JP2000228898A - 同期モータの群運転制御方法及びシステム - Google Patents

同期モータの群運転制御方法及びシステム

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JP2000228898A
JP2000228898A JP11026765A JP2676599A JP2000228898A JP 2000228898 A JP2000228898 A JP 2000228898A JP 11026765 A JP11026765 A JP 11026765A JP 2676599 A JP2676599 A JP 2676599A JP 2000228898 A JP2000228898 A JP 2000228898A
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Yuji Akiyama
Yutaka Horinouchi
Norihiro Uchino
徳弘 内野
豊 堀之内
勇治 秋山
Original Assignee
Yuji Akiyama
Topre Corp
東プレ株式会社
勇治 秋山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 システムの信頼性及び経済性を共に満足し得
る同期モータの群運転制御方法を提供する。 【解決手段】 複数台の同期モータ51〜5nを回転数が
徐々に増加するように起動して、同期モータ51〜5nの
回転数が商用電源周波数近傍まで上がったのちに、同期
モータ51〜5nへの電力供給源をパワー回路部3から商
用電源ライン1へと切り替えて商用電源による同期運転
状態に移行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】この発明は、同一電源に接続
された複数台の同期モータを商用電源周波数で安定に群
制御する同期モータの群運転制御方法及びシステムに関
する。

【0002】厳密な温度制御が要求される特殊なビルや
クリーンルーム等では、部屋全体を均一且つ正確に温度
コントロールするため、一般的な一括流量制御方式では
なく、吹出し・排出ファンを分散し、これらファンを個
々に細かく流量制御できるシステムが用いられる。この
種の空調システムでは、分散配置された多数のファンを
それぞれ同一速度で制御するために、分散型の群運転制
御を行う必要がある。

【0003】この種の群運転制御システムとしては、電
力変換される電力変換器を用いて複数台の誘導モータを
可変速駆動するシステム(例えば特開昭59−9689
6号)や複数台の同期モータを可変速駆動するシステム
(例えば特公昭51−3046号)が知られている。し
かし、誘導モータは一般的に同期モータよりも運転効率
が悪く、また起動時に定常時の5倍近くの電流が流れる
ため、多数のモータを群運転するには大容量の電力変換
器を使用しなければならないという問題がある。特に、
ビルやクリーンルーム等のエアーコンディショニング用
ファンの可変速駆動モータのように、1台当たり数百ワ
ット程度のモータでは、その運転効率の面からは、同期
モータが誘導モータに比べ圧倒的に有利である。これは
可変速運転の有無に拘わらず、省エネルギ運転の面でも
必要なことである。

【0004】一方、同期モータは運転効率の面で有利で
ある反面、振動、過負荷、過渡現象等により脱調現象を
起こしやすいという欠点を有する。この脱調現象を防止
して、安定制御を実現するために、磁極位置検出センサ
(PPS;Pole Position Sensor)を設けて回転子の磁
極位置を常時モニタして、その磁極位置と固定子巻線が
作る回転磁界との位相角(トルク角)をほぼ90°近辺
の最適角度に制御すべく、固定子巻線に供給する電力の
電圧及び周波数を電力変換器で制御するようにした同期
モータが用いられている。このような同期モータは、一
般にブラシレスDCモータ(BLDCモータ)として知
られている。

【0005】図14は、従来の複数のBLDCモータを
接続した群運転制御システムの構成を示すブロック図で
ある。交流商用電源ライン101から供給される交流三
相商用電源電力は、整流装置(CON)102によって
直流電圧に変換されたのち、複数のBLDCモータ10
1,1032,1033,…,103nに供給されてい
る。各BLDCモータ1031〜103nは、同期モー
タ(SM)1041,1042,1043,…,104n
と、この同期モータ1041〜104nを可変速制御す
るインバータ(INV)1051,1052,1053
…,105nと、各同期モータ1041〜104nの回転
子の磁極位置を検出する磁極位置検出センサ(PPS)
1061,1062,1063,…,106nとにより構成
されている。インバータ1051〜105nは、磁極位置
検出センサ1061〜106nの出力に応じて出力電圧及
び出力周波数を制御する。これにより、各同期モータ1
041〜104nは、それぞれに設けられた磁極位置検出
センサ1061〜106nの検出値に基づいて、最適トル
ク角を維持するようにそれぞれ独立に可変速制御され
る。ここで、群制御を行う場合には、速度指令信号系に
共通の信号を加えることにより、各同期モータ(BLD
Cモータ)は、ほぼ同じ速度で可変速制御運転が行われ
る。

【0006】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のBLDCモータの群運転制御システムでは、各
々の同期モータに磁極位置検出センサと専用の電子制御
回路を設け、1台ずつ完全なBLDCモータとして並列
運転を行っている。このため、各同期モータは、その駆
動用三相電力線の他に磁極位置検出用の3個のホールセ
ンサと、それを接続するための8〜9本のセンサ用信号
線を接続する必要があり、これが回路的に信頼性を低下
させる大きな原因となっていた。また、その配線コスト
や磁極位置検出センサ及びインバータのコストが、数十
から数百といった多数のファンを設置する分散制御型空
調システムにおいては、信頼性及び経済性の面で無視で
きない問題となっていた。

【0007】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たもので、システムの信頼性及び経済性を共に満足し得
る同期モータの群運転制御方法及びシステムを提供する
ことを目的とする。

【0008】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の同期
モータの群運転制御方法は、複数台の同期モータを電力
変換手段によって回転数が徐々に増加するように起動し
て、前記同期モータの回転数が商用電源周波数近傍まで
上がったのちに、前記同期モータへの電力供給源を前記
電力変換手段から商用電源へと切り替えて商用電源によ
る同期運転状態に移行するようにしたことを特徴とす
る。

【0009】また、本発明に係る第1の同期モータの群
運転制御システムは、複数台の同期モータと、これら同
期モータをその回転数が徐々に増加するように可変速制
御して起動する電力変換手段と、前記同期モータの回転
数が商用電源周波数近傍まで上がったのちに、前記同期
モータへの電力供給源を前記電力変換手段から商用電源
へと切り替える切替制御手段とを備えたことを特徴とす
る。

