JP2008178207A - ３相交流電動機の巻線切替装置及び切替方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 巻線切替時に発生するモータ巻線の残留エネルギーを消費するために設置されるスナバ回路に、常時不要な電流が流れてしまうことで、モータ電流が歪んでしまう。このモータ電流の歪みを無くし、小形低コストの３相交流電動機の巻線切替装置を提供する。
【解決手段】 巻線切替部において、全波整流部とスナバ回路部との電流経路に半導体スイッチを挿入し、これをオフにするタイミングを、モータ巻線が励磁状態から非励磁状態に遷移する瞬間から任意の時間だけ遅らせるようにする。こうすることでモータ巻線の残留エネルギーが放出される期間だけスナバ回路を導通状態にし消費させ、それ以外は非導通状態とすることで不要な電流が流れることを防止し、モータ電流の歪みを無くすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、３相交流電動機の巻線を切替えることによって、速度制御範囲を拡大する３相交流電動機の巻線切替装置に関するものであり、車両駆動、工作機械主軸駆動、サーボ装置を含む産業分野を対象とするものである。

インバータで駆動される工作機械の主軸や車両の駆動装置において、低速領域で十分に大きいトルクを得るとともに、高速領域での運転を可能にするための手段として、巻線切替方法が採用されている。（例えば特許文献1参照）
従来の巻線切替装置について図５に基づいて説明する。
３相交流電動機１１１は、各相巻線が複数の巻線からなり、複数の巻線を互いに連結した連結端子（TU2,TV2,TW2）と各相巻線の両端子がモータ外部に設けてあり、各相巻線の１端（TU1,TV1,TW1）がインバータ１１７に、他端（TU3,TV3,TW3）が巻線切替部１２１の全波整流部１２２に、連結端子が巻線切替部１１２の全波整流部１１３に、各々接続される。全波整流部１１３の出力は、半導体スイッチ１１４に接続されるとともに、抵抗１１５とコンデンサ１１６から成るスナバ回路に接続される。ダイオード１１９，１２０はスナバ回路から半導体スイッチ１１４への逆流防止のために挿入される。半導体スイッチ１１４は、インバータ１１７の制御部からの信号を受けるドライブ回路１１８によってオンオフされる。ここでは、巻線切替部１１２に関してのみ説明したが、巻線切替部１２１に関しても同様の原理での接続される。
以上の構成で、３相交流電動機１１１の運転を行う。低速で十分に大きいトルクを得る場合は、連結端子（TU2,TV2,TW2）が接続される巻線切替部１１２の半導体スイッチ１１４をオフとし、各相巻線の他端（TU3,TV3,TW3）が接続される巻線切替部１２１の半導体スイッチ１２３をオンとする。これにより巻線数を増やすことができ、大きいトルクを発生させることができる。また、高速領域で運転する場合は、３相交流電動機巻線による逆起電力を抑えるために、連結端子（TU2,TV2,TW2）が接続される巻線切替部１１２の半導体スイッチ１１４をオンとし、各相巻線の他端（TU3,TV3,TW3）が接続される巻線切替部１２１の半導体スイッチ１２３をオフとする。
このように、従来の巻線切替装置は、巻線切替部の全波整流部出力を半導体スイッチによってオンオフし、３相交流電動機の巻線数を速度領域に応じて切替えることで、幅広い出力特性を得ているのである。
特開２００３−１１１４９２号公報（第６頁、図１）

