JP3772979B2 - 回転機械の制動制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械の制動制御装置に係り、特に、磁気軸受により支持された高速回転するターボ分子ポンプなどの回転機械の、制動停止時に発生する回生電力を効率的に消費させる制動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプなどの高速回転を要求される回転機械では、一般的に回転体を回転駆動させる電動機へ高周波数の励磁電力を供給することによって、電動機回転子と一体をなす回転体を所望の回転周波数に回転駆動させている。
【０００３】
回転機械は、多くの場合玉軸受などを使用して回転体を軸方向で所定の位置に支持しているが、ターボ分子ポンプ等の超高速回転機械の場合、回転体の回転周波数が非常に高いため、一般的な玉軸受では摩耗等の問題により、頻繁に玉軸受部分の交換を必要としたり、軸受内へ直接に定期的な潤滑油などの補給が必要とされてきた。
【０００４】
このような場合、高速回転機械の寿命時間が極端に低下するとか、高真空領域において使用するような場合、潤滑油などが付着した軸受周囲からガスコンタミが発生するため、高清浄度環境での使用が制限される等の問題が存在した。これに対し、上記のような高速回転体を支持する機構として、電磁石が発生する磁気吸引力或いは磁気反発力を使って回転体を非接触支持する磁気軸受構造を用いた高速回転機械が開発され、現在ではターボ分子ポンプなど超高速・超高真空回転機械には磁気軸受を搭載する装置が一般的な製品となっている。
【０００５】
ところで、ターボ分子ポンプの回転体は、ポンプ本体の電動機固定子巻線にターボ分子ポンプ電源装置から高周波数の電力を供給することで発生する高周波数の回転磁界により回転するが、所定の回転周波数に到達し通常運転を行った後、ポンプを停止させるための減速運転を行う場合、ターボ分子ポンプなど高真空雰囲気内で回転体を回転させる機械では、もともと回転体と雰囲気内のガスなどとの回転摩擦力がごくわずかであるため、ポンプ本体の電動機固定子巻線に印加される励磁電力を遮断しただけのフリーラン減速では、回転体が停止するまでに非常に長い時間が必要とされる。また、その時間は、回転体の周囲雰囲気にあるガスの条件によって回転体との摩擦力が変動するため一定ではない。
【０００６】
高真空雰囲気内で使用される高速回転体の回転を任意に減速させるためには、何らかの制動手段が必要であるが、通常の金属接触を用いた制動手段は、摺動摩擦により金属粉体等が発生するため、ターボ分子ポンプなどの高清浄度を要求される回転機械では使用できない。そこで、一般的には、高速回転体に回転力を供給する電動機の励磁周波数を徐々に低下させて減速させる電気制動方式が採用されている。
【０００７】
上記電気制動方式では、電源装置から供給された励磁電力の周波数と回転体の当時回転周波数（減速時等に時々刻々と変化する現実の回転周波数）との差の周波数で発生する回生電力が電動機固定子巻線側から電源側に流れ込む。そのため、電源装置が電動機側に供給している電動機励磁電力と回生電力とが合成されてなる合成電力が、電源装置内部の電力制御素子に加わることになり、電力制御素子自身の持っている耐消費電力以上に合成電力が発生した場合には、電力制御素子の耐力を越え素子自身が破壊される。
【０００８】
このような場合に備えて、回生電力も含めた合成電力を通電した状態でも破壊されない大型の電力制御素子を用いる方法か、回生電力消費抵抗方式が考えられる。前者の大型の電力制御素子にする方法はコストアップと大容量化の支障となるため、現在では一般的に後者の回生電力消費抵抗を備えた方式が用いられている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３２２９１４５号公報
【特許文献２】
特許第２８８８６７０号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１９０６９７号公報
【特許文献４】
特開平２−４２１９６号公報
【特許文献５】
特許第２５３６０３７号公報
【００１０】
図３を参照して、回生電力消費抵抗方式について説明する。
電動機の励磁電源装置２０の直流部（コンバータ回路２とインバータ回路３の中間部）２１と並列に、所定の抵抗値を持った電力消費用負荷素子（回生電力消費回路１４の抵抗器１４ａ）がスイッチング素子（回生電力消費回路１４のスイッチ１４ｂ）を介して接続されている。回生抵抗オン・オフ回路１５は、回転数検出回路６により検出された回転体（電動機７の回転子）の回転数に基づいて、回転体が所定の回転周波数から減速される期間のみ、スイッチング素子１４ｂをオン状態とし、励磁電源装置２０の直流部２１と並列に接続させる。このことで、回生電力を抵抗器１４ａにより電気−熱変換により消費し、回転体に制動力が作用する。このように抵抗器１４ａで回生電力を消費することで、回生電力による電力制御素子の破壊を防ぐと共に、回転体の制動時間が短縮される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回生電力消費抵抗方式では、回生電力を消費させる抵抗は、ある特定の抵抗値を持った抵抗体（抵抗器１４ａ）であるため、その抵抗値および電力容量を決定する際は特定の減速時間内において、回生電力が最大の条件である場合を基準として決定される。そのため、回転体を減速する過程において、回生電力が比較的少なくなる低い回転数領域では、設定されている回生電力消費抵抗（抵抗器１４ａ）の電力容量では過剰となる場合がある。
【００１２】
また、電動機で回転させる回転体の質量や形状が異なる場合、特定の減速時間において、一般的にこれらが大きいほど、減速時に発生する回生電力は大きくなり、ある同一の電源装置で多種類の回転体に対応できる様にするためには、回生電力が最大と考えられる回転体にあわせた大型の回生電力消費抵抗を取り付けておくか、回転させる回転体に合わせて減速時間を変更して発生する回生電力を調整し、回生電力消費抵抗の許容容量を超えないようにする必要がある。
