JP2013121301A - 電動機駆動システム及び電動機駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安全な運用を可能とする電動機駆動システム及び電動機駆動方法を提供する。
【解決手段】自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機とを通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して、電動機へ電力を供給するインバータ側給電経路と、電力系統又は交流発電機を含む系統電源から、当該系統電源と電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、電動機へ電力を供給する系統側給電経路と、制御手段と、を備え、電動機を、インバータ側給電経路を介した給電によって加速させた後に、系統側給電経路を介した給電への切り替えを行う電動機駆動システムであって、制御手段は、系統側コンタクタに投入信号を出力して系統側給電経路を通電させた後に、当該系統側給電経路を通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合にインバータを停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機を駆動させる電動機駆動システム及び電動機駆動方法に関する。

電動機を定格回転速度で駆動させる際に、省電力化やトルクリップルに伴う騒音の低減化を図るためには、電動機を交流発電機又は交流の電力系統（以下、これらを併せて「系統電源」と記す。）に直接接続して駆動することが望ましい。
しかし、停止状態の電動機を系統電源に直接接続する場合には、電動機に過大な突入電流が流入するとともに、トルクショックが発生するおそれがある。

このような事態を回避するために、例えば特許文献１には、停止状態から定格回転速度まではインバータで加速し、電動機の端子電圧（つまり、インバータの出力電圧）の振幅、周波数、及び位相と、系統電源の電圧の振幅、周波数、及び位相とをそれぞれ一致させた後に、変圧器を介した系統電源からの給電に切り替える技術について記載されている。

また、特許文献２には、振幅、周波数、位相の検出器に補正手段を設けた電動機駆動システムについて記載されている。また、前記電動機駆動システムにおいて電動機を起動する際に、電動機の端子電圧と、系統電源の電圧との振幅、周波数、及び位相を、それぞれ高精度に一致させる技術について記載されている。

特表２００３−５１６１０７号公報 特表２００３−５１６１０８号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、インバータを介した給電から、系統電源からの直接的な給電に切り替える場合に、インバータ側のコンタクタと系統電源側のコンタクタとを同時に併入する期間（以下、同時併入期間と記す。）を設けることによって、電動機の速度低下を防止している。

ここで、前記同時併入期間は、インバータ側のコンタクタ、又は、系統電源側のコンタクタの開閉タイミングの遅延を考慮して長めに設定する必要がある。したがって、同時併入期間中における系統電源の電圧の振幅、周波数、又は位相に変動に伴って、系統電源とインバータとの間で横流が発生しやすくなる。
つまり、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、同時併入期間中において、系統電源とインバータとの間に大きな横流が流れ、インバータや系統電源を構成する各種電気部品を破損させる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、安全な運用を可能とする電動機駆動システム及び電動機駆動方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る電動機駆動システムは、制御手段が、系統側コンタクタに投入信号を出力して系統側給電経路を通電させた後に、当該系統側給電経路を通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合にインバータを停止させることを特徴とする。

また、本発明に係る電動機駆動方法は、自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機とを通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して前記電動機へ電力を供給する第１手順と、前記インバータからの給電によって前記電動機が略定格回転速度に達した後、系統電源の供給電圧と前記電動機の端子電圧との同期処理を行う第２手順と、前記系統電源と前記電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給する第３手順と、前記系統側コンタクタを介して通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させる第４手順と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、安全な運用を可能とする電動機駆動システム及び電動機駆動方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電動機駆動システムの系統図である。 インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。 インバータを介した給電から、系統電源による直接的な給電に切り替える際の各種波形の時間的変化を示すタイムチャートである。 インバータの構成を示す回路図である。 図４の制御装置が備えるゲート駆動信号生成部の構成図である。 本発明の第２実施形態に係る電動機駆動システムの系統図である。 インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る電動機駆動システムの系統図である。 インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。 系統側コンタクタコントローラの動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る電動機駆動システムの系統図である。 インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る電動機駆動システムの実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態に係る電動機駆動システムの系統図である。なお、図１において実線は電力供給線（配線）を示し、破線は信号線を示す。

＜電動機駆動システムの構成＞
電動機駆動システム１００は、系統電源１と、インバータ２と、インバータ側コンタクタ３と、変圧器４と、電流検出器５と、系統側コンタクタ６と、電動機７と、を備える。
系統電源１は、例えば、電力系統（商用の配電線網を介して供給される電源）又は交流発電機である。なお、本実施形態に係る電動機駆動システム１００では、系統電源１から配線１１を介して３相の交流電流及び交流電圧が出力される。なお、以下の記載において、交流電流及び交流電圧を単に「交流」と記すことがあるものとする。

インバータ２は、交流を整流して直流とし、当該直流を所望の振幅、位相、及び周波数の３相交流に変換するものである。インバータ２の入力側は配線１１を介して系統電源１に接続されている。
インバータ側コンタクタ３は、例えば、電磁開閉器（マグネットスイッチ）であり、インバータ２が備える制御部２０２（図４参照）から入力される指令値ＣＩＶに応じた開閉動作を行い、インバータ２と電動機７とを接続／遮断するものである。インバータ側コンタクタ３の一端は配線１２を介してインバータ２の出力側に接続され、他端は配線１３を介して電動機７の入力端子（図示せず）に接続されている。

