(57)【要約】【課題】長尺ケーブルを介してジェットファンを駆動した場合に起こり得るインバータのスイッチングサージによる電動機の絶縁劣化、高周波数帯のＥＭＩ問題、長尺ケーブルの浮遊容量と対地の間に流れる同相電流による漏電ブレーカー誤動作を解消する。【解決手段】交流／直流変換器１３１により電源入力を交流から直流に変換し、インバータ回路１３２により直流を可変周波数可変電圧の三相交流に変換し、その三相出力端子に直列に同相リアクトル１４０と交流リアクトル１５１を設け、交流リアクトル１５１の後にスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を並列接続し、その端子電圧を長尺ケーブル３００を通してジェットファン４００に供給し、第１のコンデンサ回路１５２のスター接続の中点を交流／直流変換器１３１の中性点などに接続し、交流／直流変換器１３１の同相成分とインバータ回路１３２の同相成分を還流せしめ、同相電圧を低減する。【選択図】図１
2011208442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相商用電源入力を交流から直流に変換する交流／直流変換器と、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路とを備えたインバータ装置により道路トンネルのジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動する可変速駆動装置において、
前記インバータ装置の三相出力端子に対して直列に同相リアクトルと交流リアクトルとを接続し、前記交流リアクトルの後に並列に第１のコンデンサ回路を接続し、前記第１のコンデンサ回路の端子電圧をケーブルを通して前記ジェットファン用誘導電動機に供給するとともに、前記第１のコンデンサ回路の回路構成を３組のコンデンサをスター接続したものとし、当該スター接続の中性点を、前記インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点か、前記三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点か、前記三相商用電源に設けた中性点のいずれかの中性点に接続したことを特徴とする道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項２】
前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点とした構成とし、
略同容量の２つのコンデンサを直列接続した第２のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流／直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成し、当該第２のコンデンサ回路の中性点を前記交流／直流変換器に設けた中性点としたことを特徴とする請求項１に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項３】
前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成とし、
３組のコンデンサをスター接続して形成した第３のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第３のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点としたことを特徴とする請求項１に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項４】
前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成とし、
前記商用電源と前記交流／直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用ＣＴを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、
前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用ＣＴを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにしたことを特徴とする請求項１に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項５】
前記インバータ装置の出力側に設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、３個の単相リアクトルであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のトンネルジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項６】
前記インバータ装置の出力側の設けた前記交流リアクトルが三脚鉄心ではなく、五脚鉄心であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【請求項７】
前記インバータ装置のインバータ回路が３レベルインバータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、長尺ケーブルを介して自動車道路のトンネルの換気に使われるジェットファンを駆動する道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
道路トンネルにおいては、人体に対して有害な自動車のエンジンからの排出物質や塵埃などが浮遊しており、そのままではトンネル内の汚染物質濃度が高まってゆく。そこで、トンネル内の良好な環境を確保するためトンネル内の汚染物質を排気する必要がある。トンネル内の汚染物質を排気するには自然換気力や交通換気力による換気では不十分であり、トンネル内に設置された換気機を用いた強制換気が行われている。
【０００３】
「縦流換気方式」とは、トンネル断面全体を換気ダクトとして利用する方式の換気方式であり、用いる換気装置としては、道路トンネル内の空気をトンネル外に押し出すジェットファン、道路トンネル内の空気を浄化する電気集塵機などがあり、適切にこれらを組み合わせてトンネルの入口から出口に向かう空気流を形成して排気する。道路トンネルの中央付近に立抗を設けて道路トンネル内の空気を道路トンネル外の空気と交換する集中排気方式を組み合わせることもある。従来の「縦流換気方式」でのジェットファンモータは起動電流が定格電流の数倍の誘導モータである。ジェットファンは通常２０ｋｗから５０ｋｗ程度、４極から８極、４００ｖ系の誘導電動機で駆動されるものが多い。
短いトンネルであればジェットファンをトンネル入口か出口の１カ所に配設する構成例もあるが、長距離トンネルであれば、複数台のジェットファンを複数個所に配設することとなる。
【０００４】
従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式の対面通行道路トンネルを図２６に示す。このトンネル２００は、交通方向が両方向の対面通行トンネルと呼ばれるタイプである。このような対面通行道路トンネル２００では、内部に縦流方向の換気を行なうジェットファンが複数台配設されている。図２６の例ではジェットファン１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの４台が描かれている。長距離のトンネルであればさらに多くの台数のジェットファンを稼働することがあるが、この例では４台としている。
図２６において、対面通行道路トンネル内２００には図右から図左にかけて縦流の空気流Ａが発生し、右から左方向にトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置によりジェットファンの運転を制御する。
【０００５】
従来の縦流換気方式によるジェットファンを用いた換気制御は、台数ごとにオンオフを切り替えて運転する台数制御が基本である。
