JP2014014226A

JP2014014226A - 交流電動機駆動装置

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Publication number: JP2014014226A
Application number: JP2012150542A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Naito; 義雄内藤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】単位インバータを全数回生可能なインバータ構成にすることなく、ファンなどの慣性が大きな負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させる。
【解決手段】交流電動機駆動装置１０は、単位インバータ１ａおよび１ｂの組み合せを直列に合計ｎ段（ｎは２以上の整数）接続して１相分を構成し、当該１相分を複数相設けて交流電動機３の各相の入力端子に接続した多段接続インバータ１と、交流電動機３を可変速制御するインバータ制御部１１とを備え、多段接続インバータ１では、各相の単位インバータ１ａおよび１ｂの組み合せをｍ台（ｍは正の整数で、ｍ＜ｎ）の単位インバータ１ａとｎ−ｍ台の単位インバータ１ｂとし、インバータ制御部１１は交流電動機３を所定の速度を下回って減速制御する場合に、単位インバータ１ａが電力を回生するように多段接続インバータ１を位相制御し、交流電動機３を可変速制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電動機を駆動する交流電動機駆動装置に関する。

ファン、ブロワ等の回転機械（負荷）を駆動する交流電動機を制御する交流電動機駆動装置は、駆動する機械設備の要求に応じて決められた運転速度範囲内で加速、減速を行っている。通常は、運転速度範囲内の最低速度から最高速度まで、また、最高速度から最低速度までを一定の加速レート・減速レートで加速・減速させている。このうち、減速に関しては、回生機能を有さない交流電動機駆動装置の場合には回生運転とならないようにするために、十分に余裕のある減速レートによって長い時間をかけて減速させる必要がある。

なお、順変換部及び逆変換部を有する単相インバータユニットを複数直列に接続し、各単相インバータユニットの順変換部には入力トランスを介してそれぞれ交流電力を入力するよう構成した直列多重インバータ装置において、各単相インバータユニットを構成する順変換部のダイオードと逆並列にそれぞれ自己消弧形半導体スイッチング素子を接続して１２０°通流コンバータとし、かつこの１２０°通流コンバータの交流入力側に電圧検出回路を接続し、この電圧検出回路によって検出された電圧を共通のコントローラに送出し、コントローラはこの入力電圧に同期した１２０°通流幅信号を生成して前記各単相インバータユニットの各自己消弧形半導体スイッチング素子を制御するよう構成したことが知られている。

特開２００６−２３００２７号公報

図８は従来の交流電動機駆動装置の構成を示すブロック図である。また、図９は従来例による交流電動機駆動装置のフリーラン減速を示す図であり、図１０は従来例の交流電動機駆動装置の可変速制御を示す図である。

交流電動機駆動装置１１０は、図８に示すように、単位インバータ１ｂから構成される多段接続インバータ１０１と、速度基準指令を受けて交流電動機３を可変速制御するインバータ制御部１１１とを備えている。単位インバータ１ｂは、複数のダイオードが配置されて交流を直流に変換する整流器と、整流された直流を平滑化する平滑化コンデンサと、ダイオードと逆並列に配置された複数の自己消弧形電力素子を有して直流を交流に変換するインバータとから構成されている。

交流電動機駆動装置１１０は、入力変圧器２を介して三相交流電源４に接続され、また、交流電動機３の各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に接続されている。入力変圧器２は、高圧側に接続される１次巻線２１と低圧側に接続される２次巻線２２からなる構成である。

交流電動機駆動装置１１０は、ファンやブロワ等の可変速制御の用途には、回生制御機能が必要とされることがあまりなかった。このため、例えばファンやブロワ等において機械のイナーシャが非常に大きな負荷に接続された交流電動機３を図８に示す交流電動機駆動装置によって駆動した場合、単位インバータ１ｂの整流器がダイオードで構成されているため、交流電動機３を減速させる時は回生運転できない。

ファンやブロワなどは負荷トルクが回転数（速度）の２乗に比例する２乗トルク特性であり、交流電動機駆動装置１１０に回生機能がない場合には、例えば負荷トルクを使ってのフリーラン減速が用いられる場合がある。図９はこのような場合を示したものである。すなわち、交流電動機３は、速度が最高速度Ｎｍａｘからある一定の速度（最低速度Ｎｍｉｎとする）付近までは、例えば時間ｔ０〜ｔ１で減速する。さらに、その一定の速度付近以下から低速領域（例えば停止速度付近）までは長い時間をかけて減速する。

また、このような負荷に接続された交流電動機３を制御する交流電動機駆動装置１１０において、図８に示すような回生機能のない多段接続インバータ１０１を用いる場合に、運転速度範囲である最高速度Ｎｍａｘから最低速度Ｎｍｉｎまでを所定の減速レートによって速度制御し、かつ回生動作とならないようにする場合がある。

例えば、図８に示す交流電動機駆動装置１１０の速度制御処理において、交流電動機３が回生動作とならないようにするために、図１０に示すフリーラン減速カーブＣｘにおける最低速度Ｎｍｉｎ（時間ｔ１）での接線Ｌｙと同じ傾きである減速レートＬｘによって、交流電動機３を最高速度Ｎｍａｘから最低速度Ｎｍｉｎまで減速させる。このため、非常に長い減速時間（時間ｔ０〜ｔｅ）を要していた。

