JPH07298670A

JPH07298670A - 交流可変速駆動装置

Info

Publication number: JPH07298670A
Application number: JP6086324A
Authority: JP
Inventors: Tadao Mose; 忠男茂瀬; Masayoshi Terakado; 正義寺門
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、電動機の低速運転領域で発生するト
ルクリップルを低減する交流可変速駆動装置を供給する
ことにある。【構成】本発明は、原動機で駆動される発電機が発生さ
せる交流電力を、半導体電力変換装置により任意の交流
電力に変換して同期電動機を可変速駆動する交流可変速
駆動装置において、前記発電機の出力電圧は、速度が変
化している過渡状態を除いた定常状態では同期電動機の
運転周波数と比例関係となるように可変し、前記同期電
動機の界磁は、ＡＣスイッチの点弧制御によって回転ト
ランスの一次電圧を可変し、この回転トランスの２次端
子に接続されたダイオード整流器により可変直流電圧を
得て界磁電流を流すブラシレス励磁装置により励磁する
と共にこのブラシレス励磁装置の入力電圧を電圧可変す
る前記発電機の電源としているので、低速運転領域で発
生するトルクリップルを低減することができ、これによ
り軸のねじり振動や騒音を解消して静粛な可変速駆動装
置を供給することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータなどの電力
変換装置と交流電動機および発電機からなる交流可変速
駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電源供給の事情などにより、ファンやポ
ンプなどの回転機械をディーゼルエンジンなどの原動機
で直接駆動したい場合がある。しかし、低速機械や回転
機械の速度を調節したい場合には、負荷となる機械を直
接原動機で駆動せずに発電機，電力変換装置及び電動機
からなる可変速駆動装置が用いられる。

【０００３】このような可変速駆動装置としては、例え
ば図６に示す船舶の電気推進システムがある。すなわ
ち、原動機１で発電機２を駆動して交流電力を作り、そ
の電力を電力変換装置３で変換して電動機４を可変速駆
動する。この電動機４を可変速駆動するための電力変換
装置としては、例えば負荷転流インバータやサイクロコ
ンバータなどがあり、また半導体電力変換装置３として
は、負荷転流インバータ３１，サイリスタ整流器３２，
リアクトル３３で構成されたサイリスタモータシステム
がある。さらに、図７に示すように、電力変化装置とし
てサイクロコンバータが用いられている。

【０００４】これらの負荷転流インバータやサイクロコ
ンバータは、大容量で入力周波数に対して低い周波数を
出力できるため低速の機械駆動に適しており、交流可変
速駆動装置５により制御され、同期電動機の１次周波数
と電流の大きさを制御している。ここで、６は速度検出
器（ＳＳ）、１３は電圧調整器、１４は速度基準設定器
である。

【０００５】一方、同期電動機の界磁は直流電圧により
励磁され電動機の電圧を制御している。例えば、電動機
軸に設けられたスリップリングとブラシにより回転体で
ある回転子に直流電圧を供給して界磁を励磁する方法が
ある。この方法は直接的であり、励磁電流を可変するに
は、印加する直流電圧を制御すればよいため簡単で小形
となる。また、このような構成によると、一般の商用電
源を入力とする交流可変速駆動システムとは異なり、船
舶の電気推進システムや、数十ＭＷ以上の超大容量の流
体機械駆動などは、機械の配置の自由度や電源の自給に
よるメリットなどの利点がある。しかし、スリップリン
グとブラシを保守点検する必要があり、これが大きな欠
点となっていた。

【０００６】この欠点を解決したのが回転トランスを使
ったブラシレス励磁装置であり、その構成を図８に示
す。すなわち、ブラシレス励磁装置は、ＡＣスイッチ２
０と回転トランス２１とダイオード整流器２２と同期電
動機１の界磁巻線（ＦＬＤ）２３とから構成される。Ａ
Ｃスイッチ２０はサイリスタを逆並列した回路を３相の
各相に設け、サイリスタの点弧制御によって平均電圧が
制御される。回転トランス２１は巻線形誘導電動機（Ｗ
ＩＭ）と同じ構造をしており、１次側はＡＣスイッチ２
０で平均電圧制御された電圧が印加され、２次側は同期
発動機４の回転子と同軸上にあり、同じく同軸上にある
ダイオード整流器２２に接続されている。ダイオード整
流器２２の直流出力電圧は同期電動機１の界磁巻線（Ｆ
ＬＤ）２３に電流を流すように構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、同期電動機
の速度と電圧は比例関係にあり、いわゆるＶ／ｆ一定の
関係がある。また、同期電動機は電機子反作用の関係か
ら速度が高くなり、負荷が大きくなるに従い界磁電流、
電圧も大きくなるので、低速領域では電動機の電機子を
制御する電力変換装置、および界磁を制御するブラシレ
ス励磁装置とも電圧を小さく出力する必要がある。しか
し、サイリスタ整流器及びサイリスタＡＣスイッチは共
に点弧位相制御により平均電圧を制御しているため、電
圧を小さくするとリップル電圧，電流が大きくなるの
で、電動機速度が低速になるに従いリップル電圧，電流
が大きくなり、その結果トルクリップルが大きくなって
軸のねじり振動や騒音の問題が発生する。

