JP5260917B2 - 三相交流電動機システム、並びに三相交流電動機の駆動装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、三相交流電動機システム、並びに三相交流電動機の駆動装置およびその三相交流電動機の制御方法に関する。
従来、大容量の電動機を駆動するための、標準化された容量の三相インバータの出力を加え合わせる手法は、複数の三相インバータ電源を並列結合リアクトルで加え合わせて３本リードの電動機に給電する方式、電動機の極対毎に複数の三相インバータ電源から給電する方式、および複数の三相インバータ電源を組み合わせて多相電源を構成して多相電動機に給電する方式などが一般的である。
しかし、ＰＷＭインバータ等で駆動される三相交流電動機では、５次、７次、１１次、および１３次等の低次の高調波磁束以外にも、インバータキャリア周波数に起因するキャリア高調波磁束に起因する高調波損失により、効率低下等の問題を発生する場合がある。また、上記の高調波磁束は、電磁加振力の原因となり、電磁騒音、トルク脈動等の悪影響がある。
上記問題を解決する例として、特許文献１に開示されているように、極数が４以上の交流電動機の巻線を少なくとも１つの極対を含むＮ個の巻線群に分割し、この巻線群の各々へ個々の三相単位電圧形ＰＷＭインバータから個別に電力供給するとともに、各単位インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相を互いに、３６０度をＮ分割した値の位相差により制御する方法がある。
特公平７−６７３１０号公報
しかし、上記の背景技術には、以下のような問題がある。
上記例により２組以上の三相巻線を位相差巻きすることで、トルク脈動を低減して滑らかな回転が得られるとされているが、キャリア周波数の１倍付近の高調波および２倍付近の高調波をキャンセルすることは困難である。さらに、多重インバータでは、キャリア周波数に起因する高調波磁束はリアクトルの効果で低減することは可能であるが、低次、例えば５次、７次等の高調波磁束を抑制することはできない。
本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、インバータキャリア波形に起因する低次高調波、キャリア高調波、および交流電動機の三相固定子巻線に起因する空間高調波の発生を抑制し、高効率でトルク脈動の抑制を可能にする。
上記目的を達成するため本発明に係る三相交流電動機システムは、内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１５度位相差となる４組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される４組のインバータと、を有する三相交流電動機システムにおいて、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、となるように構成される制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機システムは、内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１２度位相差となる５組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される５組のインバータと、を有する三相交流電動機システムにおいて、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、となるように構成される制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機システムは、内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が２０度位相差となる３組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、前記３組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される３組のインバータと、を有する三相交流電動機システムにおいて、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が６０度または１２０度の位相差となるように構成される制御手段と、前記変調信号の位相が、１組目の巻線群から２０度位相差の２組目で１８０度位相差、１組目と４０度位相差の３組目で同位相となるように構成される制御手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機の駆動装置は、内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１５度位相差となる４組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機を、前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される４組のインバータにより駆動する三相交流電動機の駆動装置において、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、となるように構成される制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機の駆動装置は、内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１２度位相差となる５組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機を、前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される５組のインバータにより駆動する三相交流電動機の駆動装置において、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、となるように構成される制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機制御方法は、４組の三相固定子巻線を配置した固定子を有する三相交流電動機に、前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように４組のインバータを接続し、これらのインバータによって前記三相交流電動機を制御する方法において、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相を、１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、となるように制御することを特徴とする。
また、本発明に係る三相交流電動機制御方法は、５組の三相固定子巻線を配置した固定子を有する三相交流電動機に、前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように５組のインバータを接続し、これらのインバータによって前記三相交流電動機を制御する方法において、前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相を、１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、となるように制御することを特徴とする。
本発明によれば、インバータ電圧波形に起因する低次高調波、キャリア高調波、および回転機の固定子巻線に起因する空間高調波の発生を抑制し、高効率でトルク脈動の抑制を可能にする。
以下、数式および図面を用いて本発明に係る三相交流電動機システムの実施形態を説明する。
ＰＷＭインバータ駆動される三相交流電動機において、１組の三相固定子巻線に電流が流れることにより、三相交流電動機内に発生する高調波磁束Ｂは、式（１）で表される。
ここで、Ａ（ｋ、ｎ、ｍ）：各高調波磁束の振幅、θ：空間位置、ω：基本角周波数、ｔ：時間、ωｃ：キャリア角周波数、ｋ：空間高調波次数、ｎ：基本波に対する時間高調波次数、ｍ：キャリアに対する時間高調波次数、α：空間位相、β：時間位相、γ：インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相、である。
［第１の実施形態］