また、この減速時間を短くしようとして減速レートＬｘを大きくした場合、図８に示す交流電動機駆動装置１１０には回生機能がないため、回生エネルギーを処理できず、減速の途中で多段接続インバータ１０１を強制的に停止させる必要があり、運転が継続できないという課題があった。

一方、上記他の従来技術では、図８に示す交流電動機駆動装置１１０に用いる単位インバータ１ｂのすべてを、交流を直流に変換する整流器と、直流を交流に変換するインバータにダイオードと逆並列になった自己消弧形電力素子で構成した単相出力の単位インバータとすると、コストが高くなるという課題があった。

ファン、ブロワ、ポンプ等の２乗トルク特性を有する回転機械において、交流電動機を駆動する交流電動機駆動装置に回生機能がない場合、特に、慣性力（イナーシャ）が大きな回転機械（負荷）の場合には、回転の最高速度から最低速度までの減速時間が非常に長くなるという課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる交流電動機駆動装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る交流電動機駆動装置は、単相出力の合計ｎ台（ｎは２以上の整数）の第１の単位インバータおよび第２の単位インバータの組み合せを直列に多段接続して１相分を構成し、当該１相分を複数相設けて交流電動機の各相の入力端子に接続する多段接続インバータと、前記交流電動機を可変速制御するインバータ制御部とを備える交流電動機駆動装置である。前記第1の単位インバータは、ダイオードおよびそれと逆並列になった自己消弧形電力素子を複数配置して交流と直流を相互に変換可能な第１整流器と、自己消弧形電力素子およびそれと逆並列になったダイオードを複数配置して直流と交流を相互に変換可能な第１インバータとを有し、前記第２の単位インバータは、ダイオードを複数配置して交流を直流に変換する第２整流器と、自己消弧形電力素子およびそれと逆並列になったダイオードを複数配置して直流を交流に変換する第２インバータとを有している。前記多段接続インバータでは、各相の前記第１の単位インバータおよび第２の単位インバータの組み合せをｍ台（ｍは正の整数で、ｍ＜ｎ）の前記第１の単位インバータとｎ−ｍ台の第２の単位インバータとし、各相の１台の前記第１の単位インバータが中性点に接続され、前記第２の単位インバータが前記交流電動機の各相の入力端子に接続されて、かつ、各相の前記第１の単位インバータが２台以上である場合には前記第１の単位インバータが連続的に多段接続されて前記第２の単位インバータが１または多段接続され、前記インバータ制御部は、前記交流電動機を所定の速度を下回って減速制御する場合に、前記第１の単位インバータが電力を回生するように前記多段接続インバータを位相制御し、前記交流電動機を可変速制御することを特徴とする。

本発明に係る交流電動機駆動装置によれば、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる。

本発明に係る交流電動機駆動装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。図１の第１の単位インバータの構成を示すブロック図。図１の第２の単位インバータの構成を示すブロック図。第１の実施形態の交流電動機駆動装置の速度制御処理の一例を示す図。本発明に係る交流電動機駆動装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図。本発明に係る交流電動機駆動装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図。本発明に係る交流電動機駆動装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図。従来例による交流電動機駆動装置の構成を示すブロック図。従来例による交流電動機駆動装置のフリーラン減速を示す図。従来例の交流電動機駆動装置の可変速制御を示す図。

以下、本発明に係る実施形態の交流電動機駆動装置について、図面を参照して具体的に説明する。ここで、互いに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。ここで説明する下記の実施形態はいずれも、三相交流電動機を制御する交流電動機駆動装置の一例をとりあげて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る交流電動機駆動装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は図１に示す第１の単位インバータの構成を示すブロック図であり、図３は図１に示す第２の単位インバータの構成を示すブロック図である。図４は、第１の実施形態の交流電動機駆動装置の速度制御処理の一例を示す。

図１に、図示しない負荷に接続された交流電動機３を駆動するためのシステムを示す。図１に示すシステムでは、所定周波数の交流を供給する三相交流電源４、１次側が三相交流電源４に接続される１次巻線２１と２次側が多段接続インバータ１に接続される２次巻線２２とを有して入出力される交流電圧を変圧する入力変圧器２、入力変圧器２を介し入出力される交流を駆動周波数の交流に変換する交流電動機駆動装置１０、負荷に接続される交流電動機３が備えられている。さらに、交流電動機駆動装置１０は、図１に示すように、多段接続インバータ１と、インバータ制御部１１とを備えている。

多段接続インバータ１は、入力変圧器２と交流電動機３との間に設置されて、所定の周波数の交流を任意の駆動周波数（インバータ周波数）の交流に変換し、また、その逆の変換も可能である。多段接続インバータ１は、単位インバータ１ａ（第１の単位インバータ）および単位インバータ１ｂ（第２の単位インバータ）から構成される。

