JP2001359285A - インバータ装置を用いたモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長いケーブルを介してモータをインバータ装
置で駆動する場合に、モータコイルに過大な電圧が印加
されないようにしたインバータ装置を用いたモータの駆
動方法を提供する。 【解決手段】 インバータ装置２を駆動電源として、長
いケーブル３を介してモータ４を駆動する方法におい
て、ケーブル３には直流電圧を給電し、該ケーブル３の
末端部に接続されたインバータ回路２３により交流電圧
に逆変換し、モータ４に給電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般産業用の中小
型三相誘導電動機等のいわゆる汎用モータを長いケーブ
ルを介してインバータ装置により駆動するモータの駆動
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】三相誘導電動機は直流電動機等に比較し
て構造が簡単で堅固なことから汎用モータとして広く使
われている。しかしながら、回転数が周波数に比例して
ほぼ一定であるため起動トルクが小さいこと、また可変
速電動機として使用できない等の欠点を有する。この欠
点をカバーするために周波数変換機能を有するインバー
タ装置を併用することで、この種の欠点は十分にカバー
される。通常、汎用のインバータ装置は商用周波数の３
相交流電圧を直流電圧に変換し、これを高速のスイッチ
ング回路で任意の周波数および電圧の疑似交流に再変換
するものである。即ち、交流電圧を整流して直流電圧に
変換するコンバータ回路と、直流電圧を高速スイッチン
グでＯＮ−ＯＦＦすることにより幅を変えた多数の矩形
波を作り、この矩形波を組み合わせることで見かけ上の
交流電圧に変換するインバータ回路を組み込み一体化し
たものをインバータ装置と称している。

【０００３】半導体高速スイッチング素子の飛躍的発展
に伴って小型化が促進されたことと周波数変換が容易で
ある等の制御性のよさから、汎用インバータは汎用モー
タの駆動電源として広く使用されている。

【０００４】一方、インバータ装置は直流電圧を高速で
スイッチングするためスイッチングによるサージ電圧が
発生することも知られている。インバータ装置で発生し
たサージ電圧はモータまでのケーブルを伝搬し、インピ
ーダンスの異なるモータ端子部において反射する。イン
バータ回路からモータまでのケーブルが長い場合、さら
に連続して伝搬してきた次のサージ電圧が重畳する。こ
のためモータの端子部、即ちモータコイルにはインバー
タ回路から出力する交流電圧波高値の２倍もの電圧が印
加されることも知られている。

【０００５】近年、主電源制御盤に配置されたインバー
タ装置から長いケーブルを介してモータを駆動する場合
が増加している。例えば、地中等の水源のポンプに付帯
するモータは、水源から離れた地上で制御されるため、
主電源制御盤から長いケーブルを介して制御されるもの
で、ケーブル長が１００ｍ以上になることも珍しくな
い。

【０００６】図２は、従来のインバータ装置による長い
ケーブルを介したモータの駆動方法を示す。主電源制御
盤１より供給された３相商用交流電圧はインバータ装置
２のコンバータ回路２１で３相全波整流され、脈流を含
んだ直流電圧に変換される。平滑コンデンサ２２で脈流
は除去され、直流電圧がインバータ回路２３に供給され
る。インバータ回路２３において、高速スイッチングで
直流電圧をオン・オフすることにより幅の異なる矩形波
を作り、この矩形波を組み合わせて疑似交流電圧を作
る。ここで発生した疑似交流電圧は長いケーブル５を介
してモータ４に供給される。ここで高速スイッチングで
発生したサージも長いケーブル５を伝搬する。高速スイ
ッチングは連続して行われており、ケーブル５を伝搬し
たサージ電圧はインピーダンスの異なるモータ４の入口
で反射し、連続して伝搬されてきたサージと重畳し、過
大な電圧となってモータ４のコイルに印加される。

