(57)【要約】【課題】長尺ケーブルを介してジェットファン用誘導電動機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問題に加え、インバータ装置の二次側の回路構成と長尺ケーブルにより生じる電圧低下の影響を解消する。【解決手段】インバータ装置１３０と同相リアクトル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用誘導電動機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。インバータ装置１３０の二次側の回路やケーブル３００により生じる電圧降下の影響を解消するため調整用変圧器１８０を挿入し、ジェットファン用誘導電動機４００の入力電圧が定格入力電圧付近となるよう調整する。【選択図】図１
2015163005.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、前記同相リアクトルおよび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に接続するとともに、
前記インバータ装置の後で前記交流リアクトルの前、前記交流リアクトルの後で前記第１のコンデンサ回路の前、前記第１のコンデンサ回路の後で前記ケーブルの前のいずれかの位置に設置した調整用変圧器を備え、
前記調整用変圧器により、前記インバータ装置の出力電圧から、前記同相リアクトルと前記交流リアクトルと前記第１のコンデンサ回路と前記スター接続の回路要素による電圧降下と、前記ケーブルによる電圧降下を経て現れる前記ジェットファン用誘導電動機の入力電圧が、前記ジェットファン用誘導電動機の定格電圧となるよう電圧を調整せしめる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】
１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に１つの前記同相リアクトル、１台の前記調整用変圧器、１つの前記交流リアクトル、１つの前記第１のコンデンサ、１本のケーブルを設けた構成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】
１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に１つの前記同相リアクトル、１台の前記調整用変圧器、１つの前記交流リアクトル、１つの前記第１のコンデンサを設けた構成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】
１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第１のコンデンサ回路の回路要素のうち、いずれか１つ、またはいずれか２つ、またはいずれか３つを前記並列分岐点の前に配置するとともに、その残りの前記回路要素と前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ設けた構成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５】
１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、
前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第１のコンデンサ回路、前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設けた構成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６】
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乃至５のいずれか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乃至５のいずれか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８】
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乃至５のいずれか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９】
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乃至８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１０】
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、四脚以上の鉄心を用いたものであることを特徴とする請求項１乃至８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１１】
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乃至１０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用誘導電動機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用誘導電動機、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用誘導電動機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。ジェットファン用誘導電動機は通常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。
【０００４】
従来の一般的なジェットファン用誘導電動機を用いた縦流換気方式の対面通行道路トンネルを図４０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用誘導電動機が複数台配設されている。図４０の例ではジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機を稼働することがあるが、この例では４台としている。
図４０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用誘導電動機の運転を制御する。
【０００５】
従来の縦流換気方式によるジェットファン用誘導電動機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４０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用誘導電動機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用誘導電動機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用誘導電動機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用誘導電動機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用誘導電動機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用誘導電動機の台数運転制御が採用されてきた。しかし、ジェットファン用誘導電動機の台数運転制御ではジェットファン用誘導電動機のインバータ駆動運転に比べると消費電力が大きい。図４１は、ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機の回転数、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用誘導電動機の必要推力をとり、縦軸に、ジェットファン用誘導電動機の回転数、ジェットファン用誘導電動機の推力、ジェットファン用誘導電動機の動力をとっている。
【０００９】
ジェットファン用誘導電動機の台数制御運転の場合、運転しているジェットファン用誘導電動機の回転数は、図４１の"Ｒ０"に示すように常に１００％である。また、ジェットファン用誘導電動機の推力Ｍ０およびジェットファン用誘導電動機の動力Ｐ０は、運転しているジェットファン用誘導電動機と運転していないジェットファン用誘導電動機の比となり、図４１の"Ｍ０""Ｐ０"に示すように階段状になる。図４１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用誘導電動機の台数が５台である例を示しているが、ジェットファン用誘導電動機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。