図２に示すように、単位インバータ１ａは、ダイオードおよびそれと逆並列になった自己消弧形電力素子を複数配置して交流と直流を相互に変換可能（交直変換可能）な第１整流器５０ａと、ダイオードおよび逆並列になった自己消弧形電力素子を複数配置して交直変換可能な第1インバータ６０ａとを有している。

交流（Ｒ、ＳおよびＴ相）を直流に変換する第１整流器５０ａは、例えばＴ相に接続されたダイオード５２および５４に逆並列に接続された複数の自己消弧形電力素子５１および５３を有している。その他のＲおよびＳ相についても同様である。その第１整流器５０ａの直流側には、整流された直流を平滑するコンデンサ５５、および、直流から交流に変換する第1インバータ６０ａが接続されている。

第1インバータ６０ａは、図２に示すように、例えば自己消弧形電力素子６１および６３に逆並列に接続されたダイオード６２および６４が複数配置されてブリッジ上に構成されている。そのブリッジ上の端子は、交流側の端子Ｕ０１および端子Ｕ０２に接続されている。

自己消弧形電力素子５１、５３、６１、６３等は、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

図３に示すように、単位インバータ１ｂは、ダイオードを複数配置して交流を直流に変換する第２整流器５０ｂと、ダイオードおよび逆並列になった自己消弧形電力素子を複数配置して直流を交流に変換する第２インバータ６０ｂとを有している。

交流を直流に変換する第２整流器５０ｂは、例えばＴ相に接続されたダイオード５６および５７を有する。その他のＲおよびＳ相についても同様である。その直流側には整流された直流を平滑するコンデンサ５８、および、直流を交流に変換する第２インバータ６０ｂが接続されている。

第２インバータ６０ｂは、図３に示すように、自己消弧形電力素子６５および６７に逆並列に接続されたダイオード６６および６８が複数配置されてブリッジ上に構成されている。そのブリッジ上の端子は、交流側の端子Ｕ０３および端子Ｕ０４に接続されている。自己消弧形電力素子６５、６７等は、例えばＩＧＢＴである。

多段接続インバータ１は、単相出力の合計ｎ台（ｎは２以上の整数）の単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂの組み合せを直列に多段接続して１相分を構成し、当該１相分を複数相設けて交流電動機３の各相の入力端子に接続している。

多段接続インバータ１では、各相の単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂの組み合せを、ｍ台（ｍは正の整数で、ｍ＜ｎ）の単位インバータ１ａとｎ−ｍ台の単位インバータ１ｂとしている。各相の１台の単位インバータ１ａは中性点に接続され、単位インバータ１ｂは交流電動機３の各相の入力端子に接続されて、かつ、各相の単位インバータ１ａが２台以上である場合には単位インバータ１ａが連続的に多段接続されて単位インバータ１ｂが１段または多段接続される。

図１に示す例では、ｎ＝３台とし、単位インバータ１ａをｍ＝１台、単位インバータ１ｂをｎ−ｍ＝２台と構成し、三相交流電源４に適用した場合である。図１に示す多段接続インバータ１は、例えば３台の単位インバータ１ａおよび１ｂの出力が直列に多段に接続されて１相分が構成され、単位インバータ１ａは中性点側に接続されている。

具体的には、多段接続インバータ１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各々に対して、１相当たりの単位インバータ数を３台とし、中性点側に接続される単位インバータ１ａの台数を１台として、単位インバータ１ｂの台数を２台にして構成した例である。このような構成で、Ｕ相において単位インバータ１ａの端子Ｕ０１が中性点に接続され、次の段に単位インバータ１ｂの端子Ｕ０３が単位インバータ１ａの端子Ｕ０２に接続されている。同様に、その次々段に単位インバータ１ｂの端子Ｕ０５が単位インバータ１ｂの端子Ｕ０４に接続される。そして、単位インバータ１ｂの端子Ｕ０６が交流電動機３のＵ相端子に接続される。その他の多段接続（端子Ｖ０１〜Ｖ０６、端子Ｗ０１〜Ｗ０６）についても同様である。

以上のように、多段接続インバータ１は単位インバータ１ａのみで構成されず、単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂの組み合わせで構成され、必要数の単位インバータ１ａで抑えることができる。ここで、必要数の単位インバータ１ａを定めるための、もしくは、単位インバータ１ａの数から定められる交流電動機駆動装置１０の制御方法について述べる。

インバータ制御部１１は、速度基準指令に基づいて、多段接続インバータ１を用いて交流電動機３を可変速制御する。特に、インバータ制御部１１は、交流電動機３を所定の速度を下回って減速制御する場合に、単位インバータ１ａが電力を回生するように多段接続インバータ１を位相制御し、交流電動機３を可変速制御する。インバータ制御部１１は、例えばＶ／ｆ（電圧／周波数）一定制御に基づいて、交流電動機３を可変速制御する。なお、インバータ制御部１１による可変速制御は、この他にも、ベクトル制御やセンサーレスベクトル制御であってもよい。

