JP6382160B2 - ヒステリシス電動機用ドライブ装置 - Google Patents

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し、特に、起動用インバータの容量を低減することが可能な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、複数台のヒステリシス電動機をいくつかの起動グループに分割し、起動グループごとに起動乃至加速用の起動用インバータで定格速度まで立ち上げ、定格速度に到達したとき、定常用インバータに乗せ替えることを繰り返して全てのヒステリシス電動機を定格速度で運転する構成とすることが提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特公昭６０−４０２７２号公報（第１−２頁、第１図）

特許文献１に示された電動機用ドライブ装置においては、負荷電動機を特に限定していないが、負荷電動機がヒステリシス電動機の場合はドライブ装置（起動用インバータ）から負荷電動機を見たときの力率が極端に悪く、起動用インバータの駆動容量（ｋＶＡ）が極端に大きくなり、そのため、例えば起動用インバータを定常用インバータのバックアップとして同一容量に選定したとき、起動・加速可能な電動機台数が少なくなり、起動グループ数の増大を招くばかりでなく、全体の起動時間も長くなってしまう。本発明は上記課題に鑑みて為されたもので、起動用インバータの駆動容量を低減させる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電動機グループ単位で順次起動するための起動用インバータと、
前記起動用インバータの出力側に設けられ、複数台のフィルタコンデンサを有する起動用フィルタ装置と、前記ヒステリシス電動機を定格速度で運転するための定常用インバータと、前記起動用フィルタ装置の出力と前記定常用インバータの出力を前記電動機グループ単位で選択的に切替可能な分岐盤と、前記分岐盤の電動機グループ毎の出力を入力とし、各々その出力で並列接続された複数台のヒステリシス電動機を駆動する複数台の定常用フィルタ装置と、前記起動用インバータ及び定常用インバータを制御するインバータ制御装置とを具備し、前記インバータ制御装置は、前記起動用インバータによって何れかの電動機グループを起動するとき、前記複数台のフィルタコンデンサを全て投入し、前記起動用インバータを最高周波数まで立ち上げる間、段階的に前記複数台のフィルタコンデンサの一部を切り離し、最高周波数到達前に全てのフィルタコンデンサを切り離し、前記定常用フィルタ装置を投入して最高周波数まで加速駆動した後、前記分岐盤内の切替開閉器を前記定常用インバータ側に切り替えて電動機グループを定常用インバータに乗せ替えるようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、起動用インバータの駆動容量を低減させる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に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置の動作タイムチャート。 本発明の実施例２に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置の動作タイムチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下，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を図１乃至図３を参照して説明する。

図１は本発明の実施例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である。起動及び加速用インバータ装置である起動用インバータ２は、交流電源１から供給される交流電圧を内部に設けられたコンバータ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。起動用インバータ２の出力電流は、電流検出器３で検出されている。起動用インバータ２の出力は起動用フィルタ装置４を介して分岐盤５内に並列に設けられた起動分岐用の切替開閉器５１、５２及び５３を介し、更に定常用フィルタ盤６を介して複数台のヒステリシス電動機７を駆動している。起動用フィルタ装置４は、入力開閉器４１の出力側に直列にフィルタリアクトル４２が接続され、フィルタリアクトル４２の出力側にフィルタコンデンサ４４、４６及び４８が夫々フィルタ開閉器４３、４５、４７を介して並列に接続されている。また、起動用フィルタ装置４の入力と出力を短絡する短絡開閉器４９が設けられている。切替開閉器５１の出力は定常用フィルタ盤６内のフィルタ装置６１に接続され、フィルタ装置６１の出力は電動機グループ７１を駆動している。同様に、切替開閉器５２の出力は定常用フィルタ盤６内のフィルタ装置６２に接続され、フィルタ装置６２の出力は電動機グループ７２を駆動し、切替開閉器５３の出力は定常用フィルタ盤６内のフィルタ装置６３に接続され、フィルタ装置６３の出力は電動機グループ７３を駆動している。すなわち、複数台のヒステリシス電動機７は電動機グループ７１、７２、７３に分割されている。図１の例では電動機グループ７１、７２、７３は夫々Ｎ台のヒステリシス電動機７１１乃至７１Ｎ、７２１乃至７２Ｎ、７３１乃至７３Ｎから構成されている。各々の電動機グループには、入力を並列分岐する複数個の個別スイッチが設けられる場合もあるが、ここでは図示を省略している。フィルタ装置６１は、直列に接続されたリアクトル６１１とこの出力側にフィルタ開閉器６１３を介して並列に接続されたコンデンサ６１４とリアクトル６１１の入出力間を短絡する短絡開閉器６１２とから構成されている。同様に、フィルタ装置６２、６３は夫々、リアクトル６２１とフィルタ開閉器６２３とコンデンサ６２４と短絡開閉器６２２、リアクトル６３１とフィルタ開閉器６３３とコンデンサ６３４と短絡開閉器６３２から構成されている。