【００１０】
一方、ジェットファン用誘導電動機のインバータ制御運転の場合、ジェットファン用誘導電動機の推力Ｍ１は、全部のジェットファン用誘導電動機を同一回転数で駆動した状態で、個々のジェットファン用誘導電動機の推力を合計（図４１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４１の"Ｍ１"に示すような比例関係となる。ジェットファン用誘導電動機の回転数Ｒ１はジェットファン用誘導電動機の推力の平方根となるので、図４１の"Ｒ１"に示すような曲線となる。また、ジェットファン用誘導電動機の動力Ｐ１はジェットファン用誘導電動機の回転数Ｒ１とジェットファン用誘導電動機の推力Ｍ１の積となるので、図４１の"Ｐ１"に示すような曲線となる。なお、図４１の場合、Ｐ１も５台分の合計値である。
【００１１】
図４１に示すように、従来のジェットファン用誘導電動機の台数運転によるジェットファン用誘導電動機全体の消費電力は"Ｐ０"のように階段状にしか制御できないが、ジェットファン用誘導電動機のインバータ運転によるジェットファン用誘導電動機全体の消費電力は"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用誘導電動機全体の消費電力の方が省電力化できることが分かる。
つまり、ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機の吹き出し風速を得るためには、図４１に示すようにジェットファン用誘導電動機の稼働台数を離散的に増減させる必要があり、ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機をインバータ制御により運転する方が優れている。
【００１２】
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用誘導電動機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用誘導電動機の運転台数と回転方向を定めてジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機を、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。
【００１３】
それに比べて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。
【００１４】
そこで、長距離トンネルにおいてジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機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実用化が難しいとされており、出願人である創発システム研究所による実用化例しかないのが現状である。
【００１５】
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用誘導電動機までの距離は、数百ｍから２０００ｍ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。なお、インバータをジェットファン用誘導電動機の近くに置き、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ため、インバータを電気室近くに置くことが合理的である。電気室のインバータからジェットファン用誘導電動機までの距離が数百ｍから２０００ｍ以上の長距離になると、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
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。
【００１８】
第４の問題は、ジェットファン用誘導電動機への供給電圧の不足である。
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用誘導電動機の定格駆動電圧は４４０Ｖが基本となっている。数百ｍから２０００ｍ程度の長尺ケーブルを介して商用電源から電圧を供給するためその電圧降下を加味して電源室から供給すれば良いこととなる。しかし、インバータは駆動電圧の上限が４８０Ｖ程度である。これはインバータの重要部品であるスイッチング素子の耐圧限界から来ており、それ以上の電圧を印加するとインバータが破壊されてしまうおそれがある。そのため商用電源の供給電圧は４６０Ｖ〜４８０Ｖ程度に抑えざるを得ない。商用電源の供給電圧が４６０Ｖ〜４８０Ｖとし、数百ｍから２０００ｍ程度の長尺ケーブルによる電圧降下と、さらに、上記の第１の問題、第２の問題、第３の問題を解決するために間に特別な電気回路装置の挿入、特別な電気的接続などの工夫を行うとさらに電圧降下が発生してしまい、ジェットファン用誘導電動機への供給電圧が４００Ｖから４２０Ｖ程度しか確保できず、ジェットファン用誘導電動機の駆動電圧が定格値以下となってしまう。
【００１９】
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２０００ｍ程度の長尺ケーブルを介してジェットファン用誘導電動機をインバータ駆動することは実用化するのは一般には難しく、出願人である創発システム研究所による実用化例しかないのが現状である。
【００２０】
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用誘導電動機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、さらに、数百ｍから２０００ｍ程度の長尺ケーブルによる電圧降下や商用電源とジェットファン用誘導電動機の間に挿入した特別な電気回路装置や特別な電気的接続などにより発生する電圧降下によるジェットファン用誘導電動機への供給電圧の不足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】
【００２１】
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、前記同相リアクトルおよび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に接続するとともに、前記インバータ装置の後で前記交流リアクトルの前、前記交流リアクトルの後で前記第１のコンデンサ回路の前、前記第１のコンデンサ回路の後で前記ケーブルの前のいずれかの位置に設置した調整用変圧器を備え、前記調整用変圧器により、前記インバータ装置の出力電圧から、前記同相リアクトルと前記交流リアクトルと前記第１のコンデンサ回路と前記スター接続の回路要素による電圧降下と、前記ケーブルによる電圧降下を経て現れる前記ジェットファン用誘導電動機の入力電圧が、前記ジェットファン用誘導電動機の定格電圧となるよう電圧を調整せしめる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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。さらに、調整用の調整用変圧器を設けているので、数百ｍから２０００ｍ程度の長尺ケーブルによる電圧降下や商用電源とジェットファン用誘導電動機の間に挿入した特別な電気回路装置や特別な電気的接続などにより発生する電圧降下によるジェットファン用誘導電動機への供給電圧の不足の解消するよう電圧の昇圧調整を行うことができる。
【００２４】
次に、上記構成において、１台のインバータ装置で複数台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動することが可能である。
例えば、上記構成において、１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に１つの前記同相リアクトル、１台の前記調整用変圧器、１つの前記交流リアクトル、１つの前記第１のコンデンサ、１本のケーブルを設けた構成としたものである。
つまり、ケーブルの先にあるジェットファン用誘導電動機のみを並列化したものである。
また、例えば、上記構成において、１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設け、前記並列分岐点の前に１つの前記同相リアクトル、１台の前記調整用変圧器、１つの前記交流リアクトル、１つの前記第１のコンデンサを設けた構成としたものである。
つまり、ケーブルとその先にあるジェットファン用誘導電動機を並列化したものである。
