(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を有する固定子と永久磁石を有する回転子とを備え交流電源により駆動される永久磁石同期電動機の制御装置において、
上記交流電源の電圧より小さい変動幅で加減する電圧を、上記電機子巻線に直列に印加することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御する電圧制御手段を備え、この電圧制御手段により上記電機子巻線に印加する電圧を制御することにより、上記交流電源側からみた電動機の力率を調整可能としたことを特徴とする永久磁石同期電動機制御装置。
【請求項２】
交流電源側に力率検出手段を備え、この力率検出値が所定の設定値となるよう、電圧制御手段により電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機制御装置。
【請求項３】
三相Ｙ結線の電機子巻線の中性点側に三相インバータの交流出力端子を挿入し、上記三相インバータの交流出力電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石同期電動機制御装置。
【請求項４】
交流電源と電機子巻線との間に挿入された第１の開閉手段、およびこの第１の開閉手段の負荷側端子と上記電機子巻線との間で三相を短絡する第２の開閉手段を備え、
上記第１の開閉手段を開、上記第２の開閉手段を閉とした状態で、三相インバータの交流出力の周波数、電圧を制御して電動機を始動し、始動動作が完了すると、上記第１の開閉手段を閉、上記第２の開閉手段を開とし、上記三相インバータの交流出力を交流電源の周波数でその電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期電動機制御装置。
【請求項５】
三相インバータの各相交流出力側を、複数のユニットで構成すると共にこれらユニットを直列または並列に接続切換する切換手段を備え、
周波数、電圧を制御して電動機を始動するときは上記ユニットを直列に接続し、交流電源の周波数でその電圧を制御して電動機の力率を調整するときは上記ユニットを並列に接続するようにしたことを特徴とする請求項４記載の永久磁石同期電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電機子巻線を有する固定子と永久磁石を有する回転子とを備え、交流電源により駆動される永久磁石同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平４−４７４１号公報、特開平４−９１６５１号公報に開示されているように、従来から、この種永久磁石同期電動機が各分野で適用されている。回転子に界磁巻線が不要で、回転子に銅損を発生することなく高効率で一定の回転速度が得られる利点がある。
そして、これら永久磁石同期電動機の始動を含む駆動動作は、インバータからの可変電圧可変周波数の交流電源によってなされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の永久磁石同期電動機はインバータによる駆動を前提としているので、当該インバータは永久磁石同期電動機の始動動作から定格負荷動作を達成するために必要な電圧、電流、周波数の変動範囲をカバーする容量を備えたものとしなくてはならず、大型高価になるという問題点があった。
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、高効率でかつ低価格で実現できる永久磁石同期電動機制御装置を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、交流電源の電圧より小さい変動幅で加減する電圧を、電機子巻線に直列に印加することにより、電機子巻線に印加する電圧を制御する電圧制御手段を備え、この電圧制御手段により上記電機子巻線に印加する電圧を制御することにより、上記交流電源側からみた電動機の力率を調整可能としたものである。
【０００５】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その交流電源側に力率検出手段を備え、この力率検出値が所定の設定値となるよう、電圧制御手段により電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたものである。
【０００６】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その三相Ｙ結線の電機子巻線の中性点側に三相インバータの交流出力端子を挿入し、上記三相インバータの交流出力電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたものである。
