F 新方式無循環電流三相サイクロコンパータの基礎特性

(1)

長崎大学工学部研究報告第

14

号昭和

55

年

l

月

33

新方式無循環電流三相サイクロコンパータの基礎特性

吉田和彦*.原洋司**. 小山純 *

Fundamental characteristics of the new non‑circulating current three phase cycloconverter

by

Kazuhiko YOSHIDA (Electrical Engineering)

Yoji HARA

(Meidensha Electric MFG Co.

L t

d.)

σ b

n

A m M m A .

日

y m

O H nn・

c

a

‑EJム

l iu

F 配

p u

〆tt

︑

In general

，

the three phase cycloconverter for high^帽powerapplication

，

such as ball‑mill drives and linear motor drives for high‑speed ground transporta‑ tion

，

consists of three anti‑parallel‑connected reversible converters.

In cycloconverter

，

however

，

the difficu1t problem is how to deal with the circulating current

，

which flows through two SCR bridge converters

，

connected back to back with one another^，because the difference of two converter' s output vo1tage waveforms exists.

I t

makes worse the power factor and efficiency.

We have introduced force commutation circuit i

ロ

toreversibleconverter and operated two SCR bridge converters simultaneously without flowing the circula‑ ting current.

In this paper

，

we explain the process of force commutation and present the experimental resu1ts of the induction motor drive system using this cyclocon‑ verter.

1.

まえがき

近年，半導体技術の進歩によって，大容量，高信頼性のサイリスタ素子が，低価格で供給されるようになり，電子回路技術の発達と相まって，可変周波数，可変電圧電源と誘導電動機とを組合せた可変速制御系が実現可能となった。乙の制御系は従来の直流電動機制

御系と比較して，無保守化，大容量化，低価格化を満たすことが可能で，理想的な可変速制御系と考えられる。

サイリスタを用いた周波数変換装置としては種々の方法があるが，周波数直接変換という特徴を生かすととにより高い電力変換効率を得ることができ，さらに昭和

54

年

9

月

17

日受理

*電気工学科

判明電舎紛

(2)

回生制動，正逆転といった四象限運転が容易で，機器構成を簡素化できるサイクロコンバータが最近注目を集あるようになった。

一般に，三相サイクロコンバータは同一特性を有する二組の二象限動作コンバータを逆並列に接続した逆並列接続順逆変換装置三台により構成される。いま，

正群コンバータを制御遅れ角α，負群コンバータを制御進み角γで同時に動作させると，平群コンバータの瞬時出力電圧波形の違いにより，両群コンバータ間には，その差電圧による循環電流が流れる。この循環電流は力率，効率を悪化させ，トルクショック等の原因とも考えられるユ）。そのため循環電流の抑制の方法により，サイクロコンバータは循環電流方式と非循環電流方式とに大別できる。まず，循環電流方式は両群コンバータに常にゲートパルスを加え，さらに両型コンバータ間にリアクトルを挿入することによって，循環電流を軽減しようとするものである。この方式だと，

常に門守コンバータは動作状態にあるため，負荷の急変に対する応答性がよく，また，リアクトルにより出

力の高調波成分が減少する利点がある。しかしなが

ら，やはり循環電流が流れるために力率，効率が低下する。一方，非循環電流方式では，負荷電流を検出して，その方向に応じたコンバータを動作させ，他のコ，

ンバータをブロックすることにより循環電流を流さないようにしている。このため力率，効率とも高くなるが，高調波成分が増加し，さらに負荷電流が零点付近

では電流方向検出が困難なため，数mSの休止期間

を要し，波形乱れを生じる。

本論文では，強制二流回路を設け，両群コンバータに同一のゲートパルスを加えて出力電圧波形を同一にすることにより，循環電流を流すことなく両群コンバータを同時に動作させ，制御遅れ角α，制御進み角7 の両領域で運転できる新方式無循環電流サイクロコンバータについて述べる。