【0010】本発明の第1の方法及びシステムによれ
ば、複数台の同期モータを電力変換手段によって回転数
が徐々に増加するように起動する。このような起動によ
り、起動電流を極めて少なく抑えることができるので、
省エネルギ効果が高く、電力変換手段の容量を軽減する
ことができる。本発明は、更に、同期モータの回転数が
商用電源周波数近傍まで上がった後に、同期モータへの
電力供給源を電力変換手段から商用電源へと切り替える
ようにしているので、切替後は、電力変換手段での電力
損失が一切なくなり、更に省エネルギ効果を高めること
ができ、経済性に極めて優れたシステムを構築すること
ができる。また、この場合、電力変換手段でのノイズ発
生も防止することができる。

【0011】本発明の好ましい態様として、群運転制御
される複数台の同期モータのうちの一部に、パイロット
モータを設けることが考えられる。このパイロットモー
タは、回転子の磁極位置を磁極位置検出手段で直接的又
は間接的に検出して電力変換手段にフィードバックす
る。起動時の制御においては、パイロットモータのトル
ク角制御を行うと同時に、電力変換手段の電圧及び周波
数が制御された出力電力を、磁極位置検出手段及びトル
ク角制御を行う制御回路を有しない他の同期モータへも
供給する。このような制御を行うと、全ての同期モータ
がほぼ同一仕様で同様の負荷条件で運転されている限
り、全ての同期モータに対してトルク角制御がなされた
のと同様の制御が可能になる。これにより、多数の同期
モータを備えたシステムにおいても、一部の同期モータ
にのみ磁極位置検出手段や電力変換手段への制御回路を
設け、他の同期モータにはこれらを設ける必要がないの
で、システムの信頼性を確保しつつ、全体コストを削減
することができる。

【0012】また、磁極位置検出手段や制御回路を有す
るパイロットモータと、複数台の同期モータと、電力変
換手段とを備えた群を更に複数備え、これら各群の同期
モータの電力供給源を順次電力変換手段から商用電源へ
と切り替えていくようにすると、極めて多数の同期モー
タを起動する場合でも、電力集中が避けられる、電
力変換手段の容量を抑えられる、群全体の故障時の影
響を一部分に抑えることができる−というメリットが得
られる。

【0013】本発明の更に他の好ましい態様において
は、商用電源から複数台の同期モータへの電力供給経路
に、インピーダンス要素が設けられ、その入出力端が短
絡可能に構成される。このような構成とすると、同期モ
ータへの電力供給源を電力変換手段から商用電源へと切
り替えた直後の過大電流を、このインピーダンス要素で
抑制することができると共に、切替時に商用電源電圧と
同期モータ群で発生する誘起電圧の位相を合わせる効果
も奏する。そして、切換後は、例えば切替制御手段の制
御によって、インピーダンス要素の入出力端を短絡する
ことにより、インピーダンス要素挿入による電圧降下や
銅損を防止することができる。

【0014】切替制御手段は、複数台の同期モータを商
用電源電圧及び商用電源周波数近くまで起動・加速した
状態で、商用電源電圧と同期モータの回転による誘起電
圧とを比較し、その差電圧及び/又はその変化の速度が
所定の範囲内となったときに商用電源運転に切り替える
ように構成することもできる。この場合、両電圧の比較
回路のみを設ければ良く、大型挿入インピーダンス要素
やその短絡用の開閉器などを必要としない。また、何ら
かの原因により、商用電源電圧と誘起電圧の差電圧が異
常に大きい場合に、商用電源への投入を抑制して、シス
テムを保護することができる。

【0015】本発明に係る第2の同期モータの群運転制
御方法は、複数台の同期モータを商用電源周波数による
同期運転状態で同期運転制御する同期モータの群運転制
御方法であって、前記複数台の同期モータのうちの一部
をパイロットモータとしてこのパイロットモータの回転
子の磁極位置を直接的又は間接的に検出し、前記検出さ
れたパイロットモータの回転子の磁極位置と固定子巻線
が作る周期的に変化する磁界との間の位相角に基づい
て、前記複数台の同期モータをその力率及びトルク角が
改善するように電圧制御することにより、前記複数台の
同期モータが前記商用電源周波数で安定に運転されるよ
うに制御するようにしたことを特徴とする。

【0016】また、本発明に係る第2の同期モータの群
運転制御システムは、複数台の同期モータと、これら同
期モータを起動してその回転数を商用電源周波数まで増
加させる起動手段と、これら同期モータを前記起動手段
による起動運転から商用電源運転に切り替える手段とを
備えた同期モータの群運転制御システムにおいて、前記
複数台の同期モータのうちの一部の同期モータをパイロ
ットモータとし、このパイロットモータの回転子の磁極
位置を直接的又は間接的に検出する磁極位置検出手段
と、前記検出されたパイロットモータの回転子の磁極位
置と固定子巻線が作る周期的に変化する磁界との間の位
相角に基づいて、前記複数台の同期モータを商用電源周
波数による商用電源運転状態でその力率及びトルク角が
改善するように電圧制御する電圧制御回路とを備えたこ
とを特徴とする。

【0017】本発明の第2の方法及びシステムによれ
ば、群運転制御される複数台の同期モータのうちの一部
をパイロットモータとし、このパイロットモータの回転
子の磁極位置を磁極位置検出手段で直接的又は間接的に
検出して電力変換手段にフィードバックすることにより
パイロットモータのトルク角制御を行うと、トルク角を
理想的な90°に近づけることができる。しかし、同期
モータへの印加電圧及び周波数が商用電源電圧及び商用
電源周波数に近づいた後、同期モータを商用電源に直結
してしまうとトルク角制御はできなくなるので、最大ト
ルク角45°〜60°近傍となり、力率が低下する。そ
こで、この発明では、商用電源周波数による同期運転状
態で、前記検出されたパイロットモータの回転子の磁極
位置と固定子巻線が作る周期的に変化する磁界との位相
差に基づいて、複数台の同期モータ群を、サイリスタの
点弧角制御等によりVVCF印加電圧制御するので、ト
ルク角を90°に近づけることができ、力率を改善する
ことができる。

