WO1991003870A1 - Appareil de regulation d'alimentation en energie d'une charge d'inductance - Google Patents

Description

明 糸田 イ ン ダク タ ン ス負荷の通電制御装置 技術分野

本発明は、 出力が 3 0 ワ ッ ト以上位の電動機の電機子 コ イ ルの通電電流を高速度回転の と き に、 指定 し た波形 の通電制御を行な う 場合に用 られる ィ ン ダ ク 夕 ン ス負荷 の通電制御装置に関する。 背景技術

磁気軸受の電磁石の電流の制御は、 その励磁コ イ ルの ィ ン ダク タ ン スが大き いので、 回転子を浮上せ しめるた めの通電電流の急速な変化が困難 と なる。

ィ ン ダク タ ン ス負荷の通電電流のチ ヨ ツ バ回路の応答 性を良好 と する ためには、 イ ン ダク タ ン ス負荷が大き い 場合には、 対応 し て電源電圧を高 く し て、 通電電流の立 上 り を急速 と し 、 イ ン ダク タ ンスによ る蓄積磁気エネル ギを電源に還流する こ と に よ り 、 通電電流の降下を急速 と し て応答性を速 く し て通電流の制御を行な っ ている。 発明の開示

し カゝ し 、 チ ヨ ツ バ回路に よ る大き いイ ン ダク 夕 ンス負 荷の通電電流の応答性を高速 と する には、 電源電圧を高 く す る手段があ る が、 よ り 高速な応笞性を得る ため に は、 電源電圧が著し く 高く な り 、 実用性が失われる問題 点がある。

例えば、 出力 5 0 0 ワ ッ トの誘導電動機、 リ ラ ク タ ン ス型の電動機の場合に、 電機子電流のチ ヨ ツ バ制御のバ ルス巾を数マイ ク ロセ コ ン ド位とするためには、 駆動 ト ルクを得るための印加電圧の 5 〜 1 0倍の電圧が必要と な り 、 実用性が失われる不都合がある。

そこで、 本発明は、 印加電圧が低く ても応答性の良好 なィ ンダク タ ンス負荷の通電制御を行なう こ とができる イ ン ダク 夕 ン ス負荷の通電制御装置を提供する こ と を目 的 とする。

本発明は、 イ ンダク 夕 ン ス負荷の両端に接続された第 1 ， 第 2 の半導体ス イ ッ チ ン グ素子と、 該第 1 ， 第 2 の 半導体スィ ツ チ ングを介して該ィ ンダク タ ン ス負荷に供 電する直流電源と 、 該第 1 の半導体ス イ ッ チ ン グ素子お よび該ィ ン ダク タ ン ス負荷と の直列接続体に逆接続され た第 1 のダイ オー ド と、 該第 2 の半導体ス イ ッ チ ン グ素 子および該ィ ンダク タ ン ス負荷との直列接続体に逆接続 された第 2 のダイ ォー ド と、 該ィ ンダク タ ン ス負荷の通 電電流を検出 して検出電圧を得る電流検出回路と、 設定 される任意の波形の電圧を有する基準電圧と 、 該イ ンダ ク タ ンス負荷に供電する該直流電源側に順方向に挿入さ れた逆流防止用の第 3 のダイ オー ド と 、 該第 1 ， 第 2 の 半導体ス ィ ツ チ ン グ素子および該イ ンダク タ ン ス負荷お よび該電流検出回路の直列接続体に並列に接続された小 容量の コ ンデンサ と 、 該電流検出回路の検出電圧が該基 準電圧を越える と該第 1 ， 第 2 の半導体スイ ッ チ ン グ素 子を不導通に転化し て、 該イ ンダク タ ンス負荷の蓄積磁 気ェネルギが、 該直流電源正極側に流入する こ と を逆流 防止用の第 3 の ダイ オー ド に よ り 阻止 し 、 該第 1 ， 第 2 のダイ ォー ドを介 して該蓄積磁気エネルギが小容量の 該コ ンデンサの静電工ネルギ と して転換せしめる こ と に よ り 、 急速に該通電電流を降下せし め、 所定値まで降下 する と該第 1 ， 第 2 の半導体スイ ッ チン グ素子を導通せ しめて、 小容量の該コ ン デ ンサの高電圧によ り 、 該通電 電流の立上 り を急速 と するチ ヨ ッ パ回路と 、

