JP2009290989A - 電動機駆動システム及びインバータサージ電圧抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なるインピーダンスを有する給電ケーブルを中継して給電する電動機駆動システムにおいて、比較的簡単にインバータサージ電圧を抑制する。
【解決手段】PWM変調された電圧を出力するインバータ装置１１と、このインバータ装置１１の出力端から主回路ケーブル２１を介して給電される中継端子盤３１と、この中継端子盤３１の中継端子から分岐する複数の分岐ケーブル４１乃至４Ｎを介して各々給電される複数台の交流電動機５１乃至５Ｎとを備えた電動機駆動システムにおいて、中継端子盤３１の中継端子の近傍にターミネータ３１を接続し、各々の交流電動機５１乃至５Ｎに印加されるサージ電圧を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、PWM変調方式の電圧出力を有するインバータで交流電動機を駆動する電動機駆動システムとこの電動機駆動システムにおけるインバータサージ電圧抑制方法に関する。

プラントで用いられる電動機駆動システムにおいては、インバータを設置する電気室と現場の機械設備に取付けられる電動機間を給電ケーブルで接続するが、給電ケーブルのインピーダンスと電動機のインピーダンスの間に不整合があるとインバータと電動機の接続端子の間でインバータサージ電圧の反射が生じ、これによって高電圧が生じることはよく知られている。

上記問題に対する対策として、電動機の接続端子にインピーダンス整合回路を接続してインバータサージ電圧の反射を抑制し、電動機端子に高電圧が印加されることを防止する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００７−２０３５５号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に記された手法は、インバータと電動機の間が単一のケーブルで接続された例であるが、電動機駆動システムの形態によっては、現場の適切な場所に中継端子盤を設け、この中継端子盤を介して給電ケーブルを接続する場合がある。通常はこの中継端子盤から複数台の電動機に給電ケーブルを分岐させる配線とする。

上記の電動機駆動システムにおいても特許文献１で示されているように、各分岐ケーブルとそれに接続される電動機毎に電動機の接続端子にインピーダンス整合回路を接続すればインバータサージ電圧を抑制することが可能となるが、特に電動機が多数台ある場合にはシステム構成が複雑となる問題がある。

本発明は上記問題に鑑みて為されたもので、その目的は異なるインピーダンスを有する給電ケーブルを中継して給電する電動機駆動システムにおいて、比較的簡単にインバータサージ電圧を抑制することが可能な電動機駆動システム及びインバータサージ電圧抑制方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のインバータサージ電圧抑制方法及び電動機駆動システムは、PWM変調された電圧を出力するインバータ装置と、このインバータ装置の出力端から主回路ケーブルを介して給電される中継端子盤と、この中継端子盤の中継端子から分岐する複数の分岐ケーブルを介して各々給電される複数台の交流電動機とを備えた電動機駆動システムにおいて、前記中継端子の近傍にターミネータを接続し、前記各々の交流電動機に印加されるサージ電圧を抑制することを特徴としている。

本発明によれば、異なるインピーダンスを有する給電ケーブルを中継して給電する電動機駆動システムにおいて、比較的簡単にインバータサージ電圧を抑制することが可能な電動機駆動システム及びインバータサージ電圧抑制方法を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電動機駆動システム及びインバータサージ電圧抑制方法
を図１乃至図７を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。図１において、インバータ装置１１はPWM制御型の電圧形インバータであり、ＰＷＭ変調された出力電圧は主回路ケーブル２１を介して中継端子盤３１に給電される。そして中継端子盤３１において主回路は中継端子を介してN個の回路に分岐され、最初の回路は分岐ケーブル４１を介して交流電動機５１に、そして最後の回路は分岐ケーブル４Nを介して交流電動機５Nに夫々給電される。尚、ここでNは２以上の整数である。

中継端子盤３１の中継端子と主回路ケーブル２１の接続点の近傍にはターミネータ５１が接続されている。ターミネータとはインピーダンス整合回路を意味する。尚、ターミネータ５１は通常中継端子盤３１の内部に設置される。

このようなシステム構成において、インバータ装置１１がステップ的に電圧を供給したときの各部の電圧応答の推移のシミュレーション結果を図２に示す。図２は、主回路ケーブル２１の特性インピーダンスをＺ_１、中継端子盤４１から交流電動機５１乃至５Ｎに接続される分岐ケーブル４１から４Nまでの特性インピーダンスの総和をＺ_２、交流電動機５１からN台目の交流電動機５Ｎまでのインピーダンスの総和をＺ_Ｍとし、Ｚ_１＞Ｚ_２またはＺ_Ｍ＞Ｚ_２が成立している条件でターミネータ６１のインピーダンスＺ_Ｔを適切に選定した場合のシミュレーション結果を示している。

