JP6061387B2

JP6061387B2 - ヒステリシス電動機用ドライブ装置

Info

Publication number: JP6061387B2
Application number: JP2013092524A
Authority: JP
Inventors: 信明土井; 康裕安東; 松本　和則; 和則松本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP2014217162A

Description

この発明は、複数台のヒステリシス電動機を並列駆動するヒステリシス電動機用ドライブ装置に関する。

複数台のヒステリシス電動機を負荷として駆動するヒステリシス電動機用ドライブ装置においては、リアクトルとコンデンサとから成る力率改善用のフィルタ装置を設けることが普通である。この理由は、ヒステリシス電動機の運転時の力率が極端に悪いためである。フィルタ装置を設けることによってドライブ装置に用いられるインバータの出力力率が改善され、インバータの容量が大幅に低減される。また、力率改善用のフィルタ装置によって出力の電圧波形が改善される効果もある。このような力率改善用のフィルタ装置を備えたヒステリシス電動機用ドライブ装置において、停電再起動時に不安定現象を生じさせないようにする手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００４−８８８６３号公報（全体）

特許文献１に示されたドライブ装置においては、停電再起動時にヒステリシス電動機の力率が改善し、そのために力率改善用のフィルタ装置のコンデンサ容量が過補償となる点が指摘され、この対策が示されている。

しかしながら、力率改善用のフィルタ装置のコンデンサ容量が過補償となるのは、停電再起動の場合だけではなく、長期間運転中にヒステリシス電動機またはヒステリシス電動機の負荷の一部が異常となり、何らかの監視手段からの信号によって異常となったヒステリシス電動機がドライブ装置から切り離されたとき、すなわちドライブ装置の負荷が減少したとき、コンデンサ容量が過補償状態となる。このように負荷が減少して過補償となったときには不安定現象が生じ、場合によってはドライブ装置に用いられるインバータがトリップ停止する恐れがある。

本発明は上記課題に鑑みて為されたもので、ドライブ装置の負荷が減少してコンデンサ容量が過補償状態となったとき、自動的にコンデンサの一部を切り離すことが可能なヒステリシス電動機用ドライブ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のヒステリシス電動機用ドライブ装置は、複数台のヒステリシス電動機を駆動するためのインバータ装置と、前記インバータ装置の出力側に設けられ、直列接続されたリアクトルと並列接続された複数台のコンデンサから成るフィルタ装置と、前記フィルタ装置の出力側に設けられ、前記複数台のヒステリシス電動機を複数のグループに分岐し、各々個別スイッチを介してヒステリシス電動機に給電する複数台の分岐スイッチと、前記リアクトルの電気量を検出するための電気量検出器と、前記複数台のコンデンサの投入、開放を調整するコンデンサ調整器と、前記コンデンサ調整器と信号の授受を行う主制御器とを具備し、前記電気量は前記リアクトルに流れる電流または前記リアクトルの電圧降下であり、前記コンデンサ調整器は、前記電気量が第１の所定値以下となったとき、前記複数台のコンデンサのうち前記第１の所定値に見合う容量のコンデンサを開放すると共に、前記複数台のコンデンサは、前記複数台の分岐スイッチの各々から給電されるヒステリシス電動機の総量を補償する夫々の容量のコンデンサを有し、前記コンデンサ調整器は、前記各々の分岐スイッチの補助接点の開閉信号と前記主制御器から前記分岐スイッチに与えられている運転指令との相関をチェックし、両者が矛盾しているときは前記分岐スイッチが開放しているものと看做し、対応する容量のコンデンサを開放するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、ドライブ装置の負荷が減少してコンデンサ容量が過補償状態となったとき、自動的にコンデンサの一部を切り離すことが可能なヒステリシス電動機用ドライブ装置を提供することが可能になる。

