JP2005006466A

JP2005006466A - 駆動方法及び駆動システム並びにｐｗｍインバ−タ装置

Info

Publication number: JP2005006466A
Application number: JP2003169770A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Wada; 耕太郎和田; Norikazu Torii; 令和鳥居; Takamasa Tsuji; 孝誠辻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】ＰＷＭインバータと回転機から成る駆動システムにおいて、回転機起動時または定常運転中に他の回転数への変速時に、回転機軸受内に発生する軸受放電回数を低減し、軸受の電蝕を抑制する。
【解決手段】交流を直流に変換するコンバータ２３１とこのコンバータ２３１の出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力するＰＷＭインバータ２３２とから成るＰＷＭインバータ装置２３、および前記ＰＷＭインバータ２３２の出力を電源とし被駆動装置を駆動する回転機２２を備え、前記回転機２２の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タ２３２の出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タ２３２を制御する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＰＷＭインバ−タの出力を電源とする電動機により被駆動装置を駆動する駆動方法、及び駆動システム、並びに交流を直流に変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力しこの出力を電動機の電源とするＰＷＭインバータとを備えたＰＷＭインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭインバータ装置を利用したエワ−シャワ−装置や水中ポンプなどの所謂ＰＷＭインバータ装置とＰＷＭインバータ装置によって駆動される回転機とからなる駆動装置を使った製品においては、前記回転機の軸受に電蝕が生じる現象があり、当該電蝕により軸受が損傷する。従って、従来においては、このような電蝕による軸受の損傷を軽減あるいは防止するために、軸受を改善する提案がなされている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１２１１１５号公報（特許文献１）においては、誘導電動機の回転軸を固定するボ−ルベアリングのボ−ル或いはベアリング全体をセラミック（絶縁物）で形成し、回転軸とア−ス側とを絶縁することにより電蝕による軸受の損傷を防止している。
【０００４】
また、特開２００１−１０７８８７号公報（特許文献２）においては、軸受の回転部分と静止部分との間の空隙に導電グリ−スを充填し、モ−タの回転子とモ−タのフレームケースとを電気的に導通させ両者間の電位差を減少させ、電蝕による軸受の損傷を防止している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１２１１１５号公報（図１、段落番号００１６）
【特許文献２】
特開２００１−１０７８８７号公報（図１〜図６、段落番号０００８〜００１０）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１及び特許文献２のような機械的手段に依存した軸受の電蝕対策では次のような問題が生じる。即ち、特許文献１に記載のようなセラミックベアリングを使用する誘導電動機では、セラミックベアリングの値段が汎用の金属で構成されるベアリングに比べて数１０倍の値段となり、汎用電動機に適用する際には無視できない金額となる。また、特許文献２に記載のようなベアリングに封入するグリースとして導電性グリースを用いた誘導電動機では、グリース内にカーボンを混入することにより電気伝導性を持たせるために微小のカーボン粉がグリース内に存在するので、このカーボン粉により軸受内輪または外輪の起動輪側の機械的ストレスが増大し、却って軸受の寿命が減少する可能性がある。
【０００７】
この発明は、前述のような従来の実情に鑑みてなされたもので、観点を変え、電気的手段により軸受の電蝕を軽減することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る駆動方法は、ＰＷＭインバ−タの出力を電源とする電動機により被駆動装置を駆動する駆動方法において、前記電動機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度を小さくして前記電動機により前記駆動動装置を駆動するものである。
【０００９】
この発明に係る駆動システムは、交流を直流に変換するコンバータとこのコンバータの出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力するＰＷＭインバータとから成るＰＷＭインバータ装置、および前記ＰＷＭインバータの出力を電源とし被駆動装置を駆動する回転機を備え、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タを制御するものである。
【００１０】
