JP4922631B2

JP4922631B2 - 磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機

Info

Publication number: JP4922631B2
Application number: JP2006069880A
Authority: JP
Inventors: 忠昭清宮; 隆一嶋田; 忠幸北原; 彦本間
Original assignee: Merstech Inc
Current assignee: Merstech Inc
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007252049A

Description

本発明は、磁気エネルギー回生電流スイッチ（スナバエネルギ回生電流スイッチ＝磁気エネルギ回生スイッチ：ＭａｇｎｅｔｉｃＥｎｅｒｇｙＲｅｃｏｖｅｒｙＳｗｉｔｃｈ以下ＭＥＲＳと称する）を用いた単相誘導電動機に関する。

従来、商用電源と三相誘導電動機との間に、公知のＭＥＲＳ（特許文献１及び非特許文献１を参照）を挿入することで、始動時の力率を改善し、始動トルクを大幅に向上できるということが非特許文献１に報告されている。
特許第３６３４９８２号高久拓・磯部高範・鳴島じゅん・筒井広明・嶋田隆一：「磁気エネルギーを蓄積回生する電流スイッチによる力率改善」，電学論Ｄ，ｖｏｌ．１２５Ｎｏ．４ｐｐ．３７２−３７７（２００５）

一方、単相誘導電動機は電灯線から簡単に利用でき、扱いが容易なためで数多く使用されている。しかし、その反面同じ定格の三相誘導電動機と比較すると、相誘導電動機は力率が悪い負荷である。負荷率が低い場合には力率は４０％まで低下し、最も良い場合でも７０％程度である。力率の悪い負荷が工場などで多く使われる状況では、それだけ大容量の電源を用意しなければならず、コストアップにつながる。また、力率低下による電流の増加は送配電線の銅損増加になり、電力系統の利用率、効率に悪影響を与える。さらに、単相誘導電動機は負荷率（すべり）によってインピーダンスが大きく変化といった特性がある。負荷がほとんど変動せず定格負荷付近で運転を行う場合にあっては、定格負荷に最適なコンデンサを選び、力率を改善させるといった手法が昔から知られているが、負荷率が大きく変動するような場合コンデンサでは補償しきれない。また、単相誘導電動機は効率が劣り、機械寸法、重量が大きくなり、さらに始動トルクを発生させるために始動装置が必要であるなどの問題点もある。

本発明は、このような問題点を改善するためなされたもので、その目的は起動装置を完全半導体化及び低コスト化、さらには運転時における効率、力率の向上を図ることができる磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためなされたもので、請求項１に対応する発明は、単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記補助巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機である。

前記目的を達成するためなされたもので、請求項２に対応する発明は、単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記主巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機である。

前記目的を達成するためなされたもので、請求項３に対応する発明は、単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記単相交流電源と、前記主巻線及び前記補助巻線の接続点との間に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする第１の磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記補助巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする第２の磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記第１及び第２の磁気エネルギー回生電流スイッチの各自己消弧素子をオン・オフさせるためのタイミングを与えると共に、前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機である。

本発明は、ＭＥＲＳを単相誘導電動機の主巻線又は補助巻線に直列に接続することにより、起動装置を完全半導体化及び低コスト化、さらには運転時における効率、力率の向上を図ることができる単相誘導電動機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明するが、始めに本発明の重要な構成である、ＭＥＲＳ３について説明する。ＭＥＲＳ３は、図２に示すように２個の自己消弧素子（以下単に素子と称する）Ｓ１、Ｓ４からなるハーフブリッジと、２個の自己消弧素子Ｓ２、Ｓ３からなるハーフブリッジとを接続したフルブリッジ回路に、エネルギ蓄積コンデンサＣを接続したものであって、各素子Ｓ１−Ｓ３と、Ｓ２−Ｓ４に対してオン・オフさせるためのタイミング信号を電流スイッチ制御回路４とからなるものである。