本発明の実施例１に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置のシステム構成図。本発明の実施例１に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置の動作説明図。本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のコンデンサ調整器の動作フローチャート。本発明の実施例２に係る電動機用ドライブ装置のコンデンサ調整器の動作フローチャート。本発明の実施例３に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置のシステム構成図。本発明の実施例４に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置のシステム構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下，本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置を図１乃至図３に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図である。インバータ装置２は交流電源１から供給される交流電圧をコンバータ２１で直流に変換し、インバータ２２で再び交流に変換して出力する。インバータ２２の出力にはリアクトル３とコンデンサバンク４から成るフィルタ装置が接続されている。コンデンサバンク４は複数台の開閉器４１１、４１２、・・・、４１Ｎとこれらの開閉器に各々直列に接続されたコンデンサ４２１、４２２、・・・、４２Ｎとから構成されている。そしてコンデンサバンク４の出力側に分岐スイッチ５１、５２、５３が並列に接続されている。分岐スイッチ５１の出力には個別スイッチ６１１、６１２、・・・、６１Ｍを介してヒステリシス電動機７１１、７１２、・・・、７１Ｍが夫々接続されている。同様に分岐スイッチ５２の出力には個別スイッチ６２１、６２２、・・・、６２Ｍを介してヒステリシス電動機７２１、７２２、・・・、７２Ｍが夫々接続され、分岐スイッチ５３の出力には個別スイッチ６３１、６３２、・・・、６３Ｍを介してヒステリシス電動機７３１、７３２、・・・、７３Ｍが夫々接続されている。

リアクトル３に流れる電流は電流検出器３１で検出され、コンデンサ調整器８に与えられる。また、リアクトル３の電圧降下は電圧検出器３２で検出され、コンデンサ調整器８に与えられる。コンデンサ調整器８はこれらの電気量の変化に応じて、開閉器４１１、４１２、・・・、４１Ｎのオンオフを制御することによってコンデンサバンク４のコンデンサ容量の適正化を図る。コンデンサ調整器８は、ヒステリシス電動機用ドライブ装置全体の運転制御を行うための主制御器１０と信号のやりとりを行うことによってコンデンサバンク４のコンデンサ容量の適正化を図るときの諸条件を設定する。以下、図２に示すベクトル図を参照してコンデンサ容量の適正化の動作説明を行う。

図２（ａ）はコンデンサバンク４の補償量が適切である場合のベクトル図である。基準ベクトルはインバータ２２の出力電圧Ｖｉｎｖであり、力率角θｉｎｖだけ遅れた位相でインバータ電流Ｉｉｎｖが流れている。インバータ電流Ｉｉｎｖはリアクトル３に流れる電流であるので、このインバータ電流Ｉｉｎｖと垂直方向にリアクトル３の電圧降下Ｖ_Ｌが図示するように生じ、電動機電圧Ｖｍが得られる。インバータ電流Ｉｉｎｖは、コンデンサバンク４に流れる補償電流Ｉｃと電動機電流Ｉｍとに分流するが、補償電流Ｉｃは電動機電圧Ｖｍに対して垂直方向に流れるので、図示のようになり、その結果電動機電流Ｉｍが決まり、電動機側の力率角θｍが決まる。ところが電動機側の力率角θｍは、ヒステリシス電動機の負荷が一定であれば一意に決まるものであるので、従って、結局は上述した諸条件を満たすように力率角θｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖが決まることになる。尚、上記における電動機電流Ｉｍは分岐スイッチ５１、５２、５３に流れる電流の総和である。

次に図２（ｂ）について説明する。図２（ｂ）はコンデンサバンク４の補償量が過補償となった場合のベクトル図である。

図２（ａ）の状態から分岐スイッチ５１、５２、５３乃至個別スイッチの一部が開放されると、電動機電流Ｉｍが減少する。この状態を示したのが図２（ｂ）に示すベクトル図である。この図２（ｂ）における電動機電流Ｉｍは、図２（ａ）と比べて７０％程度に減少している。このように図２（ａ）の状態から電動機電流Ｉｍを減少させた場合のベクトル図は、電動機側の力率角θｍを固定した状態で電動機電流Ｉｍを減少させると共に、補償電流Ｉｃが電動機電圧Ｖｍに比例し、リアクトル３の電圧降下Ｖ_Ｌがインバータ電流Ｉｉｎｖに比例する条件から作成することができる。図２（ｂ）に示すように、この例の場合は、電動機電圧Ｖｍが上昇すると共にインバータ側の力率角θｉｎｖは進み力率となる。このようになることを避けるため、図２（ａ）から図２（ｂ）へとベクトル図が変化したとき、あるいは変化の途上においてコンデンサバンク４の補償量を減少させる必要がある。通常は、図２（ａ）から図２（ｂ）への変化は徐々に進むので、この途上においてコンデンサバンク４の補償量を減少させれば良い。

このためには、図３のフローチャートに示すように、コンデンサ調整器８は、定常運転状態において（ステップＳ１０）、リアクトル３の電気量が所定値以下かどうか判定し（ステップＳ１１）、コンデンサバンク４のうち開放すべきコンデンサを決め（ステップＳ１２）、この決定に従い開閉器をオフしてコンデンサを開放する（ステップＳ１３）。

