JP2007028892A - 変速機用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧の危険を回避しながら、電動機の制御／指令用周波数変換装置の制御ユニットに、課電後すぐに給電可能となる電源装置を提供する。
【解決手段】外部網５から主直流母線１５に給電するためのサイリスターＫ１、Ｋ２、Ｋ３を有する主整流モジュール１０、主母線１５から電動機に可変指令電圧を送出するインバータモジュール３０、外部網５に接続された補助整流モジュール２０、サイリスターに指令を行う電子制御ユニット５０、主整流モジュール１０及び補助整流モジュール２０から制御ユニット５０に給電を行う電源モジュール２９を有する変速機。制御ユニット５０により制御される切換装置４０により、電源モジュール２９と補助整流モジュール２０の切離しが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、電動機の制御／指令用周波数変換器型変速機に関する。特に、本発明は、変速機の制御ユニットの電源装置、及び、変速機の課電方法に関する。

既知のように、周波数変換器型変速機は、主直流母線上に直流電圧（例えば、電動機の使用条件に応じて４００〜８００Ｖｄｃ程度）を供給するために、外部の交流電源（例えば、３８０Ｖａｃ三相電流網）から送られてくる電圧を整流する役割を担う主整流ブリッジ又はモジュールを有する。変速機は、さらに、可変周波数振幅電圧により三相電動機にこの主母線から指令を送る役割を担うインバータモジュールを有する。このために、主整流モジュールとインバータモジュールは、例えば整流モジュールには各位相がダイオード１つとサイリスター１つで構成されたもの、インバータモジュールには各位相がパワートランジスタ２つとダイオード２つで構成されたものといった電力半導体電子部品を備える。

電子制御ユニットは、特に、主整流モジュールのサイリスターとインバータモジュールのトランジスタを制御する役割を担う。この制御ユニットは、通常は、変速機のチョッパー電源（又はＳＭＰＳ型電源：Ｓｗｉｔｃｈ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）により給電される。

チョッパー電源は、通常、主母線の電圧から給電される。しかしながら、変速機を課電（powered up）する際、主母線はまだ充電されておらず、従って、電流を供給することはない。チョッパー電源は、このように、制御ユニットを給電できず、従って、このユニットには主整流モジュールのサイリスターを制御することは不可能であり、そのため、主母線の充電を妨げる。従って、主母線がまだ充電される前の変速機の課電時のために、チョッパー電源用のもう１つの追加電源を提供する必要がある。

この追加電源は、各位相に対して１つの整流ダイオードを有し、三相外部電源とチョッパー電源の間につながれた補助整流モジュールから送られてもよい。この追加電源は、このように、チョッパー電源につながれた補助直流母線を供給し、これにより、主整流モジュールのサイリスターが制御でき、それにより主直流母線に給電を行うよう、変速機の課電直後からこの電源が制御ユニットに給電を行うことが可能となる。

しかしながら、このタイプの電源構造では、特に変速機の（保護回路に検出されない）わずかな接地漏れの場合、あるいは長い動力シールドケーブルを使用した場合（特に指令対象電動機が変速機から離れている、又は変速機が複数の電動機を並行して制御する場合）に、主母線、補助母線及び場合により生じる外部網を通る大地帰路の間にループがおこることがある。この場合、主母線の電圧が高い場合、例えば電動機の制動時に、補助母線の重大な過電圧のリスクを招き、チョッパー電源及び／あるいは補助母線の性能に損傷あるいは破損の危険が生じる。

この現象を避けるため、二つの別個のチョッパー電源を使用するという対策がある。第一の電源は主母線に接続され、インバータモジュールのパワートランジスタを制御する役割を担う制御ユニットに給電を行う。第二の補助電源は、補助母線に接続され、少なくとも発動時に主整流モジュールの電力サイリスターを制御する役割を担う制御ユニットに給電を行う。しかし、この解決策は、コストが高く、かさばる。

もう一つの対策は、電力サイリスターを必要とせず、従って、主母線を充電するための制御ユニットを必要とせずに、主整流モジュール内で抵抗及び整流ダイオードのみを用いるというものである。しかしながら、この解決策は、高電力抵抗と嵩のあるコネクタの使用を必要とするため、小さな変速機用としてしか実現が望めない。その上、この解決策では、主母線の充電を徐々に制御的に開始することはできない。