図２６の例ではトンネル２００内の入口近く、中央部近く、出口近くの各場所に風向風速計（ＡＶ）がそれぞれ設置されており、排気抗の入口近くには、汚染濃度計である煙霧透過率計（ＶＩ計）、一酸化炭素濃度計（ＣＯ計）が設置されている（図示せず）。ここで、煙霧透過率計（ＶＩ計）は物質中を透過する光の割合から汚染濃度を計測する装置であり、また、一酸化炭素濃度計（ＣＯ計）は一酸化炭素の濃度を測定する装置である。交通量計測装置は対面通行道路トンネル２００内を通過する車の交通量を計測する装置である。このように対面通行道路トンネル２００内部には、例えば、煤煙、一酸化炭素、交通量、風向風速等の環境成分値を測定する環境成分測定器が設置されている。
【０００６】
従来のジェットファンを用いた縦流換気方式では、対面通行道路トンネル２００内部の風向風速計、煙霧透過率計、一酸化炭素濃度計、交通量計測装置から得られた各種環境成分値に基づいて、換気制御装置（図示せず）により対面通行道路トンネル２００内部に設置されたジェットファン１０ａ〜１０ｄの運転台数を調整することが行われている。すなわち、トンネル内に設置している各種センサ類の計測結果などに基づいて、必要な換気量を確保するのに必要な台数だけジェットファン１０ａ〜１０ｄを運転し、これによって汚染物質濃度を予め設定されている許容値以下にして、トンネル利用者の安全性、快適性を確保している。
このように、従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファンの運転台数をオンオフで切り替えることにより、台数運転制御を行っている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１９２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の縦流換気方式には以下の問題があった。
第１の問題は、従来のジェットファンを用いた台数制御の換気方式では電力量が大きくなってしまうという問題である。
従来の対面通行トンネルでは費用対効果からジェットファンの台数運転制御が採用されてきた。しかし、ジェットファンの台数運転制御ではジェットファンのインバータ駆動運転に比べると消費電力が大きい。図２７は、ジェットファンの台数運転時とインバータ駆動運転時におけるジェットファンの回転数、推力、動力の関係を示す図である。横軸に自動車用トンネル内の状態に応じて要求されるジェットファンの必要推力をとり、縦軸に、ジェットファンの回転数、ジェットファンの推力、ジェットファンの動力をとっている。
【０００９】
ジェットファンの台数制御運転の場合、運転しているジェットファンの回転数は、図２７の“Ｒ０”に示すように常に１００％である。また、ジェットファンの推力Ｍ０およびジェットファンの動力Ｐ０は、運転しているジェットファンと運転していないジェットファンの比となり、図２７の“Ｍ０”“Ｐ０”に示すように階段状になる。図２７に示す例は、トンネルの特性に応じて必要なジェットファンの台数が５台である例を示しているが、ジェットファンの台数が何台であっても、階段の段数が台数と同じになるだけで、同様に説明される。
一方、ジェットファンのインバータ制御運転の場合、ジェットファンの推力Ｍ１は、全部のジェットファンを同一回転数で駆動した状態で、個々のジェットファンの推力を合計（図２７の場合は５台分がＭ１である）として得られるが、回転数を制御することによって、必要推力に応じてその通りに推力を出せるので、図２７の“Ｍ１”に示すような比例関係となる。ジェットファンの回転数Ｒ１はジェットファンの推力の平方根となるので、図２７の“Ｒ１”に示すような曲線となる。また、ジェットファンの動力Ｐ１はジェットファンの回転数Ｒ１とジェットファンの推力Ｍ１の積となるので、図２７の“Ｐ１”に示すような曲線となる。なお、図２７の場合、Ｐ１も５台分の合計値である。
【００１０】
図２７に示すように、従来のジェットファンの台数運転によるジェットファン全体の消費電力は“Ｐ０”のように階段状にしか制御できないが、ジェットファンのインバータ運転によるジェットファン全体の消費電力は“Ｐ１”のように曲線状に制御でき、全体として明らかにインバータ運転によるジェットファン全体の消費電力の方が省電力化が可能であることが分かる。
つまり、ジェットファンを台数制御にて駆動すると、トンネル内に必要となるジェットファンの吹き出し風速を得るためには、図２７に示すようにジェットファンの稼働台数を離散的に増減させる必要があり、ジェットファン全体の消費電力量が最適なものとならないという問題があった。このＰ０とＰ１の差分を見ると明らかなように、消費電力量の面からはジェットファンをインバータ制御により運転する方が優れている。
もう一つの重要事項は火災発生時にトンネル内の風速を速やかにゼロに制御し、徒歩で避難する人が煙に追いかけられないようにすることである。
風速ゼロ化を実現するには、現在のトンネル内の気流の方向と推力を的確に把握して、これに対して逆の推力を発生させるようジェットファンを制御する必要がある。
台数運転の場合は、所要逆推力を得るためのジェットファンの運転台数と回転方向を定めてジェットファンを起動させることが必要である。この場合、運転中のジェットファンを、現在とは逆の方向に起動させることが必要となることもある。
台数制御の場合は、多数の台数であれば起動したり、逆転に切り替えるファン台数をかなり細やかに制御できるが、台数が少ない場合は厳密な風速ゼロ制御は不可能である。また、台数が多くても多数の電動機を一斉に起動すると商用電源が過電流となり、遮断されるので、小分けして起動しなくてはならないという制約があり、風速ゼロ制御に時間がかかってしまう。
それに比しインバータ駆動の場合は、速やかに逆転することも、一斉起動することも可能であり、かつ空気力学的に計算された最適の回転数に制御することで、風速をゼロに制御できる。しかも、台数制御で最も困難な場合であるところの、多数の電動機を一斉に制動し逆転する過程において、電源電流は常に定格値以下に抑えることが容易であり、速やかな風速ゼロ制御を実現し避難者が煙に追いかけられることを防ぐことができる。
そこで、長距離トンネルにおいてジェットファンをインバータ制御で駆動することが考えられるが、長距離トンネルのジェットファンのインバータ制御による駆動を想定する場合、以下の問題があり、インバータ制御による駆動はまだ実用化されてはいない。
【００１１】
第１の原因は、インバータの出力電圧のように急峻なｄｖ/ｄｔのＰＷＭ変調波を長距離伝送する場合、そのサージ電圧が増大するという問題である。長距離トンネルでは、電気室からジェットファンまでの距離は、数百ｍから１０００ｍを越えることも少なくないので、長尺ケーブルを通してインバータの電力を送ることになる。インバータをジェットファンの近くに置き、電気室から商用電源を配線する方法も考えられるが、この場合は、排気ガスなどで周囲環境が悪く、インバータを強制空冷すると、故障の原因になり得ること、またインバータの制御信号の長距離配線を要すること等の欠点があるのでトンネル出入り口近くにある電気室にまとめて置く案が主流となるものと考えられる。このように、インバータを置く電気室からジェットファンまでの距離が数百ｍから１０００ｍ以上と長距離になると、その間を接続する長尺ケーブルがインバータの高いｄｖ/ｄｔのＰＷＭ変調波形に対して分布定数回路として働いてしまい、インバータのスイッチングサージがインバータと電動機の間でインピーダンスが不整合なため反射を繰り返し電動機端子ではインバータ端子より２倍程度に大きくなってしまう。４００ｖ系電動機用インバータの直流電圧は６００ｖ程度であるので、電動機端子におけるスイッチングサージの波高値は１０００ｖ以上となる。４００ｖ系（定格電圧が４００ｖ、４４０ｖ、４６０ｖなど）の電動機は絶縁耐力に余裕がないため、１０００ｖを超える程度のスイッチングサージが電機子巻線に印加されると、ｄｖ/ｄｔの大きなスイッチングサージは、巻線の全てのターンに対して均等には印加されず、端子の次の１、２ターンに集中的に印加されてしまい、微少なコロナを生じて劣化が進行し、絶縁破壊に到るおそれがある。また、高周波の同相電圧が電機子に印加されると、軸受けに有害な電流が流れ、ベアリングを劣化させることも知られている。即ち、ｄｖ/ｄｔが急峻でかつピーク値の大きなスイッチングサージが電動機端子に印加されないような工夫が必要となる。
【００１２】