また、例えば、上記構成において、１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第１のコンデンサ回路の回路要素のうち、いずれか１つ、またはいずれか２つ、またはいずれか３つを前記並列分岐点の前に配置するとともに、その残りの前記回路要素と前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ設けた構成としたものである。つまり、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の回路要素のうちインバータ装置の後に接続される回路要素のうち幾つかの回路要素を共通化し、残りの回路要素を並列化するものである。
また、例えば、上記構成において、１台の前記インバータ装置の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の前記ジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成であって、前記並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ前記調整用変圧器、前記同相リアクトル、前記交流リアクトル、前記第１のコンデンサ回路、前記ケーブルおよび前記ジェットファン用誘導電動機を設けた構成としたものである。つまり、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の回路要素のうちインバータ装置の後に接続される回路要素のすべての回路要素を並列化するものである。
【００２５】
ここで、上記に示したように、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。
【００２６】
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、四脚以上の鉄心を用いたものに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用誘導電動機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、単相リアクトルや、四脚以上の鉄心（例えば五脚鉄芯）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四脚以上の鉄心を用いることが好ましいと言える。
【００２７】
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】
【００２８】
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。さらに、電圧降下を調整する調整用変圧器を設けているので、数百ｍから２０００ｍ程度の長尺ケーブルによる電圧降下や商用電源とジェットファン用誘導電動機の間に挿入した特別な電気回路装置や特別な電気的接続などにより発生する電圧降下によるジェットファン用誘導電動機への供給電圧の不足の解消するよう電圧の昇圧調整を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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、ジェットファン用誘導電動機の駆動による機械換気力を加えるものである。
【００３１】
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。ジェットファン用誘導電動機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、実施例を示す。
【実施例１】
【００３２】
本発明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１００は、回路の構成要素として、電源変圧器１１０、漏電検出リレー付きブレーカー１２０、インバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、ＬＣフィルタ１５０（交流リアクトル１５１と第１のコンデンサ回路１５２）、中性点接続回路（１７０、１７１、１７２のいずれか）、調整用変圧器１８０の各要素を備え、それらをつなぎ合わせて装置を構成する。さらに周辺機器として商用電源２００、ケーブル３００、ジェットファン用誘導電動機４００を備え、それらをつなぎ合わせてシステムを構成する。
【００３３】
ここで、装置基本構成における各回路要素の接続バリエーションとして、調整用変圧器１８０の配置パターンが３パターン、中性点接続回路の接続パターンが３パターンあり、合計９パターンが存在する。
以下、順に、（１）９パターンの分類、（２）構成要素ごとの説明、（３）第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点接続の構成および効果、（４）調整用変圧器１８０の役割および効果について追って説明する。
【００３４】
（１）９パターンの分類
まず、調整用変圧器１８０の配置パターンが少なくとも３つあることを説明する。
第１の配置パターンが第１のコンデンサ回路１５２の後（つまりＬＣフィルタ１５０の後）でケーブル３００の前に配置するものである。なお、調整用変圧器１８０の第１の配置パターンにおいて、同相リアクトル１４０の配置については、様々な箇所への配置が可能であり、インバータ１３０の二次側かつＬＣフィルタ１５０の一次側の間への配置、インバータ１３０の一次側への配置、ＬＣフィルタ１５０中の交流リアクトル１５１の後かつ第１のコンデンサ回路１５２の前への配置などが可能である。
【００３５】
第２の配置パターンがインバータ装置１３０の後で交流リアクトル１５１の前（つまりＬＣフィルタ１５０の前）に配置するものである。なお、調整用変圧器１８０の第２の配置パターンにおいて、同相リアクトル１４０の配置については、様々な箇所への配置が可能であり、調整用変圧器１８０の二次側でＬＣフィルタ１５０の前への配置、インバータ１３０の一次側への配置、また、インバータ１３０の二次側かつ調整用変圧器１８０の一次側の間への配置、ＬＣフィルタ１５０中の交流リアクトル１５１の後かつ第１のコンデンサ回路１５２の前への配置などが可能である。
【００３６】
第３の配置パターンが交流リアクトル１５１の後で第１のコンデンサ回路１５２の前（つまりＬＣフィルタ１５０のＬとＣの間）に配置するものである。なお、調整用変圧器１８０の第３の配置パターンにおいて、同相リアクトル１４０の配置については、様々な箇所への配置が可能であり、インバータ１３０の二次側かつＬＣフィルタ１５０の前への配置、インバータ１３０の一次側への配置、また、ＬＣフィルタ１５０中の交流リアクトル１５１の後かつ調整用変圧器１８０の一次側への配置、また、調整用変圧器１８０の二次側かつ第１のコンデンサ回路１５２の前への配置などが可能である。
【００３７】
次に、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点接続回路の接続パターンが３つあることを説明する。
第１の接続パターンが、インバータ装置の交流／直流変換器に設けた中性点に接続するものである。
第２の接続パターンが、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に接続するものである。
第３の接続パターンが、三相商用電源に設けた中性点に接続するものである。
これらの組み合わせで９パターンの基本構成が生じる。
【００３８】
以下に、上記したパターンを具体的に図示しておく。
図１は、可変速駆動装置１００−１の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第１の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第１の接続パターンとなっている。
図２は、可変速駆動装置１００ａ−１の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第１の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第２の接続パターンとなっている。
図３は、可変速駆動装置１００ｂ−１の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第１の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第３の接続パターンとなっている。
図４は、可変速駆動装置１００−２の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第２の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第１の接続パターンとなっている。
図５は、可変速駆動装置１００ａ−２の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第２の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第２の接続パターンとなっている。
