JP2015163005A - 長尺ケーブルを介して駆動する道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インバータ装置130と同相リアクトル140と交流リアクトル151を設け、交流リアクトル151の後にスター接続された第1のコンデンサ回路152を並列接続し、その端子電圧を長尺ケーブル300を通してジェットファン用誘導電動機400に供給し、第1のコンデンサ回路152のスター接続の中点を交流/直流変換器131の中性点などに接続し、交流/直流変換器131の同相成分とインバータ回路132の同相成分を還流せしめ、同相電圧を低減する。インバータ装置130の二次側の回路やケーブル300により生じる電圧降下の影響を解消するため調整用変圧器180を挿入し、ジェットファン用誘導電動機400の入力電圧が定格入力電圧付近となるよう調整する。
【選択図】図1
Description
図40において、対面通行道路トンネル内200には図右から図左にかけて縦流の空気流Aが発生し、右から左方向にトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置によりジェットファン用誘導電動機の運転を制御する。
図40の例ではトンネル200内の入口近く、中央部近く、出口近くの各場所に風向風速計(AV)がそれぞれ設置されており、排気抗の入口近くには、汚染濃度計である煙霧透過率計(VI計)、一酸化炭素濃度計(CO計)が設置されている(図示せず)。ここで、煙霧透過率計(VI計)は物質中を透過する光の割合から汚染濃度を計測する装置であり、また、一酸化炭素濃度計(CO計)は一酸化炭素の濃度を測定する装置である。交通量計測装置は対面通行道路トンネル200内を通過する車の交通量を計測する装置である。このように対面通行道路トンネル200内部には、例えば、煤煙、一酸化炭素、交通量、風向風速等の環境成分値を測定する環境成分測定器が設置されている。
このように、従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファン用誘導電動機の運転台数をオンオフで切り替えることにより、台数運転制御を行っている。
第1の問題は、従来のジェットファン用誘導電動機を用いた台数制御の換気方式では電力量が大きくなってしまうという問題である。
従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファン用誘導電動機の台数運転制御が採用されてきた。しかし、ジェットファン用誘導電動機の台数運転制御ではジェットファン用誘導電動機のインバータ駆動運転に比べると消費電力が大きい。図41は、ジェットファン用誘導電動機の台数運転時とインバータ駆動運転時におけるジェットファン用誘導電動機の回転数、推力、動力の関係を示す図である。横軸に自動車用トンネル内の状態に応じて要求されるジェットファン用誘導電動機の必要推力をとり、縦軸に、ジェットファン用誘導電動機の回転数、ジェットファン用誘導電動機の推力、ジェットファン用誘導電動機の動力をとっている。
つまり、ジェットファン用誘導電動機を台数制御にて駆動すると、トンネル内に必要となるジェットファン用誘導電動機の吹き出し風速を得るためには、図41に示すようにジェットファン用誘導電動機の稼働台数を離散的に増減させる必要があり、ジェットファン用誘導電動機全体の消費電力量が最適なものとならないという問題があった。このP0とP1の差分を見ると明らかなように、消費電力量の面からはジェットファン用誘導電動機をインバータ制御により運転する方が優れている。
風速ゼロ化を実現するには、現在のトンネル内の気流の方向と推力を的確に把握して、これに対して逆の推力を発生させるようジェットファン用誘導電動機を制御する必要がある。
台数運転の場合は、所要逆推力を得るためのジェットファン用誘導電動機の運転台数と回転方向を定めてジェットファン用誘導電動機を起動させることが必要である。この場合、運転中のジェットファン用誘導電動機を、現在とは逆の方向に起動させることが必要となることもある。
台数制御の場合は、多数の台数であれば起動したり、逆転に切り替えるファン台数をかなり細やかに制御できるが、台数が少ない場合は厳密な風速ゼロ制御は不可能である。また、台数が多くても多数の電動機を一斉に起動すると商用電源が過電流となり、遮断されるので、小分けして起動しなくてはならないという制約があり、風速ゼロ制御に時間がかかってしまう。
長尺ケーブルの対地浮遊容量に流れる同相電流の原因は、交流/直流変換器(整流器またはPWMコンバータ)およびインバータの出力電圧に存在する同相電圧である。三相ブリッジ整流器は6f=360Hz(60Hz系の場合)の同相電圧を発生する。直流電源にPWMコンバータを用いる場合はそのスイッチング周波数の同相電圧がある。電動機駆動用VVVFインバータの出力には主としてスイッチング周波数の同相電圧がある。さらに変調方式によっては、3f成分、即ち駆動周波数の3倍の同相電圧がある場合もある。
これら整流回路とインバータの同相電圧は直列に加算され、電源の仮想中性点とインバータの出力端子の間に現れる。それがそのまま長尺ケーブルに与えられるとケーブルの各相電線と対地間の静電容量Cに同相電流i=C(dv/dt)が流れる。インバータの出力電圧は、急峻なdv/dt(例えばIGBTインバータでは3000v/μsec程度)でかつ数kHzから20kHzのPWM波形の同相電圧であるため、スイッチングのたびに流れる電流i=C(dv/dt)は極めて大きくなる。この同相電流は、商用電源を環流するので、設備の絶縁に問題がなくても誤動作するのである。
自動車道路のトンネルの換気に使われるジェットファン用誘導電動機の定格駆動電圧は440Vが基本となっている。数百mから2000m程度の長尺ケーブルを介して商用電源から電圧を供給するためその電圧降下を加味して電源室から供給すれば良いこととなる。しかし、インバータは駆動電圧の上限が480V程度である。これはインバータの重要部品であるスイッチング素子の耐圧限界から来ており、それ以上の電圧を印加するとインバータが破壊されてしまうおそれがある。そのため商用電源の供給電圧は460V〜480V程度に抑えざるを得ない。商用電源の供給電圧が460V〜480Vとし、数百mから2000m程度の長尺ケーブルによる電圧降下と、さらに、上記の第1の問題、第2の問題、第3の問題を解決するために間に特別な電気回路装置の挿入、特別な電気的接続などの工夫を行うとさらに電圧降下が発生してしまい、ジェットファン用誘導電動機への供給電圧が400Vから420V程度しか確保できず、ジェットファン用誘導電動機の駆動電圧が定格値以下となってしまう。
