JP7136756B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は駆動装置に関し、特に、交流電動機を駆動させる駆動装置に関する。

たとえば特開２００９－２８４７１９号公報（特許文献１）には、交流電動機を駆動させる駆動装置が開示されている。この駆動装置は、交流電動機の回転数を検出する回転数検出器と、回転数検出器によって検出される回転数を取り込み、取り込んだ回転数と所定のしきい値回転数とを比較し、その回転数が所定のしきい値回転数よりも小さい場合には、第１のキャリア周波数の三角波信号を生成し、その回転数が所定のしきい値回転数よりも大きい場合には、第１のキャリア周波数と異なる第２のキャリア周波数の三角波信号を生成する三角波発生部と、正弦波信号と三角波信号とを比較してゲート信号を生成するゲート信号発生部と、ゲート信号によって駆動され、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に供給するインバータとを備える。

特開２００９－２８４７１９号公報

しかし、特許文献１では、回転検出器によって検出される回転数を取り込み、その回転数に基づいて三角波信号のキャリア周波数を切り換えるので、キャリア周波数の切り換えが遅延するという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、キャリア周波数を迅速に切り換えることが可能な駆動装置を提供することである。

この発明に係る駆動装置は、交流電動機を駆動させる駆動装置であって、励磁周波数を指令する周波数指令部と、周波数指令部によって指令される励磁周波数に応じた周波数の正弦波信号を生成する正弦波発生部と、周波数指令部によって指令される励磁周波数と第１のしきい値周波数との高低を比較し、その励磁周波数が第１のしきい値周波数よりも低い場合には第１のキャリア周波数を有する三角波信号を生成し、その励磁周波数が第１のしきい値周波数よりも高い場合には第１のキャリア周波数と異なる第２のキャリア周波数を有する三角波信号を生成する三角波発生部と、正弦波信号と三角波信号の高低を比較し、その比較結果に基づいてゲート信号を生成するゲート信号発生部と、ゲート信号によって駆動され、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に供給するインバータとを備えたものである。

この発明に係る駆動装置では、周波数指令部によって指令される励磁周波数に基づいてキャリア周波数を設定するので、キャリア周波数を迅速に切り換えることができる。

この発明の一実施の形態による駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示すインバータの構成を示す回路ブロック図である。 図１に示す制御装置のうちのインバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。 図３に示すＰＷＭ制御部の要部を示すブロック図である。 図４に示す周波数指令部の構成を示す回路ブロック図である。 図５に示す周波数指令部の動作を示す図である。 図５に示す周波数指令部の動作を示すタイムチャートである。 図５に示す周波数指令部の動作を示す他のタイムチャートである。 図４に示す電圧指令値、三角波信号、およびゲート信号の波形を示すタイムチャートである。 実施の形態の効果を説明するための図である。

図１は、この発明の一実施の形態による駆動装置１の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この駆動装置１は、コンバータ２、直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、コンデンサ３、インバータ４、電流検出器５、回転速度検出器６、制御装置７、および操作部８を含む。

コンバータ２は、制御装置７によって制御され、商用交流電源１１から供給される三相交流電圧を直流電圧ＶＤＣ（Ｖ）に変換する。コンバータ２によって生成された直流電圧ＶＤＣは、直流正母線Ｌ１および直流負母線Ｌ２を介してインバータ４に供給される。コンデンサ３は、母線Ｌ１，Ｌ２間に接続され、母線Ｌ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを平滑化する。直流電圧ＶＤＣは、制御装置７によって検出される。

インバータ４は、制御装置７によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御され、コンバータ２から母線Ｌ１，Ｌ２を介して供給される直流電圧ＶＤＣを励磁周波数Ｆｅ（Ｈｚ）の三相交流電圧に変換する。励磁周波数Ｆｅは、制御装置７によって制御される。インバータ４によって生成された三相交流電圧は、誘導電動機１２の三相巻線に供給される。

誘導電動機１２は、三相交流電圧を受けて回転磁界を生成する三相巻線と、回転磁界によって回転駆動されるローターとを含む。ローターには、回転軸１２ａが設けられている。インバータ４から三相巻線に三相交流電圧が供給されると、回転軸１２ａは励磁周波数Ｆｅに応じた回転速度で回転駆動される。