【０００７】図３は、電気学会論文誌１０７巻７号（昭
和６２年発行）より引用したもので、インバータ装置か
らモータまでのケーブル長さが長くなるほどサージによ
るピーク電圧が大きくなることが実測例で示されてい
る。さらに、インバータ装置のスイッチング速度が速い
程、ケーブル長が短くともピーク電圧が大きくなること
も示されている。現在、汎用のインバータ装置に使用さ
れているＩＧＢＴは、立上がり速度が０．１マイクロセ
コンドと言われており、ケーブル長が１０ｍを越す場合
サージ電圧は約２倍となりモータコイルにはこの電圧が
印加されることになる。従って、モータコイルの絶縁劣
化が懸念される。

【０００８】例えば、インバータの定格交流電圧が４４
０Ｖの場合、サージ電圧の波高値は実に１２４４Ｖにも
なって、この電圧がモータのコイルに印加される場合が
ある。通常、この種の汎用モータのコイルにはエナメル
絶縁電線を採用しており、このような高電圧が印加され
るとコロナ放電が発生し、エナメル絶縁被膜を損傷する
ことになる。

【０００９】これを防止する第１の方法としてモータの
絶縁を強化し、コロナ放電を発生させない手法、または
コロナ放電が発生しても絶縁損傷を生じないように、モ
ータの絶縁システムそのものを強化する方法がある。ま
た、第２の方法として、インバータで発生したサージ電
圧を抑制または抑止する手法としてケーブルにフィル
タ、またはダンパ等を介在させてインバータサージを抑
止、または抑制することでサージ電圧をモータコイルに
印加させない対策がなされている。

【００１０】上記対策は当然のことながら効果が認めら
れるものの、第１の方法でモータの絶縁システムの補強
を図る場合、まず有機絶縁材料はコロナ等の放電には比
較的弱く、これを補うためには絶縁物の厚さを厚くした
り、またコロナに強い無機材料を混入した材料を使用す
る等で対処することになる。しかしながら、この方法を
採用すると絶縁物の厚さが厚くなるため絶縁物の占積率
も増え、モータ自体が大きくなる等の欠点を有する。一
方、第２の方法であるサージ抑止用フィルタまたはサー
ジ抑制用ダンパの採用は、フィルタまたはダンパにもモ
ータに供給される電流と同じ電流が流れるため、モータ
容量に比例した大きな装置となる。また電流が流れるこ
とで当然電圧降下も生じ、さらに装置の冷却も考慮しな
くてはならない。また、フィルタおよびダンパの定数は
ケーブルのリアクタンス、キャパシタンス、抵抗等によ
って最適値が変わるため、ケーブルの長さが変わった場
合、ケーブルの長さにあったフィルタおよびダンパを採
用しなければならない等の欠点を有する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みて為されたもので、長いケーブルを介してモータをイ
ンバータ装置で駆動する場合に、モータコイルに過大な
電圧が印加されないようにしたインバータ装置を用いた
モータの駆動方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、インバータ装置を駆動電源として、長いケーブルを
介してモータを駆動する方法において、前記ケーブルに
は直流電圧を給電し、該ケーブルの末端部に接続された
インバータ回路により交流電圧に逆変換し、前記モータ
に給電することを特徴とするインバータ装置を用いたモ
ータの駆動方法である。

【００１３】ケーブルで直流を伝送し、ケーブル末端に
接続されたインバータ回路により直流から交流に変換し
てモータに電力を供給するので、ケーブルにおけるサー
ジ電圧の伝搬に伴う過大電圧の発生という問題が防止さ
れる。即ち、モータコイルにはインバータ回路により直
流から逆変換された交流電圧が直接印加されるので、イ
ンバータ回路の出力電圧がそのまま供給されることにな
り、過大な電圧がモータコイルに印加されることがな
い。従って、例えば深い井戸の中に配置されたモータを
地上からケーブルを介してインバータ装置により可変速
運転するような場合にも、長ケーブルによるサージ電圧
の増大という問題が防止され、機器の絶縁劣化等を招く
ことなく安定な運転が行える。

