JP2005218199A5

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Publication number: JP2005218199A5
Application number: JP2004020235A
Authority: JP
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2024-01-28

Description

電動機の停電時制御装置

この発明は、交流電源の停電時に交流電源を直流電源に切り換えて電動機を制御する装置に関するものである。

従来の同期電動機の駆動制御装置においては、自己消弧型半導体デバイスを用いて多相交流電源より直接可変電圧・可変周波数の多相交流に変換するサイクロコンバータを構成し、電源回路にリアクトルを、電動機各相線間にコンデンサを接続し、電源回路の最高電位ならびに最低電位の相を選択し、電動機に結合するように上記半導体デバイスを制御するように制御装置を構成している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１８４８９号公報（段落０００７、図１）

上記のような従来の同期電動機の駆動制御装置では、多相交流電源を直接スイッチングすることにより、可変電圧・可変周波数の多相交流に変換して同期電動機を制御するようにしているため、蓄電池などの停電時用の予備電源を接続して停電時運転装置を構成しようとすると、上記直流電源をいったん交流に変換する装置が必要となり、構成が複雑になるという問題点がある。

この発明は上記問題点を解消するためになされたもので、特別な変換装置を用いることなくマトリックスコンバータによる停電時運転ができ、回路構成の低コスト化を図ることが可能な電動機の停電時制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機の停電時制御装置は、多相交流電源に、双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを介して多相交流電動機を制御する装置において、直流電源を、平常時開放し交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介してマトリックスコンバータの入力側に接続し、マトリックスコンバータの入力線と出力線との間に、ダイオードと、平常時開放し、交流電源の停電時に閉成する第３の接点との直列回路を接続したものである。

また、この発明に係る電動機の停電時制御装置は、多相交流電源に、双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを介して多相交流電動機を制御する装置において、直流電源を、平常時開放し交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介してマトリックスコンバータの入力側に接続し、マトリックスコンバータの入力線と出力線との間に、全波整流回路とコンデンサからなるスナバ回路を接続し、マトリックスコンバータの入力線とコンデンサの両端との間に、平常時開放し、交流電源の停電時に閉成する第４の接点を接続したものである。

また、この発明に係る電動機の停電時制御装置は、多相交流電源に、双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを介して多相交流電動機を制御する装置において、直流電源を、平常時開放し交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介してマトリックスコンバータの入力側に接続し、双方向逆耐圧スイッチング素子の部分の内、直流電源に回生電力が供給される方向の電流を制御する部分に、停電中に常に導通指令を与えるものである。

この発明によれば、少ない追加部品を用いることにより、マトリックスコンバータ形式の電動機の制御装置に停電時運転機能を付与することができ、回路構成の低コスト化を図ることが可能となる。

実施の形態１．
図１及び図２はこの発明の第１発明の一実施の形態を示す図で、図１は回路図、図２は説明用の回路図である。
図１において、三相交流電源１の各相には電源投入時に閉成する電源スイッチの接点２ａ〜２ｃが接続され、その出力側がそれぞれ後述するマトリックスコンバータ７の受電端Ｒ．Ｓ．Ｔとなっている。また、蓄電池などの停電時用予備直流電源３の両端は、平常時開放し、交流電源１の停電時に閉成する停電時電源スイッチの接点４ａ，４ｂを介して受電端Ｓ，Ｔに接続されている。
また、単相交流電源５に接続された補機類（停電時に必要な機器類）が直流電源３に接続されている。

そして、受電端Ｒ．Ｓ．Ｔはマトリックスコンバータ７の入力側に接続されている。マトリックスコンバータ７は例えば既述の特開平１１−１８４８９号公報に示されるように、直流段を必要とせず大容量のリアリトルやコンデンサなどのエネルギー蓄積要素が不要のため、小形、軽量、安価にすることが可能である。また、従来の直流式及び交流式サイクロコンバータに比べてＰＷＭ制御により入力波形改善及び入力力率の一括制御が可能であるなどの特徴を有するものである。

マトリックスコンバータ７は各相に接続された双方向逆耐圧スイッチング素子Ｓｕｒ〜Ｓｗｔで構成されており、出力側は例えばエレベーター駆動用三相交流電動機８に接続されている。また、各スイッチング素子Ｓｕｒ〜Ｓｗｔの両端には、ダイオードＤｒｐ〜Ｄｔｎ，Ｄｕｐ〜Ｄｗｎ、コンデンサＣ及びサージ電力消費素子Ｌで構成されたスナバ回路９が接続されている。

次に、この実施の形態の動作を説明する
平常時、接点２ａ〜２ｃが閉成（接点４ａ，４ｂは開放）し、マトリックスコンバータ７の入力側には三相交流電源１から電力が供給される。これで、マトリックスコンバータ７のスイッチング素子Ｓｕｒ〜Ｓｗｔがオン／オフ制御されて、所望の電圧及び周波数に変換された出力が供給されることにより、電動機８が駆動され、エレベーターが運転される。