誘導電動機１２の回転軸１２ａは、負荷１３に結合される。負荷１３は、たとえば、可変速揚水発電システムに含まれるポンプ水車である。このシステムでは、消費電力が小さな夜間には、余剰電力によって誘導電動機１２を駆動させて下側池の水を上側池に汲み上げる。また、消費電力が大きな昼間には、上側池から下側池に放水し、水力によって誘導電動機１２を発電機として動作させて交流電力を発生し、発生した交流電力を商用交流電源１１（電力系統）に供給する。

電流検出器５は、インバータ４から誘導電動機１２に流れる交流電流を検出し、検出値Ｉｄ（Ａ）を示す信号を制御装置７に与える。回転速度検出器６は、誘導電動機１２のローター（すなわち回転軸１２ａ）の回転速度を検出し、その検出値Ｒｄ（ｒｐｍ）を示す信号を制御装置７に与える。

制御装置７は、直流電圧ＶＤＣが所定の目標電圧になるようにコンバータ２を制御する。また、制御装置７は、直流電圧ＶＤＣ、電流検出器５の出力信号（すなわち電流検出値Ｉｄ）、回転速度検出器６の出力信号（すなわち回転速度検出値Ｒｄ）などに基づいて、インバータ４をＰＷＭ制御し、誘導電動機１２を回転駆動させる。

操作部８は、複数のボタン、複数のスイッチ、表示画面などを含む。駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することによって、制御装置７で使用される種々の数値（しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２、キャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２など）を所望の値に設定することが可能となっている。

図２は、インバータ４の構成を示す回路ブロック図である。図２において、インバータ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１～Ｑ６およびダイオードＤ１～Ｄ６を含む。ＩＧＢＴは、スイッチング素子の一実施例を構成する。ＩＧＢＴＱ１～Ｑ３のコレクタはともに直流正母線Ｌ１に接続され、それらのエミッタはそれぞれ出力ノード４ａ，４ｂ，４ｃに接続される。ＩＧＢＴＱ４～Ｑ６のコレクタはそれぞれ出力ノード４ａ，４ｂ，４ｃに接続され、それらのエミッタはともに直流負母線Ｌ２に接続される。ダイオードＤ１～Ｄ６は、それぞれＩＧＢＴＱ１～Ｑ６に逆並列に接続される。

ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４はそれぞれゲート信号Ａｕ，Ｂｕによって制御され、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ５はそれぞれゲート信号Ａｖ，Ｂｖによって制御され、ＩＧＢＴＱ３，Ｑ６はそれぞれゲート信号Ａｗ，Ｂｗによって制御される。ゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，Ａｗの反転信号である。

ＩＧＢＴＱ１～Ｑ３は、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，Ａｗが「Ｈ」レベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，Ａｗが「Ｌ」レベルにされた場合にオフする。ＩＧＢＴＱ４～Ｑ６は、それぞれゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗが「Ｈ」レベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗが「Ｌ」レベルにされた場合にオフする。

ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの各々は、パルス信号列であり、ＰＷＭ信号である。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの位相とゲート信号Ａｖ，Ｂｖの位相とゲート信号Ａｗ，Ｂｗの位相とは１２０度ずつずれている。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの生成方法については後述する。

たとえば、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ５がオンすると、直流正母線Ｌ１がＩＧＢＴＱ１を介して出力ノード４ａに接続されるとともに、出力ノード４ｂがＩＧＢＴＱ５を介して直流負母線Ｌ２に接続され、出力ノード４ａ，４ｂ間に正電圧が出力される。

また、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ４がオンすると、直流正母線Ｌ１がＩＧＢＴＱ２を介して出力ノード４ｂに接続されるとともに、出力ノード４ａがＩＧＢＴＱ４を介して直流負母線Ｌ２に接続され、出力ノード４ａ，４ｂ間に負電圧が出力される。

ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，ＢｗによってＩＧＢＴＱ１～Ｑ６の各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせるとともに、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６の各々のオン時間を調整することにより、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを所望の実効電圧および所望の周波数を有する三相交流電圧に変換することが可能となっている。インバータ４の出力ノード４ａ～４ｃから出力される三相交流電圧は、誘導電動機１２の三相巻線に供給され、回転磁界を発生する。

図３は、制御装置７のうちのインバータ４の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図３において、制御装置７は、回転速度指令部２１、周波数指令部２２、電流指令部２３、電流制御部２４、しきい値設定部２５、およびＰＷＭ制御部２６を含む。