【００１４】請求項２に記載の発明は、前記インバータ
装置を、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路
と、直流電圧を交流電圧に逆変換するインバータ回路と
に分割し、該インバータ回路のみを前記モータの内部ま
たは近傍に配置し、前記コンバータ回路とは前記ケーブ
ルを介して接続したことを特徴とする請求項１に記載の
モータの駆動方法である。

【００１５】請求項３に記載の発明は、交流電圧を直流
電圧に変換するコンバータ回路と、該直流電圧を伝送す
るケーブルと、該直流電圧を交流電圧を逆変換するイン
バータ回路とからなることを特徴とするモータの駆動装
置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図１を参照しながら説明する。

【００１７】図１は、本発明の実施形態のインバータ装
置を用いた長いケーブルを介したモータの駆動方法を示
す。商用交流電源である主電源制御盤１からコンバータ
部６に、例えば、３相４００Ｖ等の商用交流電圧が供給
される。商用交流電源から供給された３相交流電圧はコ
ンバータ回路２１で３相全波整流され、脈流を含んだ直
流に変換される。そして、平滑用コンデンサ２２で脈流
も除去された直流電圧は長いケーブルを経てモータ４の
近傍またはモータ４の内部に配置されたインバータ部７
に供給される。ここで、ケーブル３より供給される直流
電圧は、インバータ回路２３により高速スイッチングで
直流電圧から幅の異なった矩形波を形成し、これを組み
合わせて疑似交流電圧を形成する。形成された疑似交流
電圧は、モータ４のモータコイルに供給される。この
時、インバータ回路２３の高速スイッチングによりサー
ジ電圧が発生するが、モータコイルまでの距離は極めて
短いので、モータコイルに過大なサージ電圧が印加され
ることはあり得ない。

【００１８】即ち、図１に示す実施形態においては、イ
ンバータ装置をコンバータ回路２１と平滑コンデンサ２
２とからなるコンバータ部６と、インバータ回路２３か
らなるインバータ部７とに分割し、その間を長いケーブ
ル３で接続するようにしたものである。ここでコンバー
タ部６は、商用交流電圧電源である主電源制御盤近傍に
配置しても良く、また主電源制御盤の中に配置しても良
い。長いケーブル３は、例えば深い井戸の奥に配置した
モータを地上からの電力供給により可変速運転するよう
な場合には、その長さが１００〜３００ｍ程度に達する
場合もある。そして、インバータ部７は図示するような
６アーム型の電力スイッチング素子から構成されるの
で、小型コンパクトな構成とすることができる。従っ
て、上述したようにモータ４の内部またはその近傍のモ
ータコイルの直近に配置することができる。尚、図示は
しないが直流電力を供給するケーブルに加え、インバー
タ回路２３に制御信号を伝達する信号ケーブルも直流電
力供給用ケーブル３に合わせて配置するようにしてもよ
い。

【００１９】従って、インバータ回路２３をモータ４の
モータコイル近傍に配置することで、インバータ回路に
使用されているスイッチング素子と、モータコイル間の
接続線は限りなく短くすることが可能で、例えば１０ｃ
ｍ以下とすることができる。従って、上述したように図
３には、ケーブル長とピーク電圧倍率との関係が示され
ている。ここで、電力スイッチング素子が高速であり、
例えば立上がり時間ｔ _ｒが０．１μｓ程度の場合におい
ても、そのピーク電圧倍率をほぼ１とすることができ
る。従って、従来の長いケーブルにサージ電圧の伝搬、
反射、重畳といった現象が全く存在せず、モータコイル
に異常な過大電圧が印加されて絶縁劣化するという問題
が根本から解消される。