定格速度駆動用のインバータ装置である定常用インバータ２Ａは、交流電源１Ａから供給される交流電圧を内部に設けられたコンバータ２１Ａで直流に変換し、インバータ２２Ａで再び交流に変換して出力する。交流電源１Ａは交流電源１と同一であっても良い。定常用インバータ２Ａの出力は、分岐盤５内に設けられた定常運転用の切替開閉器５１Ａ、５２Ａ及び５３Ａを介して夫々起動分岐用の切替開閉器５１、５２及び５３の出力側に接続されている。

起動用インバータ２及び定常用インバータ２Ａはインバータ制御装置８によってその動作が制御されている。また、インバータ制御装置８は起動用フィルタ装置４、分岐盤５及び定常用フィルタ盤６内の各種開閉器のオンオフ動作を制御する。

ここで、起動用フィルタ装置４の動作概要について、図２のベクトル図を参照して説明する。図２（ａ）は、例えば起動用インバータ２を起動周波数ｆ１において電動機グループ７１を起動したときの各部の電圧・電流を示すベクトル図である。この起動時には、起動用フィルタ装置４のフィルタ開閉器４３、４５、４７は全て投入されており、また切替開閉器５１及び短絡開閉器６１２は閉路している。起動用フィルタ装置４がない場合にはインバータ電圧Ｖinv1は電動機電圧Ｖm1に一致し、インバータ電流Ｉinv1は電動機電流Ｉm1に一致し、インバータ力率は電動機力率θm1と等しくなるが、起動用フィルタ装置４の効果によって電動機電圧Ｖm1に直交するコンデンサ電流Ｉc1が流れ、またインバータ電圧Ｖinv1に直交した電圧降下ＶL1が生じることによってインバータ力率はθinv1となり大きく改善される。すなわち、インバータ電流Ｉinv1は電動機電流Ｉm1に比べてかなり減少するので起動用インバータ２の容量は低減される。

上記状態で起動用インバータ２の周波数をｆ１からほぼ２倍のｆ２に上昇させると図２（ｂ）に示すベクトル図が得られる。尚、当然ながら周波数に比例して電圧も増大させている。図２において、電動機力率θm2は基本的にθm1と同一である。そして、コンデンサ電流Ｉc2はＩc1のほぼ倍、また電圧降下ＶL２はＶL1のほぼ倍の大きさとなる。この結果、インバータ電流Ｉinv2はインバータ電圧Ｖinv2に対して力率角θinv2だけ進んだ電流となり、その大きさもＩinv1より増大する。これはフィルタコンデンサによる過補償状態であるので、図２（ｂ）の状態になる前にフィルタ開閉器４３を開放してコンデンサ４４を切り離す。このように起動用インバータ２の周波数が上昇するに連れてフィルタコンデンサを次々と切り離していくようにすれば、起動用インバータ２の出力電流を所定の範囲内とすることができる。