【0018】ここでパイロットモータとは、一例を挙げ
れば、磁極位置検出センサを有する同期モータ、モータ
駆動用電力変換装置及びこれを制御する機能を有する装
置の少なくとも一部を有するものである。このようなパ
イロットモータを用いて、例えばVVVF(可変電圧可
変周波数)又はVVCF(可変電圧一定周波数)電力変
換手段により電力を制御して並列接続された複数台の同
期モータに供給する。また、パイロットモータは、回転
子の磁極位置と固定子巻線が作る周期的に変化する磁界
(例えば回転磁界)との間の位相角が、例えば60°〜
120°の範囲で極力90°近辺となるように制御する
ものであることが望ましい。

【0019】前記複数台の同期モータは、それぞれが前
記起動手段の起動能力に見合った複数の同期モータを含
む複数の同期モータ群に分割され、前記起動手段は、前
記各同期モータ群を順次起動し、前記商用電源運転に切
り替える手段は、前記起動された各同期モータ群を順次
商用電源運転に切り替えていくものであることが望まし
い。

【0020】前記起動手段は、前記同期モータに起動か
ら商用電源周波数まで回転数が徐々に増加するように速
度制御運転のための出力電力を供給する電力変換手段で
あっても良いし、商用電源によって起動され且つ速度変
化によってその電圧及び周波数が変化する出力電力を前
記同期モータに供給する回転電機のようなものでも良
い。

【0021】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施の形態について説明する。図1は、本発明の
一実施例に係る同期モータの群運転制御システムの構成
を示す図である。交流商用電源ライン1から供給される
交流三相商用電源電力は、整流回路(CON)2で直流
電力に変換され、更にパワー回路部(PW)3によっ
て、理想的な力率と運転効率となるように制御された可
変電圧可変周波数(VVVF)の三相交流出力電力に変
換され、この三相交流出力電圧が共通のVVVF出力線
4を介して複数台の同期モータ(SM)51,52
3,…,5nに供給されている。複数台の同期モータ5
1〜5nのうちの一部、この例では1台の同期モータ51
にのみ磁極位置検出センサ(PPS)6及び制御回路7
が設けられており、これら同期モータ51、磁極位置検
出センサ6及び制御回路7によってパイロットモータ1
0が構成されている。磁極位置検出センサ6は、モータ
1の回転子の磁極位置を検出する。制御回路7は、そ
の検出値から同期モータ51が理想的な力率と運転効率
となるようにパワー回路部3を制御する。パワー回路部
3は、制御回路7の制御に基づいて、電圧及び周波数が
調整されたVVVF出力電圧を同期モータ51〜5nに共
通に供給する。これにより複数台の同期モータ51〜5n
を起動させ、その回転数を上昇させる。

【0022】複数台の同期モータ51〜5nの電力供給側
には、電力切替手段となるスイッチ81〜8nが介挿され
ている。スイッチ81〜8nは、同期モータ51〜5nを、
起動時はVVVF出力線4に、また商用電源周波数で安
定回転した後は、交流商用電源ライン1に接続する。こ
の接続切替のための制御信号を出力するのがコンパレー
タ9である。コンパレータ9は、パワー回路部3からの
VVVF出力の位相と、電源1の位相とを比較して、両
者がある範囲、例えば30°以内になったときに、スイ
ッチ81〜8nをVVVF出力線4側から電源ライン1に
切り替える。

【0023】図2は、パイロットモータ10の構成例を
示す図である。内部を密閉した筒状のケース11の内周
面には、固定子巻線12が施された固定子13が装着さ
れ、この固定子13に囲まれるように回転子14が配置
されている。回転子14の回転軸15は、ケース11の
両端中央に装着された軸受16,17を介してケース1
1に回転自在に支持されている。回転子14は、固定子
巻線12によって生ずる回転磁界に追従するように径方
向に着磁又は励磁された磁極部18を構成する。磁極部
18は、例えば図3(a)〜(c)に示すように、回転
子コア21に複数の永久磁石22を適宜埋込配置して形
成されていても良いし、同図(d)に示すように、鉄心
23に巻回された励磁コイル24に直流電流を流すこと
により励磁して磁極を形成するようにしても良い。ま
た、同図(e)に示すように、回転方向の磁気抵抗が増
減するように形成された鉄心25のみの構成としてもよ
い。これはVR(Variable Reluctance)型モータとし
て知られている。

【0024】前述した磁極位置検出センサ6は、回転子
14の磁極部18の近傍に設けられ、ケース11の一方
の側に配置された制御装置31の基板32に装着されて
いる。制御装置31には、磁極位置検出信号からVVV
F出力を生成するための制御回路7が内蔵されている。
なお、パイロットモータ以外の同期モータ52〜5nに
は、磁極位置検出センサ6、制御装置31及び基板32
が設けられておらず、固定子巻線12にVVVF出力が
直接供給されることになる。このため、制御回路7によ
って制御されるパワー回路部3には、対象とする群制御
用同期モータ51〜5nの全数に十分な電力を供給でき
る容量のものを使用する。なお、この例では、制御回路
7をケース11内部の制御装置31内に収容した例を示
しているが、勿論、制御回路7をケース11の外部に配
置したり、パワー回路部3と同一装置内に収容しても良
いことはいうまでもない。また、パワー回路部3と制御
装置7とをケース11の内部に配置すれば、BLDCモ
ータとして構成されることになる。

【0025】図4は、整流回路2、パイロットモータ1
0及びパワー回路部3に関する回路の詳細例を示すブロ
ック図である。整流回路2は、三相商用電源電圧を整流
するダイオードD1〜D6又は電圧調整機能を有するサ
イリスタ等からなるブリッジ回路と、その出力から脈動
を除去して安定化直流電力を得るための平滑コンデンサ
C並びにツェナーダイオードZD、抵抗R及びトランジ
スタTR0からなるパワーバック時のエネルギーの消費
回路から構成されている。パワー回路部3は、整流回路
2から与えられる直流電力を三相交流電力に変換して固
定子巻線12に供給するためのパワートランジスタTR
1〜TR6と、これらトランジスタTR1〜TR6に逆
並列接続された保護用フライホイールダイオードD11
〜D16とを備えている。制御回路7は、磁極位置検出
センサ6で検出された回転子14の磁極位置信号に基づ
いて、パワー回路部3のパワートランジスタTR1〜T
R6をオンオフ制御する。

