JPH0834693B2 - 電流調整器 - Google Patents

電流調整器

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JPH0834693B2
JPH0834693B2 JP61006173A JP617386A JPH0834693B2 JP H0834693 B2 JPH0834693 B2 JP H0834693B2 JP 61006173 A JP61006173 A JP 61006173A JP 617386 A JP617386 A JP 617386A JP H0834693 B2 JPH0834693 B2 JP H0834693B2
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ジエイ．カークマン ラツセル
エム．ロワン テイモシイ
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    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

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  • Power Engineering (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は交流電動機の速度を可変にする駆動装置に関
し、さらに詳細には電動機の固定子巻線に対し多相であ
つて周波数及び振幅が変化する電流を供給する交流電流
源に関するものである。
〔従来の技術〕
従来の交流電流源は、半導体スイツチを用いて電動機
の固定子巻線へ供給するのに適した正弦波的形状に近似
するパルス波を発生させていた。従来の交流電流源は通
常２つの種類に分類される。１つの種類は電流源インバ
ータを用いるものであり、他の種類は電圧源インバータ
を用いるものである。電流源インバータは、制御された
直線「リンク（1ink）」電流を入力し、この電流を電動
機の固定子巻線との間でスイツチングすることにより、
供給電流が適当な周波数及び振幅を有する多相正弦波電
流に近似するようにしている。この種の発明は例えば米
国特許第4,400,655号に開示されている。一方電圧源イ
ンバータは、直流電圧を入力し、この電圧を切つて電圧
パルス列に変換し、このパルス列を電動機固定子巻線に
供給する。これらのパルス列のパルス幅は、電動機固定
子巻線を流れる電流が所望の周波数及び振幅を有する正
弦波となるように変調されている。この種のインバータ
は例えば米国特許第4,469,997号に開示されている。
前記の電流源インバータ及び電圧源インバータはいず
れもそれぞれ長所及び短所を有しており、それらは当該
技術分野において周知のことである。従つて、両技術と
の市販の電動機駆動装置として使用されており、いずれ
の技術を選択するかは基本的に性能及び価格の面から決
定されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は電流調整器を備えた従来の電圧源インバータ
に固有は問題を解決する。電動機が高速で運転される場
合にこのような電圧源インバータは電動機電流が正確に
正弦波になるよう制御できないということが今まで知ら
れている。これは、高速時に電圧源インバータの利得が
減少すること、電動機に逆起電力が発生することに起因
している。この問題を解決するために多数の手法が提案
され、これらのいくつかは補償回路を含ませるものであ
り、いずれの手法も非常に複雑であるか、又は駆動され
る個々の電動機について詳細な知識が要求されるもので
ある。
このような電圧源インバータが指令された振幅と位相
を有する電流波形を正確に発生することができなくなる
と、このようなインバータが磁束ベクトル制御を行なう
電動機駆動装置として用いられる場合に特に問題とな
る。このようなベクトル制御方法では、各固定子巻線に
供給される正弦波電流波形の振幅及び位相を常に正確に
制御することが要求される。何故なら、正確な制御が行
われる場合にのみ、全磁束が好適な強度及び方向を有
し、所望の電動機のトルク及びスピードを発生すること
ができるからである。
〔問題点を解決するための手段と発明の目的〕
本発明は、電圧源インバータを用いた可変周波数交流
電源に関し、詳細には、このようなインバータの高い周
波数における電流調整性能を改善した装置に関する。本
発明は、交流電流指令信号から交流電流フイードバツク
信号を減算して誤差信号を発生させる装置と、前記誤差
信号に比例した信号成分と、誤差信号の積分値に比例し
