JP2007060852A - 誘導電動機の可変速駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ及び電動機損失を増加させて抵抗チョッパを小容量化または不要にし、インバータの出力電流を定格電流まで有効利用する。電動機の出力トルクに影響しない可変速駆動装置を提供する。
【解決手段】オープン巻線の誘導電動機を駆動する各インバータの制御回路は、電動機を流れる零相電流を検出する手段４５と、零相電流検出値と指令値との偏差を求める加算手段４６と、前記偏差をゼロにするように調節動作して零相電圧指令値を出力する調節手段４７と、零相電圧指令値を元の電圧指令値に加算して各インバータの出力電圧指令値を演算する加算手段４８とを備え、誘導電動機の制動時に零相電流を増加させるように制御し、インバータ及び電動機損失を大きくして抵抗チョッパを小容量化または不要にする。
【選択図】図３

Description

この発明は、オープン巻線の誘導電動機をインバータにより可変速駆動するようにした誘導電動機の可変速駆動装置に関する。

図６は、誘導電動機をインバータにより駆動する可変速駆動装置の主回路構成を示している。図６において、１０は三相交流電源、２０はダイオードブリッジからなる整流器、Ｃは直流中間電圧を平滑する平滑コンデンサ、３０は制動抵抗器Ｒと半導体スイッチング素子ＳＷとの直列回路からなる抵抗チョッパ、４０は三相電圧形インバータ、ＩＭ’は三相誘導電動機である。

上記構成において、誘導電動機ＩＭ’の制動時にはインバータ４０を介して直流中間回路に回生電力が供給される。この回生電力により直流中間電圧が所定値以上に上昇したことを電圧検出器（図示せず）により検出した場合に抵抗チョッパ３０内のスイッチング素子ＳＷをオンすることにより、回生電力を制動抵抗器Ｒにより消費して交流電源１０に電力を回生しないようになっている。
ここで、図６に示すパワーフローのように、制動電力から電動機損失とインバータ損失とを差し引いた電力が、制動時に直流中間回路に供給される回生電力となる。

一方、システムを大容量化するための技術として、誘導電動機ＩＭをオープン巻線とし、各相の巻線に接続した単相インバータにより各相独立に電流を制御して誘導電動機を可変速駆動する技術が知られている。このようにオープン巻線の誘導電動機を単相インバータにより駆動する場合、電動機に零相電流を流すことが可能であるが、零相電流はトルクの発生に寄与しないため通常はゼロに制御される。
なお、オープン巻線の誘導電動機を複数台のインバータにより駆動する技術としては、例えば、川畑良尚，那須基志，川畑隆夫による「オープン巻線交流電動機と２台の空間電圧ベクトル変調インバータを用いた高効率低騒音電動機駆動方式」（電気学会論文誌Ｄ，Vol.122，２００２年５月号，p.430-p.438）等が知られており、この文献には大容量かつ設計自由度の大きい可変速駆動装置が紹介されている。

さて、図６において、制動電力に占める電動機損失及びインバータ損失の割合は小さいため、誘導電動機をオープン巻線として大容量化するにつれて制動電力が大きくなり、必然的に回生電力も大きくなる。従って、この回生電力を消費させるための抵抗チョッパ３０の容量も大きくせざるを得ず、これが装置全体の大型化、高価格化の一因となっている。

抵抗チョッパを小容量化し、あるいは不要にするためには、電動機損失やインバータ損失を増加させればよく、この点に着目した従来技術として以下のものが公知となっている。
まず、特許文献１では、誘導電動機のＶ／ｆ制御において、インバータの出力電圧と出力周波数との比に関し、減速制御時の値が加速制御時の値よりも大きくなるように制御して許容範囲内で誘導電動機を過励磁状態とし、電動機内部の熱損失を増加させている。
特許文献２では、直流中間回路に回生電力（または回生電流）検出器を設け、誘導電動機の制動時に回生電力（または回生電流）検出値に応じてインバータの出力電圧指令値を増大し、誘導電動機の過励磁により、熱的許容範囲内において電動機内部の熱損失を増加させている。
更に、特許文献３では、誘導電動機が減速運転したり誘導電動機からインバータに回生電力が供給される場合に、インバータの各相ごとの信号波に対し、それぞれ異なる搬送波を用いてＰＷＭ信号を演算し、電動機内部の高調波損失を増加させている。