よ り構成されたこ と を特徴と するイ ン ダク タ ンス負荷 の通電制御回路である。

本発明によれば、 第 1 図 （ a ) においてイ ンタク タ ン ス負荷 1 の励磁電流 （抵抗 9 の電圧降下） が基準電圧 (端子 1 2 の電圧） を越える と 、 オペア ンプ 1 1 の出力 は、 ロー レベルと な り 、 增巾回路 7 を介する出力の消滅 によ り 、 ト ラ ンジスタ 3 a ， 3 b は不導通と なる。

負荷 1 の蓄積磁気エ ネ ル ギ は 、 ダ イ ォ ー ド 4 a , 4 b によ り 、 電源正極 2 a に還流し ょ う とするが、 ダイ オー ド 6 によ り 阻止され、 コ ンデンサ 5 を充電する。

コ ンデ ンサ 5 は小容量なので電圧が上昇し、 励磁電流 は急速に降下 し 、 所定値ま で降下する と 、 オペア ンプ 1 1 の ヒ ス テ リ シス特性によ り 、 出力がハイ レベルに復 帰する。 従って、 ト ラ ン ジスタ 3 a , 3 bは導通するので、 コ ンデンサ 5 の高電圧によ り 、 励磁.電流は急速に上昇し 、 次に電源電圧によ り 更に上昇する。

励磁電流が基準電圧を越え る と 再び 卜 ラ ン ジ ス タ 3 a ， 3 b は不導通と なるチ ヨ ツ バ回路となる。

コ ンデンサ 5 を小容量とする程チ ヨ ッ パ周波数を大き く でき る。 従って電源電圧は、 イ ンダク タ ンス負荷 1 の 通電電流値に対応し た電圧ですみ、 周知の手段のよ う な 高電圧を不要と する作用がある。

このため、 本発明は、 以下の効果を有する。

大き いィ ン ダク タ ン ス負荷は、 磁気エネルギの蓄積と 放出に時間を要するので、 応答性の良い通電制御を行な う ために印加電圧を高 く するチ ヨ ッ パ回路を利用する周 知の手段があるが、 実用的には応答性に限界がある。

本発明による と 、 印加電圧を低く して、 しかも応答性 のよ り良好なィ ンダク タ ン ス負荷の通電制御を行なう こ とができる効果が有る。 図面の簡単な説明

第 1 図 （ a ) ( b ) は、 本発明装置の実施例の電気回 路図、 第 2 図は、 第 1 図 （ a ) ( b ) の回路の各部分の 電気信号のタ イ ムチヤ一 ト である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明を図面を参照し てその実施例に基づいて 説明する。

第 1 図 （ a ) ( b ) は、 本発明の一実施例の電気回路 図である。

イ ン ダク タ ンス負荷 1 は、 例えば、 電動機の 1 個の電 機子コ イ ル若 し く は磁気軸受の励磁コ イ ルである。 コ ィ ルの磁心は省略して図示していない。

負荷 1 の両端には、 ト ラ ン ジスタ 3 a , 3 bが接続さ れ、 ダイ オー ド 4 a , 4 b 力 s、 各 ト ラ ン ジス タ 3 a , 3 b と 負荷 1 と に逆接続されている。

励磁電流 （電機子電流 と 考えて も よ い。 ） は、 抵抗 9 の電圧降下 と して検出され、 絶対値回路 （整流回路） 1 0 に よ り 整流され、 その出力は、 オペア ンプ 1 1 の 一端子に入力されている。 +端子の入力は端子 1 2 の基 準電圧と なっている。

基準電圧は、 第 2 図のタイ ムチャー ト の曲線 1 4 と し て 一例が示されている。

直流電源端子 2 a , 2 b によ り 、 負荷 1 は、 順方向に 接続されたダイ オー ド 6 を介 して供電される。

曲線 1 4 で示す基準電圧がオペア ンプ 1 1 に入力され る と 、 オペア ンプ 1 1 の出力はハイ レベルと な り 、 增巾 回路 7 でその出力が増幅され、 反転回路を介して、 ト ラ ン ジス夕 3 aが導通する。 同時に ト ラ ン ジスタ 3 b も導 通する。

従っ て、 負荷 1 は通電され、 励磁電流は、 第 2 図の点 線曲線 1 5 に示すよ う に立上って通電が開始される。 抵抗 9 の電圧降下 （励磁電流に比例 している。 ） が、 オペア ンプ 1 1 の +端子の電圧を越える と、 オペア ンプ 1 1 の出力は ロ ー レベルに転化するので、 ト ラ ン ジスタ 3 a , 3 b は不導通 と なる。

