JP5396920B2 - 三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置 - Google Patents
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Description
図5は、従来の三相交流電動機の巻線切替装置の一例を示す図である。従来の巻線切替装置について図5に基づいて説明する。
三相交流電動機111は、各相巻線が中間タップ(TU2,TV2,TW2)と各相巻線の巻き始め端子と巻き終り端子がモータ外部に設けてあり、各相巻線の巻き始め端子(TU1,TV1,TW1)がインバータ117に、巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)が巻線切替部121の全波整流部122に、中間タップが巻線切替部112の全波整流部113に、各々接続される。全波整流部113の出力は、半導体スイッチ114に接続されるとともに、抵抗器115とコンデンサ116から成るスナバ回路に接続される。ダイオード119,120はスナバ回路から半導体スイッチ114への逆流防止のために挿入される。半導体スイッチ114は、インバータ117の制御部からの信号を受けるドライブ回路118によってオン/オフされる。ここでは、巻線切替部112に関してのみ説明したが、巻線切替部121についても同様の原理での接続がされる。
このように、従来の巻線切替装置は、巻線切替部の全波整流部出力を半導体スイッチによってオン/オフし、三相交流電動機の巻線数を速度領域に応じて切替えることで、幅広い出力特性を得ているのである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、導通損失を大幅に低減させ、高効率化を実現する三相交流電動機の巻線切替装置を提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、各相巻線が中間タップを有し前記中間タップと巻き始め端子と巻き終り端子とをモータ外部に設けた三相交流電動機と、前記交流電動機の前記各相巻線の巻き始め端子に可変周波数の可変電圧を供給するインバータと、から構成される三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置において、充電状態で接続されたコンデンサを備えるとともに、前記インバータからの制御信号に応じて、前記各相巻線の中間タップを短絡させる電子式巻線切替部と、前記インバータからの制御信号に応じて、前記各相巻線の巻き終り端子を短絡させる機械式巻線切替部と、を備え、前記機械式巻線切替部は、前記三相交流電動機において予め設定された回転速度以下の低速運転時に用いられることを特徴とするものである。
また、請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置において、前記電子式巻線切替部は、前記電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器を備えることを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項4または5に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置において、前記状態検出器は、フォトカプラにより制御部と主回路部とが絶縁されていることを特徴とするものである。
また、請求項8に記載の発明は、請求項4または5に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置において、前記状態検出器は、3相の導通状態の論理和回路あるいは、論理積回路により構成されることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明によると、三相交流電動機の中間タップに接続された切替スイッチ部の電力用半導体スイッチ素子を制御する際、巻線切替部のダイオード部のカソードの電位を直流母線電圧値に保つ電位固定部を備えているので、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出することができ、瞬時に電流が切替わり、モータ電流波形を乱すことなく即座に三相交流電動機の巻線を切替えることを可能とする交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
請求項3に記載の発明によると、機械式巻線切替部を備えているので導通損失が大幅に低減され、高効率な交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
請求項4乃至8に記載の発明によると、前記電力用半導体スイッチ素子またはコンタクタの導通状態を検出する状態検出器を備えているので、巻線切替器の故障等の異常を検出し、これによる装置の二次破壊を未然に防ぐことを可能とする交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
実際のインバータには様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
三相交流電動機1は、各相の巻線に、それぞれ1つの中間タップ(TU2,TV2,TW2)と各相巻線の巻き始め端子(TU1,TV1,TW1)および巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)がモータ外部に設けてある。