図２に示したように、インバータ電圧に対して電動機端子電圧の跳ね上がりはなく、交流電動機の絶縁上問題とされる２ｐｕ以下に抑えられていることが分かる。

以下図３乃至図７を参照して、上記効果が得られる理由について説明する。

図３は比較例１に係る電動機駆動システム構成図であり、インバータ装置１から特性インピーダンスＺ_１を有する給電ケーブル２２を介してインピーダンスＺ_Ｍを有する交流電動機５０を駆動している。

一般的にケーブルの場合、長さが数百m以下であれば無損失伝送線路で近似できるため、単位長当りの導線のインダクタンスをＬ、導線間キャパシタンスをＣとすると、進行波の伝搬速度ｕｐと特性インピーダンスＺ１は次式（１）、（２）となる。

ｕｐ＝１／（ＬＣ）^１／２ ・・・・・（１）
Ｚ_１＝（ＬＣ）^１／２ ・・・・・（２）
インバータ装置１１の出力電圧である前進波（入射波)ｖｉが交流電動機５０端（端子）に到達したときの反射波をｖｒとする。終端の電圧はｖｉ +ｖｒ（透過波）であるから、Ｚ_Ｍに流れる電流をｉｔとしたとき次式（３）が成立する。

ｖｉ +ｖｒ＝Ｚ_Ｍ・ｉｔ ・・・・・（３）
ここでｉｔ は入射波ｖｉ による電流と反射波ｖｒによる電流の差であるから、次式（４）のようになる。

ｉｔ=（ｖｉ−ｖｒ）／Ｚ_１ ・・・・・（４）
（３）、（４）両式からvrを求めると次式（５）が得られる。

ｖｒ＝{（Ｚ_Ｍ−Ｚ_１）／（Ｚ_Ｍ＋Ｚ_１）}・ｖｉ ・・・・・（５）
入射波と反射波の比が反射係数ρｍであり、次式（６）により定義される。

ρｍ＝ｖｒ／ｖｉ＝（Ｚ_Ｍ−Ｚ_１）／（Ｚ_Ｍ＋Ｚ_１） ・・・・・（６）
インバータの出力電圧が時刻0で立ち上がったときの入射波をｖｓ0とする。ケーブルの長さをＬengcとすると、時間Ｔｐ（＝Ｌengc／ｕｐ）後に入射波は交流電動機端に到達し、終端の反射係数ρｍに応じた反射電圧ｖｍｒがインバータに向かって進んでいく。更にＴp後に終端からの反射波ｖｍｒが入射波ｖｓｉとしてインバータに到達し、インバータ端で極性反転して終端側に反射波として進む。このように、両端での反射を繰返す結果、終端電圧ｖｍは反射係数ρｍに応じた波形となる。両端での電圧波形は原波形を含めた入反射波の総和である次式（７）、（８）で表される。

ｖｓ =ｖｓ0 +{（ｖｓｉ1＋ｖｓｒ1）＋（ｖｓｉ2＋ｖｓｒ2）＋・・・} =ｖｓ0・・・（７）
ｖｍ＝（ｖｍｉ1＋ｖｍｒ1）＋（ｖｍｉ2＋ｖｍｒ2）＋・・・
＝（１＋ρｍ）（ｖｍｉ1＋ｖｍｉ2＋ｖｍｉ3＋・・・） ・・・・（８）
終端電圧ｖｍから原波形ｖｓ0を除いた電圧は、反射を繰返す毎に指数関数的に減衰していく。減衰速度は反射係数ρｍに依存し、ρｍの絶対値が小さいほど減衰は速い。インバータ装置１１での反射係数ρｓは−１（インバータ装置のインピーダンスは０）であり、ｖｍｒ ＝−ｖｍｉとなる。したがって、インバータ端では入反射波が打消し合い、インバータ端電圧ｖｓは原波形ｖｓ0のままとなり、入反射波による電圧波形の変化は起こらない。反射係数ρｍが正の場合、奇数回目の反射波形が原波形と同極性となるため、終端電圧ｖｍが原波形ｖｓ0よりも大きくなる。これが、インバータサージ電圧として問題視される反射現象に対応する。

図４は交流電動機５０のインピーダンスＺ_Ｍが抵抗分のみであり、Ｚ_Ｍ＞Ｚ_１の場合のインバータ端及び電動機端の電圧波形を示す。この場合の反射係数ρｍは０．８である。

