JP5079276B2

JP5079276B2 - 電動機システムおよび電動機システムの制御方法

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Publication number: JP5079276B2
Application number: JP2006197629A
Authority: JP
Inventors: 征吾多久; 光弘川村
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP2008029096A

Description

この発明は、一定速の負荷を駆動するのに適した電動機システムおよび電動機システムの制御方法に関するものである。

一定速の負荷を駆動する誘導同期電動機として、たとえば回転子の永久磁石の外周に、誘導電動機として機能するカゴ形巻線を設け、商用交流電源からカゴ形巻線に給電して回転子を始動する自己始動式同期電動機がある（たとえば、特許文献１参照）。

この自己始動式同期電動機においては、カゴ形巻線により誘導電動機として始動する。その後、定格回転数では永久磁石同期電動機として駆動するが、その際、カゴ形巻線が同期電動機の制動巻線として機能するので、負荷変動等で生じる出力の動揺を減衰し、安定性を確保できる特長がある。
特開２００３−２５９５７９号公報

しかしながら、このような構成の自己始動式同期電動機においては、界磁磁極構造が複雑化し、カゴ形巻線を設けるために回転子の直径が大きくならざるを得ず、その結果電動機出力密度の低下や慣性モーメントの増大を招き、また永久磁石同期電動機の小形・軽量の特長を発揮できない問題がある。さらに商用交流電源で直接始動するので、始動時に大きな騒音が発生する問題があった。

一方、上記の自己始動式同期電動機以外で、回転子にカゴ形巻線を設けずに永久磁石同期電動機を一定速の負荷で駆動する場合には、同期電動機と同じ規模の大容量インバータを設けて、このインバータにより同期電動機を駆動する方法が一般的である。この方法によれば、可変周波数運転による始動や同期電動機の出力の動揺を抑える機能をインバータが担えるので、上記の問題点を回避できる。

しかしながら、可変速を要しない一定速用途に使用する大容量インバータは、高価であるので不経済であるばかりか、インバータの電力変換素子の発熱や、インバータの電圧に含まれる高調波による同期電動機の発熱がシステム効率を低下させるおそれがあった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機固有の高効率かつ小形・軽量の特長を損なうことなく、安定した始動・運転特性を確保することのできる電動機システムおよびその制御方法を得ることにある。

上記目的を達成するために、この発明に係る電動機システムは、商用交流電源で駆動される永久磁石同期電動機と、前記商用交流電源と永久磁石同期電動機との間に介在する開閉器と、前記商用交流電源に接続されたインバータ回路と、前記インバータ回路によって駆動される誘導電動機と、前記永久磁石同期電動機と誘導電動機とを機械的に結合する回転軸と、前記開閉器およびインバータ回路を制御する制御回路と、を有し、前記制御回路は、前記誘導電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時の前記誘導電動機の制御を行なう機能と、前記誘導電動機の定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を行なう機能とを有すること、を特徴とする。

また、この発明に係る電動機システムの制御方法は、永久磁石同期電動機と誘導電動機とを共通の回転軸で結合し、開閉器を介して前記永久磁石同期電動機に商用交流電源を接続し、インバータ回路を介して、前記誘導電動機を前記商用交流電源に接続し、誘導電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時に、前記開閉器を開き、前記インバータ回路を制御することによって、前記誘導電動機の制御を行ない、定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を、前記インバータ回路を制御することによって行なうこと、を特徴とする。

この発明によれば、永久磁石同期電動機固有の高効率かつ小形・軽量の特長を損なうことなく、安定した始動・運転特性を確保することができ、経済的で高効率な電動機システムを実現できる。

以下、この発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の第１の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。

永久磁石同期電動機２は、三相開閉器３を介して三相の商用交流電源１に接続されている。永久磁石同期電動機２の定格出力は、たとえば３０００ｋＷである。誘導電動機４は、三相開閉器５およびインバータ回路６を介して商用交流電源１に接続されている。誘導電動機４の定格出力は、永久磁石同期電動機２の定格出力よりも小さく、たとえば３００ｋＷの小容量である。誘導電動機４の回転軸１２は、永久磁石同期電動機２の回転軸１２と同軸に構成されている。

三相開閉器３、５は操作部３Ａ、５Ａによって開閉し、操作部３Ａ、５Ａは、制御回路７の制御指令に基づいて動作するようになっている。制御回路７は、誘導電動機４の回転軸１２に設けられた回転位置検出器８から回転子の位置を検出し、インバータ回路６を介することで、誘導電動機４に対して速度ベクトル制御とトルクベクトル制御を行なうようになっている。なお、運転モードスイッチ９が制御回路７に接続されている。