図６は、可変速駆動装置１００ｂ−２の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第２の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第３の接続パターンとなっている。
図７は、可変速駆動装置１００−３の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第３の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第１の接続パターンとなっている。
図８は、可変速駆動装置１００ａ−３の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第３の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第２の接続パターンとなっている。
図９は、可変速駆動装置１００ｂ−３の構成を示す図であり、調整用変圧器１８０の配置パターンが上記第３の配置パターンであり、第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点の接続先は第３の接続パターンとなっている。
【００３９】
（２）構成要素ごとの説明
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用誘導電動機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。
【００４０】
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。
【００４１】
ジェットファン用誘導電動機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。
【００４２】
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、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。
【００４３】
ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機である。本発明ではジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機を適用することができる。ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機４００が配設されることもあり得る。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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２１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２１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２１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２１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。
【００４８】
図２２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２２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２２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２１、図２２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。
【００４９】
次に、図２３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。
【００５０】
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２１の交流／直流変換器１３１ａ、図２２の交流／直流変換器１３１ｂ、図２３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。
【００５１】
次に、インバータ回路１３２の回路例を幾つか示す。
図２４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用誘導電動機駆動には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。
【００５２】
図２５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。
【００５３】
図２６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。
【００５４】
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２４のインバータ回路１３２ａ、図２５のインバータ回路１３２ｂ、図２６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２１、図２２、図２３のいずれかの交流／直流変換器１３１と、図２４、図２５、図２６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。
【００５５】
一般的な電動機の駆動制御で最もよく使われるのは、図２１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２４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２７で示したように、図２１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２５の３レベルインバータ１３２ｂのＴＹＰＥ１または図２６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２７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２７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。
【００５６】
図２８は、図２７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。
【００５７】
次に、図１〜図９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、調整用変圧器１８０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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
なお、第１のコンデンサ回路１５２の構成として、図１〜図９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、このダンピング抵抗Ｒは必須のものではないため、インピーダンスの状況などにより省略することが可能である。また、図１〜図９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。
【００６１】
（３）第１のコンデンサ回路のスター接続の中性点接続の構成および効果
次に、第１のコンデンサ回路１５２のスター接続の中性点の接続先の構成について説明する。
【００６２】
（３−１）中性点接続パターン１
中性点接続パターン１は、スター接続した第１のコンデンサ回路１５２のスターの中性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に接続する構成である。
図１、図４、図７に示した可変速駆動装置１００−１、１００−２、１００−３の構成に示すように、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。
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３７および図３８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、図４、図７に示すように、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、図４、図７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。抵抗によるダンピングで損失が大きくなる場合には、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れば良い。