この発明に係るＰＷＭインバータ装置は、交流を直流に変換するコンバータとこのコンバータの出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力しこの出力を回転機の電源とするＰＷＭインバータとを備えたＰＷＭインバータ装置において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タが制御されるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１は、前述の特許文献１及び特許文献２のような機械的手段に依存した軸受の電蝕対策とは観点を変え、電気的手段により軸受の電蝕を軽減する方策についての発明者等の研究に基づく実施の形態である。
【００１２】
以下、この発明の実施の形態１を、回転機が３相誘導電動機の場合の事例について、図１〜６に基づいて説明する。図１は回転機の回転軸に発生する軸電圧の発生原理を示す等価回路、図２は前記研究に基づく起動システムの構成の一例を示す図、図３は前記研究で見出された軸受部の放電回数と回転機の回転数と搬送波周波数との関係を示す線図、図４は前記研究で見出された軸受部の放電回数と回転機の運転状態との関係を示す線図、図５はＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を変えずに回転機を変速した場合の各部の波形の一例を示す図、図６は回転機起動時にＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を少なくした場合の各部の波形の一例を示す図である。
【００１３】
回転機の回転軸に発生する軸電圧の発生原理を示す等価回路（図１）において、ＰＷＭインバ−タによって駆動される３相誘導電動機の場合に原理的に生じる中性点電圧１１が、固定子巻線と接地電位のフレ−ムケ−スとの間にかかる。固定子巻線と接地電位のフレ−ムケ−スとの間には静電容量１２が存在する。同様に、固定子巻線と回転軸との間には静電容量１３が、回転軸の軸受部における回転軸とフレ−ムケ−スとの間には静電容量１４が、軸受部以外の部分における回転軸とフレ−ムケ−スとの間には静電容量１５が、それぞれ存在する。軸受部には、前記中性点電圧１１が、前記静電容量１３〜１５によって分圧された電圧が軸電圧１６としてかかる。
【００１４】
軸受部での放電は、前記軸電圧１６により、つまり前記中性点電圧１１に依存して、更にはＰＷＭインバ−タの出力電圧に依存して、軸受部の内輪と外輪との間に発生し、この放電は、図１の等価回路では、前記軸受部における回転軸とフレ−ムケ−スとの間の静電容量１４と並列を成す模擬スイッチがオンとなり、回転軸とフレ−ムケ−スとが軸受部を介して短絡する、つまり軸受部の内輪と外輪とに跨って放電電流が流れることを意味し、この軸受部の内輪と外輪とに跨って流れる放電電流が軸受部の電蝕を誘発する。
【００１５】
前述のように、軸電圧は模擬的には中性点電圧を分圧したものとなる。ここで、発明者等の研究に基づき更に詳細に言及すると、中性点電圧が変動すると軸電圧も同時刻で変動する。分圧比は電動機の形状や定格により異なるが、概ね約２０：１であり、２００Ｖインバータ−電動機システムでは電動機回転軸に最大約１５Ｖの軸電圧が発生する。軸電圧が軸受内部の内輪と起動輪間および起動輪と外輪間の間隙のグリ−ス油膜の絶縁破壊電圧を超過すると軸受内部に放電が生じ、定常状態に比べて大きな電流が流れる。この放電時のエネルギーにより軸受が損傷し、ついには動作不能に至るのが軸受電蝕現象である。前記軸受内部の絶縁破壊電圧は軸受内部のグリースの状態、使用している軸受の種類により異なるが数Ｖであり、同一の電動機においても、起動時および変速動作時と定速動作時で異なる。
【００１６】
また、誘導電動機の速度を変化させている時間では、軸受内部の状態が安定しておらず、軸受内部の絶縁破壊電圧が変動し、１０Ｖ以上になることがある。一方、速度を変化させていない定常運転状態での軸受内部の絶縁破壊電圧は安定しており、比較的低い絶縁破壊電圧となる。軸受の絶縁破壊電圧が低ければ、軸電圧の変動のたびに軸受内部に放電が生じるが、放電エネルギーが小さいために軸電蝕発生の可能性は殆どない。また、軸受の絶縁破壊電圧が電動機回転軸の軸電圧よりも高ければ、軸電圧変動時にも軸受内部に放電が発生せず、軸電蝕発生の可能性はない。しかし、軸受内部の絶縁破壊電圧が軸電圧の最大値を超えない程度に高い場合は放電エネルギーが大きくなり、軸受電蝕が発生する危険が大きくなる。
【００１７】
この点につき以下に更に詳しく説明する。
軸電蝕の原因となる放電エネルギーＥは、軸受内部の放電回数をｎ，放電発生時の軸電圧をＶ、軸電流をＩとすると、Ｅ∝ｎ×Ｖ×Ｉで表される。また、軸電流Ｉは軸電圧Ｖに比例するので、Ｉ∝Ｖと表される。これより、Ａを比例定数とすると、Ｅ＝Ａ×ｎ×Ｖ＾２と表され、軸受に与えるエネルギーは放電回数ｎおよび放電時の軸電圧Ｖの２乗に比例することになる。
【００１８】
電動機起動時および回転速度変化時には、軸受内部の絶縁破壊電圧が定速運転時と比較して安定しておらず、破壊電圧が大きくなることが多い。後述の図３は起動時および定速動作時に軸電流が或るしきい値を超える回数を測定した例を示したものであり、起動時には大きな軸電流が流れる回数が、定速動作時に比べて極めて多い。このため、エアシャワー装置などのように、比較的高頻度に速度変化を繰り返す用途に使用される電動機では、回転速度変化時に多数回発生する軸放電が電蝕の主要因となる。
【００１９】
発明者等は前述の回転機の回転軸に発生する軸電圧の発生原理を示す等価回路に基づき、軸受部の内輪と外輪とに跨って流れる放電電流が軸受部の電蝕を軽減する電気的手段による具体的方策の研究を、図２の起動システム（一例）を使用して行った。
