JP2008236927A

JP2008236927A - 電動機システムおよびその制御方法ならびに永久磁石同期電動機

Info

Publication number: JP2008236927A
Application number: JP2007074070A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Watanabe; 剛渡邊; Mitsuhiro Kawamura; 光弘川村
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-02
Also published as: CN101272115B; CN101272115A

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機固有の高効率かつ小形・軽量の特長を損なうことなく、安定した始動・運転特性を確保する。
【解決手段】電動機システムは、独立した第１の巻線および第２の巻線を固定子巻線として有する永久磁石同期電動機２と、商用交流電源１と第１の巻線との接続を開閉する開閉器３と、商用交流電源１に接続されて第２の巻線に電力を供給するインバータ回路６と、開閉器３およびインバータ回路６を制御する制御回路７と、を有する。制御回路７は、永久磁石同期電動機２の停止状態から定格回転数付近までの始動時の永久磁石同期電動機２の制御を行なう機能と、永久磁石同期電動機２の定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を行なう機能とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、一定速の負荷を駆動するのに適した永久磁石同期電動機と、これを利用した電動機システムおよびその電動機システムの制御方法に関するものである。

一定速の負荷を駆動する誘導同期電動機として、たとえば回転子の永久磁石の外周に、誘導電動機として機能するかご形巻線を設け、商用交流電源からかご形巻線に給電して回転子を始動する自己始動式同期電動機がある（たとえば、特許文献１参照）。

この自己始動式同期電動機においては、かご形巻線により誘導電動機として始動する。その後、定格回転数では永久磁石同期電動機として駆動するが、その際、かご形巻線が同期電動機の制動巻線として機能するので、負荷変動等で生じる出力の動揺を減衰し、安定性を確保できる特徴がある。

一方、可変速電動機と一定速電動機を有するシステムで、負荷が小さい場合には、可変速電動機のみで容量制御運転を行ない、負荷が大きい場合には、もう１台の一定速電動機を駆動させたうえ、可変速電動機で容量制御運転を行なう冷凍装置が知られている（特許文献２参照）。

この冷凍装置においては、電源にインバータが必要となるが、負荷が大きいときには一定速電動機を駆動させるため、小容量のインバータで冷凍装置の容量制御をすることができる特徴がある。また、一定速電動機には回転子の永久磁石の外周にかご形巻線を設けた自己始動型永久磁石同期電動機を採用している。
特開２００３−２５９５７９号公報特開２００５−４００００号公報

回転子の永久磁石の外周にかご形巻線を設けた自己始動式同期電動機においては、界磁磁極構造が複雑化し、かご形巻線を設けるために回転子の直径が大きくならざるを得ず、その結果電動機出力密度の低下や慣性モーメントの増大を招き、また永久磁石同期電動機の小形・軽量の特長を発揮できない問題がある。さらに商用交流電源で直接始動するので、始動時に大きな騒音が発生する問題があった。

一方、上記の自己始動式同期電動機以外で、回転子にかご形巻線を設けずに永久磁石同期電動機を一定速の負荷で駆動する場合には、同期電動機と同じ規模の大容量インバータを設けて、このインバータにより同期電動機を駆動する方法が一般的である。この方法によれば、可変周波数運転による始動や同期電動機の出力の動揺を抑える機能をインバータが担えるので、上記の問題点を回避できる。

しかしながら、可変速を要しない一定速用途に使用する大容量インバータは、高価であるので不経済であるばかりか、インバータの電力変換素子の発熱や、インバータの電圧に含まれる高調波による同期電動機の発熱がシステム効率を低下させるおそれがあった。

上述の冷凍装置のシステムでは、負荷の一部をもう１台の一定速電動機に分担させることでインバータを小容量化させることができるが、この一定速電動機は自己始動が必要なために自己始動形動機電動機を採用する必要があり、自己始動形動機電動機に対する上記の問題を回避できない。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機固有の高効率かつ小型・軽量の特徴を損なうことなく、安定した始動・運転特性を確保することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る電動機システムは、互いに電気的に独立した第１の巻線および第２の巻線を固定子巻線として有する永久磁石同期電動機と、商用交流電源と前記第１の巻線との接続を開閉する開閉器と、前記商用交流電源に接続されて前記第２の巻線に電力を供給するインバータ回路と、前記開閉器およびインバータ回路を制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る永久磁石同期電動機は、交流電源に接続される第１の巻線と、前記第１の巻線とは電気的に独立していて、インバータ回路に接続される第２の巻線と、を固定子巻線として有することを特徴とする。