本発明に係る第１の実施形態として、４組の三相固定子巻線により発生する高調波磁束の低減方法について説明する。本実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が１５度位相差の４組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子などを備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この４組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、４組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
本発明に係る第１の実施形態として、４組の三相固定子巻線により発生する高調波磁束の低減方法について説明する。本実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が１５度位相差の４組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子などを備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この４組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、４組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
キャリア周波数を無視した場合は、低次高調波磁束、例えば空間５次高調波（ｋ＝５、ｎ＝−１、ｍ＝０）、空間７次高調波（ｋ＝７、ｎ＝１、ｍ＝０）、時間５次高調波（ｋ＝１、ｎ＝−５、ｍ＝０）、および時間７次高調波ｋ＝１、ｎ＝７、ｍ＝０）はそれぞれ、式（２−１）〜式（２−４）、式（３−１）〜式（３−４）、式（４−１）〜式（４−４）、および式（５−１）〜式（５−４）となる。
この例では、三相固定子巻線であるため、問題となる高調波磁束は、空間高調波の次数
と時間高調波の次数との関係は、空間次数が（６ｉ±１）次で時間次数が±１次、または、空間次数が１次で時間次数は（±６ｊ＋１）次となる。ただし、複合同順でｉおよびｊは自然数である。
と時間高調波の次数との関係は、空間次数が（６ｉ±１）次で時間次数が±１次、または、空間次数が１次で時間次数は（±６ｊ＋１）次となる。ただし、複合同順でｉおよびｊは自然数である。
本実施形態における巻線の組数が４組であることから、αは、０、１５、３０、および４５度の４組となる。また、時間位相βはαに等しい。
空間５次高調波は、ｋ＝５、ｎ＝−１、ｍ＝０、となり、以下のように表される。
B1(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−0] … （２−１）
B2(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−90] … （２−２）
B3(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−180] … （２−３）
B4(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−270] … （２−４）
B1(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−0] … （２−１）
B2(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−90] … （２−２）
B3(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−180] … （２−３）
B4(5,−1,0)=A(5,−1,0)cos[5θ+ωt−270] … （２−４）
同様に、空間７次高調波は、ｋ＝７、ｎ＝１、ｍ＝０、となり、以下のように表される。
B1(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−0] … （３−１）
B2(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−90] … （３−２）
B3(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−180] … （３−３）
B4(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−270] … （３−４）
B1(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−0] … （３−１）
B2(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−90] … （３−２）
B3(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−180] … （３−３）
B4(7,1,0)=A(7,1,0)cos[7θ−ωt−270] … （３−４）
同様に、時間５次高調波は、ｋ＝１、ｎ＝−５、ｍ＝０、となり、以下のように表される。
B1(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−0] … （４−１）
B2(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−90] … （４−２）
B3(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−180] … （４−３）
B4(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−270] … （４−４）
B1(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−0] … （４−１）
B2(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−90] … （４−２）
B3(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−180] … （４−３）
B4(1,−5,0)=A(1,−5,0)cos[θ+5ωt−270] … （４−４）
同様に、時間７次高調波は、ｋ＝１、ｎ＝７、ｍ＝０、となり、以下のように表される。
B1(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−0] … （５−１）
B2(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−90] … （５−２）
B3(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−180] … （５−３）
B4(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−270] … （５−４）
B1(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−0] … （５−１）
B2(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−90] … （５−２）
B3(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−180] … （５−３）
B4(1,7,0)=A(1,7,0)cos[θ−7ωt−270] … （５−４）
上記の式（２−１）〜式（２−４）において、Ｂ１〜Ｂ４を合計すると０となる。他の、式（３−１）〜式（３−４）、式（４−１）〜式（４−４）、式（５−１）〜式（５−４）においても同様で、Ｂ１〜Ｂ４を合計すると０となり、高調波磁束がキャンセルされる。同様に、空間１１次、空間１３次、空間１７次、空間１９次、時間１１次、時間１３次、時間１７次、時間１９次の高調波に関しても、４組の発生する磁束を合計するとキャンセルされる。
すなわち、４組三相巻線で、１５度の位相差による制御により、低次高調波磁束がキャンセルされる。
ＰＷＭキャリアによる高調波の角周波数は、nω±mωc、と表され、mが奇数のとき、
ｎ＝±（６ｉ＋３±１） 複号同順
となり、mが偶数のときは、
ｎ＝±（６ｊ±１） 複号同順