また、インバータ２は、ゲートパルス信号を印加すると通電し、ゲートパルス信号がなくなると自動的に消弧（遮断）する自己消弧型の半導体素子を用いた自励式インバータであって、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御などによって電動機７を定格速度まで加速させる機能を有している。なお、自己消弧型の半導体素子としては、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが挙げられる。

インバータ側コンタクタ３は、信号線２１を介してインバータ２の制御部２０２（図４参照）から入力される指令値ＣＩＶが“１”である場合には、インバータ２と電動機７とを接続する。また、指令値ＣＩＶが“０”である場合には、インバータ２と電動機７とを遮断する。

変圧器４は、系統電源１から入力される交流電圧を、電磁誘導を利用して所望の振幅値の交流電圧（電動機７の定格回転速度に対応する電圧）に変換するものである。変圧器４の一次側（入力側）は、配線１４及び配線１１を介して系統電源１に接続されている。なお、配線１４は、系統電源１とインバータ２の入力側とを接続する配線１１から分岐している。また、変圧器４の二次側(出力側)は電流検出器５に接続されている。
なお、系統電源１の電圧と電動機７の定格入力電圧とが等しい場合には、変圧器４を省略してもよい。

電流検出器５は、変圧器４から流入する電流の電流値Ｉ_ｐｓを検出するものであり、変圧器４の二次側と系統側コンタクタ６との間に直列に接続されている。そして、電流検出器５は検出した電流値Ｉ_ｐｓを、信号線２３を介してインバータ２の制御部２０２(図４参照)に出力する。
系統側コンタクタ６は、例えば、電磁開閉器であり、インバータ２が備える制御部２０２（図４参照）から入力される指令値ＣＰＳに応じた開閉動作を行い、変圧器４の二次側と電動機７とを接続／遮断するものである。系統側コンタクタ６の一端は電流検出器５に接続され、他端は配線１５及び配線１３を介して電動機７の入力端子（図示せず）に接続されている。
なお、配線１５は、インバータ側コンタクタ３と電動機７とを接続する配線１３から分岐している。

系統側コンタクタ６は、信号線２２を介してインバータ２の制御部２０２（図４参照）から入力される指令値ＣＰＳが“１”である場合には、変圧器４の二次側と電動機７とを接続する。また、指令値ＣＰＳが“０”である場合には、変圧器４の二次側と電動機７とを遮断する。
電動機７は、磁界と電界との相互作用を利用し、配線１３を介して入力される電気的エネルギを機械的エネルギ（回転エネルギ）に変換するものである。電動機７の入力端子（図示せず）は、配線１３を介してインバータ側コンタクタ３に接続されるとともに、配線１３及び配線１５を介して系統側コンタクタ６に接続されている。

したがって、電動機駆動システム１００は、インバータ２からインバータ側コンタクタ３を介して電動機７へ電力を供給する「インバータ側給電経路」と、系統電源１から系統側コンタクタ６を介して電動機７へ電力を供給する「系統側給電経路」と、を備えている。

＜制御部の処理手順＞
図２は、インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において、インバータ２の制御部２０２（以下、単に「制御部」と記す。：図４参照）は、インバータ側コンタクタ３に指令値ＣＩＶとして“１”を出力し、インバータ側コンタクタ３を接続状態にする。
ステップＳ１０２において制御部２０２は、定格回転速度を最終速度指令値とした電動機７の加速処理を開始する。
ステップＳ１０３において制御部２０２は、電動機７の回転速度が定格回転速度に達したか否かを判定する。

ステップＳ１０３において、電動機７の回転速度が定格回転速度に達している場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ１０４に進む。電動機７の回転速度が定格回転速度に達していない場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、制御部２０２はステップＳ１０３の処理を繰り返す。
ステップＳ１０４において制御部２０２は、インバータ２から出力される交流電圧を、系統電源１の電圧に同期させる処理（以下、同期処理と記す。）を開始する。

ステップＳ１０５において制御部２０２は、同期処理が完了したか否かを判定する。すなわち、制御部２０２は、系統電源１の電圧Ｖ_ｐｓに対してインバータ２の電圧Ｖ_ｉｎｖの振幅及び位相がそれぞれ略一致しているか否かを判定する。
同期処理が完了した場合（Ｓ１０５→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ１０６に進む。同期処理が完了していない場合（Ｓ１０５→Ｎｏ）、制御部２０２はステップＳ１０５の処理を繰り返し、同期処理を継続する。

ステップＳ１０６において制御部２０２は、系統側コンタクタ６に指令値ＣＰＳとして“１”を出力し、系統側コンタクタ６を接続状態にする。
ステップＳ１０７において制御部２０２は、電流検出値Ｉ_ｐｓの大きさ｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上であるか否かを判定する。なお、所定値Ｉ_０は、インバータ２のゲートを遮断するか否かを判断する際の閾値であり、予め設定された値である。例えば、Ｉ_０の値を、電動機７の定格電圧の５％に設定することができる。
電流検出値Ｉ_ｐｓの大きさ｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ１０８に進む。電流検出値Ｉ_ｐｓの大きさ｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０未満である場合（Ｓ１０７→Ｎｏ）、制御部２０２はステップＳ１０７の処理を繰り返す。

ステップＳ１０８において制御部２０２は、インバータ２が備える自己消弧型の半導体素子のゲートに、ゲート遮断信号ＳＵＰとして“１”を出力する。
ステップＳ１０９において制御部２０２は、インバータ側コンタクタ３に指令値ＣＩＶとして“０”を出力し、インバータ側コンタクタ３を遮断状態にする。