ドライブ回路14は、インバータ2の制御部から切替信号13を受信し、電子式巻線切替部3の切替スイッチ部5をオンオフ制御する。また、ドライブ回路17は、インバータ2の制御部から切替信号13を受信し、機械式巻線切替部15のコンタクタ16をオンオフ制御する。
電子式巻線切替部3は、ダイオード部4、切替スイッチ部5、電位固定部6、および保護ダイオード部10から構成される。ダイオード部4は、3個のダイオードから成り、各ダイオードのカソードは互いに共通接続されている。切替スイッチ部5は、3個の電力用半導体スイッチ素子とこれにそれぞれ逆並列接続されたダイオードとから成り、各電力用半導体スイッチ素子のコレクタはダイオード部4の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、各電力用半導体スイッチ素子のエミッタは互いに共通接続されている。ダイオード部4の各ダイオードのアノードと切替スイッチ部5の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの接続点は、各相毎に三相交流電動機1の各相巻線の中間タップ(TU2,TV2,TW2)と各々接続されている。
ここで電力用半導体スイッチ素子はIGBTの記号を用いているが、電圧・電流に応じて最適な電力用半導体スイッチ素子を用いればよい。
切替信号13がオンになると、切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子すべてがオンし導通状態となる。すると、電力用半導体スイッチ素子と逆並列接続されているダイオードを通じて電流が流れ、三相交流電動機1の各相巻線の中間タップ(TU2,TV2,TW2)が互いに短絡状態となる。
また、切替信号13がオフになると、切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子すべてがオフし非道通状態となり、三相交流電動機1の各相巻線の中間タップ(TU2,TV2,TW2)が開放状態となる。
機械式巻線切替部15は、コンタクタ16により構成される。
インバータ2の制御部から切替信号13を受信し、ドライブ回路17はコンタクタ16を駆動する。コンタクタ16には、ノーマリーオン型(B接点)を使用するので、切替信号13がオフの時、コンタクタは導通状態となり、切替信号13がオンの時、コンタクタは非導通状態となる。
つまり、切替信号13をオフにすることで、三相交流電動機1の各相巻線の巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)が短絡状態となり、切替信号13をオンにすることで、三相交流電動機1の各相巻線の巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)が開放状態となる。
低速運転とは、予め設定された回転速度以下の運転である。この場合、切替信号13はオフ信号となり、切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子はすべて非道通状態となり三相交流電動機1の各相巻線の中間タップ(TU2,TV2,TW2)は開放状態となる。一方、コンタクタ16はすべて導通状態となり、三相交流電動機1の各相巻線の巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)を短絡状態としたとなり、各相巻線が、TU1‐TU3、TV1−TV3、TW1‐TW3で構成されるスター結線となることで巻線数が多くなり、十分なトルクを得ることが可能となる。
高速運転とは、予め設定された回転速度以上の運転である。この場合、切替信号13はオン信号となり、切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子は導通状態となり三相交流電動機1の各相巻線の中間タップ(TU2,TV2,TW2)は短絡状態となる。一方、コンタクタ16は非導通状態となり、三相交流電動機1の各相巻線の巻き終り端子(TU3,TV3,TW3)は開放状態となる。従って、各相巻線が、TU1‐TU2、TV1−TV2、TW1‐TW2で構成されるスター結線となることで、巻線数が少なくなり、逆起電力が抑えられるため、十分な電流を流すことができ、高速運転が可能となる。
このように運転速度に応じて、切替スイッチ部5、およびコンタクタ6をオンオフ制御することで広い出力特性(速度−トルク制御範囲)を得ることができる。
まず、コンタクタ16を利用した点について説明する。
従来の巻線切替方式では、低速運転時も電力用半導体スイッチ素子を利用していた。この方式では、常時電流が電力用半導体スイッチ素子およびダイオードに流れるために導通損失も常時発生していた。また車両駆動用装置または工作機駆動用装置においては、低速時のトルク(電流値)が非常に大きく、導通損失も大きくなるため、装置の効率低下を招いていた。また車両用においては、燃費低下という問題も引き起こす。本発明の巻線切替方式では、電流値が高い低速運転領域において、コンタクタを利用することで、導通損失を大幅に低減できることが可能となる。これにより高効率な三相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
従来の巻線切替方式では、モータ巻線が励磁状態から非励磁状態に遷移する際に、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出するために、瞬時に電流が切替わらずモータ電流が乱れるという問題があったが、本発明の巻線切替方式では、巻線切替部にコンデンサを充電状態で接続することで瞬時に電流が切替わるために、モータ電流波形を乱すことがない。ここで、巻線切替部にコンデンサを充電状態で接続すると、電流が瞬時に切替わる理由を説明しておく。巻線切替時にモータ巻線に残っている電流を速やかにゼロにするには、電流減少率をあげればよい。電流減少率di/dtは、式(1)で示すように