と表される。ここで、ｉおよびｊは自然数である。
ｎ＝±（６ｉ＋３±１） 複号同順
となり、mが偶数のときは、
ｎ＝±（６ｊ±１） 複号同順
と表される。ここで、ｉおよびｊは自然数である。
ここで、特にキャリア高調波磁束として顕著となる場合が多い、ｍ＝±１およびｎ＝−２の状態をキャリア周波数の１倍付近の高調波磁束と定義し、ｍ＝±２およびｎ＝１の状態をキャリア周波数の２倍付近の高調波磁束と定義する。
上記例を式で示すと、式（６−１）〜式（６−４）、式（７−１）〜式（７−４）、式（８−１）〜式（８−４）、および式（９−１）〜式（９−４）、と表される。キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は、
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （６−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(45−γ2)] … （６−２）
B3(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(90−γ3)] … （６−３）
B4(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(135−γ4)] … （６−４）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （７−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(45+γ2)] … （７−２）
B3(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(90+γ3)] … （７−３）
B4(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(135+γ4)] … （７−４）
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （６−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(45−γ2)] … （６−２）
B3(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(90−γ3)] … （６−３）
B4(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(135−γ4)] … （６−４）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （７−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(45+γ2)] … （７−２）
B3(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(90+γ3)] … （７−３）
B4(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(135+γ4)] … （７−４）
また、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束は、
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （８−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ2] … （８−２）
B3(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ3] … （８−３）
B4(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ4] … （８−４）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （９−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ2] … （９−２）
B3(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ3] … （９−３）
B4(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ4] … （９−４）
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （８−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ2] … （８−２）
B3(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ3] … （８−３）
B4(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ4] … （８−４）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （９−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ2] … （９−２）
B3(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ3] … （９−３）
B4(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ4] … （９−４）
上記の式（６−１）〜式（６−４）におけるＢ１〜Ｂ４の和、式（７−１）〜式（７−４）におけるＢ１〜Ｂ４の和、式（８−１）〜式（８−４）におけるＢ１〜Ｂ４の和、および式（９−１）〜式（９−４）におけるＢ１〜Ｂ４の和、をすべて０とするγは、γ２＝１３５、γ３＝２７０、γ４＝４５、または、γ２＝２２５、γ３＝９０、γ４＝３１５、のいずれかを満たす場合である。
この４組間に電気角１５度毎の位相差がある三相交流電動機において、インバータ電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相が、１組目と１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差となるように制御する方法、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差となるように制御することにより、１９次までの低次高調波磁束を低減することが可能となる。
さらに、キャリア周波数の１倍付近および２倍付近の高調波磁束が低減されることにより、この付近の周波数における電磁加振力が低減され、電磁騒音が低減される。よって、高効率でトルク脈動の抑制が可能となる。
［第２の実施形態］
本発明に係る第２の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が１２度位相差の５組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この５組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、５組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
本発明に係る第２の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が１２度位相差の５組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この５組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、５組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
この５組間に電気角１２度毎の位相差がある三相交流電動機において、インバータ電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相が、１組目と１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差となるように制御する方法、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３６度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差となるように制御することにより、１９次までの低次高調波磁束を低減することが可能となる。
