JP5103375B2 - 三相交流機械と周波数変換器とからなる組立体 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流機械と周波数変換器とからなる組立体に関する。

三相交流モータと周波数変換器とを有する既知の組立体は、たとえば、以下のように見える：三相交流モータは、ロータとステータとを有しており、その場合にロータは軸受を介してステータに対して回転可能に軸承されている。その場合に軸受のアウターリングは、三相交流モータのモータハウジングと電気的に導通するように接続されており、その場合にモータハウジングがまた保護アース線を介してアース点と接続されており、そのアース点にまた周波数変換器が接続されている。三相交流モータのロータは、さらに、三相交流モータによって駆動される作業機械の軸と接続されており、その場合にこの接続を電気的に導通するように、あるいは絶縁して形成することができる。

その場合に、三相交流モータのステータは、少なくとも３つのステータ巻線を有しており、それらのステータ巻線のそれぞれ一方の端部がスターポイントに一緒に接続されている。ステータ巻線のそれぞれ他方の端部は、対応するモータ接続端子を介して周波数変換器の対応する出力端子と接続されている。周波数変換器と三相交流モータの間の接続は、たとえば３芯のモータ接続ケーブルを介して行われる。

それぞれ周波数変換器の切替えプログラムに従って、周波数変換器の３つの出力端子に、所定の時間にアース電位に対して少なくとも１つの正または絶対値において同じ大きさの負の電圧が印加される。従って、切替えプログラムに従って周波数変換器の出力端子に、急峻なパルス側面を有するパルス形状の電圧推移が生じる。その場合に周波数変換器の出力端子における上述した電圧の合計の３分の１が、コモンモード電圧と称される。

３つのステータ巻線の各々は、ロータに対して不可避の寄生的なステータ−ロータ−漂遊容量を有している。このステータ−ロータ−漂遊容量を介してモータ接続端子からロータへ、従って軸受のインナーリングにも、電圧の飛躍的な変化が達し、その軸受のアウターリングはすでに説明したように、アースされたモータハウジングと電気的に導通するように接続されている。その場合に、通常、ステータ−ロータ−漂遊容量の大きさは、ロータとモータハウジングの間のロータ−ハウジング−漂遊容量よりも１０から２０パーセントだけ小さく、それによって軸受へ向かっては電圧飛躍の著しい弱化が生じるが、それにもかかわらず軸受にわたって電圧は、軸受内の潤滑フィルムが電気的に破壊されて、軸受損傷が生じる値をとる可能性がある。その場合にステータ−ロータ−漂遊容量の各々は、ロータ−ハウジング−漂遊容量と共にそれぞれ容量的な分圧器を形成するので、ロータ上の時間的な電圧推移は、コモンモード電圧の電圧推移に似る。

さらに、三相交流モータにおいては、個々のステータ巻線とモータハウジングとの間にステータ−ハウジング−漂遊容量が存在し、それによってそれぞれステータ巻線に従う寄生的な電流回路が生じる：周波数変換器の、アース点に関する電圧供給から始まって周波数変換器の出力端子の１つへ、モータ接続ケーブルを介してそれぞれのステータ巻線へ、ステータ−ハウジング−漂遊容量を介してモータハウジングへ、そしてさらに保護アース線を介してアース点へ戻る。これらの電流回路内の電流強さは、実質的に周波数変換器の出力端子における電圧の側面急峻性によって定められる。その場合に、電流パルスはニードル形状である。その場合に電流は、実質的に切替えプロセスの間流れて、場合によっては、保護アース線の不可避のインダクタンスにおいて、たとえば１００ボルトまでの、著しい電圧降下をもたらす。ロータとモータハウジングの間のロータ−ハウジング−漂遊容量を介して、電圧パルスはロータにも達して、作業機械が別の保護アース線を介してアース点と接続されている場合に、作業機械に対して電位差をもたらす。この場合において、三相交流モータの軸受にとっても、作業機械の軸受にとっても、破壊の危険が生じる。この場合における他の危険は、モータハウジングと作業機械のハウジングに同時に接触した人にもある。

