JPS596157B2 - 無整流子電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は制御極付電気弁を用いた無整流子電動機の制御
装置に関するものである。

周知の如く同期速度で回転している同期電動機は逆誘起
電圧を発生するので、他励式インバータとして負荷転流
動作が可能であるが、起動時及び低速時には前述の逆誘
起電圧が少ないので転流動作が困難である。

このため直流電流を断続させ電流零期間に電気弁を切換
える断続起動方式が広く用いられている。

第１図は従来の継続起動方式による装置を示し第１図に
おいて、１は三相交流電源、２は同期電動機、３は制御
極付電気弁を三相ブリッジ結線した整流装置、４は制御
極付電気弁を三相ブリッジ結線したインバータ装置、５
は平滑リアクトル、６は整流装置３の点弧回路、Ｔはイ
ンバータ装置４の点弧回路、８は同期電動機２の速度に
応じた信号を発生する速度発電機、９は位置検出器で同
期電動機２の界磁側回転子の位置により信号を発する回
路、１０は整流装置に流れる電流を検出する交流変流器
、１１は整流装置の出力を制御する制御回路、１２は位
置検出器９の信号を受け、インバータ装置４の点弧アー
ムを決定する論理回路である。すなわち、第１図の回路
構成においては、三相交流電源１の出力を整流装置３に
より可変電圧の直流電源を作り、同期電動機２の界磁側
回転子の位置を位置検出器９により検出してインバータ
装置４の点弧アームを決定し、同期電動機２の電機子に
交流電力を供給するものである。

第２図は、この従来の装置の直流回路に流れる電流を示
す図である。

整流装置３を位相制御する事により、交流変流器１０に
て検出される電流を一定電流及び零電流の２段階に制御
するものでこの制御方式は広く知られている。この電流
零期間にインバータ装置４の点弧アームが切り換わる、
いわゆる転流が行なわれるが、この時、同期電動機２に
注入される電流は零となるため、加速トルクの脈動が生
じるとともに加速力の低下となり急速な加速度を得る事
ができない。従つて、例えば鉄調圧延機用電動機におい
ては急速な運転が要求されるため断続起動方式は好まし
くない。

更に断続運転では加速トルクの脈動のため機械系との共
振が生ずる危険性をもつている。本発明は、上記のよう
な従来のものの欠点を除去するためになされたもので、
電動機の加速トルクにおける脈動を少なくし、かつ急速
な加速が得られる無整流子電動機の制御装置を提供する
ことを目的とする。以下本発明の一実施例を図に基づい
て詳細に説明する。

第３図において、２０は三相交流電源、２１は同期電動
機、２２は電源変圧器、２３は変圧器２２の１次巻線、
２４及び２５は変圧器２２の２次巻線、２６は制御極付
電気弁を三相ブリツジ結線した第１の整流装置２７は制
御極付電気弁を三相ブリツジ結線した第１のインバータ
装置、２８は平滑リアクトルである。

ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＸＨ，ＹＨ，ＺＨは第１のインバー
タ２７の各アームを表わしている。２６，２７，２８は
第１図に示された従来方式の構成と同様な１群の変換装
置を構成しており、今これをＨグループと呼称するもの
とする。

２９は制御極付電気弁を三相ブリツジ結線とした第２の
整流装置、３０は制御極付電気弁を三相ブリツジ結線し
た第２のインバータ装置、３１は平滑リアクトルである
。

ＵＬ，Ｌ，ＷＬ，ＸＬ，ＹＬ，ＺＬは第２のインバータ
３０の各アームを表わしている。２９，３０，３１も同
様に１群の変換装置を構成しており、今これをＬグルー
プと呼称するものとする。

３２は速度発電機、３３は位置検出器で同期電動機２１
の界磁側回転子の位置により信号を発する回路、３４は
パルス発生器で回転子が数角度回転するごとにパルス信
号を発生する回路である。