以下、図３のタイムチャートに基づいて図１に示すヒステリシス電動機用ドライブ装置の全体の動作説明を行う。図３において、横軸は時間、縦軸は以下の諸量を示している。すなわち、最上部の２段は起動用インバータ２の出力電圧と定常用インバータ２Ａの出力電圧、次の３段はフィルタ開閉器４３、４５、４７のオンオフ動作、中央部６段は切替開閉器５１、５１Ａ、５２、５２Ａ、５３、５３Ａのオンオフ動作、最下部４段は短絡開閉器６１２、６２２、フィルタ開閉器６１３、６２３のオンオフ動作である。尚、短絡開閉器６１３、フィルタ開閉器６３３については記載を省略している。

まず、起動用インバータ２を起動周波数、起動電圧で運転した状態において、時刻Ｔ１で切替開閉器５１及びフィルタ開閉器４３、４５、４７を投入して電動機グループ７１を起動する。このとき、短絡開閉器６１２、６２２、６３２はＯＮとし、定常用フィルタ盤の機能を殺している。尚、切替開閉器５１を投入するタイミングを、フィルタ開閉器４３、４５、４７の投入より若干早くすることによって起動をスムースに行うことが可能となるのでそのように図示している。所定時間経過後、起動用インバータ２の電圧及び周波数を所定のレートで上昇させる。そして図２を用いて説明したように、時刻Ｔ２においてフィルタ開閉器４３を開放する。ここで時刻Ｔ２の決め方であるが、最も簡単な方法は、タイマーに依るもの、または起動用インバータ２の周波数によるものである。但しこれらを用いる場合は、駆動する負荷の速度トルク特性がある程度分かっている必要がある。他の手法としては、電流検出器３で検出した電流が所定の閾値を超えたときフィルタ開閉器４３を開放する。また、インバータ２２の出力力率を監視し、この値が所定の進み力率になったときフィルタ開閉器４３を開放するようにしても良い。

以下同様に、時刻Ｔ３になったとき、フィルタ開閉器４５を開放し、時刻Ｔ４になったときフィルタ開閉器４７を開放する。尚、時刻Ｔ４においては、定格周波数に近いので、フィルタ装置６１内の短絡開閉器６１２を開放し、フィルタ開閉器６１３を投入する。また、図３には図示していないが、短絡開閉器６１２を開放したあと、加速用フィルタ装置の短絡開閉器４９を投入しても良い。この場合は次の電動機グループの起動時に再び開放する。

この状態で更に加速を続け、時刻Ｔ５において起動用インバータ２は定格周波数に到達する。こことき、予め定格周波数・定格電圧で運転していた定常用インバータ２Ａへの負荷の乗せ替えを以下のように行う。まず時刻Ｔ５において、切替開閉器５１及びフィルタ開閉器６１３を開放し、電動機グループ７１をフリーランさせると共に、定常用インバータ２Ａの出力電圧を短時間絞る。そして、この電圧絞りが達成された状態で切替開閉器５１Ａを投入し、フィルタ開閉器６１３を再投入する。このようにして電動機グループ７１の定常用インバータ２Ａでの駆動が達成される。