【0026】次にこのように構成された群運転制御シス
テムの動作について説明する。同期モータ51〜5nの
起動時においては、パワー回路部3のVVVF出力周波
数を0Hzから徐々に上昇させる。これにより、同期モ
ータ51〜5nの回転数が徐々に上昇する。このように
起動していくと、起動電流を少なくすることができるの
で、電力制御変換装置を小容量化することができ、装置
の経済性を大幅に高めることができる。同期モータの場
合、理想的なトルク角(永久磁石22又は励磁コイル2
4の発生する主磁束とVVVF出力電圧を固定子巻線1
2に供給して作られる回転磁束との位相角)は、電気角
90°である。トルク角が90°で最大のトルク効率が
得られるからである。但し、同期モータに負荷がかかっ
て、トルク角が90°を超えると、同期モータは脱調し
やすくなる。このため、多少の制御の安全性の余裕を見
込み、制御回路7は、トルク角が90°前後の範囲、好
ましくは過渡時を含め60°〜120°の範囲に収まる
ようにパワー回路部3のVVVF出力を制御する。この
システムでは、通常の同期モータの商用電源運転とは基
本的に異なり、同期モータ51のトルク角(位相角)を
制御することで、他の同期モータ52〜5nのトルク角
も制御している。

【0027】いま、Vを同期モータ51〜5nへの印加
電圧(ベクトル量)、kを誘導電圧定数、Φを主磁束
量、IZをモータのインピーダンス降下電圧(ベクトル
量)とすると、モータの回転数nは、下記数1のように
表すことができる。

【0028】

【数1】

【0029】よって、同期モータに加える印加電圧Vを
調整することにより、回転数をコントロールすることが
できる。印加電圧Vの調整は整流回路2のDC出力電圧
の調整か、又は制御回路7及びパワー回路部3がPWM
(パルス幅変調)制御方式に基づく場合には、そのPW
Mパルス幅の調整によっても行うことができる。更に両
方の機能の併用も可能である。

【0030】いま、同期モータ51〜5nのいずれかの負
荷が増大すると、負荷が増大した同期モータのトルク角
が増大する。同期モータに加わる印加電圧と逆起電力と
の間のいわゆる差電圧は、トルク角の増大と共に増大す
るので、負荷が増大した同期モータの電流値は増大し、
これによりパワー回路部3の出力電流、ひいては電源ラ
イン1に流れる電流値も増加する。適度の回路インピー
ダンスが存在する場合、電源ライン1及びVVVF出力
線4等の電流値の増加は、それらのインピーダンスによ
る電圧降下分の増加をもたらし、各同期モータ51〜5n
の印加電圧Vを低下させる。また、各並列接続された同
期モータ51〜5n間に作用(発生)する同期化力によ
り、負荷がかかった同期モータ以外の同期モータにも負
荷されたモータと同様の位相の電圧が印加されるため、
回転数も低下して、全ての同期モータ51〜5nの速度が
低下し、且つトルク角が制御され安定する。即ち、負荷
が増大した同期モータは、発生トルクが増大して電流値
が増大すると共に、負荷が増大した同期モータ以外の同
期モータから電力が供給されるので、並列接続された同
期モータ51〜5n間にバランス機能が生じて同期化す
る。

【0031】このように、このシステムでは、磁極位置
検出センサ6及び制御回路7を有しない同期モータ52
〜5nに関しても、一般の同期モータのトルク余裕によ
る運転(最大発生可能トルク以下での運転条件)とは根
本的に異なり、一種のBLDCモータとしてのフィード
バック制御運転がなされているのと等価となる。

【0032】コンパレータ9は、同期モータ51〜5nへ
の印加電圧及び周波数が商用電源電圧及び商用電源周波
数に近づいたことを検出すると、スイッチ81〜8nを電
源ライン1側に切り替える。これにより、同期モータ5
1〜5nは、以後、商用電源周波数に同期して運転され
る。パワー回路部3及び制御回路7は休止状態となるの
で、整流回路2やパワー回路部3での電力損失が抑えら
れ、極めて省エネルギなシステムとなると共に、ノイズ
発生も防止することができる。

【0033】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。使用する同期モータとして、例えば図
5に示すように、回転子14に、磁極部18と軸方向に
同軸配置されたカゴ型回転子19を備えるようにしても
良い。カゴ型回転子19は、固定子巻線12によって生
ずる回転磁界との相互作用によって誘導モータのトルク
発生手段及び振動吸収ダンパーとして機能する。このた
め、この同期モータを使用することにより、始動時は、
パワー回路部3の出力周波数による起動と、誘導モータ
による起動の2種類の起動方法を選択することが可能に
なる。また、前記のパイロットモータを用いた群制御で
は、群内の同期モータが1台でも停止してしまうと、そ
の群の全ての同期モータについて、再度起動し直す必要
があるが、図5の同期モータを用いることにより、誘導
モータによる自己起動が可能になる。

【0034】誘導モータによる起動がなされた場合に
は、回転子14の回転数nが非同期速度から同期速度に
近づくと磁極部18が回転磁界と吸引し合って同期速度
に引き込む。以後、カゴ型回転子19は、振動吸収用ダ
ンパーとして機能して、振動や過渡応答による脱調など
の発生を防止し、システムの安定運転を確保する。図3
(f)は、回転子コア21に永久磁石22と回転子導線
26とを埋め込んで、磁極部18とカゴ型回転部19と
を一体的に形成したタイプの例である。

【0035】また、本発明は、群内の1台の同期モータ
のみをパイロットモータとするシステムに限定されるも
のではなく、群内の一部であれば、複数台の同期モータ
をパイロットモータとするようにしても良い。パイロッ
トモータは、各群毎に1台用いても良いし、各群毎に複
数台用いても良い。

【0036】図6は、上述した群運転制御される同期モ
ータの群が複数設けられているシステムの構成を示す図
である。このシステムのように、磁極位置検出センサ6
及び制御回路7を有するパイロットモータ10と、複数
の同期モータ52〜5nと、パワー回路部3とを備えた複
数の部分群611,612,…,61mを有するようにシ
ステムを構築することにより、整流回路2及びパワー回
路部3の容量を少なくし、起動電力の分散を図り、故障
発生時の影響を部分群611,612,…,61mのいず
れかに抑え込むことが可能になる。