【００６７】
（３−２）中性点接続パターン２
中性点接続パターン２は、スター接続した第１のコンデンサ回路１５２のスター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中性点に接続する構成である。
図２、図５、図８に示した可変速駆動装置１００ａ−１、１００ａ−２、１００ａ−３の構成に示すように、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り、中性点接続パターン１と同様、同相電圧をより一層低減することができる。
【００６８】
この中性点接続パターン２の可変速駆動装置１００ａ−１、１００ａ−２、１００ａ−３の各構成要素の説明においては、中性点接続パターン１の可変速駆動装置１００−１、１００−２、１００−３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】
中性点接続パターン２の可変速駆動装置１００ａ−１、１００ａ−２、１００ａ−３の各構成要素は、中性点接続パターン１の可変速駆動装置１００−１、１００−２、１００−３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。中性点接続パターン１の可変速駆動装置１００−１，１００−２，１００−３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、中性点接続パターン２の可変速駆動装置１００ａ−１、１００ａ−２、１００ａ−３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、図４、図７に示した中性点接続パターン１の構成例では、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、図２、図５、図８に示した中性点接続パターン２の構成例では、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同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７１】
（３−３）中性点接続パターン３
中性点接続パターン３は、スター接続した第１のコンデンサ回路１５２のスターの中性点を三相商用電源に設けた中性点に接続する構成である。
【００７２】
図３、図６、図９は、可変速駆動装置１００ｂ−１、１００ｂ−２、１００ｂ−３の構成例を示す図である。可変速駆動装置１００ｂ−１、１００ｂ−２、１００ｂ−３の各構成要素の説明においては、可変速駆動装置１００−１、１００−２、１００−３の各構成要素と同様のものについては説明を省略する。
図３、図６、図９に示すように、可変速駆動装置１００ｂ−１、１００ｂ−２、１００ｂ−３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。
【００７３】
中性点接続パターン３の可変速駆動装置１００ｂ−１、１００ｂ−２、１００ｂ−３の各構成要素は、中性点接続パターン１の可変速駆動装置１００−１、１００−２、１００−３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ー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やジェットファン用誘導電動機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、この中性点接続パターン３の図３、図６、図９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ためケーブル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同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７４】
（４）調整用変圧器１８０の役割および効果
次に、調整用変圧器１８０について述べる。
調整用変圧器１８０は、インバータ１３０からケーブル３００の間において配置され、インバータ１３０から様々な回路要素を経て、さらにケーブル３００による電圧降下を経て現れるジェットファン用誘導電動機４００への入力電圧が、ジェットファン用誘導電動機４００の定格電圧となるよう電圧を調整せしめるものである。装置自体は、単巻変圧器などで良い。
調整用変圧器１８０の配置位置としては、上記の図１から図９に示したように３つのパターンがある。
いずれの配置パターンであっても、調整用変圧器１８０により、ジェットファン用誘導電動機４００の入力電圧がジェットファン用誘導電動機４００の定格電圧となるよう電圧を調整せしめるように、一次側の入力電圧を昇圧して二次側の出力電圧を生成する。
【００７５】
図１０は、（ａ）調整用変圧器１８０を設けない場合と、（ｂ）調整用変圧器１８０を設ける場合の各部位の電圧の関係を簡単に示した図である。
図１０に示すように、インバータ装置１３０は内部に搭載している電子素子の耐圧の関係から４８０Ｖ程度が使用限界とされている。それ以上の電圧をかけるとインバータ装置１３０が破壊されてしまうおそれがある。そこで、商用電源１１０はインバータ装置１３０に対して４６０Ｖから４８０Ｖ程度の入力電圧を供給せざるを得ない。
ここで、インバータ装置１３０の二次側において、ジェットファン用誘導電動機４００に至るまで、様々な電圧降下要素がある。インバータ装置１３０による電圧降下、同相リアクトル１４０による電圧降下、交流リアクトル１５１による電圧降下、第１のコンデンサ回路１５２による電圧降下、スター接続の回路要素（１７０、１７１、１７２）による電圧降下、ケーブル３００による電圧降下などがある。
一方、トンネル換気用のジェットファン用誘導電動機４００には定格入力電圧が４４０Ｖと定められており、４４０Ｖ以下の入力電圧で駆動すると効率が低下する。
【００７６】
図１１（ａ）にジェットファン用誘導電動機の特性を簡単に示した。図１１（ａ）に示すように、ジェットファン用誘導電動機４００は定格入力電圧である４４０Ｖで駆動する場合に比べ、それ以下の４２０Ｖ駆動、４００Ｖ駆動では明らかに、流れる電流［Ａ］は増えてしまう一方、機械出力［ｋＷ］や回転数［ｒｐｓ］が落ちてしまい効率が低下することが分かる。
図１０（ａ）に示すように、調整用変圧器１８０を設けない構成であれば、負荷時インバータ回路の出力電圧が最大４４０Ｖから４６０Ｖ程度であり、その後、同相リアクトル１４０による電圧降下、交流リアクトル１５１による電圧降下、第１のコンデンサ回路１５２による電圧降下、スター接続の回路要素（１７０、１７１、１７２）による電圧降下、ケーブル３００による電圧降下を経ると、ジェットファン用誘導電動機４００の入力電圧が定格入力電圧の４４０Ｖよりも下回ってしまうことが分かる。一例であるが、同相リアクトル１４０と交流リアクトル１５１と第１のコンデンサ回路１５２とスター接続の回路要素で１０Ｖから２０Ｖ程度の電圧降下、ケーブル３００により２０Ｖから４０Ｖ程度の電圧降下が起こりうる。そのため、ジェットファン用誘導電動機４００の入力電圧が４００Ｖ程度に落ちてしまう可能性がある。
【００７７】
ここで、図１０（ｂ）に示すように、調整用変圧器１８０を入れて昇圧する調整を行う。調整用変圧器１８０は、インバータ装置１３０の定格出力電圧から、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１、第１のコンデンサ回路１５２、スター接続の回路要素（１７０、１７１、１７２）による電圧降下と、ケーブル３００による電圧降下を経て現れるジェットファン用誘導電動機４００の入力電圧が、ジェットファン用誘導電動機４００の定格電圧となるよう電圧を調整せしめる。
【００７８】
図１１（ｂ）はシミュレーション結果である。
上段は、調整用変圧器１８０の昇圧比４４０/４４０で実質昇圧しない場合であり、ジェットファン用誘導電動機４００の効率低下を見れば、図１１（ａ）に示した入力電圧で４００Ｖ近い状況にあることが分かる。つまり、調整用変圧器１８０を入れない図１０（ａ）の構成の場合のシミュレーション結果である。
中段は、調整用変圧器１８０の昇圧比４４０/４６０で２０Ｖ昇圧した場合である。ジェットファン用誘導電動機４００の効率を見れば、図１１（ａ）に示した入力電圧で４２０Ｖ近い状況に改善されていることが分かる。
下段は、調整用変圧器１８０の昇圧比４４０/４８０で４０Ｖ昇圧した場合である。ジェットファン用誘導電動機４００の効率を見れば、図１１（ａ）に示した入力電圧で４４０Ｖの定格入力電圧で駆動されている場合と近い状況に改善されていることが分かる。
