JPH072038B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

誘導電動機の制御装置

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JPH072038B2
JPH072038B2 JP61147534A JP14753486A JPH072038B2 JP H072038 B2 JPH072038 B2 JP H072038B2 JP 61147534 A JP61147534 A JP 61147534A JP 14753486 A JP14753486 A JP 14753486A JP H072038 B2 JPH072038 B2 JP H072038B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は誘導電動機の制御装置に係り、特に誘導電動機
を可変速運転する時に,交流電動機の入力電圧(一次電
圧)と入力周波数(一次周波数)との関係を制御してイ
ンバータ回路の電力変換素子の転流制御を行なう誘導電
動機の制御装置に関するものである。
(従来の技術) 近年、交流電動機、例えば誘導電動機を可変速駆動する
ための制御装置としては、インバータ回路の出力側に転
流用の容量性負荷を接続したものが提案されてきてい
る。第4図は、この種の誘導電動機の制御装置の回路構
成例を示したものである。
第4図において、11は交流電源の入力端子、12は交流を
直流に変換する整流器、13はこの整流器12からの出力を
平滑する直流リアクトル、14はこの直流リアクトル13で
平滑された直流を交流に変換して,負荷である交流電動
機、例えば誘導電動機15を駆動するインバータ回路、16
はこのインバータ回路14の出力端子に接続されたコンデ
ンサ等の容量性負荷、17は速度基準を設定するための速
度基準設定器、18は制御回路、141は上記インバータ回
路14を構成するゲートターンオフサイリスタ等の自己消
弧形電力変換素子、142はこの自己消弧形電力変換素子1
41と直列に設けられ,インバータ回路14を構成するサイ
リスタ等の自然転流形電力変換素子を夫々示している。
かかる誘導電動機の制御装置の動作を要約すると次のよ
うになる。すなわち、交流電源の入力端子11より供給さ
れる交流電力を整流器12で直流電力に変換し、これを直
流リアクトル13で平滑し、さらにこれをインバータ回路
14で再び交流電力に変換して、この交流電力を誘導電動
機15および容量性負荷16へ供給するものである。そし
て、このようにして交流電動機、例えば誘導電動機15を
可変速駆動する時のインバータ回路14の出力電流Iiと,
交流電動機、例えば誘導電動機15の入力電流(一次電
流)IMと,容量性負荷16の入力電流Icとの関係をベクト
ル図で示すと第5図のようになる。なお、IPは交流電動
機15の入力電流IMの有効成分電流、ILは交流電動機15の
入力電流IMの遅れ無効成分電流をそれぞれ示している。
第5図において、容量性負荷16の入力電流Icは次式のよ
うな関係となる。
Ic∝(インバータ回路14の出力周波数) 従って、インバータ回路14の出力周波数が低い運転領域
では、インバータ回路14の出力電流Iiは遅れ位相とな
り、インバータ回路14を構成する自己消弧形電力変換素
子141で強制転流を行なう。一方、インバータ回路14の
出力周波数が高い運転領域では、インバータ回路14の出
力電流Iiは進み位相となり、インバータ回路14を構成す
る自然転流形電力変換素子142で自然転流を行なうこと
ができる。
しかしながら、上述したような交流電動機の制御装置に
おいては次のような問題がある。すなわち、前述のよう
に容量性負荷16の入力電流Icが,インバータ回路14の出
力周波数の二乗に比例して変化することから、インバー
タ回路14の出力周波数の中間領域では、大きな負荷が誘
導電動機15に加わると,インバータ回路14の出力電流Ii
は第5図のベクトル関係から明らかなように遅れ位相と
なるため、自己消弧形電力変換素子141の電圧定格を大
きくするか,または容量性負荷16の容量を増加させる必
要がある。つまり、誘導電動機15の入力電流(一次電
流)IMを,インバータ回路14の出力周波数の減少と共に
減少させることが必要であり、誘導電動機15を広い可変
周波数範囲で運転することができなかった。