なお、各素子Ｓ１〜Ｓ４は、各々各素子本体と、各素子本体に逆並列に接続された並列ダイオードを備えている。

ここで、ＭＥＲＳ３の動作について、図３〜図５を用いて説明する。電源電圧が図２のような向きの位相のときに、Ｓ２の並列ダイオードとＳ１の素子本体、Ｓ３の素子本体とＳ４の並列ダイオードの二つのアームに電流が平行して流れる。このとき各素子が理想的であるとすると、コンデンサＣの電圧はゼロである。ある程度の電流が流れている時点で、図３（１）〜（４）の順序で動作させる。例えばＳ１・Ｓ３をオフにすると、負荷のインダクタンスＬに蓄えられていた磁気エネルギーが、Ｓ２とＳ４の寄生ダイオードを通ってＭＥＲＳのコンデンサＣに吸収される。コンデンサの電圧は徐々に上昇すると同時に電流が減少し、電流がゼロとなった時点でＳ２・Ｓ４はオフになるので、それ以上電流は流れなくなる。コンデンサにエネルギーが蓄えられている状態で再びＳ１・Ｓ３をオンにすると、Ｓ１・Ｓ３を通ってコンデンサのエネルギーが負荷に回生し、電流が増加する。このとき、コンデンサが回路に直列に挿入された形になるので、負荷：ＬＲには電源電圧Ｖよりも高い電圧Ｖ＋Ｖｃが印加される。

したがって、回路の時定数Ｌ／Ｒよりも早い時定数で電流は増加することになる。これは、回路のインダクタンスＬが電源から見たときに、見かけ上小さくなったといえ、力率が改善する効果となる。コンデンサが放電して電圧がゼロになると、再びの状態に戻り、電流が平行して流れる。交流電源において、の時点で位相が反転し、電圧Ｖが逆方向の場合には、Ｓ２とＳ４をオンにすれば、電流は逆方向に流れて、コンデンサのエネルギーが負荷に回生することになる。電流が前述とは逆向きに流れているときに、Ｓ２・Ｓ４をオフにすると、負荷の磁気エネルギーはＳ１とＳ３の並列ダイオードを通ってコンデンサに吸収されるので、電流の方向に拘わらずコンデンサ電圧Ｖｃの極性は常に同じである。したがって、従来の力率改善直列コンデンサと異なり、極性を持ったＤＣコンデンサを使用できる。

電流スイッチ制御回路４は、交流電源の出力電流及び出力電圧から検出し、これを調整できる位相検出・調整回路４１と、位相検出・調整回路４１からの出力に応じてケートパルスを発生するゲートパルス発生回路４２から構成されている。なお、ＭＥＲＳ３に使用するＭＯＳ：ＦＥＴあるいはＩＧＢＴを駆動するには、ゲートーソース間あるいはゲート・ドレイン問に電圧信号を入力する必要がある。しかしＭＥＲＳ３は直列に回路に挿入されるため、ソース／エミッタの電位が大きく変動する。そのためゲート・ソース／エミッタ間を主回路から絶縁しなければならない。ゲート信号を絶縁しつつ伝達する方式として、パルストラこイスを介して直接電力を電送する方式、フォトカプラを用いて光信号で信号のみを伝達する方式、圧電素子を用いたピエゾカプラ方式などを用いる。

第１の実施形態は、図１のように構成されている。単相交流電源１と、交流電源１に並列に接続された主巻線２１及び補助巻線２２を有し、主巻線２１と補助巻線２２の接続点に、始動用コンデンサ２３と回転力が所定値以上なったとき開く遠心スイッチ２４の直列回路と、該直列回路に対して並列に接続された運転用コンデンサ２５が接続されたコンデンサ始動コンデンサ誘導形単相誘導電動機２と、単相誘導電動機２の主巻線２１及び補助巻線２２の間に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、該単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをするＭＥＲＳ３と、単相誘導電動機２の磁気エネルギーを、ＭＥＲＳ３の蓄積コンデンサＣに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路４とを具備し、補助巻線２２とＭＥＲＳ３を直列接続し、始動用コンデンサ及びスイッチ、又は前記始動用コンデンサ及び記スイッチ並びに前記運転用コンデンサを省いた構成としたものである。

このように、図１の起動装置の代りにＭＥＲＳ３を用いたので、次のような作用効果が得られる。ＭＥＲＳ３は原理上電流の位相を遅れから進みまで任意に制御できるため、補助巻線２２に進相電流を流すことも可能である。また、蓄積コンデンサＣに充電される極性は電流方向によらず常に同じであるので、単位体積当り静電容量の大きい直流用の電解コンデンサを使用でき、更には単相誘導電動機の始動装置の半導体化、安価・小形で信頼性高い始動装置が得られる。また、力率を大幅に改善でき、起動トルクを最大にでき、運効率を高めることが可能となる。

