(57)【要約】【課題】回生電力を制動抵抗で消費させながら減速することが可能で且つ制動抵抗を高圧絶縁する必要のない電動機駆動システムを提供する。【解決手段】インバータ減速手段９を有するインバータ装置１０と、インバータ装置１０で駆動される交流電動機５と、インバータ装置１０の出力側に接続され、入力部に変圧器６１を有する制動手段６とで構成する。インバータ減速手段９は、交流電動機５を減速させるとき、交流電動機５を励磁すると共に制動手段６に交流電動機５の回生電力を供給するようにインバータ装置４の出力周波数を低減させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ減速手段を有するインバータ装置と、
前記インバータ装置で駆動される交流電動機と、
前記インバータ装置の出力側に接続され、入力部に変圧器を有する制動手段と
から構成され、
前記インバータ減速手段は、
前記交流電動機を減速させるとき、前記交流電動機を励磁すると共に前記制動手段に前記交流電動機の回生電力を供給するように前記インバータ装置の出力周波数を低減させるようにしたことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
前記インバータ装置は、直流リンク部に直流コンデンサを有し、
前記インバータ減速手段は、前記直流リンク部の電圧が所定値を超えないように前記インバータ装置の出力周波数を低減させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動システム。
【請求項３】
前記インバータ装置は、複数台の単位インバータの単相出力を直列接続して各相の電圧を得るようにした多重インバータ装置であり、
前記複数台の単位インバータの何れか1台の単位インバータの直流リンク部の電圧が所定値を超えないように前記インバータ装置の出力周波数を低減させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動システム。
【請求項４】
前記インバータ減速手段は、
前記交流電動機が所定の回転速度以上のとき、または前記インバータ装置の出力周波数が所定値以上のとき、前記交流電動機をフリーラン減速するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電動機駆動システム。
【請求項５】
前記インバータ減速手段は、
前記直流リンク部の電圧が所定値を超えたとき、前記交流電動機をフリーラン減速するようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電動機駆動システム。
【請求項６】
前記制動手段は、
変圧器とこの変圧器の２次側に開閉器を介して接続された制動抵抗器から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電動機駆動システム。
【請求項７】
前記開閉器と並列に抵抗器を接続したことを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動システム。
【請求項８】
前記変圧器はタップ付変圧器であり、前記インバータ装置の出力周波数が低減しているとき、２次電圧が増大するように前記タップ付変圧器のタップを切換えるようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電動機駆動システム。
【請求項９】
前記制動抵抗器の抵抗値は切換えによって変化させることが可能であり、前記インバータ装置の出力周波数が低減しているとき、前記制動抵抗器の抵抗値が減少するように前記制動抵抗器を切換えるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動システム。
【請求項１０】
前記変圧器の１次側と２次側とを短絡する短絡開閉器を有し、前記インバータ装置の出力周波数が低減しているとき、前記短絡開閉器を閉路するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動システム。
【請求項１１】
前記切換えまたは閉路を行なうタイミングは、前記インバータの出力周波数またはその低減率が所定値以下となったときであることを特徴とする請求項８乃至請求項１０に記載の電動機駆動システム。
【請求項１２】