第２の原因は、ＥＭＩ問題である。ＩＧＢＴなどの高速スイッチングデバイスを用いて数ｋＨｚから２０ｋＨｚ程度のスイッチングで出力の基本波電圧と周波数を制御するＶＶＶＦインバータは、その出力配線及び周辺の空間に広い周波数範囲（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の有害なＥＭＩ電磁障害を出す。トンネルには空気分析機器、煙霧透過率計、断面風速計、見通し測定機器、交通渋滞や事故車の観測機器、火災検知器、通信機器など多くの電子機器が設置されている。６００ｖ程度の急峻なｄｖ/ｄｔのＰＷＭ波形が長尺ケーブルに給電されると、それは空間に電波障害を出し、また電磁結合で近くの信号線にノイズを与え、さらにケーブルの浮遊容量を通して対地にノイズ電流を流す結果、電子機器類にＥＭＩ障害が及ぶ可能性が極めて高いと懸念されている。
【００１３】
第３の原因は、商用電源に設けられた漏電ブレーカーがインバータからケーブルを通し対地に流れる同相電流で誤動作し、電源が遮断される問題である。漏電ブレーカーを設ける目的は、インバータ、長尺ケーブル、電動機などの絶縁に不具合が生じ、地絡電流が流れたことを検出し、防止することである。
長尺ケーブルの対地浮遊容量に流れる同相電流の原因は、交流／直流変換器（整流器またはＰＷＭコンバータ）およびインバータの出力電圧に存在する同相電圧である。三相ブリッジ整流器は６ｆ＝３６０Ｈｚ（６０Ｈｚ系の場合）の同相電圧を発生する。直流電源にＰＷＭコンバータを用いる場合はそのスイッチング周波数の同相電圧がある。電動機駆動用ＶＶＶＦインバータの出力には主としてスイッチング周波数の同相電圧がある。さらに変調方式によっては、３ｆ成分、即ち駆動周波数の３倍の同相電圧がある場合もある。
【００１４】
これら整流回路とインバータの同相電圧は直列に加算され、電源の仮想中性点とインバータの出力端子の間に現れる。それがそのまま長尺ケーブルに与えられるとケーブルの各相電線と対地間の静電容量Ｃに同相電流ｉ＝Ｃ(ｄｖ/ｄｔ)が流れる。インバータの出力電圧は、急峻なｄｖ/ｄｔ（例えばＩＧＢＴインバータでは３０００ｖ/μｓｅｃ程度）でかつ数ｋＨｚから２０ｋＨｚのＰＷＭ波形の同相電圧であるため、スイッチングのたびに流れる電流ｉ＝Ｃ(ｄｖ/ｄｔ)は極めて大きくなる。この同相電流は、商用電源を環流するので、設備の絶縁に問題がなくても誤動作するのである。
高周波数帯域の感度を鈍感に設計したインバータ用漏電リレーが市販されているが、ケーブル長が長尺になると、これでも誤動作してしまうことが経験上知られている。即ち、漏電ブレーカーがインバータのＰＷＭ波形による同相電流で誤動作せず、絶縁不良の場合のみに動作するようなシステム全体の回路設計が必要である。
【００１５】
上記のような様々な問題があり、それらを解決することは困難であるため、数百ｍから１０００ｍ程度の長尺ケーブルを介してジェットファンをインバータ駆動することは実用されていないのが現状である。
【００１６】
本発明は、上記問題点に鑑み、２００ｍを超える長尺ケーブルを介したジェットファン駆動を実現するとともに、インバータ出力電圧の急峻なｄｖ/ｄｔによる電動機巻線のコロナ劣化の解決、インバータと電動機間の長尺ケーブルが周囲に及ぼす高周波数帯のＥＭＩ問題の解決、長尺ケーブルの浮遊容量と対地の間に流れる同相電流による商用電源側の漏電ブレーカーの誤動作の解消を可能とするジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置は、三相商用電源入力を交流から直流に変換する交流／直流変換器と、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路とを備えたインバータ装置により道路トンネルのジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動する可変速駆動装置において、前記インバータ装置の三相出力端子に対して直列に同相リアクトルと交流リアクトルとを接続し、前記交流リアクトルの後に並列に第１のコンデンサ回路を接続し、前記第１のコンデンサ回路の端子電圧をケーブルを通して前記ジェットファン用誘導電動機に供給するとともに、前記第１のコンデンサ回路の回路構成を複数のコンデンサをスター接続したものとし、当該スター接続の中性点を、前記インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点か、前記三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点か、前記三相商用電源に設けた中性点のいずれかの中性点に接続したことを特徴とする道路トンネルのジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置である。
ここで、前記交流リアクトルの後に並列に第１のコンデンサ回路をスター接続した回路は、低域濾波型の正弦波化フィルタを構成していると見ることができる。つまり、この第１のコンデンサ回路の端子電圧は、正弦波化フィルタの出力電圧となっている。本特許においてこの正弦波化フィルタを単にＬＣフィルタと呼ぶこともある。
上記構成により電動機の相間電圧は正弦波状となり絶縁劣化の問題が解決し、さらにケーブル入り口端子の同相電圧を低く抑えることが出来、ＥＭＩ障害が軽減されると共に漏電ブレーカーの誤作動がなくなる。正弦波化フィルタと同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるのでこれらが小型にでき、損失や騒音が低減できる。
【００１８】
ここで、上記構成において、前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先として、複数通りの構成がある。
第１の構成は、前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点とした構成であり、略同容量の２つのコンデンサを直列接続した第２のコンデンサ回路の両端端子を前記インバータ装置の交流／直流変換器の出力端子に対して並列接続して形成して当該第２のコンデンサ回路の中性点を前記交流／直流変換器の中性点とした構成である。
第２の構成は、前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成であり、複数のコンデンサをスター接続して形成した第３のコンデンサ回路を前記三相商用電源の三相端子に対して並列接続し、前記第３のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記電源トランスの二次側に設けた中性点とした構成である。
第３の構成は、前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先を前記三相商用電源に設けた中性点とした構成であり、前記商用電源と前記交流／直流変換器との間に二次側がスター結線となっている電源変圧器と、前記電源変圧器の二次側に漏電検出のための同相電流検出用ＣＴを備え、前記電源変圧器のスター結線の中性点を前記三相商用電源に設けた中性点とし、前記第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点を前記同相電流検出用ＣＴを通して前記電源変圧器のスター結線の中性点に接続することにより、前記商用電源から前記インバータ装置側に流れる同相電流を相殺し、前記インバータ装置出力に設けたフィルタに流れる前記同相電流により漏電遮断器が誤動作しないようにした構成である。
【００１９】
これらの構成において、インバータ装置の出力側に設ける交流リアクトルとしては、三脚鉄心ではなく、三個の単相リアクトルとする構成や五脚鉄心とする構成が好ましい。
その理由は以下の通りである。ケーブル長が短い通常のインバータ駆動では、インバータの出力電流に占める同相電流は極めて少ないが（定格電流の約１％以下）、長尺ケーブルを介してジェットファンをインバータ駆動する場合は、インバータの出力電流に占める同相電流が大きくなる（同相リアクトルやフィルタの条件により変動するが数％から５０％前後になり得る）。ここで、出力フィルタのリアクトルとして三脚鉄芯を用いる場合、同相電流の起磁力により生じた磁束が周囲の空間に漏洩するおそれがあるため、周辺の鉄製構造物に渦電流を発生して過熱したり、電磁力による振動を生じたりする場合がある。一方、単層リアクトルや五脚鉄芯では同相電流の起磁力により生じた磁束が閉ループを形成するために周囲の空間に漏洩しないので上記のような漏れ磁束の問題が発生しない。上記理由によりインバータ装置の出力側に設ける交流リアクトルとしては、三脚鉄心ではなく、三個の単相リアクトルとする構成や五脚鉄心とする構成が好ましいと言える。
