JP6310552B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、商用同期併入及び解列制御を行う電動機駆動システムに関する。

従来の電動機駆動システムにおいて、インバータから供給する電力により電動機を駆動するドライブ可変速駆動方式と、商用電源から供給する電力により電動機を駆動する商用駆動方式がある。また、ドライブ可変速駆動方式は、電動機の回転速度を任意に設定して駆動することが可能であることから、外部から指定された速度基準に基づいて当該電動機を駆動（又は運転という。以下同様）するドライブ可変速駆動（又はドライブ可変速運転）が用いられる。

また、上記ドライブ可変速駆動と商用駆動は、電動機の態様に応じ、後述する併入及び解列を繰り返しながら使用される。

図３は、従来の電動機駆動システムの動作を示すタイミングチャートである。図示した例は、ドライブ可変速駆動から商用駆動に切り替える併入、及び商用駆動からドライブ可変速駆動に切り替える解列を行う場合の例である。以下、この図を参照して説明する。

図において、併入処理は、電動機駆動システムを制御するシステム制御部（図示しない）によって以下のように行われる。システム制御部は、電動機をドライブ可変速駆動するために、ドライブ駆動指令（図３（１）、ｔ１）及び電動機の回転速度を設定する速度基準を設定する（図３（２）、ｔ１）。なお、外部速度基準とは、外部から速度基準を設定する場合の一例である。上記図３（１）、（２）の設定により、電動機の駆動が開始し、電動機周波数／電圧が徐々に上昇（可変速駆動）し（図３（４））、上記外部速度基準で設定した速度に達すると、その速度で駆動を継続する（図３（４）、ｔ２−ｔ３、ドライブ可変速運転）。

この状態で、商用駆動指令が与えられると（図３（３）、ｔ３）、以下の手順で併入処理が行われる。

（１）電動機の回転速度（回転周波数と同義）を商用速度（商用周波数と同義）まで加速する（ｔ３―ｔ４）。
（２）電動機の周波数が商用周波数に近づくと、位相同期制御によりドライブ出力を商用電源の位相・振幅に一致させる同期制御を行う。
（３）ドライブ出力と商用電源との位相・電圧振幅差が設定レベル以内で設定時間（ＸＦＲＤＬ：併入切り替え速度遅れ時間）継続する。
（４）上記（３）で設定時間継続後、商用出力側遮断器５を投入する（ｔ５）。
（５）ドライブ可変速駆動を停止する（ｔ５）。
（６）ドライブ出力側開閉器（図示しない）を引き外す。
（７）併入完了となる。
（８）所定の時間（ｔ５−ｔ６）、商用出力による商用駆動（商用運転）が行われる。

なお、併入に当たっては、商用併入に伴う併入切り替え速度遅れ時間ＸＦＲＤＬ後、ｔ５のタイミングで商用側開閉器（図示しない）が投入され、商用電源に切り替わる。この切替えにより、ドライブ電流が遮断される（図３（５））と共に、商用電流が供給される（図３（６））。

所定の時間（ｔ５−ｔ６）、商用電源による商用駆動（商用運転）が行われる。

また、この状態で、商用駆動指令をオフし、ドライブ駆動指令が与えられていると（同図（１）、（３）、ｔ６）、以下の手順で解列処理が行われる。

（１）ドライブ出力側開閉器を投入すると、ドライブ出力が商用電源に接続され、位相同期回路が動作を始める。
（２）位相同期回路が、変成器ＶＴで検知した商用電源の周波数・位相・電圧振幅を検出し、位相検出誤差が設定レベル以内で、設定時間（ＣＰＴＤＬ：解列切替え速度遅れ時間）継続する。
（３）上記（２）で設定時間継続後、商用出力側遮断器を引き外す。
（４）上記（２）で検出した位相を商用電源の周波数合わせてドライブ可変速駆動を開始する（ｔ７）。
（５）解列完了となる。
（６）電動機はドライブ可変速駆動となる（ｔ７−ｔ８）。
（７）所定の時間（ｔ８−ｔ９）、ドライブ出力によるドライブ可変速駆動（ドライブ可変速運転）が行われる。

なお、解列に当たっては、解列に伴う解列切り替え速度遅れ時間ＣＰＴＤＬ後、商用側開閉器引き外しにより、ドライブ可変速駆動に切り替わる。この切替えにより、ｔ７のタイミングで、商用電流が遮断される（同図（６）、ｔ７）と共に、ドライブ電流が供給される（同図（５）、ｔ７）。

特開２００６−１４９１３６号公報

上述したように、ドライブ可変速駆動から商用駆動に切り替える商用同期併入又は商用駆動からドライブ可変速駆動に切り替える解列制御を行う電動機駆動システムにおいて、
ドライブ駆動指令及び外部から速度基準設定を行うと共に、商用駆動指令を行う必要があった。

