(57)【要約】  制御ユニットとサイクロコンバータ機能と位相制御機能、及びそれぞれが目標交流電動機の特定の巻線に関連しそれぞれが制御ユニットに独立して応答する複数の電子的に制御された半導体スイッチを含む半導体スイッチングユニットによって構成される交流電動機制御システム。一実施例において、制御ユニットに応じて、目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力入力へ接続するように半導体スイッチングユニットは配置される。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御ユニットと
サイクロコンバータ機能と
位相制御機能と
それぞれが目標交流電動機の特定巻線に関連し、それぞれが独立して前記制御ユニットに応じる、電子的に制御された複数の半導体スイッチを含む半導体スイッチングユニットを含む交流電動機制御システム。
【請求項２】
前記半導体スイッチングユニットは、前記制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項３】
前記制御ユニットは、回転数の予め定めた条件及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて、目標交流電動機の巻線をスター結線に接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の動作条件で、配置されることを特徴とする請求項２に記載の交流電動機制御システム。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記回転数の予め定めた条件なし及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて、目標交流電動機の巻線をデルタ結線に接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の動作条件で、配置されることを特徴とする請求項３に記載の交流電動機制御システム。
【請求項５】
前記制御ユニットは、前記サイクロコンバータ機能に応じて前記電子的に制御された半導体スイッチの導通期間を変調するような目標交流電動機の始動条件で、配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項６】
前記制御ユニットは、交流電動機の巻線をデルタ結線の三相電力の入力へ接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定するような目標交流電動機の始動条件で、さらに配置されることを特徴とする請求項５に記載の交流電動機制御システム。
【請求項７】
前記制御ユニットと通信する電流モニタをさらに含み、前記電流モニタは目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を提供するように配置され、
前記半導体スイッチングユニットは前記制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置され、
前記電流モニタにより提供される、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候の予め定めた条件に応じて、スター及びデルタ結線の１つに目標交流電動機の巻線を交互に接続するように前記制御ユニットが配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項８】
提供された少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを決定するように前記制御ユニットは更に配置され、前記予め定めた条件は相対トルクの予め定めた値であることを特徴とする請求項７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項９】
目標交流電動機の巻線をスター結線の三相電力入力へ接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定し、目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合、目標交流電動機の巻線をデルタ結線の三相電力入力へ接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の始動条件で、前記制御ユニットはさらに配置されることを特徴とする請求項７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１０】
前記制御ユニットは、前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するように配置された前記位相制御機能に応じて、デルタ結線で目標交流電動機を始動するようにさらに配置されることを特徴とする請求項９に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１１】
前記位相制御機能は、時間をかけて緩やかに増加する実効電流を提供するように配置され、それにより目標交流電動機を始動させることを特徴とする請求項１０に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１２】
前記位相制御機能は、時間をかけて緩やかに増加する実効電流を提供するように配置され、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量が予め定めた値を超える場合に瞬間実効電圧を低減し、それにより目標交流電動機を始動させることを特徴とする請求項１０に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１３】
目標交流電動機の巻線がデルタ結線に接続されている時の目標交流電動機の動作条件で、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じて前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角をエネルギー消費が低減するように変調し、前記制御ユニットがさらに動作することを特徴とする請求項７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１４】
前記制御ユニットは、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の提供された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つを決定し、決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じて前記変調を決定するようにさらに配置されることを特徴とする請求項７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１５】
前記制御ユニットは、目標交流電動機の回転数を設定値と比較し、目標交流電動機の前記回転数が前記設定値に等しくない場合は前記サイクロコンバータ機能に応じて前記電子的に制御された半導体スイッチの導通期間を変調する、目標交流電動機の動作条件で、配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１６】
前記位相制御機能は、相対トルクに応じてエネルギー消費を低減するように、前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調する目標交流電動機の動作条件で、動作することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１７】
前記位相制御機能は、固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度に応じてエネルギー消費を低減するように前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調する目標交流電動機の動作条件で動作することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１８】
目標電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流の兆候を受信する手段と目標電動機の前記少なくとも２つの巻線に関する電位の兆候を受信する手段をさらに備え、前記制御ユニットは前記受信された電流の兆候及び前記受信された電位の兆候に応じて前記半導体スイッチングユニットを制御するように動作することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項１９】
目標交流電動機の各巻線に平行に配置された受動フィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御システム。
【請求項２０】
交流三相電動機を制御する方法であって、該方法は、サイクロコンバータ機能及び位相制御機能を示すコントローラを提供し、半導体ベースの三相電力への切替可能接続を提供し、及び前記提供されたサイクロコンバータ機能及び前記提供された位相制御機能の選択可能な１つに応じて前記提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することを含む方法。
