JPS6027276B2

JPS6027276B2 - 無整流子電動機の制御装置

Info

Publication number: JPS6027276B2
Application number: JP49120410A
Authority: JP
Inventors: 弘林田; 博長瀬; 孝正堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-10-21
Filing date: 1974-10-21
Publication date: 1985-06-28
Also published as: JPS5147213A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は無整流子電動機の制御装置に係り、特に圧延機
、製紙機、紙糸機等を駆動する際に出力一定制御される
無整流子爵動機の制御装置に関する。

〔発明の背景〕

第１図は圧延機のりール駆動用静止レオナード装置の概
要を示している。

交流電源１の交流電圧は順変換器２で直流に変換された
後直流リァクトル３を介して直流電動機４の電機子巻線
に供給される。

このとき、直流変流器５は電機子巻線に流れる直流電流
を検出している。直流電流器５の検出電流は定電流制御
回路６に入力される。定電流制御回路６は直流電流が設
定値となるように自動パルス移相器７に位相制御信号を
与える。自動パルス移相器７によって順変換器２の点弧
位相を制御し直流電流を一定にする。電動機４の軸上に
は、速度発電機８が取付けられている。

発電機８の出力は速度リミット値と過速度検出回路９で
比較される。過速度検出回路９は電動機４が過速度状態
（速度リミット値以上になったとき動作し、速度リミッ
ト値以上になると直流電流を減少させるように定電流制
御回路６１こ指令を与える。変成器１１は直流電動機４
の端子電圧を検出し電圧制御回路１２に加える。電圧制
御回路１２は端子電圧が設定値となるように界磁巻線１
０１こ供給する界磁電流を制御する。なお、電動機４に
は圧延機用リール４Ａが直結されている。さて、電動機
４の出力ＰＭは次式で示される。

ＰＮニの？………………（１１ただし、■は電動機４の
回転角速度、Ｔは麹トルクで次式で示される。

Ｎの＝２ｍ・前６．・………ィ２１７＝暑・Ｆ…………………｛３’ ただし、Ｎは回転数、Ｄはリールの直径、Ｆは張力であ
る。

ここで、ストリップの速度Ｓは次式で示される。

Ｓニ竹，Ｄ●Ｎ…………………■ 式【２）‘３’‘４｝を式ｍに代入すると、ＰＭ＝ｋ，
ＯＳ・Ｆ””“…‘５１となる。

ただし、ｋ，は定数である。したがって、ストリップの
速度Ｓを一定に保持することによって、張力Ｆは電動機
出力ＰＭに比例するこことになる。

換言すれば、速度Ｓが一定のものでは張力Ｆを一定にす
るには、出力ＰＭが一定になるようにすれば良いことが
分る。実際には電動機及び圧延機その他の内部損失及び
慣性損失があるので、これらの損失を補償する必要があ
る。

ここでは、損失を無視している。直流機の出力Ｐｏは直
流機に流れる電機子電流をｌｏ、電流電圧（端子電圧）
をＥｏとすると次式で示される。Ｐ。

ニＥＤ・１ｐ・”（６Ｉ従った、直流電流ｌｏを一定と
した場合、直流電圧Ｅ。

が一定になるようにすることによって、出力Ｐｏは一定
となる。ここでＥＤ＝ｋ２・Ｎ・ｌｆであるから、直流
電圧Ｅｏを一定にするには回転数Ｎと界磁電流ｌｆとが
反比例するようにｌｆを制御することによって実現でき
る。ただし、ｋ２は定数、ｌｆは界磁電流である。一方
、無整流子電動機の場合の出力Ｐは次式で示される。

Ｐ＝Ｅ。

・１Ｄ＝ｋ３‐Ｎ‐１ｆＣ瓜（ｙ−芸）■Ｓ（芸）‐１
０‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐…‐−のｌｏ＝一定のも
で、出力Ｐを一定とするには、Ｎ‐１ｒ‐側（ｙ‐芸）
‐側溝）を一定‘こする必要があり、界磁電流ｌｒの他
に制御進み角ｙを制御する必要がある。ここで、ｙは実
効制御進み角、ｕは転流重なり角である。従って、直流
機の場合にはｌｆをＮに反比例させることにより出力を
一定にすることができるが、無整流子電動機の場合には
界磁電流ｌｆの他に制御進み角ｙが制御可能な変数とし
て追加される。

ただし、無整流子電動機においては直流電流ｌｏが変化
したり、界磁電流ｌｒが小さくなったときに、転流余裕
角（ｙ−ｕ）が小さくなると、サィリスタが転流失敗を
引き越す。したがって、ｙとｌｆの変化は自由にできる
ものではない。第２図は無整流子電動機におけるベクト
ル図を示している。今、界磁電流ｌｆを弱めたそとによ
り、無負荷譲起電圧ＥｏがＥのに変化したとする。