例えば、上記構成において、1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に1つの前記同相リアクトル、1台の前記調整用変圧器、1つの前記交流リアクトル、1つの前記第1のコンデンサ、1本のケーブルを設けた構成としたものである。
つまり、ケーブルの先にあるジェットファン用誘導電動機のみを並列化したものである。
また、例えば、上記構成において、1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に1つの前記同相リアクトル、1台の前記調整用変圧器、1つの前記交流リアクトル、1つの前記第1のコンデンサを設けた構成としたものである。
つまり、ケーブルとその先にあるジェットファン用誘導電動機を並列化したものである。
また、例えば、上記構成において、1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第1のコンデンサ回路の回路要素のうち、いずれか1つ、またはいずれか2つ、またはいずれか3つを前記並列分岐点の前に配置するとともに、その残りの前記回路要素と前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ設けた構成としたものである。つまり、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の回路要素のうちインバータ装置の後に接続される回路要素のうち幾つかの回路要素を共通化し、残りの回路要素を並列化するものである。
また、例えば、上記構成において、1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第1のコンデンサ回路、前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設けた構成としたものである。つまり、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の回路要素のうちインバータ装置の後に接続される回路要素のすべての回路要素を並列化するものである。
第1の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点とした構成であり、略同容量の2つのコンデンサを直列接続した第2のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流/直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成して当該第2のコンデンサ回路の中性点を前記交流/直流変換器の中性点とした構成である。
第2の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成であり、複数のコンデンサをスター接続して形成した第3のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第3のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成である。
第3の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成であり、前記商用電源と前記交流/直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用CTを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用CTを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにした構成である。
その理由は以下の通りである。ケーブル長が短い通常のインバータ駆動では、インバータの出力電流に占める同相電流は極めて少ないが(定格電流の約1%以下)、長尺ケーブルを介してジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動する場合は、インバータの出力電流に占める同相電流が大きくなる(同相リアクトルやフィルタの条件により変動するが数%から50%前後になり得る)。ここで、出力フィルタのリアクトルとして三脚鉄芯を用いる場合、同相電流の起磁力により生じた磁束が周囲の空間に漏洩するおそれがあるため、周辺の鉄製構造物に渦電流を発生して過熱したり、電磁力による振動を生じたりする場合がある。一方、単相リアクトルや、四脚以上の鉄心(例えば五脚鉄芯)では同相電流の起磁力により生じた磁束が閉ループを形成するために周囲の空間に漏洩しないので上記のような漏れ磁束の問題が発生しない。上記理由によりインバータ装置の出力側に設ける交流リアクトルとしては、三脚鉄心ではなく、三個の単相リアクトルとする構成や四脚以上の鉄心を用いることが好ましいと言える。
3レベルインバータの方が正弦波化フィルタや同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるため、インバータ装置が小型となり、損失や騒音が低減できるからである。
なお、以下の各実施例の構成において、道路トンネルの入口側に設けられている構成として説明したものが出口側に設けられていても構わない。また、入口側と出口側の双方に設備等が設けられている例では、入口側の構成と出口側の構成が相互に入れ替わって逆になっても構わない。
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の構成例として、以下、実施例を示す。
以下、順に、(1)9パターンの分類、(2)構成要素ごとの説明、(3)第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点接続の構成および効果、(4)調整用変圧器180の役割および効果について追って説明する。
まず、調整用変圧器180の配置パターンが少なくとも3つあることを説明する。
