JP2005304119A - 電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力供給源（インバータなど）の一部が正常でなくなった場合でも、継続して安定した運転を実現する。
【解決手段】電動機に設けられている巻線群のうち位相差が同一になる対称位置に設けられている複数の巻線群（例えば巻線Ｃ１及びＣ３）に対し同一のインバータから電力供給するように、複数のインバータ２１、２２から対応する巻線群に電力供給する。いずれかのインバータが正常でなくなった場合、正常でなくなった異常インバータから複数の巻線群への電力供給を停止し、異常インバータ以外のインバータから対応する巻線群への電力供給を行う。このようにすれば、縮減運転時における固定子と回転子との間に生じる径方向の電磁吸引力を相殺することができ、継続して安定した運転を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機駆動システムに関し、特に交流電動機に電力を供給する装置が正常でなくなった場合に縮減運転を行うためのシステムに関する。

多相交流電動機の巻線を複数組に分割し、複数組の多相電力変換装置で駆動する方法が知られている。このような構成は、製作が容易な小容量の電力変換装置を複数組み合わせて大容量の電動機を駆動できる特長があり、特許文献１や特許文献２で提案されている。
さらに、上記の構成において、複数の電力変換装置の一部が故障したときには、正常な（すなわち健全な）電力変換装置だけを用いて電動機を駆動する方法が特許文献３、特許文献４及び特許文献５で提案されている。

図７は特許文献４において提案されている駆動方法の概要を示すブロック図である。同図においては、インバータユニット１ａ及び１ｂから多巻線電動機３の巻線に電力を供給（以下、給電と呼ぶ）している。
インバータユニット１ａは、順変換回路６ａと、逆変換回路７ａと、ユニット制御回路４ａとを含んで構成されている。インバータユニット１ｂは、順変換回路６ｂと、逆変換回路７ｂと、ユニット制御回路４ｂとを含んで構成されている。統括制御回路２は、これらインバータユニット１ａ及び１ｂを制御すると共に、これらの運転状態を常に監視するために設けられている。

インバータユニット１ａ、１ｂに対応して、開閉器５ａ及び８ａ、５ｂ及び８ｂ、が設けられている。これら開閉器５ａ及び８ａ、５ｂ及び８ｂは、統括制御回路２によって開閉制御される。インバータユニットに対応する開閉器を開くことで、そのインバータユニットを電気的に切り離すことができる。
このような構成において、通常時は開閉器５ａ、８ａ、５ｂ及び８ｂが全て閉じている。この状態において、いずれかのインバータユニットに故障が生じた場合には、開閉器を制御する。すなわち、例えば、インバータユニット１ｂに故障が生じた場合、開閉器５ｂと８ｂを開き、インバータユニット１ａのみで電動機３を駆動する。
特開昭６２−１００１９１号公報 特公平８−８７９１号公報 特公平７−２０３７号公報 特開平９−２７５６９９号公報 特開２０００−４６００号公報

上述した従来技術のように、電力供給源である電力変換装置を複数用いる場合において、一部の電力変換装置が故障したときに正常な電力変換装置だけで電動機を駆動する（以下、縮減運転とよぶ）ことは、現実的には不可能になる場合が多い。なぜならば、故障した電力変換装置に対応した巻線には電流が流れず、このように電気的、磁気的に不平衡な状態では電動機の騒音や振動が異常に高まって、最悪の場合には電動機が損傷する場合があるからである。