前記開閉器は半導体スイッチであり、前記インバータ装置の直流リンク部の電圧が第１の所定値を超えたとき前記半導体スイッチをオンし、前記インバータ装置の直流リンク部の電圧が第２の所定値未満となったとき前記半導体スイッチをオフするようにしたことを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ装置を用いた電動機駆動システムに係り、特に電源回生機能を持たない高圧インバータ装置を用いた電動機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源回生機能を持たないインバータ装置を用いて慣性モーメント（ＧＤ２）の比較的大きいポンプやブロアなどの負荷を駆動する電動機駆動システムにおいては、減速／停止の際、必然的にフリーランでの減速／停止となるため、減速時間や停止時間が非常に長くなる。これは、ポンプやブロアなどの所謂２乗負荷では、低速域において負荷トルク（負荷損失）が極端に小さくなるためである。
【０００３】
電源に電力を回生する電源回生機能をインバータ装置に付加すれば、短時間での減速／停止が可能となるが、装置が大型となるばかりでなく、複雑となり、またコストの面でも問題となる。特に複数台の単位インバータ装置の単相出力を直列接続して３相の各相を構成するようにした多重方式の高圧インバータ装置においては、単位インバータ装置毎に電源回生機能を付加する必要があるので複雑な回路構成となる。このため、単位インバータ装置の直流部に制動用の抵抗を付加し、減速時における回生電力をこの制動抵抗で消費させる提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２３８４５５号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された手法によれば、減速時における回生電力を制動抵抗で消費させながら減速することが可能となるが、制動抵抗の絶縁レベルが高電圧となるため、その絶縁処理のため装置が大型となるばかりでなく、単位インバータ装置に対する制動抵抗の発熱の影響を考慮する必要があるため更に装置が大型で高価となってしまう。
【０００５】
本発明は上記に鑑みて為されたもので、回生電力を制動抵抗で消費させながら減速することが可能で且つ制動抵抗を高圧絶縁する必要のない電動機駆動システム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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の電動機駆動システムは、インバータ減速手段を有するインバータ装置と、前記インバータ装置で駆動される交流電動機と、前記インバータ装置の出力側に接続され、入力部に変圧器を有する制動手段とから構成され、前記インバータ減速手段は、前記交流電動機を減速させるとき、前記交流電動機を励磁すると共に前記制動手段に前記交流電動機の回生電力を供給するように前記インバータ装置の出力周波数を低減させるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回生電力を制動抵抗で消費させながら減速することが可能で且つ制動抵抗を高圧絶縁する必要のない電動機駆動システムを提供することが可能となる。        
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明の実施例１に係る電動機駆動システムを図１及び図２を参照して説明する。
【００１０】
図１は実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。図１において、交流電源１の交流電圧は整流器２により直流に変換され、その直流電圧は直流コンデンサ３によって平滑される。平滑された直流電圧はインバータ４によって再び交流に変換され、この交流出力で交流電動機５を駆動する。ここで、整流器２、直流コンデンサ３及びインバータ４は、インバータ装置１０を構成している。
【００１１】
インバータ４の出力側には、変圧器６１と、この変圧器６１の２次側に開閉器６２を介して接続された制動抵抗器６３とから構成された制動回路６が接続されている。直流コンデンサ３の両端には直流電圧検出器７が、またインバータ４の出力側には交流電圧検出器８が設けられている。
【００１２】
インバータ４は例えば高耐圧ＩＧＢＴなどのスイッチング素子をブリッジ接続した構成となっており、これらのスイッチング素子は制御回路９から与えられるオンオフ信号によって制御されている。
【００１３】