以上のような多段接続インバータ１およびインバータ制御部１１の構成を備える交流電動機駆動装置１０は、交流電動機３の減速運転時において、最高速度から所定の速度に到る速度指令の領域（速度領域（Ｉ）とする）まで、交流電動機３を負荷トルクによって回生制動させずに減速させる。

交流電動機駆動装置１０は、交流電動機３の減速運転時において、所定の速度を下回るまでは多段接続インバータ１に回生制御をさせず、所定の速度を下回る場合に回生制御させる。これにより、交流電動機３は、所定の速度を下回る速度指令の領域（速度領域（ＩＩ）とする）において回生運転可能となる。

交流電動機３は、例えば誘導電動機、同期電動機などである。また、交流電動機３に接続される負荷は、例えばファン、ポンプなどである。

図４に、第１の実施形態の交流電動機駆動装置の速度制御処理の一例を示す。

図４に示す直線Ｌａまたは直線Ｌｂは、第１の実施形態の交流電動機駆動装置が一定の減速レートＮｒｆで減速する場合の例であり、曲線Ｃａは従来例の交流電動機駆動装置が負荷トルクによってフリーラン減速する場合の例を示す。なお、曲線Ｃａは図１０に示すフリーラン減速カーブＣｘに対応する。また、図４に示す速度制御処理について、減速レートＮｒｆを直線Ｌａに沿った減速にする場合を減速（Ａ）とし、減速レートＮｒｆを直線Ｌｂに沿った減速にする場合を減速（Ｂ）とする。

ここで、図４に示す減速（Ａ）の速度制御処理を実行する交流電動機駆動装置１０において、例えば図１に示す多段接続インバータ１の各相の単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂの組み合せは、１台の単位インバータ１ａと２台の単位インバータ１ｂである。これは、図１に示す多段接続インバータ１の構成の通りの組み合せである。

また、図４に示す減速（Ｂ）の場合に、例えば図１に示す多段接続インバータ１の各相の単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂの組み合せで示すと、２台の単位インバータ１ａと１台の単位インバータ１ｂである。これは、図１に示す多段接続インバータ１の構成と異なる組み合せである。

減速（Ａ）では、所定の速度を設定速度Ｎｓｅｔとする。曲線Ｃａにおいて、この設定速度Ｎｓｅｔとなる時間ｔ１１における接線を直線Ｌｃとし、直線Ｌａの傾きはその直線Ｌｃの傾きと等しいとする。減速（Ａ）において、最高速度Ｎｍａｘから設定速度Ｎｓｅｔまでの速度領域（Ｉ）における減速時間は、時間ｔ０〜時間ｔｓｅｔ１である。また、同じく、設定速度Ｎｓｅｔから最低速度Ｎｍｉｎまでの速度領域（ＩＩ）における減速時間は、時間ｔｓｅｔ１〜時間ｔｄ１である。なお、時間ｔ０は減速指令を開始した基準時間とする。

また、減速（Ｂ）では、所定の速度を設定速度Ｎｓｅｔ２とする。曲線Ｃａにおいて、この設定速度Ｎｓｅｔ２となる時間ｔ２１における接線を直線Ｌｄとし、直線Ｌｂの傾きはその直線Ｌｄの傾きと等しいする。減速（Ｂ）において、最高速度Ｎｍａｘから設定速度Ｎｓｅｔ２までの速度領域（Ｉ）における減速時間は、時間ｔ０〜時間ｔｓｅｔ２である。また、同じく、設定速度Ｎｓｅｔ２から最低速度Ｎｍｉｎまでの速度領域（ＩＩ）における減速時間は、時間ｔｓｅｔ２〜時間ｔｄ２である。

図４に示す減速レートＮｒｆにおいて、減速レートの傾きは減速（Ａ）よりも減速（Ｂ）の方が大きい。ここで、所定の速度を設定速度Ｎｓｅｔ１または設定速度Ｎｓｅｔ２にする場合の多段接続インバータ１の単位インバータ１ａの必要数について説明する。

例えば、他の従来例の交流電動機駆動装置によって、図４に示す最高速度Ｎｍａｘ〜最低速度Ｎｍｉｎまで回生運転により減速する場合、すなわち、図１に示す多段接続インバータ１の各相の単位インバータ１ａの数を３とし、単位インバータ１ｂの数を０とした場合を仮定して説明する。この場合に、最高速度Ｎｍａｘでの電圧を最大電圧Ｖｓｅｔとすれば、他の従来例の交流電動機駆動装置では、多段接続インバータが全速度領域で回生制御可能な可変速制御を実行する。

一方、交流電動機駆動装置１０は、例えば減速（Ａ）の速度制御処理の場合、設定速度Ｎｓｅｔで力行運転から回生運転に切り替える。すなわち、交流電動機駆動装置１０は、時間ｔ０から時間ｔｓｅｔ１までの間、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに回生運転をさせない。交流電動機駆動装置１０は、時間ｔｓｅｔ１以降に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに回生運転をさせる。