このことから、本発明は、チョッパー電源により、上述の過電圧の危険を回避しながら、変速機の課電後すぐに変速機の制御ユニットに給電が可能となる解決策を提案し、これらの欠点を補うことを提案する。

このため、本発明は、外部配電網から主直流母線に給電するための電力サイリスターを有する主整流モジュール、主母線から電動機に可変指令電圧を送出するインバータモジュール、外部配電網に接続された補助整流モジュール、電力サイリスターに指令を行う電子制御ユニット、主整流モジュール及び補助整流モジュールから制御ユニットに給電を行う電源モジュールを有する電動機用変速機を記述する。変速機は、電源モジュールと補助整流モジュール間につながれた、制御ユニットにより制御される切換装置を有する。

一つの特徴によれば、第一抵抗は電源モジュールと補助整流モジュール間に接続され、値が第一抵抗を下回る第二抵抗が電源モジュールと主母線間に接続される。

もう一つの特徴によれば、切換装置は、制御ユニットにより指令される指令コイル、及び、電源モジュールと補助整流モジュール間につながれた開閉式接点を備えたリレーを有する。

本発明は、また、電源モジュールが補助整流モジュールから給電される第一工程、制御ユニットが主直流母線を充電するために電力サイリスターを操作する第二工程、制御ユニットが電源モジュールと補助整流モジュール間に置かれた切換装置を開放する第三工程を有する変速機の課電方法も記述する。

その他の特性や利点は、例として示し、添付図面に図示した実施の態様を参照した以下の詳細な説明から明らかになり、図面において、
図１は、チョッパー電源につながれた主整流モジュール及び補助整流モジュールを使用した周波数変換器型変速機の簡易図を示し、
図２は、このような周波数変換器内の大地帰路を図示し、
図３、４は、地絡時の、第一、第二電流ループの流路に等しい図を示し、
図５は、本発明に従った切換装置を備えた図１の変速機を示し、
図６は、切換装置の一つの実施態様の詳細を示す。

図１を参照すると、周波数変換器型変速機は、例えば非同期電動機といった三相電動機Mの速度を調整し、指令する役割を担う。このような変換器は、三相電気網といった外部電源５により給電される。変速機は、通常、主直流母線１５を充電するために、電気網の各位相に対し、電力サイリスターＫ１、Ｋ２、Ｋ３、及びダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３といった電力半導体電子部品を有する主整流モジュール１０を有する。

変速機は、また、可変振幅周波数の指令電圧を用いて電動機Mに指令を送るための電力半導体電子部品を有するインバータモジュール３０を有する。インバータモジュール30は、主母線15により給電され、電動機Mの電源の各位相Ｕ、Ｖ、Ｗに対し、二つのパワートランジスタＱ１-Ｑ２、Ｑ３-Ｑ４、Ｑ５-Ｑ６を有する。

通常、３８０〜４６０Ｖａｃ程度の三相外部網を用いた場合、主母線１５の電圧値は、電動機の動作に従い、およそ４００〜８００Ｖｄｃで変動してもよい。主母線１５の電圧は、電動機の制動時に約８００Ｖｄｃまで増大してもよいわけであるが、この電圧値は変速機により常に制御される。

インバータモジュール３０及び主整流モジュール１０の電力半導体部品は制御ユニット５０により制御される。この制御ユニットは、主整流モジュール１０及びインバータモジュール３０を制御するために、一つあるいは複数の別個のユニットにより構成されてもよい。制御ユニットは、好ましくはチョッパー電源型の、変速機の電源モジュール２９により給電される。この電源モジュール29は、通常は、主母線１５により給電され、特に変速機の一つあるいは複数の制御ユニットの操作に必要な一つあるいは複数の低直流電圧（例えば５Ｖ、１２Ｖ及び／あるいは２４Ｖｄｃ）を送出する。

