JP2016111839A - 超電導並列回路装置における偏流防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電流調整器よりも電力損失が小さく、また小型軽量な偏流防止装置を提供する。【解決手段】複数並列接続された超電導コイルによって構成されている超電導並列回路装置に電流を供給し、各超電導コイル間の偏流を防止する偏流防止装置であって、超電導コイル毎に設けられ、超電導コイルに通電電流を供給する複数のインバータを具備し、複数のインバータは、予め設定された電流分配情報に基づいて同一相を構成する各超電導コイル間で偏流が生じないように通電電流を同期生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、超電導線材を並列に接続した場合に発生する偏流を防止する装置に関する。

超電導モータには、液体窒素等によって極低温度に冷却された超電導コイルが各相毎に複数並列に配された固定子と、この固定子に対向するように配された円筒状の回転子とから構成されるものがある。このような超電導モータには、各超電導コイルに駆動電流を供給した場合に、超電導コイルの相互インダクタンス等の影響によって各超電導コイル間に偏流が生じることを防止するための偏流防止装置が必要である。また、超電導モータに限らず、超電導線で並列回路が構成されたものには、交流電流が通電された場合に、偏流が生じることを防止するために偏流防止装置が必要である。例えば下記特許文献１には、各超電導コイル毎に差動トランスを設け、各差動トランスの巻線比を調節することにより偏流を防止する電流調整器が開示されている。また、偏流を防ぐためにコイルの巻き方を工夫する方法も提案されている。（例えば、特許文献２）

特開２００８−２１８７１７号公報 特開平１０−３０８３０６号公報

しかしながら、上記差動トランスを用いる特許文献１に記載の技術では、電流調整器が複数の差動トランスから構成されているので、電流調整器における電力損失が大きく、また電流調整器の装置サイズや重量が大きい。すなわち、上記電流調整器では、差動トランスが周知の鉄損や銅損を不可避的に有しているので電力損失が大きく、また複数の超電導コイルに対して差動トランスを各々設けるので装置サイズや重量が大きくなる。したがって、偏流防止装置に起因して電力損失及び装置サイズや重量が大きいという問題点がある。また、特許文献２の方法では並列回路が多数になる場合に、十分に偏流を防ぐことが難しい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来の電流調整器よりも電力損失が小さく、また小型軽量な偏流防止装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、複数並列接続された超電導コイルによって構成されている超電導並列回路装置に電流を供給し、各超電導コイル間の偏流を防止する偏流防止装置であって、前記超電導コイル毎に設けられ、前記超電導コイルに通電電流を供給する複数のインバータを具備し、前記複数のインバータは、予め設定された電流分配情報に基づいて各超電導コイル間で偏流が生じないように通電電流を同期生成するという手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記複数のインバータは、通電電流の生成処理のタイミングを規定する同期信号を外部に出力する単一のマスターインバータと、前記同期信号を取り込み、当該同期信号に基づいて通電電流を生成する複数のスレーブインバータとからなるという手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、電機子巻線に超電導コイルを備えた超電導モータに駆動電流を供給する場合に、前記超電導モータの回転状態を示す回転信号を前記超電導モータからマスターインバータに取り込み、該マスターインバータから各スレーブインバータに前記回転信号を供給し、マスターインバータ及び各スレーブインバータは、前記回転信号を用いたフィードバック制御手法に基づいて駆動電流を生成するという手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、交流電流を前記超電導並列回路装置に供給するという手段を採用する。

本発明では、差動トランスを用いた偏流防止装置に代えて、駆動電流を各超電導コイルに供給するインバータによって偏流を防止するので、偏流防止に起因する電力損失を低減することが可能であり、また小型軽量化を実現することが可能である。さらに、本発明では、超電導コイル毎に設けられた各インバータが、個々の超電導コイルの特性に基づく電流分配情報に従い各超電導コイル間で偏流が生じないように電流を同期生成するので、超電導コイルが多数になったとしても偏流を防ぐことが可能である。

本発明の実施形態に係る偏流防止装置Ａの概略電線接続図である。 本発明の実施形態に係る偏流防止装置Ａの詳細を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る偏流防止装置Ａが超電導同期モータＢのＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に供給する電流（ａ）と、Ｕ相の各超電導コイルに供給される電流（ｂ）とし示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態として、超電導同期モータに適用した場合について説明する。
本実施形態に係る偏流防止装置Ａは、超電導同期モータＢ及び電源Ｃに接続され、電源Ｃから供給される交流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電流に変換し、当該駆動電流を超電導同期モータＢに供給する。上記超電導同期モータＢは、内部に永久磁石もしくは界磁巻線を有する円筒状の回転子と、当該回転子の周面に対向配置されるとともに極低温に冷却された複数の超電導コイルを備えた固定子とから構成されている。この固定子は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応した複数の固定子巻線を備え、また各固定子巻線は、各々にＮ個の超電導コイルが並列接続されて構成されている。また、超電導同期モータＢには、回転検出器２０が取り付けられている。この回転検出器２０は、回転数や、磁極位置や、角速度などの超電導同期モータＢの回転状態を示す回転信号を検出し、その情報を偏流防止装置Ａに出力する。つまり、偏流防止装置Ａは、回転検出器２０から入力される回転信号を用いたフィードバック制御手法に基づいて駆動電流を生成する。