【請求項２１】
前記切替可能接続を回転数の予め定めた条件及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて交流三相電動機をスター結線の三相電力へ接続するように設定することをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記切替可能接続を回転数の予め定めた条件なし及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて交流三相電動機をデルタ結線の三相電力へ接続するように設定することをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
交流三相電動機の始動条件において、前記導通期間の変調は前記提供されたサイクロコンバータ機能に応じることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
交流三相電動機の始動条件において、
前記提供された半導体ベースの切替可能接続を交流三相電動機をデルタ結線の三相電力へ接続するように設定することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を受信し、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の予め定めた条件に応じて前記提供された半導体ベースの切替可能接続を介してスター及びデルタ結線の１つに目標交流電動機の巻線を交互に接続することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも２つの巻線を流れる受信された電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを計算することをさらに含み、前記予め定めた条件は相対トルクの予め定めた値であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
目標交流電動機の始動条件において、目標交流電動機の巻線を前記提供された半導体ベースの切替可能接続を介してスター結線の三相電力入力に接続し、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の受信された兆候をモニタして目標交流電動機の始動が発生したかどうかを決定し、及び目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合は、目標交流電動機の巻線を前記提供された半導体ベースの切替可能接続を介してデルタ結線の三相電力入力へ接続することをさらに含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
目標交流電動機の始動条件において、デルタ結線で目標交流電動機を始動するための前記導通期間の変調に位相制御機能が応じることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記目標交流電動機を始動する変調は時間をかけて緩やかな実効電流の増加を提供することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記変調は目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の前記受信された兆候が予め定めた値を超える場合、瞬間実行電圧を低減することをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
目標交流電動機の動作条件において、前記導通期間を変調することは目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じてエネルギー消費を低減するように行われることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
少なくとも２つの巻線を流れる電流量の受信された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度の１つを計算することをさらに含み、前記導通期間を変調することは、決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
交流三相電動機の動作条件において、目標交流電動機の回転数を設定値と比較し、目標交流電動機の前記回転数が前記設定値に等しくない場合は、前記提供されたサイクロコンバータ機能に応じて前記提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
交流三相電動機の動作条件において、相対トルクに応じる前記提供された位相制御機能に応じ、前記提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項３５】
交流三相電動機の動作条件において、固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度に応じる前記提供された位相制御機能に応じ、前記提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
交流三相電動機の巻線を通した電圧をフィルタリングすることをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項３７】
制御ユニットと
目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を提供するように配置される前記制御ユニットと通信する電流モニタと
前記制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置される半導体スイッチングユニットを含み、
前記制御ユニットは、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の予め定めた条件に応じて目標交流電動機の巻線を交互にスター及びデルタ結線の１つに接続するように配置されることを特徴とする交流電動機制御システム。
【請求項３８】
前記制御ユニットは、提供された少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを決定するようにさらに配置され、前記予め定めた条件は相対トルクの予め定めた値であることを特徴とする請求項３７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項３９】
前記制御ユニットは、目標交流電動機の巻線をスター結線の三相電力入力へ接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定し、目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合、目標交流電動機の巻線をデルタ結線の三相電力入力へ接続するように前記半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の始動条件で、さらに配置されることを特徴とする請求項３７に記載の交流電動機制御システム。
【請求項４０】
前記制御ユニットは位相制御機能を含み、
前記半導体スイッチングユニットは、それぞれが目標交流電動機の特定の巻線に関連し、それぞれが前記制御ユニットに応じる複数の電子的に制御された半導体スイッチを含み、
前記制御ユニットは、前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するように配置された前記位相制御機能に応じてデルタ結線で目標交流電動機を始動するようにさらに配置されることを特徴とする請求項３９に記載の交流電動機制御システム。
【請求項４１】
前記制御ユニットは位相制御機能を含み、
前記半導体スイッチングユニットは、それぞれが目標交流電動機の特定の巻線に関連し、それぞれが前記制御ユニットに応じる複数の電子的に制御された半導体スイッチを含み、
目標交流電動機の巻線がデルタ結線に接続されている目標交流電動機の動作条件で、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じて前記複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するように前記制御ユニットはさらに動作し、前記変調はエネルギー消費を低減するように選択されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記制御ユニットは、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の提供された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つを決定ようにさらに配置され、前記変調は、決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じることを特徴とする請求項４１に記載の交流電動機制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に交流電動機の分野に関し、特に三相交流電動機の低コスト制御を可能にする方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用途に利用する交流電動機は通常複数の巻線を有し、電力の三相で動作する。一般的に巻線は対称に配置され、デルタ結線又はスター結線のいずれかで電力の三相に接続される。スター結線はＹ結線としても知られている。デルタ結線において、各巻線の終わりは次の巻線の始まりに接続される。スター結線において、３つの巻線の全ての一端は共に接続される。デルタ結線はスター結線と比較して電動機巻線を流れる電流が増加する。従って、スター結線は、通常は電源の過負荷を避けるために直接接続の電動機始動に用いられる。一旦電動機が始動すると、接触アークを避けるために移行期間付近で電源が電動機から切り離される開移行か、あるいは電源が移行期間の間電動機に接続されたままで、通常追加の負荷抵抗を用いる閉移行のいずれかによって、巻線はデルタ結線に切り換わる。一旦デルタ結線に切り換わると、完全な遮断がない限り、動作は一貫してデルタ結線に維持される。