反射係数ρｍが負の場合には、終端電圧は徐々に立ち上がり、原波形よりも大きくなることはなく、交流電動機駆動用の電源電圧としては理想的な波形となる。図５は交流電動機５０のインピーダンスＺ_Ｍが抵抗分のみであり、Ｚ_Ｍ＜Ｚ_１の場合のインバータ端及び電動機端の電圧波形である。この場合の反射係数ρｍは−０．５である。

次に、交流電動機複数台を中継端子を介して駆動する比較例について説明する。図６は比較例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。図６の電動機駆動システムは図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図においてターミネータ６１を省いたシステム構成となっている。

ケーブルの特性は、（１）及び（２）式で示した特性インピーダンスと伝播速度で代表されるが、図６のシステム構成のような直列接続の場合には伝播速度の違いは問題とならず、２つのケーブル間の特性インピーダンスが異なることによってインバータサージ電圧波形が大きく影響を受ける。主回路ケーブル２１の特性インピーダンスをＺ_１、中継端子盤４１から交流電動機５１乃至５Ｎに接続される分岐ケーブル４１から４Nまでの特性インピーダンスの総和をＺ_２、交流電動機５１からN台目の交流電動機５Ｎまでのインピーダンスの総和をＺ_Ｍとすると、分岐ケーブルが並列接続となっているため、一般的に次式のような関係となる。

Ｚ_１＞Ｚ_２、或いはＺ_Ｍ＞Ｚ_２ ・・・・・（９）
この式（９）は、主回路ケーブル２１は交流電動機が必要とする電流の総和、すなわちインバータ装置１１からの出力電流全てを通電する必要があるため、ケーブル径の大きなものを選択する必要があることを示している。一方で中継端子盤３１と交流電動機５１乃至５N間に接続される分岐ケーブル４１乃至４Nは、夫々の交流電動機５１乃至５Nが必要とする電流を通電すれば十分であるので、ケーブル径も小さいものが選定される。ケーブル径が大きければ大きいほどケーブルインピーダンスは小さくなり、またＮ並列化されたケーブルのインピーダンスはＮ並列に従って小さくなる。

式（９）のような関係が成立する電動機駆動システムにおいて、特性インピーダンスが異なるケーブルを直列接続すると、インバータ装置１１及び交流電動機端での反射に加えて、中継端子盤４１の中継端子において分岐ケーブル４１乃至４Nから中継端子に向かう反射波の電圧反射が発生し、この反射が繰り返されることにより交流電動機端でのインバータサージ電圧が重畳され増加する。また、主回路ケーブル２１のインピーダンスＺ_１と中継端子から交流電動機間の分岐ケーブル４１乃至４NのインピーダンスＺ_２、そしてインピーダンスＺ_２と交流電動機５１乃至５ＮのインピーダンスＺ_Ｍの差が大きいほど、電圧反射は反射係数に比例して大きくなる。

図６のシステム構成において、インバータ装置１１がステップ的に電圧を供給したときの各部の電圧応答の推移のシミュレーション結果を図７に示す。インピーダンスＺ_１＞Ｚ_２の関係から、インバータ装置１１と中継端子盤３１間の主回路ケーブル２１では交流電動機５１乃至５Ｎ側からの反射波が進行してくるまで負の反射を繰返すことによって中継端子盤３１の中継端子における電圧は徐々に立ち上がる。

また、インピーダンスＺ_２＜Ｚ_Ｍの関係も成立していれば、中継端子盤３１の中継端子を透過した電圧が、交流電動機５１乃至５Ｎ端で正反射し、再び中継端子に到達すると中継端子でも正反射となり交流電動機５１乃至５Ｎに向かって再び進行し、正反射を中継端子と交流電動機５１乃至５Ｎの間で繰り返すことになり電圧が重畳される原因となる。主回路ケーブル２１と分岐ケーブル４１乃至４Ｎの入反射波は互いに透過波としても進行するため、両者が重なり合い非常に複雑な波形となる。このときケーブルのインピーダンスの大小関係によっては、重なり具合が大きくなり交流電動機の端子におけるインバータサージ電圧が２ｐｕを超え、単独ケーブルで配線した場合よりもサージ電圧が大きくなる恐れがある。図７はこのような状態を示している。

これに対して、図１に示したようにインピーダンスＺ_Ｔを有するターミネータ６１を中継端子盤３１の中継端子の近傍に１台だけ接続することにより、インバータ端および交流電動機端での反射は比較例２と同様に生じるが、中継端子での反射を抑制させ、反射波の繰り返し伝播によるインバータサージ電圧の重畳を抑制することができる。換言すれば、交流電動機５１乃至５Ｎから見た時に、ターミネータ６１の効果で、Ｚ_１とＺ_２のインピーダンス差が見かけ上小さくなることを意味している。従って交流電動機端から中継端子に伝播する正反射が到達しても以降の正反射は抑制される。