回転数Ｎと電機子電流１が一定であれば、電機子反作用
電圧Ｘａｌは一定である。このとき、端子電圧虫ｔは点
線で示すように、ＥｔからＥｔ，になり、制御進み角は
ｙからｙ，に減少することになる。この場合、界磁弱め
により電動機の磁気飽和の影響で、電機子反作用リアク
タンスＸａも大きくなることが考えられることがここで
は無視している。このように界滋電流ｌｆを制御する場
合、制御進み角ｙが変化することを考慮する必要がある
。

つぎに、転流重なり角ｕについてみると、重なり角ｕに
影響するりアクタンスをＸａとすると一般に次式が成立
する。■Ｓ（ｙ−ｕ）＝■Ｓｙ＋峯害毒…イ８，従って
、重なり角ｕは制御進み角ｙの減少、直流電流１。

の増大又は端子電圧Ｅｔの減少によって増大することが
分る。以上から、出力が一定となるように制御進み角ｙ
もしくは界磁電流ｌｆを制御する場合、ッとｕとが夫々
変化するので、常に転流余裕角（ｙ−ｕ）が一定値以上
に保持されるようにｙ及びｌｒを制御する必要がある。

第３図Ａは、式７より界磁電流ｌｆと出力Ｐとの関係を
ｌｏ＝一定としてｙｏ及び（ｙ−ｕ）をパラメータとし
て求めたものである。

ッ。

は設定制御進み角であり、実効制御進み角ｙに電機子反
作用角を加算したものである。実際に制御できるのはこ
のｙｏである。縦軸は出力Ｐを周波数で規格化している
ので、実際には周波数が高くなると出力Ｐは周波数に略
比例して大きくなると考えて良い。

第３図Ｂは第３図Ａを使用して１：４の速度範囲で転流
余裕角（ｙ−ｕ）を一定値に保持しながら、出力一定と
なる界磁電流ｌｆ及び設定制御進み角ッｏのパターンを
求めたものである。

つぎに、出力が一定となるときのｙｏとｌｆの関係を求
めてみる。

今、電機子反作用角６を仮定してソ＝ｙｏ−６とし、転
流リアクタンスをＸｃ、直流電流をｌｏとすると、転流
重なり角ｕは式｛８１より次式で示される。

ｕ＝ｙ−のゞ｛■Ｓｙ＋奇声｝……【９，ここで、‘９
｝式の重なり角ｕを知るためには、次の手順がいる。

すなわち、端子電圧Ｅｔに対する電流１の有効分１＾、
無効分１８を求め、電機子爵流の基本波分１を求める。
そして、設定制御進み角ｙｏがわかつているので基本波
分１のｄ，ｑ軸成分１ｇ，ｌｑを求める。次いで、界磁
電流ｌｔと回転数Ｎとから無負荷誘起電圧Ｅｏが求まる
ので、Ｅｏ，Ｅｄ，ｌｑとから端子電圧Ｅｔが定まるの
で、‘９１式から重なり角ｕが求まることになる。まず
、電流の有効分１＾、無効分ＩＢを求める。

１＾，ＩＢは、池励インバータには、エネルギーの発生
はないので直流入力電力と交流出力の有効電力平均値は
等しいことになる。

この関係から有効電流１＾が求まる。さらに、交流出力
の無効電力平均値は零であるから無効電流ＩＢが求まる
。これを基本として１＾，ＩＢとｌｏ，ｙ，ｕの関係を
求めると次のようになる。・＾＝１０．−３｛ＣＯＳ丁
＋ＣＯＳ（ｒ−ｕ）｝．．．．．．。

■ノヲｒ汀・Ｂ＝・Ｄ‐もきまきき蓑言芋）三誌聖孝義
芋空‐‐‐‐（・・）端子電圧Ｅｔと１＾，ＩＢとは、
第２図に示すような関係にあるので基本波電流１は、１
＝ノ１＾２十１８２……（１２）となる。

第２図からかかるように、１のｄ，ｑ軸成分ｌｄ，ｌｑ
はｌｄ＝ｌｓｉｎｙ。

１ｑ＝ＩＣ○Ｓソ。

」と表わされる。

次に、ｄ，ｑ軸の電機子反作用リアクタンスをＸａｄ，
Ｘａｃとすれば、端子電圧Ｅｔは次式で示される。Ｅｔ
＝ゾ伍ｏ−Ｘａｄｌｄ）２十（Ｘａｑｌｑ）２……（１
４）また、第２図からわかるように、ｙ＝ｙｏ −６……（１５）６；ね〜支当農工…“（１６）である。