た信号成分と、さらに、周波数の関数として表され、そ
の振幅が増大する交差結合成分とを加算して、電圧源イ
ンバータに供給される合成制御信号を発生させる装置と
によつて構成されている。交差結合成分は掛算器によつ
て生成され、この掛算器の入力端子は別の相の電流調整
器の信号成分と交流電流指令信号の周波数に比例した信
号とを受け取るように接続されている。
さらに詳しく述べると、交差結合信号は発振器から各
相毎に出力されるもので、発振器は各相毎に加算器、積
分器、掛算器等で構成されたものである。本実施例では
発振器は、一方の相に形成された加算器、積分器、掛算
器等からなる第１のグループと他方の相に形成された加
算器、積分器、掛算器等からなる第２のグループとで構
成され、それぞれのグループの出力を、即ち、交差結合
信号を互いに他のグループに供給するように閉ループを
構成している。それぞれのグループから出力された交差
結合信号は相互の相を補正するように生成され、この交
差結合信号と誤差信号とが加算されて電圧源インバータ
を昇圧するための合成制御信号を生成する。交差結合信
号は交流の周波数の関数として表されてこの関数の振幅
成分が指令周波数に応じて増加する。
そして、合成制御信号は電圧源インバータの入力を周
波数として昇圧させ、かつ正弦波電流フィードバック信
号を増加させることにより、高い周波数において必要と
される電流を供給できる。
本発明の目的は電圧源インバータから出力される交流
電流を正確に制御することにある。本発明に係る電流調
整器は当該電流調整器に導入される誤差信号を除去する
ために従来の比例積分（PI）制御回路を均等に使用して
いる。このような従来のPI制御回路では交流電流を正確
に調整することができないことが知られている。この不
正確さは、調整される電流の交流周波数の関数として増
大し、これが、電流調整器を備えた電圧源インバータが
電動機を駆動するために用いられる際に直面する困難さ
の原因となつている。先行技術における回路と異なり、
本発明では、いかなる動作周波数においても定常状態で
は正確な電流調整を保証する。
本発明の別の目的は、安価に構成し操作できる電圧源
インバータのための電流調整器を提供することにある。
本発明による電流調整器は、従来のPI電流調整器で通常
使用される素子の他にいくつかの受動素子と集積回路と
を必要とするのみである。
本発明の別の目的は、ベクトル制御方式を用いて電動
機速度、トルク又は磁束を制御する多相電動機駆動装置
の動作を改善することにある。本発明は２つの直交電流
指令信号に応じてｎ個の独立した位相の電流強度を制御
するために使用できる。電動機に誘起される電流の振幅
及び位相は、全動作周波数帯域において、正確に指令電
流信号を反映したものとなる。
先に述べた本発明の目的及び利点は以下の記述でより
明らかとなる。説明の中で参照する添付図面は、本発明
の実施例を図示したものである。これらの実施例は必ず
しも発明のすべてを示すものではないが、特許請求の範
囲で限定される発明の範囲を解釈するためのものとして
参照されている。
〔実施例〕
第１図において負荷１には電圧源インバータ２から２
相交流電力が供給されている。負荷１は、例えば同期電
動機、誘導電動機、静電式集塵機、誘導式加熱器、又は
コロナ放電治療器等の各種装置のいずれでも良い。電圧
源インバータ２は良く知られている回路であつて、信号
線5,6によつて入力される制御信号に応じて信号線3,4に
パルス幅変調された電圧パルスを出力する。第５図に示
されるように、これらの電圧パルスは一定の振幅Ｖを有
するが、しかしそのパルス幅はそれぞれの信号線3,4を
流れる電流iq,idが実質的に正弦波形となるように変調
されている。これらの出力電流iq及びidの振幅、周波数
及び位相は信号線５及び６から加えられる制御信号の振
幅、周波数及び位相によつて定められる。米国特許第4,
469,997号、第3,830,003号及び第3,700,987号に記載さ
れている電圧源インバータは上記の目的に使用し得る。
出力電流iq及びidは電流調整器７によつて正確に制御
されており、この電流調整器７は制御信号をインバータ
の信号線５及び６に出力している。電流調整器７は２つ
の正弦波電流指令信号iq*＝Iq sin wtとid*＝Id sin（w
t−90）とを入力し、これらはそれぞれ信号線８及び９
を介して電流検出器から与えられる正弦波電流フイード
バツク信号iq及びidと比較される。電流調整器７の機能
は、信号線５及び６の上に正弦波制御信号を発生して電
圧源インバータ２を駆動することであり、その方法よれ
ば、それぞれのフイードバツク信号iq及びidを電流指令