上記問題を解決するためには、電動機の巻線構成と磁束分布とを考えて技術検討する必要がある。しかしながら、縮減運転を提案する前記従来技術には、電動機に不平衡電流が流れることにより電動機内部で生じている現象、特に各極ごとの磁気的アンバランスとその防止などの検討が開示されていない。
ここで、縮減運転時の具体的な問題点について説明する。なお、以下の説明ではＮ組の多相巻線をもつ巻線構成をＮ多重と呼ぶことにする。図８は２組のインバータ２１、２２で４極の３相２多重デルタ結線の電動機１を駆動する場合の接続例を示す図である。インバータと電動機巻線の接続関係は、インバータ２１で並列接続された隣接するＣ１及びＣ２の巻線に給電し、インバータ２２で並列接続された隣接するＣ３及びＣ４の巻線に給電する。
なお、同図では簡単のため、電動機の巻線は、３相巻線のうち１相分だけが示されている。また、分かりやすくするため集中巻１ターンの例が示されている。さらに、故障を想定したインバータと、その結果給電されない巻線とが破線で示されている。

図９は、図８の電動機を回転軸方向から見た場合に、各巻線がどのような位置に配置されているかを示す概略断面図である。同図において、電動機は、回転子１１と、その周囲に設けられた固定子１０とを含んで構成されている。同図中の各巻線には、図８中の各巻線に付されている符号Ｃ１〜Ｃ４と同一の符号が付されている。本例では、固定子１０には、４つの巻線Ｃ１〜Ｃ４が設けられている。

これらの巻線Ｃ１〜Ｃ４に電流を流してトルクを発生させると、それと同時に固定子１０と回転子１１との間に径方向の磁気吸引力が生じる。図９において、全ての巻線Ｃ１〜Ｃ４に同一の電流が流れていると、磁気吸引力が相殺して基本的には回転子１１に径方向力は発生しない。
ここで、一方のインバータが故障した場合を考える。例えば、インバータ２２が故障し、インバータ２１だけで巻線Ｃ１及びＣ２に給電する場合を考える。この場合、回転子１１には過大な電磁吸引力が上方向に発生し、これは大きな騒音や振動を発生する原因になる。最悪の場合には回転子１１と固定子１０とが接触し、電動機１を損傷する重大な事故に至る。

一方、安定した回転を得るためには、固定子１０と回転子１１との間のエアギャップの磁束密度はできるだけ正弦波に近いことが望まれる。しかるに、例えばインバータ２２が故障すると巻線Ｃ３と巻線Ｃ４とに鎖交する磁束は極端に減少するので正弦波状の磁束密度分布は得られない。このため安定した回転はできず、同じく騒音や振動を発生する原因になるという問題がある。
本発明は上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は複数の電力供給源の一部が正常でなくなった場合でも、継続して安定した運転を実現することのできる電動機駆動システムを提供することである。

本発明の請求項１による電動機駆動システムは、電動機に設けられている巻線群のうち機械的な位相差が同一になる対称位置に設けられている複数の巻線群に対し同一の電力供給源から電力供給するように、複数の電力供給源から対応する巻線群に電力供給する電動機駆動システムであって、前記複数の電力供給源のうちいずれかの電力供給源が正常でなくなった場合、正常でなくなった異常電力供給源から前記複数の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段を含み、前記異常電力供給源以外の電力供給源から該電力供給源に対応する巻線群への電力供給は継続するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、縮減運転時における固定子と回転子との間に生じる径方向の電磁吸引力を相殺することができる。

本発明の請求項２による電動機駆動システムは、電動機に設けられている複数の巻線群に、それら巻線群に対応して設けられた複数の電力供給源から電力供給する電動機駆動システムであって、前記複数の電力供給源のうちいずれかの電力供給源が正常でなくなった場合、正常でなくなった異常電力供給源から該電力供給源に対応する巻線群の他、機械的な位相差が同一になる対称位置に設けられている巻線群以外の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段を含むことを特徴とする。このような構成によれば、縮減運転時でも固定子と回転子との間に生じる径方向の電磁吸引力を相殺するとともに、ギャップ磁束密度分布を正弦波状にすることができる。

