JPH06153566A

JPH06153566A - 三相誘導電動機の速度制御装置

Info

Publication number: JPH06153566A
Application number: JP4322798A
Authority: JP
Inventors: Teruo Nonaka; 輝夫野中
Original assignee: ISHIKAWAJIMA YUSOKI KK; Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: ISHIKAWAJIMA YUSOKI KK; IHI Corp
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1994-05-31
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JP3248963B2

Abstract

(57)【要約】【目的】機械特有の共振を発生させることなく、安定
した速度制御を行なえるようにする。【構成】三相交流電源１０の２相Ｒ．Ｔにトライアッ
クＦ１，Ｆ２を挿入して、スイッチング制御により三相
誘導電動機１８を駆動する。電動機１８の速度はパルス
ジェネレータ２８で検出され、加算点４４でコントロー
ラ３６による速度指令との偏差がとられ、この偏差を０
にするようにデューティ比可変回路４６はスイッチング
制御のオン・オフ時間比を可変してトライアックＦ１，
Ｆ２をオン・オフする。三相交流電源１０の２相Ｒ．Ｔ
間には２４０°の位相差があるが、これらを同じタイミ
ングでオンする。これにより、２相Ｒ．Ｔの突入電流お
よびオン期間にアンバランスが生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、各種クレーンの巻
上、横行、走行用駆動装置、各種物流機械の駆動装置、
ファン、ブロワーの駆動装置、その他各種機械の駆動装
置に用いられる三相誘導電動機の速度制御装置に関し、
機械の共振を発生させずに安定した速度制御を行なえる
ようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】駆動装置に誘導電動機を用いたクレーン
等の産業機械における速度制御装置として、従来サイリ
スタによる位相制御式一次電圧制御装置があった。これ
は、誘導電動機のトルクが一次電圧の二乗に比例するこ
とを利用して、誘導電動機の一次回路にサイリスクを介
挿し、これを位相制御することにより、誘導電動機の一
次電圧を制御して、すべり‐トルク特性を変化させて、
速度制御するようにしたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この位相制御式一次電
圧制御装置においては、位相制御のために複雑な回路が
必要であるため、装置が大型化し、高価になる欠点があ
った。また、定常運転時は位相点弧角がある一定の値に
固定されるため、機械固有の振動数と共振する場合があ
り、一旦共振が始まると、指令速度を変えない限りその
点弧角が変わらないため、共振が拡大していく問題があ
った。

【０００４】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、三相誘導電動機を駆動装置として用いた
産業機械等において、機械特有の共振を発生させること
なく、安定した速度制御を行なえるようにした三相誘導
電動機の速度制御装置を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、三相誘導電
動機の給電路のうちの少くとも２相に正逆両方向に導通
可能に挿入されたサイリスタと、前記三相誘導電動機の
速度を指令する速度指令手段と、前記三相誘導電動機の
速度を検出する速度検出手段と、前記速度指令手段によ
る指令速度と前記速度検出手段による検出速度との偏差
を求める偏差検出手段と、この偏差検出手段により求め
られる速度偏差を小さくするように、前記各サイリスタ
を駆動用三相交流電源の周期よりも長い周期でオン期
間、オフ期間の比率を変化させ、かつ２相のオンタイミ
ングを同時にしてオン、オフスイッチングするスイッチ
ング制御手段とを具備してなるものである。

【０００６】

【作用】この発明によれば、サイリスタをスイッチング
制御（サイクル制御）で駆動して、そのオン（通電サイ
クル）、オフ（停止サイクル）の期間比を変えることに
より、印加電圧の平均レベルを変化させて、速度制御を
行なうことができる。

【０００７】このような制御によれば、位相制御が不要
なので、複雑な速度制御装置が不要であり、小型で安価
に構成できる。

【０００８】また、位相が相互に１２０°または２４０
°ずれた２相を同時にオンするので、２相間で突入電流
および通電時間にアンバランスが発生し、突入電流のア
ンバランスによりトルクにアンバランスを生じ、通電時
間のアンバランスにより印加電圧の平均レベル（すなわ
ち速度指令値）にアンバランスを生じる。そして、これ
らトルクのアンバランスと印加電圧の平均レベルのアン
バランスが速度フィードバックにより次の通電サイクル
におけるアンバランスを発生させ、このサイクルを繰り
返す。この繰り返しにより、指令速度が一定であっても
サイクル制御のオン、オフの期間比は常に微妙に変化す
るものとなる（つまり、ランダム出力となる）。そし
て、このようなランダム制御により、機械本体に固有の
共振周波数があっても、共振点で一致したままの状態が
成り立たないので、共振の発生を防止できる。ただし、
平均的には速度フィードバックにより、指令された一定
速度を保つことができる。