次に電動機グループ７２の運転について説明する。起動用インバータ２を起動周波数、起動電圧で運転した状態において、時刻Ｔ６で切替開閉器５２及びフィルタ開閉器４３、４５、４７を投入して電動機グループ７２を起動する。以降時刻Ｔ７でフィルタ開閉器４３を切り離し、時刻Ｔ８でフィルタ開閉器４５を切り離し、時刻Ｔ９でフィルタ開閉器４７を切り離すと共に短絡開閉器６２２を開放してフィルタ開閉器６２３を投入する。これらの手順は電動機グループ７１の起動・加速の場合と全く同じである。このようにして時刻Ｔ１０で起動用インバータ２は定格電圧／周波数に到達する。このとき、時刻Ｔ５の場合と異なるのは、電動機グループ７１が既に定常用インバータ２Ａで運転されている状態で電動機グループ７２を起動用インバータ２から定常用インバータ２Ａに乗せ替える点である。時刻Ｔ１０において切替開閉器５２及びフィルタ開閉器６２３を開放し、電動機グループ７２をフリーランさせると共に、定常用インバータ２Ａの出力電圧を短時間絞る。これらの動作に加え、切替開閉器５１Ａ及びフィルタ開閉器６１３も開放し、定格運転されていた電動機グループ７１もフリーランさせる。そして、定常用インバータ２Ａの電圧絞りが達成された状態で切替開閉器５２Ａを投入、切替開閉器５１Ａを再投入し、またフィルタ開閉器６２３及び６１３を再投入する。そして、定常用インバータ２Ａの電圧が定格に復帰して過渡状態が終わると電動機グループ７１及び７２の定常用インバータ２Ａでの駆動が達成される。このように、全てのヒステリシス電動機を一旦フリーランさせ、定常用インバータ２Ａの出力電圧が絞られた状態で再起動を行うことにより、異常な過渡電流などの影響を少なくすることができる。

時刻Ｔ１１は電動機グループ７３の起動開始を示すが、以降の動作は基本的に起動グループ７２の動作と同様であるので説明を省略する。

このようにして全ての電動機グループを定常用インバータ２Ａで定格運転することが可能となる。起動用インバータ２の容量を定常用インバータ２Ａと同等以上の容量に選定しておけば、定常運転中に定常用インバータ２Ａが故障したとき、分岐盤５内の切替開閉器を切替えることによって起動用インバータ２でバックアップ運転を行うことが可能となる。

図４は本発明の実施例２に係るヒステリシス電動機用ドライブ装置の動作タイムチャートである。この実施例２の動作タイムチャートが図３の実施例１の動作タイムチャートと異なる点は、図４のＰ１及びＰ２の点において起動用インバータ２の出力電圧を絞るようにした点である。

点Ｐ１及びＰ２は夫々時刻Ｔ４と時刻Ｔ９に対応している。すなわち、時刻Ｔ４またはＴ９でフィルタ開閉器４７を開放するとき、フィルタコンデンサ４８の遮断電流を抑制する目的で起動用インバータ２の出力電圧を絞る。例えば、電圧絞りに要する時間をαとすれば、点Ｐ１においては、時刻Ｔ４−αにおいて、点Ｐ２においては時刻Ｔ９−αにおいて電圧絞りを開始するようにすれば良い。

このような遮断電流の抑制は、起動用インバータ２の出力電圧が高いときに有効であるが、電圧が低い状態であっても問題となる場合もある。その場合は、時刻Ｔ２、Ｔ７におけるフィルタ開閉器４３の開放時、時刻Ｔ３、Ｔ８におけるフィルタ開閉器４５の開放時にも上記と同様な電圧絞りを行えば良い。

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は定常インバータが１台の場合であるが、任意の複数台であっても全く同様である。

また、図１は、簡単のため、電動機グループを同一台数の同一容量で構成された３組としたが、電動機グループの組数及びそれら互いの容量比は任意である。

また、図１において、インバータ制御装置８は起動用インバータ２及び定常用インバータ２Ａの両方を制御すると説明したが、インバータ制御装置８を起動用インバータ２用とし、定常用インバータ２Ａ用の制御装置を別に設けても良い。

また、図３、４において、定常用インバータ２Ａに乗せ替えるとき、一旦定常用インバータ２Ａの電圧を絞った状態で再投入したあと、短時間で定格電圧に復帰させるように図示してあるが、切替時の過電流を抑えるため、電圧を絞ったあと、暫くの間、ヒステリシス電動機の逆起電圧と定格電圧の間の電圧に保持しておくことも有効である。

