JP2006507787A - 高速電気モーター用電力供給回路 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの磁気軸受を有する電気モーターに用いる電力制御システム（１２）であって、
主電源（１４）に接続された直流リンクバス（１７９）より給電される直流−直流変換器（１８）を含み、該直流リンクバス（１７）は、電気モーター及び軸受作動装置に給電し、
該直流−直流変換器（１８）は、モーター制御装置（２３）、軸受制御装置（２４）及び監視制御装置（２６）へ低電圧直流電力を供給し、
該監視制御装置（２６）は該モーター制御装置（２３）及び該軸受制御装置（２４）と通じており、該監視制御装置（２６）により主電源をモニターすることによって、主電源（１４）の停電時に、モーターを発電機として作動させて直流リンクバス（１７）に給電して磁気軸受の運転を維持し、
回路スイッチコンポーネントがモーター巻線に接続されており、モーター巻線電圧が直流リンクバス（１７）の電圧より高い間だけ、モーター巻線で発生した電流が一方向に直流リンクバス（１７）に流れるように該回路スイッチコンポーネントを選択的に切り替えるように構成されている、
ことを特徴とする電力制御システム（１２）。

Description

本発明は高速電気モーターに用いる電力供給システムに関し、特に磁気軸受を有する電気モーターに用いる電力供給システムに関する。

国際公開第WO98/33260号公報には、冷却用圧縮機のモーターとして特に適する高速電気モーターが記載されている。そのようなモーターは、例えばオーストラリア特許第686174号に記載されているタイプの圧縮機に用いることができ、回転部品のサスペンションとして磁気軸受を用いることができる。

磁気軸受の公知の難点としては、システムが停電し、モーターへの給電が途絶えた時に磁気軸受にいかにして給電するか、という問題がある。電池などの補助電源またはバックアップ電源をシステムで用いる方法は知られているが、そのような補助電源はコストが比較的高く、主電源停電時に補助電源に切り替えるための制御装置（switching controls）が余分に必要である。また、電池には寿命があり、一般的に２年ごとの交換が必要となる。これにより、システムのコストは更に高くなる。

従って、磁気軸受を有する高速電気モーターに用いる電力供給システムであって、主電源の停電時に磁気軸受への給電を維持できる、改良された電力供給システムの提供が望まれている。

また、主電源の停電時から回転部品が停止するまでの期間中に高速電気モーターの磁気軸受に連続的に給電することができる電力供給システムの提供も望まれている。

また、高速電気モーターに用いる制御装置であって、制御条件下に回転子の回転速度を減速させることができる、改良された制御装置の提供が望まれている。

また、磁気軸受を有する高速電気モーターに用いる、比較的安価な電力供給制御装置であって、効率的な運転及び、磁気軸受への実質的なフェールセーフ（fail safe）給電が可能な電力供給制御装置の提供が望まれている。

発明の概要
本発明の１つの態様によれば、少なくとも１つの磁気軸受を有する電気モーターに用いる電力制御システムであって、
主電源に接続された直流リンクバス（DC link buss）より給電される直流−直流変換器（DC-DC converter）を含み、該直流リンクバスは、電気モーター及び軸受作動装置に給電し、
該直流−直流変換器は、モーター制御装置、軸受制御装置及び監視制御装置へ低電圧直流電力を供給し、
該監視制御装置は該モーター制御装置及び該軸受制御装置と通じており、該監視制御装置により主電源をモニターすることによって、主電源の停電時に、モーターを発電機として作動させて直流リンクバスに給電して磁気軸受の運転を維持し、
回路スイッチコンポーネント（circuit switching components）がモーター巻線に接続されており、モーター巻線電圧が直流リンクバス電圧より高い間だけ、モーター巻線で発生した電流が一方向に直流リンクバスに流れるように該回路スイッチコンポーネントを選択的に切り替えるように構成されている、
ことを特徴とする電力制御システムが提供される。

本発明は、回転子が磁気軸受のみによって支持されている高速電気モーターに好ましく適用することができる。また、本発明は磁気軸受と気体軸受を組み合せて用いる電気モーターにも適用できる。