従来の巻線切替装置は、半導体スイッチ１１４、１２３がオフ状態の時でも、コンデンサ１１５、１２４や抵抗１１６、１２５へ高調波を含む電流が流れてしまうという現象があり、その結果、本来正弦波であるべきモータ電流が乱れてしまうという問題があった。
上記現象は３相交流電動機巻線の各相巻線インダクタンス（Ｌヘンリー）に電流ｉアンペアを通電した場合に蓄積した電磁エネルギーＥ{Ｅ＝（１／２）Ｌｉ^２}に起因する。つまりこの電磁エネルギーＥが半導体スイッチ１１４、１２２をオフ期間中に抵抗とコンデンサから成るスナバ回路に電流が流れるのである。
この問題は、例えば工作機械主軸駆動装置においては、高調波電流に起因する電流リップル、出力トルクリップル、速度リップルを生じしめ加工製品の品質に悪影響を与えてしまう。また、モータ電流の乱れを抑制するためにインバータ出力と負荷電動機との間にフィルタ等の設置が必要となりシステムの大型化、高コスト化に繋がる。さらに、フィルタ設置により電流応答が遅れ、電流制御にも悪影響を与えていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータ電流の乱れを無くすともに、フィルタ等の設置が不要な小形で低コストの３相交流電動機の巻線切替装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切替える巻線切替部と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記巻線切替部が、前記各相巻線の一端を前記インバータに接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流部の交流側入力端子に接続した複数の３相整流部と、前記複数の３相整流部の直流出力側の両端を開閉するように設けた第１半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチを駆動するドライブ回路と、前記複数の３相整流部の各々の直流出力側の一端に、前記第１半導体スイッチがオフの時に前記３相整流部から流れる電流がスナバ回路に流れ、前記第１半導体スイッチがオンの時に、前記スナバ回路から前記第１半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流部の直流出力側を前記スナバ回路に接続した３相交流電動機の巻線切替装置において、
前記スナバ回路と前記３相整流部の直流出力側の接続を開閉するする第２半導体スイッチを前記複数の３相整流部の各々の直流出力側のどちらか一方に備えたことを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、第１半導体スイッチがオンからオフに切替わるタイミング毎に前記第２半導体スイッチを所定時間オンすることを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記ドライブ回路は、前記第１半導体スイッチを開閉する短絡切替信号と前記第２半導体スイッチを開閉するスナバ切替信号を前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチへ出力することを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記第２半導体スイッチを開閉するスナバ切替信号は、前記第１半導体スイッチを開閉する短絡切替信号を遅延させる遅延回路を用いて作成することを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記第１半導体スイッチのオフする短絡切替信号を基準として、前記スナバ回路と前記３相整流部との電流経路に挿入される前記第２半導体スイッチを、任意の時間だけ遅らせてオフさせる遅延回路を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記スナバ回路は、抵抗とコンデンサとの並列回路としたものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記巻線切替部のスナバ回路を共通のスナバ回路としたことを特徴とするものである。
また、請求項１記載の前記の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記交流電動機を界磁磁石を回転子鉄心内部に埋め込んだ同期電動機としたものである。
また、各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切替える巻線切替部と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記巻線切替部が、前記各相巻線の一端を前記インバータに接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流部の交流側入力端子に接続した複数の３相整流部と、前記複数の３相整流部の直流出力側の両端を開閉するように設けた第１半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチを駆動するドライブ回路と、前記複数の３相整流部の各々の直流出力側の一端に、前記第１半導体スイッチがオフの時に前記３相整流部から流れる電流がスナバ回路に流れ、前記第１半導体スイッチがオンの時に、前記スナバ回路から前記第１半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流部の直流出力側を前記スナバ回路に接続した３相交流電動機の巻線切替装置の巻線切替方法において、
前記スナバ回路と前記３相整流部の直流出力側の接続を開閉するする第２半導体スイッチを前記複数の３相整流部の各々の直流出力側のどちらか一方に備えたことを特徴とするものである。

本発明によると、スナバ回路部と全波整流部との電流経路に挿入された第２半導体スイッチ（１０、２０）のオンオフ動作を制御することで、前記全波整流部出力短絡用の前記第１半導体スイッチがオフ状態の時に前記スナバ回路部へ流れる電流をゼロにすることができ、モータ電流波形の乱れを無くし、さらにはモータ電流波形の乱れを抑制するためのフィルタの設置も不要となる。即ち、小形で低コストの交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の３相交流発電機の巻線切替装置の第1実施例を示す図である。図１において、１は３相交流電動機であり、各相の巻線が複数（図では2つ）からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子（TU2,TV2,TW2）と前記各相巻線の両端子がモータ外部に設けてある。前記各相巻線の1端（TU1,TV1,TW1）はインバータ７に、他端（TU3,TV3,TW3）が巻線切替部１３の全波整流部１４に、前記連結端子（TU2,TV2,TW2）は、巻線切替部２の全波整流部３に、各々接続される。７は制御部と主回路からなるインバータ、８は巻線切替部２を駆動するためのドライブ回路、１８は巻線切替部１３を駆動するためのドライブ回路である。

ここでまず、前記巻線切替部２に関して説明する。前記全波整流部３の出力は、第１半導体スイッチ４に接続されるとともに、抵抗５とコンデンサ６を並列接続したスナバ回路２４に接続される。ダイオード９は、前記スナバ回路２４から前記第１半導体スイッチ４への逆流防止のために挿入され、第２半導体スイッチ１０は前記スナバ回路２４と前記全波整流部３の電流経路に挿入される。前記巻線切替部２を駆動するために、短絡切替信号１１とスナバ切替信号１２が、前記インバータ７の制御部からドライブ回路８を介して接続される。前記第１半導体スイッチ４および前記第２半導体スイッチ１０は、IGBTの記号を用いているが、電圧、電流に応じて最適な半導体素子を用いればよい。

