JPH08322251A - 交流電力周波数変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流電力の周波数を簡易に直接的に異なる周
波数に変換することができる交流電力周波数変換装置を
提供する。 【構成】 交流電源３の各出力端と交流負荷１０の各入
力端との間をそれぞれにスイッチング素子Ａ₁ 〜Ｄ₂ で
接続し，交流負荷１０を動作させる状態に応じて各スイ
ッチング素子を点弧制御する。交流負荷１０に供給する
交流電力周波数を交流電源３の周波数と１／１の関係に
するときは，交流電源３と交流負荷１０とを双方向に接
続するスイッチング素子Ａ₁ ，Ａ₂ ，Ｄ₁ ，Ｄ₂ をオン
に制御する。交流負荷１０に供給する交流電力周波数を
例えば１／２とするときは，スイッチング素子Ａ₁ ，Ｄ
₂ ，とＢ₁ ，Ｃ₁ とを交流電力の一方側半波成分の周期
に同期させて交互にオンに制御すると，交流負荷１０に
は半波成分が交番方向で印加され，元の周波数の１／２
の周波数の交流電力が供給された状態が得られ，交流負
荷１０が誘導電動機２であるときには速度は１／２とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，交流電力を異なる周波
数の交流電力に変換する交流電力周波数変換装置に係
り，特に，回転速度が交流電力の周波数に依存する誘導
電動機の速度制御を簡易に実施することのできる交流電
力周波数変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記誘導電動機は元来定速度特性を有し
ており，この一定速度は供給される交流電力周波数に比
例して変化する。従って，誘導電動機の速度を制御する
ためには，交流電力の周波数を制御することが適してお
り，その周波数制御手段としてインバータが連続的且つ
広範囲の周波数変化ができる点で優れている。しかし，
インバータは周知の通り交流電力を順変換器で一旦直流
変換した後，逆変換器で要求される交流電力周波数に変
換する間接方式であるため，装置が複雑化することは否
めない。特に，誘導電動機をバタフライバルブを駆動す
る電動アクチュエータなどの用に供する場合などでは，
より簡易に交流電力の周波数を変換できる手段が望まれ
ている。上記電動アクチュエータとして誘導電動機を利
用した一例として，バタフライバルブのサーボ機構に誘
導電動機を用いた場合の速度制御の有効性について以下
に述べる。

【０００３】上記サーボ機構による制御を実施するため
に，電動機のオン・オフ制御を行った場合，電動機やギ
ア等の慣性により電動機をオフに操作した後にもバルブ
が駆動される量を考慮して，電動機をオフに制御する点
を目標点より手前に設定する必要がある。この電動機の
オフ制御点と目標点との差である動作すきまは，制御速
度，即ち電動機の速度が速いほど大きく設定する必要が
あり，位置の制御精度が低下することになる。電動機の
速度を遅くすれば制御精度は向上するが，制御速度を低
下させてしまうことになる。又，動作すきまの設定量が
小さすぎて目標位置を超えて停止すると，再度目標位置
へたどり着こうとして電動機が逆転し，目標点を中心と
した正転／逆転の切り換えの動作によるサイクリングを
生じてしまうことになる。そこで，電動機の速度を定格
速度とこれより遅い速度に切り換え可能に構成し，目標
点に接近したときに速度を下げることにより，制御速度
の低下を抑えて制御精度を向上させることができる。例
えば，定格速度の１／２の速度に切り換えが可能である
とするならば，電動機やギア等の慣性は１／４になり，
動作すきまも約１／４にすることができる。定格速度の
場合に必要な動作すきま（バルブ開度）が±１．５°で
あるとすると，１／２速度での動作すきまは±０．３８
°でよいことになり，実用上充分な位置精度が得られ
る。特にバタフライバルブの制御においては，バルブの
全閉時の停止位置精度が極めて重要である。これは，バ
ルブ全閉時には，バルブが完全に閉まり，流体の流出が
完全に止められていることが必要である反面，バルブを
あまりきつく絞めすぎるきとパッキンが損傷したり，駆
動系の疲労が促進され寿命の低下を招くからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく誘導電動
機を電動アクチュエータとして用いた場合に，回転速度
の切り換えにより制御位置精度を向上させることができ
る。しかし，この速度切り換えのためにインバータを用
いるには装置規模が大がかりになり過ぎる。上記バルブ
のサーボ機構だけでなく，サーボモータよりも少しラフ
な精度でもよい電動アクチュエータの制御に，交流電力
の周波数切り換えが有効に利用できる場合が多く，イン
バータより簡易に交流電力周波数を変換できる装置の実
現が待たれている。本発明の目的とするところは，交流
電力の周波数を簡易に直接的に変換することを可能にす
る交流電力周波数変換装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，交流負荷に供給する交流電
力の周波数を，上記交流負荷を動作させる状態に応じて
切り替える交流電力周波数変換装置において，交流電源
の各出力端と，交流負荷の各入力端との間を，それぞれ
に接続するスイッチング素子と，上記各スイッチング素
子を，上記交流負荷を動作させる状態に応じて交流電力
の任意周期の半波成分を上記交流負荷に交番方向で供給
するように点弧制御する制御手段とを具備してなること
を特徴とする交流電力周波数変換装置として構成されて
いる。

