JP2006020430A - 電力変換装置、モータ、モータ駆動システム、及びモータ駆動システムのメンテナンス方法 - Google Patents

電力変換装置、モータ、モータ駆動システム、及びモータ駆動システムのメンテナンス方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明は、インバータ駆動モータにて発生していたサージ電圧によるモータ巻線ターン間絶縁劣化の発生を抑制する事を目的とするものである。
【解決手段】
前記課題を解決する為に本発明は、サージ電圧の立上がり時間と耐サージ電圧との関係から、インバータによって駆動されるモータの巻線ターン間に発生する部分放電の発生を抑制するのに最適な立上がり時間を決定し、サージ電圧の立上がり時間と挿入リアクトルのインダクタンスの関係から最適リアクトル容量を決定する。その最適な容量のリアクトルをインバータとモータ巻線との間に設ける。このリアクトルは、配線を巻いただけのものや空芯リアクトル等でも構わない。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータを電力変換装置で駆動する技術に関するものである。
非特許文献１には、「インバータでモータを駆動したとき、インバータ素子のスイッチングによって発生するサージ電圧がインバータの出力電圧に重畳され、モータの端子に印加されます。このサージ電圧が高い場合には、モータの絶縁に影響を与え、損傷に至った事例があります。本資料は、この事例を未然に防ぐため、インバータのサージ電圧発生のメカニズムとその対策について説明したものです。(第１頁、２行目〜６行目を抜粋記載)」との記載がある。
更に、非特許文献１には、「４００Ｖ級インバータでモータを駆動する場合のサージ電圧による絶縁の損傷対策として、以下の方法があります。(第３頁、第２行目〜第３行目を抜粋記載)」として、次のような記載がある。
「４．２サージ電圧を抑制する方法
サージ電圧を抑制するには、電圧の立上りを抑制する方法と、波高値を抑制する方法があります。
出力リアクトル
配線長が比較的短ければ、インバータの出力側にＡＣリアクトルを設置し、電圧の立上り(ｄｖ/ｄｔ)を抑制することによって、サージ電圧を低減することができます。(図４(１)参照)
ただし、配線長が長くなると、サージ電圧の波高値の抑制は困難になることがあります。
出力フィルタ
インバータの出力側にフィルタを設置し、モータの端子電圧の波高値を抑制します。(図４(２)参照)(第３頁、第６行目〜第１５行目を抜粋記載)」
なお、前記抜粋記載中での(図４(１)参照)及び(図４(２)参照)との括弧書きの中の「図４」とは、非特許文献１に記載されたものであり、本明細書に後述の図４とは、関係の無いものである。
社団法人 日本電機工業会「４００Ｖ級インバータで汎用モータを駆動する場合の絶縁への影響について」(１９９５年３月)
前記従来技術においては、本来ノイズ低減が目的であるＡＣリアクトルを用いる事によって、サージ電圧による巻線間絶縁劣化を回避するものの、一般的にＡＣリアクトルは、大型・高価なものであり、また、部品点数も増える為、設置スペース・コスト面で問題があるものであった。また、その他には、出力フィルタ、正弦波化フィルタを用いる方法もあるが、出力フィルタ、正弦波化フィルタも大型・高価なものである。
また、ＡＣリアクトルや出力フィルタ、正弦波化フィルタを用いる事によって、インバータからモータに供給される実効電圧が降下してしまう問題もあった。
前記従来の問題点に鑑み、本発明は、サージ電圧によって発生していたモータ巻線ターン間の絶縁劣化を改善すること、また、その際に小型化、コスト低減等を図ることや、ＡＣリアクトルや出力フィルタ、正弦波化フィルタの挿入による実効電圧低下を低減する事を目的とする。
前記課題に対し、モータ巻線に印加される印加電圧波形の立上り時間を変更する事によって、サージ電圧の影響を低減可能とする立上り時間変更部を設けるにおいて、本発明は、次の手順に従い、予め求めた第１の特性と、第２の特性に基づいて、モータ巻線のターン間でのサージ電圧の影響を低減する立上り時間変更部のインダクタンスを求めるものとする。
先ず、モータ巻線に印加される印加電圧の立上がり時間に対する、モータの巻線間で部分放電が発生しない電圧値(以下、この電圧値のことを耐サージ電圧と呼ぶ)の関係を示す第１の特性を求める。
この第１の特性から、モータの巻線ターン間に発生する部分放電の発生を低減可能とするインバータの印加電圧の立上がり時間(以下、この電圧の事をサージ電圧低減立上がり時間と呼ぶ)を得るものとする。