【０００８】また、サイクロコンバータの出力電圧は、
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、電源電圧の６倍の
リップルを含んでおり、このリップルは電動機の電圧が
低くなると大きくなる。これはサイクロコンバータがサ
イリスタの制御遅れ角αの点弧位相制御によるサイリス
タ整流器で構成されているためである。つまり出力電圧
を小さくするために点弧位相角を大きくしている（位相
を絞っている）からである。したがって、電動機速度が
低速になるに従いリップル電圧が大きくなり、その結果
トルクリップルが大きくなり軸のねじり振動や騒音の問
題が発生する。このような振動騒音は、客船など人間の
生活環境に近い所に設置される場合は大きな問題とな
り、静粛性を要求されることになる。

【０００９】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、その目的は電動機の低速運転領域で発生す
るトルクリップルを低減することであり、これにより軸
のねじり振動および騒音を解消して静粛な交流可変速駆
動装置を供給することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、原動機で駆動される発電機が
発生させる交流電力を、半導体電力変換装置により任意
の交流電力に変換して同期電動機を可変速駆動する交流
可変速駆動装置において、前記発電機の出力電圧は、速
度が変化している過渡状態を除いた定常状態では同期電
動機の運転周波数と比例関係となるように可変し、前記
同期電動機の界磁は、ＡＣスイッチの点弧制御によって
回転トランスの一次電圧を可変し、この回転トランスの
２次端子に接続されたダイオード整流器により可変直流
電圧を得て界磁電流を流すブラシレス励磁装置により励
磁すると共にこのブラシレス励磁装置の入力電圧を電圧
可変する前記発電機の電源とすることを特徴とする。

【００１１】請求項２は、原動機で駆動される発電機が
発生させる交流電力を、半導体電力変換装置により任意
の交流電力に変換して交流電動機を可変速制御する交流
可変速駆動装置において、前記電動機の速度指令の設定
変更が増速の場合は、その変更された新たな速度指令値
における必要電圧まで前記発電機の電圧をあらかじめ上
昇させた後に電動機の速度を設定値まで加速し、また前
記電動機の速度指令の設定変更が減速の場合は、前記電
動機速度を設定速度まで減速させた後に、前記発電機の
電圧を現状速度に相当する電圧に降下させることを特徴
とする。

【００１２】請求項３は、原動機で駆動される発電機が
発生させる交流電力を、半導体電力変換装置により任意
の交流電力に変換して交流電動機を可変速制御する交流
可変速駆動装置において、前記電動機の速度指令の設定
変更が増速の場合は電圧の整定を検出してから速度を変
え、また前記電動機の速度指令の設定変更が減速の場合
は速度の整定を検出してから電圧を低減し、さらに回生
動作するほどの減速率の場合はあらかじめ減速方向の電
圧設定を最大値にすることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明（請求項１対応）では、サイリスタ整流
器、サイリスタＡＣスイッチとも、出力電圧Ｖｏ、入力
電圧Ｖａ、制御遅れ角αとすると、出力電圧は（１）式
で表される。Ｖｏ＝Ｋ・Ｖａ・ｃｏｓα・・・・・・（１）Ｋは定数である。例えば、３相グレッツ結線のサイリス
タ整流器の場合は、係数は１．３５であり（２）式とな
る。Ｖｏ＝１．３５×Ｖａ×ｃｏｓα・・・（２）上記（２）式によると、商用電圧であればＶａは一定で
あるため、制御遅れ角αは電圧を小さくするために遅れ
方向（９０°で出力０）となり、リップルはαが遅れ方
向（９０°）に近いほど大きくなる。これは界磁のサイ
リスタＡＣスイッチでも同じである。このように電機子
および界磁とも電圧が低い領域、すなわち低速領域でリ
ップル成分が大きくなるのは、出力の電圧制御を制御遅
れ角αのみで行っているためである。そこで、発電機電
圧を電動機の速度に比例して制御することにより（２）
式のαはリップルの少ない値で固定できる。