３５は速度制御回路、３６は速度基準器、３７は演算増
巾器で基準と速度発電機３２の出力をつきあわせるもの
である。

１８Ｍは速度継電器で、起動時は消磁されており、起動
後特定の速度レベルに達すると付勢されるものである。

１８Ｍ１，１８Ｍ２，１８Ｍ５，１８Ｍ６は速度継電器
１８Ｍ０）ｂ接点、１８Ｍ３，１８Ｍ４，１ａＭ７，１
８Ｍ８は速度継電器１８Ｍのａ接点を表わしている。

３８は第１の整流装置２６を点弧制御する第１の整流装
置用点弧回路、３９は第１のインバータ２７を点弧制御
する第１のインバータ用点弧回路、４０は起動時に位置
検出器３３の信号を受け、第１のインバータ２７の点弧
アームを決定する論理回路である。

５４は起動完了後、位置検出器３３の信号を受け第１の
インバータ装置２７の点弧アームを決定する論理回路で
ある。

４１はＨグループの電流を測定する交流変流器、４２は
起動時のＨグループの電流基準回路、４３は起動時に位
置検出器３３及びパルス発生器３４の信号を受け、Ｈグ
ループに流れる電流波形を決定する第１の電流パターン
回路、４４は速度制御回路３５の出力信号と第１の電流
パターン回路４３よりの電流パターンを掛け合わせる第
１の掛算器である。

４５は電流制御用の演算増巾器で、交流変流器４１より
の電流検出値と、起動時には第１の掛算器４４の出力、
起動完了後には速度制御回路３５の出力とおのおのつき
あわせるものである。

以上、Ｈグループの機器を説明したが、Ｌグループにつ
いても同様の機器構成となつている。

即ち、４６は第２の整流装置２９を点弧制御する第２の
整流装置用点弧回路、４７は第２のインバー夕３０を点
弧制御する第２のインバータ用点弧回路、４８は起動時
に位置検出器３３の信号を受け、第２のインバータ３０
の点弧アームを決定する論理回路である。５５は起動完
了後、位置検出器３３の信号を受け第２のインバータ３
０の点弧アームを決定する論理回路である。

４９は交流変流器、５１は起動時のＬグループの電流基
準回路、５１は起動時の第２の電流パターン回路、５２
は第２の掛算器である。

５３は電流制御用演算増巾器である。

次に動作について説明する。

交流電源２０の交流電圧は変圧器２２により変圧され、
第１及び第２の整流装置２６及び２９に印加され、第１
及び第２の点弧回路３８及び４６の制御によつて直流電
流１ｄ−Ｈ及びＩｄ−Ｌが各整流装置２６，２９の出力
側に流れる。

直流電流Ｉｄ−Ｈ及びＩｄ−Ｌは、更に第１及び第２吃
ンバータ装置２７及び３０により３相交流の電流ＩＲ−
Ｈ及びＩＲ，−Ｌ（Ｒ相電流のみ表示）に変換されて同
期電動機２１に供給される。同期電動機２１の回転位置
は位置検出器３３により検出さ札その出力信号がパルス
発生器３４によりその回転の１出毎に１パルス発生する
形式のパルス信号に変換され、第１及び第２の電流パタ
ーン回路４３及び５１に供給される。一方、同期電動機
２１の回転速度は速度発電機３２により検出され、演算
増幅器３７に供給される。Ｈグループ及びＬグループは
同一構成であり、出力電流の位相が互に９０異なるよう
に制御されるだけなので、以下Ｈグループについて説明
すると、第１の電流パターン回路４３は、位置検出器３
３の出力信号及びパルス発生器３４のパルス信号を時間
軸に対応されたＹ及びＸ軸のアドレス信号とし、内部の
メモリを読み出し、これによつて読み出したデータから
アナログの正弦波からなる電流パターン信号を形成して
第１の掛算器４４に供給する。一方、演算増幅器３７は
速度発電機３２の出力信号と速度基準器３６の速度基準
信号とを比較ｕ両者間の差信号を第１の掛算器４４に入
力する。