信号iq*及びid*に等しくなるようにする。この機能を実
現するための電流調整器としては今までに多くのものが
知られているが、すべては非常に複雑な回路であつて、
これら先行技術による電流調整器は広い周波数帯域で正
確に動作しているとは言い難い。後により詳しく述べる
が、本問題の一つの解決策として本発明に係る電流調整
器７は直流信号Ｗを信号線10を介して入力しており、こ
の入力信号Ｗは指令電流iq*及びid*の周波数に比例した
大きさを有している。
第２図において、電流調整器７を有する電圧源インバ
ータ21は３相負荷20を駆動するために用いられている。
電圧源インバータ21としては、２相負荷を駆動するため
に用いられたものと同様な装置が使用されているが、電
圧源インバータ21は信号線22−24を介して入力される３
つの正弦波制御信号で駆動されており、３つの出力電流
ia,ib及びicを発生する。３相出力電流ia,ib,icは同じ
振幅及び周波数を有し、それらの位相は120度ずつずれ
ている。
同一の電流調整器７がこの３相系においても使用され
るが、しかし位相変換を行なう必要がある。さらに詳細
に述べると、信号線５及び６上に出力される２相電流調
整器制御信号は信号線22−24上における同等の３相信号
に変換されなければならない。この変換は既知構造の２
相/3相変換回路25で行われる。例えば“IEEE−IAS Conf
erence Record"1978年 PP.876−883に記載されているB.
K.Bose及びThomas Lipoによる「電流供給型線型誘導機
械の制御及びシミユレーシヨン」で示される回路はこの
目的に使用し得る。反対に、３つの出力電流ia,ib及びi
cは信号線26−28を介してフイードバツクされ、３相/2
相変換回路29によつて２相フイードバツク信号iq及びid
に変換される。IEEE−IAS Transactions,IA−19,No.3MA
Y/JUNE1983に記載されたロバート・ジヨートン（Robert
Joetten）及びゲルハルト メーダー（Gerhard Maede
r）による「測定量として電流及び電圧信号を基本的に
用いる誘導電動機駆動装置の動特性改善のための制御方
法」に示される回路が本目的のために使用し得る。
当該技術分野における当業者にとつて明らかなよう
に、本発明に係る電流調整器は、いくつもの位相を持つ
交流負荷の制御に関し広範な分野に応用できる。又、電
流指令信号iq*及びid*、同様に速度信号Ｗは今までに良
く知られている多くの制御回路のいずれかを用いて生成
することができる。制御回路の詳細な構成は負荷の特性
及び使用する制御方式に応じて決定される。交流電動機
に関する種々の制御回路例は米国特許第4,506,321号及
び第4,266,176号に開示されている。
本発明による電流調整器は比例制御動作、積分制御動
作及び交差結合速度補償動作（cross coupled speed co
mpensation action）とで構成されている。“q"相及び
“d"相は同等に処理され、電流調整器の各相におけるそ
れぞれ対応する機能ブロツク及び回路素子には同一の参
照番号が付けられる。
第３図において、正弦波電流フイードバツク信号iqは
加算器50qにおいて正弦波電流指令信号iq*＝Iq sin wt
から減算される。その結果生じた誤差信号eqは比例ブロ
ツク51qを介して比例制御信号を、又ブロツク52q及び53
qを介して積分制御信号を生成する。これらの２つの信
号は加算器54qで加算され、出力線５から合成制御信号
となつて出力される。
この合成制御信号は交差結合成分を含んでおり、この
成分はより高い周波数域ｗにおいて増大する。この成分
信号は掛算器55qの出力であり、この掛算器55qはもう一
方の相の積分ブロツク53dから出力される交差結合信号
を入力している。この交差結合信号の振幅は掛算器55q
の第２入力信号で変調されており、この第２入力信号は
周波数に比例したものである。この第２入力信号は信号
線10からの直流周波数信号Ｗである。掛算器55qの出力
である交差結合成分は加算器56qで加算され、その加算
信号は積分器53qの入力に与えられる。
定常状態においては誤差信号eq及びedは零である。し
かし、信号線５及び６に出力される合成制御信号は、波
形になつていなければならず、この出力信号によつて電
圧源インバータ21は指令電流iq*及びid*に対応した出力
電流を発生する。ほとんどの運転状態において、これら
の合成制御信号は第５図に示すようにほぼ正弦波形をし
ている。これらの定常状態における正弦波合成制御信号
は本発明による交差結合によつて生成される。さらに詳