負荷 1 に蓄積された大き い磁気エネルギは、 ダイ ォー ド 4 a ， 4 b を介し て電源正極 2 a側に還流されて、 消 滅せ し めるのが、 周知の手段であるが、 本発明装置で は、 逆流防止用のダイ オー ド 6 によ り 、 上記し た還流が 阻止されるので、 コ ン デ ン サ 5 を充電 し て高電圧 と す る。

従っ て、 電流は急速に降下 し 、 所定値だけ降下する と 、 オペア ンプ 1 1 の ヒ ステ リ シス特性によ り 、 その出 力がハイ レベルに復帰する。

従っ て、 ト ラ ン ジス タ 3 a ， 3 b が導通 し 、 コ ン デ ン サ 5 の充電電圧によ り 、 励磁電流は急速に立上るが、 曲 線 1 4 の電圧ま で、 絶対値回路 1 0 の出力が増大する と、 ト ラ ン ジスタ 3 a ， 3 b は再び不導通と なる。 かか るサイ クルを繰返すチ ヨ ッ パ回路とな り 、 負荷 1 の励磁 電流の曲線 1 5 は、 曲線 1 4 (基準電圧） に比例したも の と なる。

上述したチ ヨ ッ パ作用を点線 1 6 の近傍のみを時間的 に拡大して示 したのがその下段の'電流曲線である。

点線 1 4 a は、 基準電圧 1 4 に比例した励磁電流を拡 大して示したものである。 曲線 1 5 a , 1 5 b , …は、 負荷 1 に実際に流れる脈流を示したものである。 トラ ン ジスタ 3 a ， 3 bが導通する と、 曲線 1 5 a に 示す よ う に電流が立上るが、 こ の と き に、 コ ン デ ン サ 5 に蓄積された静電工ネルギに よ る高電圧によ り電流の 立上 り は急速と なる。

点線 1 4 a まで立上る と 、 ト ラ ンジスタ 3 a ， 3 b は 不導通 と なるので、 電流は曲線 1 5 b に示すよ う に降下 する。 この と き に、 負荷 1 に蓄積された磁気エネルギ は、 コ ンデンサ 5 を充電し て高電圧とするので、 降下は 急速と なる。

かかるサイ クルを繰返し て、 励磁電流は曲線 1 4 a を上限値と して変化する ものである。 曲線 1 5 a , 1 5 b , …の時間幅は、 コ ンデンサ 5 の容量によ り変化さ れ、 容量が小さ い程時間幅が小さ く なる特徴がある。

以上の事実は、 負荷 1 と コ ンデンサ 5 は並列共振回路 と相似した性質があるので、 コ ンデ ンサ 5 の容量が小さ く なる程共振周波数が大き く なる こ とから も推定される ものである。

負荷 1 の抵抗によ る ジ ュール損失分だけは、 直流電源 よ り電流の立上 り部の末期において供給きれる。

周知の手段による と 、 直流電源電圧を高く して、 磁気 エネルギの蓄積を急速 とする こ と によ り電流の立上 り を 急速 と し、 蓄積磁気エネルギを電源に還流する こ と によ り 降下を急速 と している。

従って、 印加電圧は高い電圧と な り 、 チ ヨ ッ パ周波数 (曲線 1 5 a ， 1 5 b , …の時間幅） を小さ く する こ と には限界がある。

従 っ て 、 基準電圧曲線 1 4 の.矢印 8 の幅が小 さ く 1 〇 0 マイ ク ロセ コ ン ド位と なる と、 曲線 1 4の図示の よ う な凹凸に対応する時定数の小さい応答は不可能と な る欠点がある。

本発明装置による と 、 印加電圧を低く しても、 コ ンデ ン サ 5 の容量を小さ く する こ と によ り 、 応答性を高速度 とする こ とができ る効果がある。

実測による と 、 出力 3 0 0 ワ ッ ト位の リ ラ ク タ ンス型 の電動機の磁極の励磁コ イ ルの通電制御を行なった場合 に 、 印 力 Π 直流電圧 1 0 0 ボ ル ト で 、 曲 線 1 5 a ， 1 5 b , …の幅は 0 . 5 マイ ク ロセコ ン ド となる。 この と きのコ ンデンサ 5 の容量は、 0 . 1 マイ ク ロ フ ァラ ッ ドである。