第１の掛算器４４は第１の電流パターン回路４３の電流
パターン信号と演算増幅器３７の差信号との積をとり、
その結果の信号を第１の掛算器４４に入力する。第１の
掛算器４４は演算増幅器３７の信号と第１の電流パター
ン回路４３の電流パターン信号とを掛け合せ、その結果
の信号を速度継電器１８Ｍ０）ｂ接点１８Ｍ１を介して
演算増幅器４５に入力する。このｂ接点１８Ｍ１は、同
期電動機２１が定格速度の１０７０に達すると、速度継
電器１８Ｍが付勢されるので、開となる。これに代つて
ａ接点１８Ｍ３が閉となるので、以後演算増幅器３７の
差信号は直接、ａ接点１８Ｍ３を介して演算増幅器４５
に入力される。演算増幅器４５は第１の掛算器４４又は
演算増幅器３７の信号と交流変流器４１の出力信号との
差をとり、これによる信号を第１の整流装置用点弧回路
３８に供給する。この点弧回路３８は、演算増幅器３７
の信号が零５となるように交流変流器４１の出力信号に
従つて第１の整流装置２６の各制御極付電気弁の点弧位
相を制御し、第４図ａに示すような直流電流１ｄ−Ｈを
流す。同様にして、Ｌグループの第２の整流装置２９に
より第４図Ｃに示す直流電流１ｄ−Ｌを流す。更に、位
置検出器３３の出力信号は論理回路４０，４８，５４及
び５５に供給されている。

これにより、論理回路４０，４８，５４及び５５は位置
検出器３３の出力信号に従い、第４図Ｂ，ｄ；第５図Ｂ
，ｃに示すような位相対応でもつて第１及び第２のイン
バータ２７及び３０における各制御極付電気弁を逐次点
弧する点弧信号を出力する。速度継電器１８Ｍが付勢さ
れない期間即ち始動期間は論理回路４０，４８の電気弁
選択信号（第４図Ｂ，ｄ）がそれぞれｂ接点１８Ｍ２，
１８Ｍ６を介して第１、第２のインバータ用点弧回路３
９，４７に供給される。その後、同期電動機２１の回転
速度が定格速度の１０％に達すると、速度継電器１８Ｍ
が付勢されるので、そのｂ接点１８Ｍ２，１８Ｍ６が開
となり、ａ接点１８Ｍ４，１８Ｍ８が閉となるので、以
後はａ接点１８Ｍ４，１８Ｍ８を介して論理回路５４，
５５からの電気弁選択信号が第１、第２のインバータ用
点弧回路３９，４７に供給される。このようにしてこの
点弧回路３９，４７は論理回路４０，４８又は５４，５
５の選択結果に従い、点弧信号を発生し、これによつて
第１及び第２のインバータ２７及び３０における各制御
極付電気弁の点弧を逐次制御する。尚、始動期間におい
ては、各々第４図ａに示す直流電流１ｄ−Ｈの零点Ｔ２
，ｔ４，ｔ６・・・及び第４図ｃに示す直流電流１ｄ−
Ｌの零点Ｔｌ，ｔ３，ｔ，・・・において、各インバー
タ２７，３０のサイリスタのターンオフタイム（約４０
０ｐｓｅｃ８度）以上の一定期間（約２ｍｓｅｃ８度）
、直流電流１ｄ−Ｈ，ｌｄ−Ｌが完全に零となるよう第
１、第２の整流装置２６，２９により制御されているの
で第１、第２のインバータ２７及び３０の相間転流は完
全に行なわれる。第１及び第２のインバータ２７，３０
の出力電流は、例えばそれぞれＲ相電流Ｒ−Ｈ，ＩＲ−
Ｌを第４図ｅ、第４図ｆに示す如くとなる。