第1の配置パターンが第1のコンデンサ回路152の後(つまりLCフィルタ150の後)でケーブル300の前に配置するものである。なお、調整用変圧器180の第1の配置パターンにおいて、同相リアクトル140の配置については、様々な箇所への配置が可能であり、インバータ130の二次側かつLCフィルタ150の一次側の間への配置、インバータ130の一次側への配置、LCフィルタ150中の交流リアクトル151の後かつ第1のコンデンサ回路152の前への配置などが可能である。
第1の接続パターンが、インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点に接続するものである。
第2の接続パターンが、三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点に接続するものである。
第3の接続パターンが、三相商用電源に設けた中性点に接続するものである。
これらの組み合わせで9パターンの基本構成が生じる。
図1は、可変速駆動装置100−1の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第1の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第1の接続パターンとなっている。
図2は、可変速駆動装置100a−1の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第1の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第2の接続パターンとなっている。
図3は、可変速駆動装置100b−1の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第1の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第3の接続パターンとなっている。
図4は、可変速駆動装置100−2の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第2の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第1の接続パターンとなっている。
図5は、可変速駆動装置100a−2の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第2の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第2の接続パターンとなっている。
図6は、可変速駆動装置100b−2の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第2の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第3の接続パターンとなっている。
図7は、可変速駆動装置100−3の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第3の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第1の接続パターンとなっている。
図8は、可変速駆動装置100a−3の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第3の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第2の接続パターンとなっている。
図9は、可変速駆動装置100b−3の構成を示す図であり、調整用変圧器180の配置パターンが上記第3の配置パターンであり、第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第3の接続パターンとなっている。
まず、商用電源200は、受電設備としては特に限定されないが、長距離道路トンネル内にはジェットファン用誘導電動機400のみならず多数の照明設備や防災設備などがあり大容量の電力を必要とするため、電気事業者から直接、特別高圧ないしは高圧で受電し、施設内の装置向けに変圧して電気を供給するものである。後述するように、商用電源200の電圧は、電源変圧器110により降圧され、電源変圧器110の二次電圧は400v、440v、460v等に降圧されている。
割高であることからCVTが使用されることは少ないが、CV−3Cと比べて、軽量で曲げやすいことから、工事の容易さで選択されることがある。モータ用接地電線として、前項のケーブルに14sq(14平方ミリ)程度のIV電線(インドアPVC)が並列に敷設されることが殆どである。少ないケースではあるが、3Cシールドケーブルが使用されることもある。これにもIV電線の接地線が併設される。
なお、長尺ケーブル300は3芯シールドケーブルに接地線を併設しているものであるが、他の形式のケーブルでもよい。
まず、交流/直流変換器131の回路例を幾つか示す。
図21は3相ブリッジダイオード整流器の例である。この3相ブリッジダイオード整流器の出力をインバータ回路132の直流電源とする。図21において、電源変圧器110は他の設備と共用の場合もある。なお、図21において、漏電検出リレー付きブレーカー120の図示は省略している。図21の構成例はコンデンサ入力形であるので、電源電流波形を改善するため3%から5%程度のリアクトルLを設けている。なお、図示を省略するが、π形などのEMIフィルタをLと直列に設ける場合もある。抵抗Ra、Rbは説明の便宜上描いた同相電圧観測用のものであるが、例えばRa=Rb=10kΩとして、変圧器の2次中性点N0とN1の間をシンクロスコープで観測すれば、整流回路の発生する6f=360Hzの同相電圧が観測できる。
上記に述べた図21、図22の回路では電動機の回生制動を行う場合、直流回路に抵抗+チョッパを設け、そのエネルギーを吸収する。
図24は最もよく使われる3相ブリッジインバータで、2レベルインバータとも言われる。直流回路電圧をEdとした場合、相電圧はEd/2、−Ed/2の2レベルである。20kwから50kw程度のジェットファン用誘導電動機駆動にはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が適しているので、以下全てのインバータはIGBTを用いた例で描いている。