上述した軸受損傷を回避するために、たとえば、例として転がり軸受として形成されている軸受のアウターリングの外側表面あるいは軸受のインナーリングの内側表面に、セラミックの絶縁層を設けることが、知られている。この種の絶縁された軸受は、たとえばモータの磁気的非対称性に基づいてモータ軸内に誘導されるような、低周波の寄生電流に基づく軸受損傷に対する良好な保護を提供するが、この種の軸受の容量が高いことにより、その絶縁作用は上述した高周波の寄生電流に比較して十分ではないことが多い。上述した軸受損傷を回避する他の可能性は、セラミックからなる転動体を使用することにあり、それは少なからぬ製造の手間と結びついており、従ってこの種の転がり軸受のコストに関して否定的に作用する。

本発明の課題は、三相交流機械と周波数変換器とを有する改良された組立体を提供し、それによって特に三相交流機械ないし結合されている作業機械の軸受を、電流通過に基づく損傷と破壊から簡単な方法で保護することである。

この課題は、請求項１の対象によって解決される。好ましい形態が、従属請求項に記載されている。

請求項１によれば、三相交流機械と周波数変換器とからなる組立体は、次の特徴を有している：
三相交流機械がステータとロータを有しており、その場合にステータの少なくとも３つの電流回路が３つの三相交流相のために互いに対して絶縁されて駆動可能であり、前記３つの電流回路の各々が三相交流機械巻線を有しており、かつ互いに対して絶縁されて、周波数変換器のそれぞれ別々の接続点と接続可能であって、かつ
前記周波数変換器が、中間点アースされた直流電圧中間回路または直流電圧中間回路と共に、２つの付属の接続点の間の電流回路当たり、各時点でアース電位に関して対称の電圧または電流が出力可能であり、極性が逆で絶対値が等しい２つの直流電圧電位の間でアース対称の電圧または電流を取り出すように形成されて、前記電流回路毎に転極器回路を有している。

また、前記ロータが、少なくとも１つの軸受を介してステータに対して回転可能に軸承されている組立体である。また、軸受が、転がり軸受である。また、前記転がり軸受が、軸受鋼（Walzlagerstahl）から形成されている。また、前記転がり軸受が、ころ軸受、特に円筒ころ軸受、円錐ころ軸受および／または自動調心ころ軸受および／または玉軸受を有している。また、前記軸受が、電流通過に対して絶縁された軸受として形成されている。また、前記アース対称の電圧または電流が、パルス幅変調されている。

また、前記三相交流機械が、電流回路当たり、三相交流機械のハウジングに対する漂遊容量が、電流回路の２つの接続点の間の電流回路の中点に関して実質的に対称に分配されるように形成されている。また、前記三相交流機械が、電流回路当たり、三相交流機械の軸に対する漂遊容量が、電流回路の２つの接続点の間の電流回路の中点に関して実質的に対称に分配されるように形成されている。また、前記三相交流機械が、少なくとも６芯の接続線を介して周波数変換器と接続可能である。また、前記接続線が、三相交流機械のハウジングを周波数変換器におけるアース点と接続するための、保護アース線としての、少なくとも１つの第７の芯線を有している。また、接続線が、遮蔽されないで形成されている。

その場合に、本発明は、三相交流機械の軸に逆極で結合された寄生電圧は互いに相殺されるので、たとえば、個々のステータ巻線にアース対称の電圧のみを印加することと結びついて三相交流機械のステータ巻線が互いに絶縁されて駆動される場合に、冒頭で挙げた軸受損傷と接触電圧に関する欠点が防止され、それは、ロータとステータとの間に電流通過に対して絶縁された軸受を使用する場合にも、この種の絶縁のない軸受においても成立する、という認識に基づいている。冒頭で挙げた組立体に比較して、本発明に基づく組立体のためには、三相交流機械が開放された三角組立体の駆動にアクセスすることができ、周波数変換器がアース対称の電圧を出力するために少なくとも６つの出力端子を有しており、かつ三相交流機械と周波数変換器が少なくとも６芯の機械接続ケーブルと接続されていることが、必要である。本発明に基づく組立体は、効果的に、以下にリストアップする組立体の部分が常にアース電位に留まる結果をもたらす：三相交流機械のロータおよびそれに接続された軸受インナーリングと場合によっては存在する、三相交流機械と接続された他の機械、たとえば作業機械の軸へのクラッチ；機械ハウジングおよび機械ハウジングと結合された軸受アウターリングおよび三相交流機械とアース点との間のアース線の全長。