さらに、キャリア周波数の１倍付近および２倍付近の高調波磁束が低減されることにより、この付近の周波数における電磁加振力が低減され、電磁騒音が低減される。よって、高効率でトルク脈動の抑制が可能となる。
［第３の実施形態］
本発明に係る第３の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が２０度位相差の３組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この３組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、３組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
本発明に係る第３の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、電気角が２０度位相差の３組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この３組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、３組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
第１の実施形態と同様の計算を３組の三相固定子巻線において行うと、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は、次式で表される。
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （１０−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(60−γ2)] … （１０−２）
B3(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(120−γ3)] … （１０−３）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１１−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(60+γ2)] … （１１−２）
B3(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(120+γ3)] … （１１−３）
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （１０−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(60−γ2)] … （１０−２）
B3(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(120−γ3)] … （１０−３）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１１−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(60+γ2)] … （１１−２）
B3(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(120+γ3)] … （１１−３）
また、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束は、次式で表される。
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （１２−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ2] … （１２−２）
B3(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ3] … （１２−３）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （１３−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ2] … （１３−２）
B3(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ3] … （１３−３）
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （１２−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ2] … （１２−２）
B3(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ3] … （１２−３）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （１３−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ2] … （１３−２）
B3(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ3] … （１３−３）
上記の式（１０−１）〜式（１０−３）におけるＢ１〜Ｂ３の和、式（１１−１）〜式（１１−３）におけるＢ１〜Ｂ３の和、式（１２−１）〜式（１２−３）におけるＢ１〜Ｂ３の和、および式（１３−１）〜式（１３−３）におけるＢ１〜Ｂ３の和、をすべて０とするγは、γ２＝１８０、γ３＝０の場合のみである。この場合は、１３次以下の低次高調波磁束は低減されるが、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束は低減されない。
したがって、本実施形態における制御方法は、キャリア周波数の１倍付近で、機械共振ある三相交流電動機においては、上記のγ２＝１８０、γ３＝０となるように制御して、高調波磁束を低減する。
これに対して、キャリア周波数の２倍付近で、機械共振がある三相交流電動機においては、インバータ電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相を６０度として制御するように、（γ２＝６０、γ３＝１２０）、（γ２＝３００、γ３＝２４０）、（γ２＝１２０、γ３＝２４０）、および（γ２＝２４０、γ３＝１２０）のいずれかの組み合わせを行うことが望ましい。
この３組間に電気角２０度毎の位相差がある三相交流電動機において、インバータ電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相が、１組目と２０度位相差の２組目で１８０度位相差、１組目と４０度位相差の３組目で０度位相差（同位相）となるように制御することにより、例えば１３次などの低次高調波磁束を低減することが可能となる。さらに、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束が低減され、この付近の周波数における電磁加振力が低減され、電磁騒音が低減される。
また、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束を低減するためには、インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相を６０度とすることにより、２倍付近の高調波磁束を低減できる。
すなわち、本実施形態では、使用する三相交流電動機の機械共振に応じて、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束を低減する場合と、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束を低減する場合とのどちらかを行うことにより、電磁音を低減することが可能となる。よって、高効率でトルク脈動の抑制が可能となる。
［第４の実施形態］