ic

L T1

IL

G

^丁｛

T2

τ歪

T5

十

Ta

Tざ

丁b

T6

十

丁C

T6

eb ec

o

＜

o

」

Fig． l Ftlndamental circuit of the non−

circulatlng−current， anti−parallel connected reversible converter

T1 ＝＝＝＝＝＝＝L＿＿＿＿＿＿＿＿

Ta冒

TP

Ta T2

T2

Vc

GATE PULSE

1 2．回路構成と動作原理

第1図に本研究で用いる新方式無循環電流逆並列接続順逆変換装置2）3）の基本回路を示す。この装置にお

いて，いま，進み角r制御で動作させたときのサイリ

スタT、，TlノからT2，T2ノへの潜流を考える。電

源電圧は第1図に示されるような極性と考えられる。

このためサイリスタT〆は三流時に電源電圧により

逆バイアスがかかり消弧するが，サイリスタT、は順バイアスとなるため消回せず電源短絡を招く。したがって，転流前にサイリスタT、を強制的に消画してや

らねばならない。なお，同様なことは遅れ角α制御での動作でサイリスタT1ノについてもいえる。以下

IC

CAPACITOR VOしTAGE

1

IL

2 3 4

RESO譜AHCE CURRE目T

Fig．2 Gate pulse， Capacitor voltage，

and Resonance current Waveform

(3)

吉田和彦・原洋司・小山純この装置の転流動作について簡単に説明する。ただ

し，負荷電流は導流期間中一定で正としている。また，転流前はコンデンサは第1図の極性で充電されており，転写時の各サイリスタへのゲート信号は第2図のように加えられる。

この転流過程はモード1からモード4までの4つの

モードに分けられる。それぞれのモードを簡単に述べると次のようになる。

モード1：コンデンサ電圧の極性を反転させる。

モード2：強制転流によりサイリスタTを二三

35 し，さらにコンデンサ電圧によりサイリ

スタT、ノを下弓する。

モード3 負荷電流は補助サイリスタTα，コンデ

ンサ，インダクタンスを通って流れ，コンデンサを充電する。

モード4：T2， T2ノが点弧され，負荷電流はサイリスタT2， T2 とコンデンサの両方を通って流れる重なり；期間。

ここで，コンデンサ電圧および共振電流を第2図

に，各モードでの等価回路を第3図に示す。

十

窪

9

十

。く

。」

程

9

窪臼

e

湘DE 1

_閃ODE 2

Fig．3

糾ODE 3 Equivalent circutts

賊ODE 4

第2図において，共振電流∫。の斜線部分がサイリズタT、の逆バイアス期間である。なお，負荷電流が

負の場合，また制御遅れ角αの場合も同様にして転

流が行われる。それぞれのゲート信号，コンデンサ電圧および共振電流を第4図に示す。同図において，実

Tユ＝＝＝＝＝＝ユ＿

丁・＿＿〔＝L＿

w ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ユ＿＿

丁・．＿」＝＝＝＝＝コ T2 ，＿＿＿＿＿」〔＝＝：

丁2 Q」＝＝＝

6A了E PULSE

ご3ATE PULSE

！

一匹、、

CAPACITOR VOLTAGE CAPACITO駐 VOLTAGE

一q、

RESO躍Ai｛CE CURRE罐丁

CO踊TROL AI｛〔iLE OF ADVANCE

線部分は負荷電流正の場合であり，点線部分は負荷電流負の場合である。

第5図は新方式無循環電流逆並列接続順逆変換装置三台により構成される新方式無循環電流三相サイクロコンバータの基本回路を示したものである。またゲー

ト制御回路には原理的に余弦波制御法を用いているが，一一相基準電圧および目標電圧には三角波を使用している。

RESO湖Ai週CE C職碕1「

CO閥τROL A闘GLE OF LA6

Fig．4 Process of force commutation

3φAC

T T

∈も ∈b

F19．5 Fundamental circuit of non−

circulating−current three phase

CyC10COnVerter

(4)