それに伴って、本発明に基づく組立体の以下の利点がもたらされる：周波数変換器の出力端子に出力される電圧の側面は、三相交流機械の保護アース線を通る電流の流れをもたらさない。軸受を介して印加される、漂遊容量に基づく寄生電圧の発生が、防止される。同様に、アースおよび／または他の設備部分、たとえば三相交流機械によって駆動される機械に対する、三相交流機械のステータ上の寄生電圧が、防止される。特に三相交流機械と周波数変換器との間の往復導線のための、導線ガイドをコンパクトに形成することができることによって、効果的に小さい高周波放射が得られる。さらに、多重アースする場合でも、高周波放射のわずかな増大しかもたらされない。そして、機械接続ケーブルは、場合によっては遮蔽なしで形成することができる。その場合に設備は、人にとって接触安全である。さらに、本発明に基づく組立体全体のために、特に不具合の発生に関して、完全に試験されたアッセンブリを使用することができる。

本発明に基づく組立体の完璧な機能のための前提は、機械ハウジングに対する、ないしはロータに対する各々のステータ巻線の漂遊容量が、２つの接続点の間のステータ巻線の中間点に関して実質的に対称に分配されていることのみである。しかしこれは、通常、多くの三相交流機械に内在する、すでにある特性である。ロータないし機械ハウジングに対する各個々のステータ巻線のこの容量的対称性からの比較的小さい偏差または周波数変換器のアース対称の出力電圧における非対称性は、わずかな寄生残留電流の発生しかもたらさず、本発明に基づく組立体の有効性をわずかしか低下させない。

本発明の他の利点、特徴および詳細が、以下で図面を用いて説明される本発明の実施例から明らかにされる。

図１は、本発明の実施例として、周波数変換器１００と三相交流モータ２００とからなる組立体の回路図を示している。その場合に三相交流モータ２００は、ロータ２１０とステータを有しており、その場合にロータ２１０は、電気的な電流通過に対する絶縁なしで形成することができる、少なくとも２つの転がり軸受２３１と２３２を介して、ステータに対して回転可能に軸承されている。その場合に、転がり軸受２３１と２３２のアウターリングは、三相交流モータ２００のモータハウジング２２０と電気的に導通するように結合することができ、その場合にモータハウジング２２０が保護アース線１７５を介してアース点１２５と接続されており、周波数変換器１００もそのアース点と接続されている。三相交流モータ２００のロータ２１０は、さらに、三相交流モータ２００によって駆動される作業機械２９０の軸と結合されている。

その場合に、三相交流モータ２００は、少なくとも３つのステータ巻線を有しており、その場合に見やすくする理由から、ステータ巻線の２２５の１つだけが示されている。その場合にステータ巻線当たり、その両方の端部が周波数変換器１００の対応する出力端子１１１、１１２ないし１１４、１１５ないし１１７および１１８と接続されている。周波数変換器１００と三相交流モータ２００の間の接続は、少なくとも６芯の、場合によっては遮蔽されずに形成されたモータ接続ケーブル１７０を介して行われ、そのモータ接続ケーブルは図示の実施形態において、保護アース線１７５のための他の芯線を有している。その場合に、以下において周波数変換器１００の出力端子１１１と１１２に接続されたステータ巻線２２５について説明することは、図１には示されていない、接続端子１１４と１１５および１１７と１１８に接続された他のステータ巻線についても、同様に当てはまる。