ここで、ＭＥＲＳ３を使用することで、力率が改善される理由について説明する。ＭＥＲＳ３の各素子のスイッチングパターンは、図３に示すように、電源電圧に同期したスイッチングを行う。基本的には電源電圧Ｖが正のときＳ２、Ｓ４をオンにし、電源電圧Ｖが負のときＳ１、Ｓ３をオンにする。このときＭＥＲＳ３の蓄積コンデンサＣには負荷リアクタンスＬの磁気エネルギーを蓄積することによって電圧Ｖｃ自動的に発生し、電源電圧Ｖと電圧Ｖｃの和もしくは差が負荷に印加されることによって回路に流れる電流の位相が変化する。更にスイッチング位相角を電源位相からα進める制御により、回路に流れる電流Ｉの位相を制御することができ、電流の位相を電源電圧の位相と一致するように制御することで、電源から見た負荷の力率を改善することができる。

以上述べたことは、図６〜図９の実験結果からも明らかである。ここで実験は、図１に示す補助巻線２２にある、始動用コンデンサ２３と、運転用コンデンサ２５と、遠心スイッチ２４からなる起動装置の代わりに、ＭＥＲＳ３を用いた。単相誘導電動機に対し、ＭＥＲＳ３ありとなし時について拘束試験を行い、始動トルクの比較を行った。なお、始動トルクについては、周知の式のように主巻線電流と補助巻線電流の積とその位相差φによって求めることができる。そのため、ＭＥＲＳ３を用いて補助巻線２２の電流の位相を変化させたものである。

図６は、ＭＥＲＳ３の蓄積コンデンサＣを最適な値例えば１６０［μＦ］とし、負荷を変化させたとき（ｗｉｔｈＭＥＲＳ）の力率と、ＭＥＲＳ３を接続しない従来例（ｗ／ｏＭＥＲＳ）との比較である。この特性図から本実施形態では力率を大幅に改善できる。

図７は従来例（ｗ／ｏＭＥＲＳ）と、本実施形態（ｗｉｔｈＭＥＲＳ）との起動トルクの比較を示す特性図である。この場合のＭＥＲＳ３の蓄積コンデンサＣとして例えば１００［μＦ］とし最適な電流位相、すなわちコンデ電圧がフル放電する位相としたものである。

図８は従来例（ｗ／ｏＭＥＲＳ）と、本実施形態（ｗｉｔｈＭＥＲＳ）との効率の比較を示す特性図である。このことから、本実施形態では誘導電動機にかかる電圧を調整し、軽負荷時における効率の向上が確認できる。

図９は従来の単相誘導電動機の特性図で、５０［Ｈｚ］と、６０［Ｈｚ］に変えたときの負荷に対する力率の変化が、大幅となる。具体的には、周波数が５０［Ｈｚ］のとき力率が０．３〜０．６であるのに対して、６０［Ｈｚ］のときは、力率が１．０〜０．９と高いこと分かる。本発明の実施形態によれば、ＭＥＲＳを組み合わせることにより、以上のような周波数変化による力率の変化が避けられる。
図１０は、本発明の第２の実施形態を説明するための概略構成である。第２の実施形態は、ＭＥＲＳ３を主巻線２１と直列接続したものであり、これ以外の構成は、図１と同一であるので、その説明を省略する。図１０において、前述の実施形態と同様に、始動トルクの増加、始動装置の完全半導体化が可能となり、運転時において、ＭＥＲＳ３の位相と調整することで、主巻線２１にかかる電圧、電流を調整し、軽負荷において効率を向上させることが可能である。

図１１は、本発明の第３の実施形態を説明するための概略構成である。第３の実施形態は、例えば遠心スイッチ５を補助巻線に対して直列に接続した構成、つまり図１の遠心スイッチ２４を残したような構成である。これ以外の構成は、図１と同一であるので、その説明を省略する。このように構成することにより、単相誘導電動機２の起動後、例えば数サイクル経過すると、遠心スイッチ５が開くので、補助巻線２２を所定時間経過後、電動機の主回路から切り離される。この結果、交流電源１の容量を小さくできる。

図１２は、本発明の第４の実施形態を説明するための概略構成である。第４の実施形態は、第１及び第２のＭＥＲＳ３Ａ、３Ｂを準備し、第１のＭＥＲＳ３Ａを、単相誘導電動機２と交流電源１の間に接続し、また第２のＭＥＲＳ３Ｂを単相誘導電動機２の主巻線２１及び補助巻線２２との接続点に接続したものである。そして、ＭＥＲＳ３Ａ、３Ｂの各自己消弧素子をオン・オフさせるためのタイミングを与えると共に、単相誘導電動機２の電流のオン・オフを半周期に少なくとも１回行うことで、単相誘導電動機２の電流のオフ時のスナバエネルギを、各ＭＥＲＳ３Ａ、３Ｂの蓄積コンデンサに蓄積可能にする共通の電流スイッチ制御回路（図示しないが、図１と同様な構成のもの）を設けるようにしたものである。これ以外の構成は、図１と同一であるので、その説明を省略する。