以下、制御回路９の内部構成について説明する。尚ここでは、交流電動機５を減速制御するための内部構成を中心として説明する。減速指令は周波数指令として減速レート回路に与えられる。この減速レート回路９１はその減速率が可変である周波数基準を出力してＶ／Ｆ回路９２に与える。Ｖ／Ｆ回路９２は入力された周波数基準に応じた出力電圧基準を出力する。この出力電圧基準と交流電圧検出器８で検出された交流フィードバック電圧とを比較回路９３で比較し、その偏差を電圧制御回路９４に与える。電圧制御回路９４はこの偏差が小さくなるような３相電圧指令をＰＷＭ回路９５に与える。そしてＰＷＭ回路９５はこの３相電圧指令に見合う電圧をインバータ４が出力するようにインバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００１４】
直流電圧検出器７で検出された直流フィードバック電圧は、比較器９６によって設定電圧と比較され、その差分が直流電圧制御器９７に与えられる。そして、直流電圧制御器９７は前記の差分が小さくなるように減速レート基準を出力して減速レート回路９１の減速率を調整する。また、減速レート回路９１の出力はフリーラン切換制御回路９８に与えられ、通常、減速レート回路９１の出力である周波数基準が所定の値となるまではフリーラン減速を行なうようにする。
【００１５】
以上の構成における本実施例の動作を図２の減速動作説明図に基づいて以下説明する。この減速動作説明図は、減速制御時の交流電動機５の回転速度Ｎの時間推移を示したものである。
【００１６】
まず、時刻ｔ＝Ｔ０において回転速度Ｎ０で運転していたとき、減速指令が与えられたものとする。このとき、フリーラン切換制御回路９８は所定の回転速度以上における減速指令であることを検出して、インバータ４をゲートブロックし、フリーラン運転を行なう。そして例えば交流電動機５の負荷特性から求められる時刻ｔ＝Ｔ１において、前記のゲートブロックを解除してインバータ４を運転すると共に開閉器６２を投入して制動回路６による減速制御を開始する。尚、この減速制御開始の時点で、フリーラン時の交流電動機５の回転速度Ｎ１を、また必要であれば交流電動機５の残留磁束を検出し、これらの信号を用いてスムースに運転復帰することが好ましいが、ここではその説明を省略する。また、上記運転復帰の制御時に、開閉器６２の投入時の擾乱が問題となる場合もある。このため、開閉器６２と並列に高抵抗を接続しておき、常時制動抵抗６３に小電流を流しておく対策などが考えられる。
【００１７】
時刻Ｔ１以降の制御動作は以下の通りである。インバータ４を運転することによって交流電動機５には励磁電流が供給される。従ってインバータ４の出力周波数を下げていくと交流電動機４は発電機として動作し、その回生電力（発電電力）は制動抵抗器６３で消費される。この周波数を下げていく減速レートが所定の範囲内であればそのまま減速可能であるが、この減速レートが所定値以上になると、交流電動機５の減速による回生電力を制動抵抗器６３だけでは吸収できなくなる。このため、過剰の回生電力を直流コンデンサ３に蓄えるため、直流リンク部の直流電圧が上昇する。
【００１８】
ここで、直流電圧制御器９７の動作によって、直流電圧が設定電圧となるように減速レートが制御されるため、本実施例によれば、制動抵抗器６３の能力をフルに活用した最大の減速レートで減速することが可能となる。尚、設定電圧を損失上問題のない範囲で通常の運転電圧より若干高めに設定しておけば更に減速レートを早めることが可能となる。
【００１９】
ここで、制動回路６を動作させる回転速度Ｎ１は、負荷の損失特性などから決定する。負荷の損失特性によってはこの回転速度Ｎ１を定格速度とし、フリーラン減速期間を設けないことも可能である。
【００２０】
以上説明したように、本実施例においては、制御回路９が交流電動機５を励磁すると共に制動回路６に交流電動機５の回生電力を供給するようにインバータ４の出力周波数を低減させるように減速制御することがポイントとなっている。
【実施例２】
【００２１】
以下、本発明の実施例２に係る電動機駆動システムを図３及び図４を参照して説明する。
【００２２】
図３は本発明の実施例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、比較器９６及び直流電圧制御器９７を省き、直流電圧検出器７の出力をフリーラン切換制御回路９８に与える構成とした点である。
【００２３】
以上の構成における本実施例の動作を図４の減速動作説明図に基づいて以下説明する。時刻ｔ＝Ｔ０から時刻ｔ＝Ｔ１までの動作は、図２に示した実施例１の動作と同様である。この実施例２においては、時刻Ｔ１から始める減速動作を、予め減速レート回路９１で設定された一定の減速レートで行なうようにする。このようにすれば、図４に示したように減速レート一定で交流電動機５は減速していく。そして時刻ｔ＝Ｔ２まで到達すると、回生電力を制動抵抗器６３で吸収できなくなり、直流電圧が上昇する。この直流電圧の上昇を直流電圧検出器７で検出してフリーラン切換制御回路９８によってインバータ４のゲートブロックを行なう。