また、本発明に係る電動機システムの制御方法は、互いに電気的に独立した第１の巻線および第２の巻線を固定子巻線として有する永久磁石同期電動機を制御する制御方法であって、開閉器を介して前記第１の巻線に商用交流電源を接続し、インバータ回路を介して、前記第２の巻線を前記商用交流電源に接続し、永久磁石同期電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時に、前記開閉器を開き、前記インバータ回路を制御することによって、前記永久磁石同期電動機の制御を行ない、定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を、前記インバータ回路を制御することによって行なうこと、を特徴とする。

この発明によれば、永久磁石同期電動機固有の高効率かつ小形・軽量の特長を損なうことなく、安定した始動・運転特性を確保することができ、経済的で高効率な電動機システムを実現できる。

以下、この発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。また、図２は図１の電動機システムにおける永久磁石同期電動機の第１の例を示す横断面図である。

永久磁石同期電動機２は、筒状の固定子１４と、固定子１４内で回転する回転子２０とを有する。回転子２０は回転子鉄心２５を含み、回転子鉄心２５内に複数の永久磁石２３が配置されている。固定子１４は固定子鉄心２１を含み、固定子鉄心２１の回転子２０に対向する位置には、軸方向に延びる多数のスロット２２が周方向に並んで形成されている。これらのスロット２２内に、大容量巻線（第１の巻線）１５と小容量巻線（第２の巻線）１６とが配置されている。

大容量巻線１５と小容量巻線１６とは電気的に互いに独立であって、それぞれの巻線端子（図示せず）を有する。たとえば、大容量巻線１５の単体としての最大出力は６００ｋＷであり、小容量巻線１６の単体としての最大出力は３００ｋＷであって、永久磁石同期電動機２の定格出力は９００ｋＷである。

図２に示す例は、従来の巻線コイルを大容量巻線１５と小容量巻線１６とに分けたものである。各スロット２２には上コイルと下コイルが配置され、ここに大容量巻線１５と小容量巻線１６が分配されている。図２において、大容量巻線１５の各相をＵ，Ｖ，Ｗ，−Ｕ，−Ｖ，−Ｗで示し、小容量巻線１６の各相はこれらの記号を丸で囲んで示している。

大容量巻線１５は、三相開閉器３を介して三相の商用交流電源１に接続されている。一方、小容量巻線１６は、インバータ回路６および三相開閉器５を介して商用交流電源１に接続されている。

三相開閉器３、５は操作部３Ａ、５Ａによって開閉し、操作部３Ａ、５Ａは、制御回路７の制御指令に基づいて動作するようになっている。制御回路７は、永久磁石同期電動機２の回転軸１２に設けられた回転位置検出器８から回転子の位置を検出し、インバータ回路６を介することで、永久磁石同期電動機２に対して速度ベクトル制御とトルクベクトル制御を行なうようになっている。なお、運転モードスイッチ９が制御回路７に接続されている。

永久磁石同期電動機２、インバータ回路６および制御回路７は共通の電動機フレーム１０内に収納されている。

永久磁石同期電動機２には、好ましくは、回転子にかご形巻線を設けない小形・軽量の永久磁石同期電動機が用いられる。この永久磁石同期電動機２は、自己始動ができないので、小容量巻線１６に接続されたインバータ回路６によるベクトル制御可変速運転で、停止から定格回転数まで始動する。始動が完了して定格回転数に達したら、三相開閉器３を閉じて、大容量巻線１５に商用交流電源１からの給電を開始する。大容量巻線１５への電源投入時には、過渡的な電流が流れるが、制御回路７によるインバータの制御でこの電流を瞬時に減衰させる。

一般に、かご形巻線を有しない永久磁石同期電動機２を商用交流電源１で駆動した場合には、永久磁石同期電動機２の出力の振動を減衰する機能がほとんどない。そのため、負荷変動等で電気出力に振動が生じた場合、その振動は持続する。したがって、このままでは安定な電動機とは言えない。