細には、定常状態において、２つの相の間の交差結合は
発振器を構成し、この発振器は指令された周波数で動作
する。この発振器で生成される交差結合成分の振幅は周
波数に比例する。何らかの理由でいずれかの位相に誤差
信号が発生すると、関連する積分器53q又は53dの入力は
その瞬間に交差結合成分及び誤差信号成分kIeを同時に
含むことになる。その結果信号線５又は６に出力される
合成制御信号はこれら２つの信号を積分したものと誤差
信号kPeに比例した成分とによつて構成されることにな
る。この合成制御信号は誤差信号eq及びedを零にするよ
うに２つの位相間での協調制御を介して高い周波数帯域
においても２相間の釣合いを確保する。
第３図及び第４図において、提案された本発明の実施
例は、受動素子と標準の通常販売されている積分回路と
で構成されている。例えば加算器50qは、電流指令信号i
q*及び電流フイードバツク信号iqとをその反転入力端子
に入力する演算増幅器100qで構成されている。抵抗器R2
の値はすべて同じであり、加算器50qの利得を１にして
いる。
積分ブロツク53qは演算増幅器102qで構成されてお
り、フイードバツクキヤパシタＣがその出力端子と反転
入力端子との間に接続されている。入力抵抗器R1が上記
の演算増幅器102qの反転入力端子に接続されており、そ
の値とキヤパシタＣとの容量値の関係で積分利得KIが定
まる。利得１の反転器は演算増幅器103qとその周辺の抵
抗器R1とで構成されている。この反転器の出力信号が積
分ブロツク53qの出力信号に対応し、比例ブロツク51qの
出力信号と同一符号のものとなる。
演算増幅器102qの反転入力端子は、又加算器56qを構
成しており掛算器55qの出力である交差結合信号を入力
している。掛算器55qは市販されているモトローラ製の
部品番号MC1595Lという集積回路を使用している。この
出力は抵抗値がR1/Cである抵抗器を介して加算器56qに
接続されている。この抵抗値によつて交差結合成分の利
得が１となる。
掛算器55qについてはモトローラ社（Motorola）から1
979年に出版された「リニア集積回路」の６−83ページ
から始まる部分により詳細に説明されている。掛算器の
１つの入力端子は信号線10に接続され周波数信号Ｗを入
力している、又もう１つの入力は、相手側位相の積分器
出力に接続されている。掛算器55dも同じように接続さ
れているが、積分器出力の反転信号である演算増幅器10
3qの出力に接続されている。
発振器はこれらの交差接続で構成されている。詳細に
述べると閉ループが掛算器55q、積分器102q、反転器103
q、掛算器55d及び積分器102dで構成されている。このル
ープによる全体の位相遅れは360度でありこのために周
波数Ｗで発振が生じる。この発振器から出力される交差
結合信号の振幅は周波数Ｗで定まる。周波数信号Ｗの大
きさは、最高の動作周波数に達した時に掛算器55q及び5
5dの出力信号が動作範囲での最大値となるように設定さ
れている。
閉ループで構成されている発振器は、それぞれの積分
器53q,53dの出力を一方が他方より90°ずれるようにす
ることにより一つの正弦波を生成する。これは次式に基
づいてなされる。
発振器の周波数、即ち、それぞれの交差結合信号は各
積分器53q,53dの有効時定数により定まるもので、本発
明では、各積分器53q,53dの時定数および発振する周波
数が有効に変化するように掛算器55q,55d内で修正さ
れ、それぞれの交差結合信号の大きさを増大させる。交
差結合信号の増大は信号線10から供給される指令周波数
信号ωに比例する。それぞれの交差結合信号は加算器54
q,54dで誤差信号eq,edと加算されて、それぞれの合成制
御信号を生成し、これらの合成制御信号は電圧源インバ
ータ２および21の入力を周波数として昇圧させることに
より高い周波数におけるインバータの電流調整を良好に
する。
本発明で提案された実施例では互いに直交する２つの
位相ｑ及びｄ信号を例として示しているが、別の位相数
を有する電流調整器も構成可能である。ただ必要なこと
は、交差結合信号同志が適当な位相と振幅の関係を有し
ていることである。例えば、第３図において、出力線５
から出力されるｑ−相合成制御信号は、出力線６から出
力されるｄ−相合成制御信号を90度遅らせることであ
る。積分ブロツク53qからの交差結合信号は、掛算器55d
への周波数信号Ｗを反転することによつて位相を180度
ずらされ、次に積分ブロツク53dで90度遅らされ、その
結果信号線６から出力されるｄ−相合成制御信号とな
る。逆に、積分ブロツク53dの出力である交差結合信号
は積分ブロツク53qで単に90度遅らされるだけで信号線