そして、同期電動機２１の電機子のＲ，Ｓ，Ｔ相にはイ
ンバータ２７，３０のＲ，Ｓ，Ｔそれぞれの相電流を合
成した電流が供給される。第４図ｇは同期電動機２１の
Ｒ相の電流を示し、これは第４図Ｅ，ｆの電流の合成し
たものである。次に第４図について説明すれば、ａはＨ
グループの直流電流１ｄ−Ｈの時間的変化を示しており
、ｂはＨグループのインバータ装置２７の点弧アーム名
を示しており、ｃはＬグループの直流電流Ｉｄ−Ｌの時
間的変化、ｄはＬグループのインバータ装置３０の点弧
アーム名、ｅはＨグループのインバータ装置２７より流
出するＲ相電流１Ｒ−ＨｌｆはＬグループのインバータ
装置３０より流出するＲ相電流１Ｒ−Ｌ．ｇは電動機２
１のＲ相電流ＩＲでＩＲ−ＨとＩＲ−Ｌの合成電流を示
している。

ｇ図に示された時点ｔ１〜Ｔ７は電動機電圧サイクルの
６０れ間隔で区切られたものである。すなわち時点Ｔ，
は界磁回転子の移動により電動機２１の逆起電圧の極性
が反転する時点であり、時点Ｔ４は半サイクル後の時点
、時点Ｔ７は１サイクル後の時点である。これら時点は
電動機の構造により幾何学的に決定されるものであり、
位置検出器３３により容易に検出できる。今電動機側の
角周波数をωとし時点ｔ１を基点としている各波形を考
えてみる。波形ａ及びｂは６０１ごとに増加、減少をく
り返し、しかも波形ａとｃは位相がずれている。

すなわち、Ｈグループの電流が極大の時、Ｌグループの
電流は零であり、Ｈグループの電流が零の時、Ｌグルー
プの電流は極大となる。この事は電動機に注入される電
力が連続する事を意味しているが、電流パターンとイン
バータの点弧アームを順序ずける事により電動機２１に
流入される電流が正弦波となり全くトルクリツプルＴｊ のない良好な加速トルクを与える事ができる。

ｔ１よりＴ２の時点においてはＨグループの電流は、正
弦波の１２０時より１８００の波形、即ち１ｓｉｎ（ω
ｔ＋１２０８）においてωｔ＝００よりωｔ＝６００ま
での波形にて制御される。Ｌグループの電流は正弦波の
０により６０れの波形、即ちＳｉｎＯ）ｔにおいてωｔ
＝０６よりωｔ＝６００まで制御される。この電流は、
整流装置２６及び２９の位相制御により電流パタンに対
応して流す事になる。電流パターン信号は位置検出器３
３及びパルス発生器３４の信号により、パターン発生器
４３及び５１により作る。パルス発生器３４は回転子の
回転に応じてパルスを発生する回路であるが、今電動機
側１サイクルに３６０パルス発生するものを考えてみる
と、電動機が１度回転するごとに１パルス発生する。時
点ｔ１は位置検出器３３により検出されているので、パ
ルス発生器３４の１パルスごとに正弦波的に変る信号を
発生する回路をパターン発生器４３及び５１に設ければ
よい。これは、読み出しメモリに正弦波的に変化する値
を記憶させておき、１パルスごとに番地を進めて読み出
す事にすれば簡単に構成できる。ｂ及びｄに示される如
くＨグループの第１のインバータ２７はアームＷＨ（５
ＹＨが導通しており、Ｌグループの第２のインバータ２
９ではアームＵＬとＹＬが導通している。従つてｔ１よ
りＴ２間ではＲ相電流はＨグループから流出する電流は
なく、Ｌグループより流出する電流１Ｒ−Ｌがそのまま
電動機電流１Ｒとなる。なお各電流の振巾は速度制御回
路３５の出力により決められるものである。次にＴ２よ
りＴ３までの時点を考える。この区間ではＨグループの
電流は、Ｉｓｉｎ（ωｔ−６０ωｔ＝６０ーよりωｔ＝
１２０ｉの波形で制御され、Ｌグループの電流はＩｓｉ
ｎ（ωｔ＋６０つのωｔ＝６０よりωｔ＝１２０はの波
形で制御される。ｂ及びｄに示される如くＨグループの
第１のインバータ２７はアームＵＨとＺＨが導通してお
り、Ｌグループの第２のインバータ２９のアームＵＬＩ
：．ＹＬが導通している。従つてＨグループより流出す
るＲ相電流１Ｒ−Ｈはｅとなり、Ｌグループより流出す
るＲ相電流１Ｒ−Ｌはｆとなり、電動機電流Ｒは両者の
合成値となる。この合成値はＩｓｉｎ（ωｔ−６０。