減速（Ａ）の速度制御処理の場合、最高速度Ｎｍａｘでの電圧を最大電圧Ｖｓｅｔ、設定速度Ｎｓｅｔ＝１／３・Ｎｍａｘとすれば、多段接続インバータ１は、速度領域（ＩＩ）での可変速制御を、およそ１／３・Ｖｓｅｔの電圧以下の領域で回生制御すればよい。すなわち、単相当たり３台中の１台の単位インバータ１ａを用いて回生制御することにより、速度領域（ＩＩ）での可変速制御を、回生制御により減速可能である。

また、交流電動機駆動装置１０は、例えば減速（Ｂ）の速度制御処理の場合、設定速度Ｎｓｅｔ２で力行運転から回生運転に切り替える。すなわち、交流電動機駆動装置１０は、時間ｔ０から時間ｔｓｅｔ２までの間、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに回生運転をさせない。交流電動機駆動装置１０は、時間ｔｓｅｔ２以降に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに回生運転をさせる。

減速（Ｂ）の速度制御処理の場合、最高速度Ｎｍａｘでの電圧を最大電圧Ｖｓｅｔ、設定速度Ｎｓｅｔ２＝２／３・Ｎｍａｘとすれば、多段接続インバータ１は、速度領域（ＩＩ）での可変速制御を、およそ２／３・Ｖｓｅｔの電圧以下の領域で回生制御すればよい。すなわち、単相当たり３台中の２台の単位インバータ１ａを用いて回生制御することにより、速度領域（ＩＩ）での可変速制御を、回生制御により減速可能である。

以上のように、減速（Ａ）および減速（Ｂ）のいずれの場合も、多段接続インバータ１は必要数の単位インバータ１ａを用いて、入力変圧器２を介して、速度領域（ＩＩ）における回生エネルギーを三相交流電源４に戻すことができる。

以上説明したように、交流電動機駆動装置１０は、交流電動機３を減速制御する場合に、図４に示す速度領域（Ｉ）では、単位インバータ１ａの回生機能は用いずに、負荷トルクによって交流電動機３を減速させる。すなわち、交流電動機駆動装置１０は、交流電動機３を回生制動させずに、単位インバータ１ａおよび単位インバータ１ｂに対して回生制御を必要としない制御を行う。

また、交流電動機駆動装置１０は、図４に示す速度領域（ＩＩ）では、単位インバータ１ａの回生機能によって交流電動機３を減速させる。すなわち、交流電動機駆動装置１０は、交流電動機３を回生制動させるために、単位インバータ１ａを回生制御する。

なお、多段接続インバータ１において、１相分の多段直列接続する単位インバータ１ａおよび１ｂをｎ台（ｎは２以上の整数）とした場合に、単位インバータ１ａの台数をｍ台（ｍは１以上、ｎ−１以下の整数）とし、単位インバータ１ｂの台数をｎ−ｍ台として構成する。この場合には、最高速度Ｎｍａｘとすると、例えば所定の速度を設定速度Ｎｓｅｔ＝ｍ／ｎ・Ｎｍａｘとすることができる。これにより、前述したような図４に示す回生運転を行わない速度領域（Ｉ）と、回生運転を行う速度領域（ＩＩ）とを定めることができる。なお、所定の速度を設定速度Ｎｓｅｔ＝ｍ／ｎ・Ｎｍａｘよりやや大きい速度に定めてもよい。すなわち、所定の速度を最高速度Ｎｍａｘのｍ／ｎを基準にして定めればよい。

以上説明したように、インバータ制御部１１は、所定の速度を、交流電動機３を可変速制御する最高速度Ｎｍａｘのｍ／ｎを基準にして定めることができる。

また、インバータ制御部１１は、交流電動機３を減速させる場合に、交流電動機３の負荷トルク特性に基づいて予め定められた減速レートＮｒｆによって可変速制御することができる。

以上のように、多段接続インバータ１では、すべてを単位インバータ１ａとせず、一部に単位インバータ１ａを用いて、特に減速に時間のかかる低速域にて回生制動を行えばよい。この結果、多段接続インバータ１のコストを低減することができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる。

また、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いるため、交流電動機駆動装置のコストを抑えることができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る交流電動機駆動装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、特にインバータ制御部１１ａの構成を詳細に示すブロック図である。なお、インバータ制御部１１ａは、図１のインバータ制御部１１に対応するものであり、インバータ制御部１１の構成を限定したものである。

図５に示す構成のシステムには、図示しない負荷に接続された交流電動機３、三相交流電源４、交流電動機駆動装置１０ａ、１次側が三相交流電源４に接続されて２次側が多巻線構成で交流電動機駆動装置１０ａに接続された入力変圧器２が備えられている。

交流電動機駆動装置１０ａは、多段接続インバータ１と、インバータ制御部１１ａとを備えている。さらに、インバータ制御部１１ａは、速度基準レート回路１２、速度制御部１３ａ、速度指令比較器１４ａ、および回生速度設定器１５ａを備えている。以下、主にインバータ制御部１１ａについて説明する。

インバータ制御部１１ａは、外部からの速度基準指令に基づいて、例えばＶ（電圧）／ｆ（周波数）一定制御を行う。すなわち、速度基準指令に基づく、多段接続インバータ１の駆動周波数を求めて、その駆動周波数に応じたＶ（電圧）となるように多段接続インバータ１を制御する。なお、例えば、Ｖ（電圧）は交流電動機３の端子電圧であり、ｆ（周波数）は多段接続インバータ１の駆動周波数などが用いられる。