本願請求項１の発明によれば、複数の巻線群を持つ多相多重電動機を複数の電力供給源を用いて駆動するシステムにおいて、一部の電力供給源が故障したときに、正常な電力供給源だけを用いて駆動する縮減運転の場合においても、固定子と回転子との間に生じる径方向の電磁吸引力が相殺できるので、異常な電磁吸引力の発生を防止できるという効果がある。
また、本願請求項２の発明によれば、電力供給源の台数が偶数の場合においても、縮減運転時でも磁束密度分布を正弦波できるのでトルクリプルの発生が少なく、更に安定した運転が達成できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（第１の発明）
図１は請求項１の発明に関する第１の実施例を示す概略構成図である。同図には、２組のインバータ２１及び２２によって、４極の３相２多重デルタ結線の電動機１を駆動する場合の接続状態の例が示されている。ただし、同図においては、電動機の巻線は簡単のため３相巻線のうち１相分だけが示されている。

本例では、電動機１の巻線は、巻線Ｃ１、巻線Ｃ２、巻線Ｃ３、巻線Ｃ４の順番に配置され、巻線Ｃ１と巻線Ｃ３とが並列に接続されて１つの巻線群を構成している。また、巻線Ｃ２と巻線Ｃ４とが並列に接続されて他の巻線群を構成している。
本例では、巻線Ｃ１及びＣ３からなる巻線群に対応して、インバータ２１が設けられている。また、巻線Ｃ２及びＣ４からなる巻線群に対応して、インバータ２２が設けられている。

インバータ２１は、対応する巻線Ｃ１及びＣ３からなる巻線群に給電している。また、インバータ２２は、対応する巻線Ｃ２及びＣ４からなる巻線群に給電している。
なお、これらインバータ２１、２２を制御すると共に、これらの運転状態を常に監視するための図７の場合と同様に、統括制御回路２が設けられている。そして、この統括制御回路２の制御によって、開閉制御される開閉器（図示せず）によって、インバータ２１、２２を、それぞれ独立に、電気的に切り離すことができるものとする。この統括制御回路２は、後述するように正常でなくなったインバータから複数の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段として機能する。

このような構成において、通常時はインバータ２１とインバータ２２から対応する巻線Ｃ１〜Ｃ４に給電される。しかしながら、いずれか一方のインバータが故障した場合（すなわち正常でない場合）には、他方の正常なインバータによる縮減運転を行う。例えば、インバータ２２が故障して縮減運転する場合には、インバータ２１から巻線Ｃ１及びＣ３だけに給電し、巻線Ｃ２及びＣ４への給電は停止される。つまり、正常なインバータ２１に対応する巻線群への給電が継続して行われることにより、運転が継続される。
巻線の空間的配置は図９と同じであり、給電される巻線Ｃ１及びＣ３は機械的に１８０度位相差の対称位置に配置されている。このため、巻線Ｃ１及びＣ３だけが給電されても、巻線Ｃ１の電流による電磁吸引力と巻線Ｃ３の電流による電磁吸引力とが相殺され、回転子には径方向の電磁力が発生しない。

（他の実施例）
図２は請求項１の発明に関する第２の実施例を示す概略構成図である。同図には、２組のインバータ２１及び２２によって、６極の３相２多重デルタ結線の電動機１を駆動する場合の接続状態の例が示されている。同図においても、電動機の巻線は簡単のため３相巻線のうち１相分だけが示されている。
本例では、電動機１の巻線は、巻線Ｃ１、巻線Ｃ２、巻線Ｃ３、巻線Ｃ４、巻線Ｃ５、巻線Ｃ６の順番に配置されている。そして、巻線Ｃ１と巻線Ｃ３と巻線Ｃ５とが並列に接続されて１つの巻線群を構成している。また、巻線Ｃ２と巻線Ｃ４と巻線Ｃ６とが並列に接続されて他の巻線群を構成している。

本例では、巻線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５からなる巻線群に対応して、インバータ２１が設けられている。また、巻線Ｃ２、Ｃ４及びＣ６からなる巻線群に対応して、インバータ２２が設けられている。
インバータ２１は、対応する巻線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５からなる巻線群に給電している。また、インバータ２２は、対応する巻線Ｃ２、Ｃ４及びＣ６からなる巻線群に給電している。

