JP5300775B2 - 長尺ケーブルを介して駆動する道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置 - Google Patents
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Description
短いトンネルであればジェットファンをトンネル入口か出口の1カ所に配設する構成例もあるが、長距離トンネルであれば、複数台のジェットファンを複数個所に配設することとなる。
図26において、対面通行道路トンネル内200には図右から図左にかけて縦流の空気流Aが発生し、右から左方向にトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置によりジェットファンの運転を制御する。
図26の例ではトンネル200内の入口近く、中央部近く、出口近くの各場所に風向風速計(AV)がそれぞれ設置されており、排気抗の入口近くには、汚染濃度計である煙霧透過率計(VI計)、一酸化炭素濃度計(CO計)が設置されている(図示せず)。ここで、煙霧透過率計(VI計)は物質中を透過する光の割合から汚染濃度を計測する装置であり、また、一酸化炭素濃度計(CO計)は一酸化炭素の濃度を測定する装置である。交通量計測装置は対面通行道路トンネル200内を通過する車の交通量を計測する装置である。このように対面通行道路トンネル200内部には、例えば、煤煙、一酸化炭素、交通量、風向風速等の環境成分値を測定する環境成分測定器が設置されている。
このように、従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファンの運転台数をオンオフで切り替えることにより、台数運転制御を行っている。
第1の問題は、従来のジェットファンを用いた台数制御の換気方式では電力量が大きくなってしまうという問題である。
従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファンの台数運転制御が採用されてきた。しかし、ジェットファンの台数運転制御ではジェットファンのインバータ駆動運転に比べると消費電力が大きい。図27は、ジェットファンの台数運転時とインバータ駆動運転時におけるジェットファンの回転数、推力、動力の関係を示す図である。横軸に自動車用トンネル内の状態に応じて要求されるジェットファンの必要推力をとり、縦軸に、ジェットファンの回転数、ジェットファンの推力、ジェットファンの動力をとっている。
一方、ジェットファンのインバータ制御運転の場合、ジェットファンの推力M1は、全部のジェットファンを同一回転数で駆動した状態で、個々のジェットファンの推力を合計(図27の場合は5台分がM1である)として得られるが、回転数を制御することによって、必要推力に応じてその通りに推力を出せるので、図27の“M1”に示すような比例関係となる。ジェットファンの回転数R1はジェットファンの推力の平方根となるので、図27の“R1”に示すような曲線となる。また、ジェットファンの動力P1はジェットファンの回転数R1とジェットファンの推力M1の積となるので、図27の“P1”に示すような曲線となる。なお、図27の場合、P1も5台分の合計値である。
つまり、ジェットファンを台数制御にて駆動すると、トンネル内に必要となるジェットファンの吹き出し風速を得るためには、図27に示すようにジェットファンの稼働台数を離散的に増減させる必要があり、ジェットファン全体の消費電力量が最適なものとならないという問題があった。このP0とP1の差分を見ると明らかなように、消費電力量の面からはジェットファンをインバータ制御により運転する方が優れている。
もう一つの重要事項は火災発生時にトンネル内の風速を速やかにゼロに制御し、徒歩で避難する人が煙に追いかけられないようにすることである。
風速ゼロ化を実現するには、現在のトンネル内の気流の方向と推力を的確に把握して、これに対して逆の推力を発生させるようジェットファンを制御する必要がある。
台数運転の場合は、所要逆推力を得るためのジェットファンの運転台数と回転方向を定めてジェットファンを起動させることが必要である。この場合、運転中のジェットファンを、現在とは逆の方向に起動させることが必要となることもある。
台数制御の場合は、多数の台数であれば起動したり、逆転に切り替えるファン台数をかなり細やかに制御できるが、台数が少ない場合は厳密な風速ゼロ制御は不可能である。また、台数が多くても多数の電動機を一斉に起動すると商用電源が過電流となり、遮断されるので、小分けして起動しなくてはならないという制約があり、風速ゼロ制御に時間がかかってしまう。
それに比しインバータ駆動の場合は、速やかに逆転することも、一斉起動することも可能であり、かつ空気力学的に計算された最適の回転数に制御することで、風速をゼロに制御できる。しかも、台数制御で最も困難な場合であるところの、多数の電動機を一斉に制動し逆転する過程において、電源電流は常に定格値以下に抑えることが容易であり、速やかな風速ゼロ制御を実現し避難者が煙に追いかけられることを防ぐことができる。
そこで、長距離トンネルにおいてジェットファンをインバータ制御で駆動することが考えられるが、長距離トンネルのジェットファンのインバータ制御による駆動を想定する場合、以下の問題があり、インバータ制御による駆動はまだ実用化されてはいない。
長尺ケーブルの対地浮遊容量に流れる同相電流の原因は、交流/直流変換器(整流器またはPWMコンバータ)およびインバータの出力電圧に存在する同相電圧である。三相ブリッジ整流器は6f=360Hz(60Hz系の場合)の同相電圧を発生する。直流電源にPWMコンバータを用いる場合はそのスイッチング周波数の同相電圧がある。電動機駆動用VVVFインバータの出力には主としてスイッチング周波数の同相電圧がある。さらに変調方式によっては、3f成分、即ち駆動周波数の3倍の同相電圧がある場合もある。
高周波数帯域の感度を鈍感に設計したインバータ用漏電リレーが市販されているが、ケーブル長が長尺になると、これでも誤動作してしまうことが経験上知られている。即ち、漏電ブレーカーがインバータのPWM波形による同相電流で誤動作せず、絶縁不良の場合のみに動作するようなシステム全体の回路設計が必要である。