【０００９】

【実施例】この発明の一実施例を第１図に示す。これは
クレーンの巻上げ、巻下げ装置にこの発明を適用したも
のである。図１において、三相交流電源１０の各相Ｒ．
Ｓ．Ｔには、突入電流、サージを押えるためのリアクト
ル１２が挿入されている。リアクトル１２は抵抗器で代
用することもできる。また、電源路のうち２相Ｒ．Ｔに
はトライアックＦ１，Ｆ２（正転用）、Ｒ１，Ｒ２（逆
転用）が挿入されている。トライアックＦ１，Ｆ２，Ｒ
１，Ｒ２は、可変制御される通電サイクル、停止サイク
ルに従って三相交流電源１０をオン、オフスイッチング
して駆動用三相誘導電動機１８に供給する。ブレーキ２
２は、ブレーキ用接触器２４ａが開にされると作動し
て、三相誘導電動機１８にブレーキをかける。電源回路
（安定化電源）２６は、三相交流電源１０（例えば２０
０Ｖ）を利用してリレーコイルや各回路の動作に必要な
＋１２Ｖ，＋１５Ｖ等の直流電源を作る。

【００１０】パルスジェネレータ２８（速度検出手段）
は、三相誘導電動機１８の速度を検出し、その速度に応
じた周波数のパルス信号を出力する。Ｆ／Ｖコンバータ
３０は、パルスジェネレータ２８の出力パルスをその周
波数に応じた電圧に変換する。方向検出回路３２は、パ
ルスジェネレータ２８の出力信号に基づき三相誘導電動
機１８の回転方向（正転または逆転）を検出する。極性
切換回路３４は、方向検出回路３２による方向検出に基
づき極性信号を出力する。すなわち、正転の場合は、＋
信号を、逆転の場合は−信号を出力する。なお、パルス
ジェネレータ２８の代わりにタコジェネレータを用いる
場合には、Ｆ／Ｖコンバータ回路３０、方向検出回路３
２および極性切換回路３４は不要である。

【００１１】コントローラ３６（速度指令手段）は、三
相誘導電動機１８の速度を指令するもので、操作方向お
よび操作量に応じた極性（正転の場合は−、逆転の場合
＋）と電圧値を持つ速度指令信号を出力する。ソフトス
タート・ソフトストップ回路３８は、速度指令信号の立
上りおよび立下りを緩やかにして、ソフトスタート特性
およびソフトストップ特性を付与する。ただし、ソフト
スタート特性を効かすとインチング（寸きざみ）動作が
鈍くなるので、コントローラ３６の操作量を微分した信
号をソフトスタート特性に重畳することにより、インチ
ング動作を確保している。

【００１２】前記速度指令信号と速度検出信号は、加算
点４４（偏差検出手段）でそれらの偏差が取られる。巻
上時および巻下時の速度指令値と速度検出値の関係は図
２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように変化する。すな
わち、巻上時における加速および定常運転の場合は、指
令値より検出値の方が低くなり、減速の場合は指令値の
方が低くなる。また、巻下時における加速の場合は指令
値の方が大きくなり、定常運転および減速の場合は検出
値の方が低くなる。

【００１３】加算点４４から出力される偏差信号は、速
度制御回路（反転増幅器）４０で増幅される。速度制御
回路４０の出力電圧の極性は運転状況によって次のよう
に変化する。

【００１４】(1) 巻上時（ａ）加速の場合：｜指令値−｜＞｜検出値＋｜とな
り（−電圧となる）、速度制御回路４０で反転されて＋
出力となる。（ｂ）定常運転の場合：｜指令値−｜＞｜検出値＋｜
となり、反転されて＋出力となる。（ｃ）減速の場合：｜指令値−｜＜｜検出値＋｜とな
り、反転されて−出力となる。

【００１５】(2) 巻下時（ａ）加速の場合：｜指令値＋｜＞｜検出値−｜とな
り、反転されて−出力となる。（ｂ）定常運転の場合：｜指令値＋｜＜｜検出値−｜
となり、反転されて＋出力となる。（ｃ）減速の場合：｜指令値＋｜＜｜検出値−｜とな
り、反転されて＋出力となる。