永久磁石同期電動機２および誘導電動機４は、共通の電動機フレーム１０内に収納されている。すなわち永久磁石同期電動機２の回転子および誘導電動機４の回転子は、共通の回転軸１２上に並べて設けられ、各回転子に対応する固定子は、電動機フレーム１０の内側に設けられている。また電動機フレーム１０内の誘導電動機４の反永久磁石同期電動機２側の空間には、インバータ回路６および制御回路７が収納されている。

永久磁石同期電動機２には、好ましくは、回転子にカゴ形巻線を設けない小形・軽量の永久磁石同期電動機が用いられる。この永久磁石同期電動機２は、自己始動ができないので、同一回転軸１２で結合した小容量のベクトル制御式誘導電動機４の可変速運転で、停止から定格回転数まで始動する。始動が完了して定格回転数に達したら、三相開閉器３を閉じて、永久磁石同期電動機２に商用交流電源１からの給電を開始する。

一般に、カゴ形巻線を有しない永久磁石同期電動機２を商用交流電源１で駆動した場合には、永久磁石同期電動機２の出力の振動を減衰する機能がほとんどない。そのため、負荷変動等で電気出力に振動が生じた場合、その振動は持続する。したがって、このままでは安定な電動機とは言えない。

この実施形態では、同一回転軸１２に結合した小容量のベクトル制御式誘導電動機４で回転軸１２にトルクを加え、負荷変動による永久磁石同期電動機２の電気出力の動揺を押さえ込ませる。小容量のベクトル制御式誘導電動機４の出力は、永久磁石同期電動機２の出力より小さいので、大きな振動の場合には何回かの振動のうちに減衰させるということになるが、通常の一定速の負荷に対しては不都合ではない。

永久磁石同期電動機２の電気出力と、回転軸１２に加わる負荷の関係は、ばねと錘の関係に相似であり、負荷ｆと永久磁石モータの出力ｘの関係は、次の微分方程式で近似できる。

ｍ（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２）＝ｆ−ｃ（ｄｘ／ｄｔ）−ｋｘ
すなわち、負荷ｆから永久磁石同期電動機２の出力ｘへの伝達関数は、１／（ｍｓ^２＋ｃｓ＋ｋ）の形で近似表現できる。

ここで、ｃはダンピングを決めるゲインであり、カゴ形巻線を有しない永久磁石同期電動機２は、ほぼｃ＝０となる。ｃ＝０の場合には、負荷変動ｆに対して永久磁石同期電動機２の出力は振動が始まると止まらない。制御回路７は、ダンピングを決めるゲインｃを正の値とするトルク指令の信号を生成し、インバータ回路６を介してベクトル制御式で誘導電動機４を駆動制御し、上記の振動を抑制する。

図２は、図１の電動機システムの動作特性を示すタイムチャートであって、（ａ）は運転モードの変化を示し、（ｂ）は回転数の変化を示し、（ｃ）は負荷トルクの変化を示し、（ｄ）は誘導電動機トルクの変化を示し、（ｅ）は永久磁石同期電動機トルクを示す。

停止状態からの始動に当り、運転モードスイッチ９を始動モードにし、三相開閉器５を閉じることでインバータ回路６を機能させ、制御回路７による速度ベクトル制御でインバータ回路６の周波数を低周波数から徐々に上げ、誘導電動機４によって定格回転数まで始動させる。

始動の状態では、小形の誘導電動機４による３００ｋＷまでの低い負荷が駆動（無負荷・低負荷運転）できるが、さらに大きな３０００ｋＷまでの負荷を駆動（定格負荷運転）するため、運転モードスイッチ９を運転モードにし、三相開閉器３を閉じて永久磁石同期電動機２に商用交流電源１から給電する。制御回路７とインバータ回路６によるベクトル制御で誘導電動機４に振動を打ち消すトルク（誘導電動機トルク）を発生させ、負荷変動に際して発生する振動的な出力トルク（永久磁石同期電動機トルク）を時間の経過と共に減衰させる。

この実施形態では、３０００ｋＷの永久磁石同期電動機２に対して３００ｋＷのベクトル制御式誘導電動機４を設けるので、出力動揺の振幅が非常に大きくて最初３０００ｋＷある場合でも１０回程度の振動のうちに動揺を抑えることができる。当然、微少な負荷変動による小さな出力の動揺は、ベクトル制御式誘導電動機４が３００ｋＷもあれば余裕を持って抑え込むことができる。

