
係するかを、図2の各要素を参照しながら説明する。
モード1は、サイクロコンバータlOに適用され、ディジタルタコメータ19の
測定に基づいて、誘導電動機12の速度をフィードバックするモードである。
図3は、サイクロコンバータ10からの代表的な出力相を1例示したものである
。この図では、サイクロコンバータ10への三相の入力波形はf、で、またサイ
クロコンバーク10で生成される準正弦波はf2で示される。よって、理想的な
速度プロファイルである曲線32に従ってシステムを操作すると、まず曲!83
2上のOからf。までの速度の増加は、サイクロコンバータ10の通常の制御で
達成される。周波数f0の上限は、サイクロコンバーク10について所望の動作
が得られる最大の周波数を表す。この過程では、出力周波数の増加とともに出力
波形中の高調波比率が増加し、このままだと、この高調波比率の増加は、すでに
述べたように、誘導機に好ましくない発熱を生じ、またトルクがパルス化してエ
レベータシステムに不都合を与え、乗客に不快な思いをさせるまで続くことにな
ところで、サイクロコンバータは、普通速度の変化を制御する場合、0とfoの
間でほぼ連続的な任意の周波数を選択して行う。サイリスク放電の際の位相遅延
による電圧制御は、固定子に印加される電圧の制御と、誘導機12の励磁の操作
には用いられるが、普通周波数制御を介して行う速度制御の手段としては使用さ
れない。
モード2によるサイクロコンバーク10の操作は、図4A〜4Fを参照して説明
する。
モード2は、誘導機12の速度が出力周波数f0に達したところで導入される。
理解を容易にするため簡単な形態で説明すると、電源回路!、4,16.18の
サイリスクに対するゲートパルスのタイミングは、図4A〜4Fに示すように、
三相の人力波形から出力波形を生成するものに調整される。
本実施例では、モード2において2段階の処理を行う。すなわち、周波数がf。
より高い領域において、まず第1の周波数で、を選択する。これは図4A〜4C
における基本周波数である。各出力相に対するこの基本周波数は、3本の入力位
相線(R,Y、B)から生成される波形によって決定される。
図4Aを参照すると、電圧源の部分周波は、対応する位相の最初の半周期に付加
され、出力位相周波数の基本成分を与える。
図4A〜4Cにあるように、図2の各電源回路14.16.18内での対応する
サイリスタIAと6A、IBと6B、およびICと6Cは、導電状態のものを示
しである。各電源回路の二重ブリッジ内のサイリスクにおけるそれぞれの位相に
ついての導電状態間での切換は、時間軸上に示しである。
誘導機12が周波数f1こ対応する速度に達すると、制御システムはモード2に
おいて、つぎに周波数f、に対応する出力相を合成することにより第2の段階に
進む。周波数f、とf、間での加速は、サイリスクのゲーティングにおける位相
制御により固定子電圧を制御することで達成される。誘導機の回転速度は、周波
数の直接的な寄与だけでな(、固定子電圧によっても制御される。
図4D〜4Fを参照すると、基本周波数f、の出力位相波形は、電圧源の部分周
波を1つだけ取り入れることにより合成される。
各出力位相波形の基本周波数は、次の式によって算ここで、t、は入力幹線周波
数の周期、mは電圧源部分周波の数である。
第1段階においてはt 、 = 20w+secである。そして図4A〜4Cに
おいては電圧源周波の数は2である。
よって、f、=f* = (20+、80/3)−’xlO”、これは約22H
zに相当する。
第2段階にこの式を適用すると、出力周波数は、f−=fi = (20+40
/3)−’XIO” =308zとなる。
誘導1112は周波数f、で表される速度(ロータのスリップは減少する)を達
成すると、基準発生器24の調整によって、最終的な周波数f、が生成され、さ
らに前述の固定子電圧の制御により速度が増す。
しかし、固定子電圧は通常入力電源電圧より低いことが要求されることから、モ
ード2の操作は、このように簡単にはならない。図4は、固定子電圧が入力電源
電圧を上回ることがあるということを示している。
そこでfo、f、1.fyおよびf、の間での誘導ll12の速度変化を制御す
ると同時に、固定子電圧を低下させるために、サイリスクの放電時に位相を制御
するのが普通である。
さらに、固定子の波形の生成は、その次もしくはそれ以上先まで含む正の波形(