図３は、インバータを介した給電から、系統電源による直接的な給電に切り替える際の各種波形の時間的変化を示すタイムチャートである。
なお、図３に示すタイムチャートの横軸は時間である。また、図３に示すタイムチャートの縦軸は、上から順に、（ａ）は電動機７の回転速度ω_ｆｂ、（ｂ）はインバータ２から系統側コンタクタ６に出力される指令値ＣＰＳ、（ｃ）は電流検出器５からインバータ２に出力される電流Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜、（ｄ）はインバータ２におけるゲート遮断信号ＳＵＰ、（ｅ）はインバータ側コンタクタ３を流れる電流Ｉ_ｉｎｖの振幅値｜Ｉ_ｉｎｖ｜、（ｆ）は電動機７に流入する電流Ｉ_ｍの振幅値｜Ｉ_ｍ｜、（ｇ）はインバータ２からインバータ側コンタクタ３に出力される指令値ＣＩＶ、をそれぞれ示している。

なお、図３（ｄ）のゲート遮断信号ＳＵＰの値が“１”である場合には、インバータ２を構成する全ての自己消弧型の半導体素子がＯＦＦ状態となり、ゲート遮断信号ＳＵＰの値が“０”である場合には、インバータ２を構成する全ての自己消弧型の半導体素子がＯＮ状態となる。

図３の時刻ｔ０においてインバータ２の制御部２０２（図４参照）が、インバータ側コンタクタ３に指令値ＣＩＶとして“１”を出力し（図２のステップＳ１０１、図３（ｇ）参照）、定格回転速度を最終速度指令値とした電動機７の加速処理を開始すると（図２のステップＳ１０２）、次のような変化が生ずる。
すなわち、インバータ側コンタクタ３を流れる電流Ｉ_ｉｎｖ、及び、電動機７に流入する電流Ｉ_ｍが徐々に増加するとともに（図３（ｅ）、図３（ｆ）参照）、電動機７の回転速度ω_ｆｂが徐々に増加する（図３（ａ）参照）。

そして、図３の時刻ｔ１において電動機７の回転速度ω_ｆｂが定格回転速度に達すると（図２のステップＳ１０３→Ｙｅｓ）、制御部２０２は同期処理を開始する（図２のステップＳ１０４）。当該同期処理の間において（図３の時刻ｔ１〜ｔ２）、インバータ側コンタクタ３を流れる電流Ｉ_ｉｎｖの振幅値｜Ｉ_ｉｎｖ｜（図３（ｅ）参照）、及び、電動機７に流入する電流Ｉ_ｍの振幅値｜Ｉ_ｍ｜（図３（ｆ）参照）は、電動機７の定格回転速度に対応する所定値を維持している。

図３の時刻ｔ２において同期処理が完了し（図２のステップＳ１０５→Ｙｅｓ）、制御部２０２が系統側コンタクタ６に指令値ＣＰＳとして“１”を出力して（図２のステップＳ１０６、図３（ｂ）参照）、系統側コンタクタ６を接続状態にすると、次のような変化が生ずる。
すなわち、電流検出器５が検出する電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が、系統電圧Ｖ_ｐｓとインバータ電圧Ｖ_ｉｎｖの瞬時誤差に比例した増加率で急速に増加する（図３（ｃ）参照）。

図３の時刻ｔ３において電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上であると制御部２０２が判断し（図２のＳ１０７→Ｙｅｓ）、インバータ２が備える自己消弧型の半導体素子のゲートに、ゲート遮断信号ＳＵＰとして“１”を出力すると（図２のステップＳ１０８、図３（ｄ）参照）、次のような変化が生じる。
すなわち、ゲートが遮断されることによってインバータ２が停止するので、インバータ側コンタクタ３が接続状態のままであっても、電気的な同時併入の状態が解除される。これによって、インバータ２からインバータ側コンタクタ３に流れる電流Ｉ_ｉｎｖの振幅値｜Ｉ_ｉｎｖ｜はゼロまで急速に減少するとともに（図３（ｅ）参照）、系統電流Ｉ_ｐｓに含まれる横流成分もゼロまで減少する。

すなわち、時刻ｔ２以後において、インバータ２と系統電源１との間の横流に起因して系統電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が急速に増加しても、時刻ｔ３でインバータ２が停止するためインバータ側コンタクタ３を流れる電流Ｉ_ｉｎｖの振幅値｜Ｉ_ｉｎｖ｜がゼロまで減少する。

このとき、系統側コンタクタ６は接続状態にあることから、系統電流Ｉ_ｐｓは電動機７の定格回転速度に対応する所定値まで増加する。図３の時刻ｔ４において、制御部２０２がインバータ側コンタクタ３に指令値ＣＩＶとして“０”を出力し（図２のステップＳ１０９、図３（ｇ）参照）、インバータ側コンタクタ３を遮断状態にすると、インバータ２と電動機７とが物理的に遮断されるため、機械的な同時併入の状態が解除される。
なお、時刻ｔ４においてインバータ２が備える半導体素子のゲートは時刻ｔ３において遮断されているため、インバータ側コンタクタ３への電流Ｉ_ｉｎｖの振幅値｜Ｉ_ｉｎｖ｜はゼロになっている（図３（ｅ）参照）。

