(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある周波数の電力を別の周波数の電力に変換する周波数変換装置において、
固定子巻線、回転子巻線および回転子軸を有する回転形周波数変換機と、
前記回転形周波数変換機の前記固定子巻線に接続された高周波数側電源回路と、
前記回転形周波数変換機の前記回転子巻線に接続された低周波数側電気回路と、
ブレーキパッドを少なくとも備えるブレーキ機構を有し、前記回転形周波数変換機の回転子軸に機械的に接続され、前記ブレーキパッドに制動力を発生させることにより前記回転形周波数変換機の回転速度を変更する制動装置と、
前記回転形周波数変換機の前記回転子巻線から所望の周波数を発生させるために、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御して前記回転形周波数変換機の回転速度を減速および加速の両方向に制御する制動装置用制御装置と、
を備えることを特徴とする周波数変換装置。
【請求項２】
前記回転形周波数変換機の回転子軸と前記制動装置との間に接続された歯車機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の周波数変換装置。
【請求項３】
平歯車とウォーム歯車とから構成された前記歯車機構と、
前記ウォーム歯車に接続された電動機と、
前記電動機の回転速度を制御する電動機用制御装置と
を備え、前記制動装置は、前記ウォーム歯車に機械的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の周波数変換装置。
【請求項４】
前記電動機用制御装置は、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を下げる場合には、前記電動機の回転速度を昇速させ、
前記制動装置用制御装置は、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を上げる場合には、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を増強させることを特徴とする請求項３に記載の周波数変換装置。
【請求項５】
ある周波数の電力を別の周波数の電力に変換する周波数変換方法において、
固定子巻線、回転子巻線および回転子軸を有する回転形周波数変換機と、ブレーキパッドを少なくとも備えるブレーキ機構を有し、前記回転形周波数変換機の回転子軸に機械的に接続され、前記ブレーキパッドに制動力を発生させることにより前記回転形周波数変換機の回転速度を変更する制動装置と、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御する制動装置用制御装置と、
前記回転形周波数変換機の固定子巻線に接続された高周波数側電源回路と、
前記回転形周波数変換機の回転子巻線に接続された低周波数側電気回路とを備え、
前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御することにより、前記回転形周波数変換機の回転速度を減速および加速の両方向に制御して、前記回転形周波数変換機の回転子巻線から発生する電源周波数を、所望の周波数に制御することを特徴とする周波数変換方法。
【請求項６】
前記回転形周波数変換機の回転子軸と前記制動装置との間に接続された歯車機構をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の周波数変換方法。
【請求項７】
平歯車とウォーム歯車とから構成された前記歯車機構と、前記ウォーム歯車に接続された電動機と、前記電動機の回転速度を制御する電動機用制御装置とを備えるとともに前記制動装置が前記ウォーム歯車に機械的に接続され、前記電動機の回転速度を制御することにより周波数変換機の回転速度を制御して前記周波数変換機の回転子巻線から発生する電源周波数を所望の周波数に制御することを特徴とする請求項６に記載の周波数変換方法。
【請求項８】
前記回転形周波数変換機が発生する周波数を下げる場合には、前記電動機用制御装置が前記電動機の回転速度を昇速させ、
前記回転形周波数変換機が発生する周波数を上げる場合には、前記制動装置用制御装置が前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を増強させることを特徴とする請求項７に記載の周波数変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある周波数の電力を別の周波数の電力に変換する周波数変換装置に係り、特に、回転形の周波数変換装置及び周波数変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転形の周波数変換方式の代表的なものとして、非特許文献１に記されている誘導非同期周波数変換機がある（非特許文献１参照）。