）＋Ｓｉｎ（ωｔ＋６０となる。次にＴ３よりＴ４まで
の時点を考える。

この区間ではＨグループの電流は、Ｉｓｉｎ（０ｔのω
ｔ＝１２０よりωｔ＝１８００の波形で制御され、Ｌグ
ループの電流は、Ｓｉｎ（ωｔ−１２０さ）のωｔ＝１
２００よりωｔ＝１８０ｉの波形で制御される。ｂ及び
ｄに示される如くＨグループのインバータ２７はアーム
ＵＨとＺＨが導通しており、Ｌグループのインバータ２
９はアームＶＬ（５ＺＬが導通している。この時間には
Ｈグループより流出するＲ相電流ＩＢ，−Ｈはｅに示す
如く流れるが、Ｌグループより流出する電流はなく、電
動機電流１Ｒはｇに示される如くＩＲ−Ｈと等しくなる
。以上まとめて、ｔ１よりＴ４までの電動機電流ＩＲの
波形ｇを考えると、半サイクル間完全な正弦波電流とな
つている事がわかる。

Ｔ４よりＴ７までの期間においても同様の回路動作をさ
せる事により正弦波電流を電動機電機子に流入させてい
る。Ｓ相、Ｔ相においても本制御方式により正弧波電流
が電動機に流れており、この電流は電動機の逆誘起電圧
と位相が同期している。従つて、この同期電動機は完全
な三相交流により１駆動されている事になり、加速トル
クはリツプルのないものとなり、速度制御回路３５より
決定される速度偏差に比例して制御される事になる。速
度偏差信号が極大値におさえられている場合は、電動機
電流は最大電流に制御され、電動機は最大トルクで起動
される事になる。この様に円滑に起動された電動機は、
特定の速度レベルに達すと、速度継電器１８Ｍが付勢さ
れ運転は通常の電動機電圧による自然転流モードにする
。

この時Ｈグループ、Ｌグループは全く並列に運転され、
電動機電流を二分して負担する。第５図は起動完了後の
運転モードを説明する図である。第５図において、ａは
電動機逆誘起電圧でＥＲ，ｅｓ，ｅｔはそれぞれＲ相、
Ｓ相及びＴ相のものを示し、ｂはＨグループの第１のイ
ンバータ装置２７の点弧アーム名を示しており、ｃはＬ
グループの第２のインバータ装置３０の点弧アーム名を
示しており、ｄは電動機２１のＲ相電流Ｒを示している
。

ａ図において示されているγは、アームＺＨよりアーム
ＸＨに転流するための余裕角で一般的に良く知られたイ
ンバータ動作を行う。ＨグループとＬグループにおいて
第１、第２のインバータ２７，３０は同時に転流し、第
１、第２の整流装置２６と２９は同一の指令に基づいて
位相制御されるため、両グループの直流電流１ｄ−Ｈ及
びＩｄ−Ｌはほぼ等しく、電動機に流れる電流も均分さ
れ両グループで負担されている。速度継電器１８Ｍの動
作点は電動機逆誘起電圧が確立される値、例えば定格速
度の１０％に設定する事が多いが、機械系との共振点も
考えて設定する事が好ましい。