次に、インバータとモータとの間に設けるリアクトルのインダクタンスに対する印加電圧の立上がり時間の変化の関係を示す第２の特性を求める。
この第２の特性から、前記サージ電圧低減立上がり時間とする事の出来るインダクタンスを求める。当該求めたインダクタンスのリアクトルをインバータとモータ巻線との間に設ける。このリアクトルは、配線を巻いただけのものや、鉄心等を有さない空芯リアクトル等でも構わない。また、設ける位置も、インバータとモータ間の任意の位置であってもよく、インバータの設置される制御盤内、若しくは、インバータのケース内、モータのケース内であっても良い。
前記手順によって求めたインダクタンスの立上り時間変更部は、モータ巻線ターン間の絶縁劣化の原因と言われているサージ電圧の影響を、従来に比べて簡単な構成にて低減する事を可能とし、また小型、低コストにて提供可能とするものである。
本発明によれば、従来よりも信頼性の高いモータ駆動システムを提供できることとなる。
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
実施例の説明に先立ち、前記にて述べたサージ電圧によるモータ巻線ターン間での部分放電と呼ばれる放電現象の発生に関する説明をする。
なお、サージ電圧とは、インバータから配線系を介して、モータに電力が印加された場合に、配線系からモータへのインピーダンスの変化によって、電圧の反射波が発生し、この反射波がインバータに戻ると伴に、モータにも印加されることで生ずるものとされている。従って、サージ電圧の理論上の最大値は、印加される電圧の最大値の２倍となる。
図２に、モータのステータ巻線ターン間に印加される印加電圧の電圧波形を模式的に示す。図２に示すように、電力変換装置から出力され、モータに印加される印加電圧の電圧波形は、Ｖｐの電圧値まで垂直に立ち上がるのではなく、傾斜をもった立上りの電圧変化をし、ｔｒ秒後にＶｐの電圧値に立上がるものとする。ここで、図２の電圧波形Ｖinは、コイルの巻き始めの位置Ｍｓに前記印加電圧が到達した時の電圧波形とし、この時をｔ＝０とする。従って、図２のＶinの形状が示すように、ｔ＝０時には、巻き始めＭｓの電位は零である。
また、巻き終わりの位置Ｍｅの電位も零である。従って、巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとの間の電位差も零である。
図２に図示されるコイルは、界磁側であるステータのコイルを例示するものである。図２では、ステータに複数設けられるスロットの内の１つのスロットに格納されるコイルを示している。また、伝播時間Ｔは、前記印加された電圧波形がコイルの巻き始めＭｓから巻き終わりＭｅに伝播して到達する迄に要する時間を示す。
図２で示される印加される電圧のＶinは、ｔ＝０時で巻き始めＭｓに到達しているが、時間の経過と伴に、図２の表示図面で右側に伝播して進むものとし、Ｔ秒後には、巻き終わりＭｅに到達するものとする。
図３は、この図２に示す電圧波形の右方向への進行に基づく、巻き始めＭｓ、巻き終わりＭｅの電位変化を示すものである。図３(ａ)は、図に示すように立上り時間が短い場合であり、図３(ｂ)は、図に示すように立上り時間が長い場合である。
図３(ａ)で、ｔ＝０時で、零であった、巻き始めＭｓの電位ＶａＭｓは、ｔｒ秒後には、この電圧波形の立上がり時間がｔｒであるので、図３(ａ)で示すように、Ｖｐの電圧値となる。
また、ｔ＝Ｔ時になる迄、印加された電圧が巻き終わりＭｅに到達せず、巻き終わりＭｅの位置の電位ＶａＭｅは零であるので、巻き始めＭｓの電位ＶａＭｓの上昇に伴い、巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとの間の電位差（ＶａＭｓ−ＶａＭｅ）は、零からＶｐに向かって上がることとなる。そして、ｔ＝Ｔ時以降は、巻き終わりＭｅの電位ＶａＭｅの上昇に従い、電位差（ＶａＭｓ−ＶａＭｅ）は小さくなり、零になるような台形状の変化をする。
前記の説明は、図３(ａ)の短い立上り時間の場合について説明したが、長い立上り時間の場合の図３の(ｂ)でも、同様であるので、説明を省略する。
ところで、コイルに電圧が印加された場合に、コイルにおける任意の２点間の電位差の前記印加された電圧に対する百分率（パーセント）で表示したものを分担電圧と一般に呼ばれている。この分担電圧の大きさが、大きくなることで、モータ巻線ターン間での部分放電が生ずるものとされている。
図３を用いて、分担電圧の大きさと、立上り時間、伝播時間の関係を説明する。