また、上記の構成におけるインバータ装置内のインバータ回路としては、３レベルインバータを適用する構成が好ましい。
３レベルインバータの方が正弦波化フィルタや同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるため、インバータ装置が小型となり、損失や騒音が低減できるからである。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成により、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置は、電動機の相間電圧をＰＷＭ波形ではなく正弦波状とすることにより絶縁劣化の問題を解決し、さらにケーブル入り口端子の同相電圧を低く抑えることができ、ＥＭＩ障害が軽減されると共に漏電ブレーカーの誤作動がなくなる。
なお、インバータ回路を３レベルインバータとした場合は、正弦波化フィルタと同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるのでこれらが小型にでき、損失や騒音が低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、個数などには限定されないことは言うまでもない。
なお、以下の各実施例の構成において、道路トンネルの入口側に設けられている構成として説明したものが出口側に設けられていても構わない。また、入口側と出口側の双方に設備等が設けられている例では、入口側の構成と出口側の構成が相互に入れ替わって逆になっても構わない。
以下の実施例の説明では、トンネルは、例えば３０００ｍ以上の長距離道路トンネルとして説明する。トンネル内は対面交通となっている例とした。つまり、トンネル内には外界から吹き込む自然風による自然換気力と、通行車両のピストン効果により生じる各車両の通行方向に生じる風圧が合成されて生じる交通風による交通換気力が生じている。ここに、本発明のトンネル換気制御システムによる機械換気力、つまり、ジェットファンの駆動による機械換気力を加えるものである。
【００２２】
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置は、三相商用電源入力をインバータ装置内の交流／直流変換器により交流から直流に変換し、その直流電力をインバータ装置内のインバータ回路により可変周波数・可変電圧の三相交流に変換し、その三相出力端子に直列に同相リアクトルと交流リアクトルを設け、その交流リアクトルの後に並列に第１のコンデンサ回路を接続した構成を備え、高周波を除去し正弦波に近い状態に平滑化された線間電圧を長尺ケーブルの入り口端子に供給するものである。ジェットファンはこの長尺ケーブルを介してインバータ駆動される。この第１のコンデンサ回路は複数のコンデンサがスター接続されたものであり、この第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点を、インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点か、三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた中性点か、三相商用電源に設けた中性点のいずれかの中性点に接続することにより同相電流を電源側に環流させ、長尺ケーブルの入力端子の同相電圧を下げるものである。
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の構成例として、以下、５つの実施例を示す。
【実施例１】
【００２３】
実施例１は、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先をインバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点とした構成例である。
図１は、実施例１にかかるジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００を示す図である。図１には可変速駆動装置１００に加え、商用電源２００、長尺ケーブル３００、ジェットファン４００が併せて示されている。
【００２４】
可変速駆動装置１００の各構成の説明の前に、先に、商用電源２００、長尺ケーブル３００、ジェットファン４００について触れておく。
【００２５】
まず、商用電源２００は、受電設備としては特に限定されないが、長距離道路トンネル内にはジェットファン４００のみならず多数の照明設備や防災設備などがあり大容量の電力を必要とするため、電気事業者から直接、特別高圧ないしは高圧で受電し、施設内の装置向けに変圧して電気を供給するものである。後述するように、商用電源２００の電圧は、電源変圧器１１０により降圧され、電源変圧器１１０の二次電圧は４００ｖ、４４０ｖ、４６０ｖ等に降圧されている。
【００２６】
次に、長尺ケーブル３００について述べる。長距離道路トンネルでの利用を前提としており、長尺ケーブル３００は重要な要素である。長尺ケーブル３００として、ＣＶケーブル「架橋ポリエチレン絶縁ビニルシースケーブル」が使われることが多い。ＣＶケーブルとしては単芯の架橋ポリエチレン絶縁電線にＰＶＣ（ビニル）の外皮保護（シース）を施した単芯ケーブルと多芯（２〜４）の絶縁電線を円形圧縮して仕上げて、間隙を絶縁物の介在物で充填し、一体でシースを施した多芯ケーブルがある。（２芯はＣＶ−２Ｃ、３芯はＣＶ−３Ｃと記述する。）いずれも、シースの内側に電磁遮蔽を施した、シールドケーブルもある。他に、単芯ＣＶケーブルを３本撚りあわせたＣＶＴ（トリプレックス）がある。
【００２７】
ジェットファンの配線工事には一般的に次のような選択がなされる。モータ用動力配線にはＣＶ−３Ｃが使用されることが多いが、これは機能的にはＣＶＴであってもよい。
割高であることからＣＶＴが使用されることは少ないが、ＣＶ−３Ｃと比べて、軽量で曲げやすいことから、工事の容易さで選択されることがある。モータ用接地電線として、前項のケーブルに１４ｓｑ（１４平方ミリ）程度のＩＶ電線（インドアＰＶＣ）が並列に敷設されることが殆どである。少ないケースではあるが、３Ｃシールドケーブルが使用されることもある。これにもIV電線の接地線が併設される。
【００２８】
実施例１の図１では、３芯シールドケーブルに接地用ＩＶ電線を付設する方法を用いている。ケーブルは、３芯のシールドケーブルが最も高価でＣＶ−３Ｃが最も安価である。充分なＥＭＩ対策を行えば、最も安価なシールドなしのＣＶ−３Ｃを適用できると期待できる。ケーブルは、芯線のサイズによって許容電流が決まっていて、２ｓｑから３２５ｓｑまである。サイズの決定はモータ定格電流以上の許容電流値を持つケーブルであって、定格電流と配線の距離によって決まる電圧降下を一定値以下（例として、定格電圧の６％）にするようなサイズに決められる。
なお、図１の長尺ケーブル３００は３芯シールドケーブルに接地線を併設しているものであるが、他の形式のケーブルでもよい。
【００２９】
ジェットファン４００は、トンネル内の空気を換気する機器であり、誘導モータが組み込まれたものであり、本発明では、インバータ駆動により運転されるジェットファンである。本発明ではジェットファンの構造などは特に限定されず、インバータ駆動により運転できるものであれば多様なジェットファンを適用することができる。ジェットファン４００は、長距離道路トンネル内に適切な間隔で配設されている。トンネルが長距離になれば多数のジェットファン４００が配設されることもあり得る。
【００３０】
次に、本発明の可変速駆動装置１００の各構成要素について詳しく説明する。
可変速駆動装置１００は、電源変圧器１１０、漏電検出リレー付きブレーカー（ＺＣＴ）１２０、交流／直流変換器１３１及びインバータ回路１３２を備えたインバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１およびスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を備えたＬＣフィルタ１５０の各装置を備えた構成となっている。
【００３１】