その場合に三相交流モータ２００は、ステータ巻線２２５とロータ２１０の間においてステータ−ロータ−漂遊容量２４１と２４２がステータ巻線２２５の２つの接続点の間でその中心点に関して実質的に対称に分配されているように、形成されている。同様なことが、ステータ巻線２２５とモータハウジング２２０の間のステータ−ハウジング−漂遊容量２５１と２５２についても当てはまる。その場合に、漂遊容量２４１と２４２および２５１と２５２の上述した対称性は、多くの三相交流モータにおいて内在する特性として存在している。

その場合に、それぞれ周波数変換器１００の切替えプログラムに従って、ステータ巻線２２５の２つの接続点には、予め定められた大きさのアース対称の電圧か、あるいはゼロに等しい電圧が印加される。予め定められたアース対称の電圧を発生させるために、周波数変換器１００はステータ巻線２２５のために、たとえばいわゆる転極器回路を有しており、それについては図２を用いてさらに詳しく説明する。そのために、周波数変換器１００内の入力端子１２１に、予め定められた大きさの正の直流電圧が、そして入力端子１２２には絶対値において等しい大きさの負の直流電圧が準備される。その場合に、上述したアース対称の電圧のために、周波数変換器１００の直流電圧側の中間点としての入力端子１２３が、アース端子１２５と接続されている。

漂遊容量２４１と２４２および２５１と２５２の上述した対称性と、アース対称の電圧との協働は、以下のように表すことができる：ステータ−ロータ−漂遊容量２４１と２４２の対称性に基づいて、これらを２つの同じ大きさの容量２４１と２４２として表すことができ、その場合に一方はステータ巻線２２５の２つの接続点の一方に、そして他方はステータ巻線２２５の他方の接続点に対応づけられている。アース対称の電圧に基づいて、２つの容量２４１と２４２には絶対値において同じ大きさであるが、逆の方向を有する電圧が印加されるので、ロータに結合される電圧飛躍は、符号が異なることにより相殺される。従ってロータ２１０の電位は、永遠に駆動パルスの中間電位に相当し、それは前提に従ってアース電位と等しい。その場合に、ロータ２１０の大きい導通表面と、それによってもたらされる小さい電気的インピーダンスに基づいて、ロータ全体２１０ないしモータ軸は、空間的に一定の電位に接続される。同様に同じ大きさの２つの容量２５１と２５２として表すことができる、ステータ−ハウジング−漂遊容量２５１と２５２について、ステータ−ロータ−漂遊容量２４１と２４２について上述したことが当てはまるので、モータハウジング２２０も永久にアース電位にある。これは、転がり軸受２３１と２３２を介して何ら電圧が生じないことを意味している。従って、ロータに容量的に結合された電圧による電流通過に基づく軸受損傷と軸受破壊は、防止されている。

ステータ−ハウジング−漂遊容量２５１と２５２を通る合計電流はゼロに等しいために、モータハウジング２２０へもたらされる電流は、同様にゼロに等しいので、ロータ−ハウジング−漂遊容量２６０を介しても電流は流れない。従って効果的なことに、三相交流モータ２００の保護アース線１７５も電流を案内しないので、そのインダクタンス１７６を介しても電圧は降下しない。その場合に周波数変換器の出力端子１１１と１１２および１１４と１１５および１１７と１１８の間のアース対称の電圧を、図２に示す、既知のいわゆる転極器回路によって発生させることができる。その場合に、２つの入力端子１２１（正の電圧）と１２２（負の電圧）を介してアース電位に対して対称に転極器回路へ直流電圧供給が行われる。周波数変換器１００の２つの出力端子１１１と１１２の間に、ステータ巻線２２５が接続されている。出力端子１１１からステータ巻線２２５を介して出力端子１１２へ至る電流の流れのために、半導体スイッチ１４１と１４４が閉成され、他の半導体スイッチ１４２と１４３は開放されなければならない。逆の流れ方向のためには、半導体スイッチ１４２と１４３が閉成されて、その代わりに半導体スイッチ１４１と１４４は開放される。その場合に半導体スイッチ１４１、１４２、１４３および１４４は、たとえばトランジスタ、ＩＢＧＴまたはＧＴＯとして形成されている。転極器回路のダイオード１５２は、それ自体既知の方法で、半導体スイッチ１４１、１４２、１４３および１４４をその開放の瞬間の過電圧から保護するために用いられる。その場合に転極器回路の抵抗１５４は、すべての半導体スイッチ１４１、１４２、１４３および１４４が開放している切替え状態の間モータ接続ケーブル１７０内と漂遊容量２４１、２４２、２５１および２５２内の残留電荷の崩壊をもたらす。出力端子１１４と１１５の間および１１７と１１８の間に然るべき電圧を発生させるために、それに応じた転極器回路が上述したように周波数変換器１００内に設けられている。