特開平４−２４８３９７号公報（段落［０００７］〜［００１０］、図１等） 特開平７−７９８１号公報（段落［０００６］〜［００１０］、図１等） 特開２００１−２２４１９１号公報（段落［０００７］〜［００１０］，［００２２］〜［００３０］、図６〜図９等）

特許文献１，２に記載されているように過励磁状態にして誘導電動機の損失を増加させる方法では、電動機の磁束を増加させるために固定子と回転子との間に働く電磁吸引力が大きくなると共に、磁気飽和が生じて磁束の歪みも増加する。この結果、電動機の異常な振動や騒音を発生させる不都合があるため、電動機損失の増加にも限界がある。また、このような問題が生じることからインバータの定格電流値まで電動機電流を流すことができず、インバータの利用率を高くできないという問題がある。
更に、特許文献３に記載された従来技術では、誘導電動機に高調波電流を流すことになるので電動機のトルクリプルが大きくなり、上記と同様に振動や騒音等の問題が生じる。

そこで本発明の解決課題は、各特許文献に記載されているよりも一層効果的に電動機等の損失を増加させて回生電力を低減させ、インバータの出力電流を定格電流まで有効利用させると共に、過励磁状態や高調波電流の流入を回避して振動や騒音等を発生させないようにした可変速駆動装置を提供することにある。

まず、図１は本発明が適用されるインバータ・モータユニット５０の回路構成を示しており、オープン巻線の誘導電動機ＩＭと、その各相巻線６１，６２，６３に交流電力を供給する単相インバータ４１，４２，４３とから構成されている。なお、単相インバータ４１，４２，４３の直流側は一括して後述する抵抗チョッパ３０に接続されている。４０は単相インバータ４１，４２，４３からなる単相インバータ群を示す。

本発明では、システムを大容量化するために、オープン巻線の誘導電動機ＩＭを単相インバータ４１，４２，４３により可変速駆動するシステムを対象としており、この種のシステムでは、誘導電動機ＩＭの制動時に直流中間回路に供給される回生電力が大きくなる点に着目してなされたものである。このような回路構成においては、各相独立した電流制御が可能であると共に零相電流を自由に制御できる特徴があり、また、零相電流は、誘導電動機ＩＭの励磁巻線に磁束を作らない電流成分であるため、装置本来の可変速制御に必要な発生トルクに影響を与えることもない。
つまり本発明の要旨は、オープン巻線の誘導電動機の零相電流を制御することで電動機及びインバータにおける損失を増加させ、これによって抵抗チョッパの小容量化を可能にしたものである。

すなわち、請求項１に記載した発明は、オープン巻線の誘導電動機の各相巻線に単相インバータがそれぞれ接続され、これらの単相インバータにより誘導電動機を可変速駆動すると共に、単相インバータから電源側に電力を回生しないようにした誘導電動機の可変速駆動装置において、
各インバータの制御回路は、誘導電動機に流れる零相電流を制御する手段を備え、誘導電動機の制動時に、前記零相電流を増加させるものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
各インバータの制御回路は、誘導電動機を流れる零相電流を検出する手段と、この手段により検出した零相電流検出値と零相電流指令値との偏差を求める手段と、前記偏差をゼロにするように調節動作を行って零相電圧指令値を出力する調節手段と、この調節手段から出力された前記零相電圧指令値を元の電圧指令値に加算して各インバータの出力電圧指令値を演算する手段と、を備え、
誘導電動機の制動時に、前記零相電流指令値を大きくして誘導電動機を流れる零相電流を増加させるものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
誘導電動機の制動時に、各インバータの出力電流実効値が各インバータの定格電流実効値以下となるように前記零相電流を増加させるものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１または２において、
誘導電動機の制動時に、各インバータの出力電流ピーク値が各インバータの定格電流ピーク値以下となるように前記零相電流を増加させるものである。