図３は、図２の電動機を回転軸方向から見た場合に、各巻線がどのような位置に配置されているかを示す概略断面図である。同図において、電動機は、回転子１１と、その周囲に設けられた固定子１０とを含んで構成されている。同図中の各巻線には、図２中の各巻線に付されている符号Ｃ１〜Ｃ６と同一の符号が付されている。本例では、固定子１０には、６つの巻線Ｃ１〜Ｃ６が設けられている。

これらの巻線Ｃ１〜Ｃ６に電流を流してトルクを発生させると、それと同時に固定子１０と回転子１１との間に径方向の磁気吸引力が生じる。
ここで、一方のインバータが故障した場合を考える。例えば、インバータ２２が故障し、インバータ２１だけで巻線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５の巻線だけに給電する場合を考える。この場合、巻線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５は機械的に１２０度位相差の対称位置に配置されている。このため、これらの巻線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５だけに給電されても回転子には径方向の電磁力が発生しない。

図４は請求項１の発明に関する第３の実施例を示す概略構成図である。同図には、３組のインバータ２１、２２及び２３によって、６極の３相３多重デルタ結線の電動機１を駆動する場合の接続状態の例が示されている。同図においては、並列接続された巻線Ｃ１及びＣ４、並列接続された巻線Ｃ２及びＣ５、並列接続された巻線Ｃ３及びＣ６、によってそれぞれ１つの巻線群を構成している。

本例では、巻線Ｃ１及びＣ４からなる巻線群に対応してインバータ２１、巻線Ｃ２及びＣ５からなる巻線群に対応してインバータ２２、巻線Ｃ３及びＣ６からなる巻線群に対応してインバータ２３、がそれぞれ設けられている。
そして、インバータ２１は巻線Ｃ１及びＣ４からなる巻線群に給電し、インバータ２２は巻線Ｃ２及びＣ５からなる巻線群に給電し、インバータ２３は巻線Ｃ３及びＣ６からなる巻線群に給電している。

このような構成において、通常時は３つのインバータ２１〜２３から対応する巻線Ｃ１〜Ｃ６に給電される。しかしながら、いずれかのインバータが故障した場合（すなわち正常でない場合）には、他の正常なインバータによる縮減運転を行う。
例えば、インバータ２３のみが故障して縮減運転する場合には、インバータ２１、２２から巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４及びＣ５には給電され、巻線Ｃ３及びＣ６への給電は停止される。つまり、正常なインバータ２１及び２２に対応する巻線群への給電が継続して行われることにより、運転が継続される。この縮減運転を行う場合、巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４及びＣ５は、機械的に対称の位置に配置されているので、これらの巻線だけに給電されても回転子には径方向の電磁力が発生しない。

図５は請求項１の発明に関する第４の実施例を示す概略構成図である。同図においては、巻線Ｃ１とＣ４、巻線Ｃ２とＣ５、巻線Ｃ３とＣ６がそれぞれ直列に接続されている点のみが図４の場合と異なる。この場合の作用効果は図４の場合と同一であるので、詳細な説明は省略する。
この場合にいずれかのインバータが正常でなくなり、縮減運転を行う時においても、回転子には径方向の電磁力が発生しない。また、さらに大きな極数を持つ場合の巻線群の構成は、並列接続と直列接続とが混在した直並列接続にしてもよい。

