(57)【要約】【課題】小型かつ安価な装置で、電動機の更新の際の、入力側に流れる電流に含まれる高調波をサイリスタ変換装置よりも少なくすることを目的とする。【解決手段】多相交流電源１を入力電源とし、双方向スイッチにより構成されたコンバータ本体をＰＷＭ制御することにより、三本の主回路配線４から所望の周波数の三相の電力を出力するＰＷＭサイクロコンバータ２において、コンバータ本体をＰＷＭ制御するための電圧指令発生回路に、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択する選択スイッチ３を設け、主回路配線４の三本全てを三相交流電動機７に接続した状態で選択スイッチ３により交流電動機制御を選択した場合は三相交流電動機７が可変速駆動され、主回路配線４の三本の内二本を直流電動機１３に接続した状態で選択スイッチ３により直流電動機制御を選択した場合は直流電動機１３が可変速駆動されるようにした。【選択図】  図１
2006050687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電源を入力電源とし、双方向スイッチにより構成されたコンバータ本体をＰＷＭ制御することにより、三本の主回路配線から所望の周波数の三相の電力を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記コンバータ本体をＰＷＭ制御するための電圧指令発生回路に、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択する選択スイッチを設け、
前記主回路配線の三本全てを三相交流電動機に接続した状態で前記選択スイッチにより交流電動機制御を選択した場合は前記三相交流電動機が可変速駆動され、前記主回路配線の三本の内二本を直流電動機に接続した状態で前記選択スイッチにより直流電動機制御を選択した場合は前記直流電動機が可変速駆動されるようにしたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項２】
前記双方向スイッチは、逆阻止ＩＧＢＴを逆並列接続したものである請求項１記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機および直流電動機を可変速駆動するＰＷＭサイクロコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電動機及び交流電動機を１台の電動機制御装置を駆動する方式として、三相インバータを用いた例がある（例えば、特許文献１参照）。これは、駆動すべき電動機が直流電動機であるときには、三相電圧形インバータの交流出力線のうち第１相の出力線と第２相の出力線との間に直流電動機の電機子巻線を接続し、第３相の出力線とインバータの直流入力側の一端との間に直流電動機の界磁巻線を接続し、インバータの第１相および第２相からなる電力変換器を４象限チョッパとして動作させるとともに、第３相のスイッチ素子および出力線を介して界磁巻線に直流電流を供給し、駆動すべき電動機が交流電動機であるときには、三相電圧形インバータの交流出力線を交流電動機の電機子巻線に接続して交流電動機をインバータ駆動するようにしたものである。
【０００３】
インバータは、商用周波数の交流を、まず直流に変換し、次に希望する周波数の交流に変えるという、２つの段階を経て周波数変換を実現している。
近年、インバータに代えて、逆阻止ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いたＰＷＭサイクロコンバータ（マトリクスコンバータとも言われる）が使用されるようになってきた（特許文献２参照）。このＰＷＭサイクロコンバータは、逆阻止ＩＧＢＴのような双方向スイッチをＰＷＭ（パルス幅変調）することにより、３相の商用周波数の電力を、希望する周波数の電力に直接変換する装置であり、直流中間部に大容量電解コンデンサや直流リアクトルなどの電力貯蔵素子を必要としないため、従来のインバータに比べて、電力変換装置の小型化や変換効率の上昇、長寿命化が実現し、さらには双方向スイッチのＰＷＭにより入力電流の波形を改善し、高調波の削減、高効率化が図れるといったことが期待されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５６４９７号公報