＜インバータの構成＞
図４は、インバータの構成を示す回路図である。インバータ２は、自己消弧型の半導体素子であるＩＧＢＴを用いた３相の自励式５レベルインバータである。
インバータ２は、変圧器２０１と、Ｕ相電力変換器２Ｕと、Ｖ相電力変換器２Ｖと、Ｗ相電力変換器２Ｗと、制御部２０２と、電源電圧検出器２０３と、出力電力検出器２０４と、出力電圧検出器２０５と、を備えている。
変圧器２０１の１次側は系統電源１に接続され、２次側はＵ相電力変換器２Ｕ、Ｖ相電力変換器２Ｖ、及びＷ相電力変換器２Ｗに接続されている。

Ｕ相電力変換器２Ｕ、Ｖ相電力変換器２Ｖ、及びＷ相電力変換器２Ｗは同様の構成を備えるため、ここではＶ相電力変換器２Ｖについて説明し、Ｕ相電力変換器２Ｕ及びＷ相電力変換器２Ｗについての説明を省略する。
Ｖ相電力変換器２Ｖは、整流部２１Ｖと、平滑部２２Ｖと、及び単相３レベル電力変換部２３Ｖ，２４Ｖを直列接続した５レベル電力変換器となっている。

整流部２１Ｖは、変圧器２０１を介して系統電源１から入力された交流電圧を整流する。
整流部２１Ｖは、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４が同方向に直列接続された整流ユニットが３個並列に接続された第１整流部と、ダイオードＤ１５〜Ｄ１８が同方向に直列接続された整流ユニットが３個並列に接続された第２整流部と、が直列接続されて構成されている。
また、ダイオードＤ１２とダイオードＤ１３とを接続する配線、ダイオードＤ１６とダイオードＤ１７とを接続する配線がそれぞれ分岐して、変圧器２０１に接続されている。なお、他の整流ユニットについても同様である。

平滑部２２Ｖは、整流部２１Ｖと並列接続されており、ダイオードによって整流された電圧を平滑化して直流電圧に変換する。
また、平滑部２２Ｖは、直列接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ２と、を備えている。

単相３レベル電力変換部２３Ｖは、平滑部２２Ｖと並列接続されている。また、単相３レベル電力変換部２３Ｖは、制御部２０２から入力されるゲートパルス信号Ｇ_ＶＡに応じて、平滑部２２Ｖから入力される直流電圧を所定周波数の単相３レベル交流電圧に変換する。
単相３レベル電力変換部２３Ｖは、ＩＧＢＴ（Ｆ１）とダイオードＤ１とが逆並列に接続された逆並列ユニットと同様の構成を備える逆並列ユニットが、４個直列に接続されている。また、ダイオードＤ５とダイオードＤ６が同方向に直列接続され、ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ（Ｆ１）のエミッタに接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ（Ｆ４）のコレクタに接続されている。

単相３レベル電力変換部２４Ｖは、単相３レベル電力変換部２３Ｖと直列に接続され、単相３レベル電力変換部２３Ｖと同様の構成を備えている。
また、整流部２１Ｖの前記第１整流部と前記第２整流部とを接続する配線、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とを接続する配線、ダイオードＤ５とダイオードＤ６とを接続する配線、ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２とを接続する配線、はそれぞれ分岐して互いに接続されている。

また、ＩＧＢＴ（Ｆ２）とＩＧＢＴ（Ｆ３）とを接続する配線が分岐して、Ｕ相電力変換器２Ｕにおける前記と同様の接続箇所、及び、Ｗ相電力変換器２Ｗにおける前記と同様の接続箇所に接続されている。
さらに、ＩＧＢＴ（Ｆ８）とＩＧＢＴ（Ｆ９）とを接続する配線が分岐して、インバータ側コンタクタ３に接続されている。

制御部２０２は、電源電圧検出器２０３が検出した電源電圧Ｖ_ｐｓ、出力電流検出器２０４が検出した電流Ｉ_ｉｎｖ、出力電圧検出器２０５が検出したインバータ電圧Ｖ_ｉｎｖ、及び電流検出器５から入力される検出値Ｉ_ｐｓに基づいて、インバータ側コンタクタ３に指令値ＣＩＶを出力し、系統側コンタクタ６に指令値ＣＰＳを出力する。
また、制御装置２０２は、単相３レベル電力変換部２３Ｕ，２４Ｕ，２３Ｖ，２４Ｖ，２３Ｗ，２３ＷのそれぞれのＩＧＢＴに、ゲートパルス信号Ｇ_ＵＡ，Ｇ_ＵＢ，Ｇ_ＶＡ，Ｇ_ＶＢ，Ｇ_ＷＡ，Ｇ_ＷＢを出力する。

このような構成により、図１に示す系統電源１から供給される３相の交流電圧は、図４に示す変圧器２０１によって変圧され、整流部２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗでそれぞれ整流され、平滑部２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗでそれぞれ平滑化されて直流電圧となる。そして、単相３レベル電力変換部２３Ｕ，２４Ｕ，２３Ｖ，２４Ｖ，２３Ｗ，２３ＷによってＵ相，Ｖ相，及びＷ相の各相電圧に変換され、インバータ側コンタクタ３に向けて出力される。
このようにして出力された３相電圧は、図１に示すインバータ側コンタクタ３を介して電動機７へ供給され、ＰＷＭ制御によって電動機７を可変速制御する。

次に、制御装置２０２が備えるゲート駆動信号生成部（図示せず）の構成及び動作について説明する。ここでは、ゲート駆動信号生成部のうち、単相３レベル電力変換部２３Ｖを駆動させるゲート駆動信号生成部２０２Ａのユニットの構成について説明するが、その他のユニットも同様の構成を備えている。

