JPH01231688A - 交流電動機の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はインバータ装置を介した交流電動機の運転方法
に係わり、特に超低速運転も含めて広い速度範囲内での
運転を可能にした方法に関する。

（従来の技術） 一般に交流電動機において、絨速歯車を使用することな
く低速運転を可能にするには、電機子巻線の極数を多く
する方法、−次電圧を低下させる方法、電磁カップリン
グを用いる方法等があり、また近年はインバータ装置を
用いてその出力周波数を低くする方法も試みられている
。

しかしながら、電機子巻線により極数を多くする方法で
は電動機が大形化して高価となる欠点があり、−次電圧
を低下させる方法では二次抵抗を高くすることが必要に
なって二次損失のために効率が低下し、また電磁カップ
リングを用いる方法ではカップリングにおける機械的な
損失が大きくなってやはり効率が低下するという欠点が
ある。

一方、インバータ装置によるものは比較的効率が高いも
のの、低速運転をすべく低周波数出力とすると、本来的
にトルク低下を生じ、しかもインバータ装置は特に低周
波数領域において出力電圧及び出力電流の歪が大きくな
るのでトルクは更に低下する傾向を呈する。

そこで、本出願人は、固定子巻線及び回転子巻線の双方
にインバータ装置から電力を供給するいわば二重励磁方
式ともいうべき交流電動機の運転方法を発明し、既にこ
れを出願した。これは、固定子巻線及び回転子巻線の各
々に周波数可変出力形のインバータ装置を接続して両巻
線に異なる周波数の交流電力を供給するものである。斯
かる構成によれば、固定子巻線と回転子巻線との双方に
異なる速度の回転磁界が形成されるので、回転子は各回
転磁界の回転速度差に応じた速度で同期回転し、その回
転速度は超低速運転から高速運転まで広範囲に変化させ
ることができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この種の運転方法を採用すると、必ず一
方のインバータ装置に対して電力回生が生ずるため、こ
の回生電力からインバータ装置を保護することが必要に
なる。

特に、直流電力回路に大容量の平滑コンデンサが設けら
れている電圧形のインバータ装置にあっては、回生電力
がインバータ主回路を通って直流電力回路に帰還し、平
滑コンデンサを充電する。

このため、コンデンサ電圧ひいては電動機の端子電圧が
上昇し、甚だしくは電動機が過励磁状態となって異常発
熱や巻線焼損が発生する虞がある。

また、直流電力回路の電圧が所定値以上に上昇するとき
にはインバータ保護のために過電圧保護回路を動作させ
ることが一般的であるから、回生電力が多い場合には電
動機が頻繁に運転不能に陥る虞がある。

斯かる事態に対処するには、回生電力放電回路を設けて
平滑コンデンサの充電電荷を抵抗を介して放電させるよ
うになし、且つ大電力を消費さぜるべくその抵抗を非常
に大きなものとする必要がある。しかも、このような回
生電力の放電は当然に損失となるから、総合的運転効率
が低下することは避けられない。

そこで、本発明の目的は、効率低下やトルク低下或はシ
ステム全体の大形化等を招くことなく超低速運転は勿論
のこと広い速度範囲内での運転を可能にでき、しかも回
生電力による障害を生じさせず且つ高効率運転が可能に
なる交流電動機の運転方法を提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る交流電動機の運転方法は、交流電動機の固
定子巻線及び回転子巻線に商用電源及びインバータ装置
を接続して運転するものであって、 （１）インバータ装置の出力周波数を商用電源の周波数
とは異なる値で運転する場合には、インバータ装置の出
力周波数を商用電源の周波数よりも高く設定する。

（２）インバータ装置の出力周波数を商用電源の周波数
と同一の値で運転する場合に、 ■回転磁界の方向と負荷トルクの方向とが同一方向であ
るときには、回転子巻線にインバータ装置を接続すると
共に固定子巻線に商用電源を接続する。