【０００３】
従来のスターデルタ電動機始動に代わり発展したソフトスタータは、一般的に始動段階の間電動機へ送られる電圧を低減することにより動作する。一旦始動段階が終わると、ソフトスタータは電動機から切り離され、該電動機は直接送電系統へ接続される。又、ソフトスタータは動作期間省エネを支援しないし、制動が必要な場合電動機の減速に寄与しないので効率の良い制動手段を提供することもない。始動期間が延長し、始動期間中のピーク電力消費が過度となる。
【０００４】
入力する交流ライン電力をＤＣ電圧に変換し、その後可変の出力周波数及び電圧でＤＣから交流電圧に再変換する周波数変換器は回転速度制御とソフトスターティングの両方を提供する。電動機の実際の速度は受取る電力周波数、電圧、負荷に依存するので、交流電動機に送られる出力周波数を調整することにより交流電動機の速度は制御される。周波数変換器は公称値の１／１０及びそれ以下への減速を含め連続する広範囲の速度に亘り、交流電動機のスムーズな動作を支持できる利点がある。周波数変換器はスターデルタの切り換えやソフトスタータの必要性を無くし、その代わりに電動機を低周波数及び低電圧出力で始動させる。残念なことは、周波数変換器は高価で嵩張り、その上多くの電動機がそのような広範の制御を必要としないことである。
【０００５】
サイクロコンバータは入力交流波形のセグメントから出力交流波形を合成することにより、中間のＤＣ変換を必要とすることなく、入力交流波形を異なる周波数の出力交流波形に変換する。サイクロコンバータは数メガワットの公称値を示す可変周波数駆動のような超高電力出力システムに最も多く見かける。サイクロコンバータの操作は良く知られており、とりわけ、ドイツのＳｉｅｍｅｎｓＡＧ社から市販で購入できる。
【０００６】
このように、低コストで制御される始動及び電力低減をもたらす方法や装置に対して長期のニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００７】
上記説明及びその他を考慮して、本発明は従来及び現在の電動機制御方法の欠点のいくつか又は全てを克服する方法及び装置を提供する。代表的な実施形態では、交流電動機制御システムは、制御ユニットとサイクロコンバータ機能と位相制御機能とそれぞれが目標交流電動機の特定巻線に関連し、それぞれが独立して制御ユニットに応じ、電子的に制御された複数の半導体スイッチを含む半導体スイッチングユニットを含む。
【０００８】
一の実施形態では、半導体スイッチングユニットは制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置される。さらなる実施形態では、回転数の予め定めた条件及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて、目標交流電動機の巻線をスター結線に接続するように半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の動作条件で、制御ユニットが配置される。
【０００９】
一の実施形態では、回転数の予め定めた条件なし及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて、目標交流電動機の巻線をデルタ結線に接続するように半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の動作条件で、制御ユニットが配置される。一の実施形態では、サイクロコンバータ機能に応じて電子的に制御された半導体スイッチの導通期間を変調するような目標交流電動機の始動条件で、制御ユニットが配置される。さらなる実施形態では、交流電動機の巻線をデルタ結線された三相電力の入力へ接続するように半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の始動条件で、制御ユニットがさらに配置される。
【００１０】
一の実施形態では、交流電動機制御システムはさらに、制御ユニットと通信する電流モニタを含み、電流モニタは目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を提供するように配置され、半導体スイッチングユニットは制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置され、電流モニタにより提供される目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候の予め定めた条件に応じて、スター及びデルタ結線の１つに目標交流電動機の巻線を交互に接続するように制御ユニットが配置される。さらなる実施形態では、制御ユニットは更に、提供された少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを決定するように配置される。
【００１１】
さらなる実施形態では、目標交流電動機の巻線をスター結線の三相電力入力へ接続するように半導体スイッチングユニットを設定し、目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合は目標交流電動機の巻線をデルタ結線の三相電力入力へ接続するように半導体スイッチングユニットを設定するよう、さらに制御ユニットを配置する。一の実施形態では、位相制御機能に応じてデルタ結線で目標交流電動機を始動するようにさらに制御ユニットを配置し、複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するように位相制御機能を配置する。さらなる実施形態では、時間をかけて緩やかに増加する実効電流を提供するように位相制御機能を配置し、それにより目標交流電動機を始動させる。さらなる他の実施形態では、時間をかけて緩やかに増加する実効電圧を提供するように位相制御機能を配置し、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量が予め定めた値を超える場合に瞬間実効電圧を低減し、それにより目標交流電動機を始動させる。
【００１２】
一の実施形態では、目標交流電動機の巻線がデルタ結線に接続されている場合、目標交流電動機の動作条件で、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じて複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調し、変調はエネルギー消費を低減するように選択され、制御ユニットはさらに動作する。一の実施形態では、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の提供された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つを決定し、変調は決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じるように制御ユニットをさらに配置する。
【００１３】
一の実施形態では、目標交流電動機の回転数を設定値と比較し、目標交流電動機の回転数が設定値に等しくない場合はサイクロコンバータ機能に応じて電子的に制御された半導体スイッチの導通期間を変調する目標交流電動機の動作条件で、制御ユニットを配置する。一の実施形態では、相対トルクに応じてエネルギー消費を低減するように、複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調する目標交流電動機の動作条件で、位相制御機能は動作する。
【００１４】
一の実施形態では、固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度に応じてエネルギー消費を低減するように複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調する目標交流電動機の動作条件で、位相制御機能は動作する。一の実施形態では、目標電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流の兆候を受信する手段と目標電動機の少なくとも２つの巻線に関する電位の兆候を受信する手段をさらに備え、制御ユニットは受信された電流の兆候及び受信された電位の兆候に応じて半導体スイッチングユニットを制御するように動作する。一の実施形態では、交流電動機制御システムは目標交流電動機の各巻線に平行に配置された受動フィルタをさらに含む。