このように、永久磁石同期電動機２と同一回転軸１２上に小容量のベクトル制御式誘導電動機４を設け、この誘導電動機４に、停止から定格回転数までの始動の機能と、この誘導電動機４のベクトル制御で定格回転数の運転時における負荷変動による回転数の動揺を減衰させる機能を担わせる。これにより、永久磁石同期電動機２には、カゴ形巻線を設ける必要がなく小形・軽量にでき、また永久磁石同期電動機２と同規模の大容量インバータも不要になるので、経済的で高効率なシステムを得ることができる。

また同一の電動機フレーム１０内に永久磁石同期電動機２および誘導電動機４を収納して構成することにより、電動機システムをコンパクトに構成でき、さらにインバータ回路６および制御回路７を同一の電動機フレーム１０内に収納することにより、構成部品の配線も容易になる。

図３はこの発明の第２の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。第１の実施形態では、回転軸に回転位置検出器８を設けて誘導電動機４をベクトル制御し、回転軸１２の速度の振動から出力変動を検出する例を述べた。この第２の実施形態では、誘導電動機４のベクトル制御がセンサレス方式の場合において、図３に示すように永久磁石同期電動機２の電機子（固定子）巻線側にセンサ１３を設け、このセンサ１３の信号から永久磁石同期電動機２の出力動揺を検出する。センサ１３からの検出信号に基づき、制御回路９によりインバータ回路７を介して誘導電動機４を駆動制御することによって、揺動を抑制することができる。これによりシステムを簡略化できる。

変形例として、誘導電動機４は回転位置検出器などのセンサ付のベクトル制御式とし、出力動揺の検出は電機子巻線側に設けたセンサ１３という方式として、機能を分担させてシステムを構成することもできる。

この発明の第１の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。図１の電動機システムの動作特性を示すタイムチャートであって、（ａ）は運転モードの変化を、（ｂ）は回転数の変化を、（ｃ）は負荷トルクの変化を、（ｄ）は誘導電動機トルクの変化を、（ｅ）は永久磁石同期電動機トルクを、それぞれ示す。この発明の第２の実施形態による電動機システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…商用交流電源
２…永久磁石同期電動機
３、５…三相開閉器
３Ａ、５Ａ…操作部
４…誘導電動機
６…インバータ回路
７…制御回路
８…回転位置検出器
９…運転モードスイッチ
１０…電動機フレーム
１２…回転軸
１３…センサ

Claims

商用交流電源で駆動される永久磁石同期電動機と、
前記商用交流電源と永久磁石同期電動機との間に介在する開閉器と、
前記商用交流電源に接続されたインバータ回路と、
前記インバータ回路によって駆動される誘導電動機と、
前記永久磁石同期電動機と誘導電動機とを機械的に結合する回転軸と、
前記開閉器およびインバータ回路を制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記誘導電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時の前記誘導電動機の制御を行なう機能と、前記誘導電動機の定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を行なう機能とを有すること、を特徴とする電動機システム。
前記回転軸の回転位置を検出する回転位置検出器をさらに有し、
前記制御回路は、前記回転位置検出器の出力に基づいて、前記誘導電動機の速度ベクトル制御とトルクベクトル制御を行なうものであること、を特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機の出力動揺を検出するためのセンサが、前記永久磁石同期電動機の固定子巻線側に設けられ、
前記制御回路は、前記センサの出力に基づいて、前記インバータ回路を介して前記誘導電動機を制御するものであること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機システム。
前記制御回路は、停止状態から定格回転数付近までの始動時に前記開閉器を開とし、定格回転数付近においては前記開閉器を閉とするように前記開閉器を制御するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機は前記誘導電動機よりも大きな容量を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電動機システム。
前記永久磁石同期電動機および誘導電動機が共通の電動機フレーム内に収容されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電動機システム。
前記インバータ回路および制御回路が前記電動機フレーム内に収容されていることを特徴とする請求項６に記載の電動機システム。
永久磁石同期電動機と誘導電動機とを共通の回転軸で結合し、
開閉器を介して前記永久磁石同期電動機に商用交流電源を接続し、
インバータ回路を介して、前記誘導電動機を前記商用交流電源に接続し、
誘導電動機の停止状態から定格回転数付近までの始動時に、前記開閉器を開き、前記インバータ回路を制御することによって、前記誘導電動機の制御を行ない、
定格運転時の負荷変動による回転数の動揺を減衰させるベクトル制御を、前記インバータ回路を制御することによって行なうこと、
を特徴とする電動機システムの制御方法。