回転速度指令部２１は、誘導電動機１２の回転軸１２ａの回転速度を指令するための回転速度指令値Ｒｃを出力する。駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することにより、回転速度指令値Ｒｃを所望の値に設定し、所望のパターンで変化させることが可能となっている。

周波数指令部２２は、回転速度検出器６の出力信号によって示される回転速度検出値Ｒｄが回転速度指令部２１からの回転速度指令値Ｒｃになるように、励磁周波数Ｆｅを指令する。励磁周波数Ｆｅが増大すると、インバータ４から出力される三相交流電圧の周波数が増大し、誘導電動機１２の回転軸１２ａの回転速度が増大する。

回転速度検出値Ｒｄが回転速度指令値Ｒｃよりも小さい場合には、周波数指令部２２は、回転速度検出値Ｒｄが増大して回転速度指令値Ｒｃになるように、励磁周波数Ｆｅを徐々に増大させる。逆に、回転速度検出値Ｒｄが回転速度指令値Ｒｃよりも大きい場合には、周波数指令部２２は、回転速度検出値Ｒｄが減少して回転速度指令値Ｒｃになるように、励磁周波数Ｆｅを徐々に減少させる。

電流指令部２３は、回転速度指令部２１からの回転速度指令値Ｒｃと回転速度検出器６の出力信号によって示される回転速度検出値Ｒｄとの差ΔＲ＝Ｒｃ－Ｒｄに応じた値の電流指令値Ｉｃを生成する。

電流制御部２４（正弦波発生部）は、正弦波状に変化する電圧指令値Ｖｃ（正弦波信号）を生成する。電流制御部２４は、電流検出器５の出力信号によって示される電流検出値Ｉｄが電流指令部２３からの電流指令値Ｉｃになるように、電圧指令値Ｖｃの振幅を制御する。

しきい値設定部２５は、操作部８からの信号に従って、ＰＷＭ制御部２６で使用される第１のしきい値周波数Ｆｔ１（Ｈｚ）および第２のしきい値周波数Ｆｔ２（Ｈｚ）の各々を設定する。第１のしきい値周波数Ｆｔ１は、第２のしきい値周波数Ｆｔ２よりも高い（Ｆｔ１＞Ｆｔ２）。誘導電動機１２における共振現象が発生すると、誘導電動機１２の回転軸１２ａなどが振動し、騒音が発生する、または機器が破損する可能性がある。

駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することにより、しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２の各々を所望の値に設定することが可能となっている。しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２の各々を適切な値に設定することにより、誘導電動機１２において共振現象が発生することを防止し、振動を小さく抑制することが可能となっている。この理由については、後述する。

ＰＷＭ制御部２６は、周波数指令部２２によって指令された励磁周波数Ｆｅと、電流制御部２４からの電圧指令値Ｖｃと、しきい値設定部２５からのしきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２とに基づいて、インバータ４を駆動させるゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗを生成する。

図４は、ＰＷＭ制御部２６の要部を示す回路ブロック図である。図４において、ＰＷＭ制御部２６は、周波数指令部３１、発振器３２、三角波発生器３３、比較器３４、バッファ３５、およびインバータ３６を含む。

周波数指令部３１は、周波数指令部２２（図３）によって指令される励磁周波数Ｆｅと、しきい値設定部２５によって生成されたしきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２との高低を比較し、比較結果に基づいてキャリア周波数Ｆｃを指令する。キャリア周波数Ｆｃは、第１のキャリア周波数Ｆｃ１（Ｈｚ）および第２のキャリア周波数Ｆｃ２（Ｈｚ）のうちのいずれか一方とされる。第１のキャリア周波数Ｆｃ１は、第２のキャリア周波数Ｆｃ２よりも低い。

図５は、周波数指令部３１の構成を示す回路ブロック図である。図５において、周波数指令部３１は、比較器４１，４２、フリップフロップ４３、変化量設定部４４、スイッチ４５、周波数設定部４６、および加算器４７を含む。

比較器４１は、励磁周波数Ｆｅと第１のしきい値周波数Ｆｔ１との高低を比較し、比較結果を示す信号φ４１を出力する。励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１以下である場合には（Ｆｅ≦Ｆｔ１）、信号φ４１は「Ｌ」レベルにされる。励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１よりも大きい場合には（Ｆｅ＞Ｆｔ１）、信号φ４１は「Ｈ」レベルにされる。