以上説明した第１〜第４の実施例を一般化すると、次のようになる。複数の多相電力変換装置（上記実施例ではインバータ）を使用して、複数の巻線から構成される電動機を駆動する場合、同一インバータの任意相の端子から給電される巻線の機械的な位相差は同一とする。すなわち、図１の場合は同一インバータ（例えばインバータ２１）の所定相から機械的に１８０度位相差をもつ巻線Ｃ１とＣ３に給電され、図２の場合は同一インバータ（例えばインバータ２１）の所定相から機械的に１２０度位相差をもつ巻線Ｃ１、Ｃ３およびＣ５に給電され、図４と図５の場合は同一インバータ（例えばインバータ２１）の所定相から機械的に１８０度位相差をもつ巻線Ｃ１とＣ４に給電される。
そして、通常時は全ての電力変換装置から対応する巻線群に給電する。一部の電力変換装置が故障して縮減運転するときは、正常な電力変換装置のみにより、この電力変換装置に対応した巻線群のみに給電する。

以上のことから、本システムは、複数のＮ組の多相電力変換装置によりＮ組の巻線群をもつ多相多極の電動機を駆動するシステムであり、上記電動機の極数を上記Ｎの倍数とし、上記電動機の巻線配置の上でＮ極分隔てた位置に配置された複数の巻線をそれぞれ直列あるいは並列あるいは直並と並列を混在して巻線群を構成し、通常は上記Ｎ組の電力変換装置を用いて上記巻線群に給電し、一部の電力変換装置が故障したときには、正常な電力変換装置から該電力変換装置に対応した巻線群のみに給電することを特徴とする電動機駆動システムであるということもできる。

（第２の発明）
図６は請求項２の発明に関する実施例を示す概略構成図である。同図には、４組のインバータ２１、２２、２３及び２４によって、８極の３相４多重デルタ結線の電動機１を駆動する場合の接続状態の例が示されている。ここで、本例では、インバータの台数は偶数であることと、電動機の隣接した巻線はそれぞれ異なったインバータから給電されることとが、構成上の特徴である。

なお、各インバータを制御すると共に、それらの運転状態を常に監視するための統括制御回路２が設けられている。そして、この統括制御回路２の制御によって、開閉制御される開閉器（図示せず）によって、それらインバータを、それぞれ独立に、電気的に切り離すことができるものとする。この統括制御回路２は、後述するように正常でなくなったインバータからそれに対応する巻線群の他、位相差が同一になる対称位置に設けられている巻線群以外の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段として機能する。

このような構成において、上述した各実施例の場合と同様に、一部のインバータが正常でなくなった場合には、縮減運転を行う。例えば、同図中の破線で示されているインバータ２１が故障して縮減運転をするときには、故障したインバータに対応する巻線Ｃ１、Ｃ３に隣接している巻線Ｃ２、Ｃ４及びＣ８に給電するインバータ２２とインバータ２４は運転を継続する。この結果、インバータ２２から対応する巻線Ｃ２及びＣ４に給電され、インバータ２４に対応する巻線Ｃ６及びＣ８に給電される。さらに、本例では、一点鎖線で示されている、正常なインバータ２３についても運転を停止させるため、対応する巻線Ｃ５及びＣ７への給電を止める。

このように制御することにより、図６中の実線で示されているように、１極おきに配置された巻線Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８のみが給電されることになる。つまり、正常でなくなったインバータから対応する巻線群、位相差が同一になる対称位置に設けられている巻線群以外の巻線群への給電を停止することになる。これにより、電動機の磁束密度分布は、全極において通常運転時と同様な正弦波状の分布となり、径方向の電磁力が発生しないだけではなく、異常なトルクリプルも生じない。なお、誘導電動機においては縮減運転時には通常運転時に比べて各巻線に流れる励磁電流成分を２倍にして、磁束密度を通常運転時とほぼ同じに制御するのが好ましい。そのように制御することにより、縮減運転時の最大出力の低減を最小限に抑制できる。

ところで、正常なインバータのうちのどれを停止させれば良いかについては、巻線の配置や結線方法によって異なる。巻線の配置や結線方法が決まれば位相差関係が定まるので、正常でなくなったインバータの位置によって、停止させるべきインバータが一意に定まる。このため、停止させるべきインバータを決定するためのロジックを統括制御回路に予め組み込んでおけば良い。

