JP2007518384A - ３相交流可変速モータ - Google Patents

Abstract

３相交流可変速モータは、電気工学の分野におけるモータ速度調整技術に関する。前記３相交流可変速モータは、交流モータ本体と逆起電力生成器とを含み、この逆起電力生成器は交流モータ本体の３つの固定子巻線の端部に接続される。前記逆起電力生成器の直流電圧、出力電圧、及び出力位相は可変的である。従来技術のようにモータからエネルギーを抽出し、この抽出エネルギーを電気回路に戻すことによってモータの速度を調整するのではなく、本発明はモータに逆起電力を与えてモータのエネルギーの一部を打ち消し、直流電圧の大きさを調整することによって、理想的な無負荷角速度を変更してモータの速度を調整する。従来技術に比べると、モータからエネルギーを抽出して、それを電気回路に戻すという段階変更工程が回避されるため、エネルギーが節約され、回路への望ましくない影響も回避できる。その構造は、単純であると共に組立ても容易であるため、製造及び使用コストを大幅に削減できる。

Description

本発明は、電気工学の分野におけるモータ速度調整の技術に関する。

モータは「力学的エネルギー−電気エネルギー−力学的エネルギー」の変換を行う装置であり、殆どのモータは可逆性を有している。現在のモータは主に同期モータと非同期モータとを含み、双方とも発電機（「力学的エネルギー−電気エネルギー」）あるいは電気モータ（「電気エネルギー−力学的エネルギー」）として使用できる。それらを発電機として使用する場合、各々の出力周波数は各々の回転速度に比例する。そのため、一定周波数の交流を出力する場合、それぞれの回転速度の変化は、負荷に関係なく比較的小さい範囲内でなければならない。一般に、力学的エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行う、このような装置が消費するエネルギー資源は、前記装置の回転速度に比例する。よって、水力発電、火力発電、風力発電、あるいは石油火力発電を問わず、そのような装置は全て、相当なエネルギー資源を損失することになる。モータを電気モータとして使用する場合には、通常速度調整が必要である。現在、可変速度可変周波数等、速度調整には多くの利用可能な方法があるが、それら可変速度可変周波数の欠点は、回路構造が複雑であること、高性能制御が必要な場合に高コストになること、そして特に高出力装置の場合に性能費用比率が理想的でないこと等である。非同期モータに関しては、内部フィードバック速度調整、可変電圧速度調整、水抵抗速度調整、又は流体力結合器、電磁速度調整器を使用して速度調整を行うが、このような速度調整技術の行う速度調整は低効率である。例えば、内部フィードバック速度調整の動作原理は、モータから余剰エネルギーを抽出して、その抽出したエネルギーを電気回路に戻すというものである。例えば、中国特許CN2244266号で開示されている「かご形非同期モータ用のカスケード速度調整器」は、３相整流ブリッジ、平滑リアクトル、３相逆ブリッジ、及び変圧器を含む偏向器に、かご形非同期モータの固定子巻線を接続することにより構成される。３相逆ブリッジのトリガ角を調整することによって、モータに入力された余剰エネルギーを電気回路へと偏向器を介してフィードバックし、速度調整を行う。しかし、このような可変速モータを使用しているときには、抽出されたエネルギーを電気回路に戻すことなどによって、電気回路が多大な干渉を受けることになり、その結果高調波が乱れる等、多くの問題がある。さらに、モータからエネルギーを抽出して、それを電気回路に戻すという段階変更工程は、結果的にエネルギー資源を喪失することになる。

本発明の目的は、構造が単純で、エネルギー効率が高く、性能費用比率の高い３相交流可変速モータを提供することにより、従来技術の上記欠点を克服することである。

本発明の目的は、通常のモータに逆起電力を与える技術的手段により、達成される。

本発明の３相交流可変速モータは、交流モータ本体と３相逆起電力生成器とを含み、該３相逆起電力生成器は、交流モータ本体の３つの固定子巻線の端部と接続する。３相逆起電力生成器の直流電圧、出力電圧、及び出力位相は可変的である。