【００１５】
別に一の実施形態では、交流三相電動機を制御する方法が提供され、該方法は、サイクロコンバータ機能及び位相制御機能を示すコントローラを提供し、半導体ベースの三相電力への切替可能接続を提供し、提供されたサイクロコンバータ機能及び提供された位相制御機能の選択可能な１つに応じて提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することを含む。
【００１６】
一の実施形態では、該方法は、切替可能接続を回転数の予め定めた条件及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて交流三相電動機をスター結線の三相電力へ接続するように設定することをさらに含む。さらなる実施形態では、該方法は、切替可能接続を回転数の予め定めた条件なし及び巻線電流と静負荷トルクの１つに応じて交流三相電動機をデルタ結線の三相電力へ接続するように設定することをさらに含む。
【００１７】
一の実施形態では、交流三相電動機の始動条件において、導通期間の変調は提供されたサイクロコンバータ機能に応じ、好ましくは、交流三相電動機をデルタ結線の三相電力へ接続するように提供された半導体ベースの切替可能接続を設定することをさらに含む。
【００１８】
一の実施形態では、該方法は、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を受信し、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の予め定めた条件に応じて提供された半導体ベースの切替可能接続を介してスター及びデルタ結線の１つに目標交流電動機の巻線を交互に接続することをさらに含む。さらなる実施形態では、該方法は、少なくとも２つの巻線を流れる受信された電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを計算することをさらに含み、予め定めた条件は相対トルクの予め定めた値である。
【００１９】
さらなる実施形態では、該方法は、目標交流電動機の始動条件において、目標交流電動機の巻線を提供された半導体ベースの切替可能接続を介してスター結線の三相電力入力に接続し、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の受信された兆候をモニタして目標交流電動機の始動が発生したかどうかを決定し、及び目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合は、目標交流電動機の巻線を提供された半導体ベースの切替可能接続を介してデルタ結線の三相電力入力へ接続することを含む。さらなる実施形態では、目標交流電動機の始動条件において、デルタ結線で目標交流電動機を始動するように導通期間の変調は位相制御機能に応じる。好ましくは、目標交流電動機を始動する変調は時間をかけて緩やかな実効電流の増加を提供する。さらに好ましくは、変調は目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の受信された兆候が予め定めた値を超える場合、瞬間実行電圧を低減することをさらに含む。
【００２０】
さらなる実施形態では、目標交流電動機の動作条件において、導通期間を変調することは目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じてエネルギー消費を低減するように行われる。好ましくは、該方法は、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の受信された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度の１つを計算することをさらに含み、導通期間を変調することは、決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じる。
【００２１】
一の実施形態では、交流三相電動機の動作条件において、目標交流電動機の回転数を設定値と比較し、目標交流電動機の回転数が設定値に等しくない場合は、提供されたサイクロコンバータ機能に応じて提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む。一の実施形態では、該方法は、交流三相電動機の動作条件において、相対トルクに応じる提供された位相制御機能に応じ、提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む。
【００２２】
別に一の実施形態では、該方法は、交流三相電動機の動作条件において、固定子の電磁力べクトルと固定子の相電流間の角度に応じる提供された位相制御機能に応じ、提供された半導体ベースの切替可能接続の構成要素のスイッチの導通期間を変調することをさらに含む。一の実施形態では、該方法は、交流三相電動機の巻線を通した電圧をフィルタリングすることをさらに含む。
【００２３】
別に一の実施形態では、交流電動機制御システムは、制御ユニットと目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候を提供するように配置される制御ユニットと通信する電流モニタと制御ユニットに応じて目標交流電動機の巻線をスター及びデルタ結線の１つの三相電力の入力へ接続するように配置される半導体スイッチングユニットを含み、制御ユニットは、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量の予め定めた条件に応じて目標交流電動機の巻線を交互にスター及びデルタ結線の１つに接続するように配置される。
【００２４】
一の実施形態では、制御ユニットは、提供された少なくとも２つの巻線を流れる電流量の兆候に応じて目標交流電動機の相対トルクを決定するようにさらに配置され、予め定めた条件は相対トルクの予め定めた値である。一の実施形態では、制御ユニットは、目標交流電動機の巻線をスター結線の三相電力入力へ接続するように半導体スイッチングユニットを設定し、目標交流電動機の始動が予め定めた期間内に検知されない場合、目標交流電動機の巻線をデルタ結線の三相電力入力へ接続するように半導体スイッチングユニットを設定する目標交流電動機の始動条件で、さらに配置される。好ましくは、制御ユニットは位相制御機能を含み、半導体スイッチングユニットは、それぞれが目標交流電動機の特定の巻線に関連し、それぞれが制御ユニットに応じる複数の電子的に制御された半導体スイッチを含み、制御ユニットは、複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するように配置された位相制御機能に応じてデルタ結線で目標交流電動機を始動するようにさらに配置される。
【００２５】
一の実施形態では、制御ユニットは位相制御機能を含み、半導体スイッチングユニットは、それぞれが目標交流電動機の特定の巻線に関連し、それぞれが制御ユニットに応じる複数の電子的に制御された半導体スイッチを含み、制御ユニットは、目標交流電動機の巻線がデルタ結線に接続されている場合の目標交流電動機の動作条件で、目標交流電動機の少なくとも２つの巻線を流れる電流量に応じて複数の電子的に制御された半導体スイッチの少なくともいくつかの導通角を変調するようにさらに動作し、変調はエネルギー消費を低減するように選択される。好ましくは、制御ユニットは、少なくとも２つの巻線を流れる電流量の提供された兆候に応じて目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つを決定するようにさらに配置され、変調は、決定された目標交流電動機の相対トルク及び固定子の電磁力ベクトルと固定子の相電流間の角度の１つに応じる。
【００２６】
本発明の追加の特徴や効果は以下の図面及び説明により明らかになる。
【００２７】
本発明をより良く理解するために、それが如何に実施されるのかを示すために、単に例として、添付図面を参照する。その中で、全体を通して同じ数字が対応の要素や部分を指定する。
【００２８】
図面を詳細に具体的に参照するにあたり、具体的なものは、例として、本発明の好適な実施例を図面を使って説明する目的のみで表わされ、本発明の原理や概念的特徴を最も有用にかつ容易に理解することができると思われる説明を提供するために提示されることを強調しておきたい。この点に関し、本発明の基本的理解に必要とする以上に詳細に本発明の構造的詳細を示すようには試みていない。図面と共に記載する説明により、本発明のいくつかの形式を如何に実用上具現化することができるか、当業者にとって明白となっている。
添付図面において：
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】選択的にサイクロコンバータ機能を備えた交流電動機コントローラを含むシステムの実施例の高水準概略図を示す。
【図１Ｂ】固定サイクロコンバータ機能を備える交流電動機コントローラを含むシステムの実施例の高水準概略図を示す。
【図２】デルタ及びスター結線の１つを切り換えることにより省エネを実行するための、図１Ａと図１Ｂの交流電動機コントローラのマスタ制御ユニットの動作の代表的実施例を示す高水準フローチャートを表す。
【図３】交流電動機を始動するための図１Ａと１Ｂの交流電動機コントローラのマスタ制御ユニットの動作の代表的実施例を示す高水準フローチャートを表す。