【００２０】
この起動システム（一例）は、図２に示すように、商用周波電源２１を電源とし出力電圧により３相誘導電動機から成る回転機２２を起動するＰＷＭインバ−タの主回路２３と、このＰＷＭインバ−タの主回路２３へゲ−ト信号を供給するベ−スドライブ回路２４と、ＰＷＭ変調を司るマイコン２５とで構成されている。
【００２１】
前記ＰＷＭインバ−タの主回路２３は、コンバ−タ２３１と、このコンバ−タ出力を直流電源とし前記ベ−スドライブ回路２４によって制御されるＰＷＭインバ−タ２３２とで構成されている。
【００２２】
前記ＰＷＭ変調を司るマイコン２５は、ＰＷＭインバ−タ装置の起動指令および起動後の定速運転途中での変速指令２６により作動するタイマ２５１と、このタイマ２５１が作動すると当該タイマ２５１の時限時間Ｔ２５１の間だけその出力三角波周波数が低い周波数となる搬送波発生回路２５２と、変調波発生回路２５３と、前記搬送波発生回路２５２の三角波出力と前記変調波発生回路２５３の変調波出力とを入力し前記三角波と前記変調波とのクロスポイントで前記ベ−スドライブ回路２４へＰＷＭ制御信号を出力する比較器２５４とで構成されている。
【００２３】
前記ＰＷＭインバ−タの主回路２３は、前記ＰＷＭ変調を司るマイコン２５と前記ベ−スドライブ回路２４とによって、実効値と周波数とが可変な３相交流出力電圧を発生し、この３相交流出力電圧によって前記３相誘導電動機から成る回転機２２が起動され、定速運転され、変速運転される。
【００２４】
次に、図２の起動システム（一例）による各種試験により見出された事象を、図３及び図４により説明する。
【００２５】
図３における縦軸は軸受部の放電回数（例えば軸電流が或る値を超過した回数）（単位：ＰＵ）、同図の横軸はＰＷＭインバ−タ装置により制御される回転機（３相誘導電動機）の回転数（ｒｐｍ）である。
【００２６】
図３において、実線３１は、前記搬送波発生回路２５２の出力三角波周波数を定常運転時の５ｋＨｚのまま変えない場合、つまりＰＷＭ変調に依存するＰＷＭインバ−タ２３２の出力変動を変えない場合、の前記放電回数（単位：ＰＵ）と前記回転数（ｒｐｍ）との関係を示してある。
【００２７】
この実線３１から見られるように、回転数が低い程、放電回数は多い（現象１）。
【００２８】
一点鎖線３２は、前記搬送波発生回路２５２の出力三角波周波数を定常運転時の５ｋＨｚより下げて１ｋＨｚとした場合、つまりＰＷＭ変調に依存するＰＷＭインバ−タ２３２の出力変動の頻度を小さくした場合、の前記放電回数（単位：ＰＵ）と前記回転数（ｒｐｍ）との関係を示してある。この一点鎖線３２から見られるように、放電回数は、低回転数領域から高低回転数領域までの全域に亘って、定常運転時の５ｋＨｚの場合より少なくなり、特に、回転数が低い程、低下の度合いが大きい。
【００２９】
換言すれば、搬送波発生回路２５２の出力三角波周波数（ＰＷＭ変調に依存するＰＷＭインバ−タ２３２の出力電圧変動の頻度）を小さくすれば、放電回数は減少する（現象２）。
【００３０】
図４における左縦軸はＰＷＭインバ−タ装置により制御される回転機（３相誘導電動機）の回転数、同図の右縦軸は放電回数、同図の横軸は時間（ｔ）である。
【００３１】
図４において、実線４１は、前記回転機をＰＷＭインバ−タ装置による運転状態を示し、領域４１Ａは起動時の増速（変速）状態、領域４１Ｂは起動完了後の定速運転状態、領域４１Ｃは定速運転途中での増速（変速）状態、領域４１Ｄは増速（変速）完了後の定速運転状態、領域４１Ｅは増速（変速）完了後の定速運転途中での減速（変速）状態、領域４１Ｆは減速（変速）完了後の定速運転状態、を夫々示してある。
【００３２】
一点鎖線４２は、前記回転機（３相誘導電動機）の運転状態と前記各領域４１Ａ〜４１Ｆに対応する軸受部の放電状態との関係を示してあり、領域４２Ａは前記領域４１Ａに対応し、同様に、領域４２Ｂは前記領域４１Ｂに、領域４２Ｃは前記領域４１Ｃに、領域４２Ｄは前記領域４１Ｄに、領域４２Ｅは前記領域４１Ｅに、領域４２Ｆは前記領域４１Ｆに、対応している。この一点鎖線から見られるように、放電回数は、起動時の増速（変速）領域４１Ａ，４２Ａ、定速運転途中での増速（変速）領域４１Ｃ，４２Ｃ、及び定速運転途中での減速（変速）領域４１Ｅ，４２Ｅでは多く、定速運転領域４１Ｂ，４２Ｂ、４１Ｄ，４２Ｄ、及び４１Ｆ，４２Ｆでは少ない。
【００３３】
つまり、起動時や運転中の変速時等の変速時には、非変速時に比べ、放電回数が多い（現象３）。なお、同じ非変速領域、つまり同じ定速運転領域であっても、回転数が高い領域４１Ｄ，４２Ｄの方が、回転数が低い領域４１Ｂ，４２Ｂ、及び４１Ｆ，４２Ｆより、放電回数は若干少ない。
【００３４】
発明者等は、前述の現象１〜現象３を見出し、これら現象１〜現象３を考慮に入れて、従来とは観点を変え、電気的手段により軸受の電蝕を軽減することを目的として、本件出願の駆動方法及び駆動システム並びにＰＷＭインバ−タ装置の発明に至った。
【００３５】
次に、先ず、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を変えずに、具体的には前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を変えずに、回転機を増速（変速）する駆動方式の場合の各部の波形について図５により説明し、その後、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を小さくして、具体的には前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を低くして、回転機を起動（変速）する駆動方式の場合の各部の波形について図６により説明する。
