JP2019013059A - 多巻線交流電動機駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図12において、Q1〜Q4は半導体スイッチング素子、Cは直流コンデンサ、Pは直流電源1の正極、Nは負極、P1〜P2n,N1〜N2nは正、負の直流入力端子を示す。
また、図13に示すように、単相インバータINV1(INV1〜INV2nは何れも同一構成であるため、図13ではINV1を例示する)には、直流コンデンサCへの突入電流を防止するため、通常、充電抵抗R100とスイッチS100とからなる初期充電回路が設けられている。
また、探査以外の移動時には高速で船舶を推進させ、探査期間中には、船舶の低速運転を長時間継続して行うことが多い。
図15(a)は、この可変速駆動装置の構成図、図15(b)は駆動対象である多相(三相)交流電動機Mの固定子巻線の説明図である。これらの図において、INVは単相インバータ、P1〜P6は正側入力端子、N1〜N6は負側入力端子、MDは中点、A,Bは交流出力端子、U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4は電動機Mの各相の分割巻線の端子を示す。
これに対し、図15(a),(b)に示した特許文献2では、電動機Mの各相巻線をそれぞれ分割し、同一相内の分割巻線には同一電流を流すという制約を設けている点が、図14とは異なっている。
一方、図16(b)において、角周波数(nωs+kωn)は、k=0,n=1の時にωs(搬送波角周波数)となり、交流出力電圧に含まれる高調波成分のうち最も支配的である搬送波成分の振幅は、制御率aが小さくなるほど大きくなることが判る。
なお、図15では、最も単純な例として、直列接続された2台の単相インバータにより同一相の2分割巻線に給電する例を説明したが、このような制約のない図14の従来技術においても同様の問題が生じる。
しかし、直流電源1として蓄電池を用いている場合には、上述したような各単相インバータの直流入力電力の誤差により、中点MDにより2分割された上下の蓄電池の放電電力にも誤差を生じ、この誤差が積算されて蓄電池の残存容量にも誤差が発生する。これにより、上側または下側の蓄電池は未だ電力供給が可能であるにもかかわらず、他側の蓄電池は電力供給不能な状態に至り、駆動装置の運転を継続できなくなるという問題もあった。
前記第1インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第2インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第1,第2インバータ群を構成する2n台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された2n個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第1,第2インバータ群の直流入力側を直列に接続して前記第1インバータ群の直流入力電圧と前記第2インバータ群の直流入力電圧とをバランスさせるように制御することを特徴とする。
前記第1インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第2インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第1,第2インバータ群を構成する2n台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された2n個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記直流電源の正極と負極との間の中間電位点に中間端子を設け、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第1,第2インバータ群の直流入力側を直列に接続してその直列回路の両端を前記直流電源の正極と負極とにそれぞれ接続し、
前記直列回路の直列接続点を前記中間端子に接続したことを特徴とする。
前記第1インバータ群の正側直流入力端子を第1のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第2インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を第2のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続し、
前記第1インバータ群の正側直流入力端子と前記第2インバータ群の負側直流入力端子とを、第3のスイッチを介して接続したことを特徴とする。
前記第1インバータ群の正側直流入力端子を第1のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に第3のスイッチを介して前記中間端子に接続し、かつ、負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第2インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続し、かつ、負側直流入力端子を第2のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続すると共に第4のスイッチを介して前記中間端子に接続したことを特徴とする。
(1)低速運転時に、直列接続する2つのインバータ群の直流入力電圧を制御によってバランスさせるので、各インバータ群の直流入力電圧を高速運転時の1/2に低減できる。これにより、PWM制御の制御率を2倍にしたインバータ運転が可能になるので、インバータ出力電圧に含まれる搬送波成分を低減でき、騒音、ノイズ・振動の増加や装置効率の低下を抑制することができる。また、高速運転時には、各インバータの直流入力電圧を低下させないため、所望の電動機トルクを発生でき、推進性能を図12の従来例と同等に保持することができる。
これに対して、第1,第2インバータ群の直流入力電力や直流入力電流をバランスさせる制御を行えば、5次,7次の高調波電流の発生を抑制することが可能である。
例えば、第1インバータ群の正側直流入力端子と第2インバータ群の負側直流入力端子との接続点を直流電源の中間端子に接続しない場合には、少なくとも3個のスイッチを設ければ低速運転と高速運転との切り替えが可能である。また、第1インバータ群の正側直流入力端子と第2インバータ群の負側直流入力端子との接続点を直流電源の中間端子に接続する場合には、少なくとも4個のスイッチを設ければ低速運転と高速運転との切り替えが可能である。
このため、低速運転と高速運転との切り替え前に、切り替えるべきスイッチに接続された単相インバータの運転を停止すると共に、切り替え時には、図13に示した初期充電回路を用いて、単相インバータの直流コンデンサの電圧をゆっくりと変化させ、その電圧変化がおさまってから、単相インバータを再起動する必要がある。