図１２のような構成において、始動時にはＭＥＲＳ３Ｂにより始動トルクを発生させ、運転後にＭＥＲＳ３Ａをオフモードとして補助巻線２２を切り離す。また、ＭＥＲＳ３Ａに関しては常にゲート位相角をπ／２だけ遅れた自動力率１の運転とするため、複雑な制御スイッチも必要としない。なお、ＭＥＲＳ３Ｂを切り離さず、位相を変化させることで進相コンデンサの代わりとして用いることも可能である。また、電源電圧が低下したときにも、単相誘導電動機２の定格運転が可能になる。また、図１２のようにすることにより、ソフト起動が可能になる。起動トルクを最大位置にすることができる。

以上述べたＭＥＲＳ３の動作原理は、各素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチングによりエネルギ蓄積コンデンサＳＣと、誘導電動機２として直列に接続されるインダクタンスとの間で電源周波数による強制的な直列共振を起こさせるものである。

＜変形例＞
前述の実施形態では、誘導電動機２として、主巻線２１と補助巻線２２の接続点に、直列に始動用コンデンサ２３と遠心スイッチ２４の直列回路に運転用コンデンサ２５を並列接続したコンデンサ始動コンデンサ誘導形単相誘導電動機を例にあげたが、始動用コンデンサ２３と遠心スイッチ２４を直列接続したコンデンサ始動形単相誘導電動機でも同様に実施できる。

また、図１１の実施形態は、図１、図１２のいずれにも適用できる。

本発明の単相誘導電動機の第１の実施形態を説明するための概略構成図。本発明の重要な構成であるＭＥＲＳを説明するための主回路図。ＭＥＲＳの原理を説明するための図。ＭＥＲＳの動作を説明するための図。ＭＥＲＳの特徴を説明するための図。図１の実施形態の効果を説明するための図。図１の実施形態の効果を説明するための図。図１の実施形態の効果を説明するための図。従来の単相誘導電動機の周波数変化による力率変化を示す特性図。本発明の単相誘導電動機の第２の実施形態を説明するための概略構成図。本発明の単相誘導電動機の第３の実施形態を説明するための概略構成図。本発明の単相誘導電動機の第４の実施形態を説明するための概略構成図。

符号の説明

１…交流電源、２…単相誘導電動機、２１…主巻線、２２…補助巻線、２３…始動用コンデンサ、２４…遠心スイッチ、２５…運転用コンデンサ、３…ＭＥＲＳ、３Ａ…第１のＭＥＲＳ、３Ｂ…第２のＭＥＲＳ、４…電流スイッチ制御回路、４１…位相検出・調整回路、４２…ゲートパルス発生回路、５…遠心スイッチ。

Claims

単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記補助巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機。
単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記主巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機。
単相交流電源と、
前記単相交流電源に並列に接続される主巻線と、前記単相交流電源と前記主巻線の両接続点に直列に接続される補助巻線とを有した単相誘導電動機において、
前記単相交流電源と、前記主巻線及び前記補助巻線の接続点との間に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする第１の磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記主巻線及び前記補助巻線の間であって前記補助巻線に直列に接続され、２個の自己消弧素子をハーフブリッジ接続したものを２組組み合わせてフルブリッジ接続した単相ブリッジ回路と、前記単相ブリッジ回路のハーフブリッジ相互の接続点に接続したエネルギ蓄積コンデンサからなり、前記各自己消弧素子を電源周期に同期してスイッチングさせることにより、可変容量の直列コンデンサのような働きをする第２の磁気エネルギー回生電流スイッチと、
前記第１及び第２の磁気エネルギー回生電流スイッチの各自己消弧素子をオン・オフさせるためのタイミングを与えると共に、前記単相誘導電動機の磁気エネルギーを、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積及び放出可能にする電流スイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機。
前記単相誘導電動機の起動時において、前記補助巻線を所定時間経過後、電気的に開路するスイッチを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の磁気エネルギー回生電流スイッチを用いた単相誘導電動機。