【００３６】
図５において、（ａ）は横軸を時間軸とした図で、前記ＰＷＭインバータ２３２（図２）に時刻ｔ０に入力される誘導電動機の回転速度を変化させる指令２６と、ＰＷＭインバータ２３２（図２）の任意の一相の変調波２５３Ｗを示してある。
【００３７】
図５（ｂ）は横軸を時間軸とした図で、誘導電動機の回転速度を変化させる指令がインバータに入力される前の搬送波（三角波）、各相の変調波、各相のインバータ出力電圧、中性点電圧を拡大した波形を表しており、搬送波（三角波）２５２Ｗおよびｕ相，ｖ相，ｗ相の各相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００３８】
図５（ｃ）は横軸を時間軸とした図で、誘導電動機の回転速度を変化させる指令がインバータに入力された後の波形を表しており、搬送波（三角波）２５２Ｗおよびｕ相，ｖ相，ｗ相の各相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００３９】
図５（ｂ）および図５（ｃ）から分かるように、インバータ２３２（図２）に誘導電動機の回転速度を変化させる指令２６が入力される前（時刻ｔｘの前）、及び当該指令２６が入力され回転速度が変化している期間（時刻ｔｘ以降）、の何れの場合も、搬送波発生回路２５２（図２）の出力である三角波周波数は一定のままであり、結果としてインバータ２３２の出力電圧の変動頻度（ＰＷＭ変調に基づく変動頻度）、ひいては中性点電圧１１（図１）の変動頻度（ＰＷＭ変調に基づく変動頻度）が、回転速度変化時と定速運転時とで変わらずに一定である。
【００４０】
前述の図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示してあるように、誘導電動機の回転速度を変化させる指令２６が入力される前、及び当該指令２６が入力され回転速度が変化している期間、の何れの場合も、搬送波発生回路２５２（図２）の出力である三角波周波数は一定のままとし、インバータ２３２の出力電圧の変動頻度（ＰＷＭ変調に基づく変動頻度）、ひいては中性点電圧１１（図１）の変動頻度（ＰＷＭ変調に基づく変動頻度）が、回転速度変化時と定速運転時とで変わらずに一定である場合は、前述の図３における特性３１での運転となり、前述の図４の現象がそのまま生じ、回転速度が変化している期間は、前述の軸受部での放電回数が増加する。従って、長期間の間に回転速度の変化が繰り返されている間に、軸受部が前記放電による電蝕が進み、軸受部の損傷に至る。
【００４１】
次に、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を小さくして、具体的には前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を低くして、回転機を起動（変速）した場合の各部の波形について図６により説明する。
【００４２】
図６は誘導電動機の起動指令がインバータに入力されたときの制御方式を説明するための図でもある。
【００４３】
図６において、（ａ）は横軸を時間軸とした図で、前記ＰＷＭインバータ２３２（図２）に時刻ｔ０に入力される誘導電動機（図２の回転機２２）の起動指令２６と、ＰＷＭインバータ２３２の任意の一相の変調波２５３Ｗと、誘導電動機の起動指令２６（図２も参照）により時刻ｔ０で作動し時刻ｔ１で作動を終えるタイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１、とを示してある。尚、前記時刻ｔ１は、誘導電動機の起動を終え定速運転が始まる時点でもあり、このように誘導電動機の起動を終え定速運転が始まる時点ｔ１にタイマ２５１（図２）の作動が終わるようにタイマ２５１（図２）の時限を設定してある。
【００４４】
このタイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１は、前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を一時的に、起動後の定速運転時よりも小さくしてインバータを運転する期間であり、具体的には、時刻ｔ０で前記出力三角波周波数を一時的に、起動後の定速運転時よりも小さくし、時刻ｔ１で、起動後の定速運転時の出力三角波周波数に戻される。
【００４５】
図６（ｂ）は横軸を時間軸とした図で、誘導電動機の起動指令２６（図２）が時刻ｔ０でＰＷＭインバータ２３２（図２）に入力された後、時刻ｔ１に至る前の搬送波、各相の変調波、各相のインバータ出力電圧、中性点電圧の波形を拡大した波形を表しており、起動指令２６がＰＷＭインバータ２３２に入力された後、時刻ｔ１に至るまでの搬送波２５２Ｗ、およびｕ相、ｖ相、ｗ相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００４６】
図６（ｃ）は横軸を時間軸とした図で、誘導電動機の起動指令２６（図２）が時刻ｔ０で入力された後、タイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１を経過し、時刻ｔ１となって搬送波発生発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数が定速運転時の三角波周波数になった後の搬送波、変調波波形を拡大した波形を表しており、搬送波２５２Ｗ、およびｕ相、ｖ相、ｗ相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００４７】