外部からの速度基準指令は、速度基準レート回路１２に入力される。速度基準レート回路１２は、速度基準指令に基づいて、交流電動機３の定速、加速および減速のいずれかの速度制御指令となる速度基準信号を設定する。例えば、速度基準指令が減速の場合、速度基準レート回路１２は、第１の実施形態で説明したような減速レートＮｒｆの速度基準信号を出力する。

出力された速度基準信号は、速度制御部１３ａおよび速度指令比較器１４ａに入力される。速度基準信号は、例えば速度範囲内の速度に対応した電圧信号である。

回生速度設定器１５ａは、単位インバータ１ａを回生制御するか否かを決定する速度基準の信号レベル（速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔ）を設定する。回生速度設定器１５ａは、設定した速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを速度指令比較器１４ａに出力する。

速度指令比較器１４ａは、速度基準信号と速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔとを逐次比較して判定する。速度指令比較器１４ａは、速度制御部１３ａに判定結果を通知する。例えば、判定結果は、速度基準信号が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを下回った場合にＬｏｗ信号で出力され、それ以外はＨｉｇｈ信号とされて、判別可能とされる。

速度制御部１３ａは、可変速制御を行うために、多段接続インバータ１を制御する。特に、速度制御部１３ａは、速度基準レート回路１２から入力した速度基準信号および速度指令比較器１４ａから入力した判定結果に基づいて、交流電動機３を減速制御するように多段接続インバータ１を制御する。

具体的には、速度制御部１３ａは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、速度基準信号が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔ以上の場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａおよび１ｂに対して力行制御を行い、交流電動機３を力行運転させる。これは、図４の所定の速度Ｎｓｅｔが速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔに対応するものであり、最高速度Ｎｍａｘから所定の速度Ｎｓｅｔまでの速度領域（Ｉ）では、単位インバータ１ａの回生機能はオフさせて力行運転をさせる。

また、速度制御部１３ａは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、速度基準信号が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを下回った場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに対して回生制御を行い、交流電動機３を回生運転させる。これは、図４の速度領域（ＩＩ）に対応する。これにより、交流電動機駆動装置１０ａは、多段接続インバータ１のすべてに単位インバータ１ａを用いなくとも、交流電動機３の低速域での減速時間を短くすることができる。

なお、インバータ制御部１１ａでは、例えばＶ／ｆ一定制御に基づき、速度基準信号により交流電動機３の速度が所定の速度Ｎｓｅｔ（速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔに対応）より下回ったことを判断することができる。なお、インバータ制御部１１ａによる可変速制御は、この他にも、ベクトル制御やセンサーレスベクトル制御であってもよい。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる。

また、速度基準指令値に基づいて減速制御を行うため、交流電動機の速度等を検出する検出器が不要であり、さらに交流電動機駆動装置のコストを抑えることができる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明に係る交流電動機駆動装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図であり、特にインバータ制御部１１ｂの構成を詳細に示すブロック図である。なお、インバータ制御部１１ｂは、図１のインバータ制御部１１に対応するものであり、インバータ制御部１１の構成を限定したものである。

第３の実施形態の交流電動機駆動装置は、第２の実施形態の場合と比較して、インバータ制御部１１ａの代わりに、インバータ制御部１１ｂおよび電圧検出用変圧器５を備える点で相違する。以下、相違点の主な機能について説明する。

図６に示す構成のシステムには、図示しない負荷に接続された交流電動機３、三相交流電源４、交流電動機駆動装置１０ｂ、１次側が三相交流電源４に接続されて２次側が多巻線構成で交流電動機駆動装置１０ｂに接続された入力変圧器２、交流電動機３の端子電圧を検出する電圧検出用変圧器５が備えられている。

交流電動機駆動装置１０ｂは、多段接続インバータ１と、インバータ制御部１１ｂとを備えている。さらに、インバータ制御部１１ｂは、速度基準レート回路１２、速度制御部１３ｂ、電圧比較器１４ｂ、および電圧設定器１５ｂを備えている。

外部からの速度基準指令は、速度基準レート回路１２に入力される。速度基準レート回路１２は、速度基準指令に基づいて、交流電動機３の定速、加速および減速の速度制御指令となる速度基準信号を設定する。例えば、速度基準指令が減速の場合、速度基準レート回路１２は、第１の実施形態で説明したような減速レートＮｒｆの速度基準信号を出力する。

出力された速度基準信号は、速度制御部１３ｂに入力される。速度基準信号は、例えば速度範囲内の速度に対応した電圧信号である。

電圧設定器１５ｂは、単位インバータ１ａを回生制御するか否かを決定する電圧基準の信号レベル（電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔ）を設定する。電圧設定器１５ｂは、設定した電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔを電圧比較器１４ｂに出力する。