つまり、本実施例1のインバータ装置130の装置構成は、図21、図22、図23のいずれかの交流/直流変換器131と、図24、図25、図26のいずれかのインバータ132を組み合わせることにより構成できる。
インバータ装置130の出力は同相リアクトル140を通した後、LCフィルタ150に供給される。
次に、第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点の接続先の構成について説明する。
中性点接続パターン1は、スター接続した第1のコンデンサ回路152のスターの中性点をインバータの直流電源の中性点として設けた第2のコンデンサ回路170の中性点N1に接続する構成である。
図1、図4、図7に示した可変速駆動装置100−1、100−2、100−3の構成に示すように、第1のコンデンサ回路152のスターの中点をインバータ装置130の直流電源の中性点N1に接続することにより、同相電圧をより一層低減することができる。
同相電圧は、交流/直流変換器131が出す6f=360Hz成分とインバータ回路132が出すスイッチング周波数成分であり、それらが交流電源の仮想中性点を元に直列に加算された形でインバータ装置130の出力に現れるものである。
もし、図1、図4、図7に示すように、第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点をインバータ装置130の直流電源である交流/直流変換器131の中性点N1に接続せず、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152を浮かせたままであれば線間電圧が改善されるだけで同相電圧は低減されず改善されない。
中性点接続パターン2は、スター接続した第1のコンデンサ回路152のスターの中性点を三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点に接続する構成である。
図2、図5、図8に示した可変速駆動装置100a−1、100a−2、100a−3の構成に示すように、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点を、三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた第3のコンデンサ回路171のスター接続の中性点に帰還させるものであり、中性点接続パターン1と同様、同相電圧をより一層低減することができる。
また、第1のコンデンサ回路152の回路構成として、図1、図4、図7に示した中性点接続パターン1の構成例では、コンデンサCの後にダンピング抵抗Rが接続された例であったが、図2、図5、図8に示した中性点接続パターン2の構成例では、抵抗Rが先にありその後にコンデンサCが接続された例となっている。このようにCとRの順序が入れ替わっても第1のコンデンサ回路152の働きとしては同様である。
上記に説明した以外の構成要素の動作は同様であるので、ここでは説明を省略する。
中性点接続パターン3は、スター接続した第1のコンデンサ回路152のスターの中性点を三相商用電源に設けた中性点に接続する構成である。
図3、図6、図9に示すように、可変速駆動装置100b−1、100b−2、100b−3の構成例は、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点を、電源変圧器110bの二次側に設けた中性点N3に帰還させるものである。
なお、この中性点接続パターン3の図3、図6、図9ではシールド付き3芯ケーブルのシールドを対地に接地しているためケーブル300入口の残存同相電圧による同相電流は常に検知されるが、上記に述べたようにその値は充分低くなっている。
上記に説明した以外の構成要素の動作は同様であるので、ここでは説明を省略する。
次に、調整用変圧器180について述べる。
調整用変圧器180は、インバータ130からケーブル300の間において配置され、インバータ130から様々な回路要素を経て、さらにケーブル300による電圧降下を経て現れるジェットファン用誘導電動機400への入力電圧が、ジェットファン用誘導電動機400の定格電圧となるよう電圧を調整せしめるものである。装置自体は、単巻変圧器などで良い。
調整用変圧器180の配置位置としては、上記の図1から図9に示したように3つのパターンがある。
いずれの配置パターンであっても、調整用変圧器180により、ジェットファン用誘導電動機400の入力電圧がジェットファン用誘導電動機400の定格電圧となるよう電圧を調整せしめるように、一次側の入力電圧を昇圧して二次側の出力電圧を生成する。
図10に示すように、インバータ装置130は内部に搭載している電子素子の耐圧の関係から480V程度が使用限界とされている。それ以上の電圧をかけるとインバータ装置130が破壊されてしまうおそれがある。そこで、商用電源110はインバータ装置130に対して460Vから480V程度の入力電圧を供給せざるを得ない。
ここで、インバータ装置130の二次側において、ジェットファン用誘導電動機400に至るまで、様々な電圧降下要素がある。インバータ装置130による電圧降下、同相リアクトル140による電圧降下、交流リアクトル151による電圧降下、第1のコンデンサ回路152による電圧降下、スター接続の回路要素(170、171、172)による電圧降下、ケーブル300による電圧降下などがある。
一方、トンネル換気用のジェットファン用誘導電動機400には定格入力電圧が440Vと定められており、440V以下の入力電圧で駆動すると効率が低下する。
図10(a)に示すように、調整用変圧器180を設けない構成であれば、負荷時インバータ回路の出力電圧が最大440Vから460V程度であり、その後、同相リアクトル140による電圧降下、交流リアクトル151による電圧降下、第1のコンデンサ回路152による電圧降下、スター接続の回路要素(170、171、172)による電圧降下、ケーブル300による電圧降下を経ると、ジェットファン用誘導電動機400の入力電圧が定格入力電圧の440Vよりも下回ってしまうことが分かる。一例であるが、同相リアクトル140と交流リアクトル151と第1のコンデンサ回路152とスター接続の回路要素で10Vから20V程度の電圧降下、ケーブル300により20Vから40V程度の電圧降下が起こりうる。そのため、ジェットファン用誘導電動機400の入力電圧が400V程度に落ちてしまう可能性がある。