請求項１，２に記載した発明によれば、オープン巻線の誘導電動機の制動時に零相電流を増加させることにより、本来の可変速制御に必要な発生トルクに影響を与えることなく電動機損失及びインバータ損失を増加させ、制動電力からこれらを差し引いた回生電力を低減させて直流中間回路の抵抗チョッパを小容量化あるいは不要にすることができる。
請求項３に記載した発明によれば、インバータの出力電流実効値が定格電流実効値以下となるように零相電流を制御することにより、請求項１の発明による効果に加えて、インバータの温度上昇を規定値以下に収めることができ、また、インバータの電流容量を最大限に利用することができる。
請求項４に記載した発明によれば、インバータの出力電流ピーク値が定格電流ピーク値以下となるように零相電流を制御することにより、請求項１の発明による効果に加えて、インバータを構成する半導体スイッチング素子の遮断電流を規定値以下に収めることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図２、図３は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１，２の発明に相当している。まず、図２において、図６と同様に１０は三相交流電源、２０はダイオードブリッジからなる整流器、Ｃは直流中間電圧を平滑する平滑コンデンサ、３０は制動抵抗器Ｒと半導体スイッチング素子ＳＷとの直列回路からなる回生電力消費用の抵抗チョッパであり、この抵抗チョッパ３０の両端には、図１に示したインバータ・モータユニット５０が接続されている。

図３は、インバータ・モータユニット５０内の単相インバータ４１，４２，４３の制御回路を示している。
図３において、４５は零相電流検出手段であり、単相インバータ４１，４２，４３から各相巻線６１，６２，６３に供給される相電流Ｉ_ａ，Ｉ_ｂ，Ｉ_ｃ（図１参照）に基づいて零相電流検出値Ｉ_０を演算するものである。この零相電流検出値Ｉ_０は加算手段４６に入力されて零相電流指令値Ｉ_０ ^＊との偏差が求められ、この偏差（Ｉ_０ ^＊−Ｉ_０）は零相電流調節手段４７に入力される。

零相電流調節手段４７では、前記偏差（Ｉ_０ ^＊−Ｉ_０）を零にするような調節動作を行って零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊を出力する。この零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊は加算手段４８に入力され、誘導電動機ＩＭを可変速制御するための各相の電圧指令値Ｖ^＊と加算されて最終的なインバータ出力電圧指令値Ｖ_ＩＮＶ ^＊が生成され、この出力電圧指令値Ｖ_ＩＮＶ ^＊に従って単相インバータ４１，４２，４３のスイッチング素子がオンオフ制御されることになる。

ここで、誘導電動機ＩＭの駆動時には零相電流指令値Ｉ_０ ^＊をゼロに設定し、誘導電動機ＩＭの制動時には、零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を所定の値に設定する。なお、誘導電動機ＩＭの制動運転は電動機ＩＭの発生トルクや直流中間電圧を検出することにより判別可能である。

誘導電動機ＩＭの制動時に零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を所定の値に設定することにより、偏差（Ｉ_０ ^＊−Ｉ_０）が増加する。このため、零相電流調節手段４７から出力される零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊も増加することとなり、この零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊を含んだ出力電圧指令値Ｖ_ＩＮＶ ^＊が与えられる単相インバータ４１，４２，４３から誘導電動機ＩＭに零相電流指令値Ｉ_０ ^＊通りの零相電流が流れて単相インバータ４１，４２，４３及び誘導電動機ＩＭにおける損失を増加させることができる。従って、制動電力からこれらの損失を差し引いた回生電力を低減させ、またはゼロにすることができ、図２の抵抗チョッパ３０の小容量化を可能とし、あるいは抵抗チョッパ３０自体を不要にすることができる。

次に、図４は本発明の第２実施形態の動作を示す波形図であり、請求項３に記載した発明に相当する。この実施形態における主回路及び単相インバータ４１，４２，４３の制御回路の構成は第１実施形態と同様であり、異なるのは零相電流指令値の制御方法である。
この実施形態では、単相インバータ４１，４２，４３の出力電流実効値が、図４（ａ）に示すインバータ定格電流の実効値Ｉ_ＮＲＭＳ以下となるように、図３における零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を設定する。

図４（ｂ）は、本来の可変速制御に必要なインバータの出力電流Ｉ_１に零相電流Ｉ_０を加えて得たインバータ出力電流Ｉ_１０と、インバータ出力電流の実効値Ｉ_{１０ＲＭＳ}とを示した波形図であり、ここではインバータ出力電流の実効値Ｉ_{１０ＲＭＳ}がインバータ定格電流の実効値Ｉ_ＮＲＭＳと等しくなるように零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を設定している。すなわち、零相電流指令値Ｉ_０ ^＊をゼロから最大値Ｉ_０までの間で制御することにより、インバータ出力電流の実効値Ｉ_{１０ＲＭＳ}をインバータ定格電流の実効値Ｉ_ＮＲＭＳ以下に制御することができる。
これにより、インバータの電流容量を最大限に利用しながらインバータの温度上昇を規定値に収めることができ、しかもインバータ損失及び電動機損失を増加させることが可能となる。