【0037】図7は、部分群61iを更に細分化したシ
ステムの構成を示す図である。部分群61iを更に細分
化した群621の同期モータ52〜5nを電力変換手段で
あるパワー回路部3によって回転数が徐々に増加するよ
うに起動して、同期モータ51の回転数をモニタし、そ
の回転数が商用電源周波数近傍まで上がった後に、細分
化した群621のスイッチ82〜8nによって、同期モー
タ52〜5nへの電力供給源をパワー回路部3から商用電
源ライン1へと切り替えて商用電源による同期運転状態
に移行する。次にスイッチ80を切り替えて、次の細分
化した群622の同期モータ52〜5nを起動する。以
後、同様の操作で次々に群62kを商用電源運転にして
いく。これにより、電流集中を防止することができる。

【0038】図8は、複数台の同期モータをその力率及
びトルク角が改善されるように電圧制御するシステムの
構成を示す図である。このシステムでは、交流商用電源
ライン1にサイリスタの点弧角制御による交流電圧制御
VVCF回路51が設けられている。パイロットモータ
10の磁極位置センサ6に基づくトルク角制御量は、制
御回路7からパルス発生回路52に出力されており、こ
のパルス発生回路52で発生したパルスによってVVC
F回路51のサイリスタの点弧角制御がなされ、周波数
一定で電圧のみ制御されたVVCF出力がVVCF出力
線53に出力される。商用電源への切り替え後は、商用
電源電圧又は周波数を基準信号(INV)出力電圧と見
なしてコンパレータ(CMP)9で監視して、パルス発
生回路52からのパルスによってVVCF制御を行う。
スイッチ810,820は、電源周波数引き込みまでは、同
期モータ51〜5nをVVVF出力線4に接続し、電源周
波数引き込み後は、同期モータ51〜5nをVVCF出力
線53に接続する。VVCF出力は、磁極位置センサ6
の出力に基づいて電圧制御されるので、トルク角を90
°に近づけることができ、力率及びトルク効率を改善す
ることができる。制御角の増大に伴う出力波形の歪みに
ついては、中間タップトランス等を用いることにより軽
減することができる。上記の例では、パイロットモータ
10及びパワー回路部3を1台(1組)とし、各同期モ
ータ群を切り替えながら各群を起動・加速していき、商
用電源に切り替えるため、全群のモータが起動を完了
し、商用電源に切り替わるまでは、VVCF回路51に
よるVVCF電圧制御は実施されない。全群が商用電源
ライン1(VVCF出力線53)に切り替わると、VV
CF回路51によるVVCF制御が実施される。

【0039】VVCF出力線53には、抵抗54aとス
イッチ54bの並列回路からなる突入電流抑制回路54
が介装されている。この突入電流抑制回路54は、スイ
ッチ810,820が切り替わった直後にVVCF出力線5
3に流れる過大な過渡電流を抵抗54aで抑制したの
ち、スイッチ54bをオン状態とすることにより、切替
り直後の過大な過渡電流を抑制し、且つ挿入抵抗54a
による電力の損失を無くすことができる。

【0040】次にこのように構成された群運転制御シス
テムの動作について説明する。同期モータ51〜5nの
起動時においては、まずスイッチ80のオンによって、
パワー回路部3のVVVF出力周波数を0Hzから徐々
に上昇させる。これにより、各グループの同期モータ5
2〜5nを起動用のパワー回路部3により起動・加速し、
商用電源に同期接続し、順次切り換えて行く。このよう
にすることにより、各群にパイロットモータと全群を運
転するのに十分な容量のVVVFインバータ装置を用意
する必要がなくなる。つまり単に一群の同期モータのみ
を運転することができるVVVFインバータとパイロッ
トモータさえあれば、本方式の同期モータ群の運転は可
能であり、極めて経済的な方法である。また、このよう
に起動していくと、起動電流を少なくすることができる
ので、電力制御変換装置を小容量化することができ、装
置の経済性を大幅に高めることができる。この他、各群
にパイロットモータを予め用意しておくことも考えられ
るが、信号系の配線がより複雑になる。但し、VVCF
制御用のためのパイロットモータを数台用意しておくと
VVVF用との切り替え兼用が不要となる。

【0041】この実施例によれば、VVCF回路51の
VVCFにより、商用電源周波数にて電圧のみ制御する
ことができる。またIGBTのような高速パワースイッ
チング素子を使用すれば、PWM(パルス幅制御)によ
るVVCF電圧制御の可能性もある。いずれにしてもV
VCF制御装置は、VVVF制御装置よりも安価であ
る。

【0042】なお、本発明は前述したように、ホール素
子や近接スイッチ等の磁極位置検出センサ(PPS)を
使用することが必須の要件ではなく、これら磁極位置検
出センサを直接使用せずに、回転子の回転に伴って発生
する電機子巻線の誘起電圧等を回転子の磁極位置信号と
して用い、間接的に回転子の磁極位置信号を取り出し、
この信号を用いて運転制御を行う磁極位置検出器無し
(PPSL:Pole Position Sensor Less)BLDCモ
ータを使用したシステムにも適用可能である。

【0043】また、以上は、多相交流巻線より通常の回
転磁界を発生するタイプの「回転磁界型モータ」につき
説明したが、本発明はこのタイプのものに限定されず、
これとは異なる「磁極集中巻型モータ」や「励磁相切替
型モータ」にも適用可能である。

【0044】即ち、図9(a)に示すように、従来の回
転磁界型モータは、各磁極に多相交流巻線の各相巻線が
互いに重なり合うようにコイルがスロットに巻回される
方式である。この場合の3相機の合成磁界又は起磁力分
布は、ほぼ数2のようになる。