図３では、コイルにおける任意の２点を巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとし、その２点間の電位差つまり分担電圧を示している。
図３から判るように、立上り時間が短い程、分担電圧は大きくなり、立上り時間が長くなる程、分担電圧は小さくなる傾向がある。これは、図３(ａ)の巻き始め・巻き終わり間の電位差波形（ＶａＭｓ−ＶａＭｅ）の最大値がＶｐであるが、図３(ｂ)の巻き始め・巻き終わり間の電位差波形（ＶｂＭｓ−ＶｂＭｅ）の最大値はＶｐよりも小さい値となっていることからも判る。
言い換えれば、印加電圧が急峻に立上がる場合は、分担電圧が大きくなり、印加電圧が緩やかに立上がる場合は、分担電圧が小さくなることになる。これは、報告されている事例に沿うものである。
なお、前記では、伝播時間と分担電圧との関係については、論じていないが、伝播時間が長くなると、分担電圧が大きくなり、伝播時間が短くなると分担電圧が小さくなる傾向がある。
また、電圧波の伝播する速さは一定であるので、伝播時間の大きさは、伝播する長さに比例することとなる。従って、コイルの長さが長くなると分担電圧が大きくなる。若しくは、分担電圧を測定するコイルにおける２点間の距離が長い場合の方が分担電圧が大きくなることとなる。
従って、前記図２、図３では、コイルの任意の２点間として、コイル内で最大の長さとなる巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとの間の分担電圧を検討することで、分担電圧が、より大きくなる場合の検討結果が得られるようにした。
なお、巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとの間の分担電圧が最大となっても、実際のスロット内にて、両者の巻き線部分が放電を開始する距離以上に離れて巻かれていれば、放電現象は生じない。しかしながら、コイルはスロット内に機械を用いて無作為に巻かれる為、巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとが放電を開始する距離以内に位置するように巻かれる場合が有り得る。
以上の状況を踏まえて、分担電圧による部分放電の発生に関する検討には、放電の発生し易い条件として、巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとが近接して、大きな分担電圧が発生する場合を仮定して検討を行った。逆の言い方をすれば、この条件にて、部分放電を低減する解決手段が見出せれば、その他の条件、状態であっても、部分放電は低減出来るものと推定される。
ここまでの説明では、説明を簡単とする為に、分担電圧の最大値を印加される電圧の１００％であるとしたが、実際には、１００％よりも低めの値となっている。
これまでの実験結果からも、立上がり時間０．１μｓで分担電圧８０％であり、８０％で概ね飽和している。このように分担電圧が飽和するのは、図２に図示している巻き線間の浮遊容量の影響であることが知られている。
前述の現象等を元にして、前記の第１の特性を求める為に、以下のような測定を行った。
この測定にあたっては、擬似的なサージ電圧を発生させる為に、出力される電圧値の大きさ、及び立上り時間を任意に可変可能とする試験装置を用いた。そして、当該試験装置からの擬似的なサージ電圧の出力を擬似的なモータ巻線に与えるものとした。擬似的なモータ巻線とは、前述したような部分放電の発生し易い条件に沿うもので、最大の伝播時間となり、大きな分担電圧が発生するようにして、さらに巻き始めＭｓと巻き終わりＭｅとを近接配置させる試験的なモータ巻線である。
前記測定装置等を用いる方法による巻線間の部分放電開始電圧の測定をすることで、分担電圧によって生ずる巻線間の部分放電開始電圧と立上り時間との関係を得るものとした。
なお、このように測定においては、試験的なサージ電圧発生の試験装置、試験的なモータ巻線を用いて測定するので、実際のモータ実装状態において、サージ電圧が印加された状態となるように、サージ電圧が実際に印加される印加時間等の種々の状態を加味して、測定結果の補正を行い、前記第１の特性を求めることとした。
そして、巻線間の部分放電開始電圧の測定と立上り時間に対する分担電圧の測定結果から解析を行った。なお、測定の対象とする標準のモータは、４００Ｖ級、２２ｋｗのものとした。
(１)前記試験装置の出力電圧の立上り時間を一定として、出力の電圧値を大きくしてゆき、モータ巻線で部分放電の発生する電圧値を測定する。