【００２０】また、従来の長いケーブルに商用交流電源
を供給して、例えば深い井戸の底部に配置されたモータ
をインバータ装置により駆動するような場合には、長い
ケーブルは本来交流電力を供給するもので、交流電力の
伝送に伴う誘電体損失を考慮する必要がある。しかしな
がら、本発明のインバータ装置を用いたモータの駆動方
法によれば、長いケーブルは直流電力を伝送することに
なるため、誘電体損失が全く生じない。むしろ、コンバ
ータ部６で直流に変換する場合に、完全に均一な直流で
はなく多少の脈流分を含んでいる。ところで長いケーブ
ルを使用することで、これを平滑用のリアクタンス（キ
ャパシタンス）と見なすことができる。従って、長いケ
ーブルを介して伝送された直流電力は、完全に脈流分が
除去整流された直流としてインバータ部７に供給され
る。

【００２１】さらに、従来の長いケーブルを介して３相
交流誘導モータを駆動する場合には、アース線を含めて
ケーブルが４本必要である。しかしながら、本発明の実
施形態に従えば、直流を長いケーブルを介して伝送する
ので、ケーブルはアースを含めても３本で可能である。
また、インバータ回路の制御用信号ケーブルは別途用意
しなくても、上記３本のケーブルが直流を伝送するもの
であるので、これに信号を重畳させて使用することも可
能である。

【００２２】なお、上記の実施形態においては、商用交
流電源からコンバータ回路を用いて直流電圧を形成する
例について述べたが、直流電源が準備できればその直流
電源から長いケーブルを介してインバータ回路に直流電
力を供給するようにしても勿論よい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、長
いケーブルを介して直流が伝送され、モータ近傍に配置
されたインバータ回路により直流から交流に逆変換され
るので、モータコイルにはインバータ回路の出力電圧が
そのまま供給される。従って、従来の長いケーブルによ
るサージ電圧の伝搬、反射、重畳といった原因によるサ
ージ電圧の増大という問題がなく、モータコイルの絶縁
の損傷を考慮する必要がなくなる。従って、通常のモー
タを用いても、長いケーブルを介してインバータ装置に
より安定に可変速運転等を行うことができる。

【００２４】また、長いケーブルは実質的に２本で良
く、さらに直流の伝送であるため、交流時の誘電体損失
がなく、ケーブルのリアクタンス（キャパシタンス）を
直流の平滑回路として利用することが可能であり、この
観点からするとケーブルは長い程有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のインバータ装置を用いて長
いケーブルを介したモータの駆動方法を説明する図であ
る。

【図２】従来のインバータ装置を用いて長いケーブルを
介したモータの駆動方法を説明する図である。

【図３】ケーブル長とピーク電圧倍率との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１ 主電源制御盤（商用交流電源） ２ インバータ装置 ３，５ ケーブル ４ モータ ６ コンバータ部 ７ インバータ部 ２１ コンバータ回路 ２２ 平滑コンデンサ ２３ インバータ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H007 AA01 BB06 CA01 CB02 CB05 EA02 5H570 BB05 BB09 DD01 HA07 MM03 5H576 AA05 BB05 CC05 DD02 DD04 EE12 EE18 FF03 HA04 HB02 5H611 AA03 BB01 BB04 PP01 TT01 UA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インバータ装置を駆動電源として、長い
   ケーブルを介してモータを駆動する方法において、 前記ケーブルには直流電圧を給電し、該ケーブルの末端
   部に接続されたインバータ回路により交流電圧に逆変換
   し、前記モータに給電することを特徴とするインバータ
   装置を用いたモータの駆動方法。
2. 【請求項２】 前記インバータ装置を、交流電圧を直流
   電圧に変換するコンバータ回路と、直流電圧を交流電圧
   に変換するインバータ回路とに分割し、該インバータ回
   路のみを前記モータの内部または近傍に配置し、前記コ
   ンバータ回路と前記インバータ回路とは前記ケーブルを
   介して接続したことを特徴とする請求項１に記載のイン
   バータ装置を用いたモータの駆動方法。
3. 【請求項３】 交流電圧を直流電圧に変換するコンバー
   タ回路と、該直流電圧を伝送するケーブルと、該直流電
   圧を交流電圧に逆変換するインバータ回路とからなるこ
   とを特徴とするモータの駆動装置。