【特許文献２】特開２０００−１３９０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に開示されているように、直流電動機と三相交流電動機の双方を駆動できる電動機制御装置としては、従来は三相インバータが用いられている。
一方、電動機としては、直流電動機よりも、交流電動機の方が、保守が容易で長寿命であることが知られている。
近年では、交流電動機をインバータを用いてベクトル制御することにより直流電動機並の制御性、効率を実現している。そのため、既設の直流電動機の寿命などにより交換するときは、交流電動機に更新することが行われている。ところで、電動機とその制御装置の寿命は、一般的に制御装置の方が短い。そこで、従来は、図５に示すように、最初、直流電動機と直流電動機制御装置（１）を使用した設備において、先に直流電動機制御装置（１）の寿命が来たとき、直流電動機はそのままで新たに直流電動機制御装置（２）に更新し、次いで直流電動機の寿命が来たときに、直流電動機を交流電動機に更新するとともに、制御装置も、交流電動機制御装置に更新していた。
【０００６】
このような状況の中、上述したように、直流電動機と三相交流電動機の双方を駆動できる三相インバータが出現すると、図６に示すような更新方法を採ることができた。すなわち、最初、直流電動機と直流電動機制御装置を使用した設備において、先に直流電動機制御装置の寿命が来たとき、直流電動機はそのままであるが、将来直流電動機の寿命が来たときに交流電動機に替えることを見越して、三相インバータを直流電動機の制御装置として採用し、次いで直流電動機の寿命が来たときに、直流電動機を交流電動機に更新するが、制御装置は、三相インバータのままで交流電動機を制御装置するようにしていた。
【０００７】
しかしながら、直流電動機の制御装置がサイリスタ変換機であったとすると、これを三相インバータに変更すると、入力側に流れる電流に含まれる高調波が増えてしまうという問題点があり、さらにこれを改善しようとするとインバータにＰＷＭコンバータを設ける必要があり、装置が大型かつ高価なものになるという問題点もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、三相交流電動機と直流電動機の双方を制御可能な電動機制御装置をＰＷＭサイクロコンバータとすることで、小型かつ安価な装置で、電動機の更新の際に、入力側に流れる電流に含まれる高調波をサイリスタ変換装置よりも少なくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明の第１の構成は、多相交流電源を入力電源とし、双方向スイッチにより構成されたコンバータ本体をＰＷＭ制御することにより、三本の主回路配線から所望の周波数の三相の電力を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記コンバータ本体をＰＷＭ制御するための電圧指令発生回路に、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択する選択スイッチを設け、前記主回路配線の三本全てを三相交流電動機に接続した状態で前記選択スイッチにより交流電動機制御を選択した場合は前記三相交流電動機が可変速駆動され、前記主回路配線の三本の内二本を直流電動機に接続した状態で前記選択スイッチにより直流電動機制御を選択した場合は前記直流電動機が可変速駆動されるようにしたものである。
本発明においては、選択スイッチ一つで、交流電動機を制御するか直流電動機を制御するかを選択でき、交流電動機制御を選択した場合は３本の出力線から三相交流を出力し三相交流電動機を可変速駆動し、直流電動機制御選択した場合は３本の出力線のうちの２本から直流電圧を出力し直流電動機を可変速駆動できるＰＷＭサイクロコンバータを実現することができる。
双方向スイッチとしては、逆阻止ＩＧＢＴを逆並列接続したものを用いることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のＰＷＭサイクロコンバータによれば、本体に取り付けられた選択スイッチで交流電動機制御を選択すると、３本の出力主回路線から三相交流を出力することで三相交流電動機を可変速駆動し、選択スイッチで直流電動機制御を選択すると、３本の出力主回路線のうちの２本から直流を出力することで直流電動機を可変速駆動することができるので、三相交流電動機と直流電動機双方の制御が可能である。