【０００３】
この方式は、回転形（以下、「回転形」を省略する。）周波数変換機の回転速度を、周波数変換機に直結された電動機により制御し、周波数変換機の回転子巻線から所望の周波数を得る方式である。以下に、原理的な説明を行う。
【０００４】
周波数変換機の固定子巻線の電圧周波数をｆ１Ｈｚ、周波数変換機の回転子の磁極の機械的周波数をｆｒＨｚ、周波数変換機の回転子巻線の電圧周波数をｆ２Ｈｚとすると、
ｆ２＝ｆ１−ｆｒ
の関係がある。よって、ｆｒを制御することにより、ｆ２を制御することができる。
【０００５】
また、周波数変換機の固定子の電気入力をＰ１、周波数変換機の回転子の機械出力をＰｒ、周波数変換機の回転子巻線の電気出力をＰ２とし、便宜上、周波数変換機の損失がないものとすると、
Ｐ２＝Ｐ１−Ｐｒ
の関係があり、これより、
Ｐｒ＝Ｐ１×（ｆｒ／ｆ１）＝Ｐ１×｛（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｝
の関係がある。
【０００６】
例えば、電源周波数が５０Ｈｚ、負荷周波数が０〜５０Ｈｚで、電源と電動機等の負荷を接続するシステムにおいては、ｆ１＝５０Ｈｚ、ｆ２＝５Ｈｚの場合、ｆｒ＝４５Ｈｚ、Ｐｒ＝Ｐ１×０．９となり、周波数変換機の回転速度制御用電動機の出力は、周波数変換機の出力の９０％と大きなものになる。
【０００７】
この方式を利用した類似例として、「異なる電気特性を有する電気系統の相互接続システム」が公開されている（特許文献１参照）。
【０００８】
この相互接続システムは、電力潮流の制御を目的とした電力系統Ａと電力系統Ｂを連係する相互接続システムに関するものであり、電力系統Ａと電力系統Ｂの周波数差は、通常、１Ｈｚ以内であり、回転子の回転速度ｆｒは、固定子の回転磁界の回転速度ｆ１（５０Ｈｚ）の２％以内で制御されるシステムである。
【０００９】
したがって、上述したような、電源周波数が５０Ｈｚ、負荷周波数が０〜５０Ｈｚで、電源と電動機等の負荷を接続するシステム等につては、何ら開示されていない。
【非特許文献１】電気学会大学講座  電気機器工学Ｉ（例えば、昭和５３年１０月２０日２４版）３．１９．５章
【特許文献１】特開平９−２３６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の方式では、電源周波数以下の低周波数（例えば、０〜５０Ｈｚ）を必要とする場合には、周波数変換機の回転速度制御用電動機の出力が、周波数変換機の出力と同程度になり、全体として周波数変換機の寸法が大きくなり、回路構成も複雑であるという不都合があった。
【００１１】
また、周波数変換機の回転速度制御用電動機の回転速度制御に、半導体電力変換装置を用いる場合には、半導体電力変換装置の容量が大きくなり、発生高調波の量が多く、電力系統に悪影響を与え、また、半導体電力変換装置の寸法も大きくなり、設置スペースが大きくなるという不都合があった。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、周波数変換機の回転速度制御用電動機を省略するか、または周波数変換機の回転速度制御用電動機の出力を低減することが可能な周波数変換装置および周波数変換方法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】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る請求項１に記載の周波数変換装置は、ある周波数の電力を別の周波数の電力に変換する周波数変換装置において、固定子巻線、回転子巻線および回転子軸を有する回転形周波数変換機と、前記回転形周波数変換機の前記固定子巻線に接続された高周波数側電源回路と、前記回転形周波数変換機の前記回転子巻線に接続された低周波数側電気回路と、ブレーキパッドを少なくとも備えるブレーキ機構を有し、前記回転形周波数変換機の回転子軸に機械的に接続され、前記ブレーキパッドに制動力を発生させることにより前記回転形周波数変換機の回転速度を変更する制動装置と、前記回転形周波数変換機の前記回転子巻線から所望の周波数を発生させるために、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御して前記回転形周波数変換機の回転速度を減速および加速の両方向に制御する制動装置用制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る請求項２に記載の周波数変換装置は、請求項１に記載の周波数変換装置であって、回転形周波数変換機の回転子軸と制動装置との間に接続された歯車機構を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