(２)前記(１)の測定について、立上り時間を０．０１μｓから１０μｓの間で変化させて測定する。
前記(１)(２)の測定の結果を図４に示す。
図４からは、任意の立上り時間において、部分放電が発生し始める電圧値を知ることが出来る。逆に言うと、部分放電が発生しないようにする為には、印加される電圧の立上り時間の大きさをどの程度にすれば良いかを知ることができ、この関係を前記の第１の特性として、使用するものとする。例えば、１５００Ｖｐの耐サージ電圧を得るには、立上がり時間を０．５μｓ以上にすると良い事が判る。
次に、前述した第２の特性を求める為に、以下のような測定を行った。
この測定にあたっては、出力される電圧値の大きさ、及び立上り時間を所定値とした出力をモータ巻線に与え、モータ巻線の入力端の前にリアクトルを介在させるものとした。
(１)モータ巻線に印加される立上り時間を所定の値とし、介在させたリアクトルのインダクタンスによって、変化した結果の立上がり時間を測定する。
(２)前記(１)の測定について、リアクトルのインダクタンスを０．０００１ｍＨから３０ｍＨ迄の間で変化させて測定する。
前記(１)(２)の測定の結果を図５に示す。
図５からは、所望の立上り時間とする為に必要となるリアクトルのインダクタンスの大きさを知ることができ、この関係を前記の第２の特性として、使用するものとする。
前述にて求めた第１の特性、第２の特性に基づく、本発明の実施の形態である実施例を以下に説明する。
本発明の実施例は、前記の測定結果をもとにして、リアクトルのインダクタンスを簡単に算出できるようにしたものである。図１は本発明の実施例の方法を示すフローチャートで、そのフローを説明する。
（１）モータの仕様等から部分放電を低減する為の目標とする耐サージ電圧を決定する。
（２）第１の特性から、目標とする耐サージ電圧となるようなサージ電圧低減立上り時間を決定する。
（３）第２の特性から、(２)で求めたサージ電圧低減立上り時間となるような挿入リアクトルのインダクタンスを決定する。
（４）インバータとモータ巻線との間に（３）で求めたインダクタンスを有するリアクトルを挿入する。
前記フローに基づいて、耐サージ電圧を１５００Ｖｐとした時に、サージ電圧の影響を低減し得るインダクタンスを求めると、０．０１ｍＨとの値が得られる場合があった。このインダクタンスを提供するリアクトルとしては、例えば鉄心の無いコイルや、空芯コイル等であってもよい。なお、実験によって、前記空芯コイルであっても、サージ電圧の影響を低減し、モートルの巻線間の部分放電を低減することで、サージの対策が可能である事を確認した。
図６に、様々な形態のリアクトルのインダクタンスと本実施例においてサージ電圧による絶縁劣化を低減可能とすると考えられるインダクタンスの相関関係を示す。
図６中の(１)の領域のインダクタンスとは、単なる配線のインダクタンスを示したものである。言い換えれば、何らのサージ電圧の影響を低減する為の対応を図っていないもので、他の形態との比較を示す為に記載したものである。よって、(１)の領域のインダクタンスにてインバータとモータ間が接続されていると、サージ電圧によって、絶縁劣化が生ずる場合がある。
図６の(２)(３)の領域のインダクタンスとなれば、サージ電圧の立上り時間を大きな値に変更できるので、サージ電圧の影響を低減出来ることとなる。
但し、(３)の領域では、サージ電圧の影響を低減可能であるが、モータに印加される実効電圧が低下してしまう可能性があり問題となる。
これに対し、(２)の領域は、前記実効電圧の低下が小さく、問題とならない範囲を示したものである。「配線を巻いたもの」、「空芯リアクトル」は重量・容積も小さく、また、実効電圧の低下も小さく、小型、低コスト化、既存設備への変更を小さくして、サージ電圧の影響を低減するものとして都合の良いものである。
これまでの説明は、標準の２２ｋｗのモータの機種について説明した。ところで、モータ容量が変わると前述したコイルの巻き始めから巻き終わりに至る迄の巻き線の長さが変わり、この巻き線の長さの変化に応じて、伝搬時間も変わる。その結果、前述の立上り時間と耐サージ電圧の関係も異なる。
例えば、モータ容量が小さくなるとモータ巻線中のサージ電圧伝播時間が短くなるため、図４中の耐サージ電圧のカーブは左側に移動し、図４での「伝播時間が短い」で示される特性となる。一方、モータ容量が大きくなるとモータ巻線中のサージ電圧伝播時間が長くなる為、耐サージ電圧のカーブは右側に移動し、図４での「伝播時間が長い」で示される特性となる。
