JPH04265684A - サイクロコンバータによる同期電動機の運転方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電源力率の改善を図り得
るサイクロコンバータによる同期電動機の運転方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電源転流サイリスタ変換器で構成された
例えば３６アーム形サイクロコンバータは、高変換効率
、正弦波出力、高圧出力が可能である等の特徴を有して
いることから、かご形誘導電動機や同期電動機を可変速
制御して圧延主機等の大容量機器の運転に使用されてい
る。

【０００３】しかし、このサイクロコンバータはサイリ
スタ変換器のサイリスタの制御遅れ角を制御して正弦波
を得るようにしているため、電源力率が低くなるという
欠点がある。

【０００４】そこで、従来ではサイクロコンバータの制
御に伴う電源力率の低下を改善する方式が種々考案され
ており、その一つとして相電圧台形波制御方式がある。 この相電圧台形波制御方式は、サイクロコンバータの相
出力電圧を台形波として最大電圧を下げ、電源トランス
の二次電圧を低くすることにより、サイリスタ変換器を
小さな制御遅れ角で運転するタイミング（最大電圧出力
時）を大きくし、大きく絞るタイミングを少なくしてい
る。したがって、このような制御方式によれば、主回路
に特別な考慮をすることなくサイリスタ変換器のサイリ
スタの制御遅れにより発生する無効電力を減少させ、電
源力率を改善することができる。

【０００５】また、電源力率の低下を改善する他の方式
としては、出力周波数の３倍の周波数のある振幅の電圧
を重畳することにより、相電圧を台形波近似として相電
圧台形波制御方式と同じ効果を得る中性点交流バイアス
方式がある。この方式は電動機線間電圧が正弦波になり
、トルクリップルが発生しないことから多用されている
。

【０００６】特に台形波制御または中性点交流バイアス
方式で同期電動機を駆動する場合、電動機力率を１にで
き、端子電圧を界磁電流の調整により一定にできるので
、直流電動機のサイリスタレオナードとほぼ同等の電源
力率を得ることができる。しかし、これらの力率改善方
式は出力周波数が約３０Ｈｚ以上になると制御が困難な
ため力率改善効果がなく、例えば４極の同期電動機を運
転する場合、最高速度が９００ｒｐｎ以上では採用する
ことができず、電源力率を改善することができなかった
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようにサイクロコ
ンバータに台形波制御または中性点交流バイアス方式を
採用して力率改善制御を適用した場合、最高出力周波数
が３０Ｈｚ以下のときは、電源トランスの二次電圧を低
くすることができるので、発生無効電力が少なくなり、
電源力率を高くすることができる。しかし、出力周波数
が３０Ｈｚを越える場合にはこれらの力率改善方式が適
用することができないため、運転周波数が３０Ｈｚ以下
の運転範囲でも無効電力を小さくすることができない。 特に圧延主機を駆動する場合、電動機定格はＪＥＭ１１
５７に準拠するので、ベース速度における過負荷定格出
力が最も大きく、サイクロコンバータの発生無効電力も
、ベース速度およびそれ以下の速度で最も大きくなる。

【０００８】本発明は最高周波数が３０Ｈｚを越えても
最大発生無効電力を抑制して電源電圧降下を低減するこ
とができるサイクロコンバータによる同期電動機の運転
方法および装置を提供することができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のサイクロコンバ
ータによる同期電動機の運転方法は、台形波制御または
中性点交流バイアス方式によりサイクロコンバータを制
御して同期電動機を運転するに際して、前記サイクロコ
ンバータの出力周波数が前記同期電動機を所定速度以下
で運転する運転周波数のときのみ前記サイクロコンバー
タを台形波制御または中性点交流バイアス方式により制
御し、前記サイクロコンバータの出力周波数が前記同期
電動機を所定速度を越えて運転する運転周波数になると
前記同期電動機の界磁を弱めて端子電圧を低下させるこ
とにある。

【００１０】また、本発明のサイクロコンバータによる
同期電動機の運転装置は、同期電動機と、この同期電動
機の電源回路に設けられたサイクロコンバータと、この
サイクロコンバータを台形波制御または中性点交流バイ
アス方式により制御する制御装置とから構成され、前記
制御装置は前記同期電動機の運転周波数を検出する検出
手段と、この検出手段の検出信号が入力され前記サイク
ロコンバータの出力周波数が前記同期電動機を所定速度
以下で運転する運転周波数のときのみ前記サイクロコン
バータを台形波制御または中性点交流バイアス方式によ
り制御する第１の制御手段と、前記検出手段の検出信号
が入力され前記サイクロコンバータの出力周波数が前記
同期電動機を所定速度を越えて運転する運転周波数にな
ると前記同期電動機の界磁を弱めて端子電圧を低下させ
る第２の制御手段とを備えたものである。