このように、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１００では、調整用変圧器１８０を入れて電圧を適切に昇圧する調整を行うため、インバータ装置１３０の二次側で電圧降下を起こす要素の影響を低減することができる。
【００７９】
次に、インバータ回路１３２として、２レベルインバータを用いた場合と３レベルインバータを用いた場合を比較しておく。
図１２は、インバータ装置１３０のインバータ回路が３レベルインバータ１３０ｃとした構成例を示す図である。なお、図１２では、一例として、調整用変圧器１８０の配置パターンは配置パターン１で示し、また、中性点の接続パターンは接続パターン２で示している。
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１００では、インバータ回路１３２として２レベルインバータ、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。
【００８０】
図２９は、５０ｋＷジェットファン用誘導電動機用インバータのシミュレーションの回路を示す図である。図２９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。
【００８１】
なお、同相電圧測定用抵抗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。
【００８２】
まず、２レベルインバータの出力電圧を検証する。
図３０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３１は図３０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。実際のシミュレー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３０および図３１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。
【００８３】
図３０および図３１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。
【００８４】
図３２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。
【００８５】
図３３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。
【００８６】
次に、３レベルインバータの出力電圧を検証した。
図３４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３５は図３４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。
【００８７】
同相電圧の波形は図３５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。
【００８８】
図３６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。
【００８９】
図３７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。
【００９０】
図３８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３８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。
【００９１】
図３９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３９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３９に示すように５０ｋＷ ジェットファン用誘導電動機用で最大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３６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。
【００９２】
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２７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。
【実施例２】
【００９３】
実施例２にかか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１００ｄ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１００ｄの構成例は、複数台のジェットファン用誘導電動機を制御する並列構成である。
ジェットファン用誘導電動機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。
ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄの回路要素、ケーブル３００、ジェットファン用誘導電動機４００の各要素のうち、どの部分を共通化し、どの部分を並列化するかで様々な組み合わせが生じる。
【００９４】
図１３は、並列駆動の第１のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−１の構成例を示す図である。
図１３に示すように、１本のケーブル３００の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成である。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
これはジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄの回路要素、ケーブル３００をすべて共通化し、ジェットファン用誘導電動機４００のみを並列化した例である。
【００９５】
次に、図１４は、並列駆動の第２のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−２の構成例を示す図である。
図１４に示すように、１台の可変速駆動装置１００ｄ−２の後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ本のケーブル３００ｄ１と３００ｄ２を設け、その先にジェットファン用誘導電動機を設けて並列駆動する構成である。図中ではｎ＝２として、２本のケーブル３００ｄ１に１台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、ケーブルｄ２に１台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ２を設けて並列駆動する構成となっている。
これはジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄの回路要素をすべて共通化し、ケーブル３００とジェットファン用誘導電動機４００を並列化した例である。
【００９６】
次に、ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄの中にｎ本に分岐する並列分岐点を設ける例を説明する。なお、ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄには多数の回路要素があるので、様々な組み合わせのパターンがあり得る。ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｄには、電源変圧器１１０や漏電検出リレー付きブレーカー１２０やインバータ装置１３０なども含めて様々あるが、そのうちインバータ装置１３０よりも後に位置し得る回路要素である、調整用変圧器１８０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１、第１のコンデンサ回路１５２の回路要素について、そのうち、それらのうちいずれか１つ、またはいずれか２つ、またはいずれか３つを選択して並列分岐点の前に配置して共通化するとともに、共通化しない残りの回路要素とケーブル３００およびジェットファン用誘導電動機４００を共通して並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ設けた構成とする。
この共通化する回路要素の組み合わせにより様々なパターンが生じうる。
以下、代表的なパターンを第３のパターンから第７のパターンまで挙げる。
なお、インバータ装置１３０よりも後に位置し得る回路要素すべてを並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ設けた構成は第８のパターンとして後述する。