図４に図示する「伝播時間が短い」「標準」「伝播時間が長い」の３つのモータについて、相対的な関係を説明する。図４で、「標準」は、標準のモータの２２ｋｗの特性に関するものである。これに対して、「伝播時間が短い」モータは、「標準」よりも小さい容量のモータであり、伝播時間も、「標準」の伝播時間の１／２の値である。また、「伝播時間が長い」モータは、「標準」よりも大きい容量のモータであり、伝播時間も、「標準」の伝播時間の２倍の値である。
図４に基づき、モータ容量の違いによる耐サージ電圧と立上り時間の関係を概説する。例えば、耐サージ電圧２０００Ｖｐを得るためには、「標準」のモータでは１μｓｅｃ以上の立上り時間が必要である。一方、「伝播時間が長い」モータについては、同じ２０００Ｖｐの耐サージ電圧を得るためには、２μｓｅｃ以上の立上り時間が必要となり、また「伝播時間が短い」モータでは０．５μｓｅｃ以上の立上り時間が必要となることが判る。
このように、サージ電圧の影響を低減する場合の立上り時間は、モータの容量によっても変わるものであり、その立上り時間とするリアクトルのインダクタンスも変わることになる。
また、前記説明では、耐サージ電圧の設定値を１５００Ｖｐとして説明してきたが、モータ容量が変わると、耐サージ電圧の設定値も異なってくる為、必要インダクタンスも変わる場合がある。
また、リアクトルを介在させることによって、電圧降下が発生することがあるが、サージ電圧を低減する為のリアクトルの設置によって、モータに印加される実効電圧が必要以上に低下するのは好ましくない。
以上の説明のように、サージ電圧の影響を低減する為に用いるリアクトルのインダクタンスは、一律に定まるものではなく、前述の説明も含め、電力変換装置、モータ、及びそれらを有するシステムの使用状態、条件、用途などに応じて、変わるものである。従って、このようなモータ機種、耐サージ電圧の設定値の違い、実効電圧の低下及び安全率等を考慮し、サージ電圧の影響を低減する為に用いるリアクトルのインダクタンスを、以下の３つの範囲に規定する。
（１）第１の範囲(０．０４ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下の範囲)
この範囲は、図４の「伝播時間が長い」場合の測定結果を元に求めたものである。図４から、０．０４ｍＨ使用時で２０００Ｖｐのサージ電圧に耐え、０．２ｍＨ使用時で２３００Ｖのサージ電圧に耐えうるものである。
この範囲は、上限値を０．２ｍＨとしており、ほぼ全てのモータの機種において、サージ電圧の影響を低減可能とするものである。なお、０．２ｍＨ程度になると、容積、重量も大きくなる傾向であるが、従来のＡＣリアクトルと比較しても、まだ小さいと言えるものである。
（２）第２の範囲(０．００４ｍＨ以上で０．０４ｍＨ以下の範囲)
この範囲は、図４の「伝播時間が長い」場合の測定結果を元に求めたものである。図４から、０．００４ｍＨ使用時で１５００Ｖｐのサージ電圧に耐え、０．０４ｍＨ使用時で２０００Ｖｐのサージ電圧に耐えうるものである。
この範囲の場合、前記第１の範囲のように、ほぼ全てのモータの機種において、サージ電圧の影響を低減可能とするものではないが、実効電圧の低下が問題とならない程度に小さいと言う特徴がある。なお、０．００４ｍＨ近傍のリアクトルを使用すると、１５００Ｖｐのサージ電圧に対しては、サージ電圧の影響の低減を図る為の調整が必要となる場合も想定される。しかしながら、多くの機種のモータに対して、サージ電圧の影響を低減可能とするものである。
なお、０．０４ｍＨ程度のリアクトルでは、容積、重量は小さくなり、小型軽量化に有利である。
（３）第３の範囲(０．０００３ｍＨ以上で０．００４ｍＨ以下の範囲)
この範囲は、図４の「標準」場合の測定結果を元に求めたものである。図４から、０．０００３ｍＨ使用時で１５００Ｖｐのサージ電圧に耐え、０．００４ｍＨ使用時で１８００Ｖｐのサージ電圧に耐えうるものである。
この範囲の場合、前記(１)(２)と比較すると、容積、重量は小さくなり、小型軽量化に有利となる特徴がある。
なお、「伝播時間が短い」モータと「標準」のモータには、この範囲のリアクトルの使用によって、サージ電圧の影響を低減可能とするが、図４の「伝播時間が長い」モータでは、前記(１)(２)と比較するとサージの低減が困難なものとなる。従って、「伝播時間が長い」のモータには、この(３)の範囲のリアクトルを使用せず、前記(１)(２)の範囲のリアクトルを使用する必要の場合が想定される。しかしながら、一般的に「伝播時間が長い」のモータは、容積、重量が比較的に大きなものであり、前記(１)(２)の範囲のリアクトルを使用したとしても、小型軽量化の点での問題は小さいと言える。