比較器４２は、励磁周波数Ｆｅと第２のしきい値周波数Ｆｔ２との高低を比較し、比較結果を示す信号φ４２を出力する。励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２以下である場合には（Ｆｅ≦Ｆｔ２）、信号φ４２は「Ｈ」レベルにされる。励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２よりも大きい場合には（Ｆｅ＞Ｆｔ２）、信号φ４２は「Ｌ」レベルにされる。第２のしきい値周波数Ｆｔ２は、第１のしきい値周波数Ｆｔ１よりも低い。

フリップフロップ４３は、比較器４１の出力信号φ４１を受けるセット端子Ｓと、比較器４２の出力信号φ４２を受けるリセット端子Ｒと、信号φ４３を出力する出力端子Ｄとを有する。信号φ４１が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられると、フリップフロップ４３がセットされて信号φ４３は「Ｈ」レベルにされる。信号φ４２が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられると、フリップフロップ４３がリセットされて信号φ４３は「Ｌ」レベルにされる。

変化量設定部４４は、操作部８からの信号に従い、キャリア周波数変化量ΔＦｃ（Ｈｚ）を設定する。キャリア周波数変化量ΔＦｃは、第２のキャリア周波数Ｆｃ２と第１のキャリア周波数Ｆｃ１との差である（ΔＦｃ＝Ｆｃ２－Ｆｃ１）。駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することにより、キャリア周波数変化量ΔＦｃを所望の値に設定することが可能となっている。

スイッチ４５は、切換端子４５ａ，４５ｂおよび共通端子４５ｃを含む。切換端子４５ａは、キャリア周波数変化量ΔＦｃ（たとえば５０Ｈｚ）を示す信号を受ける。切換端子４５ｂは、０Ｈｚを示す信号を受ける。

スイッチ４５は、フリップフロップ４３の出力信号φ４３によって制御される。信号φ４３が「Ｈ」レベルである場合には、端子４５ａ，４５ｃ間が導通し、キャリア周波数変化量ΔＦｃを示す信号がスイッチ４５を介して加算器４７に与えられる。信号φ４３が「Ｌ」レベルである場合には、端子４５ｂ，４５ｃ間が導通し、０Ｈｚを示す信号がスイッチ４５を介して加算器４７に与えられる。

周波数設定部４６は、操作部８からの信号に従い、参照周波数Ｆｃｒを設定する。駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することにより、参照周波数Ｆｃｒを所望の値に設定することが可能となっている。したがって、駆動装置１の使用者は、操作部８を操作することにより、第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃｒおよび第２のキャリア周波数Ｆｃ２＝Ｆｃｒ＋ΔＦｃの各々を所望の値に設定することが可能となっている。

加算器４７は、スイッチ４５の共通端子４５ｃからの信号によって示される周波数（ΔＦｃまたは０Ｈｚ）と、参照周波数Ｆｃｒ（たとえば３００Ｈｚ）とを加算し、キャリア周波数Ｆｃを出力する。フリップフロップ４３の出力信号φ４３が「Ｌ」レベルである場合には、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃｒとなる。信号φ４３が「Ｈ」レベルである場合には、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２＝Ｆｃｒ＋ΔＦｃとなる。キャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２の各々は、励磁周波数Ｆｅよりも十分に高い周波数に設定されている。

図６は、図５に示した周波数指令部３１の動作を示す図である。図６において、（Ａ）は信号φ４１を示し、（Ｂ）は信号φ４２を示し、（Ｃ）は信号φ４３を示し、（Ｄ）はキャリア周波数Ｆｃを示している。図６の横軸は、励磁周波数Ｆｅを示している。

図６において、励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２よりも低い場合には（Ｆｅ＜Ｆｔ２）、比較器４１の出力信号φ４１が「Ｌ」レベルにされ、比較器４２の出力信号φ４２が「Ｈ」レベルにされ、フリップフロップ４３はリセットされて信号φ４３は「Ｌ」レベルにされている。信号φ４３が「Ｌ」レベルであるので、スイッチ４５の端子４５ｂ，４５ｃ間が導通し、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃｒとなる。

励磁周波数Ｆｅが徐々に増大され、励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２を超えると（Ｆｔ２＜Ｆｅ）、比較器４２の出力信号φ４２が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。このとき、比較器４２の出力信号φ４１，φ４２がともに「Ｌ」レベルとなり、フリップフロップ４３はリセット状態に維持され、信号φ４３は「Ｌ」レベルに維持され、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃｒに維持される。