る請求項３に記載の周波数変換装置は、請求項２記載の周波数変換装置であって、平歯車とウォーム歯車とから構成された前記歯車機構と、前記ウォーム歯車に接続された電動機と、前記電動機の回転速度を制御する電動機用制御装置とを備え、前記制動装置は、前記ウォーム歯車に機械的に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る請求項４に記載の周波数変換装置は、請求項３に記載の周波数変換装置であって、前記電動機用制御装置は、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を下げる場合には、前記電動機の回転速度を昇速させ、前記制動装置用制御装置は、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を上げる場合には、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を増強させることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る請求項５に記載の周波数変換方法は、ある周波数の電力を別の周波数の電力に変換する周波数変換方法において、固定子巻線、回転子巻線および回転子軸を有する回転形周波数変換機と、ブレーキパッドを少なくとも備えるブレーキ機構を有し、前記回転形周波数変換機の回転子軸に機械的に接続され、前記ブレーキパッドに制動力を発生させることにより前記回転形周波数変換機の回転速度を変更する制動装置と、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御する制動装置用制御装置と、前記回転形周波数変換機の固定子巻線に接続された高周波数側電源回路と、前記回転形周波数変換機の回転子巻線に接続された低周波数側電気回路とを備え、前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を制御することにより、前記回転形周波数変換機の回転速度を減速および加速の両方向に制御して、前記回転形周波数変換機の回転子巻線から発生する電源周波数を、所望の周波数に制御することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る請求項６に記載の周波数変換方法は、請求項５に記載の周波数変換方法であって、回転形周波数変換機の回転子軸と制動装置との間に接続された歯車機構をさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る請求項７に記載の周波数変換方法は、請求項６記載の周波数変換方法であって、平歯車とウォーム歯車とから構成された前記歯車機構と、前記ウォーム歯車に接続された電動機と、前記電動機の回転速度を制御する電動機用制御装置とを備えるとともに前記制動装置が前記ウォーム歯車に機械的に接続され、前記電動機の回転速度を制御することにより周波数変換機の回転速度を制御して前記周波数変換機の回転子巻線から発生する電源周波数を所望の周波数に制御することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る請求項８に記載の周波数変換方法は、請求項７に記載の周波数変換方法であって、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を下げる場合には、前記電動機用制御装置が前記電動機の回転速度を昇速させ、前記回転形周波数変換機が発生する周波数を上げる場合には、前記制動装置用制御装置が前記制動装置の前記ブレーキパッドの制動力を増強させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る周波数変換装置及び周波数変換方法によれば、周波数変換機の回転速度制御用電動機を省略または周波数変換機の回転速度制御用電動機の出力を低減することができる。また、周波数変換機の回転速度制御用電動機の速度制御に半導体電力変換器を用いる場合には、半導体電力変換器の出力を低減し、高調波量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る周波数変換装置及び周波数変換方法について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１に係る周波数変換装置１０の構成図である。  
図１には、周波数変換装置１０に接続される第１の電気回路１０１及び第２の電気回路１０２が示されている。
【００２４】