【０００６】

【作用】本発明によれば，交流電源の各出力端と交流負
荷の各入力端との間をそれぞれにスイッチング素子によ
り接続し，制御回路により交流負荷を動作させる状態に
応じて各スイッチング素子を点弧制御する。この点弧制
御は，交流電力の任意周期の半波成分を取り出し，これ
を交番方向で交流負荷に供給するように各スイッチング
素子を点弧制御する。例えば，上記交流負荷が誘導電動
機であり，これに供給する交流電力の周波数を切り換え
て回転速度を制御するような場合に，交流電力の全ての
半波成分をそのまま通過させるように所要のスイッチン
グ素子を点弧制御すると、誘導電動機は交流電力の周波
数に対応する速度，即ち全速で回転する。この誘導電動
機を例えば全速の１／２の速度が回転させたい場合に
は，交流電力の一方側半波成分のみを交番方向で誘導電
動機に供給するようにスイッチング素子を点弧制御する
と，誘導電動機は全速時の１／２の周波数の交流電力で
運転された状態と同等の速度が得られる。本構成によれ
ば，交流電力を直接的に異なる周波数に変換して交流負
荷に供給することができるので，インバータによる間接
的な構成に比して，より簡易に交流電力の周波数を変換
することができ，電動アクチュエータ等の速度制御に有
効である。

【０００７】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１は
本発明の第１実施例に係る交流電力周波数変換装置の構
成を示す回路図（ａ）と，これを単相誘導電動機の速度
制御に適用した構成を示す回路図（ｂ），図２及び図３
は第１実施例構成におけるサイリスタの点弧制御を説明
する点弧制御タイミングチャート，図４は第２実施例に
係る交流電力周波数変換装置を三相誘導電動機の速度制
御に適用した構成を示す回路図，図５は第２実施例構成
におけるサイリスタの点弧制御を説明する点弧制御タイ
ミングチャートである。図１（ａ）において，交流電力
周波数変換装置１ａは，単相交流電源３と交流負荷１０
との間を接続するサイリスタ（スイッチング素子）Ａ₁
〜Ｄ₂ と，該サイリスタＡ₁ 〜Ｄ₂ それぞれを点弧制御
する制御回路４ａとを具備して構成されている。上記サ
イリスタＡ₁ 〜Ｄ₂ は，交流電源３の各出力端ｕ₁ ，ｖ
₁ と，交流負荷１０の各入力端ｕ₂ ，ｖ₂ との間を，そ
れぞれに接続できるように配設されている。尚，上記サ
イリスタはこれに限定されるものでなく，パワートラン
ジスタ，ＧＴＯ，ＩＧＢＴ等を用いることもできる。

【０００８】上記構成において，双方向に逆並列接続さ
れたサイリスタＡ₁ ，Ａ₂ 及びサイリスタＤ₁ ，Ｄ
₂ を，図２（ａ）に示す交流電力の各半波成分に同期さ
せて，それぞれ点弧制御すると，交流電源３からの交流
電力周波数ｆはそのままで交流負荷１０に供給される。
次いで，交流電源３からの交流電力周波数ｆをｆ／２相
当の周波数に変換して交流負荷１０に供給する場合の制
御回路４ａによる点弧制御のタイミングは，図２（ｂ）
（ｃ）に示すようになる。図２（ｂ）に示すようなタイ
ミングでサイリスタＡ₁ 及びＤ₂ と，図２（ｃ）に示す
ようなタイミングでサイリスタＢ₁ 及びＣ₁ とを，交流
電力の一方側半波成分（斜線部）の周期に同期して交互
にオンとなるように点弧制御すると，交流負荷１０には
交流電力の半波成分が交番方向で供給されることにな
り，図２（ｄ）に示すように交流電源３の周波数ｆはｆ
／２相当の周波数の交流電力に変換された状態が得られ
る。