この際、第1,第2インバータ群で一斉に低速運転と高速運転との切り替えを実施すると、全ての単相インバータを一斉に停止している期間があり、その間は電動機トルクが0になって推進力も0になってしまう。従って、切り替えのタイミングをずらすことにより、一方の群の単相インバータが停止している間も、他方の群の単相インバータにより電動機を駆動し続けることができ、切替期間中も電動機トルクを0にすることなく、例えば船舶等の推進を継続することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図12と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図12と異なる部分を中心に説明する。
同様に、第2インバータ群を構成するn台の単相インバータINV21〜INV2nの正側入力端子P21〜P2nは一括接続され、スイッチS4を介して直流電源1の正極Pに接続されている。また、単相インバータINV21〜INV2nの負側入力端子N21〜N2nは一括接続され、スイッチS2を介して直流電源1の負極Nに接続されている。
なお、図1において、Eは直流電源1の電圧、V1は第1インバータ群の直流入力電圧、V2は第2インバータ群の直流入力電圧である。
・電動機Mの高速運転時
スイッチS1,S2,S4,S5:ON、かつ、スイッチS3,S6:OFF
・電動機Mの低速運転時
「スイッチS3,S4,S5:ON、かつ、スイッチS1,S2,S6:OFF」、または、「スイッチS1,S2,S6:ON、かつ、スイッチS3,S4,S5:OFF」
というように、各スイッチS1〜S6のON/OFF状態を電動機Mの運転速度に応じて切り替える。
これにより、高速運転時には、第1,第2インバータ群の全ての単相インバータの直流入力電圧を直流電源1の電圧Eとし、低速運転時には、直列接続された第1,第2インバータ群の直流入力電圧をバランスさせて何れもE/2にすることができる。
図2(a)に示す電動機MAは、n相の各相巻線を2分割して2n個の分割巻線を有する場合であり、図1の単相インバータINV11の出力端子に巻線m11、単相インバータINV12の出力端子に巻線m12,・・・,単相インバータINV2nの出力端子に巻線m2nを接続して駆動装置を構成する。
例えば、電動機MAが2n/p(n/p:3以上の整数、p:偶数)相交流電動機である場合に、各相巻線をp分割して構成し、第1インバータ群のn台の単相インバータにより、各相のp分割されたうちの半分(n個)の巻線にそれぞれ給電し、第2のインバータ群のn台の単相インバータにより、各相のp分割されたうちの残り半分(n個)の巻線にそれぞれ給電する。
なお、低速運転時には、前述したように「スイッチS3,S4,S5:ON、かつ、スイッチS1,S2,S6:OFF」、または、「スイッチS1,S2,S6:ON、かつ、スイッチS3,S4,S5:OFF」として、第1,第2インバータ群の直流入力側を直列に接続する。
第1インバータ群に対しては、乗算器302の出力を加減算器303にて「1」から減算し、その結果を、乗算器304により各単相インバータの交流出力電流指令i11 *〜i1n *にそれぞれ乗算する。第2インバータ群に対しては、乗算器302の出力に加減算器305にて「1」を加算し、その結果を、乗算器306により各単相インバータの交流出力電流指令i21 *〜i2n *にそれぞれ乗算する。
なお、電動機Mの高速運転時には、全ての単相インバータの直流入力電圧が直流電源1の電圧Eに等しくなる。
この実施形態では、直流電源1に中間端子MPが設けられ、図1のスイッチS1〜S6の代わりにスイッチS11〜S18が設けられている。
同様に、第2インバータ群の正側入力端子P21〜P2nの接続点は、スイッチS16を介して直流電源1の正極Pに接続されると共に、スイッチS18を介して中間端子MPに接続される。また、第2インバータ群の負側入力端子N21〜N2nの接続点は、スイッチS12を介して直流電源1の負極Nに接続されると共に、スイッチS14を介して中間端子MPに接続される。
・電動機Mの高速運転時
スイッチS11,S15,S12,S16:ON、かつ、スイッチS13,S17,S14,S18:OFF
・電動機Mの低速運転時
「スイッチS13,S15,S14,S16:ON、かつ、スイッチS11,S17,S12,S18:OFF」、または、「スイッチS11,S17,S12,S18:ON、かつ、スイッチS13,S17,S14,S18:OFF」
というように、各スイッチS11〜S18のON/OFF状態を電動機Mの運転速度に応じて切り替える。
なお、直流電源1の正極Pと中間端子MPとの間の電圧、中間端子MPと負極Nとの間の電圧も検出し、これらの電圧をI2,I1にそれぞれ乗算して得た電力を加減算器301の2つの入力にして入力電力の偏差を0にすることも可能である。
この実施形態は、図1の回路において、スイッチS4,S5の両端を常に短絡すると共に、スイッチS6を常に開放した状態に相当する。
・電動機Mの高速運転時
スイッチS1,S2:ON、かつ、スイッチS3:OFF
・電動機Mの低速運転時
スイッチS1,S2:OFF、かつ、スイッチS3:ON
とすればよい。
この実施形態は、図4の回路において、スイッチS15,S16の両端を常に短絡すると共に、スイッチS17,S18を常に開放した状態に相当する。
・電動機Mの高速運転時
スイッチS11,S12:ON、かつ、スイッチS13,S14:OFF
・電動機Mの低速運転時
スイッチS11,S12:OFF、かつ、スイッチS13,S14:ON
とすればよい。
なお、制御ブロックとしては、図3における加減算器301,303,305及び乗算器302,304,306を除去したものを使用することができ、また、第1,第2インバータ群の直流入力電流の偏差を0にする場合には、図5の制御ブロックを使用すれば良い。
この実施形態は、図4の回路において、スイッチS11,S12の両端を常に短絡すると共にスイッチS13,S14を常に開放した状態に相当する。
・電動機Mの高速運転時
スイッチS15,S16:ON、かつ、スイッチS17,S18:OFF
・電動機Mの低速運転時
スイッチS15,S16:OFF、かつ、スイッチS17,S18:ON
とすればよい。
制御ブロックとしては、図3における加減算器301,303,305及び乗算器302,304,306を除去したものを使用することができ、また、第1,第2インバータ群の直流入力電流の偏差を0にする場合には、図5の制御ブロックを使用すれば良い。
ここでは、時刻t1以前の低速運転(スイッチS11,S12:OFF、かつ、スイッチS13,S14:ON)から、切替期間Tchを経て、時刻t2以後の高速運転(スイッチS11,S12:ON、かつ、スイッチS13,S14:OFF)に切り替える場合を例示してある。
なお、切替期間Tchにおいて、第2インバータ群の運転を停止してその後に再開する場合も、前記同様に、初期充電回路によって第2インバータ群の直流コンデンサCに対する充電動作が行われる。
この実施形態は、直流電源1Aを、直列接続された2個の蓄電池11,12により構成すると共に、各蓄電池11,12の残存容量検出器21,22を設けている。
これにより、残存容量の偏差(SOC1−SOC2)を0にするような制御を行うことができる。
11,12:蓄電池
21,22:残存容量検出器