【００１６】以上のように変化する速度制御回路４０の
出力で三相誘導電動機１８を制御することにより、指令
に応じた動作が実現される。すなわち、巻上時は、図３
（ａ）に示すように＋方向に三相誘導電動機機１８を駆
動することにより加速および定常運転状態が得られ、図
３（ｂ）に示すように−方向に三相誘導電動機１８を駆
動することにより、上方向のトルクを止めようとする力
が作用し、減速状態が得られる。また、巻下時は、図３
（ｃ）に示すように−方向に誘導電動機１８を駆動する
ことにより加速状態が得られ、図３（ｄ）に示すように
＋方向に誘導電動機１８を駆動することにより自重によ
り巻下がろうとする荷にブレーキをかける方向のトルク
が作用し、定常運転および減速状態が得られる。

【００１７】速度制御回路４０の出力信号は、デューテ
ィ比可変回路４６に入力される。デューティ比可変回路
４６は、予め設定されたスイッチング制御の１周期にお
ける通電サイクルと停止サイクルの比率を、入力される
偏差信号の大きさによって変化させて、パルス信号（通
電サイクルで“１”、停止サイクルで“０”となるパル
ス幅変調信号）として出力する。すなわち、偏差信号が
小さいときは通電サイクルを短くして停止サイクルを長
くし、偏差信号が大きいときは通電サイクルを長くして
停止サイクルを短くする。なお、デューティ比可変回路
４６には、スイッチング制御の１周期の長さ（三相交流
電源１０の波形数（半波長で１波形））を設定する回路
が組み込まれている。１単位の長さは、様々に設定する
ことができるが、長く設定すればデューティ可変の分解
能が高くなるので速度制御の分解能が高くなる。逆に短
く設定すれば制御の応答性が速くなる。

【００１８】点弧回路４８は、デューティ比可変回路４
６から出力されたパルス信号によりフォトカプラ（図示
せず）を点弧する。フォトカプラの出力は、電気的に絶
縁された出力となり、リレースイッチ１４ａ，１６ａを
介してトライアックＦ１，Ｆ２，Ｒ１，Ｒ２のゲートに
入力されて、これを点弧する。リレースイッチ１４ａ，
１６ａはリレー１４，１６によりオン、オフされる。リ
レー１４，１６は正逆投入ロジック６０により選択され
た一方のものが励磁される。

【００１９】正逆投入ロジック６０は、コントローラ３
６からの動作方向の指令と極性切換回路３４およびＦ／
Ｖコンバータ３０からの方向および速度検出信号によ
り、コントローラ３６の指令に合致するように正転用リ
レー１４、逆転用リレー１６の投入、切換え、遮断の各
動作を行なう。また、コントローラ３６がゼロノッチに
戻されても、誘導電動機１８の速度がゼロ速度近く（例
えば２％速度）になるまでこの発明による速度制御を生
かしておく。

【００２０】これにより、正逆投入ロジック６０は次の
ような動作する。すなわち、三相誘導電動機１８が停止
状態でかつコントローラ３６がゼロノッチの時は正側投
入信号も逆側投入信号も出力しない。そして、コントロ
ーラ３６を正（または逆）に投入すると、正側投入信号
（または逆側投入信号）が出力され、正転用リレー１４
（または逆転用リレー１６）がオンされ、三相誘導電動
機１８が正転（または逆転）される。

【００２１】コントローラ３６をゼロノッチとしても、
速度がゼロ速近くになるまではゼロ速度信号が出力され
続けるので制御が生き続ける。すなわち、これにより、
三相誘導電動機１８に逆トルクが与えられて減速し、ゼ
ロ速近くになって初めて制御が切られる。

【００２２】ブレーキ作動回路６６は、三相誘導電動機
１８の速度がブレーキをかける速度（例えば５％速度）
以下に下がりかつコントローラ３６が０ノッチの場合に
ブレーキ作動リレー７０をしや断してリレー２４をオフ
し、リレースイッチ２４ａを開にしてブレーキ２２を作
動させる。

【００２３】強制点弧回路７４は、コントローラ３６を
フルノッチにした場合にこの発明による速度制御を停止
させ、トライアックＦ１，Ｆ２またはＲ１，Ｒ２を全波
形にわたり点弧するものである。

【００２４】図１の速度制御装置の動作を図４に示す。
図４において（ａ）は低速時、（ｂ）は高速時である。
ここでは、交流電源１０の７波形（１波形＝１／２周
期）をスイッチング制御の１周期とし、１波形単位で通
電サイクルを可変するようにしている。Ｕ相は電源Ｒ
相、Ｗ相は電源Ｔ相がスイッチング制御されて発生する
波形である。トライアックＦ１，Ｆ２がフルにオンの場
合は、Ｒ，Ｔ相の波形がそのままＵ，Ｗ相の出力波形と
なる（全ての波形が斜線で塗りつぶされた波形とな
る）。Ｗ相は、Ｕ相に比べ、電流が２４０°遅れてい
る。