ここで、前記交流リアクトルの後に並列に第1のコンデンサ回路をスター接続した回路は、低域濾波型の正弦波化フィルタを構成していると見ることができる。つまり、この第1のコンデンサ回路の端子電圧は、正弦波化フィルタの出力電圧となっている。本特許においてこの正弦波化フィルタを単にLCフィルタと呼ぶこともある。
上記構成により電動機の相間電圧は正弦波状となり絶縁劣化の問題が解決し、さらにケーブル入り口端子の同相電圧を低く抑えることが出来、EMI障害が軽減されると共に漏電ブレーカーの誤作動がなくなる。正弦波化フィルタと同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるのでこれらが小型にでき、損失や騒音が低減できる。
第1の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点とした構成であり、略同容量の2つのコンデンサを直列接続した第2のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流/直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成して当該第2のコンデンサ回路の中性点を前記交流/直流変換器の中性点とした構成である。
第2の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成であり、複数のコンデンサをスター接続して形成した第3のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第3のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成である。
第3の構成は、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成であり、前記商用電源と前記交流/直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用CTを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用CTを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにした構成である。
その理由は以下の通りである。ケーブル長が短い通常のインバータ駆動では、インバータの出力電流に占める同相電流は極めて少ないが(定格電流の約1%以下)、長尺ケーブルを介してジェットファンをインバータ駆動する場合は、インバータの出力電流に占める同相電流が大きくなる(同相リアクトルやフィルタの条件により変動するが数%から50%前後になり得る)。ここで、出力フィルタのリアクトルとして三脚鉄芯を用いる場合、同相電流の起磁力により生じた磁束が周囲の空間に漏洩するおそれがあるため、周辺の鉄製構造物に渦電流を発生して過熱したり、電磁力による振動を生じたりする場合がある。一方、単層リアクトルや五脚鉄芯では同相電流の起磁力により生じた磁束が閉ループを形成するために周囲の空間に漏洩しないので上記のような漏れ磁束の問題が発生しない。上記理由によりインバータ装置の出力側に設ける交流リアクトルとしては、三脚鉄心ではなく、三個の単相リアクトルとする構成や五脚鉄心とする構成が好ましいと言える。
また、上記の構成におけるインバータ装置内のインバータ回路としては、3レベルインバータを適用する構成が好ましい。
3レベルインバータの方が正弦波化フィルタや同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるため、インバータ装置が小型となり、損失や騒音が低減できるからである。
なお、インバータ回路を3レベルインバータとした場合は、正弦波化フィルタと同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるのでこれらが小型にでき、損失や騒音が低減できる。
なお、以下の各実施例の構成において、道路トンネルの入口側に設けられている構成として説明したものが出口側に設けられていても構わない。また、入口側と出口側の双方に設備等が設けられている例では、入口側の構成と出口側の構成が相互に入れ替わって逆になっても構わない。
以下の実施例の説明では、トンネルは、例えば3000m以上の長距離道路トンネルとして説明する。トンネル内は対面交通となっている例とした。つまり、トンネル内には外界から吹き込む自然風による自然換気力と、通行車両のピストン効果により生じる各車両の通行方向に生じる風圧が合成されて生じる交通風による交通換気力が生じている。ここに、本発明のトンネル換気制御システムによる機械換気力、つまり、ジェットファンの駆動による機械換気力を加えるものである。
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の構成例として、以下、5つの実施例を示す。
図1は、実施例1にかかるジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置100を示す図である。図1には可変速駆動装置100に加え、商用電源200、長尺ケーブル300、ジェットファン400が併せて示されている。
割高であることからCVTが使用されることは少ないが、CV−3Cと比べて、軽量で曲げやすいことから、工事の容易さで選択されることがある。モータ用接地電線として、前項のケーブルに14sq(14平方ミリ)程度のIV電線(インドアPVC)が並列に敷設されることが殆どである。少ないケースではあるが、3Cシールドケーブルが使用されることもある。これにもIV電線の接地線が併設される。
なお、図1の長尺ケーブル300は3芯シールドケーブルに接地線を併設しているものであるが、他の形式のケーブルでもよい。
可変速駆動装置100は、電源変圧器110、漏電検出リレー付きブレーカー(ZCT)120、交流/直流変換器131及びインバータ回路132を備えたインバータ装置130、同相リアクトル140、交流リアクトル151およびスター接続された第1のコンデンサ回路152を備えたLCフィルタ150の各装置を備えた構成となっている。