偏流防止装置Ａについてさらに説明すると、偏流防止装置Ａは、図１に示すように、マスターインバータＭ及び１台以上のスレーブインバータＳ１〜Ｓｎから構成されている。
マスターインバータＭは、超電導同期モータＢのＵ相、Ｖ相及びＷ相それぞれの固定子巻線の１つの超電導コイルに接続し、接続先の超電導コイルの特性に基づく補正係数（電流分配情報）に基づいて交流電圧を３相の駆動電流に変換し、当該駆動電流を超電導コイルに供給するとともに、光ファイバーケーブルを介して接続されているスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに回転信号（トルク指令値Ｔｓ及び位相角情報θｅ）やＰＷＭ同期信号Ｓｔを出力する。

このマスターインバータＭは、図２に示すように、ＡＳＲ回転数制御部１ａ、位相角演算部１ｂ、ＰＷＭ同期信号生成部１ｃ、ベクトル演算部１ｄ、ＡＣＲ電流制御部１ｅ、ＡＣ／ＤＣ変換器１ｆ及びＰＷＭ生成駆動部１ｇから構成されている。なお、ＡＳＲ回転数制御部１ａ、位相角演算部１ｂ、ベクトル演算部１ｄ及びＡＣＲ電流制御部１ｅは、ソフトウェアによって構成されている。

ＡＳＲ回転数制御部１ａは、一種のＰＩ（・Ｄ）制御部であり、上位制御装置から入力された速度指令情報と、回転検出器２０から入力された回転信号とに基づいて速度指令と超電導同期モータＢの角速度との差分（速度誤差）及び磁極位置偏差を算出し、速度誤差に所定の比例積分（・微分演算）を施すことにより速度誤差に応じたトルク指令値Ｔｓを算出し、接続先の超電導コイルの特性に基づく補正係数を乗算したトルク指令値Ｔｓをベクトル演算部１ｄに出力するとともに、当該トルク指令値ＴｓをスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力する。なお、上記補正係数は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各同一相を構成する並列接続された超電導コイルに通電する電流の割合であり、予めメモリに記憶された設定値である。

位相角演算部１ｂは、回転検出器２０から入力された回転信号に基づいて超電導同期モータＢの回転の位相角を算出し、当該位相角を示す位相角情報θｅを、ベクトル演算部１ｄ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力する。
ＰＷＭ同期信号生成部１ｃは、ＰＷＭ同期信号Ｓｔを生成し、当該ＰＷＭ同期信号ＳｔをＰＷＭ生成駆動部１ｇ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力する。

ベクトル演算部１ｄは、位相角演算部１ｂから入力された位相角情報θｅ及びＡＳＲ回転数制御部１ａから入力されたトルク指令Ｔｓに基づいて、電流指令値をＡＣＲ電流制御部１ｅに出力する。

ＡＣＲ電流制御部１ｅは、ベクトル演算部１ｄから入力された電流指令値に所定の比例積分（・微分演算）を各々施することにより電圧操作量Ｖｑｓ，Ｖｄｓに変換し、ベクトル演算にてＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相交流座標系上の電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、ＰＷＭ生成駆動部１ｇに出力する。
ＡＣ／ＤＣ変換器１ｆは、例えば整流回路などであり、電源Ｃから入力された交流電圧を直流電圧に変換し、当該直流電圧をＰＷＭ生成駆動部１ｇに出力する。

ＰＷＭ生成駆動部１ｇは、ＰＷＭ同期信号生成部１ｃから入力されたＰＷＭ同期信号Ｓｔを基準に、電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてスイッチング動作するためのＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号に基づいてＡＣ／ＤＣ変換器１ｆから供給された直流電圧をスイッチングすることによりＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の駆動電流を生成し、超電導コイルに供給する。

次に、スレーブインバータＳ１〜Ｓｎについて説明する。スレーブインバータＳ１〜Ｓｎは、超電導同期モータＢのＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に駆動電流をそれぞれ供給し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の固定子巻線の異なる超電導コイルにそれぞれ接続されている。このスレーブインバータＳ１〜Ｓｎは、光ファイバーケーブルを介して接続されているマスターインバータＭから入力される回転信号（トルク指令値Ｔｓ及び位相角情報θｅ）、ＰＷＭ同期信号Ｓｔ及び補正係数に基づいて交流電圧から３相の駆動電流を生成する。なお、スレーブインバータ２〜Ｎの構成は、同一であるので、以下ではスレーブインバータＳ１に着目して説明する。