周波数変換装置１０は、回転形周波数変換機２０と、回転形周波数変換機２０の回転子２６の回転子軸２７に接続された歯車機構３０と、歯車機構３０に接続された制動装置４０と、制動装置４０の制動力を制御する制動装置用制御装置４１と、制動装置４０を介して歯車機構３０に接続された電動機５０と、電動機５０の回転速度を制御する電動機用制御装置５１と、第２の電気回路１０２の周波数１０４を検出する周波数測定装置１０３と、第２の電気回路１０２の周波数指令値１０６を設定する周波数設定器１０５とから構成されている。
【００２５】
回転形周波数変換機２０は、巻線形誘導電動機と類似の構造であり、固定子巻線（一次巻線）２１と、回転子巻線（二次巻線）２２を備えている。
【００２６】
歯車機構３０は、平歯車３１とウォーム歯車３２とから構成されており、平歯車３１は、回転形周波数変換機２０の回転子軸２７に接続され、ウォーム歯車３２は、制動装置４０及び電動機５０に接続されている。
【００２７】
制動装置４０は、例えば、ブレーキディスク、キャリバーとブレーキパッドで構成されている。
【００２８】
制動装置用制御装置４１と電動機用制御装置５１には、周波数測定装置１０３によって測定された周波数信号１０４と、周波数設定器１０５で設定された周波数指令値１０６が入力される。
【００２９】
制動装置用制御装置４１は、周波数指令値１０６と周波数信号１０４とから、制動装置４０の最適な制動力を演算し、演算結果に基づいて、制動装置４０の制動力を制御する。
【００３０】
電動機用制御装置５１は、周波数指令値１０６と周波数信号１０４とから、電動機５０の最適な回転速度を演算し、演算結果に基づいて、電動機５０の回転速度を制御する。
【００３１】
以上のように構成された周波数変換装置１０の動作について、以下に説明する。  
回転形周波数変換機２０の回転子巻線（二次巻線）２２には、巻線形誘導電動機と同じ原理で、固定子巻線２１の周波数ｆ１と回転子２６の周波数ｆｒから決まる周波数ｆ２が発生する。また、ｆ１＞ｆ２の場合には、巻線形誘導電動機と同じ原理で、固定子巻線２１に生ずる回転磁界により、回転子２６に回転力が生ずる。
【００３２】
固定子巻線２１の周波数ｆ１、回転子２６の周波数ｆｒ及び回転子巻線２２の周波数ｆ２には、以下の関係がある。
【００３３】
ｆ２＝ｆ１−ｆｒ
回転子２６の回転速度を制御し、これに対応した回転子２６の周波数ｆｒを制御すれば、回転子巻線２２の周波数ｆ２の値を制御することができる。
【００３４】
周波数測定装置１０３により検出された周波数信号１０４の周波数ｆ２が、周波数指令値１０６の周波数ｆ１よりも高い場合には、ｆ２をｆ１に近づけるために、制動装置用制御装置４１は、制動装置４０の制動力を弱めて、回転子２６の周波数ｆｒを大きくする。また、電動機用制御装置５１は、電動機５０の回転速度を加速する。このようにして、制動装置４０の制動力が弱まり、電動機５０の回転速度が加速されると、回転子２６の回転速度ｆｒが加速し、回転子巻線２２の周波数ｆ２が低下する。
【００３５】
逆に、周波数測定装置１０３により検出された周波数信号１０４の周波数ｆ２が、周波数指令値１０６の周波数ｆ１よりも低い場合には、ｆ２をｆ１に近づけるために、制動装置用制御装置４１は、制動装置４０の制動力を強めて、回転子２６の周波数ｆｒを小さくする。また、電動機用制御装置５１は、電動機５０の回転速度を減速する。このようにして、制動装置４０の制動力が強まり、電動機５０の回転速度が減速すると、回転子２６の回転速度ｆｒが減速し、回転子巻線２２の周波数ｆ２が上昇する。
【００３６】
上述のとおり、周波数測定装置１０３により検出された周波数信号１０４に基づいて、制動装置用制御装置４１が制動装置４０の制動力を、電動機用制御装置５１が電動機５０の回転速度を制御することにより、回転子２６の回転速度を制御することができるので、回転子巻線２２の周波数ｆ２を周波数指令値１０６の値に制御することができる。
【００３７】
次に、本発明の周波数変換装置における電動機５０の出力低減効果について説明する。
【００３８】
固定子巻線２１の回転磁界によって、回転子２６には回転力が生じる。しかし、歯車機構３０には、電動機５０に接続されたウォーム歯車３２を用いているので、電動機５０が停止した状態では、ウォーム歯車３２及び平歯車３１が回転せず、回転子２６も回転しない。
【００３９】
電動機５０を回転させると、ウォーム歯車３２及び平歯車３２が回転し、回転子２６も回転する。元々、回転子２６には固定子巻線２１の回転磁界により回転力が生じているので、回転子２６を回転させるために電動機５０が発生しなければならない出力は、ウォーム歯車４２と平歯車４１との摩擦力分だけでよい。
【００４０】
一方、回転子２６を減速する際は、制動装置４０を用いるため、電動機５０が制動方向の力を発生する必要は無い。したがって、電動機５０の出力は、ウォーム歯車４２と平歯車４１の摩擦力から決まる出力だけでよい。
【００４１】
このように、実施例１に係る周波数変換装置によれば、従来例で示した回転形周波数変換機の回転子と電動機を直結する方式に比べて、電動機５０の出力を、大幅に低減することができる。