まず、交流/直流変換器131の回路例を幾つか示す。
図2は3相ブリッジダイオード整流器の例である。この3相ブリッジダイオード整流器の出力をインバータ回路132の直流電源とする。図2において、電源変圧器110は他の設備と共用の場合もある。なお、図2において、漏電検出リレー付きブレーカー120の図示は省略している。図2の構成例はコンデンサ入力形であるので、電源電流波形を改善するため3%から5%程度のリアクトルLを設けている。なお、図示を省略するが、π形などのEMIフィルタをLと直列に設ける場合もある。抵抗Ra、Rbは説明の便宜上描いた同相電圧観測用のものであるが、例えばRa=Rb=10kΩとして、変圧器の2次中性点N0とN1の間をシンクロスコープで観測すれば、整流回路の発生する6f=360Hzの同相電圧が観測できる。
上記に述べた図2、図3の回路では電動機の回生制動を行う場合、直流回路に抵抗+チョッパを設け、そのエネルギーを吸収する。
図5は最もよく使われる3相ブリッジインバータで、2レベルインバータとも言われる。
直流回路電圧をEdとした場合、相電圧はEd/2、−Ed/2の2レベルである。20kwから50kw程度のジェットファン駆動にはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が適しているので、以下全てのインバータはIGBTを用いた例で描いている。
つまり、本実施例1のインバータ装置130の装置構成は、図2、図3、図4のいずれかの交流/直流変換器131と、図5、図6、図7のいずれかのインバータ132を組み合わせることにより構成できる。
インバータ装置130の出力は同相リアクトル140を通した後、LCフィルタ150に供給される。
なお、第1のコンデンサ回路152の構成として、図1の構成例では、コンデンサCの他にダンピング抵抗Rを含んだ構成となっている。なお、図1に示した第1のコンデンサ回路152の構成では、コンデンサCの後にダンピング抵抗Rが接続されているが、RとCの順序を逆にする構成も可能であることは言うまでもない。
図11は2レベルインバータの0から60Hzに到る波形の例である。図12は図11の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調法は三角波比較変調である。実際のシミュレイションの条件ではインバータ装置130のスイッチング周波数は5kHzであるが、波形の傾向を見やすくするために図11および図12においてスイッチング周波数を2kHz相当として図示している。
図15は3レベルインバータの0から60Hzに到る波形の例である。図16は図15の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調は上下二本の三角波を用いた三角波比較変調である。これを見れば同相電圧は1サイクルに3回上、下に100vシフトする動きを示すが、その振幅は±150vと2レベルインバータの半分であることが判る。
つまり、ダンピング抵抗の損失は後述する図20に示すように50kW ジェットファン用で最大400Wで1%以下と問題のない損失に抑えられている。このような小さなLCフィルタではキャリア脈動がかなり残るが図17に示した線間電圧を調べると5kHz成分は実効値で50v程度しかなく、そのdv/dtは2v/μsec程度であり、PWM波形の1/1000程度になっているので電動機の絶縁劣化や軸電流のおそれは解決される。
図1に示した実施例1の可変速駆動装置100の構成において、第1のコンデンサ回路152のスターの中点をインバータ装置130の直流電源の中性点N1に接続することにより、同相電圧をより一層低減することができる。
もし、図1のように、第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点をインバータ装置130の直流電源である交流/直流変換器131の中性点N1に接続せず、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152を浮かせたままであれば線間電圧が改善されるだけで同相電圧は低減されず改善されない。
実施例2にかかる本発明の可変速駆動装置100aの構成例は、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点を、三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた第3のコンデンサ回路171のスター接続の中性点に帰還させるものである。
この実施例2にかかる可変速駆動装置100aの各構成要素の説明においては、実施例1にかかる可変速駆動装置100の各構成要素と同様のものについては説明を省略する。
また、第1のコンデンサ回路152の回路構成として、図1に示した構成例では、コンデンサCの後にダンピング抵抗Rが接続された例であったが、本実施例2の図22に示した構成例では、抵抗Rが先にありその後にコンデンサCが接続された例となっている。このようにCとRの順序が入れ替わっても第1のコンデンサ回路152の働きとしては同様である。
上記に説明した以外の構成要素の動作は、実施例1に示した動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
実施例3にかかる本発明の可変速駆動装置100bの構成例は、LCフィルタ150の第1のコンデンサ回路152のスター接続の中性点を、電源変圧器110bの二次側に設けた中性点N3に帰還させるものである。
この実施例3にかかる可変速駆動装置100bの各構成要素の説明においては、実施例1にかかる可変速駆動装置100の各構成要素と同様のものについては説明を省略する。
上記に説明した以外の構成要素の動作は、実施例1に示した動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
実施例4にかかる本発明の可変速駆動装置100cの構成例は、交流/直流変換器131としてPWMコンバータを用いた構成例である。