本発明に係る第４の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、２組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この２組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、２組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
本発明に係る第４の実施形態の三相交流電動機システムは、内周側に等間隔にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されて、２組の三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子を備えた三相交流電動機と、この三相交流電動機の出力および回転数などを制御するために三相固定子巻線が接続されるインバータなどの制御装置等により構成されている。この２組の三相固定子巻線を制御するインバータは、各組の巻線にそれぞれ対応するように、２組配置される。なお、直列配置されたインバータを１組としてもよい。
図１は、本実施形態におけるインバータの接続例である。
第１インバータ３１および第２インバータ３２を２極の巻線群を有する三相交流電動機４に接続し、直流電源１から電力を、平滑コンデンサ２を介して、第１インバータ３１および第２インバータ３２に供給する。第１インバータ３１および第２インバータ３２は、それぞれが独立して制御されるように構成されており、２極の巻線群を有する三相交流電動機４に電力を供給する。
第１の実施形態等と同様の計算を２組の三相固定子巻線において行うと、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は、次式で表される。
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （１４−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(90−γ)] … （１４−２）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１５−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(90+γ)] … （１５−２）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(90−γ)] … （１４−２）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１５−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(90+γ)] … （１５−２）
また、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束は、次式で表される。
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （１６−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ] … （１６−２）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （１７−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ] … （１７−２）
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （１６−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+2γ] … （１６−２）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （１７−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−2γ] … （１７−２）
本実施形態の場合、上記の式（１４−１）および式（１４−２）におけるＢ１＋Ｂ２、並びに式（１５−１）および式（１５−２）におけるＢ１＋Ｂ２、をともに０とするγは存在しない。よって、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束を低減することはできない。一方、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束は、γが９０または２７０の場合において、式（１６−１）および式（１６−２）におけるＢ１＋Ｂ２、並びに式（１７−１）および式（１７−２）におけるＢ１＋Ｂ２、をともに０とすることができるため、低減可能である。また、本実施形態では、７次以下の低次高調波磁束を低減することが可能である。
また、式（１４−１）から式（１７−２）において、空間位相αを時間位相βに置き換えることにより、次式を得る。
キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は、
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （１８−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(α+2β−γ)] … （１８−２）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１９−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(α+2β+γ)] … （１９−２）
キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は、
B1(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−0] … （１８−１）
B2(1,−2,1)=A(1,−2,1)cos[θ+2ωt−ωct−(α+2β−γ)] … （１８−２）
および、
B1(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−0] … （１９−１）
B2(1,−2,−1)=A(1,−2,−1)cos[θ+2ωt+ωct−(α+2β+γ)] … （１９−２）
また、キャリア周囲端数の２倍付近の高調波磁束は、次式で表される。
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （２０−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+β−α+2γ)] … （２０−２）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （２１−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct+β−α−2γ)] … （２１−２）
B1(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct−0] … （２０−１）
B2(1,1,2)=A(1,1,2)cos[θ−ωt−2ωct+β−α+2γ)] … （２０−２）
および、
B1(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct−0] … （２１−１）
B2(1,1,−2)=A(1,1,−2)cos[θ−ωt+2ωct+β−α−2γ)] … （２１−２）
αとβが等しい場合において、上記の式（２０−１）および式（２０−２）におけるＢ１＋Ｂ２、並びに式（２１−１）および式（２１−２）におけるＢ１＋Ｂ２は、γ＝９０またはγ＝２７０のときに、キャリア周波数の２倍付近の高調波磁束が低減できる。ただし、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束は式（１８−１）および式（１８−２）におけるＢ１＋Ｂ２、並びに式（１９−１）および式（１９−２）におけるＢ１＋Ｂ２のどちらか一方が合成されて強めあい、他方がキャンセルされ低減することになる。
このキャリア周波数の１倍付近の高調波磁束を強めあわないようにするためには、Ｎを巻線組数としたときに、組間の空間位相が、６０度をＮ分割する値を採用しなければよい。本実施形態では、６０度を２分割する値で、すなわち３０度以外の値を用いればよい。
よって、本実施形態では、空間位相αは、不等ピッチとなる。ただし、この場合においても、空間位相αと時間位相βは等しいものとする。