【００１３】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、磁気軸受装置などに使用される回転機械の電動機が真空雰囲気などの低摩擦領域で使用され且つ回転運動を継続している状態から減速或いは停止に至るまでの間、電動機の励磁電源装置が電動機から受ける回生電力を適正な状態で消費させることにより、回生電力消費回路を小型化させ、且つ回生させる回転体の質量や重量が変わった場合においても、特別な設定を必要としない制動制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置と、前記回転体を回転駆動する電動機とを備えた回転機械において、電動機から電源側に回生される回生電力を検出する回生電力検出部と、前記回生電力を消費する回生電力消費部と、前記回生電力検出部の検出結果に基づいて、前記回生電力消費部における電力の消費量を制御する回生電力制御部とを備え、前記回生電力消費部は、制御電極に印加される電圧あるいは電流値に基づいて回生電力を発熱消費する、半導体電力制御素子からなる電力消費素子を有し、前記回生電力制御部は、前記電力消費素子の制御電極に印加される電圧あるいは電流値を制御し、前記電力消費素子で発熱消費する回生電力を制御することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記回生電力制御部は、前記回生電力消費部にて一定の電流、電圧、または電力で、回生電力が消費されるように制御することができる。また、回生電力が磁気軸受励磁電源で消費されるように制御するようにしてもよい。また、前記回生電力は、前記回転体の回転周波数よりもわずかに少ない周波数で電源装置から前記電動機に出力される励磁電力の周波数との差により発生するものであり、前記励磁電力の周波数を前記電動機から前記電源装置への回生電力が一定となるように制御するようにしてもよい。
【００１６】
本発明によれば、真空雰囲気などの低摩擦領域で使用される回転機械が回転運動を継続している状態から減速或いは停止に至るまでの間、電動機に対して電力を供給する電力供給手段が電動機から受ける回生電力を適正な状態で消費させることができ、且つ回生電力を消費させる手段は小型で簡単な構造で安価に提供することができる。
【００１７】
即ち、回転数検出手段により実際の回転体の回転数を取り込み、この値により電動機の励磁電源装置（駆動装置）より出力される減速時の周波数を調整することにより、発生する回生電力量を制御するとともに、発生した回生電力を回生電力検出手段により検出し、その検出された値に基づいて回生電力消費手段を調整することにより、あらゆる種類の電動機や回転体の種類に対応できるようになり、大きな電力容量を有する回生電力消費手段を接続する必要が無く、減速時間を最適化できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態の回転機械の制動制御装置の概要を示す。対象とする回転機械は、例えばターボ分子ポンプであり、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置と、前記回転体を回転駆動する電動機とを備えたものである。図１は、商用電源１と、ターボ分子ポンプを駆動する励磁電源装置２０と、ターボ分子ポンプの電動機７と、その電動機巻線に発生する回生電力の検出部８、消費部４、および制御部５との関係を示したものである。
【００２０】
商用電源１から供給された交流電力は、励磁電源装置２０において、ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２により一旦直流電圧に変換され、直流部２１からインバータ回路３に入力される。インバータ回路３は、その電力制御素子がインバータ制御回路２２により所定のパルス幅にスイッチング制御されることにより、直流部２１から入力した直流電力を所定周波数の三相交流電力に逆変換する。この交流電力は、電動機７を所定の回転数で回転駆動するために必要な出力周波数を有している。
【００２１】
ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２とインバータ回路３の間の直流部２１には、回生電力消費回路４が接続されている。回生電力消費回路４は、電動機７を所定の回転数から減速或いは停止の回転数にする過程において発生する電動機７からの回生電力を消費させるために設けられたものであり、回生電力を発熱消費する電力消費素子４ｂにより構成されている。回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの制御電極に印加される電圧、電流値を制御し、前記制御電極に印加される電圧、電流値に基づいて、電力消費素子４ｂの等価的な抵抗値が制御される。
【００２２】
図１に示される回転機械の電源装置において、電動機７を任意の回転数で運転する場合、商用電源１から供給された交流電力が、ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２により一旦直流に変換され、三相交流逆変換のためのインバータ回路３に供給される。インバータ回路３から供給される所定周波数の交流電力により、電動機７は始動し、運転される。
【００２３】
今、定格回転周波数で運転中の電動機７を減速させる場合、インバータ回路３は定格回転周波数よりわずかに少ない回転周波数の出力電力を発生させて、電動機７の回転をインバータ回路３が出力した回転周波数まで下げていく。このとき、インバータ回路３には、電動機７の巻線に発生した回生電力（逆起電力）が流入するため、インバータ回路３が電動機７を駆動するために必要とする直流電力以上にインバータ回路３の入力端子間（直流部２１）に直流電力が発生する。
【００２４】
本実施形態では、インバータ回路３の入力端子間（直流部２１）に発生する電圧・電流を回生電力検出回路８により常時監視し、電動機７が減速運転に入った状態では、直流部２１の電圧・電流が最大値を超えないように回生電力消費回路４にて回生電力の一部又は全部を消費させる。
【００２５】
回生電力消費回路４は、発熱により回生電力を消費させるパワーＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、等の電力消費素子４ｂを有している。ＭＯＳＦＥＴはそのゲート電圧が制御されることで、バイポーラトランジスタはそのベース電極に流れる電流が制御されることで、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値が制御される。即ち、電力消費素子４ｂの制御電極に印加される電圧値に基づいて、回生電力消費回路４に供給される電流値を制御することができる。