これにより、直流電動機駆動設備の電気品を三相交流電動機駆動に更新する場合、本ＰＷＭサイクロコンバータを用いると、寿命の短い電動機制御装置を先に更新し、後に時期をあけて直流電動機の三相交流電動機へ更新することが可能になるとともに、電動機制御装置を更新した際に既設の直流機駆動用サイリスタ変換装置に比べて入力電源に流れる高調波を低くできるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図４に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータを用いた電動機制御装置の基本構成を示すブロック図、図２は同実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータのブロック図、図３は同実施の形態に係る電圧指令発生回路のブロック図、図４は同実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータによる直流電動機駆動設備更新のタイムチャートである。
【００１１】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電動機制御装置は、多相交流電源１を入力電源とし、出力用に三本の主回路配線４と速度検出信号入力回路１７及び電流検出信号入力回路１８及び入力電圧検出信号入力回路２０を備えたＰＷＭサイクロコンバータ２を有している。ＰＷＭサイクロコンバータ２は、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択する交流電動機制御／直流電動機制御選択スイッチ３（以下、単に「選択スイッチ３」という。）を有している。ＰＷＭサイクロコンバータ２の主回路配線４の三本全てが主回路接続線５により三相交流電動機７に接続されており、三相交流電動機７に設けられた速度検出器８からの速度検出信号線９が、速度検出信号入力回路１７を介してＰＷＭサイクロコンバータ２に接続されている。また、三相交流電動機７の電流検出器６からの電流検出信号線１０が、電流検出信号入力回路１８を介してＰＷＭサイクロコンバータ２に接続されている。
【００１２】
一方、主回路配線４の三本の内二本が主回路接続線１１により直流電動機１３に接続されており、直流電動機１３に設けられた速度検出器１４からの速度検出信号線１５が、速度検出信号入力回路１７を介してＰＷＭサイクロコンバータ２に接続されている。また、直流電動機１３の電流検出器１２からの電流検出信号線１６が、電流検出信号入力回路１８を介してＰＷＭサイクロコンバータ２に接続されている。
ここで、選択スイッチ３により交流電動機制御を選択した場合は、三相交流電動機７を可変速駆動することができ、選択スイッチ３で直流電動機制御を選択した場合は直流電動機１３を可変速駆動することができる。
【００１３】
図２は、実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータ２のブロック図である。図２においてＰＷＭサイクロコンバータ２は、多相交流電源１より電源電圧を受け取り、ｕ相，ｖ相，ｗ相の３本の主回路配線４を有するコンバータ本体２１を有している。ＰＷＭサイクロコンバータ２には、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択するスイッチ３が取り付けられている。またＰＷＭサイクロコンバータ２に付属するコントロール基板２２にスイッチ３からの信号、電流検出信号入力回路１８、速度検出信号入力回路１７及び入力電圧検出信号入力回路２０が接続されている。コントロール基板２２内の電圧指令発生回路２３からはｕ相，ｖ相，ｗ相に対する三つの電圧指令２５がパワー素子の駆動信号を出力するＰＷＭ信号発生回路２４に出力されている。ＰＷＭ信号発生回路２４では、入力電圧信号入力回路２０からの信号と電圧指令２５により、入力側電流の高調波を少なくし、かつ指令どおりの出力電圧を発生するＰＷＭサイクロコンバータ駆動信号を生成する。
【００１４】
電圧指令発生回路２３は、選択スイッチ３で交流電動機制御が選択された場合、三つの電圧指令２５すべてに三相交流電動機７を制御するのに必要な三相交流電圧指令を出力するため、３本の主回路配線４に三相交流電圧が出力され三相交流電動機７が可変速駆動される。また電圧指令発生回路２３は、選択スイッチ３で直流電動機制御が選択された場合、三つの電圧指令２５のうち二つに直流電動機１３を制御するのに必要な直流電圧指令を出力するため、３本の主回路配線４のうち２本に直流電圧が出力され直流電動機１３が可変速駆動される。