一方、三相交流電源１が停電すると、接点２ａ〜２ｃは開放し、接点４ａ，４ｂは閉成する。これでマトリックスコンバータ７の受電端Ｓが直流電源３の正極に接続され、受電端Ｔが直流電源３の負極に接続される。これにより、予備直流電源３とスイッチング素子Ｓｕｓ〜Ｓｗｓ，Ｓｕｔ〜Ｓｗｔは、図２に示すような交流／直流変換用のコンバータ１０及びスイッチング素子Ｓｕｐ〜ＳｗＰ，Ｓｕｎ〜Ｓｗｎを用いた一般的なインバータ１１と同等の接続関係となる。したがって、上記スイッチング素子Ｓｕｓ〜Ｓｗｓ，Ｓｕｔ〜Ｓｗｔに、一般的なインバータと同等のタイミンングで双方向導通指令を与えることにより、一般的なインバータと同等の交流電力出力により電動機８が駆動される。

このようにして、予備直流電源３をマトリックスコンバータ７の受電端Ｒ，Ｓ，Ｔの二相間（ここでは受電端Ｓ．Ｔ）に接続することにより、直流／交流変換器等を使用することなく、少ない追加部品でマトリックスインバータ形式の電動機制御装置に停電時運転機能を付与することが可能となる。特に、エレベーターの制御装置に停電時救出機能を付与する場合に有用なものとすることが可能となる。

実施の形態２．
図３〜図５はこの発明の第２発明の一実施の形態を示す図で、図３は回路図、図４及び図５は動作説明用の回路図で、図４はインバータ部分の略図、図５は同じくマトリックスコンバータの略図であり、図１と同一符号は同一部分を示す。なお、図２は実施の形態２にも共用する。

この実施の形態は、スイッチング素子Ｓｕｓ〜Ｓｗｓ，Ｓｕｔ〜Ｓｗｔと並列にそれぞれ平常時開放し、停電運転時に閉成する接点４ｃ〜４ｈとダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｆの直列回路を接続したものであり、これ以外は図１と同様である。なお、ダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｃはアノード側がマトリクスコンバータ７の出力線に接続され、カソード側が接点４ｃ〜４ｅを介してマトリクスコンバータ７の入力線に接続されている。また、ダイオードＤ３ｄ〜Ｄ３ｆはダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｃと逆極性に接続されている。
次に、この実施の形態の動作を説明するが、まずアーム短絡防止について説明する。

図２に示す一般的なインバータ１１では、アームを構成するスイッチング素子Ｓ＊ｐ，Ｓ＊ｎ（＊にはｕ，ｖ，ｗが入る）の同時導通によるアーム短絡を防止するため、ｐ側のスイッチング素子を導通させた後、所定時間待ってｎ側の素子を導通させるようにしている。これは、スイッチング素子に動作遅れがあり、導通信号を解除した後も直ちには非導通とはならないためである。この状態はマトリックスコンバータで使用する素子でも同様に発生するため、導通素子を切り換える際には、導通信号と導通信号の間には、ある程度の時間遅れを設ける必要がある。

この動作遅れにはある程度変動があるため、通常この遅れ時間は、想定される最大の動作遅れに対して大き目に設定される。そのため、一般的なインバータ１１では、ｐ，ｎ側の素子が共に導通していない期間が存在する。一般的なインバータ１１では図４に示すようにｐ側素子が導通している状態では、経路(１)で電源３の電力を消費する方向に電流が流れ、ｐ，ｎ側両方の素子が非導通状態である場合は、経路(２)に示すように、電源３に電力を返すような方向へ電流が流れる。

ここで、重要なのは、一般的なインバータ１１では、経路(２)の電流によって返された電力がｐ，ｎ側のいずれかのスイッチング素子が導通しているときに、再度電力として利用できることである。
一方、実施例１で示したマトリックスコンバータ７を停電時運転モードで動作させた場合、図５に示すようにある素子Ｓｕｒに電流が導通している場合に、例えば経路(１)のように電流が流れ、すべての素子Ｓｕｒ〜Ｓｕｔが非電通になった場合には、経路(２)に示すように電流がスナバ回路９に流れ、その間ほぼすべての電力がスナバ回路９の電力消費素子Ｌで損失として吸収されてしまう。

通常、いずれのスイッチング素子も導通していない期間は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御周期の数パーセント程度存在し、実施例１の場合では、その期間の電流はすべて損失になってしまう。つまり、ほぼ出力電力の数パーセント程度の電力が、スナバ回路９で損失として消費されてしまうためエネルギー効率が低下したり、スナバ電力消費素子Ｌが大形化したりする結果をもたらす。

図３では、停電時運転する場合は接点４ｃ〜４ｈが閉成するため、ｐ，ｎ側双方のスイッチング素子Ｓ＊ｐ，Ｓ＊ｎ（＊にはｕ，ｖ，ｗが入る）が非導通の際に、一般的なインバータ１１と同様に電力が直流電源３に回生されるので、エネルギー効率の低下及びスナバ電力消費素子Ｌの大形化を抑制し、回路構成の低コスト化を図ることが可能となる。