【００２６】
回生電力消費部にて減速期間中に回生電力を消費する方式には、回生電流を一定にする、回生電圧を一定にする、回生電力を一定にする、等の方式がある。ここでは、まず回生電流を一定にする方式を例にとり説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電流検出器８ａで検出される回生電流が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン電流が一定になるようにゲート電圧を制御する。これにより、回生電力消費回路４は、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、定電流消費手段となる。
【００２７】
そのドレイン電流の一定値は、電力消費素子４ｂが破壊されない電力容量の範囲内で、かつ回生電力を最大限に消費できる大きな値に設定することが好ましい。回生電力制御回路５による回生電流一定制御に際しては、ドレイン電流の上記一定の値を目標値とし、電流検出器８ａでの検出値を制御量として、電力消費素子４ｂのゲート電圧を制御してこの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、上記制御を行うことができる。これにより、減速期間を通じて常に回生電力消費回路４の電流容量一杯の電流を消費させることが出来るので、回転体の回転数が低下し、発生する回生電圧が低下した場合においても効率的な減速が行える。
【００２８】
次に、回生電圧を一定に制御する方式について説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電圧検出器８ｂで検出される回生電圧が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン・ソース間電圧が一定になるようにゲート電圧を制御することにより、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させる。これにより、回生電力消費回路４は、定電圧の電力消費手段となる。
【００２９】
そのドレイン・ソース間電圧一定値とは、直流部２１やインバータ回路３が破壊されない電圧の範囲内に設定されている。この場合、減速時に発生する回生電力により直流部２１の電圧が前記回路の破損電圧を超えることを未然に防止することができると共に、後述するように発生する回生電力を取り出してその電力を他の回路にて利用しようとした場合には、他の回路での使用電力以外の余分な電力のみを回生電力消費回路４で消費することになるので、減速状態や他の回路での取出し電力が変動することによって回生電圧が変化することがなくなり、取り出す回生電力を容易に利用することができる。
【００３０】
次に、回生電流・電圧（電力）を一定にする方式について説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電流検出器８ａと電圧検出器８ｂで検出される回生電圧の積（即ち、電力）が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン電流とドレイン・ソース間電圧の積が一定になるようにゲート電圧を制御することにより電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させる。これにより、回生電力消費回路４は、
電圧×電流＝一定
の定電力消費手段となる。
【００３１】
回生電力消費回路４における電力一定値は、電力消費素子４ｂが破壊されない電力容量の範囲内で、かつ回生電力を最大限に消費できる大きな値に設定されている。回生電力制御回路５による回生電力一定制御に際しては、回生電力消費回路４における回生電力消費量を目標値とし、電流検出器８ａと電圧検出器８ｂでの検出値の積を制御量として、電力消費素子４ｂのゲート電圧を制御してこの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、上記制御を行うことができる。これにより、減速期間を通じて常に回生電力消費回路４の電力容量一杯の電力を消費させることが出来るので、減速時間を最短に設定することができ、発生する回生電力が低下する低い回転数においても効率的な減速が行える。
【００３２】
以上に説明したように、回生電力消費回路４の電力消費素子４ｂは、従来方式のような抵抗器１４ａに比べて回生電力が大きいときに合わせて、その電力容量をいたずらに大きくする必要が無く、また小型にすることができ、減速時間に応じた適正の容量のものを用いることが可能になる。
【００３３】
また、回転体の減速時に発生する回生電力は、電動機回転子を構成する回転体の物理的大きさや質量等によって変動するが、その発生回生電力は回転体の回転周波数よりもわずかに少ない周波数で電源装置から電動機に出力される励磁電力の周波数との差により発生するものであり、インバータ回路３から出力される周波数と回転数検出回路６にて検出される実際の回転体の回転数に相当する周波数との差をインバータ制御回路２２により調整することにより、その発生する回生電力を制御することができる。よって回生電力消費回路４にて消費できる最大の電力が回生電力として発生するように回転数検出回路６とインバータ制御回路２２とを用いてインバータ回路３からの出力周波数を調整すると共に、前記回生電力を消費する方式を動作させれば、異なる大きさの電動機に対し、１つの回生電力消費手段を用いることが可能になり、その減速時間も回生電力消費回路４に見合う最短の時間にすることができる。すなわち、１つの回生電力消費手段で大型の電動機の場合は減速時間を長くして、回生電力消費回路４の許容する消費電力を超えない時間で減速し、小型の電動機の場合は、減速時間を短くして短時間で減速するように自動的に最適な減速時間を用いると共に、回転体の回転数が低下した場合においても常に最適な回生電力を消費して、減速時間を短縮化することが可能となる。なお、電力消費素子４ｂは、図中１つであるが、消費する回生電力の大きさにより、複数個接続して電力消費素子４ｂの耐量を上げてもよい。
【００３４】
次に、上記実施形態の効果について説明する。