６から出力されるｑ−相合成制御信号となる。当該技術
分野の当業者にとつて明らかなように、３相又はそれよ
り多くの相における交差結合信号は、それぞれ他相から
の信号を入力して構成され、これらの交差結合信号のベ
クトル和は基本位相と同期がとれたものであり、その利
得は先に述べたように１である。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように本発明によれば、電圧源
インバータにおいて、電圧源インバータの制御信号の中
に、周波数の関数となる信号と相手側の位相とのずれを
補正する交差結合信号とを含ませるようにしたため、指
令信号の周波数が高くなつても正確な正弦波を保つ交流
電流を出力することができると共に、このような高い性
能を持つ電圧源インバータを安価に実現することができ
るという効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
第１図は２相負荷を駆動する電流調整器を有する電圧源
インバータ（直流／交流変換器）のブロツク図である。 第２図は３相負荷を駆動する電流調整器を有する電圧源
インバータ（直流／交流変換器）のブロツク図である。 第３図は本発明で使用される電流調整器の機能ブロツク
図である。 第４図は第３図に示す電流調整器の電子回路図である。 第５図は第１図のブロツク図の各点における電流及び電
圧波形である。 符号の説明 1,20…負荷 2,21…電圧源インバータ ７…電流調整器 25…２相/3相変換回路 29…３相/2相変換回路 50q,50d,54q,54d,56q,56d…加算器 51q,51d…比例ゲイン 52q,52d…積分 55q,55d…掛算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 ＰＥＳＣ’83 ＲＥＣＯＲＤ 14ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅ ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉ ｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｊｕｎ ｅ，1983）Ｐ．102−Ｐ．110

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電圧源インバータで負荷に供給される電流
    を制御する電流調整器において、 負荷に供給される電流を検出し、第１・第２の正弦波フ
    ィードバック信号（iq，id）を生成する手段（29）と、 第１・第２の正弦波電流指令入力信号（iq *，id *）と第
    １・第２の正弦波フィードバック信号を加算して第１・
    第２の誤差信号（eq，ed）を生成する手段（50q,50d）
    と、 第１の誤差信号の出力を第１の比例ブロック（52q）に
    通した値と第１の掛算器（55q）の出力を加算して得ら
    れた値を積分する第１の積分器（53q）と、 第２の誤差信号の出力を第２の比例ブロック（52d）に
    通した値と第２の掛算器（55d）の出力を加算して得ら
    れた値を積分する第２の積分器（53d）と、を備え、 前記第１の誤差信号の出力を第３の比例ブロック（52
    q）に通した値と前記第１の積分器（53q）の出力を加算
    して得られた値を第１の合成制御信号とし、 前記第２の誤差信号の出力を第４の比例ブロック（51
    d）に通した値と前記第２の積分器（53d）の出力を加算
    して得られた値を第２の合成制御信号とし、 前記第１・第２の合成制御信号に基づいて電圧源インバ
    ータを制御し、 前記第１の掛算器（55q）は正弦波電流指令入力信号の
    周波数に比例する周波数入力信号（ω）と前記第２の積
    分器（53d）の出力をかけ算し、 前記第２の掛算器（55d）は正弦波電流指令入力信号の
    周波数に比例する周波数入力信号（ω）と前記第１の積
    分器（53q）の出力をかけ算することを特徴とする電流
    調節器。
JP61006173A 1985-05-20 1986-01-14 電流調整器 Expired - Lifetime JPH0834693B2 (ja)

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JPS61266076A JPS61266076A (ja) 1986-11-25
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