スレーブインバータＳ１は、トルク比設定部２ａ、位相角演算部２ｂ、ベクトル演算部２ｃ、ＡＣＲ電流制御部２ｄ、ＡＣ／ＤＣ変換器２ｅ及びＰＷＭ生成駆動部２ｆから構成されている。
トルク比設定部２ａは、接続先の超電導コイルの特性に基づく補正係数をマスターインバータＭから入力されたトルク指令値Ｔｓに乗算し、当該トルク指令値Ｔｓをベクトル演算部２ｃに出力する。なお、上記補正係数は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各同一相を構成する各超電導コイル間で偏流が生じないようにマスターインバータＭの接続先である超電導コイルを基準にスレーブインバータＳ１の接続先の超電導コイルの特性に基づいて予めメモリに記憶された設定値である。
位相角演算部２ｂは、マスターインバータＭから入力された位相角情報θｅをそのままベクトル演算部２ｃに出力する。

ベクトル演算部２ｃは、入力された位相角情報θｅ及びトルク比設定部２ａから入力されたトルク指令値Ｔｓに基づいて電流指令値をＡＣＲ電流制御部２ｄに出力する。

ＡＣＲ電流制御部２ｄは、ベクトル演算部２ｃから入力された電流指令値に所定の比例積分（・微分演算）を各々施することにより電圧操作量Ｖｑｓ，Ｖｄｓに変換し、ベクトル演算にてＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相交流座標系上の電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、ＰＷＭ生成駆動部２ｆに出力する。
ＡＣ／ＤＣ変換器２ｅは、例えば整流回路などであり、電源Ｃから入力された交流電圧を直流電圧に変換し、当該直流電圧をＰＷＭ生成駆動部２ｆに出力する。

ＰＷＭ生成駆動部２ｆは、入力されたＰＷＭ同期信号Ｓｔ及び電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づき、マスターインバータＭのＰＷＭ信号に同期したスイッチング動作することにより、ＡＣ／ＤＣ変換器２ｅから供給された直流電圧をＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の駆動電流に変換し、超電導コイルに供給する。

次に、このように構成された偏流防止装置Ａの動作について、説明する。
偏流防止装置Ａでは、マスターインバータＭにおいて、ＡＳＲ回転数制御部１ａは、速度指令情報と回転信号とに基づいてトルク指令値Ｔｓを算出し、補正係数をs乗算したトルク指令値Ｔｓをベクトル演算部１ｄに出力するとともに、当該トルク指令値ＴｓをスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力する。そして、ベクトル演算部１ｄは、位相角情報θｅ及びトルク指令値Ｔｓに基づいて、電流指令値をＡＣＲ電流制御部１ｅに出力する。

そして、ＡＣＲ電流制御部１ｅは、電流指令値を電圧操作量Ｖｑｓ，Ｖｄｓに変換し、ベクトル演算にて電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、ＰＷＭ生成駆動部１ｇに出力する。そして、ＰＷＭ生成駆動部１ｇは、ＰＷＭ同期信号Ｓｔを時間的な基準に、上記電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号に基づいて直流電圧から３相の駆動電流を生成し、超電導コイルに供給する。例えば、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相それぞれに供給された駆動電流は、図３（ａ）に示す波形になる。

また、スレーブインバータＳ１において、トルク比設定部２ａは、補正係数をマスターインバータＭから入力されたトルク指令値Ｔｓに乗算し、当該トルク指令値Ｔｓをベクトル演算部２ｃに出力する。
ベクトル演算部２ｃは、位相角情報θｅ及びトルク比設定部２ａから出力されたトルク指令値Ｔｓに基づいて、電流指令値をＡＣＲ電流制御部２ｄに出力する。

そして、ＡＣＲ電流制御部２ｄは、上記電流指令値を電圧操作量Ｖｑｓ，Ｖｄｓに変換し、ベクトル演算にて電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、ＰＷＭ生成駆動部１ｇに出力する。そして、ＰＷＭ生成駆動部２ｆは、入力されたＰＷＭ同期信号Ｓｔ及び電圧操作量Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づきマスターインバータＭのＰＷＭ信号に同期したスイッチング動作することにより、ＡＣ／ＤＣ変換器２ｅから供給された直流電圧をＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の駆動電流に変換し、超電導コイルに供給する。例えば、マスターインバータＭ及びスレーブインバータＳ１〜ＳｎからＵ相の各超電導コイルに供給された駆動電流は、図３（ｂ）に示す波形になる。また、図３（ｂ）に示す駆動電流が供給される場合に、例えば、マスターインバータＭの補正係数は「１」であり、スレーブインバータＳ１の補正係数は「０．９５」であり、スレーブインバータＳ２の補正係数は「０．９」であり、スレーブインバータＳ３の補正係数は「０．８５」であり、スレーブインバータＳ４の補正係数は「０．８」である。このように、補正係数に基づいて駆動電流を補正することにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各同一相を構成する超電導コイル間で偏流を生じないようにすることができる。また、各超電導コイルへの通電電流を適当に割り宛てることもできる。