【００９７】
図１５は、並列駆動の第３のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−３の構成例を示す図である。
図１５の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−３の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の調整用変圧器１８０を並列化した構成となっている。
つまり、図１５に示すように、インバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１、第１のコンデンサ回路１５２は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器１８０を並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ調整用変圧器１８０ｄ１、１８０ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、インバータ装置１３０、同相リアクトル１４０、交流リアクトル１５１、第１のコンデンサ回路１５２を共用化する構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【００９８】
次に、図１６は、並列駆動の第４のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−４の構成例を示す図である。
図１６の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−４の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ個の第１のコンデンサ１５２を並列化した構成となっている。
つまり、図１６に示すように、インバータ装置１３０と調整用変圧器１８０と同相リアクトル１４０と交流リアクトル１５１は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、第１のコンデンサ回路１５２を並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
【００９９】
図１６の構成では、並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ第１のコンデンサ回路１５２ｄ１、１５２ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に１台のインバータ装置１３０と１台の調整用変圧器１８０と１つの同相リアクトル１４０と１つの交流リアクトル１５１を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【０１００】
次に、図１７は、並列駆動の第５のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−５の構成例を示す図である。
図１７の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−５の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ個のＬＣフィルタ１５０を並列化した構成となっている。
つまり、図１７に示すように、インバータ装置１３０と調整用変圧器１８０と同相リアクトル１４０は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ＬＣフィルタ１５０（交流リアクトル１５１と第１のコンデンサ回路１５２）を並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
【０１０１】
図１７の構成では、並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれＬＣフィルタ１５０ｄ１、１５０ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に１台のインバータ装置１３０と１台の調整用変圧器１８０と１つの同相リアクトル１４０を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【０１０２】
次に、図１８は、並列駆動の第６のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−６の構成例を示す図である。
図１８の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−６の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ個の同相リアクトル１４０とｎ個のＬＣフィルタ１５０を並列化した構成となっている。
つまり、図１８に示すように、インバータ装置１３０と調整用変圧器１８０は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、同相リアクトル１４０とＬＣフィルタ１５０をそれぞれ並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
図１８の構成では、並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ同相リアクトル１４０ｄ１、１４０ｄ２、ＬＣフィルタ１５０ｄ１、１５０ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に１台のインバータ装置１３０と１台の調整用変圧器１８０を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【０１０３】
次に、図１９は、並列駆動の第７のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−７の構成例を示す図である。
図１９の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−７の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の調整用変圧器１８０とｎ個のＬＣフィルタ１５０を並列化した構成となっている。
つまり、図１９に示すように、インバータ装置１３０と同相リアクトル１４０は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器１８０とＬＣフィルタ１５０をそれぞれ並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
図１９の構成では、並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ調整用変圧器１８０ｄ１、１８０ｄ２、ＬＣフィルタ１５０ｄ１、１５０ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に１台のインバータ装置１３０と１個の同相リアクトルを共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【０１０４】
次に、図２０は、並列駆動の第８のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−８の構成例を示す図である。
図２０の構成例では、可変速駆動装置１００ｄ−８の内部においてｎ本に分岐する並列分岐点を設け、ｎ台の調整用変圧器１８０とｎ個の同相リアクトル１４０とｎ個のＬＣフィルタ１５０を並列化した構成となっている。
つまり、図２０に示すように、インバータ装置１３０は単数とし、その後にｎ本に分岐する並列分岐点を設け、調整用変圧器１８０と同相リアクトル１４０とＬＣフィルタ１５０をそれぞれ並列化し、ｎ台のジェットファン用誘導電動機を並列駆動する構成となっている。図中ではｎ＝２として、２台のジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を駆動する構成となっている。
図２０の構成では、並列分岐点の後の各ｎ本の経路上にそれぞれ調整用変圧器１８０ｄ１、１８０ｄ２、同相リアクトル１４０ｄ１、１４０ｄ２、ＬＣフィルタ１５０ｄ１、１５０ｄ２、ケーブル３００ｄ１、３００ｄ２およびジェットファン用誘導電動機４００ｄ１、４００ｄ２を設けて並列構成とする一方、並列分岐点の前に１台のインバータ装置１３０を共用化して設けた構成となっているので、コストを低減しつつ複数台のジェットファン用誘導電動機を駆動できる。
【０１０５】
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】
【０１０６】