従来、電動機７の減速時に発生する回生電力を電熱変換により消費させるための素子として用いてきた回生電力消費抵抗器などの負荷素子は、回生電力が最大になる条件下であっても熱的な耐力を持たせるため、大型の負荷素子を用いなければならず、コントローラの全体形状を小型化することに対する支障となっていた。これに対して、本発明では、回生電力消費回路４に供給される回生電力（又は電圧又は電流）を所定の電力（又は電圧又は電流）に制御しつつ電熱変換させることで、回生電力消費回路４に異常な温度上昇を発生させることなく適正なサイズを保ちつつ減速時間を制御することができる。
【００３５】
電動機７の励磁周波数を徐々に低下させることで電動機７を減速させる電気制動方式においては、電源装置からの励磁周波数と回転体の当時回転周波数との差で発生する回生電力をいかに短時間で消費させるかが、電動機７の減速時間を左右する。抵抗器の容量の範囲内で大きな値の回生電力の消費が迅速に行われれば、電動機７の制動時間を短縮させるための動作をしても、励磁電源２０の電圧・電流が最大値を超えるおそれはない。すなわち、電動機７の制動時間を短縮させるための動作として、電動機７の励磁周波数を下げるタイミングを早めることができ、または、回転体の当時回転周波数に対する励磁周波数の下げ幅を大きくすることが可能である。この点、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの電力容量を最大限近くまで使って電力消費素子４ｂを発熱させて、回生電力の消費を可能な限り短時間で行うことで、電動機７の制動時間を短縮することができる。
【００３６】
本実施形態では、回生電力消費回路４に供給される回生電流（又は電圧又は電圧・電流）の値を制御することが可能である。よって、電動機７が低回転数の状態でも回生電力を必要以上に消費させずに、電動機７のバックアップ運転が可能になる。以下、この電動機７のバックアップ運転について説明する。
【００３７】
電動機７が減速状態に入り、回生電力を得ることが可能な回転数領域であって、且つ電動機７の回転数が低回転数の時には、励磁電源側に流入する回生電力は非常に少なくなる。よって、商用電源１からの入力が遮断された時（商用電源１からの電力がＡＣ/ＤＣコンバータ回路２に供給されなくなった時）に、回生電力を使って行うバックアップ運転では、従来では回生電力消費回路１４で消費される電力比率が大きくなってしまい、バックアップに必要な電力が得られず、回転体の回転数を十分低い回転周波数に保持することができなかった。これに対し、本発明の回生電力消費回路４では、励磁電源の直流部が所定の電圧を維持できるように、回生電力消費回路４で消費する回生電流（電力）を制御することで、バックアップ回転数を十分低い回転周波数で維持することが可能になる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態の回転機械の制動制御装置について説明する。図２に示すように、回転体を非接触支持するために作動している磁気軸受の励磁電源１０に回生電力を供給する。磁気軸受の励磁電源１０は、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置の励磁電源である。具体的には、商用電源１から電力の供給を受け、図示しない変位センサにより検出された回転体の位置変位に対応して、電磁石巻線に励磁電流を供給する。
【００３９】
回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの制御電圧を制御することにより、回生電力を回生電力消費回路４と磁気軸受励磁電源１０に適宜分配して供給することができる。このように、回生電力制御回路５が回生電力の少なくとも一部を磁気軸受励磁電源１０に供給することで、回生電力消費回路４への電力負荷を軽減することができる。さらに、磁気軸受励磁電源１０に対する回生電力の供給の有無、供給する電力値を随時制御可能とすることで、磁気軸受励磁電源１０を安定的に機能させることができる。
【００４０】
なお、回生電力消費回路４が有する電力消費素子４ｂは、ＭＯＳＦＥＴを用いる例について説明したが、これに限定されるものではない。制御電極の電圧等の制御値に基づいて流れる電流値を制御可能な素子であれば、サイリスタやＩＧＢＴなどの電力制御素子であってもよく、バイポーラトランジスタであってもよい。
【００４１】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、回生電力を消費する回生電力消費部において、予め設定されたレートに制御された適正な電力の消費が行われる。これにより、適正容量の電力消費手段を用いて装置の大型化を防止しつつ、制動時間の短縮化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転機械の制動制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の回転機械の制動制御装置の構成を示す図である。
【図３】従来の制動制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 商用電源
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ回路
３ インバータ回路
４ 回生電力消費回路
４ｂ 電力消費素子
５ 回生電力制御回路
６ 回転数検出回路
７ 電動機
８ 回生電力検出回路
８ａ 電流検出器
８ｂ 電圧検出器
１０ 磁気軸受励磁電源
２０ 励磁電源装置
２１ 直流部
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械の制動制御装置に係り、特に、磁気軸受により支持された高速回転するターボ分子ポンプなどの回転機械の、制動停止時に発生する回生電力を効率的に消費させる制動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプなどの高速回転を要求される回転機械では、一般的に回転体を回転駆動させる電動機へ高周波数の励磁電力を供給することによって、電動機回転子と一体をなす回転体を所望の回転周波数に回転駆動させている。
【０００３】
回転機械は、多くの場合玉軸受などを使用して回転体を軸方向で所定の位置に支持しているが、ターボ分子ポンプ等の超高速回転機械の場合、回転体の回転周波数が非常に高いため、一般的な玉軸受では摩耗等の問題により、頻繁に玉軸受部分の交換を必要としたり、軸受内へ直接に定期的な潤滑油などの補給が必要とされてきた。