しかしながら、変速機の課電時には、主母線１５はまだ充電されておらず、従って、電流を供給することはできない。電源モジュール２９は、従って、制御ユニット５０に給電を行うことはできず、制御ユニットもまた、主整流モジュール１０のサイリスターＫ１、Ｋ２、Ｋ３を制御することはできないことから、主母線１５の充電を妨げる。従って、主母線１５が充電され安定する前の変速機の課電時のために電源モジュール２９用の追加電源を供給することが必要である。

このため、変速機は、補助直流母線２５を充電するために、電気網の各位相に対してダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６を有する、外部電気網５に接続された補助整流モジュール２０を有する。この補助母線２５は、第一抵抗Ｒ１を介し電源モジュール２９につながれている。この補助整流モジュール２０により、制御ユニット５０は、主母線を充電するために主整流モジュール１０の電力サイリスターＫ１、Ｋ２、Ｋ３を制御できるよう変速機の課電後すぐに給電が可能となる。

電源モジュール２９は、カソードが電源モジュール２９側に向けられたダイオードＤ７に直列な第二抵抗Ｒ２を介し主母線１５につながれている。第二抵抗Ｒ２の値は、第一抵抗Ｒ１の値を下回る。従って、主母線１５の電圧が利用可能な場合、電源モジュール２９は、抵抗Ｒ１とＲ２の値の関係から、おもに、補助母線２５よりも、主母線１５により給電される。

好ましくは、第一抵抗Ｒ１の値は、課電時に補助母線２５の充電電流を制限できるよう、充分に高い（例えば、１００オーム程度）ものである。この制約により、電源モジュール２９が常に補助母線２５のみにより給電されることは、Ｒ１の値が高いことにより消費も高くなることから、望ましくないことを意味する。そのため、第二抵抗Ｒ２は、いったん主母線が充電された後は、主母線１５によるモジュール２９の給電を優先するよう、より低い値（例えば、およそ１０オーム程度）とする。

主母線の正線１５と負線１６の間には、図上で吸収インピーダンスＺＳにより簡略的に示された吸収回路（スナバ回路）がある。この吸収回路は、抵抗及び容量を備えた回路ＲＣ、あるいは、好ましくは、ダイオードに並列な抵抗及びダイオードに直列な容量及び抵抗を備えた回路ＲＣＤである。また、主母線の線１５、１６上に示された配線インダクタンスＬ１もある。また、主母線の正線１５と負線１６の間には、主母線容量ＣＰがあり、補助母線の正線２５と負線１６の間には、補助母線容量ＣＡがある。これらの母線容量は、通常、電解質であり、母線の段階的な充電を促し、従って、母線の充電電流が制限される。

図１の実施態様によれば、第二抵抗Ｒ２は電源モジュール２９に直接つながれた接続ノード２１と主母線１５の間に接続され、第一抵抗Ｒ１は接続ノード２１と補助母線２５の間に接続される。等価の態様によれば、第二抵抗Ｒ２を接続ノード２１と電源モジュール２９の間に設置してもよい。この場合、電源モジュール２９と補助母線２５間の抵抗値はＲ１＋Ｒ２に等しく、電源モジュール２９と主母線１５間の抵抗値はＲ２に等しいのみで、Ｒ１＋Ｒ２を下回ることになる。

図２は、電動機Mの一つの位相、この場合は位相Ｕ、と外部配電網５間のコモンモードインピーダンスＺｃ−ｍｏｄｅを介した接地を示す図１の変速機を示す。このような可能性は、インピーダンスＺｃ−ｍｏｄｅがこの種の地絡に対する通常の保護装置が発動しないほどに十分高い状況で、わずかな地絡（電動機の位相と大地間の軽度の短絡）がおきた場合に生じる。このような可能性は、また、地絡を伴わず、長い動力シールドケーブルを使用した際、つまり、電動機が変速機から離れている場合、あるいは同一の変速機を用いて複数の小さな動力機を並行して制御する場合に生じることもある。

このような接地が起きた場合、提案する給電原理は、電動機の位相Ｕを介した接地を想定した導通パワートランジスタＱ２、Ｑ１による図３、４上にその等価の図が示されているループを生じさせることがある。