一方、インバータ回路14の出力周波数が高い運転領域で
は、自然転流形電力変換素子142を自然転流させるため
には、商用周波数ベースで約30°位に第5図のベクトル
図で進み位相角θとする必要があり、インバータ回路
14の出力周波数が高くなるとこれと共に進み位相角θ
が増加し、結果的にインバータ回路14の出力力率が低下
して,インバータ回路14の出力容量が誘導電動機15の入
力容量に比較して非常に増加することになる。なおこの
ような問題は、インバータ回路14の出力側に容量性負荷
16が接続された誘導電動機の制御装置の全てについて、
同様に発生するものである。
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように、従来の誘導電動機の制御装置において
は、誘導電動機の運転を広い可変周波数範囲で行なうこ
とができないばかりでなく、インバータ回路の出力力率
が低下してその出力容量が非常に増加するという問題が
あった。
そこで本発明では、インバータ回路の出力力率を向上さ
せてその出力容量を低減すると共に、誘導電動機の運転
を広い可変周波数範囲で行なうことが可能な小形で経済
的に有利な信頼性の高い誘導電動機の制御装置を提供す
ることを目的とするものである。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するために本発明では、交流を直流に
変換する整流器と、この整流器からの出力を平滑する直
流リアクトルと、この直流リアクトルで平滑された直流
を交流に変換して誘電電動機を駆動するインバータ回路
とから構成され、インバータ回路の出力電圧と出力周波
数との比率を一定値に制御するようにした誘導電動機の
制御装置で、インバータ回路と誘導電動機との間に転流
用の容量性負荷が接続されたものにおいて、インバータ
回路の出力周波数が当該インバータ回路の出力電流の位
相が所定の進み位相角となる周波数以上の領域では、イ
ンバータ回路の出力電圧と出力周波数との比率が上記通
常の比率よりも小さくなるようにインバータ回路の出力
電圧を制御するようにしている。
ここで、特に上記インバータ回路の出力電圧を、当該イ
ンバータ回路の出力周波数の平方根に比例して制御する
か、あるいは当該インバータ回路の出力周波数の変化に
対してほぼ一定値に保つよう制御するようにしている。
(作用) 従って、本発明の誘導電動機の制御装置においては、イ
ンバータ回路の出力周波数が当該インバータ回路の出力
電流の位相が所定の進み位相角となる周波数以上の領域
では、インバータ回路の出力電圧と出力周波数との比率
を一定値としないように,すなわち両者の比率が通常の
比率よりも小さくなるようにインバータ回路の出力電圧
を制御するようにしていることから、例えば出力周波数
以上では,インバータ回路の出力電圧Vを出力周波
数fの平方根に比例して増加するように制御することに
より、容量性負荷の入力電流Icは出力周波数f以上で
はIc∝(f/f)3/2の関係で増加することになり、結果
として容量性負荷の入力電流Icが従来よりも減少してイ
ンバータ回路の出力電流Iiが減少し、誘導電動機の出力
トルクが回転数の二乗または一乗で増加するような場合
でも、インバータ回路の出力力率が向上し,インバータ
回路の出力容量が低減できることになる。
(実施例) 本発明は、前述したようにインバータ回路14の出力電圧
(一次電圧)Vと出力周波数(一次周波数)fとの比率
V/fを一定値に制御することに起因して、容量性負荷16
の入力電流Icが Ic∝(インバータ回路14の出力周波数)なる関係で増
加することに着目し、上記インバータ回路14の出力電圧
Vと出力周波数fとの比率V/fを、インバータ回路14の
出力周波数fが所定値f以上の領域、すなわちインバ
ータ回路14の出力電流の位相が所定の進み位相角となる
周波数以上の領域では、両者の比率が通常の比率よりも
小さくなる,すなわち出力電圧Vが弱め制御されるよう
に、インバータ回路14の出力電圧Vを制御するようにし
たものである。
以下、上述のような考え方に基づいた本発明の一実施例
について図面を参照して説明する。
本発明による誘導電動機の制御装置の回路構成例は前述
した第4図と同様であるので、ここではその説明を省略
して特徴点について述べる。すなわち、本実施例による
誘導電動機の制御装置においては第1図に示すように、