【0045】

【数2】

【0046】ここでB0はギャップの合成磁束、Ba,B
b,Bcは各相a,b,cの発生する磁束成分の瞬時値、
ω0は回転速度、tは時間、φは位相角である。

【0047】しかし、磁極集中巻方式の場合、同図
(b)に示すように、突極構造の鉄心の磁極に互いの相
巻線が重なり合わないように独立にコイルを巻くことに
より、各相巻線の起磁力が互いに合成されることはな
い。しかし、コイル周長を短縮できるという利点があ
る。磁極集中巻型では、合成磁束Φ0は一定値の回転磁
界とはならないため、回転子として通常のカゴ型回転子
を挿入しても回転せず回転力は得られない。しかし、回
転子が永久磁石や直流励磁磁石である場合、周方向の各
位置での磁束を周期的に変化させ、NSの磁極による吸
引・反発力をたくみに利用することにより、滑らかな回
転力を発生させることができる。

【0048】また、VR型(Variable Reluctance Typ
e)モータの回転子の場合も、ほぼ同様の原理により同
期モータとして回転するが、吸引力のみであり、反発力
の発生が期待できないので、滑らかな回転とはならな
い。また、上述したようにカゴ型回転子を付けても回転
力は発生せず、回らない。VR型ステッピングモータや
SR(Switched Reluctance Moter:商標)モータ等と
呼ばれるものがこれに該当し、一般に正負の交流励磁で
なくても同一極性の方形波又は脈動電流による駆動が行
われることが多い。その場合には「磁極集中巻励磁相切
替型」という表現をすることもある。

【0049】図10は、これらのモータの鉄心構造の一
例を示す図である。図示のものは6/4構造と呼び、固
定子81の6個の突極82の各軸対称となる対の突極8
2が同相となるように、u,v,wの三相巻線が巻回さ
れている。回転子83は4つの突極84を持つ。一般
に、固定子81の極数(歯数)をN1、回転子83の極
数(歯数)をN2とすると、これらのモータでは、N1±
2=N2の関係となっている。これらのモータでも、本
発明のパイロットモータを含む同期モータとして使用す
ることができる。

【0050】図11は、同期モータの代表的な運転特性
を示す図であり、「V曲線」と呼ばれている。縦軸は電
機子電流I、横軸は励磁電流If又は印加電圧Vであ
る。実線(0′−n′の下部のV曲線)は実際のモータ
運転領域を示す。0′−n′よりも上側の点線のV曲線
は、不安定領域を示している。ここで厳密には、横軸に
Ifをとった場合と印加電圧Vをとった場合とでは、多
少曲線形状は異なるが、ほぼ類似の形となっているの
で、ここでは区別せず共にV曲線と呼ぶことにする。こ
のグラフで0−nの実線はV曲線の底部を結んだもので
電機子電流が最小の点であり、ほぼ力率が100%の条
件を示す点である。この縦の0−n線の左側が遅れ力率
領域、右側が進み力率領域の運転領域である。

【0051】通常のBLDCモータは、磁極位置を検出
しトルク角の条件(θ=δ=90°,cosψ=1.0)、つ
まり図11の0−n線上を運転している。この0−n線
から遠ざかるにつれ、cosψ<1.0となり、運転力率は急
激に低下する。

【0052】図12は、非突極同期電動機のトルクカー
ブであり、縦軸に発生トルク、横軸に回転子磁極の中心
と固定子電機子電流の作る起磁力の中心位置(回転磁界
の中心位置)との位相角δを示している。トルク角が0
の状態とは、無負荷条件での固定子と回転子の磁極が吸
引しバランス状態にある点である。図12は、非突極機
の例であり、位相角(トルク角)=0では、発生トルク
は零となり、位相角(θ=δ)の増加と共に発生トルク
は正弦(波)関数的に増大し、θ=90°で最大値を示
し、それ以上の位相角では逆に発生トルクは減少して行
く。ここで、φをモータの端子電圧と電流の位相角であ
るとすると、上記トルク角θと力率ψの関係は、図13
に示す通りである。

【0053】図12には、印加電圧Vを変化させたとき
のトルクカーブの変化も示されている。実線は定格電圧
以下の条件、点線は定格電圧超過の条件でのトルクカー
ブである。発生トルクは印加電圧の増減につれてほぼ電
圧の二乗に比例して増減する。これらの関係を数式で表
現すると、下記数3のようになる。

【0054】

【数3】

【0055】ここで、Pin,Poutは入力及び出力、V
a,Eaは図13に示したように、モータの端子電圧及
び内部誘起電圧、Xsは同期リアクタンスである。

【0056】いま、同一印加電圧のもとでは、図12の
トルクカーブに示すように、モータと発電機では横軸の
トルク角(上下)が異なるが、ほぼトルク角に対して正
弦波状に発生トルクは変化している。よって、この図で
は最大負荷トルクは、トルク角δ=90°のときのTma
xであり、これ以上の負荷トルクに対しては、このモー
タは耐えきれずにトルク角が増大し脱調する。一般に同
期機(発電機やモータ)は負荷の急変による振動や共振
現象により、このTmax状態では安定に運転することは
できず脱調する。つまり、通常、このトルク角又は最大
発生トルク値(Tmax)に対し、余裕を見て安全な範囲
内で運転する必要がある。この安全な範囲がトルク角で
45〜60°程度である。このためには負荷トルクに2
7〜13.5%程度の余裕を持たせて運転する必要があ
る。但し、これは平均値(定常状態)での話である。

【0057】一方、BLDCモータのように応答性の速
い制御系を組み込み、印加電圧や周波数を可変制御でき
る場合には、図12においてトルク角δ=90°近辺の
状態で印加電圧をVVCF上昇(加減)制御することに
より、脱調現象を起こさず、安定に運転することができ
る。つまり制御工学で言う負荷を含む回転子系の機械的
時定数τRと制御系の時定数τCとの関係が、τR τC
関係、少なくともτR>3τCの関係にあれば良い。この
関係は、図12において、瞬時に異なるトルクカーブに
切り替えることに相当する。このようにして常にトルク
角を90°近辺に維持・制御することにより、最大の力
率又は運転効率の条件のもとに運転することができる。
この考え方が本発明のVVCFの同期モータ群の安定化
制御の原理である。