1 1 1 ，

1■1

¹ ^{I l 1層。}

髄

僚

つ 9

（a）．control angle of lag

ゼ

の条件の下で行った。

また，一次電圧制御は，サイグロコンバータの出力

周波数を18Hzとし，基準電圧（34．6V）の上下約20

％の範囲で，一次電圧を変化させて行っ・た。『』．

5、

（b）control angle of advance

Fig．60utput voltage waveform per Phase

第6図（a）は遅れ角α制御を行った場合の一相当りの動作波形図を示したものであり，同門㈲は進み角r 制御を行った場合の一相当りの動作波形図を示したものである。

3．実験結果

新方式無循環電流三相サイクロコンバータを電源として，誘導電動機の一次周波数制御を行った結果を第

7図に示し，一次電圧制御を行った結果を第8図に示

した。また，第9図には新方式無循環電流三相サイクロコンバータの変換特性を示した。

一次周波数制御は，誘導電動機内の磁束が一定となるように，各周波数に対して

（誘導電動機のぬ次電圧）

一一定（電源の周波数）

4

25

』

，；．

曇

2

1

0 29V 26V

o

54．6V

58V 41V

o

3 マ

三

蓬・

1 、

8Hz

o o

16Hz 18HZ 12Hz 14Hz

lOHz

30 _20、

SLIP （男》

、O

o

Fig．8 Ekperimen七al士esu1七〇f colltrolling

100

§

§75 匿壽

蓑崔

告50

25

100

Fig．7

200 500 400 500 SPEED ｛RP門｝

Experimental result σf contro11董ng

primary frequency

primary voltage

｝一〇一一〇一一 EFF！CIE爬CY OF CYCLOCOi4VERTER

一一〇一●一一 PO匪R FACτOR OF SYSτE既

一引｝一一 EFFICIEi1CY OF SYSτE因

η

o o

O

COSφ

ワ5

Fig。9

3 4 5 6 7

し0《B CURRE書電T （A》

Expe士imental result of transfor−

mation characteristic§．

(5)

吉田和彦・原洋司・小山純

³⁷ ここで，サイクロコンバータは進み角γ制御で動

作させ，誘導電動機は△結線としている。装置の回路定数は，C＝34μF，五＝0．4窺Hとしている。．また，

誘導電動機の諸定数は第1表に示すとおりである。

第1表誘導電動機の定数

定格16・H・・2・…45A・Ukw・4極・17…pm

r1＝1．352Ω， r2＝0．634Ω， X＝15．285Ω 90＝0．283×10−2UL， bo＝2．844×10−2び

Table．1． Constant of the induction motor

4。あとがき

逆並列接続順逆変換装置に強制転流回路を導入することにより循環電流をなくした新方式無循環電流逆並列接続順逆変換装置について検討し，その応用としての新方式無循環電流三相サイクロコンーバタによる誘導電動機駆動の実験結果について報告した。

実験結果より明らかなように．サイクロコンバータ

による誘導電動機の一次周波数，一次電圧制御は優れたトルクー速度特性を有することがわかる。今後，誘導電動機の利点である堅牢さ，保守の容易さ，また悪条件に強いこと等を生かすことによって，サイクロコンバータによる可変速度制御は広範囲な分野への応用が期待される。現在，出力波形の改善，高調波成分軽減のため，マイクロプロセッサを用いたゲート制御回路を検討中であるが，その詳細については別の機会に報告する。なお，本研究に際して，装置の製作および実験に御協力を頂いた本学筒井宣雄技官，ならびに本学卒業生則近哲也（富士通ファナック），原和久（朝

日電飾），各氏に謝意を表します。

考参文献

1）小山：長崎大学工学部研究報告13，p37（昭54−

3）