インバータ回路14の出力周波数fが所定値f以上の領
域、すなわちインバータ回路14の出力電流の位相が所定
の進み位相角となる周波数以上の領域では、インバータ
回路14の出力電圧Vを、インバータ回路14の出力電圧V
と出力周波数fとの比率V/fが通常の比率よりも小さく
なるように,インバータ回路の出力周波数fの平方根に
比例して制御するようにしたものである。
かかる誘導電動機の制御装置による作用効果を定量的に
説明することは難しいが、ここでは誘導電動機15の入力
電流(一次電流)IMが前述の一次周波数の二乗に比例し
て増加するものと仮定し、本実施例と従来方式とによる
効果を比較して述べることにする。すなわち、いま前述
の一次周波数fで前記入力電流をIM1,Ic1、また前記
出力電流をIi1、第5図の位相角θ=53.13度(誘導電
動機15の入力力率60%)、θ=36.87度(インバータ
回路14の出力力率80%)とし、他方前記出力周波数f
を上記出力周波数fの2倍の大きさとして次のような
計算を行なう。上述した仮定の条件では、次のような関
係が成立する。
IL1=IM×sin(53.13°) =0.8IM1 ……(1) IP1=IM×cos(53.13°) =0.61IM1 ……(2) Ii1 =IPi÷cos(36.87°) =0.6IM1/0.8=0.75IM1 ……(3) Ic =IL1+Ii1×sin(36.87°) =0.8IM1+0.75×.6IM1 =1.25IM1 ……(4) 前述の出力周波数fでは、誘導電動機15の入力力率が
90%(θ=25.84度)と仮定すると、従来方式のV/f一
定制御においては次のようになる。
/f=2より,IM2=4IM1 ……(5) IP2=IM2×0.9=3.6IM1 ……(6) IL2=IM2×sin(25.84°) =0.44IM2=1.76IM1 ……(7) Ic2=4Ic1=5IM1 ……(8) θ=cos-1(IP2/Ii2)≒42° ……(10) 従って、入力力率は74.3%となる。
これに対して、本実施例によるV/f制御においては次の
ようになる。
IM2=4IM1 ……(11) IP2=3.6IM1 ……(12) IL2=1.76IM1 ……(13) θ=cos-1(IP2/Ii2) =26.42° ……(16) 従って本実施例によるV/f制御によれば、その作用効果
を(9)式と(15)式との比較によって明確化すること
ができる。すなわち、本実施例のようにインバータ回路
14の出力周波数fが所定値f以上の領域、すなわちイ
ンバータ回路14の出力電流の位相が所定の進み位相角と
なる周波数以上の領域では、インバータ回路14の出力電
圧Vを,インバータ回路の出力周波数fの平方根に比例
して制御することにより、従来方式のものに比較してイ
ンバータ回路14の出力容量を20%だけ低減することがで
きることが明らかである。
上述したように本実施例では、以下のような作用効果が
得られるものである。
(a)インバータ回路14の出力側に接続される容量性負
荷16の進相容量を増加させることなく、広い可変周波数
範囲で誘導電動機15の運転を行なうことができる。
(b)容量性負荷16の進相容量を減少させることができ
る結果、インバータ回路14の最高周波数運転領域での運
転効率が向上し、インバータ回路14の出力容量を低減す
ることができる。
これにより、小形で経済的な信頼性の高い交流電動機の
制御装置が得られるものである。
尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても実施することができるものであ
る。
(a)上記実施例では、インバータ回路14の出力電圧V
と出力周波数fとの比率が通常の比率よりも小さくなる
ようにインバータ回路14の出力電圧Vを制御する場合
に、インバータ回路14の出力電圧Vをインバータ回路14
の出力周波数fの平方根に比例して制御する場合を述べ
たが、これに限らず例えば第2図に示すようにインバー
タ回路14の出力電圧Vをインバータ回路14の出力周波数
fの変化に対しほぼ一定値に保つよう制御するようにし
てもよく、誘導電動機15の入力電流(一次電流)IMが負
荷特性によって出力周波数fに対してどのように変化す
るかに応じて、インバータ回路14の出力電圧Vと出力周
波数fとの関係を,本発明では所定の出力周波数f以上
で選択して制御することができるものである。