実施の形態３
図６はこの発明の第３発明の一実施の形態を示す回路図であり、図１と同一符号は同一部分を示す。
この実施の形態は、図１のスナバ回路９のコンデンサＣの両端を、それぞれ平常時開放し、停電運転時に閉成する接点４ｉ，４ｊを介して受電端Ｓ，Ｔに接続したものであり、これ以外は図１と同様である。換言すれば図３の接点４ｃ〜４ｈとダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｆの直列回路に代えて接点４ｉ，４ｊを用いたものである。

このようにして、停電時に接点４ｉ，４ｊが閉成されることにより、図３の接点４ｃ〜４ｈが閉成された場合と同様の機能を得ることができ、更に少ない追加部品、点数により実施例２と同等の効果を実現することが可能となる。

実施の形態４
図７はこの発明の第４発明の一実施の形態を示す回路図であり、図１と同一符号は同一部分を示す。
この実施の形態は、図１の停電運転時に使用するスイッチング素子Ｓｕｓ〜Ｓｗｓ，Ｓｕｔ〜Ｓｗｔ内の、直流電源３に電力を回生する方向の電流を制御する機能部分に、停電運転時中、常に導通指令を入力する導通指令素子２１を付加したものである。

すなわち、部分図Ａに示すように、スイッチング素子Ｓｗｔに接続された導通指令素子２１は、部分図Ｂに示すように直流電源２２と平常時開放し、停電時閉成する接点４ｋとの直列回路で示される。なお、Ｓｉｇは平常運転時に入力される信号を示す。そして、部分図Ｂは停電時に部分図Ｃに示すように、スイッチング素子Ｓｗｔとダイオードからなる回路（図４参照）と同等の機能を持つ回路として表される。
このようにして、図６と同様にサージエネルギーを直流電源３に回生することができ、大電力を扱う素子を追加することなく、実施例３と同等の効果を実現することが可能となる。なお、導通指令素子２１を接続する代わりに、停電中常に導通指令信号を与えて、スイッチング素子Ｓｗｔを導通させるようにしてもよく、更に安価な構成とすることが可能となる。

この発明の実施の形態１を示す回路図。この発明の実施の形態１を示す説明用の回路図。この発明の実施の形態２を示す回路図。この発明の実施の形態２を示す動作説明用のインバータ部分の略図。この発明の実施の形態２を示す動作説明用のマトリックスコンバータの略図。この発明の実施の形態３を示す回路図。この発明の実施の形態４を示す回路図。

符号の説明

１三相交流電源、２ａ〜２ｃ電源スイッチの接点、３停電時用予備直流電源、４ａ〜４ｋ電源スイッチの接点、７マトリックスコンバータ、Ｓｕｒ〜Ｓｗｔ双方向逆耐圧スイッチング素子、８三相交流電動機、９スナバ回路、Ｄｒｐ〜Ｄｔｎ，Ｄｕｐ〜Ｄｗｎ，Ｄ３ａ〜Ｄ３ｆダイオード、Ｃコンデンサ、Ｌサージ電力消費素子、２１導通指令素子、２２直流電源。

Claims

多相交流電源に、平常時は閉成し上記交流電源の停電時に開放する第１の接点を介して接続されて双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを接続し、このマトリックスコンバータの出力側を多相交流電動機に接続し、上記マトリックスコンバータのスイッチング素子をオン／オフして上記電動機を制御する装置において、
停電時用直流電源を設置し、この直流電源を、平常時開放し上記交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介して上記マトリックスコンバータの入力側に接続し、
上記マトリックスコンバータの入力線とこのマトリックスコンバータの出力線との間に、ダイオードと、平常時開放し、上記交流電源の停電時に閉成する第３の接点との直列回路を接続した
ことを特徴とする電動機の停電時制御装置。
多相交流電源に、平常時は閉成し上記交流電源の停電時に開放する第１の接点を介して接続されて双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを接続し、このマトリックスコンバータの出力側を多相交流電動機に接続し、上記マトリックスコンバータのスイッチング素子をオン／オフして上記電動機を制御する装置において、
停電時用直流電源を設置し、この直流電源を、平常時開放し上記交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介して上記マトリックスコンバータの入力側に接続し、
上記マトリックスコンバータの入力線とこのマトリックスコンバータの出力線との間に、全波整流回路とコンデンサからなるスナバ回路を接続し、
上記マトリックスコンバータの入力線と上記コンデンサの両端との間に、平常時開放し、交流電源の停電時に閉成する第４の接点を接続した
ことを特徴とする電動機の停電時制御装置。
多相交流電源に、平常時は閉成し上記交流電源の停電時に開放する第１の接点を介して接続されて双方向逆耐圧スイッチング素子により構成されたマトリックスコンバータを接続し、このマトリックスコンバータの出力側を多相交流電動機に接続し、上記マトリックスコンバータのスイッチング素子をオン／オフして上記電動機を制御する装置において、
停電時用直流電源を設置し、この直流電源を、平常時開放し上記交流電源の停電時に閉成する第２の接点を介して上記マトリックスコンバータの入力側に接続し、
上記双方向逆耐圧スイッチング素子の部分の内、上記直流電源に回生電力が供給される方向の電流を制御する部分に、停電中に常に導通指令を与える
ことを特徴とする電動機の停電時制御装置。