誘導電動機（図２の回転機２２）の起動指令２６により、誘導電動機（図２の回転機２２）は時刻ｔ０時点の回転数０から徐々に回転数が上昇し、前記タイマ２５１の時限時間Ｔ２５１の終了時点ｔ１で定速運転に入り回転数が一定となるが、前記時刻ｔ０〜ｔ１間の時限時間Ｔ２５１の間は変速状態にある。従って、誘導電動機（図２の回転機２２）の軸受内部の絶縁破壊電圧が不安定で軸受部での放電回数が多い状況下にあるが、図６（ｂ）に示すように前記変速状態にある時刻ｔ０〜ｔ１間の時限時間Ｔ２５１の間は前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を一時的に、起動後の定速運転時（図６（ｃ））よりも小さくして起動運転するので、その間はＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図６（ｂ））の変動頻度は、起動終了後の定速運転の状態におけるＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図６（ｃ））の変動頻度より小さくなり、ひいては前記変速状態にある起動時の時刻ｔ０〜ｔ１間の時限時間Ｔ２５１の間は中性点電圧２３２ｎの変動頻度も、起動終了後の定速運転の状態における中性点電圧２３２ｎの変動頻度より小さくなっている。
【００４８】
なお、追加的に説明すると、起動時（変速時）に搬送波周波数を一時的に下げる図６（ｂ）を、変速時にも搬送波周波数を下げずに一定のままとする図５（ｂ）と比較すると分かるように、起動時（変速時）に搬送波周波数を一時的に下げる図６（ｂ）においては、インバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗの変動回数（変動頻度）が、変速時にも搬送波周波数を下げずに一定のままとする図５（ｂ）に比べて減少している。また、そのために、中性点電圧２３２ｎの変動回数（変動頻度）も低減している。インバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗの変動回数（変動頻度）の低減に伴って中性点電圧２３２ｎの変動回数（変動頻度）が変動するは、ｕ相、ｖ相、ｗ相のインバータ出力電圧をＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗとすると、中性点電圧Ｖｍは、
【数１】

で表されることからも明らかである。
【００４９】
前述の図６（ｂ）に示すように、ＰＷＭインバ−タ装置による回転機の起動時に、変速状態にある時刻ｔ０〜ｔ１間の時限時間Ｔ２５１の間は、前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を一時的に、起動後の定速運転時（図６（ｃ））よりも小さくして起動運転することにより、その間のＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図６（ｂ））の変動頻度は、起動終了後の定速運転の状態におけるＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図６（ｃ））の変動頻度より小さくなり、ひいては前記変速状態にある起動時の時刻ｔ０〜ｔ１間の時限時間Ｔ２５１の間は中性点電圧２３２ｎの変動頻度も、起動終了後の定速運転の状態における中性点電圧２３２ｎの変動頻度も小さくなる。即ち、軸受部にかかる軸電圧１６（図１）の変動頻度も小さくなり、軸受部の放電回数は減少し、軸受部の放電による軸受部の電蝕が抑制され、軸受部の損傷が抑制される。つまり、ＰＷＭインバ−タ起動の回転機の軸受部を、高価なセラミック製の軸受部とすることなく、ＰＷＭインバ−タ起動の回転機において軸受部電蝕対策として電気的な方策により、安価な一般的な通常の軸受部を使用した安価で寿命の長い回転機による起動方式、起動システムの実現に寄与できる。また、観点を変えれば、前述のような安価で寿命の長い回転機による起動方式、起動システムを実現するＰＷＭインバ−タ装置の実現に寄与できる。
【００５０】
なお、前述したように、回転速度変化時の放電エネルギーの低減のためには、放電回数を減らすことが対策となり、放電回数を減らすにはインバータの搬送波周波数を減じればよいが、現実には回転速度変化のない定常運転状態にある場合も含めて低搬送波周波数で運転すると、ＰＷＭインバ−タ装置により起動される回転機の場合は、回転機から発生する音が大きくなるので用途によっては適用が困難である場合がある。そこで、前述の図６に示す運転方式のように、定常運転状態（図６の時刻ｔ１以降の運転状態）は軸受の絶縁破壊電圧が低く安定しているために放電回数が増加しても問題とならないので高搬送波周波数で運転し、軸受内部の状態が不安定な速度変動時（図６のｔ０〜ｔ１までの起動運転時）の短時間のみを低搬送波数で運転することにより、騒音の問題を回避し、同時に大幅に軸受内部の放電エネルギーを低減することができる。
【００５１】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を、図７により説明する。図７は回転機起動後の定常運転状態において回転機の回転数を他の回転数へ変える場合に、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を少なくする場合の運転方式を、各部の波形の一例で示す図である。なお、図７において、前述の図６と同一または相当部分については、図６と同一符号を付し、図７についての説明は、説明内容を簡明化する為、前述の図６と同一機能、同一動作についての説明は、極力省略する。