励磁周波数Ｆｅがさらに増大され、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１を超えると（Ｆｔ１＜Ｆｅ）、比較器４１の出力信号φ４１が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、フリップフロップ４３がセットされて信号φ４３が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。信号φ４３が「Ｈ」レベルにされると、スイッチ４５の端子４５ａ，４５ｃ間が導通し、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２＝Ｆｃｒ＋ΔＦｃとなる。

また、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１よりも高い状態から徐々に減少され、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１以下にされると（Ｆｅ≦Ｆｔ１）、比較器４１の出力信号φ４１が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。このとき、比較器４２の出力信号φ４１，φ４２がともに「Ｌ」レベルとなり、フリップフロップ４３はセット状態に維持され、信号φ４３は「Ｈ」レベルに維持され、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２＝Ｆｃｒ＋ΔＦｃに維持される。

励磁周波数Ｆｅがさらに減少され、励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２以下にされると（Ｆｅ≦Ｆｔ２）、比較器４２の出力信号φ４２が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられ、フリップフロップ４３がリセットされて信号φ４３が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。信号φ４３が「Ｌ」レベルにされると、スイッチ４５の端子４５ｂ，４５ｃ間が導通し、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃｒとなる。

図６から分かるように、周波数指令部３１は、励磁周波数Ｆｅの変化に対してヒステリシス特性を有する。これにより、励磁周波数Ｆｅがしきい値周波数Ｆｔ２（あるいはＦｔ１）付近で頻繁に増減した場合に、キャリア周波数Ｆｃが頻繁に切り換えられることを防止することが可能となっている。

図７は、図５に示した周波数指令部３１の動作を示すタイムチャートである。図７では、誘導電動機１２の加速運転時における励磁周波数Ｆｅとキャリア周波数Ｆｃとの関係が示されている。ある時刻ｔ０において、励磁周波数Ｆｅは第２のしきい値周波数Ｆｔ２よりも低く、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１に設定されている。

回転速度指令部２１（図３）によって回転速度指令値Ｒｃが増大され、誘導電動機１２の加速運転が指令されると、周波数指令部２２（図３）によって励磁周波数Ｆｅが徐々に増大される。時刻ｔ１において、励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔ２を超えても、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１に維持される。時刻ｔ２において、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１を超えると、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２＝Ｆｃ１＋ΔＦｃに増大される。

図８は、図５に示した周波数指令部３１の動作を示す他のタイムチャートである。図８では、誘導電動機１２の減速運転時における励磁周波数Ｆｅとキャリア周波数Ｆｃの関係が示されている。ある時刻ｔ０において、励磁周波数Ｆｅは第１のしきい値周波数Ｆｔ１よりも高く、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２に設定されている。

回転速度指令部２１（図３）によって回転速度指令値Ｒｃが減少され、誘導電動機１２の減速運転が指令されると、周波数指令部２２（図３）によって励磁周波数Ｆｅが徐々に減少される。時刻ｔ１において、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１よりも低下しても、キャリア周波数Ｆｃは第２のキャリア周波数Ｆｃ２に維持される。時刻ｔ２において、励磁周波数Ｆｅが第２のしきい値周波数Ｆｔよりも低下すると、キャリア周波数Ｆｃは第１のキャリア周波数Ｆｃ１＝Ｆｃ２－ΔＦｃに減少される。

図４に戻って、発振器３２は、周波数指令部３１によって指令されたキャリア周波数Ｆｃの矩形波信号Ｖｓを生成する。三角波発生器３３は、矩形波信号Ｖｓを三角波信号Ｖｔに変換する。三角波信号Ｖｔは、キャリア周波数Ｆｃを有する。周波数指令部３１、発振器３２、および三角波発生器３３は、三角波発生部を構成する。

比較器３４の非反転入力端子（＋端子）は電圧指令値Ｖｃを受け、その反転入力端子（－端子）は三角波信号Ｖｔを受け、その出力端子にはＰＷＭ制御信号φ３４が出力される。比較器３４は、電圧指令値Ｖｃと三角波信号Ｖｔの高低を比較し、比較結果を示すＰＷＭ制御信号φ３４を出力する。電圧指令値Ｖｃが三角波信号Ｖｔによりも高い場合には、ＰＷＭ制御信号φ３４は「Ｈ」レベルにされる。電圧指令値Ｖｃが三角波信号Ｖｔによりも低い場合には、ＰＷＭ制御信号φ３４は「Ｌ」レベルにされる。