電圧検出用変圧器５は、多段接続インバータ１から交流電動機３の端子電圧を検出する。電圧検出用変圧器５は、検出した端子電圧を電圧比較器１４ｂに出力する。

電圧比較器１４ｂは、電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔと検出された端子電圧とを逐次比較し判定する。電圧比較器１４ｂは、速度制御部１３ｂに判定結果を通知する。例えば、判定結果は、検出された端子電圧が電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔを下回った場合にＬｏｗ信号で出力され、それ以外はＨｉｇｈ信号とされて、判別可能とされる。

速度制御部１３ｂは、可変速制御を行うために、多段接続インバータ１を制御する。速度制御部１３ｂは、速度基準レート回路１２から入力した速度基準信号および電圧比較器１４ｂから入力した判定結果に基づいて、交流電動機３を減速制御するように多段接続インバータ１を制御する。

具体的には、速度制御部１３ｂは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、検出された端子電圧が電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔ以上の場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａおよび１ｂに対して力行制御を行い、交流電動機３を力行運転させる。これは、図４の所定の速度Ｎｓｅｔが電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔに対応するものであり、最高速度Ｎｍａｘから所定の速度Ｎｓｅｔまでの速度領域（Ｉ）では、単位インバータ１ａの回生機能はオフさせて力行運転をさせる。

また、速度制御部１３ｂは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、検出された端子電圧が電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔを下回った場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに対して回生制御を行い、交流電動機３を回生運転させる。これは、図４の速度領域（ＩＩ）に対応する。

これにより、交流電動機駆動装置１０ｂは、多段接続インバータ１のすべてに単位インバータ１ａを用いなくとも、交流電動機３の低速域での減速時間を短くすることができる。

なお、インバータ制御部１１ｂでは、交流電動機３の端子電圧を検出して、例えばＶ／ｆ一定制御に基づき、検出した端子電圧により交流電動機３の速度が所定の速度Ｎｓｅｔ（電圧基準設定値Ｖ＿ｓｅｔに対応）より下回ったことを判断することができる。なお、インバータ制御部１１ｂによる可変速制御は、この他にも、ベクトル制御やセンサーレスベクトル制御であってもよい。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる。

また、交流電動機の端子電圧を検出する電圧検出用変圧器を備えて、減速制御を行うため、高精度の制御処理を実現できる。

［第４の実施形態］
図７は、本発明に係る交流電動機駆動装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図であり、特にインバータ制御部１１ｃの構成を詳細に示すブロック図である。なお、インバータ制御部１１ｃは、図１のインバータ制御部１１に対応するものであり、インバータ制御部１１の構成を限定したものである。

第４の実施形態の中継装置は、第２の実施形態の場合と比較して、インバータ制御部１１ａの代わりに、インバータ制御部１１ｃおよび速度検出器６を備える点で相違する。以下、相違点の主な機能について説明する。

図７に示す構成のシステムには、図示しない負荷に接続された交流電動機３、三相交流電源４、交流電動機駆動装置１０ｃ、１次側が三相交流電源４に接続されて２次側が多巻線構成で交流電動機駆動装置１０ｃに接続された入力変圧器２、交流電動機３の速度を検出する速度検出器６が備えられている。

交流電動機駆動装置１０ｃは、多段接続インバータ１と、インバータ制御部１１ｃとを備えている。さらに、インバータ制御部１１ｃは、速度基準レート回路１２、速度制御部１３ｃ、検出速度比較器１４ｃ、および速度設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを設定する速度設定器１５ｃを備えている。

出力された速度基準信号は、速度制御部１３ｃに入力される。速度基準信号は、例えば速度範囲内の速度に対応した電圧信号である。

速度設定器１５ｃは、単位インバータ１ａを回生制御するか否かを決定する電圧基準の信号レベル（速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔ）を設定する。速度設定器１５ｃは、設定した速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを、検出速度比較器１４ｃに出力する。

速度検出器６は、交流電動機３の速度（回転速度）を検出し、検出した速度を出力する。速度検出器６は、例えばパルスエンコーダなどである
検出速度比較器１４ｃは、速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔと検出された速度とを逐次比較し判定する。検出速度比較器１４ｃは、速度制御部１３ｃに判定結果を通知する。例えば、判定結果は、検出された速度が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを下回った場合にＬｏｗ信号で出力され、それ以外はＨｉｇｈ信号とされて、判別可能とされる。

速度制御部１３ｃは、可変速制御を行うために、多段接続インバータ１を制御する。速度制御部１３ｃは、速度基準レート回路１２から入力した速度基準信号および検出速度比較器１４ｃから入力した判定結果に基づいて、交流電動機３を減速制御するように多段接続インバータ１を制御する。

具体的には、速度制御部１３ｃは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、検出された速度が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔ以上の場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａおよび１ｂに対して力行制御を行い、交流電動機３を力行運転させる。これは、図４の所定の速度Ｎｓｅｔが速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔに対応するものであり、最高速度Ｎｍａｘから所定の速度Ｎｓｅｔまでの速度領域（Ｉ）では、単位インバータ１ａの回生機能はオフさせて力行運転をさせる。