【００５２】
図７において、（ａ）は横軸を時間軸とした図で、或る定常回転数で運転中の誘導電動機（図２の回転機２２）を他の回転数に変えるために前記ＰＷＭインバータ２３２（図２）に時刻ｔｘに入力される変速指令２６と、ＰＷＭインバータ２３２の任意の一相の変調波２５３Ｗと、誘導電動機の変速指令２６（図２も参照）により時刻ｔｘで回転速度が指令回転数に向けて変化し始め時刻ｔ２で指令回転数に至る時間、即ちタイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１、とを示してある。
【００５３】
このタイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１は、前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数（搬送波周波数）を一時的に、指令回転数に至り指令回転数での定常運転時よりも小さくしてインバータを運転する期間であり、具体的には、時刻ｔ０で前記出力三角波周波数を一時的に、指令回転数での定常運転時よりも小さくし、時刻ｔ２で、指令回転数での定常運転時の出力三角波周波数に戻される。
【００５４】
図７（ｂ）は横軸を時間軸とした図で、或る定常回転数で運転中の誘導電動機（図２の回転機２２）に対し他の回転数への変速指令２６（図２）が時刻ｔｘでＰＷＭインバータ２３２（図２）に入力される前の搬送波、各相の変調波、各相のインバータ出力電圧、中性点電圧の波形を拡大した波形を表しており、搬送波２５２Ｗ、およびｕ相、ｖ相、ｗ相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００５５】
図７（ｃ）は横軸を時間軸とした図で、或る定常回転数で運転中の誘導電動機（図２の回転機２２）に対し他の回転数への変速指令２６（図２）が時刻ｔｘでＰＷＭインバータ２３２（図２）に入力された後、時刻ｔ２に至る前の搬送波、各相の変調波、各相のインバータ出力電圧、中性点電圧の波形を拡大した波形を表しており、変速指令２６がＰＷＭインバータ２３２に入力された後、時刻ｔ２に至るまでの搬送波２５２Ｗ、およびｕ相、ｖ相、ｗ相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００５６】
図７（ｄ）は横軸を時間軸とした図で、誘導電動機の変速指令２６（図２）が時刻ｔｘで入力された後、タイマ２５１（図２）の時限時間Ｔ２５１を経過し、時刻ｔ２となって、搬送波発生発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数をｔ０前の定常運転時の三角波周波数に戻した後の搬送波、変調波波形を拡大した波形を表しており、搬送波２５２Ｗ、およびｕ相、ｖ相、ｗ相の変調波２５３ｕ，２５３ｖ，２５３ｗと、ｕ相，ｖ相，ｗ相のインバータ各相出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗおよび中性点電圧２３２ｎとを同じ時間軸で示してある。
【００５７】
或る定常回転数で運転中の誘導電動機（図２の回転機２２）の回転数を他の回転数へ変える変速指令２６により、誘導電動機（図２の回転機２２）は時刻ｔｘ時点の或る定常回転数から指令回転数に向けて徐々に上昇あるいは下降し、前記タイマ２５１の時限時間Ｔ２５１の終了時点ｔ２で指令回転数に至りその後回転数が指令回転数のまま一定となるが、前記時刻ｔｘ〜ｔ２間の時限時間Ｔ２５１の間は変速状態にある。従って、誘導電動機（図２の回転機２２）の軸受内部の絶縁破壊電圧は、前述の起動時と同様に不安定で軸受部での放電回数が多い状況下にあるが、図７（ｃ）に示してあるように、前記変速状態にある時刻ｔｘ〜ｔ２間の時限時間Ｔ２５１の間は前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を一時的に、変速開始の時刻ｔｘ前の定速運転時（図７（ｂ））よりも小さくして変速運転するので、その間はＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図７（ｃ））の変動頻度は、変速開始前の定常運転態及び他の回転数への指令回転数での定常運転の各状態におけるＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図７（ｂ）（ｄ））の変動頻度よりも小さくなり、ひいては前記変速状態にある時刻ｔｘ〜ｔ２間の時限時間Ｔ２５１の間は中性点電圧２３２ｎの変動頻度も、変速開始前および変速終了後の各定速運転状態における中性点電圧２３２ｎの変動頻度より小さくなっている。
【００５８】
前述の図７（ｃ）に示すように、ＰＷＭインバ−タ装置による回転機の或る定常状態から他の回転数への変速時に、変速状態にある時刻ｔｘ〜ｔ２間の時限時間Ｔ２５１の間は、前記搬送波発生回路２５２（図２）の出力三角波周波数を一時的に、変速開始前の定速運転時（図７（ｂ））及び変速終了後の定速運転時（図７（ｄ））よりも小さくして運転することにより、その間はＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図７（ｃ））の変動頻度は、変速開始前の定速運転時（図７（ｂ））及び変速終了後の定速運転時（図７（ｄ））のＰＷＭインバ−タ２３２（図２）の各相の出力電圧２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗ（図７（ｂ）（ｄ））の変動頻度より小さくなり、ひいては前記変速状態にある起動時の時刻ｔｘ〜ｔ２間の時限時間Ｔ２５１の間は中性点電圧２３２ｎの変動頻度も、変速開始前および変速終了後の各定速運転の状態における中性点電圧２３２ｎの変動頻度より小さくなる。即ち、軸受部にかかる軸電圧１６（図１）の変動頻度も小さくなり、軸受部の放電回数は減少し、軸受部の放電による軸受部の電蝕が抑制され、軸受部の損傷が抑制される。つまり、ＰＷＭインバ−タ起動の回転機の軸受部を、高価なセラミック製の軸受部とすることなく、ＰＷＭインバ−タ起動の回転機において軸受部電蝕対策として電気的な方策により、安価な一般的な通常の軸受部を使用した安価で寿命の長い回転機による起動方式、起動システムの実現に寄与できる。また、観点を変えれば、前述のような安価で寿命の長い回転機による起動方式、起動システムを実現するＰＷＭインバ−タ装置の実現に寄与できる。