■回転磁界の方向と負荷トルクの方向とが反対方向であ
るときには、回転子巻線に商用電源を接続すると共に固
定子巻線にインバータ装置を接続する。

ところに特徴を有するものである。

（作用） 固定子巻線に周波数ｆｓの交流が供給されると、固定子
に次式（１）にて示される回転速度ＮＳの回転磁界が生
ずる。ここで、Ｐは極数である。

Ｎ５＝１２０ｆｓ／Ｐ　　　［ｒｐｍ］　−（１）一方
、回転子巻線に周波数ｆｒの交流を供給すると、回転子
に次式（２）にて示される速度Ｎｒの回転磁界が生ずる
。

Ｎｒ　　＝　　１　２　０　　ｆ　ｒ　　／Ｐ　　　　
［ｒｐｍｌ　　　−−−−−−（２）従って、回転子は
、固定子側の回転磁界の速度Ｎｓと回転子側の回転磁界
の速度Ｎｒとの差の速度Ｎにて回転することになる。

Ｎ＝　ｌ　Ｎｓ　−Ｎｒ　　ｌ ＝１２０　ｌ　ｆｓ−ｆｒ　　ｌ／Ｐ　　　［ｒｐｍｌ
即ち、回転子は固定子周波数ｆｓと回転子周波数ｆｒと
の差の周波数に応じた速度で回転する。

従って、固定子巻線及び回転子巻線の各々にインバータ
装置及び商用電源を接続して異なる周波数の交流電力を
供給すると、回転子は周波数差に応じた回転数で回転す
る。

ここで、回転子人力Ｗｒと負荷トルクとの関係及び固定
子入力Ｗｓと負荷トルクとの関係を夫々調べると第３図
及び第４図に示すようになる。両図において、ｆｓは固
定子巻線の周波数、ｆｒは回転子巻線の周波数である。

固定子巻線の周波数ｆｓが回転子巻線の周波数ｆｒより
も低い（ｆｓ＜ｆｒ）ときには固定子巻線から電力回生
が生じ（第４図）、逆に回転子巻線の周波数ｆｒが固定
子巻線の周波数ｆｓよりも低い（ｆｒ＜ｆｓ）ときには
回転子巻線から電力回生が生ずることになり（第３図）
、常に低周波数側において電力回生が生じていることに
なる。

しかし、上記手段の（１）において述べたように、イン
バータ装置の出力周波数を商用電源の周波数よりも高く
設定すれば、電力回生は必ず商用電源側において発生す
ることになるから、インバータ装置において回生電力に
よる障害は発生せず、且つ回生電力を有効利用すること
ができる。

一方、インバータ装置の出力周波数を商用電源の周波数
と同一の値で運転すると（ｆｒ　−ｆｓ　）、回転子に
は拘束トルクが作用する。この場合には、各巻線への入
力Ｗｒ、Ｗｓは回転磁界の回転方向と負荷トルクの方向
との関係により影響を受け、具体的には第５図及び第６
図に示すようになる。

即ち、両図において、実線は回転磁界と負荷トルクとが
同一方向であるときを示し、破線はそれらが反対方向で
あるときを示すもので、両方向が同一のときには固定子
巻線から電力回生が生じ、反・対方向であるときには回
転子巻線から電力回生が生ずることが明らかにされてい
る。

従って、上記手段（２）に示すように構成することによ
り、電力回生は常に商用電源側において発生し、商用電
源とインバータ装置の画周波数が等しい場合でもインバ
ータ装置に回生電力による障害が生ずることを防止でき
、且つ電力の有効利用を図ることができる。

（実施例） 以下本発明の一実施例につき図面を参照して説明する。

まず、電動機１は基本的には巻線形誘導電動機と同等な
構造であり、固定子側に例えば三相６極の固定子巻線を
有すると共に、回転子側にも三相６極の回転子巻線（共
に図示せず）を有し、回転子巻線はスリップリング２を
介して外部接続可能である。３は商用電源、４はインバ
ータ装置である。インバータ装置４は、商用電源３から
の三相交流を整流するコンバータ一部とスイッチング素
子を三相ブリッジ接続したインバータ主回路とを備える
例えば可変電圧可変周波数の電圧形インバータであり、
出力周波数は商用電源の周波数以上の範囲で調節可能で
、かつ出力相順の逆転が可能である。