【０００７】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その交流電源と電機子巻線との間に挿入された第１の開閉手段、およびこの第１の開閉手段の負荷側端子と上記電機子巻線との間で三相を短絡する第２の開閉手段を備え、
上記第１の開閉手段を開、上記第２の開閉手段を閉とした状態で、三相インバータの交流出力の周波数、電圧を制御して電動機を始動し、始動動作が完了すると、上記第１の開閉手段を閉、上記第２の開閉手段を開とし、上記三相インバータの交流出力を交流電源の周波数でその電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたものである。
【０００８】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その三相インバータの各相交流出力側を、複数のユニットで構成すると共にこれらユニットを直列または並列に接続切換する切換手段を備え、
周波数、電圧を制御して電動機を始動するときは上記ユニットを直列に接続し、交流電源の周波数でその電圧を制御して電動機の力率を調整するときは上記ユニットを並列に接続するようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機およびその制御装置を示す回路構成図である。図において、１は三相商用周波数の交流電源である商用電源、２はこの商用電源１に第１の開閉手段としての三相の開閉器３を介して接続された三相Ｙ結線の電機子巻線、４はその三相交流出力端子が電機子巻線２の中性点側に接続された三相のインバータで、その詳細は後述する。
３Ａは開閉器３の開閉を操作する操作部、５は開閉器３の負荷側端子と電機子巻線２との間で三相を短絡する第２の開閉手段としての三相の開閉器、５Ａは開閉器５の開閉を操作する操作部である。
【００１０】
６は商用電源１の電圧を検出する電圧検出器、７は開閉器３の負荷側端子の電圧を検出する電圧検出器、８は電流検出器である。
９は運転モードスイッチ、１０は力率指令器、１１は電圧検出器７と電流検出器８との出力から力率を検出する力率検出手段としての力率検出器、１２は減算器、１３は各入力に基づきインバータ４を制御するとともに、開閉器３、５の操作部３Ａ、５Ａに開閉指令を送出する制御装置である。
【００１１】
図２は図１のインバータ４の詳細構成を示すもので、インバータ４に関係する部分を中心に開示し、他の部分は適宜省略して示している。図において、１４は商用電源１からインバータ４へ交流入力を供給する変圧器である。インバータ４は図に示すように、ここでは、各相が３つのインバータユニット４０、５０、６０で構成され、その交流出力側に設けられた、接点式または半導体スイッチを使用した切替スイッチ４１〜４４、５１〜５４、６１〜６４により、その交流出力は、各相毎に直列／並列に切り替え可能となっている。
【００１２】
図３は、図２の各インバータユニット４０、５０、６０の内部構成を示す図で、ここでは、スイッチング素子としてＩＧＢＴを採用し、ＰＷＭ制御により変圧器１４からの三相交流電圧を直流に変換するコンバータ部とこの直流を所定の周波数、電圧の交流電圧に変換するインバータ部とからなる。これ自体周知の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００１３】
ここで、動作の詳細説明に入る前に、本願発明になる永久磁石同期電動機制御装置の基本動作原理について図４を参照して説明する。
先ず、同図（ａ）に、永久磁石同期電動機の最も単純化した等価回路を示す。図において、各記号の意味は次の通りである。
ＶＭ：永久磁石の回転子が回転することにより生じる電圧で、回転数が一定ならば、ＶＭの大きさも一定となる
Ｘ：永久磁石同期電動機のリアクタンス
Ｉ：永久磁石同期電動機の電機子電流
ＩＸ：リアクタンスＸと電機子電流Ｉとの積で生じる電圧
Ｖ：永久磁石同期電動機の端子電圧
【００１４】
図４（ｂ）は、以上の各要素をベクトル図に表現したもので、ここでは、電機子電流Ｉは端子電圧Ｖに対して角度θ遅れているものとしている。
ところで、永久磁石同期電動機の電圧・電流特性を求めると、負荷の大きさをパラメータとして、図４（ｃ）に示すような傾向となり、それぞれの負荷において、電流が最小、従って力率が最良となる電圧が存在する。
【００１５】
この現象を図４（ｂ）のベクトル図で考えてみると、ベクトルＶＭ＋ベクトルＩＸ＝ベクトルＶ、そして、電圧ＶＭの大きさが一定という条件下で端子電圧Ｖの大きさを変化させると、ＩＸのベクトルとしての方向、大きさが従属的に変化し、端子電圧Ｖと電機子電流Ｉとの位相差θおよび電機子電流Ｉの大きさが変化する。
【００１６】
本願発明は、以上の現象に着目した中でなされたもので、交流電源電圧に、所定の変動幅の電圧を加減することにより電機子巻線に印加する電圧を制御することで、力率の改善を図り、電流が減少することで固定子の銅損を低減させ高効率運転を実現したものである。図４（ｃ）からも判るように、電流を最小とするために変化させるべき電圧の変動幅は交流電源電圧全体の値よりは十分小さい値でよく、例えば３０％程度の電圧変動幅で十分であり、この電圧を変動させる電圧制御手段の容量も小さいもので済む訳である。