なお、前記巻線切替部１３に関しては、前記巻線切替部２と全く同様に接続構成されている。前記全波整流部１４の出力は、第１半導体スイッチ１５に接続されるとともに、抵抗１６とコンデンサ１７を並列接続したスナバ回路２５に接続される。ダイオード１９は、前記スナバ回路２５から前記第１半導体スイッチ１５への逆流防止のために挿入され、第２半導体スイッチ２０は前記スナバ回路２５と前記全波整流部１３の電流経路に挿入される。前記巻線切替部１３を駆動するために、短絡切替信号２１とスナバ切替信号２２が、前記インバータ７の制御部からドライブ回路１８を介して接続される。ここで短絡切替信号２１とスナバ切替信号２２は、インバータ７の上位制御装置からインバータ７へ出力されるものである。前記第１半導体スイッチ１５および前記第２半導体スイッチ２０は、IGBTに限らず、電圧、電流に応じて最適な半導体素子を用いればよい。

次に図１に基づいて、前記３相交流電動機１の高速運転時の動作を説明する。この場合、前記第１半導体スイッチ４をオンし、前記第１半導体スイッチ１５はオフとする。これにより、前記全波整流部３を通して、前記３相交流電動機１の連結端子（TU2,TV2,TW2）が短絡状態となり、TU1-TU2、TV1-TV2、TW1-TW2で構成されるスター結線となる。これにより各相巻線を全て利用する場合よりインピーダンスが小さくなり３相交流電動機１の逆起電力が抑えられるため、十分な電流を流すことができ、高速運転が可能となる。
一方、低速運転の場合、前記第１半導体スイッチ４はオフし、前記第１半導体スイッチ１５をオンとする。これにより、前記全波整流部３を通して、前記３相交流電動機１の各相巻線端子を全て使った、TU1-TU3、TV1-TV3、TW1-TW3で構成されるスター結線となり、低速で十分なトルクを得ることが可能となる。このように運転速度に応じて、前記第１半導体スイッチ４、１５を制御することで広い出力特性（速度−トルク制御範囲）を得ることができる。

このような巻線切替方式では、モータ巻線が励磁状態から非励磁状態に遷移する際に、即ち、前記第１半導体スイッチ４，１５がオンからオフに切替わる時に、モータインダクタンス蓄えられたエネルギーを放出するために、前記スナバ回路が必要となる。しかし従来技術では、前記第１半導体スイッチ４，１５がオフの間、絶えることなく前記スナバ回路に電流が流れ続ける現象があり、モータ電流が乱れるという問題があった。
本発明が従来技術と異なる部分は、必要に応じて前記スナバ回路を切り離す点にある。

その動作は図２のように、前記第１半導体スイッチ４，１５がオフの期間中スナバ回路は不要であるためオフとし、モータ巻線のインダクタンスに蓄えられたエネルギーが放出されるタイミング、即ち、前記第１半導体スイッチ４，１５がオンからオフに切替わるタイミングで前記第２半導体スイッチ１０，２０をオンさせるという点にある。オン時間Tは、前記スナバ回路の定数により決定される時間とする。なお、このオン時間の制御は、前記インバータ７の制御部で行う。
以上のような構成で動作させることで、モータ電流の乱れを無くすともに、フィルタ等の設置が不要で、小形低コストの３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

図３は、本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第２実施例を示す図である。
第１実施例と異なるのは、前記インバータ７の制御部からの、スナバ遮断信号１２、２２は、ドライブ回路８、１８を通った後、遅延回路１３，２３を介して、前記巻線切替部２、１３に接続される点である。第２半導体スイッチ１０を駆動するスナバ切替信号は、第１半導体スイッチ４を駆動する短絡切替信号を単に遅延回路２３を通すことで作成できる。第２半導体スイッチ２０についても第２半導体スイッチ１０と同様である。

図４に示すように、前記第２半導体スイッチ１０，２０のオフにするタイミングを前記第１半導体スイッチ４，１５から前記スナバ回路の定数で決定される時間だけ前記遅延回路１３、２３により遅らせることで、モータ巻線のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを消費させる。こうすることで前記インバータ７の制御部の負担も軽減できる。
このような構成で動作させることで、モータ電流の乱れを無くすともに、フィルタ等の設置が不要で、小形低コストの３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
図６は、第１実施例の応用変形例を示す。図６が第１実施例（図１）と異なる部分は巻線切替部（２、１３）のスナバ回路を共通化した部分である。その他の部分は図１と同じである。また、交流電動機を界磁磁石を回転子鉄心内部に埋め込んだ同期電動機とすることができる。