【００１５】
図３は、図２で示した三相交流電動機７と直流電動機１３の双方を制御可能なＰＷＭサイクロコンバータ２のコントロール基板２２内の電圧指令発生回路２３のブロック図である。図中、３１は位相指令φrefを出力する位相指令器、３２は位相指令をｄ軸電流指令Ｉｄに変換するスケール変換部、３３はｄ軸電流指令Ｉｄと実ｄ軸電流Ｉｄｆｂとの偏差を演算する減算器、３４は電流制御器、３５は電流制御器３４の出力と後述のｑ軸→ｄ軸誘起電圧演算部４３との出力を加算する加算器、３６は交流電動機を駆動する場合と直流電動機を駆動する場合を切り替える切替スイッチ、３７は切替スイッチ３６をＤＣ側に切り替えたときのｄ軸電圧を０に設定する０設定器、３８は回転座標／固定座標回転変換部、３９は二相／三相変換部、４０は速度指令Ｎrefを出力する速度指令器、４１は速度指令Ｎｒｅｆと速度検出値Ｎｆｂとの偏差を演算する減算器、４２は速度制御器、４３はｑ軸→ｄ軸誘起電圧演算部、４４はｑ軸電流指令Ｉｑと実ｑ軸電流Ｉｑｆｂとの偏差を演算する減算器、４５は電流制御器、４６は電流制御器４５の出力と後述のｄ軸→ｑ軸誘起電圧演算部４７との出力を加算する加算器、４７はｄ軸→ｑ軸誘起電圧演算部、４８はすべり演算部、４９は交流電動機を駆動する場合と直流電動機を制御する場合に切り替える切替スイッチ、５０は０設定器、５１は速度検出値Ｎｆｂとすべり周波数ωslipを加算する加算器、５２は積分器、５３は交流電動機を駆動する場合と直流電動機を制御する場合に切り替える切替スイッチ、５４は位相固定設定器、５５は実ｄ軸電流Ｉｄｆｂと実ｑ軸電流Ｉｑｆｂを減算する減算器、５６は三相／二相変換部、５７は固定座標／回転座標回転変換部である。
【００１６】
図３において、交流電動機制御か直流電動機制御かを選択する選択スイッチ３からの信号は、すべり周波数指令ωslip、位相θｓ及びｄ軸電圧指令Ｖｄの値の切替に使用される。選択スイッチ３からの信号が交流電動機制御選択（図３中の切替スイッチ３６，４９，５３のＡＣ側）となっている場合、本ブロック図は通常の誘導電動機のベクトル制御のブロック図に一致しており、二相／三相変換部３９の出力として得られる電圧指令出力は三相交流電圧となっている。
【００１７】
一方、選択スイッチ３からの信号が直流電動機選択(図３中切替スイッチ３６，４９，５３のＤＣ側)となっている場合、すべり周波数指令ωslipの値は０となり、周波数指令値は速度フィードバック信号Ｎｆｂの値に一致する。このすべり周波数指令ωslipはｑ軸→ｄ軸誘起電圧演算部４３およびｄ軸→ｑ軸誘起電圧演算部４７の演算に使用され、ｄ軸の電圧指令Ｖｄは０となり、電圧指令はｑ軸の電圧指令Ｖｑのみとなる。これは、ｑ軸を電機子と見立てた直流電動機の制御ブロック図に一致している。位相θｓは直流電動機制御の場合、位相固定設定器５４による固定値θ0となるが、これはｑ軸のみの制御で、二相／三相変換部３９の出力が三つの電圧出力のうち二つのみを出力するようにするためのものである。たとえば位相固定値θ0が６０度になっている場合、回転座標／固定座標回転変換部３８及び二相／三相変換部３９がどのようになるかを求めてみる。回転座標／固定座標回転変換部３８では、ｄ軸電圧指令を０、ｑ軸電圧指令をＶｑとすると下記式の変換が行われる。
【００１８】
Ｖα＝−Ｖｑ×ｓｉｎ６０°＝−√３／２×Ｖｑ
Ｖβ＝Ｖｑ×ｃｏｓ６０°＝１／２×Ｖｑ
また二相／三相変換部３９では、下記式の変換が行われる。
Ｖｕ＝Ｖα＝−√３／２×Ｖｑ
Ｖｖ＝−１／２×Ｖα＋√３／２×Ｖβ＝√３／２×Ｖｑ
Ｖｗ＝−１／２×Ｖα−√３／２×Ｖβ＝０
【００１９】
上記のとおり、二相／三相変換部３９の三つの電圧指令出力はｕ相電圧指令Ｖｕ及びｖ相電圧指令Ｖｖの二つのみがｑ軸電圧指令３８に比例した電圧指令値をもち、ｗ相電圧指令Ｖｗは０となることがわかる。またこれにより、ｕ相−ｖ相の線間には差し引き√３×Ｖｑの直流電圧がｑ軸電圧指令３８に比例して出力されることがわかる。
【００２０】
以上のような動作により、図３に示した選択スイッチ３にて交流電動機制御を選択した場合は、ｕ相，ｖ相，ｗ相の三つの主回路配線４より三相交流が出力され、三相交流電動機７が可変速駆動される。選択スイッチ３にて直流電動機制御を選択した場合は、ｕ相，ｖ相，ｗ相の三つの主回路配線４のうちの二相より直流電圧が出力され、直流電動機１３が可変駆動される。このようにして、一つのＰＷＭサイクロコンバータ２で交流電動機と直流電動機の双方の制御ができる。