電源変圧器１１０は、いわゆるΔ／スター結線で二次側の中性点は接地している。商用電源２００の電圧は高圧であるが、電源変圧器１１０の二次電圧は４００ｖ、４４０ｖ、４６０ｖ等に降圧されている。電源変圧器１１０の出力は漏電検出リレー付きブレーカー１２０を経由してインバータ装置１３０に供給されている。
【００３２】
漏電検出リレー付きブレーカー１２０は、後段のインバータ、長尺ケーブル、電動機などの絶縁に不具合が生じ、地絡電流が流れた場合を検出し、ブレーカーとして電流を遮断して装置の各部分の破壊を防止するものである。
【００３３】
インバータ装置１３０は、交流／直流変換器１３１及びインバータ回路１３２を備えており、交流／直流変換器１３１によって一旦交流を直流に変換し、さらに、インバータ回路１３２により所望の周波数の交流を発生する装置である。
【００３４】
交流／直流変換器１３１及びインバータ回路１３２には様々な構成がある。
まず、交流／直流変換器１３１の回路例を幾つか示す。
図２は３相ブリッジダイオード整流器の例である。この３相ブリッジダイオード整流器の出力をインバータ回路１３２の直流電源とする。図２において、電源変圧器１１０は他の設備と共用の場合もある。なお、図２において、漏電検出リレー付きブレーカー１２０の図示は省略している。図２の構成例はコンデンサ入力形であるので、電源電流波形を改善するため３％から５％程度のリアクトルＬを設けている。なお、図示を省略するが、π形などのＥＭＩフィルタをＬと直列に設ける場合もある。抵抗Ｒａ、Ｒｂは説明の便宜上描いた同相電圧観測用のものであるが、例えばＲａ＝Ｒｂ＝１０ｋΩとして、変圧器の２次中性点Ｎ０とＮ１の間をシンクロスコープで観測すれば、整流回路の発生する６ｆ＝３６０Ｈｚの同相電圧が観測できる。
【００３５】
図３は１２相整流回路と呼ばれるダイオード整流器１３１ａの例である。図３の例では直流電圧の脈動が１２ｆ＝７２０Ｈｚとなり、その振幅も小さくなる。しかも電源変圧器の１次電流には第５，第７高調波を含まないという利点がある。この１２相整流回路ダイオード整流器１３１ｂの出力をインバータ回路１３２の直流電源とする。図３では、電源変圧器は専用となるので、その漏れインダクタンスを３％から５％程度に設計することで、独立したリアクトルＬを省略している。この回路は電源変圧器の２次巻き線が２つあるのでどこを接地するかは設計思想によるが、例えばＲＥＣ１とＲＥＣ２の接続点を仮想中性点とすれば、そことＮ１との間には１２ｆの同相電圧が観測できる。
上記に述べた図２、図３の回路では電動機の回生制動を行う場合、直流回路に抵抗＋チョッパを設け、そのエネルギーを吸収する。
【００３６】
次に、図４はＰＷＭコンバータまたは高力率コンバータと呼ばれる直流電源の例である。インバータはＤＣからＡＣ、または ＡＣからＤＣの双方向の電力を扱い得るので、それを利用して交流／直流変換器として利用する方式である。交流電流は力率＝０．９５以上の正弦波に制御できるので、高力率コンバータとも呼ばれる。この回路の利点は電源電流に５、７、１１、１３次など低次の高調波を出さないこと、力率が０．９５以上であること、電動機の回生制動時にその電力を商用に回生できるので、強力なブレーキが可能なことである。ＲａとＲｂは便宜上描いた同相電圧観測用のもので、Ｎ０とＮ１の間でＰＷＭコンバータの同相電圧を観測できる。
【００３７】
本発明の可変速駆動装置１００では、交流／直流変換器１３１として、図２の交流／直流変換器１３１ａ、図３の交流／直流変換器１３１ｂ、図４の交流／直流変換器１３１ｃのいずれのものであっても適用することができる。
【００３８】
次に、インバータ回路１３２の回路例を幾つか示す。
図５は最もよく使われる３相ブリッジインバータで、２レベルインバータとも言われる。
直流回路電圧をＥｄとした場合、相電圧はＥｄ／２、−Ｅｄ／２の２レベルである。２０ｋｗから５０ｋｗ程度のジェットファン駆動にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が適しているので、以下全てのインバータはＩＧＢＴを用いた例で描いている。
【００３９】
図６は３レベルインバータ（ＮＰＣインバータとも言う）のＴＹＰＥ１である。この回路は同じ定格のＩＧＢＴを用いた場合、２レベルインバータに比べて２倍の直流電圧に対応でき、出力電圧も２倍になる。インバータの相電圧は、Ｅｄ／２、０、−Ｅｄ／２の３レベルとなるので、２レベルインバータに比し、高調波の少ない優れた出力電圧波形が得られる。
【００４０】
図７は３レベルインバータのＴＹＰＥ２である。この回路は２レベルインバータと同じ直流電圧にしか対応できないという欠点のため、ほとんど実用された例がないが、出力電圧はＴＹＰＥ１と同様の３レベルとなる。
【００４１】
本発明の可変速駆動装置１００では、インバータ回路１３２として、図５のインバータ回路１３２ａ、図６のインバータ回路１３２ｂ、図７のインバータ回路１３２ｃのいずれのものであっても適用することができる。
つまり、本実施例１のインバータ装置１３０の装置構成は、図２、図３、図４のいずれかの交流／直流変換器１３１と、図５、図６、図７のいずれかのインバータ１３２を組み合わせることにより構成できる。
【００４２】
一般的な電動機の駆動制御で最もよく使われるのは、図２の３相ダイオードブリッジタイプの交流／直流変換器１３１ａと、図５の２レベルインバータタイプのインバータ回路１３２ａとの組み合わせであるが、本実施例１のインバータ装置１３０の装置構成は、例えば、図８で示したように、図２の３相ダイオードブリッジタイプの交流／直流変換器１３１ａと、図６の３レベルインバータ１３２ｂのＴＹＰＥ１または図７の３レベルインバータ１３２ｃのＴＹＰＥ２の組み合わせとする。インバータ１３２は３レベルインバータを用いるのでその直流回路には中性点Ｎ１を作るコンデンサがあるため追加する必要はないが、図８では便宜上、第２のコンデンサ回路１７０として直列接続した略同容量の２つのコンデンサＣａ、Ｃｂを描き出している。また、図８には制動時の回生電力を吸収する「チョッパ＋抵抗」を追加している。さらに漏電時の同相電流を検出し電源のブレーカーを遮断する漏電検出リレー付きブレーカー１２０を設けている。
【００４３】
図９は、図８を一般化し、各種の直流電源（交流／直流変換器、コンバータ）とインバータ回路を組み合わせたものを示したものである。ここでは漏電ブレーカーと「チョッパ＋抵抗」は便宜上図示を省略しているが、以後それらが主題でない場合は同様に省略する。また便宜上、第２のコンデンサ回路１７０として直流回路に略同容量のコンデンサＣａ、Ｃｂを設け直流回路の中性点を作成しているが、３レベルインバータの場合はその中性点作成のコンデンサを利用できる。
【００４４】
次に、図１に戻り、インバータ装置１３０より後段に配置された同相リアクトル１４０、ＬＣフィルタ１５０について説明する。
インバータ装置１３０の出力は同相リアクトル１４０を通した後、ＬＣフィルタ１５０に供給される。
【００４５】
同相リアクトル１４０は、主としてインバータ装置１３０のスイッチング周波数成分の同相電圧を低減するものであり、負荷に流れる同相電流を抑えるものである。
【００４６】
ＬＣフィルタ１５０は、交流リアクトル１５１およびスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を備えたものであり、インバータ装置１３０出力に含まれる急峻なｄｖ/ｄｔ（３０００ｖ/μｓｅｃ程度）のＰＷＭ変調された線間電圧の高周波成分を除去し、インバータ装置１３０出力を正弦波に近い波形とするものである。例えば、実施例１ではフィルタの経済設計のためＬ＝５％、Ｃ＝２％と小さくし、ＬＣの振動を減衰係数０．５になるような抵抗Ｒでダンピングする構成としている。小さなフィルタではキャリア脈動がかなり残るが、線間電圧のｄｖ/ｄｔはＰＷＭ波形に比べて１／１０００程度になっているので電動機の絶縁劣化や軸電流のおそれはない。
なお、第１のコンデンサ回路１５２の構成として、図１の構成例では、コンデンサＣの他にダンピング抵抗Ｒを含んだ構成となっている。なお、図１に示した第１のコンデンサ回路１５２の構成では、コンデンサＣの後にダンピング抵抗Ｒが接続されているが、ＲとＣの順序を逆にする構成も可能であることは言うまでもない。
【００４７】
以上のように構成された本発明の可変速駆動装置１００において、インバータ回路１３２として２レベルインバータと３レベルインバータのいずれも利用可能であるが、同相電圧の低減に関して、３レベルインバータの出力線間電圧と２レベルインバータの出力線間電圧についての優劣を比較・検証してみる。