なお、実効電圧の低下については、前記(２)の範囲のリアクトルよりも、更に小さな値の低下とすることが出来る。
前記３つの範囲を規定したが、これに限定されるものではない。例えば、各々の範囲を以下のような範囲としても良い。
(ア)０．０００３ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下の範囲、(イ)０．０００３ｍＨ以上で０．０４ｍＨ以下の範囲、(ウ)０．０００３ｍＨ以上で０．００４ｍＨ以下の範囲
上記(ア)〜(ウ)の範囲は、上限値にて規定されるリアクトルの容積、重量に着目したものであり、例えば小型化を図る場合、図６に示すような外形寸法の目安となるものである。
以上のように、範囲分けは、本実施例に基づくリアクトルの使用について、対応可能なモータの機種の範囲、実効電圧の低下の度合い、容積、重量の値等についての特徴に着目して、適宜設定するものであって良い。
図５においては、リアクトルが無い状態（配線のみ）の立上がり時間は０．２５μｓであり、その時の耐サージ電圧は１４００Ｖｐである。耐サージ電圧の目標を１５００Ｖｐとした場合、モータ巻線間で絶縁劣化が生じる可能性があり、耐サージ電圧を上げる対策が必要となる。
従来、サージ電圧による絶縁破壊の対策として用いられてきたＡＣリアクトルの場合、立上り時間が２５μｓとなり、立上り時間を充分鈍らせる事ができ、巻線間の絶縁劣化は発生しない事がわかるが、システムの大型化・高価が問題となる。
一方、本実施例による配線を巻いただけのリアクトル（０．０１ｍＨ）を挿入した場合、立上り時間を１μｓ程度まで鈍らせる事ができ、耐サージ電圧の目標１５００Ｖｐを充分クリアする事ができる。なお、０．０１ｍＨのインダクタンスを有するリアクトルは、必ずしも鉄心等のコアを必要とせず、空芯コイルであっても充分得ることは可能である。例えば、線材を直径１０ｃｍ程度の直径のリング状として、９〜１６巻き程度巻くことで、鉄心等のコアを設けなくとも、前記０．０１ｍＨ程度のインダクタンスを得る事が可能である。この巻き数、直径等に関する設計は、以下の(数１)の式にて、求める事が出来る。
Ｌ＝ｋ＊μ＊π＊（ａ＊ａ）＊（Ｎ＊Ｎ）／ｂ （Ｈ） (数１)
ここで、各係数は、以下である。
ｋ：長岡係数、μ：＝４＊π＊１０＾−７、
ａ：コイル半径(ｍ)、ｂ：コイル長さ(ｍ)、Ｎ：コイル巻き数
なお、３相交流にて駆動する場合には、前記リング状の所謂空芯コイルを各相毎に設ける必要があり、都合３個設けることとなる。
図７〜図１２を用いて本発明の実施例を説明する。
図７は、インバータと呼ばれている電力変換装置１にてモータ４を駆動するシステムにおいて、電力変換装置１の中に前述したようなインダクタンスのリアクトルを有する立上り時間変更部７を収納したものである。
一般にインバータと呼ばれている電力変換装置１は、その構成部として、電源供給部からの交流電力を直流電力に変換する順変換部２０、順変換部２０の出力を平滑する平滑部２２、直流電力を交流電力に変換する逆変換部２４、少なくとも前記逆変換部２４を制御する制御部２６を有して、筐体２８の中に収められているものである。従来のＡＣリアクトル、出力フィルタ、正弦波化フィルタを用いる方法では、ＡＣリアクトル、出力フィルタ、正弦波化フィルタが、これらの逆変換部２４、制御部２６等と比べると容積、重量が大きく、前記同一の筐体内部に設けることが困難であった。もし、電力変換装置１の筐体内部に設けるとすると、前記筐体２８の形状を変更する必要があった。
しかしながら、本実施例の立上り時間変更部７は、従来のＡＣリアクトル、出力フィルタ、正弦波化フィルタ等よりも小さなものであり、例えば、前述の空芯コイル程度の大きさであっても、サージ電圧を低減可能である。この程度の大きさであれば、電力変換装置１の筐体２８の大幅な設計変更をすることなく、図７で示すように、電力変換装置１の筐体２８の内部に立上り時間変更部７を設けることができ、電力変換装置にてモータを駆動するシステムを、小型、軽量化、低コストにて提供可能となるものである。
図８は、制御盤２の中に設けられた電力変換装置１を使用して、モータ４を駆動するシステムにおける実施例を説明するものである。
図８の実施例では、制御盤２の中に前述したようなインダクタンスのリアクトルを有する立上り時間変更部７を収納したものである。前記立上り時間変更部７の設置場所として、制御盤２に設けると、設置工事の手間が省けたり、立上り時間変更部７の為の設置場所を設ける等の作業を不要にする等の便利な点がある。