直流リンクバスは、平常使用時に主電源より充電されるコンデンサーを少なくとも１つ有することが好ましい。コンデンサーは、発電機として作動するモーターと共に、モーターを最高速度から停止させ、モーターが停止するまでの期間中磁気軸受の運転を維持するために十分な電力を供給する。モーターが停止させるまでの期間中モーターを発電機として作動させることにより、モーターやその他の回転部に蓄えられた運動エネルギーを抽出し、迅速かつ安全に回転子を停止するための電気ブレーキとして作用する。モーターが停止するまでの期間中、発電機として作動しているモーターより電力が連続的に直流リンクバスに供給され、直流リンクバスより、磁気軸受作動装置だけでなく、直流−直流変換器及び数個の制御装置に無停電電源（uninterruptable power supply）が供給される。

本発明の他の１つの態様によれば、磁気軸受を用いる高速直流電気モーターの運転を主電源の停電の際に停止する方法であって、
主電源に接続された高圧直流バス（high voltage DC buss）よりモーター及び磁気軸受に給電し、
磁気軸受制御装置及びモーター制御装置に低圧直流電力を供給するための直流−直流変換器（DC-DC converter）を提供し、
スイッチ装置を用いてモーター運転を制御し、そして
該主電源の停電を感知しモーター制御装置に信号を送ることを含み、
該停電を感知した際にスイッチ装置を選択的に制御することにより、最初に残存モーター電流を該バスに供給し、
バス電圧が所定値を下回る時を検出してモーター巻線を短絡し、
短絡によりモーター巻線に電流が流れ始めた直後に短絡を除去することにより巻線電圧をバス電圧より高くし、
モーター巻線で得られた電流を該バスに供給し、
モーターが停止するまで選択的制御を繰り返す
ことを特徴とする方法が提供される。

本発明の１つの実施態様によれば、電力制御システムは、直流バスの正側とモーター巻線の各端との間、及び直流バスの負側とモーター巻線の各端との間にそれぞれスイッチを有し、モーター巻線に流れる電流の向きを切り替えることができる。各スイッチは並列に接続されたダイオードを有する。バスにおける電圧降下測定などにより主電源の停電を感知した時、全スイッチをオフにし、モーター巻線に残存している電流をバスに供給する。バス電圧が再度降下したらすぐに、適当なスイッチを閉じることによりモーター巻線を短絡し、次いでスイッチを開くことにより短絡で得られた電流をダイオードを介してバスに供給する。

この制御方法においては、バス電圧が降下した時にモーターを発電機として機能させることを実現するために公知のモーター制御用絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）スイッチを用いる。この制御システムでは、回転子位置を追跡する必要がなく、また、回転子位置の関数としてのスイッチングを制御する必要がない。スイッチを全て開くことにより、モーターが発電機として作動することをダイオードが可能にし、モーターで得られた電流をバスに供給し、モーター停止までバス電圧を維持するための内蔵コンデンサーを補助する。

以下、本発明の１つの実施態様について、添付の図面に参照して説明する。

発明の詳細な説明
図１に参照する。電力制御システム１２はブリッジ整流器１６を介して三相交流電源１４に接続されている。直流リンクバス（DC link buss）１７より直流−直流変換器（DC-DC converter）１８、磁気軸受作動装置１９及び電気モーター用電源２１に直流電力が供給される。モーター停止用の貯蓄電力の緩衝器として大コンデンサー２２またはコンデンサーバンクが直流リンクバス１７に接続されている。この実施態様では、直流リンクバスの電圧は１，０００Ｖであり、コンデンサー、あるいは複数のコンデンサーは、他の電力源が無くても約０．１〜約１．５秒でモーターを停止させることができるだけの容量を有する。

直流−直流変換器１８は、モーター制御装置２３、軸受制御装置２４及び監視制御装置へ低電圧直流電力を供給する。なお、この実施態様において、監視制御装置はコンピューター２６である。また、直流−直流変換器１８は、磁気軸受に関連した種々のセンサーや、磁気軸受作動装置１９や電気モーター用電源２１を制御するために用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）（図示しない）にも低圧電力を供給する。磁気軸受作動装置１９とそれに関連する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）、及び電気モーター用電源２１とそれに関連する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は公知であり、詳細な説明はしない。種々の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）に送られるゲートドライブ信号はそれぞれ軸受制御装置２４とモーター制御装置２３で得られ、電気モーター軸受の所望の作動パラメータを与える。