【００４８】
図１０は、５０ｋＷジェットファン用インバータのシミュレイションの回路を示す図である。図１０に示すように、比較ではいずれのインバータも出力電圧４００ｖに対応して直流電圧は６００ｖとしている。変調キャリアは５ｋＨｚである。ＬＣフィルタはリアクトルが５％、コンデンサが２％、共振周波数は１８９７Ｈｚ、抵抗Ｒを設け減衰係数は０．５にダンピングしている。このリアクトルは三相を一体化した三脚リアクトルではなく、単相リアクトルを３個用いている。このようにすれば同相電流に対し同相リアクトルとしても機能する。三脚リアクトルでは同相リアクトルの機能は無く、大きな漏れ磁束が周囲に漏洩し障害を出す。同相リアクトルは２．５％としている。従って理論上の有効同相リアクトルは２．５＋５／３＝４．１７％である。抵抗Ｒｋは中性点電流が流れすぎる場合に設けるが、今回の条件ではその傾向はないためＲｋ＝Ｒ／１０としている。
【００４９】
なお、零相電圧測定用抵抗１６０は、三相回路の同相電圧を観測するための抵抗回路である。抵抗は１０ｋΩ程度とし、端子Ｕ，Ｖ，Ｗを同相電圧の測定をしたい箇所、例えばインバータの出力端子、ケーブルの入り口、電動機の端子などに接続し、Ｘと基準点の間をシンクロスコープなどで測定器すれば、同相電圧が観測できる。従来技術ではインバータの出力線間電圧ばかりが検討され、同相電圧はあまり注目されて来なかったが、本発明では同相電圧も重点的に考察し、有効な解決策を考案している。
【００５０】
まず、２レベルインバータの出力電圧を検証する。
図１１は２レベルインバータの０から６０Ｈｚに到る波形の例である。図１２は図１１の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調法は三角波比較変調である。実際のシミュレイションの条件ではインバータ装置１３０のスイッチング周波数は５ｋＨｚであるが、波形の傾向を見やすくするために図１１および図１２においてスイッチング周波数を２ｋＨｚ相当として図示している。
【００５１】
図１１および図１２いずれも、上から電圧指令、Ｕ−Ｖ線間電圧、直流回路の中点を基準としたＵ相電圧、同相電圧、同相電圧の実効値である。これを見れば同相電圧はインバータ装置１３０のスイッチング周波数の成分を含み、振幅は±３００ｖの階段状の矩形波で、その実効値は低周波数のとき３００ｖ、６０Ｈｚあたりでは約１５０ｖである。低周波数に３００ｖｒｍｓと大きな値を示すので、始動時に漏洩電流が多く漏電ブレーカーの誤作動を招く原因になり得ることが分かる。
【００５２】
図１３は、ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大したものである。５ｋＨｚの電圧脈動は３００ｖｐ-ｐ程度あり、後で示す３レベルインバータの２倍程度となっている。
【００５３】
図１４は、ＬＣフィルタを通すことにより減衰して正弦波状になった同相電圧波形を示す図である。低速時は波高値(０−peak)８０ｖ＝５７ｖｒｍｓ程度で全域にわたり後で示す３レベルインバータの同相電圧の２倍以上である。
【００５４】
次に、３レベルインバータの出力電圧を検証した。
図１５は３レベルインバータの０から６０Ｈｚに到る波形の例である。図１６は図１５の一部を見やすいように拡大した拡大図である。変調は上下二本の三角波を用いた三角波比較変調である。これを見れば同相電圧は１サイクルに３回上、下に１００ｖシフトする動きを示すが、その振幅は±１５０ｖと２レベルインバータの半分であることが判る。
【００５５】
同相電圧の波形は図１６に示すように複雑な階段波である。その実効値は１サイクルに３回のうねりを示しつつ大きくなり、０．０６秒の３６Ｈｚあたりで最大値の約１２０ｖとなっているが、６０Ｈｚでは８０ｖに減少している。
【００５６】
図１７は、ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大したものである。５ｋＨｚの電圧脈動は１５０ｖｐ-ｐ程度であり、２レベルインバータの１／２程度となっている。
【００５７】
図１８は、ＬＣフィルタを通すことにより減衰した同相電圧波形を示す図である。最大でも波高値(０−peak)は４０ｖ＝２８ｖｒｍｓ程度と全域にわたり２レベルインバータの同相電圧の１／２以下である。低周波数時は極めて少ないので始動時に漏電ブレーカーが誤動作するおそれはない。
【００５８】
図１９は、ＬＣフィルタの後の同相電圧の低減について示す図である。周波数は６０Ｈｚ近辺のものとしている。下がインバータ出口の同相電圧であり、上がＬＣフィルタの後の同相電圧である。図１９に示すように、ＬＣフィルタを介することにより、ケーブルの入り口では同相電圧が略正弦波状で波高値(０−peak)は４０ｖ＝２８ｖｒｍｓに低減されており、２レベルインバータの場合の同相電圧に比べて半分に低減されている。
【００５９】
図２０は、３レベルインバータにおけるダンピング抵抗の電流と３本の損失の合計を示す図である。図２０に示すように最大でも４００Ｗ程度である。２レベルインバータにおけるダンピング抵抗の電流と３本の損失の合計を示す図は省略するが、１２００Ｗ程度であった。つまり、３レベルインバータのダンピング抵抗の損失は、２レベルインバータのダンピング抵抗の損失の３分の１程度に低減されていることが分かる。
つまり、ダンピング抵抗の損失は後述する図２０に示すように５０ｋＷ ジェットファン用で最大４００Ｗで１％以下と問題のない損失に抑えられている。このような小さなＬＣフィルタではキャリア脈動がかなり残るが図１７に示した線間電圧を調べると５ｋＨｚ成分は実効値で５０ｖ程度しかなく、そのｄｖ/ｄｔは２ｖ/μｓｅｃ程度であり、ＰＷＭ波形の１／１０００程度になっているので電動機の絶縁劣化や軸電流のおそれは解決される。
【００６０】
以上の検討から、３レベルインバータは出力線間電圧が優れているだけでなく、同相電圧が少ないことが判る。これに着目し、本実施例では図８に示すように、３レベルインバータを採用した構成が好ましい。これによりケーブル入り口端子の同相電圧を低く抑えることができ、ＥＭＩ障害が軽減されると共に漏電ブレーカーの誤作動がなくなる。さらに、正弦波化フィルタと同相リアクトルに流れる高周波電流が少なくなるのでこれらが小型にでき、損失や騒音が低減できる。
【００６１】
次に、本発明の可変速駆動装置１００の重要なポイントとして、スター接続した第１のコンデンサ回路１５２のスターの中点をインバータの直流電源の中性点として設けた第２のコンデンサ回路１７０の中性点Ｎ１に接続するメリットについて説明する。
図１に示した実施例１の可変速駆動装置１００の構成において、第１のコンデンサ回路１５２のスターの中点をインバータ装置１３０の直流電源の中性点Ｎ１に接続することにより、同相電圧をより一層低減することができる。
【００６２】
同相電圧は、交流／直流変換器１３１が出す６ｆ＝３６０Ｈｚ成分とインバータ回路１３２が出すスイッチング周波数成分であり、それらが交流電源の仮想中性点を元に直列に加算された形でインバータ装置１３０の出力に現れるものである。
【００６３】
ここで、直流電源である交流／直流変換器１３１の同相成分はインバータ装置１３０の同相電圧全体の１０％以下と少なく周波数も低いが、一方、インバータ回路１３２の同相成分はインバータ装置１３０の同相電圧全体の９０％以上と大きいため、インバータ回路１３２の同相成分だけを環流させても同相電圧を効果的に低減できる。本実施例１は、このことを考慮した実施例である。そのためＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２の中性点は直流電源である交流／直流変換器１３１後の中性点として第２のコンデンサ回路１７０の中性点Ｎ１に接続している。これにより同相電流が直流電源である交流／直流変換器１３１の出力に環流されるので、ケーブル３００端子の同相電圧は抑えられた小さな値となる。
【００６４】
図１８および図１９で示したように、同相電圧は５ｋＨｚ成分の波高値（０−peak）が４０ｖ＝２８．２ｖｒｍｓであるが、これによるケーブル３００の浮遊コンデンサ（１０００ｍケーブルで約０．１μＦ）の充電電流は０．０８８Ａと充分少ない値に抑制されるので、漏電遮断器の誤動作は回避できる。