図３、４では、変速機は電動機制動中の状態であり、それにより、Ｖｂｒａｋｅで示される主母線１５の高電圧が生じている。図３の第一ループ流路は、外部網５の大地インピーダンスＺｅａｒｔｈ及びインピーダンスＺｃ−ｍｏｄｅを介した接地ループ、及び、インバータモジュール３０のトランジスタＱ２、主母線の電圧生成器Ｖｂｒａｋｅ、補助母線容量ＣＡ、電源モジュール２９、第一抵抗Ｒ１、補助整流モジュール２０のダイオードＤ４、Ｄ５又はＤ６のいずれか一つ、正交流位相／大地電圧Ｖ１を送出する外部網５を通る直通流路である。この第一ループ流路では、大地電流は直接補助母線２５を通って流れ、補助母線容量ＣＡを充電する。電気網５の大地インピーダンスＺｅａｒｔｈは、特に電気網のトポロジー（ＴＴ、ＴＮ又はＩＴ）に依存する。

図４の第二のループ流路は、交流電圧Ｖ１が負の場合、またトランジスタＱ１が導体である場合に生じる非直通流路である。この場合、大地電流は、直接補助母線２５や補助母線容量ＣＡを通って流れることはない。しかし、Ｑ１、Ｑ２間の切換時、あるいは、大地電流の変化時に、ダイオードＤ１、Ｄ２又はＤ３のいずれか一つの電流帰還が、補助母線２５を充電することもある。

充電効果は、大地インピーダンス合計Ｚｃ−ｍｏｄｅ＋Ｚｅａｒｔｈの値、電圧値Ｖ１、Ｑ１、Ｑ２の切換周波数に依存する。主母線１５の電圧が高く、例えば、Ｖｂｒａｋｅ＝８００Ｖであり、第一抵抗Ｒ１がおよそ１００オーム程度である時、補助母線２５の電圧は、この電圧が主母線１５の電圧のように制御されないため、最大１４００Ｖｄｃまでの値に達することがある。このような電圧は、補助母線容量ＣＡ及び電源モジュール２９に重大な損傷を与えることがある。

このため、本発明は、望ましく、補助整流回路２０から電源モジュール２９を絶縁することが可能になる図５に示される切換装置４０を設け、それにより、図３、４に示されるようなループを防いでいる。この切換装置４０は、制御ユニット５０により指令５１を介して制御される。好ましくは、この装置は、開閉式、つまり通常は図６に詳細が示されるように閉じた状態である接点４２に作用する指令コイル４１を有する。指令５１がオン状態でない場合、接点４２は導通状態であり、電源モジュール２９は、補助整流モジュール２０につながれる。指令５１がオン状態である場合、接点４２は開放状態であり、電源モジュール２９を補助整流モジュール２０から絶縁する。

指令５１は、例えば、このユニットが適切な測定手段を用いて主母線１５の電圧が所定の主母線１５が電源モジュール２９に給電が行えるのに充分な閾値と等価、あるいは上回ることを検出した場合に、制御ユニット５０によりオン状態となる。

変速機の課電方法は、次の通りである。
第一工程では、切換装置４０が通常閉じており、従って、指令５１上に電圧がない状態で導体となっているため、変速機の課電時に、第一抵抗Ｒ１を介して補助整流モジュール２０が電源モジュール２９に素早く給電を行えるようにする電圧を外部網５が供給する。この工程により、制御ユニット５０が課電される。
第二工程では、制御ユニット５０が給電されている場合、このユニットは、外部網５の電圧から主直流母線１５を充電するために、主整流モジュール１０のサイリスターＫ１、Ｋ２、Ｋ３を制御する。この工程の間、主母線１５が稼働可能になった場合、電源モジュール２９は、おもに主母線１５により第二抵抗Ｒ２を介して給電され、Ｒ２はＲ１を上回る。
第三工程では、制御ユニット５０が、電源モジュール２９を補助整流モジュール２０から絶縁し、それにより、図３、４に示されるような起こりうる寄生ループ流路を回避するよう、電源モジュール２９と補助整流モジュール２０間に置かれた切換装置４０を開放する。このために、制御ユニット５０は、例えば主母線１５の電圧の閾値超過に続いて、あるいはさらに単純に、制限時間超過後に指令５１を送出する。