しかしながら、上述した商用駆動指令が行われても（商用駆動指令オン）、実際に商用駆動に切り替わるためには、商用駆動指令が与えられた後、電動機の回転速度が、上記速度基準に到達していることが必要となり、当該速度基準に到達するまで加速したのを確認後、併入が開始されるまでには所定の併入速度設定遅れ時間が発生する。また、商用駆動後、ドライブ可変速駆動に切り替えるために、商用駆動指令をオフにしても同様に解列速度設定遅れ時間が発生し、その後解列する。すなわち、商用駆動指令に同期して即商用駆動に併入されるのではなく、外部速度基準に基づく可変速駆動を経た後に併入が行われる。従って、実質的に商用駆動指令を省略しても同様の機能を得ることが可能であり、省略することにより、関連する配線を省略することができ、電動機システムを簡略化できる効果が得られる。

そこで、本発明は、商用同期併入及び解列制御を行う電動機駆動システムにおいて、上述した商用駆動指令のオン、オフ制御を止め、ドライブ速度基準により電動機を駆動する電動機駆動システム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、本発明の電動機駆動システムは、商用電源に接続され、電動機を可変速駆動するドライブ可変速駆動手段と、前記ドライブ可変速駆動手段と前記電動機との間に設けられた第1の開閉器と、前記商用電源と前記電動機との間に設けられた第２の開閉器と、前記商用電源から出力される商用電力で前記電動機を駆動する商用駆動手段と、前記ドライブ可変速駆動手段及び前記商用駆動手段を任意に切り替えて前記電動機を駆動する制御部と、前記電動機を駆動するための設定を前記制御部に行うシステム制御部と、を備え、前記設定は、前記電動機を前記ドライブ可変速駆動手段によって駆動するためのドライブ駆動指令の設定と、前記電動機の回転速度を設定するための速度基準の設定と、を備え、前記制御部は、前記システム制御部から前記ドライブ駆動指令が設定され、さらに前記速度基準が、前記速度基準設定により速度基準ｎ１に設定されると、前記電動機の可変速駆動を開始し、当該電動機の周波数及び電圧が徐々に上昇し、当該電動機の回転速度が前記速度基準ｎ１に達すると、前記速度基準ｎ１で電動機の駆動を継続し、
この状態で、速度基準が、前記速度基準設定により前記商用電源周波数と同じ速度基準ｎ２に設定されると、当該電動機の周波数及び電圧が徐々に上昇し、当該電動機の回転速度が当該速度基準ｎ２を超えたとき、又は、当該電動機の回転速度が前記速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値以内に入ったときに、前記ドライブ可変速駆動手段によるドライブ出力を前記商用電源の位相及び振幅に一致させる同期制御を行い、前記同期制御により同期がとれたときに、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を制御して当該電動機を商用駆動する併入手段と、を備え、前記併入手段により前記ドライブ可変速駆動から商用駆動へ切替えることを特徴とする。

この発明によれば、ドライブ可変速駆動から商用駆動に切り替える商用同期併入又は商用駆動からドライブ可変速駆動に切り替える解列制御を行う電動機駆動システムにおいて、商用駆動指令のオン、オフ制御を行わなくても、ドライブ速度基準を用いることにより商用同期併入・解列を行うことができる。

実施例１に係る電動機駆動システムの構成を示す概略図。 実施例１に係る電動機駆動システムの動作を説明するタイミングチャート。 従来の電動機駆動システムの動作を説明するタイミングチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る電動機駆動システムの構成を示す概略図である。図示した電動機駆動システムは、商用電源（商用駆動手段）１５、上位遮断器１、インバータ部（ドライブ可変速駆動手段）２、ドライブ出力側開閉器（第１の開閉器）３、変成器４、商用出力側遮断器（第２の開閉器）５、負荷（ここでは、電動機（又はモータ）１０）で構成され、商用電源１５の供給を受け動作する。なお、開閉器には、断路器又は遮断器が含まれる。また、遮断器は、短絡、過電流又は地絡等の際に電路を遮断することができる。

商用電源１５の形態は、当該商用電源１５を直接電動機１０に供給するための第１の商用電源系統１５ａ及び上記インバータ部２を介して電動機１０に供給するための第２の商用電源系統１５ｂを有して構成される。