【０００４】
このような場合、高速回転機械の寿命時間が極端に低下するとか、高真空領域において使用するような場合、潤滑油などが付着した軸受周囲からガスコンタミが発生するため、高清浄度環境での使用が制限される等の問題が存在した。これに対し、上記のような高速回転体を支持する機構として、電磁石が発生する磁気吸引力或いは磁気反発力を使って回転体を非接触支持する磁気軸受構造を用いた高速回転機械が開発され、現在ではターボ分子ポンプなど超高速・超高真空回転機械には磁気軸受を搭載する装置が一般的な製品となっている。
【０００５】
ところで、ターボ分子ポンプの回転体は、ポンプ本体の電動機固定子巻線にターボ分子ポンプ電源装置から高周波数の電力を供給することで発生する高周波数の回転磁界により回転するが、所定の回転周波数に到達し通常運転を行った後、ポンプを停止させるための減速運転を行う場合、ターボ分子ポンプなど高真空雰囲気内で回転体を回転させる機械では、もともと回転体と雰囲気内のガスなどとの回転摩擦力がごくわずかであるため、ポンプ本体の電動機固定子巻線に印加される励磁電力を遮断しただけのフリーラン減速では、回転体が停止するまでに非常に長い時間が必要とされる。また、その時間は、回転体の周囲雰囲気にあるガスの条件によって回転体との摩擦力が変動するため一定ではない。
【０００６】
高真空雰囲気内で使用される高速回転体の回転を任意に減速させるためには、何らかの制動手段が必要であるが、通常の金属接触を用いた制動手段は、摺動摩擦により金属粉体等が発生するため、ターボ分子ポンプなどの高清浄度を要求される回転機械では使用できない。そこで、一般的には、高速回転体に回転力を供給する電動機の励磁周波数を徐々に低下させて減速させる電気制動方式が採用されている。
【０００７】
上記電気制動方式では、電源装置から供給された励磁電力の周波数と回転体の当時回転周波数（減速時等に時々刻々と変化する現実の回転周波数）との差の周波数で発生する回生電力が電動機固定子巻線側から電源側に流れ込む。そのため、電源装置が電動機側に供給している電動機励磁電力と回生電力とが合成されてなる合成電力が、電源装置内部の電力制御素子に加わることになり、電力制御素子自身の持っている耐消費電力以上に合成電力が発生した場合には、電力制御素子の耐力を越え素子自身が破壊される。
【０００８】
このような場合に備えて、回生電力も含めた合成電力を通電した状態でも破壊されない大型の電力制御素子を用いる方法か、回生電力消費抵抗方式が考えられる。前者の大型の電力制御素子にする方法はコストアップと大容量化の支障となるため、現在では一般的に後者の回生電力消費抵抗を備えた方式が用いられている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３２２９１４５号公報
【特許文献２】
特許第２８８８６７０号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１９０６９７号公報
【特許文献４】
特開平２−４２１９６号公報
【特許文献５】
特許第２５３６０３７号公報
【００１０】
図３を参照して、回生電力消費抵抗方式について説明する。
電動機の励磁電源装置２０の直流部（コンバータ回路２とインバータ回路３の中間部）２１と並列に、所定の抵抗値を持った電力消費用負荷素子（回生電力消費回路１４の抵抗器１４ａ）がスイッチング素子（回生電力消費回路１４のスイッチ１４ｂ）を介して接続されている。回生抵抗オン・オフ回路１５は、回転数検出回路６により検出された回転体（電動機７の回転子）の回転数に基づいて、回転体が所定の回転周波数から減速される期間のみ、スイッチング素子１４ｂをオン状態とし、励磁電源装置２０の直流部２１と並列に接続させる。このことで、回生電力を抵抗器１４ａにより電気−熱変換により消費し、回転体に制動力が作用する。このように抵抗器１４ａで回生電力を消費することで、回生電力による電力制御素子の破壊を防ぐと共に、回転体の制動時間が短縮される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回生電力消費抵抗方式では、回生電力を消費させる抵抗は、ある特定の抵抗値を持った抵抗体（抵抗器１４ａ）であるため、その抵抗値および電力容量を決定する際は特定の減速時間内において、回生電力が最大の条件である場合を基準として決定される。そのため、回転体を減速する過程において、回生電力が比較的少なくなる低い回転数領域では、設定されている回生電力消費抵抗（抵抗器１４ａ）の電力容量では過剰となる場合がある。
【００１２】
また、電動機で回転させる回転体の質量や形状が異なる場合、特定の減速時間において、一般的にこれらが大きいほど、減速時に発生する回生電力は大きくなり、ある同一の電源装置で多種類の回転体に対応できる様にするためには、回生電力が最大と考えられる回転体にあわせた大型の回生電力消費抵抗を取り付けておくか、回転させる回転体に合わせて減速時間を変更して発生する回生電力を調整し、回生電力消費抵抗の許容容量を超えないようにする必要がある。
【００１３】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、磁気軸受装置などに使用される回転機械の電動機が真空雰囲気などの低摩擦領域で使用され且つ回転運動を継続している状態から減速或いは停止に至るまでの間、電動機の励磁電源装置が電動機から受ける回生電力を適正な状態で消費させることにより、回生電力消費回路を小型化させ、且つ回生させる回転体の質量や重量が変わった場合においても、特別な設定を必要としない制動制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置と、前記回転体を回転駆動する電動機とを備えた回転機械において、電動機から電源側に回生される回生電力を検出する回生電力検出部と、前記回生電力を消費する回生電力消費部と、前記回生電力検出部の検出結果に基づいて、前記回生電力消費部における電力の消費量を制御する回生電力制御部とを備え、前記回生電力消費部は、制御電極に印加される電圧あるいは電流値に基づいて回生電力を発熱消費する、半導体電力制御素子からなる電力消費素子を有し、前記回生電力制御部は、前記電力消費素子の制御電極に印加される電圧あるいは電流値を制御し、前記電力消費素子で発熱消費する回生電力を制御することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記回生電力制御部は、前記回生電力消費部にて一定の電流、電圧、または電力で、回生電力が消費されるように制御することができる。また、回生電力が磁気軸受励磁電源で消費されるように制御するようにしてもよい。また、前記回生電力は、前記回転体の回転周波数よりもわずかに少ない周波数で電源装置から前記電動機に出力される励磁電力の周波数との差により発生するものであり、前記励磁電力の周波数を前記電動機から前記電源装置への回生電力が一定となるように制御するようにしてもよい。