【００４２】
さらに、電動機用制御装置５１に半導体電力変換装置を用いる場合には、半導体電力変換装置の出力も大幅に低減することが可能になるので、半導体電力変換装置から発生する高調波量も大幅に低減することができる。
【００４３】
実施例１では、歯車にウォーム歯車を用いた例を説明したが、歯車の種類は、ウォーム歯車に限定されるものではなく、その他の種類の歯車でも具体化できる。また、歯車とチェーン、プーリーとベルト、ゴムローラなど、歯車以外の変速手段を用いても具体化できる。
【実施例２】
【００４４】
実施例２は、実施例１の第１の変形例であり、図２に示すように、図１において、制動装置４０及び制動装置４０の制御装置４１の無い構成のものである。
【００４５】
実施例２では、制動装置４０の代わりに電動機５０が制動力を発生し、回転子２６の回転速度を減速する。便宜上、平歯車３１からウォーム歯車３２への伝達効率を２０％と仮定すると、電動機５０の出力は、回転子２６の軸出力の２０％あればよい。
【００４６】
実施例２では、回転形周波数変換機の回転子と電動機を直結する従来例で示した方式に比べ、歯車機構３０を用いることによるだけで、電動機５０の出力を、大幅に低減することができる。
【００４７】
実施例２では、歯車にウォーム歯車を用いた例を説明したが、歯車の種類は、ウォーム歯車に限定されるものではなく、その他の種類の歯車でも具体化できる。また、歯車とチェーン、プーリーとベルト、ゴムローラなど、歯車以外の変速手段を用いても具体化できる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３は、実施例１の第２の変形例であり、図３に示すように、図１において、電動機５０及び電動機用制御装置５１のない構成のもので、かつ、歯車機構３０の構造を平歯車３１からウォーム歯車３２を駆動することが可能な可逆駆動ウォーム歯車を用いて、回転子２６側の平歯車３１の回転力を制動装置４０側のウォーム歯車３２に伝達できる構造としたものである。
【００４９】
制動装置４０の制動力を弱めることにより、回転子２６を加速することができ、一方、制動力を強めることにより、回転子２６を減速することができる。
【００５０】
このように、実施例３では、電動機５０及び電動機制御装置５１を省略することができ、周波数変換装置を簡素化することができる。
【００５１】
実施例３では、歯車にウォーム歯車を用いた例を説明したが、歯車の種類は、可逆駆動ウォーム歯車に限定されるものではなく、その他の種類の可逆駆動歯車でも具体化できる。また、歯車とチェーン、プーリーとベルト、ゴムローラなど、歯車以外の可逆変速手段を用いても具体化できる。
【実施例４】
【００５２】
実施例４は、実施例１の第３の変形例であり、図４に示すように、図１において、歯車機構３０、電動機５０及び電動機用制御装置５１のない構成のものである。第２の変形例と同様に、制動装置４０の制動力を弱めることにより、回転子２６を加速することができ、制動力を強めることにより、回転子２６を減速することができる。
【００５３】
本実施例では、歯車機構３０、電動機５０及び電動機制御装置５１を省略することができ、周波数変換装置を簡素化することができる。
【００５４】
なお、本発明は、上記に説明した各実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を形成できる。例えば、上述したように、実施例１に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例１に係る周波数変換装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例２に係る周波数変換装置の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例３に係る周波数変換装置の概略構成図である。
【図４】本発明の実施例４に係る周波数変換装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…周波数変換装置、２０…回転形周波数変換機、２１…固定子巻線、２２回転子巻線、２６…回転子、２７…回転子軸、３０…歯車機構、３１…平歯車、３２…ウォーム歯車、４０…制動装置、４１…制動装置用制御装置、５０…電動機、５１…電動機用制御装置、１０１…第１の電気回路、１０２…第２の電気回路、１０３…周波数測定装置、１０４…周波数信号、１０５…  周波数設定器、１０６…周波数指令値。
【図１】
0005127433.tif 000002
【図２】
0005127433.tif 000003
【図３】
0005127433.tif 000004
【図４】
0005127433.tif 000005