【００１４】このように電動機、界磁とも過渡状態を別
にすれば、電圧と速度はほぼ比例関係にあるため、必要
な電圧のみ発電機から供給することによりサイリスタの
位相制御はリップルの最も少ない状態で運転できる。

【００１５】また本発明（請求項２及び３対応）では、
サイクロコンバータの出力電圧はサイリスタ整流器と同
じく、電圧指令係数Ｋ，出力電圧Ｖｏ，出力角周波数ω
ｏ，発電機電圧Ｖａ，制御遅れ角αとすると、出力電圧
は（３）式で表される。Ｖｏ＝Ｋ・ｓｉｎωｏｔ・・・・・・・・・・・・（３）電動機は速度によって電圧と周波数を変え、Ｖｏ／ｆｏ
比を一定に保つようにＫを可変しながら運転する。（直
流電動機ではｓｉｎωｏｔ＝１となる）

【００１６】一方、（３）式はサイリスタ整流器の位相
制御で表すと（４）式となる。Ｖｏ＝１．３５×Ｖａ×ｃｏｓα・・・・・・・・（４）（３）及び（４）式から次の（５）式が得られる。Ｋ・ｓｉｎωｏｔ＝１．３５×Ｖａ×ｃｏｓα・・（５）上記（５）式によると、商用電圧であればＶａは一定で
あるため、制御遅れ角αは、α ｃｏｓ^-1（Ｋ・ｓｉｎ
ωｏｔ）となるように制御するため電圧を小さくするた
めにはＫを小さくすることになり、αが遅れ方向とな
る。リップルはαが遅れ方向（９０°）に近いほど大き
くなる。図９（ａ）は最大電圧を出力している状態であ
り、同図（ｂ）はその１／２を出力している状態を示
す。このように出力電圧が小さくなるほどリップルは大
きくなる。

【００１７】これに対しＶａが可変できるとすると、Ｋ
＝Ｖａとなるように発電機電圧を制御することにより、
制御遅れ角αは α＝ｃｏｓ^-1（ｓｉｎωｏｔ）＝ωｏ
ｔ＋９０°となり、リップルの少ない状態で運転でき
る。つまり、常に図９（ａ）の状態で運転できることを
意味している。

【００１８】しかし、電動機の電圧制御として考える
と、制御する対象が１つに対し制御系は２つとなるた
め、相互に干渉し合うことにより安定に制御できない場
合がある。また、発電機の電圧制御の応答性はサイリス
タの位相制御より遅いため、制御応答的に制限が生ずる
場合がある。したがって、両者で制御する場合は優先性
を設ける必要がある。すなわち、本発明では、電動機の
速度指令が現状の速度指令に対し増速方向に設定した場
合、変更された新たな速度指令値における必要電圧まで
発電機の電圧を上昇させ、上昇が完了した後に電動機の
速度を設定値まで加速する。このように、発電機の電圧
可変は電動機の速度は変化させないで、あらかじめ発電
機電圧を目標速度に相当する電圧にした後で速度を変え
る。したがって、加速に必要なトルクや速度応答に関す
る制御は、サイリスタの位相制御が行う。同様に、速度
指令の設定変更が減速の場合は、電動機速度を設定速度
まで減速した後に、発電機の電圧を現状速度に相当する
電圧に降下させる。

【００１９】このようにして運転した場合、サイリスタ
位相制御は最もリップルの少ない範囲で使用でき、発電
機の電圧制御とも干渉せず安定に運転できる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。（第１実施例）図１は本発明の第１実施例の構成図であ
る。同図に示すように、原動機１で発電機２を駆動して
交流電力を作り、その電力を負荷転流インバータである
半導体電力変換装置３で変換して電動機４を可変速駆動
する。電動機４は速度指令１６と速度検出器（ＳＳ）６
からのフィードバック信号を速度演算増幅器（ＳＣ）７
により比較演算し、電流演算増幅器（ＣＣ）８に信号を
伝達する。この電流演算増幅器８はトルク指令を受けて
電動機に必要なトルクを発生させるための電流を制御す
るもので一般には電流フィードバックによる閉ループ制
御系を構成するがここでは省略してある。次の位相制御
回路（ＰＨＣ）９は電源に同期してサイリスタの点弧タ
イミングを演算して、点弧パルスを発生させる。負荷転
流インバータはポジションセンサー１０からの位置信号
によりβ制御回路１１で自制制御されるが、これは一般
のサイリスタモータの機能であるためここでは省略す
る。