なお、図24に示すように、交流/直流変換器131としてPWMコンバータを使うと、直流電圧は電源電圧の波高値より高くなるので、交流電源が電圧降下しても直流電圧は600v程度の値であればキープできる。これによりケーブル300の電圧降下が大きくてもジェットファン400の電動機端子において60Hzにて400vの定格運転を保証できることも利点である。
実施例5にかかる本発明の可変速駆動装置100dの構成例は、実施例4で示した可変速駆動装置100cの構成において、1台のPWMコンバータ131dを2台のVVVFインバータ132d1およびVVVFインバータ132d2の電源とし、さらに、それぞれのVVVFインバータ132d1およびVVVFインバータ132d2がそれぞれ2台のジェットファンを駆動せしめる構成(つまり、VVVFインバータ132d1が2台のジェットファン400d11とジェットファン400d12を駆動せしめ、VVVFインバータ132d2が2台のジェットファン400d21とジェットファン400d22を駆動せしめる構成)となっている。
実施例4の図24に示した可変速駆動装置100cと異なる構成は、1台のPWMコンバータ131dを2台のVVVFインバータ132d1およびVVVFインバータ132d2の電源とした点と、それぞれのVVVFインバータ132d1およびVVVFインバータ132d2の後段にそれぞれLCフィルタ150d1およびLCフィルタ150d2を設けた点であり、その他は実施例4の図24と同じである。
ジェットファン400はトンネル内で左右2台並べて設置されることが多いので、長尺ケーブル300を共用することができ、その点でも経済的である。
110,110b 電源変圧器
120 漏電検出リレー付きブレーカー
130,130a,130c,130d インバータ装置
140 同相リアクトル
150 LCフィルタ
151 交流リアクトル
152 第1のコンデンサ回路
160 零相電圧測定用抵抗
170 第2のコンデンサ回路
171 第3のコンデンサ回路
200 商用電源
300 ケーブル
400 ジェットファン
Claims (7)
- 三相商用電源入力を交流から直流に変換する交流/直流変換器と、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路とを備えたインバータ装置により道路トンネルのジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動する可変速駆動装置において、
前記インバータ装置の三相出力端子に対して直列に同相リアクトルと交流リアクトルとを接続し、前記交流リアクトルの後に並列に第1のコンデンサ回路を接続し、前記第1のコンデンサ回路の端子電圧をケーブルを通して前記ジェットファン用誘導電動機に供給するとともに、前記第1のコンデンサ回路の回路構成を3組のコンデンサをスター接続したものとし、当該スター接続の中性点を、前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点か、前記三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点か、前記三相商用電源に設けた中性点のいずれかの中性点に接続したことを特徴とする道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流/直流変換器に設けた中性点とした構成とし、
略同容量の2つのコンデンサを直列接続した第2のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流/直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成し、当該第2のコンデンサ回路の中性点を前記交流/直流変換器に設けた中性点としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成とし、
3組のコンデンサをスター接続して形成した第3のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第3のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点としたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成とし、
前記商用電源と前記交流/直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用CTを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、
前記第1のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用CTを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにしたことを特徴とする請求項1に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。 - 前記インバータ装置の出力側に設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、3個の単相リアクトルであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のトンネルジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
- 前記インバータ装置の出力側の設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、五脚鉄心であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
- 前記インバータ装置のインバータ回路が3レベルインバータであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
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