上段は、調整用変圧器180の昇圧比440/440で実質昇圧しない場合であり、ジェットファン用誘導電動機400の効率低下を見れば、図11(a)に示した入力電圧で400V近い状況にあることが分かる。つまり、調整用変圧器180を入れない図10(a)の構成の場合のシミュレーション結果である。
中段は、調整用変圧器180の昇圧比440/460で20V昇圧した場合である。ジェットファン用誘導電動機400の効率を見れば、図11(a)に示した入力電圧で420V近い状況に改善されていることが分かる。
下段は、調整用変圧器180の昇圧比440/480で40V昇圧した場合である。ジェットファン用誘導電動機400の効率を見れば、図11(a)に示した入力電圧で440Vの定格入力電圧で駆動されている場合と近い状況に改善されていることが分かる。
このように、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100では、調整用変圧器180を入れて電圧を適切に昇圧する調整を行うため、インバータ装置130の二次側で電圧降下を起こす要素の影響を低減することができる。
図12は、インバータ装置130のインバータ回路が3レベルインバータ130cとした構成例を示す図である。なお、図12では、一例として、調整用変圧器180の配置パターンは配置パターン1で示し、また、中性点の接続パターンは接続パターン2で示している。
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100では、インバータ回路132として2レベルインバータ、3レベルインバータのいずれも利用可能であるが、同相電圧の低減に関して、3レベルインバータの出力線間電圧と2レベルインバータの出力線間電圧についての優劣を比較・検証してみる。
図30は2レベルインバータの0から60Hzに到る波形の例である。図31は図30の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調法は三角波比較変調である。実際のシミュレーションの条件ではインバータ装置130のスイッチング周波数は5kHzであるが、波形の傾向を見やすくするために図30および図31においてスイッチング周波数を2kHz相当として図示している。
図34は3レベルインバータの0から60Hzに到る波形の例である。図35は図34の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調は上下二本の三角波を用いた三角波比較変調である。これを見れば同相電圧は1サイクルに3回上、下に100vシフトする動きを示すが、その振幅は±150vと2レベルインバータの半分であることが判る。
つまり、ダンピング抵抗の損失は後述する図39に示すように50kW ジェットファン用誘導電動機用で最大400Wで1%以下と問題のない損失に抑えられている。このような小さなLCフィルタではキャリア脈動がかなり残るが図36に示した線間電圧を調べると5kHz成分は実効値で50v程度しかなく、そのdv/dtは2v/μsec程度であり、PWM波形の1/1000程度になっているので電動機の絶縁劣化や軸電流のおそれは解決される。
実施例2にかかる本発明の可変速駆動装置100dの構成例は、複数台のジェットファン用誘導電動機を制御する並列構成である。
ジェットファン用誘導電動機400はトンネル内で左右2台並べて設置されることが多いので、長尺ケーブル300を共用することができ、その点でも経済的である。
ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100dの回路要素、ケーブル300、ジェットファン用誘導電動機400の各要素のうち、どの部分を共通化し、どの部分を並列化するかで様々な組み合わせが生じる。
図13に示すように、1本のケーブル300の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成である。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
これはジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100dの回路要素、ケーブル300をすべて共通化し、ジェットファン用誘導電動機400のみを並列化した例である。
図14に示すように、1台の可変速駆動装置100d−2の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n本のケーブル300d1と300d2を設け、その先にジェットファン用誘導電動機を設けて並列駆動する構成である。図中ではn=2として、2本のケーブル300d1に1台のジェットファン用誘導電動機400d1、ケーブルd2に1台のジェットファン用誘導電動機400d2を設けて並列駆動する構成となっている。
これはジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100dの回路要素をすべて共通化し、ケーブル300とジェットファン用誘導電動機400を並列化した例である。
この共通化する回路要素の組み合わせにより様々なパターンが生じうる。
以下、代表的なパターンを第3のパターンから第7のパターンまで挙げる。
なお、インバータ装置130よりも後に位置し得る回路要素すべてを並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ設けた構成は第8のパターンとして後述する。
図15の構成例では、可変速駆動装置100d−3の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の調整用変圧器180を並列化した構成となっている。