ターミネータのインピーダンスＺ_Ｔの値は、抵抗成分を小さくし、キャパシタンス成分を大きくする方が効果は大きいが、例えば交流電動機端に用意するターミネータをそのまま中継端子盤に設置するだけでも交流電動機側から見た中継端子の見かけ上のインピーダンスがケーブルインピーダンスＺ_２に近くなるため改善効果は十分に見込める。インピーダンスＺ_ＴをインピーダンスＺ_１とほぼ等しく設定すれば、インバータ端から見て中継端子での反射をほぼゼロに抑えることが可能となる。また、インピーダンスＺ_ＴをインピーダンスＺ_２とほぼ等しく設定すれば、電動機端から見て中継端子での反射をほぼゼロに抑えることが可能となる。

図８は本発明の実施例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、中継端子盤３１Ａは主回路ケーブル２１と主回路ケーブル２２Ａとを接続するだけとし、主回路ケーブル２２Ａは１台の交流電動機５０Ａに給電するように構成した点である。

ここで主回路ケーブル２２ＡのインピーダンスをＺ_２、交流電動機５０ＡのインピーダンスをＺ_Ｍとすれば、実施例１で説明した通りターミネータ６１のインピーダンスＺ_Ｔによって電動機端のインバータサージ電圧を低減することが可能となる。この実施例２は例えば交流電動機５０Ａの端子付近にターミネータを設置することが物理的に困難な場合に有効である。

尚、実施例１及び実施例２においてターミネータ６１は抵抗とコンデンサの組み合わせであるＣＲ回路として説明したが、抵抗成分のみ、或いは抵抗とインダクタンス成分を持つものであっても良い。また一般的なＬＣＲフィルタなどを使用しても同様の効果が得られる。

本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図。 実施例１における電圧波形例。 比較例１の電動機駆動システムのシステム構成図。 比較例１で終端反射係数ρｔが正の場合の電圧波形例。 比較例１で終端反射係数ρｔが負の場合の電圧波形例。 比較例２の電動機駆動システムのシステム構成図。 比較例２における電圧波形例。 本発明の実施例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図。

符号の説明

１１ インバータ装置
２１、２２ 主回路ケーブル
３１、３１Ａ 中継端子盤
４１、４Ｎ 分岐ケーブル
５０、５０Ａ、５１、５Ｎ 交流電動機
６１ ターミネータ

Claims (4)

1. PWM変調された電圧を出力するインバータ装置と、
   このインバータ装置の出力端から主回路ケーブルを介して給電される中継端子盤と、
   この中継端子盤の中継端子から分岐する複数の分岐ケーブルを介して各々給電される複数台の交流電動機と、
   前記中継端子の近傍に接続されたターミネータと
   を備えたことを特徴とする電動機駆動システム。
2. PWM変調された電圧を出力するインバータ装置と、
   このインバータ装置の出力端から主回路ケーブルを介して給電される中継端子盤と、
   この中継端子盤の中継端子から分岐する複数の分岐ケーブルを介して各々給電される複数台の交流電動機と
   を備えた電動機駆動システムにおいて、
   前記中継端子の近傍にターミネータを接続し、前記各々の交流電動機に印加されるサージ電圧を抑制することを特徴とするインバータサージ電圧抑制方法。
3. PWM変調された電圧を出力するインバータ装置と、
   このインバータ装置の出力端に接続された第１の主回路ケーブルと、
   前記第１の主回路ケーブルと中継端子を介して接続され、第１の主回路ケーブルとは異なるインピーダンス特性を有する第２の主回路ケーブルと、
   前記第２の主回路ケーブルから給電される交流電動機と、
   前記中継端子の近傍に接続されたターミネータと
   を備えたことを特徴とする電動機駆動システム。
4. PWM変調された電圧を出力するインバータ装置と、
   このインバータ装置の出力端に接続された第１の主回路ケーブルと、
   前記第１の主回路ケーブルと中継端子を介して接続され、第１の主回路ケーブルとは異なるインピーダンス特性を有する第２の主回路ケーブルと、
   前記第２の主回路ケーブルから給電される交流電動機と
   を備えた電動機駆動システムにおいて、
   前記中継端子の近傍にターミネータを接続し、前記交流電動機に印加されるサージ電圧を抑制することを特徴とするインバータサージ電圧抑制方法。

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