(b)上記実施例では、インバータ回路14を自己消弧形
電力変換素子141および自然転流形電力変換素子142を用
いて構成した場合を述べたが、これに限らず例えば第3
図に示すようにインバータ回路14を自然転流形電力変換
素子142のみを用いて構成した場合についても、前述と
同様に本発明を適用することができるものである。すな
わち本発明は、インバータ回路14と誘導電動機15との間
に容量性負荷が接続されたもの全てについて、同様に適
用することができるものである。
その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、交流を直流に変換
する整流器と、この整流器からの出力を平滑する直流リ
アクトルと、この直流リアクトルで平滑された直流を交
流に変換して誘導電動機を駆動するインバータ回路とか
ら構成され、インバータ回路の出力電圧と出力周波数と
の比率を一定値に制御するようにした誘導電動機の制御
装置で、インバータ回路と誘導電動機との間に転流用の
容量性負荷が接続されたものにおいて、インバータ回路
の出力周波数が当該インバータ回路の出力電流の位相が
所定の進み位相角となる周波数以上の領域では、インバ
ータ回路の出力電圧と出力周波数との比率が上記通常の
比率よりも小さくなるようにインバータ回路の出力電圧
を制御するようにしたので、インバータ回路の出力力率
を向上させてその出力容量を低減すると共に、誘導電動
機の運転を広い可変周波数範囲で行なうことが可能な小
形で経済的に有利な極めて信頼性の高い誘導電動機の制
御装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるインバータ回路の出力
電圧と出力周波数との関係を示す図、第2図は本発明の
他の実施例によるインバータ回路の出力電圧と出力周波
数との関係を示す図、第3図は本発明による誘導電動機
の制御装置の他の実施例を示す回路構成図、第4図は従
来および本発明による誘導電動機の制御装置を示す回路
構成図、第5図は第4図における誘導電動機可変速駆動
時のインバータ回路の出力電流Ii,誘導電動機の入力電
流(一次電流)IM,容量性負荷の入力電流Icの関係を示
すベクトル図である。 11……交流電源の入力端子、12……整流器、13……直流
リアクトル、14……インバータ回路、15……誘導電動
機、16……容量性負荷、17……速度基準設定器、18……
制御回路、141……自己消弧形電力変換素子、142……自
然転流形電力変換素子、Ii……インバータ回路の出力電
流、IM……誘導電動機の入力電流(一次電流)、Ic……
容量性負荷の入力電流、V……インバータ回路14の出力
電圧、f……インバータ回路14の出力周波数。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流を直流に変換する整流器と、この整流
    器からの出力を平滑する直流リアクトルと、この直流リ
    アクトルで平滑された直流を交流に変換して誘導電動機
    を駆動するインバータ回路とから構成され、前記インバ
    ータ回路の出力電圧と出力周波数との比率を一定値に制
    御するようにした誘導電動機の制御装置で、前記インバ
    ータ回路と誘導電動機との間に転流用の容量性負荷が接
    続されたものにおいて、 前記インバータ回路の出力周波数が当該インバータ回路
    の出力電流の位相が所定の進み位相角となる周波数以上
    の領域では、前記インバータ回路の出力電圧と出力周波
    数との比率が前記通常の比率よりも小さくなるように前
    記インバータ回路の出力電圧を制御するようにしたこと
    を特徴とする誘導電動機の制御装置。
  2. 【請求項2】前記インバータ回路の出力電圧を当該イン
    バータ回路の出力周波数の平方根に比例して制御するよ
    うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記
    載の誘導電動機の制御装置。
  3. 【請求項3】前記インバータ回路の出力電圧を当該イン
    バータ回路の出力周波数の変化に対してほぼ一定値に保
    つよう制御するようにしたことを特徴とする特許請求の
    範囲第(1)項記載の誘導電動機の制御装置。
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