【００２４】
この実施例２によれば、回生制動運転中に余分な電力を交流電源１側から制動抵抗器６３に供給する必要はあるが、減速レート一定の減速制御、あるいは回生電力を制動抵抗器６３で吸収可能な範囲での減速制御が可能となる。
【実施例３】
【００２５】
以下、本発明の実施例３に係る電動機駆動システムを図５及び図６を参照して説明する。
【００２６】
図５は本発明の実施例３に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、制動回路６Ａにおいて変圧器６１に代えてタップ付変圧器６１Ａを用いる構成とした点、減速レート回路９１の信号から減速レートを検出する減速レート検出回路９９を設けた点である。
【００２７】
上記構成における本実施例の動作を図６の減速動作説明図に基づいて以下説明する。時刻ｔ＝Ｔ０から時刻ｔ＝Ｔ１までの動作及び時刻ｔ＝Ｔ１から時刻ｔ＝Ｔ３までの動作は、図２に示した実施例１の動作と同様である。時刻ｔ＝Ｔ３において、タップ付変圧器６１Ａのタップを切換えて制動抵抗器６３に印加される電圧をステップアップする。このようにすれば、制動抵抗器６３で消費される電力が増大するので、時刻ｔ＝Ｔ３以降の減速率を増大させることが可能となる。
【００２８】
本実施例においては、時刻ｔ＝Ｔ３の検出を、減速レートが所定値以下になったことによって行なっているが、タイマーによって切換えてもよく、また時刻ｔ＝Ｔ３に対応する回転速度Ｎ３を何らかの方法で検出して行なっても良い。尚、減速レート検出回路９９は、減速レート回路９１の出力である周波数基準と、実際のインバータ４の運転周波数の差分検出に置き換えることも可能である。
【００２９】
また、本実施例はタップを２段切換えする例を示したが、２段切替えでなく、３段以上の切換えを行なってもよい。
【実施例４】
【００３０】
以下、本発明の実施例４に係る電動機駆動システムを図７を参照して説明する。
【００３１】
図７は本発明の実施例４に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、制動回路６Ｂにおいて制動抵抗器６３に代えて可変制動抵抗器６３Ａを用いる構成とした点、減速レート回路９１の信号から減速レートを検出する減速レート検出回路９９を設けた点である。可変制動抵抗器６３Ａは例えば単位抵抗器２台を直列接続したものを並列接続するように切換える構成のものを用いる。
【００３２】
上記構成における本実施例の動作は図６の減速動作説明図と基本的に同様である。図６においては時刻ｔ＝Ｔ３でタップを切換えたが、本実施例においては時刻ｔ＝Ｔ３で可変制動抵抗器の抵抗値が小さくなるように切換えれば良い。
【実施例５】
【００３３】
以下、本発明の実施例５に係る電動機駆動システムを図８を参照して説明する。
【００３４】
図８は本発明の実施例５に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例５の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例１と異なる点は、制動回路６Ｃにおいて変圧器６１の１次と２次を短絡する短絡開閉器６４を設けた点である。
【００３５】
上記構成における本実施例の動作は図６の減速動作説明図と基本的に同様である。図６においては時刻ｔ＝Ｔ３でタップを切換えたが、本実施例においては時刻ｔ＝Ｔ３で短絡開閉器６４を閉路させれば良い。時刻ｔ＝Ｔ３における回転数Ｎ３は十分低速であるのでそのときの駆動電圧は十分低い値となっている。また、周波数も低周波となっているので、変圧器６１を介したときは変圧器６１を低周波特性が問題となる場合もある。従って、この実施例によれば、低速時の制動力を確実に確保することが可能となる。
【実施例６】
【００３６】
以下、本発明の実施例６に係る電動機駆動システムを図９を参照して説明する。
【００３７】
図９は本発明の実施例６に係る電動機駆動システムのシステム構成図である。この実施例６の各部について、図３の本発明の実施例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が実施例２と異なる点は、開閉器６２に代えて半導体スイッチ回路６２Ａを設けた点、直流電圧検出器７の出力を受け、半導体スイッチ回路６２Ａを制御するＯＮ／ＯＦＦ回路１００を設けた点である。
【００３８】
実施例２で説明したように、一定の減速レートで減速するとき、交流電源１から制動抵抗器６３に無駄な電力が供給されてしまう。本実施例においては、ＯＮ／ＯＦＦ回路１００によって、直流電圧が第１の所定値以上となったとき半導体スイッチ回路６２Ａをオンし、直流電圧が第２の所定値以下となったとき半導体スイッチ回路６２Ａをオフするようにする。このような制御を行なえば、交流電動機５を一定の減速レートで減速するときの損失を低減することが可能となり、制動抵抗器６３を小型化することができる。