【００２５】ゲート電流（デューティ比可変回路４６お
よび点弧回路４８の出力に対応した波形）は、Ｕ相の０
°または１８０°で始まるスイッチング周期ごとに、こ
のスイッチング周期の開始とともに立ち上がり、Ｕ相の
オン期間よりも所定量α（例えば、０°＜α＜１８０
°）だけ短い時間経過後に立下がる。このゲート電流を
Ｕ相、Ｗ相のトライアックＦ１，Ｆ２（Ｒ１，Ｒ２）に
共通に供給する。すると、トライアックはゲート電流が
流れ始めるとオンし、ゲート電流が遮断後主電流がゼロ
となるとオフする性質を有するので、Ｕ相、Ｗ相の通電
サイクルは図４に斜線で示したようになる。すなわち、
Ｗ相はＵ相よりも位相が２４０°遅れているので、同じ
タイミングでオンすると、突入電流にアンバランスが発
生する。また、通電期間もＷ相はＵ相よりも６０°長く
なりアンバランスとなる。そして、突入電流のアンバラ
ンスによりトルクにアンバランスを生じ、通電時間のア
ンバランスにより印加電圧の平均レベル（すなわち速度
指令値）にアンバランスを生じる。そして、これらトル
クのアンバランスと印加電圧の平均レベルのアンバラン
スが微妙な振動（すなわち速度変動）を生じさせて速度
フィードバックにより次の通電アンバランスを発生さ
せ、このサイクルを繰り返す。

【００２６】例えば、図４（ａ）の低速時についてみる
と、はじめのスイッチング周期でＵ相が２波形分オン
（５波形分オフ）すべくトライアックＦ１が点弧したと
する。このときＷ相のトライアックＦ２は２波形＋６０
°分オン（５波形−６０°分オフ）する。

【００２７】次のスイッチング周期は速度フィードバッ
クの働きにより、少し強めのトルクを発生させるべくＵ
相を３波形分オンする。このとき、Ｗ相は３波形＋６０
°分オンする。

【００２８】さらに、次のスイッチング周期では、前回
のトルクが強すぎたので、速度フィードバックの働きに
より、少し弱めのトルクを発生させるべくＵ相を２波形
分オンする。このときＷ相は２波形＋６０°分オンす
る。このようなオン、オフの状態を、くり返しながら、
三相誘導電動機１８の速度を、低速の一定速度で保つべ
く制御が行われる。

【００２９】次に、図４（ｂ）の高速時について説明す
る。高速時には出力を上げるためにオン期間が長くな
る。まず、はじめのスイッチング周期では、Ｕ相が７波
形の内の５波形分をオンすべく、トライアックＦ１が点
弧する。これと同じ状態で、トライアックＦ２を点弧す
ると、Ｗ相は５波形＋６０°分オンする。

【００３０】次のスイッチング周期では、速度フィード
バックの働きにより、少し強めのトルクを発生させるべ
くＵ相を６波形分オンする。このとき、Ｗ相は６波形＋
６０°オンする。

【００３１】さらに、次のスイッチング周期では、前回
のトルクが強すぎたので、速度フィードバックの働きに
より、少し弱めのトルクを発生させるべく、Ｕ相を３波
形分オンする。このときＷ相は３波形分＋６０°分オン
する。このような、オン、オフの状態を、くり返しなが
ら、三相電動機の速度を、高速の一定速度を保つべく、
制御が行なわれる。

【００３２】以上のような動作により、指令速度が一定
であってもサイクル制御のオン、オフの期間比は常に微
妙に変化するものとなる（つまり、ランダム出力とな
る）。そして、このようなランダム制御により、機械本
体に固有の共振周波数があっても、共振点で一致したま
まの状態が成り立たないので、共振の発生を防止でき
る。

【００３３】また、このような動作によれば、速度フィ
ードバックによるマイナーループを構成している関係
上、若干の速度の脈動は発生するが、全体としては（つ
まり平均的には）一定の速度を保つべく、制御が行われ
る。