【図４】定常状態の動作において図１Ａと１Ｂの交流電動機コントローラのマスタ制御ユニットの動作の代表的実施例を示す高水準フローチャートを表す。
【図５】交流電動機の様々の相対トルクに対する相対電流と相対電圧との関係を示す図を表す。
【図６Ａ】トルクファクタの機能としてスター及びデルタ結線間を切り換え制御することの効果を示す。
【図６Ｂ】トルクファクタの機能としてスター及びデルタ結線間を切り換え制御することの効果を示す。
【図６Ｃ】トルクファクタの機能としてスター及びデルタ結線間を切り換え制御することの効果を示す。
【図７】更に受動フィルタを示し、図１Ｂのシステムに全ての点で類似するシステムの高水準概略図を表す。
【図８】各半導体スイッチングユニットを備える複数の交流電動機が単一交流電動機コントローラにより制御される、マルチ電動機実施例の高水準ブロック図を表す。
【図９】図１Ａの交流動機コントローラのマスタ制御ユニットの動作の代表的実施例を示し、目標交流電動機を電流に応じてスター及びデルタ結線の１つに交互接続する高水準フローチャートを表す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
本発明の少なくとも一実施例を詳細に説明する前に、本発明はその適用において以下の説明や図面で表わされる詳細な部品の構造、配置に限定されないことを理解されたい。本発明はその他の実施例にも適用可能であり、様々な方法により実施されることが可能である。さらに、ここで使われるフレーズや用語は説明目的のためであり、それに限定されると見做されるべきではない。
【００４０】
図１Ａはシステムの高水準概略図を表し、以下の構成を含む。各相をＬ１、Ｌ２、Ｌ３と表記する三相電力のソース、交流電動機コントローラ１０、サイリスタとして限定されないが、各サイリスタ２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９として表記される複数の半導体スイッチを含む半導体スイッチングユニット２０、それぞれ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃと表記されそれぞれが三相の一つに関連する少なくとも３つの巻線３５から構成される交流電動機３０、複数の電圧センサ４０、複数の電流センサ５０。交流電動機コントローラ１０は、マスタ制御ユニット６０と選択的サイクロコンバータ機能７０と位相制御機能８０とスイッチドライバ９０とＡ／Ｄコンバータ１００を含む。各相に対して電圧センサ４０及び電流センサ５０が示されるが、以下に更に具体的に記載するように、いずれにせよこれには限定されない。サイリスタ２１、２２、２７は巻線３５Ａに関連し、サイリスタ２３、２４、２８は巻線３５Ｂに関連し、サイリスタ２５、２６、２９は巻線３５Ｃに関連する。
【００４１】
相Ｌ１は第１電圧センサ４０及び第１電流センサ５０を介して巻線３５Ａの第１端部へ、相Ｌ２は第２電圧センサ４０及び第２電流センサ５０を介して巻線３５Ｂの第１端部へ、及び相Ｌ３は第３電圧センサ４０及び第３電流センサ５０を介して巻線３５Ｃの第１端部へ接続される。各電圧センサ４０はニュートラルまたはアースに関する電位を反映する出力を提供するように配置されている。巻線３５Ａの第２端部はサイリスタ２１のアノード及びサイリスタ２２のカソードに、巻線３５Ｂの第２端部はサイリスタ２３のアノード及びサイリスタ２４のカソードに、及び巻線３５Ｃの第２端部はサイリスタ２５のアノード及びサイリスタ２６のカソードに接続される。サイリスタ２１のカソードはサイリスタ２２のアノード及び巻線３５Ｃの第１端部に接続される。サイリスタ２３のカソードはサイリスタ２４のアノード及び巻線３５Ａの第１端部に接続される。サイリスタ２５のカソードはサイリスタ２６のアノード及び巻線３５Ｂの第１端部に接続される。
【００４２】
巻線３５Ａの第２端部はさらにサイリスタ２７のアノード及びサイリスタ２９のカソードに接続される。巻線３５Ｂの第２端部はさらにサイリスタ２８のアノード及びサイリスタ２７のカソードに接続される。巻線３５Ｃの第２端部はさらにサイリスタ２９のアノード及びサイリスタ２８のカソードに接続される。各サイリスタ２１‐２９の制御入力は独立してスイッチドライバ９０の特定出力に応じる。
【００４３】
各電圧センサ４０及び電流センサ５０の感知出力はＡ／Ｄ変換器１００の各入力に接続される。Ａ／Ｄ変換器１００の出力はマスタ制御ユニット６０へ接続され、マスタ制御ユニット６０は選択的サイクロコンバータ機能７０、位相制御機能８０及びスイッチドライバ９０のそれぞれと通信する。
【００４４】
半導体スイッチングユニット２０はサイリスタ２１〜２６が有効にされ、サイリスタ２７〜２９が無効にされると、各巻線３５の第２端部は別の相に関連する巻線３５の第１端部と接続されるので、交流電動機３０がデルタ結線に接続されるように配置される。サイリスタ２１〜２６が無効にされ、サイリスタ２７〜２９が有効にされると、交流電動機３０はスター結線に接続される。又、以下に記載するように、選択的サイクロコンバータ機能７０及び位相制御機能８０のそれぞれに応じてサイリスタ２１〜２９は更に動作し、ソフト始動、制御された動作及び制動を提供する。半導体スイッチングユニット２０は、ソフト始動、制御された動作及び制動を提供するサイリスタと同一のサイリスタによってデルタ／スターススイッチングの両方が提供される実施例に図示されているが、これに限定するものではない。別の実施例（図示しない）では、範囲を逸脱することなく、デルタ／スターススイッチングを提供する分離したスイッチのセットが設けられる。
【００４５】
上記は、各相Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に電圧センサ４０及び電流センサ５０を設けるものとして記載したが、上記のようにこれに限定されるものではない。特に、単に２つの電圧センサ４０、２つの電流センサ５０を設ける一実施例では、電圧センサ４０及び電流センサ５０が設けられない相に対する電圧及び電流情報はマスタ制御ユニット６０により以下の数式を用いて計算する。
【数１】
2012533271.tif 000003
ここで、電圧センサ４０が設けられない相に対する電圧はｕ３と表記され、電圧センサ４０が設けられる相に対する電圧はそれぞれｕ１及びｕ２と表記される。
同様に、電流センサ５０が設けられない相に対する電流はｉ３と表記され、電流センサ５０が設けられる相に対する電流はそれぞれｉ１及びｉ２と表記される。
【００４６】
図１Ｂはサイクロコンバータ機能７０が交流電動機コントローラ１０にしっかり収容されている点を除けば全ての点において図１Ａに類似している。図１Ａ及び図１Ｂ両システムの動作は簡便化のために一緒に説明するが、動作においてサイクロコンバータ機能７０を必要とする場合には、図１Ｂが起動されるか、あるいはサイクロコンバータ機能７０がしっかり収容された図１Ａの実施例が起動されるかにかかわらない。
【００４７】
動作において、マスタ制御ユニット６０はＡ／Ｄ変換器１００を介して各電圧センサ４０及び電流センサ５０から各第１、第２及び第３巻線３５の瞬間電圧及び電流情報を受信する。センサデータに応じて、マスタ制御ユニット６０はｉ１ｘ及びｉ１ｙと表記する固定子電流の直交成分を決定するように動作する。具体的には、
【数２】
2012533271.tif 000004
ここで、ｉ１は第１電流センサ５０により感知される、巻線３５Ａを流れる電流であり、ｉ２は第２電流センサ５０により感知される、巻線３５Ｂを流れる電流であり、ｉ３は第３電流センサ５０により感知される、巻線３５Ｃを流れる電流である。数式１に関し上記するように、第３電圧センサ４０及び第３電流センサ５０は必要とされない。制御ユニット６０はさらにｕ１ｘ及びｕ１ｙと表記する固定子電圧の直交成分を決定するように動作する。具体的には、
【数３】
2012533271.tif 000005
ここでｕ３５Ａは第１電圧センサ４０により感知される巻線３５Ａを通した電圧であり、ｕ３５Ｂは第２電圧センサ４０により感知される巻線３５Ｂを通した電圧であり、ｕ３５Ｃは第３電圧センサ４０により感知される巻線３５Ｃを通した電圧である。一実施例において、電圧センサ４０はそれぞれ切り換えられて各巻線３５を通した電圧を直接感知し、別の実施例では、各巻線３５を通した電圧は各電圧センサ４０の出力に応じて決定される。
【００４８】
マスタ制御ユニット６０は数式２及び数式３の結果に応じてｅ１ｘ及びｅ１ｙと表記する固定子のＥＭＦの直交成分を次式のように決定するよう更に動作する。
【数４】
2012533271.tif 000006
ここでｒ１は固定子の抵抗である。マスタ制御ユニット６０は数式４の結果に応じて、Ψ２ｘ及びΨ２ｙと表記するロータの鎖交磁束ベクトルの直交成分を次式のように推定するよう更に動作する。
【数５】
2012533271.tif 000007
好ましくは、マスタ制御ユニット６０は数式５の結果に応じて、Ψ２と表記するロータの鎖交磁束ベクトルを次式のように推定するよう更に動作する。
【数６】
2012533271.tif 000008
又、好ましくは、マスタ制御ユニット６０は数式２及び数式５の結果に応じて、ＴＥと表記する電動機電磁トルクを次式のように決定するよう更に動作する。
【数７】
2012533271.tif 000009
【００４９】
マスタ制御ユニット６０は数式２に応じてi（上付線）と表記する固定子電流を決定するよう、次式のようにさらに好ましく動作する。