【００１６】
本発明によれば、真空雰囲気などの低摩擦領域で使用される回転機械が回転運動を継続している状態から減速或いは停止に至るまでの間、電動機に対して電力を供給する電力供給手段が電動機から受ける回生電力を適正な状態で消費させることができ、且つ回生電力を消費させる手段は小型で簡単な構造で安価に提供することができる。
【００１７】
即ち、回転数検出手段により実際の回転体の回転数を取り込み、この値により電動機の励磁電源装置（駆動装置）より出力される減速時の周波数を調整することにより、発生する回生電力量を制御するとともに、発生した回生電力を回生電力検出手段により検出し、その検出された値に基づいて回生電力消費手段を調整することにより、あらゆる種類の電動機や回転体の種類に対応できるようになり、大きな電力容量を有する回生電力消費手段を接続する必要が無く、減速時間を最適化できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態の回転機械の制動制御装置の概要を示す。対象とする回転機械は、例えばターボ分子ポンプであり、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置と、前記回転体を回転駆動する電動機とを備えたものである。図１は、商用電源１と、ターボ分子ポンプを駆動する励磁電源装置２０と、ターボ分子ポンプの電動機７と、その電動機巻線に発生する回生電力の検出部８、消費部４、および制御部５との関係を示したものである。
【００２０】
商用電源１から供給された交流電力は、励磁電源装置２０において、ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２により一旦直流電圧に変換され、直流部２１からインバータ回路３に入力される。インバータ回路３は、その電力制御素子がインバータ制御回路２２により所定のパルス幅にスイッチング制御されることにより、直流部２１から入力した直流電力を所定周波数の三相交流電力に逆変換する。この交流電力は、電動機７を所定の回転数で回転駆動するために必要な出力周波数を有している。
【００２１】
ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２とインバータ回路３の間の直流部２１には、回生電力消費回路４が接続されている。回生電力消費回路４は、電動機７を所定の回転数から減速或いは停止の回転数にする過程において発生する電動機７からの回生電力を消費させるために設けられたものであり、回生電力を発熱消費する電力消費素子４ｂにより構成されている。回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの制御電極に印加される電圧、電流値を制御し、前記制御電極に印加される電圧、電流値に基づいて、電力消費素子４ｂの等価的な抵抗値が制御される。
【００２２】
図１に示される回転機械の電源装置において、電動機７を任意の回転数で運転する場合、商用電源１から供給された交流電力が、ＡＣ/ＤＣコンバータ回路２により一旦直流に変換され、三相交流逆変換のためのインバータ回路３に供給される。インバータ回路３から供給される所定周波数の交流電力により、電動機７は始動し、運転される。
【００２３】
今、定格回転周波数で運転中の電動機７を減速させる場合、インバータ回路３は定格回転周波数よりわずかに少ない回転周波数の出力電力を発生させて、電動機７の回転をインバータ回路３が出力した回転周波数まで下げていく。このとき、インバータ回路３には、電動機７の巻線に発生した回生電力（逆起電力）が流入するため、インバータ回路３が電動機７を駆動するために必要とする直流電力以上にインバータ回路３の入力端子間（直流部２１）に直流電力が発生する。
【００２４】
本実施形態では、インバータ回路３の入力端子間（直流部２１）に発生する電圧・電流を回生電力検出回路８により常時監視し、電動機７が減速運転に入った状態では、直流部２１の電圧・電流が最大値を超えないように回生電力消費回路４にて回生電力の一部又は全部を消費させる。
【００２５】
回生電力消費回路４は、発熱により回生電力を消費させるパワーＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、等の電力消費素子４ｂを有している。ＭＯＳＦＥＴはそのゲート電圧が制御されることで、バイポーラトランジスタはそのベース電極に流れる電流が制御されることで、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値が制御される。即ち、電力消費素子４ｂの制御電極に印加される電圧値に基づいて、回生電力消費回路４に供給される電流値を制御することができる。
【００２６】
回生電力消費部にて減速期間中に回生電力を消費する方式には、回生電流を一定にする、回生電圧を一定にする、回生電力を一定にする、等の方式がある。ここでは、まず回生電流を一定にする方式を例にとり説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電流検出器８ａで検出される回生電流が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン電流が一定になるようにゲート電圧を制御する。これにより、回生電力消費回路４は、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、定電流消費手段となる。
【００２７】