【００１７】
次に、図１〜３に戻り、この発明になる永久磁石同期電動機制御装置の動作について説明する。なお、この実施の形態１は、上記の動作原理で説明した、力率調整のために電機子巻線電圧を所定範囲で制御するために採用するインバータ４を、電動機の始動時に流用することで、始動巻線の省略を可能としたものである。
【００１８】
以下、図５のタイミングチャートも参照して説明する。先ず、始動動作について説明する。運転モードスイッチ９を始動モードにすると、その指令を受けて制御装置１３は操作部３Ａ、５Ａに信号を送り、開閉器３を開、開閉器５を閉とする。即ち、商用電源１との接続を断つとともに電機子巻線２の三相入力側端子を短絡する。更に図示しない操作信号をインバータ４の切替スイッチ４１〜６４に送り、各インバータユニット４０、５０、６０の交流出力側を直列接続とする。
【００１９】
以上の回路接続条件のもとで、制御装置１３からインバータ４に制御信号を送り、インバータ４の出力を立ち上がらせ、その周波数、電圧を徐々に上げ、永久磁石同期電動機を停止状態から商用電源１で決まる同期速度まで回転数を上げる。回転数の上昇とともにインバータ４の電圧も上昇させる必要がある（図５の時間Ｔ０からＴ１）。
【００２０】
回転数は徐々に連続的に上昇させるので、電機子巻線２には大きな電流を流す必要がなく、インバータ４としては高電圧小電流（Ｖｓ、Ｉｓ）の定格でよい。即ち、インバータユニット４０等を各相ですべて直列接続している構成は、この高電圧小電流の交流出力を得るのに都合がよい訳である。
【００２１】
永久磁石同期電動機の回転数が定格値に達すると（図５の時間Ｔ１）、運転モードスイッチ９を運転モードに切り替え、これにより、開閉器５を開き、インバータ４の切替スイッチ４１等を操作してインバータユニット４０等を並列接続とする。電圧検出器７によって検出される電機子巻線２の電圧および位相と、電圧検出器６で検出される商用電源１の電圧および位相が、互いに所定の許容範囲内で一致したことを確認した状態で開閉器３を閉じ、電機子巻線２を商用電源１に接続する。その後、永久磁石同期電動機で駆動する負荷機械の運転を開始、例えば、粉砕機が負荷機械の場合は、被粉砕物を投入し定格負荷に至る（図５の時間Ｔ２）。
【００２２】
図５に示す例では、時間Ｔ２から定格負荷が続いた後、時間Ｔ３から負荷が減少している。この負荷減少に伴い、図４（ｃ）に示したように力率が変化する。力率検出器１１は電圧検出器７と電流検出器８との検出出力からこの力率の変化を検出する。そして、検出した力率値と力率指令器１０で設定された高力率値との偏差を減算器１２で求め、このフィードバック制御により制御装置１３はこの偏差が零となるよう、従って、力率が１に近づくようインバータ４の出力電圧を制御する。結果として、図５（ｄ）に示すように、時間Ｔ３以降、インバータ４は電機子巻線２の電圧を減少させる方向にその電圧を出力し、力率が上昇し、電機子巻線電流が減少する（図５（ｅ））。
即ち、常に高効率運転が実現する訳である。
【００２３】
この運転モードにおけるインバータ４の出力は、低電圧大電流（Ｖｐ、Ｉｐ）の定格となるが、このモードでは、インバータユニット４０等を各相ですべて並列接続しているので、支障はない。
即ち、この実施の形態１では、力率を制御して高効率運転が実現するとともに、このために必要となるインバータ４を複数のインバータユニットで構成し、高電圧、小電流の使用となる始動モードでは、これらインバータユニットを直列接続し、また、低電圧、大電流の使用となる運転モード（力率制御を行う）では、これらインバータユニットを並列接続するようにしたので、設備容量を最少限に留めた低価格のインバータを適用することができる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１では、インバータ４を永久磁石同期電動機の始動動作と運転モードにおける力率制御動作とに共用する構成としたが、永久磁石同期電動機の回転子に始動巻線が設けられている場合には、インバータを運転モード時の力率制御のためのみの仕様とすることができ、この場合は、切替スイッチ４１等は不要となりこの分構成が簡単になるとともに、インバータユニットの構成も必要な定格に応じた最適なものとすることができる。
もっとも、始動巻線が有り商用電源１で自己始動できるが、大きな始動電流を流したくない場合は、実施の形態１と同様の構成とすればよい。
【００２５】
また、実施の形態１では、インバータユニットを各相３個でこれを直並列に切り替える構成としたが、始動時に要求される電圧、電流仕様と、運転モードにおける力率制御時に要求される電圧、電流仕様とに応じて、各相２個、４個など種々の個数を選定してもよいことは勿論であり、その場合も上記で説明したと同等の効果を奏する。