【００５９】
実施の形態３．
前述のこの発明の実施の形態１においては図６に示すように回転機の起動時の変速時にＰＷＭインバ−タ装置の出力電圧の変動頻度を一時的に小さくして軸受部の電蝕を抑制する方式を例示し、前述のこの発明の実施の形態２においては図７に示すように定常運転中に他の回転数へ変える時にＰＷＭインバ−タ装置の出力電圧の変動頻度を一時的に小さくして軸受部の電蝕を抑制する方式を例示した。前述のこの発明の実施の形態１の方式は、起動後は回転数の変更がなされないが、長期間の間に起動停止が何度も行われるような用途の回転機の場合に適用し、前述のこの発明の実施の形態２の方式は、長期間の間に起動停止は何度も行われないが定常運転中に他の回転数へ変える変速運転が何度も行われるような用途の回転機の場合に適用して、それぞれの効果を奏する。一方、長期間の間に起動停止および定常運転中に他の回転数へ変える変速運転の何れもが何度も行われるような用途の回転機の場合は、前述のこの発明の実施の形態１の方式および前述のこの発明の実施の形態２の方式の双方を適用することで、軸受部の電蝕を抑制することができる。
【００６０】
なお、この場合は、ＰＷＭインバ−タ装置の出力電圧の変動頻度を一時的に小さくする時間を、起動時と定常運転中に他の回転数へ変える変速運転時とで異なる時間にした方が好ましい場合も場合があり、その場合は、前述の図２におけるタイマ２５１は、起動指令で作動し起動時間に対応する時限を有したタイマと、定常運転中に他の回転数へ変える変速運転時の変速指令で作動し変速動作時間に対応する時限を有したタイマと２種類のタイマ機能を設け、起動時と定常運転中に他の回転数へ変える変速運転時とでタイマ機能を使い分けるシステム或いはソフトにすることで対応できる。
【００６１】
前述のこの発明の実施の形態１〜３を総括すると、具体的には、従来の金属で構成される汎用ベアリングを使用し、グリースも従来の絶縁グリースを使用した誘導電動機を使用した際にも、ＰＷＭインバ−タを使用することで軸受の電蝕が危惧されるような用途であっても、軸受自体に電食対策を実施した誘導電動機に取り替えることなく、中性点電圧に起因する電食現象による軸受の破損寿命の長寿命化が図れる駆動方式を実現するため、パルス幅変調によって出力電圧の実効値および周波数が可変であり高搬送波周波数、具体的には、例えば搬送波周波数４ｋＨｚ以上で運転することが可能な三相ＰＷＭインバータと誘導電動機からなる駆動方式において、電動機の起動時または回転速度変化時にインバータに起動指令または速度変化指令が入力されてから数秒間にわたり搬送波周波数を低搬送波周波数とすることにより、電動機始動時または回転速度変化時の数秒間における中性点電位の変動回数を低減させる。この結果、中性点電位による静電誘導によって生じる回転軸の軸電圧の変動回数を低減させ、軸電圧が軸受に印加されることで発生する軸受放電回数を低減させる。この結果、軸受内部の放電による軸受の損傷を低減でき、電動機の長寿命化が達成される。
【００６２】
また、前述のこの発明の実施の形態１〜３を概念的に総括すると、３相交流により回転駆動する誘導電動機と、交流を直流に変換するコンバータ部とコンバータ部出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力する搬送波周波数４ｋＨｚ以上で運転することが可能な三相ＰＷＭインバータから成る駆動方式／駆動システムにおいて、電動機の回転速度をある速度から他の速度へ変化させる数秒間の搬送波周波数を定常時の搬送波周波数より小さな搬送波周波数で運転し、回転速度変化後、回転速度が安定した時点で搬送波周波数を定常時の搬送波周波数に上昇させるものであり、また、前記誘導電動機と、前記三相ＰＷＭインバータから成る駆動方式／駆動システムにおいて、電動機起動時の数秒間の搬送波周波数を定常時の搬送波周波数より小さな搬送波周波数で運転し、電動機起動後、回転速度が安定した時点で搬送波周波数を定常時の搬送波周波数に上昇させるものである。
【００６３】
また、換言すれば、交流を直流に変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力するＰＷＭインバータとから成るＰＷＭインバータ装置、および前記ＰＷＭインバータの出力により回転駆動され被駆動装置を駆動する電動機を備え、前記電動機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に前記ＰＷＭインバ−タの搬送波周波数を非変速運転時の前記搬送波周波数より小さな搬送波周波数で前記ＰＷＭインバータを作動させ、前記変速運転後の非変速運転時には前記搬送波周波数を非変速運転時の前記搬送波周波数に上昇させ前記ＰＷＭインバータを作動させて前記電動機により前記被駆動装置を駆動する駆動方法／駆動システムである。