【００２１】また、電動機４の界磁は電流制御機能をも
ったブラシレス励磁装置２４を構成しており、サイリス
タを逆並列したＡＣスイッチ２０が３相の各相に設けら
れ、サイリスタの点弧制御によって平均電圧が制御さ
れ、回転トランス２１の１次側に印加される。２次側は
同期電動機４の回転子と同軸上にあり、同じく同軸上に
あるダイオード整流器２２に接続されている。ダイオー
ド整流器２２の直流出力電圧は同期電動機の界磁巻線２
３に電流を流す。電動機４の電圧は電圧フィードバック
により電圧演算増幅器（ＶＣ）１２に入力され、さらに
界磁の電流演算増幅器８およびＡＣスイッチの位相制御
回路（ＰＨＣ）９を経てブラシレス励磁装置２４のＡＣ
スイッチ２０に入力され、その後は上記したように回転
トランス２１、ダイオード整流器２２を経て同期電動機
の界磁巻線２３に界磁電流を流すように構成されてい
る。また発電機２の出力電圧は電圧調整器１３により閉
グループ制御される。なお、速度指令、電動機電圧指
令、発電機電圧指令は基準発生器１４により作られる。

【００２２】以上のように構成された本実施例では、電
動機４の速度に従い発電機２の電圧も決められ、電動機
の電圧と発電機の電圧の関係は、図２に示すように比例
関係となるように設定できる。発電機の電圧は、電動機
の必要とする電圧に対し若干のバイアス分をもって設定
されるが、これは位相遅れ制御するための制御余裕に使
用される。一般に発電機の電圧制御は、電動機の電機子
制御より応答性は遅いため過渡的な制御応答は電機子側
のサイリスタ位相制御、および界磁側のサイリスタＡＣ
スイッチが応答するため、応答性を損なわず定常状態で
の制御遅れ角をリップルの小さい領域で使用することが
できる。

【００２３】（第２実施例）図３は本発明の第２実施例
の構成図である。同図に示すように、原動機１で発電機
２を駆動して交流電力を作り、その電力を半導体電力変
換装置３で変換して電動機４を可変速駆動する。半導体
電力変換装置３はサイクロコンバータであり、速度制御
装置５で制御される。速度制御装置５は速度指令信号と
電動機３の速度検出器６からのフィードバック信号を速
度演算増幅器（ＡＳＲ）７により比較演算し、トルク演
算制御回路（ＴＣ）８ａに信号を伝達する。このトルク
演算制御回路８ａはベクトル制御理論などにより、トル
ク指令を受けて電動機に必要なトルクを発生させるため
の電流とその位相を制御するものである。次の位相制御
回路（ＰＨＣ）９は電源に同期してサイリスタの点弧タ
イミングを演算して、点弧パルスを発生させる。以上の
構成は一般の交流可変速駆動のシステム構成と同じであ
る。

【００２４】発電機２の電圧は電圧調整器１３により電
圧指令１５を目標値として閉ループ制御される。電圧指
令１５および速度指令１６は基準設定器１４により作ら
れる。速度設定信号１９はホールド回路１７を通して電
圧指令１５および速度指令１６となる。ホールド回路１
７はタイミング回路１８によってホールドを操作され
る。タイミング回路１８は速度設定信号１９の変化を監
視し、増速方向の変化に対しては電圧指令１５は時間遅
れ無しで出力され、速度指令１６は現状の信号のままホ
ールドし、時間遅れの後にホールドを解除して新たな速
度指令信号を出力する。また、速度設定信号１９が減速
方向に変化した場合は、電圧指令１５はホールドされ、
時間遅れの後に新たな電圧指令が出力され、速度指令１
６は時間遅れ無しで出力される。

【００２５】この状況を図４に示す。すなわち、図４に
おいて、速度設定が０から１ノッチになったとき、発電
機の電圧は即座に１ノッチに相当する電圧を発生する。
その後、遅れて電動機は１ノッチの速度まで加速する。
速度設定が２ノッチに変更されると、発電機の電圧は即
座に２ノッチに相当する電圧を発生する。その後、遅れ
て電動機は２ノッチの速度まで加速する。同様に速度設
定が２ノッチから１ノッチになった場合、電動機は１ノ
ッチ速度まで減速し、遅れて発電機電圧が１ノッチ電圧
に降下する。このように、速度設定の過渡的な短時間領
域は発電機電圧は高くなっているが、定常状態では、電
動機の必要な最低限の電圧を発電機が出力できる。