また、速度制御部１３ｃは、速度基準レート回路１２から減速の速度基準信号、かつ、検出された速度が速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔを下回った場合に、多段接続インバータ１の単位インバータ１ａに対して回生制御を行い、交流電動機３を回生運転させる。これは、図４の速度領域（ＩＩ）に対応する。

これにより、交流電動機駆動装置１０ｃは、多段接続インバータ１のすべてに単位インバータ１ａを用いなくとも、交流電動機３の低速域での減速時間を短くすることができる。

なお、インバータ制御部１１ｃでは、交流電動機３の速度を検出して、例えばＶ／ｆ一定制御に基づき、検出した速度により交流電動機３の速度が所定の速度Ｎｓｅｔ（速度基準設定値Ｎｒｅｆ＿ｓｅｔに対応）より下回ったことを判断することができる。なお、インバータ制御部１１ｃによる可変速制御は、この他にも、ベクトル制御やセンサーレスベクトル制御であってもよい。

以上説明したように、第４の実施形態によれば、多段接続インバータの一部に回生機能を有する単位インバータを用いて、ファンやブロワ等の負荷を駆動する交流電動機を短い時間で減速させることができる。

また、交流電動機の速度を検出する速度検出器を備えて、減速制御を行うため、高精度の制御処理を実現できる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、交流電動機駆動装置は、多相（二相以上）交流電動機を制御することであってもよい。また、例えば各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１０１…多段接続インバータ、１ａ…単位インバータ（第１の単位インバータ）、１ｂ…単位インバータ（第２の単位インバータ）、２…入力変圧器、３…交流電動機、４…三相交流電源、５…電圧検出用変圧器、６…速度検出器、１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１０…交流電動機駆動装置、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１１…インバータ制御部、１２…速度基準レート回路、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…速度制御部、１４ａ…速度指令比較器、１４ｂ…電圧比較器、１４ｃ…検出速度比較器、１５ａ…回生速度設定器、１５ｂ…電圧設定器、１５ｃ…速度設定器、２１…１次巻線、２２…２次巻線、５０ａ…第１整流器、５０ｂ…第２整流器、５１、５３、６１、６３、６５、６７…自己消弧形電力素子、５２、５４、６２、６４、５６、５７、６６、６８…ダイオード、５５、５８…コンデンサ、６０ａ…第１インバータ、６０ｂ…第２インバータ

Claims

単相出力の合計ｎ台（ｎは２以上の整数）の第１の単位インバータおよび第２の単位インバータの組み合せを直列に多段接続して１相分を構成し、当該１相分を複数相設けて交流電動機の各相の入力端子に接続する多段接続インバータと、前記交流電動機を可変速制御するインバータ制御部とを備える交流電動機駆動装置であって、
前記第1の単位インバータは、ダイオードおよびそれと逆並列になった自己消弧形電力素子を複数配置して交流と直流を相互に変換可能な第１整流器と、自己消弧形電力素子およびそれと逆並列になったダイオードを複数配置して直流と交流を相互に変換可能な第１インバータとを有し、
前記第２の単位インバータは、ダイオードを複数配置して交流を直流に変換する第２整流器と、自己消弧形電力素子およびそれと逆並列になったダイオードを複数配置して直流を交流に変換する第２インバータとを有し、
前記多段接続インバータでは、各相の前記第１の単位インバータおよび第２の単位インバータの組み合せをｍ台（ｍは正の整数で、ｍ＜ｎ）の前記第１の単位インバータとｎ−ｍ台の第２の単位インバータとし、各相の１台の前記第１の単位インバータが中性点に接続され、前記第２の単位インバータが前記交流電動機の各相の入力端子に接続されて、かつ、各相の前記第１の単位インバータが２台以上である場合には前記第１の単位インバータが連続的に多段接続されて前記第２の単位インバータが１または多段接続され、
前記インバータ制御部は、前記交流電動機を所定の速度を下回って減速制御する場合に、前記第１の単位インバータが電力を回生するように前記多段接続インバータを位相制御し、前記交流電動機を可変速制御する
ことを特徴とする交流電動機駆動装置。
前記インバータ制御部は、前記所定の速度を、前記交流電動機を可変速制御する最高速度のｍ／ｎを基準にして定める
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機駆動装置。
前記インバータ制御部は、前記交流電動機を減速させる場合に、予め定められた減速レートによって前記交流電動機を可変速制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機駆動装置。
前記インバータ制御部は、前記交流電動機の速度が前記所定の速度より下回ったことを、速度指令基準値と予め設定された速度基準値とで判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の交流電動機駆動装置。
前記インバータ制御部は、前記交流電動機の速度が前記所定の速度より下回ったことを、前記交流電動機の端子電圧と予め設定された端子電圧基準値とを比較して判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の交流電動機駆動装置。
前記インバータ制御部は、前記交流電動機の速度を検出する速度検出器を備え、
前記インバータ制御部は、前記交流電動機の速度が前記所定の速度より下回ったことを、前記速度検出器で検出された速度と予め設定された速度基準値とを比較して判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の交流電動機駆動装置。
前記交流電動機は、誘導電動機または同期電動機である
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交流電動機駆動装置。