図５は、図４の制御装置が備えるゲート駆動信号生成部の構成図である。図４に示すように、単相３レベル電力変換部２３Ｖは４個のＩＧＢＴＦ１〜Ｆ４を備えている。したがって、図５に示すゲートパルス信号Ｇ_ＶＡを送信するゲート駆動信号生成部には、出力側に４本の信号線が設けられている。なお、それぞれの信号線は、ＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇに接続されている。

また、それぞれのＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇが備える２つの入力端子のうち、一方の入力端子には三角波比較部２０２ｃの出力信号線が接続され、他方の入力端子にはＮＯＴロジック２０２ｂの出力信号線が接続されている。また、三角波比較部２０２ｃは、Ｖ相の電圧指令Ｖｖ＊と三角波発生部２０２ａからの三角波信号とが入力される。さらに、ＮＯＴロジック２０２ｂの入力側にはインバータゲート遮断信号ＳＵＰが入力され、その否定ロジックが、それぞれのＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇに接続されている。

ここで、ＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇはそれぞれ、２つの入力がいずれも“１”の場合にのみ出力が“１”となり、それ以外のときは出力が“０”となる。また、ＮＯＴロジックは、入力されるインバータゲート遮断信号ＳＵＰが“１”のときに出力が“０”で、入力されるインバータゲート遮断信号ＳＵＰが“０”のときに出力が“１”となる。また、三角波比較部２０２ｃは、Ｖ相の電圧指令Ｖ_Ｖ＊と三角波発生部２０２ａから入力される三角波信号との大小比較に基づいて“１”または“０”の信号を生成し、それぞれのＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇに出力する。

インバータ２のゲート遮断信号ＳＵＰが“０”のときはＮＯＴロジック２０２ｂの出力が“１”となるため、それぞれのＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇは、Ｖ相の電圧指令Ｖ_Ｖ＊と三角波発生部２０２ａが出力する三角波信号との大小比較に基づいて“１”または“０”の信号を出力し、この信号がゲートパルス信号Ｇ_ＶＡとして、単相３レベル電力変換部２３Ｖの４個のＩＧＢＴ（Ｆ１）〜（Ｆ４）の各ゲート端子に出力される。したがって、図４に示す３相の自励式５レベルインバータ（つまり、図１に示すインバータ２）は、ＰＷＭ制御により変換された交流電力を電動機７へ供給することができる。

なお、インバータ２のゲート遮断信号ＳＵＰが“１”のときはＮＯＴロジック２０２ｂの出力が“０”となる。したがって、ＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇのそれぞれの入力端子にＰＷＭ制御を行うための“１”または“０”の信号が入力された場合でも、各ＡＮＤロジック２０２ｄ〜２０２ｇの出力は全て“０”となる。前記動作は、単相３レベル電力変換部２３Ｕ，２４Ｕ，２４Ｖ，２３Ｗ，２３Ｗについても同様である。つまり、制御部２０２からインバータ２のゲート遮断信号ＳＵＰ＝１が出力されると、全てのゲートパルス信号が遮断されインバータ２は直ちに停止するようになっている。

＜効果１＞
以上説明したように、本実施形態に係る電動機駆動システム１００によれば、インバータ側コンタクタ３及び系統側コンタクタ６の開閉動作遅延のばらつきに起因する機械的な同時併入期間の長さに関わらず、インバータ２と系統電源１との間の横流が増大する前に、インバータ２へのゲートパルス信号を遮断する。したがって、インバータ２を停止させることにより、電気的な同時併入期間を短縮させることができる。その結果、インバータ２と系統電源１との間に流れる横流を抑制することができる。

なお、系統電源１がやや不安定な小型発電機である場合には、電動機７の端子電圧と系統電源１の電圧との間に、電圧振幅誤差ΔＶや位相誤差Δθが僅かながら発生するおそれがある。このときに、系統電源１とインバータ２との間に流れる電流ΔＩ（横流）の振幅｜ΔＩ｜は、系統電源１のインピーダンスをＸ_ｓ、系統電源１に挿入した変圧器４のリアクタンス分をＸｔとすると、以下に示す（式１）で表わされる。

すなわち、系統電源１とインバータ２との間に流れる横流の振幅｜ΔＩ｜は、系統電源１のインピーダンスＸｓと系統電源１に挿入した変圧器４のリアクタンスＸｔとの和（Ｘｓ＋Ｘｔ）に反比例する。一般的に、この（Ｘｓ＋Ｘｔ）は小さい値であるので、系統電源１とインバータ２との間に流れる横流の振幅値｜ΔＩ｜は大きくなる。

本実施形態に係る電動機駆動システム１００では、インバータ２を介してから電動機７に電力を供給する際に、系統電流Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜を監視し、振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上となった時点で、ゲートを遮断してインバータ２を停止させ、電気的な同時併入を解除している。これによって、機械的同時併入期間の長さに関わらず、電気的同時併入期間を短縮して系統電源１とインバータ２との間に流れる横流の増大を抑制しながら、インバータ２から系統電源１へ切替えを適切に行うことができる。

すなわち、本発明の電動機駆動システム１００によれば、インバータ２から比較的電力が不安定な系統電源１（例えば、交流発電機）に電動機の供給電源を切り替える場合でも、横流の継続期間を短縮することができる。したがって、インバータ２を構成する半導体素子が大電流によって劣化・破損したり、電源電圧の変動などによって系統電源１が影響を受けてシステム全体が不安定となったりすること回避し、安全な運用を行うことができる。