また、本実施例における立上り時間変更部７として、前述のインダクタンスのリアクトル、空芯コイル等であれば、制御盤２の収納筐体３０の形状を大幅に変更すること無く、比較的容易に前述のリアクトル、空芯コイル等を、図８に示すように制御盤２の内部に設置可能となる。
図９〜図１１は、前述したようなインダクタンスのリアクトルを有する立上り時間変更部７をモータ４と一体構造とした実施例を示すものである。
図９は、前述したようなインダクタンスの立上り時間変更部７をモータ４の筐体の内部に設けることを模式的に示した図である。図１０は、モータに電力を印加する際に、電力変換装置等から出力された駆動用の電力を電気的にモータに結線、印加する為の端子等が設けられる端子箱８の中に、前述したようなインダクタンスの立上り時間変更部７を設けることを模式的に示した図である。
また、図１１は、前述の立上り時間変更部としての空芯コイル、リアクトル等をモータ４の外周に巻くようにして設ける実施例を模式的に示した図である。この空芯コイル、リアクトル等を外周に巻く場合の巻き方は、モータ４を支持する筐体の外側に巻いて設けるものであってもよいし、モータ４を空芯コイル、リアクトル等で巻いた上から筐体で覆うようにするもの、即ち、モータ４を支持する筐体の内側に巻いて設けるものであってもよい。
図９〜図１１の実施例では、モータ、若しくはモータの付属部位(端子箱等)の内部に、前述の立上り時間変更部としての空芯コイル、リアクトルなどを設置し、サージ電圧の影響の低減を可能としたものである。勿論、モータ、若しくはモータの付属部位の内部に限定されるものではなく、モータ、若しくはモータの付属部位の近傍、または隣接して、立上り時間変更部が設けられるものであっても良い。いずれにしても、この実施例に係るモータを使用することにより、電力変換装置、制御盤等のシステムの構成を大幅に変更することなく、サージ電圧の影響の低減を図るシステムを構成できる。
図１２は、電力変換装置１とモータ４の配線であるケーブル３を配線途中で、例えばコイル状巻いて敷設することにより前述したようなインダクタンスのリアクトルを有する立上り時間変更部７を設けた構成を示す図である。勿論、ケーブル３の一部を巻くだけでなく、空芯コイル、リアクトル等を有して構成される別体の立上り時間変更部をケーブル３の任意の位置に介在させるように設けるものであってもよい。この実施例の場合は、サージ電圧の影響を低減させる等のメンテナンス時に、空芯コイル、リアクトル等を有して構成される別体の立上り時間変更部を、ケーブル３の途中等に、適宜介在させるような工事をするものであってよい。または、電力変換装置１とモータ４を有するシステムの構築時に、電力変換装置１とモータ４とを配線、接続するケーブル３の途中に、前記立上り時間変更部を予め設けるようにされるものであっても良い。
これらの実施例にて説明したように，システム中の制御盤・電力変換装置及びモータの構造を大幅に変更しなくとも、本実施例の立上り時間変更部７は、例えば、配線を設ける程度のスペースに設けることが可能であり、サージ対応システムを従来に比べて比較的容易に構成できる。
前述のように、本発明に基づく実施例によれば、サージ電圧に対して、従来と比較して、簡単な構成によって、対応可能となる。
簡単な構成とは、配線を巻いただけ等の容量のリアクトル等を電力変換装置の出力部とモータの巻線の間の任意の位置に設置した構成等があげられる。
表１に、ある機種の標準モータの重量・容積を１００％とした時の標準インバータ・標準ＡＣリアクトル・正弦波化フィルタ・配線を巻いただけのもの（本実施例）の相対比較値を示す。
Figure 2006020430
サージ電圧による絶縁劣化抑制用の従来のＡＣリアクトルや出力フィルタ、正弦波化フィルタは、標準モータに対し、重量・容積ともにそれぞれ約３０％、約４５％を占めている。また、標準インバータに対して重量は２５０〜３５０％程度、容積はほぼ同等である為、ＡＣリアクトルや出力フィルタ、正弦波化フィルタを挿入する事で、システム構成が大型となってしまう。
一方、本実施例を適用したもので、例えば配線を巻いただけのものは、標準モータに対し重量・容積ともに２〜３％程度と軽量・小型である。従って、この程度の重量・容積のものならば、インバータ、モータ間に設置される制御盤等に収納する事、若しくはインバータ、モータの内部に設けることができ、インバータ、モータを有する設備の構造変更等の大幅なものが不要となり、小型化や低コスト化が図れることとなる。