この実施形態では、小容量巻線１６に接続されたインバータ回路６のベクトル制御によりトルクを加え、負荷変動による永久磁石同期電動機２の電気出力の動揺を押さえ込ませる。小容量巻線１６による出力は、大容量巻線１５による出力よりも小さいので、大きな振動の場合には何回かの振動のうちに減衰させるということになるが、通常の一定速の負荷に対しては不都合ではない。

永久磁石同期電動機２の電気出力と負荷の関係は、ばねと錘の関係に相似であり、負荷ｆと永久磁石モータの出力ｘの関係は、次の微分方程式で近似できる。

ｍ（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２）＝ｆ−ｃ（ｄｘ／ｄｔ）−ｋｘ
すなわち、負荷ｆから永久磁石同期電動機２の出力ｘへの伝達関数は、１／（ｍｓ^２＋ｃｓ＋ｋ）の形で近似表現できる。

ここで、ｃはダンピングを決めるゲインであり、かご形巻線を有しない永久磁石同期電動機２は、ほぼｃ＝０となる。ｃ＝０の場合には、負荷変動ｆに対して永久磁石同期電動機２の出力は振動が始まると止まらない。制御回路７は、ダンピングを決めるゲインｃを正の値とするトルク指令の信号を生成し、インバータ回路６を介してベクトル制御式で永久磁石同期電動機２を駆動制御し、上記の振動を抑制する。

図３は、図１の電動機システムの動作特性を示すタイムチャートであって、（ａ）は運転モードの変化を示し、（ｂ）は回転数の変化を示し、（ｃ）は負荷トルクの変化を示し、（ｄ）は永久磁石同期電動機の小容量巻線によるトルクの変化を示し、（ｅ）は永久磁石同期電動機の大容量巻線によるトルクを示す。

停止状態からの始動に当り、運転モードスイッチ９を始動モードにし、三相開閉器５を閉じることでインバータ回路６を機能させ、制御回路７による速度ベクトル制御でインバータ回路６の周波数を低周波数から徐々に上げ、小容量巻線１６によって定格回転数まで始動させる。

始動の状態では、小容量巻線１６による３００ｋＷまでの低い負荷が駆動（無負荷・低負荷運転）できるが、さらに大きな９００ｋＷまでの負荷を駆動（定格負荷運転）するため、運転モードスイッチ９を運転モードにし、三相開閉器３を閉じて大容量巻線１５に商用交流電源１から給電する。制御回路７とインバータ回路６によるベクトル制御で小容量巻線１６に振動を打ち消すトルク（小容量巻線１６によるトルク）を発生させ、負荷変動に際して発生する振動的な出力トルク（大容量巻線１５によるトルク）を時間の経過と共に減衰させる。

この実施形態では、６００ｋＷの大容量巻線１５と３００ｋＷのベクトル制御を行なう小容量巻線１６を設けるので、出力動揺の振幅が非常に大きくても、余裕を持ってその出力動揺を抑え込むことができる。

このように、永久磁石同期電動機２に大容量巻線１５と小容量巻線１６を設け、インバータ回路６が接続された小容量巻線１６に、永久磁石同期電動機２の停止から定格回転数までの始動の機能と、ベクトル制御で定格回転数の運転時における負荷変動による回転数の動揺を減衰させる機能を担わせる。これにより、永久磁石同期電動機２にはかご形巻線を設ける必要がなく、小形・軽量にでき、また永久磁石同期電動機２と同規模の大容量インバータも不要になるので、経済的で高効率なシステムを得ることができる。

また同一の電動機フレーム１０内に永久磁石同期電動機２、インバータ回路６および制御回路７を収納して構成することにより、電動機システムをコンパクトに構成でき、構成部品の配線も容易になる。

図４は、図１の電動機システムにおける永久磁石同期電動機の第２の例を示す横断面図である。ただし、図２と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。この構成例では、固定子１４の全スロット２２に大容量巻線１５および小容量巻線１６を配置し、それらに対応する巻線端子を出す構成になっている。

次に、本発明の第２の実施形態による電動機システムについて、図５を参照して説明する。ただし、図２と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。図５はこの実施形態の電動機システムの構成を示すブロック図である。