≪第２実施形態≫
第１実施形態に係る電動機駆動システム１００では、系統電流Ｉ_ｐｓを検出する電流検出器５を備えていたのに対し、第２実施形態に係る電動機駆動システム１００Ａでは、電流検出器５の代わりに電動機７に流入する電流Ｉ_ｍを検出する電流検出器８を備える点が異なる。
その他の点については第１実施形態と同様であるから、説明を省略する。

＜電動機駆動システムの構成＞
図６は、電動機駆動システムの系統図である。図６に示すように、電流検出器８が電動機７とインバータ側コンタクタ３の一端との間に直列に接続されている。また、電流検出器８は、インバータ側コンタクタ３の一端と系統側コンタクタ６の一端との接続点よりも電動機７側に接続されている。そして、電流検出器８は、電動機７への電流Ｉ_ｍの値をインバータ２の制御部２０２（図４参照）に出力する。
なお、電流検出器８から制御部２０２に、電流Ｉ_ｐｓの値ではなく電流Ｉ_ｍの値が入力される点を除いて、インバータ２の構成は図４に示す構成と同様である。

＜制御部の処理手順＞
図７は、インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態での制御部２０２の処理において、図７のステップＳ２０１〜Ｓ２０６，Ｓ２０８，及びＳ２０９の処理はそれぞれ、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０６，Ｓ１０８，１０９の処理と同様である。したがって、図７のステップＳ２０７の処理について説明し、その他の処理については説明を省略する。

ステップＳ２０７において制御部２０２は、電動機７に流入する電流の値Ｉ_ｍとインバータ２から出力される電流の値Ｉ_ｉｎｖとの差の絶対値｜Ｉ_ｍ−Ｉ_ｉｎｖ｜が所定値Ｉ_０以上であるか否かを判定する。ここで、電流値Ｉ_ｍから電流値Ｉ_ｉｎｖを減じた値は、図２に示すフローチャートのステップＳ１０７の電流検出値Ｉ_ｐｓに相当する。つまり、｜Ｉ_ｍ−Ｉ_ｉｎｖ｜の値が所定値Ｉ_０以上であるか否かを判断することは、｜Ｉ_ｐｓ｜の値が所定値Ｉ_０以上であるか否かを判断することに相当する。

電動機７に流入する電流の値Ｉ_ｍと、インバータ２から出力される電流の値Ｉ_ｉｎｖとの差の絶対値｜Ｉ_ｍ−Ｉ_ｉｎｖ｜が所定値Ｉ_０以上である場合（Ｓ２０７→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ２０８に進む。電動機７に流入する電流の値Ｉ_ｍと、インバータ２から出力される電流の値Ｉ_ｉｎｖとの差の絶対値｜Ｉ_ｍ−Ｉ_ｉｎｖ｜が所定値Ｉ_０未満である場合（Ｓ２０７→Ｎｏ）、制御部２０２は、ステップＳ２０７の処理を繰り返す。

＜効果２＞
本実施形態に係る電動機駆動システム１００Ａは、第１実施形態に係る電動機駆動システム１００と同様に、インバータ側コンタクタ３及び系統側コンタクタ６の開閉タイミングのばらつきに起因する機械的な同時併入期間の長さに関わらず、インバータ２と系統電源１との間の横流が増大する前に、インバータ２へのゲートを遮断する。したがって、インバータ２を停止させることにより、電気的な同時併入期間を短縮させることができる。その結果、インバータ２と系統電源１との間に流れる横流を抑制することができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｂは、第１実施形態に係る電動機駆動システム１００と比較して、系統コンタクタコントローラ９が追加されている点が異なる。その他の点では第１実施形態の場合と同様であるから、重複する部分については説明を省略する。

＜電動機駆動システムの構成＞
図８は、電動機駆動システムの系統図である。図８に示すように、系統コンタクタコントローラ９には、変圧器４の２次側から流入する電流Ｉ_ｐｓの値が信号線２５を介して入力される。そして、系統コンタクタコントローラ９は前記電流Ｉ_ｐｓの値に基づいて、インバータ２に信号線２６を介してゲート遮断信号ＳＵＰを出力する。

また、系統コンタクタコントローラ９には、インバータ２から信号線２８を介して指令値ＣＰＳが入力される。そして、系統コンタクタコントローラ９はこれを中継して、系統側コンタクタ６に指令値ＣＰＳ＊を出力する。なお、指令値ＣＰＳと指令値ＣＰＳ＊の値は同一である。

＜制御部及び系統コンタクタコントローラの処理手順＞
図９は、インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。
図９のステップＳ３０１〜Ｓ３０６，及びＳ３０８の処理はそれぞれ、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０６，Ｓ１０９の処理と同様である。したがって、図９のステップＳ３０７の処理について説明し、その他の処理については説明を省略する。

ステップＳ３０７において、制御部２０２は、系統コンタクタコントローラ９がインバータ２にゲート遮断信号ＳＵＰとして“１”を出力しているか否かを判定する。系統コンタクタコントローラ９がインバータ２にゲート遮断信号ＳＵＰとして“１”を出力している場合（Ｓ３０７→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ３０８に進む。系統コンタクタコントローラ９がインバータ２にゲート遮断信号ＳＵＰとして“０”を出力している場合（Ｓ３０７→Ｎｏ）、制御部２０２はステップＳ３０７の処理を繰り返す。