【００１１】

【作用】このようなサイクロコンバータによる同期電動
機の運転方法およびその装置によれば、同期電動機が所
定速度以下の運転周波数（３０Ｈｚ以下）のときは無効
電力を低減でき、また同期電動機が所定速度を越える運
転周波数（３０Ｈｚを越える）のときは端子電圧を低く
して最大発生無効電力が抑制されるので、電源電圧降下
を低減することができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。図１はサイクロコンバータによる同期電動機の運
転システムに中性点交流バイアス方式を適用した制御ブ
ロックの一例を示すものである。図１において、１は電
機子巻線Ａおよび界磁巻線Ｆを備えた同期電動機（ＳＭ
）で、この同期電動機１の三相各相の電機子巻線Ａは中
性点交流バイアス方式のサイクロコンバータ２を介して
電源トランス３に接続されている。

【００１３】同期電動機１の電機子Ａには速度検出器４
と磁極検出器５がそれぞれ取付けられている。速度検出
器４は同期電動機１の回転速度を検出するもので、その
速度検出信号は速度フィードバック信号ｎＦＢとして速
度基準ｎ＊　と比較され、その偏差を速度制御部６に与
えている。また、速度フィードバック信号ｎＦＢは界磁
弱め基準発生部７および周波数検出部８にそれぞれ与え
られる。

【００１４】また、９は変流器１０を介して同期電動機
１の電機子電流を検出する電流検出部で、この電流検出
部９により検出された電機子電流は座標変換部１１に与
えられ、ここで磁極位置検出器５により検出される磁極
位置信号に同期させて電機子電流から直角座標成分とし
て表されるｑ軸分Ｉｑとｄ軸分Ｉｄを求め、磁束演算部
１２に加えている。この磁束演算部１２には変流器１３
を介して界磁電流検出部１４により検出された界磁電流
Ｉｆが入力される。磁束演算部１２は座標変換部１１か
ら入力されるｑ軸分Ｉｑとｄ軸分Ｉｄおよび界磁電流Ｉ
ｆより内部操作角δと磁束Φを求めるもので、ここで求
められた磁束Φにより速度制御部６の出力を除算した出
力ＩＴ　を電機子電流制御部１５に与えている。

【００１５】さらに、この電機子電流制御部１５には弱
め界磁基準発生部７より発生する磁束基準Φ＊　と磁束
演算部１２で求められた磁束Φとの偏差ΔΦと操作角δ
が入力される。電機子電流制御部１５は、これら出力Ｉ
Ｔ　、磁束偏差ΔΦ、操作角δをもとに電機子電流基準
のｑ軸分Ｉｑ＊　とｄ軸分Ｉｄ＊　を求めるものである
。この電機子電流制御部１５で求められた電機子電流基
準のｑ軸分Ｉｑ＊　およびｄ軸分Ｉｄ＊　は座標変換部
１１で求められる電機子電流のｑ軸分Ｉｑおよびｄ軸分
Ｉｄとそれぞれ比較され、その偏差を電流制御部１６に
与える。電流制御部１６は電機子電流基準に対する電機
子電流のｑ軸分Ｉｑ、ｄ軸分Ｉｄの偏差が入力されると
電流制御を行なうための出力電圧基準のｑ軸分Ｖｑとｄ
軸分Ｖｄを座標変換部１７に与える。この座標変換部１
７は磁極位置検出器５の検出信号に同期して電流制御部
１６より与えられるｑ軸分Ｖｑとｄ軸分Ｖｄにより三相
出力基準を作り、この三相出力基準に三倍周波数発生部
１８より磁極位置検出器５の検出信号に同期して発生す
る出力を重畳してサイクロコンバータ２を制御する位相
制御部１９に与えている。三倍周波数発生部１８は周波
数検出部８の周波数検出信号により制御されるもので、
周波数検出部８で検出される周波数がある周波数ｆ１に
なるまではある振幅の三倍調波を発生し、周波数ｆ１に
なると三倍調波の振幅が減少し、周波数ｆ１より高くな
ると三倍調波の振幅が零になるようになっている。