【００６４】
また、前述のこの発明の実施の形態１〜３を更に上位概念で総括すると、ＰＷＭインバ−タの出力を電源とする回転機により被駆動装置を駆動する駆動方法において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度を小さくして前記回転機により前記被駆動装置を駆動する駆動方法であり、また、交流を直流に変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力するＰＷＭインバータとから成るＰＷＭインバータ装置、および前記ＰＷＭインバータの出力を電源とし被駆動装置を駆動する回転機を備え、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タを制御する起動システムであり、また、交流を直流に変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力しこの出力を回転機の電源とするＰＷＭインバータとを備えたＰＷＭインバータ装置において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タが制御されるＰＷＭインバータ装置である。
【００６５】
なお、前述のこの発明の実施の形態１〜３の何れにおいても、ＰＷＭインバータは、回転機の起動時または回転速度変化時における低減する搬送波周波数値および搬送波周波数値を低減する期間を任意に設定することは容易に可能であり、また、起動時、回転速度変化時、及びその両者の時点の少なくとも一に、搬送波周波数を低減する制御を適用するか否かを選択することが可能なようにシステム或いはソフトを構成することも容易に可能である。
【００６６】
また、前述の図２のタイマ２５１に代えて、回転数の微分値から求まる回転数変化率を利用して、所定値以上の変化率が続いている間、搬送波周波数値を低減する方式を採用しても、前述のタイマを使用した場合と同様な効果を奏する。
【００６７】
【発明の効果】
この発明は、前述のように、ＰＷＭインバ−タの出力を電源とする回転機により被駆動装置を駆動する駆動方法において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度を小さくして前記回転機により前記被駆動装置を駆動するので、回転機の軸受自体に電蝕対策を施さなくても軸受の電蝕を抑制できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す図で、回転機の回転軸に発生する軸電圧の発生原理を示す等価回路である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す図で、研究に基づく起動システムの構成の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す図で、研究で見出された軸受部の放電回数と回転機の回転数と搬送波周波数との関係を示す線図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す図で、研究で見出された軸受部の放電回数と回転機の運転状態との関係を示す線図である。
【図５】この発明の実施の形態１を示す図で、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を変えずに回転機を変速した場合の各部の波形の一例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１を示す図で、回転機起動時にＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を少なくした場合の各部の波形の一例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２を示す図で、回転機起動後の定常運転状態において回転機の回転数を他の回転数へ変える場合に、ＰＷＭ変調に基づくＰＷＭインバ−タ出力電圧の変動頻度を少なくする場合の運転方式を、各部の波形の一例で示す図である。
【符号の説明】
２２回転機、２３ＰＷＭインバ−タ装置、
２３１コンバ−タ、２３２ＰＷＭインバ−タ、
２３２ｕ，２３２ｖ，２３２ｗインバ−タ出力電圧。

Claims

ＰＷＭインバ−タの出力を電源とする回転機により被駆動装置を駆動する駆動方法において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度を小さくして前記回転機により前記被駆動装置を駆動する駆動方法。
交流を直流に変換するコンバータとこのコンバータの出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力するＰＷＭインバータとから成るＰＷＭインバータ装置、および前記ＰＷＭインバータの出力を電源とし被駆動装置を駆動する回転機を備え、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タを制御する駆動システム。
交流を直流に変換するコンバータとこのコンバータの出力をパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力しこの出力を回転機の電源とするＰＷＭインバータとを備えたＰＷＭインバータ装置において、前記回転機の回転速度を或る速度から他の速度へ変化させる変速運転時に、前記回転数の非変速運転時に比べ、前記ＰＷＭインバ−タの出力電圧の変動頻度が小さくなる方向に前記ＰＷＭインバ−タが制御されることを特徴とするＰＷＭインバータ装置。