バッファ３５は、ＰＷＭ制御信号φ３４に応答してゲート信号Ａｕを生成する。インバータ３６は、ＰＷＭ制御信号φ３４を反転させてゲート信号Ｂｕを生成する。ゲート信号Ｂｕは、ゲート信号Ａｕの反転信号となる。ＰＷＭ制御部２６は、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕと同様の方法で、ゲート信号Ａｖ，Ｂｖおよびゲート信号Ａｗ，Ｂｗを生成する。ただし、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの位相とゲート信号Ａｖ，Ｂｖの位相とゲート信号Ａｗ，Ｂｗの位相とは１２０度ずつずれている。三相ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗは、インバータ４（図２）に与えられる。

図９は、図４に示した電圧指令値Ｖｃ、三角波信号Ｖｔ、およびゲート信号Ａｕ，Ｂｕの波形を示すタイムチャートである。（Ａ）は電圧指令値Ｖｃおよび三角波信号Ｖｔの波形を示し、（Ｂ）はゲート信号Ａｕの波形を示し、（Ｃ）はゲート信号Ｂｕの波形を示している。

図９において、電圧指令値Ｖｃは、励磁周波数Ｆｅに応じた周波数を有する正弦波信号である。三角波信号Ｖｔのキャリア周波数Ｆｃは、電圧指令値Ｖｃの周波数よりも高い。三角波信号Ｖｔの正側のピーク値は、電圧指令値Ｖｃの正側のピーク値よりも高い。三角波信号Ｖｔの負側のピーク値は、電圧指令値Ｖｃの負側のピーク値よりも低い。

三角波信号Ｖｔのレベルが電圧指令値Ｖｃよりも高い場合はゲート信号Ａｕは「Ｌ」レベルになり、三角波信号Ｖｔのレベルが電圧指令値Ｖｃよりも低い場合はゲート信号Ａｕは「Ｈ」レベルになる。ゲート信号Ａｕは、正パルス信号列となる。

電圧指令値Ｖｃが正極性である期間では、電圧指令値Ｖｃが上昇するとゲート信号Ａｕのパルス幅は増大する。電圧指令値Ｖｃが負極性である期間では、電圧指令値Ｖｃが下降するとゲート信号Ａｕのパルス幅は減少する。ゲート信号Ｂｕはゲート信号Ａｕの反転信号となる。

ゲート信号Ａｖ，Ｂｖおよびゲート信号Ａｗ，Ｂｗの各々の波形は、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの波形と同様である。ただし、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの位相とゲート信号Ａｖ，Ｂｖの位相とゲート信号Ａｗ，Ｂｗの位相とは１２０度ずつずれている。

図７から分かるように、三角波信号Ｖｔのキャリア周波数Ｆｃを高くすると、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの周波数が高くなり、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６のスイッチング周波数（オンおよびオフの回数／秒）が高くなる。逆に、三角波信号Ｖｔのキャリア周波数Ｆｃを低くすると、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの周波数が低くなり、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６のスイッチング周波数が低くなる。

ここで、誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒと、しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２と、キャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２との関係について説明する。インバータ４の出力電圧には、キャリア周波数Ｆｃの基本波成分と、パルス幅変調の結果として生じる側帯波周波数Ｆｓの側帯波成分とが重畳する。側帯波周波数Ｆｓは、定数をｋとすると、次式（１）により表される。
Ｆｓ＝Ｆｃ±ｋ×Ｆｅ …（１）
キャリア周波数Ｆｃおよび側帯波周波数Ｆｓは、誘導電動機１２の振動を増大させる原因となる。すなわち、キャリア周波数Ｆｃが誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒに合致すると、誘導電動機１２の共振現象が発生するとともに、側帯波周波数Ｆｓが共振周波数Ｆｒに合致することによっても共振現象が発生し、誘導電動機１２の振動が増大する。本実施の形態では、励磁周波数Ｆｅに応じてキャリア周波数Ｆｃを切り換えることにより、側帯波周波数Ｆｓと共振周波数Ｆｒが合致することを回避する。なお、誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒは、誘導電動機１２の固定子の外形寸法や、負荷１３（たとえばポンプ水車）の構造などに応じて定められる。