【００１６】一方、２０は界磁弱め基準発生部７より発
生する磁束基準Φ＊　および座標変換部１１により求め
られる電機子電流のｑ軸分Ｉｑおよびｄ軸分Ｉｄがそれ
ぞれ入力される界磁電流基準演算部で、この界磁電流基
準演算部２０はこれら磁束基準Φ＊　、電機子電流のｑ
軸分Ｉｑおよびｄ軸分Ｉｄをもとに界磁電流基準Ｉｆ＊
　を求めるものである。また、この界磁電流基準演算部
２０は周波数検出部８で検出される周波数がある周波数
ｆ１になると、そのときの検出信号により界磁を弱める
べく界磁電流基準とし、周波数ｆ１より高く、約３０Ｈ
ｚもしくはそれ以下の周波数ｆ２に達すると界磁弱めを
止める界磁電流基準として出力するものである。この界
磁電流基準Ｉｆ＊　は界磁電流検出部１４により検出さ
れた界磁電流Ｉｆと比較され、その偏差が界磁電流制御
部２１に与えられる。この界磁電流制御部２１はその偏
差により同期電動機１の界磁回路に界磁電源として設け
られたサイリスタ整流器２２の位相制御部２３に与えて
界磁電流を制御するものである。次にこのように構成さ
れた同期電動機の運転システムの作用を述べる。

【００１７】いま、同期電動機１がベース速度で運転さ
れているものとすれば、このときの運転周波数は通常３
０Ｈｚ以下にある。このような状態にあるときの制御は
次のようになる。

【００１８】速度検出器４により検出された速度フィー
ドバック信号ｎＦＢと速度基準ｎ＊　との偏差により速
度制御部６で速度制御が行われ、その出力ＩＴ　と磁束
演算部１２により座標変換部１１で変換された電機子電
流のｑ軸分Ｉｑとｄ軸分Ｉｄおよび界磁電流検出部１４
で検出された界磁電流Ｉｆをもとに求められる内部操作
角δとが電機子電流制御部１５に入力される。この電機
子電流制御部１５では、出力ＩＴ　および内部操作角δ
とから電機子電流基準のｑ軸分Ｉｑ＊　とｄ軸分Ｉｄ＊
　を求める。 この電機子電流基準のｑ軸分Ｉｑ＊　とｄ軸分Ｉｄ＊　
は座標変換部１２で変換された電機子電流のｑ軸分Ｉｑ
とｄ軸分Ｉｄの比較基準となり、その偏差が電流制御部
１６に与えられると電流制御が行なわれ、出力電圧基準
ｑ軸分Ｖｑとｄ軸分Ｖｄを出力する。このｑ軸分Ｖｑと
ｄ軸分Ｖｄが座標変換部１７に入力されると、この座標
変換部１７では三相出力電圧基準を得る。

【００１９】一方、このとき周波数検出部８では同期電
動機１の運転周波数が３０Ｈｚ以下にあることを検出し
ているので、三倍周波数発生部１８はある振幅の三倍調
波を発生している。したがって、この三倍調波は座標変
換部１７より出力される三相出力電圧基準に重畳されて
位相制御部１９に与えられ、サイクロコンバータ２の制
御遅れ角が制御される。

【００２０】このときの相出力電圧は図２に示すように
正弦波Ｂに三倍調波Ａが重畳されるとほぼ台形波Ｃとな
り、正弦波出力Ｂよりピーク電圧が低くなるので、サイ
クロコンバータ２の電源トランス３の二次電圧を正弦波
出力時より低くできる。この場合、同期電動機１とサイ
クロコンバータ２との中性点は接続されていないので、
同期電動機１の線間電圧は図３に示すような正弦波とな
り、リップルが発生しない。

【００２１】次に同期電動機１の運転周波数がある周波
数ｆ１になったことを周波数検出部８により検出すると
、その検出信号により三倍周波数発生部１８より発生す
る三倍調波の振幅を減少させ、また界磁電流基準演算部
２０では界磁を弱めるべく界磁基準が求められる。さら
に、同期電動機１の運転周波数がある周波数ｆ１より高
く、約３０Ｈｚもしくはそれ以下の周波数ｆ２に達した
ことを周波数検出部１８により検出すると、その検出信
号により三倍周波数発生部１８より発生する三倍調波の
振幅を０とし、また界磁電流基準演算部２０では界磁を
弱めを止めるべく界磁電流基準が求められる。

【００２２】以上のような制御による電動機端子電圧は
図４に示す如くなる。即ち、同期電動機１が同期速度で
運転されている時の周波数は通常ｆ１以下であるので、
中性点交流バイアス制御により無効電力を抑制すること
ができ、ｆ２以上では中性点バイアス制御は動作しない
が、ＪＥＭ１１５７準拠の圧延主機用電動機の場合は図
５のｂのように過負荷耐量が小さいので、無効電力はベ
ース速度以下のそれに比べて余り大きくならない。ここ
で、図５において、ａは定格出力、ｃは本発明を適用し
ない場合の発生無効電力、ｄは本発明を適用した場合の
発生無効電力の傾向の一例を示す。