以上のように、電力供給源の台数が偶数の場合、一部の電力供給源が正常でなくなった時に、正常な電力供給源全てをそのまま継続して運転させると、電動機の磁束密度分布が正弦波状ではなくなることがある。そこで、正常な電力供給源の一部を停止させることで電動機の磁束密度分布を正弦波状に維持する。
以上のことから請求項２の発明によるシステムは、偶数のＮ組の多相電力変換装置によりＮ組の巻線群をもつ多相交流電動機を駆動するシステムであり、上記電動機の極数を上記Ｎの倍数とし、上記電動機の隣接した各巻線はそれぞれ異なった電力変換装置から給電され、通常は上記Ｎ組の電力変換装置を用いて上記電動機に給電し、一部の電力変換装置が故障したときには、隣接した一方の巻線は給電され、他の一方は給電されないように一部の正常な電力変換装置も給電を停止し、Ｎ／２組の電力変換装置から該電力変換装置に対応した巻線群のみに給電することを特徴とする電動機駆動システムであるということもできる。

（その他の変形例）
なお、上記各実施例は、電力変換器に３相インバータを用いた例を説明したが、３相に限らず任意の多相交流のインバータを用いても良い。また、インバータに限らずサイクロコンバータなどの種々の電力供給源の場合にも適用できる。電動機は、誘導電動機に限らず同期電動機にも適用できる。さらに、上記各実施例では、電動機の巻線構成がデルタ結線である例を説明したが、スター結線の場合にも適用できることは明白である。

本発明は、電力供給源が正常でなくなった時でも、電動機を継続して安定動作させる必要のある場合に利用できる。

請求項１の発明に関する第１の実施例を示す概略構成図である。 請求項１の発明に関する第２の実施例を示す概略構成図である。 図２の電動機を回転軸方向から見た場合に、各巻線がどのような位置に配置されているかを示す概略断面図である。 請求項１の発明に関する第３の実施例を示す概略構成図である。 請求項１の発明に関する第４の実施例を示す概略構成図である。 請求項２の発明に関する実施例を示す概略構成図である。 特許文献４で提案されている駆動方法の概要を示すブロック図である。 ４極の３相２多重デルタ結線の電動機を駆動する場合の接続の例を示す図である。 図８の電動機を回転軸方向から見た場合に、各巻線がどのような位置に配置されているかを示す概略断面図である。

符号の説明

１、３ 電動機
１ａ、１ｂ インバータユニット
２ 統括制御回路
４ａ、４ｂ ユニット制御回路
５ａ、５ｂ、８ａ、８ｂ 開閉器
６ａ、６ｂ 順変換回路
７ａ、７ｂ 逆変換回路
１０ 固定子
１１ 回転子
２１〜２４ インバータ
Ｃ１〜Ｃ６ 巻線

Claims (2)

1. 電動機に設けられている巻線群のうち機械的な位相差が同一になる対称位置に設けられている複数の巻線群に対し同一の電力供給源から電力供給するように、複数の電力供給源から対応する巻線群に電力供給する電動機駆動システムであって、前記複数の電力供給源のうちいずれかの電力供給源が正常でなくなった場合、正常でなくなった異常電力供給源から前記複数の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段を含み、前記異常電力供給源以外の電力供給源から該電力供給源に対応する巻線群への電力供給は継続するようにしたことを特徴とする電動機駆動システム。
2. 電動機に設けられている複数の巻線群に、それら巻線群に対応して設けられた複数の電力供給源から電力供給する電動機駆動システムであって、前記複数の電力供給源のうちいずれかの電力供給源が正常でなくなった場合、正常でなくなった異常電力供給源から該電力供給源に対応する巻線群の他、機械的な位相差が同一になる対称位置に設けられている巻線群以外の巻線群への電力供給を停止する電力供給停止手段を含むことを特徴とする電動機駆動システム。
   

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