図１０は、本実施の形態の効果を説明するための図である。図１０では、励磁周波数Ｆｅが増大すると側帯波周波数Ｆｓが増大し（Ｆｓ＝Ｆｃ＋ｋ×Ｆｅ）、共振周波数Ｆｒがキャリア周波数Ｆｃよりも高周波側にある場合が示されている。しかし、本願発明は、励磁周波数Ｆｅが増大すると側帯波周波数Ｆｓが減少し（Ｆｓ＝Ｆｃ－ｋ×Ｆｅ）、共振周波数Ｆｒがキャリア周波数Ｆｃよりも低周波側にある場合でも成立する。

図１０において、仮に励磁周波数Ｆｅに関係なくキャリア周波数Ｆｃを第１のキャリア周波数Ｆｃ１に固定した場合には、励磁周波数Ｆｅが共振励磁周波数Ｆｅ１になったときに、側帯波周波数Ｆｓ１が誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒに合致し、振動が発生する。

また、仮に励磁周波数Ｆｅに関係なくキャリア周波数Ｆｃを第２のキャリア周波数Ｆｃ２に固定した場合には、励磁周波数Ｆｅが共振励磁周波数Ｆｅ２になったときに、側帯波周波数Ｆｓ２が誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒに合致し、振動が発生する。共振励磁周波数Ｆｅ１，Ｆｅ２は、上式（１）により予め明らかにすることが可能である。

これに対して本実施の形態では、共振励磁周波数Ｆｅ１，Ｆｅ２の間にしきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２が設定される。励磁周波数Ｆｅとしきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２との比較結果に基づいて、キャリア周波数Ｆｃが第１または第２のキャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２に切り換えられる。

すなわち、誘導電動機１２の加速運転時において、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１以下である場合には（Ｆｅ≦Ｆｔ１）、キャリア周波数Ｆｃが第１のキャリア周波数Ｆｃ１に設定され、側帯波周波数Ｆｓは第１の側帯波周波数Ｆｓ１となる。

励磁周波数Ｆｅが上昇して第１のしきい値周波数Ｆｔ１を超えると（Ｆｔ１＜Ｆｅ）、キャリア周波数Ｆｃが第２のキャリア周波数Ｆｃ２に切り換えられ（Ｆｃ１＜Ｆｃ２）、側帯波周波数Ｆｓは第２の側帯波周波数Ｆｓ２に増大する（Ｆｓ１＜Ｆｓ２）。

これにより、第１の側帯波周波数Ｆｓ１が共振周波数Ｆｒに合致する前に、側帯波周波数Ｆｓが第２の側帯波周波数Ｆｓ２に切り換えられて共振周波数Ｆｒを上回ることとなり（Ｆｓ＞Ｆｒ）、誘導電動機１２の共振現象の発生（すなわち振動の発生）が防止される。

逆に、誘導電動機１２の減速運転時において、励磁周波数Ｆｅが第１のしきい値周波数Ｆｔ１を超えている場合には（Ｆｔ１＜Ｆｅ）、キャリア周波数Ｆｃが第２のキャリア周波数Ｆｃ２に設定され、側帯波周波数Ｆｓは第２の側帯波周波数Ｆｓ２となる。

励磁周波数Ｆｅが下降して第２のしきい値周波数Ｆｔ２以下になると（Ｆｅ≦Ｆｔ２）、キャリア周波数Ｆｃが第１のキャリア周波数Ｆｃ１に切り換えられ（Ｆｃ１＜Ｆｃ２）、側帯波周波数Ｆｓは第１の側帯波周波数Ｆｓ１となる（Ｆｓ１＜Ｆｓ２）。

これにより、第２の側帯波周波数Ｆｓ２が共振周波数Ｆｒに合致する前に、側帯波周波数Ｆｓが第１の側帯波周波数Ｆｓ１に切り換えられて共振周波数Ｆｒを下回ることとなり（Ｆｓ＜Ｆｒ）、誘導電動機１２の共振現象の発生（すなわち振動の発生）が防止される。

以上のように、本実施の形態によれば、三角波信号Ｖｔのキャリア周波数Ｆｃを励磁周波数Ｆｅに応じて第１または第２のキャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２に切り換えるので、側帯波周波数Ｆｓが誘導電動機１２の共振周波数Ｆｒに合致することを防止することができ、誘導電動機１２の共振現象の発生（すなわち振動の発生）を防止することができる。したがって、広い回転数領域において安定性の高い運転制御を行なうことができる。また、励磁周波数Ｆｅに応じてキャリア周波数Ｆｃを切り換えるので、キャリア周波数Ｆｃを遅延することなく迅速に切り換えることができる。