【００２６】（他の実施例）上記第２実施例では電圧指
令と速度指令の時間的関係、すなわちホールド時間をタ
イマーなどによる固定時間としているが、増速方向では
電圧の整定を検出してから速度を変える。同じく減速方
向では速度の整定を検出してから電圧を低減することも
時間を短縮するのに有効である。

【００２７】また、減速においては、回生動作するほど
の減速率の場合、必要な転流電圧を確保しないと転流失
敗による事故が考えられる、このようなシステムでは転
流電圧を確保するために発電機電圧は最大電圧を必要と
する場合がある。この場合は図５にように、あらかじめ
減速方向の電圧設定を最大値にしておくことで対応可能
である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
発電機の電圧を運転速度指令に合わせて制御することに
より電動機の電機子、界磁とも電流リップルを最も少な
い状態で運転でき、低速運転領域で発生するトルクリッ
プルを低減することができ、その結果として軸のねじり
振動の問題解決や低騒音化により静粛な可変速駆動装置
を供給することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図。

【図２】同図１の作用を説明するための特性図。

【図３】本発明の第２実施例の構成図。

【図４】図３の作用を説明するための図。

【図５】図３における減速率が大きい場合の作用を説明
するための図。

【図６】交流電動機の可変速駆動装置であるサイリスタ
モータシステムの構成図。

【図７】従来の可変速駆動装置の構成図。

【図８】従来のブラシレス励磁装置の構成図。

【図９】サイクロコンバータの出力波形図。

【符号の説明】

１…原動機、２…発電機、３…電力変換装置、４…電動
機、５…可変速駆動制御装置、６…速度検出器、７…速
度演算増幅器、８…電流演算増幅器、８ａ…トルク演算
制御回路、９…位相制御回路、１０…ポジションセンタ
ー、１１…β制御回路、１２…電圧演算増幅器、１３…
電圧調整器、１４…速度基準設定器、１５…電圧指令、
１６…速度指令、１７…ホールド回路、１８…タイミン
グ回路、１９…速度設定信号、２０…ＡＣスイッチ、２
１…回転トランス、２２…ダイオード整流器、２３…界
磁巻線、２４…ブラシレス励磁装置、３１…インバー
タ、３２…整流器、３３…リアクトル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｐ 9/14 Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原動機で駆動される発電機が発生させる
交流電力を、半導体電力変換装置により任意の交流電力
に変換して同期電動機を可変速駆動する交流可変速駆動
装置において、前記発電機の出力電圧は、速度が変化し
ている過渡状態を除いた定常状態では同期電動機の運転
周波数と比例関係となるように可変し、前記同期電動機
の界磁は、ＡＣスイッチの点弧制御によって回転トラン
スの一次電圧を可変し、この回転トランスの２次端子に
接続されたダイオード整流器により可変直流電圧を得て
界磁電流を流すブラシレス励磁装置により励磁すると共
にこのブラシレス励磁装置の入力電圧を電圧可変する前
記発電機の電源とすることを特徴とする交流可変速駆動
装置。
【請求項２】原動機で駆動される発電機が発生させる
交流電力を、半導体電力変換装置により任意の交流電力
に変換して交流電動機を可変速制御する交流可変速駆動
装置において、前記電動機の速度指令の設定変更が増速
の場合は、その変更された新たな速度指令値における必
要電圧まで前記発電機の電圧をあらかじめ上昇させた後
に電動機の速度を設定値まで加速し、また前記電動機の
速度指令の設定変更が減速の場合は、前記電動機速度を
設定速度まで減速させた後に、前記発電機の電圧を現状
速度に相当する電圧に降下させることを特徴とする交流
可変速駆動装置。
【請求項３】原動機で駆動される発電機が発生させる
交流電力を、半導体電力変換装置により任意の交流電力
に変換して交流電動機を可変速制御する交流可変速駆動
装置において、前記電動機の速度指令の設定変更が増速
の場合は電圧の整定を検出してから速度を変え、また前
記電動機の速度指令の設定変更が減速の場合は速度の整
定を検出してから電圧を低減し、さらに回生動作するほ
どの減速率の場合はあらかじめ減速方向の電圧設定を最
大値にすることを特徴とする交流可変速駆動装置。