主交流電源１４の停電時に、交流電力モニター２７より監視コンピューター２６に信号が送られる。また、直流−直流変換器１８を介して監視コンピューター２６によりバス電圧をモニターし、コンデンサー２２における電圧降下を検出することにより停電を検出することもできる。停電が検出されると、モーター制御装置２３により絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を操作することにより残存モーター電流を直流リンクバスに供給し、次いでスイッチを開くことによりモーター巻線の電流をモーター磁界に対して逆向きにし、電気モーターを発電機として作動させる。

図２に参照する。モーター制御装置２３により制御される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）スイッチ２８は、回転子位置によりモーター巻線２９を直流リンクバス１７に接続する。図２においてはスイッチ２８は４つ示されているが、三相モーターにおいては、６つのスイッチが提供される。

各スイッチ２８は、モーター電流と逆向きの極性を有する並列ダイオード３１を有する。電力モニター２７により停電を検出した時またはコンデンサー２２における電圧降下を検出した時、全てのスイッチをオフにし（すなわち開き）、モーター巻線２９における残存電流を対応するダイオード３１を介してバス１７に供給する。これによりバス電圧が瞬時に上昇する。バス電圧が再度降下したらすぐに、ＳＷ１とＳＷ３またはＳＷ２とＳＷ４を閉じてモーター巻線２９を短絡し、モーター巻線において即座に電流を発生させる。短絡によりモーター巻線に電流が流れ始めた直後にスイッチを再度開いて短絡を除去することにより巻線電圧をバス電圧より高くし、モーター巻線で得られた電流をコンデンサー２２に戻す。

上記の構成により、モーター巻線２９における電圧や回転子の相対位置を制御システムが認識する必要が無くなる。モーター巻線２９で得られた電流は、ダイオード３１を介して直流リンクバスへ一方向にだけ流れ、巻線電圧が直流リンクバス１７の電圧より高い期間にだけ流れる。

停電が検出されると、モーター制御装置２３によりスイッチが作動し、停電期間またはモーター停止時までモーターを発電機として確実に作動させることが理解されよう。

モーター発電機２１により得られた電力は直流リンクバス１７に供給され、磁気軸受１８への給電が維持される。モーター２１から電力を抽出することにより、回転子が電気的に制動され、潜在的に危険な運動エネルギーを回転シャフトから取り除く。モーターが停止するまでの期間中に得られた電力とコンデンサー２２に蓄えられた電力により、磁気軸受１８と制御装置２３及び２４への給電を十分な時間維持し、モーター２１及び関連する回転部品が停止することを可能にする。

図３は、図１及び２のシステムにおける監視制御装置２６のプログラムの制御アルゴリズムを示す。プログラムはボックス３２（「停電の検出」）から始まり、停電は電力モニター２７により検出されるか、コンデンサー２２における電圧低下を検出することにより検出される。この時点ではスイッチ２８は全て開いており、モーターは発電機として作動し（発電機モードボックス３３）、モーター巻線２９における残存電流は対応するダイオード３１を介してバス１７に流される。プログラムボックス３４はスイッチ２８（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IBGT））を制御し、バス１７に電流を供給してバス電圧を上昇することを含む。この電流の反転が起こるとスイッチ２８が開く（ボックス３５）。バス電圧が再び降下すると、ＳＷ１とＳＷ３またはＳＷ２とＳＷ４を閉じ（ボックス３６）モーター巻線２９を短絡する。巻線電流が所定値を上回る場合（ボックス３７）、プログラムは終了ボックス４０に移る。巻線電流が所定値よりも高くない場合、プログラムはボックス３８に移り、ＳＷ１とＳＷ３またはＳＷ２とＳＷ４（いずれかオンになっていた方の対）を開く。次に、ボックス３９において、バスにおける電圧上昇を検出し、巻線電流が所定値を上回る場合、プログラムは終了ボックス４０に移る。モーター巻線における電圧が所定値を下回る場合、プログラムはボックス３６に戻り、上記工程を繰り返す。

本発明の一つの形体においては、電気モーターが冷却用圧縮機に用いられる場合、制御コンピューターが停電を感知すると共に圧縮機から荷重を取り除くように作動する。

モーター速度、モーターと関連する回転部品の慣性、及びその他モーターにかかる外力によって、２〜３秒のモーター停止時間が達成できる。モーター２１を発電機として作動させ、直流リンクバス１７に給電することによって、モーターを停止させる期間中コンデンサー２２の電荷を維持することができる。モーターを停止させる期間中に磁気軸受への電力供給を維持することによって、軸受の損傷を防止でき、モーターを安全に停止させることができる。