上記において、定常状態はインバータ３が全てのヒステリシス電動機を同期運転している状態であり、この条件は主制御器１０から与えられる。また、ステップ１１におけるリアクトル３の電気量はインバータ電流Ｉｉｎｖまたはリアクトル３の電圧降下Ｖ_Ｌの何れかとすれば良い。これは図２に示したベクトル図から明らかである。そして、ステップ１１における開放すべきコンデンサの求め方は、例えば、図１におけるコンデンサバンク４のコンデンサを同一容量でコンデンサ数Ｎ＝６とし、この数値６に対応してステップＳ１１における所定値を定めた場合は、決められた順に従ってコンデンサを開放すれば良い。また、コンデンサが同一容量でない場合は、コンデンサ調整器８はこれらの個々の容量を予め記憶しておき、リアクトル３の電気量の減少度合いに見合う適切な補償量となるように開放すべきコンデンサを選定しても良い。

図４は本発明の実施例２に係る電動機用ドライブ装置のコンデンサ調整器の動作フローチャートである。この実施例２の各部について、図３の本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のコンデンサ調整器の動作フローチャートの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ステップＳ１１においてリアクトル３の電気量が所定値以下でない場合、リアクトル３の電気量が所定値を超えているか判断し（ＳＴ１４）、そうであればＳＴ１５で投入すべきコンデンサを定め、突入電流による擾乱を避けるため、インバータ２２の出力電圧を絞った状態で（ＳＴ１６）、コンデンサの投入を行う（ＳＴ１７）フローを追加した点である。

これは、切り離されたヒステリシス電動機の復旧を想定しており、ドライブ装置を運転中に複数台のヒステリシス電動機が再度接続されると補償量が不足するため、コンデンサの追加投入を行って補償量を追加する。尚、ステップＳＴ１４における判断基準となる所定値は、ステップＳＴ１１における所定値と同じであっても良いが通常はより大きな値とすることが好ましい。

図５は本発明の実施例３に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、分岐スイッチ５１、５２、５３の各々の補助接点の信号Ｆをコンデンサ調整器８Ａに入力する構成とした点である。

定常運転中は、分岐スイッチ５１、５２、５３は何れも投入されており、コンデンサバンク４のコンデンサは、分岐スイッチ５１、５２、５３の夫々の負荷であるヒステリシス電動機の総負荷量に対応した補償量のコンデンサが設けられている。例えばコンデンサ４２１を分岐スイッチ５１に、コンデンサ４２２を分岐スイッチ５２に、そしてコンデンサ４２３を分岐スイッチ５３に対応させる。そして、分岐スイッチ５１、５２、５３の各々の補助接点の信号Ｆの何れかがオフとなったとき、そのオフとなったスイッチに対応するコンデンサを開放する。例えば運転中に分岐スイッチ５１の信号Ｆがオフになった場合、開閉器４１１を開放することによってコンデンサ４２１を開放する。

このように各々の分岐スイッチで分岐されるグループに対応したコンデンサを設け、分岐スイッチの開閉に応じて対応するコンデンサを開放、投入するようにすれば、分岐されるグループに対する適切なコンデンサ補償を素早く行うことが可能となる。

また、上記においてコンデンサ調整器８Ａにおいて、主制御器１０から得られる分岐スイッチの投入指令と補助接点の信号との相関をチェックし、相関に矛盾があるときの対応を決めておくことも重要である。すなわち、主制御器１０が分岐スイッチに投入指令を出しているにも拘わらず補助接点から投入のアンサーバックが帰って来ないとき、また、逆に主制御器１０が分岐スイッチに投入指令を出していないにも拘わらず補助接点から投入のアンサーバックが帰って来ている場合である。このような場合前者は投入機構の動作異常、後者は補助接点の動作異常と看做し、いずれの場合も分岐スイッチは開放されているものとしてコンデンサ調整器８Ａはコンデンサを開放するようにする。

図６は本発明の実施例４に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、分岐スイッチ５１、５２、５３の出力側に監視装置９１、９２、９３を夫々設け、この監視装置の出力信号をコンデンサ調整器８Ｂに与える構成とした点である。

監視装置９１、９２、９３は夫々分岐スイッチ５１、５２、５３で分岐されるグループ内の全ての個別スイッチの開閉状況を監視する。このように構成し、コンデンサバンク４内のコンデンサを、ヒステリシス電動機１台あるいは数台に相当する小容量のものを何台か設けるようにして、監視装置９１、９２、９３から得られる全ての個別スイッチの開閉状況に応じてこれらの小容量のコンデンサの開放、投入を行えば、更に木目の細かい補償量の制御を行うことが可能となる。