従って、 大き いイ ンダク タ ン ス負荷の場合でも、 励磁 電流の応答性のよ い通電制御を行な う こ と がで き るの で、 磁気軸受の励磁コ イ ルの通電制御を行なう こ と によ り 、 回転体の磁気浮上をよ り正確に行なう こ とができる 作用効果がある。

ト ラ ン ジスタ 3 a ， 3 bの代 り に、 I G B Tのよ う な 高速度スイ ッ チ ング素子を使用する と、 上述した応答性 は更に良好と なる。

第 2 図の曲線 1 4 をサイ ン波とする と、 イ ンバー夕 に 本発明手段を利用でき るので、 高速度で振動の少ない高 速誘導機を得る こ とができる。 第 1 図 （ a ) に お いて 、 ダ イ オ ー ド 6 は電源正極 2 a 側 に揷入 さ れて い る 力 、 電源負極 2 b 側の点線 6 aで示す位置に、 順方向に挿入しても本発明を実施す る こ と力 sでき る。

第 1 図 （ b ) の実施例は、 チ ヨ ツ バ回路を変形したも のである。 第 1 図 （ b ) において、 励磁電流が増大し て、 抵抗 9 の電圧降下が、 基準電圧端子 1 2 の電圧 （第 2 図の曲線 1 4 ) を越える と、 オペア ンプ 1 1 の出力が ノ\ィ レベルに転ィヒする。

この出力は、 微分回路 1 1 a によ り立上 り部の微分バ ルスが得られ、 微分パルスは単安定回路 1 3 を付勢する ので所定の時間幅の電気パルスが得られる。

こ の電気パルスは、 反転回路 1 3 a で反転されて、 卜 ラ ン ジス夕 3 a ， 3 b を付勢して不導通とする。

上述 し た 電 気 パ ル ス の 時 間 幅 は 、 第 2 図 の 曲 線 1 5 b , 1 5 d , …の幅と等し く される。

かかる電気パルスの時間幅は、 コ ンデンサ 5 の容量に 対応して定められ、 所要の応答性のチ ヨ ッ パ回路を構成 する こ とができるので、 本発明を実施する他の手段と な る ものである。 産業上の利兩可能性

本発明は、 出力が 3 0 ワ ッ ト以上位の電動機の電機子 コ イ ルの通電電流を高速度回転の と きに、 指定した波形 の通電制御を行なう場合に用 られる。

Claims

請 求 の 範 囲 イ ン ダク タ ン ス負荷の兩端に接続された第 1 , 第 2 の半導体スィ ツ チ ン グ素子と 、

該第 1 ， 第 2 の半導体スイ ッ チングを介して該ィ ンダク タ ンス負荷に供電する直流電源と、

該第 1 の半導体ス ィ 、ソ チ ング素子および該イ ンダ ク タ ンス負荷と の直列接続体に逆接続された第 1 の ダイ オー ド と 、

該第 2 の半導体スィ ツ チ ング素子および該ィ ンダ ク タ ンス負荷との直列接続体に逆接続された第 2 の ダイ オー ド と 、

該ィ ンダク タ ンス負荷の通電電流を検出 して検出 電圧を得る電流検出回路と、

設定さ れる任意の波形の電圧を有する基準電圧 と 、

該ィ ンダク 夕 ンス負荷に供電する該直流電源側に 順方向に挿入された逆流防止用の第 3 のダイ ォー ド と、

該第 1 ， 第 2 の半導体スイ ッ チ ン グ素子および該 ィ ンダク タ ンス負荷および該電流検出回路の直列接 続体に並列に接続された小容量のコ ンデンザと、 該電流検出回路の検出電圧が該基準電圧を越える と該第 1 ， 第 2 の半導体ス イ ッ チ ング素子を不導通 に転化して、 該イ ンダクタ ンス負荷の蓄積磁気エネ ルギが、 該直流電源正極側に流入する こ と を逆流防 止用の第 3 のダイ オー ド に よ り 阻止 し 、 該第 1 , 第 2 のダイ ォー ド を介 し て該蓄積磁気エネルギが小容 量の該コ ン デ ンサの静電工ネルギ と し て転換せ し め る こ と に よ り 、 急速に該通電電流を降下せ し め、 所 定値ま で降下する と該第 1 ， 第 2 の半導体スィ ッ チ ン グ素子を導通せ し めて、 小容量の該コ ンデンサの 高電圧 に よ り 、 該通電電流の立上 り を急速 と す る チ ヨ ッ ノ 回路 と 、

よ り 構成された こ と を特徴 と する イ ン ダク 夕 ンス 負荷の通電制御回路。