上記電動機１を運転するに際しては、例えば第１図に示
すようにインバータ装置４を固定子巻線に接続し、商用
電源３をスリップリング２を介して回転子巻線に接続す
る。このような接続形態で、インバータ装置４から固定
子巻線に例えば６１Ｈ２の交流電力を供給しくｆｓ　＝
６１Ｈｚ　）　、商用電源３から回転子巻線に例えば６
０Ｈｚの交流電力を供給したとする（ｆｒ＝６０Ｈｚ）
。すると、回転子巻線によっては旧式（２）においてｆ
ｒ−６０、Ｐ−６として算出されるように速度Ｎｒ＝１
２００　　［ｒｐｍｌの回転磁界が発生し、固定子巻線
によっては旧式（１）においてｆｓ−６１，Ｐ−６とし
て算出されるように速度Ｎ５−１２２０［ｒｐｍｌの回
転磁界が発生する。この結果、回転子は両速度Ｎｓ、Ｎ
ｒの差である２　０　　［ｒｐｍｌの低速度で回転する
ことになる。この回転速度は、商用型源６０Ｈｚで誘導
電動機を運転するとすれば３６０極としなくては得られ
ぬ値である。斯かる多極の誘導電動機の製造は現実には
困難であり、仮にこれを製造するとすれば全体が極めて
大形化することを避は得ないが、本実施例によれば、−
射的な巻線形誘導電動機と同等な寸法にてこれを達成す
ることができる。また、この回転速度は６極の誘導電動
機をインバータ駆動する場合を考えると、出力周波数を
ＩＨｚとしたときに相当するが、現実にはインバータ装
置でＩＨｚ運転を行なえばトルクが著しく低下するため
安定運転は困難である。

これに対し、本実施例では低速でもトルクの落込みはな
く安定した運転が可能であり、しかもインバータ装置４
の出力周波数は、超低速回転であるにもかかわらず、商
用電源周波数に近い６１Ｈｚであるから、歪も極めて少
なく、この面からも安定な運転が可能になる。

さて、このような運転を行なっている場合には、ｆｓ＝
６１Ｈｚ、ｆｒ＝６０Ｈｚであってｆｒ＜ｆｓであるか
ら、第３図から明らかなように、回転子側において電力
回生が生ずる。しかし、回転子巻線は商用電源３に接続
されているから、回生電力は電源母線に帰還されるのみ
でインバータ装置４にはなんらの障害を与えず、むしろ
電源母線を通じてインバータ装置４に流入することによ
り有効利用される。これにて、電力回生に起因してイン
バータ装置ひいては電動機の端子電圧が上昇して電動機
が過励磁に陥ったり、インバータ装置の過電圧保護回路
が動作したりすることを未然に防止することができる。

また、第２図に示すように、スリップリング２を介して
回転子巻線にインバータ装置４を接続し、固定子巻線に
商用電源３を接続した場合には、ｆｓくｆｒとなるので
、第４図から明らかなように固定子巻線において電力回
生が発生する。しかし、この場合にも電力回生側が商用
電源３に接続されているため、回生電力は商用電源３の
母線に戻されてインバータ装置４に障害を与えたり電動
機１を過励磁状態にしたりすることはない。

一方、インバータ装置４の出力周波数を商用型源３の周
波数に等しい値に維持するときには、回転子回転磁界と
固定子回転磁界との速度が一致するため、回転子は停止
する。この場合には回転子に拘束トルクが作用するから
、機械的なブレーキ機構を用いずとも、負荷を停止位置
にロックしておくことができる。

このようにインバータ装置４の出力周波数を商用電源３
の周波数と同一の値とする場合であって、回転磁界の方
向と負荷トルクの方向とが同一方向であるときには、第
２図に示すように固定子巻線に商用電源３を接続し、か
つ回転子巻線にインバータ装置４を接続する。また、両
方向が反対方向であるときには、逆に第１図に示すよう
に固定手巻線にインバータ装置４を接続すると共に、回
転子巻線に商用電源３を接続する。このようにすれば、
第５図及び第６図を参照して前述したように回転磁界の
回転方向と負荷トルクの方向とが同一のときには電力回
生は固定子巻線から生じ、反対方向であるときには回転
子巻線から生ずるという事情のもとで、電力回生は必ず
商用電源３になされることになる。従って、インバータ
装置４への過剰な電力回生によりインバータ装置４の出
力電圧ひいては電動機１の端子電圧が上昇して電動機１
が過励磁状態になったり、過電圧保護回路が作動してし
まうことをやはり未然に防止することができる。