以上のように、本実施形態は、差動トランスを用いた偏流防止装置に代えて、駆動電流を超電導コイルに供給するインバータ（マスターインバータＭ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎ）によって偏流を防止するので、偏流防止に起因する電力損失を低減することが可能であり、また小型軽量化を実現することが可能である。さらに、本実施形態では、超電導コイル毎に設けられた各インバータ（マスターインバータＭ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎ）が、個々の超電導コイルの特性に基づく電流分配情報に基づいて各超電導コイル間で偏流が生じないように電流を同期生成するので、超電導コイルが多数になったとしても偏流を防ぐことが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は、３相の超電導同期モータＢに３相の駆動電流を供給する偏流防止装置Ａに本願発明を適用したものであるが、回転検出器を必要としない静止器（トランス）や回転機（センサレス誘導機）などの交流通電電気機器に電流を供給する偏流防止装置や、２相モータに２相の駆動電流を供給する偏流防止装置や、６相モータに６相の駆動電流を供給する偏流防止装置など３相の駆動電流を供給する偏流防止装置以外に本願発明を適用するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、マスターインバータＭは、トルク指令値Ｔｓ、位相角情報θｅ及びＰＷＭ同期信号ｓｔをスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスターインバータＭ、スレーブインバータＳ１〜Ｓｎにそれぞれ回転検出器２０からの回転信号を入力し、マスターインバータＭは、トルク指令値ＴｓのみスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに出力する。スレーブインバータＳ１〜Ｓｎは、上記トルク指令値Ｔｓと、回転検出器２０から入力された回転信号を元に算出した位相角情θｅに基づいて同期駆動電流を制御するようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、マスターインバータＭ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎは、補正係数をメモリに記憶し、メモリから読み出した補正係数に基づいて駆動電流を算出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上位制御装置など外部からマスターインバータＭ及びスレーブインバータＳ１〜Ｓｎに補正係数を入力するようにしてもよい。

Ａ…偏流防止装置、Ｂ…超電導同期モータ、Ｃ…電源、Ｍ…マスターインバータ、Ｓ１〜Ｓｎ…スレーブインバータ、１ａ…ＡＳＲ回転数制御部、１ｂ…位相角演算部、１ｃ…ＰＷＭ同期信号生成部、１ｄ…ベクトル演算部、１ｅ…ＡＣＲ電流制御部、１ｆ…ＡＣ／ＤＣ変換器、１ｇ…ＰＷＭ生成駆動部、２ａ…トルク比設定部、２ｂ…位相角演算部、２ｃ…ベクトル演算部、２ｄ…ＡＣＲ電流制御部、２ｅ…ＡＣ／ＤＣ変換器、２ｆ…ＰＷＭ生成駆動部

Claims (4)

1. 複数並列接続された超電導コイルによって構成されている超電導並列回路装置に電流を供給し、各超電導コイル間の偏流を防止する偏流防止装置であって、
   前記超電導コイル毎に設けられ、前記超電導コイルに通電電流を供給する複数のインバータを具備し、
   前記複数のインバータは、予め設定された電流分配情報に基づいて同一相を構成する各超電導コイル間で偏流が生じないように通電電流を同期生成することを特徴とする偏流防止装置。
2. 前記複数のインバータは、
   通電電流の生成処理のタイミングを規定する同期信号を外部に出力する単一のマスターインバータと、
   前記同期信号を取り込み、当該同期信号に基づいて通電電流を生成する複数のスレーブインバータと
   からなることを特徴とする請求項１記載の偏流防止装置。
3. 電機子巻線に超電導コイルを備えた超電導モータに駆動電流を供給する場合に、前記超電導モータの回転状態を示す回転信号を前記超電導モータからマスターインバータに取り込み、該マスターインバータから各スレーブインバータに前記回転信号を供給し、マスターインバータ及び各スレーブインバータは、前記回転信号を用いたフィードバック制御手法に基づいて駆動電流を生成することを特徴とする請求項２に記載の偏流防止装置。
4. 交流電流を前記超電導並列回路装置に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の偏流防止装置。
   
   

Images