di/dt = V/L (1)
ここで、Vはコンデンサ電圧、Lはモータ巻線インダクタンスである。
つまり、コンデンサ電圧Vを高電位に保つことで電流減少率をあげることができ、電流を速やかにゼロにすることができる。
コンデンサの初期充電電圧を350Vと0Vの場合で比較すると、初期充電電圧が350V時の方が、電流減少率が高く、速やかに、ゼロになっている。
このことより、コンデンサの初期充電の有無でモータ巻線に流れる電流がゼロになるまでの時間が違うことがわかる。
以上のような構成にすることで、モータ電流波形を乱すことなく即座に三相交流電動機の巻線を切替えることを可能とする三相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
保護ダイオード部10は、モータ駆動中に何らかの異常をきたし、前記インバータ2の主回路部がベースブロックされた場合に、モータインダクタンスに起因する還流電流の経路を確保し、インバータ2と電子式巻線切替部3を破壊から防ぐ目的で挿入される。
エネルギーQは、式(2)で示すとおりである。
Q = (1/2)・L・i2 (2)
ここで、Lはモータ巻線のインダクタンス、iはモータ巻線に流れていた電流である。
仮に、U相モータ巻線の中間タップTU2の点において、モータからインバータに向かってモータ電流が流れていた場合を想定する。この場合、中間タップTU2を起点とし、インバータ内部のフリーホイールダイオードを通り、コンデンサ9よりもインピーダンスが低い主回路コンデンサを充電し、直流負側母線10を通り、保護ダイオード部10を介して、中間タップTU2を終点とする閉回路に還流電流が流れる。このとき、保護ダイオード部10が無いと、還流電流の経路を確保できず、モータ巻線に流れていた電流に起因するエネルギーQを吸収できなくなり、インバータ2の直流正側母線電圧値が急激に上昇し、インバータ2や電子式巻線切替部3が過電圧破壊にいたる。
保護ダイオード部10を挿入しないで、このような破壊を防止するためには、インバータ2の主回路部、ならびに電子式巻線切替部3の耐圧を高くする必要がある。これは装置の大型化やコストアップを引き起こす。
このような構成で動作させることで、モータ異常時の還流電流による装置破壊を防止する三相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
本実施例が実施例1と異なっている点は、電子式巻線切替部3を構成する切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子の導通状態および、機械式巻線切替部15を構成するコンタクタ16の導通状態を検出する状態検出器18と備えた点と、状態検出器18の出力である状態検出信号19をインバータ2の制御部に接続している点である。
図4は、本発明の三相交流電動機の巻線切替装置の第2実施例における状態検出器の一例を示す詳細図である。
まず、状態検出器18の構成について説明する。
状態検出器18は、3個のフォトカプラ181、6個のプルアップ抵抗器182、3入力のNORゲート183で構成される。
3個のフォトカプラ181の各発光ダイオードのアノードは、それぞれプルアップ抵抗器182を介して切替スイッチ部5の電力用半導体スイッチ素子のゲートドライブ用電源VDに接続する。
また、3個のフォトカプラ181の各発光ダイオードのカソードは、切替スイッチ部5の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタにそれぞれ接続する。
切替スイッチ部5の各電力用半導体スイッチ素子のエミッタは、すべてゲートドライブ用電源のグランドGDに接続されている。
3個のフォトカプラ181の各フォトトランジスタのエミッタは、すべて制御用電源のグランドGLに接続する。
3個のフォトカプラ181の各フォトトランジスタのコレクタは、それぞれプルアップ抵抗器182を介して制御用電源VLに接続すると共に、NORゲート183の各入力端にそれぞれ接続する。NORゲート183の出力が状態検出信号19(20)である。
切替スイッチ部5の各電力用半導体スイッチ素子がオンすると、ゲートドライブ用電源Vdからプルアップ抵抗182、フォトカプラ181、電力用半導体素スイッチ素子、ゲートドライブ用電源グランドGDの経路で電流が流れ、フォトカプラ181のフォトトランジスタがオンする。すると、NORゲート183のすべての入力端が(Low)となるので、NORゲート183の出力である状態検出信号19は(Hi)となる。
また、切替スイッチ部5の各電力用半導体スイッチ素子がオフすると、フォトカプラ181の発光ダイオードに電流が流れず、フォトカプラ181のフォトトランジスタもオフする。すると、NORゲート183のすべての入力端が(Hi)となるので、NORゲート183の出力である状態検出信号19(20)は(Low)となる。
図4では切替スイッチ部5が図示されているが、この部分がコンタクタ16でもまったく同様の動作原理となる。
インバータ2の制御部では、切替信号13と状態検出信号19および20の論理をとることで電子式巻線切替部3または、機械式巻線切替部15の正常動作を判断する。