【００２３】このように本実施例では、中性点交流バイ
アス方式によりサイクロコンバータ２を制御して同期電
動機１を運転する場合、サイクロコンバータ２の出力周
波数が同期電動機１を所定速度以下で運転する運転周波
数のときのみ前記サイクロコンバータ２を中性点交流バ
イアス方式により制御し、サイクロコンバータ２の出力
周波数が同期電動機１を所定速度を越えて運転する運転
周波数になると同期電動機１の界磁を弱めて端子電圧を
低下させるようにしたので、同期電動機１の運転周波数
が３０Ｈｚ以下のときは無効電力を低減でき、また同期
電動機１の運転周波数が３０Ｈｚを越えるときは端子電
圧を低くして最大発生無効電力を抑制することにより、
電源電圧降下を低減することができる。

【００２４】なお、上記実施例では中性点交流バイアス
方式によりサイクロコンバータ２を制御する場合につい
て述べたが、相電圧台形波制御を適用した場合も前述と
同様の作用効果が得られるものである。また、上記実施
例では周波数検出部８により同期電動機１の運転周波数
ｆ１，ｆ２を検出するようにしたが、この運転周波数ｆ
１，ｆ２の検出に変えて電動機端子電圧Ｖａを検出する
ようにしても良い。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、同期
電動機の運転周波数が３０Ｈｚ以下のときは無効電力を
低減でき、また同期電動機の運転周波数が３０Ｈｚを越
えるときは端子電圧を低くして最大発生無効電力を抑制
するようにしたので、電源電圧降下を低減することがで
きるサイクロコンバータによる同期電動機の運転方法お
よび装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の同期電動機の運転システム
全体の構成を示すブロック図。

【図２】図２は同実施例において、中性点交流バイアス
制御を適用した場合の相電圧波形図。

【図３】同じくそのときの電動機線間電圧波形図。

【図４】同実施例における電動機周波数と端子電圧の関
係を示す図。

【図５】ＪＥＭ１１５７準拠の圧延主機電動機の出力特
性と本発明を適用した場合と適用しない場合の発生無効
電力の傾向の一例を示す図。

【符号の説明】

１……同期電動機、２……サイクロコンバータ、３……
電源トランス、４……速度検出器、５……磁極位置検出
器、６……速度制御部、７……界磁弱め基準発生部、８
……周波数検出部、９……電流検出部、１０……変流器
、１１……座標変換部、１２……磁束演算部、１３……
変流器、１４……界磁電流検出部、１５……電機子電流
制御部、１６……電流制御部、１７……座標変換部、１
８……三倍周波数発生部、１９……位相制御部、２０…
…界磁電流基準演算部、２１……界磁電流制御部、２２
……サイリスタ整流器、２３……位相制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　台形波制御または中性点交流バイアス
   方式によりサイクロコンバータを制御して同期電動機を
   運転する方法において、前記サイクロコンバータの出力
   周波数が前記同期電動機を所定速度以下で運転する運転
   周波数のときのみ前記サイクロコンバータを台形波制御
   または中性点交流バイアス方式により制御し、前記サイ
   クロコンバータの出力周波数が前記同期電動機を所定速
   度を越えて運転する運転周波数になると前記同期電動機
   の界磁を弱めて端子電圧を低下させるようにしたことを
   特徴とするサイクロコンバータによる同期電動機の運転
   方法。
2. 【請求項２】　　同期電動機と、この同期電動機の電源
   回路に設けられたサイクロコンバータと、このサイクロ
   コンバータを台形波制御または中性点交流バイアス方式
   により制御する制御装置とから構成され、前記制御装置
   は前記同期電動機の運転周波数を検出する検出手段と、
   この検出手段の検出信号が入力され前記サイクロコンバ
   ータの出力周波数が前記同期電動機を所定速度以下で運
   転する運転周波数のときのみ前記サイクロコンバータを
   台形波制御または中性点交流バイアス方式により制御す
   る第１の制御手段と、前記検出手段の検出信号が入力さ
   れ前記サイクロコンバータの出力周波数が前記同期電動
   機を所定速度を越えて運転する運転周波数になると前記
   同期電動機の界磁を弱めて端子電圧を低下させる第２の
   制御手段とを備えたことを特徴とするサイクロコンバー
   タによる同期電動機の運転装置。