【0058】本発明におけるVVCF式同期モータの同
期化力は、図11と図12とから明らかなように、トル
ク角δ=90°の近辺からトルク角が変化してもV曲線
が示すように、電機子電流Iaが増加するため同期引き
入れトルクも増加し、発生トルクの低下は意外に少な
く、脱調しにくい。

【0059】図8に示すVVCF制御方式では、まず各
部分群の同期モータをパワー回路部3により起動・加速
し、商用電源に同期接続し、順次切り換えていく。この
状態では、図12に示すようにトルク余裕の原理に基づ
く運転であり、δ<90°(例えばδ=45〜60°の
範囲)であり、運転効率及び力率は悪く、モータの出力
も最大定格値まで十分発揮できていないという欠点があ
る。しかし、上述したように、サイリスタスイッチ等に
より、商用電源電圧をVVCF交流電圧制御することに
より、常にV曲線の底部に近い状態のトルク角δ=90
°近辺で、且つ運転効率をほぼ最大の状態で安定にモー
タを運転することが可能となる。

【0060】このための手段として、更に必要な条件が
本発明のパイロットモータによる磁極位置検出によるト
ルク角制御で、サイリスタスイッチ等によるVVCF印
加電圧制御方式は、条件付適応制御されているため、運
転周波数は可変できないが、図12の原理により、パイ
ロットモータ10とほぼ同様の力率及び効率の高い安定
した運転特性を得ることが可能となる。

【0061】また、起動手段としては、前述したパワー
回路部3の代わりに同期発電機を誘導モータで起動した
り、巻線型誘導モータ等を用いるようにしても良い。巻
線型誘導モータを例にとると、回転を拘束して停止させ
る手段を備えた巻線型誘導モータの1次側に商用電源ラ
イン1を接続し、2次巻線の出力端子にダミー抵抗等を
接続する。無負荷に近い状態で、前記巻線型誘導モータ
を安定回転させた後、起動対象の複数台の同期モータを
前記巻線型誘導モータの2次巻線の出力端子に接続する
と、複数台の同期モータは起動して、印加電圧及び周波
数が共に低い同期状態となる。前記巻線型誘導モータの
回転を拘束して停止させる手段により、前記巻線型誘導
モータの回転が停止するまでの間に、前記巻線型誘導モ
ータの2次側からは、同期モータ群を起動して同期周波
数まで加速するのに適した周波数ゼロから同期周波数ま
で、V/Fが一定の可変電圧可変周波数(VVVF)の
出力が得られ、この間に起動対象の複数台の同期モータ
を加速することができる。また、加速時間の調整は、フ
ライホイールの調整により簡単に行うことができる。こ
のような起動手段は、単に巻線型誘導モータに限定され
るものではなく、同期発電機を用いても構成することが
できる。

【0062】

【発明の効果】以上述べたように本願の第1の発明によ
れば、複数台の同期モータを始めは電力変換手段によっ
て回転数が徐々に増加するように起動し、同期モータの
回転数が商用電源周波数近傍まで上がった後に、同期モ
ータへの電力供給源を電力変換手段から商用電源へと切
り替えるようにしているので、切替後は、電力変換手段
での電力損失が一切なくなり、省エネルギ効果を高める
ことができ、経済性に極めて優れたシステムを構築する
ことができるという効果を奏する。また、本願の第2の
発明によれば、商用電源による同期運転状態で、検出さ
れたパイロットモータの磁極位置に基づいて、複数台の
同期モータを、サイリスタ等の半導体パワースイッチン
グ素子の点弧角制御やPWM制御等により電圧制御する
ようにしているので、トルク角を90°に近づけること
ができ、力率を改善することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図1】 本発明の一実施例に係る同期モータの群運転
制御システムの構成を示す図である。

【図2】 同システムに使用されるパイロットモータの
一例を示す断面図である。

【図3】 同期モータの回転子の例を示す図である。

【図4】 パイロットモータとパワー制御部の回路例を
示すブロック図である。

【図5】 本発明の他の実施例に係るカゴ型回転子を備
えた同期モータの断面図である。

【図6】 本発明の更に他の実施例に係る同期モータの
群運転制御システムの構成を示す図である。

【図7】 本発明の更に他の実施例に係る同期モータの
群運転制御システムの構成を示す図である。

【図8】 本発明の更に他の実施例に係る同期モータの
群運転制御システムの構成を示す図である。

【図9】 本発明が適用されるスロット内分布巻き及び
磁極集中巻きのモータを説明するための図である。

【図10】 同磁極集中巻きのモータの固定子と回転子
の断面図である。

【図11】 同期モータの代表的運転特性を示すV曲線
を示す図である。

【図12】 同期モータの各印加電圧毎のトルクカーブ
を示す図である。

【図13】 同期モータの等価回路図及びベクトル図で
ある。

【図14】 従来のBLDCモータの群運転制御システ
ムの構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

1,101…交流商用電源ライン、2,102…整流回
路、3…パワー回路部、4…VVVF出力線、51〜5
n,1041〜104n…同期モータ、6,1061〜10
6n…磁極位置検出センサ、7…制御回路、80〜8n,
10,820…スイッチ、9…コンパレータ、10…パイ
ロットモータ、1031〜103n…BLDCモータ、1
051〜105n…インバータ。

フロントページの続き (72)発明者 内野 徳弘 神奈川県相模原市南橋本3−2−25 東プ レ株式会社相模原事業所内 Fターム(参考) 5H001 AA03 AB01 AC03 AC04 AD03 AD06 AE04 5H560 AA01 BB04 BB12 BB16 BB18 CC02 DA03 DA11 DA13 DB02 DC13 EB01 EC01 EC02 HA01 RR04 SS06 SS07 TT07 UA02 UA07 XA03 XA04 XA12 5H572 AA10 BB01 BB02 CC05 CC09 DD03 DD05 DD09 EE06 FF01 FF02 GG02 GG05 HA08 HA11 HB09 HC01 HC08 LL01 LL07 LL10 LL24 LL30 LL32 LL50