本発明による電力制御システムのブロック図である。 単相モーター用の制御スイッチを示す概略回路図である。 図１及び図２に示すシステムの制御アルゴリズムの流れ図である。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの磁気軸受を有する電気モーターに用いる電力制御システムであって、
   主電源に接続された直流リンクバスより給電される直流−直流変換器を含み、該直流リンクバスは、電気モーター及び軸受作動装置に給電し、
   該直流−直流変換器は、モーター制御装置、軸受制御装置及び監視制御装置へ低電圧直流電力を供給し、
   該監視制御装置は該モーター制御装置及び該軸受制御装置と通じており、該監視制御装置により主電源をモニターすることによって、主電源の停電時に、モーターを発電機として作動させて直流リンクバスに給電して磁気軸受の運転を維持し、
   回路スイッチコンポーネントがモーター巻線に接続されており、モーター巻線電圧が直流リンクバス電圧より高い間だけ、モーター巻線で発生した電流が一方向に直流リンクバスに流れるように該回路スイッチコンポーネントを選択的に切り替えるように構成されている、
   ことを特徴とする電力制御システム。
2. 該回路切換スイッチコンポーネントが、モーター巻線の第一端と該直流リンクバスの正側との間、及び、モーター巻線の第一端と該直流リンクバスの負側との間にそれぞれ接続された第一スイッチ及び第二スイッチ、及びモーター巻線の第二端と該直流リンクバスの正側との間、及び、モーター巻線の第二端と該直流リンクバスの負側との間にそれぞれ接続された第三スイッチ及び第四スイッチ、及び
   各スイッチに接続された、通常のモーター電流に対抗するための並列ダイオード
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
3. 該第一スイッチと第三スイッチ又は該第二スイッチと第四スイッチをオンにしてモーター巻線において電流を発生し、該電流が発生した直後に該スイッチをオフにすることによりモーター巻線における電圧を該直流リンクバスの電圧より高くし、該電流を直流リンクバスへ流すように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
4. 該スイッチが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）であり、停電検出時に該スイッチを開いて残存モーター電流を対応する該並列ダイオードを介して該直流リンクバスに供給して直流リンクバス電圧を上昇させ、直流リンクバス電圧が降下し始めた時に該第一スイッチと第三スイッチ又は該第二スイッチと第四スイッチを閉じてモーター巻線を短絡させて即座にモーター巻線に電流を発生し、次いで該スイッチを開くことによりモーター巻線電圧を直流リンクバス電圧より高くし、モーター巻線において発生した電流を該直流リンクバスに供給するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力制御システム。
5. 該モーター巻線から供給されるモーター停止用電力を蓄電するためのコンデンサーが該直流リンクバスの正側と負側との間に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力制御システム。
6. 磁気軸受を用いる高速直流電気モーターの運転を主電源の停電の際に停止する方法であって、
   主電源に接続された高圧直流バスよりモーター及び磁気軸受に給電し、
   磁気軸受制御装置及びモーター制御装置に低圧直流電力を供給するための直流−直流変換器を提供し、
   スイッチ装置を用いてモーター運転を制御し、そして
   該主電源の停電を感知しモーター制御装置に信号を送ることを含み、
   該停電を感知した際にスイッチ装置を選択的に制御することにより、最初に残存モーター電流を該バスに供給し、
   バス電圧が所定値を下回る時を検出してモーター巻線を短絡し、
   短絡によりモーター巻線に電流が流れ始めた直後に短絡を除去することにより巻線電圧をバス電圧より高くし、
   モーター巻線で得られた電流を該直流バスに供給し、
   モーターが停止するまで選択的制御を繰り返す
   ことを特徴とする方法。
7. 該バスにコンデンサーを提供することによりモーター停止用の貯蓄電力の緩衝器を提供することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. バス電圧が所定値を下回る時を検出する工程を、該バスに供給される電流の反転を検出することにより達成することを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 該スイッチ装置が、モーター巻線の両端と該バスの正側及び負側の間にそれぞれ接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）スイッチ、及び各スイッチに並列に接続されたダイオードを含み、該ダイオードによりモーターが発電機として機能して該直流バスに電流を供給することにより、モーターが停止するまでバス電圧を維持できるよう該コンデンサーを補助する
   ことを特徴とする請求項７の方法。

Images