また、ＡＣリアクトルや出力フィルタ、正弦波化フィルタを挿入する事により問題となる実効電圧の低下を低減できる。
本発明の実施例を示すフローチャート 巻線に進入するサージ電圧の位置表示 分担電圧発生原理 立上り時間と耐サージ電圧の関係 インダクタンスと立上り時間の関係 リアクトル種類、インダクタンス及び絶縁劣化開始の上限・下限の関係 立上り時間変更部をインバータに内蔵した構造 立上り時間変更部を制御盤に内蔵した構造 モータ内部に立上り時間変更部を設置した構造 モータ端子箱内に立上り時間変更部を設置した構造 電力供給装置−モータ間のケーブルをモータ外周に巻付け、立上り時間変更部とした構造 電力供給装置−モータ間のケーブルを立上り時間変更部とした構造
符号の説明
１…電力変換装置、２…制御盤、３…ケーブル、４…モータ、５…ＡＣリアクトル、
６…正弦波化フィルタ、７…立上り時間変更部

Claims (11)

  1. 直流電力を交流電力に変換する逆変換部と、
    前記逆変換部を制御する制御部と、
    少なくとも前記逆変換部と前記制御部を支持する筐体とを有し、
    モータを駆動する電力を出力する電力変換装置であって、
    前記逆変換部から出力される電圧波形の立上り時間を変更する立上り時間変更部を前記筐体内に設けることを特徴とする電力変換装置
  2. 請求項１記載の電力変換装置であって、
    前記立上り時間変更部は、０．０００３ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下のインダクタンスを有するリアクトルであることを特徴とする電力変換装置。
  3. 電力変換装置から出力された電力によって、駆動されるモータであって、
    電力変換装置から出力された電力の印加される端子と、
    前記端子を支持する筐体である端子箱とを有し、
    電力変換装置から出力された電圧波形の立上り時間を変更する立上り時間変更部を前記端子箱の内部に設けることを特徴とするモータ。
  4. 電力変換装置から出力された電力によって、駆動されるモータであって、
    電力変換装置から出力された電圧波形の立上り時間を変更する立上り時間変更部を前記モータを支持する筐体の内部に設けることを特徴とするモータ。
  5. 請求項４記載のモータであって、
    前記立上り時間変更部を前記モータの外周に巻くことで設けることを特徴とするモータ。
  6. 請求項３から５の何れかに記載のモータであって、
    前記立上り時間変更部は、０．０００３ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下のインダクタンスを有するリアクトルであることを特徴とするモータ。
  7. 電力変換装置とモータとを有し、
    前記電力変換装置から出力された電力を前記モータのモータ巻線に印加して駆動するモータ駆動システムにおいて、
    前記モータ巻線に印加される電圧波形の立上り時間を変更する立上り時間変更部を前記電力変換装置と前記モータ巻線との間に設け、
    前記立上り時間変更部は、０．０００３ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下のインダクタンスを有するリアクトルであることを特徴とするモータ駆動システム。
  8. 前記請求項７記載のモータ駆動システムにおいて、
    前記立上り時間変更部は、空芯リアクトルであることを特徴とするモータ駆動システム。
  9. 電力変換装置から出力された電力をモータ巻線に印加してモータを駆動するモータ駆動システムをメンテナンスするモータ駆動システムのメンテナンス方法であって、
    モータ巻線に印加される電圧波形の立上り時間を変更する立上り時間変更部を電力変換装置とモータ巻線との間に設け、
    前記立上り時間変更部として、０．０００３ｍＨ以上で０．２ｍＨ以下のインダクタンスを有するリアクトルを用いることを特徴とするモータ駆動システムのメンテナンス方法
  10. 前記請求項９記載のモータ駆動システムのメンテナンス方法において、
    前記立上り時間変更部は、空芯リアクトルであることを特徴とするモータ駆動システムのメンテナンス方法。
  11. 請求項９記載のモータ駆動システムのメンテナンス方法において、
    電力変換装置を収納する収納筐体の内部に前記立上り時間変更部を設けることを特徴とするモータ駆動システムのメンテナンス方法。
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