もし、図１のように、第１のコンデンサ回路１５２のスター接続の中性点をインバータ装置１３０の直流電源である交流／直流変換器１３１の中性点Ｎ１に接続せず、ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２を浮かせたままであれば線間電圧が改善されるだけで同相電圧は低減されず改善されない。
【００６５】
なお、図１の構成例では、３芯シールドケーブルに併設した電動機の接地線はケーブル入口で接地し、シールドは直流電源である交流／直流変換器１３１の中性点Ｎ１にもどしているので、シールドに流れるスイッチング周波数の同相電流は漏電検出リレーに感知されない。しかし、これを対地に接地すべきとの設計思想もあり、その場合はこの電流は漏電検出リレーが感知することになる。そのためケーブル３００が２０００ｍなどの長尺ケーブルの場合は漏電検出リレーの感度の周波数特性を調べ、必要に応じて上記の同相リアクトル１４０を増やすことにより対処できる。
【００６６】
なお、上記のＬＣフィルタ１５０として、Ｌ＝１０から１５％、Ｃ＝２０から４０％とすれば、出力電圧をほぼ完全な正弦波にすることも可能である。しかしその場合、抵抗によるダンピングでは損失が大きくなるので、抵抗を設けず制御によりフィルタの振動を抑える方式を採用する必要がある。制御方式としては図２１に示す「電流マイナーループ付き電圧制御」などを適用できるが、この制御方式を採用するためにはセンサも必要となり装置も複雑・高価となる。そのため、上記実施例１の構成で採用している２％程度の小さなコンデンサで済ませる方式は利点が大きいと言える。
【実施例２】
【００６７】
実施例２にかかる本発明の可変速駆動装置１００ａの構成例を示す。
実施例２にかかる本発明の可変速駆動装置１００ａの構成例は、ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２のスター接続の中性点を、三相商用電源の後に設けた電源トランスの二次側に設けた第３のコンデンサ回路１７１のスター接続の中性点に帰還させるものである。
【００６８】
図２２は、実施例２にかかる可変速駆動装置１００ａの構成例を示す図である。図２２には可変速駆動装置１００ａに加え、商用電源２００、長尺ケーブル３００、ジェットファン４００が併せて示されており、また、電源変圧器１１０、漏電検出リレー付きブレーカー（ＺＣＴ）１２０、インバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１およびスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を備えたＬＣフィルタ１５０の各装置を備えた構成となっている。
この実施例２にかかる可変速駆動装置１００ａの各構成要素の説明においては、実施例１にかかる可変速駆動装置１００の各構成要素と同様のものについては説明を省略する。
【００６９】
実施例２にかかる可変速駆動装置１００ａの各構成要素は、実施例１の構成要素と大部分同じであるが、ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２の中性点を電源トランスの二次側に設けた第３のコンデンサ回路１７１のスター接続の中性点に接続した構成となっている。この第３のコンデンサ回路１７１は出力側のコンデンサの数倍以上の容量のものを適用し、安定した中性点を作成する。これによりインバータ回路１３２だけでなく直流電源である交流／直流変換器１３１の同相電流も環流させている。実施例１ではケーブル入り口端子に交流／直流変換器１３１の同相電圧が現れるが、本実施例２の構成では交流／直流変換器１３１の同相電流も環流されるため、ケーブル３００入口の同相電圧が大幅に減少する利点がある。
【００７０】
なお、長尺ケーブル３００はシールド無しの３芯ケーブルを用い、その併設した電動機の接地線はケーブル入口側で接地している。
また、第１のコンデンサ回路１５２の回路構成として、図１に示した構成例では、コンデンサＣの後にダンピング抵抗Ｒが接続された例であったが、本実施例２の図２２に示した構成例では、抵抗Ｒが先にありその後にコンデンサＣが接続された例となっている。このようにＣとＲの順序が入れ替わっても第１のコンデンサ回路１５２の働きとしては同様である。
上記に説明した以外の構成要素の動作は、実施例１に示した動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【実施例３】
【００７１】
実施例３にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｂの構成例を示す。
実施例３にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｂの構成例は、ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２のスター接続の中性点を、電源変圧器１１０ｂの二次側に設けた中性点Ｎ３に帰還させるものである。
【００７２】
図２３は、実施例３にかかる可変速駆動装置１００ｂの構成例を示す図である。図２３には可変速駆動装置１００ｂに加え、商用電源２００、長尺ケーブル３００、ジェットファン４００が併せて示されており、また、電源変圧器１１０ｂ、漏電検出リレー付きブレーカー（ＺＣＴ）１２０、インバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１およびスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を備えたＬＣフィルタ１５０の各装置を備えた構成となっている。
この実施例３にかかる可変速駆動装置１００ｂの各構成要素の説明においては、実施例１にかかる可変速駆動装置１００の各構成要素と同様のものについては説明を省略する。
【００７３】
実施例３にかかる可変速駆動装置１００ｂの各構成要素は、実施例１の構成要素と大部分同じであるが、ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２の中性点を電源変圧器１１０ｂの二次側中性点に接続している。その際、漏電検出リレー付きブレーカＺＣＴ１２０を通し、交流／直流変換器１３１の電源線に流れる同相電流を打ち消すようにしている。このようにすれば交流／直流変換器１３１およびインバータ回路１３２が加算された同相電圧によりＬＣフィルタから環流する同相電流を漏電検出リレーが感知せず、ケーブル３００やジェットファン４００の絶縁不良による同相電流は検出されることになる。なお、この図２３ではシールド付き３芯ケーブルのシールドを対地に接地しているので、ケーブル３００入口の残存同相電圧による同相電流は常に検知されるが、上記に述べたようにその値は充分低くなっている。
上記に説明した以外の構成要素の動作は、実施例１に示した動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【実施例４】
【００７４】
実施例４にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｃの構成例を示す。
実施例４にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｃの構成例は、交流／直流変換器１３１としてＰＷＭコンバータを用いた構成例である。
【００７５】
図２４は、実施例４にかかる可変速駆動装置１００ｃの構成例を示す図である。図２４に示した可変速駆動装置１００ｃは、電源変圧器１１０、漏電検出リレー付きブレーカー（ＺＣＴ）１２０、インバータ装置１３０ｃ、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１およびスター接続された第１のコンデンサ回路１５２を備えたＬＣフィルタ１５０の各装置を備えた構成となっているが、実施例２に示した図２２の可変速駆動装置１００ａと異なる構成は、直流電源にＰＷＭコンバータを用いている点であり、その他は実施例２の図２２と同じである。
【００７６】
この実施例４にかかる可変速駆動装置１００ｃの構成は、受電容量に占める複数台のジェットファン４００の合計容量が大きく、三相整流器では高調波が大きくなり過ぎる場合に適用される。ＰＷＭコンバータ１３１ｃもＶＶＶＦインバータ１３２と同じ３レベルインバータにすれば同相電圧が少なくなるため有利である。しかし、これは８０％から１００％程度の変調度の範囲で使うので、そのあたりの変調であれば２レベルインバータでも同相電圧が低いため適用することは可能である。ＬＣフィルタ１５０の第１のコンデンサ回路１５２の中性点を電源トランスの二次側に設けた第３のコンデンサ回路１７１のスター接続の中性点に接続している。