周波の上半分を対象とするとき)の注入はど簡単ではないかもしれない。図4は
、foとf、の間での2つの周波数工程だけを示しているが、均一な加速または
減速特性を得るためには、それ以上の周波数工程を備えるのが望ましい。図5は
、固定子の波形を合成するためにとられた代替的な手法に係るもので、−位相だ
けを示す。
図5Aは、準正弦波の出力を合成するため、隣接する周波を異なる数だけ注入す
る過程を示す。周波は5、非線形を実現するように交互に選択される。この図で
は、2つの出力周波T、の全形を示す、この2つの周波は繰り返しパターンの基
本単位である。すなわち。
最初の出力周波では、2つの入力周波が上半分を構成し、3つの入力周波が下半
分を構成する。そして2つ目の出力周波においては、3つの入力周波が上半分を
、また2つの入力周波が下半分を構成する。
この後はこのパターンが繰り返される。この位相制御は、前述のように出力電圧
を操作するために行われる。
図5Bは、出力波形を、この出力波形が合成される基になった入力相のゼロ交差
に依存させない位相制御を説明するものである。ここでは3つの出力周波T、。
の全形を示すが、この位相制御は、出力電圧の調整も可能にする。
周波数f0とf、の間では多数の中間工程をとるのが望ましい。そしてモード2
においては、周波の各積分分画において周波数が増加するのが好ましい。また、
電圧制御の操作は、サイリスクの放電の操作により行うのが好ましい。
図6A〜6Cは、モード3の操作によって、f、=f1の基本周波数を有するよ
うになった各位相の出力波形を示す。このとき誘導機12には入力周波数として
幹線周波数f、が与えられ、全速で稼働することがめられる。そして、各位相の
電源回路14.16゜18においては、実際のところ2つのサイリスタだけが使
用され、必要なときにゲーティングが行われる。
また、上半分の周波と下半分の周波の間では通常の線転流が行われる。このモー
ド3では、サイクロコンバータ10は実質的にトランスペアレントになり、交流
機12が入力R,Y、Bと直接接続しているのと同じである。図6Aの例は位相
Aに係るものであるが、導電状態にあるのはサイリスクLAと6Aだけであるこ
とが分る。残りのサイリスクは始終遮断されている。
モード3においては、上述のように、誘導機12に与えられる周波数は幹線周波
数と同じであるが、誘導機12の回転速度は、エレベータカーとその反動に係る
バランスにより、名目的な最高速度と比べ幾分上下する。すなわち、乗客を満載
して下降するエレベータカーは最高速度を越え、他方乗客を乗せて上昇するエレ
ベータカーは名目的な最高速度を下回る可能性がある。
このとき、フィードバックもしくは位相制御による速度制御は、モード1のとき
ほど必要なものではない。モード1のときは、位相制御による入力のチョッピン
グによって電力の損失による交流機0発熱を防ぎ、効率を高める必要があった。
図7のフローダイヤグラムは、マイクロプロセッサ25とメモリ23にあって、
放電器22と基準発生器24を効率的に制御するソフトウェアの工程を説明する
ものである。
このフローダイヤグラムは、本明細書の記述に沿って読めば、おのずと理解でき
るであろう。
前述のように、速度制御システムの操作は、交流機12が加速中であるか減速中
であるかには依存しない。したがって、ひとつの階における停止位置から他の階
へ移動するエレベータの通常の操作においては、3つのモードの切換は図2に示
したようになる。
時間0の状態からエレベータカーが加速するにつれ、速度制御システムはモード
lで稼働する。エレベータカーが周波数f0に対応する速度に近づくと、制御シ
ステムはモード2に切り換える。モード2は、制御器によって定められる次の高
い目標周波数に到達する前に、交流機12の回転速度が通過する多(の中間周波
数段階を含む。そして、交流機12がこれら中間的な周波数の最後であるflに
到達すると、モード3に切り換わる。このときはサイクロコンバータ10かもの
出力周波数が幹線周波数に一致する。このとき、交流機12は、入力周波数に対
応する最高速度に接近するかもしくはこれを上回り、エレベータカーが目的階に
向けて減速するまでこの速度で回転する。減速期には、加速期に行われた工程が
逆の順序で繰り返される。このとき、制御システムはモード3からモード2に移
行し、交流機12の速度は、モードlに移行するまでの中間的な周波数を経て順
次低下していく。