２組の三相巻線による個別に制御することで、組間の基本波に位相差をつけることができるため、５次、７次などの低次の高調波磁束が低減できる。さらに、インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相差を９０度または２７０度とすることにより、インバータキャリア高調波の２倍付近の高調波磁束がキャンセルされ、高調波による損失を低減することができる。したがって、このキャリア高調波の２倍付近の周波数における電磁加振力が低減され、電磁騒音が低減される。
しかし、本実施形態が２組の三相巻線であるため、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束をキャンセルすることはできない。このため、低次高調波である１１次、１３次高調波を低減することができる不等ピッチを採用することで、キャリア周波数の１倍付近の高調波磁束を低減でき、電磁騒音を低減させることも可能である。よって、高効率でトルク脈動の抑制が可能となる。
［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、第２の実施形態の変形例として、３の倍数でない７組より多くの組数で運転する場合についても、同様にキャリア周波数の１倍付近および２倍付近の高調波磁束を同時に低減することが可能な、インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相が存在する。
さらに、第３の実施形態の変形例として、６組以上の３の倍数組の三相巻線を用いる場合についても、同様にキャリア周波数の１倍付近か２倍付近の高調波磁束を低減することが可能な、インバータの電圧裁断位相を決定するための変調信号の位相が存在する。
１…直流電源、２…平滑コンデンサ、４…三相交流電動機、３１…第１インバータ、３２…第２インバータ
Claims (7)
- 内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１５度位相差となる４組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、
前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される４組のインバータと、
を有する三相交流電動機システムにおいて、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、
１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、
となるように構成される制御手段を有することを特徴とする三相交流電動機システム。 - 内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１２度位相差となる５組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、
前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される５組のインバータと、
を有する三相交流電動機システムにおいて、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、
１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、
となるように構成される制御手段を有することを特徴とする三相交流電動機システム。 - 内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が２０度位相差となる３組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機と、
前記３組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される３組のインバータと、
を有する三相交流電動機システムにおいて、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が６０度または１２０度の位相差となるように構成される第１の制御手段と、
前記変調信号の位相が、１組目の巻線群から２０度位相差の２組目で１８０度位相差、１組目と４０度位相差の３組目で同位相となるように構成される第２の制御手段と、
を有することを特徴とする三相交流電動機システム。 - 内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１５度位相差となる４組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機を、前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される４組のインバータにより駆動する三相交流電動機の駆動装置において、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、
１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、
となるように構成される制御手段を有することを特徴とする三相交流電動機の駆動装置。 - 内周側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された電気角が１２度位相差となる５組の三相固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子と、を具備する三相交流電動機を、前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように配置される５組のインバータにより駆動する三相交流電動機の駆動装置において、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相が、
１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、
となるように構成される制御手段を有することを特徴とする三相交流電動機の駆動装置。 - ４組の三相固定子巻線を配置した固定子を有する三相交流電動機に、前記４組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように４組のインバータを接続し、これらのインバータによって前記三相交流電動機を制御する方法において、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相を、
１組目の巻線群から１５度位相差の２組目で１３５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で２７０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で４５度位相差、または、１組目と１５度位相差の２組目で２２５度位相差、１組目と３０度位相差の３組目で９０度位相差、および１組目と４５度位相差の４組目で３１５度位相差、
となるように制御することを特徴とする三相交流電動機制御方法。 - ５組の三相固定子巻線を配置した固定子を有する三相交流電動機に、前記５組の三相固定子巻線のそれぞれと一対となるように５組のインバータを接続し、これらのインバータによって前記三相交流電動機を制御する方法において、
前記インバータの電圧裁断位相を決めるための変調信号の位相を、
１組目の巻線群から１２度位相差の２組目で１０８度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で２１６度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で３２４度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で７２度位相差、または、１組目と１２度位相差の２組目で２５２度位相差、１組目と２４度位相差の３組目で１４４度位相差、１組目と３６度位相差の４組目で４８度位相差、および１組目と４８度位相差の５組目で２８８度位相差、
となるように制御することを特徴とする三相交流電動機制御方法。
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