つまり、図15に示すように、インバータ装置130、同相リアクトル140、交流リアクトル151、第1のコンデンサ回路152は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器180を並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ調整用変圧器180d1、180d2、ケーブル300d1、300d2およびジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を設けて並列構成とする一方、インバータ装置130、同相リアクトル140、交流リアクトル151、第1のコンデンサ回路152を共用化する構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
図16の構成例では、可変速駆動装置100d−4の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n個の第1のコンデンサ152を並列化した構成となっている。
つまり、図16に示すように、インバータ装置130と調整用変圧器180と同相リアクトル140と交流リアクトル151は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、第1のコンデンサ回路152を並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
図17の構成例では、可変速駆動装置100d−5の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n個のLCフィルタ150を並列化した構成となっている。
つまり、図17に示すように、インバータ装置130と調整用変圧器180と同相リアクトル140は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、LCフィルタ150(交流リアクトル151と第1のコンデンサ回路152)を並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
図18の構成例では、可変速駆動装置100d−6の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n個の同相リアクトル140とn個のLCフィルタ150を並列化した構成となっている。
つまり、図18に示すように、インバータ装置130と調整用変圧器180は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、同相リアクトル140とLCフィルタ150をそれぞれ並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
図18の構成では、並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ同相リアクトル140d1、140d2、LCフィルタ150d1、150d2、ケーブル300d1、300d2およびジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に1台のインバータ装置130と1台の調整用変圧器180を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
図19の構成例では、可変速駆動装置100d−7の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の調整用変圧器180とn個のLCフィルタ150を並列化した構成となっている。
つまり、図19に示すように、インバータ装置130と同相リアクトル140は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器180とLCフィルタ150をそれぞれ並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
図19の構成では、並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ調整用変圧器180d1、180d2、LCフィルタ150d1、150d2、ケーブル300d1、300d2およびジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に1台のインバータ装置130と1個の同相リアクトルを共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
図20の構成例では、可変速駆動装置100d−8の内部においてn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の調整用変圧器180とn個の同相リアクトル140とn個のLCフィルタ150を並列化した構成となっている。
つまり、図20に示すように、インバータ装置130は単数とし、その後にn本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器180と同相リアクトル140とLCフィルタ150をそれぞれ並列化し、n台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではn=2として、2台のジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を駆動する構成となっている。
図20の構成では、並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ調整用変圧器180d1、180d2、同相リアクトル140d1、140d2、LCフィルタ150d1、150d2、ケーブル300d1、300d2およびジェットファン用誘導電動機400d1、400d2を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に1台のインバータ装置130を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
110,110b 電源変圧器
120 漏電検出リレー付きブレーカー
130,130a,130c,130d インバータ装置
140 同相リアクトル
150 LCフィルタ
151 交流リアクトル
152 第1のコンデンサ回路
160 同相電圧測定用抵抗
170 第2のコンデンサ回路
171 第3のコンデンサ回路