周波数変換器と三相交流モータとからなる組立体の回路図である。 周波数変換器の転極器回路の回路図である。

符号の説明

１００ 周波数変換器
１１１、１１２、１１４、１１５、１１７、１１８ 出力端子
１２１、１２２、１２３ 入力端子
１２５ アース点
１４１、１４２、１４３、１４４ 半導体スイッチ
１５２ ダイオード
１５４ 抵抗
１７０ モータ接続ケーブル
１７５ 保護アース線
１７６ インダクタンス
２００ 三相交流モータ
２１０ ロータ
２２０ モータハウジング
２２５ ステータ巻線
２３１ ２３２ 転がり軸受
２４１ ２４２ ステータ−ロータ−漂遊容量
２５１ ２５２ ステータ−ハウジング−漂遊容量
２６０ ロータ−ハウジング−漂遊容量
２９０ 作業機械

Claims (12)

1. 三相交流機械がステータとロータを有しており、その場合にステータの少なくとも３つの電流回路が３つの三相交流相のために互いに対して絶縁されて駆動可能であって、前記３つの電流回路の各々が三相交流機械巻線を有しており、かつ互いに対して絶縁されてそれぞれ周波数変換器の別々の接続点に接続可能であって、かつ
   前記周波数変換器が、中間点アースされた直流電圧中間回路または直流電圧中間回路と共に、２つの付属の接続点の間の電流回路当たり、各時点でアース電位に関して対称の電圧または電流が出力可能であり、極性が逆で絶対値が等しい２つの直流電圧電位の間でアース対称の電圧または電流を取り出すように形成されて、前記電流回路毎に転極器回路を有している、という特徴を有する、三相交流機械と周波数変換器とからなる組立体。
2. 前記ロータが、少なくとも１つの軸受を介してステータに対して回転可能に軸承されている、請求項１に記載の組立体。
3. 前記軸受が、転がり軸受である、請求項２に記載の組立体。
4. 前記転がり軸受が、軸受鋼（Walzlagerstahl）から形成されている、請求項３に記載の組立体。
5. 前記転がり軸受が、ころ軸受、特に円筒ころ軸受、円錐ころ軸受および／または自動調心ころ軸受および／または玉軸受を有している、請求項３または４に記載の組立体。
6. 前記軸受が、電流通過に対して絶縁された軸受として形成されている、請求項２から５のいずれか１項に記載の組立体。
7. 前記アース対称の電圧または電流が、パルス幅変調されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の組立体。
8. 前記三相交流機械が、電流回路当たり、三相交流機械のハウジングに対する漂遊容量が、電流回路の２つの接続点の間の電流回路の中点に関して実質的に対称に分配されるように形成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の組立体。
9. 前記三相交流機械が、電流回路当たり、三相交流機械の軸に対する漂遊容量が、電流回路の２つの接続点の間の電流回路の中点に関して実質的に対称に分配されるように形成されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の組立体。
10. 前記三相交流機械が、少なくとも６芯の接続線を介して周波数変換器と接続可能である、請求項１から９のいずれか１項に記載の組立体。
11. 前記接続線が、三相交流機械のハウジングを周波数変換器におけるアース点と接続するための、保護アース線としての、少なくとも１つの第７の芯線を有している、請求項１０に記載の組立体。
12. 前記接続線が、遮蔽されないで形成されている、請求項１０または１１に記載の組立体。