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用誘導電動機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】
【０１０７】
【図１】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００−１を示す図である。
【図２】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ａ−１を示す図である。
【図３】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｂ−１を示す図である。
【図４】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００−２を示す図である。
【図５】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ａ−２を示す図である。
【図６】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｂ−２を示す図である。
【図７】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００−３を示す図である。
【図８】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ａ−３を示す図である。
【図９】ジェットファン用誘導電動機の可変速駆動装置１００ｂ−３を示す図である。
【図１０】各部位における電圧降下の影響と調整用変圧器による電圧調整の様子を簡単に示す図である。
【図１１】電動機の特性と調整用変圧器の効果を説明する図である。
【図１２】インバータ装置１３０のインバータ回路が３レベルインバータ１３０ｃである構成例を示す図である。
【図１３】並列駆動の第１のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−１の構成例を示す図である。
【図１４】並列駆動の第２のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−２の構成例を示す図である。
【図１５】並列駆動の第３のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−３の構成例を示す図である。
【図１６】並列駆動の第４のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−４の構成例を示す図である。
【図１７】並列駆動の第５のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−５の構成例を示す図である。
【図１８】並列駆動の第６のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−６の構成例を示す図である。
【図１９】並列駆動の第７のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−７の構成例を示す図である。
【図２０】並列駆動の第８のパターンにかかる可変速駆動装置１００ｄ−８の構成例を示す図である。
【図２１】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２２】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２３】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２４】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２５】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２６】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２７】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２８】図２７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２９】５０ｋＷジェットファン用誘導電動機用インバータのシミュレーションの回路を示す図
【図３０】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３１】図１１の一部を見やすいように拡大した拡大図
【図３２】ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大した図
【図３３】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３４】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３５】図３４の一部を見やすいように拡大した拡大図
【図３６】ＬＣフィルタのＵＶ線間電圧波形の６０Ｈｚ近くを拡大した図
【図３７】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３８】ＬＣフィルタの後の同相電圧の低減について示す図
【図３９】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４０】従来の一般的なジェットファン用誘導電動機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４１】ジェットファン用誘導電動機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用誘導電動機の回転数、推力、動力の関係を示す図
【符号の説明】
【０１０８】
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  同相電圧測定用抵抗
１７０  第２のコンデンサ回路
１７１  第３のコンデンサ回路
１７２  三相商用電源に設けた中性点への接続回路
１８０  調整用変圧器
２００  商用電源
３００  ケーブル
４００  ジェットファン用誘導電動機
【図１】
2015163005.tif 000003
【図２】
2015163005.tif 000004
【図３】
2015163005.tif 000005
【図４】
2015163005.tif 000006
【図５】
2015163005.tif 000007
【図６】
2015163005.tif 000008
【図７】
2015163005.tif 000009
【図８】
2015163005.tif 000010
【図９】
2015163005.tif 000011
【図１０】
2015163005.tif 000012
【図１１】
2015163005.tif 000013
【図１２】
2015163005.tif 000014
【図１３】
2015163005.tif 000015
【図１４】
2015163005.tif 000016
【図１５】
2015163005.tif 000017
【図１６】
2015163005.tif 000018
【図１７】
2015163005.tif 000019
【図１８】
2015163005.tif 000020
【図１９】
2015163005.tif 000021
【図２０】
2015163005.tif 000022
【図２１】
2015163005.tif 000023
【図２２】
2015163005.tif 000024
【図２３】
2015163005.tif 000025
【図２４】
2015163005.tif 000026
【図２５】
2015163005.tif 000027
【図２６】
2015163005.tif 000028
【図２７】
2015163005.tif 000029
【図２８】
2015163005.tif 000030
【図２９】
2015163005.tif 000031
【図３０】
2015163005.tif 000032
【図３１】
2015163005.tif 000033
【図３２】
2015163005.tif 000034
【図３３】
2015163005.tif 000035
【図３４】
2015163005.tif 000036
【図３５】
2015163005.tif 000037
【図３６】
2015163005.tif 000038
【図３７】
2015163005.tif 000039
【図３８】
2015163005.tif 000040
【図３９】
2015163005.tif 000041
【図４０】
2015163005.tif 000042
【図４１】
2015163005.tif 000043