【数８】
2012533271.tif 000010
及び数式４に応じてＥと表記する固定子の内部ＥＭＦベクトルを決定するように次式のようにさらに好ましく動作する。
【数９】
2012533271.tif 000011
【００５０】
マスタ制御ユニット６０は数式６及び数式８の結果に応じてｅ２と表記する電動機のロータのＥＭＦベクトルを決定するよう、さらに好ましく次式のように動作する。
【数１０】
2012533271.tif 000012
ここでμは固定子及びロータの巻線間の電磁結合指数を表し、「Ｘ１」は固定子の巻線の誘導性インピーダンスを表し、μとＸ１の両方は目標電動機の固定定数として入力される。
【００５１】
マスタ制御ユニット６０は数式１０に応じてωと表記するロータの回転数を決定するよう、さらに好ましく次式のように動作する。
【数１１】
2012533271.tif 000013
ここで、Ｚはｅ（上付線）２のレンジをωのレンジに換算するために選ばれる電動機固有の換算係数である。このようにロータの回転数ωは電圧センサ４０及び電流センサ５０の出力に応じて決定される。
【００５２】
別の実施例では、マスタ制御ユニット６０は数式７のＴＥと、Ｔｓと表記する電動機の静負荷トルクとの差を決定するよう、さらに好ましく次式のように動作する。
【数１２】
2012533271.tif 000014
ここでＪはＧＤ２／４として決定される目標電動機の慣性モーメントであり、ここでＧＤ２はフライホィールモーメントとしても知られている。Ｇは電動機ロータの質量、Ｄはロータの平均（又は実効）直径、Ｔｓは目標電動機の静負荷トルクである。Ｔｓは範囲を逸脱することなく固定値、ロータの回転数からの線形及び二乗則関数の１つとなり得る。ロータの回転数ωは時間に対する関数として次式のようにさらに決定できる。
【数１３】
2012533271.tif 000015
【００５３】
マスタ制御ユニット６０はωｒｅｆと表記するロータの目標回転数を示す入力コマンドを受信するようにさらに動作する。一実施例では、目標電動機スピードの制御は数式１１及び数式１３の１つに応じたωとωｒｅｆの差に応じて維持される。ロータの回転数に応じる閉ループ制御は線形積文微分型（ＰＩＤ）コントローラ機能に応じた一実施例に使われる。好ましくは、固定子電流は予め定めたパラメータ内で、更に好ましくは線形積分微分型（ＰＩＤ）コントローラ機能に応じて、あるいは線形積分（ＰＩ）コントローラ機能に応じて更に維持される。
【００５４】
図２を参照して、代表的実施例に従いデルタ及びスター結線の１つをスイッチングすることにより省エネを実行するマスタ制御ユニット６０の動作を説明する。ステージ１０００において、図３に関連して後述するように、交流電動機３０は始動して設定する周波数に加速される。選択的ステージ１０１０において、半導体スイッチングユニット２０は、交流電動機３０を、特に三相ライン接続Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をデルタ結線に接続するように設定される。特に、サイリスタ２１、２２、２３、２４、２５及び２６は有効にされ、サイリスタ２７，２８及び２９は無効にされる。ステージ１０２０において、感知された電圧及び電流の値が入力され、数式１に応じて選択的に第３相値が決定される。
【００５５】
選択的ステージ１０３０において、数式２〜数式１３に関連して上記するように、ステージ１０１０の入力値に応じて目標電動機の電磁トルク及びロータの回転数の少なくとも１つが決定される。
【００５６】
ステージ１０４０において、サイリスタ２１、２２、２３、２４、２５及び２６が選択的サイクロコンバータ機能７０及び位相制御機能８０の選択された１つに応じて有効にされ、無効にされる。予め定めた公称レンジ内の回転数に対しては位相制御機能８０が好適であり、大幅に該レンジを外れる、即ち、１つの限定されない実施例において公称回転数の約８０％より低く、大幅に公称回転数を下回る回転数に対して、適切な機能の選択はＴ*と表記する相対トルクに次式のように応じる。
【数１４】
2012533271.tif 000016
ここでＴｎは公称静負荷トルクとして定義され、次式のようにニュートン／メートルで決定することができる。
【数１５】
2012533271.tif 000017
Ｔ*が低い場合、選択的サイクロコンバータ機能７０が好適となり、Ｔ*が高い場合、位相制御機能８０が好適となる。高いか低いかの正確な定義は実際の電動機の条件で変わり、様々の条件に対し測定された省エネの程度に基づいて設定できる。１つの限定されない実施例では、低Ｔ*の用語は約０．５より低いものとして定義される。
【００５７】
交流電動機３０の回転数を低減すること、及び交流電動機３０を逆回転させることは選択的サイクロコンバータ機能７０を介して好適に実施される。交流電動機３０を制動することは選択的サイクロコンバータ機能７０により、具体的には第３巻線３５からの電力をブロックするとともに同時に２つの巻線３５に対し相電圧でパルスを発することにより実行される。別の実施例では、電動機３０を制動することは選択的サイクロコンバータ機能７０に応じて回転数を低減することにより実行され、回生制動をもたらす。
【００５８】
選択的サイクロコンバータ機能７０は、一の実施例において、ＦＬと表記される回線周波数とは異なる、ＦＳと表記される第２の周波数を生成するように動作する。半導体スイッチングユニット２０の稼働サイリスタの動作は、スターあるいはデルタ結線のいずれにおいても、第２周波数ＦＳに応じる。結果として得られる波形は：ＦＬ−ＦＳの周波数を示す。結果として得られる波形のタイミングを設定することにより、相のタイミングは逆関係を示すことができ、それによって交流電動機３０の逆作動を得ることができる。
【００５９】
ステージ１０５０では、スター結線が可能であることを確認するために交流電動機３０の結線がチェックされる。好ましくは、初期結線ステージの一部として結線情報はマスタ制御ユニット６０に入力される。スター結線が可能でない場合、ステージ１０４０が実行される。
【００６０】
ステージ１０５０でスター結線が可能の場合は、ステージ１０６０で回転数が予め定めた公称回転数の範囲内であることを確認するために電動機の回転数がチェックされる。回転数の範囲は数式１６に関連して以下に説明するように、一実施例においては決められたスリップに応じて決定される。さらにステージ１０２０の電流の感知値、及び選択的に決定された第３相値の１つ、及びステージ１０３０の目標電動機の定められた静負荷トルクがデルタ結線及びスター結線の１つを設定するのに適した第１公称静負荷トルク値と比較される。代表的な実施例では、図６Ａ〜６Ｃに関連してさらに以下に記載するように、約６０％に等しいかそれを超える静負荷トルクがスター結線のエネルギー消費低減を示している。
【００６１】
比較される感知値がデルタ結線及びスター結線の一方を設定するのに適切な公称値の第１の予め定められた範囲内である場合、ステージ１０７０で半導体スイッチングユニット２０がスター結線に設定される。具体的には、サイリスタ２１、２２、２３、２４、２５及び２６が無効にされ、サイリスタ２７、２８及び２９が有効にされる。選択的ステージ１０８０において、位相制御機能８０が有効にされ、位相制御機能８０に応じてサイリスタ２７、２８及び２９が有効にされ、無効にされる。
【００６２】
ステージ１０９０では、ステージ１０２０の電流の感知値、及び選択的に決定された第３相値の１つ、及びステージ１０３０の目標電動機の定められた静負荷トルクがデルタ結線及びスター結線の１つを設定するのに適した第２公称静負荷トルク値と比較される。代表的な実施例では、第２公称電磁トルク値は必要なヒステリシスを設けるように第１公称電磁トルク値と十分に異ならせて選択される。デルタ結線及びスター結線の１つを設定するのに適した公称値の第２の予め定めた範囲外に比較される感知値がある場合は、ステージ１１００において半導体スイッチングユニット２０はデルタ結線に設定され、ステージ１０４０が再度実行される。ステージ１０９０においてデルタ結線及びスター結線の１つを設定するのに適した公称値の第２の予め定めた範囲内に比較される感知値がある場合は、選択的ステージ１０８０が実行される。電動機の回転数が、もはや公称回転数の予め定めた範囲に入らないように変化する場合は、ステージ１１００が実行される。
【００６３】
図３は代表的実施例に従い交流電動機３０を始動するための、マスタ制御ユニット６０の動作の高水準のフローチャートを表している。ステージ２０００において、マスタ制御ユニット６０によりコマンドが受信され、交流電動機３０を始動する。一実施例において、目標スピードが入力され、マスタ制御ユニット６０が作動し、マスタ制御ユニット６０の状態機械のステータスあるいは電流センサ５０によって検知される交流電動機３０を流れる電流の欠如に応じて、交流電動機３０が動作条件に無いことを検知する。選択的に、もし交流電動機３０の結線が、初期結線設定により示されるような結線を許すならば、半導体スイッチングユニット２０はデルタ結線に設定される
【００６４】
ステージ２０１０では、マスタ制御ユニット６０は位相制御機能８０を通常２０°〜３０°の範囲の低電力での運転が可能となるように動作する。より詳細には三相Ｌ１、Ｌ２及びＬ３のそれぞれに対して交流電力の最初の２０°〜３０°のみがスイッチング制御ユニットの作動サイリスタを通過する。用語２０°〜３０°はさらに以下に述べるように、αと表記する導通角を示している。ステージ２０００に関連して上記するように代表的実施例においては、始動はデルタ結線で遂行され、従って上記のようにサイリスタ２１〜２６が作動し、サイリスタ２７〜２９は無効にされる。