図１０は、系統側コンタクタコントローラの動作の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ４０１において系統側コンタクタコントローラ９は、インバータ２から入力された系統側コンタクタ６への指令値ＣＰＳが“１”であるか否かを判定する。
系統側コンタクタコントローラ９への指令値ＣＰＳが“１”である場合（Ｓ４０１→Ｙｅｓ）、系統側コンタクタコントローラ９の処理はステップＳ４０２に進む。系統側コンタクタコントローラ９への指令値ＣＰＳが“０”である場合（Ｓ４０１→Ｎｏ）、系統側コンタクタコントローラ９はステップＳ４０１の処理を繰り返す。

ステップＳ４０２において系統側コンタクタコントローラ９は、インバータ２から入力された情報（ＣＰＳ＝１）に基づいて、系統側コンタクタ６に出力する指令値ＣＰＳ＊の値を“１”として、系統側コンタクタ６を接続状態にする。なお、当該処理は、図３のタイムチャートの時刻ｔ２に対応する。

ステップＳ４０３において系統側コンタクタコントローラ９は、電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上であるか否かを判定する。なお、所定値Ｉ_０は、インバータ２のゲートを遮断するか否かを判定する際の閾値であり、予め設定された値である。
電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０以上である場合（Ｓ４０３→Ｙｅｓ）、系統側コンタクタコントローラ９の処理はステップＳ４０４に進む。電流検出値Ｉ_ｐｓの振幅値｜Ｉ_ｐｓ｜が所定値Ｉ_０未満である場合（Ｓ４０３→Ｎｏ）、系統側コンタクタコントローラ９はステップＳ４０３の処理を繰り返す。

ステップＳ４０４において系統側コンタクタコントローラ９は、インバータ２が備える自己消弧型の半導体素子のゲートに、ゲート遮断信号ＳＵＰとして“１”を出力する。なお、当該処理は図３のタイムチャートの時刻ｔ３に対応する。

＜効果３＞
本実施形態の電動機駆動システム１００Ｂによれば、制御部２０２の信号を中継するための系統コンタクタコントローラ９をインバータ２の外部に設ける。したがって、図８に示す電動機駆動システム１００Ｂにおける変圧器４の近傍に設けられた電流検出器５とインバータ２との距離が遠い場合でも、インバータ２と変圧器４の中間点または変圧器４の近傍に系統コンタクタコントローラ９を設けることにより、電流検出器５からインバータ２に、配線長が非常に長い信号線を設ける必要がなくなる。

ちなみに、配線長が長い場合には、配線のインピーダンスによって電流検出値Ｉ_ｐｓ，Ｉ_ｍの信号レベルが減衰したり、配線のインダクタンスによって電流検出値Ｉ_ｐｓ，Ｉ_ｍの信号の伝送が遅延したりする可能性がある。
これに対して本実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｂは、系統コンタクタコントローラ９を備えているため、電流検出値Ｉ_ｐｓ，Ｉ_ｍの信号が、ノイズの影響を受けたり、減衰したり、遅延したりするおそれがなくなる。

≪第４実施形態≫
第１実施形態に係る電動機駆動システム１００では、電流検出器５（図１参照）を設けて、検出された電流値に基づいてインバータ２へのゲート遮断信号ＳＵＰの値を決定していた。これに対して第４実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｃでは、インバータ２の内部に電流検出器（インバータ電流検出器：図示せず）を設け、電流検出器の検出値Ｉ_ｉｎｖに基づいてゲート遮断信号ＳＵＰの値を決定する点が異なる。
その他の点では第１実施形態の場合と同様であるから、説明を省略する。

図１１は、電動機駆動システムの系統図である。図１１に示す本発明の第４実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｃは、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電動機駆動システム１００の構成から、電流検出器５及び信号線２３を省略し、インバータ２の内部に電流検出器（図示せず）を追加した構成となっている。

図１２は、インバータの制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１２のステップＳ５０１〜Ｓ５０５，Ｓ５０９，及びＳ５１０の処理はそれぞれ、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０５，Ｓ１０８，及びＳ１０９の処理と同様である。したがって、図１２のステップＳ５０６〜Ｓ５０８の処理について説明し、その他の処理については説明を省略する。

ステップＳ５０５において同期処理が完了すると（Ｓ５０５→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６において制御部２０２は、内部に備える電流検出器（図示せず）から入力される電流の値Ｉ_ｉｎｖをＩ_{ｉｎｖ_ｂｋ}として記憶する。
ステップＳ５０７において制御部２０２は、系統側コンタクタ６に指令値ＣＰＳとして“１”を出力し、系統側コンタクタ６を接続状態にする。

ステップＳ５０８において制御部２０２は、系統側コンタクタ６を接続した時点におけるインバータ電流の検出値Ｉ_ｉｎｖと、系統側コンタクタ６を接続する前のステップＳ５０６で記憶したインバータ電流Ｉ_{ｉｎｖ＿ｂｋ}との差分の大きさ（変化量）｜Ｉ_ｉｎｖ−Ｉ_{ｉｎｖ_ｂｋ}｜が、所定値Ｉ_１以上であるか否かを判定する。
ここで、系統側コンタクタ６を接続状態にして横流が流れた場合には、インバータ２の電流が増減するために、インバータ電流検出値Ｉ_ｉｎｖと、記憶しているインバータ電流Ｉ_{ｉｎｖ＿ｂｋ}との差分の大きさ（変化量）｜Ｉ_ｉｎｖ−Ｉ_{ｉｎｖ_ｂｋ}｜の値が増加していく。