【００７７】
図２４に示した構成により、二つのインバータの発生する同相電圧は加算されてＬＣフィルタ１５０に印加され、電源トランスの二次側に設けた第３のコンデンサ回路１７１に環流する。ＰＷＭコンバータ側に同相リアクトルを設けていないが、ＶＶＶＦインバータの出力側の同相リアクトルが両者に対し効くので２箇所に設ける必要はないが、ＰＷＭコンバータ側にも同相リアクトルを設けておけば良いことは言うまでもない。
なお、図２４に示すように、交流／直流変換器１３１としてＰＷＭコンバータを使うと、直流電圧は電源電圧の波高値より高くなるので、交流電源が電圧降下しても直流電圧は６００ｖ程度の値であればキープできる。これによりケーブル３００の電圧降下が大きくてもジェットファン４００の電動機端子において６０Ｈｚにて４００ｖの定格運転を保証できることも利点である。
【実施例５】
【００７８】
実施例５にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｄの構成例を示す。
実施例５にかかる本発明の可変速駆動装置１００ｄの構成例は、実施例４で示した可変速駆動装置１００ｃの構成において、１台のＰＷＭコンバータ１３１ｄを２台のＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１およびＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２の電源とし、さらに、それぞれのＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１およびＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２がそれぞれ２台のジェットファンを駆動せしめる構成（つまり、ＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１が２台のジェットファン４００ｄ１１とジェットファン４００ｄ１２を駆動せしめ、ＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２が２台のジェットファン４００ｄ２１とジェットファン４００ｄ２２を駆動せしめる構成）となっている。
【００７９】
図２５は、実施例５にかかる可変速駆動装置１００ｄの構成例に示す図である。図２５に示した可変速駆動装置１００ｄは、電源変圧器１１０、インバータ装置１３０ｄ、ＬＣフィルタ１５０ｄの各装置を図示した構成となっているが、漏電検出リレー付きブレーカー（ＺＣＴ）１２０、同相リアクトル１４０の図示は省略している。
実施例４の図２４に示した可変速駆動装置１００ｃと異なる構成は、１台のＰＷＭコンバータ１３１ｄを２台のＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１およびＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２の電源とした点と、それぞれのＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１およびＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２の後段にそれぞれＬＣフィルタ１５０ｄ１およびＬＣフィルタ１５０ｄ２を設けた点であり、その他は実施例４の図２４と同じである。
【００８０】
ＰＷＭコンバータ１３１ｄは比較的高価なため、複数のＶＶＶＦインバータ１３２ｄ１およびＶＶＶＦインバータ１３２ｄ２で共用する方式が経済的である。図示していないが、２台のＬＣフィルタ１５０ｄ１およびＬＣフィルタ１５０ｄ２の中性点はＰＷＭコンバータ１３１ｄの交流電源側にもどし同相電流を環流させている。
ジェットファン４００はトンネル内で左右２台並べて設置されることが多いので、長尺ケーブル３００を共用することができ、その点でも経済的である。
【００８１】
以上、本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置の構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置は、長距離道路トンネル用の換気制御システム、特に、長距離道路トンネル内に設置した複数のジェットファンをインバータ駆動で制御する換気制御システムなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１のジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００を示す図
【図２】交流／直流変換器１３１の回路例として３相ブリッジダイオード整流器の例を示す図
【図３】交流／直流変換器１３１の回路例として１２相整流回路ダイオード整流器の例を示す図
【図４】交流／直流変換器１３１の回路例としてＰＷＭコンバータまたは高力率コンバータと呼ばれる直流電源の例を示す図
【図５】インバータ回路１３２の回路例として２レベルインバータと呼ばれる三相ブリッジインバータの例を示す図
【図６】インバータ回路１３２の回路例としてＴＹＰＥ１の３レベルインバータの例を示す図
【図７】インバータ回路１３２の回路例としてＴＹＰＥ２の３レベルインバータの例を示す図
【図８】インバータ装置１３０の装置構成として、三相ダイオードブリッジタイプの交流／直流変換器とＴＹＰＥ１又はＴＹＰＥ２の３レベルインバータを組み合わせた例を示す図
【図９】図８を一般化し、各種の直流電源１３１とインバータ回路１３２を組み合わせたものを示した図
【図１０】５０ｋＷジェットファン用インバータのシミュレイションの回路を示す図
【図１１】２レベルインバータの０から６０Ｈｚに到る波形例を示す図
【図１２】図１１の一部を見やすいように拡大した拡大図
【図１３】ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大した図
【図１４】ＬＣフィルタを通すことにより減衰して正弦波状になった同相電圧波形を示す図
【図１５】３レベルインバータの０から６０Ｈｚに到る波形例を示す図
【図１６】図１５の一部を見やすいように拡大した拡大図
【図１７】ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大した図
【図１８】ＬＣフィルタを通すことにより減衰した同相電圧波形を示す図
【図１９】ＬＣフィルタの後の同相電圧の低減について示す図
【図２０】３レベルインバータにおけるダンピング抵抗の電流と３本の損失の合計を示す図
【図２１】「電流マイナーループ付き電圧制御」の処理を簡単に示す図
【図２２】実施例２にかかる可変速駆動装置１００ａの構成例に示す図
【図２３】実施例３にかかる可変速駆動装置１００ｂの構成例に示す図
【図２４】実施例４にかかる可変速駆動装置１００ｃの構成例に示す図
【図２５】実施例５にかかる可変速駆動装置１００ｄの構成例に示す図
【図２６】従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式の対面通行道路トンネルを示す図
【図２７】ジェットファンの台数運転時とインバータ駆動運転時におけるジェットファンの回転数、推力、動力の関係を示す図
【符号の説明】
【００８４】
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ  可変速駆動装置
１１０，１１０ｂ  電源変圧器
１２０  漏電検出リレー付きブレーカー
１３０，１３０ａ，１３０ｃ，１３０ｄ  インバータ装置
１４０  同相リアクトル
１５０  ＬＣフィルタ
１５１  交流リアクトル
１５２  第１のコンデンサ回路
１６０  零相電圧測定用抵抗
１７０  第２のコンデンサ回路
１７１  第３のコンデンサ回路
２００  商用電源
３００  ケーブル
４００  ジェットファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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