第１の商用電源系統１５ａは、商用出力側遮断器５の一端に接続され、他端は電動機１０に接続される。

第２の商用電源系統１５ｂは、上位遮断器１の一端に接続され、他端はインバータ部２に接続され、商用電源（例えば、交流１００Ｖ ５０Ｈｚ）が供給される。

図示したインバータ部２は、コンバータ及びインバータを有して構成される。コンバータは、供給された商用電源（交流電源）を直流電源に変換（整流）する。

インバータは、コンバータによって変換された直流電源を、電圧、周波数共可変可能な交流電源に変換する。本実施例のインバータには、供給される直流電源に直列に接続された４個のスイッチング素子（図示しない）が設けられており、当該スイッチング素子のゲート端子（図示しない）は、それぞれ制御部２ａに接続され、当該制御部２ａによって制御され、電動機１０の可変速駆動に必要な交流電源が生成される。

このようにして、インバータ部２によって生成された交流電源は、ドライブ出力側開閉器３に接続される。

なお、インバータ部２によって生成される交流電源は、負荷となる電動機の種類により異なる。例えば、電動機が単相電動機の場合は、インバータ部２の出力は所定の電圧の単相交流電源（例えば、ＡＣ１００Ｖ／５０Ｈｚ）で足りるが、電動機が３相電動機の場合は、インバータ部２の出力は３相交流電源が必要になる。これら何れの電源も、インバータを構成するスイッチング素子のゲート端子を制御することにより、生成可能である。

制御部２ａは、後述するタイミングで、当該ドライブ出力側開閉器３及び商用出力側遮断器５を開閉し、併入及び解列を行う。

図２は、本実施例に係る電動機駆動システムの動作を示すタイミングチャートである。図示した例は、ドライブ可変速駆動から商用駆動に切り替える併入、及び商用駆動からドライブ可変速駆動に切り替える解列を行う場合の例である。以下、この図を参照して説明する。

図において、併入処理は、電動機駆動システム１００を制御するシステム制御部２０によって以下のように行われる。システム制御部２０は、電動機１０をドライブ可変速駆動するためにドライブ駆動指令の設定（図２（１）、ｔ１）を行うと共に電動機１０の回転速度を設定するために外部速度基準をｎ１に設定する速度基準の設定（図２（２）、ｔ１）を行う。本実施例では、この速度基準の設定は、システム制御部２０からインバータ部２の制御部２ａに対して行われる。外部速度基準とは、インバータ部２の外部から速度基準が設定されることをいう。

上記図２（１）、（２）の設定により、電動機１０の駆動が開始し、電動機周波数／電圧が徐々に上昇（可変速駆動）し、（図２（３））、上記外部速度基準で設定した速度ｎ１に達すると、その速度で駆動を継続する（図２（３）、ｔ２−ｔ３）。

この状態で、外部速度基準がｎ１からｎ２に設定されると（図２（２）ｔ３）、以下の手順で併入処理が行われる。

（１）電動機１０の回転速度（回転周波数と同義）は、外部速度基準で設定された速度ｎ２（以下、外部速度基準ｎ２と称する。）に到達するまで加速される。従って、外部速度基準ｎ２が商用周波数と同じ場合は、電動機１０の回転周波数は、商用周波数まで加速される（ｔ３−ｔ４）。

（２）ａ．電動機１０の回転速度が外部速度基準ｎ２を超えたとき、又は、ｂ．電動機１０の回転速度が外部速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値ＳＰＣ以内に入ったときに、位相同期制御によりドライブ出力を商用電源の位相・振幅に一致させる同期制御を行う。上記ａ．又はｂ．の何れかが事前に設定される。
なお、電動機１０の回転速度が外部速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値ＳＰＣ内に入ったときに上記同期制御を行う効果は、例えば、電動機を商用速度（例えば、５０Ｈz／６０Ｈｚ）±数％以内で商用駆動し、これ以外の速度基準の場合は、当該電動機をインバータによる可変速駆動にすることができる。

（３）ドライブ出力と商用電源との位相・電圧振幅差が設定レベル以内で設定時間（ＸＦＲＤＬ：併入切り替え速度遅れ時間）継続したとき。

（４）上記（３）で設定時間継続後、商用出力側遮断器５を投入する（ｔ５）。
（５）ドライブ可変速駆動を停止する（ｔ５）。
（６）ドライブ出力側開閉器３を引き外す。
（７）併入完了となる。
（８）所定の時間（ｔ５−ｔ６）、商用出力による商用駆動（商用運転）が行われる。なお、併入に当たっては、商用併入に伴う併入切り替え速度遅れ時間ＸＦＲＤＬ後、ｔ５のタイミングで商用側開閉器５が投入され、商用電源に切り替わる。この切替えにより、ドライブ電流が遮断される（（図２（４））と共に、商用電流が供給される（図２（５））。