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数台の同期モータを電力変換手段によ
    って回転数が徐々に増加するように起動して、 前記同期モータの回転数が商用電源周波数近傍まで上が
    ったのちに、前記同期モータへの電力供給源を前記電力
    変換手段から商用電源へと切り替えて商用電源による同
    期運転状態に移行するようにしたことを特徴とする同期
    モータの群運転制御方法。
  2. 【請求項2】 前記複数の同期モータは、ほぼ同様の負
    荷がかかる同種の同期モータであることを特徴とする請
    求項1記載の同期モータの群運転制御方法。
  3. 【請求項3】 前記複数の同期モータのうちの一部をパ
    イロットモータとしてこのパイロットモータの回転子の
    磁極位置を検出し、 検出されたパイロットモータの磁極位置と固定子巻線が
    作る周期的に変化する磁界との間の位相角が所定範囲に
    収まるように前記電力変換手段の出力電圧及び出力周波
    数を制御すると共に前記電力変換手段の出力電力を前記
    複数の同期モータに共通に供給することにより、前記複
    数の同期モータが同一速度で運転されるように起動制御
    するようにしたことを特徴とする請求項1記載の同期モ
    ータの群運転制御方法。
  4. 【請求項4】 複数台の同期モータと、 これら同期モータをその回転数が徐々に増加するように
    可変速制御して起動する電力変換手段と、 前記同期モータの回転数が商用電源周波数近傍まで上が
    ったのちに、前記同期モータへの電力供給源を前記電力
    変換手段から商用電源へと切り替える切替制御手段とを
    備えたことを特徴とする同期モータの群運転制御システ
    ム。
  5. 【請求項5】 前記複数台の同期モータのうちの一部
    を、モータの回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出
    手段と、前記磁極位置検出手段によって検出されたモー
    タの回転子の磁極位置と固定子巻線が作る周期的に変化
    する磁界との間の位相角が所定範囲に収まるように出力
    電圧及び出力周波数を制御する手段とを備えたパイロッ
    トモータとし、 前記電力変換手段は、その出力電力を前記複数の同期モ
    ータに共通に供給するものであることを特徴とする請求
    項4記載の同期モータの群運転制御システム。
  6. 【請求項6】 前記パイロットモータを含む複数台の同
    期モータと、前記電力変換手段と、前記磁極位置検出手
    段とを備えた群を更に複数備え、 これら各群は、順次、前記同期モータの電力供給源を電
    力変換手段から商用電源へと切り替えていくことを特徴
    とする請求項5記載の同期モータの群運転制御システ
    ム。
  7. 【請求項7】 前記商用電源から複数の同期モータへの
    電力供給経路に、前記同期モータへの電力供給源を電力
    変換手段から商用電源へと切り替えた直後の過大電流を
    抑制したのち、その入出力端を短絡可能なインピーダン
    ス要素を更に設けたことを特徴とする請求項4〜6のい
    ずれか1項記載の同期モータの群運転制御システム。
  8. 【請求項8】 前記切替制御手段は、前記複数台の同期
    モータを商用電源電圧及び商用電源周波数近くまで起動
    ・加速した状態で、商用電源電圧と同期モータの回転に
    よる誘起電圧とを比較し、その差電圧及び/又はその変
    化の速度が所定の範囲内となったときに商用電源運転に
    切り替えるものであることを特徴とする請求項4〜6の
    いずれか1項記載の同期モータの群運転制御システム。
  9. 【請求項9】 複数台の同期モータを商用電源周波数で
    同期運転制御する同期モータの群運転制御方法であっ
    て、 前記複数の同期モータのうちの一部をパイロットモータ
    としてこのパイロットモータの回転子の磁極位置を直接
    的又は間接的に検出し、 前記商用電源周波数による同期運転状態で、前記検出さ
    れたパイロットモータの磁極位置と固定子巻線が作る周
    期的に変化する磁界との間の位相角に基づいて、前記複
    数の同期モータをその力率及びトルク角が改善するよう
    に電圧制御することにより、前記複数の同期モータが前
    記商用電源周波数で安定に運転されるように制御するよ
    うにしたことを特徴とする同期モータの群運転制御方
    法。
  10. 【請求項10】 前記同期モータの電圧制御は、半導体
    スイッチング制御素子の点弧角制御により行うことを特
    徴とする請求項9記載の同期モータの群運転制御方法。
  11. 【請求項11】 複数台の同期モータと、これら同期モ
    ータを起動してその回転数を商用電源周波数まで増加さ
    せる起動手段と、これらの同期モータを前記起動手段に
    よる起動運転から商用電源運転に切り替える手段とを備
    えた同期モータの群運転制御システムにおいて、 前記複数の同期モータのうちの一部の同期モータをパイ
    ロットモータとし、 このパイロットモータの回転子の磁極位置を直接的又は
    間接的に検出する磁極位置検出手段と、 前記商用電源周波数による商用電源運転状態で、前記検
    出されたパイロットモータの磁極位置と固定子巻線が作
    る周期的に変化する磁界との間の位相角に基づいて、前
    記複数の同期モータを商用電源周波数でその力率及びト
    ルク角が改善するように電圧制御する電圧制御回路とを
    備えたことを特徴とする同期モータの群運転制御システ
  12. 【請求項12】 前記複数台の同期モータは、それぞれ
    が前記起動手段の起動能力に見合った複数の同期モータ
    を含む複数の同期モータ群に分割され、 前記起動手段は、前記各同期モータ群を順次起動し、 前記商用電源運転に切り替える手段は、前記起動された
    各同期モータ群を順次商用電源運転に切り替えていくも
    のであることを特徴とする請求項11記載の同期モータ
    の群運転制御システム。
  13. 【請求項13】 前記電圧制御回路は、半導体スイッチ
    ング制御素子の点弧角制御を行うことにより電圧制御す
    る回路であることを特徴とする請求項9又は12記載の
    同期モータの群運転制御システム。
  14. 【請求項14】 前記起動手段は、前記同期モータに起
    動から商用電源周波数まで回転数が徐々に増加するよう
    に速度制御運転のための出力電力を供給する電力変換手
    段であることを特徴とする請求項11〜13のいずれか
    1項記載の同期モータの群運転制御システム。
  15. 【請求項15】 前記起動手段は、商用電源によって起
    動され且つ速度変化によってその電圧及び周波数が変化
    する出力電力を前記同期モータに供給する回転電機であ
    ることを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項記
    載の同期モータの群運転制御システム。
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