101,201:出力電流制御部
102,202:PWM信号発生部
301,303,305:加減算器
304,306:乗算器
Q1〜Q4:半導体スイッチング素子
R100:充電抵抗
S100:スイッチ
C:直流コンデンサ
P:正極
N:負極
MP:中間端子
P11〜P1n,P21〜P2n:正側入力端子
N11〜N1n,N21〜N2n:負側入力端子
INV11〜INV1n,INV21〜INV2n:単相インバータ
M,MA,MB:多巻線交流電動機
S1〜S6,S11〜S18:スイッチ
101,201:出力電流制御部
102,202:PWM信号発生部
Claims (11)
- 直流電源から給電されるn(n:3以上の整数)台の単相インバータによってそれぞれ構成された第1インバータ群及び第2インバータ群を備え、
前記第1インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第2インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第1,第2インバータ群を構成する2n台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された2n個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第1,第2インバータ群の直流入力側を直列に接続して前記第1インバータ群の直流入力電圧と前記第2インバータ群の直流入力電圧とをバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 直流電源から給電されるn(n:3以上の整数)台の単相インバータによってそれぞれ構成された第1インバータ群及び第2インバータ群を備え、
前記第1インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第2インバータ群のn台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第1,第2インバータ群を構成する2n台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された2n個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記直流電源の正極と負極との間の中間電位点に中間端子を設け、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第1,第2インバータ群の直流入力側を直列に接続してその直列回路の両端を前記直流電源の正極と負極とにそれぞれ接続し、
前記直列回路の直列接続点を前記中間端子に接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1または2に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記第1,第2インバータ群の直流入力側と前記直流電源の正極及び負極との間に複数のスイッチを設け、これらのスイッチのON/OFFにより、前記電動機の高速運転時と低速運転時とを切り替えることを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項2に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機の低速運転時に、前記第1,第2インバータ群の直流入力電流または直流入力電力をバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、
前記電動機の低速運転時に、前記第2インバータ群の負側直流入力端子に前記第1インバータ群の正側直流入力端子を接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、
前記第1インバータ群の正側直流入力端子を第1のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第2インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を第2のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続し、
前記第1インバータ群の正側直流入力端子と前記第2インバータ群の負側直流入力端子とを、第3のスイッチを介して接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項2に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記第1インバータ群の正側直流入力端子を第1のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に第3のスイッチを介して前記中間端子に接続し、かつ、負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第2インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続し、かつ、負側直流入力端子を第2のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続すると共に第4のスイッチを介して前記中間端子に接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1〜7の何れか1項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機の低速運転と高速運転とを切り替える切替期間に、前記第1,第2インバータ群のうち少なくとも一方のインバータ群による電動機トルクが発生するように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機を2n/p(n/p:3以上の整数、p:偶数)相交流電動機として各相巻線をp分割して構成し、
前記第1インバータ群のn台の単相インバータにより、各相のp分割されたうちの半分の巻線にそれぞれ給電し、前記第2のインバータ群のn台の単相インバータにより、各相のp分割されたうちの残り半分の巻線にそれぞれ給電することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
多巻線交流電動機が、2n相交流電動機であることを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。 - 請求項2に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記直流電源を、直列に接続された2個の蓄電池により構成してこれらの直列接続点を前記中間端子に接続し、前記2個の蓄電池の残存容量をバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
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