また、この状態で、外部速度基準がｎ２からｎ１に設定され、ａ．外部速度基準ｎ１が外部速度基準ｎ２未満のとき、又は、ｂ．外部速度基準ｎ１が外部速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値ＳＰＣの範囲外のときに、（図２（２）、ｔ６）以下の手順で、解列処理が行われる。上記ａ．又はｂ．の何れかは上記（２）の設定に合わせて事前に設定される。

（１）ドライブ出力側開閉器３を投入すると、ドライブ出力が商用電源に接続され、位相同期回路が動作を始める。
（２）位相同期回路が、変成器４で検知した商用電源１５ａの周波数・位相・電圧振幅を検出し、位相検出誤差が設定レベル以内ならば、設定時間（ＣＰＴＤＬ：解列切替え速度遅れ時間）継続する。
（３）上記（２）で設定時間継続後、商用出力側遮断器５を引き外す。
（４）上記（２）で検出した位相を商用電源１５ａの周波数に合わせてドライブ可変速駆動を開始する（ｔ７）。
（５）解列完了となる。
（６）電動機１０は、ドライブ可変速駆動となる（ｔ７−ｔ８）。
（７）所定の時間（ｔ８−ｔ９）、ドライブ出力によるドライブ可変速駆動（ドライブ可変速運転）が行われる。

以上、説明したように本実施例１によれば、電動機駆動システムにおいて、商用駆動指令のオン、オフ制御を止め、ドライブ速度基準により商用同期併入及び解列制御を行うことによりシステムを簡略化することができる電動機駆動システムを提供することができる。

商用同期併入及び解列制御を行う電動機駆動システムにおいて、商用駆動指令のオン、オフ制御を行わなくてもドライブ速度基準により上記商用同期併入及び解列制御を行うことができる電動機の電動機駆動システムに適用できる。

１ 上位遮断器
２ インバータ部
２ａ 制御部
３ ドライブ出力側開閉器
５ 商用出力側遮断器
１０ 電動機（モータ）
１５ 商用電源
１５ａ 第１の商用電源系統
１５ｂ 第２の商用電源系統
２０ システム制御部
１００ 電動機駆動システム

Claims (3)

1. 商用電源に接続され、電動機を可変速駆動するドライブ可変速駆動手段と、
   前記ドライブ可変速駆動手段と前記電動機との間に設けられた第1の開閉器と、
   前記商用電源と前記電動機との間に設けられた第２の開閉器と、
   前記商用電源から出力される商用電力で前記電動機を駆動する商用駆動手段と、
   前記ドライブ可変速駆動手段及び前記商用駆動手段を任意に切り替えて前記電動機を駆動する制御部と、
   前記電動機を駆動するための設定を前記制御部に行うシステム制御部と、を備え、
   前記設定は、
   前記電動機を前記ドライブ可変速駆動手段によって駆動するためのドライブ駆動指令の設定と、
   前記電動機の回転速度を設定するための速度基準の設定と、を備え、
   前記制御部は、
   前記システム制御部から前記ドライブ駆動指令が設定され、さらに前記速度基準が、前記速度基準設定により速度基準ｎ１に設定されると、前記電動機の可変速駆動を開始し、
   当該電動機の周波数及び電圧が徐々に上昇し、当該電動機の回転速度が前記速度基準ｎ１に達すると、前記速度基準ｎ１で電動機の駆動を継続し、
   この状態で、速度基準が、前記速度基準設定により商用電源の周波数と同じ速度基準ｎ２に設定されると、当該電動機の周波数及び電圧が徐々に上昇し、当該電動機の回転速度が当該速度基準ｎ２を超えたとき、又は、当該電動機の回転速度が前記速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値以内に入ったときに、前記ドライブ可変速駆動手段によるドライブ出力を前記商用電源の位相及び振幅に一致させる同期制御を行い、
   前記同期制御により同期がとれたときに、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を制御して当該電動機を商用駆動する併入手段と、を備え、
   前記併入手段により前記ドライブ可変速駆動から商用駆動へ切替えることを特徴とする電動機駆動システム。
2. 前記併入手段により前記電動機が商用駆動されているときに、前記電動機の回転速度が速度基準ｎ２に対して設定した速度基準許容値以外の速度になった場合、当該電動機を前記可変速駆動手段により可変速駆動することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
3. 前記制御部はまた、
   前記システム制御部から前記ドライブ駆動指令が設定され、さらに前記速度基準が設定され、前記電動機が商用駆動されているとき、前記速度基準設定により、速度基準が速度基準ｎ２から速度基準ｎ１に設定され、前記速度基準ｎ１が速度基準ｎ２未満になったとき、又は、前記速度基準ｎ１が前記速度基準ｎ２に対して設定した前記速度基準許容値以外になったときに、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を制御して可変速駆動する解列手段を備え、
   前記解列手段により前記商用駆動から前記ドライブ可変速駆動へ切替えることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。

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