尚、本実施例において超低速運転を行なうには、インバ
ータ装置４の出力周波数を商用電源３の出力周波数に近
付ければよい。商用電源３の出力周波数が例えば６０Ｈ
ｚの場合において、インバータ装置４の出力周波数を６
０．１Ｈｚとすれば、他方式では実現困難な２　　［ｒ
ｐｍ］という超低速運転が可能になる。この場合でも、
トルクの低下はなく、且つ出力周波数が商用電源周波数
に近いから安定な運転が可能である。

また本実施例では、インバータ装置４の出力相順を逆転
させれば、電動機の回転速度Ｎは次式にて表わされるよ
うになり、結局、インバータ装置４の最高周波数に対応
する速度以上で電動機を運転することができるようにな
る。

Ｎ＝１２０（ｆｓ＋ｆｒ）／Ｐ　　［ｒｐｆｆｌ］また
、電動機の回転速度制御を行なう場合、誘導電動機とイ
ンバータ装置とを組合わせた従来の運転方式では、誘導
電動機に負荷変動に応じたすべりが不可避であるから、
周波数発電機等により実際の回転速度を検出してフィー
ドバック制御を行なうことが必要になる。これに対し、
本発明の方式によれば、すべりのない同期運転が可能で
あるため、速度検出を行なうことなくオープンループ方
式で精密な速度制御が可能である。

尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定される
ものではなく、例えば固定子及び回転子の各巻線の相数
は三相に限らす二相或は単相であってもよい等、要旨を
逸脱しない範囲内で種々変更して実施できるものである
。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明は、固定子巻線と回転子巻線
にインバータ装置及び商用電源を接続して各々に交流電
力を供給するものであり、これにて効率低下やトルク低
下或はシステム全体の大形化を招くことなく超低速運転
は勿論のこと広い速度範囲内での運転を可能にできる。

そして本発明においては、この方式を前提とし、インバ
ータ装置の出力周波数を商用電源の周波数とは異なる値
で運転する場合には、インバータ装置の出力周波数を商
用電源の周波数よりも高く設定し、また同一の周波数の
運転する場合には回転磁界の方向と負荷トルクの方向と
を考慮してインバータ装置を接続する巻線を定めるよう
にしたから、電動機からの回生電力は原則として商用電
源側に帰還することになり、もってインバータ装置の出
力電圧ひいては電動機の端子電圧が異常に上昇して電動
機が過励磁に陥ったりすることを未然に防止することが
できるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はインバータ装
置を固定子巻線に接続した場合を示すブロック図、第２
図はインバータ装置を回転子巻線に接続した場合を示す
ブロック図、第３図は同転子及び固定子に周波数差があ
る場合の回転子入力と負荷トルクとの関係を示すグラフ
、第４図は回転子及び固定子に周波数差がある場合の固
定子入力と負荷トルクとの関係を示すグラフ、第５図は
回転子及び固定子が同一周波数である場合の固定子入力
と負荷トルクとの関係を示すグラフ、第６図は回転子及
び固定子が同一周波数である場合の回転子入力と負荷ト
ルクとの関係を示すグラフである。 図面中、１は電動機、３は商用電源、４はインバータ装
置である。 出願人　　株式会社　　東　　芝 弔　１　図 第　３　図　　　　負荷トルク 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定子及び回転子に夫々巻線を備えた交流電動機を
   、その各巻線に商用電源及びインバータ装置を接続して
   運転するものであって、前記インバータ装置の出力周波
   数を前記商用電源の周波数とは異なる値で運転する場合
   には、前記インバータ装置の出力周波数を前記商用電源
   の周波数よりも高く設定することを特徴とする交流電動
   機の運転方法。 ２、固定子及び回転子に夫々巻線を備えた交流電動機を
   、その各巻線に商用電源及びインバータ装置を接続して
   運転するものであって、前記インバータ装置の出力周波
   数を前記商用電源の周波数と同一の値で運転する場合に
   、回転磁界の方向と負荷トルクの方向とが同一方向であ
   るときには回転子巻線にインバータ装置を接続すると共
   に固定子巻線に商用電源を接続し、回転磁界の方向と負
   荷トルクの方向とが反対方向であるときには回転子巻線
   に商用電源を接続すると共に固定子巻線にインバータ装
   置を接続することを特徴とする交流電動機の運転方法。