【００２６】
更に、実施の形態１のインバータユニットは、変圧器１４を介して商用電源１から変圧絶縁して交流電力を導入し、図３に示したように、この三相交流を直流に変換するＩＧＢＴによるＰＷＭ変換器と、コンデンサによる直流リンク部と、直流から単相交流に変換するＩＧＢＴによるＰＷＭ変換器と、並列接続時のユニット間の短絡を防止するためのリアクトルとで構成しているが、直列接続と並列接続との両方で使用可能で、周波数と電圧を制御できる変換装置であれば、図３と異なる構成のものであってもよい。
また、インバータの入力は必ずしも商用電源１から導入せず、他の電源を使用するようにしてもよい。
【００２７】
更に、商用電源の電圧に、所定の変動幅の電圧を加減することにより電機子巻線に印加する電圧を制御する電圧制御手段としては、インバータに限られることはなく、例えば電圧変化手段を備えた変圧器で構成するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、交流電源の電圧より小さい変動幅で加減する電圧を、電機子巻線に直列に印加することにより、電機子巻線に印加する電圧を制御する電圧制御手段を備え、この電圧制御手段により上記電機子巻線に印加する電圧を制御することにより、上記交流電源側からみた電動機の力率を調整可能としたので、比較的小さい容量の電圧制御手段による力率調整が可能となり、高効率運転を経済的に実現することができる。
【００２９】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その交流電源側に力率検出手段を備え、この力率検出値が所定の設定値となるよう、電圧制御手段により電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたので、いわゆるフィードバック制御により常に高効率な運転動作が達成される。
【００３０】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その三相Ｙ結線の電機子巻線の中性点側に三相インバータの交流出力端子を挿入し、上記三相インバータの交流出力電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたので、力率調整のための電圧制御が円滑になされる。
【００３１】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その交流電源と電機子巻線との間に挿入された第１の開閉手段、およびこの第１の開閉手段の負荷側端子と上記電機子巻線との間で三相を短絡する第２の開閉手段を備え、
上記第１の開閉手段を開、上記第２の開閉手段を閉とした状態で、三相インバータの交流出力の周波数、電圧を制御して電動機を始動し、始動動作が完了すると、上記第１の開閉手段を閉、上記第２の開閉手段を開とし、上記三相インバータの交流出力を交流電源の周波数でその電圧を制御することにより、上記電機子巻線に印加する電圧を制御するようにしたので、同じ三相インバータを、電動機の始動時と力率調整のための電圧制御を行う運転時とに共用できるので、始動巻線を要することなく低コストによる高効率運転が可能となる。
【００３２】
また、この発明に係る永久磁石同期電動機制御装置は、その三相インバータの各相交流出力側を、複数のユニットで構成すると共にこれらユニットを直列または並列に接続切換する切換手段を備え、
周波数、電圧を制御して電動機を始動するときは上記ユニットを直列に接続し、交流電源の周波数でその電圧を制御して電動機の力率を調整するときは上記ユニットを並列に接続するようにしたので、三相インバータの実質的な容量を低減して経済性を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機およびその制御装置を示す回路構成図である。
【図２】  図１のインバータ４を中心にその詳細構成を示す図である。
【図３】  図２のインバータユニット４０等の内部構成を示す図である。
【図４】  本願発明の動作原理を説明するための図である。
【図５】  図１の永久磁石同期電動機制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  商用電源、２  電機子巻線、３，５  開閉器、４  インバータ、
６，７  電圧検出器、８  電流検出器、９  運転モードスイッチ、
１０  力率指令器、１１  力率検出器、１２  減算器、１３  制御装置、
４０，５０，６０  インバータユニット、４１〜６４  切替スイッチ。
【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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