【０００９】図１（ａ）に示す構成を誘導電動機の速度
制御に適用する場合には，その構成を図１（ｂ）に示す
ように変更する。同図に示すように，誘導電動機２を交
流負荷とする場合の交流電力周波数変換装置１ｂは，各
接続ラインの全てについて，逆並列に接続したサイリス
タＡ₁ 〜Ｄ₂ が配設される。周波数変換のための基本的
な構成は図１（ａ）に示した構成でよいが，交流負荷が
電動機である場合には，周波数変換により回転速度が全
速から低い速度に切り換えられたとき，電動機が所定速
度に減速するまでの間は慣性による回転エネルギーで発
電機として動作し，電流を電源側に送り返す回生制動の
動作がなされるため，各接続ラインにおいて双方向接続
が必要となる。図１（ｂ）に示す構成により，誘導電動
機２を交流電源３の周波数ｆに比例した全速で運転する
状態と，交流電源３の周波数ｆをｆ／２相当の周波数に
変換して全速の１／２の速度で運転する状態とに切り換
える制御動作について，図２を参照して以下に説明す
る。図２（ａ）は交流電源３の出力波形を示し，単相正
弦波として出力されている。誘導電動機２を全速で運転
させる場合には，制御回路４ｂによりサイリスタＡ ₁ ，
Ａ₂ ，Ｄ₁ ，Ｄ₂ それぞれを交流電力周波数の各半波の
周期に同期させて点弧制御することにより，交流電源３
からの交流電力周波数ｆはそのままに誘導電動機２に供
給され，誘導電動機２は交流電力周波数ｆに比例した全
速で運転される。

【００１０】次に，誘導電動機２を全速の１／２の速度
で運転させる場合には，図２（ｂ）に示すように逆並列
接続されたサイリスタＡ₁ ，Ａ₂ 及びＤ₁ ，Ｄ₂ と，図
２（ｃ）に示すように逆並列接続されたサイリスタ
Ｂ₁ ，Ｂ₂ 及びＣ₁ ，Ｃ₂ とが，交流電力の一方側半波
成分（斜線部）の周期に同期して交互にオンとなるよう
に点弧制御される。この結果，誘導電動機２には交流電
力の半波成分が交番方向で供給されることにより，図２
（ｄ）に示すように交流電力周波数ｆの１／２に相当す
る周波数で誘導電動機２は運転され，回転速度は１／２
となる。上記のように制御回路４ｂによりサイリスタＡ
₁ 〜Ｄ₂ それぞれを点弧制御することによって，誘導電
動機２の速度を全速と全速の１／２とに切り換え制御す
ることができる。尚，図２（ｄ）に示す交流波形は高調
波を含み，主成分をｆ／２と（３／２）ｆとする波形と
なるが，ｆ／２による駆動トルクの方が格段に大きいの
で，全速運転から半速運転に切り換えられたとき，誘導
電動機２はｆ／２による半速に切り換えられる。上記制
御は，全速と半速との切り換えであるが，半速以下の速
度となるように誘導電動機２に印加する交流電力周波数
を変換することもできる。例えば，図３（ｂ）（ｃ）に
示すように，サイリスタＡ₁ ，Ａ₂ 及びＤ₁ ，Ｄ₂ と，
サイリスタＢ₁ ，Ｂ₂ 及びＣ₁ ，Ｃ₂ とを，交流電源３
の交流電力周波数ｆの一方側半波成分を１つおきの周期
で取り出すように交互に点弧制御すると，誘導電動機２
を全速の１／４の速度で運転することができる。即ち，
図３（ａ）に示す交流電源３からの交流電力周波数ｆ
は，誘導電動機２に図３（ｄ）に示すように交流電力周
波数ｆのｆ／４に相当する周波数に変換されて誘導電動
機２に印加されることになる。

【００１１】次に，本発明を三相交流電力の周波数変換
に適用した構成を第２実施例として以下に説明する。図
４において，第２実施例に係る交流電力周波数変換装置
５は，三相交流電源７の出力端ｕ₁ ，ｖ₁ ，ｗ₁ と，三
相誘導電動機（交流負荷）６の入力端ｕ₂ ，ｖ₂ ，ｗ₂
との間をそれぞれ双方向に接続するサイリスタＡ₁ 〜Ｉ
₂ と，各サイリスタＡ₁ 〜Ｉ₂ をそれぞれ点弧制御する
制御回路８とを具備して構成されている。上記構成によ
り，三相誘導電動機６を全速運転と，半速運転とに切り
換えるべく，三相誘導電動機６に印加する交流電力の周
波数ｆを全速運転時ｆ，半速運転時ｆ／２相当の周波数
となるように各サイリスタＡ₁ 〜Ｉ₂ を制御回路８によ
り点弧制御する状態を図５を参照して説明する。全速運
転時には，サイリスタＡ₁ ，Ａ₂ ，Ｅ₁ ，Ｅ₂ ，Ｉ₁ ，
Ｉ₂ が点弧制御される。この点弧制御の状態では，三相
交流電源７の出力端と三相誘導電動機６の入力端との間
のｕ₁ −ｕ₂ ，ｖ₁ −ｖ₂ ，ｗ₁ −ｗ₂ 間がそれぞれに
逆並列に接続されたサイリスタＡ₁ ，Ａ₂ ，Ｅ₁ ，
Ｅ₂ ，Ｉ₁ ，Ｉ₂ により双方向に接続されるので，これ
を三相交流電力周波数の各半波の周期に同期させて点弧
制御すると，図５（ａ）に示す三相交流電源７からの三
相交流電力はそのまま三相誘導電動機６に供給され，三
相誘導電動機６は三相交流電力周波数ｆに比例した全速
で運転される。