【００６５】
ステージ２０２０では、マスタ制御ユニット６０は位相制御機能８０を無効にし、選択的サイクロコンバータ機能７０を有効にする。ステージ２０３０ではサイクロコンバータ機能８０が設定され、マスタ制御ユニット６０に応じて予め定めた回転で交流電動機３０を駆動する。一実施例において、図示のように予め定めた回転は公称回転速度の１０％である。しかしこれに限定されるものではない。代表的実施例において、目標回転速度が検知されるまで、好ましくは上記数式１１及び数式１３に応じて開ループで動作する。
【００６６】
ステージ２０４０では、選択的サイクロコンバータ機能７０はマスタ制御ユニット６０に応じて閉ループ動作に設定される。ステージ２０５０では、マスタ制御ユニット６０は所望する目標回転数に向けて緩やかに目標回転数を調整することにより、交流電動機３０の回転速度を増加させるよう動作する。選択的サイクロコンバータ機能７０は、上記のように、数式１１又は数式１３の１つに応じ、ωとωｒｅｆの差に応じて交流電動機３０の回転速度を制御するように動作する。このように、緩やかに目標回転数を増加することで緩やかに交流電動機３０の回転数を増加させる。一実施例において、目標回転数は緩やかに線形に増加し、別の実施例では、目標回転数は除々に非線形に増加する。好ましくは、線形、非線形の増加の選択は、初期結線負荷パラメータに応じる。一実施例では、固定、線形、及び二乗則静負荷トルク、Ｔｓの内の１つの選択が行われ、線形又は非線形の増加の選択がそれに対応する。
【００６７】
ステージ２０６０では、回転数はステージ２０２０の設定する予め定めた回転と比較され、該回転数が設定した、あるいは目標の値に到達したかどうかの決定がなされる。回転数が該設定値に達する場合、ステージ２０７０ではマスタ制御ユニット６０は相対トルク，Ｔ*又は相対電流Ｉ*、及び回転数ωに応じて、選択的サイクロコンバータ機能７０及び位相制御機能８０の１つを有効にする。ここで、Ｉ*は図４に関して更に記載するように、公称電流により分割された各巻線を通る電流として各相毎に定義される。ステージ２０６０において回転数が公称動作値に達しない場合、上記のステージ２０５０が維持される。
【００６８】
図４は定常状態の動作において、交流電流モードコントローラ１０の動作の高水準フローチャートを表している。ステージ３０００では、マスタ制御ユニット６０は、ステージ２０７０及び１０４０に関して上記するように、選択的サイクロコンバータ機能７０及び位相制御機能８０の１つに応じて半導体スイッチングユニット２０を制御する。
【００６９】
ステージ３０１０において、マスタ制御ユニット６０は望ましい発射角度を決定し、上記数式１４及び下記の数式２２にそれぞれ関連して記載するように、相対トルク、Ｔ*及び負荷角度の１つに応じて、エネルギー消費を低減する。発射角度αは作動サイリスタが電流を通す時間として定義され、導通角としても知られている。導通角αが減少すると各巻線３５を通した実効ＲＭＳ電圧の減少をもたらし、導通角が増加すると各巻線３５を通した実効ＲＭＳ電圧を公称ＲＭＳ線間電圧まで増加させる。導通角は好ましくは、以下に記載する２つの省エネモードの内の１つに従って閉ループ態様で決定される。
【００７０】
具体的には、２つの省エネモードの１つが選択され、第１の省エネモードは負荷角度に応じ、第２の省エネモードは相対トルク及び相対電流に応じる。代表的実施例において、省エネモードの選択はユーザが選択できる条件にあり、試行中の省エネ実績に基づいて選択される。
【００７１】
第１の省エネモードにおいて、導通角は好ましくは、上記数式９及び下記の数式２０に従い、ＥとＩ１間の角度に応じて決定される。具体的には、該角度は予め定めた範囲内に維持され、導通角はＥとＩ１間の角度をプリセットポイントへもって行くように設定される。代表的実施例では、ＥとＩ１間の角度は試行による省エネの経験に基づいて選択された最適ポイントで２０°と３０°の間に維持される。
【００７２】
第２省エネモードにおいて、導通角は図５に関して更に記載するように、相対トルクに応じて決定される。図５は複数の相対トルクにおける代表的交流電動機３０の相対電流対相対電圧のチャートであり、その中で、Ｘ軸は単相の相対電圧を表し、Ｙ軸はＸ軸の相の巻線を通る相対電流を表す。計算はここでは単層に関して記載するが、相電圧とその各電流の組合せが範囲を逸脱することなく、利用できる。相対電圧はＵ*と表記されＵ１／Ｕ１ｎとして決定される。即ち、特定の巻線３５を通した電圧がその特定の巻線３５を通した公称電圧と比較される。相対電流はＩ*と表記されＩ１／Ｉ１ｎとして決定される。即ち、特定の巻線３５を通る電流がその特定の巻線３５を通る公称電流と比較される。公称相電圧及び相電流は電動機データシートに見出すことができる。Ｕ１及びＩ１は以下にさらに説明する。
【００７３】
複数の曲線が描かれ、それぞれが特定の相対トルク値Ｔ*を表わしている。特に、電流対電圧の作用が０．２のＴ*、０．４のＴ*、０．６のＴ*及び０．８のＴ*に対して表わされている。曲線は線形ではなく、表示される相対トルクにおいて交流電動機３０の最小電力使用を表すクリアな最小値を示している。様々の最小値のポイントを結ぶ曲線５００が示されている。このように導通角αは電圧及び結果として得られる電流を、決定された相対トルクＴ*に応じて最小に保つように制御される。
【００７４】
具体的には、図５で表わされる適当な数値は一実施例では以下のように決定される。ｓと表記する電動機スリップは次式のように決定される。
【数１６】
2012533271.tif 000018
ここでωs角同期速度で、好ましくはラジアン／秒で表わされる。整合のため、数式１１及び数式１３に関して上記に記載するωは同様にラジアン／秒で示される。ＴEは好ましくは次式で決定される。
【数１７】
2012533271.tif 000019
これで数式７と同じ値が得られ、好ましくはニュートン／メートルで表わされる。数式１７は、より簡単に閉ループを作ることができるので、好んで使われる。
定常状態では、
【数１８】
2012533271.tif 000020
数式１７を説明する上で、Ｕ１は固定子の相電圧であり、Ｒ１及びＸ１はそれぞれ固定子巻線の相毎の抵抗と誘導インピーダンスを表し、Ｒ２及びＸ２は固定子巻線に反射するロ−タ巻線の相毎の抵抗及び漏れリアクタンスをそれぞれ表している。上記１２で表わすロータ電流は次式により決定する：
【数１９】
2012533271.tif 000021
好ましくはアンペアで表わす固定子の相電流ベクトル、Ｉ１は次式のように決定される。
【数２０】
2012533271.tif 000022
数式２０で表わされるＩμは電動機の磁化電流であり、好ましくはオームで表わされ、次式で決定される。
【数２１】
2012533271.tif 000023
ここでＸμは電動機の磁化リアクタンスである。好ましくは、各Ｒ１、Ｒ２、Ｘ１、Ｘ２及びＸμはオームで表わされる。
【００７５】
好ましくは、負荷角度が更に決定され、負荷角度は固定子のＥＭＦと固定子電流間の角度の直交成分として定義され、負荷角度は次式で示すようにθと表記される。
【数２２】
2012533271.tif 000024
用語、ｅ１ｙ，μ，Ｘ１及びｉ１ｙはそれぞれ数式２、４及び１０に関連して上記のように記載される。上記は負荷角度の唯一の直交成分が決定される実施例に記載されるが、これに限定されるものではなく、範囲を逸脱することなく両方の直交成分が決定されても良い。
【００７６】
このように、数式１６〜数式２２を使って、Ｔ*の値を動的に決定でき、導通角はＴ*に応じて電力使用を最小化するように調整することができる。
【００７７】
ステージ３０２０において、マスタ制御ユニット６０への入力は回転数の変化が望まれているかどうか決定するためにチェックされる。回転数の変化が望まれている場合、ステージ３０３０でマスタ制御ユニット６０は位相制御機能８０を無効にし、選択的サイクロコンバータ機能７０を有効にする。ステージ３０４０では、マスタ制御ユニット６０は回転数及び感知電流に応じて閉ループの交流電動機３０の回転を制御する。具体的には、上記のように、感知電流は予め定めたパラメータの範囲に維持される一方、回転数に基づいてループを閉じる。一具体的実施例では、感知電流は公称電流を超えないように制限される。
【００７８】
ステージ３０５０において、交流電動機３０の回転数はステージ３０２０で受信するとき設定回転数と比較される。交流電動機３０の回転数が設定回転数に達すると、上記のステージ３０００が実行される。ステージ３０５０で回転数が設定回転数と等しくならなければ、ステージ３０４０が再度実行される。
【００７９】
ステージ３０２０で回転数の変更が望まれなければ上記のステージ３０１０が維持される。
【００８０】
図６Ａ〜６Ｃは、ここでは公称トルクのパーセントで定義されるトルクファクタの機能として、スター及びデルタ結線の切り換えを制御する効果を表す。数式１８に関して上記するように、定常状態の動作において、電磁トルクは静負荷トルクに等しい。
【００８１】