３相交流可変速モータの動作原理を以下に示す：
周知の通り、モータはその理想的な無負荷角速度を変更することによって、電気モータ及び発電機の両方として使用できる。モータの理想的な無負荷角速度がその実際の角速度より高い場合には、電気エネルギーが入力されて、力学的エネルギーが出力されるため、モータは電気モータとなる；また、モータの理想的な角速度がその実際の角速度より低い場合には、力学的エネルギーが入力され、電気エネルギーが出力されるため、モータは発電機となる。本発明の３相交流可変速モータは、電気回路からエネルギーを得て、そのエネルギーを逆起電力生成器に移動させて、該生成器を作動させる。電気モータ状態では、逆起電力生成器がモータの電圧とは逆に調整可能な逆起電力を生成して、それをモータに与え、電気回路によりモータに与えられるエネルギーの一部を打ち消すことによって、モータの電流を調整する。モータの理想的な無負荷角速度は、逆起電力の直流電圧を調整することによって調整できるため、速度調整の目的が達成される。モータが発電機状態で動作する際には、逆起電力生成器で理想的な無負荷角速度とモータの実際の角速度との差を調整することによって、電気エネルギー出力の量を調整できる。モータの固定子巻線は常に交流電気回路に接続されており、そこでは周波数が変化しないため、固定子巻線の周波数は、逆起電力を用いての調整により回転速度が如何に変化しようとも不変のままである。よって、一定の周波数を有する可変速モータが形成される。３相逆起電力の位相を変えることによってモータの力率を変えることができ、これによりモータの動作能率が向上する。

前記３相交流可変速モータは、かご形非同期モータ又は同期モータとして製造することができる。この種の構造を有するモータの場合、交流モータ本体はかご形非同期モータ本体又は同期モータ本体であり、逆起電力生成器は３相インバータを含む。即ち、従来技術のかご形非同期モータ又は同期モータの３つの固定子巻線のうち、元々接続されている端（ｘ），（ｙ）及び（ｚ）の接続を断ち、それらを３相インバータの受電端（Ｕ），（Ｖ）及び（Ｗ）にそれぞれ１対１で接続して、固定子巻線の電気経路を再形成する。固定子巻線における電流電圧の位相角及び大きさと、３相インバータのコンデンサに印加される充電電圧の大きさは全て、３相インバータのオンとオフを切り替える順序及び時間を調整することによって、即ち、３相インバータの出力電圧のパルス幅を変更することによって、変えることができる。インバータの位相差変化により前記コンデンサを充電させて、その後放電することができ、理想的な無負荷角速度は、直流電圧の大きさを調整することにより間接的に変えることができる。インバータは、コンデンサが放電する際にモータ巻線に与えられるべき逆起電力を生成するように製造し、電気回路によってモータに与えられるエネルギーの一部を打ち消すように逆起電力の大きさを調整することにより、固定子巻線の２つの端部における電圧を調整することができる。

本発明の３相交流可変速モータはまた、巻線回転子非同期モータとして製造可能である。このような構造を有するモータの場合、その交流モータ本体は巻線回転子非同期モータ本体であり、逆起電力生成器は３相インバータと整流回路とを含む。前記モータ本体の３つの固定子巻線の端部（ｘ），（ｙ）及び（ｚ）は３相インバータの３つの受電端（Ｕ），（Ｖ）及び（Ｗ）に１対１で接続し、整流回路の入力端は、交流モータの３つの回転子スリップリング（Ａ１），（Ａ２)，（Ａ３）にそれぞれ接続し、整流回路の出力端は、インバータの直流端に接続する。動作中、回転子巻線における誘導起電力がスリップリングを介して整流回路に入力されると、整流回路は交流を直流に整流してそれを３相インバータに供給する。インバータは、直流を交流に変換すると同時にモータの固定子巻線に与えられる逆起電力を生成する。巻線回転子非同期モータの回転子巻線を短絡することで、一般的な非同期モータを形成することができ、速度調整の目的が達成される。

６ｋVモータ、１０ｋＶモータ等の高電圧モータに関しては、前記逆起電力生成器は、３相変圧器と３相インバータとを含むことができ、変圧器の第２の側は３つの固定子巻線にそれぞれ接続され、変圧器の第１の側はインバータの受電端にそれぞれ接続される。固定子巻線とインバータとの接続及び電圧の整合を変圧器が行うことで、低電圧インバータを使用して高電圧モータを制御することができ、コストも大幅に減少するという利点が生じる。

従来技術では、モータからエネルギーを抽出して、その抽出したエネルギーを電気回路に戻すことによりモータの速度を調整するが、本発明では、モータに逆起電力を与えることで、モータのエネルギーの一部を打ち消し、直流電圧の大きさを調整することにより、理想的な無負荷角速度を間接的に変化させてモータの速度を調整する。従来技術に比べ、モータからエネルギーを抽出した後にそのエネルギーを電気回路に戻すという段階変更工程が回避されるため、エネルギーが節約されると共に、回路への種々の望ましくない影響も回避できる。その構造はより単純であり、また組立てもより容易であるため、製造及び使用コストが大幅に減少し、性能費用比率は大きく向上する。特に発電機として使用する場合には、生成する電力の周波数が回転速度に影響されないため、従来技術での非常に複雑且つ高価な周波数変換手段を省くことができる。かかる特徴により、発電機の回転速度を火力発電及び水力発電中に負荷によって調整することができ、省エネルギーの目的が達成される。風力発電において使用される場合には、回転速度の範囲が拡大されるため、モータの電気エネルギー出力量を増大させることができる。