また、２つのしきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２を設け、キャリア周波数Ｆｃの切り換え動作にヒステリシスを持たせたので、しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２付近における励磁周波数Ｆｅの増減によってキャリア周波数Ｆｃが頻繁に切り換えられることを防止し、誘導電動機１２を安定に駆動させることができる。

さらに、誘導電動機１２で発生する振動をモニタしながら操作部８を操作することにより、誘導電動機１２の共振現象が発生しないように、しきい値周波数Ｆｔ１，Ｆｔ２およびキャリア周波数Ｆｃ１，Ｆｃ２の各々を適切な値に設定することができる。したがって、負荷１３の種類などが変更された場合でも、誘導電動機１２の共振現象の発生を容易に防止することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 駆動装置、２ コンバータ、Ｌ１ 直流正母線、Ｌ２ 直流負母線、３ コンデンサ、４ インバータ、５ 電流検出器、６ 回転速度検出器、７ 制御装置、８ 操作部、１１ 商用交流電源、１２ 誘導電動機、１３ 負荷、Ｑ１～Ｑ６ ＩＧＢＴ、 Ｄ１～Ｄ６ ダイオード、２１ 回転速度指令部、２２ 周波数指令部、２３ 電流指令部、２４ 電流制御部、２５ しきい値設定部、２６ ＰＷＭ制御部、３１ 周波数指令部、３２ 発振器、３３ 三角波発生器、３４，４１，４２ 比較器、３５ バッファ、３６ インバータ、４３ フリップフロップ、４４ 変化量設定部、４５ スイッチ、４６ 周波数設定部、４７ 加算器。

Claims (5)

1. 交流電動機を駆動させる駆動装置であって、
   前記交流電動機の回転速度を指令する回転速度指令部と、
   前記交流電動機の回転速度を検出する回転速度検出器と、
   前記回転速度検出器によって検出される回転速度が前記回転速度指令部によって指令される回転速度になるように励磁周波数を指令する周波数指令部と、
   前記周波数指令部によって指令される励磁周波数に応じた周波数の正弦波信号を生成する正弦波発生部と、
   前記周波数指令部によって指令される励磁周波数と第１のしきい値周波数との高低を比較し、その励磁周波数が前記第１のしきい値周波数よりも低い場合には第１のキャリア周波数を有する三角波信号を生成し、その励磁周波数が前記第１のしきい値周波数よりも高い場合には第１のキャリア周波数と異なる第２のキャリア周波数を有する三角波信号を生成する三角波発生部と、
   前記正弦波信号と前記三角波信号の高低を比較し、その比較結果に基づいてゲート信号を生成するゲート信号発生部と、
   前記ゲート信号によって駆動され、直流電圧を交流電圧に変換して前記交流電動機に供給するインバータとを備える、駆動装置。
2. 前記交流電動機において共振現象が発生しないように、前記第１のしきい値周波数、前記第１のキャリア周波数、および前記第２のキャリア周波数のうちの少なくともいずれか１つを所望の値に設定するための操作部をさらに備える、請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記三角波発生部は、前記交流電動機の加速運転時には、前記励磁周波数と前記第１のしきい値周波数とを比較し、その比較結果に基づいて前記第１または第２のキャリア周波数を有する三角波信号を生成し、
   前記三角波発生部は、さらに、前記交流電動機の減速運転時には、前記励磁周波数と前記第１のしきい値周波数よりも低い第２のしきい値周波数との高低を比較し、前記励磁周波数が前記第２のしきい値周波数よりも高い場合には前記第２のキャリア周波数を有する三角波信号を生成し、前記励磁周波数が前記第２のしきい値周波数よりも低い場合には前記第１のキャリア周波数を有する三角波信号を生成する、請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記交流電動機において共振現象が発生しないように、前記第１のしきい値周波数、前記第２のしきい値周波数、前記第１のキャリア周波数、および前記第２のキャリア周波数のうちの少なくともいずれか１つを所望の値に設定するための操作部をさらに備える、請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記回転速度指令部によって指令される回転速度と前記回転速度検出器によって検出される回転速度との差に基づいて、前記インバータから前記交流電動機に流れる電流を指令する電流指令部と、
   前記インバータから前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出器とをさらに備え、
   前記正弦波発生部は、前記電流検出器によって検出される電流が前記電流指令部によって指令される電流になるように、前記正弦波信号の振幅を制御する、請求項１に記載の駆動装置。

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