第１の実施形態では、回転軸１２に回転位置検出器８を設けて永久磁石同期電動機２をベクトル制御し、回転軸１２の速度の振動から出力変動を検出する例を述べた。この第２の実施形態では、永久磁石同期電動機２のベクトル制御がセンサレス方式の場合において、図５に示すように永久磁石同期電動機２の電機子（固定子）巻線側にセンサ１３を設け、このセンサ１３の信号から永久磁石同期電動機２の出力動揺を検出する。センサ１３からの検出信号に基づき、制御回路７によりインバータ回路６を介して永久磁石同期電動機２を駆動制御することによって、揺動を抑制することができる。これによりシステムを簡略化できる。

変形例として、永久磁石同期電動機２は回転位置検出器などのセンサ付のベクトル制御式とし、出力動揺の検出は電機子巻線側に設けたセンサ１３という方式として、機能を分担させてシステムを構成することもできる。

本発明に係る電動機システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図１の電動機システムにおける永久磁石同期電動機の第１の例を示す横断面図である。図１の電動機システムの動作特性を示すタイムチャートであって、（ａ）は運転モードの変化を、（ｂ）は回転数の変化を、（ｃ）は負荷トルクの変化を、（ｄ）は永久磁石同期電動機の小容量巻線によるトルクの変化を、（ｅ）は永久磁石同期電動機の大容量巻線によるトルクを、それぞれ示す。図１の電動機システムにおける永久磁石同期電動機の第２の例を示す横断面図である。本発明の第２の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ … 商用交流電源
２ … 永久磁石同期電動機
３、５ … 三相開閉器
３Ａ、５Ａ … 操作部
６ … インバータ回路
７ … 制御回路
８ … 回転位置検出器
９ … 運転モードスイッチ
１０ … 電動機フレーム
１２ … 回転軸
１３ … センサ
１４ … 固定子
１５ … 大容量巻線（第１の巻線）
１６ … 小容量巻線（第２の巻線）
２０ … 回転子
２１ … 固定子鉄心
２２ … スロット
２３ … 永久磁石
２５ … 回転子鉄心

Claims

互いに電気的に独立した第１の巻線および第２の巻線を固定子巻線として有する永久磁石同期電動機と、
商用交流電源と前記第１の巻線との接続を開閉する開閉器と、
前記商用交流電源に接続されて前記第２の巻線に電力を供給するインバータ回路と、
前記開閉器およびインバータ回路を制御する制御回路と、
を有することを特徴とする電動機システム。
前記制御回路は、前記永久磁石同期電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時の前記永久磁石同期電動機の制御を行なう機能と、前記永久磁石同期電動機の定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を行なう機能とを有すること、を特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機の回転位置を検出する回転位置検出器をさらに有し、
前記制御回路は、前記回転位置検出器の出力に基づいて、速度ベクトル制御とトルクベクトル制御を行なうものであること、を特徴とする請求項２に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機の出力動揺を検出するためのセンサが、前記永久磁石同期電動機の固定子巻線に設けられ、
前記制御回路は、前記センサの出力に基づいて、前記インバータ回路を介して前記永久磁石同期電動機を制御するものであること、を特徴とする請求項２または請求項３に記載の電動機システム。
前記制御回路は、停止状態から定格回転数付近までの始動時に前記開閉器を開とし、定格回転数付近においては前記開閉器を閉とするように前記開閉器を制御し、かつ、前記開閉器を閉としたときに流れる過渡的な電流を瞬時に減衰させるように制御するものであること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電動機システム。
前記第１の巻線は第２の巻線よりも大きな容量を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機、インバータ回路および制御回路が共通の電動機フレーム内に収容されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の電動機システム。
交流電源に接続される第１の巻線と、
前記第１の巻線とは電気的に独立していて、インバータ回路に接続される第２の巻線と、
を固定子巻線として有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
互いに電気的に独立した第１の巻線および第２の巻線を固定子巻線として有する永久磁石同期電動機を制御する制御方法であって、
開閉器を介して前記第１の巻線に商用交流電源を接続し、
インバータ回路を介して、前記第２の巻線を前記商用交流電源に接続し、
永久磁石同期電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時に、前記開閉器を開き、前記インバータ回路を制御することによって、前記永久磁石同期電動機の制御を行ない、
定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を、前記インバータ回路を制御することによって行なうこと、
を特徴とする電動機システムの制御方法。