今、ホツトストリツプミル用として６５００ＫＷ，２０
極、定格速度８０ｒｐ？の電動機を考えてみると、定格
速度における電動機側周波数は１３．３ＨＺとなる。

電動機の逆誘起電圧にての転流は１サイタルに６回行わ
れるため、第１図の様な従来制御方式や第５図に説明し
た一般的な制御方式では電動機周波数の６倍調波のトル
ク脈動が生じる事は良く知られている。この様な大容量
機では機械系の共振周波数が１０ＨＺになる事もある。
この場合、電動機周波数が１０ＨＺ／６−１．６６ＨＺ
において電動機逆誘起電圧による転流モードで運転する
事は好ましくない。速度継電器１８Ｍの動作点を１．６
６ＨＺより上に設定すれば機械共振を心配する事なく加
速できる。以上本発明によれば速応性があり、低速時に
トルクリツプルの少ない無整流子電動機の制御装置を得
ることができる。

また、本発明によれば、電源側交流電流の高調波を低減
する事も可能である。即ち第１図に示された従来方式で
は整流装置が３相全波整流回路であるため５次、７次の
調波が交流電源に流入するが、本発明によれば電源側に
入力変圧器を設けてＨグループの２次巻線とＬグループ
の２次巻線の電圧位相を３０次ずらせる事により、５次
及び７次の調波電流を消去する事がで・き、電源側に対
しても悪影響を与える事なく運転できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の無整流子電動機のシステム概要を示す構
成図、第２図は従来の断続起動における直流電流の経過
を示す波形図、第３図は本発明の一実施例の構成を示す
構成図、第４図は本発明の起動中の各部電流経過を示す
波形図、第５図は本発明の起動完了後の運転を示す波形
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 無整流子電動機に接続されその回転位置を表示する
   回転位置信号を発生する回転位置検出器と、上記無整流
   電動機に接続されその回転速度を表示する速度信号を発
   生する速度発電機と、上記速度信号と所定の速度基準信
   号との差信号を発生する速度制御回路と、交流電源から
   の交流電気量を直流電気量にそれぞれ変換する複数の制
   御極付電気弁よりなる第１及び第２の整流装置と、この
   第１及び第２の整流装置の直流出力を交流電気量に変換
   するようそれぞれ構成され、かつ出力端が互いに共通接
   続されて無整流子電動機の電機子に接続された複数の制
   御極付電気弁よりなる第１及び第２のインバータと、上
   記回転位置信号に従い、上記第１及び第２の整流装置が
   それぞれ出力すべき直流電流の予め記憶した電流パター
   ン信号をそれぞれ読み出す第１及び第２の電流パターン
   回路と、上記各電流パターン信号と上記差信号との積を
   それぞれとる第１及び第２の掛算器と、上記各掛算器の
   出力信号又は上記速度制御回路の差信号と上記交流電源
   の電流信号との差信号に基づいて上記第１及び第２の整
   流装置の制御極付電気弁をそれぞれ点弧制御する第１及
   び第２の整流装置用点弧回路と、上記回転位置信号に従
   い上記第１及び第２のインバータの制御極付電気弁をそ
   れぞれ制御する第１及び第２のインバータ用点弧回路と
   、上記速度信号を受けて動作し、その信号が所定値未満
   の時は、上記第１及び第２の整流装置用点弧回路に、上
   記各掛算器の出力信号と上記交流電源の電流信号との差
   信号に基づいて上記第１及び第２の整流装置を互いに９
   ０°の位相差をもつて点弧制御させるよう動作し、上記
   速度信号が所定値以上の時は、上記第１及び第２の整流
   器用点弧回路に、上記速度制御回路の差信号と上記交流
   電源の電流信号との差信号に基づいて上記第１及び第２
   の整流装置を点弧制御させるよう動作する速度継電器と
   を備えた事を特徴とする無整流子電動機の制御装置。 ２ 交流電源側に変圧器を設け、２組の整流回路の位相
   を３０°ずらし前記交流電源に流れる高調波を低減させ
   る事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の無整流子
   電動機の制御方式。