【００３４】ここで、図１のデューティー比可変回路４
６の具体例を図５に示す。デューティ比可変回路４６
（スイッチングパルス発生回路）は、オペアンプＩＣ１
を用いた方形波発振回路で構成されている。オペアンプ
ＩＣ１の出力は、ボリウムＶＲ１＋抵抗Ｒ５の抵抗分
と、コンデンサＣ１で積分されて、オペアンプＩＣ１の
反転入力端子に入力される。オペアンプＩＣ１の非反転
端子には、出力電圧を抵抗Ｒ３，Ｒ２で分圧した電圧が
入力され、この電圧と積分値がクロスするごとに反転し
て、オペアンプＩＣ１からは、一定周期の方形波信号が
出力される。そして、入力端子ＩＮ１から抵抗Ｒ１を介
して入力される速度制御用信号ＩＮ１によってオペアン
プＩＣ１の非反転入力端子に入力される電圧レベルを変
動させることにより、出力方形波のデューティ比が可変
制御される。

【００３５】なお、周期の設定はボリウムＶＲ１によっ
て行なわれる。Ｒ４は出力抵抗である。Ｒ６は、出力の
電圧を安定させるためのプルアップ抵抗である。Ｒ１は
入力保護用抵抗器である。Ｒ７は、オペアンプＩＣ１の
入力ノイズを押さえるためのプルアップ抵抗である。Ｚ
Ｄ１は入力電圧が電源電圧以下でも、オペアンプＩＣ１
が、デューティ比１００％の出力を出せるように、オペ
アンプのＩＣ１の電源電圧を規定値より１〜３Ｖ程度下
げるためのツェナーダイオードである。

【００３６】図５のデューティ比可変回路４６を用いた
場合の図１の速度制御装置の動作を図６に示す。図６に
おいて、（ａ）は低速時、（ｂ）は高速時である。これ
によれば、Ｕ相、Ｗ相を同じタイミングでオンすること
により突入電流、通電時間のアンバランスを生じ、この
アンバランスがデューティー比のみならず、周期幅や点
弧スタートタイミングのランダム動作を引き起こしてい
る。そして、このランダム動作が機械固有の共振を引き
起こさないように作用している。ただし、平均的には速
度フィードバックにより、指令された一定速度を保つこ
とができる。

【００３７】なお、前記実施例では３相のうちの２相に
サイリスタを入れたが、３相すべてに入れることもでき
る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、サイリスタをスイッチング制御（サイクル制御）で
駆動して、そのオン（通電サイクル）、オフ（停止サイ
クル）の期間比を変えることにより、印加電圧の平均レ
ベルを変化させて、速度制御を行なうことができる。こ
のような制御によれば、位相制御が不要なので、複雑な
速度制御装置が不要であり、小型で安価に構成できる。
また、位相が相互に１２０°または２４０°ずれた２相
を同時にオンするので、２相間で突入電流および通電時
間にアンバランスが発生し、指令速度が一定であっても
サイクル制御のオン、オフの期間比は常に微妙に変化す
るものとなり、このようなランダム制御により、機械本
体に固有の共振周波数があっても、共振点で一致したま
まの状態が成り立たないので、共振の発生を防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】各運転状況における速度指令値とは速度検出値
の関係を示す図である。

【図３】図２の各運転状況における誘導電動機の駆動方
向を示す図である。

【図４】図１の装置の動作を示す波形図である。

【図５】図１におけるデューティー比可変回路の具体例
を示す回路図である。

【図６】図５のデューティー比可変回路を用いた場合の
図１の装置の動作を示す波形図である。

【符号の説明】

１０三相交流電源１８三相誘導電動機２８パルスジェネレータ（速度検出手段）３６コントローラ（速度指令手段）４４加算点（偏差検出手段）４６，４８デューティ比可変回路、点弧回路（スイッ
チング制御手段）Ｆ１，Ｆ２，Ｒ１，Ｒ２トライアック（サイリスタ）Ｒ．Ｓ．Ｔ各相給電路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三相誘導電動機の給電路のうちの少くとも
２相に正逆両方向に導通可能に挿入されたサイリスタ
と、前記三相誘導電動機の速度を指令する速度指令手段と、前記三相誘導電動機の速度を検出する速度検出手段と、前記速度指令手段による指令速度と前記速度検出手段に
よる検出速度との偏差を求める偏差検出手段と、この偏差検出手段により求められる速度偏差を小さくす
るように、前記各サイリスタを駆動用三相交流電源の周
期よりも長い周期でオン期間、オフ期間の比率を変化さ
せ、かつ２相のオンタイミングを同時にしてオン、オフ
スイッチングするスイッチング制御手段とを具備してな
る三相誘導電動機の速度制御装置。