図６Ａは電磁トルクファクタの範囲に亘って、デルタ結線及びスター結線の１つにおいて目標電動機の効率を示すグラフを表し、Ｘ軸は公称電磁トルクのパーセントをＹ軸は正規化された電動機効率を表している。曲線２００はデルタ結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の効率を表し、曲線２１０はスター結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の効率を表している。デルタ結線で接続される場合、５０％を超える電磁トルクファクタにおいて交流電動機３０は高い効率を示す一方、スター結線で接続される場合には、５０％以下の電磁トルクファクタに対して交流電動機３０は高い効率を示す。
【００８２】
図６Ｂは電磁トルクファクタの範囲に亘るデルタ結線及びスター結線の１つにおける目標電動機の力率を示すグラフを表し、Ｘ軸は公称電磁トルクのパーセントを表し、Ｙ軸はＣＯＳφとしても知られる正規化された力率を表す。曲線２３０はデルタ結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の力率を表し、曲線２４０はスター結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の力率を表している。スター結線は２０％乃至約８０％の電磁トルクファクタに対しスター結線を維持することにより８０％以上の力率を維持する一方、デルタ結線は８０％を超えるトルクファクタに対してのみ８０％を超える力率を提供する。
【００８３】
図６Ｃは電磁トルクファクタの範囲に亘るデルタ結線及びスター結線の１つにおける目標電動機の消費電流を示すグラフを表し、Ｘ軸は公称電磁トルクのパーセントを表し、Ｙ軸は正規化された消費電流対公称消費電流を表す。曲線２６０はデルタ結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の正規化された消費電流を表し、曲線２７０はスター結線に接続された場合の電磁トルクファクタの範囲に亘る交流電動機３０の正規化された消費電流を表している。スター結線の正規化された消費電流は約８０％より低いトルクファクタに対するデルタ結線の消費電流よりも低く、トルクファクタの増加に対しデルタ結線は正規化された電流消費の減少を示す。
【００８４】
図７は全ての点で図１Ａのシステムに類似するシステムの高水準概略図を表し、さらに各線位相に対しチョーク３００及びキャパシタ３１０で構成する受動フィルタを示す。具体的には、各チョーク３００が各Ｌ１、Ｌ２及びＬ３と各電圧センサ４０の入力側との間に挿入され、各巻線３５の第１端部への接続路を表し、各キャパシタ３１０は各電圧センサ４０の入力側と各巻線３５の第２端部との間に接続される。
【００８５】
チョーク３００とキャパシタ３１０の組合せは公称値より低い回転数で動作する間、電動機効率を増加させるためのフィルタとして機能する。具体的には、チョーク３００とキャパシタ３１０の組合せは各サイリスタが遮断されている時間、固定子巻線の電流連続性を確実にするように機能する。チョーク３００の値は各キャパシタ３１０に対する充電電流を許容レベルに制限するように選択される。キャパシタ３１０の値は交流電動機３０のパラメータに応じて選択される。一具体的実施例では、各キャパシタ３１０の値は約１／（ω2＊Ｌ）となり、ここでＬは固定子巻線インダクタンスである。
【００８６】
上記は交流電動機コントローラ１０が各半導体スイッチングユニット２０及び各電動機３０に設けられる実施例に記載されるが、これに限定されるものではない。図８はそれぞれ半導体スイッチングユニット２０を備えた複数の交流電動機３０が単一の交流電動機コントローラ１０により制御されるマルチ電動機の実施例の高水準ブロック図を表す。そのような実施例は様々な電動機で同期をとるのに有利である。一具体的実施例において、大規模工場での種々の電動機の遮断及び始動が省エネを達成するために単一の交流電動機コントローラ１０の動作で同期化される。
【００８７】
図９は、電流に応じて目標交流電動機をスター及びデルタ結線の１つに交互に接続する、図１Ａに示す交流電動機コントローラのマスタ制御ユニット６０の動作の代表的実施例を示す高水準フローチャートを表している。一具体的実施例では、図９の方法は、選択的サイクロコンバータ機能７０が提供されず、交流電動機コントローラ１０により可変周波数電圧を伝送する必要が無い場合に実行される。一具体的実施例では、交流電動機コントローラ１０は可変周波数コンバータの出力に接続されて設けられ、従ってＬ１、Ｌ２及びＬ３の駆動周波数は可変周波数コンバータによって変化し、従って交流電動機コントローラ１０は選択的サイクロコンバータ機能７０を必要とすることなく利用できる。
【００８８】
ステージ４０００において、最大始動時間、及び選択的に最大許容電流値がロードされる。一実施例では、最大許容電流値は公称電流の２倍等、交流電動機３０の公称電流の倍数となる。ステージ４０１０において、半導体スイッチングユニット２０のようなスイッチングユニットは交流電動機３０をスター結線に配線するように設定される。交流電動機３０はマスタ制御ユニット６０のための目標交流電動機である。
【００８９】
ステージ４０２０において、交流電動機３０の少なくとも２つの巻線を流れる電流が好ましくは電流センサ５０を介してモニタされる。ステージ４０３０において、ステージ４０２０のモニタされる電流に応じて、ステージ４０００の最大始動時間の満了前に交流電動機３０の始動が成功したかが決定される。具体的には、交流電動機３０の始動の成功は交流電動機３０の公称電流の近辺あるいはそれより低い値に達する下降電流によって特徴づけられる。
【００９０】
ステージ４０３０において交流電動機３０の始動が最大始動時間の満了前に検知される場合、ステージ４０４０において交流電動機３０の少なくとも２つの巻線を流れる電流がモニタされる。数式１４に関して上記するように相対トルクの少なくとも１つは、あるいは数式２２に関して上記するように交流電動機３０の負荷角度は、モニタされる電流に応じて、選択的に決定される。
【００９１】
ステージ４０５０において、ステージ４０４０のモニタされる電流の予め定めた条件に応じて、交流電動機３０はスター結線とデルタ結線の１つに交互に接続される。スター及びデルタ結線の１つへの接続は、ステージ４０４０のモニタされる電流の実際の電流の決定された条件に応ずる、動的な継続中のプロセスである。結線の切り換えが予め定めた条件値の周辺で繰り返されることを避けるために、好ましくは予め定めた条件にヒステリシスが加えられる。選択的に、決定された相対トルク及び負荷角度の１つが予め定めた条件と比較され、スター又はデルタ結線への切り換えが決定された相対トルク及び負荷角度の１つに応じて決定される。
【００９２】
ステージ４０６０において、交流電動機３０がデルタ結線に接続される場合、図４に関して上記するように、半導体スイッチングユニット２０の構成要素の半導体スイッチの導通角はステージ４０４０のモニタされる電流に応じて変調されエネルギー消費を低減する。導通角は決定された相対トルク及び負荷角度の１つ応じて選択的に決定される。
【００９３】
ステージ４０３０において、交流電動機３０の始動が最大始動時間の満了前に検知されない場合、ステージ４１００で半導体スイッチングユニット２０のようなスイッチングユニットが交流電動機３０をデルタ結線に接続するように設定される。ステージ４１１０で、半導体スイッチングユニット２０の構成要素の半導体スイッチの導通角を変調する位相制御機能８０に応じて始動が実行され交流電動機３０に供給される実効電圧を増加させる。ステージ４０２０に関して上記するように、少なくとも２つの巻線を通る電流がモニタされ、予め定めた限度を超えないことを確実にする。予め定めた限度を超える場合は、実効電圧を一時的に低減することにより電流を低減する。このように始動パラメータを予め定めた限度より低く維持する。一具体的実施例では、ステージ４１１０の予め定めた限度は公称電流の３倍である。交流電動機３０の始動が達成された後、上記のようにステージ４０４０が実行される。
【００９４】
本発明の特定の特徴は明確化のために別々の実施例の説明の中に記載しているが、単一の実施例の中に一緒に設けても良い。それとは逆に、本発明の様々の特徴は簡略化のために単一の実施例の説明で記載するが、別々の実施例で設けても良いし、適当なサブコンビネーションで設けても良い。
【００９５】
特別に定義されない限り、ここに使われる全ての技術的科学的用語は本発明が属する技術分野の当業者により共通に理解されるものと同じ意味を有している。ここで記載するものと類似又は同一の方法を本発明の実施や試験で用いることができるが、適切な方法がここに記載されている。
【００９６】
ここに述べる全ての出版物、特許出願、特許、及び他の資料はその全体が参照されて本願に組み込まれる。不一致がある場合、定義を含め本特許明細書が優先する。さらに、材料、方法、例は説明の目的で記載し、それらに限定することを意図しない。
【００９７】
本発明が具体的に上記に示し記載するものに限定されないことを当業者は理解されたい。むしろ、本発明の範囲は添付する請求範囲により決められ、上記の様々の特徴の組合せ及びサブコンビネーションの両方とともに、上記記載を読むことで当業者に想起されるその変形例、修正を含むものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2012533271.tif 000038
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