以上の‘９）〜１５式の関係をまとめると、のようにな
って、転流重なり角ｕを求めるにはくりかえし計算を行
なうことになる。

以上のようにして実効制御進み角ｙ、転流重なり角ｕ
及び端子電圧Ｅｔを求め式７によって出力Ｐを計算し、
設定制御進み角ｙｏと界磁電流ｌｆの関係を求めること
ができる。これは第３図Ａに示されている。実線はｙｏ
をパラメータとした場合、点線は転流余裕角（ｙ−ｕ）
をパラメータとした場合の曲線である。両者より出力と
転流余裕角（ｙ−ｕ）−を決めると、そのときのッ。と
ｌｆが一点だけ決定される。すなわち、ｌｏが一定のも
とで、Ｅｏを一定とするためのｌｆとｙｏとの関係が、
ｙ−ｕによって定まることになる。第３図Ａを利用する
ことによって、回転数Ｎを変えたときのｌｆとｙｏの関
係を求めることができる。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような考え方に基づきサィリスタの転流
失敗を防止し広い速度範囲で出力一定制御を行える無整
流子電動機の制御装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は無整流子電動機を定出力制御する速度範囲にお
いては周波数変換器に流れる直流電流を一定に保持する
ように周波数変換器の電源側点弧角を制御すると共に、
周波数変換器の直流端子電圧を一定に保持するように電
動機側点弧角を制御すると同時に電動機側転流余裕が一
定となるように同期電動機の界滋電流を予め定めたパタ
ーンに従って制御するようにしたことを特徴とする〔発
明の実施例〕第４図は直流方式無整流子電動機に本発明
を適用した主回路とその夫々の構成を示している。

主回路は、交流電源１、日頃変換器２、直流リアクトル
３、ィンバータ１３及び同期電動機１４から構成されて
いる。順変換器２はサィリスタブリッジからなり、この
出力端子には直流リアクトル３を介してィンバー夕１３
が接続されている。ィンバー夕１３はサィリスタブリツ
ジから構成され、交流出力端子には電動機１４の電機子
巻線が接続されている。ィンバータ１３の入力端には直
流電圧検出用変成器１１が付設されている。電動機１４
の麹上には分配器１５及び速度発電機１６が直結されて
いる。分配器１５は回転子の位置を検出し、速度発電機
１６は速度を検出する。制御回路は、電圧制御回路１０
、可変周波用自動パルス移相器１７、過速度検出回路１
８、定電流制御回路１９、自動パルス移相器２０及びパ
ターン回路２１から構成されている。過速度検出回路１
８は速度発電機１６の出力と速度リミット値を比較し、
電動機速度がリミット値以下のとき直流電流指令値（一
定値）を定電流制御回路１９に入力する。

電動機速度がリミット値以上になると直流電流指令値を
減少させる。直流電流器５は直流電流ｌｏを検出し、そ
の出力を定電流制御回路１９に入力する。定電流制御回
路１９は直流電流の指令値と検出値を比較し、．位相制
御信号を移相器２０１こ与え、ｌｏが一定に保持される
ように動作させる。自動パルス移相器は順変換器２のゲ
ート信号（電源側点弧角）を発生する。

直流電圧検出用変成器１１は直流電圧Ｅｏを検出し、そ
の出力を定電圧制御回路１０‘こ入力する。定電圧制御
回路１０は直流電圧Ｅ。

と電圧設定値とを比較し、その出力によって可変周波用
自動パルス移相器１７を作動させる。可変周波用自動パ
ルス移相器１７は分配器１５の出力によって電動機１４
と同期をとりながらィンバータ１３の点弧位相（電動機
側点弧角）を制御する。

パターン回路２１は速度発電機１，６の出力に従って、
予め定められたパターンにおるように、電動機１４の界
磁巻線１４Ａに離れる界磁電流ｌｆを制御する。すなわ
ち、たとえば転流余裕角ｙ−ｕ＝２０度にとった場合、
ｌｆは第３図Ａに示すようにＰ／Ｎ‘こ対してｙ−ｕ＝
２０度の破線上の値をとる。この特性からＮに対するｌ
ｆのパターンを定めることができる。さらに第３図Ａか
ら明らかなようにｌｆが定まれば結果としてｙｏを求め
得る。この関係を用いＮに対するｌｆとｙｏとの動きは
、第３図Ｂのように表わすことができる。ｙ−ｕを一定
にとってパターンを選択すれだ図示のようにｙ−ｕは一
定となる。なお、第３図Ａに示したように、ｌｏが異な
るとｙｏをパラメー外こしたｌｆとＰ／Ｎの関係は違う
ので、特性上誤差が出ない程度にｌｏに対するパターン
を用意して１。に応じて切換るか、あるいはｌｆがｌｏ
に応じて連続的に変わるようにｌｆをＮとｌｏの関数と
して定める必要があることはいうまでもない。つぎに、
作用を説明する。