以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の内容は下記実施形態の内容に限定されない。

実施形態１：
本実施形態では、図１に示すかご形非同期モータの構造を提供する。交流モータ本体１はかご形非同期モータ本体又は同期モータ本体であり、逆起電力生成器２は３相インバータを含む。詳細には、従来のかご形非同期モータ又は同期モータの３つの固定子巻線の元々接続された端部（ｘ），（ｙ）及び（ｚ）の接続を断ち、それぞれを３相インバータの受電端（Ｕ），（Ｖ）及び（Ｗ）に１対１で接続し、さらにコンデンサＣを前記３相インバータの直流端に接続する。３相インバータ２としては、Chengdu Jialing Electric Manufacture Corporation製造の電圧型３相インバータを使用できる。電気回路から供給される交流電力は、固定子巻線を介してインバータに供給され、インバータにおいてコンデンサＣを充電する。コンデンサＣを放電させることにより、モータ本体に与えられる逆起電力が形成される。

実施形態２：
図２に示すように、本実施形態では特に巻線回転子非同期モータの構造を提供する。この構造では、交流モータ本体３は巻線回転子非同期モータ本体であり、逆起電力生成器は３相インバータ５と整流回路４とを含む。モータ本体３の３つの固定子巻線の端部ｘ，ｙ，ｚは３相インバータ５の３つの受電端Ｕ，Ｖ，Ｗに１対１で接続する。整流回路４の入力端は交流モータの３つの回転子スリップリングＡ１，Ａ２，Ａ３にそれぞれ接続し、整流回路の出力端は、インバータの直流端に接続する。

動作中、回転子巻線における誘導起電力はスリップリングを介して整流回路に入力され、整流回路が交流を直流に整流して、それを３相インバータに供給する。インバータは直流を交流に変換するのと同時に、モータの固定子巻線に与える逆起電力を生成する。

実施形態３：
図３に示すように、本実施形態は、３相変圧器６を使用して３相インバータと３つの固定子巻線とが接続され、変圧器によって３相インバータと３つの固定子巻線との電圧を整合させつつ、それらの間をターンオンとすることを実現する点で前掲の実施形態とは異なっている。すなわち、前記逆起電力生成器は３相変圧器６と３相インバータ７を含み、変圧器の第二の側は３つの固定子巻線の端部ｘ、ｙ、及びｚにそれぞれ接続され、変圧器の第1の側はインバータの受電端Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ接続される。

図４に示すように、変圧器によって３相インバータ３つの受電端Ｕ，Ｖ，Ｗを３つの固定子巻線の前端Ｘ，Ｙ，Ｚに接続することもできる。

図５に示すように、変圧器は単巻変圧器８であってもよい。

本発明の実施形態１の構造概略図。 実施形態２の構造概略図 実施形態３の構造概略図。 別の形態の変圧器のターンオン状態を示す概略図。 単巻変圧器のターンオン状態を示す概略図。

符号の説明

１，３ 交流モータ本体
２ 逆起電力生成器
４ 整流回路
５，７ ３相インバータ
６ ３相変圧器

Claims (4)

1. ３相交流可変速モータであって、前記３相交流可変速モータは交流モータ本体と逆起電力生成器とを含み、前記逆起電力生成器は前記交流モータ本体の３つの固定子巻線の端部に接続され、前記逆起電力生成器の直流電圧、出力電圧、出力位相が可変的であることを特徴とする、３相交流可変速モータ。
2. 前記交流モータ本体は、かご形非同期モータ本体又は同期モータ本体であって、前記逆起電力生成器は３相インバータを含み、前記モータ本体の前記３つの固定子巻線の端部（ｘ，ｙ，ｚ）は前記３相インバータの３つの受電端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に１対１で接続し、コンデンサ（Ｃ）が前記３相インバータの直流端に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の３相交流可変速モータ。
3. 前記交流モータ本体は巻線回転子非同期モータ本体であって、前記逆起電力生成器は３相インバータ及び整流回路を含み、前記モータ本体の前記３つの固定子巻線の端部（ｘ，ｙ，ｚ）が前記３相インバータの前記３つの受電端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に１対１で接続され、前記整流回路の入力端が前記交流モータの３つの回転子スリップリング（Ａ１，Ａ２，Ａ３）にそれぞれ接続され、前記整流回路の出力端が前記インバータの直流端に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の３相交流可変速モータ。
4. 前記逆起電力生成器は３相変圧器と３相インバータとを含み、前記変圧器の第２の側は３つの固定子巻線にそれぞれ接続され、前記変圧器の第１の側は前記インバータの前記３つの受電端にそれぞれ接続されることを特徴とする、請求項１に記載の３相交流可変速モータ。

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