【００２１】
以上に説明したように、本発明の実施の形態においては、図４に示すように、最初、直流電動機と直流電動機制御装置を使用した設備において、先に直流電動機制御装置の寿命が来たとき、直流電動機はそのままであるが、将来直流電動機の寿命が来たときに交流電動機に替えることを見越して、ＰＷＭサイクロコンバータを直流電動機の制御装置として採用し、次いで直流電動機の寿命が来たときに、直流電動機を交流電動機に更新するとともに、制御装置は、引き続いてＰＷＭサイクロコンバータを交流電動機の制御装置とすることができる。これにより、電動機制御装置を更新した際に、図５に示すように直流電動機と交流電動機の双方を駆動できる制御装置を使用しない更新の場合、および、図６に示すように直流電動機と交流電動機の双方を駆動できる三相インバータを使用した更新の場合のような、既設の直流機駆動用サイリスタ変換装置に比べて、入力電源に流れる高調波を低くできる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、電動機制御装置を更新した際に既設の直流機駆動用サイリスタ変換装置に比べて入力電源に流れる高調波を低くできるＰＷＭサイクロコンバータとして、直流電動機および交流電動機の制御装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータを用いた電動機制御装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータのブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電圧指令発生回路のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るＰＷＭサイクロコンバータによる直流電動機駆動設備更新のタイムチャートである。
【図５】直流電動機と交流電動機の双方を駆動できる制御装置を使用しない場合の直流電動機駆動設備更新のタイムチャートである。
【図６】直流電動機と交流電動機の双方を駆動できる三相インバータによる直流電動機駆動設備更新のタイムチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１  多相交流電源
２  ＰＷＭサイクロコンバータ
３  （交流電動機制御／直流電動機制御）選択スイッチ
４  主回路配線
５  主回路接続線
６  電流検出器
７  （三相）交流電動機
８  速度検出器
９  速度検出信号線
１０  電流検出信号線
１１  主回路接続線
１２  電流検出器
１３  直流電動機
１４  速度検出器
１５  速度検出信号線
１６  電流検出信号線
１７  速度検出信号入力回路
１８  電流検出信号入力回路
１９  入力電圧検出器
２０  入力電圧検出信号入力回路
２１  コンバータ本体
２２  コントロール基板
２３  電圧指令発生回路
２４  ＰＷＭ信号発生回路
２５  ｕ相，ｖ相，ｗ相電圧指令
３１  位相指令器
３２  スケール変換部
３３  減算器
３４  電流制御器
３５  加算器
３６  切替スイッチ
３７  ０設定器
３８  回転座標／固定座標回転変換部
３９  二相／三相変換部
４０  速度指令器
４１  減算器
４２  速度制御器
４３  ｑ軸→ｄ軸誘起電圧演算部
４４  減算器
４５  電流制御器
４６  加算器
４７  ｄ軸→ｑ軸誘起電圧演算部
４８  すべり演算部
４９  切替スイッチ
５０  ０設定器
５１  加算器
５２  積分器
５３  切替スイッチ
５４  位相固定設定器
５５  減算器
５６  三相／二相変換部
５７  固定座標／回転座標回転変換部
ωslip  すべり周波数指令
θs  位相
Ｖｄ  ｄ軸電圧指令
Ｖｑ  ｑ軸電圧指令
Ｎfb  速度フィードバック信号
【図１】
2006050687.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006050687.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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