そのドレイン電流の一定値は、電力消費素子４ｂが破壊されない電力容量の範囲内で、かつ回生電力を最大限に消費できる大きな値に設定することが好ましい。回生電力制御回路５による回生電流一定制御に際しては、ドレイン電流の上記一定の値を目標値とし、電流検出器８ａでの検出値を制御量として、電力消費素子４ｂのゲート電圧を制御してこの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、上記制御を行うことができる。これにより、減速期間を通じて常に回生電力消費回路４の電流容量一杯の電流を消費させることが出来るので、回転体の回転数が低下し、発生する回生電圧が低下した場合においても効率的な減速が行える。
【００２８】
次に、回生電圧を一定に制御する方式について説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電圧検出器８ｂで検出される回生電圧が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン・ソース間電圧が一定になるようにゲート電圧を制御することにより、電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させる。これにより、回生電力消費回路４は、定電圧の電力消費手段となる。
【００２９】
そのドレイン・ソース間電圧一定値とは、直流部２１やインバータ回路３が破壊されない電圧の範囲内に設定されている。この場合、減速時に発生する回生電力により直流部２１の電圧が前記回路の破損電圧を超えることを未然に防止することができると共に、後述するように発生する回生電力を取り出してその電力を他の回路にて利用しようとした場合には、他の回路での使用電力以外の余分な電力のみを回生電力消費回路４で消費することになるので、減速状態や他の回路での取出し電力が変動することによって回生電圧が変化することがなくなり、取り出す回生電力を容易に利用することができる。
【００３０】
次に、回生電流・電圧（電力）を一定にする方式について説明する。
回生電力制御回路５は、回生電力検出回路８の電流検出器８ａと電圧検出器８ｂで検出される回生電圧の積（即ち、電力）が一定となるように電力消費素子４ｂにゲート電圧を印加する。すなわち、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂのドレイン電流とドレイン・ソース間電圧の積が一定になるようにゲート電圧を制御することにより電力消費素子４ｂの見かけ上の抵抗値を変化させる。これにより、回生電力消費回路４は、
電圧×電流＝一定
の定電力消費手段となる。
【００３１】
回生電力消費回路４における電力一定値は、電力消費素子４ｂが破壊されない電力容量の範囲内で、かつ回生電力を最大限に消費できる大きな値に設定されている。回生電力制御回路５による回生電力一定制御に際しては、回生電力消費回路４における回生電力消費量を目標値とし、電流検出器８ａと電圧検出器８ｂでの検出値の積を制御量として、電力消費素子４ｂのゲート電圧を制御してこの見かけ上の抵抗値を変化させることにより、上記制御を行うことができる。これにより、減速期間を通じて常に回生電力消費回路４の電力容量一杯の電力を消費させることが出来るので、減速時間を最短に設定することができ、発生する回生電力が低下する低い回転数においても効率的な減速が行える。
【００３２】
以上に説明したように、回生電力消費回路４の電力消費素子４ｂは、従来方式のような抵抗器１４ａに比べて回生電力が大きいときに合わせて、その電力容量をいたずらに大きくする必要が無く、また小型にすることができ、減速時間に応じた適正の容量のものを用いることが可能になる。
【００３３】
また、回転体の減速時に発生する回生電力は、電動機回転子を構成する回転体の物理的大きさや質量等によって変動するが、その発生回生電力は回転体の回転周波数よりもわずかに少ない周波数で電源装置から電動機に出力される励磁電力の周波数との差により発生するものであり、インバータ回路３から出力される周波数と回転数検出回路６にて検出される実際の回転体の回転数に相当する周波数との差をインバータ制御回路２２により調整することにより、その発生する回生電力を制御することができる。よって回生電力消費回路４にて消費できる最大の電力が回生電力として発生するように回転数検出回路６とインバータ制御回路２２とを用いてインバータ回路３からの出力周波数を調整すると共に、前記回生電力を消費する方式を動作させれば、異なる大きさの電動機に対し、１つの回生電力消費手段を用いることが可能になり、その減速時間も回生電力消費回路４に見合う最短の時間にすることができる。すなわち、１つの回生電力消費手段で大型の電動機の場合は減速時間を長くして、回生電力消費回路４の許容する消費電力を超えない時間で減速し、小型の電動機の場合は、減速時間を短くして短時間で減速するように自動的に最適な減速時間を用いると共に、回転体の回転数が低下した場合においても常に最適な回生電力を消費して、減速時間を短縮化することが可能となる。なお、電力消費素子４ｂは、図中１つであるが、消費する回生電力の大きさにより、複数個接続して電力消費素子４ｂの耐量を上げてもよい。
【００３４】
次に、上記実施形態の効果について説明する。
従来、電動機７の減速時に発生する回生電力を電熱変換により消費させるための素子として用いてきた回生電力消費抵抗器などの負荷素子は、回生電力が最大になる条件下であっても熱的な耐力を持たせるため、大型の負荷素子を用いなければならず、コントローラの全体形状を小型化することに対する支障となっていた。これに対して、本発明では、回生電力消費回路４に供給される回生電力（又は電圧又は電流）を所定の電力（又は電圧又は電流）に制御しつつ電熱変換させることで、回生電力消費回路４に異常な温度上昇を発生させることなく適正なサイズを保ちつつ減速時間を制御することができる。
【００３５】
電動機７の励磁周波数を徐々に低下させることで電動機７を減速させる電気制動方式においては、電源装置からの励磁周波数と回転体の当時回転周波数との差で発生する回生電力をいかに短時間で消費させるかが、電動機７の減速時間を左右する。抵抗器の容量の範囲内で大きな値の回生電力の消費が迅速に行われれば、電動機７の制動時間を短縮させるための動作をしても、励磁電源２０の電圧・電流が最大値を超えるおそれはない。すなわち、電動機７の制動時間を短縮させるための動作として、電動機７の励磁周波数を下げるタイミングを早めることができ、または、回転体の当時回転周波数に対する励磁周波数の下げ幅を大きくすることが可能である。この点、回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの電力容量を最大限近くまで使って電力消費素子４ｂを発熱させて、回生電力の消費を可能な限り短時間で行うことで、電動機７の制動時間を短縮することができる。