172 三相商用電源に設けた中性点への接続回路
180 調整用変圧器
200 商用電源
300 ケーブル
400 ジェットファン用誘導電動機
Claims (11)
- 三相商用電源入力を交流から直流に変換する交流/直流変換器と、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路とを備えたインバータ装置により道路トンネルのジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動する可変速駆動装置において、
前記インバータ装置の三相出力端子に対して直列に同相リアクトルと交流リアクトルとを接続し、前記同相リアクトルおよび前記交流リアクトルの後に並列に第1のコンデンサ回路を接続し、前記第1のコンデンサ回路の端子電圧をケーブルを通して前記ジェットファン用誘導電動機に供給するとともに、前記第1のコンデンサ回路の回路構成を3組のコンデンサをスター接続したものとし、当該スター接続の中性点を、前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点か、前記三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点か、前記三相商用電源に設けた中性点のいずれかに接続するとともに、
前記インバータ装置の後で前記交流リアクトルの前、前記交流リアクトルの後で前記第1のコンデンサ回路の前、前記第1のコンデンサ回路の後で前記ケーブルの前のいずれかの位置に設置した調整用変圧器を備え、
前記調整用変圧器により、前記インバータ装置の出力電圧から、前記同相リアクトルと前記交流リアクトルと前記第1のコンデンサ回路と前記スター接続の回路要素による電圧降下と、前記ケーブルによる電圧降下を経て現れる前記ジェットファン用誘導電動機の入力電圧が、前記ジェットファン用誘導電動機の定格電圧となるよう電圧を調整せしめることを特徴とする道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に1つの前記同相リアクトル、1台の前記調整用変圧器、1つの前記交流リアクトル、1つの前記第1のコンデンサ、1本のケーブルを設けた構成としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に1つの前記同相リアクトル、1台の前記調整用変圧器、1つの前記交流リアクトル、1つの前記第1のコンデンサを設けた構成としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第1のコンデンサ回路の回路要素のうち、いずれか1つ、またはいずれか2つ、またはいずれか3つを前記並列分岐点の前に配置するとともに、その残りの前記回路要素と前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ設けた構成としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 1台の前記インバータ装置の後にn本に分岐する並列分岐点を設け、n台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各n本の経路上にそれぞれ前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第1のコンデンサ回路、前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設けた構成としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点とした構成とし、
略同容量の2つのコンデンサを直列接続した第2のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流/直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成し、当該第2のコンデンサ回路の中性点を前記交流/直流変換器に設けた中性点としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成とし、
3組のコンデンサをスター接続して形成した第3のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第3のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成とし、
前記商用電源と前記交流/直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用CTを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、
前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用CTを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにしたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記インバータ装置の出力側に設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、3個の単相リアクトルであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のトンネルジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
- 前記インバータ装置の出力側の設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、四脚以上の鉄心を用いたものであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
- 前記インバータ装置のインバータ回路が3レベルインバータであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
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