説明の都合上、電動機１４及びサィリスタの内部損失を
無視する。

実際の回路では内部損失があるが、若干の補償によって
無視できるものである。したがって、電動機１４は、出
力＝入力となる。このため、電動機１４の出力はィンバ
ータ１３の直流端子電圧ＥＤと直流電流ＩＤを乗じた値
となるので、これらの値を一定に保つことにより出力一
定制御が可能である。

即ち、速度リミット値以下の速度では、定電流制御回路
１９で、直流電流が常に一定になるように自動パルス移
相器２０を動作し、この移相器出力で瓶変換器２のサィ
リスタの点弧位相角（電源側点弧角）を制御する。

同時に、電圧制御回路１０で直流電圧Ｅｏが常に一定値
に保持されるように可変周波用自動パルス移相器１７を
作動し、分配器１５の出力で電動機１４と同期をとり、
ィンバータ１３のサィリスタの点弧位相角（電動機側点
弧角）を制御する。このとき、界磁電流ｌｆは、回転速
度に従って、予め決められたパターンによって決定され
る。次に、界滋電流ｌｆの決定法について説明する。本
発明の特徴は設定制御進み角ｙｏ／の設定の仕方にある
。すなわち、界磁電流Ｌをパターン回路２１で設定する
と同様、直流電流ｌｏをパラメータとして、回転数Ｎに
対応して第３図ｂのようなパターンで設定制御進み角ｙ
。を与えることも可能である。しかし、ｌｆ，ｙｏをと
もにパターンで与える、いわゆるフィードフオワード制
御では、モータ定数のわずかな誤差や界滋電流ｌｆと設
定制御進み角ｙｏのわずかな制御誤差のために直流電圧
虫ｏが設定値からずれるおそれがある。そこで、本発明
では界滋電流ｌｆをあらかじめ計算したパターンに従っ
て制御し、設定制御進み角ｙｏは直流電圧虫ｏを検出
してフィードバック制御することによって決定する。こ
うして制御されたｙｏはｌｒがパターンに従って制御さ
れているので、第３図ｂのパターンとほとんど同一の値
となる。しかも転流余裕角（ｙ−ｕ）はほぼ一定値に確
保され、直流電圧Ｅ。と直流電流ｌｏが一定となる制御
を精度よく行なえる。以上のようにしてＥｏとｌｏとは
常に一定に保持され、出力一定制御がなされる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、直流電流一定のもと
で界磁電流と制御進み角とを併用して直流電圧一定とす
ることによって定出力制御を行うので、広い速度範囲で
定出力制御を行うことができる。

さらに、このような無整流子電動機によれば、メンテナ
ンスに要する人的コストを考慮すると、直流機より有利
になる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の無整流子電動機の説明図、第２図はその
特性を示すベクトル図、第３図は本発明の原理を説明す
る特性説明図、第４図は本発明の一実施例を示す構成図
である。１・・・交流電源、２…順変換器、３・・・直流ＩＪァ
クトル、５・・・直流変流器、１０・・・電圧制御回路
、１１・・・直流電圧検出用変成器、１４・・・電動機
、１５・・・分配器、１６・・・速度発電機、１７・・
・可変周波用自動パルス移相器、１８・・・過速度検出
回路、１９・・・電流制御回路、０・・・自動パルス移
相器、２１・・・パターン回路、１３・・・逆変換器。第１図第２図第４図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

１交流の周波数変換を行う周波数変換器と、この周波
数変換器の交流出力が電機子巻線に供給される同期電動
機と、その電動機の回転子位置を検出する分配器と、前
記電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前器同期
電動機を定出力制御する速度範囲において、前記周波数
変換器に流れる直流電流を一定値にするように前記周波
数変換器の電源側点弧角を制御する電流制御手段と、前
記周波数変換器の電動機側点弧角を制御して前記周波数
変換器の直流端子電圧を設定値にする電圧制御手段と、
前記周波数変換器の電動機側の転流余裕角が一定値とな
るように、前記同期電動機の界磁電流を予め設定したパ
ターンに従つて制御する界磁制御手段とを具備した無整
流子電動機の制御装置。