次いで、図５は本発明の第３実施形態の動作を示す波形図であり、請求項４に記載した発明に相当する。この実施形態における主回路及び単相インバータ４１，４２，４３の制御回路の構成も第１実施形態と同様であり、異なるのは零相電流指令値の制御方法である。
この実施形態では、単相インバータ４１，４２，４３の出力電流ピーク値が、図５（ａ）に示すインバータ定格電流のピーク値Ｉ_{Ｎｐｅａｋ}以下となるように、図３における零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を設定する。

図５（ｂ）は、本来の可変速制御に必要なインバータの出力電流Ｉ_１に零相電流Ｉ_０を加えて得たインバータ出力電流Ｉ_１０と、インバータ出力電流のピーク値Ｉ_{１０ｐｅａｋ}とを示した波形図であり、ここではインバータ出力電流のピーク値Ｉ_{１０ｐｅａｋ}がインバータ定格電流のピーク値Ｉ_{Ｎｐｅａｋ}と等しくなるように零相電流指令値Ｉ_０ ^＊を設定している。この実施形態では、零相電流指令値Ｉ_０ ^＊をゼロから最大値Ｉ_０までの間で制御することにより、インバータ出力電流のピーク値Ｉ_{１０ｐｅａｋ}をインバータ定格電流のピーク値Ｉ_{Ｎｐｅａｋ}以下に制御することができる。
これにより、インバータを構成する半導体スイッチング素子の遮断電流を規定値に収めることができ、更に、インバータ損失及び電動機損失を増加させることが可能となる。

本発明の各実施形態におけるインバータ・モータユニットの構成図である。 本発明の第１実施形態を示す構成図である。 図１における単相インバータの制御回路を示す図である。 本発明の第２実施形態の動作を示す波形図である。 本発明の第３実施形態の動作を示す波形図である。 誘導電動機の可変速制御装置の主回路構成図である。

符号の説明

１０：三相交流電源
２０：整流器
３０：抵抗チョッパ
４０：単相インバータ群
４１，４２，４３：単相インバータ
４５：零相電流検出手段
４６，４８：加算手段
４７：零相電流調節手段
５０：インバータ・モータユニット
６１，６２，６３：巻線
ＩＭ：オープン巻線誘導電動機
Ｃ：平滑コンデンサ
ＳＷ：半導体スイッチング素子
Ｒ：制動抵抗器

Claims (4)

1. オープン巻線の誘導電動機の各相巻線に単相インバータがそれぞれ接続され、これらの単相インバータにより誘導電動機を可変速駆動すると共に、単相インバータから電源側に電力を回生しないようにした誘導電動機の可変速駆動装置において、
   各インバータの制御回路は、
   誘導電動機に流れる零相電流を制御する手段を備え、
   誘導電動機の制動時に、前記零相電流を増加させることを特徴とする誘導電動機の可変速駆動装置。
2. 請求項１に記載した誘導電動機の可変速駆動装置において、
   各インバータの制御回路は、
   誘導電動機を流れる零相電流を検出する手段と、
   この手段により検出した零相電流検出値と零相電流指令値との偏差を求める手段と、
   前記偏差をゼロにするように調節動作を行って零相電圧指令値を出力する調節手段と、
   この調節手段から出力された前記零相電圧指令値を元の電圧指令値に加算して各インバータの出力電圧指令値を演算する手段と、を備え、
   誘導電動機の制動時に、前記零相電流指令値を大きくして誘導電動機を流れる零相電流を増加させることを特徴とする誘導電動機の可変速駆動装置。
3. 請求項１または２に記載した誘導電動機の可変速駆動装置において、
   誘導電動機の制動時に、各インバータの出力電流実効値が各インバータの定格電流実効値以下となるように前記零相電流を増加させることを特徴とする誘導電動機の可変速駆動装置。
4. 請求項１または２に記載した誘導電動機の可変速駆動装置において、
   誘導電動機の制動時に、各インバータの出力電流ピーク値が各インバータの定格電流ピーク値以下となるように前記零相電流を増加させることを特徴とする誘導電動機の可変速駆動装置。

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