本発明の第１実施例を示す３相交流電動機の巻線切替装置 本発明の第１実施例の動作説明図 本発明の第２実施例を示す３相交流電動機の巻線切替装置 本発明の第２実施例の動作説明図 従来の３相交流電動機の巻線切替装置 本発明の第１実施例の応用変形例

符号の説明

１ ３相交流電動機
２ 巻線切替部
３ 全波整流部
４ 第１半導体スイッチ
５ コンデンサ
６ 抵抗
７ インバータ
８ ドライブ回路
９ ダイオード
１０ 第２半導体スイッチ
１１ 短絡切替信号
１２ スナバ切替信号
１３ 巻線切替部
１４ 全波整流部
１５ 第１半導体スイッチ
１６ コンデンサ
１７ 抵抗
１８ ドライブ回路
１９ ダイオード
２０ 第２半導体スイッチ
２１ 短絡切替信号
２２ スナバ切替信号
２３ 遅延回路
２４、２５ スナバ回路
１１１ ３相交流電動機
１１２ 巻線切替部
１１３ 全波整流部
１１４ 半導体スイッチ
１１５ コンデンサ
１１６ 抵抗
１１７ インバータ
１１８ ドライブ回路
１１９ ダイオード
１２０ ダイオード
１２１ 巻線切替部
１２２ 全波整流部
１２３ 半導体スイッチ
１２４ コンデンサ
１２５ 抵抗
１２６ インバータ
１２７ ドライブ回路
１２８ ダイオード
１２９ ダイオード

Claims (9)

1. 各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切替える巻線切替部と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記巻線切替部が、前記各相巻線の一端を前記インバータに接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流部の交流側入力端子に接続した複数の３相整流部と、前記複数の３相整流部の直流出力側の両端を開閉するように設けた第１半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチを駆動するドライブ回路と、前記複数の３相整流部の各々の直流出力側の一端に、前記第１半導体スイッチがオフの時に前記３相整流部から流れる電流がスナバ回路に流れ、前記第１半導体スイッチがオンの時に、前記スナバ回路から前記第１半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流部の直流出力側を前記スナバ回路に接続した３相交流電動機の巻線切替装置において、
   前記スナバ回路と前記３相整流部の直流出力側の接続を開閉するする第２半導体スイッチを前記複数の３相整流部の各々の直流出力側のどちらか一方に備えたことを特徴とする３相交流電動機の巻線切替装置。
2. 前記第１半導体スイッチがオンからオフに切替わるタイミング毎に前記第２半導体スイッチを所定時間オンすることを特徴とする請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
3. 前記ドライブ回路は、前記第１半導体スイッチを開閉する短絡切替信号と前記第２半導体スイッチを開閉するスナバ切替信号を前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチへ出力することを特徴とする請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
4. 前記第２半導体スイッチを開閉するスナバ切替信号は、前記第１半導体スイッチを開閉する短絡切替信号を遅延させる遅延回路を用いて作成することを特徴とする請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
5. 前記第１半導体スイッチのオフする短絡切替信号を基準として、前記スナバ回路と前記３相整流部との電流経路に挿入される前記第２半導体スイッチを、任意の時間だけ遅らせてオフさせる遅延回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
6. 前記スナバ回路は、抵抗とコンデンサとの並列回路である請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
7. 前記巻線切替部のスナバ回路を共通のスナバ回路としたことを特徴とする請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
8. 前記交流電動機を界磁磁石を回転子鉄心内部に埋め込んだ同期電動機としたもの である請求項１記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
9. 各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切替える巻線切替部と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記巻線切替部が、前記各相巻線の一端を前記インバータに接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流部の交流側入力端子に接続した複数の３相整流部と、前記複数の３相整流部の直流出力側の両端を開閉するように設けた第１半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチを駆動するドライブ回路と、前記複数の３相整流部の各々の直流出力側の一端に、前記第１半導体スイッチがオフの時に前記３相整流部から流れる電流がスナバ回路に流れ、前記第１半導体スイッチがオンの時に、前記スナバ回路から前記第１半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流部の直流出力側を前記スナバ回路に接続した３相交流電動機の巻線切替装置の巻線切替方法において、
   前記スナバ回路と前記３相整流部の直流出力側の接続を開閉するする第２半導体スイッチを前記複数の３相整流部の各々の直流出力側のどちらか一方に備えたことを特徴とする３相交流電動機の巻線切替方法。

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