本発明の範囲を逸脱することなく、他の態様や細部改良の発想、均等手段の利用も考案可能であることはもちろんである。

チョッパー電源につながれた主整流モジュール及び補助整流モジュールを使用した周波数変換器型変速機の簡易図である。 周波数変換器内の大地帰路を示す図である。 地絡時の、第一電流ループの流路に等しい図を示す図である。 地絡時の、第二電流ループの流路に等しい図を示す図である。 本発明に従った切換装置を備えた図１の変速機を示す図である。 切換装置の一つの実施態様の詳細を示す図である。

Claims (11)

1. 外部配電網（５）から主直流母線（１５）に給電するための電力サイリスター（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３)を有する主整流モジュール（１０）、
   主母線（１５）から電動機（Ｍ）に可変指令電圧を送出するインバータモジュール（３０）、
   外部配電網（５）に接続された補助整流モジュール（２０）、
   電力サイリスター（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）に指令を送る電子制御ユニット（５０）
   主整流モジュール（１０）、補助整流モジュール（２０）から制御ユニット（５０）に給電を行う電源モジュール（２９）
   を有する電動機（Ｍ）用変速機であって、
   電源モジュール（２９）と補助整流モジュール（２０）間につながれた、制御ユニット（５０）により制御される切換装置（４０）を有することを特徴とする変速機。
2. 切換装置（４０）が制御ユニット（５０）により指令される指令コイル（４１）、及び電源モジュール（２９）と補助整流モジュール（２０）間につながれた開閉式接点（４２）を備えたリレーを有することを特徴とする請求項１に記載の変速機。
3. 制御ユニット（５０）が主母線（１５）の電圧測定手段を有し、主母線の電圧が所定の閾値を上回った場合に切換装置（４０）の開放を指令することを特徴とする請求項１に記載の変速機。
4. 第一抵抗（Ｒ１）が電源モジュール（２９）と補助整流モジュール（２０）間に接続され、値が第一抵抗（Ｒ１）を下回る第二抵抗（Ｒ２）が電源モジュール（２９）と主母線（１５）間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の変速機。
5. ダイオード（Ｄ７）が電源モジュール（２９）と主母線（１５）間に第二抵抗（Ｒ２）に直列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の変速機。
6. 補助整流モジュール（２０）が外部網の各位相に対してダイオード（Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６）を有することを特徴とする請求項１に記載の変速機。
7. 主整流モジュール（１０）が外部網の各位相に対してサイリスター（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）及びダイオード（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を有することを特徴とする請求項１に記載の変速機。
8. 電動機（Ｍ）電源の各位相に対し、インバータモジュール（３０）が制御ユニット（５０）に制御される２つのパワートランジスタ（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６）を有することを特徴とする請求項１に記載の変速機。
9. 電源モジュール（２９）がチョッパー電源モジュールであることを特徴とする請求項１に記載の変速機。
10. 外部配電網（５）から主直流母線（１５）に給電するためのサイリスター（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）を有する主整流モジュール（１０）、
    主母線（１５）から電動機（Ｍ）に可変指令電圧を送出するインバータモジュール（３０）、
    外部配電網（５）に接続された補助整流モジュール（２０）、
    電源モジュール（２９）により主整流モジュール（１０）、補助整流モジュール（２０）から給電され、電力サイリスター（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に指令を送る電子制御ユニット（５０）
    を有する変速機の課電方法において、
    電源モジュール（２９）が補助整流モジュール（２０）から給電される第一工程、
    制御ユニット（５０）が主直流母線（１５）に充電するために電力サイリスター（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）を操作する第二工程、
    制御ユニット（５０）が電源モジュール（２９）と補助整流モジュール（２０）間に置かれた切換装置（４０）を開放する第三工程
    を有することを特徴とする変速機の課電方法。
11. 制御ユニット（５０）が、主母線（１５）の電圧が所定の閾値を上回った場合に切換装置（４０）を開放することを特徴とする請求項１０に記載の課電方法。

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