【００１２】次に，半速運転時には，三相交流電力の各
相の一方側半波成分（図では正側）が三相誘導電動機６
にそれぞれ交番方向で印加されるように，サイリスタＡ
₁ 〜Ｉ₂ が図５（ｂ）に示すタイミングで点弧制御され
る。図５（ｂ）に示す点弧制御により，図５（ａ）に示
す三相交流電源７から出力される三相交流電力各相の半
波成分（斜線部）は，図５（ｃ）に示すように三相誘導
電動機６の各相捲線に交番方向で供給されることにな
り，三相誘導電動機６はｆ／２相当の交流電力周波数で
駆動される。従って，三相誘導電動機６は全速の１／２
の回転速度で運転される。上記第１及び第２実施例構成
において，逆並列に接続された２つのサイリスタを，１
つのトライアック等の双方向スイッチング素子に置き換
えることも可能であるが，交流負荷が上記各実施例のよ
うに誘導負荷である場合には誤点弧が生じる可能性が高
いため，誘導負荷である場合には上記構成に示したよう
に，単方向スイッチング素子を逆並列に接続し，個別に
点弧制御することが望ましい。この発明を用いてバタフ
ライバルブの開度制御を行う場合，バルブが全閉に近い
所定の開度になるまでは全速運転を行い，上記所定の開
度になったことを検出する信号が入力された時点で，半
速制御又はそれ以下の速度制御に切り換えることによ
り，全閉時の停止精度を向上させることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，交流
電源の各出力端と交流負荷の各入力端との間をそれぞれ
にスイッチング素子により接続し，制御回路により交流
負荷を動作させる状態に応じて各スイッチング素子を点
弧制御する。この点弧制御は，交流電力の任意周期の半
波成分を取り出し，これを交番方向で交流負荷に供給す
るように各スイッチング素子を点弧制御する。例えば，
上記交流負荷が誘導電動機であり，これに供給する交流
電力の周波数を切り換えて回転速度を制御するような場
合に，交流電力の全ての半波成分をそのまま通過させる
ように所要のスイッチング素子を点弧制御すると、誘導
電動機は交流電力の周波数に対応する速度，即ち全速で
回転する。この誘導電動機を例えば全速の１／２の速度
が回転させたい場合には，交流電力の一方側半波成分の
みを交番方向で誘導電動機に供給するようにスイッチン
グ素子を点弧制御すると，誘導電動機は全速時の１／２
の周波数の交流電力で運転された状態と同等の速度が得
られる。本構成によれば，交流電力を直接的に異なる周
波数に変換して交流負荷に供給することができるので，
インバータによる間接的な構成に比して，より簡易に交
流電力の周波数を変換することができ，電動アクチュエ
ータ等の速度制御に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る交流電力周波数変
換装置の基本構成（ａ）と，これを誘導電動機の速度制
御に適用した構成を示す回路図（ｂ）。

【図２】 第１実施例構成の点弧制御を説明するタイミ
ングチャート。

【図３】 第１実施例構成の点弧制御を説明するタイミ
ングチャート。

【図４】 第２実施例に係る交流電力周波数変換装置を
三相誘導電動機の速度制御に適用した構成を示す回路
図。

【図５】 第２実施例構成の点弧制御を説明するタイミ
ングチャート。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，５…交流電力周波数変換装置 ２…誘導電動機（交流負荷） ３…交流電源 ４ａ，４ｂ，８…制御回路 ６…三相誘導電動機（交流負荷） ７…三相交流電源 Ａ₁ 〜Ｉ₂ …サイリスタ（スイッチング素子）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流負荷に供給する交流電力の周波数
   を，上記交流負荷を動作させる状態に応じて切り替える
   交流電力周波数変換装置において，交流電源の各出力端
   と，交流負荷の各入力間との間を，それぞれに接続する
   スイッチング素子と，上記各スイッチング素子を，上記
   交流負荷を動作させる状態に応じて交流電力の任意周期
   の半波成分を上記交流負荷に交番方向で供給するように
   点弧制御する制御手段とを具備してなることを特徴とす
   る交流電力周波数変換装置。