具体的に説明すると、例えば、低速運転の場合、切替信号13は(Low)、状態検出信号19は(Low)、状態検出信号20は(Hi)となる。また、高速運転の場合、切替信号13は(Hi)、状態検出信号19は(Hi)、状態検出信号20は(Low)となる。つまり、切替信号13と状態検出信号19の排他的論理和は必ず(Low)となる。また、
切替信号13と状態検出信号19の排他的論理和は必ず(Hi)となる。この関係を利用し、インバータ2の制御部でこれらの論理の結果と違う結果になった場合は、電子式巻線切替部3または、機械式巻線切替部15に異常が発生したものとして、インバータ2の主回路部をベースブロックする。これにより異常発生に伴う装置の二次破壊を未然に防ぐことができる。
2 インバータ
3 電子式巻線切替部
4 ダイオード部
5 切替スイッチ部
6 電位固定部
7 正側充電抵抗器
8 負側充電抵抗器
9 コンデンサ
10 保護ダイオード部
11 直流正側母線
12 直流負側母線
13 切替信号
14、17 ドライブ回路
15 機械式巻線切替部
16 コンタクタ
18 状態検出器
19、20 状態検出信号
181 フォトカプラ
182 プルアップ抵抗器
183 NORゲート
111 三相交流電動機
112、121 巻線切替部
115、124 コンデンサ
117 インバータ
118、127 ドライブ回路
113、122 全波整流部
114、123 半導体スイッチ
116、125 抵抗器
119、120、128、129 ダイオード
Claims (8)
- 各相巻線が中間タップを有し前記中間タップと巻き始め端子と巻き終り端子とをモータ外部に設けた三相交流電動機と、前記交流電動機の前記各相巻線の巻き始め端子に可変周波数の可変電圧を供給するインバータと、から構成される三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置において、
充電状態で接続されたコンデンサを備えるとともに、前記インバータからの制御信号に応じて、前記各相巻線の中間タップを短絡させる電子式巻線切替部と、
前記インバータからの制御信号に応じて、前記各相巻線の巻き終り端子を短絡させる機械式巻線切替部と、
を備え、
前記機械式巻線切替部は、前記三相交流電動機において予め設定された回転速度以下の低速運転時に用いられることを特徴とする三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。 - 前記電子式巻線切替部は、
3個のダイオードの各カソードを互いに共通接続したダイオード部と、
3個の電力用半導体スイッチ素子と、前記電力用半導体スイッチ素子に逆並列接続されるダイオードと、から構成され、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタを前記ダイオード部の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各エミッタを互いに共通接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタと前記ダイオード部の各ダイオードのアノードとの各接続点を前記中間タップにそれぞれ接続した切替スイッチ部と、
前記インバータ部の直流正側母線に正側充電抵抗器の一端を接続し、前記正側充電抵抗器の他端をコンデンサの正側に接続し、前記コンデンサの負側を負側充電抵抗器の一端に接続し、前記負側充電抵抗器の他端を前記インバータ部の直流負側母線に接続し、前記コンデンサ正側が前記ダイオード部のダイオードの共通接続されたカソードに接続している電位固定部と、
前記ダイオード部の各ダイオードのアノードと前記切替スイッチ部の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの各接続点に各カソードをそれぞれ接続し、前記電位固定部のコンデンサ負側に各アノードをそれぞれ接続した保護ダイオード部と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。 - 前記機械式巻線切替部は、コンタクタから構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
- 前記電子式巻線切替部は、前記電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器を備えることを特徴とする請求項2に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
- 前記電子式巻線切替部は、前記電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器を備えることを特徴とする請求項3に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
- 前記機械式巻線切替部は、前記コンタクタの導通状態を検出する状態検出器を備えることを特徴とする請求項3に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
- 前記状態検出器は、フォトカプラにより制御部と主回路部とが絶縁されていることを特徴とする請求項4または5に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
- 前記状態検出器は、3相の導通状態の論理和回路あるいは、論理積回路により構成されることを特徴とする請求項4または5に記載の三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置。
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