交流機の制動は、このモード2の減速過程において達成される。制動効果は、実
際の回転速度に対応する周波数よりも低い周波数を注入すると得られる。これは
直流制動に似ているが、機械の発熱が少なく、制動エネルギーたる人力相R,Y
、Bを再生させる。
交流8112の速度がモードlの上限に達すると、その速度は、フィードバック
を利用したサイクロコンバータの周波数制御によってさらに減じられ、エレベー
タカーは最終的な目的階で停止する。
f
FIG、 2
FIG、 3
FIG、 7
補正書の写しく翻訳文)提出書(特許法第184条の8)
Claims (9)
- 1.電源装置に接続した周波数変換器に接続した交流機の回転速度制御方法であ って、 周波数0から入力周波数f1までの間で前記周波数変換器の異なる操作モードに 対応する3つの異なる速度範囲で交流機を操作し、 (i)周波数変換器がf,より小さい周波数f。と0の間でほぼ連続的な周波数 を合成すべく作動する第1のモードと、 (ii)周波数変換器が周波数f。とf1の間で中間的な周波数段階の多くの出 力波形を合成し、交流機が前記中間的な周波数段階の間で、交流機を電圧制御す るための入力波の位相制御により制御される第2のモードと、 (iii)周波数変換器が交流機への入力に関しトランスペアレントになり、交 流機が入力周波数f1を受け取る第3のモードを食む方法。
- 2.周波数f1の電源装置に接続した交流−交流周波数変換器の制御方法であっ て、 (i)f1より小さい周波数f。と0の間で操作され、周波数変換器はこの周波 数f。と0の間でほぼ連続的な周波数を合成すべく作動する第1のモードと、( ii)周波数f。とf1の間で中間的な周波数段階の多くの出力波形を合成し、 前記中間的な周波数段階の間で、周波数変換器からの出力電圧を制御する入力波 の位相制御により、さらなる制御が行われる第2のモードと、 (iii)周波数変換器が入力に関しトランスペアレントになり、入力周波数f 1において出力を与える第3のモードの3つのモードのうちいずれか一つのモー ドで周波数変換器を操作する方法。
- 3.前記第1のモードでは周波数変換器はサイクロコンバータとして作動する請 求の範囲第1項または第2項に記載の方法。
- 4.前記第2のモードでは周波数変換器からの出力波形の各半周波は、一の入力 相の半周波と、次の入力相における同じ極性のつづくもう一個の半周波を合成す ることにより生成される請求の範囲第1項または第2項に記載の方法。
- 5.前記半周波の合成の際、つづく入力相の同じ極性における一の半周波から他 の半周波への変更は、次の半周波の波形の絶対的な大きさがその前の一の入力相 の半周波のそれよりも大きいときに行われる請求の範囲第4項に記載の方法。
- 6.電源に接続された周波数変換器に接続された交流機の回転速度を制御する方 法であって,この方法は周波数f。とf1の間の中間周波数段階における多数の 出力波形を合成するように周波数変換器を操作するものであって、交流機はまた 、前記各中間周波数段階の間で交流機の電源制御を行うための入力波の位相制御 によっても制御される、方法。
- 7.添付の図面を参照した実施例のいずれか一つに実質的に記載された請求の範 囲第1項ないし第6項のいずれか一項に記載の方法。
- 8.交流機の速度制御器であって、入力電源装置に接続して交流機への出力を生 成し、入力周波数f1と0の間での3つの異なる速度範囲において周波数変換器 を操作するプロセッサ手段中に格納されるプログラムの下に制御されるパワース イッチング手段を有する周波数変換器を備え、この周波数変換器においては、( i)第1のモードは、f1より小さし、周波数f。と0の間で操作され、周波数 変換器はこの周波数f。と0の間でほぼ連続的な周波数を合成すべく作動し、( ii)第2のモードでは、周波数f。とfIの間で中間的な周波数段階の多くの 出力波形を合成し、前記中間的な周波数段階の間で、周波数変換器からの出力電 圧を制御する入力波の位相制御により、さらなる制御が行われ、 (iii)第3のモードでは、周波数変換器が入力に関しトランスペアレントに なり、入力周波数fIにおい、て出力を与える交流機の速度制御器。
- 9.添付の図面を参照した実施例に実質的に記載された請求の範囲第8項記載の 交流機の速度制御器。
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