以上、いくつかの実施例について説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１は分岐スイッチが３個の場合であるが、任意の複数個であれば良い。また、各々の分岐スイッチで分割されたグループに接続されるヒステリシス電動機の数は同一のＭ台としたが、必ずしも同一数である必要はない。

また、実施例１乃至４においてコンデンサを投入または開放したとき、過渡現象によってヒステリシス電動機の磁化状態が変化してしまう恐れがある。この場合は、主制御器１０は、例えば分岐スイッチごとに順次短時間分岐スイッチを開放し、停電再起動と同一のモードで再起動する。このようにすれば磁化状態を元に戻すことが可能となる。尚、この模擬停電再起動中は、コンデンサ調整器８、８Ａ、８Ｂはコンデンサバンク４に対してココンデンサの開放、投入指令出力しないようにしておくインタロックが必要となる。

また、実施例１において、電流検出器３１が検出したインバータ電流Ｉｉｎｖ（リアクトル３に流れる電流）をコンデンサ補償量調整の判断基準とすると説明したが、このインバータ電流Ｉｉｎｖをインバータ出力電圧Ｖｉｎｖと同相の有効分とこれと直交する無効分に分解し、インバータ電流Ｉｉｎｖの無効分が所定値以下となったときコンデンサを開放するようにしても良い。このようにすれば、より感度のよい補償量の調整が可能となる。

更に、ドライブ装置に予備用のインバータを別に備え、図１に示したインバータ装置２２が故障してこの予備用インバータで運転する場合であっても、実施例１乃至４のコンデンサ補償制御が可能となることは明らかである。

１交流電源
２インバータ装置
３リアクトル
４コンデンサバンク
８、８Ａ、８Ｂコンデンサ調整器
１０主制御器
２１コンバータ
２２インバータ
３１電流検出器
３２電圧検出器
５１、５２、５３分岐スイッチ
９１、９２、・・・、９Ｎ監視装置
４１１、４１２、・・・、４１Ｎ開閉器
４２１、４２２、・・・、４２Ｎコンデンサ
６１１、・・・、６１Ｍ、６２１、・・・、６２Ｍ、６３１、・・・、６３Ｍ個別スイッチ
７１１、・・・、７１Ｍ、７２１、・・・、７２Ｍ、７３１、・・・、７３Ｍヒステリシス電動機

Claims

複数台のヒステリシス電動機を駆動するためのインバータ装置と、
前記インバータ装置の出力側に設けられ、直列接続されたリアクトルと並列接続された複数台のコンデンサから成るフィルタ装置と、
前記フィルタ装置の出力側に設けられ、前記複数台のヒステリシス電動機を複数のグループに分岐し、各々個別スイッチを介してヒステリシス電動機に給電する複数台の分岐スイッチと、
前記リアクトルの電気量を検出するための電気量検出器と、
前記複数台のコンデンサの投入、開放を調整するコンデンサ調整器と、
前記コンデンサ調整器と信号の授受を行う主制御器と
を具備し、
前記電気量は前記リアクトルに流れる電流または前記リアクトルの電圧降下であり、前記コンデンサ調整器は、前記電気量が第１の所定値以下となったとき、前記複数台のコンデンサのうち前記第１の所定値に見合う容量のコンデンサを開放すると共に、
前記複数台のコンデンサは、前記複数台の分岐スイッチの各々から給電されるヒステリシス電動機の総量を補償する夫々の容量のコンデンサを有し、
前記コンデンサ調整器は、前記各々の分岐スイッチの補助接点の開閉信号と前記主制御器から前記分岐スイッチに与えられている運転指令との相関をチェックし、両者が矛盾しているときは前記分岐スイッチが開放しているものと看做し、対応する容量のコンデンサを開放するようにしたことを特徴とするヒステリシス電動機用ドライブ装置。
前記コンデンサ調整器は、
前記電気量が前記第１の所定値以上の大きさの第２の所定値を超えたとき、前記複数台のコンデンサのうち前記第２の所定値に見合う容量のコンデンサを投入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。
前記複数のグループ毎に各々の個別スイッチの開閉状態を監視する監視装置を有し、
前記コンデンサ調整器は、前記監視装置の開閉信号に応じて対応する容量のコンデンサを開放、投入するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。
前記主制御器は、
前記コンデンサ調整器が前記コンデンサの開放または投入操作を行ったあと、前記分岐スイッチを順次短時間開放後再投入するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。