【実施例７】
【００３９】
以下、本発明の実施例７に係る電動機駆動システムを図１０を参照して説明する。
【００４０】
図１０は、本発明の実施例７に係る電動機駆動システムのインバータ装置１０Ａの回路構成図である。図１０において、交流電源１は複数の２次巻線を有する入力変圧器２０の１次巻線に接続されている。複数の２次巻線の出力は単位インバータ装置２１ｕ１、２１ｕ２、２１ｖ１、２１ｖ２、２１ｗ１及び２１ｗ２に接続されている。これらの単位インバータ装置は同一の構成となっているが、単位インバータ装置２１ｕ２を例にその内部を説明する。
【００４１】
単位インバータ装置２１ｕ２は入力に整流器２ａが設けられその直流出力は直流コンデンサ３ａを介して単相の交流を出力するインバータ４ａに供給される。直流コンデンサ３ａの電圧は必要に応じて直流電圧検出器７ａによって検出される。
【００４２】
単位インバータ装置２１ｕ１と２１ｕ２、２１ｖ１と２１ｖ２、そして２１ｗ１と２１ｗ２の出力は夫々直列接続されており、この各々の直列回路の一端は中性点として互いに接続され、他端はインバータ装置１０Ａの出力となる。尚、図１０においては単位インバータ装置の直列数は２となっているがそれ以外の任意の自然数であっても良い。
【００４３】
このように図１０に示す多重構成のインバータ装置１０Ａを用いても本発明の実施例１乃至実施例６の電動機駆動システムは実現可能である。本実施例においては、直流電圧検出器７は代表となる１台、例えば単位インバータ装置２１ｕ２の直流電圧検出器７ａに置き換えることができる。
【００４４】
以上説明した本発明の実施例１乃至実施例７において、インバータ４またはインバータ４ａの制御はオープンループのＶ／Ｆ制御として説明したが、電流マイナー制御あるいは電流制限制御を加えても良く、また電流を励磁分とトルク分に分離して制御を行うベクトル制御またはセンサレスベクトル制御を行うようにしても良い。
【００４５】
尚、制動抵抗器６３で消費される電力が過大となるような応用においては、変圧器６１の２次側の電力の全部または一部を電源に回生するように構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図２】実施例１の減速動作説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図４】実施例２の減速動作説明図。
【図５】本発明の実施例３に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図６】実施例３の減速動作説明図。
【図７】本発明の実施例４に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図８】本発明の実施例５に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図９】本発明の実施例６に係る電動機駆動システムのシステム構成図。
【図１０】本発明の実施例７に係る電動機駆動システムのインバータ装置部の回路構成図。
【符号の説明】
【００４７】
１  交流電源
２、２ａ  整流器
３、３ａ  直流コンデンサ
４、４ａ  インバータ
５  交流電動機
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ  制動回路
７、７ａ  直流電圧検出器
８  交流電圧検出器
９、９Ａ  制御回路
１０、１０Ａ  インバータ装置
２０  入力変圧器
２１ｕ１、２１ｕ２、２１ｖ１、２１ｖ２、２１ｗ１、２１ｗ２  単位インバータ装置
６１  変圧器
６１Ａ  タップ付変圧器
６２  開閉器
６２Ａ  半導体スイッチ
６３  制動抵抗器
６３Ａ  可変制動抵抗器
６４  短絡開閉器
９１  減速レート回路
９２  Ｖ／Ｆ回路
９３  比較器
９４  電圧制御回路
９５  ＰＷＭ回路
９６  比較器
９７  直流電圧制御器
９８  フリーラン制御切換回路
９９  減速レート検出回路
１００  ＯＮ／ＯＦＦ制御回路
【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】
2009171745.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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