｜Ｉ_ｉｎｖ−Ｉ_{ｉｎｖ_ｂｋ}｜の値が所定値Ｉ_１以上である場合（Ｓ５０８→Ｙｅｓ）、制御部２０２の処理はステップＳ５０９に進む。｜Ｉ_ｉｎｖ−Ｉ_{ｉｎｖ_ｂｋ}｜の値が所定値Ｉ_１未満である場合（Ｓ５０８→Ｎｏ）、制御部２０２はステップＳ５０８の処理を繰り返す。

＜効果４＞
本実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｃによれば、系統側の電流検出器、及び電動機電流検出器の何れも設置しなくてもよい。したがって、インバータ側コンタクタ３及び系統側コンタクタ６の開閉動作の遅延ばらつきに起因する機械的な同時併入状態の長さに関わらず、インバータゲート遮断信号によってインバータ２を停止させて電気的同時併入期間を短縮させることにより、横流が増大するのを抑制することができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る電動機駆動システムについて各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、インバータ２が備える半導体素子としてＩＧＢＴを用いた場合について説明したが、これに限らない。すなわち、インバータ２が備える半導体素子として、バイポーラトランジスタ、又はＦＥＴなどの自己消弧型の半導体素子を用いてもよい。

また、前記各実施形態では、制御部２０２がインバータ２に含まれる構成となっていたが、これに限らない。すなわち、制御部２０２をインバータ２の外部に設置することとしてもよい。
また、前記各実施形態は適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態に係る電動機駆動システム１００Ｂを第２実施形態に係る電動機駆動システム１００Ａに適用し、電動機７に流入する電流の値Ｉ_ｍとインバータ２から出力される電流の値Ｉ_ｉｎｖとの差の絶対値が所定値Ｉ_０以上になっている場合に、系統コンタクタコントローラ９がインバータ２を停止させることとしてもよい。

１ 系統電源
２ インバータ
２０２ 制御部（制御手段）
２０４ 電流検出器
３ インバータ側コンタクタ
４ 変圧器
５ 電流検出器
６ 系統側コンタクタ
７ 電動機
８ 電流検出器
９ 系統コンタクタコントローラ
１０２ 変圧器
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８ ＩＧＢＴ(半導体素子)

Claims (8)

1. 自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機とを通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給するインバータ側給電経路と、
   電力系統又は交流発電機を含む系統電源から、当該系統電源と前記電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給する系統側給電経路と、
   制御手段と、を備え、
   前記電動機を、前記インバータ側給電経路を介した給電によって加速させた後に、前記系統側給電経路を介した給電への切り替えを行う電動機駆動システムであって、
   前記制御手段は、前記系統側コンタクタに投入信号を出力して前記系統側給電経路を通電させた後に、当該系統側給電経路を通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させること
   を特徴とする電動機駆動システム。
2. 前記制御手段は、
   前記系統側給電経路を通流する電流の振幅値を、前記電動機に流入する電流と、前記インバータから流出する電流との差に基づいて算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動システム。
3. 前記制御手段の信号を中継するための系統コンタクタコントローラを前記インバータの外部に備え、
   前記系統コンタクタコントローラは、前記インバータから投入信号を前記制御手段から受信した後に、前記系統側コンタクタに投入信号を出力し、前記系統側給電経路を通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させること
   を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動システム。
4. 自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機とを通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給するインバータ側給電経路と、
   電力系統又は交流発電機を含む系統電源から、当該系統電源と前記電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給する系統側給電経路と、
   制御手段と、を備え、
   前記電動機を、前記インバータ側給電経路を介した給電によって加速させた後に、前記系統側給電経路を介した給電への切り替えを行う電動機駆動システムであって、
   前記制御手段は、前記系統側コンタクタに投入信号を出力して前記系統側給電経路を通電させた後に、前記インバータに流れるインバータ電流の変化量が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させること
   を特徴とする電動機駆動システム。
5. 前記半導体素子は、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、又はＩＧＢＴのいずれかであること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電動機駆動システム。
6. 自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機を通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して前記電動機へ電力を供給する第１手順と、
   前記インバータからの給電によって前記電動機が略定格回転速度に達した後、系統電源の供給電圧と前記電動機の端子電圧との同期処理を行う第２手順と、
   前記系統電源と前記電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給する第３手順と、
   前記系統側コンタクタを介して通流する電流の振幅値が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させる第４手順と、を含むこと
   を特徴とする電動機駆動方法。
7. 前記第４手順において、前記系統側給電経路を通流する電流の振幅値を、前記電動機に流入する電流と、前記インバータから流出する電流との差に基づいて算出すること
   を特徴とする請求項６に記載の電動機駆動方法。
8. 自己消弧型の半導体素子を用いたインバータから、当該インバータと電動機とを通電又は遮断するインバータ側コンタクタを介して前記電動機へ電力を供給する第１手順と、
   前記インバータからの給電によって前記電動機が略定格速度に達した後、系統電源の供給電圧と前記電動機の端子電圧との同期処理を行う第２手順と、
   前記系統電源と前記電動機とを通電又は遮断する系統側コンタクタを介して、前記電動機へ電力を供給する第３手順と、
   前記インバータに流れるインバータ電流の変化量が所定値以上となった場合に前記インバータを停止させる第４手順と、を含むこと
   を特徴とする電動機駆動方法。

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