更に、インバータ制御装置８から直接、起動用フィルタ装置４、分岐盤５及び定常用フィルタ盤６内の各種開閉器のオンオフ指令を出力するものとしたが、別に設けられた開閉器用制御装置を介して行う構成としても良い。

１、１Ａ 交流電源
２ 起動用インバータ
２Ａ 定常用インバータ
２１、２１Ａ コンバータ
２２、２２Ａ インバータ
３ 電流検出器
４ 起動用フィルタ装置
４１ 開閉器
４２ リアクトル
４３、４５、４７ フィルタ開閉器
４４、４６、４８ フィルタコンデンサ
５ 分岐盤
５１、５１Ａ、５２、５２Ａ、５３、５３Ａ 切替開閉器
６ 定常用フィルタ盤
６１、６２、６３ フィルタ装置
６１１、６２１、６３１ リアクトル
６１２、６２２、６３２ 短絡開閉器
６１３、６２３、６３３ フィルタ開閉器
６１４、６２４、６３４ コンデンサ
７ 複数台のヒステリシス電動機
７１、７２、７３ 電動機グループ
７１１、・・・７１Ｎ、７２１、・・・７２Ｎ、７３１、・・・７３Ｎ ヒステリシス電動機
８ インバータ制御装置

Claims (6)

1. 複数台のヒステリシス電動機を電動機グループ単位で順次起動するための起動用インバータと、
   前記起動用インバータの出力側に設けられ、複数台のフィルタコンデンサを有する起動用フィルタ装置と、
   前記ヒステリシス電動機を定格速度で運転するための定常用インバータと、
   前記起動用フィルタ装置の出力と前記定常用インバータの出力を前記電動機グループ単位で選択的に切替可能な分岐盤と、
   前記分岐盤の電動機グループ毎の出力を入力とし、各々その出力で並列接続された複数台のヒステリシス電動機を駆動する複数台の定常用フィルタ装置と、
   前記起動用インバータ及び定常用インバータを制御するインバータ制御装置と
   を具備し、
   前記インバータ制御装置は、
   前記起動用インバータによって何れかの電動機グループを起動するとき、前記複数台のフィルタコンデンサを全て投入し、前記起動用インバータを最高周波数まで立ち上げる間、段階的に前記複数台のフィルタコンデンサの一部を切り離し、最高周波数到達前に全てのフィルタコンデンサを切り離し、前記定常用フィルタ装置を投入して最高周波数まで加速駆動した後、前記分岐盤内の切替開閉器を前記定常用インバータ側に切り替えて電動機グループを定常用インバータに乗せ替え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。
2. 前記インバータ制御装置は、
   前記電動機グループの何れかを前記定常用インバータ側に乗せ替えるとき、当該電動機グループのフィルタ装置を切り離してフリ−ランさせた状態で、且つ前記定常用インバータの出力電圧を絞った状態で乗せ替え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。
3. 前記インバータ制御装置は、
   前記電動機グループの一部が前記定常用インバータで駆動中であれば、駆動中の電動機グループのフィルタ装置を切り離してフリーランさせ、前記定常用インバータの出力電圧が絞られた状態で再投入するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。
4. 前記インバータ制御装置は、
   前記定常用インバータの出力電圧を絞った状態で前記電動機グループの何れかを前記起動用インバータから定常用インバータに乗せ替えた後、所定の時間定常用インバータの出力電圧を前記ヒステリシス電動機の逆起電圧より高く、定格電圧より低い値に保持するようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。
5. 前記インバータ制御装置は、
   前記複数台のフィルタコンデンサの一部を切り離すとき、前記起動用インバータの出力電圧を絞った状態で切り離すようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。
6. 前記インバータ制御装置は、
   前記定常用インバータで全てのヒステリシス電動機を駆動中に、定常用インバータが故障停止したとき、前記分岐盤内の切替開閉器を切替えることによって前記起動用インバータでバックアップ運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のヒステリシス電動機用ドライブ装置。