【００３６】
本実施形態では、回生電力消費回路４に供給される回生電流（又は電圧又は電圧・電流）の値を制御することが可能である。よって、電動機７が低回転数の状態でも回生電力を必要以上に消費させずに、電動機７のバックアップ運転が可能になる。以下、この電動機７のバックアップ運転について説明する。
【００３７】
電動機７が減速状態に入り、回生電力を得ることが可能な回転数領域であって、且つ電動機７の回転数が低回転数の時には、励磁電源側に流入する回生電力は非常に少なくなる。よって、商用電源１からの入力が遮断された時（商用電源１からの電力がＡＣ/ＤＣコンバータ回路２に供給されなくなった時）に、回生電力を使って行うバックアップ運転では、従来では回生電力消費回路１４で消費される電力比率が大きくなってしまい、バックアップに必要な電力が得られず、回転体の回転数を十分低い回転周波数に保持することができなかった。これに対し、本発明の回生電力消費回路４では、励磁電源の直流部が所定の電圧を維持できるように、回生電力消費回路４で消費する回生電流（電力）を制御することで、バックアップ回転数を十分低い回転周波数で維持することが可能になる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態の回転機械の制動制御装置について説明する。図２に示すように、回転体を非接触支持するために作動している磁気軸受の励磁電源１０に回生電力を供給する。磁気軸受の励磁電源１０は、回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置の励磁電源である。具体的には、商用電源１から電力の供給を受け、図示しない変位センサにより検出された回転体の位置変位に対応して、電磁石巻線に励磁電流を供給する。
【００３９】
回生電力制御回路５は、電力消費素子４ｂの制御電圧を制御することにより、回生電力を回生電力消費回路４と磁気軸受励磁電源１０に適宜分配して供給することができる。このように、回生電力制御回路５が回生電力の少なくとも一部を磁気軸受励磁電源１０に供給することで、回生電力消費回路４への電力負荷を軽減することができる。さらに、磁気軸受励磁電源１０に対する回生電力の供給の有無、供給する電力値を随時制御可能とすることで、磁気軸受励磁電源１０を安定的に機能させることができる。
【００４０】
なお、回生電力消費回路４が有する電力消費素子４ｂは、ＭＯＳＦＥＴを用いる例について説明したが、これに限定されるものではない。制御電極の電圧等の制御値に基づいて流れる電流値を制御可能な素子であれば、サイリスタやＩＧＢＴなどの電力制御素子であってもよく、バイポーラトランジスタであってもよい。
【００４１】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、回生電力を消費する回生電力消費部において、予め設定されたレートに制御された適正な電力の消費が行われる。これにより、適正容量の電力消費手段を用いて装置の大型化を防止しつつ、制動時間の短縮化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転機械の制動制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の回転機械の制動制御装置の構成を示す図である。
【図３】従来の制動制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 商用電源
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ回路
３ インバータ回路
４ 回生電力消費回路
４ｂ 電力消費素子
５ 回生電力制御回路
６ 回転数検出回路
７ 電動機
８ 回生電力検出回路
８ａ 電流検出器
８ｂ 電圧検出器
１０ 磁気軸受励磁電源
２０ 励磁電源装置
２１ 直流部
Claims (6)
- 回転体の位置変位を検出し、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を所定の浮上位置に浮上制御を行うことで、回転体を回転自在に且つ非接触に浮上支持する磁気軸受装置と、前記回転体を回転駆動する電動機とを備えた回転機械において、
前記電動機から電源側に回生される回生電力を検出する回生電力検出部と、
前記回生電力を消費する回生電力消費部と、
前記回生電力検出部の検出結果に基づいて、前記回生電力消費部における電力の消費量を制御する回生電力制御部とを備え、
前記回生電力消費部は、制御電極に印加される電圧あるいは電流値に基づいて回生電力を発熱消費する、半導体電力制御素子からなる電力消費素子を有し、
前記回生電力制御部は、前記電力消費素子の制御電極に印加される電圧あるいは電流値を制御し、前記電力消費素子で発熱消費する回生電力を制御することを特徴とする制動制御装置。 - 請求項１記載の制動制御装置において、
前記回生電力制御部は、前記回生電力消費部にて一定の電流で回生電力が消費されるように制御することを特徴とする制動制御装置。 - 請求項１記載の制動制御装置において、
前記回生電力制御部は、前記回生電力消費部にて一定の電圧で回生電力が消費されるように制御することを特徴とする制動制御装置。 - 請求項１記載の制動制御装置において、
前記回生電力制御部は、前記回生電力消費部にて一定の電力で回生電力が消費されるように制御することを特徴とする制動制御装置。 - 請求項１記載の制動制御装置において、
前記回生電力制御部は、回生電力が磁気軸受励磁電源で消費されるように制御することを特徴とする制動制御装置。 - 請求項１記載の制動制御装置において、
前記回生電力は、前記回転体の回転周波数よりもわずかに少ない周波数で電源装置から前記電動機に出力される励磁電力の周波数との差により発生するものであり、前記回生電力の検出結果に基づいて、前記励磁電力の周波数を制御することを特徴とする制動制御装置。
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